Diseño y desarrollo de no

Jun 30, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 10758 (2022) Citar este artículo

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Los actuadores son omnipresentes para generar movimiento controlado a través de la aplicación de fuerza de excitación adecuada o par para realizar diversas operaciones en la fabricación y la automatización industrial. Las demandas de actuadores más rápidos, pequeños y eficientes impulsan la innovación en el desarrollo de actuadores. Los actuadores basados ​​en aleación con memoria de forma (SMA) tienen múltiples ventajas sobre los actuadores convencionales, incluida una alta relación potencia-peso. Este documento integra las ventajas del músculo pennado de un sistema biológico y las propiedades únicas de SMA para desarrollar un actuador bipennado basado en SMA. El presente estudio explora y amplía los actuadores SMA anteriores mediante el desarrollo del modelo matemático del nuevo actuador basado en la disposición bipenada de los cables SMA y la validación experimental. Se ha encontrado que el nuevo actuador ofrece fuerzas de actuación al menos cinco veces mayores (hasta 150 N) en comparación con los actuadores basados ​​en SMA informados. La reducción de peso correspondiente es de alrededor del 67%. Los resultados del análisis de sensibilidad del modelo matemático facilitan la personalización de los parámetros de diseño y la comprensión de los parámetros críticos. Este estudio presenta además un actuador jerárquico de nivel N que se puede implementar para una mayor amplificación de las fuerzas de actuación. El actuador muscular bipenado basado en SMA tiene amplias aplicaciones que van desde controles de automatización de edificios hasta sistemas precisos de administración de fármacos.

Los sistemas biológicos, como la arquitectura muscular de los mamíferos, pueden inspirar una variedad de actuadores matizados1. Los mamíferos tienen un conjunto diverso de arquitectura muscular, cada uno con un propósito particular. No obstante, la mayor parte de la arquitectura de la musculatura de los mamíferos se puede generalizar en dos grandes categorías; Paralelo y Penado. Encontrado en el tendón de la corva y otros músculos flexores, como su nombre indica, la musculatura paralela tiene fibras musculares paralelas al tendón central. Una sucesión de fibras musculares se coloca en una fila y está unida funcionalmente por el tejido conectivo que las rodea. Aunque se dice que estos músculos tienen una gran excursión (porcentaje de acortamiento), su fuerza muscular total es bastante limitada. Por el contrario, la musculatura pennada se encuentra en cada músculo del complejo tríceps sural2 (gastrocnemio lateral (GL)3, gastrocnemio medialis (GM)4 y sóleo (SOL)) y, en el lado extensor del muslo (cuádriceps femoral)5,6. ,7. En la arquitectura Pennate, las fibras musculares en el tejido muscular bipennate están presentes en ambos lados del tendón central en un ángulo oblicuo (ángulo de pennation). Pennate se deriva de la palabra latina 'penna', que significa pluma, lo que explica su apariencia de pluma, como se ilustra en la figura 1. Las fibras de los músculos pennate son más cortas y están orientadas en ángulo con respecto al eje longitudinal de los músculos. Debido a la pennación, se reduce toda la excursión de estos músculos, lo que da como resultado un componente lateral y longitudinal del proceso de acortamiento. Por otro lado, debido a la forma en que se mide el área transversal fisiológica, la activación de estos músculos genera una mayor fuerza muscular total8. Por lo tanto, en un área de sección transversal dada, un músculo pinnado sería más fuerte y produciría una fuerza mayor en comparación con un músculo de fibras paralelas. La fuerza producida en una sola fibra provoca la generación de fuerza muscular a nivel macro en esta musculatura. Además, tiene propiedades únicas como contracción rápida, prevención de daños durante la extensión y absorción de impactos. Transforma la relación entre la entrada de fibras y la salida de fuerza muscular al aprovechar las características únicas y la complejidad geométrica de la disposición de las fibras en relación con la línea de acción muscular.

muestra el esquema del diseño de actuador basado en SMA existente frente a la arquitectura de músculo bipenado, por ejemplo (a) representa la interacción de fuerza háptica, donde el dispositivo con forma de mano accionado mediante cables SMA está instalado en un robot móvil autónomo de dos ruedas9,10 , (b) una prótesis orbital ocular robótica con una prótesis orbital ocular SMA accionada por resorte montada antagónicamente. La posición del ojo protésico es controlada por una señal del músculo ocular del ojo11, (c) Los actuadores SMA son ideales para aplicaciones subacuáticas debido a su respuesta de alta frecuencia y bajo ancho de banda. En esta configuración, los actuadores SMA se usan para crear un movimiento en forma de onda al simular el movimiento de un pez10, (d) Los actuadores SMA se usan para construir microrobots para la inspección de tuberías que pueden moverse dentro de una tubería usando el principio de movimiento de tornillo sin fin accionado por Cables SMA10, (e) muestra la dirección de contracción de las fibras musculares y la generación de fuerza contráctil en un tejido muscular pennado del gastrocnemio, (f) muestra la disposición de los cables SMA en forma de fibras musculares en la arquitectura muscular pennada.

Los actuadores se han convertido en un componente esencial de los sistemas mecánicos debido a su amplia gama de aplicaciones. Como resultado, la necesidad de actuadores más pequeños, más rápidos y más efectivos se ha vuelto de suma importancia. Aunque los actuadores convencionales tienen sus ventajas, se ha demostrado que su mantenimiento es costoso y requiere mucho tiempo. Los actuadores hidráulicos y neumáticos son complejos en su diseño y costosos, y son propensos al desgaste, problemas de lubricación y fallas en los componentes. En respuesta a la necesidad, se hace hincapié en el desarrollo de actuadores avanzados, rentables y de tamaño optimizado basados ​​en materiales inteligentes. La investigación actual busca actuadores jerárquicos basados ​​en aleaciones con memoria de forma (SMA) para satisfacer esta necesidad. Los actuadores jerárquicos son únicos en el sentido de que combinan una serie de elementos actuadores discretos en subsistemas de macroescala geométricamente complicados para proporcionar una funcionalidad aumentada y ampliada. A este respecto, el tejido muscular humano antes mencionado sirve como un ejemplo perfecto de múltiples capas para dicha actuación jerárquica. El estudio actual describe un actuador SMA jerárquico con varios elementos actuadores individuales (cables SMA) dispuestos en la orientación de las fibras presentes en un músculo bipenado, lo que mejora el rendimiento general del actuador.

