Dankon pro via vizito al Nature.com. La retumilversio, kiun vi uzas, havas limigitan subtenon por CSS. Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu la Kongruecan Reĝimon en Internet Explorer). Dume, por certigi daŭran subtenon, ni prezentos la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Aktuatoroj estas uzataj ĉie kaj kreas kontrolitan moviĝon aplikante la ĝustan ekscitan forton aŭ tordmomanton por plenumi diversajn operaciojn en fabrikado kaj industria aŭtomatigo. La bezono de pli rapidaj, pli malgrandaj kaj pli efikaj transmisiiloj pelas novigadon en transmisiila dezajno. Transmisiiloj el Formo-Memora Alojo (SMA) ofertas kelkajn avantaĝojn super konvenciaj transmisiiloj, inkluzive de alta potenco-peza proporcio. En ĉi tiu disertaĵo, du-pluma SMA-bazita aktuatoro estis evoluigita, kiu kombinas la avantaĝojn de la plumecaj muskoloj de biologiaj sistemoj kaj la unikajn ecojn de SMA-oj. Ĉi tiu studo esploras kaj etendas antaŭajn SMA-aktuatorojn per evoluigo de matematika modelo de la nova aktuatoro bazita sur la bimodala SMA-drataranĝo kaj testante ĝin eksperimente. Kompare kun konataj transmisiiloj bazitaj sur SMA, la funkciiga forto de la nova transmisio estas almenaŭ 5 fojojn pli alta (ĝis 150 N). La koresponda pezperdo estas ĉirkaŭ 67%. La rezultoj de sentema analizo de matematikaj modeloj estas utilaj por agordi dezajnajn parametrojn kaj kompreni ŝlosilajn parametrojn. Ĉi tiu studo plue prezentas plurnivelan N-an ŝtupan transmisiilon, kiu povas esti uzata por plue plibonigi dinamikon. SMA-bazitaj divalerataj muskolaktuatoroj havas larĝan gamon da aplikoj, de konstruaĵaŭtomatigo ĝis precizaj medikamentenhavaj sistemoj.
Biologiaj sistemoj, kiel ekzemple la muskolaj strukturoj de mamuloj, povas aktivigi multajn subtilajn aktuatorojn1. Mamuloj havas malsamajn muskolajn strukturojn, ĉiu servante specifan celon. Tamen, granda parto de la strukturo de mamula muskola histo povas esti dividita en du larĝajn kategoriojn. Paralelaj kaj penataj. En la poplitaj tendenoj kaj aliaj fleksoroj, kiel la nomo sugestas, la paralela muskolaro havas muskolajn fibrojn paralelajn al la centra tendeno. La ĉeno de muskolaj fibroj estas vicigita kaj funkcie konektita per la konektiva histo ĉirkaŭ ili. Kvankam oni diras, ke ĉi tiuj muskoloj havas grandan ekskurson (procenta mallongigo), ilia totala muskola forto estas tre limigita. Kontraste, en la tricepsa suromuskolo2 (laterala gastrocnemius (GL)3, mediala gastrocnemius (GM)4 kaj soleus (SOL)) kaj femuroektensoro (kvadriceps)5,6 penata muskola histo troviĝas en ĉiu muskolo7. En penata strukturo, la muskolaj fibroj en la dupenata muskolaro ĉeestas ambaŭflanke de la centra tendeno laŭ oblikvaj anguloj (penataj anguloj). La termino "penato" devenas de la latina vorto "penna", kiu signifas "skribilo", kaj, kiel montrite en fig. 1, havas plumsimilan aspekton. La fibroj de la penataj muskoloj estas pli mallongaj kaj angulaj al la longituda akso de la muskolo. Pro la pinata strukturo, la ĝenerala movebleco de ĉi tiuj muskoloj estas reduktita, kio kondukas al la transversaj kaj longitudaj komponantoj de la mallongiga procezo. Aliflanke, aktivigo de ĉi tiuj muskoloj kondukas al pli alta ĝenerala muskola forto pro la maniero kiel la fiziologia transversa sekca areo estas mezurata. Tial, por difinita transversa sekca areo, penataj muskoloj estos pli fortaj kaj generos pli altajn fortojn ol muskoloj kun paralelaj fibroj. Fortoj generitaj de individuaj fibroj generas muskolajn fortojn je makroskopa nivelo en tiu muskola histo. Krome, ĝi havas tiajn unikajn ecojn kiel rapida ŝrumpado, protekto kontraŭ streĉa difekto, mildigo. Ĝi transformas la rilaton inter fibra enigo kaj muskola povo eligo ekspluatante la unikajn trajtojn kaj geometrian kompleksecon de la fibra aranĝo asociita kun muskolaj aglinioj.
Montritaj estas skemaj diagramoj de ekzistantaj SMA-bazitaj aktuatoraj dezajnoj rilate al bimodala muskola arkitekturo, ekzemple (a), reprezentante la interagadon de palpa forto en kiu manforma aparato funkciigita per SMA-dratoj estas muntita sur durada aŭtonoma movebla roboto9,10. , (b) Robota orbita protezo kun antagonisme lokita SMA-risort-ŝarĝita orbita protezo. La pozicio de la proteza okulo estas kontrolita per signalo de la okula muskolo de la okulo11, (c) SMA-aktuatoroj estas idealaj por subakvaj aplikoj pro sia alt-frekvenca respondo kaj malalta bendolarĝo. En ĉi tiu konfiguracio, SMA-aktuatoroj estas uzataj por krei ondmovon simulante la movadon de fiŝoj, (d) SMA-aktuatoroj estas uzataj por krei mikrotuban inspektan roboton, kiu povas uzi la principon de colo-verma movo, kontrolita per la movado de SMA-dratoj ene de kanalo 10, (e) montras la direkton de kuntiriĝaj muskolaj fibroj kaj generante kuntiriĝan forton en gastroknemia histo, (f) montras SMA-dratojn aranĝitajn en formo de muskolaj fibroj en la penata muskola strukturo.
Aktuatoroj fariĝis grava parto de mekanikaj sistemoj pro sia vasta gamo de aplikoj. Tial, la bezono de pli malgrandaj, pli rapidaj kaj pli efikaj transmisiiloj fariĝas kritika. Malgraŭ siaj avantaĝoj, tradiciaj transmisiiloj pruviĝis esti multekostaj kaj tempopostulaj por prizorgi. Hidraŭlikaj kaj pneŭmatikaj aktuatoroj estas kompleksaj kaj multekostaj kaj estas submetataj al eluziĝo, lubrikaj problemoj kaj komponentaj paneoj. Responde al la postulo, la fokuso estas pri disvolvado de kostefikaj, grandec-optimumigitaj kaj progresintaj aktuatoroj bazitaj sur inteligentaj materialoj. Daŭranta esplorado rigardas tavoligitajn aktuatorojn el formomemora alojo (SMA) por kontentigi ĉi tiun bezonon. Hierarkiaj aktuatoroj estas unikaj ĉar ili kombinas multajn diskretajn aktuatorojn en geometrie kompleksajn makro-skalajn subsistemojn por provizi pliigitan kaj vastigitan funkciecon. En ĉi tiu rilato, la homa muskola histo priskribita supre provizas bonegan plurtavolan ekzemplon de tia plurtavola transmisio. La nuna studo priskribas plurnivelan SMA-transmisiilon kun pluraj individuaj transmisiaj elementoj (SMA-dratoj) vicigitaj al la fibraj orientiĝoj ĉeestantaj en bimodalaj muskoloj, kio plibonigas la ĝeneralan transmisian rendimenton.
La ĉefa celo de aktuatoro estas generi mekanikan potencon, kiel ekzemple forton kaj delokiĝon, per konvertado de elektra energio. Formo-memoraj alojoj estas klaso de "inteligentaj" materialoj, kiuj povas restarigi sian formon je altaj temperaturoj. Sub altaj ŝarĝoj, pliiĝo de la temperaturo de la SMA-drato kondukas al formo-reakiro, rezultante en pli alta aktuatora energidenso kompare kun diversaj rekte ligitaj inteligentaj materialoj. Samtempe, sub mekanikaj ŝarĝoj, SMA-oj fariĝas fragilaj. Sub certaj kondiĉoj, cikla ŝarĝo povas absorbi kaj liberigi mekanikan energion, montrante reigeblajn histerezajn formoŝanĝojn. Ĉi tiuj unikaj ecoj igas SMA-on ideala por sensiloj, vibrad-dampiloj kaj precipe aktuatoroj12. Konsiderante tion, okazis multe da esplorado pri SMA-bazitaj transmisioj. Notindas, ke SMA-bazitaj aktuatoroj estas desegnitaj por provizi translacian kaj rotacian moviĝon por diversaj aplikoj13,14,15. Kvankam iuj rotaciaj aktuatoroj estis evoluigitaj, esploristoj aparte interesiĝas pri liniaj aktuatoroj. Ĉi tiuj liniaj aktuatoroj povas esti dividitaj en tri tipojn de aktuatoroj: unu-dimensiaj, delokiĝaj kaj diferencigaj aktuatoroj16. Komence, hibridaj transmisiiloj estis kreitaj kombine kun SMA kaj aliaj konvenciaj transmisiiloj. Unu tia ekzemplo de SMA-bazita hibrida lineara aktuatoro estas la uzo de SMA-drato kun kontinua kurento-motoro por provizi eliran forton de ĉirkaŭ 100 N kaj signifan delokiĝon17.
Unu el la unuaj evoluoj en transmisiiloj bazitaj tute sur SMA estis la SMA-paralela transmisio. Uzante plurajn SMA-dratojn, la SMA-bazita paralela transmisio estas desegnita por pliigi la potencan kapablon de la transmisio per metado de ĉiuj SMA18-dratoj en paralelon. Paralela konekto de aktuatoroj ne nur postulas pli da potenco, sed ankaŭ limigas la eliran potencon de ununura drato. Alia malavantaĝo de SMA-bazitaj aktuatoroj estas la limigita moviĝo, kiun ili povas atingi. Por solvi ĉi tiun problemon, SMA-kablotrabo estis kreita enhavanta deviigitan flekseblan trabon por pliigi delokiĝon kaj atingi rektan moviĝon, sed ne generis pli altajn fortojn19. Molaj deformeblaj strukturoj kaj ŝtofoj por robotoj bazitaj sur formo-memoraj alojoj estis evoluigitaj ĉefe por frapa plifortigo20,21,22. Por aplikoj kie altaj rapidoj estas necesaj, kompaktaj transmisiiloj estis raportitaj uzantaj maldikajn filmajn SMA-ojn por mikropumpilaj transmisiiloj23. La transmisia frekvenco de la maldika filma SMA-membrano estas ŝlosila faktoro en kontrolado de la rapido de la transmisilo. Tial, SMA-linearaj motoroj havas pli bonan dinamikan respondon ol SMA-risortaj aŭ stangomotoroj. Mola robotiko kaj tenteknologio estas du aliaj aplikoj, kiuj uzas aktuatorojn bazitajn sur SMA. Ekzemple, por anstataŭigi la norman aktuatoron uzatan en la 25-N spaca krampo, oni evoluigis paralelan aktuatoron 24 el formo-memora alojo. En alia kazo, oni fabrikis molan aktuatoron SMA surbaze de drato kun enigita matrico kapabla produkti maksimuman tirforton de 30 N. Pro iliaj mekanikaj ecoj, SMA-oj ankaŭ estas uzataj por produkti aktuatorojn, kiuj imitas biologiajn fenomenojn. Unu tia evoluo inkluzivas 12-ĉelan roboton, kiu estas biomimetiko de lumbrik-simila organismo kun SMA por generi sinusoidan moviĝon por pafi26,27.
Kiel menciite antaŭe, ekzistas limo al la maksimuma forto, kiun oni povas akiri de ekzistantaj SMA-bazitaj aktuatoroj. Por trakti ĉi tiun problemon, ĉi tiu studo prezentas biomimetikan bimodalan muskolstrukturon. Ĝi estas movata per formo-memora alojdrato. Ĝi provizas klasifiksistemon, kiu inkluzivas plurajn formo-memorajn alojdratojn. Ĝis nun, neniuj SMA-bazitaj aktuatoroj kun simila arkitekturo estis raportitaj en la literaturo. Ĉi tiu unika kaj nova sistemo bazita sur SMA estis evoluigita por studi la konduton de SMA dum bimodala muskola vicigo. Kompare kun ekzistantaj SMA-bazitaj aktuatoroj, la celo de ĉi tiu studo estis krei biomimetikan divalerataktuatoron por generi signife pli altajn fortojn en malgranda volumeno. Kompare kun konvenciaj paŝomotoraj movataj motoroj uzataj en HVAC-konstruaĵaj aŭtomatigaj kaj kontrolaj sistemoj, la proponita SMA-bazita bimodala motora dezajno reduktas la pezon de la motora mekanismo je 67%. En la sekvanta, la terminoj "muskolo" kaj "motoro" estas uzataj interŝanĝeble. Ĉi tiu studo esploras la multifizikan simuladon de tia motoro. La mekanika konduto de tiaj sistemoj estis studita per eksperimentaj kaj analizaj metodoj. Forto- kaj temperaturo-distribuoj estis plue esploritaj ĉe enira tensio de 7 V. Poste, parametrika analizo estis efektivigita por pli bone kompreni la rilaton inter ŝlosilaj parametroj kaj la elira forto. Fine, hierarkiaj aktuatoroj estis antaŭviditaj kaj hierarkiaj nivelaj efikoj estis proponitaj kiel ebla estonta areo por nemagnetaj aktuatoroj por prostetaj aplikoj. Laŭ la rezultoj de la supre menciitaj studoj, la uzo de unu-ŝtupa arkitekturo produktas fortojn almenaŭ kvar ĝis kvin fojojn pli altajn ol raportitaj SMA-bazitaj aktuatoroj. Krome, la sama pelforto generita de plurnivela plurnivela pelilo montriĝis pli ol dek fojojn pli granda ol tiu de konvenciaj SMA-bazitaj peliloj. La studo poste raportas ŝlosilajn parametrojn uzante senteman analizon inter malsamaj dezajnoj kaj eniraj variabloj. La komenca longo de la SMA-drato (\(l_0\)), la pinnata angulo (\(\alpha\)) kaj la nombro de unuopaj fadenoj (n) en ĉiu individua fadeno havas fortan negativan efikon sur la grandecon de la pelforto, dum la enira tensio (energio) montriĝis pozitive korelaciita.
