ADVANCED MATERIALS FOR BIONICS
Academic year2023/24
CourseBIONICS ENGINEERING
Code1081I
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageEnglish
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| ADVANCED MATERIALS FOR BIONICS | ING-IND/34 | LEZIONI | 60 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
L’insegnamento ha l’obiettivo di far acquisire agli studenti conoscenze su:
- basi di Scienza ed Ingegneria dei Materiali, rilevanti per la Bionica;
- comprensione delle varie classi di materiali, la loro struttura multiscala, composizione, proprietà strutturali e funzionali;
- comprensione di alcune tra le principali tecniche di (micro)fabbricazione/manufacturing e di caratterizzaione dei materiali;
- concetti avanzati e sviluppi recenti della Scienza dei Materiali e delle Nanotecnologie, all’interfaccia tra Chimica, Fisica, Ingegneria e Biologia;
- impiego di materiali innovativi in Bionica.
Knowledge
The aim of the course is to provide the students with knowledge on:
- basics of Materials Science & Engineering as relevant for Bionics Engineering.
- understanding of the various classes of materials, their multiscale structure, composition, structural and functional properties;
- understanding of some of the main techniques for (micro)fabrication/manufacturing and characterization of materials;
- advanced concepts and recent developments of modern Materials Science, Nanotechnology, lying at the interface between Chemistry, Physics, Engineering and Biology;
- use of innovative materials in Bionics.
Modalità di verifica delle conoscenze
- Per l'accertamento delle conoscenze, durante il corso normale delle lezioni il docente inviterà gli studenti a interagire proponendo soluzioni a piccoli quesiti.
- In alcune lezioni sono previste sessioni “hands on” durante le quali agli studenti verranno presentati alcuni materiali di interesse da osservare e toccare con mano. Agli studenti, dopo una prima ispezione, verrà chiesto di descriverne/predire sommariamente le proprietà e/o classificarli. Tali sessioni saranno utilizzate dal docente per valutare se i concetti teorici propedeutici sono stati appresi.
- Agli studenti, suddivisi in gruppi di 2-3 persone, verrà richiesto di elaborare una ricerca bibliografica volta alla preparazione di un seminario/presentazione su alcuni argomenti selezionati. Essa riguarderà gli sviluppi più recenti di alcune applicazioni dei materiali alla Bionica. La valutazione di queste presentazioni concorrerà alla verifica delle conoscenze, insieme con esame orale finale (vedi sotto).
- In sede d’esame, la verifica delle conoscenze riguarderà la valutazione orale delle conoscenze acquisite durante il corso.
Assessment criteria of knowledge
- During the lessons the teacher will invite the students to interact by posing them questions/tests to assess the acquisition of knowledge.
- In some lessons “hands-on sessions” are planned. During these sessions some selected materials will be provided, to be touched and observed by students. After a first inspection the teacher will ask the students to roughly describe the materials, roughly predict their properties, to classify them. These sessions will be used by the teacher to assess if and how the theoretical concepts have been grasped by the majority of students and if they can relate those concepts to real materials.
- Students will be subdivided into 2-3 people groups. Each group will receive as assignment to provide a bibliographic survey and a seminar about a selected topic (i.e. recent developments of some specific application or specific material in Bionics Engineering). The seminars by students groups will be held in front of all other students during the last weeks of the course. The evaluation of these seminars will concur in the final assessment of knowledge, together with final oral exam (see below).
- A final oral exam will be used to assess the knowledge gained in the course about all the topics.
Capacità
Al termine del corso lo studente:
- sarà in grado di riconoscere le principali classi di materiali per la bionica, la loro struttura, composizione, proprietà e le tecniche di fabbricazione/caratterizzazione ad essi collegati;
- sarà in grado di orientarsi nella letteratura scientifica riguardante i materiali tradizionali e innovativi e il loro impiego in bionica;
- sarà in grado di individuare le tipologie di materiali più adatti per specifiche applicazioni in bionica.
