Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Bộ truyền động được sử dụng ở khắp mọi nơi và tạo ra chuyển động được điều khiển bằng cách áp dụng lực kích thích hoặc mô-men xoắn chính xác để thực hiện các hoạt động khác nhau trong sản xuất và tự động hóa công nghiệp. Nhu cầu về các bộ truyền động nhanh hơn, nhỏ hơn và hiệu quả hơn đang thúc đẩy sự đổi mới trong thiết kế bộ truyền động. Bộ truyền động hợp kim nhớ hình dạng (SMA) mang lại một số ưu điểm so với các bộ truyền động thông thường, bao gồm tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao. Trong luận văn này, một bộ truyền động dựa trên SMA hai cánh đã được phát triển, kết hợp những ưu điểm của cơ bắp dạng lông vũ trong hệ thống sinh học và các đặc tính độc đáo của SMA. Nghiên cứu này khám phá và mở rộng các bộ truyền động SMA trước đây bằng cách phát triển một mô hình toán học của bộ truyền động mới dựa trên sự sắp xếp dây SMA hai chế độ và thử nghiệm thực nghiệm. So với các bộ truyền động dựa trên SMA đã biết, lực truyền động của bộ truyền động mới cao hơn ít nhất 5 lần (lên đến 150 N). Mức giảm trọng lượng tương ứng là khoảng 67%. Kết quả phân tích độ nhạy của các mô hình toán học rất hữu ích cho việc điều chỉnh các thông số thiết kế và hiểu các thông số chính. Nghiên cứu này cũng trình bày một bộ truyền động đa cấp N giai đoạn có thể được sử dụng để tăng cường hơn nữa tính động lực. Các bộ truyền động cơ bắp dipvalerate dựa trên SMA có phạm vi ứng dụng rộng rãi, từ tự động hóa tòa nhà đến hệ thống phân phối thuốc chính xác.
Các hệ thống sinh học, chẳng hạn như cấu trúc cơ của động vật có vú, có thể kích hoạt nhiều cơ chế tác động tinh tế¹. Động vật có vú có cấu trúc cơ khác nhau, mỗi cấu trúc phục vụ một mục đích cụ thể. Tuy nhiên, phần lớn cấu trúc mô cơ của động vật có vú có thể được chia thành hai loại chính: song song và hình lông chim. Ở cơ gân kheo và các cơ gấp khác, như tên gọi cho thấy, cơ song song có các sợi cơ song song với gân trung tâm. Chuỗi các sợi cơ được xếp thẳng hàng và kết nối chức năng bởi mô liên kết xung quanh chúng. Mặc dù các cơ này được cho là có biên độ co rút lớn (phần trăm rút ngắn), nhưng sức mạnh cơ tổng thể của chúng rất hạn chế. Ngược lại, ở cơ tam đầu bắp chân² (cơ bụng chân ngoài (GL)³, cơ bụng chân trong (GM)⁴ và cơ dép (SOL)) và cơ duỗi đùi (cơ tứ đầu)^5,6, mô cơ hình lông chim được tìm thấy trong mỗi cơ⁷. Trong cấu trúc hình lông chim, các sợi cơ trong cơ hình lông chim nằm ở cả hai phía của gân trung tâm ở các góc xiên (góc hình lông chim). Thuật ngữ "pennate" xuất phát từ tiếng Latinh "penna", có nghĩa là "bút", và như thể hiện trong hình 1, nó có hình dạng giống như lông vũ. Các sợi của cơ pennate ngắn hơn và tạo góc với trục dọc của cơ. Do cấu trúc pennate, khả năng vận động tổng thể của các cơ này bị giảm, dẫn đến các thành phần ngang và dọc của quá trình co ngắn. Mặt khác, sự kích hoạt của các cơ này dẫn đến sức mạnh cơ tổng thể cao hơn do cách đo diện tích mặt cắt ngang sinh lý. Do đó, với cùng một diện tích mặt cắt ngang, cơ pennate sẽ mạnh hơn và tạo ra lực lớn hơn so với cơ có các sợi song song. Lực được tạo ra bởi các sợi riêng lẻ tạo ra lực cơ ở cấp độ vĩ mô trong mô cơ đó. Ngoài ra, nó còn có các đặc tính độc đáo như co nhanh, bảo vệ chống lại tổn thương do lực căng, khả năng giảm chấn. Nó biến đổi mối quan hệ giữa đầu vào của sợi và đầu ra công suất của cơ bằng cách khai thác các đặc điểm độc đáo và độ phức tạp hình học của sự sắp xếp sợi liên quan đến đường tác động của cơ.
Hình ảnh hiển thị sơ đồ cấu trúc của các thiết kế bộ truyền động dựa trên SMA hiện có liên quan đến kiến ​​trúc cơ hai chế độ, ví dụ: (a) thể hiện sự tương tác của lực xúc giác, trong đó một thiết bị hình bàn tay được điều khiển bằng dây SMA được gắn trên robot di động tự hành hai bánh9,10. (b) Bộ phận giả hốc mắt robot với bộ phận giả hốc mắt lò xo SMA được đặt đối kháng. Vị trí của mắt giả được điều khiển bằng tín hiệu từ cơ mắt11. (c) Bộ truyền động SMA lý tưởng cho các ứng dụng dưới nước do đáp ứng tần số cao và băng thông thấp. Trong cấu hình này, bộ truyền động SMA được sử dụng để tạo chuyển động sóng bằng cách mô phỏng chuyển động của cá. (d) Bộ truyền động SMA được sử dụng để tạo ra robot kiểm tra ống siêu nhỏ có thể sử dụng nguyên lý chuyển động sâu đo, được điều khiển bởi chuyển động của dây SMA bên trong kênh 10. (e) cho thấy hướng co của các sợi cơ và tạo ra lực co trong mô cơ bụng chân. (f) cho thấy các dây SMA được sắp xếp theo hình dạng sợi cơ trong cấu trúc cơ hình lông chim.
Bộ truyền động đã trở thành một phần quan trọng của các hệ thống cơ khí do phạm vi ứng dụng rộng rãi của chúng. Do đó, nhu cầu về các bộ truyền động nhỏ hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn trở nên cấp thiết. Mặc dù có những ưu điểm, các bộ truyền động truyền thống lại tốn kém và mất nhiều thời gian để bảo trì. Bộ truyền động thủy lực và khí nén phức tạp và đắt tiền, đồng thời dễ bị mài mòn, gặp vấn đề về bôi trơn và hỏng hóc linh kiện. Để đáp ứng nhu cầu này, trọng tâm đang được đặt vào việc phát triển các bộ truyền động tiết kiệm chi phí, tối ưu hóa kích thước và tiên tiến dựa trên vật liệu thông minh. Nghiên cứu đang được tiến hành tập trung vào các bộ truyền động nhiều lớp hợp kim nhớ hình dạng (SMA) để đáp ứng nhu cầu này. Các bộ truyền động phân cấp là độc đáo ở chỗ chúng kết hợp nhiều bộ truyền động riêng lẻ thành các hệ thống con quy mô vĩ mô phức tạp về mặt hình học để cung cấp chức năng tăng cường và mở rộng. Về vấn đề này, mô cơ người được mô tả ở trên cung cấp một ví dụ tuyệt vời về bộ truyền động nhiều lớp như vậy. Nghiên cứu hiện tại mô tả một bộ truyền động SMA đa cấp với một số phần tử truyền động riêng lẻ (dây SMA) được căn chỉnh theo hướng sợi có trong cơ hai pha, giúp cải thiện hiệu suất truyền động tổng thể.
