CN103481507A

CN103481507A - 利用工程结构的表面纹理化

Info

Publication number: CN103481507A
Application number: CN201310224921.1A
Authority: CN
Inventors: A.C.基夫; C.P.亨利; G.A.埃雷拉; G.P.麦克奈特; A.L.布劳恩; N.L.约翰逊
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: DE102013209913B4; CN103481507B; DE102013209913A1

Abstract

本发明涉及利用工程结构的表面纹理化，并且具体提供一种主动纹理化系统，该系统适于采用与可重构结构连通的多个离散机构来选择性地且可逆地改变表面纹理。

Description

利用工程结构的表面纹理化

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年4月16日提交的名称为“用于形成局部表面褶皱的组件和方法”的美国申请No. 12/761,709的优先权并作为该申请的部分继续申请，该美国申请的全部范围通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及表面纹理化的系统的方法。更具体地，本发明涉及利用工程系统主动改变表面纹理的系统和方法，该工程系统包括一组离散机构并且更优选地采用活性材料致动。

背景技术

表面纹理化已被长期用于影响、引发或控制系统的各种物理相互作用（即，方面或条件），包括表面粘附、反射、摩擦系数、结构颜色和计量。传统上，一旦被模制、加工、构造或以其它方式产生，物理系统常常表现出设定的表面纹理，该纹理可能在上述方面中的一个或多个方面具有优势而在其它方面表现出劣势。因此，已经研制了能够改变表面纹理进而在需要时更好地满足多种功能的主动纹理化系统。包括刚性结构和弹性结构（其中储存有能够弯曲结构的表面的足够能量）的各种组合的常规主动系统低效、过度复杂并且在一些情形中能力和程度有限。

发明内容

响应于前述关注内容，本发明描述一种主动改变表面纹理的更高效的系统和方法，并且更具体地，涉及一种采用工程系统以及更优选但并非必需地采用活性材料致动来改变表面纹理的系统和方法。因此，本发明用于改变受表面纹理影响、引发或控制的系统的物理相互作用。更具体地，除了物理相互作用之外，本发明用于改变其反射、热、流体、电磁接收、触觉、摩擦、声学、发射或美学方面/能力。在优选实施例中，本发明用于改变表面的美感或感觉，从而产生视觉或触感警报。在另一实施例中，本发明用于选择性地减少杂光，和其它辐射/发射的反射/折射。最后，通过采用工程系统和活性材料致动，本发明提供了降低封装要求、复杂度和噪声（针对声学和EMF）的不那么复杂的表面纹理化方案。

总体而言，本发明提供一种用于选择性地和动态地改变暴露表面的纹理的系统。该系统包括：限定暴露表面的可重构结构（诸如弹性板）；一组离散机构（诸如多个气密单元），每个机构能够重构该表面的一部分，从而协作地改变表面纹理；以及可连通地耦接到每个机构并且能够启动和停止所述机构的致动器、滞留气体或物质，从而使所述机构重构所述部分。

方案1．一种用于选择性地改变暴露表面的纹理的工程系统，所述系统包括：

能可逆地被重构的结构，其限定所述暴露表面；

一组离散机构，其能在与所述结构物理接合的多种形式之间变换，并且能够在变换形式时机械地重构所述表面的一部分，从而协作地改变所述纹理；以及

致动器，其连通地耦接到每个机构并且能够启动和停止所述机构，从而引起所述机构在多种形式之间变换并且重构所述部分。

方案2．根据方案1所述的系统，其中，每个机构包括由连续侧壁限定的至少部分封闭的芯。

方案3．根据方案2所述的系统，其中，所述芯是完全封闭和气密的，并且所述机构进一步包括滞留在芯内的一定量流体。

方案4．根据方案2所述的系统，其中，所述芯是完全封闭和气密的，并且所述机构进一步包括能够吸收一种辐射的一定量物质。

方案5．根据方案2所述的系统，其中，所述芯是完全封闭和气密的，并且所述机构进一步包括一定量负泊松比材料。

方案6．根据方案2所述的系统，其中，所述机构包括位于芯内的永磁体以及被选择性地磁化并且相对于永磁体放置从而选择性地影响永磁体的电磁体。

方案7．根据方案2所述的系统，其中，所述机构进一步包括一定量的相变材料，并且所述机构由于改变材料的相而被重构。

方案8．根据方案7所述的系统，其中，所述芯是完全封闭和气密的，并且相变材料是选择性地经历电解的一定量的水。

方案9．根据方案1所述的系统，其中，所述致动器包括至少一个活性材料元件，该活性材料元件当暴露于或被去除激活信号时能够经历基本性能的可逆变化，并且所述至少一个元件和机构被协同地配置为使得该变化导致或产生折叠度，并因此改变所述表面的纹理。

