תודה שביקרתם באתר Nature.com. גרסת הדפדפן בה אתם משתמשים כוללת תמיכה מוגבלת ב-CSS. לחוויית המשתמש הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נציג את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
מפעילים נמצאים בשימוש בכל מקום ויוצרים תנועה מבוקרת על ידי הפעלת כוח העירור או מומנט המתאימים לביצוע פעולות שונות בייצור ובאוטומציה תעשייתית. הצורך במנועים מהירים, קטנים ויעילים יותר מניע חדשנות בתכנון הנעה. הנעה מסגסוגת זיכרון צורה (SMA) מציעה מספר יתרונות על פני הנעה קונבנציונלית, כולל יחס הספק-משקל גבוה. בעבודת גמר זו פותח מפעיל מבוסס SMA בעל שני נוצות המשלב את היתרונות של השרירים הנוציים של מערכות ביולוגיות ואת התכונות הייחודיות של SMA. מחקר זה בוחן ומרחיב מפעילי SMA קודמים על ידי פיתוח מודל מתמטי של המפעיל החדש המבוסס על סידור חוטי SMA דו-מודאלי ובדיקתו בניסוי. בהשוואה להנעה ידועה המבוססת על SMA, כוח ההפעלה של ההנעה החדשה גבוה לפחות פי 5 (עד 150 ניוטון). אובדן המשקל המתאים הוא כ-67%. תוצאות ניתוח הרגישות של מודלים מתמטיים שימושיות לכוונון פרמטרי תכנון ולהבנת פרמטרים מרכזיים. מחקר זה מציג בנוסף הנעה רב-מפלסית בשלב N שניתן להשתמש בה כדי לשפר עוד יותר את הדינמיקה. למפעילי שרירים דיפלרטיים מבוססי SMA מגוון רחב של יישומים, החל מאוטומציה של מבנים ועד מערכות מדויקות להובלת תרופות.
מערכות ביולוגיות, כמו מבני השרירים של יונקים, יכולות להפעיל גורמים עדינים רבים1. ליונקים יש מבני שרירים שונים, שכל אחד מהם משרת מטרה ספציפית. עם זאת, ניתן לחלק חלק ניכר ממבנה רקמת השריר של יונקים לשתי קטגוריות רחבות. מקביל ומנוע. בשרירי הירך האחורית ובשרירי כופף אחרים, כפי שהשם מרמז, לשרירים המקבילים יש סיבי שריר מקבילים לגיד המרכזי. שרשרת סיבי השריר מסודרת ומחוברת פונקציונלית על ידי רקמת החיבור סביבם. למרות שלשרירים אלה נאמר שיש להם סטייה גדולה (התקצרות באחוזים), כוח השריר הכולל שלהם מוגבל מאוד. לעומת זאת, בשריר השוק התלת ראשי2 (גסטרוקנמיוס הצידי (GL)3, גסטרוקנמיוס המדיאלי (GM)4 ושריר הסוליה (SOL)) ובשריר הירך המיושר (ארבע ראשי)5,6 רקמת שריר מנועצת נמצאת בכל שריר7. במבנה מנוץ, סיבי השריר בשרירים הדו-מנועיים נמצאים משני צידי הגיד המרכזי בזוויות אלכסוניות (זוויות מנוצות). מקור המילה pennate במילה הלטינית "penna", שפירושה "עט", וכפי שמוצג באיור 1, הוא נראה דמוי נוצה. סיבי השרירים pennate קצרים יותר ובזווית לציר האורכי של השריר. בשל המבנה המנוץ, הניידות הכוללת של שרירים אלה מצטמצמת, מה שמוביל למרכיבים הרוחביים והאורכיים של תהליך ההתקצרות. מצד שני, הפעלת שרירים אלה מובילה לכוח שרירים כללי גבוה יותר בשל אופן מדידת שטח החתך הפיזיולוגי. לכן, עבור שטח חתך נתון, שרירי pennate יהיו חזקים יותר ויפיקו כוחות גבוהים יותר מאשר שרירים עם סיבים מקבילים. כוחות הנוצרים על ידי סיבים בודדים מייצרים כוחות שריר ברמה מקרוסקופית ברקמת השריר. בנוסף, יש לו תכונות ייחודיות כמו הצטמקות מהירה, הגנה מפני נזקי מתיחה וריכוך. הוא משנה את הקשר בין קלט הסיבים לפלט כוח השריר על ידי ניצול התכונות הייחודיות והמורכבות הגיאומטרית של סידור הסיבים הקשורים לקווי הפעולה של השרירים.
מוצגות דיאגרמות סכמטיות של עיצובים קיימים מבוססי מפעילים מבוססי SMA ביחס לארכיטקטורה שרירית דו-מודאלית, לדוגמה (א), המייצגות את האינטראקציה של כוח מישוש שבו מכשיר בצורת יד המופעל על ידי חוטי SMA מורכב על רובוט נייד אוטונומי בעל שני גלגלים9,10, (ב) תותבת מסלולית רובוטית עם תותבת מסלולית טעונה בקפיץ של SMA הממוקמת באופן אנטגוניסטי. מיקום העין התותבת נשלט על ידי אות משריר העין של העין11, (ג) מפעילי SMA אידיאליים ליישומים תת-ימיים בשל תגובת התדר הגבוהה שלהם ורוחב הפס הנמוך. בתצורה זו, מפעילי SMA משמשים ליצירת תנועת גלים על ידי סימולציית תנועת דגים, (ד) מפעילי SMA משמשים ליצירת רובוט לבדיקת צינורות מיקרו שיכול להשתמש בעקרון תנועת תולעת אינץ', הנשלט על ידי תנועת חוטי SMA בתוך ערוץ 10, (ה) מראה את כיוון התכווצות סיבי השריר ויצירת כוח התכווצות ברקמת הגסטרוקנמיוס, (ו) מראה חוטי SMA המסודרים בצורת סיבי שריר במבנה שריר הפנינה.
מפעילים הפכו לחלק חשוב במערכות מכניות בשל מגוון רחב של יישומים. לכן, הצורך במנועים קטנים, מהירים ויעילים יותר הופך קריטי. למרות יתרונותיהם, מנועים מסורתיים הוכחו כיקרים וגוזלי זמן לתחזוקה. מפעילים הידראוליים ופנאומטיים הם מורכבים ויקרים וחשופים לבלאי, בעיות שימון וכשל רכיבים. בתגובה לביקוש, המוקד הוא על פיתוח מפעילים חסכוניים, אופטימליים לגודל ומתקדמים המבוססים על חומרים חכמים. מחקר מתמשך בוחן מפעילים שכבתיים מסגסוגת זיכרון צורה (SMA) כדי לענות על צורך זה. מפעילים היררכיים ייחודיים בכך שהם משלבים מפעילים נפרדים רבים לתת-מערכות מאקרו מורכבות מבחינה גיאומטרית כדי לספק פונקציונליות מוגברת ומורחבת. בהקשר זה, רקמת השריר האנושי שתוארה לעיל מספקת דוגמה רב-שכבתית מצוינת להפעלה רב-שכבתית כזו. המחקר הנוכחי מתאר מנוע SMA רב-שכבתי עם מספר אלמנטי הנעה בודדים (חוטי SMA) המיושרים לכיווני הסיבים הקיימים בשרירים בימודאליים, מה שמשפר את ביצועי ההנעה הכוללים.
