CN107533784B - 包括三层致动器的用于提供触感刺激的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种装置使用三层致动器向人类用户提供触感刺激，所述装置包括：第一聚合物层和第二聚合物层，第一聚合物层和第二聚合物层电子和离子导电并具有一个或多个维度，所述维度依赖于离子插入其中和离子从其中排出而变化；以及可变形层，位于第一聚合物层和第二聚合物层之间，以将第一聚合物层和第二聚合物层彼此物理分离，所述可变形层电绝缘并离子导电。在第一聚合物层和第二聚合物层之间施加第一电压和第二电压在第一聚合物层和第二聚合物层内产生对应的第一离子分布和第二离子分布。第一电压和第二电压的施加之间的改变造成对应的第一形状和第二形状之间三层致动器的对应变形，第一形状与第二形状之间的差异或过渡通过人类用户的触摸感可检测。

Description

包括三层致动器的用于提供触感刺激的装置和方法
本申请要求于2015年3月9日提交的美国申请No.62/130595的优先权并依据35USV 119(e)要求与其相关的权益，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及使用三层致动器提供触感刺激的装置和方法。
背景技术
在触觉领域内，普遍希望在特定位置和/或在特定区域和/或在所谓的触感显示器上提供触感刺激和/或触感反馈。触感显示器具有与视觉或图形显示截然不同的功能，但是希望在同一设备上实现触感显示和图形显示。这种触感刺激可以涉及各种不同类型的刺激和对应的不同感觉中的一种或多种，作为非限制性示例，诸如振动、压力的变化、力的变化和/或纹理的变化(例如，粗糙度、柔顺性、摩擦力)。提供触感刺激的方法和设备可以具有广泛的应用，包括(但不限于)：微创手术(MIS)、感觉替代、3D表面生成、游戏、交互式键盘、触摸板等。
近来，已经提出电活性材料(EAP)作为可以用来实现用于耳机和智能电话机壳的振动发生器并提供盲文单元格(braille cell)显示器的潜在材料。但是，基于EAP的设备具有缺点，因为它们需要：高驱动电压(通常大于5kV)，这需要相应复杂且昂贵的驱动电子器件和适当的隔离；以及高柔顺性(通常小于IMPa弹性模量)，这使得它们的振动效应难以感知。还提出了电/磁流变材料用于盲文单元格显示器和纹理显示器。使用电/磁流变材料的触感刺激设备需要类似的高驱动电压用于致动。
普遍希望用于提供人可检测的触感刺激和/或反馈的装置和方法。可能希望克服或改善现有技术中上面提到的问题或其它问题中的一些。
相关技术的前述示例和与之相关的限制意在是说明性的而不是排他的。在阅读说明书和研究附图后，相关技术的其它限制对于本领域技术人员将变得清楚。
附图说明
示例性实施例在附图的参考图中示出。意图是本文公开的实施例和图应当被视为说明性而不是限制性的。
图1A、1B和1C(统称为图1)分别示意性地绘出了没有施加电压的(图1A)、施加了具有特定极性的电压的(图1B)和施加了相反极性的电压的(图1C)示例性三层致动器的截面图。
图2A-2D(统称为图2)分别示意性地绘出了根据特定实施例的、用于向人类用户提供触感刺激的装置的截面图。
图3A-3E(统称为图3)示意性地绘出了根据示例性非限制性实施例的、用于制造图2装置的方法。
图4A-4C(统称为图4)绘出了根据另一个特定实施例的、可以被用来提供人可检测的触感刺激的装置的一部分(例如，单元格)的透视(图4A)和截面(图4B和4C)视图。
图5A-5C(统称为图5)示意性地绘出了根据示例性非限制性实施例的、制造图4装置的方法。
图6A和6B(统称为图6)绘出了根据另一个特定实施例的、可以被用来提供人可检测的触感刺激的装置的部分(例如，单元格)的截面图。
图7A-7F(统称为图7)示意性地绘出了根据示例性非限制性实施例的、用于制造图6装置的方法。
图8A-8D(统称为图8)绘出了根据另一个特定实施例的、可以被用来提供人可检测的触感刺激的装置的一部分(例如，单元格)的各种视图。
图9A-9D(统称为图9)示意性地绘出了根据示例性非限制性实施例的、用于制造图8装置的方法。
图10绘出了根据另一个特定实施例的、可以被用来提供人可检测的触感刺激的装置的一部分(例如，单元格)。
图11A-11D(统称为图11)示意性地绘出了根据示例性非限制性实施例的、制造图10装置的方法。
图12A示意性地绘出了在一些实施例中可以被用来提供(一个或多个)三层致动器的离子聚合物金属复合材料(IPMC)三层致动器。图12B示意性地绘出了在一些实施例中包括形式为两个并联电容器(其可以替代(一个或多个)三层致动器)的介电弹性体和电致伸缩材料的致动器装置。
图13是多个三层致动器的示意图，其可以被控制(通过施加合适的电压)在二维空间上移动。
图14示意性地图示了根据特定实施例的、用于提供人可检测的刺激的装置，该装置包括多个三层致动器的堆叠构造。
图15示出了由Brisben，A.J.、S.S.Hsiao和K.O.Johnson报高的最小阈值可检测位移(以μm为单位)对振动频率(以Hz为单位)的对数曲线图。“Detection of vibrationtransmitted through an object grasped in the hand”。Journal of Neurophysiology81.4(1999)：1548-1558。
具体实施方式
在整个下面的描述，阐述了具体细节，以便为本领域技术人员提供更透彻的理解。但是，众所周知的元件可能没有示出或详细描述，以避免不必要地模糊本公开。因而，描述和附图应当被认为是说明性而不是限制性的。
本发明的各方面提供了使用三层致动器提供触感刺激的装置和方法。根据一些实施例的三层致动器包括：电子和离子导电并且具有依赖于离子插入和离子从其中排出而变化的形状和/或尺寸的第一和第二导电层；以及电子绝缘和离子导电并且位于第一和第二导电层之间并与第一和第二导电层接触以将第一和第二导电层彼此物理分离的可变形层。在当前优选的实施例中，三层致动器的第一和第二导电层包括第一和第二聚合物层–即，导电聚合物层。但是，这不是必需的，并且在一些实施例中，三层致动器可以包括所谓的离子聚合物金属复合材料(IPMC)致动器，其中第一和第二导电层包括金属层或其它形式的三层致动器。在三层致动器的第一和第二导电(例如，导电聚合物)层之间施加第一和第二电压在第一和第二导电(例如，导电聚合物)层内产生对应的第一和第二离子分布，并在对应的第一形状和第二形状之间造成三层致动器的对应变形。第一形状与第二形状之间的差异可以是人类用户可检测的(作为触感刺激)。
图1A、1B和1C(统称为图1)分别示意性地绘出了没有施加电压或施加的电压为零(图1A)、施加了特定极性的电压(图1B)以及施加了相反极性的电压(图1C)的示例性三层致动器10的截面图。在图1的视图中，三层致动器10可以在进出页面的维度具有基本均匀的截面。三层致动器10包括电子和离子导电的第一和第二导电层12、14。第一和第二导电层12、14的形状和/或维度随着(例如，依赖于)离子插入其中和离子从其中排出而变化。在图1的实施例的情况下，第一和第二导电层12、14的形状和/或维度随着离子的插入而尺寸增加(例如，导电层12、14中离子密度的增加造成导电层12、14的尺寸的对应增加)并且随着离子的排出而尺寸减小(例如，导电层12、14中离子密度的减小造成导电层12、14的尺寸的对应减小)。三层致动器10还包括位于第一和第二导电层12、14之间并与第一和第二导电层12、14接触的可变形层16。可变形层16将第一和第二导电层12、14彼此物理分离。
可变形层16是离子导电并电绝缘的。这与电子和离子都导电的导电层12、14形成对比。在一些实施例中，可变形层16对电子运输的绝缘特点导致可变形层16的电子电导率σe(即，可变形层16对电子流的电导率)，其中σe<＝10-10S/m(西门子/米)，但这个范围不是必需的。在一些实施例中，可变形层16的离子电导率σi(即，可变形层16对离子流的电导率)在10-3S/m<σi<10S/m的范围内，但这个范围不是必需的。一般而言，可变形层16的电子电导率比可变形层16的离子电导率低(并且优选地显著低)。在一些实施例中，可变形层16的离子电导率大于可变形层16的电子电导率的1000倍。在一些实施例中，这个比率大于106。在一些实施例中，这个比率大于108。在一些实施例中，导电层12、14的电子和离子电导率，σe和σi，分别在102S/m<σe<107S/m和10-5S/m<σi<0.1S/m的范围内，但这些范围不是必需的。
在当前优选的实施例中，三层致动器10包括由(一种或多种)导电聚合物制成(或以其它方式主要由导电聚合物组成)的导电层12、14。导电聚合物是众所周知的并且可以包括适当掺杂的聚合材料。作为非限制性示例，可用于导电层12、14的合适的导电聚合物包括：聚吡咯(Ppy)、聚苯胺(PANI)、聚噻吩(PT)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)等。在一些实施例中，在导电层12、14中使用的导电聚合物包括正电荷载流子和电荷平衡离子。在一些实施例中，三层致动器10包括由(一种或多种)金属制成(或以其它方式主要由金属组成)的导电层12、14。作为非限制性示例，在一些实施例中，导电层12、14可以包括铜、不锈钢、金、铂、铌、钛、铝等。在一些实施例中，导电层12、14可以由基于碳的导电材料制成，诸如碳纤维纸、碳纳米管、石墨烯材料等。
对于为什么三层致动器10包括导电聚合物导电层12、14是有利的，存在许多原因。导电聚合物可以制成透明或部分透明的(例如，当在具有适当低掺杂剂水平的适当薄层中提供时)，并且当三层致动器10包括导电聚合物导电层12、14时，三层致动器10的至少一部分可以被制成透明或部分透明的。而且，与三层致动器10制造成具有金属导电层12、14相比，在三层致动器10包括导电聚合物导电层12、14的情况下，三层致动器10可以在配置10A(图1A)、配置10B(图1B)和配置I0C(图1C)之间相对快速地切换。而且，当与由金属导电层12、14制造的三层致动器相比时，由导电聚合物导电层12、14制造的三层致动器可以提供显著较大的应变(对于给定的施加电压)-例如，与(对于金属导电层12、14)典型地为0.5％量级的应变相比，(对于导电聚合物导电层12、14)应变典型地为1％-9％量级，最大报告的应变>35％。当与使用金属(或其它)材料用于导电层12、14的三层致动器相比时，导电聚合物三层致动器(即，使用导电聚合物导电层12、14的三层致动器10)可以以相对高的速度致动。已经显示，通过材料、制造方法和致动器设计的合适选择，可以使用导电聚合物三层致动器10获得具有高达1kHz的切换速度的快速三层致动器10，而IPMC致动器(即，使用金属导电层12、14的三层致动器)的频率响应是几十赫兹。
在图1所示的实施例中，当在导电层14和导电层12之间施加正电压时(图1B中所示的极性)，使阴离子从导电层12移动通过可变形层16并进入导电层14。离子从导电层12中排出使导电层12收缩。相反，离子插入导电层14(在一些实施例中，在导电聚合物导电层中，可以高达每三个单体(monomer)一个离子)使导电层14膨胀。导电层12的收缩和导电层14的膨胀一起使三层致动器10(如图1B中所示)相对于图1A中所示的开路(或零施加电压)配置变形。在图1的特定情况下，图1A的开路配置一般是平面的(在图1A视图中在页面的垂直方向上延伸并进出页面的平面)；而图1B的变形使三层致动器10离开平面弯曲。当在导电层14和导电层12之间施加负电压时(图1C中所示的极性)，使阴离子从导电层14移动通过可变形层16并进入导电层12。导电层14随着离子的排出而收缩，导电层12随着离子的插入而膨胀，并且三层致动器10相对于图1B中所示的开路配置变形(如图1C中所示)。在图1的特定情况下，图1C的变形使三层致动器10离开图1A中所示的开路配置中所示的平面并且在与图1B中所示的弯曲相反的方向上弯曲。