El objetivo principal de un actuador es generar una salida mecánica, como fuerza y ​​desplazamiento, mediante la transformación de energía eléctrica. Las aleaciones con memoria de forma son una clase de materiales inteligentes que pueden restaurar su forma después de haber estado expuestos a altas temperaturas. Bajo cargas altas, un aumento en la temperatura del cable SMA puede provocar la recuperación de la forma, lo que resulta en una alta densidad de energía de actuación en comparación con varios materiales inteligentes con acoplamiento directo. Mientras tanto, cuando los SMA se someten a estrés mecánico, se vuelven quebradizos. Bajo ciertas condiciones, la carga cíclica puede absorber y descargar energía mecánica al demostrar un cambio de forma histerético reversible. Estas características únicas han hecho que los SMA sean deseables para detección, amortiguación de vibraciones y especialmente para aplicaciones de actuación12. Teniendo esto en cuenta, se ha llevado a cabo una gran cantidad de investigación en el campo de los actuadores basados ​​en SMA. Es imperativo tener en cuenta que los actuadores basados ​​en SMA han sido diseñados para ofrecer movimiento de traslación y rotación para una variedad de aplicaciones13,14,15. Si bien se han desarrollado algunos actuadores rotativos, los investigadores se han interesado especialmente en los actuadores lineales. Estos actuadores lineales se pueden clasificar en tres tipos de actuadores: actuadores unidimensionales, de fuerza de polarización y diferenciales16. Inicialmente se crearon actuadores híbridos, combinando SMA con otros actuadores convencionales. Un ejemplo de un actuador lineal híbrido basado en SMA fue el empleo de cables SMA con un motor de CC para proporcionar una salida de fuerza de aproximadamente 100 N con un desplazamiento considerable17.

Uno de los primeros desarrollos en el dominio de los actuadores completamente basados ​​en SMA fue el actuador SMA paralelo. Utilizando numerosos cables SMA, se diseñó un actuador paralelo basado en SMA para aumentar la capacidad de fuerza del actuador colocando todos los cables SMA en paralelo18. Las conexiones paralelas del actuador no solo requerían más potencia, sino que también se limitaba la fuerza de salida de un solo cable. Otro inconveniente de los actuadores basados ​​en SMA era la carrera limitada que podían lograr. Para abordar esto, se creó una viga accionada por cable SMA, que incorporó vigas flexibles desviadas para aumentar el desplazamiento y permitir el movimiento lineal, pero no logró producir una fuerza mayor19. Concebido principalmente para la amplificación del trazo, se desarrollaron una estructura de transformación blanda basada en una aleación con memoria de forma y un tejido robótico20,21,22. Para áreas que requerían grandes velocidades, se informó una bomba de actuador compacta que usa SMA de película delgada para la aplicación de actuador de microbomba23. La frecuencia de actuación de la membrana SMA de película delgada es el factor clave que controla la velocidad del actuador. Como resultado, en comparación con los motores SMA basados ​​en tiras o resortes, los motores SMA basados ​​en cables tienen una mejor respuesta dinámica. La robótica blanda y la tecnología de pinzas son otras dos aplicaciones en las que se han utilizado actuadores basados ​​en SMA. Por ejemplo, para reemplazar los actuadores estándar utilizados en la pinza espacial con una fuerza de salida de 25 N, se desarrolló un actuador paralelo basado en una aleación con memoria de forma24. En otro escenario25, se produjo un actuador suave basado en cables SMA con matriz integrada capaz de generar una fuerza de tracción máxima de 30 N. Los SMA también se utilizan para producir actuadores imitando fenómenos biológicos debido a sus propiedades mecánicas. Uno de esos desarrollos involucró un robot de 12 unidades que fue creado mediante la bioimitación de un organismo parecido a una lombriz de tierra con SMA para generar un movimiento sinusoidal para la actuación26,27.

Como se mencionó, existen límites en los que se puede obtener la fuerza máxima de los actuadores basados ​​en SMA existentes. Para abordar este desafío, el presente estudio proporciona una arquitectura muscular bipinnada biónica; impulsado por alambre de aleación con memoria de forma. Contempla un sistema jerárquico que comprende una pluralidad de alambres de aleación con memoria de forma. Hasta ahora, no se ha informado en la literatura sobre un actuador basado en SMA que involucre una arquitectura similar. Este sistema único y novedoso basado en SMA se ha desarrollado para explorar el comportamiento de SMA en la disposición muscular bipinnada. El objetivo de este estudio fue crear un actuador bipenado bioinspirado para generar una fuerza significativamente mayor en un volumen pequeño en comparación con los actuadores basados ​​en SMA existentes. Se ha descubierto que el diseño de actuador bipenado basado en SMA propuesto tiene un 67 % menos de peso en el mecanismo de accionamiento en comparación con los actuadores convencionales accionados por motor paso a paso desplegados en el dominio de controles y automatización de edificios HVAC. De ahora en adelante, los términos músculo y actuador se usarán indistintamente a lo largo de este documento. En este estudio se investigó el modelado multifísico de dicho actuador. El comportamiento mecánico de un sistema de este tipo se ha estudiado utilizando métodos experimentales y analíticos. Bajo una condición de voltaje de entrada de 7 V, se investigaron más las distribuciones de fuerza y ​​temperatura. Posteriormente, se realizó un análisis paramétrico para comprender mejor la relación entre los parámetros críticos y la fuerza de salida. Finalmente, se ha previsto un actuador jerárquico y se ha presentado el impacto del nivel jerárquico como un alcance futuro potencial en la construcción de actuadores no magnéticos para aplicaciones protésicas. De acuerdo con los resultados de los estudios antes mencionados realizados, se generó una fuerza al menos cuatro o cinco veces mayor que la de los actuadores basados ​​en SMA informados utilizando una arquitectura de etapa única. Además, se demostró que la misma fuerza del actuador generada por los actuadores jerárquicos de etapas múltiples es más de diez veces mayor que la de los actuadores convencionales basados ​​en SMA. El estudio informó además los parámetros clave mediante el análisis de sensibilidad entre varias variables de diseño y de entrada. La longitud inicial del cable SMA en cada rama unipennada (\(l_0\)), el ángulo de pennación (\(\alpha\)) y el número de ramas unipennadas (n) tuvieron un impacto fuerte e inverso en la magnitud de la fuerza de actuación , mientras que se encontró que el voltaje de entrada (energía eléctrica) estaba correlacionado positivamente.

El alambre SMA exhibe el fenómeno del efecto de memoria de forma (SME) que ocurre en la familia de aleaciones de níquel-titanio (Ni-Ti). Generalmente, los SMA exhiben dos fases dependientes de la temperatura, las fases de baja y alta temperatura. Ambas fases tienen propiedades únicas debido a la presencia de diferentes estructuras cristalinas. En la fase austenita (fase de alta temperatura), que está presente por encima de la temperatura de transformación, el material muestra una alta resistencia y no se puede deformar fácilmente bajo carga. El comportamiento de la aleación es similar al del acero inoxidable; por lo tanto, tiene la capacidad de soportar una mayor tensión en el momento de la actuación. Aprovechando este comportamiento característico de la aleación Ni-Ti, los cables SMA están dispuestos oblicuamente para formar un actuador. El modelo analítico correspondiente ha sido formulado para comprender la mecánica fundamental del comportamiento del SMA impulsado por la temperatura bajo la influencia de varios parámetros y diferentes geometrías. Se logró una buena concordancia entre los resultados experimentales y analíticos.

