Ďakujeme za návštevu stránky Nature.com. Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS. Pre dosiahnutie čo najlepšieho zážitku odporúčame používať aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v prehliadači Internet Explorer). Medzitým budeme stránku vykresľovať bez štýlov a JavaScriptu, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu.
Pohony sa používajú všade a vytvárajú riadený pohyb aplikáciou správnej budiacej sily alebo krútiaceho momentu na vykonávanie rôznych operácií vo výrobe a priemyselnej automatizácii. Potreba rýchlejších, menších a efektívnejších pohonov je hnacou silou inovácií v dizajne pohonov. Pohony z tvarovo pamäťovej zliatiny (SMA) ponúkajú oproti konvenčným pohonom množstvo výhod vrátane vysokého pomeru výkonu a hmotnosti. V tejto dizertačnej práci bol vyvinutý dvojperý pohon založený na SMA, ktorý kombinuje výhody pernatých svalov biologických systémov a jedinečné vlastnosti SMA. Táto štúdia skúma a rozširuje predchádzajúce pohony SMA vývojom matematického modelu nového pohonu založeného na bimodálnom usporiadaní drôtov SMA a jeho experimentálnym testovaním. V porovnaní so známymi pohonmi založenými na SMA je ovládacia sila nového pohonu najmenej 5-krát vyššia (až 150 N). Zodpovedajúca strata hmotnosti je približne 67 %. Výsledky analýzy citlivosti matematických modelov sú užitočné na ladenie konštrukčných parametrov a pochopenie kľúčových parametrov. Táto štúdia ďalej predstavuje viacúrovňový N-stupňový pohon, ktorý možno použiť na ďalšie zlepšenie dynamiky. Dipvalerátové svalové aktuátory na báze SMA majú širokú škálu aplikácií, od automatizácie budov až po presné systémy podávania liekov.
Biologické systémy, ako napríklad svalové štruktúry cicavcov, dokážu aktivovať mnoho jemných aktuátorov1. Cicavce majú rôzne svalové štruktúry, z ktorých každá slúži špecifickému účelu. Veľkú časť štruktúry svalového tkaniva cicavcov však možno rozdeliť do dvoch širokých kategórií. Rovnobežné a pennaté. V hamstringoch a iných flexoroch, ako už názov napovedá, má paralelné svalstvo svalové vlákna rovnobežné s centrálnou šľachou. Reťazec svalových vlákien je zoradený a funkčne prepojený spojivovým tkanivom okolo nich. Hoci sa o týchto svaloch hovorí, že majú veľkú exkurziu (percentuálne skrátenie), ich celková svalová sila je veľmi obmedzená. Naproti tomu v tricepse lýtkovom svale2 (laterálny lýtkový sval (GL)3, mediálny lýtkový sval (GM)4 a soleus (SOL)) a extenzore stehenného svalu (quadriceps)5,6 sa v každom svale nachádza pennaté svalové tkanivo7. V perovitej štruktúre sú svalové vlákna v bipennatom svalstve prítomné na oboch stranách centrálnej šľachy v šikmých uhloch (perovité uhly). Pennate pochádza z latinského slova „penna“, čo znamená „pero“, a ako je znázornené na obr. 1, má vzhľad podobný pierku. Vlákna pennatých svalov sú kratšie a sú sklonené k pozdĺžnej osi svalu. Vďaka pernatej štruktúre je celková pohyblivosť týchto svalov znížená, čo vedie k priečnym a pozdĺžnym zložkám procesu skracovania. Na druhej strane, aktivácia týchto svalov vedie k vyššej celkovej svalovej sile vďaka spôsobu, akým sa meria fyziologická plocha prierezu. Preto pri danej ploche prierezu budú pennate svaly silnejšie a budú generovať vyššie sily ako svaly s paralelnými vláknami. Sily generované jednotlivými vláknami generujú svalové sily na makroskopickej úrovni v danom svalovom tkanive. Okrem toho má také jedinečné vlastnosti, ako je rýchle zmršťovanie, ochrana pred poškodením ťahom, tlmenie. Transformuje vzťah medzi vstupom vlákien a výstupom svalovej sily využívaním jedinečných vlastností a geometrickej zložitosti usporiadania vlákien spojených so svalovými líniami pôsobenia.
Zobrazené sú schematické diagramy existujúcich návrhov aktuátorov založených na SMA vo vzťahu k bimodálnej svalovej architektúre, napríklad (a), predstavujúce interakciu hmatovej sily, v ktorej je zariadenie v tvare ruky ovládané drôtmi SMA namontované na dvojkolesovom autonómnom mobilnom robote9,10., (b) Robotická orbitálna protéza s antagonisticky umiestnenou pružinovou orbitálnou protézou SMA. Poloha protetického oka je riadená signálom z očného svalu oka11, (c) Aktuátory SMA sú ideálne pre podvodné aplikácie vďaka svojej vysokej frekvenčnej odozve a nízkej šírke pásma. V tejto konfigurácii sa aktuátory SMA používajú na vytváranie vlnového pohybu simuláciou pohybu rýb, (d) Aktuátory SMA sa používajú na vytvorenie robota na kontrolu mikropotrubia, ktorý môže využívať princíp pohybu palcového červa, riadeného pohybom drôtov SMA vo vnútri kanála 10, (e) znázorňuje smer kontrakcie svalových vlákien a generovania kontraktilnej sily v tkanive lýtkového svalu, (f) znázorňuje drôty SMA usporiadané vo forme svalových vlákien v štruktúre pennatého svalu.
Aktuátory sa stali dôležitou súčasťou mechanických systémov vďaka širokej škále ich aplikácií. Preto sa potreba menších, rýchlejších a efektívnejších pohonov stáva kritickou. Napriek svojim výhodám sa tradičné pohony ukázali ako drahé a časovo náročné na údržbu. Hydraulické a pneumatické aktuátory sú zložité a drahé a podliehajú opotrebovaniu, problémom s mazaním a poruchám komponentov. V reakcii na dopyt sa pozornosť zameriava na vývoj nákladovo efektívnych, dimenzovane optimalizovaných a pokročilých aktuátorov založených na inteligentných materiáloch. Prebiehajúci výskum sa zameriava na vrstvené aktuátory z tvarovo pamäťových zliatin (SMA), aby splnil túto potrebu. Hierarchické aktuátory sú jedinečné v tom, že kombinujú mnoho samostatných aktuátorov do geometricky zložitých makropodsystémov, aby poskytovali zvýšenú a rozšírenú funkčnosť. V tomto ohľade vyššie opísané ľudské svalové tkanivo poskytuje vynikajúci viacvrstvový príklad takéhoto viacvrstvového ovládania. Súčasná štúdia opisuje viacúrovňový SMA pohon s niekoľkými jednotlivými prvkami pohonu (SMA drôty) zarovnanými s orientáciou vlákien prítomných v bimodálnych svaloch, čo zlepšuje celkový výkon pohonu.
