Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili da onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Aktuatori se koriste svugdje i stvaraju kontrolirano kretanje primjenom ispravne sile pobude ili obrtnog momenta za izvođenje različitih operacija u proizvodnji i industrijskoj automatizaciji. Potreba za bržim, manjim i efikasnijim pogonima pokreće inovacije u dizajnu pogona. Pogoni od legura s memorijom oblika (SMA) nude niz prednosti u odnosu na konvencionalne pogone, uključujući visok omjer snage i težine. U ovoj disertaciji razvijen je aktuator baziran na SMA s dva pera koji kombinira prednosti pernatih mišića bioloških sistema i jedinstvena svojstva SMA. Ova studija istražuje i proširuje prethodne SMA aktuatore razvojem matematičkog modela novog aktuatora baziranog na bimodalnom rasporedu SMA žica i njegovim eksperimentalnim testiranjem. U poređenju s poznatim pogonima baziranim na SMA, sila aktuacije novog pogona je najmanje 5 puta veća (do 150 N). Odgovarajući gubitak težine je oko 67%. Rezultati analize osjetljivosti matematičkih modela korisni su za podešavanje parametara dizajna i razumijevanje ključnih parametara. Ova studija dalje predstavlja višerazinski N-stepeni pogon koji se može koristiti za daljnje poboljšanje dinamike. Aktuatori dipvaleratnih mišića na bazi SMA imaju širok spektar primjena, od automatizacije zgrada do preciznih sistema za isporuku lijekova.
Biološki sistemi, poput mišićnih struktura sisara, mogu aktivirati mnoge suptilne aktuatore1. Sisari imaju različite mišićne strukture, od kojih svaka služi specifičnoj svrsi. Međutim, veliki dio strukture mišićnog tkiva sisara može se podijeliti u dvije široke kategorije. Paralelne i pernate. U tetivama i drugim fleksorima, kao što i samo ime sugerira, paralelna muskulatura ima mišićna vlakna paralelna sa centralnom tetivom. Lanac mišićnih vlakana je poravnat i funkcionalno povezan vezivnim tkivom oko njih. Iako se za ove mišiće kaže da imaju veliku ekskurziju (postotak skraćivanja), njihova ukupna mišićna snaga je vrlo ograničena. Nasuprot tome, u mišiću potkoljenice tricepsa2 (lateralni gastroknemius (GL)3, medijalni gastroknemius (GM)4 i soleus (SOL)) i ekstenzoru femorisa (kvadriceps)5,6 pernato mišićno tkivo se nalazi u svakom mišiću7. U pernatoj strukturi, mišićna vlakna u bipernatoj muskulaturi prisutna su s obje strane centralne tetive pod kosim uglovima (pernati uglovi). Reč "pernat" potiče od latinske reči "penna", što znači "olovka", i, kao što je prikazano na slici 1, ima izgled sličan peru. Vlakna pernatih mišića su kraća i postavljena pod uglom u odnosu na uzdužnu osu mišića. Zbog pernate strukture, ukupna pokretljivost ovih mišića je smanjena, što dovodi do poprečnih i uzdužnih komponenti procesa skraćivanja. S druge strane, aktivacija ovih mišića dovodi do veće ukupne mišićne snage zbog načina na koji se meri fiziološka površina poprečnog presjeka. Stoga će, za datu površinu poprečnog presjeka, pernati mišići biti jači i generisaće veće sile od mišića sa paralelnim vlaknima. Sile koje generišu pojedinačna vlakna generišu mišićne sile na makroskopskom nivou u tom mišićnom tkivu. Pored toga, ima jedinstvena svojstva kao što su brzo skupljanje, zaštita od oštećenja zatezanjem, amortizacija. Transformiše odnos između unosa vlakana i izlaza mišićne snage iskorištavanjem jedinstvenih karakteristika i geometrijske složenosti rasporeda vlakana povezanih sa mišićnim linijama delovanja.
Prikazani su shematski dijagrami postojećih dizajna aktuatora zasnovanih na SMA u odnosu na bimodalnu mišićnu arhitekturu, na primjer (a), koji predstavlja interakciju taktilne sile u kojoj je uređaj u obliku ruke, aktiviran SMA žicama, montiran na autonomni mobilni robot sa dva točka9,10., (b) Robotska orbitalna proteza sa antagonistički postavljenom SMA opružnom orbitalnom protezom. Položaj protetskog oka kontroliše signal iz očnog mišića oka11, (c) SMA aktuatori su idealni za podvodne primjene zbog svog visokog frekventnog odziva i niskog propusnog opsega. U ovoj konfiguraciji, SMA aktuatori se koriste za stvaranje kretanja talasa simulirajući kretanje ribe, (d) SMA aktuatori se koriste za stvaranje robota za inspekciju mikrocijevi koji može koristiti princip kretanja inčnog crva, kontrolisanog kretanjem SMA žica unutar kanala 10, (e) prikazuje smjer kontrakcije mišićnih vlakana i generisanje kontraktilne sile u tkivu gastroknemijusa, (f) prikazuje SMA žice raspoređene u obliku mišićnih vlakana u strukturi penatnih mišića.
Aktuatori su postali važan dio mehaničkih sistema zbog širokog spektra primjene. Stoga, potreba za manjim, bržim i efikasnijim pogonima postaje kritična. Uprkos svojim prednostima, tradicionalni pogoni su se pokazali skupim i dugotrajnim za održavanje. Hidraulični i pneumatski aktuatori su složeni i skupi te podložni habanju, problemima s podmazivanjem i kvarovima komponenti. Kao odgovor na potražnju, fokus je na razvoju isplativih, dimenzionirano optimiziranih i naprednih aktuatora zasnovanih na pametnim materijalima. Tekuća istraživanja istražuju slojevite aktuatore od legure s memorijom oblika (SMA) kako bi zadovoljili ovu potrebu. Hijerarhijski aktuatori su jedinstveni po tome što kombiniraju mnoge diskretne aktuatore u geometrijski složene podsisteme makro razmjera kako bi osigurali povećanu i proširenu funkcionalnost. U tom smislu, ljudsko mišićno tkivo opisano gore pruža odličan višeslojni primjer takve višeslojne aktuacije. Trenutna studija opisuje višeslojni SMA pogon s nekoliko pojedinačnih pogonskih elemenata (SMA žica) poravnatih s orijentacijama vlakana prisutnim u bimodalnim mišićima, što poboljšava ukupne performanse pogona.
