ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการรองรับ CSS ที่จำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าจะได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงผลไซต์โดยไม่ใช้รูปแบบและ JavaScript
แอคชูเอเตอร์ถูกใช้ทุกที่และสร้างการเคลื่อนไหวที่ควบคุมได้โดยใช้แรงกระตุ้นหรือแรงบิดที่ถูกต้องเพื่อดำเนินการต่างๆ ในการผลิตและระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม ความต้องการไดรฟ์ที่เร็วขึ้น เล็กลง และมีประสิทธิภาพมากขึ้นเป็นแรงผลักดันให้เกิดนวัตกรรมในการออกแบบไดรฟ์ ไดรฟ์ Shape Memory Alloy (SMA) มีข้อได้เปรียบหลายประการเหนือไดรฟ์แบบเดิม รวมถึงอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักที่สูง ในวิทยานิพนธ์นี้ ได้มีการพัฒนาแอคชูเอเตอร์ที่ใช้ SMA แบบสองขนที่ผสมผสานข้อดีของกล้ามเนื้อแบบขนของระบบชีวภาพและคุณสมบัติเฉพาะของ SMA การศึกษาครั้งนี้สำรวจและขยายแอคชูเอเตอร์ SMA รุ่นก่อนๆ โดยพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของแอคชูเอเตอร์ใหม่โดยอิงจากการจัดเรียงลวด SMA แบบสองโหมดและทดสอบในเชิงทดลอง เมื่อเปรียบเทียบกับไดรฟ์ที่รู้จักที่ใช้ SMA แรงกระตุ้นของไดรฟ์ใหม่จะสูงกว่าอย่างน้อย 5 เท่า (สูงสุด 150 นิวตัน) การสูญเสียน้ำหนักที่สอดคล้องกันอยู่ที่ประมาณ 67% ผลลัพธ์ของการวิเคราะห์ความไวของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์มีประโยชน์สำหรับการปรับพารามิเตอร์การออกแบบและการทำความเข้าใจพารามิเตอร์ที่สำคัญ การศึกษาครั้งนี้ยังนำเสนอไดรฟ์ Nth Stage แบบหลายระดับที่สามารถใช้เพื่อปรับปรุงพลวัตให้ดียิ่งขึ้น ตัวกระตุ้นกล้ามเนื้อ Dipvalerate ที่ใช้ SMA มีการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ระบบอัตโนมัติในอาคารไปจนถึงระบบส่งยาที่แม่นยำ
ระบบทางชีววิทยา เช่น โครงสร้างกล้ามเนื้อของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม สามารถกระตุ้นตัวกระตุ้นที่ละเอียดอ่อนได้หลายอย่าง1 สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีโครงสร้างกล้ามเนื้อที่แตกต่างกัน โดยแต่ละโครงสร้างทำหน้าที่เฉพาะ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างของเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมส่วนใหญ่สามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ กล้ามเนื้อขนานและกล้ามเนื้อเพนเนต ในกล้ามเนื้อแฮมสตริงและกล้ามเนื้อเฟลกเซอร์อื่นๆ ตามชื่อที่บ่งบอก กล้ามเนื้อขนานจะมีเส้นใยกล้ามเนื้อขนานกับเอ็นกลาง โซ่ของเส้นใยกล้ามเนื้อจะเรียงกันและเชื่อมต่อกันด้วยเนื้อเยื่อเกี่ยวพันรอบๆ แม้ว่าจะกล่าวกันว่ากล้ามเนื้อเหล่านี้มีการเคลื่อนตัวมาก (เป็นเปอร์เซ็นต์ที่สั้นลง) แต่ความแข็งแรงของกล้ามเนื้อโดยรวมนั้นจำกัดมาก ในทางตรงกันข้าม ในกล้ามเนื้อน่อง triceps2 (กล้ามเนื้อน่องด้านข้าง (GL)3, กล้ามเนื้อน่องด้านใน (GM)4 และกล้ามเนื้อฝ่าเท้า (SOL)) และกล้ามเนื้อเหยียดต้นขา (quadriceps)5,6 จะพบเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อเพนเนตในกล้ามเนื้อแต่ละส่วน7 โครงสร้างแบบขนนก เส้นใยกล้ามเนื้อในกล้ามเนื้อแบบขนนกจะอยู่ทั้งสองด้านของเอ็นกลางในมุมเฉียง (มุมขนนก) ขนนกมาจากคำละตินว่า “penna” ซึ่งแปลว่า “ปากกา” และจากภาพที่ 1 มีลักษณะเหมือนขนนก เส้นใยของกล้ามเนื้อแบบขนนกสั้นกว่าและเอียงไปทางแกนตามยาวของกล้ามเนื้อ เนื่องจากโครงสร้างแบบขนนก กล้ามเนื้อเหล่านี้จึงเคลื่อนไหวได้น้อยลงโดยรวม ซึ่งนำไปสู่องค์ประกอบตามขวางและตามยาวของกระบวนการหดตัว ในทางกลับกัน การกระตุ้นกล้ามเนื้อเหล่านี้ทำให้กล้ามเนื้อโดยรวมมีความแข็งแรงมากขึ้นเนื่องจากวิธีการวัดพื้นที่หน้าตัดทางสรีรวิทยา ดังนั้น กล้ามเนื้อแบบขนนกจะแข็งแรงกว่าและจะสร้างแรงที่สูงกว่ากล้ามเนื้อที่มีเส้นใยขนานกันในพื้นที่หน้าตัดที่กำหนด แรงที่เกิดจากเส้นใยแต่ละเส้นจะสร้างแรงของกล้ามเนื้อในระดับมหภาคในเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อนั้น นอกจากนี้ ยังมีคุณสมบัติพิเศษ เช่น การหดตัวอย่างรวดเร็ว การป้องกันความเสียหายจากการดึง และการรองรับแรงกระแทก มันเปลี่ยนแปลงความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตของเส้นใยและเอาต์พุตของพลังงานของกล้ามเนื้อโดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะและความซับซ้อนทางเรขาคณิตของการจัดเรียงเส้นใยที่เกี่ยวข้องกับเส้นการทำงานของกล้ามเนื้อ
แผนภาพแสดงการออกแบบตัวกระตุ้นที่ใช้ SMA ที่มีอยู่ซึ่งสัมพันธ์กับโครงสร้างกล้ามเนื้อแบบสองโหมด เช่น (ก) แสดงถึงปฏิสัมพันธ์ของแรงสัมผัสซึ่งอุปกรณ์รูปมือที่กระตุ้นด้วยสาย SMA ถูกติดตั้งบนหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติสองล้อ9,10 (ข) โปรสธีซิสเบ้าตาแบบหุ่นยนต์ที่มีโปรสธีซิสเบ้าตาแบบสปริง SMA วางตรงข้ามกัน ตำแหน่งของตาเทียมจะถูกควบคุมโดยสัญญาณจากกล้ามเนื้อตาของตา11 (ค) ตัวกระตุ้น SMA เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานใต้น้ำเนื่องจากตอบสนองความถี่สูงและแบนด์วิดท์ต่ำ ในการกำหนดค่านี้ แอคชูเอเตอร์ SMA จะใช้เพื่อสร้างการเคลื่อนที่ของคลื่นโดยจำลองการเคลื่อนที่ของปลา (d) แอคชูเอเตอร์ SMA จะใช้เพื่อสร้างหุ่นยนต์ตรวจสอบท่อขนาดเล็กที่สามารถใช้หลักการเคลื่อนที่แบบหนอนนิ้ว ซึ่งควบคุมโดยการเคลื่อนที่ของสาย SMA ภายในช่อง 10 (e) แสดงทิศทางการหดตัวของเส้นใยกล้ามเนื้อและการสร้างแรงหดตัวในเนื้อเยื่อน่อง (f) แสดงสาย SMA ที่จัดเรียงในรูปแบบของเส้นใยกล้ามเนื้อในโครงสร้างกล้ามเนื้อปลายแหลม
แอคชูเอเตอร์ได้กลายมาเป็นส่วนสำคัญของระบบกลไกเนื่องจากมีขอบเขตการใช้งานที่กว้างขวาง ดังนั้น ความต้องการไดรฟ์ที่มีขนาดเล็กกว่า เร็วกว่า และมีประสิทธิภาพมากกว่าจึงมีความสำคัญ แม้จะมีข้อดีหลายประการ แต่ไดรฟ์แบบดั้งเดิมก็พิสูจน์แล้วว่ามีราคาแพงและใช้เวลาในการบำรุงรักษานาน แอคชูเอเตอร์ไฮดรอลิกและนิวเมติกมีความซับซ้อนและมีราคาแพง และอาจเกิดการสึกหรอ ปัญหาการหล่อลื่น และชิ้นส่วนล้มเหลว เพื่อตอบสนองต่อความต้องการ เราจึงมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาแอคชูเอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพคุ้มทุน มีขนาดเหมาะสม และทันสมัยโดยใช้วัสดุอัจฉริยะ การวิจัยอย่างต่อเนื่องกำลังพิจารณาแอคชูเอเตอร์แบบมีชั้นของโลหะผสมที่จำรูปร่าง (SMA) เพื่อตอบสนองความต้องการนี้ แอคชูเอเตอร์แบบลำดับชั้นมีความโดดเด่นเฉพาะตัวตรงที่รวมแอคชูเอเตอร์แยกส่วนจำนวนมากเข้าไว้ในระบบย่อยขนาดมหภาคที่ซับซ้อนทางเรขาคณิตเพื่อเพิ่มและขยายฟังก์ชันการทำงาน ในเรื่องนี้ เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อมนุษย์ที่อธิบายไว้ข้างต้นเป็นตัวอย่างหลายชั้นที่ยอดเยี่ยมของการทำงานหลายชั้นดังกล่าว การศึกษาปัจจุบันอธิบายถึงไดรฟ์ SMA หลายระดับที่มีองค์ประกอบไดรฟ์แต่ละองค์ประกอบ (สาย SMA) หลายตัวที่จัดตำแหน่งให้ตรงกับทิศทางของเส้นใยที่มีอยู่ในกล้ามเนื้อแบบสองโหมด ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของไดรฟ์
