ขอบคุณที่เข้าชม Nature.com เบราว์เซอร์ที่คุณใช้อยู่มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันล่าสุด (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าเว็บไซต์จะยังคงได้รับการสนับสนุนต่อไป เราจะแสดงผลเว็บไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แอคทูเอเตอร์ถูกนำไปใช้ในทุกที่และสร้างการเคลื่อนไหวที่ควบคุมได้โดยการใช้แรงกระตุ้นหรือแรงบิดที่ถูกต้องเพื่อดำเนินการต่างๆ ในกระบวนการผลิตและระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ความต้องการไดรฟ์ที่เร็วขึ้น เล็กกว่า และมีประสิทธิภาพมากขึ้นกำลังผลักดันนวัตกรรมในการออกแบบไดรฟ์ ไดรฟ์โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง (SMA) มีข้อดีหลายประการเหนือไดรฟ์แบบดั้งเดิม รวมถึงอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักที่สูง ในวิทยานิพนธ์นี้ ได้มีการพัฒนาแอคทูเอเตอร์แบบสองปีกที่ใช้ SMA ซึ่งรวมข้อดีของกล้ามเนื้อที่มีลักษณะคล้ายขนนกของระบบชีวภาพและคุณสมบัติเฉพาะของ SMA เข้าด้วยกัน การศึกษานี้สำรวจและขยายแอคทูเอเตอร์ SMA รุ่นก่อนหน้าโดยการพัฒนารูปแบบทางคณิตศาสตร์ของแอคทูเอเตอร์ใหม่โดยอิงจากการจัดเรียงลวด SMA แบบสองโหมดและทดสอบในเชิงทดลอง เมื่อเปรียบเทียบกับไดรฟ์ที่ใช้ SMA ที่รู้จักกัน แรงกระตุ้นของไดรฟ์ใหม่สูงกว่าอย่างน้อย 5 เท่า (สูงสุด 150 N) การลดน้ำหนักที่สอดคล้องกันอยู่ที่ประมาณ 67% ผลลัพธ์ของการวิเคราะห์ความไวของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์มีประโยชน์สำหรับการปรับพารามิเตอร์การออกแบบและทำความเข้าใจพารามิเตอร์หลัก งานวิจัยนี้ยังนำเสนอระบบขับเคลื่อนหลายระดับขั้นที่ N ซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพด้านพลวัตได้อีกด้วย แอคทูเอเตอร์กล้ามเนื้อแบบไดวาเลอเรตที่ใช้ SMA มีการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ระบบอัตโนมัติในอาคารไปจนถึงระบบส่งยาแบบแม่นยำ
ระบบชีวภาพ เช่น โครงสร้างกล้ามเนื้อของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม สามารถกระตุ้นแอคทูเอเตอร์ที่ละเอียดอ่อนได้หลายอย่าง¹ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีโครงสร้างกล้ามเนื้อที่แตกต่างกัน โดยแต่ละชนิดทำหน้าที่เฉพาะ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างของเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมส่วนใหญ่สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ๆ คือ แบบขนานและแบบขนนก ในกล้ามเนื้อแฮมสตริงและกล้ามเนื้อเฟล็กเซอร์อื่นๆ ดังชื่อที่บ่งบอก กล้ามเนื้อแบบขนานจะมีเส้นใยกล้ามเนื้อขนานกับเอ็นกลาง โซ่ของเส้นใยกล้ามเนื้อเรียงตัวและเชื่อมต่อกันในเชิงฟังก์ชันโดยเนื้อเยื่อเกี่ยวพันรอบๆ แม้ว่ากล้ามเนื้อเหล่านี้จะมีระยะการเคลื่อนที่มาก (เปอร์เซ็นต์การหดตัว) แต่ความแข็งแรงของกล้ามเนื้อโดยรวมนั้นมีจำกัดมาก ในทางตรงกันข้าม ในกล้ามเนื้อน่องไตรเซปส์² (กล้ามเนื้อน่องด้านข้าง (GL)³ กล้ามเนื้อน่องด้านใน (GM)⁴ และกล้ามเนื้อน่องเดี่ยว (SOL)) และกล้ามเนื้อต้นขาด้านหน้า (ควอดริเซปส์)⁵,⁶ จะพบเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อแบบขนนกในแต่ละกล้ามเนื้อ⁷ ในโครงสร้างแบบขนนก เส้นใยกล้ามเนื้อในกล้ามเนื้อแบบขนนกคู่จะอยู่ทั้งสองด้านของเอ็นกลางในมุมเฉียง (มุมขนนก) คำว่าขนนกมาจากคำภาษาละตินว่า “penna” ซึ่งหมายถึง “ปากกา” และดังแสดงในรูปที่ 1 มีลักษณะคล้ายขนนก เส้นใยของกล้ามเนื้อแบบขนนกจะสั้นกว่าและทำมุมกับแกนตามยาวของกล้ามเนื้อ เนื่องจากโครงสร้างแบบขนนก การเคลื่อนไหวโดยรวมของกล้ามเนื้อเหล่านี้จึงลดลง ซึ่งนำไปสู่ส่วนประกอบตามขวางและตามยาวของกระบวนการหดตัว ในทางกลับกัน การกระตุ้นกล้ามเนื้อเหล่านี้จะนำไปสู่ความแข็งแรงของกล้ามเนื้อโดยรวมที่สูงขึ้นเนื่องจากวิธีการวัดพื้นที่หน้าตัดทางสรีรวิทยา ดังนั้นสำหรับพื้นที่หน้าตัดที่กำหนด กล้ามเนื้อแบบขนนกจะแข็งแรงกว่าและสร้างแรงได้มากกว่ากล้ามเนื้อที่มีเส้นใยขนานกัน แรงที่เกิดจากเส้นใยแต่ละเส้นจะสร้างแรงกล้ามเนื้อในระดับมหภาคในเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อนั้น นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น การหดตัวอย่างรวดเร็ว การป้องกันความเสียหายจากการดึง และการรองรับแรงกระแทก เทคนิคนี้เปลี่ยนแปลงความสัมพันธ์ระหว่างการป้อนเส้นใยกล้ามเนื้อและการสร้างกำลังของกล้ามเนื้อ โดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะและความซับซ้อนทางเรขาคณิตของการจัดเรียงเส้นใยที่เกี่ยวข้องกับแนวการทำงานของกล้ามเนื้อ
ภาพแสดงแผนผังของการออกแบบแอคทูเอเตอร์แบบ SMA ที่มีอยู่ซึ่งสัมพันธ์กับสถาปัตยกรรมกล้ามเนื้อแบบสองโหมด ตัวอย่างเช่น (a) แสดงถึงปฏิสัมพันธ์ของแรงสัมผัสซึ่งอุปกรณ์รูปมือที่ขับเคลื่อนด้วยลวด SMA ติดตั้งอยู่บนหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติสองล้อ9,10 (b) อวัยวะเทียมเบ้าตาแบบหุ่นยนต์ที่มีอวัยวะเทียมเบ้าตาแบบสปริงโหลด SMA ที่วางในตำแหน่งตรงข้าม ตำแหน่งของดวงตาเทียมถูกควบคุมโดยสัญญาณจากกล้ามเนื้อตาของดวงตา11 (c) แอคทูเอเตอร์ SMA เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานใต้น้ำเนื่องจากการตอบสนองความถี่สูงและแบนด์วิดท์ต่ำ ในการกำหนดค่านี้ แอคทูเอเตอร์ SMA ถูกใช้เพื่อสร้างการเคลื่อนที่แบบคลื่นโดยจำลองการเคลื่อนไหวของปลา (d) แอคทูเอเตอร์ SMA ถูกใช้เพื่อสร้างหุ่นยนต์ตรวจสอบท่อขนาดเล็กที่สามารถใช้หลักการเคลื่อนที่แบบหนอนคลาน โดยควบคุมด้วยการเคลื่อนที่ของลวด SMA ภายในช่อง 10 (e) แสดงทิศทางการหดตัวของเส้นใยกล้ามเนื้อและการสร้างแรงหดตัวในเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อน่อง (f) แสดงลวด SMA ที่จัดเรียงในรูปทรงของเส้นใยกล้ามเนื้อในโครงสร้างกล้ามเนื้อแบบขนนก
