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एक्चुएटर्स का उपयोग सर्वत्र होता है और ये विनिर्माण और औद्योगिक स्वचालन में विभिन्न कार्यों को करने के लिए सही उत्तेजना बल या टॉर्क लगाकर नियंत्रित गति उत्पन्न करते हैं। तेज़, छोटे और अधिक कुशल ड्राइव की आवश्यकता ड्राइव डिज़ाइन में नवाचार को बढ़ावा दे रही है। शेप मेमोरी अलॉय (एसएमए) ड्राइव पारंपरिक ड्राइव की तुलना में कई लाभ प्रदान करते हैं, जिनमें उच्च शक्ति-से-भार अनुपात शामिल है। इस शोध प्रबंध में, एक दो-पंखों वाला एसएमए-आधारित एक्चुएटर विकसित किया गया है जो जैविक प्रणालियों की पंखनुमा मांसपेशियों के लाभों और एसएमए के अद्वितीय गुणों को जोड़ता है। यह अध्ययन द्विमोडल एसएमए तार व्यवस्था पर आधारित नए एक्चुएटर का एक गणितीय मॉडल विकसित करके और इसका प्रयोगात्मक परीक्षण करके पिछले एसएमए एक्चुएटर्स का अन्वेषण और विस्तार करता है। एसएमए पर आधारित ज्ञात ड्राइव की तुलना में, नए ड्राइव का सक्रियण बल कम से कम 5 गुना अधिक (150 N तक) है। इसके परिणामस्वरूप भार में लगभग 67% की कमी आई है। गणितीय मॉडल के संवेदनशीलता विश्लेषण के परिणाम डिज़ाइन मापदंडों को समायोजित करने और प्रमुख मापदंडों को समझने में उपयोगी हैं। यह अध्ययन आगे एक बहु-स्तरीय एनवें चरण के ड्राइव को प्रस्तुत करता है जिसका उपयोग गतिशीलता को और बढ़ाने के लिए किया जा सकता है। एसएमए-आधारित डिपवैलेरेट मांसपेशी एक्चुएटर्स के अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है, जिसमें भवन स्वचालन से लेकर सटीक दवा वितरण प्रणाली तक शामिल हैं।
स्तनधारियों की मांसपेशियों जैसी जैविक प्रणालियाँ कई सूक्ष्म क्रियाविधियों को सक्रिय कर सकती हैं। स्तनधारियों में विभिन्न मांसपेशी संरचनाएँ होती हैं, जिनमें से प्रत्येक का एक विशिष्ट उद्देश्य होता है। हालाँकि, स्तनधारी मांसपेशी ऊतक की संरचना को दो व्यापक श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: समानांतर और पेनेट। हैमस्ट्रिंग और अन्य फ्लेक्सर मांसपेशियों में, जैसा कि नाम से पता चलता है, समानांतर मांसपेशियों में मांसपेशी तंतु केंद्रीय कण्डरा के समानांतर होते हैं। मांसपेशी तंतुओं की श्रृंखला पंक्तिबद्ध होती है और उनके चारों ओर संयोजी ऊतक द्वारा कार्यात्मक रूप से जुड़ी होती है। हालाँकि इन मांसपेशियों में बड़ी गति (प्रतिशत संकुचन) होती है, लेकिन इनकी समग्र मांसपेशी शक्ति बहुत सीमित होती है। इसके विपरीत, ट्राइसेप्स पिंडली की मांसपेशी (पार्श्व गैस्ट्रोकेनेमियस (जीएल)3, मध्य गैस्ट्रोकेनेमियस (जीएम)4 और सोलियस (एसओएल)) और एक्सटेंसर फेमोरिस (क्वाड्रिसेप्स)5,6 में प्रत्येक मांसपेशी में पेनेट मांसपेशी ऊतक पाया जाता है। पिनेट संरचना में, बाइपिनेट मांसपेशियों में मांसपेशी फाइबर केंद्रीय टेंडन के दोनों ओर तिरछे कोणों (पिनेट कोण) पर मौजूद होते हैं। पिनेट शब्द लैटिन शब्द "पेन्ना" से आया है, जिसका अर्थ है "पेन", और जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, यह पंख जैसा दिखता है। पिनेट मांसपेशियों के फाइबर छोटे होते हैं और मांसपेशी के अनुदैर्ध्य अक्ष के साथ कोण बनाते हैं। पिनेट संरचना के कारण, इन मांसपेशियों की समग्र गतिशीलता कम हो जाती है, जिससे संकुचन प्रक्रिया के अनुप्रस्थ और अनुदैर्ध्य घटक उत्पन्न होते हैं। दूसरी ओर, इन मांसपेशियों के सक्रिय होने से शारीरिक अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल को मापने के तरीके के कारण समग्र मांसपेशी शक्ति अधिक होती है। इसलिए, एक दिए गए अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल के लिए, पिनेट मांसपेशियां समानांतर फाइबर वाली मांसपेशियों की तुलना में अधिक मजबूत होंगी और अधिक बल उत्पन्न करेंगी। व्यक्तिगत फाइबर द्वारा उत्पन्न बल उस मांसपेशी ऊतक में स्थूल स्तर पर मांसपेशी बल उत्पन्न करते हैं। इसके अलावा, इसमें तेजी से संकुचन, तनाव क्षति से सुरक्षा और कुशनिंग जैसे अद्वितीय गुण होते हैं। यह मांसपेशियों की क्रिया रेखाओं से जुड़े फाइबर व्यवस्था की अनूठी विशेषताओं और ज्यामितीय जटिलता का फायदा उठाकर फाइबर इनपुट और मांसपेशी शक्ति आउटपुट के बीच के संबंध को बदल देता है।
चित्र में द्विमोडल मांसपेशीय संरचना के संबंध में मौजूदा एसएमए-आधारित एक्चुएटर डिज़ाइनों के योजनाबद्ध आरेख दिखाए गए हैं, उदाहरण के लिए (a), जो स्पर्श बल की परस्पर क्रिया को दर्शाता है जिसमें एसएमए तारों द्वारा संचालित हाथ के आकार का उपकरण दो पहियों वाले स्वायत्त मोबाइल रोबोट9,10 पर लगाया गया है। (b) विपरीत दिशा में स्थित एसएमए स्प्रिंग-लोडेड ऑर्बिटल प्रोस्थेसिस के साथ रोबोटिक ऑर्बिटल प्रोस्थेसिस। कृत्रिम आंख की स्थिति आंख की ऑक्यूलर मांसपेशी से प्राप्त संकेत द्वारा नियंत्रित होती है11, (c) एसएमए एक्चुएटर अपनी उच्च आवृत्ति प्रतिक्रिया और कम बैंडविड्थ के कारण पानी के नीचे के अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हैं। इस विन्यास में, मछली की गति का अनुकरण करके तरंग गति उत्पन्न करने के लिए एसएमए एक्चुएटर्स का उपयोग किया जाता है, (d) चैनल 10 के अंदर एसएमए तारों की गति द्वारा नियंत्रित, इंच वर्म गति सिद्धांत का उपयोग करने वाले माइक्रो पाइप निरीक्षण रोबोट बनाने के लिए एसएमए एक्चुएटर्स का उपयोग किया जाता है, (e) गैस्ट्रोक्नेमियस ऊतक में संकुचन मांसपेशी तंतुओं की दिशा और संकुचन बल उत्पन्न करने को दर्शाता है, (f) पेनेट मांसपेशी संरचना में मांसपेशी तंतुओं के रूप में व्यवस्थित एसएमए तारों को दर्शाता है।
अपने व्यापक अनुप्रयोगों के कारण एक्चुएटर्स यांत्रिक प्रणालियों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बन गए हैं। इसलिए, छोटे, तेज और अधिक कुशल ड्राइव की आवश्यकता अत्यंत महत्वपूर्ण हो जाती है। अपने लाभों के बावजूद, पारंपरिक ड्राइव रखरखाव में महंगे और समय लेने वाले साबित हुए हैं। हाइड्रोलिक और न्यूमेटिक एक्चुएटर्स जटिल और महंगे होते हैं और घिसाव, स्नेहन संबंधी समस्याओं और घटक विफलता के शिकार होते हैं। मांग को देखते हुए, स्मार्ट सामग्रियों पर आधारित लागत प्रभावी, आकार-अनुकूलित और उन्नत एक्चुएटर्स विकसित करने पर ध्यान केंद्रित किया जा रहा है। इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए चल रहे शोध में शेप मेमोरी अलॉय (एसएमए) स्तरित एक्चुएटर्स पर ध्यान दिया जा रहा है। पदानुक्रमित एक्चुएटर्स इस मायने में अद्वितीय हैं कि वे कई अलग-अलग एक्चुएटर्स को ज्यामितीय रूप से जटिल मैक्रो स्केल उपप्रणालियों में संयोजित करते हैं ताकि बढ़ी हुई और विस्तारित कार्यक्षमता प्रदान की जा सके। इस संदर्भ में, ऊपर वर्णित मानव मांसपेशी ऊतक इस प्रकार के बहुस्तरीय एक्चुएशन का एक उत्कृष्ट बहुस्तरीय उदाहरण प्रस्तुत करता है। वर्तमान अध्ययन में कई व्यक्तिगत ड्राइव तत्वों (एसएमए तारों) के साथ एक बहु-स्तरीय एसएमए ड्राइव का वर्णन किया गया है जो द्विमोडल मांसपेशियों में मौजूद फाइबर अभिविन्यासों के अनुरूप संरेखित हैं, जिससे समग्र ड्राइव प्रदर्शन में सुधार होता है।
