Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi peramban yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan peramban yang lebih baru (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Aktuator digunakan di mana-mana dan menciptakan gerakan terkontrol dengan menerapkan gaya atau torsi eksitasi yang tepat untuk melakukan berbagai operasi dalam manufaktur dan otomatisasi industri. Kebutuhan akan penggerak yang lebih cepat, lebih kecil, dan lebih efisien mendorong inovasi dalam desain penggerak. Penggerak Shape Memory Alloy (SMA) menawarkan sejumlah keunggulan dibandingkan penggerak konvensional, termasuk rasio daya terhadap berat yang tinggi. Dalam disertasi ini, dikembangkan aktuator berbasis SMA dua bulu yang menggabungkan keunggulan otot bulu dari sistem biologis dan sifat unik SMA. Studi ini mengeksplorasi dan memperluas aktuator SMA sebelumnya dengan mengembangkan model matematika dari aktuator baru berdasarkan susunan kawat SMA bimodal dan mengujinya secara eksperimental. Dibandingkan dengan penggerak berbasis SMA yang sudah dikenal, gaya aktuasi penggerak baru ini setidaknya 5 kali lebih tinggi (hingga 150 N). Pengurangan berat yang sesuai sekitar 67%. Hasil analisis sensitivitas model matematika berguna untuk menyetel parameter desain dan memahami parameter kunci. Studi ini selanjutnya menyajikan penggerak tahap ke-N multi-level yang dapat digunakan untuk lebih meningkatkan dinamika. Aktuator otot dipvalerat berbasis SMA memiliki berbagai macam aplikasi, mulai dari otomatisasi bangunan hingga sistem pengiriman obat presisi.
Sistem biologis, seperti struktur otot mamalia, dapat mengaktifkan banyak aktuator halus¹. Mamalia memiliki struktur otot yang berbeda, masing-masing memiliki tujuan spesifik. Namun, sebagian besar struktur jaringan otot mamalia dapat dibagi menjadi dua kategori besar: paralel dan pennate. Pada otot hamstring dan otot fleksor lainnya, seperti namanya, otot paralel memiliki serat otot yang sejajar dengan tendon sentral. Rantai serat otot tersusun dan terhubung secara fungsional oleh jaringan ikat di sekitarnya. Meskipun otot-otot ini dikatakan memiliki ekskursi yang besar (persentase pemendekan), kekuatan otot secara keseluruhan sangat terbatas. Sebaliknya, pada otot betis trisep² (gastrocnemius lateral (GL)³, gastrocnemius medial (GM)⁴ dan soleus (SOL)) dan extensor femoris (quadriceps)⁵,⁶ jaringan otot pennate ditemukan di setiap otot⁷. Pada struktur pinnate, serat otot pada otot bipennate terdapat di kedua sisi tendon sentral pada sudut miring (sudut pinnate). Pennate berasal dari kata Latin “penna”, yang berarti “pena”, dan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 1, memiliki penampilan seperti bulu. Serat otot pennate lebih pendek dan miring terhadap sumbu longitudinal otot. Karena struktur pinnate, mobilitas keseluruhan otot ini berkurang, yang menyebabkan komponen transversal dan longitudinal dari proses pemendekan. Di sisi lain, aktivasi otot-otot ini menyebabkan kekuatan otot keseluruhan yang lebih tinggi karena cara pengukuran luas penampang fisiologis. Oleh karena itu, untuk luas penampang tertentu, otot pennate akan lebih kuat dan menghasilkan gaya yang lebih tinggi daripada otot dengan serat paralel. Gaya yang dihasilkan oleh serat individu menghasilkan gaya otot pada tingkat makroskopis dalam jaringan otot tersebut. Selain itu, ia memiliki sifat unik seperti penyusutan cepat, perlindungan terhadap kerusakan tarik, dan bantalan. Ia mengubah hubungan antara input serat dan output daya otot dengan memanfaatkan fitur unik dan kompleksitas geometris susunan serat yang terkait dengan garis aksi otot.
Berikut adalah diagram skematik dari desain aktuator berbasis SMA yang ada dalam kaitannya dengan arsitektur otot bimodal, misalnya (a), yang mewakili interaksi gaya taktil di mana perangkat berbentuk tangan yang digerakkan oleh kawat SMA dipasang pada robot bergerak otonom beroda dua9,10. , (b) Prostesis orbital robotik dengan prostesis orbital pegas SMA yang ditempatkan secara antagonis. Posisi mata prostetik dikendalikan oleh sinyal dari otot okular mata11, (c) Aktuator SMA ideal untuk aplikasi bawah air karena respons frekuensinya yang tinggi dan bandwidth yang rendah. Dalam konfigurasi ini, aktuator SMA digunakan untuk menciptakan gerakan gelombang dengan mensimulasikan gerakan ikan, (d) Aktuator SMA digunakan untuk membuat robot inspeksi pipa mikro yang dapat menggunakan prinsip gerakan cacing inci, dikendalikan oleh gerakan kawat SMA di dalam saluran 10, (e) menunjukkan arah kontraksi serat otot dan menghasilkan gaya kontraktil pada jaringan gastrocnemius, (f) menunjukkan kawat SMA yang disusun dalam bentuk serat otot pada struktur otot pennate.
Aktuator telah menjadi bagian penting dari sistem mekanik karena berbagai aplikasinya. Oleh karena itu, kebutuhan akan penggerak yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih efisien menjadi sangat penting. Terlepas dari keunggulannya, penggerak tradisional terbukti mahal dan memakan waktu untuk perawatannya. Aktuator hidrolik dan pneumatik kompleks dan mahal, serta rentan terhadap keausan, masalah pelumasan, dan kegagalan komponen. Menanggapi permintaan tersebut, fokusnya adalah mengembangkan aktuator yang hemat biaya, berukuran optimal, dan canggih berdasarkan material cerdas. Penelitian yang sedang berlangsung meneliti aktuator berlapis paduan memori bentuk (SMA) untuk memenuhi kebutuhan ini. Aktuator hierarkis unik karena menggabungkan banyak aktuator diskrit menjadi subsistem skala makro yang kompleks secara geometris untuk memberikan peningkatan dan perluasan fungsionalitas. Dalam hal ini, jaringan otot manusia yang dijelaskan di atas memberikan contoh berlapis yang sangat baik dari aktuasi berlapis tersebut. Studi saat ini menjelaskan penggerak SMA multi-level dengan beberapa elemen penggerak individual (kawat SMA) yang sejajar dengan orientasi serat yang ada pada otot bimodal, yang meningkatkan kinerja penggerak secara keseluruhan.
