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Atuadores são utilizados em todos os lugares e criam movimento controlado aplicando a força de excitação ou torque correto para realizar diversas operações na manufatura e automação industrial. A necessidade de acionamentos mais rápidos, menores e mais eficientes está impulsionando a inovação em projetos de acionamentos. Acionamentos com Liga de Memória de Forma (SMA) oferecem uma série de vantagens em relação aos acionamentos convencionais, incluindo uma alta relação potência-peso. Nesta dissertação, foi desenvolvido um atuador com duas penas baseado em SMA que combina as vantagens dos músculos emplumados dos sistemas biológicos e as propriedades únicas das SMAs. Este estudo explora e amplia atuadores SMA anteriores, desenvolvendo um modelo matemático do novo atuador baseado no arranjo bimodal de fios SMA e testando-o experimentalmente. Comparado aos acionamentos conhecidos baseados em SMA, a força de atuação do novo acionamento é pelo menos 5 vezes maior (até 150 N). A perda de peso correspondente é de cerca de 67%. Os resultados da análise de sensibilidade dos modelos matemáticos são úteis para ajustar os parâmetros de projeto e compreender os parâmetros-chave. Este estudo apresenta ainda um acionamento multinível de estágio N que pode ser usado para aprimorar ainda mais a dinâmica. Os atuadores musculares de dipvalerato baseados em SMA têm uma ampla gama de aplicações, desde automação predial até sistemas de administração de medicamentos de precisão.
Sistemas biológicos, como as estruturas musculares dos mamíferos, podem ativar muitos atuadores sutis1. Os mamíferos têm diferentes estruturas musculares, cada uma servindo a um propósito específico. No entanto, grande parte da estrutura do tecido muscular dos mamíferos pode ser dividida em duas grandes categorias: paralela e penada. Nos isquiotibiais e outros flexores, como o nome sugere, a musculatura paralela tem fibras musculares paralelas ao tendão central. A cadeia de fibras musculares é alinhada e funcionalmente conectada pelo tecido conjuntivo ao redor delas. Embora se diga que esses músculos têm uma grande excursão (porcentagem de encurtamento), sua força muscular geral é muito limitada. Em contraste, no músculo tríceps da panturrilha2 (gastrocnêmio lateral (GL)3, gastrocnêmio medial (GM)4 e sóleo (SOL)) e extensor femoral (quadríceps)5,6, tecido muscular penado é encontrado em cada músculo7. Em uma estrutura pinada, as fibras musculares na musculatura bipenada estão presentes em ambos os lados do tendão central em ângulos oblíquos (ângulos pinados). Penado vem da palavra latina “penna”, que significa “caneta”, e, como mostrado na figura 1, tem uma aparência semelhante a uma pena. As fibras dos músculos penados são mais curtas e anguladas em relação ao eixo longitudinal do músculo. Devido à estrutura pinada, a mobilidade geral desses músculos é reduzida, o que leva aos componentes transversal e longitudinal do processo de encurtamento. Por outro lado, a ativação desses músculos leva a uma maior força muscular geral devido à forma como a área transversal fisiológica é medida. Portanto, para uma determinada área transversal, os músculos penados serão mais fortes e gerarão forças maiores do que os músculos com fibras paralelas. As forças geradas por fibras individuais geram forças musculares em um nível macroscópico naquele tecido muscular. Além disso, ele tem propriedades únicas como encolhimento rápido, proteção contra danos por tração e amortecimento. Ele transforma a relação entre a entrada de fibras e a saída de potência muscular explorando as características únicas e a complexidade geométrica do arranjo de fibras associado às linhas de ação dos músculos.
São mostrados diagramas esquemáticos de projetos de atuadores baseados em SMA existentes em relação a uma arquitetura muscular bimodal, por exemplo (a), representando a interação de força tátil na qual um dispositivo em forma de mão, acionado por fios de SMA, é montado em um robô móvel autônomo de duas rodas9,10. (b) Prótese orbital robótica com prótese orbital SMA acionada por mola posicionada de forma antagônica. A posição do olho protético é controlada por um sinal do músculo ocular do olho11. (c) Os atuadores SMA são ideais para aplicações subaquáticas devido à sua resposta em alta frequência e baixa largura de banda. Nessa configuração, os atuadores SMA são usados para criar movimento de onda simulando o movimento de peixes, (d) os atuadores SMA são usados para criar um micro robô de inspeção de tubos que pode usar o princípio de movimento de verme em polegadas, controlado pelo movimento dos fios SMA dentro do canal 10, (e) mostra a direção da contração das fibras musculares e a geração de força contrátil no tecido gastrocnêmio, (f) mostra os fios SMA dispostos na forma de fibras musculares na estrutura muscular penada.
Atuadores tornaram-se uma parte importante dos sistemas mecânicos devido à sua ampla gama de aplicações. Portanto, a necessidade de acionamentos menores, mais rápidos e mais eficientes torna-se crítica. Apesar de suas vantagens, os acionamentos tradicionais têm se mostrado caros e demorados para manter. Atuadores hidráulicos e pneumáticos são complexos e caros, e estão sujeitos a desgaste, problemas de lubrificação e falhas de componentes. Em resposta à demanda, o foco está no desenvolvimento de atuadores avançados, com dimensionamento otimizado e custo-efetivos, baseados em materiais inteligentes. Pesquisas em andamento estão buscando atuadores em camadas de liga com memória de forma (SMA) para atender a essa necessidade. Atuadores hierárquicos são únicos, pois combinam muitos atuadores discretos em subsistemas de macroescala geometricamente complexos para fornecer funcionalidade aumentada e expandida. Nesse sentido, o tecido muscular humano descrito acima fornece um excelente exemplo multicamadas dessa atuação multicamadas. O presente estudo descreve um acionamento SMA multinível com vários elementos de acionamento individuais (fios SMA) alinhados às orientações das fibras presentes em músculos bimodais, o que melhora o desempenho geral do acionamento.