方案10．根据方案1所述的系统，其中，所述机构包括至少一个选择性移动的磁体。

方案11．根据方案1所述的系统，其中，改变所述纹理产生标记。

方案12．根据方案1所述的系统，其中，所述致动器包括从基本由形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电复合材料、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、介电弹性体和电活性聚合物构成的组中选择的活性材料。

方案13．根据方案12所述的系统，其中，所述致动器是横向耦接到所述机构的马氏体形状记忆合金线，并且所述线的激活导致所述机构被重构。

方案14．根据方案13所述的系统，其中，每个机构从动地耦接到形状记忆合金线，并且所述机构共享共同的机械的和电的地线。

方案15．根据方案1所述的系统，其中，所述机构包括限定高度的多个可重构的环，并且所述致动器从动地耦接到所述环并且能够横向地拉伸所述环，从而降低其高度。

方案16．根据方案1所述的系统，其中，所述机构包括多个竖直构件，所述致动器包括位于构件下方的一组斜坡，并且所述斜坡和构件被协同构造为和放置为使得当斜坡横向平移时引起所述构件上升。

方案17．根据方案1所述的系统，其中，所述结构包括位于所述机构和表面之间的中间层，并且该中间层从动地耦接到所述机构。

方案18．根据方案1所述的系统，其中，所述机构包括多连杆结构。

方案19．根据方案18所述的系统，其中，每个机构包括限定间隔的第一和第二端盖，以及枢转剪刀连杆，该枢转剪刀连杆互连相邻的一组盖并且当枢转时能够分别增大和减小相邻一组盖的间隔。

方案20．一种用于选择性地改变暴露表面的纹理的工程系统，所述系统包括：

能可逆地被重构的结构，其包括弹性板并且限定暴露表面；

一组离散机构，其能在与所述结构物理接合的多种形式之间变换并且能够重构所述表面的一部分，从而协作地改变纹理，其中，每个机构包括由连续侧壁限定的至少部分封闭的芯；以及

至少一个致动器，其包括当激活和去激活时能够经历基本性能的可逆变化的活性材料，并且可连通地耦接到每个机构并且能够启动和停止所述机构，从而引起所述机构在多种形式之间变换并且重构所述部分。

方案21．根据方案1所述的系统，其中，所述能可逆地被重构的结构包括弹性板。

通过参照下面对本发明及包括在其中的例子的各种特征的详细描述，可以更容易地理解本发明，本发明包括对车辆应用以及示例性结构、离散机构和致动器的引用。

附图说明

下面参照示例性比例的附图详细描述本发明的优选实施例，其中：

图1是根据本发明的优选实施例的车辆内部驾驶室的立体图，具体图示了受控的纹理化系统，该系统包括构成仪表板和中控台的主动受控的纹理化表面，以及在中控台纹理中显示的标记；

图2a、b是根据本发明的优选实施例的主动纹理化系统的正视图，该系统包括在停用状态（a）和启用/纹理化状态（b）从动地耦接到可重构结构的多个部分封闭的芯机构；

图3a、b是根据本发明的优选实施例的主动纹理化系统的正视图，该系统包括在停用状态（a）和启用/纹理化状态（b）从动地耦接到可重构结构的完全封闭的气密单元；

图4是根据本发明的优选实施例的图3a、b所示的主动纹理化系统的正视图，其中，所示单元包含经历电解的相变物质（例如水、固体石蜡），从而释放气态副产物并引起膨胀/起皱；

图5是根据本发明的优选实施例的主动纹理化系统的正视图，该系统包括多个部分封闭的芯、与每个芯固定地接合的永磁体以及电磁体，该电磁体被相对地放置为选择性地影响和排斥永磁体；

图6是根据本发明的优选实施例的主动纹理化系统的正视图，该系统包括多个部分封闭的芯，所述芯具有布置在其中并且与其从动地接合的形状记忆合金导线，其中，所述导线具有共同的机电地线；

图7是根据本发明的优选实施例的主动纹理化系统的正视图，该系统包括多个部分封闭的芯，所述芯具有与其从动地接合的径向横置形状记忆导线；

图8A是根据本发明的优选实施例的主动纹理化系统的正视图，该系统包括与可重构结构可连通地耦接的多个离散环机构；

图8B是根据本发明的优选实施例的主动纹理化系统的第二实施例的正视图，该系统包括与可重构结构可连通地耦接的多个离散环机构；

图8C是根据本发明的优选实施例的主动纹理化系统的正视图，该系统包括与限定纹理的可重构结构可连通地耦接的多个竖直构件以及位于所述构件下方的一组斜坡；

图8D是根据本发明的优选实施例的主动纹理化系统的正视图，该系统包括可连通地耦接到纹理化表面的多个多连杆机构；

图8E是根据本发明的优选实施例的图8A所示的主动纹理化系统的正视图，该系统还包括位于可重构表面和离散环机构之间的中间层；

图9是根据本发明的优选实施例的主动纹理化系统的立体图，该系统包括多个剪刀式机构，还包括限定间隔的第一和第二端盖以及使相邻组的盖互相连接的第一和第二枢转和相对的弓架；以及

