Nature.comをご利用いただきありがとうございます。お使いのブラウザのバージョンはCSSのサポートが制限されています。最適な閲覧体験のために、最新バージョンのブラウザをご利用いただくか、Internet Explorerの互換表示モードを無効にしてください。当面の間、継続的なサポートを確保するため、スタイルシートとJavaScriptを使用せずにサイトを表示させていただきます。
アクチュエータはあらゆる場所で使用されており、製造業や産業オートメーションにおいて、適切な励振力やトルクを加えることで制御された動作を実現し、様々な操作を実行しています。より高速で小型かつ高効率な駆動装置へのニーズが、駆動装置設計の革新を牽引しています。形状記憶合金（SMA）駆動装置は、従来の駆動装置に比べて、高い出力重量比など、多くの利点があります。本論文では、生物系の羽毛状筋肉の利点とSMAの独自の特性を組み合わせた、2つの羽毛状SMAベースのアクチュエータを開発しました。本研究では、バイモーダルSMAワイヤ配置に基づく新しいアクチュエータの数理モデルを開発し、実験的に検証することで、これまでのSMAアクチュエータを探求し、拡張しました。既知のSMAベースの駆動装置と比較して、新しい駆動装置の駆動力は少なくとも5倍（最大150N）高く、重量は約67%削減されています。数理モデルの感度分析の結果は、設計パラメータの調整や主要パラメータの理解に役立ちます。さらに本研究では、ダイナミクスをさらに向上させるために使用できる、マルチレベルN段駆動装置についても紹介します。 SMA（形状記憶合金）をベースとしたジバレレート人工筋肉アクチュエータは、ビルオートメーションから精密な薬剤送達システムまで、幅広い用途に利用できる。
哺乳類の筋構造などの生物学的システムは、多くの微細なアクチュエータを活性化することができます1。哺乳類はそれぞれ特定の目的を果たすさまざまな筋肉構造を持っています。しかし、哺乳類の筋組織の構造の多くは、平行筋と羽状筋の2つの大きなカテゴリに分けることができます。ハムストリングやその他の屈筋では、名前が示すように、平行筋には中心腱に平行な筋線維があります。筋線維の連鎖は整列し、周囲の結合組織によって機能的に接続されています。これらの筋肉は大きな可動域（短縮率）を持つと言われていますが、全体的な筋力は非常に限られています。対照的に、上腕三頭筋2（外側腓腹筋（GL）3、内側腓腹筋（GM）4、ヒラメ筋（SOL））と大腿伸筋（大腿四頭筋）5,6では、各筋肉に羽状筋組織が見られます7。羽状筋構造では、二羽状筋の筋線維は中心腱の両側に斜めの角度（羽状角）で存在します。羽状筋はラテン語の「penna」（ペン）に由来し、図1に示すように羽毛のような外観をしています。羽状筋の線維は短く、筋肉の長軸に対して角度がついています。羽状筋構造のため、これらの筋肉の全体的な可動性は低下し、短縮過程の横方向と縦方向の成分につながります。一方、生理学的断面積の測定方法により、これらの筋肉の活性化は全体的な筋力を高めます。したがって、一定の断面積の場合、羽状筋は平行線維の筋肉よりも強く、より大きな力を発生させます。個々の線維によって発生する力は、その筋肉組織において巨視的なレベルで筋力を発生させます。さらに、急速な収縮、引張損傷に対する保護、クッション性などの独自の特性も備えています。これは、筋肉の作用線に関連する繊維配列の独特な特徴と幾何学的な複雑さを利用することで、繊維入力と筋力出力の関係を変革する。
図には、二峰性筋構造に関連した既存のSMAベースのアクチュエータ設計の概略図が示されています。例えば、（a）は、SMAワイヤで駆動される手の形をしたデバイスが二輪の自律移動ロボット9,10に取り付けられた際の触覚力の相互作用を表しています。（b）は、拮抗的に配置されたSMAバネ式眼窩プロテーゼを備えたロボット眼窩プロテーゼです。義眼の位置は、眼の眼筋からの信号によって制御されます11。（c）SMAアクチュエータは、高周波応答と低帯域幅のため、水中用途に最適です。この構成では、SMAアクチュエータを使用して魚の動きをシミュレートして波動運動を生成します。(d) SMAアクチュエータを使用して、チャネル10内のSMAワイヤの動きによって制御される尺取虫の動きの原理を使用できるマイクロパイプ検査ロボットを作成します。(e) 腓腹筋組織における収縮筋繊維の方向と収縮力の発生を示します。(f) 羽状筋構造内の筋繊維の形で配置されたSMAワイヤを示します。
アクチュエータは、その幅広い用途により、機械システムの重要な構成要素となっています。そのため、より小型で高速かつ効率的な駆動装置の必要性が高まっています。従来の駆動装置は利点があるものの、維持管理にコストと時間がかかることが分かっています。油圧式および空気圧式アクチュエータは複雑で高価であり、摩耗、潤滑の問題、部品の故障が発生しやすいという欠点があります。こうした需要に応えるため、スマート材料に基づいた、コスト効率が高く、サイズが最適化された先進的なアクチュエータの開発に注力しています。現在進行中の研究では、このニーズを満たすために形状記憶合金（SMA）積層アクチュエータに注目しています。階層型アクチュエータは、多数の個別のアクチュエータを幾何学的に複雑なマクロスケールのサブシステムに組み合わせることで、機能の向上と拡張を実現するという点で独特です。この点において、上述の人間の筋肉組織は、このような多層駆動の優れた例となります。本研究では、二峰性筋肉に存在する繊維の配向に合わせて配置された複数の個別の駆動要素（SMAワイヤ）を備えたマルチレベルSMA駆動装置について説明し、駆動装置全体の性能向上を図っています。
