Tack för att du besöker Nature.com. Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd. För bästa möjliga upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt stöd, kommer vi att rendera webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Ställdon används överallt och skapar kontrollerad rörelse genom att applicera rätt excitationskraft eller vridmoment för att utföra olika operationer inom tillverkning och industriell automation. Behovet av snabbare, mindre och mer effektiva drivenheter driver innovation inom drivdesign. Shape Memory Alloy (SMA)-drivenheter erbjuder ett antal fördelar jämfört med konventionella drivenheter, inklusive ett högt effekt-till-vikt-förhållande. I denna avhandling utvecklades ett tvåfjädrat SMA-baserat ställdon som kombinerar fördelarna med de fjäderliknande musklerna i biologiska system och de unika egenskaperna hos SMA:er. Denna studie utforskar och utökar tidigare SMA-ställdon genom att utveckla en matematisk modell av det nya ställdonet baserat på det bimodala SMA-trådarrangemanget och testa det experimentellt. Jämfört med kända drivenheter baserade på SMA är den nya drivenhetens aktiveringskraft minst 5 gånger högre (upp till 150 N). Motsvarande viktförlust är cirka 67 %. Resultaten av känslighetsanalysen av matematiska modeller är användbara för att finjustera designparametrar och förstå nyckelparametrar. Denna studie presenterar vidare en flernivå-N:te stegsdrivenhet som kan användas för att ytterligare förbättra dynamiken. SMA-baserade dipvaleratmuskelaktuatorer har ett brett användningsområde, från byggnadsautomation till precisionsläkemedelsleveranssystem.
Biologiska system, såsom däggdjurs muskelstrukturer, kan aktivera många subtila aktuatorer1. Däggdjur har olika muskelstrukturer, som var och en tjänar ett specifikt syfte. Mycket av strukturen hos däggdjurs muskelvävnad kan dock delas in i två breda kategorier. Parallell och pennat. I hamstrings och andra flexorer, som namnet antyder, har den parallella muskulaturen muskelfibrer parallella med den centrala senan. Kedjan av muskelfibrer är uppradad och funktionellt sammankopplad av bindväven runt dem. Även om dessa muskler sägs ha en stor utslagning (procentuell förkortning), är deras totala muskelstyrka mycket begränsad. Däremot finns pennat muskelvävnad i varje muskel i triceps vadmuskel2 (lateral gastrocnemius (GL)3, medial gastrocnemius (GM)4 och soleus (SOL)) och extensor femoris (quadriceps)5,6. I en parbladig struktur finns muskelfibrerna i den tvåbladiga muskulaturen på båda sidor om den centrala senan i sneda vinklar (parbladiga vinklar). Pennat kommer från det latinska ordet "penna", vilket betyder "penna", och har, som visas i figur 1, ett fjäderliknande utseende. Fibrerna i pennatmusklerna är kortare och vinklade mot muskelns längdaxel. På grund av den pinnate strukturen minskar den totala rörligheten hos dessa muskler, vilket leder till de tvärgående och longitudinella komponenterna i förkortningsprocessen. Å andra sidan leder aktivering av dessa muskler till högre total muskelstyrka på grund av hur fysiologisk tvärsnittsarea mäts. Därför kommer pennatmuskler för en given tvärsnittsarea att vara starkare och generera högre krafter än muskler med parallella fibrer. Krafter som genereras av enskilda fibrer genererar muskelkrafter på en makroskopisk nivå i den muskelvävnaden. Dessutom har den unika egenskaper som snabb krympning, skydd mot dragskador och dämpning. Den förändrar förhållandet mellan fiberinput och muskelkraftutput genom att utnyttja de unika egenskaperna och den geometriska komplexiteten hos fiberarrangemanget som är associerat med muskelns aktionslinjer.
Schematiska diagram över befintliga SMA-baserade ställdondesigner i relation till en bimodal muskulär arkitektur, till exempel (a), som representerar interaktionen av taktil kraft där en handformad anordning som manövreras av SMA-trådar är monterad på en tvåhjulig autonom mobil robot9,10. , (b) Robotisk orbitalprotes med antagonistiskt placerad SMA-fjäderbelastad orbitalprotes. Protesögats position styrs av en signal från ögats okulärmuskel11, (c) SMA-ställdon är idealiska för undervattensapplikationer på grund av deras höga frekvensrespons och låga bandbredd. I denna konfiguration används SMA-ställdon för att skapa vågrörelse genom att simulera fiskens rörelse, (d) SMA-ställdon används för att skapa en mikrorörinspektionsrobot som kan använda principen om tummaskrörelse, styrd av SMA-trådarnas rörelse inuti kanal 10, (e) visar riktningen för kontraktion av muskelfibrer och generering av kontraktil kraft i gastrocnemiusvävnad, (f) visar SMA-trådar arrangerade i form av muskelfibrer i pennatmuskelstrukturen.
Ställdon har blivit en viktig del av mekaniska system på grund av deras breda användningsområde. Därför blir behovet av mindre, snabbare och mer effektiva drivenheter kritiskt. Trots sina fördelar har traditionella drivenheter visat sig vara dyra och tidskrävande att underhålla. Hydrauliska och pneumatiska ställdon är komplexa och dyra och är utsatta för slitage, smörjproblem och komponentfel. Som svar på efterfrågan ligger fokus på att utveckla kostnadseffektiva, storleksoptimerade och avancerade ställdon baserade på smarta material. Pågående forskning undersöker skiktade ställdon av formminneslegering (SMA) för att möta detta behov. Hierarkiska ställdon är unika genom att de kombinerar många diskreta ställdon till geometriskt komplexa makroskaliga delsystem för att ge ökad och utökad funktionalitet. I detta avseende ger den mänskliga muskelvävnaden som beskrivs ovan ett utmärkt flerskiktat exempel på sådan flerskiktad aktivering. Den aktuella studien beskriver en SMA-drivenhet på flera nivåer med flera individuella drivelement (SMA-trådar) anpassade till fiberorienteringarna som finns i bimodala muskler, vilket förbättrar den totala drivprestanda.
Huvudsyftet med ett ställdon är att generera mekanisk effektuttag såsom kraft och förskjutning genom att omvandla elektrisk energi. Formminneslegeringar är en klass av "smarta" material som kan återställa sin form vid höga temperaturer. Under höga belastningar leder en ökning av temperaturen på SMA-tråden till formåterställning, vilket resulterar i en högre aktiveringsenergitäthet jämfört med olika direktbundna smarta material. Samtidigt blir SMA:er spröda under mekaniska belastningar. Under vissa förhållanden kan en cyklisk belastning absorbera och frigöra mekanisk energi, vilket uppvisar reversibla hysteriska formförändringar. Dessa unika egenskaper gör SMA idealiska för sensorer, vibrationsdämpning och särskilt ställdon12. Med detta i åtanke har det forskats mycket om SMA-baserade drivenheter. Det bör noteras att SMA-baserade ställdon är utformade för att ge translations- och rotationsrörelse för en mängd olika tillämpningar13,14,15. Även om vissa roterande ställdon har utvecklats är forskare särskilt intresserade av linjära ställdon. Dessa linjära ställdon kan delas in i tre typer av ställdon: endimensionella, förskjutnings- och differentiella ställdon16. Ursprungligen skapades hybriddrivningar i kombination med SMA och andra konventionella drivningar. Ett sådant exempel på ett SMA-baserat hybridlinjärt ställdon är användningen av en SMA-kabel med en likströmsmotor för att ge en utgående kraft på cirka 100 N och betydande förskjutning17.
En av de första utvecklingarna inom drivsystem helt baserade på SMA var SMA-parallelldrivningen. Med hjälp av flera SMA-kablar är den SMA-baserade parallelldrivningen utformad för att öka drivsystemets effektkapacitet genom att placera alla SMA-18-kablar parallellt. Parallellkoppling av ställdon kräver inte bara mer effekt, utan begränsar också uteffekten för en enda tråd. En annan nackdel med SMA-baserade ställdon är den begränsade rörelse de kan uppnå. För att lösa detta problem skapades en SMA-kabelbalk innehållande en avböjd flexibel balk för att öka förskjutningen och uppnå linjär rörelse, men genererade inte högre krafter19. Mjuka deformerbara strukturer och tyger för robotar baserade på formminneslegeringar har utvecklats främst för stötförstärkning20,21,22. För applikationer där höga hastigheter krävs har kompaktdrivna pumpar rapporterats med tunnfilms-SMA för mikropumpsdrivna applikationer23. Drivfrekvensen för det tunnfilmsdrivna SMA-membranet är en nyckelfaktor för att styra drivsystemets hastighet. Därför har SMA-linjärmotorer ett bättre dynamiskt svar än SMA-fjäder- eller stångmotorer. Mjuk robotik och gripteknik är två andra applikationer som använder SMA-baserade ställdon. Till exempel, för att ersätta standardställdonet som används i 25 N rymdklämman, utvecklades ett parallellt ställdon 24 i formminneslegering. I ett annat fall tillverkades ett mjukt SMA-ställdon baserat på en tråd med en inbäddad matris som kan producera en maximal dragkraft på 30 N. På grund av sina mekaniska egenskaper används SMA också för att producera ställdon som härmar biologiska fenomen. En sådan utveckling inkluderar en 12-cellsrobot som är en biomimetik av en daggmaskliknande organism med SMA för att generera en sinusformad rörelse för att avfyra 26,27.
Som tidigare nämnts finns det en gräns för den maximala kraft som kan erhållas från befintliga SMA-baserade ställdon. För att ta itu med detta problem presenterar denna studie en biomimetisk bimodal muskelstruktur. Drivs av tråd av formminneslegering. Den tillhandahåller ett klassificeringssystem som inkluderar flera trådar av formminneslegering. Hittills har inga SMA-baserade ställdon med liknande arkitektur rapporterats i litteraturen. Detta unika och nya system baserat på SMA utvecklades för att studera beteendet hos SMA under bimodal muskeljustering. Jämfört med befintliga SMA-baserade ställdon var målet med denna studie att skapa ett biomimetiskt dipvalerat ställdon för att generera betydligt högre krafter i en liten volym. Jämfört med konventionella stegmotordrivna drivenheter som används i VVS-byggnadsautomation och styrsystem, minskar den föreslagna SMA-baserade bimodala drivkonstruktionen vikten på drivmekanismen med 67 %. I det följande används termerna "muskel" och "drivenhet" omväxlande. Denna studie undersöker multifysiksimuleringen av en sådan drivenhet. Det mekaniska beteendet hos sådana system har studerats med experimentella och analytiska metoder. Kraft- och temperaturfördelningar undersöktes vidare vid en ingångsspänning på 7 V. Därefter genomfördes en parametrisk analys för att bättre förstå sambandet mellan nyckelparametrar och utgångskraften. Slutligen har hierarkiska ställdon föreslagits och hierarkiska nivåeffekter har föreslagits som ett potentiellt framtida område för icke-magnetiska ställdon för protetiska tillämpningar. Enligt resultaten från de ovannämnda studierna producerar användningen av en enstegsarkitektur krafter som är minst fyra till fem gånger högre än rapporterade SMA-baserade ställdon. Dessutom har samma drivkraft som genereras av en flernivådrivning visat sig vara mer än tio gånger högre än för konventionella SMA-baserade drivningar. Studien rapporterar sedan nyckelparametrar med hjälp av känslighetsanalys mellan olika designer och ingångsvariabler. SMA-trådens initiala längd (\(l_0\)), den pinnate vinkeln (\(\alpha\)) och antalet enskilda strängar (n) i varje enskild sträng har en stark negativ effekt på drivkraftens styrka, medan ingångsspänningen (energin) visade sig vara positivt korrelerad.
