Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το Nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη CSS. Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη Λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Εν τω μεταξύ, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, θα αποδώσουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Οι ενεργοποιητές χρησιμοποιούνται παντού και δημιουργούν ελεγχόμενη κίνηση εφαρμόζοντας τη σωστή δύναμη διέγερσης ή ροπή για την εκτέλεση διαφόρων λειτουργιών στον αυτοματισμό της κατασκευής και της βιομηχανίας. Η ανάγκη για ταχύτερους, μικρότερους και πιο αποτελεσματικούς κινητήριους μηχανισμούς οδηγεί την καινοτομία στον σχεδιασμό κινητήριων μηχανισμών. Οι κινητήρες από κράμα μνήμης σχήματος (SMA) προσφέρουν μια σειρά από πλεονεκτήματα σε σχέση με τους συμβατικούς κινητήρες, συμπεριλαμβανομένης μιας υψηλής αναλογίας ισχύος προς βάρος. Σε αυτή τη διατριβή, αναπτύχθηκε ένας ενεργοποιητής με δύο φτερά που βασίζεται σε SMA και συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των φτερωτών μυών των βιολογικών συστημάτων και τις μοναδικές ιδιότητες των SMA. Αυτή η μελέτη διερευνά και επεκτείνει προηγούμενους ενεργοποιητές SMA αναπτύσσοντας ένα μαθηματικό μοντέλο του νέου ενεργοποιητή με βάση τη διτροπική διάταξη καλωδίων SMA και δοκιμάζοντάς το πειραματικά. Σε σύγκριση με γνωστούς κινητήρες που βασίζονται σε SMA, η δύναμη ενεργοποίησης του νέου κινητήρα είναι τουλάχιστον 5 φορές υψηλότερη (έως 150 N). Η αντίστοιχη απώλεια βάρους είναι περίπου 67%. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας των μαθηματικών μοντέλων είναι χρήσιμα για τον συντονισμό των παραμέτρων σχεδιασμού και την κατανόηση βασικών παραμέτρων. Αυτή η μελέτη παρουσιάζει περαιτέρω έναν πολυεπίπεδο N-οστό στάδιο κίνησης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την περαιτέρω βελτίωση της δυναμικής. Οι ενεργοποιητές μυών με βάση το διβαλερικό άλας (SMA) έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από τον αυτοματισμό κτιρίων έως τα συστήματα χορήγησης φαρμάκων ακριβείας.
Τα βιολογικά συστήματα, όπως οι μυϊκές δομές των θηλαστικών, μπορούν να ενεργοποιήσουν πολλούς ανεπαίσθητους ενεργοποιητές1. Τα θηλαστικά έχουν διαφορετικές μυϊκές δομές, καθεμία από τις οποίες εξυπηρετεί έναν συγκεκριμένο σκοπό. Ωστόσο, μεγάλο μέρος της δομής του μυϊκού ιστού των θηλαστικών μπορεί να χωριστεί σε δύο ευρείες κατηγορίες: Παράλληλες και πτερυγωτές. Στους οπίσθιους μηριαίους και σε άλλους καμπτήρες, όπως υποδηλώνει το όνομα, οι παράλληλες μυϊκές ίνες έχουν μυϊκές ίνες παράλληλες με τον κεντρικό τένοντα. Η αλυσίδα των μυϊκών ινών είναι ευθυγραμμισμένη και λειτουργικά συνδεδεμένη με τον συνδετικό ιστό γύρω τους. Αν και αυτοί οι μύες λέγεται ότι έχουν μεγάλη εκτροπή (ποσοστιαία βράχυνση), η συνολική μυϊκή τους δύναμη είναι πολύ περιορισμένη. Αντίθετα, στον τρικέφαλο μυ της γάμπας2 (πλάγιος γαστροκνήμιος (GL)3, έσω γαστροκνήμιος (GM)4 και υποκνημίδιος (SOL)) και στον εκτείνοντα μηριαίο (τετράκεφος)5,6, ο πτερυγωτός μυϊκός ιστός βρίσκεται σε κάθε μυ7. Σε μια πτερυγωτή δομή, οι μυϊκές ίνες στο δίπτερο μυϊκό σύστημα υπάρχουν και στις δύο πλευρές του κεντρικού τένοντα σε λοξές γωνίες (πτερυγωτές γωνίες). Η λέξη πτερνοειδής προέρχεται από τη λατινική λέξη «penna», που σημαίνει «στυλό», και, όπως φαίνεται στο σχήμα 1, έχει εμφάνιση που μοιάζει με φτερό. Οι ίνες των πτερνοειδών μυών είναι κοντύτερες και έχουν γωνία ως προς τον διαμήκη άξονα του μυός. Λόγω της πτερνοειδούς δομής, η συνολική κινητικότητα αυτών των μυών μειώνεται, γεγονός που οδηγεί στις εγκάρσιες και διαμήκεις συνιστώσες της διαδικασίας βράχυνσης. Από την άλλη πλευρά, η ενεργοποίηση αυτών των μυών οδηγεί σε υψηλότερη συνολική μυϊκή δύναμη λόγω του τρόπου μέτρησης της φυσιολογικής διατομής. Επομένως, για μια δεδομένη διατομή, οι πτερνοφόροι μύες θα είναι ισχυρότεροι και θα παράγουν υψηλότερες δυνάμεις από τους μύες με παράλληλες ίνες. Οι δυνάμεις που παράγονται από μεμονωμένες ίνες παράγουν μυϊκές δυνάμεις σε μακροσκοπικό επίπεδο σε αυτόν τον μυϊκό ιστό. Επιπλέον, έχει μοναδικές ιδιότητες όπως γρήγορη συρρίκνωση, προστασία από εφελκυστική βλάβη, απορρόφηση κραδασμών. Μετασχηματίζει τη σχέση μεταξύ εισόδου ινών και εξόδου μυϊκής ισχύος, εκμεταλλευόμενο τα μοναδικά χαρακτηριστικά και τη γεωμετρική πολυπλοκότητα της διάταξης των ινών που σχετίζεται με τις γραμμές δράσης των μυών.
Παρουσιάζονται σχηματικά διαγράμματα υπαρχόντων σχεδίων ενεργοποιητών που βασίζονται σε SMA σε σχέση με μια διτροπική μυϊκή αρχιτεκτονική, για παράδειγμα (α), που αναπαριστά την αλληλεπίδραση της απτικής δύναμης στην οποία μια χειροκίνητη συσκευή που ενεργοποιείται από σύρματα SMA είναι τοποθετημένη σε ένα δίτροχο αυτόνομο κινητό ρομπότ9,10. , (β) Ρομποτική τροχιακή πρόθεση με ανταγωνιστικά τοποθετημένη τροχιακή πρόθεση SMA με ελατήριο. Η θέση του προσθετικού οφθαλμού ελέγχεται από ένα σήμα από τον οφθαλμικό μυ του οφθαλμού11, (γ) Οι ενεργοποιητές SMA είναι ιδανικοί για υποβρύχιες εφαρμογές λόγω της υψηλής συχνότητας απόκρισης και του χαμηλού εύρους ζώνης. Σε αυτή τη διαμόρφωση, οι ενεργοποιητές SMA χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία κυματικής κίνησης προσομοιώνοντας την κίνηση των ψαριών, (δ) Οι ενεργοποιητές SMA χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ενός ρομπότ επιθεώρησης μικροσωλήνων που μπορεί να χρησιμοποιήσει την αρχή της κίνησης τύπου σκουληκιού ίντσας, που ελέγχεται από την κίνηση των συρμάτων SMA μέσα στο κανάλι 10, (ε) δείχνει την κατεύθυνση της συστολής των μυϊκών ινών και την παραγωγή συσταλτικής δύναμης στον ιστό του γαστροκνήμιου, (στ) δείχνει σύρματα SMA διατεταγμένα με τη μορφή μυϊκών ινών στη δομή του πτερυγίου μυός.
Οι ενεργοποιητές έχουν γίνει ένα σημαντικό μέρος των μηχανικών συστημάτων λόγω του ευρέος φάσματος εφαρμογών τους. Επομένως, η ανάγκη για μικρότερες, ταχύτερες και πιο αποτελεσματικές κινήσεις καθίσταται κρίσιμη. Παρά τα πλεονεκτήματά τους, οι παραδοσιακές κινήσεις έχουν αποδειχθεί ακριβές και χρονοβόρες στη συντήρηση. Οι υδραυλικοί και πνευματικοί ενεργοποιητές είναι πολύπλοκοι και ακριβοί και υπόκεινται σε φθορά, προβλήματα λίπανσης και αστοχία εξαρτημάτων. Ανταποκρινόμενοι στη ζήτηση, η εστίαση είναι στην ανάπτυξη οικονομικά αποδοτικών, βελτιστοποιημένων ως προς το μέγεθος και προηγμένων ενεργοποιητών που βασίζονται σε έξυπνα υλικά. Η τρέχουσα έρευνα εξετάζει τους ενεργοποιητές με στρώσεις από κράμα μνήμης σχήματος (SMA) για να καλύψει αυτήν την ανάγκη. Οι ιεραρχικοί ενεργοποιητές είναι μοναδικοί στο ότι συνδυάζουν πολλούς διακριτούς ενεργοποιητές σε γεωμετρικά πολύπλοκα υποσυστήματα μακροκλίμακας για να παρέχουν αυξημένη και διευρυμένη λειτουργικότητα. Από αυτή την άποψη, ο ανθρώπινος μυϊκός ιστός που περιγράφεται παραπάνω παρέχει ένα εξαιρετικό πολυεπίπεδο παράδειγμα τέτοιας πολυεπίπεδης ενεργοποίησης. Η τρέχουσα μελέτη περιγράφει μια πολυεπίπεδη κίνηση SMA με πολλά μεμονωμένα στοιχεία κίνησης (σύρματα SMA) ευθυγραμμισμένα με τους προσανατολισμούς των ινών που υπάρχουν στους διτροπικούς μύες, γεγονός που βελτιώνει τη συνολική απόδοση της κίνησης.
