Grazas por visitar Nature.com.A versión do navegador que estás a usar ten soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Mentres tanto, para garantir a asistencia continua, renderizaremos o sitio sen estilos e JavaScript.
Os actuadores utilízanse en todas partes e crean un movemento controlado aplicando a forza de excitación ou torque correctos para realizar varias operacións na fabricación e na automatización industrial.A necesidade de unidades máis rápidas, pequenas e eficientes impulsa a innovación no deseño de unidades.As unidades de aliaxe de memoria de forma (SMA) ofrecen unha serie de vantaxes sobre as unidades convencionais, incluíndo unha alta relación potencia-peso.Nesta disertación, desenvolveuse un actuador baseado en SMA de dúas plumas que combina as vantaxes dos músculos plumosos dos sistemas biolóxicos e as propiedades únicas dos SMA.Este estudo explora e amplía actuadores SMA anteriores desenvolvendo un modelo matemático do novo actuador baseado na disposición bimodal de fíos SMA e probándoo experimentalmente.En comparación coas unidades coñecidas baseadas en SMA, a forza de actuación da nova unidade é polo menos 5 veces maior (ata 150 N).A perda de peso correspondente é de preto do 67%.Os resultados da análise de sensibilidade dos modelos matemáticos son útiles para axustar os parámetros de deseño e comprender os parámetros clave.Este estudo tamén presenta unha unidade de etapa N de varios niveis que se pode usar para mellorar aínda máis a dinámica.Os actuadores musculares dipvalerados baseados en SMA teñen unha ampla gama de aplicacións, desde a automatización de edificios ata os sistemas de administración de fármacos de precisión.
Os sistemas biolóxicos, como as estruturas musculares dos mamíferos, poden activar moitos actuadores sutís1.Os mamíferos teñen diferentes estruturas musculares, cada unha delas cumpre un propósito específico.Non obstante, gran parte da estrutura do tecido muscular dos mamíferos pódese dividir en dúas grandes categorías.Paralela e pinnada.Nos isquiotibiais e outros flexores, como o nome indica, a musculatura paralela ten fibras musculares paralelas ao tendón central.A cadea de fibras musculares está aliñada e conectada funcionalmente polo tecido conxuntivo que as rodea.Aínda que se di que estes músculos teñen unha gran excursión (acurtamento porcentual), a súa forza muscular xeral é moi limitada.En cambio, no músculo tríceps da pantorrilla2 (gastrocnemio lateral (GL)3, gastrocnemio medial (GM)4 e sóleo (SOL)) e extensor femoral (cuádriceps)5,6 atópase tecido muscular pinado en cada músculo7.Nunha estrutura pinnada, as fibras musculares da musculatura bipennada están presentes a ambos os dous lados do tendón central en ángulos oblicuos (ángulos pinnados).Pennate provén da palabra latina "penna", que significa "pluma", e, como se mostra na fig.1 ten un aspecto de pluma.As fibras dos músculos pinados son máis curtas e están en ángulo co eixe lonxitudinal do músculo.Debido á estrutura pinnada, a mobilidade global destes músculos redúcese, o que leva aos compoñentes transversais e lonxitudinais do proceso de acurtamento.Por outra banda, a activación destes músculos leva a unha maior forza muscular global debido á forma en que se mide a área da sección transversal fisiolóxica.Polo tanto, para unha determinada área de sección transversal, os músculos pinados serán máis fortes e xerarán forzas maiores que os músculos con fibras paralelas.As forzas xeradas por fibras individuais xeran forzas musculares a nivel macroscópico nese tecido muscular.Ademais, ten propiedades únicas como encollemento rápido, protección contra danos por tracción, amortiguación.Transforma a relación entre a entrada de fibra e a saída de potencia muscular ao explotar as características únicas e a complexidade xeométrica da disposición das fibras asociadas ás liñas de acción musculares.
Amósanse diagramas esquemáticos de deseños de actuadores baseados en SMA existentes en relación cunha arquitectura muscular bimodal, por exemplo (a), que representan a interacción da forza táctil na que un dispositivo en forma de man accionado por cables SMA está montado nun robot móbil autónomo de dúas rodas9,10., (b) Prótese orbital robótica con prótese orbitaria SMA con resorte colocada de forma antagónica.A posición do ollo protético está controlada por un sinal do músculo ocular do ollo11, (c) Os actuadores SMA son ideais para aplicacións submarinas debido á súa resposta de alta frecuencia e baixo ancho de banda.Nesta configuración, os actuadores SMA utilízanse para crear o movemento de ondas simulando o movemento dos peixes, (d) Os actuadores SMA úsanse para crear un robot de inspección de microtubos que pode usar o principio de movemento de vermes de polgadas, controlado polo movemento dos fíos SMA dentro da canle 10, (e) mostra a dirección da contracción das fibras musculares e xera forza contráctil no tecido gastrocnemio en forma de fibras musculares SMA. estrutura muscular.
Os actuadores convertéronse nunha parte importante dos sistemas mecánicos debido á súa ampla gama de aplicacións.Polo tanto, a necesidade de unidades máis pequenas, rápidas e eficientes faise fundamental.A pesar das súas vantaxes, as unidades tradicionais demostraron ser caras e levar moito tempo de manter.Os actuadores hidráulicos e pneumáticos son complexos e caros e están suxeitos a desgaste, problemas de lubricación e fallos de compoñentes.En resposta á demanda, o foco céntrase no desenvolvemento de actuadores rendibles, optimizados para o tamaño e avanzados baseados en materiais intelixentes.A investigación en curso está a buscar actuadores en capas de aliaxe con memoria de forma (SMA) para satisfacer esta necesidade.Os actuadores xerárquicos son únicos porque combinan moitos actuadores discretos en subsistemas a macroescala xeométricamente complexos para proporcionar unha funcionalidade aumentada e ampliada.Neste sentido, o tecido muscular humano descrito anteriormente proporciona un excelente exemplo multicapa de tal actuación multicapa.O estudo actual describe unha unidade SMA de varios niveis con varios elementos de condución individuais (fíos SMA) aliñados coas orientacións das fibras presentes nos músculos bimodais, o que mellora o rendemento global da condución.