एक्चुएटर का मुख्य उद्देश्य विद्युत ऊर्जा को परिवर्तित करके बल और विस्थापन जैसी यांत्रिक शक्ति उत्पन्न करना है। शेप मेमोरी मिश्र धातुएँ (SMA) "स्मार्ट" सामग्रियों का एक वर्ग हैं जो उच्च तापमान पर अपना आकार पुनः प्राप्त कर सकती हैं। उच्च भार के तहत, SMA तार के तापमान में वृद्धि से आकार की पुनः प्राप्ति होती है, जिसके परिणामस्वरूप विभिन्न प्रत्यक्ष रूप से बंधित स्मार्ट सामग्रियों की तुलना में उच्च एक्चुएशन ऊर्जा घनत्व प्राप्त होता है। साथ ही, यांत्रिक भार के तहत, SMA भंगुर हो जाती हैं। कुछ परिस्थितियों में, चक्रीय भार यांत्रिक ऊर्जा को अवशोषित और मुक्त कर सकता है, जिससे प्रतिवर्ती हिस्टेरेटिक आकार परिवर्तन प्रदर्शित होते हैं। ये अद्वितीय गुण SMA को सेंसर, कंपन अवमंदन और विशेष रूप से एक्चुएटर12 के लिए आदर्श बनाते हैं। इसे ध्यान में रखते हुए, SMA-आधारित ड्राइव पर बहुत शोध किया गया है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि SMA-आधारित एक्चुएटर विभिन्न अनुप्रयोगों13,14,15 के लिए स्थानांतरीय और घूर्णी गति प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। यद्यपि कुछ घूर्णी एक्चुएटर विकसित किए गए हैं, शोधकर्ता विशेष रूप से रैखिक एक्चुएटर में रुचि रखते हैं। इन लीनियर एक्चुएटर्स को तीन प्रकार के एक्चुएटर्स में विभाजित किया जा सकता है: एक-आयामी, विस्थापन और विभेदक एक्चुएटर्स 16। प्रारंभ में, हाइब्रिड ड्राइव्स को SMA और अन्य पारंपरिक ड्राइव्स के संयोजन में बनाया गया था। SMA-आधारित हाइब्रिड लीनियर एक्चुएटर का एक ऐसा ही उदाहरण DC मोटर के साथ SMA तार का उपयोग करके लगभग 100 N का आउटपुट बल और महत्वपूर्ण विस्थापन प्रदान करना है 17।
पूरी तरह से एसएमए पर आधारित ड्राइव के शुरुआती विकासों में से एक एसएमए पैरेलल ड्राइव था। कई एसएमए तारों का उपयोग करते हुए, एसएमए-आधारित पैरेलल ड्राइव को सभी एसएमए तारों को समानांतर में रखकर ड्राइव की शक्ति क्षमता बढ़ाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक्चुएटर्स का समानांतर कनेक्शन न केवल अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है, बल्कि एक तार की आउटपुट शक्ति को भी सीमित करता है। एसएमए-आधारित एक्चुएटर्स का एक और नुकसान उनकी सीमित गति है। इस समस्या को हल करने के लिए, विस्थापन बढ़ाने और रैखिक गति प्राप्त करने के लिए एक विक्षेपित लचीली बीम युक्त एक एसएमए केबल बीम बनाया गया था, लेकिन इससे उच्च बल उत्पन्न नहीं हुए। आकार स्मृति मिश्र धातुओं पर आधारित रोबोटों के लिए नरम विकृत संरचनाएं और कपड़े मुख्य रूप से प्रभाव प्रवर्धन के लिए विकसित किए गए हैं। जहां उच्च गति की आवश्यकता होती है, वहां माइक्रो पंप चालित अनुप्रयोगों के लिए पतली फिल्म एसएमए का उपयोग करके कॉम्पैक्ट चालित पंपों की रिपोर्ट की गई है। पतली फिल्म एसएमए झिल्ली की ड्राइव आवृत्ति ड्राइवर की गति को नियंत्रित करने में एक महत्वपूर्ण कारक है। इसलिए, एसएमए रैखिक मोटरों की गतिशील प्रतिक्रिया एसएमए स्प्रिंग या रॉड मोटरों की तुलना में बेहतर होती है। सॉफ्ट रोबोटिक्स और ग्रिपिंग तकनीक दो अन्य अनुप्रयोग हैं जिनमें SMA-आधारित एक्चुएटर्स का उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, 25 N स्पेस क्लैंप में उपयोग किए जाने वाले मानक एक्चुएटर को बदलने के लिए, एक शेप मेमोरी अलॉय पैरेलल एक्चुएटर 24 विकसित किया गया था। एक अन्य मामले में, एक एम्बेडेड मैट्रिक्स वाले तार पर आधारित एक SMA सॉफ्ट एक्चुएटर बनाया गया था जो 30 N का अधिकतम खींचने वाला बल उत्पन्न करने में सक्षम था। अपने यांत्रिक गुणों के कारण, SMA का उपयोग जैविक घटनाओं की नकल करने वाले एक्चुएटर्स बनाने के लिए भी किया जाता है। ऐसे ही एक विकास में एक 12-कोशिका वाला रोबोट शामिल है जो एक केंचुए जैसे जीव का बायोमिमेटिक है और इसमें साइनसोइडल गति उत्पन्न करने के लिए SMA का उपयोग किया गया है26,27।
जैसा कि पहले बताया गया है, मौजूदा SMA-आधारित एक्चुएटर्स से प्राप्त होने वाले अधिकतम बल की एक सीमा होती है। इस समस्या के समाधान के लिए, यह अध्ययन एक बायोमिमेटिक बाइमोडल मांसपेशी संरचना प्रस्तुत करता है। यह शेप मेमोरी अलॉय वायर द्वारा संचालित है और इसमें कई शेप मेमोरी अलॉय वायर्स को शामिल करते हुए एक वर्गीकरण प्रणाली प्रदान की गई है। आज तक, साहित्य में समान संरचना वाले किसी भी SMA-आधारित एक्चुएटर की रिपोर्ट नहीं की गई है। बाइमोडल मांसपेशी संरेखण के दौरान SMA के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए SMA पर आधारित इस अद्वितीय और नवीन प्रणाली को विकसित किया गया था। मौजूदा SMA-आधारित एक्चुएटर्स की तुलना में, इस अध्ययन का लक्ष्य एक बायोमिमेटिक डिपवैलरेट एक्चुएटर बनाना था जो कम आयतन में काफी अधिक बल उत्पन्न कर सके। HVAC बिल्डिंग ऑटोमेशन और नियंत्रण प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक स्टेपर मोटर चालित ड्राइव की तुलना में, प्रस्तावित SMA-आधारित बाइमोडल ड्राइव डिज़ाइन ड्राइव तंत्र के वजन को 67% तक कम कर देता है। आगे, "मांसपेशी" और "ड्राइव" शब्दों का प्रयोग एक दूसरे के स्थान पर किया गया है। यह अध्ययन इस प्रकार के ड्राइव के मल्टीफ़िज़िक्स सिमुलेशन की जांच करता है। ऐसी प्रणालियों के यांत्रिक व्यवहार का अध्ययन प्रायोगिक और विश्लेषणात्मक विधियों द्वारा किया गया है। 7 V के इनपुट वोल्टेज पर बल और तापमान वितरण का गहन अध्ययन किया गया। इसके बाद, प्रमुख मापदंडों और आउटपुट बल के बीच संबंध को बेहतर ढंग से समझने के लिए एक पैरामीट्रिक विश्लेषण किया गया। अंत में, पदानुक्रमित एक्चुएटर्स की परिकल्पना की गई और कृत्रिम अंगों के अनुप्रयोगों के लिए गैर-चुंबकीय एक्चुएटर्स के लिए एक संभावित भविष्य के क्षेत्र के रूप में पदानुक्रमित स्तर के प्रभावों का प्रस्ताव दिया गया। उपरोक्त अध्ययनों के परिणामों के अनुसार, एकल-चरण संरचना का उपयोग करने से रिपोर्ट किए गए SMA-आधारित एक्चुएटर्स की तुलना में कम से कम चार से पाँच गुना अधिक बल उत्पन्न होता है। इसके अतिरिक्त, एक बहु-स्तरीय ड्राइव द्वारा उत्पन्न समान ड्राइव बल पारंपरिक SMA-आधारित ड्राइव की तुलना में दस गुना से अधिक पाया गया है। अध्ययन में विभिन्न डिज़ाइनों और इनपुट चरों के बीच संवेदनशीलता विश्लेषण का उपयोग करके प्रमुख मापदंडों की रिपोर्ट दी गई है। SMA तार की प्रारंभिक लंबाई (l₀), पिनेट कोण (α) और प्रत्येक व्यक्तिगत स्ट्रैंड में एकल स्ट्रैंड की संख्या (n) का ड्राइविंग बल के परिमाण पर प्रबल नकारात्मक प्रभाव पड़ता है। शक्ति के साथ सकारात्मक सहसंबंध पाया गया, जबकि इनपुट वोल्टेज (ऊर्जा) सकारात्मक रूप से सहसंबंधित निकला।
