CN108572725A - 用于结合感测和触觉反馈的双功能纤维 - Google Patents

用于结合感测和触觉反馈的双功能纤维 Download PDF

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Abstract

本公开涉及能够用于触觉反馈和感测用户交互的双功能纤维。这样的双功能纤维在结构材料中是有用的，包括作为可穿戴物和配饰的元件。

Description

用于结合感测和触觉反馈的双功能纤维
技术领域
本公开涉及双功能纤维，其能够用于触觉反馈和感测用户交互。这样的双功能纤维在结构材料中是有用的，包括作为可穿戴物和配饰的元件。
背景技术
用在可穿戴物和配饰上的触觉反馈通常基于偏心旋转质量(ERM)电机和线性振致动器(LRA)的使用。但是，这些类型的致动器通常体积庞大，并且经常需要大量电能，使得它们难以整合到衣物或其他可穿戴物和配饰中(即珠宝等)。形状记忆合金也用于可穿戴物中，但是同样，能量的消耗经常限制了它们的适用性和整合的简易性。
所需要的是用于对用户提供触觉反馈的简单机构，其能够容易地在可穿戴的和配饰物中实施，而同样允许感测用户的交互。
发明内容
本公开涉及双功能纤维和智能材料，用于对用户提供触觉反馈和用于感测用户交互。智能材料和双功能纤维可以用在多种用途中，诸如可穿戴物和配饰物。
在示例性的实施例中，本文公开了用于对用户提供触觉反馈和用于感测用户交互的双功能纤维。在实施例中，双功能纤维包括第一导电元件、环绕第一导电元件同心配置的聚合物层、环绕聚合物层同心配置的第二导电元件、环绕第二导电元件同心配置的第一绝缘层、环绕第一绝缘层同心配置的第三导电元件以及环绕第三导电元件同心配置的第二绝缘层。适宜地，双功能纤维在其大致的整体长度上具有大致圆形的横截面。
本文也公开了用于对用户提供触觉反馈或用于感测用户交互的双功能纤维，包括第一导电元件、环绕第一导电元件同心配置的聚合物层、环绕聚合物层同心配置的第二导电元件、电偶联于第一和/或第二导电元件的电源和环绕第二导电元件同心配置的绝缘层。适宜地，双功能纤维在其大致的整体长度上具有大致圆形的横截面。
也公开了用于对用户提供触觉反馈和用于感测用户交互的智能材料，包括结构材料以及与该结构材料相关联的双功能纤维。在另外的实施例中，公开了用于对用户提供触觉反馈和用于感测用户交互的智能材料，包括结构材料，与该结构材料相关联的、配置为致动器的双功能纤维以及与该结构材料相关联的、配置为传感器的双功能纤维。
附图说明
从对实施例的以下描述以及如附图所示的，可以更好地理解本技术的前述和其他特征和方面。并入本文并形成说明书的一部分的附图进一步用于说明本技术的原理。附图中的部件不一定按比例绘制。
图1A显示了本文实施例的智能材料，用于对用户提供触觉反馈和用于感测用户交互。
图1B显示了本文实施例的图1A的智能材料沿线B-B截得的截面图。
图2A显示了本文实施例的双功能纤维。
图2B-2C显示了本文实施例的图2A的双功能纤维替代物沿线B-B截得的截面图。
图3A显示了本文实施例的另外的双功能纤维。
图3B-3C显示了本文实施例的图3A的双功能纤维替代物沿线B-B截得的截面图。
图4A显示了本文实施例的包含双功能纤维的智能材料，用于对用户提供触觉反馈和用于感测用户交互。
图4B显示了图4A中所用的双功能纤维的截面图。
图5A显示了本文实施例的包含双功能纤维的再一智能材料，用于对用户提供触觉反馈和用于感测用户交互。
图5B-5D显示了图5A中所显示的智能材料的双功能纤维的截面图。
图6A-6C显示了本文实施例的智能材料中的双功能纤维的替换布置。
具体实施方式
将详细描述各种实施例，一部分参考附图。对各种实施例的参考不限制本文所附权利要求的范围。另外，在本说明书中阐述的任何实施例并非旨在进行限制，而是仅为所附权利要求阐述了许多可能的实施例中的一些。
在适当的情况下，以单数使用的术语也将包括复数，反之亦然。除非另有说明，或者“一个或多个”的使用是显然不适当的，否则本文中“一(a)”的使用意味着“一个或多个”。除非另有说明，“或”的使用意味着“和/或”。“包含(comprise)”，“包含(comprises)”，“包含(comprising)”，“包括(include)”，“包括(includes)”，“包括(including)”，“具有(has)”和“具有(having)”是可互换的，而不旨在是限制性的。术语“诸如”也不旨在限制。例如，术语“包括”应该意为“包括，但不限于”。
在实施例中，本文提供了用于对用户提供触觉反馈和用于感测用户交互的智能材料。在实施例中，智能材料包括结构材料、设置在结构材料上的第一导电层、配置在第一导电层上的聚合物层、设置在聚合物层上的第二导电层和设置在第二导电层上的绝缘层。
如本文中所使用的，“智能材料”是指能够被控制，使得其响应和性质在外部刺激的影响下改变的材料。