图9a是根据本发明的优选实施例的图9所示的系统的立体图，其中，弓架和盖限定枢转连接。

具体实施方式

对优选实施例的以下描述本质上仅是示例性的，并非意图限制本发明、其应用或用途。如在此描述和说明的，本发明涉及采用可致动的成组离散机构14来选择性地和可逆地改变表面12的纹理的结构材料系统10和方法（图1-9）。机构14可以在多种形式之间转变，协同作用以影响纹理，并且更优选地，机构14能可变地致动以产生表面纹理的多个可用变化中的一个。应该理解，系统10的益处可以实现在许多应用中，在宽的纹理变化范围内与不同物理现象相互作用；例如，对于一个物理现象的特征变化可以在微米量级，而对于另一物理现象可以在厘米量级（例如分别是衍射和摩擦）。这里给出适于不同物理相互作用和不同应用的各种系统10。例如，当可热应用时，可以以在微米或厘米量级改变纹理的方式构建系统10；而另一系统10仅能够进行更窄的改变，从而进行热和光（可变的扩散率）相互作用。

因此，本发明的系统10可以用于产生预期条件，或在宽的应用范围内改变表面12的物理相互作用、特性或现象。在图1中，例如，示出系统10处于汽车设备中，其中，已改变仪表板100的纹理以减少杂光，并且已改变中控台102的纹理以警告使用者减小与热表面的接合的接触表面积。对于前者，应该理解，减少杂光使得可以使用较浅的表面颜色而不会降低能见度。在其它应用中，应该理解，改变表面纹理可以用于减轻噪声或者改变镜面反射而不影响基础材料的反射率。此外，应该理解，声学也可以类似地受益于本发明；更具体地，在汽车设备中，通过粗化内部表面（诸如空气通风管的内部表面）可以部分地减轻风噪声。在又一应用中，应该理解，改变外部主体表面纹理可以用于减小阻力和/或产生雷达散射。最后，还应该理解，摩擦与表面纹理直接相关，从而产生滑动阻力、滑移阻力和表面打滑程度。

结构材料系统10的致动可以采用常规机电装置，如螺线管或电动机。但是，更优选地，系统10与活性材料（形状记忆合金/聚合物、相变材料等）的致动结合，使得系统自身可以致动。

I. 活性材料的描述和讨论

如在此使用的，术语“活性材料”被定义为当暴露于或被去除激活信号时在基础（即化学的或固有物理的）性能方面显示可逆变化的任意材料或复合物。用于本发明的合适活性材料包括但不限于形状记忆材料，其能够记住至少一种属性（诸如形状）并且随后通过施加外部刺激可以恢复此属性。示例性形状记忆材料包括形状记忆合金（SMA）、形状记忆陶瓷、电活性聚合物（EAP）、铁磁SMA、电流变（ER）复合物、磁流变（MR）复合物、介电弹性体、离子聚合物金属复合物（IPMC）、压电聚合物/陶瓷以及大体积固体石蜡。在这些材料中，适当几何形式的SMA和EAP尤其适于用作这里的致动器16，因此下面进一步对其进行描述。

形状记忆合金（SMA）通常是指一族金属材料，其被证明在经受适当的热刺激时具有恢复预先限定的某一形状或大小的能力。形状记忆合金能够进行相变，在相变中，它们的抗屈强度、刚度、尺寸和/或形状根据温度而变化。一般来说，在低温或马氏体相中，形状记忆合金可以假塑性地变形，并且当暴露于较高温度时，将转变到奥氏体相或母相，恢复到它们变形之前的形状。

形状记忆合金存在于若干不同的与温度相关的相。这些相中最常采用的是马氏体相和奥氏体相。在以下讨论中，马氏体相通常是指更加可变形的、较低温度的相，而奥氏体相通常是指刚性更大的、较高温度的相。当形状记忆合金处于马氏体相并且被加热时，它开始改变到奥氏体相。此现象开始的温度通常被称作奥氏体开始温度（A_s）。此现象完成的温度被称为奥氏体结束温度（A_f）。

当形状记忆合金处于奥氏体相并且被冷却时，它开始改变到马氏体相，并且此现象开始的温度被称为马氏体开始温度（M_s）。奥氏体完成向马氏体的转变的温度被称为马氏体结束温度（M_f）。一般来说，形状记忆合金在它们的马氏体相较软并且更容易变形，而在奥氏体相较硬、较不易弯曲和/或刚度更大。鉴于前述描述，供形状记忆合金使用的合适的激活信号是大小足以引起马氏体相和奥氏体相之间的转变的热激活信号。