O obxectivo principal dun actuador é xerar enerxía mecánica como forza e desprazamento mediante a conversión de enerxía eléctrica.As aliaxes con memoria de forma son unha clase de materiais "intelixentes" que poden restaurar a súa forma a altas temperaturas.Baixo altas cargas, un aumento da temperatura do fío SMA leva á recuperación da forma, o que resulta nunha maior densidade de enerxía de actuación en comparación con varios materiais intelixentes unidos directamente.Ao mesmo tempo, baixo cargas mecánicas, os SMA vólvense fráxiles.En determinadas condicións, unha carga cíclica pode absorber e liberar enerxía mecánica, mostrando cambios de forma histerético reversibles.Estas propiedades únicas fan que SMA sexa ideal para sensores, amortiguación de vibracións e especialmente para actuadores12.Con isto en mente, houbo moita investigación sobre unidades baseadas en SMA.Nótese que os actuadores baseados en SMA están deseñados para proporcionar movemento de traslación e rotación para unha variedade de aplicacións13,14,15.Aínda que se desenvolveron algúns actuadores rotativos, os investigadores están especialmente interesados nos actuadores lineais.Estes actuadores lineais pódense dividir en tres tipos de actuadores: actuadores unidimensionales, de desprazamento e diferenciais 16 .Inicialmente, as unidades híbridas creáronse en combinación con SMA e outras unidades convencionais.Un destes exemplos dun actuador lineal híbrido baseado en SMA é o uso dun fío SMA cun motor de CC para proporcionar unha forza de saída duns 100 N e un desprazamento significativo17.
Un dos primeiros desenvolvementos en unidades baseadas integramente en SMA foi a unidade paralela SMA.Usando varios cables SMA, a unidade paralela baseada en SMA está deseñada para aumentar a capacidade de potencia da unidade colocando todos os cables SMA18 en paralelo.A conexión en paralelo dos actuadores non só require máis potencia, senón que tamén limita a potencia de saída dun só cable.Outra desvantaxe dos actuadores baseados en SMA é a limitada viaxe que poden conseguir.Para solucionar este problema, creouse un feixe de cable SMA que contén un feixe flexible desviado para aumentar o desprazamento e conseguir un movemento lineal, pero non xeraba forzas maiores19.Estruturas e tecidos deformables suaves para robots baseados en aliaxes con memoria de forma desenvolvéronse principalmente para a amplificación de impacto20,21,22.Para aplicacións onde se requiren altas velocidades, informouse de bombas accionadas compactas que utilizan SMA de película fina para aplicacións accionadas por microbombas23.A frecuencia de condución da membrana SMA de película fina é un factor clave para controlar a velocidade do condutor.Polo tanto, os motores lineais SMA teñen unha mellor resposta dinámica que os motores con resorte ou varilla SMA.A robótica suave e a tecnoloxía de agarre son outras dúas aplicacións que usan actuadores baseados en SMA.Por exemplo, para substituír o actuador estándar usado na pinza espacial de 25 N, desenvolveuse un actuador paralelo 24 de aliaxe con memoria de forma.Noutro caso, fabricouse un actuador brando SMA a partir dun fío cunha matriz incrustada capaz de producir unha forza máxima de tracción de 30 N. Debido ás súas propiedades mecánicas, os SMA tamén se utilizan para producir actuadores que imitan fenómenos biolóxicos.Un destes desenvolvementos inclúe un robot de 12 células que é un biomimético dun organismo parecido á miñoca con SMA para xerar un movemento sinusoidal para disparar26,27.
Como se mencionou anteriormente, existe un límite para a forza máxima que se pode obter dos actuadores baseados en SMA existentes.Para abordar este problema, este estudo presenta unha estrutura muscular bimodal biomimética.Impulsado por fío de aliaxe con memoria de forma.Ofrece un sistema de clasificación que inclúe varios fíos de aliaxe con memoria de forma.Ata a data, non se informou na literatura de actuadores baseados en SMA cunha arquitectura similar.Este sistema único e novedoso baseado en SMA foi desenvolvido para estudar o comportamento da SMA durante o aliñamento muscular bimodal.En comparación cos actuadores baseados en SMA existentes, o obxectivo deste estudo foi crear un actuador biomimético de dipvalerato para xerar forzas significativamente maiores nun pequeno volume.En comparación cos accionamentos de motor paso a paso convencionais utilizados nos sistemas de control e automatización de edificios HVAC, o deseño de accionamento bimodal proposto baseado en SMA reduce o peso do mecanismo de accionamento nun 67%.A continuación, os termos "músculo" e "unidade" úsanse indistintamente.Este estudo investiga a simulación multifísica de tal unidade.O comportamento mecánico destes sistemas foi estudado por métodos experimentais e analíticos.Investigáronse máis as distribucións de forza e temperatura a unha tensión de entrada de 7 V. Posteriormente, realizouse unha análise paramétrica para comprender mellor a relación entre os parámetros clave e a forza de saída.Finalmente, imagináronse actuadores xerárquicos e propuxéronse efectos de nivel xerárquico como potencial área futura para actuadores non magnéticos para aplicacións protésicas.Segundo os resultados dos estudos mencionados, o uso dunha arquitectura dunha soa etapa produce forzas polo menos de catro a cinco veces máis altas que os actuadores baseados en SMA informados.Ademais, demostrouse que a mesma forza motriz xerada por unha unidade multinivel é máis de dez veces que as unidades convencionais baseadas en SMA.A continuación, o estudo informa dos parámetros clave mediante a análise de sensibilidade entre diferentes deseños e variables de entrada.A lonxitude inicial do fío SMA (\(l_0\)), o ángulo pinnate (\(\alpha\)) e o número de fíos simples (n) en cada febra individual teñen un forte efecto negativo sobre a magnitude da forza motriz.forza, mentres que a tensión de entrada (enerxía) resultou estar positivamente correlacionada.
