CN102562508A - 利用活性材料激活的管状致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用活性材料激活的管状致动器，提供了一种管状致动器，包括挠性管或卷状物，可操作成在第一和第二构型之间转变以便限定行程，并且利用活性材料激活来产生、更改和/或保持该行程。

Description

利用活性材料激活的管状致动器

技术领域

本发明主要涉及管状致动器，例如石蜡和电活化聚合物卷状致动器，其限定行程和形状固定性；并且尤其涉及一种管状致动器，其利用活性材料激活以产生或变更行程、固定性和/或保持已获构型。 

背景技术

管状致动器，例如石蜡、气动挠性管（即肌肉）和电活化聚合物卷状致动器，已经被开发并且用于致动系统。这些致动器提供形状固定性（即对形状变化的抵抗性）并且限定一般沿着纵轴的行程，其中，行程的特征在于可操作尺寸的转变（行程长度）、由此产生的力和实现该转变所要求的周期（行程周期）。这些致动器带来本领域的各种顾虑。例如，意识到，由此提供的恒定的形状固定性和行程阻碍了通用的解决方案。而且，传统的管状致动器一般提供例如行程力与能量消耗或行程长度与行程周期之间的折衷。 

发明内容

对这些及其它顾虑做出反应，本发明叙述利用活性材料激活以产生或变更其可用行程和/或保持已获构型的新的管状致动器。因此，本发明可用于把活性材料形状记忆转换成螺线管式动作。本发明也可用于致动系统，这些系统需要比使用传统的管状致动器能获得的更长的行程长度、更大的行程力，和/或更短的行程周期；并且因而可用于使用较少激活能产生指定行程。本发明还进一步地可用于提供具有可更改的形状固定性的管状致动器，其能用于保持已获行程，并且因而在提供零功率保持的情况下，用于消除行程保持与能量消耗之间的折衷。 

在第一方面，本发明涉及一种活性材料致动器，其包括挠性管和外表上缠绕的活性材料元件。该管限定内部腔室并且可操作成在第一和第二构型之间转变，因此限定行程。该外表上缠绕的元件驱动地连接到该管并且在受到激活信号或与激活信号隔断的时候可操作成经历基本性质的可逆变化从而相应地被激活或去活。该变化促使该管获得第二构型，其可操作成致动该系统。 

在第二方面，本发明涉及一种电活化聚合物卷状致动器，其提供第一和第二行程。每个行程由行程长度和力限定。该致动器包括至少一层电活化聚合物，在受到第一激活信号或与第一激活信号隔断的时候其可操作成经历基本性质的第一可逆变化。在受到第二激活信号或与第二激活信号隔断的时候可操作成经历基本性质的第二可逆变化的石蜡布置在上述至少一层的至少一个的径向内侧并且可以布置在该卷状物限定的腔室内。该蜡在被激活和去活的时候分别提供第一和第二形状固定性，并且这些固定性和第一变化协作地提供行程。 

在第三方面，本发明涉及一种使用管状致动器连接物件的方法。该方法包括第一步，相对于该物件定位该管状致动器（即"连接装置"）。该装置包括在受到激活信号或与激活信号隔断的时候可操作成经历基本性质的可逆变化的活性材料元件。该装置在第一和第二半径之间可转变；该第一半径大于该第二半径和孔半径；该第二半径小于该孔半径；并且，该变化促使该装置在第一和第二半径转变。该方法进一步地包括步骤，使该元件受到激活信号或与激活信号隔断以便激活或去活该元件并且获得该第二半径；在提供该第二半径时把该装置的至少一部分插入上述至少一个孔中；以及使该变化反向以便促使该装置尝试提供该第一半径并且由此向物件施加连接力。 

本发明提供下列技术方案。 

技术方案1：一种提供行程长度和力的管状活性材料致动器，所述致动器包括： 

挠性管，其限定内部腔室和纵轴并且可操作成在具有第一和第二纵向长度的第一和第二构型之间转变以便限定行程；

活性材料元件，其可操作成在受到激活信号或与激活信号隔断的时候经历基本性质的可逆变化以便相应地被激活或去活，从外部缠在所述管上并且驱动地连接到所述管；和

流动主体，其布置在所述腔室内，其中，所述变化产生径向致动力，所述力促使所述管在所述构型之间转变，并且所述主体可操作成传递所述力。

技术方案2：如技术方案1所述的致动器，其中，所述活性材料元件从基本上由形状记忆合金、电活化聚合物和压电合成物组成的组中选择。 

技术方案3：如技术方案1所述的致动器，其中，所述流动主体从基本上由气体、压缩气、凝胶体、液体和多个微粒的组中选择。 

技术方案4：如技术方案1所述的致动器，其中，所述流动主体包括第二活性材料元件，其可操作成在受到第二激活信号或与第二激活信号隔断的时候经历基本性质的第二可逆变化，并且所述第二可逆变化可操作成更改所述行程。 

技术方案5：如技术方案4所述的致动器，其中，所述第二活性材料元件可操作成获得第一和第二形状固定性，作为所述第二变化的结果，所述第一固定性使得所述管能转变成所述第一和第二构型中的一个，并且所述第二固定性保持所述管处于所述第一和第二构型中的所述一个。 