Hlavným účelom aktuátora je generovať mechanický výkon, ako je sila a posun, premenou elektrickej energie. Zliatiny s tvarovou pamäťou sú triedou „inteligentných“ materiálov, ktoré dokážu obnoviť svoj tvar pri vysokých teplotách. Pri vysokom zaťažení vedie zvýšenie teploty drôtu SMA k obnoveniu tvaru, čo má za následok vyššiu hustotu aktivačnej energie v porovnaní s rôznymi priamo spojenými inteligentnými materiálmi. Zároveň sa SMA pri mechanickom zaťažení stávajú krehkými. Za určitých podmienok môže cyklické zaťaženie absorbovať a uvoľňovať mechanickú energiu, pričom vykazuje reverzibilné hysteretické zmeny tvaru. Vďaka týmto jedinečným vlastnostiam je SMA ideálny pre senzory, tlmenie vibrácií a najmä pre aktuátory12. S ohľadom na to sa uskutočnilo veľa výskumov pohonov založených na SMA. Treba poznamenať, že aktuátory na báze SMA sú navrhnuté tak, aby poskytovali translačný a rotačný pohyb pre rôzne aplikácie13,14,15. Hoci bolo vyvinutých niekoľko rotačných aktuátorov, výskumníci sa zaujímajú najmä o lineárne aktuátory. Tieto lineárne aktuátory možno rozdeliť do troch typov aktuátorov: jednorozmerné, posuvné a diferenciálne aktuátory16. Hybridné pohony boli pôvodne vytvorené v kombinácii s SMA a inými konvenčnými pohonmi. Jedným z takýchto príkladov hybridného lineárneho aktuátora založeného na SMA je použitie drôtu SMA s jednosmerným motorom na zabezpečenie výstupnej sily okolo 100 N a významného posunu17.
Jedným z prvých vývojov v oblasti pohonov založených výlučne na SMA bol paralelný pohon SMA. Paralelný pohon založený na SMA s použitím viacerých vodičov SMA je navrhnutý tak, aby zvýšil výkon pohonu umiestnením všetkých vodičov SMA18 paralelne. Paralelné zapojenie aktuátorov nielenže vyžaduje väčší výkon, ale tiež obmedzuje výstupný výkon jedného vodiča. Ďalšou nevýhodou aktuátorov založených na SMA je obmedzený zdvih, ktorý môžu dosiahnuť. Na vyriešenie tohto problému bol vytvorený káblový nosník SMA obsahujúci vychýlený flexibilný nosník na zvýšenie posunu a dosiahnutie lineárneho pohybu, ale negeneroval vyššie sily19. Mäkké deformovateľné štruktúry a tkaniny pre roboty na báze zliatin s tvarovou pamäťou boli vyvinuté predovšetkým na zosilnenie nárazu20,21,22. Pre aplikácie, kde sú potrebné vysoké rýchlosti, boli hlásené kompaktné poháňané čerpadlá s použitím tenkovrstvových SMA pre aplikácie poháňané mikročerpadlami23. Frekvencia pohonu tenkovrstvovej membrány SMA je kľúčovým faktorom pri riadení rýchlosti pohonu. Preto majú lineárne motory SMA lepšiu dynamickú odozvu ako pružinové alebo tyčové motory SMA. Mäkká robotika a technológia uchopenia sú dve ďalšie aplikácie, ktoré používajú aktuátory založené na SMA. Napríklad, aby sa nahradil štandardný aktuátor používaný v 25 N priestorovej svorke, bol vyvinutý paralelný aktuátor 24 zo zliatiny s tvarovou pamäťou. V inom prípade bol vyrobený mäkký aktuátor SMA na báze drôtu so zabudovanou matricou schopnou vytvoriť maximálnu ťažnú silu 30 N. Vďaka svojim mechanickým vlastnostiam sa SMA používajú aj na výrobu aktuátorov, ktoré napodobňujú biologické javy. Jeden takýto vývoj zahŕňa 12-bunkový robot, ktorý je biomimetikom organizmu podobného dážďovkám so SMA na generovanie sínusového pohybu na streľbu26,27.
Ako už bolo spomenuté, existuje limit maximálnej sily, ktorú je možné dosiahnuť z existujúcich aktuátorov založených na SMA. Na riešenie tohto problému táto štúdia predstavuje biomimetickú bimodálnu svalovú štruktúru. Poháňanú drôtom zo zliatiny s tvarovou pamäťou. Poskytuje klasifikačný systém, ktorý zahŕňa niekoľko drôtov zo zliatiny s tvarovou pamäťou. Doteraz neboli v literatúre publikované žiadne aktuátory založené na SMA s podobnou architektúrou. Tento jedinečný a nový systém založený na SMA bol vyvinutý na štúdium správania sa SMA počas bimodálneho zarovnávania svalov. V porovnaní s existujúcimi aktuátormi založenými na SMA bolo cieľom tejto štúdie vytvoriť biomimetický dipvalerátový aktuátor na generovanie výrazne vyšších síl v malom objeme. V porovnaní s konvenčnými pohonmi poháňanými krokovými motormi používanými v automatizačných a riadiacich systémoch budov HVAC, navrhovaná konštrukcia bimodálneho pohonu založeného na SMA znižuje hmotnosť pohonného mechanizmu o 67 %. V nasledujúcom texte sa pojmy „sval“ a „pohon“ používajú zameniteľne. Táto štúdia skúma multifyzikálnu simuláciu takéhoto pohonu. Mechanické správanie takýchto systémov bolo študované experimentálnymi a analytickými metódami. Rozloženie sily a teploty bolo ďalej skúmané pri vstupnom napätí 7 V. Následne bola vykonaná parametrická analýza s cieľom lepšie pochopiť vzťah medzi kľúčovými parametrami a výstupnou silou. Nakoniec boli predstavené hierarchické aktuátory a boli navrhnuté hierarchické efekty úrovní ako potenciálna budúca oblasť pre nemagnetické aktuátory pre protetické aplikácie. Podľa výsledkov vyššie uvedených štúdií použitie jednostupňovej architektúry vytvára sily najmenej štyri až päťkrát vyššie ako uvádzané aktuátory založené na SMA. Okrem toho sa ukázalo, že rovnaká hnacia sila generovaná viacúrovňovým pohonom je viac ako desaťkrát vyššia ako u konvenčných pohonov založených na SMA. Štúdia potom uvádza kľúčové parametre pomocou analýzy citlivosti medzi rôznymi návrhmi a vstupnými premennými. Počiatočná dĺžka drôtu SMA (\(l_0\)\), uhol zpeřenosti (\(\alfa\)\) a počet jednotlivých prameňov (n) v každom jednotlivom prameni majú silný negatívny vplyv na veľkosť hnacej sily, zatiaľ čo vstupné napätie (energia) sa ukázalo byť pozitívne korelované.
