形状记忆合金在辅助器具和康复设备中的应用

背景:随着科技的不断进步,新技术和新方法的引入将为形状记忆合金在辅助和康复领域的应用带来更多的可能性和新的突破。目的:通过综述形状记忆合金在辅助器具和康复设备中的应用现状,讨论它们的主要方法、技术和结果,归纳总结并提出建议,希望形状记忆合金能够不断优化,为辅助和康复设备的发展带来更多新的变革。方法:通过计算机检索万方、Pub Med和Web of Science数据库,以“形状记忆合金,应用进展,正畸,矫形,假肢,康复,特性,植入,力学性能,镍钛记忆合金,驱动”为中文检索词,以“Shape memory alloys,Application,Orthodontics,Orthopedic,Prosthetics,Rehabilitation,Properties,Implant,Drive,Progress,Prostheses”为英文检索词,最终纳入91篇文献进行综述。结果与结论:(1)形状记忆合金具有耐腐蚀性、耐磨性、生物相容性、抗疲劳性和抗扭结性等特性,相比其他传统材料(不锈钢、钛合金、钴铬合金等)具有更低的弹性模量且无生物毒性,适合作为假体长期植入体内。由于其具有形状记忆效应和优异的力学性能,遂主要作为驱动元件或作为连接设备和人体的桥梁应用于假肢、矫形器和康复设备中。(2)使用形状记忆合金驱动元件能够减轻设备质量、消除噪声、容易操作、便于携带和更好地辅助关节运动等,比起使用气动、液压和电气驱动方法的设备优势明显。(3)另外形状记忆合金在变形时能够产生恒久、稳定的应力,相比不锈钢、钛合金和铝合金矫形器具有更高的材料回收率且不用频繁更换调整,所以在矫治畸形方面更具实用价值。(4)目前形状记忆合金在矫形器中应用最多,在镫骨假体中的临床应用效果最好。而由于技术及成本等的限制,形状记忆合金在假肢和康复设备中的应用较少,且缺乏对应用效果的大样本研究。(5)虽然形状记忆合金在辅助和康复领域得到了一定的发展,但仍存在许多问题:对形状记忆合金进行精准控制很难;形状记忆合金的冷却速度慢;无法对其变形速度进行控制;缺乏对不同性状形状记忆合金的对比研究和专家共识;形状记忆合金成本高,价格贵。(6)未来应注意开发新型形状记忆合金,增加对比性研究,采用新技术、新方法(如4D打印等)解决目前存在的问题,从而研发出高性能的辅助器具和康复设备。

Fe对Ni-Mn-Ga合金微丝形状记忆效应的影响

以Ni-Mn-Ga合金微丝为基础分析Fe元素掺杂前后对合金微丝的形状记忆效应的变化。用真空磁控钨极电弧熔炼炉制备Ni-Mn-Ga-Fe合金,并用高真空精密熔体抽拉设备将母合金制备成微丝。采用EDS能谱分析仪、DSC差示扫描量热分析仪、XRD、DMA动态机械分析仪,研究Fe元素掺杂Ni-Mn-Ga合金微丝后的物相、马氏体相变行为、微丝的形状记忆效应。结果表明,Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝显示的是四方结构马氏体相和面心立方结构奥氏体相的混合相,对微丝采用步进式阶梯有序化热处理,有序化热处理能有效降低微丝内部缺陷,释放内应力,细化微丝内部晶粒,收缩晶格体积,马氏体孪晶界面更加平直,孪晶面更易移动,微丝的伸长率提高。在258 K下对制备态Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝进行单程形状记忆的测试,拉伸到350 MPa后卸载到0 MPa,随后将微丝升温到奥氏体态后,应变恢复率为78.75%,而在289K对有序化热处理态Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝进行单程形状记忆测试,应变恢复率达到100%。在126 MPa和240 MPa下分别对有序化热处理态三元Ni-Mn-Ga合金微丝和Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝进行恒应力拉伸,两种微丝双程形状恢复能力均接近100%,但Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝在发生形变时的弹性应变储能略高于Ni-Mn-Ga合金微丝。Fe的加入使得到的合金微丝的力学性能高于传统三元形状记忆合金微丝;制备态下和热处理态的Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝的马氏体相变温度较Ni-Mn-Ga合金微丝分别提高6.0 K和11.5 K,热滞分别降低6.7 K和1.5 K。

