Дякуємо за відвідування Nature.com. Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для найкращого досвіду рекомендуємо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відображатимемо сайт без стилів та JavaScript.
Приводи використовуються повсюдно та створюють керований рух, застосовуючи правильну силу збудження або крутний момент для виконання різних операцій у виробництві та промисловій автоматизації. Потреба в швидших, менших та ефективніших приводах стимулює інновації в конструкції приводів. Приводи зі сплавів з пам'яттю форми (SMA) пропонують ряд переваг порівняно з традиційними приводами, включаючи високе співвідношення потужності до ваги. У цій дисертації було розроблено привід на основі двоперистого SMA, який поєднує переваги пір'ястих м'язів біологічних систем та унікальні властивості SMA. Це дослідження досліджує та розширює попередні приводи SMA шляхом розробки математичної моделі нового приводу на основі бімодальної схеми дроту SMA та її експериментального тестування. Порівняно з відомими приводами на основі SMA, сила приводу нового приводу щонайменше в 5 разів вища (до 150 Н). Відповідна втрата ваги становить близько 67%. Результати аналізу чутливості математичних моделей корисні для налаштування параметрів проектування та розуміння ключових параметрів. У цьому дослідженні також представлено багаторівневий N-ступінчастий привід, який можна використовувати для подальшого покращення динаміки. М'язові актуатори дивалератного типу на основі SMA мають широкий спектр застосування, від автоматизації будівель до систем точної доставки ліків.
Біологічні системи, такі як м'язові структури ссавців, можуть активувати багато ледь помітних актуаторів1. Ссавці мають різні м'язові структури, кожна з яких виконує певну функцію. Однак, значну частину структури м'язової тканини ссавців можна розділити на дві широкі категорії. Паралельні та перисті. У підколінних сухожиллях та інших згиначах, як випливає з назви, паралельна мускулатура має м'язові волокна, паралельні центральному сухожиллю. Ланцюг м'язових волокон вишикуваний та функціонально пов'язаний сполучною тканиною навколо них. Хоча кажуть, що ці м'язи мають велику екскурсію (відсоток скорочення), їхня загальна м'язова сила дуже обмежена. На противагу цьому, у триголовому литковому м'язі2 (латеральний литковий м'яз (GL)3, медіальний литковий м'яз (GM)4 та камбалоподібний м'яз (SOL)) та розгиначі стегна (quadriceps)5,6 периста м'язова тканина знаходиться в кожному м'язі7. У перистій структурі м'язові волокна в двоперистій мускулатурі присутні по обидва боки центрального сухожилля під косими кутами (перисті кути). Пеннатний м'яз походить від латинського слова «penna», що означає «перо», і, як показано на рис. 1, має вигляд, схожий на пір'я. Волокна пеннатних м'язів коротші та розташовані під кутом до поздовжньої осі м'яза. Через перисту структуру загальна рухливість цих м'язів знижується, що призводить до поперечної та поздовжньої складових процесу скорочення. З іншого боку, активація цих м'язів призводить до вищої загальної м'язової сили завдяки способу вимірювання фізіологічної площі поперечного перерізу. Тому для заданої площі поперечного перерізу пеннатні м'язи будуть сильнішими та генеруватимуть більші сили, ніж м'язи з паралельними волокнами. Сили, що генеруються окремими волокнами, генерують м'язові сили на макроскопічному рівні в цій м'язовій тканині. Крім того, він має такі унікальні властивості, як швидке скорочення, захист від пошкоджень при розтягуванні, амортизація. Він трансформує співвідношення між вхідною потужністю волокон та вихідною потужністю м'язів, використовуючи унікальні особливості та геометричну складність розташування волокон, пов'язаних з лініями дії м'язів.
Показано схематичні діаграми існуючих конструкцій актуаторів на основі SMA стосовно бімодальної м'язової архітектури, наприклад, (a), що представляють взаємодію тактильної сили, в якій пристрій у формі руки, що приводиться в дію дротами SMA, встановлений на двоколісному автономному мобільному роботу9,10., (b) Роботизований орбітальний протез з антагоністично розміщеним пружинним орбітальним протезом SMA. Положення протезного ока контролюється сигналом від очного м'яза ока11, (c) Актуатори SMA ідеально підходять для підводного застосування завдяки своїй високій частотній характеристикі та низькій пропускній здатності. У цій конфігурації актуатори SMA використовуються для створення хвильового руху шляхом імітації руху риби, (d) Актуатори SMA використовуються для створення робота для інспекції мікротруб, який може використовувати принцип руху дюймового черв'яка, керованого рухом проводів SMA всередині каналу 10, (e) показано напрямок скорочення м'язових волокон та створення скоротливої ​​сили в тканинах литкового м'яза, (f) показано дроти SMA, розташовані у вигляді м'язових волокон у структурі перистого м'яза.
Приводи стали важливою частиною механічних систем завдяки широкому спектру застосування. Тому потреба в менших, швидших та ефективніших приводах стає критичною. Незважаючи на свої переваги, традиційні приводи виявилися дорогими та трудомісткими в обслуговуванні. Гідравлічні та пневматичні приводи є складними та дорогими, схильними до зносу, проблем зі змащенням та виходу з ладу компонентів. У відповідь на попит основна увага приділяється розробці економічно ефективних, оптимізованих за розміром та вдосконалених приводів на основі інтелектуальних матеріалів. Поточні дослідження розглядають шаруваті приводи зі сплаву з пам'яттю форми (SMA) для задоволення цієї потреби. Ієрархічні приводи унікальні тим, що вони поєднують багато дискретних приводів у геометрично складні макромасштабні підсистеми для забезпечення підвищеної та розширеної функціональності. У цьому відношенні описана вище м'язова тканина людини є чудовим багатошаровим прикладом такого багатошарового приводу. У цьому дослідженні описується багаторівневий привід SMA з кількома окремими елементами приводу (SMA-дротами), вирівняними з орієнтацією волокон, присутніх у бімодальних м'язах, що покращує загальну продуктивність приводу.