วัตถุประสงค์หลักของตัวกระตุ้นคือการสร้างพลังงานกล เช่น แรงและการเคลื่อนที่ โดยการแปลงพลังงานไฟฟ้า โลหะผสมที่มีหน่วยความจำรูปร่างเป็นวัสดุ "อัจฉริยะ" ประเภทหนึ่งที่สามารถคืนรูปร่างได้ที่อุณหภูมิสูง ภายใต้ภาระงานสูง การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของสาย SMA จะนำไปสู่การคืนรูปร่าง ส่งผลให้ความหนาแน่นของพลังงานการทำงานสูงขึ้นเมื่อเทียบกับวัสดุอัจฉริยะที่ยึดติดโดยตรงต่างๆ ในขณะเดียวกัน ภายใต้ภาระงานทางกล SMA จะเปราะบาง ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง ภาระแบบวงจรสามารถดูดซับและปลดปล่อยพลังงานกล ซึ่งแสดงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแบบฮิสทีเรียที่กลับคืนได้ คุณสมบัติเฉพาะเหล่านี้ทำให้ SMA เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเซ็นเซอร์ การหน่วงการสั่นสะเทือน และโดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวกระตุ้น12 ด้วยเหตุนี้ จึงมีการวิจัยเกี่ยวกับไดรฟ์ที่ใช้ SMA เป็นจำนวนมาก ควรสังเกตว่าตัวกระตุ้นที่ใช้ SMA ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่แบบแปลและหมุนสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย13,14,15 แม้ว่าจะมีการพัฒนาตัวกระตุ้นแบบหมุนบางรุ่น แต่ผู้วิจัยให้ความสนใจตัวกระตุ้นเชิงเส้นเป็นพิเศษ ตัวกระตุ้นเชิงเส้นเหล่านี้สามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทของตัวกระตุ้น ได้แก่ ตัวกระตุ้นแบบมิติเดียว ตัวกระตุ้นแบบการเคลื่อนที่ และตัวกระตุ้นแบบต่าง 16 ในช่วงแรก ไดรฟ์ไฮบริดถูกสร้างขึ้นโดยใช้ร่วมกับ SMA และไดรฟ์ทั่วไปอื่นๆ ตัวอย่างหนึ่งของตัวกระตุ้นเชิงเส้นไฮบริดที่ใช้ SMA คือการใช้ลวด SMA กับมอเตอร์ DC เพื่อให้เกิดแรงส่งออกประมาณ 100 นิวตันและการเคลื่อนที่อย่างมีนัยสำคัญ 17
การพัฒนาระบบขับเคลื่อนที่ใช้ SMA ทั้งหมดในยุคแรกๆ อย่างหนึ่งก็คือระบบขับเคลื่อนแบบขนาน SMA ระบบขับเคลื่อนแบบขนานที่ใช้ SMA ได้รับการออกแบบมาให้เพิ่มความสามารถในการจ่ายพลังงานของระบบขับเคลื่อนโดยการวางสาย SMA18 ทั้งหมดแบบขนาน การเชื่อมต่อแบบขนานของตัวกระตุ้นไม่เพียงแต่ต้องใช้พลังงานมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังจำกัดพลังงานเอาต์พุตของสายเดียวอีกด้วย ข้อเสียอีกประการหนึ่งของตัวกระตุ้นที่ใช้ SMA คือการเคลื่อนที่ที่จำกัด เพื่อแก้ปัญหานี้ จึงได้สร้างลำแสงสายเคเบิล SMA ที่มีลำแสงที่โค้งงอได้เพื่อเพิ่มการเคลื่อนที่และให้เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง แต่จะไม่ก่อให้เกิดแรงที่มากขึ้น19 โครงสร้างและผ้าที่ยืดหยุ่นได้และอ่อนนุ่มสำหรับหุ่นยนต์ที่ใช้โลหะผสมที่มีหน่วยความจำรูปร่างได้รับการพัฒนาขึ้นโดยเฉพาะสำหรับการขยายแรงกระแทก20,21,22 สำหรับการใช้งานที่ต้องใช้ความเร็วสูง มีรายงานว่าปั๊มขับเคลื่อนแบบกะทัดรัดใช้ SMA แบบฟิล์มบางสำหรับการใช้งานที่ขับเคลื่อนด้วยไมโครปั๊ม23 ความถี่ของระบบขับเคลื่อนของเมมเบรน SMA แบบฟิล์มบางเป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุมความเร็วของระบบขับเคลื่อน ดังนั้นมอเตอร์เชิงเส้น SMA จึงมีการตอบสนองแบบไดนามิกที่ดีกว่ามอเตอร์สปริงหรือแกน SMA หุ่นยนต์อ่อนและเทคโนโลยีการจับยึดเป็นอีกสองการใช้งานที่ใช้ตัวกระตุ้นที่ใช้ SMA ตัวอย่างเช่น เพื่อแทนที่ตัวกระตุ้นมาตรฐานที่ใช้ในแคลมป์ช่องว่าง 25 N จึงได้มีการพัฒนาตัวกระตุ้นแบบขนานโลหะผสมที่มีหน่วยความจำรูปร่าง 24 ในกรณีอื่น ตัวกระตุ้นอ่อน SMA ถูกผลิตขึ้นโดยใช้ลวดที่มีเมทริกซ์ฝังอยู่ซึ่งสามารถสร้างแรงดึงสูงสุด 30 N เนื่องจากคุณสมบัติเชิงกลของ SMA จึงใช้ SMA เพื่อผลิตตัวกระตุ้นที่เลียนแบบปรากฏการณ์ทางชีววิทยา หนึ่งในการพัฒนาดังกล่าวได้แก่ หุ่นยนต์ 12 เซลล์ที่เลียนแบบสิ่งมีชีวิตคล้ายไส้เดือนด้วย SMA เพื่อสร้างการเคลื่อนที่แบบไซน์เพื่อจุดไฟ26,27
ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ มีข้อจำกัดสำหรับแรงสูงสุดที่สามารถได้รับจากตัวกระตุ้นที่ใช้ SMA ที่มีอยู่ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ การศึกษานี้จึงนำเสนอโครงสร้างกล้ามเนื้อแบบสองโหมดที่เลียนแบบชีวภาพ ซึ่งขับเคลื่อนด้วยลวดโลหะผสมที่จดจำรูปร่าง โดยให้ระบบการจำแนกประเภทที่รวมถึงลวดโลหะผสมที่จดจำรูปร่างหลายเส้น จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีรายงานตัวกระตุ้นที่ใช้ SMA ที่มีโครงสร้างคล้ายกันในเอกสารใดๆ ระบบใหม่ที่เป็นเอกลักษณ์และไม่เหมือนใครนี้ซึ่งใช้ SMA ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อศึกษาพฤติกรรมของ SMA ในระหว่างการจัดแนวกล้ามเนื้อแบบสองโหมด เมื่อเปรียบเทียบกับตัวกระตุ้นที่ใช้ SMA ที่มีอยู่แล้ว เป้าหมายของการศึกษานี้คือการสร้างตัวกระตุ้นแบบ Dipvalerate ที่เลียนแบบชีวภาพเพื่อสร้างแรงที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในปริมาณที่น้อย เมื่อเปรียบเทียบกับไดรฟ์ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบธรรมดาที่ใช้ในระบบอัตโนมัติและระบบควบคุมอาคาร HVAC การออกแบบไดรฟ์แบบสองโหมดที่ใช้ SMA ที่เสนอมานั้นลดน้ำหนักของกลไกไดรฟ์ได้ 67% ในส่วนต่อไปนี้ คำว่า "กล้ามเนื้อ" และ "ไดรฟ์" จะใช้แทนกันได้ การศึกษานี้ศึกษาการจำลองมัลติฟิสิกส์ของไดรฟ์ดังกล่าว พฤติกรรมทางกลของระบบดังกล่าวได้รับการศึกษาโดยใช้วิธีการทดลองและการวิเคราะห์ การกระจายแรงและอุณหภูมิได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติมที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7 V จากนั้นจึงทำการวิเคราะห์พารามิเตอร์เพื่อทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์หลักและแรงขาออกได้ดีขึ้น