形状记忆合金增强水泥基复合材料及其构件研究进展

传统的水泥基材料适用性强、经济性高、用途广泛,但是容易开裂,难以恢复。通过热弹性马氏体相变及其逆相变,形状记忆合金拥有了独特的形状记忆效应、超弹性等卓越性能。因此,可以利用形状记忆合金增强水泥基材料及构件,克服传统水泥基材料抗裂性能差的缺陷,改善水泥基材料构件的开裂和变形自恢复能力。本文从形状记忆合金的材料特性与种类、形状记忆合金纤维增强水泥基复合材料及形状记忆合金筋材增强水泥基复合材料构件三个方面进行综合阐述,并指出现有研究中存在的不足,展望了形状记忆合金增强水泥基复合材料的发展前景。

基于形状描述符的滞回曲线相似性指标的形成

为了形成全面的相似度指标以评价滞回曲线的拟合程度,引入了已广泛用于图像特征提取的形状描述符,并提出了基于这些描述符形成计算数值模拟曲线相对于实验曲线的相似度指标的具体流程.根据该流程,形成了一个基于形状上下文的相似度指标.先计算两曲线滞回圈之间的相似度,再对这些相似度进行加权组合,形成整个滞回环的相似度.为了验证该指标,采用Bouc-Wen模型进行数值模拟研究.改变Bouc-Wen模型的5个参数,并形成51条数值模拟曲线,计算这些曲线相对于中值曲线的相似度与力峰值点、耗能、刚度误差.结果表明,相似度与误差之间的斯皮尔曼相关系数绝对值均大于0.78,有强烈的相关性,从而验证了该指标的可行性和指标形成流程的有效性.

基于CT扫描研究颗粒形状对砂土力学性质的影响

为了探究颗粒形状对砂土力学性质的影响,选取玻璃珠、石英砂、玻璃渣3种颗粒形状差异较大的砂土作为研究对象。首先通过计算机断层(computed tomography,CT)扫描重构了3种砂土的三维结构,选取了伸长率(EI)、扁度(FI)、球度(S)3个表征颗粒形状参数的均值作为砂土颗粒整体形状参数(overall regularity,OR),并对整体形状参数OR进行统计分析。然后配制7种不同形状参数的砂土进行了常规三轴压缩试验得到了其力学强度参数,研究砂土颗粒形状对其力学强度的影响规律。结果表明:7种砂土的应力-应变曲线均为应变软化型,都呈现出先剪缩后剪胀的特性;整体形状参数OR能较好反映砂土的力学特征,即随着整体形状参数OR的减小,应变软化现象变得不明显,但其峰值偏应力呈增大的趋势;砂土的内摩擦角随整体形状参数OR的减小呈线性增长,表观黏聚力急剧增大,但最大剪胀角随OR的减小而减小。此外,将临界内摩擦角与整体形状参数OR进行线性拟合,得到了两者较好的线性关系。