Основне призначення актуатора полягає у генеруванні механічної потужності, такої як сила та переміщення, шляхом перетворення електричної енергії. Сплави з пам'яттю форми – це клас «розумних» матеріалів, які можуть відновлювати свою форму за високих температур. Під час високих навантажень підвищення температури дроту SMA призводить до відновлення форми, що призводить до вищої щільності енергії спрацьовування порівняно з різними безпосередньо зв'язаними розумними матеріалами. Водночас під час механічних навантажень SMA стають крихкими. За певних умов циклічне навантаження може поглинати та вивільняти механічну енергію, демонструючи оборотні гістерезисні зміни форми. Ці унікальні властивості роблять SMA ідеальним для датчиків, гасіння вібрацій та особливо актуаторів12. З огляду на це, було проведено багато досліджень приводів на основі SMA. Слід зазначити, що актуатори на основі SMA призначені для забезпечення поступального та обертального руху для різних застосувань13,14,15. Хоча деякі поворотні актуатори були розроблені, дослідники особливо зацікавлені в лінійних актуаторах. Ці лінійні актуатори можна розділити на три типи актуаторів: одновимірні, актуатори переміщення та диференціальні актуатори16. Спочатку гібридні приводи створювалися в поєднанні з SMA та іншими традиційними приводами. Одним із таких прикладів гібридного лінійного приводу на основі SMA є використання дроту SMA з двигуном постійного струму для забезпечення вихідної сили близько 100 Н та значного зміщення17.
Однією з перших розробок у приводах, повністю заснованих на SMA, був паралельний привід SMA. Використовуючи кілька проводів SMA, паралельний привід на основі SMA розроблений для збільшення потужності приводу шляхом паралельного розміщення всіх проводів SMA18. Паралельне з'єднання виконавчих механізмів не тільки вимагає більшої потужності, але й обмежує вихідну потужність одного проводу. Ще одним недоліком виконавчих механізмів на основі SMA є обмежений хід, який вони можуть досягти. Щоб вирішити цю проблему, була створена кабельна балка SMA, що містить відхилену гнучку балку для збільшення переміщення та досягнення лінійного руху, але не генерує більших сил19. М'які деформовані структури та тканини для роботів на основі сплавів з пам'яттю форми були розроблені, головним чином, для посилення удару20,21,22. Для застосувань, де потрібні високі швидкості, повідомлялося про компактні насоси з приводом, що використовують тонкоплівкові SMA для застосувань, що приводяться в дію мікронасосами23. Частота приводу тонкоплівкової мембрани SMA є ключовим фактором у контролі швидкості приводу. Тому лінійні двигуни SMA мають кращу динамічну характеристику, ніж пружинні або стрижневі двигуни SMA. М'яка робототехніка та технологія захоплення - це два інші застосування, які використовують виконавчі механізми на основі SMA. Наприклад, для заміни стандартного актуатора, що використовується в просторовому затискачі 25 Н, було розроблено паралельний актуатор 24 зі сплаву з пам'яттю форми. В іншому випадку було виготовлено м'який актуатор з SMA на основі дроту з вбудованою матрицею, здатною створювати максимальну силу натягу 30 Н. Завдяки своїм механічним властивостям, SMA також використовуються для створення актуаторів, що імітують біологічні явища. Одна з таких розробок включає 12-елементного робота, який є біоміметиком організму, подібного до дощового черв'яка, з SMA для генерації синусоїдального руху для стрільби26,27.
Як згадувалося раніше, існує обмеження максимальної сили, яку можна отримати від існуючих актуаторів на основі SMA. Щоб вирішити цю проблему, у цьому дослідженні представлена ​​біоміметична бімодальна структура м'яза. Приводиться в рух дротом зі сплаву з пам'яттю форми. Воно надає систему класифікації, яка включає кілька дротів зі сплаву з пам'яттю форми. На сьогоднішній день у літературі не було повідомлень про актуатори на основі SMA з подібною архітектурою. Ця унікальна та нова система на основі SMA була розроблена для вивчення поведінки SMA під час бімодального вирівнювання м'язів. Порівняно з існуючими актуаторами на основі SMA, метою цього дослідження було створення біоміметичного актуатора дивалерат для генерування значно більших сил у невеликому об'ємі. Порівняно зі звичайними приводами, керованими кроковими двигунами, що використовуються в системах автоматизації та керування будівлями HVAC, запропонована конструкція бімодального приводу на основі SMA зменшує вагу приводного механізму на 67%. Далі терміни «м'яз» та «привід» використовуються взаємозамінно. У цьому дослідженні досліджується мультифізичне моделювання такого приводу. Механічна поведінка таких систем була вивчена експериментальними та аналітичними методами. Розподіл сили та температури було додатково досліджено при вхідній напрузі 7 В. Згодом було проведено параметричний аналіз для кращого розуміння взаємозв'язку між ключовими параметрами та вихідною силою. Нарешті, було передбачено ієрархічні актуатори, а ефекти ієрархічних рівнів були запропоновані як потенційна майбутня область для немагнітних актуаторів для протезних застосувань. Згідно з результатами вищезгаданих досліджень, використання одноступеневої архітектури створює сили щонайменше в чотири-п'ять разів вищі, ніж у актуаторів на основі SMA, про які повідомлялося. Крім того, було показано, що та сама рушійна сила, що генерується багаторівневим приводом, більш ніж у десять разів перевищує силу, що генерується звичайними приводами на основі SMA. Потім у дослідженні повідомляється про ключові параметри з використанням аналізу чутливості між різними конструкціями та вхідними змінними. Початкова довжина дроту SMA (\(l_0\)), кут перистості (\(\alpha\)) та кількість окремих ниток (n) у кожній окремій нитці мають сильний негативний вплив на величину рушійної сили, тоді як вхідна напруга (енергія) виявилася позитивно корельованою.