在图1中，图1A的三层致动器10的形状被示为与开路配置相关联–即，到相应导电层12、14的引线12A、12B被示为开路。这个图1A的形状可以利用图示的开路来实现。应当认识到的是，图1A的三层致动器10的配置可以附加地或可替代地通过在导电层12、14之间施加零伏来实现–例如，通过将引线12A，14A彼此绑到一起或者通过在引线12A，14A之间主动驱动零伏。在本描述和任何所附权利要求书中，除非另有明确指示或者上下文具体地另有指示，否则，为简洁起见，图1A图示中所示的开路配置图可以被描述为导电层12、14之间电压(例如，零伏)的“施加”，即使在图1A的开路配置中没有具体地“施加”电压。
三层致动器10可以是用于向人类用户提供触感刺激的装置或方法的一部分。这种装置和方法可以包括可选的控制电路18，其可操作地连接到导电层12、14，并且其可被配置为在导电层12、14之间施加一个或多个不同的电压。可以包括硬件、软件、固件或其任意组合的控制电路18可以使用各种各样的部件和对应的控制技术中的任意一种来实现。作为非限制性示例，控制电路18可以包括包含一个或多个处理器、用户输入装置、显示器等的编程计算机系统。控制电路18可以被实现为嵌入式系统并且可以与其中使用三层致动器10的装置/设备共享部件(例如，处理器)。控制电路18可以包括一个或多个微处理器、数字信号处理器、图形处理器、现场可编程门阵列、信号调节电路系统和/或硬件(例如，放大器电路等)，等等。控制电路18的部件可以组合或细分，并且控制电路18的部件可以包括与控制电路18的其它部件共享的子部件。控制电路18不必是数字的。在一些实施例中，可以使用合适的模拟电路系统来实现控制电路18。控制电路18可以包括用于在导电层12、14之间施加电压的一个或多个电源、放大器、驱动电路、薄膜晶体管、有机电子器件等。
在一些实施例中(例如，其中导电层12、14是导电聚合物)，图1B和1C中施加的电压可以具有小于3V的量值。在一些实施例中，这些量值小于2V。在一些实施例中(例如，其中导电层12、14是导电聚合物)，图1B和1C中所示的三层致动器10的变形与大于1％的应变相关联。在一些实施例中，这些应变大于5％。在一些实施例中，这些应变大于8％。在一些实施例中(例如，其中导电层12、14是导电聚合物)，导电层12、14可以具有大于0.2GPa的杨氏模量。在一些实施例中，这些杨氏模量大于0.5GPa。在一些实施例中，这些杨氏模量大于0.8GPa。与电动马达不同，使用很少或不使用电流来维持三层致动器10的形状或由这种形状生成的任何对应的力。三层致动器10可以使用各种各样的技术来制造和/或构图，包括(但不限于)无电镀或电化学沉积、浸涂和喷墨印刷，以及其它潜在的低成本方法。在图1的实施例中，三层致动器10(如图1A中所示，其中所施加的电压为零)的环境形状是平面配置。这种形状不是必需的。在一些实施例中，三层致动器10的环境形状可以大致与不同的概念表面(例如，具有某个平滑或连续曲率的概念表面)对准。在一些此类实施例中，第一电压极性的施加可以与具有第一形状的三层致动器10相关联，其中第一形状相对于概念曲面具有增加的曲率(例如，较小的曲率半径)，并且第二电压极性的施加可以与具有第二形状的三层致动器10相关联，其中第二形状相对于概念曲面具有减小的曲率(例如，大的曲率半径)。
在一些实施例中，期望三层致动器10在图1A与图1B和1C之一的形状之间或者图1B与1C的形状之间的变形提供人可检测的触感刺激。可以例如通过在三层致动器10的各种形状之间提供足够数量的形状变化(和/或相关联的力)来提供这种人可检测的触感刺激。有研究表明，在指尖最小的人可检测的静态触感力是大约0.19mN(女性)和0.55mN(男性)。因此，在一些实施例中，与三层致动器10在图1A与图1B和1C之一的形状之间或者图1B与1C的形状之间的变形相关联的最小静态力大于lmN。在一些实施例中，这个最小静态力大于10mN。在一些实施例中，这个最小静态力大于25mN。在一些实施例中，这个最小静态力大于100mN。这些最小静态力可以与最小可检测的变形距离正相关。但是，如果存在振动(例如，形状改变、力的变化和/或变形距离的变化以足够的频率和/或在期望的频率范围内发生)，那么这些可检测的力和/或变形距离值可以更低。有研究(参见图15和下面的讨论)表明，当抓住物体时的最小人可检测的动态位移为大约250+/-50Hz并且大约为-10nm的量级。因此，在一些实施例中，三层致动器10被设计为能够在250+/-100Hz处表现出大于100nm的最小动态位移(例如，在图1A与图1B和1C之一的形状之间或者图1B与1C的形状之间)。在一些实施例中，对于250+/-100Hz的最小动态位移大于300nm。在一些实施例中，对于250+/-100Hz的最小动态位移大于1000nm。在一些实施例中，三层致动器10被设计为能够在50+/-25Hz处表现出大于1000nm的最小动态位移(例如，在图1A与图1B和1C之一的形状之间或者图1B与1C的形状之间)。在一些实施例中，对于50+/-25Hz的这个最小动态位移大于3000nm。
因而，在一些实施例中，可以例如通过以足够的频率或在期望的频率范围内改变三层致动器10的形状来提供这种人可检测的触感刺激。例如，控制电路18可以被配置为改变所施加的电压(例如，在图1A与图1B和1C之一的形状之间或者图1B与1C的形状之间)，从而使三层致动器10以对应的频率或切换时间改变其对应的形状，这些频率或切换时间是人类用户可检测的。在一些实施例中(例如，其中导电层12、14是导电聚合物)，施加到三层致动器10的电压可以被改变(例如，由控制电路18)，以在大于100Hz的频率引起对应的形状变化(例如，在图1A与图1B和1C之一的形状之间或者图1B与1C的形状之间)。在一些实施例中，这个频率大于200Hz。在一些实施例中，这个频率大于400Hz。在一些实施例中，这个频率在250±100Hz的范围内。在一些实施例中，这个频率在250±50Hz的范围内。在一些实施例中(例如，其中导电层12、14是导电聚合物)，施加到三层致动器10的电压可以被改变(例如，由控制电路18)，以利用小于10ms的切换时间引起对于应的形状改变(例如，在图1A与图1B和1C之一的形状之间或者图1B与1C的形状之间)。在一些实施例中，这个切换时间小于5ms。在一些实施例中，这个切换时间小于2.5ms。
在三层致动器10接受给定振幅的高频电压信号(例如，在前面段落中讨论的任何频率范围内)的情况下，三层致动器10可以被设计为(例如，具有合适的维度和/或合适的材料选择)以使其(例如，在其第一形状和第二形状之间)切换大于与电压振幅相关联的最大变形距离的阈值百分比的距离。在一些实施例中，这个阈值百分比大于与电压振幅相关联的最大变形距离的50％。在一些实施例中，这个阈值百分比大于63％。在一些实施例中，这个阈值百分比大于90％。在一些实施例中，在三层致动器10接受给定振幅的高频电压信号(例如，在前面段落中讨论的任何频率范围内)的情况下，三层致动器10可以被设计为(例如，具有合适的维度和/或合适的材料选择)以使其以比具有时间常数τ＝2ms的指数(e-t/τ)快的切换时间在第一形状和第二形状之间切换。在一些实施例中，三层致动器10以比具有时间常数τ＝1ms的指数(e-t/τ)快的切换时间切换。在一些实施例中，三层致动器10以比具有时间常数τ＝0.5ms的指数(e-t/τ)快的切换时间切换。
图2A-2D(统称为图2)分别示意性地绘出了根据特定实施例的、用于向人类用户提供触感刺激的装置122的刺激提供部分120(例如，单元格)的截面图。装置122的刺激提供部分120(为了简洁起见，可以被称为装置122)可以在图2视图中具有进出页面的维度基本上均匀的截面。在图2的实施例中，装置122包括多个三层致动器10，每个三层致动器10可以类似于上面结合图1所描述的那些。图2A-2D分别绘出了具有施加到三层致动器10的不同电压以及对应不同形状的装置122(如下面更详细地解释的)。装置122的三层致动器10一般可以沿着概念表面123布置(在图2的实施例的情况下，在所示的图2视图中，平面概念表面123A，其在由双头箭头126示出的横向方向上延伸并且进出页面)并且在横向方向126上彼此隔开。在表面123不必精确地与装置122的任何物理表面对应但是可以比用来描述三层致动器10的对准的意义上，表面123可以是概念或数学表面。当一个或多个三层致动器10处于其环境状态(即，具有零施加电压)时，如果三层致动器10的一层或多层大致沿着和/或与概念表面123对准，那么一个或多个三层致动器10在本文可以被描述为沿着和/或与那个表面123对准。图2A示出了其三层致动器10处于环境状态的装置122。在图2A的实施例中，三层致动器10的层一般沿着平面表面123A布置(在所示的图2视图中，其在由双向箭头126示出的横向方向上延伸并且进出页面)，并且个体三层致动器10的层与平面表面123A对准。一般而言，表面123不必是平面表面123A，并且表面123A可以具有曲率。在图2的实施例中，其中表面123是平面的，横向方向是由箭头126所示的线性方向。但是，一般而言，当表面123不需要是平面的并且可以具有曲率时，横向方向可以被理解为与表面相切的方向123。
在图2实施例的装置122中，每个三层致动器10的横向边缘连接到可变形构件124。在一些实施例中，可变形构件124可以由在横向方向中超出第一和第二导电层12、14的横向边缘以在横向相邻的三层致动器10之间延伸的可变形层16(图1)的连续延伸提供。应当认识到的是，当三层致动器10在其环境状态下大致与表面123对准时，对三层致动器10中的任一个施加非零电压将使那些三层致动器10远离表面123变形。在一些实施例中，电压可以由控制电路(类似于上述控制电路18)施加到三层致动器10的导电层12、14，控制电路虽然在图2中没有明确示出，但可以是装置122的一部分。
图2B图示了装置122的配置122B，其中在每个三层致动器10的导电层12、14之间施加第一极性的电压，使三层致动器10的至少一部分在第一方向远离概念表面123(朝着图2视图中页面的底部)弯曲。三层致动器10的至少一部分可以在与概念表面123垂直的方向变形，其中三层致动器10沿着概念表面123对准。每个三层致动器10可以包括中心部分和在中心部分的对应横向侧上的一对横向部分。利用图2B的施加电压，对于每个三层致动器10，其中心部分远离表面123变形(例如，在垂直于表面123的方向上)大于其相应横向部分的距离。具有这个特点的变形在所示的图2B视图中为三层致动器10提供具有向上开口的凹形形状。在一些实施例中，图2B的施加电压以及三层致动器10的对应变形也造成每个三层致动器10的每个横向边缘处或附近的区域中的可变形构件124的某种变形。但是，在一些实施例中，可变形构件124不是必需的并且三层致动器10可以在其横向边缘中的一个或两个处被刚性连接。在一些实施例中，装置122可以包括在横向相邻的三层致动器10对之间的可变形构件124和刚性构件(未示出)的组合。
图2C图示了装置122的配置122C，其中在每个三层致动器10的导电层12、14之间施加第二极性的电压(与第一极性电压相反)，从而使三层致动器10的至少一部分在第二方向(朝着图2视图中页面的顶部)弯曲。如图2B的电压施加的情况，图2C的电压的施加会使三层致动器10的至少一部分在与表面123垂直的方向变形，其中三层致动器10沿着表面123对准，除了在图2C中施加的相反极性的电压之外，利用图2C电压的变形方向可以与图2B电压的变形方向相反。利用图2C的施加电压，对于每个三层致动器10，其中心部分可以远离表面123变形(例如，在垂直于表面123的方向上)大于其相应横向部分的距离。具有这种特点的变形在所示的图2C视图中为三层致动器10提供向下开口的凹形形状。在一些实施例中，图2C的施加电压和三层致动器10的对应变形也会在每个三层致动器10的每个横向边缘处或附近的区域中造成可变形构件124的某种变形。但是，在一些实施例中，可变形构件124不是必需的并且三层致动器10可以在其横向边缘中的一个或两个处被刚性连接。在一些实施例中，装置122可以包括在横向相邻的三层致动器10对之间的可变形构件124和刚性构件(未示出)的组合。