O fío SMA presenta o efecto de memoria de forma (SME) visto na familia de aliaxes de níquel-titanio (Ni-Ti).Normalmente, os SMA presentan dúas fases dependentes da temperatura: unha fase de baixa temperatura e unha fase de alta temperatura.Ambas as fases teñen propiedades únicas debido á presenza de diferentes estruturas cristalinas.Na fase de austenita (fase de alta temperatura) existente por riba da temperatura de transformación, o material presenta unha alta resistencia e está mal deformado baixo carga.A aliaxe compórtase como o aceiro inoxidable, polo que é capaz de soportar presións de actuación máis altas.Aproveitando esta propiedade das aliaxes de Ni-Ti, os fíos SMA están inclinados para formar un actuador.Desenvólvense modelos analíticos axeitados para comprender a mecánica fundamental do comportamento térmico da SMA baixo a influencia de varios parámetros e xeometrías diversas.Obtívose unha boa concordancia entre os resultados experimentais e analíticos.
Realizouse un estudo experimental sobre o prototipo mostrado na figura 9a para avaliar o rendemento dunha unidade bimodal baseada en SMA.Dúas destas propiedades, a forza xerada polo impulso (forza muscular) e a temperatura do fío SMA (temperatura SMA), foron medidas experimentalmente.A medida que a diferenza de tensión aumenta ao longo de toda a lonxitude do fío na unidade, a temperatura do fío aumenta debido ao efecto de quecemento Joule.A tensión de entrada aplicouse en dous ciclos de 10 s (mostrados como puntos vermellos na figura 2a, b) cun período de arrefriamento de 15 s entre cada ciclo.Mediuse a forza de bloqueo mediante un extensómetro piezoeléctrico e monitorizouse a distribución da temperatura do fío SMA en tempo real mediante unha cámara LWIR de alta resolución de grao científico (ver as características dos equipos utilizados na Táboa 2).mostra que durante a fase de alta tensión, a temperatura do fío aumenta de forma monótona, pero cando non circula corrente, a temperatura do fío segue baixando.Na configuración experimental actual, a temperatura do fío SMA baixou durante a fase de arrefriamento, pero aínda estaba por encima da temperatura ambiente.Sobre a fig.2e mostra unha instantánea da temperatura no cable SMA tomada da cámara LWIR.Por outra banda, na fig.2a mostra a forza de bloqueo xerada polo sistema de accionamento.Cando a forza muscular supera a forza de restauración do resorte, o brazo móbil, como se mostra na Figura 9a, comeza a moverse.Tan pronto como se inicia o accionamento, o brazo móbil entra en contacto co sensor, creando unha forza corporal, como se mostra na fig.2c, d.Cando a temperatura máxima é próxima a \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), a forza máxima observada é de 105 N.
O gráfico mostra os resultados experimentais da temperatura do fío SMA e da forza xerada polo actuador bimodal baseado en SMA durante dous ciclos.A tensión de entrada aplícase en dous ciclos de 10 segundos (mostrados como puntos vermellos) cun período de arrefriamento de 15 segundos entre cada ciclo.O fío SMA utilizado para os experimentos foi un fío Flexinol de 0,51 mm de diámetro de Dynalloy, Inc. (a) O gráfico mostra a forza experimental obtida durante dous ciclos, (c, d) mostra dous exemplos independentes da acción dos actuadores de brazo móbil nun transdutor de forza piezoeléctrico PACEline CFT/5kN, (b) o gráfico mostra a temperatura máxima do tempo durante dous ciclos completos. foto tomada desde o cable SMA usando a cámara LWIR do software FLIR ResearchIR.Os parámetros xeométricos que se tiveron en conta nos experimentos aparecen na táboa.un.
Os resultados da simulación do modelo matemático e os resultados experimentais compáranse baixo a condición dunha tensión de entrada de 7V, como se mostra na Fig.5.Segundo os resultados da análise paramétrica e para evitar a posibilidade de sobrequecemento do fío SMA, proporcionouse ao actuador unha potencia de 11,2 W.Utilizouse unha fonte de alimentación de CC programable para proporcionar 7 V como tensión de entrada e mediuse unha corrente de 1,6 A a través do cable.A forza xerada pola unidade e a temperatura do SDR aumentan cando se aplica corrente.Cunha tensión de entrada de 7 V, a forza de saída máxima obtida a partir dos resultados da simulación e dos resultados experimentais do primeiro ciclo é de 78 N e 96 N, respectivamente.No segundo ciclo, a forza de saída máxima dos resultados de simulación e experimentais foi de 150 N e 105 N, respectivamente.A discrepancia entre as medicións da forza de oclusión e os datos experimentais pode deberse ao método utilizado para medir a forza de oclusión.Os resultados experimentais mostrados na fig.5a corresponden á medición da forza de bloqueo, que á súa vez foi medida cando o eixe motriz estivo en contacto co transdutor de forza piezoeléctrico PACEline CFT/5kN, como se mostra na fig.2s.Polo tanto, cando o eixe motriz non está en contacto co sensor de forza ao comezo da zona de arrefriamento, a forza pasa a ser inmediatamente cero, como se mostra na figura 2d.Ademais, outros parámetros que afectan á formación de forza en ciclos posteriores son os valores do tempo de arrefriamento e o coeficiente de transferencia de calor convectiva no ciclo anterior.Da fig.2b, pódese ver que despois dun período de arrefriamento de 15 segundos, o fío SMA non alcanzou a temperatura ambiente e, polo tanto, tiña unha temperatura inicial máis alta (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) no segundo ciclo de condución en comparación co primeiro ciclo (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Así, en comparación co primeiro ciclo, a temperatura do fío SMA durante o segundo ciclo de quecemento alcanza a temperatura inicial de austenita (\(A_s\)) antes e permanece no período de transición máis tempo, o que resulta en tensión e forza.Por outra banda, as distribucións de temperatura durante os ciclos de quecemento e arrefriamento obtidas a partir de experimentos e simulacións teñen unha gran semellanza cualitativa con exemplos da análise termográfica.A análise comparativa dos datos térmicos do fío SMA de experimentos e simulacións mostrou consistencia durante os ciclos de quecemento e arrefriamento e dentro das tolerancias aceptables para os datos experimentais.A temperatura máxima do fío SMA, obtida a partir dos resultados da simulación e experimentos do primeiro ciclo, é \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) e \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, respectivamente), e no segundo ciclo a temperatura máxima do fío SMA é \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) e \circ (94\,\)\h,\circ(C }\) recadro {C}\).O modelo desenvolvido fundamentalmente confirma o efecto do efecto memoria de forma.O papel da fatiga e do sobreenriquecemento non se considerou nesta revisión.No futuro, o modelo mellorarase para incluír o historial de tensión do fío SMA, o que o fai máis adecuado para aplicacións de enxeñería.A forza de saída da unidade e os gráficos de temperatura SMA obtidos a partir do bloque Simulink están dentro das tolerancias permitidas dos datos experimentais baixo a condición dun pulso de tensión de entrada de 7 V. Isto confirma a corrección e fiabilidade do modelo matemático desenvolvido.