แอคทูเอเตอร์ได้กลายเป็นส่วนสำคัญของระบบกลไกเนื่องจากมีการใช้งานที่หลากหลาย ดังนั้น ความต้องการไดรฟ์ที่มีขนาดเล็กกว่า เร็วกว่า และมีประสิทธิภาพมากกว่าจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง แม้จะมีข้อดี แต่ไดรฟ์แบบดั้งเดิมก็มีราคาแพงและใช้เวลานานในการบำรุงรักษา แอคทูเอเตอร์แบบไฮดรอลิกและนิวแมติกมีความซับซ้อนและมีราคาแพง อีกทั้งยังเสี่ยงต่อการสึกหรอ ปัญหาการหล่อลื่น และความล้มเหลวของชิ้นส่วน เพื่อตอบสนองความต้องการดังกล่าว จึงมีการมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาแอคทูเอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพด้านต้นทุน ขนาดเหมาะสม และล้ำสมัย โดยใช้วัสดุอัจฉริยะ งานวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่กำลังศึกษาแอคทูเอเตอร์แบบหลายชั้นที่ทำจากโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง (SMA) เพื่อตอบสนองความต้องการนี้ แอคทูเอเตอร์แบบลำดับชั้นมีความพิเศษตรงที่มันรวมแอคทูเอเตอร์แบบแยกส่วนจำนวนมากเข้าด้วยกันเป็นระบบย่อยขนาดใหญ่ที่มีรูปทรงเรขาคณิตซับซ้อน เพื่อเพิ่มและขยายฟังก์ชันการทำงาน ในแง่นี้ เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อของมนุษย์ที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นตัวอย่างที่ดีเยี่ยมของแอคทูเอเตอร์แบบหลายชั้นดังกล่าว งานวิจัยปัจจุบันอธิบายถึงไดรฟ์ SMA หลายระดับที่มีองค์ประกอบไดรฟ์แต่ละตัว (ลวด SMA) หลายเส้นเรียงตัวตามทิศทางของเส้นใยที่มีอยู่ในกล้ามเนื้อแบบไบโมดอล ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของไดรฟ์
จุดประสงค์หลักของแอคทูเอเตอร์คือการสร้างกำลังเชิงกล เช่น แรงและการเคลื่อนที่ โดยการแปลงพลังงานไฟฟ้า โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง (Shape memory alloys หรือ SMA) เป็นวัสดุ "อัจฉริยะ" ประเภทหนึ่งที่สามารถคืนรูปทรงได้ที่อุณหภูมิสูง ภายใต้ภาระสูง การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของลวด SMA จะนำไปสู่การคืนรูปทรง ส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานแอคทูเอเตอร์สูงกว่าวัสดุอัจฉริยะที่ยึดติดโดยตรงชนิดอื่นๆ ในขณะเดียวกัน ภายใต้ภาระเชิงกล SMA จะเปราะบาง ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ภาระแบบวัฏจักรสามารถดูดซับและปลดปล่อยพลังงานเชิงกล แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงรูปทรงแบบฮิสเทอเรซิสที่ย้อนกลับได้ คุณสมบัติเฉพาะเหล่านี้ทำให้ SMA เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเซ็นเซอร์ การลดการสั่นสะเทือน และโดยเฉพาะอย่างยิ่งแอคทูเอเตอร์12 ด้วยเหตุนี้จึงมีการวิจัยมากมายเกี่ยวกับไดรฟ์ที่ใช้ SMA ควรสังเกตว่าแอคทูเอเตอร์ที่ใช้ SMA ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้การเคลื่อนที่แบบเลื่อนและแบบหมุนสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย13,14,15 แม้ว่าจะมีการพัฒนาแอคทูเอเตอร์แบบหมุนบางส่วนแล้ว นักวิจัยก็ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับแอคทูเอเตอร์เชิงเส้น แอคทูเอเตอร์เชิงเส้นเหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็นแอคทูเอเตอร์ 3 ประเภท ได้แก่ แอคทูเอเตอร์แบบหนึ่งมิติ แอคทูเอเตอร์แบบการเคลื่อนที่ และแอคทูเอเตอร์แบบดิฟเฟอเรนเชียล 16 ในตอนแรก ไดรฟ์แบบไฮบริดถูกสร้างขึ้นโดยการผสมผสานระหว่าง SMA และไดรฟ์แบบดั้งเดิมอื่นๆ ตัวอย่างหนึ่งของแอคทูเอเตอร์เชิงเส้นแบบไฮบริดที่ใช้ SMA คือการใช้ลวด SMA ร่วมกับมอเตอร์ DC เพื่อให้ได้แรงเอาต์พุตประมาณ 100 N และการเคลื่อนที่ที่สำคัญ 17
หนึ่งในพัฒนาการแรกๆ ของระบบขับเคลื่อนที่ใช้ SMA อย่างสมบูรณ์คือ ระบบขับเคลื่อนแบบขนาน SMA โดยใช้ลวด SMA หลายเส้น ระบบขับเคลื่อนแบบขนานที่ใช้ SMA นี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มกำลังไฟฟ้าของระบบขับเคลื่อนโดยการวางลวด SMA18 ทั้งหมดแบบขนาน การเชื่อมต่อแบบขนานของแอคทูเอเตอร์ไม่เพียงแต่ต้องการพลังงานมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังจำกัดกำลังไฟฟ้าขาออกของลวดแต่ละเส้นอีกด้วย ข้อเสียอีกประการหนึ่งของแอคทูเอเตอร์ที่ใช้ SMA คือระยะการเคลื่อนที่ที่จำกัด เพื่อแก้ปัญหานี้ จึงมีการสร้างคานเคเบิล SMA ที่มีคานยืดหยุ่นที่เบี่ยงเบนเพื่อเพิ่มระยะการเคลื่อนที่และทำให้เกิดการเคลื่อนที่เชิงเส้น แต่ไม่ได้สร้างแรงที่สูงขึ้น19 โครงสร้างและผ้าที่อ่อนนุ่มและสามารถเปลี่ยนรูปได้สำหรับหุ่นยนต์ที่ใช้โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างได้รับการพัฒนาขึ้นโดยส่วนใหญ่เพื่อการขยายแรงกระแทก20,21,22 สำหรับการใช้งานที่ต้องการความเร็วสูง มีการรายงานปั๊มขับเคลื่อนขนาดกะทัดรัดโดยใช้ SMA ฟิล์มบางสำหรับการใช้งานที่ขับเคลื่อนด้วยไมโครปั๊ม23 ความถี่ในการขับเคลื่อนของเมมเบรน SMA ฟิล์มบางเป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุมความเร็วของตัวขับ ดังนั้น มอเตอร์เชิงเส้น SMA จึงมีการตอบสนองแบบไดนามิกที่ดีกว่ามอเตอร์สปริงหรือมอเตอร์แท่ง SMA หุ่นยนต์อ่อนนุ่มและเทคโนโลยีการจับยึดเป็นอีกสองการใช้งานที่ใช้แอคทูเอเตอร์ที่ใช้ SMA ตัวอย่างเช่น เพื่อทดแทนแอคทูเอเตอร์มาตรฐานที่ใช้ในแคลมป์อวกาศ 25 N ได้มีการพัฒนาแอคทูเอเตอร์แบบขนานโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง 24 ขึ้น ในอีกกรณีหนึ่ง แอคทูเอเตอร์อ่อนนุ่ม SMA ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ลวดที่มีเมทริกซ์ฝังอยู่ ซึ่งสามารถสร้างแรงดึงสูงสุด 30 N เนื่องจากคุณสมบัติทางกลของ SMA จึงมีการใช้ SMA ในการผลิตแอคทูเอเตอร์ที่เลียนแบบปรากฏการณ์ทางชีวภาพ การพัฒนาอย่างหนึ่งคือหุ่นยนต์ 12 เซลล์ที่เป็นแบบจำลองทางชีวภาพของสิ่งมีชีวิตคล้ายไส้เดือนดิน โดยใช้ SMA เพื่อสร้างการเคลื่อนที่แบบไซน์เพื่อยิง26,27
ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ มีข้อจำกัดเกี่ยวกับแรงสูงสุดที่สามารถสร้างได้จากแอคทูเอเตอร์ที่ใช้โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง (SMA) ที่มีอยู่ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ งานวิจัยนี้จึงนำเสนอโครงสร้างกล้ามเนื้อแบบสองโหมดเลียนแบบชีวภาพ ขับเคลื่อนด้วยลวดโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง โดยมีระบบการจำแนกประเภทที่รวมถึงลวดโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างหลายชนิด จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีรายงานแอคทูเอเตอร์ที่ใช้ SMA ที่มีสถาปัตยกรรมคล้ายกันในเอกสารทางวิชาการ ระบบที่เป็นเอกลักษณ์และแปลกใหม่นี้ซึ่งใช้ SMA ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อศึกษาพฤติกรรมของ SMA ในระหว่างการจัดเรียงกล้ามเนื้อแบบสองโหมด เมื่อเปรียบเทียบกับแอคทูเอเตอร์ที่ใช้ SMA ที่มีอยู่ เป้าหมายของงานวิจัยนี้คือการสร้างแอคทูเอเตอร์ไดวาเลอเรตแบบเลียนแบบชีวภาพเพื่อสร้างแรงที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในปริมาตรขนาดเล็ก เมื่อเปรียบเทียบกับไดรฟ์ที่ขับเคลื่อนด้วยสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบดั้งเดิมที่ใช้ในระบบควบคุมและอัตโนมัติของอาคาร HVAC การออกแบบไดรฟ์แบบสองโหมดที่ใช้ SMA ที่เสนอมานี้ช่วยลดน้ำหนักของกลไกขับเคลื่อนลงได้ 67% ต่อไปนี้ คำว่า “กล้ามเนื้อ” และ “ไดรฟ์” จะใช้แทนกันได้ งานวิจัยนี้ศึกษาการจำลองแบบหลายฟิสิกส์ของไดรฟ์ดังกล่าว พฤติกรรมเชิงกลของระบบดังกล่าวได้รับการศึกษาโดยวิธีการทดลองและการวิเคราะห์ มีการตรวจสอบการกระจายแรงและอุณหภูมิเพิ่มเติมที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7 โวลต์ จากนั้นจึงทำการวิเคราะห์พารามิเตอร์เพื่อทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์หลักและแรงเอาต์พุตให้ดียิ่งขึ้น สุดท้ายนี้ ได้มีการคิดค้นแอคทูเอเตอร์แบบลำดับชั้น และเสนอผลกระทบระดับลำดับชั้นเป็นพื้นที่ที่มีศักยภาพในอนาคตสำหรับแอคทูเอเตอร์ที่ไม่ใช้แม่เหล็กสำหรับการใช้งานในอวัยวะเทียม จากผลการศึกษาดังกล่าว การใช้สถาปัตยกรรมแบบขั้นตอนเดียวสร้างแรงได้สูงกว่าแอคทูเอเตอร์แบบ SMA ที่รายงานไว้ถึงอย่างน้อยสี่ถึงห้าเท่า นอกจากนี้ แรงขับเดียวกันที่สร้างขึ้นโดยไดรฟ์หลายระดับหลายระดับแสดงให้เห็นว่ามากกว่าสิบเท่าของไดรฟ์แบบ SMA ทั่วไป จากนั้นการศึกษาจะรายงานพารามิเตอร์หลักโดยใช้การวิเคราะห์ความไวระหว่างการออกแบบที่แตกต่างกันและตัวแปรอินพุต ความยาวเริ่มต้นของลวด SMA (\(l_0\)), มุมพินเนต (\(\alpha\)) และจำนวนเส้นใยเดี่ยว (n) ในแต่ละเส้นใยมีผลกระทบเชิงลบอย่างมากต่อขนาดของแรงขับเคลื่อน ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้า (พลังงาน) กลับมีความสัมพันธ์เชิงบวก
ลวด SMA แสดงคุณสมบัติการจำรูปทรง (Shape Memory Effect: SME) ที่พบในโลหะผสมตระกูลนิกเกล-ไทเทเนียม (Ni-Ti) โดยทั่วไปแล้ว SMA จะแสดงเฟสที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสองเฟส ได้แก่ เฟสอุณหภูมิต่ำและเฟสอุณหภูมิสูง ทั้งสองเฟสมีคุณสมบัติเฉพาะตัวเนื่องจากโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกัน ในเฟสออสเทนไนต์ (เฟสอุณหภูมิสูง) ที่อยู่เหนืออุณหภูมิการเปลี่ยนเฟส วัสดุจะมีความแข็งแรงสูงและเสียรูปน้อยภายใต้แรงกด โลหะผสมนี้มีพฤติกรรมคล้ายเหล็กกล้าไร้สนิม จึงสามารถทนต่อแรงดันกระตุ้นที่สูงขึ้นได้ การใช้ประโยชน์จากคุณสมบัตินี้ของโลหะผสม Ni-Ti ทำให้ลวด SMA ถูกดัดเอียงเพื่อสร้างเป็นแอคทูเอเตอร์ มีการพัฒนาแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ที่เหมาะสมเพื่อทำความเข้าใจกลไกพื้นฐานของพฤติกรรมทางความร้อนของ SMA ภายใต้อิทธิพลของพารามิเตอร์ต่างๆ และรูปทรงเรขาคณิตต่างๆ ผลลัพธ์จากการทดลองและการวิเคราะห์มีความสอดคล้องกันเป็นอย่างดี
ได้มีการทำการศึกษาทดลองกับต้นแบบที่แสดงในรูปที่ 9a เพื่อประเมินประสิทธิภาพของไดรฟ์แบบสองโหมดที่ใช้ SMA โดยได้ทำการวัดคุณสมบัติสองอย่าง ได้แก่ แรงที่เกิดจากไดรฟ์ (แรงกล้ามเนื้อ) และอุณหภูมิของลวด SMA (อุณหภูมิ SMA) ในเชิงทดลอง เมื่อความต่างศักย์เพิ่มขึ้นตลอดความยาวของลวดในไดรฟ์ อุณหภูมิของลวดจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากผลของความร้อนจูล แรงดันไฟฟ้าขาเข้าถูกป้อนในสองรอบ รอบละ 10 วินาที (แสดงเป็นจุดสีแดงในรูปที่ 2a, b) โดยมีช่วงเวลาระบายความร้อน 15 วินาทีระหว่างแต่ละรอบ แรงต้านถูกวัดโดยใช้เกจวัดความเครียดแบบเพียโซอิเล็กทริก และการกระจายอุณหภูมิของลวด SMA ถูกตรวจสอบแบบเรียลไทม์โดยใช้กล้อง LWIR ความละเอียดสูงระดับวิทยาศาสตร์ (ดูคุณลักษณะของอุปกรณ์ที่ใช้ในตารางที่ 2) แสดงให้เห็นว่าในช่วงเฟสแรงดันสูง อุณหภูมิของลวดจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่เมื่อไม่มีกระแสไหล อุณหภูมิของลวดจะลดลงอย่างต่อเนื่อง ในการทดลองปัจจุบัน อุณหภูมิของลวด SMA ลดลงระหว่างขั้นตอนการทำความเย็น แต่ยังคงสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อม รูปที่ 2e แสดงภาพถ่ายอุณหภูมิบนลวด SMA ที่ถ่ายจากกล้อง LWIR ในทางกลับกัน รูปที่ 2a แสดงแรงต้านที่เกิดจากระบบขับเคลื่อน เมื่อแรงของกล้ามเนื้อเกินกว่าแรงคืนตัวของสปริง แขนที่เคลื่อนที่ได้ดังแสดงในรูปที่ 9a จะเริ่มเคลื่อนที่ ทันทีที่การทำงานเริ่มต้น แขนที่เคลื่อนที่ได้จะสัมผัสกับเซ็นเซอร์ ทำให้เกิดแรงกระทำต่อตัววัตถุ ดังแสดงในรูปที่ 2c และ 2d เมื่ออุณหภูมิสูงสุดใกล้เคียงกับ 84°C แรงสูงสุดที่สังเกตได้คือ 105 N
กราฟแสดงผลการทดลองของอุณหภูมิของลวด SMA และแรงที่เกิดขึ้นจากแอคทูเอเตอร์แบบไบโมดอลที่ใช้ SMA ในระหว่างสองรอบ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าถูกป้อนในสองรอบ รอบละ 10 วินาที (แสดงเป็นจุดสีแดง) โดยมีช่วงเวลาพัก 15 วินาทีระหว่างแต่ละรอบ ลวด SMA ที่ใช้ในการทดลองเป็นลวด Flexinol ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.51 มม. จาก Dynalloy, Inc. (a) กราฟแสดงแรงที่ได้จากการทดลองในสองรอบ (c, d) แสดงตัวอย่างอิสระสองตัวอย่างของการทำงานของแอคทูเอเตอร์แขนเคลื่อนที่บนทรานสดิวเซอร์แรงเพียโซอิเล็กทริก PACEline CFT/5kN (b) กราฟแสดงอุณหภูมิสูงสุดของลวด SMA ทั้งหมดในช่วงเวลาสองรอบ (e) แสดงภาพอุณหภูมิที่ถ่ายจากลวด SMA โดยใช้กล้อง LWIR ของซอฟต์แวร์ FLIR ResearchIR พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่นำมาพิจารณาในการทดลองแสดงอยู่ในตารางที่หนึ่ง
ผลการจำลองของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และผลการทดลองถูกนำมาเปรียบเทียบกันภายใต้เงื่อนไขแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7V ดังแสดงในรูปที่ 5 จากผลการวิเคราะห์พารามิเตอร์และเพื่อหลีกเลี่ยงความเป็นไปได้ที่ลวด SMA จะร้อนเกินไป จึงจ่ายพลังงาน 11.2 W ให้กับแอคทูเอเตอร์ โดยใช้แหล่งจ่ายไฟ DC แบบโปรแกรมได้เพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7V และวัดกระแสไฟฟ้าได้ 1.6A คร่อมลวด แรงที่เกิดจากไดรฟ์และอุณหภูมิของ SDR จะเพิ่มขึ้นเมื่อมีการจ่ายกระแสไฟฟ้า ด้วยแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7V แรงเอาต์พุตสูงสุดที่ได้จากผลการจำลองและผลการทดลองในรอบแรกคือ 78 N และ 96 N ตามลำดับ ในรอบที่สอง แรงเอาต์พุตสูงสุดจากผลการจำลองและผลการทดลองคือ 150 N และ 105 N ตามลำดับ ความคลาดเคลื่อนระหว่างการวัดแรงบดบังและข้อมูลการทดลองอาจเกิดจากวิธีการที่ใช้ในการวัดแรงบดบัง ผลการทดลองแสดงในรูปที่ 5 5a สอดคล้องกับการวัดแรงล็อค ซึ่งวัดได้เมื่อเพลาขับสัมผัสกับตัวแปลงสัญญาณแรงเพียโซอิเล็กทริก PACEline CFT/5kN ดังแสดงในรูปที่ 2s ดังนั้น เมื่อเพลาขับไม่ได้สัมผัสกับเซ็นเซอร์แรงในช่วงเริ่มต้นของโซนระบายความร้อน แรงจะกลายเป็นศูนย์ทันที ดังแสดงในรูปที่ 2d นอกจากนี้ พารามิเตอร์อื่นๆ ที่ส่งผลต่อการเกิดแรงในรอบต่อๆ ไป ได้แก่ ค่าของเวลาระบายความร้อนและสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนในรอบก่อนหน้า จากรูปที่ 2b จะเห็นได้ว่าหลังจากช่วงเวลาระบายความร้อน 15 วินาที ลวด SMA ยังไม่ถึงอุณหภูมิห้อง ดังนั้นจึงมีอุณหภูมิเริ่มต้นที่สูงกว่า (40°C) ในรอบการขับเคลื่อนที่สองเมื่อเทียบกับรอบแรก (25°C) ดังนั้น เมื่อเปรียบเทียบกับรอบแรก อุณหภูมิของลวด SMA ในรอบการให้ความร้อนครั้งที่สองจะถึงอุณหภูมิออสเทนไนต์เริ่มต้น (\(A_s\)) เร็วกว่าและคงอยู่ในช่วงเปลี่ยนผ่านนานกว่า ส่งผลให้เกิดความเค้นและแรงมากขึ้น ในทางกลับกัน การกระจายอุณหภูมิระหว่างรอบการให้ความร้อนและการทำความเย็นที่ได้จากการทดลองและการจำลองมีความคล้ายคลึงกันในเชิงคุณภาพสูงกับตัวอย่างจากการวิเคราะห์เทอร์โมกราฟิก การวิเคราะห์เปรียบเทียบข้อมูลความร้อนของลวด SMA จากการทดลองและการจำลองแสดงให้เห็นถึงความสอดคล้องกันระหว่างรอบการให้ความร้อนและการทำความเย็น และอยู่ในขอบเขตความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้สำหรับข้อมูลจากการทดลอง อุณหภูมิสูงสุดของลวด SMA ที่ได้จากผลการจำลองและการทดลองในรอบแรกคือ 89°C และ 75°C ตามลำดับ และในรอบที่สอง อุณหภูมิสูงสุดของลวด SMA คือ 94°C และ 83°C ตามลำดับ แบบจำลองที่พัฒนาขึ้นนี้ยืนยันผลของปรากฏการณ์หน่วยความจำรูปร่าง บทบาทของความล้าและความร้อนสูงเกินไปไม่ได้ถูกพิจารณาในการทบทวนนี้ ในอนาคต แบบจำลองจะได้รับการปรับปรุงเพื่อรวมประวัติความเค้นของลวด SMA ทำให้เหมาะสมกับการใช้งานทางวิศวกรรมมากขึ้น กราฟแรงขับและอุณหภูมิของ SMA ที่ได้จากบล็อก Simulink อยู่ภายในค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ของข้อมูลการทดลองภายใต้เงื่อนไขของพัลส์แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7 V ซึ่งยืนยันความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่พัฒนาขึ้น
แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ได้รับการพัฒนาในสภาพแวดล้อม MathWorks Simulink R2020b โดยใช้สมการพื้นฐานที่อธิบายไว้ในส่วนวิธีการ รูปที่ 3b แสดงแผนภาพบล็อกของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ Simulink แบบจำลองนี้ได้รับการจำลองสำหรับพัลส์แรงดันอินพุต 7V ดังแสดงในรูปที่ 2a และ 2b ค่าของพารามิเตอร์ที่ใช้ในการจำลองแสดงอยู่ในตารางที่ 1 ผลลัพธ์ของการจำลองกระบวนการชั่วคราวแสดงอยู่ในรูปที่ 1 และ 3a และ 4 ในรูปที่ 4a และ 4b แสดงแรงดันเหนี่ยวนำในลวด SMA และแรงที่สร้างขึ้นโดยแอคทูเอเตอร์เป็นฟังก์ชันของเวลา ในระหว่างการเปลี่ยนรูปย้อนกลับ (การให้ความร้อน) เมื่ออุณหภูมิของลวด SMA ต่ำกว่า A_s^{\prime}\) (อุณหภูมิเริ่มต้นของเฟสออสเทนไนต์ที่ปรับเปลี่ยนความเค้น) อัตราการเปลี่ยนแปลงของเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ (\(\dot{\xi }\)) จะเป็นศูนย์ ในระหว่างการแปลงกลับ (การให้ความร้อน) เมื่ออุณหภูมิของลวด SMA \(T < A_s^{\prime}\) (อุณหภูมิเริ่มต้นของเฟสออสเทนไนต์ที่ปรับเปลี่ยนความเค้น) 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. ในระหว่างการแปลงกลับ (การให้ความร้อน) เมื่ออุณหภูมิของลวด SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (อุณหภูมิเริ่มต้นของออสเทนไนต์ที่ปรับเปลี่ยนความเค้น) 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
(a) ผลการจำลองแสดงการกระจายอุณหภูมิและอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อที่เกิดจากความเค้นในแอคทูเอเตอร์ไดวาเลอเรตที่ใช้ SMA เมื่ออุณหภูมิของลวดผ่านอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสออสเทนไนต์ในขั้นตอนการทำความร้อน อุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสออสเทนไนต์ที่ปรับเปลี่ยนแล้วจะเริ่มเพิ่มขึ้น และในทำนองเดียวกัน เมื่ออุณหภูมิของแท่งลวดผ่านอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสมาร์เทนไซต์ในขั้นตอนการทำความเย็น อุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสมาร์เทนไซต์จะลดลง SMA สำหรับการสร้างแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ของกระบวนการแอคทูเอเตอร์ (สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมของแต่ละระบบย่อยในแบบจำลอง Simulink โปรดดูส่วนภาคผนวกของไฟล์เพิ่มเติม)
ผลการวิเคราะห์สำหรับการกระจายพารามิเตอร์ที่แตกต่างกันแสดงให้เห็นสำหรับสองรอบของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7V (รอบอุ่นเครื่อง 10 วินาทีและรอบเย็นลง 15 วินาที) ในขณะที่ (ac) และ (e) แสดงการกระจายตามเวลา ส่วน (d) และ (f) แสดงการกระจายตามอุณหภูมิ สำหรับเงื่อนไขขาเข้าที่เกี่ยวข้อง ความเค้นสูงสุดที่สังเกตได้คือ 106 MPa (น้อยกว่า 345 MPa ซึ่งเป็นความแข็งแรงคราของลวด) แรงคือ 150 N การเคลื่อนที่สูงสุดคือ 270 µm และเศษส่วนปริมาตรมาร์เทนไซต์ต่ำสุดคือ 0.91 ในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงของความเค้นและการเปลี่ยนแปลงของเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ตามอุณหภูมิมีลักษณะคล้ายกับลักษณะของฮิสเทอรีซิส
คำอธิบายเดียวกันนี้ใช้ได้กับการเปลี่ยนแปลงโดยตรง (การระบายความร้อน) จากเฟสออสเทนไนต์ไปเป็นเฟสมาร์เทนไซต์ ซึ่งอุณหภูมิของลวด SMA (T) และอุณหภูมิสุดท้ายของเฟสมาร์เทนไซต์ที่ปรับเปลี่ยนความเค้น (\(M_f^{\prime}\ )) นั้นดีเยี่ยม รูปที่ 4d และ 4f แสดงการเปลี่ยนแปลงของความเค้นที่เหนี่ยวนำ (\(\sigma\)) และสัดส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ (\(\xi\)) ในลวด SMA เป็นฟังก์ชันของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของลวด SMA (T) สำหรับทั้งสองรอบการขับเคลื่อน รูปที่ 3a แสดงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของลวด SMA ตามเวลาขึ้นอยู่กับพัลส์แรงดันไฟฟ้าขาเข้า จากรูปจะเห็นได้ว่าอุณหภูมิของลวดเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยการให้แหล่งความร้อนที่แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์และการระบายความร้อนแบบพาความร้อนในภายหลัง ในระหว่างการให้ความร้อน การเปลี่ยนกลับของเฟสมาเทนไซต์ไปเป็นเฟสออสเทนไซต์จะเริ่มต้นขึ้นเมื่ออุณหภูมิของลวด SMA (T) สูงกว่าอุณหภูมิการเกิดนิวเคลียสของออสเทนไซต์ที่ปรับแก้ความเค้นแล้ว (\(A_s^{\prime}\)) ในช่วงเวลานี้ ลวด SMA จะถูกบีบอัดและตัวขับเคลื่อนจะสร้างแรงขึ้น นอกจากนี้ ในระหว่างการทำให้เย็นลง เมื่ออุณหภูมิของลวด SMA (T) สูงกว่าอุณหภูมิการเกิดนิวเคลียสของเฟสมาเทนไซต์ที่ปรับแก้ความเค้นแล้ว (\(M_s^{\prime}\)) จะเกิดการเปลี่ยนผ่านเชิงบวกจากเฟสออสเทนไซต์ไปเป็นเฟสมาเทนไซต์ แรงขับเคลื่อนจะลดลง
