Grazie per avè visitatu Nature.com. A versione di u navigatore chì utilizate hà un supportu CSS limitatu. Per a megliu sperienza, vi cunsigliemu di utilizà un navigatore aggiornatu (o di disattivà a Modalità di Compatibilità in Internet Explorer). Intantu, per assicurà un supportu continuu, renderemu u situ senza stili è JavaScript.
L'attuatori sò usati in ogni locu è creanu un muvimentu cuntrullatu applicendu a forza d'eccitazione o a coppia curretta per eseguisce diverse operazioni in a fabricazione è l'automatizazione industriale. U bisognu di azionamenti più veloci, più chjuchi è più efficienti hè u mutore di l'innuvazione in a cuncepzione di l'azionamenti. L'azionamenti in lega di memoria di forma (SMA) offrenu una quantità di vantaghji rispetto à l'azionamenti convenzionali, cumpresu un altu rapportu putenza-pesu. In questa dissertazione, hè statu sviluppatu un attuatore basatu annantu à SMA à duie piume chì combina i vantaghji di i musculi piumati di i sistemi biologichi è e proprietà uniche di l'SMA. Questu studiu esplora è estende l'attuatori SMA precedenti sviluppendu un mudellu matematicu di u novu attuatore basatu annantu à a disposizione bimodale di i fili SMA è testendulu sperimentalmente. Rispetto à l'azionamenti cunnisciuti basati annantu à SMA, a forza di attuazione di u novu azionamentu hè almenu 5 volte più alta (finu à 150 N). A perdita di pesu currispondente hè di circa u 67%. I risultati di l'analisi di sensibilità di i mudelli matematichi sò utili per l'accordu di i parametri di cuncepimentu è a comprensione di i parametri chjave. Questu studiu presenta ancu un azionamentu multilivello N-esimu stadiu chì pò esse adupratu per migliurà ulteriormente a dinamica. L'attuatori musculari di dipvalerati basati nantu à SMA anu una vasta gamma di applicazioni, da l'automatizazione di l'edifici à i sistemi di precisione di somministrazione di farmaci.
I sistemi biologichi, cum'è e strutture musculari di i mammiferi, ponu attivà parechji attuatori suttili1. I mammiferi anu diverse strutture musculari, ognuna chì serve un scopu specificu. Tuttavia, gran parte di a struttura di u tissutu musculare di i mammiferi pò esse divisa in duie grandi categurie. Parallele è pennate. In i musculi posteriori di a coscia è altri flessori, cum'è u nome suggerisce, a musculatura parallela hà fibre musculari parallele à u tendinu cintrale. A catena di fibre musculari hè allineata è funziunalmente cunnessa da u tissutu cunnettivu intornu à elli. Ancu s'è si dice chì sti musculi anu una grande escursione (accurzamentu percentuale), a so forza musculare generale hè assai limitata. In cuntrastu, in u musculu tricipite di u vitellu2 (gastrocnemius laterale (GL)3, gastrocnemius mediale (GM)4 è soleus (SOL)) è estensore femorale (quadricipite)5,6 u tissutu musculare pennatu si trova in ogni musculu7. In una struttura pennata, e fibre musculari in a musculatura bipennata sò presenti da i dui lati di u tendinu cintrale à anguli obliqui (anguli pennati). Pennatu vene da a parola latina "penna", chì significa "penna", è, cum'è mostratu in a fig. 1, hà un aspettu simile à una piuma. E fibre di i musculi pennati sò più corte è angulate à l'asse longitudinale di u musculu. A causa di a struttura pennata, a mobilità generale di sti musculi hè ridutta, ciò chì porta à e cumpunenti trasversali è longitudinali di u prucessu di accorciamentu. D’altronde, l'attivazione di sti musculi porta à una forza musculare generale più elevata per via di u modu in cui si misura l'area di a sezione trasversale fisiologica. Dunque, per una data area di a sezione trasversale, i musculi pennati saranu più forti è genereranu forze più elevate cà i musculi cù fibre parallele. E forze generate da e fibre individuali generanu forze musculari à un livellu macroscopicu in quellu tissutu musculare. Inoltre, hà proprietà uniche cum'è a ritirata rapida, a prutezzione contr'à i danni à a trazione, l'ammortizazione. Trasforma a relazione trà l'input di fibre è a putenza musculare prudutta sfruttendu e caratteristiche uniche è a cumplessità geometrica di a disposizione di e fibre assuciate à e linee d'azione musculare.
Sò mostrati diagrammi schematici di disinni di attuatori basati nantu à SMA esistenti in relazione à un'architettura musculare bimodale, per esempiu (a), chì rapprisenta l'interazzione di a forza tattile in a quale un dispositivu in forma di manu attuatu da fili SMA hè muntatu nantu à un robot mobile autonomu à duie rote9,10. , (b) Protesi orbitale robotica cù protesi orbitale caricata à molla SMA piazzata antagonisticamente. A pusizione di l'ochju protesicu hè cuntrullata da un signale da u musculu oculare di l'ochju11, (c) L'attuatori SMA sò ideali per l'applicazioni sott'acqua per via di a so risposta à alta frequenza è a so bassa larghezza di banda. In questa cunfigurazione, l'attuatori SMA sò aduprati per creà muvimentu d'onda simulendu u muvimentu di i pesci, (d) L'attuatori SMA sò aduprati per creà un robot d'ispezione di micro tubi chì pò aduprà u principiu di u muvimentu di u verme in pollici, cuntrullatu da u muvimentu di i fili SMA in u canale 10, (e) mostra a direzzione di e fibre musculari di cuntrazione è a generazione di forza contrattile in u tissutu gastrocnemio, (f) mostra i fili SMA disposti in forma di fibre musculari in a struttura musculare pennata.
L'attuatori sò diventati una parte impurtante di i sistemi meccanichi per via di a so vasta gamma di applicazioni. Dunque, a necessità di azionamenti più chjuchi, più veloci è più efficienti diventa critica. Malgradu i so vantaghji, l'azionamenti tradiziunali si sò rivelati cari è richiedenu tempu per a manutenzione. L'attuatori idraulici è pneumatici sò cumplessi è costosi è sò sottumessi à usura, prublemi di lubrificazione è guasti di i cumpunenti. In risposta à a dumanda, l'attenzione hè focalizzata nantu à u sviluppu di attuatori rentabili, ottimizzati per e dimensioni è avanzati basati nantu à materiali intelligenti. A ricerca in corsu esamina attuatori stratificati in lega à memoria di forma (SMA) per risponde à questu bisognu. L'attuatori gerarchichi sò unichi in quantu combinanu parechji attuatori discreti in sottosistemi macro geometricamente cumplessi per furnisce una funzionalità aumentata è espansa. À questu riguardu, u tissutu musculare umanu descrittu sopra furnisce un eccellente esempiu multistrato di tale azionamentu multistrato. U studiu attuale descrive un azionamentu SMA multilivello cù parechji elementi di azionamentu individuali (fili SMA) allineati à l'orientazioni di e fibre presenti in i musculi bimodali, ciò chì migliora e prestazioni generali di l'azionamentu.
