Gratias tibi ago quod Nature.com invisisti. Versio navigatri quam uteris limitatam sustentationem CSS habet. Pro optima experientia, commendamus ut navigatro recentiore utaris (vel Modum Compatibilitatis in Internet Explorer deactivare). Interea, ut sustentationem continuam praestemus, situm sine stylis et JavaScript reddemus.
Actuatores ubique adhibentur et motum moderatum creant, vim excitationis vel momentum torquens rectam applicando ad varias operationes in fabricatione et automatione industriali peragendas. Necessitas impulsorum velociorum, minorum et efficaciorum innovationem in designio impulsorum impellit. Impulsores ex mixtura memoriae formae (SMA) plura commoda prae impulsoribus conventionalibus offerunt, inter quae alta proportio potentiae ad pondus. In hac dissertatione, actuator SMA duarum pennarum fundatus elaboratus est, qui commoda musculorum plumosorum systematum biologicorum et proprietates singulares SMA coniungit. Hoc studium actuatores SMA priores explorat et extendit, exemplar mathematicum novi actuatoris innixum ordinationi filorum SMA bimodali evolvendo et experimentaliter probando. Comparatus impulsoribus notis in SMA fundatis, vis actuationis novi impulsoris saltem quinquies maior est (usque ad 150 N). Ponderis amissio correspondens est circiter 67%. Resultata analysis sensibilitatis exemplorum mathematicorum utilia sunt ad parametros designii adaptandos et parametros clavis intellegendos. Hoc studium porro impulsorem N-simum scaenicum multi-livelli praesentat, qui ad dynamicam ulterius augendam adhiberi potest. Actuatores musculorum dipvaleratis, SMA fundati, amplam applicationum varietatem habent, ab automatione aedificiorum ad systemata praecisionis administrationis medicamentorum.
Systema biologica, qualia sunt structurae musculares mammalium, multos actuatores subtiles excitare possunt1. Mammalia diversas structuras musculares habent, quarum unaquaeque propositum specificum inserviens. Attamen, magna pars structurae textus muscularis mammalium in duas latas categorias dividi potest: parallela et pennata. In musculis posterioribus femorum et aliis flexoribus, ut nomen indicat, musculatura parallela fibras musculares parallelas tendini centrali habet. Catena fibrarum muscularium ordinata et functionaliter connexa est per textum connectivum circum eos. Quamquam hi musculi dicuntur magnam excursionem habere (breviationem percentualem), eorum vis muscularis totalis valde limitata est. Contra, in musculo tricipiti surae2 (gastrocnemio laterali (GL)3, gastrocnemio mediali (GM)4 et soleo (SOL)) et extensore femoris (quadricipiti)5,6 textus muscularis pennatus in utroque musculo invenitur7. In structura pinnata, fibrae musculares in musculatura bipennata in utroque latere tendinis centralis ad angulos obliquos (anguli pinnati) praesentes sunt. Vocabulum "pennatus" a vocabulo Latino "penna" derivatur, quod "calamus" significat, et, ut in figura 1 demonstratur, speciem pennae habet. Fibrae musculorum pennatorum breviores sunt et ad axem longitudinalem musculi angulatae. Propter structuram pinnatam, mobilitas generalis horum musculorum reducitur, quod ad componentes transversales et longitudinales processus contrahendi ducit. Contra, activatio horum musculorum ad maiorem vim muscularem generalem ducit propter modum quo area sectionis transversalis physiologica metitur. Ergo, pro data area sectionis transversalis, musculi pennati fortiores erunt et vires maiores generabunt quam musculi cum fibris parallelis. Vires a fibris singulis generatae vires musculares ad gradum macroscopicum in illo textu musculari generant. Praeterea, proprietates singulares tales habet ut contractionem celerem, praesidium contra damnum tensile, et mollitiem. Relationem inter fibras ingressas et vim muscularem productam transformat, proprietates singulares et complexitatem geometricam dispositionis fibrarum cum lineis actionis musculorum coniunctam utens.
Ostenduntur diagrammata schematica designationum actuatorum SMA fundatorum exsistentium, respectu architecturae muscularis bimodalis, exempli gratia (a), repraesentantia interactionem vis tactilis in qua instrumentum manu formatum, filis SMA actuatum, roboti mobili autonomo duarum rotarum impositum est9,10., (b) Prosthesis orbitalis robotica cum prosthesi orbitali SMA antagonistice posita, a verrili onusta. Positio oculi prosthetici regitur signo a musculo oculari oculi11, (c) Actuatores SMA ideales sunt ad applicationes subaquaneas propter responsum frequentiae altae et latitudinem transmissionis parvam. In hac configuratione, actuatores SMA adhibentur ad motum undarum creandum simulando motum piscium, (d) Actuatores SMA adhibentur ad robotum inspectionis micro-tuborum creandum qui principio motus vermis unciae uti potest, motu filorum SMA intra canalem 10 rectum, (e) directionem contractionis fibrarum muscularium et generationem vis contractilis in textu gastrocnemio ostendit, (f) fila SMA in forma fibrarum muscularium in structura musculi pennati disposita ostendit.
Actuatores propter latam applicationum varietatem pars magni momenti systematum mechanicorum facti sunt. Ergo, necessitas minorum, velociorum et efficaciorum impulsorum critica fit. Quamvis commoda habeant, impulsiones traditionales se pretiosae et temporis consumentes in conservatione demonstraverunt. Actuatores hydraulici et pneumatici complexi et sumptuosi sunt et detritioni, problematibus lubricationis et defectibus partium obnoxii sunt. Ad postulationem respondentes, focus in evolutione actuatorum sumptu-efficientium, magnitudine optima et provectorum, in materiis intelligentibus fundatorum, est. Investigatio continua actuatores stratificatos e mixtura memoriae formae (SMA) considerat ut huic necessitati satisfaciat. Actuatores hierarchici singulares sunt quod multos actuatores discretos in subsystemata macro-scalae geometrice complexa combinant ut functionem auctam et expansam praebeant. Hoc respectu, textus musculi humani supra descriptus exemplum praeclarum multistratum talis actuationis multistratae praebet. Studium praesens impulsorem SMA multi-livellum cum pluribus elementis impulsoriis individualibus (filis SMA) ad orientationes fibrarum in musculis bimodalibus praesentibus alignatis describit, quod functionem impulsoris generalem emendat.
