CN109790466A - 致动器装置、致动方法和制造方法 - Google Patents

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Abstract

致动器装置包括由多个光响应层形成的堆叠件，这多个光响应层响应于光而变形，这多个光响应层通过相应的可变形的非光响应层分隔开。可变形的非光响应层在光响应层之间引导光并将光引导到光响应层，以及可以跟随光响应层的变形。

Description

致动器装置、致动方法和制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有可通过光致动的致动器的装置。本发明还涉及致动方法和制造方法。
背景技术
已经针对多种应用研究了将电能转化为机械作用的电活性材料。然而，这种材料可能需要相对高的电压，这会阻碍将它们用在诸如在待在身体内或身体附近使用的装置中之类的某些应用中。导管转向和‘软体机器人’(例如帮助移动患者的衣服)可能需要高电压，但是在患者体内或靠近患者的身体使用这种高电压会引起电气安全问题。
已经研发出光响应致动器，其能够将光转换成机械作用。光响应材料可由膜或纳米或微米尺寸的颗粒构成。参见例如US20080258108、US20090069528、JP2008-228368或US20120175520。这种材料可包含含有光响应部分(例如偶氮苯衍生物)的液晶物质的聚合物网络的膜或颗粒。一旦利用具有不同波长的光进行照射，偶氮苯基团可在E和Z(顺式和反式)异构体之间光致异构化，并且这种膜或颗粒的照射可以由此在包含这种偶氮苯基团的膜或颗粒的组分内引起化学结构变化。这种变化又诱导膜或颗粒的体积和/或形状(变形)的变化，这可能通过例如膨胀或收缩导致膜或颗粒的宏观机械变形。
理论上，这类致动器应该能够在利用致动光进行照射时施加与人体肌肉纤维相当的力。然而，在实践中，对利用光致动进行的控制通常是不精确的和/或总致动输出(力)似乎是有限的。
发明内容
需要一种具有改进性能的致动器装置。本发明的目的是至少部分地满足该需要。
该目的利用如由独立权利要求所限定的装置来实现。从属权利要求提供了有利实施例。
因此，致动器主体包括：至少一对光响应层，每对光响应层在接收到致动光时提供致动；以及位于每对光响应层之间的非光响应的光导层(例如，层)，其向光响应层引导和提供致动光。因此，非光响应层是光导层。
发明人认识到，致动器的总力实际上受到光响应部分(例如现有技术的聚合物膜)的厚度的限制，其中，薄部分不能施加足够的力以在实践中用于致动。然而，虽然较厚的膜应该能够提供增大的力，但是由于靠近光源的光响应材料比更为远离该光源的光响应材料(更深地进入到该膜中)响应得程度更大或更快，因此这种膜看起来将略微弯曲。这是因为被放置得较深的材料接收较少的光，这是由光诱导致动基于吸收过程的事实所导致的，其中，该吸收过程具有膜的光响应和/或其它材料的相对高的消光作用。可以认为该弯曲效果在某种程度上类似于双金属条的行为。厚度更大的膜或吸收系数增大的膜将根本不变形，这是因为接收可察觉到的光的光响应材料不足以实现整个膜的移动；因此，膜的未照射部分抵消了照射区域的变形。
因此，所要求保护的装置的设置仅使用一个光导和较薄的光响应材料层来提供增加的输出。此外，该光导可被用于恰好在所需的光点处传递光。这是对需要外部照射的致动器的改进。
致动器可被构建成具有多个这种光响应层对，其间具有光导，以便以协作的方式提供它们的致动输出，使得即使各对输出可能由于光响应部分可能是很薄的以避免存在与吸收致动过程相关的实质性缺点这一事实而是较低的，它们的组合输出也提供致动器输出作为高致动输出。因此，该装置允许获得改进的驱动控制和/或增大的总致动输出。该装置还能够通过在增加光响应层对的数量的同时减小层厚度，而在可选择地启动的致动器中使用高吸收性的光响应层。
