CN103826805B - 智能柔性复合驱动器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种智能柔性复合驱动器，通过改变作为驱动元件的智能材料的位置，其能够实现用户所期望的变形，其中智能柔性复合驱动器，包括：可根据外部信号改变形状的智能材料；以及支撑智能材料和确定外部形状的基体，其中，智能材料置于基体内或置于基体表面，以及通过控制智能材料的位置，实现平面内剪切变形和平面外变形中的至少一个。

Description

智能柔性复合驱动器
技术领域
本发明涉及一种通过将智能材料与定向材料和/或软基体结合制备的复合驱动器。
背景技术
通过最近的研究，智能材料被广泛的应用在与结构的主动或被动控制相关的各种环境中。这些材料可以是形状记忆合金、压电元件、电活性聚合物等等。这些智能材料可直接与结构相连接，或者可插入到另一种材料中以作为驱动器。
罗杰(Craig A.Rogers,“Active vibration and structural acoustic controlof shape memory alloy hybrid composites:Experimental results,”The Journalof the Acoustical Society of America,Vol.88,No.6,pp.2803-2811,1990)完成了通过制备嵌入形状记忆金的复合材料，并通过驱动该复合材料来对结构施加额外的压力来限制振动的实验。巴兹(A.Baz,T.Chen,和J.Ro,“Shapecontrol of NITINOL-reinforced composite beams,”Composites:Part B,Vol.31,pp.631-642,2000)通过利用嵌入形状记忆金的复合材料进行了提供形状多变的结构的实验。荣格(B.S,Jung,M.S.Kim,Y.M.Kim,W.Y.Lee,和S.H.Ahn,“Fabrication of smart air intake structure using Shape Memory Alloy wireembedded composite,”Physica Scripta,accepted,2010)进行了制备嵌入形状记忆金的玻璃纤维复合材料的实验，并研发了各种方法来提高驱动量。维兰纽瓦(A.A.Villanueva,K.B.Joshi,J.B.Blottmanm,and S.Priya,“Abio-inspired shape memory alloy composite(BISMAC)actuator,”SmartMaterials and Structure,Vol.19,pp.1-17,2010)通过利用形状记忆金和室温硫化硅进行了制备各种形状的驱动器的实验，并基于形状测量了驱动器的变化。
通过利用形状记忆金来研究小型机器人，金(B.K Kim,M.G Lee,Y.PLee,Y.I Kim和G.H Lee,“An earthworm-like micro robot using shape memoryalloy actuator”,Sensors and Actuators A125(2006)429～437)通过利用形状记忆金、热收缩管和用于确定移动方向的指针制备了能够向前移动的蚯蚓状机器人。许(J.S Koh and K.J Cho,“Omegabot:Biominetic InchwormRobot using SMA Coil Actuator and Smart Composite Microstructures(SCM)”,International Conference on Robotics and Biominetics,December19-23,2009,Guilin,China)通过利用形状记忆金和通过SCM程序制备的复合材料制备了名称为‘Omegabot’的尺蠖机器人。金(M.S.Kim,W.S.Chu,J.H.Lee,Y.M.Kim,B.S.Jung和S.H.Ahn,“Manufacturing of inchworm robotusing Shape Memory Alloy(SMA)embedded composite structure,”International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,accepted,2010)通过嵌入形状记忆金的玻璃纤维复合材料专门制备的摩擦力随着移动方向而变化脚制造了能够向前移动的尺蠖机器人。
其他智能结构可为多稳态复杂结构和形状记忆金复合材料。多稳态复杂结构可为由迪亚可奴(Diaconu,C.G.,Weaver,P.M.,Mattioni,F.,Conceptsfor morphing airfoil sections using bi-stable laminated composite structures,Thin-Walled Structures46(6),pp.689-701,2008)提出的双稳态变形翼型，和由兰努奇(L.Iannucci and A.Fontanazza,Design of Morphing WingStructures,3rd SEAS DTC Technical Conference,Edinburgh,2008)提出的多稳态变形翼。这些多稳态复杂结构无需额外的能量就可保持变形状态。但是，这些多稳态复杂结构的缺点在于它们只能在以预设的形状变形，即，很难将结构改变为所需的形状。
形状记忆金复合材料是最常见的智能结构，其已经被Lagoudas等1994、Kawai等1999、Murasawa等2004、Khalili等2007a,b,Yongsheng和Shuangshuang2007、Zhou等2004、Dano and Hyer2003等等积极研究了。这些类型的智能结构可控制在所要求的形状中变形，但是其需要额外的能量。
上述智能结构只局限于硬基体。但是，实现仿生技术要求柔软的智能结构。伊利夫斯基(Ilievski,F.,Mazzeo,A.D.,Shepherd,R.F.,Chen,X.,Whitesides,G.M.,Soft robotics for chemists,Angewandte Chemie–International Edition50(8),pp.1890-1895,2011)提出了利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和降解塑料（Ecoflex）的柔软材料的软机器人。
