Ви благодариме што ја посетивте Nature.com. Верзијата на прелистувачот што ја користите има ограничена поддршка за CSS. За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Во меѓувреме, за да обезбедиме континуирана поддршка, ќе ја прикажеме страницата без стилови и JavaScript.
Актуаторите се користат насекаде и создаваат контролирано движење со примена на точната сила на побудување или вртежен момент за извршување на разни операции во производството и индустриската автоматизација. Потребата за побрзи, помали и поефикасни погони е двигател на иновациите во дизајнот на погоните. Погоните од легура на меморија на облик (SMA) нудат голем број предности во однос на конвенционалните погони, вклучувајќи висок сооднос моќност-тежина. Во оваа дисертација, развиен е актуатор базиран на SMA со две пердуви, кој ги комбинира предностите на пердувестите мускули на биолошките системи и уникатните својства на SMA. Оваа студија ги истражува и проширува претходните SMA актуатори со развивање на математички модел на новиот актуатор базиран на бимодалниот распоред на жици на SMA и негово експериментално тестирање. Во споредба со познатите погони базирани на SMA, силата на активирање на новиот погон е најмалку 5 пати поголема (до 150 N). Соодветното губење на тежина е околу 67%. Резултатите од анализата на чувствителност на математичките модели се корисни за подесување на параметрите на дизајнот и разбирање на клучните параметри. Оваа студија понатаму претставува погон на повеќе нивоа од N-ти степен што може да се користи за понатамошно подобрување на динамиката. Дипвалераните мускулни актуатори базирани на SMA имаат широк спектар на примени, од автоматизација на згради до системи за прецизна испорака на лекови.
Биолошките системи, како што се мускулните структури на цицачите, можат да активираат многу суптилни актуатори1. Цицачите имаат различни мускулни структури, од кои секоја служи за одредена намена. Сепак, голем дел од структурата на мускулното ткиво на цицачите може да се подели во две широки категории. Паралелни и пенатни. Во тетивите и другите флексори, како што сугерира името, паралелната мускулатура има мускулни влакна паралелни со централната тетива. Синџирот на мускулни влакна е нареден и функционално поврзан со сврзното ткиво околу нив. Иако се вели дека овие мускули имаат големо изместување (процентно скратување), нивната вкупна мускулна сила е многу ограничена. Спротивно на тоа, во трицепсот на телето2 (латерален гастрокнемиус (GL)3, медијален гастрокнемиус (GM)4 и солеус (SOL)) и екстензорот на феморис (квадрицепс)5,6 пенатно мускулно ткиво се наоѓа во секој мускул7. Во пердувестата структура, мускулните влакна во бипенатната мускулатура се присутни од двете страни на централната тетива под коси агли (пердувести агли). Зборот „пеннат“ потекнува од латинскиот збор „penna“, што значи „пенкало“ и, како што е прикажано на сл. 1, има изглед сличен на пердув. Влакната на пенатните мускули се пократки и под агол во однос на надолжната оска на мускулот. Поради пенатната структура, целокупната подвижност на овие мускули е намалена, што доведува до попречни и надолжни компоненти на процесот на скратување. Од друга страна, активирањето на овие мускули доведува до поголема целокупна мускулна сила поради начинот на кој се мери физиолошката површина на пресек. Затоа, за дадена површина на пресек, пенатните мускули ќе бидат посилни и ќе генерираат поголеми сили од мускулите со паралелни влакна. Силите генерирани од поединечни влакна генерираат мускулни сили на макроскопско ниво во тоа мускулно ткиво. Покрај тоа, има уникатни својства како што се брзо собирање, заштита од оштетување од истегнување, амортизација. Ја трансформира врската помеѓу влезот на влакната и излезот на мускулната моќност со искористување на уникатните карактеристики и геометриската сложеност на распоредот на влакната поврзан со линиите на дејствување на мускулите.
Прикажани се шематски дијаграми на постоечки дизајни на актуатори базирани на SMA во однос на бимодална мускулна архитектура, на пример (а), што ја претставува интеракцијата на тактилната сила во која рачно обликуван уред активиран од SMA жици е монтиран на автономен мобилен робот со две тркала9,10. , (б) Роботска орбитална протеза со антагонистички поставена SMA орбитална протеза со пружина. Позицијата на протетското око се контролира со сигнал од окуларниот мускул на окото11, (в) SMA актуаторите се идеални за подводни апликации поради нивниот висок фреквентен одзив и низок пропусен опсег. Во оваа конфигурација, SMA актуаторите се користат за создавање движење на бранови со симулирање на движењето на рибите, (г) SMA актуаторите се користат за создавање робот за инспекција на микро цевки кој може да го користи принципот на движење на инчен црв, контролиран од движењето на SMA жиците во каналот 10, (д) ​​ја покажува насоката на контракција на мускулните влакна и генерирање на контрактилна сила во ткивото на гастрокнемиус, (ѓ) ги прикажува SMA жиците распоредени во форма на мускулни влакна во структурата на пенаталниот мускул.
Актуаторите станаа важен дел од механичките системи поради нивниот широк опсег на примена. Затоа, потребата од помали, побрзи и поефикасни погони станува критична. И покрај нивните предности, традиционалните погони се покажаа како скапи и одземаат многу време за одржување. Хидрауличните и пневматските актуатори се сложени и скапи и се подложни на абење, проблеми со подмачкување и откажување на компонентите. Како одговор на побарувачката, фокусот е на развој на економични, оптимизирани по големина и напредни актуатори базирани на паметни материјали. Тековните истражувања ги разгледуваат слоевитите актуатори од легури со меморија на форма (SMA) за да се задоволи оваа потреба. Хиерархиските актуатори се уникатни по тоа што комбинираат многу дискретни актуатори во геометриски сложени подсистеми со макро размер за да обезбедат зголемена и проширена функционалност. Во овој поглед, човечкото мускулно ткиво опишано погоре дава одличен повеќеслоен пример за такво повеќеслојно активирање. Тековната студија опишува повеќеслоен SMA погон со неколку индивидуални елементи на погон (SMA жици) порамнети со ориентациите на влакната присутни во бимодалните мускули, што ги подобрува целокупните перформанси на погонот.