ในที่สุด ได้มีการคาดการณ์ตัวกระตุ้นแบบลำดับชั้น และได้เสนอผลกระทบในระดับลำดับชั้นเป็นพื้นที่ในอนาคตที่เป็นไปได้สำหรับตัวกระตุ้นที่ไม่ใช่แม่เหล็กสำหรับการใช้งานด้านการทำเทียม ตามผลการศึกษาที่กล่าวถึงข้างต้น การใช้สถาปัตยกรรมแบบขั้นตอนเดียวก่อให้เกิดแรงอย่างน้อยสี่ถึงห้าเท่าของตัวกระตุ้นที่ใช้ SMA ที่รายงาน นอกจากนี้ แรงขับเคลื่อนเดียวกันที่เกิดจากตัวขับเคลื่อนหลายระดับหลายระดับยังแสดงให้เห็นว่ามากกว่าแรงขับเคลื่อนที่ใช้ SMA ทั่วไปถึงสิบเท่า จากนั้น การศึกษาจะรายงานพารามิเตอร์หลักโดยใช้การวิเคราะห์ความไวระหว่างการออกแบบและตัวแปรอินพุตที่แตกต่างกัน ความยาวเริ่มต้นของสาย SMA (\(l_0\)) มุมขนนก (\(\alpha\)) และจำนวนของเส้นเดี่ยว (n) ในแต่ละเส้นมีผลเชิงลบอย่างมากต่อขนาดของแรงขับเคลื่อน ความแข็งแรง ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้า (พลังงาน) กลับกลายเป็นว่ามีความสัมพันธ์ในเชิงบวก
ลวด SMA แสดงผลหน่วยความจำรูปร่าง (SME) ที่เห็นได้ในโลหะผสมนิกเกิล-ไททาเนียม (Ni-Ti) โดยทั่วไป ลวด SMA จะแสดงเฟสที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสองเฟส ได้แก่ เฟสอุณหภูมิต่ำและเฟสอุณหภูมิสูง ทั้งสองเฟสมีคุณสมบัติเฉพาะตัวเนื่องจากมีโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกัน ในเฟสออสเทไนต์ (เฟสอุณหภูมิสูง) ที่มีอุณหภูมิเหนืออุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง วัสดุจะแสดงความแข็งแรงสูงและเสียรูปได้ไม่ดีภายใต้แรงกด โลหะผสมมีพฤติกรรมเหมือนสเตนเลสสตีล จึงสามารถทนต่อแรงกดการทำงานที่สูงกว่าได้ โดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัตินี้ของโลหะผสม Ni-Ti ลวด SMA จึงถูกทำให้เอียงเพื่อสร้างตัวกระตุ้น มีการพัฒนารูปแบบการวิเคราะห์ที่เหมาะสมเพื่อทำความเข้าใจกลไกพื้นฐานของพฤติกรรมทางความร้อนของลวด SMA ภายใต้อิทธิพลของพารามิเตอร์ต่างๆ และรูปทรงเรขาคณิตต่างๆ ผลการทดลองและผลการวิเคราะห์มีความสอดคล้องกันอย่างดี
การศึกษาเชิงทดลองได้ดำเนินการกับต้นแบบที่แสดงในรูปที่ 9a เพื่อประเมินประสิทธิภาพของไดรฟ์แบบไบโมดัลที่อิงตาม SMA คุณสมบัติสองประการนี้ ได้แก่ แรงที่เกิดจากไดรฟ์ (แรงของกล้ามเนื้อ) และอุณหภูมิของสาย SMA (อุณหภูมิ SMA) ได้รับการวัดโดยการทดลอง เมื่อความต่างศักย์เพิ่มขึ้นตลอดความยาวของสายในไดรฟ์ อุณหภูมิของสายจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากเอฟเฟกต์ความร้อนจูล แรงดันไฟฟ้าขาเข้าถูกนำไปใช้ในรอบ 10 วินาทีสองรอบ (แสดงเป็นจุดสีแดงในรูปที่ 2a, b) โดยมีช่วงเวลาการทำความเย็น 15 วินาทีระหว่างแต่ละรอบ แรงปิดกั้นถูกวัดโดยใช้เกจวัดความเครียดเพียโซอิเล็กทริก และการกระจายอุณหภูมิของสาย SMA ถูกตรวจสอบแบบเรียลไทม์โดยใช้กล้อง LWIR ความละเอียดสูงระดับวิทยาศาสตร์ (ดูคุณลักษณะของอุปกรณ์ที่ใช้ในตารางที่ 2) แสดงให้เห็นว่าในช่วงเฟสแรงดันไฟฟ้าสูง อุณหภูมิของสายจะเพิ่มขึ้นแบบโมโนโทนิก แต่เมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล อุณหภูมิของสายจะยังคงลดลง ในการตั้งค่าการทดลองปัจจุบัน อุณหภูมิของสาย SMA ลดลงในช่วงการทำความเย็น แต่ยังคงสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อม ในรูปที่ 2e แสดงภาพรวมของอุณหภูมิบนสาย SMA ที่ถ่ายจากกล้อง LWIR ในทางกลับกัน ในรูปที่ 2a แสดงแรงปิดกั้นที่เกิดจากระบบขับเคลื่อน เมื่อแรงของกล้ามเนื้อเกินแรงคืนตัวของสปริง แขนที่เคลื่อนที่ได้จะเริ่มเคลื่อนที่ตามที่แสดงในรูปที่ 9a ทันทีที่การทำงานเริ่มขึ้น แขนที่เคลื่อนที่ได้จะสัมผัสกับเซ็นเซอร์ ทำให้เกิดแรงของตัวเครื่องตามที่แสดงในรูปที่ 2c, d เมื่ออุณหภูมิสูงสุดใกล้เคียงกับ \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) แรงสูงสุดที่สังเกตได้คือ 105 N
กราฟแสดงผลการทดลองของอุณหภูมิของสาย SMA และแรงที่เกิดจากตัวกระตุ้นแบบไบโมดัลที่ใช้ SMA ระหว่างสองรอบ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะถูกจ่ายเป็นสองรอบ รอบละ 10 วินาที (แสดงเป็นจุดสีแดง) โดยมีช่วงเวลาพักเครื่อง 15 วินาทีระหว่างแต่ละรอบ สาย SMA ที่ใช้สำหรับการทดลองคือสาย Flexinol เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.51 มม. จาก Dynalloy, Inc. (a) กราฟแสดงแรงที่ได้จากการทดลองในสองรอบ (c, d) แสดงตัวอย่างอิสระสองตัวอย่างของการกระทำของตัวกระตุ้นแขนเคลื่อนที่บนตัวแปลงแรงเพียโซอิเล็กทริก PACEline CFT/5kN (b) กราฟแสดงอุณหภูมิสูงสุดของสาย SMA ทั้งหมดระหว่างสองรอบ (e) แสดงภาพรวมอุณหภูมิที่ถ่ายจากสาย SMA โดยใช้กล้อง LWIR ของซอฟต์แวร์ FLIR ResearchIR พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่นำมาพิจารณาในการทดลองแสดงอยู่ในตารางที่หนึ่ง
ผลการจำลองทางคณิตศาสตร์และผลการทดลองจะถูกเปรียบเทียบภายใต้เงื่อนไขแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7V ดังแสดงในรูปที่ 5 ตามผลการวิเคราะห์พารามิเตอร์และเพื่อหลีกเลี่ยงความเป็นไปได้ที่สาย SMA จะร้อนเกินไป จึงได้จ่ายพลังงาน 11.2 W ให้กับแอคชูเอเตอร์ แหล่งจ่ายไฟ DC แบบตั้งโปรแกรมได้ถูกใช้เพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7V และวัดกระแสไฟฟ้า 1.6A ทั่วสาย แรงที่เกิดจากไดรฟ์และอุณหภูมิของ SDR จะเพิ่มขึ้นเมื่อมีการใช้กระแสไฟฟ้า ด้วยแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7V แรงเอาต์พุตสูงสุดที่ได้จากผลการจำลองและผลการทดลองของรอบแรกคือ 78 N และ 96 N ตามลำดับ ในรอบที่สอง แรงเอาต์พุตสูงสุดของผลการจำลองและผลการทดลองคือ 150 N และ 105 N ตามลำดับ ความคลาดเคลื่อนระหว่างการวัดแรงบดบังและข้อมูลการทดลองอาจเกิดจากวิธีการที่ใช้ในการวัดแรงบดบัง ผลการทดลองที่แสดงในรูปที่ รูปที่ 5a สอดคล้องกับการวัดแรงล็อคซึ่งวัดได้เมื่อเพลาขับสัมผัสกับตัวแปลงแรงเพียโซอิเล็กทริก PACEline CFT/5kN ดังแสดงในรูปที่ 2 ดังนั้นเมื่อเพลาขับไม่สัมผัสกับเซ็นเซอร์แรงที่จุดเริ่มต้นของโซนระบายความร้อน แรงจะกลายเป็นศูนย์ทันที ดังแสดงในรูปที่ 2d นอกจากนี้ พารามิเตอร์อื่นๆ ที่ส่งผลต่อการสร้างแรงในรอบถัดไป ได้แก่ ค่าของเวลาทำความเย็นและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนในรอบก่อนหน้า จากรูปที่ 2b จะเห็นได้ว่าหลังจากช่วงเวลาทำความเย็น 15 วินาที สาย SMA จะไม่ถึงอุณหภูมิห้องและด้วยเหตุนี้จึงมีอุณหภูมิเริ่มต้นที่สูงกว่า (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) ในรอบขับเคลื่อนที่สองเมื่อเทียบกับรอบแรก (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) ดังนั้น เมื่อเปรียบเทียบกับรอบแรก อุณหภูมิของลวด SMA ในระหว่างรอบการให้ความร้อนรอบที่สองจะถึงอุณหภูมิออสเทไนต์เริ่มต้น (\(A_s\)) เร็วกว่าและคงอยู่ในช่วงการเปลี่ยนผ่านนานกว่า ส่งผลให้เกิดความเค้นและแรง ในทางกลับกัน การกระจายอุณหภูมิในระหว่างรอบการให้ความร้อนและทำความเย็นที่ได้จากการทดลองและการจำลองมีความคล้ายคลึงในเชิงคุณภาพสูงกับตัวอย่างจากการวิเคราะห์เทอร์โมกราฟิก การวิเคราะห์เปรียบเทียบข้อมูลความร้อนของลวด SMA จากการทดลองและการจำลองแสดงให้เห็นถึงความสม่ำเสมอในระหว่างรอบการให้ความร้อนและทำความเย็น และอยู่ในค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้สำหรับข้อมูลการทดลอง อุณหภูมิสูงสุดของสาย SMA ที่ได้จากผลการจำลองและการทดลองรอบแรกคือ \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) และ \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ ตามลำดับ) และในรอบที่สอง อุณหภูมิสูงสุดของสาย SMA คือ \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) และ \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\) แบบจำลองที่พัฒนาขึ้นโดยพื้นฐานยืนยันถึงผลของเอฟเฟกต์หน่วยความจำรูปร่าง บทบาทของความล้าและความร้อนสูงเกินไปไม่ได้รับการพิจารณาในบทวิจารณ์นี้ ในอนาคต แบบจำลองจะได้รับการปรับปรุงให้รวมประวัติความเค้นของสาย SMA ไว้ด้วย ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทางวิศวกรรมมากขึ้น กราฟแรงขับขาออกและอุณหภูมิ SMA ที่ได้จากบล็อก Simulink อยู่ในค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ของข้อมูลการทดลองภายใต้เงื่อนไขของพัลส์แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7 V ซึ่งยืนยันความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่พัฒนาขึ้น
แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ได้รับการพัฒนาในสภาพแวดล้อม MathWorks Simulink R2020b โดยใช้สมการพื้นฐานที่อธิบายไว้ในส่วนวิธีการ ในรูปที่ 3b แสดงแผนผังบล็อกของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ Simulink แบบจำลองถูกจำลองสำหรับพัลส์แรงดันไฟฟ้าอินพุต 7V ตามที่แสดงในรูปที่ 2a, b ค่าของพารามิเตอร์ที่ใช้ในการจำลองแสดงอยู่ในตารางที่ 1 ผลลัพธ์ของการจำลองกระบวนการชั่วคราวแสดงอยู่ในรูปที่ 1 และ 1 รูปที่ 3a และ 4 ในรูปที่ 4a, b แสดงแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในสาย SMA และแรงที่สร้างขึ้นโดยแอคชูเอเตอร์เป็นฟังก์ชันของเวลา ในระหว่างการแปลงย้อนกลับ (การให้ความร้อน) เมื่ออุณหภูมิของสาย SMA \(T < A_s^{\prime}\) (อุณหภูมิเริ่มต้นเฟสออสเทไนต์ที่ปรับเปลี่ยนตามความเครียด) อัตราการเปลี่ยนแปลงของเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ (\(\dot{\xi }\)) จะเป็นศูนย์ ในระหว่างการแปลงย้อนกลับ (การให้ความร้อน) เมื่ออุณหภูมิของสาย SMA \(T < A_s^{\prime}\) (อุณหภูมิเริ่มต้นเฟสออสเทไนต์ที่ปรับเปลี่ยนตามความเครียด) อัตราการเปลี่ยนแปลงของเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ (\(\dot{\ xi }\)) จะเป็นศูนย์ Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет ราเวนโน нулю. ในระหว่างการแปลงย้อนกลับ (การให้ความร้อน) เมื่ออุณหภูมิของสาย SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (อุณหภูมิการเริ่มต้นออสเทไนต์ที่ปรับเปลี่ยนตามความเค้น) อัตราการเปลี่ยนแปลงของเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ (\(\dot{\ xi }\ )) จะเป็นศูนย์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
(ก) ผลการจำลองที่แสดงการกระจายอุณหภูมิและอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อที่เกิดจากความเค้นในตัวกระตุ้นไดวาเลอเรตที่ใช้ SMA เมื่ออุณหภูมิของลวดข้ามอุณหภูมิทรานสิชันออสเทไนต์ในขั้นตอนการทำความร้อน อุณหภูมิทรานสิชันออสเทไนต์ที่ปรับเปลี่ยนจะเริ่มเพิ่มขึ้น และในทำนองเดียวกัน เมื่ออุณหภูมิของแท่งลวดข้ามอุณหภูมิทรานสิชันมาร์เทนไซต์ในขั้นตอนการทำความเย็น อุณหภูมิทรานสิชันมาร์เทนไซต์จะลดลง SMA สำหรับการสร้างแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ของกระบวนการกระตุ้น (สำหรับมุมมองโดยละเอียดของแต่ละระบบย่อยของแบบจำลอง Simulink โปรดดูส่วนภาคผนวกของไฟล์เสริม)
ผลลัพธ์ของการวิเคราะห์สำหรับการกระจายพารามิเตอร์ที่แตกต่างกันจะแสดงสำหรับรอบสองรอบของแรงดันไฟฟ้าอินพุต 7V (รอบการอุ่นเครื่อง 10 วินาทีและรอบการทำความเย็น 15 วินาที) ในขณะที่ (ac) และ (e) แสดงการกระจายตามเวลา ในทางกลับกัน (d) และ (f) แสดงการกระจายตามอุณหภูมิ สำหรับเงื่อนไขอินพุตที่เกี่ยวข้อง ความเค้นที่สังเกตได้สูงสุดคือ 106 MPa (น้อยกว่า 345 MPa ความแข็งแรงการยืดตัวของลวด) แรงคือ 150 N การเคลื่อนที่สูงสุดคือ 270 µm และเศษส่วนปริมาตรมาร์เทนไซต์ขั้นต่ำคือ 0.91 ในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงของความเค้นและการเปลี่ยนแปลงในเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ตามอุณหภูมิจะคล้ายกับลักษณะของฮิสเทอรีซิส
คำอธิบายเดียวกันนี้ใช้ได้กับการเปลี่ยนแปลงโดยตรง (การระบายความร้อน) จากเฟสออสเทไนต์ไปเป็นเฟสมาร์เทนไซต์ ซึ่งอุณหภูมิของลวด SMA (T) และอุณหภูมิปลายของเฟสมาร์เทนไซต์ที่ปรับเปลี่ยนจากความเครียด (\(M_f^{\prime}\ )) นั้นยอดเยี่ยมมาก ในรูปที่ 4d, f แสดงการเปลี่ยนแปลงในความเครียดที่เหนี่ยวนำ (\(\sigma\)) และเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ (\(\xi\)) ในลวด SMA เป็นฟังก์ชันของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของลวด SMA (T) สำหรับรอบการขับเคลื่อนทั้งสองรอบ ในรูปที่ 3a แสดงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของลวด SMA ตามเวลาที่ขึ้นอยู่กับพัลส์แรงดันไฟฟ้าอินพุต ดังที่เห็นได้จากรูป อุณหภูมิของลวดยังคงเพิ่มขึ้นโดยให้แหล่งความร้อนที่แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์และการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนที่ตามมา ระหว่างการให้ความร้อน การเปลี่ยนรูปของมาร์เทนไซต์ไปเป็นเฟสออสเทไนต์จะเริ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิของลวด SMA (T) ข้ามอุณหภูมินิวเคลียสของออสเทไนต์ที่แก้ไขตามความเค้น (\(A_s^{\prime}\)) ระหว่างเฟสนี้ ลวด SMA จะถูกบีบอัดและตัวกระตุ้นจะสร้างแรง นอกจากนี้ ระหว่างการทำความเย็น เมื่ออุณหภูมิของลวด SMA (T) ข้ามอุณหภูมินิวเคลียสของเฟสมาร์เทนไซต์ที่แก้ไขตามความเค้น (\(M_s^{\prime}\)) จะเกิดการเปลี่ยนผ่านในเชิงบวกจากเฟสออสเทไนต์ไปเป็นเฟสมาร์เทนไซต์ โดยแรงขับเคลื่อนจะลดลง
