Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Limitado ang suporta sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng updated na browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ire-render namin ang site nang walang mga style at JavaScript.
Ang mga actuator ay ginagamit sa lahat ng dako at lumilikha ng kontroladong galaw sa pamamagitan ng paglalapat ng tamang puwersa ng excitation o torque upang maisagawa ang iba't ibang operasyon sa pagmamanupaktura at industrial automation. Ang pangangailangan para sa mas mabilis, mas maliit, at mas mahusay na mga drive ay nagtutulak ng inobasyon sa disenyo ng drive. Ang Shape Memory Alloy (SMA) drive ay nag-aalok ng ilang bentahe kumpara sa mga conventional drive, kabilang ang mataas na power-to-weight ratio. Sa disertasyong ito, isang two-feathered SMA-based actuator ang binuo na pinagsasama ang mga bentahe ng mga feathery muscles ng mga biological system at ang mga natatanging katangian ng mga SMA. Sinusuri at pinapalawak ng pag-aaral na ito ang mga nakaraang SMA actuator sa pamamagitan ng pagbuo ng isang mathematical model ng bagong actuator batay sa bimodal SMA wire arrangement at pagsubok dito sa pamamagitan ng eksperimento. Kung ikukumpara sa mga kilalang drive batay sa SMA, ang puwersa ng actuation ng bagong drive ay hindi bababa sa 5 beses na mas mataas (hanggang 150 N). Ang katumbas na pagbaba ng timbang ay humigit-kumulang 67%. Ang mga resulta ng sensitivity analysis ng mga mathematical model ay kapaki-pakinabang para sa pag-tune ng mga parameter ng disenyo at pag-unawa sa mga pangunahing parameter. Ang pag-aaral na ito ay nagpapakita pa ng isang multi-level Nth stage drive na maaaring gamitin upang higit pang mapahusay ang dynamics. Ang mga SMA-based dipvalerate muscle actuator ay may malawak na hanay ng mga aplikasyon, mula sa automation ng gusali hanggang sa mga precision drug delivery system.
Ang mga biyolohikal na sistema, tulad ng mga istrukturang muskular ng mga mammal, ay maaaring mag-activate ng maraming banayad na actuator1. Ang mga mammal ay may iba't ibang istruktura ng kalamnan, na bawat isa ay nagsisilbi sa isang partikular na layunin. Gayunpaman, ang karamihan sa istruktura ng tisyu ng kalamnan ng mammal ay maaaring hatiin sa dalawang malawak na kategorya. Parallel at pennate. Sa mga hamstring at iba pang flexor, gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan, ang parallel na kalamnan ay may mga hibla ng kalamnan na parallel sa gitnang litid. Ang kadena ng mga hibla ng kalamnan ay nakahanay at konektado sa pamamagitan ng nag-uugnay na tisyu sa kanilang paligid. Bagama't sinasabing ang mga kalamnan na ito ay may malaking excursion (porsyento ng pag-ikli), ang kanilang pangkalahatang lakas ng kalamnan ay napakalimitado. Sa kabaligtaran, sa kalamnan ng calf ng triceps2 (lateral gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 at soleus (SOL)) at extensor femoris (quadriceps)5,6 ang tisyu ng kalamnan ng pennate ay matatagpuan sa bawat kalamnan7. Sa isang pinnate na istraktura, ang mga hibla ng kalamnan sa bipennate na kalamnan ay naroroon sa magkabilang panig ng gitnang litid sa mga pahilig na anggulo (pinnate angles). Ang pennate ay nagmula sa salitang Latin na "penna", na nangangahulugang "pen", at, gaya ng ipinapakita sa fig. 1, ito ay may mala-balahibong anyo. Ang mga hibla ng mga kalamnan ng pennate ay mas maikli at naka-anggulo sa longitudinal axis ng kalamnan. Dahil sa pinnate structure, ang pangkalahatang mobility ng mga kalamnan na ito ay nababawasan, na humahantong sa transverse at longitudinal components ng proseso ng pagpapaikli. Sa kabilang banda, ang pag-activate ng mga kalamnan na ito ay humahantong sa mas mataas na pangkalahatang lakas ng kalamnan dahil sa paraan ng pagsukat ng physiological cross-sectional area. Samakatuwid, para sa isang partikular na cross-sectional area, ang mga kalamnan ng pennate ay magiging mas malakas at bubuo ng mas mataas na puwersa kaysa sa mga kalamnan na may parallel fibers. Ang mga puwersang nalilikha ng mga indibidwal na hibla ay bumubuo ng mga puwersa ng kalamnan sa isang macroscopic level sa muscle tissue na iyon. Bukod pa rito, mayroon itong mga natatanging katangian tulad ng mabilis na pag-urong, proteksyon laban sa tensile damage, at cushioning. Binabago nito ang ugnayan sa pagitan ng fiber input at muscle power output sa pamamagitan ng pagsasamantala sa mga natatanging katangian at geometric complexity ng fiber arrangement na nauugnay sa mga muscle lines of action.
Ipinapakita ang mga eskematiko na diagram ng mga umiiral na disenyo ng actuator na nakabatay sa SMA kaugnay ng isang bimodal muscular architecture, halimbawa (a), na kumakatawan sa interaksyon ng tactile force kung saan ang isang hugis-kamay na aparato na pinapagana ng mga SMA wire ay nakakabit sa isang two-wheeled autonomous mobile robot9,10., (b) Robotic orbital prosthesis na may antagonistically placed SMA spring-loaded orbital prosthesis. Ang posisyon ng prosthetic eye ay kinokontrol ng isang signal mula sa ocular muscle ng mata11, (c) Ang mga SMA actuator ay mainam para sa mga aplikasyon sa ilalim ng tubig dahil sa kanilang mataas na frequency response at mababang bandwidth. Sa configuration na ito, ang mga SMA actuator ay ginagamit upang lumikha ng galaw ng alon sa pamamagitan ng paggaya sa paggalaw ng mga isda, (d) Ang mga SMA actuator ay ginagamit upang lumikha ng isang micro pipe inspection robot na maaaring gumamit ng inch worm motion principle, na kinokontrol ng paggalaw ng mga SMA wire sa loob ng channel 10, (e) ipinapakita ang direksyon ng mga contraction muscle fibers at pagbuo ng contractile force sa gastrocnemius tissue, (f) ipinapakita ang mga SMA wire na nakaayos sa anyo ng mga muscle fibers sa pennate muscle structure.
Ang mga actuator ay naging mahalagang bahagi ng mga mekanikal na sistema dahil sa malawak na hanay ng kanilang mga aplikasyon. Samakatuwid, ang pangangailangan para sa mas maliit, mas mabilis, at mas mahusay na mga drive ay nagiging kritikal. Sa kabila ng kanilang mga bentahe, ang mga tradisyonal na drive ay napatunayang mahal at matagal mapanatili. Ang mga hydraulic at pneumatic actuator ay kumplikado at mahal at madaling masira, magkaroon ng mga problema sa pagpapadulas, at masira ang mga bahagi. Bilang tugon sa demand, ang pokus ay sa pagbuo ng mga cost-effective, sizing-optimized, at advanced na mga actuator batay sa mga matalinong materyales. Ang patuloy na pananaliksik ay tumitingin sa mga shape memory alloy (SMA) layered actuator upang matugunan ang pangangailangang ito. Ang mga hierarchical actuator ay natatangi dahil pinagsasama nila ang maraming discrete actuator sa mga geometrically complex macro scale subsystem upang magbigay ng mas mataas at mas malawak na functionality. Kaugnay nito, ang tissue ng kalamnan ng tao na inilarawan sa itaas ay nagbibigay ng isang mahusay na multilayered na halimbawa ng naturang multilayered actuation. Inilalarawan ng kasalukuyang pag-aaral ang isang multi-level SMA drive na may ilang indibidwal na drive element (SMA wires) na nakahanay sa mga fiber orientation na nasa mga bimodal na kalamnan, na nagpapabuti sa pangkalahatang pagganap ng drive.