Glavna svrha aktuatora je generiranje mehaničke izlazne snage kao što su sila i pomak pretvaranjem električne energije. Legure s memorijom oblika su klasa "pametnih" materijala koji mogu vratiti svoj oblik na visokim temperaturama. Pod visokim opterećenjima, povećanje temperature SMA žice dovodi do oporavka oblika, što rezultira većom gustoćom energije aktiviranja u usporedbi s raznim direktno vezanim pametnim materijalima. Istovremeno, pod mehaničkim opterećenjima, SMA postaju krhki. Pod određenim uvjetima, ciklično opterećenje može apsorbirati i osloboditi mehaničku energiju, pokazujući reverzibilne histerezne promjene oblika. Ova jedinstvena svojstva čine SMA idealnim za senzore, prigušivanje vibracija i posebno aktuatore12. Imajući to na umu, provedeno je mnogo istraživanja o pogonima baziranim na SMA. Treba napomenuti da su aktuatori bazirani na SMA dizajnirani da obezbijede translacijsko i rotaciono kretanje za različite primjene13,14,15. Iako su razvijeni neki rotacijski aktuatori, istraživači su posebno zainteresirani za linearne aktuatore. Ovi linearni aktuatori mogu se podijeliti u tri vrste aktuatora: jednodimenzionalne, aktuatore pomaka i diferencijalne aktuatore16. U početku su hibridni pogoni kreirani u kombinaciji sa SMA i drugim konvencionalnim pogonima. Jedan takav primjer hibridnog linearnog aktuatora baziranog na SMA je upotreba SMA žice sa DC motorom za obezbjeđivanje izlazne sile od oko 100 N i značajnog pomaka17.
Jedan od prvih razvoja u pogonima baziranim u potpunosti na SMA bio je paralelni SMA pogon. Koristeći više SMA žica, paralelni pogon baziran na SMA dizajniran je da poveća kapacitet pogona postavljanjem svih SMA18 žica paralelno. Paralelno spajanje aktuatora ne samo da zahtijeva više snage, već i ograničava izlaznu snagu jedne žice. Još jedan nedostatak aktuatora baziranih na SMA je ograničeni hod koji mogu postići. Da bi se riješio ovaj problem, kreirana je SMA kablovska greda koja sadrži skrenutu fleksibilnu gredu za povećanje pomaka i postizanje linearnog kretanja, ali nije generirala veće sile19. Mekane deformabilne strukture i tkanine za robote bazirane na legurama s memorijom oblika razvijene su prvenstveno za pojačanje udara20,21,22. Za primjene gdje su potrebne velike brzine, prijavljene su kompaktne pogonjene pumpe koje koriste tankoslojne SMA za primjene pokretane mikropumpama23. Frekvencija pogona tankoslojne SMA membrane ključni je faktor u kontroli brzine pogona. Stoga, SMA linearni motori imaju bolji dinamički odziv od SMA opružnih ili šipkastih motora. Meka robotika i tehnologija hvatanja su dvije druge primjene koje koriste aktuatore bazirane na SMA. Na primjer, da bi se zamijenio standardni aktuator koji se koristi u svemirskoj stezaljci od 25 N, razvijen je paralelni aktuator 24 od legure s memorijom oblika. U drugom slučaju, izrađen je meki aktuator od SMA na bazi žice s ugrađenom matricom sposobnom za proizvodnju maksimalne sile vučenja od 30 N. Zbog svojih mehaničkih svojstava, SMA se također koriste za proizvodnju aktuatora koji oponašaju biološke fenomene. Jedan takav razvoj uključuje robota s 12 ćelija koji je biomimetik organizma sličnog glisti sa SMA za generiranje sinusoidnog kretanja za paljbu26,27.
Kao što je ranije spomenuto, postoji ograničenje maksimalne sile koja se može dobiti iz postojećih aktuatora baziranih na SMA. Kako bi se riješio ovaj problem, ova studija predstavlja biomimetičku bimodalnu mišićnu strukturu. Pokreće je žica od legure s memorijom oblika. Pruža sistem klasifikacije koji uključuje nekoliko žica od legure s memorijom oblika. Do danas, u literaturi nisu zabilježeni aktuatori bazirani na SMA sa sličnom arhitekturom. Ovaj jedinstveni i novi sistem baziran na SMA razvijen je za proučavanje ponašanja SMA tokom bimodalnog poravnanja mišića. U poređenju sa postojećim aktuatorima baziranim na SMA, cilj ove studije bio je stvaranje biomimetičkog dipvaleratnog aktuatora koji će generirati značajno veće sile u maloj zapremini. U poređenju sa konvencionalnim pogonima pokretanim koračnim motorom koji se koriste u HVAC sistemima automatizacije i upravljanja zgradama, predloženi dizajn bimodalnog pogona baziranog na SMA smanjuje težinu pogonskog mehanizma za 67%. U nastavku se termini "mišić" i "pogon" koriste naizmjenično. Ova studija istražuje multifizičku simulaciju takvog pogona. Mehaničko ponašanje takvih sistema proučavano je eksperimentalnim i analitičkim metodama. Raspodjela sile i temperature dalje je istražena pri ulaznom naponu od 7 V. Nakon toga, provedena je parametarska analiza kako bi se bolje razumio odnos između ključnih parametara i izlazne sile. Konačno, predviđeni su hijerarhijski aktuatori i predloženi su efekti hijerarhijskih nivoa kao potencijalno buduće područje za nemagnetne aktuatore za protetske primjene. Prema rezultatima prethodno spomenutih studija, upotreba jednostepene arhitekture proizvodi sile najmanje četiri do pet puta veće od prijavljenih aktuatora baziranih na SMA. Osim toga, pokazalo se da je ista pogonska sila generirana višerazinskim pogonom više od deset puta veća od konvencionalnih pogona baziranih na SMA. Studija zatim izvještava o ključnim parametrima koristeći analizu osjetljivosti između različitih dizajna i ulaznih varijabli. Početna dužina SMA žice (\(l_0\)), ugao pera (\(\alfa\)) i broj pojedinačnih niti (n) u svakoj pojedinačnoj niti imaju snažan negativan utjecaj na veličinu pogonske sile, dok se ulazni napon (energija) pokazao pozitivno koreliranim.