技术方案6：如技术方案4所述的致动器，其中，所述行程提供行程长度，并且所述第二变化可操作成更改所述行程长度。 

技术方案7：如技术方案4所述的致动器，其中，所述行程提供行程力，并且所述第二变化可操作成更改所述行程力。 

技术方案8：如技术方案4所述的致动器，其中，所述第二活性材料元件从基本上由石蜡、磁流变流体、电流变流体和形状记忆聚合物组成的组中选择。 

技术方案9：如技术方案1所述的致动器，进一步地包括： 

不可伸展的外层，其从外部约束所述管的至少一部分，限定远端口或挠性薄膜并且在激活所述元件时可操作成更改所述行程。

技术方案10：如技术方案1所述的致动器，进一步地包括： 

保护套，其在所述活性材料元件与所述管的中间，并且可操作成保护所述管不受到所述激活信号的影响和引导与所述元件的接合。

技术方案11：如技术方案1所述的致动器，其中，所述活性材料元件是以预定缠绕角缠在所述管上的至少一个线材以便形成至少一个层。 

技术方案12：如技术方案11所述的致动器，其中，所述至少一个线材提供多个层，并且线材的每个层限定不连续的预定缠绕角。 

技术方案13：如技术方案11所述的致动器，其中，当从所述纵轴测量时，所述缠绕角不小于55度。 

技术方案14：如技术方案1所述的致动器，其中，所述活性材料元件包括多个区段，并且每个区段被单独激活。 

技术方案15：如技术方案1所述的致动器，其中，所述至少一个活性材料元件缠在所述管上，处于从基本上由螺旋、织纹、网、条带和圆形环组成的组中选择的几何构型。 

技术方案16：如技术方案1所述的致动器，其中，所述元件提供从基本上由线、缆、片和条组成的组中选择的几何形式。 

技术方案17：一种提供第一和第二行程的电活化聚合物卷状致动器，每个行程由相应的行程长度和力限定，所述致动器包括： 

至少一层电活化聚合物，其可操作成在受到第一激活信号或与第一激活信号隔断的时候经历基本性质的第一可逆变化，并且卷绕以限定径向内部腔室；和

石蜡，其可操作成在受到第二激活信号或与第二激活信号隔断的时候经历基本性质的第二可逆变化以便相应地被激活和去活，布置在所述至少一层的至少一个的径向内侧，

其中，所述蜡在被激活和去活的时候分别提供第一和第二形状固定性，并且所述固定性和所述第一变化协作地提供所述行程。

技术方案18：如技术方案17所述的致动器，其中，所述蜡布置在所述腔室内。 

技术方案19：一种选择性地连接多个物件的方法，所述物件限定提供孔径的至少一个孔，所述方法包括： 

a）相对于所述物件定位连接装置，其中，所述装置包括可操作成在受到激活信号或与激活信号隔断的时候经历基本性质的可逆变化的活性材料元件，并且所述装置在第一和第二半径之间可转变，第一半径大于第二半径和所述孔径，第二半径小于所述孔径，且所述变化促使所述装置在第一和第二半径之间转变；

b）使所述元件受到激活信号或与激活信号隔断以便激活或去活所述元件并且获得所述第二半径；

c）在所述装置提供所述第二半径时把所述装置的至少一部分插入所述至少一个孔中；以及

d）在所述至少一部分插入所述至少一个孔内时，使所述变化反向以便促使所述装置尝试提供所述第一半径并且由此使所述装置和物件实现连接状态。

技术方案20：如技术方案19所述的方法，其中，所述装置进一步地包括第二活性材料元件，其可操作成在受到第二激活信号或与第二激活信号隔断的时候经历基本性质的第二可逆变化，所述变化可操作成使所述第二元件在第一和第二形状固定性之间转变，并且所述第二固定性可操作成保持所述装置和物件处于所述连接状态；并且 

步骤b）进一步包括的步骤是，一开始激活所述第二元件以便实现所述第一变化以获得所述第二半径；并且

步骤d）进一步包括的步骤是，在反向所述第一变化之后，反向所述第二变化，以便促使所述装置恢复所述第一形状固定性。

本发明的更多方面，包括螺旋状形状记忆合金外表元件的使用，通过下面的图和详细说明进行进一步描述和举例。 

附图说明

下面参照示范比例的附图详细描述本发明的优选实施例，其中： 

图1是按照本发明优选实施例的管状活性材料致动器的切去一部分的正面，包括外表上缠绕的活性材料元件、保护套、限定中央腔室的挠性管和布置在该腔室内的流体，其中，用虚线类示出激活之后的管定位；

图2是按照本发明优选实施例的管状活性材料致动器的正面，包括挠性管和提供限定第一预定角的第一层线材和限定第二预定角的第二层线材的至少一个活性材料元件；

图3是按照本发明优选实施例的管状活性材料致动器的正面，包括从外表缠在挠性管上的不连续活性材料区段和一端限定孔口的不可伸展的外层，其中，这些区段的一部分已经被激活以便引起增量行程；