Ο κύριος σκοπός ενός ενεργοποιητή είναι η παραγωγή μηχανικής ισχύος εξόδου, όπως δύναμη και μετατόπιση, μετατρέποντας ηλεκτρική ενέργεια. Τα κράματα μνήμης σχήματος είναι μια κατηγορία «έξυπνων» υλικών που μπορούν να αποκαταστήσουν το σχήμα τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Υπό υψηλά φορτία, η αύξηση της θερμοκρασίας του σύρματος SMA οδηγεί σε ανάκτηση σχήματος, με αποτέλεσμα υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας ενεργοποίησης σε σύγκριση με διάφορα άμεσα συνδεδεμένα έξυπνα υλικά. Ταυτόχρονα, υπό μηχανικά φορτία, τα SMA γίνονται εύθραυστα. Υπό ορισμένες συνθήκες, ένα κυκλικό φορτίο μπορεί να απορροφήσει και να απελευθερώσει μηχανική ενέργεια, παρουσιάζοντας αναστρέψιμες υστερητικές αλλαγές σχήματος. Αυτές οι μοναδικές ιδιότητες καθιστούν τα SMA ιδανικά για αισθητήρες, απόσβεση κραδασμών και ιδιαίτερα για ενεργοποιητές12. Έχοντας αυτό κατά νου, έχει γίνει πολλή έρευνα για τους κινητήρες που βασίζονται σε SMA. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι ενεργοποιητές που βασίζονται σε SMA έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν μεταφορική και περιστροφική κίνηση για μια ποικιλία εφαρμογών13,14,15. Παρόλο που έχουν αναπτυχθεί ορισμένοι περιστροφικοί ενεργοποιητές, οι ερευνητές ενδιαφέρονται ιδιαίτερα για τους γραμμικούς ενεργοποιητές. Αυτοί οι γραμμικοί ενεργοποιητές μπορούν να χωριστούν σε τρεις τύπους ενεργοποιητών: μονοδιάστατους, μετατοπιζόμενους και διαφορικούς ενεργοποιητές16. Αρχικά, οι υβριδικοί κινητήρες δημιουργήθηκαν σε συνδυασμό με SMA και άλλους συμβατικούς κινητήρες. Ένα τέτοιο παράδειγμα υβριδικού γραμμικού ενεργοποιητή που βασίζεται σε SMA είναι η χρήση ενός καλωδίου SMA με κινητήρα συνεχούς ρεύματος για την παροχή δύναμης εξόδου περίπου 100 N και σημαντικής μετατόπισης17.
Μία από τις πρώτες εξελίξεις σε συστήματα κίνησης που βασίζονται εξ ολοκλήρου σε SMA ήταν η παράλληλη κίνηση SMA. Χρησιμοποιώντας πολλαπλά καλώδια SMA, η παράλληλη κίνηση που βασίζεται σε SMA έχει σχεδιαστεί για να αυξάνει την ισχύ της κίνησης τοποθετώντας όλα τα καλώδια SMA18 παράλληλα. Η παράλληλη σύνδεση των ενεργοποιητών όχι μόνο απαιτεί περισσότερη ισχύ, αλλά περιορίζει και την ισχύ εξόδου ενός μόνο καλωδίου. Ένα άλλο μειονέκτημα των ενεργοποιητών που βασίζονται σε SMA είναι η περιορισμένη διαδρομή που μπορούν να επιτύχουν. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, δημιουργήθηκε μια δέσμη καλωδίου SMA που περιείχε μια εκτρεπόμενη εύκαμπτη δέσμη για την αύξηση της μετατόπισης και την επίτευξη γραμμικής κίνησης, αλλά δεν παρήγαγε υψηλότερες δυνάμεις19. Μαλακές παραμορφώσιμες δομές και υφάσματα για ρομπότ που βασίζονται σε κράματα μνήμης σχήματος έχουν αναπτυχθεί κυρίως για ενίσχυση κρούσης20,21,22. Για εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλές ταχύτητες, έχουν αναφερθεί συμπαγείς κινούμενες αντλίες που χρησιμοποιούν SMA λεπτής μεμβράνης για εφαρμογές που κινούνται με μικροαντλία23. Η συχνότητα κίνησης της μεμβράνης λεπτής μεμβράνης SMA είναι ένας βασικός παράγοντας για τον έλεγχο της ταχύτητας του μηχανισμού κίνησης. Επομένως, οι γραμμικοί κινητήρες SMA έχουν καλύτερη δυναμική απόκριση από τους κινητήρες ελατηρίου ή ράβδου SMA. Η μαλακή ρομποτική και η τεχνολογία πιασίματος είναι δύο άλλες εφαρμογές που χρησιμοποιούν ενεργοποιητές που βασίζονται σε SMA. Για παράδειγμα, για την αντικατάσταση του τυπικού ενεργοποιητή που χρησιμοποιείται στον σφιγκτήρα χώρου 25 N, αναπτύχθηκε ένας παράλληλος ενεργοποιητής 24 από κράμα μνήμης σχήματος. Σε μια άλλη περίπτωση, κατασκευάστηκε ένας μαλακός ενεργοποιητής SMA με βάση ένα σύρμα με ενσωματωμένο πίνακα ικανό να παράγει μέγιστη δύναμη έλξης 30 N. Λόγω των μηχανικών τους ιδιοτήτων, οι SMA χρησιμοποιούνται επίσης για την παραγωγή ενεργοποιητών που μιμούνται βιολογικά φαινόμενα. Μια τέτοια εξέλιξη περιλαμβάνει ένα ρομπότ 12 κυψελών που είναι βιομιμητικό ενός οργανισμού που μοιάζει με γαιοσκώληκα με SMA για να παράγει μια ημιτονοειδή κίνηση για να πυροδοτήσει26,27.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, υπάρχει ένα όριο στη μέγιστη δύναμη που μπορεί να επιτευχθεί από τους υπάρχοντες ενεργοποιητές που βασίζονται σε SMA. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, η παρούσα μελέτη παρουσιάζει μια βιομιμητική διτροπική μυϊκή δομή. Κινείται από σύρμα κράματος μνήμης σχήματος. Παρέχει ένα σύστημα ταξινόμησης που περιλαμβάνει πολλά σύρματα κράματος μνήμης σχήματος. Μέχρι σήμερα, δεν έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία ενεργοποιητές που βασίζονται σε SMA με παρόμοια αρχιτεκτονική. Αυτό το μοναδικό και καινοτόμο σύστημα που βασίζεται σε SMA αναπτύχθηκε για να μελετήσει τη συμπεριφορά της SMA κατά την διτροπική ευθυγράμμιση των μυών. Σε σύγκριση με τους υπάρχοντες ενεργοποιητές που βασίζονται σε SMA, ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν η δημιουργία ενός βιομιμητικού ενεργοποιητή διβαλερικού για την παραγωγή σημαντικά υψηλότερων δυνάμεων σε μικρό όγκο. Σε σύγκριση με τους συμβατικούς κινητήρες που κινούνται με βηματικό κινητήρα και χρησιμοποιούνται σε συστήματα αυτοματισμού και ελέγχου κτιρίων HVAC, ο προτεινόμενος σχεδιασμός διτροπικής κίνησης που βασίζεται σε SMA μειώνει το βάρος του μηχανισμού κίνησης κατά 67%. Στη συνέχεια, οι όροι «μυς» και «κίνηση» χρησιμοποιούνται εναλλακτικά. Αυτή η μελέτη διερευνά την πολυφυσική προσομοίωση ενός τέτοιου κινητήρα. Η μηχανική συμπεριφορά τέτοιων συστημάτων έχει μελετηθεί με πειραματικές και αναλυτικές μεθόδους. Οι κατανομές δύναμης και θερμοκρασίας διερευνήθηκαν περαιτέρω σε τάση εισόδου 7 V. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε παραμετρική ανάλυση για την καλύτερη κατανόηση της σχέσης μεταξύ βασικών παραμέτρων και της δύναμης εξόδου. Τέλος, έχουν προβλεφθεί ιεραρχικοί ενεργοποιητές και έχουν προταθεί ιεραρχικά φαινόμενα επιπέδου ως πιθανός μελλοντικός τομέας για μη μαγνητικούς ενεργοποιητές για προσθετικές εφαρμογές. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των προαναφερθέντων μελετών, η χρήση μονοβάθμιας αρχιτεκτονικής παράγει δυνάμεις τουλάχιστον τέσσερις έως πέντε φορές υψηλότερες από τους αναφερόμενους ενεργοποιητές που βασίζονται σε SMA. Επιπλέον, η ίδια κινητήρια δύναμη που παράγεται από μια πολυεπίπεδη πολυεπίπεδη κίνηση έχει αποδειχθεί ότι είναι περισσότερο από δέκα φορές μεγαλύτερη από αυτή των συμβατικών κινήσεων που βασίζονται σε SMA. Η μελέτη στη συνέχεια αναφέρει βασικές παραμέτρους χρησιμοποιώντας ανάλυση ευαισθησίας μεταξύ διαφορετικών σχεδίων και μεταβλητών εισόδου. Το αρχικό μήκος του σύρματος SMA (\(l_0\)), η πτεροειδής γωνία (\(\α\)) και ο αριθμός των μονών κλώνων (n) σε κάθε μεμονωμένο κλώνο έχουν ισχυρή αρνητική επίδραση στο μέγεθος της κινητήριας δύναμης. Η ισχύς, ενώ η τάση εισόδου (ενέργεια) αποδείχθηκε θετικά συσχετισμένη.