Tujuan utama aktuator adalah untuk menghasilkan daya keluaran mekanik seperti gaya dan perpindahan dengan mengubah energi listrik. Paduan memori bentuk (Shape Memory Alloys/SMA) adalah kelas material "pintar" yang dapat mengembalikan bentuknya pada suhu tinggi. Di bawah beban tinggi, peningkatan suhu kawat SMA menyebabkan pemulihan bentuk, menghasilkan kepadatan energi aktuasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan berbagai material pintar yang terikat langsung. Pada saat yang sama, di bawah beban mekanik, SMA menjadi rapuh. Dalam kondisi tertentu, beban siklik dapat menyerap dan melepaskan energi mekanik, menunjukkan perubahan bentuk histeresis yang reversibel. Sifat unik ini menjadikan SMA ideal untuk sensor, peredaman getaran, dan terutama aktuator12. Dengan mengingat hal ini, telah banyak penelitian tentang penggerak berbasis SMA. Perlu dicatat bahwa aktuator berbasis SMA dirancang untuk memberikan gerakan translasi dan rotasi untuk berbagai aplikasi13,14,15. Meskipun beberapa aktuator putar telah dikembangkan, para peneliti sangat tertarik pada aktuator linier. Aktuator linier ini dapat dibagi menjadi tiga jenis aktuator: aktuator satu dimensi, perpindahan, dan diferensial 16. Awalnya, penggerak hibrida dibuat dalam kombinasi dengan SMA dan penggerak konvensional lainnya. Salah satu contoh aktuator linier hibrida berbasis SMA adalah penggunaan kawat SMA dengan motor DC untuk memberikan gaya keluaran sekitar 100 N dan perpindahan yang signifikan17.
Salah satu perkembangan pertama dalam penggerak yang sepenuhnya berbasis SMA adalah penggerak paralel SMA. Dengan menggunakan beberapa kawat SMA, penggerak paralel berbasis SMA dirancang untuk meningkatkan kemampuan daya penggerak dengan menempatkan semua kawat SMA18 secara paralel. Koneksi paralel aktuator tidak hanya membutuhkan daya lebih besar, tetapi juga membatasi daya keluaran dari satu kawat. Kerugian lain dari aktuator berbasis SMA adalah pergerakan terbatas yang dapat dicapai. Untuk mengatasi masalah ini, dibuat balok kabel SMA yang berisi balok fleksibel yang terdefleksi untuk meningkatkan perpindahan dan mencapai gerakan linier, tetapi tidak menghasilkan gaya yang lebih tinggi19. Struktur dan kain lunak yang dapat berubah bentuk untuk robot berbasis paduan memori bentuk telah dikembangkan terutama untuk amplifikasi benturan20,21,22. Untuk aplikasi yang membutuhkan kecepatan tinggi, pompa penggerak kompak telah dilaporkan menggunakan SMA film tipis untuk aplikasi penggerak mikropompa23. Frekuensi penggerak membran SMA film tipis merupakan faktor kunci dalam mengendalikan kecepatan penggerak. Oleh karena itu, motor linier SMA memiliki respons dinamis yang lebih baik daripada motor pegas atau batang SMA. Robotika lunak dan teknologi penjepitan adalah dua aplikasi lain yang menggunakan aktuator berbasis SMA. Misalnya, untuk menggantikan aktuator standar yang digunakan pada penjepit ruang 25 N, aktuator paralel paduan memori bentuk 24 dikembangkan. Dalam kasus lain, aktuator lunak SMA dibuat berdasarkan kawat dengan matriks tertanam yang mampu menghasilkan gaya tarik maksimum 30 N. Karena sifat mekaniknya, SMA juga digunakan untuk menghasilkan aktuator yang meniru fenomena biologis. Salah satu pengembangan tersebut mencakup robot 12 sel yang merupakan biomimetik dari organisme mirip cacing tanah dengan SMA untuk menghasilkan gerakan sinusoidal untuk menembak26,27.
Seperti yang disebutkan sebelumnya, terdapat batasan pada gaya maksimum yang dapat diperoleh dari aktuator berbasis SMA yang ada. Untuk mengatasi masalah ini, studi ini menyajikan struktur otot bimodal biomimetik. Digerakkan oleh kawat paduan memori bentuk. Studi ini menyediakan sistem klasifikasi yang mencakup beberapa kawat paduan memori bentuk. Hingga saat ini, belum ada aktuator berbasis SMA dengan arsitektur serupa yang dilaporkan dalam literatur. Sistem unik dan baru berbasis SMA ini dikembangkan untuk mempelajari perilaku SMA selama penyelarasan otot bimodal. Dibandingkan dengan aktuator berbasis SMA yang ada, tujuan studi ini adalah untuk menciptakan aktuator dipvalerat biomimetik untuk menghasilkan gaya yang jauh lebih tinggi dalam volume kecil. Dibandingkan dengan penggerak motor stepper konvensional yang digunakan dalam sistem otomatisasi dan kontrol bangunan HVAC, desain penggerak bimodal berbasis SMA yang diusulkan mengurangi berat mekanisme penggerak sebesar 67%. Selanjutnya, istilah "otot" dan "penggerak" digunakan secara bergantian. Studi ini menyelidiki simulasi multifisika dari penggerak tersebut. Perilaku mekanis sistem tersebut telah dipelajari dengan metode eksperimental dan analitis. Distribusi gaya dan suhu selanjutnya diselidiki pada tegangan input 7 V. Kemudian, analisis parametrik dilakukan untuk lebih memahami hubungan antara parameter kunci dan gaya keluaran. Akhirnya, aktuator hierarkis telah dibayangkan dan efek tingkat hierarkis telah diusulkan sebagai area potensial di masa depan untuk aktuator non-magnetik untuk aplikasi prostetik. Menurut hasil studi yang disebutkan di atas, penggunaan arsitektur satu tahap menghasilkan gaya setidaknya empat hingga lima kali lebih tinggi daripada aktuator berbasis SMA yang dilaporkan. Selain itu, gaya penggerak yang sama yang dihasilkan oleh penggerak multi-level telah terbukti lebih dari sepuluh kali lipat dari penggerak berbasis SMA konvensional. Studi ini kemudian melaporkan parameter kunci menggunakan analisis sensitivitas antara desain dan variabel input yang berbeda. Panjang awal kawat SMA (\(l_0\)), sudut pinnate (\(\alpha\)) dan jumlah untaian tunggal (n) di setiap untaian individu memiliki efek negatif yang kuat pada besarnya gaya penggerak, sedangkan tegangan input (energi) ternyata berkorelasi positif.