El prototipo representado en la Fig. 9a se investiga experimentalmente para evaluar el rendimiento del actuador bipenado basado en SMA. Dos de las características, la fuerza generada por el actuador (fuerza muscular) y la temperatura del cable SMA (temperatura SMA), se han medido experimentalmente. Con un diferencial de voltaje establecido a lo largo de la longitud del cable en el actuador, la temperatura del cable se elevó a través del efecto de calentamiento Joule. El voltaje de entrada se proporcionó en dos ciclos de 10 s (como se muestra con los puntos rojos en la Fig. 2a, b) con un período de enfriamiento de 15 s entre cada ciclo. Se usó una celda de carga piezoeléctrica para medir la fuerza bloqueada mientras se monitoreaba la distribución temporal de la temperatura de los cables SMA en tiempo real usando una cámara LWIR de grado científico de alta resolución (consulte la Tabla 2 para ver las especificaciones de ambos equipos usados) . La Figura 2b muestra que durante la fase de alto voltaje, la temperatura del cable aumenta de manera monótona, pero cuando no pasa corriente, la temperatura del cable disminuye constantemente. En la presente configuración experimental, la temperatura de los cables SMA cae durante la etapa de enfriamiento; sin embargo, permanece por encima de la temperatura ambiente. La Figura 2e muestra la instantánea de la temperatura a través de los cables SMA obtenidos de la cámara LWIR. La figura 2a, por otro lado, representa la fuerza de bloque generada por el sistema actuador. Cuando la fuerza del músculo excede la fuerza del resorte restaurador, el brazo móvil, como se ilustra en la Fig. 9a, comienza a moverse. Tan pronto como comienza la actuación, el brazo móvil entra en contacto con el transductor, generando una fuerza de bloqueo como se muestra en la Fig. 2c, d. Mientras que la temperatura más alta se acercaba a \(84\,^{\circ }\hbox {C}\), se observó una fuerza máxima de 105 N.

El gráfico muestra los resultados experimentales de la temperatura de los cables SMA, así como la fuerza generada por el actuador bipenado basado en SMA durante dos ciclos. El voltaje de entrada se proporcionó en dos ciclos de 10 s (como se muestra en los puntos rojos) con un período de enfriamiento de 15 s entre cada ciclo. El cable SMA utilizado para la experimentación es el cable Flexinol de 0,51 mm de diámetro de Dynalloy, Inc. (a) El gráfico muestra la fuerza experimental obtenida en el transcurso de dos ciclos, (c, d) muestra dos instancias independientes del brazo móvil de actuador golpeando el transductor de fuerza piezoeléctrico PACEline CFT/5kN, (b) el gráfico representa la temperatura máxima en toda la longitud del cable SMA durante los dos ciclos, y (e) muestra la instantánea de la temperatura en los cables SMA obtenida de la Cámara LWIR con el software FLIR ResearchIR. Los parámetros geométricos considerados para el experimento se pueden consultar en la Tabla 1.

El resultado de la simulación del modelo matemático y los resultados experimentales se comparan para el caso de voltaje de entrada de 7 V como se muestra en la Fig. 5. Siguiendo los resultados obtenidos del análisis paramétrico y evitando la posibilidad de sobrecalentamiento de los cables SMA, se suministraron 11,2 W de potencia. al actuador. Se usó una fuente de alimentación de CC programable para suministrar 7 V como voltaje de entrada y se midió 1,6 A de corriente en todo el cable. La fuerza generada por el actuador y la temperatura del SMA aumentaron a medida que se suministró corriente. En el caso de la condición de voltaje de entrada de 7 V, la fuerza de salida máxima obtenida en los resultados de la simulación y los resultados experimentales para el primer ciclo son 78 N y 96 N, respectivamente. En el segundo ciclo, la fuerza de salida máxima fue de 150 N y 105 N para resultados de simulación y experimentales, respectivamente. La diferencia en la medición de la fuerza bloqueada y los datos experimentales podría atribuirse a la técnica de medición de la fuerza bloqueada. El resultado experimental que se muestra en la Fig. 5a corresponde a la medición de la fuerza bloqueada, que a su vez se mide cuando el eje del actuador entra en contacto con el transductor de fuerza piezoeléctrico PACEline CFT/5kN como se muestra en la Fig. 2c. Por lo tanto, la fuerza se vuelve cero instantáneamente cuando el eje del actuador no está en contacto con el transductor de fuerza al comienzo de la zona de enfriamiento, como se muestra en la Fig. 2d. Además, otros parámetros que afectan la generación de fuerza en ciclos posteriores son el tiempo de enfriamiento y los valores del coeficiente de transferencia de calor por convección en el ciclo anterior. Es evidente a partir de la Fig. 2b que con el período de enfriamiento de 15 s, el cable SMA no alcanzó la temperatura ambiente y, por lo tanto, tenía una temperatura inicial más alta (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) durante el segundo ciclo de actuación en comparación con el primer ciclo (\(25\,^{\circ }\hbox {C}\)). Por lo tanto, la temperatura del alambre SMA durante el segundo ciclo de calentamiento alcanza la temperatura inicial de austenita (\(A_s\)) antes en comparación con el primer ciclo y permanece en el período de transición durante más tiempo, lo que contribuye a la generación de tensión y fuerza. Por otro lado, los perfiles de temperatura durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento obtenidos del experimento y la simulación exhiben una gran similitud cualitativa con la instancia del análisis de imágenes térmicas. El análisis comparativo de los datos térmicos del cable SMA de los experimentos y la simulación ha mostrado una buena similitud ajuste durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento y se encuentre dentro de la banda de tolerancia aceptable de los datos experimentales. La temperatura máxima del cable SMA obtenida en la simulación y los resultados experimentales para el primer ciclo fueron \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) y \(75\,^{\circ }\hbox {C }\), respectivamente, mientras que, en el segundo ciclo, la temperatura máxima del cable SMA fue \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) y \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). El modelo desarrollado en principio confirma el comportamiento del efecto memoria de forma. En esta investigación no se tuvo en cuenta el papel de la fatiga y el sobrecalentamiento. En un esfuerzo futurista, el modelo se refinará para incorporar el historial de tensión del cable SMA para que sea más adecuado para aplicaciones de ingeniería. Los gráficos de fuerza de salida del actuador y temperatura de SMA obtenidos del bloque Simulink para la condición de pulso de voltaje de entrada de 7 V se encuentran dentro de la banda de tolerancia aceptable de los datos experimentales. Esto valida la corrección y robustez del modelo matemático desarrollado.