Το σύρμα SMA παρουσιάζει το φαινόμενο μνήμης σχήματος (SME) που παρατηρείται στην οικογένεια κραμάτων νικελίου-τιτανίου (Ni-Ti). Συνήθως, τα SMA παρουσιάζουν δύο φάσεις που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία: μια φάση χαμηλής θερμοκρασίας και μια φάση υψηλής θερμοκρασίας. Και οι δύο φάσεις έχουν μοναδικές ιδιότητες λόγω της παρουσίας διαφορετικών κρυσταλλικών δομών. Στη φάση ωστενίτη (φάση υψηλής θερμοκρασίας) που υπάρχει πάνω από τη θερμοκρασία μετασχηματισμού, το υλικό παρουσιάζει υψηλή αντοχή και παραμορφώνεται ελάχιστα υπό φορτίο. Το κράμα συμπεριφέρεται όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας, επομένως είναι σε θέση να αντέξει υψηλότερες πιέσεις ενεργοποίησης. Εκμεταλλευόμενοι αυτήν την ιδιότητα των κραμάτων Ni-Ti, τα σύρματα SMA είναι κεκλιμένα για να σχηματίσουν έναν ενεργοποιητή. Αναπτύσσονται κατάλληλα αναλυτικά μοντέλα για την κατανόηση των βασικών μηχανισμών της θερμικής συμπεριφοράς του SMA υπό την επίδραση διαφόρων παραμέτρων και διαφόρων γεωμετριών. Επιτεύχθηκε καλή συμφωνία μεταξύ των πειραματικών και αναλυτικών αποτελεσμάτων.
Μια πειραματική μελέτη πραγματοποιήθηκε στο πρωτότυπο που φαίνεται στο Σχήμα 9α για την αξιολόγηση της απόδοσης ενός διτροπικού συστήματος κίνησης βασισμένου σε SMA. Δύο από αυτές τις ιδιότητες, η δύναμη που παράγεται από το σύστημα κίνησης (μυϊκή δύναμη) και η θερμοκρασία του σύρματος SMA (θερμοκρασία SMA), μετρήθηκαν πειραματικά. Καθώς η διαφορά τάσης αυξάνεται σε όλο το μήκος του σύρματος στο σύστημα κίνησης, η θερμοκρασία του σύρματος αυξάνεται λόγω του φαινομένου θέρμανσης Joule. Η τάση εισόδου εφαρμόστηκε σε δύο κύκλους των 10 δευτερολέπτων (φαίνεται ως κόκκινες κουκκίδες στο Σχήμα 2α, β) με περίοδο ψύξης 15 δευτερολέπτων μεταξύ κάθε κύκλου. Η δύναμη μπλοκαρίσματος μετρήθηκε χρησιμοποιώντας ένα πιεζοηλεκτρικό μετρητή τάσης και η κατανομή θερμοκρασίας του σύρματος SMA παρακολουθήθηκε σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας μια κάμερα LWIR υψηλής ανάλυσης επιστημονικής ποιότητας (βλ. τα χαρακτηριστικά του εξοπλισμού που χρησιμοποιήθηκε στον Πίνακα 2). δείχνει ότι κατά τη φάση υψηλής τάσης, η θερμοκρασία του σύρματος αυξάνεται μονοτονικά, αλλά όταν δεν ρέει ρεύμα, η θερμοκρασία του σύρματος συνεχίζει να μειώνεται. Στην τρέχουσα πειραματική διάταξη, η θερμοκρασία του σύρματος SMA έπεσε κατά τη φάση ψύξης, αλλά παρέμεινε πάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Στο σχήμα 2ε φαίνεται ένα στιγμιότυπο της θερμοκρασίας στο σύρμα SMA που λήφθηκε από την κάμερα LWIR. Από την άλλη πλευρά, στο σχήμα 2α φαίνεται η δύναμη μπλοκαρίσματος που παράγεται από το σύστημα κίνησης. Όταν η μυϊκή δύναμη υπερβεί τη δύναμη επαναφοράς του ελατηρίου, ο κινητός βραχίονας, όπως φαίνεται στο σχήμα 9α, αρχίζει να κινείται. Μόλις ξεκινήσει η ενεργοποίηση, ο κινητός βραχίονας έρχεται σε επαφή με τον αισθητήρα, δημιουργώντας μια σωματική δύναμη, όπως φαίνεται στο σχήμα 2γ, δ. Όταν η μέγιστη θερμοκρασία είναι κοντά στο \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), η μέγιστη παρατηρούμενη δύναμη είναι 105 N.
Το γράφημα δείχνει τα πειραματικά αποτελέσματα της θερμοκρασίας του σύρματος SMA και της δύναμης που παράγεται από τον διτροπικό ενεργοποιητή που βασίζεται σε SMA κατά τη διάρκεια δύο κύκλων. Η τάση εισόδου εφαρμόζεται σε δύο κύκλους των 10 δευτερολέπτων (εμφανίζονται ως κόκκινες κουκκίδες) με περίοδο ψύξης 15 δευτερολέπτων μεταξύ κάθε κύκλου. Το σύρμα SMA που χρησιμοποιήθηκε για τα πειράματα ήταν ένα σύρμα Flexinol διαμέτρου 0,51 mm από την Dynalloy, Inc. (α) Το γράφημα δείχνει την πειραματική δύναμη που λήφθηκε σε δύο κύκλους, (γ, δ) δείχνει δύο ανεξάρτητα παραδείγματα της δράσης ενεργοποιητών κινούμενου βραχίονα σε έναν πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα δύναμης PACEline CFT/5kN, (β) το γράφημα δείχνει τη μέγιστη θερμοκρασία ολόκληρου του σύρματος SMA κατά τη διάρκεια δύο κύκλων, (ε) δείχνει ένα στιγμιότυπο θερμοκρασίας που λήφθηκε από το σύρμα SMA χρησιμοποιώντας την κάμερα LWIR του λογισμικού FLIR ResearchIR. Οι γεωμετρικές παράμετροι που ελήφθησαν υπόψη στα πειράματα δίνονται στον Πίνακα ένα.
Τα αποτελέσματα προσομοίωσης του μαθηματικού μοντέλου και τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται υπό την προϋπόθεση τάσης εισόδου 7V, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της παραμετρικής ανάλυσης και προκειμένου να αποφευχθεί η πιθανότητα υπερθέρμανσης του καλωδίου SMA, στον ενεργοποιητή τροφοδοτήθηκε ισχύς 11,2 W. Χρησιμοποιήθηκε προγραμματιζόμενο τροφοδοτικό συνεχούς ρεύματος για την παροχή 7V ως τάσης εισόδου και μετρήθηκε ρεύμα 1,6A στο καλώδιο. Η δύναμη που παράγεται από τον κινητήρα και η θερμοκρασία του SDR αυξάνονται όταν εφαρμόζεται ρεύμα. Με τάση εισόδου 7V, η μέγιστη δύναμη εξόδου που λαμβάνεται από τα αποτελέσματα προσομοίωσης και τα πειραματικά αποτελέσματα του πρώτου κύκλου είναι 78 N και 96 N, αντίστοιχα. Στον δεύτερο κύκλο, η μέγιστη δύναμη εξόδου των αποτελεσμάτων προσομοίωσης και πειραματικών ήταν 150 N και 105 N, αντίστοιχα. Η απόκλιση μεταξύ των μετρήσεων δύναμης απόφραξης και των πειραματικών δεδομένων μπορεί να οφείλεται στη μέθοδο που χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της δύναμης απόφραξης. Τα πειραματικά αποτελέσματα που φαίνονται στο Σχήμα 5. Το 5α αντιστοιχεί στη μέτρηση της δύναμης ασφάλισης, η οποία με τη σειρά της μετρήθηκε όταν ο κινητήριος άξονας ήταν σε επαφή με τον πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα δύναμης PACEline CFT/5kN, όπως φαίνεται στο σχήμα 2s. Επομένως, όταν ο κινητήριος άξονας δεν είναι σε επαφή με τον αισθητήρα δύναμης στην αρχή της ζώνης ψύξης, η δύναμη γίνεται αμέσως μηδέν, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2δ. Επιπλέον, άλλες παράμετροι που επηρεάζουν τον σχηματισμό δύναμης σε επόμενους κύκλους είναι οι τιμές του χρόνου ψύξης και ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μέσω συναγωγής στον προηγούμενο κύκλο. Από το σχήμα 2β, μπορεί να φανεί ότι μετά από μια περίοδο ψύξης 15 δευτερολέπτων, το σύρμα SMA δεν έφτασε σε θερμοκρασία δωματίου και επομένως είχε υψηλότερη αρχική θερμοκρασία (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) στον δεύτερο κύκλο οδήγησης σε σύγκριση με τον πρώτο κύκλο (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Έτσι, σε σύγκριση με τον πρώτο κύκλο, η θερμοκρασία του σύρματος SMA κατά τη διάρκεια του δεύτερου κύκλου θέρμανσης φτάνει στην αρχική θερμοκρασία ωστενίτη (\(A_s\)) νωρίτερα και παραμένει στην περίοδο μετάβασης για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη τάσης και δύναμης. Από την άλλη πλευρά, οι κατανομές θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια των κύκλων θέρμανσης και ψύξης που λαμβάνονται από πειράματα και προσομοιώσεις έχουν υψηλή ποιοτική ομοιότητα με παραδείγματα από θερμογραφική ανάλυση. Η συγκριτική ανάλυση των θερμικών δεδομένων σύρματος SMA από πειράματα και προσομοιώσεις έδειξε συνέπεια κατά τη διάρκεια των κύκλων θέρμανσης και ψύξης και εντός αποδεκτών ανοχών για τα πειραματικά δεδομένα. Η μέγιστη θερμοκρασία του σύρματος SMA, που λαμβάνεται από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και των πειραμάτων του πρώτου κύκλου, είναι \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) και \(75\,^{\circ }\hbox {C}\, αντίστοιχα ), και στον δεύτερο κύκλο η μέγιστη θερμοκρασία του σύρματος SMA είναι \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) και \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Το ουσιαστικά αναπτυγμένο μοντέλο επιβεβαιώνει την επίδραση του φαινομένου μνήμης σχήματος. Ο ρόλος της κόπωσης και της υπερθέρμανσης δεν εξετάστηκε σε αυτήν την ανασκόπηση. Στο μέλλον, το μοντέλο θα βελτιωθεί ώστε να περιλαμβάνει το ιστορικό τάσης του σύρματος SMA, καθιστώντας το πιο κατάλληλο για εφαρμογές μηχανικής. Τα διαγράμματα της δύναμης εξόδου κίνησης και της θερμοκρασίας SMA που λαμβάνονται από το μπλοκ Simulink βρίσκονται εντός των επιτρεπόμενων ανοχών των πειραματικών δεδομένων υπό την προϋπόθεση ενός παλμού τάσης εισόδου 7 V. Αυτό επιβεβαιώνει την ορθότητα και την αξιοπιστία του αναπτυγμένου μαθηματικού μοντέλου.