如本文中所使用的，“触觉反馈”或“触觉反馈信号”是指诸如振动、纹理和/或热等的信息，其通过触觉从如本文所描述的智能材料转移给用户。
如本文中所使用的，“感测”或“感觉”是指智能材料、双功能纤维或本文所描述的其他设备或材料与用户交互以及从用户接收反馈的能力。在实施例中，用户反馈可以是以触摸、压力、猛击、摩擦等的形式。通过用户反馈，智能材料、双功能纤维或其他设备或材料可以改变或者修改，并且所提供的触觉反馈或许可以基于交互发信号通知另外的设备。
如本文中所使用的，“结构材料”意味着用在构造可穿戴物、个人配饰、行李等中的材料。结构材料的实例包括：织物和纺织品，诸如棉花、丝绸、羊毛、尼龙、人造丝、合成纤维、法兰绒、亚麻布、聚酯、这种织物的编织物或混纺物等；皮革；绒面革；柔软的金属如箔；凯夫拉(Kevlar)等。可穿戴物的实例包括：服装；鞋类；假肢诸如人造肢体；头饰诸如帽子和头盔；穿在身上的运动装备；防护设备诸如防弹背心、头盔和其他护身服。个人配饰包括：眼镜；领带和围巾；腰带和吊带；珠宝诸如手镯、项链和手表(包括表带和皮带)；以及钱包、皮夹、行李牌等。行李包括：手袋、化妆包、旅行包、手提箱、背包以及包括这些物品的手柄等。
如本文中所使用的，“电活性材料”是指当受到电场刺激(直流或交流电)时在形状或尺寸上显示变化的材料。如本文中所描述的，示例性电活性材料包括电活性聚合物和压电材料。
在如图1A-1B所显示的实施例中，本文提供了智能材料100，用于对用户提供触觉反馈和用于感测用户交互。在实施例中，智能材料100包括结构材料102、设置在结构材料102上的第一导电层106、设置在第一导电层106上的聚合物层104、设置在聚合物层104上的第二导电层112和设置在第二导电层112上的绝缘层110。
如本文中所使用的，“设置”是指一个层或材料关联或附接于另一种材料，以形成充当单一结构的材料。将一个或多个材料设置在一起的方法的实例包括使用粘合剂、焊料、胶带、诸如薄膜沉积的沉积方法和溅射、分层、涂装、涂覆、胶合、诸如订书钉的机械附接等。
如本文所描述的，在实施例中，结构材料102是纺织品，并且能够适宜地成为可穿戴物的一部分。在实施例中，结构材料102可设有已经整合为纺织品的一部分的智能材料100，例如，可穿戴物(诸如衬衫、衬衣、手套、西装等)的一部分。在其他实施例中，智能材料100可以分别提供并随后粘合或以其他方式附接到结构材料102，例如，作为粘合补丁或能够在整合、编织或缝制到纺织品上的元件。
用作第一106和/或第二112导电层的示例性材料包括，例如，银、金或其他导电金属或聚合物(例如，Au、Al、Ag、Cr、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)等的薄膜)。虽然根据具有结构材料的传导层的期望用途和定位，可以使用更厚或者更薄的电活性材料，适宜地，第一106和/或第二112导电层将具有约50nm至几毫米的量级的厚度，例如，约50nm至5mm、约50nm至1mm、约50nm至500μm、约100nm至约500μm、约1μm至500μm、或约5μm至约500μm、或约10μm至500μm、或约1μm至约100μm，然而也能够使用更厚或更薄的电活性材料，这取决于导电层与结构材料的期望用途和朝向。
在实施例中，聚合物层104包括电活性聚合物，其包括聚合物诸如，但不限于，聚(偏二氟乙烯)、聚(吡咯)、聚(噻吩)、聚(苯胺)以及其混合物、共聚物和衍生物。电活性聚合物的示例性种类包括介电聚合物和离子聚合物。介电聚合物可以用来改变形状，以响应产生于两个电极之间的挤压聚合物的静电力。介电聚合物能够高应变并基本上是电容器，当外加电压时，通过允许聚合物在电场的作用下压缩厚度并扩大面积，能够改变其电容。离子聚合物可以经受由于聚合物内部离子位移在形状和尺寸方面的改变。另外，一些离子聚合物需要水性环境的存在，以维持离子流动。
制备电活性聚合物的方法在本领域中是已知的，并能够适宜地包括将期望的聚合物溶解在合适的溶剂中，并随后将该聚合物铸造成期望的形状(即扁带、补丁等)。或者，聚合物可被拉伸，或者经过纺丝技术，以制备成所期望的长丝或纤维尺寸，如本文所描述的。额外的方法包括熔化混合，其中将聚合物加热至高于软化点/熔点，并随后使用膜加工(铸造或吹制)技术来加工聚合物膜。如果制备成相对平整的结构，也能够通过层积多个聚合物节段或聚合物层来制备电活性聚合物，以创建最终所需要的结构。
在另外的实施例中，聚合物层104可以是压电材料，包括压电复合物和陶瓷。示例性压电材料包括，但不限于钛酸钡、羟基磷灰石、磷灰石、硫酸锂一水合物、铌酸钾钠、石英、锆钛酸铅(PZT)、酒石酸和聚偏二氟乙烯纤维。本领域中已知的其他的压电材料也可以用在本文描述的实施例中。