Ang pangunahing layunin ng isang actuator ay ang pagbuo ng mekanikal na output ng kuryente tulad ng puwersa at displacement sa pamamagitan ng pag-convert ng enerhiyang elektrikal. Ang mga shape memory alloy ay isang uri ng "matalinong" materyales na maaaring ibalik ang kanilang hugis sa mataas na temperatura. Sa ilalim ng mataas na load, ang pagtaas ng temperatura ng SMA wire ay humahantong sa pagbawi ng hugis, na nagreresulta sa mas mataas na actuation energy density kumpara sa iba't ibang direktang nakagapos na smart material. Kasabay nito, sa ilalim ng mga mechanical load, ang mga SMA ay nagiging malutong. Sa ilalim ng ilang mga kondisyon, ang isang cyclic load ay maaaring sumipsip at maglabas ng mekanikal na enerhiya, na nagpapakita ng nababaligtad na hysteretic na mga pagbabago sa hugis. Ang mga natatanging katangiang ito ay ginagawang perpekto ang SMA para sa mga sensor, vibration damping at lalo na sa mga actuator12. Dahil dito, maraming pananaliksik ang isinagawa sa mga SMA-based drive. Dapat tandaan na ang mga SMA-based actuator ay idinisenyo upang magbigay ng translational at rotary motion para sa iba't ibang aplikasyon13,14,15. Bagama't may ilang rotary actuator na na-develop, ang mga mananaliksik ay partikular na interesado sa mga linear actuator. Ang mga linear actuator na ito ay maaaring hatiin sa tatlong uri ng actuator: one-dimensional, displacement at differential actuator 16. Sa simula, ang mga hybrid drive ay nilikha kasabay ng SMA at iba pang mga kumbensyonal na drive. Ang isang halimbawa ng isang SMA-based hybrid linear actuator ay ang paggamit ng SMA wire na may DC motor upang magbigay ng output force na humigit-kumulang 100 N at makabuluhang displacement17.
Isa sa mga unang pag-unlad sa mga drive na ganap na nakabatay sa SMA ay ang SMA parallel drive. Gamit ang maraming SMA wire, ang SMA-based parallel drive ay idinisenyo upang mapataas ang kakayahan sa kuryente ng drive sa pamamagitan ng paglalagay ng lahat ng SMA18 wire nang parallel. Ang parallel connection ng mga actuator ay hindi lamang nangangailangan ng mas maraming kuryente, kundi nililimitahan din ang output power ng isang wire. Ang isa pang disbentaha ng mga SMA based actuator ay ang limitadong paglalakbay na maaari nilang makamit. Upang malutas ang problemang ito, isang SMA cable beam ang nilikha na naglalaman ng isang deflected flexible beam upang mapataas ang displacement at makamit ang linear motion, ngunit hindi nakabuo ng mas mataas na puwersa19. Ang mga malambot na deformable na istruktura at tela para sa mga robot batay sa shape memory alloy ay pangunahing binuo para sa impact amplification20,21,22. Para sa mga aplikasyon kung saan kinakailangan ang mataas na bilis, naiulat na ang mga compact driven pump na gumagamit ng thin film SMA para sa mga aplikasyon na micropump driven23. Ang drive frequency ng thin film SMA membrane ay isang mahalagang salik sa pagkontrol sa bilis ng driver. Samakatuwid, ang mga SMA linear motor ay may mas mahusay na dynamic response kaysa sa mga SMA spring o rod motor. Ang soft robotics at gripping technology ay dalawa pang aplikasyon na gumagamit ng mga SMA-based actuator. Halimbawa, upang palitan ang karaniwang actuator na ginamit sa 25 N space clamp, isang shape memory alloy parallel actuator 24 ang binuo. Sa isa pang kaso, isang SMA soft actuator ang ginawa batay sa isang alambre na may naka-embed na matrix na may kakayahang makagawa ng pinakamataas na puwersa ng paghila na 30 N. Dahil sa kanilang mga mekanikal na katangian, ang mga SMA ay ginagamit din upang makagawa ng mga actuator na ginagaya ang mga biyolohikal na penomeno. Kabilang sa isa sa mga naturang pag-unlad ang isang 12-cell robot na isang biomimetic ng isang organismong parang bulate na may SMA upang makabuo ng sinusoidal na galaw upang magpaputok26,27.
Gaya ng nabanggit kanina, may limitasyon sa pinakamataas na puwersa na maaaring makuha mula sa mga umiiral na SMA-based actuator. Upang matugunan ang isyung ito, ang pag-aaral na ito ay nagpapakita ng isang biomimetic bimodal na istraktura ng kalamnan. Pinapatakbo ng shape memory alloy wire. Nagbibigay ito ng isang sistema ng klasipikasyon na kinabibilangan ng ilang shape memory alloy wire. Sa ngayon, wala pang naiulat na SMA-based actuator na may katulad na arkitektura sa literatura. Ang kakaiba at nobelang sistemang ito batay sa SMA ay binuo upang pag-aralan ang pag-uugali ng SMA sa panahon ng bimodal muscle alignment. Kung ikukumpara sa mga umiiral na SMA-based actuator, ang layunin ng pag-aaral na ito ay lumikha ng isang biomimetic dipvalerate actuator upang makabuo ng mas mataas na puwersa sa isang maliit na volume. Kung ikukumpara sa mga conventional stepper motor driven drive na ginagamit sa HVAC building automation at control systems, ang iminungkahing SMA-based bimodal drive design ay binabawasan ang bigat ng drive mechanism ng 67%. Sa mga sumusunod, ang mga terminong "muscle" at "drive" ay ginagamit nang palitan. Sinusuri ng pag-aaral na ito ang multiphysics simulation ng naturang drive. Ang mekanikal na pag-uugali ng mga naturang sistema ay pinag-aralan sa pamamagitan ng mga eksperimental at analytical na pamamaraan. Ang mga distribusyon ng puwersa at temperatura ay higit pang siniyasat sa input voltage na 7 V. Kasunod nito, isang parametric analysis ang isinagawa upang mas maunawaan ang ugnayan sa pagitan ng mga pangunahing parameter at output force. Panghuli, ang mga hierarchical actuator ay nahulaan at ang mga hierarchical level effect ay iminungkahi bilang isang potensyal na lugar sa hinaharap para sa mga non-magnetic actuator para sa mga prosthetic application. Ayon sa mga resulta ng nabanggit na mga pag-aaral, ang paggamit ng single-stage architecture ay lumilikha ng mga puwersang hindi bababa sa apat hanggang limang beses na mas mataas kaysa sa mga naiulat na SMA-based actuator. Bilang karagdagan, ang parehong drive force na nalikha ng isang multi-level multi-level drive ay ipinakita na higit sa sampung beses kaysa sa mga conventional SMA-based drive. Pagkatapos ay iniuulat ng pag-aaral ang mga pangunahing parameter gamit ang sensitivity analysis sa pagitan ng iba't ibang disenyo at input variable. Ang paunang haba ng SMA wire (\(l_0\)), ang pinnate angle (\(\alpha\)) at ang bilang ng mga single strand (n) sa bawat indibidwal na strand ay may malakas na negatibong epekto sa magnitude ng driving force. lakas, habang ang input voltage (enerhiya) ay lumabas na positibo ang kaugnayan.