根据合金成分和处理历史，形状记忆合金可以显示单向形状记忆效果、固有双向作用或外在双向形状记忆效果。经退火的形状记忆合金通常仅显示单向形状记忆效果。在低温变形之后充分加热形状记忆材料将引起马氏体向奥氏体型式转变，并且材料将恢复最初的经退火的形状。因而，仅当加热时才能观察到单向形状记忆效果。包括显示单向记忆效果的形状记忆合金复合物的活性物质不能自动重新成形，而是需要外部机械力使其返回其预先构造的形状。

固有和外在双向形状记忆材料的特征在于通过加热从马氏体相到奥氏体相的形状转变以及通过冷却从奥氏体相返回马氏体相的额外形状转变。显示固有形状记忆效果的活性材料由下述形状记忆合金复合物制成，该复合物由于上述相变而可以引起活性物质自动重新形成自身。固有双向形状记忆行为必须通过处理在形状记忆材料中产生。这类过程包括当在马氏体相的材料过度变形、在限制或负荷下的加热-冷却，或表面改进（诸如激光退火、抛光或喷丸加工）。一旦材料被训练为显示双向形状记忆效果，在低温和高温状态之间的形状变化就通常是可逆的并且通过大量热循环保持。反之，显示外在双向形状记忆效果的活性材料是下述复合物或多成分材料，其将显示单向效果的形状记忆合金复合物与提供存储力以重新形成最初形状的另一元素结合。

通过稍微改变合金成分以及通过热处理，可以调节被加热时形状记忆合金记起其高温形式的温度。例如，在镍-钛形状记忆合金中，该温度可以从约100℃以上改变到约-100℃以下。根据期望的应用和合金成分，形状恢复过程可以发生在仅几度的范围内并且转变的发生或结束可以被控制在一度或两度内。形状记忆合金的机械性能在它们的转变过程的温度范围内显著改变，通常为系统提供形状记忆效果、超弹性和高阻尼能力。

合适的形状记忆合金材料包括但不限于基于镍-钛的合金、基于铟-钛的合金、基于镍-铝的合金、基于镍-镓的合金、基于铜的合金（例如铜-锌合金、铜-铝合金、铜-金合金和铜-锡合金）、基于金-镉的合金、基于银-镉的合金、基于铟-镉的合金、基于锰-铜的合金、基于铁-铂的合金、基于铁-铂的合金、基于铁-钯的合金等。所述合金可以是二元、三元或更多元的，只要合金复合物显示出形状记忆效果，例如形状取向的变化、阻尼能力等。

因此，为了本发明的目标，应该理解，当被加热到它们的马氏体相到奥氏体相转变温度以上时SMA显示约2.5倍的系数增加和达8%的尺寸变化（取决于预应变的量）。应该理解，热诱导的SMA相变是单向的，从而需要偏置力返回机构（诸如弹簧），一旦所施加的场消失就使SMA返回其开始构造。焦耳加热可以用于使整个系统电子可控。然而，SMA中应力诱导的相变本身即是双向的。当SMA处于其奥氏体相时应用足够的应力将导致SMA改变到其较低系数的马氏体相，在该马氏体相中SMA可以显示达8%的“超弹性”变形。去除施加的应力将导致SMA转换回到其奥氏体相，由此恢复其开始形状和较高系数。

本发明也可以使用铁磁SMA（FSMA），其是SMA的子类。这些材料的行为类似于具有在马氏体和奥氏体之间的应力或热诱导相变的常规SMA材料。此外，FSMA是铁磁体并且具有强磁晶体各向异性，其允许外部磁场影响场对齐马氏体变体的定向/一部分。当去除磁场时，材料可以显示完全双向、部分双向或单向形状记忆。对于部分或单向形状记忆，外部刺激、温度、磁场或应力可以使得材料返回其开始状态。完美的双向形状记忆可以利用连续供应的电力用于成比例控制。在汽车应用中通常经由软磁芯电磁体产生外部磁场，但是一对亥姆霍兹线圈也可以用于快速响应。

电活性聚合物包括响应电场或机械场而显示压电、热电或电致伸缩性能的那些聚合物材料。一个例子是具有压电聚合（偏二氟乙烯-三氟乙烯）共聚物的电致伸缩移接弹性体。此结合具有产生变化量的铁电-电致伸缩、分子复合系统的能力。这些可以作为压电传感器或甚至电致伸缩致动器操作。

适于用作电活性聚合物的材料可以包括任何实质上绝缘的聚合物或橡胶（或其结合），该聚合物或橡胶响应静电力而变形或其变形导致电场变化。适于用作预应变聚合物的示例性材料包括硅弹性体、丙烯酸弹性体、聚氨酯、热塑性弹性体、包括PVDF的共聚物、压敏粘合剂、含氟弹性体、包括硅树脂和丙烯酸基的聚合物等。包括硅树脂和丙烯酸基的聚合物可以包括，例如，包括硅树脂和丙烯酸基的共聚物以及包括硅弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物混合物。