光可由光源提供。非光响应层具有以下特性。它们能够在很少或几乎不吸收入射光的情况下将入射光引导到光响应层，并因此起到光导层的作用。虽然更为靠近光源的层将由于光通过逐渐越来越多的层时的衰减而比更为远离光源的层变形得更多，但是分隔开相邻的光响应层的可变形的非光响应层在光响应层之间引导非吸收光和/或将非吸收光引导到光响应层。可变形的非光响应层可或者在堆叠方向上正好在光响应层之间引导光响应层之间的光，或者在垂直于堆叠方向的方向上在层之间引导光响应层之间的光，以便例如更好地分布光，和/或通过经由设置在层堆叠件的周边处的非光响应层的部分引导光来引导光响应层之间的光。光导层的后面部分可不包括光响应层，使得光也可从垂直于堆叠方向的方向进入光响应层堆叠件。因此，具有这种光导层可增强对堆叠件的光的整体供应，从而导致机械作用增加。此外，光导层可增强对堆叠件的所有部分的光供应的正时，使得机械作用得到更好的控制并且可能地不发生不希望的弯曲。
除了光学特性之外，光导层也是可变形层，其中，可变形性使得层跟随由利用致动光对它们进行的照射所引起的光响应层的变形，并允许存在待使用的光响应层的所有变形的组合。为了避免由光响应层的变形产生的力的损失，可变形层应该是可充分弹性或塑性变形的，使得光响应层的移动(易于)由光导层所跟随。
光导层例如是‘非光响应的’。这意味着非光响应层中的光的衰减以及因此对该光的化学或物理响应小于光响应层中的光的衰减，例如小于30％或10％或5％。因此，它被用作关于光响应层的相关术语。这种非光响应层吸收较少的入射光(并且因此对其较少作出响应)。
光导层可以是透明层，但是它们同样可以具有散射或折射特性，使得它们对于致动光而言是不透明的。理想情况下，它们具有较低的光吸收作用。因此，光导层和非光响应层是不吸收任何入射光的层，或者可以相对于光响应层吸收少量入射光。
光响应层包括具有光响应特性的光响应材料，使得该材料在被照射时使该层变形。该光响应层可完全由这种光响应材料构成，但是可以存在其它材料。可存在单一类型的光响应材料，但也可存在包含多种不同光响应材料的组分。光响应材料还可包含非光响应载体材料，其已经混合、分散或溶解有光响应材料中的一种或多种。可以选择不同的光响应材料，使得它们对相同的照射频率和/或强度作出响应，以具有不同或相同的机械效果。然后可以使用由这种不同材料构成的堆叠件上的空间分布来使该堆叠件在被利用相同的辐射进行照射时提供不同的机械致动。作为选择，可以对它们进行选择以对不同的照射作出响应。这通过所施加的照射的例如关于所提供的照射的频率或强度的差异来提供对该致动的控制。当存在不同的光响应材料时，可以使用不同的非光响应层来向相应的不同光响应层提供致动照射。
光响应层可各自包含至少一种液晶组分和至少一种光响应基团。基团可以指实体或分子物质或其一部分。基团可以表示分子物质的一部分。
在液晶组分中可能发生大的各向异性变形，这可能导致在利用具有适当波长的光进行照射时施加显著的机械力。液晶组分的变形也是可逆的，这允许光响应层的光诱导变形被经由热和/或光化学手段逆转。
光响应层中的一个或多个的厚度可以是1至50微米。其它厚度可以介于1至25微米之间或介于1至10微米之间或介于1至5微米之间。厚度也可介于5至50微米之间、介于10至50微米之间或介于25至50微米之间。可以根据光在这些层中的穿透深度来选择该厚度，该穿透深度取决于这些层的吸收特性。可以使用标准UV-Vis或其它光谱手段来确定吸收特性。通过这种测量，可以确定该层的消光系数，其与这些层的光的透射相关联，并且因此根据朗伯比尔定律也与厚度相关联。
