Děkujeme za návštěvu webu Nature.com. Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu CSS. Pro dosažení nejlepšího zážitku doporučujeme používat aktualizovaný prohlížeč (nebo v aplikaci Internet Explorer vypnout režim kompatibility). Mezitím budeme web vykreslovat bez stylů a JavaScriptu, abychom zajistili jeho nepřetržitou podporu.
Pohony se používají všude a vytvářejí řízený pohyb aplikací správné budicí síly nebo točivého momentu k provádění různých operací ve výrobě a průmyslové automatizaci. Potřeba rychlejších, menších a efektivnějších pohonů je hnací silou inovací v konstrukci pohonů. Pohony z tvarově paměťových slitin (SMA) nabízejí oproti konvenčním pohonům řadu výhod, včetně vysokého poměru výkonu a hmotnosti. V této disertační práci byl vyvinut dvoupéřový aktuátor založený na SMA, který kombinuje výhody péřových svalů biologických systémů a jedinečné vlastnosti SMA. Tato studie zkoumá a rozšiřuje předchozí aktuátory SMA vývojem matematického modelu nového aktuátoru založeného na bimodálním uspořádání drátů SMA a jeho experimentálním testováním. Ve srovnání se známými pohony založenými na SMA je ovládací síla nového pohonu nejméně 5krát vyšší (až 150 N). Odpovídající úbytek hmotnosti je přibližně 67 %. Výsledky analýzy citlivosti matematických modelů jsou užitečné pro ladění konstrukčních parametrů a pochopení klíčových parametrů. Tato studie dále představuje víceúrovňový N-tý stupeň pohonu, který lze použít k dalšímu zlepšení dynamiky. Dipvalerátové svalové aktuátory na bázi SMA mají širokou škálu uplatnění, od automatizace budov až po systémy pro přesné podávání léků.
Biologické systémy, jako jsou svalové struktury savců, mohou aktivovat mnoho jemných aktuátorů1. Savci mají různé svalové struktury, z nichž každá slouží specifickému účelu. Velkou část struktury savčí svalové tkáně však lze rozdělit do dvou širokých kategorií. Rovnoběžné a peřené. V hamstringech a dalších flexorech, jak název napovídá, má paralelní svalstvo svalová vlákna rovnoběžná s centrální šlachou. Řetězec svalových vláken je seřazen a funkčně propojen pojivovou tkání kolem nich. Ačkoli se o těchto svalech říká, že mají velkou exkurzi (procentuální zkrácení), jejich celková svalová síla je velmi omezená. Naproti tomu v tricepsovém lýtkovém svalu2 (laterální lýtkový sval (GL)3, mediální lýtkový sval (GM)4 a soleus (SOL)) a extenzoru stehenního svalu (quadriceps)5,6 se v každém svalu nachází peřená svalová tkáň7. V peřené struktuře jsou svalová vlákna v bipennaté svalstvu přítomna na obou stranách centrální šlachy v šikmých úhlech (peřené úhly). Pennate pochází z latinského slova „penna“, což znamená „pero“, a jak je znázorněno na obr. 1, má vzhled podobný peří. Vlákna pennatých svalů jsou kratší a svírají úhel s podélnou osou svalu. Vzhledem ke zpeřené struktuře je celková pohyblivost těchto svalů snížena, což vede k příčným a podélným složkám procesu zkracování. Na druhou stranu aktivace těchto svalů vede k vyšší celkové svalové síle díky způsobu měření fyziologické plochy průřezu. Proto budou pennatní svaly pro danou plochu průřezu silnější a budou generovat vyšší síly než svaly s paralelními vlákny. Síly generované jednotlivými vlákny generují svalové síly na makroskopické úrovni v dané svalové tkáni. Kromě toho má takové jedinečné vlastnosti, jako je rychlé smrštění, ochrana před poškozením tahem a tlumení. Transformuje vztah mezi vstupem vláken a výstupem svalové síly využitím jedinečných vlastností a geometrické složitosti uspořádání vláken spojených se svalovými liniemi působení.
Jsou znázorněny schematické diagramy existujících návrhů aktuátorů založených na SMA ve vztahu k bimodální svalové architektuře, například (a), představující interakci hmatové síly, ve které je zařízení ve tvaru ruky ovládané dráty SMA namontováno na dvoukolovém autonomním mobilním robotu9,10., (b) Robotická orbitální protéza s antagonisticky umístěnou pružinovou orbitální protézou SMA. Poloha protetického oka je řízena signálem z očního svalu oka11, (c) Aktuátory SMA jsou ideální pro podvodní aplikace díky své vysoké frekvenční odezvě a nízké šířce pásma. V této konfiguraci se aktuátory SMA používají k vytváření vlnového pohybu simulací pohybu ryb, (d) Aktuátory SMA se používají k vytvoření robota pro kontrolu mikropotrubí, který může využívat princip palcového červového pohybu, řízeného pohybem drátů SMA uvnitř kanálu 10, (e) ukazuje směr kontrakce svalových vláken a generování kontraktilní síly v tkáni lýtkového svalu, (f) ukazuje dráty SMA uspořádané ve formě svalových vláken ve struktuře pennatálního svalu.
Pohony se díky široké škále aplikací staly důležitou součástí mechanických systémů. Proto se potřeba menších, rychlejších a efektivnějších pohonů stává kritickou. Navzdory svým výhodám se tradiční pohony ukázaly jako drahé a jejich údržba je časově náročná. Hydraulické a pneumatické pohony jsou složité a drahé a podléhají opotřebení, problémům s mazáním a selhání součástí. V reakci na poptávku se zaměřuje na vývoj cenově efektivních, dimenzovaně optimalizovaných a pokročilých pohonů založených na inteligentních materiálech. Probíhající výzkum se zaměřuje na vrstvené pohony ze slitin s tvarovou pamětí (SMA), které by tuto potřebu uspokojily. Hierarchické pohony jsou jedinečné v tom, že kombinují mnoho samostatných pohonů do geometricky složitých makropodsystémů, čímž poskytují zvýšenou a rozšířenou funkčnost. V tomto ohledu poskytuje výše popsaná lidská svalová tkáň vynikající vícevrstvý příklad takového vícevrstvého pohonu. Současná studie popisuje víceúrovňový pohon SMA s několika jednotlivými pohonnými prvky (SMA dráty) zarovnanými s orientací vláken přítomných v bimodálních svalech, což zlepšuje celkový výkon pohonu.
