Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi browser yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau nonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Aktuator digunakan di mana-mana dan menciptakan gerakan terkendali dengan menerapkan gaya eksitasi atau torsi yang tepat untuk melakukan berbagai operasi dalam manufaktur dan otomasi industri. Kebutuhan akan penggerak yang lebih cepat, lebih kecil, dan lebih efisien mendorong inovasi dalam desain penggerak. Penggerak Shape Memory Alloy (SMA) menawarkan sejumlah keunggulan dibandingkan penggerak konvensional, termasuk rasio daya terhadap berat yang tinggi. Dalam disertasi ini, aktuator berbasis SMA dua-bulu dikembangkan yang menggabungkan keunggulan otot-otot berbulu sistem biologis dan sifat-sifat unik SMA. Studi ini mengeksplorasi dan memperluas aktuator SMA sebelumnya dengan mengembangkan model matematika aktuator baru berdasarkan susunan kawat SMA bimodal dan mengujinya secara eksperimental. Dibandingkan dengan penggerak yang dikenal berdasarkan SMA, gaya aktuasi penggerak baru setidaknya 5 kali lebih tinggi (hingga 150 N). Kehilangan berat yang sesuai adalah sekitar 67%. Hasil analisis sensitivitas model matematika berguna untuk menyetel parameter desain dan memahami parameter utama. Studi ini selanjutnya menyajikan penggerak tahap N multi-level yang dapat digunakan untuk lebih meningkatkan dinamika. Aktuator otot dipvalerat berbasis SMA memiliki berbagai macam aplikasi, mulai dari otomatisasi gedung hingga sistem pengiriman obat presisi.
Sistem biologis, seperti struktur otot mamalia, dapat mengaktifkan banyak aktuator halus1. Mamalia memiliki struktur otot yang berbeda, masing-masing melayani tujuan tertentu. Namun, sebagian besar struktur jaringan otot mamalia dapat dibagi menjadi dua kategori besar. Paralel dan pennate. Pada hamstring dan fleksor lainnya, seperti namanya, otot paralel memiliki serat otot yang sejajar dengan tendon sentral. Rantai serat otot berbaris dan terhubung secara fungsional oleh jaringan ikat di sekitarnya. Meskipun otot-otot ini dikatakan memiliki ekskursi yang besar (persentase pemendekan), kekuatan otot keseluruhannya sangat terbatas. Sebaliknya, pada otot betis trisep2 (gastrocnemius lateral (GL)3, gastrocnemius medial (GM)4 dan soleus (SOL)) dan ekstensor femoris (quadriceps)5,6 jaringan otot pennate ditemukan di setiap otot7. Dalam struktur menyirip, serabut otot pada otot bipennate terdapat pada kedua sisi tendon sentral pada sudut miring (sudut menyirip). Pennate berasal dari kata Latin “penna”, yang berarti “pena”, dan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 1 memiliki tampilan seperti bulu. Serabut otot pennate lebih pendek dan bersudut terhadap sumbu longitudinal otot. Karena struktur menyirip, mobilitas keseluruhan otot-otot ini berkurang, yang mengarah pada komponen transversal dan longitudinal dari proses pemendekan. Di sisi lain, aktivasi otot-otot ini mengarah pada kekuatan otot keseluruhan yang lebih tinggi karena cara luas penampang fisiologis diukur. Oleh karena itu, untuk luas penampang tertentu, otot pennate akan lebih kuat dan akan menghasilkan gaya yang lebih tinggi daripada otot dengan serat paralel. Gaya yang dihasilkan oleh serat individu menghasilkan gaya otot pada tingkat makroskopis dalam jaringan otot tersebut. Selain itu, ia memiliki sifat unik seperti penyusutan cepat, perlindungan terhadap kerusakan tarik, bantalan. Ia mengubah hubungan antara masukan serat dan keluaran daya otot dengan memanfaatkan fitur unik dan kompleksitas geometris susunan serat yang terkait dengan garis kerja otot.
Diagram skematik dari desain aktuator berbasis SMA yang ada ditunjukkan dalam kaitannya dengan arsitektur otot bimodal, misalnya (a), yang menggambarkan interaksi gaya taktil di mana perangkat berbentuk tangan yang digerakkan oleh kabel SMA dipasang pada robot bergerak otonom beroda dua9,10. , (b) Prostesis orbital robotik dengan prostesis orbital bermuatan pegas SMA yang ditempatkan secara antagonis. Posisi mata prostetik dikontrol oleh sinyal dari otot okular mata11, (c) Aktuator SMA ideal untuk aplikasi bawah air karena respons frekuensinya yang tinggi dan lebar pita yang rendah. Pada konfigurasi ini, aktuator SMA digunakan untuk menciptakan gerakan gelombang dengan mensimulasikan gerakan ikan, (d) aktuator SMA digunakan untuk membuat robot inspeksi pipa mikro yang dapat menggunakan prinsip gerakan cacing inci, yang dikendalikan oleh gerakan kabel SMA di dalam saluran 10, (e) menunjukkan arah kontraksi serat otot dan menghasilkan gaya kontraktil dalam jaringan gastrocnemius, (f) menunjukkan kabel SMA tersusun dalam bentuk serat otot dalam struktur otot pennate.
Aktuator telah menjadi bagian penting dari sistem mekanis karena berbagai macam aplikasinya. Oleh karena itu, kebutuhan akan penggerak yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih efisien menjadi sangat penting. Meskipun memiliki kelebihan, penggerak tradisional terbukti mahal dan memakan waktu untuk dirawat. Aktuator hidraulik dan pneumatik rumit dan mahal serta rentan terhadap keausan, masalah pelumasan, dan kegagalan komponen. Sebagai respons terhadap permintaan, fokusnya adalah mengembangkan aktuator yang hemat biaya, berukuran optimal, dan canggih berdasarkan material pintar. Penelitian yang sedang berlangsung sedang mengamati aktuator berlapis paduan memori bentuk (SMA) untuk memenuhi kebutuhan ini. Aktuator hierarkis bersifat unik karena menggabungkan banyak aktuator diskret menjadi subsistem skala makro yang secara geometris kompleks untuk memberikan fungsionalitas yang meningkat dan diperluas. Dalam hal ini, jaringan otot manusia yang dijelaskan di atas memberikan contoh multilapis yang sangat baik dari aktuasi multilapis tersebut. Studi saat ini menjelaskan penggerak SMA multilevel dengan beberapa elemen penggerak individual (kabel SMA) yang disejajarkan dengan orientasi serat yang ada pada otot bimodal, yang meningkatkan kinerja penggerak secara keseluruhan.