アクチュエータの主な目的は、電気エネルギーを変換して力や変位などの機械的出力を生成することです。形状記憶合金は、高温で形状を回復できる「スマート」材料の一種です。高負荷下では、SMAワイヤの温度上昇により形状が回復し、さまざまな直接接合スマート材料と比較して、より高いアクチュエーションエネルギー密度が得られます。同時に、機械的負荷下では、SMAは脆くなります。特定の条件下では、周期的な負荷により機械的エネルギーを吸収および放出することができ、可逆的なヒステリシス形状変化を示します。これらの独自の特性により、SMAはセンサー、振動減衰、特にアクチュエータに理想的です12。このことを念頭に置いて、SMAベースのドライブに関する多くの研究が行われてきました。SMAベースのアクチュエータは、さまざまなアプリケーションで並進運動と回転運動を提供するように設計されていることに注意する必要があります13,14,15。いくつかの回転アクチュエータが開発されていますが、研究者は特に直線アクチュエータに興味を持っています。これらの直線アクチュエータは、1次元アクチュエータ、変位アクチュエータ、差動アクチュエータの3つのタイプのアクチュエータに分類できます16。当初、ハイブリッド駆動装置はSMAと他の従来型駆動装置を組み合わせて作られました。SMAベースのハイブリッドリニアアクチュエータの一例として、SMAワイヤとDCモータを組み合わせて約100Nの出力力と大きな変位を実現するものがあります17。
SMAのみをベースとした駆動装置の最初の開発の一つは、SMAパラレル駆動装置でした。複数のSMAワイヤを使用するSMAベースのパラレル駆動装置は、すべてのSMAワイヤを並列に配置することで駆動装置の電力能力を高めるように設計されています。アクチュエータの並列接続は、より多くの電力を必要とするだけでなく、単一のワイヤの出力電力も制限します。SMAベースのアクチュエータのもう1つの欠点は、達成できる移動量が限られていることです。この問題を解決するために、変位を増やして直線運動を実現するためにたわんだフレキシブルビームを含むSMAケーブルビームが作成されましたが、より大きな力は発生しませんでした19。形状記憶合金をベースとしたロボット用のソフト変形構造とファブリックは、主に衝撃増幅のために開発されました20,21,22。高速が要求される用途では、マイクロポンプ駆動用途に薄膜SMAを使用した小型駆動ポンプが報告されています23。薄膜SMAメンブレンの駆動周波数は、ドライバの速度を制御する重要な要素です。したがって、SMAリニアモータは、SMAスプリングモータやロッドモータよりも優れた動的応答性を備えています。ソフトロボティクスとグリッピング技術は、SMAベースのアクチュエータを使用する他の2つのアプリケーションです。たとえば、25 Nスペースクランプで使用されている標準アクチュエータを置き換えるために、形状記憶合金パラレルアクチュエータ24が開発されました。別の例では、最大30 Nの引張力を生成できる埋め込みマトリックスを備えたワイヤに基づいてSMAソフトアクチュエータが製造されました。SMAは機械的特性により、生物学的現象を模倣するアクチュエータの製造にも使用されます。そのような開発の1つには、正弦波運動を生成して発射するSMAを備えたミミズのような生物のバイオミメティクスである12セルロボット26,27が含まれます。
前述のように、既存のSMAベースのアクチュエータから得られる最大力には限界があります。この問題に対処するため、本研究では生体模倣バイモーダル筋肉構造を提示します。形状記憶合金ワイヤによって駆動されます。複数の形状記憶合金ワイヤを含む分類システムを提供します。現在までに、同様のアーキテクチャを持つSMAベースのアクチュエータは文献で報告されていません。このSMAベースのユニークで斬新なシステムは、バイモーダル筋肉アライメント中のSMAの挙動を研究するために開発されました。既存のSMAベースのアクチュエータと比較して、本研究の目標は、小さな体積で大幅に高い力を生成する生体模倣ジバレレートアクチュエータを作成することでした。HVACビルディングオートメーションおよび制御システムで使用される従来のステッピングモーター駆動ドライブと比較して、提案されたSMAベースのバイモーダルドライブ設計は、ドライブ機構の重量を67%削減します。以下では、「筋肉」と「ドライブ」という用語は互換的に使用されます。本研究では、このようなドライブのマルチフィジックスシミュレーションを調査します。このようなシステムの機械的挙動は、実験的および解析的方法によって研究されています。入力電圧 7 V での力と温度分布をさらに調査しました。続いて、主要パラメータと出力力の関係をよりよく理解するために、パラメータ解析を実施しました。最後に、階層型アクチュエータが構想され、階層レベル効果が義肢用途の非磁性アクチュエータの将来の可能性のある分野として提案されました。前述の研究結果によると、シングルステージアーキテクチャを使用すると、報告されている SMA ベースのアクチュエータよりも少なくとも 4 ～ 5 倍高い力が生成されます。さらに、マルチレベルマルチレベルドライブによって生成される同じ駆動力は、従来の SMA ベースのドライブの 10 倍以上であることが示されています。次に、この研究では、異なる設計と入力変数間の感度分析を使用して主要パラメータを報告します。SMA ワイヤの初期長さ (\(l_0\))、羽状角 (\(\alpha\))、および各ストランド内の単一ストランドの数 (n) は、駆動力の大きさに強い負の影響を与えます。強度に関しては、入力電圧（エネルギー）とは正の相関関係にあることが判明した。
