CN106484097A - 双稳态触觉反馈发生器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及触觉反馈发生器，其包括双稳态材料，用于向用户提供触觉反馈。这种触觉反馈发生器可用于结构材料中，诸如衣物或配件的元件。

Description

双稳态触觉反馈发生器
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年8月25日提交的名为“Bistable Composite Textile HapticSignal Actuator(双稳态复合纺织品触觉信号致动器)”的美国临时专利申请第62/209,792的权益，其公开内容通过全文引用引入本申请。
技术领域
本公开涉及触觉致动器，其包括双稳态材料，用于向用户提供触觉反馈。这种触觉致动器可用于结构材料中，诸如衣物或配件的元件。
背景技术
电子装置制造商们致力于为用户生产丰富的界面。常规装置利用视觉和听觉提示为用户提供反馈。在一些界面装置中，动觉反馈(诸如主动力反馈和阻力反馈)和/或触觉反馈(诸如振动、质地和热量)也被提供给用户。触觉反馈可以提供增强并简化用户界面的提示。
当针对功耗规格进行评估时，现有触觉装置可能无法为用户提供可接受类型及水平的触觉效果，且可能成本过高，生产复杂。因此，需要开发新材料用于触觉技术中，以提供各种提供触觉反馈的方法。过去，主要是电磁电机ERM(偏心转动质量)、LRA(线性谐振致动器)或SMA(形状记忆合金)已被用于提供触觉反馈。由于个人数据装置演进成更小的形状系数，当存在预定义条件或阈值时，需要实现这种触觉效果的功耗以及向用户信号通知的创新方法。
发明内容
本文提供了触觉反馈发生器，其包括双稳态材料，用于向用户提供触觉反馈，包括作为衣物或配件商品的元件。
本文提供的实施例中为触觉反馈发生器，其可包括结构材料、配置成处于第一双稳态配置中且与结构材料相关联的双稳态材料、耦合至双稳态材料且当激活时使得双稳态材料从第一双稳态配置移动至第二双稳态配置从而产生触觉反馈的第一致动器，以及一旦接收到第一致动器激活信号就开始激活第一致动器的第一致动器激活信号接收器。
还提供了向用户提供触觉反馈的方法。在实施例中，这种方法包括：接收来自源的触觉启动信号、当从源接收到触觉启动信号时激活耦合至双稳态材料(包括与结构材料相关联的双稳态材料)的第一致动器，以及一旦激活第一致动器就将双稳态材料从第一双稳态配置移动至第二双稳态配置从而向用户提供触觉反馈。
附图说明
通过以下实施例描述以及附图中所示，能够更好地理解本技术的前述以及其它特征和方面。附图并入本文并作为说明书的一部分，进一步用于说明本技术的原理。附图中的各部件不必按照比例绘制。
图1A至图1B示出了根据本文实施例的触觉反馈发生器。
图1C示出了沿C-C截取的图1A的剖面图。
图2A至图2C示出了根据本文实施例的双稳态材料。
图3A至图3C示出了根据本文实施例的双稳态材料。
图4A至图4B示出了根据本文实施例的双稳态材料。
图5A至图5B示出了根据本文实施例的双稳态材料的变形状态。
图6示出了根据本文实施例的双稳态材料的变形状态。
图7示出了根据本文实施例的触觉反馈发生器，具体实施为衣物。
图8示出了根据本文实施例的触觉反馈发生器，具体实施为衣物。
图9A至图9C示出了根据本文实施例的双稳态材料的变形状态。
图10A至图10D示出了根据本文实施例的双稳态材料的变形状态。
图11A至图11D示出了根据本文实施例的双稳态材料的变形状态。
图12A至图12C示出了根据本文实施例的作为触摸板的元件的双稳态材料。
图13示出了根据本文实施例的触摸板。
图14示出了根据本文实施例的进一步的双稳态材料。
图15A至图15B示出了根据本文实施例的触摸板。
图16A至图16D示出了根据本文实施例的作为铰链的双稳态材料。
图17示出了根据本文实施例的三稳态材料的能量曲线图。
图18示出了根据本文实施例的双稳态材料铰链。
图19A至图19C示出了根据本文实施例的双稳态材料铰链。
图20A至图20B示出了根据本文实施例的双稳态材料铰链。
具体实施方式