可以基于一个或多个材料特性，诸如高电击穿强度、低弹性系数（对于大的或小的变形）、高介电常数等，来选择用作电活性聚合物的材料。在一个实施例中，选择弹性系数至多约为100MPa的聚合物。在另一实施例中，选择最大致动压力在约0.05MPa和约10MPa之间，并且优选在约0.3MPa和约3MPa之间的聚合物。在另一实施例中，选择介电常数在约2和约20之间，并且优选在约2.5至约12之间的聚合物。本发明并非意图限制这些范围。理想地，如果材料具有高介电常数和高介电强度，则该材料具有高于以上给定范围的介电常数是有利的。在许多情形中，电活性聚合物可以被制造和实现为薄膜。这些薄膜的合适厚度可以低于50微米。

由于电活性聚合物在高应力下可以弯曲，因此附接到聚合物的电极也应该弯曲而不会损害机械或电性能。一般而言，适于使用的电极可以是任何形状和材料的，只要它们能够向或从电活性聚合物供应或接收合适的电压。电压可以是恒定的或随时间变化的。在一个实施例中，电极附接到聚合物的表面。附接到聚合物的电极优选是柔性的并且遵从聚合物的变化形状。相应地，本发明可以包括遵从电活性聚合物的形状的柔性电极，该柔性电极附接到电活性聚合物上。电极可以仅施加到电活性聚合物的一部分并且根据它们的几何形状限定有效面积。适合用于本发明的各种类型的电极包括：包括金属迹线和电荷分布层的结构电极、包括平面外变化尺寸的纹理化电极、导电润滑剂（诸如碳润滑剂或银润滑剂）、胶状悬浮剂、高纵横比导电材料（诸如碳纤维和碳纳米管）以及离子导电材料混合物。

形状记忆聚合物（SMP）通常是指被证明当经历适当的热刺激时能够返回预先限定的形状的一族聚合物材料。形状记忆聚合物能够进行相变，在所述相变中它们的形状根据温度而改变。一般来说，SMP具有两个主要部分，硬部分和软部分。可以通过熔化，或以高于最高热转变温度的温度处理聚合物然后冷却到该热转变温度以下，来设置预先限定的形状或永久形状。最高热转变温度通常是玻璃化转变温度（T_g）或硬部分的熔点。通过将材料加热到高于软部分的Tg或转变温度但低于硬部分的Tg或熔点的温度，可以设置临时形状。当在软部分的转变温度以上处理材料时设置临时形状，之后进行冷却以固定该形状。通过将材料加热到软部分的转变温度以上，材料可以恢复到永久形状。

例如，聚合物材料的永久形状可以是呈现大体平直形状并且限定第一长度的线，而临时形状可以是限定小于第一长度的第二长度的类似线。在另一实施例中，材料可以呈现为当激活时具有第一弹性系数且当去激活时具有第二系数的弹簧。

永久形状恢复所需的温度可以被设置为约-63℃和约120℃或以上之间的任意温度。设计聚合物本身的成分和结构可以为期望应用选择特定温度。形状恢复的优选温度为大于或等于约-30℃，更优选为大于或等于约0℃，最优选为大于或等于约50℃的温度。此外，形状恢复的优选温度小于或等于约120℃，并且最优选小于或等于约120℃且大于或等于约80℃。

合适的形状记忆聚合物包括热塑性材料、热固性材料、互穿网络、半互穿网络或混合网络。聚合物可以是一种聚合物或多种聚合物。聚合物可以是直线型或具有侧链或树枝状结构元素的分支热塑性弹性体。适于形成形状记忆聚合物的聚合物成分包括但不限于：聚磷腈、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯酰胺、聚氨基酸、聚酸酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烷基、聚丙烯酰胺、聚醚、聚亚烷基氧化物、聚对苯二甲酸亚烷基酯、聚原酸酯、聚乙烯乙醚、聚乙烯酯、聚乙烯卤化物、聚酯、聚乳酸、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯及其共聚物。合适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、聚甲基丙烯酸月桂酯、聚苯基甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸异丙酯、聚丙烯酸异丁酯、聚丙烯酸十八酯。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（十八碳基乙烯基醚）乙烯醋酸乙烯酯、聚乙烯、聚（环氧乙烷）-聚（乙烯对苯二甲酸酯）、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-n-丙烯酸丁酯、聚降莰基多面体低聚倍半硅氧烷、聚氯乙烯、尿烷/丁二烯共聚物、聚氨酯嵌段共聚物、丁二烯苯乙烯嵌段共聚物等。