图4a是按照本发明优选实施例的管状活性材料致动器的正面，包括挠性管和多个不连续活性材料区段、不可伸展的内层，并且在放大图注区段示出包含有轨道；

图4b是图4a所示致动器的正面，特别图解了处于第二构型的致动器，其中，一半区段已经被激活；

图4c是按照本发明优选实施例的具有环的管状致动器的正面，所述环提供大于和小于55度的交替的第一和第二组缠绕角；

图5是按照本发明优选实施例的电活化聚合物（EAP）卷状致动器的横截面和正面，包括卷成管状的多个EAP层和在这些EAP层中间的至少一个石蜡层，其中，在放大图注中示出EAP和石蜡层；

图6是按照本发明优选实施例的EAP卷状致动器的放大图注，包括卷成管状的限定中央腔室的至少一个EAP层和布置在该腔室内的一些石蜡；

图7a是按照本发明优选实施例的被连接装置接合的第一和第二物件的透视图，该连接装置实质上由管状致动器构成；

图7b是按照本发明优选实施例的图7a所示活性材料连接装置的横截面，特别图解了外表挠性外壳、第一外部活性材料元件（即多个不连续区段）和虚线类示出的处于初始构型（即元件去活的时候）的挠性管，并且切去一部分以示出布置在其中的第二内部活性材料元件；和

图8是适合于与图1所示致动器一起使用的复原机构的正面和横截面，包括浮动端板和部分的保护套。

具体实施方式

参照图1-8，本发明涉及管状致动器10，其具有行程和形状固定性（即对形状变化的抵抗性）并且包括至少一个缠在挠性管14上或卷在芯体/腔室上的外表接合的活性材料元件12。在优选实施例中，意识到，致动器10可操作成通过利用螺线管类行程来选择性地接合、移动系统的部件或使系统与电源（也未示出）互通而致动系统（未示出）；并且因此，可用在多种应用中，包括，例如吊货钩的调度、负载调整防振垫以及用于加工、制造和装配的夹具定位。在另一实施例中，本发明进一步地涉及一种连接分离物件100的方法，如图7a、b所示。下面对优选实施例的描述本质上仅仅是示例性的，并且决不用来限制本发明、其应用或用途。 

I. 活性材料定义和示例性成分 

术语"活性材料"应给予其如本领域技术人员所理解的普通含义，并且包括任何材料或合成物，在暴露于外部信号源时，呈现出基本（例如化学或固有物理）性质的可逆变化。供本发明使用的适合的活性材料包括但不限于形状记忆合金、形状记忆聚合物、电活化聚合物（"EAP"）、压电复合材料、磁流变流体、电流变流体、石蜡和其它等同活性材料。根据具体的活性材料，激活信号能够采取但不限于电流、电场（电压）、温度变化等等形式。

更特别地，形状记忆合金（SMA）泛指在受到适当的热刺激时显示恢复某一预先规定的形状或大小的能力的一组金属材料。形状记忆合金能够经历相变，在其中，它们的屈服强度、刚度、尺寸和/或形状随着温度而改变。术语"屈服强度"指的是材料呈现出特定偏离应力和应变的均衡性时的应力。通常，在低温或马氏体相，形状记忆合金能够进行拟塑性变形，并且，一受到某一高温，将转化成奥氏体相或母相，恢复它们在变形之前的形状。 

形状记忆合金处于几个不同的随温度而变的相。这些相中最普遍使用的是上面论述的所谓的马氏体和奥氏体相。在下面的论述中，马氏体相泛指更易变形、更低温度的相，而奥氏体相泛指更刚硬、更高温度的相。当形状记忆合金处于马氏体相并且受热时，它开始变成奥氏体相。这个现象开始时的温度常常称作奥氏体开始温度（A_s）。这个现象完成时的温度称作奥氏体终了温度（A_f）。 

当形状记忆合金处于奥氏体相并且受到冷却时，它开始变成本马氏体相，并且这个现象开始时的温度称作马氏体开始温度（M_s）。奥氏体完成转化成马氏体时的温度称作马氏体终了温度（M_f）。通常，形状记忆合金是软的，在它们的马氏体相中更易于变形，在奥氏体相中更坚固、更不易弯曲和/或更刚硬。鉴于前述事项，供形状记忆合金使用的合适的激活信号是热激活信号，其具有促成马氏体相与奥氏体相之间转化的量级。 

根据合金成分和加工历程，形状记忆合金能够呈现单向形状记忆效应、固有双向效应或非固有双向形状记忆效应。退过火的形状记忆合金一般仅仅呈现单向形状记忆效应。形状记忆材料的低温变形之后的充分加热将引起马氏体向奥氏体类的转变，并且该材料将恢复初始的退过火的形状。因此，仅仅在受热的时候才看到单向形状记忆效应。包括呈现单向记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料不自动变换，并且可能需要外部机械力来变换。 

固有和非固有双向形状记忆材料的特征在于，既有在受热时从马氏体相向奥氏体相的形状转变，又有在受到冷却时从奥氏体相回到马氏体相的另外的形状转变。必须通过加工处理促成形状记忆材料中的固有双向形状记忆行为。上述过程包括在马氏体相时材料的极度变形、在约束或负载下的加热-冷却，或者表面改性，例如激光退火、抛光或喷丸硬化。一旦已经训练材料呈现双向形状记忆效应，低温和高温状态之间的形状变化通常是可逆的并且在大数量的热循环期间持续。相反地，呈现非固有双向形状记忆效应的活性材料是复合材料或多组分材料，把呈现单向效应的形状记忆合金成分与提供重新形成初始形状的恢复力的另一元件组合在一起。 

在形状记忆合金记住其受热时的高温形态情况下的温度能够通过合金成分的稍微改变和通过热处理进行调整。例如在镍钛形状记忆合金中，它能够从高于约100℃变化到低于约-100℃。形状复原过程发生在仅仅几度的范围内，并且根据所需应用和合金成分能够控制转化的开始或终了在一或两度以内。形状记忆合金的机械性能在跨越它们的转化的温度范围内变化极大，一般给致动器10提供形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼能力。 

适合的形状记忆合金材料包括但不限于镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、镍镓基合金、铜基合金（例如铜锌合金、铜铝合金、铜金和铜锡合金）、金镉基合金、银镉基合金、铟镉基合金、锰铜基合金、铁铂基合金、铁铂基合金、铁钯基合金等等。这些合金能够是二阶、三阶或任何更高阶的，只要合金成分呈现形状记忆效应，例如形态方位、阻尼能力的变化等等。 

意识到，SMA在加热到超过它们的马氏体向奥氏体相变温度的时候呈现2.5倍的模数增大和高达8%的尺寸变化（马氏体相时引起的拟塑性变形的复原）。意识到，用热的方法引起的SMA相变是单向的，所以将需要偏压力复原机构（例如弹簧），在消除外加场时使SMA恢复其原始构型。焦耳加热能用于使致动器电子可控。铁磁SMA或FSMA包含通过磁场可激活的SMA成分，这是本领域技术人员懂得的。 

形状记忆聚合物（SMP）泛指在受到适当的热刺激时显示恢复预定的形状的能力的一组聚合材料。形状记忆聚合物能够经历相变，在其中，它们的形状随着温度而改变。通常，SMP具有两个主区段，硬区段和软区段。能够通过在高于最高热转化的温度下熔化或加工聚合物，然后冷却到热转化温度以下，来设定预定的或常设形状。最高热转化通常是玻璃态转化温度（T_g）或硬区段的熔点。能够通过加热材料到高于软区段的T_g或转化温度但低于硬区段的T_g或熔点的温度来设定暂时形状。在软区段的转化温度下加工材料，然后冷却以固定形状的同时设定暂时形状。通过加热材料到高于软区段的转化温度，能够把材料回复到常设形状。例如，聚合材料的常设形状可以提供弹簧或整块主体，其具有激活时的第一弹性模数和去活时的第二模数。 

常设形状复原所需的温度能够设定在约-63℃与约120℃或以上之间的任何温度。设计聚合物本身的成分和结构能够考虑到对预期应用的特殊温度选择。形状复原的优选温度是大于或等于约-30℃，更优选的是大于或等于约0℃，最优选的是大于或等于约50℃的温度。并且，形状复原的优选温度是小于或等于约120℃，最优选的是小于或等于约120℃且大于或等于约80℃。 

适合的形状记忆聚合物包括热塑性塑料、热固性塑料、互穿网、半互穿网或混合网。该聚合物能够是单一聚合物或聚合物的混合。该聚合物能够是线性热塑性弹性体，或具有支链或枝状结构元素的枝状热塑性弹性体。形成形状记忆聚合物的适合的聚合物组分包括但不限于聚磷腈、聚（乙烯醇）、聚酰胺、聚酯酰胺、聚（氨基酸）、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烷、聚丙烯酰胺、聚亚烷基二醇、聚亚烷基氧化物、聚亚烷基对苯二甲酸盐、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯卤化物、聚酯、聚交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚氨基甲酸酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯纤维及它们的共聚物。适合的聚丙烯酸酯的例子包括聚（甲基丙烯酸甲酯）、聚（甲基丙烯酸乙酯）、聚（甲基丙烯酸丁酯）、聚（甲基丙烯酸异丁酯）、聚（甲基丙烯酸己酯）、聚（甲基丙烯酸异癸酯）、聚（甲基丙烯酸十二烷基酯）、聚（甲基丙烯酸苯酯）、聚（丙烯酸甲酯）、聚（丙烯酸异丙酯）、聚（丙烯酸异丁酯）和聚（丙烯酸十八烷基脂）。其它合适的聚合物的例子包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯苯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚（十八烷基乙烯醚）乙烯醋酸乙烯酯、聚乙烯、聚（氧化乙烯）-聚（对苯二甲酸乙二醇酯）、聚乙烯/尼龙（接枝共聚物）、聚己内酯-聚酰胺（嵌段共聚物）、聚（己内酯）二甲基丙烯酸酯-丙烯酸丁酯、聚（降冰片烯-多面体低聚倍半硅氧烷）、聚氯乙烯、聚氨酯/丁二烯共聚物、聚氨基甲酸酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等等。 

因此，为了本发明，意识到，SMP在受热到高于它们的具有较低玻璃态转化温度的组分的玻璃态转化温度时呈现模数的急剧下降。如果在温度下降的同时维持负载/变形，将在SMP中设定变形的形状，直到它在无负载下重新受热，在这种情况下，它将恢复其模制样的形状。当SMP能够以块、薄板、厚板、格子、束、纤维或泡沫的形式不同地使用时，它们需要持续功率来保持处于它们的低模数状态。 