SMA-drato montras la formo-memoran efikon (SME) vidatan en la nikelo-titania (Ni-Ti) familio de alojoj. Tipe, SMA-oj montras du temperatur-dependajn fazojn: malalt-temperaturan fazon kaj alt-temperaturan fazon. Ambaŭ fazoj havas unikajn ecojn pro la ĉeesto de malsamaj kristalstrukturoj. En la aŭstenita fazo (alt-temperatura fazo) ekzistanta super la transforma temperaturo, la materialo montras altan forton kaj malbone deformiĝas sub ŝarĝo. La alojo kondutas kiel rustorezista ŝtalo, do ĝi kapablas elteni pli altajn aktuajn premojn. Profitante ĉi tiun econ de Ni-Ti-alojoj, la SMA-dratoj estas oblikvaj por formi aktuatoron. Taŭgaj analizaj modeloj estas evoluigitaj por kompreni la fundamentan mekanikon de la termika konduto de SMA sub la influo de diversaj parametroj kaj diversaj geometrioj. Bona kongruo estis atingita inter la eksperimentaj kaj analizaj rezultoj.
Eksperimenta studo estis farita sur la prototipo montrita en Fig. 9a por taksi la rendimenton de bimodala transmisio bazita sur SMA. Du el ĉi tiuj ecoj, la forto generita de la transmisio (muskola forto) kaj la temperaturo de la SMA-drato (SMA-temperaturo), estis eksperimente mezuritaj. Dum la tensiodiferenco pliiĝas laŭlonge de la tuta longo de la drato en la transmisio, la temperaturo de la drato pliiĝas pro la Ĵula varmiga efiko. La eniga tensio estis aplikita en du 10-sekundaj cikloj (montritaj kiel ruĝaj punktoj en Fig. 2a, b) kun 15-sekunda malvarmiga periodo inter ĉiu ciklo. La blokforto estis mezurita uzante piezoelektran streĉmezurilon, kaj la temperaturdistribuo de la SMA-drato estis monitorita en reala tempo uzante sciencan alt-rezolucian LWIR-fotilon (vidu la karakterizaĵojn de la uzita ekipaĵo en Tabelo 2). montras, ke dum la alt-tensia fazo, la temperaturo de la drato pliiĝas monotone, sed kiam neniu kurento fluas, la temperaturo de la drato daŭre malaltiĝas. En la nuna eksperimenta aranĝo, la temperaturo de la SMA-drato falis dum la malvarmiga fazo, sed ĝi ankoraŭ estis super la ĉirkaŭa temperaturo. Figuro 2e montras momentfoton de la temperaturo sur la SMA-drato prenita de la LWIR-fotilo. Aliflanke, figuro 2a montras la blokan forton generitan de la transmisia sistemo. Kiam la muskola forto superas la restarigan forton de la risorto, la movebla brako, kiel montrite en figuro 9a, komencas moviĝi. Tuj kiam la funkciigo komenciĝas, la movebla brako kontaktas la sensilon, kreante korpoforton, kiel montrite en figuro 2c, d. Kiam la maksimuma temperaturo estas proksima al \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), la maksimuma observita forto estas 10⁵ N.
La grafikaĵo montras la eksperimentajn rezultojn de la temperaturo de la SMA-drato kaj la forto generita de la SMA-bazita bimodala aktuatoro dum du cikloj. La eniga tensio estas aplikata en du 10-sekundaj cikloj (montritaj kiel ruĝaj punktoj) kun 15-sekunda malvarmiĝa periodo inter ĉiu ciklo. La SMA-drato uzita por la eksperimentoj estis Flexinol-drato kun diametro de 0,51 mm de Dynalloy, Inc. (a) La grafikaĵo montras la eksperimentan forton akiritan dum du cikloj, (c, d) montras du sendependajn ekzemplojn de la ago de moviĝantaj brakaj aktuatoroj sur piezoelektra fortotransduktilo PACEline CFT/5kN, (b) la grafikaĵo montras la maksimuman temperaturon de la tuta SMA-drato dum du cikloj, (e) montras temperaturan momentfoton prenitan de la SMA-drato uzante la FLIR ResearchIR-programaron LWIR-fotilon. La geometriaj parametroj konsiderataj en la eksperimentoj estas donitaj en Tabelo unu.
La simuladaj rezultoj de la matematika modelo kaj la eksperimentaj rezultoj estas komparitaj sub la kondiĉo de eniga tensio de 7V, kiel montrite en Fig. 5. Laŭ la rezultoj de parametrika analizo kaj por eviti la eblecon de trovarmiĝo de la SMA-drato, povumo de 11.2 W estis provizita al la aktuatoro. Programebla kontinukurenta elektrofonto estis uzita por provizi 7V kiel la enigan tension, kaj kurento de 1.6A estis mezurita trans la drato. La forto generita de la transmisilo kaj la temperaturo de la SDR pliiĝas kiam kurento estas aplikita. Kun eniga tensio de 7V, la maksimuma elira forto akirita el la simuladaj rezultoj kaj eksperimentaj rezultoj de la unua ciklo estas 78 N kaj 96 N, respektive. En la dua ciklo, la maksimuma elira forto de la simuladaj kaj eksperimentaj rezultoj estis 150 N kaj 105 N, respektive. La diferenco inter mezuradoj de fermforto kaj eksperimentaj datumoj povas ŝuldiĝi al la metodo uzita por mezuri la fermforton. La eksperimentaj rezultoj montritaj en fig. Figuro 5a respondas al la mezurado de la ŝlosa forto, kiu siavice estis mezurita kiam la transmisia ŝafto kontaktis la piezoelektran fortotransduktilon PACEline CFT/5kN, kiel montrite en fig. 2s. Tial, kiam la transmisia ŝafto ne kontaktas la fortosensilon komence de la malvarmiga zono, la forto tuj fariĝas nulo, kiel montrite en Fig. 2d. Krome, aliaj parametroj, kiuj influas la formiĝon de forto en postaj cikloj, estas la valoroj de la malvarmiga tempo kaj la koeficiento de konvekta varmotransdono en la antaŭa ciklo. El fig. 2b, oni povas vidi, ke post 15-sekunda malvarmiga periodo, la SMA-drato ne atingis ĉambran temperaturon kaj tial havis pli altan komencan temperaturon (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) en la dua transmisia ciklo kompare kun la unua ciklo (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Tiel, kompare kun la unua ciklo, la temperaturo de la SMA-drato dum la dua varmiga ciklo atingas la komencan aŭstenitan temperaturon (\(A_s\)) pli frue kaj restas en la transira periodo pli longe, rezultante en streĉo kaj forto. Aliflanke, temperaturdistribuoj dum varmigaj kaj malvarmigaj cikloj akiritaj de eksperimentoj kaj simuladoj havas altan kvalitan similecon al ekzemploj de termografia analizo. Kompara analizo de termikaj datumoj de SMA-drato el eksperimentoj kaj simuladoj montris konsistencon dum varmigaj kaj malvarmigaj cikloj kaj ene de akcepteblaj tolerancoj por eksperimentaj datumoj. La maksimuma temperaturo de la SMA-drato, akirita de la rezultoj de simulado kaj eksperimentoj de la unua ciklo, estas \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) kaj \(75\,^{\circ }\hbox {C}\, respektive), kaj en la dua ciklo la maksimuma temperaturo de la SMA-drato estas \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) kaj \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). La principe evoluigita modelo konfirmas la efikon de la formomemora efiko. La rolo de laceco kaj trovarmiĝo ne estis konsiderata en ĉi tiu recenzo. Estonte, la modelo estos plibonigita por inkluzivi la streĉhistorion de la SMA-drato, igante ĝin pli taŭga por inĝenieraj aplikoj. La grafikaĵoj de la elira forto de la pelilo kaj la SMA-temperaturaj grafikaĵoj akiritaj de la Simulink-bloko estas ene de la permesitaj tolerancoj de la eksperimentaj datumoj sub la kondiĉo de enira tensiopulso de 7 V. Ĉi tio konfirmas la ĝustecon kaj fidindecon de la evoluigita matematika modelo.