Drôt SMA vykazuje efekt tvarovej pamäte (SME), ktorý sa pozoruje v skupine zliatin nikel-titán (Ni-Ti). SMA typicky vykazujú dve teplotne závislé fázy: nízkoteplotnú fázu a vysokoteplotnú fázu. Obe fázy majú jedinečné vlastnosti vďaka prítomnosti rôznych kryštálových štruktúr. V austenitickej fáze (fáza s vysokou teplotou), ktorá existuje nad transformačnou teplotou, materiál vykazuje vysokú pevnosť a pri zaťažení sa slabo deformuje. Zliatina sa správa ako nehrdzavejúca oceľ, takže je schopná odolávať vyšším ovládacím tlakom. Využitím tejto vlastnosti zliatin Ni-Ti sú drôty SMA naklonené, aby vytvorili aktuátor. Na pochopenie základnej mechaniky tepelného správania SMA pod vplyvom rôznych parametrov a rôznych geometrií boli vyvinuté vhodné analytické modely. Medzi experimentálnymi a analytickými výsledkami bola dosiahnutá dobrá zhoda.
Na prototype znázornenom na obr. 9a sa vykonala experimentálna štúdia s cieľom vyhodnotiť výkon bimodálneho pohonu založeného na SMA. Experimentálne boli merané dve z týchto vlastností, sila generovaná pohonom (svalová sila) a teplota drôtu SMA (teplota SMA). S rastúcim rozdielom napätia pozdĺž celej dĺžky drôtu v pohone sa teplota drôtu zvyšuje v dôsledku Jouleovho tepelného efektu. Vstupné napätie bolo privádzané v dvoch 10-sekundových cykloch (znázornené ako červené bodky na obr. 2a, b) s 15-sekundovou periódou chladenia medzi jednotlivými cyklami. Blokovacia sila bola meraná pomocou piezoelektrického tenzometra a rozloženie teploty drôtu SMA bolo monitorované v reálnom čase pomocou vedeckej LWIR kamery s vysokým rozlíšením (pozri charakteristiky použitého zariadenia v tabuľke 2). Výsledkom je, že počas fázy vysokého napätia sa teplota drôtu monotónne zvyšuje, ale keď nepreteká žiadny prúd, teplota drôtu naďalej klesá. V súčasnom experimentálnom nastavení teplota SMA drôtu počas fázy chladenia klesla, ale stále bola nad okolitou teplotou. Na obr. 2e je znázornený snímok teploty SMA drôtu z LWIR kamery. Na druhej strane, na obr. 2a je znázornená blokovacia sila generovaná hnacím systémom. Keď sila svalu prekročí vratnú silu pružiny, pohyblivé rameno, ako je znázornené na obrázku 9a, sa začne pohybovať. Hneď ako sa začne spúšťať, pohyblivé rameno sa dostane do kontaktu so senzorom a vytvorí telesnú silu, ako je znázornené na obr. 2c, d. Keď je maximálna teplota blízka \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maximálna pozorovaná sila je 105 N.
Graf zobrazuje experimentálne výsledky teploty drôtu SMA a sily generovanej bimodálnym aktuátorom na báze SMA počas dvoch cyklov. Vstupné napätie sa privádza v dvoch 10-sekundových cykloch (znázornené červenými bodkami) s 15-sekundovou dobou ochladzovania medzi jednotlivými cyklami. Drôt SMA použitý na experimenty bol drôt Flexinol s priemerom 0,51 mm od spoločnosti Dynalloy, Inc. (a) Graf zobrazuje experimentálnu silu získanú počas dvoch cyklov, (c, d) zobrazuje dva nezávislé príklady pôsobenia aktuátorov s pohyblivým ramenom na piezoelektrický prevodník sily PACEline CFT/5kN, (b) graf zobrazuje maximálnu teplotu celého drôtu SMA počas dvoch cyklov, (e) zobrazuje teplotnú snímku zhotovenú z drôtu SMA pomocou LWIR kamery so softvérom FLIR ResearchIR. Geometrické parametre zohľadnené v experimentoch sú uvedené v tabuľke jedna.
Výsledky simulácie matematického modelu a experimentálne výsledky sú porovnané za podmienky vstupného napätia 7 V, ako je znázornené na obr. 5. Podľa výsledkov parametrickej analýzy a aby sa predišlo možnosti prehriatia vodiča SMA, bol do aktuátora privedený výkon 11,2 W. Na napájanie vstupného napätia 7 V bol použitý programovateľný jednosmerný zdroj a cez vodič bol nameraný prúd 1,6 A. Sila generovaná pohonom a teplota SDR sa zvyšujú pri privedení prúdu. Pri vstupnom napätí 7 V je maximálna výstupná sila získaná z výsledkov simulácie a experimentálnych výsledkov prvého cyklu 78 N a 96 N. V druhom cykle bola maximálna výstupná sila simulácie a experimentálnych výsledkov 150 N a 105 N. Rozdiel medzi meraniami oklúznej sily a experimentálnymi údajmi môže byť spôsobený metódou použitou na meranie oklúznej sily. Experimentálne výsledky znázornené na obr. Obrázok 5a zodpovedá meraniu blokovacej sily, ktorá bola meraná, keď bol hnací hriadeľ v kontakte s piezoelektrickým prevodníkom sily PACEline CFT/5kN, ako je znázornené na obr. 2s. Preto, keď hnací hriadeľ nie je v kontakte so snímačom sily na začiatku chladiacej zóny, sila sa okamžite stane nulovou, ako je znázornené na obr. 2d. Okrem toho, ďalšie parametre, ktoré ovplyvňujú tvorbu sily v nasledujúcich cykloch, sú hodnoty času chladenia a koeficientu konvekčného prenosu tepla v predchádzajúcom cykle. Z obr. 2b je vidieť, že po 15 sekundách chladenia drôt SMA nedosiahol izbovú teplotu, a preto mal vyššiu počiatočnú teplotu (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) v druhom hnacom cykle v porovnaní s prvým cyklom (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). V porovnaní s prvým cyklom teda teplota SMA drôtu počas druhého ohrevného cyklu dosiahne počiatočnú teplotu austenitu (\(A_s\)) skôr a zostáva v prechodnom období dlhšie, čo vedie k napätiu a sile. Na druhej strane, rozloženie teplôt počas cyklov ohrevu a chladenia získané z experimentov a simulácií má vysokú kvalitatívnu podobnosť s príkladmi z termografickej analýzy. Porovnávacia analýza tepelných údajov SMA drôtu z experimentov a simulácií ukázala konzistentnosť počas cyklov ohrevu a chladenia a v rámci prijateľných tolerancií pre experimentálne údaje. Maximálna teplota SMA drôtu, získaná z výsledkov simulácie a experimentov prvého cyklu, je \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) a \(75\,^{\circ }\hbox {C}\) v uvedenom poradí, a v druhom cykle je maximálna teplota SMA drôtu \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) a \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Fundamentálne vyvinutý model potvrdzuje vplyv efektu tvarovej pamäte. V tejto recenzii nebola zohľadnená úloha únavy a prehriatia. V budúcnosti bude model vylepšený tak, aby zahŕňal históriu napätia vodiča SMA, čím sa stane vhodnejším pre inžinierske aplikácie. Grafy výstupnej sily pohonu a teploty SMA získané z bloku Simulink sú v rámci povolených tolerancií experimentálnych údajov za podmienky vstupného napäťového impulzu 7 V. To potvrdzuje správnosť a spoľahlivosť vyvinutého matematického modelu.
