Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझरच्या आवृत्तीमध्ये CSS साठी मर्यादित समर्थन आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अद्ययावत ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये कॉम्पॅटिबिलिटी मोड अक्षम करा). यादरम्यान, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही ही साइट स्टाईल्स आणि जावास्क्रिप्टशिवाय प्रस्तुत करू.
उत्पादन आणि औद्योगिक स्वचालनामध्ये विविध कार्ये पार पाडण्यासाठी, ॲक्ट्युएटर सर्वत्र वापरले जातात आणि योग्य उत्तेजन बल किंवा टॉर्क लावून नियंत्रित गती निर्माण करतात. अधिक वेगवान, लहान आणि अधिक कार्यक्षम ड्राइव्हची गरज ड्राइव्ह डिझाइनमधील नवनवीन शोधांना चालना देत आहे. शेप मेमरी अलॉय (SMA) ड्राइव्ह पारंपरिक ड्राइव्हच्या तुलनेत अनेक फायदे देतात, ज्यात उच्च शक्ती-ते-वजन गुणोत्तराचा समावेश आहे. या प्रबंधात, एक दोन-पिसांचा SMA-आधारित ॲक्ट्युएटर विकसित करण्यात आला आहे, जो जैविक प्रणालींच्या पिसांसारख्या स्नायूंचे फायदे आणि SMA चे अद्वितीय गुणधर्म एकत्र करतो. हा अभ्यास बायमोडल SMA वायर रचनेवर आधारित नवीन ॲक्ट्युएटरचे गणितीय मॉडेल विकसित करून आणि त्याची प्रायोगिक चाचणी करून, मागील SMA ॲक्ट्युएटरचे अन्वेषण आणि विस्तार करतो. SMA-आधारित ज्ञात ड्राइव्हच्या तुलनेत, नवीन ड्राइव्हचे ॲक्ट्युएशन बल किमान ५ पट जास्त आहे (१५० N पर्यंत). संबंधित वजन घट सुमारे ६७% आहे. गणितीय मॉडेल्सच्या संवेदनशीलता विश्लेषणाचे परिणाम डिझाइन पॅरामीटर्स जुळवण्यासाठी आणि मुख्य पॅरामीटर्स समजून घेण्यासाठी उपयुक्त आहेत. या अभ्यासात एक बहु-स्तरीय N-व्या टप्प्याचा ड्राइव्ह सादर केला आहे, ज्याचा उपयोग गतिकी आणखी वाढवण्यासाठी केला जाऊ शकतो. SMA-आधारित डिपव्हॅलेरेट स्नायू ॲक्ट्युएटर्सचे उपयोग इमारत स्वयंचलनापासून ते अचूक औषध वितरण प्रणालींपर्यंत विविध क्षेत्रांमध्ये आहेत.
सस्तन प्राण्यांच्या स्नायूंच्या रचनेसारख्या जैविक प्रणाली, अनेक सूक्ष्म प्रेरकांना सक्रिय करू शकतात¹. सस्तन प्राण्यांमध्ये वेगवेगळ्या प्रकारच्या स्नायू रचना असतात, ज्यातील प्रत्येकाचा एक विशिष्ट उद्देश असतो. तथापि, सस्तन प्राण्यांच्या स्नायू ऊतींच्या रचनेचा बराचसा भाग दोन व्यापक श्रेणींमध्ये विभागला जाऊ शकतो: समांतर (Parallel) आणि पिनेट (Pennate). हॅमस्ट्रिंग आणि इतर फ्लेक्सर स्नायूंमध्ये, नावाप्रमाणेच, समांतर स्नायू रचनेत स्नायू तंतू मध्यवर्ती कंडराला (tendon) समांतर असतात. स्नायू तंतूंची साखळी एका रेषेत असते आणि त्यांच्या सभोवतालच्या संयोजी ऊतींद्वारे कार्यात्मकदृष्ट्या जोडलेली असते. जरी या स्नायूंमध्ये मोठी हालचाल (टक्केवारीतील आकुंचन) असल्याचे म्हटले जाते, तरी त्यांची एकूण स्नायू शक्ती खूप मर्यादित असते. याउलट, ट्रायसेप्स पोटरीच्या स्नायूमध्ये² (लॅटरल गॅस्ट्रोक्नेमियस (GL)³, मेडियल गॅस्ट्रोक्नेमियस (GM)⁴ आणि सोलियस (SOL)) आणि एक्स्टेन्सर फेमोरिस (क्वाड्रिसेप्स)⁵,⁶ प्रत्येक स्नायूमध्ये पिनेट स्नायू ऊती आढळतात⁷. पिनेट संरचनेत, बायपिनेट स्नायूंचे तंतु मध्यवर्ती कंडराच्या दोन्ही बाजूंना तिरकस कोनात (पिनेट कोन) असतात. 'पिनेट' हा शब्द लॅटिन 'पेन्ना' या शब्दावरून आला आहे, ज्याचा अर्थ 'पेन' आहे आणि आकृती १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, ते पिसासारखे दिसतात. पिनेट स्नायूंचे तंतु लहान असतात आणि स्नायूच्या रेखांशाच्या अक्षाशी कोनात असतात. पिनेट संरचनेमुळे, या स्नायूंची एकूण गतिशीलता कमी होते, ज्यामुळे आकुंचन प्रक्रियेचे आडवे आणि रेखांशाचे घटक निर्माण होतात. दुसरीकडे, शारीरिक छेद-क्षेत्रफळ ज्या पद्धतीने मोजले जाते, त्यामुळे या स्नायूंच्या सक्रियतेमुळे एकूण स्नायूंची ताकद वाढते. म्हणून, दिलेल्या छेद-क्षेत्रफळासाठी, समांतर तंतु असलेल्या स्नायूंपेक्षा पिनेट स्नायू अधिक मजबूत असतील आणि जास्त बल निर्माण करतील. वैयक्तिक तंतूंनी निर्माण केलेले बल त्या स्नायू ऊतीमध्ये स्थूल पातळीवर स्नायू बल निर्माण करते. याव्यतिरिक्त, त्यात जलद आकुंचन, ताणामुळे होणाऱ्या नुकसानापासून संरक्षण, आणि आघातरोधक क्षमता यांसारखे अद्वितीय गुणधर्म आहेत. हे स्नायूंच्या कार्यरेषांशी संबंधित तंतु रचनेची अद्वितीय वैशिष्ट्ये आणि भौमितिक गुंतागुंत यांचा उपयोग करून, तंतु आदान-प्रदान आणि स्नायू शक्ती प्रदान यांमधील संबंधात परिवर्तन घडवते.
द्विरूपी स्नायुमय रचनेच्या संदर्भात, अस्तित्वात असलेल्या SMA-आधारित ॲक्ट्युएटर डिझाइनच्या योजनाबद्ध आकृत्या दर्शविल्या आहेत, उदाहरणार्थ (a), स्पर्शजन्य बलाची आंतरक्रिया दर्शवते ज्यामध्ये SMA तारांद्वारे चालवलेले हाताच्या आकाराचे उपकरण दोन चाकांच्या स्वायत्त मोबाइल रोबोटवर बसवलेले आहे9,10. , (b) विरोधी स्थितीत ठेवलेल्या SMA स्प्रिंग-लोडेड ऑर्बिटल प्रोस्थेसिससह रोबोटिक ऑर्बिटल प्रोस्थेसिस. कृत्रिम डोळ्याची स्थिती डोळ्याच्या नेत्रस्नायूकडून येणाऱ्या सिग्नलद्वारे नियंत्रित केली जाते11, (c) SMA ॲक्ट्युएटर त्यांच्या उच्च वारंवारता प्रतिसाद आणि कमी बँडविड्थमुळे पाण्याखालील अनुप्रयोगांसाठी आदर्श आहेत. या संरचनेत, माशांच्या हालचालीचे अनुकरण करून तरंग गती निर्माण करण्यासाठी SMA अ‍ॅक्ट्युएटर वापरले जातात, (d) चॅनल 10 च्या आत SMA तारांच्या हालचालीद्वारे नियंत्रित, इंच वर्म मोशन तत्त्वाचा वापर करू शकणारा मायक्रो पाईप तपासणी रोबोट तयार करण्यासाठी SMA अ‍ॅक्ट्युएटर वापरले जातात, (e) गॅस्ट्रोक्नेमियस ऊतीमध्ये आकुंचन पावणाऱ्या स्नायू तंतूंची दिशा आणि आकुंचन शक्ती निर्माण करणे दर्शवते, (f) पिनेट स्नायू संरचनेत स्नायू तंतूंच्या स्वरूपात मांडलेल्या SMA तारा दर्शवते.
त्यांच्या विस्तृत उपयोगांमुळे ॲक्ट्युएटर हे यांत्रिक प्रणालींचा एक महत्त्वाचा भाग बनले आहेत. त्यामुळे, लहान, वेगवान आणि अधिक कार्यक्षम ड्राइव्हची गरज अत्यंत महत्त्वाची ठरते. त्यांचे फायदे असूनही, पारंपरिक ड्राइव्ह महागडे आणि देखभालीसाठी वेळखाऊ असल्याचे सिद्ध झाले आहे. हायड्रॉलिक आणि न्यूमॅटिक ॲक्ट्युएटर गुंतागुंतीचे आणि महागडे असतात आणि त्यांना झीज, स्नेहन समस्या आणि घटकांच्या बिघाडाचा धोका असतो. या मागणीला प्रतिसाद म्हणून, स्मार्ट मटेरियलवर आधारित किफायतशीर, आकार-अनुकूलित आणि प्रगत ॲक्ट्युएटर विकसित करण्यावर लक्ष केंद्रित केले जात आहे. ही गरज पूर्ण करण्यासाठी सध्याचे संशोधन शेप मेमरी अलॉय (SMA) स्तरित ॲक्ट्युएटरवर लक्ष केंद्रित करत आहे. पदानुक्रमित ॲक्ट्युएटर हे वैशिष्ट्यपूर्ण आहेत कारण ते वाढीव आणि विस्तारित कार्यक्षमता प्रदान करण्यासाठी अनेक स्वतंत्र ॲक्ट्युएटरना भौमितिकदृष्ट्या गुंतागुंतीच्या मॅक्रो स्केल उपप्रणालींमध्ये एकत्र करतात. या संदर्भात, वर वर्णन केलेली मानवी स्नायू ऊती अशा बहुस्तरीय ॲक्ट्युएशनचे एक उत्कृष्ट बहुस्तरीय उदाहरण प्रदान करते. सध्याच्या अभ्यासात एका बहु-स्तरीय SMA ड्राइव्हचे वर्णन केले आहे, ज्यामध्ये बायमोडल स्नायूंमध्ये असलेल्या फायबर ओरिएंटेशननुसार अनेक स्वतंत्र ड्राइव्ह घटक (SMA वायर्स) संरेखित केलेले आहेत, ज्यामुळे ड्राइव्हची एकूण कार्यक्षमता सुधारते.
