Tak fordi du besøger Nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse. For at få den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer). I mellemtiden, for at sikre fortsat support, vil vi gengive webstedet uden typografier og JavaScript.
Aktuatorer bruges overalt og skaber kontrolleret bevægelse ved at anvende den korrekte excitationskraft eller det korrekte drejningsmoment til at udføre forskellige operationer inden for fremstilling og industriel automation. Behovet for hurtigere, mindre og mere effektive drev driver innovation inden for drevdesign. Shape Memory Alloy (SMA) drev tilbyder en række fordele i forhold til konventionelle drev, herunder et højt effekt-til-vægt-forhold. I denne afhandling blev en to-fjeret SMA-baseret aktuator udviklet, der kombinerer fordelene ved de fjeragtige muskler i biologiske systemer og de unikke egenskaber ved SMA'er. Denne undersøgelse udforsker og udvider tidligere SMA-aktuatorer ved at udvikle en matematisk model af den nye aktuator baseret på det bimodale SMA-ledningsarrangement og teste det eksperimentelt. Sammenlignet med kendte drev baseret på SMA er aktiveringskraften for det nye drev mindst 5 gange højere (op til 150 N). Det tilsvarende vægttab er omkring 67%. Resultaterne af følsomhedsanalysen af matematiske modeller er nyttige til at justere designparametre og forstå nøgleparametre. Denne undersøgelse præsenterer yderligere et flerniveau-N'te-trins drev, der kan bruges til yderligere at forbedre dynamikken. SMA-baserede dipvaleratmuskelaktuatorer har en bred vifte af anvendelser, fra bygningsautomation til præcisionsmedicinafgivelsessystemer.
Biologiske systemer, såsom pattedyrs muskelstrukturer, kan aktivere mange subtile aktuatorer1. Pattedyr har forskellige muskelstrukturer, der hver tjener et specifikt formål. Imidlertid kan en stor del af strukturen i pattedyrs muskelvæv opdeles i to brede kategorier. Parallel og pennat. I hamstrings og andre flexorer, som navnet antyder, har den parallelle muskulatur muskelfibre parallelle med den centrale sene. Kæden af muskelfibre er opstillet og funktionelt forbundet af bindevævet omkring dem. Selvom disse muskler siges at have en stor udstrækning (procentuel forkortelse), er deres samlede muskelstyrke meget begrænset. I modsætning hertil findes der pennat muskelvæv i hver muskel7 i triceps lægmuskel2 (lateral gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 og soleus (SOL)) og extensor femoris (quadriceps)5,6. I en finnet struktur er muskelfibrene i den bipennate muskulatur til stede på begge sider af den centrale sene i skrå vinkler (finnede vinkler). Ordet "pennate" kommer fra det latinske ord "penna", som betyder "pen", og har, som vist i fig. 1, et fjerlignende udseende. Fibrene i de pennate muskler er kortere og vinklet i forhold til musklens længdeakse. På grund af den finnede struktur reduceres den samlede mobilitet af disse muskler, hvilket fører til de tværgående og longitudinelle komponenter i forkortelsesprocessen. På den anden side fører aktivering af disse muskler til højere samlet muskelstyrke på grund af den måde, hvorpå fysiologisk tværsnitsareal måles. Derfor vil pennate muskler for et givet tværsnitsareal være stærkere og generere højere kræfter end muskler med parallelle fibre. Kræfter genereret af individuelle fibre genererer muskelkræfter på et makroskopisk niveau i det pågældende muskelvæv. Derudover har det unikke egenskaber som hurtig krympning, beskyttelse mod trækskader og dæmpning. Det transformerer forholdet mellem fiberinput og muskelkraftoutput ved at udnytte de unikke egenskaber og den geometriske kompleksitet af fiberarrangementet forbundet med muskelens aktionslinjer.
Der vises skematiske diagrammer af eksisterende SMA-baserede aktuatordesigns i forhold til en bimodal muskuløs arkitektur, for eksempel (a), der repræsenterer interaktionen af taktil kraft, hvor en håndformet enhed, der aktiveres af SMA-ledninger, er monteret på en tohjulet autonom mobil robot9,10. , (b) Robotisk orbitalprotese med antagonistisk placeret SMA-fjederbelastet orbitalprotese. Positionen af det protetiske øje styres af et signal fra øjets øjenmuskel11, (c) SMA-aktuatorer er ideelle til undervandsapplikationer på grund af deres høje frekvensrespons og lave båndbredde. I denne konfiguration bruges SMA-aktuatorer til at skabe bølgebevægelse ved at simulere fiskens bevægelse, (d) SMA-aktuatorer bruges til at skabe en mikrorørinspektionsrobot, der kan bruge tomme-ormbevægelsesprincippet, styret af bevægelsen af SMA-ledninger inde i kanal 10, (e) viser retningen af kontraktion af muskelfibre og generering af kontraktil kraft i gastrocnemiusvæv, (f) viser SMA-ledninger arrangeret i form af muskelfibre i pennatmuskelstrukturen.
Aktuatorer er blevet en vigtig del af mekaniske systemer på grund af deres brede anvendelsesområde. Derfor bliver behovet for mindre, hurtigere og mere effektive drev kritisk. Trods deres fordele har traditionelle drev vist sig at være dyre og tidskrævende at vedligeholde. Hydrauliske og pneumatiske aktuatorer er komplekse og dyre og er udsatte for slid, smøreproblemer og komponentfejl. Som svar på efterspørgslen er fokus på at udvikle omkostningseffektive, størrelsesoptimerede og avancerede aktuatorer baseret på smarte materialer. Løbende forskning ser på lagdelte aktuatorer af formhukommelseslegering (SMA) for at imødekomme dette behov. Hierarkiske aktuatorer er unikke, idet de kombinerer mange diskrete aktuatorer i geometrisk komplekse makroskala-undersystemer for at give øget og udvidet funktionalitet. I denne henseende giver det ovenfor beskrevne menneskelige muskelvæv et fremragende flerlagseksempel på en sådan flerlagsaktuering. Den aktuelle undersøgelse beskriver et SMA-drev på flere niveauer med flere individuelle drivelementer (SMA-tråde) justeret efter fiberorienteringerne i bimodale muskler, hvilket forbedrer den samlede drivydelse.