通过以下实施例描述以及附图中所示，能够更好地理解本技术的前述以及其它特征和方面。附图并入本文并作为说明书的一部分，进一步用于说明本技术的原理。附图中的各部件不必按照比例绘制。
在实施例中，例如图1A至图1B中所示，本文提供了触觉反馈发生器100，其能够向用户提供触觉反馈。在示例性实施例中，触觉反馈发生器100包括结构材料102、配置成处于第一双稳态配置且可与结构材料相关联的双稳态材料104(参见图1A)、耦合至双稳态材料104且当激活时使得双稳态材料从第一双稳态配置(图1A)移动至第二双稳态配置(图1B)从而产生触觉反馈的致动器106(本文也称为多个致动器)。在实施例中，触觉反馈发生器100还包括致动器激活信号接收器110，其一旦接收到第一致动器激活信号就开始激活致动器106。
如本文所使用的，“触觉反馈”是指诸如振动、质地和/或热量等信息，其经由触感从如本文所述的结构材料传递至用户。触觉反馈在本文中也可称为“触觉反馈信号”或“触觉信号”。
如本文所使用的，“结构材料”意思是用于构造衣物、个人配件、行李箱等的材料。结构材料的示例包括织物和纺织品，诸如棉、丝、羊毛、尼龙、人造纤维、合成织物、法兰绒、亚麻布、聚酯、纺织物或这些织物的混合等；皮革；绒面革；诸如箔的柔软金属；凯夫拉(Kevlar)等。衣物的示例包括：衣服；鞋类；诸如假肢的假体；诸如帽子和头盔的帽类；穿在身上的运动装备；以及诸如护甲、头盔和其它身体盔甲的保护设备。个人配件包括：眼镜；领带和围巾；皮带和吊袜带；诸如手镯、项链和手表(包括表带和条带)的珠宝；以及钱包、皮夹、行李标签等。行李箱包括：手提包、钱包、旅行包、手提箱、背包，包括这些物品的提手等。
图1A和图1B所示的结构材料102简化示为仅矩形材料的一部分，双稳态材料104与其相关联。结构材料102根据需要可为任何形状、尺寸、配置和柔性，且在图1A和图1B中示出仅以说明双稳态材料104与结构元件相关联。
可使用各种机构用于将双稳态材料104关联至结构材料102。例如，双稳态材料104可集成到结构材料102中。在结构材料102的形成期间，诸如在纺织品的编织或缝纫期间等，双稳态材料104还可部分由结构材料102制成。
在另外的实施例中，双稳态材料104可固定地附接至结构材料102。在这些实施例中，双稳态材料104可胶合、胶带粘合、缝合、粘附、钉合、粘合或以其它方式附接至结构材料102。双稳态材料104还可集成到各种基底中或基底上，例如，诸如橡胶、硅酮、硅酮弹性体、特氟纶、塑料聚(对苯二甲酸乙二醇酯)等聚合物，其以补片、条带或带的形式然后可附接至(例如，粘附或缝合至)结构材料102。这些实施例允许双稳态材料104轻易地在不止一种结构材料上移除和使用，例如，从一种衣物制品转移到另一种衣物制品。
在另外的实施例中，双稳态材料104可包封在封装材料中，适当地为防水材料或聚合物，从而允许诸如在衣物洗涤过程中，或在有可能有水存在的衣物制品的穿着过程中双稳态材料104与水接触。用作封装材料的示例性材料包括各种聚合物，诸如橡胶、硅酮、硅酮弹性体、特氟纶、塑料聚(对苯二甲酸乙二醇酯)等。
当借助于很小的力(激活力)进行激活时，双稳态材料104可被制造成发生快速变形(突变屈曲)。在实施例中，碳纤维在层中定向(适当地为碳纤维嵌入在聚合物基体中)，使得第一层具有处于第一定向的碳纤维，而碳纤维或层以第二定向嵌入在第二层中(适当地为在第二聚合物基体中)，第二定向与第一层中的碳纤维的方向约成90°(例如，交叉定向)，以实现各向异性结构。各向异性结构以及制造过程中引入材料的残余应力使得最终的两层为复合的、双稳态的。
如本文所使用的，“双稳态”和“双稳态材料”是指以两者不同稳态配置(本文也称为双稳态配置)存在的材料的性质，其中每种配置处于能量拐点之间的最小能量处。参见图2A至图2B，图2A示出了第一稳态配置，图2B示出了第二稳态配置。
双稳态材料和结构可由金属(例如，铍青铜)、聚合物复合材料(碳纤维、纤维玻璃等)以及形状记忆聚合物(SMP)制成。双稳态材料适当地存储残余应力，其施加到在制造过程中如此制备的双稳态结构的每一层。例如，复合材料阵列/层设计成使得沿第一轴(参见图2B和图2C的Y轴202)的层的机械性质不同于沿垂直于第一轴/层的第二轴(参见图2A和图2C的X轴204)的第二层的机械性质。双稳态材料中的两个层然后定向成使得具有不同机械性质的层的轴以垂直定向(例如，0和90度、-45和45度、-60和30度等)进行定向。