अ‍ॅक्ट्युएटरचा मुख्य उद्देश विद्युत ऊर्जेचे रूपांतर करून बल आणि विस्थापन यांसारखी यांत्रिक शक्ती निर्माण करणे हा आहे. शेप मेमरी अ‍ॅलॉय (SMA) हे "स्मार्ट" पदार्थांच्या वर्गातील आहेत, जे उच्च तापमानात आपला आकार पुन्हा प्राप्त करू शकतात. उच्च भाराखाली, SMA वायरच्या तापमानात वाढ झाल्यामुळे आकार पूर्ववत होतो, ज्यामुळे विविध थेट जोडलेल्या स्मार्ट पदार्थांच्या तुलनेत उच्च अ‍ॅक्ट्युएशन ऊर्जा घनता प्राप्त होते. त्याच वेळी, यांत्रिक भाराखाली, SMA ठिसूळ होतात. विशिष्ट परिस्थितीत, चक्रीय भार यांत्रिक ऊर्जा शोषून घेऊ शकतो आणि सोडू शकतो, ज्यामुळे उलटसुलट हिस्टेरेटिक आकार बदल दिसून येतात. या अद्वितीय गुणधर्मांमुळे SMA सेन्सर्स, कंपन शमन आणि विशेषतः अ‍ॅक्ट्युएटरसाठी आदर्श ठरतात¹². हे लक्षात घेऊन, SMA-आधारित ड्राइव्हवर बरेच संशोधन झाले आहे. हे लक्षात घेतले पाहिजे की SMA-आधारित अ‍ॅक्ट्युएटर विविध अनुप्रयोगांसाठी स्थानांतरणीय आणि रोटरी गती प्रदान करण्यासाठी डिझाइन केलेले आहेत¹³,¹⁴,¹⁵. जरी काही रोटरी अ‍ॅक्ट्युएटर विकसित केले गेले असले तरी, संशोधकांना विशेषतः लिनियर अ‍ॅक्ट्युएटरमध्ये रस आहे. या लिनियर अ‍ॅक्ट्युएटर्सना तीन प्रकारच्या अ‍ॅक्ट्युएटर्समध्ये विभागले जाऊ शकते: एक-मितीय, विस्थापन आणि विभेदक अ‍ॅक्ट्युएटर्स 16. सुरुवातीला, हायब्रीड ड्राइव्ह्स SMA आणि इतर पारंपारिक ड्राइव्ह्सच्या संयोगाने तयार केले गेले. SMA-आधारित हायब्रीड लिनियर अ‍ॅक्ट्युएटरचे असेच एक उदाहरण म्हणजे सुमारे 100 N चे आउटपुट फोर्स आणि लक्षणीय विस्थापन प्रदान करण्यासाठी DC मोटरसह SMA वायरचा वापर 17.
संपूर्णपणे SMA वर आधारित ड्राइव्हमधील सुरुवातीच्या विकासांपैकी एक म्हणजे SMA पॅरलल ड्राइव्ह. अनेक SMA वायर्स वापरून, SMA-आधारित पॅरलल ड्राइव्ह सर्व SMA18 वायर्सना समांतर ठेवून ड्राइव्हची पॉवर क्षमता वाढवण्यासाठी डिझाइन केले आहे. ॲक्ट्युएटर्सच्या पॅरलल कनेक्शनसाठी केवळ अधिक पॉवरची आवश्यकता नसते, तर ते एका वायरच्या आउटपुट पॉवरला देखील मर्यादित करते. SMA-आधारित ॲक्ट्युएटर्सचा आणखी एक तोटा म्हणजे ते गाठू शकणारी मर्यादित हालचाल. ही समस्या सोडवण्यासाठी, विस्थापन वाढवण्यासाठी आणि रेषीय गती प्राप्त करण्यासाठी एक वाकलेला लवचिक बीम असलेला SMA केबल बीम तयार करण्यात आला, परंतु त्याने उच्च बल निर्माण केले नाही19. शेप मेमरी अलॉयवर आधारित रोबोट्ससाठी मऊ विकृत होणाऱ्या संरचना आणि कापड प्रामुख्याने आघात प्रवर्धनासाठी विकसित केले गेले आहेत20,21,22. ज्या अनुप्रयोगांमध्ये उच्च गती आवश्यक असते, तेथे मायक्रोपंप-चालित अनुप्रयोगांसाठी थिन फिल्म SMA वापरून कॉम्पॅक्ट चालित पंपांची नोंद झाली आहे23. थिन फिल्म SMA मेम्ब्रेनची ड्राइव्ह फ्रिक्वेन्सी ही ड्रायव्हरची गती नियंत्रित करण्यासाठी एक महत्त्वाचा घटक आहे. त्यामुळे, SMA स्प्रिंग किंवा रॉड मोटर्सच्या तुलनेत SMA लिनियर मोटर्सचा डायनॅमिक प्रतिसाद चांगला असतो. सॉफ्ट रोबोटिक्स आणि ग्रिपिंग टेक्नॉलॉजी ही SMA-आधारित ॲक्ट्युएटर्स वापरणारी इतर दोन अनुप्रयोग आहेत. उदाहरणार्थ, 25 N स्पेस क्लॅम्पमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या मानक ॲक्ट्युएटरच्या जागी, एक शेप मेमरी अलॉय पॅरलल ॲक्ट्युएटर 24 विकसित करण्यात आला. दुसऱ्या एका प्रकरणात, एम्बेडेड मॅट्रिक्स असलेल्या वायरवर आधारित एक SMA सॉफ्ट ॲक्ट्युएटर तयार करण्यात आला, जो 30 N चे कमाल खेचण्याचे बल निर्माण करण्यास सक्षम आहे. त्यांच्या यांत्रिक गुणधर्मांमुळे, जैविक घटनांचे अनुकरण करणारे ॲक्ट्युएटर्स तयार करण्यासाठी देखील SMA चा वापर केला जातो. अशाच एका विकासामध्ये 12-सेल रोबोटचा समावेश आहे, जो गांडुळासारख्या जीवाचे बायोमिमेटिक आहे आणि फायर करण्यासाठी साइनोसायडल गती निर्माण करण्याकरिता SMA वापरतो26,27.
पूर्वी नमूद केल्याप्रमाणे, सध्याच्या SMA-आधारित ॲक्ट्युएटर्समधून मिळवता येणाऱ्या कमाल बलाला एक मर्यादा आहे. या समस्येचे निराकरण करण्यासाठी, या अभ्यासात एक बायोमिमेटिक बायमोडल स्नायू संरचना सादर केली आहे. ही संरचना शेप मेमरी अलॉय वायरद्वारे चालविली जाते. यात एक वर्गीकरण प्रणाली आहे, ज्यात अनेक शेप मेमरी अलॉय वायर्सचा समावेश आहे. आजपर्यंत, अशाच प्रकारच्या रचनेचे कोणतेही SMA-आधारित ॲक्ट्युएटर्स साहित्यात नोंदवले गेलेले नाहीत. बायमोडल स्नायू संरेखनादरम्यान SMA च्या वर्तनाचा अभ्यास करण्यासाठी SMA वर आधारित ही अद्वितीय आणि नाविन्यपूर्ण प्रणाली विकसित केली गेली. सध्याच्या SMA-आधारित ॲक्ट्युएटर्सच्या तुलनेत, कमी आकारमानात लक्षणीयरीत्या जास्त बल निर्माण करण्यासाठी एक बायोमिमेटिक डिपव्हॅलरेट ॲक्ट्युएटर तयार करणे हे या अभ्यासाचे उद्दिष्ट होते. HVAC बिल्डिंग ऑटोमेशन आणि नियंत्रण प्रणालींमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या पारंपरिक स्टेपर मोटर-चालित ड्राइव्हच्या तुलनेत, प्रस्तावित SMA-आधारित बायमोडल ड्राइव्ह डिझाइनमुळे ड्राइव्ह यंत्रणेचे वजन ६७% ने कमी होते. पुढे, "स्नायू" आणि "ड्राइव्ह" या संज्ञा अदलाबदलीने वापरल्या आहेत. हा अभ्यास अशा ड्राइव्हच्या मल्टीफिजिक्स सिम्युलेशनची तपासणी करतो. अशा प्रणालींच्या यांत्रिक वर्तनाचा अभ्यास प्रायोगिक आणि विश्लेषणात्मक पद्धतींनी केला गेला आहे. ७ व्होल्टच्या इनपुट व्होल्टेजवर बल आणि तापमान वितरणाचा अधिक तपास करण्यात आला. त्यानंतर, प्रमुख पॅरामीटर्स आणि आउटपुट बल यांच्यातील संबंध अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी पॅरामेट्रिक विश्लेषण करण्यात आले. शेवटी, प्रोस्थेटिक अनुप्रयोगांसाठी नॉन-मॅग्नेटिक ॲक्ट्युएटर्सकरिता एक संभाव्य भविष्यकालीन क्षेत्र म्हणून पदानुक्रमित ॲक्ट्युएटर्सची संकल्पना मांडण्यात आली आहे आणि पदानुक्रमित स्तरावरील परिणामांचा प्रस्ताव दिला गेला आहे. उपरोक्त अभ्यासांच्या परिणामांनुसार, सिंगल-स्टेज आर्किटेक्चरच्या वापरामुळे नोंदवलेल्या SMA-आधारित ॲक्ट्युएटर्सपेक्षा किमान चार ते पाच पट जास्त बल निर्माण होते. याव्यतिरिक्त, मल्टी-लेव्हल ड्राइव्हद्वारे निर्माण होणारे तेच ड्राइव्ह बल पारंपरिक SMA-आधारित ड्राइव्हच्या दहा पटींपेक्षा जास्त असल्याचे दिसून आले आहे. त्यानंतर हा अभ्यास विविध डिझाइन्स आणि इनपुट व्हेरिएबल्समधील संवेदनशीलता विश्लेषणाचा वापर करून प्रमुख पॅरामीटर्स सादर करतो. SMA वायरची प्रारंभिक लांबी (\(l_0\)), पिनेट कोन (\(\alpha\)) आणि प्रत्येक स्वतंत्र स्ट्रँडमधील सिंगल स्ट्रँड्सची संख्या (n) यांचा ड्रायव्हिंग फोर्सच्या परिमाणावर तीव्र नकारात्मक परिणाम होतो. सामर्थ्य, तर इनपुट व्होल्टेज (ऊर्जा) यांच्यात सकारात्मक सहसंबंध आढळून आला.