ลักษณะเชิงคุณภาพหลักของการขับเคลื่อนแบบสองโหมดโดยใช้ SMA สามารถหาได้จากผลการจำลอง ในกรณีที่มีการป้อนพัลส์แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิของลวด SMA จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากผลของความร้อนจูล ค่าเริ่มต้นของเศษส่วนปริมาตรมาร์เทนไซต์ (\(\xi\)) ถูกตั้งค่าเป็น 1 เนื่องจากวัสดุอยู่ในเฟสมาร์เทนไซต์อย่างสมบูรณ์ในตอนเริ่มต้น เมื่อลวดร้อนขึ้นเรื่อยๆ อุณหภูมิของลวด SMA จะเกินอุณหภูมิการเกิดนิวเคลียสของออสเทนไซต์ที่ปรับแก้ความเค้นแล้ว \(A_s^{\prime}\) ส่งผลให้เศษส่วนปริมาตรมาร์เทนไซต์ลดลง ดังแสดงในรูปที่ 4c นอกจากนี้ รูปที่ 4e แสดงการกระจายของจังหวะการเคลื่อนที่ของแอคทูเอเตอร์ตามเวลา และรูปที่ 5 แสดงแรงขับเคลื่อนเป็นฟังก์ชันของเวลา ระบบสมการที่เกี่ยวข้องประกอบด้วยอุณหภูมิ เศษส่วนปริมาตรมาร์เทนไซต์ และความเค้นที่เกิดขึ้นในลวด ส่งผลให้ลวด SMA หดตัวและเกิดแรงที่สร้างโดยแอคทูเอเตอร์ ดังแสดงในรูปที่ 4c 4d,f การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าตามอุณหภูมิและการเปลี่ยนแปลงสัดส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ตามอุณหภูมิ สอดคล้องกับลักษณะฮิสเทอรีซิสของ SMA ในกรณีจำลองที่ 7 V
การเปรียบเทียบพารามิเตอร์การขับเคลื่อนได้มาจากการทดลองและการคำนวณเชิงวิเคราะห์ ลวดถูกป้อนด้วยแรงดันไฟฟ้าแบบพัลส์ 7 V เป็นเวลา 10 วินาที จากนั้นทำให้เย็นลงเป็นเวลา 15 วินาที (ระยะการระบายความร้อน) เป็นสองรอบ มุมของขาพินถูกตั้งไว้ที่ 40° และความยาวเริ่มต้นของลวด SMA ในแต่ละขาพินเดี่ยวถูกตั้งไว้ที่ 83 มม. (a) การวัดแรงขับเคลื่อนด้วยโหลดเซลล์ (b) การตรวจสอบอุณหภูมิของลวดด้วยกล้องอินฟราเรดความร้อน
เพื่อให้เข้าใจถึงอิทธิพลของพารามิเตอร์ทางกายภาพที่มีต่อแรงที่เกิดขึ้นจากกลไกขับเคลื่อน จึงได้ทำการวิเคราะห์ความไวของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ต่อพารามิเตอร์ทางกายภาพที่เลือกไว้ และจัดลำดับพารามิเตอร์ตามอิทธิพลของมัน ขั้นแรก การสุ่มตัวอย่างพารามิเตอร์ของแบบจำลองทำโดยใช้หลักการออกแบบการทดลองที่ปฏิบัติตามการกระจายแบบสม่ำเสมอ (ดูส่วนเสริมเกี่ยวกับการวิเคราะห์ความไว) ในกรณีนี้ พารามิเตอร์ของแบบจำลองประกอบด้วยแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (\(V_{in}\)), ความยาวลวด SMA เริ่มต้น (\(l_0\)), มุมสามเหลี่ยม (\(\alpha\)), ค่าคงที่สปริงไบแอส (\( K_x\ )), สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน (\(h_T\)) และจำนวนกิ่งแบบโมดอลเดียว (n) ในขั้นตอนต่อไป ได้เลือกความแข็งแรงของกล้ามเนื้อสูงสุดเป็นข้อกำหนดในการออกแบบการศึกษา และได้ผลกระทบของพารามิเตอร์แต่ละชุดต่อความแข็งแรง แผนภาพทอร์นาโดสำหรับการวิเคราะห์ความไวได้มาจากสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์สำหรับแต่ละพารามิเตอร์ ดังแสดงในรูปที่ 6a
(a) ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ของพารามิเตอร์แบบจำลองและผลกระทบต่อแรงเอาต์พุตสูงสุดของกลุ่มพารามิเตอร์แบบจำลองข้างต้น 2500 กลุ่มที่ไม่ซ้ำกัน แสดงอยู่ในแผนภาพทอร์นาโด กราฟแสดงความสัมพันธ์เชิงลำดับของตัวบ่งชี้หลายตัว เห็นได้ชัดว่า \(V_{in}\) เป็นพารามิเตอร์เดียวที่มีความสัมพันธ์เชิงบวก และ \(l_0\) เป็นพารามิเตอร์ที่มีความสัมพันธ์เชิงลบสูงสุด ผลกระทบของพารามิเตอร์ต่างๆ ในการผสมผสานต่างๆ ต่อความแข็งแรงของกล้ามเนื้อสูงสุดแสดงใน (b, c) \(K_x\) มีค่าตั้งแต่ 400 ถึง 800 N/m และ n มีค่าตั้งแต่ 4 ถึง 24 แรงดันไฟฟ้า (\(V_{in}\)) เปลี่ยนจาก 4V เป็น 10V ความยาวสายไฟ (\(l_{0 } \)) เปลี่ยนจาก 40 เป็น 100 มม. และมุมหาง (\ (\alpha \)) เปลี่ยนจาก \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
รูปที่ 6a แสดงแผนภาพทอร์นาโดของค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ต่างๆ สำหรับแต่ละพารามิเตอร์กับข้อกำหนดการออกแบบแรงขับสูงสุด จากรูปที่ 6a จะเห็นได้ว่าพารามิเตอร์แรงดันไฟฟ้า (\(V_{in}\)) มีความสัมพันธ์โดยตรงกับแรงขับสูงสุด และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน (\(h_T\)) มุมเปลวไฟ (\ ( \alpha\)) ค่าคงที่สปริงการกระจัด ( \(K_x\)) มีความสัมพันธ์เชิงลบกับแรงขับและความยาวเริ่มต้น (\(l_0\)) ของลวด SMA และจำนวนกิ่งก้านแบบโมดอลเดียว (n) แสดงความสัมพันธ์ผกผันอย่างมาก ในกรณีของความสัมพันธ์โดยตรง ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์แรงดันไฟฟ้า (\(V_{in}\)) ที่สูงขึ้นแสดงว่าพารามิเตอร์นี้มีผลกระทบต่อกำลังขับมากที่สุด การวิเคราะห์ที่คล้ายกันอีกวิธีหนึ่งจะวัดแรงสูงสุดโดยประเมินผลของพารามิเตอร์ต่างๆ ในการผสมผสานที่แตกต่างกันของพื้นที่การคำนวณทั้งสอง ดังแสดงในรูปที่ 6b, c \(V_{in}\) และ \(l_0\), \(\alpha\) และ \(l_0\) มีรูปแบบที่คล้ายกัน และกราฟแสดงให้เห็นว่า \(V_{in}\) และ \(\alpha\ ) และ \(\alpha\) มีรูปแบบที่คล้ายกัน ค่า \(l_0\) ที่น้อยลงจะส่งผลให้แรงสูงสุดสูงขึ้น พล็อตอีกสองอันสอดคล้องกับรูปที่ 6a ซึ่ง n และ \(K_x\) มีความสัมพันธ์เชิงลบ และ \(V_{in}\) มีความสัมพันธ์เชิงบวก การวิเคราะห์นี้ช่วยในการกำหนดและปรับพารามิเตอร์ที่มีอิทธิพล ซึ่งแรงเอาต์พุต ระยะชัก และประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อนสามารถปรับให้เข้ากับความต้องการและการใช้งานได้
