Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazivat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Aktuatori se koriste svugdje i stvaraju kontrolirano gibanje primjenom ispravne sile pobude ili momenta za izvođenje različitih operacija u proizvodnji i industrijskoj automatizaciji. Potreba za bržim, manjim i učinkovitijim pogonima potiče inovacije u dizajnu pogona. Pogoni od legure s memorijom oblika (SMA) nude niz prednosti u odnosu na konvencionalne pogone, uključujući visok omjer snage i težine. U ovoj disertaciji razvijen je aktuator temeljen na dvostrukom SMA perju koji kombinira prednosti pernatih mišića bioloških sustava i jedinstvena svojstva SMA. Ova studija istražuje i proširuje prethodne SMA aktuatore razvojem matematičkog modela novog aktuatora temeljenog na bimodalnom rasporedu SMA žica i njegovim eksperimentalnim testiranjem. U usporedbi s poznatim pogonima temeljenim na SMA, sila aktuacije novog pogona je najmanje 5 puta veća (do 150 N). Odgovarajući gubitak težine je oko 67%. Rezultati analize osjetljivosti matematičkih modela korisni su za podešavanje parametara dizajna i razumijevanje ključnih parametara. Ova studija nadalje predstavlja višerazinski N-stupanjski pogon koji se može koristiti za daljnje poboljšanje dinamike. Dipvaleratni mišićni aktuatori na bazi SMA imaju širok raspon primjena, od automatizacije zgrada do preciznih sustava za isporuku lijekova.
Biološki sustavi, poput mišićnih struktura sisavaca, mogu aktivirati mnoge suptilne aktuatore1. Sisavci imaju različite mišićne strukture, od kojih svaka služi specifičnoj svrsi. Međutim, velik dio strukture mišićnog tkiva sisavaca može se podijeliti u dvije široke kategorije. Paralelne i pernate. U tetivama koljena i drugim fleksorima, kao što ime sugerira, paralelna muskulatura ima mišićna vlakna paralelna sa središnjom tetivom. Lanac mišićnih vlakana je poredan i funkcionalno povezan vezivnim tkivom oko njih. Iako se za ove mišiće kaže da imaju veliku ekskurziju (postotak skraćivanja), njihova ukupna mišićna snaga je vrlo ograničena. Nasuprot tome, u mišiću potkoljenice tricepsa2 (lateralni gastrocnemius (GL)3, medijalni gastrocnemius (GM)4 i soleus (SOL)) i ekstenzoru femorisa (quadriceps)5,6 pernato mišićno tkivo nalazi se u svakom mišiću7. U pernatoj strukturi, mišićna vlakna u bipernatoj muskulaturi prisutna su s obje strane središnje tetive pod kosim kutovima (pernati kutovi). Penatni mišići dolaze od latinske riječi „penna“, što znači „olovka“, i, kao što je prikazano na sl. 1, imaju izgled nalik peru. Vlakna pernatih mišića su kraća i pod kutom su u odnosu na uzdužnu os mišića. Zbog pernate strukture, ukupna pokretljivost ovih mišića je smanjena, što dovodi do poprečnih i uzdužnih komponenti procesa skraćivanja. S druge strane, aktivacija ovih mišića dovodi do veće ukupne mišićne snage zbog načina na koji se mjeri fiziološka površina poprečnog presjeka. Stoga će za danu površinu poprečnog presjeka penatni mišići biti jači i generirat će veće sile od mišića s paralelnim vlaknima. Sile koje generiraju pojedinačna vlakna generiraju mišićne sile na makroskopskoj razini u tom mišićnom tkivu. Osim toga, ima jedinstvena svojstva kao što su brzo skupljanje, zaštita od oštećenja vlakna, amortizacija. Transformira odnos između ulaza vlakana i izlaza mišićne snage iskorištavanjem jedinstvenih značajki i geometrijske složenosti rasporeda vlakana povezanih s mišićnim linijama djelovanja.
Prikazani su shematski dijagrami postojećih dizajna aktuatora temeljenih na SMA u odnosu na bimodalnu mišićnu arhitekturu, na primjer (a), koji predstavlja interakciju taktilne sile u kojoj je uređaj u obliku ruke, aktiviran SMA žicama, postavljen na autonomni mobilni robot s dva kotača9,10., (b) Robotska orbitalna proteza s antagonistički postavljenom SMA opružnom orbitalnom protezom. Položaj protetskog oka kontrolira se signalom iz očnog mišića oka11, (c) SMA aktuatori idealni su za podvodne primjene zbog svog visokog frekvencijskog odziva i niske propusnosti. U ovoj konfiguraciji, SMA aktuatori se koriste za stvaranje valovitog gibanja simulirajući kretanje ribe, (d) SMA aktuatori se koriste za stvaranje robota za inspekciju mikrocijevi koji može koristiti princip kretanja inčnog crva, kontroliranog kretanjem SMA žica unutar kanala 10, (e) prikazuje smjer kontrakcije mišićnih vlakana i generiranja kontraktilne sile u tkivu gastroknemijusa, (f) prikazuje SMA žice raspoređene u obliku mišićnih vlakana u strukturi pennatnog mišića.
Aktuatori su postali važan dio mehaničkih sustava zbog širokog raspona primjena. Stoga je potreba za manjim, bržim i učinkovitijim pogonima postala kritična. Unatoč svojim prednostima, tradicionalni pogoni pokazali su se skupima i dugotrajnima za održavanje. Hidraulični i pneumatski aktuatori su složeni i skupi te podložni habanju, problemima s podmazivanjem i kvarovima komponenti. Kao odgovor na potražnju, fokus je na razvoju isplativih, dimenzionirano optimiziranih i naprednih aktuatora temeljenih na pametnim materijalima. Kontinuirana istraživanja bave se aktuatorima s višeslojnim elementima od legure s memorijom oblika (SMA) kako bi se zadovoljila ta potreba. Hijerarhijski aktuatori jedinstveni su po tome što kombiniraju mnoge diskretne aktuatore u geometrijski složene podsustave makro razmjera kako bi osigurali povećanu i proširenu funkcionalnost. U tom smislu, gore opisano ljudsko mišićno tkivo pruža izvrstan višeslojni primjer takve višeslojne aktuacije. Trenutna studija opisuje višerazinski SMA pogon s nekoliko pojedinačnih pogonskih elemenata (SMA žica) poravnatih s orijentacijama vlakana prisutnim u bimodalnim mišićima, što poboljšava ukupne performanse pogona.