Matematický model bol vyvinutý v prostredí MathWorks Simulink R2020b s použitím základných rovníc opísaných v časti Metódy. Na obr. 3b je znázornená bloková schéma matematického modelu Simulink. Model bol simulovaný pre vstupný napäťový impulz 7V, ako je znázornené na obr. 2a, b. Hodnoty parametrov použitých pri simulácii sú uvedené v tabuľke 1. Výsledky simulácie prechodových procesov sú uvedené na obrázkoch 1 a 1. Obrázky 3a a 4. Na obr. 4a, b je znázornené indukované napätie v vodiči SMA a sila generovaná aktuátorom ako funkcia času. Počas spätnej transformácie (ohrevu), keď je teplota drôtu SMA \(T < A_s^{\prime}\) (počiatočná teplota fázy austenitu modifikovaného napätím), bude rýchlosť zmeny objemového podielu martenzitu (\(\dot{\xi }\)) nulová. Počas spätnej transformácie (ohrevu), keď je teplota drôtu SMA \(T < A_s^{\prime}\) (počiatočná teplota fázy austenitu modifikovaného napätím), bude rýchlosť zmeny objemového podielu martenzitu (\(\dot{\xi }\)) nulová. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{теЇелура}\) аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения обтъемнитриной (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Počas spätnej transformácie (ohrevu), keď je teplota SMA drôtu \(T < A_s^{\prime}\) (teplota začiatku tvorby austenitu modifikovaného napätím), bude rýchlosť zmeny objemového podielu martenzitu (\(\dot{\xi }\)) nulová.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)\dot\{\{\)()率t\{\将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (тедеринпе аустенитной фазы с поправкой на напряжение) скорость изменения объемсной \ долита\ xiнм }\)) будет равно нулю. Počas spätnej transformácie (ohrevu) pri teplote SMA drôtu (T < A_s^{\prime}) (teplota nukleácie austenitickej fázy, korigovaná na napätie) bude rýchlosť zmeny objemového podielu martenzitu (\( \dot{\ xi }\)) rovná nule.Preto bude rýchlosť zmeny napätia (\(\dot{\sigma}\) závisieť od rýchlosti deformácie (\(\dot{\epsilon}\)) a teplotného gradientu (\(\dot{T} \)) iba s použitím rovnice (1). Avšak s rastúcou teplotou SMA drôtu a jeho prechodom cez (\(A_s^{\prime}\)) sa začína tvoriť austenitická fáza a (\(\dot{\xi}\)) sa berie ako daná hodnota rovnice (3). Preto je rýchlosť zmeny napätia (\(\dot{\sigma}\)) spoločne riadená \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) a \(\dot{\xi}\) rovnaká ako je uvedené vo vzorci (1). To vysvetľuje zmeny gradientu pozorované v časovo premenných mapách napätia a sily počas cyklu ohrevu, ako je znázornené na obr. 4a, b.
(a) Výsledok simulácie znázorňujúci rozloženie teploty a teplotu spoja vyvolanú napätím v aktuátore na báze SMA s dvojvalerátovým povrchom. Keď teplota drôtu prekročí teplotu austenitického prechodu vo fáze ohrevu, teplota modifikovaného austenitického prechodu sa začne zvyšovať a podobne, keď teplota valcovaného drôtu prekročí teplotu martenzitického prechodu vo fáze chladenia, teplota martenzitického prechodu klesá. SMA pre analytické modelovanie procesu ovládania. (Podrobný pohľad na každý podsystém modelu Simulink nájdete v dodatku doplnkového súboru.)
Výsledky analýzy pre rôzne rozdelenia parametrov sú zobrazené pre dva cykly vstupného napätia 7 V (10-sekundové cykly zahrievania a 15-sekundové cykly ochladzovania). Zatiaľ čo (ac) a (e) znázorňujú rozdelenie v čase, (d) a (f) ilustrujú rozdelenie s teplotou. Pre príslušné vstupné podmienky je maximálne pozorované napätie 106 MPa (menej ako 345 MPa, medza klzu drôtu), sila je 150 N, maximálny posun je 270 µm a minimálny objemový podiel martenzitu je 0,91. Na druhej strane, zmena napätia a zmena objemového podielu martenzitu s teplotou sú podobné hysteréznym charakteristikám.
Rovnaké vysvetlenie platí pre priamu transformáciu (ochladzovanie) z austenitickej fázy do martenzitickej fázy, kde je teplota SMA drôtu (T) a koncová teplota martenzitickej fázy modifikovanej napätím (\(M_f^{\prime}\ )) vynikajúce. Na obr. 4d,f je znázornená zmena indukovaného napätia (\(\sigma\)) a objemového podielu martenzitu (\(\xi\)) v SMA drôte ako funkcia zmeny teploty SMA drôtu (T) pre oba budiace cykly. Na obr. Obrázok 3a znázorňuje zmenu teploty SMA drôtu s časom v závislosti od vstupného napäťového impulzu. Ako je vidieť z obrázku, teplota drôtu sa naďalej zvyšuje zabezpečením zdroja tepla pri nulovom napätí a následným konvektívnym ochladzovaním. Počas zahrievania začína retransformácia martenzitu na austenitickú fázu, keď teplota SMA drôtu (T) prekročí nukleačnú teplotu austenitu korigovanú na napätie (\(A_s^{\prime}\)). Počas tejto fázy je SMA drôt stlačený a aktuátor generuje silu. Aj počas chladenia, keď teplota SMA drôtu (T) prekročí nukleačnú teplotu martenzitickej fázy modifikovanej napätím (\(M_s^{\prime}\)), dochádza k pozitívnemu prechodu z austenitickej fázy do martenzitickej fázy. Hnacia sila sa znižuje.