एसएमए वायर निकेल-टायटॅनियम (Ni-Ti) मिश्रधातूंच्या कुटुंबात आढळणारा आकार स्मृती प्रभाव (SME) दर्शवते. सामान्यतः, एसएमए दोन तापमान-अवलंबित अवस्था दर्शवतात: एक कमी तापमानाची अवस्था आणि एक उच्च तापमानाची अवस्था. वेगवेगळ्या स्फटिक संरचनांच्या उपस्थितीमुळे दोन्ही अवस्थांमध्ये अद्वितीय गुणधर्म असतात. रूपांतरण तापमानाच्या वर असलेल्या ऑस्टेनाइट अवस्थेमध्ये (उच्च तापमानाची अवस्था), पदार्थ उच्च शक्ती दर्शवतो आणि भाराखाली कमी विकृत होतो. ही मिश्रधातू स्टेनलेस स्टीलप्रमाणे वागते, त्यामुळे ती उच्च प्रवर्तन दाब सहन करण्यास सक्षम असते. Ni-Ti मिश्रधातूंच्या या गुणधर्माचा फायदा घेऊन, एसएमए वायर तिरकस करून एक ॲक्ट्युएटर तयार केला जातो. विविध मापदंड आणि विविध भूमितींच्या प्रभावाखाली एसएमएच्या औष्णिक वर्तनाची मूलभूत यंत्रणा समजून घेण्यासाठी योग्य विश्लेषणात्मक मॉडेल विकसित केले आहेत. प्रायोगिक आणि विश्लेषणात्मक निष्कर्षांमध्ये चांगला मेळ आढळला.
SMA वर आधारित बायमोडल ड्राइव्हच्या कार्यक्षमतेचे मूल्यांकन करण्यासाठी आकृती 9a मध्ये दर्शविलेल्या प्रोटोटाइपवर एक प्रायोगिक अभ्यास करण्यात आला. यापैकी दोन गुणधर्म, ड्राइव्हद्वारे निर्माण होणारे बल (स्नायू बल) आणि SMA वायरचे तापमान (SMA तापमान), प्रायोगिकरित्या मोजण्यात आले. ड्राइव्हमधील वायरच्या संपूर्ण लांबीवर व्होल्टेजमधील फरक वाढत असताना, जूल हीटिंग परिणामामुळे वायरचे तापमान वाढते. इनपुट व्होल्टेज दोन 10-सेकंदांच्या चक्रांमध्ये (आकृती 2a, b मध्ये लाल ठिपक्यांनी दर्शविलेले) लागू केले गेले, आणि प्रत्येक चक्राच्या मध्ये 15-सेकंदांचा शीतलन कालावधी होता. पायझोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन गेज वापरून अवरोधक बल मोजण्यात आले, आणि वैज्ञानिक-दर्जाच्या उच्च-रिझोल्यूशन LWIR कॅमेऱ्याचा वापर करून SMA वायरच्या तापमान वितरणाचे रिअल-टाइममध्ये निरीक्षण करण्यात आले (वापरलेल्या उपकरणांची वैशिष्ट्ये तक्ता 2 मध्ये पहा). हे दर्शवते की उच्च व्होल्टेजच्या टप्प्यात, वायरचे तापमान एकसमानपणे वाढते, परंतु जेव्हा कोणताही विद्युत प्रवाह वाहत नाही, तेव्हा वायरचे तापमान सतत कमी होत राहते. सध्याच्या प्रायोगिक मांडणीमध्ये, थंड होण्याच्या टप्प्यात SMA वायरचे तापमान कमी झाले, परंतु ते सभोवतालच्या तापमानापेक्षा जास्त होते. आकृती २इ मध्ये LWIR कॅमेऱ्याने घेतलेला SMA वायरवरील तापमानाचा एक स्नॅपशॉट दाखवला आहे. दुसरीकडे, आकृती २अ मध्ये ड्राइव्ह सिस्टीमद्वारे निर्माण होणारे अवरोधक बल दाखवले आहे. जेव्हा स्नायूंचे बल स्प्रिंगच्या प्रत्यानयन बलापेक्षा जास्त होते, तेव्हा आकृती ९अ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, चल भुजा हलू लागते. क्रिया सुरू होताच, चल भुजा सेन्सरच्या संपर्कात येते, ज्यामुळे एक भौतिक बल निर्माण होते, जसे आकृती २क, ड मध्ये दाखवले आहे. जेव्हा कमाल तापमान ८४°C च्या जवळ असते, तेव्हा निरीक्षण केलेले कमाल बल १०५ N असते.
हा आलेख दोन चक्रांदरम्यान SMA वायरचे तापमान आणि SMA-आधारित बायमोडल ॲक्ट्युएटरद्वारे निर्माण झालेल्या बलाचे प्रायोगिक परिणाम दर्शवतो. इनपुट व्होल्टेज दोन १०-सेकंदांच्या चक्रांमध्ये (लाल ठिपक्यांनी दर्शवलेले) लागू केले जाते, आणि प्रत्येक चक्राच्या मध्ये १५ सेकंदांचा कूल डाउन कालावधी असतो. प्रयोगांसाठी वापरलेली SMA वायर ही डायनालॉय, इंक. (Dynalloy, Inc.) कंपनीची ०.५१ मिमी व्यासाची फ्लेक्सिनॉल वायर होती. (अ) आलेख दोन चक्रांमध्ये मिळालेले प्रायोगिक बल दर्शवतो, (क, ड) PACEline CFT/5kN पिझोइलेक्ट्रिक फोर्स ट्रान्सड्यूसरवर मूव्हिंग आर्म ॲक्ट्युएटरच्या क्रियेची दोन स्वतंत्र उदाहरणे दर्शवतात, (ब) आलेख दोन चक्रांच्या कालावधीत संपूर्ण SMA वायरचे कमाल तापमान दर्शवतो, (इ) FLIR ResearchIR सॉफ्टवेअरमधील LWIR कॅमेरा वापरून SMA वायरमधून घेतलेला तापमानाचा स्नॅपशॉट दर्शवतो. प्रयोगांमध्ये विचारात घेतलेले भौमितिक मापदंड तक्ता एकमध्ये दिलेले आहेत.
आकृती ५ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, ७V इनपुट व्होल्टेजच्या परिस्थितीत गणितीय मॉडेलचे सिम्युलेशन परिणाम आणि प्रायोगिक परिणाम यांची तुलना केली आहे. पॅरामीट्रिक विश्लेषणाच्या परिणामांनुसार आणि SMA वायर जास्त गरम होण्याची शक्यता टाळण्यासाठी, ॲक्ट्युएटरला ११.२ W पॉवर पुरवण्यात आली. इनपुट व्होल्टेज म्हणून ७V पुरवण्यासाठी प्रोग्रामेबल डीसी पॉवर सप्लाय वापरण्यात आला आणि वायरमधून १.६A करंट मोजण्यात आला. जेव्हा करंट लागू केला जातो, तेव्हा ड्राइव्हद्वारे निर्माण होणारे बल आणि SDR चे तापमान वाढते. ७V इनपुट व्होल्टेजसह, पहिल्या सायकलच्या सिम्युलेशन आणि प्रायोगिक परिणामांमधून मिळालेले कमाल आउटपुट बल अनुक्रमे ७८ N आणि ९६ N आहे. दुसऱ्या सायकलमध्ये, सिम्युलेशन आणि प्रायोगिक परिणामांमधील कमाल आउटपुट बल अनुक्रमे १५० N आणि १०५ N होते. ऑक्लूजन फोर्स मोजमाप आणि प्रायोगिक डेटामधील तफावत ही ऑक्लूजन फोर्स मोजण्यासाठी वापरलेल्या पद्धतीमुळे असू शकते. आकृतीमध्ये दर्शविलेले प्रायोगिक परिणाम... आकृती 2s मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, 5a हे लॉकिंग फोर्सच्या मोजमापाशी संबंधित आहे, जे ड्राइव्ह शाफ्ट PACEline CFT/5kN पिझोइलेक्ट्रिक फोर्स ट्रान्सड्यूसरच्या संपर्कात असताना मोजले गेले. त्यामुळे, कूलिंग झोनच्या सुरुवातीला जेव्हा ड्राइव्ह शाफ्ट फोर्स सेन्सरच्या संपर्कात नसतो, तेव्हा आकृती 2d मध्ये दाखवल्याप्रमाणे फोर्स त्वरित शून्य होतो. याव्यतिरिक्त, पुढील सायकल्समध्ये फोर्सच्या निर्मितीवर परिणाम करणारे इतर पॅरामीटर्स म्हणजे मागील सायकलमधील कूलिंग वेळ आणि संवहनी उष्णता हस्तांतरण गुणांकाची मूल्ये. आकृती 2b वरून असे दिसून येते की, 15 सेकंदांच्या कूलिंग कालावधीनंतर, SMA वायर खोलीच्या तापमानापर्यंत पोहोचली नाही आणि त्यामुळे पहिल्या सायकलच्या (25°C) तुलनेत दुसऱ्या ड्रायव्हिंग सायकलमध्ये तिचे सुरुवातीचे तापमान (40°C) जास्त होते. अशाप्रकारे, पहिल्या चक्राच्या तुलनेत, दुसऱ्या तापन चक्रादरम्यान SMA वायरचे तापमान सुरुवातीच्या ऑस्टेनाइट तापमानापर्यंत (\(A_s\)) लवकर पोहोचते आणि संक्रमण काळात जास्त काळ राहते, ज्यामुळे ताण आणि बल निर्माण होते. दुसरीकडे, प्रयोग आणि सिम्युलेशनमधून मिळालेल्या तापन आणि शीतलन चक्रांमधील तापमान वितरणात थर्मोग्राफिक विश्लेषणाच्या उदाहरणांशी उच्च गुणात्मक साम्य आहे. प्रयोग आणि सिम्युलेशनमधील SMA वायरच्या थर्मल डेटाच्या तुलनात्मक विश्लेषणाने तापन आणि शीतलन चक्रांदरम्यान सुसंगतता आणि प्रायोगिक डेटासाठी स्वीकार्य सहनशीलतेच्या मर्यादेत असल्याचे दर्शविले. पहिल्या चक्राच्या सिम्युलेशन आणि प्रयोगांच्या निकालांनुसार, SMA वायरचे कमाल तापमान अनुक्रमे \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) आणि \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, ) आहे, आणि दुसऱ्या चक्रात SMA वायरचे कमाल तापमान \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) आणि \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\) आहे. मूलभूतपणे विकसित केलेले मॉडेल 'शेप मेमरी इफेक्ट'च्या परिणामाची पुष्टी करते. या पुनरावलोकनात 'फटीग' आणि 'ओव्हरहीटिंग'च्या भूमिकेचा विचार केला गेला नाही. भविष्यात, SMA वायरच्या ताणाच्या इतिहासाचा समावेश करण्यासाठी हे मॉडेल सुधारले जाईल, ज्यामुळे ते अभियांत्रिकी अनुप्रयोगांसाठी अधिक उपयुक्त ठरेल. 7 V च्या इनपुट व्होल्टेज पल्सच्या परिस्थितीत, Simulink ब्लॉकमधून मिळालेले ड्राइव्ह आउटपुट फोर्स आणि SMA तापमानाचे आलेख प्रायोगिक डेटाच्या स्वीकार्य सहनशीलतेच्या मर्यादेत आहेत. हे विकसित केलेल्या गणितीय मॉडेलची अचूकता आणि विश्वसनीयता सिद्ध करते.