在另外的实施例中，聚合物层104可以包括形状记忆聚合物。形状记忆聚合物(SMP)允许对聚合物编程，以对其提供从第一形状变形至第二形状的能力。形状记忆效果并不是固有性质，意味着聚合物本身并不显示该效果。形状记忆来自于聚合物形态以及特定加工的组合，并能够作为聚合物功能化来理解。通过常规加工，例如挤出或注塑，可将聚合物形成其初始的、永久形状B。然后，在称为编程的加工中，使聚合物样本变形并固定为临时形状A。当施加外部刺激(例如热或电场)时，聚合物恢复至其初始的、永久形状B。该编程和恢复的循环可以重复若干次，在后来的循环中具有不同的临时形状。形状记忆聚合物可以是弹性聚合物网，其配备有合适的刺激敏感性开关。聚合物网由分子开关和网点组成。网点决定聚合物网的永久形状，并可以是化学的(共价键)或物理的(分子间相互作用)性质。在聚合物中获得物理交联，其形态由至少两个分开的域组成，如在嵌段共聚物中发现的。SMP的另外的信息和实例可以在Shape Memory Polymers,MaterialsToday,Vol.10,pages 20-28(April 2007)中找到，其公开内容通过引用整体并入本文。
SMP从一种或第一配置转换成另一种或第二配置适合于通过控制SMP相对于其玻璃化温度(Tg)的温度来控制。通过加热将SMP的温度升高超过其Tg，将使SMP致动器转变为其第二(记忆或原始)配置，引起多稳定材料的激活或致动，并从第一稳定配置移动或转换至第二稳定配置，并适宜地移动或转换至第三(如有需要，以及第四、第五等)稳定配置。示例性形状记忆聚合物包括多个嵌段共聚物，诸如多种的聚(聚氨酯)，聚(异戊二烯)和聚(醚酯)，其编程为具有所需的形状记忆特性。
虽然也可以使用更厚或者更薄的聚合物层，适宜地，聚合物层104将会具有约5μm至几毫米的量级的厚度，例如，约1μm至5mm、约1μm至1mm、约1μm至500μm、或约5μm至约500μm、或约10μm至500μm、或约1μm至约100μm。
如本文所描述的，电源108适宜地电耦合，即连接至智能材料100。由电源108提供的电功率量通常为约0.1瓦特(W)至约10W的量级、或更适宜地约0.5W至约5W、或约1W至约5W、或约0.5W、约1W、约2W、约3W、约4W或约5W。示例性电源108包括多种电池组以及太阳能源。电源108可以包括可充电系统，例如，能够通过使用如本文所描述的压电材料来对系统提供电流的系统。
如图1A-1B所示，为了响应外部激活信号150，电源108能够对第一导电层106和/或第二导电层112(或者根据需要可以接地的一层)提供电力，以引起聚合物层104的形状或配置的改变，从而产生给用户的触觉反馈。该触觉反馈可以是脉冲、振动、压力等的形式。在另外的实施例中，智能材料100同样感测用户交互。例如，用户交互可以产生聚合物层104的压缩和智能材料100的电容或电阻的改变。这种电容或电阻的改变可以通过测量装置120监测第一和第二导电层之间的电场的改变来测量得到。测量装置120可以是有线或无线连接至智能材料100，实现了利用例如压力传感器的智能材料100的用户交互的测定。
在进一步的实施例中，本文提供了双功能纤维，用于对用户提供触觉反馈和/或用于感测用户交互。如本文中所使用的，“双功能纤维”是指长度为其横截面至少二倍的长丝或纤维结构，同时在其大致的整体长度上具有大致一致的横截面。“双功能”是指该纤维既作为用于提供触觉反馈的致动器，又作为用于感测用户交互的传感器，用户交互诸如是触摸、压力、扫过或猛击运动等的两者的功能。双功能纤维可以包括节段，其包括允许该纤维作为致动器和传感器两者的同一元件，或者可以配置以使得在某些环境下充当致动器以及随后在另外一些环境下充当传感器。因此，在某些情况下，如果适当地有线连接，双功能纤维可以作为传感器，而如果以不同方式有线连接，相同类型的双功能纤维可以充当致动器，如本文所描述的。一般地，作为致动器或传感器的能力发生在纤维的配线或配置中，如本文所描述的。术语“纤维”和“长丝”在本文中可互换使用，以指代这样的结构。
图2A显示了本文实施例的双功能纤维200，用于对用户提供触觉反馈或用于感测用户交互。即，双功能纤维200能做充当致动器或传感器，取决于该纤维如何连接至电源并进行配置。在实施例中，双功能纤维200包括纤维的节段，其用于提供触觉反馈或用于感测用户交互。如本文中所使用的，“节段”是指双功能纤维的一部分，并且合适地指代组成双功能纤维的材料一组或一亚组的层。在实施例中，双功能纤维200节段用于提供触觉反馈或用于感测用户交互，其包括第一导电元件202、环绕第一导电元件202同心配置的聚合物层204、环绕聚合物层204同心配置的第二导电元件206以及环绕第二导电元件206同心配置的绝缘层208。如全文所描述的，双功能纤维在其大致的整体长度上具有大致圆形的横截面。