O principal objetivo de um atuador é gerar potência mecânica, como força e deslocamento, por meio da conversão de energia elétrica. Ligas com memória de forma são uma classe de materiais "inteligentes" que podem restaurar sua forma em altas temperaturas. Sob altas cargas, um aumento na temperatura do fio SMA leva à recuperação da forma, resultando em uma maior densidade de energia de atuação em comparação com vários materiais inteligentes diretamente ligados. Ao mesmo tempo, sob cargas mecânicas, os SMAs se tornam frágeis. Sob certas condições, uma carga cíclica pode absorver e liberar energia mecânica, exibindo mudanças de forma histéricas reversíveis. Essas propriedades exclusivas tornam o SMA ideal para sensores, amortecimento de vibração e, especialmente, atuadores12. Com isso em mente, tem havido muita pesquisa sobre acionamentos baseados em SMA. Deve-se notar que os atuadores baseados em SMA são projetados para fornecer movimento translacional e rotativo para uma variedade de aplicações13,14,15. Embora alguns atuadores rotativos tenham sido desenvolvidos, os pesquisadores estão particularmente interessados em atuadores lineares. Esses atuadores lineares podem ser divididos em três tipos: atuadores unidimensionais, de deslocamento e diferenciais 16 . Inicialmente, os acionamentos híbridos foram criados em combinação com SMA e outros acionamentos convencionais. Um exemplo de atuador linear híbrido baseado em SMA é o uso de um fio SMA com um motor CC para fornecer uma força de saída de cerca de 100 N e deslocamento significativo 17 .
Um dos primeiros desenvolvimentos em acionamentos baseados inteiramente em SMA foi o acionamento paralelo SMA. Utilizando múltiplos fios SMA, o acionamento paralelo baseado em SMA foi projetado para aumentar a capacidade de potência do acionamento, colocando todos os fios SMA18 em paralelo. A conexão paralela de atuadores não só requer mais potência, como também limita a potência de saída de um único fio. Outra desvantagem dos atuadores baseados em SMA é o curso limitado que eles podem atingir. Para resolver esse problema, foi criada uma viga de cabo SMA contendo uma viga flexível defletida para aumentar o deslocamento e alcançar movimento linear, mas não gerou forças maiores19. Estruturas e tecidos macios e deformáveis para robôs baseados em ligas com memória de forma foram desenvolvidos principalmente para amplificação de impacto20,21,22. Para aplicações onde altas velocidades são necessárias, bombas compactas acionadas foram relatadas usando SMAs de filme fino para aplicações acionadas por microbombas23. A frequência de acionamento da membrana de filme fino SMA é um fator-chave no controle da velocidade do acionador. Portanto, os motores lineares SMA têm uma resposta dinâmica melhor do que os motores de mola ou haste SMA. Robótica macia e tecnologia de preensão são outras duas aplicações que utilizam atuadores baseados em SMA. Por exemplo, para substituir o atuador padrão usado na braçadeira espacial de 25 N, foi desenvolvido um atuador paralelo de liga com memória de forma 24. Em outro caso, um atuador macio de SMA foi fabricado com base em um fio com uma matriz incorporada capaz de produzir uma força de tração máxima de 30 N. Devido às suas propriedades mecânicas, os SMAs também são usados para produzir atuadores que imitam fenômenos biológicos. Um desses desenvolvimentos inclui um robô de 12 células que é um biomimético de um organismo semelhante a uma minhoca, com SMA para gerar um movimento sinusoidal para disparar26,27.
Conforme mencionado anteriormente, existe um limite para a força máxima que pode ser obtida com os atuadores existentes baseados em SMA. Para abordar essa questão, este estudo apresenta uma estrutura muscular bimodal biomimética. Acionada por fio de liga com memória de forma. Ele fornece um sistema de classificação que inclui vários fios de liga com memória de forma. Até o momento, nenhum atuador baseado em SMA com arquitetura semelhante foi relatado na literatura. Este sistema exclusivo e inovador baseado em SMA foi desenvolvido para estudar o comportamento do SMA durante o alinhamento muscular bimodal. Comparado aos atuadores existentes baseados em SMA, o objetivo deste estudo foi criar um atuador dipvalerato biomimético para gerar forças significativamente maiores em um pequeno volume. Comparado aos acionamentos convencionais acionados por motor de passo usados em sistemas de automação e controle de edifícios HVAC, o projeto de acionamento bimodal baseado em SMA proposto reduz o peso do mecanismo de acionamento em 67%. A seguir, os termos "músculo" e "acionamento" são usados indistintamente. Este estudo investiga a simulação multifísica de tal acionamento. O comportamento mecânico de tais sistemas foi estudado por métodos experimentais e analíticos. Distribuições de força e temperatura foram investigadas mais detalhadamente em uma tensão de entrada de 7 V. Posteriormente, uma análise paramétrica foi realizada para melhor compreender a relação entre os parâmetros-chave e a força de saída. Finalmente, atuadores hierárquicos foram previstos e efeitos de nível hierárquico foram propostos como uma área futura potencial para atuadores não magnéticos para aplicações protéticas. De acordo com os resultados dos estudos mencionados, o uso de uma arquitetura de estágio único produz forças pelo menos quatro a cinco vezes maiores do que os atuadores baseados em SMA relatados. Além disso, a mesma força de acionamento gerada por um acionamento multinível multinível demonstrou ser mais de dez vezes maior do que a de acionamentos convencionais baseados em SMA. O estudo então relata os parâmetros-chave usando análise de sensibilidade entre diferentes projetos e variáveis de entrada. O comprimento inicial do fio SMA (\(l_0\)), o ângulo pinado (\(\alpha\)) e o número de fios simples (n) em cada fio individual têm um forte efeito negativo na magnitude da força de acionamento, enquanto a tensão de entrada (energia) revelou-se positivamente correlacionada.