在实施例中，双稳态材料104最初模制成绕双稳态材料104的第一轴204(例如，X轴)的弯曲配置，诸如在图2A中。在由致动器106激活之后，双稳态材料104移动至绕双稳态材料104的第二轴202(例如，Y轴)的第二弯曲配置，诸如在图2B中。
如本文所述，双稳态材料104可包括两个聚合物层，参见例如图1C，其示出了穿过双稳态材料104的剖面图。每一层(例如，图1C的150、160)适当地为单轴定向且粘合至另一层，其中两个聚合物层之一的单轴定向与两个聚合物层之中另一个层的单轴定向成90°。
示例性致动器(106)也可描述成双稳态材料致动器，其包括各种热源以及形状记忆材料合金(SMA)和宏观纤维复合材料(MFC)，其耦合至双稳态材料104。将致动器106耦合至双稳态材料104的方法包括使用各种粘合剂和胶、诸如订书钉或图钉的机械机构、焊接、共熔等。宏观纤维复合材料由夹在粘合剂、电极和聚酰亚胺薄膜的层之间的矩形压电陶瓷杆构成。电极以相互交叉模式附接至薄膜，其将所施加的电压MFC-结构直接传递至带状杆且从带状杆传递。该组件允许密封、耐用、即可使用包装中的平面内极化、致动和感测。作为表面贴合的薄片，它可以应用到(通常为粘合到)各种类型的结构或嵌入到复合结构中，诸如本文所述的双稳态材料。如果施加电压，其将弯曲或扭曲材料、抵消振动或产生振动。如果不施加电压，其可用作非常敏感的应变仪，用于感测变形、噪音和振动。MFC还是一种从振动中获取能量的优良装置。
在另外的实施例中，致动器106为形状记忆聚合物(SMP)，其允许聚合物编程以改变形状。SMP从一种配置转变到第二种配置适当地通过控制SMP相对于其玻璃转变温度(Tg)的温度来控制。通过加热而将SMP的温度升至其Tg之上将使得SMP转变到其第二(记忆或原始)配置，从而使双稳态材料激活以及从第一配置(例如，图1A、图2A)移动或转变至第二配置(例如，图1B、图2B)。示例性形状记忆聚合物包括各种嵌段共聚物，诸如各种聚(氨酯)、聚(异戊二烯)和聚(醚-酯)。
双稳态材料104适当地经过加工(制备)成使得其几何形状和材料性质以一配置定向以实现期望的双稳态功能。例如，在双稳态金属的情况下，金属的几何形状应选择成在第一配置(例如，图2A)中在一个方向上产生扭矩(弯曲力矩)，且当材料转变至第二配置(例如，图2B)时在不同方向上产生扭矩。如本文所述的，实施例中的双稳态材料具有沿着两条不同曲率线的两种双稳态配置，一种沿着宽度(例如，轴204)且另一种横跨宽度(例如，轴202)。这可通过将两个粘合金属(作为双稳态材料)在具有半径R和曲率角β(如在图2C中)的预弯曲模具中进行模制来完成。
图3A至图3C提供了几何形状从双稳态材料104的初始状态(图3A)经过(图3B)至第二配置(图3C)的转变过程的图示。X、Y和Z轴被示出且在附图中提供了参考定向。
图4A和图4B示出了双稳态材料104的初始稳态配置(图4A)以及在其转变或激活至第二配置之后的双稳态材料104的第二(图4B)稳态配置的另一定向。
图5A和图5B示出了演示与双稳态材料的两个层之间的厚度比相比较的如本文所述的示例性双稳态材料的曲率的曲线。应注意，不止两个层可用来制备本文所述的双稳态材料(例如，3、4、5、6、7、8、9、10个等)，其适当地布置以产生具有不同性质且彼此垂直布置的两个不同的材料层。
图6示出了与示例性双稳态材料从第一初始稳定双稳态配置至第二双稳态配置的运动相关联的力分布。