मेथड्स विभागात वर्णन केलेल्या मूलभूत समीकरणांचा वापर करून मॅथवर्क्स सिम्युलिंक R2020b एनव्हायरमेंटमध्ये गणितीय मॉडेल विकसित केले गेले. आकृती 3b मध्ये सिम्युलिंक मॅथ मॉडेलचा ब्लॉक डायग्राम दर्शविला आहे. आकृती 2a, b मध्ये दाखवल्याप्रमाणे 7V इनपुट व्होल्टेज पल्ससाठी मॉडेलचे सिम्युलेशन केले गेले. सिम्युलेशनमध्ये वापरलेल्या पॅरामीटर्सची मूल्ये तक्ता 1 मध्ये सूचीबद्ध आहेत. क्षणिक प्रक्रियांच्या सिम्युलेशनचे परिणाम आकृती 3a आणि 4 मध्ये सादर केले आहेत. आकृती 4a,b मध्ये SMA वायरमधील प्रेरित व्होल्टेज आणि ॲक्ट्युएटरद्वारे निर्माण होणारे बल वेळेनुसार दर्शविले आहे. उलट रूपांतरण (तापमानवाढ) दरम्यान, जेव्हा SMA वायरचे तापमान \(T < A_s^{\prime}\) (ताण-सुधारित ऑस्टेनाइट अवस्थेचे प्रारंभ तापमान) असते, तेव्हा मार्टेन्साइट आकारमान अंशाच्या (\(\dot{\xi }\)) बदलाचा दर शून्य असेल. उलट रूपांतरण (तापमानवाढ) दरम्यान, जेव्हा SMA वायरचे तापमान \(T < A_s^{\prime}\) (ताण-सुधारित ऑस्टेनाइट अवस्थेचे प्रारंभ तापमान) असते, तेव्हा मार्टेन्साइट आकारमान अंशाच्या (\(\dot{\ xi }\)) बदलाचा दर शून्य असेल. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитура начала аустенитура начала аустенитуратура проволоки SMA, напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. उलट रूपांतरण (तापमानवाढ) दरम्यान, जेव्हा SMA वायरचे तापमान \(T < A_s^{\prime}\) (ताण-सुधारित ऑस्टेनाइट आरंभ तापमान) असते, तेव्हा मार्टेन्साइट व्हॉल्यूम फ्रॅक्शन (\(\dot{\ xi }\ )) च्या बदलाचा दर शून्य असेल.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot})।在 反向 转变 （加热） 中, 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения аустенитура зарождения аустенитной фазпавой фазков напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. SMA वायरच्या तापमानावर \(T < A_s^{\prime}\) (ऑस्टेनाइट फेजच्या न्यूक्लिएशनचे तापमान, स्ट्रेससाठी दुरुस्त केलेले) रिव्हर्स ट्रान्सफॉर्मेशन (हीटिंग) दरम्यान, मार्टेन्साइटच्या व्हॉल्यूम फ्रॅक्शनमधील बदलाचा दर (\( \dot{\ xi }\)) शून्य असेल.म्हणून, समीकरण (1) वापरून ताण बदलाचा दर (\(\dot{\sigma}\)) हा केवळ विकृती दर (\(\dot{\epsilon}\)) आणि तापमान प्रवणता (\(\dot{T} \) ) यांवर अवलंबून असेल. तथापि, जेव्हा SMA वायरचे तापमान वाढते आणि ती (\(A_s^{\prime}\)) ओलांडते, तेव्हा ऑस्टेनाइट फेज तयार होऊ लागते, आणि (\(\dot{\xi}\)) हे समीकरण (3) मध्ये दिलेले मूल्य म्हणून घेतले जाते. म्हणून, व्होल्टेज बदलाचा दर (\(\dot{\sigma}\)) हा \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) द्वारे एकत्रितपणे नियंत्रित केला जातो आणि \(\dot{\xi}\) हे सूत्र (1) मध्ये दिलेल्या मूल्याइतके असते. यामुळे आकृती 4a, b मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, तापविण्याच्या चक्रादरम्यान वेळानुसार बदलणाऱ्या ताण आणि बलाच्या नकाशांमध्ये दिसणाऱ्या प्रवणतेतील बदलांचे स्पष्टीकरण मिळते.
(अ) SMA-आधारित डायव्हॅलरेट ॲक्ट्युएटरमधील तापमान वितरण आणि ताणामुळे प्रेरित जंक्शन तापमान दर्शवणारा सिम्युलेशन निकाल. जेव्हा तापवण्याच्या टप्प्यात वायरचे तापमान ऑस्टेनाइट संक्रमण तापमान ओलांडते, तेव्हा सुधारित ऑस्टेनाइट संक्रमण तापमान वाढू लागते, आणि त्याचप्रमाणे, जेव्हा थंड करण्याच्या टप्प्यात वायर रॉडचे तापमान मार्टेन्सिटिक संक्रमण तापमान ओलांडते, तेव्हा मार्टेन्सिटिक संक्रमण तापमान कमी होते. ॲक्ट्युएशन प्रक्रियेच्या विश्लेषणात्मक मॉडेलिंगसाठी SMA. (सिम्युलिंक मॉडेलच्या प्रत्येक उपप्रणालीच्या तपशीलवार माहितीसाठी, पूरक फाईलचा परिशिष्ट विभाग पहा.)
७V इनपुट व्होल्टेजच्या दोन चक्रांसाठी (१० सेकंदांचे वॉर्म-अप चक्र आणि १५ सेकंदांचे कूल-डाउन चक्र) वेगवेगळ्या पॅरामीटर वितरणांच्या विश्लेषणाचे परिणाम दर्शविले आहेत. (ac) आणि (e) वेळेनुसार वितरण दर्शवतात, तर दुसरीकडे, (d) आणि (f) तापमानानुसार वितरण दर्शवतात. संबंधित इनपुट परिस्थितींसाठी, निरीक्षण केलेला कमाल ताण १०६ MPa (३४५ MPa, वायर यिल्ड स्ट्रेंथपेक्षा कमी), बल १५० N, कमाल विस्थापन २७० µm आणि किमान मार्टेन्सिटिक व्हॉल्यूम फ्रॅक्शन ०.९१ आहे. दुसरीकडे, तापमानानुसार ताणातील बदल आणि मार्टेन्साइटच्या व्हॉल्यूम फ्रॅक्शनमधील बदल हे हिस्टेरेसिस वैशिष्ट्यांसारखे आहेत.
ऑस्टेनाइट अवस्थेपासून मार्टेन्साइट अवस्थेपर्यंतच्या थेट रूपांतरणाला (थंड होण्याला) देखील हेच स्पष्टीकरण लागू होते, जिथे SMA वायरचे तापमान (T) आणि ताणाने बदललेल्या मार्टेन्साइट अवस्थेचे अंतिम तापमान (\(M_f^{\prime}\ )) उत्कृष्ट असते. आकृती 4d,f मध्ये, दोन्ही चालन चक्रांसाठी, SMA वायरच्या तापमानातील (T) बदलाच्या कार्यरूपानुसार, SMA वायरमधील प्रेरित ताण (\(\sigma\)) आणि मार्टेन्साइटच्या आकारमानातील अंश (\(\xi\)) यांमधील बदल दर्शविला आहे. आकृती 3a मध्ये, इनपुट व्होल्टेज पल्सवर अवलंबून, वेळेनुसार SMA वायरच्या तापमानातील बदल दर्शविला आहे. आकृतीवरून पाहिल्याप्रमाणे, शून्य व्होल्टेजवर उष्णतेचा स्रोत पुरवल्याने आणि त्यानंतरच्या संवहनीय शीतलीकरणामुळे वायरचे तापमान सतत वाढत राहते. तापवण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान, जेव्हा SMA वायरचे तापमान (T) ताण-सुधारित ऑस्टेनाइट न्यूक्लिएशन तापमान (\(A_s^{\prime}\)) ओलांडते, तेव्हा मार्टेन्साइटचे ऑस्टेनाइट अवस्थेमध्ये पुनर्रूपांतरण सुरू होते. या अवस्थेदरम्यान, SMA वायर संकुचित होते आणि ॲक्ट्युएटर बल निर्माण करतो. तसेच थंड करण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान, जेव्हा SMA वायरचे तापमान (T) ताण-सुधारित मार्टेन्साइट अवस्थेच्या न्यूक्लिएशन तापमान (\(M_s^{\prime}\)) ओलांडते, तेव्हा ऑस्टेनाइट अवस्थेतून मार्टेन्साइट अवस्थेमध्ये एक सकारात्मक संक्रमण होते. त्यामुळे चालक बल कमी होते.
