Nature.com ని సందర్శించినందుకు ధన్యవాదాలు. మీరు ఉపయోగిస్తున్న బ్రౌజర్ వెర్షన్ పరిమిత CSS మద్దతును కలిగి ఉంది. ఉత్తమ అనుభవం కోసం, మీరు నవీకరించబడిన బ్రౌజర్ను ఉపయోగించాలని మేము సిఫార్సు చేస్తున్నాము (లేదా ఇంటర్నెట్ ఎక్స్ప్లోరర్లో అనుకూలత మోడ్ను నిలిపివేయండి). ఈలోగా, నిరంతర మద్దతును నిర్ధారించడానికి, మేము సైట్ను శైలులు మరియు జావాస్క్రిప్ట్ లేకుండా రెండర్ చేస్తాము.
యాక్యుయేటర్లు ప్రతిచోటా ఉపయోగించబడతాయి మరియు తయారీ మరియు పారిశ్రామిక ఆటోమేషన్లో వివిధ కార్యకలాపాలను నిర్వహించడానికి సరైన ఉత్తేజిత శక్తి లేదా టార్క్ను వర్తింపజేయడం ద్వారా నియంత్రిత కదలికను సృష్టిస్తాయి. వేగవంతమైన, చిన్న మరియు మరింత సమర్థవంతమైన డ్రైవ్ల అవసరం డ్రైవ్ డిజైన్లో ఆవిష్కరణను నడిపిస్తోంది. షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ (SMA) డ్రైవ్లు సాంప్రదాయ డ్రైవ్లపై అనేక ప్రయోజనాలను అందిస్తాయి, వీటిలో అధిక శక్తి-నుండి-బరువు నిష్పత్తి కూడా ఉంటుంది. ఈ పరిశోధనలో, జీవ వ్యవస్థల యొక్క ఈక కండరాల ప్రయోజనాలను మరియు SMAల యొక్క ప్రత్యేక లక్షణాలను మిళితం చేసే రెండు-ఈకల SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ అభివృద్ధి చేయబడింది. ఈ అధ్యయనం బైమోడల్ SMA వైర్ అమరిక ఆధారంగా కొత్త యాక్యుయేటర్ యొక్క గణిత నమూనాను అభివృద్ధి చేయడం ద్వారా మరియు దానిని ప్రయోగాత్మకంగా పరీక్షించడం ద్వారా మునుపటి SMA యాక్యుయేటర్లను అన్వేషిస్తుంది మరియు విస్తరిస్తుంది. SMA ఆధారంగా తెలిసిన డ్రైవ్లతో పోలిస్తే, కొత్త డ్రైవ్ యొక్క యాక్యుయేషన్ ఫోర్స్ కనీసం 5 రెట్లు ఎక్కువ (150 N వరకు). సంబంధిత బరువు తగ్గడం దాదాపు 67%. గణిత నమూనాల సున్నితత్వ విశ్లేషణ ఫలితాలు డిజైన్ పారామితులను ట్యూన్ చేయడానికి మరియు కీలక పారామితులను అర్థం చేసుకోవడానికి ఉపయోగపడతాయి. ఈ అధ్యయనం డైనమిక్స్ను మరింత మెరుగుపరచడానికి ఉపయోగించగల బహుళ-స్థాయి Nవ దశ డ్రైవ్ను మరింత అందిస్తుంది. SMA-ఆధారిత డిప్వాలరేట్ కండరాల యాక్యుయేటర్లు బిల్డింగ్ ఆటోమేషన్ నుండి ప్రెసిషన్ డ్రగ్ డెలివరీ సిస్టమ్స్ వరకు విస్తృత శ్రేణి అనువర్తనాలను కలిగి ఉన్నాయి.
క్షీరదాల కండరాల నిర్మాణాలు వంటి జీవ వ్యవస్థలు అనేక సూక్ష్మ యాక్యుయేటర్లను సక్రియం చేయగలవు1. క్షీరదాలు వేర్వేరు కండరాల నిర్మాణాలను కలిగి ఉంటాయి, ప్రతి ఒక్కటి ఒక నిర్దిష్ట ప్రయోజనాన్ని అందిస్తాయి. అయితే, క్షీరదాల కండరాల కణజాల నిర్మాణంలో ఎక్కువ భాగాన్ని రెండు విస్తృత వర్గాలుగా విభజించవచ్చు. సమాంతర మరియు పెన్నేట్. హామ్ స్ట్రింగ్స్ మరియు ఇతర ఫ్లెక్సర్లలో, పేరు సూచించినట్లుగా, సమాంతర కండరాలు కేంద్ర స్నాయువుకు సమాంతరంగా కండరాల ఫైబర్లను కలిగి ఉంటాయి. కండరాల ఫైబర్ల గొలుసు వరుసలో ఉంటుంది మరియు వాటి చుట్టూ ఉన్న బంధన కణజాలం ద్వారా క్రియాత్మకంగా అనుసంధానించబడి ఉంటుంది. ఈ కండరాలు పెద్ద విహారం (శాతాన్ని తగ్గించడం) కలిగి ఉన్నాయని చెప్పబడినప్పటికీ, వాటి మొత్తం కండరాల బలం చాలా పరిమితం. దీనికి విరుద్ధంగా, ట్రైసెప్స్ కాఫ్ కండరం2 (లాటరల్ గ్యాస్ట్రోక్నిమియస్ (GL)3, మెడియల్ గ్యాస్ట్రోక్నిమియస్ (GM)4 మరియు సోలియస్ (SOL)) మరియు ఎక్స్టెన్సర్ ఫెమోరిస్ (క్వాడ్రిసెప్స్)5,6 పెన్నేట్ కండరాల కణజాలం ప్రతి కండరాలలో కనిపిస్తుంది7. పిన్నేట్ నిర్మాణంలో, బైపెన్నేట్ కండరాలలోని కండరాల ఫైబర్లు కేంద్ర స్నాయువు యొక్క రెండు వైపులా వాలుగా ఉండే కోణాలలో (పిన్నేట్ కోణాలు) ఉంటాయి. పెన్నేట్ అనేది లాటిన్ పదం "పెన్నా" నుండి వచ్చింది, దీని అర్థం "పెన్", మరియు, అత్తి 1 లో చూపిన విధంగా ఈక లాంటి రూపాన్ని కలిగి ఉంటుంది. పెన్నేట్ కండరాల ఫైబర్స్ చిన్నవిగా ఉంటాయి మరియు కండరాల రేఖాంశ అక్షానికి కోణంలో ఉంటాయి. పిన్నేట్ నిర్మాణం కారణంగా, ఈ కండరాల మొత్తం చలనశీలత తగ్గుతుంది, ఇది కుదించే ప్రక్రియ యొక్క విలోమ మరియు రేఖాంశ భాగాలకు దారితీస్తుంది. మరోవైపు, ఈ కండరాల క్రియాశీలత శారీరక క్రాస్-సెక్షనల్ ప్రాంతాన్ని కొలిచే విధానం కారణంగా అధిక మొత్తం కండరాల బలానికి దారితీస్తుంది. అందువల్ల, ఇచ్చిన క్రాస్-సెక్షనల్ ప్రాంతానికి, పెన్నేట్ కండరాలు బలంగా ఉంటాయి మరియు సమాంతర ఫైబర్లతో కండరాల కంటే అధిక శక్తులను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. వ్యక్తిగత ఫైబర్ల ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తులు ఆ కండరాల కణజాలంలో మాక్రోస్కోపిక్ స్థాయిలో కండరాల శక్తులను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. అదనంగా, ఇది వేగవంతమైన సంకోచం, తన్యత నష్టం నుండి రక్షణ, కుషనింగ్ వంటి ప్రత్యేక లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది. ఇది కండరాల చర్య రేఖలతో సంబంధం ఉన్న ఫైబర్ అమరిక యొక్క ప్రత్యేక లక్షణాలు మరియు రేఖాగణిత సంక్లిష్టతను ఉపయోగించడం ద్వారా ఫైబర్ ఇన్పుట్ మరియు కండరాల శక్తి ఉత్పత్తి మధ్య సంబంధాన్ని మారుస్తుంది.
ద్విమోడల్ కండరాల నిర్మాణానికి సంబంధించి ఇప్పటికే ఉన్న SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ డిజైన్ల యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రాలు చూపబడ్డాయి, ఉదాహరణకు (a), SMA వైర్ల ద్వారా ప్రేరేపించబడిన చేతి ఆకారపు పరికరాన్ని రెండు చక్రాల స్వయంప్రతిపత్తి మొబైల్ రోబోట్పై అమర్చిన స్పర్శ శక్తి యొక్క పరస్పర చర్యను సూచిస్తుంది9,10. , (b) విరుద్ధంగా ఉంచబడిన SMA స్ప్రింగ్-లోడెడ్ ఆర్బిటల్ ప్రొస్థెసిస్తో రోబోటిక్ ఆర్బిటల్ ప్రొస్థెసిస్. కంటి యొక్క కంటి కండరాల నుండి వచ్చే సిగ్నల్ ద్వారా ప్రొస్థెటిక్ కంటి స్థానం నియంత్రించబడుతుంది11, (c) SMA యాక్యుయేటర్లు వాటి అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ ప్రతిస్పందన మరియు తక్కువ బ్యాండ్విడ్త్ కారణంగా నీటి అడుగున అనువర్తనాలకు అనువైనవి. ఈ కాన్ఫిగరేషన్లో, చేపల కదలికను అనుకరించడం ద్వారా తరంగ కదలికను సృష్టించడానికి SMA యాక్యుయేటర్లను ఉపయోగిస్తారు, (d) ఛానల్ 10 లోపల SMA వైర్ల కదలిక ద్వారా నియంత్రించబడే అంగుళాల వార్మ్ మోషన్ సూత్రాన్ని ఉపయోగించగల మైక్రో పైప్ తనిఖీ రోబోట్ను రూపొందించడానికి SMA యాక్యుయేటర్లను ఉపయోగిస్తారు, (e) గ్యాస్ట్రోక్నీమియస్ కణజాలంలో సంకోచ కండరాల ఫైబర్ల దిశను మరియు సంకోచ శక్తిని ఉత్పత్తి చేయడాన్ని చూపిస్తుంది, (f) పెన్నేట్ కండరాల నిర్మాణంలో కండరాల ఫైబర్ల రూపంలో అమర్చబడిన SMA వైర్లను చూపిస్తుంది.