当使用复合材料来制备双稳态材料104时，可应用模制过程。如本文所述，两个聚合物基体层内部的纤维应准确对准，即，彼此成90°。作为示例，纤维的定向可在第一和第二层中分别设定为0度和90度。也可使用其它定向，诸如-45度和+45度或-30度和+60度等。在利用SMP的实施例中，聚合物材料适当地首先被加热至其Tg之上，然后变形至其期望形状(即，模制)。然后SMP材料淬火至低于Tg的温度。当SMP材料再次加热到其Tg之上时，SMP移动至其预设定的(期望或编程的)形状。产生驱动力以激活(或移动)材料的能量是外部热源。温度升高(也称为热量或热能)可以在这些材料中间接地产生，例如，通过使用磁场、磁源、光、电力、电场和超声源。温度升高还可通过添加成分/填料至SMP中来实现，该成分/填料对于上述源敏感且可产生热。SMP形状改变可配置成可逆，使得无需针对下一致动/形状改变再次对材料进行编程。典型的示例是液晶聚合物(LCP)，当加热时其几何形状(形状)以可逆的方式改变。这种液晶聚合物可用作如本文所述的双稳态材料。当材料被加热时，其膨胀，且当材料被冷却时，其收缩，反之亦然。
双稳态材料104还可由第一层中的彼此相邻的一系列平行线(例如，聚合纤维或金属纤维或线)以及第二层中的彼此相邻的与第一平行线的轴成90°方向上的第二系列平行线构成。
在示例性实施例中，为双稳态材料104形式的SMP材料可在制造过程中被引入结构材料102(例如，纺织品)中，例如，以单个纤维的形式，其已小心定向以使得其记忆形状与纺织品中相邻纤维的记忆形状相匹配。当使用SMP时，在将SMP设计几何形状配置成使得其适于多种不同结构、结构布置及配置方面有很大的灵活性。
双稳态材料104的激活根据与所选双稳态系统的每个特定配置相关联的力机构的性质而发生变化。形状记忆材料合金(或形状记忆合金)(SMA)、宏观纤维复合材料(MFC)或电磁电机可以适当地用来激活双稳态材料104，其包括双稳态复合材料或金属。进一步地，作为示例，可采用热激活来激活双稳态材料104(热应力)。
适当地，致动器106配置成使得双稳态材料104的移动是可逆的。即，在触觉反馈通知/接收之后，双稳态材料104可自动返回至其原始位置或系统配置，或可通过用户返回至原始系统配置。
基于已在材料中形成的残余应力，本文所述的双稳态材料适当地变形。材料准备好变形，通常仅需要很小的激活。适当地，材料中存在一些应力，但其不足以迫使材料变形。这种双稳态材料通常能够节省能量，或使用较少能量来致动。例如，仅仅施加少许压力至双稳态材料，即，来自用户手指的压力，材料适当地跳变(snap)且产生高加速度和变形。因此，与电磁致动器相比，该致动机构消耗更少功率且没有噪音。材料可为如本文所述的平、薄、轻的材料。另外，材料可编程或形成为具有特定形状。例如，如果材料是平的，其可具有条带状或其可具有不同配置。双稳态材料可设计成具有S形。
对于双稳态材料而言，仅需要很小的驱动力来将材料中的应力升至阈值(即，激活能量)以上，使得其可跌至新的低能量状态或跳至其其它的稳态配置。可通过将压电材料或形状记忆材料附接至双稳态材料104并激活该压电或形状记忆材料来施加这种力。
在示例性实施例中，可通过连接机械弹簧来提供双稳态材料104的可逆性，使得当激活除去时，变形复原(反转)。机械弹簧机构可用来使得该过程可逆。在进一步的实施例中，双层材料104可与两个致动器106(例如，MFC的或压电元件)相关联。在这种实施例中，当一个致动器106激活时，例如在双稳态材料104的上表面上(参见图4的402)，双稳态材料104变形，然后第二致动器106(例如与双稳态材料104的底表面相关联(参见图4的404))激活且双稳态材料104返回至其初始状态(即，可逆)。
双稳态材料104的机械性质为使得一个层应适当地不同于另一个层，且它们的定向应交叉(即，彼此垂直)。在示例性实施例中，聚合双稳态材料可通过拉伸一个聚合物层使得其在第一(一个)方向(轴)(例如204)上强劲来产生。然后，另外的聚合物层(片)可在与初始层成90°的方向上拉伸。然后两种聚合材料适当地在具有期望曲率的模具中结合在一起(参见图2C)，且双层材料104的形状使用热压来设定，从而将材料成形至其初始曲率。这种过程也可用于包括金属的双稳态材料。所得的双稳态材料具有如图1C所示的剖面，其中第一层150在垂直于第二层160的方向上。
在进一步的示例中，纤维加强复合材料(例如，环氧树脂或热塑性塑料)可以用作双稳态材料104。
作为说明性示例，考虑到由于制造，双稳态材料104的一个层已经具有内置于材料的50N(残余应力)。但该残余应力不足以将双稳态材料104从一种稳态配置推动到另一种稳态配置。当从外部添加5N时，材料内的总应力上升至55或60N，然后双稳态材料移动至另一稳态配置并这样保持。但是再次地，在第二配置中，双稳态材料104具有一些残余应力，且再次地其需要外部力移动回至第一稳态配置，例如通过施加由电机、SMA或MFC产生的驱动力，从而推动材料返回至其第一配置，然而，不需要太多添加的力。