通过最近的研究，智能材料广泛地应用于与结构主动或被被动控制的各种环境中。可写材料可以为形状记忆合金、压电元件、电活性聚合物等等。这些材料可直接与结构相连接，或者插入到另一种材料中作为驱动器。但是，大多数利用智能材料的结构的变形局限于线性变形或平面外弯曲变形，且变形的程度太小，因此导致使用受限。此外，由于驱动器在整个结构中占据太大的空间，因而难以获得小体积的结构。
发明内容
(技术问题)
本发明的一个目的是提供一种智能柔性复合驱动器，其设计为实现用户期望的驱动较大变形（平面外弯曲变形、平面内变形、扭转等等），以驱动和控制变形，以及实现驱动整个结构的尺寸相对较小的驱动元件。
（技术方案）
为实现这些目的和其他优点以及根据发明的目的，如本文所体现和大体上描述的，一种智能柔性复合驱动器，包括：可根据外部信号改变形状的智能材料；以及支撑智能材料和决定外部形状的基体，，其中，智能材料置于基体内或置于在基体表面，以及通过控制智能材料的位置，实现平面内剪切变形和平面外变形中的至少一个。
本发明的另一个目的是提供一种智能柔性复合驱动器，包括：可根据外部信号改变形状的智能材料；以及支撑智能材料、决定外部形状和在特定方向上限制变形的定向材料，其中，智能材料置于基体内或置于基体表面，以及通过控制智能材料的位置和定向材料的方向，实现平面内剪切变形、平面外变形和扭转中的至少一个。
本发明的另一个目的是提供一种智能柔性复合驱动器，包括：可根据外部信号改变形状的智能材料；在特定方向上限制变形的定向材料；以及支撑智能材料和定向材料，以及决定智能柔性复合材料的外部形状的基体，以及通过控制智能材料的位置、定向材料的位置和定向材料的方向，实现平面内剪切变形、平面外变形和扭转中的至少一个。
（技术效果）
因此，本发明具有以下优点：
根据本发明，通过改变作为驱动元件的智能材料的排列，可实现用户所期望的变形。此外，通过改变作为驱动元件的智能材料的排列和作为被动元件的定向材料的排列，可实现用户所期望的变形。此外，通过改变定向材料的排列或不同地放置定向材料和智能材料，能够提供能产生较大变形的复合驱动器。因此，与相关技术的驱动器相比，本发明的复合驱动器能够简化结构、容易控制和显著的减少尺寸。此外，通过各种定向材料的方向的排列，也能够制造能实现变形和扭转的驱动器。
在现有技术的智能结构的实例中，浪费大量的能量保持变形。因此，根据本发明的一个实施方式，有必要研发一种不需要额外的能量就能保持变形形状的智能柔性复合材料。
本发明适用于任何形状改变的设备。例如，本发明可用于具有可变形翼的飞机、可变性的汽车和可变性的手机。
附图说明
图1A和1B分别是本发明的第一实施方式的智能柔性复合驱动器的立体图和剖视图。
图2A和2B分别是本发明的第二实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图3A和3B分别是本发明的第三实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图4A和4B分别是本发明的第四实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图5是本发明各种实施方式的定向材料300的示意图。
图6是本发明的一个实施方式的定向材料300的立体图。
图7是本发明的另一个实施方式的定向材料300的立体图。
图8A和8B分别是本发明的第五实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图9A和9B分别是本发明的第六实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图10A和10B分别是本发明的第七实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图11A和11B分别是本发明的第八实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图12A和12B分别是本发明的第九实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图13A和13B分别是本发明的第十实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图14A和14B分别是本发明的第十一实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图15A和15B分别是本发明的第十二实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
图16是本发明的第十三实施方式的复合驱动器的立体图。
图17是本发明第十三实施方式的复合驱动器的原理图。
图18是本发明的第十四实施方式的复合驱动器的剖视图。
图19至图22是本发明各种变形的复合驱动器的示意图。
图23是显示在使用1,300mA电流下，分别具有0°/90°/0°支架和90°/0°/90°支架在复合驱动器中的变形结果的图形。
图24是显示在使用1,300mA电流下，分别具有30°/90°/30°支架、45°/90°/45°支架和60°/90°/60°支架的复合驱动器的变形结果的图形和照片。
图25是显示在使用1,300mA电流下，90°/0°/90°支架、SMA4mm偏移和7°旋转驱动器的图形和照片。
图26是在室温(28.1℃)的空气中，根据90°/0°/90°支架驱动器的施加的电流显示的边缘弯曲和驱动时间的图形。
图27是在室温(28.1℃)的空气中，根据90°/0°/90°支架驱动器的驱动时间显示的边缘弯曲的图形。
图28是在室温(28.1℃)的空气和在水(24.1℃)中，根据90°/0°/90°支架驱动器施加的电流显示的边缘弯曲和驱动时间的图形。
图29是显示利用本发明的复合驱动器制造的龟形机器人的照片和图片。
图30是龟形机器人的游泳原理的示意图。
图31是显示通过在龟形机器人中额外提供的驱动器的角度和龟形机器人的有蹼的几何形状的照片和图片。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行介绍。
1.第一至第三实施方式（智能材料+基体）
图1A和1B分别是本发明的第一实施方式的智能柔性复合驱动器的立体图和剖视图。
以下，‘智能柔性复合驱动器’将简称为复合驱动器。
由图1A和1B可知，本发明第一实施方式的复合驱动器包括智能材料100和基体200。在本发明第一实施方式的复合驱动器中，可实现平面内剪切变形。
智能材料100作为实现平面内剪切变形的驱动元件。也就是说，智能材料100可根据外部信号如电流信号改变其形状。由于智能材料100的驱动，本发明第一实施方式的复合驱动器能够实现平面内剪切变形。
智能材料100可为，但并不一定为，形状记忆金(SMA)、压电元件、离子聚合物和金属复合材料（IPMC）或导电性聚合物（CP）。智能材料100可由根据外部信号如电流信号在其形状内改变的任何材料来形成。对于以下涉及本发明实施方式的描述，智能材料100将与以上一样，并且将避免在其中的重复描述。
基体200确定本发明第一实施方式的复合驱动器的外部形状。
基体200由能够支撑智能材料100并也能承受智能材料100的较大变形的柔性材料形成，其中智能材料100可置于基体200的里面或者置于基体200的表面。更详细地，优选，基体200可由杨氏模量不大于1GPa的材料形成。基体200可由，但并不一定由，弹性体聚合物、硅或聚二甲基硅氧烷（PDMS）形成。对于以下涉及本发明实施方式的描述，基体200将与以上一样，并且将避免在其中的重复描述。
为了在本发明第一实施方式的包括智能材料100和基体200的复合驱动器中实现平面内剪切变形，有必要适当地放置智能材料100。
更详细地，首先，智能材料100形成在基体200的水平中心平面中。相对于复合驱动器的顶部和底部，特别是基体200而言，智能材料100置于基体200的中心。
其次，智能材料100形成在基体200的垂直中心平面的外部。也就是说，相对于复合制动器的左侧和右侧，特别是基体200而言，智能材料100向左和/或向右放置，而不是置于基体200的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的左侧和/或右侧表面。
可提供一个智能材料100。在这种情况下，复合驱动器可仅在一个方向上变形。因此，为使得复合驱动器在几个方向上变形，优选，在不同的位置上提供多个智能材料100。尤其是，多个智能材料100可相对于预定的中心平面对称放置。对于以下涉及本发明实施方式的描述，可放置一个智能材料100或在不同的位置上放置多个智能材料100，并将避免重复的描述。
假设智能材料100满足以上两个条件。在这种情况下，当智能材料100通过外部信号变形时，复合驱动器将相对于水平平面在左侧和右侧变形
（参见图1a），而不是相对于水平平面在顶侧和底侧变形，由此实现平面内剪切变形。
图2A和2B分别是本发明的第二实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图2A和2B可知，本发明的第二实施方式的复合驱动器包括智能材料100和基体200。在本发明第二实施方式的复合驱动器中，可实现平面外剪切变形。
为了在本发明第二实施方式的包括智能材料100和基体200的复合驱动器中实现平面外剪切变形，有必要适当地放置智能材料100。
更详细地，首先，智能材料100形成在基体200的水平中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，特别是基体200，智能材料100置于基体200的的上侧和/或下侧，而不是置于基体200的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的的上表面和/或下表面。
其次，智能材料100形成在基体200的垂直中心平面中。也就是说，相对于复合制动器的左侧和右侧，特别是基体200，智能材料100置于基体200的中心。
假设智能材料100满足以上两个条件。在这种情况下，当智能材料100通过外部信号变形时，复合驱动器将相对于水平平面在顶侧和底侧变形（参见图2a），而不是相对于水平平面在左侧和右侧变形，由此实现平面外剪切变形。
图3A和3B分别是本发明的第三实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图3A和3B可知，本发明的第三实施方式的复合驱动器包括智能材料100和基体200。在本发明第三实施方式的复合驱动器中，可实现平面内剪切变形和平面外剪切变形。
为了在本发明第三实施方式的包括智能材料100和基体200的复合驱动器中实现平面内剪切变形和平面外剪切变形，有必要适当地放置智能材料100。
更详细地，首先，智能材料100形成在基体200的水平中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，特别是基体200，智能材料100置于基体200的的上侧和/或下侧，而不是置于基体200的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的的上表面和/或下表面。
其次，智能材料100形成在基体200的垂直中心平面外。也就是说，相对于复合制动器的左侧和右侧，特别是基体200，智能材料100向左和/或向右放置，而不是置于基体200的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的的左侧和/或右侧表面。
假设智能材料100满足以上两个条件。在这种情况下，当智能材料100通过外部信号变形时，复合驱动器不仅在顶侧和底侧变形，而且在左侧和右侧变形，由此实现平面内剪切变形和平面外剪切变形。
2.第四至第六实施方式（智能材料+定向材料）
图4A和4B分别是本发明的第四实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图4A和4B可知，本发明第四实施方式的复合驱动器包括智能材料100和定向材料300。在本发明第四实施方式的复合驱动器中，可实现平面外剪切变形。
定向材料300确定本发明第四实施方式的复合驱动器的外部形状。定向材料300可由支撑智能材料100的支架形成，其中智能材料100可置于定向材料300的里面或置于定向材料300的表面。
定向材料300作为在特定的方向上限制变形的被动元件。因此，如果作为在特定方向上引起变形的驱动元件的智能材料100与作为在特定的方向上限制变形的被动元件的定向材料300和谐地结合，如在本发明第四至第六实施方式所显示的，能够实现复合驱动器的各种变形。
定向材料300可由刚性材料形成，以便作为被动元件。尤其是，优选定向材料300可由杨氏模量不小于1GPa的材料形成。
具有以上性能的定向材料300可通过纤维织造工艺、快速成型工艺或注射工艺来制备。制备的定向材料300可为，但并不一定为，网状结构。定向材料300可由各种已知的纤维或ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）形成。
图5是本发明各种实施方式的定向材料300的示意图。
由图5（a）可知，定向材料300可由快速成型工艺来制备。也就是说，当通过使用喷嘴来沉积熔融的热塑性聚合物时，使用具有三个或更多个轴的精确的工作台，可制得具有不同方向性的定位材料300。
由图5（b）和5（c）可知，定向材料300可制备具有特定的方向性，其可由注射工艺来制备。
定向材料300可包括在特定方向上排列的定向材料层，或可包括在不同方向上排列的多个定向材料层。例如，如果使用图5（a）所示的快速成型工艺，可容易地获得在不同方向上排列的多个定向材料层。此外，在不同方向上排列的多个定向材料层可通过图5（b）和5（c）所示的定向材料获得。
