ECTS - University of Pisa
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
L’insegnamento ha l’obiettivo di far acquisire agli studenti strumenti e conoscenze di base della meccanica delle strutture elastiche e dei materiali smart in regime di grandi deformazioni. Queste conoscenze saranno applicate allo studio di prototipi di strutture di interesse in ambito robotico e bio-medicale.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
L’insegnamento mira a fornire una conoscenza avanzata della soft robotics e delle tecnologie soft meccatroniche attraverso lo studio e l’utilizzo di materiali morbidi/cedevoli/flessibili per lo sviluppo di dispositivi bionici/biorobotici. Lo studente verrà introdotto a strumenti (es. FEM) e principi di progettazione avanzata (es. bioispirazione e morphological computation) anche attraverso attività pratiche di laboratorio.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
The course objective is to provide students with basic knowledge and methodological tools to model the behavior of smart materials and elastic structures in the regime of large deformations. This knowledge and tools will be applied to the study of prototypical structures on interest in the field of robotics and biomedical engineering.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
The course aims at providing advanced knowledge on soft robotics and soft mechatronic technologies through the study and use of soft/compliant/flexible materials for the development of bionic/biorobotic devices. The student will be introduced to advanced design principles (e.g. bioinspiration and morphological computation) and tools (e.g. FEM) also through hands-on lab activities.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Risoluzione di esercizi numerici per verificare la padronanza di metodi e strumenti illustrati durante il corso.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
L’accertamento delle conoscenze avverrà attraverso la prova orale prevista in ogni sessione d’esame. Non sono previste prove in itinere, ma durante le lezioni gli studenti verranno chiamati a rispondere a quesiti su tematiche già affrontate e inoltre nell’affrontare le sessioni pratiche, gli studenti dovranno dare prova di aver acquisito le conoscenze teoriche di base.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Solution of numerical exercises based on the application of methods and tools explained during the course.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
The knowledge assessment will take place through the oral exam at each exam session. There is no official testing during lessons, but students will be asked to answer questions on issues that have already been faced, and in dealing with practical sessions, students will have to prove that they have acquired the basic theoretical knowledge.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Al termine del corso lo studente sarà in grado di impostare e risolvere problemi relativi alla determinazione di configurazioni di equilibrio di sistemi strutturali in regime di grandi deformazioni.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Il corso permetterà allo studente di saper svolgere un'analisi comparativa per scegliere le tecnologie attuative innovative più adatte per problemi tecnici specifici. Inoltre, grazie alle sessioni di laboratorio, gli studenti acquisiranno la manualità nell’utilizzo di alcuni strumenti di laboratorio (generatori di segnale, amplificatori di tensione, macchine di caratterizzazione meccanica, fornace) e materiali (siliconi, leghe metalliche a memoria di forma, parafilm). Infine, gli studenti sapranno progettare e simulare semplici problemi meccanici altamente non-lineari attraverso l’utilizzo di un software commerciale per l’analisi agli elementi finiti.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
At the end of the course, students will be able to formualte and solve problems leading to the detemtination of equilibrium configurations of elastic structures in the regime of large deformations.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
The course will transfer the skills to conduct a comparative analysis and to choose the most appropriate innovative technologies for specific technical problems. In addition, through laboratory sessions, students will acquire the manual use of some laboratory tools (signal generators, voltage amplifiers, mechanical characterization machines, furnace) and materials (silicones, shape memory alloys, parafilm). Finally, students will be able to design and simulate simple non-linear mechanical problems through the use of commercial software for finite element analysis.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Discussione in aula durante lo svolgimento di esercizi e al termine delle lezioni. Esame finale basato sulla risoluzione di alcuni problemi ed esercizi
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