Skills
At the end of the course the student:
- will be able to identify the main classes of materials for Bionics, their structure, composition, properties and the related fabrication/characterization techniques;
- will be able be able to orient him/herself in the scientific literature dealing with traditional/innovative materials in Bionics;
- will be able to identify the suitable materials types for a specific application.
Modalità di verifica delle capacità
- Nel corso di alcune lezioni sono previste sessioni “hands on” durante le quali agli studenti verranno presentati alcuni materiali. Verrà chiesto agli studenti di ipotizzare possibili utilizzi tecnologici o indicare le tecniche di fabbricazione e/o di caratterizzazione più adatte in ciascun caso. Queste sessioni saranno utilizzate per valutare se e come gli studenti siano in grado di mettere in relazioni le nozioni teoriche acquisite con i reali utilizzi tecnologici.
- Nel corso dell’attività di ricerca bbliografica/seminario (in gruppi), parte del lavoro di preparazione riguarderà una ricerca dello stato dell’arte di un particolare argomento. Propedeuticamente, saranno svolte attività pratiche per la ricerca delle fonti attraverso l'utilizzo di noti database e di strumenti di gestione/condivisione bibliografica. Queste attività saranno utilizzate per valutare la capacità dello studente di orientarsi nella letteratura scientifica.
Assessment criteria of skills
- In some lessons “hands-on sessions” are planned. During these sessions some selected materials will be provided to students. The teacher will ask the students to hypothesize their technological uses or to suggest feasible (micro)fabrication and characterization techniques. These sessions will be used by the teacher to assess if and how the students can relate the acquired theoretical concepts to real technological uses.
- During the bibliographic survey/seminar work (in groups) part of preparatory work will be to perform an updated survey of the state of art in a specific topic. To prepare students to this task, some practical instructions will be given on how to perform a bibliographic research and how to use the main software/online tools for bibliography management and sharing. These activities will be used for assessing the ability of the student to orient him/herself in the scientific literature.
Comportamenti
Lo studente potrà acquisire sensibilità riguardo a:
- riconoscimento delle varie scale di strutturazione dei materiali (macro,meso, micro,nano) e come essi concorrano a definirne le proprietà macroscopiche;
- problematiche dello sviluppo di materiali e/o processi biocompatibili/ecosostenibili;
- complessità e applicabilità dei materiali nei vari contesti di interesse;
- cross-talk interdisiciplinare.
Behaviors
The student could acquire the attitude/sensibility to:
- recognize the various scales of materials structuring (macro,meso,micro,nano) and how they can concur to the final macroscopic properties;
- problems/challenges related to the development of biocompatible/ecosustainable materials and/or processes;
- complexity and viability of materials in the various scenarios;
- interdisciplinary cross-talk.
Modalità di verifica dei comportamenti
L’acquisizione dei comportamenti/sensibilità sarà valutata:
- durante le lezioni, attraverso le domande, le risposte ai quesiti o le considerazioni che gli studenti faranno;
- nel corso del seminario (lavoro di ricerca bibliografica in gruppo). Agli studenti verrà richiesto di illustrare specificatamente: struttura multiscala del materiale, impatto ambientale/biocompatibilità, applicabilità in scenari concreti.
Assessment criteria of behaviors
Attitudes/sensibility verification will be mainly carried out:
- during lessons, based on questions, answers, comments given by students;
- during the seminar (group bibliographic research work). Students will be asked to specifically identify and describe: multiscale structure, environmental impact, viability in real scenarios.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Per seguire il corso in modo proficuo sono necessarie conoscenze di base di fisica, chimica, scienza dei materiali. Sono inoltre utili, sebbene non strettamente necessarie, conoscenze relative a meccanica, elettronica, ottica, biologia.