Tujuan utama aktuator adalah untuk menghasilkan daya mekanis seperti gaya dan perpindahan dengan mengubah energi listrik. Paduan memori bentuk adalah kelas material "pintar" yang dapat memulihkan bentuknya pada suhu tinggi. Di bawah beban tinggi, peningkatan suhu kawat SMA menyebabkan pemulihan bentuk, menghasilkan kepadatan energi aktuasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan berbagai material pintar yang terikat langsung. Pada saat yang sama, di bawah beban mekanis, SMA menjadi getas. Dalam kondisi tertentu, beban siklik dapat menyerap dan melepaskan energi mekanis, menunjukkan perubahan bentuk histeresis yang reversibel. Properti unik ini menjadikan SMA ideal untuk sensor, peredam getaran, dan terutama aktuator12. Dengan mengingat hal ini, telah banyak penelitian tentang penggerak berbasis SMA. Perlu dicatat bahwa aktuator berbasis SMA dirancang untuk memberikan gerakan translasi dan putar untuk berbagai aplikasi13,14,15. Meskipun beberapa aktuator putar telah dikembangkan, para peneliti khususnya tertarik pada aktuator linier. Aktuator linier ini dapat dibagi menjadi tiga jenis aktuator: aktuator satu dimensi, aktuator perpindahan, dan aktuator diferensial 16 . Awalnya, penggerak hibrida dibuat dengan menggabungkan SMA dan penggerak konvensional lainnya. Salah satu contoh aktuator linier hibrida berbasis SMA adalah penggunaan kabel SMA dengan motor DC untuk menghasilkan gaya keluaran sekitar 100 N dan perpindahan yang signifikan17.
Salah satu pengembangan pertama dalam penggerak yang sepenuhnya berbasis SMA adalah penggerak paralel SMA. Dengan menggunakan beberapa kabel SMA, penggerak paralel berbasis SMA dirancang untuk meningkatkan kemampuan daya penggerak dengan menempatkan semua kabel SMA18 secara paralel. Sambungan paralel aktuator tidak hanya membutuhkan daya lebih besar, tetapi juga membatasi daya keluaran dari satu kabel. Kerugian lain dari aktuator berbasis SMA adalah jarak tempuh terbatas yang dapat dicapainya. Untuk mengatasi masalah ini, dibuatlah balok kabel SMA yang berisi balok fleksibel yang dibelokkan untuk meningkatkan perpindahan dan mencapai gerakan linier, tetapi tidak menghasilkan gaya yang lebih tinggi19. Struktur dan kain lunak yang dapat dideformasi untuk robot berdasarkan paduan memori bentuk telah dikembangkan terutama untuk penguatan benturan20,21,22. Untuk aplikasi yang memerlukan kecepatan tinggi, pompa penggerak kompak telah dilaporkan menggunakan SMA film tipis untuk aplikasi penggerak pompa mikro23. Frekuensi penggerak membran SMA film tipis merupakan faktor utama dalam mengendalikan kecepatan penggerak. Oleh karena itu, motor linier SMA memiliki respons dinamis yang lebih baik daripada motor pegas atau batang SMA. Robotika lunak dan teknologi mencengkeram adalah dua aplikasi lain yang menggunakan aktuator berbasis SMA. Misalnya, untuk mengganti aktuator standar yang digunakan dalam penjepit ruang 25 N, aktuator paralel paduan memori bentuk 24 dikembangkan. Dalam kasus lain, aktuator lunak SMA dibuat berdasarkan kawat dengan matriks tertanam yang mampu menghasilkan gaya tarik maksimum 30 N. Karena sifat mekanisnya, SMA juga digunakan untuk menghasilkan aktuator yang meniru fenomena biologis. Salah satu pengembangan tersebut mencakup robot 12 sel yang merupakan biomimetik organisme mirip cacing tanah dengan SMA untuk menghasilkan gerakan sinusoidal untuk menembak26,27.
Seperti yang disebutkan sebelumnya, ada batasan untuk gaya maksimum yang dapat diperoleh dari aktuator berbasis SMA yang ada. Untuk mengatasi masalah ini, studi ini menyajikan struktur otot bimodal biomimetik. Digerakkan oleh kawat paduan memori bentuk. Ini menyediakan sistem klasifikasi yang mencakup beberapa kawat paduan memori bentuk. Hingga saat ini, tidak ada aktuator berbasis SMA dengan arsitektur serupa yang telah dilaporkan dalam literatur. Sistem unik dan baru berdasarkan SMA ini dikembangkan untuk mempelajari perilaku SMA selama penyelarasan otot bimodal. Dibandingkan dengan aktuator berbasis SMA yang ada, tujuan dari studi ini adalah untuk membuat aktuator dipvalerat biomimetik untuk menghasilkan gaya yang jauh lebih tinggi dalam volume kecil. Dibandingkan dengan penggerak motor stepper konvensional yang digunakan dalam sistem kontrol dan otomatisasi gedung HVAC, desain penggerak bimodal berbasis SMA yang diusulkan mengurangi bobot mekanisme penggerak hingga 67%. Berikut ini, istilah "otot" dan "penggerak" digunakan secara bergantian. Studi ini menyelidiki simulasi multifisika dari penggerak tersebut. Perilaku mekanis sistem tersebut telah dipelajari dengan metode eksperimental dan analitis. Distribusi gaya dan suhu diselidiki lebih lanjut pada tegangan masukan 7 V. Selanjutnya, analisis parametrik dilakukan untuk lebih memahami hubungan antara parameter utama dan gaya keluaran. Akhirnya, aktuator hierarkis telah dibayangkan dan efek tingkat hierarkis telah diusulkan sebagai area masa depan yang potensial untuk aktuator non-magnetik untuk aplikasi prostetik. Menurut hasil studi yang disebutkan di atas, penggunaan arsitektur tahap tunggal menghasilkan gaya setidaknya empat hingga lima kali lebih tinggi daripada aktuator berbasis SMA yang dilaporkan. Selain itu, gaya penggerak yang sama yang dihasilkan oleh penggerak multilevel multilevel telah terbukti lebih dari sepuluh kali lipat dari penggerak berbasis SMA konvensional. Studi tersebut kemudian melaporkan parameter utama menggunakan analisis sensitivitas antara berbagai desain dan variabel input. Panjang awal kawat SMA (\(l_0\)), sudut menyirip (\(\alpha\)) dan jumlah untai tunggal (n) di setiap untai individu memiliki efek negatif yang kuat pada besarnya gaya penggerak. kekuatan, sedangkan tegangan input (energi) ternyata berkorelasi positif.