Дріт SMA демонструє ефект пам'яті форми (ЕПФ), який спостерігається в сімействі нікель-титанових (Ni-Ti) сплавів. Як правило, SMA демонструють дві температурно-залежні фази: низькотемпературну фазу та високотемпературну фазу. Обидві фази мають унікальні властивості завдяки наявності різних кристалічних структур. У фазі аустеніту (високотемпературна фаза), що існує вище температури перетворення, матеріал демонструє високу міцність і погано деформується під навантаженням. Сплав поводиться як нержавіюча сталь, тому він здатний витримувати вищий тиск спрацьовування. Використовуючи цю властивість сплавів Ni-Ti, дроти SMA мають похилий нахил для утворення актуатора. Розроблено відповідні аналітичні моделі для розуміння фундаментальної механіки теплової поведінки SMA під впливом різних параметрів та різних геометрій. Було отримано добру узгодженість між експериментальними та аналітичними результатами.
Експериментальне дослідження було проведено на прототипі, показаному на рис. 9a, для оцінки продуктивності бімодального приводу на основі SMA. Дві з цих властивостей: сила, що генерується приводом (м'язова сила), та температура дроту SMA (температура SMA), були виміряні експериментально. Зі збільшенням різниці напруг по всій довжині дроту в приводі температура дроту зростає через ефект нагрівання Джоуля. Вхідна напруга подавалася протягом двох 10-секундних циклів (показані червоними точками на рис. 2a, b) з 15-секундним періодом охолодження між кожним циклом. Сила блокування вимірювалася за допомогою п'єзоелектричного тензодатчика, а розподіл температури дроту SMA контролювався в режимі реального часу за допомогою високороздільної LWIR-камери наукового класу (див. характеристики використаного обладнання в таблиці 2). Це показує, що під час фази високої напруги температура дроту монотонно зростає, але коли струм не протікає, температура дроту продовжує падати. У поточній експериментальній установці температура дроту SMA знизилася під час фази охолодження, але вона все ще була вищою за температуру навколишнього середовища. На рис. 2e показано знімок температури дроту SMA, зроблений за допомогою камери LWIR. З іншого боку, на рис. 2a показано блокувальну силу, що генерується приводною системою. Коли сила м'язів перевищує відновлювальну силу пружини, рухомий важіль, як показано на рис. 9a, починає рухатися. Як тільки починається приведення в дію, рухомий важіль вступає в контакт з датчиком, створюючи силу тіла, як показано на рис. 2c, d. Коли максимальна температура близька до \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максимальна спостережувана сила становить 105 Н.
Графік показує експериментальні результати температури дроту SMA та сили, що генерується бімодальним актуатором на основі SMA протягом двох циклів. Вхідна напруга подається у двох 10-секундних циклах (показані червоними крапками) з 15-секундним періодом охолодження між кожним циклом. Дріт SMA, що використовувався для експериментів, був дротом Flexinol діаметром 0,51 мм від Dynalloy, Inc. (a) Графік показує експериментальну силу, отриману протягом двох циклів, (c, d) показує два незалежні приклади дії актуаторів рухомого важеля на п'єзоелектричний перетворювач сили PACEline CFT/5kN, (b) Графік показує максимальну температуру всього дроту SMA протягом двох циклів, (e) показує знімок температури, зроблений з дроту SMA за допомогою камери LWIR програмного забезпечення FLIR ResearchIR. Геометричні параметри, що враховувалися в експериментах, наведено в таблиці 1.
Результати моделювання математичної моделі та експериментальні результати порівнюються за умови вхідної напруги 7 В, як показано на рис. 5. Згідно з результатами параметричного аналізу та щоб уникнути можливості перегріву дроту SMA, на виконавчий механізм подавалася потужність 11,2 Вт. Для подачі вхідної напруги 7 В використовувалося програмоване джерело постійного струму, а по дроту вимірювався струм 1,6 А. Сила, що генерується приводом, та температура SDR зростають при подачі струму. При вхідній напрузі 7 В максимальна вихідна сила, отримана за результатами моделювання та експериментальних результатів першого циклу, становить 78 Н та 96 Н відповідно. У другому циклі максимальна вихідна сила за результатами моделювання та експериментальних результатів становила 150 Н та 105 Н відповідно. Розбіжність між вимірюваннями сили оклюзії та експериментальними даними може бути пов'язана з методом, який використовувався для вимірювання сили оклюзії. Експериментальні результати, показані на рис. Рис. 5a відповідають вимірюванню сили блокування, яке, у свою чергу, вимірювалося, коли приводний вал контактував з п'єзоелектричним датчиком сили PACEline CFT/5kN, як показано на рис. 2s. Тому, коли приводний вал не контактує з датчиком сили на початку зони охолодження, сила одразу стає нульовою, як показано на рис. 2d. Крім того, іншими параметрами, що впливають на формування сили в наступних циклах, є значення часу охолодження та коефіцієнта конвективної теплопередачі в попередньому циклі. З рис. 2b видно, що після 15-секундного періоду охолодження дріт SMA не досяг кімнатної температури і тому мав вищу початкову температуру (40°C) у другому циклі руху порівняно з першим циклом (25°C). Таким чином, порівняно з першим циклом, температура дроту SMA під час другого циклу нагрівання досягає початкової температури аустеніту (\(A_s\)) раніше та довше залишається в перехідному періоді, що призводить до напружень та зусиль. З іншого боку, розподіли температури під час циклів нагрівання та охолодження, отримані з експериментів та моделювання, мають високу якісну подібність до прикладів термографічного аналізу. Порівняльний аналіз теплових даних дроту SMA з експериментів та моделювання показав узгодженість під час циклів нагрівання та охолодження та перебування в межах допустимих допусків для експериментальних даних. Максимальна температура дроту SMA, отримана за результатами моделювання та експериментів першого циклу, становить \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) та \(75\,^{\circ }\hbox {C}\) відповідно, а в другому циклі максимальна температура дроту SMA становить \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) та \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Фундаментально розроблена модель підтверджує вплив ефекту пам'яті форми. Роль втоми та перегріву в цьому огляді не розглядалася. У майбутньому модель буде вдосконалена, щоб врахувати історію напружень дроту SMA, що зробить її більш придатною для інженерних застосувань. Графіки вихідної сили приводу та температури SMA, отримані з блоку Simulink, знаходяться в межах допустимих допусків експериментальних даних за умови імпульсу вхідної напруги 7 В. Це підтверджує правильність та надійність розробленої математичної моделі.
