CN106233365B - 多形态表面系统和方法 - Google Patents
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Abstract
通过将至少一个磁场施加于多个可动的表面构形元件上并选择性地使电流通过与所选择表面构形元件相邻的磁场，提供一种多形态表面，其中电流垂直于磁场。电流与磁场相互作用以产生洛仑兹力驱动相应表面构形元件的被引导的线性运动。表面构形元件可以是能够独立运动的和能够独立选择的，以施加电流以产生运动。在电流移除之后，表面构形元件可被支撑就位。施加于每个所选择表面构形元件上的电流可变化以控制被引导的线性运动的量。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请要求2014年3月1日提交的美国临时申请No.61/946,740、2014年8月25日提交的美国临时申请No.62/041,632、和2015年2月26日提交的美国专利申请No.14/633,110的优先权，它们中的每个的教示在此通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及多形态表面系统，即，具有可采取各种形状的可调节表面的系统，并且涉及相关的方法。
背景技术
计算机成像技术在过去几十年已获得巨大进步。计算机现在能够捕获详细的三维影像信息，例如来自激光扫描、医学成像系统和多种其它的源，而且还能够产生三维影像信息。不过，计算机传统上已经将其能力局限于呈现这样的三维数据。这样的数据常以二维形式呈现在屏幕上，其中可能丧失了许多丰富数据。
更近来地，三维打印技术已经能够使计算机产生不仅可看到而且可摸到的测试对象的真实的三维模型。虽然三维打印可提供显著的优点，不过其必须要消耗材料并且当打印出的对象根本不合意时造成浪费。仅靠三维打印使计算机能够展现三维数据，类似于用于二维数据的计算机具有打印机但没有显示器。
发明内容
本公开内容描述能够电子控制的多形态表面系统，即，具有可调物理表面的系统，其能够动态采取各种瞬时和/或持续的形貌形状以呈现三维信息。
在一个方面，一种多形态表面系统包括：引导结构，其具有形成在其中的多个独立腔；和多个表面构形元件。每个表面构形元件被接纳在相应一个所述独立腔中以在所述独立腔中大致线性往复运动；每个所述表面构形元件在其上具有至少一个导电路径。每个所述腔具有延伸穿越其中的磁场。电接触体关联于每个腔，其中对于每个腔而言，所述电接触体包括至少一个第一侧电接触体和至少一个第二侧电接触体。除了在所述腔中的相应表面构形元件上的所述导电路径外，所述至少一个第一侧电接触体电绝缘于所述至少一个第二侧电接触体。在所述相应的腔内的相应表面构形元件的所述大致线性往复运动的范围中，在每个腔中的相应表面构形元件上的所述导电路径保持所述第一侧电接触体与所述第二侧电接触体之间的电连通。对于每个腔而言，所述第一侧电接触体、在所述腔中的相应表面构形元件上的所述导电路径和所述第二侧电接触体协作以形成穿越所述腔的电路的电路段。所述电路包括：控制器，所述控制器适于操控所述电路段以选择性地将电流施加于一个或多个所选择电路段和将电流从一个或多个所选择电路段移除。当将电流施加于所选择的电路段时，所施加的电流与穿越相应腔的所述磁场相互作用以产生用于驱动相应表面构形元件在所述相应腔内进行大致线性运动的洛仑兹力。
在优选实施例中，穿越每个腔的所述磁场大致垂直于所述相应腔内相应表面构形元件的所述大致线性往复运动；而流动通过所述电路段的电流大致垂直于穿越所述腔的所述磁场，并大致垂直于所述相应腔内相应表面构形元件的所述大致线性往复运动。
所述控制器可适于选择性地控制被施加于所选择的一个所述电路段的电流。所述控制器可适于探测每个表面构形元件相对于其相应腔的线性位置，并且可进一步适于通过将线性运动的预期速率与线性运动的实际速率比较而探测对于各独立所述表面构形元件的线性运动的阻力。所述控制器可以进一步适于探测穿越每个电路段的感应电流，其中所述感应电流通过所述表面构形元件在外力下运动而感应形成。
在一个实施例中，单个磁场延伸穿越所有所述腔。在这样的实施例中，所述引导结构可包括磁化的铁磁材料以产生所述单个磁场。在另一实施例中，多个独立磁体被布置为向每个腔提供其自身的磁场。在一个这样的实施例中，所述独立磁体在所述表面构形元件之内。在另一这样的实施例中，所述独立磁体可为电磁体。
在一些实施例中，所述腔和其中接纳的所述表面构形元件按照规则栅格方式布置。
优选地，每个表面构形元件具有相应的长度、宽度和厚度；所述长度平行于相应表面构形元件的所述大致线性往复运动而测得；每个表面构形元件的长度显著大于其宽度；每个表面构形元件的宽度显著大于其厚度。
在一些实施例中，每个表面构形元件具有头部，所述头部具有基本平坦的上表面；所述表面构形元件的各头部协作以形成多形态表面。
所述表面构形元件可包括磁性材料。
各所述表面构形元件可布置在各所述腔中以相互大致平行地运动。
所述多形态表面系统可进一步包括：在所述表面构形元件上的弹性表面层。
在一些实施例中，所述腔通过阀管控方式与流体源流体连通，用于选择性地将流体引入所述腔中并将所述流体密封在所述腔内以在中断所施加的电流之后支撑所述腔中的所述表面构形元件；和将所述流体从所述腔中撤回以松开所述表面构形元件。
在进一步的方面，一种多形态表面系统，包括：引导结构；多个独立腔，其形成在所述引导结构中；多个表面构形元件。每个表面构形元件被接纳在相应的一个所述独立腔中以在所述独立腔中大致线性往复运动；每个所述表面构形元件产生相应的磁场。电路的相应电路段延伸穿越每个腔；所述电路包括控制器，所述控制器适于独立操控所述电路段以选择性地将电流施加于一个或多个所选择电路段和将电流从一个或多个所选择电路段移除。当将电流施加于所选择的一个所述电路段时，所施加的电流与所述相应磁场相互作用以产生用于驱动相应表面构形元件在所述相应腔内进行大致线性运动的洛仑兹力。
优选地，通过每个表面构形元件产生的所述磁场大致垂直于所述相应腔内相应表面构形元件的所述大致线性往复运动；流动通过所述电路段的电流大致垂直于所述磁场，并大致垂直于所述相应腔内相应表面构形元件的所述大致线性往复运动。
所述独立磁体可在所述表面构形元件之内。
在另一方面，一种用于动态形成表面形貌的方法包括：将至少一个磁场施加于多个可动的表面构形元件上；选择性地使电流通过与所选择的所述表面构形元件相邻的所述至少一个磁场；使得对于每个所选择的表面构形元件而言，所述电流与所述磁场相互作用以产生用于驱动所述相应表面构形元件的被引导的大致线性运动的洛仑兹力。优选地，所述电流大致垂直于所述至少一个磁场，相应的所选择的表面构形元件的所述被引导的大致线性运动大致垂直于穿越其中的所述至少一个磁场且大致垂直于所述电流。优选地，表面构形元件是能够独立运动的且能够独立选择的，用于施加电流以产生运动。
所述方法可进一步包括：在移除所述电流后，将所述表面构形元件支撑就位。
所述方法可进一步包括：控制通过与每个所选择的表面构形元件相邻的所述至少一个磁场的电流，以控制所选择的表面构形元件的被引导的大致线性运动的量。
所述磁场可以是单个磁场；选择性地使电流通过与所选择的各独立所述表面构形元件相邻的所述至少一个磁场可包括：选择性地将电流施加于所选择的各独立所述表面构形元件上。
所述磁场可以是多个独立磁场，每个独立磁场通过相应表面构形元件产生；选择性地使电流通过与所选择的各独立所述表面构形元件相邻的所述至少一个磁场可包括：承载电流经过所选择的各独立所述表面构形元件。
附图说明
通过以下参考附图进行的描述，这些和其它特征将变得更明显，其中：
图1A是第一示例性多形态表面系统的俯视等轴视图，其中其多形态表面以大致平坦构造布置；
图1B是图1A的多形态表面系统的仰视等轴视图；
图1C是图1A的多形态表面系统的俯视平面图；
图1D是图1A的多形态表面系统的第一侧视立视图；
图1E是图1A的多形态表面系统的仰视平面图；
图1F是图1A的多形态表面系统的第二侧视立视图；
图1G是图1A的多形态表面系统的俯视等轴视图，其中其多形态表面以非平坦构造布置；
图1H是图1A的多形态表面系统的仰视等轴视图，其中其多形态表面以非平坦构造布置；
图2A是图1A的多形态表面系统的示例性表面构形元件的侧视立视图；
图2B是沿图2A中的线2B-2B所取的图2A中的表面构形元件的截面图；
图2C是沿图2A中的线2C-2C所取的图2A中的表面构形元件的截面图；
图2D是图2C的一部分的详细图；
图2E是图2A的表面构形元件的俯视等轴视图；
图2F是图2A的表面构形元件的仰视等轴视图；
图3A是侧视例示图，显示出被接纳在图1A的多形态表面系统的引导结构的一部分中的腔内的单个表面构形元件；
图3B是图3A的表面构形元件和引导结构部分的沿图3A中的线3B-3B所取的截面图；
图3C是图3B的一部分的详细图；