Kawat SMA menunjukkan efek memori bentuk (SME) yang terlihat pada keluarga paduan nikel-titanium (Ni-Ti). Biasanya, SMA menunjukkan dua fase yang bergantung pada suhu: fase suhu rendah dan fase suhu tinggi. Kedua fase memiliki sifat unik karena adanya struktur kristal yang berbeda. Dalam fase austenit (fase suhu tinggi) yang ada di atas suhu transformasi, material menunjukkan kekuatan tinggi dan mengalami deformasi yang buruk di bawah beban. Paduan tersebut berperilaku seperti baja tahan karat, sehingga mampu menahan tekanan aktuasi yang lebih tinggi. Dengan memanfaatkan sifat paduan Ni-Ti ini, kawat SMA dimiringkan untuk membentuk aktuator. Model analitis yang sesuai dikembangkan untuk memahami mekanika fundamental dari perilaku termal SMA di bawah pengaruh berbagai parameter dan berbagai geometri. Kesepakatan yang baik diperoleh antara hasil eksperimen dan analitis.
Studi eksperimental dilakukan pada prototipe yang ditunjukkan pada Gambar 9a untuk mengevaluasi kinerja penggerak bimodal berdasarkan SMA. Dua dari sifat ini, gaya yang dihasilkan oleh penggerak (gaya otot) dan suhu kawat SMA (suhu SMA), diukur secara eksperimental. Saat perbedaan tegangan meningkat di sepanjang kawat dalam penggerak, suhu kawat meningkat karena efek pemanasan Joule. Tegangan input diterapkan dalam dua siklus 10 detik (ditunjukkan sebagai titik merah pada Gambar 2a, b) dengan periode pendinginan 15 detik di antara setiap siklus. Gaya pemblokiran diukur menggunakan pengukur regangan piezoelektrik, dan distribusi suhu kawat SMA dipantau secara real time menggunakan kamera LWIR resolusi tinggi tingkat ilmiah (lihat karakteristik peralatan yang digunakan pada Tabel 2). menunjukkan bahwa selama fase tegangan tinggi, suhu kawat meningkat secara monoton, tetapi ketika tidak ada arus yang mengalir, suhu kawat terus turun. Dalam pengaturan eksperimen saat ini, suhu kawat SMA turun selama fase pendinginan, tetapi masih di atas suhu sekitar. Pada gambar 2e menunjukkan cuplikan suhu pada kawat SMA yang diambil dari kamera LWIR. Di sisi lain, pada gambar 2a menunjukkan gaya pemblokiran yang dihasilkan oleh sistem penggerak. Ketika gaya otot melebihi gaya pemulihan pegas, lengan yang dapat digerakkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9a, mulai bergerak. Begitu aktuasi dimulai, lengan yang dapat digerakkan bersentuhan dengan sensor, menciptakan gaya badan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2c, d. Ketika suhu maksimum mendekati \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), gaya maksimum yang diamati adalah 105 N.
Grafik menunjukkan hasil eksperimen suhu kawat SMA dan gaya yang dihasilkan oleh aktuator bimodal berbasis SMA selama dua siklus. Tegangan input diterapkan dalam dua siklus 10 detik (ditunjukkan sebagai titik merah) dengan periode pendinginan 15 detik di antara setiap siklus. Kawat SMA yang digunakan untuk eksperimen adalah kawat Flexinol berdiameter 0,51 mm dari Dynalloy, Inc. (a) Grafik menunjukkan gaya eksperimen yang diperoleh selama dua siklus, (c, d) menunjukkan dua contoh independen dari aksi aktuator lengan yang bergerak pada transduser gaya piezoelektrik PACEline CFT/5kN, (b) grafik menunjukkan suhu maksimum seluruh kawat SMA selama waktu dua siklus, (e) menunjukkan snapshot suhu yang diambil dari kawat SMA menggunakan kamera LWIR perangkat lunak FLIR ResearchIR. Parameter geometrik yang diperhitungkan dalam eksperimen diberikan dalam Tabel. satu.
Hasil simulasi model matematika dan hasil eksperimen dibandingkan pada kondisi tegangan input 7 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Berdasarkan hasil analisis parametrik dan untuk menghindari kemungkinan terjadinya panas berlebih pada kawat SMA, daya sebesar 11,2 W diberikan pada aktuator. Catu daya DC yang dapat diprogram digunakan untuk memberikan tegangan input 7 V, dan arus sebesar 1,6 A diukur pada kawat. Gaya yang dihasilkan oleh penggerak dan suhu SDR meningkat saat arus diberikan. Dengan tegangan input 7 V, gaya output maksimum yang diperoleh dari hasil simulasi dan hasil eksperimen siklus pertama masing-masing adalah 78 N dan 96 N. Pada siklus kedua, gaya output maksimum hasil simulasi dan eksperimen masing-masing adalah 150 N dan 105 N. Perbedaan antara pengukuran gaya oklusi dan data eksperimen mungkin disebabkan oleh metode yang digunakan untuk mengukur gaya oklusi. Hasil eksperimen yang ditunjukkan pada gambar. 5a sesuai dengan pengukuran gaya penguncian, yang selanjutnya diukur saat poros penggerak bersentuhan dengan transduser gaya piezoelektrik PACEline CFT/5kN, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2s. Oleh karena itu, saat poros penggerak tidak bersentuhan dengan sensor gaya di awal zona pendinginan, gaya segera menjadi nol, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2d. Selain itu, parameter lain yang memengaruhi pembentukan gaya pada siklus berikutnya adalah nilai waktu pendinginan dan koefisien perpindahan panas konvektif pada siklus sebelumnya. Dari gambar 2b, dapat dilihat bahwa setelah periode pendinginan 15 detik, kawat SMA tidak mencapai suhu ruangan dan oleh karena itu memiliki suhu awal yang lebih tinggi (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) pada siklus penggerak kedua dibandingkan dengan siklus pertama (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Dengan demikian, dibandingkan dengan siklus pertama, suhu kawat SMA selama siklus pemanasan kedua mencapai suhu austenit awal (\(A_s\)) lebih awal dan bertahan dalam periode transisi lebih lama, yang mengakibatkan tegangan dan gaya. Di sisi lain, distribusi suhu selama siklus pemanasan dan pendinginan yang diperoleh dari eksperimen dan simulasi memiliki kesamaan kualitatif yang tinggi dengan contoh-contoh dari analisis termografi. Analisis komparatif data termal kawat SMA dari eksperimen dan simulasi menunjukkan konsistensi selama siklus pemanasan dan pendinginan dan dalam toleransi yang dapat diterima untuk data eksperimen. Suhu maksimum kawat SMA, yang diperoleh dari hasil simulasi dan eksperimen siklus pertama, adalah \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) dan \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, berturut-turut ), dan pada siklus kedua suhu maksimum kawat SMA adalah \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) dan \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Model yang dikembangkan secara fundamental mengonfirmasi efek dari efek memori bentuk. Peran kelelahan dan panas berlebih tidak dipertimbangkan dalam tinjauan ini. Di masa mendatang, model akan ditingkatkan untuk menyertakan riwayat tegangan kabel SMA, sehingga lebih sesuai untuk aplikasi teknik. Plot gaya keluaran penggerak dan suhu SMA yang diperoleh dari blok Simulink berada dalam toleransi yang diizinkan dari data eksperimen di bawah kondisi pulsa tegangan input 7 V. Hal ini mengonfirmasi kebenaran dan keandalan model matematika yang dikembangkan.