Το μαθηματικό μοντέλο αναπτύχθηκε στο περιβάλλον MathWorks Simulink R2020b χρησιμοποιώντας τις βασικές εξισώσεις που περιγράφονται στην ενότητα Μέθοδοι. Στο σχήμα 3b φαίνεται ένα διάγραμμα μπλοκ του μαθηματικού μοντέλου Simulink. Το μοντέλο προσομοιώθηκε για έναν παλμό τάσης εισόδου 7V όπως φαίνεται στο σχήμα 2a, b. Οι τιμές των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση παρατίθενται στον Πίνακα 1. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης των μεταβατικών διεργασιών παρουσιάζονται στα σχήματα 1 και 1. Σχήματα 3a και 4. Στο σχήμα 4a, b φαίνεται η επαγόμενη τάση στο καλώδιο SMA και η δύναμη που παράγεται από τον ενεργοποιητή ως συνάρτηση του χρόνου. Κατά τη διάρκεια του αντίστροφου μετασχηματισμού (θέρμανσης), όταν η θερμοκρασία του σύρματος SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (θερμοκρασία έναρξης φάσης ωστενίτη τροποποιημένου λόγω τάσης), ο ρυθμός μεταβολής του κλάσματος όγκου του μαρτενσίτη (\(\dot{\xi }\)) θα είναι μηδέν. Κατά τη διάρκεια του αντίστροφου μετασχηματισμού (θέρμανσης), όταν η θερμοκρασία του σύρματος SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (θερμοκρασία έναρξης φάσης ωστενίτη τροποποιημένου λόγω τάσης), ο ρυθμός μεταβολής του κλάσματος όγκου του μαρτενσίτη (\(\dot{\xi }\)) θα είναι μηδέν. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (τ. nulю. Κατά τη διάρκεια του αντίστροφου μετασχηματισμού (θέρμανσης), όταν η θερμοκρασία του σύρματος SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (θερμοκρασία έναρξης ωστενίτη τροποποιημένης από τάση), ο ρυθμός μεταβολής του κλάσματος όγκου του μαρτενσίτη (\(\dot{\xi}\ )) θα είναι μηδέν.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）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 \(T < A_s^{\prime}\) (θερμ. nulю. Κατά τη διάρκεια του αντίστροφου μετασχηματισμού (θέρμανσης) στη θερμοκρασία του σύρματος SMA \(T < A_s^{\prime}\) (η θερμοκρασία πυρήνωσης της φάσης του ωστενίτη, διορθωμένη για τάση), ο ρυθμός μεταβολής στο κλάσμα όγκου του μαρτενσίτη (\( \dot{\xi }\)) θα είναι ίσος με μηδέν.Επομένως, ο ρυθμός μεταβολής της τάσης (\(\dot{\sigma}\)) θα εξαρτηθεί από τον ρυθμό παραμόρφωσης (\(\dot{\epsilon}\)) και την κλίση θερμοκρασίας (\(\dot{T} \)) μόνο με τη χρήση της εξίσωσης (1). Ωστόσο, καθώς το σύρμα SMA αυξάνεται σε θερμοκρασία και διασχίζει το (\(A_s^{\prime}\)), αρχίζει να σχηματίζεται η φάση ωστενίτη και το (\(\dot{\xi}\)) λαμβάνεται ως η δεδομένη τιμή της εξίσωσης (3). Επομένως, ο ρυθμός μεταβολής της τάσης (\(\dot{\sigma}\)) ελέγχεται από κοινού από τα \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) και \(\dot{\xi}\) είναι ίσος με αυτόν που δίνεται στον τύπο (1). Αυτό εξηγεί τις αλλαγές κλίσης που παρατηρούνται στους χρονικά μεταβαλλόμενους χάρτες τάσης και δύναμης κατά τη διάρκεια του κύκλου θέρμανσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4α, β.
(α) Αποτέλεσμα προσομοίωσης που δείχνει την κατανομή θερμοκρασίας και τη θερμοκρασία σύνδεσης που προκαλείται από την τάση σε έναν ενεργοποιητή διβαλερικού άλατος που βασίζεται σε SMA. Όταν η θερμοκρασία του σύρματος διασχίζει τη θερμοκρασία μετάβασης του ωστενίτη στο στάδιο θέρμανσης, η τροποποιημένη θερμοκρασία μετάβασης του ωστενίτη αρχίζει να αυξάνεται και, ομοίως, όταν η θερμοκρασία της ράβδου σύρματος διασχίζει τη θερμοκρασία μετάβασης του μαρτενσιτικού άλατος στο στάδιο ψύξης, η θερμοκρασία μετάβασης του μαρτενσιτικού άλατος μειώνεται. SMA για αναλυτική μοντελοποίηση της διαδικασίας ενεργοποίησης. (Για μια λεπτομερή εικόνα κάθε υποσυστήματος ενός μοντέλου Simulink, ανατρέξτε στην ενότητα του παραρτήματος του συμπληρωματικού αρχείου.)
Τα αποτελέσματα της ανάλυσης για διαφορετικές κατανομές παραμέτρων παρουσιάζονται για δύο κύκλους της τάσης εισόδου 7V (κύκλοι προθέρμανσης 10 δευτερολέπτων και κύκλοι ψύξης 15 δευτερολέπτων). Ενώ τα (ac) και (e) απεικονίζουν την κατανομή σε σχέση με τον χρόνο, από την άλλη πλευρά, τα (d) και (f) απεικονίζουν την κατανομή με τη θερμοκρασία. Για τις αντίστοιχες συνθήκες εισόδου, η μέγιστη παρατηρούμενη τάση είναι 106 MPa (λιγότερο από 345 MPa, όριο διαρροής σύρματος), η δύναμη είναι 150 N, η μέγιστη μετατόπιση είναι 270 µm και το ελάχιστο κλάσμα όγκου μαρτενσιτικού είναι 0,91. Από την άλλη πλευρά, η μεταβολή στην τάση και η μεταβολή στο κλάσμα όγκου του μαρτενσίτη με τη θερμοκρασία είναι παρόμοιες με τα χαρακτηριστικά υστέρησης.
Η ίδια εξήγηση ισχύει και για τον άμεσο μετασχηματισμό (ψύξη) από τη φάση ωστενίτη στη φάση μαρτενσίτη, όπου η θερμοκρασία του σύρματος SMA (Tg) και η τελική θερμοκρασία της φάσης μαρτενσίτη τροποποιημένης από την τάση (\(M_f^{\prime}\ )) είναι εξαιρετικές. Στο σχήμα 4d, το f δείχνει την αλλαγή στην επαγόμενη τάση (\(\sigma\)) και το κλάσμα όγκου του μαρτενσίτη (\(\xi\)) στο σύρμα SMA ως συνάρτηση της αλλαγής στη θερμοκρασία του σύρματος SMA (Tg), και για τους δύο κύκλους οδήγησης. Στο σχήμα 3a δείχνει την αλλαγή στη θερμοκρασία του σύρματος SMA με την πάροδο του χρόνου ανάλογα με τον παλμό τάσης εισόδου. Όπως φαίνεται από το σχήμα, η θερμοκρασία του σύρματος συνεχίζει να αυξάνεται παρέχοντας μια πηγή θερμότητας σε μηδενική τάση και επακόλουθη ψύξη με συναγωγή. Κατά τη θέρμανση, η αναμεταμόρφωση του μαρτενσίτη στη φάση ωστενίτη ξεκινά όταν η θερμοκρασία του σύρματος SMA (T) διασχίζει τη θερμοκρασία πυρήνωσης του ωστενίτη με διόρθωση τάσης (\(A_s^{\prime}\)). Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, το σύρμα SMA συμπιέζεται και ο ενεργοποιητής παράγει δύναμη. Επίσης, κατά την ψύξη, όταν η θερμοκρασία του σύρματος SMA (T) διασχίζει τη θερμοκρασία πυρήνωσης της φάσης μαρτενσίτη με τροποποίηση τάσης (\(M_s^{\prime}\)), υπάρχει μια θετική μετάβαση από τη φάση ωστενίτη στη φάση μαρτενσίτη. Η κινητήρια δύναμη μειώνεται.