对于以下与本发明实施方式相关的描述，定向材料300和制备方法与以上相同，并且将避免重复描述。
在本发明第四实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形。为此，有必要适当地放置智能材料100，且恰当地设置定向材料300的方向性。
以下将描述智能材料100的位置。
首先，智能材料100形成在定向材料300的水平中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，尤其是定向材料300，智能材料100置于定向材料300的上侧和/或下侧，而不是置于定向材料300的中心。如果需要，智能材料100可被放置在定向材料300的上表面和/或下表面。
其次，智能材料100形成在定向材料300的垂直中心平面上。也就是说，相对于复合驱动器的左侧和右侧，尤其是定向材料300，智能材料100置于定向材料300的中心。
当智能材料100满足以上两个条件时，智能材料100通过外部信号，相对于水平平面在顶侧和底侧变形，而不是在左侧和右侧变形。
接着，以下将描述定向材料300的方向性。
定向材料300形成为具有特定的正交各向异性特性。由于定向材料300具有特定的正交各向异性特性，智能材料100可通过外部信号变形。也就是说，当智能材料100相对于水平平面在顶侧和底侧变形时，变形不会被定向材料300改变，由此实现平面外变形。
换句话说，定向材料300作为变形的被动元件，因而使得能够限制和改变变形。本发明的第四实施方式，变形不会被改变。为此，定向材料300形成为具有特定的正交各向异性特性。
具有特定的正交各向异性特性的定向材料300的实施例如图6和7所示。
图6是本发明的一个实施方式的定向材料300的立体图。图7是本发明的另一个实施方式的定向材料300的立体图。
参考图6，本发明的一个实施方式的定向材料300包括以角度0°排列的第一定向材料层310和以角度90°排列的第二定向材料层320。
参考图7，本发明的另一个实施方式的定向材料300包括以角度45°排列的第一定向材料层310和以角度135°排列的第二定向材料层320。
如图6和7所示，定向材料300包括彼此正交的第一和第二定向材料层310和320，由此可实现方向性的偏移，以及智能材料100的变形也不会改变。
图8a和8b分别是本发明的第五实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图8a和8b可知，本发明的第五实施方式的复合驱动器包括智能材料100和定向材料300。在本发明的第五实施方式的复合驱动器，可实现平面外变形和扭转。
为了在本发明的第五实施方式的复合驱动器中实现平面外变形和扭转，有必要适当地放置智能材料100，并适当地设置定向材料300的方向性。
以下将描述智能材料100的位置。
首先，智能材料100形成在定向材料300的水平中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，尤其是定向材料300，智能材料100置于定向材料300的上侧和/或下侧，而不是置于定向材料300的中心。如果需要，智能材料100可置于定向材料300的上表面和/或下表面。
其次，智能材料100形成在定向材料300的垂直中心平面上。也就是说，相对于复合驱动器的左侧和右侧，尤其是定向材料300，智能材料100置于定向材料300的中心。
当智能材料100满足以上两个条件时，响应于外部信号，智能材料100相对于水平平面不会在左侧和右侧变形，而是在顶侧和底侧变形，由此在复合驱动器中实现平面外变形。
接着，以下将描述定向材料300的方向性。
定向材料300形成为具有各向异性特性，而不是特定的正交各向异性特性。也就是说，定向材料300在特定方向上的刚度大于其它方向上的刚度的形式形成。
在定向材料300具有各向异性特性的情况下，当智能材料100通过外部信号变形时，在定向材料300中相对于具有更高刚度的方向发生扭转。
也就是说，定向材料300作为限制和改变变形的被动元件，由此通过结合智能材料100和定向材料300，可同时实现平面外变形和扭转。
具有各向异性特性的定向材料300可由彼此不正交的多个定向材料层形成。
图9A和9B分别是本发明的第六实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图9A和9B可知，本发明的第六实施方式的复合驱动器包括智能材料100和定向材料300。在本发明的第六实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形和平面内剪切变形。
在本发明的第六实施方式的复合驱动器中可实现平面外变形和平面内剪切变形。为此，有必要适当地放置智能材料100，并适当地设置定向材料300的方向性。
以下将描述智能材料100的位置。
首先，智能材料100形成在定向材料300的水平中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，尤其是定向材料300，智能材料100置于定向材料300的上侧和/或下侧，而不是置于定向材料300的中心。如果需要，智能材料100可置于定向材料300的上表面和/或下表面。
其次，智能材料100形成在定向材料300的垂直中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的左侧和右侧，尤其是定向材料300，智能材料100向左和/或向右放置，而不是置于定向材料300的中心。如果需要，智能材料100可置于定向材料300的左侧平面和/或右侧平面。
接着，以下将描述定向材料300的方向性。
定向材料300形成为具有特定的正交各向异性特性。由于定向材料300具有特定的正交各向异性特性，智能材料100可通过外部信号变形。也就是说，当智能材料100不仅在顶侧和底侧变形时，而且在左侧和右侧变形时，变形不会被定向材料300改变，由此在复合驱动器中实现平面外变形和平面内剪切变形。
具有特定的正交各向异性特性的定向材料300可包括彼此正交的第一和第二定向材料层310和310，如以上图6和7中的说明所描述的，其可类似的适用于以下实施方式。
3.第七至第十三实施方式（智能材料+基体+定向材料）
图10A和10B分别是本发明的第七实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图10A和10B可知，本发明第七实施方式的复合驱动器包括智能材料100、基体200和定向材料300。在本发明第七实施方式的复合驱动器中，可实现平面内剪切变形。
在本发明第七至第十二实施方式中，每个复合驱动器通过结合智能材料100、基体200和定向材料300形成，且复合驱动器的外部形状由基体200来确定。因此，智能材料100和定位材料300置于基体200的里面或者置于基体200的表面。