యాక్యుయేటర్లు వాటి విస్తృత శ్రేణి అనువర్తనాల కారణంగా యాంత్రిక వ్యవస్థలలో ముఖ్యమైన భాగంగా మారాయి. అందువల్ల, చిన్న, వేగవంతమైన మరియు మరింత సమర్థవంతమైన డ్రైవ్ల అవసరం చాలా కీలకంగా మారుతుంది. వాటి ప్రయోజనాలు ఉన్నప్పటికీ, సాంప్రదాయ డ్రైవ్లు ఖరీదైనవి మరియు నిర్వహించడానికి సమయం తీసుకుంటాయని నిరూపించబడ్డాయి. హైడ్రాలిక్ మరియు న్యూమాటిక్ యాక్యుయేటర్లు సంక్లిష్టమైనవి మరియు ఖరీదైనవి మరియు ధరించడం, సరళత సమస్యలు మరియు భాగాల వైఫల్యానికి లోనవుతాయి. డిమాండ్కు ప్రతిస్పందనగా, స్మార్ట్ మెటీరియల్ల ఆధారంగా ఖర్చు-సమర్థవంతమైన, సైజింగ్-ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన మరియు అధునాతన యాక్యుయేటర్లను అభివృద్ధి చేయడంపై దృష్టి కేంద్రీకరించబడింది. ఈ అవసరాన్ని తీర్చడానికి కొనసాగుతున్న పరిశోధన షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ (SMA) లేయర్డ్ యాక్యుయేటర్లను పరిశీలిస్తోంది. క్రమానుగత యాక్యుయేటర్లు ప్రత్యేకమైనవి, ఎందుకంటే అవి అనేక వివిక్త యాక్యుయేటర్లను రేఖాగణితంగా సంక్లిష్టమైన మాక్రో స్కేల్ సబ్సిస్టమ్లుగా మిళితం చేసి పెరిగిన మరియు విస్తరించిన కార్యాచరణను అందిస్తాయి. ఈ విషయంలో, పైన వివరించిన మానవ కండరాల కణజాలం అటువంటి బహుళస్థాయి యాక్యుయేషన్ యొక్క అద్భుతమైన బహుళస్థాయి ఉదాహరణను అందిస్తుంది. ప్రస్తుత అధ్యయనం బైమోడల్ కండరాలలో ఉన్న ఫైబర్ ఓరియంటేషన్లకు సమలేఖనం చేయబడిన అనేక వ్యక్తిగత డ్రైవ్ ఎలిమెంట్లతో (SMA వైర్లు) బహుళ-స్థాయి SMA డ్రైవ్ను వివరిస్తుంది, ఇది మొత్తం డ్రైవ్ పనితీరును మెరుగుపరుస్తుంది.
యాక్యుయేటర్ యొక్క ప్రధాన ఉద్దేశ్యం విద్యుత్ శక్తిని మార్చడం ద్వారా శక్తి మరియు స్థానభ్రంశం వంటి యాంత్రిక శక్తి ఉత్పత్తిని ఉత్పత్తి చేయడం. షేప్ మెమరీ మిశ్రమలోహాలు అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద వాటి ఆకారాన్ని పునరుద్ధరించగల "స్మార్ట్" పదార్థాల తరగతి. అధిక లోడ్ల కింద, SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదల ఆకార పునరుద్ధరణకు దారితీస్తుంది, ఫలితంగా వివిధ ప్రత్యక్షంగా బంధించబడిన స్మార్ట్ పదార్థాలతో పోలిస్తే అధిక యాక్చుయేషన్ శక్తి సాంద్రత ఏర్పడుతుంది. అదే సమయంలో, యాంత్రిక లోడ్ల కింద, SMAలు పెళుసుగా మారతాయి. కొన్ని పరిస్థితులలో, చక్రీయ లోడ్ యాంత్రిక శక్తిని గ్రహించి విడుదల చేయగలదు, రివర్సిబుల్ హిస్టెరెటిక్ ఆకార మార్పులను ప్రదర్శిస్తుంది. ఈ ప్రత్యేక లక్షణాలు సెన్సార్లు, వైబ్రేషన్ డంపింగ్ మరియు ముఖ్యంగా యాక్చుయేటర్లకు SMAని అనువైనవిగా చేస్తాయి 12. దీన్ని దృష్టిలో ఉంచుకుని, SMA-ఆధారిత డ్రైవ్లపై చాలా పరిశోధనలు జరిగాయి. SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్లు వివిధ రకాల అప్లికేషన్లకు అనువాద మరియు భ్రమణ కదలికను అందించడానికి రూపొందించబడ్డాయని గమనించాలి 13,14,15. కొన్ని రోటరీ యాక్యుయేటర్లు అభివృద్ధి చేయబడినప్పటికీ, పరిశోధకులు ముఖ్యంగా లీనియర్ యాక్యుయేటర్లపై ఆసక్తి చూపుతున్నారు. ఈ లీనియర్ యాక్యుయేటర్లను మూడు రకాల యాక్యుయేటర్లుగా విభజించవచ్చు: ఒక డైమెన్షనల్, డిస్ప్లేస్మెంట్ మరియు డిఫరెన్షియల్ యాక్యుయేటర్లు 16. ప్రారంభంలో, హైబ్రిడ్ డ్రైవ్లు SMA మరియు ఇతర సాంప్రదాయ డ్రైవ్లతో కలిపి సృష్టించబడ్డాయి. SMA-ఆధారిత హైబ్రిడ్ లీనియర్ యాక్యుయేటర్కు ఒక ఉదాహరణ ఏమిటంటే, DC మోటారుతో SMA వైర్ను ఉపయోగించడం, ఇది దాదాపు 100 N అవుట్పుట్ శక్తిని మరియు గణనీయమైన స్థానభ్రంశాన్ని అందిస్తుంది.
SMA పై పూర్తిగా ఆధారపడిన డ్రైవ్లలో మొదటి అభివృద్ధి SMA సమాంతర డ్రైవ్. బహుళ SMA వైర్లను ఉపయోగించి, SMA-ఆధారిత సమాంతర డ్రైవ్ అన్ని SMA18 వైర్లను సమాంతరంగా ఉంచడం ద్వారా డ్రైవ్ యొక్క శక్తి సామర్థ్యాన్ని పెంచడానికి రూపొందించబడింది. యాక్యుయేటర్ల సమాంతర కనెక్షన్కు ఎక్కువ శక్తి అవసరమవడమే కాకుండా, ఒకే వైర్ యొక్క అవుట్పుట్ శక్తిని కూడా పరిమితం చేస్తుంది. SMA ఆధారిత యాక్యుయేటర్ల యొక్క మరొక ప్రతికూలత ఏమిటంటే అవి సాధించగల పరిమిత ప్రయాణం. ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి, స్థానభ్రంశం పెంచడానికి మరియు లీనియర్ మోషన్ను సాధించడానికి విక్షేపం చెందిన ఫ్లెక్సిబుల్ బీమ్ను కలిగి ఉన్న SMA కేబుల్ బీమ్ సృష్టించబడింది, కానీ అధిక శక్తులను ఉత్పత్తి చేయలేదు19. ఆకార మెమరీ మిశ్రమాలపై ఆధారపడిన రోబోట్ల కోసం మృదువైన డిఫార్మబుల్ నిర్మాణాలు మరియు ఫాబ్రిక్లు ప్రధానంగా ఇంపాక్ట్ యాంప్లిఫికేషన్ కోసం అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి20,21,22. అధిక వేగం అవసరమయ్యే అప్లికేషన్ల కోసం, మైక్రోపంప్ నడిచే అప్లికేషన్ల కోసం సన్నని ఫిల్మ్ SMAలను ఉపయోగించి కాంపాక్ట్ నడిచే పంపులు నివేదించబడ్డాయి23. సన్నని ఫిల్మ్ SMA పొర యొక్క డ్రైవ్ ఫ్రీక్వెన్సీ డ్రైవర్ వేగాన్ని నియంత్రించడంలో కీలకమైన అంశం. అందువల్ల, SMA లీనియర్ మోటార్లు SMA స్ప్రింగ్ లేదా రాడ్ మోటార్ల కంటే మెరుగైన డైనమిక్ ప్రతిస్పందనను కలిగి ఉంటాయి. సాఫ్ట్ రోబోటిక్స్ మరియు గ్రిప్పింగ్ టెక్నాలజీ అనేవి SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్లను ఉపయోగించే మరో రెండు అప్లికేషన్లు. ఉదాహరణకు, 25 N స్పేస్ క్లాంప్లో ఉపయోగించే ప్రామాణిక యాక్యుయేటర్ను భర్తీ చేయడానికి, ఒక షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ ప్యారలల్ యాక్యుయేటర్ 24 అభివృద్ధి చేయబడింది. మరొక సందర్భంలో, 30 N గరిష్ట పుల్లింగ్ ఫోర్స్ను ఉత్పత్తి చేయగల ఎంబెడెడ్ మ్యాట్రిక్స్తో కూడిన వైర్ ఆధారంగా SMA సాఫ్ట్ యాక్యుయేటర్ను తయారు చేశారు. వాటి యాంత్రిక లక్షణాల కారణంగా, జీవసంబంధమైన దృగ్విషయాలను అనుకరించే యాక్యుయేటర్లను ఉత్పత్తి చేయడానికి SMAలను కూడా ఉపయోగిస్తారు. అటువంటి అభివృద్ధిలో 12-సెల్ రోబోట్ ఉంది, ఇది వానపాము లాంటి జీవి యొక్క బయోమిమెటిక్, ఇది SMAతో కాల్చడానికి సైనూసోయిడల్ కదలికను ఉత్పత్తి చేస్తుంది26,27.
ముందుగా చెప్పినట్లుగా, ఇప్పటికే ఉన్న SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ల నుండి పొందగల గరిష్ట శక్తికి పరిమితి ఉంది. ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి, ఈ అధ్యయనం బయోమిమెటిక్ బైమోడల్ కండరాల నిర్మాణాన్ని అందిస్తుంది. షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ వైర్ ద్వారా నడపబడుతుంది. ఇది అనేక షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ వైర్లను కలిగి ఉన్న వర్గీకరణ వ్యవస్థను అందిస్తుంది. ఈ రోజు వరకు, ఇలాంటి ఆర్కిటెక్చర్తో SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్లు ఏవీ నివేదించబడలేదు. బైమోడల్ కండరాల అమరిక సమయంలో SMA యొక్క ప్రవర్తనను అధ్యయనం చేయడానికి SMA ఆధారంగా ఈ ప్రత్యేకమైన మరియు నవల వ్యవస్థను అభివృద్ధి చేశారు. ఇప్పటికే ఉన్న SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్లతో పోలిస్తే, ఈ అధ్యయనం యొక్క లక్ష్యం చిన్న వాల్యూమ్లో గణనీయంగా ఎక్కువ శక్తులను ఉత్పత్తి చేయడానికి బయోమిమెటిక్ డిప్వాలరేట్ యాక్యుయేటర్ను సృష్టించడం. HVAC బిల్డింగ్ ఆటోమేషన్ మరియు నియంత్రణ వ్యవస్థలలో ఉపయోగించే సాంప్రదాయ స్టెప్పర్ మోటార్ నడిచే డ్రైవ్లతో పోలిస్తే, ప్రతిపాదిత SMA-ఆధారిత బైమోడల్ డ్రైవ్ డిజైన్ డ్రైవ్ మెకానిజం యొక్క బరువును 67% తగ్గిస్తుంది. కింది వాటిలో, "కండరాలు" మరియు "డ్రైవ్" అనే పదాలు పరస్పరం మార్చుకోబడ్డాయి. ఈ అధ్యయనం అటువంటి డ్రైవ్ యొక్క మల్టీఫిజిక్స్ అనుకరణను పరిశీలిస్తుంది. అటువంటి వ్యవస్థల యాంత్రిక ప్రవర్తనను ప్రయోగాత్మక మరియు విశ్లేషణాత్మక పద్ధతుల ద్వారా అధ్యయనం చేశారు. 7 V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ వద్ద శక్తి మరియు ఉష్ణోగ్రత పంపిణీలను మరింత పరిశోధించారు. తదనంతరం, కీలక పారామితులు మరియు అవుట్పుట్ శక్తి మధ్య సంబంధాన్ని బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి ఒక పారామెట్రిక్ విశ్లేషణ నిర్వహించబడింది. చివరగా, క్రమానుగత యాక్యుయేటర్లను ఊహించారు మరియు ప్రోస్థటిక్ అప్లికేషన్ల కోసం నాన్-మాగ్నెటిక్ యాక్యుయేటర్లకు సంభావ్య భవిష్యత్ ప్రాంతంగా క్రమానుగత స్థాయి ప్రభావాలను ప్రతిపాదించారు. పైన పేర్కొన్న అధ్యయనాల ఫలితాల ప్రకారం, సింగిల్-స్టేజ్ ఆర్కిటెక్చర్ వాడకం నివేదించబడిన SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ల కంటే కనీసం నాలుగు నుండి ఐదు రెట్లు ఎక్కువ శక్తులను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. అదనంగా, బహుళ-స్థాయి బహుళ-స్థాయి డ్రైవ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన అదే డ్రైవ్ ఫోర్స్ సాంప్రదాయ SMA-ఆధారిత డ్రైవ్ల కంటే పది రెట్లు ఎక్కువ అని చూపబడింది. ఆ తర్వాత అధ్యయనం వివిధ డిజైన్లు మరియు ఇన్పుట్ వేరియబుల్స్ మధ్య సున్నితత్వ విశ్లేషణను ఉపయోగించి కీలక పారామితులను నివేదిస్తుంది. SMA వైర్ యొక్క ప్రారంభ పొడవు (\(l_0\)), పిన్నేట్ కోణం (\(\alpha\)) మరియు ప్రతి వ్యక్తిగత స్ట్రాండ్లోని సింగిల్ స్ట్రాండ్ల సంఖ్య (n) చోదక శక్తి యొక్క పరిమాణంపై బలమైన ప్రతికూల ప్రభావాన్ని చూపుతాయి. బలం, ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ (శక్తి) సానుకూలంగా సహసంబంధం కలిగి ఉన్నట్లు తేలింది.