有形状记忆功能的高分子材料

对大多数人说来,虽然听说过形状记忆合金,或者知道那种在太空中能够自动张开的网状天线是用形状记忆合金做的,但是对于形状记忆聚合物就知之甚少了。所以,对于＂形状记忆效应在材料科学中是一种比较普遍的效应＂的说法,可能会难以接受。一方面因为在日常生活中缺乏感性体验,另一方面则与缺少材料科学基础知识有关。目前,有机高分子材料已经成为应用极其普遍的基本材料之一,同时它们也是石油化工企业产品中重要的一员。由于学时的限制,中学化学教材除去介绍两类基本的聚合反应外,剩下的大都属于常识类型的用途介绍。遗憾的是,在人们的印象里,＂白色污染＂的印象似乎超过了塑料对人类现代生活的正面作用。从而使得高分子领域蕴含的极其丰富的新技术和新用途未能充分显示,以至于丢失了激励学生探索未知及创新思维,能体现＂科学技术是第一生产力＂的这样一个重要平台。通过对有记忆功能的高分子材料和电活性聚合物（见另文）的简单介绍,有助于我们形成＂材料的性质和应用,同样可以通过另一个层面的组成和结构（聚合链的组成和结构;以及材料中聚合物的组成和它们之间的空间排列）来进行设计和调控＂的初步认识。而这种视角的形成,应当是化学课程的基本任务之一。文中涉及的科学技术领域,远非初等化学所能覆盖,但是具有初等物理学、生物学和医学基础知识的读者,应当能够把握住这类材料的性质和应用间的关系。其次,本文只介绍了热感应型形状记忆高分子,此外还有光感应型和化学感应型（例如通过介质的pH变化或因与某种离子的结合而导致的材料宏观结构或性能的变化）等类型,读者如果有志于探索这类材料的新的感应形式和拓宽它们的用途,多读一点书,多探索一些问题,多产生一些联想,学习兴趣和探索积极性也就能够持久不懈。有了＂不会的东西是可以自己学的＂的信心,培育探究性或研究性学习习惯的教育目标,才得以成为现实。

形状记忆合金及其应用研究进展

论述了普通形状记忆合金、高温形状记忆合金、磁性形状记忆合金和复合形状记忆合金的研究进展,分析了形状记忆合金的特性和应用效能,论述了形状记忆合金在汽车、航空航天、机器人和生物医学等领域的应用,指出了该合金的发展方向,提出了该研究领域今后的研究重点和需进一步解决的问题。

确定轮廓形状匹配中形状描述函数的方法

提出一种确定形状描述函数的方法.先利用模板累加确定形状匹配参考点,再用确定的形状中心点和边界匹配起始点构造形状描述函数.该方法的特点是算法原理简单,两种点的提取采用同一算法,基于同一过程产生.实验证明本算法确定的固定点具有平移、旋转和伸缩不变性.将该形状描述函数用于形状匹配,所经历的匹配次数较边界点总长是很少的,而速度较一般匹配算法大有提高.结果表明该方法用于形状识别是可行和有效的.

不同形状的珊瑚砂颗粒沉降试验研究

珊瑚砂在液体中的沉速是反映泥沙运动特性的一个重要物理量。由于珊瑚砂形状多样,套用现有的珊瑚砂沉速公式进行计算并不合适。针对珊瑚砂颗粒开展形状分析,将珊瑚砂颗粒分成枝棒状、片状和块状3种形状,然后开展单颗粒沉降试验。基于试验数据,分析不同形状珊瑚砂颗粒的沉降特性,与各家理论公式计算结果进行比较分析,选取经典的珊瑚砂颗粒沉速公式,引入颗粒形状系数进行公式修正,从而推求了枝棒状、片状和块状珊瑚砂颗粒的阻力系数和沉降速度公式。该公式充分考虑不规则珊瑚砂颗粒形状的影响,具有更高的计算精度和适用性。

形状文法审美下的七曲山文昌文化之纹样衍生设计研究

目的为促进七曲山景区文昌文化和景区自然资源的可持续性发展,提高景区文化宣传价值和经济价值,建立景区文化自信,提出一种基于形状文法的纹样衍生设计方案。该方案既包含形状文法的秩序之美,又融合景区的自然特征,可与景区相关产品设计进行有机融合,形成特色文创产品。方法筛选、整理、分析素材,形成感性词汇。结合文昌文化特征元素及关联传统纹样设计图元因子,并运用用户感知评价、层次分析矩阵等进行图元因子排序。随后,运用形状文法设计纹样创新图案,以相关文创产品进行设计验证。结论纹样方案包含七曲山景区特征,拓展了形状文法审美外延,形成秩序与自由的对比之美。该方案可有机融合于景区文创产品设计中,从而有效宣传景区文化,提高旅游和经济价值。

