CN107924989A - 基于电活性聚合物或光活性聚合物的致动器设备 - Google Patents

Abstract

一种致动器设备包括具有有效长度的电活性聚合物设备或光活性聚合物设备，在所述有效长度上，通过致动引发扩展或收缩。所述有效长度大于聚合物布置所占空间的最大线性物理维度。以这种方式，提供了能够支持大的致动位移的紧凑设计。

Description

基于电活性聚合物或光活性聚合物的致动器设备

技术领域

本发明涉及利用电活性聚合物或光活性聚合物的致动器设备。

背景技术

电活性聚合物(EAP)和光活性聚合物能够用于基于电刺激或光刺激将力施加到负载或者将位移施加到非负载表面。

电活性聚合物(EAP)尤其是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP能够作为传感器或致动器使用，并且能够很容易被制造成各种形状，从而允许被集成到各种系统中。

本发明尤其涉及致动器设计。

已经开发出具有诸如致动应力和应变的特性的材料，这些特性在过去的十年中已经得到显著改善。技术风险已经降低到产品开发可接受的水平，使得EAP在商业和技术上越来越受到关注。EAP的优点包括低功耗、小形状因数、灵活性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间以及循环致动。

EAP材料的改进性能和特殊优势使其适用于新的应用。

EAP设备能够用于其中需要基于电致动而使部件或特征进行少量移动的任何应用中。

与普通的致动器相比，EAP的使用实现了以前不可能实现的功能，或者提供了比普通的致动器解决方案很大的优点，这归因于相对大的变形和小体积中的力或薄外形因数的组合。EAP还可以实现无噪声操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可能的驱动频率，例如，0-20kHz。

使用电活性聚合物的设备能够被细分成场驱动材料和离子驱动材料。

场驱动EAP的范例是介电弹性体、电致伸缩聚合物(例如，基于PVDF的弛豫聚合物或聚氨酯)以及液晶弹性体(LCE)。

离子驱动EAP的范例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合材料以及离子聚合物金属复合材料(IPMC)。

场驱动EAP通过直接的机电耦合由电场致动，而离子EAP的致动机制涉及离子的扩散。这两类都有多个家族成员，每个家族成员都有各自的优点和缺点。

图1和图2示出了EAP设备的两种可能的操作模式。

该设备包括夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间的电活性聚合物层14。

图1示出了未被夹紧的设备。如图所示，使用电压来使电活性聚合物层在所有方向上扩展。

图2示出了被设计为使得仅在一个方向上产生扩展的设备。该设备由载体层16支撑。使用电压来使电活性聚合物层弯曲或弓弯。

这种移动的性质例如是由在被致动时扩展的主动层与被动载体层之间的相互作用引起的。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，可以例如应用分子取向(膜拉伸)，从而迫使在一个方向上的移动。

在一个方向上的扩展可能是由EAP聚合物的不对称引起的，或者可能是由于载体层性质的不对称或以上两者的组合引起的。

EAP设备的扩展和随之而来的移动或形状改变在许多情况下用于向外部部件递送致动力。然而，在一些应用中，移动的冲程(stroke)也是重要的。能够应用基本的机械方法来增加EAP致动器的纵向尖端位移。例如，通过串联连接多个致动器或通过增加单个致动器的长度L，可以增加冲程。由致动应变与原始长度的乘积给出致动器尖端的位移。

在这两种情况下，惩罚都是致动器的增大的总长度。当结合体积限制时需要大的尖端位移时会出现问题。

发明内容

本发明的目的是至少部分解决上述问题。该目的通过独立权利要求所定义的本发明来实现。从属权利要求提供了有利的实施例

根据本发明的一个方面的范例，提供了一种致动器设备，包括：

电活性聚合物布置或光活性聚合物布置，其包括由中间层连接的至少两个叠置的聚合物单元的堆叠，其中，所述至少两个叠置的聚合物单元中的一个聚合物单元被连接到所述中间层的一个端部，并且所述至少两个叠置的聚合物单元中的另一个聚合物单元被连接到所述中间层的相反的端部，其中，所述中间层包含另外的电活性聚合物单元或光活性聚合物单元，使得所述堆叠包括顶部、中部和底部电活性聚合物单元或光活性聚合物单元；以及