המטרה העיקרית של מפעיל היא לייצר פלט כוח מכני כגון כוח ותזוזה על ידי המרת אנרגיה חשמלית. סגסוגות זיכרון צורה הן סוג של חומרים "חכמים" שיכולים לשחזר את צורתם בטמפרטורות גבוהות. תחת עומסים גבוהים, עלייה בטמפרטורת חוט ה-SMA מובילה לשחזור צורה, וכתוצאה מכך צפיפות אנרגיית הפעלה גבוהה יותר בהשוואה לחומרים חכמים שונים הקשורים ישירות. יחד עם זאת, תחת עומסים מכניים, SMA הופכים שבירים. בתנאים מסוימים, עומס מחזורי יכול לספוג ולשחרר אנרגיה מכנית, ולהפגין שינויי צורה היסטרטיים הפיכים. תכונות ייחודיות אלו הופכות את ה-SMA לאידיאלי עבור חיישנים, ריסון רעידות ובמיוחד מפעילים12. בהתחשב בכך, נערכו מחקרים רבים על מנועים מבוססי SMA. יש לציין כי מפעילים מבוססי SMA נועדו לספק תנועה טרנסלציונית וסיבובית עבור מגוון יישומים13,14,15. למרות שפותחו כמה מפעילים סיבוביים, חוקרים מתעניינים במיוחד במפעילים ליניאריים. ניתן לחלק מפעילים ליניאריים אלה לשלושה סוגים של מפעילים: מפעילים חד-ממדיים, תזוזה ודיפרנציאליים16. בתחילה, נוצרו מנועים היברידיים בשילוב עם SMA ומנועים קונבנציונליים אחרים. דוגמה אחת למפעיל ליניארי היברידי מבוסס SMA היא השימוש בחוט SMA עם מנוע DC כדי לספק כוח פלט של כ-100 ניוטון ותזוזה משמעותית.
אחת ההתפתחויות הראשונות בהנעות המבוססות לחלוטין על SMA הייתה הנעה מקבילית של SMA. באמצעות חוטי SMA מרובים, ההנעה המקבילה מבוססת SMA נועדה להגדיל את יכולת ההספק של ההנעה על ידי הצבת כל חוטי SMA18 במקביל. חיבור מקבילי של מפעילים לא רק דורש יותר כוח, אלא גם מגביל את הספק המוצא של חוט בודד. חיסרון נוסף של מפעילים מבוססי SMA הוא המהלך המוגבל שהם יכולים להשיג. כדי לפתור בעיה זו, נוצרה קורת כבל SMA המכילה קורה גמישה מוסבת כדי להגדיל את התזוזה ולהשיג תנועה ליניארית, אך לא יצרה כוחות גבוהים יותר19. מבנים ובדים רכים ועיוותים עבור רובוטים המבוססים על סגסוגות זיכרון צורה פותחו בעיקר להגברת פגיעה20,21,22. עבור יישומים בהם נדרשות מהירויות גבוהות, דווח על משאבות מונעות קומפקטיות המשתמשות ב-SMAs סרט דק עבור יישומים מונעי מיקרו-משאבות23. תדר ההנעה של קרום SMA הסרט הדק הוא גורם מפתח בשליטה על מהירות ההנעה. לכן, למנועים ליניאריים של SMA יש תגובה דינמית טובה יותר ממנועי קפיץ או מוט של SMA. רובוטיקה רכה וטכנולוגיית אחיזה הן שני יישומים נוספים המשתמשים במפעילים מבוססי SMA. לדוגמה, כדי להחליף את המפעיל הסטנדרטי המשמש במהדק החלל של 25 ניוטון, פותח מפעיל מקבילי 24 מסגסוגת זיכרון צורה. במקרה אחר, יוצר מפעיל רך SMA המבוסס על חוט עם מטריצה ​​​​משובצת המסוגלת לייצר כוח משיכה מרבי של 30 ניוטון. בשל תכונותיהם המכניות, SMAs משמשים גם לייצור מפעילים המחקים תופעות ביולוגיות. פיתוח אחד כזה כולל רובוט בן 12 תאים שהוא ביומימטיקה של אורגניזם דמוי תולעת אדמה עם SMA כדי לייצר תנועה סינוסואידלית לירי 26,27.
כפי שצוין קודם לכן, ישנה מגבלה על הכוח המקסימלי שניתן להשיג ממפעילים קיימים מבוססי SMA. כדי לטפל בבעיה זו, מחקר זה מציג מבנה שריר בימודאלי ביומימטי. מונע על ידי חוט מסגסוגת זיכרון צורה. הוא מספק מערכת סיווג הכוללת מספר חוטי סגסוגת זיכרון צורה. עד כה, לא דווח בספרות על מפעילים מבוססי SMA בעלי ארכיטקטורה דומה. מערכת ייחודית וחדשנית זו המבוססת על SMA פותחה כדי לחקור את התנהגות ה-SMA במהלך יישור שרירים בימודאלי. בהשוואה למפעילים קיימים מבוססי SMA, מטרת מחקר זה הייתה ליצור מפעיל דיפלרט ביומימטי כדי לייצר כוחות גבוהים משמעותית בנפח קטן. בהשוואה למניעים קונבנציונליים מונעי מנוע צעד המשמשים במערכות אוטומציה ובקרה של בנייני HVAC, עיצוב ההינע הבימודאלי המוצע מבוסס SMA מפחית את משקל מנגנון ההינע ב-67%. בהמשך, המונחים "שריר" ו"הינע" משמשים לסירוגין. מחקר זה בוחן את הסימולציה הרב-פיזיקלית של הינע כזה. ההתנהגות המכנית של מערכות כאלה נחקרה בשיטות ניסיוניות ואנליטיות. התפלגויות כוח וטמפרטורה נחקרו עוד יותר במתח כניסה של 7 וולט. לאחר מכן, בוצע ניתוח פרמטרי כדי להבין טוב יותר את הקשר בין פרמטרים מרכזיים לכוח הפלט. לבסוף, תוכננו מפעילים היררכיים והוצעו אפקטים ברמה היררכית כתחום פוטנציאלי עתידי עבור מפעילים לא מגנטיים עבור יישומים תותבים. על פי תוצאות המחקרים הנ"ל, השימוש בארכיטקטורה חד-שלבית מייצר כוחות הגבוהים לפחות פי ארבעה עד חמישה ממפעילים מבוססי SMA שדווחו. בנוסף, אותו כוח הנעה שנוצר על ידי הנעה רב-מפלסית רב-מפלסית הוכח כיותר מפי עשרה מזה של הנעות קונבנציונליות מבוססות SMA. לאחר מכן, המחקר מדווח על פרמטרים מרכזיים באמצעות ניתוח רגישות בין עיצובים שונים ומשתני קלט. האורך ההתחלתי של חוט ה-SMA (\(l_0\)), זווית המצמד (\(\alpha\)) ומספר הגדילים הבודדים (n) בכל גדיל בודד משפיעים לרעה חזקה על גודל כוח ההנעה, בעוד שמתח הכניסה (אנרגיה) התגלה כמתואם חיובי.
