哈爾濱工業大學科研人員發表形狀記憶合金執行器的研究綜述

智能材料家族中的形狀記憶合金（SMA）具有獨特的形狀記憶效應、超彈性、高阻尼、自感知和生物相容等特性。形狀記憶合金執行器（SMAA）具有高功重比、高應變應力、高驅動頻率和高設計自由度等特點，目前在航空航天、機器人、生物醫療、汽車自動化和信息電子領域已經開展了相關的理論研究和應用設計工作。基於形狀記憶合金執行器的新型現代驅動技術與傳統基於電磁、氣動和液壓原理的技術相比，在某些領域和應用場景下具有高功率密度、高精度和低成本的優勢，因此形狀記憶合金執行器工程應用前景和潛力較大。

然而形狀記憶合金執行器的本體設計、系統建模和控制涉及多學科的理論分析和設計思想，目前還沒有發展出綜合性的設計理論，因此哈爾濱工業大學電驅動與電推進技術教育部重點實驗室、上海航天智能裝備有限公司的徐殿國、白鳳強、張相軍、楊世華、顧吉祥，在2022年第20期《電工技術學報》上撰文，總結歸納和分析了形狀記憶合金執行器理論研究和應用發展的現狀和趨勢，進一步探索了形狀記憶合金執行器綜合設計理論，為形狀記憶合金執行器今後發展綜合設計理論提供參考，並為形狀記憶合金執行器相關領域的科研人員提供理論研究和實際應用的參考。

先進材料技術作為高新科技的核心之一，是國家核心競爭力的體現。第四代材料中智能材料是現代高新技術新材料研究發展中最活躍和最先進的方向，其不僅促進功能材料和結構材料的融合發展，而且能夠促進智能化機電設備研究應用的發展。

智能材料通常指具有感知、驅動、響應、診斷、修復或適應特性的材料，主要包括形狀記憶材料、壓電材料、磁致伸縮材料、電致伸縮材料和智能高分子材料等。形狀記憶合金（SMA）屬於形狀記憶材料中金屬類，它具有在特定的外界激勵條件下如熱或磁激勵的情況下記憶或者保留原來形狀的能力。選用智能材料作為驅動材料時，形狀記憶合金與其他類型智能材料相比，驅動應力、驅動應變、驅動頻率、能量密度和功重比等關鍵性能指標均較高，適合高功率密度、高功重比、高驅動力和大行程執行器的應用場景。

形狀記憶合金執行器（SMAA）與傳統基於電磁、氣動和液壓原理的執行器相比，結構簡單、功重比大、無雜訊（電磁雜訊），同時具有自感知功能、低壓驅動、輕量化、小型化、結構多樣化等特點。經過學界和工業界多年的探索和應用，目前在某些特殊領域已經得到應用，形狀記憶合金執行器不僅能夠在功能上替代和性能上超越傳統執行器，而且可以有效降低執行器的製造和使用成本，尤其是在高功重比、輕量小型化執行器的應用領域。

形狀記憶合金執行器具有廣闊的應用前景，如在航空航天、機器人、生物醫療、汽車自動化和信息電子領域內具有特殊需求的場合。儘管目前國內外有很多以形狀記憶合金執行器作為執行器的機電結構，文章發表和專利申請數量逐年遞增，各國也相繼開展了大量的立項研究工作，但真正能夠應用於實際系統中的設計卻十分有限，不能完全發揮形狀記憶合金執行器的優良特性，主要原因是形狀記憶合金執行器的理論和應用涉及多學科的理論分析和綜合設計，主要涉及材料學、機械學、熱力學、力學、微電子、電力電子、控制理論和信號檢測與處理等技術的理論分析方法和綜合運用。

因此目前還沒有發展出一套完整的綜合設計理論，能夠從設計需求→設計規範→設計理論計算→模擬驗證→實物測試評估→設計優化→最終產品。對形狀記憶合金執行器理論、結構、驅動控制和實際應用中的研究和探索仍有不足。

哈爾濱工業大學電驅動與電推進技術教育部重點實驗室、上海航天智能裝備有限公司的研究人員，為了提供給今後針對形狀記憶合金執行器研究全面的理論研究和應用設計參考，系統性地總結歸納了形狀記憶合金執行器的發展歷程、基本特性、應用研究現狀、理論研究現狀、亟需解決的關鍵問題以及未來發展方向，並初步探索了形狀記憶合金執行器綜合設計理論，為今後形狀記憶合金執行器領域的研究提供較全面的參考。

為了發展綜合設計理論，研究人員通過歸納總結目前大量理論研究和工程設計文獻，探索性提出了如圖1所示的本體綜合設計理論的基本流程，分析得出形狀記憶合金執行器適用於低頻響高應力大行程的微驅動器應用場景。

圖1 形狀記憶合金執行器綜合設計理論

圖1中工程設計需求分析階段，要明確形狀記憶合金執行器是否適用此場景以及具體的功能需求和性能需求，如功率（力或負載）、位移（行程或角度）、帶寬（速度或頻率）、工作條件（溫度、電壓、電流）、外形（體積、質量）、驅動類型（線性或旋轉）、壽命要求和價格等，這部分參數的確定可以結合實際需求和本課題所提的相關研究內容進行確定。