图2D示出了装置122的配置122D，其中第一和第二相反极性的电压被施加到横向相邻的三层致动器10的导电层12、14，从而对于横向相邻的三层致动器10造成远离表面123的交替的变形方向。在图2D的配置中，每个个体三层致动器10可以以类似于经受图2B电压的三层致动器10之一或类似于经受相对的图2C电压的三层致动器10之一的方式变形。应当认识到的是，利用图2D的配置(即，对于横向相邻的三层致动器10，具有远离表面123的交替的变形方向)，横向相邻的三层致动器10之间的变形的量值可以大于在图2B、2C中施加的均匀极性电压的量值。应当认识到的是，图2D配置中示出的电压的极性可以反转，以为装置122提供类似于图2D形状的形状，但是个体三层致动器10的变形被反转(即，对于横向相邻的三层致动器10，具有远离表面123的交替的变形方向)。就像上面对于图2B和2C描述的配置，在图2D电压下三层致动器10的变形会造成每个三层致动器10的每个横向边缘处或附近的区域中可变形构件124的某种变形。但是，在一些实施例中，可变形构件124不是必需的并且三层致动器10可以在其横向边缘中的一个或两个处被刚性连接。在一些实施例中，装置122可以包括在横向相邻的三层致动器10对之间的可变形构件124和刚性构件(未示出)的组合。
在图2A-2D所示的实施例中，横向方向126的空间周期或节距(d2)是每个三层致动器10的横向方向维度d5的大约两倍，并且是是横向相邻的三层致动器10对之间的间距的横向方向维度d1的大约两倍(即，d1＝d5＝d2/2)。这不是必需的。在一些实施例中，三层致动器10可以占据空间周期d2的更大部分(更高占空比)(即，d5>d1)。在一些实施例中，三层致动器10可以占据空间周期d2的更小部分(更低占空比)(即，d5<d1)。
图2A-2D的装置122可以包括一个或多个附加的材料层或效应器层(未示出)，其可以位于表面123和在与上对准的三层致动器10的一侧或两侧。(一个或多个)这种附加层可以被用来增加表面粗糙度，从而增强由三层致动器10的变形造成的刺激的触感感知。
Pacinian小体(corpuscles)被称为身体的体感系统中最敏感的机械感受器。Pacinian小体对频率在50-500Hz之间的振动刺激有反应，并且可以最好地检测250Hz频率附近的振动。Pacinian小体可以在250Hz检测振幅小至大约10nm的振动。在一些实施例中，其中三层致动器10由导电聚合物导电层12、14制造，图2的装置122可以被设计为(例如，在图2A-2D中所示的任何配置之间)通过以适当高的频率振动来刺激Pacinian小体，具有可以小但可以被Pacinian小体检测的位移量值。在一些实施例中，这种切换频率大于100Hz。在一些实施例中，这种切换频率大于200Hz。在一些实施例中，这种切换频率大于400Hz。在一些实施例中，其中三层致动器10被制造成具有导电聚合物导电层12、14，图2的装置122可以被设计为通过利用适当快的切换时间改变形状(例如，在图2A-2D中所示的任何配置之间)来刺激Pacinian小体，具有可以小但可以被Pacinian小体检测的位移量值。在一些实施例中，这种切换时间小于10ms。在一些实施例中，这种切换时间小于5ms。在一些实施例中，这种切换时间小于2.5ms。
在装置122经受给定振幅的高频电压信号(例如，在前面段落中讨论的任何频率范围内)时，装置122的三层致动器10可以被设计为(例如，具有适当的维度和/或合适的材料选择)以使其(例如，在其第一形状和第二形状之间)切换大于与电压振幅相关联的最大变形距离的阈值百分比的距离。在一些实施例中，这个阈值百分比大于与电压振幅相关联的最大变形距离的50％。在一些实施例中，这个阈值百分比大于63％。在一些实施例中，这个阈值百分比大于90％。在一些实施例中，其中装置122经受给定振幅的高频电压信号(例如，在前面段落中讨论的任何频率范围内)，装置122的三层致动器10可以被设计为(例如，具有适当的维度和/或适当的尺寸选择材料)以使其以比具有时间常数τ＝2ms的指数(e-t/τ)快的切换时间在第一形状和第二形状之间切换。在一些实施例中，三层致动器10以比具有时间常数τ＝1ms的指数(e-t/τ)快的切换时间切换。在一些实施例中，三层致动器10以比具有时间常数τ＝0.5ms的指数(e-t/τ)快的切换时间切换。
如上面所讨论的，这种切换频率和响应时间可以由控制电路(类似于上面结合图1所示并描述但没有在图2中明确示出的控制电路18)来实现，其可以控制施加到三层致动器10的对应电压。三层致动器10可以实现这种切换频率和响应时间，其中导电层12、14由导电聚合物制造。
在一些实施例中，图2装置122的三层致动器10被用来产生可以通过将其身体的一部分(例如，指尖)跨纹理移动而被人检测到的纹理。跨本文所述类型的触感装置的手指(或其它身体部位)的这种运动可以被称为主动触感感测(并且可以与被动触感感测形成对比，其中经历刺激的手指(或其它身体部位)可以是静态的)。被配置为使用主动触感感测的实施例不能使用振动来提供人可检测的触感刺激。与振动(被动感测)实施例(其可以使用能够相对快速切换的相对薄的三层致动器10)相比，基于主动感测和人可检测的纹理的实施例可以相对厚并且相对硬。
在一些实施例中，当三层致动器10处于其环境状态(图2A)时，三层致动器10的横向相邻边缘之间的横向间距(图2A中示为维度d1)在lmm-50mm(对于振动实施例)和1μm-100μm(对于基于纹理的实施例)的范围内。在一些实施例中，这个距离d1在5mm-10mm(对于振动实施例)和10μm-40μm(对于基于纹理的实施例)的范围内。在一些实施例中，当三层致动器10处于其环境状态(图2A)时横向相邻的三层致动器10的横向空间周期或节距(图2A中示为维度d2)在0.1cm-10cm(对于振动实施例)和10μm-1mm(对于基于纹理的实施例)的范围内。在一些实施例中，这个横向空间周期或节距d2在1cm-2cm(对于振动实施例)和50μm-250μm(对于基于纹理的实施例)的范围内。在一些实施例中，三层致动器10在垂直于表面123的方向上远离表面123的最大变形距离(在图2B和2C中示为距离d3)在25nm-100μm的范围内。在一些实施例中，这个距离d3在100nm-50μm的范围内。
在一些实施例中，在垂直于表面123的方向上横向相邻的三层致动器对10的最大变形之间的距离(在图2D中示为距离d4)在50nm-200μm的范围内。在一些实施例中，这个距离d4在200nm-100μm的范围内。在一些实施例中，在一个方向上的最大变形的位置之间的空间周期(在图2D中示为d5)小于距离d2。
如上面所讨论的，已经表明，对于人来说，变形距离的最小可检测(例如，在指尖处)变化随频率而变化。图15图示了由Brisben、A.J.、S.S.Hsiao和K.O.Johnson报道的最小阈值可检测位移(以μm为单位)对振动频率(以Hz为单位)的对数曲线图。“Detection ofvibration transmitted through an object grasped in the hand”。Journal ofNeurophysiology 81.4(1999)：1548-1558。图15示出，对于特定图示数据，人们可以在大约200Hz的频率处检测到小至大约10nm的变形。
在被设计用于主动触感感测的图2实施例中，其中用户相对于装置122移动其身体部位(例如，其指尖)以检测刺激，期望装置122是硬的。应当认识到的是，装置122的刚度不仅依赖于制造其的材料的杨氏模量，而且依赖于个体三层致动器10的维度。刚度可以以(位移的)单位长度的力为单位来解释。在一些实施例中，装置122和/或构成装置122的个体三层致动器10的刚度大于与设备的区域接触的用户身体部位的刚度。利用这种相对刚度，当用户探索装置122的表面时，假设用户施加在合适的范围内的力，那么他或她可以这样做，而不会对由三层致动器10生成的形状强加任何显著的变化。已经表明，人指尖的刚度通常在大约1.5cm2量级的近似指尖区域上大约为1N/mm。于是，装置122中三层致动器10的刚度应当大于这个用户手指的刚度乘以与手指接触的装置122的面积除以指尖的大致面积(例如，1.5cm2)。用于这种主动触感感测实施例的设计参数包括但不限于三层致动器厚度d6(即，导电层12、14的外表面之间的距离–参见图2)、远离标称表面(例如,平面123)的变形量d3和/或d4和横向空间周期d2。
下面的表1示出了用于已经被考虑的装置122的多个几何形状。表1中所示的数据假设：如图2D中所示的装置122的实施例(即，横向相邻的三层致动器10经受交替极性电压的信号)；用户以10mm/s的恒定速度将其指尖移动跨过装置122的表面；d2＝2d5(即，三层致动器10的宽度d5占据空间周期d2的一半–占空比为50％)；人类用户的指尖的刚度在1.5cm2量级的近似指尖区域上为lN/mm；(在图2的视图中进出页面的)长度是任意的；施加的电压信号的峰-峰为4V，并且与之相关联的应变为2％。表1示出了具有多个不同三层致动器厚度d6(沿着表1从左到右移动)和多个不同宽度d5(沿着表1从上到下移动)的装置122。参数d5和d6的每种组合为对应的三层致动器10产生刚度。对于每种几何形状，表1示出了三层致动器10的刚度与人类指尖的假设刚度之比(kk)。参数d5和d6的每种组合产生对相应的变形距离d4。表1还示出了用于主动感测实施例的感知频率fp，其中感知频率fp是指针移动的假设速度(10mm/s)除以三层致动器10的空间周期(d2＝2d5)。
表1针对装置122考虑的几何形状(图2)
可以从表1的数据进行若干观察。对于表1几何形状中的每一个，感知频率fp和变形距离d4的对可以与图15的最小阈值可检测位移(以μm为单位)相对可感知的振动频率(以Hz为单位)的曲线图进行比较。具有与图1中的白色单元格对应的厚度d6和宽度d5的几何形状产生适当刚硬并且在图15的曲线图中所指示的阈值感知内(即，可以根据图15的数据，是人类触摸可感知的)的刚度比kk、感知频率fp和/或偏转d4的组合。具有与图1中的阴影单元格对应的厚度d6和宽度d5的几何形状产生不足够刚硬或低于图15的曲线图中所指示的阈值感知(即，根据图15数据，不是人的触摸可感知的)的刚度比kk、感知频率fp和/或偏转d4的组合。
表1示出，对于具有相对小宽度(小d5)的三层致动器10，期望三层致动器相对薄(小d6)，使得可以获得适当大的变形(大d4)。但是，对于具有相对小宽度(小d5)的三层致动器10，当三层致动器变得不够刚硬(kk比太小)以便被用户的指尖感知时，达到薄度的限制(小d6)。与白色单元格对应的表1几何形状的上方和/或左侧的、与阴影单元格对应的表1几何形状表示可以具有合适的刚度比但可以表现出低于图15的可感知阈值的频率/变形组合的几何形状。与白色单元格对应的表1几何形状的下方和/或右侧的、与阴影单元格对应的表1几何形状表示可以表现出满足图15的可感知阈值的频率/变形组合但可能具有不足刚度的几何形状。
在一些实施例中，可变形构件124可以通过三层致动器10容易地可变形，使得三层致动器10可以通过其自由变形的很大一部分变形，如在不存在可变形构件124的情况下将发生的。在一些实施例中，变形的这个部分大于25％。在一些实施例中，变形的这个部分大于70％。三层致动器10的宽度(图2中的d5)与横向空间周期(图2中的d2)之比被设置为足够低，以使得有显著的变形，其中d5/d2被称为占空比。在一些实施例中，占空比将为50％或更小。在可变形构件是柔性的(compliant)并且期望大变形(图2中的d3或d4)的一些实施例中，对于具有特定导电层和可变形层厚度hp、hg和弹性模量的三层致动器厚度d6，占空比将大于或等于50％。在一些实施例中，这个占空比大于70％。在其中期望三层致动器10具有高刚度的一些实施例中，对于具有特定导电层和可变形层厚度hp、hg和弹性模量的三层致动器厚度d6，占空比可以小于20％。