U scopu principale di un attuatore hè di generà una putenza meccanica cum'è a forza è u spustamentu cunvertendu l'energia elettrica. E leghe à memoria di forma sò una classa di materiali "intelligenti" chì ponu restaurà a so forma à alte temperature. Sottu à carichi elevati, un aumentu di a temperatura di u filu SMA porta à u ricuperu di a forma, risultendu in una densità di energia di attuazione più alta paragunata à vari materiali intelligenti direttamente ligati. À u listessu tempu, sottu à carichi meccanichi, l'SMA diventanu fragili. In certe cundizioni, un caricu ciclicu pò assorbe è liberà energia meccanica, mustrendu cambiamenti di forma isteresi reversibili. Queste proprietà uniche rendenu l'SMA ideale per sensori, smorzamentu di vibrazioni è soprattuttu attuatori12. Cù questu in mente, ci sò state assai ricerche nantu à l'azionamenti basati nantu à SMA. Ci vole à nutà chì l'attuatori basati nantu à SMA sò cuncepiti per furnisce un muvimentu traslazionale è rotativu per una varietà di applicazioni13,14,15. Ancu s'è alcuni attuatori rotativi sò stati sviluppati, i circadori sò particularmente interessati à l'attuatori lineari. Questi attuatori lineari ponu esse divisi in trè tippi di attuatori: attuatori unidimensionali, di spustamentu è differenziali16. Inizialmente, l'attuatori ibridi sò stati creati in cumbinazione cù SMA è altri attuatori cunvinziunali. Un esempiu di un attuatore lineare ibridu basatu annantu à SMA hè l'usu di un filu SMA cù un mutore DC per furnisce una forza di uscita di circa 100 N è un spustamentu significativu17.
Unu di i primi sviluppi in l'azionamenti basati interamente nantu à SMA hè statu l'azionamentu parallelu SMA. Usendu parechji fili SMA, l'azionamentu parallelu basatu nantu à SMA hè cuncipitu per aumentà a capacità di putenza di l'azionamentu piazzendu tutti i fili SMA18 in parallelu. A cunnessione parallela di l'attuatori ùn solu richiede più putenza, ma limita ancu a putenza di uscita di un solu filu. Un altru svantaghju di l'attuatori basati nantu à SMA hè a corsa limitata ch'elli ponu ottene. Per risolve stu prublema, hè stata creata una trave di cavu SMA chì cuntene una trave flessibile deviata per aumentà u spustamentu è ottene un muvimentu lineare, ma ùn hà micca generatu forze più elevate19. Strutture è tessuti deformabili morbidi per robot basati nantu à leghe à memoria di forma sò stati sviluppati principalmente per l'amplificazione di l'impattu20,21,22. Per l'applicazioni induve sò richieste velocità elevate, sò state segnalate pompe azionate compatte chì utilizanu SMA à film sottile per applicazioni azionate da micropompe23. A frequenza di azionamentu di a membrana SMA à film sottile hè un fattore chjave per cuntrullà a velocità di u driver. Dunque, i motori lineari SMA anu una risposta dinamica megliu cà i motori à molla o à barra SMA. A robotica dolce è a tecnulugia di presa sò duie altre applicazioni chì utilizanu attuatori basati nantu à SMA. Per esempiu, per rimpiazzà l'attuatore standard utilizatu in a pinza spaziale di 25 N, hè statu sviluppatu un attuatore parallelu in lega à memoria di forma 24. In un altru casu, hè statu fabricatu un attuatore dolce SMA basatu annantu à un filu cù una matrice integrata capace di pruduce una forza di trazione massima di 30 N. Per via di e so proprietà meccaniche, i SMA sò ancu utilizati per pruduce attuatori chì imitanu fenomeni biologichi. Unu di questi sviluppi include un robot à 12 cellule chì hè un biomimeticu di un urganisimu simile à un lombrico cù SMA per generà un muvimentu sinusoidale per sparà26,27.
Cum'è digià mintuvatu, ci hè un limite à a forza massima chì pò esse ottenuta da l'attuatori esistenti basati nantu à SMA. Per risolve stu prublema, stu studiu presenta una struttura musculare bimodale biomimetica. Guidata da un filu di lega à memoria di forma. Fornisce un sistema di classificazione chì include parechji fili di lega à memoria di forma. Finu à oghje, nisun attuatore basatu nantu à SMA cù una architettura simile hè statu signalatu in a literatura. Stu sistema unicu è novu basatu nantu à SMA hè statu sviluppatu per studià u cumpurtamentu di SMA durante l'allineamentu musculare bimodale. In paragone à l'attuatori esistenti basati nantu à SMA, l'ubbiettivu di stu studiu era di creà un attuatore di dipvaleratu biomimeticu per generà forze significativamente più alte in un picculu vulume. In paragone à i motori stepper cunvinziunali utilizati in i sistemi di automatizazione è di cuntrollu di l'edificii HVAC, u disignu di l'attuatore bimodale basatu nantu à SMA prupostu riduce u pesu di u mecanismu di attuatore di u 67%. In seguitu, i termini "musculu" è "attuatore" sò usati in modu intercambiabile. Stu studiu investiga a simulazione multifisica di un tale attuatore. U cumpurtamentu meccanicu di tali sistemi hè statu studiatu cù metudi sperimentali è analitici. E distribuzioni di forza è temperatura sò state ulteriormente investigate à una tensione d'entrata di 7 V. In seguitu, hè stata realizata un'analisi parametrica per capisce megliu a relazione trà i parametri chjave è a forza di uscita. Infine, sò stati previsti attuatori gerarchichi è sò stati pruposti effetti di livellu gerarchicu cum'è una potenziale area futura per attuatori non magnetichi per applicazioni protesiche. Sicondu i risultati di i studii sopra menzionati, l'usu di un'architettura à stadiu unicu produce forze almenu quattru à cinque volte più alte di l'attuatori basati nantu à SMA riportati. Inoltre, a stessa forza motrice generata da un azionamentu multilivello multilivello hè stata dimustrata esse più di dece volte quella di l'azionamenti convenzionali basati nantu à SMA. U studiu riporta poi i parametri chjave utilizendu l'analisi di sensibilità trà diversi disinni è variabili d'entrata. A lunghezza iniziale di u filu SMA (\(l_0\)), l'angulu pinnatu (\(\alpha\)) è u numeru di fili singuli (n) in ogni filu individuale anu un forte effettu negativu nantu à a magnitudine di a forza motrice, mentre chì a tensione d'entrata (energia) hè risultata esse pusitivamente correlata.
