哈尔滨工业大学科研人员发表形状记忆合金执行器的研究综述

阅读提示：本文约 3900 字，建议收藏后阅读！

智能材料家族中的形状记忆合金（SMA）具有独特的形状记忆效应、超弹性、高阻尼、自感知和生物相容等特性。形状记忆合金执行器（SMAA）具有高功重比、高应变应力、高驱动频率和高设计自由度等特点，目前在航空航天、机器人、生物医疗、汽车自动化和信息电子领域已经开展了相关的理论研究和应用设计工作。基于形状记忆合金执行器的新型现代驱动技术与传统基于电磁、气动和液压原理的技术相比，在某些领域和应用场景下具有高功率密度、高精度和低成本的优势，因此形状记忆合金执行器工程应用前景和潜力较大。

然而形状记忆合金执行器的本体设计、系统建模和控制涉及多学科的理论分析和设计思想，目前还没有发展出综合性的设计理论，因此哈尔滨工业大学电驱动与电推进技术教育部重点实验室、上海航天智能装备有限公司的徐殿国、白凤强、张相军、杨世华、顾吉祥，在2022年第20期《电工技术学报》上撰文，总结归纳和分析了形状记忆合金执行器理论研究和应用发展的现状和趋势，进一步探索了形状记忆合金执行器综合设计理论，为形状记忆合金执行器今后发展综合设计理论提供参考，并为形状记忆合金执行器相关领域的科研人员提供理论研究和实际应用的参考。

先进材料技术作为高新科技的核心之一，是国家核心竞争力的体现。第四代材料中智能材料是现代高新技术新材料研究发展中最活跃和最先进的方向，其不仅促进功能材料和结构材料的融合发展，而且能够促进智能化机电设备研究应用的发展。

智能材料通常指具有感知、驱动、响应、诊断、修复或适应特性的材料，主要包括形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料、电致伸缩材料和智能高分子材料等。形状记忆合金（SMA）属于形状记忆材料中金属类，它具有在特定的外界激励条件下如热或磁激励的情况下记忆或者保留原来形状的能力。选用智能材料作为驱动材料时，形状记忆合金与其他类型智能材料相比，驱动应力、驱动应变、驱动频率、能量密度和功重比等关键性能指标均较高，适合高功率密度、高功重比、高驱动力和大行程执行器的应用场景。

形状记忆合金执行器（SMAA）与传统基于电磁、气动和液压原理的执行器相比，结构简单、功重比大、无噪声（电磁噪声），同时具有自感知功能、低压驱动、轻量化、小型化、结构多样化等特点。经过学界和工业界多年的探索和应用，目前在某些特殊领域已经得到应用，形状记忆合金执行器不仅能够在功能上替代和性能上超越传统执行器，而且可以有效降低执行器的制造和使用成本，尤其是在高功重比、轻量小型化执行器的应用领域。

形状记忆合金执行器具有广阔的应用前景，如在航空航天、机器人、生物医疗、汽车自动化和信息电子领域内具有特殊需求的场合。尽管目前国内外有很多以形状记忆合金执行器作为执行器的机电结构，文章发表和专利申请数量逐年递增，各国也相继开展了大量的立项研究工作，但真正能够应用于实际系统中的设计却十分有限，不能完全发挥形状记忆合金执行器的优良特性，主要原因是形状记忆合金执行器的理论和应用涉及多学科的理论分析和综合设计，主要涉及材料学、机械学、热力学、力学、微电子、电力电子、控制理论和信号检测与处理等技术的理论分析方法和综合运用。

因此目前还没有发展出一套完整的综合设计理论，能够从设计需求→设计规范→设计理论计算→仿真验证→实物测试评估→设计优化→最终产品。对形状记忆合金执行器理论、结构、驱动控制和实际应用中的研究和探索仍有不足。

哈尔滨工业大学电驱动与电推进技术教育部重点实验室、上海航天智能装备有限公司的研究人员，为了提供给今后针对形状记忆合金执行器研究全面的理论研究和应用设计参考，系统性地总结归纳了形状记忆合金执行器的发展历程、基本特性、应用研究现状、理论研究现状、亟需解决的关键问题以及未来发展方向，并初步探索了形状记忆合金执行器综合设计理论，为今后形状记忆合金执行器领域的研究提供较全面的参考。

为了发展综合设计理论，研究人员通过归纳总结目前大量理论研究和工程设计文献，探索性提出了如图1所示的本体综合设计理论的基本流程，分析得出形状记忆合金执行器适用于低频响高应力大行程的微驱动器应用场景。

图1 形状记忆合金执行器综合设计理论

图1中工程设计需求分析阶段，要明确形状记忆合金执行器是否适用此场景以及具体的功能需求和性能需求，如功率（力或负载）、位移（行程或角度）、带宽（速度或频率）、工作条件（温度、电压、电流）、外形（体积、质量）、驱动类型（线性或旋转）、寿命要求和价格等，这部分参数的确定可以结合实际需求和本课题所提的相关研究内容进行确定。

机电一体化设计阶段根据设计需求分析阶段的参数设计样机的机械结构和电气驱动电路，此部分设计内容可以参考本课题所提的本体设计研究的相关研究内容和机械电子学领域的基本的工程设计实践思想。当本体设计与电气驱动电路设计完成后，应建立工程简化的本体模型并结合本课题所提的控制模型研究和控制策略研究选择合适的建模方法和控制方法，此部分还可以根据实际情况提出新的建模和控制方法。

