Tendinte in mecatronica

Cuprins :

Tema proiectului - Tendinte in mecatronica Argumente - explicatii privind continutul Cuprins Capitolul 1 - Notiuni generale Capitolul 2 - Masini orientate dupa informatie si organismele vii Capitolul 3 - Influente datorate micromecanismelor Capitolul 4 - Supermecatronica, optomecatronica Capitolul 5 - Micromecatronica - 5.1 Microsisteme :

- 5.1.1 Notiuni generale- 5.1.2 Componentele unui microsistem

- 5.2 Microsenzori- 5.3 Microactuatori- 5.4 Micromanipulatoare

Capitolul 6 - Nanomecatronica Capitolul 7 - Biomecatronica Bibliografie

Argumente - explicatii privind continutul

Dezvoltarea societăţii informatizate nu putea să nu se regăsească în construcţia unora dintre cele mai dinamice şi utilizate produse ale economiei mondiale autovehiculul.

Industria constructoare de autovehicule este un promotor al introducerii în procesul de fabricaţie şi utilizare a noutăţilor bazate pe ultimele descoperiri tehnico-ştiinţifice oferind tipuri de vehicule « inteligente ».

Autovehiculele pot fi considerate ca sisteme deschise, organizate şi materializate printr-o serie de procese complexe de concepţie, proiectare şi fabricaţie alcătuite din subsisteme(subansambluri) şi elemente componente independente.

O caracteristică a sistemului autovehiculului o constituie particularităţile specifice sistemelor organizate dar şi cele ale sistemelor difuze. De aceea comportarea autovehiculului estecaracterizată printr-o serie de factori cum ar fi :- numărul foarte mare al subsistemelor, elementelor componente şi al funcţiilor îndeplinite de acestea ;

- complexitatea procesării informaţiei ca urmare a numărului mare de elemente care seinterconectează;

- distribuţia aleatorie a factorilor exteriori care acţionează asupra sistemului.Din complexul acestor factori de influenţă asupra sistemului autovehicul rezultă două

grupe mari de acţiuni :- acţiunea factorilor externi ai sistemului ;- acţiunea factorilor interni ai sistemului.Complexul factorilor externi se regăsesc în acţiunea factorilor climatici şi ai factorilor de

cale iar acţiunea factorilor interni ţin de acţiunile interioare ale sistemului. Din rândul factorilor climatici fac parte:

- temperatura aerului;- umiditatea aerului;- presiunea atmosferică;- poluarea atmosferei cu particule mecanice şi agenţi chimici;- factorii biologici;- radiaţiile;- acţiunea climatică a mişcărilor de aer (vânt, furtuni, uragane);- precipitaţiile atmosferice.Din rândul factorilor de cale pot fi enumeraţi:- gradul de uzură al suprafeţei căii;- complexitatea profilului căii de rulare;- lăţimea părţii carosabile ;- complexitatea obstacolelor căii ;- delimitările căii de rulare ;- gradul de iluminare al drumului ;- starea solului la limitele părţii carosabile ;- mediul de acoperire al căii de rulare (umezeală, zăpadă, polei, soluţii etc) ;- proprietăţile de aderenţă şi rezistenţă la rulare în plan longitudinal şi transversal.Dintre factorii interni pot fi precizaţi :- sarcinile de contact însoţite de alte condiţii interne;- frecarea cu efectele ei interne ;- compresiunea, torsiunea şi alte solicitări mecanice care obosesc materialul pieselor

componente;

- agresiunea corozivă la nivelul pieselor componente;- deformaţiile datorate diferitelor tipuri de solicitări statice şi dinamice.Ţinând cont de aceste aspecte, apare justificată necesitatea introducerii unor

subsisteme care să controleze şi să automatizeze comanda unor serii întregi de funcţii care la autovehiculul clasic erau îndeplinite de conducătorul acestuia cu limitele lui biologice.

Autovehiculul adus la nivelul societăţii informatizate conţine un număr important de elemente de mecanică fină şi mecatronică care este materializat prin peste 40-50 de senzori şi actuatori .

Senzorii şi actuatorii reprezintă elementele de legătură dintre vehiculul cu acţionarea sa complexă, frânarea, echipamentul de susţinere – rulare şi totalitatea componentelor de acţionare (incluzând conducerea şi navigarea-pilotarea) şi unitatea de control UC (de regulă digital electronică) folosită pentru prelucrare (fig.1).

Fig.1.În general, pentru a converti semnalele senzorilor în formă tipizată (standard-etalon)

cerută de unitatea de control este folosit un circuit adaptor. Acest circuit adaptor poate fi un sistem de măsurare sau un sistem de înregistrare a datelor măsurate. În plus, pentru alte elemente de proces, informaţia senzorului poate de asemenea să influenţeze procesul la fel cum o poate face conducătorul cu ajutorul elementelor de comandă (comenzilor manuale).

Elementele indicatoare (display-urile) furnizează conducătorului informaţii despre situaţia statică şi dinamică a vehiculului precum şi a proceselor sinergetice.

Senzorii sunt elemente care convertesc o mărime fizică, de obicei neelectrică, într-o mărime electrică putând fi folosită şi una sau mai multe treapte intermediare neelectrice. După tipul mărimii fizice evaluate cele mai frecvente sunt: temperatura lichidului de răcire, temperatura aerului admis, presiunea din galeria de admisie, presiunea atmosferică, poziţia unghiulară a arborelui, turaţia motorului, poziţia clapetei obturatoare, debitul de aer, debitul de combustibil, concentraţia de oxygen în gazele arse precum şi presiunea de ulei, presiunea în pneuri temperatura în habitaclu, viteza de deplasare, poziţia faţă de vehiculul din faţă etc.

Numărul senzorilor folosiţi la automobile a crescut rapid în ultimul deceniu. Vehiculele actuale sunt echipate în mod curent cu 40-50 de senzori.

Senzorilor le sunt impuse o serie de cerinţe prioritare care stabilesc rolul şi scopul utilizării lor precum şi direcţiile viitoare de dezvoltare.

Gradul de solicitare după care senzorul este încărcat este determinat de condiţiile de exploatare sau de operare care pot fi influenţe mecanice, climatice,chimice, electromagnetice şi care sunt prezente la instalaţia de bază.

Punând de acord adaptarea la cerinţele autovehiculelor, senzorii pot fi încadraţi într-una din cele trei clase (niveluri) de siguranţă:

- clasa (nivelul) I : care se referă la conducere, frânare, protecţia pasagerului;- clasa (nivelul) II : care se referă la motor, sistemul de direcţie, sistemul de susţinere,

pneuri;- clasa (nivelul) III : care se referă la comfort, informare şi diagnosticare, antifurt.Cercetătorii caută permanent noi variante de multisenzori integraţi care sunt cuplaţi în

module miniaturizate din ce în ce mai sofisticate. Metodele raţionale de producţie şi producţia de masă sunt amândouă în egală măsură necesare pentru obţinerea unor costuri reduse.

O serie de metode şi proceduri fac posibilă obţinerea unor elemente cu dimensiuni reduse, compacte. Dintre acestea se remarcă:

- tehnologia hibridă şi a straturilor (depunerilor) pentru senzori de presiune, temperatură;

- tehnologia semiconductorilor pentru senzori folosiţi la controlul vitezei unghiulare, de exemplu comutatoare Hall;

- micromecanica (tehnologia mecanicii fine) pentru senzori de presiune şi acceleraţie;- mecatronica (tehnologia microsistemelor) prin combinarea micromecanicii,

microelectronicii care poate include şi microoptica, optoelectronica.

Sistemele de reglare, de la senzorii hibrizi şi integraţi monolit şi cu semnal electronic, la senzorii de localizare completă a căii de rulare şi a direcţiei, până la circuitele digitale complexe, cum ar fi convertoarele A/D şi microcomputerele (mecatronice) care exploatează precizia intrinsecă a senzorilor, oferă următoarele posibilităţi:

- reducerea solicitării (încărcării) în unitatea de control;- elemente de comunicare compatibile, uniforme, flexibile;- aplicaţii (utilizări) diverse şi multiple ale senzorilor;- modele (proiecte) multi-senzori;- prelucrarea (procesarea) semnalelor de mică intensitate şi frecvenţă înaltă(amplificare, demodulare);- înmagazinarea factorilor individuali de corecţie într-un PROM (Program Read-Only

Memory) în ordinea uşurinţei de corectare a abaterilor senzorului la senzorul de bază şi să asigure reglarea integrală a echilibrului şi compensarea pentru senzor şi circuit.

Actuatorii sunt elemente de reglare finală a legăturii dintre procesorul de semnalelectronic care prelucrează datelor şi procesele efective, mecanice. Ei convertesc semnalele de putere joasă transmiţând informaţia de poziţionare în semnale de lucru sau de exploatare la un nivel de energie adecvat pentru reglarea procesului. Convertoarele de semnal sunt combinate cu elemente de amplificare pentru a utiliza principiile de transformare fizică reglând relaţiile dintre diverse forme ale energiei (electrică-mecanică-hidraulică-termică) (fig.2).

Elementele de reglare finală sunt acţionate sau comandate fie direct fie cu componente în sistem de comandă în buclă de reglare închisă.

