Progetto e sviluppo di metodi e sistemi di misura innovativi per la caratterizzazione funzionale in situ di dispositivi MEMS per applicazioni in medicina e biologia

Il presente elaborato di tesi di dottorato affronta la sfida della caratterizzazione funzionale di microgripper elettrostatici, dispositivi MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) in grado di manipolare oggetti su scala micrometrica. Tali dispositivi, offrono un’ampia gamma di possibili applicazioni, tra cui l’impiego in diverse applicazioni biomediche, come la microchirurgia, la manipolazione cellulare e l’ingegneria tissutale. La caratterizzazione funzionale dei microgripper, in particolare la misura della forza di presa, è un parametro importante per garantire la sicurezza e l’efficacia delle operazioni di manipolazione. Tuttavia, la misura di forze nell’ordine dei micro- o nanonewton rappresenta una sfida metrologica significativa, a causa delle dimensioni estremamente ridotte dei dispositivi e della difficoltà di integrare eventuali trasduttori di forza. Per superare queste difficoltà, nel presente progetto di ricerca è stato combinato un approccio sperimentale con la modellazione numerica agli elementi finiti. È stata sviluppata una procedura di misura semi-automatica, implementata in MATLAB e basata su un algoritmo di video tracking, per analizzare le immagini acquisite tramite uno stereomicroscopio per quantificare lo spostamento delle parti mobili dei dispositivi in esame. I risultati sperimentali sono stati confrontati con le simulazioni numeriche condotte in COMSOL Multiphysics, dimostrando la corrispondenza tra il comportamento del dispositivo reale e quello virtuale, validando il modello agli elementi finiti. Sulla base dei risultati ottenuti dalla caratterizzazione dei microgripper, è stato sviluppato un modello analitico per la stima della forza di presa, che integra i dati sperimentali con le simulazioni numeriche. Il modello consente di stimare la forza esercitata dalle ganasce dei microgripper durante la manipolazione di oggetti. L’analisi dell’incertezza di misura ha permesso di quantificare la qualità dei risultati ottenuti, considerando le diverse sorgenti di incertezza e di errore, dalla taratura del sistema ottico alla stima della forza di presa. I risultati ottenuti dal presente progetto di ricerca offrono un contributo significativo alla conoscenza dei microgripper elettrostatici e delle loro potenzialità in ambito biomedico. La combinazione di tecniche di analisi delle immagini, simulazioni numeriche e modelli analitici ha permesso di sviluppare un metodo innovativo per la misura della forza applicata dagli attuatori MEMS in esame, aprendo nuove prospettive per l’utilizzo di questa tipologia di dispositivi in applicazioni che richiedono la manipolazione precisa e controllata di oggetti su scala micrometrica.