SMA वर आधारित बायमोडल ड्राइव्हचे मुख्य गुणात्मक पैलू सिम्युलेशन परिणामांमधून मिळवता येतात. व्होल्टेज पल्स इनपुटच्या बाबतीत, जूल हीटिंग इफेक्टमुळे SMA वायरचे तापमान वाढते. मार्टेन्साइट व्हॉल्यूम फ्रॅक्शनचे (\(\xi\)) प्रारंभिक मूल्य 1 वर सेट केले आहे, कारण मटेरियल सुरुवातीला पूर्णपणे मार्टेन्सिटिक अवस्थेत असते. जसजशी वायर गरम होत राहते, तसतसे SMA वायरचे तापमान स्ट्रेस-सुधारित ऑस्टेनाइट न्यूक्लिएशन तापमान \(A_s^{\prime}\) ओलांडते, ज्यामुळे मार्टेन्साइट व्हॉल्यूम फ्रॅक्शनमध्ये घट होते, जसे की आकृती 4c मध्ये दाखवले आहे. याव्यतिरिक्त, आकृती 4e मध्ये वेळेनुसार ॲक्ट्युएटरच्या स्ट्रोकचे वितरण दाखवले आहे, आणि आकृती 5 मध्ये वेळेनुसार ड्रायव्हिंग फोर्स दाखवला आहे. संबंधित समीकरण प्रणालीमध्ये तापमान, मार्टेन्साइट व्हॉल्यूम फ्रॅक्शन आणि वायरमध्ये निर्माण होणारा स्ट्रेस यांचा समावेश आहे, ज्यामुळे SMA वायरचे आकुंचन होते आणि ॲक्ट्युएटरद्वारे फोर्स निर्माण होतो. आकृतीमध्ये दाखवल्याप्रमाणे. 4d,f, तापमानानुसार व्होल्टेजमधील बदल आणि तापमानानुसार मार्टेन्साइट व्हॉल्यूम फ्रॅक्शनमधील बदल हे 7 V वर सिम्युलेटेड केसमध्ये SMA च्या हिस्टेरेसिस वैशिष्ट्यांशी संबंधित आहेत.
प्रयोग आणि विश्लेषणात्मक गणितांद्वारे चालविणाऱ्या पॅरामीटर्सची तुलना करण्यात आली. तारांना १० सेकंदांसाठी ७ V चा स्पंदित इनपुट व्होल्टेज दिला गेला, त्यानंतर दोन चक्रांमध्ये १५ सेकंदांसाठी थंड केले गेले (शीतकरण टप्पा). पिनेट कोन ४०° वर सेट केला आहे आणि प्रत्येक सिंगल पिन लेगमधील SMA वायरची सुरुवातीची लांबी ८३ मिमी सेट केली आहे. (अ) लोड सेलने चालविणाऱ्या बलाचे मापन करणे (ब) थर्मल इन्फ्रारेड कॅमेऱ्याने वायरच्या तापमानाचे निरीक्षण करणे.
ड्राइव्हद्वारे निर्माण होणाऱ्या बलावर भौतिक पॅरामीटर्सचा प्रभाव समजून घेण्यासाठी, निवडलेल्या भौतिक पॅरामीटर्सच्या संदर्भात गणितीय मॉडेलच्या संवेदनशीलतेचे विश्लेषण करण्यात आले आणि त्यांच्या प्रभावानुसार पॅरामीटर्सना क्रमवारी देण्यात आली. सर्वप्रथम, एकसमान वितरणाचे पालन करणाऱ्या प्रायोगिक डिझाइन तत्त्वांचा वापर करून मॉडेल पॅरामीटर्सचे सॅम्पलिंग करण्यात आले (संवेदनशीलता विश्लेषणावरील पूरक विभाग पहा). या प्रकरणात, मॉडेल पॅरामीटर्समध्ये इनपुट व्होल्टेज (\(V_{in}\)), सुरुवातीची SMA वायरची लांबी (\(l_0\)), त्रिकोणाचा कोन (\(\alpha\)), बायस स्प्रिंग कॉन्स्टंट (\( K_x\ )), संवहनी उष्णता हस्तांतरण गुणांक (\(h_T\)) आणि युनिमोडल शाखांची संख्या (n) यांचा समावेश आहे. पुढील टप्प्यात, अभ्यासाच्या डिझाइनची आवश्यकता म्हणून कमाल स्नायू शक्ती निवडण्यात आली आणि शक्तीवरील व्हेरिएबल्सच्या प्रत्येक संचाचे पॅरामीट्रिक परिणाम मिळवण्यात आले. संवेदनशीलता विश्लेषणासाठी टॉर्नेडो प्लॉट्स प्रत्येक पॅरामीटरच्या सहसंबंध गुणांकांवरून काढण्यात आले, जसे की आकृती 6a मध्ये दाखवले आहे.
(अ) वरील मॉडेल पॅरामीटर्सच्या २५०० अद्वितीय गटांच्या मॉडेल पॅरामीटर्सची सहसंबंध गुणांक मूल्ये आणि कमाल आउटपुट फोर्सवरील त्यांचा परिणाम टॉर्नेडो प्लॉटमध्ये दर्शविला आहे. हा आलेख अनेक निर्देशकांचा रँक सहसंबंध दर्शवतो. हे स्पष्ट आहे की \(V_{in}\) हा सकारात्मक सहसंबंध असलेला एकमेव पॅरामीटर आहे, आणि \(l_0\) हा सर्वाधिक नकारात्मक सहसंबंध असलेला पॅरामीटर आहे. विविध पॅरामीटर्सच्या विविध संयोजनांचा पीक मसल स्ट्रेंथवरील परिणाम (ब, क) मध्ये दर्शविला आहे. \(K_x\) ची श्रेणी ४०० ते ८०० N/m आणि n ची श्रेणी ४ ते २४ आहे. व्होल्टेज (\(V_{in}\)) ४V ते १०V पर्यंत बदलले, वायरची लांबी (\(l_{0 } \)) ४० ते १०० मिमी पर्यंत बदलली, आणि टेल अँगल (\ (\alpha \)) २० – ६० ^ {\circ }\) पर्यंत बदलला.
आकृती 6a मध्ये, पीक ड्राइव्ह फोर्स डिझाइन आवश्यकतांसह प्रत्येक पॅरामीटरसाठी विविध सहसंबंध गुणांकांचा टॉर्नेडो प्लॉट दर्शविला आहे. आकृती 6a वरून असे दिसून येते की, व्होल्टेज पॅरामीटर (\(V_{in}\)) कमाल आउटपुट फोर्सशी थेट संबंधित आहे, आणि संवहनी उष्णता हस्तांतरण गुणांक (\(h_T\)), ज्योत कोन (\ ( \alpha\)), विस्थापन स्प्रिंग स्थिरांक ( \(K_x\)) हे आउटपुट फोर्स आणि SMA वायरच्या प्रारंभिक लांबी (\(l_0\)) शी व्यस्त सहसंबंधित आहेत, आणि युनिमोडल शाखांची संख्या (n) एक मजबूत व्यस्त सहसंबंध दर्शवते. थेट सहसंबंधाच्या बाबतीत, व्होल्टेज सहसंबंध गुणांकाचे (\(V_ {in}\)) उच्च मूल्य हे सूचित करते की या पॅरामीटरचा पॉवर आउटपुटवर सर्वात मोठा परिणाम होतो. आणखी एक समान विश्लेषण, आकृती 6b, c मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, दोन कम्प्युटेशनल स्पेसच्या वेगवेगळ्या संयोजनांमध्ये विविध पॅरामीटर्सच्या परिणामाचे मूल्यांकन करून पीक फोर्स मोजते. \(V_{in}\) आणि \(l_0\), \(\alpha\) आणि \(l_0\) यांचे नमुने सारखेच आहेत, आणि आलेख दर्शवितो की \(V_{in}\) आणि \(\alpha\ ) आणि \(\alpha\) यांचे नमुने सारखेच आहेत. \(l_0\) च्या लहान मूल्यांमुळे उच्चतम बल प्राप्त होते. इतर दोन आलेख आकृती 6a शी सुसंगत आहेत, जिथे n आणि \(K_x\) यांच्यात नकारात्मक सहसंबंध आहे आणि \(V_{in}\) यांच्यात सकारात्मक सहसंबंध आहे. हे विश्लेषण प्रभाव टाकणारे पॅरामीटर्स परिभाषित करण्यास आणि समायोजित करण्यास मदत करते, ज्याद्वारे ड्राइव्ह सिस्टमचे आउटपुट बल, स्ट्रोक आणि कार्यक्षमता आवश्यकता आणि अनुप्रयोगाशी जुळवून घेता येते.