如果定向材料300形成为网状结构，该网状结构的开口可由，但并不一定由，基体200来填充。
在本发明第七实施方式的复合驱动器中，可实现平面内剪切变形。为此，有必要适当地放置智能材料100，并适当地设置定向材料300的方向性和位置。
以下将描述智能材料100的位置。
首先，智能材料100形成在基体200的水平中心平面上。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，特别是基体200，智能材料100置于基体200的中心。
其次，智能材料100形成在基体200的垂直中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，特别是基体200，智能材料100向左和/或向后放置，而不是置于基体200的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的左侧和/右侧平面。
接着，以下将描述定向材料300的方向性和位置。
定向材料300形成为具有特定的正交各向异性特性。
定向材料300可通过结合第一定向材料层310和第二定向材料层320来形成。在这种情况下，相对于基体200的水平中心平面，第一定向材料层310和第二定向材料层320彼此相对的对称地放置。
第一定向材料层310和第二定向材料层320以它们彼此正交的方式提供，由此通过结合第一定向材料层310和第二定向材料层320形成的定向材料300可具有正交各向异性特性。
但是，并不局限于上述描述。第一和第二定向材料层310的每个可包括多个定向材料层，由此实现正交各向异性特性。
由于上述结构，当智能材料100通过外部信号变形时，也就是说，当智能材料100相对于水平平面在左侧和右侧变形时，在变形中没有变化。最终，在复合驱动器中可实现平面内剪切变形。
图11A和11B分别是本发明的第八实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图11A和11B可知，本发明第八实施方式的复合驱动器包括智能材料100、基体200和定向材料300。在本发明第八实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形。
在本发明第八实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形。为此，有必要适当地放置智能材料100，并适当地设置定向材料300的方向性和位置。
以下将描述智能材料100的位置。
首先，智能材料100形成在基体200的水平中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，特别是基体200，智能材料100置于定位材料300的上侧和/或下侧，而不是置于定位材料300的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的上表面和/或下表面。
其次，智能材料100形成在基体200的垂直中心平面上。也就是说，相对于复合驱动器的左侧和右侧，特别是基体200，智能材料100置于基体200的中心。
接着，以下将描述定向材料300的方向性和位置。
定向材料300形成为具有特定的正交各向异性特性。此外，定向材料300形成在基体200的水平中心平面上。
由于上述结构，当智能材料100通过外部信号变形时，也就是说，当智能材料100相对于水平平面在顶侧和底侧变形时，在变形中没有变化。最终，在复合驱动器中可实现平面外变形。
图12A和12B分别是本发明的第九实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图12A和12B可知，本发明第九实施方式的复合驱动器包括智能材料100、基体200和定向材料300。在本发明第九实施方式的复合驱动器中，可实现扭转。
在本发明第九实施方式的复合驱动器中，可实现扭转。为此，有必要适当地放置智能材料100，并适当地设置定向材料300的方向性和位置。
以下将描述智能材料100的位置。
首先，智能材料100形成在基体200的水平中心平面上。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，特别是基体200，智能材料100被放置在定位材料300的中心。如果需要，智能材料100可被放置在基体200的上表面和/或下表面。
其次，智能材料100形成在基体200的垂直中心平面上。也就是说，相对于复合驱动器的左侧和右侧，特别是基体200，智能材料100置于基体200的中心。
接着，以下将描述定向材料300的方向性和位置。
定向材料300形成为具有各向异性特性，而不是特定的正交各向异性特性。也就是说，定向材料300以特定方向上的刚度大于其它方向上的刚度的方式形成。
在定向材料300具有各向异性特性的情况下，当智能材料100通过外部信号变形时，在定向材料300中相对于具有更高刚度的方向发生扭转。
定向材料300可由结合第一定向材料层310和第二定向材料层320来形成。在这种情况下，相对于水平中心平面，第一向材料层310和第二定向材料层320彼此相对的对称地放置。
图13A和13B分别是本发明的第十实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图13A和13B可知，本发明第十实施方式的复合驱动器包括智能材料100、基体200和定向材料300。在本发明第十实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形和平面内剪切变形。
在本发明第十实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形和平面内剪切变形。为此，有必要适当地放置智能材料100，并适当地设置定向材料300的方向性和位置。
以下将描述智能材料100的位置。
首先，智能材料100形成在基体200的水平中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，特别是基体200，智能材料100置于定位材料300的上侧和/或下侧，而不是置于定位材料300的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的上表面和/或下表面。
其次，智能材料100形成在基体200的垂直中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的左侧和右侧，特别是基体200，智能材料100向左和/或向右放置，而不是置于基体200的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的左侧表面和/或右侧表面。
接着，以下将描述定向材料300的方向性和位置。