Hlavním účelem aktuátoru je generovat mechanický výkon, jako je síla a posuv, přeměnou elektrické energie. Slitiny s tvarovou pamětí patří do třídy „inteligentních“ materiálů, které dokáží obnovit svůj tvar při vysokých teplotách. Při vysokém zatížení vede zvýšení teploty drátu s tvarovou pamětí (SMA) k obnovení tvaru, což má za následek vyšší hustotu aktivační energie ve srovnání s různými přímo spojenými inteligentními materiály. Zároveň se SMA při mechanickém zatížení stávají křehkými. Za určitých podmínek může cyklické zatížení absorbovat a uvolňovat mechanickou energii, což vykazuje reverzibilní hysteretické změny tvaru. Díky těmto jedinečným vlastnostem je SMA ideální pro senzory, tlumení vibrací a zejména aktuátory12. S ohledem na to proběhlo mnoho výzkumů pohonů založených na SMA. Je třeba poznamenat, že aktuátory založené na SMA jsou navrženy tak, aby zajišťovaly translační a rotační pohyb pro různé aplikace13,14,15. Ačkoli bylo vyvinuto několik rotačních aktuátorů, vědci se obzvláště zajímají o lineární aktuátory. Tyto lineární aktuátory lze rozdělit do tří typů aktuátorů: jednorozměrné, posuvné a diferenciální aktuátory16. Hybridní pohony byly zpočátku vytvářeny v kombinaci s SMA a dalšími konvenčními pohony. Jedním z takových příkladů hybridního lineárního aktuátoru založeného na SMA je použití drátu SMA se stejnosměrným motorem k zajištění výstupní síly přibližně 100 N a významného posunu17.
Jedním z prvních vývojů v oblasti pohonů založených výhradně na SMA byl paralelní pohon SMA. Paralelní pohon založený na SMA, který využívá více vodičů SMA, je navržen tak, aby zvýšil výkon pohonu paralelním zapojením všech vodičů SMA18. Paralelní zapojení aktuátorů nejen vyžaduje větší výkon, ale také omezuje výstupní výkon jednoho vodiče. Další nevýhodou aktuátorů založených na SMA je omezený dosah. Pro vyřešení tohoto problému byl vytvořen kabelový nosník SMA obsahující vychýlený flexibilní nosník pro zvýšení posunu a dosažení lineárního pohybu, ale negeneroval vyšší síly19. Měkké deformovatelné struktury a tkaniny pro roboty založené na slitinách s tvarovou pamětí byly vyvinuty primárně pro zesílení nárazu20,21,22. Pro aplikace, kde jsou vyžadovány vysoké rychlosti, byla hlášena kompaktní poháněná čerpadla s použitím tenkovrstvých SMA pro aplikace poháněné mikročerpadly23. Frekvence pohonu tenkovrstvé membrány SMA je klíčovým faktorem pro řízení rychlosti pohonu. Lineární motory SMA mají proto lepší dynamickou odezvu než pružinové nebo tyčové motory SMA. Měkká robotika a technologie uchopení jsou další dvě aplikace, které používají aktuátory založené na SMA. Například pro nahrazení standardního aktuátoru používaného v prostorové svěrce 25 N byl vyvinut paralelní aktuátor 24 ze slitiny s tvarovou pamětí. V jiném případě byl vyroben měkký aktuátor SMA na bázi drátu s vloženou matricí schopnou produkovat maximální tažnou sílu 30 N. Díky svým mechanickým vlastnostem se SMA také používají k výrobě aktuátorů, které napodobují biologické jevy. Jeden takový vývoj zahrnuje 12článkového robota, který je biomimetikem organismu podobného žížale s SMA pro generování sinusového pohybu pro spuštění26,27.
Jak již bylo zmíněno, existuje limit maximální síly, kterou lze dosáhnout ze stávajících aktuátorů založených na SMA. Aby se tento problém vyřešil, tato studie představuje biomimetickou bimodální svalovou strukturu. Poháněnou drátem ze slitiny s tvarovou pamětí. Poskytuje klasifikační systém, který zahrnuje několik drátů ze slitin s tvarovou pamětí. Dosud nebyly v literatuře popsány žádné aktuátory založené na SMA s podobnou architekturou. Tento unikátní a nový systém založený na SMA byl vyvinut za účelem studia chování SMA během bimodálního zarovnání svalů. Ve srovnání se stávajícími aktuátory založenými na SMA bylo cílem této studie vytvořit biomimetický dipvalerátový aktuátor, který by generoval výrazně vyšší síly v malém objemu. Ve srovnání s konvenčními pohony poháněnými krokovými motory používanými v automatizačních a řídicích systémech budov, HVAC, navrhovaná konstrukce bimodálního pohonu založené na SMA snižuje hmotnost pohonného mechanismu o 67 %. V následujícím textu se pojmy „sval“ a „pohon“ používají zaměnitelně. Tato studie zkoumá multifyzikální simulaci takového pohonu. Mechanické chování takových systémů bylo studováno experimentálními a analytickými metodami. Rozložení síly a teploty bylo dále zkoumáno při vstupním napětí 7 V. Následně byla provedena parametrická analýza pro lepší pochopení vztahu mezi klíčovými parametry a výstupní silou. Nakonec byly zvažovány hierarchické aktuátory a jako potenciální budoucí oblast pro nemagnetické aktuátory pro protetické aplikace byly navrženy hierarchické efekty úrovní. Podle výsledků výše uvedených studií vytváří použití jednostupňové architektury síly nejméně čtyřikrát až pětkrát vyšší než uváděné aktuátory založené na SMA. Kromě toho se ukázalo, že stejná hnací síla generovaná víceúrovňovým pohonem je více než desetkrát vyšší než u konvenčních pohonů založených na SMA. Studie poté uvádí klíčové parametry pomocí analýzy citlivosti mezi různými konstrukcemi a vstupními proměnnými. Počáteční délka drátu SMA (\(l_0\)), zpeřený úhel (\(\alfa\)) a počet jednotlivých pramenů (n) v každém jednotlivém prameni mají silný negativní vliv na velikost hnací síly, zatímco vstupní napětí (energie) se ukázalo jako pozitivně korelované.