Propositum principale actuatoris est potentiam mechanicam, qualis est vis et dislocatio, generare per conversionem energiae electricae. Mixturae memoriae formae sunt classis materiarum "intelligentium" quae formam suam ad altas temperaturas restituere possunt. Sub oneribus magnis, augmentum temperaturae fili SMA ad recuperationem formae ducit, quod densitatem energiae actuationis maiorem efficit comparatione cum variis materiis intelligentibus directe coniunctis. Simul, sub oneribus mechanicis, SMA fragiles fiunt. Sub certis condicionibus, onus cyclicum energiam mechanicam absorbere et liberare potest, mutationes formae hystereticas reversibiles exhibens. Hae proprietates singulares SMA idealem faciunt sensoribus, vibrationum mitigatione, et praesertim actuatoribus12. Hoc in mente habentes, multae investigationes in impulsiones SMA fundatas factae sunt. Notandum est actuatores SMA fundatos designatos esse ad motum translationis et rotationis praebendum pro variis applicationibus13,14,15. Quamquam nonnulli actuatores rotantes evoluti sunt, investigatores praecipue actuatoribus linearibus student. Hi actuatores lineares in tres typos actuatorum dividi possunt: actuatores unidimensionales, dislocationis, et differentiales16. Initio, impulsiones hybridae una cum SMA aliisque impulsionibus conventionalibus creatae sunt. Exemplum tale actuatoris linearis hybridi fundati in SMA est usus fili SMA cum motore DC ad vim output circiter 100 N et dislocationem significantem praebendam.
Inter prima incrementa impulsionum omnino in SMA fundatarum fuit impulsio parallela SMA. Utentibus multis filis SMA, impulsio parallela SMA fundata designata est ad augendam facultatem potentiae impulsoris ponendo omnia fila SMA18 in parallelo. Connexio parallela actuatorum non solum plus potentiae requirit, sed etiam potentiam emissariam unius fili limitat. Aliud incommodum actuatorum fundatorum in SMA est cursus limitatus quem possunt consequi. Ad hoc problema solvendum, trabs funis SMA creata est continens trabem flexibilem deflexam ad augendum motum linearem et efficiendum, sed non generavit maiores vires19. Structurae molles deformabiles et telae pro robotis in mixturis memoriae formae fundatae praecipue ad amplificationem impactus evolutae sunt20,21,22. Pro applicationibus ubi celeritates altae requiruntur, antliae compactae impulsae relatae sunt utentes SMA tenuibus pelliculis ad applicationes microantliae impulsae23. Frequentia impulsionis membranae tenuis pelliculae SMA factor clavis est in moderanda celeritate impulsoris. Ergo, motores lineares SMA meliorem responsionem dynamicam habent quam motores SMA vernales vel virgales. Robotica mollis et technologia prehensionis duae aliae applicationes sunt quae actuatores fundatos in SMA utuntur. Exempli gratia, ad actuatorem ordinarium in fibula spatiali 25 N adhibitum substituendum, actuator parallelus e mixtura memoriae formae 24 elaboratus est. In alio casu, actuator mollis SMA fabricatus est ex filo cum matrice inclusa capacem producendi vim tractionis maximam 30 N. Propter proprietates suas mechanicas, SMA etiam adhibentur ad actuatores producendos qui phaenomena biologica imitantur. Una talis elaboratio includit robotum 12 cellularum qui biomimeticum est organismi lumbricorum similis cum SMA ad motum sinusoidalem generandum ad ignem 26,27.
Ut ante dictum est, limes est maximae vis quae ex actuatoribus SMA fundatis iam exstantibus obtineri potest. Ad hanc quaestionem solvendam, hoc studium structuram musculi bimodalis biomimeticam exhibet. Impulsa filo e materia memoriae formae. Systema classificationis praebet quod plura fila e materia memoriae formae includit. Adhuc, nulli actuatores SMA fundati cum simili architectura in litteris relati sunt. Hoc systema unicum et novum, SMA fundatum, elaboratum est ad investigandum mores SMA durante ordinatione musculi bimodalis. Comparatus cum actuatoribus SMA fundatis iam exstantibus, finis huius studii erat creare actuatorem biomimeticum dipvaleratum ad generandas vires significanter maiores in parvo volumine. Comparatus cum impulsoribus conventionalibus motoribus gradatim impulsis in systematibus automationis et moderationis aedificiorum HVAC adhibitis, consilium impulsoris bimodalis SMA fundati propositum pondus mechanismi impulsoris 67% reducit. In sequentibus, termini "musculus" et "impulsor" indifferenter adhibentur. Hoc studium simulationem multiphysicam talis impulsoris investigat. Mores mechanici talium systematum methodis experimentalibus et analyticis investigati sunt. Distributiones vis et temperaturae ulterius investigatae sunt ad tensionem ingressus 7 V. Deinde, analysis parametrica peracta est ad melius intellegendam relationem inter parametros clavis et vim egressam. Denique, actuatores hierarchici imaginati sunt et effectus graduum hierarchicorum propositi sunt ut area futura potentialis pro actuatoribus non-magneticis ad applicationes prostheticas. Secundum eventus studiorum supradictorum, usus architecturae unius stadii vires saltem quater ad quinquies maiores producit quam actuatores fundati in SMA relati. Praeterea, eadem vis impulsoria generata ab impulsore multi-livello multi-livello plus quam decies maior quam impulsorum conventionalium fundatorum in SMA demonstrata est. Studium deinde parametros clavis refert utens analysi sensibilitatis inter diversa consilia et variabiles ingressus. Longitudo initialis fili SMA (\(l_0\)), angulus pinnatus (\(\alpha\)) et numerus filorum singularium (n) in unoquoque filo singulari magnum effectum negativum habent in magnitudinem vis impulsoriae, dum tensio ingressus (energia) positive correlata esse apparuit.
