Хвала вам што сте посетили Nature.com. Верзија прегледача коју користите има ограничену подршку за CSS. За најбоље искуство, препоручујемо вам да користите ажурирани прегледач (или да онемогућите режим компатибилности у Internet Explorer-у). У међувремену, како бисмо осигурали континуирану подршку, приказиваћемо сајт без стилова и JavaScript-а.
Актуатори се користе свуда и стварају контролисано кретање применом одговарајуће силе побуђивања или обртног момента за обављање различитих операција у производњи и индустријској аутоматизацији. Потреба за бржим, мањим и ефикаснијим погонима покреће иновације у дизајну погона. Погони од легура са меморијом облика (SMA) нуде бројне предности у односу на конвенционалне погоне, укључујући висок однос снаге и тежине. У овој дисертацији, развијен је актуатор заснован на двоструком SMA перју који комбинује предности пернатих мишића биолошких система и јединствена својства SMA. Ова студија истражује и проширује претходне SMA актуаторе развојем математичког модела новог актуатора заснованог на бимодалном распореду SMA жица и експерименталним тестирањем. У поређењу са познатим погонима заснованим на SMA, сила актуације новог погона је најмање 5 пута већа (до 150 N). Одговарајући губитак тежине је око 67%. Резултати анализе осетљивости математичких модела су корисни за подешавање параметара дизајна и разумевање кључних параметара. Ова студија даље представља вишестепени N-ти фазни погон који се може користити за даље побољшање динамике. СМА-базирани дивалератни мишићни актуатори имају широк спектар примене, од аутоматизације зграда до прецизних система за испоруку лекова.
Биолошки системи, као што су мишићне структуре сисара, могу активирати многе суптилне актуаторе1. Сисари имају различите мишићне структуре, од којих свака служи одређеној сврси. Међутим, велики део структуре мишићног ткива сисара може се поделити у две широке категорије. Паралелне и перасте. У тетивама колена и другим флексорима, као што и само име сугерише, паралелна мускулатура има мишићна влакна паралелна са централном тетивом. Ланац мишићних влакана је поређан и функционално повезан везивним ткивом око њих. Иако се за ове мишиће каже да имају велику екскурзију (процентуално скраћивање), њихова укупна мишићна снага је веома ограничена. Насупрот томе, у трицепсу, мишићу потколенице2 (латерални гастрокнемијус (GL)3, медијални гастрокнемијус (GM)4 и солеус (SOL)) и екстензору фемориса (квадрицепс)5,6 перасто мишићно ткиво се налази у сваком мишићу7. У перастој структури, мишићна влакна у двоперстој мускулатури су присутна са обе стране централне тетиве под косим угловима (перасти углови). Реч „пернати“ потиче од латинске речи „penna“, што значи „оловка“, и, као што је приказано на слици 1, има изглед сличан перу. Влакна пернатих мишића су краћа и под углом у односу на уздужну осу мишића. Због перасте структуре, укупна покретљивост ових мишића је смањена, што доводи до попречних и уздужних компоненти процеса скраћивања. С друге стране, активација ових мишића доводи до веће укупне снаге мишића због начина на који се мери физиолошка површина попречног пресека. Стога, за дату површину попречног пресека, пернати мишићи ће бити јачи и генерисаће веће силе од мишића са паралелним влакнима. Силе које генеришу појединачна влакна генеришу мишићне силе на макроскопском нивоу у том мишићном ткиву. Поред тога, има јединствена својства као што су брзо скупљање, заштита од оштећења услед затезања, амортизација. Трансформише однос између уноса влакана и излаза снаге мишића искоришћавајући јединствене карактеристике и геометријску сложеност распореда влакана повезаних са линијама деловања мишића.
Приказани су шематски дијаграми постојећих дизајна актуатора заснованих на SMA жицама у односу на бимодалну мишићну архитектуру, на пример (а), који представља интеракцију тактилне силе у којој је уређај у облику руке, активиран SMA жицама, монтиран на аутономни мобилни робот са два точка9,10., (б) Роботска орбитална протеза са антагонистички постављеном SMA опружном орбиталном протезом. Положај протетског ока контролише се сигналом из окуларног мишића ока11, (ц) SMA актуатори су идеални за подводне примене због свог високог фреквентног одзива и ниског пропусног опсега. У овој конфигурацији, SMA актуатори се користе за стварање кретања таласа симулирајући кретање рибе, (д) SMA актуатори се користе за креирање робота за инспекцију микро цеви који може да користи принцип кретања инчног црва, контролисан кретањем SMA жица унутар канала 10, (е) приказује смер контракције мишићних влакана и генерисања контрактилне силе у ткиву гастрокнемијуса, (ф) приказује SMA жице распоређене у облику мишићних влакана у структури пенатног мишића.