सध्याचे संशोधन कार्य N स्तरांच्या पदानुक्रमित ड्राइव्हची ओळख करून देते आणि त्यांचे अन्वेषण करते. आकृती 7a मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, दोन-स्तरीय पदानुक्रमात, पहिल्या स्तरावरील ॲक्ट्युएटरच्या प्रत्येक SMA वायरऐवजी, आकृती 9e मध्ये दाखवल्याप्रमाणे एक द्विरूपी रचना साधली जाते. आकृती 7c मध्ये दाखवले आहे की SMA वायर एका चलित भुजाभोवती (सहाय्यक भुजा) कशी गुंडाळली जाते, जी केवळ अनुदैर्ध्य दिशेने फिरते. तथापि, प्राथमिक चलित भुजा पहिल्या टप्प्यातील बहु-टप्प्याच्या ॲक्ट्युएटरच्या चलित भुजेप्रमाणेच फिरत राहते. सामान्यतः, N-टप्प्याचा ड्राइव्ह हा \(N-1\) टप्प्यांच्या SMA वायरला पहिल्या टप्प्याच्या ड्राइव्हने बदलून तयार केला जातो. परिणामी, वायरला धरून ठेवणाऱ्या शाखेचा अपवाद वगळता, प्रत्येक शाखा पहिल्या टप्प्याच्या ड्राइव्हचे अनुकरण करते. अशा प्रकारे, एकमेकांत गुंफलेल्या रचना तयार केल्या जाऊ शकतात, ज्या प्राथमिक ड्राइव्हच्या बलांपेक्षा कित्येक पटींनी जास्त बल निर्माण करतात. या अभ्यासात, प्रत्येक स्तरासाठी, आकृती 7d मध्ये सारणीबद्ध स्वरूपात दाखवल्याप्रमाणे, 1 मीटरची एकूण प्रभावी SMA वायर लांबी विचारात घेतली गेली. प्रत्येक युनिमोडल डिझाइनमधील प्रत्येक वायरमधून वाहणारा प्रवाह आणि प्रत्येक SMA वायर सेगमेंटमधील परिणामी प्रीस्ट्रेस व व्होल्टेज हे प्रत्येक स्तरावर समान आहेत. आमच्या विश्लेषणात्मक मॉडेलनुसार, आउटपुट फोर्स स्तराशी सकारात्मकपणे संबंधित आहे, तर विस्थापन नकारात्मकपणे संबंधित आहे. त्याच वेळी, विस्थापन आणि स्नायू शक्ती यांच्यात एक तडजोड होती. आकृती 7b मध्ये पाहिल्याप्रमाणे, सर्वाधिक थरांमध्ये कमाल फोर्स प्राप्त होत असताना, सर्वात मोठे विस्थापन सर्वात खालच्या थरात दिसून येते. जेव्हा पदानुक्रम स्तर \(N=5\) वर सेट केला गेला, तेव्हा 2 निरीक्षण केलेल्या \(\upmu\)m स्ट्रोकसह 2.58 kN चा कमाल स्नायू फोर्स आढळला. दुसरीकडे, पहिल्या टप्प्यातील ड्राइव्ह 277 \(\upmu\)m च्या स्ट्रोकवर 150 N चा फोर्स निर्माण करतो. बहु-स्तरीय ॲक्ट्युएटर खऱ्या जैविक स्नायूंचे अनुकरण करू शकतात, ज्यात शेप मेमरी ॲलॉयवर आधारित कृत्रिम स्नायू अचूक आणि सूक्ष्म हालचालींसह लक्षणीयरीत्या जास्त बल निर्माण करू शकतात. या सूक्ष्म रचनेची मर्यादा ही आहे की, जशी श्रेणी वाढते, तशी हालचाल मोठ्या प्रमाणात कमी होते आणि ड्राइव्ह उत्पादन प्रक्रियेची गुंतागुंत वाढते.
(अ) एक द्वि-स्तरीय (\(N=2\)) स्तरित शेप मेमरी अलॉय लिनियर ॲक्ट्युएटर प्रणाली बायमोडल संरचनेत दर्शविली आहे. पहिल्या टप्प्यातील स्तरित ॲक्ट्युएटरमधील SMA वायरच्या जागी दुसरा एक-स्तरीय स्तरित ॲक्ट्युएटर वापरून प्रस्तावित मॉडेल साध्य केले आहे. (क) दुसऱ्या टप्प्यातील बहुस्तरीय ॲक्ट्युएटरची विकृत रचना. (ब) स्तरांच्या संख्येनुसार बल आणि विस्थापनांचे वितरण वर्णन केले आहे. असे आढळून आले आहे की ॲक्ट्युएटरचे कमाल बल आलेखावरील स्केल स्तराशी सकारात्मक सहसंबंधित आहे, तर स्ट्रोक स्केल स्तराशी नकारात्मक सहसंबंधित आहे. प्रत्येक वायरमधील विद्युत प्रवाह आणि पूर्व-व्होल्टेज सर्व स्तरांवर स्थिर राहतात. (ड) तक्ता प्रत्येक स्तरावरील टॅप्सची संख्या आणि SMA वायरची (फायबरची) लांबी दर्शवतो. वायर्सची वैशिष्ट्ये इंडेक्स 1 ने दर्शविली आहेत, आणि दुय्यम शाखांची संख्या (एक प्राथमिक लेगला जोडलेली) सबस्क्रिप्टमधील सर्वात मोठ्या संख्येने दर्शविली आहे. उदाहरणार्थ, लेव्हल 5 वर, \(n_1\) हे प्रत्येक बायमोडल स्ट्रक्चरमध्ये असलेल्या SMA वायर्सची संख्या दर्शवते आणि \(n_5\) हे सहाय्यक लेग्सची संख्या दर्शवते (एक मुख्य लेगला जोडलेला).
आकार स्मृती असलेल्या एसएमएच्या (SMA) वर्तनाचे मॉडेलिंग करण्यासाठी अनेक संशोधकांनी विविध पद्धती प्रस्तावित केल्या आहेत, ज्या प्रावस्था संक्रमणाशी संबंधित स्फटिक संरचनेतील स्थूल बदलांसोबत येणाऱ्या ऊष्मय-यांत्रिक गुणधर्मांवर अवलंबून असतात. संघटक पद्धतींची मांडणी मूळतःच गुंतागुंतीची असते. सर्वात सामान्यपणे वापरले जाणारे घटनाशास्त्रीय मॉडेल तनाका२८ यांनी प्रस्तावित केले आहे आणि ते अभियांत्रिकी अनुप्रयोगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते. तनाका [२८] यांनी प्रस्तावित केलेले घटनाशास्त्रीय मॉडेल असे गृहीत धरते की मार्टेन्साइटचा आकारमान अंश हा तापमान आणि ताणाचा एक घातांकीय फलन आहे. नंतर, लिआंग आणि रॉजर्स२९ आणि ब्रिन्सन३० यांनी मॉडेलमध्ये किरकोळ बदल करून एक मॉडेल प्रस्तावित केले, ज्यात प्रावस्था संक्रमणाची गतिकी ही व्होल्टेज आणि तापमानाचे कोसाइन फलन असल्याचे गृहीत धरले होते. बेकर आणि ब्रिन्सन यांनी कोणत्याही भारण परिस्थितीत तसेच आंशिक संक्रमणांतर्गत एसएमए पदार्थांच्या वर्तनाचे मॉडेलिंग करण्यासाठी प्रावस्था आकृतीवर आधारित गतिज मॉडेल प्रस्तावित केले. बॅनर्जी३२ यांनी इलाहिनिया आणि अहमदीयन३३ यांनी विकसित केलेल्या एकल स्वातंत्र्य अंशाच्या मॅनिप्युलेटरचे अनुकरण करण्यासाठी बेकर आणि ब्रिन्सन३१ यांच्या प्रावस्था आकृती गतिकी पद्धतीचा वापर केला. फेज डायग्रामवर आधारित गतिज पद्धती, ज्या तापमानानुसार व्होल्टेजमधील अ-एकदिष्ट बदलाचा विचार करतात, अभियांत्रिकी उपयोगांमध्ये लागू करणे कठीण आहे. इलाखिनिया आणि अहमदीयन यांनी विद्यमान घटनाशास्त्रीय मॉडेल्सच्या या उणिवांकडे लक्ष वेधले आहे आणि कोणत्याही जटिल भारण परिस्थितीत आकार स्मृती वर्तनाचे विश्लेषण आणि व्याख्या करण्यासाठी एक विस्तारित घटनाशास्त्रीय मॉडेल प्रस्तावित केले आहे.
SMA वायरचे संरचनात्मक मॉडेल SMA वायरचा ताण (\(\sigma\)), विकृती (\(\epsilon\)), तापमान (T), आणि मार्टेन्साइट व्हॉल्यूम फ्रॅक्शन (\(\xi\)) देते. फेनोमेनोलॉजिकल कॉन्स्टिट्यूटिव्ह मॉडेल सर्वप्रथम Tanaka28 यांनी मांडले आणि नंतर Liang29 आणि Brinson30 यांनी स्वीकारले. समीकरणाचे अवकलज खालीलप्रमाणे आहे:
येथे E हा अवस्थेवर अवलंबून असलेला SMA यंगचा मापांक आहे जो \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) वापरून मिळवला जातो आणि \(E_A\) व \(E_M\) हे अनुक्रमे ऑस्टेनिटिक आणि मार्टेनसिटिक अवस्थांचे यंगचे मापांक दर्शवतात, आणि औष्णिक प्रसरणांक \(\theta _T\) ने दर्शवला जातो. अवस्था संक्रमणाचा योगदान घटक \(\Omega = -E \epsilon _L\) आहे आणि \(\epsilon _L\) हा SMA तारेमधील कमाल पुनर्प्राप्त करण्यायोग्य विकृती आहे.
प्रावस्था गतिकी समीकरण हे तनाका२८ यांनी प्रस्तावित केलेल्या घातांक फलनाऐवजी, लिआंग२९ यांनी विकसित केलेल्या आणि नंतर ब्रिन्सन३० यांनी स्वीकारलेल्या कोसाइन फलनाशी जुळते. प्रावस्था संक्रमण मॉडेल हे एलाखिनिया आणि अहमदीयन३४ यांनी प्रस्तावित केलेल्या मॉडेलचा विस्तार आहे आणि लिआंग२९ व ब्रिन्सन३० यांनी दिलेल्या प्रावस्था संक्रमण अटींच्या आधारे त्यात बदल करण्यात आले आहेत. या प्रावस्था संक्रमण मॉडेलसाठी वापरलेल्या अटी जटिल ऊष्मय-यांत्रिक भारांखाली वैध आहेत. संघटक समीकरणाचे मॉडेलिंग करताना, प्रत्येक क्षणी मार्टेन्साइटच्या आयतन अंशाचे मूल्य मोजले जाते.