定向材料300形成为具有特殊的正交各向异性特性。此外，定向材料300形成在基体200的水平中心平面上。
由于上述结构，当智能材料100通过外部信号变形时，也就是说，当智能材料100相对于水平平面不仅在顶侧和底侧变形时，而且在左侧和右侧变形时，变形不会变化，由此在复合驱动器中实现平面外变形和平面内剪切变形。
图14A和14B分别是本发明的第十一实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图14A和14B可知，本发明第十一实施方式的复合驱动器包括智能材料100、基体200和定向材料300。在本发明第十一实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形和扭转。
在本发明第十一实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形和扭转。为此，有必要适当地放置智能材料100，并适当地设置定向材料300的方向性和位置。
以下将描述智能材料100的位置。
首先，智能材料100形成在基体200的水平中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，特别是基体200，智能材料100置于定位材料300的上侧和/或下侧，而不是置于定位材料300的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的上表面和/或下表面。
其次，智能材料100形成在基体200的垂直中心平面上。也就是说，相对于复合驱动器的左侧和右侧，特别是基体200，智能材料100置于基体200的中心。
接着，以下将描述定向材料300的方向性和位置。
定向材料300形成为具有各向异性特性，而不是特定的正交各向异性特性。也就是说，定向材料300以特定方向上的刚度大于其它方向上的刚度的方式形成。
在定向材料300具有各向异性特性的情况下，当智能材料100通过外部信号变形时，在定向材料300中相对于具有更高刚度的方向发生扭转。
定向材料300可形成在基体200的水平中心平面上。
由于上述结构，当智能材料100通过外部信号变形时，在复合驱动器中可实现平面外变形，且可通过具有各向异性特性的定向材料300来同时实现扭转。
图15A和15B分别是本发明的第十二实施方式的复合驱动器的立体图和剖视图。
由图15A和15B可知，本发明第十二实施方式的复合驱动器包括智能材料100、基体200和定向材料300。在本发明第十二实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形、平面内剪切变形和扭转。
在本发明第十二实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形、平面内剪切变形和扭转。为此，有必要适当地放置智能材料100，并适当地设置定向材料300的方向性和位置。
以下将描述智能材料100的位置。
首先，智能材料100形成在基体200的水平中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的顶部和底部，特别是基体200，智能材料100置于定位材料300的上侧和/或下侧，而不是置于定位材料300的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的上表面和/或下表面。
其次，智能材料100形成在基体200的垂直中心平面外。也就是说，相对于复合驱动器的左侧和右侧，特别是基体200，智能材料100向左和/或向右放置，而不是置于基体200的中心。如果需要，智能材料100可置于基体200的左侧表面和/或右侧表面。
接着，以下将描述定向材料300的方向性和位置。
定向材料300形成为具有各向异性特性，而不是特定的正交各向异性特性。也就是说，定向材料300以特定方向上的刚度大于其它方向上的刚度的方式形成。
在定向材料300具有各向异性特性的情况下，当智能材料100通过外部信号变形时，在定向材料300中相对于具有更高刚度的方向发生扭转。
定向材料300可形成在基体200的水平中心平面上。
由于上述结构，当智能材料100通过外部信号变形时，相对于水平平面，智能材料100不仅在顶侧和底侧变形，而且在左侧和右侧变形。因此，在复合驱动器中可实现平面外变形和平面内剪切变形，且可通过具有各向异性特性的定向材料300来同时实现扭转。
4.其他实施方式
图16是本发明的第十三实施方式的复合驱动器的立体图。
由图16可知，本发明第十三实施方式的复合驱动器包括智能材料100、基体200和定向材料300。在本发明第十三实施方式的复合驱动器中，可实现平面外变形、平面内剪切变形和扭转。
根据前述本发明的第七至第十二实施方式，包含在基体200中的智能材料100和定向材料300不在同一平面上。但是，在本发明第十三实施方式的情况下，包含在基体200中的智能材料100和定向材料300具有相同的平面。
在本发明第十三实施方式中，由经线和纬线制成织物结构，其中经线由智能材料100和定向材料300中的任何一个形成，纬线由智能材料100和定向材料300中的另一个形成。
在织物结构由智能材料100和定向材料300形成的情况下，即使外部信号在智能材料100变形后被阻止，但是由于智能材料100和定向材料300之间的摩擦力，智能材料也能保持在变形状态，而不是恢复到其原始状态。
通常，当外部信号施加到复合驱动器上时，复合驱动器会变形，且当外部信号被阻止时，该变形状态会恢复到其原始状态。但是，在本发明第十三实施方式的情况下，即使外部信号被阻止，复合驱动器的变形状态也能保持，其使得用于保持复合驱动器的变形状态的能耗减少。
应用于本发明第十三实施方式的定向材料300的方向性可基于在复合驱动器中实现的形状来被适当的改变。
图17是本发明第十三实施方式的复合驱动器的原理图。在图17中，‘SMA’是智能材料，以及‘纤维’是定向材料。
本发明第十三实施方式的复合驱动器的织物结构具有两个相位变化，其中一个是智能材料（SMA）的相位变化，以及另一个是基体(Matrix)的相位变化。
如图17中的左侧图像所示，显示包含三个智能材料的实施例。当电流在中间智能材料中流动时，通过上部和下部基体的偏心率，可实现平面外变形，由此发送纯弯曲变形。当电流在侧部智能材料流动时，发生平面内变形。
当电流在右侧智能材料流动时，如右侧图像所示，温度升高以使得发生对应于智能材料的相位变化的第一相位变化。同时，基体的玻璃化转变温度(Tg)小于智能材料的奥氏体结束温度，由此发生第二相位变化。因此，在智能材料和基体之间发生热影响区（HAZ）。在这种热影响区（HAZ），基体的剪切模量迅速从E2降到E1，因此获得较高的扩张力。