U filu SMA presenta l'effettu di memoria di forma (SME) osservatu in a famiglia di leghe di nichel-titanium (Ni-Ti). Tipicamente, i SMA presentanu duie fasi dipendenti da a temperatura: una fase à bassa temperatura è una fase à alta temperatura. E duie fasi anu proprietà uniche per via di a presenza di diverse strutture cristalline. In a fase austenite (fase à alta temperatura) esistente sopra a temperatura di trasfurmazione, u materiale presenta una alta resistenza è hè pocu deformatu sottu carica. A lega si cumporta cum'è l'acciaiu inox, dunque hè capace di sustene pressioni di attuazione più elevate. Prufittendu di sta pruprietà di e leghe Ni-Ti, i fili SMA sò inclinati per furmà un attuatore. Modelli analitici adatti sò sviluppati per capisce a meccanica fundamentale di u cumpurtamentu termicu di SMA sottu l'influenza di vari parametri è varie geometrie. Hè stata ottenuta una bona concordanza trà i risultati sperimentali è analitici.
Un studiu sperimentale hè statu realizatu annantu à u prototipu mostratu in Fig. 9a per valutà e prestazioni di un azionamentu bimodale basatu annantu à SMA. Dui di queste proprietà, a forza generata da l'azionamentu (forza musculare) è a temperatura di u filu SMA (temperatura SMA), sò state misurate sperimentalmente. Quandu a differenza di tensione aumenta longu à tutta a lunghezza di u filu in l'azionamentu, a temperatura di u filu aumenta per via di l'effettu di riscaldamentu Joule. A tensione d'entrata hè stata applicata in dui cicli di 10 s (mostrati cum'è punti rossi in Fig. 2a, b) cù un periodu di raffreddamentu di 15 s trà ogni ciclu. A forza di bloccu hè stata misurata aduprendu un estensimetriu piezoelettricu, è a distribuzione di a temperatura di u filu SMA hè stata monitorata in tempu reale aduprendu una camera LWIR ad alta risoluzione di qualità scientifica (vede e caratteristiche di l'equipaggiu utilizatu in a Tabella 2). mostra chì durante a fase di alta tensione, a temperatura di u filu aumenta monotonicamente, ma quandu ùn scorre micca corrente, a temperatura di u filu cuntinua à calà. In l'attuale cunfigurazione sperimentale, a temperatura di u filu SMA hè calata durante a fase di raffreddamentu, ma era sempre sopra à a temperatura ambiente. A figura 2e mostra una istantanea di a temperatura di u filu SMA presa da a camera LWIR. Da l'altra parte, a figura 2a mostra a forza di bloccu generata da u sistema di trasmissione. Quandu a forza musculare supera a forza di ripristino di a molla, u bracciu mobile, cum'è mostratu in a Figura 9a, cumencia à muoversi. Appena l'attuazione cumencia, u bracciu mobile vene in cuntattu cù u sensore, creendu una forza di u corpu, cum'è mostratu in a figura 2c, d. Quandu a temperatura massima hè vicina à \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), a forza massima osservata hè 105 N.
U graficu mostra i risultati sperimentali di a temperatura di u filu SMA è a forza generata da l'attuatore bimodale basatu annantu à SMA durante dui cicli. A tensione d'entrata hè applicata in dui cicli di 10 secondi (mostrati cum'è punti rossi) cù un periodu di raffreddamentu di 15 secondi trà ogni ciclu. U filu SMA utilizatu per l'esperimenti era un filu Flexinol di 0,51 mm di diametru di Dynalloy, Inc. (a) U graficu mostra a forza sperimentale ottenuta annantu à dui cicli, (c, d) mostra dui esempi indipendenti di l'azione di l'attuatori à bracciu mobile annantu à un trasduttore di forza piezoelettricu PACEline CFT/5kN, (b) u graficu mostra a temperatura massima di tuttu u filu SMA durante dui cicli, (e) mostra un'istantanea di temperatura presa da u filu SMA utilizendu a camera LWIR di u software FLIR ResearchIR. I parametri geometrichi presi in contu in l'esperimenti sò dati in a Tabella unu.
I risultati di a simulazione di u mudellu matematicu è i risultati sperimentali sò paragunati sottu a cundizione di una tensione d'entrata di 7V, cum'è mostratu in Fig.5. Sicondu i risultati di l'analisi parametrica è per evità a pussibilità di surriscaldamentu di u filu SMA, una putenza di 11,2 W hè stata furnita à l'attuatore. Un alimentatore DC programmabile hè statu utilizatu per furnisce 7V cum'è tensione d'entrata, è una corrente di 1,6A hè stata misurata à traversu u filu. A forza generata da l'azionamentu è a temperatura di u SDR aumentanu quandu a corrente hè applicata. Cù una tensione d'entrata di 7V, a forza massima di uscita ottenuta da i risultati di a simulazione è i risultati sperimentali di u primu ciclu hè 78 N è 96 N, rispettivamente. In u secondu ciclu, a forza massima di uscita di a simulazione è di i risultati sperimentali era 150 N è 105 N, rispettivamente. A discrepanza trà e misurazioni di a forza d'occlusione è i dati sperimentali pò esse dovuta à u metudu utilizatu per misurà a forza d'occlusione. I risultati sperimentali mostrati in fig. 5a currisponde à a misurazione di a forza di bloccaggio, chì à u so tornu hè stata misurata quandu l'arburu di trasmissione era in cuntattu cù u trasduttore di forza piezoelettrica PACEline CFT/5kN, cum'è mostratu in a fig. 2s. Dunque, quandu l'arburu di trasmissione ùn hè micca in cuntattu cù u sensore di forza à l'iniziu di a zona di raffreddamentu, a forza diventa immediatamente zero, cum'è mostratu in a Fig. 2d. Inoltre, altri parametri chì influenzanu a furmazione di forza in i cicli successivi sò i valori di u tempu di raffreddamentu è u coefficientu di trasferimentu di calore cunvettivu in u ciclu precedente. Da a fig. 2b, si pò vede chì dopu un periodu di raffreddamentu di 15 secondi, u filu SMA ùn hà righjuntu a temperatura ambiente è dunque avia una temperatura iniziale più alta (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) in u secondu ciclu di guida paragunatu à u primu ciclu (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Cusì, paragunatu à u primu ciclu, a temperatura di u filu SMA durante u secondu ciclu di riscaldamentu righjunghje a temperatura iniziale di l'austenite (\(A_s\)) prima è ferma in u periodu di transizione più longu, risultendu in stress è forza. D’altronde, e distribuzioni di temperatura durante i cicli di riscaldamentu è di raffreddamentu ottenute da esperimenti è simulazioni anu una alta similitudine qualitativa cù l'esempii di l'analisi termografica. L'analisi comparativa di i dati termichi di u filu SMA da esperimenti è simulazioni hà mostratu cunsistenza durante i cicli di riscaldamentu è di raffreddamentu è in tolleranze accettabili per i dati sperimentali. A temperatura massima di u filu SMA, ottenuta da i risultati di a simulazione è di l'esperimenti di u primu ciclu, hè \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) è \(75\,^{\circ }\hbox {C}\, rispettivamente), è in u secondu ciclu a temperatura massima di u filu SMA hè \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) è \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). U mudellu sviluppatu fundamentalmente cunfirma l'effettu di l'effettu di memoria di forma. U rolu di a fatigue è di u surriscaldamentu ùn hè statu cunsideratu in questa rivista. In u futuru, u mudellu serà migliuratu per include a storia di stress di u filu SMA, rendendulu più adattatu per l'applicazioni ingegneristiche. I grafici di a forza di uscita di u driver è di a temperatura SMA ottenuti da u bloccu Simulink sò in e tolleranze permesse di i dati sperimentali in cundizione di un impulsu di tensione d'entrata di 7 V. Questu cunfirma a currettezza è l'affidabilità di u mudellu matematicu sviluppatu.