Главната намена на актуаторот е да генерира механичка излезна моќност, како што се сила и поместување, со конвертирање на електрична енергија. Легурите со меморија на облик се класа на „паметни“ материјали кои можат да ја обноват својата форма на високи температури. Под големи оптоварувања, зголемувањето на температурата на SMA жицата води до обновување на обликот, што резултира со поголема густина на енергијата на активирање во споредба со различни директно врзани паметни материјали. Во исто време, под механички оптоварувања, SMA стануваат кршливи. Под одредени услови, цикличното оптоварување може да апсорбира и ослободи механичка енергија, покажувајќи реверзибилни хистеретични промени на обликот. Овие уникатни својства го прават SMA идеален за сензори, амортизација на вибрации и особено актуатори12. Имајќи го ова предвид, има многу истражувања за погони базирани на SMA. Треба да се напомене дека актуаторите базирани на SMA се дизајнирани да обезбедат транслационо и ротационо движење за различни апликации13,14,15. Иако се развиени некои ротациони актуатори, истражувачите се особено заинтересирани за линеарни актуатори. Овие линеарни актуатори можат да се поделат на три типа актуатори: еднодимензионални, актуатори со поместување и диференцијални актуатори16. Првично, хибридните погони беа создадени во комбинација со SMA и други конвенционални погони. Еден таков пример за хибриден линеарен актуатор базиран на SMA е употребата на SMA жица со DC мотор за да се обезбеди излезна сила од околу 100 N и значително поместување17.
Еден од првите случувања кај погоните целосно базирани на SMA беше SMA паралелниот погон. Користејќи повеќе SMA жици, паралелниот погон базиран на SMA е дизајниран да ја зголеми моќноста на погонот со паралелно поставување на сите SMA18 жици. Паралелното поврзување на актуаторите не само што бара поголема моќност, туку и ја ограничува излезната моќност на една жица. Друг недостаток на актуаторите базирани на SMA е ограниченото движење што можат да го постигнат. За да се реши овој проблем, беше креиран SMA кабелски зрак што содржи отклонет флексибилен зрак за зголемување на поместувањето и постигнување линеарно движење, но не генерираше поголеми сили19. Меки деформабилни структури и ткаенини за роботи базирани на легури со меморија на облик се развиени првенствено за засилување на ударот20,21,22. За апликации каде што се потребни големи брзини, пријавени се компактни погонувани пумпи со употреба на тенкофилмни SMA за апликации управувани од микропумпи23. Фреквенцијата на погонот на тенкофилмската SMA мембрана е клучен фактор во контролирањето на брзината на погонот. Затоа, SMA линеарните мотори имаат подобар динамички одговор од SMA пружинските или прачките мотори. Меката роботика и технологијата на фаќање се две други апликации кои користат актуатори базирани на SMA. На пример, за да се замени стандардниот актуатор што се користи во просторната стега од 25 N, развиен е паралелен актуатор 24 од легура со меморија на облик. Во друг случај, мек актуатор SMA е изработен врз основа на жица со вградена матрица способна да произведе максимална сила на влечење од 30 N. Поради нивните механички својства, SMA се користат и за производство на актуатори што имитираат биолошки феномени. Еден таков развој вклучува робот со 12 ќелии кој е биомиметика на организам сличен на дождовен црв со SMA за генерирање на синусоидно движење за оган26,27.
Како што споменавме претходно, постои ограничување на максималната сила што може да се добие од постојните актуатори базирани на SMA. За да се реши ова прашање, оваа студија претставува биомиметичка бимодална мускулна структура. Управувана од жица од легура со меморија на облик. Таа обезбедува систем за класификација што вклучува неколку жици од легура со меморија на облик. До денес, во литературата не се пријавени актуатори базирани на SMA со слична архитектура. Овој уникатен и нов систем базиран на SMA е развиен за да се проучи однесувањето на SMA за време на бимодалното усогласување на мускулите. Во споредба со постојните актуатори базирани на SMA, целта на оваа студија беше да се создаде биомиметички дипвалератен актуатор за генерирање значително поголеми сили во мал волумен. Во споредба со конвенционалните погони управувани од чекорен мотор што се користат во HVAC системи за автоматизација и контрола на згради, предложениот дизајн на бимодален погон базиран на SMA ја намалува тежината на погонскиот механизам за 67%. Во продолжение, термините „мускул“ и „погон“ се користат наизменично. Оваа студија ја истражува мултифизичката симулација на таков погон. Механичкото однесување на ваквите системи е проучено со експериментални и аналитички методи. Распределбата на силата и температурата беше дополнително истражена при влезен напон од 7 V. Последователно, беше спроведена параметарска анализа за подобро разбирање на врската помеѓу клучните параметри и излезната сила. Конечно, беа предвидени хиерархиски актуатори и беа предложени ефекти на хиерархиско ниво како потенцијална идна област за немагнетни актуатори за протетски апликации. Според резултатите од претходно споменатите студии, употребата на едностепена архитектура произведува сили најмалку четири до пет пати повисоки од пријавените актуатори базирани на SMA. Покрај тоа, истата погонска сила генерирана од повеќестепен погон со повеќе нивоа е покажана дека е повеќе од десет пати поголема од конвенционалните погони базирани на SMA. Студијата потоа ги прикажува клучните параметри користејќи анализа на чувствителност помеѓу различни дизајни и влезни променливи. Почетната должина на SMA жицата (\(l_0\)), пердувестиот агол (\(\α\)) и бројот на единечни нишки (n) во секоја поединечна нишка имаат силен негативен ефект врз големината на погонската сила. Јачината, додека влезниот напон (енергија) се покажа дека е позитивно корелиран.