图2B显示了双功能纤维200沿线B-B的截面，其中使用或采用了空芯纤维。图2C显示了双功能纤维200沿线B-B的剖视图，其中使用或采用了实芯纤维。在实施例中，如图2B所示，第一导电元件202形成双功能纤维200的空芯，形成双功能纤维的大致圆形的横截面。在图2C中，第一导电元件202′是双功能纤维200的实芯，形成双功能纤维的大致圆形的横截面。
如图2B所示，第一导电元件202基本上形成聚合物层204的包衣或内衬，因此提供了双功能纤维200的空芯结构。在图2C中，聚合物层204环绕第一导电元件202′的实芯同心配置，形成围绕双功能纤维200的实芯结构的包衣。
如本文所描述的，无论包括实芯或空芯结构，双功能纤维200在双功能纤维大致的整体长度上具有大致一致的横截面，并且在某些实施例中，在双功能纤维大致的整体长度上具有大致圆形的横截面。该大致一致的横截面(以及在实施例中大致圆形的横截面)对双功能纤维200提供了其中一种特性，以实现在包括如本文所描述的可穿戴物的结构材料中的使用或整合。“大致一致的横截面”意味着沿双功能纤维截取的截面具有一致的，即在双功能纤维的“大致的整体长度”上自始至终在约5-10％以内的横截面。“大致圆形的横截面”意味着沿双功能纤维截取的截面具有一致的，即在双功能纤维的“大致的整体长度”上自始至终在约5-10％以内的直径。“大致的整体长度”意味着双功能纤维的整体长度的至少80-90％。在实施例中，双功能纤维在双功能纤维整体长度上的至少90-95％，以及适宜地95％或者更多(例如，96％、97％、98％、99％或100％)具有在约1-5％(适宜地在约4％、约3％、约2％、约1％或约0.5％内)内的一致的横截面和适宜的直径。在进一步的实施例中，也可以使用其他同样大致一致的横截面(即方形、长方形、三角形、椭圆形等)，如本文所描述的。
用在双功能纤维200中的示例性导电元件包括，但不限于银、金、各种导电金属或聚合物，包括Al、Cr、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)等。)。在实施例中，其中第一导电元件形成实芯，如图2C所示，第一导电元件202＇可以是导电元件的实心线或长丝，包括金或银线等。聚合物层204可随后设置、涂覆或以其他方式关联有实芯，以形成同心设置结构。如本文中所使用的“同心设置”是指施加或涂覆在结构上的材料层，以使得当在横截面上看时，这些层具有相同的圆心。
在实施例中，其中第一导电元件202形成空芯，如在图2B中的，聚合物层204的内表面可以用金属或其他材料的薄膜或涂层来涂覆或覆盖，以形成第一导电元件202。类似地，第二导电元件206也可以涂覆或设置在聚合物层204上，因此形成如图2B所示的结构。例如，中空的聚合物纤维或长丝可以用例如纺丝方法来制备，其中用到同心圆柱体，以及在圆柱体之间的缝隙中填充有聚合物，以形成中空的纤维，诸如聚合物层204。第一导电元件202可随后施加于聚合物层204的内表面，以形成中空的纤维结构。类似地，第二导电元件206可以施加于中空纤维，即聚合物层204的外表面，以形成如图2B所示的结构。施加第一和第二导电元件的方法可以包括溅射、浸涂、喷涂、电镀、涂装等。在实施例中，表面图案化可以用来选择性蚀刻聚合物层204的表面，以增加表面积或创建所需要的结构，其能够随后用导电材料的薄膜来涂覆或覆盖，以创建如本文所述的第一和/或第二导电元件。
本文所描述的双功能纤维也可以包括沿纤维长度彼此分离放置的导电元件，具有在其之间的、不包含导电元件的节段，因此沿其长度上创建了电极/非电极节段的交替。
虽然也可以使用更厚或者更薄的聚合物层，适宜地，聚合物层204将会具有约5μm至几毫米的量级的厚度，例如，约1μm至5mm、约1μm至1mm、约1μm至500μm、或约5μm至约500μm、或约10μm至500μm、或约1μm至约100μm。
以实芯结构形式的第一导电元件202′可以具有5μm至几毫米的量级的直径，例如,约1μm至10mm、约1μm至5mm、约1μm至1mm、约1μm至约500μm、或约5μm至约500μm、或约10μm至500μm、或约1μm至约100μm。当第一导电元件是涂层或层形式时，如图2B中的，导电元件的厚度通常在微米量级上，适宜地约0.5μm至500μm、更适宜地约0.5μm至约100μm、或约0.5μm至约50μm。
总体来说，本文所描述的双功能纤维的直径适宜地在10至100微米的量级上，或者多至几毫米，例如在约1μm至10mm、约1μm至5mm、约1μm至1mm、约1μm至约500μm、或约5μm至约500μm、或约10μm至500μm、或约1μm至约100μm的量级上。双功能纤维的长度可以在微米至毫米至厘米至米的量级上，取决于纤维致动器最终的应用和使用。