O fio SMA exibe o efeito de memória de forma (SME) visto na família de ligas de níquel-titânio (Ni-Ti). Tipicamente, SMAs exibem duas fases dependentes da temperatura: uma fase de baixa temperatura e uma fase de alta temperatura. Ambas as fases têm propriedades únicas devido à presença de diferentes estruturas cristalinas. Na fase austenita (fase de alta temperatura) existente acima da temperatura de transformação, o material exibe alta resistência e é pouco deformado sob carga. A liga se comporta como aço inoxidável, por isso é capaz de suportar pressões de atuação mais altas. Aproveitando essa propriedade das ligas de Ni-Ti, os fios SMA são inclinados para formar um atuador. Modelos analíticos apropriados são desenvolvidos para entender a mecânica fundamental do comportamento térmico do SMA sob a influência de vários parâmetros e várias geometrias. Boa concordância foi obtida entre os resultados experimentais e analíticos.
Um estudo experimental foi realizado no protótipo mostrado na Fig. 9a para avaliar o desempenho de um acionamento bimodal baseado em SMA. Duas dessas propriedades, a força gerada pelo acionamento (força muscular) e a temperatura do fio SMA (temperatura SMA), foram medidas experimentalmente. À medida que a diferença de tensão aumenta ao longo de todo o comprimento do fio no acionamento, a temperatura do fio aumenta devido ao efeito de aquecimento Joule. A tensão de entrada foi aplicada em dois ciclos de 10 s (mostrados como pontos vermelhos na Fig. 2a, b) com um período de resfriamento de 15 s entre cada ciclo. A força de bloqueio foi medida usando um extensômetro piezoelétrico, e a distribuição de temperatura do fio SMA foi monitorada em tempo real usando uma câmera LWIR de alta resolução de nível científico (veja as características do equipamento usado na Tabela 2). mostra que, durante a fase de alta tensão, a temperatura do fio aumenta monotonicamente, mas quando não há corrente fluindo, a temperatura do fio continua a cair. Na configuração experimental atual, a temperatura do fio SMA caiu durante a fase de resfriamento, mas ainda estava acima da temperatura ambiente. A figura 2e mostra um instantâneo da temperatura no fio SMA obtido pela câmera LWIR. Por outro lado, a figura 2a mostra a força de bloqueio gerada pelo sistema de acionamento. Quando a força muscular excede a força de restauração da mola, o braço móvel, como mostrado na Figura 9a, começa a se mover. Assim que a atuação começa, o braço móvel entra em contato com o sensor, criando uma força de corpo, como mostrado na figura 2c, d. Quando a temperatura máxima está próxima de 84 °C, a força máxima observada é de 105 N.
O gráfico mostra os resultados experimentais da temperatura do fio SMA e da força gerada pelo atuador bimodal baseado em SMA durante dois ciclos. A tensão de entrada é aplicada em dois ciclos de 10 segundos (mostrados como pontos vermelhos) com um período de resfriamento de 15 segundos entre cada ciclo. O fio SMA usado para os experimentos foi um fio Flexinol de 0,51 mm de diâmetro da Dynalloy, Inc. (a) O gráfico mostra a força experimental obtida ao longo de dois ciclos, (c, d) mostra dois exemplos independentes da ação de atuadores de braço móvel em um transdutor de força piezoelétrico PACEline CFT/5kN, (b) o gráfico mostra a temperatura máxima de todo o fio SMA durante o tempo de dois ciclos, (e) mostra um instantâneo de temperatura tirado do fio SMA usando a câmera LWIR do software FLIR ResearchIR. Os parâmetros geométricos levados em consideração nos experimentos são fornecidos na Tabela 1.
Os resultados da simulação do modelo matemático e os resultados experimentais são comparados sob a condição de uma tensão de entrada de 7 V, conforme mostrado na Fig. 5. De acordo com os resultados da análise paramétrica e para evitar a possibilidade de superaquecimento do fio SMA, uma potência de 11,2 W foi fornecida ao atuador. Uma fonte de alimentação CC programável foi usada para fornecer 7 V como tensão de entrada, e uma corrente de 1,6 A foi medida no fio. A força gerada pelo acionamento e a temperatura do SDR aumentam quando a corrente é aplicada. Com uma tensão de entrada de 7 V, a força de saída máxima obtida a partir dos resultados da simulação e dos resultados experimentais do primeiro ciclo é de 78 N e 96 N, respectivamente. No segundo ciclo, a força de saída máxima dos resultados da simulação e experimentais foi de 150 N e 105 N, respectivamente. A discrepância entre as medições da força de oclusão e os dados experimentais pode ser devido ao método usado para medir a força de oclusão. Os resultados experimentais mostrados na fig. A Figura 5a corresponde à medição da força de travamento, que por sua vez foi medida quando o eixo de acionamento estava em contato com o transdutor de força piezoelétrico PACEline CFT/5kN, conforme mostrado na Figura 2s. Portanto, quando o eixo de acionamento não está em contato com o sensor de força no início da zona de resfriamento, a força imediatamente se torna zero, conforme mostrado na Figura 2d. Além disso, outros parâmetros que afetam a formação de força em ciclos subsequentes são os valores do tempo de resfriamento e o coeficiente de transferência de calor por convecção no ciclo anterior. A Figura 2b mostra que, após um período de resfriamento de 15 segundos, o fio SMA não atingiu a temperatura ambiente e, portanto, apresentou uma temperatura inicial mais alta (40°C) no segundo ciclo de acionamento em comparação com o primeiro ciclo (25°C). Assim, em comparação com o primeiro ciclo, a temperatura do fio SMA durante o segundo ciclo de aquecimento atinge a temperatura inicial da austenita (\(A_s\)) mais cedo e permanece no período de transição por mais tempo, resultando em tensão e força. Por outro lado, as distribuições de temperatura durante os ciclos de aquecimento e resfriamento obtidas a partir de experimentos e simulações têm uma alta similaridade qualitativa com exemplos de análise termográfica. A análise comparativa dos dados térmicos do fio SMA a partir de experimentos e simulações mostrou consistência durante os ciclos de aquecimento e resfriamento e dentro de tolerâncias aceitáveis para dados experimentais. A temperatura máxima do fio SMA, obtida a partir dos resultados de simulação e experimentos do primeiro ciclo, é de 89 °C e 75 °C, respectivamente, e no segundo ciclo a temperatura máxima do fio SMA é de 94 °C e 83 °C. O modelo fundamentalmente desenvolvido confirma o efeito da memória de forma. O papel da fadiga e do superaquecimento não foi considerado nesta revisão. No futuro, o modelo será aprimorado para incluir o histórico de tensões do fio SMA, tornando-o mais adequado para aplicações de engenharia. Os gráficos de força de saída do acionamento e temperatura do SMA obtidos do bloco Simulink estão dentro das tolerâncias permitidas dos dados experimentais sob a condição de um pulso de tensão de entrada de 7 V. Isso confirma a correção e a confiabilidade do modelo matemático desenvolvido.
