用于电活性致动器的刚度控制制造技术

提供了一种具有可控刚度分布的致动器设备，其中，致动器构件(12)包括电活性聚合物材料(16)，所述电活性聚合物材料具有嵌入其中的吸光填料元件(20)。所述填料元件适于吸收入射光能(26)并将所述入射光能转换成热能，从而加热所述电活性材料的周围部分。通过选择性地控制指向所述致动器构件的光源(24)的强度水平或光谱组成成分，能够在所述构件上实现特定程度加热散布，结果，能够在所述致动器构件上实现所需的特定刚度或柔性分布。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电活性致动器的刚度控制
本专利技术涉及具有可控刚度的致动器设备，尤其涉及具有可控刚度的基于电活性材料的致动器构件。
技术介绍
电活性材料(EAM)(尤其是电活性聚合物(EAP))是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP能够用作传感器或致动器并且能够被轻松制造成各种形状，从而允许被轻松集成到各种各样的系统中。已经开发出具有诸如致动应力和应变等特性的材料，这些材料在过去十年中已经得到显著改善。技术风险已经降低到针对产品开发可接受的水平，因此EAP在商业和技术上越来越受到关注。EAP的优势包括功率低、外形小、灵活、无噪声操作、准确、可能实现高分辨率、快速响应时间以及循环致动。EAP材料的改善性能和特殊优势使得其适用于新的应用。基于电致动，EAP设备能够用于需要对部件或特征进行小量移动的任何应用中。类似地，该技术也能够用于感测小的移动。EAP的使用实现了以前不可能实现的功能，或者提供了优于普通传感器/致动器解决方案的巨大优势，这是因为与普通致动器相比，EAP结合了相对较大的变形与小体积或薄外形中的力。EAP还提供了无噪声操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可能的致动频率，例如，0-1MHz，最典型地低于20kHz。使用电活性聚合物的设备能够被细分为场驱动材料和离子驱动材料。场驱动EAP的示例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(例如，基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体。其他示例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电粘弹性体以及液晶弹性体。离子驱动EAP的示例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合物(IPMC)以及碳纳米管(CNT)。其他示例包括离子聚合物凝胶。场驱动EAP通过直接机电耦合由电场致动。场驱动EAP通常需要高场(伏特/米)但低电流。聚合物层通常很薄以保持驱动电压尽可能低。离子EAP通过电致离子和/或溶剂迁移而被活化。离子EAP通常需要低电压但高电流。离子EAP需要液体/凝胶电解质介质(但是一些材料体系也能够使用固体电解质)。这两类EAP都有多个家庭成员，每个家庭成员都有自己的优势和缺点。场驱动EAP的第一个值得注意的子类是压电和电致伸缩聚合物。虽然传统的压电聚合物的机电性能有限，但是在改善这种性能方面的突破使得得到PVDF弛豫聚合物，PVDF弛豫聚合物显示出自发的电极化(场驱动对齐)。这些材料能够进行预先应变以在应变方向上改善性能(预先应变使得得到更好的分子对齐)。通常使用金属电极，因为应变通常处于中等状态(1-5％)。也能够使用其他类型的电极(例如，导电聚合物、炭黑基油、凝胶或弹性体等)。电极能够是连续的或分段的。场驱动EAP的另一个感兴趣子类是介电弹性体。可以将这种材料的薄膜夹在柔性电极之间而形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由施加的电场引起的麦克斯韦应力造成膜上的应力，引起膜厚度收缩并且面积扩大。通常通过使弹性体预先应变(需要框架来保持预先应变)来扩大应变性能。应变可能相当大(10-300％)。这也限制了能够使用的电极的类型：对于低应变和中等应变，能够考虑金属电极和导电聚合物电极，对于高应变方案，通常使用炭黑基油、凝胶或弹性体。电极能够是连续的或分段的。离子EAP的第一个值得注意的子类是离子聚合物金属复合物(IPMC)。IPMC包括溶剂溶胀的离子交换聚合物膜，该膜被层压在两个薄的金属或碳基电极之间，并且需要使用电解质。典型的电极材料是Pt、Gd、CNT、CP、Pd。典型的电解质是Li+和Na+水溶液。当施加场时，阳离子通常与水一起行进到阴极侧。这会引起亲水集群的重组和聚合物的扩展。阴极区中的应变引起聚合物基质的其余部分中的应力，从而引起朝向阳极的弯曲。对施加电压进行反转会反转弯曲。众所周知的聚合物膜是和离子聚合物的另一个值得注意的子类是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常包括夹在两个共轭聚合物层之间的电解质。该电解质用于改变氧化态。当通过电解质向聚合物施加电势时，电子被添加到聚合物中或者从聚合物中除去，从而驱动氧化和还原。还原会引起收缩，氧化会引起扩展。在一些情况下，当聚合物本身缺乏足够的导电性(在尺寸方面)时，添加薄膜电极。电解质能够是液体、凝胶或固体材料(即，高分子量聚合物与金属盐的复合物)。最常见的共轭聚合物是聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PTh)。致动器也可以包括碳纳米管(CNT)，CNT悬浮在电解质中。电解质与纳米管形成双层，允许注入电荷。这种双层电荷注入被认为是CNT致动器的主要机制。CNT充当电极电容器，其中，电荷被注入CNT，然后这通过电解质移动到CNT表面而形成的双电层而得到平衡。改变碳原子上的电荷会引起C-C键长的变化。结果，能够观察到单个CNT的扩展和收缩。图1和图2示出了针对EAP设备的两种可能的操作模式。该设备包括电活性聚合物层8，电活性聚合物层8夹在电活性聚合物层8的相对侧上的电极4、6之间。