חוט SMA מציג את אפקט זיכרון הצורה (SME) הנראה במשפחת סגסוגות ניקל-טיטניום (Ni-Ti). בדרך כלל, SMA מציגים שני שלבים תלויי טמפרטורה: שלב בטמפרטורה נמוכה ושלב בטמפרטורה גבוהה. לשני הפאזות תכונות ייחודיות עקב נוכחותם של מבני גביש שונים. בשלב האוסטניט (שלב בטמפרטורה גבוהה) הקיים מעל טמפרטורת הטרנספורמציה, החומר מציג חוזק גבוה ומתעוות בצורה גרועה תחת עומס. הסגסוגת מתנהגת כמו פלדת אל-חלד, ולכן היא מסוגלת לעמוד בלחצי הפעלה גבוהים יותר. תוך ניצול תכונה זו של סגסוגות Ni-Ti, חוטי ה-SMA משופעים ליצירת מפעיל. מודלים אנליטיים מתאימים פותחו כדי להבין את המכניקה הבסיסית של ההתנהגות התרמית של SMA תחת השפעת פרמטרים שונים וגיאומטריות שונות. הושגה התאמה טובה בין התוצאות הניסוייות והאנליטיות.
מחקר ניסיוני נערך על האב טיפוס המוצג באיור 9א' כדי להעריך את ביצועי הנעה דו-מודאלית המבוססת על SMA. שתיים מהתכונות הללו, הכוח שנוצר על ידי ההנעה (כוח שריר) וטמפרטורת חוט ה-SMA (טמפרטורת SMA), נמדדו באופן ניסיוני. ככל שהפרש המתח עולה לאורך כל החוט בהנעה, טמפרטורת החוט עולה עקב אפקט החימום של ג'אול. מתח הקלט הוחל בשני מחזורים של 10 שניות (מוצגים כנקודות אדומות באיור 2א', ב') עם תקופת קירור של 15 שניות בין כל מחזור. כוח החסימה נמדד באמצעות מד מאמץ פיזואלקטרי, ופיזור הטמפרטורה של חוט ה-SMA נוטר בזמן אמת באמצעות מצלמת LWIR ברזולוציה גבוהה ברמה מדעית (ראה את מאפייני הציוד המשמש בטבלה 2). נתון זה מראה שבמהלך שלב המתח הגבוה, טמפרטורת החוט עולה באופן מונוטוני, אך כאשר אין זרם, טמפרטורת החוט ממשיכה לרדת. במערך הניסויי הנוכחי, הטמפרטורה של חוט ה-SMA ירדה במהלך שלב הקירור, אך היא עדיין הייתה מעל לטמפרטורת הסביבה. איור 2e מציג תמונה של הטמפרטורה על חוט ה-SMA שנלקחה ממצלמת LWIR. מצד שני, איור 2a מציג את כוח החסימה שנוצר על ידי מערכת ההנעה. כאשר כוח השריר עולה על כוח ההחזרה של הקפיץ, הזרוע הנעה, כפי שמוצג באיור 9a, מתחילה לנוע. ברגע שההפעלה מתחילה, הזרוע הנעה באה במגע עם החיישן, ויוצרת כוח גוף, כפי שמוצג באיור 2c, d. כאשר הטמפרטורה המקסימלית קרובה ל-\(84\,^{\circ}\hbox {C}\), הכוח המקסימלי שנצפה הוא 105 ניוטון.
הגרף מציג את תוצאות הניסוי של טמפרטורת חוט ה-SMA והכוח שנוצר על ידי המפעיל הבימודלי מבוסס SMA במהלך שני מחזורים. מתח הקלט מופעל בשני מחזורים של 10 שניות (מוצגים כנקודות אדומות) עם תקופת קירור של 15 שניות בין כל מחזור. חוט ה-SMA ששימש לניסויים היה חוט Flexinol בקוטר 0.51 מ"מ מתוצרת Dynalloy, Inc. (א) הגרף מציג את הכוח הניסויי שהתקבל במהלך שני מחזורים, (ג, ד) מציג שתי דוגמאות בלתי תלויות של פעולת מפעילי זרועות נעות על מתמר כוח פיזואלקטרי PACEline CFT/5kN, (ב) הגרף מציג את הטמפרטורה המקסימלית של חוט ה-SMA כולו במהלך שני מחזורים, (ה) מציג תמונת מצב של הטמפרטורה שנלקחה מחוט ה-SMA באמצעות מצלמת LWIR של תוכנת FLIR ResearchIR. הפרמטרים הגיאומטריים שנלקחו בחשבון בניסויים ניתנים בטבלה אחת.
תוצאות הסימולציה של המודל המתמטי ותוצאות הניסוי מושוות בתנאי מתח כניסה של 7 וולט, כפי שמוצג באיור 5. בהתאם לתוצאות הניתוח הפרמטרי ועל מנת למנוע אפשרות של התחממות יתר של חוט ה-SMA, סופק למפעיל הספק של 11.2 וואט. ספק כוח DC הניתן לתכנות שימש לאספקת 7 וולט כמתח כניסה, ונמדד זרם של 1.6 אמפר על פני החוט. הכוח שנוצר על ידי ההינע וטמפרטורת ה-SDR עולים כאשר מופעל זרם. עם מתח כניסה של 7 וולט, כוח הפלט המרבי המתקבל מתוצאות הסימולציה ותוצאות הניסוי של המחזור הראשון הוא 78 ניוטון ו-96 ניוטון, בהתאמה. במחזור השני, כוח הפלט המרבי של תוצאות הסימולציה ותוצאות הניסוי היה 150 ניוטון ו-105 ניוטון, בהתאמה. הפער בין מדידות כוח הסגירה לנתונים הניסויים עשוי להיות תוצאה של השיטה ששימשה למדידת כוח הסגירה. תוצאות הניסוי המוצגות באיור... 5a מתאימות למדידת כוח הנעילה, אשר בתורו נמדד כאשר ציר ההינע היה במגע עם מתמר הכוח הפיאזואלקטרי PACEline CFT/5kN, כפי שמוצג באיור 2s. לכן, כאשר ציר ההינע אינו במגע עם חיישן הכוח בתחילת אזור הקירור, הכוח הופך מיד לאפס, כפי שמוצג באיור 2d. בנוסף, פרמטרים נוספים המשפיעים על היווצרות הכוח במחזורים הבאים הם ערכי זמן הקירור ומקדם העברת החום הקונבקטיבית במחזור הקודם. מאיור 2b ניתן לראות שלאחר תקופת קירור של 15 שניות, חוט ה-SMA לא הגיע לטמפרטורת החדר ולכן הייתה לו טמפרטורה התחלתית גבוהה יותר (40°C) במחזור ההינע השני בהשוואה למחזור הראשון (25°C). לפיכך, בהשוואה למחזור הראשון, הטמפרטורה של חוט ה-SMA במהלך מחזור החימום השני מגיעה לטמפרטורת האוסטניט ההתחלתית (\(A_s\)) מוקדם יותר ונשארת בתקופת המעבר זמן רב יותר, מה שמביא למאמץ וכוח. מצד שני, להתפלגויות הטמפרטורה במהלך מחזורי חימום וקירור שהתקבלו מניסויים וסימולציות יש דמיון איכותי גבוה לדוגמאות מניתוח תרמוגרפי. ניתוח השוואתי של נתונים תרמיים של חוט SMA מניסויים וסימולציות הראה עקביות במהלך מחזורי חימום וקירור ובתוך סבולות מקובלות לנתונים ניסויים. הטמפרטורה המקסימלית של חוט ה-SMA, שהתקבלה מתוצאות הסימולציה והניסויים של המחזור הראשון, היא \(89\,^{\circ }\hbox {{}\) ו- \(75\,^{\circ }\hbox {{ }\, בהתאמה), ובמחזור השני הטמפרטורה המקסימלית של חוט ה-SMA היא \(94\,^{\circ }\hbox {}\) ו- \(83\,^{\circ }\hbox {{}\). המודל שפותח באופן יסודי מאשר את השפעת אפקט זיכרון הצורה. תפקידם של עייפות והתחממות יתר לא נלקח בחשבון בסקירה זו. בעתיד, המודל ישופר כך שיכלול את היסטוריית המאמצים של חוט ה-SMA, מה שיהפוך אותו למתאים יותר ליישומים הנדסיים. גרפי כוח המוצא של ההינע וטמפרטורת ה-SMA שהתקבלו מבלוק Simulink נמצאים בטווח הסבולות המותר של נתוני הניסוי בתנאי פולס מתח קלט של 7 וולט. זה מאשר את נכונותו ואמינותו של המודל המתמטי שפותח.