Ang SMA wire ay nagpapakita ng shape memory effect (SME) na nakikita sa pamilya ng mga haluang metal na nickel-titanium (Ni-Ti). Kadalasan, ang mga SMA ay nagpapakita ng dalawang phase na umaasa sa temperatura: isang low temperature phase at isang high temperature phase. Ang parehong phase ay may natatanging katangian dahil sa pagkakaroon ng iba't ibang istruktura ng kristal. Sa austenite phase (high temperature phase) na umiiral sa itaas ng transformation temperature, ang materyal ay nagpapakita ng mataas na lakas at hindi gaanong nababago ang hugis sa ilalim ng load. Ang haluang metal ay kumikilos na parang hindi kinakalawang na asero, kaya't kaya nitong tiisin ang mas mataas na actuation pressures. Gamit ang katangiang ito ng Ni-Ti alloys, ang mga SMA wire ay nakatagilid upang bumuo ng isang actuator. Ang mga angkop na analytical model ay binuo upang maunawaan ang mga pangunahing mekanika ng thermal behavior ng SMA sa ilalim ng impluwensya ng iba't ibang mga parameter at iba't ibang geometry. Nakamit ang mahusay na pagkakasundo sa pagitan ng mga resulta ng eksperimento at analytical.
Isang eksperimental na pag-aaral ang isinagawa sa prototype na ipinapakita sa Fig. 9a upang suriin ang pagganap ng isang bimodal drive batay sa SMA. Dalawa sa mga katangiang ito, ang puwersang nalilikha ng drive (puwersa ng kalamnan) at ang temperatura ng SMA wire (temperatura ng SMA), ay sinukat sa pamamagitan ng eksperimento. Habang tumataas ang pagkakaiba ng boltahe sa buong haba ng wire sa drive, tumataas din ang temperatura ng wire dahil sa epekto ng pag-init ng Joule. Ang input voltage ay inilapat sa dalawang 10-s cycle (ipinapakita bilang mga pulang tuldok sa Fig. 2a, b) na may 15-s cooling period sa pagitan ng bawat cycle. Ang blocking force ay sinukat gamit ang isang piezoelectric strain gauge, at ang distribusyon ng temperatura ng SMA wire ay minanmanan nang real time gamit ang isang scientific-grade high-resolution LWIR camera (tingnan ang mga katangian ng kagamitang ginamit sa Table 2). Ipinapakita nito na sa panahon ng high voltage phase, ang temperatura ng wire ay tumataas nang pare-pareho, ngunit kapag walang daloy ng kuryente, ang temperatura ng wire ay patuloy na bumababa. Sa kasalukuyang eksperimental na setup, ang temperatura ng SMA wire ay bumaba sa panahon ng cooling phase, ngunit ito ay nasa itaas pa rin ng ambient temperature. Sa fig. 2e, makikita ang isang snapshot ng temperatura sa SMA wire na kinuha mula sa LWIR camera. Sa kabilang banda, sa fig. 2a, makikita ang blocking force na nalilikha ng drive system. Kapag ang muscle force ay lumampas sa restoring force ng spring, ang movable arm, gaya ng ipinapakita sa Figure 9a, ay magsisimulang gumalaw. Sa sandaling magsimula ang pag-act, ang movable arm ay makikipag-ugnayan sa sensor, na lumilikha ng body force, gaya ng ipinapakita sa fig. 2c, d. Kapag ang maximum na temperatura ay malapit sa \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), ang maximum na naobserbahang puwersa ay 105 N.
Ipinapakita ng graph ang mga resulta ng eksperimento ng temperatura ng SMA wire at ang puwersang nalilikha ng SMA-based bimodal actuator sa loob ng dalawang cycle. Ang input voltage ay inilalapat sa dalawang 10 segundong cycle (ipinapakita bilang mga pulang tuldok) na may 15 segundong cool down period sa pagitan ng bawat cycle. Ang SMA wire na ginamit para sa mga eksperimento ay isang 0.51 mm diameter na Flexinol wire mula sa Dynalloy, Inc. (a) Ipinapakita ng graph ang eksperimental na puwersang nakuha sa loob ng dalawang cycle, (c, d) ay nagpapakita ng dalawang magkahiwalay na halimbawa ng aksyon ng mga gumagalaw na arm actuator sa isang PACEline CFT/5kN piezoelectric force transducer, (b) ipinapakita ng graph ang pinakamataas na temperatura ng buong SMA wire sa loob ng dalawang cycle, (e) ay nagpapakita ng isang temperature snapshot na kinuha mula sa SMA wire gamit ang FLIR ResearchIR software LWIR camera. Ang mga geometric parameter na isinasaalang-alang sa mga eksperimento ay ibinibigay sa Table 1.
