ITVA20100096A1 - Mezzi di rotolamento di un dispositivo semovente e relativo dispositivo - Google Patents

Mezzi di rotolamento di un dispositivo semovente e relativo dispositivo Download PDF

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Description

CAMPO TECNICO
Questa invenzione concerne i dispositivi semoventi e più in particolare un nuovo mezzo di rotolamento dotato di una densa popolazione di fibrille in grado di aderire ad una superficie di rotolamento mediante forze di adesione di Van der Waals, e un relativo dispositivo semovente.
BACKGROUND
Il movimento di dispositivi micro e macroscopici semoventi, in particolare su superfici fortemente inclinate o addirittura verticali oppure in assenza di gravità, à ̈ oggetto di studi di robotica. Tali situazioni estreme richiedono che i dispositivi semoventi aderiscano alla superficie di rotolamento, in modo da impedirne lo slittamento o il distacco in caso di superfici verticali, evitando allo stesso tempo che esso resti bloccato sulla superficie.
Mezzi magnetici di adesione potrebbero essere realizzati se la superficie su cui si deve muovere il dispositivo semovente fosse metallica, ma sarebbero del tutto inutili per la fabbricazione di dispositivi destinati a muoversi si superfici di diversa natura.
Peraltro in natura, si osserva che i gechi riescono ad arrampicarsi su pareti di qualsiasi tipo di materiale e questa loro straordinaria capacità à ̈ fisicamente spiegata dalle forze intermolecolari di Van der Waals, che si generano tra le estremità dei peli dei gechi e superfici di appoggio in genere In particolare, ogni millimetro quadrato di pelle del polpastrello di un geco presenta migliaia di setole di cheratina (setae). Ogni setola ha un diametro di circa mezzo micrometro e si sfrangia in punta in centinaia di rami a mo’ di spatola (spatulae), ciascuno dei quali ha dimensione nell’ordine di qualche nanometro. L’adesione alle superfici à ̈ quindi dovuta alle forze intermolecolari di Van der Waals, cioà ̈ a debolissime forze di attrazione elettrostatica distribuite fra molecole e che, moltiplicate sulla vastissima superficie di contatto garantita dall’estrema finezza e ramificazione delle setole, determinano una grande forza adesiva.
Quando il geco vuole attaccarsi ad una superficie, appiattisce i polpastrelli in modo da ottenere la massima superficie di contatto delle setole. Per spostarsi, prima di sollevare la zampa inclina le dita in modo da modificare l’angolazione delle spatulae rispetto al piano d’appoggio In questo modo, la superficie di contatto fra le setole e il piano decresce fino ad un “livello critico†raggiunto il quale la forza di adesione cessa di colpo.
Studi condotti sul geco sono stati pubblicati nell’articolo dal titolo: “Nanotube Adhesive Sticks Better Than A Gecko's Foot†, ScienceDaily, June 20, 2007, disponibile sul sito www.sciencedaily.com/releases/2007/06/07619083554.htm, in cui i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute e dell’Universita` di Akron dichiarano di aver creato un potente nastro adesivo a base di nanotubi di carbonio, che sfrutta le forze di adesione tipiche delle setole dei gechi. Gli autori di questo articolo sostengono che il nastro si puo` attaccare e staccare su una grande varieta` di materiali, incluso il Teflonâ„¢ e ha capacità adesive fino a dieci volte superiori a quelle dei gechi stessi, capace di generare forze di coesione anisotrope, che variano cioà ̈ a seconda della direzione considerata. In particolare, la forza adesiva generata va da 10 N (quella che esiste in natura tra le dita dei gechi e le pareti) a 100 N. Il merito dei nanotubi à ̈ sostanzialmente quello di aumentare la superficie di contatto..
Il distacco à ̈ reso possibile dal fatto le setole sono realizzate su un substrato flessibile, per cui manualmente si può forzare una modifica dell'inclinazione delle setole in modo da annullare le forze di Van der Waals tra setole e superficie di adesione.
Anche se in tale articolo viene ipotizzato l'uso del nuovo nastro adesivo per realizzare piedi di robot in grado di scalare pareti verticali, nulla si dice riguardo a come e con quale dispendio di energia un robot potrebbe avanzare se i suoi piedi aderiscono alla parete con una forza di adesione sufficiente a sorreggere almeno il suo peso.
Resta quindi irrisolto il problema di come realizzare un dispositivo semovente in grado di scalare superfici verticali di diversa natura, o addirittura di muoversi a testa in giù, senza eccessivo dispendio di energia.