SMAワイヤは、ニッケルチタン（Ni-Ti）系合金に見られる形状記憶効果（SME）を示します。一般的に、SMAは低温相と高温相という2つの温度依存性相を示します。両相は異なる結晶構造を持つため、それぞれ独自の特性を持っています。変態温度以上に存在するオーステナイト相（高温相）では、材料は高い強度を示し、荷重下での変形は少ないです。この合金はステンレス鋼のように振る舞うため、より高い作動圧力に耐えることができます。Ni-Ti合金のこの特性を利用して、SMAワイヤを傾斜させてアクチュエータを形成します。さまざまなパラメータと形状の影響下でのSMAの熱挙動の基本的なメカニズムを理解するために、適切な解析モデルが開発されました。実験結果と解析結果は良好な一致を示しました。
図 9a に示すプロトタイプで実験的研究を行い、SMA に基づくバイモーダル駆動の性能を評価した。駆動によって発生する力 (筋肉力) と SMA ワイヤの温度 (SMA 温度) の 2 つの特性を実験的に測定した。駆動内のワイヤの全長に沿って電圧差が増加すると、ジュール熱効果によりワイヤの温度が上昇する。入力電圧は 10 秒のサイクルを 2 回 (図 2a、b の赤い点で示す) 印加し、各サイクルの間に 15 秒の冷却期間を設けた。阻止力は圧電ひずみゲージを使用して測定し、SMA ワイヤの温度分布は科学グレードの高解像度 LWIR カメラを使用してリアルタイムで監視した (使用した機器の特性は表 2 を参照)。高電圧フェーズではワイヤの温度が単調に上昇するが、電流が流れていないときはワイヤの温度が下がり続けることがわかる。現在の実験設定では、冷却フェーズ中にSMAワイヤの温度は低下しましたが、周囲温度よりはまだ高かったです。図2eは、LWIRカメラで撮影したSMAワイヤの温度のスナップショットを示しています。一方、図2aは、駆動システムによって発生する阻止力を示しています。筋肉の力がバネの復元力を超えると、図9aに示すように可動アームが動き始めます。作動が始まるとすぐに、可動アームがセンサーに接触し、図2c、dに示すように体積力が発生します。最高温度が84℃に近いとき、観測された最大力は105Nです。
このグラフは、2 サイクル中に SMA ワイヤの温度と SMA ベースのバイモーダルアクチュエータによって生成された力の実験結果を示しています。入力電圧は 2 つの 10 秒サイクル (赤い点で示されています) で印加され、各サイクルの間に 15 秒の冷却期間があります。実験に使用した SMA ワイヤは、Dynalloy, Inc. 製の直径 0.51 mm の Flexinol ワイヤです。(a) このグラフは、2 サイクルにわたって得られた実験的な力を示しています。(c、d) は、PACEline CFT/5kN 圧電力変換器に対する可動アームアクチュエータの動作の 2 つの独立した例を示しています。(b) このグラフは、2 サイクルの時間中に SMA ワイヤ全体の最高温度を示しています。(e) は、FLIR ResearchIR ソフトウェア LWIR カメラを使用して SMA ワイヤから取得した温度スナップショットを示しています。実験で考慮された幾何学的パラメータは、表 1 に示されています。
図5に示すように、入力電圧7Vの条件下で、数理モデルのシミュレーション結果と実験結果を比較した。パラメトリック解析の結果に基づき、SMAワイヤの過熱の可能性を回避するため、アクチュエータには11.2Wの電力を供給した。プログラマブルDC電源を使用して入力電圧7Vを供給し、ワイヤの両端で1.6Aの電流を測定した。電流を印加すると、駆動によって発生する力とSDRの温度が上昇する。入力電圧7Vの場合、シミュレーション結果と実験結果から得られた最初のサイクルの最大出力力は、それぞれ78Nと96Nである。2番目のサイクルでは、シミュレーション結果と実験結果の最大出力力は、それぞれ150Nと105Nであった。閉塞力の測定値と実験データとの不一致は、閉塞力の測定に使用した方法による可能性がある。図に示す実験結果。 5aはロック力の測定に対応しており、これは図2sに示すように、ドライブシャフトがPACEline CFT/5kN圧電力変換器に接触しているときに測定されたものです。したがって、冷却ゾーンの開始時にドライブシャフトが力センサに接触していないときは、図2dに示すように、力はすぐにゼロになります。さらに、後続のサイクルで力の形成に影響を与える他のパラメータは、前のサイクルでの冷却時間と対流熱伝達係数の値です。図2bから、15秒の冷却期間の後、SMAワイヤは室温に達しておらず、そのため、2回目の駆動サイクルでは、最初のサイクル（25℃）と比較して、初期温度（40℃）が高くなっていることがわかります。したがって、最初のサイクルと比較して、2回目の加熱サイクル中のSMAワイヤの温度は、初期オーステナイト温度（\(A_s\)）に早く達し、遷移期間が長くなるため、応力と力が発生します。一方、実験とシミュレーションから得られた加熱および冷却サイクル中の温度分布は、熱画像解析の例と定性的に高い類似性を示します。実験とシミュレーションによるSMAワイヤの熱データの比較分析では、加熱および冷却サイクル中に一貫性があり、実験データに対して許容範囲内であることが示されました。