具有这种尺寸的光响应层或膜可以有效地收缩(和膨胀)。比1微米薄的光响应层可能施加过小的机械力。厚度大于50微米的层可能会使过多的光衰减，使得光不能到达与光源相距更远的层，其效果是该层的体积的变形可以忽略不计。厚度大于50微米的层也可能显示出明显不均匀的变形，这是由于该层自身内的更为远离光源的区域接收较少的光并因此比该层内的更接近光源的区域经历更小的变形响应。
光响应层和光导层可以被直接或在具有间歇层(其对于入射光而言应该是至少部分透明的)的情况下机械地彼此附着。机械附着可以通过胶水、化学粘合或任何其它类型的粘合来实现。作为选择，层被松散地堆叠，它们之间没有机械耦合件/固定件。相反，可以在堆叠件的一个或多个侧面上使用机械耦合件，其固定住至少多个光响应层的相对位置。一个或多个光导层可以被保持自由，即并不被固定到该机械耦合件，但是也可以被固定到该机械耦合件。它们可以作为选择或附加地被机械地固定到可变形的非光响应层。该机械耦合件在堆叠方向上约束住这些层，但允许该堆叠件收缩以及伸展。
机械耦合件可以有助于结合由每个光响应层产生的力以及有助于将光响应层彼此连接以及与可变形的非光响应层连接。
可以使用位于堆叠件的至少一个侧面上的机械耦合件，其固定住光响应层和可变形的非光响应层在堆叠方向上的相对位置，但允许该堆叠件弯曲。
因此，机械耦合件可以有助于结合光响应层的变形，以便提供该堆叠件的整体弯曲或屈曲，以及有助于将光响应层彼此连接以及与光导层连接。
机械耦合件可包括诸如丙烯酸酯聚合物之类的聚合物或由其构成。
丙烯酸酯聚合物可以为该机械耦合件提供必要的刚度，并且可以使用丙烯酸酯单体的热或光化学聚合直接制造而成。
至少一个光响应基团可以是肉桂酸衍生基团、肉桂基衍生基团、螺吡喃衍生基团和偶氮苯衍生基团中的至少一种。
光响应基团的物理变化可以处于分子水平上，例如也称为光致异构化的光诱导异构化。肉桂酸衍生基团、肉桂基衍生基团、螺吡喃衍生基团和偶氮苯衍生基团可以经历这种光诱导的物理变化。
该光响应层可包含可固化的液晶组分中的至少一种(例如丙烯酸酯官能化的液晶组分)和可固化的液晶组分的聚合物中的至少一种。
可固化的液晶组分允许液晶组分被聚合或交联。可固化的液晶组分可以被附着于另一可固化基团。可固化液晶材料的聚合物或均聚物可通过聚合或交联(也称为固化)可固化液晶组分中的两种或更多种来形成。这可通过利用可固化基团(例如丙烯酸酯基团)官能化该可固化液晶组分来实现。通过聚合或交联可固化液晶组分，液晶的分子有序性/排列特性可因此与弹性体聚合物网络的弹性相结合。
可变形的非光响应层可以是诸如硅树脂基聚合物或橡胶之类的聚合物或橡胶。硅树脂基聚合物或橡胶在低光衰减和低弹性模量方面可具有可变形的非光响应层的必要特性。这些聚合物也可使用适用的硅树脂基单体的热或光化学聚合直接制造而成。
该装置还可包括一个或多个光源，用于提供入射光。这一个或多个光源可被设置于层堆叠件的顶部和/或底部处和/或层堆叠件的一个或多个边缘处。一个或多个光源可被集成在机械联接件中。可以使用自由设置但能够照射该层堆叠件的一个或多个光源。作为选择，该光源可以用于将入射光提供给诸如光纤之类的另一光导，该光导又能够将光耦合到可变形的非光响应层。这提供了将光源远离该致动器装置定位，同时与自由设置的光源相比能够提供局部受限的光输入的机会。因此，存在用于提供入射光的控制的不同选择方案。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造致动器装置的方法。
在一个示例中，该方法包括通过将光响应层与间隔件分层堆叠在间隔件之间从而形成层间空间(其可被称为隔层空间)来形成层的堆叠件，填充该层间空间，以及可选择地利用诸如硅树脂材料和/或丙烯酸酯材料之类的可固化材料来涂覆该堆叠件的一个或多个侧面，并使用热和/或光化学聚合来固化可固化材料。