因此，为了本发明的目标，应该理解，当被加热到它们成分（具有较低的玻璃化转变温度）的玻璃化转变温度以上时，SMP显示系数急剧下降。如果温度下降时保持负荷/变形，则将在SMP中设置变形形状，直到SMP在没有负荷的情况下被加热，在该情形下SMP将返回其模塑的形状。尽管SMP可以以块、片、平板、网格、束、纤维或泡沫形式使用，但是它们需要它们的温度达到它们的成分（具有较低的玻璃化转变温度）的玻璃化转变温度以上，即在低温环境下的连续电力输入以保持处于它们的较低系数状态。

II．示例性纹理化系统及其使用方法

系统10具有在可控制纹理和所述纹理基于和在其上操纵的框架的背景下的工程结构。如前所述，改变纹理的背后动力对于结构可以是外在的或固有的。系统10包括限定表面12和纹理的可重构薄结构16，诸如弹性板。结构16可以是平坦的或弯曲的，从而限定不平坦物体（例如汽车的保险杠、门、后侧围板、发动机罩、仪表板等）的外部。其上安装有结构14的离散机构14负责直接通过变形引起纹理变化或通过容纳可变形介质以在致动时纹理按特定或最佳方式改变的方式引起纹理变化。在本发明的一个方面，结构16可以大程度变形并由此使纹理产生特定变化；而在另一方面，结构16可以包含形状改变介质，该介质处于其形状变化引起纹理变化的位置或方向。最后，应该理解，可重构的重叠结构16和离散机构14可以一体呈现。

在图2和3示出的第一实施例中，机构14包括限定芯14a的中空单元（cell），并且可重构结构16表现为覆盖单元（cellular）芯机构（即单元）14的弹性介质覆层或涂层。也就是说，机构14可以限定由连续侧壁18和在一端的结构16部分地限定的一组部分封闭的空间（图2a、b）或完全封闭的气密空间（图3a、b），连续侧壁18和在一端的结构16协同形成单元膜。系统10被构造为，使得利用在边缘或集成在其中的致动器20，单元14的纵向变形引起结构16的膨胀、起皱或翘曲。应该理解，表面纹理化将由单元14的形状和间隔决定，从而使得幅度和波长主要由几何形状控制。作为进一步变形/致动的结果，次级效应会被加入表面12，诸如更精细的纹理、褶皱或未起皱。

在第一例子中，优选地，密封单元14通过改变滞留气体22的压力引起表面纹理化，假设压力变化足以拉长或以其他方式改变膜。应该理解，本实施例可以用作环境变化（诸如温度、大气压力、水深或高度的增加）的指示器，该环境变化会导致气体22变稀薄并且使密封膜（即壁18、结构盖等）膨胀。更优选地，利用每个加压单元作为像素，该指示可以被配置为产生标记24，诸如拼写在表面12中的字样“热”或“冷”（图1）。在此配置中，应该理解，例如，可以通过车辆内部驾驶室内的热负荷被动地致动系统10。在这类例子中，致动器被认为是压力变化（例如车辆驾驶室温度等）的背后动因或被动致动的原因。类似地，通过使辐射吸收物质（例如当暴露于微波时沸腾并释放蒸汽的一定量水）22滞留在单元14中，可以以类似方式提供对暴露于其它形式的辐射（例如微波等）的指示。选择性地，单元14可以完全或部分地填充有负泊松比（NPR）材料，该材料在被拉长时横向膨胀（而不收缩）。这种材料可以用于在伸展的情况下使表面纹理膨胀，反之亦然。在本发明的范围内确定的是，一些单元14完全或部分地填充有更常规的材料（如在其它实施例中描述的），而其它单元填充有NPR材料，以在单一负荷下产生更复杂的纹理相互作用。

在另一例子中，密封的芯单元14（图3a、b）可以通过封装相变材料来主动控制纹理。相变材料可以是液态-气态相变、固态-液态相变或固态-固态相变，只要相的改变引起体积改变。相变材料（例如固体石蜡）的激活会导致膜的膨胀或收缩。例如，在电解反应期间可以使水释放氢（图4）。气体逸出会引起膜可逆膨胀并且可以被记录在单元挨单元的基底（实体图像）上。在固态-固态相变情形中，相变材料可以在单元14内并且如前所述地起作用或包括限定纹理的结构16。在后者情形中，其中相变材料在表面12上，单元14主要用于处理表面并且引起相变，因此表面纹理变化仅发生在期望区域。