シミュレーションと実験の結果から得られた、最初のサイクルにおける SMA ワイヤの最高温度は、それぞれ \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) と \(75\,^{\circ }\hbox { C }\) であり、2 番目のサイクルでは、SMA ワイヤの最高温度は \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) と \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) である。根本的に開発されたモデルは、形状記憶効果の効果を確認する。疲労と過熱の役割は、このレビューでは考慮されていない。将来的には、モデルを改良して SMA ワイヤの応力履歴を含めることで、エンジニアリング用途により適したものにする。Simulink ブロックから得られた駆動出力力と SMA 温度のプロットは、入力電圧パルス 7 V の条件下での実験データの許容範囲内にある。これは、開発された数学モデルの正確性と信頼性を確認するものである。
数学モデルは、方法のセクションで説明されている基本方程式を使用して、MathWorks Simulink R2020b 環境で開発されました。図 3b に、Simulink 数学モデルのブロック図を示します。このモデルは、図 2a、b に示すように、7V の入力電圧パルスに対してシミュレートされました。シミュレーションで使用されたパラメータの値は、表 1 に示されています。過渡プロセスのシミュレーション結果は、図 1 と 1 に示されています。図 3a と 4 。図 4a、b では、SMA ワイヤに誘起される電圧とアクチュエータによって生成される力が時間の関数として示されています。 逆変態（加熱）中、SMAワイヤの温度\(T < A_s^{\prime}\)（応力変化オーステナイト相開始温度）の場合、マルテンサイト体積分率の変化率（\(\dot{\xi }\)）はゼロになります。 逆変態（加熱）中、SMAワイヤの温度\(T < A_s^{\prime}\)（応力変形オーステナイト相開始温度）の場合、マルテンサイト体積分率の変化率（\(\dot{\ xi }\)）はゼロになります。 Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала) аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) Савно нулю です。 逆変態（加熱）中、SMAワイヤの温度\(T < A_s^{\prime}\)（応力修正オーステナイト開始温度）の場合、マルテンサイト体積分率（\(\dot{\ xi }\ ))の変化率はゼロになります。逆方向転換（加熱）中、SMA 線温度 \(T < A_s^{\prime}\) (免疫開始温度) のとき、皮膚体分数の変化率 (\(\dot{\ xi }\)) はゼロになります。在逆转变 （加熱） 中 ，当当線温度 \ (t
（a）SMAベースの二吉草酸系アクチュエータにおける温度分布と応力誘起接合部温度を示すシミュレーション結果。加熱段階でワイヤ温度がオーステナイト変態温度を超えると、変形オーステナイト変態温度が上昇し始め、同様に冷却段階でワイヤロッド温度がマルテンサイト変態温度を超えると、マルテンサイト変態温度が低下します。SMAは、作動プロセスの解析モデル化に使用されます。（Simulinkモデルの各サブシステムの詳細については、補足資料の付録を参照してください。）
異なるパラメータ分布の解析結果を、7V の入力電圧の 2 サイクル (10 秒間のウォームアップ サイクルと 15 秒間のクールダウン サイクル) について示します。 (ac) と (e) は時間経過に伴う分布を示し、一方、(d) と (f) は温度による分布を示しています。それぞれの入力条件において、観測された最大応力は 106 MPa (ワイヤ降伏強度 345 MPa 未満)、力は 150 N、最大変位は 270 µm、最小マルテンサイト体積分率は 0.91 です。一方、温度による応力の変化とマルテンサイト体積分率の変化は、ヒステリシス特性に似ています。
オーステナイト相からマルテンサイト相への直接変態（冷却）についても同様の説明が当てはまります。この場合、SMAワイヤの温度（T）と応力修正マルテンサイト相の終了温度（\(M_f^{\prime}\ ))は良好です。図4d、fでは、両方の駆動サイクルについて、SMAワイヤの温度（T）の変化の関数として、SMAワイヤ内の誘起応力（\(\sigma\)）とマルテンサイトの体積分率（\(\xi\)）の変化を示しています。図3aでは、入力電圧パルスに応じて、SMAワイヤの温度が時間とともにどのように変化するかを示しています。図からわかるように、ゼロ電圧で熱源を提供し、その後対流冷却を行うことで、ワイヤの温度は上昇し続けます。加熱中、SMAワイヤの温度(T)が応力補正されたオーステナイト核生成温度(\(A_s^{\prime}\))を超えると、マルテンサイトからオーステナイト相への再変態が始まります。この段階では、SMAワイヤが圧縮され、アクチュエータが力を発生させます。また、冷却中、SMAワイヤの温度(T)が応力修正されたマルテンサイト相の核生成温度(\(M_s^{\prime}\))を超えると、オーステナイト相からマルテンサイト相への正の遷移が起こり、駆動力が減少します。