在替代示例中，该方法包括通过利用诸如硅树脂材料和/或丙烯酸酯材料之类的可固化材料涂覆光响应层来形成层的堆叠件，堆叠涂覆好的层，可选择地利用诸如硅树脂材料和/或丙烯酸酯材料之类的可固化材料涂覆堆叠件的一个或多个侧面，以及使用热和/或光化学聚合来固化可固化材料。
根据本发明的另一方面，提供了一种致动方法，其包括照射层的堆叠件，该堆叠件包括多个光响应层，这多个光响应层通过每对相邻光响应层之间的可变形的非光响应层分隔开，从而实现光响应层的变形，并且致使可变形的非光响应层跟随光响应层的变形，引起光响应层的变形的均匀化。
附图说明
现在将参考所附示意图详细地描述所要求保护的装置的示例，其中：
图1至图3、图4、图6和图8示出了根据本发明的装置的相应示例；
图5示出了图4的致动器装置，其响应于来自光源的致动光而经历变形；
图7示出了图6的致动器装置，其响应于来自光源的致动光而经历变形；和
图9示出了根据本发明的致动器装置，其响应于被引导到该装置的光响应层的一侧的致动光而经历弯曲致动。
具体实施方式
权利要求限定了致动器装置，该致动器装置包括：致动结构，该致动结构能够基于光响应部分的存在提供致动，该光响应部分在它接收到致动光时可以变形；和光导层，即用于引导致动光并向光响应层提供致动光的光导。致动结构被构造成使得该光响应部分比相同体积的光响应部分更为有效地被照明并且被结合在致动结构中。因此，利用特定体积的光响应部分可以获得改进的致动输出(敲击(stroke)和/或张紧(strain))。
虽然更靠近光源的层将由于光在其逐渐通过更多层时的衰减而变形的程度将比更为远离的那些层变形得更大，但是提供了可变形的非光响应层(光导层)，其分隔开相邻的光响应层。它们引导层之间未被吸收的光，并且还使光可从侧面被耦合。它们跟随层的变形。因此，光响应层的取决于它们与光源的接近程度的更大和更小的变形被组合成整体机械上有用的堆叠件变形。为了避免由光响应层的变形产生的力的损失，可变形的非光响应层是可充分变形的，使得光响应层的移动易于跟随有非光响应层的变形。
光导层可以是可弹性或塑性变形的。在这两种情况下，与待由光响应部分所执行的工作相比，使任何光导部分变形所需的能量的数量应该是相对低的。
将参考以下示例来描述本文中所要求保护的装置。
在第一示例中，图1的致动器结构100包括被夹置在光响应层102和102′之间的光导层101。这三层形成层的堆叠件。光响应层102具有面向第一方向并且从一侧面向光导层101的第一表面106和面向与第一方向相反的第二方向并且从作为一侧的另一侧面向光导层101的第二表面106′。光导层101通过这些表面在例如至少两个相反的方向103和103′上向光响应部分提供光。光导层101具有厚度104，并且光响应层102′和102分别具有全部在堆叠方向上测量到的厚度105′和105。因此，在该示例中，该光导层向不同的光响应层提供致动光。该示例对于下列装置(未示出)是有利的，在该装置中仅存在一个光响应层，其厚度是厚度105和105′(致动输出大致取决于光响应材料的体积)与仅从光响应层的一侧提供光的光导层的总和。这是由下列事实所导致的，即，致动基于致动光的吸收过程，并且本发明的布置结构因此留下更多的光(较少的吸收)以用于致动该结构中的总光响应部分的较大部分。此外，本发明提供了对光响应部分的更为均匀的照明。强度较弱的源可被用于这种设置。
图2示出了具有不止一个光导层201、201′的致动器。外部光导层从另一侧203或203'提供对于光响应层的照明。外部光导层还可包括反射镜，或者以反射镜来代替，这些反射镜反射来自位于中间的层201的任何致动光，该致动光在由光响应层加以使用的使用期间并未被吸收。