聚合物层204适宜地包括电活性聚合物。电活性聚合物包括聚合物，诸如，但不限于，聚(偏二氟乙烯)、聚(吡咯)、聚(噻吩)、聚(苯胺)以及其混合物、共聚物和衍生物。电活性聚合物的示例性种类包括介电聚合物和离子聚合物。介电聚合物(或介电弹性体)可以使其改变形状，以响应产生于两个电极之间的、挤压聚合物的电场。介电聚合物能够高应变并基本上是电容器，当外加电压时，通过允许聚合物在电场的作用下压缩厚度并扩大面积，能够改变其电容。离子聚合物可以经受由于聚合物内部离子位移在形状和尺寸方面的改变。另外，一些离子聚合物需要水性环境的存在，以维持离子流动。
用作聚合物层204的组合物的另外的实例包括压电聚合物和形状记忆聚合物。实例性的压电材料包括，但不限于钛酸钡、羟基磷灰石、磷灰石、硫酸锂一水合物、铌酸钾钠、石英、锆钛酸铅(PZT)、酒石酸和聚偏二氟乙烯纤维。本领域中已知的其他的压电材料也可以用在本文描述的实施例中。
在另外的实施例中，聚合物层204可以包括如本文所描述的形状记忆聚合物。
图3A显示了本文实施例的再一双功能纤维300。图3B显示了双功能纤维300沿线B-B截得的截面图，示出了提供触觉反馈的纤维的节段350，包括第一导电元件202以及环绕第一导电元件202同心设置的聚合物层204。双功能纤维300还包括用于感测用户交互的纤维的节段360，其包括环绕聚合物层204同心设置的第二导电元件206、环绕第二导电元件206同心设置的第一绝缘层208、环绕第一绝缘层208同心设置的第三导电元件310以及环绕第三导电元件310同心设置的第二绝缘层312。如本文所描述的，双功能纤维在其大致的整体长度上具有大致圆形的横截面。
应当理解，用于提供触觉反馈的双功能纤维的节段350也可以包括另外的如本文所描述的层或元件，而用于感测用户交互的双功能纤维的节段360也可以包括另外的如本文所描述的层或元件。那些另外的层或元件，例如另外的绝缘层或聚合物层，并不妨碍节段350或节段360如本文所描述地提供触觉反馈和/或感测用户交互的能力。
如本文所描述的，第一导电元件可以是空芯的形式(图3B中的202)，或者可以是实芯的形式(图3C中的202′)。本文描述了制备实芯或空芯的方法，以及设置多种层以构建双功能纤维300的方法。
用在双功能纤维300中的示例性导电元件包括，但不限于银、金、各种导电金属或聚合物，包括Al、Cr、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)等)。这样的材料包括导电元件的实心线或者长丝，包括金或银线等，以及涂覆各种金属，诸如金或银。
如本文所描述的，聚合物层204可包括电活性聚合物，其包括但不限于，聚(偏二氟乙烯)、聚(吡咯)、聚(噻吩)、聚(苯胺)以及其混合物、共聚物和衍生物的层。用在聚合物层204中的另外的材料包括形状记忆聚合物。
如图4A所示，双功能纤维300能够与结构材料102联合或整合，以形成智能材料400。如本文所描述的，结构材料102可以是纺织品，包括如全文所描述的各种可穿戴物的一部分。
图4B显示了双功能纤维300沿线B-B截得的剖视图。如所显示的，在实施例中，电源108可以电耦合至双功能纤维300的第一节段350，即，连接以使得第一导电元件，即芯202′连接至可包括电源108以及放大器420的电路，其对双功能纤维300提供激活信号。放大器420也可以用于放大控制信号(包括放大由此而来的电力)，以提供必要的电力来对致动器供能。同心地位于第一导电元件202′和第三导电元件310之间的第二导电元件206适宜地接地。双功能纤维300的第二节段360可包括适宜地连接至测量设备410、用于测定电容和/或电阻的第三导电元件310，并且也可以连接至另外的放大器420，其当从双功能纤维接收信号并发送至测量设备时，根据需要协助各种信号的转换/放大。电源108和测量设备410可公用相同的接地。在这样的配置中，聚合物层204可变形，以响应在第一导电元件202′和第二导电元件206之间的电场，来充当提供触觉反馈的双功能纤维的节段350。这可以是聚合物层变形或运动的形式，或者是静电反馈的形式，以响应例如来自外部设备的激活信号150。触觉反馈也可以提供有机械(即变形或运动)与静电反馈的结合。同时，导致聚合物层204和/或绝缘体层208的压缩的用户交互，可以通过双功能纤维的节段360感测作为第一导电元件202′和第三导电元件310之间的电场中的变化，并通过测量设备410来测量为双功能纤维的电阻或电容的变化的形式。该变化还可以作为压力的变化来测量。因此，双功能纤维300通过相同纤维的不同节段提供触觉反馈和感测用户交互(例如，作为压力传感器)两者。
用作用于测定电容或电阻的测量设备410的示例性设备在本领域中是已知的，并包括各种电阻表、压力传感器和电容表(以及这些传感器的组合)。这样的设备适宜地包含小电源(即，几伏的量级)。在其他实施例中，可使用另外的电源来对测量设备410提供必需的电力而发挥所需要的功能。