驱动单元，其中，所述驱动单元能够以至少第一模式、第二模式和第三模式进行操作，其中：

在所述第一模式中，所述顶部聚合物单元和所述底部聚合物单元被驱动关闭，并且所述中部电活性聚合物单元被驱动开启；

在所述第二模式中，所述顶部聚合物单元和所述底部聚合物单元被驱动开启，并且所述中部电活性聚合物单元被驱动关闭；并且

在所述第三模式中，所述顶部聚合物单元、所述中部聚合物单元和所述底部聚合物单元全部都被驱动关闭，并且其中，在所述第三模式中，这三个聚合物单元具有相同的长度。

本发明使得EAP致动器或光活性聚合物致动器能够提供大于单个线性设备或一系列这样的设备串所实现的位移的位置。具体地，致动器设备的有效长度(即，单个线性致动器递送相同位移所需的长度)大于设备的物理尺寸。位移可以例如大于致动器外部维度(长度)乘以致动应变。这允许开发小形状因数的致动器。

下文使用术语“聚合物布置”和“聚合物单元”来分别一般性地指示光活性或电活性聚合物布置或单元。

现在将更全面解释在该背景中使用的术语“有效长度”的含义。如果基于给定的致动信号(电信号或光信号)，聚合物单元的长度改变了x％，那么当对于相同的给定致动信号存在实际观测到的长度变化y时，“有效长度”Le能够被推导为Le＝y/(x/100)。

因此，Le是基于材料的性质，特别是基于针对给定的致动信号所预期的长度x的百分比变化，将引起观察到的长度的绝对变化y的原始长度。Le能够被认为是提供观测到的绝对长度变化y所需的单个致动器设备的长度。

对于实际长度为Lr的单个线性致动器，长度的变化将是y＝Lr(x/100)。在这种情况下，Le＝Lr。

对于两个长度为Lr且端部到端部串联的致动器，观察到的长度变化将为y＝2Lr(x/100)。在这种情况下，Le＝2Lr。如果这两个致动器是以这种方式进行端部到端部的简单连接，那么物理长度也将是2Lr，并且没有实现节省空间。

本发明提供了其中物理长度小于有效长度Le的设计，并且从而有效长度大于布置的最大物理线性维度。例如，堆叠布置可以使得物理长度能够保持在Lr(即，构成整个布置的一个单元的长度)，但是堆叠设计给出比单个单元更大的长度变化。

请注意，“有效长度”不是各个单元的全部长度的简单总和。例如，在多个单元简单并联的情况下，有效长度仅仅是一个这样的单元的长度，这是因为移动的范围不会由于这样的配置而增加。相反，力会增加。在各个单元串联的情况下，有效长度实际上是各个单元的长度的总和，但是这些单元的物理长度是相同的。

优选地，有效长度比最大线性物理维度大至少50％，例如是最大线性维度的至少两倍，甚至更优选为三倍或更多倍。

所述聚合物布置包括由所述中间层连接的所述至少两个叠置的聚合物单元的堆叠，其中，所述至少两个叠置的聚合物单元中的一个聚合物单元被连接到所述中间层的一个端部，并且所述至少两个叠置的聚合物单元中的另一个聚合物单元被连接到所述中间层的相反的端部。

这定义了Z字形结构，其具有交错叠置的一对聚合物单元。如果两个聚合物单元扩展或收缩，则总体扩展或收缩将两个单元的个体扩展或收缩结合起来，这与线性单元串的情况一样，但是它们的叠置减小了设备的尺寸。

所述中间层包括另一电活性聚合物单元或光活性聚合物单元，使得所述堆叠包括顶部、中部和底部电活性聚合物单元或光活性聚合物单元。通过具有三层堆叠，当顶部单元和底部单元处于其长模式中时，中部单元能够处于其短模式中。

为此目的，所述设备包括驱动单元，其中，所述驱动单元能够以至少三种模式进行操作。

在所述第三模式中，这三个聚合物单元具有相同的长度。因此，这三个聚合物单元具有相同的固有长度(即，当它们全部关闭时)。这简化了设备的制造。

所述设备可以包括：在所述叠置的聚合物单元中的所述另一个聚合物单元的未连接到所述中间层的一个端部处的固定端部，以及在所述叠置的聚合物单元中的所述一个聚合物单元的未连接到所述中间层的所述端部处的自由端部。