Математична модель була розроблена в середовищі MathWorks Simulink R2020b з використанням основних рівнянь, описаних у розділі «Методи». На рис. 3b показано блок-схему математичної моделі Simulink. Модель була змодельована для імпульсу вхідної напруги 7 В, як показано на рис. 2a, b. Значення параметрів, що використовувалися в моделюванні, наведено в таблиці 1. Результати моделювання перехідних процесів представлені на рисунках 1 та 1. Рисунки 3a та 4. На рис. 4a, b показано індуковану напругу в дроті SMA та силу, що генерується виконавчим механізмом, як функцію часу. Під час зворотного перетворення (нагрівання), коли температура дроту SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (початкова температура фази модифікованого аустеніту під напруженням), швидкість зміни об'ємної частки мартенситу (\(\dot{\xi }\)) буде нульовою. Під час зворотного перетворення (нагрівання), коли температура дроту SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура початку фази модифікованого аустеніту під напруженням), швидкість зміни об'ємної частки мартенситу (\(\dot{\ xi }\)) буде нульовою. Під час зворотного перетворення (нагрівання), коли температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура початку аустенітної фази, модифікована напруга), швидкість зміни об'ємної доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) буде рівною нулю. Під час зворотного перетворення (нагрівання), коли температура дроту SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура початку формування аустеніту, модифікованого напруженням), швидкість зміни об'ємної частки мартенситу (\(\dot{\ xi }\)) буде нульовою.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 При зворотному перетворенні (нагріванні) при температурі проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зародження аустенітної фази з поправкою на напругу) швидкість зміни об'ємної доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) буде рівною нулю. Під час зворотного перетворення (нагрівання) за температури дроту SMA (T < A_s^{\prime}) (температура зародження аустенітної фази, скоригована на напруження), швидкість зміни об'ємної частки мартенситу (\( \dot{\ xi }\)) буде дорівнювати нулю.Отже, швидкість зміни напруження (\(\dot{\sigma}\)) залежатиме від швидкості деформації (\(\dot{\epsilon}\)) та градієнта температури (\(\dot{T} \)) лише з використанням рівняння (1). Однак, коли температура дроту SMA зростає та він перетинає (\(A_s^{\prime}\)), починає формуватися фаза аустеніту, і (\(\dot{\xi}\)) приймається як задане значення рівняння (3). Отже, швидкість зміни напруги (\(\dot{\sigma}\)) спільно контролюється \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) та \(\dot{\xi}\) і дорівнює заданій у формулі (1). Це пояснює зміни градієнта, що спостерігаються на картах змінних у часі напружень та сил під час циклу нагрівання, як показано на рис. 4a, b.
(a) Результат моделювання, що показує розподіл температури та температуру спаю, викликану напруженням, у актуаторі на основі SMA з дивалерату. Коли температура дроту перетинає температуру переходу в аустеніт на стадії нагрівання, температура переходу в модифікований аустеніт починає зростати, і аналогічно, коли температура дротяного стрижня перетинає температуру мартенситного переходу на стадії охолодження, температура мартенситного переходу знижується. SMA для аналітичного моделювання процесу приводу. (Детальний огляд кожної підсистеми моделі Simulink див. у додатку додаткового файлу.)
Результати аналізу для різних розподілів параметрів показано для двох циклів вхідної напруги 7 В (10-секундні цикли прогріву та 15-секундні цикли охолодження). У той час як (ac) та (e) зображують розподіл з часом, з іншого боку, (d) та (f) ілюструють розподіл з температурою. Для відповідних вхідних умов максимальне спостережуване напруження становить 106 МПа (менше 345 МПа, межа текучості дроту), сила - 150 Н, максимальне зміщення - 270 мкм, а мінімальна об'ємна частка мартенситу - 0,91. З іншого боку, зміна напруження та зміна об'ємної частки мартенситу з температурою подібні до характеристик гістерезису.
Таке ж пояснення стосується прямого перетворення (охолодження) з аустенітної фази в мартенситну фазу, де температура дроту з поліуретановим електродом (T) та кінцева температура модифікованої під напругою мартенситної фази (M_f) є відмінними. На рис. 4d,f показано зміну індукованого напруження (sigma) та об'ємної частки мартенситу (xi) у дроті з поліуретановим електродом як функцію зміни температури дроту з поліуретановим електродом (T) для обох циклів керування. На рис. 3a показано зміну температури дроту з поліуретановим електродом з часом залежно від імпульсу вхідної напруги. Як видно з рисунка, температура дроту продовжує зростати завдяки забезпеченню джерела тепла при нульовій напрузі та подальшому конвективному охолодженню. Під час нагрівання ретрансформація мартенситу в аустенітну фазу починається, коли температура дроту з поліуретановим електродом (T) перетинає температуру зародження аустеніту, скориговану на напруження (\(A_s^{\prime}\)). Під час цієї фази дріт з поліуретановим електродом стискається, і виконавчий механізм генерує силу. Також під час охолодження, коли температура дроту з поліуретановим електродом (T) перетинає температуру зародження модифікованої напруженням мартенситної фази (\(M_s^{\prime}\)), відбувається позитивний перехід від аустенітної фази до мартенситної фази. Рушійна сила зменшується.