图3D是图3A的表面构形元件和引导结构部分的俯视等轴视图，示意性显示出与控制器的相互连接；
图4A是图1A的多形态表面系统的引导结构的俯视等轴视图；
图4B是图4A的一部分的详细图；
图5A是与示例性液压支撑系统组合的图1A的多形态表面系统的俯视等轴视图；
图5B是图5A中所示多形态表面系统和液压支撑系统的仰视等轴视图；
图5C是图5A中所示多形态表面系统和液压支撑系统的俯视平面图；
图5D是图5A中所示多形态表面系统和液压支撑系统的第一侧视立视图；
图5E是图5A中所示多形态表面系统和液压支撑系统的仰视平面图；
图5F是图5A中所示多形态表面系统和液压支撑系统的第二侧视立视图；
图6A是沿图5D中的线6A-6A所取的图5A中所示多形态表面系统和液压支撑系统的截面图；
图6B是图6A的第一部分的详细图；
图6C是图6A的第二部分的详细图；
图7显示出示例性电磁传感器相对于相应表面构形元件的定位；
图8显示出示例性无源矩阵传感器相对于相应表面构形元件的定位；
图9显示出示例性计算机系统，其包括图5A中所示多形态表面系统和液压支撑系统的组合；
图10A是侧视立视图，显示出图1A的多形态表面系统的一部分与图5A的液压支撑系统的一部分组合并且进一步与示例性次级支撑系统的一部分组合，显示出具有次级支撑系统(处于解锁构造)的单个表面构形元件；
图10B是图10A的表面构形元件、引导结构部分、液压支撑系统部分、和次级支撑系统部分的沿图10A中的线10B-10B所取的截面图，显示出处于解锁构造的次级支撑系统；
图10C是图10B的一部分的详细图；
图11A是图10A的表面构形元件、引导结构部分、液压支撑系统部分、和次级支撑系统部分的侧视立视图，显示出处于锁定构造的次级支撑系统；
图11B是图10A的表面构形元件、引导结构部分、液压支撑系统部分、和次级支撑系统部分的沿图11A中的线11B-11B所取的截面图，显示出处于锁定构造的次级支撑系统；
图11C是图11B的一部分的详细图；
图12A是侧视立视图，显示出第二示例性多形态表面系统的一部分与第二示例性液压支撑系统的一部分组合，第二示例性液压支撑系统包括示例性注射系统，其中在图中显示出引导结构的一部分和与注射系统集成的单个表面构形元件；
图12B是图12A的表面构形元件、引导结构部分、和液压支撑系统部分的沿图12A中的线12B-12B所取的截面图；
图12C是图12A的表面构形元件的一部分、引导结构部分和液压支撑系统部分的俯视等轴视图；
图13显示出图1A的示例性多形态表面系统具有在其表面构形元件的上方延伸的弹性表面层；
图14A是第三示例性多形态表面系统的一部分的第一侧视立视图；
图14B是图14A中所示多形态表面系统的一部分的第二侧视立视图；
图14C是图14A中所示多形态表面系统的一部分的俯视等轴视图；
图14D是图14A中所示多形态表面系统的一部分的仰视等轴视图；
图14E是图14A中所示多形态表面系统的一部分的俯视平面图；
图14F是图14A中所示多形态表面系统的一部分的仰视平面图；
图14G是图14A中所示示例性多形态表面系统的表面构形元件的第一侧视立视图；
图14H是图14G的表面构形元件的第二侧视立视图；
图14I是图14G的表面构形元件的俯视等轴视图；
图14J是图14A中所示示例性多形态表面系统的表面冠的仰视平面图；
图14K是图14J的表面冠的俯视平面图；
图14L是图14J的表面冠的侧视立视图；
图14M是图14A的示例性多形态表面系统的第一侧视立视图；
图14N是图14A的示例性多形态表面系统的一部分的第二侧视立视图；
图14O是图14A的示例性多形态表面系统的一部分的俯视等轴视图；
图15A是第四示例性多形态表面系统的俯视等轴视图；
图15B是15A的多形态表面系统的仰视等轴视图；
图15C是15A的多形态表面系统的俯视平面图；
图15D是15A的多形态表面系统的第一侧视立视图；
图15E是15A的多形态表面系统的仰视平面图；
图15F是15A的多形态表面系统的第二侧视立视图；
图15G是侧视立视图，显示出被接纳在图15A的多形态表面系统的引导结构的一部分中的腔内的单个表面构形元件；
图15H是图15G的表面构形元件和引导结构部分的沿图15G中的线15H-15H所取的截面图；
图15I是图15H的一部分的详细图；
图15J是图15G的表面构形元件和引导结构部分的俯视等轴视图，示意性显示出与控制器的相互连接；
图16A是第一侧视立视图，其显示出包括图1A的多形态表面系统与图5A的液压支撑系统的组合的组件，所述组件由线性致动器承载；
图16B是第二侧视立视图，其显示出由图16A的线性致动器承载的图16A的组件；
图16C是俯视等轴视图，其显示出由图16A的线性致动器承载的图16A的组件；
图17是第五示例性多形态表面系统的一部分与相关联液压支撑系统的侧视立视剖切图；
图18显示出用于动态形成表面形貌的方法的流程；和
图19显示出第六示例性多形态表面系统的一部分的俯视等轴视图。
具体实施方式
现在参见图1A至1F，其中显示出整体上以附图标记100表示的示例性多形态表面系统的各种视图。多形态表面系统包括：引导结构104和多个独立的表面构形元件108。多个独立腔112(见图4A和4B)形成在引导结构104中。如图中可见，在优选实施例中，腔112延伸完全穿过引导结构104。每个表面构形元件108被可滑动地接纳在各独立腔112的相应一个中以在其中进行往复滑动线性运动。在示例性实施例中，表面构形元件的上表面116基本为正方形，并协作以形成多形态表面120。通过调节独立表面构形元件108在其相应腔112内的线性位置，多形态表面120可被形成为呈现出各种形状，如图1G和1H中所示。多形态表面系统包括控制器122(示意性显示在图1A至1F中)，其适于控制用于调节各独立表面构形元件108在其相应腔112内的线性位置的机构。控制器122可例如为适合编程的计算机或微控制器或其它适合装置。用于调节各独立表面构形元件108在其相应腔112内的线性位置的机构将会在下文中更详细描述。
在所示实施例中，每个表面构形元件108具有限定基本平坦的上表面116的头部124，因而表面构形元件108的各头部124协作以形成多形态表面120。在其它实施例中，表面构形元件的头部和由此形成的上表面可以具有除了基本平坦以外的其它适合形状。另外，如在下文中进一步所述，在其它实施例中，表面构形元件可省略任何头部，而是被可动地联接到表面冠，其中表面冠形成多形态表面120。
现在参见图2A至2F，其中更详细显示出示例性表面构形元件108。每个表面构形元件108在其上具有至少一个导电路径132。在所示实施例中，每个表面构形元件108的主体部分128(即，表面构形元件108的在腔112(在图2A至2F中未示出)内滑动的部分)具有一系列沿纵向分开的导电路径132，导电路径132沿主体部分128的长度L延伸。在示例性实施例中，导电路径132采取围绕主体部分128而且横向于其长度L而延伸的环的形式。而且，在示例性实施例中，如图2B和2D中的截面图中所示，每个表面构形元件108的主体部分128优选地通过磁性的或可磁化的芯136形成，芯136被隔离保护层140包围，其中导电路径132从隔离保护层140向外设置。每个表面构形元件108的主体部分128不必包括磁性的或可磁化的芯。在其它的实施例中，表面构形元件的主体部分的芯可通过不可磁化的材料形成。对于所述芯使用可磁化的或磁性的材料、或者使用不可磁化的材料，二者之间的选择取决于表面构形元件与磁场源的相对距离。当表面构形元件处的磁场梯度相对较小时，所述芯优选地通过磁性的或可磁化的材料形成；而当表面构形元件处的磁场梯度相对较大时，所述芯优选地通过不可磁化的材料形成。当所述芯136不导电时，保护层140不需具有隔离(insulating)性能。
现在参见图3A至3D，其中显示出引导结构104与表面构形元件108之间的相互关系，其中参考单个表面构形元件108和引导结构104的包括单个腔112的部分104P，单个腔112滑动地接纳表面构形元件108。
每个腔112具有延伸穿越其中的磁场。这种磁场在图3A和3D中以箭头M示意性表示；箭头M的方向显示出磁场的方向。如图3A和3D中可见，在所示实施例中，穿越每个腔112的磁场M大致垂直于相应表面构形元件108在相应腔112内的往复滑动线性运动。相应表面构形元件108的往复滑动线性运动的方向通过双头箭头S显示；箭头S是双头，因为运动是往复的。在所示实施例中，单个磁场M延伸穿越所有的腔112；为实现这一目标，引导结构104包括磁化的铁磁材料以产生单个磁场M。引导结构104在图4A和4B中单独显示，并在示例性实施例中可通过适合铁磁材料铸造而成。腔112可在铸造过程中、或铸造之后(例如通过钻制或激光切制)形成为部件。
在可替代实施例中，每个腔可具有其自有磁场，可布置多个独立磁体以向每个腔提供其自有磁场。在这样的实施例中，各独立磁体可在表面构形元件的内部，或者各独立磁体可为电磁体，在此情况下，控制器可进一步适于改变由每个独立电磁体产生的磁场。这种实施例的一个示例在下文中在图19的文字中进一步描述。