Актуатори су постали важан део механичких система због широког спектра примене. Стога, потреба за мањим, бржим и ефикаснијим погонима постаје критична. Упркос својим предностима, традиционални погони су се показали скупим и дуготрајним за одржавање. Хидраулични и пнеуматски актуатори су сложени и скупи и подложни су хабању, проблемима са подмазивањем и кваровима компоненти. Као одговор на потражњу, фокус је на развоју исплативих, димензионисаних и напредних актуатора заснованих на паметним материјалима. Текућа истраживања истражују слојевите актуаторе од легуре са меморијом облика (SMA) како би задовољили ову потребу. Хијерархијски актуатори су јединствени по томе што комбинују многе дискретне актуаторе у геометријски сложене макро подсистеме како би обезбедили повећану и проширену функционалност. У том смислу, горе описано људско мишићно ткиво пружа одличан вишеслојни пример таквог вишеслојног активирања. Тренутна студија описује вишеслојни SMA погон са неколико појединачних погонских елемената (SMA жица) поравнатих са оријентацијама влакана присутним у бимодалним мишићима, што побољшава укупне перформансе погона.
Главна сврха актуатора је генерисање механичке снаге, као што су сила и померање, претварањем електричне енергије. Легуре са меморијом облика су класа „паметних“ материјала који могу да обнове свој облик на високим температурама. Под великим оптерећењима, повећање температуре SMA жице доводи до опоравка облика, што резултира већом густином енергије активирања у поређењу са различитим директно везаним паметним материјалима. Истовремено, под механичким оптерећењима, SMA постају крти. Под одређеним условима, циклично оптерећење може да апсорбује и ослободи механичку енергију, показујући реверзибилне хистерезне промене облика. Ова јединствена својства чине SMA идеалним за сензоре, пригушивање вибрација и посебно актуаторе12. Имајући ово у виду, спроведено је много истраживања о погонима заснованим на SMA. Треба напоменути да су актуатори засновани на SMA дизајнирани да обезбеде транслационо и ротационо кретање за различите примене13,14,15. Иако су развијени неки ротациони актуатори, истраживачи су посебно заинтересовани за линеарне актуаторе. Ови линеарни актуатори могу се поделити у три типа актуатора: једнодимензионалне, актуаторе померања и диференцијалне актуаторе16. У почетку су хибридни погони креирани у комбинацији са SMA и другим конвенционалним погонима. Један такав пример хибридног линеарног актуатора заснованог на SMA је употреба SMA жице са DC мотором за обезбеђивање излазне силе од око 100 N и значајног померања17.
Један од првих развоја погона заснованих искључиво на SMA био је SMA паралелни погон. Користећи више SMA жица, SMA базирани паралелни погон је дизајниран да повећа снагу погона постављањем свих SMA18 жица паралелно. Паралелно повезивање актуатора не само да захтева већу снагу, већ и ограничава излазну снагу једне жице. Још један недостатак SMA базираних актуатора је ограничен ход који могу да постигну. Да би се решио овај проблем, креирана је SMA кабловска греда која садржи скренуту флексибилну греду ради повећања померања и постизања линеарног кретања, али није генерисала веће силе19. Меке деформабилне структуре и тканине за роботе засноване на легурама са меморијом облика развијене су првенствено за појачавање удара20,21,22. За примене где су потребне велике брзине, објављене су компактне пумпе са погоном које користе танкослојне SMA за примене покретане микропумпама23. Фреквенција погона танкослојне SMA мембране је кључни фактор у контроли брзине погонског уређаја. Стога, SMA линеарни мотори имају бољи динамички одзив од SMA опружних или шипкастих мотора. Мека роботика и технологија хватања су две друге примене које користе SMA базиране актуаторе. На пример, да би се заменио стандардни актуатор који се користи у просторној стези од 25 N, развијен је паралелни актуатор 24 од легуре са меморијом облика. У другом случају, направљен је меки актуатор са SMA механизмом на бази жице са уграђеном матрицом способном да произведе максималну силу вуче од 30 N. Због својих механичких својстава, SMA механизми се такође користе за производњу актуатора који имитирају биолошке феномене. Један такав развој укључује робота са 12 ћелија који је биомиметик организма сличног глисти са SMA механизмом за генерисање синусоидног кретања за паљбу26,27.
Као што је раније поменуто, постоји ограничење максималне силе која се може добити од постојећих актуатора заснованих на SMA. Да би се решио овај проблем, ова студија представља биомиметичку бимодалну структуру мишића. Покреће је жица од легуре са меморијом облика. Она пружа систем класификације који укључује неколико жица од легуре са меморијом облика. До данас, у литератури нису објављени актуатори засновани на SMA са сличном архитектуром. Овај јединствени и нови систем заснован на SMA развијен је за проучавање понашања SMA током бимодалног поравнања мишића. У поређењу са постојећим актуаторима заснованим на SMA, циљ ове студије био је да се створи биомиметички дивалератни актуатор који генерише значајно веће силе у малој запремини. У поређењу са конвенционалним погонима покретаним степер мотором који се користе у HVAC системима за аутоматизацију и управљање зградама, предложени дизајн бимодалног погона заснованог на SMA смањује тежину погонског механизма за 67%. У наставку се термини „мишић“ и „погон“ користе наизменично. Ова студија истражује мултифизичку симулацију таквог погона. Механичко понашање таквих система проучавано је експерименталним и аналитичким методама. Расподела силе и температуре је даље испитивана при улазном напону од 7 V. Након тога, спроведена је параметарска анализа како би се боље разумео однос између кључних параметара и излазне силе. Коначно, хијерархијски актуатори су замишљени и ефекти хијерархијских нивоа су предложени као потенцијално будуће подручје за немагнетне актуаторе за протетске примене. Према резултатима горе поменутих студија, употреба једностепене архитектуре производи силе најмање четири до пет пута веће од пријављених актуатора заснованих на SMA. Поред тога, показало се да је иста погонска сила коју генерише вишеслојни вишеслојни погон више од десет пута већа од конвенционалних SMA заснованих погона. Студија затим извештава о кључним параметрима користећи анализу осетљивости између различитих дизајна и улазних варијабли. Почетна дужина SMA жице (\(l_0\)\), угао пера (\(\alpha\)\) и број појединачних нити (n) у свакој појединачној нити имају јак негативан утицај на величину погонске силе, док се улазни напон (енергија) испоставило да је позитивно корелиран.