U mudellu matematicu hè statu sviluppatu in l'ambiente MathWorks Simulink R2020b utilizendu l'equazioni basiche descritte in a sezzione Metodi. A figura 3b mostra un diagramma à blocchi di u mudellu matematicu Simulink. U mudellu hè statu simulatu per un impulsu di tensione d'entrata di 7V cum'è mostratu in a figura 2a, b. I valori di i parametri utilizati in a simulazione sò elencati in a Tabella 1. I risultati di a simulazione di i prucessi transitori sò presentati in e Figure 1 è 1. Figure 3a è 4. In a figura 4a, b mostra a tensione indotta in u filu SMA è a forza generata da l'attuatore in funzione di u tempu. Durante a trasfurmazione inversa (riscaldamentu), quandu a temperatura di u filu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura iniziale di a fase austenite mudificata da a tensione), a velocità di cambiamentu di a frazione di vulume di martensite (\(\dot{\xi }\)) serà zero. Durante a trasfurmazione inversa (riscaldamentu), quandu a temperatura di u filu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura iniziale di a fase austenite mudificata da a tensione), a velocità di cambiamentu di a frazione di vulume di martensite (\(\dot{\ xi }\)) serà zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (темпалера аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли доли матра\{\] будет равно нулю. Durante a trasfurmazione inversa (riscaldamentu), quandu a temperatura di u filu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura d'iniziu di l'austenite mudificata da a tensione), a velocità di cambiamentu di a frazione di vulume di martensite (\(\dot{\ xi }\)) serà 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（xi\(\}dot)\)将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Risultatu di simulazione chì mostra a distribuzione di a temperatura è a temperatura di giunzione indotta da u stress in un attuatore di divaleratu basatu annantu à SMA. Quandu a temperatura di u filu attraversa a temperatura di transizione di l'austenite in a fase di riscaldamentu, a temperatura di transizione di l'austenite mudificata cumencia à aumentà, è in modu simile, quandu a temperatura di a verga di filu attraversa a temperatura di transizione martensitica in a fase di raffreddamentu, a temperatura di transizione martensitica diminuisce. SMA per a modellazione analitica di u prucessu di attuazione. (Per una vista dettagliata di ogni sottosistema di un mudellu Simulink, vede a sezione di l'appendice di u schedariu supplementariu.)
I risultati di l'analisi per diverse distribuzioni di parametri sò mostrati per dui cicli di a tensione d'entrata di 7V (cicli di riscaldamentu di 10 secondi è cicli di raffreddamentu di 15 secondi). Mentre (ac) è (e) rapprisentanu a distribuzione in u tempu, invece, (d) è (f) illustranu a distribuzione cù a temperatura. Per e rispettive cundizioni d'entrata, a tensione massima osservata hè 106 MPa (menu di 345 MPa, resistenza à u snervamentu di u filu), a forza hè 150 N, u spustamentu massimu hè 270 µm, è a frazione di volume martensitica minima hè 0,91. D’altronde, u cambiamentu di tensione è u cambiamentu di a frazione di volume di martensite cù a temperatura sò simili à e caratteristiche di isteresi.
A listessa spiegazione s'applica à a trasfurmazione diretta (raffreddamentu) da a fase austenite à a fase martensite, induve a temperatura di u filu SMA (T) è a temperatura finale di a fase martensite mudificata da a tensione (\(M_f^{\prime}\)) sò eccellenti. In a figura 4d, f mostra u cambiamentu di a tensione indotta (\(\sigma\)) è a frazione di volume di martensite (\(\xi\)) in u filu SMA in funzione di u cambiamentu di temperatura di u filu SMA (T), per i dui cicli di guida. In a figura 3a mostra u cambiamentu di a temperatura di u filu SMA cù u tempu secondu l'impulsu di tensione d'ingressu. Cum'è si pò vede da a figura, a temperatura di u filu cuntinueghja à aumentà furnendu una fonte di calore à tensione zero è un successivo raffreddamentu cunvettivu. Durante u riscaldamentu, a ritrasfurmazione di a martensite in a fase austenita principia quandu a temperatura di u filu SMA (T) attraversa a temperatura di nucleazione di l'austenite curretta per a tensione (\(A_s^{\prime}\)). Durante sta fase, u filu SMA hè cumpressu è l'attuatore genera forza. Ancu durante u raffreddamentu, quandu a temperatura di u filu SMA (T) attraversa a temperatura di nucleazione di a fase martensitica mudificata per a tensione (\(M_s^{\prime}\)) ci hè una transizione pusitiva da a fase austenita à a fase martensitica. A forza motrice diminuisce.