O modelo matemático desenvolveuse no entorno MathWorks Simulink R2020b utilizando as ecuacións básicas descritas na sección Métodos.Sobre a fig.A 3b mostra un diagrama de bloques do modelo matemático Simulink.O modelo simulouse para un pulso de tensión de entrada de 7 V como se mostra na figura 2a, b.Os valores dos parámetros utilizados na simulación están listados na Táboa 1. Os resultados da simulación de procesos transitorios preséntanse nas Figuras 1 e 1. Figuras 3a e 4. Na fig.4a,b mostra a tensión inducida no fío SMA e a forza xerada polo actuador en función do tempo. Durante a transformación inversa (quecemento), cando a temperatura do fío SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura de inicio da fase de austenita modificada por tensión), a taxa de cambio da fracción de volume de martensita (\(\dot{\xi }\)) será cero. Durante a transformación inversa (quecemento), cando a temperatura do fío SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura de inicio da fase de austenita modificada por tensión), a taxa de cambio da fracción de volume de martensita (\(\dot{\xi }\)) será cero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (тетустнай на фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot) фазы изменения объемной доли мартенсита (\(\dot){\тунѱ) Durante a transformación inversa (quecemento), cando a temperatura do fío SMA, \(T <A_s^{\prime}\) (temperatura de inicio de austenita modificada por estrés), a taxa de cambio da fracción de volume de martensita (\(\dot{\xi }\ )) será cero.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T <A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏修正奥氏体秩奥氏体秩帩度氏体秩度氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Resultado da simulación que mostra a distribución da temperatura e a temperatura de unión inducida polo estrés nun actuador de divalerato baseado en SMA.Cando a temperatura do fío atravesa a temperatura de transición de austenita na fase de quecemento, a temperatura de transición de austenita modificada comeza a aumentar e, do mesmo xeito, cando a temperatura do arame cruza a temperatura de transición martensítica na fase de arrefriamento, a temperatura de transición martensítica diminúe.SMA para a modelización analítica do proceso de actuación.(Para obter unha vista detallada de cada subsistema dun modelo Simulink, consulte a sección do apéndice do ficheiro complementario).
Os resultados da análise para diferentes distribucións de parámetros móstranse para dous ciclos da tensión de entrada de 7 V (ciclos de quecemento de 10 segundos e ciclos de arrefriamento de 15 segundos).Mentres (ac) e (e) representan a distribución no tempo, por outra banda, (d) e (f) ilustran a distribución coa temperatura.Para as respectivas condicións de entrada, a tensión máxima observada é de 106 MPa (menos de 345 MPa, límite de fluencia do fío), a forza é de 150 N, o desprazamento máximo é de 270 µm e a fracción de volume martensítica mínima é de 0,91.Por outra banda, o cambio de tensión e o cambio na fracción volumétrica da martensita coa temperatura son similares ás características da histérese.
A mesma explicación aplícase á transformación directa (arrefriamento) da fase de austenita á fase de martensita, onde a temperatura do fío SMA (T) e a temperatura final da fase de martensita modificada pola tensión (\(M_f^{\prime}\ )) son excelentes.Sobre a fig.4d,f mostra o cambio no esforzo inducido (\(\sigma\)) e a fracción volumétrica de martensita (\(\xi\)) no fío SMA en función do cambio de temperatura do fío SMA (T), para ambos os ciclos de condución.Sobre a fig.A figura 3a mostra o cambio na temperatura do fío SMA co tempo dependendo do pulso de tensión de entrada.Como se pode ver na figura, a temperatura do fío segue aumentando proporcionando unha fonte de calor a tensión cero e posterior arrefriamento convectivo.Durante o quecemento, a retransformación da martensita á fase de austenita comeza cando a temperatura do fío SMA (T) cruza a temperatura de nucleación da austenita correxida pola tensión (\(A_s^{\prime}\)).Durante esta fase, o fío SMA está comprimido e o actuador xera forza.Tamén durante o arrefriamento, cando a temperatura do fío SMA (T) cruza a temperatura de nucleación da fase de martensita modificada polo estrés (\(M_s^{\prime}\)) hai unha transición positiva da fase de austenita á fase de martensita.a forza motriz diminúe.