Hlavné kvalitatívne aspekty bimodálneho pohonu založeného na SMA je možné získať z výsledkov simulácie. V prípade vstupného napäťového impulzu sa teplota drôtu SMA zvyšuje v dôsledku Jouleovho ohrevného efektu. Počiatočná hodnota objemového podielu martenzitu (\(\xi\)) je nastavená na 1, pretože materiál je spočiatku v plne martenzitickej fáze. Ako sa drôt ďalej zahrieva, teplota drôtu SMA prekračuje teplotu nukleácie austenitu korigovanú na napätie \(A_s^{\prime}\), čo vedie k poklesu objemového podielu martenzitu, ako je znázornené na obrázku 4c. Okrem toho, na obr. 4e je znázornené rozloženie zdvihov aktuátora v čase a na obr. 5 – hnacia sila ako funkcia času. Súvisiaci systém rovníc zahŕňa teplotu, objemový podiel martenzitu a napätie, ktoré sa vyvíja v drôte, čo vedie k zmršťovaniu drôtu SMA a sily generovanej aktuátorom. Ako je znázornené na obr. 4d,f, zmena napätia s teplotou a zmena objemového podielu martenzitu s teplotou zodpovedajú hysteréznym charakteristikám SMA v simulovanom prípade pri 7 V.
Porovnanie parametrov riadenia sa dosiahlo prostredníctvom experimentov a analytických výpočtov. Drôty boli vystavené pulznému vstupnému napätiu 7 V počas 10 sekúnd, potom boli počas dvoch cyklov ochladzované počas 15 sekúnd (fáza ochladzovania). Uhol zperenia je nastavený na \(40^{\circ}\) a počiatočná dĺžka SMA drôtu v každej vetve s jedným pinom je nastavená na 83 mm. (a) Meranie hnacej sily pomocou snímača zaťaženia (b) Monitorovanie teploty drôtu pomocou termovíznej infračervenej kamery.
Aby sa pochopil vplyv fyzikálnych parametrov na silu vytvorenú pohonom, vykonala sa analýza citlivosti matematického modelu na vybrané fyzikálne parametre a parametre boli zoradené podľa ich vplyvu. Najprv sa vykonal výber parametrov modelu pomocou princípov experimentálneho návrhu, ktoré sa riadili rovnomerným rozdelením (pozri doplnkovú časť o analýze citlivosti). V tomto prípade parametre modelu zahŕňajú vstupné napätie (V_{in})), počiatočnú dĺžku vodiča SMA (l_0)), uhol trojuholníka (alfa)), konštantu pružiny predpätia (K_x)), koeficient konvekčného prestupu tepla (h_T) a počet unimodálnych vetiev (n). V ďalšom kroku bola ako požiadavka na návrh štúdie zvolená maximálna svalová sila a boli získané parametrické vplyvy každej sady premenných na silu. Tornádo grafy pre analýzu citlivosti boli odvodené z korelačných koeficientov pre každý parameter, ako je znázornené na obr. 6a.
(a) Hodnoty korelačných koeficientov modelových parametrov a ich vplyv na maximálnu výstupnú silu 2500 unikátnych skupín vyššie uvedených modelových parametrov sú znázornené v grafe tornáda. Graf zobrazuje poradovú koreláciu niekoľkých indikátorov. Je zrejmé, že \(V_{in}\) je jediný parameter s pozitívnou koreláciou a \(l_0\) je parameter s najvyššou negatívnou koreláciou. Vplyv rôznych parametrov v rôznych kombináciách na maximálnu svalovú silu je znázornený v (b, c). \(K_x\) sa pohybuje od 400 do 800 N/m a n sa pohybuje od 4 do 24. Napätie (\(V_{in}\)\) sa menilo zo 4V na 10V, dĺžka drôtu (\(l_{0 } \)\) sa menila zo 40 na 100 mm a uhol sklonu (\(\alpha \)\) sa menil od \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Na obr. 6a je znázornený tornádový graf rôznych korelačných koeficientov pre každý parameter s požiadavkami na návrh maximálnej hnacej sily. Z obr. 6a je vidieť, že parameter napätia (V_{in}\) priamo súvisí s maximálnou výstupnou silou a koeficient konvekčného prestupu tepla (h_T\)), uhol plameňa (alfa\) a konštanta pružiny (K_x\) negatívne korelujú s výstupnou silou a počiatočnou dĺžkou (l_0\)) vodiča SMA a počet unimodálnych vetiev (n) vykazuje silnú inverznú koreláciu. V prípade priamej korelácie v prípade vyššej hodnoty korelačného koeficientu napätia (V_{in}\)) to znamená, že tento parameter má najväčší vplyv na výstupný výkon. Ďalšia podobná analýza meria maximálnu silu vyhodnotením vplyvu rôznych parametrov v rôznych kombináciách dvoch výpočtových priestorov, ako je znázornené na obr. 6b, c. V_{in}\) a l_0\), alfa\) a l_0\) majú podobné vzorce a graf ukazuje, že V_{in}\) a alfa\) a alfa\) majú podobné vzorce. Menšie hodnoty l_0\) vedú k vyšším špičkovým silám. Ďalšie dva grafy sú v súlade s obrázkom 6a, kde n a K_x sú negatívne korelované a V_{in} sú pozitívne korelované. Táto analýza pomáha definovať a upraviť ovplyvňujúce parametre, pomocou ktorých je možné prispôsobiť výstupnú silu, zdvih a účinnosť pohonného systému požiadavkám a aplikácii.