המודל המתמטי פותח בסביבת MathWorks Simulink R2020b תוך שימוש במשוואות הבסיסיות המתוארות בסעיף השיטות. באיור 3ב' מוצגת תרשים בלוקים של מודל המתמטיקה של Simulink. המודל בוצע סימולציה עבור פולס מתח כניסה של 7V כפי שמוצג באיור 2א', 2ב'. ערכי הפרמטרים ששימשו בסימולציה מפורטים בטבלה 1. תוצאות הסימולציה של תהליכים חולפים מוצגות באיורים 1 ו-1. איורים 3א' ו-4. באיור 4א', 4ב' מוצג המתח המושרה בחוט SMA והכוח שנוצר על ידי המפעיל כפונקציה של זמן. במהלך טרנספורמציה הפוכה (חימום), כאשר טמפרטורת חוט ה-SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (טמפרטורת תחילת פאזה של אוסטניט שעבר שינוי מאמץ), קצב השינוי של שבר הנפח של מרטנזיט (\(\dot{\xi }\)) יהיה אפס. במהלך טרנספורמציה הפוכה (חימום), כאשר טמפרטורת חוט ה-SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (טמפרטורת תחילת פאזה של אוסטניט שעבר שינוי מאמץ), קצב השינוי של שבר הנפח של מרטנזיט (\(\dot{\xi }\)) יהיה אפס. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начай модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. במהלך הטרנספורמציה ההפוכה (חימום), כאשר הטמפרטורה של חוט ה-SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (טמפרטורת תחילת האוסטניט שעבר שינוי מאמץ), קצב השינוי של שבר הנפח של המרטנזיט (\(\dot{\xi }\)) יהיה אפס.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率}\(xi)\()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 зарождия поправкой на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. במהלך הטרנספורמציה ההפוכה (חימום) בטמפרטורת חוט ה-SMA \(T < A_s^{\prime}\) (טמפרטורת ההתגרענות של פאזת האוסטניט, מתוקנת למאמץ), קצב השינוי בחלק הנפחי של מרטנזיט (\( \dot{\xi }\)) יהיה שווה לאפס.לכן, קצב שינוי המאמץ (\(\dot{\sigma}\)) יהיה תלוי בקצב המאמץ (\(\dot{\epsilon}\)) ובגרדיאנט הטמפרטורה (\(\dot{T} \)) רק באמצעות משוואה (1). עם זאת, ככל שחוט ה-SMA עולה בטמפרטורה וחוצה את (\(A_s^{\prime}\)), פאזה האוסטניטית מתחילה להיווצר, ו-(\(\dot{\xi}\)) נלקח כערך הנתון של משוואה (3). לכן, קצב שינוי המתח (\(\dot{\sigma}\)) נשלט במשותף על ידי \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) ו-\(\dot{\xi}\) שווים לנתון בנוסחה (1). זה מסביר את שינויי הגרדיאנט שנצפו במפות המאמץ והכוח המשתנות בזמן במהלך מחזור החימום, כפי שמוצג באיור 4א', ב'.
(א) תוצאת סימולציה המציגה את התפלגות הטמפרטורה וטמפרטורת הצומת המושרה על ידי מאמץ במפעיל דיוולרטי מבוסס SMA. כאשר טמפרטורת החוט חוצה את טמפרטורת המעבר האוסטניט בשלב החימום, טמפרטורת המעבר האוסטניט המותאמת מתחילה לעלות, ובאופן דומה, כאשר טמפרטורת מוט התיל חוצה את טמפרטורת המעבר המרטנזיטי בשלב הקירור, טמפרטורת המעבר המרטנזיטי יורדת. SMA למידול אנליטי של תהליך ההפעלה. (לתצוגה מפורטת של כל תת-מערכת של מודל Simulink, עיין בנספח של הקובץ המשלים.)
תוצאות הניתוח עבור התפלגויות פרמטרים שונות מוצגות עבור שני מחזורים של מתח קלט 7V (מחזורי חימום של 10 שניות ומחזורי קירור של 15 שניות). בעוד ש-(ac) ו-(e) מתארים את ההתפלגות לאורך זמן, מצד שני, (d) ו-(f) ממחישים את ההתפלגות עם הטמפרטורה. עבור תנאי הקלט המתאימים, המאמץ המקסימלי שנצפה הוא 106 MPa (פחות מ-345 MPa, חוזק כניעה של חוט), הכוח הוא 150 N, התזוזה המקסימלית היא 270 מיקרומטר, ושבר הנפח המרטנזיטי המינימלי הוא 0.91. מצד שני, השינוי במאמץ והשינוי בשבר הנפח של מרטנזיט עם הטמפרטורה דומים למאפייני היסטרזיס.
אותו הסבר חל על הטרנספורמציה הישירה (קירור) מפאזה אוסטניט לפאזה מרטנזיט, כאשר טמפרטורת חוט ה-SMA (T) וטמפרטורת הקצה של פאזת המרטנזיט שעברה שינוי מאמץ (\(M_f^{\prime}\ )) מצוינות. באיור 4ד, f מציג את השינוי במאמץ המושרה (\(\sigma\)) ובחלק הנפחי של מרטנזיט (\(\xi\)) בחוט ה-SMA כפונקציה של השינוי בטמפרטורת חוט ה-SMA (T), עבור שני מחזורי ההנעה. באיור 3א מציג את השינוי בטמפרטורת חוט ה-SMA עם הזמן בהתאם לפולס מתח הקלט. כפי שניתן לראות באיור, טמפרטורת החוט ממשיכה לעלות על ידי אספקת מקור חום במתח אפס וקירור קונבקטיבי לאחר מכן. במהלך החימום, הטרנספורמציה מחדש של מרטנזיט לפאזה אוסטניט מתחילה כאשר טמפרטורת חוט ה-SMA (T) חוצה את טמפרטורת הגרעין של האוסטניט המתוקנת למאמץ (\(A_s^{\prime}\)). במהלך שלב זה, חוט ה-SMA נדחס והמפעיל מייצר כוח. כמו כן, במהלך הקירור, כאשר טמפרטורת חוט ה-SMA (T) חוצה את טמפרטורת הגרעין של פאזת המרטנזיט שעברה שינוי מאמץ (\(M_s^{\prime}\)), יש מעבר חיובי מפאזה האוסטניט לפאזה המרטנזיט. כוח ההנעה פוחת.