Kawat SMA menunjukkan efek memori bentuk (SME) yang terlihat pada keluarga paduan nikel-titanium (Ni-Ti). Biasanya, SMA menunjukkan dua fase yang bergantung pada suhu: fase suhu rendah dan fase suhu tinggi. Kedua fase tersebut memiliki sifat unik karena adanya struktur kristal yang berbeda. Pada fase austenit (fase suhu tinggi) yang ada di atas suhu transformasi, material menunjukkan kekuatan tinggi dan deformasi yang rendah di bawah beban. Paduan ini berperilaku seperti baja tahan karat, sehingga mampu menahan tekanan aktuasi yang lebih tinggi. Dengan memanfaatkan sifat paduan Ni-Ti ini, kawat SMA dimiringkan untuk membentuk aktuator. Model analitik yang sesuai dikembangkan untuk memahami mekanika fundamental perilaku termal SMA di bawah pengaruh berbagai parameter dan berbagai geometri. Kesesuaian yang baik diperoleh antara hasil eksperimental dan analitik.
Sebuah studi eksperimental dilakukan pada prototipe yang ditunjukkan pada Gambar 9a untuk mengevaluasi kinerja penggerak bimodal berbasis SMA. Dua dari sifat ini, gaya yang dihasilkan oleh penggerak (gaya otot) dan suhu kawat SMA (suhu SMA), diukur secara eksperimental. Saat perbedaan tegangan meningkat di sepanjang seluruh panjang kawat dalam penggerak, suhu kawat meningkat karena efek pemanasan Joule. Tegangan masukan diterapkan dalam dua siklus 10 detik (ditunjukkan sebagai titik merah pada Gambar 2a, b) dengan periode pendinginan 15 detik di antara setiap siklus. Gaya penghambat diukur menggunakan pengukur regangan piezoelektrik, dan distribusi suhu kawat SMA dipantau secara real-time menggunakan kamera LWIR resolusi tinggi kelas ilmiah (lihat karakteristik peralatan yang digunakan pada Tabel 2). Hasil menunjukkan bahwa selama fase tegangan tinggi, suhu kawat meningkat secara monoton, tetapi ketika tidak ada arus yang mengalir, suhu kawat terus menurun. Dalam pengaturan eksperimental saat ini, suhu kawat SMA turun selama fase pendinginan, tetapi masih di atas suhu lingkungan. Gambar 2e menunjukkan cuplikan suhu pada kawat SMA yang diambil dari kamera LWIR. Di sisi lain, Gambar 2a menunjukkan gaya penghambat yang dihasilkan oleh sistem penggerak. Ketika gaya otot melebihi gaya pemulihan pegas, lengan yang dapat digerakkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9a, mulai bergerak. Segera setelah aktuasi dimulai, lengan yang dapat digerakkan bersentuhan dengan sensor, menciptakan gaya badan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c, d. Ketika suhu maksimum mendekati \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), gaya maksimum yang diamati adalah 105 N.
Grafik menunjukkan hasil eksperimen suhu kawat SMA dan gaya yang dihasilkan oleh aktuator bimodal berbasis SMA selama dua siklus. Tegangan input diterapkan dalam dua siklus 10 detik (ditunjukkan sebagai titik merah) dengan periode pendinginan 15 detik di antara setiap siklus. Kawat SMA yang digunakan untuk eksperimen adalah kawat Flexinol berdiameter 0,51 mm dari Dynalloy, Inc. (a) Grafik menunjukkan gaya eksperimental yang diperoleh selama dua siklus, (c, d) menunjukkan dua contoh independen dari aksi aktuator lengan bergerak pada transduser gaya piezoelektrik PACEline CFT/5kN, (b) grafik menunjukkan suhu maksimum seluruh kawat SMA selama dua siklus, (e) menunjukkan cuplikan suhu yang diambil dari kawat SMA menggunakan kamera LWIR perangkat lunak FLIR ResearchIR. Parameter geometris yang diperhitungkan dalam eksperimen diberikan pada Tabel satu.
Hasil simulasi model matematika dan hasil eksperimen dibandingkan pada kondisi tegangan input 7V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Berdasarkan hasil analisis parametrik dan untuk menghindari kemungkinan panas berlebih pada kawat SMA, daya sebesar 11,2 W diberikan ke aktuator. Catu daya DC yang dapat diprogram digunakan untuk memberikan tegangan input 7V, dan arus sebesar 1,6A diukur pada kawat. Gaya yang dihasilkan oleh penggerak dan suhu SDR meningkat ketika arus diberikan. Dengan tegangan input 7V, gaya output maksimum yang diperoleh dari hasil simulasi dan hasil eksperimen siklus pertama masing-masing adalah 78 N dan 96 N. Pada siklus kedua, gaya output maksimum dari hasil simulasi dan eksperimen masing-masing adalah 150 N dan 105 N. Perbedaan antara pengukuran gaya oklusi dan data eksperimen mungkin disebabkan oleh metode yang digunakan untuk mengukur gaya oklusi. Hasil eksperimen yang ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 5a sesuai dengan pengukuran gaya penguncian, yang pada gilirannya diukur ketika poros penggerak bersentuhan dengan transduser gaya piezoelektrik PACEline CFT/5kN, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2s. Oleh karena itu, ketika poros penggerak tidak bersentuhan dengan sensor gaya di awal zona pendinginan, gaya langsung menjadi nol, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2d. Selain itu, parameter lain yang memengaruhi pembentukan gaya pada siklus selanjutnya adalah nilai waktu pendinginan dan koefisien perpindahan panas konvektif pada siklus sebelumnya. Dari Gambar 2b, dapat dilihat bahwa setelah periode pendinginan 15 detik, kawat SMA tidak mencapai suhu ruangan dan oleh karena itu memiliki suhu awal yang lebih tinggi (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) pada siklus penggerak kedua dibandingkan dengan siklus pertama (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Dengan demikian, dibandingkan dengan siklus pertama, suhu kawat SMA selama siklus pemanasan kedua mencapai suhu austenit awal (\(A_s\)) lebih awal dan tetap berada dalam periode transisi lebih lama, sehingga menghasilkan tegangan dan gaya. Di sisi lain, distribusi suhu selama siklus pemanasan dan pendinginan yang diperoleh dari eksperimen dan simulasi memiliki kemiripan kualitatif yang tinggi dengan contoh dari analisis termografi. Analisis komparatif data termal kawat SMA dari eksperimen dan simulasi menunjukkan konsistensi selama siklus pemanasan dan pendinginan dan dalam toleransi yang dapat diterima untuk data eksperimental. Suhu maksimum kawat SMA, yang diperoleh dari hasil simulasi dan eksperimen siklus pertama, masing-masing adalah \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) dan \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), dan pada siklus kedua suhu maksimum kawat SMA adalah \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) dan \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Model yang dikembangkan secara fundamental mengkonfirmasi efek memori bentuk. Peran kelelahan dan panas berlebih tidak dipertimbangkan dalam tinjauan ini. Di masa mendatang, model akan ditingkatkan untuk memasukkan riwayat tegangan kawat SMA, sehingga lebih sesuai untuk aplikasi teknik. Grafik gaya keluaran penggerak dan suhu SMA yang diperoleh dari blok Simulink berada dalam toleransi yang diizinkan dari data eksperimental dalam kondisi pulsa tegangan masukan 7 V. Hal ini mengkonfirmasi kebenaran dan keandalan model matematika yang dikembangkan.