Основні якісні аспекти бімодального приводу на основі SMA можна отримати з результатів моделювання. У випадку імпульсу напруги на вхідному сигналі температура дроту SMA збільшується через ефект джоулевого нагрівання. Початкове значення об'ємної частки мартенситу (\(\xi\)) встановлено на 1, оскільки матеріал спочатку знаходиться в повністю мартенситній фазі. У міру того, як дріт продовжує нагріватися, температура дроту SMA перевищує температуру зародження аустеніту з поправкою на напруження \(A_s^{\prime}\), що призводить до зменшення об'ємної частки мартенситу, як показано на рисунку 4c. Крім того, на рис. 4e показано розподіл ходів актуатора в часі, а на рис. 5 – рушійну силу як функцію часу. Пов'язана система рівнянь включає температуру, об'ємну частку мартенситу та напруження, що розвивається в дроті, що призводить до усадки дроту SMA та сили, що генерується актуатором. Як показано на рис. 4d,f, зміна напруги з температурою та зміна об'ємної частки мартенситу з температурою відповідають гістерезисним характеристикам SMA у модельованому випадку при 7 В.
Порівняння параметрів керування було отримано за допомогою експериментів та аналітичних розрахунків. Дроти піддавалися імпульсній вхідній напрузі 7 В протягом 10 секунд, потім охолоджувалися протягом 15 секунд (фаза охолодження) протягом двох циклів. Кут перистості встановлено на \(40^{\circ}\), а початкова довжина дроту SMA в кожній окремому контакті встановлена ​​на 83 мм. (a) Вимірювання рушійної сили за допомогою тензодатчика (b) Моніторинг температури дроту за допомогою тепловізійної інфрачервоної камери.
Щоб зрозуміти вплив фізичних параметрів на силу, що створюється приводом, було проведено аналіз чутливості математичної моделі до вибраних фізичних параметрів, а параметри були ранжовані відповідно до їх впливу. Спочатку було проведено вибірку параметрів моделі з використанням принципів експериментального проектування, які відповідали рівномірному розподілу (див. Додатковий розділ про аналіз чутливості). У цьому випадку параметри моделі включають вхідну напругу (V_{in})), початкову довжину дроту SMA (l_0)), кут трикутника (α), коефіцієнт пружини зміщення (K_x)), коефіцієнт конвективної теплопередачі (h_T) та кількість унімодальних гілок (n). На наступному кроці пікова сила м'язів була обрана як вимога до дизайну дослідження, і були отримані параметричний вплив кожного набору змінних на силу. Діаграми торнадо для аналізу чутливості були отримані з коефіцієнтів кореляції для кожного параметра, як показано на рис. 6a.
(a) Значення коефіцієнтів кореляції параметрів моделі та їх вплив на максимальну вихідну силу 2500 унікальних груп вищезазначених параметрів моделі показано на графіку торнадо. Графік показує рангову кореляцію кількох показників. Зрозуміло, що \(V_{in}\) є єдиним параметром з позитивною кореляцією, а \(l_0\) — параметром з найвищою негативною кореляцією. Вплив різних параметрів у різних комбінаціях на пікову силу м'язів показано на (b, c). \(K_x\) коливається від 400 до 800 Н/м, а n коливається від 4 до 24. Напруга (\(V_{in}\)) змінювалася від 4 В до 10 В, довжина дроту (\(l_{0 } \)) змінювалася від 40 до 100 мм, а кут хвоста (\(\alpha \)) змінювався від \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
На рис. 6a показано графік торнадо різних коефіцієнтів кореляції для кожного параметра з вимогами до проектування пікової рушійної сили. З рис. 6a видно, що параметр напруги (V_{in}\) безпосередньо пов'язаний з максимальною вихідною силою, а коефіцієнт конвективної теплопередачі (h_T\)), кут полум'я (α), коефіцієнт пружини зміщення (K_x\)) негативно корелюють з вихідною силою та початковою довжиною (l_0\)) дроту SMA, а кількість унімодальних гілок (n) демонструє сильну обернену кореляцію у випадку прямої кореляції. У випадку вищого значення коефіцієнта кореляції напруги (V_{in}\)) вказує на те, що цей параметр має найбільший вплив на вихідну потужність. Інший подібний аналіз вимірює пікову силу, оцінюючи вплив різних параметрів у різних комбінаціях двох обчислювальних просторів, як показано на рис. 6b, c. \(V_{in}\) та \(l_0\), \(\alpha\) та \(l_0\) мають подібні закономірності, і графік показує, що \(V_{in}\) та \(\alpha\) та \(\alpha\) мають подібні закономірності. Менші значення \(l_0\) призводять до вищих пікових сил. Два інші графіки узгоджуються з рисунком 6a, де n та \(K_x\) негативно корелюють, а \(V_{in}\) позитивно корелюють. Цей аналіз допомагає визначити та скоригувати параметри впливу, за допомогою яких вихідна сила, хід та ефективність приводної системи можуть бути адаптовані до вимог та застосування.
