Apa yang dimaksud dengan Paduan Memori Bentuk? Panduan untuk Properti dan Aplikasinya

SMA adalah singkatan dari shape memory alloys, yang merupakan material pintar yang dapat mengingat bentuknya dan berubah sesuai dengan panas. Artikel ini oleh penulis akan menginformasikan kepada pembaca tentang apa itu SMA, bagaimana cara kerjanya, beberapa bahan umum seperti Nitinol, aplikasi di bidang kedirgantaraan, robotikakedokteran, dan sebagainya, bekerja sama dengan mereka, tantangan, dan arah penelitian yang sedang berlangsung.

Keajaiban Paduan Memori Bentuk: Material yang Mengingat Bentuknya

SMA, atau paduan memori bentuk, adalah logam khusus yang cenderung mengubah bentuknya sebagai respons terhadap perubahan suhu. Atom-atom dalam SMA cenderung berbaris dalam dua struktur kristal yang berbeda.

Struktur Atom

SMA terdiri dari atom-atom yang sangat kecil yang saling menyatu dalam pola yang disebut struktur kristal. Pada satu suhu, atom-atom lebih suka berdekatan dalam struktur terjepit yang disebut martensit. Pada suhu yang lebih tinggi, mereka menyebar ke dalam struktur terbuka yang disebut austenit. Kemampuan untuk beralih di antara susunan atom inilah yang membuat SMA menjadi paduan memori dengan bentuk khusus.

Mengubah Bentuk dengan Panas

Jika SMA dibengkokkan keluar dari bentuknya saat berada dalam struktur martensitnya, ia akan mengingat bentuk baru tersebut. Tetapi ketika dipanaskan di atas titik tertentu, ia akan berubah menjadi struktur austenit dan kembali ke bentuk aslinya yang tidak bengkok. Ini disebut efek memori bentuk. Sebagai contoh, kawat SMA dapat dibengkokkan tetapi kemudian menjadi lurus kembali ketika dipanaskan dengan air panas.

Terjebak dalam Bentuk Bengkok

Beberapa SMA menunjukkan efek keren lainnya yang disebut superelastisitas atau pseudoelastisitas. Jika dibengkokkan melewati suatu titik saat dingin, atom-atomnya secara tiba-tiba bergeser ke struktur martensit untuk mengakomodasi bentuk baru tanpa patah. Tetapi ketika dilepaskan, mereka dengan mulus berubah kembali menjadi austenit tanpa membutuhkan panas. Ini seperti logam yang terjebak dalam paduan memori bentuk bengkok sampai tidak bengkok.

Bagaimana Nitinol Membantu Tubuh

Nitinol adalah sesuatu yang unik Logam cetak 3D yang dapat memiliki ingatan tentang bentuknya. Seorang dokter menggunakan nitinol dalam tubuh manusia untuk jenis memori yang dikenal sebagai paduan memori bentuk logam. Ini membantu memperbaiki masalah dan memberikan obat.

Buka bagian arteri yang stenotik

Kadang-kadang timbunan lemak menumpuk di dalam arteri dan menghalangi aliran darah. Dokter memasukkan tabung jala kecil yang disebut stent untuk membuka arteri yang tersumbat. Stent terbuat dari nitinol. Stent diremas kecil-kecil dan dimasukkan ke dalam arteri menggunakan tabung fleksibel tipis yang disebut kateter. Setelah terpasang, stent akan dihangatkan oleh panas tubuh dan terbuka ke bentuknya yang tidak tersumbat, sehingga arteri tetap terbuka lebar agar darah dapat mengalir.

Penggantian Sendi Meredakan Nyeri

Aplikasi lainnya adalah menggunakan nitinol untuk mengganti bagian sendi, yang telah aus - seperti lutut atau pinggul, sehingga memungkinkan pergerakan yang mulus. Implan nitinol bersifat lentur sehingga dapat bergerak seperti tulang asli. Implan ini dibentuk agar sesuai dengan tubuh selama operasi dan kemudian mengingat bentuk tersebut. Hal ini membantu implan bertahan lama tanpa mengalami kerusakan.

Obat Tepat Waktu

Para dokter membuat wadah kecil dari nitinol untuk membawa obat ke dalam tubuh. Obat disimpan di dalam sampai tiba waktunya untuk melepaskan dosis. Wadah ini dirancang untuk terbuka pada suhu tertentu yang ditemukan di satu bagian tubuh. Hal ini membantu memberikan jumlah obat yang tepat pada waktu yang tepat tanpa harus melakukan pembedahan untuk mengganti wadah. Paduan memori bentuk Nitinol diatur secara tepat waktu untuk membantu menyembuhkan penyakit.

Sayap Nitinol yang Berubah Bentuk

Para insinyur menggunakan nitinol pada sayap pesawat dan bagian-bagiannya karena nitinol dapat berubah bentuk dengan sendirinya. Nitinol 'mengingat' dua bentuk - bentuk lurus dan bentuk bengkok. Hal ini membantu pesawat terbang lebih baik dalam cuaca yang berbeda.