图1和图2的示例被利用具有沿一个轴线堆叠的多个层的结构进行说明。这些层无需是连续的，而是可以是图案化的。例如，利用图3中的实施方案，其示出了包括光响应材料302的其中嵌置有四个光导部件(子部分)301、301′、301″和301″′的主体的致动结构300。部件301和301′可被看作属于被在304方向上堆叠并被在306方向上图案化的一个图案化的光导层，并且这些同样适用于部件301″和301″′。该主体在图案化的光导层之间具有相应的光响应材料层。这些部件中的每一个沿至少方向304和306将光发射到主体302中。
尽管未示出，但是也可以以类似的方式实现相反的情况，其中，301、301′、301″和301″′形成图案化的光响应层，而主体302是光导层。
根据本发明的另一装置400包括如图4中所示的层的堆叠件。该堆叠件包括夹置有光导层402的光响应层401。这些层通过机械耦合件403连接。这些耦合件可以例如将该堆叠件的端部夹持在一起。可以使用利用胶合等的其它耦合方式。在图5中示出了相同的堆叠件，在该堆叠件中，它响应于使用致动光的致动而正在经历变形。在这种情况下，致动引起了该装置的垂直于堆叠方向的长度收缩。该收缩是由如上所述的光响应材料中的分子变化所导致的。该收缩可被用作呈其敲击或张紧的形式的致动。
光导层可由许多材料制成，如下面将说明的那样。
图6示出了堆叠件600，其包括由可变形的光导层602分隔开的光响应层601，可变形光导层602通过机械耦合件603连接，但还示出了光源605和光耦合器606，该光耦合器606用作用于光源605和堆叠件600之间的光的导管。在图7中示出了同一堆叠件600，其中，它响应于由光源605提供的诸如蓝光或UV光之类的光而经历变形。因此，由该堆叠件600产生机械力604。
图6和图7示出了位于堆叠件的底部处的光源。可以改为向顶部和底部提供照明。每个光响应层601处的光强度将不可避免地是不同的。然而，对于每个光响应层的更为恒定的照明将源自来自顶部和底部的照明。机械联接件603约束这些层以横向变形相同的量。这意味着在该结构内将存在内部应力，这将降低照明-力转换效率。但是，所产生的输出力将超过具有相同总厚度的单层(或较少数量的层)可能产生的输出力。
光提供部分可以通过下列表面附着到光响应部分，光通过这些表面被提供给光响应部分。作为选择，可能并不附着它们。这提供了可移动性。例如，在图5和图6的配置中，可以实现滑动(在有或没有润滑的情况下)，并且因此通过光响应部件的变形引起的致动最少由光提供部件进行对抗。
在上面的示例中，优选地，该光源或多个光源位于机械耦合件中，使得来自这些光源的光可以被提供给光导层，这些光导层用作光导以分配光并将光提供给该堆叠件的子部分和光响应部分。如果起到光导的作用，则光导部分可具有光散射特性。因此，来自光源的进入光导层的散射光被引导和散射，以朝向光响应部分离开光导层或进入光响应部分。因此，光导层或部分/子部分优选地由诸如不透明材料之类的光散射材料制成。一个示例是硅氧烷或硅橡胶。可以使用其它柔顺层。
图8示出了示例性装置800，其包括具有呈层的形式的多个子部分的光导部分802，其中，在这些层之间存在由光响应材料构成的层(子部分)801。存在机械联接件803和803'，该机械联接件中的第一个机械联接件对于它所包含的LED光源805的光是透明的。当被致动时，LED的光进入光导部分802，以通过将光引导到层801之间并将光输出耦合到这些层来致动光响应部件。图8的装置包括在堆叠件的底部和顶部上的光导层，使得所有光响应层都被提供有相似的光量。这是优选的并且也可被用在其它装置中。