A partir dos resultados da simulación pódense obter os principais aspectos cualitativos do accionamento bimodal baseado en SMA.No caso dunha entrada de pulso de tensión, a temperatura do fío SMA aumenta debido ao efecto de quecemento Joule.O valor inicial da fracción de volume de martensita (\(\xi\)) establécese en 1, xa que o material está inicialmente nunha fase totalmente martensítica.A medida que o fío segue quentándose, a temperatura do fío SMA supera a temperatura de nucleación de austenita correxida pola tensión \(A_s^{\prime}\), o que resulta nunha diminución da fracción de volume de martensita, como se mostra na Figura 4c.Ademais, na fig.A 4e mostra a distribución de carreiras do actuador no tempo, e na fig.5 – forza motriz en función do tempo.Un sistema de ecuacións relacionado inclúe a temperatura, a fracción de volume de martensita e a tensión que se desenvolve no fío, o que resulta na contracción do fío SMA e na forza xerada polo actuador.Como se mostra na fig.4d,f, a variación de tensión coa temperatura e a variación da fracción de volume de martensita coa temperatura corresponden ás características de histérese do SMA no caso simulado a 7 V.
Obtívose a comparación de parámetros de condución mediante experimentos e cálculos analíticos.Os fíos foron sometidos a unha tensión de entrada pulsada de 7 V durante 10 segundos, despois arrefriáronse durante 15 segundos (fase de arrefriamento) durante dous ciclos.O ángulo pinnate establécese en \(40^{\circ}\) e a lonxitude inicial do fío SMA en cada pata de pin está configurada en 83 mm.(a) Medición da forza motriz cunha célula de carga (b) Monitorización da temperatura do cable cunha cámara térmica de infravermellos.
Para comprender a influencia dos parámetros físicos na forza producida polo accionamento, realizouse unha análise da sensibilidade do modelo matemático aos parámetros físicos seleccionados e clasificáronse os parámetros segundo a súa influencia.En primeiro lugar, a mostraxe dos parámetros do modelo realizouse utilizando principios de deseño experimental que seguían unha distribución uniforme (ver Sección complementaria sobre Análise de Sensibilidade).Neste caso, os parámetros do modelo inclúen a tensión de entrada (\(V_{in}\)), a lonxitude inicial do fío SMA (\(l_0\)), o ángulo do triángulo (\(\alpha\)), a constante de resorte de polarización (\(K_x\)), o coeficiente de transferencia de calor convectiva (\(h_T\)) e o número de ramas unimodais (n).No seguinte paso, escolleuse a forza muscular máxima como requisito do deseño do estudo e obtivéronse os efectos paramétricos de cada conxunto de variables sobre a forza.As gráficas de tornado para a análise de sensibilidade deriváronse dos coeficientes de correlación para cada parámetro, como se mostra na figura 6a.
(a) No gráfico do tornado móstranse os valores do coeficiente de correlación dos parámetros do modelo e o seu efecto sobre a forza de saída máxima de 2500 grupos únicos dos parámetros do modelo anteriores.O gráfico mostra a correlación de rangos de varios indicadores.Está claro que \(V_{in}\) é o único parámetro cunha correlación positiva, e \(l_0\) é o parámetro con maior correlación negativa.O efecto de varios parámetros en varias combinacións sobre a forza muscular máxima móstrase en (b, c).\(K_x\) oscila entre 400 e 800 N/m e n oscila entre 4 e 24. A tensión (\(V_{in}\)) cambiou de 4V a 10V, a lonxitude do cable (\(l_{0}\)) cambiou de 40 a 100 mm e o ángulo da cola (\ (\-{2})) variou de \(\circ) \\{\circ}.
Sobre a fig.A figura 6a mostra un diagrama de tornado de varios coeficientes de correlación para cada parámetro cos requisitos de deseño de forza impulsora máxima.Da fig.6a pódese ver que o parámetro de tensión (\(V_{in}\)) está directamente relacionado coa forza de saída máxima, e o coeficiente de transferencia de calor convectivo (\(h_T\)), o ángulo de chama (\( \alpha\)), a constante de resorte de desprazamento (\(K_x\)) está correlacionado negativamente coa forza de saída e a lonxitude inicial da ramificación e o número de ramificación SMA\ (n) mostra unha forte correlación inversa No caso de correlación directa No caso dun valor maior do coeficiente de correlación de tensión (\(V_ {in}\)) indica que este parámetro ten o maior efecto sobre a potencia de saída.Outra análise similar mide a forza máxima avaliando o efecto de diferentes parámetros en diferentes combinacións dos dous espazos computacionais, como se mostra na figura 6b, c.\(V_{in}\) e \(l_0\), \(\alpha\) e \(l_0\) teñen patróns similares, e o gráfico mostra que \(V_{in}\) e \(\alpha\ ) e \(\alpha\) teñen patróns similares.Valores máis pequenos de \(l_0\) dan como resultado forzas de pico máis altas.Os outros dous gráficos son consistentes coa figura 6a, onde n e \(K_x\) están correlacionados negativamente e \(V_{in}\) están correlacionados positivamente.Esta análise axuda a definir e axustar os parámetros de influencia polos que a forza de saída, a carreira e a eficiencia do sistema de accionamento poden adaptarse aos requisitos e á aplicación.