在比较双稳态材料和无源材料中，例如当使用无源材料时，由于无源材料的机械性质，需要施加50或60N以使材料变形。当使用双稳态材料时，所需能量以及所添加力的量得以节省和减少，因为在材料内部已经有50N残余应力。因此，例如，仅需要额外的10N来达到将材料组件移动至其其它配置所需的阈值水平。双稳态系统寻求其最低能量状态，其是两种稳态配置之一。本文所述的各种双稳态系统允许从一种稳态配置快速变形至第二稳态配置。在实施例中，这种变形的速度比使用电机或其它机械致动器可完成的速度更快，其中相当大距离范围内的位移(毫米至厘米)可在几毫秒内发生。
在本文所述的另外的实施例中，结构材料102可进一步包括耦合至双稳态材料104的第二(或第三，或第四，或第五等)致动器106，其当激活时使双稳态材料104从第二双稳态配置移动至第一双稳态配置。如本文所述，这种另外的致动器106可用来驱动双稳态材料的可逆性质。在实施例中，一旦接收到第二致动器激活信号，第二致动器激活信号接收器110就开始激活第二致动器106，结果是从第二配置移动(返回)至第一配置。
如本文所述，在实施例中，结构材料102为衣物的一部分，且例如，结构材料可为纺织品、布料等。
例如，触觉反馈发生器100(即，双稳态材料104+致动器106(例如，聚合物复合材料+SMA或MFC))可以在男士领带(参见图7)或衬衫袖套或衣领(参见图8)或用户衣物物品(例如，纺织品)的其它部分中实施，以提供触觉反馈。例如，包括触觉反馈发生器100的领带可具有沿第一轴704的曲率。当致动器106接收到信号(例如，用户电话上的呼叫/信息)时，领带材料中的触觉反馈发生器100可沿着轴702向外卷或弯曲，通知穿着者与触觉信号激活(即，来自电话的信号)相关联的条件已经发生。用户然后可拉直领带或SMA或MFC以“重置”触觉反馈发生器100，使得其配置成再次执行功能。当使用SMP时，存在更多激活源的选择，例如，热、加热、光、激光、UV、磁、超声等，所有这些可用来激活双稳态材料。
在示例性实施例中，纺织品穿着者注意到纺织品一部分(例如，他的领带)中的快速变形，其中诸如手机的外部装置已将信号传递至致动器激活信号接收器110，然后其根据用户对输入信号进行编程的方式警告用户(例如，用户已接收到新的邮件消息)。用户可在其袖套中(例如，图8)具有触觉反馈发生器100，例如，袖套材料内的一种条带。在进一步的实施例中，用户的表带可结合本文所述的触觉反馈发生器100。在这种实施例中，用户然后可感测到例如表带的形状何时从圆形变到卵形，或椭圆形，对用户手腕提供触觉反馈。适当地，本文所述的触觉反馈涉及形状改变而非振动。然而，触觉反馈发生器100可在振动模式下使用，例如，通过利用两个(或多个)致动器106在稳态配置之间快速移动双稳态材料104，产生振动响应。如图8中所示，结构材料102(例如，在袖口中结合触觉反馈发生器100的男士衬衫)由外部信号802(例如，手机或其它信号启动装置(电脑、平板电脑、轿车等))致动。
在进一步的实施例中，本文提供了向用户提供触觉反馈的方法。在实施例中，该方法适当地包括接收来自源的触觉启动信号。当从源接收到触觉启动信号时，响应于该触觉启动信号，耦合至双稳态材料(包括与结构材料相关联的双稳态材料)的第一致动器被激活。然后，一旦激活第一致动器，通过将双稳态材料从第一双稳态配置移动至第二双稳态配置而向用户提供触觉反馈。
如本文所述，适当地，如果双稳态材料与结构材料相关联，则其可为衣物的一部分。在实施例中，双稳态材料包括嵌入在聚合物基体中的碳纤维。适当地，碳纤维包含在至少第一层和第二层中，且第一层和第二层中的碳纤维彼此成约90°定向。
在进一步的实施例中，如本文所述，双稳态材料可包括两个聚合物层，每个层均已单轴定向且粘合至另一个层，其中两个聚合物层中之一的单轴定向与两个聚合物层中另一个的单轴定向成90°。
适当地，双稳态材料最初模制成沿着双稳态材料的第一轴的弯曲配置，且其中当由第一致动器激活之后，双稳态材料移动至沿着双稳态材料的第二轴的第二弯曲配置。