在本体结构设计、控制模型以及控制策略初步确定的情况下，应首先借助计算机仿真手段验证本体、建模和控制的正确性和合理性，经过仿真验证，如果符合设计的基本要求，则进行实物的制作和实验测试，如果仿真验证阶段出现问题，则应先返回到机电一体化设计和控制模型以及控制策略阶段进行优化设计，如果实物实验阶段出现问题，则同样返回进行优化设计，最终经过优化设计的样机还需经过产品的工程化阶段验证，通过工程化的检验，最终才能确定一个合格的产品，但目前的相关研究普遍理论性强工程性弱，因此形状记忆合金执行器的综合设计理论还需经过科学家和工程师的不断探索才能进一步完善。

形状记忆合金执行器的关键问题 

1、理论研究问题

主要包括材料特性理论、本体设计理论、控制模型理论和控制策略理论。目前，材料性能较好且较稳定的形状记忆合金材料均为低温相变，NiTi类合金不仅限制了形状记忆合金执行器在高温环境的应用，而且价格较高，因此需要进一步研究形状记忆合金材料理论特性，发展出性能较优、价格低廉的高温相变形状记忆合金材料。

目前，关于形状记忆合金研究的主要课题集中于材料特性、处理过程和冶金性能上，材料科学家与工程师之间脱节，形状记忆合金的应用过于专业化，因此如何有效地整理相关材料信息，方便工程师使用和发展形状记忆合金执行器综合设计理论也是形状记忆合金执行器研究的主要问题之一。

形状记忆合金执行器控制模型发展缓慢且工程化较难，以往建立的控制模型均来自材料领域，与系统控制的目标不能很好地匹配，因此发展适合工程的控制模型也尤为重要。形状记忆合金执行器的控制策略能够有效解决非线性迟滞问题，但目前并没有统一的控制方法，控制领域的学者正在尝试各种不同的控制方法在形状记忆合金执行器上的运用。

2、工程应用问题

主要包括综合设计理论中设计要求、设计规范和设计方法等问题。工程师在设计执行器之前需要深入分析设计需求，准确确定形状记忆合金执行器功能、性能、力学环境和热环境的需求，确定设计目标。设计规范中应准确选用合适的材料、动作机构、设计类型以及加热和控制方式等。设计方法中要综合运用多学科的理论设计分析工具，最终还要进行仿真和样机的测试评估以及优化等过程。

另外，形状记忆合金执行器的工程应用领域也需要进一步拓展，如执行传感一体化执行器、微机电和微系统等领域。

形状记忆合金执行器的未来发展方向

形状记忆合金执行器未来发展主要围绕新材料、新理论和新应用展开。

1、新材料

目前针对形状记忆合金材料的研究和发展已经取得了不错的成果，但未来新型形状记忆合金材料需要进一步研制和改进，如提高形状记忆合金的力学特性、机械特性、工作寿命和工作温度范围，如通过改变材料成分和添加其他元素提高形状记忆合金的相变温度，改善热处理或通过其他处理方法改善形状记忆合金的驱动性能和寿命。也可开展形状记忆合金与其他材料复合材料的研究，实现不同材料的优势互补，增强形状记忆复合材料的性能和功能。另外，发展形状记忆材料薄膜技术将有利于形状记忆合金在微机电系统的应用，能够推动在形状记忆合金在微机电领域的应用。

2、新理论

形状记忆合金执行器在高温、多轴载荷以及微机电微系统中的应用，应该考虑循环加载、蠕变、多轴载荷、跨尺度和多维本构模型的建立，新的模型将有助于形状记忆合金在工程中的应用，并有利于工程设计过程中仿真阶段的精确建模仿真，提高形状记忆合金执行器工程实现的可靠性和快速性。需要针对形状记忆合金执行器的非线性迟滞特性继续发展形状记忆合金执行器的控制策略，以满足形状记忆合金执行器控制中稳定性、快速性、准确性和鲁棒性的控制性能和多应用场景的需求。本体设计理论应该发展出统一的综合设计理论，发展正式的指导方针和相关的设计工具，如数据库和可靠有效的仿真模型。

3、新应用

汽车和航空航天领域可以继续发展自愈合、自传感结构和元件（如智能轮胎和安全气囊）、可变形结构、高温执行器、主动噪声抑制结构和旋转执行器等。机器人领域可以继续发展微型快速高效稳定精确的执行器、仿生机器人、仿人机器人和软体机器人等。生物医疗领域可以继续发展微创手术器械和辅助康复治疗设备等。信息电子产品中可以继续发展微型相机防抖对焦执行器，可以结合视觉反馈设计视觉伺服反馈装置，另外可以将形状记忆合金应用于传感器、执行传感一体化执行器、微型驱动和微型机电系统中，将扩宽形状记忆合金的应用范围和领域，并充分发挥出形状记忆合金材料优势。

本文编自2022年第20期《电工技术学报》，论文标题为“形状记忆合金执行器研究综述”。本课题得到黑龙江省自然科学基金资助项目的支持。

阅读全文

➤ 下载论文PDF版，请点击本行文字！

➤ 在线阅读全文，请点击本行文字！

推荐阅读

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

新浪微博

抖音号

联系我们

☎️ 《电工技术学报》：010-63256949/6981；邮箱：[e-mail]

☎️ 《电气技术》：010-63256943；邮箱：[e-mail]

☎️ 《中国电工技术学会电机与系统学报（CES TEMS）》：电话：[phone]；邮箱：[e-mail]

☎️ 编务：010-63256994

☎️ 订阅：010-63256817

☎️ 商务合作：010-63256867/6838