एसएमए तार निकल-टाइटेनियम (एनआई-टीआई) मिश्र धातुओं के परिवार में पाए जाने वाले आकार स्मृति प्रभाव (एसएमई) को प्रदर्शित करता है। आमतौर पर, एसएमए दो तापमान-निर्भर अवस्थाओं को प्रदर्शित करता है: एक निम्न तापमान अवस्था और एक उच्च तापमान अवस्था। दोनों अवस्थाओं में अलग-अलग क्रिस्टल संरचनाओं की उपस्थिति के कारण अद्वितीय गुण होते हैं। रूपांतरण तापमान से ऊपर मौजूद ऑस्टेनाइट अवस्था (उच्च तापमान अवस्था) में, पदार्थ उच्च शक्ति प्रदर्शित करता है और भार के तहत कम विकृत होता है। यह मिश्र धातु स्टेनलेस स्टील की तरह व्यवहार करता है, इसलिए यह उच्च सक्रियण दबावों को सहन करने में सक्षम है। एनआई-टीआई मिश्र धातुओं के इस गुण का लाभ उठाते हुए, एसएमए तारों को एक एक्चुएटर बनाने के लिए तिरछा किया जाता है। विभिन्न मापदंडों और विभिन्न ज्यामितियों के प्रभाव में एसएमए के तापीय व्यवहार के मूलभूत यांत्रिकी को समझने के लिए उपयुक्त विश्लेषणात्मक मॉडल विकसित किए गए हैं। प्रायोगिक और विश्लेषणात्मक परिणामों के बीच अच्छा सामंजस्य प्राप्त हुआ।
चित्र 9a में दर्शाए गए प्रोटोटाइप पर SMA आधारित द्विविध ड्राइव के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए एक प्रायोगिक अध्ययन किया गया। ड्राइव द्वारा उत्पन्न बल (मांसपेशी बल) और SMA तार का तापमान (SMA तापमान) इन दो गुणों को प्रायोगिक रूप से मापा गया। ड्राइव में तार की पूरी लंबाई में वोल्टेज अंतर बढ़ने पर जूल तापन प्रभाव के कारण तार का तापमान बढ़ता है। इनपुट वोल्टेज को दो 10-सेकंड के चक्रों में लगाया गया (चित्र 2a, b में लाल बिंदुओं के रूप में दर्शाया गया है) और प्रत्येक चक्र के बीच 15-सेकंड का शीतलन अंतराल रखा गया। अवरोधक बल को पीजोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन गेज का उपयोग करके मापा गया, और SMA तार के तापमान वितरण की निगरानी वैज्ञानिक श्रेणी के उच्च-रिज़ॉल्यूशन LWIR कैमरे का उपयोग करके वास्तविक समय में की गई (उपयोग किए गए उपकरण की विशेषताओं के लिए तालिका 2 देखें)। इससे पता चलता है कि उच्च वोल्टेज चरण के दौरान, तार का तापमान एकसमान रूप से बढ़ता है, लेकिन जब कोई धारा प्रवाहित नहीं होती है, तो तार का तापमान लगातार गिरता रहता है। वर्तमान प्रायोगिक सेटअप में, शीतलन चरण के दौरान SMA तार का तापमान गिर गया, लेकिन फिर भी यह परिवेश के तापमान से ऊपर था। चित्र 2e में LWIR कैमरे से ली गई SMA तार के तापमान की एक झलक दिखाई गई है। दूसरी ओर, चित्र 2a में ड्राइव सिस्टम द्वारा उत्पन्न अवरोधक बल दिखाया गया है। जब मांसपेशी बल स्प्रिंग के प्रत्यानयन बल से अधिक हो जाता है, तो चित्र 9a में दिखाए गए अनुसार चल भुजा गतिमान होने लगती है। जैसे ही क्रिया शुरू होती है, चल भुजा सेंसर के संपर्क में आ जाती है, जिससे एक शारीरिक बल उत्पन्न होता है, जैसा कि चित्र 2c और d में दिखाया गया है। जब अधिकतम तापमान लगभग 84°C के करीब होता है, तो अधिकतम प्रेक्षित बल 105 N होता है।
ग्राफ में दो चक्रों के दौरान SMA तार के तापमान और SMA-आधारित द्विमोडल एक्चुएटर द्वारा उत्पन्न बल के प्रायोगिक परिणाम दर्शाए गए हैं। इनपुट वोल्टेज को दो 10 सेकंड के चक्रों (लाल बिंदुओं के रूप में दर्शाए गए) में लगाया जाता है, प्रत्येक चक्र के बीच 15 सेकंड का शीतलन अंतराल होता है। प्रयोगों के लिए प्रयुक्त SMA तार Dynalloy, Inc. का 0.51 mm व्यास वाला Flexinol तार था। (a) ग्राफ दो चक्रों में प्राप्त प्रायोगिक बल को दर्शाता है, (c, d) PACEline CFT/5kN पीजोइलेक्ट्रिक बल ट्रांसड्यूसर पर गतिमान भुजा एक्चुएटर की क्रिया के दो स्वतंत्र उदाहरण दर्शाता है, (b) ग्राफ दो चक्रों के दौरान संपूर्ण SMA तार का अधिकतम तापमान दर्शाता है, (e) FLIR ResearchIR सॉफ्टवेयर LWIR कैमरे का उपयोग करके SMA तार से लिया गया तापमान स्नैपशॉट दर्शाता है। प्रयोगों में ध्यान में रखे गए ज्यामितीय मापदंड तालिका एक में दिए गए हैं।
गणितीय मॉडल के सिमुलेशन परिणामों और प्रायोगिक परिणामों की तुलना 7V के इनपुट वोल्टेज की स्थिति में की गई है, जैसा कि चित्र 5 में दर्शाया गया है। पैरामीट्रिक विश्लेषण के परिणामों के अनुसार और SMA तार के अत्यधिक गर्म होने की संभावना से बचने के लिए, एक्चुएटर को 11.2 W की शक्ति प्रदान की गई। इनपुट वोल्टेज के रूप में 7V की आपूर्ति के लिए एक प्रोग्रामेबल DC पावर सप्लाई का उपयोग किया गया, और तार के पार 1.6A की धारा मापी गई। धारा प्रवाहित होने पर ड्राइव द्वारा उत्पन्न बल और SDR का तापमान बढ़ता है। 7V के इनपुट वोल्टेज के साथ, पहले चक्र के सिमुलेशन परिणामों और प्रायोगिक परिणामों से प्राप्त अधिकतम आउटपुट बल क्रमशः 78 N और 96 N है। दूसरे चक्र में, सिमुलेशन और प्रायोगिक परिणामों का अधिकतम आउटपुट बल क्रमशः 150 N और 105 N था। अवरोध बल मापन और प्रायोगिक डेटा के बीच विसंगति अवरोध बल को मापने के लिए उपयोग की गई विधि के कारण हो सकती है। चित्र में दिखाए गए प्रायोगिक परिणाम... 5a लॉकिंग बल के मापन से संबंधित है, जिसे ड्राइव शाफ्ट के PACEline CFT/5kN पीजोइलेक्ट्रिक बल ट्रांसड्यूसर के संपर्क में होने पर मापा गया था, जैसा कि चित्र 2s में दिखाया गया है। इसलिए, जब ड्राइव शाफ्ट शीतलन क्षेत्र की शुरुआत में बल सेंसर के संपर्क में नहीं होता है, तो बल तुरंत शून्य हो जाता है, जैसा कि चित्र 2d में दिखाया गया है। इसके अलावा, अन्य पैरामीटर जो बाद के चक्रों में बल के निर्माण को प्रभावित करते हैं, वे पिछले चक्र में शीतलन समय और संवहन ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक के मान हैं। चित्र 2b से यह देखा जा सकता है कि 15 सेकंड की शीतलन अवधि के बाद, SMA तार कमरे के तापमान तक नहीं पहुंचा और इसलिए दूसरे ड्राइविंग चक्र में इसका प्रारंभिक तापमान (40°C) पहले चक्र (25°C) की तुलना में अधिक था। इस प्रकार, पहले चक्र की तुलना में, दूसरे तापन चक्र के दौरान SMA तार का तापमान प्रारंभिक ऑस्टेनाइट तापमान (\(A_s\)) तक पहले पहुँच जाता है और संक्रमण काल में अधिक समय तक बना रहता है, जिसके परिणामस्वरूप तनाव और बल उत्पन्न होते हैं। दूसरी ओर, प्रयोगों और सिमुलेशन से प्राप्त तापन और शीतलन चक्रों के दौरान तापमान वितरण, थर्मोग्राफिक विश्लेषण के उदाहरणों से गुणात्मक रूप से काफी मिलते-जुलते हैं। प्रयोगों और सिमुलेशन से प्राप्त SMA तार के तापीय डेटा के तुलनात्मक विश्लेषण से तापन और शीतलन चक्रों के दौरान स्थिरता और प्रयोगात्मक डेटा के लिए स्वीकार्य सहनशीलता के भीतर स्थिरता दिखाई दी। पहले चक्र के सिमुलेशन और प्रयोगों के परिणामों से प्राप्त SMA तार का अधिकतम तापमान क्रमशः \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) और \(75\,^{\circ }\hbox { C }\) है, और दूसरे चक्र में SMA तार का अधिकतम तापमान क्रमशः \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) और \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) है। विकसित किए गए मूलभूत मॉडल से शेप मेमोरी इफ़ेक्ट की पुष्टि होती है। इस समीक्षा में थकान और अतिभार की भूमिका पर विचार नहीं किया गया है। भविष्य में, मॉडल को एसएमए तार के तनाव इतिहास को शामिल करने के लिए बेहतर बनाया जाएगा, जिससे यह इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त हो जाएगा। 7 वोल्ट के इनपुट वोल्टेज पल्स की स्थिति में सिमुलिंक ब्लॉक से प्राप्त ड्राइव आउटपुट बल और एसएमए तापमान के प्लॉट प्रायोगिक डेटा की स्वीकार्य सीमाओं के भीतर हैं। यह विकसित गणितीय मॉडल की शुद्धता और विश्वसनीयता की पुष्टि करता है।
गणितीय मॉडल को मेथड्स सेक्शन में वर्णित मूलभूत समीकरणों का उपयोग करके MathWorks Simulink R2020b वातावरण में विकसित किया गया था। चित्र 3b में Simulink गणितीय मॉडल का ब्लॉक आरेख दिखाया गया है। मॉडल को 7V इनपुट वोल्टेज पल्स के लिए सिम्युलेट किया गया था, जैसा कि चित्र 2a और 2b में दिखाया गया है। सिमुलेशन में उपयोग किए गए मापदंडों के मान तालिका 1 में सूचीबद्ध हैं। क्षणिक प्रक्रियाओं के सिमुलेशन के परिणाम चित्र 1 और 3a तथा 4 में प्रस्तुत किए गए हैं। चित्र 4a और 4b में SMA तार में प्रेरित वोल्टेज और एक्चुएटर द्वारा उत्पन्न बल को समय के फलन के रूप में दर्शाया गया है। रिवर्स रूपांतरण (हीटिंग) के दौरान, जब एसएमए तार का तापमान, \(T < A_s^{\prime}\) (तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट चरण प्रारंभ तापमान), मार्टेंसाइट आयतन अंश (\(\dot{\xi }\)) के परिवर्तन की दर शून्य होगी। रिवर्स रूपांतरण (हीटिंग) के दौरान, जब एसएमए तार का तापमान, \(T < A_s^{\prime}\) (तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट चरण प्रारंभ तापमान), मार्टेंसाइट आयतन अंश (\(\dot{\ xi }\)) के परिवर्तन की दर शून्य होगी। Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\ prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. रिवर्स रूपांतरण (हीटिंग) के दौरान, जब एसएमए तार का तापमान, \(T < A_s^{\prime}\) (तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट आरंभ तापमान), मार्टेंसाइट आयतन अंश (\(\dot{\ xi }\ )) के परिवर्तन की दर शून्य होगी।在反向转变（加热）过程中,当SMA 线温度\(T < A_s^{\प्राइम}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\))将为零.在 反向 转变 （加热） 中 , 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) सिमुलेशन परिणाम SMA आधारित द्विविभाजित एक्चुएटर में तापमान वितरण और तनाव-प्रेरित जंक्शन तापमान को दर्शाता है। तापन चरण में जब तार का तापमान ऑस्टेनाइट संक्रमण तापमान को पार करता है, तो संशोधित ऑस्टेनाइट संक्रमण तापमान बढ़ने लगता है, और इसी प्रकार, शीतलन चरण में जब तार की छड़ का तापमान मार्टेन्सिटिक संक्रमण तापमान को पार करता है, तो मार्टेन्सिटिक संक्रमण तापमान घटने लगता है। एक्चुएशन प्रक्रिया के विश्लेषणात्मक मॉडलिंग के लिए SMA का उपयोग किया गया है। (सिमुलिंक मॉडल के प्रत्येक उपप्रणाली के विस्तृत विवरण के लिए, पूरक फ़ाइल के परिशिष्ट अनुभाग को देखें।)
विभिन्न पैरामीटर वितरणों के विश्लेषण के परिणाम 7V इनपुट वोल्टेज के दो चक्रों (10 सेकंड के वार्म-अप चक्र और 15 सेकंड के कूल-डाउन चक्र) के लिए दिखाए गए हैं। जहाँ (ac) और (e) समय के साथ वितरण को दर्शाते हैं, वहीं (d) और (f) तापमान के साथ वितरण को दर्शाते हैं। संबंधित इनपुट स्थितियों के लिए, अधिकतम प्रेक्षित तनाव 106 MPa (345 MPa से कम, तार की यील्ड स्ट्रेंथ), बल 150 N, अधिकतम विस्थापन 270 µm और न्यूनतम मार्टेन्सिटिक आयतन अंश 0.91 है। दूसरी ओर, तापमान के साथ तनाव में परिवर्तन और मार्टेन्सिट के आयतन अंश में परिवर्तन हिस्टैरेसिस विशेषताओं के समान हैं।
यही व्याख्या ऑस्टेनाइट अवस्था से मार्टेन्साइट अवस्था में प्रत्यक्ष रूपांतरण (शीतलन) पर भी लागू होती है, जहाँ SMA तार का तापमान (T) और तनाव-संशोधित मार्टेन्साइट अवस्था का अंतिम तापमान (\(M_f^{\prime}\ )) उत्कृष्ट होता है। चित्र 4d,f में दोनों ड्राइविंग चक्रों के लिए SMA तार के तापमान (T) में परिवर्तन के फलन के रूप में प्रेरित तनाव (\(\sigma\)) और मार्टेन्साइट के आयतन अंश (\(\xi\)) में परिवर्तन दर्शाया गया है। चित्र 3a में इनपुट वोल्टेज पल्स के आधार पर समय के साथ SMA तार के तापमान में परिवर्तन दर्शाया गया है। जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, शून्य वोल्टेज पर ऊष्मा स्रोत प्रदान करने और उसके बाद संवहन शीतलन द्वारा तार का तापमान लगातार बढ़ता रहता है। गर्म करने के दौरान, जब SMA तार का तापमान (T) तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट न्यूक्लिएशन तापमान (\(A_s^{\prime}\)) को पार कर जाता है, तो मार्टेन्साइट का ऑस्टेनाइट चरण में पुन: रूपांतरण शुरू हो जाता है। इस चरण के दौरान, SMA तार संपीड़ित होता है और एक्चुएटर बल उत्पन्न करता है। साथ ही, ठंडा करने के दौरान, जब SMA तार का तापमान (T) तनाव-संशोधित मार्टेन्साइट चरण के न्यूक्लिएशन तापमान (\(M_s^{\prime}\)) को पार कर जाता है, तो ऑस्टेनाइट चरण से मार्टेन्साइट चरण में सकारात्मक संक्रमण होता है और प्रेरक बल कम हो जाता है।