SMA-tråd uppvisar den formminneseffekt (SME) som ses i nickel-titan (Ni-Ti) legeringsfamiljen. Vanligtvis uppvisar SMA två temperaturberoende faser: en lågtemperaturfas och en högtemperaturfas. Båda faserna har unika egenskaper på grund av närvaron av olika kristallstrukturer. I austenitfasen (högtemperaturfasen) som existerar över transformationstemperaturen uppvisar materialet hög hållfasthet och deformeras dåligt under belastning. Legeringen beter sig som rostfritt stål, så den kan motstå högre manövreringstryck. Genom att utnyttja denna egenskap hos Ni-Ti-legeringar är SMA-trådarna lutade för att bilda ett ställdon. Lämpliga analytiska modeller utvecklas för att förstå den grundläggande mekaniken för SMA:s termiska beteende under påverkan av olika parametrar och olika geometrier. God överensstämmelse erhölls mellan de experimentella och analytiska resultaten.
En experimentell studie utfördes på prototypen som visas i figur 9a för att utvärdera prestandan hos en bimodal drivning baserad på SMA. Två av dessa egenskaper, kraften som genereras av drivningen (muskelkraft) och temperaturen på SMA-tråden (SMA-temperatur), mättes experimentellt. När spänningsskillnaden ökar längs hela trådens längd i drivningen ökar trådens temperatur på grund av Joule-värmeeffekten. Ingångsspänningen applicerades i två 10-s-cykler (visas som röda prickar i figur 2a, b) med en 15-s-kylningsperiod mellan varje cykel. Blockeringskraften mättes med hjälp av en piezoelektrisk töjningsmätare, och temperaturfördelningen för SMA-tråden övervakades i realtid med hjälp av en vetenskapligt högupplöst LWIR-kamera (se egenskaperna för den utrustning som används i tabell 2). Detta visar att trådens temperatur ökar monotont under högspänningsfasen, men när ingen ström flyter fortsätter trådens temperatur att sjunka. I den aktuella experimentuppställningen sjönk temperaturen på SMA-tråden under kylningsfasen, men den var fortfarande över omgivningstemperaturen. Figur 2e visar en ögonblicksbild av temperaturen på SMA-tråden tagen från LWIR-kameran. Figur 2a visar å andra sidan den blockerande kraft som genereras av drivsystemet. När muskelkraften överstiger fjäderns återställningskraft börjar den rörliga armen, som visas i figur 9a, att röra sig. Så snart aktiveringen börjar kommer den rörliga armen i kontakt med sensorn, vilket skapar en kroppskraft, som visas i figur 2c, d. När den maximala temperaturen är nära \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) är den maximala observerade kraften 105 N.
Diagrammet visar de experimentella resultaten av temperaturen på SMA-tråden och den kraft som genereras av det SMA-baserade bimodala ställdonet under två cykler. Ingångsspänningen appliceras i två 10-sekunderscykler (visas som röda prickar) med en nedkylningsperiod på 15 sekunder mellan varje cykel. SMA-tråden som användes för experimenten var en Flexinol-tråd med 0,51 mm diameter från Dynalloy, Inc. (a) Diagrammet visar den experimentella kraften som erhölls under två cykler, (c, d) visar två oberoende exempel på funktionen hos rörliga armställdon på en PACEline CFT/5kN piezoelektrisk kraftgivare, (b) diagrammet visar den maximala temperaturen för hela SMA-tråden under två cykler, (e) visar en temperaturögonblicksbild tagen från SMA-tråden med hjälp av FLIR ResearchIR-programvarans LWIR-kamera. De geometriska parametrar som beaktats i experimenten anges i tabell ett.
Simuleringsresultaten från den matematiska modellen och de experimentella resultaten jämförs under förutsättning att ingångsspänningen är 7 V, såsom visas i figur 5. Enligt resultaten från den parametriska analysen och för att undvika risken för överhettning av SMA-kabeln, tillfördes en effekt på 11,2 W till ställdonet. En programmerbar likströmskälla användes för att tillföra 7 V som ingångsspänning, och en ström på 1,6 A mättes över kabeln. Kraften som genereras av drivenheten och temperaturen hos SDR ökar när ström appliceras. Med en ingångsspänning på 7 V är den maximala utkraften som erhålls från simuleringsresultaten och de experimentella resultaten från den första cykeln 78 N respektive 96 N. I den andra cykeln var den maximala utkraften från simulerings- och experimentresultaten 150 N respektive 105 N. Skillnaden mellan mätningar av ocklusionskraften och experimentella data kan bero på den metod som används för att mäta ocklusionskraften. De experimentella resultaten som visas i figur ... 5a motsvarar mätningen av låskraften, vilken i sin tur mättes när drivaxeln var i kontakt med den piezoelektriska kraftgivaren PACEline CFT/5kN, såsom visas i figur 2s. När drivaxeln därför inte är i kontakt med kraftsensorn i början av kylzonen blir kraften omedelbart noll, såsom visas i figur 2d. Dessutom är andra parametrar som påverkar kraftbildningen i efterföljande cykler värdena för kyltiden och koefficienten för konvektiv värmeöverföring i den föregående cykeln. Från figur 2b kan man se att efter en 15 sekunders kylningsperiod nådde SMA-tråden inte rumstemperatur och hade därför en högre initialtemperatur (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) i den andra drivcykeln jämfört med den första cykeln (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Jämfört med den första cykeln når således temperaturen på SMA-tråden under den andra uppvärmningscykeln den initiala austenittemperaturen (\(A_s\)) tidigare och stannar kvar i övergångsperioden längre, vilket resulterar i spänning och kraft. Å andra sidan har temperaturfördelningarna under uppvärmnings- och kylcykler som erhållits från experiment och simuleringar en hög kvalitativ likhet med exempel från termografisk analys. Jämförande analys av SMA-trådens termiska data från experiment och simuleringar visade konsistens under uppvärmnings- och kylcykler och inom acceptabla toleranser för experimentella data. SMA-trådens maximala temperatur, erhållen från resultaten av simulering och experiment från den första cykeln, är \(89\,^{\circ }\hbox {{}\) respektive \(75\,^{\circ }\hbox {{}}\), och under den andra cykeln är SMA-trådens maximala temperatur \(94\,^{\circ }\hbox {{}}\) och \(83\,^{\circ }\hbox {{}}\). Den fundamentalt utvecklade modellen bekräftar effekten av formminneseffekten. Utmattning och överhettning beaktades inte i denna granskning. I framtiden kommer modellen att förbättras för att inkludera SMA-trådens spänningshistorik, vilket gör den mer lämplig för tekniska tillämpningar. Diagrammen för drivkraftens utgång och SMA-temperatur som erhållits från Simulink-blocket ligger inom de tillåtna toleranserna för experimentdata under förutsättning att ingångsspänningspulsen är 7 V. Detta bekräftar den utvecklade matematiska modellens korrekthet och tillförlitlighet.