Glavna svrha aktuatora je generiranje mehaničke izlazne snage poput sile i pomaka pretvaranjem električne energije. Legure s memorijom oblika su klasa „pametnih“ materijala koji mogu vratiti svoj oblik na visokim temperaturama. Pod visokim opterećenjima, porast temperature SMA žice dovodi do oporavka oblika, što rezultira većom gustoćom energije aktiviranja u usporedbi s raznim izravno vezanim pametnim materijalima. Istovremeno, pod mehaničkim opterećenjima, SMA postaju krhki. Pod određenim uvjetima, cikličko opterećenje može apsorbirati i osloboditi mehaničku energiju, pokazujući reverzibilne histerezne promjene oblika. Ova jedinstvena svojstva čine SMA idealnim za senzore, prigušivanje vibracija i posebno aktuatore12. Imajući to na umu, provedeno je mnogo istraživanja pogona temeljenih na SMA. Treba napomenuti da su aktuatori temeljeni na SMA dizajnirani za pružanje translacijskog i rotacijskog gibanja za razne primjene13,14,15. Iako su razvijeni neki rotacijski aktuatori, istraživači su posebno zainteresirani za linearne aktuatore. Ovi linearni aktuatori mogu se podijeliti u tri vrste aktuatora: jednodimenzionalne, aktuatore pomaka i diferencijalne aktuatore16. U početku su hibridni pogoni stvarani u kombinaciji sa SMA i drugim konvencionalnim pogonima. Jedan takav primjer hibridnog linearnog aktuatora temeljenog na SMA je korištenje SMA žice s istosmjernim motorom za postizanje izlazne sile od oko 100 N i značajnog pomaka17.
Jedan od prvih razvoja pogona u potpunosti temeljenih na SMA bio je paralelni SMA pogon. Korištenjem više SMA žica, paralelni pogon temeljen na SMA dizajniran je za povećanje snage pogona postavljanjem svih SMA18 žica paralelno. Paralelno spajanje aktuatora ne samo da zahtijeva više snage, već i ograničava izlaznu snagu jedne žice. Drugi nedostatak aktuatora temeljenih na SMA je ograničeni hod koji mogu postići. Kako bi se riješio ovaj problem, stvorena je SMA kabelska greda koja sadrži otklonjenu fleksibilnu gredu za povećanje pomaka i postizanje linearnog gibanja, ali nije generirala veće sile19. Mekane deformabilne strukture i tkanine za robote temeljene na legurama s memorijom oblika razvijene su prvenstveno za pojačanje udara20,21,22. Za primjene gdje su potrebne velike brzine, zabilježene su kompaktne pogonjene pumpe koje koriste tankoslojne SMA za primjene pokretane mikropumpama23. Frekvencija pogona tankoslojne SMA membrane ključni je čimbenik u kontroli brzine pogona. Stoga, SMA linearni motori imaju bolji dinamički odziv od SMA opružnih ili šipkastih motora. Meka robotika i tehnologija hvatanja su dvije druge primjene koje koriste aktuatore temeljene na SMA. Na primjer, kako bi se zamijenio standardni aktuator korišten u svemirskoj stezaljci od 25 N, razvijen je paralelni aktuator 24 od legure s memorijom oblika. U drugom slučaju, izrađen je meki aktuator od SMA na temelju žice s ugrađenom matricom sposobnom za proizvodnju maksimalne sile vučenja od 30 N. Zbog svojih mehaničkih svojstava, SMA se također koriste za proizvodnju aktuatora koji oponašaju biološke pojave. Jedan takav razvoj uključuje 12-ćelijskog robota koji je biomimetik organizma sličnog glisti sa SMA za generiranje sinusoidnog gibanja za paljbu26,27.
Kao što je ranije spomenuto, postoji ograničenje maksimalne sile koja se može dobiti iz postojećih aktuatora temeljenih na SMA. Kako bi se riješio ovaj problem, ova studija predstavlja biomimetičku bimodalnu strukturu mišića. Pokreće je žica od legure s memorijom oblika. Pruža klasifikacijski sustav koji uključuje nekoliko žica od legure s memorijom oblika. Do danas u literaturi nisu zabilježeni aktuatori temeljeni na SMA sa sličnom arhitekturom. Ovaj jedinstveni i novi sustav temeljen na SMA razvijen je za proučavanje ponašanja SMA tijekom bimodalnog poravnanja mišića. U usporedbi s postojećim aktuatorima temeljenim na SMA, cilj ove studije bio je stvoriti biomimetički dipvaleratni aktuator za generiranje znatno većih sila u malom volumenu. U usporedbi s konvencionalnim pogonima pokretanim koračnim motorom koji se koriste u HVAC sustavima automatizacije i upravljanja zgradama, predloženi dizajn bimodalnog pogona temeljenog na SMA smanjuje težinu pogonskog mehanizma za 67%. U nastavku se pojmovi "mišić" i "pogon" koriste naizmjenično. Ova studija istražuje multifizičku simulaciju takvog pogona. Mehaničko ponašanje takvih sustava proučavano je eksperimentalnim i analitičkim metodama. Raspodjela sile i temperature dalje je istražena pri ulaznom naponu od 7 V. Nakon toga provedena je parametarska analiza kako bi se bolje razumio odnos između ključnih parametara i izlazne sile. Konačno, predviđeni su hijerarhijski aktuatori i predloženi su učinci hijerarhijske razine kao potencijalno buduće područje za nemagnetske aktuatore za protetske primjene. Prema rezultatima spomenutih studija, korištenje jednostupanjske arhitekture proizvodi sile najmanje četiri do pet puta veće od prijavljenih aktuatora temeljenih na SMA. Osim toga, pokazalo se da je ista pogonska sila generirana višerazinskim pogonom više od deset puta veća od konvencionalnih pogona temeljenih na SMA. Studija zatim izvještava o ključnim parametrima korištenjem analize osjetljivosti između različitih dizajna i ulaznih varijabli. Početna duljina SMA žice (\(l_0\)\), kut pera (\(\alfa\)\) i broj pojedinačnih niti (n) u svakoj pojedinoj niti imaju snažan negativan utjecaj na veličinu pogonske sile, dok se ulazni napon (energija) pokazao pozitivno koreliranim.