Ang mga resulta ng simulation ng mathematical model at ang mga resulta ng eksperimento ay inihambing sa ilalim ng kondisyon ng input voltage na 7V, gaya ng ipinapakita sa Fig. 5. Ayon sa mga resulta ng parametric analysis at upang maiwasan ang posibilidad ng sobrang pag-init ng SMA wire, isang power na 11.2 W ang ibinigay sa actuator. Isang programmable DC power supply ang ginamit upang mag-supply ng 7V bilang input voltage, at isang current na 1.6A ang sinukat sa wire. Ang puwersang nabuo ng drive at ang temperatura ng SDR ay tumataas kapag inilapat ang current. Sa input voltage na 7V, ang maximum output force na nakuha mula sa mga resulta ng simulation at mga resulta ng eksperimento ng unang cycle ay 78 N at 96 N, ayon sa pagkakabanggit. Sa pangalawang cycle, ang maximum output force ng simulation at mga resulta ng eksperimento ay 150 N at 105 N, ayon sa pagkakabanggit. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga sukat ng occlusion force at data ng eksperimento ay maaaring dahil sa pamamaraang ginamit upang sukatin ang occlusion force. Ang mga resulta ng eksperimento na ipinapakita sa fig. Ang 5a ay tumutugma sa pagsukat ng locking force, na siya namang sinukat nang ang drive shaft ay nakadikit sa PACEline CFT/5kN piezoelectric force transducer, gaya ng ipinapakita sa fig. 2s. Samakatuwid, kapag ang drive shaft ay hindi nakadikit sa force sensor sa simula ng cooling zone, ang puwersa ay agad na nagiging zero, gaya ng ipinapakita sa Fig. 2d. Bukod pa rito, ang iba pang mga parameter na nakakaapekto sa pagbuo ng puwersa sa mga kasunod na cycle ay ang mga halaga ng oras ng paglamig at ang coefficient ng convective heat transfer sa nakaraang cycle. Mula sa fig. 2b, makikita na pagkatapos ng 15 segundong panahon ng paglamig, ang SMA wire ay hindi umabot sa temperatura ng silid at samakatuwid ay nagkaroon ng mas mataas na paunang temperatura (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) sa pangalawang driving cycle kumpara sa unang cycle (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Kaya, kumpara sa unang siklo, ang temperatura ng SMA wire sa ikalawang siklo ng pag-init ay mas maaga na umaabot sa paunang temperatura ng austenite (\(A_s\)) at mas matagal na nananatili sa panahon ng transisyon, na nagreresulta sa stress at puwersa. Sa kabilang banda, ang mga distribusyon ng temperatura sa panahon ng mga siklo ng pag-init at paglamig na nakuha mula sa mga eksperimento at simulation ay may mataas na kwalitatibong pagkakatulad sa mga halimbawa mula sa thermographic analysis. Ang paghahambing na pagsusuri ng thermal data ng SMA wire mula sa mga eksperimento at simulation ay nagpakita ng pagkakapare-pareho sa panahon ng mga siklo ng pag-init at paglamig at nasa loob ng katanggap-tanggap na mga tolerance para sa mga eksperimentong datos. Ang pinakamataas na temperatura ng SMA wire, na nakuha mula sa mga resulta ng simulation at mga eksperimento ng unang siklo, ay \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) at \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, ayon sa pagkakabanggit ), at sa pangalawang siklo ang pinakamataas na temperatura ng SMA wire ay \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) at \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Kinukumpirma ng pundamental na binuong modelo ang epekto ng shape memory effect. Hindi isinaalang-alang sa pagsusuring ito ang papel ng pagkapagod at sobrang pag-init. Sa hinaharap, pagbubutihin ang modelo upang maisama ang kasaysayan ng stress ng SMA wire, na gagawing mas angkop ito para sa mga aplikasyon sa inhenyeriya. Ang puwersa ng output ng drive at mga plot ng temperatura ng SMA na nakuha mula sa Simulink block ay nasa loob ng pinahihintulutang mga tolerance ng datos ng eksperimento sa ilalim ng kondisyon ng isang input voltage pulse na 7 V. Kinukumpirma nito ang kawastuhan at pagiging maaasahan ng nabuo na modelo ng matematika.
Ang modelong matematikal ay binuo sa kapaligirang MathWorks Simulink R2020b gamit ang mga pangunahing equation na inilarawan sa seksyong Methods. Sa fig. 3b ay ipinapakita ang isang block diagram ng modelong matematika ng Simulink. Ang modelo ay ginaya para sa isang 7V input voltage pulse gaya ng ipinapakita sa Fig. 2a, b. Ang mga halaga ng mga parameter na ginamit sa simulation ay nakalista sa Table 1. Ang mga resulta ng simulation ng mga transient na proseso ay ipinapakita sa Mga Pigura 1 at 1. Ang Mga Pigura 3a at 4. Sa fig. 4a, b ay ipinapakita ang induced voltage sa SMA wire at ang puwersang nalilikha ng actuator bilang isang function ng oras. Sa panahon ng reverse transformation (pagpapainit), kapag ang temperatura ng SMA wire, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite phase start temperature), ang rate ng pagbabago ng martensite volume fraction (\(\dot{\xi }\)) ay magiging zero. Sa panahon ng reverse transformation (pagpapainit), kapag ang temperatura ng SMA wire, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite phase start temperature), ang rate ng pagbabago ng martensite volume fraction (\(\dot{\ xi }\)) ay magiging zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустература проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустеанидино, ценфидино напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Sa panahon ng reverse transformation (pagpapainit), kapag ang temperatura ng SMA wire, \(T < A_s^{\prime}\) (stress-modified austenite onset temperature), ang rate ng pagbabago ng martensite volume fraction (\(\dot{\ xi }\ )) ay magiging zero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(小dot{\)丶在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Resulta ng simulasyon na nagpapakita ng distribusyon ng temperatura at temperatura ng junction na dulot ng stress sa isang SMA-based divalerate actuator. Kapag ang temperatura ng wire ay tumatawid sa temperatura ng austenite transition sa yugto ng pag-init, ang binagong temperatura ng austenite transition ay nagsisimulang tumaas, at katulad nito, kapag ang temperatura ng wire rod ay tumatawid sa temperatura ng martensitic transition sa yugto ng paglamig, ang temperatura ng martensitic transition ay bumababa. SMA para sa analytical modeling ng proseso ng actuation. (Para sa isang detalyadong pagtingin sa bawat subsystem ng isang Simulink model, tingnan ang seksyon ng apendiks ng supplementary file.)
Ang mga resulta ng pagsusuri para sa iba't ibang distribusyon ng parameter ay ipinapakita para sa dalawang cycle ng 7V input voltage (10 segundong warm-up cycle at 15 segundong cooldown cycle). Habang ang (ac) at (e) ay naglalarawan ng distribusyon sa paglipas ng panahon, sa kabilang banda, ang (d) at (f) ay naglalarawan ng distribusyon na may temperatura. Para sa kani-kanilang mga kondisyon ng input, ang pinakamataas na naobserbahang stress ay 106 MPa (mas mababa sa 345 MPa, wire yield strength), ang puwersa ay 150 N, ang pinakamataas na displacement ay 270 µm, at ang minimum martensitic volume fraction ay 0.91. Sa kabilang banda, ang pagbabago sa stress at ang pagbabago sa volume fraction ng martensite na may temperatura ay katulad ng mga katangian ng hysteresis.
Ang parehong paliwanag ay naaangkop sa direktang pagbabago (paglamig) mula sa austenite phase patungo sa martensite phase, kung saan ang temperatura ng SMA wire (T) at ang end temperature ng stress-modified martensite phase (\(M_f^{\prime}\ )) ay mahusay. Sa fig. 4d, ipinapakita ng f ang pagbabago sa induced stress (\(\sigma\)) at ang volume fraction ng martensite (\(\xi\)) sa SMA wire bilang function ng pagbabago sa temperatura ng SMA wire (T), para sa parehong driving cycle. Sa fig., ipinapakita ng Figure 3a ang pagbabago sa temperatura ng SMA wire sa paglipas ng panahon depende sa input voltage pulse. Gaya ng makikita sa figure, ang temperatura ng wire ay patuloy na tumataas sa pamamagitan ng pagbibigay ng pinagmumulan ng init sa zero voltage at kasunod na convective cooling. Sa panahon ng pag-init, ang muling pagbabago ng martensite patungo sa austenite phase ay nagsisimula kapag ang temperatura ng SMA wire (T) ay tumatawid sa stress-corrected austenite nucleation temperature (\(A_s^{\prime}\)). Sa yugtong ito, ang SMA wire ay napipiga at ang actuator ay bumubuo ng puwersa. Gayundin sa panahon ng paglamig, kapag ang temperatura ng SMA wire (T) ay tumatawid sa nucleation temperature ng stress-modified martensite phase (\(M_s^{\prime}\)), mayroong positibong paglipat mula sa austenite phase patungo sa martensite phase. Bumababa ang drive force.