Filum SMA effectum memoriae formae (SME) exhibet, qui in familia mixturarum niccoli-titanii (Ni-Ti) observatur. Typice, SMA duas phases temperaturae dependentes exhibent: phasim temperaturae humilis et phasim temperaturae altae. Ambae phases proprietates singulares habent propter praesentiam diversarum structurarum crystallinarum. In phase austenita (phasi temperaturae altae) supra temperaturam transformationis existente, materia magnam firmitatem exhibet et sub onere parum deformatur. Mixtura instar chalybis inoxidabilis se gerit, ita pressiones actuationis maiores tolerare potest. Hac proprietate mixturarum Ni-Ti utens, fila SMA inclinantur ad actuatorem formandum. Modela analytica idonea explicantur ad mechanicam fundamentalem comportamenti thermalis SMA sub influxu variorum parametrorum et variarum geometriarum intellegendam. Bona convenientia inter eventus experimentales et analyticos obtenta est.
Studium experimentale in prototypo in Figura 9a monstrato peractum est ad aestimandam efficaciam impulsoris bimodalis in SMA fundati. Duae harum proprietatum, vis ab impulsore generata (vis musculi) et temperatura fili SMA (temperatura SMA), experimentaliter mensuratae sunt. Cum differentia tensionis per totam longitudinem fili in impulsore crescit, temperatura fili propter effectum calefactionis Joule augetur. Tensio ingressa duobus cyclis 10 secundorum (punctis rubris in Figura 2a, b monstratis) cum periodo refrigerationis 15 secundorum inter singulos cyclos applicata est. Vis obstruens mensurata est utens tensometro piezoelectrico, et distributio temperaturae fili SMA in tempore reali monitorata est utens camera LWIR altae resolutionis gradus scientifici (vide proprietates instrumenti adhibiti in Tabula 2). demonstrat temperaturam fili monotone crescere, sed cum nulla electricitas fluit, temperaturam fili pergere descendere. In praesenti apparatu experimentali, temperatura fili SMA per tempus refrigerationis decrevit, sed adhuc supra temperaturam ambientis erat. In figura 2e imago temperaturae in filo SMA ex camera LWIR sumpta ostenditur. Contra, in figura 2a vis obstruens a systemate impulsorio generata ostenditur. Cum vis musculi vim restituentem fontis excedit, bracchium mobile, ut in figura 9a demonstratur, moveri incipit. Simul ac actuatio incipit, bracchium mobile sensorem tangit, vim corporis creans, ut in figura 2c, d demonstratur. Cum maxima temperatura prope \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) est, maxima vis observata est 10⁵ N.
Graphica ostendit eventus experimentales temperaturae fili SMA et vis ab actuatore bimodali fundato in SMA generatae per duos cyclos. Tensio ingressus applicatur in duobus cyclis decem secundorum (punctis rubris monstratis) cum periodo refrigerationis quindecim secundorum inter singulos cyclos. Filum SMA ad experimentis adhibitum erat filum Flexinol 0.51 mm diametro a Dynalloy, Inc. (a) Graphica ostendit vim experimentalem per duos cyclos obtentam, (c, d) ostendit duo exempla independentia actionis actuatorum brachii mobilis in transductore vis piezoelectrico PACEline CFT/5kN, (b) Graphica ostendit temperaturam maximam totius fili SMA per tempus duorum cyclorum, (e) ostendit imaginem temperaturae sumptam a filo SMA utens camera LWIR programmatis FLIR ResearchIR. Parametri geometrici in experimentis considerati in Tabula prima dantur.