继续参见图3A至3D，电接触体设置在每个腔112中，电接触体包括第一侧电接触体144和第二侧电接触体148。对于每个腔112，除了在腔112中的相应表面构形元件108上的导电路径132外，每个第一侧电接触体144电绝缘(isolate)于每个第二侧电接触体148。在腔112中的表面构形元件108上的导电路径132保持第一侧电接触体144和第二侧电接触体148之间的电连通。在此应用环境中使用的用词“侧”、“第一侧”和“第二侧”用于电的含义，而不是实体含义，并参照穿越导电路径132的电流，所述电流在第一侧接触体144与第二侧接触体148之间可沿任一方向，即，电流从一个接触体(电路的“侧”)流动到另一接触体。这样，虽然示例性导电路径132采取环的形式，不过电流将不会环绕导电路径132回到原接触体，而是将行进穿越导电路径132至相反“侧”上的接触体。另外，虽然在示例性实施例中第一侧电接触体144与第二侧电接触体148处于穿越相应腔112的正好相反的位置，不过并不要求第一和第二侧电接触体具有任何特定的实体相对位置，只要它们除了在所述腔中相应表面构形元件上的导电路径外相互电绝缘即可。使用电含义的用词“侧”应被解读为不暗示任何这样的实体要求。这样，应认识到，在可替代实施例中，可存在多个第一侧接触体和/或多个第二侧电接触体，电流流动穿越第一侧电接触体与第二侧电接触体之间的导电路径132。
另外，由于一系列导电路径132沿主体部分128的长度L(图2A)延伸，因此，在相应腔112内相应表面构形元件108的往复滑动线性运动的一定范围内，导电路径132将保持第一侧电接触体144和第二侧电接触体148之间的电连通。
因此，第一侧电接触体144、腔112中的相应表面构形元件108上的导电路径132、和第二侧电接触体148协作以形成穿越腔112的电路的电路段152。如图3D中可见，在所示实施例中，流动通过电路段152的电流(以箭头I指示)大致垂直于穿越腔112的磁场M，而且还大致垂直于相应表面构形元件108在相应腔112内的往复滑动线性运动S。在图3A中，电流I垂直于纸面，在图3B中，磁场M垂直于纸面。当电流I流动通过电路段152时，电流I与穿越腔112的磁场M相互作用以产生驱动表面构形元件108在腔112内进行滑动线性运动S的洛仑兹力。电流I的方向将会确定表面构形元件108的滑动线性运动S的方向；电流I因而以双头箭头表示。
如图3C中所示的详细图中可见，在目前优选的实施例中，电接触体144、148(在图3C中仅显示出代表性的第二侧电接触体148)包括基底导电层156和低摩擦导电层160，低摩擦导电层160接合于导电路径132以利于表面构形元件108的滑动线性运动S。引导结构104中的腔112的壁可类似地被涂覆以适合的低摩擦材料。
最佳地如图2E中可见，每个表面构形元件108具有相应的长度L、宽度W和厚度T，其中长度L沿主体部分128且平行于相应表面构形元件108的往复滑动线性运动S而测得。如图可见，每个表面构形元件108的长度L显著大于其宽度W，且每个表面构形元件的宽度W显著大于其厚度T，腔112(在图2E中未示出)具有对应形状。施加于表面构形元件108的力与第一侧电接触体144和第二侧电接触体148(图2E中未示出)之间的导电路径132的长度成比例，而质量(和重力影响)与表面构形元件108的体积成比例。因此，通过使表面构形元件108的厚度T更小，可产生相同量的力，但将通过该力移动的质量则更小。现在特别参见图1C、1D和2B，可以看到，在所示实施例中，表面构形元件108的主体部分128足够小以装配到腔112内，而头部124的上表面116足够宽以覆盖腔112。应理解，表面构形元件的主体部分不限于图2B中所示的截面形状，而可以具有任何能够被接纳在对应形状的腔中以实现被引导的大致线性运动的截面形状。
在示例性制造过程中，表面构形元件的一个或多个主体部分可通过金属片形成。在金属片的每侧上，将隔离保护氧化物层沉积在金属上，然后将均匀的导电材料层沉积在隔离保护氧化物层上，并然后将光阻剂沉积在导电材料上。然后使相对于将变为主体部分长度的部分而横向延伸的条图样固化，从而使得一系列固化的光阻剂条利用采取条图样的未固化的光阻剂条分离。然后去除未固化的光阻剂条，从而露出下面的导电材料，导电材料也被去除，留下氧化物层，其中导电材料条在上方且固化的光阻剂在导电材料条上。然后去除固化的光阻剂，留下金属片，其在每侧上具有隔离保护氧化物层，在隔离保护氧化物层上设置一系列分开的导电材料条。主体部分然后可从金属片切下(例如通过激光实现)，然后可以将头部紧固到主体部分，从而形成完整的表面构形元件，其中，金属形成所述芯，隔离保护氧化物形成隔离保护层，分开的导电材料条形成导电路径。在此实施例中，导电路径将是在主体部分两侧上的相反的条，而不是环，但这不会影响系统的操作，只要导电路径接合于第一侧电接触体和第二侧电接触体且金属芯电绝缘于第一侧电接触体和第二侧电接触体即可。可替代地，被切下的主体部分的边缘可被捏压(即，平化)以将所述条封闭为环并电绝缘于金属芯，或者可将适合的隔离涂层施加于所述条的切割边缘。
如前所述，多形态表面系统100包括控制器122，适于控制用于调节独立表面构形元件108在其相应腔112内的线性位置的机构。控制器122是电路的部件，所述电路包括：控制相应表面构形元件108的运动的电路段152，控制器122适于操控(address)电路段152以选择性地将电流施加于一个或多个所选择电路段152和将电流从一个或多个所选择电路段152移除。当控制器122将电流I施加于所选择电路段152时，所施加的电流I与穿越相应腔112的磁场M相互作用以产生驱动相应表面构形元件108相应腔112内进行滑动大致线性运动S的洛仑兹力。每个表面构形元件108可被认为是电阻器，在所述电阻器处，所供应的电流与表面构形元件108的加速度成比例。控制器122可优选地独立操控每个电路段152并因而独立操控每个表面构形元件108，从而使其可独立于其它表面构形元件108地控制每个表面构形元件108的位置。控制器122可通过控制电流的幅度和/或电流的持续时间而控制被施加于每个电路段152的电流。包括控制器122和电路段152并且控制相应表面构形元件108的运动的电路可例如为有源矩阵薄膜晶体管电路，其能够使控制器122控制各独立表面构形元件108的运动。这样的电路在本领域技术人员的能力范围内，现在通过在此公开的内容而告知。
如图中(特别是在图1A、1B、4A和4B中)可见，在所示实施例中，腔112和被接纳其中的表面构形元件108按照规则的矩形栅格方式布置，其中各表面构形元件108被布置为大致平行于彼此地运动。栅格布置有利于使用电路，其中，每个电路段152(图3D)由控制器122独立操控，从第一侧电接触体144和第二侧电接触体148延伸的导电迹线164(图4A和4B)可联接到电路其它元件。为了简化例示，图4A和4B将导电迹线164显示为短柱，并省略电路的其它特征。
所述腔和表面构形元件不必以矩形栅格方式布置，或者，表面构形元件也不必被布置为大致平行于彼此地运动。例如，引导结构可采取球部分的形式，所述腔和表面构形元件可被布置为使表面构形元件进行朝向和背离球心的往复径向运动。
图1A至1H中所示的示例性多形态表面系统100具有25个腔112和25个表面构形元件108，按照5×5阵列布置，以简化例示；应理解，如在此教示的多形态表面系统不需如此限定。增大由多形态表面占据的物理面积将增大可形成的表面形貌的延伸程度，而增大单位面积的表面构形元件的数量使分辨率增大。在这个意义上，表面构形元件可以被认为是对二维显示中的像素的三维模拟。这样，应使单位面积的表面构形元件的数量在实践中尽可能大，最高至给定应用中所需分辨率的极限。因此，可以设想比示例性的5×5阵列大得多的阵列。
虽然在优选实施例中控制器122独立操控每个电路段152以独立控制每个表面构形元件108，不过在其它实施例中控制器122可操控多组电路段152以控制多组表面构形元件108。例如，在所述腔和表面构形元件以100×100阵列布置的多形态表面系统中，控制器可操控多组电路段，为此，对应的腔和表面构形元件形成2×2阵列。在这样的布置中，表面构形元件的头部可相互联接，或者，一组表面构形元件可共享一公共头部。
现在参见图5A至5F和图6A至6C，其中显示第一示例性多形态表面系统100与示例性液压支撑系统500的组合。液压支撑系统500包括支撑块504，支撑块504具有被限定为穿过其中的多个液压支撑通道512。液压支撑通道512与被限定为穿过引导结构104的腔112对准，支撑块504优选地与引导结构104密封地接合。液压支撑通道512使腔112有效地延伸，每个表面构形元件108的主体部分128的较低部分被可动地接纳在相应的液压支撑通道512中。表面构形元件108的较低端170(即，远离头部124的端)与液压塞574(见图6B)装配，液压塞574可滑动地、密封地接合于相应液压支撑通道512的内表面。每个液压支撑通道512在远离引导结构104的端处终止在倒截锥阀孔576中(见图6A和6C)