Ang mga pangunahing kwalitatibong aspeto ng bimodal drive batay sa SMA ay maaaring makuha mula sa mga resulta ng simulation. Sa kaso ng input ng boltahe na pulse, ang temperatura ng SMA wire ay tumataas dahil sa epekto ng pag-init ng Joule. Ang paunang halaga ng martensite volume fraction (\(\xi\)) ay nakatakda sa 1, dahil ang materyal ay nasa unang bahagi ng ganap na martensitic phase. Habang patuloy na umiinit ang wire, ang temperatura ng SMA wire ay lumalampas sa stress-corrected austenite nucleation temperature \(A_s^{\prime}\), na nagreresulta sa pagbaba ng martensite volume fraction, tulad ng ipinapakita sa Figure 4c. Bilang karagdagan, sa fig. 4e ay ipinapakita ang distribusyon ng mga stroke ng actuator sa paglipas ng panahon, at sa fig. 5 – ang puwersang nagtutulak bilang isang function ng oras. Ang isang kaugnay na sistema ng mga equation ay kinabibilangan ng temperatura, martensite volume fraction, at stress na nabubuo sa wire, na nagreresulta sa pag-urong ng SMA wire at ang puwersang nalilikha ng actuator. Tulad ng ipinapakita sa fig. Sa 4d, f, ang pagkakaiba-iba ng boltahe na may kasamang temperatura at ang pagkakaiba-iba ng martensite volume fraction na may kasamang temperatura ay tumutugma sa mga katangian ng hysteresis ng SMA sa kunwang kaso sa 7 V.
Ang paghahambing ng mga parameter ng pagmamaneho ay nakuha sa pamamagitan ng mga eksperimento at analitikal na kalkulasyon. Ang mga kable ay isinailalim sa isang pulsed input voltage na 7 V sa loob ng 10 segundo, pagkatapos ay pinalamig sa loob ng 15 segundo (cooling phase) sa loob ng dalawang cycle. Ang pinnate angle ay nakatakda sa \(40^{\circ}\) at ang paunang haba ng SMA wire sa bawat pin leg ay nakatakda sa 83mm. (a) Pagsukat ng driving force gamit ang isang load cell (b) Pagsubaybay sa temperatura ng kable gamit ang isang thermal infrared camera.
Upang maunawaan ang impluwensya ng mga pisikal na parameter sa puwersang nalilikha ng drive, isinagawa ang isang pagsusuri sa sensitivity ng mathematical model sa mga napiling pisikal na parameter, at ang mga parameter ay niraranggo ayon sa kanilang impluwensya. Una, ang pagkuha ng mga sample ng mga parameter ng modelo ay ginawa gamit ang mga prinsipyo ng eksperimentong disenyo na sumunod sa isang pare-parehong distribusyon (tingnan ang Karagdagang Seksyon sa Sensitivity Analysis). Sa kasong ito, kasama sa mga parameter ng modelo ang input voltage (\(V_{in}\)), initial SMA wire length (\(l_0\)), triangle angle (\(\alpha\)), bias spring constant (\( K_x\ )), ang convective heat transfer coefficient (\(h_T\)) at ang bilang ng mga unimodal branch (n). Sa susunod na hakbang, ang peak muscle strength ay pinili bilang isang kinakailangan sa disenyo ng pag-aaral at ang mga parametric effect ng bawat set ng mga variable sa lakas ay nakuha. Ang mga tornado plot para sa sensitivity analysis ay hinango mula sa mga correlation coefficient para sa bawat parameter, tulad ng ipinapakita sa Fig. 6a.
(a) Ang mga halaga ng koepisyent ng ugnayan ng mga parameter ng modelo at ang kanilang epekto sa pinakamataas na puwersa ng output ng 2500 natatanging grupo ng mga parameter ng modelo sa itaas ay ipinapakita sa plot ng buhawi. Ipinapakita ng graph ang ugnayan ng ranggo ng ilang mga tagapagpahiwatig. Malinaw na ang \(V_{in}\) lamang ang parameter na may positibong ugnayan, at ang \(l_0\) ang parameter na may pinakamataas na negatibong ugnayan. Ang epekto ng iba't ibang mga parameter sa iba't ibang kumbinasyon sa pinakamataas na lakas ng kalamnan ay ipinapakita sa (b, c). Ang \(K_x\) ay mula 400 hanggang 800 N/m at ang n ay mula 4 hanggang 24. Ang boltahe (\(V_{in}\)) ay nagbago mula 4V hanggang 10V, ang haba ng alambre (\(l_{0 } \)) ay nagbago mula 40 hanggang 100 mm, at ang anggulo ng buntot (\ (\alpha \)) ay iba-iba mula \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Sa fig. 6a, makikita ang isang tornado plot ng iba't ibang correlation coefficients para sa bawat parameter na may mga kinakailangan sa disenyo ng peak drive force. Mula sa fig. 6a, makikita na ang voltage parameter (\(V_{in}\)) ay direktang nauugnay sa maximum output force, at ang convective heat transfer coefficient (\(h_T\)), flame angle (\( \alpha\)), displacement spring constant (\(K_x\)) ay negatibong nauugnay sa output force at sa initial length (\(l_0\)) ng SMA wire, at ang bilang ng mga unimodal branch (n) ay nagpapakita ng isang malakas na inverse correlation. Sa kaso ng direct correlation, sa kaso ng mas mataas na halaga ng voltage correlation coefficient (\(V_ {in}\)) ay nagpapahiwatig na ang parameter na ito ang may pinakamalaking epekto sa power output. Sinusukat ng isa pang katulad na pagsusuri ang peak force sa pamamagitan ng pagsusuri sa epekto ng iba't ibang parameter sa iba't ibang kumbinasyon ng dalawang computational space, tulad ng ipinapakita sa Fig. 6b, c. Ang \(V_{in}\) at \(l_0\), \(\alpha\) at \(l_0\) ay may magkatulad na mga pattern, at ipinapakita ng graph na ang \(V_{in}\) at \(\alpha\) at \(\alpha\) ay may magkatulad na mga pattern. Ang mas maliliit na halaga ng \(l_0\) ay nagreresulta sa mas mataas na mga puwersa ng rurok. Ang iba pang dalawang plot ay naaayon sa Figure 6a, kung saan ang n at \(K_x\) ay negatibong nauugnay at ang \(V_{in}\) ay positibong nauugnay. Nakakatulong ang pagsusuring ito upang tukuyin at isaayos ang mga nakaimpluwensyang parameter kung saan maaaring iakma ang puwersa ng output, stroke at kahusayan ng drive system sa mga kinakailangan at aplikasyon.