Οι κύριες ποιοτικές πτυχές της διτροπικής κίνησης που βασίζεται στην SMA μπορούν να ληφθούν από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Στην περίπτωση εισόδου παλμού τάσης, η θερμοκρασία του σύρματος SMA αυξάνεται λόγω του φαινομένου θέρμανσης Joule. Η αρχική τιμή του κλάσματος όγκου του μαρτενσίτη (\(\xi\)) ορίζεται σε 1, καθώς το υλικό βρίσκεται αρχικά σε πλήρως μαρτενσιτική φάση. Καθώς το σύρμα συνεχίζει να θερμαίνεται, η θερμοκρασία του σύρματος SMA υπερβαίνει τη θερμοκρασία πυρήνωσης ωστενίτη διορθωμένης ως προς την τάση \(A_s^{\prime}\), με αποτέλεσμα τη μείωση του κλάσματος όγκου του μαρτενσίτη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4γ. Επιπλέον, στο σχήμα 4ε φαίνεται η κατανομή των διαδρομών του ενεργοποιητή στο χρόνο, και στο σχήμα 5 - η κινητήρια δύναμη ως συνάρτηση του χρόνου. Ένα σχετικό σύστημα εξισώσεων περιλαμβάνει τη θερμοκρασία, το κλάσμα όγκου μαρτενσίτη και την τάση που αναπτύσσεται στο σύρμα, με αποτέλεσμα τη συρρίκνωση του σύρματος SMA και τη δύναμη που παράγεται από τον ενεργοποιητή. Όπως φαίνεται στο σχήμα 4γ. 4d,f, η μεταβολή τάσης με τη θερμοκρασία και η μεταβολή του κλάσματος όγκου μαρτενσίτη με τη θερμοκρασία αντιστοιχούν στα χαρακτηριστικά υστέρησης του SMA στην προσομοιωμένη περίπτωση στα 7 V.
Η σύγκριση των παραμέτρων οδήγησης έγινε μέσω πειραμάτων και αναλυτικών υπολογισμών. Τα καλώδια υποβλήθηκαν σε παλμική τάση εισόδου 7 V για 10 δευτερόλεπτα και στη συνέχεια ψύχθηκαν για 15 δευτερόλεπτα (φάση ψύξης) σε δύο κύκλους. Η γωνία πτερυγίου ορίζεται σε \(40^{\circ}\) και το αρχικό μήκος του σύρματος SMA σε κάθε σκέλος ενός πείρου ορίζεται σε 83 mm. (α) Μέτρηση της κινητήριας δύναμης με κυψελίδα φορτίου (β) Παρακολούθηση της θερμοκρασίας του σύρματος με θερμική υπέρυθρη κάμερα.
Προκειμένου να κατανοηθεί η επίδραση των φυσικών παραμέτρων στη δύναμη που παράγεται από την κίνηση, πραγματοποιήθηκε ανάλυση της ευαισθησίας του μαθηματικού μοντέλου στις επιλεγμένες φυσικές παραμέτρους και οι παράμετροι κατατάχθηκαν ανάλογα με την επιρροή τους. Αρχικά, η δειγματοληψία των παραμέτρων του μοντέλου έγινε χρησιμοποιώντας πειραματικές αρχές σχεδιασμού που ακολούθησαν ομοιόμορφη κατανομή (βλ. Συμπληρωματική Ενότητα για την Ανάλυση Ευαισθησίας). Σε αυτήν την περίπτωση, οι παράμετροι του μοντέλου περιλαμβάνουν την τάση εισόδου (\(V_{in}\)), το αρχικό μήκος σύρματος SMA (\(l_0\)), τη γωνία τριγώνου (\(\α\)), τη σταθερά ελατηρίου πόλωσης (\(K_x\)), τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας συναγωγής (\(h_T\)) και τον αριθμό των μονοτροπικών κλάδων (n). Στο επόμενο βήμα, η μέγιστη μυϊκή δύναμη επιλέχθηκε ως απαίτηση σχεδιασμού μελέτης και ελήφθησαν οι παραμετρικές επιδράσεις κάθε συνόλου μεταβλητών στην αντοχή. Τα διαγράμματα ανεμοστρόβιλου για την ανάλυση ευαισθησίας προέκυψαν από τους συντελεστές συσχέτισης για κάθε παράμετρο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6α.
(α) Οι τιμές του συντελεστή συσχέτισης των παραμέτρων του μοντέλου και η επίδρασή τους στη μέγιστη δύναμη εξόδου 2500 μοναδικών ομάδων των παραπάνω παραμέτρων του μοντέλου φαίνονται στο διάγραμμα ανεμοστρόβιλου. Το γράφημα δείχνει τη συσχέτιση κατάταξης διαφόρων δεικτών. Είναι σαφές ότι η \(V_{in}\) είναι η μόνη παράμετρος με θετική συσχέτιση και η \(l_0\) είναι η παράμετρος με την υψηλότερη αρνητική συσχέτιση. Η επίδραση διαφόρων παραμέτρων σε διάφορους συνδυασμούς στη μέγιστη μυϊκή δύναμη φαίνεται στα (β, γ). Η \(K_x\) κυμαίνεται από 400 έως 800 N/m και η n κυμαίνεται από 4 έως 24. Η τάση (\(V_{in}\)) άλλαξε από 4V σε 10V, το μήκος του σύρματος (\(l_{0} \)) άλλαξε από 40 σε 100 mm και η γωνία ουράς (\(\α \)) ποικίλλει από \(20 – 60 \, ^ {\circ}\).
Στο σχήμα 6α φαίνεται ένα διάγραμμα ανεμοστρόβιλου διαφόρων συντελεστών συσχέτισης για κάθε παράμετρο με τις απαιτήσεις σχεδιασμού μέγιστης κινητήριας δύναμης. Από το σχήμα 6α φαίνεται ότι η παράμετρος τάσης (\(V_{in}\)) σχετίζεται άμεσα με τη μέγιστη δύναμη εξόδου και ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας συναγωγής (\(h_T\)), η γωνία φλόγας (\(α\)), η σταθερά ελατηρίου μετατόπισης (\(K_x\)) συσχετίζεται αρνητικά με τη δύναμη εξόδου και το αρχικό μήκος (\(l_0\)) του σύρματος SMA, και ο αριθμός των μονοτροπικών κλάδων (n) δείχνει ισχυρή αντίστροφη συσχέτιση. Στην περίπτωση άμεσης συσχέτισης, στην περίπτωση υψηλότερης τιμής του συντελεστή συσχέτισης τάσης (\(V_ {in}\)) υποδεικνύει ότι αυτή η παράμετρος έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στην ισχύ εξόδου. Μια άλλη παρόμοια ανάλυση μετρά τη μέγιστη δύναμη αξιολογώντας την επίδραση διαφορετικών παραμέτρων σε διαφορετικούς συνδυασμούς των δύο υπολογιστικών χώρων, όπως φαίνεται στο σχήμα 6β, γ. Τα \(V_{in}\) και \(l_0\), \(\alpha\) και \(l_0\) έχουν παρόμοια μοτίβα, και το γράφημα δείχνει ότι τα \(V_{in}\) και \(\alpha\) και \(\alpha\) έχουν παρόμοια μοτίβα. Μικρότερες τιμές του \(l_0\) έχουν ως αποτέλεσμα υψηλότερες μέγιστες δυνάμεις. Τα άλλα δύο γραφήματα συμφωνούν με το Σχήμα 6α, όπου τα n και \(K_x\) συσχετίζονται αρνητικά και τα \(V_{in}\) συσχετίζονται θετικά. Αυτή η ανάλυση βοηθά στον καθορισμό και την προσαρμογή των παραμέτρων επιρροής με τις οποίες η δύναμη εξόδου, η διαδρομή και η απόδοση του συστήματος κίνησης μπορούν να προσαρμοστούν στις απαιτήσεις και την εφαρμογή.
Η τρέχουσα ερευνητική εργασία εισάγει και διερευνά ιεραρχικές κινήσεις με N επίπεδα. Σε μια ιεραρχία δύο επιπέδων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7α, όπου αντί για κάθε σύρμα SMA του ενεργοποιητή πρώτου επιπέδου, επιτυγχάνεται μια διτροπική διάταξη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 9ε. Στο Σχήμα 7γ φαίνεται πώς το σύρμα SMA τυλίγεται γύρω από έναν κινητό βραχίονα (βοηθητικό βραχίονα) που κινείται μόνο κατά τη διαμήκη κατεύθυνση. Ωστόσο, ο κύριος κινητός βραχίονας συνεχίζει να κινείται με τον ίδιο τρόπο όπως ο κινητός βραχίονας του πολυβάθμιου ενεργοποιητή 1ου σταδίου. Συνήθως, μια κίνηση N σταδίων δημιουργείται αντικαθιστώντας το σύρμα SMA \(N-1\) σταδίου με μια κίνηση πρώτου σταδίου. Ως αποτέλεσμα, κάθε κλάδος μιμείται την κίνηση πρώτου σταδίου, με εξαίρεση τον κλάδο που συγκρατεί το ίδιο το σύρμα. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να σχηματιστούν ένθετες δομές που δημιουργούν δυνάμεις που είναι αρκετές φορές μεγαλύτερες από τις δυνάμεις των κύριων κινήσεων. Σε αυτή τη μελέτη, για κάθε επίπεδο, ελήφθη υπόψη ένα συνολικό ενεργό μήκος σύρματος SMA 1 m, όπως φαίνεται σε μορφή πίνακα στο Σχήμα 7δ. Το ρεύμα που διαρρέει κάθε σύρμα σε κάθε μονοτροπικό σχεδιασμό και η προκύπτουσα προένταση και τάση σε κάθε τμήμα σύρματος SMA είναι τα ίδια σε κάθε επίπεδο. Σύμφωνα με το αναλυτικό μας μοντέλο, η δύναμη εξόδου συσχετίζεται θετικά με το επίπεδο, ενώ η μετατόπιση συσχετίζεται αρνητικά. Ταυτόχρονα, υπήρξε μια αντιστάθμιση μεταξύ μετατόπισης και μυϊκής δύναμης. Όπως φαίνεται στο σχήμα 7β, ενώ η μέγιστη δύναμη επιτυγχάνεται στον μεγαλύτερο αριθμό στρωμάτων, η μεγαλύτερη μετατόπιση παρατηρείται στο χαμηλότερο στρώμα. Όταν το επίπεδο ιεραρχίας ορίστηκε σε \(N=5\), βρέθηκε μια μέγιστη μυϊκή δύναμη 2,58 kN με 2 παρατηρούμενες διαδρομές \(\upmu\)m. Από την άλλη πλευρά, η κίνηση του πρώτου σταδίου παράγει μια δύναμη 150 N σε μια διαδρομή 277 \(\upmu\)m. Οι ενεργοποιητές πολλαπλών επιπέδων είναι σε θέση να μιμούνται πραγματικούς βιολογικούς μύες, όπου οι τεχνητοί μύες που βασίζονται σε κράματα μνήμης σχήματος είναι σε θέση να παράγουν σημαντικά υψηλότερες δυνάμεις με ακριβείς και λεπτότερες κινήσεις. Οι περιορισμοί αυτού του μικροσκοπικού σχεδιασμού είναι ότι καθώς η ιεραρχία αυξάνεται, η κίνηση μειώνεται σημαντικά και η πολυπλοκότητα της διαδικασίας κατασκευής της μονάδας δίσκου αυξάνεται.
(α) Ένα σύστημα γραμμικού ενεργοποιητή δύο σταδίων (\(N=2\)) με στρώσεις από κράμα μνήμης σχήματος παρουσιάζεται σε διτροπική διαμόρφωση. Το προτεινόμενο μοντέλο επιτυγχάνεται αντικαθιστώντας το καλώδιο SMA στον ενεργοποιητή πρώτης βαθμίδας με έναν άλλο ενεργοποιητή μίας βαθμίδας με στρώσεις. (γ) Παραμορφωμένη διαμόρφωση του ενεργοποιητή δεύτερης βαθμίδας πολλαπλών στρώσεων. (β) Περιγράφεται η κατανομή των δυνάμεων και των μετατοπίσεων ανάλογα με τον αριθμό των επιπέδων. Έχει διαπιστωθεί ότι η μέγιστη δύναμη του ενεργοποιητή συσχετίζεται θετικά με το επίπεδο κλίμακας στο γράφημα, ενώ η διαδρομή συσχετίζεται αρνητικά με το επίπεδο κλίμακας. Το ρεύμα και η προ-τάση σε κάθε καλώδιο παραμένουν σταθερά σε όλα τα επίπεδα. (δ) Ο πίνακας δείχνει τον αριθμό των επαφών και το μήκος του καλωδίου SMA (ίνας) σε κάθε επίπεδο. Τα χαρακτηριστικά των καλωδίων υποδεικνύονται με τον δείκτη 1 και ο αριθμός των δευτερευόντων κλάδων (ένας συνδεδεμένος στο πρωτεύον σκέλος) υποδεικνύεται από τον μεγαλύτερο αριθμό στο δείκτη. Για παράδειγμα, στο επίπεδο 5, το \(n_1\) αναφέρεται στον αριθμό των καλωδίων SMA που υπάρχουν σε κάθε διτροπική δομή και το \(n_5\) αναφέρεται στον αριθμό των βοηθητικών ποδιών (ένα συνδεδεμένο με το κύριο πόδι).
Διάφορες μέθοδοι έχουν προταθεί από πολλούς ερευνητές για την μοντελοποίηση της συμπεριφοράς των SMA με μνήμη σχήματος, οι οποίες εξαρτώνται από τις θερμομηχανικές ιδιότητες που συνοδεύουν τις μακροσκοπικές αλλαγές στην κρυσταλλική δομή που σχετίζονται με τη μετάβαση φάσης. Η διατύπωση των συστατικών μεθόδων είναι εγγενώς πολύπλοκη. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο φαινομενολογικό μοντέλο προτείνεται από τον Tanaka28 και χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές μηχανικής. Το φαινομενολογικό μοντέλο που προτείνεται από τον Tanaka [28] υποθέτει ότι το κλάσμα όγκου του μαρτενσίτη είναι μια εκθετική συνάρτηση της θερμοκρασίας και της τάσης. Αργότερα, οι Liang και Rogers29 και Brinson30 πρότειναν ένα μοντέλο στο οποίο η δυναμική της μετάβασης φάσης θεωρήθηκε ότι είναι μια συνάρτηση συνημίτονου της τάσης και της θερμοκρασίας, με μικρές τροποποιήσεις στο μοντέλο. Οι Becker και Brinson πρότειναν ένα κινητικό μοντέλο βασισμένο σε διάγραμμα φάσεων για να μοντελοποιήσουν τη συμπεριφορά των υλικών SMA υπό αυθαίρετες συνθήκες φόρτωσης καθώς και μερικές μεταβάσεις. Ο Banerjee32 χρησιμοποιεί τη μέθοδο δυναμικής διαγράμματος φάσεων Bekker και Brinson31 για να προσομοιώσει έναν χειριστή ενός βαθμού ελευθερίας που αναπτύχθηκε από τους Elahinia και Ahmadian33. Οι κινητικές μέθοδοι που βασίζονται σε διαγράμματα φάσεων, τα οποία λαμβάνουν υπόψη τη μη μονοτονική μεταβολή της τάσης με τη θερμοκρασία, είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε εφαρμογές μηχανικής. Οι Elakhinia και Ahmadian εφιστούν την προσοχή σε αυτές τις αδυναμίες των υπαρχόντων φαινομενολογικών μοντέλων και προτείνουν ένα εκτεταμένο φαινομενολογικό μοντέλο για την ανάλυση και τον ορισμό της συμπεριφοράς μνήμης σχήματος υπό οποιεσδήποτε σύνθετες συνθήκες φόρτισης.
Το δομικό μοντέλο του σύρματος SMA δίνει την τάση (\(\sigma\)), την παραμόρφωση (\(\epsilon\)), τη θερμοκρασία (T) και το κλάσμα όγκου μαρτενσίτη (\(\xi\)) του σύρματος SMA. Το φαινομενολογικό καταστατικό μοντέλο προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Tanaka28 και υιοθετήθηκε αργότερα από τους Liang29 και Brinson30. Η παράγωγος της εξίσωσης έχει τη μορφή:
όπου E είναι το εξαρτώμενο από τη φάση μέτρο ελαστικότητας Young της SMA που λαμβάνεται χρησιμοποιώντας \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi)E_A\) και \(E_A\) και \(E_M\) που αντιπροσωπεύουν το μέτρο ελαστικότητας Young είναι οι ωστενιτικές και μαρτενσιτικές φάσεις, αντίστοιχα, και ο συντελεστής θερμικής διαστολής αντιπροσωπεύεται από \(\θ _T\). Ο συντελεστής συνεισφοράς μετάβασης φάσης είναι \(\Omega = -E \epsilon _L\) και \(\epsilon _L\) είναι η μέγιστη ανακτήσιμη παραμόρφωση στο σύρμα SMA.
Η εξίσωση δυναμικής φάσης συμπίπτει με τη συνάρτηση συνημίτονου που ανέπτυξε ο Liang29 και αργότερα υιοθέτησε ο Brinson30 αντί της εκθετικής συνάρτησης που πρότεινε ο Tanaka28. Το μοντέλο μετάβασης φάσης είναι μια επέκταση του μοντέλου που προτάθηκε από τους Elakhinia και Ahmadian34 και τροποποιήθηκε με βάση τις συνθήκες μετάβασης φάσης που δόθηκαν από τους Liang29 και Brinson30. Οι συνθήκες που χρησιμοποιούνται για αυτό το μοντέλο μετάβασης φάσης ισχύουν υπό σύνθετα θερμομηχανικά φορτία. Σε κάθε χρονική στιγμή, η τιμή του κλάσματος όγκου του μαρτενσίτη υπολογίζεται κατά τη μοντελοποίηση της συστατικής εξίσωσης.