L’accertamento delle capacità avverrà durante l’implementazione pratica dei concetti acquisiti. Sono previste sia attività “hands-on” in cui gli studenti progetteranno e fabbricheranno con le loro mani dei piccoli dispositivi, sia esercitazioni al computer in cui gli studenti dovranno risolvere i problemi assegnati con l’uso del software di analisi dedicato.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Discussion in class during problem solving sessions and lectures. Final exam based on the solution of problems and exercises.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Skill assessment will be carried out through the practical implementation of acquired concepts. There will be both hands-on activities where students will design and manufacture small devices with their hands, and computer exercises where students will have to solve assigned problems using the dedicated analysis software.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Nelle applicazioni tradizionali della meccanica strutturale (ingegneria civile, meccanica, navale, aeronautica, ecc.) il progetto richiede che le configurazioni di equilibrio in esercizio siano poco distanti da quelle iniziali, e le strutture operino in un regime di piccoli spostamenti e deformazioni. Attraverso questo corso lo studente apprenderà le potenzialità che vengono aperte dalla possibilità di sfruttare in modo creativo e controllato il regime di grandi deformazioni, per realizzare strutture deployable che possono variare di molto le loro configurazioni tra la fase a riposo e quella di esercizio. Un esempio concreto di strutture di questo tipo è quello degli stent cardiovascolari.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Gli studenti acquisiranno il metodo corretto per affrontare la progettazione di strutture meccaniche altamente deformabili e verranno sensibilizzati sull’uso corretto di strumenti e materiali per la realizzazione di prototipi per la validazione sperimentale.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
In classical applications of structural mechanics (civil, mechanical, naval, aeronautical engineering) design and safety criteria typically require that equilibrium configurations under loads should be close to the initial ones, and that structures operate in the regime of small displacements and deformations. In this course the student will learn the new possibilities that are opened by exploiting the regime of large deformations in a creative and controlled manner, in order to realize deployable structure that can change conformation in a dramatic way between a rest state and a deployed state. A concrete example of a biomedical device exploiting this principle is that of cardiovascular stents.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Students will acquire the right method to deal with the design of highly deformable mechanical structures and will be aware of the correct use of tools and materials for the implementation of prototypes for experimental validation.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Discussioni in classe durante lo svolgimento delle lezioni. Risoluzione di alcuni problemi modello.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Gli studenti dimostreranno l’acquisizione di un corretto comportamento sia in aula attraverso le interazioni con il docente, sia durante le sessioni pratiche.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Discussion sessions during classes. Solution of some model problems and exercises.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Students will demonstrate the correct behavior both in the classroom through interaction with the teacher and in the lab during practical sessions.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Per seguire il corso in modo proficuo, non sono richieste conoscenze specialistiche da parte degli studenti. Tuttavia, sono necessarie solide conoscenze di base di fisica, matematica, meccanica. Utili ma non necessarie conoscenze di fondamenti di automatica.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Per seguire il modulo in modo proficuo, non sono richieste conoscenze specialistiche da parte degli studenti. Tuttavia, sono necessarie conoscenze consolidate di fisica e matematica. Sono inoltre utili, anche se non strettamente necessarie, conoscenze di base di meccanica, chimica ed elettronica.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
No specialized knowledge is required to attend this course. However, good command of basic notions and tools from physics, mathematics, mechanics is required. Some notions from control theory are useful, although not strictly necessary.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
To attend the module in a profitable manner, students do not require specialized knowledge. However, consolidated knowledge of physics and mathematics is needed. Useful, though not strictly necessary, basic knowledge of mechanics, chemistry and electronics.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Il corso è basato su lezioni alla lavagna, con l’uso occasionale di materiale multimediale (proiezione di slide e filmati).
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Le lezioni si svolgeranno in forma alternata alla lavagna e utilizzando slide proiettate, con l’ausilio anche di animazioni, video e piccole demo. Le esercitazioni in laboratorio si svolgeranno in piccoli gruppi (di massimo 6 persone), e ogni studente verrà chiamato a collaborare attivamente nell’uso degli strumenti necessari al completamento del compito assegnato. Nelle esercitazioni di laboratorio ogni studente avrà a disposizione tutti gli opportuni dispositivi di protezione individuale (camici, occhiali e guanti). Nelle esercitazioni in aula multimediale gli studenti avranno a disposizione computer per portare a termine individualmente gli esercizi proposti. Gli studenti potranno istallare sul loro PC personale (se lo desiderano) lo stesso software in forma gratuita per esercitarsi al di fuori delle lezioni. Le lezioni saranno disponibili in formato elettronico (file pdf) sul sito del corso di studi, accessibile dagli studenti. L’interazione tra studente e docente avverrà mediante scambi e-mail o fissando degli appuntamenti su richiesta, per ricevimenti e richieste di chiarimenti sui temi trattati a lezione. La lingua utilizzata nel corso delle lezioni e delle attività di laboratorio sarà sempre l’inglese.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
The course will be based on blackboard lectures in English, with occasional projection of slides and videos.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Lessons will take place alternately on the chalkboard and using projected slides, with the help of animations, videos and small demos. Laboratory exercises will take place in small groups (maximum 6 people), and each student will be called upon to actively collaborate in using the tools needed to complete the assignment. In the laboratory exercises, each student will have at his disposal all the appropriate personal protective equipment (gowns, goggles and gloves). In the multimedia classroom, students will have computers to complete the proposed exercises individually. Students can install the same free software on their PC (if they so wish) to practice outside the lessons. Lessons will be available electronically (pdf file) at course website accessible by students. The interaction between student and teacher will be via e-mail exchanges or by setting up appointments on request, for receptions and requests for clarification on topics dealt within lessons. The language used during the lessons and lab activities will always be English.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Rotazioni finite e infinitesime:
-Rappresentaizone esponenziale delle rotazioni
-Applicazioni a sistemi bio-robotici
Meccanica di travi nel piano:
-Cinematica
-Equazioni di equilibrio
-Equazioni costitutive
-Principio delle potenze virtuali e metodi variazionali
Applicazioni:
-sistemi articolati
-meccanica di fili
-stabilità dell'equilibrio di sistemi a numero finito di gradi di libertà
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Il modulo prevede i seguenti argomenti:
- Principi di progettazione
- Tecnologie attuative soft (Attuatori piezoelettrici, Leghe a memoria di forma, Polimeri elettro-attivi, Attuatori fluidici flessibili, Fluidi elettro- magneto-reologici, Attuatori basati su transizione “jamming”)
- Implementazione dell’analisi agli elementi finiti sul software ANSYS
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Infinitesimal vs large rotations:
-Rotations as exponentials
-Applications to bio-robotic systems
Mechanics of planar deformable rods:
-Kinematics
-Equilibrium equations
-Constitutive equations
-Principle of Virtual Powers and variational methods
Applications:
-articulated piecewise-rigid systems
-wires
-stability of equilibria of systems with finitely many DoFs
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
The module covers the following areas:
- Design principles (Embodied Intelligence, Bioinspiration)
- Soft actuation technologies (Piezoelectric actuators, Shape memory alloys, Electro-active polymers, Flexible fluidic actuators, Electro- magneto-rheological fluids, Jamming Transition)
- Implementation of Finite Element Analysis on ANSYS software
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
1. R. Murray, Z. Li, S. Sastry
(A mathematical introduction to) Robotic Manipulation
CRC Press, 1994
https://www.cds.caltech.edu/~murray/books/MLS/pdf/mls94-complete.pdf
2. Appunti dalle lezioni
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Il software ANSYS è disponibile online sul sito ansys.com (student edition, gratuito e completamente funzionante per 6 mesi) e su tutti i computer dell’aula multimediale in cui si svolge metà del corso.
La bibliografia di riferimento include:
Inoltre, tutto il materiale incluso nelle slide del corso è debitamente citato e disponibile online.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
1. R. Murray, Z. Li, S. Sastry
(A mathematical introduction to) Robotic Manipulation
CRC Press, 1994
https://www.cds.caltech.edu/~murray/books/MLS/pdf/mls94-complete.pdf
2. Lecture Notes form the instructor
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
The ANSYS software is available online on ansys.com (student edition, free and fully working for 6 months) and on the computers of the multimedia room, where half of the course takes place.
The main bibliography is the following:
All the material included in the course slides is duly cited and can be retrieved online.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Non ci sono variazioni per studenti non frequentanti.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Non ci sono variazioni per studenti non frequentanti.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
There are no variations for students that do not attend the course.
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
There are no variations for students that do not attend the course.
MECHANICS OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES
Esame orale basato sulla risoulzione di alcuni problemi
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
L’accertamento delle conoscenze avviene attraverso una prova orale in cui vengono poste domande per valutare la conoscenza dei principi di design e tecnologici esposti e testati durante il corso e la capacità di saper scegliere la tecnologia più adatta per specifiche applicazioni. Dopo questa parte teorica, allo studente viene chiesto di risolvere un problema FEM preimpostato con l’utilizzo del computer messo a disposizione dal docente per capire il livello di abilità acquisita nell’utilizzo del software ANSYS studiato durante il corso.
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Oral exam based on the solution of some problems and exercises
SOFT ROBOTICS TECHNOLOGIES
Knowledge assessment is performed through an oral test where questions are aimed at evaluating the knowledge of the design principles and technologies studied and tested during the course and the ability to choose the most appropriate technology for specific applications. After this theoretical part, the student is asked to solve a pre-set FEM problem using the computer provided by the instructor to understand the skill level acquired in the use of ANSYS software studied during the course.