在一组示例中，该结构可被设计成通过约束层而避免弯曲并提供线性、面内的致动，使得它们不会在面外变形。因此，上面的示例示出了在一个方向上的光诱导变形，但是这不应被解释为将该堆叠件限制于仅在一个面内尺寸中的这种变形。如果这些层并未在堆叠方向上彼此附着，则可以发生滑动并且优化的力输出可如本文中前面所述予以实现。在这种情况下，无需使用柔顺材料，这是因为光提供层并不需要跟随由光响应部分所诱导的致动诱导的形状或尺寸变化。
作为选择，图9示出了堆叠件的变形，在那里，入射光诱导堆叠件的弯曲。
为了诱导弯曲行为，光响应层在一侧上涂覆有光吸收(黑色)层910。这意味着光响应层901(其在该示例中可超过30微米厚)可仅从一个面(例如，从图9中所示的配置中的上方)照射。然后，由于光响应层901中的高吸收作用，导致可存在通过层厚度获得的强度梯度。该梯度将使该异构化是不对称的，并且因此将由于内部双金属效应而发生弯曲。如果将背衬附着到光响应层，则只要背衬不与光响应层的光响应量相同，就无需这种梯度。再者，致动将使光响应层和背衬的整体表现出双金属效应。
在图9中，堆叠件900由光源905从一侧进行照明，这是因为光不再能够在垂直堆叠方向上传播通过该堆叠件。上文中解释的光的不对称吸收导致该堆叠件的大的有效弯曲。
作为选择，图9中所示的弯曲可以通过采用包括扭曲分子结构的光响应层来实现，该扭曲分子结构具有液晶组分的(棒状)介晶基团的两个垂直取向，其中，扭曲在垂直堆叠方向上实现。弯曲将由照射引起，这是因为一侧收缩而另一侧伸展。这避免了对光阻挡层的需要，并且因此能够在垂直和/或横向方向上实现照明。通过采用具有较大的个体厚度(例如30至50微米)的光响应层，可以进一步促进弯曲行为。
机械耦合件103还可用于将光横向耦合到光响应层中，以改善照明的均匀性，并由此减小内部应力，提高转换效率，并且如果需要，减少结构弯曲而非线性伸展或收缩的趋势。
提供横向光耦合的一种方式是从顶部和/或底部提供光，并使用机械耦合件作为反射器，用于将光从堆叠方向改变方向到横向。为此，可以使用如例如图4和图5中所示的棱柱形结构，该结构利用了镜面反射表面或全内反射。
作为选择，可以存在安装于该堆叠件的边缘处(如图9所示)的光源，代替、或者、以及安装于顶部和/或底部的光源。
光可以由作为致动器装置的一部分的局部光源提供，例如如图4和图5中所示。然而，光可以改为由在该致动器装置处被引导越过自由空间或通过用作光导的另一介质的远程源来提供。因此，该致动结构可包括其它光导(例如，呈管状光导束的形式)，这些光源向光导部分提供致动光。因此，这样经由光导束实现了该远程控制。
致动器结构中的光导部分(例如，层)可以具有相同或不同的尺寸(例如，厚度)。优选地，尺寸(例如104和105或205和204或304和306)，在层的情况下可以是厚度，处于1微米至50微米的范围内。具有这种尺寸的光响应层或膜可以有效地收缩(和膨胀)。
例如，光响应部分的尺寸可介于1微米和10微米之间。在未被取代的基于偶氮苯的光响应材料(例如，式4)或在致动波长处具有类似消光作用的光响应材料的情况下，该尺寸可以是5微米，因为这在提供有效的收缩(和伸展)行为与允许未吸收的光传递到该堆叠件的其它光响应层之间提供了有利的平衡。
作为选择，如果弯曲优于线性膨胀和收缩，则可以采用厚度为30至50微米的光响应部分。此外，如果在致动波长处减少消光作用，则可以使用光响应部分的较厚部分。这将增大装置的机械输出并改善可制造性或便于制造。
光导部分或子部分的厚度可以是例如介于5至20微米。该范围内的尺寸导致可变形的光导层，该光导层是足够薄的以易于跟随光响应层的变形，同时是足够厚的以便在光响应层之间引导光以及将光引导到光响应层。
