Progettazione di un dispositivo autonomo di generazione di energia per pacemaker = Design of an autonomous pacemaker power-generating device

Questo progetto mira a progettare un sistema innovativo per fornire alimentazione a un pacemaker impiantabile per adulti e bambini. L'obiettivo è prolungare la durata del pacemaker, per ridurre i costi e il rischio associato alla sostituzione della batteria. Un meccanismo Vibration Energy Harvesting viene sfruttato per convertire l'energia meccanica in elettrica, in una gamma di frequenze compatibili con le sorgenti di vibrazione fornita dal cuore. Il materiale intelligente sfruttato dall'Energy Harvester è preferibilmente selezionato per assicurare un forte accoppiamento elettromeccanico, per essere privo di piombo e biocompatibile, per esibire un’alta resistenza contro la fatica e la frattura ad alti cicli. L'energia associata alla deformazione meccanica viene convertita in carica elettrica e massimizzata sfruttando il comportamento non lineare di strutture. Sarà ottimizzata la forma degli elementi piezoelettrici e la disposizione dei circuiti elettrici collegati. Una delle più diffuse applicazioni dell'Energy Havesting riguarda i microsistemi elettromeccanici MEMS: questi sono dispositivi complessi di dimensioni ridotte che negli ultimi anni hanno subito un notevole sviluppo. Il seguente lavoro di tesi è stato svolto con l’obiettivo di studiare il comportamento elettromeccanico, a fatica di un Energy Harvester piezoelettrico, di modellare e simulare le condizioni ottimali al fine di validare un modello a elementi finiti applicabile ad una trave piezoelettrica, utilizzata per il recupero di energia da vibrazioni meccaniche, tramite il software COMSOL. \\ Per raggiungere tale obiettivo si è inizialmente effettuata una ricerca bibliografica in modo da avere un’idea chiara sui componenti che caratterizzano il pacemaker tradizionale. Successivamente è stata svolta una ricerca di anteriorità sulla tecnologia Energy Harvesting, illustrando le diverse applicazioni: per ciascuna sono stati definiti modalità di funzionamento, vantaggi e svantaggi. A seguire, è stato descritto l’effetto piezoelettrico che caratterizza i materiali utilizzati: vengono illustrate le equazioni che governano tale fenomeno e i parametri caratteristici che descrivono il materiale. Nella modellazione dinamica è stata presentato un modello analitico a parametri concentrati e a parametri distribuiti del comportamento elettromeccanico del cantilever ad uso di Harvester. Per concludere l’analisi dinamica del dispositivo, è stata fatta una breve descrizione sul fenomeno della fatica a cui viene sottoposto dopo un alto numero di cicli. Infine si passa alla progettazione meccanica del dispositivo. Dopo un’introduzione sulle specifiche di progetto fornite da un team composto da chirurghi, elettro fisiatri e ingegneri, sono stati presentati i sette prototipi, creati e simulati con il software COMSOL Multiphysic 5.6, che differiscono tra loro dal punto di vista strutturale per ottimizzare il comportamento funzionale dell’Energy Harvester. Il modello ad elementi finiti permette di simulare il comportamento del dispositivo ed è in grado di fornire aspetti elettro - meccanici come l’analisi modale con frequenze di risonanza del componente, forme modali, sforzi e deformazioni nei differenti casi. Infine, è stata effettuata un’analisi a fatica ad alto numero di cicli per ogni prototipo così da individuare il punto più sollecitato e valutare il numero di cicli necessari prima che il modello giunga a frattura.