У поточних дослідженнях представлено та досліджуються ієрархічні приводи з N рівнями. У дворівневій ієрархії, як показано на рис. 7a, де замість кожного дроту SMA приводу першого рівня досягається бімодальна схема, як показано на рис. 9e. На рис. 7c показано, як дріт SMA намотується на рухомий важіль (допоміжний важіль), який рухається лише в поздовжньому напрямку. Однак рухомий важіль первинного рівня продовжує рухатися так само, як і рухомий важіль багатоступеневого приводу 1-го ступеня. Як правило, N-ступеневий привід створюється шляхом заміни дроту SMA ступеня \(N-1\) приводом першого ступеня. В результаті кожна гілка імітує привід першого ступеня, за винятком гілки, яка утримує сам дріт. Таким чином, можна формувати вкладені структури, які створюють сили, що в кілька разів перевищують сили первинних приводів. У цьому дослідженні для кожного рівня враховувалася загальна ефективна довжина дроту SMA 1 м, як показано в табличній формі на рис. 7d. Струм через кожен дріт у кожній унімодальній конструкції та результуючий попередній напруження і напруга в кожному сегменті дроту SMA однакові на кожному рівні. Згідно з нашою аналітичною моделлю, вихідна сила позитивно корелює з рівнем, тоді як зміщення негативно корелює. Водночас спостерігався компроміс між зміщенням і силою м'язів. Як видно на рис. 7b, хоча максимальна сила досягається в найбільшій кількості шарів, найбільше зміщення спостерігається в найнижчому шарі. Коли рівень ієрархії був встановлений на \(N=5\), пікова сила м'язів становила 2,58 кН при 2 спостережуваних ходах \(\upm\)m. З іншого боку, привід першого ступеня генерує силу 150 Н при ході 277 \(\upm\)m. Багаторівневі актуатори здатні імітувати реальні біологічні м'язи, тоді як штучні м'язи на основі сплавів з пам'яттю форми здатні генерувати значно вищі сили з точними та тонкими рухами. Обмеження цієї мініатюрної конструкції полягають у тому, що зі збільшенням ієрархії рух значно зменшується, а складність процесу виготовлення приводу зростає.
(a) Показано двоступеневу (\(N=2\)) шарувату лінійну систему приводів зі сплаву з пам'яттю форми в бімодальній конфігурації. Запропонована модель досягається шляхом заміни дроту SMA в шаруватому приводі першого ступеня іншим одноступеневим шаруватим приводом. (c) Деформована конфігурація багатошарового приводу другого ступеня. (b) Описано розподіл сил та переміщень залежно від кількості рівнів. Було виявлено, що пікова сила приводу позитивно корелює з рівнем шкали на графіку, тоді як хід негативно корелює з рівнем шкали. Струм та попередня напруга в кожному дроті залишаються постійними на всіх рівнях. (d) У таблиці наведено кількість відгалужень та довжину дроту SMA (волокна) на кожному рівні. Характеристики проводів позначені індексом 1, а кількість вторинних гілок (одна з яких підключена до первинної гілки) позначена найбільшим числом у нижньому індексі. Наприклад, на рівні 5, \(n_1\) позначає кількість проводів SMA, присутніх у кожній бімодальній структурі, а \(n_5\) позначає кількість допоміжних віток (одна з яких підключена до основної вітки).
Багато дослідників запропонували різні методи моделювання поведінки SMA з пам'яттю форми, які залежать від термомеханічних властивостей, що супроводжують макроскопічні зміни в кристалічній структурі, пов'язані з фазовим переходом. Формулювання конститутивних методів є складним за своєю суттю. Найбільш часто використовувана феноменологічна модель запропонована Танакою28 і широко використовується в інженерних застосуваннях. Феноменологічна модель, запропонована Танакою [28], припускає, що об'ємна частка мартенситу є експоненціальною функцією температури та напруження. Пізніше Лян, Роджерс29 та Брінсон30 запропонували модель, в якій динаміка фазового переходу вважалася косинусоподібною функцією напруги та температури з незначними модифікаціями моделі. Беккер і Брінсон запропонували кінетичну модель на основі фазової діаграми для моделювання поведінки SMA-матеріалів за довільних умов навантаження, а також часткових переходів. Банерджі32 використовує метод динаміки фазової діаграми Беккера та Брінсона31 для моделювання маніпулятора з одним ступенем свободи, розробленого Елахінією та Ахмадяном33. Кінетичні методи, засновані на фазових діаграмах, які враховують немонотонну зміну напруги з температурою, важко реалізувати в інженерних застосуваннях. Елахінія та Ахмадян звертають увагу на ці недоліки існуючих феноменологічних моделей та пропонують розширену феноменологічну модель для аналізу та визначення поведінки пам'яті форми за будь-яких складних умов навантаження.
Структурна модель дроту SMA дає напруження (\(\sigma\)), деформацію (\(\epsilon\)), температуру (T) та об'ємну частку мартенситу (\(\xi\)) дроту SMA. Феноменологічну конститутивну модель вперше запропонував Танака28, а пізніше її прийняли Лян29 та Брінсоном30. Похідна рівняння має вигляд:
де E – фазово-залежний модуль Юнга SMA, отриманий за допомогою \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\), а \(E_A\) та \(E_M\), що представляють модуль Юнга, – це аустенітна та мартенситна фази відповідно, а коефіцієнт теплового розширення представлений як \(\theta _T\). Коефіцієнт внеску фазового переходу становить \(\Omega = -E \epsilon _L\), а \(\epsilon _L\) – максимальна відновлювана деформація в дроті SMA.
Рівняння фазової динаміки збігається з функцією косинуса, розробленою Лянгом29, а пізніше прийнятою Брінсоном30 замість експоненціальної функції, запропонованої Танакою28. Модель фазового переходу є розширенням моделі, запропонованої Елахінією та Ахмадяном34, та модифікованою на основі умов фазового переходу, заданих Лянгом29 та Брінсоном30. Умови, що використовуються для цієї моделі фазового переходу, дійсні за складних термомеханічних навантажень. У кожен момент часу значення об'ємної частки мартенситу розраховується при моделюванні конститутивного рівняння.