Os traballos de investigación actuais introducen e investigan as unidades xerárquicas con niveis N.Nunha xerarquía de dous niveis, como se mostra na figura 7a, onde en lugar de cada cable SMA do actuador de primeiro nivel, conséguese unha disposición bimodal, como se mostra na fig.9e.Sobre a fig.A figura 7c mostra como o fío SMA está enrolado arredor dun brazo móbil (brazo auxiliar) que só se move na dirección lonxitudinal.Non obstante, o brazo móbil principal segue movéndose da mesma forma que o brazo móbil do actuador multietapa da 1a etapa.Normalmente, unha unidade de N etapas créase substituíndo o cable SMA de etapa \(N-1\) por unha unidade de primeira etapa.Como resultado, cada rama imita a unidade da primeira etapa, coa excepción da rama que sostén o propio cable.Deste xeito, pódense formar estruturas aniñadas que crean forzas varias veces maiores que as forzas dos accionamentos primarios.Neste estudo, para cada nivel, tívose en conta unha lonxitude efectiva total do fío SMA de 1 m, como se mostra en formato tabular na figura 7d.A corrente a través de cada fío en cada deseño unimodal e a pretensión e tensión resultantes en cada segmento de fío SMA son os mesmos en cada nivel.Segundo o noso modelo analítico, a forza de saída está correlacionada positivamente co nivel, mentres que o desprazamento está correlacionado negativamente.Ao mesmo tempo, houbo un equilibrio entre o desprazamento e a forza muscular.Como se ve na fig.7b, mentres que a forza máxima conséguese no maior número de capas, o maior desprazamento obsérvase na capa máis baixa.Cando o nivel de xerarquía se estableceu en \(N=5\), atopouse unha forza muscular máxima de 2,58 kN con 2 golpes observados \(\upmu\)m.Por outra banda, o accionamento da primeira etapa xera unha forza de 150 N a unha carreira de 277 \(\upmu\)m.Os actuadores de varios niveis son capaces de imitar os músculos biolóxicos reais, onde os músculos artificiais baseados en aliaxes con memoria de forma son capaces de xerar forzas significativamente máis altas con movementos precisos e finos.As limitacións deste deseño miniaturizado son que a medida que aumenta a xerarquía, o movemento redúcese moito e aumenta a complexidade do proceso de fabricación da unidade.
(a) Un sistema de actuador lineal de aliaxe con memoria de forma de dúas etapas (\(N=2\)) en capas móstrase nunha configuración bimodal.O modelo proposto conséguese substituíndo o fío SMA no actuador en capas da primeira etapa por outro actuador en capas dunha soa etapa.(c) Configuración deformada do actuador multicapa da segunda etapa.(b) Descríbese a distribución de forzas e desprazamentos en función do número de niveis.Descubriuse que a forza máxima do actuador está correlacionada positivamente co nivel de escala no gráfico, mentres que a carreira está correlacionada negativamente co nivel de escala.A corrente e a pretensión en cada cable permanecen constantes en todos os niveis.(d) A táboa mostra o número de tomas e a lonxitude do fío SMA (fibra) en cada nivel.As características dos fíos indícanse co índice 1 e o número de ramas secundarias (unha conectada á pata primaria) indícase co número máis grande do subíndice.Por exemplo, no nivel 5, \(n_1\) refírese ao número de cables SMA presentes en cada estrutura bimodal e \(n_5\) refírese ao número de patas auxiliares (unha conectada á pata principal).
Varios métodos foron propostos por moitos investigadores para modelar o comportamento dos SMA con memoria de forma, que dependen das propiedades termomecánicas que acompañan os cambios macroscópicos na estrutura cristalina asociados á transición de fase.A formulación de métodos constitutivos é intrínsecamente complexa.O modelo fenomenolóxico máis utilizado é proposto por Tanaka28 e é moi utilizado en aplicacións de enxeñería.O modelo fenomenolóxico proposto por Tanaka [28] asume que a fracción volumétrica da martensita é unha función exponencial da temperatura e do estrés.Máis tarde, Liang e Rogers29 e Brinson30 propuxeron un modelo no que se supoñía que a dinámica de transición de fase era unha función coseno da tensión e da temperatura, con lixeiras modificacións no modelo.Becker e Brinson propuxeron un modelo cinético baseado en diagramas de fases para modelar o comportamento dos materiais SMA en condicións de carga arbitrarias así como en transicións parciais.Banerjee32 usa o método de dinámica de diagramas de fases de Bekker e Brinson31 para simular un manipulador de grao único de liberdade desenvolvido por Elahinia e Ahmadian33.Os métodos cinéticos baseados en diagramas de fase, que teñen en conta o cambio non monotónico da tensión coa temperatura, son difíciles de implementar en aplicacións de enxeñería.Elakhinia e Ahmadian chaman a atención sobre estas deficiencias dos modelos fenomenolóxicos existentes e propoñen un modelo fenomenolóxico estendido para analizar e definir o comportamento da memoria de forma en calquera condición de carga complexa.
O modelo estrutural do fío SMA dá tensión (\(\sigma\)), tensión (\(\epsilon\)), temperatura (T) e fracción de volume de martensita (\(\xi\)) do fío SMA.O modelo constitutivo fenomenolóxico foi proposto por primeira vez por Tanaka28 e posteriormente adoptado por Liang29 e Brinson30.A derivada da ecuación ten a forma:
onde E é o módulo de Young dependente da fase obtido usando \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) e \(E_A\) e \(E_M\) que representan o módulo de Young son fases austenítica e martensítica, respectivamente, e o coeficiente de expansión térmica represéntase por \(\\theta).O factor de contribución de transición de fase é \(\Omega = -E \epsilon _L\) e \(\epsilon _L\) é a deformación máxima recuperable no cable SMA.
A ecuación da dinámica de fase coincide coa función coseno desenvolvida por Liang29 e adoptada posteriormente por Brinson30 en lugar da función exponencial proposta por Tanaka28.O modelo de transición de fase é unha extensión do modelo proposto por Elakhinia e Ahmadian34 e modificado en función das condicións de transición de fase dadas por Liang29 e Brinson30.As condicións utilizadas para este modelo de transición de fase son válidas baixo cargas termomecánicas complexas.En cada momento, o valor da fracción volumétrica da martensita calcúlase ao modelar a ecuación constitutiva.
A ecuación de retransformación reitora, expresada pola transformación de martensita en austenita en condicións de quecemento, é a seguinte:
onde \(\xi\) é a fracción de volume de martensita, \(\xi _M\) é a fracción de volume de martensita obtida antes do quecemento, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ (\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) e \(C_A\) – curva de parámetros de temperatura, T_A\) e aproximación, T_A\ f\) - inicio e final da fase de austenita, respectivamente, temperatura.