Prerequisites
To profitably attend the course basic competences in physics, chemistry, and materials science are required. In addition -even if not strictly needed- useful competences concern mechanics, electronics, optics and biology.
Indicazioni metodologiche
- Le lezioni si svolgono utilizzando slide in inglese, la lavagna per semplici schemi o passaggi matematici, video e animazioni, risorse online per approfondire o capire meglio alcuni concetti.
- Le sessioni hands-on consistono nel toccare con mano e osservare alcuni materiali (anche, se necessario, con l’ausilio di un microscopio ottico), per poi aprire una discussione/approfondimento partendo dalle osservazioni svolte.
- Le lezioni, insieme ad altro materiale di approfondimento (articoli, ecc.) saranno disponibili in formato elettronico (file pdf) su un apposito gruppo Microsoft Teams accessibile dagli studenti frequentanti il corso e sul sito http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea.
- Si prevede lo sviluppo di un lavoro di ricerca bibliografica in gruppi su alcuni argomenti selezionati. La composizione dei gruppi, per quanto possibile, sarà eterogenea (studenti aventi differenti formazioni di base), allo scopo di aumentare l’approccio interdisciplinare e educare gli studenti al proficuo cross-talk tra discipline. Tale lavoro sarà propedeutico alla preparazione di una presentazione/seminario da svolgersi in aula (o da remoto) di fronte all’intera classe nelle ultime ore del corso a fine semestre. Al termine di ciascun seminario si aprirà una sessione di domande/risposte.
- L’interazione con gli studenti avverrà via e-mail e con incontri programmati.
- La lingua per tutte le attività sarà l’inglese.
Teaching methods
- The lessons will be carried out by using slides in English, the blackboard will be used for simple schemes or mathematical derivations, video, animations, and online resources will be used in some cases.
- Hands-on sessions will involve the inspection of some real materials relevant for the course (in some cases observation with optical microscope too). Based on those observations then the discussion/in depth analysis will be open.
- Slides of lessons, together with additional reference materials (research papers, etc.) will be made available to all students attending the course as pdf files in a Microsoft Teams group and at the link http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea.
- A state of art survey on selected topics will be carried out by students subdivided into groups. As much as possible the composition of groups will be made heterogeneous (students having different backgrounds), with the aim to boost the interdisciplinarity and to educate students to inter-discipline cross-talk. This group work will be preparatory for the final presentation to be held in class (or online) in front of classmates at the end of semester. A Q&A session by classmates will follow each presentation.
- The teacher-student interaction out of lessons will be carried out mainly by email or by setting on demand programmed meetings.
All the activities of the course will be carried out in English.
Programma (contenuti dell'insegnamento)
Il corso è strutturato in due sezioni:
- Basic Materials Science & Engineering – Nella prima sezione i tradizionali argomenti basilari della Scienza dei Materiali verranno ripresi per garantire una base comune agli studenti aventi basi diverse (provenienza da corsi di laurea di primo livello diversi). Gli argomenti trattati includono: nomenclatura e classificazione dei materiali, conoscenze di base di chimica e fisica della materia (stato solido), correlazione struttura/prorietà nei materiali, strutture gerarchiche, organizzazione multiscala, transizioni di fase, fondamenti del comportamento meccanico dei materiali, viscoelasticità, strumenti e tecniche di caratterizzazione di base. Varie classi di materiali rilevanti verranno illustrate e riviste: Metalli, Ceramici, Polimeri, Compositi.
- Advanced Materials Concepts – Nella seconda sezione verranno introdotti concetti più avanzati, riguardanti: comportamento complesso della Soft Matter, introduzione a nanotecnologie e nanostrutture, materiali biologici, materiali bioinspirati, materiali intelligenti (“stimuli responsive”), polimeri elettro-attivi, tecniche di fabbricazione per micro e nanostrutture, additive manufacturing, techniche di indagine avanzate, biocompatibilità/ecosostenibilità dei materiali.