Drát SMA vykazuje efekt tvarové paměti (SME), který je pozorován u rodiny slitin nikl-titan (Ni-Ti). SMA obvykle vykazují dvě teplotně závislé fáze: nízkoteplotní fázi a vysokoteplotní fázi. Obě fáze mají jedinečné vlastnosti díky přítomnosti odlišných krystalových struktur. V austenitické fázi (fáze s vysokou teplotou), která existuje nad transformační teplotou, vykazuje materiál vysokou pevnost a při zatížení se špatně deformuje. Slitina se chová jako nerezová ocel, takže je schopna odolat vyšším aktivačním tlakům. Využitím této vlastnosti slitin Ni-Ti jsou dráty SMA zkosené a tvoří aktuátor. Jsou vyvinuty vhodné analytické modely pro pochopení základní mechaniky tepelného chování SMA pod vlivem různých parametrů a různých geometrií. Mezi experimentálními a analytickými výsledky byla dosažena dobrá shoda.
Na prototypu znázorněném na obr. 9a byla provedena experimentální studie za účelem vyhodnocení výkonu bimodálního pohonu založeného na SMA. Experimentálně byly měřeny dvě z těchto vlastností, síla generovaná pohonem (síla svalů) a teplota drátu SMA (teplota SMA). S rostoucím rozdílem napětí po celé délce drátu v pohonu se teplota drátu zvyšuje v důsledku Jouleova topného jevu. Vstupní napětí bylo přiváděno ve dvou 10sekundových cyklech (znázorněno červenými tečkami na obr. 2a, b) s 15sekundovou dobou chlazení mezi jednotlivými cykly. Blokovací síla byla měřena pomocí piezoelektrického tenzometru a rozložení teploty drátu SMA bylo monitorováno v reálném čase pomocí vědecké LWIR kamery s vysokým rozlišením (viz charakteristiky použitého zařízení v tabulce 2). Ukazuje se, že během fáze vysokého napětí teplota drátu monotónně roste, ale když neprotéká žádný proud, teplota drátu nadále klesá. V současném experimentálním uspořádání teplota drátu SMA během fáze ochlazování klesla, ale stále byla nad okolní teplotou. Na obr. 2e je znázorněn snímek teploty drátu SMA pořízený z LWIR kamery. Na druhé straně, na obr. 2a je znázorněna blokovací síla generovaná pohonným systémem. Když síla svalu překročí vratnou sílu pružiny, pohyblivé rameno, jak je znázorněno na obrázku 9a, se začne pohybovat. Jakmile začne činnost, pohyblivé rameno se dostane do kontaktu se senzorem a vytvoří tělesnou sílu, jak je znázorněno na obr. 2c, d. Když je maximální teplota blízká \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maximální pozorovaná síla je 105 N.
Graf znázorňuje experimentální výsledky teploty drátu SMA a síly generované bimodálním aktuátorem na bázi SMA během dvou cyklů. Vstupní napětí je přiváděno ve dvou 10sekundových cyklech (znázorněno červenými tečkami) s 15sekundovou dobou ochlazování mezi jednotlivými cykly. Pro experimenty byl použit drát Flexinol o průměru 0,51 mm od společnosti Dynalloy, Inc. (a) Graf znázorňuje experimentální sílu získanou během dvou cyklů, (c, d) ukazuje dva nezávislé příklady působení aktuátorů s pohyblivým ramenem na piezoelektrický snímač síly PACEline CFT/5kN, (b) graf znázorňuje maximální teplotu celého drátu SMA během dvou cyklů, (e) ukazuje teplotní snímek pořízený z drátu SMA pomocí LWIR kamery se softwarem FLIR ResearchIR. Geometrické parametry zohledněné v experimentech jsou uvedeny v tabulce 1.
Výsledky simulace matematického modelu a experimentální výsledky jsou porovnány za podmínky vstupního napětí 7 V, jak je znázorněno na obr. 5. Podle výsledků parametrické analýzy a aby se zabránilo možnosti přehřátí vodiče SMA, byl do aktuátoru dodáván výkon 11,2 W. Pro napájení vstupního napětí 7 V byl použit programovatelný stejnosměrný zdroj napájení a na vodiči byl naměřen proud 1,6 A. Síla generovaná pohonem a teplota SDR se zvyšují při přivedení proudu. Při vstupním napětí 7 V je maximální výstupní síla získaná z výsledků simulace a experimentálních výsledků prvního cyklu 78 N, respektive 96 N. Ve druhém cyklu byla maximální výstupní síla ze simulačních a experimentálních výsledků 150 N, respektive 105 N. Rozdíl mezi měřeními okluzní síly a experimentálními daty může být způsoben metodou použitou k měření okluzní síly. Experimentální výsledky uvedené na obr. Obr. 5a odpovídají měření blokovací síly, která byla měřena, když byl hnací hřídel v kontaktu s piezoelektrickým snímačem síly PACEline CFT/5kN, jak je znázorněno na obr. 2s. Pokud se tedy hnací hřídel na začátku chladicí zóny nedotýká snímače síly, síla se okamžitě rovná nule, jak je znázorněno na obr. 2d. Dalšími parametry, které ovlivňují vznik síly v následujících cyklech, jsou hodnoty doby chlazení a koeficient konvekčního přenosu tepla v předchozím cyklu. Z obr. 2b je patrné, že po 15sekundové době chlazení drát SMA nedosáhl pokojové teploty, a proto měl ve druhém hnacím cyklu vyšší počáteční teplotu (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) ve srovnání s prvním cyklem (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Ve srovnání s prvním cyklem tedy teplota drátu SMA během druhého ohřívacího cyklu dosáhne počáteční teploty austenitu (\(A_s\)) dříve a déle setrvává v přechodovém období, což má za následek napětí a sílu. Na druhou stranu, rozložení teplot během cyklů ohřevu a ochlazování získané z experimentů a simulací má vysokou kvalitativní podobnost s příklady z termografické analýzy. Srovnávací analýza tepelných dat drátu SMA z experimentů a simulací ukázala konzistenci během cyklů ohřevu a ochlazování a v rámci přijatelných tolerancí pro experimentální data. Maximální teplota drátu SMA, získaná z výsledků simulace a experimentů prvního cyklu, je \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) a \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), a ve druhém cyklu je maximální teplota drátu SMA \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) a \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Fundamentálně vyvinutý model potvrzuje vliv efektu tvarové paměti. V této recenzi nebyla zohledněna role únavy a přehřátí. V budoucnu bude model vylepšen tak, aby zahrnoval historii napětí drátu SMA, čímž se stane vhodnějším pro inženýrské aplikace. Grafy výstupní síly pohonu a teploty SMA získané z bloku Simulink jsou v rámci povolených tolerancí experimentálních dat za podmínky vstupního napěťového impulsu 7 V. To potvrzuje správnost a spolehlivost vyvinutého matematického modelu.