SMA žica pokazuje efekat memorije oblika (SME) koji se vidi u porodici legura nikl-titan (Ni-Ti). Tipično, SMA pokazuju dvije temperaturno zavisne faze: fazu niske temperature i fazu visoke temperature. Obje faze imaju jedinstvena svojstva zbog prisustva različitih kristalnih struktura. U austenitnoj fazi (faza visoke temperature) koja postoji iznad temperature transformacije, materijal pokazuje visoku čvrstoću i slabo se deformiše pod opterećenjem. Legura se ponaša kao nehrđajući čelik, tako da je u stanju da izdrži veće pritiske aktiviranja. Koristeći ovo svojstvo Ni-Ti legura, SMA žice su nagnute kako bi formirale aktuator. Razvijeni su odgovarajući analitički modeli kako bi se razumjela fundamentalna mehanika termičkog ponašanja SMA pod utjecajem različitih parametara i različitih geometrija. Postignuto je dobro slaganje između eksperimentalnih i analitičkih rezultata.
Eksperimentalna studija provedena je na prototipu prikazanom na slici 9a kako bi se procijenile performanse bimodalnog pogona baziranog na SMA. Dva od ovih svojstava, sila koju generira pogon (sila mišića) i temperatura SMA žice (temperatura SMA), eksperimentalno su izmjerena. Kako se razlika napona povećava duž cijele dužine žice u pogonu, temperatura žice se povećava zbog Džulovog efekta zagrijavanja. Ulazni napon je primijenjen u dva ciklusa od 10 sekundi (prikazano kao crvene tačke na slici 2a, b) sa periodom hlađenja od 15 sekundi između svakog ciklusa. Sila blokiranja je mjerena pomoću piezoelektričnog mjerača naprezanja, a raspodjela temperature SMA žice praćena je u realnom vremenu pomoću LWIR kamere visoke rezolucije naučnog kvaliteta (pogledajte karakteristike korištene opreme u tabeli 2). Analiza pokazuje da se tokom faze visokog napona temperatura žice monotono povećava, ali kada ne teče struja, temperatura žice nastavlja padati. U trenutnoj eksperimentalnoj postavci, temperatura SMA žice je pala tokom faze hlađenja, ali je i dalje bila iznad temperature okoline. Na slici 2e prikazan je snimak temperature SMA žice snimljen LWIR kamerom. S druge strane, na slici 2a prikazana je blokirajuća sila koju generira pogonski sistem. Kada sila mišića premaši silu vraćanja opruge, pokretna ruka, kao što je prikazano na slici 9a, počinje se kretati. Čim počne aktiviranje, pokretna ruka dolazi u kontakt sa senzorom, stvarajući silu tijela, kao što je prikazano na slici 2c, d. Kada je maksimalna temperatura blizu \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maksimalna uočena sila je 105 N.
Grafikon prikazuje eksperimentalne rezultate temperature SMA žice i sile koju generira bimodalni aktuator baziran na SMA tokom dva ciklusa. Ulazni napon se primjenjuje u dva ciklusa od 10 sekundi (prikazana crvenim tačkama) sa periodom hlađenja od 15 sekundi između svakog ciklusa. SMA žica korištena za eksperimente bila je Flexinol žica promjera 0,51 mm od Dynalloy, Inc. (a) Grafikon prikazuje eksperimentalnu silu dobijenu tokom dva ciklusa, (c, d) prikazuje dva nezavisna primjera djelovanja aktuatora pokretne ruke na piezoelektrični pretvarač sile PACEline CFT/5kN, (b) grafikon prikazuje maksimalnu temperaturu cijele SMA žice tokom dva ciklusa, (e) prikazuje snimak temperature snimljen sa SMA žice pomoću FLIR ResearchIR softverske LWIR kamere. Geometrijski parametri uzeti u obzir u eksperimentima dati su u Tabeli 1.
Rezultati simulacije matematičkog modela i eksperimentalni rezultati upoređeni su pod uslovom ulaznog napona od 7V, kao što je prikazano na Sl.5. Prema rezultatima parametarske analize i kako bi se izbjegla mogućnost pregrijavanja SMA žice, aktuatoru je dovedena snaga od 11,2 W. Programabilno DC napajanje korišteno je za napajanje 7V kao ulaznog napona, a struja od 1,6A je izmjerena preko žice. Sila koju generiše pogon i temperatura SDR-a povećavaju se kada se primijeni struja. Sa ulaznim naponom od 7V, maksimalna izlazna sila dobijena iz rezultata simulacije i eksperimentalnih rezultata prvog ciklusa iznosi 78 N i 96 N, respektivno. U drugom ciklusu, maksimalna izlazna sila simulacije i eksperimentalnih rezultata bila je 150 N i 105 N, respektivno. Razlika između mjerenja sile okluzije i eksperimentalnih podataka može biti posljedica metode koja se koristi za mjerenje sile okluzije. Eksperimentalni rezultati prikazani na Sl. Slika 5a odgovara mjerenju sile zaključavanja, koja je pak izmjerena kada je pogonsko vratilo bilo u kontaktu s piezoelektričnim pretvaračem sile PACEline CFT/5kN, kao što je prikazano na slici 2s. Stoga, kada pogonsko vratilo nije u kontaktu sa senzorom sile na početku zone hlađenja, sila odmah postaje nula, kao što je prikazano na slici 2d. Pored toga, drugi parametri koji utiču na formiranje sile u narednim ciklusima su vrijednosti vremena hlađenja i koeficijenta konvektivnog prijenosa topline u prethodnom ciklusu. Iz slike 2b se može vidjeti da nakon 15 sekundi perioda hlađenja, SMA žica nije dostigla sobnu temperaturu i stoga je imala višu početnu temperaturu (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) u drugom ciklusu vožnje u poređenju s prvim ciklusom (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Dakle, u poređenju s prvim ciklusom, temperatura SMA žice tokom drugog ciklusa zagrijavanja ranije dostiže početnu temperaturu austenita (A_s) i duže ostaje u prelaznom periodu, što rezultira naponom i silom. S druge strane, raspodjela temperature tokom ciklusa zagrijavanja i hlađenja dobijena iz eksperimenata i simulacija ima visoku kvalitativnu sličnost s primjerima iz termografske analize. Komparativna analiza termalnih podataka SMA žice iz eksperimenata i simulacija pokazala je konzistentnost tokom ciklusa zagrijavanja i hlađenja i unutar prihvatljivih tolerancija za eksperimentalne podatke. Maksimalna temperatura SMA žice, dobijena iz rezultata simulacije i eksperimenata prvog ciklusa, iznosi 89°C i 75°C, respektivno), a u drugom ciklusu maksimalna temperatura SMA žice iznosi 94°C i 83°C. Fundamentalno razvijen model potvrđuje efekat efekta memorije oblika. Uloga zamora i pregrijavanja nije razmatrana u ovom pregledu. U budućnosti će model biti poboljšan kako bi uključio historiju napona SMA žice, što će ga učiniti pogodnijim za inženjerske primjene. Grafikoni izlazne sile pogona i temperature SMA dobijeni iz Simulink bloka su unutar dozvoljenih tolerancija eksperimentalnih podataka pod uslovom ulaznog naponskog impulsa od 7 V. Ovo potvrđuje ispravnost i pouzdanost razvijenog matematičkog modela.