I principali aspetti qualitativi di l'azionamentu bimodale basatu annantu à SMA ponu esse ottenuti da i risultati di a simulazione. In u casu di un ingressu d'impulsi di tensione, a temperatura di u filu SMA aumenta per via di l'effettu di riscaldamentu Joule. U valore iniziale di a frazione di volume di martensite (\(\xi\)) hè impostu à 1, postu chì u materiale hè inizialmente in una fase cumpletamente martensitica. Mentre u filu cuntinueghja à scaldassi, a temperatura di u filu SMA supera a temperatura di nucleazione di l'austenite curretta per a tensione \(A_s^{\prime}\), risultendu in una diminuzione di a frazione di volume di martensite, cum'è mostratu in a Figura 4c. Inoltre, in a fig. 4e si mostra a distribuzione di e corse di l'attuatore in u tempu, è in a fig. 5 - a forza motrice in funzione di u tempu. Un sistema di equazioni correlato include a temperatura, a frazione di volume di martensite è a tensione chì si sviluppa in u filu, risultendu in a ritirata di u filu SMA è a forza generata da l'attuatore. Cum'è mostratu in a fig. 4d,f, a variazione di a tensione cù a temperatura è a variazione di a frazione di vulume di martensite cù a temperatura currispondenu à e caratteristiche di isteresi di u SMA in u casu simulatu à 7 V.
A paragunazione di i parametri di guida hè stata ottenuta per mezu di esperimenti è calculi analitici. I fili sò stati sottumessi à una tensione d'entrata pulsata di 7 V per 10 secondi, poi raffreddati per 15 secondi (fase di raffreddamentu) in dui cicli. L'angulu pinnatu hè impostu à \(40^{\circ}\) è a lunghezza iniziale di u filu SMA in ogni gamba di u pin hè impostu à 83 mm. (a) Misurazione di a forza motrice cù una cella di carica (b) Monitoraghju di a temperatura di u filu cù una camera à infrarossi termichi.
Per capisce l'influenza di i parametri fisichi nantu à a forza prodotta da l'azionamentu, hè stata realizata un'analisi di a sensibilità di u mudellu matematicu à i parametri fisichi selezziunati, è i parametri sò stati classificati secondu a so influenza. Prima, u campionamentu di i parametri di u mudellu hè statu fattu utilizendu principii di cuncepimentu sperimentale chì seguitavanu una distribuzione uniforme (vede a Sezione Supplementare nantu à l'Analisi di Sensibilità). In questu casu, i parametri di u mudellu includenu a tensione d'ingressu (\(V_{in}\)), a lunghezza iniziale di u filu SMA (\(l_0\)), l'angulu di u triangulu (\(\alpha\)), a costante di a molla di polarizazione (\( K_x\ )), u coefficientu di trasferimentu di calore cunvettivu (\(h_T\)) è u numeru di rami unimodali (n). In u passu prossimu, a forza musculare di piccu hè stata scelta cum'è requisitu di cuncepimentu di u studiu è sò stati ottenuti l'effetti parametrichi di ogni inseme di variabili nantu à a forza. I grafici di tornado per l'analisi di sensibilità sò stati derivati da i coefficienti di currelazione per ogni parametru, cum'è mostratu in a Fig. 6a.
(a) I valori di u cuefficiente di currelazione di i parametri di u mudellu è u so effettu nantu à a forza massima di output di 2500 gruppi unichi di i parametri di u mudellu sopra sò mostrati in u graficu di u tornado. U graficu mostra a currelazione di rangu di parechji indicatori. Hè chjaru chì \(V_{in}\) hè l'unicu parametru cù una currelazione pusitiva, è \(l_0\) hè u parametru cù a più alta currelazione negativa. L'effettu di vari parametri in varie cumminazzioni nantu à a forza musculare di piccu hè mostratu in (b, c). \(K_x\) varieghja da 400 à 800 N/m è n varieghja da 4 à 24. A tensione (\(V_{in}\)) hè cambiata da 4V à 10V, a lunghezza di u filu (\(l_{0 } \)) hè cambiata da 40 à 100 mm, è l'angulu di coda (\ (\alpha \)) hà variatu da \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
In a figura 6a si mostra un graficu di tornado di diversi coefficienti di currelazione per ogni parametru cù i requisiti di cuncepimentu di a forza di piccu. Da a figura 6a si pò vede chì u parametru di tensione (\(V_{in}\)) hè direttamente ligatu à a forza massima di uscita, è u coefficientu di trasferimentu di calore cunvettivo (\(h_T\)), l'angulu di fiamma (\( \alpha\)), a costante di a molla di spostamentu (\(K_x\)) hè correlata negativamente cù a forza di uscita è a lunghezza iniziale (\(l_0\)) di u filu SMA, è u numeru di rami unimodali (n) mostra una forte currelazione inversa. In u casu di currelazione diretta, in u casu di un valore più altu di u coefficientu di currelazione di tensione (\(V_ {in}\)) indica chì questu parametru hà u più grande effettu nantu à a putenza di uscita. Un'altra analisi simile misura a forza di piccu valutendu l'effettu di diversi parametri in diverse cumminazzioni di i dui spazii computazionali, cum'è mostratu in a figura 6b, c. \(V_{in}\) è \(l_0\), \(\alpha\) è \(l_0\) anu mudelli simili, è u graficu mostra chì \(V_{in}\) è \(\alpha\) è \(\alpha\) anu mudelli simili. Valori più chjuchi di \(l_0\) risultanu in forze di piccu più elevate. L'altri dui grafici sò coerenti cù a Figura 6a, induve n è \(K_x\) sò correlati negativamente è \(V_{in}\) sò correlati pusitivamente. Questa analisi aiuta à definisce è aghjustà i parametri d'influenza per mezu di i quali a forza di uscita, a corsa è l'efficienza di u sistema di trasmissione ponu esse adattate à i requisiti è à l'applicazione.
U travagliu di ricerca attuale introduce è investiga l'azionamenti gerarchichi cù N livelli. In una gerarchia à dui livelli, cum'è mostratu in a Fig. 7a, induve invece di ogni filu SMA di l'attuatore di primu livellu, si ottiene una disposizione bimodale, cum'è mostratu in a fig. 9e. A fig. 7c mostra cumu u filu SMA hè avvoltu intornu à un bracciu mobile (bracciu ausiliariu) chì si move solu in a direzzione longitudinale. Tuttavia, u bracciu mobile primariu cuntinueghja à muvesi in u listessu modu cum'è u bracciu mobile di l'attuatore multistadio di 1u stadiu. Tipicamente, un azionamentu à N stadii hè creatu rimpiazzendu u filu SMA di u stadiu \(N-1\) cù un azionamentu di primu stadiu. Di cunsiguenza, ogni ramu imita l'azionamentu di u primu stadiu, à l'eccezzione di u ramu chì tene u filu stessu. In questu modu, si ponu furmà strutture annidate chì creanu forze parechje volte più grande di e forze di l'azionamenti primari. In questu studiu, per ogni livellu, hè stata presa in contu una lunghezza totale effettiva di u filu SMA di 1 m, cum'è mostratu in furmatu tabulare in a Fig. 7d. A currente attraversu ogni filu in ogni cuncepimentu unimodale è a pretensione è a tensione risultanti in ogni segmentu di filu SMA sò listesse à ogni livellu. Sicondu u nostru mudellu analiticu, a forza di uscita hè correlata pusitivamente cù u livellu, mentre chì u spustamentu hè correlatu negativamente. À u listessu tempu, ci era un compromessu trà u spustamentu è a forza musculare. Cum'è vistu in a fig. 7b, mentre chì a forza massima hè ottenuta in u più grande numeru di strati, u più grande spustamentu hè osservatu in u stratu u più bassu. Quandu u livellu di a ghjerarchia hè statu impostu à \(N = 5\), hè stata trovata una forza musculare di piccu di 2,58 kN cù 2 corse osservate \(\upmu\)m. D’altronde, l’azionamentu di u primu stadiu genera una forza di 150 N à una corsa di 277 \(\upmu\)m. L’attuatori multilivellu sò capaci di imità i musculi biologichi veri, induve i musculi artificiali basati nantu à leghe à memoria di forma sò capaci di generà forze significativamente più alte cù movimenti precisi è più fini. I limiti di questu cuncepimentu miniaturizatu sò chì, à misura chì a ghjerarchia aumenta, u muvimentu hè assai riduttu è a cumplessità di u prucessu di fabricazione di l’azionamentu aumenta.