СМА жица показује ефекат меморије облика (ЕМЕ) који се види у породици легура никл-титанијум (Ni-Ti). Типично, СМА показују две температурно зависне фазе: фазу ниске температуре и фазу високе температуре. Обе фазе имају јединствена својства због присуства различитих кристалних структура. У аустенитној фази (фаза високе температуре) која постоји изнад температуре трансформације, материјал показује високу чврстоћу и слабо се деформише под оптерећењем. Легура се понаша као нерђајући челик, тако да је у стању да издржи веће притиске активирања. Користећи ово својство Ni-Ti легура, СМА жице су нагнуте да би формирале актуатор. Развијени су одговарајући аналитички модели како би се разумела фундаментална механика термичког понашања СМА под утицајем различитих параметара и различитих геометрија. Постигнута је добра сагласност између експерименталних и аналитичких резултата.
Експериментална студија је спроведена на прототипу приказаном на слици 9а како би се проценили перформансе бимодалног погона заснованог на SMA. Два од ових својстава, сила коју генерише погон (сила мишића) и температура SMA жице (температура SMA), су експериментално измерене. Како се разлика напона повећава дуж целе дужине жице у погону, температура жице се повећава због Џуловог ефекта загревања. Улазни напон је примењен у два циклуса од 10 секунди (приказани као црвене тачке на слици 2а, б) са периодом хлађења од 15 секунди између сваког циклуса. Сила блокирања је мерена помоћу пиезоелектричног мерног инструмента за напрезање, а расподела температуре SMA жице је праћена у реалном времену помоћу LWIR камере високе резолуције научног квалитета (видети карактеристике коришћене опреме у табели 2). показује да се током фазе високог напона температура жице монотоно повећава, али када не тече струја, температура жице наставља да пада. У тренутној експерименталној поставци, температура SMA жице је пала током фазе хлађења, али је и даље била изнад температуре околине. На слици 2е приказан је снимак температуре на SMA жици снимљен LWIR камером. С друге стране, на слици 2а приказана је блокирајућа сила коју генерише погонски систем. Када сила мишића премаши силу враћања опруге, покретна рука, као што је приказано на слици 9а, почиње да се креће. Чим почне активирање, покретна рука ступа у контакт са сензором, стварајући силу тела, као што је приказано на слици 2ц, д. Када је максимална температура близу \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максимална посматрана сила је 105 N.
График приказује експерименталне резултате температуре SMA жице и силе коју генерише бимодални актуатор заснован на SMA током два циклуса. Улазни напон се примењује у два циклуса од 10 секунди (приказана црвеним тачкама) са периодом хлађења од 15 секунди између сваког циклуса. SMA жица која је коришћена за експерименте била је Flexinol жица пречника 0,51 мм од Dynalloy, Inc. (а) График приказује експерименталну силу добијену током два циклуса, (ц, д) приказује два независна примера деловања актуатора покретне руке на PACEline CFT/5kN пиезоелектрични претварач силе, (б) графикон приказује максималну температуру целе SMA жице током два циклуса, (е) приказује снимак температуре снимљен са SMA жице помоћу FLIR ResearchIR софтверске LWIR камере. Геометријски параметри узети у обзир у експериментима дати су у Табели 1.
Резултати симулације математичког модела и експериментални резултати упоређени су под условом улазног напона од 7V, као што је приказано на слици 5. Према резултатима параметарске анализе и како би се избегла могућност прегревања SMA жице, актуатору је доведена снага од 11,2 W. Програмабилно једносмерно напајање коришћено је за напајање 7V као улазног напона, а преко жице је измерена струја од 1,6A. Сила коју генерише погон и температура SDR-а повећавају се када се примени струја. Са улазним напоном од 7V, максимална излазна сила добијена из резултата симулације и експерименталних резултата првог циклуса је 78 N и 96 N, респективно. У другом циклусу, максимална излазна сила симулације и експерименталних резултата била је 150 N и 105 N, респективно. Неслагање између мерења силе оклузије и експерименталних података може бити последица методе која се користи за мерење силе оклузије. Експериментални резултати приказани на слици... Слика 5а одговара мерењу силе закључавања, која је заузврат мерена када је погонско вратило било у контакту са пиезоелектричним претварачем силе PACEline CFT/5kN, као што је приказано на слици 2с. Стога, када погонско вратило није у контакту са сензором силе на почетку зоне хлађења, сила одмах постаје нула, као што је приказано на слици 2д. Поред тога, други параметри који утичу на формирање силе у наредним циклусима су вредности времена хлађења и коефицијента конвективног преноса топлоте у претходном циклусу. Са слике 2б се може видети да након периода хлађења од 15 секунди, SMA жица није достигла собну температуру и стога је имала вишу почетну температуру (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) у другом циклусу вожње у поређењу са првим циклусом (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Дакле, у поређењу са првим циклусом, температура SMA жице током другог циклуса загревања раније достиже почетну температуру аустенита (\(A_s\)) и дуже остаје у прелазном периоду, што резултира напоном и силом. С друге стране, расподеле температуре током циклуса загревања и хлађења добијене из експеримената и симулација имају високу квалитативну сличност са примерима из термографске анализе. Упоредна анализа термичких података SMA жице из експеримената и симулација показала је конзистентност током циклуса загревања и хлађења и унутар прихватљивих толеранција за експерименталне податке. Максимална температура SMA жице, добијена из резултата симулације и експеримената првог циклуса, је \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), респективно), а у другом циклусу максимална температура SMA жице је \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Фундаментално развијен модел потврђује ефекат ефекта меморије облика. Улога замора и прегревања није разматрана у овом прегледу. У будућности ће модел бити побољшан како би укључио историју напрезања SMA жице, чинећи га погоднијим за инжењерске примене. Графикони излазне силе погона и температуре SMA добијени из Simulink блока су унутар дозвољених толеранција експерименталних података под условом импулса улазног напона од 7 V. Ово потврђује исправност и поузданост развијеног математичког модела.