SMA žica pokazuje efekt memorije oblika (SME) koji se vidi u obitelji legura nikal-titan (Ni-Ti). Tipično, SMA pokazuju dvije temperaturno ovisne faze: fazu niske temperature i fazu visoke temperature. Obje faze imaju jedinstvena svojstva zbog prisutnosti različitih kristalnih struktura. U austenitnoj fazi (faza visoke temperature) koja postoji iznad temperature transformacije, materijal pokazuje visoku čvrstoću i slabo se deformira pod opterećenjem. Legura se ponaša poput nehrđajućeg čelika, pa je sposobna izdržati veće tlakove aktiviranja. Koristeći ovo svojstvo Ni-Ti legura, SMA žice su nagnute kako bi formirale aktuator. Razvijeni su odgovarajući analitički modeli za razumijevanje temeljne mehanike toplinskog ponašanja SMA pod utjecajem različitih parametara i različitih geometrija. Postignuto je dobro slaganje između eksperimentalnih i analitičkih rezultata.
Eksperimentalna studija provedena je na prototipu prikazanom na slici 9a kako bi se procijenile performanse bimodalnog pogona temeljenog na SMA. Dva od ovih svojstava, sila koju generira pogon (sila mišića) i temperatura SMA žice (temperatura SMA), eksperimentalno su izmjerena. Kako se razlika napona povećava duž cijele duljine žice u pogonu, temperatura žice raste zbog Jouleovog efekta zagrijavanja. Ulazni napon primijenjen je u dva ciklusa od 10 sekundi (prikazano crvenim točkama na slici 2a, b) s razdobljem hlađenja od 15 sekundi između svakog ciklusa. Sila blokiranja mjerena je piezoelektričnim mjeračem naprezanja, a raspodjela temperature SMA žice praćena je u stvarnom vremenu pomoću LWIR kamere visoke rezolucije znanstvene kvalitete (vidi karakteristike korištene opreme u tablici 2). Tablica 2 pokazuje da se tijekom faze visokog napona temperatura žice monotono povećava, ali kada ne teče struja, temperatura žice nastavlja padati. U trenutnoj eksperimentalnoj postavci, temperatura SMA žice pala je tijekom faze hlađenja, ali je i dalje bila iznad temperature okoline. Na slici 2e prikazan je snimak temperature SMA žice snimljen LWIR kamerom. S druge strane, na slici 2a prikazana je blokirajuća sila koju generira pogonski sustav. Kada sila mišića premaši silu vraćanja opruge, pomična ruka, kao što je prikazano na slici 9a, počinje se pomicati. Čim započne aktiviranje, pomična ruka dolazi u kontakt sa senzorom, stvarajući silu tijela, kao što je prikazano na slici 2c, d. Kada je maksimalna temperatura blizu \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maksimalna opažena sila je 105 N.
Grafikon prikazuje eksperimentalne rezultate temperature SMA žice i sile koju generira bimodalni aktuator baziran na SMA tijekom dva ciklusa. Ulazni napon primjenjuje se u dva ciklusa od 10 sekundi (prikazana crvenim točkama) s razdobljem hlađenja od 15 sekundi između svakog ciklusa. SMA žica korištena za eksperimente bila je Flexinol žica promjera 0,51 mm tvrtke Dynalloy, Inc. (a) Grafikon prikazuje eksperimentalnu silu dobivenu tijekom dva ciklusa, (c, d) prikazuje dva neovisna primjera djelovanja aktuatora s pomičnom rukom na piezoelektrični pretvarač sile PACEline CFT/5kN, (b) graf prikazuje maksimalnu temperaturu cijele SMA žice tijekom dva ciklusa, (e) prikazuje snimku temperature snimljenu sa SMA žice pomoću LWIR kamere softvera FLIR ResearchIR. Geometrijski parametri uzeti u obzir u eksperimentima navedeni su u Tablici 1.
Rezultati simulacije matematičkog modela i eksperimentalni rezultati uspoređeni su pod uvjetom ulaznog napona od 7 V, kao što je prikazano na sl. 5. Prema rezultatima parametarske analize i kako bi se izbjegla mogućnost pregrijavanja SMA žice, aktuatoru je dovedena snaga od 11,2 W. Za napajanje 7 V kao ulaznog napona korišten je programabilni istosmjerni izvor napajanja, a preko žice je izmjerena struja od 1,6 A. Sila koju generira pogon i temperatura SDR-a povećavaju se kada se primijeni struja. S ulaznim naponom od 7 V, maksimalna izlazna sila dobivena iz rezultata simulacije i eksperimentalnih rezultata prvog ciklusa iznosi 78 N odnosno 96 N. U drugom ciklusu, maksimalna izlazna sila simulacije i eksperimentalnih rezultata bila je 150 N odnosno 105 N. Razlika između mjerenja sile okluzije i eksperimentalnih podataka može biti posljedica metode koja se koristi za mjerenje sile okluzije. Eksperimentalni rezultati prikazani na sl. Slika 5a odgovara mjerenju sile blokiranja, koja je pak izmjerena kada je pogonsko vratilo bilo u kontaktu s piezoelektričnim pretvaračem sile PACEline CFT/5kN, kao što je prikazano na slici 2s. Stoga, kada pogonsko vratilo nije u kontaktu sa senzorom sile na početku zone hlađenja, sila odmah postaje nula, kao što je prikazano na slici 2d. Osim toga, drugi parametri koji utječu na stvaranje sile u sljedećim ciklusima su vrijednosti vremena hlađenja i koeficijenta konvektivnog prijenosa topline u prethodnom ciklusu. Iz slike 2b može se vidjeti da nakon 15 sekundi hlađenja SMA žica nije dosegla sobnu temperaturu i stoga je imala višu početnu temperaturu (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) u drugom ciklusu vožnje u usporedbi s prvim ciklusom (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Dakle, u usporedbi s prvim ciklusom, temperatura SMA žice tijekom drugog ciklusa zagrijavanja ranije doseže početnu temperaturu austenita (\(A_s\)) i dulje ostaje u prijelaznom razdoblju, što rezultira naprezanjem i silom. S druge strane, raspodjele temperature tijekom ciklusa zagrijavanja i hlađenja dobivene iz eksperimenata i simulacija imaju visoku kvalitativnu sličnost s primjerima iz termografske analize. Komparativna analiza toplinskih podataka SMA žice iz eksperimenata i simulacija pokazala je konzistentnost tijekom ciklusa zagrijavanja i hlađenja i unutar prihvatljivih tolerancija za eksperimentalne podatke. Maksimalna temperatura SMA žice, dobivena iz rezultata simulacije i eksperimenata prvog ciklusa, iznosi \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) i \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), a u drugom ciklusu maksimalna temperatura SMA žice iznosi \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) i \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Fundamentalno razvijen model potvrđuje učinak efekta memorije oblika. U ovom pregledu nije razmatrana uloga umora i pregrijavanja. U budućnosti će se model poboljšati kako bi uključio povijest naprezanja SMA žice, što će ga učiniti prikladnijim za inženjerske primjene. Grafikoni izlazne sile pogona i temperature SMA dobiveni iz Simulink bloka nalaze se unutar dopuštenih tolerancija eksperimentalnih podataka pod uvjetom ulaznog naponskog impulsa od 7 V. To potvrđuje ispravnost i pouzdanost razvijenog matematičkog modela.