Hovedformålet med en aktuator er at generere mekanisk effekt, såsom kraft og forskydning, ved at konvertere elektrisk energi. Formhukommelseslegeringer er en klasse af "smarte" materialer, der kan gendanne deres form ved høje temperaturer. Under høje belastninger fører en stigning i temperaturen på SMA-ledningen til formgendannelse, hvilket resulterer i en højere aktiveringsenergitæthed sammenlignet med forskellige direkte bundne smarte materialer. Samtidig bliver SMA'er sprøde under mekaniske belastninger. Under visse forhold kan en cyklisk belastning absorbere og frigive mekanisk energi og udvise reversible hysteriske formændringer. Disse unikke egenskaber gør SMA ideel til sensorer, vibrationsdæmpning og især aktuatorer12. Med dette i tankerne har der været en masse forskning i SMA-baserede drev. Det skal bemærkes, at SMA-baserede aktuatorer er designet til at give translationel og roterende bevægelse til en række forskellige anvendelser13,14,15. Selvom nogle roterende aktuatorer er blevet udviklet, er forskere særligt interesserede i lineære aktuatorer. Disse lineære aktuatorer kan opdeles i tre typer aktuatorer: endimensionelle, forskydnings- og differentialaktuatorer16. I starten blev hybriddrev skabt i kombination med SMA og andre konventionelle drev. Et sådant eksempel på en SMA-baseret hybrid lineær aktuator er brugen af en SMA-ledning med en DC-motor til at give en udgangskraft på omkring 100 N og en betydelig forskydning17.
En af de første udviklinger inden for drev baseret udelukkende på SMA var SMA-paralleldrevet. Ved at bruge flere SMA-ledninger er det SMA-baserede parallelle drev designet til at øge drevets effektkapacitet ved at placere alle SMA18-ledninger parallelt. Parallelforbindelse af aktuatorer kræver ikke kun mere effekt, men begrænser også udgangseffekten for en enkelt ledning. En anden ulempe ved SMA-baserede aktuatorer er den begrænsede bevægelse, de kan opnå. For at løse dette problem blev der skabt en SMA-kabelbjælke, der indeholdt en afbøjet fleksibel bjælke for at øge forskydningen og opnå lineær bevægelse, men som ikke genererede højere kræfter19. Bløde deformerbare strukturer og stoffer til robotter baseret på formhukommelseslegeringer er primært blevet udviklet til slagforstærkning20,21,22. Til applikationer, hvor høje hastigheder er påkrævet, er der rapporteret om kompaktdrevne pumper, der bruger tyndfilm-SMA'er til mikropumpedrevne applikationer23. Drivfrekvensen for tyndfilm-SMA-membranen er en nøglefaktor i styringen af driverens hastighed. Derfor har SMA-lineære motorer en bedre dynamisk respons end SMA-fjeder- eller stangmotorer. Blød robotteknologi og gribeteknologi er to andre applikationer, der bruger SMA-baserede aktuatorer. For eksempel blev der udviklet en parallel aktuator 24 af formhukommelseslegering for at erstatte den standardaktuator, der anvendes i 25 N-rumklemmen. I et andet tilfælde blev en blød SMA-aktuator fremstillet baseret på en tråd med en indlejret matrix, der er i stand til at producere en maksimal trækkraft på 30 N. På grund af deres mekaniske egenskaber bruges SMA'er også til at producere aktuatorer, der efterligner biologiske fænomener. En sådan udvikling omfatter en 12-cellet robot, der er et biomimetikum af en regnormlignende organisme med SMA til at generere en sinusformet bevægelse for at affyre 26,27.
Som tidligere nævnt er der en grænse for den maksimale kraft, der kan opnås fra eksisterende SMA-baserede aktuatorer. For at løse dette problem præsenterer denne undersøgelse en biomimetisk bimodal muskelstruktur. Drevet af en tråd af formhukommelseslegering. Den giver et klassificeringssystem, der inkluderer flere tråde af formhukommelseslegeringer. Til dato er der ikke rapporteret om SMA-baserede aktuatorer med en lignende arkitektur i litteraturen. Dette unikke og nye system baseret på SMA blev udviklet for at studere SMA's opførsel under bimodal muskeljustering. Sammenlignet med eksisterende SMA-baserede aktuatorer var målet med denne undersøgelse at skabe en biomimetisk dipvalerat aktuator til at generere betydeligt højere kræfter i et lille volumen. Sammenlignet med konventionelle steppermotordrevne drev, der anvendes i HVAC-bygningsautomations- og kontrolsystemer, reducerer det foreslåede SMA-baserede bimodale drevdesign vægten af drivmekanismen med 67%. I det følgende bruges udtrykkene "muskel" og "drev" i flæng. Denne undersøgelse undersøger multifysiksimuleringen af et sådant drev. Den mekaniske opførsel af sådanne systemer er blevet undersøgt ved hjælp af eksperimentelle og analytiske metoder. Kraft- og temperaturfordelinger blev yderligere undersøgt ved en indgangsspænding på 7 V. Efterfølgende blev der udført en parametrisk analyse for bedre at forstå forholdet mellem nøgleparametre og udgangskraften. Endelig er hierarkiske aktuatorer blevet forestillet, og hierarkiske niveaueffekter er blevet foreslået som et potentielt fremtidigt område for ikke-magnetiske aktuatorer til protetiske applikationer. Ifølge resultaterne af de førnævnte undersøgelser producerer brugen af en enkelttrinsarkitektur kræfter, der er mindst fire til fem gange højere end rapporterede SMA-baserede aktuatorer. Derudover har den samme drivkraft, der genereres af et flerniveau-drev, vist sig at være mere end ti gange højere end konventionelle SMA-baserede drev. Undersøgelsen rapporterer derefter nøgleparametre ved hjælp af følsomhedsanalyse mellem forskellige designs og inputvariabler. Den indledende længde af SMA-ledningen (\(l_0\)), den finnede vinkel (\(\alpha\)) og antallet af enkelttråde (n) i hver enkelt tråd har en stærk negativ effekt på størrelsen af drivkraften og styrken, mens indgangsspændingen (energien) viste sig at være positivt korreleret.