Model matematika dikembangkan dalam lingkungan MathWorks Simulink R2020b menggunakan persamaan dasar yang dijelaskan di bagian Metode. Gambar 3b menunjukkan diagram blok model matematika Simulink. Model tersebut disimulasikan untuk pulsa tegangan input 7V seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a, b. Nilai parameter yang digunakan dalam simulasi tercantum dalam Tabel 1. Hasil simulasi proses transien disajikan pada Gambar 1 dan 2a. Gambar 3a dan 4a. Gambar 4a,b menunjukkan tegangan induksi pada kawat SMA dan gaya yang dihasilkan oleh aktuator sebagai fungsi waktu. Selama transformasi balik (pemanasan), ketika suhu kawat SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu awal fase austenit yang dimodifikasi tegangan), laju perubahan fraksi volume martensit (\(\dot{\xi }\)) akan menjadi nol. Selama transformasi balik (pemanasan), ketika suhu kawat SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu awal fase austenit yang dimodifikasi tegangan), laju perubahan fraksi volume martensit (\(\dot{\ xi }\)) akan menjadi nol. Dalam hal ini, suhu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура ачала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), nama panggilan (\(\dot{\ xi }\)) будет равно tidak. Selama transformasi balik (pemanasan), ketika suhu kawat SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu awal austenit yang dimodifikasi tegangan), laju perubahan fraksi volume martensit (\(\dot{\ xi }\ )) akan menjadi nol.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 При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура Layanan Pelanggan yang Dapat Dipakai untuk Anda напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) tidak ada gunanya. Selama transformasi balik (pemanasan) pada suhu kawat SMA \(T < A_s^{\prime}\) (suhu nukleasi fase austenit, dikoreksi untuk tegangan), laju perubahan fraksi volume martensit (\( \dot{\ xi }\)) akan sama dengan nol.Oleh karena itu, laju perubahan tegangan (\(\dot{\sigma}\)) akan bergantung pada laju regangan (\(\dot{\epsilon}\)) dan gradien suhu (\(\dot{T} \)) hanya dengan menggunakan persamaan (1). Namun, ketika kawat SMA meningkat suhunya dan melewati (\(A_s^{\prime}\)), fase austenit mulai terbentuk, dan (\(\dot{\xi}\)) diambil sebagai nilai yang diberikan pada persamaan (3). Oleh karena itu, laju perubahan tegangan (\(\dot{\sigma}\)) dikendalikan bersama oleh \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) dan \(\dot{\xi}\) sama dengan yang diberikan dalam rumus (1). Ini menjelaskan perubahan gradien yang diamati pada peta tegangan dan gaya yang berubah terhadap waktu selama siklus pemanasan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, b.
(a) Hasil simulasi yang menunjukkan distribusi suhu dan suhu sambungan yang diinduksi tegangan pada aktuator divalerat berbasis SMA. Ketika suhu kawat melewati suhu transisi austenit pada tahap pemanasan, suhu transisi austenit yang dimodifikasi mulai meningkat, dan demikian pula, ketika suhu batang kawat melewati suhu transisi martensit pada tahap pendinginan, suhu transisi martensit menurun. SMA digunakan untuk pemodelan analitik proses aktuasi. (Untuk tampilan detail setiap subsistem model Simulink, lihat bagian lampiran dari file tambahan.)
Hasil analisis untuk distribusi parameter yang berbeda ditunjukkan untuk dua siklus tegangan input 7V (siklus pemanasan 10 detik dan siklus pendinginan 15 detik). Sementara (ac) dan (e) menggambarkan distribusi seiring waktu, di sisi lain, (d) dan (f) mengilustrasikan distribusi terhadap suhu. Untuk kondisi input masing-masing, tegangan maksimum yang diamati adalah 106 MPa (kurang dari 345 MPa, kekuatan luluh kawat), gaya adalah 150 N, perpindahan maksimum adalah 270 µm, dan fraksi volume martensit minimum adalah 0,91. Di sisi lain, perubahan tegangan dan perubahan fraksi volume martensit terhadap suhu mirip dengan karakteristik histeresis.
Penjelasan yang sama berlaku untuk transformasi langsung (pendinginan) dari fase austenit ke fase martensit, di mana suhu kawat SMA (T) dan suhu akhir fase martensit yang dimodifikasi tegangan (\(M_f^{\prime}\ )) sangat baik. Pada Gambar 4d,f menunjukkan perubahan tegangan terinduksi (\(\sigma\)) dan fraksi volume martensit (\(\xi\)) dalam kawat SMA sebagai fungsi perubahan suhu kawat SMA (T), untuk kedua siklus penggerak. Pada Gambar 3a menunjukkan perubahan suhu kawat SMA seiring waktu tergantung pada pulsa tegangan masukan. Seperti yang dapat dilihat dari gambar, suhu kawat terus meningkat dengan menyediakan sumber panas pada tegangan nol dan pendinginan konvektif selanjutnya. Selama pemanasan, transformasi ulang martensit menjadi fase austenit dimulai ketika suhu kawat SMA (T) melewati suhu nukleasi austenit yang dikoreksi tegangan (\(A_s^{\prime}\)). Selama fase ini, kawat SMA terkompresi dan aktuator menghasilkan gaya. Demikian juga selama pendinginan, ketika suhu kawat SMA (T) melewati suhu nukleasi fase martensit yang dimodifikasi tegangan (\(M_s^{\prime}\)), terjadi transisi positif dari fase austenit ke fase martensit, dan gaya penggerak berkurang.