在本文所描述的双功能纤维中，聚合物层204适宜地为柔软的聚合物，包括例如电活性聚合物或形状记忆聚合物。聚合物层的延展性和柔韧性允许其变形或改变形状，以响应外加在第一和第二导电元件之间的电场(如果需要还有热)。例如，聚合物层204可以收缩(contract)，引起纤维致动器收缩(shrink)或在形状上变形，或者可扩大，引起纤维致动器延伸、收缩或以其他方式在形状上变形。一般地，双功能纤维响应电场而运动或变形的量将在双功能纤维的整个直径或长度的几个百分比(0.5-5％)的量级上。
来自本文所描述的双功能纤维的静电反馈可以是短振动或脉冲，或者是向用户延伸的振动的形式。静电反馈或交互的频率可以在约1Hz至约1000Hz的量级上、更适宜地约1Hz至约500Hz、约1Hz至约200Hz、约10Hz至约200Hz、约10Hz至约100Hz、或约10Hz、约20Hz、约30Hz、约40Hz、约50Hz、约60Hz、约70Hz、约80Hz、约90Hz或约100Hz。如果用户只是靠近，或者在附近，触觉反馈可以通过静电相互作用来提供，智能材料或双功能材料对紧邻的智能材料或纤维发送可引起静电相互作用和由此而来的触觉反馈的信号。
在另外的实施例中，双功能纤维200能够与结构材料102整合或关联，例如图5A所示，以形成智能材料500。在实施例中，结构材料102可以是纺织品，并且能够合并到可穿戴物品中，诸如可穿戴纺织品，包括衬衫、衬衣、帽子、夹克、大衣和长裤/短裤，得到可穿戴智能材料。结构材料还可以整合到配饰中，包括多种皮革制品，包括钱包和化妆包、手袋(包括这些的手柄)、背包和珠宝等。
如本文中所使用的，关于双功能纤维的“整合”是指将双功能纤维通过编织、缝制、装订或以其他方式制成为结构材料102的一部分，以使其不会轻易地从结构材料102移除或分离。即，本文所描述的双功能纤维在制备结构材料102期间或用于整合到已经形成的结构材料(如可穿戴物)时，充当纤维或丝线。
如图5A所示，在实施例中，以及在图5B中沿线B-B截得的剖视图中所显示的，双功能纤维550可以配置为致动器。在这样的实施例中，使用双功能纤维550作为致动器或传感器的能力取决于连接参数。在实施例中，双功能纤维550，可包括用于提供触觉反馈或用于感测使用交互的纤维的节段552，其包括如图5B中所示的实芯的第一导电元件202′，可以与接地的第一导电元件202′和与电源108(以及适宜地连接放大器420和激活电路)连接的第二导电元件206有线连接，以作为致动器起作用。在实施例中，聚合物层204可因此配置为响应在第一导电元件202′和第二导电元件206之间的电场而变形，来对用户提供触觉反馈。在进一步的实施例中，第一导电元件202′和第二导电元件206可配置为对用户提供静电反馈。在这样的实施例中，绝缘层208可以与用户接触，或者用户可以与双功能纤维550紧密接触，以触发静电反馈。
在进一步的实施例中，另外的双功能纤维560还可以与如在智能材料500中的结构材料102相关联，但是也可以配置为传感器，如图5C中所示。从结构上来说，双功能纤维560可以与双功能纤维550相同，包括用于提供触觉反馈或用于感测用户交互的双功能纤维的节段552，但只是有线连接至测量设备410(以及放大器420，如果需要)以及接地，以这样的方式来充当传感器，而不是作为致动器，提供由测量设备410测量的输出。也可以提供小的电源，或者可以包括在测量设备410内，以当聚合物层204变形/压缩时，提供较低的电压(几伏)来实现测量电容或电阻中的变化。例如，测量设备410可以感测导致聚合物层204的压缩的用户交互，因此引起双功能纤维的电容或电阻的改变，或者可以测量为压力的变化。来自聚合物层204的压缩的电容、压力或电阻中的该变化可以通过测量设备410作为电场中的变化来测量。
如图5A中所示，智能材料500适宜地包括作为致动器550和传感器560两者的双功能纤维，整合于相同的结构材料102或与其相关联。智能材料的结构材料102可以是纺织品的一部分，包括如本文所描述的可穿戴物。
可以实现致动或触觉反馈模式以及感测或用户交互模式之间的切换590与双功能纤维595的组合，例如图5D中所示。正如所指示的，切换可以受控并且主动地从双功能纤维595充当致动器(通过例如电源108、放大器420以及适宜的单独致动电路提供信号)的第一位置550操纵到双功能纤维595对测量设备410(以及适宜地放大器420)提供信号的第二位置580，其测量双功能纤维的性质的改变，包括电容、电阻或压力的变化，以对纤维提供传感器功能。切换580可以根据需要尽可能多次进行，并且适宜地由外部机构或计算机控制，包括处理器，但是如果需要可以由用户人为控制。