Η κυρίαρχη εξίσωση επαναμετασχηματισμού, που εκφράζεται από τον μετασχηματισμό του μαρτενσίτη σε ωστενίτη υπό συνθήκες θέρμανσης, έχει ως εξής:
όπου \(\xi\) είναι το κλάσμα όγκου του μαρτενσίτη, \(\xi _M\) είναι το κλάσμα όγκου του μαρτενσίτη που λαμβάνεται πριν από τη θέρμανση, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) και \(C_A\) – παράμετροι προσέγγισης καμπύλης, T – θερμοκρασία σύρματος SMA, \(A_s\) και \(A_f\) – έναρξη και τέλος της φάσης του ωστενίτη, αντίστοιχα, θερμοκρασία.
Η εξίσωση ελέγχου άμεσου μετασχηματισμού, που αντιπροσωπεύεται από τον μετασχηματισμό φάσης του ωστενίτη σε μαρτενσίτη υπό συνθήκες ψύξης, είναι:
όπου \(\xi _A\) είναι το κλάσμα όγκου του μαρτενσίτη που λαμβάνεται πριν από την ψύξη, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) και \(C_M \) – παράμετροι προσαρμογής καμπύλης, T – θερμοκρασία σύρματος SMA, \(M_s\) και \(M_f\) – αρχικές και τελικές θερμοκρασίες μαρτενσίτη, αντίστοιχα.
Αφού διαφοροποιηθούν οι εξισώσεις (3) και (4), οι εξισώσεις αντίστροφου και άμεσου μετασχηματισμού απλοποιούνται στην ακόλουθη μορφή:
Κατά τον εμπρόσθιο και οπίσθιο μετασχηματισμό, τα \(\eta _{\sigma}\) και \(\eta _{T}\) λαμβάνουν διαφορετικές τιμές. Οι βασικές εξισώσεις που σχετίζονται με τα \(\eta _{\sigma}\) και \(\eta _{T}\) έχουν εξαχθεί και συζητηθεί λεπτομερώς σε μια πρόσθετη ενότητα.
Η θερμική ενέργεια που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του σύρματος SMA προέρχεται από το φαινόμενο θέρμανσης Joule. Η θερμική ενέργεια που απορροφάται ή απελευθερώνεται από το σύρμα SMA αντιπροσωπεύεται από την λανθάνουσα θερμότητα μετασχηματισμού. Η απώλεια θερμότητας στο σύρμα SMA οφείλεται στην εξαναγκασμένη συναγωγή και, δεδομένης της αμελητέας επίδρασης της ακτινοβολίας, η εξίσωση ισορροπίας θερμικής ενέργειας έχει ως εξής:
Όπου \(m_{wire}\) είναι η συνολική μάζα του σύρματος SMA, \(c_{p}\) είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα του SMA, \(V_{in}\) είναι η τάση που εφαρμόζεται στο σύρμα, \(R_{ohm}\) – η αντίσταση SMA που εξαρτάται από τη φάση, που ορίζεται ως: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) όπου \(r_M\) και \(r_A\) είναι η ειδική αντίσταση φάσης SMA στον μαρτενσίτη και τον ωστενίτη, αντίστοιχα, \(A_{c}\) είναι η επιφάνεια του σύρματος SMA, \(Delta H\) είναι ένα κράμα μνήμης σχήματος. Η λανθάνουσα θερμότητα μετάβασης του σύρματος, T και \(T_{\infty}\) είναι οι θερμοκρασίες του σύρματος SMA και του περιβάλλοντος, αντίστοιχα.
Όταν ενεργοποιείται ένα σύρμα από κράμα μνήμης σχήματος, το σύρμα συμπιέζεται, δημιουργώντας μια δύναμη σε κάθε κλάδο του διτροπικού σχεδιασμού που ονομάζεται δύναμη ινών. Οι δυνάμεις των ινών σε κάθε κλώνο του σύρματος SMA δημιουργούν μαζί τη μυϊκή δύναμη που θα ενεργοποιηθεί, όπως φαίνεται στο Σχήμα 9ε. Λόγω της παρουσίας ενός ελατηρίου πόλωσης, η συνολική μυϊκή δύναμη του N-οστού πολυστρωματικού ενεργοποιητή είναι:
Αντικαθιστώντας το \(N = 1\) στην εξίσωση (7), η μυϊκή δύναμη του πρωτοτύπου διτροπικής κίνησης πρώτου σταδίου μπορεί να ληφθεί ως εξής:
όπου n είναι ο αριθμός των μονοτροπικών ποδιών, \(F_m\) είναι η μυϊκή δύναμη που παράγεται από την κίνηση, \(F_f\) είναι η αντοχή της ίνας στο σύρμα SMA, \(K_x\) είναι η ακαμψία πόλωσης του ελατηρίου, \(α\) είναι η γωνία του τριγώνου, \(x_0\) είναι η αρχική μετατόπιση του ελατηρίου πόλωσης για να συγκρατεί το καλώδιο SMA στην προεντεταμένη θέση και \(Δέλτα x\) είναι η διαδρομή του ενεργοποιητή.
Η συνολική μετατόπιση ή κίνηση του συστήματος κίνησης (\(\Δx\)) ανάλογα με την τάση (\(\sigma\)) και την τάση (\(\έψιλον\)) στο καλώδιο SMA του N-οστού σταδίου, ο σύστημα κίνησης έχει ρυθμιστεί σε (βλ. Σχήμα. πρόσθετο μέρος της εξόδου):
Οι κινηματικές εξισώσεις δίνουν τη σχέση μεταξύ της παραμόρφωσης κίνησης (\(\epsilon\)) και της μετατόπισης ή μετατόπισης (\(\Δx\)). Η παραμόρφωση του σύρματος Arb ως συνάρτηση του αρχικού μήκους του σύρματος Arb (\(l_0\)) και του μήκους του σύρματος (l) σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή t σε έναν μονοτροπικό κλάδο έχει ως εξής:
όπου \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \α _1}\) λαμβάνεται εφαρμόζοντας τον τύπο συνημίτονου στο \(\Delta\)ABB', όπως φαίνεται στο Σχήμα 8. Για την κίνηση πρώτου σταδίου (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) είναι \(\Delta x\), και \(\α _1\) είναι \(\α \) όπως φαίνεται στο Όπως φαίνεται στο Σχήμα 8, διαφοροποιώντας τον χρόνο από την Εξίσωση (11) και αντικαθιστώντας την τιμή του l, ο ρυθμός παραμόρφωσης μπορεί να γραφτεί ως:
όπου \(l_0\) είναι το αρχικό μήκος του σύρματος SMA, l είναι το μήκος του σύρματος σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή t σε έναν μονοτροπικό κλάδο, \(\epsilon\) είναι η παραμόρφωση που αναπτύσσεται στο σύρμα SMA, και \(\alpha\) είναι η γωνία του τριγώνου, \(\Delta x\) είναι η μετατόπιση της κίνησης (όπως φαίνεται στο Σχήμα 8).
Όλες οι n δομές μίας κορυφής (\(n=6\) σε αυτό το σχήμα) συνδέονται σε σειρά με \(V_{in}\) ως τάση εισόδου. Στάδιο Ι: Σχηματικό διάγραμμα του καλωδίου SMA σε διτροπική διαμόρφωση υπό συνθήκες μηδενικής τάσης. Στάδιο II: Εμφανίζεται μια ελεγχόμενη δομή όπου το καλώδιο SMA συμπιέζεται λόγω αντίστροφης μετατροπής, όπως φαίνεται από την κόκκινη γραμμή.
Ως απόδειξη της ιδέας, αναπτύχθηκε μια διτροπική μονάδα κίνησης βασισμένη σε SMA για να δοκιμαστεί η προσομοιωμένη εξαγωγή των υποκείμενων εξισώσεων με πειραματικά αποτελέσματα. Το μοντέλο CAD του διτροπικού γραμμικού ενεργοποιητή φαίνεται στο σχήμα 9α. Από την άλλη πλευρά, στο σχήμα 9γ φαίνεται ένας νέος σχεδιασμός που προτείνεται για μια περιστροφική πρισματική σύνδεση χρησιμοποιώντας έναν διεπίπεδο ενεργοποιητή βασισμένο σε SMA με διτροπική δομή. Τα εξαρτήματα της μονάδας κίνησης κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας προσθετική κατασκευή σε έναν εκτυπωτή Ultimaker 3 Extended 3D. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε για την τρισδιάστατη εκτύπωση εξαρτημάτων είναι το πολυανθρακικό, το οποίο είναι κατάλληλο για υλικά ανθεκτικά στη θερμότητα, καθώς είναι ισχυρό, ανθεκτικό και έχει υψηλή θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (110-113 \(^{\circ }\)C). Επιπλέον, στα πειράματα χρησιμοποιήθηκε σύρμα κράματος μνήμης σχήματος Flexinol της Dynalloy, Inc. και οι ιδιότητες του υλικού που αντιστοιχούν στο σύρμα Flexinol χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις. Πολλαπλά σύρματα SMA είναι διατεταγμένα ως ίνες που υπάρχουν σε μια διτροπική διάταξη μυών για να επιτευχθούν οι υψηλές δυνάμεις που παράγονται από πολυστρωματικούς ενεργοποιητές, όπως φαίνεται στο Σχήμα 9b, d.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 9α, η οξεία γωνία που σχηματίζεται από το κινητό σύρμα SMA ονομάζεται γωνία (\(\α\)). Με τους σφιγκτήρες ακροδεκτών συνδεδεμένους στον αριστερό και τον δεξιό σφιγκτήρα, το σύρμα SMA συγκρατείται στην επιθυμητή δίτροπη γωνία. Η διάταξη ελατηρίου πόλωσης που συγκρατείται στον σύνδεσμο ελατηρίου έχει σχεδιαστεί για να ρυθμίζει τις διαφορετικές ομάδες επέκτασης ελατηρίου πόλωσης σύμφωνα με τον αριθμό (n) των ινών SMA. Επιπλέον, η θέση των κινούμενων μερών έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε το σύρμα SMA να είναι εκτεθειμένο στο εξωτερικό περιβάλλον για ψύξη με εξαναγκασμένη μεταφορά. Οι άνω και κάτω πλάκες του αποσπώμενου συγκροτήματος βοηθούν στη διατήρηση της ψύξης του σύρματος SMA με εξωθημένες εγκοπές σχεδιασμένες για μείωση του βάρους. Επιπλέον, και τα δύο άκρα του σύρματος CMA είναι στερεωμένα στον αριστερό και τον δεξιό ακροδέκτη, αντίστοιχα, μέσω μιας πτύχωσης. Ένα έμβολο είναι προσαρτημένο στο ένα άκρο του κινητού συγκροτήματος για να διατηρείται η απόσταση μεταξύ των άνω και κάτω πλακών. Το έμβολο χρησιμοποιείται επίσης για την εφαρμογή μιας δύναμης μπλοκαρίσματος στον αισθητήρα μέσω μιας επαφής για τη μέτρηση της δύναμης μπλοκαρίσματος όταν ενεργοποιείται το σύρμα SMA.