SMA жицата го покажува ефектот на меморија на обликот (SME) што се среќава кај никел-титаниумската (Ni-Ti) фамилија легури. Типично, SMA покажуваат две фази зависни од температурата: фаза на ниска температура и фаза на висока температура. Двете фази имаат уникатни својства поради присуството на различни кристални структури. Во аустенитната фаза (фаза на висока температура) што постои над температурата на трансформација, материјалот покажува висока цврстина и е слабо деформиран под оптоварување. Легурата се однесува како не'рѓосувачки челик, па затоа е способна да издржи повисоки притисоци на активирање. Користејќи го ова својство на Ni-Ti легурите, SMA жиците се наклонети за да формираат актуатор. Развиени се соодветни аналитички модели за да се разбере фундаменталната механика на термичкото однесување на SMA под влијание на различни параметри и различни геометрии. Добиена е добра согласност помеѓу експерименталните и аналитичките резултати.
Експериментална студија беше спроведена врз прототипот прикажан на Сл. 9а за да се евалуираат перформансите на бимодален погон базиран на SMA. Две од овие својства, силата генерирана од погонот (мускулна сила) и температурата на SMA жицата (температура на SMA), беа мерени експериментално. Како што разликата во напонот се зголемува по целата должина на жицата во погонот, температурата на жицата се зголемува поради ефектот на загревање на Џул. Влезниот напон беше применет во два циклуса од 10 секунди (прикажани како црвени точки на Сл. 2а, б) со период на ладење од 15 секунди помеѓу секој циклус. Силата на блокирање беше измерена со пиезоелектричен мерач на напрегање, а распределбата на температурата на SMA жицата беше следена во реално време со помош на LWIR камера со висока резолуција од научен квалитет (видете ги карактеристиките на опремата што се користи во Табела 2). покажува дека за време на фазата на висок напон, температурата на жицата се зголемува монотоно, но кога нема струја, температурата на жицата продолжува да опаѓа. Во тековната експериментална поставеност, температурата на SMA жицата падна за време на фазата на ладење, но сепак беше над температурата на околината. На сл. 2e е прикажана снимка од температурата на SMA жицата направена од LWIR камерата. Од друга страна, на сл. 2a е прикажана силата на блокирање генерирана од погонскиот систем. Кога мускулната сила ја надминува силата на враќање на пружината, подвижната рака, како што е прикажано на Слика 9a, почнува да се движи. Штом ќе започне активирањето, подвижната рака доаѓа во контакт со сензорот, создавајќи сила на телото, како што е прикажано на сл. 2c, d. Кога максималната температура е близу до \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максималната набљудувана сила е 105 N.
Графиконот ги прикажува експерименталните резултати од температурата на SMA жицата и силата генерирана од бимодалниот актуатор базиран на SMA за време на два циклуса. Влезниот напон се применува во два циклуса од 10 секунди (прикажани како црвени точки) со период на ладење од 15 секунди помеѓу секој циклус. SMA жицата што се користеше за експериментите беше Flexinol жица со дијаметар од 0,51 mm од Dynalloy, Inc. (a) Графиконот ја прикажува експерименталната сила добиена во текот на два циклуса, (c, d) прикажува два независни примери за дејството на актуаторите со подвижна рака на пиезоелектричен предавател на сила PACEline CFT/5kN, (b) графиконот ја прикажува максималната температура на целата SMA жица за време од два циклуса, (e) прикажува температурна снимка направена од SMA жицата со помош на LWIR камерата на софтверот FLIR ResearchIR. Геометриските параметри земени предвид во експериментите се дадени во Табела еден.
Резултатите од симулацијата на математичкиот модел и експерименталните резултати се споредуваат под услов на влезен напон од 7V, како што е прикажано на Сл. 5. Според резултатите од параметарската анализа и со цел да се избегне можноста за прегревање на SMA жицата, на актуаторот е напојувана моќност од 11,2 W. За напојување на влезен напон од 7V е користен програмабилен еднонасочен напон, а низ жицата е измерена струја од 1,6A. Силата генерирана од погонот и температурата на SDR се зголемуваат кога се применува струја. Со влезен напон од 7V, максималната излезна сила добиена од резултатите од симулацијата и експерименталните резултати од првиот циклус е 78 N и 96 N, соодветно. Во вториот циклус, максималната излезна сила на симулацијата и експерименталните резултати била 150 N и 105 N, соодветно. Разликата помеѓу мерењата на силата на оклузија и експерименталните податоци може да се должи на методот што се користи за мерење на силата на оклузија. Експерименталните резултати прикажани на Сл. 5a одговара на мерењето на силата на заклучување, која пак беше измерена кога погонското вратило беше во контакт со пиезоелектричниот предавател на сила PACEline CFT/5kN, како што е прикажано на сл. 2s. Затоа, кога погонското вратило не е во контакт со сензорот за сила на почетокот на зоната за ладење, силата веднаш станува нула, како што е прикажано на сл. 2d. Покрај тоа, други параметри што влијаат на формирањето на сила во последователните циклуси се вредностите на времето на ладење и коефициентот на конвективен пренос на топлина во претходниот циклус. Од сл. 2b, може да се види дека по период на ладење од 15 секунди, SMA жицата не достигна собна температура и затоа имаше повисока почетна температура (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) во вториот циклус на возење во споредба со првиот циклус (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Така, во споредба со првиот циклус, температурата на SMA жицата за време на вториот циклус на загревање ја достигнува почетната температура на аустенит (\(A_s\)) порано и останува во преодниот период подолго, што резултира со напрегање и сила. Од друга страна, распределбата на температурата за време на циклусите на загревање и ладење добиени од експерименти и симулации има висока квалитативна сличност со примерите од термографската анализа. Компаративната анализа на термичките податоци за SMA жицата од експерименти и симулации покажа конзистентност за време на циклусите на загревање и ладење и во рамките на прифатливите толеранции за експерименталните податоци. Максималната температура на SMA жицата, добиена од резултатите од симулацијата и експериментите од првиот циклус, е \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(75\,^{\circ }\hbox {C}\, соодветно ), а во вториот циклус максималната температура на SMA жицата е \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Фундаментално развиениот модел го потврдува ефектот на ефектот на меморија на обликот. Улогата на заморот и прегревањето не беше разгледана во овој преглед. Во иднина, моделот ќе биде подобрен за да ја вклучи историјата на напрегање на SMA жицата, што ќе го направи посоодветен за инженерски апликации. Графиконите на излезната сила на погонот и SMA температурата добиени од блокот Simulink се во рамките на дозволените толеранции на експерименталните податоци под услов на импулс на влезен напон од 7 V. Ова ја потврдува точноста и веродостојноста на развиениот математички модел.