Matematický model byl vyvinut v prostředí MathWorks Simulink R2020b s využitím základních rovnic popsaných v sekci Metody. Na obr. 3b je znázorněno blokové schéma matematického modelu Simulink. Model byl simulován pro vstupní napěťový impuls 7V, jak je znázorněno na obr. 2a, b. Hodnoty parametrů použitých při simulaci jsou uvedeny v tabulce 1. Výsledky simulace přechodových procesů jsou prezentovány na obrázcích 1 a 1. Obrázky 3a a 4. Na obr. 4a, b je znázorněno indukované napětí v vodiči SMA a síla generovaná aktuátorem jako funkce času. Během reverzní transformace (ohřevu), když je teplota drátu SMA \(T < A_s^{\prime}\) (počáteční teplota fáze modifikovaného austenitu v napětí), bude rychlost změny objemového podílu martenzitu (\(\dot{\xi }\)) nulová. Během reverzní transformace (ohřevu), když je teplota drátu SMA \(T < A_s^{\prime}\) (počáteční teplota fáze modifikovaného austenitu v napětí), bude rychlost změny objemového podílu martenzitu (\(\dot{\xi }\)) nulová. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{теЇепра}\) аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения обтъемнитрой (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Během zpětné transformace (ohřevu), když je teplota drátu SMA \(T < A_s^{\prime}\) (teplota nástupu austenitu modifikovaného napětím), bude rychlost změny objemového podílu martenzitu (\(\dot{\ xi }\ )) nulová.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)\dot\{\)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 \(T < A_s^{\prime}\) (тедоранпе аустенитной фазы с поправкой на напряжение) скорость изменения объемсной \ долетинм }\)) будет равно нулю. Během zpětné transformace (ohřevu) při teplotě SMA drátu \(T < A_s^{\prime}\) (teplota nukleace austenitické fáze, korigovaná na napětí) bude rychlost změny objemového podílu martenzitu (\( \dot{\ xi }\)) rovna nule.Rychlost změny napětí (\(\dot{\sigma}\)) bude tedy záviset na rychlosti deformace (\(\dot{\epsilon}\)) a teplotním gradientu (\(\dot{T} \)) pouze s použitím rovnice (1). Jakmile se však SMA vodič zahřeje a protne (\(A_s^{\prime}\)), začne se tvořit austenitická fáze a (\(\dot{\xi}\)) je brána jako daná hodnota rovnice (3). Rychlost změny napětí (\(\dot{\sigma}\)) je proto společně řízena \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) a \(\dot{\xi}\) a bude rovna hodnotě uvedené ve vzorci (1). To vysvětluje změny gradientu pozorované v časově proměnných mapách napětí a síly během ohřevného cyklu, jak je znázorněno na obr. 4a, b.
(a) Výsledek simulace znázorňující rozložení teploty a teplotu spoje vyvolanou napětím v aktuátoru na bázi SMA s dvojvalerátem. Když teplota drátu překročí teplotu austenitického přechodu ve fázi ohřevu, teplota modifikovaného austenitického přechodu se začne zvyšovat, a podobně, když teplota válcovaného drátu překročí teplotu martenzitického přechodu ve fázi chlazení, teplota martenzitického přechodu klesá. SMA pro analytické modelování procesu aktuace. (Podrobný pohled na každý subsystém modelu Simulink naleznete v dodatku doplňkového souboru.)
Výsledky analýzy pro různá rozdělení parametrů jsou zobrazeny pro dva cykly vstupního napětí 7 V (10sekundové cykly zahřívání a 15sekundové cykly ochlazování). Zatímco (ac) a (e) znázorňují rozdělení v čase, (d) a (f) ilustrují rozdělení s teplotou. Pro příslušné vstupní podmínky je maximální pozorované napětí 106 MPa (méně než 345 MPa, mez kluzu drátu), síla je 150 N, maximální posunutí je 270 µm a minimální objemový podíl martenzitu je 0,91. Na druhou stranu, změna napětí a změna objemového podílu martenzitu s teplotou jsou podobné hysterezním charakteristikám.
Stejné vysvětlení platí pro přímou transformaci (ochlazování) z austenitové fáze do martenzitické fáze, kde je teplota drátu s povrchovou úpravou (SMA) a koncová teplota martenzitické fáze modifikované napětím (M_f^{\prime}) vynikající. Na obr. 4d,f je znázorněna změna indukovaného napětí (sigma) a objemového podílu martenzitu (xi) v drátu s povrchovou úpravou jako funkce změny teploty drátu s povrchovou úpravou (T) pro oba hnací cykly. Na obr. 3a je znázorněna změna teploty drátu s povrchovou úpravou v čase v závislosti na vstupním napěťovém impulsu. Jak je z obrázku patrné, teplota drátu se nadále zvyšuje zajištěním zdroje tepla při nulovém napětí a následným konvekčním ochlazováním. Během ohřevu začíná retransformace martenzitu na austenitickou fázi, když teplota drátu s povrchovou úpravou (SMA) (T) překročí teplotu nukleace austenitu korigovanou na napětí (\(A_s^{\prime}\)). Během této fáze je drát s povrchovou úpravou stlačen a aktuátor generuje sílu. Také během chlazení, když teplota drátu s povrchovou úpravou (SMA) (T) překročí teplotu nukleace martenzitické fáze modifikované napětím (\(M_s^{\prime}\)), dochází k pozitivnímu přechodu z austenitické fáze do martenzitické fáze. Hnací síla se snižuje.