Resultata simulationis exempli mathematici et experimenta sub condicione tensionis ingressus 7V comparantur, ut in Figura 5 demonstratur. Secundum resultata analysis parametricae et ad vitandam possibilitatem nimium calefactionis fili SMA, potentia 11.2 W actuatori suppedita est. Fons potentiae DC programmabilis ad 7V ut tensionem ingressus suppeditandam adhibitus est, et fluxus electricus 1.6A per filum mensuratus est. Vis ab impulsore generata et temperatura SDR augentur cum fluxus electricus applicatur. Cum tensione ingressus 7V, maxima vis emissa ex resultatis simulationis et resultatis experimentalis primi cycli obtenta est 78 N et 96 N respective. In secundo cyclo, maxima vis emissa simulationis et resultatorum experimentalium erat 150 N et 105 N respective. Discrepantia inter mensuras vis occlusionis et data experimentalia fortasse ex methodo adhibita ad vim occlusionis metiendam oritur. Resultata experimentalia in Figura 5 monstrantur. Figurae 5a mensurae vis claudendi respondent, quae vicissim mensurata est cum axis impulsorius transductorem vis piezoelectricum PACEline CFT/5kN in contactu erat, ut in figura 2s demonstratur. Ergo, cum axis impulsorius sensorem vis in initio zonae refrigerationis non in contactu est, vis statim nulla fit, ut in figura 2d demonstratur. Praeterea, alii parametri qui formationem vis in cyclis subsequentibus afficiunt sunt valores temporis refrigerationis et coefficiens translationis caloris convectivae in cyclo priori. Ex figura 2b, videri potest post periodum refrigerationis 15 secundorum, filum SMA temperaturam ambientem non attigisse et ideo temperaturam initialem altiorem (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) in secundo cyclo impulsorio comparatum cum primo cyclo (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) habuisse. Ergo, comparata cum primo cyclo, temperatura fili SMA per secundum cyclum calefactionis temperaturam austenitam initialem (\(A_s\)) citius attingit et in periodo transitionis diutius manet, unde tensiones et vis oriuntur. Contra, distributiones temperaturarum per cyclos calefactionis et refrigerationis ex experimentis et simulationibus obtentae magnam similitudinem qualitativam cum exemplis ex analysi thermographica habent. Analysis comparativa datorum thermalium fili SMA ex experimentis et simulationibus constantiam per cyclos calefactionis et refrigerationis et intra tolerantias acceptabiles pro datis experimentalibus ostendit. Maxima temperatura fili SMA, ex resultatibus simulationis et experimentorum primi cycli obtenta, est \(89\,^{\circ }\hbox{{C}\) et \(75\,^{\circ }\hbox{{C}\), respective), et in secundo cyclo maxima temperatura fili SMA est \(94\,^{\circ }\hbox{{C}\) et \(83\,^{\circ }\hbox{{C}\). Exemplar fundamentaliter elaboratum effectum memoriae formae confirmat. Munus lassitudinis et nimii calefactionis in hac recensione non consideratum est. In futuro, exemplar emendabitur ut historiam tensionis fili SMA includat, quo aptius ad applicationes machinales fiat. Diagrammata vis emissae impulsoris et temperaturae SMA ex modulo Simulink obtenta intra tolerantias permissas datorum experimentalium sub condicione impulsus tensionis ingressae 7 V sunt. Hoc rectitudinem et fidem exempli mathematici elaborati confirmat.
Exemplar mathematicum in ambitu MathWorks Simulink R2020b elaboratum est, aequationibus fundamentalibus in sectione Methodorum descriptis utens. In figura 3b diagramma obstructum exempli mathematici Simulink ostenditur. Exemplar simulatum est pro impulsu tensionis ingressus 7V, ut in figuris 2a et b demonstratur. Valores parametrorum in simulatione adhibitorum in Tabella 1 enumerantur. Resultata simulationis processuum transitoriorum in figuris 1 et 1 exhibentur. Figurae 3a et 4. In figuris 4a et b tensio inducta in filo SMA et vis ab actuatore generata pro functione temporis ostenditur. Durante transformatione inversa (calefactione), cum temperatura fili SMA, ∫(T < A_s^{\prime})∫(temperatura initialis phasis austenitae sub tensione modificatae), ratio mutationis fractionis voluminis martensitae (\(\dot{\xi}\)) erit nulla. Durante transformatione inversa (calefactione), cum temperatura fili SMA, ∫(T < A_s^{\prime})∫(temperatura initialis phasis austenitae sub tensione modificatae), ratio mutationis fractionis voluminis martensitae (\(\dot{\xi}\)) erit nulla. о время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T
(a) Resultatum simulationis distributionem temperaturae et temperaturam iuncturae a tensione inductam in actuatore divalerato fundato in SMA ostendens. Cum temperatura fili temperaturam transitionis austenitae in stadio calefactionis transit, temperatura transitionis austenitae modificatae crescere incipit, et similiter, cum temperatura virgae fili temperaturam transitionis martensiticae in stadio refrigerationis transit, temperatura transitionis martensiticae decrescit. SMA ad modellationem analyticam processus actuationis. (Pro visione accurata cuiusque subsystematis modeli Simulink, vide sectionem appendicis fasciculi supplementarii.)
Resultatus analysis pro diversis distributionibus parametrorum monstrantur pro duobus cyclis tensionis ingressus 7V (cyclis calefactionis 10 secundorum et cyclis refrigerationis 15 secundorum). Dum (ac) et (e) distributionem per tempus depingunt, contra, (d) et (f) distributionem cum temperatura illustrant. Pro respectivis condicionibus ingressus, maxima tensio observata est 106 MPa (minus quam 345 MPa, firmitas cessionis fili), vis est 150 N, maxima dislocatio est 270 µm, et minima fractio voluminis martensitica est 0.91. Ex altera parte, mutatio tensionis et mutatio fractionis voluminis martensitae cum temperatura similes sunt characteristicis hysteresis.
Eadem explicatio ad transformationem directam (refrigerationem) ex phase austenitae ad phasem martensiticam pertinet, ubi temperatura fili SMA (T) et temperatura finalis phasis martensiticae tensione modificatae (\(M_f^{\prime}\)) excellentes sunt. In figura 4d, f mutationem tensionis inductae (\(\sigma\)) et fractionis voluminis martensiticae (\(\xi\)) in filo SMA pro functione mutationis temperaturae fili SMA (T), pro utroque cyclo impulsionis ostenditur. In figura 3a mutationem temperaturae fili SMA cum tempore secundum impulsum tensionis ingressus ostendit. Ut ex figura videri potest, temperatura fili pergit crescere per fontem caloris ad tensionem nullam et subsequentem refrigerationem convectivam praebendam. Calefactione peracta, retransformatio martensitae ad austenitam incipit cum temperatura fili SMA (T) temperaturam nucleationis austenitae tensione correctam (\(A_s^{\prime}\)) transit. Hac phase, filum SMA comprimitur et actuator vim generat. Item refrigeratione peracta, cum temperatura fili SMA (T) temperaturam nucleationis phasis martensitae tensione modificatae (\(M_s^{\prime}\)) transit, transitus positivus a phase austenitae ad phasem martensitae fit. Vis impulsoria decrescit.