Sayap yang Beradaptasi dengan Angin

Para insinyur kedirgantaraan membuat sayap pesawat terbang khusus dari nitinol. Sayap ini dapat menyesuaikan paduan memori bentuknya selama penerbangan berkat kabel nitinol kecil di dalamnya. Ketika angin berhembus kencang, kawat-kawat tersebut memanas karena gesekan dengan udara. Kemudian nitinol 'tahu' untuk menekuk sayap sedikit. Hal ini menjaga bentuk sayap tetap tepat sehingga udara mengalir dengan lancar di atasnya. Hal ini memungkinkan pesawat terbang dengan kuat tanpa guncangan bahkan dalam badai.

Sayap Sayap yang Bergerak Sendiri

Sayap sayap pada pesawat biasa digerakkan oleh orang atau motor. Tetapi sayap nitinol dapat mengubah sudut dengan sendirinya! Para insinyur membuat sayap dengan nitinol. Selama lepas landas dan mendarat, sayap harus mengarah ke bawah untuk membantu pesawat memperlambat atau mempercepat. Kabel nitinol di dalam sayap pesawat merasakan perubahan suhu saat terbang cepat atau lambat. Mereka secara otomatis menarik flap ke bawah ke posisinya tanpa motor. Hal ini menghemat bahan bakar dan membuat penerbangan lebih efisien.

Dari Nozel hingga Braket - Bagian yang Berubah Bentuk

Banyak bagian kecil yang digerakkan pada pesawat dan roket menggunakan nitinol. Contohnya termasuk nozel mesin roket yang mengubah area keluarnya untuk kecepatan yang berbeda. Engsel nitinol memungkinkan braket yang dapat digerakkan untuk mengunci pada tempatnya tanpa sekrup. Melalui paduan memori bentuknya, nitinol membantu dirgantara komponen berubah bentuk tepat pada saat dibutuhkan untuk penerbangan yang lebih aman dan mulus.

Robot yang Bergerak dengan Memori Bentuk

Para insinyur menggunakan paduan memori bentuk atau SMA untuk membuat robot bergerak sendiri tanpa baterai atau kabel. SMA "mengingat" dua bentuk dan dapat beralih di antara keduanya berkat perubahan suhu. Properti khusus ini memungkinkan mereka bertindak seperti otot untuk sistem robotik.

Aktuator SMA Memberi Daya pada Gerakan Robotik

Banyak robot menggunakan kabel atau strip SMA sebagai aktuator mandiri. Ketika tegangan atau air panas diberikan, SMA "ingat" untuk menekuk atau meregang. Gerakan ini memungkinkan sendi robot berayun, gripper membuka dan menutup, dan banyak lagi. Sebagai contoh, satu tangan robot memiliki aktuator SMA di setiap jari yang melengkung ke posisi menggenggam. Robot yang dikendalikan dari jarak jauh di bawah air atau di luar angkasa juga dapat menggunakan aktuator SMA tanpa elektronik.

Merancang Robot "Lembut" yang Lebih Seperti Manusia

Dengan SMA, robot dapat memiliki tubuh yang lebih fleksibel dan ringan, mirip dengan hewan atau manusia. Para insinyur membuat robot "lunak" dengan kabel SMA berlapis silikon yang tertanam dalam tabung atau lembaran fleksibel. Ketika dipanaskan, SMA berkontraksi secara lokal untuk memulai gerakan kompleks seperti menggeliat, menekuk, atau menggenggam tanpa komponen yang kaku. Robot-robot lunak ini suatu hari nanti dapat membantu misi penyelamatan atau prosedur medis dengan menavigasi lingkungan yang tidak biasa.

Efek paduan memori bentuk dari SMA memungkinkannya memberi daya pada gerakan robotik yang nyata. Hal ini membuka kemungkinan baru untuk otomatisasi di darat, laut, udara, ruang angkasa, dan bahkan di dalam tubuh manusia.

Menggunakan Memori Bentuk untuk Keamanan Bangunan

Insinyur sipil menggunakan paduan memori bentuk pada struktur untuk membantu menahan gempa bumi, memantau keausan infrastruktur, dan banyak lagi. SMA "mengingat" bentuknya dan berubah dengan panas, yang bermanfaat bagi konstruksi.

Peredam yang Meredam Gempa

SMA membantu bangunan tahan gempa. Insinyur memasang peredam bertenaga SMA di bangunan di antara lantai dan fondasi. Selama gempa, lantai dan fondasi bergetar pada frekuensi yang berbeda. Biasanya hal ini menyebabkan kerusakan dari waktu ke waktu. Tetapi peredam SMA mendeteksi getaran. Mereka berkontraksi untuk menyerap dan menghilangkan energi dari gerakan guncangan. Hal ini melindungi struktur dari guncangan gempa tanpa tenaga ekstra.