Η διτροπική μυϊκή δομή SMA είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένη σε σειρά και τροφοδοτείται από μια τάση παλμού εισόδου. Κατά τη διάρκεια του κύκλου παλμού τάσης, όταν εφαρμόζεται τάση και το σύρμα SMA θερμαίνεται πάνω από την αρχική θερμοκρασία του ωστενίτη, το μήκος του σύρματος σε κάθε κλώνο μειώνεται. Αυτή η ανάσυρση ενεργοποιεί το υποσύνολο του κινητού βραχίονα. Όταν η τάση μηδενίστηκε στον ίδιο κύκλο, το θερμαινόμενο σύρμα SMA ψύχθηκε κάτω από τη θερμοκρασία της επιφάνειας του μαρτενσίτη, επιστρέφοντας έτσι στην αρχική του θέση. Υπό συνθήκες μηδενικής τάσης, το σύρμα SMA αρχικά τεντώνεται παθητικά από ένα ελατήριο πόλωσης για να φτάσει στην κατάσταση αποδίδυμης μαρτενσιτικής κατάστασης. Η βίδα, μέσω της οποίας διέρχεται το σύρμα SMA, κινείται λόγω της συμπίεσης που δημιουργείται με την εφαρμογή ενός παλμού τάσης στο σύρμα SMA (το SPA φτάνει στη φάση του ωστενίτη), η οποία οδηγεί στην ενεργοποίηση του κινητού μοχλού. Όταν το σύρμα SMA ανασυρθεί, το ελατήριο πόλωσης δημιουργεί μια αντίθετη δύναμη τεντώνοντας περαιτέρω το ελατήριο. Όταν η τάση στην τάση ώθησης μηδενιστεί, το σύρμα SMA επιμηκύνεται και αλλάζει το σχήμα του λόγω της ψύξης με εξαναγκασμένη συναγωγή, φτάνοντας σε διπλή μαρτενσιτική φάση.
Το προτεινόμενο γραμμικό σύστημα ενεργοποιητή που βασίζεται σε SMA έχει μια διτροπική διαμόρφωση στην οποία τα καλώδια SMA είναι υπό γωνία. (α) απεικονίζει ένα μοντέλο CAD του πρωτοτύπου, το οποίο αναφέρει ορισμένα από τα εξαρτήματα και τις σημασίες τους για το πρωτότυπο, (β, δ) αντιπροσωπεύουν το αναπτυγμένο πειραματικό πρωτότυπο35. Ενώ (β) δείχνει μια κάτοψη του πρωτοτύπου με ηλεκτρικές συνδέσεις και ελατήρια πόλωσης και μετρητές τάσης που χρησιμοποιούνται, (δ) δείχνει μια προοπτική όψη της διάταξης. (ε) Διάγραμμα ενός γραμμικού συστήματος ενεργοποίησης με καλώδια SMA τοποθετημένα διτροπικά σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή t, που δείχνει την κατεύθυνση και την πορεία της ίνας και τη μυϊκή δύναμη. (γ) Έχει προταθεί μια περιστροφική πρισματική σύνδεση 2-DOF για την ανάπτυξη ενός ενεργοποιητή δύο επιπέδων που βασίζεται σε SMA. Όπως φαίνεται, ο σύνδεσμος μεταδίδει γραμμική κίνηση από την κάτω κίνηση στον άνω βραχίονα, δημιουργώντας μια περιστροφική σύνδεση. Από την άλλη πλευρά, η κίνηση του ζεύγους πρισμάτων είναι η ίδια με την κίνηση της πολυστρωματικής κίνησης πρώτου σταδίου.
Μια πειραματική μελέτη πραγματοποιήθηκε στο πρωτότυπο που φαίνεται στο Σχήμα 9β για την αξιολόγηση της απόδοσης μιας διτροπικής κίνησης βασισμένης σε SMA. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 10α, η πειραματική διάταξη αποτελούνταν από μια προγραμματιζόμενη τροφοδοσία συνεχούς ρεύματος για την παροχή τάσης εισόδου στα καλώδια SMA. Όπως φαίνεται στο σχήμα 10β, χρησιμοποιήθηκε ένας πιεζοηλεκτρικός μετρητής τάσης (PACEline CFT/5kN) για τη μέτρηση της δύναμης μπλοκαρίσματος χρησιμοποιώντας ένα καταγραφικό δεδομένων Graphtec GL-2000. Τα δεδομένα καταγράφονται από τον κεντρικό υπολογιστή για περαιτέρω μελέτη. Οι μετρητές τάσης και οι ενισχυτές φορτίου απαιτούν σταθερή τροφοδοσία ρεύματος για την παραγωγή ενός σήματος τάσης. Τα αντίστοιχα σήματα μετατρέπονται σε εξόδους ισχύος σύμφωνα με την ευαισθησία του πιεζοηλεκτρικού αισθητήρα δύναμης και άλλες παραμέτρους όπως περιγράφεται στον Πίνακα 2. Όταν εφαρμόζεται ένας παλμός τάσης, η θερμοκρασία του καλωδίου SMA αυξάνεται, προκαλώντας τη συμπίεση του καλωδίου SMA, η οποία προκαλεί την παραγωγή δύναμης από τον ενεργοποιητή. Τα πειραματικά αποτελέσματα της εξόδου μυϊκής δύναμης από έναν παλμό τάσης εισόδου 7 V φαίνονται στο σχήμα 2α.
(α) Στο πείραμα δημιουργήθηκε ένα γραμμικό σύστημα ενεργοποιητή βασισμένο σε SMA για τη μέτρηση της δύναμης που παράγεται από τον ενεργοποιητή. Το δυναμοκυψέλη μετρά τη δύναμη μπλοκαρίσματος και τροφοδοτείται από τροφοδοτικό 24 V DC. Εφαρμόστηκε πτώση τάσης 7 V σε όλο το μήκος του καλωδίου χρησιμοποιώντας ένα προγραμματιζόμενο τροφοδοτικό συνεχούς ρεύματος GW Instek. Το καλώδιο SMA συρρικνώνεται λόγω θερμότητας και ο κινητός βραχίονας έρχεται σε επαφή με το δυναμοκυψέλη και ασκεί δύναμη μπλοκαρίσματος. Το δυναμοκυψέλη συνδέεται με τον καταγραφέα δεδομένων GL-2000 και τα δεδομένα αποθηκεύονται στον κεντρικό υπολογιστή για περαιτέρω επεξεργασία. (β) Διάγραμμα που δείχνει την αλυσίδα των εξαρτημάτων της πειραματικής διάταξης για τη μέτρηση της μυϊκής δύναμης.
Τα κράματα μνήμης σχήματος διεγείρονται από θερμική ενέργεια, επομένως η θερμοκρασία καθίσταται μια σημαντική παράμετρος για τη μελέτη του φαινομένου της μνήμης σχήματος. Πειραματικά, όπως φαίνεται στο Σχήμα 11α, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις θερμικής απεικόνισης και θερμοκρασίας σε έναν πρωτότυπο ενεργοποιητή διβαλερικού άλατος που βασίζεται σε SMA. Μια προγραμματιζόμενη πηγή DC εφάρμοσε τάση εισόδου στα καλώδια SMA στην πειραματική διάταξη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 11β. Η μεταβολή θερμοκρασίας του καλωδίου SMA μετρήθηκε σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας μια κάμερα LWIR υψηλής ανάλυσης (FLIR A655sc). Ο κεντρικός υπολογιστής χρησιμοποιεί το λογισμικό ResearchIR για την καταγραφή δεδομένων για περαιτέρω μετεπεξεργασία. Όταν εφαρμόζεται ένας παλμός τάσης, η θερμοκρασία του καλωδίου SMA αυξάνεται, προκαλώντας συρρίκνωση του καλωδίου SMA. Στο σχήμα 2β φαίνονται τα πειραματικά αποτελέσματα της θερμοκρασίας του καλωδίου SMA σε σχέση με τον χρόνο για έναν παλμό τάσης εισόδου 7V.