Математички модел је развијен у MathWorks Simulink R2020b окружењу користећи основне једначине описане у одељку Методе. На слици 3б приказан је блок дијаграм Simulink математичког модела. Модел је симулиран за импулс улазног напона од 7V као што је приказано на слици 2а, б. Вредности параметара коришћених у симулацији наведене су у Табели 1. Резултати симулације прелазних процеса приказани су на сликама 1 и 1. Слике 3а и 4. На слици 4а, б приказан је индуковани напон у SMA жици и сила коју генерише актуатор као функција времена. Током обрнуте трансформације (загревања), када је температура SMA жице, \(T < A_s^{\prime}\) (почетна температура фазе аустенита модификованог напоном), брзина промене запреминског удела мартензита (\(\dot{\xi }\)) биће нула. Током обрнуте трансформације (загревања), када је температура SMA жице, \(T < A_s^{\prime}\) (почетна температура фазе аустенита модификованог напоном), брзина промене запреминског удела мартензита (\(\dot{\xi }\)) биће нула. Во врема обратного преврасениа (нагрева), когда температура проволоки СМА, \(Т < А_с^{\приме}\) (температура начала аустенитној фази, модифицированнаа напражениа), скорость изменениа объемној доли мартенсита (\(\дот{\ ки }\)) буде равно нулу. Током обрнуте трансформације (загревања), када је температура SMA жице, \(T < A_s^{\prime}\) (температура почетка формирања аустенита модификованог напоном), брзина промене запреминског удела мартензита (\(\dot{\xi }\)) биће нула.在反向转变（加热）过程中,当СМА 线温度\(Т < А_с^{\приме}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时,马氏体体积分数的变化率（)(кидот{)\)将为零。在 反向 转变 （加热） 中 , 当 当 当 线 温度 \ (т
(а) Резултат симулације који приказује расподелу температуре и температуру споја изазвану напоном у актуатору заснованом на SMA дивалератном електроду. Када температура жице пређе температуру аустенитног прелаза у фази загревања, температура модификованог аустенитног прелаза почиње да расте, и слично, када температура жичане шипке пређе температуру мартензитног прелаза у фази хлађења, температура мартензитног прелаза се смањује. SMA за аналитичко моделирање процеса актуације. (За детаљан приказ сваког подсистема Simulink модела, погледајте одељак додатка у додатној датотеци.)
Резултати анализе за различите расподеле параметара приказани су за два циклуса улазног напона од 7 V (циклуси загревања од 10 секунди и циклуси хлађења од 15 секунди). Док (ac) и (e) приказују расподелу током времена, с друге стране, (d) и (f) илуструју расподелу са температуром. За одговарајуће улазне услове, максимални примећени напон је 106 MPa (мање од 345 MPa, граница течења жице), сила је 150 N, максимално померање је 270 µm, а минимални запремински удео мартензита је 0,91. С друге стране, промена напона и промена запреминског удела мартензита са температуром су сличне карактеристикама хистерезе.
Исто објашњење важи и за директну трансформацију (хлађење) из аустенитне фазе у мартензитну фазу, где су температура SMA жице (T) и крајња температура напоном модификоване мартензитне фазе (M_f^{\prime}) одличне. На слици 4д, ф приказана је промена индукованог напона (sigma) и запреминског удела мартензита (xi) у SMA жици као функција промене температуре SMA жице (T), за оба циклуса погона. На слици 3а приказана је промена температуре SMA жице са временом у зависности од импулса улазног напона. Као што се може видети са слике, температура жице наставља да расте обезбеђивањем извора топлоте на нултом напону и накнадним конвективним хлађењем. Током загревања, ретрансформација мартензита у аустенитну фазу почиње када температура SMA жице (T) пређе температуру нуклеације аустенита кориговану напоном (\(A_s^{\prime}\)). Током ове фазе, SMA жица се компресује и актуатор генерише силу. Такође током хлађења, када температура SMA жице (T) пређе температуру нуклеације мартензитне фазе модификоване напоном (\(M_s^{\prime}\)), долази до позитивног прелаза из аустенитне фазе у мартензитну фазу. Погонска сила се смањује.