ลักษณะเชิงคุณภาพหลักของไดรฟ์แบบไบโมดัลที่อิงตาม SMA สามารถหาได้จากผลการจำลอง ในกรณีของอินพุตพัลส์แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิของสาย SMA จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากเอฟเฟกต์ความร้อนของจูล ค่าเริ่มต้นของเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ (\(\xi\)) จะถูกตั้งเป็น 1 เนื่องจากวัสดุอยู่ในเฟสมาร์เทนไซต์อย่างสมบูรณ์ในตอนแรก เมื่อสายยังคงร้อนขึ้น อุณหภูมิของสาย SMA จะเกินอุณหภูมินิวเคลียสของออสเทไนต์ที่แก้ไขความเค้น (\(A_s^{\prime}\) ส่งผลให้เศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ลดลง ดังที่แสดงในรูปที่ 4c นอกจากนี้ ในรูปที่ 4e แสดงการกระจายของจังหวะของตัวกระตุ้นตามเวลา และในรูปที่ 5 แสดงแรงขับเคลื่อนเป็นฟังก์ชันของเวลา ระบบสมการที่เกี่ยวข้องรวมถึงอุณหภูมิ เศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ และความเค้นที่เกิดขึ้นในสาย ส่งผลให้สาย SMA หดตัวและแรงที่เกิดจากตัวกระตุ้น ดังที่แสดงในรูปที่ 4d,f, การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าตามอุณหภูมิ และการเปลี่ยนแปลงเศษส่วนปริมาตรมาร์เทนไซต์ตามอุณหภูมิ สอดคล้องกับลักษณะฮิสเทรีซิสของ SMA ในกรณีจำลองที่ 7 V
การเปรียบเทียบพารามิเตอร์การขับเคลื่อนได้รับจากการทดลองและการคำนวณเชิงวิเคราะห์ สายไฟได้รับแรงดันไฟฟ้าอินพุตแบบพัลส์ 7 V เป็นเวลา 10 วินาที จากนั้นจึงปล่อยให้เย็นลงเป็นเวลา 15 วินาที (ช่วงทำความเย็น) เป็นเวลา 2 รอบ มุมของปลายสายถูกตั้งไว้ที่ \(40^{\circ}\) และความยาวเริ่มต้นของสายไฟ SMA ในขาพินเดี่ยวแต่ละขาถูกตั้งไว้ที่ 83 มม. (ก) การวัดแรงขับเคลื่อนด้วยเซลล์โหลด (ข) การตรวจสอบอุณหภูมิของสายไฟด้วยกล้องอินฟราเรดความร้อน
เพื่อทำความเข้าใจอิทธิพลของพารามิเตอร์ทางกายภาพต่อแรงที่เกิดจากไดรฟ์ ได้มีการวิเคราะห์ความไวของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ต่อพารามิเตอร์ทางกายภาพที่เลือก และจัดอันดับพารามิเตอร์ตามอิทธิพลของพารามิเตอร์เหล่านั้น ขั้นแรก การสุ่มตัวอย่างพารามิเตอร์แบบจำลองทำโดยใช้หลักการออกแบบการทดลองที่ปฏิบัติตามการกระจายแบบสม่ำเสมอ (ดูส่วนเสริมเกี่ยวกับการวิเคราะห์ความไว) ในกรณีนี้ พารามิเตอร์แบบจำลองได้แก่ แรงดันไฟฟ้าขาเข้า (\(V_{in}\)) ความยาวสาย SMA เริ่มต้น (\(l_0\)) มุมสามเหลี่ยม (\(\alpha\)) ค่าคงที่ของสปริงอคติ (\( K_x\ )) ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน (\(h_T\)) และจำนวนกิ่งก้านแบบโมดัลเดียว (n) ในขั้นตอนถัดไป ความแข็งแรงของกล้ามเนื้อสูงสุดถูกเลือกเป็นข้อกำหนดในการออกแบบการศึกษา และได้ผลลัพธ์เชิงพารามิเตอร์ของตัวแปรแต่ละชุดที่มีต่อความแข็งแรง กราฟทอร์นาโดสำหรับการวิเคราะห์ความไวได้มาจากค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์สำหรับแต่ละพารามิเตอร์ ดังที่แสดงในรูปที่ 6a
(ก) ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ของพารามิเตอร์แบบจำลองและผลกระทบต่อแรงส่งออกสูงสุดของกลุ่มพารามิเตอร์แบบจำลองที่ไม่ซ้ำกัน 2,500 กลุ่มข้างต้นแสดงอยู่ในกราฟทอร์นาโด กราฟแสดงความสัมพันธ์อันดับของตัวบ่งชี้หลายตัว ชัดเจนว่า \(V_{in}\) เป็นพารามิเตอร์เดียวที่มีความสัมพันธ์เชิงบวก และ \(l_0\) เป็นพารามิเตอร์ที่มีความสัมพันธ์เชิงลบสูงสุด ผลของพารามิเตอร์ต่างๆ ในชุดค่าผสมต่างๆ ต่อความแข็งแรงสูงสุดของกล้ามเนื้อแสดงอยู่ใน (ข, c) \(K_x\) อยู่ในช่วง 400 ถึง 800 N/m และ n อยู่ในช่วง 4 ถึง 24 แรงดันไฟฟ้า (\(V_{in}\)) เปลี่ยนจาก 4V เป็น 10V ความยาวสายไฟ (\(l_{0 } \)) เปลี่ยนจาก 40 เป็น 100 มม. และมุมหาง (\ (\alpha \)) เปลี่ยนแปลงตั้งแต่ \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
รูปที่ 6a แสดงกราฟทอร์นาโดที่มีค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ต่างๆ สำหรับแต่ละพารามิเตอร์พร้อมข้อกำหนดการออกแบบแรงขับเคลื่อนสูงสุด จากรูปที่ 6a จะเห็นได้ว่าพารามิเตอร์แรงดันไฟฟ้า (\(V_{in}\)) มีความสัมพันธ์โดยตรงกับแรงส่งออกสูงสุด และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน (\(h_T\)) มุมเปลวไฟ (\ ( \alpha\)) ค่าคงที่ของสปริงการกระจัด ( \(K_x\)) มีความสัมพันธ์เชิงลบกับแรงส่งออกและความยาวเริ่มต้น (\(l_0\)) ของสาย SMA และจำนวนกิ่งก้านแบบโมดัลเดียว (n) แสดงความสัมพันธ์ผกผันที่แข็งแกร่ง ในกรณีที่มีความสัมพันธ์โดยตรง ในกรณีที่มีค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า (\(V_ {in}\)) แสดงว่าพารามิเตอร์นี้มีผลกระทบต่อกำลังส่งออกสูงสุด การวิเคราะห์ที่คล้ายกันอีกประการหนึ่งจะวัดแรงสูงสุดโดยการประเมินผลของพารามิเตอร์ต่างๆ ในชุดค่าผสมที่แตกต่างกันของพื้นที่การคำนวณทั้งสองแห่ง ดังที่แสดงในรูปที่ 6b, c \(V_{in}\) และ \(l_0\), \(\alpha\) และ \(l_0\) มีรูปแบบที่คล้ายกัน และกราฟแสดงให้เห็นว่า \(V_{in}\) และ \(\alpha\ ) และ \(\alpha\) มีรูปแบบที่คล้ายกัน ค่าที่น้อยกว่าของ \(l_0\) ส่งผลให้แรงสูงสุดสูงขึ้น กราฟอีกสองกราฟสอดคล้องกับรูปที่ 6a โดยที่ n และ \(K_x\) มีความสัมพันธ์เชิงลบ และ \(V_{in}\) มีความสัมพันธ์เชิงบวก การวิเคราะห์นี้ช่วยในการกำหนดและปรับพารามิเตอร์ที่มีอิทธิพลซึ่งแรงเอาต์พุต จังหวะ และประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อนสามารถปรับให้เหมาะกับความต้องการและการใช้งาน