Mục đích chính của bộ truyền động là tạo ra công suất cơ học như lực và độ dịch chuyển bằng cách chuyển đổi năng lượng điện. Hợp kim nhớ hình dạng là một loại vật liệu “thông minh” có thể khôi phục hình dạng của chúng ở nhiệt độ cao. Dưới tải trọng cao, sự tăng nhiệt độ của dây SMA dẫn đến sự phục hồi hình dạng, dẫn đến mật độ năng lượng truyền động cao hơn so với các vật liệu thông minh liên kết trực tiếp khác nhau. Đồng thời, dưới tải trọng cơ học, SMA trở nên giòn. Trong một số điều kiện nhất định, tải trọng chu kỳ có thể hấp thụ và giải phóng năng lượng cơ học, thể hiện sự thay đổi hình dạng trễ có thể đảo ngược. Những đặc tính độc đáo này làm cho SMA lý tưởng cho cảm biến, giảm chấn rung động và đặc biệt là bộ truyền động12. Với suy nghĩ này, đã có rất nhiều nghiên cứu về các bộ truyền động dựa trên SMA. Cần lưu ý rằng các bộ truyền động dựa trên SMA được thiết kế để cung cấp chuyển động tịnh tiến và quay cho nhiều ứng dụng khác nhau13,14,15. Mặc dù một số bộ truyền động quay đã được phát triển, các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến các bộ truyền động tuyến tính. Các bộ truyền động tuyến tính này có thể được chia thành ba loại: bộ truyền động một chiều, bộ truyền động dịch chuyển và bộ truyền động vi sai16. Ban đầu, các hệ thống truyền động lai được tạo ra bằng cách kết hợp SMA với các hệ thống truyền động thông thường khác. Một ví dụ về bộ truyền động tuyến tính lai dựa trên SMA là việc sử dụng dây SMA với động cơ DC để cung cấp lực đầu ra khoảng 100 N và độ dịch chuyển đáng kể¹⁷.
Một trong những phát triển đầu tiên trong lĩnh vực truyền động hoàn toàn dựa trên SMA là truyền động song song SMA. Sử dụng nhiều dây SMA, truyền động song song dựa trên SMA được thiết kế để tăng khả năng công suất của truyền động bằng cách đặt tất cả các dây SMA18 song song. Kết nối song song các bộ truyền động không chỉ yêu cầu nhiều năng lượng hơn mà còn hạn chế công suất đầu ra của một dây đơn. Một nhược điểm khác của bộ truyền động dựa trên SMA là hành trình hạn chế mà chúng có thể đạt được. Để giải quyết vấn đề này, một dầm cáp SMA chứa một dầm mềm bị lệch đã được tạo ra để tăng độ dịch chuyển và đạt được chuyển động tuyến tính, nhưng không tạo ra lực lớn hơn19. Các cấu trúc và vải mềm biến dạng cho robot dựa trên hợp kim nhớ hình dạng đã được phát triển chủ yếu để khuếch đại tác động20,21,22. Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao, các bơm dẫn động nhỏ gọn đã được báo cáo sử dụng SMA màng mỏng cho các ứng dụng dẫn động bơm siêu nhỏ23. Tần số truyền động của màng SMA mỏng là yếu tố chính trong việc kiểm soát tốc độ của bộ truyền động. Do đó, động cơ tuyến tính SMA có phản ứng động tốt hơn so với động cơ lò xo hoặc thanh SMA. Robot mềm và công nghệ kẹp là hai ứng dụng khác sử dụng bộ truyền động dựa trên SMA. Ví dụ, để thay thế bộ truyền động tiêu chuẩn được sử dụng trong kẹp không gian 25 N, một bộ truyền động song song hợp kim nhớ hình dạng 24 đã được phát triển. Trong một trường hợp khác, một bộ truyền động mềm SMA được chế tạo dựa trên một sợi dây có ma trận nhúng có khả năng tạo ra lực kéo tối đa 30 N. Do các đặc tính cơ học của chúng, SMA cũng được sử dụng để sản xuất các bộ truyền động mô phỏng các hiện tượng sinh học. Một phát triển như vậy bao gồm một robot 12 tế bào là một sinh vật mô phỏng sinh học giống giun đất với SMA để tạo ra chuyển động hình sin để bắn26,27.
Như đã đề cập trước đó, có một giới hạn về lực tối đa có thể đạt được từ các bộ truyền động dựa trên SMA hiện có. Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu này trình bày một cấu trúc cơ hai chế độ mô phỏng sinh học, được điều khiển bởi dây hợp kim nhớ hình dạng. Nó cung cấp một hệ thống phân loại bao gồm một số dây hợp kim nhớ hình dạng. Cho đến nay, chưa có bộ truyền động dựa trên SMA nào có kiến ​​trúc tương tự được báo cáo trong tài liệu. Hệ thống độc đáo và mới lạ này dựa trên SMA được phát triển để nghiên cứu hành vi của SMA trong quá trình căn chỉnh cơ hai chế độ. So với các bộ truyền động dựa trên SMA hiện có, mục tiêu của nghiên cứu này là tạo ra một bộ truyền động hai chế độ mô phỏng sinh học để tạo ra lực cao hơn đáng kể trong một thể tích nhỏ. So với các bộ truyền động dẫn động bằng động cơ bước thông thường được sử dụng trong hệ thống tự động hóa và điều khiển tòa nhà HVAC, thiết kế truyền động hai chế độ dựa trên SMA được đề xuất giúp giảm trọng lượng của cơ cấu truyền động xuống 67%. Trong phần tiếp theo, các thuật ngữ “cơ” và “truyền động” được sử dụng thay thế cho nhau. Nghiên cứu này điều tra mô phỏng đa vật lý của một bộ truyền động như vậy. Hành vi cơ học của các hệ thống như vậy đã được nghiên cứu bằng các phương pháp thực nghiệm và phân tích. Sự phân bố lực và nhiệt độ được nghiên cứu sâu hơn ở điện áp đầu vào 7 V. Sau đó, một phân tích tham số đã được thực hiện để hiểu rõ hơn mối quan hệ giữa các thông số chính và lực đầu ra. Cuối cùng, các bộ truyền động phân cấp đã được hình dung và các hiệu ứng cấp độ phân cấp đã được đề xuất như một lĩnh vực tiềm năng trong tương lai cho các bộ truyền động không từ tính trong các ứng dụng chân tay giả. Theo kết quả của các nghiên cứu đã đề cập, việc sử dụng kiến ​​trúc một tầng tạo ra lực ít nhất cao hơn từ bốn đến năm lần so với các bộ truyền động dựa trên SMA đã được báo cáo. Ngoài ra, cùng một lực truyền động được tạo ra bởi bộ truyền động đa cấp đã được chứng minh là lớn hơn mười lần so với các bộ truyền động dựa trên SMA thông thường. Nghiên cứu sau đó báo cáo các thông số chính bằng cách sử dụng phân tích độ nhạy giữa các thiết kế khác nhau và các biến đầu vào. Chiều dài ban đầu của dây SMA (\(l_0\)), góc chĩa (\(\alpha\)) và số lượng sợi đơn (n) trong mỗi sợi riêng lẻ có ảnh hưởng tiêu cực mạnh đến độ lớn của lực truyền động, trong khi điện áp đầu vào (năng lượng) lại có tương quan tích cực.