O modelo matemático foi desenvolvido no ambiente MathWorks Simulink R2020b utilizando as equações básicas descritas na seção Métodos. A figura 3b mostra um diagrama de blocos do modelo matemático do Simulink. O modelo foi simulado para um pulso de tensão de entrada de 7 V, conforme mostrado nas figuras 2a e 2b. Os valores dos parâmetros utilizados na simulação estão listados na Tabela 1. Os resultados da simulação dos processos transitórios são apresentados nas figuras 1 e 3a e 4. As figuras 4a e 4b mostram a tensão induzida no fio SMA e a força gerada pelo atuador em função do tempo. Durante a transformação reversa (aquecimento), quando a temperatura do fio SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura inicial da fase austenítica modificada por tensão), a taxa de variação da fração de volume da martensita (\(\dot{\xi }\)) será zero. Durante a transformação reversa (aquecimento), quando a temperatura do fio SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura inicial da fase austenítica modificada por tensão), a taxa de variação da fração de volume da martensita (\(\dot{\ xi }\)) será zero. Durante o período de teste, a temperatura ambiente é SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de teste padrão) фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Durante a transformação reversa (aquecimento), quando a temperatura do fio SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de início da austenita modificada pela tensão), a taxa de variação da fração de volume da martensita (\(\dot{\ xi }\ )) será zero.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（\(\dot{\ xi }\))将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Resultado da simulação mostrando a distribuição de temperatura e a temperatura da junção induzida por tensão em um atuador de divalerato baseado em SMA. Quando a temperatura do fio cruza a temperatura de transição da austenita na etapa de aquecimento, a temperatura de transição da austenita modificada começa a aumentar e, da mesma forma, quando a temperatura da haste do fio cruza a temperatura de transição martensítica na etapa de resfriamento, a temperatura de transição martensítica diminui. SMA para modelagem analítica do processo de atuação. (Para uma visão detalhada de cada subsistema de um modelo Simulink, consulte a seção de apêndices do arquivo suplementar.)
Os resultados da análise para diferentes distribuições de parâmetros são mostrados para dois ciclos de tensão de entrada de 7 V (ciclos de aquecimento de 10 segundos e ciclos de resfriamento de 15 segundos). Enquanto (ac) e (e) representam a distribuição ao longo do tempo, por outro lado, (d) e (f) ilustram a distribuição com a temperatura. Para as respectivas condições de entrada, a tensão máxima observada é de 106 MPa (menor que 345 MPa, limite de escoamento do fio), a força é de 150 N, o deslocamento máximo é de 270 µm e a fração volumétrica martensítica mínima é de 0,91. Por outro lado, a variação da tensão e a variação da fração volumétrica da martensita com a temperatura são semelhantes às características de histerese.
A mesma explicação se aplica à transformação direta (resfriamento) da fase austenita para a fase martensita, onde a temperatura do fio SMA (T) e a temperatura final da fase martensita modificada por tensão (\(M_f^{\prime}\ )) são excelentes. Na figura 4d,f mostra-se a mudança na tensão induzida (\(\sigma\)) e a fração volumétrica de martensita (\(\xi\)) no fio SMA em função da mudança de temperatura do fio SMA (T), para ambos os ciclos de acionamento. Na figura 3a mostra-se a mudança na temperatura do fio SMA com o tempo, dependendo do pulso de tensão de entrada. Como pode ser visto na figura, a temperatura do fio continua a aumentar, fornecendo uma fonte de calor a tensão zero e subsequente resfriamento convectivo. Durante o aquecimento, a retransformação da martensita para a fase austenita começa quando a temperatura do fio SMA (T) cruza a temperatura de nucleação da austenita corrigida pela tensão (\(A_s^{\prime}\)). Durante essa fase, o fio SMA é comprimido e o atuador gera força. Também durante o resfriamento, quando a temperatura do fio SMA (T) cruza a temperatura de nucleação da fase martensita modificada pela tensão (\(M_s^{\prime}\)), ocorre uma transição positiva da fase austenita para a fase martensita. A força motriz diminui.