Matematički model je razvijen u MathWorks Simulink R2020b okruženju korištenjem osnovnih jednačina opisanih u odjeljku Metode. Na slici 3b prikazan je blok dijagram Simulink matematičkog modela. Model je simuliran za ulazni impuls napona od 7V kao što je prikazano na slici 2a, b. Vrijednosti parametara korištenih u simulaciji navedene su u tabeli 1. Rezultati simulacije prelaznih procesa prikazani su na slikama 1 i 1. Slike 3a i 4. Na slici 4a, b prikazan je indukovani napon u SMA žici i sila koju generiše aktuator kao funkcija vremena. Tokom reverzne transformacije (zagrijavanja), kada je temperatura SMA žice, \(T < A_s^{\prime}\) (početna temperatura faze austenita modificiranog naponom), brzina promjene zapreminskog udjela martenzita (\(\dot{\xi }\)) bit će nula. Tokom reverzne transformacije (zagrijavanja), kada je temperatura SMA žice, \(T < A_s^{\prime}\) (početna temperatura faze austenita modificiranog naponom), brzina promjene zapreminskog udjela martenzita (\(\dot{\xi }\)) bit će nula. Za vreme povratnog prevraštanja (nagrevanja), kada temperatura provoloka SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura početka austenitne faze, modifikovana napona), brzina promene zapremine doli martensita (\(\dot{\ xi }\)) će biti ravnomerno nultu. Tokom obrnute transformacije (zagrijavanja), kada je temperatura SMA žice, \(T < A_s^{\prime}\) (početna temperatura austenita modificiranog naponom), brzina promjene volumenskog udjela martenzita (\(\dot{\xi }\)) bit će nula.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（)(xidot{)\)将为零。在 反向 转变 （加热） 中 , 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Rezultat simulacije koji prikazuje raspodjelu temperature i temperaturu spoja izazvanu naponom u aktuatoru baziranom na SMA divaleratu. Kada temperatura žice pređe temperaturu austenitnog prelaza u fazi zagrijavanja, temperatura modificiranog austenitnog prelaza počinje rasti, a slično, kada temperatura žice pređe temperaturu martenzitnog prelaza u fazi hlađenja, temperatura martenzitnog prelaza se smanjuje. SMA za analitičko modeliranje procesa aktuacije. (Za detaljan prikaz svakog podsistema Simulink modela, pogledajte odjeljak dodatka dodatne datoteke.)
Rezultati analize za različite raspodjele parametara prikazani su za dva ciklusa ulaznog napona od 7 V (ciklusi zagrijavanja od 10 sekundi i ciklusi hlađenja od 15 sekundi). Dok (ac) i (e) prikazuju raspodjelu tokom vremena, s druge strane, (d) i (f) ilustruju raspodjelu s temperaturom. Za odgovarajuće ulazne uslove, maksimalni uočeni napon je 106 MPa (manje od 345 MPa, granica tečenja žice), sila je 150 N, maksimalni pomak je 270 µm, a minimalni zapreminski udio martenzita je 0,91. S druge strane, promjena napona i promjena zapreminskog udjela martenzita s temperaturom slične su karakteristikama histereze.
Isto objašnjenje vrijedi i za direktnu transformaciju (hlađenje) iz austenitne faze u martenzitnu fazu, gdje su temperatura SMA žice (T) i krajnja temperatura naponski modificirane martenzitne faze (M_f^{\prime}) odlične. Na slici 4d,f prikazana je promjena indukovanog napona (sigma) i zapreminski udio martenzita (xi) u SMA žici kao funkcija promjene temperature SMA žice (T), za oba ciklusa pogona. Na slici 3a prikazana je promjena temperature SMA žice s vremenom, ovisno o ulaznom naponskom impulsu. Kao što se može vidjeti na slici, temperatura žice nastavlja rasti osiguravanjem izvora topline pri nultom naponu i naknadnim konvektivnim hlađenjem. Tokom zagrijavanja, ponovna transformacija martenzita u austenitnu fazu počinje kada temperatura SMA žice (T) pređe temperaturu nukleacije austenita korigovanog naponom (\(A_s^{\prime}\)). Tokom ove faze, SMA žica se komprimira i aktuator generira silu. Također tokom hlađenja, kada temperatura SMA žice (T) pređe temperaturu nukleacije faze martenzita modificiranog naponom (\(M_s^{\prime}\)), dolazi do pozitivnog prelaza iz austenitne faze u martenzitnu fazu. Pogonska sila se smanjuje.
