形狀記憶觸覺執行器
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-08
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形狀記憶合金（SMA）能夠在發生大變形后不產生殘余應變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。偽彈性和形狀記憶效應使其特別適用于航空航天、生物醫學和結構工程等領域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創建靜力結構系統。定義形狀記憶合金的材料屬性（表 1）。
表 1. 脊柱間隔器材料屬性
2、導入幾何模型。脊柱間隔器植入物的幾何形狀如圖 1 所示。由于對稱性，僅創建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對幾何體進行網格劃分。
圖 1. 四分之一間隔器幾何模型示意圖
3、定義分析設置和邊界條件。共創建六個分析步。
3.1 第一步，在剛性板上施加-3.375mm 的位移以壓縮脊柱間隔器；第二步開始時，移除位移，使間隔器可以自由變形。
3.2 從第三步開始施加熱載荷，溫度從23.85℃ 升高到 37.85℃。在此期間，由于未發生相變，間隔器的形狀保持不變。第四步，溫度從 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未發生主要的相變，計算再次快速收斂。第五步，溫度升高到 51.85℃，收斂速度變慢，大部分形狀恢復發生在此步中。第六步，將溫度冷卻至 37.85℃，間隔器的形狀保持不變。
圖 2. 溫度條件示意圖
4、運行仿真。不同溫度下間隔器的變形和應力云圖如圖3所示。
圖 3.
展開 形狀記憶合金（SMA）能夠在發生大變形后不產生殘余應變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。偽彈性和形狀記憶效應使其特別適用于航空航天、生物醫學和結構工程等領域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創建靜力結構系統。定義形狀記憶合金的材料屬性（表 1）。
表 1. 脊柱間隔器材料屬性
2、導入幾何模型。脊柱間隔器植入物的幾何形狀如圖 1 所示。由于對稱性，僅創建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對幾何體進行網格劃分。
圖 1. 四分之一間隔器幾何模型示意圖
3、定義分析設置和邊界條件。共創建六個分析步。
3.1 第一步，在剛性板上施加-3.375mm 的位移以壓縮脊柱間隔器；第二步開始時，移除位移，使間隔器可以自由變形。
3.2 從第三步開始施加熱載荷，溫度從23.85℃ 升高到 37.85℃。在此期間，由于未發生相變，間隔器的形狀保持不變。第四步，溫度從 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未發生主要的相變，計算再次快速收斂。第五步，溫度升高到 51.85℃，收斂速度變慢，大部分形狀恢復發生在此步中。第六步，將溫度冷卻至 37.85℃，間隔器的形狀保持不變。
圖 2. 溫度條件示意圖
4、運行仿真。不同溫度下間隔器的變形和應力云圖如圖3所示。
圖 3.
展開 四維打印（4D打印）技術是基于形狀記憶材料的3D打印。顯然，在給定的環境條件下，4D 打印部件具有隨時間（第四維度）改變形狀的能力。隨著形狀記憶聚合物材料的不斷發展，產品設計行業中的新 4D 打印應用有望增長。研究人員將 4D 技術引入正畸矯正器的制造中。
圖 1：定制的錯字牙 (T) 第21顆為錯位牙、4D 打印的矯正器 (A) 和灰色夾板 (S)用于調整矯正器
研究材料、方法和結果
首先，研究人員使用樹脂和丙烯酸牙齒制作了一個定制的牙齒模型。左上中切牙（第 21 顆牙齒）為錯位牙，總錯位為 3 mm，并通過嵌入模型中的粉色蠟中可以實現活動，而其他牙齒則由樹脂固定（圖 1）。
然后，研究小組利用一臺標準的Asiga Max 3D打印機和ClearX樹脂，這種樹脂號稱是 "變型矯正器 "的理想材料，制造了六副4D打印矯正器。
這些矯正器被應用于帶有錯位牙齒的模型上，并浸泡在熱水中。在這個過程中，錯位牙齒周圍的蠟變軟了，允許它被矯正器塑形，之后被冷卻以捕捉數據結果。（具體的流程更加復雜，感興趣請閱讀論文原文。）
結果表明，形狀記憶矯正器成功地實現了牙齒 21 的顯著移動，并且在正畸測量和模擬系統 （ OMSS ）中也測量了一致的移動。但沒有達到3.00mm的移動對齊目標，僅實現了 2.06-2.82 毫米。盡管如此，結果還是令人滿意的，一個形狀記憶矯正器實現的錯牙移動量幾乎等于 10 個傳統矯正器可以實現的移動量。
目前，4D打印矯正器還處于科研階段，尚未進行臨床試驗，期待早日被商業化應用。
展開 采用PMX測控系統對形狀記憶觸覺執行器進行研究
執行器可以幫助人們更安全地操作機器和設備。將事故風險降至最低。比如形狀記憶觸覺信息系統在汽車中的應用。
形狀記憶合金（SMA）可以作為無噪音和輕量化的小型驅動器在極小空間中運行。盡管尺寸很小，但這些驅動器的功率密度是所有已知驅動器中最高的。
作為一個走心的形狀觸覺系統解決方案，首先我們來了解下
——
什么是形狀記憶效應？
圖1 形狀記憶效應原理
形狀記憶元件在馬氏體狀態下發生機械變形，如超過臨界應力，會以穩定的狀態出現高延伸率（高達約8%）。如果隨后溫度升高，由馬氏體轉變為奧氏體狀態時，則會發生形狀記憶元件的重塑。這個過程是遲滯和可逆的 [1]。如圖1所示，通過電加熱，形狀記憶元件可以在狀態1和2之間來回切換。在材料轉換過程中，可以檢測到電阻的顯著變化。
FG線驅動器通常由鎳鈦合金組成，在連續操作中可產生400兆帕的最大拉應力，一次操作時可產生800兆帕的最大拉應力[2]。例如，一根1g自重的FG線可以移動5000g的負載。由于上述特性，通過形狀記憶效應可以設計出非常輕巧和緊湊的觸覺元件。
圖2 基于FGL的執行器
圖2展示了弓形FG驅動器。鉸鏈式FG線兩端通過機械裝置夾緊，中間部分與執行機構連接。
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建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創建靜力結構系統
導讀：對于想矯正牙齒的年輕人或者學生，越來越多的人會為了美觀而選擇隱形矯正器（透明牙套），牙科診所一般會為客戶量身定做幾十副牙套，每1-2個星期戴一副，逐漸調整牙齒角度和位置，最終實現牙齒矯正。但是，因為要戴幾十副牙套，不免有些麻煩和浪費。那么有沒有更好的技術方案呢？
2022年2月11日，南極熊獲悉，來自德國、埃及和阿聯酋的研究人員開發了一種新型的4D打印透明牙齒矯正器，與目前市場上的矯正器不同
采用PMX測控系統對形狀記憶觸覺執行器進行研究
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形狀記憶合金（SMA）可以作為無噪音和輕量化的小型驅動器在極小空間中運行。