Den matematiska modellen utvecklades i MathWorks Simulink R2020b-miljön med hjälp av de grundläggande ekvationerna som beskrivs i metodavsnittet. Figur 3b visar ett blockschema över Simulinks matematiska modell. Modellen simulerades för en 7V ingångsspänningspuls som visas i figur 2a, b. Värdena för de parametrar som användes i simuleringen listas i tabell 1. Resultaten av simuleringen av transienta processer presenteras i figur 1 och 1. Figur 3a och 4. I figur 4a, b visas den inducerade spänningen i SMA-kabeln och kraften som genereras av ställdonet som en funktion av tiden. Under omvänd transformation (uppvärmning), när SMA-trådens temperatur, \(T < A_s^{\prime}\) (spänningsmodifierad austenitfasstarttemperatur), kommer förändringshastigheten för martensitens volymfraktion (\(\dot{\xi }\)) att vara noll. Under omvänd transformation (uppvärmning), när SMA-trådens temperatur, \(T < A_s^{\prime}\) (spänningsmodifierad austenitfasstarttemperatur), kommer förändringshastigheten för martensitens volymfraktion (\(\dot{\xi }\)) att vara noll. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (темпуратура начай модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Under den omvända transformationen (uppvärmning), när temperaturen på SMA-tråden, \(T < A_s^{\prime}\) (spänningsmodifierad austenits starttemperatur), kommer förändringshastigheten för martensitens volymfraktion (\(\dot{\xi }\)) att vara noll.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率}\(xi)\(xi)将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения поправкой на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Under den omvända transformationen (uppvärmningen) vid SMA-trådens temperatur \(T < A_s^{\prime}\) (temperaturen för kärnbildningen av austenitfasen, korrigerad för spänning), kommer förändringshastigheten i volymfraktionen av martensit (\( \dot{\xi }\)) att vara lika med noll.Därför kommer spänningsförändringshastigheten (\(\dot{\sigma}\)) att bero på töjningshastigheten (\(\dot{\epsilon}\)) och temperaturgradienten (\(\dot{T} \)) endast med användning av ekvation (1). Men när SMA-tråden ökar i temperatur och korsar (\(A_s^{\prime}\)) börjar austenitfasen bildas, och (\(\dot{\xi}\)) tas som det givna värdet för ekvation (3). Därför styrs spänningsförändringshastigheten (\(\dot{\sigma}\)) gemensamt av att \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) och \(\dot{\xi}\) är lika med vad som anges i formel (1). Detta förklarar gradientförändringarna som observeras i de tidsvarierande spännings- och kraftkartorna under uppvärmningscykeln, såsom visas i figur 4a, b.
(a) Simuleringsresultat som visar temperaturfördelning och spänningsinducerad övergångstemperatur i ett SMA-baserat divalerat ställdon. När trådtemperaturen korsar austenitövergångstemperaturen i uppvärmningssteget börjar den modifierade austenitövergångstemperaturen att öka, och på liknande sätt, när trådstångstemperaturen korsar martensitövergångstemperaturen i kylningssteget, minskar martensitövergångstemperaturen. SMA för analytisk modellering av aktiveringsprocessen. (För en detaljerad vy över varje delsystem i en Simulink-modell, se bilageavsnittet i den kompletterande filen.)
Resultaten av analysen för olika parameterfördelningar visas för två cykler av 7V ingångsspänning (10 sekunders uppvärmningscykler och 15 sekunders nedkylningscykler). Medan (ac) och (e) visar fördelningen över tid, illustrerar (d) och (f) å andra sidan fördelningen med temperatur. För respektive ingångsförhållanden är den maximala observerade spänningen 106 MPa (mindre än 345 MPa trådens sträckgräns), kraften är 150 N, den maximala förskjutningen är 270 µm och den minsta martensitiska volymfraktionen är 0,91. Å andra sidan liknar förändringen i spänning och förändringen i volymfraktionen av martensit med temperaturen hystereskarakteristika.
Samma förklaring gäller för den direkta omvandlingen (kylningen) från austenitfasen till martensitfasen, där SMA-trådens temperatur (T) och sluttemperaturen för den spänningsmodifierade martensitfasen (\(M_f^{\prime}\ )) är utmärkt. I figur 4d visas förändringen i den inducerade spänningen (\(\sigma\)) och volymfraktionen av martensit (\(\xi\)) i SMA-tråden som en funktion av temperaturförändringen hos SMA-tråden (T), för båda drivcyklerna. I figur 3a visas temperaturförändringen hos SMA-tråden med tiden beroende på ingångsspänningspulsen. Som framgår av figuren fortsätter trådens temperatur att öka genom att tillhandahålla en värmekälla vid nollspänning och efterföljande konvektiv kylning. Under uppvärmning börjar omvandlingen av martensit till austenitfasen när SMA-trådens temperatur (T) korsar den spänningskorrigerade austenitkärnbildningstemperaturen (\(A_s^{\prime}\)). Under denna fas komprimeras SMA-tråden och ställdonet genererar kraft. Även under kylning, när temperaturen på SMA-tråden (T) korsar kärnbildningstemperaturen för den spänningsmodifierade martensitfasen (\(M_s^{\prime}\)), sker det en positiv övergång från austenitfasen till martensitfasen. Drivkraften minskar.