Aspek kualitatif utama dari penggerak bimodal berbasis SMA dapat diperoleh dari hasil simulasi. Dalam kasus input pulsa tegangan, suhu kawat SMA meningkat karena efek pemanasan Joule. Nilai awal fraksi volume martensit (\(\xi\)) ditetapkan menjadi 1, karena material awalnya berada dalam fase martensit penuh. Saat kawat terus memanas, suhu kawat SMA melebihi suhu nukleasi austenit yang dikoreksi tegangan \(A_s^{\prime}\), yang mengakibatkan penurunan fraksi volume martensit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c. Selain itu, pada Gambar 4e menunjukkan distribusi langkah aktuator dalam waktu, dan pada Gambar 5 – gaya penggerak sebagai fungsi waktu. Sistem persamaan terkait mencakup suhu, fraksi volume martensit, dan tegangan yang berkembang di kawat, yang mengakibatkan penyusutan kawat SMA dan gaya yang dihasilkan oleh aktuator. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c, 4d,f, variasi tegangan terhadap suhu dan variasi fraksi volume martensit terhadap suhu sesuai dengan karakteristik histeresis SMA dalam kasus simulasi pada 7 V.
Perbandingan parameter penggerak diperoleh melalui eksperimen dan perhitungan analitis. Kawat dikenai tegangan input pulsa 7 V selama 10 detik, kemudian didinginkan selama 15 detik (fase pendinginan) selama dua siklus. Sudut pin diatur ke \(40^{\circ}\) dan panjang awal kawat SMA di setiap kaki pin tunggal diatur ke 83mm. (a) Mengukur gaya penggerak dengan sel beban (b) Memantau suhu kawat dengan kamera inframerah termal.
Untuk memahami pengaruh parameter fisik terhadap gaya yang dihasilkan oleh penggerak, dilakukan analisis sensitivitas model matematika terhadap parameter fisik yang dipilih, dan parameter tersebut diurutkan berdasarkan pengaruhnya. Pertama, pengambilan sampel parameter model dilakukan menggunakan prinsip desain eksperimental yang mengikuti distribusi seragam (lihat Bagian Tambahan tentang Analisis Sensitivitas). Dalam hal ini, parameter model meliputi tegangan masukan (\(V_{in}\)), panjang kawat SMA awal (\(l_0\)), sudut segitiga (\(\alpha\)), konstanta pegas bias (\(K_x\)), koefisien perpindahan panas konvektif (\(h_T\)) dan jumlah cabang unimodal (n). Pada langkah selanjutnya, kekuatan otot puncak dipilih sebagai persyaratan desain penelitian dan efek parametrik dari setiap set variabel terhadap kekuatan diperoleh. Plot tornado untuk analisis sensitivitas diperoleh dari koefisien korelasi untuk setiap parameter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a.
(a) Nilai koefisien korelasi parameter model dan pengaruhnya terhadap gaya keluaran maksimum dari 2500 kelompok unik parameter model di atas ditunjukkan pada plot tornado. Grafik menunjukkan korelasi peringkat dari beberapa indikator. Jelas bahwa \(V_{in}\) adalah satu-satunya parameter dengan korelasi positif, dan \(l_0\) adalah parameter dengan korelasi negatif tertinggi. Pengaruh berbagai parameter dalam berbagai kombinasi terhadap kekuatan otot puncak ditunjukkan pada (b, c). \(K_x\) berkisar dari 400 hingga 800 N/m dan n berkisar dari 4 hingga 24. Tegangan (\(V_{in}\)) diubah dari 4V hingga 10V, panjang kawat (\(l_{0}\)) diubah dari 40 hingga 100 mm, dan sudut ekor (\(\alpha\)) bervariasi dari \(20 – 60 ^ {\circ}\).
Gambar 6a menunjukkan plot tornado dari berbagai koefisien korelasi untuk setiap parameter dengan persyaratan desain gaya penggerak puncak. Dari gambar 6a dapat dilihat bahwa parameter tegangan (\(V_{in}\)) berhubungan langsung dengan gaya keluaran maksimum, dan koefisien perpindahan panas konvektif (\(h_T\)), sudut nyala api (\(\alpha\)), konstanta pegas perpindahan (\(K_x\)) berkorelasi negatif dengan gaya keluaran dan panjang awal (\(l_0\)) kawat SMA, dan jumlah cabang unimodal (n) menunjukkan korelasi terbalik yang kuat. Dalam kasus korelasi langsung, nilai koefisien korelasi tegangan (\(V_{in}\)) yang lebih tinggi menunjukkan bahwa parameter ini memiliki pengaruh terbesar pada daya keluaran. Analisis serupa lainnya mengukur gaya puncak dengan mengevaluasi pengaruh parameter yang berbeda dalam kombinasi yang berbeda dari dua ruang komputasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b, c. \(V_{in}\) dan \(l_0\), \(\alpha\) dan \(l_0\) memiliki pola yang serupa, dan grafik menunjukkan bahwa \(V_{in}\) dan \(\alpha\) dan \(\alpha\) memiliki pola yang serupa. Nilai \(l_0\) yang lebih kecil menghasilkan gaya puncak yang lebih tinggi. Dua plot lainnya konsisten dengan Gambar 6a, di mana n dan \(K_x\) berkorelasi negatif dan \(V_{in}\) berkorelasi positif. Analisis ini membantu untuk mendefinisikan dan menyesuaikan parameter pengaruh yang memungkinkan gaya keluaran, langkah, dan efisiensi sistem penggerak dapat disesuaikan dengan kebutuhan dan aplikasi.