在实施例中，致动器为耦合至双稳态材料的形状记忆材料合金(SMA)或宏观纤维复合材料(MFC)。在另外的实施例中，致动器为热源。如本文所述，适当地，致动器配置成使得双稳态材料的移动是可逆的。
图9A至图9C示出了包括本文所述的双稳态材料且具有平行四边形配置的双稳态梁900。在实施例中，双稳态梁包括顶表面，其平行于底表面，其中中点如图所示固定在一起。图9A是顶视图中的第一稳态位置，其中致动力(图9B)引起偏转，且结构跳变至图9C，而无需进一步的致动力。
图10A至图10D示出了梁或柱(例如，双稳态梁900)的压缩(图10B)使得其转变至屈曲模式1(图10C)。屈曲模式具有如图10D所示的第二配置，其可能不稳定。
图11A至图11D示出了保持在两个固定点之间的屈曲梁(例如，双稳态梁900)的切换时序。由于力矩(图11B中的M)被施加到双稳态梁900，梁出现变形且发生向下的运动(图11C)。随着运动继续且进一步的力矩被施加，图11D中存在跳变至第二稳态配置。
在图12A至图12C所示的设计中，双稳态材料104(例如，为杆或板的形式)使用两个支柱1204附接至触摸板1202。双稳态材料104可使用本文所述的不同激活系统从状态A切换至状态B。例如，MFC材料可附接至双稳态片以将其从状态A驱动至状态B。一个或多个双稳态杆可嵌入在电活性聚合物(EAP)中。EAP基体施加力到双稳态杆上，且因此迫使杆从状态A移动至状态B。双稳态杆的每一侧均可附接至旋转电机。例如，在两个圆柱形支柱的端部，双稳态材料附接/固定至电机的齿轮。作为旋转的结果(顺时针和逆时针)，双稳态材料104可从一种状态移动至另一种状态。当双稳态材料104从一种稳定状态移动至另一种稳定状态时，其产生很大的力，该力可传递至触摸板1202。通常，由于双稳态材料104在短时间内具有很大位移(双稳态)，其显现出高加速度。一些质量块也可附接至双稳态材料104以提高合力。
图13示出了经典的激活和抑制系统，其模制在触摸板M1以及标识为M2的笔记本电脑载体的质量块的电路之后。这可以提供图12A至图12C所示的质量块元件的驱动力和抑制特性的模型。
在进一步的实施例中，还提供了基于双稳态材料1400的致动器。图14中示出了一个示例，例如，磁铁1406可附接至双稳态材料104。磁铁1406适当地由线圈1404(例如，空心线圈)吸引或排斥，该线圈1404适当地定位或设计在壳体1402的底表面上。再次，由于较大位移，产生了很大加速度和力。图14中所示的基于双稳态材料1400的致动器可直接实施为诸如触摸板的任何设计。其可以从它的壳体以与LRA或SRA用在触觉致动器技术中的类似的方式附接至系统。
双稳态材料104和致动器106也可用来产生可变形表面。例如，通过使用单独激活的双稳态材料的部分或块，从而产生具有相对于其它元件变形或改变的元件的表面。例如，尺寸为毫米数量级(1mm至10mm至20mm等)的双稳态材料的部分可用来形成可变形表面。
在进一步的实施例中，双稳态材料104可直接附接至如图15A至图15B所示的触摸板1202。如果用户“轻轻地”按压，双稳态材料104可用作弹性材料，意味着它变平然后返回至其原始/初始状态。在这种情况下，它用作无源弹性材料。例如，用户仅使用触摸板1202在物件上点击。这在感觉上类似于使用键盘时的情形，例如当按压键且压下键下面的金属以及当键被释放时，其返回至其初始状态。这在图15A中示出。换句话说，图15A所示的触摸板1202仅向下移动然后返回(无双稳态动作)。
在另一种情形下，例如，用户想要保持某个物品且在有关触摸屏应用方面拖动该物品。在这种情况下，用户输入较高的力且双稳态材料104从一种稳定状态移动至另一种稳定状态，且保持在第二状态。这在图15B中示出。只要用户继续拖动动作，双稳态材料104就会保持在该第二稳定状态中。一旦用户释放触摸，即，停止拖动动作，双稳态材料104就会再次返回至初始状态(图15A)，在这种情况下，用户可再次按压以将双稳态材料推动至第二状态用于进一步的动作。在实施例中，释放机构可由外部驱动系统执行。从图15A至图15B，系统适当地设计成将用户接触用作驱动力且用于释放机构。适当地，当用户已经完成他们的拖动动作时，致动器设计成从双稳态材料104下的一位置(例如，1502)致动以推动其到达其原始状态。