Dây SMA thể hiện hiệu ứng nhớ hình dạng (SME) thường thấy trong nhóm hợp kim niken-titan (Ni-Ti). Thông thường, SMA thể hiện hai pha phụ thuộc vào nhiệt độ: pha nhiệt độ thấp và pha nhiệt độ cao. Cả hai pha đều có những đặc tính riêng biệt do sự hiện diện của các cấu trúc tinh thể khác nhau. Trong pha austenit (pha nhiệt độ cao) tồn tại trên nhiệt độ chuyển đổi, vật liệu thể hiện độ bền cao và ít bị biến dạng dưới tải trọng. Hợp kim này hoạt động giống như thép không gỉ, do đó nó có khả năng chịu được áp suất tác động cao hơn. Tận dụng đặc tính này của hợp kim Ni-Ti, các dây SMA được uốn nghiêng để tạo thành bộ truyền động. Các mô hình phân tích thích hợp được phát triển để hiểu cơ chế cơ bản của hành vi nhiệt của SMA dưới ảnh hưởng của các thông số và hình dạng khác nhau. Kết quả thực nghiệm và phân tích cho thấy sự phù hợp tốt.
Một nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành trên nguyên mẫu được thể hiện trong Hình 9a để đánh giá hiệu suất của hệ truyền động hai chế độ dựa trên SMA. Hai trong số các đặc tính này, lực tạo ra bởi hệ truyền động (lực cơ) và nhiệt độ của dây SMA (nhiệt độ SMA), đã được đo bằng thực nghiệm. Khi hiệu điện thế tăng dọc theo toàn bộ chiều dài của dây trong hệ truyền động, nhiệt độ của dây tăng lên do hiệu ứng tỏa nhiệt Joule. Điện áp đầu vào được áp dụng trong hai chu kỳ 10 giây (được thể hiện bằng các chấm đỏ trong Hình 2a, b) với thời gian làm mát 15 giây giữa mỗi chu kỳ. Lực cản được đo bằng cảm biến biến dạng áp điện, và sự phân bố nhiệt độ của dây SMA được theo dõi theo thời gian thực bằng camera LWIR độ phân giải cao cấp khoa học (xem đặc tính của thiết bị được sử dụng trong Bảng 2). Kết quả cho thấy trong pha điện áp cao, nhiệt độ của dây tăng đơn điệu, nhưng khi không có dòng điện chạy qua, nhiệt độ của dây tiếp tục giảm. Trong thiết lập thí nghiệm hiện tại, nhiệt độ của dây SMA giảm trong pha làm mát, nhưng vẫn cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh. Hình 2e hiển thị ảnh chụp nhanh nhiệt độ trên dây SMA được lấy từ camera LWIR. Mặt khác, hình 2a cho thấy lực cản được tạo ra bởi hệ thống truyền động. Khi lực cơ vượt quá lực phục hồi của lò xo, cánh tay chuyển động, như thể hiện trong Hình 9a, bắt đầu chuyển động. Ngay khi bắt đầu hoạt động, cánh tay chuyển động tiếp xúc với cảm biến, tạo ra một lực tác dụng lên thân máy, như thể hiện trong hình 2c, d. Khi nhiệt độ tối đa gần bằng \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), lực tối đa quan sát được là 105 N.
Đồ thị thể hiện kết quả thực nghiệm về nhiệt độ của dây SMA và lực tạo ra bởi bộ truyền động hai chế độ dựa trên SMA trong hai chu kỳ. Điện áp đầu vào được áp dụng trong hai chu kỳ 10 giây (được thể hiện bằng các chấm đỏ) với thời gian làm mát 15 giây giữa mỗi chu kỳ. Dây SMA được sử dụng trong thí nghiệm là dây Flexinol đường kính 0,51 mm của Dynalloy, Inc. (a) Đồ thị thể hiện lực thực nghiệm thu được trong hai chu kỳ, (c, d) thể hiện hai ví dụ độc lập về hoạt động của bộ truyền động tay đòn chuyển động trên bộ chuyển đổi lực áp điện PACEline CFT/5kN, (b) đồ thị thể hiện nhiệt độ tối đa của toàn bộ dây SMA trong thời gian hai chu kỳ, (e) thể hiện ảnh chụp nhiệt độ của dây SMA bằng camera LWIR của phần mềm FLIR ResearchIR. Các thông số hình học được xem xét trong thí nghiệm được đưa ra trong Bảng 1.
Kết quả mô phỏng của mô hình toán học và kết quả thực nghiệm được so sánh trong điều kiện điện áp đầu vào là 7V, như thể hiện trong Hình 5. Theo kết quả phân tích tham số và để tránh khả năng quá nhiệt của dây SMA, công suất 11,2 W đã được cấp cho bộ truyền động. Một nguồn điện DC lập trình được sử dụng để cung cấp điện áp đầu vào 7V, và dòng điện 1,6A được đo trên dây dẫn. Lực tạo ra bởi bộ truyền động và nhiệt độ của SDR tăng lên khi có dòng điện được cấp vào. Với điện áp đầu vào 7V, lực đầu ra tối đa thu được từ kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm của chu kỳ đầu tiên lần lượt là 78 ​​N và 96 N. Trong chu kỳ thứ hai, lực đầu ra tối đa của kết quả mô phỏng và thực nghiệm lần lượt là 150 N và 105 N. Sự khác biệt giữa các phép đo lực kẹp và dữ liệu thực nghiệm có thể là do phương pháp được sử dụng để đo lực kẹp. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong hình. Hình 5a tương ứng với phép đo lực khóa, được đo khi trục truyền động tiếp xúc với bộ chuyển đổi lực áp điện PACEline CFT/5kN, như thể hiện trong hình 2s. Do đó, khi trục truyền động không tiếp xúc với cảm biến lực ở đầu vùng làm mát, lực ngay lập tức trở thành 0, như thể hiện trong hình 2d. Ngoài ra, các thông số khác ảnh hưởng đến sự hình thành lực trong các chu kỳ tiếp theo là giá trị của thời gian làm mát và hệ số truyền nhiệt đối lưu trong chu kỳ trước đó. Từ hình 2b, có thể thấy rằng sau thời gian làm mát 15 giây, dây SMA không đạt đến nhiệt độ phòng và do đó có nhiệt độ ban đầu cao hơn (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) trong chu kỳ truyền động thứ hai so với chu kỳ đầu tiên (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Do đó, so với chu kỳ đầu tiên, nhiệt độ của dây SMA trong chu kỳ gia nhiệt thứ hai đạt đến nhiệt độ austenit ban đầu (\(A_s\)) sớm hơn và duy trì trong giai đoạn chuyển tiếp lâu hơn, dẫn đến ứng suất và lực. Mặt khác, phân bố nhiệt độ trong các chu kỳ gia nhiệt và làm nguội thu được từ các thí nghiệm và mô phỏng có sự tương đồng cao về mặt định tính với các ví dụ từ phân tích nhiệt ảnh. Phân tích so sánh dữ liệu nhiệt của dây SMA từ các thí nghiệm và mô phỏng cho thấy sự nhất quán trong các chu kỳ gia nhiệt và làm nguội và nằm trong giới hạn dung sai chấp nhận được đối với dữ liệu thực nghiệm. Nhiệt độ tối đa của dây SMA, thu được từ kết quả mô phỏng và thí nghiệm của chu kỳ đầu tiên, lần lượt là \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) và \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), và trong chu kỳ thứ hai, nhiệt độ tối đa của dây SMA là \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) và \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Mô hình được phát triển về cơ bản đã xác nhận hiệu ứng nhớ hình dạng. Vai trò của sự mỏi và quá nhiệt không được xem xét trong bài đánh giá này. Trong tương lai, mô hình sẽ được cải tiến để bao gồm lịch sử ứng suất của dây SMA, làm cho nó phù hợp hơn cho các ứng dụng kỹ thuật. Đồ thị lực đầu ra và nhiệt độ SMA thu được từ khối Simulink nằm trong phạm vi dung sai cho phép của dữ liệu thực nghiệm trong điều kiện xung điện áp đầu vào là 7 V. Điều này xác nhận tính đúng đắn và độ tin cậy của mô hình toán học đã phát triển.