उष्णतेच्या परिस्थितीत मार्टेन्साइटचे ऑस्टेनाइटमध्ये होणाऱ्या रूपांतरणाद्वारे व्यक्त केलेले, नियंत्रित करणारे पुनर्रूपांतरण समीकरण खालीलप्रमाणे आहे:
येथे \(\xi\) हे मार्टेन्साइटचे आकारमान गुणोत्तर आहे, \(\xi _M\) हे तापवण्यापूर्वी मिळालेले मार्टेन्साइटचे आकारमान गुणोत्तर आहे, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) आणि \(C_A\) – वक्र सन्निकटन पॅरामीटर्स, T – SMA वायरचे तापमान, \(A_s\) आणि \(A_f\) – अनुक्रमे ऑस्टेनाइट अवस्थेची सुरुवात आणि शेवट यांचे तापमान.
थंड करण्याच्या परिस्थितीत ऑस्टेनाइटचे मार्टेन्साइटमध्ये होणाऱ्या प्रावस्था परिवर्तनाने दर्शविलेले, प्रत्यक्ष परिवर्तन नियंत्रण समीकरण खालीलप्रमाणे आहे:
येथे \(\xi _A\) हे थंड होण्यापूर्वी मिळालेले मार्टेन्साइटचे व्हॉल्यूम फ्रॅक्शन आहे, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) आणि \ ( C_M \) – कर्व्ह फिटिंग पॅरामीटर्स, T – SMA वायरचे तापमान, \(M_s\) आणि \(M_f\) – अनुक्रमे प्रारंभिक आणि अंतिम मार्टेन्साइट तापमान.
समीकरण (3) आणि (4) यांचे अवकलन केल्यानंतर, व्यस्त आणि सरळ रूपांतरण समीकरणे खालील स्वरूपात सोपी होतात:
फॉरवर्ड आणि बॅकवर्ड ट्रान्सफॉर्मेशन दरम्यान \(\eta _{\sigma}\) आणि \(\eta _{T}\) वेगवेगळी मूल्ये घेतात. \(\eta _{\sigma}\) आणि \(\eta _{T}\) यांच्याशी संबंधित मूलभूत समीकरणे एका अतिरिक्त विभागात सविस्तरपणे मिळवली आणि चर्चा केली आहेत.
SMA वायरचे तापमान वाढवण्यासाठी लागणारी औष्णिक ऊर्जा जूल हीटिंग इफेक्टमधून येते. SMA वायरद्वारे शोषली किंवा उत्सर्जित होणारी औष्णिक ऊर्जा रूपांतरणाच्या सुप्त उष्णतेने दर्शविली जाते. SMA वायरमधील उष्णतेची हानी सक्तीच्या संवहनमुळे होते, आणि प्रारणाचा प्रभाव नगण्य मानल्यास, उष्णता ऊर्जा संतुलन समीकरण खालीलप्रमाणे आहे:
येथे \(m_{wire}\) हे SMA वायरचे एकूण वस्तुमान आहे, \(c_{p}\) ही SMA ची विशिष्ट उष्णता धारकता आहे, \(V_{in}\) हे वायरला लावलेले व्होल्टेज आहे, \(R_{ohm} \ ) – SMA चा प्रावस्था-अवलंबित रोध, ज्याची व्याख्या खालीलप्रमाणे आहे; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) येथे \(r_M\ ) आणि \(r_A\) हे अनुक्रमे मार्टेन्साइट आणि ऑस्टेनाइटमधील SMA प्रावस्थेची रोधकता आहे, \(A_{c}\) हे SMA वायरचे पृष्ठफळ आहे, \(\Delta H \) हा एक आकार स्मृती मिश्रधातू आहे. वायरची संक्रमणाची सुप्त उष्णता, T आणि \(T_{\infty}\) हे अनुक्रमे SMA वायर आणि सभोवतालचे तापमान आहेत.
जेव्हा शेप मेमरी अलॉय वायर कार्यान्वित केली जाते, तेव्हा वायर संकुचित होते, ज्यामुळे बायमोडल डिझाइनच्या प्रत्येक शाखेत एक बल निर्माण होते, ज्याला फायबर फोर्स म्हणतात. SMA वायरच्या प्रत्येक स्ट्रँडमधील फायबर्सचे बल एकत्रितपणे कार्यान्वित करण्यासाठी स्नायू बल निर्माण करते, जसे की आकृती 9e मध्ये दाखवले आहे. बायसिंग स्प्रिंगच्या उपस्थितीमुळे, N व्या मल्टीलेयर ॲक्ट्युएटरचे एकूण स्नायू बल खालीलप्रमाणे आहे:
समीकरण (7) मध्ये \(N = 1\) ठेवल्यास, पहिल्या टप्प्यातील बायमोडल ड्राइव्ह प्रोटोटाइपची स्नायू शक्ती खालीलप्रमाणे मिळवता येते:
येथे n ही युनिमोडल लेग्सची संख्या आहे, \(F_m\) हे ड्राइव्हद्वारे निर्माण होणारे स्नायू बल आहे, \(F_f\) ही SMA वायरमधील फायबरची ताकद आहे, \(K_x\) ही बायस स्प्रिंगची स्टिफनेस आहे, \(\alpha\) हा त्रिकोणाचा कोन आहे, \(x_0\) हा SMA केबलला प्री-टेन्शन्ड स्थितीत धरून ठेवण्यासाठी बायस स्प्रिंगचा प्रारंभिक ऑफसेट आहे, आणि \(\Delta x\) हा अ‍ॅक्ट्युएटरचा प्रवास आहे.
N व्या स्टेजच्या SMA वायरवरील व्होल्टेज (\(\sigma\)) आणि स्ट्रेन (\(\epsilon\)) वर अवलंबून असलेले ड्राइव्हचे एकूण विस्थापन किंवा हालचाल (\(\Delta x\)), ड्राइव्ह खालीलप्रमाणे सेट केले आहे (आउटपुटचा अतिरिक्त भाग आकृतीमध्ये पहा):
गतीशास्त्रीय समीकरणे ड्राइव्ह विरूपण (\(\epsilon\)) आणि विस्थापन (\(\Delta x\)) यांच्यातील संबंध दर्शवतात. एका युनिमोडल शाखेत, कोणत्याही वेळी t, प्रारंभिक Arb वायरची लांबी (\(l_0\)) आणि वायरची लांबी (l) यांच्या फलनानुसार Arb वायरचे विरूपण खालीलप्रमाणे आहे:
येथे \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) हे \(\Delta\)ABB ' मध्ये कोसाइन सूत्र लागू करून मिळवले जाते, जसे आकृती 8 मध्ये दाखवले आहे. पहिल्या टप्प्याच्या ड्राइव्हसाठी (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) हे \(\Delta x\) आहे, आणि \(\alpha _1\) हे \(\alpha \) आहे, जसे आकृती 8 मध्ये दाखवले आहे. समीकरण (11) मधून वेळेचे अवकलन करून आणि l ची किंमत ठेवून, विकृती दर खालीलप्रमाणे लिहिला जाऊ शकतो:
येथे \(l_0\) ही SMA वायरची सुरुवातीची लांबी आहे, l ही एका युनिमोडल शाखेत कोणत्याही वेळी t वायरची लांबी आहे, \(\epsilon\) हे SMA वायरमध्ये विकसित झालेले विरूपण आहे आणि \(\alpha \) हा त्रिकोणाचा कोन आहे, \(\Delta x\) हा ड्राइव्ह ऑफसेट आहे (आकृती 8 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे).
सर्व n एकल-शिखर संरचना (या आकृतीत n=6) इनपुट व्होल्टेज Vin सह मालिकेत जोडलेल्या आहेत. टप्पा I: शून्य व्होल्टेज परिस्थितीत बायमोडल कॉन्फिगरेशनमधील SMA वायरची योजनाबद्ध आकृती. टप्पा II: एक नियंत्रित संरचना दर्शविली आहे जिथे व्यस्त रूपांतरणामुळे SMA वायर संकुचित होते, जसे लाल रेषेने दर्शविले आहे.
संकल्पनेची सिद्धता म्हणून, मूळ समीकरणांच्या सिम्युलेटेड व्युत्पत्तीची प्रायोगिक परिणामांसह चाचणी करण्यासाठी एक SMA-आधारित बायमोडल ड्राइव्ह विकसित करण्यात आला. बायमोडल लिनियर ॲक्ट्युएटरचे CAD मॉडेल आकृती 9a मध्ये दाखवले आहे. दुसरीकडे, आकृती 9c मध्ये बायमोडल संरचनेसह दोन-प्लेन SMA-आधारित ॲक्ट्युएटर वापरून रोटेशनल प्रिझमॅटिक कनेक्शनसाठी प्रस्तावित एक नवीन डिझाइन दाखवले आहे. ड्राइव्हचे घटक अल्टिमेकर 3 एक्सटेंडेड 3D प्रिंटरवर ॲडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग वापरून तयार करण्यात आले. घटकांच्या 3D प्रिंटिंगसाठी वापरलेले साहित्य पॉलीकार्बोनेट आहे, जे उष्णता-प्रतिरोधक साहित्यासाठी योग्य आहे कारण ते मजबूत, टिकाऊ आहे आणि त्याचे ग्लास ट्रान्झिशन तापमान (110-113°C) जास्त आहे. याव्यतिरिक्त, प्रयोगांमध्ये डायनालॉय, इंक. फ्लेक्सिनॉल शेप मेमरी अलॉय वायर वापरण्यात आली आणि सिम्युलेशनमध्ये फ्लेक्सिनॉल वायरशी संबंधित भौतिक गुणधर्म वापरण्यात आले. आकृती 9b, d मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, मल्टीलेयर अ‍ॅक्ट्युएटरद्वारे निर्माण होणारे उच्च बल मिळवण्यासाठी, स्नायूंच्या बायमोडल व्यवस्थेमध्ये असलेल्या तंतूंच्या रूपात अनेक SMA तारांची मांडणी केली जाते.