Главни квалитативни аспекти бимодалног погона заснованог на SMA могу се добити из резултата симулације. У случају напонског импулса, температура SMA жице се повећава због Џуловог ефекта загревања. Почетна вредност запреминског удела мартензита (\(\xi\)) је постављена на 1, пошто је материјал у почетку у потпуно мартензитној фази. Како се жица наставља загревати, температура SMA жице прелази температуру нуклеације аустенита кориговану напоном \(A_s^{\prime}\), што резултира смањењем запреминског удела мартензита, као што је приказано на слици 4ц. Поред тога, на слици 4е приказана је расподела хода актуатора у времену, а на слици 5 – покретачка сила као функција времена. Повезани систем једначина укључује температуру, запремински удео мартензита и напон који се развија у жици, што резултира скупљањем SMA жице и силом коју генерише актуатор. Као што је приказано на слици 4ц. 4д,ф, варијација напона са температуром и варијација запреминског удела мартензита са температуром одговарају хистерезисним карактеристикама SMA у симулираном случају на 7 V.
Поређење параметара погона добијено је експериментима и аналитичким прорачунима. Жице су изложене импулсном улазном напону од 7 V током 10 секунди, а затим су хлађене 15 секунди (фаза хлађења) током два циклуса. Угао пера је подешен на \(40^{\circ}\), а почетна дужина SMA жице у сваком пину је подешена на 83 мм. (а) Мерење погонске силе помоћу мерне ћелије (б) Праћење температуре жице помоћу термалне инфрацрвене камере.
Да би се разумео утицај физичких параметара на силу коју производи погон, спроведена је анализа осетљивости математичког модела на одабране физичке параметре, а параметри су рангирани према њиховом утицају. Прво, узорковање параметара модела је извршено коришћењем принципа експерименталног дизајна који су пратили равномерну расподелу (видети Додатни одељак о анализи осетљивости). У овом случају, параметри модела укључују улазни напон (V_{in}\)), почетну дужину SMA жице (l_0\)), угао троугла (alpha\)), константу опруге прилагођавања (K_x\)), коефицијент конвективног преноса топлоте (h_T\) и број унимодалних грана (n). У следећем кораку, вршна снага мишића је изабрана као захтев за дизајн студије и добијени су параметарски ефекти сваког скупа променљивих на снагу. Торнадо дијаграми за анализу осетљивости су изведени из коефицијената корелације за сваки параметар, као што је приказано на слици 6а.
(а) Вредности коефицијента корелације параметара модела и њихов утицај на максималну излазну силу 2500 јединствених група горе наведених параметара модела приказани су на дијаграму торнада. График приказује ранг корелације неколико индикатора. Јасно је да је \(V_{in}\) једини параметар са позитивном корелацијом, а \(l_0\) параметар са највећом негативном корелацијом. Утицај различитих параметара у различитим комбинацијама на вршну снагу мишића приказан је на (б, ц). \(K_x\) се креће од 400 до 800 N/m, а n се креће од 4 до 24. Напон (\(V_{in}\)) се мењао од 4V до 10V, дужина жице (\(l_{0 } \)) се мењала од 40 до 100 mm, а угао репа (\ (\alpha \)) се мењао од \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
На слици 6а приказан је торнадо графикон различитих коефицијената корелације за сваки параметар са захтевима за пројектовање вршне погонске силе. Са слике 6а се може видети да је параметар напона (\(V_{in}\)) директно повезан са максималном излазном силом, а коефицијент конвективног преноса топлоте (\(h_T\) ... V_{in}\) и l_0\), алфа\) и l_0\) имају сличне обрасце, а графикон показује да V_{in}\) и алфа\) и алфа\) имају сличне обрасце. Мање вредности l_0\) резултирају вишим вршним силама. Друга два графикона су у складу са сликом 6а, где су n и K_x негативно корелирани, а V_{in} позитивно корелирани. Ова анализа помаже у дефинисању и подешавању параметара утицаја помоћу којих се излазна сила, ход и ефикасност погонског система могу прилагодити захтевима и примени.