งานวิจัยปัจจุบันนำเสนอและศึกษาเกี่ยวกับกลไกขับเคลื่อนแบบลำดับชั้นที่มี N ระดับ ในลำดับชั้นสองระดับ ดังแสดงในรูปที่ 7a โดยแทนที่จะใช้ลวด SMA แต่ละเส้นของแอคทูเอเตอร์ระดับแรก จะมีการจัดเรียงแบบสองโหมด ดังแสดงในรูปที่ 9e รูปที่ 7c แสดงให้เห็นว่าลวด SMA ถูกพันรอบแขนที่เคลื่อนที่ได้ (แขนเสริม) ซึ่งเคลื่อนที่ได้เฉพาะในทิศทางตามยาวเท่านั้น อย่างไรก็ตาม แขนที่เคลื่อนที่ได้หลักยังคงเคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกับแขนที่เคลื่อนที่ได้ของแอคทูเอเตอร์หลายขั้นตอนระดับที่ 1 โดยทั่วไป กลไกขับเคลื่อน N ขั้นตอนจะถูกสร้างขึ้นโดยการแทนที่ลวด SMA ระดับ \(N-1\) ด้วยกลไกขับเคลื่อนระดับแรก ส่งผลให้แต่ละสาขาเลียนแบบกลไกขับเคลื่อนระดับแรก ยกเว้นสาขาที่ยึดลวดไว้ ในลักษณะนี้ สามารถสร้างโครงสร้างแบบซ้อนกันซึ่งสร้างแรงที่มากกว่าแรงของกลไกขับเคลื่อนหลักหลายเท่าได้ ในการศึกษานี้ สำหรับแต่ละระดับ ความยาวลวด SMA ที่มีประสิทธิภาพรวม 1 เมตร ถูกนำมาพิจารณา ดังแสดงในรูปแบบตารางในรูปที่ 7d กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านลวดแต่ละเส้นในการออกแบบแบบโมดอลเดี่ยวแต่ละแบบ และแรงดึงล่วงหน้าและแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในแต่ละส่วนของลวด SMA นั้นเท่ากันในแต่ละระดับ ตามแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ของเรา แรงเอาต์พุตมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับระดับ ในขณะที่การเคลื่อนที่นั้นมีความสัมพันธ์เชิงลบ ในขณะเดียวกัน ก็มีความสมดุลระหว่างการเคลื่อนที่และความแข็งแรงของกล้ามเนื้อ ดังที่เห็นในรูปที่ 7b ในขณะที่แรงสูงสุดเกิดขึ้นในจำนวนชั้นที่มากที่สุด การเคลื่อนที่สูงสุดจะสังเกตได้ในชั้นต่ำสุด เมื่อตั้งระดับลำดับชั้นเป็น N=5 พบว่าแรงกล้ามเนื้อสูงสุด 2.58 kN ที่ระยะการเคลื่อนที่ 2 μm ในทางกลับกัน การขับเคลื่อนขั้นแรกสร้างแรง 150 N ที่ระยะการเคลื่อนที่ 277 μm แอคทูเอเตอร์แบบหลายระดับสามารถเลียนแบบกล้ามเนื้อทางชีวภาพจริงได้ โดยที่กล้ามเนื้อเทียมที่ทำจากโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างสามารถสร้างแรงได้สูงกว่ามาก พร้อมการเคลื่อนไหวที่แม่นยำและละเอียดกว่า ข้อจำกัดของการออกแบบขนาดเล็กนี้คือ เมื่อลำดับชั้นเพิ่มขึ้น การเคลื่อนไหวจะลดลงอย่างมาก และความซับซ้อนของกระบวนการผลิตไดรฟ์ก็จะเพิ่มขึ้น
(a) แสดงระบบแอคทูเอเตอร์เชิงเส้นโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างแบบสองขั้นตอน (\(N=2\)) ในการกำหนดค่าแบบไบโมดอล แบบจำลองที่เสนอได้มาจากการแทนที่ลวด SMA ในแอคทูเอเตอร์แบบหลายชั้นขั้นตอนแรกด้วยแอคทูเอเตอร์แบบหลายชั้นขั้นตอนเดียวอีกตัวหนึ่ง (c) การกำหนดค่าที่เสียรูปของแอคทูเอเตอร์แบบหลายชั้นขั้นตอนที่สอง (b) อธิบายการกระจายของแรงและการกระจัดขึ้นอยู่กับจำนวนระดับ พบว่าแรงสูงสุดของแอคทูเอเตอร์มีความสัมพันธ์เชิงบวกกับระดับมาตราส่วนบนกราฟ ในขณะที่ระยะชักมีความสัมพันธ์เชิงลบกับระดับมาตราส่วน กระแสและแรงดันเริ่มต้นในแต่ละลวดคงที่ในทุกระดับ (d) ตารางแสดงจำนวนแท็ปและความยาวของลวด SMA (ไฟเบอร์) ในแต่ละระดับ คุณลักษณะของลวดระบุด้วยดัชนี 1 และจำนวนสาขารอง (หนึ่งสาขาที่เชื่อมต่อกับขาหลัก) ระบุด้วยตัวเลขที่มากที่สุดในตัวห้อย ตัวอย่างเช่น ที่ระดับ 5, \(n_1\) หมายถึงจำนวนสาย SMA ที่มีอยู่ในแต่ละโครงสร้างแบบไบโมดอล และ \(n_5\) หมายถึงจำนวนขาเสริม (หนึ่งขาที่เชื่อมต่อกับขาหลัก)
นักวิจัยหลายคนได้เสนอวิธีการต่างๆ เพื่อสร้างแบบจำลองพฤติกรรมของ SMA ที่มีคุณสมบัติความจำรูปร่าง ซึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเทอร์โมกลศาสตร์ที่มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงระดับมหภาคในโครงสร้างผลึกที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนเฟส การกำหนดวิธีการเชิงโครงสร้างนั้นมีความซับซ้อนโดยเนื้อแท้ แบบจำลองเชิงปรากฏการณ์ที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือแบบจำลองที่เสนอโดย Tanaka28 และใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิศวกรรม แบบจำลองเชิงปรากฏการณ์ที่เสนอโดย Tanaka [28] สมมติว่าเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์เป็นฟังก์ชันเลขชี้กำลังของอุณหภูมิและความเค้น ต่อมา Liang และ Rogers29 และ Brinson30 ได้เสนอแบบจำลองที่สมมติว่าพลวัตการเปลี่ยนเฟสเป็นฟังก์ชันโคไซน์ของแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิ โดยมีการปรับเปลี่ยนแบบจำลองเล็กน้อย Becker และ Brinson ได้เสนอแบบจำลองจลนศาสตร์ตามแผนภาพเฟสเพื่อสร้างแบบจำลองพฤติกรรมของวัสดุ SMA ภายใต้เงื่อนไขการโหลดแบบใดๆ รวมถึงการเปลี่ยนเฟสบางส่วนด้วย Banerjee32 ใช้ระเบียบวิธีไดนามิกแผนภาพเฟสของ Bekker และ Brinson31 เพื่อจำลองหุ่นยนต์แขนกลที่มีองศาอิสระเดียวซึ่งพัฒนาโดย Elahinia และ Ahmadian33 วิธีการจลนศาสตร์ที่อิงตามแผนภาพเฟส ซึ่งคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงที่ไม่เป็นไปตามลำดับของแรงดันไฟฟ้าตามอุณหภูมิ เป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้ในงานวิศวกรรม Elakhinia และ Ahmadian ชี้ให้เห็นถึงข้อบกพร่องเหล่านี้ของแบบจำลองเชิงปรากฏการณ์ที่มีอยู่ และเสนอแบบจำลองเชิงปรากฏการณ์ที่ขยายเพิ่มเติมเพื่อวิเคราะห์และกำหนดพฤติกรรมความจำรูปร่างภายใต้สภาวะการโหลดที่ซับซ้อนใดๆ
แบบจำลองโครงสร้างของลวด SMA แสดงถึงความเค้น (\(\sigma\)), ความเครียด (\(\epsilon\)), อุณหภูมิ (T) และเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ (\(\xi\)) ของลวด SMA แบบจำลองเชิงปรากฏการณ์นี้ได้รับการเสนอครั้งแรกโดย Tanaka28 และต่อมาได้รับการนำไปใช้โดย Liang29 และ Brinson30 อนุพันธ์ของสมการมีรูปแบบดังนี้:
โดยที่ E คือค่าโมดูลัสของยัง (Young's modulus) ของ SMA ที่ขึ้นอยู่กับเฟส ซึ่งได้จากการใช้สูตร \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) และ \(E_A\) และ \(E_M\) แทนค่าโมดูลัสของยังในเฟสออสเทนไนต์และมาร์เทนซิติกตามลำดับ และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนแทนด้วย \(\theta _T\) ปัจจัยการมีส่วนร่วมของการเปลี่ยนเฟสคือ \(\Omega = -E \epsilon _L\) และ \(\epsilon _L\) คือค่าความเครียดที่สามารถคืนตัวได้สูงสุดในลวด SMA
สมการพลวัตเฟสสอดคล้องกับฟังก์ชันโคไซน์ที่พัฒนาโดย Liang29 และต่อมานำมาใช้โดย Brinson30 แทนฟังก์ชันเลขชี้กำลังที่เสนอโดย Tanaka28 แบบจำลองการเปลี่ยนเฟสเป็นส่วนขยายของแบบจำลองที่เสนอโดย Elakhinia และ Ahmadian34 และได้รับการปรับปรุงตามเงื่อนไขการเปลี่ยนเฟสที่กำหนดโดย Liang29 และ Brinson30 เงื่อนไขที่ใช้สำหรับแบบจำลองการเปลี่ยนเฟสนี้ใช้ได้ภายใต้ภาระทางเทอร์โมกลศาสตร์ที่ซับซ้อน ในแต่ละช่วงเวลา ค่าของเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์จะถูกคำนวณเมื่อสร้างแบบจำลองสมการเชิงโครงสร้าง
