Water-Heart: A Biomimetic Pulsating Heat Pump System Based on Shape Memory Alloy Physical Intelligence

Abstract

本文介绍了“Water-Heart”系统——一个完全被动的仿生脉动热泵，将形状记忆合金（SMAs）的物理智能与水的液-气相变结合起来。物理智能被定义为使材料能够自主感知、决策和执行而无需电子组件的内在材料特性。该系统围绕一个SMA起搏器构建：在其奥氏体结束温度 (A_f），形状记忆合金经历反向相变，机械触发过热水中爆炸性的沸腾。形状记忆合金消耗的潜热（20–30 kJ/kg）比水的汽化潜热（≈2260 kJ/kg）小两个数量级，这意味着理论上的能量级联可以达到两个数量级。多个蒸发腔形成一个“橙子瓣自主网络”——一个去中心化的架构，每个腔室在没有中央控制器的情况下独立运行，灵感来源于肝脏的叶状结构。相邻的腔室行被捆绑成一个“肝叶微循环”预热阵列，并在其路径上由一根形状记忆合金丝进行预热。液体回流通过SMA-片静脉瓣（通过超弹性变形作为单向止回阀）和毛细槽或金属网衬里协同作用实现，这些衬里利用表面张力进行连续液体吸引，使系统能够在微重力环境中实现纯被动单向流动。此外，该系统具有内在的自振荡机制：SMA静脉瓣的关闭力阈值通过滞后效应引起压力振荡。即使没有SMA起搏器，该系统也能表现出自维持的电荷脉冲-重置循环。起搏器加速并稳定了这种自然节奏。Water-Heart系统可以扩展到脉动功率生成和微生物生命支持，为深空栖息地提供基础的热管理和能源自主解决方案。