基于分布式应变测量的光纤形状还原算法研究

为了验证并行传输标架还原光纤传感器形状的可行性和准确性,设计了基于单模光纤的形状传感器,提出了利用有限元分析方法进行形状传感器建模和分布式应变信息的提取,对比分析了并行传输标架和弗莱纳标架在形状传感器不同弯曲形状和不同应变采样点数下的还原精度。结果表明:并行传输标架进行传感器形状还原时,不仅很好地还原了传感器的形状,而且弥补了在奇点位置前后弗莱纳标架方向发生突变,造成还原结果出现较大误差的不足。并行传输标架的远端位置误差低于光纤总长度的0.003 42%,相较弗莱纳标架,降低了10倍。

NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展

NiTi形状记忆合金(shape memory alloys,SMAs)作为一种智能材料,具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性,被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状,且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变,根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面,可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能,研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用,详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时,也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后,展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导,并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此,推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化,尚需大量的跨学科研究。

宽热滞NiTiNb形状记忆合金在混凝土结构主动约束加固中的应用研究进展

形状记忆合金(SMA)是一种性能优良的智能驱动材料,通过加热即可产生可观的回复力。宽热滞NiTiNb SMA的热触发回复力更是可在工程结构所处的环境温度下永久保持,若将其应用于混凝土结构主动约束加固,可克服传统主动约束加固方法存在的预应力施加步骤繁琐、施工机械繁重以及预应力损失严重等问题,并有效地提升加固施工质量和速度。从宽热滞NiTiNb SMA的晶体结构和马氏体相变等形状记忆效应机理出发,阐释其回复力输出特性,进一步综述宽热滞NiTiNb SMA作为智能驱动器在混凝土结构主动约束加固中的应用研究进展,提出存在的问题,并探讨未来的发展方向及研究重点。

融合全局和局部特征的建筑物形状智能分类方法

深度学习方法支持下的建筑物形状认知成为地图制图等领域研究的热点,利用深度学习的特征挖掘能力,可以提取形状的嵌入表示,支撑制图综合、空间查询等应用场景。本文以建筑物数据为例,构建了一种融合全局特征和图节点特征的建筑物形状分类的图谱卷积神经网络模型。首先,在建筑物加权图基础上分别以建筑物4个宏观形状特征、边界顶点的多阶局部和区域结构特征生成形状的融合描述;然后,利用图谱卷积神经网络提取多层次形状信息,通过融合不同层的图表示结果生成特征编码用于形状分类。试验结果表明,相较对比方法,本文方法能够更有效地区分不同建筑物的形状类别,且生成的特征编码具有良好的形状区分度。

温度对铁基形状记忆合金回复应力与力学性能的影响

为研究温度对铁基形状记忆合金(Fe-SMA)回复应力的影响与力学特性,开展了Fe-SMA温度相关力学性能实验及其影响规律研究。首先,通过预拉伸、激活实验研究了不同激活温度对Fe-SMA棒材回复应力的影响规律,并在实验研究的基础上,建立了Fe-SMA回复应力-温度的经验本构模型;其次,进行二次加热实验研究了不同激活温度、附加荷载和暴露温度对Fe-SMA棒材回复应力的影响;最后,通过高温后的Fe-SMA棒材单调拉伸实验,研究其高温后的力学性能。研究结果表明,建立的Fe-SMA回复应力-温度的模型,可以有效地模拟Fe-SMA的回复应力与温度的关系;在二次加热过程中,当激活温度低于200℃时,Fe-SMA具有较高的应力保持比。Fe-SMA棒材的应力损失随着附加荷载和暴露温度的增加有所增大;在经历高温后,剩余的形状记忆效应使得Fe-SMA棒材的应力高于初始应力,并且其弹性模量和极限强度保持相对稳定,而屈服强度随着暴露温度的升高而略微增加。该研究可为Fe-SMA构件的抗火设计与应用提供参考依据。