Glavni kvalitativni aspekti bimodalnog pogona zasnovanog na SMA mogu se dobiti iz rezultata simulacije. U slučaju ulaznog naponskog impulsa, temperatura SMA žice se povećava zbog Džulovog efekta zagrijavanja. Početna vrijednost volumskog udjela martenzita (\(\xi\)) postavljena je na 1, budući da je materijal u početku u potpuno martenzitnoj fazi. Kako se žica nastavlja zagrijavati, temperatura SMA žice prelazi temperaturu nukleacije austenita korigovanu za napon \(A_s^{\prime}\), što rezultira smanjenjem volumskog udjela martenzita, kao što je prikazano na slici 4c. Pored toga, na slici 4e prikazana je raspodjela hoda aktuatora u vremenu, a na slici 5 - pogonska sila kao funkcija vremena. Povezani sistem jednačina uključuje temperaturu, volumski udio martenzita i napon koji se razvija u žici, što rezultira skupljanjem SMA žice i silom koju generira aktuator. Kao što je prikazano na slici 4c. 4d,f, promjena napona s temperaturom i promjena zapreminskog udjela martenzita s temperaturom odgovaraju histerezisnim karakteristikama SMA u simuliranom slučaju na 7 V.
Poređenje parametara pogona dobijeno je putem eksperimenata i analitičkih proračuna. Žice su podvrgnute pulsirajućem ulaznom naponu od 7 V tokom 10 sekundi, a zatim su hlađene 15 sekundi (faza hlađenja) tokom dva ciklusa. Ugao pera je postavljen na \(40^{\circ}\), a početna dužina SMA žice u svakom pojedinačnom nožu je postavljena na 83 mm. (a) Mjerenje pogonske sile pomoću merne ćelije (b) Praćenje temperature žice termalnom infracrvenom kamerom.
Kako bi se razumio utjecaj fizičkih parametara na silu koju proizvodi pogon, provedena je analiza osjetljivosti matematičkog modela na odabrane fizičke parametre, a parametri su rangirani prema njihovom utjecaju. Prvo, uzorkovanje parametara modela izvršeno je korištenjem principa eksperimentalnog dizajna koji su slijedili uniformnu distribuciju (vidi Dodatni odjeljak o analizi osjetljivosti). U ovom slučaju, parametri modela uključuju ulazni napon (V_{in}\)), početnu dužinu SMA žice (l_0\)), ugao trougla (alpha\)), konstantu prilagodbe opruge (K_x\)), koeficijent konvektivnog prijenosa topline (h_T\) i broj unimodalnih grana (n). U sljedećem koraku, vršna snaga mišića odabrana je kao zahtjev dizajna studije i dobiveni su parametarski efekti svakog skupa varijabli na snagu. Grafikoni tornada za analizu osjetljivosti izvedeni su iz koeficijenata korelacije za svaki parametar, kao što je prikazano na slici 6a.
(a) Vrijednosti koeficijenata korelacije parametara modela i njihov utjecaj na maksimalnu izlaznu silu 2500 jedinstvenih grupa gore navedenih parametara modela prikazani su na dijagramu tornada. Grafikon prikazuje rang korelacije nekoliko indikatora. Jasno je da je \(V_{in}\) jedini parametar s pozitivnom korelacijom, a \(l_0\) parametar s najvećom negativnom korelacijom. Utjecaj različitih parametara u različitim kombinacijama na vršnu snagu mišića prikazan je u (b, c). \(K_x\) se kreće od 400 do 800 N/m, a n se kreće od 4 do 24. Napon (\(V_{in}\)) se mijenjao od 4V do 10V, dužina žice (\(l_{0 } \)) se mijenjala od 40 do 100 mm, a ugao repa (\ (\alpha \)) se mijenjao od \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Na slici 6a prikazan je tornado grafikon različitih koeficijenata korelacije za svaki parametar sa zahtjevima za dizajn vršne pogonske sile. Iz slike 6a se može vidjeti da je parametar napona (V_{in}\) direktno povezan sa maksimalnom izlaznom silom, a koeficijent konvektivnog prijenosa topline (h_T\)), ugao plamena (alpha\)), konstanta pomične opruge (K_x\)) negativno su korelirani sa izlaznom silom i početnom dužinom (l_0\) SMA žice, a broj unimodalnih grana (n) pokazuje jaku inverznu korelaciju u slučaju direktne korelacije. U slučaju veće vrijednosti koeficijenta korelacije napona (V_{in}\)) ukazuje na to da ovaj parametar ima najveći utjecaj na izlaznu snagu. Druga slična analiza mjeri vršnu silu procjenjujući utjecaj različitih parametara u različitim kombinacijama dva računska prostora, kao što je prikazano na slici 6b, c. V_{in}\) i l_0\), alfa\) i l_0\) imaju slične obrasce, a grafikon pokazuje da V_{in}\) i alfa\) i alfa\) imaju slične obrasce. Manje vrijednosti l_0\) rezultiraju većim vršnim silama. Druga dva grafikona su u skladu sa slikom 6a, gdje su n i K_x negativno korelirani, a V_{in} pozitivno korelirani. Ova analiza pomaže u definiranju i prilagođavanju parametara utjecaja pomoću kojih se izlazna sila, hod i efikasnost pogonskog sistema mogu prilagoditi zahtjevima i primjeni.