機電一體化設計階段根據設計需求分析階段的參數設計樣機的機械結構和電氣驅動電路，此部分設計內容可以參考本課題所提的本體設計研究的相關研究內容和機械電子學領域的基本的工程設計實踐思想。當本體設計與電氣驅動電路設計完成後，應建立工程簡化的本體模型並結合本課題所提的控制模型研究和控制策略研究選擇合適的建模方法和控制方法，此部分還可以根據實際情況提出新的建模和控制方法。

在本體結構設計、控制模型以及控制策略初步確定的情況下，應首先藉助計算機模擬手段驗證本體、建模和控制的正確性和合理性，經過模擬驗證，如果符合設計的基本要求，則進行實物的製作和實驗測試，如果模擬驗證階段出現問題，則應先返回到機電一體化設計和控制模型以及控制策略階段進行優化設計，如果實物實驗階段出現問題，則同樣返回進行優化設計，最終經過優化設計的樣機還需經過產品的工程化階段驗證，通過工程化的檢驗，最終才能確定一個合格的產品，但目前的相關研究普遍理論性強工程性弱，因此形狀記憶合金執行器的綜合設計理論還需經過科學家和工程師的不斷探索才能進一步完善。

形狀記憶合金執行器的關鍵問題

1、理論研究問題

主要包括材料特性理論、本體設計理論、控制模型理論和控制策略理論。目前，材料性能較好且較穩定的形狀記憶合金材料均為低溫相變，NiTi類合金不僅限制了形狀記憶合金執行器在高溫環境的應用，而且價格較高，因此需要進一步研究形狀記憶合金材料理論特性，發展出性能較優、價格低廉的高溫相變形狀記憶合金材料。

目前，關於形狀記憶合金研究的主要課題集中於材料特性、處理過程和冶金性能上，材料科學家與工程師之間脫節，形狀記憶合金的應用過於專業化，因此如何有效地整理相關材料信息，方便工程師使用和發展形狀記憶合金執行器綜合設計理論也是形狀記憶合金執行器研究的主要問題之一。

形狀記憶合金執行器控制模型發展緩慢且工程化較難，以往建立的控制模型均來自材料領域，與系統控制的目標不能很好地匹配，因此發展適合工程的控制模型也尤為重要。形狀記憶合金執行器的控制策略能夠有效解決非線性遲滯問題，但目前並沒有統一的控制方法，控制領域的學者正在嘗試各種不同的控制方法在形狀記憶合金執行器上的運用。

2、工程應用問題

主要包括綜合設計理論中設計要求、設計規範和設計方法等問題。工程師在設計執行器之前需要深入分析設計需求，準確確定形狀記憶合金執行器功能、性能、力學環境和熱環境的需求，確定設計目標。設計規範中應準確選用合適的材料、動作機構、設計類型以及加熱和控制方式等。設計方法中要綜合運用多學科的理論設計分析工具，最終還要進行模擬和樣機的測試評估以及優化等過程。

另外，形狀記憶合金執行器的工程應用領域也需要進一步拓展，如執行感測一體化執行器、微機電和微系統等領域。

形狀記憶合金執行器的未來發展方向

形狀記憶合金執行器未來發展主要圍繞新材料、新理論和新應用展開。

1、新材料

目前針對形狀記憶合金材料的研究和發展已經取得了不錯的成果，但未來新型形狀記憶合金材料需要進一步研製和改進，如提高形狀記憶合金的力學特性、機械特性、工作壽命和工作溫度範圍，如通過改變材料成分和添加其他元素提高形狀記憶合金的相變溫度，改善熱處理或通過其他處理方法改善形狀記憶合金的驅動性能和壽命。

也可開展形狀記憶合金與其他材料複合材料的研究，實現不同材料的優勢互補，增強形狀記憶複合材料的性能和功能。另外，發展形狀記憶材料薄膜技術將有利於形狀記憶合金在微機電系統的應用，能夠推動在形狀記憶合金在微機電領域的應用。

2、新理論

形狀記憶合金執行器在高溫、多軸載荷以及微機電微系統中的應用，應該考慮循環載入、蠕變、多軸載荷、跨尺度和多維本構模型的建立，新的模型將有助於形狀記憶合金在工程中的應用，並有利於工程設計過程中模擬階段的精確建模模擬，提高形狀記憶合金執行器工程實現的可靠性和快速性。

需要針對形狀記憶合金執行器的非線性遲滯特性繼續發展形狀記憶合金執行器的控制策略，以滿足形狀記憶合金執行器控制中穩定性、快速性、準確性和魯棒性的控制性能和多應用場景的需求。本體設計理論應該發展出統一的綜合設計理論，發展正式的指導方針和相關的設計工具，如資料庫和可靠有效的模擬模型。

3、新應用

汽車和航空航天領域可以繼續發展自癒合、自感測結構和元件（如智能輪胎和安全氣囊）、可變形結構、高溫執行器、主動雜訊抑制結構和旋轉執行器等。機器人領域可以繼續發展微型快速高效穩定精確的執行器、仿生機器人、仿人機器人和軟體機器人等。生物醫療領域可以繼續發展微創手術器械和輔助康復治療設備等。

信息電子產品中可以繼續發展微型相機防抖對焦執行器，可以結合視覺反饋設計視覺伺服反饋裝置，另外可以將形狀記憶合金應用於感測器、執行感測一體化執行器、微型驅動和微型機電系統中，將擴寬形狀記憶合金的應用範圍和領域，並充分發揮出形狀記憶合金材料優勢。

本文編自2022年第20期《電工技術學報》，論文標題為「形狀記憶合金執行器研究綜述」。本課題得到黑龍江省自然科學基金資助項目的支持。