La matematika modelo estis evoluigita en la medio MathWorks Simulink R2020b uzante la bazajn ekvaciojn priskribitajn en la sekcio Metodoj. Figuro 3b montras blokdiagramon de la matematika modelo de Simulink. La modelo estis simulita por pulso de 7V enira tensio kiel montrite en Figuro 2a, b. La valoroj de la parametroj uzitaj en la simulado estas listigitaj en Tabelo 1. La rezultoj de la simulado de pasemaj procezoj estas prezentitaj en Figuroj 1 kaj 1. Figuroj 3a kaj 4. Figuro 4a, b montras la induktitan tension en la SMA-drato kaj la forton generitan de la aktuatoro kiel funkcio de tempo. Dum inversa transformo (hejtado), kiam la temperaturo de la SMA-drato, ∫ Dum inversa transformo (hejtado), kiam la temperaturo de la SMA-drato, ∫(T < A_s^{\prime})∫(streĉo-modifita aŭstenita fazokomenctemperaturo), la ŝanĝrapideco de la volumena frakcio de martensito (∫xi}) estos nulo. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли доли матра\ (xi(с]\)\) будет равно нулю. Dum la inversa transformo (hejtado), kiam la temperaturo de la SMA-drato, ∫(T < A_s^{\prime})∫(streĉo-modifita aŭstenita komenca temperaturo), la ŝanĝrapideco de la martensita volumena frakcio (∫xi}) estos nulo.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\xi(\}dot)\)将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температероя СПФ аустенитной фазы с поправкой на напряжение) скорость изменения объемной доли мартемной доли мартенита){\(\Тенстние){\(\зу\та]) равно нулю. Dum la inversa transformo (hejtado) je la temperaturo de la SMA-drato ∫(T < A_s^{\prime}) (la temperaturo de la nukleado de la aŭstenita fazo, korektita por streĉo), la ŝanĝorapideco en la volumena frakcio de martensito (∫xi}) estos egala al nulo.Tial, la streĉa ŝanĝiĝrapideco (\(\dot{\sigma}\)) dependos de la deformaĵrapideco (\(\dot{\epsilon}\)) kaj la temperaturgradiento (\(\dot{\T} \)) nur uzante ekvacion (1). Tamen, kiam la SMA-drato pliiĝas en temperaturo kaj trairas (\(A_s^{\prime}\)), la aŭstenita fazo komencas formiĝi, kaj (\(\dot{\xi}\)) estas prenita kiel la donita valoro de la ekvacio (3). Tial, la tensioŝanĝrapideco (\(\dot{\sigma}\)) estas komune kontrolita de \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) kaj \(\dot{\xi}\) egalas al la donita en formulo (1). Ĉi tio klarigas la gradientajn ŝanĝojn observitajn en la tempo-variaj streĉaj kaj fortmapoj dum la varmigciklo, kiel montrite en Fig. 4a, b.
(a) Simulada rezulto montranta temperaturdistribuon kaj streĉ-induktitan krucvojotemperaturon en SMA-bazita duvalerata aktuatoro. Kiam la drattemperaturo transiras la aŭstenitan transirtemperaturon en la varmiga stadio, la modifita aŭstenita transirtemperaturo komencas pliiĝi, kaj simile, kiam la dratbastontemperaturo transiras la martensitikan transirtemperaturon en la malvarmiga stadio, la martensitikan transirtemperaturo malpliiĝas. SMA por analiza modelado de la aktuatora procezo. (Por detala vido de ĉiu subsistemo de Simulink-modelo, vidu la apendican sekcion de la suplementa dosiero.)
La rezultoj de la analizo por malsamaj parametro-distribuoj estas montritaj por du cikloj de la 7V enira tensio (10-sekundaj varmigaj cikloj kaj 15-sekundaj malvarmigaj cikloj). Dum (ac) kaj (e) prezentas la distribuon laŭlonge de la tempo, aliflanke, (d) kaj (f) ilustras la distribuon laŭ temperaturo. Por la respektivaj eniraj kondiĉoj, la maksimuma observita streĉo estas 106 MPa (malpli ol 345 MPa, drata streĉlimo), la forto estas 150 N, la maksimuma delokiĝo estas 270 µm, kaj la minimuma martensita volumena frakcio estas 0.91. Aliflanke, la ŝanĝo en streĉo kaj la ŝanĝo en la volumena frakcio de martensito laŭ temperaturo similas al la histerezaj karakterizaĵoj.
La sama klarigo validas por la rekta transformo (malvarmiĝo) de la aŭstenita fazo al la martensita fazo, kie la temperaturo de la SMA-drato (T) kaj la fina temperaturo de la streĉ-modifita martensita fazo (\(M_f^{\prime}\)) estas bonegaj. En figuro 4d, f montras la ŝanĝon en la induktita streĉo (\(\sigma\)) kaj la volumena frakcio de martensito (\(\xi\)) en la SMA-drato kiel funkcio de la ŝanĝo en temperaturo de la SMA-drato (T), por ambaŭ veturaj cikloj. En figuro 3a montras la ŝanĝon en la temperaturo de la SMA-drato kun la tempo depende de la pulso de la enira tensio. Kiel videblas el la figuro, la temperaturo de la drato daŭre pliiĝas per provizado de varmofonto je nula tensio kaj posta konvekta malvarmiĝo. Dum varmigo, la retransformiĝo de martensito al la aŭstenita fazo komenciĝas kiam la temperaturo de la SMA-drato (T) transiras la streĉ-korektitan aŭstenitan nuklean temperaturon (\(A_s^{\prime}\)). Dum ĉi tiu fazo, la SMA-drato estas kunpremita kaj la aktuatoro generas forton. Ankaŭ dum malvarmigo, kiam la temperaturo de la SMA-drato (T) transiras la nuklean temperaturon de la streĉ-modifita martensita fazo (\(M_s^{\prime}\)), okazas pozitiva transiro de la aŭstenita fazo al la martensita fazo. La pela forto malpliiĝas.