如图5所示，利用磁排斥可以实现额外的单元活性表面实施例。例如，图5示出一种概念，其中，每个单元14容纳可以通过位于单元14之外的影响区内的电磁体26b在单元14内移动的永磁体26a。在本实施例中，通过打开和关闭单个或多组电磁体26b以移动相应的永磁体26a，来实现像素控制。以此方式进行的表面12的其它特征是纹理变化的响应时间。就这一点而言，本实施例的另一改良包括SMP的顶层以锁定纹理，并因此通过当一旦期望形状固定就停止向电磁体26b供电时保持变形而降低电力需求。SMP的形状记忆能力还可以重新设置默认纹理。在又一实施例中，电磁体26b和永磁体26a被螺线管代替，以实现类似的纹理控制。

图6示出采用单元芯机构14的另一实施例，该机构14上安装有限定表面12的弹性或挠性盖子16，表面12带有初始纹理。压接件或其它紧固装置28附接或嵌入到此结构16，SMA线20（图6）和电接地线30一起机械地和电气地附接到所述压接件或其它紧固装置28。选择性地，还应该理解，可以通过环境温度梯度（例如车辆内部驾驶室的热负荷、车辆发动机产生的热副产物等）被动地启动线20。当被加热（电加热或其它方式）时，SMA线20的长度将收缩，从而利用足够的力和位移将弹性结构16向下拉入芯14a，产生有凹陷的表面12。电学上，每个SMA线20可以共享共用的地线30a。多组SMA线20可以汇聚到一起并由共用开关32启动，或者可以逐一像素地单独处理。弹性结构12具有足够的刚度，从而使得存储在变形中的弹性能量足以恢复其未致动状态的初始位置，并且给予SMA致动器20足够的变形使得另一致动循环可以在没有任何其它装置或介入的情况下发生。例如，树脂玻璃柱可以用作SMA线20的机械地面33，其中，连接螺旋式接线柱的分流线和地线30汇聚在一起，从而使得供应电流将同时致动所有线20。单元芯14a可以是标准的六边形铝芯；并且塑料管（未示出）可以被插入芯14a中，以防止铝短路。弹性结构16可以是从芯面延伸0.16cm（即，1/16英寸）并且向芯14a内延伸0.32cm（即，1/8英寸）的硅树脂RTV粘合剂。在组装期间，SMA线20压接到它们（各自）的地线30并且嵌入未固化的RTV粘合剂中，从而使得表面变形进入芯14a约0.25cm（即，0.1英寸）并且完全可逆和可重复。

在另一单元例子中，外部致动器20可以用于横向驱使单元形状改变。如图7所示，例如，通过加热线20使其超过其转变温度范围，可以选择性地启动沿直径穿过单元14的马氏体SMA线20，从而导致线20收缩，并由此横向压缩单元14。因此，引起单元14沿纵向（对于开放的单元指向附图平面或竖直地，对于密封单元指向附图平面）膨胀，由此产生纹理表面12的凸起或褶皱。应该理解，可以以此方式同时致动多个单元14。例如，如图7所示，SMA线致动器20可以结合为穿过若干单元14。在此配置中，仅需将线20附接到单元14的外侧或远侧壁18，其中，毗邻地配置多个单元14，并且单元14能够向相邻单元14传递收缩力。

其它机械实施例包括：封闭单元结构或泡沫，其附接到可变形表面上以便在致动时引起纹理变化（图8A）；具有地形构形的平移层，从而使得层的平移引起表面的平面外变形，进而主动地纹理化表面（图8B）；常规连杆式机构，其附接到可变形表面，其中输入连杆的致动在表面中引起指定的变形（图8C）；以及柔性机构基体，其附接到可变形表面材料，从而使得基体的致动引起表面的一种或多种扭曲，进而导致表面纹理变化（图8D）。在这些配置中，弹性结构16易于变得顺从，从而与区域平移截然相反地产生纹理的变化；选择性地，可以提供限制部件（未示出），其将表面高度固定在表面通过致动器20被向上推或向下拉的位置之间的每个跨度内。类似地，芯结构可以是当被拉长时横向膨胀的增胀芯（Auxetic core）。

更具体地，在图8A和8B中，一组离散机构14包括多个相似的环，所述环在被横向拉伸时呈现小于它们正常高度的第二高度，而覆盖结构16呈现为可轻易重构的弹性层。正常高度可在表面12（图1）中产生一系列隆起，而第二高度使表面12保持平坦和光滑。机构14在第一端被固定，而SMA或其它致动器（未示出）可连通地耦接到环14的相对端，从而当通电时选择性地使它们横向拉伸。在图8C中，机构14包括多个（优选是互相连接的）竖直构件，而致动器20包括位于构件14下方的一组可平移斜坡34。当构件14与斜坡34接合时，构件14由于与由此限定的倾斜表面的接合而被抬升。通过以成组钉子的方式抬升构件14，改变了表面纹理。在图8D中，示出了包括三连杆系统的更复杂的机构14。这里，第一和第二外杆36连接到致动器20并且在其相对端被固定。中心杆38被定向为呈现为竖直部件，其与结构16接合并影响表面12。当致动器20通电时，导致连杆横向伸展，由此移动自由的外杆36。通过这样做，导致中心杆38摆动远离表面12，从而减小其影响，并且相应地改变表面纹理。