Model matematika dikembangkan dalam lingkungan MathWorks Simulink R2020b menggunakan persamaan dasar yang dijelaskan di bagian Metode. Pada gambar 3b menunjukkan diagram blok model matematika Simulink. Model disimulasikan untuk pulsa tegangan input 7V seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a, b. Nilai parameter yang digunakan dalam simulasi tercantum dalam Tabel 1. Hasil simulasi proses transien disajikan dalam Gambar 1 dan 1. Gambar 3a dan 4. Pada gambar 4a,b menunjukkan tegangan induksi pada kawat SMA dan gaya yang dihasilkan oleh aktuator sebagai fungsi waktu. Selama transformasi balik (pemanasan), ketika suhu kawat SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu awal fase austenit yang dimodifikasi oleh tegangan), laju perubahan fraksi volume martensit (\(\dot{\xi }\)) akan menjadi nol. Selama transformasi balik (pemanasan), ketika suhu kawat SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu awal fase austenit yang dimodifikasi oleh tegangan), laju perubahan fraksi volume martensit (\(\dot{\ xi }\)) akan menjadi nol. Dalam hal ini, suhu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура ачала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), nama panggilan (\(\dot{\ xi }\)) будет равно tidak. Selama transformasi balik (pemanasan), ketika suhu kawat SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (suhu awal austenit yang dimodifikasi oleh tegangan), laju perubahan fraksi volume martensit (\(\dot{\ xi }\ )) akan menjadi nol.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（\(\dot{\ xi }\))将为零。在 反向 转变 （加热） 中 , 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Hasil simulasi yang menunjukkan distribusi suhu dan suhu sambungan akibat tegangan dalam aktuator divalerat berbasis SMA. Ketika suhu kawat melewati suhu transisi austenit dalam tahap pemanasan, suhu transisi austenit yang dimodifikasi mulai meningkat, dan demikian pula, ketika suhu batang kawat melewati suhu transisi martensit dalam tahap pendinginan, suhu transisi martensit menurun. SMA untuk pemodelan analitis proses aktuasi. (Untuk tampilan terperinci setiap subsistem model Simulink, lihat bagian lampiran berkas suplemen.)
Hasil analisis untuk distribusi parameter yang berbeda ditunjukkan untuk dua siklus tegangan masukan 7V (siklus pemanasan 10 detik dan siklus pendinginan 15 detik). Sementara (ac) dan (e) menggambarkan distribusi dari waktu ke waktu, di sisi lain, (d) dan (f) menggambarkan distribusi dengan suhu. Untuk masing-masing kondisi masukan, tegangan maksimum yang diamati adalah 106 MPa (kurang dari 345 MPa, kekuatan luluh kawat), gaya adalah 150 N, perpindahan maksimum adalah 270 µm, dan fraksi volume martensit minimum adalah 0,91. Di sisi lain, perubahan tegangan dan perubahan fraksi volume martensit dengan suhu mirip dengan karakteristik histeresis.
Penjelasan yang sama berlaku untuk transformasi langsung (pendinginan) dari fase austenit ke fase martensit, di mana suhu kawat SMA (T) dan suhu akhir fase martensit yang dimodifikasi oleh tegangan (\(M_f^{\prime}\ )) sangat baik. Pada gbr. 4d,f menunjukkan perubahan tegangan yang diinduksi (\(\sigma\)) dan fraksi volume martensit (\(\xi\)) pada kawat SMA sebagai fungsi dari perubahan suhu kawat SMA (T), untuk kedua siklus penggerak. Pada gbr. Gambar 3a menunjukkan perubahan suhu kawat SMA terhadap waktu tergantung pada pulsa tegangan input. Seperti yang dapat dilihat dari gambar, suhu kawat terus meningkat dengan menyediakan sumber panas pada tegangan nol dan pendinginan konvektif berikutnya. Selama pemanasan, transformasi ulang martensit menjadi fase austenit dimulai saat suhu kawat SMA (T) melewati suhu nukleasi austenit yang dikoreksi tegangan (\(A_s^{\prime}\)). Selama fase ini, kawat SMA dikompresi dan aktuator menghasilkan gaya. Juga selama pendinginan, saat suhu kawat SMA (T) melewati suhu nukleasi fase martensit yang dimodifikasi tegangan (\(M_s^{\prime}\)), terjadi transisi positif dari fase austenit ke fase martensit. Gaya penggerak berkurang.