La ĉefaj kvalitaj aspektoj de la bimodala transmisio bazita sur SMA povas esti akiritaj el la simuladaj rezultoj. Kaze de tensio-pulsa enigo, la temperaturo de la SMA-drato pliiĝas pro la Ĵula varmiĝa efiko. La komenca valoro de la martensita volumena frakcio (\(\xi\)) estas agordita al 1, ĉar la materialo komence estas en plene martensita fazo. Dum la drato daŭre varmiĝas, la temperaturo de la SMA-drato superas la streĉ-korektitan aŭstenitan nuklean temperaturon \(A_s^{\prime}\), rezultante en malpliiĝo de la martensita volumena frakcio, kiel montrite en Figuro 4c. Krome, en fig. 4e montras la distribuon de batoj de la aktuatoro laŭ tempo, kaj en fig. 5 - mova forto kiel funkcio de tempo. Rilata sistemo de ekvacioj inkluzivas temperaturon, martensitan volumenan frakcion kaj streĉon, kiu disvolviĝas en la drato, rezultante en ŝrumpiĝo de la SMA-drato kaj la forto generita de la aktuatoro. Kiel montrite en fig. 4d,f, tensiovario kun temperaturo kaj martensita volumena frakcio vario kun temperaturo respondas al la histerezaj karakterizaĵoj de la SMA en la simulita kazo je 7 V.
Komparo de la stirparametroj estis atingita per eksperimentoj kaj analizaj kalkuloj. La dratoj estis submetitaj al pulsa enira tensio de 7 V dum 10 sekundoj, poste malvarmigitaj dum 15 sekundoj (malvarmiga fazo) dum du cikloj. La pinnata angulo estas agordita al \(40^{\circ}\) kaj la komenca longo de la SMA-drato en ĉiu unuopa pinglokruro estas agordita al 83 mm. (a) Mezurado de la stirforto per ŝarĝĉelo (b) Monitorado de la dratotemperaturo per termika infraruĝa fotilo.
Por kompreni la influon de fizikaj parametroj sur la forton produktitan de la transmisio, oni faris analizon pri la sentemo de la matematika modelo al la elektitaj fizikaj parametroj, kaj la parametroj estis rangigitaj laŭ sia influo. Unue, la specimenigo de la modelaj parametroj estis farita uzante eksperimentajn dezajnajn principojn, kiuj sekvis unuforman distribuon (vidu Suplementan Sekcion pri Sentema Analizo). En ĉi tiu kazo, la modelaj parametroj inkluzivas enigan tension (\(V_{in}\)), komencan SMA-dratlongon (\(l_0\)), triangulan angulon (\(\alpha\)), biasan risortkonstanton (\(K_x\)), la konvektan varmotransigan koeficienton (\(h_T\)) kaj la nombron de unimodalaj branĉoj (n). En la sekva paŝo, la pinta muskola forto estis elektita kiel studodezajna postulo kaj la parametrikaj efikoj de ĉiu aro de variabloj sur forton estis akiritaj. La tornadaj grafikaĵoj por la sentema analizo estis derivitaj de la korelaciaj koeficientoj por ĉiu parametro, kiel montrite en Fig. 6a.
(a) La korelaciaj koeficientoj de la modelaj parametroj kaj ilia efiko sur la maksimuma elira forto de 2500 unikaj grupoj de la supre menciitaj modelaj parametroj estas montritaj en la tornada grafikaĵo. La grafikaĵo montras la rangan korelacion de pluraj indikiloj. Estas klare, ke ∫(V_{in}) estas la sola parametro kun pozitiva korelacio, kaj ∫(l_0) estas la parametro kun la plej alta negativa korelacio. La efiko de diversaj parametroj en diversaj kombinaĵoj sur la pinta muskola forto estas montrita en (b, c). ∫(K_x) varias de 400 ĝis 800 N/m kaj n varias de 4 ĝis 24. La tensio (∫(V_{in})) ŝanĝiĝis de 4V al 10V, la dratolongo (∫(l_{0})) ŝanĝiĝis de 40 al 100 mm, kaj la vostangulo (α)) variis de ∫(20 – 60°).
En figuro 6a estas tornada diagramo de diversaj korelaciaj koeficientoj por ĉiu parametro kun la dezajnaj postuloj por la pinta pelforto. El figuro 6a videblas, ke la tensioparametro (\(V_{in}\)) estas rekte rilata al la maksimuma elira forto, kaj la konvekta varmotransiga koeficiento (\(h_T\)), la flamangulo (\(α\)), kaj la delokiĝa risortkonstanto (\(K_x\)) estas negative korelaciataj kun la elira forto kaj la komenca longo (\(l_0\)) de la SMA-drato, kaj la nombro de unimodalaj branĉoj (n) montras fortan inversan korelacion. En la kazo de rekta korelacio, en la kazo de pli alta valoro de la tensiokorelacia koeficiento (\(V_{in}\)) indikas, ke ĉi tiu parametro havas la plej grandan efikon sur la elira povumo. Alia simila analizo mezuras la pintan forton per taksado de la efiko de malsamaj parametroj en malsamaj kombinaĵoj de la du komputilaj spacoj, kiel montrite en figuro 6b, c. \(V_{in}\) kaj \(l_0\), \(\alpha\) kaj \(l_0\) havas similajn ŝablonojn, kaj la grafikaĵo montras, ke \(V_{in}\) kaj \(\alpha\) kaj \(\alpha\) havas similajn ŝablonojn. Pli malgrandaj valoroj de \(l_0\) rezultas en pli altaj pintaj fortoj. La aliaj du grafikaĵoj kongruas kun Figuro 6a, kie n kaj \(K_x\) estas negative korelaciitaj kaj \(V_{in}\) estas pozitive korelaciitaj. Ĉi tiu analizo helpas difini kaj alĝustigi la influajn parametrojn, per kiuj la elira forto, bato kaj efikeco de la transmisia sistemo povas esti adaptitaj al la postuloj kaj apliko.