Математичкиот модел е развиен во MathWorks Simulink R2020b околината користејќи ги основните равенки опишани во делот Методи. На сл. 3б е прикажан блок-дијаграм на математичкиот модел на Simulink. Моделот е симулиран за импулс на влезен напон од 7V како што е прикажано на сл. 2a, b. Вредностите на параметрите што се користат во симулацијата се наведени во Табела 1. Резултатите од симулацијата на минливи процеси се претставени на сликите 1 и 1. Слики 3a и 4. На сл. 4a, b е прикажан индуцираниот напон во SMA жицата и силата генерирана од актуаторот како функција од времето. За време на обратна трансформација (загревање), кога температурата на SMA жицата, \(T < A_s^{\prime}\) (почетна температура на фазата на аустенит со модификација на стресот), стапката на промена на волуменскиот удел на мартензитот (\(\dot{\xi }\)) ќе биде нула. За време на обратна трансформација (загревање), кога температурата на SMA жицата, \(T < A_s^{\prime}\) (почетна температура на фазата на аустенит со модификација на стресот), стапката на промена на волуменскиот удел на мартензитот (\(\dot{\xi }\)) ќе биде нула. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли\\ мартенсим нула. За време на обратната трансформација (загревање), кога температурата на SMA жицата, \(T < A_s^{\prime}\) (температура на почеток на аустенит модифициран од стрес), стапката на промена на волуменскиот удел на мартензитот (\(\dot{\xi }\ )) ќе биде нула.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\do（)(将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температура проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения аустенитной фазы с поправкой напряжение) скорость изменения объемной доликсидо}\\) нула. За време на обратната трансформација (загревање) на температурата на SMA жицата \(T < A_s^{\prime}\) (температурата на нуклеација на аустенитната фаза, коригирана за стрес), стапката на промена на волуменскиот удел на мартензитот (\( \dot{\xi }\)) ќе биде еднаква на нула.Затоа, стапката на промена на напонот (\(\dot{\sigma}\)) ќе зависи од стапката на деформација (\(\dot{\epsilon}\)) и температурниот градиент (\(\dot{T} \)) само со користење на равенката (1). Меѓутоа, како што температурата на SMA жицата се зголемува и преминува (\(A_s^{\prime}\)), аустенитната фаза почнува да се формира, и (\(\dot{\xi}\)) се зема како дадена вредност од равенката (3). Затоа, стапката на промена на напонот (\(\dot{\sigma}\)) е заеднички контролирана од \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) и \(\dot{\xi}\) е еднаква на дадената во формулата (1). Ова ги објаснува промените на градиентот забележани во временски променливите мапи на напон и сила за време на циклусот на загревање, како што е прикажано на Слика 4а, б.
(a) Резултат од симулацијата што ја прикажува распределбата на температурата и температурата на спојот предизвикана од стрес во дивалератен актуатор базиран на SMA. Кога температурата на жицата ја преминува температурата на транзиција на аустенит во фазата на загревање, модифицираната температура на транзиција на аустенит почнува да се зголемува, и слично, кога температурата на жичната прачка ја преминува мартензитната температура на транзиција во фазата на ладење, мартензитната температура на транзиција се намалува. SMA за аналитичко моделирање на процесот на активирање. (За детален преглед на секој подсистем на моделот Simulink, видете го делот за додаток од дополнителната датотека.)
Резултатите од анализата за различни распределби на параметрите се прикажани за два циклуса на влезниот напон од 7V (циклуси на загревање од 10 секунди и циклуси на ладење од 15 секунди). Додека (ac) и (e) ја прикажуваат распределбата со текот на времето, од друга страна, (d) и (f) ја илустрираат распределбата со температура. За соодветните влезни услови, максималното набљудувано напрегање е 106 MPa (помалку од 345 MPa, граница на истегнување на жицата), силата е 150 N, максималното поместување е 270 µm, а минималниот мартензитен волуменски удел е 0,91. Од друга страна, промената на напрегањето и промената на волуменскиот удел на мартензитот со температурата се слични на хистерезисните карактеристики.
Истото објаснување важи и за директната трансформација (ладење) од аустенитната фаза во мартензитната фаза, каде што температурата на SMA жицата (T) и крајната температура на мартензитната фаза модифицирана со напрегање (\(M_f^{\prime}\ )) се одлични. На сл. 4d, f ја покажува промената на индуцираниот напон (\(\sigma\)) и волуменскиот удел на мартензитот (\(\xi\)) во SMA жицата како функција на промената на температурата на SMA жицата (T), за двата циклуса на работа. На сл. Слика 3a ја покажува промената на температурата на SMA жицата со текот на времето во зависност од импулсот на влезниот напон. Како што може да се види од сликата, температурата на жицата продолжува да се зголемува со обезбедување извор на топлина при нулти напон и последователно конвективно ладење. За време на загревањето, повторната трансформација на мартензитот во аустенитната фаза започнува кога температурата на SMA жицата (T) ја преминува температурата на нуклеација на аустенитната фаза корегирана со напрегање (\(A_s^{\prime}\)). За време на оваа фаза, SMA жицата е компресирана и актуаторот генерира сила. Исто така, за време на ладењето, кога температурата на SMA жицата (T) ја преминува температурата на нуклеација на мартензитната фаза модифицирана со напрегање (\(M_s^{\prime}\)), има позитивен премин од аустенитната фаза во мартензитната фаза. Погонската сила се намалува.