Se ha desarrollado un modelo matemático en el entorno MathWorks Simulink R2020b utilizando las ecuaciones de gobierno descritas en la sección de métodos. La figura 3b muestra el diagrama de bloques de Simulink del modelo matemático. El modelo ha sido simulado para el pulso de voltaje de entrada de 7V, como se muestra en la Fig. 2a,b. Los valores de los parámetros utilizados en la simulación se enumeran en la Tabla 1. Los resultados transitorios de las simulaciones se representan en las Figs. 3a y 4. La Figura 4a,b muestra la tensión inducida en el cable SMA y la fuerza generada por el actuador con respecto al tiempo. Durante la transformación inversa (calentamiento), cuando la temperatura del alambre SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de inicio de fase de austenita modificada por tensión), la tasa de cambio de la fracción de volumen de martensita (\(\dot{\ xi }\)) será cero. Por lo tanto, la tasa de cambio de la tensión (\(\dot{\sigma }\)) dependerá de la tasa de deformación (\(\dot{\epsilon }\)) y del gradiente de temperatura (\(\dot{T} \)) solamente, como se rige por la ecuación (1). Sin embargo, a medida que la temperatura del cable SMA aumenta y cruza (\(A_s^{\prime}\)), la fase austenita comienza a formarse y (\(\dot{\xi }\)) toma un valor dado por las ecuaciones (3). Por lo tanto, la tasa de cambio de tensión (\(\dot{\sigma }\)) se rige colectivamente por \(\dot{\epsilon }, \dot{T}\) y \(\dot{\xi }\) como dada en la ecuación (1). Esto explica el cambio en el gradiente observado en las gráficas de esfuerzo y fuerza dependientes del tiempo durante el ciclo de calentamiento, como se muestra en la Fig. 4a,b.

(a) Muestra el resultado de la simulación de la distribución de temperatura, así como la temperatura de transición inducida por el estrés del actuador bipenado basado en SMA. Cuando la temperatura del alambre cruza la temperatura de transición de la austenita en la fase de calentamiento, la temperatura de transición de la austenita modificada comienza a aumentar, y de la misma manera las temperaturas de transición de la martensita descienden cuando la temperatura del alambre cruza la temperatura de transición de la martensita en la fase de enfriamiento, (b ) un diagrama de bloques de Simulink del modelo matemático para un actuador lineal SMA basado en bipennato que se utilizó para el modelado analítico del proceso de actuación. (Consulte la sección del apéndice del archivo complementario para obtener una vista detallada de cada subsistema del modelo Simulink).

Bajo la condición de entrada de 7 V para dos ciclos, se muestran los resultados analíticos para la distribución de varios parámetros (ciclo de calentamiento de 10 s y ciclo de enfriamiento de 15 s). Mientras que (a–c) y (e) representan una distribución temporal, por otro lado (d) y (f) ilustran la distribución sobre la temperatura. Para la condición de entrada en cuestión, la tensión máxima observada fue de 106 MPa (que era inferior a 345 MPa, el límite elástico del alambre), con una fuerza de 150 N y un desplazamiento máximo de 270 \(\upmu\)m, y la fracción de volumen de martensita mínima fue de 0,91. Por otro lado, la variación de la tensión y la variación de la fracción de volumen de martensita con la temperatura se asemeja a la propiedad de histéresis.

La misma explicación es válida para la transformación directa (enfriamiento) de la fase austenita a la martensita con la relación entre la temperatura del alambre SMA (T) y la temperatura final de la fase martensita modificada por tensión (\(M_f^{\prime}\)) como Bueno. La Figura 4d,f muestra la variación de la tensión inducida en el alambre SMA (\(\sigma\)) y la fracción de volumen de martensita (\(\xi\)) con respecto al cambio en la temperatura del alambre SMA (T) para dos actuaciones ciclos La Figura 3a muestra la variación de temperatura del cable SMA dependiente del tiempo con respecto al pulso de voltaje de entrada. Se puede observar en el gráfico que la temperatura del cable sigue aumentando a medida que se proporciona el suministro de calor, seguido de un enfriamiento por convección durante la condición de voltaje cero. Durante el calentamiento, cuando la temperatura del cable SMA (T) cruza la temperatura de inicio de la fase austenita modificada por tensión (\(A_s^{\prime}\)), comienza a ocurrir la transformación inversa de martensita a fase austenita. En esta etapa, el cable SMA se contrae y el actuador genera la fuerza. Del mismo modo, durante el enfriamiento, cuando la temperatura del cable SMA (T) cruza la temperatura de inicio de la fase de martensita modificada por tensión (\(M_s^{\prime}\)), comienza la transformación directa de la fase austenita a martensita y la fuerza del actuador disminuye.

Los principales aspectos cualitativos del actuador bipennato basado en SMA pueden derivarse de los resultados de la simulación. En el caso de la entrada de pulsos de voltaje, la temperatura del cable SMA aumenta debido al efecto de calentamiento Joule. El valor inicial de la fracción de volumen de martensita (\(\xi\)) se establece en uno, ya que el material se encuentra inicialmente en la fase de martensita completa. A medida que el alambre se calienta continuamente, la temperatura del alambre SMA va más allá de la temperatura de inicio de la fase de austenita modificada por tensión \(A_s^{\prime}\), lo que da como resultado que la fracción de volumen de martensita disminuya como se muestra en la Fig. 4c. Además, la Fig. 4e describe la distribución temporal de la carrera del actuador y la variación de la fuerza de actuación con respecto al tiempo se muestra en la Fig. 5. El conjunto acoplado de ecuaciones que involucra temperatura, fracción de volumen de martensita y tensión desarrollada en los resultados del alambre en la contracción del cable SMA y la generación de fuerza por parte del actuador. La variación de la tensión con la temperatura y la variación de la fracción de volumen de martensita con la temperatura sigue la propiedad de histéresis del SMA en el caso de simulación de 7V como se muestra en la Fig. 4d,f.

La comparación de los parámetros de actuación se obtiene a través de experimentos y cálculos analíticos. Los cables se sometieron durante 10 s con un pulso de entrada de 7 V y luego se dejaron enfriar durante 15 s (fase de enfriamiento) durante dos ciclos. El ángulo de pennación se fijó en \(40^{\circ }\), y la longitud inicial del cable SMA en cada rama unipennate se fijó en 83 mm. (a) La fuerza de actuación se midió con una celda de carga (b) La temperatura de los cables se controló con una cámara térmica de infrarrojos.

Para comprender la influencia de los parámetros físicos en la salida de fuerza del actuador, se ha llevado a cabo el estudio de análisis de sensibilidad del modelo matemático sobre los parámetros físicos seleccionados para clasificar los parámetros en el orden de su influencia. En primer lugar, el muestreo de los parámetros del modelo se ha realizado utilizando principios de diseño experimental siguiendo una distribución uniforme (consulte la sección complementaria sobre análisis de sensibilidad). En este caso, los parámetros del modelo consisten en el voltaje de entrada (\(V_{in}\)), la longitud inicial del cable SMA (\(l_0\)), el ángulo de pennation (\(\alpha\)), la constante del resorte de polarización (\(K_x\)), coeficiente de transferencia de calor por convección (\(h_T\)) y número de ramas unipenadas (n). En el siguiente paso, se ha elegido la fuerza muscular máxima como requisito de diseño para el estudio y se obtiene la influencia paramétrica de cada conjunto de variables en la generación de fuerza. Se obtuvo un diagrama de tornado del análisis de sensibilidad en términos de coeficientes de correlación para cada parámetro, como se muestra en la Figura 6a.