(a) Un sistema di attuatore lineare in lega di memoria di forma à dui stadii (\(N=2\)) hè mostratu in una cunfigurazione bimodale. U mudellu prupostu hè ottenutu rimpiazzendu u filu SMA in l'attuatore stratificatu di u primu stadiu cù un altru attuatore stratificatu à un stadiu unicu. (c) Cunfigurazione deformata di l'attuatore multistrato di u secondu stadiu. (b) A distribuzione di e forze è di i spustamenti secondu u numeru di livelli hè descritta. Hè statu trovu chì a forza di piccu di l'attuatore hè pusitivamente correlata cù u livellu di scala nantu à u graficu, mentre chì a corsa hè negativamente correlata cù u livellu di scala. A corrente è a pre-tensione in ogni filu restanu custanti à tutti i livelli. (d) A tavula mostra u numeru di prese è a lunghezza di u filu SMA (fibra) à ogni livellu. E caratteristiche di i fili sò indicate da l'indice 1, è u numeru di rami secundarii (unu cunnessu à a gamba primaria) hè indicatu da u numeru più grande in l'indice. Per esempiu, à u livellu 5, \(n_1\) si riferisce à u numeru di fili SMA prisenti in ogni struttura bimodale, è \(n_5\) si riferisce à u numeru di gambe ausiliarie (una cunnessa à a gamba principale).
Diversi metudi sò stati pruposti da parechji circadori per mudellà u cumpurtamentu di i SMA cù memoria di forma, chì dipendenu da e proprietà termomeccaniche chì accumpagnanu i cambiamenti macroscopici in a struttura cristallina assuciati à a transizione di fase. A formulazione di metudi custitutivi hè intrinsecamente cumplessa. U mudellu fenomenologicu u più cumunamente utilizatu hè prupostu da Tanaka28 è hè largamente utilizatu in applicazioni ingegneristiche. U mudellu fenomenologicu prupostu da Tanaka [28] assume chì a frazione di volume di martensite hè una funzione esponenziale di a temperatura è di u stress. Più tardi, Liang è Rogers29 è Brinson30 anu prupostu un mudellu in u quale a dinamica di transizione di fase era presunta esse una funzione cosinusoidale di tensione è temperatura, cù lievi mudificazioni à u mudellu. Becker è Brinson anu prupostu un mudellu cineticu basatu annantu à u diagramma di fase per mudellà u cumpurtamentu di i materiali SMA in cundizioni di carica arbitrarie è ancu in transizioni parziali. Banerjee32 usa u metudu di dinamica di u diagramma di fase di Bekker è Brinson31 per simulà un manipulatore di un solu gradu di libertà sviluppatu da Elahinia è Ahmadian33. I metudi cinetichi basati annantu à i diagrammi di fase, chì tenenu contu di u cambiamentu non monotonicu di a tensione cù a temperatura, sò difficiuli da implementà in l'applicazioni ingegneristiche. Elakhinia è Ahmadian attiranu l'attenzione annantu à sti difetti di i mudelli fenomenologichi esistenti è pruponenu un mudellu fenomenologicu allargatu per analizà è definisce u cumpurtamentu di a memoria di forma in cundizioni di carica cumplesse.
U mudellu strutturale di u filu SMA dà a tensione (\(\sigma\)), a deformazione (\(\epsilon\)), a temperatura (T) è a frazione di volume di martensite (\(\xi\)) di u filu SMA. U mudellu custitutivu fenomenologicu hè statu prupostu per a prima volta da Tanaka28 è dopu aduttatu da Liang29 è Brinson30. A derivata di l'equazione hà a forma:
induve E hè u modulu di Young SMA dipendente da a fase ottenutu aduprendu \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) è \(E_A\) è \(E_M\) chì rapprisentanu u modulu di Young sò fasi austenitiche è martensitiche, rispettivamente, è u coefficientu di dilatazione termica hè rapprisentatu da \(\theta _T\). U fattore di cuntribuzione di transizione di fase hè \(\Omega = -E \epsilon _L\) è \(\epsilon _L\) hè a massima deformazione recuperabile in u filu SMA.
L'equazione di dinamica di fase coincide cù a funzione cosinuso sviluppata da Liang29 è dopu aduttata da Brinson30 invece di a funzione esponenziale pruposta da Tanaka28. U mudellu di transizione di fase hè una estensione di u mudellu prupostu da Elakhinia è Ahmadian34 è mudificatu in basa à e cundizioni di transizione di fase date da Liang29 è Brinson30. E cundizioni aduprate per questu mudellu di transizione di fase sò valide sottu carichi termomeccanichi cumplessi. À ogni mumentu di u tempu, u valore di a frazione di vulume di martensite hè calculatu quandu si modella l'equazione custitutiva.
L'equazione di ritrasfurmazione guvernante, espressa da a trasfurmazione di martensite in austenite sottu cundizioni di riscaldamentu, hè a seguente:
induve \(\xi\) hè a frazzione di vulume di martensite, \(\xi _M\) hè a frazzione di vulume di martensite ottenuta prima di u riscaldamentu, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) è \(C_A\) – parametri di approssimazione di a curva, T – temperatura di u filu SMA, \(A_s\) è \(A_f\) – iniziu è fine di a fase austenite, rispettivamente, temperatura.