Aktuala esplorado prezentas kaj esploras hierarkiajn transmisiojn kun N niveloj. En du-nivela hierarkio, kiel montrite en Fig. 7a, anstataŭ ĉiu SMA-drato de la unua-nivela aktuatoro, oni atingas bimodalan aranĝon, kiel montrite en fig. 9e. Fig. 7c montras kiel la SMA-drato estas volvita ĉirkaŭ movebla brako (helpa brako), kiu moviĝas nur en la longituda direkto. Tamen, la primara movebla brako daŭre moviĝas same kiel la movebla brako de la unua-ŝtupa plurŝtupa aktuatoro. Tipe, N-ŝtupa transmisio estas kreita anstataŭigante la \(N-1\) ŝtupan SMA-draton per unua-ŝtupa transmisio. Rezulte, ĉiu branĉo imitas la unua-ŝtupan transmision, escepte de la branĉo, kiu tenas la draton mem. Tiel, oni povas formi nestitajn strukturojn, kiuj kreas fortojn plurfoje pli grandajn ol la fortoj de la primaraj transmisioj. En ĉi tiu studo, por ĉiu nivelo, oni konsideris totalan efikan SMA-dratlongon de 1 m, kiel montrite en tabela formato en Fig. 7d. La kurento tra ĉiu drato en ĉiu unimodala dezajno kaj la rezulta antaŭstreĉo kaj tensio en ĉiu SMA-dratsegmento estas la samaj ĉe ĉiu nivelo. Laŭ nia analiza modelo, la elira forto estas pozitive korelaciita kun la nivelo, dum la delokiĝo estas negative korelaciita. Samtempe, ekzistis kompromiso inter delokiĝo kaj muskola forto. Kiel videblas en fig. 7b, dum la maksimuma forto estas atingita en la plej granda nombro da tavoloj, la plej granda delokiĝo estas observata en la plej malalta tavolo. Kiam la hierarkia nivelo estis agordita al ∫(N=5)∫, pinta muskola forto de 2.58 kN estis trovita kun 2 observitaj batoj ∫(\upmu\)m. Aliflanke, la unua-ŝtupa transmisio generas forton de 150 N ĉe bato de 277 ∫(\upmu\)m. Plurnivelaj aktuatoroj kapablas imiti realajn biologiajn muskolojn, kie artefaritaj muskoloj bazitaj sur formo-memoraj alojoj kapablas generi signife pli altajn fortojn kun precizaj kaj pli fajnaj movoj. La limigoj de ĉi tiu miniaturigita dezajno estas, ke dum la hierarkio pliiĝas, la movado estas multe reduktita kaj la komplekseco de la transmisia fabrikada procezo pliiĝas.
(a) Du-ŝtupa (\(N=2\)) tavola linia aktuatora sistemo el formo-memora alojo estas montrita en bimodala konfiguracio. La proponita modelo estas atingita per anstataŭigo de la SMA-drato en la unua-ŝtupa tavola aktuatoro per alia unu-ŝtupa tavola aktuatoro. (c) Misformita konfiguracio de la dua-ŝtupa plurtavola aktuatoro. (b) La distribuo de fortoj kaj delokiĝoj depende de la nombro de niveloj estas priskribita. Oni trovis, ke la pinta forto de la aktuatoro estas pozitive korelaciita kun la skalnivelo sur la grafikaĵo, dum la bato estas negative korelaciita kun la skalnivelo. La kurento kaj antaŭtensio en ĉiu drato restas konstantaj ĉe ĉiuj niveloj. (d) La tabelo montras la nombron de konektiloj kaj la longon de la SMA-drato (fibro) ĉe ĉiu nivelo. La karakterizaĵoj de la dratoj estas indikitaj per indekso 1, kaj la nombro de sekundaraj branĉoj (unu konektita al la primara kruro) estas indikita per la plej granda nombro en la indekso. Ekzemple, ĉe nivelo 5, \(n_1\) rilatas al la nombro de SMA-dratoj ĉeestantaj en ĉiu bimodala strukturo, kaj \(n_5\) rilatas al la nombro de helpaj kruroj (unu konektita al la ĉefa kruro).
Diversaj metodoj estis proponitaj de multaj esploristoj por modeli la konduton de SMA-oj kun formomemoro, kiuj dependas de la termomekanikaj ecoj akompanantaj la makroskopajn ŝanĝojn en la kristalstrukturo asociitaj kun la faztransiro. La formulado de konstituaj metodoj estas esence kompleksa. La plej ofte uzata fenomenologia modelo estas proponita de Tanaka28 kaj estas vaste uzata en inĝenieraj aplikoj. La fenomenologia modelo proponita de Tanaka [28] supozas, ke la volumena frakcio de martensito estas eksponenta funkcio de temperaturo kaj streĉo. Poste, Liang kaj Rogers29 kaj Brinson30 proponis modelon, en kiu la faztransira dinamiko estis supozita esti kosinusa funkcio de tensio kaj temperaturo, kun iometaj modifoj al la modelo. Becker kaj Brinson proponis fazodiagram-bazitan kinetikan modelon por modeli la konduton de SMA-materialoj sub arbitraj ŝarĝkondiĉoj same kiel partaj transiroj. Banerjee32 uzas la fazodiagraman dinamikan metodon de Bekker kaj Brinson31 por simuli unugradan liberecan manipulilon evoluigitan de Elahinia kaj Ahmadian33. Kinetaj metodoj bazitaj sur fazodiagramoj, kiuj konsideras la nemonotonan ŝanĝon de tensio kun temperaturo, estas malfacile aplikeblaj en inĝenieraj aplikoj. Elakhinia kaj Ahmadian atentigas pri ĉi tiuj mankoj de ekzistantaj fenomenologiaj modeloj kaj proponas plilongigitan fenomenologian modelon por analizi kaj difini formomemoran konduton sub iuj ajn kompleksaj ŝarĝkondiĉoj.
La struktura modelo de SMA-drato donas streĉon (\(\sigma\)), deformacion (\(\epsilon\)), temperaturon (T), kaj martensitan volumenan frakcion (\(\xi\)) de SMA-drato. La fenomenologian konstituigan modelon unue proponis Tanaka28 kaj poste adoptis Liang29 kaj Brinson30. La derivaĵo de la ekvacio havas la formon:
kie E estas la faz-dependa SMA-modulo de Young akirita uzante \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) kaj \(E_A\) kaj \(E_M\) reprezentantaj la modulon de Young estas aŭstenitaj kaj martensitaj fazoj, respektive, kaj la koeficiento de termika ekspansio estas reprezentita per \(\theta _T\). La faztransira kontribua faktoro estas \(\Omega = -E ∈L\) kaj \(\epsilon _L\) estas la maksimuma reakirebla streĉo en la SMA-drato.
La fazdinamika ekvacio koincidas kun la kosinusa funkcio evoluigita de Liang29 kaj poste adoptita de Brinson30 anstataŭ la eksponenta funkcio proponita de Tanaka28. La faztransira modelo estas etendaĵo de la modelo proponita de Elakhinia kaj Ahmadian34 kaj modifita surbaze de la faztransiraj kondiĉoj donitaj de Liang29 kaj Brinson30. La kondiĉoj uzitaj por ĉi tiu faztransira modelo validas sub kompleksaj termomekanikaj ŝarĝoj. En ĉiu momento, la valoro de la volumena frakcio de martensito estas kalkulata dum modelado de la konstituiga ekvacio.