Рівняння ретрансформації, що виражається перетворенням мартенситу в аустеніт за умов нагрівання, має наступний вигляд:
де \(\xi\) – об'ємна частка мартенситу, \(\xi _M\) – об'ємна частка мартенситу, отриманого до нагрівання, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) та \(C_A\) – параметри апроксимації кривої, T – температура дроту SMA, \(A_s\) та \(A_f\) – відповідно температура початку та кінця фази аустеніту.
Рівняння прямого керування перетворенням, представлене фазовим перетворенням аустеніту в мартенсит в умовах охолодження, має вигляд:
де \(\xi _A\) – об'ємна частка мартенситу, отриманого до охолодження, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) та \ ( C_M \) – параметри апроксимації кривої, T – температура дроту SMA, \(M_s\) та \(M_f\) – початкова та кінцева температури мартенситу відповідно.
Після диференціювання рівнянь (3) та (4), рівняння оберненого та прямого перетворення спрощуються до наступного вигляду:
Під час прямого та зворотного перетворення \(\eta_{\sigma}\) та \(\eta_{T}\) приймають різні значення. Основні рівняння, пов'язані з \(\eta_{\sigma}\) та \(\eta_{T}\), були виведені та детально обговорені в додатковому розділі.
Теплова енергія, необхідна для підвищення температури дроту SMA, походить від ефекту нагрівання Джоуля. Теплова енергія, що поглинається або виділяється дротом SMA, представлена ​​прихованою теплотою перетворення. Втрати тепла в дроті SMA зумовлені вимушеною конвекцією, і враховуючи незначний вплив випромінювання, рівняння балансу теплової енергії має наступний вигляд:
Де ∫m_{wire}∫ – загальна маса дроту з поліуретановим з'єднанням (SMA), ∫c_{p}∫ – питома теплоємність SMA, ∫V_{in}∫ – напруга, що прикладена до дроту, ∫R_{ohm}∫ – фазово-залежний опір SMA, що визначається як: ∫R_{ohm} = (l/A_{cross})[∫r_M + (1-∫)r_A]∫, де ∫r_M∫ та ∫r_A∫ – фазовий опір SMA в мартенситі та аустеніті відповідно, ∫A_{c}∫ – площа поверхні дроту SMA, ∆H – сплав з пам'яттю форми. Прихована теплота переходу дроту, T₁ та T₅ₙ – температури SMA дроту та навколишнього середовища відповідно.
Коли дріт зі сплаву з пам'яттю форми активується, він стискається, створюючи силу в кожній гілці бімодальної конструкції, яка називається силою волокна. Сили волокон у кожній нитці дроту SMA разом створюють м'язову силу для активації, як показано на рис. 9e. Завдяки наявності пружини зміщення, загальна м'язова сила N-го багатошарового актуатора становить:
Підставляючи \(N = 1\) у рівняння (7), силу м'язів прототипу бімодального приводу першого ступеня можна отримати наступним чином:
де n – кількість унімодальних вітків, \(F_m\) – м'язова сила, що генерується приводом, \​​(F_f\) – міцність волокна в дроті SMA, \(K_x\) – жорсткість пружини зміщення, \(\alpha\) – кут трикутника, \(x_0\) – початкове зміщення пружини зміщення для утримання кабелю SMA в попередньо натягнутому положенні, а \(\Delta x\) – хід приводу.
Загальне зміщення або рух приводу (Δx) залежно від напруги (sigma) та деформації (�epsilon) на проводі SMA N-го каскаду, на яке налаштовано привід (див. рис. додаткову частину виходу):
Кінематичні рівняння показують зв'язок між деформацією приводу (ε) та переміщенням або зміщенням (Δx). Деформація дроту Arb як функція початкової довжини дроту Arb (l_0) та довжини дроту (l) у будь-який момент часу t в одній унімодальній гілці виглядає наступним чином:
де (l = Δx^2 + (Δx_1)^2 – 2l_0 (Δx_1)cos α_1) отримується шляхом застосування формули косинуса в ΔABB ', як показано на рисунку 8. Для першого ступеня приводу (N = 1)), Δx_1 дорівнює Δx, а α_1 дорівнює α, як показано на рисунку 8. Як показано на рисунку 8, диференціюючи час з рівняння (11) та підставляючи значення l, швидкість деформації можна записати як:
де l_0 — початкова довжина дроту SMA, l — довжина дроту в будь-який момент часу t в одній унімодальній гілці, ε — деформація, що розвивається в дроті SMA, а α — кут трикутника, Δx — зміщення приводу (як показано на рисунку 8).
Усі n однопікових структур (n=6 на цьому рисунку) з'єднані послідовно з вхідною напругою V_{in}. Етап I: Принципова схема дроту SMA в бімодальній конфігурації за умов нульової напруги. Етап II: Показано контрольовану структуру, де дріт SMA стискається внаслідок зворотного перетворення, як показано червоною лінією.
Як доказ концепції, було розроблено бімодальний привід на основі SMA для перевірки змодельованого виведення основних рівнянь з експериментальними результатами. CAD-модель бімодального лінійного актуатора показано на рис. 9a. З іншого боку, на рис. 9c показано нову конструкцію, запропоновану для обертального призматичного з'єднання з використанням двоплощинного актуатора на основі SMA з бімодальною структурою. Компоненти приводу були виготовлені за допомогою адитивного виробництва на 3D-принтері Ultimaker 3 Extended. Матеріалом, який використовувався для 3D-друку компонентів, є полікарбонат, який підходить для термостійких матеріалів, оскільки він міцний, довговічний та має високу температуру склування (110-113 °C). Крім того, в експериментах використовувався дріт зі сплаву з пам'яттю форми Flexinol від Dynalloy, Inc., а властивості матеріалу, що відповідають дроту Flexinol, використовувалися в симуляціях. Кілька дротів SMA розташовані у вигляді волокон, присутніх у бімодальному розташуванні м'язів, для отримання високих сил, що створюються багатошаровими актуаторами, як показано на рис. 9b, d.