特别地参见图6A和6C，阀块578在远离引导结构104的支撑块504的端处可动地定位。阀块578联接到致动器(未示出)，所述致动器用于使阀块578朝向和背离支撑块504运动以减小和增大在阀块578与支撑块504之间的可调容积586(图6C)。这种可调容积586被密封。例如，支撑块504可被密封地固定到流体密封壳体(未示出)中，在所述流体密封壳体内，阀块578被密封地、滑动地接纳，使得阀块578可在所述壳体内朝向和背离支撑块504滑动。在这样的实施例中，可调容积586将通过支撑块504的面588(图6C)、阀块578的面590、和供阀块578在其内滑动的壳体的壁限定。阀块578承载多个分开的锥形阀构件580，阀构件580被布置为与支撑块504上的截锥阀孔576对准。每个阀构件580与相应的阀孔576协作以形成相应的锥阀582。锥阀582经由可调容积586和流体传送导管584与恒压储器(未示出)流体连通，其中流体传送导管584被限定为穿过阀块578并且在可调容积586与恒压储器之间连通。
使阀块578朝向支撑块504运动减小可调容积586，从而迫使其中容纳的处于恒压下的流体移动到液压支撑通道512中。当阀块578接合支撑块504时，阀构件580接合阀孔576以封闭锥阀582，从而将流体滞留在液压支撑通道512中以支撑表面构形元件108，即使没有施加电流时也是如此。使阀块578背离支撑块504运动则开启锥阀582，从而允许流体经开启的锥阀582从液压支撑通道512离开至可调容积586，由此松开表面构形元件108以自由运动。这样，通过液压支撑通道512延伸的腔112与流体源以阀控方式流体连通，以选择性地(a)将流体引入腔112/512中并将流体密封在腔112/512内，以在中断供应电流之后在腔112/512中支撑表面构形元件108；和(b)从腔112/512中撤回流体以松开表面构形元件108。
参见用词“支撑块”和“阀块”，应理解的是，词“块”并不暗示这些部件必须是单件结构，只不过单件结构是其中一个优选实施例。
可选地，除了液压支撑系统500以外，多形态表面系统还可以设置有次级支撑系统。这种次级支撑系统的一个示例性实施方案现在将参照图10A至10C和11A至11C进行描述，其中显示出示例性表面构形元件108和与其相关联的液压支撑系统500和引导结构104的相应的部分500P、104P。图10A至10C显示出处于解锁构造中的次级支撑系统，而11A至11C显示出处于锁定构造中的次级支撑系统。为了简化例示，引导结构的部分104P的基底导电层、低摩擦导电层和电接触体在图10A至10C和11A至11C中未示出。
图10A至10C和11A至11C中所示的示例性次级支撑系统包括介于支撑块504与引导结构104之间的弹性弹力膜1002。弹性弹力膜1002具有被限定为穿过其中的多个锁定孔1004(见图10C和11C)，其中孔1004被布置为与相应的表面构形元件108、腔112和液压支撑通道512对准。这样，表面构形元件108的主体部分128延伸穿过锁定孔1004。为易于例示，图10A至10C和11A至11C仅显示出弹力膜1002的一部分并仅显示出单个的锁定孔1004、表面构形元件108、腔112和液压支撑通道512。
支撑块504和引导结构104能够朝向和背离彼此相对运动，适合的致动器(未示出)可被设置以影响这样的运动。当次级支撑系统处于解锁构造时(如图10A至10C中所示)，弹力膜1002相对未压缩且锁定孔1004的内表面1006与表面构形元件108分开(见图10C)，从而允许表面构形元件108沿腔112和液压支撑通道512自由运动。当支撑块504和引导结构104朝向彼此运动时，弹力膜1002被压缩(相对于图10C中所示状态)并经历弹性变形，使得锁定孔1004的内表面1006向内鼓起并接合表面构形元件108的主体部分128(见图11C)。这是锁定构造(图11A至11C)，其中变形的弹力膜1002抓紧表面构形元件108的主体部分128并将摩擦力施加其上，由此将表面构形元件108锁定就位，只要弹力膜1002被压缩。使支撑块504和引导结构104背离彼此运动使得次级支撑系统返回到解锁构造，如图10A至10C所示，从而允许弹力膜1002弹回到其未压缩形状并且释放表面构形元件108沿腔112和液压支撑通道512运动。
示例性的次级支撑系统可用于：当阀块578朝向支撑块504运动时将表面构形元件108固定就位以提供液压支撑，并且也可防止渗漏。
本公开内容还设想可替代结构，用于多形态表面，其依赖于表面构形元件的独立液压控制，而不是其电控制；类似于前述液压支撑结构500的液压支撑结构可适于实现此目的，例如通过使用能够独立控制的阀来管控在可调容积与用于表面构形元件的液压支撑通道之间的流体连通而实现。
如在此所述的多形态表面系统(特别是联接到液压支撑系统的多形态表面系统)可适用于模制操作中。控制器可导引表面构形元件的运动，使得多形态表面采取所希望的表面形貌，多形态表面于是可用作模腔的全部或部分。为了便于这一过程并防止被模制在表面构形元件之间的材料渗漏，多形态表面可以进一步包括在表面构形元件的上方延伸的弹性表面层，弹性表面层通过对于被模制材料而言不能渗透的、适合的弹性和柔性材料形成。所述表面层可紧固到表面构形元件。图13显示出具有弹性表面层1372的示例性多形态表面系统100，弹性表面层1372在表面构形元件108的上方延伸并紧固到其头部124。当在此所述的多形态表面系统用于模制应用中时，表面构形元件的头部优选地由隔离材料形成或者设置有隔离层或帽以限制向表面构形元件(特别是其主体部分)传热，由此防止消磁和其它损害。
在此所述的多形态表面系统可进一步通过提供“中空的”表面构形元件(即，表面构形元件具有被限定为穿过其中的相应内腔(lumen)，用于将材料传输到模腔中)而适于模制应用。实际上，多形态表面系统可为：被构造以用作注射元件的表面构形元件阵列。不必使所有表面构形元件具有被限定为穿过其中的内腔；在一些实施例中，仅一子组(subset)的表面构形元件可具有内腔。
现在参见图12A至12C，其中显示出第二示例性表面构形元件12108及其相关联的第二示例性液压支撑系统12500和引导结构104的相应部分12500P、104P的布置。图12A至12C中所示的引导结构104与前述引导结构104相同，因而以相同的附图标记表示。
图12A至12C中所示的第二示例性表面构形元件12108类似于前述的第一示例性表面构形元件108，相似的附图标记用于表示相似的特征，不过具有额外的前缀“12”。图12A至12C中所示的第二示例性表面构形元件12108与第一示例性表面构形元件108的不同之处在于：其适于用作注射元件。柱形内腔1202(图12B)沿纵向延伸穿过表面构形元件12108，表面构形元件12108不包括液压塞，或者包括环形液压塞，由此使内腔1202不受堵塞。在其它实施例中，内腔可具有除了柱形以外的其它适合形状。
第二示例性液压支撑系统12500也类似于第一示例性液压支撑系统500，以相似的附图标记表示相似的特征，但具有额外的前缀“12”。第二示例性液压支撑系统12500与第一示例性液压支撑系统500的不同之处在于：其已被改造以适应(accommodate)注射系统。
针状注射器1204(图12B)从第二示例性液压支撑系统12500的每个锥形阀构件12580延伸。注射器1204被布置为与锥形阀构件12580共轴，并使其向上延伸穿过相应的阀孔12576和液压支撑通道12512而进入表面构形元件12108的内腔1202中。注射器1204在尺寸上和形状上设置为被密封地、滑动地接纳在表面构形元件12108的内腔1202内，因而有必要在直径上小于液压支撑通道12512。相应地，在注射器1204的外表面与液压支撑通道12512的内表面之间存在环形间隙1206(图12B)，表面构形元件12108的主体部分的一部分被滑动地、密封地接纳在环形间隙1206中。环形间隙1206与可调容积12586流体连通，因而阀块12578朝向支撑块12504运动使可调容积12586减小，从而迫使其中容纳的流体移动到环形间隙1206中。当阀块12578接合支撑块12504时(如图12A至12C中所示)，阀构件12580接合阀孔12576以封闭锥阀12582，从而将流体滞留在环形间隙1206中以支撑表面构形元件12108。当阀块12578背离支撑块12504运动时，锥阀12582开启以允许流体从环形间隙1206离开，并松开表面构形元件12108以自由运动。
注射器1204具有纵向延伸穿过其中的注射内腔1208(图12B)。注射内腔1208还向下延伸穿过锥形阀构件12580进入阀块12578中，注射内腔1208与阀块12578中形成的流体管网1210流体连通。这样，各种流体可被泵送通过阀块12578、锥形阀构件12580和注射内腔1208而进入表面构形元件12108的内腔1202中，并通过表面构形元件12108的头部12124中的流体孔1212。应注意，流体管网1210、注射内腔1208和表面构形元件12108的内腔1202不与可调容积12586流体连通，而且不与在注射器1204与液压支撑通道12512之间的环形间隙1206流体连通。这样，虽然在所示的实施例中流体管网1210延伸穿过阀块12578且注射内腔1208延伸穿过锥形阀构件12580进入阀块12578中，不过注射系统在功能上分离于且区别于液压支撑系统12500。
为易于例示，仅显示出单个示例性的能够注射的表面构形元件12108以及第二示例性液压支撑系统12500(装容注射系统)和引导结构104的相关联的部分12500P、104P。如基于前述将易于理解的是，多个能够注射的表面构形元件12108与完整液压支撑系统12500和引导结构104组合组装，将形成能够注射的多形态表面系统。
在一个实施例中，两个相对的能够注射的多形态表面系统可被构造为形成具有所希望形状模腔的模的各半件，或者，单个能够注射的多形态表面系统可被布置为与静止的模半件或板相对，其中能够注射的表面构形元件被联接为经流体管网与将被模制的液态材料源流体连通。在由相对的多形态表面形成的模封闭时，材料于是可通过能够注射的表面构形元件的内腔注射到模腔中以填充模腔。这种类型的布置不限于单个能够注射的多形态表面系统、或者形成相对各模半件的两个能够注射的多形态系统；多形态表面系统可被布置为形成多面体模的面。这样，一种用于模制一对象的方法包括：构造至少一个多形态表面系统以形成模腔的至少一部分；利用被限定为通过多形态表面系统的表面构形元件的至少一些的内腔而将材料注射到模腔中。还可设想的是，模的布置可以将一个或多个能够注射的多形态表面系统与一个或多个不能注射的多形态表面系统组合。
在类似实施例中，不同的能够注射的表面构形元件可被联接为经流体管网与不同材料源流体连通，从而能够将不同材料传输到由多形态表面系统形成的模腔中。这样，第一组能够注射的表面构形元件被联接为与至少一个第一材料源流体连通，第二组能够注射的表面构形元件被联接为与至少一个第二材料源流体连通，其中第二材料不同于第一材料。这种布置允许模制多层对象。例如，具有第一形状的第一模腔可通过多形态表面系统形成，第一材料被注射到第一模腔中并被允许固化(可选地通过有效冷却实现)。具有第二形状的第二模腔可于是通过多形态表面系统形成，第二材料被注射到第二模腔中。在多形态表面系统在形成第一模腔的第一构造与形成第二模腔的第二构造之间过渡的过程中并且在将第二材料注射到第二模腔中的过程中，通过第一材料形成的中间对象可通过子组的表面构形元件而保持所希望的位置和朝向。在第二材料已固化而足以使中间对象在第二模腔内保持所希望朝向而同时仍具有足够非粘性以填充由于子组的表面构形元件撤回所形成的间隙时，子组的表面构形元件可被撤回。可选地，子组的表面构形元件可为能够注射的表面构形元件，并可随第二材料撤回而将其传输到间隙中。前述布置和方法不限于两种材料和两个依序的模腔，并可通过必要改造而延伸到三、四或更多种材料和三、四或更多个依序的模腔。还应认识到，独立层不需要完全封装通过先前步骤形成的中间对象，这样，层可仅覆盖通过先前层形成的对象的表面的一部分。例如，金属增强物可被注射到各塑料层之间的塑料部件的一部分中，或者注射到塑料部件的表面上。还可设想到的是：不用于形成最终零件一部分的流体可以使用能够注射的表面构形元件进行注射。例如，可针对仍然熔融的零件的表面的一部分注射空气或惰性气体，使得该表面的所述部分经受差异应力，以增强该表面的所述部分或对其给予表面特征。另外，在一些实施例中，可通过能够注射的表面构形元件施加真空，使得适合冷却流体可通过第一组能够注射的表面构形元件被施加并通过第二组能够注射的表面构形元件被撤回。将真空施加于能够注射的表面构形元件在概念上被视为负注射。
具有中空的或能够注射的表面构形元件的多形态表面系统可用于除了模制以外的进一步的应用中。一种这样的应用是印刷，其中，多形态表面元件可被构造为所希望的印刷表面，通过将墨水经由中空表面构形元件的内腔供应可对所述印刷表面连续上墨以保持连续上墨表面。使用多形态表面系统可提供动态可变的印刷表面，动态可变的印刷表面可用于胶版印刷或直接印刷。具有中空表面构形元件的多形态表面系统的其他应用包括：真空成型(其中可经由内腔施加真空)、木料的蒸汽成型、和润滑剂应用。
能够注射的多形态表面系统的另一种应用是三维(3D)印刷。第一组能够注射的表面构形元件可联接为与至少一个第一材料源流体连通，而第二组能够注射的表面构形元件可联接为与至少一个第二材料源流体连通，如此等等，从而能够使用两种或更多种材料实现同时3D印刷。
此外，通过向一个或多个能够注射的表面构形元件施加真空，能够注射的表面构形元件可以用于从一个或多个样本源(例如在生物采样中所使用的机械电枢(roboticarmature)中)抽取流体。在这样的实施例中，一个或多个能够注射的表面构形元件可设置有适合的变尖的针形头部。
此外，在此所述的多形态表面系统可被应用于快速样机成型(prototyping)。通过以控制器导引表面构形元件运动而使多形态表面采取所希望的表面形貌，所希望产品或其一部分的瞬时模型可快速生成用于初始测试。例如，当多形态表面具有足够分辨率并包括弹性表面层时，多形态表面可被形成为符合所建议的机动主体形状用于初始风洞测试。在此所述的由多形态表面系统生成的临时模型也可用于测试各种部件的内部配合(inter-fit)。
在优选实施例中，控制器122进一步适于探测每个表面构形元件108相对于其相应腔112的线性位置，联接到控制器122的传感器可并入或以其它方式关联于引导结构104以实现这一点。由于梯度磁场运动经过传感器位置(即，每个表面构形元件108的主体部分128将形成电流)，因而这样的传感器可测量通过电感器产生的电流。
现在参见图7，其中显示出示例性电磁传感器(solenoid sensor)792相对于相应表面构形元件108的定位。电磁传感器792包括可嵌入引导结构104(在图7中未示出)中的螺旋线，螺旋形包围相应腔112(在图7中未示出)并沿相应腔112沿纵向延伸，使得所述螺旋将松散地包围表面构形元件108的主体部分128。随着表面构形元件108的主体部分128在腔112内运动，正电流或负电流(取决于运动方向)将在电磁传感器792中产生，其中所产生电流的量与表面构形元件108的运动速率成比例。所产生的电流可被探测并由控制器122分析以确定表面构形元件108相对于腔112的线性位置。
作为电磁传感器的替代方案，无源矩阵布置可联接到控制器122并用于使控制器122能够探测每个表面构形元件108相对于其相应腔112的线性位置。图8显示出示例性无源矩阵传感器794相对于相应表面构形元件108的定位。无源矩阵传感器794包括被嵌入引导结构104(图8中未示出)中的导电迹线层796的层网，所述层网包围腔112(图8中也未示出)并且沿腔112沿纵向延伸，使得所述一系列导电迹线层796将松散地包围每个表面构形元件108的主体部分128。类似于电磁传感器792(图7)，表面构形元件108的主体部分128在腔112内的运动将感生出电流，所述电流进入导电迹线层796中特定的导电迹线层中，所述电流可由控制器122(图8中未示出)探测。不过，不是如电磁传感器792那样分别探测每个表面构形元件108的运动，而是：所述的无源矩阵布置将通过测量每个导电迹线层796始、末处的电流而同时探测所有表面构形元件108的运动。控制器122可实施矩阵求解算法，以通过数学方式确定每个表面构形元件108的速度和位置。
在其它实施例中，每个表面构形元件108相对于其相应腔112的线性位置可使用激光或声学测距装置(acoustic ranging)进行探测，以探测出来自表面构形元件108的下端(即，与头部124相反的端)的反应。
当如在此所述的多形态表面系统包括传感器(例如电磁传感器792或无源矩阵传感器794)以探测表面构形元件的运动时，控制器可进一步适于：通过将滑动线性运动的预期速率与滑动线性运动的实际速率进行比较，探测对于独立表面构形元件的滑动线性运动的阻力。这允许在此所述的多形态表面系统用作测量装置以测量一对象的表面形貌。控制器可使表面构形元件缩回(即，定位而使得其头部尽可能接近于引导结构)，将被测量的对象于是可安置在通过缩回的表面构形元件所形成的多形态表面上。控制器于是可使表面构形元件延伸(即，使其头部背离引导结构运动)。当表面构形元件接合于将被测量的对象的表面时，其运动速率将由于所述对象的物理阻力而减小，这种探测的运动速率减小可通过控制器探测以指示所述对象的存在情况，使得所述对象的形貌能够被描绘。