(a) Los valores del coeficiente de correlación de los parámetros del modelo y su influencia en la fuerza de salida máxima para 2500 conjuntos únicos para los parámetros del modelo mencionados se muestran en un diagrama de tornado. El gráfico muestra la correlación de rango de varias métricas. Está claro que \(V_{in}\) es el único parámetro correlacionado positivamente, mientras que \(l_0\) es el más inversamente correlacionado. La influencia de varios parámetros en múltiples combinaciones sobre la fuerza muscular máxima se representa en (b, c). \(K_x\) oscila entre 400 y 800 N/m, mientras que n oscila entre 4 y 24. El voltaje (\(V_{in}\)) se modificó de 4 a 10 V, la longitud del cable (\(l_{0 }\)) se ha variado de 40 a 100 mm y el ángulo de penación (\(\alpha\)) se ha variado de \(20 - 60\,^{\circ }\).

La Figura 6a muestra el diagrama de tornado de los diversos coeficientes de correlación para cada parámetro frente al requisito de diseño de la fuerza máxima del actuador. Se puede observar en la Fig. 6a que los parámetros, el voltaje (\(V_{in}\)) está directamente relacionado con la fuerza de salida máxima, mientras que el coeficiente de transferencia de calor por convección (\(h_T\)), el ángulo de penación (\ (\alpha\)), la constante del resorte de polarización (\(K_x\)) están inversamente correlacionadas con la fuerza de salida y la longitud inicial del cable SMA (\(l_0\)) y el número de ramas unipenadas (n) muestra una fuerte correlación inversa . En caso de correlación directa, el valor más alto del coeficiente de correlación para el voltaje (\(V_{in}\)) significa que este parámetro influye más en la salida de fuerza. Se realiza otro análisis similar para medir la fuerza máxima al juzgar la influencia de varios parámetros en múltiples combinaciones de dos espacios de diseño, como se muestra en la Fig. 6b,c. \(V_{in}\) y \(l_0\), \(\alpha\) y \(l_0\) tienen patrones similares con ambos gráficos que sugieren un valor más alto de \(V_{in}\) y \( \alpha\) con el valor más bajo de \(l_0\) dando como resultado una fuerza máxima más alta. Los dos gráficos restantes están de acuerdo con la Fig. 6a, con n y \(K_x\) correlacionados negativamente mientras que \(V_{in}\) teniendo una correlación positiva. Este análisis ayuda a identificar y personalizar los parámetros influyentes a través de los cuales la fuerza de salida, la carrera y la eficiencia del sistema del actuador se pueden adaptar según los requisitos y la aplicación.

El presente trabajo de investigación introduce e investiga un actuador jerárquico con N niveles. En la jerarquía de dos etapas, como se muestra en la Fig. 7a, en la que en lugar de cada cable SMA del accionador de primer nivel, se ha implementado la disposición bipenada como se muestra en la Fig. 9e. La Figura 7c ilustra cómo los cables SMA se entrelazan con el brazo móvil (brazo secundario) que se mueve solo en su dirección longitudinal. Sin embargo, el brazo móvil principal continúa moviéndose de la misma manera que el brazo móvil del actuador jerárquico de 1er nivel. En general, el actuador de nivel N se crea sustituyendo los cables SMA del actuador de nivel \(N-1\) con el actuador de primer nivel. Como resultado, cada rama imita al actuador de primer nivel, excluyendo la rama que sujeta el cable. De esta manera, se puede formar una estructura anidada, que genera una fuerza varias veces a la generada por el actuador de primer nivel. En el presente estudio, se consideró un total de 1 m de longitud activa de cable SMA para cada nivel, como se muestra en formato tabular en la Fig. 7d. La corriente que pasó a través de cada cable en cada estructura unipennada, junto con el preesfuerzo, así como el esfuerzo desarrollado en cada segmento de cable SMA, fue el mismo en cada nivel. Según nuestro modelo analítico, la fuerza de salida se correlacionó positivamente con el nivel de la jerarquía y el desplazamiento se correlacionó inversamente. Mientras tanto, se observó una compensación entre el desplazamiento y la fuerza muscular. Como se observa en la Fig. 7b, mientras que la fuerza máxima se obtuvo para el mayor número de niveles de jerarquía, el desplazamiento máximo se observó en el nivel más bajo. Se detectó una fuerza muscular máxima de 2,58 kN cuando el nivel de jerarquía se ajustó a \(N=5\) donde se observó una carrera de 2 \(\upmu\)m. Por otro lado, el actuador de primer nivel produjo una fuerza de 150 N con una carrera de 277 \(\upmu\)m. El actuador jerárquico logra imitar un músculo biológico real, donde el músculo artificial basado en una aleación con memoria de forma es capaz de generar una fuerza significativamente mayor con un golpe más preciso y fino. La limitación de este diseño para la miniaturización es que con un nivel de jerarquía más alto, la carrera se ha reducido significativamente junto con el aumento de las complicaciones durante la fabricación del actuador.

(a) Un sistema de accionamiento lineal jerárquico de dos etapas (\(N=2\)) basado en una aleación con memoria de forma se representa en una configuración bipenada. El modelo sugerido se implementa al reemplazar los cables SMA en el actuador jerárquico de primer nivel con otro actuador jerárquico de una sola etapa. (c) representa la configuración deformada del actuador jerárquico de segundo nivel. (b) Se ha representado la distribución de fuerza y ​​desplazamiento en función del número de niveles de jerarquía. Se ha encontrado que la fuerza máxima del actuador está relacionada positivamente con el nivel de jerarquía en el gráfico, mientras que se ha demostrado que la carrera está inversamente correlacionada con el nivel de jerarquía. A lo largo de todos los niveles, la corriente y el pretensado en cada cable se mantuvieron constantes. (d) La tabla ilustra el número de ramas en cada nivel y la longitud de los cables SMA (fibras). Las características del cable se indican con el subíndice 1 y el número de brazos secundarios (uno conectado al brazo principal) se indica con el número máximo en el subíndice. Por ejemplo, en el nivel 5, \(n_1\) se refiere a la cantidad de cables SMA presentes en cada estructura bipinnada, mientras que \(n_5\) se refiere a la cantidad de brazos secundarios (uno unido al brazo principal).