Os principais aspectos qualitativos do acionamento bimodal baseado em SMA podem ser obtidos a partir dos resultados da simulação. No caso de uma entrada de pulso de tensão, a temperatura do fio SMA aumenta devido ao efeito de aquecimento Joule. O valor inicial da fração volumétrica de martensita (\(\xi\)) é definido como 1, uma vez que o material está inicialmente em uma fase totalmente martensítica. À medida que o fio continua a aquecer, a temperatura do fio SMA excede a temperatura de nucleação da austenita corrigida para tensão \(A_s^{\prime}\), resultando em uma diminuição na fração volumétrica de martensita, como mostrado na Figura 4c. Além disso, a figura 4e mostra a distribuição dos cursos do atuador ao longo do tempo, e a figura 5 mostra a força motriz em função do tempo. Um sistema relacionado de equações inclui temperatura, fração volumétrica de martensita e tensão que se desenvolve no fio, resultando na contração do fio SMA e na força gerada pelo atuador. Como mostrado na figura. 4d,f, a variação da tensão com a temperatura e a variação da fração volumétrica da martensita com a temperatura correspondem às características de histerese do SMA no caso simulado a 7 V.
A comparação dos parâmetros de acionamento foi obtida por meio de experimentos e cálculos analíticos. Os fios foram submetidos a uma tensão de entrada pulsada de 7 V por 10 segundos e, em seguida, resfriados por 15 segundos (fase de resfriamento) em dois ciclos. O ângulo pinado foi definido como 40°C e o comprimento inicial do fio SMA em cada perna do pino foi definido como 83 mm. (a) Medição da força de acionamento com uma célula de carga; (b) Monitoramento da temperatura do fio com uma câmera infravermelha térmica.
Para entender a influência dos parâmetros físicos na força produzida pelo acionamento, foi realizada uma análise da sensibilidade do modelo matemático aos parâmetros físicos selecionados, e os parâmetros foram classificados de acordo com sua influência. Primeiramente, a amostragem dos parâmetros do modelo foi feita utilizando princípios de projeto experimental que seguiram uma distribuição uniforme (ver Seção Suplementar sobre Análise de Sensibilidade). Nesse caso, os parâmetros do modelo incluem tensão de entrada (V in), comprimento inicial do fio SMA (l 0), ângulo do triângulo (alpha), constante da mola de polarização (K x), coeficiente de transferência de calor por convecção (h T) e número de ramificações unimodais (n). Na etapa seguinte, a força muscular máxima foi escolhida como requisito do projeto do estudo e os efeitos paramétricos de cada conjunto de variáveis na força foram obtidos. Os gráficos de tornado para a análise de sensibilidade foram derivados dos coeficientes de correlação para cada parâmetro, conforme mostrado na Fig. 6a.
(a) Os valores do coeficiente de correlação dos parâmetros do modelo e seu efeito na força máxima de saída de 2500 grupos exclusivos dos parâmetros do modelo acima são mostrados no gráfico de tornado. O gráfico mostra a correlação de classificação de vários indicadores. É claro que \(V_{in}\) é o único parâmetro com correlação positiva e \(l_0\) é o parâmetro com a maior correlação negativa. O efeito de vários parâmetros em várias combinações na força muscular de pico é mostrado em (b, c). \(K_x\) varia de 400 a 800 N/m e n varia de 4 a 24. A tensão (\(V_{in}\)) mudou de 4V para 10V, o comprimento do fio (\(l_{0 } \)) mudou de 40 para 100 mm e o ângulo da cauda (\ (\alpha \)) variou de \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Na fig. 6a mostra um gráfico de tornado de vários coeficientes de correlação para cada parâmetro com requisitos de projeto de força de acionamento de pico. Da fig. 6a pode ser visto que o parâmetro de tensão (\(V_{in}\)) está diretamente relacionado à força de saída máxima, e o coeficiente de transferência de calor convectivo (\(h_T\)), ângulo de chama (\ ( \alpha\)) , constante de mola de deslocamento ( \(K_x\)) está negativamente correlacionado com a força de saída e o comprimento inicial (\(l_0\)) do fio SMA, e o número de ramos unimodais (n) mostra uma forte correlação inversa. No caso de correlação direta. No caso de um valor maior do coeficiente de correlação de tensão (\(V_{in}\)) indica que este parâmetro tem o maior efeito na saída de potência. Outra análise semelhante mede a força de pico avaliando o efeito de diferentes parâmetros em diferentes combinações dos dois espaços computacionais, como mostrado na Fig. 6b, c. \(V_{in}\) e \(l_0\), \(\alpha\) e \(l_0\) apresentam padrões semelhantes, e o gráfico mostra que \(V_{in}\) e \(\alpha\) e \(\alpha\) apresentam padrões semelhantes. Valores menores de \(l_0\) resultam em forças de pico mais altas. Os outros dois gráficos são consistentes com a Figura 6a, onde n e \(K_x\) são negativamente correlacionados e \(V_{in}\) são positivamente correlacionados. Essa análise ajuda a definir e ajustar os parâmetros de influência pelos quais a força de saída, o curso e a eficiência do sistema de acionamento podem ser adaptados aos requisitos e à aplicação.