SOMMARIO
È stato trovato un nuovo dispositivo semovente in grado di scalare pareti verticali di qualsiasi natura e persino di spostarsi a testa in giù.
La richiedente ha verificato che i fenomeni che consentono al geco di aderire a e di muoversi su qualsiasi superficie, possono essere riprodotti anche in caso di oggetti macroscopicamente definibili rigidi, a patto che si tratti di organi di rotolamento, quali ad esempio ruote, sfere, cilindri o persino cingoli, fabbricati in modo da essere ricoperti da una densa popolazione di fibrille di dimensioni nanometriche. Un metodo di fabbricazione di superfici ricoperte di fibrille di diametro o spessore nanometrico à ̈ divulgato nella domanda di brevetto italiano TO2010A000555, qui incorporata per espresso riferimento, a nome della stessa richiedente.
Un dispositivo semovente dotato di un motore funzionalmente accoppiato a tali mezzi di rotolamento à ̈ quindi in grado di scalare una parete, senza scivolare o staccarsi.
Secondo una forma di realizzazione preferita, tale densa popolazione comprende anche fibrille inclinate di un angolo rispetto ad una direzione radiale o normale alla superficie del corpo “rigido†di rotolamento/avanzamento e fibrille inclinate di un angolo opposto al primo.
Tali mezzi di rotolamento possono ad esempio costituire il rotore di un motore brushless.
L'invenzione à ̈ definita nelle annesse rivendicazioni.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La Figura 1 mostra un motore brushless con una nuova ruota dotata di una densa popolazione di fibrille.
La Figura 2 mostra un motore brushless con una nuova sfera dotata di una densa popolazione di fibrille.
La Figura 3 illustra schematicamente come realizzare nanotubi di carbonio su una sfera di materiale non ferromagnetico.
La Figura 4 mostra fibrille di inclinazione opposta realizzate su un mezzo di rotolamento.
DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE ESEMPLIFICATIVE
Studi condotti dalla richiedente hanno mostrato che un mezzo di rotolamento, quale una ruota o una sfera o anche un cingolo, dotato di una densa popolazione di fibrille, può permettere il movimento di un dispositivo semovente a motore anche su pareti verticali, senza eccessivo dispendio di energia e senza dover progettare complicati mezzi per favorire il distacco delle fibrille dalla superficie sulla quale aderiscono, anche se il mezzo di rotolamento fosse rigido.
Le FIGG. 1 e 2 mostrano rispettivamente un motore brushless a ruota e un motore brushless a sfera di un dispositivo semovente il cui il mezzo di rotolamento (la ruota, rispettivamente la sfera) Ã ̈ rigido e ricoperto di fibrille. In alternativa, non mostrata nelle figure, sarebbe stato possibile anche realizzare un dispositivo semovente cingolato, il cingolo (o cingoli) avendo una densa popolazione di fibrille.
Le fibrille di contatto tra il mezzo di rotolamento e la superficie di rotolamento garantiscono una forza di adesione di Van der Waals sufficiente a permettere al mezzo semovente di scalare anche pareti verticali. Il distacco delle fibrille, senza il quale non ci sarebbe alcun rotolamento, viene garantito dal motore, che forza il mezzo di rotolamento ad avanzare. Le fibrille a contatto con la superficie di rotolamento, nella direzione opposta a quella di avanzamento, si inclinano elasticamente fino a distaccarsi, mentre le fibrille che si trovano nella direzione di avanzamento entrano in contatto con la superficie e aderiscono ad essa, mantenendo saldamente alla parete il dispositivo semovente.
Dato che bisogna provocare il distacco delle sole fibrille a contatto con la superficie di rotolamento nella direzione opposta a quella di avanzamento, ciò può essere fatto senza grave dispendio di energia.
Secondo una forma di realizzazione, le fibrille possono essere costituite da nanotubi di carbonio, fabbricati sul mezzo di rotolamento con il processo schematizzato in FIG. 3 e più diffusamente descritto nella domanda di brevetto italiano TO2010A000555. Un metodo che puo` essere usato e` di depositare uno strato di nichel, riscaldarlo in modo da trasformarlo in gocce su cui poi far avvenire la reazione di crescita dei nanotubi. Si ottiene una densa popolazione di nanotubi con la testa fatta dalla goccia di nichel, e la sfera ricoperta sarà completamente ricoperta da nanotubi. La distanza tra loro e` nanometrica e la loro lunghezza puo` arrivare a 10 nm circa.
Dentro la ruota o sfera sono evidenziati i magneti permanenti e nel cover del mouse sono installati degli induttori elettromagnetici, in modo che magneti e bobine siano magneticamente accoppiate tra loro.