Главните квалитативни аспекти на бимодалниот погон базиран на SMA може да се добијат од резултатите од симулацијата. Во случај на влез со напонски пулс, температурата на SMA жицата се зголемува поради ефектот на загревање на Џул. Почетната вредност на волуменскиот удел на мартензитот (\(\xi\)) е поставена на 1, бидејќи материјалот првично е во целосно мартензитна фаза. Како што жицата продолжува да се загрева, температурата на SMA жицата ја надминува температурата на нуклеација на аустенит корегирана со напрегање \(A_s^{\prime}\), што резултира со намалување на волуменскиот удел на мартензитот, како што е прикажано на Слика 4c. Покрај тоа, на сл. 4e е прикажана распределбата на ударите на актуаторот во времето, а на сл. 5 - движечката сила како функција од времето. Поврзан систем на равенки вклучува температура, волуменски удел на мартензитот и напрегање што се развива во жицата, што резултира со собирање на SMA жицата и силата генерирана од актуаторот. Како што е прикажано на сл. 4d, f, варијацијата на напонот со температурата и варијацијата на волуменскиот удел на мартензитот со температурата одговараат на хистерезисните карактеристики на SMA во симулираниот случај на 7 V.
Споредбата на параметрите на возење е добиена преку експерименти и аналитички пресметки. Жиците биле подложени на пулсен влезен напон од 7 V во текот на 10 секунди, а потоа се ладеле 15 секунди (фаза на ладење) во текот на два циклуса. Аголот на перката е поставен на \(40^{\circ}\), а почетната должина на SMA жицата во секоја нога на единечниот пин е поставена на 83 mm. (a) Мерење на движечката сила со оптоварувачка ќелија (b) Следење на температурата на жицата со термичка инфрацрвена камера.
За да се разбере влијанието на физичките параметри врз силата произведена од погонот, беше спроведена анализа на чувствителноста на математичкиот модел на избраните физички параметри, а параметрите беа рангирани според нивното влијание. Прво, земањето примероци од параметрите на моделот беше направено со користење на принципи на експериментален дизајн кои следеа униформна дистрибуција (видете го Дополнителниот дел за анализа на чувствителност). Во овој случај, параметрите на моделот вклучуваат влезен напон (\(V_{in}\)), почетна должина на SMA жица (\(l_0\)), агол на триаголник (\(\α\)), константа на пружината на поларизација (\(K_x\)), коефициент на конвективен пренос на топлина (\(h_T\)) и број на унимодални гранки (n). Во следниот чекор, максималната мускулна сила беше избрана како барање за дизајн на студијата и беа добиени параметарските ефекти на секој сет на променливи врз силата. Графиконите на торнадо за анализата на чувствителност беа изведени од коефициентите на корелација за секој параметар, како што е прикажано на Слика 6а.
(a) Вредностите на коефициентот на корелација на параметрите на моделот и нивниот ефект врз максималната излезна сила на 2500 уникатни групи од горенаведените параметри на моделот се прикажани на графиконот на торнадо. Графиконот ја покажува корелацијата на рангот на неколку индикатори. Јасно е дека \(V_{in}\) е единствениот параметар со позитивна корелација, а \(l_0\) е параметарот со највисока негативна корелација. Ефектот на различните параметри во различни комбинации врз максималната мускулна сила е прикажан во (b, c). \(K_x\) се движи од 400 до 800 N/m, а n се движи од 4 до 24. Напонот (\(V_{in}\)) се промени од 4V на 10V, должината на жицата (\(l_{0} \)) се промени од 40 на 100 mm, а аголот на опашката (\(\α \)) варираше од \(20 – 60 \, ^ {\circ}\).
На сл. 6а е прикажан графикон на торнадо со различни коефициенти на корелација за секој параметар со барања за дизајн на максимална погонска сила. Од сл. 6а може да се види дека параметарот на напонот (\(V_{in}\)) е директно поврзан со максималната излезна сила, а коефициентот на конвективен пренос на топлина (\(h_T\)), аголот на пламенот (\(α\)), константата на поместување на пружината (\(K_x\)) е негативно корелирана со излезната сила и почетната должина (\(l_0\)) на SMA жицата, а бројот на унимодални гранки (n) покажува силна инверзна корелација. Во случај на директна корелација, во случај на поголема вредност на коефициентот на корелација на напонот (\(V_ {in}\)) покажува дека овој параметар има најголем ефект врз излезната моќност. Друга слична анализа ја мери максималната сила со евалуација на ефектот на различни параметри во различни комбинации на двата пресметковни простори, како што е прикажано на сл. 6б, в. \(V_{in}\) и \(l_0\), \(\alpha\) и \(l_0\) имаат слични шеми, а графиконот покажува дека \(V_{in}\) и \(\alpha\) и \(\alpha\) имаат слични шеми. Помалите вредности на \(l_0\) резултираат со повисоки врвни сили. Другите два графикона се во согласност со Слика 6а, каде што n и \(K_x\) се негативно корелирани, а \(V_{in}\) се позитивно корелирани. Оваа анализа помага да се дефинираат и прилагодат влијателните параметри со кои излезната сила, ходот и ефикасноста на погонскиот систем можат да се прилагодат на барањата и примената.