因此，所述自由端在所述第三模式中可以具有静止位置，并且所述自由端在所述第一模式中在一个方向上移位，并且所述自由端在所述第二模式中在相反的方向上移位。

以这种方式，致动是针对设备的两侧的。因此，第一模式和第二模式提供到相对于操作的第三模式的静止位置的相对侧的致动。

所述堆叠的层可以包括单个折叠层，所述单个折叠层具有分段的电极以定义不同的能致动的聚合物单元。

在这些设计中，所述聚合物单元优选是平面的，并且有效长度沿着平面内的方向。可以提供用于在所述堆叠方向上夹紧所述堆叠以防止屈曲的夹紧布置。

例如，可以通过使用简单的开关驱动方案来实现增量式尖端位移。

在一组范例中，所有聚合物单元都是电活性聚合物。然而，相同的方法也可以应用于光活性聚合物。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的范例，其中：

图1示出了未被夹紧的已知的电活性聚合物设备；

图2示出了被衬背层限制的已知的电活性聚合物设备；

图3示出了在两种不同模式中的EAP致动器设备的第一范例；

图4示出了在三种不同模式中的EAP致动器设备的第二范例；

图5示出了EAP致动器设备的第三范例；

图6示出了EAP致动器设备的第四范例；

图7示出了在两种不同模式中的EAP致动器设备的第五范例；并且

图8示出了在两种不同模式中的EAP致动器设备的第六范例。

具体实施方式

本发明提供了致动器设备，所述致动器设备包括具有有效长度的电活性聚合物布置或光活性聚合物布置，在所述有效长度上，通过致动引起扩展或收缩。所述有效长度大于电活性聚合物布置或光活性聚合物布置所占空间的最大线性物理维度。以这种方式，提供了能够支持大的致动位移的紧凑设计。

下面的详细描述基于各种EAP致动器设计，但是相同的方法等同地应用于光活性聚合物设计。

图3示出了在两种不同模式中的不落入本发明范围内的EAP致动器设备的第一可能范例。

所述设备包括电活性聚合物布置20，所述电活性聚合物布置20包括由中间层26连接的两个叠置的电活性聚合物单元22、24的堆叠。顶部电活性聚合物单元的端部被连接到中间层26的第一端部(图3中的左端)，并且底部电活性聚合物单元34被连接到中间层26的相反的端部(图3中的右端)。

这定义了Z字形结构，其具有交错叠置的一对电活性聚合物单元。如图3所示，致动器在一个端部(例如，底部致动器24的左端)处被固定。

所述致动器具有对总体扩展或收缩做出贡献的有效长度，所述有效长度至少是两个电活性聚合物单元22、24的长度的组合。因此，所述有效长度大于电活性聚合物布置所占空间的最大线性物理维度。

这个物理维度通常只是端点之间的长度。最大物理维度可以被认为是当所有的EAP单元都被关闭时存在的维度(其将等于图3中所示的长度L)，或者可以被认为是在所有致动状态之间出现的最大长度。在后一种情况下，针对图3的范例的最大物理维度是图3(b)中的总长度。

如以上所解释的，“有效长度”Le可以被认为是针对给定的致动信号将产生观察到的绝对长度变化的(单个线性致动器的)原始长度。

针对致动器设备的串联连接，有效长度将等于以串联方式对总位移做出贡献的长度的总和，该长度是在设备处于非致动模式中时测得的。因此，针对图3的范例，有效长度是图3(a)中的在其静止位置中的两个EAP单元的长度的总和，或者是图3(a)中的所有三个单元的总和，前提是所有三个单元都是电活性聚合物单元(这些不同的选项在下面进行讨论)。有效长度是在被致动时以组合方式对扩展或收缩做出贡献的非致动模式中的长度。

实际上，在图3的范例中，中间层26也可以是电活性聚合物单元，使得该堆叠包括顶部、中部和底部电活性聚合物单元。通过具有三层堆叠，当顶部单元和底部单元处于它们的长模式中时，中部单元能够处于其短模式中。在这个范例中，当设备从短模式切换到长模式时，中部单元收缩，但是这种长度减小以组合方式对设备的总长度的增大做出贡献。

以这种方式，在图3(a)所示的第一模式中，顶部电活性聚合物单元22和底部电活性聚合物单元24被驱动关闭(处于它们的短模式中)，并且中间电活性聚合物单元26被驱动开启(处于其长模式中)。请注意，替代设计可以被驱动开启到它们的短模式并且被驱动关闭到它们的长模式。

在图3(b)所示的第二模式中，顶部电活性聚合物单元22和底部电活性聚合物单元24被驱动开启(处于它们的长模式中)，并且中间电活性聚合物单元被驱动关闭(处于其短模式中)。