本文所述的各种双稳态材料，例如形状记忆聚合物，也可用作铰链。例如，螺纹形材料可由形状记忆聚合物连接至其它部件，类似于铰链。在实施例中，当形状记忆聚合物被激活时，弯曲力被激活。这种配置适当地使整个结构在第一方向上弯曲，然后在先前所述的可逆过程中恢复。在这种实施例中，包括形状记忆聚合物的双稳态材料可用作柔性铰链。当激活时，其变形至例如90°的角度，且当过程反转时，形状记忆聚合物的形状可为平的。
双稳态材料铰链1602的示例在图16A至图16D中示出。触摸板1202经由支柱1604适当地安装在双稳态材料铰链1602或条带(也可以是多稳态，即，具有两个或多个稳态配置)上。铰链可具有两个或多个稳态配置且可适当地为载体1606的一部分。触觉反馈可适当地在非振动或振动模式中通过双稳态材料铰链1602提供至用户。
例如，当用户接触触摸板1202时，双稳态材料铰链1602被强制成为其向上或向下稳定(双稳态或多稳态配置之一)位置然后返回至它们的原始状态(参见图16B)，而不会延迟许久(几毫秒)，从而提供“点击”或其它触觉反馈(信号)效果。
图16C和图16D示出了附接至双稳态铰链1602的端部的支柱1604(诸如图16B中所示)的放大视图。双稳态材料铰链1602适当地附接至载体板1606的顶部，允许运动且延伸进空腔(参见图16C)中。双稳态材料铰链1602可固定地或通过一些可轻易机械旋转装置附接至支柱1604，且支柱1604然后向下或向上驱动铰链的端部(如图16C和图16D所示)，使得可存在垂直改变Δ。
图17示出了三稳态系统1702的机构位移与势能之间的关系图。构造三稳态系统的一种方法是使用双稳态材料铰链1602，如图18和图19A至图19C所示。当如图19A至图19C所示那样层叠在一起时，当铰链端部如图19A所示向下降时、当其如图19B所示近乎平坦时，以及当其如图19C所示上升时，该铰链端部可以是稳定的。
在进一步的实施例中，本文所述的双稳态材料可在电话壳体2002中实施。例如，图20A和图20B示出了移动电话壳体一部分(顶部或底部)侧的典型示例。当用户接收到电话/信息时，电话壳体202中的双稳态材料被激活且改变形状。在如图20A和图20B中所示的配置中，从20A至20B，这一情况发生(改变形状)。例如，用户可以将电话放在桌子上(远离用户的手)然后注意到电话壳体形状发生了改变。因此，用户知道已经接收到了某些东西(电话呼叫、信息、邮件等)。另一种情况是：当用户的电话在口袋里时，可以注意到由于改变电话壳体已经对他的身体产生了力(触觉信号)。结果，通知了用户有新的活动(电话呼叫、信息、邮件等)。
本文具体示出和/或描述了几种实施例。然而，应当理解的是，在不背离本发明的精神的预期范围内，所公开实施例的修改和变型由上述教导所涵盖且在所附权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种触觉反馈发生器，其包括：
a.结构材料；
b.配置成处于第一双稳态配置且与所述结构材料相关联的双稳态材料；
c.耦合至所述双稳态材料且当激活时使所述双稳态材料从所述第一双稳态配置移动至第二双稳态配置从而产生触觉反馈的第一致动器；及
d.一旦接收到致动器激活信号就开始激活所述第一致动器的第一致动器激活信号接收器。
2.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述双稳态材料包括嵌入在聚合物基体中的碳纤维。
3.根据权利要求2所述的触觉反馈发生器，其中，所述碳纤维包含在至少第一层和第二层中，且其中，所述第一层和第二层中的所述碳纤维彼此成约90°定向。
4.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述双稳态材料最初模制成绕或围绕所述双稳态材料的第一轴的弯曲配置。
5.根据权利要求4所述的触觉反馈发生器，其中，在由所述第一致动器激活之后，所述双稳态材料移动至绕或围绕所述双稳态材料的第二轴的第二弯曲配置。