Memeriksa Kelelahan Logam

Kumparan kawat SMA dapat mengevaluasi kelelahan pada jembatan, terowongan, dan infrastruktur lainnya. Kumparan yang ditempatkan di lokasi logam kritis secara perlahan menyusut selama banyak siklus beban. Insinyur memeriksa kumparan secara teratur. Jika sebuah kumparan mengalami penyusutan lebih dari yang diharapkan, maka kumparan tersebut memberi sinyal di dekatnya fabrikasi lembaran logam mungkin melemah akibat tekanan pembebanan yang berulang lebih cepat dari yang direncanakan. Hal ini mendorong pemeriksaan yang lebih cermat sebelum kegagalan terjadi.

Mengindera Deformasi setelah Bencana

Setelah gempa bumi atau banjir, sensor yang dibungkus SMA yang ditempatkan di jalan dan retakan bangunan memungkinkan pihak berwenang untuk melacak pelebaran dari jarak jauh. Jika retakan bertambah besar dari waktu ke waktu, ini menunjukkan adanya ketidakstabilan yang membutuhkan perbaikan yang mahal. Sensor SMA kecil membantu memprioritaskan kebutuhan rekonstruksi yang paling mendesak tanpa pengukuran di tempat yang membosankan.

Tantangan Bekerja dengan Paduan Memori Bentuk

Meskipun SMA menunjukkan sifat adaptif yang luar biasa, untuk mewujudkan potensi penuhnya, perlu mengatasi tantangan seputar daya tahan, termodinamika, dan produksi.

SMA mengalami tekanan setiap kali mereka bertransisi di antara struktur atom. Kelelahan ini dapat menyebabkan pelemahan atau degradasi selama banyak siklus yang berkelanjutan. Meningkatkan masa pakai tetap penting.

Efek paduan memori bentuk juga bergantung secara tepat pada mekanisme pemanasan dan pendinginan. Manajemen termal yang cermat memastikan SMA mencapai suhu yang diperlukan secara seragam untuk performa yang konsisten. Kondisi dunia nyata dapat memengaruhi kontrol termal.

Memproduksi SMA dengan bentuk geometris yang tepat dan kompleks untuk peran mekanis yang berbeda menuntut metode manufaktur yang cermat dan sering kali mahal. Para insinyur meneliti teknik baru untuk mengonfigurasi properti SMA dengan biaya yang efektif.

Kesimpulannya, paduan memori bentuk menunjukkan sifat adaptif yang luar biasa yang memungkinkan beragam aplikasi. Penelitian lanjutan berupaya mengatasi tantangan dan memajukan kemungkinan material "pintar" ini. Aplikasi masa depan tetap dibentuk oleh seberapa baik SMA melayani kebutuhan yang terus berkembang melalui memori intrinsik bentuknya.

Kesimpulan

Kesimpulannya, paduan memori bentuk menunjukkan sifat yang benar-benar unik yang telah memicu aplikasi inovatif yang luar biasa di berbagai bidang. Kemampuannya untuk secara otomatis "mengingat" dan mengubah bentuk sebagai respons terhadap suhu menawarkan utilitas yang tidak seperti material konvensional. SMA telah memberdayakan perangkat medis yang lebih baik, teknologi robotika dan otomasi yang lebih andal, solusi struktural kedirgantaraan dan teknik sipil yang lebih baik, dan banyak lagi.

Namun, untuk sepenuhnya memanfaatkan kemampuan adaptifnya, diperlukan upaya yang berkelanjutan untuk memecahkan tantangan. Para peneliti di seluruh dunia terus berupaya untuk lebih memahami perilaku material paduan memori bentuk, menyempurnakan proses manufaktur, meningkatkan kinerja dan daya tahan mekanis, serta memajukan metode untuk kontrol termal dan transfer energi yang tepat. Mengatasi bidang-bidang tersebut akan membantu mendorong batas-batas dari apa yang mungkin dilakukan dengan teknologi SMA "pintar". Masa depan tetap cerah dengan memperluas pengetahuan tentang hal-hal yang luar biasa ini bahan paduan dan potensinya untuk memberdayakan aplikasi yang lebih berdampak dan mengubah hidup.

Pertanyaan Umum

T: Bagaimana SMA berubah bentuk?

SMA yang paling banyak digunakan dikenal sebagai Nitinol dan masuk dalam kategori nikel-titanium. Bahan SMA lainnya termasuk paduan tembaga-seng-aluminium dan besi-mangan-silikon.

T: Apa saja aplikasi SMA?

Kami menggunakan SMA dalam aplikasi seperti stent biomedis, aligner ortodontik, implan pembuluh darah, aktuator pesawat terbang, pengencang yang diaktifkan dengan panas, bahan yang dapat memperbaiki sendiri, serta sendi dan gripper robotik.

T: Apa saja tantangan dalam bekerja sama dengan SMA?

Beberapa tantangan termasuk kelelahan akibat siklus pemuatan yang berulang-ulang, mengontrol laju pemanasan/pendinginan secara tepat, teknik manufaktur yang rumit, dan keluaran gaya/torsi yang terbatas