在这种设计中，在第一模式中，三个电活性聚合物单元具有相同的长度。因此，三个电活性聚合物单元具有不同的固有长度(即，当它们全部关闭时)。

能够假定个体单元的位移D遵循以下关系：

D＝L×ε

其中，L是静止长度，并且ε是(工程)应变。

因此，这种设计利用了具有交替的机械连接的EAP单元的多体堆叠与交替的开关驱动信号的组合。如果驱动信号不交替，则多体堆叠具有与单个致动器相同的位移。通过对单个致动器的驱动信号进行交替，总的尖端位移乘以致动器的数量。

在优选实施例中，较短的致动器在延伸(V＝开)时的长度等于较长的致动器处于其非延伸模式(V＝关)时的长度L。因此，较短的EAP单元26在非延伸时的长度为L×(1/(1+ε))。

以这种方式，堆叠显示最小的外部维度(L)和最大的可能的前向位移。

使用控制器来以交替方式驱动致动器区段以具有最大(静止或往复)尖端移动。通过改变激活区段的数量，尖端位移能够在零与最大位移之间递增地变化。

图3的结构具有n＝3个电活性聚合物单元，该结构给出了图3(a)与图3(b)之间的位移差：

D＝L×ε×((1/1+ε)+2)

对于小的ε，这近似为D＝L×ε×3。

因此，如以上所定义的图3的设计的有效长度是3L，其中，L是单元22、24的静止长度，但是单元26的静止长度是L/(1+ε)。

更一般地，对于n层的堆叠(其中，n是奇数，使得存在(n-1)/2个中部单元和1+(n-1)/2个顶部单元/底部单元)：

D＝L×ε×(((n-1)/2×(1/1+ε))+((n-1)/2)+1)

上面定义的有效长度只是nL。

对于小的ε，这近似为D＝L×ε×n。

能够基于所需的位移来选取堆叠中的EAP单元的数量。因此，设计可以具有3个、5个、7个或9个单元，或者实际上有任意奇数个单元。稍微不同的设计可以具有大于3的偶数个单元，在这种情况下，致动尖端与固定连接位于设备的相同的端部。

请注意，每个个体EAP单元可以包括多层结构。

如果尖端需要提供致动力，则可以使用用于在z方向(即，堆叠方向)上夹紧堆叠的器件来防止堆叠屈曲。这能够通过以下操作来实施：在顶部添加向下的夹紧力，并且利用非常低的摩擦材料涂覆致动器的表面或者在堆叠层之间添加具有非常低的剪切模量、但在z方向上具有高拉伸模量的粘合材料。这可以例如包括细的垂直线的阵列。

图4示出了在三种不同模式中的EAP致动器设备的第二范例。

在图3的范例中，电活性聚合物单元具有不同的长度。在图4(a)中，示出了第三模式，在所述第三模式中，顶部、中部和底部电活性聚合物单元全部被驱动关闭。这可以被认为是第三模式，并且是针对电活性聚合物单元的静止模式。在该模式中，三种电活性聚合物单元具有相同的有效长度。因此，三种电活性聚合物单元具有相同的固有长度，并且都能够具有相同的设计。致动器尖端30位于顶部单元22的非耦合端部处，并且底部单元24的非耦合端部被固定。

图4(b)示出了第一模式(类似于图3(a))，在所述第一模式中，中部单元被致动并因此扩展。致动器尖端30相对于其先前的位置移动到一侧。

图4(c)示出了第二模式(类似于图3(b))，在所述第二模式中，顶部单元和底部单元被致动并因此扩展。致动器尖端30相对于其先前的位置移动到另一侧。

在这种情况下，致动是针对设备的两侧的。因此，第一模式和第二模式提供到相对于操作的第三模式的静止位置的相对侧的致动。

因此，该范例提供了具有EAP致动器的多体堆叠，所述多体堆叠具有交替的机械连接并结合每个EAP单元的单独的驱动信号。在这种情况下，能够达到的位移的幅度大于针对图3的幅度，而不是仅在一个方向上。使用相似长度的单元对于制造和谐振驱动是有利的。