Aspek kualitatif utama dari penggerak bimodal berdasarkan SMA dapat diperoleh dari hasil simulasi. Dalam kasus masukan pulsa tegangan, suhu kawat SMA meningkat karena efek pemanasan Joule. Nilai awal fraksi volume martensit (\(\xi\)) ditetapkan menjadi 1, karena material awalnya berada dalam fase martensit penuh. Saat kawat terus memanas, suhu kawat SMA melebihi suhu nukleasi austenit yang dikoreksi tegangan \(A_s^{\prime}\), yang mengakibatkan penurunan fraksi volume martensit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c. Selain itu, pada gbr. 4e menunjukkan distribusi langkah aktuator dalam waktu, dan pada gbr. 5 – gaya penggerak sebagai fungsi waktu. Sistem persamaan terkait mencakup suhu, fraksi volume martensit, dan tegangan yang berkembang di kawat, yang mengakibatkan penyusutan kawat SMA dan gaya yang dihasilkan oleh aktuator. Seperti yang ditunjukkan pada gbr. 4d,f, variasi tegangan dengan suhu dan variasi fraksi volume martensit dengan suhu sesuai dengan karakteristik histeresis SMA dalam kasus simulasi pada 7 V.
Perbandingan parameter penggerak diperoleh melalui eksperimen dan perhitungan analitis. Kabel diberi tegangan input berdenyut sebesar 7 V selama 10 detik, kemudian didinginkan selama 15 detik (fase pendinginan) selama dua siklus. Sudut pinnate ditetapkan pada \(40^{\circ}\) dan panjang awal kabel SMA di setiap kaki pin tunggal ditetapkan pada 83 mm. (a) Mengukur gaya penggerak dengan sel beban (b) Memantau suhu kabel dengan kamera inframerah termal.
Untuk memahami pengaruh parameter fisik pada gaya yang dihasilkan oleh drive, analisis sensitivitas model matematika terhadap parameter fisik yang dipilih dilakukan, dan parameter tersebut diberi peringkat menurut pengaruhnya. Pertama, pengambilan sampel parameter model dilakukan dengan menggunakan prinsip desain eksperimental yang mengikuti distribusi seragam (lihat Bagian Tambahan tentang Analisis Sensitivitas). Dalam hal ini, parameter model meliputi tegangan input (\(V_{in}\)), panjang kawat SMA awal (\(l_0\)), sudut segitiga (\(\alpha\)), konstanta pegas bias (\( K_x\ )), koefisien perpindahan panas konvektif (\(h_T\)) dan jumlah cabang unimodal (n). Pada langkah berikutnya, kekuatan otot puncak dipilih sebagai persyaratan desain studi dan efek parametrik dari setiap set variabel pada kekuatan diperoleh. Plot tornado untuk analisis sensitivitas diturunkan dari koefisien korelasi untuk setiap parameter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a.
(a) Nilai koefisien korelasi parameter model dan pengaruhnya terhadap gaya keluaran maksimum dari 2500 kelompok unik parameter model di atas ditunjukkan dalam plot tornado. Grafik menunjukkan korelasi peringkat beberapa indikator. Jelas bahwa \(V_{in}\) adalah satu-satunya parameter dengan korelasi positif, dan \(l_0\) adalah parameter dengan korelasi negatif tertinggi. Pengaruh berbagai parameter dalam berbagai kombinasi pada kekuatan otot puncak ditunjukkan pada (b, c). \(K_x\) berkisar dari 400 hingga 800 N/m dan n berkisar dari 4 hingga 24. Tegangan (\(V_{in}\)) berubah dari 4V menjadi 10V, panjang kawat (\(l_{0 } \)) berubah dari 40 menjadi 100 mm, dan sudut ekor (\ (\alpha \)) bervariasi dari \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Pada gbr. 6a menunjukkan plot tornado dengan berbagai koefisien korelasi untuk setiap parameter dengan persyaratan desain gaya penggerak puncak. Dari gbr. 6a dapat dilihat bahwa parameter tegangan (\(V_{in}\)) berhubungan langsung dengan gaya keluaran maksimum, dan koefisien perpindahan panas konvektif (\(h_T\)), sudut nyala (\ ( \alpha\)) , konstanta pegas perpindahan ( \(K_x\)) berkorelasi negatif dengan gaya keluaran dan panjang awal (\(l_0\)) dari kawat SMA, dan jumlah cabang unimodal (n) menunjukkan korelasi terbalik yang kuat Dalam kasus korelasi langsung Dalam kasus nilai yang lebih tinggi dari koefisien korelasi tegangan (\(V_ {in}\)) menunjukkan bahwa parameter ini memiliki efek terbesar pada keluaran daya. Analisis serupa lainnya mengukur gaya puncak dengan mengevaluasi efek dari parameter yang berbeda dalam kombinasi yang berbeda dari dua ruang komputasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b, c. \(V_{in}\) dan \(l_0\), \(\alpha\) dan \(l_0\) memiliki pola yang serupa, dan grafik menunjukkan bahwa \(V_{in}\) dan \(\alpha\) dan \(\alpha\) memiliki pola yang serupa. Nilai \(l_0\) yang lebih kecil menghasilkan gaya puncak yang lebih tinggi. Dua plot lainnya konsisten dengan Gambar 6a, di mana n dan \(K_x\) berkorelasi negatif dan \(V_{in}\) berkorelasi positif. Analisis ini membantu untuk menentukan dan menyesuaikan parameter yang memengaruhi yang dengannya gaya keluaran, langkah, dan efisiensi sistem penggerak dapat disesuaikan dengan persyaratan dan aplikasi.
