A new model of thermo-mechanical actuation for twisted and coiled polymer muscles with initial curvature

曲率 执行机构 有限元法 扭矩 材料科学 半径 人工肌肉 弹簧(装置) 结构工程 机械 几何学 工程类 数学 计算机科学 物理 人工智能 热力学 计算机安全
作者
Lei Liu,Hao Liu,Zhiya Zhang,Dabiao Liu
出处
期刊:Smart Materials and Structures [IOP Publishing]
卷期号:33 (6): 065022-065022 被引量:4
标识
DOI:10.1088/1361-665x/ad4937
摘要

Abstract The twisted and coiled polymer (TCP) artificial muscle is one type of novel soft actuator for mimicking natural skeletal muscle that can provide large linear and torsional actuation and energy density. Twisting and coiling are the pivotal steps in fabricating TCP muscles. The influence of twisting on the actuation response of TCP muscles has been extensively investigated recently. However, the influence of coiling remains unclear. Based on the finite strain theory, we establish a new thermo-mechanical actuation model for TCP muscles with initial curvature. The theoretical predictions based on the model align well with the finite element simulations, accurately capturing the actuation response of thermally-activated TCP muscles. It is revealed that twisting contributes positively to the actuation, while coiling has a passive effect. Geometrical parameters, such as the helix radius and helix angle, can effectively regulate the actuation performance of TCP muscles. Furthermore, an optimal bias angle is identified that maximizes both the recovery torque and the linear actuation. This study sheds light on the structural optimization design of TCP muscles.
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