La reganta retransforma ekvacio, esprimita per la transformo de martensito al aŭstenito sub varmigkondiĉoj, estas jena:
kie \(\xi\) estas la volumena frakcio de martensito, \(\xi _M\) estas la volumena frakcio de martensito akirita antaŭ varmigo, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) kaj \(C_A\) – kurbaj aproksimadaj parametroj, T – SMA-drattemperaturo, \(A_s\) kaj \(A_f\) – komenco kaj fino de la aŭstenita fazo, respektive, temperaturo.
La ekvacio por rekta transforma kontrolo, reprezentita per la faza transformo de aŭstenito al martensito sub malvarmigaj kondiĉoj, estas:
kie \(\xi _A\) estas la volumena frakcio de martensito akirita antaŭ malvarmigo, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) kaj \(C_M \) – kurbaj alĝustigaj parametroj, T – SMA-drattemperaturo, \(M_s\) kaj \(M_f\) – komencaj kaj finaj martensitotemperaturoj, respektive.
Post kiam ekvacioj (3) kaj (4) estas diferencigitaj, la inversaj kaj rektaj transformaj ekvacioj estas simpligitaj al la sekva formo:
Dum antaŭen kaj malantaŭen transformo, ∫(\etan_{\sigma}) kaj ∫(\etan_{T}) prenas malsamajn valorojn. La bazaj ekvacioj asociitaj kun ∫(\etan_{\sigma}) kaj ∫(\etan_{T}) estas derivitaj kaj detale diskutitaj en plia sekcio.
La varmenergio bezonata por altigi la temperaturon de la SMA-drato venas de la Ĵula varmiga efiko. La varmenergio absorbita aŭ liberigita de la SMA-drato estas reprezentita per la latenta varmo de transformo. La varmoperdo en la SMA-drato ŝuldiĝas al malvola konvekcio, kaj konsiderante la nekonsiderindan efikon de radiado, la varmenergia ekvilibra ekvacio estas jena:
Kie \(m_{drato}\) estas la tuta maso de la SMA-drato, \(c_{p}\) estas la specifa varmokapacito de la SMA, \(V_{in}\) estas la tensio aplikita al la drato, \(R_{ohm} \) – faz-dependa rezistanco SMA, difinita kiel; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) kie \(r_M\) kaj \(r_A\) estas la SMA-faza rezisteco en martensito kaj aŭstenito, respektive, \(A_{c}\) estas la surfacareo de la SMA-drato, \(ΔH \) estas formo-memora alojo. La latenta varmo de transiro de la drato, T kaj \(T_{\infty}\) estas la temperaturoj de la SMA-drato kaj la ĉirkaŭaĵo, respektive.
Kiam drato el formo-memora alojo estas funkciigata, la drato kunpremiĝas, kreante forton en ĉiu branĉo de la bimodala dezajno nomatan fibra forto. La fortoj de la fibroj en ĉiu fadeno de la SMA-drato kune kreas la muskolan forton por funkciigi, kiel montrite en Fig. 9e. Pro la ĉeesto de fleksa risorto, la totala muskola forto de la N-a plurtavola aktuatoro estas:
Anstataŭigante ∏(N = 1)∏ en ekvacion (7), la muskola forto de la unua-faza bimodala transmisia prototipo povas esti akirita jene:
kie n estas la nombro de unimodalaj kruroj, ∫(F_m) estas la muskola forto generita de la transmisio, ∫(F_f) estas la fibroforto en la SMA-drato, ∫(K_x) estas la rigideco de la risorto, ∫(α) estas la angulo de la triangulo, ∫(x_0) estas la komenca delokigo de la rigideco de la risorto por teni la SMA-kablon en la antaŭstreĉita pozicio, kaj ∫(Δx) estas la movo de la aktuatoro.
La totala delokiĝo aŭ movado de la transmisilo (\(\Delta x\)) depende de la tensio (\(\sigma\)) kaj streĉo (\(\epsilon\)) sur la SMA-drato de la N-a stadio, la transmisilo estas agordita al (vidu Fig. plian parton de la eligo):
La kinematikaj ekvacioj donas la rilaton inter la deformado de la movo (\(\epsilon\)) kaj la delokiĝo aŭ delokiĝo (\(\Delta x\)). La deformado de la Arb-drato kiel funkcio de la komenca Arb-dratlongo (\(l_0\)) kaj la dratlongo (l) je iu ajn tempo t en unu unimodala branĉo estas jena:
kie ∫l = ∫l₂ + (Δx₁)² – 2 l₀(Δx₁) cosα₁ akiriĝas aplikante la kosinusan formulon en ΔABB ', kiel montrite en Figuro 8. Por la unua-ŝtupa transmisio (N = 1), Δx₁ estas Δx, kaj α₁ estas α₁ kiel montrite en . Kiel montrite en Figuro 8, diferencigante la tempon de Ekvacio (11) kaj anstataŭigante la valoron de l, la streĉrapideco povas esti skribita kiel:
kie ∫_0 estas la komenca longo de la SMA-drato, ∫ estas la longo de la drato je iu ajn tempo t en unu unimodala branĉo, ∫epsilon estas la deformaĵo disvolviĝinta en la SMA-drato, kaj ∫alpha estas la angulo de la triangulo, ∫Δx estas la delokigo de la stirado (kiel montrite en Figuro 8).
Ĉiuj n unu-pintaj strukturoj (\(n=6\) en ĉi tiu figuro) estas konektitaj serie kun \(V_{in}\) kiel la eniga tensio. Etapo I: Skemo de la SMA-drato en bimodala konfiguracio sub nul-tensiaj kondiĉoj. Etapo II: Kontrolita strukturo estas montrita, kie la SMA-drato estas kunpremita pro inversa konvertiĝo, kiel montrite per la ruĝa linio.
Kiel pruvo de koncepto, SMA-bazita bimodala transmisio estis evoluigita por testi la simulitan derivaĵon de la subestaj ekvacioj kun eksperimentaj rezultoj. La CAD-modelo de la bimodala lineara aktuatoro estas montrita en fig. 9a. Aliflanke, en fig. 9c estas montrita nova dezajno proponita por rotacia prisma konekto uzanta du-ebenan SMA-bazitan aktuatoron kun bimodala strukturo. La transmisiaj komponantoj estis fabrikitaj per aldona fabrikado sur Ultimaker 3 Extended 3D-printilo. La materialo uzata por 3D-presado de komponantoj estas polikarbonato, kiu taŭgas por varmorezistaj materialoj, ĉar ĝi estas forta, daŭrema kaj havas altan vitran transiran temperaturon (110-113 °C). Krome, Dynalloy, Inc. Flexinol-formmemora alojdrato estis uzita en la eksperimentoj, kaj la materialaj ecoj respondantaj al la Flexinol-drato estis uzitaj en la simuladoj. Pluraj SMA-dratoj estas aranĝitaj kiel fibroj ĉeestantaj en bimodala aranĝo de muskoloj por akiri la altajn fortojn produktitajn de plurtavolaj aktuatoroj, kiel montrite en Fig. 9b, d.