Penelitian terkini memperkenalkan dan menyelidiki penggerak hierarkis dengan level N. Dalam hierarki dua level, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a, di mana alih-alih setiap kabel SMA dari aktuator level pertama, pengaturan bimodal dicapai, seperti yang ditunjukkan pada gambar 9e. Pada gambar 7c menunjukkan bagaimana kabel SMA dililitkan di sekitar lengan yang dapat digerakkan (lengan bantu) yang hanya bergerak dalam arah longitudinal. Namun, lengan bergerak primer terus bergerak dengan cara yang sama seperti lengan bergerak dari aktuator multi-tahap tahap ke-1. Biasanya, penggerak N-tahap dibuat dengan mengganti kabel SMA tahap \(N-1\) dengan penggerak tahap pertama. Hasilnya, setiap cabang meniru penggerak tahap pertama, dengan pengecualian cabang yang menahan kabel itu sendiri. Dengan cara ini, struktur bersarang dapat dibentuk yang menciptakan gaya yang beberapa kali lebih besar daripada gaya penggerak primer. Dalam studi ini, untuk setiap level, total panjang kawat SMA efektif 1 m diperhitungkan, seperti yang ditunjukkan dalam format tabel pada Gambar 7d. Arus melalui setiap kawat dalam setiap desain unimodal dan prategang dan voltase yang dihasilkan di setiap segmen kawat SMA adalah sama di setiap level. Menurut model analitis kami, gaya keluaran berkorelasi positif dengan level, sementara perpindahan berkorelasi negatif. Pada saat yang sama, ada trade-off antara perpindahan dan kekuatan otot. Seperti yang terlihat pada gambar 7b, sementara gaya maksimum dicapai dalam jumlah lapisan terbesar, perpindahan terbesar diamati pada lapisan terendah. Ketika level hierarki ditetapkan ke \(N=5\), gaya otot puncak sebesar 2,58 kN ditemukan dengan 2 langkah yang diamati \(\upmu\)m. Di sisi lain, penggerak tahap pertama menghasilkan gaya sebesar 150 N pada langkah 277 \(\upmu\)m. Aktuator multilevel mampu meniru otot biologis yang sebenarnya, sedangkan otot buatan yang didasarkan pada paduan memori bentuk mampu menghasilkan gaya yang jauh lebih tinggi dengan gerakan yang lebih presisi dan halus. Keterbatasan desain miniatur ini adalah bahwa seiring dengan meningkatnya hierarki, gerakan akan sangat berkurang dan kompleksitas proses pembuatan penggerak akan meningkat.
(a) Sistem aktuator linier paduan memori bentuk berlapis dua tahap (\(N=2\)) ditunjukkan dalam konfigurasi bimodal. Model yang diusulkan dicapai dengan mengganti kabel SMA pada aktuator berlapis tahap pertama dengan aktuator berlapis satu tahap lainnya. (c) Konfigurasi aktuator multilapis tahap kedua yang mengalami deformasi. (b) Distribusi gaya dan perpindahan tergantung pada jumlah level dijelaskan. Telah ditemukan bahwa gaya puncak aktuator berkorelasi positif dengan level skala pada grafik, sedangkan langkah berkorelasi negatif dengan level skala. Arus dan pra-tegangan di setiap kabel tetap konstan di semua level. (d) Tabel menunjukkan jumlah keran dan panjang kabel SMA (serat) di setiap level. Karakteristik kabel ditunjukkan dengan indeks 1, dan jumlah cabang sekunder (satu yang terhubung ke kaki primer) ditunjukkan dengan angka terbesar dalam subskrip. Misalnya, pada level 5, \(n_1\) merujuk pada jumlah kabel SMA yang ada dalam setiap struktur bimodal, dan \(n_5\) merujuk pada jumlah kaki tambahan (satu yang terhubung ke kaki utama).
Berbagai metode telah diusulkan oleh banyak peneliti untuk memodelkan perilaku SMA dengan memori bentuk, yang bergantung pada sifat termomekanik yang menyertai perubahan makroskopis dalam struktur kristal yang terkait dengan transisi fase. Perumusan metode konstitutif secara inheren rumit. Model fenomenologis yang paling umum digunakan diusulkan oleh Tanaka28 dan digunakan secara luas dalam aplikasi teknik. Model fenomenologis yang diusulkan oleh Tanaka [28] mengasumsikan bahwa fraksi volume martensit adalah fungsi eksponensial dari suhu dan tegangan. Kemudian, Liang dan Rogers29 dan Brinson30 mengusulkan model di mana dinamika transisi fase diasumsikan sebagai fungsi kosinus dari tegangan dan suhu, dengan sedikit modifikasi pada model tersebut. Becker dan Brinson mengusulkan model kinetik berbasis diagram fase untuk memodelkan perilaku bahan SMA dalam kondisi pembebanan sembarang serta transisi parsial. Banerjee32 menggunakan metode dinamika diagram fase Bekker dan Brinson31 untuk mensimulasikan manipulator derajat kebebasan tunggal yang dikembangkan oleh Elahinia dan Ahmadian33. Metode kinetik berdasarkan diagram fase, yang memperhitungkan perubahan tegangan nonmonotonik terhadap suhu, sulit diterapkan dalam aplikasi teknik. Elakhinia dan Ahmadian menyoroti kekurangan model fenomenologi yang ada dan mengusulkan model fenomenologi yang diperluas untuk menganalisis dan menentukan perilaku memori bentuk dalam kondisi pemuatan yang kompleks.
Model struktural kawat SMA memberikan tegangan (\(\sigma\)), regangan (\(\epsilon\)), suhu (T), dan fraksi volume martensit (\(\xi\)) kawat SMA. Model konstitutif fenomenologis pertama kali diusulkan oleh Tanaka28 dan kemudian diadopsi oleh Liang29 dan Brinson30. Turunan persamaan tersebut memiliki bentuk:
di mana E adalah modulus Young SMA yang bergantung pada fase yang diperoleh menggunakan \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) dan \(E_A\) dan \(E_M\) yang mewakili modulus Young masing-masing adalah fase austenitik dan martensit, dan koefisien ekspansi termal direpresentasikan oleh \(\theta _T\). Faktor kontribusi transisi fase adalah \(\Omega = -E \epsilon _L\) dan \(\epsilon _L\) adalah regangan maksimum yang dapat dipulihkan pada kawat SMA.
Persamaan dinamika fase bertepatan dengan fungsi kosinus yang dikembangkan oleh Liang29 dan kemudian diadopsi oleh Brinson30, bukan fungsi eksponensial yang diusulkan oleh Tanaka28. Model transisi fase merupakan perluasan dari model yang diusulkan oleh Elakhinia dan Ahmadian34 dan dimodifikasi berdasarkan kondisi transisi fase yang diberikan oleh Liang29 dan Brinson30. Kondisi yang digunakan untuk model transisi fase ini berlaku di bawah beban termomekanis yang kompleks. Pada setiap momen waktu, nilai fraksi volume martensit dihitung saat memodelkan persamaan konstitutif.
Persamaan transformasi ulang yang mengatur, yang diungkapkan oleh transformasi martensit menjadi austenit dalam kondisi pemanasan, adalah sebagai berikut:
di mana \(\xi\) adalah fraksi volume martensit, \(\xi _M\) adalah fraksi volume martensit yang diperoleh sebelum pemanasan, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) dan \(C_A\) – parameter aproksimasi kurva, T – suhu kawat SMA, \(A_s\) dan \(A_f\) – awal dan akhir fase austenit, masing-masing, suhu.