A ecuación de control de transformación directa, representada pola transformación de fase de austenita a martensita en condicións de arrefriamento, é:
onde \(\xi _A\) é a fracción de volume de martensita obtida antes do arrefriamento, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) e \ (C_M \) – parámetros de axuste da curva, T – temperatura do fío SMA, temperatura final, \) e \(M_s_f) respectivamente, \(M__f) e \(M__f) final, respectivamente.
Despois de diferenciar as ecuacións (3) e (4), simplifícanse as ecuacións de transformación inversa e directa coa seguinte forma:
Durante a transformación cara a adiante e cara atrás \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) toman valores diferentes.As ecuacións básicas asociadas con \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) foron derivadas e discutidas en detalle nunha sección adicional.
A enerxía térmica necesaria para elevar a temperatura do fío SMA provén do efecto de quecemento Joule.A enerxía térmica absorbida ou liberada polo fío SMA está representada pola calor latente de transformación.A perda de calor no fío SMA débese á convección forzada e, dado o efecto insignificante da radiación, a ecuación de balance de enerxía térmica é a seguinte:
Onde \(m_{fío}\) é a masa total do fío SMA, \(c_{p}\) é a capacidade calorífica específica do SMA, \(V_{in}\) é a tensión aplicada ao fío, \(R_{ohm} \ ) – resistencia dependente da fase SMA, definida como:\(R_{ohm} = (l/A_{cruz})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) onde \(r_M\ ) e \(r_A\) son a resistividade de fase SMA en martensita e austenita, respectivamente, \(A_{c}\) é a área superficial da memoria de forma \(\D) da forma SMA.A calor latente de transición do fío, T e \(T_{\infty}\) son as temperaturas do fío SMA e do ambiente, respectivamente.
Cando se acciona un fío de aliaxe con memoria de forma, o fío comprime, creando unha forza en cada rama do deseño bimodal chamada forza da fibra.As forzas das fibras en cada febra do fío SMA crean a forza muscular para accionar, como se mostra na figura 9e.Debido á presenza dun resorte de polarización, a forza muscular total do actuador multicapa enésima é:
Substituíndo \(N = 1\) na ecuación (7), a forza muscular do prototipo de accionamento bimodal da primeira etapa pódese obter do seguinte xeito:
onde n é o número de patas unimodais, \(F_m\) é a forza muscular xerada polo impulso, \(F_f\) é a forza da fibra no fío SMA, \(K_x\) é a rixidez de polarización.resorte, \(\alpha\) é o ángulo do triángulo, \(x_0\) é a compensación inicial do resorte de polarización para manter o cable SMA na posición pretensada e \(\Delta x\) é a viaxe do actuador.
O desprazamento total ou o movemento da unidade (\(\Delta x\)) dependendo da tensión (\(\sigma\)) e da tensión (\(\epsilon\)) no fío SMA da etapa N, a unidade está configurada para (consulta a Fig. parte adicional da saída):
As ecuacións cinemáticas dan a relación entre a deformación da impulsión (\(\epsilon\)) e o desprazamento ou desprazamento (\(\Delta x\)).A deformación do fío Arb en función da lonxitude inicial do fío Arb (\(l_0\)) e a lonxitude do fío (l) en calquera momento t nunha rama unimodal é a seguinte:
onde \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) obtense aplicando a fórmula do coseno en \(\Delta\)ABB ', como se mostra na figura 8. Para a unidade da primeira etapa (\(N = 1\el\)), \(N = 1\el\el\)), (x_D\el\el) _1\) é \(\alpha \) como se mostra na Figura 8, ao diferenciar o tempo da ecuación (11) e substituír o valor de l, a taxa de deformación pódese escribir como:
onde \(l_0\) é a lonxitude inicial do fío SMA, l é a lonxitude do fío en calquera momento t nunha rama unimodal, \(\epsilon\) é a deformación desenvolvida no fío SMA e \(\alpha \) é o ángulo do triángulo, \(\Delta x\) é o desplazamento da unidade (como se mostra na Figura 8).
Todas as n estruturas dun só pico (\(n=6\) nesta figura) están conectadas en serie con \(V_{in}\) como tensión de entrada.Etapa I: Diagrama esquemático do fío SMA nunha configuración bimodal en condicións de tensión cero. Etapa II: Móstrase unha estrutura controlada onde o fío SMA se comprime debido á conversión inversa, como se mostra na liña vermella.
Como proba de concepto, desenvolveuse unha unidade bimodal baseada en SMA para probar a derivación simulada das ecuacións subxacentes con resultados experimentais.O modelo CAD do actuador lineal bimodal móstrase na fig.9a.Por outra banda, na fig.A figura 9c mostra un novo deseño proposto para unha conexión prismática rotacional usando un actuador baseado en SMA de dous planos cunha estrutura bimodal.Os compoñentes da unidade fabricáronse mediante a fabricación aditiva nunha impresora 3D Ultimaker 3 Extended.O material utilizado para a impresión 3D de compoñentes é o policarbonato, que é adecuado para materiais resistentes á calor, xa que é forte, duradeiro e ten unha temperatura de transición vítrea elevada (110-113 \(^{\circ }\) C).Ademais, nos experimentos utilizouse un fío de aliaxe con memoria de forma Flexinol de Dynalloy, Inc. e nas simulacións utilizáronse as propiedades do material correspondentes ao fío Flexinol.Múltiples fíos SMA están dispostos como fibras presentes nunha disposición bimodal dos músculos para obter as altas forzas producidas por actuadores multicapa, como se mostra na figura 9b, d.