SMA-tråd udviser den formhukommelseseffekt (SME), der ses i nikkel-titanium (Ni-Ti) legeringer. Typisk udviser SMA'er to temperaturafhængige faser: en lavtemperaturfase og en højtemperaturfase. Begge faser har unikke egenskaber på grund af tilstedeværelsen af forskellige krystalstrukturer. I austenitfasen (højtemperaturfasen), der eksisterer over transformationstemperaturen, udviser materialet høj styrke og deformeres dårligt under belastning. Legeringen opfører sig som rustfrit stål, så den er i stand til at modstå højere aktiveringstryk. Ved at udnytte denne egenskab ved Ni-Ti-legeringer er SMA-trådene skråstillet for at danne en aktuator. Passende analytiske modeller er udviklet for at forstå den grundlæggende mekanik i SMA's termiske adfærd under påvirkning af forskellige parametre og forskellige geometrier. Der blev opnået god overensstemmelse mellem de eksperimentelle og analytiske resultater.
En eksperimentel undersøgelse blev udført på prototypen vist i figur 9a for at evaluere ydeevnen af et bimodalt drev baseret på SMA. To af disse egenskaber, den kraft, der genereres af drevet (muskelkraft) og temperaturen af SMA-ledningen (SMA-temperatur), blev målt eksperimentelt. Efterhånden som spændingsforskellen stiger langs hele ledningens længde i drevet, stiger ledningens temperatur på grund af Joule-opvarmningseffekten. Indgangsspændingen blev påført i to 10-sekunders cyklusser (vist som røde prikker i figur 2a, b) med en 15-sekunders køleperiode mellem hver cyklus. Blokeringskraften blev målt ved hjælp af en piezoelektrisk strain gauge, og temperaturfordelingen af SMA-ledningen blev overvåget i realtid ved hjælp af et videnskabeligt LWIR-kamera med høj opløsning (se egenskaberne for det anvendte udstyr i tabel 2). Dette viser, at ledningens temperatur stiger monotont i højspændingsfasen, men når der ikke flyder strøm, fortsætter ledningens temperatur med at falde. I den nuværende eksperimentelle opsætning faldt temperaturen på SMA-ledningen under afkølingsfasen, men den var stadig over omgivelsestemperaturen. Fig. 2e viser et øjebliksbillede af temperaturen på SMA-ledningen taget fra LWIR-kameraet. Fig. 2a viser derimod den blokeringskraft, der genereres af drivsystemet. Når muskelkraften overstiger fjederens genoprettelseskraft, begynder den bevægelige arm, som vist i figur 9a, at bevæge sig. Så snart aktiveringen begynder, kommer den bevægelige arm i kontakt med sensoren, hvilket skaber en kropskraft, som vist i fig. 2c, d. Når den maksimale temperatur er tæt på \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), er den maksimalt observerede kraft 105 N.
Grafen viser de eksperimentelle resultater af temperaturen på SMA-ledningen og den kraft, der genereres af den SMA-baserede bimodale aktuator i løbet af to cyklusser. Indgangsspændingen påføres i to 10 sekunders cyklusser (vist som røde prikker) med en afkølingsperiode på 15 sekunder mellem hver cyklus. Den anvendte SMA-ledning til eksperimenterne var en Flexinol-ledning med en diameter på 0,51 mm fra Dynalloy, Inc. (a) Grafen viser den eksperimentelle kraft opnået over to cyklusser, (c, d) viser to uafhængige eksempler på virkningen af bevægelige armsaktuatorer på en PACEline CFT/5kN piezoelektrisk krafttransducer, (b) grafen viser den maksimale temperatur for hele SMA-ledningen i løbet af to cyklusser, (e) viser et temperaturøjebliksbillede taget fra SMA-ledningen ved hjælp af FLIR ResearchIR-softwarens LWIR-kamera. De geometriske parametre, der blev taget i betragtning i eksperimenterne, er angivet i tabel et.
Simuleringsresultaterne fra den matematiske model og de eksperimentelle resultater sammenlignes under en indgangsspænding på 7 V, som vist i figur 5. Ifølge resultaterne af den parametriske analyse og for at undgå muligheden for overophedning af SMA-ledningen blev der tilført en effekt på 11,2 W til aktuatoren. En programmerbar DC-strømforsyning blev brugt til at forsyne 7 V som indgangsspænding, og en strøm på 1,6 A blev målt over ledningen. Kraften genereret af drevet og temperaturen på SDR'en stiger, når der påføres strøm. Med en indgangsspænding på 7 V er den maksimale udgangskraft opnået fra simuleringsresultaterne og de eksperimentelle resultater fra den første cyklus henholdsvis 78 N og 96 N. I den anden cyklus var den maksimale udgangskraft fra simulerings- og eksperimentelle resultater henholdsvis 150 N og 105 N. Forskellen mellem okklusionskraftmålinger og eksperimentelle data kan skyldes den metode, der blev brugt til at måle okklusionskraften. De eksperimentelle resultater vist i figur ... 5a svarer til målingen af låsekraften, som igen blev målt, når drivakslen var i kontakt med PACEline CFT/5kN piezoelektriske krafttransducer, som vist i fig. 2s. Når drivakslen derfor ikke er i kontakt med kraftsensoren i begyndelsen af kølezonen, bliver kraften øjeblikkeligt nul, som vist i fig. 2d. Derudover er andre parametre, der påvirker dannelsen af kraft i efterfølgende cyklusser, værdierne for køletiden og koefficienten for konvektiv varmeoverførsel i den foregående cyklus. Fra fig. 2b kan det ses, at SMA-ledningen efter en 15 sekunders køleperiode ikke nåede stuetemperatur og derfor havde en højere starttemperatur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) i den anden drivcyklus sammenlignet med den første cyklus (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Sammenlignet med den første cyklus når temperaturen på SMA-tråden under den anden opvarmningscyklus således den indledende austenittemperatur (\(A_s\)) tidligere og forbliver i overgangsperioden længere, hvilket resulterer i spænding og kraft. På den anden side har temperaturfordelingerne under opvarmnings- og kølecyklusser opnået fra eksperimenter og simuleringer en høj kvalitativ lighed med eksempler fra termografisk analyse. Sammenlignende analyse af SMA-trådens termiske data fra eksperimenter og simuleringer viste konsistens under opvarmnings- og kølecyklusser og inden for acceptable tolerancer for eksperimentelle data. SMA-trådens maksimale temperatur, opnået fra resultaterne af simulering og eksperimenter fra den første cyklus, er henholdsvis \(89\,^{\circ }\hbox {{}\) og \(75\,^{\circ }\hbox {{}\), og i den anden cyklus er SMA-trådens maksimale temperatur \(94\,^{\circ }\hbox {{}\) og \(83\,^{\circ }\hbox {{}\). Den fundamentalt udviklede model bekræfter effekten af formhukommelseseffekten. Rollen af træthed og overophedning blev ikke taget i betragtning i denne gennemgang. I fremtiden vil modellen blive forbedret til at inkludere SMA-ledningens spændingshistorik, hvilket gør den mere egnet til tekniske applikationer. Drivens udgangskraft og SMA-temperaturdiagrammer opnået fra Simulink-blokken ligger inden for de tilladte tolerancer for de eksperimentelle data under en indgangsspændingspuls på 7 V. Dette bekræfter den udviklede matematiske models korrekthed og pålidelighed.