Persamaan kontrol transformasi langsung, yang direpresentasikan oleh transformasi fase austenit menjadi martensit dalam kondisi pendinginan, adalah:
di mana \(\xi _A\) adalah fraksi volume martensit yang diperoleh sebelum pendinginan, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) dan \ ( C_M \) – parameter pemasangan kurva, T – suhu kawat SMA, \(M_s\) dan \(M_f\) – suhu martensit awal dan akhir, masing-masing.
Setelah persamaan (3) dan (4) dibedakan, persamaan transformasi invers dan langsung disederhanakan menjadi bentuk berikut:
Selama transformasi maju dan mundur, \(\eta _{\sigma}\) dan \(\eta _{T}\) mengambil nilai yang berbeda. Persamaan dasar yang terkait dengan \(\eta _{\sigma}\) dan \(\eta _{T}\) telah diturunkan dan dibahas secara rinci di bagian tambahan.
Energi termal yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu kawat SMA berasal dari efek pemanasan Joule. Energi termal yang diserap atau dilepaskan oleh kawat SMA direpresentasikan oleh kalor laten transformasi. Kehilangan panas pada kawat SMA disebabkan oleh konveksi paksa, dan mengingat efek radiasi yang dapat diabaikan, persamaan keseimbangan energi panas adalah sebagai berikut:
Di mana \(m_{wire}\) adalah massa total kawat SMA, \(c_{p}\) adalah kapasitas panas spesifik SMA, \(V_{in}\) adalah tegangan yang diterapkan pada kawat, \(R_{ohm} \ ) – resistansi SMA yang bergantung fase, didefinisikan sebagai; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) di mana \(r_M\ ) dan \(r_A\) adalah resistivitas fase SMA dalam martensit dan austenit, masing-masing, \(A_{c}\) adalah luas permukaan kawat SMA, \(\Delta H \) adalah paduan memori bentuk. Panas laten transisi kawat, T dan \(T_{\infty}\) masing-masing adalah suhu kawat SMA dan lingkungan.
Ketika kawat paduan memori bentuk digerakkan, kawat tersebut terkompresi, menciptakan gaya di setiap cabang desain bimodal yang disebut gaya serat. Gaya serat di setiap untai kawat SMA bersama-sama menciptakan gaya otot untuk menggerakkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9e. Karena adanya pegas bias, total gaya otot dari aktuator multilapis ke-N adalah:
Dengan mensubstitusikan \(N = 1\) ke dalam persamaan (7), kekuatan otot prototipe penggerak bimodal tahap pertama dapat diperoleh sebagai berikut:
di mana n adalah jumlah kaki unimodal, \(F_m\) adalah gaya otot yang dihasilkan oleh penggerak, \(F_f\) adalah kekuatan serat pada kabel SMA, \(K_x\) adalah kekakuan bias pegas, \(\alpha\) adalah sudut segitiga, \(x_0\) adalah offset awal pegas bias untuk menahan kabel SMA pada posisi pra-tegang, dan \(\Delta x\) adalah perjalanan aktuator.
Total perpindahan atau pergerakan drive (\(\Delta x\)) tergantung pada tegangan (\(\sigma\)) dan regangan (\(\epsilon\)) pada kawat SMA tahap ke-N, drive diatur ke (lihat Gambar bagian tambahan dari output):
Persamaan kinematik memberikan hubungan antara deformasi penggerak (\(\epsilon\)) dan perpindahan atau pergeseran (\(\Delta x\)). Deformasi kawat Arb sebagai fungsi dari panjang kawat Arb awal (\(l_0\)) dan panjang kawat (l) pada setiap waktu t dalam satu cabang unimodal adalah sebagai berikut:
di mana \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) diperoleh dengan menerapkan rumus kosinus dalam \(\Delta\)ABB ', seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Untuk penggerak tahap pertama (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) adalah \(\Delta x\), dan \(\alpha _1\) adalah \(\alpha \) seperti yang ditunjukkan pada Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, dengan mendiferensiasikan waktu dari Persamaan (11) dan mensubstitusikan nilai l, laju regangan dapat ditulis sebagai:
di mana \(l_0\) adalah panjang awal kawat SMA, l adalah panjang kawat pada setiap waktu t dalam satu cabang unimodal, \(\epsilon\) adalah deformasi yang berkembang dalam kawat SMA, dan \(\alpha \) adalah sudut segitiga, \(\Delta x\) adalah offset penggerak (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8).
Semua n struktur puncak tunggal (n=6 pada gambar ini) dihubungkan secara seri dengan V_{in} sebagai tegangan input. Tahap I: Diagram skema kabel SMA dalam konfigurasi bimodal di bawah kondisi tegangan nol. Tahap II: Struktur terkendali ditunjukkan di mana kabel SMA dikompresi karena konversi terbalik, seperti yang ditunjukkan oleh garis merah.
Sebagai bukti konsep, penggerak bimodal berbasis SMA dikembangkan untuk menguji simulasi derivasi persamaan dasar dengan hasil eksperimen. Model CAD dari aktuator linier bimodal ditunjukkan pada gambar 9a. Di sisi lain, pada gambar 9c menunjukkan desain baru yang diusulkan untuk koneksi prismatik putar menggunakan aktuator berbasis SMA dua bidang dengan struktur bimodal. Komponen penggerak dibuat menggunakan manufaktur aditif pada printer 3D Ultimaker 3 Extended. Bahan yang digunakan untuk pencetakan 3D komponen adalah polikarbonat yang cocok untuk bahan tahan panas karena kuat, tahan lama, dan memiliki suhu transisi kaca yang tinggi (110-113 \(^{\circ }\) C). Selain itu, kawat paduan memori bentuk Dynalloy, Inc. Flexinol digunakan dalam eksperimen, dan sifat material yang sesuai dengan kawat Flexinol digunakan dalam simulasi. Beberapa kabel SMA disusun sebagai serat yang terdapat dalam susunan bimodal otot untuk memperoleh gaya tinggi yang dihasilkan oleh aktuator multilapis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9b, d.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9a, sudut lancip yang dibentuk oleh kawat SMA lengan yang dapat digerakkan disebut sudut (\(\alpha\)). Dengan klem terminal yang terpasang pada klem kiri dan kanan, kawat SMA ditahan pada sudut bimodal yang diinginkan. Perangkat pegas bias yang ditahan pada konektor pegas dirancang untuk menyesuaikan kelompok ekstensi pegas bias yang berbeda sesuai dengan jumlah (n) serat SMA. Selain itu, lokasi bagian yang bergerak dirancang sedemikian rupa sehingga kawat SMA terpapar ke lingkungan eksternal untuk pendinginan konveksi paksa. Pelat atas dan bawah dari rakitan yang dapat dilepas membantu menjaga kawat SMA tetap dingin dengan potongan ekstrusi yang dirancang untuk mengurangi berat. Selain itu, kedua ujung kawat CMA dipasang ke terminal kiri dan kanan, masing-masing, dengan menggunakan crimp. Sebuah plunger dipasang ke salah satu ujung rakitan yang dapat digerakkan untuk menjaga jarak bebas antara pelat atas dan bawah. Plunger juga digunakan untuk menerapkan gaya pemblokiran ke sensor melalui kontak untuk mengukur gaya pemblokiran saat kawat SMA digerakkan.
