本發明提供一種形狀改變裝置(20)，其利用電活性聚合物材料的多個顆粒(28)，該多個顆粒嵌置在順應性材料基質(24)內且適于響應于電刺激的施加而變形。順應性基質所產生的形狀改變能夠在順應性材料的表面上實現具體的變形輪廓。顆粒由電極(34)的一個或多個布置結構以復數個群組進行刺激。受刺激的EAP顆粒區域的形狀、尺寸、維度和位置可選擇性地選取以在材料中引發具體的響應，并且在材料表面上產生具體的預期變形輪廓。

技術領域

本發明涉及具有可變形的構件的裝置。本發明還涉及用于制造該裝置的方法。該裝置和方法利用用于使用電刺激來引發變形的電活性聚合物材料。

背景技術

電活性聚合物(EAP)是電響應性材料領域內的一類新興材料。EAP可用作傳感器或致動器，且可輕松地被制造成各種形狀，從而允許輕松地整合到各種各樣的系統中。

材料已經研發到具有諸如致動應力和應變的特性，該特性在過去十年得到了顯著改善。技術風險已減小到產品開發可接受的水平，使得EAP在市場上和技術上都越來越受關注。EAP的優點包括低功率、小形狀因子、柔性、無噪音操作、準確度、高分辨率可能性、快速響應時間以及周期性致動。

EAP材料的改善的性能和特定優勢形成了對新應用的適用性。

EAP裝置可用于期望一個部件或特征有基于電致動的少量移動的任何應用中。類似地，該技術可用于感測少量移動。

由于與常用致動器相比將相對大的變形和力與小的體積或薄的形狀因子相結合，使用EAP能夠實現之前不可能實現的功能，或者提供優于常用傳感器/致動器解決方案的較大優勢。EAP還提供無噪音操作、準確的電子控制、快速響應以及大范圍的可能的致動頻率，諸如0-1MHz，更通常地低于20kHz。

使用電活性聚合物的裝置可被細分為場驅動型材料和離子驅動型材料。

場驅動型EAP的示例包括壓電聚合物、電致伸縮聚合物(諸如基于PVDF的馳豫型聚合物)和電介質彈性體。其它示例包括電致伸縮接枝聚合物、電致伸縮紙、駐極體、電致粘彈性彈性體和液晶彈性體。

離子驅動型EAP的示例是共軛/導電聚合物、離子聚合物金屬復合材料(IPMC)和碳納米管(CNT)。其它示例包括離子聚合物凝膠。

場驅動型EAP是由電場通過直接機電耦合來致動的。它們通常需要高電場(每米伏特)但需要低電流。聚合物層通常是薄的，以保持驅動電壓盡可能地低。離子型EAP是由離子和/或溶劑的電感傳輸激活的。它們通常需要低電壓但需要高電流。它們需要液體/凝膠電解質介質(但一些材料系統也可以使用固態電解質操作)。兩類EAP均具有多個家族成員，每一個都具有其自身的優勢和劣勢。

場驅動型EAP的值得注意的第一子類是壓電聚合物和電致伸縮聚合物。盡管傳統的壓電聚合物的機電性能有限，但改善此性能的一項突破性進展已導致產生了PVDF弛豫型聚合物，其顯示出自發性的電極化(場驅動對準)。這些材料可以是預應變的，以便改善應變方向上的性能(預應變導致更好的分子對準)。正常情況下會使用金屬電極，因為應變通常處于適中的狀態(1-5％)。也可使用其它類型的電極(諸如導電聚合物、基于碳黑的油、凝膠或彈性體等)。電極可以是連續的或分段的。

場驅動型EAP的所關注的另一子類是電介質彈性體。這種材料的薄膜可夾在適形電極之間，從而形成平行板電容器。在電介質彈性體的情況下，由所施加的電場感應出的麥克斯韋(Maxwell)應力導致在薄膜上產生應力，從而使得薄膜的厚度減小而面積擴大。應變性能通常通過對彈性體進行預應變(需要框架以保持預應變)而增大。應變可以是相當大的(10-300％)。這也約束了可使用的電極類型：對于低應變和中等應變來說，可考慮金屬電極和導電聚合物電極；對于高應變狀態來說，通常使用基于碳黑的油、凝膠或彈性體。電極可以是連續的或分段的。