I. Giới thiệu về hợp kim nhớ hình
Hợp kim nhớ hình (SMA) là một nhóm hợp kim kim loại có khả năng 'nhớ' hình dạng hoặc kích thước cụ thể trước khi bị biến dạng thông qua quá trình gia nhiệt. Quá trình này diễn ra thông qua sự chuyển đổi pha phụ thuộc vào nhiệt độ giữa hai cấu trúc tinh thể, pha austenite ở nhiệt độ cao và pha martensite ở nhiệt độ thấp. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng nhớ hình. Pha austenite cứng hơn và có mô đun Young cao hơn, trong khi pha martensite mềm hơn và dễ uốn hơn. Khi ở pha martensite, SMA có thể dễ dàng kéo dài bằng cách áp dụng một lực bên ngoài nhỏ. Để phục hồi chiều dài ban đầu, hợp kim cần được gia nhiệt vượt quá một nhiệt độ nhất định, dẫn đến sự co lại và chuyển đổi thành cấu trúc austenite. Việc gia nhiệt SMA có thể thực hiện thông qua quá trình gia nhiệt Joule, sử dụng dòng điện để làm nóng vật liệu. Trong số các loại SMA đã được phát hiện, hợp kim nhớ hình NiTi, hay còn gọi là Nitinol, đã chứng minh được tính linh hoạt và thành công nhất trong các ứng dụng kỹ thuật.
II. Ưu điểm và hạn chế của hợp kim nhớ hình
Hợp kim nhớ hình mang lại nhiều lợi thế khi được sử dụng làm cơ chế truyền động. Đầu tiên, tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao là một trong những ưu điểm nổi bật. Nghiên cứu của Ikuta cho thấy rằng ở trọng lượng thấp (dưới 100 g), các bộ truyền động SMA cung cấp tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao nhất. Điều này làm cho các bộ truyền động SMA trở thành lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng yêu cầu lực lớn trong không gian hạn chế. Thứ hai, SMA hoạt động êm ái và không gây ô nhiễm, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng y tế và robot. Tuy nhiên, SMA cũng có một số hạn chế, bao gồm tốc độ phản hồi chậm và độ chính xác thấp. Những nhược điểm này đã được nhiều nhà nghiên cứu theo đuổi nhưng chưa được giải quyết hoàn toàn. Do đó, việc phát triển các mô hình và thuật toán điều khiển hiệu quả cho SMA là rất cần thiết.
III. Mục tiêu nghiên cứu và phương pháp tiếp cận
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là phát triển một mô hình phù hợp cho động lực học của SMA và cải thiện hiệu suất của nó thông qua các thuật toán điều khiển hiệu quả. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc bù trừ độ trễ và phi tuyến tính của SMA bằng cách sử dụng các chiến lược điều khiển thích ứng, bao gồm điều khiển PID tối ưu hóa và điều khiển chế độ trượt. Ngoài ra, việc áp dụng SMA vào các ứng dụng thực tiễn như xi lanh điện và robot leo trèo cũng sẽ được nghiên cứu. Các phương pháp như mạng nơ-ron nhân tạo và bộ lọc Kalman sẽ được sử dụng để ước lượng trạng thái của SMA, từ đó cải thiện độ chính xác và khả năng điều khiển. Kết quả của nghiên cứu sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về khả năng ứng dụng của SMA trong các lĩnh vực khác nhau.
IV. Mô hình hóa và điều khiển bộ truyền động SMA
Mô hình hóa động lực học của bộ truyền động SMA là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Việc xây dựng mô hình toán học cho hệ thống SMA sẽ giúp hiểu rõ hơn về hành vi của nó trong các điều kiện khác nhau. Các phương pháp như xác định hệ thống bằng mạng nơ-ron nhân tạo và tối ưu hóa thông qua thuật toán bầy đàn sẽ được áp dụng để cải thiện độ chính xác của mô hình. Kết quả từ việc so sánh mô hình toán học với mô hình thực tế cho thấy sự phù hợp cao, cho phép áp dụng các thuật toán điều khiển hiệu quả. Các chiến lược điều khiển như điều khiển PID và điều khiển chế độ trượt sẽ được phát triển để bù trừ cho độ trễ và phi tuyến tính của SMA, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của bộ truyền động.
V. Ứng dụng thực tiễn của bộ truyền động SMA
Bộ truyền động SMA đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ y tế đến robot. Một trong những ứng dụng nổi bật là thiết kế xi lanh điện sử dụng lò xo SMA, cho phép điều khiển chính xác vị trí và lực. Xi lanh SMA có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và hoạt động êm ái. Ngoài ra, robot leo trèo sử dụng công nghệ bám dính gecko cũng được nghiên cứu, trong đó SMA được sử dụng như một cơ bắp nhân tạo. Việc sử dụng SMA giúp giảm trọng lượng của robot và cải thiện khả năng hoạt động trong không gian hạn chế. Những ứng dụng này không chỉ chứng minh tính khả thi của SMA mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu và phát triển trong tương lai.