Matematički model razvijen je u MathWorks Simulink R2020b okruženju korištenjem osnovnih jednadžbi opisanih u odjeljku Metode. Na slici 3b prikazan je blok dijagram Simulink matematičkog modela. Model je simuliran za ulazni naponski impuls od 7 V kao što je prikazano na slici 2a, b. Vrijednosti parametara korištenih u simulaciji navedene su u tablici 1. Rezultati simulacije prijelaznih procesa prikazani su na slikama 1 i 1. Slike 3a i 4. Na slici 4a, b prikazan je inducirani napon u SMA žici i sila koju generira aktuator kao funkcija vremena. Tijekom obrnute transformacije (zagrijavanja), kada je temperatura SMA žice, \(T < A_s^{\prime}\) (početna temperatura faze austenita modificiranog naprezanjem), brzina promjene volumnog udjela martenzita (\(\dot{\xi }\)) bit će nula. Tijekom obrnute transformacije (zagrijavanja), kada je temperatura SMA žice, \(T < A_s^{\prime}\) (početna temperatura faze austenita modificiranog naprezanjem), brzina promjene volumnog udjela martenzita (\(\dot{\xi }\)) bit će nula. U vrijeme obrnutog prevraćenja (grijanja), kada temperatura provoloka SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura početka austenitne faze, modificirano naprezanje), brzina izmjene volumena do martenzita (\(\dot{\ xi }\)) bit će jednaka nuli. Tijekom obrnute transformacije (zagrijavanja), kada je temperatura SMA žice, \(T < A_s^{\prime}\) (početna temperatura austenita modificiranog naprezanjem), brzina promjene volumnog udjela martenzita (\(\dot{\xi }\)) bit će nula.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（\(\dot{\ xi }\))将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Rezultat simulacije koji prikazuje raspodjelu temperature i temperaturu spoja izazvanu naprezanjem u aktuatoru na bazi SMA divalerata. Kada temperatura žice prijeđe temperaturu austenitnog prijelaza u fazi zagrijavanja, temperatura modificiranog austenitnog prijelaza počinje rasti, a slično tome, kada temperatura žice prijeđe temperaturu martenzitnog prijelaza u fazi hlađenja, temperatura martenzitnog prijelaza se smanjuje. SMA za analitičko modeliranje procesa aktuacije. (Za detaljan prikaz svakog podsustava Simulink modela, pogledajte dodatak dodatne datoteke.)
Rezultati analize za različite raspodjele parametara prikazani su za dva ciklusa ulaznog napona od 7 V (ciklusi zagrijavanja od 10 sekundi i ciklusi hlađenja od 15 sekundi). Dok (ac) i (e) prikazuju raspodjelu tijekom vremena, s druge strane, (d) i (f) ilustriraju raspodjelu s temperaturom. Za odgovarajuće ulazne uvjete, maksimalno opaženo naprezanje je 106 MPa (manje od 345 MPa, granica razvlačenja žice), sila je 150 N, maksimalni pomak je 270 µm, a minimalni volumni udio martenzita je 0,91. S druge strane, promjena naprezanja i promjena volumnog udjela martenzita s temperaturom slične su karakteristikama histereze.
Isto objašnjenje vrijedi i za izravnu transformaciju (hlađenje) iz austenitne faze u martenzitnu fazu, gdje su temperatura SMA žice (T) i krajnja temperatura naprezanjem modificirane martenzitne faze (M_f^{\prime}) izvrsne. Na slici 4d,f prikazana je promjena induciranog naprezanja (sigma) i volumskog udjela martenzita (xi) u SMA žici kao funkcija promjene temperature SMA žice (T), za oba ciklusa pogona. Na slici 3a prikazana je promjena temperature SMA žice s vremenom ovisno o ulaznom naponskom impulsu. Kao što se može vidjeti na slici, temperatura žice nastavlja rasti osiguravanjem izvora topline pri nultom naponu i naknadnim konvektivnim hlađenjem. Tijekom zagrijavanja, ponovna transformacija martenzita u austenitnu fazu započinje kada temperatura SMA žice (T) prijeđe temperaturu nukleacije austenita korigiranog naprezanjem (\(A_s^{\prime}\)). Tijekom ove faze, SMA žica se komprimira i aktuator generira silu. Također tijekom hlađenja, kada temperatura SMA žice (T) prijeđe temperaturu nukleacije faze martenzita modificiranog naprezanjem (\(M_s^{\prime}\)), dolazi do pozitivnog prijelaza iz austenitne faze u martenzitnu fazu. Pogonska sila se smanjuje.