图1示出了未被夹紧的设备。如图所示，电压用于使电活性聚合物层在所有方向上扩展。图2示出了被设计为使得仅在一个方向上产生扩展的设备。该设备由载体层10支撑。电压用于使电活性聚合物层弯曲。可以认为电极、电活性聚合物层和载体一起构成整个电活性聚合物结构。例如，这种移动的性质源于在被致动时扩展的主动层与被动载体层之间的相互作用。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，可以例如施加分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上移动。在一个方向上的扩展可能是由EAP聚合物的不对称性引起的，或者可能是由载体层的性质不对称或两者的组合引起的。如上所述的电活性聚合物结构可以用于致动和感测。最为主导性的感测机制基于力测量和应变检测。例如，能够通过外力容易地拉伸介电弹性体。通过在传感器上施加低电压，能够测量作为电压的函数(电压是面积的函数)的应变。用场驱动系统进行感测的另一种方法是直接测量电容变化或者测量作为应变的函数的电极电阻的变化。压电和电致伸缩聚合物传感器能够响应于所施加的机械应力而生成电荷(假设结晶度足够高以生成可检测的电荷)。共轭聚合物能够利用压电离子效应(机械应力使得离子起作用)。当暴露于能够测量的应力时，CNT经历CNT表面上的电荷变化。已经表明，当与气态分子(例如，O2、NO2)接触时，CNT的电阻改变，使得CNT可用作气体检测器。基于EAP的致动器/传感器的可能应用是普遍的。为了进一步改善该技术的多功能性和应用范围，希望改善EAP致动器可实现的致动位移和力的范围。此外，还希望改善EAP致动器的能力以执行更复杂的移动和形状改变效果，包括例如多关节致动运动。当前，这种效应只能使用EAP矩阵或分段EAP结构来实现，这些结构构造复杂且制造成本较高。因此，希望提供改善的致动功能的EAP致动器。
技术实现思路
专利技术人已经认识到，在可以对结构的刚度进行更大程度的控制的情况下，可以提高在单个EAP结构中可实现的运动和力的范围。目前，在现有技术中，EAP致动器内的刚度控制非常有限，最多扩展到在两种不同的材料柔性二元状态之间的选择性交替。EAP固有地表现出一定程度的刚度变化，这是由于在电刺激时材料内发生压缩而产生的。然而，这种效应相对较小(例如，关于预先应变致动器的刚度变化因子仅为5或6)，此外，刚度变化与致动器变形直接相关。希望实现具有如下刚度(例如，杨氏模量或储本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有可调节刚度分布的致动器设备，包括：致动器构件(12)，其包括：电活性材料(16)，其适于响应于电刺激的施加而变形；以及所述电活性材料内的吸光填料元件(20)，所述吸光填料元件适于吸收入射光能并将所述入射光能转换成热能；可控光源(24)，其与所述致动器构件光学耦合并能用于将光输出(26)提供到所述致动器构件上，所述光输出能被控制在一定范围的不同的强度水平和/或光谱组成成分之间，以便以能控制的方式调节所述致动器构件的刚度分布；以及控制器(30)，其能用于控制所述光输出的所述强度水平和/或光谱分布，以便在所述致动器构件中选择性地实现一定范围的至少三种不同的刚度分布中的任一种。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.14 EP 16198639.31.一种具有可调节刚度分布的致动器设备，包括：致动器构件(12)，其包括：电活性材料(16)，其适于响应于电刺激的施加而变形；以及所述电活性材料内的吸光填料元件(20)，所述吸光填料元件适于吸收入射光能并将所述入射光能转换成热能；可控光源(24)，其与所述致动器构件光学耦合并能用于将光输出(26)提供到所述致动器构件上，所述光输出能被控制在一定范围的不同的强度水平和/或光谱组成成分之间，以便以能控制的方式调节所述致动器构件的刚度分布；以及控制器(30)，其能用于控制所述光输出的所述强度水平和/或光谱分布，以便在所述致动器构件中选择性地实现一定范围的至少三种不同的刚度分布中的任一种。2.根据权利要求1所述的致动器设备，其中，所述控制器(30)能用于控制所述光输出(26)的所述强度水平和/或所述光谱分布，以便在所述致动器构件(12)的至少部分中实现连续光谱的刚度水平中的任一个。3.根据权利要求1或2所述的致动器设备，其中，所述控制器(30)被配置为基于预定义的控制时间表和/或基于一个或多个输入控制参数来选择性地控制在所述致动器构件(12)中实现的所述刚度分布。4.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述吸光元件(20)不均匀地分布在所述电活性材料(16)中，以便使得能够在所述致动器构件(12)中实现空间不均匀的刚度分布。5.根据权利要求4所述的致动器设备，其中，所述吸光填料元件(20)分布在填料元件的空间离散集中区(36)的集合中。6.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述致动器构件(12)包括多个不同的局部集中的吸光填料元件组，每个组都适于吸收不同范围的波长的光，并且其中，所述控制器被配置为根据限定的控制时间表来控制所述光输出(26)的所述光谱组成成分，以便实现所述致动器构件(12)的特定刚度分布。7.根据权利要求6所述的致动器设备，其中，所述控制器(30)被配置为通过选择性地包括或排除所述致动器构件(12)的一个或多个区域所包括的填料元件(20)所敏感的光的波长来选择性地控制所述构件在所述一个或多个区域处的局部刚度。8.根据权利要求6或7所述的致动器设备，包括填料元件的多个不...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·G·M·佩尔塞斯，C·P·亨德里克斯，F·J·G·哈肯斯，A·希尔格斯，D·A·范登恩德，M·T·约翰逊，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL