Terima kasih kerana melayari Nature.com. Versi pelayar yang anda gunakan mempunyai sokongan CSS yang terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan pelayar yang dikemas kini (atau melumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami akan memaparkan laman web tanpa gaya dan JavaScript.
Penggerak digunakan di mana-mana dan menghasilkan gerakan terkawal dengan menggunakan daya pengujaan atau tork yang betul untuk melaksanakan pelbagai operasi dalam pembuatan dan automasi perindustrian. Keperluan untuk pemacu yang lebih pantas, lebih kecil dan lebih cekap memacu inovasi dalam reka bentuk pemacu. Pemacu Shape Memory Alloy (SMA) menawarkan beberapa kelebihan berbanding pemacu konvensional, termasuk nisbah kuasa-ke-berat yang tinggi. Dalam disertasi ini, penggerak berasaskan SMA dua bulu telah dibangunkan yang menggabungkan kelebihan otot berbulu sistem biologi dan sifat unik SMA. Kajian ini meneroka dan melanjutkan penggerak SMA sebelumnya dengan membangunkan model matematik penggerak baharu berdasarkan susunan wayar SMA bimodal dan mengujinya secara eksperimen. Berbanding dengan pemacu yang diketahui berdasarkan SMA, daya penggerak pemacu baharu adalah sekurang-kurangnya 5 kali lebih tinggi (sehingga 150 N). Penurunan berat yang sepadan adalah kira-kira 67%. Keputusan analisis kepekaan model matematik berguna untuk menala parameter reka bentuk dan memahami parameter utama. Kajian ini selanjutnya membentangkan pemacu peringkat N berbilang peringkat yang boleh digunakan untuk meningkatkan lagi dinamik. Penggerak otot dipvalerat berasaskan SMA mempunyai pelbagai aplikasi, daripada automasi bangunan kepada sistem penyampaian ubat yang tepat.
Sistem biologi, seperti struktur otot mamalia, boleh mengaktifkan banyak penggerak halus1. Mamalia mempunyai struktur otot yang berbeza, setiap satunya mempunyai tujuan tertentu. Walau bagaimanapun, kebanyakan struktur tisu otot mamalia boleh dibahagikan kepada dua kategori yang luas. Selari dan pennate. Dalam hamstring dan fleksor lain, seperti namanya, otot selari mempunyai gentian otot yang selari dengan tendon pusat. Rantai gentian otot berbaris dan disambungkan secara berfungsi oleh tisu penghubung di sekelilingnya. Walaupun otot-otot ini dikatakan mempunyai pergerakan yang besar (pemendekan peratusan), kekuatan otot keseluruhannya sangat terhad. Sebaliknya, dalam otot betis trisep2 (gastrocnemius lateral (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 dan soleus (SOL)) dan ekstensor femoris (quadriceps)5,6 tisu otot pennate terdapat dalam setiap otot7. Dalam struktur pinnate, gentian otot dalam otot bipennate terdapat pada kedua-dua belah tendon pusat pada sudut serong (sudut pinnate). Pennate berasal daripada perkataan Latin "penna", yang bermaksud "pen", dan, seperti yang ditunjukkan dalam rajah 1, ia mempunyai rupa seperti bulu. Serat otot pennate adalah lebih pendek dan bersudut pada paksi membujur otot. Disebabkan oleh struktur pinnate, mobiliti keseluruhan otot ini berkurangan, yang membawa kepada komponen melintang dan membujur proses pemendekan. Sebaliknya, pengaktifan otot ini membawa kepada kekuatan otot keseluruhan yang lebih tinggi disebabkan oleh cara luas keratan rentas fisiologi diukur. Oleh itu, untuk luas keratan rentas tertentu, otot pennate akan menjadi lebih kuat dan akan menghasilkan daya yang lebih tinggi daripada otot dengan gentian selari. Daya yang dihasilkan oleh gentian individu menghasilkan daya otot pada tahap makroskopik dalam tisu otot tersebut. Di samping itu, ia mempunyai sifat unik seperti pengecutan cepat, perlindungan terhadap kerosakan tegangan, kusyen. Ia mengubah hubungan antara input gentian dan output kuasa otot dengan memanfaatkan ciri unik dan kerumitan geometri susunan gentian yang berkaitan dengan garis tindakan otot.
Gambarajah skematik reka bentuk penggerak berasaskan SMA sedia ada yang ditunjukkan berhubung dengan seni bina otot bimodal, contohnya (a), yang mewakili interaksi daya sentuhan di mana peranti berbentuk tangan yang digerakkan oleh wayar SMA dipasang pada robot mudah alih autonomi beroda dua9,10. , (b) Prostesis orbital robotik dengan prostesis orbital bermuatan spring SMA yang diletakkan secara antagonis. Kedudukan mata prostetik dikawal oleh isyarat daripada otot okular mata11, (c) Penggerak SMA sesuai untuk aplikasi bawah air kerana tindak balas frekuensi tinggi dan lebar jalur yang rendah. Dalam konfigurasi ini, penggerak SMA digunakan untuk mencipta gerakan gelombang dengan mensimulasikan pergerakan ikan, (d) Penggerak SMA digunakan untuk mencipta robot pemeriksaan paip mikro yang boleh menggunakan prinsip gerakan cacing inci, dikawal oleh pergerakan wayar SMA di dalam saluran 10, (e) menunjukkan arah gentian otot pengecutan dan menjana daya pengecutan dalam tisu gastrocnemius, (f) menunjukkan wayar SMA yang disusun dalam bentuk gentian otot dalam struktur otot pennate.
Penggerak telah menjadi bahagian penting dalam sistem mekanikal kerana pelbagai aplikasinya. Oleh itu, keperluan untuk pemacu yang lebih kecil, lebih pantas dan lebih cekap menjadi kritikal. Walaupun terdapat kelebihannya, pemacu tradisional telah terbukti mahal dan memakan masa untuk diselenggara. Penggerak hidraulik dan pneumatik adalah kompleks dan mahal serta terdedah kepada haus, masalah pelinciran dan kegagalan komponen. Sebagai tindak balas kepada permintaan, tumpuan adalah untuk membangunkan penggerak yang kos efektif, dioptimumkan saiz dan canggih berdasarkan bahan pintar. Penyelidikan berterusan sedang mengkaji penggerak berlapis aloi memori bentuk (SMA) untuk memenuhi keperluan ini. Penggerak hierarki adalah unik kerana ia menggabungkan banyak penggerak diskret ke dalam subsistem skala makro yang kompleks secara geometri untuk menyediakan fungsi yang dipertingkatkan dan diperluas. Dalam hal ini, tisu otot manusia yang diterangkan di atas memberikan contoh berbilang lapisan yang sangat baik untuk penggerak berbilang lapisan tersebut. Kajian semasa menerangkan pemacu SMA berbilang peringkat dengan beberapa elemen pemacu individu (wayar SMA) yang sejajar dengan orientasi gentian yang terdapat dalam otot bimodal, yang meningkatkan prestasi pemacu keseluruhan.
Tujuan utama penggerak adalah untuk menjana output kuasa mekanikal seperti daya dan anjakan dengan menukar tenaga elektrik. Aloi memori bentuk adalah kelas bahan "pintar" yang boleh memulihkan bentuknya pada suhu tinggi. Di bawah beban yang tinggi, peningkatan suhu wayar SMA membawa kepada pemulihan bentuk, menghasilkan ketumpatan tenaga penggerak yang lebih tinggi berbanding pelbagai bahan pintar yang terikat secara langsung. Pada masa yang sama, di bawah beban mekanikal, SMA menjadi rapuh. Di bawah keadaan tertentu, beban kitaran boleh menyerap dan melepaskan tenaga mekanikal, mempamerkan perubahan bentuk histeretik yang boleh diterbalikkan. Sifat unik ini menjadikan SMA sesuai untuk sensor, redaman getaran dan terutamanya penggerak12. Dengan ini, terdapat banyak penyelidikan mengenai pemacu berasaskan SMA. Perlu diingatkan bahawa penggerak berasaskan SMA direka bentuk untuk menyediakan gerakan translasi dan putaran untuk pelbagai aplikasi13,14,15. Walaupun beberapa penggerak putaran telah dibangunkan, penyelidik amat berminat dengan penggerak linear. Penggerak linear ini boleh dibahagikan kepada tiga jenis penggerak: penggerak satu dimensi, anjakan dan pembezaan 16. Pada mulanya, pemacu hibrid dicipta bersama SMA dan pemacu konvensional yang lain. Satu contoh penggerak linear hibrid berasaskan SMA ialah penggunaan wayar SMA dengan motor DC untuk memberikan daya output sekitar 100 N dan anjakan yang ketara17.
Salah satu perkembangan pertama dalam pemacu yang berasaskan sepenuhnya SMA ialah pemacu selari SMA. Menggunakan berbilang wayar SMA, pemacu selari berasaskan SMA direka bentuk untuk meningkatkan keupayaan kuasa pemacu dengan meletakkan semua wayar SMA18 secara selari. Sambungan selari penggerak bukan sahaja memerlukan lebih banyak kuasa, tetapi juga mengehadkan kuasa output wayar tunggal. Satu lagi kelemahan penggerak berasaskan SMA ialah perjalanan terhad yang boleh dicapai. Untuk menyelesaikan masalah ini, pancaran kabel SMA telah dicipta yang mengandungi pancaran fleksibel yang terpesong untuk meningkatkan anjakan dan mencapai gerakan linear, tetapi tidak menghasilkan daya yang lebih tinggi19. Struktur dan fabrik lembut yang boleh diubah bentuk untuk robot berdasarkan aloi memori bentuk telah dibangunkan terutamanya untuk penguatan hentaman20,21,22. Untuk aplikasi yang memerlukan kelajuan tinggi, pam pacuan padat telah dilaporkan menggunakan SMA filem nipis untuk aplikasi pacuan pam mikro23. Kekerapan pemacu membran SMA filem nipis merupakan faktor utama dalam mengawal kelajuan pemacu. Oleh itu, motor linear SMA mempunyai tindak balas dinamik yang lebih baik daripada motor spring atau rod SMA. Robotik lembut dan teknologi cengkaman adalah dua aplikasi lain yang menggunakan penggerak berasaskan SMA. Contohnya, untuk menggantikan penggerak piawai yang digunakan dalam pengapit ruang 25 N, penggerak selari aloi memori bentuk 24 telah dibangunkan. Dalam kes lain, penggerak lembut SMA telah dibuat berdasarkan dawai dengan matriks terbenam yang mampu menghasilkan daya tarikan maksimum 30 N. Disebabkan sifat mekanikalnya, SMA juga digunakan untuk menghasilkan penggerak yang meniru fenomena biologi. Satu perkembangan sedemikian termasuk robot 12 sel yang merupakan biomimetik organisma seperti cacing tanah dengan SMA untuk menghasilkan gerakan sinusoidal untuk menembak26,27.
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, terdapat had daya maksimum yang boleh diperolehi daripada penggerak berasaskan SMA sedia ada. Untuk menangani isu ini, kajian ini membentangkan struktur otot bimodal biomimetik. Didorong oleh dawai aloi memori bentuk. Ia menyediakan sistem pengelasan yang merangkumi beberapa dawai aloi memori bentuk. Sehingga kini, tiada penggerak berasaskan SMA dengan seni bina yang serupa telah dilaporkan dalam literatur. Sistem unik dan baharu berdasarkan SMA ini dibangunkan untuk mengkaji tingkah laku SMA semasa penjajaran otot bimodal. Berbanding dengan penggerak berasaskan SMA sedia ada, matlamat kajian ini adalah untuk mencipta penggerak dipvalerat biomimetik untuk menjana daya yang jauh lebih tinggi dalam isipadu kecil. Berbanding dengan pemacu pacuan motor stepper konvensional yang digunakan dalam sistem automasi dan kawalan bangunan HVAC, reka bentuk pemacu bimodal berasaskan SMA yang dicadangkan mengurangkan berat mekanisme pemacu sebanyak 67%. Berikutnya, istilah "otot" dan "pemacu" digunakan secara bergantian. Kajian ini mengkaji simulasi multifizik pemacu sedemikian. Tingkah laku mekanikal sistem sedemikian telah dikaji melalui kaedah eksperimen dan analisis. Taburan daya dan suhu telah dikaji lebih lanjut pada voltan input 7 V. Seterusnya, analisis parametrik telah dijalankan untuk lebih memahami hubungan antara parameter utama dan daya output. Akhir sekali, penggerak hierarki telah dibayangkan dan kesan tahap hierarki telah dicadangkan sebagai bidang masa depan yang berpotensi untuk penggerak bukan magnet untuk aplikasi prostetik. Menurut hasil kajian yang dinyatakan di atas, penggunaan seni bina satu peringkat menghasilkan daya sekurang-kurangnya empat hingga lima kali ganda lebih tinggi daripada penggerak berasaskan SMA yang dilaporkan. Di samping itu, daya pemacu yang sama yang dijana oleh pemacu berbilang peringkat berbilang peringkat telah terbukti lebih daripada sepuluh kali ganda daripada pemacu berasaskan SMA konvensional. Kajian tersebut kemudian melaporkan parameter utama menggunakan analisis kepekaan antara reka bentuk dan pembolehubah input yang berbeza. Panjang awal wayar SMA (\(l_0\)), sudut pinnat (\(\alpha\)) dan bilangan untaian tunggal (n) dalam setiap untaian individu mempunyai kesan negatif yang kuat terhadap magnitud daya pemacu. kekuatan, manakala voltan input (tenaga) ternyata berkorelasi positif.
Wayar SMA mempamerkan kesan ingatan bentuk (SME) yang dilihat dalam keluarga aloi nikel-titanium (Ni-Ti). Biasanya, SMA mempamerkan dua fasa yang bergantung kepada suhu: fasa suhu rendah dan fasa suhu tinggi. Kedua-dua fasa mempunyai sifat unik kerana kehadiran struktur kristal yang berbeza. Dalam fasa austenit (fasa suhu tinggi) yang wujud di atas suhu transformasi, bahan tersebut mempamerkan kekuatan yang tinggi dan kurang berubah bentuk di bawah beban. Aloi tersebut bertindak seperti keluli tahan karat, jadi ia mampu menahan tekanan penggerak yang lebih tinggi. Dengan memanfaatkan sifat aloi Ni-Ti ini, wayar SMA dicondongkan untuk membentuk penggerak. Model analisis yang sesuai dibangunkan untuk memahami mekanik asas tingkah laku terma SMA di bawah pengaruh pelbagai parameter dan pelbagai geometri. Persetujuan yang baik telah diperoleh antara keputusan eksperimen dan analisis.
Satu kajian eksperimen telah dijalankan ke atas prototaip yang ditunjukkan dalam Rajah 9a untuk menilai prestasi pemacu bimodal berdasarkan SMA. Dua daripada sifat ini, daya yang dihasilkan oleh pemacu (daya otot) dan suhu wayar SMA (suhu SMA), telah diukur secara eksperimen. Apabila perbezaan voltan meningkat di sepanjang keseluruhan dawai dalam pemacu, suhu wayar meningkat disebabkan oleh kesan pemanasan Joule. Voltan input dikenakan dalam dua kitaran 10-s (ditunjukkan sebagai titik merah dalam Rajah 2a, b) dengan tempoh penyejukan 15-s antara setiap kitaran. Daya penyekatan diukur menggunakan tolok terikan piezoelektrik, dan taburan suhu wayar SMA dipantau dalam masa nyata menggunakan kamera LWIR resolusi tinggi gred saintifik (lihat ciri-ciri peralatan yang digunakan dalam Jadual 2). menunjukkan bahawa semasa fasa voltan tinggi, suhu wayar meningkat secara monotonik, tetapi apabila tiada arus mengalir, suhu wayar terus menurun. Dalam persediaan eksperimen semasa, suhu wayar SMA menurun semasa fasa penyejukan, tetapi ia masih di atas suhu ambien. Pada rajah 2e, gambar rajah suhu pada wayar SMA yang diambil daripada kamera LWIR menunjukkan. Sebaliknya, dalam rajah 2a, daya sekatan yang dijana oleh sistem pemacu. Apabila daya otot melebihi daya pemulihan pegas, lengan bergerak, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 9a, mula bergerak. Sebaik sahaja pengaktifan bermula, lengan bergerak bersentuhan dengan sensor, menghasilkan daya badan, seperti yang ditunjukkan dalam rajah 2c, d. Apabila suhu maksimum hampir dengan \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), daya maksimum yang diperhatikan ialah 105 N.
Graf menunjukkan keputusan eksperimen suhu wayar SMA dan daya yang dihasilkan oleh penggerak bimodal berasaskan SMA semasa dua kitaran. Voltan input dikenakan dalam dua kitaran 10 saat (ditunjukkan sebagai titik merah) dengan tempoh penyejukan 15 saat antara setiap kitaran. Wayar SMA yang digunakan untuk eksperimen ialah wayar Flexinol berdiameter 0.51 mm daripada Dynalloy, Inc. (a) Graf menunjukkan daya eksperimen yang diperoleh sepanjang dua kitaran, (c, d) menunjukkan dua contoh bebas tindakan penggerak lengan bergerak pada transduser daya piezoelektrik PACEline CFT/5kN, (b) graf menunjukkan suhu maksimum keseluruhan wayar SMA semasa dua kitaran, (e) menunjukkan petikan suhu yang diambil daripada wayar SMA menggunakan kamera perisian FLIR ResearchIR LWIR. Parameter geometri yang diambil kira dalam eksperimen diberikan dalam Jadual 1.
Keputusan simulasi model matematik dan keputusan eksperimen dibandingkan di bawah keadaan voltan input 7V, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5. Menurut keputusan analisis parametrik dan untuk mengelakkan kemungkinan terlalu panas wayar SMA, kuasa 11.2 W dibekalkan kepada penggerak. Bekalan kuasa DC boleh atur cara digunakan untuk membekalkan 7V sebagai voltan input, dan arus 1.6A diukur merentasi wayar. Daya yang dihasilkan oleh pemacu dan suhu SDR meningkat apabila arus dikenakan. Dengan voltan input 7V, daya output maksimum yang diperoleh daripada keputusan simulasi dan keputusan eksperimen kitaran pertama ialah masing-masing 78 N dan 96 N. Dalam kitaran kedua, daya output maksimum keputusan simulasi dan eksperimen ialah masing-masing 150 N dan 105 N. Perbezaan antara ukuran daya oklusi dan data eksperimen mungkin disebabkan oleh kaedah yang digunakan untuk mengukur daya oklusi. Keputusan eksperimen yang ditunjukkan dalam rajah. 5a sepadan dengan pengukuran daya penguncian, yang seterusnya diukur apabila aci pemacu bersentuhan dengan transduser daya piezoelektrik PACEline CFT/5kN, seperti yang ditunjukkan dalam rajah 2s. Oleh itu, apabila aci pemacu tidak bersentuhan dengan sensor daya pada permulaan zon penyejukan, daya serta-merta menjadi sifar, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2d. Di samping itu, parameter lain yang mempengaruhi pembentukan daya dalam kitaran berikutnya ialah nilai masa penyejukan dan pekali pemindahan haba perolakan dalam kitaran sebelumnya. Daripada rajah 2b, dapat dilihat bahawa selepas tempoh penyejukan 15 saat, wayar SMA tidak mencapai suhu bilik dan oleh itu mempunyai suhu awal yang lebih tinggi (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) dalam kitaran pemacuan kedua berbanding dengan kitaran pertama (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Oleh itu, berbanding dengan kitaran pertama, suhu dawai SMA semasa kitaran pemanasan kedua mencapai suhu austenit awal (\(A_s\)) lebih awal dan kekal dalam tempoh peralihan lebih lama, mengakibatkan tegasan dan daya. Sebaliknya, taburan suhu semasa kitaran pemanasan dan penyejukan yang diperoleh daripada eksperimen dan simulasi mempunyai persamaan kualitatif yang tinggi dengan contoh daripada analisis termografi. Analisis perbandingan data terma dawai SMA daripada eksperimen dan simulasi menunjukkan ketekalan semasa kitaran pemanasan dan penyejukan dan dalam toleransi yang boleh diterima untuk data eksperimen. Suhu maksimum dawai SMA, yang diperoleh daripada keputusan simulasi dan eksperimen kitaran pertama, masing-masing ialah \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) dan \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, dan dalam kitaran kedua, suhu maksimum dawai SMA ialah \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) dan \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Model yang dibangunkan secara asas mengesahkan kesan kesan ingatan bentuk. Peranan keletihan dan terlalu panas tidak dipertimbangkan dalam ulasan ini. Pada masa hadapan, model ini akan diperbaiki untuk memasukkan sejarah tegasan wayar SMA, menjadikannya lebih sesuai untuk aplikasi kejuruteraan. Plot daya output pemacu dan suhu SMA yang diperoleh daripada blok Simulink adalah dalam toleransi data eksperimen yang dibenarkan di bawah keadaan denyut voltan input 7 V. Ini mengesahkan ketepatan dan kebolehpercayaan model matematik yang dibangunkan.
Model matematik telah dibangunkan dalam persekitaran MathWorks Simulink R2020b menggunakan persamaan asas yang diterangkan dalam bahagian Kaedah. Rajah 3b menunjukkan gambarajah blok model matematik Simulink. Model ini telah disimulasikan untuk denyut voltan input 7V seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2a, b. Nilai parameter yang digunakan dalam simulasi disenaraikan dalam Jadual 1. Keputusan simulasi proses sementara dibentangkan dalam Rajah 1 dan 1. Rajah 3a dan 4. Rajah 4a, b menunjukkan voltan teraruh dalam wayar SMA dan daya yang dijana oleh penggerak sebagai fungsi masa. Semasa transformasi songsang (pemanasan), apabila suhu dawai SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu permulaan fasa austenit tegasan diubah suai), kadar perubahan pecahan isipadu martensit (\(\dot{\xi }\)) akan menjadi sifar. Semasa transformasi songsang (pemanasan), apabila suhu dawai SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu permulaan fasa austenit yang diubah suai tegasan), kadar perubahan pecahan isipadu martensit (\(\dot{\ xi }\)) akan menjadi sifar. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустература проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустеанидино, цинфидино напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Semasa transformasi songsang (pemanasan), apabila suhu dawai SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu permulaan austenit yang diubah suai tegasan), kadar perubahan pecahan isipadu martensit (\(\dot{\ xi }\ )) akan menjadi sifar.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（\(化率（\(化率（\( }\dot{\))在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения проволоки СПФ напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Semasa transformasi songsang (pemanasan) pada suhu dawai SMA \(T < A_s^{\prime}\) (suhu nukleasi fasa austenit, dibetulkan untuk tegasan), kadar perubahan dalam pecahan isipadu martensit (\( \dot{\ xi }\)) akan sama dengan sifar.Oleh itu, kadar perubahan tegasan (\(\dot{\sigma}\)) akan bergantung pada kadar terikan (\(\dot{\epsilon}\)) dan kecerunan suhu (\(\dot{T} \) ) hanya dengan menggunakan persamaan (1). Walau bagaimanapun, apabila dawai SMA meningkat suhu dan melintasi (\(A_s^{\prime}\)), fasa austenit mula terbentuk, dan (\(\dot{\xi}\)) diambil sebagai nilai persamaan yang diberikan (3). Oleh itu, kadar perubahan voltan (\(\dot{\sigma}\)) dikawal bersama oleh \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) dan \(\dot{\xi}\) sama dengan yang diberikan dalam formula (1). Ini menjelaskan perubahan kecerunan yang diperhatikan dalam peta tegasan dan daya yang berubah-ubah mengikut masa semasa kitaran pemanasan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4a, b.
(a) Keputusan simulasi yang menunjukkan taburan suhu dan suhu simpang teraruh tegasan dalam penggerak divalerat berasaskan SMA. Apabila suhu dawai melintasi suhu peralihan austenit dalam peringkat pemanasan, suhu peralihan austenit yang diubah suai mula meningkat, dan begitu juga, apabila suhu rod dawai melintasi suhu peralihan martensit dalam peringkat penyejukan, suhu peralihan martensit berkurangan. SMA untuk pemodelan analitikal proses penggerak. (Untuk paparan terperinci setiap subsistem model Simulink, lihat bahagian lampiran fail tambahan.)
Keputusan analisis untuk taburan parameter yang berbeza ditunjukkan untuk dua kitaran voltan input 7V (kitaran pemanasan 10 saat dan kitaran penyejukan 15 saat). Manakala (ac) dan (e) menggambarkan taburan dari semasa ke semasa, sebaliknya, (d) dan (f) menggambarkan taburan dengan suhu. Bagi keadaan input masing-masing, tegasan maksimum yang diperhatikan ialah 106 MPa (kurang daripada 345 MPa, kekuatan alah dawai), daya ialah 150 N, anjakan maksimum ialah 270 µm, dan pecahan isipadu martensit minimum ialah 0.91. Sebaliknya, perubahan tegasan dan perubahan pecahan isipadu martensit dengan suhu adalah serupa dengan ciri histeresis.
Penjelasan yang sama terpakai kepada transformasi langsung (penyejukan) daripada fasa austenit kepada fasa martensit, di mana suhu dawai SMA (T) dan suhu akhir fasa martensit yang diubah suai tegasan (\(M_f^{\prime}\ )) adalah sangat baik. Pada rajah 4d, f menunjukkan perubahan dalam tegasan teraruh (\(\sigma\)) dan pecahan isipadu martensit (\(\xi\)) dalam dawai SMA sebagai fungsi perubahan suhu dawai SMA (T), untuk kedua-dua kitaran pemacu. Pada rajah 3a menunjukkan perubahan suhu dawai SMA dengan masa bergantung pada denyutan voltan input. Seperti yang dapat dilihat daripada rajah, suhu dawai terus meningkat dengan menyediakan sumber haba pada voltan sifar dan penyejukan perolakan berikutnya. Semasa pemanasan, transformasi semula martensit kepada fasa austenit bermula apabila suhu dawai SMA (T) melintasi suhu nukleasi austenit yang dibetulkan tegasan (\(A_s^{\prime}\)). Semasa fasa ini, dawai SMA dimampatkan dan penggerak menghasilkan daya. Juga semasa penyejukan, apabila suhu dawai SMA (T) melintasi suhu nukleasi fasa martensit yang diubah suai tegasan (\(M_s^{\prime}\)), terdapat peralihan positif daripada fasa austenit kepada fasa martensit. daya pemacu berkurangan.
Aspek kualitatif utama pemacu bimodal berdasarkan SMA boleh diperolehi daripada keputusan simulasi. Dalam kes input denyut voltan, suhu dawai SMA meningkat disebabkan oleh kesan pemanasan Joule. Nilai awal pecahan isipadu martensit (\(\xi\)) ditetapkan kepada 1, kerana bahan pada mulanya berada dalam fasa martensit sepenuhnya. Apabila dawai terus memanas, suhu dawai SMA melebihi suhu nukleasi austenit yang dibetulkan tegasan \(A_s^{\prime}\), mengakibatkan penurunan pecahan isipadu martensit, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4c. Di samping itu, dalam rajah 4e menunjukkan taburan lejang penggerak dalam masa, dan dalam rajah 5 – daya penggerak sebagai fungsi masa. Sistem persamaan yang berkaitan termasuk suhu, pecahan isipadu martensit, dan tegasan yang terbentuk dalam dawai, mengakibatkan pengecutan dawai SMA dan daya yang dihasilkan oleh penggerak. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah. 4d,f, variasi voltan dengan suhu dan variasi pecahan isipadu martensit dengan suhu sepadan dengan ciri histeresis SMA dalam kes simulasi pada 7 V.
Perbandingan parameter pemacuan diperoleh melalui eksperimen dan pengiraan analitikal. Wayar-wayar tersebut dikenakan voltan input berdenyut sebanyak 7 V selama 10 saat, kemudian disejukkan selama 15 saat (fasa penyejukan) selama dua kitaran. Sudut pinat ditetapkan kepada \(40^{\circ}\) dan panjang awal wayar SMA dalam setiap kaki pin tunggal ditetapkan kepada 83mm. (a) Mengukur daya pemacu dengan sel beban (b) Memantau suhu wayar dengan kamera inframerah terma.
Untuk memahami pengaruh parameter fizikal terhadap daya yang dihasilkan oleh pemacu, analisis kepekaan model matematik terhadap parameter fizikal yang dipilih telah dijalankan, dan parameter tersebut disusun mengikut pengaruhnya. Pertama, pensampelan parameter model dilakukan menggunakan prinsip reka bentuk eksperimen yang mengikuti taburan seragam (lihat Bahagian Tambahan mengenai Analisis Kepekaan). Dalam kes ini, parameter model termasuk voltan input (\(V_{in}\)), panjang wayar SMA awal (\(l_0\)), sudut segi tiga (\(\alpha\)), pemalar spring bias (\( K_x\ )), pekali pemindahan haba perolakan (\(h_T\)) dan bilangan cabang unimodal (n). Dalam langkah seterusnya, kekuatan otot puncak dipilih sebagai keperluan reka bentuk kajian dan kesan parametrik setiap set pembolehubah terhadap kekuatan diperoleh. Plot puting beliung untuk analisis kepekaan diperoleh daripada pekali korelasi untuk setiap parameter, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6a.
(a) Nilai pekali korelasi parameter model dan kesannya terhadap daya output maksimum 2500 kumpulan unik parameter model di atas ditunjukkan dalam plot puting beliung. Graf menunjukkan korelasi kedudukan beberapa penunjuk. Jelas bahawa \(V_{in}\) adalah satu-satunya parameter dengan korelasi positif, dan \(l_0\) adalah parameter dengan korelasi negatif tertinggi. Kesan pelbagai parameter dalam pelbagai kombinasi terhadap kekuatan otot puncak ditunjukkan dalam (b, c). \(K_x\) berkisar antara 400 hingga 800 N/m dan n berkisar antara 4 hingga 24. Voltan (\(V_{in}\)) berubah dari 4V ke 10V, panjang wayar (\(l_{0 } \)) berubah dari 40 hingga 100 mm, dan sudut ekor (\ (\alpha \)) berubah dari \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Pada rajah 6a, plot puting beliung bagi pelbagai pekali korelasi untuk setiap parameter dengan keperluan reka bentuk daya pemacu puncak. Daripada rajah 6a, dapat dilihat bahawa parameter voltan (\(V_{in}\)) berkaitan secara langsung dengan daya output maksimum, dan pekali pemindahan haba perolakan (\(h_T\)), sudut nyalaan (\( \alpha\)), pemalar pegas anjakan (\(K_x\)) berkorelasi negatif dengan daya output dan panjang awal (\(l_0\)) wayar SMA, dan bilangan cabang unimodal (n) menunjukkan korelasi songsang yang kuat. Dalam kes korelasi langsung, dalam kes nilai pekali korelasi voltan yang lebih tinggi (\(V_ {in}\)) menunjukkan bahawa parameter ini mempunyai kesan terbesar pada output kuasa. Satu lagi analisis serupa mengukur daya puncak dengan menilai kesan parameter yang berbeza dalam kombinasi yang berbeza bagi dua ruang pengiraan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6b, c. \(V_{in}\) dan \(l_0\), \(\alpha\) dan \(l_0\) mempunyai corak yang serupa, dan graf menunjukkan bahawa \(V_{in}\) dan \(\alpha\) dan \(\alpha\) mempunyai corak yang serupa. Nilai \(l_0\) yang lebih kecil menghasilkan daya puncak yang lebih tinggi. Dua plot yang lain adalah konsisten dengan Rajah 6a, di mana n dan \(K_x\) berkorelasi negatif dan \(V_{in}\) berkorelasi positif. Analisis ini membantu untuk menentukan dan melaraskan parameter yang mempengaruhi daya output, lejang dan kecekapan sistem pemacu boleh disesuaikan dengan keperluan dan aplikasi.
Kerja penyelidikan semasa memperkenalkan dan menyiasat pemacu hierarki dengan aras N. Dalam hierarki dua aras, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7a, di mana susunan bimodal dicapai dan bukannya setiap wayar SMA bagi penggerak aras pertama, seperti yang ditunjukkan dalam rajah 9e. Pada rajah 7c, ditunjukkan bagaimana wayar SMA dililit di sekeliling lengan bergerak (lengan bantu) yang hanya bergerak dalam arah membujur. Walau bagaimanapun, lengan bergerak utama terus bergerak dengan cara yang sama seperti lengan bergerak bagi penggerak berbilang peringkat pertama. Biasanya, pemacu peringkat-N dicipta dengan menggantikan wayar SMA peringkat \(N-1\) dengan pemacu peringkat pertama. Hasilnya, setiap cabang meniru pemacu peringkat pertama, kecuali cabang yang memegang wayar itu sendiri. Dengan cara ini, struktur bersarang boleh dibentuk yang menghasilkan daya yang beberapa kali lebih besar daripada daya pemacu utama. Dalam kajian ini, bagi setiap aras, jumlah panjang wayar SMA berkesan 1 m telah diambil kira, seperti yang ditunjukkan dalam format jadual dalam Rajah 7d. Arus melalui setiap wayar dalam setiap reka bentuk unimodal dan prategasan serta voltan yang terhasil dalam setiap segmen wayar SMA adalah sama pada setiap aras. Menurut model analisis kami, daya output berkorelasi positif dengan aras, manakala anjakan berkorelasi negatif. Pada masa yang sama, terdapat pertukaran antara anjakan dan kekuatan otot. Seperti yang dilihat dalam rajah 7b, manakala daya maksimum dicapai dalam bilangan lapisan terbesar, anjakan terbesar diperhatikan dalam lapisan terendah. Apabila aras hierarki ditetapkan kepada \(N=5\), daya otot puncak 2.58 kN ditemui dengan 2 lejang diperhatikan \(\upmu\)m. Sebaliknya, pemacu peringkat pertama menghasilkan daya 150 N pada lejang 277 \(\upmu\)m. Penggerak berbilang aras mampu meniru otot biologi sebenar, di mana otot tiruan berdasarkan aloi memori bentuk mampu menghasilkan daya yang jauh lebih tinggi dengan pergerakan yang tepat dan lebih halus. Batasan reka bentuk miniatur ini ialah apabila hierarki meningkat, pergerakan berkurangan dengan ketara dan kerumitan proses pembuatan pemacu meningkat.
(a) Sistem penggerak linear aloi memori bentuk berlapis dua peringkat (\(N=2\)) ditunjukkan dalam konfigurasi bimodal. Model yang dicadangkan dicapai dengan menggantikan wayar SMA dalam penggerak berlapis peringkat pertama dengan penggerak berlapis peringkat tunggal yang lain. (c) Konfigurasi terubah bentuk penggerak berbilang lapisan peringkat kedua. (b) Taburan daya dan anjakan bergantung pada bilangan aras diterangkan. Telah didapati bahawa daya puncak penggerak berkorelasi positif dengan aras skala pada graf, manakala lejang berkorelasi negatif dengan aras skala. Arus dan pra-voltan dalam setiap wayar kekal malar pada semua aras. (d) Jadual menunjukkan bilangan pili dan panjang wayar SMA (serat) pada setiap aras. Ciri-ciri wayar ditunjukkan oleh indeks 1, dan bilangan cabang sekunder (satu disambungkan ke kaki primer) ditunjukkan oleh nombor terbesar dalam subskrip. Contohnya, pada tahap 5, \(n_1\) merujuk kepada bilangan wayar SMA yang terdapat dalam setiap struktur bimodal, dan \(n_5\) merujuk kepada bilangan kaki tambahan (satu disambungkan ke kaki utama).
Pelbagai kaedah telah dicadangkan oleh ramai penyelidik untuk memodelkan tingkah laku SMA dengan memori bentuk, yang bergantung pada sifat termomekanikal yang mengiringi perubahan makroskopik dalam struktur kristal yang berkaitan dengan peralihan fasa. Formulasi kaedah konstitutif sememangnya kompleks. Model fenomenologi yang paling biasa digunakan dicadangkan oleh Tanaka28 dan digunakan secara meluas dalam aplikasi kejuruteraan. Model fenomenologi yang dicadangkan oleh Tanaka [28] mengandaikan bahawa pecahan isipadu martensit adalah fungsi eksponen suhu dan tegasan. Kemudian, Liang dan Rogers29 dan Brinson30 mencadangkan model di mana dinamik peralihan fasa dianggap sebagai fungsi kosinus voltan dan suhu, dengan sedikit pengubahsuaian pada model. Becker dan Brinson mencadangkan model kinetik berasaskan gambar rajah fasa untuk memodelkan tingkah laku bahan SMA di bawah keadaan pemuatan sewenang-wenangnya serta peralihan separa. Banerjee32 menggunakan kaedah dinamik gambar rajah fasa Bekker dan Brinson31 untuk mensimulasikan manipulator darjah kebebasan tunggal yang dibangunkan oleh Elahinia dan Ahmadian33. Kaedah kinetik berdasarkan gambar rajah fasa, yang mengambil kira perubahan voltan bukan monotonik dengan suhu, sukar dilaksanakan dalam aplikasi kejuruteraan. Elakhinia dan Ahmadian menarik perhatian kepada kekurangan model fenomenologi sedia ada ini dan mencadangkan model fenomenologi yang diperluas untuk menganalisis dan mentakrifkan tingkah laku ingatan bentuk di bawah sebarang keadaan pemuatan yang kompleks.
Model struktur dawai SMA memberikan tegasan (\(\sigma\)), terikan (\(\epsilon\)), suhu (T), dan pecahan isipadu martensit (\(\xi\)) bagi dawai SMA. Model konstitutif fenomenologi pertama kali dicadangkan oleh Tanaka28 dan kemudiannya diguna pakai oleh Liang29 dan Brinson30. Terbitan persamaan mempunyai bentuk:
di mana E ialah modulus SMA Young yang bergantung kepada fasa yang diperoleh menggunakan \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) dan \(E_A\) dan \(E_M\) yang mewakili modulus Young masing-masing ialah fasa austenit dan martensit, dan pekali pengembangan haba diwakili oleh \(\theta _T\). Faktor sumbangan peralihan fasa ialah \(\Omega = -E \epsilon _L\) dan \(\epsilon _L\) ialah terikan maksimum yang boleh dipulihkan dalam dawai SMA.
Persamaan dinamik fasa bertepatan dengan fungsi kosinus yang dibangunkan oleh Liang29 dan kemudiannya diguna pakai oleh Brinson30 dan bukannya fungsi eksponen yang dicadangkan oleh Tanaka28. Model peralihan fasa merupakan lanjutan model yang dicadangkan oleh Elakhinia dan Ahmadian34 dan diubah suai berdasarkan keadaan peralihan fasa yang diberikan oleh Liang29 dan Brinson30. Keadaan yang digunakan untuk model peralihan fasa ini adalah sah di bawah beban termomekanikal yang kompleks. Pada setiap saat, nilai pecahan isipadu martensit dikira semasa memodelkan persamaan konstitutif.