Hlavní kvalitativní aspekty bimodálního pohonu založeného na SMA lze získat z výsledků simulace. V případě napěťového impulsního vstupu se teplota drátu SMA zvyšuje v důsledku Jouleova ohřevného efektu. Počáteční hodnota objemového podílu martenzitu (\(\xi\)) je nastavena na 1, protože materiál je zpočátku v plně martenzitické fázi. Jak se drát dále zahřívá, teplota drátu SMA překračuje teplotu nukleace austenitu korigovanou na napětí \(A_s^{\prime}\), což má za následek pokles objemového podílu martenzitu, jak je znázorněno na obrázku 4c. Kromě toho je na obr. 4e znázorněno rozložení zdvihů aktuátoru v čase a na obr. 5 hnací síla jako funkce času. Související systém rovnic zahrnuje teplotu, objemový podíl martenzitu a napětí, které se vyvíjí v drátu, což vede ke smrštění drátu SMA a síle generované aktuátorem. Jak je znázorněno na obr. 4d,f, změna napětí s teplotou a změna objemového podílu martenzitu s teplotou odpovídají hysterezním charakteristikám SMA v simulovaném případě při 7 V.
Porovnání parametrů řízení bylo získáno pomocí experimentů a analytických výpočtů. Dráty byly vystaveny pulznímu vstupnímu napětí 7 V po dobu 10 sekund, poté byly ochlazovány po dobu 15 sekund (fáze ochlazování) ve dvou cyklech. Úhel zpeřenosti je nastaven na \(40^{\circ}\) a počáteční délka drátu SMA v každém jednotlivém pinu je nastavena na 83 mm. (a) Měření hnací síly pomocí siloměru (b) Monitorování teploty drátu termokamerou.
Abychom pochopili vliv fyzikálních parametrů na sílu vytvářenou pohonem, byla provedena analýza citlivosti matematického modelu na vybrané fyzikální parametry a parametry byly seřazeny podle jejich vlivu. Nejprve byl proveden výběr parametrů modelu s využitím principů experimentálního návrhu, které se řídily rovnoměrným rozdělením (viz doplňková část o analýze citlivosti). V tomto případě parametry modelu zahrnují vstupní napětí (V_{in}\)), počáteční délku drátu SMA (\(l_0\)), úhel trojúhelníku (\alfa\)), konstantu předpínací pružiny (\(K_x\)), koeficient konvekčního přenosu tepla (\(h_T\)) a počet unimodálních větví (n). V dalším kroku byla jako požadavek na návrh studie zvolena maximální svalová síla a byly získány parametrické vlivy každé sady proměnných na sílu. Tornádo grafy pro analýzu citlivosti byly odvozeny z korelačních koeficientů pro každý parametr, jak je znázorněno na obr. 6a.
(a) Hodnoty korelačních koeficientů modelových parametrů a jejich vliv na maximální výstupní sílu 2500 unikátních skupin výše uvedených modelových parametrů jsou znázorněny v grafu tornáda. Graf ukazuje pořadovou korelaci několika indikátorů. Je zřejmé, že \(V_{in}\)\ je jediný parametr s pozitivní korelací a \(l_0\)\ je parametr s nejvyšší negativní korelací. Vliv různých parametrů v různých kombinacích na maximální svalovou sílu je znázorněn v (b, c). \(K_x\)\ se pohybuje od 400 do 800 N/m a n\ se pohybuje od 4 do 24. Napětí (\(V_{in}\)\) se měnilo od 4V do 10V, délka drátu (\(l_{0}\)\) se měnila od 40 do 100 mm a úhel ocasu (\(\alpha\)\) se měnil od \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Na obr. 6a je znázorněn tornádový graf různých korelačních koeficientů pro každý parametr s požadavky na návrh maximální hnací síly. Z obr. 6a je patrné, že parametr napětí (V_{in}\) přímo souvisí s maximální výstupní silou a koeficient konvekčního přenosu tepla (h_T\)), úhel plamene (alpha\) a konstanta pružiny (K_x\) negativně korelují s výstupní silou a počáteční délkou (l_0\)) drátu SMA a počet unimodálních větví (n) vykazuje silnou inverzní korelaci. V případě přímé korelace vyšší hodnota koeficientu korelace napětí (V_{in}\)) ukazuje, že tento parametr má největší vliv na výstupní výkon. Další podobná analýza měří špičkovou sílu vyhodnocením vlivu různých parametrů v různých kombinacích dvou výpočetních prostorů, jak je znázorněno na obr. 6b, c. V_{in}\) a l_0\), alfa\) a l_0\) mají podobné vzorce a graf ukazuje, že V_{in}\) a alfa\) a alfa\) mají podobné vzorce. Menší hodnoty l_0\) vedou k vyšším špičkovým silám. Další dva grafy jsou v souladu s Obrázkem 6a, kde n a K_x\) jsou negativně korelovány a V_{in}\) jsou pozitivně korelovány. Tato analýza pomáhá definovat a upravit ovlivňující parametry, kterými lze výstupní sílu, zdvih a účinnost pohonného systému přizpůsobit požadavkům a aplikaci.