6.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述双稳态材料包括两个聚合物层，每个层均已单轴定向且粘合至另一个层，其中所述两个聚合物层中之一的所述单轴定向与所述两个聚合物层中另一个的所述单轴定向成90°。
7.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述致动器为耦合至所述双稳态材料的形状记忆材料合金(SMA)或宏观纤维复合材料(MFC)。
8.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述致动器为热源。
9.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述致动器配置成使得所述双稳态材料的移动是可逆的。
10.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述双稳态材料为液晶聚合物(LCP)。
11.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述结构材料为衣物的一部分。
12.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述结构材料为纺织品。
13.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述致动器为压电材料。
14.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其进一步包括：
a.耦合至所述双稳态材料且当激活时使所述双稳态材料从所述第二双稳态配置移动至所述第一双稳态配置的第二致动器；
b.一旦接收到第二致动器激活信号就开始激活所述第二致动器的第二致动器激活信号接收器。
15.根据权利要求1所述的触觉反馈发生器，其中，所述双稳态材料包括第一层中的彼此相邻的一系列平行线以及第二层中的彼此相邻的与所述第一平行线的轴线成90°方向上定向的第二系列平行线。
16.一种向用户提供触觉反馈的方法，其包括：
a.接收来自源的触觉启动信号；
b.当从所述源接收到所述触觉启动信号时，激活耦合至双稳态材料的第一致动器；及
c.一旦激活所述第一致动器，将所述双稳态材料从第一双稳态配置移动至第二双稳态配置，从而向用户提供触觉反馈。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述双稳态材料为衣物的一部分。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述双稳态材料包括嵌入在聚合物基体中的碳纤维，且其中，所述碳纤维包含在至少第一层和第二层中，且所述第一层和第二层中的所述碳纤维彼此成约90°定向。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述双稳态材料包括两个聚合物层，每个层均已单轴定向且粘合至另一个层，其中所述两个聚合物层中之一的所述单轴定向与所述两个聚合物层中另一个的所述单轴定向成90°。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述双稳态材料最初模制成围绕所述双稳态材料的第一轴的弯曲配置，且其中，在由所述第一致动器激活之后，所述双稳态材料移动至围绕所述双稳态材料的第二轴线的第二弯曲配置。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，所述致动器为耦合至所述双稳态材料的形状记忆材料合金(SMA)或宏观纤维复合材料(MFC)。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述致动器为热源。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述致动器配置成使得所述双稳态材料的移动是可逆的。
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