สมการการเปลี่ยนรูปกลับที่ควบคุมการเปลี่ยนรูปจากมาร์เทนไซต์เป็นออสเทนไซต์ภายใต้สภาวะความร้อน มีดังนี้:
โดยที่ \(\xi\) คือเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์, \(\xi _M\) คือเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ที่ได้ก่อนการให้ความร้อน, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) และ \(C_A\) คือพารามิเตอร์การประมาณเส้นโค้ง, T คืออุณหภูมิของลวด SMA, \(A_s\) และ \(A_f\) คืออุณหภูมิเริ่มต้นและสิ้นสุดของเฟสออสเทนไนต์ ตามลำดับ
สมการควบคุมการเปลี่ยนแปลงโดยตรง ซึ่งแสดงโดยการเปลี่ยนแปลงเฟสจากออสเทนไนต์เป็นมาร์เทนไซต์ภายใต้สภาวะการทำความเย็น มีดังนี้:
โดยที่ \(\xi _A\) คือเศษส่วนปริมาตรของมาร์เทนไซต์ที่ได้ก่อนการระบายความร้อน, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) และ \ ( C_M \) คือพารามิเตอร์การปรับเส้นโค้ง, T คืออุณหภูมิของลวด SMA, \(M_s\) และ \(M_f\) คืออุณหภูมิของมาร์เทนไซต์เริ่มต้นและสุดท้าย ตามลำดับ
หลังจากทำการหาอนุพันธ์ของสมการ (3) และ (4) แล้ว สมการการแปลงผกผันและการแปลงโดยตรงจะถูกทำให้ง่ายขึ้นเป็นรูปแบบต่อไปนี้:
ในระหว่างการแปลงไปข้างหน้าและย้อนกลับ \(\eta _{\sigma}\) และ \(\eta _{T}\) จะมีค่าแตกต่างกัน สมการพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับ \(\eta _{\sigma}\) และ \(\eta _{T}\) ได้รับการหาอนุพันธ์และอธิบายโดยละเอียดในส่วนเพิ่มเติมแล้ว
พลังงานความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของลวด SMA มาจากผลของความร้อนจูล พลังงานความร้อนที่ถูกดูดซับหรือปล่อยออกมาจากลวด SMA แสดงด้วยความร้อนแฝงของการเปลี่ยนแปลง การสูญเสียความร้อนในลวด SMA เกิดจากการพาความร้อนแบบบังคับ และเนื่องจากผลของรังสีมีน้อยมาก สมการสมดุลพลังงานความร้อนจึงเป็นดังนี้:
โดยที่ \(m_{wire}\) คือมวลรวมของลวด SMA, \(c_{p}\) คือความจุความร้อนจำเพาะของ SMA, \(V_{in}\) คือแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับลวด, \(R_{ohm} \ ) คือความต้านทานที่ขึ้นอยู่กับเฟสของ SMA ซึ่งกำหนดโดย; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) โดยที่ \(r_M\ ) และ \(r_A\) คือความต้านทานจำเพาะของเฟส SMA ในมาร์เทนไซต์และออสเทนไซต์ตามลำดับ, \(A_{c}\) คือพื้นที่ผิวของลวด SMA, \(\Delta H \) คือความร้อนแฝงของการเปลี่ยนสถานะของลวด, T และ \(T_{\infty}\) คืออุณหภูมิของลวด SMA และสิ่งแวดล้อมตามลำดับ
เมื่อลวดโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างถูกกระตุ้น ลวดจะถูกบีบอัด ทำให้เกิดแรงในแต่ละกิ่งของโครงสร้างแบบสองโหมดที่เรียกว่าแรงจากเส้นใย แรงของเส้นใยในแต่ละเส้นของลวด SMA รวมกันสร้างแรงกระตุ้นเพื่อทำให้เกิดการทำงาน ดังแสดงในรูปที่ 9e เนื่องจากมีสปริงไบแอส แรงกระตุ้นรวมของตัวกระตุ้นหลายชั้นที่ N คือ:
เมื่อแทนค่า \(N = 1\) ลงในสมการ (7) จะได้ความแข็งแรงของกล้ามเนื้อของต้นแบบขับเคลื่อนแบบสองโหมดขั้นแรกดังนี้:
โดยที่ n คือจำนวนขาแบบโมดอลเดียว, \(F_m\) คือแรงกล้ามเนื้อที่เกิดจากตัวขับ, \(F_f\) คือความแข็งแรงของเส้นใยในลวด SMA, \(K_x\) คือความแข็งของสปริงไบแอส, \(\alpha\) คือมุมของสามเหลี่ยม, \(x_0\) คือค่าออฟเซ็ตเริ่มต้นของสปริงไบแอสเพื่อยึดสายเคเบิล SMA ไว้ในตำแหน่งที่ดึงไว้ล่วงหน้า และ \(\Delta x\) คือระยะการเคลื่อนที่ของแอคทูเอเตอร์
การกระจัดหรือการเคลื่อนที่ทั้งหมดของไดรฟ์ (\(\Delta x\)) ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า (\(\sigma\)) และความเครียด (\(\epsilon\)) บนลวด SMA ของขั้นที่ N โดยไดรฟ์จะถูกตั้งค่าเป็น (ดูรูปส่วนเพิ่มเติมของเอาต์พุต):
สมการจลนศาสตร์แสดงความสัมพันธ์ระหว่างการเสียรูปของตัวขับ (\(\epsilon\)) และการกระจัดหรือการเคลื่อนที่ (\(\Delta x\)) การเสียรูปของลวด Arb เป็นฟังก์ชันของความยาวลวด Arb เริ่มต้น (\(l_0\)) และความยาวลวด (l) ณ เวลาใดๆ t ในสาขาแบบโมดอลเดียวมีดังนี้:
โดยที่ \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) ได้มาจากการใช้สูตรโคไซน์ใน \(\Delta\)ABB ' ดังแสดงในรูปที่ 8 สำหรับการขับเคลื่อนขั้นแรก (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) คือ \(\Delta x\) และ \(\alpha _1\) คือ \(\alpha \) ดังแสดงในรูปที่ 8 โดยการหาอนุพันธ์ของเวลาจากสมการ (11) และแทนค่า l อัตราความเครียดสามารถเขียนได้ดังนี้:
โดยที่ \(l_0\) คือความยาวเริ่มต้นของลวด SMA, l คือความยาวของลวด ณ เวลา t ใดๆ ในสาขาแบบโมดอลเดียว, \(\epsilon\) คือการเสียรูปที่เกิดขึ้นในลวด SMA, และ \(\alpha \) คือมุมของสามเหลี่ยม, \(\Delta x\) คือค่าชดเชยการขับเคลื่อน (ดังแสดงในรูปที่ 8)
โครงสร้างยอดเดี่ยวทั้งหมด n โครงสร้าง (n=6 ในรูปนี้) เชื่อมต่อกันแบบอนุกรมโดยมี Vin เป็นแรงดันอินพุต ขั้นตอนที่ 1: แผนภาพแสดงวงจรของสาย SMA ในการกำหนดค่าแบบสองโหมดภายใต้สภาวะแรงดันศูนย์ ขั้นตอนที่ 2: แสดงโครงสร้างที่ควบคุมได้ โดยที่สาย SMA ถูกบีบอัดเนื่องจากการแปลงผกผัน ดังแสดงด้วยเส้นสีแดง
เพื่อเป็นการพิสูจน์แนวคิด จึงได้พัฒนาไดรฟ์แบบสองโหมดที่ใช้ SMA เพื่อทดสอบการจำลองการหาอนุพันธ์ของสมการพื้นฐานด้วยผลการทดลอง แบบจำลอง CAD ของแอคทูเอเตอร์เชิงเส้นแบบสองโหมดแสดงในรูปที่ 9a ในทางกลับกัน รูปที่ 9c แสดงการออกแบบใหม่ที่เสนอสำหรับการเชื่อมต่อปริซึมแบบหมุนโดยใช้แอคทูเอเตอร์แบบสองระนาบที่ใช้ SMA ที่มีโครงสร้างแบบสองโหมด ชิ้นส่วนไดรฟ์ถูกผลิตขึ้นโดยใช้การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) บนเครื่องพิมพ์ 3 มิติ Ultimaker 3 Extended วัสดุที่ใช้ในการพิมพ์ 3 มิติของชิ้นส่วนคือโพลีคาร์บอเนต ซึ่งเหมาะสำหรับวัสดุทนความร้อนเนื่องจากมีความแข็งแรง ทนทาน และมีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วสูง (110-113 °C) นอกจากนี้ ในการทดลองยังใช้ลวดโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง Flexinol ของ Dynalloy, Inc. และใช้คุณสมบัติของวัสดุที่สอดคล้องกับลวด Flexinol ในการจำลอง ลวด SMA หลายเส้นถูกจัดเรียงเป็นเส้นใยในรูปแบบการจัดเรียงแบบสองโหมดของกล้ามเนื้อ เพื่อให้ได้แรงสูงที่เกิดจากแอคทูเอเตอร์แบบหลายชั้น ดังแสดงในรูปที่ 9b และ d