Criteriul calitativ pentru evaluarea transformării semnalului este randamentul sau eficienţa, liniaritatea şi răspunsul dinamic (întârzierea minimă).

Fig. 2. Structura de bază a actuatorilor.

Materialele magnetostrictive fac posibilă proiectarea actuatorilor pentru aplicarea în domeniul de micropoziţionare. De asemenea aparţin acestui categorii şi actuatorii piezoelectrici.

Actuatorii termici depind exclusiv de exploatarea caracteristicilor specifice ale materialelor.

Actuatorii pentru autovehicule sunt, în general, actuatori de acţionare electromagnetici din care sunt derivaţi actuatorii motori electrici şi actuatorii magnetici de translaţie şi rotaţie. O excepţie este sistemul pirotehnic de umplere a airbag-ului.

Actuatorii magnetici pot fi pe deasupra elemente de reglare finală sau pot servi ca elemente de reglare pentru un mecanism de amplificare a forţei, de exemplu, mecanic-hidraulic (fig.3).

Fig. 3. Schema cu actuatori electromecaniciActuatorii electromecanici sunt elemente de reglare cu acţiune directă. Ei transformă

energia semnalului electric de reglare într-un factor de poziţionare mecanic raportat la funcţionare fără mijlocirea unui mecanism de conversie sau transformare.

Utilizările tipice includ elemente de reglare (poziţionare) a clapetelor, cursoarelor, glisierelor şi supapelor. Majoritatea actuatorilor prezentaţi sunt elemente de reglare finală fără mecanisme de readucere interioară şi astfel fără punct stabil de funcţionare. Ei sunt capabili numai să îndeplinească operaţii de poziţionare pentru o poziţie stabilă iniţială sau punct de funcţionare când este aplicată o contraforţă sau reacţiune asemenea unui element elastic de revenire sau a unui element electric de reglare. Un miez mobil al bobinei (plunjerul bobinei) asigură un punct de stabilitate static polarizat sau înclinat atunci când curba forţei sale de lucru este sincronizată cu caracteristica de răspuns a unui arc de returnare sau revenire. Variaţiile în curent curg prin înfăşurarea de defazare pentru punctul de funcţionare. Poziţionarea de bază esterealizată prin reglarea curentului de trecere. Punctele care reclamă o atenţie specială sunt răspunsul nonliniar de curent/debit şi sensibilitatea sistemului actuator la factori de interferenţă (frecare mecanică, forţe pneumatice şi hidraulice). Sensibilitatea termică a rezistenţei bobinei se manifestă în erori de poziţionare făcând necesară reglarea de corecţie a curentului. Un sistem de poziţionare de înaltă precizie cu un bun răspuns dinamic trebuie să conţină un senzor de poziţionare şi un controler (regulator sau aparat de comandă).

În cele mai multe aplicaţii, actuatorii pentru conducere mecanici cu fluid îşi asumă rolul de transformatori ai formei energiei hidrostatice. Această operaţie este făcută în acord cu principiul de deplasare prin convertirea energiei presiunii unui mediu fluid în lucru mecanic şi vice versa.

Amplificatoarele mecanice de fluid reglează sau comandă trecerea energiei între fluid şi structurile mecanice. Energia pretinsă pentru reglarea sau comanda mecanismului de reglare este constituită numai de o mică parte din energia de curgere destinată pentru reglarea finală, de bază.

Supapele de comutare (distribuţie) deschid şi închid orificiile de curgere dirijând curgerea fluidului la şi de la un convertor de energie mecanică a fluidului.

În contextul actual în care industria autovehiculelor constituie unul din cele mai dinamice domenii privind concepţia, producerea şi exploatarea, în componenţa produselor sale specifice se regăsesc o serie de elemente care înglobează cele mai noi realizări din domeniul tehnicii actuale.

Dintre acestea se remarcă marea varietate de senzori şi actuatori construiţi pe baza noilor concepte micromecanice şi mecatronice. O astfel de categorie o constituie cea a senzorilor şi actuatorilor care acoperă toate nivelele de siguranţă cerute de exploatarea autovehiculelor actuale şi le conferă un « grad ridicat de inteligenţă » .

Capitolul 1

Notiuni generale

Problematica analizată anterior evidenţiază faptul că mecatronica este strans legată de ingineria mecanică şi de ingineria informaţiei. Tehnologia informaţiei, software-ul în particular, a fost dezvoltată pentru a da flexibilitate maşinilor. Prin urmare, flexibilitatea maşinilor creşte prin introducerea mecatronicii. „Mecanic” nu mai este un adjectiv însemnând inflexibilitate. Maşinile moderne tind să înceteze a fi „mecanice”, ceea ce ar putea fi privit ca un paradox.

Nu sunt puţini cei care dau vina conceperii unei existenţe mai puţin umane pe computere, din moment ce informatizarea privează chiar şi pe un sistem mecanic de o anumită libertate şi flexibilitate.

În lumea specialiştilor, se încearcă ca sistemele informatizate să fie cât mai eficiente cu putinţă şi să se elimine în exploatare toate etapele care ar fi de prisos, atunci când capacitatea calculatorului este insuficientă. Rezolvarea problemei insuficienţei se face prin optimizarea sistemului în anumite condiţii şi prin urmare, este posibil să se neglijeze comportarea sistemului în alte condiţii. Nu este de mirare că sistemele informatizate care au fost proiectate cu această tehnologie şi-au pierdut flexibilitatea care fusese avantajul iniţial, devenind o pacoste pentru utilizatori.

Oricum, performanţele computerelor cresc de la an la an, astfel oricine poate să le utilizeze potenţialul la un nivel de neimaginat în trecut şi de asemenea, la un preţ scăzut. Sistemele informatizate pot fi proiectate şi utilizate având un grad oarecare de redundanţă în locul limitărilor.

Dezvoltarea tehnologiilor VLSI şi SLSI permite plasarea unui număr foarte mare de circuite pe o suprafaţă foarte redusă. Prin folosirea fotoimprimării în această tehnologie, un cip realizat în producţie de masă devine surprinzător de ieftin.

Abundenţa componentelor ieftine a dus la un nou concept de proiectare a unui sistem. Performanţa unui circuit VLSI, care are limitări prin proiectare, scade. Se poate obţine un sistem mult mai performant şi la un preţ mult mai scăzut prin folosirea unor parţi ale unor cipuri disponibile, decât prin fabricarea unui singur circuit specializat.

Este foarte puţin probabil să existe un produs mecatronic care să conţină un cip microprocesor al cărui set de instrucţiuni să fie folosit în întregime. Există multe sisteme care posedă o anumită redundanţă prin proiectare. În acest sens, se poate spune că a început o eră având la bază o nouă paradigmă tehnologică. Noile componente ale sistemelor realizate în tehnologie VLSI necesită o noua teorie a proiectării sistemelor. Configuraţia unui sistem variază cu dispozitivele folosite, iar o configuraţie nouă necesită noi dispozitive. O astfel de verigă de legătură între sistem şi dispozitive este un important stimul pentru dezvoltare. Sistemele cu autonomie distribuită şi sistemele holon tind să fie mult mai flexibile decât sistemele existente până în prezent. Atunci când performanţele unui computer erau insuficiente, conexiunile versatile între ieşiri şi intrări nu puteau fi realizate, astfel că schimburile de informaţie între subsisteme individuale trebuiau să aibă loc într-o succesiune foarte bine determinată. Prin urmare, sistemele erau organizate astfel încat subsistemele să fie conectate rigid. Efectul unei astfel de organizări este propagarea unei influienţe negative de la nivelul întregului sistem. În cazul unui sistem cu autonomie distribuită, fiecare subsistem este astfel proiectat încat să poata opera cvasiindependent. Astfel, este posibil ca fiecare subsistem să opereze independent în condiţii deosebite, cum ar fi întreruperea căilor de comunicaţie.

Acest principiu de proiectare poate fi considerat degenerat, dacă îl privim prin prisma noţiunii de sistem, iar complexitatea unui astfel de sistem este discutabilă.

Un astfel de principiu de proiectare nu face parte, cu siguranţă, din principiile care pun eficienţa în prim plan. Dacă funcţionarea sigură în cazul accidentelor, posibilitatea de extindere a sistemului şi de îmbunătăţire a facilităţilor oferite sunt importante, atunci organizarea sistemului cu autonomie distribuită este alegerea potrivita. Funcţiile sistemului care par redundante sunt, de fapt, bine implementate şi asigură un raspuns bun al sistemului în diferite situaţii. În cazul

sistemelor biologice, „conceperea sistemelor” cu autonomie distribuită este adoptata în mod natural.