Glavni kvalitativni aspekti bimodalnog pogona temeljenog na SMA mogu se dobiti iz rezultata simulacije. U slučaju ulaznog naponskog impulsa, temperatura SMA žice raste zbog Jouleovog efekta zagrijavanja. Početna vrijednost volumskog udjela martenzita (\(\xi\)) postavljena je na 1, budući da je materijal u početku u potpuno martenzitnoj fazi. Kako se žica nastavlja zagrijavati, temperatura SMA žice prelazi temperaturu nukleacije austenita korigiranu naprezanjem \(A_s^{\prime}\), što rezultira smanjenjem volumskog udjela martenzita, kao što je prikazano na slici 4c. Osim toga, na slici 4e prikazana je raspodjela hoda aktuatora u vremenu, a na slici 5 - pogonska sila kao funkcija vremena. Povezani sustav jednadžbi uključuje temperaturu, volumski udio martenzita i naprezanje koje se razvija u žici, što rezultira skupljanjem SMA žice i silom koju generira aktuator. Kao što je prikazano na slici... 4d,f, promjena napona s temperaturom i promjena volumnog udjela martenzita s temperaturom odgovaraju histereznim karakteristikama SMA u simuliranom slučaju pri 7 V.
Usporedba pogonskih parametara dobivena je eksperimentima i analitičkim izračunima. Žice su bile podvrgnute pulsirajućem ulaznom naponu od 7 V tijekom 10 sekundi, a zatim su hlađene 15 sekundi (faza hlađenja) tijekom dva ciklusa. Kut pera je postavljen na \(40^{\circ}\), a početna duljina SMA žice u svakom pojedinačnom nožu je postavljena na 83 mm. (a) Mjerenje pogonske sile mjernom ćelijom (b) Praćenje temperature žice termalnom infracrvenom kamerom.
Kako bi se razumio utjecaj fizičkih parametara na silu koju proizvodi pogon, provedena je analiza osjetljivosti matematičkog modela na odabrane fizičke parametre, a parametri su rangirani prema njihovom utjecaju. Prvo je uzorkovanje parametara modela provedeno korištenjem eksperimentalnih principa dizajna koji su slijedili jednoliku raspodjelu (vidi Dodatni odjeljak o analizi osjetljivosti). U ovom slučaju, parametri modela uključuju ulazni napon (V_{in}\)), početnu duljinu SMA žice (l_0\)), kut trokuta (alfa\)), konstantu prednaponske opruge (K_x\)), koeficijent konvektivnog prijenosa topline (h_T\) i broj unimodalnih grana (n). U sljedećem koraku, vršna snaga mišića odabrana je kao zahtjev dizajna studije i dobiveni su parametarski učinci svakog skupa varijabli na snagu. Grafikoni tornada za analizu osjetljivosti izvedeni su iz koeficijenata korelacije za svaki parametar, kao što je prikazano na slici 6a.
(a) Vrijednosti koeficijenata korelacije parametara modela i njihov utjecaj na maksimalnu izlaznu silu 2500 jedinstvenih skupina gore navedenih parametara modela prikazani su na dijagramu tornada. Grafikon prikazuje rang korelacije nekoliko pokazatelja. Jasno je da je \(V_{in}\) jedini parametar s pozitivnom korelacijom, a \(l_0\) parametar s najvećom negativnom korelacijom. Utjecaj različitih parametara u različitim kombinacijama na vršnu snagu mišića prikazan je u (b, c). \(K_x\) se kreće od 400 do 800 N/m, a n se kreće od 4 do 24. Napon (\(V_{in}\)) se mijenjao od 4V do 10V, duljina žice (\(l_{0 } \)) se mijenjala od 40 do 100 mm, a kut repa (\ (\alpha \)) varirao je od \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Na sl. 6a prikazan je tornado dijagram različitih koeficijenata korelacije za svaki parametar sa zahtjevima za dizajn vršne pogonske sile. Iz sl. 6a može se vidjeti da je parametar napona (V_{in}) izravno povezan s maksimalnom izlaznom silom, a koeficijent konvektivnog prijenosa topline (h_T), kut plamena (alpha), konstanta pomične opruge (K_x) negativno su korelirani s izlaznom silom i početnom duljinom (l_0) SMA žice, a broj unimodalnih grana (n) pokazuje jaku inverznu korelaciju u slučaju izravne korelacije. U slučaju veće vrijednosti koeficijenta korelacije napona (V_{in}) ukazuje na to da ovaj parametar ima najveći utjecaj na izlaznu snagu. Druga slična analiza mjeri vršnu silu procjenjujući učinak različitih parametara u različitim kombinacijama dvaju računalnih prostora, kao što je prikazano na sl. 6b, c. V_{in}\) i l_0\), alfa\) i l_0\) imaju slične obrasce, a graf pokazuje da V_{in}\) i alfa\) i alfa\) imaju slične obrasce. Manje vrijednosti l_0\) rezultiraju većim vršnim silama. Druga dva grafikona su u skladu sa slikom 6a, gdje su n i K_x negativno korelirani, a V_{in} pozitivno. Ova analiza pomaže u definiranju i prilagođavanju utjecajnih parametara kojima se izlazna sila, hod i učinkovitost pogonskog sustava mogu prilagoditi zahtjevima i primjeni.