Aspectus qualitativi praecipui impulsionis bimodalis in SMA fundatae ex resultatibus simulationis obtineri possunt. In casu impulsus tensionis, temperatura fili SMA propter effectum calefactionis Joule augetur. Valor initialis fractionis voluminis martensitae (\(\xi\)) ad 1 statuitur, cum materia initialiter in phase plene martensitica sit. Dum filum calescere pergit, temperatura fili SMA temperaturam nucleationis austenitae correctam pro tensione \(A_s^{\prime}\) excedit, quod ad diminutionem fractionis voluminis martensitae ducit, ut in Figura 4c demonstratur. Praeterea, in figura 4e distributio ictuum actuatoris in tempore ostenditur, et in figura 5 – vis impulsiva pro functione temporis. Systema aequationum conexum temperaturam, fractionem voluminis martensitae, et tensionem quae in filo oritur includit, quae ad contractionem fili SMA et vim ab actuatore generatam ducit. Ut in figura demonstratur... Variatio tensionis electricae cum temperatura et variatio fractionis voluminis martensiticae cum temperatura in figuris 4d et f respondent characteristicis hysteresis SMA in casu simulato ad 7 V.
Comparatio parametrorum impulsoriorum per experimenta et computationes analyticas obtenta est. Fila tensioni impulsoris pulsatili 7 V per 10 secunda subiecta sunt, deinde per 15 secunda (phasis refrigerationis) per duos cyclos refrigerata sunt. Angulus pinnatus ad \(40^{\circ}\) statuitur et longitudo initialis fili SMA in singulis cruribus ad 83 mm statuitur. (a) Vis impulsoria cum cella oneris mensuratur (b) Temperatura fili cum camera infrarubra thermali monitoratur.
Ut intellegeretur qualis parametrorum physicorum vi a motore producta sit, analysis sensibilitatis exempli mathematici ad parametros physicos selectos peracta est, et parametri secundum suam influxum ordinati sunt. Primo, parametrorum exempli selectio facta est utens principiis designandi experimentales quae distributionem uniformem secuti sunt (vide Sectionem Supplementarem de Analysi Sensibilitatis). Hoc in casu, parametri exempli includunt tensionem ingressam (\(V_{in}\)), longitudinem initialem fili SMA (\(l_0\)), angulum trianguli (\(\alpha\)), constantem elasticitatis polaritatis (\(K_x\)), coefficientem translationis caloris convectivae (\(h_T\)) et numerum ramorum unimodalium (n). In gradu sequenti, vis musculi maxima ut requisitum designandi studii electa est et effectus parametrici cuiusque variabilium in vim obtenti sunt. Diagrammata tornado pro analysi sensibilitatis derivata sunt ex coefficientibus correlationis pro quolibet parametro, ut in Figura 6a demonstratur.
(a) Valores coefficientium correlationis parametrorum exemplaris et effectus eorum in vim maximam productam 2500 gregum singularium parametrorum supradictorum in diagramma tornado monstrantur. Graphica correlationem ordinis plurium indicatorum ostendit. Perspicuum est V in esse solum parametrum cum correlatione positiva, et l 0 esse parametrum cum maxima correlatione negativa. Effectus variorum parametrorum in variis combinationibus in maximam vim musculi in (b, c) monstratur. K x a 400 ad 800 N/m et n a 4 ad 24 variat. Tensio electrica (V in) a 4V ad 10V mutata est, longitudo fili (l 0) a 40 ad 100 mm mutata est, et angulus caudae (α) a 20-60 variavit.
In figura 6a diagramma tornadi variorum coefficientium correlationis pro quolibet parametro cum requisitis designationis vis maximae impulsivae ostenditur. Ex figura 6a videri potest parametrum tensionis (V_{in}\)) directe cum vi maxima producta coniunctum esse, et coefficientem translationis caloris convectivae (h_T\)), angulum flammae (alpha\)), constantem elasticitatis dislocationis (K_x\)) negative cum vi producta et longitudine initiali (l_0\)) fili SMA correlatum esse, et numerum ramorum unimodalium (n) correlationem inversam fortem ostendere. In casu correlationis directae, in casu valoris altioris coefficientis correlationis tensionis (V_{in}\)) indicat hunc parametrum maximum effectum in potentiam productam habere. Alia analysis similis vim maximam metitur aestimando effectum parametrorum diversorum in combinationibus diversis duorum spatiorum computationalium, ut in figura 6b, c demonstratur. \(V_{in}\) et \(l_0\), \(\alpha\) et \(l_0\) similia exempla habent, et graphum ostendit \(V_{in}\) et \(\alpha\) et \(\alpha\) similia exempla habere. Minores valores \(l_0\) maiores vires maximas efficiunt. Aliae duae diagrammata congruunt cum Figura 6a, ubi \(n\) et \(K_x\) negative correlatae sunt et \(V_{in}\) positive correlatae sunt. Haec analysis adiuvat ad definiendos et adaptandos parametros influentes quibus vis emissa, cursus et efficacia systematis impulsoris ad requisita et applicationem aptari possunt.