Per ciascun argomento trattato nelle sezioni 1 e 2, parte delle lezioni verrà dedicata a Technology & Bionics Applications –In essa verranno presentati esempi di applicazione dei materiali in Bionica, quali ad esempio: superfici e interface funzionali, materiali strutturali per la bionica, materiali per la bioelettronica, biomateriali, materiali per sensori e attuatori in biomedicina e robotica.
Syllabus
The course is structured in two sections.
- Basic Materials Science & Engineering - In the first section basic and traditional topics of Materials Science will be covered/refreshed to provide a common basis among students with different background knowledge. Topics include: nomenclature and classification of materials, basic physical and chemical knowledge of solid matter, structure/properties correlation in materials, hierarchical structuring, phase transitions, fundamentals of mechanical behaviour, viscoelasticity, basic characterization tools. Various classes of engineering relevant materials will be reviewed: Metals, Ceramics, Polymers, Composites.
- Advanced Materials Concepts - In the second section more advanced concepts will be introduced, regarding: complex behaviour of Soft Matter, Nanotechnology and Nanostructures, Biological Materials, Bioinspired Materials, Stimuli Responsive Materials, Electro-Active Polymers, Advanced Investigation and Fabrication Techniques for micro- and nano-structures, Additive Manufacturing, Biocompatibility/sustainability of Materials.
For all the topics of Sections 1&2, part of each lecture will focus on Technology & Bionics Applications - Here relevant examples of applications of Materials in Bionics will be reviewed, including: Advanced Functional Surfaces and Interfaces, Structural Materials for Bionics, Materials for Bioelectronics, Biomaterials, Materials for Sensors & Actuators in Biomedicine and Robotics.
Bibliografia e materiale didattico
Non è previsto l’utilizzo di un un unico testo/manuale di riferimento.
Un testo di riferimento per buona parte degli argomenti introduttivi alla Scienza dei Materiali, trattati nella prima sezione del corso è:
- Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th Edition, William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Wiley 2018, ISBN: 978-1-119-40549-8
(NB! edizioni precedenti/successive dello stesso testo sono ugualmente adatte)
Altri testi di riferimento, non essenziali, ma la cui consultazione può essere utile per specifici approfondimenti sono:
- Biological Materials Science: Biological Materials, Bioinspired Materials, and Biomaterials, E. Meyers, Cambridge University Press 2014, ISBN: 9780511862397.
- Handbook of Nanotechnology, B. Bushan, Springer 2017, ISBN 978-3-662-54357-3. Available online at: DOI: 10.1007/978-3-662-54357-3
- Stimuli-Responsive Materials: From Molecules to Nature Mimicking Materials Design, W. Urban, RCS 2016, ISBN: 978-1-84973-656-5.
- Organic Bionics, Gordon G. Wallace, Simon E. Moulton, Robert M.I. Kapsa, Michael Higgins, Wiley 2012, ISBN: 978-3-527-32882-6.
Le slides delle lezioni in formato digitale, alcuni paper di riferimento e altro materiale bibliografico di approfondimento saranno disponibili sul gruppo Microsoft Teams dedicato (cui gli studenti frequentanti il corso verranno invitati ad unirsi dopo la prima lezione) e sul sito http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea.
Bibliography
A reference textbook for a good part of topics of Section 1, basic concepts of Materials Science, could be:
- Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th Edition, William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Wiley 2018, ISBN: 978-1-119-40549-8
(NB! past editions of same textbooks are equally ok)
Other reference books, not essential/mandatory, but from which it could be interesting to read some excerpts for specific further study are:
- Biological Materials Science: Biological Materials, Bioinspired Materials, and Biomaterials, E. Meyers, Cambridge University Press 2014, ISBN: 9780511862397.
- Handbook of Nanotechnology, B. Bushan, Springer 2017, ISBN 978-3-662-54357-3. Available online at: DOI: 10.1007/978-3-662-54357-3
- Stimuli-Responsive Materials: From Molecules to Nature Mimicking Materials Design, W. Urban, RCS 2016, ISBN: 978-1-84973-656-5.