Mô hình toán học được phát triển trong môi trường MathWorks Simulink R2020b bằng cách sử dụng các phương trình cơ bản được mô tả trong phần Phương pháp. Hình 3b thể hiện sơ đồ khối của mô hình toán học Simulink. Mô hình được mô phỏng với xung điện áp đầu vào 7V như thể hiện trong Hình 2a, b. Các giá trị của các tham số được sử dụng trong mô phỏng được liệt kê trong Bảng 1. Kết quả mô phỏng các quá trình chuyển tiếp được trình bày trong Hình 1 và 2. Hình 3a và 4. Trong Hình 4a,b thể hiện điện áp cảm ứng trong dây SMA và lực tạo ra bởi bộ truyền động theo thời gian. Trong quá trình chuyển đổi ngược (gia nhiệt), khi nhiệt độ dây SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (nhiệt độ bắt đầu pha austenit biến tính ứng suất), tốc độ thay đổi của phần thể tích mactenxit (\(\dot{\xi }\)) sẽ bằng không. Trong quá trình chuyển đổi ngược (gia nhiệt), khi nhiệt độ dây SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (nhiệt độ bắt đầu pha austenit biến tính ứng suất), tốc độ thay đổi của phần thể tích mactenxit (\(\dot{\ xi }\)) sẽ bằng không. 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 равно нулю. Trong quá trình chuyển đổi ngược (gia nhiệt), khi nhiệt độ của dây SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (nhiệt độ bắt đầu biến đổi austenit do ứng suất), tốc độ thay đổi của phần thể tích mactenxit (\(\dot{\ xi }\ )) sẽ bằng không.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 При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения аустенитной фазы с поправкой на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Trong quá trình chuyển đổi ngược (gia nhiệt) ở nhiệt độ của dây SMA \(T < A_s^{\prime}\) (nhiệt độ hình thành mầm pha austenit, đã hiệu chỉnh theo ứng suất), tốc độ thay đổi của phần thể tích mactenxit (\( \dot{\ xi }\)) sẽ bằng không.Do đó, tốc độ thay đổi ứng suất (\(\dot{\sigma}\)) sẽ chỉ phụ thuộc vào tốc độ biến dạng (\(\dot{\epsilon}\)) và độ dốc nhiệt độ (\(\dot{T} \) ) khi sử dụng phương trình (1). Tuy nhiên, khi dây SMA tăng nhiệt độ và vượt qua (\(A_s^{\prime}\)), pha austenit bắt đầu hình thành, và (\(\dot{\xi}\)) được lấy bằng giá trị đã cho trong phương trình (3). Vì vậy, tốc độ thay đổi điện áp (\(\dot{\sigma}\)) được kiểm soát đồng thời bởi \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) và \(\dot{\xi}\) bằng với giá trị đã cho trong công thức (1). Điều này giải thích sự thay đổi độ dốc được quan sát thấy trong bản đồ ứng suất và lực thay đổi theo thời gian trong chu kỳ gia nhiệt, như thể hiện trong Hình 4a, b.
(a) Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố nhiệt độ và nhiệt độ mối nối do ứng suất gây ra trong bộ truyền động hai pha dựa trên SMA. Khi nhiệt độ dây vượt qua nhiệt độ chuyển pha austenit trong giai đoạn nung nóng, nhiệt độ chuyển pha austenit biến đổi bắt đầu tăng lên, và tương tự, khi nhiệt độ thanh dây vượt qua nhiệt độ chuyển pha mactenit trong giai đoạn làm nguội, nhiệt độ chuyển pha mactenit giảm xuống. SMA được sử dụng để mô hình hóa phân tích quá trình truyền động. (Để xem chi tiết từng hệ thống con của mô hình Simulink, xem phần phụ lục của tệp bổ sung.)
Kết quả phân tích cho các phân bố thông số khác nhau được thể hiện cho hai chu kỳ điện áp đầu vào 7V (chu kỳ khởi động 10 giây và chu kỳ làm nguội 15 giây). Trong khi (ac) và (e) mô tả sự phân bố theo thời gian, mặt khác, (d) và (f) minh họa sự phân bố theo nhiệt độ. Đối với các điều kiện đầu vào tương ứng, ứng suất quan sát được tối đa là 106 MPa (nhỏ hơn 345 MPa, giới hạn chảy của dây), lực là 150 N, độ dịch chuyển tối đa là 270 µm và tỷ lệ thể tích mactenxit tối thiểu là 0,91. Mặt khác, sự thay đổi ứng suất và sự thay đổi tỷ lệ thể tích mactenxit theo nhiệt độ tương tự như đặc tính trễ.
Giải thích tương tự cũng áp dụng cho quá trình chuyển đổi trực tiếp (làm nguội) từ pha austenit sang pha martensit, trong đó nhiệt độ dây SMA (T) và nhiệt độ cuối của pha martensit biến đổi ứng suất (\(M_f^{\prime}\)) rất tốt. Hình 4d,f thể hiện sự thay đổi của ứng suất gây ra (\(\sigma\)) và tỷ lệ thể tích của martensit (\(\xi\)) trong dây SMA theo sự thay đổi nhiệt độ của dây SMA (T), đối với cả hai chu kỳ dẫn động. Hình 3a thể hiện sự thay đổi nhiệt độ của dây SMA theo thời gian tùy thuộc vào xung điện áp đầu vào. Như có thể thấy từ hình, nhiệt độ của dây tiếp tục tăng khi cung cấp nguồn nhiệt ở điện áp bằng không và làm nguội đối lưu sau đó. Trong quá trình gia nhiệt, quá trình chuyển đổi ngược từ martensit sang pha austenit bắt đầu khi nhiệt độ dây SMA (T) vượt qua nhiệt độ tạo mầm austenit hiệu chỉnh ứng suất (\(A_s^{\prime}\)). Trong giai đoạn này, dây SMA bị nén và bộ truyền động tạo ra lực. Đồng thời, trong quá trình làm nguội, khi nhiệt độ của dây SMA (T) vượt qua nhiệt độ hình thành pha mactenxit biến tính do ứng suất (\(M_s^{\prime}\)), sẽ có sự chuyển tiếp tích cực từ pha austenit sang pha mactenxit. Lực truyền động giảm đi.