Numerosos investigadores han propuesto varios enfoques para modelar el comportamiento de la memoria de forma de SMA que depende de las propiedades termomecánicas acompañadas de cambios en la estructura cristalina macroscópica asociada con las transformaciones de fase. La formulación del derecho constitutivo es de naturaleza compleja. El modelo fenomenológico más utilizado fue el propuesto por Tanaka28, que se utilizó ampliamente para aplicaciones de ingeniería. El modelo fenomenológico propuesto por Tanaka28 asume la fracción de volumen de martensita como una función exponencial de la temperatura y la tensión. Más tarde, Liang y Rogers29 y Brinson30 propusieron un modelo en el que se suponía que la cinética de transformación de fase era una función coseno de la tensión y la temperatura con pocas modificaciones al modelo. Bekker y Brinson31 propusieron un modelo cinético basado en un diagrama de fase para simular el comportamiento del material SMA para condiciones de carga arbitrarias y también para transformación parcial. Banerjee32 adoptó el enfoque cinético basado en diagramas de fase de Bekker y Brinson31 para simular el manipulador de un solo grado de libertad desarrollado por Elahinia y Ahmadian33. El enfoque cinético basado en diagramas de fase que considera la variación no monótona de la tensión con la temperatura es complejo de implementar para aplicaciones de ingeniería. Estas deficiencias en los modelos fenomenológicos existentes fueron abordadas por Elahinia y Ahmadian34 y se propuso un modelo fenomenológico mejorado para analizar y determinar el comportamiento de la memoria de forma en cualquier condición de carga compleja.

El modelo constitutivo del cable SMA proporciona una relación entre la tensión (\(\sigma\)), la deformación (\(\epsilon\)), la temperatura (T) y la fracción de volumen de martensita (\(\xi\)) del cable SMA. El modelo constitutivo fenomenológico fue propuesto por primera vez por Tanaka28 y posteriormente adoptado por Liang29 y Brinson30. La forma derivada de la ecuación se da de la siguiente manera:

donde E es el módulo de Young dependiente de la fase de SMA, se obtiene usando \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) , \(E_A\) y \(E_M\) representa el módulo de Young de fase austenita y martensita respectivamente, mientras que el factor de expansión térmica está representado por \(\theta _T\). El factor de contribución de transformación de fase es \(\Omega = -E \epsilon _L\), y \(\epsilon _L\) es la deformación máxima recuperable en el cable SMA.

Las ecuaciones de cinética de fase son las mismas funciones coseno desarrolladas por Liang29 y luego adoptadas por Brinson30 en lugar de la función exponencial propuesta por Tanaka28. El modelo de transformación de fase es un modelo mejorado presentado por Elahinia y Ahmadian34 con modificaciones a las condiciones de transformación de fase proporcionadas por Liang29 y Brinson30. Las condiciones utilizadas para este modelo de transformación de fase funcionan eficazmente bajo cargas termomecánicas complejas. En cada instante de tiempo se calcula el valor de la fracción volumétrica de martensita mientras se simula la ecuación constitutiva.

Transformación inversa (martensita a austenita)

La ecuación rectora de la transformación inversa representada por el cambio de fase de martensita a austenita durante la condición de calentamiento viene dada por:

donde \(\xi\) es la fracción de volumen de martensita, \(\xi _M\) es la fracción de volumen de martensita alcanzada antes del calentamiento, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f - A_s)\), \(\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) y \(C_A\) son parámetros de ajuste de curvas, T es la temperatura del alambre SMA, \(A_s\) y \(A_f\) son las temperaturas de inicio y finalización de la fase austenítica, respectivamente.

Transformación directa (austenita a martensita)

La ecuación rectora de la transformación directa representada por el cambio de fase de austenita a martensita durante la condición de enfriamiento está dada por:

donde \(\xi _A\) es la fracción de volumen de martensita alcanzada antes del enfriamiento, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s - M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) y \(C_M \) son parámetros de ajuste de curvas, T es la temperatura del cable SMA, \(M_s\) y \(M_f\) son las temperaturas de inicio y finalización de la martensita, respectivamente.

Al diferenciar las ecuaciones (3) y (4), las ecuaciones de transformación directa e inversa se reducen a la siguiente forma:

Durante las transformaciones directa e inversa, \(\eta _{\sigma }\) y \(\eta _{T}\) asumen valores diferentes. Las ecuaciones gobernantes relacionadas con \(\eta _{\sigma }\) y \(\eta _{T}\) han sido derivadas y discutidas en detalle en la sección complementaria.

La energía térmica necesaria para aumentar la temperatura del cable SMA se obtiene a través del efecto de calentamiento Joule. La energía térmica absorbida o liberada en el cable SMA está representada por el calor latente de transformación. La pérdida de calor en el cable SMA se debe a la convección forzada y considerando que los efectos de la radiación son insignificantes, la ecuación del balance de energía térmica es la siguiente:

donde \(m_{wire}\) es la masa total del cable SMA, \(c_{p}\) es la capacidad calorífica específica del SMA, \(V_{in}\) es el voltaje aplicado a través del cable, \(R_{ohm}\) es la resistencia dependiente de fase de SMA dada por; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) con \(r_M\) y \(r_A\) como resistividad de SMA en martensita y austenita respectivamente, \(A_{c}\) es el área de superficie curva del alambre SMA, \(\Delta H\) es el calor latente de transformación de los alambres de aleación con memoria de forma, T y \(T_{\infty }\) representan los valores de temperatura del cable SMA y el entorno ambiental respectivamente.

Cuando se accionan los alambres de aleación con memoria de forma, los alambres se contraen produciendo una fuerza en cada rama de la disposición bipenada, conocida como fuerza de fibra. La fuerza de la fibra en cada rama del cable SMA genera colectivamente una fuerza muscular para la actuación, como se muestra en la Fig. 9e. Debido a la presencia del resorte de polarización, la fuerza muscular total del actuador jerárquico de nivel N se da de la siguiente manera:

Sustituyendo, \(N = 1\), en la ecuación (7), la fuerza muscular para un prototipo de actuador bipenado de primer nivel se puede obtener como:

donde n es el número de ramas unipennadas, \(F_m\) es la fuerza muscular generada por el actuador, \(F_f\) es la fuerza de la fibra en el cable SMA, \(K_x\) es la rigidez del resorte de polarización, \(\alpha\) es el ángulo de pennation, \(x_0\) es el desplazamiento inicial del resorte de polarización para mantener los cables SMA en la disposición de tensión previa, \(\Delta x\) es la carrera del actuador .

El desplazamiento total o carrera (\(\Delta x\)) del actuador en función de la tensión inducida (\(\sigma\)) y la tensión desarrollada (\(\epsilon\)) en el cable SMA para un N-ésimo nivel El actuador está dado por (consulte la sección complementaria para la derivación):

Sustituyendo, \(N=1\), en la ecuación (9), la carrera para un actuador bipenado se da como:

La ecuación cinemática da la relación entre la tensión (\(\epsilon\)) y el desplazamiento o carrera (\(\Delta x\)) del actuador. La tensión en el cable SMA en función de la longitud inicial del cable SMA (\(l_0\)), y la longitud del cable (l ) en cualquier momento t en una sola rama unipeniforme se da de la siguiente manera:

donde \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 - 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) se obtiene aplicando la fórmula del coseno en \(\Delta\)ABB' , como se muestra en la Fig. 8. Para el actuador de 1er nivel (\(N = 1\)), las variables \(\Delta x_1\) es \(\Delta x\) y \(\alpha _1\) es el \(\alpha\) como se muestra en la Fig. 8. Al derivar la ecuación (11) con respecto al tiempo y sustituir el valor de l, la velocidad de deformación se puede escribir de la siguiente manera:

Generalizando la velocidad de deformación para el actuador de nivel N, la ecuación se modifica de la siguiente manera:

donde \(l_0\) es la longitud inicial del cable SMA, l es la longitud del cable en cualquier momento t en una sola rama unipennada y \(\epsilon\) es la tensión desarrollada en el cable SMA, \(\ alpha\) es el ángulo de pennation y \(\Delta x\) es el desplazamiento del actuador (como se ilustra en la Fig. 8).

