Identificazione di un modello comportamentale dei fluidi elettroreologici e progettazione di uno strumento di misura per una caratterizzazione finalizzata ad applicazioni in robotica avanzata

L’obiettivo del presente lavoro è comprendere, con un approccio a basso livello, i 
fenomeni alla base del funzionamento dei fluidi elettroreologici, sui quali si 
ritiene ci siano delle contraddizioni in letteratura.  
In base a tali fenomeni si cercherà di identificare le caratteristiche che il fluido 
dovrebbe presentare e si farà un confronto con dati sperimentali. Tra i dati 
sperimentali disponibili in letteratura saranno considerati soltanto quelli ottenuti 
con procedimenti ritenuti corretti. 
Sulla base dei fenomeni in oggetto si strutturerà un modello comportamentale 
presumibile. Verificheremo la validità del modello dal confronto con dati 
sperimentali certi, cioè quei dati ottenuti con procedimenti di cui si sia in grado di 
verificarne la correttezza concettuale e procedurale. 
Inizialmente si richiameranno le principali informazioni disponibili in letteratura, 
tracciando lo stato dell’arte della caratterizzazione dei fluidi ed evidenziandone le 
contraddizioni. 
Si cercherà poi di individuare gli errori, concettuali e di misura, che hanno portato 
a risultati spesso contrastanti. 
Infine saranno tracciate le linee guida per una caratterizzazione dei fluidi 
elettroreologici, strutturata in modo da fornire dei parametri di riferimento 
significativi per il loro utilizzo, prescindendo dalla loro composizione chimica. 
Nella seconda parte della tesi si progetterà uno strumento di misura con 
caratteristiche idonee per tale caratterizzazione, colmando i deficit riscontrati nei 
reometri utilizzati normalmente. 
 
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2. Stato dell’arte sui fluidi ER 
 
Qui di seguito viene tracciato lo stato dell’arte della caratterizzazione dei fluidi 
ER, riportando i risultati più importanti e le informazioni sugli aspetti più 
significativi del loro comportamento evidenziando, ove possibile, alcuni aspetti in 
cui i risultati ottenuti da alcuni autori sembrano essere in contraddizione. 
 
 
2.1 Note introduttive 
 
I fluidi elettroreologici (ER), sono materiali compositi le cui proprietà reologiche 
(viscosità, plasticità, elasticità) possono essere variate drasticamente tramite 
l’applicazione di un campo elettrico. Sottoposti infatti a campi sufficientemente 
intensi essi possono raggiungere uno stato di solidificazione reversibile. 
 
Figura 2.1.1 Immagini del fluido posto tra due elettrodi: nell’immagine di sinistra tra gli elettrodi 
non è applicato alcun campo; a destra il fluido e soggetto a campo elettrico. Immagine della ER 
Fluid Development Ltd, U.K 
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Un tipico comportamento è dato in Figura 2.1.1, in essa sono visibili due 
immagini relative allo stato del fluido posto tra due elettrodi. Nella prima 
immagine non è applicato alcun campo elettrico, il fluido cola nel recipiente 
sottostante. Nell’immagine di destra tra gli elettrodi è applicato un campo 
elettrico, il fluido presenta una viscosità elevata e rimane sospeso. 
Figura 2.1.2 Immagini al microscopio di un fluido con particelle di colloide in diversi istanti di 
tempo e in condizioni di campo elettrico differenti (a) Fluido in assenza di campo elettrico, è 
visibile una parziale sedimentazione delle particelle. (b) Le particele, sotto l’effetto del campo, 
cominciano a migrare e formano delle colone nella direzione del campo. (c) Dopo alcune ore 
dall’applicazione del campo le particelle sono molto ordinate e si presentano nella forma di 
grosse colonne. (d) Vista del fluido da una sezione perpendicolare alla direzione del campo, è 
visibile la distribuzione rispetto a questo piano delle colonne di particelle 
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In genere sono formati da una sostanza fluida non conduttiva in cui sono disperse 
delle particelle solide, anche se si riscontrano effetti elettroreologici anche in 
composti omogenei. La componente fluida è quasi sempre olio di silicone, che 
risulta essere particolarmente idoneo all’applicazione. Le particelle solide possono 
essere di diversa natura, ad esempio ossidi di metallo, alluminosilicati, particelle 
organiche o polimeri.  
Si cerca continuamente di sintetizzare nuove particelle che conferiscano 
caratteristiche particolari al composto. La dimensione tipica delle particelle va da 
poche decine fino a alcune centinaia di micrometri. La concentrazione è 
tipicamente compresa tra il 20% ed il 60% in volume della soluzione. Il limite alla 
concentrazione delle particelle solide è posto dalla necessità di avere un composto 
che in assenza di campo elettrico sia molto fluido. 
La variazione delle proprietà reologiche è attribuibile alle proprietà dielettriche 
dei costituenti. Sotto l’azione del campo elettrico, le particelle si polarizzano, 
migrano e formano delle catene o delle colonne nella direzione del campo. Questo 
morfologia strutturale altera le proprietà meccaniche del composto. 
In Figura 2.1.2 sono riportate le immagini al microscopio di un fluido con 
particelle di colloide in diversi istanti di tempo e in condizioni di campo elettrico 
differenti. 
Nell’immagine (a) è visibile il fluido in assenza di campo elettrico, si può notare 
una parziale sedimentazione delle particelle. Nella (b) le particele, sotto l’effetto 
del campo, cominciano a migrare e formano delle colone nella direzione del 
campo. In (c) è visibile il fluido dopo alcune ore dall’applicazione del campo; le 
particelle sono molto ordinate e si presentano nella forma di grosse colonne. In (d) 
è visibile il fluido da una sezione perpendicolare alla direzione del campo, si 
distingue la distribuzione rispetto a questo piano delle colonne di particelle. 
Per molti composti di questo tipo l’applicazione di campi dell’ordine di qualche 
Kvolt/mm può causare il passaggio allo stato solido. La solidificazione è una 
condizione reversibile, quando il campo viene rimosso il composto torna alle 
condizioni iniziali tranne che per la persistenza, in alcuni casi, di disposizioni 
ordinate residue delle particelle. Il composto nella fase solida presenta 
generalmente una resistenza al taglio unitaria vicina ai 10 KPa/mm, la relazione 
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tra la resistenza al taglio ed il campo elettrico applicato per alcuni fluidi è data in 
figura Figura 2.1.3. Il valore della resistenza al taglio del materiale allo stato 
solido è indicata con il nome di “yield stress” di cui si parlerà nel dettaglio 
successivamente. 
 
 
 
Figura 2.1.3 Relazione tra yield stress e campo elettrico applicato per alcuni materiali. Dati 
APTIAC Quarterly Vol.7,Numero2, 2003 
Di recente, con l’impiego di nanoparticelle (50-70nm), si sono ottenuti materiali 
che a parità di campo applicato presentano una resistenza al taglio 10 volte più 
grande, questa proprietà è stata chiamata “giant electrorheological effect”,GER 
[38]. In figura Figura 2.1.4 è riportato il diagramma relativo alla relazione tra 
tensione e yield stress per detto fluido. 
In condizioni di solidificazione il composto è classificato, come discusso nel 
dettaglio in seguito, come fluido viscoplastico, all’applicazione di uno stress di 
taglio superiore ad un valore limite, si deforma e assume comportamento di tipo 
viscoso. 
Nonostante l’elevata tensione elettrica necessaria per generare significative 
variazioni meccaniche, grazie alla ridottissima conduttività dei materiali 
costituenti la base fluida, la corrente di esercizio è in genere di poche decine di 
µA/cm2. 
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Figura 2.1.4 Diagrammi relativi ad un fluido di tipo GER. 
Sono riportati i valori di yield stress al variare dalla 
temperatura per due diverse concentrazioni di nanoparticelle. 
Nel riquadro è visibile l’andamento della corrente rispetto alla 
radice quadrata del campo elettrico. Dipartimento di fisica e 
istituto di nano scienze, università di HongKong. 
 
L’effetto elettroreologico è stato osservato per la prima volta nel 1939 da 
Winslow [1]. L’interesse di Winslow verso l’elettroreologia inizia dopo la lettura 
nel 1937 dell’articolo “Jounsen Rahbeck Effect” che trattava della elevata forza di 
attrazione tra due elettrodi separati da alcuni materiali scarsamente isolanti. Gli 
studi in tale direzione lo hanno portato alla prima scoperta dell’effetto 
elettroreologico di alcuni materiali composti da una base fluida con delle polveri 
sospese, discusso nell’articolo “Induced vibration of suspensions” [1]. Ha ricevuto 
il brevetto per la sua invenzione nel 1947, e tale effetto è stato chiamato 
inizialmente“Winslow effect”. Un prototipo di fluido commercialmente 
disponibile si è avuto soltanto nel 1980. 
Questo fenomeno ha riscontrato notevole interesse perché ha aperto la strada ad 
una nuova possibilità di modificare il comportamento meccanico di un sistema 
agendo elettricamente. In genere l’interazione elettro-meccanica era affidata a 
dispositivi elettromagnetici, elettrostatici, elettrostrittivi o magnetostrittivi. A 
differenza di questi fenomeni, in cui in generale una grandezza meccanica (forza o 
coppia) viene trasdotta in una grandezza elettrica o magnetica, nei fluidi ER la 
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grandezza elettrica può modificare direttamente le proprietà meccaniche di un 
sistema. Questa opportunità ha portato alla nascita di nuovi dispositivi che trovano 
applicazione in molti campi della tecnica, dal settore automobilistico alla robotica. 
Con l’utilizzo di questi fluidi sono stati realizzati dispositivi come: attuatori ad 
elettrodo mobile [2], attuatori piezoelettrici autosensibili [3], sospensioni 
meccaniche ha smorzamento variabile [4], microattuatori a valvola integrata [5], 
attuatori e sistemi aptici per il controllo di strumenti negli autoveicoli [6]. 
Nel settore della robotica sono stati realizzati dispositivi per il feed-back aptico e 
sensoriale [7] per ricreare delle sensazioni fisiche reali in ambito della 
teleoperazione o della realtà virtuale. 
Per la comprensione della morfologia dei fluidi ER sono stati fatti numerosi studi, 
si sono analizzati materiali diversi, con concentrazioni di particelle differenti e in 
diverse condizioni ambientali. Sono stati sviluppati diversi modelli matematici 
che tentano di mettere in relazione le proprietà reologiche e la loro dipendenza 
dalla tensione elettrica applicata con le caratteristiche degli elementi costituenti il 
fluido. Il tentativo è quello di capire a fondo l’influenza dei diversi fattori che 
intervengono nella definizione delle proprietà comportamentali, per poter 
realizzare dei fluidi con caratteristiche idonee per applicazioni specifiche. 
Si farà di seguito una analisi a basso livello dei fenomeni che intervengono 
quando in un fluido elettroreologici si applica un campo elettrico. 
 
 
2.2 Studio comportamento 
 
I fluidi ER presentano un intrinseca complessità comportamentale, infatti i fattori 
che intervengono nella determinazione delle loro proprietà sono molti. 
Microscopicamente li possiamo descrivere come anisotropi e non omogenei, il 
loro comportamento dipende da: 
 
 ξ  temperatura 
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 ξ  tensione elettrica applicata 
 ξ  elementi costituenti e loro concentrazione 
 
A livello microscopico sono fondamentali: 
 
 ξ  proprietà meccaniche ed elettriche dei costituenti 
 ξ  struttura atomica e molecolare 
 ξ  interazione tra i costituenti 
 
La ricerca di un modello che li caratterizzi ha seguito un percorso articolato, si 
sono susseguite teorie differenti per spiegare risultati sperimentali differenti. A 
livello internazionale non c’è ancora una convergenza sulla caratterizzazione dei 
fluidi ER, non c’è un modello di riferimento comune e si hanno notizie 
discordanti su alcuni aspetti importanti come la dipendenza dalla temperatura, di 
cui si parlerà in dettaglio successivamente. 
Si è subito attribuita la variazione delle proprietà reologiche alla polarizzazione 
delle particelle sospese ed alla loro interazione. Le prime osservazioni 
sperimentali del fenomeno si sono avute negli anni per mezzo di microscopi laser 
[8] o con misure di tipo interferometrico [9]. E’ stato evidente da subito che le 
particelle si dispongono in pochi millisecondi in modo da formare delle catene 
nella direzione del campo elettrico applicato, successivamente si uniscono per 
formare delle colonne, come visto in Figura 2.1.2. 
Quando si applica una deformazione di taglio, le catene si piegano nelle direzione 
di deformazione. Nella figura Figura 2.2.1 è riportata un immagine, ottenuta al 
microscopio, della disposizione delle particelle in assenza di campo (a), in seguito 
all’applicazione del campo elettrico ma senza deformazione (b) e in seguito ad 
una successiva deformazione di taglio (c). In corrispondenza di ogni immagine è 
riportata la riproduzione schematica della disposizione particellare secondo 
l’interpretazione degli autori [41]. 
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