在设计为用于被动触感感测的图2实施例中，例如，其中用户被允许维持其身体部位(例如，他们的指尖)相对于装置122静止以检测刺激，期望装置122刚硬并且三层致动器10生成足以被用户的触感感知的力。在一些实施例中，装置122和/或构成装置122的个体三层致动器10的刚度大于与设备区域接触的用户身体部位的刚度。利用这种相对刚度，当用户探索装置122的表面时，假设用户施加在合适的范围内的力，那么他或她可以这样做，而不会对由三层致动器10生成的形状强加任何显著的变化。应当认识到的是，这些因素(刚度和力)组合，以在用户的被动身体部位(例如，用户的指尖)中产生位移。
如图15中所示，可能期望三层致动器10在高于特定频率或在特定频率范围内的频率切换，以最大化人类用他们的触感来被动感知这种切换的能力。本发明人已经识别出可以限制三层致动器10的切换频率的三个时间常数。这些时间常数包括：
(i)与离子可以多快地穿过可变形层16相关联的时间常数τ1：
其中Rs是可变形层16对离子导电的电阻，C是每个导电层12、14的内部电容，CV是每单位体积的每个导电层12、14的内部电容，V是每个导电层12、14的体积，hp是每个导电层12、14的厚度(在图2中所示的d6的方向)(假设它们都具有相同的厚度)；hg是可变形层16的厚度(在图2中所示的d6的方向)；并且σIN是可变形层16的离子电导率。
(ii)与电子可以多快地沿着三层致动器10的宽度行进相关联的时间常数τ2：
其中Rppy是导电层12、14对电子导通的电阻，d*是电子传输在导电层12、14内(与在金属电极内相反)发生的三层致动器10的最大距离，并且σE是导电层12、14的电子电导率。例如，在图3的实施例中，其中电极136仅沿着三层致动器10的长度d7延伸短距离，于是但是，当电极136沿着三层致动器10的长度d7延伸可观的距离时，d＊可以显著小于d7。作为另一个示例，其中图3实施例中的电极136的宽度显著小于d5并且沿着d7的长度延伸，于是d＊可以近似等于d5。
(iii)与离子可以多快地移动通过导电层12相关联的时间常数τ3：
其中Rion是导电层12、14对离子导电的的电阻，并且σIP是导电层12、14的离子电导率。
下面的表2示出了与上述等式(1)、(2)和(3)中表述的时间常数τ1、τ2、τ3相关联的多个参数的近似值，其中三层致动器10是使用不同电解质的1M溶液(或者LiTFSI(双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂盐)或者EMITFSI(1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰基)酰亚胺))使用PEDOT导电聚合物和IPN(互穿聚合物网络，诸如聚环氧乙烷和丁腈橡胶的组合)制造的。
表2 PEDOT导电聚合物致动器的电气和电化学性质
参数 符号 值
体积电容 C<sub>V</sub> 2.7×10<sup>7</sup>F/m<sup>3</sup>
PEDOT的电子电导率 σ<sub>E</sub> 10<sup>4</sup>S/m
1M LiTFSI中PEDOT的离子电导率 σ<sub>P-LiTFSI</sub> 0.04S/m
1M EMITFSI中PEDOT的离子电导率 σ<sub>P-EMITFSI</sub> 0.03S/m
1M LiTFSI中IPN的离子电导率 σ<sub>IPN-LiTFSI</sub> 0.106S/m
1M EMITFSI中IPN的离子电导率 σ<sub>IPN-EMITFSI</sub> 0.08S/m
接触电阻 R<sub>C</sub> 1.9Ω
在上述等式(1)、(2)和(3)中表述的时间常数τ1、τ2、τ3以及图15中所示的频率/变形阈值可以被用来依照几何参数(包括三层致动器宽度d5(参见图2)、导电层12、14的厚度hp以及可变形层16的厚度hg)评估装置122的各种几何形状。特别地，在一些实施例中可以期望三层致动器10具有最大参数d5、hp和hg，以实现期望的时间常数τ1、τ2、τ3和期望的频率/变形阈值。从表2的不同电导率可以认识到的是，这种参数d5、hp和hg可以依赖于用来制造三层致动器10的材料。下面的表3示出了用于装置122的三层致动器10的一些期望的最大参数d5、hp和hg。表3中所示的数据使用与上面结合表1讨论的那些相同的假设。
表3用于各种切换频率和各种三层致动器制造技术的参数d5、hp和hg的值
在图1的悬臂配置中，其中三层致动器10的一端是不受限制的，最大期望宽度d5(在图1实施例的上下文中，其可以被称为长度)可以是图2装置122的最大期望宽度d5的大约一半，因为，对于给定的几何形状，图1的实施例可以以减小的刚度为代价实现更大的变形距离。
下面的表4示出了与上面在表1中针对装置122的被动触感感测版本所描述的数据(图2)相似的数据。
表4针对被动触感感测装置为装置122考虑的几何形状(图2)
可以从表4的数据进行若干观察。对于表4的每个几何形状，可以将致动频率和变形距离d4对与图15的最小阈值可检测位移(以μm为单位)相对可感知的于振动频率(以Hz为单位)的曲线图进行比较。具有与图1中的白色单元格对应的厚度d6和宽度d5的几何形状产生适当刚硬并且在图15的曲线图中所指示的阈值感知内(即，可以根据图15的数据，是人类触摸可感知的)的刚度比kk、感知频率fp和/或偏转d4的组合。具有与图1中的阴影单元格对应的厚度d6和宽度d5的几何形状产生不足够刚硬或低于图15的曲线图中所指示的阈值感知(即，根据图15数据，不是人的触摸可感知的)的刚度比kk、感知频率fp和/或偏转d4的组合。
表4示出，对于具有相对小宽度(小d5)的三层致动器10，期望三层致动器相对薄(小d6)，使得可以获得适当大的变形(大d4)。但是，对于具有相对小宽度(小d5)的三层致动器10，当三层致动器变得不够刚硬(kk比太小)以便被用户的指尖感知时，达到薄度的限制(小d6)。与白色单元格对应的表4几何形状的上方和/或左侧的、与阴影单元格对应的表4几何形状表示可以具有合适的刚度比但可以表现出低于图15的可感知阈值的频率/变形组合的几何形状。与白色单元格对应的表4几何形状的下方和/或右侧的、与阴影单元格对应的表4几何形状表示可以表现出满足图15的可感知阈值的频率/变形组合但可能具有不足刚度的几何形状。
图3A-3E(统称为图3)示意性地绘出了根据示例性非限制性实施例的、用于制造图2装置122的方法。图3的方法示意性地绘出了包括六个三层致动器10的装置122的单元格128的制造技术。应当认识到的是，装置122可以包括图3所示类型的一个或多个单元格128，并且那个单元格128可以包括不同数量的三层致动器10.图3的方法在图3A以制造层130开始，层130包括用来合成固体聚合物电解质(SPE)的两种或更多种交联聚合物的组合，其最终将变成三层致动器10的可变形层16以及连接在横向相邻的三层致动器10之间的可变形构件124。在图3所示的实施例中，聚合物的混合物可以被倒入模具中(可选地预先涂覆作为底层的聚乙烯醇(PVA))。然后可以在合适的热处理之后和可选地在将PVA溶解到水中之后将层130从模具上剥离。图3A中所示的结果所得的SPE层130可以包括厚度为大约5μm-200μm的膜。
然后可以制造三层致动器10的导电层12、14。在图3所示的实施例中，使用作为导电聚合物材料的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT)制造导电层12、14。如图3B中所示，SPE层130可以在两侧上涂覆有PEDOT的层132、134。PEDOT层132、134可以通过将层130泡到纯乙烯二氧噻吩(EDOT)中、然后浸入FeCl3溶液一段时间来聚合EDOT，从而形成PEDOT层132、134来形成。PEDOT层132、134在图3C中被构图。PEDOT层132、134可以使用激光微加工或任何其它合适的构图技术来构图。在一些实施例中，PEDOT的薄区域从PEDOT层132、134被移除，以产生在横向方向126上彼此隔开的三层致动器10。
然后如图3D中所示添加电触点136。电触点136可以使用荫罩工艺或任何其它合适的工艺在三层致动器10(或三层致动器10上的任何其它合适的位置)的端部添加或者沿着长度延伸。然后，如图3E中所示，该构造可以安装在刚性基板138上，其允许三层致动器10在刚性基板上的连接点之间变形。在图3E的实施例中，该构造的横向最外边缘140、142刚性地安装到基板138的支撑件138A，其中支撑件138A一般平行于三层致动器10的边缘在纵向方向(由双头箭头144示出)拉长。所示实施例的图3E示出基板138可以在支撑件138之间具有凹面(concavity)139，在一些实施例中，三层致动器10可以在其中变形。
本发明的各方面提供了用于向人类用户提供触感刺激的方法和装置，其涉及使用可能在横向方向上定向的刺激力。虽然图3C-3E绘出了三层致动器的线性条，但是这种三层致动器可以具有不同的形状和朝向。例如，三层致动器可以在2D阵列(例如，行/列配置)中定向、具有六边形形状，等等。
图4A-4C(统称为图4)绘出了根据另一个特定实施例的、可以被用来提供人可检测的触感刺激的装置222的一部分(例如，单元格)228的透视图(图4A)和截面图(图4B和4C)。由装置222的部分228(为了简洁，在本文中可以被称为装置222)提供的刺激可以在由双头箭头226指示(在图4的实施例中)的横向方向中(至少部分地)定向。这种横向方向可以是与装置222的基板225平行或相切的方向，或者与用户与装置222交互的一般(例如，宏观)表面平行或相切的方向。
装置222包括一个或多个三层致动器10，其可以类似于上述图1的三层致动器10。三层致动器10在图4中示意性地示出。装置222的三层致动器10在其边缘211之一(其在本文中可以被称为第一边缘211)处连接到刚性构件213(其在本文中可以被称为框架213)。三层致动器10的第一边缘211可以单独地连接到对应的框架213，或者多个三层致动器10可以将它们的第一边缘211连接到公共框架213。三层致动器10可以是悬臂的，使得三层致动器10的远侧边缘215(即，与第一边缘211相对的三层致动器10的边缘215)可以相对于(一个或多个)框架213自由移动。
当三层致动器10处于其环境状态(即，零电压施加在三层致动器10的导电层12、14之间)时，三层致动器10可以具有第一形状，其中三层致动器10的远侧边缘215可以具有距离第一边缘211的对应的第一线性距离。这是图4B中所示的配置，其中三层致动器10的第一形状大体是平面的，并且第一边缘211和远侧边缘215之间的第一距离被示为d10。当电压施加在三层致动器10的导电层12、14之间时，三层致动器10可以变形为具有第二形状，其中导电层12、14之一收缩，并且导电层12、14中的另一个膨胀，以使三层致动器10弯曲成图4C中所示的第二形状。在图4B中所示的第二形状中，三层致动器10的远侧边缘215与三层致动器10的第一边缘211处于第二线性距离(在图4C中示为d11)。特别地，在图4所示实施例的情况下，对于每个三层致动器10，第二形状都比第一形状相对更弯曲(例如，具有较小的曲率半径)，因此，其第一边缘211与其远侧边缘215之间的第二距离d11(图4C)小于其第一边缘211与其远侧边缘215之间的第一距离d10(图4B)。在图4所示实施例的情况下，第一形状(图4B)一般是平面的(其具有概念上无穷大的曲率半径)，但这不是必需的。在一些实施例中，第一形状和第二形状可以都是弯曲的，并且第一形状和第二形状中的一个可以具有更大的曲率(更小的曲率半径)，使得第一边缘211与远侧边缘215之间的线性距离对于具有较大曲率的形状相对小，而对于具有较小曲率的形状相对大。