Todas las n estructuras unipenadas (\(n=6\) en esta figura) se han conectado en serie con \(V_{in}\) como voltaje de entrada. Etapa I: esquema de cables SMA en una configuración bipenada bajo condición de voltaje cero; Etapa II: representa la estructura bajo actuación donde los cables SMA se han contraído debido a la transformación inversa representada por líneas rojas.

Como prueba de concepto, se desarrolla un actuador bipenado basado en SMA para validar el resultado de la simulación de las ecuaciones gobernantes con los resultados experimentales. El modelo CAD del actuador lineal bipenado se muestra en la Fig. 9a. Por otro lado, la Fig. 9c muestra un diseño novedoso propuesto para una articulación prismática de revolución que utiliza un actuador basado en SMA biplanar con arquitectura bipenniforme. Los componentes del actuador se fabricaron mediante fabricación aditiva con la ayuda de la impresora 3D Ultimaker 3 Extended. El material utilizado para la impresión 3D de los componentes es el policarbonato, ya que es resistente, fuerte y tiene una temperatura de transición vítrea alta (110-113 \(^{\circ }\) C), lo que lo hace adecuado para un tratamiento térmico. material resistente Además, los alambres de aleación con memoria de forma usados ​​para la experimentación son alambres actuadores Flexinol de Dynalloy, Inc, y las propiedades del material correspondientes a los alambres Flexinol se usan en la simulación. La pluralidad de cables SMA está dispuesta en forma de fibras presentes en una disposición de músculo bipeniforme para obtener una gran fuerza producida por el accionador jerárquico, como se muestra en las Fig. 9b, d.

El ángulo agudo formado por los cables SMA con brazo móvil se denomina ángulo de penning (\(\alpha\)) como se muestra en la Fig. 9a. Los cables SMA se mantuvieron en el ángulo bipenado requerido con la ayuda de terminales engarzados conectados a los accesorios izquierdo y derecho. La disposición de resorte de polarización que se sujeta a un conector de resorte está diseñada de tal manera que se pueden ajustar diferentes conjuntos de alargamiento del resorte de polarización dependiendo del número (n) de fibras SMA. Además, la disposición del subconjunto móvil está diseñada de tal manera que los cables SMA están expuestos al ambiente exterior para su enfriamiento bajo la acción de la convección forzada. Las placas superior e inferior del subconjunto móvil pueden ayudar a enfriar los cables SMA a través de los cortes extruidos diseñados para reducir el peso. Además, los dos extremos del cable SMA se fijan a los accesorios izquierdo y derecho respectivamente con la ayuda de terminales engarzados. Se sujeta un émbolo a un extremo del subconjunto móvil para mantener el espacio entre las placas superior e inferior. El émbolo también sirve para ejercer la fuerza de bloqueo sobre el transductor a través del contacto para medir la fuerza de bloqueo cuando se activan los cables SMA.

La arquitectura del músculo bipenniforme de la SMA está conectada eléctricamente en serie y recibe un voltaje pulsado de entrada. En un ciclo de pulso de voltaje, cuando se suministra voltaje y los cables SMA se calientan por encima de la temperatura inicial de austenita, la longitud del cable en cada rama se contrae. Esta contracción da como resultado el accionamiento del subconjunto de brazo móvil. Cuando el voltaje se establece en cero en el mismo ciclo, el cable SMA calentado se enfría por debajo de la temperatura de acabado de martensita, lo que lleva a la restauración a la posición original. En condiciones de voltaje cero, los cables SMA se extienden inicialmente de forma pasiva con la ayuda de un resorte de polarización para alcanzar el estado de martensita desdoblada. Con la contracción debido al calentamiento al pasar el pulso de voltaje a los cables SMA (el SMA alcanza la fase austenita), los tornillos a través de los cuales se enrollan los cables SMA se mueven, lo que resulta en la actuación del brazo móvil. Cuando los cables SMA se contraen, la disposición del resorte de polarización genera una fuerza en la dirección inversa mediante un mayor alargamiento del resorte. Cuando el voltaje llega a ser cero en el voltaje pulsado, los hilos SMA se alargan al enfriarse por convección forzada y cambia su forma alcanzando la fase de martensita maclada.

Sistema de actuación lineal basado en SMA propuesto con una configuración bipenada, donde los cables SMA se han dispuesto oblicuamente. (a) representa el modelo CAD del prototipo con algunos de los componentes mencionados junto con sus valores utilizados para el prototipo, (b, d) representa el prototipo de prueba de concepto desarrollado35. Mientras que (b) ilustra la vista superior del prototipo con conexión eléctrica y resortes de polarización junto con la celda de carga utilizada, mientras que (d) muestra la vista en perspectiva de la configuración. (e) Esquema del sistema de accionamiento lineal con cables SMA en una disposición bipenada en cualquier momento t, que muestra la dirección de las fuerzas de las fibras y los músculos, así como la carrera. (c) Se ha propuesto una articulación prismática de revolución de 2 grados de libertad que implementa actuadores biplanares basados ​​en SMA. Como se muestra en el diagrama, el eslabón de conexión transfiere el movimiento lineal del actuador inferior al brazo superior, lo que da como resultado una articulación giratoria. El movimiento del par prismático, por otro lado, es idéntico al del actuador jerárquico de 1er nivel.

El prototipo representado en la Fig. 9b se investiga experimentalmente para evaluar el rendimiento del actuador bipenado basado en SMA. La configuración experimental, como se muestra en la Fig. 10a, consta de una fuente de alimentación de CC programable para proporcionar voltaje de entrada a los cables SMA. Como se ilustra en la Fig. 10b, se usa una celda de carga piezoeléctrica (PACEline CFT/5kN) para medir la fuerza bloqueada usando un registrador de datos Graphtec GL-2000. Los datos son registrados por una computadora anfitriona para futuras investigaciones. Se requiere una fuente de alimentación constante para que la celda de carga y el amplificador de carga obtengan la señal de voltaje. La señal correspondiente se convierte en salida forzada en función de la sensibilidad y otros parámetros del transductor de fuerza piezoeléctrico, como se menciona en la Tabla 2. La temperatura del cable SMA aumenta cuando se aplica un pulso de voltaje, lo que provoca la contracción del cable SMA, lo que lleva a la generación de fuerza del actuador. El resultado experimental de la salida de fuerza muscular para un pulso de voltaje de entrada de 7V se muestra en la Fig. 2a.