Să luăm ca exemplu dezvoltarea unui organism pornind de la zigot. Morfogeneza nu constă doar în simpla diviziune celulară. Chiar dacă o jumătate de zigot este îndepărtată în primele etape, se ajunge la „viaţă” prin procesul obişnuit de morfogeneză. Este imposibil ca aceasta strategie flexibilă să se bazeze pe un sir de acţiuni şi răspunsuri de la stimuli. Fenomenul care are loc sugerează că strategia poate fi modificată în timpul procesului de diviziune celulară. Acesta este un exemplu de subsistem a cărui comportare este flexibilă, depinzând de mediul înconjurator, ceea ce este de dorit. Un astfel de sistem se numeşte flexibil. Deoarece subsistemele operează pentru îndeplinirea obiectivului întregului sistem, ele ar trebui să depindă de sistem. Pe de altă parte, subsistemele trebuie să fie autonome, fiindcă se comportă ,,voluntar" în diferite configuraţii ale mediului înconjurator. A. Koestler a numit ,,holon" acest tip de existenţă având o aparentă inconsistenţă.

O particularitate a unui holon este aceea că generează propria sa informaţie care se adaugă informaţiei date. Cu alte cuvinte, tactica variază pe baza unei strategii date. Dacă am avea un simplu şir de acţiuni şi reacţiuni, acesta ar corespunde unei transformate de simboluri, iar cantitatea de informaţie la intrare şi la ieşire ar fi aceeaşi.

Ultimele echipamente mecatronice sunt inteligente şi au caracteristici holon. Structura ierarhica într-un sistem holon nu este simplă, iar orientarea nu este doar de la un nivel superior la unul inferior. Într-un sistem holon, cele două niveluri sunt integrate cu ajutorul unui complex de poantori bidirecţionali având un nivel înalt de redundanţă. O astfel de structură de sistem poate fi creată doar atunci când marginea de performanţă pentru componentele sistemului este suficient de mare.

Serviciile constituie singurul sector economic, care a înregistrat în ultima perioadă creşteri considerabile.

Cu toată dinamica impresionantă, industrializarea serviciilor este încă o problemă mai mult teoretică. O cauză importantă o constituie structura eterogenă a sectorului de servicii şi spectrul larg al domeniului de prestări de servicii. Fig.1 Tendinţa de dezvoltare a roboţilor [SCH 96].

De câţiva ani datorită saturaţiei pieţei, al stagnării sau fenomenului de recesiune atenţia specialiştilor s-a îndreptat spre sectorul de servicii. Dezvoltarea domeniului de prestări de servicii este tot mai mare (Fig.1), datorită modificărilor tot mai dinamice ale structurii acestui domeniu:

- Întreprinderile producătoare de bunuri de larg consum oferă servicii intr-o mai mare măsură. Noile forme de organizare a muncii, au drept scop o mai bună conlucrare a producătorilor

de bunuri de larg consum cu cei din domeniul serviciilor, ceea ce are drept rezultat creşterea volumului desfacerilor şi o ofertă mai diversificată. Serviciile devin astfel nu numai un factor important de creştere a producţiei dar şi o importantă sursă de creare de noi locuri de muncă, de dezvoltare a noi meserii etc.

- Aproape toate firmele ofertante de servicii, utilizează/instalează tehnologii noi de informare pentru prestări de servicii in mediul economic şi în relaţiile cu publicul şi le dezvoltă mereu. De asemenea se întreprind în toată lumea eforturi susţinute, pentru utilizarea de echipamente parţial sau total automatizate, pentru a câştiga o piaţa nou formată, piaţa serviciilor robotizate. Părerea experţilor în acest sens este elocventă [SCH 94]:

- “Aşa cum astăzi mulţi deţin un PC, generaţiile viitoare vor avea un robot personal (Personal robot).” [ I.Kato];

- “Mediul este propice pentru roboţii medicali.” [P.A.Finley];- “I.G.Bau se interesează de roboţii japonezi utilizaţi în construcţii.” [B.Köbele];- “…pe termen lung RS vor avea o importanţă mai mare decât colegii lor din industrie!” [J.F.Engelberger];- “…viitoarea piaţă a roboţilor personali (Hausehold Robots) va tinde să depăşească actuala piaţă a automobilelor.” [J.S.Albus].

Studiile privind promovarea RS urmăresc următoarele probleme:- Analiza nivelului tehnic şi tehnologic al automatizării în domeniul prestărilor de servicii, al aplicaţiilor existente şi evidenţierea limitelor tehnologice;- Inventarierea cazurilor de utilizare a roboţilor pentru prestări de servicii;- Identificarea serviciilor ce se pretează la automatizare /roborizare;- Evaluarea potenţialului pieţei;- Definirea tehnologiilor necesare;- Identificarea deficienţelor tehnologice;- Exemple de sisteme robotice pentru prestări de servicii;

Totodată se impune studierea activităţilor parţial sau total automatizate, pentru folosirea unor efecte sinergice referitor la:

- Componentele cheie existente, modificabile sau care trebuie dezvoltate;- Subansambluri sau părţi din sistem având costuri ridicate;- Acceptarea de aplicare şi de utilizare;- Structurarea activităţilor tehnice, organizatorice şi economice.

Concurenţa puternică existentă in domeniul serviciilor, îi constrânge pe ofertanţii de servicii / firmele prestatoare de servicii, pe de-o parte la o căutare continuă de noi posibilităţi de raţionalizare a activităţii, iar pe de altă parte de lărgire a ofertelor de servicii prestate. Principalele tendinţe în acest sens, prezente în literatura de specialitate ENG 89b], [SCH 96] sunt prezentate în continuare:

Terţiarizare economiei. Serviciile devin tot mai mult o parte componentă integrată a tuturor activităţilor din toate sectoarele unei economii naţionale.

Tehnologiile de informare şi comunicare. Numeroase servicii dintre cele mai căutate în prezent, sunt rezultatul progresului tehnic şi tehnologic.

Creşterea serviciilor solicitate de populaţie. Creşterea veniturilor populaţiei şi năzuinţa spre o nouă calitate a vieţii, conduc nemijlocit spre o cerere crescândă de servicii de orice fel.

Automatizarea prestărilor de servicii. După ce prin promovarea noilor tehnologii de I&C au permis raţionalizarea activităţii în multe domenii, pe viitor se vor deschide noi posibilităţi de raţionalizare prin utilizarea RS în principal în activităţi de transport, de manipulare şi de prelucrare. Pe lângă constrângerile impuse de raţionalizare, o delimitare a concurenţei se va face prin utilizarea celor mai moderne tehnologii şi aparate. Aceasta afectează în special serviciile care se efectuează sub directa supraveghere-observare a clienţilor.

Introducerea noilor tehnologii în domeniul serviciilor conduc, pe lângă alte avantaje, la creşterea productivităţii şi calităţii serviciilor prestate.

Un studiu bibliografic privind utilizare roboţilor în sectorul serviciilor, a înlesnit o privire de ansamblu privind numărul de roboţi de servicii şi aplicaţiile in care sunt utilizate, prezentată în figura 2

Din analiza figurii 2 reiese că cele mai multe aplicaţii se întâlnesc în domeniul construcţiilor, numai în Japonia existau în anul 1990 cca. 436 de roboţi.

Studii separate prezintă stadiul actual, nivelul tehnic, respectiv tendinţele de dezvoltare şi de utilizare a sistemelor robotizate în domeniul prestărilor de servicii [ENG 89b], [SCH 96] Cercetările se extind pe un singur domeniu, de exemplu medicina, sau se referă la o prezentare generală, de exemplu domenii de utilizare neindustrială.

Capitolul 2 Masini orientate dupa informatie si organismele vii

Maşinile mecatronice trebuie să fie foarte flexibile şi să ne ofere posibilitatea conceperii unor sisteme foarte performante. În ciuda avansului tehnologic datorat, printre altele şi VLSI, rezultatele nu sunt satisfăcătoare. Marea majoritate a maşinilor utilizate până în prezent au fost proiectate fără a lua în considerare informaţia. Adăugarea unui sistem de tratare a informaţiei unei astfel de maşini presupune un efort suplimentar costisitor.

Maşinile mecatronice din zilele noastre conţin elemente de informaţie care se adaugă mecanismului, rolul calculatorului fiind acela de a realiza fuziunea informaţie - mecanism. Îmbunătăţirile la nivelul mecanismelor vor face ca tehnologia informaţiei să fie mai uşor de aplicat. Un exemplu tipic de echipament controlat de informaţie sau software este un ,,vehicul cu configuraţie controlată" (engl. CCV - Control Configured Vehicle), cum este şi temutul aparat de zbor F117 ,,Stealth", bombardierul ,,invizibil" al USAF. Acesta este o aeronavă care nu poate zbura fără ajutorul unui calculator. Forma sa o face aerodinamic instabilă dar aceasta poate avea stabilitate în zbor dacă exista un program care să controleze şi să comande anumite manevre. Sistemul este instabil static, însă este stabil dinamic.

Viitoarele echipamente mecatronice vor depinde în mare măsură de informaţie, iar structura lor va avea aceeaşi organizare cu a unui CCV. Distincţia între starea ,,vie" a echipamentelor, în care sistemul de control este operaţional şi starea ,,moartă", starea în care sistemul de control nu este operaţional, se va face mai pregnant. Aceasta este în concordanţă cu ideea că echipamentele se vor apropia de sistemele biologice. Viaţa fiinţelor are un caracter nonstaţionar, iar dinamica lor este strâns legată de conceptul de informaţie. Prin urmare, în echipamentele mecatronice ale viitorului vor fi întărite analogiile cu sistemele vii.