适合的压电材料包括但不意图限于，无机化合物、有机化合物和金属。就有机材料而言，所有在主链或支链或这两个链上分子内具有非中心对称结构和大偶极矩基的聚合材料能用作压电薄膜的适合候选物。示例性聚合物包括，例如但不限于，聚(4-苯乙烯磺酸钠)、聚（聚(乙烯胺)骨架-偶氮发色团）和它们的衍生物；包括聚偏二氟乙烯、其共聚物偏二氟乙烯（"VDF"）、共三氟乙烯和它们的衍生物在内的多氟烃；包括聚（氯乙烯）、聚偏二氯乙烯和它们的衍生物在内的多氯烃；聚丙烯腈和它们的衍生物；包括聚（甲基丙烯酸）和它们的衍生物在内的多聚羧酸；聚脲和它们的衍生物；聚氨基甲酸酯和它们的衍生物；诸如聚L-乳酸和它们的衍生物以及细胞膜蛋白质之类的生物分子以及诸如磷酸双脂之类的磷酸盐生物分子；聚苯胺和它们的衍生物以及四胺的所有衍生物；包括芳族聚酰胺在内的聚酰胺，包括Kapton和聚醚酰亚胺在内的聚酰亚胺，以及它们的衍生物；所有膜聚合物；聚（N-乙烯吡咯烷酮）（PVP）同聚物及它们的衍生物，和任意的PVP共醋酸乙烯酯共聚物；以及所有在主链或支链或主链和支链中具有偶极矩基团的芳族聚合物以及它们的混合物。 

压电材料还可以包含金属，这金属从由铅、锑、锰、钽、锆、铌、镧、铂、钯、镍、钨、铝、锶、钛、钡、钙、铬、银、铁、硅、铜、包含至少一个前述金属的合金以及包含至少一个前述金属的氧化物组成的组中选择。适合的金属氧化物包括SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂、SrTiO₃、PbTiO₃、BaTiO₃、FeO₃、Fe₃O₄、ZnO及它们的混合物，以及VIA族和IIB族的化合物，例如CdSe、CdS、GaAs、AgCaSe₂、ZnSe、GaP、InP、ZnS、及它们的混合物。优选地，压电材料从由聚氟偏二乙烯、锆钛酸铅、钛酸钡及它们的混合物组成的组中选择。 

电活化聚合物包括那些响应于电场或机械场呈现压电、热电、或电致伸缩性质的聚合材料。电致伸缩接枝弹性体的例子是压电的聚（偏二氟乙烯-三氟醚乙烯）共聚物。这个组合具有产生不同数量的铁电电致伸缩分子合成物系统的能力。这些可以用作压电传感器，甚至电致伸缩致动器。 

适合用作电活化聚合物的材料可以包括任何基本上绝缘的聚合物或橡胶（或它们的组合），其响应于静电力变形，或者其变形引起电场的变化。适合用作受预应变的聚合物的示例性材料包括硅酮弹性体、丙烯酸弹性体、聚氨基甲酸酯、热塑性弹性体、包含PVDF的共聚物、压敏粘合剂、含氟弹性体、包含硅树脂和丙烯酸半族的聚合物等等。包含硅树脂和丙烯酸半族的聚合物可以包括，例如包含硅树脂和丙烯酸半族的共聚物、包含硅酮弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物混合物。 

用作电活化聚合物的材料可以根据一个或多个材料性质例如高的电击穿强度、低的弹性模数（对于或大或小的变形）、高的介电常数等等进行选择。在一个实施例中，选择聚合物以便它具有最大为约100MPa的弹性模数。在另一实施例中，选择聚合物以便它具有在约0.05MPa与约10MPa之间的最大致动压力，并且优选为在约0.3MPa与约3MPa之间。在另一实施例中，选择聚合物以便它具有在约2与约20之间的介电常数，并且优选为在约2.5与约12之间。本发明不意图限制这些范围。理论上，如果材料既具有高的介电常数又具有高的介电强度，那么，具有比上面指定的范围更高的介电常数的材料将是所希望的。在许多情况下，电活化聚合物可以制造和实现为薄膜。适合于这些薄膜的厚度可以低于50微米。 

因为电活化聚合物在高应变下可能弯曲，所以附在这些聚合物上的电极同样将弯曲而不损害机械或电性能。通常，合用的电极可以是任何形状和材料的，只要它们能够向电活化聚合物提供适当的电压或从电活化聚合物接收适当的电压。这电压可以是不变的或随时间而变的。在一个实施例中，电极附着在聚合物的表面。附着在聚合物上的电极优选为顺应和符合聚合物的变化的形状。相应地，本发明可以包括顺应的电极，它们符合它们所附的电活化聚合物的形状。这些电极可以仅仅应用在电活化聚合物的一部分上并且限定根据它们的几何结构而定的有效面积。适合用于本发明的电极的多种类型包括，包含金属迹线和电荷分布层的结构化电极、包含超出平面尺寸的变化的组织化电极、诸如碳滑脂或银滑脂之类的导电滑脂、胶状悬浮体、诸如碳纤丝和碳毫微管之类的大长宽比导电材料以及离子导电材料的混合物。 