एसएमए पर आधारित द्विमोडल ड्राइव के मुख्य गुणात्मक पहलुओं को सिमुलेशन परिणामों से प्राप्त किया जा सकता है। वोल्टेज पल्स इनपुट की स्थिति में, जूल तापन प्रभाव के कारण एसएमए तार का तापमान बढ़ जाता है। मार्टेंसाइट आयतन अंश (\(\xi\)) का प्रारंभिक मान 1 निर्धारित किया गया है, क्योंकि पदार्थ प्रारंभ में पूर्णतः मार्टेंसाइटिक अवस्था में होता है। जैसे-जैसे तार गर्म होता जाता है, एसएमए तार का तापमान तनाव-संशोधित ऑस्टेनाइट न्यूक्लिएशन तापमान \(A_s^{\prime}\) से अधिक हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप मार्टेंसाइट आयतन अंश में कमी आती है, जैसा कि चित्र 4c में दिखाया गया है। इसके अतिरिक्त, चित्र 4e में समय के साथ एक्चुएटर के स्ट्रोक का वितरण दिखाया गया है, और चित्र 5 में समय के फलन के रूप में ड्राइविंग बल दिखाया गया है। संबंधित समीकरणों की एक प्रणाली में तापमान, मार्टेंसाइट आयतन अंश और तार में विकसित होने वाला तनाव शामिल है, जिसके परिणामस्वरूप एसएमए तार का संकुचन और एक्चुएटर द्वारा उत्पन्न बल होता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 4d,f, तापमान के साथ वोल्टेज भिन्नता और तापमान के साथ मार्टेंसाइट आयतन अंश भिन्नता, 7 V पर अनुकरण किए गए मामले में SMA की हिस्टैरेसिस विशेषताओं के अनुरूप हैं।
प्रयोगों और विश्लेषणात्मक गणनाओं के माध्यम से ड्राइविंग मापदंडों की तुलना की गई। तारों को 10 सेकंड के लिए 7 वोल्ट के स्पंदित इनपुट वोल्टेज के अधीन किया गया, फिर दो चक्रों में 15 सेकंड के लिए ठंडा किया गया (शीतलन चरण)। पिनेट कोण को 40° पर सेट किया गया और प्रत्येक सिंगल पिन लेग में SMA तार की प्रारंभिक लंबाई 83 मिमी रखी गई। (a) लोड सेल से ड्राइविंग बल का मापन (b) थर्मल इन्फ्रारेड कैमरे से तार के तापमान की निगरानी।
ड्राइव द्वारा उत्पन्न बल पर भौतिक मापदंडों के प्रभाव को समझने के लिए, चयनित भौतिक मापदंडों के प्रति गणितीय मॉडल की संवेदनशीलता का विश्लेषण किया गया और मापदंडों को उनके प्रभाव के अनुसार क्रमबद्ध किया गया। सर्वप्रथम, एकसमान वितरण का पालन करने वाले प्रायोगिक डिज़ाइन सिद्धांतों का उपयोग करके मॉडल मापदंडों का नमूनाकरण किया गया (संवेदनशीलता विश्लेषण पर अनुपूरक अनुभाग देखें)। इस मामले में, मॉडल मापदंडों में इनपुट वोल्टेज (Vin), प्रारंभिक SMA तार की लंबाई (l0), त्रिभुज कोण (alpha), बायस स्प्रिंग स्थिरांक (Kx), संवहन ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक (hT)) और एकमोडल शाखाओं की संख्या (n) शामिल हैं। अगले चरण में, अध्ययन डिज़ाइन आवश्यकता के रूप में अधिकतम मांसपेशी शक्ति को चुना गया और शक्ति पर चर के प्रत्येक सेट के पैरामीट्रिक प्रभावों को प्राप्त किया गया। संवेदनशीलता विश्लेषण के लिए टॉरनेडो प्लॉट प्रत्येक मापदंड के सहसंबंध गुणांकों से प्राप्त किए गए, जैसा कि चित्र 6a में दिखाया गया है।
(a) उपरोक्त मॉडल मापदंडों के 2500 अद्वितीय समूहों के अधिकतम आउटपुट बल पर मॉडल मापदंडों के सहसंबंध गुणांक मान और उनके प्रभाव को बवंडर प्लॉट में दर्शाया गया है। ग्राफ कई संकेतकों के रैंक सहसंबंध को दर्शाता है। यह स्पष्ट है कि \(V_{in}\) एकमात्र ऐसा मापदंड है जिसका सकारात्मक सहसंबंध है, और \(l_0\) उच्चतम नकारात्मक सहसंबंध वाला मापदंड है। विभिन्न संयोजनों में विभिन्न मापदंडों का चरम मांसपेशी शक्ति पर प्रभाव (b, c) में दर्शाया गया है। \(K_x\) 400 से 800 N/m तक और n 4 से 24 तक है। वोल्टेज (\(V_{in}\)) 4V से 10V तक, तार की लंबाई (\(l_{0 } \)) 40 से 100 mm तक और पूंछ का कोण (\ (\alpha \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) तक भिन्न है।
चित्र 6a में, प्रत्येक पैरामीटर के लिए विभिन्न सहसंबंध गुणांकों का एक बवंडर प्लॉट दिखाया गया है, जिसमें अधिकतम ड्राइव बल डिज़ाइन आवश्यकताओं को दर्शाया गया है। चित्र 6a से यह देखा जा सकता है कि वोल्टेज पैरामीटर (\(V_{in}\)) अधिकतम आउटपुट बल से सीधे संबंधित है, और संवहन ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक (\(h_T\)), ज्वाला कोण (\(\alpha\)), विस्थापन स्प्रिंग स्थिरांक (\(K_x\)) आउटपुट बल के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबंधित हैं, जबकि SMA तार की प्रारंभिक लंबाई (\(l_0\)) और एकध्रुवीय शाखाओं की संख्या (n) एक मजबूत व्युत्क्रम सहसंबंध दर्शाती है। वोल्टेज सहसंबंध गुणांक (\(V_{in}\)) का उच्च मान यह दर्शाता है कि इस पैरामीटर का पावर आउटपुट पर सबसे अधिक प्रभाव पड़ता है। एक अन्य समान विश्लेषण, दो गणनात्मक स्थानों के विभिन्न संयोजनों में विभिन्न मापदंडों के प्रभाव का मूल्यांकन करके अधिकतम बल को मापता है, जैसा कि चित्र 6b और c में दिखाया गया है। V_{in}\) और l_0\, तथा α\) और l_0\) के पैटर्न समान हैं, और ग्राफ दर्शाता है कि V_{in}\) और α\) के पैटर्न समान हैं। l_0\) के छोटे मानों से उच्च शिखर बल प्राप्त होते हैं। अन्य दो प्लॉट चित्र 6a के अनुरूप हैं, जहाँ n और K_x के बीच ऋणात्मक सहसंबंध है तथा V_{in}\) के बीच धनात्मक सहसंबंध है। यह विश्लेषण उन प्रभावशाली मापदंडों को परिभाषित और समायोजित करने में सहायक है जिनके द्वारा ड्राइव सिस्टम के आउटपुट बल, स्ट्रोक और दक्षता को आवश्यकताओं और अनुप्रयोग के अनुरूप बनाया जा सकता है।
वर्तमान शोध कार्य में N स्तरों वाले पदानुक्रमित ड्राइवों का परिचय और अध्ययन किया जा रहा है। दो-स्तरीय पदानुक्रम में, जैसा कि चित्र 7a में दिखाया गया है, प्रथम स्तर के एक्चुएटर के प्रत्येक SMA तार के स्थान पर, एक द्विविध व्यवस्था प्राप्त की जाती है, जैसा कि चित्र 9e में दिखाया गया है। चित्र 7c में दिखाया गया है कि SMA तार को एक चल भुजा (सहायक भुजा) के चारों ओर कैसे लपेटा जाता है जो केवल अनुदैर्ध्य दिशा में गति करती है। हालांकि, प्राथमिक चल भुजा प्रथम चरण के बहु-चरणीय एक्चुएटर की चल भुजा के समान ही गति करती रहती है। आमतौर पर, प्रथम चरण के ड्राइव में (N-1) चरण के SMA तार को प्रतिस्थापित करके एक N-चरणीय ड्राइव बनाया जाता है। परिणामस्वरूप, तार को धारण करने वाली शाखा को छोड़कर, प्रत्येक शाखा प्रथम चरण के ड्राइव की तरह कार्य करती है। इस प्रकार, अंतर्निर्मित संरचनाएं बनाई जा सकती हैं जो प्राथमिक ड्राइवों के