Den matematiske model blev udviklet i MathWorks Simulink R2020b-miljøet ved hjælp af de grundlæggende ligninger beskrevet i afsnittet Metoder. Figur 3b viser et blokdiagram af Simulink-matematikmodellen. Modellen blev simuleret for en 7V indgangsspændingspuls som vist i figur 2a, b. Værdierne for de parametre, der blev brugt i simuleringen, er angivet i tabel 1. Resultaterne af simuleringen af transiente processer er præsenteret i figur 1 og 1. Figur 3a og 4. Figur 4a, b viser den inducerede spænding i SMA-ledningen og den kraft, der genereres af aktuatoren, som funktion af tiden. Under omvendt transformation (opvarmning), når SMA-trådtemperaturen, \(T < A_s^{\prime}\) (spændingsmodificeret austenitfasestarttemperatur), vil ændringshastigheden af martensitvolumenfraktionen (\(\dot{\xi }\)) være nul. Under omvendt transformation (opvarmning), når SMA-trådens temperatur, \(T < A_s^{\prime}\) (spændingsmodificeret austenitfasestarttemperatur), vil ændringshastigheden af martensitvolumenfraktionen (\(\dot{\xi }\)) være nul. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (темпуратура начай модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Under den omvendte transformation (opvarmning), når temperaturen af SMA-ledningen, \(T < A_s^{\prime}\) (spændingsmodificeret austenits starttemperatur), vil ændringshastigheden af martensits volumenfraktion (\(\dot{\xi }\)) være nul.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率}\(xi)\(xi)将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Simuleringsresultat, der viser temperaturfordeling og spændingsinduceret overgangstemperatur i en SMA-baseret divalerataktuator. Når trådtemperaturen krydser austenitovergangstemperaturen i opvarmningstrinnet, begynder den modificerede austenitovergangstemperatur at stige, og tilsvarende, når trådtrådtemperaturen krydser martensitovergangstemperaturen i køletrinnet, falder martensitovergangstemperaturen. SMA til analytisk modellering af aktiveringsprocessen. (For en detaljeret oversigt over hvert delsystem i en Simulink-model, se bilagsafsnittet i den supplerende fil.)
Resultaterne af analysen for forskellige parameterfordelinger vises for to cyklusser af 7V indgangsspændingen (10 sekunders opvarmningscyklusser og 15 sekunders afkølingscyklusser). Mens (ac) og (e) viser fordelingen over tid, illustrerer (d) og (f) derimod fordelingen med temperatur. For de respektive indgangsbetingelser er den maksimalt observerede spænding 106 MPa (mindre end 345 MPa trådflydespænding), kraften er 150 N, den maksimale forskydning er 270 µm, og den minimale martensitiske volumenfraktion er 0,91. På den anden side svarer ændringen i spænding og ændringen i volumenfraktionen af martensit med temperatur til hysteresekarakteristika.
Den samme forklaring gælder for den direkte transformation (afkøling) fra austenitfasen til martensitfasen, hvor SMA-trådens temperatur (T) og sluttemperaturen for den spændingsmodificerede martensitfase (\(M_f^{\prime}\ )) er fremragende. På fig. 4d viser f ændringen i den inducerede spænding (\(\sigma\)) og volumenfraktionen af martensit (\(\xi\)) i SMA-tråden som funktion af ændringen i temperaturen på SMA-tråden (T) for begge drivcyklusser. På fig. 3a viser ændringen i temperaturen på SMA-tråden over tid afhængigt af indgangsspændingspulsen. Som det kan ses af figuren, fortsætter trådens temperatur med at stige ved at tilvejebringe en varmekilde ved nulspænding og efterfølgende konvektiv afkøling. Under opvarmning begynder omdannelsen af martensit til austenitfasen, når SMA-trådens temperatur (T) krydser den spændingskorrigerede austenit-kimdannelsestemperatur (\(A_s^{\prime}\)). I denne fase komprimeres SMA-tråden, og aktuatoren genererer kraft. Når temperaturen af SMA-tråden (T) krydser kimdannelsestemperaturen for den spændingsmodificerede martensitfase (\(M_s^{\prime}\)), sker der også en positiv overgang fra austenitfasen til martensitfasen. Drivkraften falder.