Nella forma di realizzazione di FIG. 1 la sfera del motore brushless à ̈ vincolata allo statore lungo un asse. Installando del dispositivo di FIG. 1 anche mezzi per modificare l'asse di rotazione, si permette al dispositivo di muoversi in qualsiasi direzione.
Secondo un'altra forma di realizzazione, la popolazione di fibrille del mezzo di rotolamento comprende fibrille realizzate in modo da essere inclinate di un angolo rispetto ad una direzione radiale, e fibrille inclinate dell'angolo opposto, come mostrato in FIG. 4. Ciò garantisce un'adesione delle fibrille alla superficie di rotolamento ancora più salda rispetto alle fibrille, sostanzialmente radiali, mostrate nelle FIGG. da 1 a 3.
Il mezzo di rotolamento, ad esempio una ruota o una sfera o un cilindro o un cingolo, può essere di qualsiasi tipo di materiale, ad esempio gomma, plastica, ecc…. ma non di materiale ferromagnetico.
La presente invenzione si applica al settore della movimentazione degli oggetti macroscopici, ad esempio oggetti di robotica di dimensioni macroscopiche, quali una pallina da mouse o una lampada capace di arrampicarsi sui muri. Ma puo` avere applicazione anche nel caso di oggetti microscopici quale una semplice pillola-chip che puo` muoversi nel corpo umano per l’esplorazione a scopi diagnostici o terapeutici. Un’altra possibile applicazione e` relativa a una microbatteria ricaricabile alla luce solare che si muove da sola verso la fonte di ricarica su stimolo di un sensore ottico. La presente invenzione rende il movimento di questi oggetti semplice e non richiede l’uso di apparecchiature robotiche complesse o di microcontrollori dedicati allo scopo.
Le rivendicazioni come depositate sono parte integrante di questa descrizione e sono qui incorporate per espresso riferimento.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo semovente, comprendente un motore accoppiato a mezzi di rotolamento di movimentazione del dispositivo su una superficie, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di rotolamento comprendono una densa popolazione di fibrille che protrudono da una superficie esterna dei mezzi di rotolamento, ciascuna fibrilla avendo una terminazione libera adatta a stabilire una adesione fisico-chimica mediante forze intermolecolari di Van der Waals con la superficie sulla quale i mezzi di rotolamento si muovono.
  2. 2. Il dispositivo della rivendicazione 1, in cui detta densa popolazione comprende fibrille inclinate di un angolo e dell’angolo opposto rispetto ad una direzione ortogonale a detta superficie esterna dei mezzi di rotolamento.
  3. 3. Il dispositivo delle rivendicazioni 1 o 2, in cui dette fibrille sono nanotubi di carbonio.
  4. 4. Il dispositivo di una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui dette fibrille che protrudono da detta superficie esterna hanno un diametro o spessore compreso tra 1 e 5 nm e lunghezza compresa tra 1 e 5 Î1⁄4m, il loro orientamento in altezza essendo elasticamente modificabile dal movimento dei mezzi di rotolamento, le fibrille essendo adatte a deflettersi elasticamente di un angolo compreso tra 0 e 30° rispetto a un orientamento in altezza ortogonale alla superficie esterna sulla quale si ergono.
  5. 5. Il dispositivo di una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detti mezzi di rotolamento appartengono al gruppo composto da ruote, sfere, cilindri e cingoli.
  6. 6. Il dispositivo di una delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui detto dispositivo à ̈ un motore brushless e detti mezzi di rotolamento sono il rotore del motore.
  7. 7. Mezzi di rotolamento di movimentazione di un dispositivo su una superficie, caratterizzati dal fatto che comprendono una densa popolazione di fibrille che protrudono da una superficie esterna dei mezzi di rotolamento, ciascuna fibrilla avendo una terminazione libera adatta a stabilire una adesione fisico-chimica mediante forze intermolecolari di Van der Waals con la superficie sulla quale i mezzi di rotolamento si muovono.
  8. 8. I mezzi di rotolamento della rivendicazione 7, in cui detta densa popolazione comprende fibrille inclinate di un angolo e dell’angolo opposto rispetto ad una direzione ortogonale a detta superficie esterna dei mezzi di rotolamento.
  9. 9. I mezzi di rotolamento della rivendicazione 7 o 8, in cui dette fibrille sono nanotubi di carbonio.
  10. 10. I mezzi di rotolamento di una delle rivendicazioni da 7 a 9, in cui detti mezzi di rotolamento appartengono al gruppo composto da ruote, sfere, cilindri e cingoli.
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