Ang kasalukuyang pananaliksik ay nagpapakilala at nagsisiyasat sa mga hierarchical drive na may N levels. Sa isang two-level hierarchy, gaya ng ipinapakita sa Fig. 7a, kung saan sa halip na bawat SMA wire ng first level actuator, isang bimodal arrangement ang nakakamit, gaya ng ipinapakita sa fig. 9e. Sa fig. 7c, ipinapakita kung paano ang SMA wire ay nakabalot sa isang movable arm (auxiliary arm) na gumagalaw lamang sa longitudinal na direksyon. Gayunpaman, ang primary movable arm ay patuloy na gumagalaw sa parehong paraan tulad ng movable arm ng 1st stage multi-stage actuator. Kadalasan, ang isang N-stage drive ay nalilikha sa pamamagitan ng pagpapalit ng \(N-1\) stage SMA wire ng isang first-stage drive. Bilang resulta, ginagaya ng bawat branch ang first stage drive, maliban sa branch na humahawak sa wire mismo. Sa ganitong paraan, maaaring mabuo ang mga nested structure na lumilikha ng mga puwersa na ilang beses na mas malaki kaysa sa mga puwersa ng primary drives. Sa pag-aaral na ito, para sa bawat level, isang kabuuang epektibong haba ng SMA wire na 1 m ang isinaalang-alang, gaya ng ipinapakita sa tabular format sa Fig. 7d. Ang kuryenteng dumadaan sa bawat kawad sa bawat unimodal na disenyo at ang nagresultang prestress at boltahe sa bawat segment ng SMA wire ay pareho sa bawat antas. Ayon sa aming analytical model, ang output force ay positibong nauugnay sa antas, habang ang displacement ay negatibong nauugnay. Kasabay nito, nagkaroon ng trade-off sa pagitan ng displacement at lakas ng kalamnan. Gaya ng nakikita sa fig. 7b, habang ang pinakamataas na puwersa ay nakakamit sa pinakamalaking bilang ng mga layer, ang pinakamalaking displacement ay naobserbahan sa pinakamababang layer. Nang ang hierarchy level ay nakatakda sa \(N=5\), isang peak muscle force na 2.58 kN ang natagpuan na may 2 naobserbahang stroke \(\upmu\)m. Sa kabilang banda, ang first stage drive ay bumubuo ng puwersa na 150 N sa stroke na 277 \(\upmu\)m. Ang mga multi-level actuator ay kayang gayahin ang mga totoong biological na kalamnan, kung saan ang mga artipisyal na kalamnan batay sa shape memory alloys ay kayang makabuo ng mas mataas na puwersa nang may tumpak at mas pinong mga paggalaw. Ang mga limitasyon ng miniaturized na disenyo na ito ay habang tumataas ang hierarchy, ang paggalaw ay lubos na nababawasan at ang pagiging kumplikado ng proseso ng paggawa ng drive ay tumataas.
(a) Isang two-stage (\(N=2\)) layered shape memory alloy linear actuator system ang ipinapakita sa isang bimodal configuration. Ang iminungkahing modelo ay nakakamit sa pamamagitan ng pagpapalit ng SMA wire sa first stage layered actuator ng isa pang single stage layered actuator. (c) Deformed configuration ng second stage multilayer actuator. (b) Inilalarawan ang distribusyon ng mga puwersa at displacement depende sa bilang ng mga antas. Natuklasan na ang peak force ng actuator ay positibong nauugnay sa scale level sa graph, habang ang stroke ay negatibong nauugnay sa scale level. Ang current at pre-voltage sa bawat wire ay nananatiling pare-pareho sa lahat ng antas. (d) Ipinapakita ng talahanayan ang bilang ng mga gripo at ang haba ng SMA wire (fiber) sa bawat antas. Ang mga katangian ng mga wire ay ipinahiwatig ng index 1, at ang bilang ng mga pangalawang sanga (isa na konektado sa pangunahing binti) ay ipinahiwatig ng pinakamalaking numero sa subscript. Halimbawa, sa antas 5, ang \(n_1\) ay tumutukoy sa bilang ng mga SMA wire na nasa bawat bimodal na istruktura, at ang \(n_5\) ay tumutukoy sa bilang ng mga auxiliary legs (isa na konektado sa pangunahing leg).
Iba't ibang pamamaraan ang iminungkahi ng maraming mananaliksik upang imodelo ang pag-uugali ng mga SMA na may shape memory, na nakadepende sa mga thermomechanical properties na kasama ng mga macroscopic na pagbabago sa istruktura ng kristal na nauugnay sa phase transition. Ang pormulasyon ng mga constitutive methods ay likas na kumplikado. Ang pinakakaraniwang ginagamit na phenomenological model ay iminungkahi ni Tanaka28 at malawakang ginagamit sa mga aplikasyon sa engineering. Ang phenomenological model na iminungkahi ni Tanaka [28] ay ipinapalagay na ang volume fraction ng martensite ay isang exponential function ng temperatura at stress. Kalaunan, sina Liang at Rogers29 at Brinson30 ay nagpanukala ng isang modelo kung saan ang phase transition dynamics ay ipinapalagay na isang cosine function ng boltahe at temperatura, na may kaunting mga pagbabago sa modelo. Nagpanukala sina Becker at Brinson ng isang phase diagram based kinetic model upang imodelo ang pag-uugali ng mga materyales ng SMA sa ilalim ng arbitrary loading conditions pati na rin ang partial transitions. Ginagamit ni Banerjee32 ang Bekker at Brinson31 phase diagram dynamics method upang gayahin ang isang single degree of freedom manipulator na binuo nina Elahinia at Ahmadian33. Ang mga kinetikong pamamaraan batay sa mga phase diagram, na isinasaalang-alang ang hindi monotonikong pagbabago sa boltahe kasabay ng temperatura, ay mahirap ipatupad sa mga aplikasyon sa inhenyeriya. Itinutuon nina Elakhinia at Ahmadian ang pansin sa mga kakulangang ito ng mga umiiral na modelong penomenolohikal at nagmumungkahi ng isang pinalawak na modelong penomenolohikal upang suriin at tukuyin ang pag-uugali ng memorya ng hugis sa ilalim ng anumang kumplikadong mga kondisyon ng pagkarga.
Ang modelong istruktural ng SMA wire ay nagbibigay ng stress (\(\sigma\)), strain (\(\epsilon\)), temperatura (T), at martensite volume fraction (\(\xi\)) ng SMA wire. Ang phenomenological constitutive model ay unang iminungkahi ni Tanaka28 at kalaunan ay ginamit nina Liang29 at Brinson30. Ang derivative ng equation ay may anyong:
kung saan ang E ay ang phase dependent SMA Young's modulus na nakuha gamit ang \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) at ang \(E_A\) at \(E_M\) na kumakatawan sa Young's modulus ay mga austenitic at martensitic phase, ayon sa pagkakabanggit, at ang coefficient ng thermal expansion ay kinakatawan ng \(\theta _T\). Ang phase transition contribution factor ay \(\Omega = -E \epsilon _L\) at ang \(\epsilon _L\) ay ang maximum recoverable strain sa SMA wire.
Ang phase dynamics equation ay tumutugma sa cosine function na binuo ni Liang29 at kalaunan ay ginamit ni Brinson30 sa halip na ang exponential function na iminungkahi ni Tanaka28. Ang phase transition model ay isang extension ng modelong iminungkahi nina Elakhinia at Ahmadian34 at binago batay sa mga kondisyon ng phase transition na ibinigay nina Liang29 at Brinson30. Ang mga kondisyong ginamit para sa phase transition model na ito ay balido sa ilalim ng mga kumplikadong thermomechanical load. Sa bawat sandali ng oras, ang halaga ng volume fraction ng martensite ay kinakalkula kapag minomodelo ang constitutive equation.
Ang namamahalang equation ng retransformation, na ipinapahayag ng transpormasyon ng martensite patungong austenite sa ilalim ng mga kondisyon ng pag-init, ay ang mga sumusunod:
kung saan ang \(\xi\) ay ang volume fraction ng martensite, ang \(\xi _M\) ay ang volume fraction ng martensite na nakuha bago ang pag-init, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) at \(C_A\) – mga parameter ng pagtatantya ng kurba, T – temperatura ng SMA wire, \(A_s\) at \(A_f\) – simula at katapusan ng austenite phase, ayon sa pagkakabanggit, temperatura.