还可设想的是，在一实施例中，表面构形元件108的芯136(见图2B和2D)是磁性的或磁化的则控制器122可适于以无源测量模式作用，以探测由于相应表面构形元件108在外力下运动而在每个电路段152上感生出的电流。在这样的实施例中，多形态表面系统可用于测量一个对象的表面形貌。例如，在图5A至5F和图6A至6C中所示布置中，液压支撑系统500可用于支撑表面构形元件108，使得多形态表面120基本上平坦，如图所示。将被测量的对象于是可安置在多形态表面120上，所述对象的质量将使得一些表面构形元件108在多形态表面120采取被测量对象的形状时朝向阀块578移位。表面构形元件108根据被测量对象的形状而移位不同距离，使得在每个电路段152(图3D)上感生出不同电流。这些电流于是可通过控制器122探测并用于形成对象表面的接合于多形态表面120的部分的三维模型。
除了测量对象表面形貌以外，还可设想的是：多形态表面系统可适于测试对象表面的机械性能。为了实现此目的，表面构形元件108可针对对象表面被驱动，而冲击效果可通过将表面构形元件108所施加的力与通过传感元件给出的其位移(位置)相关联而测得。在一个实施方案中，表面构形元件108可被安置为与被测试对象接触，在测量位移时施加恒定的力，或者相反地，在测量施加力时可实现恒定的位移速率。由给定表面构形元件108产生的力将是流动通过该表面构形元件的导电路径132的电流的函数，每个表面构形元件108的位置可通过适合的传感器布置(例如前述的传感器布置)而确定。此外，表面性能的测量也可通过以下方式获得：针对被测量对象的表面驱动表面构形元件108以在它们之间产生冲击。通过使表面构形元件108振荡或脉动而与被测量表面接触和脱离并改变频率、或通过改变表面构形元件108冲击对象表面处的速度，所述表面的非牛顿性能(其取决于剪切速率)也可被确定。
现在参见图14A至14O，其中例示出多形态表面系统的第三示例性实施例，整体上以附图标记14100表示。图14A至14O中所示第三示例性多形态表面系统14100以与第一多形态表面系统100相同的方式起作用，也就是说，利用电流与磁场相互作用以产生洛仑兹力驱动表面构形元件14108的被引导的大致线性运动。这样，对应的附图标记表示对应的特征，只是具有额外的前缀“14”，另外，第三多形态表面系统14100的表面构形元件14108是“无头的”，并被枢转地联接到六角形表面冠1424，表面冠1424协作以形成多形态表面14120，如图14L至14O所示。第三示例性多形态表面系统14100的包括三个表面构形元件14108的部分和引导结构14104的部分14104P显示在图14A至14F中，图14G至14I显示出示例性表面构形元件14108，图14J至14L显示出表面冠1424，图14M至14O显示出完整的多形态表面系统14100。
如图14A至14D和14F中可见，三个表面构形元件14108被联接到每个表面冠1424，每个表面构形元件14108联接到仅单个表面冠1424。由于每个表面构形元件14108联接到仅单个表面冠1424，因而每个表面冠1424的位置和朝向可独立于每个其它不敏感1424的位置和朝向而设定，不过每个表面冠1424的布设区域覆盖三个表面构形元件14108。
表面构形元件14108类似于第一实施例中的表面构形元件108，区别在于：不采用头部124，而是每个表面构形元件14108具有以球1428终止的带角突的上端1426。每个表面冠1424具有规则的六角形状和基本平坦的上表面1416，并具有三个在其下表面1446上沿径向布置的近环形通道1442；近环形通道1442以120度的间隔布置。每个球1428被滑动地接纳在相应一个近环形通道1442中以能够沿近环形通道1442滑动而且还能够在近环形通道1442内枢转。这样，每个表面构形元件14108的带角突上端1426和球1428的组合形成球钉(ball stud)并与相应的近环形通道1442协作以形成滑动球接头。
每个表面冠1424的竖直位置通过与表面冠1424联接的三个表面构形元件14108的平均竖直位置确定，表面冠1424的角度朝向通过与所述表面冠1424联接的三个表面构形元件14108的竖直位置之间的相对差别而确定。作为通过使表面构形元件14108在表面冠1424中所形成通道1442内滑动而将表面构形元件14108联接到表面冠1424的可替代方案，表面构形元件可利用能够弹性变形的膜而联接到表面冠。
现在参见图15A至15J，其中显示出第四示例性多形态表面系统，整体上以附图标记15100指示。第四示例性多形态表面系统15100在总体结构上类似于第一多形态表面系统100，这样，对应的附图标记表示对应的特征，只是具有额外前缀“15”。类似于第一多形态表面系统100，第四示例性多形态表面系统15100利用电流与磁场相互作用以产生洛仑兹力驱动表面构形元件15108的被引导的大致线性运动起作用。不过，第四示例性多形态表面系统15100的用于产生洛仑兹力的结构不同于第一多形态表面系统100的对应结构，这将在下文中进一步解释。图15A至15F显示出完整的多形态表面系统15100，而图15G至15J中显示出包括单个表面构形元件15108和引导结构15104的部分15104P的第四示例性多形态表面系统15100的一部分的更详细视图。
第四示例性多形态表面系统15100包括：引导结构15104和多个表面构形元件15108。引导结构15104具有在其中形成的多个独立腔15112，每个表面构形元件15108被可滑动地接纳在相应一个独立腔15112中，用于在相应腔15112内的被引导的大致线性往复运动(在图中以箭头“S”表示)。每个表面构形元件15108产生相应磁场，磁场的方向在图中以箭头“M”指示。例如，表面构形元件15108可通过适合的磁化铁磁材料形成或者包含适合的磁化铁磁材料以产生磁场M。电路的相应电路段15152延伸穿越每个腔15112；在所示实施例中，每个电路段包括第一侧电接触体15144、第二侧电接触体15148、和至少一个导电桥15132，其中导电桥15132延伸穿越腔15112并连接第一侧电接触体15144和第二侧电接触体15148使其相互电连通。相应地，第一侧电接触体15144、在腔15112中的导电桥15132和第二侧电接触体15148协作以形成电路段15152。所述电路进一步包括：控制器15122，控制器15122适于操控电路段以选择性地将电流施加于一个或多个所选择的电路段15152、或者将电流从一个或多个所选择的电路段15152移除。
如图15J中可见，在所示实施例中，流动通过电路段15152的电流(通过箭头I指示)大致垂直于穿越腔15112的磁场M，而且还大致垂直于相应表面构形元件15108在相应腔15112内的往复滑动线性运动S。在图15G中磁场M垂直于纸面，而在图15H中电流I垂直于纸面。在将电流施加于所选择的一个电路段15152时，所施加的电流I流动通过电路段15152并与穿越相应腔15112的相应磁场M相互作用以产生洛仑兹力驱动表面构形元件15108在腔15112内的被引导的大致线性运动S。电流I的方向将确定表面构形元件15108的滑动线性运动S的方向；电流I因而以双头箭头表示。
如图15I中所示详细图中可见，在目前优选的实施例中，每个表面构形元件15108包括由隔离保护层15140包围的磁化的铁磁芯15136，隔离保护层15140优选地由低摩擦材料制成。引导结构15104中的腔15112的壁可类似地被涂覆以适合的低摩擦材料。
第四示例性多形态表面系统15100的结构可被修改和与在此所述的其它的结构或布置集成，例如(非限制性地)通过与液压支撑系统和/或次级支撑系统组合、通过使用表面冠、或通过增加注射能力或弹性表面层而实现。
还可以设想聚集的多形态表面布置，其包括多个前文中所示和所述类型的独立多形态表面系统。在聚集的多形态表面布置中，每个多形态表面系统通过相应的独立线性致动器承载和支撑，使得整个多形态表面系统可独立于各独立表面构形元件的任何运动且独立于聚集的多形态表面布置中的其它多形态表面系统而通过线性致动器进行大致线性运动。在优选实施例中，多形态表面系统及其相应的独立线性致动器被布置为使得：通过相应线性致动器驱动的多形态表面系统的大致线性运动平行于表面构形元件的大致线性运动。线性致动器可为洛仑兹力致动器，其根据在此所述的原理构建，或者可为传统的线性致动器，例如电磁致动器或机动化的齿轮驱动致动器。图16A至16C显示出组件1600，其包括第一示例性多形态表面系统100与示例性液压支撑系统500组合，其中组件1600通过线性致动器1602承载。
线性致动器以及由其承载的多形态表面系统100可按照阵列构造。这样，聚集的多形态表面布置可为成阵列的独立线性可动多形态表面系统100，其中多形态表面系统100的线性运动相互平行并与表面构形元件108的线性运动平行。
与独立多形态表面系统100相比，使用聚集的多形态表面布置可提供增强的形貌范围。单个多形态表面系统100的形貌范围将受限于独立表面构形元件的运动范围，并且对于形貌变化超出此范围的表面将不能准确建立模型。使用聚集的多形态表面布置消除了这种限制，这是因为，线性致动器可用于较大的或“总的”形貌位置调节，而表面构形元件108用于较小的或“精细的”形貌位置调节。