SMA వైర్ నికెల్-టైటానియం (Ni-Ti) మిశ్రమలోహాల కుటుంబంలో కనిపించే ఆకార మెమరీ ప్రభావాన్ని (SME) ప్రదర్శిస్తుంది. సాధారణంగా, SMAలు రెండు ఉష్ణోగ్రత ఆధారిత దశలను ప్రదర్శిస్తాయి: తక్కువ ఉష్ణోగ్రత దశ మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత దశ. విభిన్న క్రిస్టల్ నిర్మాణాల ఉనికి కారణంగా రెండు దశలు ప్రత్యేక లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి. పరివర్తన ఉష్ణోగ్రత కంటే ఎక్కువగా ఉన్న ఆస్టెనైట్ దశలో (అధిక ఉష్ణోగ్రత దశ), పదార్థం అధిక బలాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది మరియు లోడ్ కింద పేలవంగా వైకల్యం చెందుతుంది. మిశ్రమం స్టెయిన్లెస్ స్టీల్ లాగా ప్రవర్తిస్తుంది, కాబట్టి ఇది అధిక యాక్చుయేషన్ ఒత్తిళ్లను తట్టుకోగలదు. Ni-Ti మిశ్రమలోహాల యొక్క ఈ లక్షణాన్ని సద్వినియోగం చేసుకుని, SMA వైర్లు యాక్చుయేటర్ను ఏర్పరచడానికి వాలుగా ఉంటాయి. వివిధ పారామితులు మరియు వివిధ జ్యామితుల ప్రభావంతో SMA యొక్క ఉష్ణ ప్రవర్తన యొక్క ప్రాథమిక మెకానిక్లను అర్థం చేసుకోవడానికి తగిన విశ్లేషణాత్మక నమూనాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. ప్రయోగాత్మక మరియు విశ్లేషణాత్మక ఫలితాల మధ్య మంచి ఒప్పందం లభించింది.
SMA ఆధారంగా బైమోడల్ డ్రైవ్ యొక్క పనితీరును అంచనా వేయడానికి Fig. 9a లో చూపిన నమూనాపై ఒక ప్రయోగాత్మక అధ్యయనం జరిగింది. ఈ లక్షణాలలో రెండు, డ్రైవ్ (కండరాల శక్తి) ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తి మరియు SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత (SMA ఉష్ణోగ్రత) ప్రయోగాత్మకంగా కొలుస్తారు. డ్రైవ్లోని వైర్ యొక్క మొత్తం పొడవునా వోల్టేజ్ వ్యత్యాసం పెరిగేకొద్దీ, జూల్ తాపన ప్రభావం కారణంగా వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది. ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ రెండు 10-సెకన్ల చక్రాలలో (Fig. 2a, b లో ఎరుపు చుక్కలుగా చూపబడింది) ప్రతి చక్రం మధ్య 15-సెకన్ల శీతలీకరణ కాలంతో వర్తించబడుతుంది. బ్లాకింగ్ ఫోర్స్ను పైజోఎలెక్ట్రిక్ స్ట్రెయిన్ గేజ్ ఉపయోగించి కొలుస్తారు మరియు SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పంపిణీని శాస్త్రీయ-గ్రేడ్ హై-రిజల్యూషన్ LWIR కెమెరాను ఉపయోగించి నిజ సమయంలో పర్యవేక్షించారు (టేబుల్ 2 లో ఉపయోగించిన పరికరాల లక్షణాలను చూడండి). అధిక వోల్టేజ్ దశలో, వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత ఏకరీతిగా పెరుగుతుందని చూపిస్తుంది, కానీ కరెంట్ ప్రవహించనప్పుడు, వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత తగ్గుతూనే ఉంటుంది. ప్రస్తుత ప్రయోగాత్మక సెటప్లో, శీతలీకరణ దశలో SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పడిపోయింది, కానీ అది ఇప్పటికీ పరిసర ఉష్ణోగ్రత కంటే ఎక్కువగా ఉంది. Fig. 2eలో LWIR కెమెరా నుండి తీసిన SMA వైర్పై ఉష్ణోగ్రత యొక్క స్నాప్షాట్ను చూపిస్తుంది. మరోవైపు, Fig. 2aలో డ్రైవ్ సిస్టమ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన బ్లాకింగ్ శక్తిని చూపిస్తుంది. కండరాల శక్తి స్ప్రింగ్ యొక్క పునరుద్ధరణ శక్తిని మించినప్పుడు, Fig. 9aలో చూపిన విధంగా కదిలే చేయి కదలడం ప్రారంభిస్తుంది. యాక్చుయేషన్ ప్రారంభమైన వెంటనే, కదిలే చేయి సెన్సార్తో సంబంధంలోకి వస్తుంది, Fig. 2c, dలో చూపిన విధంగా శరీర శక్తిని సృష్టిస్తుంది. గరిష్ట ఉష్ణోగ్రత \(84\,^{\circ}\hbox {C}}కి దగ్గరగా ఉన్నప్పుడు, గరిష్టంగా గమనించిన శక్తి 105 N.
గ్రాఫ్ SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత మరియు రెండు చక్రాల సమయంలో SMA-ఆధారిత బైమోడల్ యాక్యుయేటర్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తి యొక్క ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను చూపిస్తుంది. ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ రెండు 10 సెకన్ల చక్రాలలో (ఎరుపు చుక్కలుగా చూపబడింది) వర్తించబడుతుంది, ప్రతి చక్రం మధ్య 15 సెకన్ల కూల్ డౌన్ వ్యవధి ఉంటుంది. ప్రయోగాలకు ఉపయోగించిన SMA వైర్ డైనాల్లాయ్, ఇంక్ నుండి 0.51 మిమీ వ్యాసం కలిగిన ఫ్లెక్సినాల్ వైర్. (ఎ) గ్రాఫ్ రెండు చక్రాలపై పొందిన ప్రయోగాత్మక శక్తిని చూపిస్తుంది, (సి, డి) PACEline CFT/5kN పైజోఎలెక్ట్రిక్ ఫోర్స్ ట్రాన్స్డ్యూసర్పై కదిలే ఆర్మ్ యాక్యుయేటర్ల చర్య యొక్క రెండు స్వతంత్ర ఉదాహరణలను చూపిస్తుంది, (బి) గ్రాఫ్ రెండు చక్రాల సమయంలో మొత్తం SMA వైర్ యొక్క గరిష్ట ఉష్ణోగ్రతను చూపిస్తుంది, (ఇ) FLIR రీసెర్చ్ఐఆర్ సాఫ్ట్వేర్ LWIR కెమెరాను ఉపయోగించి SMA వైర్ నుండి తీసిన ఉష్ణోగ్రత స్నాప్షాట్ను చూపిస్తుంది. ప్రయోగాలలో పరిగణనలోకి తీసుకున్న రేఖాగణిత పారామితులు పట్టికలో ఇవ్వబడ్డాయి. ఒకటి.