Ang ekwasyon ng kontrol sa direktang pagbabagong-anyo, na kinakatawan ng pagbabagong-anyo ng bahagi ng austenite patungong martensite sa ilalim ng mga kondisyon ng paglamig, ay:
kung saan ang \(\xi _A\) ay ang volume fraction ng martensite na nakuha bago ang paglamig, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) at \ ( C_M \) – mga parameter ng curve fitting, T – temperatura ng SMA wire, \(M_s\) at \(M_f\) – mga paunang at panghuling temperatura ng martensite, ayon sa pagkakabanggit.
Matapos mapag-iba ang mga ekwasyon (3) at (4), ang mga ekwasyon ng kabaligtaran at direktang pagbabago ay pinasimple sa sumusunod na anyo:
Sa panahon ng pasulong at paatras na transpormasyon, ang \(\eta _{\sigma}\) at \(\eta _{T}\) ay kumukuha ng magkakaibang halaga. Ang mga pangunahing ekwasyon na nauugnay sa \(\eta _{\sigma}\) at \(\eta _{T}\) ay hinango at tinalakay nang detalyado sa isang karagdagang seksyon.
Ang enerhiyang thermal na kinakailangan upang mapataas ang temperatura ng SMA wire ay nagmumula sa epekto ng pag-init na Joule. Ang enerhiyang thermal na hinihigop o inilalabas ng SMA wire ay kinakatawan ng latent heat of transformation. Ang pagkawala ng init sa SMA wire ay dahil sa forced convection, at dahil sa bale-wala na epekto ng radiation, ang equation ng balanse ng enerhiya ng init ay ang mga sumusunod:
Kung saan ang \(m_{wire}\) ay ang kabuuang masa ng SMA wire, ang \(c_{p}\) ay ang specific heat capacity ng SMA, ang \(V_{in}\) ay ang boltaheng inilapat sa wire, ang \(R_{ohm} \ ) – phase-dependent resistance SMA, na binibigyang kahulugan bilang; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) kung saan ang \(r_M\ ) at \(r_A\) ay ang SMA phase resistivity sa martensite at austenite, ayon sa pagkakabanggit, ang \(A_{c}\) ay ang surface area ng SMA wire, at ang \(\Delta H \) ay isang shape memory alloy. Ang latent heat of transition ng wire, T at \(T_{\infty}\) ay ang mga temperatura ng SMA wire at ng kapaligiran, ayon sa pagkakabanggit.
Kapag ang isang shape memory alloy wire ay pinaandar, ang wire ay pumipiga, na lumilikha ng puwersa sa bawat sangay ng bimodal design na tinatawag na fiber force. Ang mga puwersa ng mga fiber sa bawat strand ng SMA wire na magkasama ay lumilikha ng muscle force para magpaandar, gaya ng ipinapakita sa Fig. 9e. Dahil sa pagkakaroon ng biasing spring, ang kabuuang muscle force ng Nth multilayer actuator ay:
Sa pagpapalit ng \(N = 1\) sa equation (7), ang lakas ng kalamnan ng first stage bimodal drive prototype ay maaaring makuha gaya ng sumusunod:
kung saan ang n ay ang bilang ng mga unimodal na binti, ang \(F_m\) ay ang puwersa ng kalamnan na nalilikha ng drive, ang \(F_f\) ay ang lakas ng hibla sa SMA wire, ang \(K_x\) ay ang bias stiffness. spring, ang \(\alpha\) ay ang anggulo ng tatsulok, ang \(x_0\) ay ang unang offset ng bias spring upang hawakan ang SMA cable sa pre-tensioned na posisyon, at ang \(\Delta x\) ay ang paggalaw ng actuator.
Ang kabuuang displacement o paggalaw ng drive (\(\Delta x\)) depende sa boltahe (\(\sigma\)) at strain (\(\epsilon\)) sa SMA wire ng Nth stage, ang drive ay nakatakda sa (tingnan ang Fig. karagdagang bahagi ng output):
Ang mga kinematic equation ay nagbibigay ng ugnayan sa pagitan ng drive deformation (\(\epsilon\)) at displacement o displacement (\(\Delta x\)). Ang deformation ng Arb wire bilang function ng inisyal na haba ng Arb wire (\(l_0\)) at ang haba ng wire (l) sa anumang oras na t sa isang unimodal branch ay ang mga sumusunod:
kung saan ang \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) ay nakukuha sa pamamagitan ng paglalapat ng cosine formula sa \(\Delta\)ABB ', gaya ng ipinapakita sa Figure 8. Para sa unang yugto ng drive (\(N = 1\)), ang \(\Delta x_1\) ay \(\Delta x\), at ang \(\alpha _1\) ay \(\alpha \) gaya ng ipinapakita sa Gaya ng ipinapakita sa Figure 8, sa pamamagitan ng pag-iba-ibahin ang oras mula sa Equation (11) at pagpapalit ng halaga ng l, ang strain rate ay maaaring isulat bilang:
kung saan ang \(l_0\) ay ang inisyal na haba ng SMA wire, ang l ay ang haba ng wire sa anumang oras na t sa isang unimodal branch, ang \(\epsilon\) ay ang deformation na nabubuo sa SMA wire, at ang \(\alpha \) ay ang anggulo ng tatsulok, at ang \(\Delta x\) ay ang drive offset (tulad ng ipinapakita sa Figure 8).
Lahat ng n single-peak na istruktura (\(n=6\) sa pigurang ito) ay konektado nang serye kung saan ang \(V_{in}\) ang input voltage. Yugto I: Eskematikong diagram ng SMA wire sa isang bimodal configuration sa ilalim ng mga kondisyon ng zero voltage Yugto II: Ipinapakita ang isang kontroladong istruktura kung saan ang SMA wire ay na-compress dahil sa inverse conversion, tulad ng ipinapakita ng pulang linya.
Bilang patunay ng konsepto, isang SMA-based bimodal drive ang binuo upang subukan ang simulated derivation ng mga pinagbabatayang equation na may mga resulta ng eksperimento. Ang CAD model ng bimodal linear actuator ay ipinapakita sa fig. 9a. Sa kabilang banda, sa fig. 9c ay nagpapakita ng isang bagong disenyo na iminungkahi para sa isang rotational prismatic connection gamit ang isang two-plane SMA-based actuator na may bimodal structure. Ang mga drive component ay ginawa gamit ang additive manufacturing sa isang Ultimaker 3 Extended 3D printer. Ang materyal na ginamit para sa 3D printing ng mga component ay polycarbonate na angkop para sa mga materyales na lumalaban sa init dahil ito ay matibay, matibay at may mataas na glass transition temperature (110-113 \(^{\circ }\) C). Bilang karagdagan, ginamit sa mga eksperimento ang Dynalloy, Inc. Flexinol shape memory alloy wire, at ang mga katangian ng materyal na naaayon sa Flexinol wire ay ginamit sa mga simulation. Ang maraming SMA wire ay nakaayos bilang mga hibla na nasa isang bimodal na pagkakaayos ng mga kalamnan upang makuha ang matataas na puwersang nalilikha ng mga multilayer actuator, gaya ng ipinapakita sa Fig. 9b, d.