Bionica a fost propusă ca domeniu al ştiinţei în care se încearcă descoperirea mecanismelor deosebite din fiinţele vii cu ajutorul tehnologiei inginereşti. Scopul bionicii nu se regăseşte în subiectele legate de software-ul descris aici ci în cele legate de hardware. Domeniul de cercetare în care mecanismele sunt învăţate cum să imite viaţa va deveni tot mai important în viitor. Acest

domeniu se va numi, probabil, bio-software. O particularitate a sistemelor vii este că hardware-ul si software-ul constituie un tot indivizibil. ADN înmagazinează toate informaţiile referitoare la organismul viu şi este compus din trei tipuri de triple. Însăşi forma ADN determinată de pH şi de afinitatea pentru moleculele de apă este o informaţie la un nivel mai înalt al morfogenezei decât cel al proteinei. Mecanismul funcţionării creierului nu este cel al unei simple retele neuronale, ci este strâns corelat cu reacţia substanţei.

Cazurile în care se face separarea hardware-software se bazează pe faptul că se întamplă să avem tehnologia care ne ajuta să rezolvam problemele în ciuda separarii. Separarea este făcută doar de dragul comodităţii.

Deşi software-ul şi hardware-ul sunt bine delimitate în proiectarea actualelor echipamente mecatronice, va exista posibilitatea fuzionării în viitor.

Capitolul 3Influente datorate micromecanismelor

Micromecanismele din prima generaţie au fost realizate pornind de la ideea miniaturizării şi compactizării. Componentele din structura acestora au fost fabricate utilizând tehnologiile clasice.

Datorită facilităţilor oferite de tehnologia mecatronică, se realizează un salt calitativ important, componentele mecanice pot fi fabricate cu precizie submicronică.

Prin aplicarea tehnologiei moleculare, creşte simţitor gradul de integrare şi se reduc dimensiunile modulelor din structura sistemelor mecatronice. Senzorul, microprocesorul şi actuatorul pot fi integrate într-un volum redus, obţinându-se astfel un nou element.

Micromecanismele au, de asemenea, un impact important asupra proiectarii maşinilor, la fel cu cel al VLSI, deoarece trebuie adoptata o cu totul altă metodologie de proiectare. Este necesară o formă specifică de organizare a sistemului, datorită puterii reduse solicitate de micromecanisme. Noile componente şi echipamente necesită o noua organizare a sistemelor.

Maşinile au fost proiectate cu actuatori având necesităţi energetice calculate în conformitate cu metoda convenţională. Cu alte cuvinte, maşinile au fost proiectate luându-se rând pe rând în considerare specificaţiile cerute, ordonate după anumite criterii.

În cazul unui sistem bazat pe micromecanisme şi micromaşini, puterea totală se obţine prin integrarea componentelor datorate unora dintre micromecanisme. Sistemele cu elemente multiple integrate pot avea multiple grade de libertate, ceea ce le mareşte gradul de complexitate.

Să considerăm un micromecanism obţinut prin imprimarea unui substrat de siliciu. Limita inferioară a unei dimensiuni de prelucrat depinde de dimensiunile sculei folosite pentru desenarea conturului, de exemplu diametral unui fascicul de electroni.

Extinderea integrării este limitată de dimensiuni. Tehnologiile moleculare oferă suportul necesar pentru a depăşi limitele actuale.

În această idee este de dorit că tehnologia de proiectare moleculară, care este utilizată în biotehnologii în prezent şi tehnologia de realizare a micromecanismelor să se combine şi să fuzioneze.

În acest moment, se pare că există o distanţă între tehnologiile de imitare a vieţii, ca biomecansimele, biosoftware-ul, ingineria biosistemelor şi biotehnologie. Acestea nu sunt privite ca un acelaşi domeniu, dar se aşteaptă ca ele să fuzioneze în viitor datorită ideilor deja prezentate.

Pentru a proiecta şi fabrica echipamente bazate pe micromecanisme, este necesar un nou tip de sistem CAD care să fie capabil să îmbine proiectarea mecanismelor şi proiectarea circuitelor electrice. Multe sisteme de aplicaţii vor fi integrate în mediul de lucru al unui astfel de sistem CAD.

Echipamentele micromecatronice trebuie proiectate într-o secvenţă continuă de proceduri de proiectare, astfel ca influenţele proiectării circuitelor electrice să fie luate în seamă la calcularea căldurii generate de sistem, aceasta afectând forma geometrică a mecanismului. Noile echipamente nu mai pot fi proiectate folosind tradiţionalele instrumente CAD, deoarece instrumentele având la baza principiul separării părţi electrice de partea mecanică nu mai corespund cerinţelor actuale.

Se lucrează la medii CAD integrate, fiind propus un nou tip de simulare. Simularea tradiţională urmăreşte erorile cantitative pe baza unor reguli cunoscute ale fizicii. În noul mediu integral, regulile nu mai sunt fixate. Simularea se desfăşoară într-un mediu care se extinde pe măsură ce procesul de proiectare evoluează. Această simulare se poate apropia prin caracteristici de asa-numita simulare calitativă, la primul nivel. La ultimul nivel, simularea trebuie extinsă la o simulare cantitativă completă, în care aproape toate legile fizicii sunt luate în considerare.

Tehnologia prelucrării şi transmisiei optice a informaţiei utilizează cu succes materialele polimerice datorită caracteristicilor lor optice deosebit de utile 1-3. În primul rând sub aspectul preţului scăzut al polimerilor primari, apoi datorită tehnologiei relativ simple de obţinere şi integrare a structurilor optice pe micro-structuri semiconductoare. Tendinţa actuală de înlocuire a magistralelor de date conductoare prin magistrale optice, necesitatea realizării unor multiplexoaredemultiplexoare optice de mare performanţă ca şi multiplele aplicaţii ale structurilor de tip ghid de undă în întreaga optoelectronică 4-5., în special în tehnologia traductoarelor optice, face din căutarea unor noi tipuri de astfel de materiale şi tehnologii de obţinere a structurilor optice integrate un domeniu de mare interes şi actualitate.

Clasele de polimeri utilizate pana in prezent in optica integrata sunt: polimidele, policarbonatii, poliacrilatii, olefinele. Utilizarea unor noi tipuri de polimeri dopaţi (polimetilmetacrilat PMMA, Acidpoliacrilic – PAA, polistiren PS, -polimetil stiren - PMS sau polimeri vinilici Alcool polivinilic-PVA), la care structurile specifice opticii integrate sa fie realizate prin modificarea controlata a indicelui de refracţie, reprezintă o importanta posibilitate de aplicare a informaţiilor rezultate din studiul de material la o tehnologie concreta.

Plecând de la experienţa colectivului de cercetare în studiul proceselor opto-electronice ce au loc la iluminarea polimerului poli(vinil alcool) dopat cu fier, FePVA 7-10, s-a urmărit obţinerea de alte tipuri de polimeri dopaţi, care să posede caracteristici îmbunătăţite sub aspect al stabilităţii şi al proprietăţilor optice.

Scopul principal al programului este cercetarea şi realizarea unor noi tipuri de materiale polimerice cu potenţiale aplicaţii în mico-fotonică şi optica integrată, utilizabile ca ghiduri de unda in procesarea circuitelor optice integrate si sistemelor de transmitere optică de date, şi ca medii performante de stocare a informaţiei. Se urmăreşte ca materialul compozit să fie un polimer dopat cu ioni metalici cu valenţă multiplă, precum şi dopaje complexe hetero-nucleare.

S-a urmărit in principal alegerea unor polimeri cu proprietari optice superioare. Caracteristicile optice care s-au urmărit au fost indicele de refracţie, transparenta si omogenitatea depunerilor finale. S-a avut in vedere prelucrarea uşoara prin "spin-coating" a materialului polimeric de baza iar dintre proprietăţile mecanice importante au fost urmărite gradul de aderenta la substrat (in prima faza utilizându-se plachete de sticla) si lipsa sau gardul redus de exfoliere ca urmare a îmbătrânirii si/sau atacului agenţilor de mediu. Important a fost de asemenea si accesibilitatea solvenţilor utilizaţi pentru obţinerea atât a soluţiei de polimer la obţinerea filmelor polimerice cat si compatibilitatea acestor solvenţi cu sărurile metalelor utilizate la dopajul viitorului material compozit.

Realizarea sistemelor micro-optice se bazeaza in principal pe utilizarea de materiale compozite, intre care sunt de mentionat si polimerii integrati pe cipuri de siliciu. Una dintre directiile actuale de cercetare se refera la gasirea unor tipuri avansate de polimeri care sa se preteze optimal acestor aplicatii, atat din punctul de vedere al caracteristicilor mecanice (inclusiv adeziunea la substratul de siliciu) cat mai ales al caracteristicilor electronice si optice. In acest

scop, in cadrul proiectului de fata au fost abordati polimerii dopati cu ioni metalici cu valenta mixta. Avantajele unor astfel de polimeri se bazeaza pe faptul ca procesele electronice, cu influenta directa asupra proprietatilor optice, pot fi controlate prin intermediul modificarii distributiei electronice in jurul ionului metalic. Astfel de modificari pot fi induse atat pe cale termica, dar mai ales prin excitare optica, cum ar fi, spre exemplu, expunerea la radiatie optica corespunzatoare (in cazul de fata la radiatie UV, datorita existentei maximelor de absorptie a complecsilor metalici in domeniul respectiv).