గణిత నమూనా యొక్క అనుకరణ ఫలితాలు మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను Fig.5 లో చూపిన విధంగా 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పరిస్థితిలో పోల్చారు. పారామెట్రిక్ విశ్లేషణ ఫలితాల ప్రకారం మరియు SMA వైర్ వేడెక్కే అవకాశాన్ని నివారించడానికి, యాక్చుయేటర్కు 11.2 W శక్తిని సరఫరా చేశారు. ఇన్పుట్ వోల్టేజ్గా 7V సరఫరా చేయడానికి ప్రోగ్రామబుల్ DC విద్యుత్ సరఫరాను ఉపయోగించారు మరియు వైర్ అంతటా 1.6A కరెంట్ను కొలుస్తారు. కరెంట్ను వర్తింపజేసినప్పుడు డ్రైవ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తి మరియు SDR యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది. 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్తో, మొదటి చక్రం యొక్క అనుకరణ ఫలితాలు మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాల నుండి పొందిన గరిష్ట అవుట్పుట్ శక్తి వరుసగా 78 N మరియు 96 N. రెండవ చక్రంలో, అనుకరణ మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాల గరిష్ట అవుట్పుట్ శక్తి వరుసగా 150 N మరియు 105 N. మూసివేత శక్తి కొలతలు మరియు ప్రయోగాత్మక డేటా మధ్య వ్యత్యాసం మూసివేత శక్తిని కొలవడానికి ఉపయోగించే పద్ధతి వల్ల కావచ్చు. అంజీర్లో చూపబడిన ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు. 5a లాకింగ్ ఫోర్స్ యొక్క కొలతకు అనుగుణంగా ఉంటుంది, ఇది డ్రైవ్ షాఫ్ట్ PACEline CFT/5kN పైజోఎలెక్ట్రిక్ ఫోర్స్ ట్రాన్స్డ్యూసర్తో సంబంధంలో ఉన్నప్పుడు, అంజీర్ 2sలో చూపిన విధంగా కొలుస్తారు. అందువల్ల, డ్రైవ్ షాఫ్ట్ శీతలీకరణ జోన్ ప్రారంభంలో ఫోర్స్ సెన్సార్తో సంబంధంలో లేనప్పుడు, అంజీర్ 2dలో చూపిన విధంగా శక్తి వెంటనే సున్నా అవుతుంది. అదనంగా, తదుపరి చక్రాలలో శక్తి ఏర్పడటాన్ని ప్రభావితం చేసే ఇతర పారామితులు మునుపటి చక్రంలో శీతలీకరణ సమయం మరియు ఉష్ణప్రసరణ ఉష్ణ బదిలీ గుణకం యొక్క విలువలు. అంజీర్ 2b నుండి, 15 సెకన్ల శీతలీకరణ కాలం తర్వాత, SMA వైర్ గది ఉష్ణోగ్రతను చేరుకోలేదని మరియు అందువల్ల మొదటి చక్రం (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\))తో పోలిస్తే రెండవ డ్రైవింగ్ చక్రంలో అధిక ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) ఉందని చూడవచ్చు. అందువల్ల, మొదటి చక్రంతో పోలిస్తే, రెండవ తాపన చక్రంలో SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత ప్రారంభ ఆస్టెనైట్ ఉష్ణోగ్రత (\(A_s\)) కు ముందుగానే చేరుకుంటుంది మరియు పరివర్తన కాలంలో ఎక్కువసేపు ఉంటుంది, ఫలితంగా ఒత్తిడి మరియు శక్తి ఏర్పడుతుంది. మరోవైపు, ప్రయోగాలు మరియు అనుకరణల నుండి పొందిన తాపన మరియు శీతలీకరణ చక్రాల సమయంలో ఉష్ణోగ్రత పంపిణీలు థర్మోగ్రాఫిక్ విశ్లేషణ నుండి ఉదాహరణలకు అధిక గుణాత్మక సారూప్యతను కలిగి ఉంటాయి. ప్రయోగాలు మరియు అనుకరణల నుండి SMA వైర్ థర్మల్ డేటా యొక్క తులనాత్మక విశ్లేషణ తాపన మరియు శీతలీకరణ చక్రాల సమయంలో స్థిరత్వాన్ని మరియు ప్రయోగాత్మక డేటాకు ఆమోదయోగ్యమైన సహనాలలో ఉన్నట్లు చూపించింది. మొదటి చక్రం యొక్క అనుకరణ మరియు ప్రయోగాల ఫలితాల నుండి పొందిన SMA వైర్ యొక్క గరిష్ట ఉష్ణోగ్రత వరుసగా \(89\,^{\circ }\hbox {C}}) మరియు \(75\,^{\circ }\hbox { C }}), మరియు రెండవ చక్రంలో SMA వైర్ యొక్క గరిష్ట ఉష్ణోగ్రత \(94\,^{\circ }\hbox {C}}) మరియు \(83\,^{\circ }\hbox {C}}). ప్రాథమికంగా అభివృద్ధి చేయబడిన మోడల్ ఆకార మెమరీ ప్రభావం యొక్క ప్రభావాన్ని నిర్ధారిస్తుంది. ఈ సమీక్షలో అలసట మరియు వేడెక్కడం యొక్క పాత్రను పరిగణించలేదు. భవిష్యత్తులో, SMA వైర్ యొక్క ఒత్తిడి చరిత్రను చేర్చడానికి మోడల్ మెరుగుపరచబడుతుంది, ఇది ఇంజనీరింగ్ అనువర్తనాలకు మరింత అనుకూలంగా ఉంటుంది. సిములింక్ బ్లాక్ నుండి పొందిన డ్రైవ్ అవుట్పుట్ ఫోర్స్ మరియు SMA ఉష్ణోగ్రత ప్లాట్లు 7 V యొక్క ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పల్స్ పరిస్థితిలో ప్రయోగాత్మక డేటా యొక్క అనుమతించదగిన టాలరెన్స్లలో ఉంటాయి. ఇది అభివృద్ధి చేయబడిన గణిత నమూనా యొక్క ఖచ్చితత్వం మరియు విశ్వసనీయతను నిర్ధారిస్తుంది.
గణిత నమూనాను MathWorks Simulink R2020b వాతావరణంలో మెథడ్స్ విభాగంలో వివరించిన ప్రాథమిక సమీకరణాలను ఉపయోగించి అభివృద్ధి చేశారు. చిత్రం 3b సిములింక్ గణిత నమూనా యొక్క బ్లాక్ రేఖాచిత్రాన్ని చూపిస్తుంది. చిత్రం 2a, b లో చూపిన విధంగా మోడల్ 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పల్స్ కోసం అనుకరించబడింది. చిత్రం 2a, b లో ఉపయోగించిన పారామితుల విలువలు టేబుల్ 1 లో ఇవ్వబడ్డాయి. తాత్కాలిక ప్రక్రియల అనుకరణ ఫలితాలు చిత్రాలు 1 మరియు 1 లో ప్రదర్శించబడ్డాయి. చిత్రం 3a మరియు 4. చిత్రం 4a లో, b SMA వైర్లో ప్రేరేపిత వోల్టేజ్ను మరియు యాక్యుయేటర్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తిని సమయం యొక్క విధిగా చూపిస్తుంది. రివర్స్ ట్రాన్స్ఫర్మేషన్ (తాపన) సమయంలో, SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత, \(T < A_s^{\prime}\) (ఒత్తిడి-మార్పు చేయబడిన ఆస్టెనైట్ దశ ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత) ఉన్నప్పుడు, మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ భిన్నం (\(\dot{\xi }\)) యొక్క మార్పు రేటు సున్నాగా ఉంటుంది. రివర్స్ ట్రాన్స్ఫర్మేషన్ (తాపన) సమయంలో, SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత, \(T < A_s^{\prime}\) (ఒత్తిడి-మార్పు చేయబడిన ఆస్టెనైట్ దశ ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత) ఉన్నప్పుడు, మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ భిన్నం (\(\dot{\ xi }\)) యొక్క మార్పు రేటు సున్నా అవుతుంది. Во время обратного превращения (నాగ్రేవా), కోగ్దా టెంపెరటురా ప్రోవోలోకీ SMA, \(T
(ఎ) SMA-ఆధారిత డైవలరేట్ యాక్యుయేటర్లో ఉష్ణోగ్రత పంపిణీ మరియు ఒత్తిడి-ప్రేరిత జంక్షన్ ఉష్ణోగ్రతను చూపించే అనుకరణ ఫలితం. తాపన దశలో వైర్ ఉష్ణోగ్రత ఆస్టెనైట్ పరివర్తన ఉష్ణోగ్రతను దాటినప్పుడు, సవరించిన ఆస్టెనైట్ పరివర్తన ఉష్ణోగ్రత పెరగడం ప్రారంభమవుతుంది మరియు అదేవిధంగా, వైర్ రాడ్ ఉష్ణోగ్రత శీతలీకరణ దశలో మార్టెన్సిటిక్ పరివర్తన ఉష్ణోగ్రతను దాటినప్పుడు, మార్టెన్సిటిక్ పరివర్తన ఉష్ణోగ్రత తగ్గుతుంది. యాక్చుయేషన్ ప్రక్రియ యొక్క విశ్లేషణాత్మక మోడలింగ్ కోసం SMA. (సిములింక్ మోడల్ యొక్క ప్రతి ఉపవ్యవస్థ యొక్క వివరణాత్మక వీక్షణ కోసం, అనుబంధ ఫైల్ యొక్క అనుబంధ విభాగాన్ని చూడండి.)
వేర్వేరు పారామితి పంపిణీల కోసం విశ్లేషణ ఫలితాలు 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ యొక్క రెండు చక్రాలకు (10 సెకన్ల వార్మప్ సైకిల్స్ మరియు 15 సెకన్ల కూల్ డౌన్ సైకిల్స్) చూపించబడ్డాయి. (ac) మరియు (e) కాలక్రమేణా పంపిణీని వర్ణిస్తాయి, మరోవైపు, (d) మరియు (f) ఉష్ణోగ్రతతో పంపిణీని వివరిస్తాయి. సంబంధిత ఇన్పుట్ పరిస్థితులకు, గరిష్టంగా గమనించిన ఒత్తిడి 106 MPa (345 MPa కంటే తక్కువ, వైర్ దిగుబడి బలం), బలం 150 N, గరిష్ట స్థానభ్రంశం 270 µm మరియు కనిష్ట మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ భిన్నం 0.91. మరోవైపు, ఒత్తిడిలో మార్పు మరియు ఉష్ణోగ్రతతో మార్టెన్సైట్ యొక్క వాల్యూమ్ భిన్నంలో మార్పు హిస్టెరిసిస్ లక్షణాలకు సమానంగా ఉంటాయి.
ఆస్టెనైట్ దశ నుండి మార్టెన్సైట్ దశకు ప్రత్యక్ష పరివర్తన (శీతలీకరణ) కు కూడా ఇదే వివరణ వర్తిస్తుంది, ఇక్కడ SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత (T) మరియు ఒత్తిడి-మార్పు చేయబడిన మార్టెన్సైట్ దశ (\(M_f^{\prime}\)) యొక్క ముగింపు ఉష్ణోగ్రత అద్భుతంగా ఉంటాయి. అత్తి 4dలో, f రెండు డ్రైవింగ్ చక్రాలకు SMA వైర్ (T) యొక్క ఉష్ణోగ్రతలో మార్పు యొక్క విధిగా SMA వైర్లోని ప్రేరేపిత ఒత్తిడి (\(\sigma\)) మరియు మార్టెన్సైట్ (\(\xi\)) యొక్క వాల్యూమ్ భిన్నంలో మార్పును చూపుతుంది. అత్తి 3a ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పల్స్ ఆధారంగా సమయంతో SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రతలో మార్పును చూపుతుంది. చిత్రం నుండి చూడగలిగినట్లుగా, సున్నా వోల్టేజ్ వద్ద ఉష్ణ మూలాన్ని అందించడం ద్వారా మరియు తదుపరి ఉష్ణప్రసరణ శీతలీకరణ ద్వారా వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతూనే ఉంటుంది. వేడి చేసే సమయంలో, మార్టెన్సైట్ను ఆస్టెనైట్ దశకు తిరిగి మార్చడం అనేది SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత (T) ఒత్తిడి-సరిచేసిన ఆస్టెనైట్ న్యూక్లియేషన్ ఉష్ణోగ్రత (\(A_s^{\prime}\)) దాటినప్పుడు ప్రారంభమవుతుంది. ఈ దశలో, SMA వైర్ కుదించబడుతుంది మరియు యాక్చుయేటర్ శక్తిని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. అలాగే శీతలీకరణ సమయంలో, SMA వైర్ (T) యొక్క ఉష్ణోగ్రత ఒత్తిడి-సవరించిన మార్టెన్సైట్ దశ (\(M_s^{\prime}\)) యొక్క న్యూక్లియేషన్ ఉష్ణోగ్రతను దాటినప్పుడు ఆస్టెనైట్ దశ నుండి మార్టెన్సైట్ దశకు సానుకూల పరివర్తన జరుగుతుంది. డ్రైవ్ ఫోర్స్ తగ్గుతుంది.