Gaya ng ipinapakita sa Figure 9a, ang acute angle na nabuo ng movable arm SMA wire ay tinatawag na angle (\(\alpha\)). Dahil nakakabit ang mga terminal clamp sa kaliwa at kanang clamp, ang SMA wire ay nakahawak sa nais na bimodal angle. Ang bias spring device na nakahawak sa spring connector ay dinisenyo upang isaayos ang iba't ibang bias spring extension group ayon sa bilang (n) ng mga SMA fiber. Bukod pa rito, ang lokasyon ng mga gumagalaw na bahagi ay dinisenyo upang ang SMA wire ay malantad sa panlabas na kapaligiran para sa forced convection cooling. Ang mga top at bottom plate ng detachable assembly ay tumutulong na panatilihing malamig ang SMA wire gamit ang mga extruded cutout na idinisenyo upang mabawasan ang bigat. Bukod pa rito, ang magkabilang dulo ng CMA wire ay nakakabit sa kaliwa at kanang terminal, ayon sa pagkakabanggit, sa pamamagitan ng isang crimp. Ang isang plunger ay nakakabit sa isang dulo ng movable assembly upang mapanatili ang clearance sa pagitan ng top at bottom plates. Ginagamit din ang plunger upang maglapat ng blocking force sa sensor sa pamamagitan ng isang contact upang masukat ang blocking force kapag ang SMA wire ay na-acturate.
Ang istrukturang bimodal muscle na SMA ay konektado sa kuryente nang serye at pinapagana ng isang input pulse voltage. Sa panahon ng voltage pulse cycle, kapag ang boltahe ay inilapat at ang SMA wire ay pinainit nang higit sa paunang temperatura ng austenite, ang haba ng wire sa bawat strand ay pinaikli. Ang pagbawi na ito ay nagpapagana sa movable arm subassembly. Kapag ang boltahe ay na-zero sa parehong cycle, ang pinainit na SMA wire ay pinalamig sa ibaba ng temperatura ng martensite surface, sa gayon ay bumabalik sa orihinal nitong posisyon. Sa ilalim ng mga kondisyon ng zero stress, ang SMA wire ay unang pasibong iniunat ng isang bias spring upang maabot ang detwinned martensitic state. Ang tornilyo, kung saan dumadaan ang SMA wire, ay gumagalaw dahil sa compression na nilikha sa pamamagitan ng paglalapat ng voltage pulse sa SMA wire (ang SPA ay umaabot sa austenite phase), na humahantong sa pag-activate ng movable lever. Kapag ang SMA wire ay binawi, ang bias spring ay lumilikha ng isang magkasalungat na puwersa sa pamamagitan ng karagdagang pag-unat sa spring. Kapag ang stress sa impulse voltage ay naging zero, ang SMA wire ay humahaba at nagbabago ng hugis nito dahil sa forced convection cooling, na umaabot sa isang double martensitic phase.
Ang iminungkahing SMA-based linear actuator system ay may bimodal configuration kung saan ang mga SMA wire ay naka-anggulo. (a) naglalarawan ng isang CAD model ng prototype, na binabanggit ang ilan sa mga bahagi at ang kanilang mga kahulugan para sa prototype, (b, d) kumakatawan sa nabuong experimental prototype35. Habang ang (b) ay nagpapakita ng isang top view ng prototype na may mga electrical connection at bias spring at strain gauge na ginamit, (d) ay nagpapakita ng isang perspective view ng setup. (e) Diagram ng isang linear actuation system na may mga SMA wire na nakalagay nang bimodally sa anumang oras na t, na nagpapakita ng direksyon at kurso ng fiber at lakas ng kalamnan. (c) Isang 2-DOF rotational prismatic connection ang iminungkahi para sa pag-deploy ng isang two-plane SMA-based actuator. Gaya ng ipinapakita, ang link ay nagpapadala ng linear motion mula sa bottom drive patungo sa top arm, na lumilikha ng isang rotational connection. Sa kabilang banda, ang paggalaw ng pares ng mga prism ay kapareho ng paggalaw ng multilayer first stage drive.
Isang eksperimental na pag-aaral ang isinagawa sa prototype na ipinapakita sa Fig. 9b upang suriin ang pagganap ng isang bimodal drive batay sa SMA. Gaya ng ipinapakita sa Figure 10a, ang eksperimental na setup ay binubuo ng isang programmable DC power supply upang magsuplay ng input voltage sa mga SMA wire. Gaya ng ipinapakita sa fig. 10b, isang piezoelectric strain gauge (PACEline CFT/5kN) ang ginamit upang sukatin ang blocking force gamit ang isang Graphtec GL-2000 data logger. Ang data ay itinatala ng host para sa karagdagang pag-aaral. Ang mga strain gauge at charge amplifier ay nangangailangan ng isang pare-parehong power supply upang makagawa ng voltage signal. Ang mga kaukulang signal ay kino-convert sa mga power output ayon sa sensitivity ng piezoelectric force sensor at iba pang mga parameter gaya ng inilarawan sa Table 2. Kapag inilapat ang isang voltage pulse, tumataas ang temperatura ng SMA wire, na nagiging sanhi ng pag-compress ng SMA wire, na nagiging sanhi ng pagbuo ng puwersa ng actuator. Ang mga resulta ng eksperimento ng output ng lakas ng kalamnan sa pamamagitan ng isang input voltage pulse na 7 V ay ipinapakita sa fig. 2a.
(a) Isang SMA-based linear actuator system ang inilagay sa eksperimento upang sukatin ang puwersang nalilikha ng actuator. Sinusukat ng load cell ang blocking force at pinapagana ng isang 24 V DC power supply. Isang 7 V voltage drop ang inilapat sa buong haba ng cable gamit ang isang GW Instek programmable DC power supply. Lumiliit ang SMA wire dahil sa init, at ang movable arm ay dumidikit sa load cell at naglalabas ng blocking force. Ang load cell ay nakakonekta sa GL-2000 data logger at ang data ay iniimbak sa host para sa karagdagang pagproseso. (b) Diagram na nagpapakita ng kadena ng mga bahagi ng experimental setup para sa pagsukat ng lakas ng kalamnan.
Ang mga shape memory alloy ay nae-excite ng thermal energy, kaya ang temperatura ay nagiging isang mahalagang parameter para sa pag-aaral ng shape memory phenomenon. Sa eksperimento, gaya ng ipinapakita sa Fig. 11a, isinagawa ang thermal imaging at mga pagsukat ng temperatura sa isang prototype na SMA-based divalerate actuator. Isang programmable DC source ang naglapat ng input voltage sa mga SMA wire sa experimental setup, gaya ng ipinapakita sa Figure 11b. Ang pagbabago ng temperatura ng SMA wire ay sinukat nang real time gamit ang isang high resolution LWIR camera (FLIR A655sc). Ginagamit ng host ang ResearchIR software upang magtala ng data para sa karagdagang post-processing. Kapag inilapat ang isang voltage pulse, tumataas ang temperatura ng SMA wire, na nagiging sanhi ng pag-urong ng SMA wire. Sa fig., ipinapakita ng Figure 2b ang mga resulta ng eksperimento ng temperatura ng SMA wire kumpara sa oras para sa isang 7V input voltage pulse.
Oras ng pag-post: Set-28-2022