De viktigaste kvalitativa aspekterna av den bimodala drivningen baserad på SMA kan erhållas från simuleringsresultaten. Vid en spänningspulsingång ökar temperaturen på SMA-tråden på grund av Joule-uppvärmningseffekten. Det initiala värdet för martensitvolymfraktionen (\(\xi\)) är satt till 1, eftersom materialet initialt är i en helt martensitisk fas. Allt eftersom tråden fortsätter att värmas upp överstiger SMA-trådens temperatur den spänningskorrigerade austenitkärnbildningstemperaturen \(A_s^{\prime}\), vilket resulterar i en minskning av martensitvolymfraktionen, såsom visas i figur 4c. Dessutom visas i figur 4e fördelningen av ställdonets slaglängder över tid, och i figur 5 – drivkraft som funktion av tid. Ett relaterat ekvationssystem inkluderar temperatur, martensitvolymfraktion och spänning som utvecklas i tråden, vilket resulterar i krympning av SMA-tråden och den kraft som genereras av ställdonet. Som visas i figur ... 4d,f, spänningsvariation med temperaturen och martensits volymfraktionsvariation med temperaturen motsvarar hystereskarakteristiken för SMA i det simulerade fallet vid 7 V.
Jämförelse av drivparametrar erhölls genom experiment och analytiska beräkningar. Ledningarna utsattes för en pulserad ingångsspänning på 7 V i 10 sekunder och kyldes sedan ner i 15 sekunder (kylningsfas) under två cykler. Fjädervinkeln är inställd på 40°C och den initiala längden på SMA-ledningen i varje enskilt stiftben är inställd på 83 mm. (a) Mätning av drivkraften med en lastcell (b) Övervakning av trådtemperaturen med en termisk infrarödkamera.
För att förstå påverkan av fysiska parametrar på den kraft som produceras av drivenheten utfördes en analys av den matematiska modellens känslighet för de valda fysiska parametrarna, och parametrarna rangordnades efter deras inflytande. Först gjordes urvalet av modellparametrar med hjälp av experimentella designprinciper som följde en enhetlig fördelning (se kompletterande avsnitt om känslighetsanalys). I detta fall inkluderar modellparametrarna ingångsspänning (\(V_{in}\)), initial SMA-trådlängd (\(l_0\)), triangelvinkel (\(\alpha\)), förspänningsfjäderkonstant (\(K_x\)), den konvektiva värmeöverföringskoefficienten (\(h_T\)) och antalet unimodala grenar (n). I nästa steg valdes maximal muskelstyrka som ett studiedesignkrav och de parametriska effekterna av varje uppsättning variabler på styrka erhölls. Tornadodiagrammen för känslighetsanalysen härleddes från korrelationskoefficienterna för varje parameter, såsom visas i figur 6a.
(a) Korrelationskoefficientvärdena för modellparametrarna och deras effekt på den maximala uteffekten av 2500 unika grupper av ovanstående modellparametrar visas i tornadodiagrammet. Diagrammet visar rangkorrelationen för flera indikatorer. Det är tydligt att \(V_{in}\) är den enda parametern med en positiv korrelation, och \(l_0\) är parametern med den högsta negativa korrelationen. Effekten av olika parametrar i olika kombinationer på maximal muskelstyrka visas i (b, c). \(K_x\) varierar från 400 till 800 N/m och n varierar från 4 till 24. Spänning (\(V_{in}\)) ändrades från 4V till 10V, trådlängden (\(l_{0} \)) ändrades från 40 till 100 mm, och svansvinkeln (\(\alpha \)) varierade från \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Figur 6a visar ett tornadodiagram över olika korrelationskoefficienter för varje parameter med krav på toppdrivkraftens design. Från figur 6a kan man se att spänningsparametern (\(V_{in}\)) är direkt relaterad till den maximala utgångskraften, och den konvektiva värmeöverföringskoefficienten (\(h_T\)), flamvinkeln (\(α\)), förskjutningsfjäderkonstanten (\(K_x\)) är negativt korrelerad med utgångskraften och den initiala längden (\(l_0\)) för SMA-tråden, och antalet unimodala grenar (n) visar en stark invers korrelation. Vid direkt korrelation indikerar ett högre värde på spänningskorrelationskoefficienten (\(V_{in}\)) att denna parameter har störst effekt på uteffekten. En annan liknande analys mäter toppkraften genom att utvärdera effekten av olika parametrar i olika kombinationer av de två beräkningsutrymmena, såsom visas i figur 6b, c. ∫(V_{in}) och ∫(l_0), ∫(α) och ∫(l_0) har liknande mönster, och grafen visar att ∫(V_{in}) och ∫(α) respektive ∫(α) har liknande mönster. Mindre värden på ∫(l_0) resulterar i högre toppkrafter. De andra två diagrammen överensstämmer med figur 6a, där n och ∫(K_x) är negativt korrelerade och ∫(V_{in}) är positivt korrelerade. Denna analys hjälper till att definiera och justera de påverkande parametrarna med vilka drivsystemets utgående kraft, slaglängd och effektivitet kan anpassas till kraven och tillämpningen.