Struktur otot bimodal SMA dihubungkan secara elektrik dalam seri dan ditenagai oleh tegangan pulsa input. Selama siklus pulsa tegangan, saat tegangan diterapkan dan kawat SMA dipanaskan di atas suhu awal austenit, panjang kawat di setiap untai dipersingkat. Retraksi ini mengaktifkan subrakitan lengan bergerak. Saat tegangan dinolkan dalam siklus yang sama, kawat SMA yang dipanaskan didinginkan di bawah suhu permukaan martensit, sehingga kembali ke posisi semula. Dalam kondisi tegangan nol, kawat SMA pertama-tama diregangkan secara pasif oleh pegas bias untuk mencapai keadaan martensit yang terlepas. Sekrup, yang dilalui kawat SMA, bergerak karena kompresi yang dibuat dengan menerapkan pulsa tegangan ke kawat SMA (SPA mencapai fase austenit), yang mengarah ke aktuasi tuas bergerak. Saat kawat SMA ditarik, pegas bias menciptakan gaya yang berlawanan dengan meregangkan pegas lebih lanjut. Ketika tekanan pada tegangan impuls menjadi nol, kawat SMA memanjang dan berubah bentuk karena pendinginan konveksi paksa, mencapai fase martensit ganda.
Sistem aktuator linier berbasis SMA yang diusulkan memiliki konfigurasi bimodal di mana kabel SMA bersudut. (a) menggambarkan model CAD dari prototipe, yang menyebutkan beberapa komponen dan maknanya untuk prototipe, (b, d) mewakili prototipe eksperimental yang dikembangkan35. Sementara (b) menunjukkan tampilan atas prototipe dengan sambungan listrik dan pegas bias dan pengukur regangan yang digunakan, (d) menunjukkan tampilan perspektif dari pengaturan. (e) Diagram sistem aktuasi linier dengan kabel SMA yang ditempatkan secara bimodal pada setiap waktu t, yang menunjukkan arah dan arah serat dan kekuatan otot. (c) Sambungan prisma putar 2-DOF telah diusulkan untuk menyebarkan aktuator berbasis SMA dua bidang. Seperti yang ditunjukkan, tautan mentransmisikan gerakan linier dari penggerak bawah ke lengan atas, yang menciptakan sambungan putar. Di sisi lain, pergerakan sepasang prisma sama dengan pergerakan penggerak tahap pertama multilayer.
Studi eksperimental dilakukan pada prototipe yang ditunjukkan pada Gambar 9b untuk mengevaluasi kinerja penggerak bimodal berdasarkan SMA. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10a, pengaturan eksperimental terdiri dari catu daya DC yang dapat diprogram untuk memasok tegangan input ke kabel SMA. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 10b, pengukur regangan piezoelektrik (PACEline CFT/5kN) digunakan untuk mengukur gaya pemblokiran menggunakan pencatat data Graphtec GL-2000. Data direkam oleh host untuk studi lebih lanjut. Pengukur regangan dan penguat muatan memerlukan catu daya konstan untuk menghasilkan sinyal tegangan. Sinyal yang sesuai diubah menjadi keluaran daya sesuai dengan sensitivitas sensor gaya piezoelektrik dan parameter lain seperti yang dijelaskan dalam Tabel 2. Ketika pulsa tegangan diterapkan, suhu kabel SMA meningkat, menyebabkan kabel SMA terkompresi, yang menyebabkan aktuator menghasilkan gaya. Hasil eksperimen dari keluaran kekuatan otot oleh pulsa tegangan input 7 V ditunjukkan pada gambar 2a.
(a) Sistem aktuator linier berbasis SMA disiapkan dalam percobaan untuk mengukur gaya yang dihasilkan oleh aktuator. Sel beban mengukur gaya pemblokiran dan ditenagai oleh catu daya DC 24 V. Penurunan tegangan 7 V diterapkan di sepanjang kabel menggunakan catu daya DC terprogram GW Instek. Kabel SMA menyusut karena panas, dan lengan yang dapat digerakkan menyentuh sel beban dan memberikan gaya pemblokiran. Sel beban dihubungkan ke pencatat data GL-2000 dan data disimpan di host untuk diproses lebih lanjut. (b) Diagram yang menunjukkan rangkaian komponen pengaturan percobaan untuk mengukur kekuatan otot.
Paduan memori bentuk tereksitasi oleh energi termal, sehingga suhu menjadi parameter penting untuk mempelajari fenomena memori bentuk. Secara eksperimental, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11a, pencitraan termal dan pengukuran suhu dilakukan pada prototipe aktuator divalerat berbasis SMA. Sumber DC yang dapat diprogram menerapkan tegangan input ke kabel SMA dalam pengaturan eksperimental, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11b. Perubahan suhu kabel SMA diukur secara real time menggunakan kamera LWIR resolusi tinggi (FLIR A655sc). Host menggunakan perangkat lunak ResearchIR untuk merekam data untuk pasca-pemrosesan lebih lanjut. Ketika pulsa tegangan diterapkan, suhu kabel SMA meningkat, menyebabkan kabel SMA menyusut. Pada gbr. Gambar 2b menunjukkan hasil eksperimen suhu kabel SMA versus waktu untuk pulsa tegangan input 7V.
Waktu posting: 28-Sep-2022