Penelitian terkini memperkenalkan dan menyelidiki penggerak hierarkis dengan N level. Dalam hierarki dua level, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a, di mana alih-alih setiap kawat SMA dari aktuator level pertama, susunan bimodal dicapai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9e. Pada Gambar 7c menunjukkan bagaimana kawat SMA dililitkan di sekitar lengan yang dapat bergerak (lengan bantu) yang hanya bergerak dalam arah longitudinal. Namun, lengan utama yang dapat bergerak terus bergerak dengan cara yang sama seperti lengan yang dapat bergerak dari aktuator multi-tahap tahap pertama. Biasanya, penggerak N-tahap dibuat dengan mengganti kawat SMA tahap \(N-1\) dengan penggerak tahap pertama. Akibatnya, setiap cabang meniru penggerak tahap pertama, kecuali cabang yang menahan kawat itu sendiri. Dengan cara ini, struktur bersarang dapat dibentuk yang menciptakan gaya yang beberapa kali lebih besar daripada gaya penggerak utama. Dalam penelitian ini, untuk setiap level, panjang kawat SMA efektif total sebesar 1 m diperhitungkan, seperti yang ditunjukkan dalam format tabel pada Gambar 7d. Arus yang mengalir melalui setiap kawat dalam setiap desain unimodal dan tegangan prategang serta tegangan yang dihasilkan pada setiap segmen kawat SMA adalah sama pada setiap level. Menurut model analitis kami, gaya keluaran berkorelasi positif dengan level, sedangkan perpindahan berkorelasi negatif. Pada saat yang sama, terdapat pertukaran antara perpindahan dan kekuatan otot. Seperti yang terlihat pada Gambar 7b, sementara gaya maksimum dicapai pada jumlah lapisan terbanyak, perpindahan terbesar diamati pada lapisan terendah. Ketika level hierarki ditetapkan menjadi \(N=5\), gaya otot puncak sebesar 2,58 kN ditemukan dengan 2 langkah \(\upmu\)m yang diamati. Di sisi lain, penggerak tahap pertama menghasilkan gaya sebesar 150 N pada langkah 277 \(\upmu\)m. Aktuator multi-level mampu meniru otot biologis asli, di mana otot buatan berbasis paduan memori bentuk mampu menghasilkan gaya yang jauh lebih tinggi dengan gerakan yang lebih presisi dan halus. Keterbatasan desain miniatur ini adalah bahwa seiring peningkatan hierarki, gerakan sangat berkurang dan kompleksitas proses pembuatan penggerak meningkat.
(a) Sistem aktuator linier paduan memori bentuk berlapis dua tahap (\(N=2\)) ditunjukkan dalam konfigurasi bimodal. Model yang diusulkan dicapai dengan mengganti kawat SMA pada aktuator berlapis tahap pertama dengan aktuator berlapis satu tahap lainnya. (c) Konfigurasi deformasi aktuator multilapis tahap kedua. (b) Distribusi gaya dan perpindahan yang bergantung pada jumlah tingkat dijelaskan. Telah ditemukan bahwa gaya puncak aktuator berkorelasi positif dengan tingkat skala pada grafik, sedangkan langkahnya berkorelasi negatif dengan tingkat skala. Arus dan tegangan awal pada setiap kawat tetap konstan di semua tingkat. (d) Tabel menunjukkan jumlah tap dan panjang kawat (serat) SMA pada setiap tingkat. Karakteristik kawat ditunjukkan oleh indeks 1, dan jumlah cabang sekunder (satu yang terhubung ke kaki utama) ditunjukkan oleh angka terbesar pada subskrip. Misalnya, pada level 5, \(n_1\) mengacu pada jumlah kawat SMA yang ada di setiap struktur bimodal, dan \(n_5\) mengacu pada jumlah kaki bantu (satu yang terhubung ke kaki utama).
Berbagai metode telah diusulkan oleh banyak peneliti untuk memodelkan perilaku SMA dengan memori bentuk, yang bergantung pada sifat termomekanik yang menyertai perubahan makroskopis dalam struktur kristal yang terkait dengan transisi fasa. Perumusan metode konstitutif pada dasarnya kompleks. Model fenomenologis yang paling umum digunakan diusulkan oleh Tanaka28 dan banyak digunakan dalam aplikasi teknik. Model fenomenologis yang diusulkan oleh Tanaka [28] mengasumsikan bahwa fraksi volume martensit merupakan fungsi eksponensial dari suhu dan tegangan. Kemudian, Liang dan Rogers29 dan Brinson30 mengusulkan model di mana dinamika transisi fasa diasumsikan sebagai fungsi kosinus dari tegangan dan suhu, dengan sedikit modifikasi pada model tersebut. Becker dan Brinson mengusulkan model kinetik berbasis diagram fasa untuk memodelkan perilaku material SMA di bawah kondisi pembebanan sembarang serta transisi parsial. Banerjee32 menggunakan metode dinamika diagram fasa Becker dan Brinson31 untuk mensimulasikan manipulator satu derajat kebebasan yang dikembangkan oleh Elahinia dan Ahmadian33. Metode kinetik berdasarkan diagram fase, yang memperhitungkan perubahan tegangan non-monotonik terhadap suhu, sulit diimplementasikan dalam aplikasi teknik. Elakhinia dan Ahmadian menyoroti kekurangan model fenomenologis yang ada dan mengusulkan model fenomenologis yang diperluas untuk menganalisis dan mendefinisikan perilaku memori bentuk dalam kondisi pembebanan kompleks apa pun.
Model struktural kawat SMA memberikan tegangan (\(\sigma\)), regangan (\(\epsilon\)), suhu (T), dan fraksi volume martensit (\(\xi\)) dari kawat SMA. Model konstitutif fenomenologis pertama kali diusulkan oleh Tanaka28 dan kemudian diadopsi oleh Liang29 dan Brinson30. Turunan dari persamaan tersebut memiliki bentuk:
di mana E adalah modulus Young SMA yang bergantung pada fasa yang diperoleh menggunakan \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) dan \(E_A\) dan \(E_M\) yang mewakili modulus Young masing-masing adalah fasa austenitik dan martensitik, dan koefisien ekspansi termal diwakili oleh \(\theta _T\). Faktor kontribusi transisi fasa adalah \(\Omega = -E \epsilon _L\) dan \(\epsilon _L\) adalah regangan maksimum yang dapat dipulihkan dalam kawat SMA.
Persamaan dinamika fasa bertepatan dengan fungsi kosinus yang dikembangkan oleh Liang29 dan kemudian diadopsi oleh Brinson30, bukan fungsi eksponensial yang diusulkan oleh Tanaka28. Model transisi fasa merupakan perluasan dari model yang diusulkan oleh Elakhinia dan Ahmadian34 dan dimodifikasi berdasarkan kondisi transisi fasa yang diberikan oleh Liang29 dan Brinson30. Kondisi yang digunakan untuk model transisi fasa ini berlaku di bawah beban termomekanik yang kompleks. Pada setiap saat, nilai fraksi volume martensit dihitung ketika memodelkan persamaan konstitutif.