งานวิจัยปัจจุบันแนะนำและตรวจสอบไดรฟ์แบบลำดับชั้นที่มีระดับ N ในลำดับชั้นสองระดับดังแสดงในรูปที่ 7a ซึ่งแทนที่จะใช้สาย SMA แต่ละสายของตัวกระตุ้นระดับแรก จะมีการจัดเรียงแบบสองโหมดตามที่แสดงในรูปที่ 9e ในรูปที่ 7c แสดงให้เห็นวิธีการพันสาย SMA รอบแขนที่เคลื่อนที่ได้ (แขนเสริม) ที่เคลื่อนที่ในทิศทางตามยาวเท่านั้น อย่างไรก็ตาม แขนที่เคลื่อนที่ได้หลักยังคงเคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกับแขนที่เคลื่อนที่ได้ของตัวกระตุ้นหลายระดับขั้นที่ 1 โดยทั่วไป ไดรฟ์ N ระดับจะสร้างขึ้นโดยแทนที่สาย SMA ขั้น \(N-1\) ด้วยไดรฟ์ขั้นที่หนึ่ง เป็นผลให้แต่ละสาขาเลียนแบบไดรฟ์ขั้นที่หนึ่ง ยกเว้นสาขาที่ยึดสายนั้นไว้ ด้วยวิธีนี้ จึงสามารถสร้างโครงสร้างที่ซ้อนกันซึ่งสร้างแรงที่มากกว่าแรงของไดรฟ์หลักหลายเท่า ในการศึกษานี้ สำหรับแต่ละระดับ จะพิจารณาความยาวลวด SMA ที่มีประสิทธิภาพรวม 1 ม. สำหรับแต่ละระดับ ดังที่แสดงในรูปแบบตารางในรูปที่ 7d กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านลวดแต่ละเส้นในแต่ละการออกแบบแบบโมดอลเดียว และแรงดึงล่วงหน้าและแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในแต่ละส่วนของลวด SMA จะเท่ากันในแต่ละระดับ ตามแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ของเรา แรงส่งออกมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับระดับ ในขณะที่การเคลื่อนตัวมีความสัมพันธ์เชิงลบ ในเวลาเดียวกัน มีการแลกเปลี่ยนระหว่างการเคลื่อนตัวและความแข็งแรงของกล้ามเนื้อ ดังที่เห็นในรูปที่ 7b ในขณะที่แรงสูงสุดเกิดขึ้นในชั้นจำนวนมากที่สุด การเคลื่อนตัวที่ใหญ่ที่สุดจะสังเกตเห็นในชั้นที่ต่ำที่สุด เมื่อระดับลำดับชั้นถูกตั้งค่าเป็น \(N=5\) พบแรงสูงสุดของกล้ามเนื้อที่ 2.58 kN โดยมีจังหวะที่สังเกตได้ 2 จังหวะ \(\upmu\)m ในทางกลับกัน ไดรฟ์ขั้นแรกสร้างแรง 150 N ที่จังหวะ 277 \(\upmu\)m ตัวกระตุ้นหลายระดับสามารถเลียนแบบกล้ามเนื้อทางชีววิทยาจริงได้ โดยกล้ามเนื้อเทียมที่ใช้โลหะผสมที่มีความจำรูปร่างสามารถสร้างแรงที่สูงขึ้นได้อย่างมากด้วยการเคลื่อนไหวที่แม่นยำและละเอียดกว่า ข้อจำกัดของการออกแบบขนาดเล็กนี้ก็คือ เมื่อลำดับชั้นเพิ่มขึ้น การเคลื่อนไหวจะลดลงอย่างมาก และความซับซ้อนของกระบวนการผลิตไดรฟ์ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย
(ก) ระบบตัวกระตุ้นเชิงเส้นแบบโลหะผสมที่มีหน่วยความจำรูปร่างแบบสองขั้นตอน (\(N=2\)) แสดงในรูปแบบการกำหนดค่าแบบสองโหมด แบบจำลองที่เสนอนี้ทำได้โดยการเปลี่ยนสาย SMA ในตัวกระตุ้นแบบหลายชั้นขั้นตอนแรกด้วยตัวกระตุ้นแบบหลายชั้นขั้นตอนเดียวอีกตัวหนึ่ง (ค) การกำหนดค่าที่ผิดรูปของตัวกระตุ้นแบบหลายชั้นขั้นตอนที่สอง (ข) อธิบายการกระจายของแรงและการเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับจำนวนระดับ พบว่าแรงสูงสุดของตัวกระตุ้นมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับระดับสเกลบนกราฟ ในขณะที่ระยะชักมีความสัมพันธ์เชิงลบกับระดับสเกล กระแสและแรงดันไฟฟ้าล่วงหน้าในแต่ละสายจะคงที่ในทุกระดับ (ง) ตารางแสดงจำนวนแทปและความยาวของสาย SMA (ไฟเบอร์) ในแต่ละระดับ ลักษณะของสายจะระบุด้วยดัชนี 1 และจำนวนสาขารอง (สาขาหนึ่งที่เชื่อมต่อกับขาหลัก) จะระบุด้วยจำนวนที่มากที่สุดในดัชนี ตัวอย่างเช่นที่ระดับ 5 \(n_1\) หมายถึงจำนวนสาย SMA ที่มีอยู่ในโครงสร้างไบโมดอลแต่ละอัน และ \(n_5\) หมายถึงจำนวนขาเสริม (หนึ่งขาที่เชื่อมต่อกับขาหลัก)
นักวิจัยหลายคนเสนอวิธีการต่างๆ มากมายเพื่อสร้างแบบจำลองพฤติกรรมของ SMA ที่มีหน่วยความจำรูปร่าง ซึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเทอร์โมเมคานิกส์ที่มากับการเปลี่ยนแปลงในระดับมหภาคในโครงสร้างผลึกที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนเฟส การกำหนดสูตรของวิธีการที่กำหนดนั้นมีความซับซ้อนโดยเนื้อแท้ แบบจำลองปรากฏการณ์ที่ใช้กันทั่วไปที่สุดได้รับการเสนอโดย Tanaka28 และใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิศวกรรม แบบจำลองปรากฏการณ์ที่เสนอโดย Tanaka [28] สันนิษฐานว่าเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์เป็นฟังก์ชันเลขชี้กำลังของอุณหภูมิและความเครียด ต่อมา Liang และ Rogers29 และ Brinson30 ได้เสนอแบบจำลองที่สันนิษฐานว่าพลวัตการเปลี่ยนเฟสเป็นฟังก์ชันโคไซน์ของแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิ โดยมีการปรับเปลี่ยนแบบจำลองเล็กน้อย Becker และ Brinson ได้เสนอแบบจำลองจลนศาสตร์ตามไดอะแกรมเฟสเพื่อสร้างแบบจำลองพฤติกรรมของวัสดุ SMA ภายใต้เงื่อนไขการโหลดตามอำเภอใจ ตลอดจนการเปลี่ยนเฟสบางส่วน Banerjee32 ใช้หลักการไดนามิกของไดอะแกรมเฟสของ Bekker และ Brinson31 เพื่อจำลองเครื่องมือควบคุมระดับอิสระแบบเดียวที่พัฒนาโดย Elahinia และ Ahmadian33 วิธีการจลนศาสตร์ที่อิงตามไดอะแกรมเฟส ซึ่งคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ไม่เป็นเอกภาพตามอุณหภูมิ เป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้ในงานวิศวกรรม Elakhinia และ Ahmadian ดึงความสนใจไปที่ข้อบกพร่องเหล่านี้ของแบบจำลองปรากฏการณ์ที่มีอยู่ และเสนอแบบจำลองปรากฏการณ์ที่ขยายออกไปเพื่อวิเคราะห์และกำหนดพฤติกรรมของหน่วยความจำรูปร่างภายใต้เงื่อนไขการโหลดที่ซับซ้อนใดๆ
แบบจำลองโครงสร้างของลวด SMA ให้ความเค้น (\(\sigma\)) ความเครียด (\(\epsilon\)) อุณหภูมิ (T) และเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ (\(\xi\)) ของลวด SMA แบบจำลองเชิงปรากฏการณ์ได้รับการเสนอครั้งแรกโดย Tanaka28 และต่อมาได้รับการนำไปใช้โดย Liang29 และ Brinson30 อนุพันธ์ของสมการมีรูปแบบดังนี้:
โดยที่ E คือค่าโมดูลัสของยังที่ขึ้นกับเฟสของ SMA ซึ่งได้โดยใช้ \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) และ \(E_A\) และ \(E_M\) ซึ่งแสดงค่าโมดูลัสของยังคือเฟสออสเทนนิติกและมาร์เทนซิติกตามลำดับ และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนแสดงโดย \(\theta _T\) ปัจจัยส่วนสนับสนุนการเปลี่ยนเฟสคือ \(\Omega = -E \epsilon _L\) และ \(\epsilon _L\) คือความเครียดสูงสุดที่สามารถคืนตัวได้ในสาย SMA
สมการไดนามิกเฟสสอดคล้องกับฟังก์ชันโคไซน์ที่พัฒนาโดย Liang29 และต่อมาได้รับการนำมาใช้โดย Brinson30 แทนที่จะเป็นฟังก์ชันเลขชี้กำลังที่เสนอโดย Tanaka28 แบบจำลองการเปลี่ยนเฟสเป็นส่วนขยายของแบบจำลองที่เสนอโดย Elakhinia และ Ahmadian34 และปรับเปลี่ยนตามเงื่อนไขการเปลี่ยนเฟสที่ให้ไว้โดย Liang29 และ Brinson30 เงื่อนไขที่ใช้สำหรับแบบจำลองการเปลี่ยนเฟสนี้ใช้ได้ภายใต้ภาระทางเทอร์โมเมคานิกส์ที่ซับซ้อน ในแต่ละช่วงเวลา จะมีการคำนวณค่าของเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์เมื่อสร้างแบบจำลองสมการองค์ประกอบ
