Progettazione e sintesi di metamateriali con applicazioni all'ingegneria delle infrastrutture

La disponibilità di infrastrutture efficienti costituisce un requisito imprescindibile per lo svolgimento di tutte le attività umane. Esse svolgono un ruolo strategico nei processi di mobilità e accessibilità, sia nel connettere luoghi di lavoro e residenze, sia nella distribuzione di beni e servizi alle comunità, nonché nell’assicurare l’efficacia delle operazioni di evacuazione e soccorso in occasione di eventi estremi o calamità naturali. In tale contesto, le reti ferroviarie, stradali e autostradali, unitamente alle relative opere infrastrutturali, sono elementi chiave per il trasporto su lunga distanza di persone e merci. Tali infrastrutture rivestono inoltre una funzione critica nell’assicurare la connettività locale, nel rafforzare la resilienza delle comunità e nel garantire accessibilità capillare, in particolare nel cosiddetto “ultimo miglio”.

Negli ultimi anni si è assistito a una significativa evoluzione dei sistemi ciber-fisici e delle architetture di calcolo decentralizzato (edge computing), che ha reso possibile lo sviluppo di sistemi di sensing embedded innovativi e l’elaborazione operativa di dati eterogenei acquisiti in campo. L’integrazione tra metodologie di sensing distribuito e recenti progressi nel campo dell’intelligenza artificiale – in particolare mediante tecniche di deep learning e machine learning – consente l’elaborazione in tempo reale di segnali e parametri ambientali complessi. In parallelo, la scienza dei materiali e l’ingegneria dei materiali hanno registrato due innovazioni tecnologiche di rilievo per il settore delle infrastrutture stradali: (1) i metamateriali, e (2) la manifattura additiva (stampa 3D). I metamateriali sono sistemi materiali ingegnerizzati, non riscontrabili in natura, progettati e realizzati per soddisfare specifici requisiti funzionali. Negli ultimi anni, questi materiali hanno suscitato crescente interesse nella comunità scientifica e stanno progressivamente trovando applicazioni in ambito ingegneristico. Essi offrono funzionalità su misura potenzialmente integrabili in infrastrutture intelligenti, ad esempio per la calibrazione dinamica delle fondazioni finalizzata alla mitigazione delle sollecitazioni sismiche. La possibilità di realizzare tali sistemi con microstruttura e proprietà meccaniche controllate è stata resa concreta dai recenti sviluppi nelle tecnologie avanzate di stampa 3D. L’integrazione di tali materiali con sistemi di sensing, controllo e comunicazione potrebbe abilitare configurazioni adattive, in grado di rispondere dinamicamente a stimoli ambientali.

L’obiettivo del progetto proposto è lo sviluppo di metodologie teoriche e computazionali avanzate per la progettazione e sintesi di metamateriali, finalizzate alla realizzazione di infrastrutture sicure, affidabili e resilienti. In particolare, il progetto si propone di investigare strategie di progettazione razionale in grado di sfruttare le potenzialità offerte dalla manifattura additiva e da altre tecnologie di produzione avanzata, tenendo conto della complessità geometrica, gerarchica, materiale e funzionale dei componenti realizzabili. Sul versante teorico, si affronterà lo studio di approcci efficienti per la modellazione e il controllo dei fenomeni multifisici e multiscala tipici dei metamateriali ingegnerizzati; sul versante tecnologico, verranno analizzati e mitigati gli effetti di artefatti introdotti nei processi di fabbricazione, come l’anisotropia derivante dalla produzione strato-su-strato e i meccanismi di danneggiamento e difettosità caratteristici dei materiali stampati in 3D.

Unità di ricerca

• Università di Sassari – Responsabile di progetto: Emilio Barchiesi
• Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria – Responsabile scientifico di Unità: Aurora Angela Pisano
• Università degli Studi dell'Aquila – Responsabile scientifico di unità: Francesco dell'Isola
• Università degli Studi di Cagliari – Responsabile scientifico di unità: Victor Eremeev

Call
Bando PRIN 2022

Durata del progetto
24 mesi

Principali campi ERC 
PE - Physical Sciences and Engineering

Subcampi ERC 

• PE11_13 Metamaterials engineering
• PE8_3 Civil engineering, architecture, offshore construction, lightweight construction, geotechnics
• PE11_14 Computational methods for materials engineering

Parole chiave 
Ingegneria delle infrastrutture, Metamateriali, Modellazione discreta, Continui non locali, Omogeneizzazione, Metasuperfici

Diagramma forza-spostamento di un metamateriale pantografico soggetto a prova di trazione, dal quale si evince l'alta cedevolezza a basse deformazioni, l'alta rigidezza a grandi deformazioni e l'alto grado di resistenza a rottura. L'utilizzo di metamateriali pantografici è attualmente una delle strade più promettenti per l'aumento della performance delle infrastrutture.

Foglio pantografico soggetto a trazione.