形状回复力对抑制破骨细胞形成的调控作用

破骨细胞是骨吸收的主要功能细胞,具有力学敏感性。本研究旨在利用形状记忆聚合物(SMPs)的形状回复力原位调控破骨细胞的形成。首先将纯聚乳酸(PLA)、不同质量比(7∶3、5∶5、3∶7)的PLA和聚己内酯(PCL)通过热致相分离法(TIPS)制备PLA/PCL 3D支架,并表征其形貌、结构、热性能;然后,将筛选的PLA/PCL(5∶5)支架在45℃下压缩塑形(压缩比分别为0、50%、75%)和4℃下冷却固定,并表征形状记忆性能;最后,通过基于RAW264.7巨噬细胞的破骨分化实验验证了形状回复力对抑制破骨细胞形成的调控作用。结果表明:PLA/PCL(5∶5)材料体系的形状回复温度接近人体体温,适合制备3D支架;形状回复力与塑形应变相关,压缩比75%组的支架产生的形状回复力为50%组的1.7倍;形状回复力可抑制巨噬细胞的融合分化及相关功能表达,对破骨细胞形成的抑制作用与回复力大小有关。

高熵形状记忆合金的研究进展

TiNi形状记忆合金具有优异的形状记忆效应和超弹性,使其广泛应用于航空航天、生物医疗等领域。然而,面对日益增长的在更苛刻环境下服役的需求,传统二元TiNi合金存在着相变温度低、高温环境下功能特性丧失和强度不足等问题,还需要不断优化合金成分和热处理工艺以提升其性能,从而发展出高性能形状记忆合金。TiNi合金的力学性能和功能特性受多种因素的影响,本文主要从合金成分的角度重点概述了各合金化元素对合金微观组织、马氏体相变行为、形状记忆效应和超弹性的影响,并结合高熵合金化思想,综述了近年来在TiNi基高熵形状记忆合金领域取得的进展。最后展望了TiNi基形状记忆合金未来的发展方向及应用前景。

形状识别在地图综合中的应用研究

形状分析和形状识别是地图综合的重要内容之一,地图综合中需要对地理要素进行结构的识别,包括对要素的分布模式和形状特征进行分析,以便获取地理要素和现象的分布规律,制定综合的总体策略。其二,同一要素在不同尺度的表达中应保持形状的主体轮廓的一致性,这需要在综合算法中顾及形状的保真问题。其三,在地图综合的结果评价中，形状相似性是其重要的指标。

应用全方向形状特征码的图像检索方法

为提高图像形状信息的检索准确率和效率,提出应用全方向形状特征码的图像检索方法.该方法在全方向上对形状进行分割,度量形状各方向各部分的复杂度,构建形状的全方向特征码,计算形状间的相似度.通过真实建筑形状数据集和MPEG-7 CE-1 Part B形状数据集对本方法进行了检索性能测试,并和其他形状相似性描述方法进行了对比.实验结果表明,本方法具有更高的检索准确率和较高的检索效率.全方向形状特征码图像检索方法可以准确描述形状的全局特征与局部特征,具有平移、旋转、尺度不变性,及较强的形状描述识别能力.

钢纤维形状及掺量对超高性能混凝土力学性能的影响

对比研究了钢纤维形状及掺量对超高性能混凝土(UHPC)工作性能及力学性能的影响,并通过SEM分析研究其演化机理。结果表明:随钢纤维掺量的增加,UHPC的工作性能变差,且端勾型钢纤维对工作性能劣化最明显。当钢纤维掺量为1.5%~2.5%时,端勾型和长直线型钢纤维UHPC的抗压、抗折及劈裂抗拉强度较高;当钢纤维掺量超过1.0%后,UHPC的拉压比会出现大幅提高,折压比相对提高不明显;当钢纤维掺量为1.5%~2.0%时,短直线型钢纤维UHPC的力学性能和工作性能最佳。SEM分析发现,钢纤维在基体中错向连续搭接分布,形成三维网状结构,能够阻止宏观裂缝的产生和微裂纹的发展,使UHPC表现出良好的力学性能。