在特定实施例中，在此所述的多形态表面系统以及聚集的多形态表面布置可通过施加颜色而增强。在最简单的这种实施例中，适合的投影仪可被布置以将影像投射到表面构形元件108的头部124上，其方式类似于Folmer等人的“inFORM：通过形状和对象致动的动态物理给养和约束”(在UIST'13第26届用户界面软件和技术年度ACM论坛(2013年10月8－11日)上发表的论文)(2014)CHI'14中所述。
在另一实施例中，表面构形元件可通过适合的透明材料(例如适合的玻璃或塑料)形成，并被构造为实现大致全内反射，而不是使光到达表面构形元件的头部，从而使每个表面构形元件可用作光导管，类似于光缆。成阵列的发光装置(例如发光二极管或激光器)可定位以将光传输到表面构形元件。例如，成阵列的发光装置可安置在多形态表面系统的引导结构的下方。透明表面构形元件于是将会将所传输的光送到表面构形元件的头部，以在表面构形元件头部上产生影像。表面构形元件的所希望的折射系数可通过材料选择而实现，或者通过以适合的反射包覆层涂覆表面构形元件的边缘而实现。在后一种情况下，导电层将被设置在包覆层以及薄的极度易磁感层之外。图17显示出第五示例性多形态表面系统和相关联液压支撑系统的相应部分17104P、17500P。多形态表面系统17100和液压支撑系统17500类似于第一示例性多形态表面系统100和液压支撑系统500，以相似的附图标记表示相似的特征，只是具有前缀“17”。第五示例性多形态表面系统17100和相关联液压支撑系统17500与第一示例性多形态表面系统100和液压支撑系统500的不同之处在于：前者适于将光传送通过表面构形元件17108而至其上表面17116。光源(示意性显示为块1700)被联接到延伸穿过阀块17578中的孔1704的光纤1702，以将光传送通过液压支撑通道17512至表面构形元件17108的下端。液压支撑通道17512的下表面可被涂覆以反射材料以利于沿其传送光，所用液压流体被选择为具有适合折射系数。表面构形元件17108包括透明材料，以实现充分的内反射(优选地为全内反射)，使得在表面构形元件17108下端处接收的光被传送到其上表面17116以在其上可见。这样，每个表面构形元件17108的上表面17116用作像素，且通过将不同颜色的光传送到每个表面构形元件能够在由此形成的多形态表面上呈现影像。由于每个表面构形元件17108的上表面17116具有X、Y、Z位置以及颜色，因此，上表面17116可被认为是体素并用于以其上表面上的着色而形成三维影像。例如，第五示例性多形态表面系统可用于呈现着色的形貌地图。多形态表面系统的与液压支撑系统不关联的其它实施例也可适于将光传送通过表面构形元件而至其上表面。
用于多形态表面系统的控制器(例如，控制器122、15122)可例如为适合编程的计算机或微控制器或其它适合装置、或者适合编程的计算机与微控制器或其它适合装置的组合。例如，多形态表面系统可包括微控制器，微控制器被可通讯地联接到被编程的计算机。这样，在此所述的多形态表面系统可响应于计算机生成的指令以生成体现出由计算机系统中存储或生成的三维信息的形貌形状。计算机系统可完成控制器的任务，或者可与控制器通讯。
可与在此所述多形态表面系统相关联而得以实施的例示性计算机系统在图9中呈现为结构示意图。所示计算机系统整体上以附图标记900表示，并包括：显示器902、采用键盘904A和点击装置904B的形式的输入装置、计算机906和联接到计算机906的外部装置908。其中一个联接到计算机906的外部装置908包括：组合的多形态表面系统100和液压支撑系统500，如前所述。虽然点击装置904B图示为鼠标，不过应认识到，其他类型的点击装置也可以使用。在一个实施例中，在此所述的多形态表面系统可用作输入装置。例如，在一些实施例中，多形态表面可用作动态适应性键盘和/或点击装置。多于一个多形态表面系统可联接到单个计算机系统。
计算机906可包含一个或多个处理器或微处理器，例如中央处理单元(CPU)910。CPU 910执行数学计算，并控制用于执行内存912(优选地为随机存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM))以及可能的额外存储器914中所存储软件的函数。额外存储器914可例如包括：海量存储器、硬盘驱动器、光盘驱动器(包括CD和DVD驱动器)、磁盘驱动器、磁带驱动器(包括线性磁带开放协议(LTO)、数字线性磁带(DLT)、数字音频磁带(DAT)和数字式高密录音带(DCC))、闪存驱动器、程序盒式存储器和盒式接口(例如在视频游戏装置中设置的接口)、可擦除存储芯片(例如可擦除可编程只读存储器(EPROM)或可编程只读存储器(PROM))、新兴的存储介质(例如全息影像存储器)、或者现有技术中公知的类似存储介质。这种额外存储器914可实体地处于计算机906内，或者如图9中所示地处于计算机906外，或者二者兼备。
计算机系统900还可包括其它类似机构以允许加载计算机程序或其它指令。这样的机构可例如包括：通讯接口916，其允许将软件和数据在计算机系统900与外部系统和网络之间传送。通信接口916的示例可包括：调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、无线通讯接口、或串行或并行通讯端口。经由通信接口916传送的软件和数据采用信号的形式，其可为电子信号、声学信号、电磁信号、光学信号、或者其它能够由通信接口916接收的信号。当然，可在单个计算机系统900上设置多个接口。在一个实施例中，可以设想：在联接到第一计算机系统的第一多形态表面装置处接收的输入可经由适合网络被传送到第二计算机系统，并通过联接到第二计算机系统的第二多形态表面装置呈现。这样的通讯可为双向的，并可使用例如以利于远程医疗。
往来于计算机906的输入和输出通过输入/输出(I/O)接口918而实现。这种I/O接口918实现对显示器902、键盘904A、外部装置908(包括组合的多形态表面系统100和液压支撑系统500)、和计算机系统900的其它这种部件进行控制。计算机906还包括图形处理单元(GPU)920。后者也可作为对CPU910的附属物或替代物针对计算目的用于数学计算。
计算机系统900的各种部件直接地或通过联接到适合的总线而相互联接。
在此使用的用词“计算机系统”不限于任何具体类型的计算机系统并涵盖伺服器、台式计算机、膝上型计算机、网络型的移动无线通讯计算装置(例如智能手机)、平板电脑、以及其它类型的计算机系统。
在此所述的设备体现出用于动态形成表面形貌的方法的示例性的非限制性的实施方案。这种方法包括：将至少一个磁场施加于多个可动的表面构形元件上；选择性地使电流通过与所选择的所述表面构形元件相邻的一个或多个磁场，其中所述电流大致垂直于所述磁场。结果是：对于每个所选择的表面构形元件而言，所述电流与所述磁场相互作用以产生用于驱动所述相应表面构形元件的被引导的大致线性运动的洛仑兹力。在特定的优选实施例中，相应的所选择的表面构形元件的所述被引导的大致线性运动大致垂直于所述磁场且大致垂直于穿越所选择表面构形元件的所述电流。优选地，表面构形元件能够独立运动，并能够独立选择以施加电流产生运动。所述方法可进一步包括：在移除电流后将表面构形元件支撑就位。所述方法可进一步包括：控制被施加到每个所选择的表面构形元件上的电流，以控制所选择的表面构形元件的被引导的大致线性运动的量。
在所述方法的一些实施例中，例如在使用第一示例性多形态表面系统100的所述方法的实施方案中，可存在单个磁场。在第一示例性多形态表面系统100中，选择性地使电流通过与所选择的各独立所述表面构形元件相邻的所述磁场通过以下方式实现：利用相应表面构形元件108上的相应导电路径132，选择性地将电流施加于所选择的各独立所述表面构形元件上。这样，图1A至4B例示出前述方法的一个实施方案。
在所述方法的其它实施例中，例如在使用第四示例性多形态表面系统15100的所述方法的实施方案中，可存在多个独立磁场，其中每个独立磁场通过相应表面构形元件产生。在第四示例性多形态表面系统15100中，选择性地使电流通过与所选择的各独立所述表面构形元件相邻的所述磁场通过以下方式实现：利用导电桥15132，承载电流经过所选择的各独立所述表面构形元件。这样，图15A至15J例示出前述方法的另一实施方案。
在可替代方法中，恒定电流可施加于多个能够独立运动的表面构形元件，磁场可选择性地施加于所选择的表面构形元件上(其中磁场优选地大致垂直于电流方向)，使得对于每个所选择的表面构形元件而言，电流和磁场相互作用以产生用于驱动相应表面构形元件的被引导的大致线性运动的力。相应表面构形元件的被引导的大致线性运动优选地大致垂直于磁场且垂直于电场。
现在参见图18，其中显示出用于动态形成表面形貌的可替代方法1800的流程。在步骤1802，至少一个电流通过多个可动的表面构形元件。单个电流可通过所有表面构形元件。可替代地，每个独立表面构形元件或者各组表面构形元件可接收独立的电流。在步骤1804，至少一个磁场被选择性地施加于所选择各表面构形元件上，使得对每个所选择的表面构形元件而言，电流与磁场相互作用以产生洛仑兹力驱动相应表面构形元件的被引导的大致线性运动。这可以例如通过以下方式实现：将单个磁场选择性地施加于所有表面构形元件，同时改变通过特定表面构形元件的电流以产生其差异运动。可替代地，恒定电流可通过表面构形元件，同时将不同的磁场施加于各独立表面构形元件或各组表面构形元件，其中磁场强度被改变以产生差异运动。优选地，在图18中所示方法1800中，电流大致垂直于至少一个磁场，相应所选择的表面构形元件的被引导的大致线性运动大致垂直于穿越其中的所述至少一个磁场且垂直于电流。一个或多个电磁体可用于选择性地施加磁场；在一个实施例中，电磁体可包括独立线圈，所述线圈嵌入引导结构中并邻近于其中接纳有表面构形元件的每个腔。
图19显示出可用于实施方法1800的第六示例性多形态表面系统19100的一部分的俯视等轴视图。第六示例性多形态表面系统19100包括在其中形成有多个独立腔19112的引导结构、和多个表面构形元件108。用于第六示例性多形态表面系统19100中的表面构形元件108与用于第一示例性多形态表面系统100中的表面构形元件108相同，因而以相同的附图标记表示。每个表面构形元件108被接纳在相应一个独立腔19112中以在其中进行大致线性往复运动。为简化例示，图19中所示的第六示例性多形态表面系统19100的部分包括两个表面构形元件108和两个腔19112。电接触体与每个腔19112相关联。对每个腔而言，电接触体包括：第一侧电接触体19144和第二侧电接触体19148；在其它实施例中，每个腔可具有多个第一侧电接触体和/或多个第二侧电接触体。除了在腔中的表面构形元件108外，第一侧电接触体19144电绝缘于第二侧电接触体19148，在相应表面构形元件108在相应腔19112内进行大致线性往复运动的范围内，表面构形元件108使得第一侧电接触体19144与第二侧电接触体19148之间保持电连通。第一侧电接触体19144、腔19112中的相应的表面构形元件108和第二侧电接触体19148协作以形成穿越腔19112的电路的电路段。电磁线圈1902嵌入引导结构19104中，邻近腔19112，并定位以将磁场施加于相应腔19112上。例如，电磁线圈1902可沉积在邻近于腔19112的缝中，并然后使用适合的隔离环氧树脂被密封就位。如图19中示意性所示，控制器19122联接到电磁线圈1902，并适于操控电磁线圈1902以选择性地将电流施加于一个或多个所选择的电磁线圈1902而为电磁线圈1902供能并由此产生穿越相应腔19112的磁场、和将电流从所选择的电磁线圈移除。通过表面构形元件108的电流与被施加于相应腔19112的磁场相互作用以产生洛仑兹力驱动相应表面构形元件108在相应腔19112内进行大致线性运动。虽然在优选实施例中控制器19122可以独立操控每个电磁线圈1902以独立控制每个表面构形元件108，不过在其它实施例中控制器19112可操控各组电磁线圈1902以控制各组表面构形元件108。控制器19112可通过控制电流的幅度和/或电流的持续时间而控制被施加于每个电磁线圈1902的电流，并由此控制磁场的幅度和/或持续时间。控制器19122可选地可进一步联接到电路段19152以改变施加于该电路段的电流(图19中未示出)。
特定的目前优选实施例已经通过示例进行描述。对于本领域技术人员将会显见的是，在不背离权利要求书的范围的情况，可进行多种变化和修改。
Claims (18)
1.一种多形态表面系统，包括：
引导结构；
多个独立腔，其形成在所述引导结构中；
多个表面构形元件，每个表面构形元件被接纳在相应的一个所述独立腔中以在所述独立腔中大致线性往复运动；
每个所述表面构形元件在其上具有至少一个导电路径；
每个所述腔具有延伸穿越其中的磁场；
与每个腔相关联的电接触体，其中对于每个腔而言：
所述电接触体包括至少一个第一侧电接触体和至少一个第二侧电接触体；
除了在所述腔中的相应表面构形元件上的所述导电路径外，所述至少一个第一侧电接触体电绝缘于所述至少一个第二侧电接触体；
在所述相应的腔内的相应表面构形元件的所述大致线性往复运动的范围中，所述腔中的相应表面构形元件上的所述至少一个导电路径使所述至少一个第一侧电接触体与所述至少一个第二侧电接触体之间保持电连通；和
所述至少一个第一侧电接触体、在所述腔中的相应表面构形元件上的所述至少一个导电路径、和所述至少一个第二侧电接触体协作，以形成穿越所述腔的电路的电路段；
所述电路包括控制器，所述控制器适于操控所述电路段以选择性地将电流施加于一个或多个所选择电路段和将电流从一个或多个所选择电路段移除；
由此，当将电流施加于所选择的一个所述电路段时，所施加的电流与穿越相应腔的所述磁场相互作用以产生用于驱动相应表面构形元件在所述相应腔内进行大致线性运动的洛仑兹力。
2.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
穿越每个腔的所述磁场大致垂直于所述相应腔内相应表面构形元件的所述大致线性往复运动；
流动通过所述电路段的电流大致垂直于穿越所述腔的所述磁场，并大致垂直于所述相应腔内相应表面构形元件的所述大致线性往复运动。
3.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
所述控制器适于选择性地控制被施加于所选择的一个所述电路段的电流。
4.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
单个磁场延伸穿越所有所述腔。
5.根据权利要求4所述的多形态表面系统，其中：
所述引导结构包括磁化的铁磁材料以产生所述单个磁场。
6.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
多个独立磁体被布置为向每个腔提供其自身的磁场。
7.根据权利要求6所述的多形态表面系统，其中：
所述独立磁体在所述表面构形元件之内。
8.根据权利要求6所述的多形态表面系统，其中：
所述独立磁体是电磁体。
9.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
所述腔和其中接纳的所述表面构形元件按照规则栅格方式布置。
10.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
每个表面构形元件具有相应的长度、宽度和厚度；
所述长度平行于相应表面构形元件的所述大致线性往复运动而测得；
每个表面构形元件的长度显著大于其宽度；
每个表面构形元件的宽度显著大于其厚度。
11.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
每个表面构形元件具有头部，所述头部具有基本平坦的上表面；
所述表面构形元件的各头部协作以形成多形态表面。
12.根据权利要求1所述的多形态表面系统，进一步包括：
在所述表面构形元件的上方的弹性表面层。
13.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
所述表面构形元件包括磁性材料。
14.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
各所述表面构形元件布置在各所述腔中以相互大致平行地运动。
15.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
所述腔通过阀管控方式与流体源流体连通，用于选择性地进行：
将流体引入所述腔中并将所述流体密封在所述腔内以在中断所施加的电流之后支撑所述腔中的所述表面构形元件；和
将所述流体从所述腔中撤回以松开所述表面构形元件。
16.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
所述控制器进一步适于探测每个表面构形元件相对于其相应腔的线性位置。
17.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
所述控制器进一步适于通过将大致线性运动的预期速率与大致线性运动的实际速率比较而探测对于各独立所述表面构形元件的大致线性运动的阻力。
18.根据权利要求1所述的多形态表面系统，其中：
所述控制器进一步适于探测穿越每个电路段的感应电流，其中所述感应电流通过所述表面构形元件在外力下运动而感应形成。
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