用于本发明的电极的材料可以变化。用在电极中的适合的材料可以包括石墨、碳黑、胶状悬浮体、包括银和金在内的细金属、银填充和碳填充的凝胶体和聚合物以及离子或电子导电聚合物。应当理解，某些电极材料可能对特定聚合物好使，可能又对其它的不好使。举例来说，对丙烯酸弹性体聚合物好使的碳纤丝，但又对硅氧烷聚合物不好使。 

II. 示例性构造和应用 

现在转向本发明的结构构造，图1-8示出管状致动器10的多种实施例。管状致动器10的优选实施例在图1中示出，其中，切开致动器10以图示限定腔室16、纵轴和长度的管14、在外部邻接管14的保护套18和从外部缠在保护套18上以便驱动地接合管14的活性材料元件12。腔室16充满着流动主体20，例如气体（例如空气）、不可压缩液体、凝胶体、多个微粒或如下面进一步描述的另一活性材料。流动主体20能够顺应腔室16的形状并且把元件12的径向收缩力变换成纵向输出。更优选地，流动主体20提供压缩气体。

通常，当要求致动时，元件12受到激活信号或与激活信号隔断。信号促使如图1所示的螺旋状线材的元件12经历基本性质的可逆变化。这变化产生促使管14获得第二构型的力，其中，加长了可操作尺寸以便产生行程Δl。例如，图1中，意识到，元件12的激活将引起管14沿着纵轴加长。当激活信号反向时，变化同样地反向并且管14恢复其第一构型，作为管14的弹性的结果。在热激活的情况下，意识到，元件12可以响应于系统环境中的温度变化进行被动激活；或者，通过使用者手动输入或通过与自动控制器（未示出）的通信进行立即响应式激活。 

在这个实施例中，活性材料元件12可以由形状记忆合金、电活化聚合物、压电合成物等等组成；并且提供从基本上由线、缆、片或条组成的组中选择的几何形状。元件12可以缠在管14上以提供各种几何构型，例如螺旋、织纹、条带、单独的圆环或多层。元件12可以沿着管14的长度伸展或仅仅覆盖管14的长度的一部分。例如，意识到，元件12可以提供缠在管14上的压电外表片以便形成套筒（未示出）。 

意识到，在提供线材缠绕的螺旋的情况下，元件12环绕管14的角度影响着可操作尺寸的变化的程度和方向。从纵轴测量（图3）的大于55度的缠绕角α产生具有比第一构型更小半径和更长纵向长度的第二构型；而小于55度的缠绕角产生具有比第一构型更大半径和更短纵向长度的第二构型。 

保护套18（图1）可以由金属薄板、玻璃丝、聚四氟乙烯或其它的低摩擦材料组成。套18保护管14不被切割和/或损坏，这可能由与元件12的直接摩擦接合引起或者由激活信号本身引起。此外，套18能够帮助分配元件12产生的致动力，得到致动器10的构型的更均匀的变化。在另一实施例中，至少一个活性材料（例如SMA）线材12可以穿入相应数量的耐用细管（未示出）中，这些细管成螺旋形地缠在管14上，以便作为套18的替代或附加来提供保护并且实现不连续的致动。 

如图2所示，至少一个外表元件12可以在管14的至少一部分纵向长度上是折叠的以便提供更大的行程或行程变化。例如，元件12可以提供缠在管14上的线材以便形成第一和第二层12a、b。每层12a、b的优选线材角度限定不同的预定角α，在此，多个元件12用来形成每层并且独立地被激活以产生行程变化。如前描述的，意识到，提供大于55度的第一层线材角度和小于55度的第二层线材角度的致动器10将选择性地获得更宽/更短的第二构型和更窄/更长的第一构型。因此，在这个构造中，单个致动器10提供来自中立去活状态的推挽式能力。 

图3-4c示出致动器10的另一例子，其中，活性材料元件12如图1所描述的缠在挠性管14上。这里，因为元件12（即不连续区段）没有约束管14的径向前进，致动器10进一步地包括在元件12的外侧或内侧的不可伸展层22，其从外部约束管14的至少一部分。此处使用的术语"不可伸展的"指的是，在元件12被激活时，不能通过管14在一个或多个尺寸（例如径向、轴向）上进行塑性或弹性变形的状态。更优选地，层22从外部约束管14仅沿着可操作尺寸弯曲，按照牙膏管的方式。可以通过例如定向纤维增强的使用来控制或限制不可伸展性。外层22限定用作管口的一个或多个挠性边界区（例如膜）或孔24，优选为在纵向端部（图3、4b）；但是意识到，孔24可以安置在沿着管14的任何地方并且可以实现角行程。外层22通过引导全部变形到可操作尺寸上起到使针对任何指定径向收缩的行程倍增的作用，并且因此更有效地产生第二构型。 