Тренутни истраживачки рад уводи и истражује хијерархијске погоне са N нивоа. У двостепеној хијерархији, као што је приказано на слици 7а, где се уместо сваке SMA жице актуатора првог нивоа постиже бимодални распоред, као што је приказано на слици 9е. На слици 7ц је приказано како је SMA жица намотана око покретне руке (помоћне руке) која се креће само у уздужном смеру. Међутим, примарна покретна рука наставља да се креће на исти начин као и покретна рука вишестепеног актуатора првог степена. Типично, N-степени погон се ствара заменом \(N-1\) SMA жице степена погоном првог степена. Као резултат тога, свака грана имитира погон првог степена, са изузетком гране која држи саму жицу. На овај начин могу се формирати угнежђене структуре које стварају силе које су неколико пута веће од сила примарних погона. У овој студији, за сваки ниво, узета је у обзир укупна ефективна дужина SMA жице од 1 м, као што је приказано у табеларном формату на слици 7д. Струја кроз сваку жицу у сваком унимодалном дизајну и резултујући преднапрезање и напон у сваком сегменту SMA жице су исти на сваком нивоу. Према нашем аналитичком моделу, излазна сила је позитивно корелирана са нивоом, док је померање негативно корелирано. Истовремено, постојао је компромис између померања и снаге мишића. Као што се види на слици 7б, док се максимална сила постиже у највећем броју слојева, највеће померање се примећује у најнижем слоју. Када је ниво хијерархије подешен на \(N=5\), пронађена је вршна сила мишића од 2,58 kN са 2 посматрана хода \(\upmu\)m. С друге стране, погон прве фазе генерише силу од 150 N при ходу од 277 \(\upmu\)m. Вишестепени актуатори су у стању да имитирају стварне биолошке мишиће, док су вештачки мишићи засновани на легурама са меморијом облика у стању да генеришу знатно веће силе са прецизним и финијим покретима. Ограничења овог минијатуризованог дизајна су да како се хијерархија повећава, кретање се значајно смањује, а сложеност процеса производње погона се повећава.
(а) Приказан је двостепени (\(N=2\)) слојевити систем линеарног актуатора од легуре са меморијом облика у бимодалној конфигурацији. Предложени модел се постиже заменом SMA жице у слојевитом актуатору прве фазе другим једностепеним слојевитим актуатором. (ц) Деформисана конфигурација вишеслојног актуатора друге фазе. (б) Описана је расподела сила и померања у зависности од броја нивоа. Утврђено је да је вршна сила актуатора позитивно корелирана са нивоом скале на графику, док је ход негативно корелиран са нивоом скале. Струја и претнапон у свакој жици остају константни на свим нивоима. (д) Табела приказује број одвода и дужину SMA жице (влакна) на сваком нивоу. Карактеристике жица су означене индексом 1, а број секундарних грана (једна повезана са примарном ногом) је означен највећим бројем у индексу. На пример, на нивоу 5, \(n_1\) се односи на број SMA жица присутних у свакој бимодалној структури, а \(n_5\) се односи на број помоћних кракова (један повезан са главним краком).
Многи истраживачи су предложили различите методе за моделирање понашања SMA материјала са меморијом облика, које зависе од термомеханичких својстава која прате макроскопске промене у кристалној структури повезане са фазним прелазом. Формулација конститутивних метода је инхерентно сложена. Најчешће коришћени феноменолошки модел предложио је Танака28 и широко се користи у инжењерским применама. Феноменолошки модел који је предложио Танака [28] претпоставља да је запремински удео мартензита експоненцијална функција температуре и напона. Касније су Лианг и Роџерс29 и Бринсон30 предложили модел у којем се претпостављало да је динамика фазног прелаза косинусна функција напона и температуре, са малим модификацијама модела. Бекер и Бринсон предложили су кинетички модел заснован на фазном дијаграму за моделирање понашања SMA материјала под произвољним условима оптерећења, као и делимичним прелазима. Банерџи32 користи метод динамике фазног дијаграма Бекера и Бринсона31 за симулацију манипулатора са једним степеном слободе који су развили Елахинија и Ахмадијан33. Кинетичке методе засноване на фазним дијаграмима, које узимају у обзир немонотону промену напона са температуром, тешко је имплементирати у инжењерским применама. Елахинија и Ахмадијан скрећу пажњу на ове недостатке постојећих феноменолошких модела и предлажу проширени феноменолошки модел за анализу и дефинисање понашања меморије облика под било којим сложеним условима оптерећења.
Структурни модел SMA жице даје напон (\(\sigma\)), деформацију (\(\epsilon\)), температуру (T) и запремински удео мартензита (\(\xi\)) SMA жице. Феноменолошки конститутивни модел је први предложио Танака28, а касније су га усвојили Лианг29 и Бринсон30. Извод једначине има облик:
где је E фазно зависни Јангов модул еластичности SMA жице добијен коришћењем \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) и \(E_A\) и \(E_M\) који представљају Јангов модул су аустенитна и мартензитна фаза, респективно, а коефицијент термичког ширења је представљен са \(\theta _T\). Фактор доприноса фазног прелаза је \(\Omega = -E \epsilon _L\) и \(\epsilon _L\) је максимална опорављива деформација у SMA жици.
Једначина фазне динамике поклапа се са косинусном функцијом коју је развио Лианг29, а касније усвојио Бринсон30 уместо експоненцијалне функције коју је предложио Танака28. Модел фазног прелаза је проширење модела који су предложили Елахинија и Ахмадијан34 и модификован је на основу услова фазног прелаза које су дали Лианг29 и Бринсон30. Услови који се користе за овај модел фазног прелаза важе под сложеним термомеханичким оптерећењима. У сваком тренутку, вредност запреминског удела мартензита се израчунава приликом моделирања конститутивне једначине.
Управљајућа једначина ретрансформације, изражена трансформацијом мартензита у аустенит под условима загревања, је следећа:
где је \(\xi\) запремински удео мартензита, \(\xi _M\) запремински удео мартензита добијеног пре загревања, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) и \(C_A\) – параметри апроксимације криве, T – температура SMA жице, \(A_s\) и \(A_f\) – температура почетка и краја аустенитне фазе, респективно.