आकृती 9a मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, हलणाऱ्या भुजाच्या SMA वायरने तयार केलेल्या लघुकोनाला कोन (\(\alpha\)) म्हणतात. डाव्या आणि उजव्या क्लॅम्प्सना टर्मिनल क्लॅम्प्स जोडून, ​​SMA वायरला इच्छित बायमोडल कोनावर धरून ठेवले जाते. स्प्रिंग कनेक्टरवर असलेले बायस स्प्रिंग उपकरण, SMA फायबरच्या संख्येनुसार (n) वेगवेगळ्या बायस स्प्रिंग एक्सटेन्शन गटांना समायोजित करण्यासाठी डिझाइन केलेले आहे. याव्यतिरिक्त, हलणाऱ्या भागांची जागा अशा प्रकारे डिझाइन केली आहे की, सक्तीच्या संवहन शीतलीकरणासाठी (forced convection cooling) SMA वायर बाह्य वातावरणाच्या संपर्कात येईल. वजन कमी करण्यासाठी डिझाइन केलेल्या एक्सट्रूडेड कटआउट्सच्या मदतीने, वेगळ्या करता येणाऱ्या असेंब्लीच्या वरच्या आणि खालच्या प्लेट्स SMA वायरला थंड ठेवण्यास मदत करतात. याव्यतिरिक्त, CMA वायरची दोन्ही टोके क्रिम्पच्या साहाय्याने अनुक्रमे डाव्या आणि उजव्या टर्मिनल्सना जोडलेली असतात. वरच्या आणि खालच्या प्लेट्समध्ये मोकळी जागा (क्लिअरन्स) राखण्यासाठी हलणाऱ्या असेंब्लीच्या एका टोकाला एक प्लंजर जोडलेला असतो. जेव्हा SMA वायर कार्यान्वित होते, तेव्हा अवरोधक बल (blocking force) मोजण्यासाठी एका संपर्काद्वारे सेन्सरवर अवरोधक बल लावण्यासाठी देखील या प्लंजरचा वापर केला जातो.
बायमोडल स्नायू रचना SMA ही विद्युतदृष्ट्या सिरीजमध्ये जोडलेली असते आणि तिला इनपुट पल्स व्होल्टेजद्वारे ऊर्जा पुरवली जाते. व्होल्टेज पल्स सायकल दरम्यान, जेव्हा व्होल्टेज लावले जाते आणि SMA वायर ऑस्टेनाइटच्या सुरुवातीच्या तापमानापेक्षा जास्त गरम होते, तेव्हा प्रत्येक स्ट्रँडमधील वायरची लांबी कमी होते. या मागे खेचण्यामुळे मूव्हेबल आर्म सबअसेम्बलीला सक्रिय केले जाते. त्याच सायकलमध्ये जेव्हा व्होल्टेज शून्य केले जाते, तेव्हा गरम झालेली SMA वायर मार्टेन्साइट पृष्ठभागाच्या तापमानापेक्षा कमी तापमानापर्यंत थंड होते, ज्यामुळे ती तिच्या मूळ स्थितीत परत येते. शून्य ताणाच्या परिस्थितीत, SMA वायर प्रथम बायस स्प्रिंगद्वारे निष्क्रियपणे ताणली जाते, जेणेकरून ती डिट्विन्ड मार्टेन्सिटिक अवस्थेत पोहोचेल. ज्या स्क्रूमधून SMA वायर जाते, तो स्क्रू SMA वायरला व्होल्टेज पल्स दिल्यामुळे निर्माण झालेल्या दाबामुळे हलतो (जेव्हा SPA ऑस्टेनाइट अवस्थेत पोहोचते), ज्यामुळे मूव्हेबल लिव्हर कार्यान्वित होते. जेव्हा SMA वायर मागे खेचली जाते, तेव्हा बायस स्प्रिंग स्वतःला आणखी ताणून एक विरोधी शक्ती निर्माण करते. जेव्हा आवेग व्होल्टेजमधील ताण शून्य होतो, तेव्हा सक्तीच्या संवहन शीतलीकरणामुळे SMA तार लांबते आणि तिचा आकार बदलतो, ज्यामुळे ती दुहेरी मार्टेन्सिटिक अवस्थेत पोहोचते.
प्रस्तावित SMA-आधारित लिनियर अ‍ॅक्ट्युएटर सिस्टीममध्ये बायमोडल कॉन्फिगरेशन आहे, ज्यामध्ये SMA वायर्स कोनात ठेवलेल्या आहेत. (a) प्रोटोटाइपचे CAD मॉडेल दर्शवते, ज्यात काही घटक आणि प्रोटोटाइपसाठी त्यांचे अर्थ नमूद केले आहेत, (b, d) विकसित प्रायोगिक प्रोटोटाइप35 दर्शवतात. (b) मध्ये प्रोटोटाइपचे वरून दिसणारे दृश्य, विद्युत जोडण्या आणि वापरलेले बायस स्प्रिंग्स व स्ट्रेन गेजेस दाखवले आहेत, तर (d) मध्ये सेटअपचे पर्स्पेक्टिव्ह दृश्य दाखवले आहे. (e) कोणत्याही वेळी t, बायमोडली ठेवलेल्या SMA वायर्ससह लिनियर अ‍ॅक्ट्युएशन सिस्टीमची आकृती, जी फायबरची दिशा आणि मार्ग तसेच स्नायूंची ताकद दर्शवते. (c) दोन-प्लेन SMA-आधारित अ‍ॅक्ट्युएटर तैनात करण्यासाठी 2-DOF रोटेशनल प्रिझमॅटिक कनेक्शन प्रस्तावित केले आहे. दाखवल्याप्रमाणे, लिंक खालच्या ड्राइव्हपासून वरच्या आर्मपर्यंत रेषीय गती प्रसारित करते, ज्यामुळे एक रोटेशनल कनेक्शन तयार होते. दुसरीकडे, प्रिझमच्या जोडीची हालचाल ही मल्टीलेयर फर्स्ट स्टेज ड्राइव्हच्या हालचालीसारखीच असते.
SMA वर आधारित बायमोडल ड्राइव्हच्या कामगिरीचे मूल्यांकन करण्यासाठी आकृती 9b मध्ये दर्शविलेल्या प्रोटोटाइपवर एक प्रायोगिक अभ्यास करण्यात आला. आकृती 10a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, प्रायोगिक सेटअपमध्ये SMA वायर्सना इनपुट व्होल्टेज पुरवण्यासाठी एका प्रोग्रामेबल डीसी पॉवर सप्लायचा समावेश होता. आकृती 10b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, ग्राफटेक GL-2000 डेटा लॉगर वापरून ब्लॉकिंग फोर्स मोजण्यासाठी एक पिझोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन गेज (PACEline CFT/5kN) वापरण्यात आला. पुढील अभ्यासासाठी होस्टद्वारे डेटा रेकॉर्ड केला जातो. व्होल्टेज सिग्नल तयार करण्यासाठी स्ट्रेन गेज आणि चार्ज अॅम्प्लिफायरला स्थिर वीज पुरवठ्याची आवश्यकता असते. पिझोइलेक्ट्रिक फोर्स सेन्सरची संवेदनशीलता आणि तक्ता 2 मध्ये वर्णन केलेल्या इतर पॅरामीटर्सनुसार संबंधित सिग्नल पॉवर आउटपुटमध्ये रूपांतरित केले जातात. जेव्हा व्होल्टेज पल्स लागू केला जातो, तेव्हा SMA वायरचे तापमान वाढते, ज्यामुळे SMA वायर संकुचित होते, आणि यामुळे अॅक्ट्युएटर बल निर्माण करतो. 7 V च्या इनपुट व्होल्टेज पल्सद्वारे स्नायूंच्या ताकदीच्या आउटपुटचे प्रायोगिक परिणाम आकृती 2a मध्ये दर्शविले आहेत.
(अ) ॲक्ट्युएटरद्वारे निर्माण होणारे बल मोजण्यासाठी प्रयोगात एक SMA-आधारित लिनियर ॲक्ट्युएटर प्रणाली उभारण्यात आली. लोड सेल अवरोधक बल मोजतो आणि त्याला २४ V डीसी वीज पुरवठ्याद्वारे ऊर्जा दिली जाते. GW इन्स्टेक प्रोग्रामेबल डीसी वीज पुरवठ्याचा वापर करून केबलच्या संपूर्ण लांबीवर ७ V व्होल्टेज ड्रॉप लागू करण्यात आला. उष्णतेमुळे SMA वायर आकुंचन पावते आणि चल भुजा लोड सेलला स्पर्श करून अवरोधक बल प्रयुक्त करते. लोड सेल GL-2000 डेटा लॉगरला जोडलेला असतो आणि पुढील प्रक्रियेसाठी डेटा होस्टवर संग्रहित केला जातो. (ब) स्नायूंची ताकद मोजण्यासाठीच्या प्रायोगिक सेटअपमधील घटकांची साखळी दर्शवणारी आकृती.
शेप मेमरी अलॉय (Shape memory alloys) औष्णिक ऊर्जेने उत्तेजित होतात, त्यामुळे शेप मेमरी घटनेचा अभ्यास करण्यासाठी तापमान हा एक महत्त्वाचा पॅरामीटर ठरतो. प्रायोगिकरित्या, आकृती 11a मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, एका प्रोटोटाइप SMA-आधारित डायव्हॅलरेट ॲक्ट्युएटरवर थर्मल इमेजिंग आणि तापमान मोजमाप करण्यात आले. आकृती 11b मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, प्रायोगिक सेटअपमध्ये एका प्रोग्रामेबल डीसी सोर्सने SMA वायर्सना इनपुट व्होल्टेज दिले. SMA वायरमधील तापमानातील बदल एका हाय-रिझोल्यूशन LWIR कॅमेऱ्याचा (FLIR A655sc) वापर करून रिअल-टाइममध्ये मोजण्यात आला. पुढील पोस्ट-प्रोसेसिंगसाठी डेटा रेकॉर्ड करण्याकरिता होस्ट रिसर्चआयआर (ResearchIR) सॉफ्टवेअरचा वापर करतो. जेव्हा व्होल्टेज पल्स दिला जातो, तेव्हा SMA वायरचे तापमान वाढते, ज्यामुळे SMA वायर आकुंचन पावते. आकृती 2b मध्ये 7V इनपुट व्होल्टेज पल्ससाठी SMA वायरच्या तापमानाचे वेळेनुसार प्रायोगिक परिणाम दाखवले आहेत.