Persamaan transformasi ulang yang mengatur, yang dinyatakan oleh transformasi martensit menjadi austenit dalam kondisi pemanasan, adalah sebagai berikut:
di mana \(\xi\) adalah fraksi volume martensit, \(\xi _M\) adalah fraksi volume martensit yang diperoleh sebelum pemanasan, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) dan \(C_A\) – parameter aproksimasi kurva, T – suhu kawat SMA, \(A_s\) dan \(A_f\) – suhu awal dan akhir fase austenit.
Persamaan kontrol transformasi langsung, yang diwakili oleh transformasi fasa austenit menjadi martensit dalam kondisi pendinginan, adalah:
dengan \(\xi _A\) adalah fraksi volume martensit yang diperoleh sebelum pendinginan, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) dan \ ( C_M \) – parameter penyesuaian kurva, T – suhu kawat SMA, \(M_s\) dan \(M_f\) – suhu martensit awal dan akhir, masing-masing.
Setelah persamaan (3) dan (4) didiferensiasi, persamaan transformasi invers dan langsung disederhanakan menjadi bentuk berikut:
Selama transformasi maju dan mundur, \(\eta _{\sigma}\) dan \(\eta _{T}\) mengambil nilai yang berbeda. Persamaan dasar yang terkait dengan \(\eta _{\sigma}\) dan \(\eta _{T}\) telah diturunkan dan dibahas secara rinci di bagian tambahan.
Energi termal yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu kawat SMA berasal dari efek pemanasan Joule. Energi termal yang diserap atau dilepaskan oleh kawat SMA diwakili oleh panas laten transformasi. Kehilangan panas pada kawat SMA disebabkan oleh konveksi paksa, dan dengan mempertimbangkan efek radiasi yang dapat diabaikan, persamaan keseimbangan energi panas adalah sebagai berikut:
Di mana \(m_{wire}\) adalah massa total kawat SMA, \(c_{p}\) adalah kapasitas panas spesifik SMA, \(V_{in}\) adalah tegangan yang diterapkan pada kawat, \(R_{ohm} \ ) – resistansi SMA yang bergantung pada fasa, didefinisikan sebagai; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) di mana \(r_M\ ) dan \(r_A\) adalah resistivitas fasa SMA dalam martensit dan austenit, masing-masing, \(A_{c}\) adalah luas permukaan kawat SMA, \(\Delta H \) adalah panas laten transisi paduan memori bentuk, T dan \(T_{\infty}\) adalah suhu kawat SMA dan lingkungan, masing-masing.
Ketika kawat paduan memori bentuk diaktifkan, kawat tersebut terkompresi, menciptakan gaya di setiap cabang desain bimodal yang disebut gaya serat. Gaya serat di setiap untaian kawat SMA bersama-sama menciptakan gaya otot untuk mengaktifkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9e. Karena adanya pegas penekan, gaya otot total dari aktuator multilayer ke-N adalah:
Dengan mensubstitusikan \(N = 1\) ke dalam persamaan (7), kekuatan otot prototipe penggerak bimodal tahap pertama dapat diperoleh sebagai berikut:
di mana n adalah jumlah kaki unimodal, \(F_m\) adalah gaya otot yang dihasilkan oleh penggerak, \(F_f\) adalah kekuatan serat pada kawat SMA, \(K_x\) adalah kekakuan pegas penahan, \(\alpha\) adalah sudut segitiga, \(x_0\) adalah offset awal pegas penahan untuk menahan kabel SMA pada posisi pra-tegangan, dan \(\Delta x\) adalah pergerakan aktuator.
Perpindahan atau pergerakan total penggerak (\(\Delta x\)) bergantung pada tegangan (\(\sigma\)) dan regangan (\(\epsilon\)) pada kawat SMA tahap ke-N, penggerak diatur ke (lihat Gambar bagian tambahan dari keluaran):
Persamaan kinematik memberikan hubungan antara deformasi penggerak (\(\epsilon\)) dan perpindahan atau pergeseran (\(\Delta x\)). Deformasi kawat Arb sebagai fungsi dari panjang kawat Arb awal (\(l_0\)) dan panjang kawat (l) pada waktu t dalam satu cabang unimodal adalah sebagai berikut:
di mana \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) diperoleh dengan menerapkan rumus kosinus pada \(\Delta\)ABB ', seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Untuk penggerak tahap pertama (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) adalah \(\Delta x\), dan \(\alpha _1\) adalah \(\alpha \) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, dengan mendiferensiasikan waktu dari Persamaan (11) dan mensubstitusikan nilai l, laju regangan dapat ditulis sebagai:
di mana \(l_0\) adalah panjang awal kawat SMA, l adalah panjang kawat pada waktu t di satu cabang unimodal, \(\epsilon\) adalah deformasi yang terjadi pada kawat SMA, dan \(\alpha \) adalah sudut segitiga, \(\Delta x\) adalah offset penggerak (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8).
Semua n struktur puncak tunggal (\(n=6\) pada gambar ini) dihubungkan secara seri dengan \(V_{in}\) sebagai tegangan masukan. Tahap I: Diagram skematik kawat SMA dalam konfigurasi bimodal pada kondisi tegangan nol. Tahap II: Struktur terkontrol ditunjukkan di mana kawat SMA dikompresi karena konversi terbalik, seperti yang ditunjukkan oleh garis merah.
Sebagai bukti konsep, penggerak bimodal berbasis SMA dikembangkan untuk menguji derivasi simulasi persamaan yang mendasarinya dengan hasil eksperimental. Model CAD dari aktuator linier bimodal ditunjukkan pada Gambar 9a. Di sisi lain, Gambar 9c menunjukkan desain baru yang diusulkan untuk koneksi prismatik rotasional menggunakan aktuator berbasis SMA dua bidang dengan struktur bimodal. Komponen penggerak dibuat menggunakan manufaktur aditif pada printer 3D Ultimaker 3 Extended. Material yang digunakan untuk pencetakan 3D komponen adalah polikarbonat yang cocok untuk material tahan panas karena kuat, tahan lama, dan memiliki suhu transisi kaca yang tinggi (110-113 °C). Selain itu, kawat paduan memori bentuk Flexinol dari Dynalloy, Inc. digunakan dalam percobaan, dan sifat material yang sesuai dengan kawat Flexinol digunakan dalam simulasi. Beberapa kawat SMA disusun sebagai serat yang terdapat dalam susunan bimodal otot untuk mendapatkan gaya tinggi yang dihasilkan oleh aktuator multilapisan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9b, d.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9a, sudut lancip yang dibentuk oleh kawat SMA lengan bergerak disebut sudut (\(\alpha\)). Dengan penjepit terminal yang terpasang pada penjepit kiri dan kanan, kawat SMA ditahan pada sudut bimodal yang diinginkan. Perangkat pegas bias yang terpasang pada konektor pegas dirancang untuk menyesuaikan kelompok ekstensi pegas bias yang berbeda sesuai dengan jumlah (n) serat SMA. Selain itu, lokasi bagian yang bergerak dirancang sedemikian rupa sehingga kawat SMA terpapar lingkungan eksternal untuk pendinginan konveksi paksa. Pelat atas dan bawah dari rakitan yang dapat dilepas membantu menjaga kawat SMA tetap dingin dengan potongan ekstrusi yang dirancang untuk mengurangi berat. Selain itu, kedua ujung kawat CMA dipasang ke terminal kiri dan kanan, masing-masing, dengan menggunakan penjepit. Sebuah pendorong terpasang pada salah satu ujung rakitan yang dapat bergerak untuk menjaga jarak antara pelat atas dan bawah. Pendorong juga digunakan untuk menerapkan gaya penahan pada sensor melalui kontak untuk mengukur gaya penahan ketika kawat SMA digerakkan.