Como se mostra na Figura 9a, o ángulo agudo formado polo fío SMA do brazo móbil chámase ángulo (\(\alpha\)).Coas abrazadeiras de terminais unidas ás abrazadeiras esquerda e dereita, o fío SMA mantense no ángulo bimodal desexado.O dispositivo de resorte de polarización que se suxeita no conector de resorte está deseñado para axustar os diferentes grupos de extensión de resorte de polarización segundo o número (n) de fibras SMA.Ademais, a localización das pezas móbiles está deseñada para que o fío SMA estea exposto ao ambiente externo para o arrefriamento por convección forzada.As placas superior e inferior do conxunto desmontable axudan a manter fresco o fío SMA con recortes extrusionados deseñados para reducir o peso.Ademais, os dous extremos do fío CMA están fixados nos terminais esquerdo e dereito, respectivamente, mediante un engarzado.Un émbolo está unido a un extremo do conxunto móbil para manter o espazo libre entre as placas superior e inferior.O émbolo tamén se usa para aplicar unha forza de bloqueo ao sensor mediante un contacto para medir a forza de bloqueo cando se acciona o fío SMA.
A estrutura muscular bimodal SMA está conectada eléctricamente en serie e alimentada por unha tensión de pulso de entrada.Durante o ciclo de pulso de tensión, cando se aplica tensión e o fío SMA se quenta por encima da temperatura inicial da austenita, a lonxitude do fío en cada febra acúrtase.Esta retracción activa o subconxunto do brazo móbil.Cando a tensión se puxo a cero no mesmo ciclo, o fío SMA quentado arrefriouse por debaixo da temperatura da superficie da martensita, volvendo así á súa posición orixinal.En condicións de tensión cero, o fío SMA é primeiro estirado pasivamente por un resorte de polarización para alcanzar o estado martensítico desvinculado.O parafuso, polo que pasa o fío SMA, móvese debido á compresión creada ao aplicar un pulso de tensión ao fío SMA (SPA chega á fase de austenita), o que leva ao accionamento da panca móbil.Cando o fío SMA se retrae, o resorte de polarización crea unha forza oposta ao estirar aínda máis o resorte.Cando a tensión na tensión de impulso pasa a ser cero, o fío SMA alóngase e cambia de forma debido ao arrefriamento por convección forzada, chegando a unha fase martensítica dobre.
O sistema de actuador lineal proposto baseado en SMA ten unha configuración bimodal na que os fíos SMA están en ángulo.(a) representa un modelo CAD do prototipo, que menciona algúns dos compoñentes e os seus significados para o prototipo, (b, d) representan o prototipo experimental desenvolvido35.Mentres (b) mostra unha vista superior do prototipo con conexións eléctricas e resortes de polarización e galgas extensométricas utilizados, (d) mostra unha vista en perspectiva da configuración.(e) Esquema dun sistema de actuación lineal con fíos SMA colocados bimodalmente en calquera momento t, que amosa a dirección e o curso da fibra e a forza muscular.(c) Propúxose unha conexión prismática rotacional de 2 DOF para implantar un actuador baseado en SMA de dous planos.Como se mostra, o enlace transmite o movemento lineal desde a unidade inferior ata o brazo superior, creando unha conexión rotacional.Por outra banda, o movemento do par de prismas é o mesmo que o movemento da primeira etapa multicapa.
Realizouse un estudo experimental sobre o prototipo que se mostra na figura 9b para avaliar o rendemento dunha unidade bimodal baseada en SMA.Como se mostra na Figura 10a, a configuración experimental consistiu nunha fonte de alimentación DC programable para proporcionar tensión de entrada aos cables SMA.Como se mostra na fig.10b, utilizouse un extensímetro piezoeléctrico (PACEline CFT/5kN) para medir a forza de bloqueo mediante un rexistrador de datos Graphtec GL-2000.Os datos son rexistrados polo anfitrión para estudo posterior.Os extensómetros e os amplificadores de carga requiren unha fonte de alimentación constante para producir un sinal de tensión.Os sinais correspondentes convértense en saídas de potencia segundo a sensibilidade do sensor de forza piezoeléctrico e outros parámetros como se describe na Táboa 2. Cando se aplica un pulso de tensión, a temperatura do fío SMA aumenta, o que fai que o fío SMA se comprima, o que fai que o actuador xere forza.Na fig.2a.
(a) No experimento instalouse un sistema de actuador lineal baseado en SMA para medir a forza xerada polo actuador.A célula de carga mide a forza de bloqueo e está alimentada por unha fonte de alimentación de 24 V CC.Aplicouse unha caída de tensión de 7 V ao longo de toda a lonxitude do cable utilizando unha fonte de alimentación de CC programable GW Instek.O fío SMA encolle debido á calor e o brazo móbil entra en contacto coa célula de carga e exerce unha forza de bloqueo.A célula de carga está conectada ao rexistrador de datos GL-2000 e os datos gárdanse no host para o seu procesamento posterior.(b) Diagrama que mostra a cadea de compoñentes da configuración experimental para medir a forza muscular.
As aliaxes con memoria de forma son excitadas pola enerxía térmica, polo que a temperatura convértese nun parámetro importante para estudar o fenómeno da memoria de forma.Experimentalmente, como se mostra na figura 11a, realizáronse imaxes térmicas e medicións de temperatura nun prototipo de actuador divalerado baseado en SMA.Unha fonte de CC programable aplicou tensión de entrada aos fíos SMA na configuración experimental, como se mostra na Figura 11b.O cambio de temperatura do cable SMA foi medido en tempo real mediante unha cámara LWIR de alta resolución (FLIR A655sc).O anfitrión usa o software ResearchIR para rexistrar datos para posterior procesamento.Cando se aplica un pulso de tensión, a temperatura do fío SMA aumenta, o que fai que o fío SMA se encolle.Sobre a fig.A figura 2b mostra os resultados experimentais da temperatura do fío SMA en función do tempo para un pulso de tensión de entrada de 7 V.
Hora de publicación: 28-09-2022