Trenutni istraživački rad uvodi i istražuje hijerarhijske pogone sa N nivoa. U dvostepenoj hijerarhiji, kao što je prikazano na Sl. 7a, gdje se umjesto svake SMA žice aktuatora prvog nivoa postiže bimodalni raspored, kao što je prikazano na Sl. 9e. Na Sl. 7c prikazano je kako je SMA žica namotana oko pokretne ruke (pomoćne ruke) koja se kreće samo u uzdužnom smjeru. Međutim, primarna pokretna ruka nastavlja da se kreće na isti način kao i pokretna ruka višestepenog aktuatora prvog stepena. Tipično, N-stepeni pogon se stvara zamjenom SMA žice (N-1) stepena pogonom prvog stepena. Kao rezultat toga, svaka grana imitira pogon prvog stepena, sa izuzetkom grane koja drži samu žicu. Na taj način se mogu formirati ugniježđene strukture koje stvaraju sile koje su nekoliko puta veće od sila primarnih pogona. U ovoj studiji, za svaki nivo, uzeta je u obzir ukupna efektivna dužina SMA žice od 1 m, kao što je prikazano u tabelarnom formatu na Sl. 7d. Struja kroz svaku žicu u svakom unimodalnom dizajnu i rezultirajući prednapon i napon u svakom segmentu SMA žice su isti na svakom nivou. Prema našem analitičkom modelu, izlazna sila je pozitivno korelirana s nivoom, dok je pomak negativno koreliran. Istovremeno, postojao je kompromis između pomaka i snage mišića. Kao što se vidi na slici 7b, dok se maksimalna sila postiže u najvećem broju slojeva, najveći pomak se uočava u najnižem sloju. Kada je nivo hijerarhije postavljen na \(N=5\), pronađena je vršna sila mišića od 2,58 kN sa 2 uočena hoda \(\upmu\)m. S druge strane, pogon prvog stepena generiše silu od 150 N pri hodu od 277 \(\upmu\)m. Višestepeni aktuatori su u stanju da oponašaju stvarne biološke mišiće, dok su vještački mišići zasnovani na legurama sa memorijom oblika u stanju da generišu znatno veće sile sa preciznim i finijim pokretima. Ograničenja ovog minijaturizovanog dizajna su da kako se hijerarhija povećava, kretanje se znatno smanjuje, a složenost procesa proizvodnje pogona se povećava.
(a) Prikazan je dvostepeni (\(N=2\)) slojeviti linearni aktuatorski sistem od legure s memorijom oblika u bimodalnoj konfiguraciji. Predloženi model se postiže zamjenom SMA žice u slojevitom aktuatoru prvog stepena drugim slojevitim aktuatorom jednog stepena. (c) Deformisana konfiguracija višeslojnog aktuatora drugog stepena. (b) Opisana je raspodjela sila i pomaka u zavisnosti od broja nivoa. Utvrđeno je da je vršna sila aktuatora pozitivno korelirana s nivoom skale na grafikonu, dok je hod negativno koreliran s nivoom skale. Struja i prednapon u svakoj žici ostaju konstantni na svim nivoima. (d) Tabela prikazuje broj izvoda i dužinu SMA žice (vlakna) na svakom nivou. Karakteristike žica su označene indeksom 1, a broj sekundarnih grana (jedna povezana s primarnom nogom) je označen najvećim brojem u indeksu. Na primjer, na nivou 5, \(n_1\) se odnosi na broj SMA žica prisutnih u svakoj bimodalnoj strukturi, a \(n_5\) se odnosi na broj pomoćnih krakova (jedan je povezan s glavnim krakom).
Mnogi istraživači su predložili različite metode za modeliranje ponašanja SMA materijala s memorijom oblika, koje ovise o termomehaničkim svojstvima koja prate makroskopske promjene u kristalnoj strukturi povezane s faznim prijelazom. Formulacija konstitutivnih metoda je inherentno složena. Najčešće korišteni fenomenološki model predložio je Tanaka28 i široko se koristi u inženjerskim primjenama. Fenomenološki model koji je predložio Tanaka [28] pretpostavlja da je volumenski udio martenzita eksponencijalna funkcija temperature i napona. Kasnije su Liang i Rogers29 i Brinson30 predložili model u kojem se pretpostavljalo da je dinamika faznog prijelaza kosinusna funkcija napona i temperature, s malim modifikacijama modela. Becker i Brinson predložili su kinetički model zasnovan na faznom dijagramu za modeliranje ponašanja SMA materijala pod proizvoljnim uvjetima opterećenja, kao i djelomičnim prijelazima. Banerjee32 koristi metodu dinamike faznog dijagrama Bekkera i Brinsona31 za simulaciju manipulatora s jednim stepenom slobode koji su razvili Elahinia i Ahmadian33. Kinetičke metode zasnovane na faznim dijagramima, koje uzimaju u obzir nemonotonu promjenu napona s temperaturom, teško je implementirati u inženjerskim primjenama. Elakhinia i Ahmadian skreću pažnju na ove nedostatke postojećih fenomenoloških modela i predlažu prošireni fenomenološki model za analizu i definiranje ponašanja memorije oblika pod bilo kojim složenim uslovima opterećenja.
Strukturni model SMA žice daje napon (\(\sigma\)), deformaciju (\(\epsilon\)), temperaturu (T) i volumski udio martenzita (\(\xi\)) SMA žice. Fenomenološki konstitutivni model prvi je predložio Tanaka28, a kasnije su ga usvojili Liang29 i Brinson30. Izvod jednačine ima oblik:
gdje je E fazno zavisni Youngov modul SMA žice dobijen korištenjem \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) i \(E_A\) i \(E_M\) koji predstavljaju Youngov modul su austenitna i martenzitna faza, respektivno, a koeficijent termičkog širenja predstavljen je sa \(\theta _T\). Faktor doprinosa faznog prelaza je \(\Omega = -E \epsilon _L\) i \(\epsilon _L\) je maksimalna oporavljiva deformacija u SMA žici.
Jednačina fazne dinamike poklapa se sa kosinusnom funkcijom koju je razvio Liang29, a kasnije usvojio Brinson30 umjesto eksponencijalne funkcije koju je predložio Tanaka28. Model faznog prelaza je proširenje modela koji su predložili Elakhinia i Ahmadian34 i modificiran je na osnovu uslova faznog prelaza koje su dali Liang29 i Brinson30. Uslovi korišteni za ovaj model faznog prelaza važe pod složenim termomehaničkim opterećenjima. U svakom trenutku, vrijednost volumskog udjela martenzita se izračunava prilikom modeliranja konstitutivne jednačine.
Upravljačka jednačina retransformacije, izražena transformacijom martenzita u austenit pod uslovima zagrijavanja, glasi:
gdje je \(\xi\) volumenski udio martenzita, \(\xi _M\) volumenski udio martenzita dobivenog prije zagrijavanja, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) i \(C_A\) – parametri aproksimacije krivulje, T – temperatura SMA žice, \(A_s\) i \(A_f\) – temperatura početka i kraja austenitne faze, respektivno.