智能材料具有相变收缩。在这种情况下，由于定向材料和基体之间的凝聚而引起的摩擦力，在具有热影响区（HAZ）的较高扩张力的基体中发生较大的变形。当完成驱动时，也就是说，阻止电流流动，智能材料被冷却，且再次发生相位变化，由此基体的剪切模量返回到E2。当定向材料和基体完全凝聚时，智能材料被固定，同时恢复到原始状态。
通过左侧和右侧基体的偏心率，在复合驱动器中完全地发生平面内剪切变形。即使在完成驱动后，变形状态也不会完全地恢复到原始状态。类似地，相同的机理适合左侧智能材料的驱动。
如果中间的智能材料与侧部的智能材料中的一个同时被驱动，则发生扭转。
图18是本发明的第十四实施方式的复合驱动器的剖视图。
如图18所示，本发明的第十四实施方式的复合驱动器包括智能材料100、机制200和定向材料300。
在本发明的第十四实施方式的复合驱动器中，定向材料300在特定区域（H）上形成弯曲结构，由此能够容易地实现复合驱动器的变形。
也就是说，当智能材料100通过外部信号变形时，例如，当其缩颈变形时，具有相对较低刚度的特定区域（H）可作为铰链结构，由此复合驱动器可容易地弯曲到箭头方向。
本发明的第十四实施方式的复合驱动器，定向材料300形成为弯曲结构，因此形成内部空间。因此，外部元件400可被附加地提供在由定向材料300的弯曲结构所构成的内部空间中。即使外部元件400具有较大的刚度，复合驱动器也能容易地通过铰链结构变形。
基体200支撑智能材料100和定向材料300。智能材料100可置于定向材料300的下部或上方。
图19至图22是本发明各种变形的复合驱动器的示意图。
如图19所示，通过将智能材料100插入到织物结构的定向材料300中来制备底层。在其上，具有第一和第二定向材料310和320、智能材料100和基体。
如图20所示，智能材料置于顶部和底部，以及具有不同方向性的第一至第四定向材料层被插入其间。智能材料和定向材料层由基体支撑。在如图20所示的复合驱动器中，可实现平面外变形和扭转。在图20中，‘被动元件’是定向材料。
如图21所示，智能材料置于顶部和底部，以及具有不同方向性的各种定向材料层被插入其间。智能材料和定向材料层由基体支撑。在如图21所示的复合驱动器中，可实现平面外变形和扭转。在图21中，‘纤维相’是定向材料。
如图22所示，智能材料置于定向材料的上表面和下表面，以及定向材料由具有不同方向性的多个定向材料层形成。智能材料和定向材料层由基体支撑。在图21中，‘SMA线’是智能材料，且‘支架’是定向材料。
5.实验例子
图23是显示在使用1,300mA电流下，分别具有0°/90°/0°支架和90°/0°/90°支架在复合驱动器中的变形结果的图形。
如图23所示，没有扭转的平面外变形的位移可通过使用0°/90°/0°支架和90°/0°/90°支架来改变。在这种情况下，如果具有较高刚度的0°支架的层作为外层提供，则最大的边缘弯曲较少。由此，能知道驱动器的弯曲刚度是受到支架影响的，以及当具有较高刚度的支架邻近外部放置时，能引起较高的弯曲刚度。
图24是显示在使用1,300mA电流下，分别具有30°/90°/30°支架、45°/90°/45°支架和60°/90°/60°支架的复合驱动器的变形结果的图形和照片。
如图24所示，通过使用30°/90°/30°支架、45°/90°/45°支架和60°/90°/60°支架，与平面外变形一起发生的扭转变得不同。当外层的角度在支架的中间层被不断固定的情况下改变时，发生不同的扭转。尤其是，相对于45°，在30°至0°的扭转大于在60°至90°的扭转。因此，可知扭转的倾角是可控制的。
图25是显示在使用1,300mA电流下，90°/0°/90°支架、SMA4mm偏移和7°旋转驱动器的图形和照片。
如图25所示，通过使用90°/0°/90°支架和改变SMA位置，可引起平面内剪切变形和扭转。当SMA位置自中心轴以预定间隔提供时，可发生平面内剪切变形。此外，当相对于中心轴，以7°角度倾斜SMA位置时，在没有扭转的90°/0°/90°支架中可发生扭转。这显示了驱动器的变形不仅受到支架结构的影响，而且受到SMA结构的影响，由此能够通过设计来特意地控制变形。
图26是在室温(28.1℃)的空气中，根据90°/0°/90°支架驱动器的施加的电流显示的边缘弯曲和驱动时间的图形。
如图26所示，随着施加的电流值增加，驱动时间变得更短，且边缘弯曲趋近于驱动器的最大变形。此外，随着施加的电流值的增加，散发到驱动器外部的热量比减少，使得驱动时间呈非线性减少。类似地，边缘弯曲呈非线性增加。
图27是在室温(28.1℃)的空气中，根据90°/0°/90°支架驱动器的驱动时间显示的边缘弯曲的图形。
如图27所示，当通过每次驱动时间比较边缘弯曲时，可知驱动是非线性的。在整个驱动时间的中间部分发生快速变形。最终，在本发明的该实施方式中发生的较大变形中的曲率半径为约34～74㎜。
图28是在室温(28.1℃)空气中和在水(24.1℃)中，根据90°/0°/90°支架驱动器施加的电流显示的边缘弯曲和驱动时间的图形。
如图28所示，在水中的驱动比在空气中的驱动消耗更多的能量。当施加相同的电流时，在水中的驱动时间明显的短于在空气中的驱动时间。但是，如果在实验条件中，施加的电流以预定水平（400mA）增加，在水中的驱动将与在空气中的驱动非常相似。
图29是显示利用本发明的复合驱动器制造的龟形机器人的照片和图片，图30是龟形机器人的游泳原理的示意图，以及图31是显示通过在龟形机器人中额外提供的驱动器的角度和龟形机器人的有蹼的几何形状的照片和图片。
如图30所示，可在龟形机器人中实现平面外变形和扭转。如图31所示，为了最大化通过平面外变形和扭转的游泳效果，可附加地提供驱动器的角度和有蹼的几何形状。

Claims (18)

1.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
以及
支撑所述智能材料和决定外部形状的基体，
其中，所述智能材料置于所述基体内或所述基体表面，以及
通过控制所述智能材料的位置，实现平面内剪切变形和平面外变形中的至少一个；
所述智能材料形成在所述基体的水平中心平面上，并形成在所述基体的垂直中心平面外，以实现所述平面内剪切变形。
2.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
以及
支撑所述智能材料和决定外部形状的基体，
其中，所述智能材料置于所述基体内或所述基体表面，以及
通过控制所述智能材料的位置，实现平面内剪切变形和平面外变形中的至少一个；
所述智能材料形成在所述基体的水平中心平面外，并形成在所述基体的垂直中心平面上，以实现所述平面外变形。
3.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
以及
支撑所述智能材料和决定外部形状的基体，
其中，所述智能材料置于所述基体内或所述基体表面，以及
通过控制所述智能材料的位置，实现平面内剪切变形和平面外变形中的至少一个；