Các khía cạnh định tính chính của cơ cấu truyền động hai chế độ dựa trên SMA có thể được thu được từ kết quả mô phỏng. Trong trường hợp đầu vào xung điện áp, nhiệt độ của dây SMA tăng lên do hiệu ứng gia nhiệt Joule. Giá trị ban đầu của tỷ lệ thể tích mactenxit (\(\xi\)) được đặt là 1, vì vật liệu ban đầu ở pha mactenxit hoàn toàn. Khi dây tiếp tục nóng lên, nhiệt độ của dây SMA vượt quá nhiệt độ hình thành mầm austenit được hiệu chỉnh ứng suất \(A_s^{\prime}\), dẫn đến sự giảm tỷ lệ thể tích mactenxit, như thể hiện trong Hình 4c. Ngoài ra, trong hình 4e cho thấy sự phân bố hành trình của bộ truyền động theo thời gian, và trong hình 5 – lực truyền động theo hàm thời gian. Một hệ phương trình liên quan bao gồm nhiệt độ, tỷ lệ thể tích mactenxit và ứng suất phát sinh trong dây, dẫn đến sự co lại của dây SMA và lực do bộ truyền động tạo ra. Như thể hiện trong hình. Hình 4d,f thể hiện sự thay đổi điện áp theo nhiệt độ và sự thay đổi tỷ lệ thể tích mactenxit theo nhiệt độ, tương ứng với đặc tính trễ của SMA trong trường hợp mô phỏng ở 7 V.
Việc so sánh các thông số điều khiển được thực hiện thông qua các thí nghiệm và tính toán phân tích. Các dây dẫn được đặt dưới điện áp đầu vào xung 7 V trong 10 giây, sau đó được làm nguội trong 15 giây (giai đoạn làm nguội) trong hai chu kỳ. Góc chạc được đặt là \(40^{\circ}\) và chiều dài ban đầu của dây SMA trong mỗi chân chạc đơn được đặt là 83mm. (a) Đo lực điều khiển bằng cảm biến lực (b) Giám sát nhiệt độ dây dẫn bằng camera hồng ngoại nhiệt.
Để hiểu rõ ảnh hưởng của các thông số vật lý đến lực tạo ra bởi bộ truyền động, một phân tích về độ nhạy của mô hình toán học đối với các thông số vật lý đã chọn đã được thực hiện, và các thông số được xếp hạng theo ảnh hưởng của chúng. Đầu tiên, việc lấy mẫu các thông số mô hình được thực hiện bằng cách sử dụng các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm tuân theo phân bố đồng đều (xem Phần bổ sung về Phân tích độ nhạy). Trong trường hợp này, các thông số mô hình bao gồm điện áp đầu vào (\(V_{in}\)), chiều dài dây SMA ban đầu (\(l_0\)), góc tam giác (\(\alpha\)), hằng số lò xo lệch (\( K_x\ )), hệ số truyền nhiệt đối lưu (\(h_T\)) và số lượng nhánh đơn mode (n). Ở bước tiếp theo, sức mạnh cơ bắp cực đại được chọn làm yêu cầu thiết kế nghiên cứu và các ảnh hưởng tham số của mỗi tập hợp biến số đến sức mạnh đã được thu được. Các biểu đồ hình lốc xoáy cho phân tích độ nhạy được tạo ra từ các hệ số tương quan cho mỗi tham số, như thể hiện trong Hình 6a.
(a) Giá trị hệ số tương quan của các tham số mô hình và ảnh hưởng của chúng đến lực đầu ra tối đa của 2500 nhóm tham số mô hình riêng biệt nêu trên được thể hiện trong biểu đồ hình lốc xoáy. Biểu đồ cho thấy thứ hạng tương quan của một số chỉ số. Rõ ràng là \(V_{in}\) là tham số duy nhất có tương quan dương, và \(l_0\) là tham số có tương quan âm cao nhất. Ảnh hưởng của các tham số khác nhau trong các tổ hợp khác nhau đến sức mạnh cơ bắp cực đại được thể hiện trong (b, c). \(K_x\) dao động từ 400 đến 800 N/m và n dao động từ 4 đến 24. Điện áp (\(V_{in}\)) thay đổi từ 4V đến 10V, chiều dài dây (\(l_{0 } \)) thay đổi từ 40 đến 100 mm, và góc đuôi (\ (\alpha \)) thay đổi từ \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Hình 6a thể hiện biểu đồ lốc xoáy của các hệ số tương quan khác nhau cho từng tham số với các yêu cầu thiết kế lực dẫn động cực đại. Từ hình 6a, có thể thấy rằng tham số điện áp (\(V_{in}\)) có liên quan trực tiếp đến lực đầu ra cực đại, và hệ số truyền nhiệt đối lưu (\(h_T\)), góc ngọn lửa (\ ( \alpha\)) , hằng số lò xo dịch chuyển ( \(K_x\)) có tương quan nghịch với lực đầu ra và chiều dài ban đầu (\(l_0\)) của dây SMA, và số lượng nhánh đơn mode (n) cho thấy mối tương quan nghịch mạnh. Trong trường hợp tương quan trực tiếp, giá trị hệ số tương quan điện áp (\(V_{in}\)) càng cao thì tham số này càng có ảnh hưởng lớn nhất đến công suất đầu ra. Một phân tích tương tự khác đo lực cực đại bằng cách đánh giá ảnh hưởng của các tham số khác nhau trong các tổ hợp khác nhau của hai không gian tính toán, như thể hiện trong Hình 6b, c. \(V_{in}\) và \(l_0\), \(\alpha\) và \(l_0\) có các mẫu tương tự nhau, và đồ thị cho thấy \(V_{in}\) và \(\alpha\) có các mẫu tương tự nhau. Giá trị nhỏ hơn của \(l_0\) dẫn đến lực cực đại cao hơn. Hai đồ thị còn lại phù hợp với Hình 6a, trong đó n và \(K_x\) có tương quan nghịch và \(V_{in}\) có tương quan thuận. Phân tích này giúp xác định và điều chỉnh các thông số ảnh hưởng, nhờ đó lực đầu ra, hành trình và hiệu suất của hệ thống truyền động có thể được điều chỉnh phù hợp với yêu cầu và ứng dụng.