Kiel montrite en Figuro 9a, la akuta angulo formita de la movebla brako SMA-drato nomiĝas angulo (\(\alpha\)). Kun finaj krampoj alkroĉitaj al la maldekstra kaj dekstra krampoj, la SMA-drato estas tenata je la dezirata bimodala angulo. La antaŭrisorta aparato tenata sur la risorta konektilo estas desegnita por ĝustigi la malsamajn antaŭrisortajn etendajn grupojn laŭ la nombro (n) de SMA-fibroj. Krome, la loko de la movaj partoj estas desegnita tiel, ke la SMA-drato estas eksponita al la ekstera medio por deviga konvekta malvarmigo. La supra kaj malsupra platoj de la dekroĉebla asembleo helpas teni la SMA-draton malvarmeta per elstaritaj eltondaĵoj desegnitaj por redukti pezon. Krome, ambaŭ finoj de la CMA-drato estas fiksitaj al la maldekstra kaj dekstra finaj, respektive, per krispigo. Piŝto estas alkroĉita al unu fino de la movebla asembleo por konservi liberan spacon inter la supra kaj malsupra platoj. La piŝto ankaŭ estas uzata por apliki blokan forton al la sensilo per kontakto por mezuri la blokan forton kiam la SMA-drato estas aktivigita.
La bimodala muskola strukturo SMA estas elektre konektita serie kaj funkciigita per enira pulsa tensio. Dum la tensio-pulsciklo, kiam tensio estas aplikata kaj la SMA-drato estas varmigita super la komenca temperaturo de la aŭstenito, la longo de la drato en ĉiu fadeno mallongiĝas. Ĉi tiu retiriĝo aktivigas la moveblan brakan subasembleon. Kiam la tensio estis nuligita en la sama ciklo, la varmigita SMA-drato estis malvarmigita sub la temperaturo de la martensita surfaco, tiel revenante al sia originala pozicio. Sub nulaj streĉaj kondiĉoj, la SMA-drato unue estas pasive streĉita per antaŭrisorto por atingi la malplektitan martensitan staton. La ŝraŭbo, tra kiu la SMA-drato pasas, moviĝas pro la kunpremo kreita per aplikado de tensio-pulso al la SMA-drato (SPA atingas la aŭstenitan fazon), kio kondukas al la funkciigo de la movebla levilo. Kiam la SMA-drato estas retiriĝo, la antaŭrisorto kreas kontraŭan forton plue streĉante la risorton. Kiam la streĉo en la impulstensio fariĝas nulo, la SMA-drato plilongiĝas kaj ŝanĝas sian formon pro malvola konvekcia malvarmigo, atingante duoblan martensitikan fazon.
La proponita SMA-bazita lineara aktuatora sistemo havas bimodalan konfiguracion, en kiu la SMA-dratoj estas angulaj. (a) prezentas CAD-modelon de la prototipo, kiu mencias kelkajn el la komponantoj kaj iliajn signifojn por la prototipo, (b, d) reprezentas la evoluigitan eksperimentan prototipon35. Dum (b) montras supran vidon de la prototipo kun elektraj konektoj kaj uzitaj biasrisortoj kaj streĉmezuriloj, (d) montras perspektivan vidon de la aranĝo. (e) Diagramo de lineara aktuatora sistemo kun SMA-dratoj metitaj bimodale je iu ajn tempo t, montrante la direkton kaj kurson de la fibro kaj muskolan forton. (c) 2-DOF rotacia prisma konekto estis proponita por deploji du-ebenan SMA-bazitan aktuatoron. Kiel montrite, la ligo transdonas rektan moviĝon de la malsupra transmisio al la supra brako, kreante rotacian konekton. Aliflanke, la movado de la paro de prismoj estas la sama kiel la movado de la plurtavola unuaŝtupa transmisio.
Eksperimenta studo estis efektivigita sur la prototipo montrita en Fig. 9b por taksi la rendimenton de bimodala transmisio bazita sur SMA. Kiel montrite en Fig. 10a, la eksperimenta aranĝo konsistis el programebla kontinukurenta elektrofonto por provizi eniran tension al la SMA-dratoj. Kiel montrite en fig. 10b, piezoelektra streĉmezurilo (PACEline CFT/5kN) estis uzita por mezuri la blokan forton uzante Graphtec GL-2000 datenregistrilon. La datumoj estas registritaj de la gastiganto por plia studo. Trostreĉmezuriloj kaj ŝargamplifiloj postulas konstantan elektrofonton por produkti tensian signalon. La respondaj signaloj estas konvertitaj en potencajn eligojn laŭ la sentemeco de la piezoelektra fortosensilo kaj aliaj parametroj, kiel priskribite en Tabelo 2. Kiam tensiopulso estas aplikita, la temperaturo de la SMA-drato pliiĝas, kaŭzante kunpremiĝon de la SMA-drato, kio igas la aktuatoron generi forton. La eksperimentaj rezultoj de la eligo de muskola forto per enira tensiopulso de 7 V estas montritaj en fig. 2a.
(a) SMA-bazita linia aktuatora sistemo estis starigita en la eksperimento por mezuri la forton generitan de la aktuatoro. La ŝarĝoĉelo mezuras la blokan forton kaj estas funkciigita per 24 V kontinua kurento. 7 V tensiofalo estis aplikita laŭlonge de la tuta longo de la kablo uzante GW Instek programeblan kontinuan kurentfonton. La SMA-drato ŝrumpas pro varmo, kaj la movebla brako kontaktas la ŝarĝoĉelon kaj penas blokan forton. La ŝarĝoĉelo estas konektita al la GL-2000 datenregistrilo kaj la datumoj estas konservitaj sur la gastiganto por plia prilaborado. (b) Diagramo montranta la ĉenon de komponantoj de la eksperimenta aranĝo por mezuri muskolan forton.
Formomemoraj alojoj estas ekscititaj per varmenergio, do temperaturo fariĝas grava parametro por studi la formmemoran fenomenon. Eksperimente, kiel montrite en Fig. 11a, termikaj bildigoj kaj temperaturmezuradoj estis faritaj sur prototipa SMA-bazita divalerata aktuatoro. Programebla kontinukurenta fonto aplikis enigan tension al la SMA-dratoj en la eksperimenta aranĝo, kiel montrite en Figuro 11b. La temperaturŝanĝo de la SMA-drato estis mezurita en reala tempo uzante alt-rezolucian LWIR-fotilon (FLIR A655sc). La gastiganto uzas la ResearchIR-programaron por registri datumojn por plia post-prilaborado. Kiam tensiopulso estas aplikita, la temperaturo de la SMA-drato pliiĝas, kaŭzante ŝrumpiĝon de la SMA-drato. En Fig. 2b montras la eksperimentajn rezultojn de la SMA-drattemperaturo kontraŭ tempo por 7V eniga tensiopulso.