此外或在替代方案中，框架213或装置222的一些其它刚性部分可以被成形为提供具有维度(例如，深度)的凹面219，和/或三层致动器10可以有角度定向，其在三层致动器10处于第一形状时防止或最小化三层致动器10延伸到凹面219之外以及人体表面217(例如，指尖表面217)和三层致动器10之间的对应交互。三层致动器10的这种第一形状可以与它们的环境状态(即，零电压施加在三层致动器10的导电层12、14之间)对应，但这不是必需的，并且三层致动器10的第一形状可以与任何合适的施加电压对应。这是图4B中所示的配置。当不同的电压施加在三层致动器10的导电层12、14之间时，三层致动器10可以变形为具有第二形状，其中导电层12、14之一收缩，并且导电层12、14中的另一个膨胀，以使三层致动器10弯曲成具有使三层致动器10(或至少其远侧边缘215)突出超过凹面219的维度(例如，深度)的朝向，使得三层致动器10和/或其远侧边缘215可由指尖表面217检测。
在一些实施例中，本文所述的任何实施例中的任何三层致动器10都可以被一薄层的封装剂(未示出)覆盖，诸如Kalex、硅树脂等，以最小化三层致动器10和指尖表面217和/或外部环境的其它方面之间的直接接触。可以与本文所述的任何触感刺激装置和方法一起使用的这种封装层可以最小化可能影响三层致动器10的操作的、由于与皮肤接触而产生的离子交换、溶剂插入和/或其它影响。
图5A-5C(统称为图5)示意性地绘出了根据示例性非限制性实施例的、用于制造图4装置222的方法。在图5A中，或者通过使用上述图3的方法或者使用在两侧都用聚吡咯覆盖的聚偏二氟乙烯(PVDF)膜来制造三层致动器10的一个或多个片材230(如图1中所示，具有导电的聚合物导电层12、14和可变形层16)。在后一种方法中，PVDF膜(其是具有1μm的厚度和0.45μm的孔径的市售产品)可以使用真空沉积方法(诸如溅射、电子束蒸发等)在两侧覆盖非常薄的金膜(<100nm)。然后，聚吡咯膜可以从包含碳酸亚丙酯、蒸馏的吡咯、去离子水和充当掺杂剂的盐(例如，LiTFSI)的既定部分的溶液(例如，以0.1-0.2mA/s的电流密度进行8-15小时)恒电(galvanostatically)沉积在样本的两侧。在一些实施例中，片材230可以具有大约0.25cm×0.25cm至1cm×lcm的尺寸。在一些实施例中，三层致动器10的相邻边缘之间的间距可以在1mm-3mm的范围内，三层致动器宽度可以在0.5mm-3mm的范围内，并且三层致动器节距可以在1.5mm-6mm的范围内。在一些实施例中，每个悬臂式三层致动器10的长度可以是2mm-6mm的范围。
然后，三层致动器10的片材230可以被激光切割或以其它方式成形为图5A中所示的悬臂结构(即，具有彼此隔开并且相对于片材230的其余部分单独移动的远侧边缘215)，其具有规定的或其它期望的维度。定义凹面219的框架213可以被制成以有角度的朝向容纳三层致动器10，使得三层致动器10的远侧边缘215可以在第一形状(其中，它们被包含在凹面219内)和第二形状(其中，它们突出凹面219)之间移动。框架213在图5B中示出并且包括三角形截面凹槽232，每个凹槽232的倾斜面234可以覆盖有或以其它方式包括可以充当用于三层致动器10的电极之一的导体(例如，用于第一导电层12的电极)。然后，包括三层致动器10的片材230可以被放如凹槽232，使得三层致动器10位于凹槽232的对应倾斜面234上。虽然未示出，但是电极可以被构图成与三层致动器10的每个远侧边缘215对应的条带(如图3中所示)，使得每个个体的远侧边缘215可以被独立控制，以提供三层致动器10的阵列。
帽236(图5C中所示)可以被成形为提供突起238，并且突起238可以被成形为与凹槽232互补并且延伸到凹槽232中。帽236可以包括具有孔242的有孔盖构件240。孔242可以被成形和定位成使得三层致动器10的远侧边缘215可以移动通过孔242。在所示实施例中，在孔242和三层致动器10之间存在一对一的对应关系，但这不是必需的，并且可以有与三层致动器10的数量不同数量的孔242。在一些实施例中，对于一个或多个孔242中的每一个，存在多个三层致动器10。第二电极244可以在帽236的突起238的表面上提供，以提供用于三层致动器10的第二电极244(例如，用于第二导电层14的电极)。然后，可以通过将片材230(图5A)放到凹槽232中并抵靠框架213的面234(图5B)、然后将盖236(图5C)放到框架213上使得突起238延伸到凹槽232中来组装结构。
图6A和6B(统称为图6)绘出了根据另一个特定实施例的、可以被用来提供人可检测的触感刺激的装置322的一部分(例如，单元格)328的截面图。由装置322的部分328(为了简洁，在本文中可以被称为装置322)提供的刺激可以在由双头箭头326指示(在图6的实施例中)的横向方向中(至少部分地)定向。这种横向方向可以是与装置322的基板325平行或相切的方向，或者与用户与装置322交互的一般(例如，宏观)表面平行或相切的方向。如以下将更详细地解释的，装置322的三层致动器10与效应器323接触并且三层致动器10的变形造成效应器323的对应移动(例如，变形或其它)，并且效应器323的移动或相关联的力可以被人体表面317(例如，指尖表面317)检测。
装置322包括一个或多个三层致动器10，其可以类似于上述图1的三层致动器10。三层致动器10在图6中示意性地示出。装置322的三层致动器10与效应器323接触(例如，恒定接触)。在图6所示的实施例中，三层致动器10远离基板325延伸(它们或者刚性地或者可变形地连接到基板)，并且效应器323包括位于横向相邻的三层致动器对之间的可弹性变形的材料。在图6所示的实施例中，效应器323填充相邻三层致动器10的对之间的截面区域，但这不是必需的。在图6所示的实施例中，每个效应器323接触一对相邻的三层致动器10，但这也不是必需的。
图6A示出了具有与对应的第一电压的施加对应的第一形状的三层致动器10。在一些实施例中，三层致动器10的这些第一形状与它们的环境状态(即，零电压施加在三层致动器10的导电层12、14之间)对应，但这不是必需的，并且三层致动器10的第一形状一般可以与任何对应施加的第一电压相关联。在图6A所示的实施例的情况下，三层致动器10的第一形状(在其环境状态下)一般是平面的并且远离基板325延伸。当合适的第二电压施加在三层致动器10的导电层12、14之间时，三层致动器10可以变形为具有图6B中所示的第二形状。特别地，在图6B中所示的配置的情况下，具有相反极性的电压被施加到横向相邻的三层致动器10。结果是三层致动器10的第二形状导致横向相邻的三层致动器10的对或者朝彼此弯曲(如对于三层致动器对10A、10B；I0C、10D；10E、10F的情况)或远离彼此弯曲(如对于三层致动器对10B、I0C；10D、10E的情况)。当三层致动器在它们的第一形状(图6A)和它们的第二形状(图6B)之间移动时，三层致动器10和效应器323之间的接触造成效应器323的对应移动(例如，变形)。
对于图6实施例的效应器323，效应器323的移动涉及效应器323的变形。特别地，位于朝彼此横向弯曲的三层致动器10的对之间的效应器323被压缩变形成具有形状323B，并且位于彼此远离弯曲的三层致动器10的对之间的效应器323可以变形成(即，膨胀变形)具有形状323C。从图6中可以看出，图6B中所示的效应器323的压缩变形形状323B和可拉伸变形(即，膨胀变形)形状323C都与图6A中所示的效应器的环境形状323A不同。另外，图6B示出效应器323的压缩变形形状323B可以导致压缩变形的效应器323的至少一部分在大致垂直于基板325(或具有与基板325垂直的方向分量)的方向上远离基板325突出，并且效应器323的可拉伸变形形状323C可以导致可拉伸变形的效应器323的至少一部分在大致垂直于基板325(或具有与基板325垂直的方向分量)的方向上朝着基板325凹陷。这种变形的形状也可以导致效应器323在横向方向326上的移动(例如，变形或其它)。效应器323在它们的第一形状323A(图6A)和它们的第二形状323B、323C(图6B)之间的移动和/或这些配置之间的对应切换可由人的皮肤表面317检测。在一些实施例中，效应器323的形状323B、323C之间的差异可以由人的皮肤表面317检测。在一些实施例中，施加到图6B中所示的三层致动器10的电压的极性可以反转，使得相邻的三层致动器对10B、I0C和10D、10E朝着彼此弯曲并且相邻的三层致动器对10A、10B；I0C、10D；10E、10F远离相互弯曲。然后，施加到三层致动器10的电压可以被配置为在这种反向极性配置与所示的图6B配置之间切换。效应器323在反向极性配置与图6B配置之间的移动和/或这些配置之间的对应切换可以由人的皮肤表面317检测。
图7A-7F(统称为图7)示意性地绘出了根据示例性非限制性实施例的、用于制造图6装置322的方法。三层致动器10可以使用本文所述的任何方法来制造(例如，结合图3和5描述的方法–利用固体聚合物电解质(SPE)可变形(离子导电)层16和PEDOT导电层12、14或者使用在两侧都电沉积有聚吡咯的PVDF膜)。三层致动器10可以被精细地切割成具有适当维度的矩形形状。可以合适的非限制性示例性维度是5mm2×8mm2的量级。如图7A中所示，可以使用任何合适的技术(诸如使用荫罩)将金(或其它合适的金属)电极37沉积在三层致动器10的两侧。如图7B中所示，可以使用模具39来成形弹性体效应器323。模具39可以首先被涂覆作为底层的PVA。然后，如图7C中所示，三层致动器10可以在模具39的适当形状的凹槽41中对准，使得电极37位于凹槽41之外。然后，弹性体(例如，封装材料，作为非限制性示例，诸如苯乙烯异丁烯苯乙烯(SIBSTAR))可以被倒入或以其它方式引入三层致动器10周围的模具39中，以在三层致动器10之上形成膜。在一些实施例中，这种封装膜的厚度可以在0.25mm-2.5mm的范围内。在弹性体固化之后，通过将PVA层溶解在水中，嵌入三层致动器10的一部分的弹性体的薄层将从模具39中剥离或以其它方式移除，然后可以如图7D中所示那样切割边缘，以提供部分地嵌入弹性体47中的多个三层致动器10。如图7E中所示，制成保持器43，通过其切割适于接纳三层致动器10的阱45。每个阱45的一部分可以被成形为保持具有电极37的每个三层致动器10的区域，而每个阱45的另一部分可以被成形为允许其三层致动器10在阱45中自由移动。然后，部分地嵌入弹性体47中的三层致动器10可以被插入到保持器43中，使得弹性体47位于保持器43的顶部上，并且保持器43提供如图7F中所示的基板325。
图8A-8D(统称为图8)绘出了根据另一个特定实施例的、可以被用来提供人可检测的触感刺激的装置422的一部分(例如，单元格)428的各种视图。由装置422的部分428(为了简洁，在本文中可以被称为装置422)提供的刺激可以在由双头箭头430指示(在图8的实施例中)的横向方向中(至少部分地)定向。这种横向方向可以是与装置422的基板425平行或相切的方向，或者与用户与装置422交互的一般(例如，宏观)表面平行或相切的方向。如下文将更详细地解释的，如图6的装置322，装置422的三层致动器10与效应器423接触并且三层致动器10的变形造成效应器423的对应移动，这可以由人体表面417(例如，指尖表面417)检测。