Investigationes hodiernae impulsores hierarchicos cum N gradibus introducunt et investigant. In hierarchia duorum graduum, ut in Figura 7a demonstratur, ubi loco cuiusque fili SMA actuatoris primi gradus, dispositio bimodalis efficitur, ut in Figura 9e demonstratur. In Figura 7c apparet quomodo filum SMA circa bracchium mobile (bracchium auxiliare) volvitur, quod solum in directione longitudinali movetur. Attamen, bracchium mobile primarium eodem modo quo bracchium mobile actuatoris multi-gradus primi gradus moveri pergit. Typice, impulsor N-gradus creatur substituendo filum SMA \(N-1\) gradus impulsore primi gradus. Propterea, quisque ramus impulsorem primi gradus imitatur, excepto ramo qui ipsum filum tenet. Hoc modo, structurae inclusae formari possunt quae vires creant quae multis vicibus maiores sunt quam vires impulsorum primariorum. In hoc studio, pro quolibet gradu, longitudo totalis effectiva fili SMA 1 m in rationem ducta est, ut in forma tabulari in Figura 7d demonstratur. Currentis per singulos fila in singulis designis unimodalibus et praetensio resultans atque tensio in singulis segmentis fili SMA eaedem sunt in singulis gradibus. Secundum nostrum exemplar analyticum, vis producta positive correlata est cum gradu, dum dislocatio negative correlata est. Simul, compromissum erat inter dislocationem et vim musculorum. Ut in figura 7b videtur, dum maxima vis in maximo numero stratorum obtinetur, maxima dislocatio in strato infimo observatur. Cum gradus hierarchiae ad ∫(N=5) constitutus est, vis musculorum maxima 2.58 kN inventa est cum duobus ictubus observatis ∫(\upmu\)m. Ex altera parte, impulsor primi gradus vim 150 N generat cum ictu 277 ∫(\upmu\)m. Actuatores multi-gradus possunt imitari musculos biologicos veros, ubi musculi artificiales in mixturis memoriae formae fundati possunt vires significanter maiores cum motibus accuratis et subtilioribus generare. Limitationes huius designi miniaturizati sunt quod, cum hierarchia crescit, motus valde reducitur et complexitas processus fabricationis impulsoris crescit.
(a) Systema actuatoris linearis e materia memoriae formae stratificata, duobus stadiis (\(N=2\)), configuratione bimodali monstratur. Exemplar propositum perficitur per substitutionem fili SMA in actuatore stratificato primi stadii cum alio actuatore stratificato unius stadii. (c) Configuratio deformata actuatoris multistratos secundi stadii. (b) Distributio virium et dislocationum secundum numerum graduum describitur. Inventum est vim maximam actuatoris positive cum gradu scalae in graphio correlatam esse, dum ictus negative cum gradu scalae correlatur. Current et prae-tensio in unoquoque filo constantes manent in omnibus gradibus. (d) Tabula numerum derivationum et longitudinem fili SMA (fibrae) in unoquoque gradu ostendit. Proprietates filorum indice 1 indicantur, et numerus ramorum secundariorum (unus cum crure primario connexus) maximo numero in subscripto indicatur. Exempli gratia, in gradu quinto, \(n_1\) ad numerum filorum SMA praesentium in unaquaque structura bimodali refertur, et \(n_5\) ad numerum crurum auxiliarium (unum cruri principali connexum) refertur.
Variae methodi a multis investigatoribus propositae sunt ad simulandum mores materiarum SMA cum memoria formae, quae pendent ex proprietatibus thermomechanicis quae mutationes macroscopicas in structura crystallina cum transitione phasis coniunctas comitantur. Formulatio methodorum constitutivarum natura sua complexa est. Modellum phaenomenologicum frequentissime adhibitum a Tanaka28 proponitur et late in applicationibus machinalibus adhibetur. Modellum phaenomenologicum a Tanaka [28] propositum assumit fractionem voluminis martensitae esse functionem exponentialem temperaturae et tensionis. Postea, Liang et Rogers29 et Brinson30 modellum proposuerunt in quo dynamica transitionis phasis esse functio cosinus tensionis et temperaturae assumpta est, cum levibus modificationibus ad modellum. Becker et Brinson modellum cineticum fundatum in diagramma phasium proposuerunt ad simulandum mores materiarum SMA sub condicionibus oneris arbitrariis necnon transitionibus partialibus. Banerjee32 methodum dynamicae diagrammatis phasium Bekker et Brinson31 adhibet ad simulandum manipulatorem unius gradus libertatis a Elahinia et Ahmadian33 elaboratum. Methodi cineticae, quae in diagrammatibus phasium nituntur, quae mutationem non monotonam tensionis cum temperatura considerant, in applicationibus machinalibus difficiles sunt ad usum. Elakhinia et Ahmadian ad has defectus exemplorum phaenomenologicorum iam exstantium attentionem adducunt et exemplar phaenomenologicum extensum proponunt ad analysandum et definiendum modum memoriae formae sub quibusvis condicionibus oneris complexis.
Exemplar structurale fili SMA tensionem (\(\sigma\)), deformationem (\(\epsilon\)), temperaturam (T), et fractionem voluminis martensitae (\(\xi\)) fili SMA dat. Exemplar constitutivum phaenomenologicum primum a Tanaka28 propositum est et postea a Liang29 et Brinson30 adoptatum. Derivatum aequationis formam habet:
ubi E est modulus Youngianus SMA a phase dependens, inventus utens E = x I E_M + (1 - x I ) E_A, et E_A et E_M, quae modulum Youngianum repraesentant, phases austeniticas et martensiticas respective, et coefficiens expansionis thermalis per θT repraesentatur. Factor contributionis transitionis phasis est Ω = -E ∈ L, et θL est maxima deformatio recuperabilis in filo SMA.
Aequatio dynamicae phasium coincidit cum functione cosinus a Liang29 evoluta et postea a Brinson30 adoptata loco functionis exponentialis a Tanaka28 propositae. Modellum transitionis phasium est extensio modelli ab Elakhinia et Ahmadian34 propositi et modificatum secundum condiciones transitionis phasium a Liang29 et Brinson30 datas. Conditiones ad hoc modellum transitionis phasium adhibitae valent sub oneribus thermomechanicis complexis. Quolibet momento temporis, valor fractionis voluminis martensitae computatur dum aequatio constitutiva modelatur.
Aequatio retransformationis gubernans, per transformationem martensitae in austenitam sub condicionibus calefactionis expressa, est ut sequitur:
ubi \(\xi\) est fractio voluminis martensitae, \(\xi_M\) est fractio voluminis martensitae ante calefactionem obtenta, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \(\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) et \(C_A\) – parametri approximationis curvae, T – temperatura fili SMA, \(A_s\) et \(A_f\) – initium et finis phasis austenitae, respective, temperatura.