De vigtigste kvalitative aspekter af det bimodale drev baseret på SMA kan udledes af simuleringsresultaterne. I tilfælde af en spændingspulsindgang stiger temperaturen på SMA-tråden på grund af Joule-opvarmningseffekten. Den indledende værdi af martensitvolumenfraktionen (\(\xi\)) er sat til 1, da materialet oprindeligt er i en fuldt martensitisk fase. Efterhånden som tråden fortsætter med at varme op, overstiger temperaturen på SMA-tråden den spændingskorrigerede austenit-nukleationstemperatur \(A_s^{\prime}\), hvilket resulterer i et fald i martensitvolumenfraktionen, som vist i figur 4c. Derudover viser figur 4e fordelingen af aktuatorens slag over tid, og figur 5 viser drivkraften som funktion af tiden. Et relateret ligningssystem omfatter temperatur, martensitvolumenfraktion og spænding, der udvikler sig i tråden, hvilket resulterer i krympning af SMA-tråden og den kraft, der genereres af aktuatoren. Som vist i figur ... 4d,f, spændingsvariation med temperatur og martensitvolumenfraktionsvariation med temperatur svarer til hysteresekarakteristikkerne for SMA i det simulerede tilfælde ved 7 V.
Sammenligning af drivparametre blev opnået gennem eksperimenter og analytiske beregninger. Ledningerne blev udsat for en pulserende indgangsspænding på 7 V i 10 sekunder og derefter afkølet i 15 sekunder (afkølingsfase) over to cyklusser. Pinnatevinklen er indstillet til \(40^{\circ}\), og den indledende længde af SMA-ledningen i hvert enkelt pinben er indstillet til 83 mm. (a) Måling af drivkraften med en vejecelle (b) Overvågning af ledningstemperaturen med et termisk infrarødt kamera.
For at forstå indflydelsen af fysiske parametre på den kraft, der produceres af drevet, blev der udført en analyse af den matematiske models følsomhed over for de valgte fysiske parametre, og parametrene blev rangeret efter deres indflydelse. Først blev der udtaget modelparametre ved hjælp af eksperimentelle designprincipper, der fulgte en ensartet fordeling (se supplerende afsnit om følsomhedsanalyse). I dette tilfælde inkluderer modelparametrene indgangsspænding (\(V_{in}\)), initial SMA-ledningslængde (\(l_0\)), trekantvinkel (\(\alpha\)), biasfjederkonstant (\(K_x\)), den konvektive varmeoverføringskoefficient (\(h_T\)) og antallet af unimodale grene (n). I det næste trin blev maksimal muskelstyrke valgt som et studiedesignkrav, og de parametriske effekter af hvert sæt variabler på styrken blev opnået. Tornado-plottene til følsomhedsanalysen blev afledt af korrelationskoefficienterne for hver parameter, som vist i figur 6a.
(a) Korrelationskoefficientværdierne for modelparametrene og deres effekt på den maksimale udgangskraft for 2500 unikke grupper af ovenstående modelparametre er vist i tornado-plottet. Grafen viser rangkorrelationen for flere indikatorer. Det er tydeligt, at \(V_{in}\) er den eneste parameter med en positiv korrelation, og \(l_0\) er parameteren med den højeste negative korrelation. Effekten af forskellige parametre i forskellige kombinationer på maksimal muskelstyrke er vist i (b, c). \(K_x\) varierer fra 400 til 800 N/m, og n varierer fra 4 til 24. Spændingen (\(V_{in}\)) ændrede sig fra 4V til 10V, ledningslængden (\(l_{0} \)) ændrede sig fra 40 til 100 mm, og halevinklen (\(\alpha \)) varierede fra \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Figur 6a viser et tornado-plot af forskellige korrelationskoefficienter for hver parameter med designkrav til peak drivkraft. Fra figur 6a kan det ses, at spændingsparameteren (\(V_{in}\)) er direkte relateret til den maksimale udgangskraft, og den konvektive varmeoverføringskoefficient (\(h_T\)), flammevinklen (\(α\)), forskydningsfjederkonstanten (\(K_x\)) er negativt korreleret med udgangskraften og den indledende længde (\(l_0\)) af SMA-ledningen, og antallet af unimodale grene (n) viser en stærk invers korrelation. I tilfælde af direkte korrelation indikerer en højere værdi af spændingskorrelationskoefficienten (\(V_{in}\)), at denne parameter har den største effekt på effektudgangen. En anden lignende analyse måler peakkraften ved at evaluere effekten af forskellige parametre i forskellige kombinationer af de to beregningsrum, som vist i figur 6b, c. \(V_{in}\) og \(l_0\), \(\alpha\) og \(l_0\) har lignende mønstre, og grafen viser, at \(V_{in}\) og \(\alpha\) og \(\alpha\) har lignende mønstre. Mindre værdier af \(l_0\) resulterer i højere peakkræfter. De to andre plots er i overensstemmelse med figur 6a, hvor n og \(K_x\) er negativt korrelerede, og \(V_{in}\) er positivt korrelerede. Denne analyse hjælper med at definere og justere de påvirkende parametre, hvormed udgangskraften, slaglængden og effektiviteten af drivsystemet kan tilpasses til kravene og anvendelsen.