装置422包括与上述图1的三层致动器10相似的一个或多个三层致动器10'。在图8B中示意性地示出了一个三层致动器10'的截面。三层致动器10'与上述三层致动器10的不同之处在于，三层致动器10'包括由第一对导电层12A、14A和第二对导电层12B、14B共享的中心可变形层16。电压可以选择性地施加到导电层12A、14A、12B、14B中的任何一个。例如，电压可以施加在第一对导电层12A、14A之间，从而使导电层12A、14A之一收缩，而导电层12A、14A中的另一个膨胀，由此造成三层致动器10'在图8B所示的视图中在页面上向左或向右变形。作为另一个示例，可以在第二对导电层12B、14B之间施加电压，从而使导电层12B、14B之一收缩，而导电层12B、14B中的另一个膨胀，由此造成三层致动器10'在图8B所示的视图中在页面上向上或向下变形。在图8所示的实施例中，三层致动器10'远离基板425延伸(它们或者刚性地或者可变形地连接到基板425)。将认识到的是，适当的电压可以施加到第一对导电层12A、14A和/或第二对导电层12B、14B，以在二维空间上可控制地使三层致动器10'变形并且实现二维空间的效应器423的对应移动。例如，合适的电压可以施加到第一对导电层12A、14A和第二对导电层12B、14B，以可控制地使三层致动器10'以45°角变形(而不是图8B所示的视图中的上下或左右)。依赖于致动器10'的期望的方向/移动量，可以在中心可变形层16周围使用任意数量的导电层。在一些实施例中，可以堆叠多个层，以增加对应的力。当允许堆叠的三层致动器相对于彼此滑动时，可以增加与三层致动器的移动相关联的力，而不显著地减小位移。
在图8的实施例中，装置422的三层致动器10'与效应器423接触。图8实施例的效应器423包括细长的头发状结构，其远离三层致动器10'并远离基板425延伸。图8中所示的效应器423具有大致圆形的截面，但这不是必需的，并且在一些实施例中，效应器423可以具有不同的截面形状或者截面变化的形状(例如，金字塔形)。在一些实施例中，效应器423可以包括三层致动器10'的可变形层16的连续延伸。效应器423与三层致动器10'接触。在图8的实施例的情况下，在效应器423和三层致动器10'之间存在一对一的对应关系，但这不是必需的。在一些实施例中，可以有多个三层致动器10'与个体效应器423接触，或者多个效应器423与个体三层致动器10'接触。
图8C示出了与第一施加电压对应的第一形状的三层致动器10'。在所示的实施例中，图8C中所示的三层致动器10'的第一形状与它们的环境状态(即，零电压施加在三层致动器10'的导电层12A、14A之间或者导电层12B、14B之间)对应。当三层致动器10'具有第一施加电压时，它们具有对应的第一形状。在图8C所示的实施例的情况下，三层致动器10'的第一形状(处于其环境状态下)在与基板425大致垂直(例如，在一些实施例中在垂直的±5％以内，而在一些实施例中在垂直的±10％以内)的方向延伸。图8D图示了当第二电压施加在三层致动器10'的导电层12A、14A之间时的配置。在图8D中所示的第二电压的施加下，导电层12A收缩并且导电层14A膨胀，使得三层致动器10'具有第二形状。在所示图8D实施例的特定情况下，三层致动器10'的形状变形，使得远离基板425的三层致动器10'的端部在横向方向430A上移动，该横向方向430A与基板425的表面大致相切。
应当认识到的是，图8D中所示的三层致动器10'的第二形状仅表示施加在导电层12A、14A之间的一种可能的电压配置(例如，极性)。反转在导电层12A、14A之间的这种施加的电压配置(例如，反转极性)将使三层致动器10'变形为具有第三形状，其中它们的远端在与方向430A相反的横向方向430中移动。类似地，在导电层12B、14B之间施加任一极性的电压将使三层致动器10'变形为具有第四和第五形状，其中它们的远端在与基板425的表面相切但与横向方向430正交的横向方向中移动。以这种方式，应当认识到的是，在导电层12A、14A之间和/或导电层12B、14B之间适当地施加电压可以被用来控制三层致动器10'在两个维度上的移动和/或效应器423在两个维度上的对应移动。类似地，应当认识到的是，三层致动器10'不限于具有彼此正交的两对导电层12A、14A和12B、14B。三层致动器10'可以被制造成具有单对导电层(以实现三层致动器10的一维移动和/或效应器423的对应一维移动)、两对非平行定向的导电层(以实现三层致动器10的二维移动和/或效应器423的对应二维移动)或多于两对导电层(以实现三层致动器10的更精确可控的二维移动和/或效应器423的对应二维移动)。而且，各对导电层可以具有彼此之间不同于正交的角度关系。
当三层致动器10'在它们的第一形状(图8C)和它们的第二形状(图8D)之间或者在它们的任何其它形状(如上所述)之间移动时，三层致动器10'和效应器423之间的接触造成效应器423的对应移动。在图8所示的实施例中，效应器423的移动是由三层致动器10'的对应移动实现的。例如，如在图8C的配置(第一施加电压(其可以为零施加电压))与8D的配置(第二电压施加到导电层12A、14A)之间，效应器423在与三层致动器10'的远端相同的方向(方向430A)上移动。响应于其它电压向三层致动器10'的施加而引起的效应器423的移动可以类似地在与三层致动器10'的远端的变形方向对应的方向上。应当认识到的是，响应于任一极性的电压对导电层12A、14A的施加以及响应于任一极性的电压对导电层12B、14B的施加，效应器423移动(相对于图8C中所示的环境配置)。效应器423在其第一形状和/或配置(图8C中所示，其可以与它们的环境形状和/或配置对应)与其在施加这些电压中任何一个之下的第二形状和/或配置之间的移动可由人的皮肤表面417检测。此外，效应器423在其施加不同电压配置和/或电压施加到不同的导电层对(例如，施加到导电层12B、14B相对于施加到导电层12A、14A)之下的形状和/或配置之间的移动可由人的皮肤表面417检测。
在一些实施例中，效应器423的远端可以设有纹理形状(例如，均匀或变化尺寸的突起和/或凹痕)，以产生更多的纹理感觉的可能性。效应器423可以由(一种或多种)合适的材料制造，并且效应器423的尺寸可以被适当地确定为实现一方面提供足够的刚度以供人的皮肤表面417检测与能够连同三层致动器10'一起(或连同人的皮肤表面417一起)变形之间的权衡。效应器423不需要是可变形层的连续延伸，并且可以是可以与三层致动器10接触的某种其它材料或部件。在一些实施例中，效应器423来自于其的材料的刚度大于三层致动器10的刚度。在一些实施例中，效应器423之间的间距可以在0.5mm-6mm的范围内。在一些实施例中，这个间距在1mm-3mm的范围内，其与人的指尖417的最小两点鉴别大致对应。在一些实施例中，每个效应器423的侧面也可以被着色，以便在其在配置之间移动时提供视觉刺激(以及触感刺激)。
与本文所述的其它实施例一样，通过选择性地将电压施加到特定的三层致动器10'或者三层致动器10'的一个或多个子集以移动其对应的个体效应器423，可以利用图8的实施例获得局部振动或纹理图案。这种选择性的电压施加可以通过类似于上述控制电路18的合适的控制电路来实现。
图9A-9D(统称为图9)示意性地绘出了根据示例性非限制性实施例的、用于制造图8装置422的方法。三层致动器10'可以使用结合图3详细解释的方法来制造。首先，如图9A中所示，模制固体聚合物电解质，以形成头发状的效应器423的1-D阵列。在一些实施例中，效应器423可以被形成为具有1.5mm×1.5mm×5mm的量级的维度。然后，效应器423可以从相对于保持器437的方向浸入PEDOT中，然后被固化，使得效应器423的上表面和侧表面(在所示的视图中)以及保持器437的上表面(在所示的视图中)被涂覆PEDOT，如图9B中所示。然后，如图9C中所示，可以从每个效应器423的顶部并从沿着效应器423的长度的薄条带移除PEDOT，以在效应器423上的四个位置处提供电断开的导电层12A、12B、14A、14B。单独制造的效应器423的一维阵列可以组合，以提供如图9D中所示的效应器的二维阵列。
三层致动器10'的二维控制不必限于其中三层致动器10'与效应器接触的实施例。图13是多个三层致动器10”的示意图，这些三层致动器可以被控制(通过施加合适的电压)，以在二维空间上移动–例如，在第一和第二相对方向上以及不平行于第一和第二相对方向(并且由此可以跨越二维横向定向的空间)的第三和第四相对方向。三层致动器10”在许多方面可以类似于上述三层致动器10'，并且主要区别在于第一和第二相对的导电层12A、14A以及第二和第三相对的导电层12B、14B(参见图8B)沿着三层致动器10”的长度延伸，并且三层致动器10”不与效应器423接触。在其它方面，三层致动器10”可以具有与三层致动器10'相似的特征，反之亦然。应当认识到的是，在第一和第二相对的导电层12A、14A之间施加合适的电压造成三层致动器10”在对应的第一和第二相对方向上的移动(例如，变形或其它)，并且在第三和第四相对的导电层12B、14B之间施加合适的电压造成三层致动器10”在不平行于第一和第二相对方向(并且由此可以跨越二维横向定向的空间)的对应的第三和第四相对方向上的移动(例如，变形或其它)。
图10绘出了根据另一个特定实施例的、可以被用来提供人可检测的触感刺激的装置522的一部分(例如，单元格)528。由装置522的部分528(为了简洁，在本文中可以被称为装置522)提供的刺激可以在由双头箭头530指示(在图10的实施例中)的横向方向(至少部分地)定向。这种横向方向可以是与装置522的基板525平行或相切的方向，或者与用户与装置522交互的一般(例如，宏观)表面平行或相切的方向。如下面将更详细地解释的，如图4的装置222一样，装置522的三层致动器10是悬臂式的并且具有连接到刚性框架513(例如，连接到基板525)的第一边缘511并且具有相对于基板525彼此独立地移动的远侧边缘515。
装置522与图4的装置222的不同之处主要在于，当第一电压被施加到装置522的三层致动器10时(其可以与当装置522的三层致动器10处于其环境状态(即，零电压施加在三层致动器10的导电层12、14之间)的情形对应)，三层致动器10可以具有第一形状，其中三层致动器10大体位于基板525的平面中。当合适的第二电压施加在三层致动器10的导电层12、14之间时，三层致动器10可以变形为具有第二形状，其中导电层12、14之一收缩，而导电层12、14中的另一个膨胀，以使三层致动器10弯曲离开基板525的平面，以具有图10中所示的形状。如图4的装置222一样，当第一电压施加到装置522的三层致动器10时(例如，在图10实施例的情况下，三层致动器10处于其环境状态)，三层致动器10的远侧边缘515可以具有距离其第一边缘511的对应的第一线性距离。当合适的第二电压施加在三层致动器10的导电层12、14之间时，装置522的三层致动器10可以变形为具有图10中所示的第二形状，其中三层致动器10的远侧边缘515距离三层致动器10的第一边缘511处于第二线性距离(小于第一线性距离)。特别地，在图10所示的实施例的情况下，对于每个三层致动器10，第二形状比第一形状相对更弯曲(例如，具有更小的曲率半径)，因此，其第一边缘511和其远侧边缘515之间的第二距离小于其第一边缘511和其远侧边缘515之间的第一距离。在图10所示的实施例的情况下，第一形状一般是平面的(其具有概念上无穷大的曲率半径)，但这不是必需的。在一些实施例中，第一形状和第二形状可以都是弯曲的，并且第一形状和第二形状之一可以具有更大的曲率(更小的曲率半径)，使得第一边缘511和远侧边缘515之间的线性距离对于具有较大曲率的形状相对小并且对于具有较小曲率的形状相对大。在图10的实施例的情况下，三层致动器10的第一形状(与第一电压的施加(其可以为零施加电压)对应)可以与基板525相切，并且，在施加第二电压时，对应的第二形状涉及三层致动器10的远侧边缘515在与基板525的切线垂直的方向上远离基板525变形。