Trenutni istraživački rad uvodi i istražuje hijerarhijske pogone s N razina. U dvorazinskoj hijerarhiji, kao što je prikazano na slici 7a, gdje se umjesto svake SMA žice aktuatora prve razine postiže bimodalni raspored, kao što je prikazano na slici 9e. Na slici 7c prikazano je kako je SMA žica namotana oko pomičnog kraka (pomoćnog kraka) koji se pomiče samo u uzdužnom smjeru. Međutim, primarni pomični krak nastavlja se kretati na isti način kao i pomični krak višestupanjskog aktuatora 1. stupnja. Tipično, N-stupanjski pogon stvara se zamjenom SMA žice \(N-1\) stupnja pogonom prvog stupnja. Kao rezultat toga, svaka grana oponaša pogon prvog stupnja, s izuzetkom grane koja drži samu žicu. Na taj način mogu se formirati ugniježđene strukture koje stvaraju sile koje su nekoliko puta veće od sila primarnih pogona. U ovoj studiji, za svaku razinu, uzeta je u obzir ukupna efektivna duljina SMA žice od 1 m, kao što je prikazano u tabličnom obliku na slici 7d. Struja kroz svaku žicu u svakom unimodalnom dizajnu i rezultirajuće prednaprezanje i napon u svakom segmentu SMA žice su isti na svakoj razini. Prema našem analitičkom modelu, izlazna sila je pozitivno korelirana s razinom, dok je pomak negativno koreliran. Istovremeno, postojao je kompromis između pomaka i snage mišića. Kao što se vidi na slici 7b, dok se maksimalna sila postiže u najvećem broju slojeva, najveći pomak se opaža u najnižem sloju. Kada je razina hijerarhije postavljena na \(N=5\), pronađena je vršna sila mišića od 2,58 kN s 2 opažena hoda \(\upmu\)m. S druge strane, pogon prvog stupnja generira silu od 150 N pri hodu od 277 \(\upmu\)m. Višerazinski aktuatori mogu oponašati stvarne biološke mišiće, dok umjetni mišići temeljeni na legurama s memorijom oblika mogu generirati znatno veće sile s preciznim i finijim pokretima. Ograničenja ovog minijaturiziranog dizajna su da se s povećanjem hijerarhije kretanje uvelike smanjuje, a složenost procesa proizvodnje pogona povećava.
(a) Prikazan je dvostupanjski (\(N=2\)) slojeviti linearni aktuatorski sustav od legure s memorijom oblika u bimodalnoj konfiguraciji. Predloženi model postiže se zamjenom SMA žice u slojevitom aktuatoru prvog stupnja s drugim slojevitim aktuatorom jednog stupnja. (c) Deformirana konfiguracija višeslojnog aktuatora drugog stupnja. (b) Opisana je raspodjela sila i pomaka ovisno o broju razina. Utvrđeno je da je vršna sila aktuatora pozitivno korelirana s razinom skale na grafu, dok je hod negativno koreliran s razinom skale. Struja i prednapon u svakoj žici ostaju konstantni na svim razinama. (d) Tablica prikazuje broj odvojaka i duljinu SMA žice (vlakna) na svakoj razini. Karakteristike žica označene su indeksom 1, a broj sekundarnih grana (jedna spojena na primarnu granu) označen je najvećim brojem u indeksu. Na primjer, na razini 5, \(n_1\) se odnosi na broj SMA žica prisutnih u svakoj bimodalnoj strukturi, a \(n_5\) se odnosi na broj pomoćnih krakova (jedan spojen na glavni krak).
Mnogi istraživači predložili su različite metode za modeliranje ponašanja SMA materijala s memorijom oblika, koja ovise o termomehaničkim svojstvima koja prate makroskopske promjene u kristalnoj strukturi povezane s faznim prijelazom. Formulacija konstitutivnih metoda inherentno je složena. Najčešće korišteni fenomenološki model predložio je Tanaka28 i široko se koristi u inženjerskim primjenama. Fenomenološki model koji je predložio Tanaka [28] pretpostavlja da je volumni udio martenzita eksponencijalna funkcija temperature i naprezanja. Kasnije su Liang i Rogers29 te Brinson30 predložili model u kojem se pretpostavljalo da je dinamika faznog prijelaza kosinusna funkcija napona i temperature, s malim izmjenama modela. Becker i Brinson predložili su kinetički model temeljen na faznom dijagramu za modeliranje ponašanja SMA materijala pod proizvoljnim uvjetima opterećenja, kao i djelomičnim prijelazima. Banerjee32 koristi metodu dinamike faznog dijagrama Bekkera i Brinsona31 za simulaciju manipulatora s jednim stupnjem slobode koji su razvili Elahinia i Ahmadian33. Kinetičke metode temeljene na faznim dijagramima, koje uzimaju u obzir nemonotonu promjenu napona s temperaturom, teško je primijeniti u inženjerskim primjenama. Elakhinia i Ahmadian skreću pozornost na ove nedostatke postojećih fenomenoloških modela i predlažu prošireni fenomenološki model za analizu i definiranje ponašanja memorije oblika pod bilo kojim složenim uvjetima opterećenja.
Strukturni model SMA žice daje naprezanje (\(\sigma\)), deformaciju (\(\epsilon\)), temperaturu (T) i volumni udio martenzita (\(\xi\)) SMA žice. Fenomenološki konstitutivni model prvi je predložio Tanaka28, a kasnije su ga usvojili Liang29 i Brinson30. Izvod jednadžbe ima oblik:
gdje je E fazno ovisni SMA Youngov modul dobiven korištenjem \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) i \(E_A\) i \(E_M\) koji predstavljaju Youngov modul su austenitna i martenzitna faza, respektivno, a koeficijent toplinskog širenja predstavljen je s \(\theta _T\). Faktor doprinosa faznog prijelaza je \(\Omega = -E \epsilon _L\) i \(\epsilon _L\) je maksimalna oporavljiva deformacija u SMA žici.
Jednadžba fazne dinamike podudara se s kosinusno funkcijom koju je razvio Liang29, a kasnije usvojio Brinson30 umjesto eksponencijalne funkcije koju je predložio Tanaka28. Model faznog prijelaza proširenje je modela koji su predložili Elakhinia i Ahmadian34 i modificiran je na temelju uvjeta faznog prijelaza koje su dali Liang29 i Brinson30. Uvjeti korišteni za ovaj model faznog prijelaza vrijede pod složenim termomehaničkim opterećenjima. U svakom trenutku vremena, vrijednost volumnog udjela martenzita izračunava se pri modeliranju konstitutivne jednadžbe.
Upravljačka jednadžba retransformacije, izražena transformacijom martenzita u austenit pod uvjetima zagrijavanja, glasi:
gdje je \(\xi\) volumni udio martenzita, \(\xi _M\) volumni udio martenzita dobivenog prije zagrijavanja, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) i \(C_A\) – parametri aproksimacije krivulje, T – temperatura SMA žice, \(A_s\) i \(A_f\) – temperatura početka i kraja austenitne faze.