In etapele precedente au fost efectuate cerecetari aprofundate în vederea obţinerii de polimeri dopati cu un singur tip de ion metalic. S-a urmărit stabilirea procesului de optimizare a straturilor subţiri de polimeri dopaţi, in functie de condiţiile de preparare şi dopare, precum si alegerea speciei metalice active în faza iniţială a procesarii. A fost analizata influenta expunerii la UV asupra caracteristicilor optice si a proprietatilor electronice ale materialelor studiate. S-a stabilit ca din punct de vedere al expunerii la UV, cel mai adecvat polimer dopat este FeIII:PVA (intre polimerii analizati s-au numarat PVA, PMMA, PMS, NOVOLAC, PAA, iar intre dopanti, FeIII, SnII, SbIII, etc.)

Au fost coroborate proprietatile electronice in corelatie cu parametrii optici, atat in polimeri dopati cu un singur tip de ion metalic, Sn respectiv Fe si Sb respectiv Fe, cit si in polimeri dopaţi cu amestec de ioni de Sn şi Fe, respectiv Sb si Fe în concentraţii egale. S-au facut studii pe combinatiile de ioni mentionate mai sus, dopand atat PVA (film polimeric cu apa reziduala) cat si PMMA (fara apa reziduala). Mecanismule electronice locale induse prin iluminarea filmelor polimerice dopate au fost investigate prin spectroscopie Mossbauer pe 57Fe şi 119Sn si 121Sb. Evolutia absorbtiei sub influenta expunerii la UV a fost obtinuta prin spectroscopie de absorbtie evolutia indicelui de refractie si a grosimii filmului, prin spectroscopie de moduri (m-line spectroscopy). Comportarea optica specifica a fost explicata pe baza mecanismelor electronice locale, stabilindu-se astfel tipul optim de material pentru aplicatii privind inregistrarea holografica in timp real si rspectiv pentru obtinnerea de ghiduri de unda.

Capitolul 4Supermecatronica, optomecatronica

Progresele în domeniul tehnologiei electronice determină salturi spectaculoase în dezvoltarea mecatronicii. Ultimele realizări, care vizează aplicaţii ale tehnologiei ASIC (Application Specific Integrated Circuit) în proiectarea sistemelor de comandă, sunt numite de către japonezi "supermecatronică". Este cunoscut faptul că anumite funcţii de comandă reclamă o putere de calcul considerabilă. În astfel de aplicaţii, care se întâlnesc destul de frecvent, se justifică integrarea acestor funcţii în cipuri specializate.

Astfel de cipuri se utilizează pentru procesarea imaginilor în sistemele de viziune artificială, pentru cinematica inversă a roboţilor, cipuri pentru interpolare, cipuri pentru procesarea semnalelor etc.

Există realizări importante pe linia integrării electronicii de putere pentru servomotoare cu logic digitală, pe aceeaşi placă. Asa-numitele "cipuri de putere inteligente" sunt produse astăzi de către prestigioase firme în domeniu ca : NEC, Toshiba etc. Aceste module pot fi echipate cu traductoare de curent, tensiune, temperatură etc., pentru protecţie şi pentru control. Motoare de putere până la 100 W pot fi controlate direct cu aceste cipuri. Dezvoltarea tehnologiei optice, în special apariţia laserilor pe bază de semiconductori a înlesnit integrarea acesteia în structura sistemelor mecatronice. Astfel a apărut optomecatronica. Influenţa tehnologiei optice asupra structurii unui sistem mecatronic este sugestiv arătată în figura 1,

Fig.1 Influenţa tehnologiei optice asupra structurii unui sistem mecatronic

În acest mod s-au obţinut noi produse şi aplicaţii performante, Discurile optice, cititoarele de coduri, senzorii optici, imprimantele laser, sistemele de măsurare pe bază de interferometrie laser sunt doar câteva exemple.

În discurile optice informaţiile sunt înregistrate şi redate cu ajutorul razei laser, generate de un laser pe bază de semiconductor şi focalizată la distanţă de 1 µm de suprafaţa discului. Precizia de poziţionare pe rază este de 1 µm, iar pe pista de 0,1 µm. Servosemnalul pentru controlul poziţiei se transmite tot pe cale optică. Astfel, se poate spune că raza laser îndeplineşte simultan trei roluri: sursa de putere, senzor pentru detectarea informaţiilor pe pistă şi senzor de poziţie.

Cercetările în acest domeniu au în vedere creşterea spectaculoasă a performanţelor, prin realizarea laserilor pe bază de semiconductori, cu lungime de undă scurtă, a laserilor cu raze multiple, precum şi a unor capete optice integrate de înregistrare-redare. Aplicarea tehnologiilor pe bază de holografie va conduce la creşterea spectaculoasă a performanţelor în funcţionarea sistemelor de înregistrare redare a informaţiilor, prin creşterea densităţii de înregistrare pe unitate de suprafaţă şi prin creşterea vitezei de transfer. Optomecatronica si microoptomecatronica vor avea un rol hotărâtor în acest sens.

Capitolul 5Micromecatronica

Micromecatronica reprezintă integrarea sinergetică a sistemelor microelectro-mecanice cu tehnologiile electronice şi mecanica de precizie.

Domeniile de interes specifice micromecatronicii sunt: microsistemele şi microdispozitivele, microsenzorii şi microactuatorii, microsursele de energie, produsele de înaltă precizie şi/sau miniaturizate, componentele din structura echipamentelor periferice pentru calculatoare, instrumentele optice, microrobotica, aplicaţiile biomedicale.

Obţinerea unor instrumente capabile să manipuleze obiecte de mici dimensiuni este o problemă dificilă deoarece există o serie de aspecte care trebuie rezolvate. În prezent, manipularea obiectelor cu dimensiuni între 1 mm si 1 µm reprezintă o mare provocare. Fenomenele fizice care sunt valabile la aceste dimensiuni diferă de lumea macro. Fizica acestor obiecte mici este mai complicată decât pare la prima vedere şi se explică ţinând seama că la dimensiunile de acest ordin de mărime masa obiectelor este neglijabilă în comparaţie cu forţele de

Tehnologie optica

adeziune. Cele mai importante forţe de adeziune sunt: forţele Van der Waals, forţele electrostatice şi forţele de tensiune superficială. Desprinderea obiectelor poate fi mai dificilă decât prinderea lor. Interactiunea obiect-obiect şi obiect-instrument este foarte complexă şi este perturbată de factori externi cum ar fi: vibraţiile, umiditatea temperatura, etc.

În micromecatronică trebuie să se ţină seama şi de efectul reducerii dimensiunilor. Astfel, caracteristici precum forţa, cuplu, lucrul mecanic, viteză, putere, eficienţă nu sunt influenţate în aceeaşi măsură atunci când unui senzor sau actuator îi sunt micşorate dimensiunile. De exemplu, miniaturizarea este favorabilă pentru actuatorii pe bază de aliaje cu memoria formei. Aceştia au avantajul unui raport lucru mecanic/volum ridicat comparabil cu cel al actuatorilor hidraulici, un design simplu fiind uşor activat cu ajutorul curentului electric.

5.1 Microsisteme

Microsistemele sunt acele sisteme la care mai multe funcţii sunt realizate într-un spaţiu redus şi la care cel puţin o componentă este realizată prin una dintre microtehnologii. Structura unui microsistem este determinata de functiile sale şi anume [43]:

- detectarea, prelucrarea şi evaluarea semnalelor externe;- luarea unor decizii pe baza informaţiilor receptate;- transformarea deciziilor în comenzi corespunzătoare pentru actuatori.

Principalele componente ale unui microsistem sunt prezentate în figura 2. O caracteristică importantă a microcomponentelor, în comparaţie cu componentele convenţionale, este că senzorii şi actuatorii sunt compatibili ca mărime şi preţ de cost cu componentele microelectronice. În acest sens, tehnologia microsistemelor (TMS) depăşeşte performanţele proceselor tradiţionale de prelucrare precisa.

Fig.2 Componentele unui microsistem

O problemă majoră specifică zilelor noastre în domeniul TMS o constituie transferul rezultatelor cercetărilor în aplicaţiile practice industriale (sau tranziţia de la fascinaţia tehnică la succesul economic).

Principalul motiv este reprezentat de costurile mari ale echipamentelor de realizare a microcomponentelor. Se consideră că TMS este un domeniu în care cooperarea dintre institutele de cercetare şi companiile industriale este esenţială pentru asigurarea succesului. Se aşteaptă ca standardizarea să joace un rol mai important în domeniul TMS, contribuind la reducerea costurilor microsistemelor.

5.1.2 Componentele unui microsistem

Senzorii se realizează, în prezent, pe un substrat, integraţi într-o matrice senzorială. În funcţie de aplicaţia acestora, pot utiliza principii mecanice, termice, magnetice, chimice sau biologice.