बलों से कई गुना अधिक बल उत्पन्न करती हैं। इस अध्ययन में, प्रत्येक स्तर के लिए, कुल प्रभावी SMA तार की लंबाई 1 मीटर मानी गई, जैसा कि चित्र 7d में सारणीबद्ध रूप में दर्शाया गया है। प्रत्येक एकमोडल डिज़ाइन में प्रत्येक तार से प्रवाहित धारा और प्रत्येक SMA तार खंड में उत्पन्न होने वाला प्रीस्ट्रेस और वोल्टेज प्रत्येक स्तर पर समान है। हमारे विश्लेषणात्मक मॉडल के अनुसार, आउटपुट बल स्तर के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबंधित है, जबकि विस्थापन नकारात्मक रूप से सहसंबंधित है। साथ ही, विस्थापन और मांसपेशी शक्ति के बीच एक संतुलन पाया गया। जैसा कि चित्र 7b में देखा गया है, अधिकतम बल परतों की सबसे बड़ी संख्या में प्राप्त होता है, जबकि सबसे बड़ा विस्थापन सबसे निचली परत में देखा जाता है। जब पदानुक्रम स्तर को (N=5) पर सेट किया गया, तो 2 प्रेक्षित स्ट्रोक (μm) पर 2.58 kN का अधिकतम मांसपेशी बल पाया गया। दूसरी ओर, प्रथम चरण ड्राइव 277 μm के स्ट्रोक पर 150 N का बल उत्पन्न करता है। बहुस्तरीय एक्चुएटर वास्तविक जैविक मांसपेशियों की नकल करने में सक्षम होते हैं, जबकि आकार स्मृति मिश्र धातुओं पर आधारित कृत्रिम मांसपेशियां सटीक और सूक्ष्म गतियों के साथ काफी अधिक बल उत्पन्न कर सकती हैं। इस लघु डिजाइन की सीमा यह है कि जैसे-जैसे पदानुक्रम बढ़ता है, गति काफी कम हो जाती है और ड्राइव निर्माण प्रक्रिया की जटिलता बढ़ जाती है।
(a) दो-चरण (N=2) स्तरित शेप मेमोरी मिश्र धातु रैखिक एक्चुएटर प्रणाली को द्विमोडल विन्यास में दर्शाया गया है। प्रस्तावित मॉडल को प्रथम चरण के स्तरित एक्चुएटर में SMA तार को एक अन्य एकल-चरण स्तरित एक्चुएटर से बदलकर प्राप्त किया गया है। (c) द्वितीय चरण के बहुस्तरीय एक्चुएटर का विकृत विन्यास। (b) स्तरों की संख्या के आधार पर बलों और विस्थापनों के वितरण का वर्णन किया गया है। यह पाया गया है कि एक्चुएटर का अधिकतम बल ग्राफ पर स्केल स्तर के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबंधित है, जबकि स्ट्रोक स्केल स्तर के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबंधित है। प्रत्येक तार में धारा और पूर्व-वोल्टेज सभी स्तरों पर स्थिर रहते हैं। (d) तालिका प्रत्येक स्तर पर टैप की संख्या और SMA तार (फाइबर) की लंबाई दर्शाती है। तारों की विशेषताओं को सूचकांक 1 द्वारा दर्शाया गया है, और द्वितीयक शाखाओं (प्राथमिक लेग से जुड़ी एक शाखा) की संख्या को सबस्क्रिप्ट में सबसे बड़ी संख्या द्वारा दर्शाया गया है। उदाहरण के लिए, स्तर 5 पर, \(n_1\) प्रत्येक द्विमोडल संरचना में मौजूद SMA तारों की संख्या को संदर्भित करता है, और \(n_5\) सहायक पैरों की संख्या को संदर्भित करता है (एक मुख्य पैर से जुड़ा हुआ)।
कई शोधकर्ताओं ने आकार स्मृति वाले एसएमए के व्यवहार को मॉडल करने के लिए विभिन्न विधियाँ प्रस्तावित की हैं, जो चरण संक्रमण से जुड़े क्रिस्टल संरचना में स्थूल परिवर्तनों के साथ होने वाले थर्मोमैकेनिकल गुणों पर निर्भर करती हैं। संरचनात्मक विधियों का निरूपण स्वाभाविक रूप से जटिल है। सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला घटनात्मक मॉडल तनाका²⁸ द्वारा प्रस्तावित किया गया है और इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। तनाका [²⁸] द्वारा प्रस्तावित घटनात्मक मॉडल यह मानता है कि मार्टेंसाइट का आयतन अंश तापमान और तनाव का एक घातीय फलन है। बाद में, लियांग और रोजर्स²⁹ और ब्रिन्सन³⁰ ने एक मॉडल प्रस्तावित किया जिसमें चरण संक्रमण की गतिशीलता को वोल्टेज और तापमान का एक कोसाइन फलन माना गया, मॉडल में थोड़े संशोधन के साथ। बेकर और ब्रिन्सन ने मनमानी लोडिंग स्थितियों के साथ-साथ आंशिक संक्रमणों के तहत एसएमए सामग्रियों के व्यवहार को मॉडल करने के लिए एक चरण आरेख आधारित गतिज मॉडल प्रस्तावित किया। बनर्जी³ ने बेकर और ब्रिन्सन³⁹ चरण आरेख गतिशीलता विधि का उपयोग इलाहिनिया और अहमदीन³ द्वारा विकसित एकल डिग्री ऑफ़ फ़्रीडम मैनिपुलेटर का अनुकरण करने के लिए किया। फेज डायग्राम पर आधारित गतिज विधियाँ, जो तापमान के साथ वोल्टेज में गैर-मोनोटोनिक परिवर्तन को ध्यान में रखती हैं, इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में लागू करना कठिन है। एलाखिनिया और अहमदीन ने मौजूदा घटनात्मक मॉडलों की इन कमियों की ओर ध्यान दिलाया है और किसी भी जटिल लोडिंग स्थितियों के तहत आकार स्मृति व्यवहार का विश्लेषण और परिभाषा करने के लिए एक विस्तारित घटनात्मक मॉडल प्रस्तावित किया है।
एसएमए तार का संरचनात्मक मॉडल तनाव (σ), विकृति (epsilon), तापमान (T) और मार्टेंसाइट आयतन अंश (xi) देता है। घटनात्मक संघटक मॉडल को सर्वप्रथम तनाका²⁸ द्वारा प्रस्तावित किया गया था और बाद में लियांग²⁹ और ब्रिन्सन³⁰ द्वारा अपनाया गया। समीकरण का व्युत्पन्न इस प्रकार है:
जहां E, चरण-निर्भर SMA यंग मापांक है जिसे \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) सूत्र का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है, और \(E_A\) और \(E_M\) क्रमशः ऑस्टेनिटिक और मार्टेंसिटिक चरणों के यंग मापांक का प्रतिनिधित्व करते हैं, और ऊष्मीय प्रसार गुणांक को \(\theta _T\) द्वारा दर्शाया जाता है। चरण संक्रमण योगदान कारक \(\Omega = -E \epsilon _L\) है और \(\epsilon _L\) SMA तार में अधिकतम पुनर्प्राप्त करने योग्य विकृति है।
चरण गतिकी समीकरण, लियांग²⁹ द्वारा विकसित और बाद में ब्रिन्सन³⁰ द्वारा अपनाए गए कोसाइन फ़ंक्शन के अनुरूप है, जो तनाका²⁸ द्वारा प्रस्तावित घातांकीय फ़ंक्शन का स्थान लेता है। चरण संक्रमण मॉडल, एलाखिनिया और अहमदीन³⁴ द्वारा प्रस्तावित मॉडल का विस्तार है और लियांग²⁹ और ब्रिन्सन³⁰ द्वारा दी गई चरण संक्रमण स्थितियों के आधार पर संशोधित किया गया है। इस चरण संक्रमण मॉडल के लिए उपयोग की जाने वाली स्थितियाँ जटिल थर्मोमैकेनिकल भारों के अंतर्गत मान्य हैं। प्रत्येक क्षण में, संघटक समीकरण का प्रतिरूपण करते समय मार्टेंसाइट के आयतन अंश का मान परिकलित किया जाता है।
तापन की परिस्थितियों में मार्टेन्साइट से ऑस्टेनाइट में परिवर्तन द्वारा व्यक्त किया जाने वाला शासी पुनर्परिवर्तन समीकरण निम्नलिखित है:
जहां \(\xi\) मार्टेन्साइट का आयतन अंश है, \(\xi _M\) गर्म करने से पहले प्राप्त मार्टेन्साइट का आयतन अंश है, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) और \(C_A\) – वक्र सन्निकटन पैरामीटर हैं, T – SMA तार का तापमान है, \(A_s\) और \(A_f\) – क्रमशः ऑस्टेनाइट चरण का आरंभ और अंत तापमान है।