Súčasná výskumná práca predstavuje a skúma hierarchické pohony s N úrovňami. V dvojúrovňovej hierarchii, ako je znázornené na obr. 7a, kde sa namiesto každého SMA drôtu aktuátora prvej úrovne dosiahne bimodálne usporiadanie, ako je znázornené na obr. 9e. Na obr. 7c je znázornené, ako je SMA drôt navinutý okolo pohyblivého ramena (pomocného ramena), ktoré sa pohybuje iba v pozdĺžnom smere. Primárne pohyblivé rameno sa však naďalej pohybuje rovnakým spôsobom ako pohyblivé rameno viacstupňového aktuátora 1. stupňa. Typicky sa N-stupňový pohon vytvorí nahradením SMA drôtu \(N-1\) stupňa pohonom prvého stupňa. V dôsledku toho každá vetva napodobňuje pohon prvého stupňa, s výnimkou vetvy, ktorá drží samotný drôt. Týmto spôsobom je možné vytvoriť vnorené štruktúry, ktoré vytvárajú sily, ktoré sú niekoľkonásobne väčšie ako sily primárnych pohonov. V tejto štúdii sa pre každú úroveň zohľadnila celková efektívna dĺžka SMA drôtu 1 m, ako je znázornené v tabuľkovej forme na obr. 7d. Prúd prechádzajúci každým drôtom v každom unimodálnom návrhu a výsledné predpätie a napätie v každom segmente drôtu SMA sú na každej úrovni rovnaké. Podľa nášho analytického modelu je výstupná sila pozitívne korelovaná s úrovňou, zatiaľ čo posunutie je negatívne korelované. Zároveň existoval kompromis medzi posunutím a silou svalu. Ako je vidieť na obr. 7b, zatiaľ čo maximálna sila sa dosiahne v najväčšom počte vrstiev, najväčší posunutie sa pozoruje v najnižšej vrstve. Keď bola úroveň hierarchie nastavená na \(N=5\), bola zistená maximálna sila svalu 2,58 kN pri 2 pozorovaných zdvihoch \(\upmu\)m. Na druhej strane, pohon prvého stupňa generuje silu 150 N pri zdvihu 277 \(\upmu\)m. Viacúrovňové aktuátory sú schopné napodobniť skutočné biologické svaly, zatiaľ čo umelé svaly založené na zliatinách s tvarovou pamäťou sú schopné generovať výrazne vyššie sily s presnými a jemnejšími pohybmi. Obmedzenia tohto miniaturizovaného návrhu spočívajú v tom, že so zvyšujúcou sa hierarchiou sa pohyb výrazne znižuje a zvyšuje sa zložitosť výrobného procesu pohonu.
(a) Zobrazený je dvojstupňový (\(N=2\)) vrstvený lineárny aktuátor zo zliatiny s tvarovou pamäťou v bimodálnej konfigurácii. Navrhovaný model sa dosiahne nahradením drôtu SMA v prvom stupni vrstveného aktuátora iným jednostupňovým vrstveným aktuátorom. (c) Deformovaná konfigurácia viacvrstvového aktuátora druhého stupňa. (b) Je opísané rozloženie síl a posunov v závislosti od počtu úrovní. Zistilo sa, že špičková sila aktuátora pozitívne koreluje s úrovňou stupnice na grafe, zatiaľ čo zdvih negatívne koreluje s úrovňou stupnice. Prúd a prednapätie v každom vodiči zostávajú konštantné na všetkých úrovniach. (d) Tabuľka zobrazuje počet odbočiek a dĺžku drôtu SMA (vlákna) na každej úrovni. Charakteristiky vodičov sú označené indexom 1 a počet sekundárnych vetiev (jedna pripojená k primárnej vetve) je označený najväčším číslom v dolnom indexe. Napríklad na úrovni 5 sa \(n_1\) vzťahuje na počet SMA vodičov prítomných v každej bimodálnej štruktúre a \(n_5\) sa vzťahuje na počet pomocných nôh (jedna pripojená k hlavnej nohe).
Mnohí výskumníci navrhli rôzne metódy na modelovanie správania SMA materiálov s tvarovou pamäťou, ktoré závisia od termomechanických vlastností sprevádzajúcich makroskopické zmeny v kryštálovej štruktúre spojené s fázovým prechodom. Formulácia konštitutívnych metód je inherentne zložitá. Najbežnejšie používaný fenomenologický model navrhol Tanaka28 a je široko používaný v inžinierskych aplikáciách. Fenomenologický model navrhnutý Tanakom [28] predpokladá, že objemový podiel martenzitu je exponenciálnou funkciou teploty a napätia. Neskôr Liang a Rogers29 a Brinson30 navrhli model, v ktorom sa dynamika fázového prechodu predpokladala ako kosínusová funkcia napätia a teploty s miernymi úpravami modelu. Becker a Brinson navrhli kinetický model založený na fázovom diagrame na modelovanie správania SMA materiálov za ľubovoľných podmienok zaťaženia, ako aj pri čiastočných prechodoch. Banerjee32 používa metódu dynamiky fázového diagramu Bekkera a Brinsona31 na simuláciu manipulátora s jedným stupňom voľnosti vyvinutého Elahiniom a Ahmadianom33. Kinetické metódy založené na fázových diagramoch, ktoré zohľadňujú nemonotónnu zmenu napätia s teplotou, sa v inžinierskych aplikáciách ťažko implementujú. Elakhinia a Ahmadian upozorňujú na tieto nedostatky existujúcich fenomenologických modelov a navrhujú rozšírený fenomenologický model na analýzu a definovanie správania tvarovej pamäte za akýchkoľvek zložitých podmienok zaťaženia.
Štrukturálny model SMA drôtu udáva napätie (\(\sigma\)), deformáciu (\(\epsilon\)), teplotu (T) a objemový podiel martenzitu (\(\xi\)) SMA drôtu. Fenomenologický konštitutívny model prvýkrát navrhol Tanaka28 a neskôr ho prijali Liang29 a Brinson30. Derivácia rovnice má tvar:
kde E je fázovo závislý Youngov modul SMA získaný pomocou \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) a \(E_A\) a \(E_M\) predstavujúce Youngov modul sú austenitické a martenzitické fázy a koeficient tepelnej rozťažnosti je reprezentovaný ako \(\theta _T\). Faktor príspevku fázového prechodu je \(\Omega = -E \epsilon _L\) a \(\epsilon _L\) je maximálne obnoviteľné napätie v SMA drôte.
Rovnica fázovej dynamiky sa zhoduje s kosínusovou funkciou, ktorú vyvinul Liang29 a neskôr prijal Brinson30 namiesto exponenciálnej funkcie navrhnutej Tanakom28. Model fázového prechodu je rozšírením modelu navrhnutého Elakhiniom a Ahmadianom34 a upraveného na základe podmienok fázového prechodu uvedených Liangom29 a Brinsonom30. Podmienky použité pre tento model fázového prechodu platia pri komplexnom termomechanickom zaťažení. V každom časovom okamihu sa pri modelovaní konštitutívnej rovnice vypočíta hodnota objemového podielu martenzitu.