ดังแสดงในรูปที่ 9a มุมแหลมที่เกิดจากลวด SMA ของแขนที่เคลื่อนที่ได้เรียกว่ามุม (\(\alpha\)) โดยใช้แคลมป์ยึดขั้วที่ติดอยู่กับแคลมป์ด้านซ้ายและด้านขวา ลวด SMA จะถูกยึดไว้ที่มุมสองโหมดที่ต้องการ อุปกรณ์สปริงไบแอสที่ยึดอยู่บนตัวเชื่อมต่อสปริงได้รับการออกแบบมาเพื่อปรับกลุ่มการยืดของสปริงไบแอสที่แตกต่างกันตามจำนวน (n) ของเส้นใย SMA นอกจากนี้ ตำแหน่งของชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้ได้รับการออกแบบเพื่อให้ลวด SMA สัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอกเพื่อการระบายความร้อนแบบบังคับ แผ่นด้านบนและด้านล่างของชุดประกอบที่ถอดได้ช่วยรักษาอุณหภูมิของลวด SMA ให้เย็นด้วยช่องตัดที่ออกแบบมาเพื่อลดน้ำหนัก นอกจากนี้ ปลายทั้งสองข้างของลวด CMA ยังถูกยึดเข้ากับขั้วด้านซ้ายและด้านขวาตามลำดับโดยใช้การบีบอัด ลูกสูบติดอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของชุดประกอบที่เคลื่อนที่ได้เพื่อรักษาระยะห่างระหว่างแผ่นด้านบนและด้านล่าง นอกจากนี้ ลูกสูบยังใช้เพื่อสร้างแรงต้านต่อเซ็นเซอร์ผ่านหน้าสัมผัส เพื่อวัดแรงต้านเมื่อลวด SMA ถูกกระตุ้น
โครงสร้างกล้ามเนื้อแบบสองโหมด SMA เชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบบอนุกรมและขับเคลื่อนด้วยแรงดันพัลส์ขาเข้า ในระหว่างรอบแรงดันพัลส์ เมื่อมีการจ่ายแรงดันและลวด SMA ร้อนขึ้นเหนืออุณหภูมิเริ่มต้นของออสเทนไนต์ ความยาวของลวดในแต่ละเส้นจะสั้นลง การหดตัวนี้จะกระตุ้นชุดประกอบแขนเคลื่อนที่ เมื่อแรงดันเป็นศูนย์ในรอบเดียวกัน ลวด SMA ที่ร้อนจะเย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิของพื้นผิวมาร์เทนไซต์ จึงกลับคืนสู่ตำแหน่งเดิม ภายใต้สภาวะที่ไม่มีแรงเค้น ลวด SMA จะถูกยืดออกโดยสปริงไบแอสก่อนเพื่อให้ถึงสถานะมาร์เทนไซต์ที่คลายตัว สกรูที่ลวด SMA ผ่านจะเคลื่อนที่เนื่องจากการบีบอัดที่เกิดจากการจ่ายแรงดันพัลส์ไปยังลวด SMA (SPA ถึงเฟสออสเทนไนต์) ซึ่งนำไปสู่การทำงานของคันโยกเคลื่อนที่ เมื่อลวด SMA หดกลับ สปริงไบแอสจะสร้างแรงต้านโดยการยืดสปริงออกไปอีก เมื่อความเค้นในแรงดันอิมพัลส์เป็นศูนย์ ลวด SMA จะยืดออกและเปลี่ยนรูปร่างเนื่องจากการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนแบบบังคับ จนกระทั่งถึงเฟสมาเทนไซต์คู่
ระบบแอคทูเอเตอร์เชิงเส้นแบบ SMA ที่เสนอมีโครงสร้างแบบไบโมดอล โดยที่ลวด SMA ทำมุมกัน (a) แสดงแบบจำลอง CAD ของต้นแบบ ซึ่งกล่าวถึงส่วนประกอบบางอย่างและความหมายของส่วนประกอบเหล่านั้นสำหรับต้นแบบ (b, d) แสดงต้นแบบทดลองที่พัฒนาขึ้น35 โดย (b) แสดงมุมมองด้านบนของต้นแบบพร้อมการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า สปริงไบแอส และเกจวัดความเครียดที่ใช้ (d) แสดงมุมมองแบบเปอร์สเปคทีฟของการตั้งค่า (e) แผนภาพของระบบแอคทูเอเตอร์เชิงเส้นที่มีลวด SMA วางแบบไบโมดอล ณ เวลาใดๆ t แสดงทิศทางและเส้นทางของเส้นใยและความแข็งแรงของกล้ามเนื้อ (c) ได้มีการเสนอการเชื่อมต่อปริซึมแบบหมุน 2 DOF สำหรับการใช้งานแอคทูเอเตอร์แบบ SMA สองระนาบ ดังที่แสดงไว้ ลิงก์จะส่งการเคลื่อนที่เชิงเส้นจากไดรฟ์ด้านล่างไปยังแขนด้านบน ทำให้เกิดการเชื่อมต่อแบบหมุน ในทางกลับกัน การเคลื่อนที่ของปริซึมคู่หนึ่งจะเหมือนกับการเคลื่อนที่ของไดรฟ์ขั้นแรกแบบหลายชั้น
ได้ทำการศึกษาทดลองกับต้นแบบที่แสดงในรูปที่ 9b เพื่อประเมินประสิทธิภาพของไดรฟ์แบบสองโหมดที่ใช้ SMA ดังแสดงในรูปที่ 10a ชุดอุปกรณ์ทดลองประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟ DC แบบโปรแกรมได้เพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าขาเข้าให้กับลวด SMA ดังแสดงในรูปที่ 10b ได้ใช้เกจวัดความเครียดแบบเพียโซอิเล็กทริก (PACEline CFT/5kN) เพื่อวัดแรงต้านโดยใช้เครื่องบันทึกข้อมูล Graphtec GL-2000 ข้อมูลจะถูกบันทึกโดยโฮสต์เพื่อการศึกษาเพิ่มเติม เกจวัดความเครียดและเครื่องขยายสัญญาณประจุไฟฟ้าต้องการแหล่งจ่ายไฟคงที่เพื่อสร้างสัญญาณแรงดันไฟฟ้า สัญญาณที่ได้จะถูกแปลงเป็นกำลังไฟฟ้าขาออกตามความไวของเซ็นเซอร์วัดแรงแบบเพียโซอิเล็กทริกและพารามิเตอร์อื่นๆ ดังที่อธิบายไว้ในตารางที่ 2 เมื่อมีการใช้พัลส์แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิของลวด SMA จะเพิ่มขึ้น ทำให้ลวด SMA ถูกบีบอัด ซึ่งทำให้แอคทูเอเตอร์สร้างแรง ผลการทดลองของกำลังกล้ามเนื้อที่ได้จากพัลส์แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7 V แสดงในรูปที่ 2a
(a) ในการทดลองนี้ได้จัดตั้งระบบแอคทูเอเตอร์เชิงเส้นแบบ SMA เพื่อวัดแรงที่เกิดจากแอคทูเอเตอร์ เซลล์รับน้ำหนักจะวัดแรงต้านและใช้แหล่งจ่ายไฟ DC 24 V มีการจ่ายแรงดันตกคร่อม 7 V ตลอดความยาวของสายเคเบิลโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ DC แบบโปรแกรมได้ของ GW Instek ลวด SMA จะหดตัวเนื่องจากความร้อน และแขนที่เคลื่อนที่ได้จะสัมผัสกับเซลล์รับน้ำหนักและออกแรงต้าน เซลล์รับน้ำหนักเชื่อมต่อกับเครื่องบันทึกข้อมูล GL-2000 และข้อมูลจะถูกจัดเก็บไว้ในโฮสต์เพื่อการประมวลผลต่อไป (b) แผนภาพแสดงลำดับของส่วนประกอบต่างๆ ในการตั้งค่าการทดลองเพื่อวัดความแข็งแรงของกล้ามเนื้อ
โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง (Shape memory alloys) จะถูกกระตุ้นด้วยพลังงานความร้อน ดังนั้นอุณหภูมิจึงเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการศึกษาปรากฏการณ์หน่วยความจำรูปร่าง จากการทดลอง ดังแสดงในรูปที่ 11a ได้ทำการถ่ายภาพความร้อนและวัดอุณหภูมิบนตัวกระตุ้นไดวาเลอเรตต้นแบบที่ใช้ SMA เป็นส่วนประกอบ แหล่งจ่ายไฟ DC แบบโปรแกรมได้จ่ายแรงดันไฟฟ้าเข้าสู่ลวด SMA ในการตั้งค่าการทดลอง ดังแสดงในรูปที่ 11b วัดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของลวด SMA แบบเรียลไทม์โดยใช้กล้อง LWIR ความละเอียดสูง (FLIR A655sc) ใช้ซอฟต์แวร์ ResearchIR ในการบันทึกข้อมูลเพื่อนำไปประมวลผลต่อ เมื่อมีการจ่ายพัลส์แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิของลวด SMA จะเพิ่มขึ้น ทำให้ลวด SMA หดตัว รูปที่ 2b แสดงผลการทดลองของอุณหภูมิลวด SMA เทียบกับเวลาสำหรับพัลส์แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 7V
วันที่โพสต์: 28 กันยายน 2022