SMA に基づくバイモーダル駆動の主な定性的側面は、シミュレーション結果から得られます。電圧パルス入力の場合、ジュール加熱効果により SMA ワイヤの温度が上昇します。材料は最初は完全にマルテンサイト相であるため、マルテンサイト体積分率 (\(\xi\)) の初期値は 1 に設定されます。ワイヤが加熱され続けると、SMA ワイヤの温度は応力補正されたオーステナイト核生成温度 \(A_s^{\prime}\) を超え、図 4c に示すようにマルテンサイト体積分率が減少します。さらに、図 4e にはアクチュエータのストロークの時間分布が示され、図 5 には駆動力が時間の関数として示されています。関連する方程式系には、温度、マルテンサイト体積分率、ワイヤに発生する応力が含まれており、その結果、SMA ワイヤが収縮し、アクチュエータによって力が発生します。図に示すように、図4d、fは、温度による電圧変化と温度によるマルテンサイト体積分率変化を示しており、これは7VでのシミュレーションケースにおけるSMAのヒステリシス特性に対応している。
駆動パラメータの比較は、実験と解析計算によって得られました。ワイヤには、7 V のパルス入力電圧が 10 秒間印加され、その後 15 秒間冷却 (冷却フェーズ) され、これを 2 サイクル繰り返しました。羽根角は \(40^{\circ}\) に設定され、各シングル ピン レッグの SMA ワイヤの初期長さは 83 mm に設定されています。(a) ロード セルによる駆動力の測定 (b) 熱赤外線カメラによるワイヤ温度の監視。
駆動装置によって発生する力に対する物理パラメータの影響を理解するために、選択された物理パラメータに対する数学モデルの感度分析を実施し、パラメータの影響度に応じてランク付けしました。まず、均一分布に従う実験計画法の原理を使用してモデルパラメータのサンプリングを行いました（感度分析に関する補足セクションを参照）。この場合、モデルパラメータには、入力電圧（\(V_{in}\)）、初期SMAワイヤ長（\(l_0\)）、三角形の角度（\(\alpha\)）、バイアススプリング定数（\( K_x\ )）、対流熱伝達係数（\(h_T\)）、および単峰性分岐の数（n）が含まれます。次のステップでは、研究設計要件としてピーク筋力を選択し、各変数セットの強度に対するパラメータ効果を取得しました。感度分析のトルネードプロットは、図6aに示すように、各パラメータの相関係数から導出されました。
(a) トルネード図には、モデルパラメータの相関係数値と、上記のモデルパラメータの 2500 個の固有グループの最大出力力への影響が示されています。グラフは、いくつかの指標の順位相関を示しています。\(V_{in}\) は正の相関を持つ唯一のパラメータであり、\(l_0\) は最も負の相関を持つパラメータであることが明らかです。さまざまな組み合わせのさまざまなパラメータがピーク筋力に及ぼす影響は、(b、c) に示されています。\(K_x\) は 400 ～ 800 N/m の範囲で、n は 4 ～ 24 の範囲です。電圧 (\(V_{in}\)) は 4V から 10V に変化し、ワイヤ長 (\(l_{0 } \)) は 40 ～ 100 mm に変化し、テール角度 (\ (\alpha \)) は \ (20 ～ 60 \, ^ {\circ }\) に変化しました。
図 6a には、各パラメータと最大駆動力設計要件とのさまざまな相関係数のトルネード プロットが示されています。図 6a から、電圧パラメータ (\(V_{in}\)) は最大出力力に直接関係し、対流熱伝達係数 (\(h_T\))、火炎角 (\ ( \alpha\))、変位ばね定数 ( \(K_x\)) は出力力および SMA ワイヤの初期長さ (\(l_0\)) と負の相関があり、単峰性分岐の数 (n) は強い逆相関を示していることがわかります。直接相関の場合、電圧相関係数 (\(V_ {in}\)) の値が高い場合、このパラメータが出力に最も大きな影響を与えることを示しています。別の同様の解析では、図 6b、c に示すように、2 つの計算空間のさまざまな組み合わせでさまざまなパラメータの影響を評価することにより、最大力を測定します。 \(V_{in}\)と\(l_0\)、\(\alpha\)と\(l_0\)は類似したパターンを示し、グラフは\(V_{in}\)と\(\alpha\)および\(\alpha\)が類似したパターンを示すことを示しています。\(l_0\)の値が小さいほど、ピーク力は高くなります。他の2つのプロットは図6aと一致しており、nと\(K_x\)は負の相関があり、\(V_{in}\)は正の相関があります。この分析は、駆動システムの出力力、ストローク、および効率を要件と用途に合わせて調整できる影響パラメータを定義して調整するのに役立ちます。
現在の研究では、N レベルの階層型駆動装置を紹介し、調査しています。図 7a に示す 2 レベルの階層構造では、第 1 レベルのアクチュエータの各 SMA ワイヤの代わりに、図 9e に示すようなバイモーダル配置が実現されています。図 7c では、SMA ワイヤが長手方向にのみ移動する可動アーム (補助アーム) に巻き付けられている様子を示しています。ただし、主可動アームは、第 1 段マルチステージアクチュエータの可動アームと同じように動き続けます。通常、N 段駆動装置は、\(N-1\) 段の SMA ワイヤを第 1 段駆動装置に置き換えることによって作成されます。その結果、ワイヤ自体を保持するブランチを除いて、各ブランチは第 1 段駆動装置を模倣します。このようにして、主駆動装置の力よりも数倍大きな力を生み出す入れ子構造を形成できます。この研究では、図 7d に表形式で示すように、各レベルで合計 1 m の有効 SMA ワイヤ長を考慮しました。各単峰設計の各ワイヤを流れる電流と、各SMAワイヤセグメントにおける結果として生じる予応力と電圧は、各レベルで同じです。解析モデルによれば、出力力はレベルと正の相関があり、変位は負の相関があります。同時に、変位と筋力の間にはトレードオフがありました。図7bに示すように、最大力は層数が最も多い場合に達成されますが、最大の変位は最下層で観測されます。階層レベルを\(N=5\)に設定した場合、2μmのストロークで2.58kNのピーク筋力が得られました。一方、第1段駆動では、277μmのストロークで150Nの力が発生します。マルチレベルアクチュエータは実際の生物学的筋肉を模倣することができ、形状記憶合金に基づく人工筋肉は、より正確で細かい動きで大幅に高い力を生成できます。この小型化設計の限界は、階層構造が大きくなるにつれて動作が大幅に制限され、駆動装置の製造工程が複雑化することである。