在图10的实施例中，横向边缘(以及远侧边缘515)可以与基板525分离(例如，切割开)，以允许三层致动器10在它们致动时从基板525的平面上升出。在一些实施例中，诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的弹性体分离层可以覆盖不活动区域中的基底525的表面，并且可以在三层致动器10的区域中形成窗口，以在三层致动器10和人的皮肤表面517之间产生空间。如果这个层足够厚，那么三层致动器10可以弯曲90°，从而产生横向定向的力(例如，在方向530)。在具有薄的或没有分离层的实施例中，装置522可以主要在垂直于基板525的方向上生成力。在一些实施例中，诸如突起和凹痕的特征可以附连到三层致动器10或在三层致动器10上形成，以利用不同形状的三层致动器10增强触摸感和/或在皮肤表面517上产生新的感觉。或者，与图2的实施例的情况一样，三层致动器10的两个横向边缘都可以绑定到基板525，使得三层致动器10的中心部分在表面上方升高一定距离，该距离大于三层致动器10的横向边缘升高的距离。
图11A-11D(统称为图11)示意性地绘出了根据示例性非限制性实施例的、用于制造图10装置522的方法。可以使用上面解释的任一方法(固体聚合物电解质(SPE)作为离子导电的可变形层16并且PEDOT作为导电层12、14或者使用在两侧上都电沉积有聚吡咯的PVDF膜)来制造三层致动器片547。图11A示出了这种三层致动器片547。然后，可以使用如图11B中绘出的激光微机械加工完全相同地构图在片材547的两侧上的导电层，以提供个体的三层致动器10。在一些实施例中，每个三层致动器10的横向宽度(w)在0.5mm-2mm之间，并且在一些实施例中，宽/长(w/l)比在0.25-1的范围内。在一些实施例中，两个相邻三层致动器10之间的间距可以在1-2mm的范围内。如图11C中所示，然后，构图的三层致动器10的三个侧面(远侧边缘515和横向边缘)被切割，以允许如上所述的平面外致动。为了在人的皮肤表面517和致动器平面之间提供间距，具有与三层致动器10的图案对应的图案的矩形窗口的弹性体(PDMS、SIBSTAR等)的片材549被放置在片材547的顶部，如图11D中所示。
如上面简要提到的，当前优选的实施例包括三层致动器10，其中导电层12、14由导电聚合物制造。应当注意的是，所有上述触感刺激装置都可以使用电活性聚合物(EAP)三层致动器制造，其中导电层12、14由其它材料制造，但是这种三层致动器的操作特点可以有所不同。例如，图12A示出了离子聚合物金属复合材料(IPMC)三层致动器610，其包括金属导电层612、614导电层，并且其像导电聚合物三层致动器10一样是平面的并且当电压施加在导电层612、614之间时由于离子转移而弯曲。在还有其它实施例中，如图12B中所示，上述装置的三层致动器可以由形式为两个并联电容器的介电弹性体和电致伸缩材料代替。在图12B所示的实施例中，结构710包括夹在三层电极712、714A、714B之间的两层介电弹性体或电致伸缩材料716A、716B。中间电极712可以接地。通过改变电极714A、714B之间的电压，可以使整个结构710在相反的方向上弯曲。
虽然本文讨论了许多示例性方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些修改、置换、添加和子组合。例如：
●任何实施例，其中(一个或多个)三层致动器10由导电聚合物制成的导电层12、14制造，(一个或多个)这种三层致动器10可以制成对人类可见光波长至少部分透明。作为非限制性示例，由厚度为0.125μm量级的PEDOT制造的导电聚合物层12、14预期在可见光谱上具有大于70％的透明度，导电聚合物层12、14越薄，其透明度增加(例如，在一些实施例中超过80％，并且在一些实施例中超过90％)。
●本文所述的任何方法、装置和/或实施例可以包括与上面结合图1描述的控制电路18相似的一个或多个控制电路。这种控制电路可以控制电压向一个或多个三层致动器10的施加。这种控制电路可以能够可控制地向一组或多个三层致动器内的每个个体三层致动器施加电压和/或可以控制更大组或多个三层致动器内的组或多个三层致动器。
●可以使具有三层致动器10(其具有导电聚合物导电层12、14)的本文所述的任何方法、装置和/或实施例在类似于上面结合图1和2的实施例的三层致动器10描述的频率处并利用类似于上面结合图1和2的实施例的三层致动器10描述的切换响应时间在三层致动器形状之间切换。照此，类似于控制电路18的控制电路可以生成复杂波形(不仅仅是正弦波或方波波形)，以生成对应复杂的振动模式。
●类似于图8和9的实施例的效应器423可以与本文所述的其它实施例一起使用。例如，在图4和5的实施例中使用的三层致动器10的远侧边缘215(或其它部分)可以被构造成接触与效应器423相似的效应器，并且这种三层致动器10的移动可以以人可检测的方式造成这种效应器的对应移动。作为另一个示例，在图10和11的实施例中使用的三层致动器10的远侧边缘515(或其它部分)可以被构造成接触与效应器423相似的效应器，并且这种三层致动器10的移动可以以人可检测的方式造成这种效应器的对应移动。
●在一些实施例中，可以使用相邻三层致动器10的堆叠来增加力而不显著减小位移。三层致动器10的这种堆叠可以共享部件。例如，导电层可以是多于一个三层致动器的部分。例如在图2、4和10的实施例中，将三层致动器10放置成彼此靠近使得它们彼此物理接触但可以相对于彼此滑动导致增加的力，同时维持大部分位移。这种方法可以被用来增加力，以使三层致动器10的移动更容易检测。图14示意性地图示了根据特定实施例的、用于提供包括三层致动器10A和10B的堆叠配置的人可检测刺激的装置810。装置810包括位于三层致动器10A、10B之间的可变形材料层812。可变形层812可以是电和离子绝缘的。本发明人已经观察到(根据实验)，当三层致动器10A、10B键合到可变形材料812并且适当的电压施加到这对三层致动器10A、10B时，装置810的对应的力输出(例如，作为整体)可以大于单个三层致动器的对应的力输出。但是，当三层致动器10A、10B键合到可变形材料812时，装置810的位移(例如，作为整体)倾向于减小。相比之下，本发明人已经观察到(根据实验)，当可变形材料812插入在三层致动器10A、10B之间但允许三层致动器10A、10B相对于可变形材料812和/或相对于三层致动器10A、10B中的另一个滑动时，装置810的对应的力输出(例如，作为整体)可以大于单个三层致动器的对应的力输出，但是装置810的位移牺牲相对于当三层致动器10A、10B键合到可变形材料812时减小(装置810的位移的减小不是很大)。在一些实施例中，三层致动器10A、10B可以键合到在一端(例如，第一端811)或附近的第一部分中的可变形材料812，并且可以被允许相对于在另一端(例如，远端815)处或附近的远侧部分中的可变形材料812滑动。在一些实施例中，如图14所示的实施例中的情况，三层致动器10A、10B可以具有不同的尺寸。在一些实施例中，当三层致动器10A具有与三层致动器10B的对应维度不同尺寸的维度时(即，在不同于两个三层致动器10A、10B之间的方向的平行方向中的维度)，力的生成被改善(相对于具有相同尺寸的两个三层致动器10A、10B)。在一些实施例中，三层致动器10A的维度大于三层致动器10B的对应维度的1.5倍。在一些实施例中，三层致动器10A的维度大于三层致动器10B的对应维度的1.8倍。本领域技术人员将认识到的是，图14的实施例仅示出一对堆叠的三层致动器10A、10B。在一些实施例中，可以以类似的方式堆叠多于两个三层致动器。
●在一些实施例中，本文所述的触感刺激提供实施例可以用在移动电子设备(诸如电话、笔记本电脑、平板电脑等)中，以向用户提供包括触感反馈的触感刺激。
●在一些实施例中，本文所述的触感刺激提供实施例可以用在人类所处或可以接触的表面中，诸如冰箱门、桌子、橱柜、椅子、窗户、门、门把手、墙壁、水龙头、炉灶、微波炉、洗碗机、洗衣机、烘干机、栏杆(bannister)等。
●在一些实施例中，本文所述的触感刺激提供实施例可以用在可穿戴的带子、贴片或衣服中，以直接向下面的皮肤或者与设备接触的手指提供刺激。触感信息可以提供警报(例如，药物补片需要更换、电池电量低、血糖低、电话呼叫或消息等待等)。在一些实施例中，触感信息可以提供可被识别的模式。
●在一些实施例中，本文所述的触感刺激提供实施例可以被用来为皮肤上的手指创建有助于与盲人通信的图案。
●在一些实施例中，本文所述的触感刺激提供装置和方法可以附加地或可替代地充当传感器和/或换能器，其中施加的力(例如，由人类用户施加的力)导致三层致动器10的变形，这造成电子三层致动器10中(例如，在导电层12、14之间)的对应响应(例如，电压和/或电流)。在这种配置中，三层致动器10可以附加地或可替代地被配置成提供将施加的力(和三层致动器形状的对应变形)转换成对应的电子响应的传感器和/或换能器。在一些实施例中，相同的三层致动器10可以被配置为充当致动器和换能器。在一些实施例中，单个设备内的不同三层致动器10可以被用作致动器和换能器。
●在一些实施例中，本文所述的触感刺激提供实施例可以被用来提供触感反馈，其可以被反馈到触感输入和/或其它输入。例如，响应于对设备中的触摸的感测，可以使用本文所述的触感刺激提供实施例来生成局部振动，以指示已经检测到触摸。这可能在小键盘或键盘上使用。
●在一些实施例中，本文所述的触感刺激提供实施例可以被用来在可穿戴设备中提供触感反馈，其提供引导人移动的提示。例如，这在学习新的物理任务的过程中会是有用的。
●在一些实施例中，本文所述的触感刺激提供实施例可以被用来在新的设备中提供触感刺激，所述新设备对于诸如皮肤、织物、皮革或硬曲面的表面是可拉伸和/或贴合的。
●在图8、9和13的实施例中，其中三层致动器可以在二维区域上移动，上面的描述提出在相对的导电层之间施加电压–例如，在相对的导电层12A、14A之间和/或相对的导电层12B、14B之间。这不是必需的。在一些实施例中，可能期望在不同的导电层对之间施加电压。例如，可能期望在导电层12A和导电层12B之间和/或在导电层的其它组合之间施加电压。
●在一些实施例中，三层致动器可以被堆叠，以提供具有三层以上的多层致动器。一些层可以在三层致动器10之间共享。例如，在一些实施例中，导电层可以在相邻的三层致动器10之间共享。除非上下文另有规定，否则在描述和任何所附权利要求和/或方面当中，对三层致动器的引用应当被理解为包括这种三层致动器可以包括多层致动器(其包括三层或更多层)的一部分的可能性，其中三层或更多层包括由可变形层隔开的一对导电层，其中可变形层是离子导电和电子不导电的。
●上面关于图2实施例的装置122讨论了许多设计参数。本文所述的任何其它装置都可以利用相同或适当相似的设计参数来设计。

Claims (49)

1.一种用于向人类用户提供触感刺激的装置，所述装置包括：
多个三层致动器，其沿着表面布置并且在横向方向上彼此隔开，所述横向方向大致与所述表面相切；
每个三层致动器包括：
第一导电层和第二导电层，第一导电层和第二导电层电子和离子导电，第一导电层和第二导电层具有一个或多个维度，所述一个或多个维度依赖于离子插入其中和离子从其中排出而变化；
可变形层，位于第一导电层和第二导电层之间并与第一导电层和第二导电层接触，以将第一导电层和第二导电层彼此物理分离，所述可变形层电绝缘并离子导电；以及
每对横向相邻的三层致动器在其横向相邻的边缘连接到可变形构件；
其中，对于每个三层致动器：
在第一导电层和第二导电层之间施加第一电压和第二电压在第一导电层和第二导电层内产生对应的第一离子分布和第二离子分布，并且在第一电压和第二电压的施加之间的改变造成三层致动器在对应的第一形状和第二形状之间的对应变形；
其中三层致动器的第一形状大致与表面对准，并且三层致动器的第二形状包括相对于三层致动器的第一形状的第一导电层和第二导电层远离所述表面的移动。