Jednačina direktne transformacije, predstavljena faznom transformacijom austenita u martenzit pod uslovima hlađenja, je:
gdje je \(\xi _A\) volumenski udio martenzita dobivenog prije hlađenja, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) i \ ( C_M \) – parametri fitovanja krivulje, T – temperatura SMA žice, \(M_s\) i \(M_f\) – početna i konačna temperatura martenzita, respektivno.
Nakon što se diferenciraju jednačine (3) i (4), inverzna i direktna jednačina transformacije se pojednostavljuju u sljedeći oblik:
Tokom transformacije naprijed i nazad, \(\eta_{\sigma}\) i \(\eta_{T}\) uzimaju različite vrijednosti. Osnovne jednačine povezane sa \(\eta_{\sigma}\) i \(\eta_{T}\) izvedene su i detaljno razmotrene u dodatnom odjeljku.
Toplotna energija potrebna za podizanje temperature SMA žice dolazi od Džulovog efekta zagrijavanja. Toplotna energija koju apsorbuje ili oslobađa SMA žica predstavljena je latentnom toplotom transformacije. Gubitak toplote u SMA žici nastaje usljed prisilne konvekcije, a s obzirom na zanemarljiv uticaj zračenja, jednačina bilansa toplotne energije je sljedeća:
Gdje je \(m_{wire}\) ukupna masa SMA žice, \(c_{p}\) je specifični toplinski kapacitet SMA žice, \(V_{in}\) je napon primijenjen na žicu, \(R_{ohm} \) – fazno zavisni otpor SMA žice, definiran kao; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) gdje su \(r_M\) i \(r_A\) fazni otpor SMA žice u martenzitu i austenitu, respektivno, \(A_{c}\) je površina SMA žice, \(\Delta H \) je legura s memorijom oblika. Latentna toplina prijelaza žice, T i \(T_{\infty}\) su temperature SMA žice i okoline, respektivno.
Kada se aktivira žica od legure s memorijom oblika, žica se komprimira, stvarajući silu u svakoj grani bimodalnog dizajna koja se naziva sila vlakana. Sile vlakana u svakom lancu SMA žice zajedno stvaraju mišićnu silu za aktiviranje, kao što je prikazano na slici 9e. Zbog prisustva opruge za pritiskanje, ukupna mišićna sila N-tog višeslojnog aktuatora je:
Zamjenom \(N = 1\) u jednačinu (7), snaga mišića prototipa bimodalnog pogona prvog stepena može se dobiti na sljedeći način:
gdje je n broj unimodalnih krakova, \(F_m\) je sila mišića koju generira pogon, \(F_f\) je čvrstoća vlakana u SMA žici, \(K_x\) je krutost prilagodbene opruge, \(\alpha\) je ugao trougla, \(x_0\) je početni pomak prilagodbene opruge za držanje SMA kabla u prethodno zategnutom položaju, a \(\Delta x\) je hod aktuatora.
Ukupno pomjeranje ili kretanje pogona (Δx) u zavisnosti od napona (sigma) i naprezanja (epsilon) na SMA žici N-te faze, pogon je podešen na (vidi sliku, dodatni dio izlaza):
Kinematičke jednačine daju odnos između deformacije pogona (ε) i pomjeranja ili pomeranja (Δx). Deformacija Arb žice kao funkcija početne dužine Arb žice (l_0) i dužine žice (l) u bilo kom trenutku t u jednoj unimodalnoj grani je sledeća:
gdje se \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) dobija primjenom kosinusne formule u \(\Delta\)ABB ', kao što je prikazano na slici 8. Za pogon prve faze (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) je \(\Delta x\), a \(\alpha _1\) je \(\alpha \) kao što je prikazano na slici 8, diferenciranjem vremena iz jednačine (11) i zamjenom vrijednosti l, brzina deformacije se može napisati kao:
gdje je \(l_0\) početna dužina SMA žice, l je dužina žice u bilo kojem trenutku t u jednoj unimodalnoj grani, \(\epsilon\) je deformacija razvijena u SMA žici, a \(\alpha \) je ugao trougla, \(\Delta x\) je pomak pogona (kao što je prikazano na Slici 8).
Svih n struktura s jednim vrhom (n=6 na ovoj slici) su spojene serijski s ulaznim naponom V_{in}. Faza I: Shematski dijagram SMA žice u bimodalnoj konfiguraciji pod uvjetima nultog napona. Faza II: Prikazana je kontrolirana struktura gdje je SMA žica komprimirana zbog inverzne konverzije, kao što je prikazano crvenom linijom.
Kao dokaz koncepta, razvijen je bimodalni pogon baziran na SMA-u kako bi se testiralo simulirano izvođenje osnovnih jednačina s eksperimentalnim rezultatima. CAD model bimodalnog linearnog aktuatora prikazan je na slici 9a. S druge strane, na slici 9c prikazan je novi dizajn predložen za rotacijsku prizmatičnu vezu korištenjem dvoravninskog aktuatora baziranog na SMA-u s bimodalnom strukturom. Komponente pogona izrađene su korištenjem aditivne proizvodnje na 3D printeru Ultimaker 3 Extended. Materijal korišten za 3D printanje komponenti je polikarbonat, koji je pogodan za materijale otporne na toplinu jer je jak, izdržljiv i ima visoku temperaturu staklastog prijelaza (110-113 °C). Osim toga, u eksperimentima je korištena žica od legure s memorijom oblika Dynalloy, Inc. Flexinol, a svojstva materijala koja odgovaraju Flexinol žici korištena su u simulacijama. Višestruke SMA žice raspoređene su kao vlakna prisutna u bimodalnom rasporedu mišića kako bi se dobile velike sile koje proizvode višeslojni aktuatori, kao što je prikazano na slici 9b, d.