Тековните истражувачки трудови воведуваат и истражуваат хиерархиски погони со N нивоа. Во хиерархија на две нивоа, како што е прикажано на Сл. 7а, каде што наместо секоја SMA жица од актуаторот на прво ниво, се постигнува бимодален распоред, како што е прикажано на Сл. 9е. На Сл. 7в е прикажано како SMA жицата е намотана околу подвижна рака (помошна рака) која се движи само во надолжна насока. Сепак, примарната подвижна рака продолжува да се движи на ист начин како и подвижната рака на повеќестепениот актуатор од 1-ва фаза. Типично, N-степен погон се создава со замена на \(N-1\) фазата SMA жица со погон од прва фаза. Како резултат на тоа, секоја гранка го имитира погонот од прва фаза, со исклучок на гранката што ја држи самата жица. На овој начин, може да се формираат вгнездени структури кои создаваат сили кои се неколку пати поголеми од силите на примарните погони. Во оваа студија, за секое ниво, беше земена предвид вкупна ефективна должина на SMA жица од 1 m, како што е прикажано во табеларен формат на Сл. 7д. Струјата низ секоја жица во секој унимодален дизајн и добиениот преднапрегање и напон во секој сегмент од SMA жица се исти на секое ниво. Според нашиот аналитички модел, излезната сила е позитивно корелирана со нивото, додека поместувањето е негативно корелирано. Во исто време, постоеше компромис помеѓу поместувањето и мускулната сила. Како што се гледа на сл. 7б, додека максималната сила се постигнува во најголемиот број слоеви, најголемото поместување се забележува во најнискиот слој. Кога хиерархиското ниво беше поставено на \(N=5\), беше пронајдена врвна мускулна сила од 2,58 kN со 2 забележани удари \(\upmu\)m. Од друга страна, погонот од првата фаза генерира сила од 150 N при удар од 277 \(\upmu\)m. Актуаторите на повеќе нивоа се способни да имитираат вистински биолошки мускули, каде што вештачките мускули базирани на легури со меморија на облик се способни да генерираат значително поголеми сили со прецизни и пофини движења. Ограничувањата на овој минијатуризиран дизајн се тоа што како што се зголемува хиерархијата, движењето е значително намалено и сложеноста на процесот на производство на погонот се зголемува.
(a) Двостепен (\(N=2\)) систем на линеарни актуатори од легура со меморија на облик е прикажан во бимодална конфигурација. Предложениот модел е постигнат со замена на SMA жицата во слоевитиот актуатор од првата фаза со друг слоевит актуатор од една фаза. (c) Деформирана конфигурација на повеќеслојниот актуатор од втората фаза. (b) Опишана е распределбата на силите и поместувањата во зависност од бројот на нивоа. Утврдено е дека максималната сила на актуаторот е позитивно корелирана со нивото на скалата на графиконот, додека ударот е негативно корелиран со нивото на скалата. Струјата и претходниот напон во секоја жица остануваат константни на сите нивоа. (d) Табелата го прикажува бројот на славини и должината на SMA жицата (влакно) на секое ниво. Карактеристиките на жиците се означени со индекс 1, а бројот на секундарни гранки (една поврзана со примарната нога) е означен со најголемиот број во индексот. На пример, на ниво 5, \(n_1\) се однесува на бројот на SMA жици присутни во секоја бимодална структура, а \(n_5\) се однесува на бројот на помошни нозе (една поврзана со главната нога).
Многу истражувачи предложија различни методи за моделирање на однесувањето на SMA со меморија на облик, која зависи од термомеханичките својства што ги придружуваат макроскопските промени во кристалната структура поврзани со фазниот премин. Формулацијата на конститутивните методи е по природа комплексна. Најчесто користениот феноменолошки модел е предложен од Танака28 и е широко користен во инженерските апликации. Феноменолошкиот модел предложен од Танака [28] претпоставува дека волуменскиот удел на мартензитот е експоненцијална функција на температурата и напрегањето. Подоцна, Лианг и Роџерс29 и Бринсон30 предложија модел во кој се претпоставуваше дека динамиката на фазниот премин е косинусна функција на напонот и температурата, со мали модификации на моделот. Бекер и Бринсон предложија кинетички модел базиран на фазен дијаграм за моделирање на однесувањето на SMA материјалите под произволни услови на оптоварување, како и делумни транзиции. Банерџи32 го користи методот на динамика на фазен дијаграм на Бекер и Бринсон31 за да симулира манипулатор со еден степен на слобода развиен од Елахинија и Ахмадијан33. Кинетичките методи базирани на фазни дијаграми, кои ја земаат предвид немонотонската промена на напонот со температурата, се тешки за имплементација во инженерските апликации. Елахинија и Ахмадијан го привлекуваат вниманието кон овие недостатоци на постојните феноменолошки модели и предлагаат проширен феноменолошки модел за анализа и дефинирање на однесувањето на меморијата на обликот под какви било сложени услови на оптоварување.
Структурниот модел на SMA жица ги дава напрегањето (\(\sigma\)), деформацијата (\(\epsilon\)), температурата (T) и волуменскиот удел на мартензитот (\(\xi\)) на SMA жицата. Феноменолошкиот конститутивен модел првпат го предложи Танака28, а подоцна го усвоија Лианг29 и Бринсон30. Изводот на равенката има форма:
каде што E е фазно зависниот Јангов модул на SMA добиен со користење на \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) и \(E_A\) и \(E_M\) што го претставуваат Јанговиот модул се аустенитни и мартензитни фази, соодветно, а коефициентот на термичка експанзија е претставен со \(\theta _T\). Факторот на придонес на фазниот премин е \(\Omega = -E \epsilon _L\) и \(\epsilon _L\) е максималното обновливо оптоварување во SMA жицата.
Равенката за фазна динамика се совпаѓа со косинусната функција развиена од Лианг29, а подоцна усвоена од Бринсон30, наместо експоненцијалната функција предложена од Танака28. Моделот на фазен премин е продолжение на моделот предложен од Елахинија и Ахмадијан34 и модифициран врз основа на условите за фазен премин дадени од Лианг29 и Бринсон30. Условите што се користат за овој модел на фазен премин се валидни под сложени термомеханички оптоварувања. Во секој момент од времето, вредноста на волуменскиот удел на мартензитот се пресметува при моделирање на конститутивната равенка.