Riadiaca retransformačná rovnica, vyjadrená premenou martenzitu na austenit za podmienok ohrevu, je nasledovná:
kde \(\xi\) je objemový podiel martenzitu, \(\xi _M\) je objemový podiel martenzitu získaného pred zahrievaním, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) a \(C_A\) – parametre aproximácie krivky, T – teplota SMA drôtu, \(A_s\) a \(A_f\) – teplota začiatku a konca austenitickej fázy.
Rovnica priamej transformácie, reprezentovaná fázovou premenou austenitu na martenzit za podmienok chladenia, je:
kde \(\xi _A\) je objemový podiel martenzitu získaného pred ochladením, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) a \ ( C_M \) – parametre aproximácie krivky, T – teplota SMA drôtu, \(M_s\) a \(M_f\) – počiatočná a konečná teplota martenzitu.
Po derivácii rovníc (3) a (4) sa inverzná a priama transformačná rovnica zjednodušia do nasledujúceho tvaru:
Počas doprednej a spätnej transformácie nadobúdajú \(\eta_{\sigma}\) a \(\eta_{T}\) rôzne hodnoty. Základné rovnice spojené s \(\eta_{\sigma}\) a \(\eta_{T}\) boli odvodené a podrobne diskutované v ďalšej časti.
Tepelná energia potrebná na zvýšenie teploty SMA drôtu pochádza z Jouleovho tepelného efektu. Tepelná energia absorbovaná alebo uvoľnená SMA drôtom je reprezentovaná latentným teplom premeny. Tepelné straty v SMA drôte sú spôsobené nútenou konvekciou a vzhľadom na zanedbateľný vplyv žiarenia je rovnica bilancie tepelnej energie nasledovná:
Kde \(m_{wire}\) je celková hmotnosť SMA drôtu, \(c_{p}\) je merná tepelná kapacita SMA drôtu, \(V_{in}\) je napätie aplikované na drôt, \(R_{ohm} \) – fázovo závislý odpor SMA, definovaný ako; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) kde \(r_M\) a \(r_A\) sú fázový odpor SMA v martenzite a austenite, \(A_{c}\) je povrchová plocha SMA drôtu, \(ΔH \) je zliatina s tvarovou pamäťou. Latentné teplo prechodu drôtu, T a \(T_{\infty}\) sú teploty SMA drôtu a prostredia.
Keď sa drôt zo zliatiny s tvarovou pamäťou aktivuje, drôt sa stlačí, čím sa v každej vetve bimodálnej konštrukcie vytvorí sila nazývaná vláknová sila. Sily vlákien v každom prameni drôtu SMA spolu vytvárajú svalovú silu na aktiváciu, ako je znázornené na obr. 9e. Vďaka prítomnosti predpínacej pružiny je celková svalová sila N-tého viacvrstvového aktuátora:
Dosadením \(N = 1\) do rovnice (7) možno svalovú silu prototypu bimodálneho pohonu prvého stupňa získať takto:
kde n je počet unimodálnych nôh, \(F_m\) je svalová sila generovaná pohonom, \​​(F_f\) je pevnosť vlákna v SMA drôte, \(K_x\) je tuhosť predpínacej pružiny, \(\alpha\) je uhol trojuholníka, \(x_0\) je počiatočné odchýlenie predpínacej pružiny na udržanie SMA kábla v predpätej polohe a \(\Delta x\) je zdvih aktuátora.
Celkový posun alebo pohyb pohonu (Δx) v závislosti od napätia (sigma) a deformácie (epsilon) na vodiči SMA N-teho stupňa, na ktorý je pohon nastavený (pozri obr., dodatočná časť výstupu):
Kinematické rovnice udávajú vzťah medzi deformáciou pohonu (ε) a posunutím alebo posunutím (Δx). Deformácia drôtu Arb ako funkcia počiatočnej dĺžky drôtu Arb (l_0) a dĺžky drôtu (l) v ľubovoľnom čase t v jednej unimodálnej vetve je nasledovná:
kde (l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) sa získa použitím kosínusového vzorca v \(\Delta\)ABB ', ako je znázornené na obrázku 8. Pre prvý stupeň pohonu (\(N = 1\)) je \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) a \(\alpha _1\) je \(\alpha \), ako je znázornené na obrázku 8, derivovaním času z rovnice (11) a dosadením hodnoty l možno rýchlosť deformácie zapísať ako:
kde \(l_0\) je počiatočná dĺžka SMA vodiča, l je dĺžka vodiča v ktoromkoľvek čase t v jednej unimodálnej vetve, \(ε\) je deformácia vyvinutá v SMA vodiči a \(\alpha \) je uhol trojuholníka, \(\Delta x\) je posun pohonu (ako je znázornené na obrázku 8).
Všetkých n jednovrcholových štruktúr (n=6 na tomto obrázku) je zapojených sériovo so vstupným napätím V_{in}. Fáza I: Schematický diagram vodiča SMA v bimodálnej konfigurácii za podmienok nulového napätia. Fáza II: Zobrazená je riadená štruktúra, kde je vodič SMA stlačený v dôsledku inverznej konverzie, ako je znázornené červenou čiarou.
Ako dôkaz konceptu bol vyvinutý bimodálny pohon založený na SMA na testovanie simulovaného odvodenia základných rovníc s experimentálnymi výsledkami. CAD model bimodálneho lineárneho aktuátora je znázornený na obr. 9a. Na druhej strane, na obr. 9c je znázornený nový návrh navrhnutý pre rotačné prizmatické spojenie s použitím dvojrovinného aktuátora založeného na SMA s bimodálnou štruktúrou. Komponenty pohonu boli vyrobené pomocou aditívnej výroby na 3D tlačiarni Ultimaker 3 Extended. Materiál použitý na 3D tlač komponentov je polykarbonát, ktorý je vhodný pre tepelne odolné materiály, pretože je pevný, odolný a má vysokú teplotu skleného prechodu (110-113 °C). Okrem toho bol v experimentoch použitý drôt z tvarovo pamäťovej zliatiny Flexinol od spoločnosti Dynalloy, Inc. a v simuláciách boli použité materiálové vlastnosti zodpovedajúce drôtu Flexinol. Viaceré drôty SMA sú usporiadané ako vlákna prítomné v bimodálnom usporiadaní svalov, aby sa dosiahli vysoké sily produkované viacvrstvovými aktuátormi, ako je znázornené na obr. 9b, d.