Persamaan transformasi semula yang mengawal, yang dinyatakan oleh transformasi martensit kepada austenit di bawah keadaan pemanasan, adalah seperti berikut:
di mana \(\xi\) ialah pecahan isipadu martensit, \(\xi _M\) ialah pecahan isipadu martensit yang diperoleh sebelum pemanasan, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) dan \(C_A\) – parameter penghampiran lengkung, T – suhu dawai SMA, \(A_s\) dan \(A_f\) – permulaan dan penghujung fasa austenit, masing-masing, suhu.
Persamaan kawalan transformasi langsung, yang diwakili oleh transformasi fasa austenit kepada martensit di bawah keadaan penyejukan, ialah:
dengan \(\xi _A\) ialah pecahan isipadu martensit yang diperoleh sebelum penyejukan, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) dan \ ( C_M \) – parameter pemadanan lengkung, T – suhu dawai SMA, \(M_s\) dan \(M_f\) – suhu martensit awal dan akhir, masing-masing.
Selepas persamaan (3) dan (4) dibezakan, persamaan transformasi songsang dan langsung dipermudahkan kepada bentuk berikut:
Semasa transformasi ke hadapan dan ke belakang, \(\eta _{\sigma}\) dan \(\eta _{T}\) mengambil nilai yang berbeza. Persamaan asas yang berkaitan dengan \(\eta _{\sigma}\) dan \(\eta _{T}\) telah diterbitkan dan dibincangkan secara terperinci dalam bahagian tambahan.
Tenaga haba yang diperlukan untuk meningkatkan suhu dawai SMA berasal daripada kesan pemanasan Joule. Tenaga haba yang diserap atau dilepaskan oleh dawai SMA diwakili oleh haba pendam transformasi. Kehilangan haba dalam dawai SMA adalah disebabkan oleh perolakan paksa, dan memandangkan kesan sinaran yang boleh diabaikan, persamaan imbangan tenaga haba adalah seperti berikut:
Di mana \(m_{wayar}\) ialah jumlah jisim dawai SMA, \(c_{p}\) ialah muatan haba tentu SMA, \(V_{in}\) ialah voltan yang dikenakan pada dawai, \(R_{ohm} \ ) – rintangan bergantung fasa SMA, ditakrifkan sebagai; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) di mana \(r_M\ ) dan \(r_A\) ialah kerintangan fasa SMA dalam martensit dan austenit, masing-masing, \(A_{c}\) ialah luas permukaan dawai SMA, \(\Delta H \) ialah aloi memori bentuk. Haba pendam peralihan dawai, T dan \(T_{\infty}\) ialah suhu dawai SMA dan persekitaran, masing-masing.
Apabila dawai aloi memori bentuk digerakkan, dawai tersebut akan memampat, menghasilkan daya dalam setiap cabang reka bentuk bimodal yang dipanggil daya gentian. Daya gentian dalam setiap untaian dawai SMA bersama-sama menghasilkan daya otot untuk digerakkan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 9e. Disebabkan oleh kehadiran spring biasing, jumlah daya otot penggerak berbilang lapisan ke-N ialah:
Dengan menggantikan \(N = 1\) ke dalam persamaan (7), kekuatan otot prototaip pemacu bimodal peringkat pertama boleh diperolehi seperti berikut:
dengan n ialah bilangan kaki unimodal, \(F_m\) ialah daya otot yang dijana oleh pemacu, \​​(F_f\) ialah kekuatan gentian dalam dawai SMA, \(K_x\) ialah kekakuan bias. spring, \(\alpha\) ialah sudut segi tiga, \(x_0\) ialah ofset awal spring bias untuk memegang kabel SMA dalam kedudukan pra-tegangan dan \(\Delta x\) ialah pergerakan penggerak.
Jumlah anjakan atau pergerakan pemacu (\(\Delta x\)) bergantung pada voltan (\(\sigma\)) dan regangan (\(\epsilon\)) pada wayar SMA peringkat ke-N, pemacu ditetapkan kepada (lihat Rajah. bahagian tambahan output):
Persamaan kinematik memberikan hubungan antara ubah bentuk pemacu (\(\epsilon\)) dan anjakan atau sesaran (\(\Delta x\)). Ubah bentuk dawai Arb sebagai fungsi panjang dawai Arb awal (\(l_0\)) dan panjang dawai (l) pada bila-bila masa t dalam satu cabang unimodal adalah seperti berikut:
di mana \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) diperoleh dengan menggunakan formula kosinus dalam \(\Delta\)ABB ', seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8. Untuk pemacu peringkat pertama (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) ialah \(\Delta x\), dan \(\alpha _1\) ialah \(\alpha \) seperti yang ditunjukkan dalam Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8, dengan membezakan masa daripada Persamaan (11) dan menggantikan nilai l, kadar terikan boleh ditulis sebagai:
dengan \(l_0\) ialah panjang awal dawai SMA, l ialah panjang dawai pada bila-bila masa t dalam satu cabang unimodal, \(\epsilon\) ialah ubah bentuk yang terbentuk dalam dawai SMA, dan \(\alpha \) ialah sudut segi tiga, \(\Delta x\) ialah ofset pemacu (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8).
Semua n struktur puncak tunggal (\(n=6\) dalam rajah ini) disambungkan secara bersiri dengan \(V_{in}\) sebagai voltan input. Peringkat I: Gambarajah skematik wayar SMA dalam konfigurasi bimodal di bawah keadaan voltan sifar Peringkat II: Struktur terkawal ditunjukkan di mana wayar SMA dimampatkan disebabkan oleh penukaran songsang, seperti yang ditunjukkan oleh garis merah.