Struktur otot bimodal SMA terhubung secara seri dan diberi daya oleh tegangan pulsa masukan. Selama siklus pulsa tegangan, ketika tegangan diterapkan dan kawat SMA dipanaskan di atas suhu awal austenit, panjang kawat di setiap untai memendek. Penarikan ini mengaktifkan sub-rakitan lengan yang dapat bergerak. Ketika tegangan dinolkan dalam siklus yang sama, kawat SMA yang dipanaskan didinginkan di bawah suhu permukaan martensit, sehingga kembali ke posisi semula. Dalam kondisi tanpa tegangan, kawat SMA pertama-tama diregangkan secara pasif oleh pegas penahan untuk mencapai keadaan martensit yang telah dihilangkan kembarannya. Sekrup, tempat kawat SMA melewatinya, bergerak karena kompresi yang dihasilkan oleh penerapan pulsa tegangan pada kawat SMA (SPA mencapai fase austenit), yang menyebabkan penggerakan tuas yang dapat bergerak. Ketika kawat SMA ditarik, pegas penahan menciptakan gaya lawan dengan meregangkan pegas lebih lanjut. Ketika tegangan impuls menjadi nol, kawat SMA memanjang dan berubah bentuk karena pendinginan konveksi paksa, mencapai fase martensit ganda.
Sistem aktuator linier berbasis SMA yang diusulkan memiliki konfigurasi bimodal di mana kawat SMA diatur miring. (a) menggambarkan model CAD dari prototipe, yang menyebutkan beberapa komponen dan artinya untuk prototipe, (b, d) mewakili prototipe eksperimental yang dikembangkan35. Sementara (b) menunjukkan tampilan atas prototipe dengan koneksi listrik dan pegas bias serta pengukur regangan yang digunakan, (d) menunjukkan tampilan perspektif dari pengaturan tersebut. (e) Diagram sistem aktuasi linier dengan kawat SMA yang ditempatkan secara bimodal pada waktu t tertentu, menunjukkan arah dan jalur serat dan kekuatan otot. (c) Koneksi prisma rotasional 2-DOF telah diusulkan untuk menerapkan aktuator berbasis SMA dua bidang. Seperti yang ditunjukkan, tautan tersebut mentransmisikan gerakan linier dari penggerak bawah ke lengan atas, menciptakan koneksi rotasional. Di sisi lain, pergerakan pasangan prisma sama dengan pergerakan penggerak tahap pertama multilayer.
Sebuah studi eksperimental dilakukan pada prototipe yang ditunjukkan pada Gambar 9b untuk mengevaluasi kinerja penggerak bimodal berbasis SMA. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10a, pengaturan eksperimental terdiri dari catu daya DC yang dapat diprogram untuk memasok tegangan input ke kawat SMA. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10b, pengukur regangan piezoelektrik (PACEline CFT/5kN) digunakan untuk mengukur gaya penahan menggunakan pencatat data Graphtec GL-2000. Data direkam oleh host untuk studi lebih lanjut. Pengukur regangan dan penguat muatan memerlukan catu daya konstan untuk menghasilkan sinyal tegangan. Sinyal yang sesuai dikonversi menjadi keluaran daya sesuai dengan sensitivitas sensor gaya piezoelektrik dan parameter lain seperti yang dijelaskan dalam Tabel 2. Ketika pulsa tegangan diterapkan, suhu kawat SMA meningkat, menyebabkan kawat SMA terkompresi, yang menyebabkan aktuator menghasilkan gaya. Hasil eksperimen keluaran kekuatan otot oleh pulsa tegangan input 7 V ditunjukkan pada Gambar 2a.
(a) Sistem aktuator linier berbasis SMA dipasang dalam percobaan untuk mengukur gaya yang dihasilkan oleh aktuator. Sel beban mengukur gaya penahan dan ditenagai oleh catu daya DC 24 V. Penurunan tegangan 7 V diterapkan di sepanjang seluruh panjang kabel menggunakan catu daya DC terprogram GW Instek. Kawat SMA menyusut karena panas, dan lengan yang dapat bergerak bersentuhan dengan sel beban dan memberikan gaya penahan. Sel beban terhubung ke pencatat data GL-2000 dan data disimpan di host untuk diproses lebih lanjut. (b) Diagram yang menunjukkan rangkaian komponen dari pengaturan eksperimental untuk mengukur kekuatan otot.
Paduan memori bentuk (shape memory alloys/SMA) diaktifkan oleh energi termal, sehingga suhu menjadi parameter penting untuk mempelajari fenomena memori bentuk. Secara eksperimental, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11a, pencitraan termal dan pengukuran suhu dilakukan pada prototipe aktuator divalerat berbasis SMA. Sumber DC yang dapat diprogram memberikan tegangan masukan ke kawat SMA dalam pengaturan eksperimental, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11b. Perubahan suhu kawat SMA diukur secara real-time menggunakan kamera LWIR resolusi tinggi (FLIR A655sc). Host menggunakan perangkat lunak ResearchIR untuk merekam data untuk pemrosesan lebih lanjut. Ketika pulsa tegangan diterapkan, suhu kawat SMA meningkat, menyebabkan kawat SMA menyusut. Pada Gambar 2b menunjukkan hasil eksperimen suhu kawat SMA terhadap waktu untuk pulsa tegangan masukan 7V.