Ako je znázornené na obrázku 9a, ostrý uhol, ktorý zviera pohyblivé rameno SMA drôtu, sa nazýva uhol (\(\alfa\)). Pomocou koncových svoriek pripevnených k ľavej a pravej svorke je SMA drôt držaný v požadovanom bimodálnom uhle. Zariadenie predpínacej pružiny držané na pružinovom konektore je navrhnuté tak, aby nastavovalo rôzne skupiny predpínacích pružín podľa počtu (n) SMA vlákien. Okrem toho je umiestnenie pohyblivých častí navrhnuté tak, aby bol SMA drôt vystavený vonkajšiemu prostrediu pre nútené konvekčné chladenie. Horná a spodná doska odnímateľnej zostavy pomáhajú udržiavať SMA drôt chladný pomocou extrudovaných výrezov určených na zníženie hmotnosti. Okrem toho sú oba konce CMA drôtu pripevnené k ľavej a pravej svorke pomocou krimpovania. Na jeden koniec pohyblivej zostavy je pripevnený piest, aby sa udržala vôľa medzi hornou a spodnou doskou. Piest sa tiež používa na pôsobenie blokovacej sily na senzor prostredníctvom kontaktu na meranie blokovacej sily pri aktivácii SMA drôtu.
Bimodálna svalová štruktúra SMA je elektricky zapojená do série a napájaná vstupným impulzným napätím. Počas cyklu napäťových impulzov, keď sa privedie napätie a drôt SMA sa zahreje nad počiatočnú teplotu austenitu, dĺžka drôtu v každom prameni sa skracuje. Toto zatiahnutie aktivuje podzostavu pohyblivého ramena. Keď sa napätie v tom istom cykle vynulovalo, zahriaty drôt SMA sa ochladil pod teplotu povrchu martenzitu, čím sa vrátil do svojej pôvodnej polohy. Za podmienok nulového napätia sa drôt SMA najprv pasívne natiahne predpínacou pružinou, aby dosiahol rozdvojený martenzitický stav. Skrutka, ktorou prechádza drôt SMA, sa pohybuje v dôsledku kompresie vytvorenej privedením napäťového impulzu na drôt SMA (SPA dosiahne austenitickú fázu), čo vedie k aktivácii pohyblivej páky. Keď sa drôt SMA zatiahne, predpínacia pružina vytvorí protichodnú silu ďalším natiahnutím pružiny. Keď sa napätie v impulznom napätí stane nulovým, drôt SMA sa predlžuje a mení svoj tvar v dôsledku núteného konvekčného chladenia, čím dosahuje dvojitú martenzitickú fázu.
Navrhovaný lineárny akčný systém založený na SMA má bimodálnu konfiguráciu, v ktorej sú drôty SMA natočené pod uhlom. (a) znázorňuje CAD model prototypu, ktorý uvádza niektoré komponenty a ich význam pre prototyp, (b, d) predstavujú vyvinutý experimentálny prototyp35. Zatiaľ čo (b) znázorňuje pohľad zhora na prototyp s elektrickými pripojeniami a použitými pružinami a tenzometrami, (d) znázorňuje perspektívny pohľad na zostavu. (e) Schéma lineárneho akčného systému s drôtmi SMA umiestnenými bimodálne v ľubovoľnom čase t, znázorňujúca smer a priebeh vlákna a silu svalu. (c) Na nasadenie dvojrovinného akčného systému založeného na SMA bolo navrhnuté rotačné prizmatické spojenie s 2 stupňami voľnosti. Ako je znázornené, spojenie prenáša lineárny pohyb zo spodného pohonu na horné rameno, čím vytvára rotačné spojenie. Na druhej strane, pohyb dvojice hranolov je rovnaký ako pohyb viacvrstvového pohonu prvého stupňa.
Experimentálna štúdia bola vykonaná na prototype zobrazenom na obr. 9b s cieľom vyhodnotiť výkon bimodálneho pohonu založeného na SMA. Ako je znázornené na obrázku 10a, experimentálne zariadenie pozostávalo z programovateľného jednosmerného zdroja napájania na dodávanie vstupného napätia do vodičov SMA. Ako je znázornené na obr. 10b, na meranie blokovacej sily pomocou dátového záznamníka Graphtec GL-2000 bol použitý piezoelektrický tenzometrický merač (PACEline CFT/5kN). Údaje sú zaznamenávané hostiteľským zariadením na ďalšie štúdium. Tenzometre a zosilňovače náboja vyžadujú konštantné napájanie na generovanie napäťového signálu. Zodpovedajúce signály sa prevádzajú na výkonové výstupy podľa citlivosti piezoelektrického snímača sily a ďalších parametrov, ako je opísané v tabuľke 2. Keď sa aplikuje napäťový impulz, teplota vodiča SMA sa zvyšuje, čo spôsobuje jeho stláčanie, čo spôsobuje, že aktuátor generuje silu. Experimentálne výsledky výstupu svalovej sily vstupným napäťovým impulzom 7 V sú znázornené na obr. 2a.
(a) V experimente bol použitý lineárny aktuátor založený na SMA na meranie sily generovanej aktuátorom. Snímač zaťaženia meria blokovaciu silu a je napájaný 24 V jednosmerným zdrojom. Po celej dĺžke kábla bol pomocou programovateľného jednosmerného zdroja GW Instek aplikovaný úbytok napätia 7 V. Drôt SMA sa vplyvom tepla zmršťuje a pohyblivé rameno sa dotýka snímača zaťaženia a vyvíja blokovaciu silu. Snímač zaťaženia je pripojený k záznamníku údajov GL-2000 a údaje sa ukladajú na hostiteľskom zariadení na ďalšie spracovanie. (b) Schéma znázorňujúca reťazec komponentov experimentálneho nastavenia na meranie svalovej sily.
Zliatiny s tvarovou pamäťou sú budené tepelnou energiou, takže teplota sa stáva dôležitým parametrom pre štúdium javu tvarovej pamäte. Experimentálne, ako je znázornené na obr. 11a, boli termovízne a teplotné merania vykonané na prototype divalerátového aktuátora na báze SMA. Programovateľný zdroj jednosmerného prúdu privádzal vstupné napätie na vodiče SMA v experimentálnom nastavení, ako je znázornené na obrázku 11b. Zmena teploty vodiča SMA bola meraná v reálnom čase pomocou LWIR kamery s vysokým rozlíšením (FLIR A655sc). Hostiteľský systém používa softvér ResearchIR na zaznamenávanie údajov pre ďalšie následné spracovanie. Keď sa aplikuje napäťový impulz, teplota vodiča SMA sa zvyšuje, čo spôsobuje jeho zmršťovanie. Na obr. 2b sú znázornené experimentálne výsledky teploty vodiča SMA v závislosti od času pre vstupný napäťový impulz 7 V.