Aequatio moderationis transformationis directae, quae transformatione phasis austenitae in martensitam sub condicionibus refrigerationis repraesentatur, est:
ubi \(\xi_A\) est fractio voluminis martensitae ante refrigerationem obtentae, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) et \(C_M\) – parametri curvae aptationis, T – temperatura fili SMA, \(M_s\) et \(M_f\) – temperaturae martensitae initialis et finalis, respective.
Post differentiationem aequationum (3) et (4), aequationes transformationis inversae et directae ad formam sequentem simplificantur:
In transformatione antrorsum et retrorsum, η σ et η T valores diversos accipiunt. Aequationes fundamentales cum η σ et η T consociatae in sectione additionali derivatae et fusius tractatae sunt.
Energia thermalis ad temperaturam fili SMA elevandam necessaria ex effectu calefactionis Joule oritur. Energia thermalis a filo SMA absorpta vel emissa calore latente transformationis repraesentatur. Amissio caloris in filo SMA convectioni coactae debetur, et, dato effectu radiationis neglegibili, aequatio aequilibrii energiae thermalis haec est:
Ubi ∫m₀wire₀ est massa totalis fili SMA, ∫c₀p₀ est capacitas calorica specifica fili SMA, ∫V₀in₀ est tensio metallica filo applicata, ∫R₀ohm₀ – resistentia phase-dependens SMA, definita ut: ∫R₀ohm = (l/A₀cross)[xi r₀M + (1-xi )r₀A]∫ ubi ∫r₀M₀ et ∫r₀A₀ sunt resistivitas phasis SMA in martensita et austenita, respective, ∫A₀c₀ est area superficialis fili SMA, ∫ΔH₀ est mixtura memoriae formae. Calor latens transitionis fili, T₁ et ∫T₀in₀) sunt temperaturae fili SMA et ambitus, respective.
Cum filum e mixtura memoriae formae actuatur, filum comprimitur, vim in singulis ramis designationis bimodalis creans, quae vis fibrae appellatur. Vires fibrarum in singulis filis fili SMA simul vim muscularem ad actuandum creant, ut in Figura 9e demonstratur. Ob praesentiam fontis inclinantis, vis muscularis totalis actuatoris multistrati N est:
Substituendo ∫(N = 1) in aequationem (7), vis musculorum prototypi impulsionis bimodalis primi stadii hoc modo obtineri potest:
ubi n est numerus crurum unimodalium, F_m est vis musculi ab impulsore generata, F_f est robur fibrae in filo SMA, K_x est rigiditas elastica polaritatis, alpha est angulus trianguli, x_0 est offset initiale elasticae polaritatis ad funem SMA in positione prae-tensionata tenendum, et Δx est cursus actuatoris.
Motus totalis sive dislocatio impulsoris (Δx)), pro tensione (sigma) et tensione (epsilon) in filo SMA stadii N, impulsor ad (vide Fig. partem additam exitus) constituitur:
Aequationes cinematicae relationem inter deformationem impulsoris (\(\epsilon\)) et dislocationem vel dislocationem (\(\Delta x\)) dant. Deformatio fili Arb pro longitudine initiali fili Arb (\(l_0\)) et longitudine fili (l) quovis tempore t in uno ramo unimodali est ut sequitur:
ubi ∑l = (l₀² + (Δx₁)² – 2 l₀(Δx₁) cosα₁ obtinetur applicando formulam cosini in ΔABB ', ut in Figura 8 demonstratur. Pro impulsu primi stadii (N = 1), Δx₁ est Δx), et α₁ est α₁ ut demonstratur in . Ut in Figura 8 demonstratur, differentiando tempus ab Aequatione (11) et substituendo valorem l, celeritas deformationis scribi potest ut:
ubi ∫_0∫ est longitudo initialis fili SMA, ∫ est longitudo fili quovis tempore *t* in uno ramo unimodali, ∫_(epsilon) est deformatio in filo SMA evoluta, et ∫_(alpha) est angulus trianguli, ∫_(x) est aberratio impulsoria (ut in Figura 8 demonstratur).
Omnes n structurae unius cacuminis (\(n=6\) in hac figura) in serie connexae sunt, \(V_{in}\) ut tensione ingressa. Gradus I: Diagramma schematicum fili SMA in configuratione bimodali sub condicionibus tensionis nullae. Gradus II: Structura moderata ostenditur ubi filum SMA comprimitur propter conversionem inversam, ut linea rubra demonstratur.
Ad demonstrationem conceptus, impulsor bimodalis fundatus in SMA elaboratus est ad derivationem simulatam aequationum subiacentium cum eventibus experimentalibus probandam. Exemplar CAD actuatoris linearis bimodalis in figura 9a monstratur. Contra, in figura 9c novum consilium propositum pro nexu prismatico rotationali utens actuatore biplano fundato in SMA cum structura bimodali ostenditur. Partes impulsoris fabricatae sunt per fabricationem additivam in impressore 3D Ultimaker 3 Extended. Materia ad impressionem 3D partium adhibita est polycarbonatum, quod aptum est materiis resistentibus calori, quia robustum, durabile est, et altam temperaturam transitionis vitreae (110-113 °C) habet. Praeterea, filum e mixtura memoriae formae Flexinol, Dynalloy, Inc., in experimentis adhibitum est, et proprietates materiales filo Flexinol correspondentes in simulationibus adhibitae sunt. Plura fila SMA ut fibrae in ordinatione bimodali musculorum dispositae sunt ad vires magnas ab actuatoribus multistratis productas obtinendas, ut in figuris 9b et 9d monstratur.