(a) El sistema de actuación lineal basado en SMA se configuró en un experimento para medir la fuerza generada por el actuador. Una celda de carga mide la fuerza del bloque y está alimentada por una fuente de alimentación constante de 24 V. Se aplica una diferencia de voltaje de 7 V en toda la longitud del cable utilizando una fuente de alimentación de CC programable GW Instek. El cable SMA se contrae como resultado del calentamiento y el brazo móvil entra en contacto con la celda de carga ejerciendo una fuerza bloqueada. La celda de carga se conecta al registrador de datos GL-2000 y los datos se guardan en la computadora host para su procesamiento posterior. (b) Un esquema que muestra el circuito de los componentes de la configuración experimental de medición de la fuerza muscular.

La aleación con memoria de forma se estimula con energía térmica y, por lo tanto, la temperatura se convierte en un parámetro importante para estudiar el fenómeno del efecto de memoria de forma. Experimentalmente, la imagen térmica y la medición de la temperatura del prototipo de actuador bipenado basado en SMA se ha realizado como se ilustra en la Fig. 11a. Una fuente de alimentación de CC programable proporciona un voltaje de entrada a los cables SMA en el arreglo experimental, como se muestra en la Fig. 11b. La variación de temperatura de los cables SMA se mide en tiempo real con una cámara LWIR de grado científico de alta resolución (FLIR A655sc). Una computadora host registra los datos utilizando el software ResearchIR para su posterior procesamiento posterior. Cuando se aplica un pulso de voltaje, la temperatura del cable SMA aumenta, lo que provoca que el cable SMA se contraiga. La Figura 2b muestra el resultado experimental de la temperatura del cable SMA dependiente del tiempo para un pulso de voltaje de entrada de 7V.

(a) El sistema de actuación lineal basado en SMA se configuró en un experimento para monitorear la temperatura del cable SMA del actuador. Se aplica una diferencia de voltaje de 7 V en toda la longitud del cable utilizando una fuente de alimentación de CC programable GW Instek. El actuador se mantiene en el plano focal de la cámara de infrarrojos térmicos FLIR A655sc para monitorear con precisión los cables SMA muy juntos. (b) Un esquema que muestra el circuito de los componentes de la configuración experimental de imágenes térmicas.

Este documento presentó un innovador actuador jerárquico basado en una aleación con memoria de forma que comprende cables SMA dispuestos en forma de fibras presentes en el tejido muscular bipenniforme. La ventaja biológica de usar músculo pennado es que las fibras presentes están inclinadas oblicuamente a la línea de acción del músculo, lo que permite que la fuerza de la fibra se acople a la fuerza muscular de nivel macro, lo que lleva a una mayor producción de fuerza. Además, la rigidez del actuador jerárquico se rige colectivamente por el cambio en la longitud del cable SMA, el ángulo de pennación, el número de ramas, la tensión desarrollada atribuyéndose a las características de rigidez variable. Se desarrolló un modelo matemático para el actuador bipenado basado en SMA junto con un modelo competente de Simulink para resolver el conjunto de ecuaciones de gobierno implícitas del actuador. El modelado matemático fue seguido por el desarrollo de prototipos. Se fabricó el prototipo del actuador y se realizaron los experimentos para medir la fuerza generada por el actuador. Los datos experimentales fueron consistentes con los resultados de la simulación, validando así la efectividad del modelo matemático para definir la física del actuador y estimar la fuerza generada por el sistema.

El trabajo de investigación actual está motivado en parte por la creciente demanda de la industria de los actuadores y presentó un principio de conducción novedoso distinto del electromagnetismo que ofrece una alternativa a los actuadores convencionales integrados con mecanismos de engranajes. El actuador de aleación con memoria de forma basado en músculo bipenado tiene amplias aplicaciones que van desde controles de automatización de edificios hasta métodos precisos de administración de fármacos. La presente invención también satisface la necesidad de actuadores en el estudio que implica la formación de imágenes por resonancia magnética, ya que la formación de imágenes es muy susceptible al ruido electromagnético generado por los motores basados ​​en bobinas convencionales. Además, este actuador también se puede manifestar en una articulación prismática de revolución de dos grados de libertad, que se puede utilizar en manipuladores robóticos y aplicaciones relacionadas. El sistema desarrollado también puede actuar como actuador jerárquico de rigidez variable. El uso del producto propuesto fomentará tasas de utilización más altas para una banda ancha de fuerza de agarre y, por lo tanto, una mejor relación costo-beneficio. Como parte del desarrollo futuro, se diseñarán e implementarán diferentes paquetes envolventes y circuitos controladores para obtener la optimización del tamaño y la potencia. El tamaño del actuador se puede optimizar aún más al reducir el espacio entre dos ramas consecutivas o al organizar la arquitectura bipenada en pilas verticales. Estas mejoras permitirán una mayor fuerza de salida de un actuador de tamaño compacto. El enfoque biomímico actual también se puede utilizar para desarrollar un movimiento giratorio para aplicaciones de par medio a alto, así como un sistema de agarre de fuerza variable bioinspirado con aplicación potencial en robótica móvil.

Todos los datos relevantes están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable, y/o están incluidos en el artículo principal y la información complementaria.

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Descargar referencias

Este trabajo de investigación ha sido parcialmente financiado por Portescap India Pvt. Ltd. a través de una subvención de Responsabilidad Social Corporativa (RSC) (Número de proyecto: PIPL/DORA/2020022). Los autores desean agradecer al Prof. C. Chandraprakash (ME, IIT Kanpur) por otorgar acceso para operar una cámara LWIR para el experimento de imágenes térmicas. Los autores también agradecen a Abhishek Kumar Singh y P Mani Kumar, quienes brindaron conocimientos y experiencia que fueron de gran ayuda para la investigación.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto Indio de Tecnología Kanpur, Kanpur, 208016, India

Kanhaiya Lal Chaurasiya, A. Sri Harsha, Yashaswi Sinha y Bishakh Bhattacharya

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BB concibió la idea, supervisó y coordinó la investigación. KLC diseñó el estudio y desarrolló la metodología. KLC, ASH e YS desarrollaron el modelo matemático. KLC y ASH fabricaron el prototipo. KLC, ASH y YS realizaron los experimentos y realizaron la simulación. KLC y YS analizaron los datos. Todos los autores participaron en la redacción del artículo y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Bishakh Bhattacharya.

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Chaurasiya, KL, Harsha, AS, Sinha, Y. et al. Diseño y desarrollo de un actuador jerárquico no magnético alimentado por un músculo bipenado basado en una aleación con memoria de forma. Informe científico 12, 10758 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14848-w

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Recibido: 02 febrero 2022

Aceptado: 13 junio 2022

Publicado: 24 junio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14848-w

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