O trabalho de pesquisa atual introduz e investiga acionamentos hierárquicos com N níveis. Em uma hierarquia de dois níveis, como mostrado na Fig. 7a, onde em vez de cada fio SMA do atuador de primeiro nível, um arranjo bimodal é alcançado, como mostrado na fig. 9e. Na fig. 7c mostra como o fio SMA é enrolado em torno de um braço móvel (braço auxiliar) que se move apenas na direção longitudinal. No entanto, o braço móvel primário continua a se mover da mesma maneira que o braço móvel do atuador multiestágio de 1º estágio. Normalmente, um acionamento de N estágios é criado pela substituição do fio SMA de \(N-1\) estágio por um acionamento de primeiro estágio. Como resultado, cada ramo imita o acionamento de primeiro estágio, com exceção do ramo que segura o próprio fio. Dessa forma, estruturas aninhadas podem ser formadas que criam forças que são várias vezes maiores do que as forças dos acionamentos primários. Neste estudo, para cada nível, foi considerado um comprimento total efetivo de fio SMA de 1 m, conforme mostrado em formato tabular na Fig. 7d. A corrente através de cada fio em cada projeto unimodal e a pré-tensão e a tensão resultantes em cada segmento de fio SMA são as mesmas em cada nível. De acordo com nosso modelo analítico, a força de saída é positivamente correlacionada com o nível, enquanto o deslocamento é negativamente correlacionado. Ao mesmo tempo, houve uma compensação entre deslocamento e força muscular. Como visto na Fig. 7b, enquanto a força máxima é alcançada no maior número de camadas, o maior deslocamento é observado na camada mais baixa. Quando o nível de hierarquia foi definido como \(N=5\), uma força muscular de pico de 2,58 kN foi encontrada com 2 cursos observados \(\upmu\)m. Por outro lado, o acionamento do primeiro estágio gera uma força de 150 N em um curso de 277 \(\upmu\)m. Atuadores multinível são capazes de imitar músculos biológicos reais, enquanto músculos artificiais baseados em ligas com memória de forma são capazes de gerar forças significativamente maiores com movimentos precisos e precisos. As limitações desse design miniaturizado são que, à medida que a hierarquia aumenta, o movimento é bastante reduzido e a complexidade do processo de fabricação do acionamento aumenta.
(a) Um sistema de atuador linear de liga com memória de forma em camadas de dois estágios (\(N=2\)) é mostrado em uma configuração bimodal. O modelo proposto é obtido pela substituição do fio SMA no atuador em camadas do primeiro estágio por outro atuador em camadas de estágio único. (c) Configuração deformada do atuador multicamadas do segundo estágio. (b) A distribuição de forças e deslocamentos dependendo do número de níveis é descrita. Foi descoberto que a força de pico do atuador é positivamente correlacionada com o nível de escala no gráfico, enquanto o curso é negativamente correlacionado com o nível de escala. A corrente e a pré-tensão em cada fio permanecem constantes em todos os níveis. (d) A tabela mostra o número de derivações e o comprimento do fio SMA (fibra) em cada nível. As características dos fios são indicadas pelo índice 1, e o número de ramificações secundárias (uma conectada à perna primária) é indicado pelo maior número no subscrito. Por exemplo, no nível 5, \(n_1\) refere-se ao número de fios SMA presentes em cada estrutura bimodal, e \(n_5\) refere-se ao número de pernas auxiliares (uma conectada à perna principal).
Vários métodos foram propostos por muitos pesquisadores para modelar o comportamento de SMAs com memória de forma, que dependem das propriedades termomecânicas que acompanham as mudanças macroscópicas na estrutura cristalina associadas à transição de fase. A formulação de métodos constitutivos é inerentemente complexa. O modelo fenomenológico mais comumente usado é proposto por Tanaka28 e é amplamente utilizado em aplicações de engenharia. O modelo fenomenológico proposto por Tanaka [28] assume que a fração de volume da martensita é uma função exponencial de temperatura e tensão. Mais tarde, Liang e Rogers29 e Brinson30 propuseram um modelo no qual a dinâmica de transição de fase foi assumida como uma função cosseno de tensão e temperatura, com pequenas modificações no modelo. Becker e Brinson propuseram um modelo cinético baseado em diagrama de fase para modelar o comportamento de materiais SMA sob condições de carga arbitrárias, bem como transições parciais. Banerjee32 usa o método de dinâmica de diagrama de fase de Bekker e Brinson31 para simular um manipulador de um único grau de liberdade desenvolvido por Elahinia e Ahmadian33. Métodos cinéticos baseados em diagramas de fase, que levam em consideração a variação não monotônica da tensão com a temperatura, são difíceis de implementar em aplicações de engenharia. Elakhinia e Ahmadian chamam a atenção para essas deficiências dos modelos fenomenológicos existentes e propõem um modelo fenomenológico estendido para analisar e definir o comportamento da memória de forma sob quaisquer condições de carga complexas.
O modelo estrutural do fio SMA fornece a tensão (\(\sigma\)), a deformação (\(\epsilon\)), a temperatura (T) e a fração volumétrica de martensita (\(\xi\)) do fio SMA. O modelo constitutivo fenomenológico foi proposto inicialmente por Tanaka28 e posteriormente adotado por Liang29 e Brinson30. A derivada da equação tem a forma:
onde E é o módulo de Young do SMA dependente da fase obtido usando \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) e \(E_A\) e \(E_M\) representando o módulo de Young são fases austeníticas e martensíticas, respectivamente, e o coeficiente de expansão térmica é representado por \(\theta _T\). O fator de contribuição da transição de fase é \(\Omega = -E \epsilon _L\) e \(\epsilon _L\) é a deformação máxima recuperável no fio SMA.
A equação da dinâmica de fase coincide com a função cosseno desenvolvida por Liang [29] e posteriormente adotada por Brinson [30], em vez da função exponencial proposta por Tanaka [28]. O modelo de transição de fase é uma extensão do modelo proposto por Elakhinia e Ahmadian [34] e modificado com base nas condições de transição de fase fornecidas por Liang [29] e Brinson [30]. As condições utilizadas para este modelo de transição de fase são válidas sob cargas termomecânicas complexas. A cada instante, o valor da fração volumétrica da martensita é calculado durante a modelagem da equação constitutiva.
A equação de retransformação governante, expressa pela transformação de martensita em austenita sob condições de aquecimento, é a seguinte:
onde \(\xi\) é a fração volumétrica de martensita, \(\xi _M\) é a fração volumétrica de martensita obtida antes do aquecimento, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) e \(C_A\) – parâmetros de aproximação da curva, T – temperatura do fio SMA, \(A_s\) e \(A_f\) – início e fim da fase austenítica, respectivamente, temperatura.