L'equazione di cuntrollu di trasfurmazione diretta, rapprisintata da a trasfurmazione di fase di l'austenite in martensite in cundizioni di raffreddamentu, hè:
induve \(\xi _A\) hè a frazzione di vulume di martensite ottenuta prima di u raffreddamentu, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) è \(C_M \) – parametri di adattamentu di a curva, T – temperatura di u filu SMA, \(M_s\) è \(M_f\) – temperature iniziali è finali di a martensite, rispettivamente.
Dopu chì l'equazioni (3) è (4) sò state differenziate, l'equazioni di trasfurmazione inversa è diretta sò simplificate à a forma seguente:
Durante a trasfurmazione in avanti è in daretu, \(\eta _{\sigma}\) è \(\eta _{T}\) piglianu valori diversi. L'equazioni basiche assuciate à \(\eta _{\sigma}\) è \(\eta _{T}\) sò state derivate è discusse in dettagliu in una sezione supplementaria.
L'energia termica necessaria per elevà a temperatura di u filu SMA vene da l'effettu di riscaldamentu Joule. L'energia termica assorbita o liberata da u filu SMA hè rapprisentata da u calore latente di trasfurmazione. A perdita di calore in u filu SMA hè dovuta à a cunvezione furzata, è datu l'effettu trascurabile di a radiazione, l'equazione di bilanciu di l'energia termica hè a seguente:
Induve \(m_{wire}\) hè a massa tutale di u filu SMA, \(c_{p}\) hè a capacità termica specifica di u SMA, \(V_{in}\) hè a tensione applicata à u filu, \(R_{ohm} \ ) – resistenza SMA dipendente da a fase, definita cum'è; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) induve \(r_M\ ) è \(r_A\) sò a resistività di fase SMA in martensite è austenite, rispettivamente, \(A_{c}\) hè a superficia di u filu SMA, \(\Delta H \) hè una lega à memoria di forma. U calore latente di transizione di u filu, T è \(T_{\infty}\) sò e temperature di u filu SMA è di l'ambiente, rispettivamente.
Quandu un filu di lega à memoria di forma hè azionatu, u filu si comprime, creendu una forza in ogni ramu di u disignu bimodale chjamata forza di fibra. E forze di e fibre in ogni filu di u filu SMA inseme creanu a forza musculare per attuà, cum'è mostratu in Fig. 9e. A causa di a presenza di una molla di polarizazione, a forza musculare tutale di l'attuatore multistrato N-esimu hè:
Sustituendu \(N = 1\) in l'equazione (7), a forza musculare di u prototipu di trasmissione bimodale di a prima tappa pò esse ottenuta cusì:
induve n hè u numeru di gambe unimodali, \(F_m\) hè a forza musculare generata da l'attuatore, \(F_f\) hè a resistenza di a fibra in u filu SMA, \(K_x\) hè a molla di rigidità di polarizazione, \(\alpha\) hè l'angulu di u triangulu, \(x_0\) hè l'offset iniziale di a molla di polarizazione per mantene u cavu SMA in a pusizione pre-tensione, è \(\Delta x\) hè a corsa di l'attuatore.
U spustamentu tutale o u muvimentu di l'azionamentu (\(\Delta x\)) secondu a tensione (\(\sigma\)) è a deformazione (\(\epsilon\)) nantu à u filu SMA di u stadiu N, l'azionamentu hè impostu à (vede Fig. parte supplementaria di l'uscita):
L'equazioni cinematiche danu a relazione trà a deformazione di l'azionamentu (\(\epsilon\)) è u spustamentu o u spustamentu (\(\Delta x\)). A deformazione di u filu Arb in funzione di a lunghezza iniziale di u filu Arb (\(l_0\)) è a lunghezza di u filu (l) in ogni mumentu t in un ramu unimodale hè a seguente:
induve \(l = \sqrt{l_0^2 +(Δx_1)^2 – 2 l_0 (Δx_1) \cos \alpha _1}\) hè ottenutu applicendu a formula di u cosinu in \(Δ)ABB ', cum'è mostratu in a Figura 8. Per u primu stadiu di trasmissione (\(N = 1\)), \(Δx_1\) hè \(Δx\), è \(\alpha _1\) hè \(\alpha \) cum'è mostratu in Cum'è mostratu in a Figura 8, diffarenziendu u tempu da l'Equazione (11) è sustituendu u valore di l, a velocità di deformazione pò esse scritta cum'è:
induve \(l_0\) hè a lunghezza iniziale di u filu SMA, l hè a lunghezza di u filu in ogni mumentu t in una branca unimodale, \(\epsilon\) hè a deformazione sviluppata in u filu SMA, è \(\alpha \) hè l'angulu di u triangulu, \(\Delta x\) hè l'offset di guida (cum'è mostratu in a Figura 8).
Tutte e n strutture à piccu unicu (\(n=6\) in questa figura) sò cunnesse in serie cù \(V_{in}\) cum'è tensione d'entrata. Fase I: Schema di u filu SMA in una cunfigurazione bimodale in cundizioni di tensione zero Fase II: Hè mostrata una struttura cuntrullata induve u filu SMA hè cumpressu per via di a cunversione inversa, cum'è mostratu da a linea rossa.
Cum'è prova di cuncettu, un attuatore bimodale basatu annantu à SMA hè statu sviluppatu per pruvà a derivazione simulata di l'equazioni sottostanti cù risultati sperimentali. U mudellu CAD di l'attuatore lineare bimodale hè mostratu in a figura 9a. Da l'altra parte, in a figura 9c si mostra un novu disignu prupostu per una cunnessione prismatica rotazionale utilizendu un attuatore basatu annantu à SMA à dui piani cù una struttura bimodale. I cumpunenti di l'attuatore sò stati fabbricati utilizendu a fabricazione additiva nantu à una stampante 3D Ultimaker 3 Extended. U materiale utilizatu per a stampa 3D di i cumpunenti hè u policarbonatu chì hè adattatu per i materiali resistenti à u calore postu chì hè forte, durevule è hà una alta temperatura di transizione vetrosa (110-113 \(^{\circ }\) C). Inoltre, u filu di lega à memoria di forma Flexinol di Dynalloy, Inc. hè statu utilizatu in l'esperimenti, è e proprietà di u materiale currispondenti à u filu Flexinol sò state aduprate in e simulazioni. Più fili SMA sò disposti cum'è fibre presenti in una disposizione bimodale di musculi per ottene e forze elevate prodotte da l'attuatori multistrato, cum'è mostratu in a figura 9b, d.