ניתן לקבל את ההיבטים האיכותיים העיקריים של ההינע הבימודלי המבוסס על SMA מתוצאות הסימולציה. במקרה של קלט פולס מתח, הטמפרטורה של חוט ה-SMA עולה עקב אפקט החימום של ג'אול. הערך ההתחלתי של שבר הנפח של המרטנזיט (\(\xi\)) מוגדר ל-1, מכיוון שהחומר נמצא בתחילה בשלב מרטנזיטי מלא. ככל שהחוט ממשיך להתחמם, הטמפרטורה של חוט ה-SMA עולה על טמפרטורת התגרענות האוסטניט המתוקנת למאמץ \(A_s^{\prime}\), וכתוצאה מכך לירידה בשבר הנפח של המרטנזיט, כפי שמוצג באיור 4c. בנוסף, באיור 4e מוצגת התפלגות מהלכי המפעיל בזמן, ובאיור 5 - כוח מניע כפונקציה של זמן. מערכת משוואות קשורה כוללת טמפרטורה, שבר נפח מרטנזיט ומאמץ המתפתח בחוט, וכתוצאה מכך הצטמקות חוט ה-SMA והכוח שנוצר על ידי המפעיל. כפי שמוצג באיור... 4d,f, שינוי המתח עם הטמפרטורה ושינוי שבר הנפח של המרטנזיט עם הטמפרטורה תואמים את מאפייני ההיסטרזיס של ה-SMA במקרה המדומה ב-7 וולט.
השוואה של פרמטרי ההנעה הושגה באמצעות ניסויים וחישובים אנליטיים. החוטים הועברו למתח קלט פולס של 7 וולט למשך 10 שניות, ולאחר מכן קיררו למשך 15 שניות (שלב קירור) במשך שני מחזורים. זווית הפין נקבעה ל-\(40^{\circ}\) והאורך ההתחלתי של חוט ה-SMA בכל רגל פין בודדת נקבע ל-83 מ"מ. (א) מדידת כוח ההנעה באמצעות תא עומס (ב) ניטור טמפרטורת החוט באמצעות מצלמת אינפרא אדום תרמית.
על מנת להבין את השפעת הפרמטרים הפיזיקליים על הכוח המופק על ידי ההינע, בוצע ניתוח של רגישות המודל המתמטי לפרמטרים הפיזיקליים שנבחרו, והפרמטרים דורגו לפי השפעתם. ראשית, דגימה של פרמטרי המודל בוצעה באמצעות עקרונות תכנון ניסיוניים שעקבו אחר התפלגות אחידה (ראה סעיף משלים על ניתוח רגישות). במקרה זה, פרמטרי המודל כוללים מתח קלט (\(V_{in}\)), אורך חוט SMA התחלתי (\(l_0\)), זווית משולש (\(\alpha\)), קבוע קפיץ הטיה (\(K_x\)), מקדם העברת חום הסעה (\(h_T\)) ומספר הענפים החד-מודאליים (n). בשלב הבא, נבחר שיא כוח השרירים כדרישת תכנון מחקר והתקבלו ההשפעות הפרמטריות של כל קבוצת משתנים על כוח. עלילות הטורנדו לניתוח הרגישות נגזרו ממקדמי המתאם עבור כל פרמטר, כפי שמוצג באיור 6a.
(א) ערכי מקדם הקורלציה של פרמטרי המודל והשפעתם על כוח הפלט המרבי של 2500 קבוצות ייחודיות של פרמטרי המודל הנ"ל מוצגים בגרף הטורנדו. הגרף מציג את קורלציית הדרגה של מספר אינדיקטורים. ברור ש-\(V_{in}\) הוא הפרמטר היחיד עם קורלציה חיובית, ו-\(l_0\) הוא הפרמטר עם הקורלציה השלילית הגבוהה ביותר. ההשפעה של פרמטרים שונים בשילובים שונים על שיא כוח השרירים מוצגת ב-(ב, ג). \(K_x\) נע בין 400 ל-800 ניוטון למטר ו-n נע בין 4 ל-24. המתח (\(V_{in}\)) השתנה מ-4V ל-10V, אורך החוט (\(l_{0 } \)) השתנה מ-40 ל-100 מ"מ, וזווית הזנב (\(\alpha \)) השתנתה בין \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
איור 6א מציג גרף טורנדו של מקדמי מתאם שונים עבור כל פרמטר עם דרישות תכנון כוח הנעה שיא. מאיור 6א ניתן לראות שפרמטר המתח (\(V_{in}\)) קשור ישירות לכוח המוצא המרבי, ומקדם העברת החום הקונבקטיבי (\(h_T\)), זווית הלהבה (\(α\)), קבוע קפיץ התזוזה (\(K_x\)) קשורים באופן שלילי לכוח המוצא ולאורך ההתחלתי (\(l_0\)) של חוט ה-SMA, ומספר הענפים החד-מודאליים (n) מראה מתאם הפוך חזק. במקרה של מתאם ישיר, במקרה של ערך גבוה יותר של מקדם מתאם המתח (\(V_{in}\)) מצביע על כך שלפרמטר זה יש את ההשפעה הגדולה ביותר על תפוקת ההספק. ניתוח דומה נוסף מודד את כוח השיא על ידי הערכת ההשפעה של פרמטרים שונים בשילובים שונים של שני מרחבי החישוב, כפי שמוצג באיור 6ב', ג'. ל-\(V_{in}\) ול-\(l_0\), \(\alpha\) ול-\(l_0\) יש דפוסים דומים, והגרף מראה ש-\(V_{in}\) ול-\(\alpha\) יש דפוסים דומים. ערכים קטנים יותר של \(l_0\) גורמים לכוחות שיא גבוהים יותר. שני הגרפים האחרים עולים בקנה אחד עם איור 6a, כאשר n ו-\(K_x\) מתואמים באופן שלילי ו-\(V_{in}\) מתואמים באופן חיובי. ניתוח זה מסייע להגדיר ולהתאים את פרמטרי המשפיעים שבאמצעותם ניתן להתאים את כוח המוצא, מהלך הסיבוב והיעילות של מערכת ההנעה לדרישות וליישום.