A equação de controle de transformação direta, representada pela transformação de fase da austenita em martensita sob condições de resfriamento, é:
onde \(\xi _A\) é a fração volumétrica de martensita obtida antes do resfriamento, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) e \ ( C_M \) – parâmetros de ajuste de curva, T – temperatura do fio SMA, \(M_s\) e \(M_f\) – temperaturas inicial e final da martensita, respectivamente.
Após as equações (3) e (4) serem diferenciadas, as equações de transformação inversa e direta são simplificadas para a seguinte forma:
Durante a transformação para frente e para trás, \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) assumem valores diferentes. As equações básicas associadas a \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) foram derivadas e discutidas em detalhes em uma seção adicional.
A energia térmica necessária para elevar a temperatura do fio SMA provém do efeito Joule. A energia térmica absorvida ou liberada pelo fio SMA é representada pelo calor latente de transformação. A perda de calor no fio SMA se deve à convecção forçada e, dado o efeito insignificante da radiação, a equação do balanço de energia térmica é a seguinte:
Onde \(m_{wire}\) é a massa total do fio SMA, \(c_{p}\) é a capacidade térmica específica do SMA, \(V_{in}\) é a tensão aplicada ao fio, \(R_{ohm} \ ) – resistência dependente da fase SMA, definida como; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) onde \(r_M\ ) e \(r_A\) são a resistividade da fase SMA em martensita e austenita, respectivamente, \(A_{c}\) é a área da superfície do fio SMA, \(\Delta H \) é uma liga com memória de forma. O calor latente de transição do fio, T e \(T_{\infty}\) são as temperaturas do fio SMA e do ambiente, respectivamente.
Quando um fio de liga com memória de forma é acionado, ele se comprime, criando uma força em cada ramo do design bimodal, chamada de força da fibra. As forças das fibras em cada fio do fio SMA, em conjunto, criam a força muscular necessária para o acionamento, como mostrado na Fig. 9e. Devido à presença de uma mola de polarização, a força muscular total do atuador multicamadas N-ésimo é:
Substituindo \(N = 1\) na equação (7), a força muscular do protótipo de acionamento bimodal do primeiro estágio pode ser obtida da seguinte forma:
onde n é o número de pernas unimodais, \(F_m\) é a força muscular gerada pelo acionamento, \(F_f\) é a resistência da fibra no fio SMA, \(K_x\) é a rigidez de polarização da mola, \(\alpha\) é o ângulo do triângulo, \(x_0\) é o deslocamento inicial da mola de polarização para manter o cabo SMA na posição pré-tensionada e \(\Delta x\) é o curso do atuador.
O deslocamento total ou movimento do acionamento (\(\Delta x\)) dependendo da tensão (\(\sigma\)) e da deformação (\(\epsilon\)) no fio SMA do estágio N, o acionamento é definido para (veja a Fig. parte adicional da saída):
As equações cinemáticas fornecem a relação entre a deformação do acionamento (\(\epsilon\)) e o deslocamento ou deslocamento (\(\Delta x\)). A deformação do fio Arb em função do comprimento inicial do fio Arb (\(l_0\)) e do comprimento do fio (l) em qualquer instante t em um ramo unimodal é a seguinte:
onde \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) é obtido aplicando a fórmula do cosseno em \(\Delta\)ABB ', conforme mostrado na Figura 8. Para o primeiro estágio de acionamento (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) é \(\Delta x\), e \(\alpha _1\) é \(\alpha \) conforme mostrado em Conforme mostrado na Figura 8, diferenciando o tempo da Equação (11) e substituindo o valor de l, a taxa de deformação pode ser escrita como:
onde \(l_0\) é o comprimento inicial do fio SMA, l é o comprimento do fio em qualquer instante t em um ramo unimodal, \(\epsilon\) é a deformação desenvolvida no fio SMA e \(\alpha \) é o ângulo do triângulo , \(\Delta x\) é o deslocamento do acionamento (conforme mostrado na Figura 8).
Todas as n estruturas de pico único (\(n=6\) nesta figura) são conectadas em série com \(V_{in}\) como tensão de entrada. Etapa I: Diagrama esquemático do fio SMA em uma configuração bimodal sob condições de tensão zero. Etapa II: Uma estrutura controlada é mostrada onde o fio SMA é comprimido devido à conversão inversa, conforme indicado pela linha vermelha.
Como prova de conceito, um acionamento bimodal baseado em SMA foi desenvolvido para testar a derivação simulada das equações subjacentes com resultados experimentais. O modelo CAD do atuador linear bimodal é mostrado na fig. 9a. Por outro lado, a fig. 9c mostra um novo projeto proposto para uma conexão prismática rotacional usando um atuador baseado em SMA de dois planos com uma estrutura bimodal. Os componentes do acionamento foram fabricados usando manufatura aditiva em uma impressora 3D Ultimaker 3 Extended. O material usado para a impressão 3D dos componentes é o policarbonato, que é adequado para materiais resistentes ao calor, pois é forte, durável e tem uma alta temperatura de transição vítrea (110-113 °C). Além disso, o fio de liga com memória de forma Flexinol da Dynalloy, Inc. foi usado nos experimentos, e as propriedades do material correspondentes ao fio Flexinol foram usadas nas simulações. Vários fios SMA são dispostos como fibras presentes em um arranjo bimodal de músculos para obter as altas forças produzidas por atuadores multicamadas, conforme mostrado na Fig. 9b, d.