Sebagai bukti konsep, pemacu bimodal berasaskan SMA telah dibangunkan untuk menguji terbitan simulasi persamaan asas dengan keputusan eksperimen. Model CAD bagi penggerak linear bimodal ditunjukkan dalam rajah 9a. Sebaliknya, dalam rajah 9c menunjukkan reka bentuk baharu yang dicadangkan untuk sambungan prisma putaran menggunakan penggerak berasaskan SMA dua satah dengan struktur bimodal. Komponen pemacu telah dibuat menggunakan pembuatan bahan tambahan pada pencetak 3D Lanjutan Ultimaker 3. Bahan yang digunakan untuk pencetakan 3D komponen ialah polikarbonat yang sesuai untuk bahan tahan haba kerana ia kuat, tahan lama dan mempunyai suhu peralihan kaca yang tinggi (110-113 \(^{\circ }\) C). Di samping itu, dawai aloi memori bentuk Flexinol Dynalloy, Inc. telah digunakan dalam eksperimen, dan sifat bahan yang sepadan dengan dawai Flexinol telah digunakan dalam simulasi. Pelbagai wayar SMA disusun sebagai gentian yang terdapat dalam susunan bimodal otot untuk mendapatkan daya tinggi yang dihasilkan oleh penggerak berbilang lapisan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 9b, d.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 9a, sudut lancip yang dibentuk oleh dawai SMA lengan bergerak dipanggil sudut (\(\alpha\)). Dengan pengapit terminal yang dipasang pada pengapit kiri dan kanan, dawai SMA dipegang pada sudut bimodal yang dikehendaki. Peranti spring bias yang dipegang pada penyambung spring direka bentuk untuk melaraskan kumpulan sambungan spring bias yang berbeza mengikut bilangan (n) gentian SMA. Di samping itu, lokasi bahagian yang bergerak direka bentuk supaya dawai SMA terdedah kepada persekitaran luaran untuk penyejukan perolakan paksa. Plat atas dan bawah pemasangan boleh tanggal membantu memastikan dawai SMA sejuk dengan potongan tersemperit yang direka bentuk untuk mengurangkan berat. Di samping itu, kedua-dua hujung dawai CMA dipasang pada terminal kiri dan kanan, masing-masing, melalui kelim. Pelocok dipasang pada satu hujung pemasangan boleh alih untuk mengekalkan jarak antara plat atas dan bawah. Pelocok juga digunakan untuk mengenakan daya sekatan pada sensor melalui sentuhan untuk mengukur daya sekatan apabila dawai SMA digerakkan.
Struktur otot bimodal SMA disambungkan secara elektrik secara bersiri dan dikuasakan oleh voltan denyut input. Semasa kitaran denyut voltan, apabila voltan dikenakan dan dawai SMA dipanaskan di atas suhu awal austenit, panjang dawai dalam setiap untaian dipendekkan. Penarikan balik ini mengaktifkan subassembly lengan bergerak. Apabila voltan disifarkan dalam kitaran yang sama, dawai SMA yang dipanaskan disejukkan di bawah suhu permukaan martensit, sekali gus kembali ke kedudukan asalnya. Di bawah keadaan tegasan sifar, dawai SMA mula-mula diregangkan secara pasif oleh pegas bias untuk mencapai keadaan martensit yang ditanggalkan. Skru, yang dilalui oleh dawai SMA, bergerak disebabkan oleh mampatan yang dihasilkan dengan mengenakan denyut voltan pada dawai SMA (SPA mencapai fasa austenit), yang membawa kepada pengaktifan tuil bergerak. Apabila dawai SMA ditarik balik, pegas bias menghasilkan daya lawan dengan meregangkan pegas selanjutnya. Apabila tegasan dalam voltan impuls menjadi sifar, dawai SMA memanjang dan mengubah bentuknya disebabkan oleh penyejukan perolakan paksa, mencapai fasa martensit berganda.
Sistem penggerak linear berasaskan SMA yang dicadangkan mempunyai konfigurasi bimodal di mana wayar SMA bersudut. (a) menggambarkan model CAD prototaip, yang menyebut beberapa komponen dan maksudnya untuk prototaip, (b, d) mewakili prototaip eksperimen yang dibangunkan35. Walaupun (b) menunjukkan pandangan atas prototaip dengan sambungan elektrik dan pegas bias dan tolok terikan yang digunakan, (d) menunjukkan pandangan perspektif persediaan. (e) Gambar rajah sistem penggerak linear dengan wayar SMA yang diletakkan secara bimodal pada bila-bila masa t, menunjukkan arah dan hala tuju gentian dan kekuatan otot. (c) Sambungan prisma putaran 2-DOF telah dicadangkan untuk menggunakan penggerak berasaskan SMA dua satah. Seperti yang ditunjukkan, pautan tersebut menghantar gerakan linear dari pemacu bawah ke lengan atas, mewujudkan sambungan putaran. Sebaliknya, pergerakan pasangan prisma adalah sama dengan pergerakan pemacu peringkat pertama berbilang lapisan.
Satu kajian eksperimen telah dijalankan ke atas prototaip yang ditunjukkan dalam Rajah 9b untuk menilai prestasi pemacu bimodal berdasarkan SMA. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10a, persediaan eksperimen terdiri daripada bekalan kuasa DC boleh atur cara untuk membekalkan voltan input kepada wayar SMA. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah 10b, tolok terikan piezoelektrik (PACEline CFT/5kN) telah digunakan untuk mengukur daya sekatan menggunakan pencatat data Graphtec GL-2000. Data direkodkan oleh hos untuk kajian lanjut. Tolok terikan dan penguat cas memerlukan bekalan kuasa yang malar untuk menghasilkan isyarat voltan. Isyarat yang sepadan ditukar menjadi output kuasa mengikut kepekaan sensor daya piezoelektrik dan parameter lain seperti yang diterangkan dalam Jadual 2. Apabila denyutan voltan dikenakan, suhu wayar SMA meningkat, menyebabkan wayar SMA mampat, yang menyebabkan penggerak menjana daya. Keputusan eksperimen output kekuatan otot oleh denyutan voltan input 7 V ditunjukkan dalam rajah 2a.
(a) Sistem penggerak linear berasaskan SMA telah dipasang dalam eksperimen untuk mengukur daya yang dihasilkan oleh penggerak. Sel beban mengukur daya penyekatan dan dikuasakan oleh bekalan kuasa DC 24 V. Penurunan voltan 7 V dikenakan di sepanjang keseluruhan kabel menggunakan bekalan kuasa DC boleh atur cara GW Instek. Wayar SMA mengecut akibat haba, dan lengan bergerak bersentuhan dengan sel beban dan mengenakan daya penyekatan. Sel beban disambungkan kepada pencatat data GL-2000 dan data disimpan pada hos untuk pemprosesan selanjutnya. (b) Gambar rajah menunjukkan rantai komponen persediaan eksperimen untuk mengukur kekuatan otot.
Aloi memori bentuk teruja oleh tenaga haba, jadi suhu menjadi parameter penting untuk mengkaji fenomena memori bentuk. Secara eksperimen, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 11a, pengimejan haba dan pengukuran suhu telah dilakukan pada prototaip penggerak divalerat berasaskan SMA. Sumber DC boleh atur cara menggunakan voltan input pada wayar SMA dalam persediaan eksperimen, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 11b. Perubahan suhu wayar SMA diukur dalam masa nyata menggunakan kamera LWIR resolusi tinggi (FLIR A655sc). Hos menggunakan perisian ResearchIR untuk merekodkan data untuk pemprosesan lanjut. Apabila denyut voltan dikenakan, suhu wayar SMA meningkat, menyebabkan wayar SMA mengecut. Pada rajah, Rajah 2b menunjukkan keputusan eksperimen suhu wayar SMA berbanding masa untuk denyut voltan input 7V.