所述智能材料形成在所述基体的水平中心平面外，并形成在所述基体的垂直中心平面外，以实现所述平面内剪切变形和所述平面外变形。
4.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
以及
支撑所述智能材料、决定外部形状和在特定方向上限制变形的定向材料，
其中，所述智能材料置于基体内或置于基体表面，以及
通过控制所述智能材料的位置和所述定向材料的方向，实现平面内剪切变形、平面外变形和扭转中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的驱动器，
其中所述智能材料形成在所述定向材料的水平中心平面外，并形成在所述定向材料的垂直中心平面上，以及
其中所述定向材料具有实现所述平面外变形的特定的正交各向异性特性。
6.根据权利要求4所述的驱动器，
其中所述智能材料形成在所述定向材料的水平中心平面外，并形成在所述定向材料的垂直中心平面上，以及
其中所述定向材料具有实现所述平面外变形和所述扭转的各向异性特性。
7.根据权利要求4所述的驱动器，
其中所述智能材料形成在所述定向材料的水平中心平面外，并形成在所述定向材料的垂直中心平面外，以及
其中所述定向材料具有实现所述平面内剪切变形和所述平面外变形的特定的正交各向异性特性。
8.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
在特定方向上限制变形的定向材料；
以及
支撑所述智能材料和所述定向材料，以及决定智能柔性复合材料的外部形状的基体，
其中所述智能材料置于所述基体内或置于所述基体表面，以及
通过控制所述智能材料的位置、所述定向材料的位置和所述定向材料 的方向，实现平面内剪切变形、平面外变形和扭转中的至少一个；
其中所述智能材料形成在所述基体的水平中心平面上，并形成在所述基体的垂直中心平面外，以及
其中所述定向材料具有实现所述平面内剪切变形的特定的正交各向异性特性。
9.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
在特定方向上限制变形的定向材料；
以及
支撑所述智能材料和所述定向材料，以及决定智能柔性复合材料的外部形状的基体，
其中所述智能材料置于所述基体内或置于所述基体表面，以及
通过控制所述智能材料的位置、所述定向材料的位置和所述定向材料的方向，实现平面内剪切变形、平面外变形和扭转中的至少一个；
其中所述智能材料形成在所述基体的水平中心平面外，并形成在所述基体的垂直中心平面上，以及
其中所述定向材料具有实现所述平面外变形的特定的正交各向异性特性，并且所述定向材料形成在所述基体的水平中心平面上，以实现所述平面外变形。
10.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
在特定方向上限制变形的定向材料；
以及
支撑所述智能材料和所述定向材料，以及决定智能柔性复合材料的外部形状的基体，
其中所述智能材料置于所述基体内或置于所述基体表面，以及
通过控制所述智能材料的位置、所述定向材料的位置和所述定向材料的方向，实现平面内剪切变形、平面外变形和扭转中的至少一个；
其中所述智能材料形成在所述基体的水平中心平面上，并形成在所述基体的垂直中心平面上，以及
所述定向材料具有实现所述扭转的各向异性特性。
11.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
在特定方向上限制变形的定向材料；
以及
支撑所述智能材料和所述定向材料，以及决定智能柔性复合材料的外部形状的基体，
其中所述智能材料置于所述基体内或置于所述基体表面，以及
通过控制所述智能材料的位置、所述定向材料的位置和所述定向材料的方向，实现平面内剪切变形、平面外变形和扭转中的至少一个；
其中所述智能材料形成在所述基体的水平中心平面外，并形成在所述基体的垂直中心平面外，以及
其中所述定向材料具有实现所述平面内剪切变形和所述平面外变形的特定的正交各向异性特性，并且所述定向材料形成在所述基体的水平中心平面上，以实现所述平面内剪切变形和所述平面外变形。
12.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
在特定方向上限制变形的定向材料；
以及
支撑所述智能材料和所述定向材料，以及决定智能柔性复合材料的外部形状的基体，
其中所述智能材料置于所述基体内或置于所述基体表面，以及
通过控制所述智能材料的位置、所述定向材料的位置和所述定向材料的方向，实现平面内剪切变形、平面外变形和扭转中的至少一个；
其中所述智能材料形成在所述基体的水平中心平面外，并形成在所述基体的垂直中心平面上，以及
其中所述定向材料具有各向异性特性，并且所述定向材料形成在所述基体的水平中心平面上，以实现所述平面外变形和所述扭转。
13.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
在特定方向上限制变形的定向材料；
以及
支撑所述智能材料和所述定向材料，以及决定智能柔性复合材料的外部形状的基体，
其中所述智能材料置于所述基体内或置于所述基体表面，以及
通过控制所述智能材料的位置、所述定向材料的位置和所述定向材料的方向，实现平面内剪切变形、平面外变形和扭转中的至少一个；
其中所述智能材料形成在所述基体的水平中心平面外，并形成在所述基体的垂直中心平面外，以及
其中所述定向材料具有各向异性特性，并且所述定向材料形成在所述基体的水平中心平面上，以实现所述平面内剪切变形、所述平面外变形和所述扭转。
14.根据权利要求8-13之一所述的驱动器，其中所述基体由杨氏模量不大于1GPa的材料形成。
15.根据权利要求8-13之一所述的驱动器，其中所述定向材料由杨氏模量不小于1GPa的材料形成。
16.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
在特定方向上限制变形的定向材料；
以及
支撑所述智能材料和所述定向材料，以及决定外部形状的基体，
其中通过结合所述智能材料和所述定向材料形成织物结构，其中所述织物结构由经线和纬线制得，所述经线由所述智能材料和所述定向材料中的任何一个形成，所述纬线由所述智能材料和所述定向材料中的另一个形成。
17.一种智能柔性复合驱动器，包括：
可根据外部信号改变形状的智能材料；
在特定方向上限制变形定向材料；
以及
支撑所述智能材料和所述定向材料，以及确定外部形状的基体，
其中所述定向材料在作为铰链结构的特定区域上形成弯曲结构。
18.根据权利要求17所述的驱动器，其中在由所述定向材料的弯曲结构构成的内部空间中，附加外部元件。
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