Actuatorii sunt elemente active ale unui microsistem care permit acestuia să reacţioneze la un stimul (de exemplu: micromotoare, micropompe, supape, gripere, întrerupătoare, relee). Spre deosebire de miniaturizarea senzorilor care este posibilă în prezent, miniaturizarea actuatorilor este o direcţie de cercetare care trebuie să rezolve aspecte multiple privind atât materialele cât şi tehnologiile de realizare a acestora [162 ].

Modulul de prelucrare a informaţiilor şi control al sistemelor are funcţii complexe şi este limitat din punct de vedere al dimensiunilor şi al consumului de putere. Algoritmii de control trebuie adaptaţi la necesităţile şi specificul microsistemelor.

Informaţii

Energie

Substanţă

Interfaţa cu procese sau alte

sisteme

Microactuator 1

Microactuator 2

Microactuator n

Electronica de putere

Convertor D/A

Microsenzor 1

Microsenzor n

Microsenzor 2

Prelucrarea semnalelor

Convertor A/D

MICROSISTEMPrelucrarea

informaţiilor

MEDIU

INCONJURATOR

Interfaţa cu alte procese sau sisteme asigură schimbul de energie, informaţie şi substanţă. Se consideră că fezabilitatea şi succesul pe piaţă al viitoarelor microsisteme depinde de dezvoltarea interfeţelor practice micro-macro.

În prezent, se bucură de un mare interes interfaţa electrică (pentru transmiterea informaţiilor şi energiei). Sunt studiate diverse posibilităţi de realizare a interfeţelor pe cale optica, termica, acustica, etc. Până în prezent, singura metodă utilizată pentru transferul de substanţă este cea cu ajutorul unor elemente specifice micro-fluidicii.

Convertoarele A/D si D/A fac, deseori, parte integrantă din interfaţa electrica. Ele permit conversia semnalelor analogice date de senzori, în semnale ce pot fi prelucrate digital precum şi controlul analog al actuatorilor utilizând comenzi digitale generate de microcontroler. În cazul microsistemelor cu structură descentralizată, echipate cu senzori şi actuatori inteligenţi (cu propriile microcontrolere) convertoarele A/D si D/A pot fi integrate direct pe chip-urile microsenzorilor sau micoactuatorilor [43].

Componentele pentru electronica de putere sunt esenţiale pentru orice microsistem, ele ridicând deseori probleme electromagnetice sau termice de care trebuie să se ţină seama în faza de proiectare.

Componentele de prelucrare a informaţiei generează semnale electrice pentru controlul actuatorilor utilizând datele de la senzori: Un ciclu de prelucrare a informaţiilor cuprinde: captarea lor, transformarea, stocarea, evaluarea şi generarea de semnale.

Semnalele de la diferiţi senzori sunt digitalizate cu un converter A/D şi amplificate; semnalele prelucrate servesc ca şi semnale de control pentru actuatori.

Microsistemele pot fi automonitorizate şi testate de propriile unităţi de control şi pot comunica cu alte sisteme şi microsisteme, dacă este necesar.

Modul de prelucrare a informaţiilor de către un microsistem este ilustrat în figura 3.Fluxul informaţional este mai dificil de urmărit la microsisteme decât la sistemele clasice şi

nu pot fi utilizate toate tehnicile clasice de prelucrare a informaţiilor.Pentru microroboţi ca microsisteme reprezentative, este foarte importantă capacitatea de a

se adapta la cerinţele procesului, ei trebuie să fie capabili să lucreze în medii necunoscute şi să garanteze o anumită comportare în situaţii imprevizibile. Pentru aceasta au nevoie de metode noi de prelucrare a informaţiei, care să nu necesite un model exact al sistemului şi care să permită un compromis rezonabil între procesarea în timp real, exactitatea şi cantitatea datelor de intrare (logica fuzzy şi reţelele neuronale etc).

Fig. 3 Procesarea semnalului şi a informaţiei într-un microsistem

În tabelul 1 se prezintă spectrul microsistemelor şi metode corespunzătore de fabricaţie.

Tabelul 1Metode de

observare-măsurareElemente

componenteTehnologii de realizare

Vizibile cu ochiul liber Componente miniaturizate

Prelucrari de precizie

Microscop optic Microcomponente Microtehnologiispecifice (ex.:LIGA)

Microscop electronic Componente moleculare

Ingineria proteinelor,biotehnologie

Aceasta clasificare acoperă o scară dimensională de la 10 mm la caţiva nanometri, incluzând toate mecanismele relevante.

Semnale de comunicare

Semnale de control

Semnal test

Convertor D/A si

amplificare

MEDIU

INCONJURATOR

Microsenzori fizici si chimici

Prelucrarea semnalelor

Prelucrare inteligenta a informatiilor

EvaluareLuare deciziiControl

Etc.

Automonitorizarea si testarea sistemului

Convertor D/A si

amplificare

Microactuatori

Comunicare

Sisteme externeMICROSISTEM

10 mm

Milimasini1 mm

Micromasini1 µm

Nanomasini1 nm

În 1991 a fost introdus conceptul unui sistem robot multiagent (un microsistem) pentru controlul şi întretinerea interiorului incintelor inaccesibile sau periculoase [43], [122].

Fig. 4 Exemplu de microsistem

Acest microsistem (figura 4) propus de japonezi este alcătuit din patru unităţi: o microcapsulă, o navetă-mamă, un modul de operare şi un modul de inspecţie fără cablu. Naveta-mamă este responsabilă pentru transportul modulelor, furnizându-le energie şi transferând date între module şi unitatea de control exterioară. Microcapsula are propria ei sursă de energie şi are misiunea să cerceteze locurile inaccesibile care ar putea fi distruse şi să raporteze defectele observate către unitatea de control exterioară.

Nu există un consens general privind dimensiunile microsistemelor sau ale microcomponentelor. Unii cercetători consideră un microsistem ca având dimensiuni de câtiva centimetri, alţii consideră că numai acele sisteme cu dimensiuni de ordinul micrometrilor pot fi numite microsisteme.

În unele lucrări de specialitate, microroboţii sunt trataţi ca una dintre cele mai importante aplicaţii ale tehnologiei microsistemelor alături de alte aplicaţii, aşa cum este prezentat în figura 5.

TMS reprezintă soluţia actuală de rezolvare a multiplelor probleme legate de performanţele deosebite ce se impun componentelor unui sistem: senzori, actuatori, module de prelucrare a informaţiilor. TMS este definită ca integrarea funcţională a elementelor mecanice, electronice, optice, utilizând tehnici specifice. Comparativ cu sistemele convenţionale, microsistemele au mult mai multe funcţii şi deci numeroase aplicaţii.

Se admite denumirea de minirobot pentru sistemele robotizate cu volumul de ordinul a câţiva cm³, iar pentru microroboţi, pentru volumul sub 1 cm³. Dimensiunile diferite ale roboţilor miniaturizaţi, ale mini şi microroboţilor sunt determinate de aplicaţiile lor diferite, şi implică tehnologii de realizare, metode de măsurare, control şi de asamblare diferite. Din punct de vedere tehnologic, este dificil de delimitat o tipologie specifică mini şi microroboţilor, totuşi se pot identifica două clase distincte:

a) microroboţii de tip clasic la care arhitectura este cea a roboţilor industriali şi manipulatoarelor, fiind obţinută prin miniaturizarea sau integrareaelementelor componente. Performanţele lor funcţionale depind nemijlocit de progresele tehnologice în direcţia miniaturizării senzorilor şi actuatorilor,

Fig. 5 Aplicaţii ale tehnologiei microsistemelor

b) microroboţii neconveniţionali ce se bazeză pe principii fizice particulare(piezoelectricitate, magnetostricţiune, memoria formei, electroreologie).Aceştia utilizează proprietaţile mecanice, electrice sau magnetice ale aşa-numitelor materiale ,,inteligente", ceea ce permite, în final, realizarea unor funcţii specifice robotilor de tip clasic. Cel mai adesea se obţine o mobilitate ce determină deplasarea întregului sistem sau a unei părţi a acestuia pe suprafaţa unui solid, în mediu lichid sau în aer.

Asamblarea microsistemelor, însoţită de transportul nedistructiv, manipularea precisă şi poziţionarea precisă a microcomponentelor sunt aplicaţii dintre cele mai importante ale microroboţilor.

5.2 Microsenzori

Microsenzorii formează interfaţa dintre mediu şi elementul de control, reprezentând un organ vital pentru un sistem artificial. Ei pot mirosi, gusta, vedea şi simţi prin masurarea parametrilor mecanici, biochimici, termici, magnetici şi radiaţii. Aplicaţiile prezente şi viitore ale microsenzorilor au cel mai ridicat potenţial în industria automobilelor, protecţia mediului, tehnologia producţiei şi de proces, sectorul militar, aplicaţii medicale, etc.

Odată cu tendinţa de a dezvolta microroboţi de control care pătrund în maşinării complexe, sau în conducte inaccesibile, pentru a localiza şi repara defecte, s-a impus dezvoltarea microsenzorilor de poziţie, pentru calculul poziţiei unghiulare exacte a microrobotului în raport cu un plan de referinţă. Sistemul senzor constă dintr-un LED şi o capsulă de sticlă semisferică care este montată pe o matrice de fotodiode. Capsula este umplută cu lichid şi are o bula de aer închisă în interior. LED-ul trimite lumina prin capsulă, şi astfel se formeaza umbra bulei de aer pe cele patru fotodiode (figura 6).