מחקר עכשווי מציג וחוקר הנעות היררכיות עם N רמות. בהיררכיה דו-שלבית, כפי שמוצג באיור 7א', כאשר במקום כל חוט SMA של המפעיל ברמה הראשונה, מושג סידור דו-מודאלי, כפי שמוצג באיור 9ה'. באיור 7ג' ניתן לראות כיצד חוט ה-SMA מלופף סביב זרוע ניידת (זרוע עזר) הנעה רק בכיוון האורך. עם זאת, הזרוע הנעה הראשית ממשיכה לנוע באותו אופן כמו הזרוע הנעה של המפעיל הרב-שלבי של השלב הראשון. בדרך כלל, הנעה של N שלבים נוצרת על ידי החלפת חוט ה-SMA של השלב \(N-1\) בהנעה של השלב הראשון. כתוצאה מכך, כל ענף מחקה את הנעת השלב הראשון, למעט הענף המחזיק את החוט עצמו. בדרך זו, ניתן ליצור מבנים מקוננים היוצרים כוחות גדולים פי כמה מכוחות ההנעות הראשיות. במחקר זה, עבור כל רמה, נלקח בחשבון אורך חוט SMA אפקטיבי כולל של 1 מטר, כפי שמוצג בפורמט טבלה באיור 7ד'. הזרם דרך כל חוט בכל עיצוב חד-מודאלי והמתח המוקדם המתקבלים בכל מקטע חוט SMA זהים בכל רמה. על פי המודל האנליטי שלנו, כוח הפלט נמצא בקורלציה חיובית עם הרמה, בעוד שהתזוזה נמצאת בקורלציה שלילית. במקביל, היה פשרה בין תזוזה לכוח שרירים. כפי שניתן לראות באיור 7b, בעוד שהכוח המקסימלי מושג במספר הגדול ביותר של שכבות, התזוזה הגדולה ביותר נצפית בשכבה הנמוכה ביותר. כאשר רמת ההיררכיה נקבעה ל-\(N=5\), נמצא כוח שריר שיא של 2.58 kN עם 2 מהלכים נצפים \(\upmu\)m. מצד שני, הנעת השלב הראשון מייצרת כוח של 150 N במהלך של 277 \(\upmu\)m. מפעילים רב-מפלסיים מסוגלים לחקות שרירים ביולוגיים אמיתיים, כאשר שרירים מלאכותיים המבוססים על סגסוגות זיכרון צורה מסוגלים לייצר כוחות גבוהים משמעותית עם תנועות מדויקות ועדינות יותר. המגבלות של עיצוב מיניאטורי זה הן שככל שההיררכיה עולה, התנועה מצטמצמת מאוד ומורכבות תהליך ייצור הכוננים עולה.
(א) מוצגת מערכת מפעילים ליניארית דו-שלבית (\(N=2\)) שכבתית מסגסוגת זיכרון צורה בתצורה בימודלית. המודל המוצע מושג על ידי החלפת חוט ה-SMA במפעיל השכבתי של השלב הראשון במפעיל שכבתי אחר בעל שלב אחד. (ג) תצורה מעוותת של מפעיל רב-שכבתי של השלב השני. (ב) מתוארת התפלגות הכוחות והתזוזות בהתאם למספר הרמות. נמצא כי כוח השיא של המפעיל מתואם באופן חיובי עם רמת הסקאלה בגרף, בעוד שהמהלך מתואם באופן שלילי עם רמת הסקאלה. הזרם ומתח הקדם בכל חוט נשארים קבועים בכל הרמות. (ד) הטבלה מציגה את מספר הנגיעות ואורך חוט ה-SMA (סיב) בכל רמה. מאפייני החוטים מסומנים על ידי אינדקס 1, ומספר הענפים המשניים (אחד המחובר לרגל הראשית) מסומן על ידי המספר הגדול ביותר בכתב התחתון. לדוגמה, ברמה 5, \(n_1\) מתייחס למספר חוטי ה-SMA הקיימים בכל מבנה בימודלי, ו- \(n_5\) מתייחס למספר רגלי העזר (אחת המחוברת לרגל הראשית).
חוקרים רבים הציעו שיטות שונות למידול התנהגותם של חומרי SMA עם זיכרון צורה, התלויות בתכונות התרמו-מכניות הנלוות לשינויים המקרוסקופיים במבנה הגבישי הקשורים למעבר הפאזה. ניסוח השיטות הקונסטיטוטיביות הוא מורכב מטבעו. המודל הפנומנולוגי הנפוץ ביותר מוצע על ידי טנאקה28 והוא נמצא בשימוש נרחב ביישומים הנדסיים. המודל הפנומנולוגי שהוצע על ידי טנאקה [28] מניח שחלק הנפח של מרטנזיט הוא פונקציה אקספוננציאלית של טמפרטורה ומאמץ. מאוחר יותר, ליאנג ורוג'רס29 וברינסון30 הציעו מודל שבו דינמיקת מעבר הפאזה הונחה כפונקציית קוסינוס של מתח וטמפרטורה, עם שינויים קלים במודל. בקר וברינסון הציעו מודל קינטי מבוסס דיאגרמת פאזה כדי לדמות את התנהגותם של חומרי SMA בתנאי טעינה שרירותיים כמו גם במעברים חלקיים. בנרג'י32 משתמש בשיטת הדינמיקה של דיאגרמת הפאזה של בקר וברינסון31 כדי לדמות מניפולטור בעל דרגת חופש יחידה שפותח על ידי אלהיניה ואחמדיאן33. שיטות קינטיות המבוססות על דיאגרמות פאזה, אשר לוקחות בחשבון את השינוי הלא מונוטוני במתח עם הטמפרטורה, קשות ליישום ביישומים הנדסיים. אלהיניה ואחמדיאן מפנים את תשומת הלב לחסרונות אלה של מודלים פנומנולוגיים קיימים ומציעים מודל פנומנולוגי מורחב לניתוח והגדרת התנהגות זיכרון צורה תחת כל תנאי טעינה מורכבים.
המודל המבני של חוט SMA נותן מאמץ (\(\sigma\)), עומס (\(\epsilon\)), טמפרטורה (T), ושבר נפח מרטנזיט (\(\xi\)) של חוט SMA. המודל הקונסטיטוטיבי הפנומנולוגי הוצע לראשונה על ידי טנאקה28 ומאוחר יותר אומץ על ידי ליאנג29 וברינסון30. הנגזרת של המשוואה היא בצורה:
כאשר E הוא מודול יאנג של SMA תלוי-פאזה המתקבל באמצעות \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ו- \(E_A\) ו- \(E_M\) המייצגים את מודול יאנג הם פאזות אוסטניטיות ומרטנזיטיות, בהתאמה, ומקדם ההתפשטות התרמית מיוצג על ידי \(\theta _T\). גורם התרומה למעבר פאזה הוא \(\Omega = -E \epsilon _L\) ו- \(\epsilon _L\) הוא המאמץ המקסימלי הניתן להשבת חוט SMA.
משוואת דינמיקת הפאזה חופפת לפונקציית הקוסינוס שפותחה על ידי Liang29 ואומצה מאוחר יותר על ידי Brinson30 במקום הפונקציה האקספוננציאלית שהוצעה על ידי Tanaka28. מודל מעבר הפאזה הוא הרחבה של המודל שהוצע על ידי Elakhinia ו-Ahmadian34 ושונה על סמך תנאי מעבר הפאזה שניתנו על ידי Liang29 ו-Brinson30. התנאים המשמשים למודל מעבר פאזה זה תקפים תחת עומסים תרמו-מכניים מורכבים. בכל רגע נתון, ערך שבר הנפח של מרטנזיט מחושב בעת מידול המשוואה הקונסטיטוטיבית.