Ut in Figura 9a demonstratur, angulus acutus a filo SMA brachii mobilis formatus angulus (\(\alpha\)) appellatur. Cum fibulis terminalibus fibulis sinistris et dextris affixis, filum SMA ad angulum bimodalem desideratum tenetur. Instrumentum fontis inclinationis, in connectore fontis suspensum, destinatum est ad adaptandas diversas cohortes extensionis fontis inclinationis secundum numerum (n) fibrarum SMA. Praeterea, situs partium mobilium ita designatus est ut filum SMA ambitui externo exponatur ad refrigerationem per convectionem coactam. Laminae superior et inferior coetus separabilis adiuvant ad conservandum filum SMA refrigerandum cum excisionibus extrusis ad pondus reducendum designatis. Accedit quod ambo fines fili CMA ad terminales sinistros et dextros, respective, per crimpam fixantur. Embolus uni extremo coetus mobilis affixus est ad spatium inter laminas superiorem et inferiorem servandum. Embolus etiam adhibetur ad vim obstruendi sensori per contactum applicandam ad vim obstruendi metiendam cum filum SMA actuatur.
Structura musculi bimodalis SMA (fibra magnetica) electrice in serie connexa est et a tensione impulsiva input potentiam accipit. Per cyclum impulsuum tensionis, cum tensio applicatur et filum SMA supra temperaturam initialem austenitae calefactum est, longitudo fili in unoquoque filo brevior fit. Haec retractio subconiunctionem brachii mobilis activat. Cum tensio in eodem cyclo ad nihilum reducta est, filum SMA calefactum infra temperaturam superficiei martensiticae refrigeratum est, ita ad positionem originalem revertens. Sub condicionibus tensionis nullae, filum SMA primum passive a fonte inclinationis extenditur ut statum martensiticum detwinnatum attingat. Cochlea, per quam filum SMA transit, movetur propter compressionem creatam applicando impulsum tensionis filo SMA (SPA phasin austenitam attingit), quod ad actuationem vectis mobilis ducit. Cum filum SMA retrahitur, fons inclinationis vim contrariam creat ulterius fontem extendendo. Cum tensio in tensione impulsiva nulla fit, filum SMA elongatur et formam suam propter refrigerationem per convectionem coactam mutat, ad phasim duplicem martensiticam perveniens.
Systema actuatoris linearis, quod SMA fundatur, propositum configurationem bimodalem habet, in qua fila SMA angulata sunt. (a) exemplar CAD prototypi depingit, quod nonnullas partes et significationes earum pro prototypo commemorat, (b, d) prototypum experimentale elaboratum repraesentat35. Dum (b) prospectum desuper prototypi cum nexibus electricis et fontibus tensionis et tensometris adhibitis ostendit, (d) prospectum perspectivum configurationis ostendit. (e) Diagramma systematis actuationis linearis cum filis SMA bimodaliter quovis tempore t positis, directionem et cursum fibrae et vim musculi ostendens. (c) Nexus prismaticus rotationalis 2-DOF ad actuatorem biplanum SMA fundatum explicandum propositus est. Ut demonstratum est, nexus motum linearem ab impulsore inferiore ad brachium superius transmittit, nexum rotationalem creans. Ex altera parte, motus paris prismatum idem est ac motus impulsoris primi stadii multistrati.
Studium experimentale in prototypo in Figura 9b monstrato peractum est ad aestimandam efficaciam impulsoris bimodalis in SMA fundati. Ut in Figura 10a demonstratur, apparatus experimentalis constabat ex fonte potentiae DC programmabili ad tensionem ingressus filis SMA suppeditandam. Ut in Figura 10b demonstratur, tensometrum piezoelectricum (PACEline CFT/5kN) adhibitum est ad vim obstruendi metiendam utens Graphtec GL-2000 data logger. Data a hospite ad ulteriorem studium notantur. Tensometra et amplificatores oneris fontem potentiae constantem requirunt ad signum tensionis producendum. Signa correspondentia in potentiam exitus convertuntur secundum sensibilitatem sensoris vis piezoelectrici et alios parametros ut in Tabula 2 describitur. Cum impulsus tensionis applicatur, temperatura fili SMA augetur, filum SMA comprimere faciens, quod actuatorem vim generare facit. Resultata experimentalia exitus roboris musculi per impulsum tensionis ingressus 7 V in Figura 2a monstrantur.
(a) Systema actuatoris linearis in SMA fundatum in experimento constitutum est ad vim ab actuatore generatam metiendam. Cellula oneris vim obstructionis metitur et a fonte potentiae DC 24 V potentiam accipit. Caduta tensionis 7 V per totam longitudinem funis applicata est utens fonte potentiae DC programmabili GW Instek. Filum SMA propter calorem contrahitur, et bracchium mobile cellam oneris tangit et vim obstructionis exercet. Cellula oneris cum registratore datorum GL-2000 connectitur et data in computatro principali ad ulteriorem processum servantur. (b) Diagramma seriem partium apparatus experimentalis ad vim musculorum metiendam ostendens.
Mixturae memoriae formae energia thermali excitantur, ita temperatura fit parametrus magni momenti ad phaenomenon memoriae formae studendum. Experimentaliter, ut in Figura 11a demonstratur, imagines thermales et mensurae temperaturae in prototypo actuatoris divalerati SMA fundati peractae sunt. Fons DC programmabilis tensionem ingressam filis SMA in apparatu experimentali applicavit, ut in Figura 11b demonstratur. Mutatio temperaturae fili SMA in tempore reali mensurata est utens camera LWIR altae resolutionis (FLIR A655sc). Hospes programmate ResearchIR utitur ad data pro ulteriore post-processu registranda. Cum impulsus tensionis applicatur, temperatura fili SMA augetur, filum SMA contrahere faciens. In Figura 2b eventus experimentales temperaturae fili SMA contra tempus pro impulsu tensionis ingressae 7V ostendit.
Tempus publicationis: XXVIII Septembris, MMXXII