图6A-6B显示了智能材料中的双功能纤维的另外的配置。例如，在图6A中，智能材料600可以包括结构材料102，其具有整合的或相关的充当致动器550的双功能纤维以及能够充当传感器560的双功能纤维，取向或定位为大致彼此垂直(即在彼此垂直的5-10°内或者90°)。图6B显示了一配置，其中智能材料602包括结构材料102以及整合的或相关联的充当致动器550的双功能纤维和能够充当传感器560的双功能纤维，取向或定位为大致彼此平行(即在彼此平行的5-10°内)。也可以是另外的取向和配置，以构建如本文所描述的各种智能材料。图6C显示了用于智能材料600的配置，其中双功能纤维300能够以垂直或平行的配置整合到结构材料102或与其相关联。为了便于观察，从图6A-6B中去除了电源108、测量设备410和其他部件。
如本文所描述的，各种智能材料可以进一步包括电源108，其电耦合，即连接于双功能纤维的部件。在实施例中，电源108可永久地连接于双功能纤维，或者在其他实施例中，可以与双功能纤维分离，并随后连接。双功能纤维可以包括电极，以在导电层和电源108之间建立连接。电源108可以作为本文所描述的各种智能材料的集成部件，或者能够分别提供，或者随后提供以供应电力。电源108可以通过有线或无线连接电偶联至本文所描述的多种部件。
在另外的实施例中，本文提供了通过本文所描述的双功能纤维和/或智能材料对用户提供触觉反馈，以及用双功能纤维和/或智能材料感测用户交互的方法。
在实施例中，激活信号150能够对电源108提供激活，其能够产生聚合物层204的运动，例如形状变化或尺寸变化，以及因此的结构材料102的运动和致动，以对用户提供触觉反馈。例如，在实施例中，其中结构材料是可穿戴物的一部分，致动引起结构材料移动，以衣物(例如衬衫、领带、衬衣、长裤)的物件中的运动的形式对用户提供触觉反馈，或者作为配饰的一部分，包括手表、手镯等。另外，可以通过测量装置120感测用户交互，并且可以将感测信号450发送至外部设备，以记录与智能材料或双功能纤维的交互。
示例性激活信号可以来自于手机、平板电脑、电脑、汽车接口、智能设备、游戏机等，并且能够指示例如收到短信或电子邮件、电话、预约等。类似地，感测信号450可以发送至手机、平板电脑、电脑、汽车接口、智能设备、游戏机等，并且能够指示例如用户与双功能纤维或智能材料的交互，确认收到触觉反馈，或其他交互。
在进一步的实施例中，也适宜地包括控制器，以提供在设备和如本文所描述的智能材料或双功能纤维之间的接口。控制器的部件在本领域中是已知的，并且适宜地包括例如总线、处理器、输入/输出控制器和内存。总线将控制器的多种部件(包括I/O控制器和内存)偶联到处理器。总线通常包括控制总线、地址总线和数据总线。但是，总线可以是任意总线或适合于在控制器中的部件间传递数据的总线的组合。
处理器可以包括配置为处理信息的任意电路，以及可以包括任何合适的模拟或数字电路。处理器也可以包括执行指令的可编程电路。可编程电路的实例包括微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、场可编程门阵列(FPGA)或适合于执行指令的任何其他处理器或硬件。在各种实施例中，处理器可以包括单一机组，或者两个或多个机组的组合，这些机组物理上位于单个控制器或在单独的设备上。
I/O控制器包括监控控制器和外围或外部设备的运行的电路。I/O控制器也管理控制器和外围或外部设备之间的数据流。与I/O控制器接合的外围或外部设备的实例包括开关，传感器，外部存储设备，显示器，诸如键盘、鼠标或按钮的输入设备，外部计算设备，移动设备以及发射器/接收器。
存储器可以包括易失性存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、磁存储器、光存储器或任何其它合适的存储技术。存储器也可以包括易失性和非易失性存储器的组合。
存储器配置为存储若干由处理器执行的编程模块。该模块可以例如包括事件检测模块、效果确定模块和效果控制模块。每个编程模块是执行一个或多个特定任务的数据、路径、对象、调用和其他指令的集合。虽然本文公开了特定的编程模块，在各种实施例中，描述用于每个模块的各种指令和任务可以由单个编程模块、模块的不同组合、不同于本文描述的那些模块或者由与控制器通信的远程设备执行的模块来实施。
在本文描述的实施例中，可包含无线收发器(包括蓝牙或红外收发器)的控制器能够整合到结构材料102中或与结构材料分离。在进一步的实施例中，控制器可以位于与结构材料分开的设备上，但适宜地通过有线或者更适宜地通过无线信号连接，以对本文所描述的系统和智能材料的各种部件提供激活信号150。
例如，控制器可对致动器驱动电路提供激活信号150，其随之与本文所描述的智能材料的电源108通信，以对本文所描述的智能材料或系统的用户提供触觉反馈。例如，当移动电话或其他设备收到消息或邮件时，可发生所需要的触觉反馈，所述移动电话或其他设备通过无线连接与控制器配对。另外的实例包括与诸如以下设备相关联的控制器：游戏控制器、系统或控制台、计算机、平板电脑、汽车或卡车接口或计算机、自动付款机或售货亭、各种小键盘设备、电视机、各种机器等。在这样的实施例中，控制器对致动器驱动电路适宜地提供激活信号150，对用户提供触觉反馈，以响应来源于或来自外部设备的信号。该设备也可以成为可穿戴物的一部分，其上包含如本文所描述的触觉反馈系统的各种部件。能够由设备提供的示例性的反馈或信号包括例如，收文或来自第三方的通信的指示、警告信号、游戏互动、驾驶员警觉信号、电脑提示等。