Nuværende forskningsarbejde introducerer og undersøger hierarkiske drev med N niveauer. I et to-niveau hierarki, som vist i figur 7a, hvor der i stedet for hver SMA-ledning i den første niveau aktuator opnås et bimodalt arrangement, som vist i figur 9e. Figur 7c viser, hvordan SMA-ledningen er viklet omkring en bevægelig arm (hjælpearm), der kun bevæger sig i længderetningen. Den primære bevægelige arm fortsætter dog med at bevæge sig på samme måde som den bevægelige arm i den første trins flertrinsaktuator. Typisk oprettes et N-trins drev ved at erstatte \(N-1\) trins SMA-ledning med et første trins drev. Som et resultat imiterer hver gren det første trins drev, med undtagelse af den gren, der holder selve ledningen. På denne måde kan der dannes indlejrede strukturer, der skaber kræfter, der er flere gange større end kræfterne fra de primære drev. I denne undersøgelse blev der for hvert niveau taget højde for en samlet effektiv SMA-ledningslængde på 1 m, som vist i tabelformat i figur 7d. Strømmen gennem hver ledning i hvert unimodalt design og den resulterende forspænding og spænding i hvert SMA-ledningssegment er den samme på hvert niveau. Ifølge vores analytiske model er udgangskraften positivt korreleret med niveauet, mens forskydningen er negativt korreleret. Samtidig var der en afvejning mellem forskydning og muskelstyrke. Som det ses i fig. 7b, observeres den største forskydning i det laveste lag, mens den maksimale kraft opnås i det største antal lag. Når hierarkiniveauet blev sat til \(N=5\), blev der fundet en maksimal muskelkraft på 2,58 kN med 2 observerede slag \(\upmu\)m. På den anden side genererer det første trins drev en kraft på 150 N ved et slag på 277 \(\upmu\)m. Aktuatorer på flere niveauer er i stand til at efterligne virkelige biologiske muskler, hvor kunstige muskler baseret på formhukommelseslegeringer er i stand til at generere betydeligt højere kræfter med præcise og finere bevægelser. Begrænsningerne ved dette miniaturiserede design er, at efterhånden som hierarkiet øges, reduceres bevægelsen kraftigt, og kompleksiteten af drevfremstillingsprocessen øges.
(a) Et lineært aktuatorsystem med to lag (\(N=2\)) lagdelt formhukommelseslegering er vist i en bimodal konfiguration. Den foreslåede model opnås ved at erstatte SMA-ledningen i den første lagdelte aktuator med en anden enkeltlags aktuator. (c) Deformeret konfiguration af den anden flerlags aktuator. (b) Fordelingen af kræfter og forskydninger afhængigt af antallet af niveauer er beskrevet. Det er blevet konstateret, at aktuatorens spidskraft er positivt korreleret med skalaniveauet på grafen, mens slaget er negativt korreleret med skalaniveauet. Strømmen og forspændingen i hver ledning forbliver konstante på alle niveauer. (d) Tabellen viser antallet af udtag og længden af SMA-ledningen (fiber) på hvert niveau. Ledningernes egenskaber er angivet med indeks 1, og antallet af sekundære grene (en forbundet til det primære ben) er angivet med det største tal i indekset. For eksempel, på niveau 5, refererer \(n_1\) til antallet af SMA-ledninger, der er til stede i hver bimodal struktur, og \(n_5\) refererer til antallet af hjælpeben (et forbundet til hovedbenet).
Mange forskere har foreslået forskellige metoder til at modellere SMA'ers opførsel med formhukommelse, som afhænger af de termomekaniske egenskaber, der ledsager de makroskopiske ændringer i krystalstrukturen forbundet med faseovergangen. Formuleringen af konstitutive metoder er i sagens natur kompleks. Den mest almindeligt anvendte fænomenologiske model er foreslået af Tanaka28 og er meget anvendt i tekniske applikationer. Den fænomenologiske model foreslået af Tanaka [28] antager, at volumenfraktionen af martensit er en eksponentiel funktion af temperatur og spænding. Senere foreslog Liang og Rogers29 og Brinson30 en model, hvor faseovergangsdynamikken blev antaget at være en cosinusfunktion af spænding og temperatur, med små ændringer af modellen. Becker og Brinson foreslog en fasediagrambaseret kinetisk model til at modellere SMA-materialers opførsel under vilkårlige belastningsforhold såvel som delvise overgange. Banerjee32 bruger Bekker og Brinson31 fasediagramdynamikmetoden til at simulere en manipulator med én frihedsgrad udviklet af Elahinia og Ahmadian33. Kinetiske metoder baseret på fasediagrammer, som tager højde for den ikke-monotone ændring i spænding med temperatur, er vanskelige at implementere i tekniske applikationer. Elakhinia og Ahmadian henleder opmærksomheden på disse mangler ved eksisterende fænomenologiske modeller og foreslår en udvidet fænomenologisk model til at analysere og definere formhukommelsesadfærd under komplekse belastningsforhold.
Den strukturelle model for SMA-tråd angiver spænding (\(\sigma\)), tøjning (\(\epsilon\)), temperatur (T) og martensitvolumenfraktion (\(\xi\)) for SMA-tråd. Den fænomenologiske konstitutive model blev først foreslået af Tanaka28 og senere anvendt af Liang29 og Brinson30. Den afledte af ligningen har formen:
hvor E er det faseafhængige SMA Youngs modul opnået ved hjælp af \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) og \(E_A\) og \(E_M\), der repræsenterer Youngs modul, er henholdsvis austenitiske og martensitiske faser, og den termiske udvidelseskoefficient er repræsenteret ved \(\theta_T\). Faseovergangsbidragsfaktoren er \(\omega = -E \epsilon_L\) og \(\epsilon_L\) er den maksimale genvindbare tøjning i SMA-tråden.
Fasedynamikligningen falder sammen med cosinusfunktionen udviklet af Liang29 og senere anvendt af Brinson30 i stedet for den eksponentielle funktion foreslået af Tanaka28. Faseovergangsmodellen er en udvidelse af modellen foreslået af Elakhinia og Ahmadian34 og modificeret baseret på faseovergangsbetingelserne givet af Liang29 og Brinson30. Betingelserne anvendt til denne faseovergangsmodel er gyldige under komplekse termomekaniske belastninger. På hvert tidspunkt beregnes værdien af volumenfraktionen af martensit, når den konstitutive ligning modelleres.
Den styrende retransformationsligning, udtrykt ved omdannelsen af martensit til austenit under opvarmningsforhold, er som følger:
hvor \(\xi\) er volumenfraktionen af martensit, \(\xi _M\) er volumenfraktionen af martensit opnået før opvarmning, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) og \(C_A\) – kurveapproksimationsparametre, T – SMA-trådtemperatur, \(A_s\) og \(A_f\) – henholdsvis begyndelsen og slutningen af austenitfasen, temperatur.