如图3-4c所示，外部的活性材料元件12可以提供单独地缠在管14上的一系列不连续区段或环26并且优选为等距离相隔的。所以，中间或保护套18可以包括或限定用于维持恰当的元件定位的导槽、支座或轨道28。环26被单独激活以产生范围大的可能行程。例如，在图4b中，示出致动器10有一半环26（例如8个中的4个）被激活成一个可能的构型。 

在图4c中，环26提供分别限定大于和小于55度的缠绕角的替代的第一和第二组；通过替代地激活这些组，这个构型中的致动器10通过单层材料也提供推挽式能力。意识到，较大角度的组必须考虑较小的径向膨胀。最后，在要求纵向行程的每一个前述构造中使用长盘簧代替挠性管14也在本发明的范围之内。这里，外表活性材料（例如SMA）元件12优选为通过中间套18作用在该盘上。 

在管状致动器10的另一方面，并且如前面提到的，布置在腔室16内的流动主体20可以包括在受到激活信号或与激活信号隔断的时候可操作成经历形状固定的可逆变化的第二活性材料元件。例如，这个构造中不可压缩的主体20可以由形状记忆聚合物、石蜡、磁流变流体、电流变流体或上述的组合形成。在固态例子中，形状固定性泛指弹性模数；而在流体例子中，形状固定性泛指粘性；因此，意识到，操作成传递激活信号给活性材料12、20的适合的铅和/或传导介质（未示出）可提供，例如在腔室16的远端，或作为穿过腔室16的传导介质。 

在利用活性的流动主体20的情况下，意识到，致动器10提供二步激活过程，其中，在激活第一元件12之前激活第二元件或流动主体20。在固体例子（例如SMP等等）中，这得到选择性可锁定的致动器10。也就是说，当促成主体20恢复其高模数状态时，阻止外部元件12促使致动器10获得第二构型或恢复第一构型。仅仅通过激活第一元件12和第二元件20这两者，致动器10能够获得所需行程。在流体（例如MR/ER流体等等）例子时，第二元件20的激活可以实现行程长度、行程力或行程时间的更改（其中，在后两者中行程长度是不更改的）。而且，意识到，例如，在MR流体20布置在腔室16内且FSMA线材12缠在管14上的情况下，单个信号可以用来激活径向收缩元件12和活性流体20这两者。 

图5示出本发明的另一实施例，其中，致动器10提供另外的传统电活化聚合物（"EAP"）卷状物，由至少一个且优选为多个EAP层30形成。EAP层30限定中央腔室16并且包括单独激活的纵向区段30a。当一个区段被激活时，促使致动器10弯曲离开激活区段30a以便限定弯曲的第二构型。意识到，区段30a的数量与可用挠度成正比。如图5所示，致动器10进一步地包括大量石蜡，其在受到激活信号或与激活信号隔断的时候可操作成经历基本性质的可逆变化（例如引起体积和形状固定性的大变化的分子结构/分子键的变化）。在第一例子中，蜡形成布置在多个EAP层28（图5）中间的薄层32。在另一例子中，石蜡可以布置在腔室16之内以便形成蜡芯20。在任一例子中，在被激活时，石蜡32的形状固定性将下降并且允许卷状致动器10获得更大的行程。 

在本发明的还有另一方面，图7a、b描绘使用管状致动器10连接物件100的方法，如前面所描述和图示的。也就是说，连接装置10包括以小于55度的角度α缠在挠性管14上的外部活性材料元件12。更优选地，致动器10进一步地包括固定地附在元件12上且在其外侧的挠性最外部外壳34。外壳34构造成以便在与物件100接合时提供最小的摩擦力。此外，活性材料元件12可以由形状记忆合金、电活化聚合物或压电合成物组成；并且，元件12被缠绕并且驱动地连接，在被促使经历变化时以便沿径向扩展管14。更优选地，布置在管14之内的是具有可变的形状固定性性质的第二活性材料元件20，例如形状记忆聚合物、石蜡、磁流变流体或电流变流体。 

操作中，一开始，通过如上所述的元件12、20的激活（或去活），促使连接装置10获得较小半径和较少形状固定性状态。接下来，相对于物件100定位装置10，物件100限定具有比该较小半径更大的孔径的孔100a。装置10的至少一部分插入每个孔100a中。然后去活（或激活）元件12，此时第二元件或流动主体20处于其较低模数状态，以便装置10试图恢复比孔径更大的第一或较大半径。半径的增大促使管14接合物件100，以便装置10和物件100实现连接状态。因为也促使装置10变短（即产生负的行程），物件100被拉得更靠近在一起。在这个操作模式中，不提供横向不可伸展的外层22，以便装置10的未拖入孔100a中的部分恢复较大的去活半径。较大半径与孔径之间的差值形成凹陷，物件100在这个凹陷中被紧固并且因此沿着装置10的纵轴被固定（图7b）。 

意识到，要相连的物件100中的一个可以永久地（例如通过焊接、粘接、铆接等等）固定在装置10上。此外，术语"孔"可以包括凹穴、槽和/或缺口以及要连接的物件100中的通孔。也意识到，第二活性材料元件20可以具有与实施例中使用的不同的初始状态；激活形状记忆聚合物和石蜡以按规定提供较少的形状固定性，同时，去活电流变流体和磁流变流体以提供较少的形状固定性。 