Současný výzkum představuje a zkoumá hierarchické pohony s N úrovněmi. V dvouúrovňové hierarchii, jak je znázorněno na obr. 7a, kde místo každého vodiče SMA první úrovně aktuátoru je dosaženo bimodálního uspořádání, jak je znázorněno na obr. 9e. Na obr. 7c je znázorněno, jak je vodič SMA navinut kolem pohyblivého ramene (pomocného ramene), které se pohybuje pouze v podélném směru. Primární pohyblivé rameno se však nadále pohybuje stejným způsobem jako pohyblivé rameno vícestupňového aktuátoru 1. stupně. Typicky se N-stupňový pohon vytváří nahrazením vodiče SMA stupně \(N-1\) pohonem prvního stupně. V důsledku toho každá větev napodobuje pohon prvního stupně, s výjimkou větve, která drží samotný vodič. Tímto způsobem lze vytvořit vnořené struktury, které vytvářejí síly, které jsou několikanásobně větší než síly primárních pohonů. V této studii byla pro každou úroveň zohledněna celková efektivní délka vodiče SMA 1 m, jak je znázorněno v tabulkové formě na obr. 7d. Proud procházející každým drátem v každém unimodálním návrhu a výsledné předpětí a napětí v každém segmentu drátu SMA jsou na každé úrovni stejné. Podle našeho analytického modelu je výstupní síla pozitivně korelována s úrovní, zatímco posunutí je negativně korelováno. Zároveň existoval kompromis mezi posunutím a silou svalu. Jak je vidět na obr. 7b, zatímco maximální síly je dosaženo v největším počtu vrstev, největší posunutí je pozorováno v nejnižší vrstvě. Když byla úroveň hierarchie nastavena na \(N=5\), byla zjištěna maximální síla svalu 2,58 kN při 2 pozorovaných zdvihech \(\upmu\)m. Na druhou stranu, pohon prvního stupně generuje sílu 150 N při zdvihu 277 \(\upmu\)m. Víceúrovňové aktuátory jsou schopny napodobit skutečné biologické svaly, zatímco umělé svaly založené na slitinách s tvarovou pamětí jsou schopny generovat výrazně vyšší síly s přesnými a jemnějšími pohyby. Omezení tohoto miniaturizovaného návrhu spočívají v tom, že s rostoucí hierarchií se pohyb výrazně snižuje a zvyšuje se složitost výrobního procesu pohonu.
(a) Je znázorněn dvoustupňový (\(N=2\)) vrstvený lineární aktuátor ze slitiny s tvarovou pamětí v bimodální konfiguraci. Navrhovaný model je dosažen nahrazením drátu SMA v prvním stupni vrstveného aktuátoru jiným jednostupňovým vrstveným aktuátorem. (c) Deformovaná konfigurace vícevrstvého aktuátoru druhého stupně. (b) Je popsáno rozložení sil a posunů v závislosti na počtu úrovní. Bylo zjištěno, že špičková síla aktuátoru pozitivně koreluje s úrovní stupnice na grafu, zatímco zdvih negativně koreluje s úrovní stupnice. Proud a předpětí v každém vodiči zůstávají na všech úrovních konstantní. (d) Tabulka ukazuje počet odboček a délku drátu SMA (vlákna) na každé úrovni. Charakteristiky vodičů jsou označeny indexem 1 a počet sekundárních větví (jedna připojená k primární větvi) je označen největším číslem v dolním indexu. Například na úrovni 5 se \(n_1\) vztahuje k počtu SMA vodičů přítomných v každé bimodální struktuře a \(n_5\) se vztahuje k počtu pomocných větví (jedna připojená k hlavní větvi).
Mnoho výzkumníků navrhlo různé metody pro modelování chování SMA materiálů s tvarovou pamětí, které závisí na termomechanických vlastnostech doprovázejících makroskopické změny v krystalové struktuře spojené s fázovým přechodem. Formulace konstitutivních metod je ze své podstaty složitá. Nejčastěji používaný fenomenologický model navrhl Tanaka28 a je široce používán v inženýrských aplikacích. Fenomenologický model navržený Tanakou [28] předpokládá, že objemový podíl martenzitu je exponenciální funkcí teploty a napětí. Později Liang a Rogers29 a Brinson30 navrhli model, ve kterém se dynamika fázového přechodu předpokládala jako kosinová funkce napětí a teploty, s drobnými úpravami modelu. Becker a Brinson navrhli kinetický model založený na fázovém diagramu pro modelování chování SMA materiálů za libovolných podmínek zatížení i při částečných přechodech. Banerjee32 používá metodu dynamiky fázového diagramu Bekkera a Brinsona31 k simulaci manipulátoru s jedním stupněm volnosti vyvinutého Elahiniou a Ahmadianem33. Kinetické metody založené na fázových diagramech, které zohledňují nemonotónní změnu napětí s teplotou, je obtížné implementovat v inženýrských aplikacích. Elakhinia a Ahmadian upozorňují na tyto nedostatky stávajících fenomenologických modelů a navrhují rozšířený fenomenologický model pro analýzu a definování chování tvarové paměti za jakýchkoli složitých podmínek zatížení.
Strukturní model drátu SMA udává napětí (\(\sigma\)), deformaci (\(\epsilon\)), teplotu (T) a objemový podíl martenzitu (\(\xi\)) drátu SMA. Fenomenologický konstitutivní model poprvé navrhl Tanaka28 a později jej přijali Liang29 a Brinson30. Derivace rovnice má tvar:
kde E je fázově závislý Youngův modul pružnosti v SMA získaný pomocí \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) a \(E_A\) a \(E_M\) představující Youngův modul jsou austenitické a martenzitické fáze a koeficient tepelné roztažnosti je reprezentován \(\theta _T\). Faktor příspěvku fázového přechodu je \(\Omega = -E \epsilon _L\) a \(\epsilon _L\) je maximální obnovitelné napětí v SMA drátu.
Rovnice fázové dynamiky se shoduje s kosinovou funkcí vyvinutou Liangem29 a později přijatou Brinsonem30 namísto exponenciální funkce navržené Tanakou28. Model fázového přechodu je rozšířením modelu navrženého Elakhiniou a Ahmadianem34 a upraveného na základě podmínek fázového přechodu daných Liangem29 a Brinsonem30. Podmínky použité pro tento model fázového přechodu platí pro komplexní termomechanické zatížení. V každém časovém okamžiku se při modelování konstitutivní rovnice vypočítá hodnota objemového podílu martenzitu.
Řídící retransformační rovnice, vyjádřená transformací martenzitu na austenit za tepla, je následující:
kde \(\xi\) je objemový podíl martenzitu, \(\xi _M\) je objemový podíl martenzitu získaného před ohřevem, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) a \(C_A\) – parametry aproximace křivky, T – teplota drátu SMA, \(A_s\) a \(A_f\) – teplota začátku a konce austenitické fáze.
Rovnice řízení přímé transformace, reprezentovaná fázovou transformací austenitu na martenzit za podmínek ochlazování, je:
kde \(\xi _A\) je objemový podíl martenzitu získaného před ochlazením, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) a \ ( C_M \) – parametry fitování křivky, T – teplota drátu SMA, \(M_s\) a \(M_f\) – počáteční a konečná teplota martenzitu.
Po derivování rovnic (3) a (4) se inverzní a přímočará transformační rovnice zjednoduší do následujícího tvaru:
Během dopředné a zpětné transformace nabývají \(\eta_{\sigma}\) a \(\eta_{T}\) různých hodnot. Základní rovnice spojené s \(\eta_{\sigma}\) a \(\eta_{T}\) byly odvozeny a podrobně diskutovány v další části.
Tepelná energie potřebná ke zvýšení teploty drátu SMA pochází z Jouleova topného jevu. Tepelná energie absorbovaná nebo uvolněná drátem SMA je reprezentována latentním teplem přeměny. Tepelné ztráty v drátu SMA jsou způsobeny nucenou konvekcí a vzhledem k zanedbatelnému vlivu sálání je rovnice bilance tepelné energie následující:
Kde \(m_{wire}\) je celková hmotnost drátu s povrchovou úpravou SMA, \(c_{p}\) je měrná tepelná kapacita drátu s povrchovou úpravou SMA, \(V_{in}\) je napětí aplikované na drát, \(R_{ohm} \) – fázově závislý odpor drátu s povrchovou úpravou SMA, definovaný jako; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) kde \(r_M\) a \(r_A\) jsou fázové rezistivity drátu s povrchovou úpravou SMA v martenzitu a austenitu, \(A_{c}\) je povrch drátu s povrchovou pamětí SMA, \(ΔH \) je slitina s tvarovou pamětí. Skupenské teplo přechodu drátu, T a \(T_{\infty}\) jsou teploty drátu s povrchovou úpravou SMA a okolí.
Když je drát ze slitiny s tvarovou pamětí aktivován, drát se stlačí a v každé větvi bimodální konstrukce vytvoří sílu nazývanou vláknová síla. Síly vláken v každém pramenu drátu SMA společně vytvářejí svalovou sílu pro aktivaci, jak je znázorněno na obr. 9e. Vzhledem k přítomnosti předpínací pružiny je celková svalová síla N-tého vícevrstvého aktuátoru:
Dosazením \(N = 1\) do rovnice (7) lze svalovou sílu prototypu bimodálního pohonu prvního stupně získat následovně:
kde n je počet unimodálních větví, \(F_m\) je svalová síla generovaná pohonem, \​​(F_f\) je pevnost vlákna v SMA drátu, \(K_x\) je tuhost předpínací pružiny, \(\alpha\) je úhel trojúhelníku, \(x_0\) je počáteční posun předpínací pružiny pro držení SMA kabelu v předpjaté poloze a \(\Delta x\) je dráha aktuátoru.
Celkový posun nebo pohyb pohonu (Δx) v závislosti na napětí (sigma) a deformaci (epsilon) na vodiči SMA N-tého stupně, na který je pohon nastaven (viz obr. doplňková část výstupu):
Kinematické rovnice udávají vztah mezi deformací pohonu (ε) a posunutím nebo posunutím (Δx). Deformace drátu Arb jako funkce počáteční délky drátu Arb (l_0) a délky drátu (l) v libovolném čase t v jedné unimodální větvi je následující:
kde (l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) se získá aplikací kosinového vzorce v \(\Delta\)ABB ', jak je znázorněno na obrázku 8. Pro první stupeň pohonu (\(N = 1\)) je \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) a \(\alpha _1\) je \(\alpha \), jak je znázorněno na obrázku 8, derivováním času z rovnice (11) a dosazením hodnoty l lze rychlost deformace zapsat jako:
kde Δx je počáteční délka drátu SMA, l je délka drátu v libovolném čase t v jedné unimodální větvi, ε je deformace vyvinutá v drátu SMA a α je úhel trojúhelníku a Δx je posun pohonu (jak je znázorněno na obrázku 8).
Všech n jednovrcholových struktur (n=6 na tomto obrázku) je zapojeno sériově se vstupním napětím V_{in}. Fáze I: Schéma zapojení SMA vodiče v bimodální konfiguraci za podmínek nulového napětí. Fáze II: Je znázorněna řízená struktura, kde je SMA vodič stlačen v důsledku inverzní konverze, jak je znázorněno červenou čarou.
Jako důkaz konceptu byl vyvinut bimodální pohon založený na SMA pro testování simulovaného odvození podkladových rovnic s experimentálními výsledky. CAD model bimodálního lineárního aktuátoru je znázorněn na obr. 9a. Na druhé straně, na obr. 9c je znázorněn nový návrh navržený pro rotační prizmatické spojení s použitím dvourovinného aktuátoru založeného na SMA s bimodální strukturou. Komponenty pohonu byly vyrobeny pomocí aditivní výroby na 3D tiskárně Ultimaker 3 Extended. Materiál použitý pro 3D tisk komponent je polykarbonát, který je vhodný pro tepelně odolné materiály, protože je pevný, odolný a má vysokou teplotu skelného přechodu (110-113 °C). Kromě toho byl v experimentech použit drát z tvarově paměťové slitiny Flexinol od společnosti Dynalloy, Inc. a v simulacích byly použity materiálové vlastnosti odpovídající drátu Flexinol. Více drátů SMA je uspořádáno jako vlákna přítomná v bimodálním uspořádání svalů pro dosažení vysokých sil produkovaných vícevrstvými aktuátory, jak je znázorněno na obr. 9b, d.
Jak je znázorněno na obrázku 9a, ostrý úhel, který svírá pohyblivé rameno drátu SMA, se nazývá úhel (α). Pomocí svorkovnic připevněných k levé a pravé svorce je drát SMA držen v požadovaném bimodálním úhlu. Zařízení předpínací pružiny připevněné k pružinovému konektoru je navrženo tak, aby nastavovalo různé skupiny prodloužení předpínací pružiny podle počtu (n) vláken SMA. Umístění pohyblivých částí je navíc navrženo tak, aby byl drát SMA vystaven vnějšímu prostředí pro nucené konvekční chlazení. Horní a spodní deska odnímatelné sestavy pomáhají udržovat drát SMA chladný pomocí extrudovaných výřezů určených ke snížení hmotnosti. Kromě toho jsou oba konce drátu CMA upevněny k levé a pravé svorce pomocí krimpovacího prstence. K jednomu konci pohyblivé sestavy je připevněn píst, který udržuje vůli mezi horní a spodní deskou. Píst se také používá k aplikaci blokovací síly na senzor prostřednictvím kontaktu pro měření blokovací síly při aktivaci drátu SMA.
Bimodální svalová struktura SMA je elektricky zapojena sériově a napájena vstupním pulzním napětím. Během cyklu napěťových pulzů, když je přivedeno napětí a drát SMA se zahřeje nad počáteční teplotu austenitu, se délka drátu v každém prameni zkrátí. Toto zatažení aktivuje podsestavu pohyblivého ramene. Když bylo napětí ve stejném cyklu vynulováno, zahřátý drát SMA se ochladil pod teplotu povrchu martenzitu, čímž se vrátil do své původní polohy. Za podmínek nulového napětí je drát SMA nejprve pasivně natažen předpínací pružinou, aby dosáhl rozdvojeného martenzitického stavu. Šroub, kterým drát SMA prochází, se pohybuje v důsledku stlačení vytvořeného přivedením napěťového pulzu na drát SMA (SPA dosáhne austenitové fáze), což vede k aktivaci pohyblivé páky. Když je drát SMA zatažen, předpínací pružina vytváří opačnou sílu dalším natažením pružiny. Když se napětí v pulzním napětí stane nulovým, drát SMA se prodlužuje a mění svůj tvar v důsledku nuceného konvekčního chlazení, čímž dosahuje dvojité martenzitické fáze.
Navrhovaný lineární aktuátorový systém založený na SMA má bimodální konfiguraci, ve které jsou dráty SMA natočeny pod úhlem. (a) znázorňuje CAD model prototypu, který zmiňuje některé komponenty a jejich význam pro prototyp, (b, d) představují vyvinutý experimentální prototyp35. Zatímco (b) ukazuje pohled shora na prototyp s použitými elektrickými připojeními a předpínacími pružinami a tenzometry, (d) ukazuje perspektivní pohled na sestavu. (e) Schéma lineárního aktuátorového systému s dráty SMA umístěnými bimodálně v libovolném čase t, znázorňující směr a průběh vlákna a sílu svalu. (c) Pro rozvinutí dvourovinného aktuátoru založeného na SMA bylo navrženo rotační prizmatické spojení se 2 stupni volnosti. Jak je znázorněno, spojení přenáší lineární pohyb ze spodního pohonu na horní rameno a vytváří tak rotační spojení. Na druhou stranu je pohyb dvojice prizmatů stejný jako pohyb vícevrstvého pohonu prvního stupně.
Na prototypu zobrazeném na obr. 9b byla provedena experimentální studie za účelem vyhodnocení výkonu bimodálního pohonu založeného na SMA. Jak je znázorněno na obrázku 10a, experimentální uspořádání sestávalo z programovatelného stejnosměrného zdroje napájení pro napájení vodičů SMA. Jak je znázorněno na obr. 10b, k měření blokovací síly pomocí datového záznamníku Graphtec GL-2000 byl použit piezoelektrický tenzometr (PACEline CFT/5kN). Data jsou zaznamenávána hostitelským zařízením pro další studium. Tenzometry a zesilovače náboje vyžadují pro generování napěťového signálu konstantní napájení. Odpovídající signály jsou převedeny na výkonové výstupy podle citlivosti piezoelektrického senzoru síly a dalších parametrů, jak je popsáno v tabulce 2. Při aplikaci napěťového impulsu se teplota vodiče SMA zvyšuje, což způsobuje jeho stlačení, což způsobuje, že aktuátor generuje sílu. Experimentální výsledky výstupu svalové síly vstupním napěťovým impulsem 7 V jsou znázorněny na obr. 2a.
(a) V experimentu byl použit lineární aktuátor založený na SMA pro měření síly generované aktuátorem. Snímač síly měří blokovací sílu a je napájen zdrojem stejnosměrného napětí 24 V. Po celé délce kabelu byl pomocí programovatelného stejnosměrného zdroje GW Instek aplikován úbytek napětí 7 V. Drát SMA se vlivem tepla smršťuje a pohyblivé rameno se dotýká snímače síly a vyvíjí blokovací sílu. Snímač síly je připojen k datovému záznamníku GL-2000 a data jsou uložena na hostitelském počítači pro další zpracování. (b) Schéma znázorňující řetězec komponent experimentálního uspořádání pro měření svalové síly.
Slitiny s tvarovou pamětí jsou buzeny tepelnou energií, takže teplota se stává důležitým parametrem pro studium jevu tvarové paměti. Experimentálně, jak je znázorněno na obr. 11a, bylo provedeno termovizní a teplotní měření na prototypu divalerátového aktuátoru na bázi SMA. Programovatelný zdroj stejnosměrného proudu přivedl vstupní napětí na vodiče SMA v experimentálním uspořádání, jak je znázorněno na obrázku 11b. Změna teploty vodiče SMA byla měřena v reálném čase pomocí LWIR kamery s vysokým rozlišením (FLIR A655sc). Hostitelský systém používá software ResearchIR k záznamu dat pro další postprocessing. Po aplikaci napěťového impulsu se teplota vodiče SMA zvýší, což způsobí jeho smrštění. Na obr. 2b jsou znázorněny experimentální výsledky teploty vodiče SMA v závislosti na čase pro vstupní napěťový impuls 7V.