Nghiên cứu hiện tại giới thiệu và khảo sát các cơ cấu truyền động phân cấp với N cấp độ. Trong cấu trúc phân cấp hai cấp, như thể hiện trong Hình 7a, thay vì mỗi dây SMA của bộ truyền động cấp một, một bố trí hai chế độ được thực hiện, như thể hiện trong hình 9e. Hình 7c cho thấy cách dây SMA được quấn quanh một cánh tay di động (cánh tay phụ) chỉ di chuyển theo hướng dọc. Tuy nhiên, cánh tay di động chính tiếp tục di chuyển theo cùng một cách như cánh tay di động của bộ truyền động đa cấp giai đoạn 1. Thông thường, một cơ cấu truyền động N cấp được tạo ra bằng cách thay thế dây SMA cấp \(N-1\) bằng cơ cấu truyền động cấp một. Kết quả là, mỗi nhánh mô phỏng cơ cấu truyền động cấp một, ngoại trừ nhánh giữ chính dây. Bằng cách này, các cấu trúc lồng nhau có thể được hình thành tạo ra lực lớn hơn nhiều lần so với lực của các cơ cấu truyền động chính. Trong nghiên cứu này, đối với mỗi cấp độ, tổng chiều dài dây SMA hiệu dụng là 1 m đã được tính đến, như thể hiện trong bảng ở Hình 7d. Dòng điện chạy qua mỗi dây dẫn trong mỗi thiết kế đơn mode và ứng suất trước cũng như điện áp thu được trong mỗi đoạn dây SMA là như nhau ở mỗi cấp độ. Theo mô hình phân tích của chúng tôi, lực đầu ra tỷ lệ thuận với cấp độ, trong khi độ dịch chuyển tỷ lệ nghịch. Đồng thời, có sự đánh đổi giữa độ dịch chuyển và sức mạnh cơ. Như thể hiện trong hình 7b, trong khi lực tối đa đạt được ở số lớp lớn nhất, độ dịch chuyển lớn nhất được quan sát thấy ở lớp thấp nhất. Khi cấp độ phân cấp được đặt là \(N=5\), lực cơ cực đại là 2,58 kN với 2 μm quan sát được. Mặt khác, bộ truyền động giai đoạn đầu tiên tạo ra lực 150 N ở hành trình 277 μm. Bộ truyền động đa cấp có khả năng mô phỏng các cơ sinh học thực sự, trong khi các cơ nhân tạo dựa trên hợp kim nhớ hình dạng có thể tạo ra lực cao hơn đáng kể với chuyển động chính xác và tinh tế hơn. Hạn chế của thiết kế thu nhỏ này là khi số lượng các bộ phận tăng lên, chuyển động bị giảm đáng kể và độ phức tạp của quy trình sản xuất bộ truyền động tăng lên.
(a) Hệ thống truyền động tuyến tính hợp kim nhớ hình dạng nhiều lớp hai giai đoạn (\(N=2\)) được thể hiện ở cấu hình hai chế độ. Mô hình đề xuất được thực hiện bằng cách thay thế dây SMA trong bộ truyền động nhiều lớp giai đoạn đầu tiên bằng một bộ truyền động nhiều lớp một giai đoạn khác. (c) Cấu hình biến dạng của bộ truyền động nhiều lớp giai đoạn thứ hai. (b) Mô tả sự phân bố lực và độ dịch chuyển tùy thuộc vào số lượng lớp. Người ta nhận thấy rằng lực cực đại của bộ truyền động tỷ lệ thuận với mức độ thang đo trên đồ thị, trong khi hành trình tỷ lệ nghịch với mức độ thang đo. Dòng điện và điện áp trước trong mỗi dây vẫn không đổi ở tất cả các mức. (d) Bảng hiển thị số lượng điểm nối và chiều dài của dây (sợi) SMA ở mỗi mức. Đặc tính của các dây được biểu thị bằng chỉ số 1, và số lượng nhánh phụ (một nhánh được kết nối với nhánh chính) được biểu thị bằng số lớn nhất trong chỉ số dưới. Ví dụ, ở cấp độ 5, \(n_1\) đề cập đến số lượng dây SMA có trong mỗi cấu trúc lưỡng cực, và \(n_5\) đề cập đến số lượng chân phụ (một chân được kết nối với chân chính).
Nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp khác nhau để mô hình hóa hành vi của SMA có tính nhớ hình dạng, phụ thuộc vào các tính chất nhiệt cơ học đi kèm với những thay đổi vĩ mô trong cấu trúc tinh thể liên quan đến quá trình chuyển pha. Việc xây dựng các phương pháp cấu thành vốn dĩ rất phức tạp. Mô hình hiện tượng học được sử dụng phổ biến nhất được đề xuất bởi Tanaka28 và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật. Mô hình hiện tượng học do Tanaka [28] đề xuất giả định rằng tỷ lệ thể tích của mactenxit là một hàm mũ của nhiệt độ và ứng suất. Sau đó, Liang và Rogers29 và Brinson30 đã đề xuất một mô hình trong đó động lực chuyển pha được giả định là một hàm cosin của điện áp và nhiệt độ, với một số sửa đổi nhỏ cho mô hình. Becker và Brinson đã đề xuất một mô hình động học dựa trên biểu đồ pha để mô hình hóa hành vi của vật liệu SMA trong điều kiện tải trọng tùy ý cũng như các chuyển đổi một phần. Banerjee32 sử dụng phương pháp động lực biểu đồ pha của Bekker và Brinson31 để mô phỏng một bộ điều khiển một bậc tự do được phát triển bởi Elahinia và Ahmadian33. Các phương pháp động học dựa trên giản đồ pha, có tính đến sự thay đổi điện áp không đơn điệu theo nhiệt độ, rất khó áp dụng trong các ứng dụng kỹ thuật. Elakhinia và Ahmadian đã chỉ ra những hạn chế này của các mô hình hiện tượng học hiện có và đề xuất một mô hình hiện tượng học mở rộng để phân tích và xác định hành vi nhớ hình dạng trong bất kỳ điều kiện tải phức tạp nào.
Mô hình cấu trúc của dây SMA cung cấp ứng suất (\(\sigma\)), biến dạng (\(\epsilon\)), nhiệt độ (T) và tỷ lệ thể tích mactenxit (\(\xi\)) của dây SMA. Mô hình cấu tạo hiện tượng luận lần đầu tiên được đề xuất bởi Tanaka28 và sau đó được Liang29 và Brinson30 áp dụng. Đạo hàm của phương trình có dạng:
trong đó E là mô đun Young của SMA phụ thuộc vào pha thu được bằng công thức \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) và \(E_A\) và \(E_M\) lần lượt đại diện cho mô đun Young của pha austenit và martenit, và hệ số giãn nở nhiệt được biểu thị bằng \(\theta _T\). Hệ số đóng góp chuyển pha là \(\Omega = -E \epsilon _L\) và \(\epsilon _L\) là biến dạng tối đa có thể phục hồi trong dây SMA.
Phương trình động lực pha trùng khớp với hàm cosin do Liang29 phát triển và sau đó được Brinson30 áp dụng thay vì hàm mũ do Tanaka28 đề xuất. Mô hình chuyển pha là phần mở rộng của mô hình do Elakhinia và Ahmadian34 đề xuất và được sửa đổi dựa trên các điều kiện chuyển pha do Liang29 và Brinson30 đưa ra. Các điều kiện được sử dụng cho mô hình chuyển pha này có hiệu lực dưới tải trọng nhiệt cơ phức tạp. Tại mỗi thời điểm, giá trị của phần thể tích mactenxit được tính toán khi mô hình hóa phương trình cấu thành.