Den direkte transformationskontrolligning, repræsenteret ved fasetransformationen af austenit til martensit under afkølingsforhold, er:
hvor \(\xi_A\) er volumenfraktionen af martensit opnået før afkøling, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) og \(C_M \) – kurvetilpasningsparametre, T – SMA-trådtemperatur, \(M_s\) og \(M_f\) – henholdsvis initiale og endelige martensittemperaturer.
Efter at ligning (3) og (4) er differentieret, forenkles den inverse og den direkte transformationsligning til følgende form:
Under fremadrettet og bagudrettet transformation antager \(\eta _{\sigma}\) og \(\eta _{T}\) forskellige værdier. De grundlæggende ligninger forbundet med \(\eta _{\sigma}\) og \(\eta _{T}\) er blevet udledt og diskuteret i detaljer i et yderligere afsnit.
Den termiske energi, der kræves for at hæve temperaturen på SMA-ledningen, kommer fra Joule-varmeeffekten. Den termiske energi, der absorberes eller frigives af SMA-ledningen, repræsenteres af den latente transformationsvarme. Varmetabet i SMA-ledningen skyldes tvungen konvektion, og givet den ubetydelige effekt af stråling er varmeenergibalanceligningen som følger:
Hvor \(m_{wire}\) er den samlede masse af SMA-ledningen, \(c_{p}\) er SMA'ens specifikke varmekapacitet, \(V_{in}\) er den spænding, der påføres ledningen, \(R_{ohm}\) – faseafhængig modstand SMA, defineret som; \(R_{ohm} = (l/A_{tværs})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) hvor \(r_M\) og \(r_A\) er SMA-faseresistiviteten i henholdsvis martensit og austenit, \(A_{c}\) er overfladearealet af SMA-ledningen, og \(\Delta H \) er en formhukommelseslegering. Trådens latente overgangsvarme, T og \(T_{\infty}\) er henholdsvis temperaturerne for SMA-ledningen og miljøet.
Når en tråd af en formhukommelseslegering aktiveres, komprimeres tråden, hvilket skaber en kraft i hver gren af det bimodale design kaldet fiberkraft. Kræfterne fra fibrene i hver streng af SMA-tråden skaber tilsammen den muskelkraft, der skal aktiveres, som vist i figur 9e. På grund af tilstedeværelsen af en forspændingsfjeder er den samlede muskelkraft for den N'te flerlagsaktuator:
Ved at indsætte \(N = 1\) i ligning (7) kan muskelstyrken af den første fase af bimodal drevprototypen opnås som følger:
hvor n er antallet af unimodale ben, \(F_m\) er muskelkraften genereret af drevet, \(F_f\) er fiberstyrken i SMA-ledningen, \(K_x\) er biasfjederens stivhed, \(\α\) er trekantens vinkel, \(x_0\) er den indledende forskydning af biasfjederen for at holde SMA-kablet i den forspændte position, og \(\Deltax\) er aktuatorens vandring.
Den samlede forskydning eller bevægelse af drevet (\(\Delta x\)) afhængigt af spændingen (\(\sigma\)) og belastningen (\(\epsilon\)) på SMA-ledningen på det N'te trin, drevet er indstillet til (se fig. yderligere del af udgangen):
De kinematiske ligninger angiver forholdet mellem drivdeformation (\(\epsilon\)) og forskydning eller forskydning (\(\Deltax\)). Deformationen af Arb-tråden som funktion af den indledende Arb-trådlængde (\(l_0\)) og trådlængden (l) på et hvilket som helst tidspunkt t i en unimodal gren er som følger:
hvor \(l = \sqrt{l_0^2 +(Δx_1)^2 – 2 l_0 (Δx_1) \cos \alpha_1}\) opnås ved at anvende cosinusformlen i \(Δ\)ABB', som vist i figur 8. For det første trins drev (\(N = 1\)) er \(Δx_1\) \(Δx\), og \(α_1\) er \(α \) som vist i figur 8, ved at differentiere tiden fra ligning (11) og erstatte værdien af l, kan tøjningshastigheden skrives som:
hvor \(l_0\) er den oprindelige længde af SMA-ledningen, l er længden af ledningen på ethvert tidspunkt t i en unimodal gren, \(\epsilon\) er den udviklede deformation i SMA-ledningen, og \(\alpha\) er trekantens vinkel, \(\Deltax\) er drivforskydningen (som vist i figur 8).
Alle n enkeltpeak-strukturer (\(n=6\) i denne figur) er serieforbundet med \(V_{in}\) som indgangsspænding. Trin I: Skematisk diagram af SMA-ledningen i en bimodal konfiguration under nulspændingsforhold. Trin II: Der vises en kontrolleret struktur, hvor SMA-ledningen komprimeres på grund af invers konvertering, som vist med den røde linje.
Som et proof of concept blev et SMA-baseret bimodalt drev udviklet for at teste den simulerede udledning af de underliggende ligninger med eksperimentelle resultater. CAD-modellen af den bimodale lineære aktuator er vist i figur 9a. På den anden side viser figur 9c et nyt design foreslået til en rotationsprismatisk forbindelse ved hjælp af en to-plans SMA-baseret aktuator med en bimodal struktur. Drevkomponenterne blev fremstillet ved hjælp af additiv fremstilling på en Ultimaker 3 Extended 3D-printer. Materialet, der anvendes til 3D-printning af komponenter, er polycarbonat, som er egnet til varmebestandige materialer, da det er stærkt, holdbart og har en høj glasovergangstemperatur (110-113 °C). Derudover blev Dynalloy, Inc. Flexinol formhukommelseslegeringstråd anvendt i eksperimenterne, og materialeegenskaber svarende til Flexinol-tråden blev anvendt i simuleringerne. Flere SMA-tråde er arrangeret som fibre til stede i et bimodalt arrangement af muskler for at opnå de høje kræfter produceret af flerlagsaktuatorer, som vist i figur 9b, d.