Як показано на рисунку 9a, гострий кут, утворений рухомим дротом SMA, називається кутом (α). За допомогою клемних затискачів, прикріплених до лівого та правого затискачів, дріт SMA утримується під потрібним бімодальним кутом. Пристрій пружини зміщення, що утримується на пружинному з'єднувачі, призначений для регулювання різних груп подовження пружин зміщення відповідно до кількості (n) волокон SMA. Крім того, розташування рухомих частин спроектовано таким чином, щоб дріт SMA піддавався впливу зовнішнього середовища для примусового конвекційного охолодження. Верхня та нижня пластини знімного вузла допомагають підтримувати дріт SMA охолодженим завдяки екструдованим вирізам, призначеним для зменшення ваги. Крім того, обидва кінці дроту CMA закріплені відповідно до лівого та правого клем за допомогою обтиску. До одного кінця рухомого вузла прикріплено плунжер для підтримки зазору між верхньою та нижньою пластинами. Плунжер також використовується для прикладання блокувальної сили до датчика через контакт для вимірювання блокувальної сили, коли дріт SMA активується.
Бімодальна м'язова структура SMA електрично з'єднана послідовно та живиться від вхідної імпульсної напруги. Під час циклу імпульсів напруги, коли напруга подається і дріт SMA нагрівається вище початкової температури аустеніту, довжина дроту в кожній нитці скорочується. Це втягування активує рухомий вузол важеля. Коли напруга обнуляється в тому ж циклі, нагрітий дріт SMA охолоджується нижче температури поверхні мартенситу, тим самим повертаючись у своє початкове положення. За умов нульового напруження дріт SMA спочатку пасивно розтягується пружиною зміщення, щоб досягти роздвоєного мартенситного стану. Гвинт, через який проходить дріт SMA, рухається завдяки стиску, що створюється шляхом подачі імпульсу напруги до дроту SMA (SPA досягає фази аустеніту), що призводить до спрацьовування рухомого важеля. Коли дріт SMA втягується, пружина зміщення створює протилежну силу, додатково розтягуючи пружину. Коли напруження в імпульсній напрузі стає нульовим, дріт SMA видовжується та змінює свою форму через примусове конвекційне охолодження, досягаючи подвійної мартенситної фази.
Запропонована система лінійних актуаторів на основі SMA має бімодальну конфігурацію, в якій дроти SMA розташовані під кутом. (a) зображує CAD-модель прототипу, в якій згадуються деякі компоненти та їх значення для прототипу, (b, d) представляють розроблений експериментальний прототип35. У той час як (b) показує вигляд прототипу зверху з електричними з'єднаннями, пружинами зміщення та тензодатчиками, що використовуються, (d) показує перспективний вигляд установки. (e) Схема лінійної актуаційної системи з дротами SMA, розміщеними бімодально в будь-який момент часу t, що показує напрямок та хід волокна та силу м'яза. (c) Для розгортання двоплощинного актуатора на основі SMA запропоновано обертальне призматичне з'єднання з 2 ступенями свободи. Як показано, ланка передає лінійний рух від нижнього приводу до верхнього важеля, створюючи обертальне з'єднання. З іншого боку, рух пари призм такий самий, як і рух багатошарового приводу першого ступеня.
Експериментальне дослідження було проведено на прототипі, зображеному на рис. 9b, для оцінки продуктивності бімодального приводу на основі SMA. Як показано на рис. 10a, експериментальна установка складалася з програмованого джерела живлення постійного струму для подачі вхідної напруги на дроти SMA. Як показано на рис. 10b, для вимірювання сили блокування за допомогою реєстратора даних Graphtec GL-2000 використовувався п'єзоелектричний тензодатчик (PACEline CFT/5kN). Дані записуються хостом для подальшого дослідження. Тензодатчики та підсилювачі заряду потребують постійного джерела живлення для створення сигналу напруги. Відповідні сигнали перетворюються на вихідні потужності відповідно до чутливості п'єзоелектричного датчика сили та інших параметрів, як описано в таблиці 2. При подачі імпульсу напруги температура дроту SMA збільшується, що призводить до його стискання, що, у свою чергу, призводить до генерації сили приводом. Експериментальні результати виведення м'язової сили імпульсом вхідної напруги 7 В показані на рис. 2a.
(a) В експерименті було встановлено лінійну систему актуаторів на основі SMA для вимірювання сили, що генерується актуатором. Тензодатчик вимірює блокувальну силу та живиться від джерела живлення 24 В постійного струму. Падіння напруги 7 В було прикладено вздовж усієї довжини кабелю за допомогою програмованого джерела живлення постійного струму GW Instek. Дріт SMA стискається через нагрівання, а рухомий важіль контактує з тензодатчиком і створює блокувальну силу. Тензодатчик підключено до реєстратора даних GL-2000, а дані зберігаються на хості для подальшої обробки. (b) Діаграма, що показує ланцюжок компонентів експериментальної установки для вимірювання м'язової сили.
Сплави з пам'яттю форми збуджуються тепловою енергією, тому температура стає важливим параметром для вивчення явища пам'яті форми. Експериментально, як показано на рис. 11a, тепловізійне зображення та вимірювання температури були виконані на прототипі актуатора на основі дівалератного матеріалу з плоским покриттям (SMA). Програмоване джерело постійного струму подавало вхідну напругу на дроти SMA в експериментальній установці, як показано на рис. 11b. Зміна температури дроту SMA вимірювалася в режимі реального часу за допомогою камери високої роздільної здатності LWIR (FLIR A655sc). Хост використовує програмне забезпечення ResearchIR для запису даних для подальшої пост-обробки. Коли подається імпульс напруги, температура дроту SMA збільшується, що призводить до його стиснення. На рис. 2b показано експериментальні результати залежності температури дроту SMA від часу для імпульсу вхідної напруги 7 В.