Phương trình chuyển hóa cơ bản, được biểu thị bằng sự chuyển đổi từ mactenxit sang austenit trong điều kiện nung nóng, như sau:
trong đó \(\xi\) là phần thể tích của mactenxit, \(\xi _M\) là phần thể tích của mactenxit thu được trước khi nung nóng, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) và \(C_A\) – các tham số xấp xỉ đường cong, T – nhiệt độ dây SMA, \(A_s\) và \(A_f\) – lần lượt là nhiệt độ bắt đầu và kết thúc pha austenit.
Phương trình điều khiển chuyển đổi trực tiếp, được biểu diễn bằng sự chuyển pha từ austenit sang martensit trong điều kiện làm nguội, là:
trong đó \(\xi _A\) là phần thể tích của mactenxit thu được trước khi làm nguội, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) và \ ( C_M \) – các tham số khớp đường cong, T – nhiệt độ dây SMA, \(M_s\) và \(M_f\) – nhiệt độ mactenxit ban đầu và cuối cùng, tương ứng.
Sau khi đạo hàm các phương trình (3) và (4), các phương trình biến đổi ngược và thuận được đơn giản hóa thành dạng sau:
Trong quá trình biến đổi thuận và nghịch, \(\eta _{\sigma}\) và \(\eta _{T}\) có giá trị khác nhau. Các phương trình cơ bản liên quan đến \(\eta _{\sigma}\) và \(\eta _{T}\) đã được suy ra và thảo luận chi tiết trong một phần bổ sung.
Năng lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của dây SMA đến từ hiệu ứng tỏa nhiệt Joule. Năng lượng nhiệt được dây SMA hấp thụ hoặc tỏa ra được biểu thị bằng nhiệt ẩn biến đổi. Sự mất nhiệt trong dây SMA là do đối lưu cưỡng bức, và do ảnh hưởng của bức xạ là không đáng kể, phương trình cân bằng năng lượng nhiệt như sau:
Trong đó, \(m_{wire}\) là tổng khối lượng của dây SMA, \(c_{p}\) là nhiệt dung riêng của SMA, \(V_{in}\) là điện áp đặt vào dây, \(R_{ohm}\) là điện trở phụ thuộc pha của SMA, được định nghĩa như sau: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) trong đó \(r_M\ ) và \(r_A\) lần lượt là điện trở suất pha của SMA ở pha mactenxit và austenit, \(A_{c}\) là diện tích bề mặt của dây SMA, \(\Delta H\) là nhiệt ẩn chuyển pha của dây SMA, T và \(T_{\infty}\) lần lượt là nhiệt độ của dây SMA và môi trường xung quanh.
Khi một sợi dây hợp kim nhớ hình dạng được kích hoạt, sợi dây sẽ bị nén lại, tạo ra một lực trong mỗi nhánh của thiết kế hai pha được gọi là lực sợi. Lực của các sợi trong mỗi bó dây SMA cùng nhau tạo ra lực cơ để kích hoạt, như thể hiện trong Hình 9e. Do sự hiện diện của lò xo định hình, tổng lực cơ của bộ truyền động đa lớp thứ N là:
Thay thế \(N = 1\) vào phương trình (7), sức mạnh cơ bắp của nguyên mẫu truyền động hai chế độ giai đoạn đầu có thể được xác định như sau:
trong đó n là số lượng chân đơn mode, \(F_m\) là lực cơ do bộ truyền động tạo ra, \​​(F_f\) là độ bền sợi trong dây SMA, \(K_x\) là độ cứng lò xo định hướng, \(\alpha\) là góc của tam giác, \(x_0\) là độ lệch ban đầu của lò xo định hướng để giữ cáp SMA ở vị trí căng trước, và \(\Delta x\) là hành trình của bộ truyền động.
Tổng độ dịch chuyển hoặc chuyển động của bộ truyền động (\(\Delta x\)) tùy thuộc vào điện áp (\(\sigma\)) và biến dạng (\(\epsilon\)) trên dây SMA của giai đoạn thứ N, bộ truyền động được thiết lập như sau (xem Hình phần bổ sung của đầu ra):
Các phương trình động học cho mối quan hệ giữa biến dạng truyền động (\(\epsilon\)) và độ dịch chuyển (\(\Delta x\)). Biến dạng của dây Arb như một hàm của chiều dài ban đầu của dây Arb (\(l_0\)) và chiều dài dây (l) tại bất kỳ thời điểm t nào trong một nhánh đơn mode như sau:
trong đó \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) được thu được bằng cách áp dụng công thức cosin trong \(\Delta\)ABB ', như thể hiện trong Hình 8. Đối với giai đoạn truyền động đầu tiên (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) là \(\Delta x\), và \(\alpha _1\) là \(\alpha \) như thể hiện trong Hình 8, bằng cách đạo hàm theo thời gian từ Phương trình (11) và thay thế giá trị của l, tốc độ biến dạng có thể được viết như sau:
trong đó \(l_0\) là chiều dài ban đầu của dây SMA, l là chiều dài của dây tại bất kỳ thời điểm t nào trong một nhánh đơn mode, \(\epsilon\) là độ biến dạng phát sinh trong dây SMA, và \(\alpha\) là góc của tam giác, \(\Delta x\) là độ lệch truyền động (như thể hiện trong Hình 8).
Tất cả n cấu trúc đỉnh đơn (\(n=6\) trong hình này) được mắc nối tiếp với \(V_{in}\) là điện áp đầu vào. Giai đoạn I: Sơ đồ mạch của dây SMA trong cấu hình hai chế độ dưới điều kiện điện áp bằng không. Giai đoạn II: Một cấu trúc được điều khiển được hiển thị, trong đó dây SMA bị nén do chuyển đổi ngược, như được thể hiện bằng đường màu đỏ.
Để chứng minh tính khả thi của ý tưởng, một hệ thống truyền động hai chế độ dựa trên SMA đã được phát triển để kiểm tra quá trình suy luận mô phỏng các phương trình cơ bản với kết quả thực nghiệm. Mô hình CAD của bộ truyền động tuyến tính hai chế độ được thể hiện trong hình 9a. Mặt khác, hình 9c cho thấy một thiết kế mới được đề xuất cho kết nối lăng trụ quay sử dụng bộ truyền động hai mặt phẳng dựa trên SMA với cấu trúc hai chế độ. Các thành phần truyền động được chế tạo bằng phương pháp sản xuất bồi đắp trên máy in 3D Ultimaker 3 Extended. Vật liệu được sử dụng để in 3D các thành phần là polycarbonate, phù hợp với vật liệu chịu nhiệt vì nó chắc chắn, bền và có nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cao (110-113 °C). Ngoài ra, dây hợp kim nhớ hình dạng Flexinol của Dynalloy, Inc. đã được sử dụng trong các thí nghiệm, và các đặc tính vật liệu tương ứng với dây Flexinol đã được sử dụng trong các mô phỏng. Nhiều dây SMA được sắp xếp như các sợi có trong cấu trúc hai chế độ của cơ để thu được lực lớn do bộ truyền động nhiều lớp tạo ra, như thể hiện trong hình 9b, d.