משוואת הרטרנספורמציה השולטת, המתבטאת על ידי טרנספורמציה של מרטנזיט לאוסטניט בתנאי חימום, היא כדלקמן:
כאשר \(\xi\) הוא חלק הנפח של מרטנזיט, \(\xi _M\) הוא חלק הנפח של מרטנזיט המתקבל לפני החימום, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ו- \(C_A\) – פרמטרי קירוב עקומה, T – טמפרטורת חוט SMA, \(A_s\) ו- \(A_f\) – תחילת וסוף פאזת האוסטניט, בהתאמה, טמפרטורה.
משוואת בקרת הטרנספורמציה הישירה, המיוצגת על ידי טרנספורמציה פאזית של אוסטניט למרטנזיט בתנאי קירור, היא:
כאשר \(\xi_A\) הוא חלק הנפחי של מרטנזיט המתקבל לפני הקירור, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ו- \(C_M \) – פרמטרי התאמת עקומה, T – טמפרטורת חוט SMA, \(M_s\) ו- \(M_f\) – טמפרטורות מרטנזיט התחלתיות וסופיות, בהתאמה.
לאחר דיפרנציאציה של משוואות (3) ו-(4), משוואות הטרנספורמציה ההפוכה והישירה מפושטות לצורה הבאה:
במהלך טרנספורמציה קדימה ואחורה, \(\eta _{\sigma}\) ו- \(\eta _{T}\) מקבלים ערכים שונים. המשוואות הבסיסיות הקשורות ל- \(\eta _{\sigma}\) ו- \(\eta _{T}\) נגזרו ונדונו בפירוט בסעיף נוסף.
האנרגיה התרמית הנדרשת להעלאת הטמפרטורה של חוט ה-SMA נובעת מאפקט החימום של ג'אול. האנרגיה התרמית הנספגת או משתחררת על ידי חוט ה-SMA מיוצגת על ידי חום הטרנספורמציה הסמוי. אובדן החום בחוט ה-SMA נובע מהסעה כפויה, ובהינתן ההשפעה הזניחה של הקרינה, משוואת מאזן אנרגיית החום היא כדלקמן:
כאשר \(m_{wire}\) הוא המסה הכוללת של חוט ה-SMA, \(c_{p}\) הוא קיבול החום הסגולי של ה-SMA, \(V_{in}\) הוא המתח המופעל על החוט, \(R_{ohm} \) – התנגדות תלוית פאזה SMA, המוגדרת כ: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) כאשר \(r_M\) ו- \(r_A\) הם התנגדות הפאזה של ה-SMA במרטנזיט ובאוסטניט, בהתאמה, \(A_{c}\) הוא שטח הפנים של חוט ה-SMA, \(\Delta H \) היא סגסוגת בעלת זיכרון צורה. חום המעבר הסמוי של החוט, T ו- \(T_{\infty}\) הם הטמפרטורות של חוט ה-SMA והסביבה, בהתאמה.
כאשר מופעל חוט מסגסוגת זיכרון צורה, החוט נדחס, ויוצר כוח בכל ענף של העיצוב הבימודלי הנקרא כוח סיב. כוחות הסיבים בכל גדיל של חוט ה-SMA יוצרים יחד את כוח השריר להפעלה, כפי שמוצג באיור 9e. בשל נוכחותו של קפיץ מטה, כוח השריר הכולל של המפעיל הרב-שכבתי ה-N הוא:
על ידי הצבת \(N = 1\) במשוואה (7), ניתן לקבל את חוזק השרירים של אב טיפוס ההנעה הבימודלית בשלב הראשון באופן הבא:
כאשר n הוא מספר הרגליים החד-מודאליות, \(F_m\) הוא כוח השריר שנוצר על ידי ההינע, \​​(F_f\) הוא חוזק הסיבים בחוט ה-SMA, \(K_x\) היא קשיחות קפיץ ההטיה, \(\alpha\) היא זווית המשולש, \(x_0\) הוא ההיסט ההתחלתי של קפיץ ההטיה כדי להחזיק את כבל ה-SMA במצב המתוח מראש, ו-\(\Deltax\) הוא מהלך המפעיל.
התזוזה או התנועה הכוללת של ההינע (\(\Delta x\)) תלויה במתח (\(\sigma\)) ובמאמץ (\(\epsilon\)) על חוט ה-SMA של השלב ה-N, ההינע מוגדר ל (ראה איור. חלק נוסף של הפלט):
המשוואות הקינמטיות נותנות את הקשר בין דפורמציה של ההינע (\(\epsilon\)) לבין תזוזה או תזוזה (\(\Delta x\)). דפורמציה של חוט Arb כפונקציה של אורך חוט Arb ההתחלתי (\(l_0\)) ואורך החוט (l) בכל זמן t בענף חד-מודאלי אחד היא כדלקמן:
כאשר ‏(l = ∫sqrt{l₀^2 + (Δx₁)^2 – 2 l₁ (Δx₁) cos₁) מתקבל על ידי יישום נוסחת הקוסינוס ב-‏(Δ)ABB', כפי שמוצג באיור 8. עבור הנעת השלב הראשון ((N = 1)), ‏(Δx₁) הוא ‏(Δx), ו-‏α₁ הוא ‏(α) כפי שמוצג באיור 8, על ידי דיפרנציאציה של הזמן ממשוואה (11) והחלפת הערך של l, ניתן לכתוב את קצב המאמץ כך:
כאשר \(l_0\) הוא האורך ההתחלתי של חוט ה-SMA, l הוא אורך החוט בכל זמן t בענף חד-מודאלי אחד, \(\epsilon\) הוא העיוות המתפתח בחוט ה-SMA, ו-\(\alpha\) היא זווית המשולש, \(\Delta x\) הוא היסט הכונן (כפי שמוצג באיור 8).
כל n המבנים בעלי שיא יחיד (\(n=6\) באיור זה) מחוברים בטור כאשר \(V_{in}\) כמתח הקלט. שלב I: תרשים סכמטי של חוט SMA בתצורה בימודלית בתנאי מתח אפס. שלב II: מוצג מבנה מבוקר שבו חוט ה-SMA נדחס עקב המרה הפוכה, כפי שמוצג על ידי הקו האדום.
כהוכחת היתכנות, פותח מנוע דו-מודאלי מבוסס SMA כדי לבחון את הגזירה המדומה של המשוואות הבסיסיות עם תוצאות ניסוייות. מודל ה-CAD של המפעיל הליניארי הדו-מודאלי מוצג באיור 9א'. מצד שני, באיור 9ג' מוצג עיצוב חדש המוצע לחיבור פריזמטי סיבובי באמצעות מפעיל דו-מישורי מבוסס SMA עם מבנה דו-מודאלי. רכיבי ההינע יוצרו באמצעות ייצור תוסף במדפסת תלת-ממד Ultimaker 3 Extended. החומר המשמש להדפסה תלת-ממדית של רכיבים הוא פוליקרבונט, המתאים לחומרים עמידים בחום מכיוון שהוא חזק, עמיד ובעל טמפרטורת מעבר זכוכית גבוהה (110-113 מעלות צלזיוס). בנוסף, נעשה שימוש בניסויים בחוט סגסוגת זיכרון צורה Flexinol של Dynalloy, Inc., ותכונות החומר התואמות לחוט Flexinol שימשו בסימולציות. חוטי SMA מרובים מסודרים כסיבים הנמצאים בסידור דו-מודאלי של שרירים כדי להשיג את הכוחות הגבוהים המופקים על ידי מפעילים רב-שכבתיים, כפי שמוצג באיור 9ב' ו-ד'.