类似地，可以采用机械结构来制造更复杂的表面纹理变化。例如，可以采用三维剪刀动作机构14（图9和9a），其在相邻机构14之间经历上下震荡运动，并伴随着面积变化。更具体地，在此构造中，机构14包括与一组双弓架42固定地耦接的第一和第二端“面板”或盖40，所述双弓架42在它们的纵向中心处互相连接并且在它们的纵向中心处可枢转地耦接。每组弓架42在远端连接到相邻盖40，如图所示，从而当导致弓架42在任一方向摆动时，盖40中的一组将朝向彼此平移，而盖40中的另一组被进一步分隔开。为了促进运动，弓架42和盖40优选地限定枢转接头44（图9a）。选择性地，弓架42和/或盖40可以是挠性的，从而限定“活动铰链”。附接到机构14的一侧或两侧的弹性结构16可以类似地变形。当特定机构14停用时，弹性结构16可以进一步充当回复力。此外，活性材料可以用于驱动机构14。例如，SMA线或压电堆20可以直立在面板40之间以提供动力（图9）。

最后，应该理解，在任一实施例中，通过改变机构14所经历的位移、相变、磁斥力等的持续时间或位移量以及通过改变被致动的那组机构14，可以产生可变纹理；例如，在图8A中，可以向SMA线20施加不同的激活信号，以产生不同的环高度，之后是维持信号，其可用于保持期望的纹理或止动/锁定机构（未示出）的接合。此外，通过中间层46可以改便以上所有构造，通过一个或多个机构14（图8E）的动作引起中间层46平移以确定表面12的具体纹理或粗糙度。

已经参照示例性实施例描述了本发明；本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种改变并且可以对本发明的元件进行等同替换。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以对本发明的教导进行许多改进以适应特定环境或材料。因此，本发明不意图受限于作为实施本发明的最佳方式而公开的特定实施例，相反本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

本文的术语“一”不表示数量限制，而是表示存在所涉及项目中的至少一个。如在本文中使用的，复数后缀意在包括其修饰的术语的单数和复数形式，由此包括一个或多个该术语。贯穿说明书涉及的“一个实施例”、“另一实施例”、“实施例”等表示联系该实施例描述的特定元件（例如特性、结构和/或特征）包括在本文描述的至少一个实施例中，并且可以存在于或可以不存在于其它实施例中。此外，应该理解，所描述的元件可以任意合适的方式结合到不同实施例中。

Claims

1.一种用于选择性地改变暴露表面的纹理的工程系统，所述系统包括：

能可逆地被重构的结构，其限定所述暴露表面；

2.根据权利要求1所述的系统，其中，每个机构包括由连续侧壁限定的至少部分封闭的芯，其中，所述芯是完全封闭和气密的，并且所述机构进一步包括：

滞留在芯内的一定量流体；或

能够吸收一种辐射的一定量物质；或

一定量负泊松比材料。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述机构包括位于芯内的永磁体以及被选择性地磁化并且相对于永磁体放置从而选择性地影响永磁体的电磁体；或者

所述机构进一步包括一定量的相变材料，并且所述机构由于改变材料的相而被重构。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述芯是完全封闭和气密的，并且相变材料是选择性地经历电解的一定量的水。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述致动器包括至少一个活性材料元件，该活性材料元件当暴露于或被去除激活信号时能够经历基本性能的可逆变化，并且所述至少一个元件和机构被协同地配置为使得该变化导致或产生折叠度，并因此改变所述表面的纹理。

6.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述机构包括至少一个选择性移动的磁体；

改变所述纹理产生标记；并且

所述致动器包括从基本由形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电复合材料、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、介电弹性体和电活性聚合物构成的组中选择的活性材料。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述致动器是横向耦接到所述机构的马氏体形状记忆合金线，并且所述线的激活导致所述机构被重构，并且其中每个机构从动地耦接到形状记忆合金线，并且所述机构共享共同的机械的和电的地线。

8.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述机构包括限定高度的多个可重构的环，并且所述致动器从动地耦接到所述环并且能够横向地拉伸所述环，从而降低其高度；或者

所述机构包括多个竖直构件，所述致动器包括位于构件下方的一组斜坡，并且所述斜坡和构件被协同构造为和放置为使得当斜坡横向平移时引起所述构件上升。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述结构包括位于所述机构和表面之间的中间层，并且该中间层从动地耦接到所述机构。

10.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述机构包括多连杆结构；或者

每个机构包括限定间隔的第一和第二端盖，以及枢转剪刀连杆，该枢转剪刀连杆互连相邻的一组盖并且当枢转时能够分别增大和减小相邻一组盖的间隔。