Dispozitive pentru industria auto

Inginerie biomedicala si biotehnologie

Protectia mediului

Microroboţi

Ingineria proceselor de productie

Telecomunicatii

TMS

Electronica

Industria aerospatiala

MetrologieTehnologia calculatoarelor,

birotica, electrocasnice

Fotodiodă

Fig. 6 Microsenzor Dacă senzorul este înclinat pe o direcţie, umbra se deplasează peste matricea de fotodiode.

Semnalul de ieşire al fotodiodelor este amplificat, putând fi determinate, astfel unghiul şi direcţia de înclinare. Sistemul a fost testat pentru determinarea poziţiei unui robot care se deplasează într-un sistem de conducte. Principiul de măsură asigură menţinerea constantă a vitezei cu efecte benefice privind precizia de masurare. O altă aplicaţie în care a fost utilizat un astfel de senzor a constituit-o un studiu topografic, senzorul fiind montat pe un mic vehicul care s-a deplasat pe întreaga suprafaţă supusă studiului [43].

5.3 Microactuatori

Microactuatorii reprezintă dispozitive cu mărimea de la câţiva microni la câţiva centimetri şi care materializează un principiu funcţional aplicabil în lumea micro. Microactuatorii includ, de asemenea, acei actuatori care sunt fabricaţi folosind tehnologiile specifice micromecanicii. În plus, faţă de miniaturizare, microdispozitivele mecanice având elemente ca: pompele, valvele, microgrippere, elemente de poziţionare liniare şi rotaţionale, actuatorii simpli de tip consolă şi sisteme complexe de muschi artificiali, trebuie sa fie funcţionale pentru a înzestra un microsistem cu capabilităţi dependente de sarcini. Micropompele şi microvalvele pentru tratare la nivel microscopic a lichidelor şi gazelor pot fi folosite în medicină, unde sunt necesare sisteme implantabile, de mare acurateţe, pentru dozarea medicaţiei, sau pentru analiza chimică şi biologică, unde trebuie transportate şi analizate volume exacte de lichide.

Pe lângă microactuatorii electrostatici, piezoelectrici sau electromagnetici care sunt în mod curent investigaţi, materialele magneto - şi electrostrictive şi aliajele cu memoria formei devin tot mai utilizate..Aceşti microactuatori deschid o lume cu noi posibilităţi, deoarece ei se bazează pe principii de funcţionare complet diferite faţă de actuatorii convenţionali. În comparaţie cu actuatorii convenţionali, microactuatorii folosesc, în general, acţionări directe fără elemente de transmisie mecanică.

De exemplu, microactuatorii care utilizează energia optică, prin intermediul fibrelor optice, sunt de interes în multe aplicaţii. O secţiune transversală a unui astfel de microactuator, constând într-o microcelula de siliciu care conţine un lichid şi un absorbant de lumină, este prezentată în figura 7.

Fig.7 Microactuator

Microcelula este ermetic închisă cu o membrană elastică, pătrată, aceasta este sub tensiune mecanică şi se curbează spre interior în stare iniţială. Atunci când lumina laserului este ghidata în interiorul celulei prin intermediul unei fibre optice, absorbantul de lumină încalzeşte lichidul, presiunea interioară în celulă creşte şi membrana este împinsă spre exterior.

În figura 8 a, b sunt prezentate cele două stări ale membranei. Microactuatorul a lost fabricat din siliciu, prin tehnici de microprelucrare în volum şi prin tehnici de pulverizare. Membrana, constând dintr-un strat de aliaj de Ni-Cr-Si, se curbează spre exterior cu 35 µm atunci cand este generata o presiune de 1 kPa. Prototipul a fost supus la 5.000 de cicluri de funcţionare şi nu a aratat nici o problemă de uzură [43].

a bFig. 8 Membrana microactuatorului

5.6 Micromanipulatoare

O problemă importantă în microrobotică o constituie manipularea obiectelor de mici dimensiuni. Micromanipulatoarele sunt necesare în domenii în care se cere o precizie ridicată în plasarea şi pozitionarea unor obiecte foarte mici. Astfel de domenii sunt: biologia, medicina pentru manipularea unor obiecte (organe) mici, pentru manipularea genelor, în microchirurgie etc.

Datorită performanţelor funcţionale ridicate, actuatorii piezoelectrici se utilizează frecvent în construcţia micromanipulatoarelor.

Cu astfel de actuatori a fost realizat un micromanipulator cu o structura paralelă, ce cuprinde două platforme conectate prin intermediul elementelor piezoelectrice. Platforma mobilă dispune de un ac din sticlă, utilizat la micromanipulare (figura 9).

Microdispozitivele cu două astfel de degete, sub formă de ace acţionate piezolelectric, fiecare având câte şase grade de libertate, sunt concepute special să manipuleze micro-obiecte. Ele au fost special proiectate pentru a lucra în lumea micro, unde gravitaţia şi momentele de inerţie joacă un rol minor. Micromanipulatorului din figura 9 i-au fost adăugate arcuri pentru a permite "degetelor" să se mişte continuu şi pentru a-i mări stabilitatea. Degetele sunt realizate sub forma de ace, de 50 mm lungime, având o rază la vârf de 30 µm [43].

Membrană

Fluid de lucru

Siliciu

Absorbant de lumină

Fibră optica

Lumină laser(λ=830 nm)

Fig. 9 Micromanipulator tip platforma Stewart lllllllllllllllllllllllllllllllll

Capitolul 6Nanomecatronica

Microroboţii încorporează în structura lor, componente cu dimensiuni mai mici de 1 mm. Aceste componente ar trebui să fie cât mai integrate, pentru a se reduce timpul de asamblare. Dimensiunile submicronice ale unor componente reclamă o tehnologie de comandă/control al manipularii la nivel nanometric. Ingineria proteinelor este departe de stadiul de dezvoltare pentru construcţia şi procesarea nanocomponentelor, astfel că, nanoservopoziţionarea ca tehnologie de nanoasamblare va deveni tot mai importantă în viitor. Tehnologia recentă de realizare a microscopului tunel cu baleiaj (STM-Scanning Tunnelling Microscope) şi a microscopului de forţă atomică (AFM-Atomic Force Microscope) sunt exemple ce confirmă aceste tendinţe. Pentru a realiza o astfel de servooperare la nivel nanometric, sunt importanţi nu numai actuatorii de comandă, ci şi tehnologiile de detecţie, materialele mecanismele şi sinteza lor.

S-au realizat demonstraţii de scriere a unor caractere de dimensiuni atomice pe suprafaţa unei plachete de siliciu prin utilizarea echipamentelor STM sau AFM. Sistemele STM implică un electrod cu vârf punctual din wolfram, pentru măsurarea curentului electric de tunelare şi un actuator piezoelectric tip stivă, care realizează poziţionări 3D pentru electrod, cu rezoluţie subnanometrică.

Fig. 10 Nanomanipulare cu STM

Actuatorul este comandat de către un calculator cu viteză mare, cu sisteme de detecţie a poziţiei în domeniul subnanometric. Astfel, atomii de la suprafaţa plăcuţei de siliciu sunt extraşi

varf din sticla

actuator piezoelectricplatforma mobila

Platformă de bază

5 µm Scanner, Ball Diameter ~ 15nm 500 nm stationary bals

unul câte unul datorită câmpului electric de înaltă densitate concentrat în jurul atomului. Aceste sisteme realizează prelucrări la nivelul atomic, dar, în prezent, este necesar un timp de lucru prea mare pentru determinarea poziţiei cu precizie subnanometrica.

În domeniul biologiei moleculare a fost elucidata structura motorului flagelar (figura 11).Rotorul se roteşte contra statorului în raport de densitatea ionului H+. De asemenea s-a

formulat ipoteza că enzima este o maşină moleculară, macroglobulina ℓ2 se deformează pentru a prinde în capcană enzima proteolitica (figura 12). Elucidarea principiilor unor asemenea actuatori vii va furniza informaţii importante pentru dezvoltarea microactuatorilor.

Fig. 11 Motorul flagelar

În viitor, nanodispozitivele vor controla roţi minuscule, manipulatori, actuatori şi senzori. Fantezia umană merge atât de departe, încât imagineaza nanoroboţi invizibili care acţionează tapiţeria unui fotoliu, controlat pneumatic, pentru ca acesta să ia forma utilizatorului, sau nanoroboţii vor fi trimişi prin jetul unui spray de gură să îndepărteze tartrul dentar [43].

Rotor

Conector flexibil

ℓ2

Fig. 12 Enzima capcana uuuuuuu

Capitolul 7Biomecatronica

Conţinutul şi particularităţile biomecatronicii - una dintre cele mai reprezentative tendinţe în mecatronică - poate fi pus în evidenţă din cel putin trei perspective distincte.

Astfel, în primul rând, biomecatronica are ca obiect de activitate sistemele (maşinile) inteligente destinate aplicaţiilor medicale prezentate în cadrul paragrafului 8.4 (pentru ajutarea sau asistarea funcţiilor motrice şi mai ales, senzoriale, pierdute definitiv sau diminuate, pentru perfecţionarea tehnicilor şi echipamentelor de achiziţionare, prelucrare şi analiză a unor imagini din interiorul organismului, pentru îmbunătăţirea diagnosticării şi tratamentului, pentru perfecţionarea tehnicilor chirurgicale). Ca urmare, în acest context, câteva dintre produsele biomecatronice sunt: sistemele protetice inteligente, organele şi ţesuturile artificiale, echipamentele de asigurarea mobilităţii, robotica pentru asistarea persoanelor cu handicap, sistemele miniaturizate pentru chirurgia minimal invazivă, echipimentele de imagistică medicală, etc.

Realizarea acestora presupune unirea eforturilor specialiştilor în inginerie mecanică (ale căror contribuţii sunt din domeniul biomecanicii, protezelor, ortezelor) cu cele ale specialiştilor în ingineria electrică şi software (ale căror contribuţii sunt din domeniile biosenzorilor, a stimulării electrice funcţionale etc.). O atenţie deosebită este acordată interacţiunii dintre organele biologice şi sistemele, respectiv dispozitivele electromecanice.

Primele dispozitive biomecatronice au fost realizate în urmă cu câtiva ani (de exemplu, defibrilatoarele cardiace pacemake-urile etc.). În viitor, se urmăreşte realizarea unor noi aplicaţii, cum ar fi: stimulatoarele musculare controlate mental pentru persoanele cu paralizia membrelor, stimulatoare pentru pancreas pentru bolnavii de diabet, sisteme implantabile de substituirea văzului şi auzului şi altele.

Un prim pas în vederea înlocuirii totale a unui organ intern constă în a sprijini funcţiile lui prin intermediul unor sisteme biomecatronice pentru distribuirea unor secreţii interne sau a unor medicamente. În ultimii ani au fost dezvoltate asemenea sisteme ce distribuie medicamente transdermal, subcutanat, intramuscular sau intravenos, [26] în două variante: pe bază de implanturi biodegradabile şi pe bază de micropompe implantabile.

În primul caz, s-au studiat polimerii a căror eroziune controlată produce o distribuire precisă şi stabilă de substanţă în interiorul corpului. În cel de-al doilea caz, micropompele implantabile au fost conectate cu rezervoare umplute periodic din exterior prin ace transcutanate. Această soluţie este mai promiţătoare în vederea substituirii funcţiilor organelor interne pentru că micropompele oferă posibilitatea reglării dozelor de fluid în funcţie de pacient şi de recomandările terapeutice. Realizarea practică a acestor sisteme presupune rezolvarea urmatoarelor probleme specifice: biocompatibilitatea materialelor, fiabilitatea dispozitivului şi stabilitatea medicamentelor în rezervor.

O aplicaţie curentă a sistemelor amintite mai sus o constituie controlul glicemiei la pacienţii dependenţi de insulină.

Micropompele îşi bazează funcţionarea pe principii diferite, având în structură actuatori pe bază de aliaje cu memoria formei, actuatori piezoelectrici etc. Sunt realizate fie prin tehnologii de precizie tradiţionale, fie prin procedee tehnologice specifice microstructurilor (litografie, procedeul LIGA etc.).

Pentru perioada care urmează, se prefigurează utilizarea acestor micropompe în structura sistemelor mecatronice implantabile, în bucla închisă, ca şi cel din figura 13.

Un astfel de sistem măsoară concentraţiile diferitelor componente fiziologice din sânge, reglează dozele de medicament printr-un microcontroler şi distribuie cantitatea adecvată prin intermediul unei micropompe şi al unor microvalve.

Dintre componentele sistemului prezentat mai sus, probleme mai deosebite ridică senzorii. Cele mai bune rezultate au fost obţinute cu biosenzori. Aceştia măsoară concentraţiile diferitelor substanţe chimice, exploatând interacţiunea dintre acestea şi un element biologic amplasat pe un traductor, [167]. Elementul biologic recunoaşte şi detectează o anumită substanţă chimică, iar traductorul converteşte şi transmite efectele interacţiunii prin intermediul unui fenomen fizic.

Pasul următor în direcţia înlocuirii organelor interne este reprezentat de organele bioartificiale. Acestea constituie obiectul unui nou domeniu al bioingineriei, numit ingineria ţesuturilor. În principiu, ingineria ţesururilor se ocupă cu creşterea unor culturi de celule şi organizarea lor ca şi ţesut, în contact cu diferite materiale sintetice. Primele produse ce combină ingineria ţesuturilor cu tehnologia micromecatronică sunt grefele de cornee, dispozitivele de asistare a funcţiilor ficatului şi pancreasului, precum şi înlocuirile de oase, tendoane şi ligamente.

În figura 14 este prezentată schema de principiu a unui organ bioartificial implantabil pentru susţinerea funcţiilor unor organe interne. Într-o membrană semipermeabilă sunt încorporate mici capsule donoare. Membrana permite glucozei să ajungă la capsule şi acestea să producă insulină, dar nu permit trecerea limfocitelor şi anticorpilor care sunt mult mai mari decât glucoza şi insulina.

Fără îndoială, una dintre cele mai semnificative direcţii de cercetare din domeniul biomecatronicii, o constituie interfeţele neuronale, Acestea se aşteaptă să devină cele mai adecvate soluţii pentru controlul protezelor, pentru stimularea electrică funcţională şi pentru dispozitivele de intrare-ieşire (de control) ale maşinilor. În principiu, constau din microelectrozi, circuite electronice de tip one-chip de pre-procesare a semnalelor, plăci cu microorificii, componente pentru susţinerea şi fixarea terminaţiilor nervoase regenerate, microelemente de interconectare.

În figura 15 este prezentată schema unei interfeţe neuronale pentru regenerare ce are în structură un tub de ghidare a nervilor realizat dintr-un material termoplastic, biostabil pe bază de elastomeri, numit ChronoFlex. Placa cu microperforaţii se poate executa din siliciu, oxid de siliciu sau nitrură de siliciu. Rezultatele obţinute cu ocazia testărilor în vitro sunt deosebit de promiţătoare în ceea ce priveşte integrarea sistemelor micromecatronice cu sistemele biologice.

Un al doilea cadru în care se pot regăsi aplicaţii ale biomecatronicii îl reprezintă biotehnologia. În acest context, produsele mecatronice sunt destinate creării sau modificării unor materiale biologice, incluzând realizarea de ţesuturi artificiale precum şi de noi specii de plante şi animale.

Pentru sortarea, manipularea, combinarea celulelor, pentru efectuarea unor măsurători în ţesuturi precum şi pentru injectarea de substanţe în celule, sunt necesare micro-unelte şi microdispozitive special proiectate şi realizate pentru astfel de scopuri. În figura 16 este ilustrată o micromanipulare celulară. Acest tip de aplicaţii va fi tot mai frecvent, în viitor, în condiţiile realizării aşa numitelor computere biologice.

Fig. 9.17 Micromanipulare celulara

Acestea au în structură microorganisme modificate genetic ce reacţionează la stimuli chimici în acelaşi mod în care componentele cip-urilor electronice reacţionează la semnalele electrice. Cercetătorii americani au modificat genetic celulele de Pseudomonas putida pentru a produce atât porţi „ŞI", cât şi porţi ,,SAU". Prin alegerea convenabilă a genelor, pentru stimulii chimici de intrare se obţine ieşirea dorită (materializată, de exemplu, de o enzimă bioluminescentă). În prezent, dezavantajul acestor ,,bacterii inteligente" constă în faptul că, în comparaţie cu celulele nemodificate genetic, îşi consumă energia pentru transmiterea de informaţii în loc să o faca pentru supravieţuire.

A treia faţetă a biomecatronicii este reprezentată de acele produse, maşini, echipamente sau dispozitive ce sunt realizate pe baza unor modele oferite de natură. Astfel, sunt studiate biosistemele, sunt puse în evidenţă legităţile lor structurale şi funcţionale şi apoi acestea sunt transferate sistemelor mecatronice ce au, în felul acesta parametrii optimi de funcţionare. Justificarea acestui demers ştiinţific interdisciplinar este dată de acţiunea principiului proiectului optim, ce determină funcţionarea optimă a biosistemelor.

În figura 17 este prezentat un robot inspirat din lumea vie.

Fig. 17 Robot paşitor inspirat din lumea vie

Bibliografie

I. Cristea, D., Sisteme speciale ale automobilelor şi motoarelor, Ed. Universităţii din Piteşti, 1999II. Gherghină, G., Elemente de mecanică fină şI mecatronică pentru autovehicule, Ed. Universitaria Craiova, 2002.III. Manea A.T., Manea L.C., Mecatronica automobilului modern, Ed. Matrix-Rom, Bucureşti, 2000;IV. Colecţia revistei Autoturism 1990-2001.v. N. Ioniţă - Elemente de mecanica automatelor şi dinamica automatizarii proceselor industriale, Ed. Tehnică, Bucuresti, 1985.VI. V. Maties s.a. – Actuatori in mecatronica, Ed. Mediamira, Cluj-Napoca, 2000.