Jednadžba izravne transformacije, predstavljena faznom transformacijom austenita u martenzit pod uvjetima hlađenja, je:
gdje je \(\xi _A\) volumni udio martenzita dobivenog prije hlađenja, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) i \ ( C_M \) – parametri prilagodbe krivulje, T – temperatura SMA žice, \(M_s\) i \(M_f\) – početna i konačna temperatura martenzita.
Nakon što se diferenciraju jednadžbe (3) i (4), inverzna i direktna transformacijska jednadžba se pojednostavljuju u sljedeći oblik:
Tijekom transformacije naprijed i natrag, \(\eta _{\sigma}\) i \(\eta _{T}\) poprimaju različite vrijednosti. Osnovne jednadžbe povezane s \(\eta _{\sigma}\) i \(\eta _{T}\) izvedene su i detaljno raspravljene u dodatnom odjeljku.
Toplinska energija potrebna za povišenje temperature SMA žice dolazi od Jouleovog efekta zagrijavanja. Toplinska energija koju apsorbira ili oslobađa SMA žica predstavljena je latentnom toplinom transformacije. Gubitak topline u SMA žici posljedica je prisilne konvekcije, a s obzirom na zanemariv učinak zračenja, jednadžba bilance toplinske energije je sljedeća:
Gdje je \(m_{wire}\) ukupna masa SMA žice, \(c_{p}\) je specifični toplinski kapacitet SMA žice, \(V_{in}\) je napon primijenjen na žicu, \(R_{ohm} \) – fazno ovisan otpor SMA žice, definiran kao; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) gdje su \(r_M\) i \(r_A\) fazni otpor SMA žice u martenzitu i austenitu, \(A_{c}\) je površina SMA žice, \(\Delta H \) je legura s memorijom oblika. Latentna toplina prijelaza žice, T i \(T_{\infty}\) su temperature SMA žice i okoline.
Kada se aktivira žica od legure s memorijom oblika, žica se komprimira, stvarajući silu u svakoj grani bimodalnog dizajna koja se naziva sila vlakana. Sile vlakana u svakoj niti SMA žice zajedno stvaraju mišićnu silu za aktiviranje, kao što je prikazano na slici 9e. Zbog prisutnosti opruge za pritiskanje, ukupna mišićna sila N-tog višeslojnog aktuatora je:
Zamjenom \(N = 1\) u jednadžbu (7), snaga mišića prototipa bimodalnog pogona prvog stupnja može se dobiti na sljedeći način:
gdje je n broj unimodalnih krakova, \(F_m\) je sila mišića koju generira pogon, \(F_f\) je čvrstoća vlakana u SMA žici, \(K_x\) je krutost prednaponske opruge, \(\alpha\) je kut trokuta, \(x_0\) je početni pomak prednaponske opruge za držanje SMA kabela u prednapetom položaju, a \(\Delta x\) je hod aktuatora.
Ukupni pomak ili kretanje pogona (Δx) ovisno o naponu (sigma) i naprezanju (epsilon) na SMA žici N-tog stupnja, pogon je postavljen na (vidi sliku, dodatni dio izlaza):
Kinematičke jednadžbe daju odnos između deformacije pogona (ε) i pomaka ili pomaka (Δx). Deformacija Arb žice kao funkcija početne duljine Arb žice (l_0) i duljine žice (l) u bilo kojem trenutku t u jednoj unimodalnoj grani je sljedeća:
gdje se \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) dobiva primjenom kosinusne formule u \(\Delta\)ABB ', kao što je prikazano na slici 8. Za pogon prvog stupnja (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) je \(\Delta x\), a \(\alpha _1\) je \(\alpha \) kao što je prikazano na slici 8, diferenciranjem vremena iz jednadžbe (11) i zamjenom vrijednosti l, brzina deformacije može se zapisati kao:
gdje je \(l_0\) početna duljina SMA žice, l je duljina žice u bilo kojem trenutku t u jednoj unimodalnoj grani, \(\epsilon\) je deformacija razvijena u SMA žici, a \(\alpha \) je kut trokuta, \(\Delta x\) je pomak pogona (kao što je prikazano na slici 8).
Svih n struktura s jednim vrhom (n=6 na ovoj slici) spojeno je serijski s ulaznim naponom V_{in}. Faza I: Shematski dijagram SMA žice u bimodalnoj konfiguraciji pod uvjetima nultog napona. Faza II: Prikazana je kontrolirana struktura gdje je SMA žica komprimirana zbog inverzne pretvorbe, kao što je prikazano crvenom linijom.
Kao dokaz koncepta, razvijen je bimodalni pogon temeljen na SMA-u kako bi se testiralo simulirano izvođenje temeljnih jednadžbi s eksperimentalnim rezultatima. CAD model bimodalnog linearnog aktuatora prikazan je na slici 9a. S druge strane, na slici 9c prikazan je novi dizajn predložen za rotacijski prizmatični spoj korištenjem dvoravninskog aktuatora temeljenog na SMA-u s bimodalnom strukturom. Komponente pogona izrađene su aditivnom proizvodnjom na 3D pisaču Ultimaker 3 Extended. Materijal korišten za 3D ispis komponenti je polikarbonat koji je prikladan za materijale otporne na toplinu jer je čvrst, izdržljiv i ima visoku temperaturu staklastog prijelaza (110-113 °C). Osim toga, u eksperimentima je korištena žica od legure s memorijom oblika Flexinol tvrtke Dynalloy, Inc., a svojstva materijala koja odgovaraju Flexinol žici korištena su u simulacijama. Višestruke SMA žice raspoređene su kao vlakna prisutna u bimodalnom rasporedu mišića kako bi se dobile velike sile koje proizvode višeslojni aktuatori, kao što je prikazano na slici 9b, d.