(a) 2 段 (\(N=2\)) の積層形状記憶合金リニアアクチュエータシステムをバイモーダル構成で示します。提案モデルは、第 1 段の積層アクチュエータの SMA ワイヤを別の単段の積層アクチュエータに置き換えることによって実現されます。(c) 第 2 段の多層アクチュエータの変形構成。(b) レベル数に応じた力と変位の分布について説明します。アクチュエータのピーク力はグラフ上のスケール レベルと正の相関があり、ストロークはスケール レベルと負の相関があることがわかっています。各ワイヤの電流とプリ電圧はすべてのレベルで一定です。(d) 表は、各レベルでのタップ数と SMA ワイヤ (ファイバー) の長さを示しています。ワイヤの特性はインデックス 1 で示され、二次分岐 (一次脚に接続されている 1 つ) の数は添え字の最大の数値で示されます。例えば、レベル5では、\(n_1\)は各バイモーダル構造に存在するSMAワイヤの数を指し、\(n_5\)は補助脚（メイン脚に接続されている1本）の数を指します。
形状記憶合金（SMA）の挙動をモデル化するために、多くの研究者によってさまざまな方法が提案されてきました。これらの方法は、相転移に伴う結晶構造の巨視的変化に伴う熱機械的特性に依存します。構成法の定式化は本質的に複雑です。最も一般的に使用されている現象論的モデルは、田中28によって提案され、工学的応用で広く使用されています。田中[28]によって提案された現象論的モデルは、マルテンサイトの体積分率が温度と応力の指数関数であると仮定しています。その後、LiangとRogers29およびBrinson30は、相転移ダイナミクスが電圧と温度のコサイン関数であると仮定したモデルを、モデルに若干の修正を加えて提案しました。BeckerとBrinsonは、任意の負荷条件および部分的な相転移の下でのSMA材料の挙動をモデル化するために、相図に基づく運動モデルを提案しました。Banerjee32は、BekkerとBrinson31の相図ダイナミクス法を使用して、ElahiniaとAhmadian33によって開発された1自由度マニピュレータをシミュレートしています。温度変化に伴う電圧の非単調な変化を考慮した相図に基づく速度論的手法は、工学的応用において実装が困難である。ElakhiniaとAhmadianは、既存の現象論的モデルのこうした欠点に注目し、あらゆる複雑な負荷条件下での形状記憶挙動を解析・定義するための拡張された現象論的モデルを提案している。
SMAワイヤの構造モデルは、SMAワイヤの応力（\(\sigma\)）、ひずみ（\(\epsilon\)）、温度（T）、およびマルテンサイト体積分率（\(\xi\)）を示します。現象論的構成モデルは、田中28によって最初に提案され、後に梁29とブリンソン30によって採用されました。この方程式の導関数は次の形式になります。
ここで、E は、\(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) を使用して得られる相依存の SMA ヤング率であり、\(E_A\) と \(E_M\) はそれぞれオーステナイト相とマルテンサイト相のヤング率を表し、\(\theta _T\) は熱膨張係数を表します。相転移寄与係数は \(\Omega = -E \epsilon _L\) であり、\(\epsilon _L\) は SMA ワイヤの最大回復可能ひずみです。
相ダイナミクス方程式は、田中28が提案した指数関数の代わりに、Liang29によって開発され、後にBrinson30によって採用されたコサイン関数と一致します。相転移モデルは、ElakhiniaとAhmadian34によって提案されたモデルを拡張し、Liang29とBrinson30によって与えられた相転移条件に基づいて修正したものです。この相転移モデルで使用される条件は、複雑な熱機械的負荷の下で有効です。構成方程式をモデル化する際に、各時点でマルテンサイトの体積分率の値が計算されます。
加熱条件下でのマルテンサイトからオーステナイトへの変態を表す支配的な再変態方程式は次のとおりです。
ここで、\(\xi\)はマルテンサイトの体積分率、\(\xi _M\)は加熱前に得られたマルテンサイトの体積分率、\(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\)、\ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\)および\(C_A\)は曲線近似パラメータ、TはSMAワイヤの温度、\(A_s\)および\(A_f\)はそれぞれオーステナイト相の開始温度および終了温度です。
冷却条件下におけるオーステナイトからマルテンサイトへの相変態を表す直接変態制御方程式は以下のとおりである。