Như thể hiện trong Hình 9a, góc nhọn được tạo bởi dây SMA của cánh tay chuyển động được gọi là góc (\(\alpha\)). Với các kẹp đầu nối được gắn vào kẹp trái và kẹp phải, dây SMA được giữ ở góc hai chế độ mong muốn. Thiết bị lò xo định hướng được giữ trên đầu nối lò xo được thiết kế để điều chỉnh các nhóm giãn lò xo định hướng khác nhau theo số lượng (n) sợi SMA. Ngoài ra, vị trí của các bộ phận chuyển động được thiết kế sao cho dây SMA được tiếp xúc với môi trường bên ngoài để làm mát bằng đối lưu cưỡng bức. Các tấm trên và dưới của cụm có thể tháo rời giúp giữ cho dây SMA luôn mát nhờ các đường cắt đùn được thiết kế để giảm trọng lượng. Thêm vào đó, cả hai đầu của dây CMA được cố định vào các đầu nối trái và phải tương ứng bằng cách kẹp. Một pít tông được gắn vào một đầu của cụm chuyển động để duy trì khe hở giữa các tấm trên và dưới. Pít tông này cũng được sử dụng để tác dụng một lực chặn lên cảm biến thông qua một tiếp điểm để đo lực chặn khi dây SMA được kích hoạt.
Cấu trúc cơ hai pha SMA được kết nối điện nối tiếp và được cấp nguồn bằng điện áp xung đầu vào. Trong chu kỳ xung điện áp, khi điện áp được đặt vào và dây SMA được nung nóng trên nhiệt độ ban đầu của pha austenit, chiều dài của dây trong mỗi sợi sẽ bị rút ngắn. Sự co rút này kích hoạt cụm tay đòn di động. Khi điện áp được đưa về 0 trong cùng một chu kỳ, dây SMA được nung nóng sẽ nguội xuống dưới nhiệt độ bề mặt của pha mactenit, do đó trở lại vị trí ban đầu. Trong điều kiện không có ứng suất, dây SMA trước tiên được kéo giãn thụ động bởi một lò xo định hướng để đạt đến trạng thái mactenit không biến dạng. Vít mà dây SMA đi qua sẽ di chuyển do lực nén tạo ra bởi việc đặt xung điện áp vào dây SMA (SPA đạt đến pha austenit), dẫn đến sự hoạt động của cần gạt di động. Khi dây SMA được thu lại, lò xo định hướng tạo ra một lực đối kháng bằng cách kéo giãn lò xo hơn nữa. Khi ứng suất trong điện áp xung trở thành 0, dây SMA kéo dài và thay đổi hình dạng do làm mát đối lưu cưỡng bức, đạt đến pha mactenit kép.
Hệ thống truyền động tuyến tính dựa trên SMA được đề xuất có cấu hình hai chế độ, trong đó các dây SMA được đặt nghiêng. (a) mô tả mô hình CAD của nguyên mẫu, đề cập đến một số thành phần và ý nghĩa của chúng đối với nguyên mẫu, (b, d) thể hiện nguyên mẫu thử nghiệm đã được phát triển35. Trong khi (b) hiển thị hình chiếu từ trên xuống của nguyên mẫu với các kết nối điện, lò xo định hướng và cảm biến biến dạng được sử dụng, (d) hiển thị hình chiếu phối cảnh của thiết lập. (e) Sơ đồ của một hệ thống truyền động tuyến tính với các dây SMA được đặt theo hai chế độ tại bất kỳ thời điểm t nào, cho thấy hướng và đường đi của sợi và sức mạnh cơ. (c) Một kết nối lăng trụ quay 2 bậc tự do đã được đề xuất để triển khai bộ truyền động dựa trên SMA hai mặt phẳng. Như được hiển thị, liên kết truyền chuyển động tuyến tính từ bộ truyền động phía dưới đến cánh tay trên, tạo ra một kết nối quay. Mặt khác, chuyển động của cặp lăng trụ giống với chuyển động của bộ truyền động giai đoạn đầu đa lớp.
Một nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành trên nguyên mẫu được thể hiện trong Hình 9b để đánh giá hiệu suất của hệ thống truyền động hai chế độ dựa trên SMA. Như thể hiện trong Hình 10a, thiết lập thí nghiệm bao gồm một nguồn điện DC lập trình được để cung cấp điện áp đầu vào cho các dây SMA. Như thể hiện trong hình 10b, một cảm biến biến dạng áp điện (PACEline CFT/5kN) được sử dụng để đo lực cản bằng bộ ghi dữ liệu Graphtec GL-2000. Dữ liệu được ghi lại bởi máy chủ để nghiên cứu thêm. Cảm biến biến dạng và bộ khuếch đại điện tích yêu cầu nguồn điện ổn định để tạo ra tín hiệu điện áp. Các tín hiệu tương ứng được chuyển đổi thành công suất đầu ra theo độ nhạy của cảm biến lực áp điện và các thông số khác như mô tả trong Bảng 2. Khi một xung điện áp được áp dụng, nhiệt độ của dây SMA tăng lên, khiến dây SMA bị nén, từ đó làm cho bộ truyền động tạo ra lực. Kết quả thực nghiệm về đầu ra lực cơ bằng xung điện áp đầu vào 7 V được thể hiện trong hình 2a.
(a) Một hệ thống truyền động tuyến tính dựa trên SMA được thiết lập trong thí nghiệm để đo lực do truyền động tạo ra. Cảm biến lực đo lực cản và được cấp nguồn bằng nguồn điện một chiều 24 V. Điện áp giảm 7 V được đặt dọc theo toàn bộ chiều dài cáp bằng nguồn điện một chiều lập trình được của GW Instek. Dây SMA co lại do nhiệt, và cánh tay chuyển động tiếp xúc với cảm biến lực và tạo ra lực cản. Cảm biến lực được kết nối với bộ ghi dữ liệu GL-2000 và dữ liệu được lưu trữ trên máy chủ để xử lý tiếp. (b) Sơ đồ thể hiện chuỗi các thành phần của thiết lập thí nghiệm để đo sức mạnh cơ bắp.
Hợp kim nhớ hình dạng được kích thích bởi năng lượng nhiệt, do đó nhiệt độ trở thành một thông số quan trọng để nghiên cứu hiện tượng nhớ hình dạng. Về mặt thực nghiệm, như thể hiện trong Hình 11a, việc chụp ảnh nhiệt và đo nhiệt độ đã được thực hiện trên một nguyên mẫu bộ truyền động hai biến dựa trên SMA. Một nguồn DC lập trình được đã cấp điện áp đầu vào cho các dây SMA trong thiết lập thí nghiệm, như thể hiện trong Hình 11b. Sự thay đổi nhiệt độ của dây SMA được đo trong thời gian thực bằng camera LWIR độ phân giải cao (FLIR A655sc). Máy chủ sử dụng phần mềm ResearchIR để ghi lại dữ liệu để xử lý hậu kỳ. Khi một xung điện áp được áp dụng, nhiệt độ của dây SMA tăng lên, khiến dây SMA co lại. Hình 2b cho thấy kết quả thực nghiệm về nhiệt độ dây SMA theo thời gian đối với xung điện áp đầu vào 7V.