כפי שמוצג באיור 9א', הזווית החדה הנוצרת על ידי חוט ה-SMA של הזרוע הנעה נקראת הזווית (\(\alpha\)). כאשר מלחצי הדקים מחוברים למלחציים השמאליים והימניים, חוט ה-SMA מוחזק בזווית הדו-מודאלית הרצויה. התקן קפיץ ההטיה המוחזק על מחבר הקפיץ נועד להתאים את קבוצות הארכת קפיצי ההטיה השונות בהתאם למספר (n) סיבי ה-SMA. בנוסף, מיקום החלקים הנעים מתוכנן כך שחוט ה-SMA חשוף לסביבה החיצונית לקירור באמצעות הסעה כפויה. הלוחות העליונים והתחתונים של המכלול הניתן להסרה עוזרים לשמור על קירור חוט ה-SMA בעזרת חיתוכים בולטים שנועדו להפחית משקל. בנוסף, שני קצוות חוט ה-CMA מקובעים להדקים השמאליים והימניים, בהתאמה, באמצעות לחיצה. בוכנה מחוברת לקצה אחד של המכלול הנעים כדי לשמור על מרווח בין הלוחות העליונים והתחתונים. הבוכנה משמשת גם להפעלת כוח חסימה על החיישן באמצעות מגע כדי למדוד את כוח החסימה כאשר חוט ה-SMA מופעל.
מבנה השריר הדו-מודאלי SMA מחובר חשמלית בטור ומופעל על ידי מתח פולס קלט. במהלך מחזור פולס המתח, כאשר מופעל מתח וחוט ה-SMA מחומם מעל לטמפרטורה ההתחלתית של האוסטניט, אורך החוט בכל גדיל מתקצר. נסיגה זו מפעילה את תת-המכלול של הזרוע הנעה. כאשר המתח אופס באותו מחזור, חוט ה-SMA המחומם מקורר מתחת לטמפרטורת פני השטח של המרטנזיט, ובכך חוזר למיקומו המקורי. בתנאי אפס מאמץ, חוט ה-SMA נמתח תחילה באופן פסיבי על ידי קפיץ הטיה כדי להגיע למצב מרטנזיטי מנותק. הבורג, שדרכו עובר חוט ה-SMA, נע עקב הדחיסה שנוצרת על ידי הפעלת פולס מתח על חוט ה-SMA (SPA מגיע לפאזה האוסטניטית), מה שמוביל להפעלת הידית הנעה. כאשר חוט ה-SMA נסוג, קפיץ ההטיה יוצר כוח נגדי על ידי מתיחה נוספת של הקפיץ. כאשר המאמץ במתח הדחף הופך לאפס, חוט ה-SMA מתארך ומשנה את צורתו עקב קירור הסעה כפויה, ומגיע לפאזה מרטנזיטית כפולה.
למערכת המפעילים הליניארית המוצעת מבוססת SMA יש תצורה בימודלית שבה חוטי ה-SMA בזווית. (א) מתאר מודל CAD של האב-טיפוס, המזכיר חלק מהרכיבים ומשמעויותיהם עבור האב-טיפוס, (ב, ד) מייצגים את האב-טיפוס הניסיוני שפותח35. בעוד ש-(ב) מציג מבט מלמעלה של האב-טיפוס עם חיבורים חשמליים, קפיצי הטיה ומדדי מאמץ שבהם נעשה שימוש, (ד) מציג מבט פרספקטיבי של ההתקנה. (ה) תרשים של מערכת הפעלה ליניארית עם חוטי SMA הממוקמים באופן בימודלי בכל זמן t, המציג את כיוון ומהלך הסיבים וכוח השרירים. (ג) הוצע חיבור פריזמטי סיבובי של 2 DOF לפריסת מפעיל דו-מישורי מבוסס SMA. כפי שמוצג, הקישור מעביר תנועה ליניארית מההינע התחתון לזרוע העליונה, ויוצר חיבור סיבובי. מצד שני, תנועת זוג המנסרות זהה לתנועת ההינע הרב-שכבתי בשלב הראשון.
מחקר ניסיוני נערך על האב טיפוס המוצג באיור 9b כדי להעריך את ביצועי הנעה דו-מודאלית המבוססת על SMA. כפי שמוצג באיור 10a, מערך הניסוי כלל ספק כוח DC הניתן לתכנות כדי לספק מתח כניסה לחוטי ה-SMA. כפי שמוצג באיור 10b, נעשה שימוש במד מאמץ פיזואלקטרי (PACEline CFT/5kN) למדידת כוח החסימה באמצעות לוגר נתונים Graphtec GL-2000. הנתונים נרשמים על ידי המארח לצורך מחקר נוסף. מדי מאמץ ומגברי מטען דורשים אספקת חשמל קבועה כדי לייצר אות מתח. האותות המתאימים מומרים לפלט הספק בהתאם לרגישות חיישן הכוח הפיזואלקטרי ופרמטרים אחרים כמתואר בטבלה 2. כאשר מופעל פולס מתח, הטמפרטורה של חוט ה-SMA עולה, מה שגורם לחוט ה-SMA להתכווץ, מה שגורם למפעיל לייצר כוח. תוצאות הניסוי של פלט כוח השרירים על ידי פולס מתח כניסה של 7 V מוצגות באיור 2a.
(א) בניסוי הוקמה מערכת מפעילים ליניארית מבוססת SMA כדי למדוד את הכוח שנוצר על ידי המפעיל. תא העומס מודד את כוח החסימה ומופעל על ידי ספק כוח DC של 24 וולט. ירידת מתח של 7 וולט הוחלה לאורך כל הכבל באמצעות ספק כוח DC הניתן לתכנות של GW Instek. חוט ה-SMA מתכווץ עקב חום, והזרוע הנעה נוגעת בתא העומס ומפעילה כוח חסימה. תא העומס מחובר לאוגר הנתונים GL-2000 והנתונים מאוחסנים במארח לעיבוד נוסף. (ב) תרשים המציג את שרשרת הרכיבים של מערך הניסוי למדידת כוח שרירים.
סגסוגות זיכרון צורה מעוררות על ידי אנרגיה תרמית, ולכן הטמפרטורה הופכת לפרמטר חשוב לחקר תופעת זיכרון הצורה. באופן ניסיוני, כפי שמוצג באיור 11א', בוצעו מדידות הדמיה תרמית ומדידות טמפרטורה על אב טיפוס של מפעיל דיוולראט מבוסס SMA. מקור DC ניתן לתכנות הפעיל מתח קלט על חוטי ה-SMA במערך הניסויי, כפי שמוצג באיור 11ב'. שינוי הטמפרטורה של חוט ה-SMA נמדד בזמן אמת באמצעות מצלמת LWIR ברזולוציה גבוהה (FLIR A655sc). המארח משתמש בתוכנת ResearchIR כדי לתעד נתונים לעיבוד נוסף לאחר מכן. כאשר מופעל פולס מתח, הטמפרטורה של חוט ה-SMA עולה, מה שגורם לחוט ה-SMA להתכווץ. באיור 2ב' מוצגות תוצאות הניסוי של טמפרטורת חוט ה-SMA לעומת הזמן עבור פולס מתח קלט של 7V.