शीतलन की स्थिति में ऑस्टेनाइट से मार्टेन्साइट में होने वाले चरण परिवर्तन द्वारा दर्शाए गए प्रत्यक्ष रूपांतरण नियंत्रण समीकरण इस प्रकार है:
जहां \(\xi _A\) शीतलन से पहले प्राप्त मार्टेंसाइट का आयतन अंश है, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) और \ ( C_M \) – वक्र फिटिंग पैरामीटर, T – SMA तार का तापमान, \(M_s\) और \(M_f\) – क्रमशः प्रारंभिक और अंतिम मार्टेंसाइट तापमान हैं।
समीकरण (3) और (4) के अवकलन के बाद, व्युत्क्रम और प्रत्यक्ष रूपांतरण समीकरणों को निम्नलिखित रूप में सरलीकृत किया जाता है:
अग्र और पश्च रूपांतरण के दौरान \(\eta _{\sigma}\) और \(\eta _{T}\) के मान भिन्न-भिन्न होते हैं। \(\eta _{\sigma}\) और \(\eta _{T}\) से संबंधित मूलभूत समीकरणों को व्युत्पन्न किया गया है और एक अतिरिक्त खंड में उनका विस्तार से वर्णन किया गया है।
एसएमए तार का तापमान बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मीय ऊर्जा जूल तापन प्रभाव से प्राप्त होती है। एसएमए तार द्वारा अवशोषित या मुक्त की गई ऊष्मीय ऊर्जा को रूपांतरण की गुप्त ऊष्मा द्वारा दर्शाया जाता है। एसएमए तार में ऊष्मा हानि बलपूर्वक संवहन के कारण होती है, और विकिरण के नगण्य प्रभाव को देखते हुए, ऊष्मा ऊर्जा संतुलन समीकरण इस प्रकार है:
जहां \(m_{wire}\) एसएमए तार का कुल द्रव्यमान है, \(c_{p}\) एसएमए की विशिष्ट ऊष्मा धारिता है, \(V_{in}\) तार पर लगाया गया वोल्टेज है, \(R_{ohm}\) एसएमए का चरण-निर्भर प्रतिरोध है, जिसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) जहां \(r_M\) और \(r_A\) क्रमशः मार्टेन्साइट और ऑस्टेनाइट में एसएमए चरण प्रतिरोधकता हैं, \(A_{c}\) एसएमए तार का पृष्ठीय क्षेत्रफल है, और \(\Delta H\) एक आकार स्मृति मिश्र धातु है। तार की गुप्त ऊष्मा संक्रमण है, T और \(T_{\infty}\) क्रमशः एसएमए तार और परिवेश का तापमान हैं।
जब शेप मेमोरी अलॉय वायर को सक्रिय किया जाता है, तो वायर संकुचित होता है, जिससे बाइमोडल डिज़ाइन की प्रत्येक शाखा में एक बल उत्पन्न होता है जिसे फाइबर बल कहते हैं। SMA वायर के प्रत्येक स्ट्रैंड में फाइबर के बल मिलकर सक्रियण के लिए मांसपेशी बल बनाते हैं, जैसा कि चित्र 9e में दिखाया गया है। बायसिंग स्प्रिंग की उपस्थिति के कारण, Nवें मल्टीलेयर एक्चुएटर का कुल मांसपेशी बल है:
समीकरण (7) में \(N = 1\) रखने पर, प्रथम चरण द्विमोडल ड्राइव प्रोटोटाइप की मांसपेशी शक्ति को निम्नानुसार प्राप्त किया जा सकता है:
जहां n एकध्रुवीय भुजाओं की संख्या है, \(F_m\) ड्राइव द्वारा उत्पन्न मांसपेशी बल है, \(F_f\) SMA तार में फाइबर की मजबूती है, \(K_x\) बायस स्प्रिंग की कठोरता है, \(\alpha\) त्रिभुज का कोण है, \(x_0\) SMA केबल को पूर्व-तनावग्रस्त स्थिति में रखने के लिए बायस स्प्रिंग का प्रारंभिक ऑफसेट है, और \(\Delta x\) एक्चुएटर की यात्रा है।
ड्राइव का कुल विस्थापन या गति (\(\Delta x\)) एनवें चरण के एसएमए तार पर वोल्टेज (\(\sigma\)) और तनाव (\(\epsilon\)) पर निर्भर करता है, ड्राइव को (आउटपुट के अतिरिक्त भाग के लिए चित्र देखें) पर सेट किया जाता है:
गतिकी समीकरण ड्राइव विरूपण (\(\epsilon\)) और विस्थापन या विस्थापन (\(\Delta x\)) के बीच संबंध दर्शाते हैं। एक यूनिमोडल शाखा में किसी भी समय t पर प्रारंभिक आर्ब तार की लंबाई (\(l_0\)) और तार की लंबाई (l) के फलन के रूप में आर्ब तार का विरूपण निम्नानुसार है:
जहां \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) को \(\Delta\)ABB ' में कोसाइन सूत्र लागू करके प्राप्त किया जाता है, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है। पहले चरण के ड्राइव (\(N = 1\)) के लिए, \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) है, और \(\alpha _1\) \(\alpha \) है जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है। समीकरण (11) से समय का अवकलन करके और l का मान प्रतिस्थापित करके, विकृति दर को इस प्रकार लिखा जा सकता है:
जहां \(l_0\) एसएमए तार की प्रारंभिक लंबाई है, l किसी भी समय t पर एक यूनिमोडल शाखा में तार की लंबाई है, \(\epsilon\) एसएमए तार में विकसित विरूपण है, और \(\alpha\) त्रिभुज का कोण है, \(\Delta x\) ड्राइव ऑफसेट है (जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है)।
इस चित्र में सभी n एकल-शिखर संरचनाएं (n=6) इनपुट वोल्टेज के रूप में Vin के साथ श्रृंखला में जुड़ी हुई हैं। चरण I: शून्य वोल्टेज स्थितियों के तहत द्विमोडल विन्यास में SMA तार का योजनाबद्ध आरेख। चरण II: एक नियंत्रित संरचना दिखाई गई है जहां लाल रेखा द्वारा दर्शाए गए अनुसार व्युत्क्रम रूपांतरण के कारण SMA तार संपीड़ित हो जाता है।
अवधारणा के प्रमाण के रूप में, अंतर्निहित समीकरणों के सिम्युलेटेड व्युत्पत्ति का प्रायोगिक परिणामों के साथ परीक्षण करने के लिए एक SMA-आधारित द्विमोडल ड्राइव विकसित की गई थी। द्विमोडल रैखिक एक्चुएटर का CAD मॉडल चित्र 9a में दिखाया गया है। दूसरी ओर, चित्र 9c में द्विमोडल संरचना वाले दो-प्लेन SMA-आधारित एक्चुएटर का उपयोग करके घूर्णी प्रिज्मीय कनेक्शन के लिए प्रस्तावित एक नया डिज़ाइन दिखाया गया है। ड्राइव घटकों का निर्माण Ultimaker 3 Extended 3D प्रिंटर पर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का उपयोग करके किया गया था। घटकों की 3D प्रिंटिंग के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री पॉलीकार्बोनेट है, जो ऊष्मा प्रतिरोधी सामग्री के लिए उपयुक्त है क्योंकि यह मजबूत, टिकाऊ है और इसका ग्लास ट्रांजिशन तापमान उच्च (110-113°C) है। इसके अतिरिक्त, प्रयोगों में Dynalloy, Inc. Flexinol शेप मेमोरी अलॉय वायर का उपयोग किया गया था, और सिमुलेशन में Flexinol वायर के अनुरूप सामग्री गुणों का उपयोग किया गया था। चित्र 9बी, डी में दिखाए गए अनुसार, बहुस्तरीय एक्चुएटर्स द्वारा उत्पन्न उच्च बलों को प्राप्त करने के लिए मांसपेशियों की द्विविध व्यवस्था में मौजूद फाइबर के रूप में कई एसएमए तारों को व्यवस्थित किया जाता है।