Nuvarande forskningsarbete introducerar och undersöker hierarkiska drivningar med N nivåer. I en tvånivåhierarki, som visas i figur 7a, där istället för varje SMA-tråd i den första nivåns ställdon, uppnås ett bimodalt arrangemang, som visas i figur 9e. Figur 7c visar hur SMA-tråden är lindad runt en rörlig arm (hjälparm) som endast rör sig i längdriktningen. Den primära rörliga armen fortsätter dock att röra sig på samma sätt som den rörliga armen i det första stegets flerstegsställdon. Vanligtvis skapas en N-stegs drivning genom att ersätta \(N-1\) stegets SMA-tråd med en första stegs drivning. Som ett resultat imiterar varje gren den första stegets drivning, med undantag för grenen som håller själva tråden. På detta sätt kan kapslade strukturer bildas som skapar krafter som är flera gånger större än krafterna från de primära drivningarna. I denna studie togs en total effektiv SMA-trådlängd på 1 m med i beräkningen för varje nivå, som visas i tabellformat i figur 7d. Strömmen genom varje tråd i varje unimodal design och den resulterande förspänningen och spänningen i varje SMA-trådsegment är desamma på varje nivå. Enligt vår analytiska modell är utgångskraften positivt korrelerad med nivån, medan förskjutningen är negativt korrelerad. Samtidigt fanns det en avvägning mellan förskjutning och muskelstyrka. Som framgår av figur 7b, medan den maximala kraften uppnås i det största antalet lager, observeras den största förskjutningen i det lägsta lagret. När hierarkinivån sattes till \(N=5\) fann man en maximal muskelkraft på 2,58 kN med 2 observerade slag \(\upmu\)m. Å andra sidan genererar det första stegets drivning en kraft på 150 N vid en slaglängd på 277 \(\upmu\)m. Flernivåställdon kan imitera verkliga biologiska muskler, där artificiella muskler baserade på formminneslegeringar kan generera betydligt högre krafter med exakta och finare rörelser. Begränsningarna med denna miniatyriserade design är att i takt med att hierarkin ökar minskar rörelsen kraftigt och komplexiteten i tillverkningsprocessen för drivenheterna ökar.
(a) Ett tvåstegs (\(N=2\)) skiktat linjärt ställdonssystem av formminneslegering visas i en bimodal konfiguration. Den föreslagna modellen uppnås genom att ersätta SMA-kabeln i det första stegets skiktade ställdon med ett annat enstegs skiktat ställdon. (c) Deformerad konfiguration av det andra stegets flerskiktade ställdon. (b) Fördelningen av krafter och förskjutningar beroende på antalet nivåer beskrivs. Det har visat sig att ställdonets toppkraft är positivt korrelerad med skalnivån på grafen, medan slaglängden är negativt korrelerad med skalnivån. Strömmen och förspänningen i varje tråd förblir konstanta på alla nivåer. (d) Tabellen visar antalet uttag och längden på SMA-kabeln (fibern) på varje nivå. Trådarnas egenskaper indikeras med index 1, och antalet sekundära grenar (en ansluten till primärbenet) indikeras med det största numret i indexet. Till exempel, på nivå 5, hänvisar \(n_1\) till antalet SMA-kablar som finns i varje bimodal struktur, och \(n_5\) hänvisar till antalet hjälpben (ett anslutet till huvudbenet).
Olika metoder har föreslagits av många forskare för att modellera beteendet hos SMA med formminne, vilka är beroende av de termomekaniska egenskaper som åtföljer de makroskopiska förändringarna i kristallstrukturen i samband med fasövergången. Formuleringen av konstitutiva metoder är i sig komplex. Den vanligaste fenomenologiska modellen föreslags av Tanaka28 och används ofta inom tekniska tillämpningar. Den fenomenologiska modellen som föreslagits av Tanaka [28] antar att volymfraktionen av martensit är en exponentiell funktion av temperatur och spänning. Senare föreslog Liang och Rogers29 och Brinson30 en modell där fasövergångsdynamiken antogs vara en cosinusfunktion av spänning och temperatur, med små modifieringar av modellen. Becker och Brinson föreslog en fasdiagrambaserad kinetisk modell för att modellera beteendet hos SMA-material under godtyckliga belastningsförhållanden såväl som partiella övergångar. Banerjee32 använder Bekker och Brinson31 fasdiagramdynamikmetod för att simulera en manipulator med en enda frihetsgrad utvecklad av Elahinia och Ahmadian33. Kinetiska metoder baserade på fasdiagram, som tar hänsyn till den icke-monotona förändringen i spänning med temperatur, är svåra att implementera i tekniska tillämpningar. Elakhinia och Ahmadian uppmärksammar dessa brister hos befintliga fenomenologiska modeller och föreslår en utökad fenomenologisk modell för att analysera och definiera formminnesbeteende under alla komplexa belastningsförhållanden.
Den strukturella modellen för SMA-tråd ger spänning (\(\sigma\)), töjning (\(\epsilon\)), temperatur (T) och martensitvolymfraktion (\(\xi\)) för SMA-tråd. Den fenomenologiska konstitutiva modellen föreslogs först av Tanaka28 och antogs senare av Liang29 och Brinson30. Derivatan av ekvationen har formen:
där E är den fasberoende SMA Youngs modul erhållen med hjälp av \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) och \(E_A\) och \(E_M\) representerar Youngs modul är austenitiska respektive martensitiska faser, och värmeutvidgningskoefficienten representeras av \(\theta_T\). Fasövergångsbidragsfaktorn är \(\omega = -E \epsilon_L\) och \(\epsilon_L\) är den maximala återhämtningsbara töjningen i SMA-tråden.
Fasdynamikekvationen sammanfaller med cosinusfunktionen som utvecklats av Liang29 och senare antogs av Brinson30 istället för den exponentialfunktion som föreslagits av Tanaka28. Fasövergångsmodellen är en utvidgning av modellen som föreslagits av Elakhinia och Ahmadian34 och modifierad baserat på fasövergångsvillkoren givna av Liang29 och Brinson30. Villkoren som används för denna fasövergångsmodell är giltiga under komplexa termomekaniska belastningar. Vid varje tidpunkt beräknas värdet av volymfraktionen av martensit vid modellering av den konstitutiva ekvationen.
Den styrande omvandlingsekvationen, uttryckt genom omvandlingen av martensit till austenit under uppvärmningsförhållanden, är följande:
där \(\xi\) är volymfraktionen av martensit, \(\xi _M\) är volymfraktionen av martensit som erhållits före uppvärmning, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) och \(C_A\) – kurvapproximationsparametrar, T – SMA-trådens temperatur, \(A_s\) och \(A_f\) – början respektive slutet av austenitfasen, temperatur.