Kao što je prikazano na slici 9a, oštar ugao koji formira SMA žica pokretnog kraka naziva se ugao (\(\alfa\)). Sa stezaljkama terminala pričvršćenim na lijevu i desnu stezaljku, SMA žica se drži pod željenim bimodalnim uglom. Uređaj s oprugom za pristranost koji se drži na opružnom konektoru dizajniran je za podešavanje različitih grupa produžetaka opruge za pristranost prema broju (n) SMA vlakana. Osim toga, položaj pokretnih dijelova je dizajniran tako da je SMA žica izložena vanjskom okruženju radi prisilnog konvekcijskog hlađenja. Gornja i donja ploča odvojivog sklopa pomažu u održavanju hladne SMA žice pomoću ekstrudiranih izreza dizajniranih za smanjenje težine. Osim toga, oba kraja CMA žice su pričvršćena na lijevi i desni terminal pomoću krimpanja. Klip je pričvršćen na jedan kraj pokretnog sklopa kako bi se održao razmak između gornje i donje ploče. Klip se također koristi za primjenu sile blokiranja na senzor putem kontakta za mjerenje sile blokiranja kada se SMA žica aktivira.
Bimodalna mišićna struktura SMA je električno povezana serijski i napaja se ulaznim impulsnim naponom. Tokom ciklusa impulsnog napona, kada se napon primijeni i SMA žica se zagrije iznad početne temperature austenita, dužina žice u svakom pramenu se skraćuje. Ovo uvlačenje aktivira podsklop pokretne ruke. Kada je napon u istom ciklusu poništen, zagrijana SMA žica se ohladila ispod temperature površine martenzita, čime se vratila u svoj prvobitni položaj. Pod uslovima nultog napona, SMA žica se prvo pasivno isteže pomoću pristrane opruge kako bi dostigla rastavljeno martenzitno stanje. Vijak, kroz koji prolazi SMA žica, pomiče se zbog kompresije stvorene primjenom naponskog impulsa na SMA žicu (SPA dostiže austenitnu fazu), što dovodi do aktiviranja pokretne poluge. Kada se SMA žica uvuče, pristrana opruga stvara suprotnu silu daljnjim istezanjem opruge. Kada napon u impulsnom naponu postane nula, SMA žica se izdužuje i mijenja svoj oblik zbog prisilnog konvekcijskog hlađenja, dostižući dvostruku martenzitnu fazu.
Predloženi linearni aktuatorski sistem baziran na SMA ima bimodalnu konfiguraciju u kojoj su SMA žice pod uglom. (a) prikazuje CAD model prototipa, koji spominje neke od komponenti i njihova značenja za prototip, (b, d) predstavljaju razvijeni eksperimentalni prototip35. Dok (b) prikazuje pogled odozgo na prototip s električnim priključcima i korištenim oprugama za prianjanje i mjeračima naprezanja, (d) prikazuje perspektivni prikaz postavke. (e) Dijagram linearnog aktuatorskog sistema sa SMA žicama postavljenim bimodalno u bilo kojem trenutku t, koji prikazuje smjer i tok vlakana i snagu mišića. (c) Predložena je rotacijska prizmatična veza sa 2 stepena slobode za raspoređivanje aktuatora baziranog na SMA u dvije ravni. Kao što je prikazano, veza prenosi linearno kretanje od donjeg pogona do gornje ruke, stvarajući rotacijsku vezu. S druge strane, kretanje para prizmi je isto kao i kretanje višeslojnog pogona prvog stepena.
Eksperimentalna studija provedena je na prototipu prikazanom na slici 9b kako bi se procijenile performanse bimodalnog pogona baziranog na SMA. Kao što je prikazano na slici 10a, eksperimentalna postavka se sastojala od programabilnog DC napajanja za napajanje ulaznim naponom SMA žica. Kao što je prikazano na slici 10b, piezoelektrični mjerač naprezanja (PACEline CFT/5kN) korišten je za mjerenje sile blokiranja pomoću Graphtec GL-2000 logera podataka. Podaci se snimaju od strane domaćina za daljnja istraživanja. Mjerači naprezanja i pojačala naboja zahtijevaju konstantno napajanje za proizvodnju naponskog signala. Odgovarajući signali se pretvaraju u izlazne snage u skladu s osjetljivošću piezoelektričnog senzora sile i drugim parametrima kao što je opisano u tabeli 2. Kada se primijeni naponski impuls, temperatura SMA žice se povećava, uzrokujući njenu kompresiju, što uzrokuje da aktuator generira silu. Eksperimentalni rezultati izlazne snage mišića pomoću ulaznog naponskog impulsa od 7 V prikazani su na slici 2a.
(a) U eksperimentu je postavljen linearni aktuatorski sistem baziran na SMA-u za mjerenje sile koju generira aktuator. Merna ćelija mjeri silu blokiranja i napaja se iz 24 V DC napajanja. Pad napona od 7 V primijenjen je duž cijele dužine kabla pomoću GW Instek programabilnog DC napajanja. SMA žica se skuplja zbog toplote, a pokretna ruka dodiruje mernu ćeliju i vrši silu blokiranja. Merna ćelija je povezana sa GL-2000 loggerom podataka, a podaci se pohranjuju na hostu za daljnju obradu. (b) Dijagram koji prikazuje lanac komponenti eksperimentalnog podešavanja za mjerenje mišićne snage.
Legure s memorijom oblika pobuđuju se toplinskom energijom, tako da temperatura postaje važan parametar za proučavanje fenomena memorije oblika. Eksperimentalno, kao što je prikazano na slici 11a, termalno snimanje i mjerenja temperature izvršeni su na prototipu SMA-baziranog divaleratnog aktuatora. Programabilni DC izvor primjenjivao je ulazni napon na SMA žice u eksperimentalnoj postavci, kao što je prikazano na slici 11b. Promjena temperature SMA žice mjerena je u stvarnom vremenu pomoću LWIR kamere visoke rezolucije (FLIR A655sc). Domaćin koristi ResearchIR softver za snimanje podataka za daljnju naknadnu obradu. Kada se primijeni naponski impuls, temperatura SMA žice se povećava, uzrokujući njeno skupljanje. Na slici 2b prikazani su eksperimentalni rezultati temperature SMA žice u odnosu na vrijeme za ulazni naponski impuls od 7V.
Vrijeme objave: 28. septembar 2022.