- Organic Bionics, Gordon G. Wallace, Simon E. Moulton, Robert M.I. Kapsa, Michael Higgins, Wiley 2012, ISBN: 978-3-527-32882-6.
The slides of all lessons in digital format, some reference papers and other bibliographic materials are available in The dedicated Microsoft Teams group (students will be invited to join the group after first lesson) and at the website http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea.
Indicazioni per non frequentanti
Non ci sono variazioni per studenti non frequentanti.
Non-attending students info
There are no variations for students that do not attend the course.
Modalità d'esame
- La valutazione complessiva avviene sulla base di due distinte valutazioni:
- lavoro bibliografico/seminario;
- esame finale.
- La valutazione del lavoro bibliografico/seminario avviene con l’assegnazione di un voto in trentesimi.
- L’esame finale consiste in una prova strutturata in due parti: a) test/esercizi scritti, anche con l’uso di schemi e di figure dedicate, e b) colloquio tra il candidato e il docente. La valutazione dell’esame finale avviene con l’assegnazione di un voto espresso in trentesimi.
- Nella parte a) lo studente deve rispondere per iscritto ai test/esercizi proposti. Essi consistono in quesiti a risposta aperta o multipla, schemi o tabelle da completare, strumentazioni da riconoscere, piccoli problemi da risolvere.
- Nella parte b) l’elaborato viene discusso con il docente e gli aspetti poco chiari vengono rivisti e/o approfonditi con domande orali dedicate. La discussione e le domande proseguono toccando vari altri argomenti del corso.
- La durata media totale di un esame è di circa 40 minuti – 1 ora, divise tra domande scritte (ca. 20 minuti) e discussioni/approfondimenti orali (ca. 20-40 minuti).
- L’esame è superato se lo studente dimostra padronanza della maggioranza degli argomenti trattati, se mostra di essere in grado di esprimersi in modo chiaro e di usare la terminologia corretta, se riesce a collegare gli argomenti trattati con casi specifici presentati ad hoc dal docente, e se mostra rigore nelle risposte.
- Concorrono al voto finale:
- valutazione lavoro bibliografico/seminario; peso = 30%
- valutazione prova orale ; peso = 70%.
Il voto finale viene espresso in trentesimi.
- In caso di esito negativo dell’esame finale lo studente dovrà ripetere solo questa, e non anche il precedente seminario.
Assessment methods
- The overall evaluation will be based on two distinct evaluations:
- bibliographic survey/seminar;
- final exam.
- For the bibliographic survey/seminar a mark is assigned, expressed in a scale of 30.
- The final exam is structured in 2 parts: a) written test/exercise, even with the aid of schematics and figures, and b) an interview between the teacher and the student. For the final exam a mark is assigned, expressed in a scale of 30.
- In part a) the student is asked to answer in written from to some exercises. They consist of multiple or open choice quiz, schematics or tables to be completed, instrumentations to be described, small problems to be solved.
- In part b) test answers are discussed with the teacher, discussed and clarified (if needed) through dedicated questions. More questions will follow, focusing on other topics of the course.
- The average total duration of the final exam is around 40 min – 1h, subdivided in test (ca. 20 min) and discussion/oral questions (ca. 20-40 min).
- The exam is passed if the student shows to master the majority of topics, if he/she shows to be able to explain things in a clear way and using the correct terminology, if he/she can relate different topics with examples presented by the teacher, and if his/her answers are rigorous.
- The final mark is expressed on a scale of 30 and is made of:
- evaluation of bibliographic survey/seminar; weight = 30%
- evaluation of final exam; weight = 70%.
- In case of failure in the final exam, the student must repeat just the final exam (and not the seminar too).
Updated: 18/08/2023 15:52