Den direkta transformationskontrollekvationen, representerad av fasomvandlingen av austenit till martensit under kylningsförhållanden, är:
där \(\xi_A\) är volymfraktionen av martensit erhållen före kylning, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) och \(C_M \) – kurvanpassningsparametrar, T – SMA-trådtemperatur, \(M_s\) och \(M_f\) – initiala respektive slutliga martensittemperaturer.
Efter att ekvationerna (3) och (4) har differentierats, förenklas de inversa och direkta transformationsekvationerna till följande form:
Under framåt- och bakåttransformationer antar \(\eta _{\sigma}\) och \(\eta _{T}\) olika värden. De grundläggande ekvationerna associerade med \(\eta _{\sigma}\) och \(\eta _{T}\) har härletts och diskuterats i detalj i ett ytterligare avsnitt.
Den termiska energi som krävs för att höja temperaturen på SMA-tråden kommer från Joule-värmeeffekten. Den termiska energi som absorberas eller frigörs av SMA-tråden representeras av latent transformationsvärme. Värmeförlusten i SMA-tråden beror på forcerad konvektion, och givet den försumbara effekten av strålning är värmeenergibalansekvationen följande:
Där \(m_{wire}\) är SMA-trådens totala massa, \(c_{p}\) är SMA:s specifika värmekapacitet, \(V_{in}\) är den spänning som appliceras på tråden, \(R_{ohm}\) – fasberoende resistans SMA, definierad som; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) där \(r_M\) och \(r_A\) är SMA:s fasresistivitet i martensit respektive austenit, \(A_{c}\) är SMA-trådens yta, \(\Delta H \) är en formminneslegering. Trådens latenta övergångsvärme, T och \(T_{\infty}\) är temperaturerna för SMA-tråden respektive omgivningen.
När en tråd av formminneslegering aktiveras, komprimeras tråden, vilket skapar en kraft i varje gren av den bimodala konstruktionen som kallas fiberkraft. Krafterna från fibrerna i varje tråd av SMA-tråden skapar tillsammans muskelkraften för att aktivera, såsom visas i figur 9e. På grund av närvaron av en förspänningsfjäder är den totala muskelkraften hos det N:te flerskiktsaktuatorn:
Genom att ersätta \(N = 1\) i ekvation (7) kan muskelstyrkan hos den första bimodala drivprototypen erhållas enligt följande:
där n är antalet unimodala ben, \(F_m\) är muskelkraften som genereras av drivningen, \(F_f\) är fiberstyrkan i SMA-tråden, \(K_x\) är förspänningsfjäderns styvhet, \(\α\) är triangelns vinkel, \(x_0\) är den initiala förskjutningen av förspänningsfjädern för att hålla SMA-kabeln i det förspända läget, och \(\Deltax\) är ställdonets rörelse.
Den totala förskjutningen eller rörelsen hos drivenheten (\(\Delta x\)) beroende på spänningen (\(\sigma\)) och töjningen (\(\epsilon\)) på SMA-kabeln i det N:te steget, drivenheten är inställd på (se Fig. ytterligare del av utgången):
De kinematiska ekvationerna ger sambandet mellan drivdeformation (\(\epsilon\)) och förskjutning eller förskjutning (\(\Deltax\)). Deformationen av Arb-tråden som en funktion av den initiala Arb-trådlängden (\(l_0\)) och trådlängden (l) vid varje tidpunkt t i en unimodal gren är följande:
där \(l = \sqrt{l_0^2 +(Δx_1)^2 – 2 l_0 (Δx_1) \cos \alpha_1}\) erhålls genom att tillämpa cosinusformeln i \(Δ\)ABB', såsom visas i figur 8. För det första stegets drivning (\(N = 1\)), \(Δx_1\) är \(Δx\), och \(α_1\) är \(α \) såsom visas i Som visas i figur 8, genom att derivera tiden från ekvation (11) och ersätta värdet på l, kan töjningshastigheten skrivas som:
där \(l_0\) är SMA-trådens initiala längd, l är trådens längd vid varje tidpunkt t i en unimodal gren, \(\epsilon\) är den deformation som utvecklas i SMA-tråden, och \(\alpha\) är triangelns vinkel, \(\Deltax\) är drivförskjutningen (som visas i figur 8).
Alla n enkeltoppsstrukturer (\(n=6\) i denna figur) är seriekopplade med \(V_{in}\) som ingångsspänning. Steg I: Schematiskt diagram över SMA-tråden i en bimodal konfiguration under nollspänningsförhållanden. Steg II: En kontrollerad struktur visas där SMA-tråden komprimeras på grund av invers konvertering, såsom visas av den röda linjen.
Som ett koncepttest utvecklades en SMA-baserad bimodal drivning för att testa den simulerade härledningen av de underliggande ekvationerna med experimentella resultat. CAD-modellen av det bimodala linjära ställdonet visas i figur 9a. Å andra sidan visar figur 9c en ny design som föreslagits för en rotationsprismatisk anslutning med ett tvåplans SMA-baserat ställdon med en bimodal struktur. Drivkomponenterna tillverkades med hjälp av additiv tillverkning på en Ultimaker 3 Extended 3D-skrivare. Materialet som används för 3D-utskrift av komponenter är polykarbonat, vilket är lämpligt för värmebeständiga material eftersom det är starkt, hållbart och har en hög glasövergångstemperatur (110-113 °C). Dessutom användes Dynalloy, Inc. Flexinol formminneslegeringstråd i experimenten, och materialegenskaperna som motsvarar Flexinol-tråden användes i simuleringarna. Flera SMA-trådar är arrangerade som fibrer i ett bimodalt arrangemang av muskler för att erhålla de höga krafter som produceras av flerskiktsställdon, såsom visas i figur 9b, d.