Једначина директне контроле трансформације, представљена фазном трансформацијом аустенита у мартензит под условима хлађења, је:
где је \(\xi _A\) запремински удео мартензита добијеног пре хлађења, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) и \ ( C_M \) – параметри фитовања криве, T – температура SMA жице, \(M_s\) и \(M_f\) – почетна и коначна температура мартензита, респективно.
Након што се једначине (3) и (4) диференцирају, инверзна и директна трансформациона једначина се поједностављују у следећи облик:
Током трансформације унапред и уназад, \(\eta_{\sigma}\) и \(\eta_{T}\) узимају различите вредности. Основне једначине повезане са \(\eta_{\sigma}\) и \(\eta_{T}\) су изведене и детаљно размотрене у додатном одељку.
Топлотна енергија потребна за подизање температуре SMA жице потиче од Џуловог ефекта загревања. Топлотна енергија коју апсорбује или ослобађа SMA жица представљена је латентном топлотом трансформације. Губитак топлоте у SMA жици настаје услед присилне конвекције, а с обзиром на занемарљив ефекат зрачења, једначина биланса топлотне енергије је следећа:
Где је \(m_{wire}\) укупна маса SMA жице, \(c_{p}\) је специфични топлотни капацитет SMA жице, \(V_{in}\) је напон примењен на жицу, \(R_{ohm} \) – фазно зависна отпорност SMA жице, дефинисана као; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) где су \(r_M\) и \(r_A\) фазна отпорност SMA жице у мартензиту и аустениту, респективно, \(A_{c}\) је површина SMA жице, \(\Delta H \) је легура са меморијом облика. Латентна топлота прелаза жице, T и \(T_{\infty}\) су температуре SMA жице и околине, респективно.
Када се активира жица од легуре са меморијом облика, жица се компресује, стварајући силу у свакој грани бимодалног дизајна која се назива сила влакана. Силе влакана у сваком прамену SMA жице заједно стварају силу мишића за активирање, као што је приказано на слици 9е. Због присуства опруге за померање, укупна сила мишића N-тог вишеслојног актуатора је:
Заменом \(N = 1\) у једначину (7), снага мишића прототипа бимодалног погона прве фазе може се добити на следећи начин:
где је n број унимодалних кракова, \(F_m\) је сила мишића коју генерише погон, \(F_f\) је чврстоћа влакана у SMA жици, \(K_x\) је крутост опруге, \(\alpha\) је угао троугла, \(x_0\) је почетни помак опруге за држање SMA кабла у претходно затегнутом положају, а \(\Delta x\) је кретање актуатора.
Укупно померање или кретање погона (Δx) у зависности од напона (sigma) и напрезања (epsilon) на SMA жици N-те фазе, погон је подешен на (видети слику додатни део излаза):
Кинематичке једначине дају везу између деформације погона (ε) и померања или премештања (Δx). Деформација Arb жице као функција почетне дужине Arb жице (l_0) и дужине жице (l) у било ком тренутку t у једној унимодалној грани је следећа:
где се (l = √(l_0^2 +(Δx_1)^2 – 2 l_0 (Δx_1) cos α_1) добија применом косинусне формуле у ΔABB ', као што је приказано на слици 8. За први степен погона (N = 1)), Δx_1 је Δx, а α_1 је α као што је приказано на слици 8, диференцирањем времена из једначине (11) и заменом вредности l, брзина деформације се може записати као:
где је \(l_0\) почетна дужина SMA жице, l је дужина жице у било ком тренутку t у једној унимодалној грани, \(\epsilon\) је деформација развијена у SMA жици, а \(\alpha \) је угао троугла, \(\Delta x\) је помак погона (као што је приказано на слици 8).
Свих n структура са једним врхом (n=6 на овој слици) су повезане серијски са V_{in} као улазним напоном. Фаза I: Шематски дијаграм SMA жице у бимодалној конфигурацији под условима нултог напона. Фаза II: Приказана је контролисана структура где је SMA жица компресована због инверзне конверзије, као што је приказано црвеном линијом.
Као доказ концепта, развијен је бимодални погон базиран на SMA како би се тестирало симулирано извођење основних једначина експерименталним резултатима. CAD модел бимодалног линеарног актуатора приказан је на слици 9а. С друге стране, на слици 9ц приказан је нови дизајн предложен за ротациону призматичну везу коришћењем двослојног актуатора базираног на SMA са бимодалном структуром. Компоненте погона су направљене коришћењем адитивне производње на Ultimaker 3 Extended 3D штампачу. Материјал који се користи за 3D штампање компоненти је поликарбонат, који је погодан за материјале отпорне на топлоту јер је јак, издржљив и има високу температуру преласка у стакласто стање (110-113 °C). Поред тога, у експериментима је коришћена Dynalloy, Inc. Flexinol легура са меморијом облика, а својства материјала која одговарају Flexinol жици коришћена су у симулацијама. Вишеструке SMA жице су распоређене као влакна присутна у бимодалном распореду мишића како би се добиле велике силе које производе вишеслојни актуатори, као што је приказано на слици 9б, д.