ここで、\(\xi _A\) は冷却前に得られたマルテンサイトの体積分率、\(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\)、\(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) および \ ( C_M \) は曲線フィッティングパラメータ、T は SMA ワイヤの温度、\(M_s\) および \(M_f\) はそれぞれ初期および最終マルテンサイト温度です。
式（3）と式（4）を微分すると、逆変換式と順変換式は次の形式に簡略化されます。
順変換と逆変換の際、\(\eta _{\sigma}\)と\(\eta _{T}\)は異なる値をとります。\(\eta _{\sigma}\)と\(\eta _{T}\)に関連する基本方程式は、別のセクションで導出され、詳細に説明されています。
SMAワイヤの温度を上昇させるのに必要な熱エネルギーは、ジュール熱効果によるものです。SMAワイヤが吸収または放出する熱エネルギーは、相転移潜熱で表されます。SMAワイヤ内の熱損失は強制対流によるものであり、放射の影響は無視できると仮定すると、熱エネルギーバランス方程式は次のようになります。
ここで、\(m_{wire}\) は SMA ワイヤの総質量、\(c_{p}\) は SMA の比熱容量、\(V_{in}\) はワイヤに印加される電圧、\(R_{ohm} \ ) は SMA の相依存抵抗であり、次のように定義されます。\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) ここで、\(r_M\ ) と \(r_A\) はそれぞれマルテンサイトとオーステナイトにおける SMA の相抵抗率、\(A_{c}\) は SMA ワイヤの表面積、\(\Delta H \) は形状記憶合金です。ワイヤの転移潜熱、T と \(T_{\infty}\) はそれぞれ SMA ワイヤと環境の温度です。
形状記憶合金ワイヤが作動すると、ワイヤが圧縮され、二峰性設計の各分岐に繊維力と呼ばれる力が生じます。図9eに示すように、SMAワイヤの各ストランド内の繊維の力が合わさって、作動に必要な筋力が生成されます。バイアススプリングが存在するため、N番目の多層アクチュエータの総筋力は次のようになります。
式(7)に\(N = 1\)を代入すると、第1段階バイモーダル駆動プロトタイプの筋力は次のように求められる。
ここで、n は単峰性脚の数、\(F_m\) は駆動装置によって発生する筋力、\(F_f\) は SMA ワイヤの繊維強度、\(K_x\) はバイアスばねの剛性、\(\alpha\) は三角形の角度、\(x_0\) は SMA ケーブルを予張力位置に保持するためのバイアスばねの初期オフセット、\(\Delta x\) はアクチュエータの移動量です。
N段目のSMAワイヤにかかる電圧（σ）と歪み（ε）に応じて駆動部の総変位または移動量（Δx）は、次のように設定されます（図を参照）。
運動学的方程式は、駆動変形（\(\epsilon\)）と変位（\(\Delta x\)）の関係を示します。1つの単峰性分岐における、初期Arbワイヤ長（\(l_0\)）と任意の時刻tにおけるワイヤ長（l）の関数としてのArbワイヤの変形は次のようになります。
ここで、\(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) は、図 8 に示すように、\(\Delta\)ABB ' にコサイン公式を適用して得られます。第 1 段駆動 (\(N = 1\)) の場合、\(\Delta x_1\) は \(\Delta x\) であり、\(\alpha _1\) は \(\alpha \) です。図 8 に示すように、式 (11) から時間を微分し、l の値を代入すると、ひずみ速度は次のように表すことができます。
ここで、\(l_0\)はSMAワイヤの初期長さ、lは任意の時刻tにおける1つの単峰分岐でのワイヤの長さ、\(\epsilon\)はSMAワイヤに発生する変形、\(\alpha \)は三角形の角度、\(\Delta x\)は駆動オフセット（図8に示すとおり）です。
n 個の単一ピーク構造 (この図では \(n=6\)) はすべて入力電圧 \(V_{in}\) と直列に接続されています。 ステージ I: ゼロ電圧条件下でのバイモーダル構成の SMA ワイヤの概略図 ステージ II: 逆変換により SMA ワイヤが圧縮された制御構造が赤い線で示されています。
概念実証として、基礎となる方程式のシミュレーションによる導出を実験結果で検証するために、SMAベースのバイモーダル駆動装置が開発されました。バイモーダルリニアアクチュエータのCADモデルを図9aに示します。一方、図9cには、バイモーダル構造を持つ2平面SMAベースのアクチュエータを使用した回転プリズム接続用に提案された新しい設計が示されています。駆動部品は、Ultimaker 3 Extended 3Dプリンターで積層造形を使用して製造されました。部品の3Dプリントに使用された材料はポリカーボネートで、強度、耐久性があり、ガラス転移温度が高い（110～113℃）ため、耐熱材料として適しています。さらに、実験ではDynalloy, Inc.のFlexinol形状記憶合金ワイヤが使用され、シミュレーションではFlexinolワイヤに対応する材料特性が使用されました。図9b、dに示すように、複数のSMAワイヤが、筋肉の二峰性配置に存在する繊維として配置され、多層アクチュエータによって生成される高力を得ます。