Som vist i figur 9a kaldes den spidse vinkel, der dannes af den bevægelige arms SMA-ledning, vinklen (\(\alpha\)). Med terminalklemmer fastgjort til venstre og højre klemmer holdes SMA-ledningen i den ønskede bimodale vinkel. Forspændingsfjederanordningen, der holdes på fjederforbindelsen, er designet til at justere de forskellige forspændingsfjederforlængelsesgrupper i henhold til antallet (n) af SMA-fibre. Derudover er placeringen af de bevægelige dele designet, så SMA-ledningen udsættes for det ydre miljø for tvungen konvektionskøling. Top- og bundpladerne på den aftagelige enhed hjælper med at holde SMA-ledningen kølig med ekstruderede udskæringer designet til at reducere vægten. Derudover er begge ender af CMA-ledningen fastgjort til henholdsvis venstre og højre terminal ved hjælp af en krympe. Et stempel er fastgjort til den ene ende af den bevægelige enhed for at opretholde afstand mellem top- og bundpladerne. Stemplet bruges også til at påføre en blokeringskraft på sensoren via en kontakt for at måle blokeringskraften, når SMA-ledningen aktiveres.
Den bimodale muskelstruktur SMA er elektrisk forbundet i serie og drevet af en indgangspulsspænding. Under spændingspulscyklussen, når der påføres spænding, og SMA-tråden opvarmes til over austenittens starttemperatur, forkortes trådens længde i hver streng. Denne tilbagetrækning aktiverer den bevægelige arms underenhed. Når spændingen blev nulstillet i samme cyklus, blev den opvarmede SMA-tråd afkølet til under martensitoverfladen og vendte derved tilbage til sin oprindelige position. Under nulspændingsforhold strækkes SMA-tråden først passivt af en forspændingsfjeder for at nå den aftvundne martensitiske tilstand. Skruen, som SMA-tråden passerer igennem, bevæger sig på grund af den kompression, der skabes ved at påføre en spændingspuls på SMA-tråden (SPA når austenitfasen), hvilket fører til aktivering af den bevægelige håndtag. Når SMA-tråden trækkes tilbage, skaber forspændingsfjederen en modsatrettet kraft ved yderligere at strække fjederen. Når spændingen i impulsspændingen bliver nul, forlænges SMA-tråden og ændrer sin form på grund af tvungen konvektionskøling og når en dobbelt martensitisk fase.
Det foreslåede SMA-baserede lineære aktuatorsystem har en bimodal konfiguration, hvor SMA-ledningerne er vinklede. (a) viser en CAD-model af prototypen, som nævner nogle af komponenterne og deres betydning for prototypen, (b, d) repræsenterer den udviklede eksperimentelle prototype35. Mens (b) viser en topvisning af prototypen med elektriske forbindelser og anvendte forspændingsfjedre og strain gauges, viser (d) en perspektivvisning af opsætningen. (e) Diagram af et lineært aktiveringssystem med SMA-ledninger placeret bimodalt på et hvilket som helst tidspunkt t, der viser fiberens retning og forløb samt muskelstyrke. (c) En 2-DOF rotationsprismatisk forbindelse er blevet foreslået til implementering af en to-plans SMA-baseret aktuator. Som vist overfører forbindelsen lineær bevægelse fra bunddrevet til toparmen, hvilket skaber en rotationsforbindelse. På den anden side er bevægelsen af prismeparret den samme som bevægelsen af flerlagsdrevet i det første trin.
En eksperimentel undersøgelse blev udført på prototypen vist i figur 9b for at evaluere ydeevnen af et bimodalt drev baseret på SMA. Som vist i figur 10a bestod den eksperimentelle opsætning af en programmerbar DC-strømforsyning til at forsyne SMA-ledningerne med indgangsspænding. Som vist i figur 10b blev en piezoelektrisk strain gauge (PACEline CFT/5kN) brugt til at måle blokeringskraften ved hjælp af en Graphtec GL-2000 datalogger. Dataene registreres af værten til videre undersøgelse. Strain gauges og ladningsforstærkere kræver en konstant strømforsyning for at producere et spændingssignal. De tilsvarende signaler konverteres til udgangseffekter i henhold til følsomheden af den piezoelektriske kraftsensor og andre parametre som beskrevet i tabel 2. Når en spændingspuls påføres, stiger temperaturen på SMA-ledningen, hvilket får SMA-ledningen til at komprimeres, hvilket får aktuatoren til at generere kraft. De eksperimentelle resultater af outputtet af muskelstyrke ved en indgangsspændingspuls på 7 V er vist i figur 2a.
(a) Et SMA-baseret lineært aktuatorsystem blev opstillet i eksperimentet for at måle den kraft, der genereres af aktuatoren. Vejecellen måler blokeringskraften og drives af en 24 V DC strømforsyning. Et spændingsfald på 7 V blev påført langs hele kablets længde ved hjælp af en programmerbar GW Instek DC strømforsyning. SMA-ledningen krymper på grund af varme, og den bevægelige arm berører vejecellen og udøver en blokeringskraft. Vejecellen er forbundet til GL-2000 dataloggeren, og dataene gemmes på værten til videre behandling. (b) Diagram, der viser kæden af komponenter i den eksperimentelle opsætning til måling af muskelstyrke.
Formhukommelseslegeringer exciteres af termisk energi, så temperatur bliver en vigtig parameter for at studere formhukommelsesfænomenet. Eksperimentelt, som vist i figur 11a, blev der udført termisk billeddannelse og temperaturmålinger på en prototype SMA-baseret divalerataktuator. En programmerbar DC-kilde påførte indgangsspænding på SMA-ledningerne i den eksperimentelle opsætning, som vist i figur 11b. Temperaturændringen af SMA-ledningen blev målt i realtid ved hjælp af et LWIR-kamera med høj opløsning (FLIR A655sc). Værten bruger ResearchIR-softwaren til at registrere data til videre efterbehandling. Når en spændingspuls påføres, stiger temperaturen på SMA-ledningen, hvilket får SMA-ledningen til at krympe. Figur 2b viser de eksperimentelle resultater af SMA-ledningens temperatur versus tid for en 7V indgangsspændingspuls.
Opslagstidspunkt: 28. september 2022