具体地，具有相似的固有长度的单元具有相似的谐振频率。

尖端位移在以下各项之间变化：

D＝-(n-1)/2×ε×L；以及

D＝((n-1)/2+1)×ε×L

因此，总范围等于n×ε×L。

图5示出了EAP致动器设备的第三范例。在这种设计中，中间单元26是刚性部分。该堆叠然后包括两个叠置的电活性聚合物单元22、24以及它们之间的刚性连接件。这种设计使得所有的电活性聚合物单元都能够以相同的方式被驱动，因此简化了驱动方案和电极布置。

设备同样能以至少第一模式和第二模式进行操作。在第一模式中，两个电活性聚合物单元被驱动关闭。在图5所示的第二模式中，两个电活性聚合物单元被驱动开启。

因此，堆叠具有EAP单元22、24和坚硬的被动材料26的交替层。第一(上部)EAP单元22的端部被连接到被动层的一个端部。该层在另一端部处被连接到第二(下部)EAP单元，创建了与n×ε×L成比例的净位移，其中，n是仅EAP层的数量。

备选地，该位移可以被表达为：

D＝((n-1)/2+1)×ε×L，其中，n是包括EAP单元和被动层的总的层数。

在优选实施例中，被动材料的长度等于当其处于其非延伸模式(未施加电压)时最长致动器的长度。以这种方式，堆叠显示最小的外部维度(L)和最大可能的位移。

EAP单元同样以交替方式被驱动以具有最大(静止或往复)尖端移动。通过改变激活区段的数量，尖端位移能够在零与最大位移之间递增地变化。

这个范例使得驱动方案更加简单，例如仅有两根导线，并且允许嵌入到每个被动层中的膜电子器件。

上面的所有设计都可以扩展到更多的层，如以上所解释的，可以是奇数个单元或者是偶数个单元。

在所有这些堆叠设计中，堆叠的层可以包括单个折叠层，所述单个折叠层具有分段的电极以定义不同的电活性聚合物单元。

图6示出了具有分段的电极的单个折叠的EAP片材以及位于弯曲部处的非电极区。

单个折叠片材60定义了所有三个EAP单元。如果在中部单元中没有提供电极，则它可以是如图5的范例中的静态层。在堆叠中的相邻层之间存在低摩擦界面62。这可以用作用于在堆叠方向上夹紧堆叠以防止屈曲的夹紧布置。低摩擦使得能够相对滑动。界面62还可以在不同的电极布置之间提供电屏蔽。

堆叠中的每个驱动单元具有顶部电极64和底部电极66。在图6中，所有三个单元都被驱动，因此存在六条电极线67，并且在每对之间施加驱动信号。图6示意性地示出了用于将所需的驱动信号递送到电极线67的驱动单元68。如图6所示，当顶部电极对和底部电极对具有零信号时，中间对具有高电压，并且当顶部电极对和底部电极对具有高电压信号时，中间对处于零。

片材60中的弯曲部没有金属化。

顶部外表面和底部外表面具有另外的片材70以防止屈曲。

设备的一个端部用作能移动的尖端，并且存在用于与要被致动设备接口连接的尖端接口72。尖端接口被连接到片材60的端部并且还被连接到顶部抗屈曲层70。片材的另一端部通过胶74被附接到底部抗屈曲层，并且这为图6的设计定义了静止点。

电活性聚合物单元在上述设计中是平面的，并且有效长度沿着平面内的方向。

上面的范例使用了三层堆叠。更多的层可以被添加到堆叠以增加位移。然而，更简单的结构(不在所要求保护的本发明的范围内)也可以使用没有中间层的双层堆叠。在第一模式中，底部能致动聚合物层被驱动关闭，并且顶部能致动聚合物层被驱动开启；而在第二模式中，底部聚合物层被驱动开启，并且顶部聚合物被驱动关闭。通过使顶部聚合物层的一个端部从外部被固定，并且顶部聚合物层的另一端部被附接到底部聚合物层，底部聚合物的自由端部变成致动器尖端。它根据扩展量移动外部固定物的每一侧，这取决于哪个聚合物层被致动。

因此，并非设备的所有可能范例都需要中间层。它提供的优点是，致动器尖端能够被定位为远离外部固定物。

在另外的一组范例中，电活性聚合物布置是线圈式的，并且线圈的外尖端包括致动尖端。这提供了一种对减小电活性聚合物布置的线性尺寸同时保持大于线性尺寸的有效长度的备选方式。