Водечката равенка за ретрансформација, изразена со трансформацијата на мартензит во аустенит под услови на загревање, е како што следува:
каде што \(\xi\) е волуменскиот удел на мартензитот, \(\xi _M\) е волуменскиот удел на мартензитот добиен пред загревање, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) и \(C_A\) – параметри на апроксимација на кривата, T – температура на SMA жицата, \(A_s\) и \(A_f\) – почеток и крај на аустенитната фаза, соодветно, температура.
Равенката за директна контрола на трансформацијата, претставена со фазната трансформација на аустенит во мартензит под услови на ладење, е:
каде што \(\xi _A\) е волуменскиот удел на мартензитот добиен пред ладење, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) и \(C_M \) – параметри на прилагодување на кривата, T – температура на SMA жицата, \(M_s\) и \(M_f\) – почетни и конечни температури на мартензитот, соодветно.
Откако ќе се диференцираат равенките (3) и (4), равенките за инверзна и директна трансформација се поедноставуваат во следниот облик:
За време на трансформацијата напред и назад, \(\eta _{\sigma}\) и \(\eta _{T}\) добиваат различни вредности. Основните равенки поврзани со \(\eta _{\sigma}\) и \(\eta _{T}\) се изведени и детално дискутирани во дополнителен дел.
Топлинската енергија потребна за зголемување на температурата на SMA жицата доаѓа од Џуловиот ефект на загревање. Топлинската енергија апсорбирана или ослободена од SMA жицата е претставена со латентната топлина на трансформација. Губењето на топлина во SMA жицата се должи на принудна конвекција, а со оглед на занемарливиот ефект на зрачењето, равенката за биланс на топлинска енергија е како што следува:
Каде што \(m_{wire}\) е вкупната маса на SMA жицата, \(c_{p}\) е специфичниот топлински капацитет на SMA, \(V_{in}\) е напонот применет на жицата, \(R_{ohm}\) – фазно-зависен отпор SMA, дефиниран како; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) каде што \(r_M\) и \(r_A\) се фазниот отпор на SMA кај мартензитот и аустенит, соодветно, \(A_{c}\) е површината на SMA жицата, \(Delta H\) е легура со меморија на обликот. Латентната топлина на транзиција на жицата, T и \(T_{infty}\) се температурите на SMA жицата и на околината, соодветно.
Кога се активира жица од легура со меморија на облик, жицата се компресира, создавајќи сила во секоја гранка од бимодалниот дизајн наречена сила на влакната. Силите на влакната во секој нишка од SMA жицата заедно ја создаваат мускулната сила за активирање, како што е прикажано на Сл. 9е. Поради присуството на поларизирачка пружина, вкупната мускулна сила на N-тиот повеќеслоен актуатор е:
Со замена на \(N = 1\) во равенката (7), мускулната сила на прототипот на бимодалниот погон во првата фаза може да се добие на следниов начин:
каде што n е бројот на унимодални ногарки, \(F_m\) е мускулната сила генерирана од погонот, \(F_f\) е цврстината на влакното во SMA жицата, \(K_x\) е цврстината на пристрасноста на пружината, \(α\) е аголот на триаголникот, \(x_0\) е почетното поместување на пристрасната пружина за да го држи SMA кабелот во претходно затегната положба, и \(Делта x\) е движењето на актуаторот.
Вкупното поместување или движење на погонот (\(\Делта x\)) во зависност од напонот (\(\сигма\)) и напрегањето (\(\епсилон\)) на SMA жицата од N-тиот степен, погонот е поставен на (види Сл. дополнителен дел од излезот):
Кинематските равенки ја даваат врската помеѓу погонската деформација (\(\epsilon\)) и поместувањето или поместувањето (\(\Delta x\)). Деформацијата на Arb жицата како функција од почетната должина на Arb жицата (\(l_0\)) и должината на жицата (l) во кое било време t во една унимодална гранка е како што следува:
каде што \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \α _1}\) се добива со примена на косинусната формула во \(\Delta\)ABB', како што е прикажано на Слика 8. За првиот степен на погон (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) е \(\Delta x\), а \(\α _1\) е \(\α\) како што е прикажано на Како што е прикажано на Слика 8, со диференцирање на времето од равенката (11) и замена на вредноста на l, стапката на деформација може да се запише како:
каде што \(l_0\) е почетната должина на SMA жицата, l е должината на жицата во кое било време t во една унимодална гранка, \(epsilon\) е деформацијата развиена во SMA жицата, а \(α\) е аголот на триаголникот, \(Delta x\) е поместувањето на погонот (како што е прикажано на Слика 8).
Сите n структури со еден врв (\(n=6\) на оваа слика) се поврзани сериски со \(V_{in}\) како влезен напон. Фаза I: Шематски дијаграм на SMA жицата во бимодална конфигурација под услови на нулти напон. Фаза II: Прикажана е контролирана структура каде што SMA жицата е компресирана поради инверзна конверзија, како што е прикажано со црвената линија.
Како доказ за концептот, развиен е бимодален погон базиран на SMA за да се тестира симулираното изведување на основните равенки со експериментални резултати. CAD моделот на бимодалниот линеарен актуатор е прикажан на сл. 9a. Од друга страна, на сл. 9c е прикажан нов дизајн предложен за ротациона призматична врска со користење на дворамнински SMA-базиран актуатор со бимодална структура. Компонентите на погонот се изработени со адитивно производство на Ultimaker 3 Extended 3D печатач. Материјалот што се користи за 3D печатење на компоненти е поликарбонат, кој е погоден за материјали отпорни на топлина бидејќи е јак, издржлив и има висока температура на стаклен премин (110-113 \(^{\circ }\)C). Покрај тоа, во експериментите е користена жица од легура на Dynalloy, Inc. Flexinol со меморија за облик, а во симулациите се користени својства на материјалот што одговараат на жицата Flexinol. Повеќе SMA жици се распоредени како влакна присутни во бимодален распоред на мускули за да се добијат високите сили произведени од повеќеслојни актуатори, како што е прикажано на сл. 9б, г.