可以将感测信号450发送至这样的设备，以指示用户交互，并且从外部设备请求进一步的反馈或信息，包括例如另外的触觉反馈。在实施例中，可以将感测信号450发送至诸如电脑、智能手机、平板电脑、游戏机或接口、汽车接口等设备，用于接收并处理用户交互。基于该用户交互，该设备可以进行额外的动作，例如发送信息、发起电话、在游戏中移动角色等，并且/或者可以对用户提供另外的触觉反馈。
在进一步的实施例中，本文所描述的智能材料和部件可以与虚拟现实或增强现实系统的一部分整合或成为其一部分。在这样的实施例中，随着用户与虚拟或增强现实系统交互，智能材料能够对他或她提供触觉反馈，提供由虚拟现实或增强现实部件和设备发起的响应或反馈。本文所描述的与智能材料和双功能纤维的用户交互也能够与虚拟现实或增强现实系统的一部分整合或成为其一部分。
上面描述的各种实施例仅作为说明提供，不应解释为限制所附权利要求。本领域的技术人员将容易认识到可以在不遵循本文所示出和描述的示例实施例和应用，并且不脱离所附权利要求的真实精神和范围的情况下做出各种修改和改变。

Claims (19)

1.一种双功能纤维，包括：
用于提供触觉反馈的双功能纤维的节段，包括：
第一导电元件；
环绕第一导电元件同心设置的聚合物层；以及
用于感测用户交互的双功能纤维的节段，包括：
环绕聚合物层同心设置的第二导电元件；
环绕第二导电元件同心设置的第一绝缘层；
环绕第一绝缘层同心设置的第三导电元件；以及
环绕第三导电元件同心设置的第二绝缘层；
其中双功能纤维在其大致的整体长度上具有大致一致的横截面。
2.如权利要求1所述的双功能纤维，其特征在于：第一导电元件形成双功能纤维的实芯，或者形成双功能纤维的空芯。
3.如权利要求1所述的双功能纤维，其特征在于：聚合物层包括电活性聚合物，其选自以下组成的组：聚(偏二氟乙烯)、聚(吡咯)、聚(噻吩)、聚(苯胺)以及其混合物、共聚物和衍生物，或其中聚合物层包括形状记忆聚合物。
4.如权利要求1所述的双功能纤维，其特征在于：所述双功能纤维与结构材料相关联。
5.如权利要求4所述的双功能纤维，其特征在于：所述结构材料为可穿戴物的一部分。
6.如权利要求1所述的双功能纤维，其特征在于：聚合物层变形，以响应在第一导电元件和第二导电元件之间的电场，来提供触觉反馈。
7.如权利要求1所述的双功能纤维，其特征在于：所述双功能纤维对用户提供静电反馈。
8.如权利要求1所述的双功能纤维，其特征在于：用户交互引起聚合物层的压缩以及双功能纤维的电容或电阻的变化。
9.一种双功能纤维，包括：
用于提供触觉反馈或用于感测用户交互的双功能纤维的节段，包括
第一导电元件；
环绕第一导电元件同心设置的聚合物层；
环绕聚合物层同心设置的第二导电元件；以及
环绕第二导电元件同心设置的绝缘层，
其中双功能纤维在其大致的整体长度上具有大致一致的横截面。
10.如权利要求9所述的双功能纤维，其特征在于：第一导电元件形成双功能纤维的实芯，或者其中第一导电元件形成双功能纤维的空芯。
11.如权利要求9所述的双功能纤维，其特征在于：聚合物层包括电活性聚合物，其选自以下组成的组：聚(偏二氟乙烯)、聚(吡咯)、聚(噻吩)、聚(苯胺)以及其混合物、共聚物和衍生物，或其中聚合物层包括形状记忆聚合物。
12.如权利要求9所述的双功能纤维，其特征在于：所述双功能纤维与结构材料相关联。
13.如权利要求12所述的双功能纤维，其特征在于：所述结构材料为可穿戴物的一部分。
14.如权利要求9所述的双功能纤维，其特征在于：聚合物层配置为变形，以响应在第一导电元件和第二导电元件之间的电场，来提供触觉反馈，或者其中第一导电元件和第二导电元件配置为对用户提供静电反馈。
15.如权利要求9所述的双功能纤维，其特征在于：用户交互引起聚合物层的压缩以及双功能纤维的电容变化。
16.用于提供触觉反馈和用于感测用户交互的智能材料，包括：
结构材料和与结构材料相关联的双功能纤维；或
结构材料、与所述结构材料相关联的配置为致动器的第一双功能纤维以及与所述结构材料相关联的配置为传感器的第二双功能纤维。
17.如权利要求16所述的智能材料，其特征在于：所述结构材料包括纺织品。
18.如权利要求17所述的智能材料，其特征在于：所述纺织品为可穿戴物的一部分。
19.如权利要求16所述的智能材料，其特征在于：配置为致动器的第一双功能纤维和配置为传感器的第二双功能纤维大致彼此平行或垂直而定位。
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