図9aに示すように、可動アームSMAワイヤによって形成される鋭角を角度（\(\alpha\)）と呼びます。左右のクランプに端子クランプを取り付けることで、SMAワイヤは所望の二峰性角度に保持されます。スプリングコネクタに保持されるバイアススプリング装置は、SMAファイバーの数（n）に応じて異なるバイアススプリング伸長グループを調整するように設計されています。さらに、可動部品の位置は、SMAワイヤが強制対流冷却のために外部環境に露出するように設計されています。取り外し可能なアセンブリの上部プレートと下部プレートは、軽量化のために設計された押し出し成形された切り欠きによって、SMAワイヤを冷却するのに役立ちます。また、CMAワイヤの両端は、それぞれ圧着によって左右の端子に固定されます。可動アセンブリの一端にはプランジャーが取り付けられており、上部プレートと下部プレート間のクリアランスを維持します。プランジャーは、SMAワイヤが作動したときに、接点を介してセンサにブロッキング力を加え、ブロッキング力を測定するためにも使用されます。
二峰性筋構造SMAは直列に電気的に接続され、入力パルス電圧によって駆動されます。電圧パルスサイクル中、電圧が印加され、SMAワイヤがオーステナイトの初期温度以上に加熱されると、各ストランドのワイヤの長さが短縮されます。この収縮により、可動アームサブアセンブリが作動します。同じサイクルで電圧がゼロになると、加熱されたSMAワイヤはマルテンサイト表面の温度以下に冷却され、元の位置に戻ります。応力ゼロの状態では、SMAワイヤはまずバイアススプリングによって受動的に引き伸ばされ、双晶のないマルテンサイト状態になります。SMAワイヤが通過するネジは、SMAワイヤに電圧パルスを印加することによって生じる圧縮（SPAがオーステナイト相に達する）により動き、可動レバーが作動します。SMAワイヤが引き伸ばされると、バイアススプリングがさらに伸びることで反対方向の力が生じます。インパルス電圧の応力がゼロになると、強制対流冷却によりSMAワイヤが伸びて形状が変化し、二重マルテンサイト相に達する。
提案された SMA ベースのリニアアクチュエータシステムは、SMA ワイヤが角度をつけて配置されたバイモーダル構成になっています。(a) はプロトタイプの CAD モデルを示しており、プロトタイプのコンポーネントとその意味の一部が示されています。(b、d) は開発された実験用プロトタイプ 35 を表しています。(b) は電気接続とバイアススプリングおよびひずみゲージが使用されているプロトタイプの上面図を示し、(d) はセットアップの透視図を示しています。(e) 任意の時刻 t でバイモーダルに配置された SMA ワイヤを備えたリニアアクチュエーションシステムの図。繊維の方向と経路、および筋肉の強さを示しています。(c) 2 平面 SMA ベースのアクチュエータを展開するために、2 自由度回転プリズム接続が提案されています。図に示すように、リンクは下部駆動から上部アームに直線運動を伝達し、回転接続を形成します。一方、一対のプリズムの動きは、多層第 1 段駆動の動きと同じです。
図9bに示すプロトタイプを用いて、SMAベースのバイモーダル駆動の性能を評価する実験的研究を行った。図10aに示すように、実験装置は、SMAワイヤに入力電圧を供給するプログラマブルDC電源で構成されている。図10bに示すように、圧電ひずみゲージ（PACEline CFT/5kN）を用いて、Graphtec GL-2000データロガーでブロッキング力を測定した。データはホストによって記録され、さらに研究される。ひずみゲージとチャージアンプは、電圧信号を生成するために一定の電源を必要とする。対応する信号は、圧電力センサの感度および表2に記載されているその他のパラメータに従って、電力出力に変換される。電圧パルスが印加されると、SMAワイヤの温度が上昇し、SMAワイヤが圧縮され、アクチュエータが力を発生させる。7Vの入力電圧パルスによる筋力出力の実験結果を図2aに示す。
(a) 実験では、アクチュエータによって発生する力を測定するために、SMA ベースのリニアアクチュエータシステムがセットアップされました。ロードセルはブロック力を測定し、24 V DC 電源によって駆動されます。GW Instek プログラマブル DC 電源を使用して、ケーブルの全長に沿って 7 V の電圧降下が印加されました。SMA ワイヤは熱によって収縮し、可動アームがロードセルに接触してブロック力を発生させます。ロードセルは GL-2000 データロガーに接続され、データはホストに保存されてさらに処理されます。(b) 筋力測定のための実験セットアップのコンポーネントの連鎖を示す図。
形状記憶合金は熱エネルギーによって励起されるため、温度は形状記憶現象を研究する上で重要なパラメータとなります。実験では、図 11a に示すように、プロトタイプの SMA ベースの二価金属アクチュエータで熱画像と温度測定を行いました。図 11b に示すように、プログラム可能な DC 電源が実験セットアップの SMA ワイヤに入力電圧を印加しました。高解像度 LWIR カメラ (FLIR A655sc) を使用して、SMA ワイヤの温度変化をリアルタイムで測定しました。ホストは ResearchIR ソフトウェアを使用してデータを記録し、後処理を行います。電圧パルスが印加されると、SMA ワイヤの温度が上昇し、SMA ワイヤが収縮します。図 2b は、7V の入力電圧パルスに対する SMA ワイヤの温度の時間変化の実験結果を示しています。
投稿日時：2022年9月28日