图7示出了第一线圈式设计。单元的最大外部维度是外径，被示为L。线圈被固定在中心。当线圈被致动时，自由端部移动。在图7中，自由端部沿直线移动。

图8示出了第二线圈式设计。单元的最大外部维度也是外径，被示为L。线圈同样被固定在中心。在图8中，自由端部以曲线移动。

为了以期望的方式限制移动，使用外部导轨布置。

在所有范例中，可以通过使用简单的开关驱动方案来实现增量式尖端位移。

堆叠中的各个单元可以例如具有10mm×10mm×0.5mm的维度。典型的和非限制性的尺寸范围可以从50mm×50mm×2mm到2mm×2mm×0.1mm。平面图中的形状可以是正方形，但也可以是细长的矩形。

适合用于EAP层的材料是已知的。电活性聚合物包括但不限于以下子类：压电聚合物、机电聚合物、弛豫铁电聚合物、电致伸缩聚合物、介电弹性体、液晶弹性体、共轭聚合物、离子聚合物金属复合材料、离子凝胶和聚合物凝胶。

子类电致伸缩聚合物包括但不限于：

聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚氨酯或其混合物。

子类介电弹性体包括但不限于：

丙烯酸酯、聚氨酯、硅酮。

子类共轭聚合物包括但不限于：

聚吡咯、聚-3,4-亚乙基二氧噻吩、聚(对亚苯基硫醚)、聚苯胺。

可以提供额外的被动层而响应于所施加的电场来影响EAP层的行为。

每个单元的EAP层可以被夹在电极之间。电极可以是能拉伸的，使得它们遵循EAP材料层的变形。适合用于电极的材料也是已知的，并且可以例如选自包括以下的组：金属薄膜(例如，金、铜或铝)，或者有机导体(例如，碳黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)(例如，聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT：PSS)))。也可以使用金属化聚酯膜(例如，金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))，例如使用铝涂层。

例如将考虑不同层的弹性模量(杨氏模量)来选择用于不同层的材料。

上面讨论的那些额外的层可以用于调整设备(例如，额外的聚合物层)的电行为或机械行为。

EAP设备可以是电场驱动设备或离子设备。离子设备可以基于离子聚合物-金属复合材料(IPMC)或共轭聚合物。离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是合成的复合纳米材料，其在施加的电压或电场下显示出人造肌肉的行为。

IPMC包括离子聚合物(如Nafion或Flemion)，其表面经化学镀覆或物理涂覆导体(例如，铂或金)或碳基电极。在施加的电压下，由于在IPMC带上施加的电压引起的离子迁移和重新分布引起弯曲变形。该聚合物是溶剂溶胀的离子交换聚合物膜。该场引起阳离子与水一起到达阴极侧。这引起亲水簇的重组和聚合物扩展。阴极区中的应变引起聚合物基体其余部分中的应力，引起向阳极弯曲。反转施加的电压反转弯曲。

如果镀覆的电极被布置为不对称结构，则所施加的电压能够引发各种变形，例如，扭曲、滚动、扭转、转动以及不对称的弯曲变形。

如以上所提及的，以上解释的机械设计也可以应用于光活性材料。这样的光机械响应材料例如包括嵌入聚合物基体中的光机械响应分子。光机械响应分子根据利用某个波长的光所施加的照射来改变形状。

最常见的光机械材料是由材料中存在的光响应分子中的两种同分异构状态之间的形状变化所驱动的。反式构型之间的切换是通过利用与反式状态中的分子的吸收波长相对应的光进行照射来驱动的，而切换回亚稳态的顺式构型能够被热诱导，或者通过利用与其顺式状态中的分子的吸收波长相对应的波长的光进行照射而再次被触发。

这样的材料包括但不限于蒽、二芳基乙烯、螺吡喃以及偶氮苯(包括取代的偶氮苯，例如，氨基偶氮苯和假芪类)。这些光机械响应分子通过以下两种方式被嵌入聚合物材料：经由利用这种功能性光机械响应分子对主聚合物进行掺杂，或者经由被聚合在聚合物中的具有光机械功能的共价键合的分子。这包括偶氮官能化单体的聚合或具有不同主链的聚合物的后官能化，创建了侧链偶氮官能化聚合物。

聚合物在性质上能够是无定形或液晶(LC)。在无定形聚合物在所有方向上均等收缩的情况下，能够使LC聚合物在优先方向上变形，从而大大增加该方向上的效果。液晶弹性体(LCE)是用于光机械材料的特别合适的材料，这是因为它们能够在全固态聚合物材料中具有LC诱导的方向性。

本发明对于被设计为具有平面内线性扩展响应的致动器是特别有意义的。某些类型的材料(例如，离子EAP)具有弯曲响应或平面内扩展响应，这取决于它们被如何驱动或限制。因此，离子EAP和光驱动材料可以被配置为提供期望的平面内扩展，例如通过从材料层的两个相对侧进行致动。

本发明能够应用于许多EAP和光活性聚合物应用，包括对致动器的被动矩阵阵列感兴趣的范例。

在许多应用中，产品的主要功能依赖于人体组织的(局部)操纵或组织接触界面的致动。在这样的应用中，EAP致动器例如提供了独特的益处，其主要是因为小的形状因数、灵活性以及高能量密度。因此，EAP和光活性聚合物能够被很容易地集成在软的3D成形的和/或微型的产品和界面中。这样的应用的范例是：

皮肤美容处置，例如，以响应性聚合物为基础的皮肤贴片形式的皮肤致动设备，其对皮肤施加恒定的或循环的拉伸以拉紧皮肤或减少皱纹；

具有患者接口面罩的呼吸设备，其具有以响应性聚合物为基础的活性垫或密封件，以向皮肤提供交替的正常压力，从而减少或防止面部红色痕迹；

具有自适应剃须头的电动剃须刀。能够使用响应性聚合物致动器来调整皮肤接触表面的高度，以便影响亲密度与刺激之间的平衡；

口腔清洁设备，例如，具有动态喷嘴致动器的空气牙线，以改善喷雾的触及范围，特别是在牙齿之间的空间中的触及范围。备选地，牙刷可以被提供有激活的丝线；

消费电子设备或触摸面板，其经由被集成在用户接口中或附近的响应性聚合物换能器的阵列来提供局部触觉反馈；

具有能操控的尖端以使得能够在弯曲的血管中轻松导航的导管。

受益于这样的致动器的另一类相关应用涉及对光的修改。诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件能够通过使用这些致动器进行形状或位置自适应来进行自适应。这里，EAP的一个益处是能耗更低。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (7)

1.一种致动器设备，包括：

电活性聚合物布置或光活性聚合物布置，其包括由中间层(26)连接的至少两个叠置的聚合物单元(22、24)的堆叠，其中，所述至少两个叠置的聚合物单元中的一个聚合物单元(22)被连接到所述中间层的一个端部，并且所述至少两个叠置的聚合物单元中的另一个聚合物单元(24)被连接到所述中间层的相反的端部，其中，所述中间层(26)包含另外的电活性聚合物单元或光活性聚合物单元，使得所述堆叠包括顶部、中部和底部电活性聚合物单元或光活性聚合物单元；以及

驱动单元(68)，其中，所述驱动单元能够以至少第一模式、第二模式和第三模式进行操作，其中：

在所述第一模式中，所述顶部聚合物单元和所述底部聚合物单元被驱动关闭，并且所述中部电活性聚合物单元被驱动开启；

在所述第二模式中，所述顶部聚合物单元和所述底部聚合物单元被驱动开启，并且所述中部电活性聚合物单元被驱动关闭；并且

在所述第三模式中，所述顶部聚合物单元、所述中部聚合物单元和所述底部聚合物单元全部都被驱动关闭，并且其中，在所述第三模式中，这三个聚合物单元都具有相同的长度。

2.如权利要求1所述的设备，包括：在所述叠置的聚合物单元中的所述另一个聚合物单元(24)的未被连接到所述中间层(26)的端部处的固定端部(24)，以及在所述叠置的聚合物单元中的所述一个聚合物单元(22)的未被连接到所述中间层(26)的端部处的自由端部(30)。

3.如权利要求2所述的设备，其中，所述自由端(30)在所述第三模式中具有静止位置，在所述第一模式中在一个方向上移位，并且在所述第二模式中在相反的方向上移位。

4.如前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述堆叠的层包括单个折叠层，所述单个折叠层具有分段的电极(64、66)以定义不同的聚合物单元。

5.如前述权利要求所述的设备，其中，所述聚合物单元是平面的，并且有效长度沿着所述平面内的方向。

6.如前述权利要求中的任一项所述的设备，还包括夹紧布置(70)，所述夹紧布置用于在所述堆叠方向上夹紧所述堆叠以防止屈曲。

7.如前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，每个聚合物单元包括电活性聚合物，并且致动包括电驱动。