Како што е прикажано на Слика 9а, острите агли формирани од подвижната рака на SMA жицата се нарекува агол (\(\α\)). Со терминални стеги прикачени на левата и десната стега, SMA жицата се држи под посакуваниот бимодален агол. Уредот со пристрасна пружина што се држи на приклучокот на пружината е дизајниран да ги прилагоди различните продолжени групи на пристрасната пружина според бројот (n) на SMA влакна. Покрај тоа, локацијата на подвижните делови е дизајнирана така што SMA жицата е изложена на надворешната средина за ладење со присилна конвекција. Горните и долните плочи на одвојливиот склоп помагаат SMA жицата да се одржи ладна со екструдирани исечоци дизајнирани да ја намалат тежината. Покрај тоа, двата краја на CMA жицата се фиксирани на левиот и десниот терминал, соодветно, со помош на стегач. Клип е прикачен на едниот крај од подвижниот склоп за да се одржи растојанието помеѓу горните и долните плочи. Клипот се користи и за примена на сила на блокирање на сензорот преку контакт за мерење на силата на блокирање кога SMA жицата е активирана.
Бимодалната мускулна структура SMA е електрично поврзана сериски и се напојува со влезен импулсен напон. За време на циклусот на импулсниот напон, кога се применува напон и SMA жицата се загрева над почетната температура на аустенитот, должината на жицата во секој нишка се скратува. Ова повлекување го активира подсклопот на подвижната рака. Кога напонот се нулираше во истиот циклус, загреаната SMA жица се олади под температурата на површината на мартензитот, со што се враќа во првобитната положба. Во услови на нулти стрес, SMA жицата прво пасивно се растегнува со прилагодлива пружина за да ја достигне раздвојената мартензитна состојба. Завртката, низ која поминува SMA жицата, се движи поради компресијата создадена со примена на импулс на напонот на SMA жицата (SPA ја достигнува фазата на аустенитот), што доведува до активирање на подвижниот лост. Кога SMA жицата е повлечена, прилагодливата пружина создава спротивна сила со понатамошно истегнување на пружината. Кога напрегањето во импулсниот напон ќе стане нула, SMA жицата се издолжува и ја менува својата форма поради присилно конвекциско ладење, достигнувајќи двојна мартензитна фаза.
Предложениот систем на линеарни актуатори базиран на SMA има бимодална конфигурација во која SMA жиците се под агол. (a) прикажува CAD модел на прототипот, кој споменува некои од компонентите и нивните значења за прототипот, (b, d) го претставуваат развиениот експериментален прототип35. Додека (b) покажува поглед одозгора на прототипот со електрични врски и користени пружини за поларизација и мерачи на напрегање, (d) покажува перспектива на поставувањето. (e) Дијаграм на систем за линеарна актуација со SMA жици поставени бимодално во секое време t, што ја покажува насоката и текот на влакната и мускулната сила. (c) Предложена е 2-DOF ротациона призматична врска за распоредување на дворамнински актуатор базиран на SMA. Како што е прикажано, врската пренесува линеарно движење од долниот погон до горната рака, создавајќи ротациона врска. Од друга страна, движењето на парот призми е исто како и движењето на повеќеслојниот погон од прва фаза.
Експериментална студија беше спроведена врз прототипот прикажан на Сл. 9б за да се евалуираат перформансите на бимодален погон базиран на SMA. Како што е прикажано на Слика 10а, експерименталната поставеност се состоеше од програмабилно напојување со еднонасочна струја за снабдување на влезен напон до SMA жиците. Како што е прикажано на сл. 10б, пиезоелектричен мерач на напон (PACEline CFT/5kN) беше користен за мерење на силата на блокирање со помош на Graphtec GL-2000 логер на податоци. Податоците ги снима домаќинот за понатамошно проучување. Мерачите на напон и засилувачите на полнеж бараат постојано напојување за да произведат напонски сигнал. Соодветните сигнали се претвораат во излезни моќности според чувствителноста на пиезоелектричниот сензор за сила и други параметри како што е опишано во Табела 2. Кога се применува напонски импулс, температурата на SMA жицата се зголемува, предизвикувајќи компресија на SMA жицата, што предизвикува актуаторот да генерира сила. Експерименталните резултати од излезот на мускулната сила со влезен напонски импулс од 7 V се прикажани на сл. 2а.
(a) Во експериментот беше поставен систем на линеарни актуатори базиран на SMA за мерење на силата генерирана од актуаторот. Оптоварувачката ќелија ја мери силата на блокирање и се напојува со напојување од 24 V DC. Пад на напон од 7 V беше применет по целата должина на кабелот со помош на програмабилно напојување со DC од GW Instek. SMA жицата се собира поради топлина, а подвижната рака ја допира оптоварувачката ќелија и врши сила на блокирање. Оптоварувачката ќелија е поврзана со логерот на податоци GL-2000 и податоците се складираат на домаќинот за понатамошна обработка. (b) Дијаграм што го прикажува синџирот на компоненти на експерименталната поставеност за мерење на мускулната сила.
Легурите со меморија на облик се возбудуваат со топлинска енергија, па затоа температурата станува важен параметар за проучување на феноменот на меморија на облик. Експериментално, како што е прикажано на Сл. 11а, термичко снимање и мерења на температурата се извршени на прототип на дивалератен актуатор базиран на SMA. Програмабилен извор на еднонасочна струја примени влезен напон на SMA жиците во експерименталната поставеност, како што е прикажано на Слика 11б. Промената на температурата на SMA жицата беше измерена во реално време со помош на LWIR камера со висока резолуција (FLIR A655sc). Домаќинот го користи софтверот ResearchIR за снимање на податоци за понатамошна пост-обработка. Кога се применува импулс на напон, температурата на SMA жицата се зголемува, предизвикувајќи SMA жицата да се собира. На сл. Слика 2б ги прикажува експерименталните резултати од температурата на SMA жицата во однос на времето за импулс на влезен напон од 7V.