替代地，在包括当元件被去活且产生充足夹持力时复原机构36（图8）可操作成扩展管14的情况下，元件12可以构造成径向收缩管14。如前面提到的，意识到，管14的弹性提供在元件12被去活时驱使致动器10回到原始或第一构型的恢复力；然而，在弹性管14不能顺应流体20的情况下，或者使用非弹性管14的情况下，意识到，优选合并有复原机构36以实现自动复位。例如，在图8中，复原机构36包括由通过加压弹簧40互连的彼此间隔的扇区38形成的保护套18。在这个构造中，套18可操作成径向收缩，例如，作为激活元件12的结果，并且扩展，例如在元件12被去活时作为储存在弹簧40中的释放能量的结果。 

在致动器10的非操作端处，套18优选地提供固定盖板42。这里，管14可以附着在套18上以便在套18扩展时沿纵向收缩。然而更优选地，机构36进一步地包括在致动器10的操作端处的浮动端板44，其通过膨胀弹簧46互连到套18上。当元件12被激活时，浮动板44、膨胀弹簧46和管14协作构造从而使得管14促使板44被移动并且促使弹簧46储存能量。当元件12被去活时，弹簧46释放它们的能量从而促使板44和管14恢复第一构型。 

书面描述使用例子公开本发明，包括最佳方式，并且还使得本领域技术人员制造和使用本发明。本发明的可授权范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它例子。意图使这些其它例子在权利要求书的范围内，如果它们具有的结构化元件不是不同于权利要求书的文字语言，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言无实质区别的等同结构化元件。同样，此处使用的术语"第一"、"第二"等不表示任何顺序或重要性，而是用来区别一个元件与另一个，术语"这"和"一"不表示对数量的限制，而是表示至少一个所提项目的存在。特定元件或尺寸所指的全部范围变现为终点并且独立地可组合。 

Claims (10)

1.一种提供行程长度和力的管状活性材料致动器，所述致动器包括：

挠性管，其限定内部腔室和纵轴并且可操作成在具有第一和第二纵向长度的第一和第二构型之间转变以便限定行程；

活性材料元件，其可操作成在受到激活信号或与激活信号隔断的时候经历基本性质的可逆变化以便相应地被激活或去活，从外部缠在所述管上并且驱动地连接到所述管；和

流动主体，其布置在所述腔室内，其中，所述变化产生径向致动力，所述力促使所述管在所述构型之间转变，并且所述主体可操作成传递所述力。

2.如权利要求1所述的致动器，其中，所述活性材料元件从基本上由形状记忆合金、电活化聚合物和压电合成物组成的组中选择。

3.如权利要求1所述的致动器，其中，所述流动主体从基本上由气体、压缩气、凝胶体、液体和多个微粒的组中选择。

4.如权利要求1所述的致动器，其中，所述流动主体包括第二活性材料元件，其可操作成在受到第二激活信号或与第二激活信号隔断的时候经历基本性质的第二可逆变化，并且所述第二可逆变化可操作成更改所述行程。

5.如权利要求4所述的致动器，其中，所述第二活性材料元件可操作成获得第一和第二形状固定性，作为所述第二变化的结果，所述第一固定性使得所述管能转变成所述第一和第二构型中的一个，并且所述第二固定性保持所述管处于所述第一和第二构型中的所述一个。

6.如权利要求4所述的致动器，其中，所述行程提供行程长度，并且所述第二变化可操作成更改所述行程长度。

7.如权利要求4所述的致动器，其中，所述行程提供行程力，并且所述第二变化可操作成更改所述行程力。

8.如权利要求4所述的致动器，其中，所述第二活性材料元件从基本上由石蜡、磁流变流体、电流变流体和形状记忆聚合物组成的组中选择。

9.一种提供第一和第二行程的电活化聚合物卷状致动器，每个行程由相应的行程长度和力限定，所述致动器包括：

至少一层电活化聚合物，其可操作成在受到第一激活信号或与第一激活信号隔断的时候经历基本性质的第一可逆变化，并且卷绕以限定径向内部腔室；和

石蜡，其可操作成在受到第二激活信号或与第二激活信号隔断的时候经历基本性质的第二可逆变化以便相应地被激活和去活，布置在所述至少一层的至少一个的径向内侧，

其中，所述蜡在被激活和去活的时候分别提供第一和第二形状固定性，并且所述固定性和所述第一变化协作地提供所述行程。

10.一种选择性地连接多个物件的方法，所述物件限定提供孔径的至少一个孔，所述方法包括：

a）相对于所述物件定位连接装置，其中，所述装置包括可操作成在受到激活信号或与激活信号隔断的时候经历基本性质的可逆变化的活性材料元件，并且所述装置在第一和第二半径之间可转变，第一半径大于第二半径和所述孔径，第二半径小于所述孔径，且所述变化促使所述装置在第一和第二半径之间转变；

b）使所述元件受到激活信号或与激活信号隔断以便激活或去活所述元件并且获得所述第二半径；

c）在所述装置提供所述第二半径时把所述装置的至少一部分插入所述至少一个孔中；以及

d）在所述至少一部分插入所述至少一个孔内时，使所述变化反向以便促使所述装置尝试提供所述第一半径并且由此使所述装置和物件实现连接状态。

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