SMA ఆధారంగా ద్విమోడల్ డ్రైవ్ యొక్క ప్రధాన గుణాత్మక అంశాలను అనుకరణ ఫలితాల నుండి పొందవచ్చు. వోల్టేజ్ పల్స్ ఇన్పుట్ విషయంలో, జూల్ తాపన ప్రభావం కారణంగా SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది. మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ భిన్నం (\(\xi\)) యొక్క ప్రారంభ విలువ 1కి సెట్ చేయబడింది, ఎందుకంటే పదార్థం ప్రారంభంలో పూర్తిగా మార్టెన్సిటిక్ దశలో ఉంటుంది. వైర్ వేడెక్కుతూనే ఉండటంతో, SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత ఒత్తిడి-సరిదిద్దబడిన ఆస్టెనైట్ న్యూక్లియేషన్ ఉష్ణోగ్రత \(A_s^{\prime}\)ని మించిపోతుంది, దీని ఫలితంగా మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ భిన్నంలో తగ్గుదల ఏర్పడుతుంది, ఇది Figure 4cలో చూపబడింది. అదనంగా, Figure 4eలో యాక్యుయేటర్ యొక్క స్ట్రోక్ల పంపిణీని సమయంలో చూపిస్తుంది మరియు Figure 5లో - సమయం యొక్క విధిగా చోదక శక్తి. సంబంధిత సమీకరణాల వ్యవస్థలో ఉష్ణోగ్రత, మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ భిన్నం మరియు వైర్లో అభివృద్ధి చెందే ఒత్తిడి ఉంటాయి, దీని ఫలితంగా SMA వైర్ కుంచించుకుపోతుంది మరియు యాక్యుయేటర్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తి ఉంటుంది. Figureలో చూపిన విధంగా. 4d,f లో చూపినట్లుగా, ఉష్ణోగ్రతతో వోల్టేజ్ వైవిధ్యం మరియు ఉష్ణోగ్రతతో మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ భిన్న వైవిధ్యం 7 V వద్ద అనుకరణ సందర్భంలో SMA యొక్క హిస్టెరిసిస్ లక్షణాలకు అనుగుణంగా ఉంటాయి.
ప్రయోగాలు మరియు విశ్లేషణాత్మక గణనల ద్వారా డ్రైవింగ్ పారామితుల పోలికను పొందారు. వైర్లను 10 సెకన్ల పాటు 7 V పల్స్డ్ ఇన్పుట్ వోల్టేజ్కు గురిచేసి, ఆపై రెండు చక్రాలలో 15 సెకన్ల పాటు (శీతలీకరణ దశ) చల్లబరిచారు. పిన్నేట్ కోణం \(40^{\circ}\) కు సెట్ చేయబడింది మరియు ప్రతి సింగిల్ పిన్ లెగ్లోని SMA వైర్ యొక్క ప్రారంభ పొడవు 83mm కు సెట్ చేయబడింది. (a) లోడ్ సెల్తో డ్రైవింగ్ ఫోర్స్ను కొలవడం (b) థర్మల్ ఇన్ఫ్రారెడ్ కెమెరాతో వైర్ ఉష్ణోగ్రతను పర్యవేక్షించడం.
డ్రైవ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన శక్తిపై భౌతిక పారామితుల ప్రభావాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి, ఎంచుకున్న భౌతిక పారామితులకు గణిత నమూనా యొక్క సున్నితత్వం యొక్క విశ్లేషణ నిర్వహించబడింది మరియు పారామితులను వాటి ప్రభావం ప్రకారం ర్యాంక్ చేశారు. మొదట, మోడల్ పారామితుల నమూనాను ఏకరీతి పంపిణీని అనుసరించే ప్రయోగాత్మక డిజైన్ సూత్రాలను ఉపయోగించి చేశారు (సున్నితత్వ విశ్లేషణపై అనుబంధ విభాగం చూడండి). ఈ సందర్భంలో, మోడల్ పారామితులలో ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ (\(V_{in}\)), ప్రారంభ SMA వైర్ పొడవు (\(l_0\)), త్రిభుజం కోణం (\(\alpha\)), బయాస్ స్ప్రింగ్ స్థిరాంకం (\( K_x\)), ఉష్ణప్రసరణ ఉష్ణ బదిలీ గుణకం (\(h_T\)) మరియు యూనిమోడల్ శాఖల సంఖ్య (n) ఉన్నాయి. తదుపరి దశలో, పీక్ కండరాల బలాన్ని అధ్యయన రూపకల్పన అవసరంగా ఎంచుకున్నారు మరియు బలంపై ప్రతి వేరియబుల్స్ సెట్ యొక్క పారామెట్రిక్ ప్రభావాలను పొందారు. సున్నితత్వ విశ్లేషణ కోసం టోర్నడో ప్లాట్లు ప్రతి పరామితికి సహసంబంధ గుణకాల నుండి తీసుకోబడ్డాయి, ఇది Fig. 6aలో చూపబడింది.
(ఎ) మోడల్ పారామితుల యొక్క సహసంబంధ గుణకం విలువలు మరియు పైన పేర్కొన్న మోడల్ పారామితుల యొక్క 2500 ప్రత్యేక సమూహాల గరిష్ట అవుట్పుట్ శక్తిపై వాటి ప్రభావం టోర్నడో ప్లాట్లో చూపబడ్డాయి. గ్రాఫ్ అనేక సూచికల ర్యాంక్ సహసంబంధాన్ని చూపిస్తుంది. \(V_{in}\) అనేది సానుకూల సహసంబంధం ఉన్న ఏకైక పరామితి అని మరియు \(l_0\) అనేది అత్యధిక ప్రతికూల సహసంబంధం ఉన్న పరామితి అని స్పష్టంగా తెలుస్తుంది. పీక్ కండరాల బలంపై వివిధ కలయికలలో వివిధ పారామితుల ప్రభావం (b, c)లో చూపబడింది. \(K_x\) 400 నుండి 800 N/m వరకు ఉంటుంది మరియు n 4 నుండి 24 వరకు ఉంటుంది. వోల్టేజ్ (\(V_{in}\)) 4V నుండి 10Vకి, వైర్ పొడవు (\(l_{0 } \)) 40 నుండి 100 mmకి మరియు టెయిల్ యాంగిల్ (\(\alpha \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) నుండి మారుతూ ఉంటుంది.
అత్తి 6a పీక్ డ్రైవ్ ఫోర్స్ డిజైన్ అవసరాలతో ప్రతి పరామితికి వివిధ సహసంబంధ గుణకాల యొక్క టోర్నడో ప్లాట్ను చూపిస్తుంది. అత్తి 6a నుండి వోల్టేజ్ పరామితి (\(V_{in}\)) గరిష్ట అవుట్పుట్ శక్తికి నేరుగా సంబంధం కలిగి ఉందని మరియు ఉష్ణప్రసరణ ఉష్ణ బదిలీ గుణకం (\(h_T\)), జ్వాల కోణం (\ ( \alpha\)), స్థానభ్రంశం స్ప్రింగ్ స్థిరాంకం ( \(K_x\)) అవుట్పుట్ శక్తితో మరియు SMA వైర్ యొక్క ప్రారంభ పొడవు (\(l_0\)) తో ప్రతికూలంగా సహసంబంధం కలిగి ఉందని మరియు యూనిమోడల్ శాఖల సంఖ్య (n) బలమైన విలోమ సహసంబంధాన్ని చూపుతుంది ప్రత్యక్ష సహసంబంధం విషయంలో వోల్టేజ్ సహసంబంధ గుణకం (\(V_ {in}\)) యొక్క అధిక విలువ విషయంలో ఈ పరామితి విద్యుత్ ఉత్పత్తిపై గొప్ప ప్రభావాన్ని చూపుతుందని సూచిస్తుంది. మరొక సారూప్య విశ్లేషణ రెండు గణన స్థలాల యొక్క విభిన్న కలయికలలో వేర్వేరు పారామితుల ప్రభావాన్ని అంచనా వేయడం ద్వారా పీక్ శక్తిని కొలుస్తుంది, Fig. 6b, c లో చూపిన విధంగా. \(V_{in}\) మరియు \(l_0\), \(\alpha\) మరియు \(l_0\) లు ఒకేలాంటి నమూనాలను కలిగి ఉన్నాయి మరియు గ్రాఫ్ \(V_{in}\) మరియు \(\alpha\ ) మరియు \(\alpha\) ఒకేలాంటి నమూనాలను కలిగి ఉన్నాయని చూపిస్తుంది. \(l_0\) యొక్క చిన్న విలువలు అధిక పీక్ శక్తులకు దారితీస్తాయి. ఇతర రెండు ప్లాట్లు చిత్రం 6aకి అనుగుణంగా ఉంటాయి, ఇక్కడ n మరియు \(K_x\) ప్రతికూలంగా సహసంబంధం కలిగి ఉంటాయి మరియు \(V_{in}\) సానుకూలంగా సహసంబంధం కలిగి ఉంటాయి. ఈ విశ్లేషణ డ్రైవ్ సిస్టమ్ యొక్క అవుట్పుట్ ఫోర్స్, స్ట్రోక్ మరియు సామర్థ్యాన్ని అవసరాలు మరియు అనువర్తనానికి అనుగుణంగా మార్చగల ప్రభావితం చేసే పారామితులను నిర్వచించడానికి మరియు సర్దుబాటు చేయడానికి సహాయపడుతుంది.
ప్రస్తుత పరిశోధన పని N స్థాయిలతో క్రమానుగత డ్రైవ్లను పరిచయం చేస్తుంది మరియు పరిశోధిస్తుంది. రెండు-స్థాయి సోపానక్రమంలో, Fig. 7aలో చూపిన విధంగా, మొదటి స్థాయి యాక్యుయేటర్ యొక్క ప్రతి SMA వైర్కు బదులుగా, Fig. 9eలో చూపిన విధంగా ఒక బైమోడల్ అమరిక సాధించబడుతుంది. Fig. 7cలో SMA వైర్ రేఖాంశ దిశలో మాత్రమే కదిలే కదిలే చేయి (సహాయక చేయి) చుట్టూ ఎలా చుట్టబడిందో చూపిస్తుంది. అయితే, ప్రాథమిక కదిలే చేయి 1వ దశ బహుళ-దశ యాక్యుయేటర్ యొక్క కదిలే చేయి వలె కదులుతూనే ఉంటుంది. సాధారణంగా, \(N-1\) దశ SMA వైర్ను మొదటి-దశ డ్రైవ్తో భర్తీ చేయడం ద్వారా N-దశ డ్రైవ్ సృష్టించబడుతుంది. ఫలితంగా, వైర్ను కలిగి ఉన్న శాఖను మినహాయించి, ప్రతి శాఖ మొదటి దశ డ్రైవ్ను అనుకరిస్తుంది. ఈ విధంగా, ప్రాథమిక డ్రైవ్ల శక్తుల కంటే అనేక రెట్లు ఎక్కువ శక్తులను సృష్టించే నెస్టెడ్ నిర్మాణాలను ఏర్పరచవచ్చు. ఈ అధ్యయనంలో, ప్రతి స్థాయికి, 1 మీ మొత్తం ప్రభావవంతమైన SMA వైర్ పొడవును పరిగణనలోకి తీసుకున్నారు, ఇది Fig. 7d లో పట్టిక ఆకృతిలో చూపబడింది. ప్రతి యూనిమోడల్ డిజైన్లోని ప్రతి వైర్ ద్వారా కరెంట్ మరియు ప్రతి SMA వైర్ విభాగంలో ఫలితంగా వచ్చే ప్రీస్ట్రెస్ మరియు వోల్టేజ్ ప్రతి స్థాయిలో ఒకే విధంగా ఉంటాయి. మా విశ్లేషణాత్మక నమూనా ప్రకారం, అవుట్పుట్ ఫోర్స్ లెవల్తో సానుకూలంగా సహసంబంధం కలిగి ఉంటుంది, అయితే స్థానభ్రంశం ప్రతికూలంగా సహసంబంధం కలిగి ఉంటుంది. అదే సమయంలో, స్థానభ్రంశం మరియు కండరాల బలం మధ్య ట్రేడ్-ఆఫ్ ఉంది. Fig. 7b లో చూసినట్లుగా, అత్యధిక సంఖ్యలో పొరలలో గరిష్ట శక్తిని సాధించినప్పటికీ, అత్యల్ప పొరలో అతిపెద్ద స్థానభ్రంశం గమనించబడుతుంది. సోపానక్రమం స్థాయిని \(N=5\)కి సెట్ చేసినప్పుడు, 2 పరిశీలించిన స్ట్రోక్లతో 2.58 kN గరిష్ట కండరాల శక్తి కనుగొనబడింది \(\upmu\)m. మరోవైపు, మొదటి దశ డ్రైవ్ 277 \(\upmu\)m స్ట్రోక్ వద్ద 150 N శక్తిని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. బహుళ-స్థాయి యాక్యుయేటర్లు నిజమైన జీవసంబంధమైన కండరాలను అనుకరించగలవు, ఇక్కడ ఆకార జ్ఞాపక మిశ్రమాలపై ఆధారపడిన కృత్రిమ కండరాలు ఖచ్చితమైన మరియు సూక్ష్మమైన కదలికలతో గణనీయంగా అధిక శక్తులను ఉత్పత్తి చేయగలవు. ఈ సూక్ష్మీకరించిన డిజైన్ యొక్క పరిమితులు ఏమిటంటే, సోపానక్రమం పెరిగేకొద్దీ, కదలిక బాగా తగ్గుతుంది మరియు డ్రైవ్ తయారీ ప్రక్రియ యొక్క సంక్లిష్టత పెరుగుతుంది.
(ఎ) రెండు-దశల (\(N=2\)) లేయర్డ్ షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ లీనియర్ యాక్యుయేటర్ సిస్టమ్ బైమోడల్ కాన్ఫిగరేషన్లో చూపబడింది. మొదటి దశ లేయర్డ్ యాక్యుయేటర్లోని SMA వైర్ను మరొక సింగిల్ స్టేజ్ లేయర్డ్ యాక్యుయేటర్తో భర్తీ చేయడం ద్వారా ప్రతిపాదిత మోడల్ సాధించబడుతుంది. (సి) రెండవ దశ మల్టీలేయర్ యాక్యుయేటర్ యొక్క వికృతమైన కాన్ఫిగరేషన్. (బి) స్థాయిల సంఖ్యను బట్టి బలాలు మరియు స్థానభ్రంశాల పంపిణీ వివరించబడింది. యాక్యుయేటర్ యొక్క పీక్ ఫోర్స్ గ్రాఫ్లోని స్కేల్ లెవల్తో సానుకూలంగా సహసంబంధం కలిగి ఉందని, స్ట్రోక్ స్కేల్ లెవల్తో ప్రతికూలంగా సహసంబంధం కలిగి ఉందని కనుగొనబడింది. ప్రతి వైర్లోని కరెంట్ మరియు ప్రీ-వోల్టేజ్ అన్ని స్థాయిలలో స్థిరంగా ఉంటాయి. (డి) పట్టిక ప్రతి స్థాయిలో ట్యాప్ల సంఖ్య మరియు SMA వైర్ (ఫైబర్) పొడవును చూపుతుంది. వైర్ల లక్షణాలు సూచిక 1 ద్వారా సూచించబడతాయి మరియు ద్వితీయ శాఖల సంఖ్య (ప్రాథమిక లెగ్కు అనుసంధానించబడినది) సబ్స్క్రిప్ట్లోని అతిపెద్ద సంఖ్య ద్వారా సూచించబడుతుంది. ఉదాహరణకు, లెవల్ 5 వద్ద, \(n_1\) అనేది ప్రతి బైమోడల్ నిర్మాణంలో ఉన్న SMA వైర్ల సంఖ్యను సూచిస్తుంది మరియు \(n_5\) అనేది సహాయక కాళ్ల సంఖ్యను సూచిస్తుంది (ప్రధాన కాళ్లకు అనుసంధానించబడినది).
SMA ల ప్రవర్తనను షేప్ మెమరీతో మోడల్ చేయడానికి అనేక మంది పరిశోధకులు వివిధ పద్ధతులను ప్రతిపాదించారు, ఇది దశ పరివర్తనతో సంబంధం ఉన్న క్రిస్టల్ నిర్మాణంలో స్థూల మార్పులతో పాటు థర్మోమెకానికల్ లక్షణాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది. నిర్మాణాత్మక పద్ధతుల సూత్రీకరణ అంతర్గతంగా సంక్లిష్టంగా ఉంటుంది. సాధారణంగా ఉపయోగించే దృగ్విషయ నమూనాను తనకా28 ప్రతిపాదించింది మరియు ఇంజనీరింగ్ అనువర్తనాల్లో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది. తనకా [28] ప్రతిపాదించిన దృగ్విషయ నమూనా మార్టెన్సైట్ యొక్క వాల్యూమ్ భిన్నం ఉష్ణోగ్రత మరియు ఒత్తిడి యొక్క ఘాతాంక ఫంక్షన్ అని భావిస్తుంది. తరువాత, లియాంగ్ మరియు రోజర్స్29 మరియు బ్రిన్సన్30 ఒక నమూనాను ప్రతిపాదించారు, దీనిలో దశ పరివర్తన డైనమిక్స్ వోల్టేజ్ మరియు ఉష్ణోగ్రత యొక్క కొసైన్ ఫంక్షన్గా భావించబడింది, మోడల్కు స్వల్ప మార్పులతో. బెకర్ మరియు బ్రిన్సన్ ఏకపక్ష లోడింగ్ పరిస్థితులలో అలాగే పాక్షిక పరివర్తనలలో SMA పదార్థాల ప్రవర్తనను మోడల్ చేయడానికి దశ రేఖాచిత్రం ఆధారిత గతి నమూనాను ప్రతిపాదించారు. బెనర్జీ32 ఎలాహినియా మరియు అహ్మదియన్33 అభివృద్ధి చేసిన సింగిల్ డిగ్రీ ఫ్రీడమ్ మానిప్యులేటర్ను అనుకరించడానికి బెనర్జీ32 బెక్కర్ మరియు బ్రిన్సన్31 దశ రేఖాచిత్రం డైనమిక్స్ పద్ధతిని ఉపయోగిస్తుంది. ఉష్ణోగ్రతతో వోల్టేజ్లో నాన్మోనోటోనిక్ మార్పును పరిగణనలోకి తీసుకునే దశ రేఖాచిత్రాల ఆధారంగా కైనెటిక్ పద్ధతులు ఇంజనీరింగ్ అనువర్తనాల్లో అమలు చేయడం కష్టం. ఎలాఖినియా మరియు అహ్మదియన్ ఇప్పటికే ఉన్న దృగ్విషయ నమూనాల ఈ లోపాలను దృష్టిలో ఉంచుకుని, ఏదైనా సంక్లిష్ట లోడింగ్ పరిస్థితులలో ఆకార జ్ఞాపకశక్తి ప్రవర్తనను విశ్లేషించడానికి మరియు నిర్వచించడానికి విస్తరించిన దృగ్విషయ నమూనాను ప్రతిపాదిస్తారు.
SMA వైర్ యొక్క నిర్మాణ నమూనా SMA వైర్ యొక్క ఒత్తిడి (\(\sigma\)), స్ట్రెయిన్ (\(\epsilon\)), ఉష్ణోగ్రత (T), మరియు మార్టెన్సైట్ వాల్యూమ్ భిన్నం (\(\xi\)) లను ఇస్తుంది. దృగ్విషయ నిర్మాణాత్మక నమూనాను మొదట తనకా28 ప్రతిపాదించారు మరియు తరువాత లియాంగ్29 మరియు బ్రిన్సన్30 స్వీకరించారు. సమీకరణం యొక్క ఉత్పన్నం ఈ రూపాన్ని కలిగి ఉంది:
ఇక్కడ E అనేది దశ ఆధారిత SMA యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్ను \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) మరియు \(E_A\) మరియు \(E_M\) ఉపయోగించి పొందిన దశ ఆధారిత SMA యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్, యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్ను సూచిస్తుంది, వరుసగా ఆస్టెనిటిక్ మరియు మార్టెన్సిటిక్ దశలు, మరియు ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం \(\theta _T\) ద్వారా సూచించబడుతుంది. దశ పరివర్తన సహకార కారకం \(\Omega = -E \epsilon _L\) మరియు \(\epsilon _L\) అనేది SMA వైర్లో గరిష్టంగా తిరిగి పొందగల స్ట్రెయిన్.
దశ డైనమిక్స్ సమీకరణం, తనకా28 ప్రతిపాదించిన ఘాతాంక ఫంక్షన్కు బదులుగా లియాంగ్29 అభివృద్ధి చేసిన మరియు తరువాత బ్రిన్సన్30 స్వీకరించిన కొసైన్ ఫంక్షన్తో సమానంగా ఉంటుంది. దశ పరివర్తన నమూనా అనేది ఎలాఖినియా మరియు అహ్మదియన్34 ప్రతిపాదించిన మోడల్ యొక్క పొడిగింపు మరియు లియాంగ్29 మరియు బ్రిన్సన్30 ఇచ్చిన దశ పరివర్తన పరిస్థితుల ఆధారంగా సవరించబడింది. ఈ దశ పరివర్తన నమూనా కోసం ఉపయోగించే పరిస్థితులు సంక్లిష్టమైన థర్మోమెకానికల్ లోడ్ల కింద చెల్లుతాయి. ప్రతి క్షణంలో, నిర్మాణాత్మక సమీకరణాన్ని మోడలింగ్ చేసేటప్పుడు మార్టెన్సైట్ యొక్క వాల్యూమ్ భిన్నం యొక్క విలువ లెక్కించబడుతుంది.
మార్టెన్సైట్ను వేడి చేసే పరిస్థితుల్లో ఆస్టెనైట్గా మార్చడం ద్వారా వ్యక్తీకరించబడిన పాలక పునఃపరివర్తన సమీకరణం ఈ క్రింది విధంగా ఉంటుంది:
ఇక్కడ \(\xi\) అనేది మార్టెన్సైట్ యొక్క ఘనపరిమాణ భిన్నం, \(\xi _M\) అనేది వేడి చేయడానికి ముందు పొందిన మార్టెన్సైట్ యొక్క ఘనపరిమాణ భిన్నం, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) మరియు \(C_A\) – వక్రరేఖ ఉజ్జాయింపు పారామితులు, T – SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత, \(A_s\) మరియు \(A_f\) – ఆస్టెనైట్ దశ ప్రారంభం మరియు ముగింపు, వరుసగా, ఉష్ణోగ్రత.
శీతలీకరణ పరిస్థితులలో ఆస్టెనైట్ నుండి మార్టెన్సైట్కు దశ పరివర్తన ద్వారా సూచించబడే ప్రత్యక్ష పరివర్తన నియంత్రణ సమీకరణం:
ఇక్కడ \(\xi _A\) అనేది శీతలీకరణకు ముందు పొందిన మార్టెన్సైట్ యొక్క ఘనపరిమాణ భిన్నం, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) మరియు \ ( C_M \) – కర్వ్ ఫిట్టింగ్ పారామితులు, T – SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత, \(M_s\) మరియు \(M_f\) – ప్రారంభ మరియు చివరి మార్టెన్సైట్ ఉష్ణోగ్రతలు వరుసగా.
సమీకరణాలు (3) మరియు (4) లను భేదం చేసిన తర్వాత, విలోమ మరియు ప్రత్యక్ష పరివర్తన సమీకరణాలు ఈ క్రింది రూపానికి సరళీకరించబడతాయి:
ముందుకు మరియు వెనుకకు పరివర్తన సమయంలో \(\eta _{\sigma}\) మరియు \(\eta _{T}\) వేర్వేరు విలువలను తీసుకుంటాయి. \(\eta _{\sigma}\) మరియు \(\eta _{T}\) లతో అనుబంధించబడిన ప్రాథమిక సమీకరణాలను ఉత్పన్నం చేసి, అదనపు విభాగంలో వివరంగా చర్చించారు.
SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రతను పెంచడానికి అవసరమైన ఉష్ణ శక్తి జూల్ తాపన ప్రభావం నుండి వస్తుంది. SMA వైర్ ద్వారా గ్రహించబడిన లేదా విడుదల చేయబడిన ఉష్ణ శక్తి పరివర్తన యొక్క గుప్త వేడి ద్వారా సూచించబడుతుంది. SMA వైర్లో ఉష్ణ నష్టం బలవంతంగా ఉష్ణప్రసరణ కారణంగా ఉంటుంది మరియు రేడియేషన్ యొక్క అతితక్కువ ప్రభావాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, ఉష్ణ శక్తి సమతుల్య సమీకరణం క్రింది విధంగా ఉంటుంది:
\(m_{wire}\) అనేది SMA వైర్ యొక్క మొత్తం ద్రవ్యరాశి, \(c_{p}\) అనేది SMA యొక్క నిర్దిష్ట ఉష్ణ సామర్థ్యం, \(V_{in}\) అనేది వైర్కు వర్తించే వోల్టేజ్, \(R_{ohm} \ ) – దశ-ఆధారిత నిరోధకత SMA, ఇలా నిర్వచించబడింది; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) ఇక్కడ \(r_M\ ) మరియు \(r_A\) అనేవి మార్టెన్సైట్ మరియు ఆస్టెనైట్లలో వరుసగా SMA దశ నిరోధకత, \(A_{c}\) అనేది SMA వైర్ యొక్క ఉపరితల వైశాల్యం, \(\Delta H \) అనేది ఒక ఆకార మెమరీ మిశ్రమం. వైర్ యొక్క పరివర్తన యొక్క గుప్త వేడి, T మరియు \(T_{\infty}\) అనేది వరుసగా SMA వైర్ మరియు పర్యావరణం యొక్క ఉష్ణోగ్రతలు.
ఒక షేప్ మెమరీ అల్లాయ్ వైర్ యాక్చుయేట్ చేయబడినప్పుడు, వైర్ కంప్రెస్ అవుతుంది, బైమోడల్ డిజైన్ యొక్క ప్రతి శాఖలో ఫైబర్ ఫోర్స్ అని పిలువబడే ఒక బలాన్ని సృష్టిస్తుంది. SMA వైర్ యొక్క ప్రతి స్ట్రాండ్లోని ఫైబర్ల బలాలు కలిసి యాక్చుయేట్ చేయడానికి కండరాల శక్తిని సృష్టిస్తాయి, ఇది Fig. 9eలో చూపబడింది. బయాసింగ్ స్ప్రింగ్ ఉండటం వల్ల, Nth మల్టీలేయర్ యాక్చుయేటర్ యొక్క మొత్తం కండరాల శక్తి:
\(N = 1\) ను సమీకరణం (7) లోకి ప్రతిక్షేపిస్తే, మొదటి దశ బైమోడల్ డ్రైవ్ ప్రోటోటైప్ యొక్క కండరాల బలాన్ని ఈ క్రింది విధంగా పొందవచ్చు:
ఇక్కడ n అనేది యూనిమోడల్ కాళ్ల సంఖ్య, \(F_m\) అనేది డ్రైవ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన కండరాల శక్తి, \(F_f\) అనేది SMA వైర్లోని ఫైబర్ బలం, \(K_x\) అనేది బయాస్ దృఢత్వం. స్ప్రింగ్, \(\alpha\) అనేది త్రిభుజం యొక్క కోణం, \(x_0\) అనేది SMA కేబుల్ను ప్రీ-టెన్షన్డ్ స్థానంలో ఉంచడానికి బయాస్ స్ప్రింగ్ యొక్క ప్రారంభ ఆఫ్సెట్ మరియు \(\Delta x\) అనేది యాక్చుయేటర్ ప్రయాణం.
Nవ దశ యొక్క SMA వైర్పై వోల్టేజ్ (\(\sigma\)) మరియు స్ట్రెయిన్ (\(\epsilon\)) ఆధారంగా డ్రైవ్ (\(\Delta x\)) యొక్క మొత్తం స్థానభ్రంశం లేదా కదలిక, డ్రైవ్ దీనికి సెట్ చేయబడింది (అవుట్పుట్ యొక్క అదనపు భాగం Fig. చూడండి):
కైనమాటిక్ సమీకరణాలు డ్రైవ్ డిఫార్మేషన్ (\(\ఎప్సిలాన్\)) మరియు స్థానభ్రంశం లేదా స్థానభ్రంశం (\(\డెల్టా x\)) మధ్య సంబంధాన్ని ఇస్తాయి. ఒక యూనిమోడల్ బ్రాంచ్లో ఏ సమయంలోనైనా t వద్ద ప్రారంభ ఆర్బ్ వైర్ పొడవు (\(l_0\)) మరియు వైర్ పొడవు (l) యొక్క ఫంక్షన్గా ఆర్బ్ వైర్ యొక్క డిఫార్మేషన్ ఈ క్రింది విధంగా ఉంటుంది:
ఇక్కడ \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) అనేది \(\Delta\)ABB 'లో కోసైన్ సూత్రాన్ని వర్తింపజేయడం ద్వారా పొందబడుతుంది, ఇది చిత్రం 8లో చూపబడింది. మొదటి దశ డ్రైవ్ (\(N = 1\) కోసం, \(\Delta x_1\) అనేది \(\Delta x\), మరియు \(\alpha _1\) అనేది \(\alpha \) లో చూపబడింది. చిత్రం 8లో చూపిన విధంగా, సమీకరణం (11) నుండి సమయాన్ని వేరు చేసి l విలువను ప్రత్యామ్నాయం చేయడం ద్వారా, స్ట్రెయిన్ రేటును ఇలా వ్రాయవచ్చు:
ఇక్కడ \(l_0\) అనేది SMA వైర్ యొక్క ప్రారంభ పొడవు, l అనేది ఒక యూనిమోడల్ బ్రాంచ్లో ఏ సమయంలోనైనా t వద్ద ఉన్న వైర్ యొక్క పొడవు, \(\epsilon\) అనేది SMA వైర్లో అభివృద్ధి చెందిన వైకల్యం, మరియు \(\alpha \) అనేది త్రిభుజం యొక్క కోణం, \(\Delta x\) అనేది డ్రైవ్ ఆఫ్సెట్ (చిత్రం 8లో చూపిన విధంగా).
ఈ చిత్రంలో అన్ని n సింగిల్-పీక్ నిర్మాణాలు (\(n=6\)) ఇన్పుట్ వోల్టేజ్గా \(V_{in}\) తో సిరీస్లో అనుసంధానించబడి ఉన్నాయి. దశ I: సున్నా వోల్టేజ్ పరిస్థితులలో బైమోడల్ కాన్ఫిగరేషన్లో SMA వైర్ యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం దశ II: ఎరుపు రేఖ ద్వారా చూపబడిన విధంగా విలోమ మార్పిడి కారణంగా SMA వైర్ కుదించబడిన చోట నియంత్రిత నిర్మాణం చూపబడుతుంది.
భావనకు రుజువుగా, ప్రయోగాత్మక ఫలితాలతో అంతర్లీన సమీకరణాల యొక్క అనుకరణ ఉత్పన్నాన్ని పరీక్షించడానికి SMA-ఆధారిత బైమోడల్ డ్రైవ్ అభివృద్ధి చేయబడింది. బైమోడల్ లీనియర్ యాక్యుయేటర్ యొక్క CAD మోడల్ అంజీర్ 9aలో చూపబడింది. మరోవైపు, అంజీర్ 9cలో బైమోడల్ నిర్మాణంతో రెండు-ప్లేన్ SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ను ఉపయోగించి భ్రమణ ప్రిస్మాటిక్ కనెక్షన్ కోసం ప్రతిపాదించబడిన కొత్త డిజైన్ను చూపిస్తుంది. డ్రైవ్ భాగాలు అల్టిమేకర్ 3 ఎక్స్టెండెడ్ 3D ప్రింటర్పై సంకలిత తయారీని ఉపయోగించి తయారు చేయబడ్డాయి. భాగాల 3D ప్రింటింగ్ కోసం ఉపయోగించే పదార్థం పాలికార్బోనేట్, ఇది బలమైనది, మన్నికైనది మరియు అధిక గాజు పరివర్తన ఉష్ణోగ్రత (110-113 \(^{\circ }\) C) కలిగి ఉండటం వలన వేడి నిరోధక పదార్థాలకు అనుకూలంగా ఉంటుంది. అదనంగా, డైనల్లాయ్, ఇంక్. ఫ్లెక్సినాల్ ఆకారపు మెమరీ అల్లాయ్ వైర్ను ప్రయోగాలలో ఉపయోగించారు మరియు ఫ్లెక్సినాల్ వైర్కు సంబంధించిన పదార్థ లక్షణాలను అనుకరణలలో ఉపయోగించారు. బహుళ SMA వైర్లు బహుళ పొరల యాక్యుయేటర్ల ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన అధిక శక్తులను పొందేందుకు కండరాల ద్వినమూనా అమరికలో ఫైబర్లుగా అమర్చబడి ఉంటాయి, ఇది Fig. 9b, dలో చూపబడింది.