Kao što je prikazano na slici 9a, oštri kut koji tvori SMA žica pomičnog kraka naziva se kut (\(\alpha\)). S terminalnim stezaljkama pričvršćenim na lijevu i desnu stezaljku, SMA žica se drži pod željenim bimodalnim kutom. Uređaj s prilagosnom oprugom koji se drži na opružnom konektoru dizajniran je za podešavanje različitih grupa produžetaka prilagosnih opruga prema broju (n) SMA vlakana. Osim toga, položaj pokretnih dijelova dizajniran je tako da je SMA žica izložena vanjskom okruženju radi prisilnog konvekcijskog hlađenja. Gornja i donja ploča odvojivog sklopa pomažu u održavanju hladne SMA žice s ekstrudiranim izrezima dizajniranim za smanjenje težine. Osim toga, oba kraja CMA žice pričvršćena su na lijevi i desni terminal pomoću preša. Klip je pričvršćen na jedan kraj pomičnog sklopa kako bi se održao razmak između gornje i donje ploče. Klip se također koristi za primjenu sile blokiranja na senzor putem kontakta za mjerenje sile blokiranja kada se SMA žica aktivira.
Bimodalna mišićna struktura SMA električno je spojena serijski i napaja se ulaznim impulsnim naponom. Tijekom ciklusa impulsnog napona, kada se napon primijeni i SMA žica se zagrije iznad početne temperature austenita, duljina žice u svakoj niti se skraćuje. Ovo uvlačenje aktivira podsklop pomične ruke. Kada se napon u istom ciklusu poništi, zagrijana SMA žica se ohladi ispod temperature površine martenzita, čime se vraća u svoj prvobitni položaj. Pod uvjetima nultog naprezanja, SMA žica se prvo pasivno rasteže pomoću pristrane opruge kako bi dostigla rastavljeno martenzitno stanje. Vijak, kroz koji prolazi SMA žica, pomiče se zbog kompresije stvorene primjenom naponskog impulsa na SMA žicu (SPA doseže austenitnu fazu), što dovodi do aktiviranja pomične poluge. Kada se SMA žica uvuče, pristrana opruga stvara suprotnu silu daljnjim istezanjem opruge. Kada naprezanje u impulsnom naponu postane nula, SMA žica se izdužuje i mijenja svoj oblik zbog prisilnog konvekcijskog hlađenja, dostižući dvostruku martenzitnu fazu.
Predloženi linearni aktuatorski sustav temeljen na SMA ima bimodalnu konfiguraciju u kojoj su SMA žice pod kutom. (a) prikazuje CAD model prototipa, koji spominje neke od komponenti i njihova značenja za prototip, (b, d) predstavljaju razvijeni eksperimentalni prototip35. Dok (b) prikazuje pogled odozgo na prototip s električnim spojevima i korištenim prednaponskim oprugama i mjeračima naprezanja, (d) prikazuje perspektivni prikaz postavke. (e) Dijagram linearnog aktuatorskog sustava sa SMA žicama postavljenim bimodalno u bilo kojem trenutku t, koji prikazuje smjer i tijek vlakana i snagu mišića. (c) Predložena je rotacijska prizmatična veza s 2 stupnja slobode za postavljanje aktuatora temeljenog na SMA u dvije ravnine. Kao što je prikazano, veza prenosi linearno gibanje s donjeg pogona na gornju ruku, stvarajući rotacijsku vezu. S druge strane, gibanje para prizmi isto je kao i gibanje višeslojnog pogona prvog stupnja.
Eksperimentalna studija provedena je na prototipu prikazanom na slici 9b kako bi se procijenile performanse bimodalnog pogona temeljenog na SMA. Kao što je prikazano na slici 10a, eksperimentalni postav sastojao se od programabilnog istosmjernog napajanja za dovod ulaznog napona na SMA žice. Kao što je prikazano na slici 10b, piezoelektrični mjerač naprezanja (PACEline CFT/5kN) korišten je za mjerenje sile blokiranja pomoću Graphtec GL-2000 zapisivača podataka. Podaci se bilježe od strane domaćina za daljnje proučavanje. Mjerači naprezanja i pojačala naboja zahtijevaju konstantno napajanje za proizvodnju naponskog signala. Odgovarajući signali se pretvaraju u izlazne snage prema osjetljivosti piezoelektričnog senzora sile i drugim parametrima kao što je opisano u tablici 2. Kada se primijeni naponski impuls, temperatura SMA žice se povećava, uzrokujući njezino komprimiranje, što uzrokuje da aktuator generira silu. Eksperimentalni rezultati izlazne mišićne snage ulaznim naponskim impulsom od 7 V prikazani su na slici 2a.
(a) U eksperimentu je postavljen linearni aktuatorski sustav temeljen na SMA-u za mjerenje sile koju generira aktuator. Mjerna ćelija mjeri silu blokiranja i napaja se istosmjernim napajanjem od 24 V. Pad napona od 7 V primijenjen je duž cijele duljine kabela pomoću programabilnog istosmjernog napajanja GW Instek. SMA žica se skuplja zbog topline, a pomična ruka dodiruje mjernu ćeliju i vrši silu blokiranja. Mjerna ćelija je spojena na GL-2000 zapisivač podataka, a podaci se pohranjuju na glavnom računalu za daljnju obradu. (b) Dijagram koji prikazuje lanac komponenti eksperimentalnog uređaja za mjerenje mišićne snage.
Legure s memorijom oblika pobuđuju se toplinskom energijom, pa temperatura postaje važan parametar za proučavanje fenomena memorije oblika. Eksperimentalno, kao što je prikazano na slici 11a, toplinsko snimanje i mjerenja temperature provedeni su na prototipu SMA-baziranog divaleratnog aktuatora. Programabilni istosmjerni izvor primjenjivao je ulazni napon na SMA žice u eksperimentalnom postavu, kao što je prikazano na slici 11b. Promjena temperature SMA žice mjerena je u stvarnom vremenu pomoću LWIR kamere visoke rezolucije (FLIR A655sc). Domaćin koristi ResearchIR softver za snimanje podataka za daljnju naknadnu obradu. Kada se primijeni naponski impuls, temperatura SMA žice se povećava, uzrokujući njezino skupljanje. Na slici 2b prikazani su eksperimentalni rezultati temperature SMA žice u odnosu na vrijeme za ulazni naponski impuls od 7 V.
Vrijeme objave: 28. rujna 2022.