Som visas i figur 9a kallas den spetsiga vinkeln som bildas av den rörliga SMA-trådens arm för vinkeln (\(\alpha\)). Med terminalklämmor fästa vid vänster och höger klämma hålls SMA-tråden i önskad bimodal vinkel. Den förspänningsfjäderanordning som hålls på fjäderkontakten är utformad för att justera de olika förspänningsfjäderförlängningsgrupperna enligt antalet (n) SMA-fibrer. Dessutom är placeringen av de rörliga delarna utformad så att SMA-tråden exponeras för den yttre miljön för forcerad konvektionskylning. De övre och nedre plattorna på den löstagbara enheten hjälper till att hålla SMA-tråden sval med extruderade utskärningar utformade för att minska vikten. Dessutom är båda ändarna av CMA-tråden fixerade vid vänster respektive höger terminal med hjälp av en krympning. En kolv är fäst vid ena änden av den rörliga enheten för att bibehålla avståndet mellan topp- och bottenplattorna. Kolven används också för att applicera en blockeringskraft på sensorn via en kontakt för att mäta blockeringskraften när SMA-tråden aktiveras.
Den bimodala muskelstrukturen SMA är elektriskt seriekopplad och drivs av en ingångspulsspänning. Under spänningspulscykeln, när spänning appliceras och SMA-tråden värms upp över austenitens initialtemperatur, förkortas trådens längd i varje tråd. Denna tillbakadragning aktiverar den rörliga armkonstruktionen. När spänningen nollställdes i samma cykel kyldes den uppvärmda SMA-tråden ner till martensitytans temperatur, varigenom den återgick till sitt ursprungliga läge. Under nollspänningsförhållanden sträcks SMA-tråden först passivt av en förspänningsfjäder för att nå det avtvinnade martensitiska tillståndet. Skruven, genom vilken SMA-tråden passerar, rör sig på grund av den kompression som skapas genom att applicera en spänningspuls på SMA-tråden (SPA når austenitfasen), vilket leder till att den rörliga hävarmen aktiveras. När SMA-tråden dras tillbaka skapar förspänningsfjädern en motkraft genom att ytterligare sträcka fjädern. När spänningen i impulsspänningen blir noll, förlängs SMA-tråden och ändrar form på grund av forcerad konvektionskylning, och når en dubbel martensitisk fas.
Det föreslagna SMA-baserade linjära ställdonsystemet har en bimodal konfiguration där SMA-trådarna är vinklade. (a) visar en CAD-modell av prototypen, som nämner några av komponenterna och deras betydelse för prototypen, (b, d) representerar den utvecklade experimentella prototypen35. Medan (b) visar en toppvy av prototypen med elektriska anslutningar och förspänningsfjädrar och töjningsgivare som används, visar (d) en perspektivvy av uppställningen. (e) Diagram över ett linjärt ställdonssystem med SMA-trådar placerade bimodalt vid vilken tidpunkt t som helst, vilket visar fiberns riktning och förlopp samt muskelstyrka. (c) En 2-DOF rotationsprismatisk anslutning har föreslagits för att distribuera ett tvåplans SMA-baserat ställdon. Som visas överför länken linjär rörelse från den nedre drivningen till den övre armen, vilket skapar en rotationsanslutning. Å andra sidan är rörelsen hos prismorna densamma som rörelsen hos den flerskiktade första stegets drivning.
En experimentell studie utfördes på prototypen som visas i figur 9b för att utvärdera prestandan hos en bimodal drivning baserad på SMA. Som visas i figur 10a bestod den experimentella uppställningen av en programmerbar likströmskälla för att mata ingångsspänning till SMA-kablarna. Som visas i figur 10b användes en piezoelektrisk töjningsgivare (PACEline CFT/5kN) för att mäta blockeringskraften med hjälp av en Graphtec GL-2000 datalogger. Data registreras av värden för vidare studier. Töjningsgivare och laddningsförstärkare kräver en konstant strömförsörjning för att producera en spänningssignal. Motsvarande signaler omvandlas till uteffekter i enlighet med den piezoelektriska kraftsensorns känslighet och andra parametrar som beskrivs i tabell 2. När en spänningspuls appliceras ökar temperaturen på SMA-kabeln, vilket får SMA-kabeln att komprimeras, vilket får ställdonet att generera kraft. De experimentella resultaten av utmatningen av muskelstyrka med en ingångsspänningspuls på 7 V visas i figur 2a.
(a) Ett SMA-baserat linjärt ställdonssystem sattes upp i experimentet för att mäta kraften som genereras av ställdonet. Lastcellen mäter blockeringskraften och drivs av en 24 V DC-strömförsörjning. Ett spänningsfall på 7 V applicerades längs hela kabelns längd med hjälp av en programmerbar GW Instek-likströmförsörjning. SMA-kabeln krymper på grund av värme, och den rörliga armen kommer i kontakt med lastcellen och utövar en blockeringskraft. Lastcellen är ansluten till GL-2000-dataloggern och data lagras på värden för vidare bearbetning. (b) Diagram som visar kedjan av komponenter i den experimentella uppställningen för mätning av muskelstyrka.
Formminneslegeringar exciteras av termisk energi, så temperaturen blir en viktig parameter för att studera formminnesfenomenet. Experimentellt, som visas i figur 11a, utfördes värmeavbildning och temperaturmätningar på en prototyp av en SMA-baserad divalerat ställdon. En programmerbar likströmskälla applicerade inspänning på SMA-ledningarna i den experimentella uppställningen, som visas i figur 11b. Temperaturförändringen för SMA-ledningen mättes i realtid med en högupplöst LWIR-kamera (FLIR A655sc). Värden använder ResearchIR-programvaran för att registrera data för vidare efterbehandling. När en spänningspuls appliceras ökar temperaturen på SMA-ledningen, vilket får SMA-ledningen att krympa. I figur 2b visas de experimentella resultaten av SMA-ledningens temperatur kontra tid för en 7V ingångsspänningspuls.