चित्र 9a में दर्शाए अनुसार, चल भुजा वाले SMA तार द्वारा निर्मित न्यून कोण को (α) कोण कहा जाता है। बाएँ और दाएँ टर्मिनल क्लैंप से जुड़े होने के कारण, SMA तार वांछित द्विविध कोण पर स्थिर रहता है। स्प्रिंग कनेक्टर पर लगा बायस स्प्रिंग उपकरण SMA तंतुओं की संख्या (n) के अनुसार विभिन्न बायस स्प्रिंग एक्सटेंशन समूहों को समायोजित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसके अतिरिक्त, गतिशील भागों की स्थिति इस प्रकार बनाई गई है कि SMA तार बाहरी वातावरण के संपर्क में रहे और उसे बलपूर्वक संवहन द्वारा ठंडा किया जा सके। वियोज्य असेंबली की ऊपरी और निचली प्लेटें, वजन कम करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक्सट्रूडेड कटआउट के साथ, SMA तार को ठंडा रखने में मदद करती हैं। इसके अतिरिक्त, CMA तार के दोनों सिरे क्रमशः बाएँ और दाएँ टर्मिनलों से क्रिम्प द्वारा जुड़े होते हैं। ऊपरी और निचली प्लेटों के बीच पर्याप्त दूरी बनाए रखने के लिए चल असेंबली के एक सिरे पर एक प्लंजर लगा होता है। SMA तार के सक्रिय होने पर अवरोधक बल को मापने के लिए, प्लंजर का उपयोग एक संपर्क के माध्यम से सेंसर पर अवरोधक बल लगाने के लिए भी किया जाता है।
द्विविध मांसपेशी संरचना SMA विद्युत रूप से श्रृंखला में जुड़ी होती है और इनपुट पल्स वोल्टेज द्वारा संचालित होती है। वोल्टेज पल्स चक्र के दौरान, जब वोल्टेज लगाया जाता है और SMA तार ऑस्टेनाइट के प्रारंभिक तापमान से ऊपर गर्म हो जाता है, तो प्रत्येक स्ट्रैंड में तार की लंबाई कम हो जाती है। यह संकुचन चल भुजा उप-असेंबली को सक्रिय करता है। जब इसी चक्र में वोल्टेज शून्य हो जाता है, तो गर्म SMA तार मार्टेन्साइट सतह के तापमान से नीचे ठंडा हो जाता है, जिससे वह अपनी मूल स्थिति में लौट आता है। शून्य तनाव की स्थिति में, SMA तार को पहले बायस स्प्रिंग द्वारा निष्क्रिय रूप से खींचा जाता है ताकि वह डिट्विन्ड मार्टेन्साइटिक अवस्था में पहुँच जाए। जिस स्क्रू से SMA तार गुजरता है, वह SMA तार पर वोल्टेज पल्स लगाने से उत्पन्न संपीड़न के कारण गति करता है (SPA ऑस्टेनाइट अवस्था में पहुँच जाता है), जिससे चल लीवर सक्रिय हो जाता है। जब SMA तार को वापस खींचा जाता है, तो बायस स्प्रिंग स्प्रिंग को और खींचकर एक विपरीत बल उत्पन्न करता है। जब आवेग वोल्टेज में तनाव शून्य हो जाता है, तो जबरन संवहन शीतलन के कारण एसएमए तार लंबा हो जाता है और अपना आकार बदल लेता है, जिससे वह दोहरी मार्टेंसिटिक अवस्था में पहुंच जाता है।
प्रस्तावित SMA-आधारित रैखिक एक्चुएटर प्रणाली में एक द्विमोडल विन्यास है जिसमें SMA तार कोण पर स्थित हैं। (a) प्रोटोटाइप का एक CAD मॉडल दर्शाता है, जिसमें कुछ घटकों और प्रोटोटाइप के लिए उनके अर्थों का उल्लेख है, (b, d) विकसित प्रायोगिक प्रोटोटाइप35 को दर्शाते हैं। जबकि (b) विद्युत कनेक्शन, बायस स्प्रिंग और स्ट्रेन गेज के साथ प्रोटोटाइप का शीर्ष दृश्य दिखाता है, (d) सेटअप का परिप्रेक्ष्य दृश्य दिखाता है। (e) किसी भी समय t पर द्विमोडल रूप से रखे गए SMA तारों के साथ एक रैखिक एक्चुएशन प्रणाली का आरेख, फाइबर की दिशा और प्रवाह तथा मांसपेशी शक्ति को दर्शाता है। (c) दो-प्लेन SMA-आधारित एक्चुएटर को तैनात करने के लिए एक 2-DOF घूर्णी प्रिज्मीय कनेक्शन प्रस्तावित किया गया है। जैसा कि दिखाया गया है, लिंक निचले ड्राइव से ऊपरी भुजा तक रैखिक गति संचारित करता है, जिससे एक घूर्णी कनेक्शन बनता है। दूसरी ओर, प्रिज्मों के जोड़े की गति बहुस्तरीय प्रथम चरण ड्राइव की गति के समान है।
चित्र 9b में दर्शाए गए प्रोटोटाइप पर SMA आधारित द्विमोडल ड्राइव के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए एक प्रायोगिक अध्ययन किया गया। चित्र 10a में दर्शाए अनुसार, प्रायोगिक सेटअप में SMA तारों को इनपुट वोल्टेज प्रदान करने के लिए एक प्रोग्रामेबल DC पावर सप्लाई शामिल थी। चित्र 10b में दर्शाए अनुसार, ग्राफटेक GL-2000 डेटा लॉगर का उपयोग करके अवरोधक बल को मापने के लिए एक पीजोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन गेज (PACEline CFT/5kN) का उपयोग किया गया था। आगे के अध्ययन के लिए होस्ट द्वारा डेटा रिकॉर्ड किया गया। स्ट्रेन गेज और चार्ज एम्पलीफायर को वोल्टेज सिग्नल उत्पन्न करने के लिए निरंतर पावर सप्लाई की आवश्यकता होती है। पीजोइलेक्ट्रिक बल सेंसर की संवेदनशीलता और तालिका 2 में वर्णित अन्य मापदंडों के अनुसार संबंधित सिग्नलों को पावर आउटपुट में परिवर्तित किया जाता है। वोल्टेज पल्स लगाने पर, SMA तार का तापमान बढ़ जाता है, जिससे SMA तार संपीड़ित हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक्चुएटर बल उत्पन्न करता है। 7 V के इनपुट वोल्टेज पल्स द्वारा मांसपेशी शक्ति के आउटपुट के प्रायोगिक परिणाम चित्र 2a में दर्शाए गए हैं।
(a) प्रयोग में एक्चुएटर द्वारा उत्पन्न बल को मापने के लिए एक SMA आधारित रैखिक एक्चुएटर प्रणाली स्थापित की गई थी। लोड सेल अवरोधक बल को मापता है और इसे 24 V DC विद्युत आपूर्ति द्वारा संचालित किया जाता है। GW Instek प्रोग्रामेबल DC विद्युत आपूर्ति का उपयोग करके केबल की पूरी लंबाई पर 7 V का वोल्टेज ड्रॉप लगाया गया था। ऊष्मा के कारण SMA तार सिकुड़ जाता है, और चल भुजा लोड सेल के संपर्क में आकर अवरोधक बल लगाती है। लोड सेल GL-2000 डेटा लॉगर से जुड़ा है और डेटा को आगे की प्रक्रिया के लिए होस्ट पर संग्रहीत किया जाता है। (b) मांसपेशियों की शक्ति मापने के लिए प्रायोगिक सेटअप के घटकों की श्रृंखला दर्शाने वाला आरेख।
शेप मेमोरी मिश्रधातुओं को ऊष्मीय ऊर्जा द्वारा उत्तेजित किया जाता है, इसलिए शेप मेमोरी घटना का अध्ययन करने के लिए तापमान एक महत्वपूर्ण पैरामीटर बन जाता है। प्रयोगात्मक रूप से, जैसा कि चित्र 11a में दिखाया गया है, एक प्रोटोटाइप SMA-आधारित द्विविभाजित एक्चुएटर पर थर्मल इमेजिंग और तापमान माप किए गए। एक प्रोग्रामेबल DC स्रोत ने प्रयोगात्मक सेटअप में SMA तारों पर इनपुट वोल्टेज लगाया, जैसा कि चित्र 11b में दिखाया गया है। SMA तार के तापमान परिवर्तन को उच्च रिज़ॉल्यूशन LWIR कैमरा (FLIR A655sc) का उपयोग करके वास्तविक समय में मापा गया। होस्ट आगे के पोस्ट-प्रोसेसिंग के लिए डेटा रिकॉर्ड करने के लिए ResearchIR सॉफ़्टवेयर का उपयोग करता है। जब एक वोल्टेज पल्स लगाया जाता है, तो SMA तार का तापमान बढ़ता है, जिससे SMA तार सिकुड़ जाता है। चित्र 2b में 7V इनपुट वोल्टेज पल्स के लिए SMA तार के तापमान बनाम समय के प्रयोगात्मक परिणाम दिखाए गए हैं।
पोस्ट करने का समय: 28 सितंबर 2022