2.如权利要求1所述的装置，其中第一导电层和第二导电层由一个或多个电子和离子导电的聚合物制造。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括控制电路，并且所述控制电路被配置为在第一电压和第二电压的施加之间切换，并且三层致动器以大于100Hz的频率在对应的第一形状和第二形状之间切换。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括控制电路，并且所述控制电路被配置为从第一电压的施加切换到第二电压的施加，并且每个三层致动器在小于10毫秒的时间内从第一形状切换到第二形状。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括控制电路，并且所述控制电路被配置为在第一导电层和第二导电层之间施加周期性电压信号，所述周期性电压信号具有大于100Hz的频率，并且第一电压和第二电压与所述周期性电压信号的最小振幅和最大振幅对应。
6.如权利要求3至5中任一项所述的装置，其中对于第一电压和第二电压之间的每次切换，第一形状与第二形状之间的差异为与第一电压和第二电压的低频或DC施加对应的每个三层致动器的稳态形状之间最大差异的至少63％。
7.如权利要求3至5中任一项所述的装置，其中对于第一电压和第二电压之间的每次切换，每个三层致动器在第一形状和第二形状之间切换，切换时间快于具有时间常数τ＝2ms的指数e-t/τ的值。
8.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中：
在第一形状中，每个三层致动器基本上是平面的；以及
在第二形状中，第一导电层的维度相对于第一形状的第一导电层的维度延伸，并且第二导电层的维度相对于第一形状的第二导电层的维度收缩，使得在第二形状中，每个三层致动器在第一形状的平面之外变形。
9.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中第一形状与第二形状之间的差异或过渡通过人类用户手指中的一个或多个手指的机械感受器的触摸感可检测。
10.如权利要求9所述的装置，其中第一形状与第二形状之间的差异或过渡通过人类用户手指中的一个或多个手指的Pacinian小体的触摸感可检测。
11.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中当所述多个三层致动器中的至少一个处于第一形状和第二形状中的至少一个形状时，所述多个三层致动器中的至少一个与效应器接触，并且其中所述多个三层致动器中的至少一个在第一形状和第二形状之间的变形造成效应器的对应移动，效应器的移动通过人类用户的触摸感可检测。
12.如权利要求11所述的装置，其中效应器的对应移动在一个或多个横向方向中。
13.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述多个三层致动器中的至少一个的第一和第二相对的横向边缘中的至少一个横向边缘附连到可变形构件。
14.如权利要求13所述的装置，其中第一和第二相对的横向边缘都附连到可变形构件。
15.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述多个三层致动器彼此隔开，以提供小于100Hz的触感感知频率，其中人类用户用身体部位接触装置并以10mm/s的速度移动所述身体部位跨过所述装置。
16.如权利要求1所述的装置，其中在三层致动器彼此隔开的方向上每个三层致动器的维度大于50μm。
17.如权利要求3至5中任一项所述的装置，其中每个三层致动器的横向维度d5小于200μm。
18.如权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括控制电路，并且所述控制电路被配置为在第一电压和第二电压的施加之间切换，并且三层致动器以小于100Hz的频率在对应的第一形状和第二形状之间切换，并且其中每个三层致动器的横向维度d5大于50μm。
19.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中三层致动器的维度被设计成提供大于人类用户指尖的皮肤的刚度的三层致动器的刚度。
20.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中对于每个三层致动器的第二形状，相对于每个三层致动器的第一形状的第一导电层和第二导电层远离表面的移动包括第一导电层和第二导电层的至少第一部分在第一方向上远离所述表面的变形，其中第一方向垂直于所述表面。
21.如权利要求20所述的装置，其中在第一导电层和第二导电层之间施加第三电压在第一导电层和第二导电层内产生对应的第三离子分布，并且使对应的三层致动器呈现第三形状，其中第三电压具有与第二电压相反的极性，第一导电层和第二导电层的至少第二部分在第二方向上远离所述表面变形，其中第二方向与第一方向相反。
22.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中每个三层致动器包括中心部分和位于所述中心部分的对应的第一横向侧和第二横向侧上的第一横向部分和第二横向部分，并且其中，对于每个三层致动器的第二形状，相对于三层致动器的第一形状的第一导电层和第二导电层远离表面的移动包括中心部分远离所述表面移动一段距离，与第一横向部分和第二横向部分远离所述表面的第一移动和第二移动相比，所述距离相对大。
23.如权利要求14所述的装置，其中对于三层致动器的第二形状，相对于三层致动器的第一形状的第一导电层和第二导电层远离所述表面的移动在三层致动器的每个横向边缘处造成可变形构件的对应变形。
24.如权利要求14所述的装置，其中在三层致动器的每个横向边缘处的可变形构件包括可变形层在横向方向上超出第一导电层和第二导电层的横向边缘的连续延伸。
25.如权利要求3所述的装置，其中所述控制电路被配置为从第一电压的施加切换到第二电压的施加，并且每个三层致动器在小于10毫秒的时间内从第一形状切换到第二形状。
26.一种用于向人类用户提供触感刺激的方法，所述方法包括：
提供沿着表面布置并在横向方向上彼此隔开的多个三层致动器，所述横向方向大致与所述表面相切，并且每个三层致动器包括：
第一导电层和第二导电层，第一导电层和第二导电层电子和离子导电，第一导电层和第二导电层具有一个或多个维度，所述一个或多个维度依赖于离子插入其中和离子从其中排出而变化；
可变形层，位于第一导电层和第二导电层之间并与第一导电层和第二导电层接触，以将第一导电层和第二导电层彼此物理分离，所述可变形层电绝缘并离子导电；以及
将控制电路连接到所述多个三层致动器，所述控制电路可配置为对于每个三层致动器在第一导电层和第二导电层之间施加第一电压和第二电压，从而在第一导电层和第二导电层内产生对应的第一离子分布和第二离子分布，并且第一电压和第二电压的施加之间的改变造成三层致动器在对应的第一形状和第二形状之间的对应变形，其中三层致动器的第一形状大致与表面对准，并且三层致动器的第二形状包括相对于三层致动器的第一形状的第一导电层和第二导电层远离所述表面的移动。
27.如权利要求26所述的方法，包括由一个或多个电子和离子导电的聚合物制造第一导电层和第二导电层。
28.如权利要求26所述的方法，包括在第一电压和第二电压的施加之间进行切换，并且以大于100Hz的频率使三层致动器在对应的第一形状和第二形状之间切换。
29.如权利要求26所述的方法，包括从第一电压的施加切换到第二电压的施加，并且使每个三层致动器在小于10毫秒的时间内从第一形状切换到第二形状。
30.如权利要求26所述的方法，包括在第一导电层和第二导电层之间施加周期性电压信号，所述周期性电压信号具有大于100Hz的频率，并且第一电压和第二电压与所述周期性电压信号的最小振幅和最大振幅对应。
31.如权利要求28至30中任一项所述的方法，其中，对于第一电压和第二电压之间的每次切换，第一形状与第二形状之间的差异为与第一电压和第二电压的低频或DC施加对应的每个三层致动器的稳态形状之间最大差异的至少63％。
32.如权利要求28至30中任一项所述的方法，包括对于第一电压和第二电压之间的每次切换，使每个三层致动器在第一形状和第二形状之间切换，切换时间快于具有时间常数τ＝2ms的指数e-t/τ的值。
33.如权利要求26至30中任一项所述的方法，其中：在第一形状中，每个三层致动器基本上是平面的；以及所述方法包括，对于第二形状，相对于第一形状的第一导电层的维度使第一导电层的维度延伸，并且相对于第一形状的第二导电层的维度使第二导电层的维度收缩，使得在第二形状中，每个三层致动器在第一形状的平面之外变形。
34.如权利要求26至30中任一项所述的方法，包括通过人类用户手指中的一个或多个手指的机械感受器的触摸感检测第一形状与第二形状之间的差异或过渡。
35.如权利要求34所述的方法，包括通过人类用户手指中的一个或多个手指的Pacinian小体的触摸感检测第一形状与第二形状之间的差异或过渡。
36.如权利要求26至30中任一项所述的方法，包括当所述多个三层致动器中的至少一个处于第一形状和第二形状中的至少一个形状时，将所述多个三层致动器中的至少一个制造为与效应器接触，并且其中所述多个三层致动器中的至少一个在第一形状和第二形状之间的变形造成效应器的对应移动，效应器的移动通过人类用户的触摸感可检测。
37.如权利要求36所述的方法，其中效应器的对应移动在一个或多个横向方向中，所述横向方向与装置的基板相切地定向。
38.如权利要求26至30中任一项所述的方法，包括将所述多个三层致动器中的至少一个的第一和第二相对的横向边缘中的至少一个横向边缘附连到可变形构件。
39.如权利要求38所述的方法，包括将第一和第二相对的横向边缘都附连到可变形构件。
40.如权利要求36所述的方法，包括将所述多个三层致动器彼此隔开，以提供小于100Hz的触感感知频率，其中人类用户用身体部位接触装置并以10mm/s的速度移动所述身体部位跨过装置。
41.如权利要求26所述的方法，其中在三层致动器彼此隔开的方向上每个三层致动器的维度大于50μm。
42.如权利要求29至30中任一项所述的方法，其中每个三层致动器的横向维度d5小于200μm。
43.如权利要求26所述的方法，包括在第一电压和第二电压的施加之间进行切换，并且使三层致动器以小于100Hz的频率在对应的第一形状和第二形状之间切换，并且其中每个三层致动器的横向维度d5大于50μm。
44.如权利要求26至30中任一项所述的方法，包括使三层致动器的维度被设计成提供大于人类用户指尖的皮肤的刚度的三层致动器的刚度。
45.如权利要求26至30中任一项所述的方法，其中对于每个三层致动器的第二形状，相对于每个三层致动器的第一形状的第一导电层和第二导电层远离表面的移动包括使第一导电层和第二导电层的至少第一部分在第一方向上远离所述表面变形，其中第一方向垂直于所述表面。
46.如权利要求45所述的方法，包括在第一导电层和第二导电层之间施加第三电压，其中第三电压具有与第二电压相反的极性，在第一导电层和第二导电层内产生对应的第三离子分布，并且使对应的三层致动器呈现第三形状，其中第一导电层和第二导电层的至少第二部分在第二方向上远离所述表面变形，其中第二方向与第一方向相反。
47.如权利要求26至30中任一项所述的方法，其中每个三层致动器包括中心部分和位于所述中心部分的对应的第一横向侧和第二横向侧上的第一横向部分和第二横向部分，并且其中，对于每个三层致动器的第二形状，相对于三层致动器的第一形状的第一导电层和第二导电层远离表面的移动包括使中心部分远离所述表面移动一段距离，与第一横向部分和第二横向部分远离所述表面的第一移动和第二移动相比，所述距离相对大。
48.如权利要求39所述的方法，其中对于三层致动器的第二形状，相对于三层致动器的第一形状的第一导电层和第二导电层远离所述表面的移动在三层致动器的每个横向边缘处造成可变形构件的对应变形。
49.如权利要求39所述的方法，包括将在三层致动器的每个横向边缘处的可变形构件制造为可变形层在横向方向上超出第一导电层和第二导电层的横向边缘的连续延伸。
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