Figure 9a లో చూపిన విధంగా, కదిలే చేయి SMA వైర్ ద్వారా ఏర్పడిన తీవ్రమైన కోణాన్ని కోణం (\(\alpha\) అంటారు. ఎడమ మరియు కుడి క్లాంప్లకు టెర్మినల్ క్లాంప్లు జతచేయబడి, SMA వైర్ కావలసిన బైమోడల్ కోణంలో ఉంచబడుతుంది. స్ప్రింగ్ కనెక్టర్పై ఉంచబడిన బయాస్ స్ప్రింగ్ పరికరం SMA ఫైబర్ల సంఖ్య (n) ప్రకారం వేర్వేరు బయాస్ స్ప్రింగ్ ఎక్స్టెన్షన్ గ్రూపులను సర్దుబాటు చేయడానికి రూపొందించబడింది. అదనంగా, కదిలే భాగాల స్థానం రూపొందించబడింది, తద్వారా SMA వైర్ బలవంతంగా ఉష్ణప్రసరణ శీతలీకరణ కోసం బాహ్య వాతావరణానికి బహిర్గతమవుతుంది. వేరు చేయగల అసెంబ్లీ యొక్క ఎగువ మరియు దిగువ ప్లేట్లు బరువును తగ్గించడానికి రూపొందించిన ఎక్స్ట్రూడెడ్ కటౌట్లతో SMA వైర్ను చల్లగా ఉంచడంలో సహాయపడతాయి. అదనంగా, CMA వైర్ యొక్క రెండు చివరలను క్రింప్ ద్వారా వరుసగా ఎడమ మరియు కుడి టెర్మినల్లకు స్థిరంగా ఉంచుతారు. ఎగువ మరియు దిగువ ప్లేట్ల మధ్య క్లియరెన్స్ను నిర్వహించడానికి కదిలే అసెంబ్లీ యొక్క ఒక చివరకు ప్లంగర్ జోడించబడుతుంది. SMA వైర్ యాక్చుయేట్ చేయబడినప్పుడు బ్లాకింగ్ ఫోర్స్ను కొలవడానికి కాంటాక్ట్ ద్వారా సెన్సార్కు బ్లాకింగ్ ఫోర్స్ను వర్తింపజేయడానికి కూడా ప్లంగర్ ఉపయోగించబడుతుంది.
ద్విమోడల్ కండరాల నిర్మాణం SMA సిరీస్లో విద్యుత్తుగా అనుసంధానించబడి ఇన్పుట్ పల్స్ వోల్టేజ్ ద్వారా శక్తిని పొందుతుంది. వోల్టేజ్ పల్స్ చక్రంలో, వోల్టేజ్ వర్తించినప్పుడు మరియు SMA వైర్ను ఆస్టెనైట్ యొక్క ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత కంటే ఎక్కువగా వేడి చేసినప్పుడు, ప్రతి స్ట్రాండ్లోని వైర్ యొక్క పొడవు తగ్గించబడుతుంది. ఈ ఉపసంహరణ కదిలే ఆర్మ్ సబ్అసెంబ్లీని సక్రియం చేస్తుంది. అదే చక్రంలో వోల్టేజ్ సున్నా చేయబడినప్పుడు, వేడిచేసిన SMA వైర్ మార్టెన్సైట్ ఉపరితలం యొక్క ఉష్ణోగ్రత కంటే తక్కువగా చల్లబడుతుంది, తద్వారా దాని అసలు స్థానానికి తిరిగి వస్తుంది. సున్నా ఒత్తిడి పరిస్థితులలో, SMA వైర్ మొదట బయాస్ స్ప్రింగ్ ద్వారా నిష్క్రియాత్మకంగా విస్తరించి డిట్విన్డ్ మార్టెన్సిటిక్ స్థితిని చేరుకుంటుంది. SMA వైర్ పాస్ అయ్యే స్క్రూ, SMA వైర్కు వోల్టేజ్ పల్స్ను వర్తింపజేయడం ద్వారా సృష్టించబడిన కుదింపు కారణంగా కదులుతుంది (SPA ఆస్టెనైట్ దశకు చేరుకుంటుంది), ఇది కదిలే లివర్ యొక్క యాక్చుయేషన్కు దారితీస్తుంది. SMA వైర్ ఉపసంహరించబడినప్పుడు, బయాస్ స్ప్రింగ్ స్ప్రింగ్ను మరింత సాగదీయడం ద్వారా వ్యతిరేక శక్తిని సృష్టిస్తుంది. ఇంపల్స్ వోల్టేజ్లోని ఒత్తిడి సున్నా అయినప్పుడు, బలవంతంగా ఉష్ణప్రసరణ శీతలీకరణ కారణంగా SMA వైర్ పొడిగిపోయి దాని ఆకారాన్ని మారుస్తుంది, డబుల్ మార్టెన్సిటిక్ దశకు చేరుకుంటుంది.
ప్రతిపాదిత SMA-ఆధారిత లీనియర్ యాక్యుయేటర్ సిస్టమ్ SMA వైర్లు కోణీయంగా ఉండే బైమోడల్ కాన్ఫిగరేషన్ను కలిగి ఉంది. (a) ప్రోటోటైప్ యొక్క CAD మోడల్ను వర్ణిస్తుంది, ఇది కొన్ని భాగాలు మరియు ప్రోటోటైప్ కోసం వాటి అర్థాలను ప్రస్తావిస్తుంది, (b, d) అభివృద్ధి చెందిన ప్రయోగాత్మక ప్రోటోటైప్ను సూచిస్తుంది35. (b) విద్యుత్ కనెక్షన్లు మరియు బయాస్ స్ప్రింగ్లు మరియు స్ట్రెయిన్ గేజ్లతో ప్రోటోటైప్ యొక్క టాప్ వ్యూను చూపిస్తుంది, (d) సెటప్ యొక్క పెర్స్పెక్టివ్ వ్యూను చూపుతుంది. (e) ఫైబర్ మరియు కండరాల బలం యొక్క దిశ మరియు కోర్సును చూపుతూ, ఏ సమయంలోనైనా బైమోడల్గా ఉంచబడిన SMA వైర్లతో కూడిన లీనియర్ యాక్చుయేషన్ సిస్టమ్ యొక్క రేఖాచిత్రం. (c) రెండు-ప్లేన్ SMA-ఆధారిత యాక్యుయేటర్ను అమలు చేయడానికి 2-DOF భ్రమణ ప్రిస్మాటిక్ కనెక్షన్ ప్రతిపాదించబడింది. చూపిన విధంగా, లింక్ దిగువ డ్రైవ్ నుండి పై చేయికి లీనియర్ మోషన్ను ప్రసారం చేస్తుంది, భ్రమణ కనెక్షన్ను సృష్టిస్తుంది. మరోవైపు, ప్రిజమ్ల జత యొక్క కదలిక మల్టీలేయర్ మొదటి దశ డ్రైవ్ యొక్క కదలికకు సమానంగా ఉంటుంది.
SMA ఆధారంగా బైమోడల్ డ్రైవ్ యొక్క పనితీరును అంచనా వేయడానికి Fig. 9bలో చూపిన ప్రోటోటైప్పై ఒక ప్రయోగాత్మక అధ్యయనం జరిగింది. Fig. 10aలో చూపినట్లుగా, ప్రయోగాత్మక సెటప్ SMA వైర్లకు ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ను సరఫరా చేయడానికి ప్రోగ్రామబుల్ DC పవర్ సప్లైని కలిగి ఉంది. Fig. 10bలో చూపినట్లుగా, గ్రాఫ్టెక్ GL-2000 డేటా లాగర్ను ఉపయోగించి బ్లాకింగ్ ఫోర్స్ను కొలవడానికి పైజోఎలెక్ట్రిక్ స్ట్రెయిన్ గేజ్ (PACEline CFT/5kN) ఉపయోగించబడింది. తదుపరి అధ్యయనం కోసం హోస్ట్ ద్వారా డేటా రికార్డ్ చేయబడుతుంది. వోల్టేజ్ సిగ్నల్ను ఉత్పత్తి చేయడానికి స్ట్రెయిన్ గేజ్లు మరియు ఛార్జ్ యాంప్లిఫైయర్లకు స్థిరమైన విద్యుత్ సరఫరా అవసరం. టేబుల్ 2లో వివరించిన విధంగా పైజోఎలెక్ట్రిక్ ఫోర్స్ సెన్సార్ మరియు ఇతర పారామితుల యొక్క సున్నితత్వం ప్రకారం సంబంధిత సిగ్నల్లను పవర్ అవుట్పుట్లుగా మార్చబడతాయి. వోల్టేజ్ పల్స్ను వర్తింపజేసినప్పుడు, SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది, దీని వలన SMA వైర్ కుదించబడుతుంది, ఇది యాక్యుయేటర్ శక్తిని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. 7 V యొక్క ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పల్స్ ద్వారా కండరాల బలం యొక్క అవుట్పుట్ యొక్క ప్రయోగాత్మక ఫలితాలు Fig. 2aలో చూపబడ్డాయి.
(ఎ) యాక్చుయేటర్ ద్వారా ఉత్పత్తి అయ్యే శక్తిని కొలవడానికి ప్రయోగంలో SMA-ఆధారిత లీనియర్ యాక్చుయేటర్ వ్యవస్థను ఏర్పాటు చేశారు. లోడ్ సెల్ బ్లాకింగ్ శక్తిని కొలుస్తుంది మరియు 24 V DC విద్యుత్ సరఫరా ద్వారా శక్తిని పొందుతుంది. GW ఇన్స్టెక్ ప్రోగ్రామబుల్ DC విద్యుత్ సరఫరాను ఉపయోగించి కేబుల్ మొత్తం పొడవునా 7 V వోల్టేజ్ డ్రాప్ వర్తించబడింది. వేడి కారణంగా SMA వైర్ కుంచించుకుపోతుంది మరియు కదిలే చేయి లోడ్ సెల్ను సంప్రదిస్తుంది మరియు బ్లాకింగ్ శక్తిని ప్రయోగిస్తుంది. లోడ్ సెల్ GL-2000 డేటా లాగర్కు అనుసంధానించబడి ఉంటుంది మరియు తదుపరి ప్రాసెసింగ్ కోసం డేటా హోస్ట్లో నిల్వ చేయబడుతుంది. (బి) కండరాల బలాన్ని కొలవడానికి ప్రయోగాత్మక సెటప్ యొక్క భాగాల గొలుసును చూపించే రేఖాచిత్రం.
ఆకార మెమరీ మిశ్రమలోహాలు ఉష్ణ శక్తి ద్వారా ఉత్తేజితమవుతాయి, కాబట్టి ఆకార మెమరీ దృగ్విషయాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి ఉష్ణోగ్రత ఒక ముఖ్యమైన పరామితిగా మారుతుంది. ప్రయోగాత్మకంగా, Fig. 11aలో చూపిన విధంగా, SMA-ఆధారిత డైవలరేట్ యాక్యుయేటర్పై థర్మల్ ఇమేజింగ్ మరియు ఉష్ణోగ్రత కొలతలు నిర్వహించబడ్డాయి. Fig. 11bలో చూపిన విధంగా, ప్రోగ్రామబుల్ DC మూలం ప్రయోగాత్మక సెటప్లోని SMA వైర్లకు ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ను వర్తింపజేసింది. SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత మార్పును అధిక రిజల్యూషన్ LWIR కెమెరా (FLIR A655sc) ఉపయోగించి నిజ సమయంలో కొలుస్తారు. తదుపరి పోస్ట్-ప్రాసెసింగ్ కోసం డేటాను రికార్డ్ చేయడానికి హోస్ట్ ResearchIR సాఫ్ట్వేర్ను ఉపయోగిస్తుంది. వోల్టేజ్ పల్స్ వర్తించినప్పుడు, SMA వైర్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది, దీని వలన SMA వైర్ కుంచించుకుపోతుంది. అత్తి పండ్లలో. Fig. 2b SMA వైర్ ఉష్ణోగ్రత మరియు 7V ఇన్పుట్ వోల్టేజ్ పల్స్ కోసం సమయం యొక్క ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను చూపుతుంది.
పోస్ట్ సమయం: సెప్టెంబర్-28-2022