Conforme mostrado na Figura 9a, o ângulo agudo formado pelo fio SMA do braço móvel é denominado ângulo (\(\alpha\)). Com grampos terminais fixados nos grampos esquerdo e direito, o fio SMA é mantido no ângulo bimodal desejado. O dispositivo de mola de polarização fixado no conector de mola foi projetado para ajustar os diferentes grupos de extensão da mola de polarização de acordo com o número (n) de fibras SMA. Além disso, a localização das partes móveis foi projetada de forma que o fio SMA seja exposto ao ambiente externo para resfriamento por convecção forçada. As placas superior e inferior do conjunto destacável ajudam a manter o fio SMA resfriado com recortes extrudados projetados para reduzir o peso. Além disso, ambas as extremidades do fio CMA são fixadas aos terminais esquerdo e direito, respectivamente, por meio de uma crimpagem. Um êmbolo é fixado a uma extremidade do conjunto móvel para manter a folga entre as placas superior e inferior. O êmbolo também é usado para aplicar uma força de bloqueio ao sensor por meio de um contato para medir a força de bloqueio quando o fio SMA é acionado.
A estrutura muscular bimodal SMA é eletricamente conectada em série e alimentada por uma tensão de pulso de entrada. Durante o ciclo de pulso de tensão, quando a tensão é aplicada e o fio SMA é aquecido acima da temperatura inicial da austenita, o comprimento do fio em cada fio é encurtado. Essa retração ativa o subconjunto do braço móvel. Quando a tensão foi zerada no mesmo ciclo, o fio SMA aquecido foi resfriado abaixo da temperatura da superfície da martensita, retornando assim à sua posição original. Sob condições de tensão zero, o fio SMA é primeiro esticado passivamente por uma mola de polarização para atingir o estado martensítico desvinculado. O parafuso, através do qual o fio SMA passa, move-se devido à compressão criada pela aplicação de um pulso de tensão ao fio SMA (SPA atinge a fase de austenita), o que leva ao acionamento da alavanca móvel. Quando o fio SMA é retraído, a mola de polarização cria uma força oposta, esticando ainda mais a mola. Quando a tensão de impulso se torna zero, o fio SMA se alonga e muda sua forma devido ao resfriamento por convecção forçada, atingindo uma fase martensítica dupla.
O sistema de atuador linear baseado em SMA proposto tem uma configuração bimodal na qual os fios SMA são angulados. (a) descreve um modelo CAD do protótipo, que menciona alguns dos componentes e seus significados para o protótipo, (b, d) representa o protótipo experimental desenvolvido35. Enquanto (b) mostra uma vista superior do protótipo com conexões elétricas e molas de polarização e extensômetros usados, (d) mostra uma vista em perspectiva da configuração. (e) Diagrama de um sistema de atuação linear com fios SMA colocados bimodalmente em qualquer instante t, mostrando a direção e o curso da fibra e a força muscular. (c) Uma conexão prismática rotacional de 2 graus de liberdade foi proposta para a implantação de um atuador baseado em SMA de dois planos. Como mostrado, a ligação transmite movimento linear do acionamento inferior para o braço superior, criando uma conexão rotacional. Por outro lado, o movimento do par de prismas é o mesmo que o movimento do acionamento multicamadas do primeiro estágio.
Um estudo experimental foi realizado no protótipo mostrado na Fig. 9b para avaliar o desempenho de um acionamento bimodal baseado em SMA. Conforme mostrado na Figura 10a, a configuração experimental consistiu em uma fonte de alimentação CC programável para fornecer tensão de entrada aos fios SMA. Como mostrado na Fig. 10b, um extensômetro piezoelétrico (PACEline CFT/5kN) foi usado para medir a força de bloqueio usando um registrador de dados Graphtec GL-2000. Os dados são registrados pelo host para estudo posterior. Extensômetros e amplificadores de carga requerem uma fonte de alimentação constante para produzir um sinal de tensão. Os sinais correspondentes são convertidos em saídas de potência de acordo com a sensibilidade do sensor de força piezoelétrico e outros parâmetros, conforme descrito na Tabela 2. Quando um pulso de tensão é aplicado, a temperatura do fio SMA aumenta, causando a compressão do fio SMA, o que faz com que o atuador gere força. Os resultados experimentais da saída de força muscular por um pulso de tensão de entrada de 7 V são mostrados na Fig. 2a.
(a) Um sistema atuador linear baseado em SMA foi configurado no experimento para medir a força gerada pelo atuador. A célula de carga mede a força de bloqueio e é alimentada por uma fonte de alimentação CC de 24 V. Uma queda de tensão de 7 V foi aplicada ao longo de todo o comprimento do cabo usando uma fonte de alimentação CC programável GW Instek. O fio SMA encolhe devido ao calor, e o braço móvel entra em contato com a célula de carga e exerce uma força de bloqueio. A célula de carga é conectada ao registrador de dados GL-2000 e os dados são armazenados no host para processamento posterior. (b) Diagrama mostrando a cadeia de componentes da configuração experimental para medir a força muscular.
Ligas com memória de forma são excitadas por energia térmica, portanto a temperatura se torna um parâmetro importante para o estudo do fenômeno da memória de forma. Experimentalmente, como mostrado na Fig. 11a, imagens térmicas e medições de temperatura foram realizadas em um protótipo de atuador divalerato baseado em SMA. Uma fonte CC programável aplicou tensão de entrada aos fios SMA na configuração experimental, como mostrado na Figura 11b. A mudança de temperatura do fio SMA foi medida em tempo real usando uma câmera LWIR de alta resolução (FLIR A655sc). O host usa o software ResearchIR para registrar dados para posterior pós-processamento. Quando um pulso de tensão é aplicado, a temperatura do fio SMA aumenta, causando sua contração. Na Fig. A Figura 2b mostra os resultados experimentais da temperatura do fio SMA versus tempo para um pulso de tensão de entrada de 7 V.
Horário da publicação: 28 de setembro de 2022