สมการการเปลี่ยนรูปควบคุมที่แสดงโดยการเปลี่ยนมาร์เทนไซต์ให้เป็นออสเทไนต์ภายใต้สภาวะความร้อน มีดังนี้:
โดยที่ \(\xi\) คือเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ \(\xi _M\) คือเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ที่ได้ก่อนการให้ความร้อน \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) และ \(C_A\) – พารามิเตอร์การประมาณเส้นโค้ง T – อุณหภูมิของลวด SMA \(A_s\) และ \(A_f\) – อุณหภูมิจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของเฟสออสเทไนต์ ตามลำดับ
สมการควบคุมการเปลี่ยนแปลงโดยตรงที่แสดงโดยการเปลี่ยนแปลงเฟสของออสเทไนต์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ภายใต้สภาวะการทำความเย็น คือ:
โดยที่ \(\xi _A\) คือเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ที่ได้ก่อนการทำให้เย็นลง, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) และ \ ( C_M \) – พารามิเตอร์การปรับเส้นโค้ง, T – อุณหภูมิของลวด SMA, \(M_s\) และ \(M_f\) – อุณหภูมิมาร์เทนไซต์เริ่มต้นและสุดท้ายตามลำดับ
หลังจากสมการ (3) และ (4) แยกความแตกต่างแล้ว สมการการแปลงผกผันและการแปลงตรงจะถูกทำให้เรียบง่ายเป็นรูปแบบต่อไปนี้:
ในระหว่างการแปลงไปข้างหน้าและข้างหลัง \(\eta _{\sigma}\) และ \(\eta _{T}\) จะมีค่าต่างกัน สมการพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับ \(\eta _{\sigma}\) และ \(\eta _{T}\) ได้รับการอนุมานและอธิบายอย่างละเอียดในส่วนเพิ่มเติม
พลังงานความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของลวด SMA มาจากปรากฏการณ์การให้ความร้อนแบบจูล พลังงานความร้อนที่ลวด SMA ดูดซับหรือปล่อยออกมาแสดงด้วยความร้อนแฝงจากการเปลี่ยนรูป การสูญเสียความร้อนในลวด SMA เกิดจากการพาความร้อนแบบบังคับ และเมื่อพิจารณาจากผลกระทบของการแผ่รังสีที่ไม่สำคัญ สมการสมดุลพลังงานความร้อนจะเป็นดังนี้:
โดยที่ \(m_{wire}\) คือมวลรวมของสาย SMA, \(c_{p}\) คือความจุความร้อนจำเพาะของ SMA, \(V_{in}\) คือแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับสาย, \(R_{ohm} \ ) – ความต้านทาน SMA ที่ขึ้นกับเฟส กำหนดเป็น; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) โดยที่ \(r_M\ ) และ \(r_A\) คือค่าความต้านทานเฟสของ SMA ในมาร์เทนไซต์และออสเทไนต์ตามลำดับ, \(A_{c}\) คือพื้นที่ผิวของสาย SMA, \(\Delta H \) คือโลหะผสมที่มีหน่วยความจำรูปร่าง ความร้อนแฝงของการเปลี่ยนผ่านของสาย T และ \(T_{\infty}\) คืออุณหภูมิของสาย SMA และสภาพแวดล้อมตามลำดับ
เมื่อลวดโลหะผสมที่มีหน่วยความจำรูปร่างถูกกระตุ้น ลวดจะบีบอัด ทำให้เกิดแรงในแต่ละสาขาของการออกแบบแบบสองโหมดที่เรียกว่าแรงของเส้นใย แรงของเส้นใยในแต่ละเส้นของลวด SMA ร่วมกันสร้างแรงของกล้ามเนื้อเพื่อกระตุ้น ดังที่แสดงในรูปที่ 9e เนื่องจากมีสปริงปรับความเอนเอียง แรงของกล้ามเนื้อทั้งหมดของตัวกระตุ้นหลายชั้นที่ N คือ:
การแทนที่ \(N = 1\) ในสมการ (7) จะทำให้ความแข็งแรงของกล้ามเนื้อของต้นแบบไดรฟ์ไบโมดอลขั้นที่หนึ่งได้ดังนี้:
โดยที่ n คือจำนวนขาแบบโมดเดียว \(F_m\) คือแรงของกล้ามเนื้อที่สร้างขึ้นจากการขับเคลื่อน \(F_f\) คือความแข็งแรงของเส้นใยในสาย SMA \(K_x\) คือความแข็งของอคติ สปริง \(\alpha\) คือมุมของสามเหลี่ยม \(x_0\) คือค่าออฟเซ็ตเริ่มต้นของสปริงอคติเพื่อยึดสายเคเบิล SMA ไว้ในตำแหน่งรับแรงดึงล่วงหน้า และ \(\Delta x\) คือการเคลื่อนที่ของตัวกระตุ้น
การกระจัดหรือการเคลื่อนที่รวมของไดรฟ์ (\(\Delta x\)) ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า (\(\sigma\)) และความเครียด (\(\epsilon\)) บนสาย SMA ของขั้นตอนที่ N ไดรฟ์จะถูกตั้งค่าเป็น (ดูรูปส่วนเพิ่มเติมของเอาต์พุต):
สมการจลนศาสตร์ให้ความสัมพันธ์ระหว่างการเสียรูปของไดรฟ์ (\(\epsilon\)) และการเคลื่อนตัวหรือการเคลื่อนตัว (\(\Delta x\)) การเสียรูปของลวด Arb เป็นฟังก์ชันของความยาวลวด Arb เริ่มต้น (\(l_0\)) และความยาวลวด (l) ที่เวลา t ใดๆ ในสาขาโมดัลเดียวหนึ่งสาขาเป็นดังนี้:
โดยที่ \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) ได้มาจากการใช้สูตรโคไซน์ใน \(\Delta\)ABB ' ดังที่แสดงในรูปที่ 8 สำหรับไดรฟ์ขั้นแรก (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) คือ \(\Delta x\) และ \(\alpha _1\) คือ \(\alpha \) ดังที่แสดงในรูปที่ 8 โดยการแยกความแตกต่างระหว่างเวลาจากสมการ (11) และแทนค่า l อัตราความเครียดสามารถเขียนได้ดังนี้:
โดยที่ \(l_0\) คือความยาวเริ่มต้นของสาย SMA, l คือความยาวของสายที่เวลา t ใดๆ ในสาขาโมดเดียว, \(\epsilon\) คือการเปลี่ยนรูปที่เกิดขึ้นในสาย SMA และ \(\alpha \) คือมุมของสามเหลี่ยม, \(\Delta x\) คือออฟเซ็ตการขับเคลื่อน (ดังที่แสดงในรูปที่ 8)
โครงสร้างจุดเดียวทั้งหมด n โครงสร้าง (ในรูปนี้ n=6) เชื่อมต่อแบบอนุกรมโดยมี \(V_{in}\) เป็นแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ขั้นที่ 1: แผนผังของสาย SMA ในการกำหนดค่าแบบสองโหมดภายใต้เงื่อนไขแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ ขั้นที่ 2: โครงสร้างที่ควบคุมได้จะแสดงขึ้น โดยสาย SMA ถูกบีบอัดเนื่องจากการแปลงผกผัน ดังที่แสดงด้วยเส้นสีแดง
เพื่อเป็นหลักฐานแนวคิด ไดรฟ์แบบไบโมดัลที่ใช้ SMA ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อทดสอบการอนุมานแบบจำลองของสมการพื้นฐานกับผลการทดลอง แบบจำลอง CAD ของตัวกระตุ้นเชิงเส้นแบบไบโมดัลแสดงอยู่ในรูปที่ 9a ในทางกลับกัน ในรูปที่ 9c แสดงการออกแบบใหม่ที่เสนอสำหรับการเชื่อมต่อปริซึมแบบหมุนโดยใช้ตัวกระตุ้นแบบ SMA สองระนาบที่มีโครงสร้างไบโมดัล ส่วนประกอบของไดรฟ์ถูกผลิตขึ้นโดยใช้การผลิตแบบเติมแต่งบนเครื่องพิมพ์ 3 มิติ Ultimaker 3 Extended วัสดุที่ใช้ในการพิมพ์ส่วนประกอบแบบ 3 มิติคือโพลีคาร์บอเนตซึ่งเหมาะสำหรับวัสดุที่ทนความร้อนเนื่องจากมีความแข็งแรง ทนทาน และมีอุณหภูมิเปลี่ยนผ่านของแก้วสูง (110-113 \(^{\circ }\) C) นอกจากนี้ ยังใช้ลวดโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง Flexinol ของ Dynalloy, Inc. ในการทดลอง และคุณสมบัติของวัสดุที่สอดคล้องกับลวด Flexinol ถูกใช้ในการจำลอง สาย SMA หลายเส้นถูกจัดเรียงเป็นเส้นใยที่มีอยู่ในกล้ามเนื้อที่มีการจัดเรียงแบบสองโหมดเพื่อรับแรงสูงที่เกิดจากตัวกระตุ้นหลายชั้น ดังที่แสดงในรูปที่ 9b และ d
ดังแสดงในรูปที่ 9a มุมแหลมที่เกิดจากสาย SMA แขนเคลื่อนที่เรียกว่ามุม (\(\alpha\)) เมื่อยึดขั้วต่อเข้ากับแคลมป์ด้านซ้ายและขวา สาย SMA จะถูกยึดไว้ที่มุมไบโมดัลที่ต้องการ อุปกรณ์สปริงอคติที่ยึดไว้กับขั้วต่อสปริงได้รับการออกแบบมาเพื่อปรับกลุ่มส่วนขยายสปริงอคติที่แตกต่างกันตามจำนวน (n) ของเส้นใย SMA นอกจากนี้ ตำแหน่งของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้รับการออกแบบเพื่อให้สาย SMA สัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอกเพื่อการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนแบบบังคับ แผ่นด้านบนและด้านล่างของชุดประกอบแบบถอดได้ช่วยให้สาย SMA เย็นลงด้วยช่องเจาะที่ออกแบบมาเพื่อลดน้ำหนัก นอกจากนี้ ปลายทั้งสองข้างของสาย CMA จะยึดกับขั้วต่อด้านซ้ายและขวาตามลำดับโดยใช้การจีบ ลูกสูบจะติดอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของชุดประกอบแบบเคลื่อนที่เพื่อรักษาระยะห่างระหว่างแผ่นด้านบนและด้านล่าง ลูกสูบยังใช้เพื่อใช้แรงปิดกั้นกับเซ็นเซอร์ผ่านทางหน้าสัมผัสเพื่อวัดแรงปิดกั้นเมื่อสาย SMA ถูกกระตุ้น
โครงสร้างกล้ามเนื้อสองโหมด SMA เชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบบอนุกรมและขับเคลื่อนด้วยแรงดันพัลส์อินพุต ในระหว่างรอบพัลส์แรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันถูกจ่ายและลวด SMA ถูกทำให้ร้อนเกินอุณหภูมิเริ่มต้นของออสเทไนต์ ความยาวของลวดในแต่ละเส้นจะสั้นลง การหดตัวนี้จะเปิดใช้งานชุดแขนที่เคลื่อนที่ได้ เมื่อแรงดันถูกทำให้เป็นศูนย์ในรอบเดียวกัน ลวด SMA ที่ได้รับความร้อนจะถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิของพื้นผิวของมาร์เทนไซต์ จึงกลับสู่ตำแหน่งเดิม ภายใต้สภาวะความเครียดเป็นศูนย์ ลวด SMA จะถูกยืดออกอย่างเฉื่อยๆ ก่อนโดยสปริงอคติเพื่อไปถึงสถานะมาร์เทนไซต์ที่แยกออกจากกัน สกรูที่ลวด SMA เคลื่อนผ่านจะเคลื่อนที่เนื่องจากการบีบอัดที่สร้างขึ้นโดยการใช้พัลส์แรงดันไฟฟ้ากับลวด SMA (SPA ไปถึงเฟสออสเทไนต์) ซึ่งนำไปสู่การกระตุ้นคันโยกที่เคลื่อนที่ได้ เมื่อลวด SMA ถูกหดตัว สปริงอคติจะสร้างแรงต้านโดยการยืดสปริงเพิ่มเติม เมื่อความเครียดในแรงดันพัลส์กลายเป็นศูนย์ ลวด SMA จะยืดออกและเปลี่ยนรูปร่างเนื่องจากการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนแบบบังคับ โดยจะไปถึงเฟสมาร์เทนซิติกคู่
ระบบแอคชูเอเตอร์เชิงเส้นตามข้อเสนอที่ใช้ SMA มีการกำหนดค่าแบบสองโหมดซึ่งสาย SMA จะทำมุม (a) แสดงแบบจำลอง CAD ของต้นแบบ ซึ่งกล่าวถึงส่วนประกอบบางส่วนและความหมายของส่วนประกอบเหล่านั้นสำหรับต้นแบบ (b, d) แสดงต้นแบบทดลองที่พัฒนาขึ้น35 ในขณะที่ (b) แสดงมุมมองด้านบนของต้นแบบพร้อมการเชื่อมต่อไฟฟ้า สปริงอคติ และเกจวัดความเครียดที่ใช้ (d) แสดงมุมมองเปอร์สเปคทีฟของการตั้งค่า (e) แผนผังของระบบแอคชูเอเตอร์เชิงเส้นโดยมีสาย SMA วางแบบสองโหมดที่เวลา t ใดๆ ก็ได้ แสดงทิศทางและเส้นทางของเส้นใยและความแข็งแรงของกล้ามเนื้อ (c) มีการเสนอการเชื่อมต่อปริซึมหมุน 2 DOF สำหรับการติดตั้งแอคชูเอเตอร์ตาม SMA สองระนาบ ดังที่แสดง ลิงก์จะส่งการเคลื่อนที่เชิงเส้นจากไดรฟ์ด้านล่างไปยังแขนด้านบน ทำให้เกิดการเชื่อมต่อแบบหมุน ในทางกลับกัน การเคลื่อนที่ของปริซึมคู่จะเหมือนกับการเคลื่อนที่ของไดรฟ์ขั้นแรกแบบหลายชั้น
การศึกษาทดลองได้ดำเนินการกับต้นแบบที่แสดงในรูปที่ 9b เพื่อประเมินประสิทธิภาพของไดรฟ์แบบไบโมดัลที่ใช้ SMA ตามที่แสดงในรูปที่ 10a การตั้งค่าการทดลองประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟ DC แบบตั้งโปรแกรมได้เพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าขาเข้าให้กับสาย SMA ตามที่แสดงในรูปที่ 10b มีการใช้เกจวัดความเครียดแบบเพียโซอิเล็กทริก (PACEline CFT/5kN) เพื่อวัดแรงบล็อกโดยใช้เครื่องบันทึกข้อมูล Graphtec GL-2000 ข้อมูลจะถูกบันทึกโดยโฮสต์สำหรับการศึกษาเพิ่มเติม เกจวัดความเครียดและเครื่องขยายประจุไฟฟ้าต้องใช้แหล่งจ่ายไฟคงที่เพื่อสร้างสัญญาณแรงดันไฟฟ้า สัญญาณที่เกี่ยวข้องจะถูกแปลงเป็นเอาต์พุตพลังงานตามความไวของเซ็นเซอร์แรงเพียโซอิเล็กทริกและพารามิเตอร์อื่นๆ ตามที่อธิบายไว้ในตารางที่ 2 เมื่อมีการส่งพัลส์แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิของสาย SMA จะเพิ่มขึ้น ทำให้สาย SMA ถูกบีบอัด ซึ่งทำให้ตัวกระตุ้นสร้างแรง ผลการทดลองของเอาต์พุตความแข็งแรงของกล้ามเนื้อโดยพัลส์แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7 V แสดงในรูปที่ 2a
(a) ระบบแอคชูเอเตอร์เชิงเส้นที่ใช้ SMA ถูกตั้งค่าในการทดลองเพื่อวัดแรงที่เกิดจากแอคชูเอเตอร์ เซลล์โหลดจะวัดแรงบล็อกและใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟ DC 24 V แรงดันไฟตก 7 V ถูกใช้ตลอดความยาวของสายเคเบิลโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ DC แบบตั้งโปรแกรมได้ของ GW Instek สาย SMA จะหดตัวเนื่องจากความร้อน และแขนที่เคลื่อนที่ได้จะสัมผัสกับเซลล์โหลดและออกแรงบล็อก เซลล์โหลดเชื่อมต่อกับเครื่องบันทึกข้อมูล GL-2000 และข้อมูลจะถูกเก็บไว้ในโฮสต์เพื่อประมวลผลเพิ่มเติม (b) แผนภาพที่แสดงห่วงโซ่ของส่วนประกอบของการตั้งค่าการทดลองเพื่อวัดความแข็งแรงของกล้ามเนื้อ
โลหะผสมที่มีหน่วยความจำรูปร่างจะถูกกระตุ้นด้วยพลังงานความร้อน ดังนั้นอุณหภูมิจึงกลายเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับการศึกษาปรากฏการณ์หน่วยความจำรูปร่าง จากการทดลอง ดังแสดงในรูปที่ 11a ได้มีการถ่ายภาพความร้อนและวัดอุณหภูมิบนตัวกระตุ้นไดวาเลอเรตต้นแบบที่ใช้ SMA แหล่งจ่าย DC แบบตั้งโปรแกรมได้จ่ายแรงดันไฟฟ้าขาเข้าให้กับสาย SMA ในการตั้งค่าการทดลอง ดังแสดงในรูปที่ 11b การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสาย SMA ถูกวัดแบบเรียลไทม์โดยใช้กล้อง LWIR ความละเอียดสูง (FLIR A655sc) โฮสต์ใช้ซอฟต์แวร์ ResearchIR เพื่อบันทึกข้อมูลสำหรับการประมวลผลภายหลังเพิ่มเติม เมื่อมีการจ่ายพัลส์แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิของสาย SMA จะเพิ่มขึ้น ทำให้สาย SMA หดตัว ในรูปที่ 2b แสดงผลการทดลองของอุณหภูมิสาย SMA เทียบกับเวลาสำหรับพัลส์แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7V
เวลาโพสต์: 28-9-2022