Cum'è mostratu in a Figura 9a, l'angulu acutu furmatu da u filu SMA di u bracciu mobile hè chjamatu angulu (\(\alpha\)). Cù i morsetti terminali attaccati à i morsetti sinistro è destro, u filu SMA hè mantinutu à l'angulu bimodale desideratu. U dispusitivu di molla di polarizazione tenutu nantu à u connettore di molla hè cuncipitu per aghjustà i diversi gruppi di estensione di a molla di polarizazione secondu u numeru (n) di fibre SMA. Inoltre, a pusizione di e parti mobili hè cuncipita in modu chì u filu SMA sia espostu à l'ambiente esternu per u raffreddamentu per cunvezione furzata. E piastre superiore è inferiore di l'assemblaggio staccabile aiutanu à mantene u filu SMA frescu cù ritagli estrusi cuncipiti per riduce u pesu. Inoltre, e duie estremità di u filu CMA sò fissate rispettivamente à i terminali sinistro è destro per mezu di una crimpatura. Un pistone hè attaccatu à una estremità di l'assemblaggio mobile per mantene a distanza trà e piastre superiore è inferiore. U pistone hè ancu adupratu per applicà una forza di bloccu à u sensore via un cuntattu per misurà a forza di bloccu quandu u filu SMA hè attivatu.
A struttura musculare bimodale SMA hè cunnessa elettricamente in serie è alimentata da una tensione d'impulsu d'entrata. Durante u ciclu d'impulsu di tensione, quandu a tensione hè applicata è u filu SMA hè riscaldatu sopra à a temperatura iniziale di l'austenite, a lunghezza di u filu in ogni filu hè accurtata. Questa retrazione attiva u sottoassemblaggio di u bracciu mobile. Quandu a tensione hè stata azzerata in u listessu ciclu, u filu SMA riscaldatu hè statu raffreddato sottu à a temperatura di a superficia di a martensite, vultendu cusì à a so pusizione originale. In cundizioni di stress zero, u filu SMA hè prima stiratu passivamente da una molla di polarizazione per ghjunghje à u statu martensiticu detwinnatu. A vite, attraversu a quale passa u filu SMA, si move per via di a cumpressione creata applicendu un impulsu di tensione à u filu SMA (SPA ghjunghje à a fase austenite), ciò chì porta à l'attuazione di a leva mobile. Quandu u filu SMA hè ritrattu, a molla di polarizazione crea una forza opposta stendendu ulteriormente a molla. Quandu a tensione in a tensione d'impulsu diventa zero, u filu SMA s'allunga è cambia a so forma per via di u raffreddamentu per cunvezione furzata, righjunghjendu una doppia fase martensitica.
U sistema di attuatore lineare basatu annantu à SMA prupostu hà una cunfigurazione bimodale in a quale i fili SMA sò angulati. (a) rapprisenta un mudellu CAD di u prototipu, chì cita alcuni di i cumpunenti è i so significati per u prototipu, (b, d) rapprisenta u prototipu sperimentale sviluppatu35. Mentre (b) mostra una vista superiore di u prototipu cù cunnessione elettriche è molle di polarizazione è estensimetri utilizati, (d) mostra una vista prospettica di a cunfigurazione. (e) Diagramma di un sistema di attuazione lineare cù fili SMA piazzati bimodalmente in ogni mumentu t, chì mostra a direzzione è u corsu di a fibra è a forza musculare. (c) Una cunnessione prismatica rotazionale 2-DOF hè stata pruposta per implementà un attuatore basatu annantu à SMA à dui piani. Cum'è mostratu, u ligame trasmette u muvimentu lineare da l'azionamentu inferiore à u bracciu superiore, creendu una cunnessione rotazionale. D’altronde, u muvimentu di a coppia di prismi hè listessu chè u muvimentu di l'azionamentu di u primu stadiu multistrato.
Un studiu sperimentale hè statu realizatu annantu à u prototipu mostratu in a Fig. 9b per valutà e prestazioni di un azionamentu bimodale basatu annantu à SMA. Cum'è mostratu in a Figura 10a, a cunfigurazione sperimentale cunsistia in un alimentatore DC programmabile per furnisce a tensione d'ingressu à i fili SMA. Cum'è mostratu in a fig. 10b, un estensimetri piezoelettricu (PACEline CFT/5kN) hè statu utilizatu per misurà a forza di bloccu utilizendu un registratore di dati Graphtec GL-2000. I dati sò registrati da l'ospite per studii ulteriori. L'estensimetri è l'amplificatori di carica necessitanu un alimentatore costante per pruduce un segnale di tensione. I segnali currispondenti sò cunvertiti in uscite di putenza secondu a sensibilità di u sensore di forza piezoelettrica è altri parametri cum'è descrittu in a Tabella 2. Quandu un impulsu di tensione hè applicatu, a temperatura di u filu SMA aumenta, pruvucendu a cumpressione di u filu SMA, ciò chì face chì l'attuatore generi forza. I risultati sperimentali di l'output di forza musculare da un impulsu di tensione d'ingressu di 7 V sò mostrati in a fig. 2a.
(a) Un sistema d'attuatore lineare basatu annantu à SMA hè statu stallatu in l'esperimentu per misurà a forza generata da l'attuatore. A cellula di carica misura a forza di bloccu è hè alimentata da un alimentatore DC di 24 V. Una caduta di tensione di 7 V hè stata applicata longu à tutta a lunghezza di u cavu utilizendu un alimentatore DC programmabile GW Instek. U filu SMA si restringe per via di u calore, è u bracciu mobile cuntatta a cellula di carica è esercita una forza di bloccu. A cellula di carica hè cunnessa à u registratore di dati GL-2000 è i dati sò almacenati nantu à l'host per un ulteriore trattamentu. (b) Diagramma chì mostra a catena di cumpunenti di a cunfigurazione sperimentale per misurà a forza musculare.
E leghe à memoria di forma sò eccitate da l'energia termica, dunque a temperatura diventa un parametru impurtante per studià u fenomenu di a memoria di forma. Sperimentalmente, cum'è mostratu in a Fig. 11a, l'imaghjini termiche è e misurazioni di a temperatura sò state effettuate nantu à un prototipu di attuatore divaleratu basatu annantu à SMA. Una fonte DC programmabile hà applicatu una tensione d'ingressu à i fili SMA in a cunfigurazione sperimentale, cum'è mostratu in a Figura 11b. U cambiamentu di temperatura di u filu SMA hè statu misuratu in tempu reale utilizendu una camera LWIR à alta risoluzione (FLIR A655sc). L'ospite utilizza u software ResearchIR per registrà i dati per un'ulteriore post-elaborazione. Quandu un impulsu di tensione hè applicatu, a temperatura di u filu SMA aumenta, causendu a riduzione di u filu SMA. In a fig. Figura 2b mostra i risultati sperimentali di a temperatura di u filu SMA in funzione di u tempu per un impulsu di tensione d'ingressu di 7V.
Data di publicazione: 28 di settembre di u 2022