Као што је приказано на слици 9а, оштар угао који формира SMA жица покретног крака назива се угао (\(\алфа\)). Са стезаљкама терминала причвршћеним за леву и десну стезаљку, SMA жица се држи под жељеним бимодалним углу. Уређај са опругом прилагођавања који се држи на опружном конектору је дизајниран да подешава различите групе продужетка опруга прилагођавања према броју (n) SMA влакана. Поред тога, положај покретних делова је дизајниран тако да је SMA жица изложена спољашњем окружењу ради присилног конвекцијског хлађења. Горња и доња плоча одвојивог склопа помажу у одржавању хладноће SMA жице помоћу екструдираних изрезића дизајнираних да смање тежину. Поред тога, оба краја CMA жице су фиксирана за леви и десни терминал, респективно, помоћу кримповања. Клип је причвршћен на један крај покретног склопа како би се одржао размак између горње и доње плоче. Клип се такође користи за примену силе блокирања на сензор преко контакта за мерење силе блокирања када се SMA жица активира.
Бимодална мишићна структура (SMA) је електрично повезана серијски и напаја се улазним импулсним напоном. Током циклуса напонског импулса, када се напон примени и SMA жица се загреје изнад почетне температуре аустенита, дужина жице у сваком прамену се скраћује. Ово повлачење активира подсклоп покретне руке. Када је напон враћен на нулу у истом циклусу, загрејана SMA жица се хлади испод температуре површине мартензита, чиме се враћа у свој првобитни положај. Под условима нултог напрезања, SMA жица се прво пасивно растеже помоћу опруге за прилагођавање да би достигла расдвојено мартензитно стање. Вијак, кроз који пролази SMA жица, помера се због компресије створене применом напонског импулса на SMA жицу (SPA достиже аустенитну фазу), што доводи до активирања покретне полуге. Када се SMA жица повуче, опруга за прилагођавање ствара супротну силу даљим истезањем опруге. Када напрезање у импулсном напону постане нула, SMA жица се издужује и мења свој облик због присилног конвекцијског хлађења, достижући двоструку мартензитну фазу.
Предложени систем линеарног актуатора базиран на SMA има бимодалну конфигурацију у којој су SMA жице под углом. (а) приказује CAD модел прототипа, који помиње неке од компоненти и њихова значења за прототип, (б, д) представљају развијени експериментални прототип35. Док (б) приказује поглед одозго на прототип са електричним везама и коришћеним опругама за напрезање и мерачима напона, (д) приказује перспективни приказ подешавања. (е) Дијаграм линеарног актуационог система са SMA жицама постављеним бимодално у било ком тренутку t, који приказује смер и ток влакана и снагу мишића. (ц) Предложена је ротациона призматична веза са 2 степена слободе за распоређивање актуатора базираног на SMA са две равни. Као што је приказано, веза преноси линеарно кретање са доњег погона на горњу руку, стварајући ротациону везу. С друге стране, кретање пара призми је исто као и кретање вишеслојног погона прве фазе.
Експериментална студија је спроведена на прототипу приказаном на слици 9б како би се проценили перформансе бимодалног погона заснованог на SMA жицама. Као што је приказано на слици 10а, експериментална поставка се састојала од програмабилног једносмерног напајања за довод улазног напона до SMA жица. Као што је приказано на слици 10б, пиезоелектрични мерач деформације (PACEline CFT/5kN) је коришћен за мерење силе блокирања помоћу Graphtec GL-2000 логера података. Податке бележи домаћин за даља проучавања. Мерачи деформације и појачала наелектрисања захтевају константно напајање да би произвели напонски сигнал. Одговарајући сигнали се претварају у излазне снаге у складу са осетљивошћу пиезоелектричног сензора силе и другим параметрима као што је описано у Табели 2. Када се примени напонски импулс, температура SMA жице се повећава, што узрокује њено компресовање, што доводи до тога да актуатор генерише силу. Експериментални резултати излаза мишићне снаге помоћу улазног напонског импулса од 7 V приказани су на слици 2а.
(а) У експерименту је постављен систем линеарног актуатора базиран на SMA-у за мерење силе коју генерише актуатор. Ћелија за мерење тежине мери силу блокирања и напаја се једносмерним напајањем од 24 V. Пад напона од 7 V примењен је дуж целе дужине кабла помоћу програмабилног једносмерног напајања GW Instek. SMA жица се скупља због топлоте, а покретна рука додирује ћелију за мерење тежине и врши силу блокирања. Ћелија за мерење тежине је повезана са GL-2000 логером података, а подаци се чувају на хосту за даљу обраду. (б) Дијаграм који приказује ланац компоненти експерименталног подешавања за мерење снаге мишића.
Легуре са меморијом облика се побуђују топлотном енергијом, тако да температура постаје важан параметар за проучавање феномена меморије облика. Експериментално, као што је приказано на слици 11а, термално снимање и мерења температуре су извршена на прототипу SMA дивалератног актуатора. Програмабилни једносмерни извор примењивао је улазни напон на SMA жице у експерименталној поставци, као што је приказано на слици 11б. Промена температуре SMA жице мерена је у реалном времену помоћу LWIR камере високе резолуције (FLIR A655sc). Хост користи ResearchIR софтвер за снимање података за даљу постпроцесну обраду. Када се примени импулс напона, температура SMA жице се повећава, што узрокује њено скупљање. На слици 2б приказани су експериментални резултати температуре SMA жице у односу на време за импулс улазног напона од 7V.
Време објаве: 28. септембар 2022.