堆叠件中的光响应层的数量可介于2和50之间，例如介于2和30之间，或者例如介于2和20之间。因此，该堆叠件的高度可介于3微米和约1mm之间。
例如，对于包括10个厚度为10微米的光响应层以及可变形的非光响应层厚度为20微米的堆叠件，该堆叠件的高度为0.3mm。
该堆叠件的长度和宽度取决于预期应用，并且因此这些尺寸可从毫米变化到厘米的量级。
从图中可以清楚地看出，机械联接件的形状并未受到特别限制，并且可以例如是棱柱形或立方形。机械联接件可包括连接件，该连接件在堆叠方向上延伸，以连接堆叠件中的所有层，使得各个致动器的变形被结合在堆叠件的总变形中。以这种方式，机械联接件固定住堆叠方向上的相对位置，但允许堆叠件收缩和膨胀或弯曲。
作为选择或另外，光导部分/子部分和光响应部分/子部分可以经由它们的界面直接或通过附加层彼此机械连接。这可以例如使用胶水来完成。
在不希望受到理论束缚的情况下，在这些部分都是层使得存在光引导(光导)层和光响应层的堆叠件以及这两种层都是可弹性变形的示例中，光导层的弹性模量(E1)优选地等于或低于光响应层(E2)的弹性模量。根据等式1，光导层(E1)的模量可以与光响应层(E2)的模量相关：
E1＝<k*E2*(d1/(d1+d2)) 等式1
式中，d1和d2分别对应于光响应层和光导层的厚度，并且式中，k是常数因子。优选地，k等于或小于选自下组的值：1、0.5、0.25、0.1或0.05。k的优选值是0.1。例如，对于弹性模量为约1000MPa的光响应层而言，光导层的弹性模量的适用值则为约100MPa。在硅树脂弹性体材料的情况下，100MPa的弹性模量对应于肖氏A硬度60。
假设可变形光导层的弹性模量是非常低的(使得我们可以在计算中忽略它)，则可由该堆叠件的组合层施加的最大力(F)可通过下式(等式2)加以估计：
F＝ФnA{d1/(d1+d2)} 等式2
式中，Ф是光响应层的应力，n是光响应层的数量，A是整个多层堆叠件的横截面积，并且d1和d2分别对应于光响应层和光导层的厚度。
光响应部分的光响应基团通过表现出可以处于分子水平上的效应来对光作出响应，该效应为例如光诱导异构化或诸如化学二聚作用之类的化学反应。异构化是指光响应基团的元素组成不变，但分子的原子的空间排列在经历该过程时发生变化。该异构化或反应可以改变分子的形状，这会改变紧邻环绕和/或附着于所涉及的分子的物种的排列/排序。以这种方式，光响应基团对于致动光的分子响应触发光响应部分的宏观结构变化/变形。
光对偶氮苯衍生基团的影响可能是顺式异构体和反式异构体之间的分子的众所周知的异构化；这些异构体在N＝N双键两侧的芳环排列方面是有所不同的。在利用UV或近UV(蓝色)光(下面的等式3)和图10进行照射时，偶氮苯衍生基团的更为稳定的反式异构体被转化为顺式异构体。可将较长波长的可见光(例如绿光)用于逆过程。由于对反式异构体的热力学偏好，热能可以同样或作为选择地被用于该逆过程。
式3
正是具有相关的波长范围的所谓的n-π*跃迁负责E-Z异构化。
光响应部分/子部分可以例如包含至少一种液晶组分。这种材料可用于将光转化为机械作用，这是因为光响应基团的物理变化(例如光致异构化)的效应可能影响液晶组分的排序/排列，从而导致光响应部分的显著的宏观变形。US2008264058描述了这种材料以及如何激活它们，并且这些材料可被用在本发明中。衍生自可固化的液晶组分的也被称为液晶弹性体的聚合液晶组分可用于光致动，这是因为液晶组分的介晶有序性可与聚合物网络的弹性特性相结合，从而形成大而可逆的各向异性变形。
可固化的液晶组分本身是众所周知的并且可包含经由间隔基连接于可固化基团的介晶基团。介晶基团本身是众所周知的。该介晶基团可以是例如苯甲酸苯基酯衍生基团。可固化基团同样是众所周知的；例如，适用的可固化基团可以是丙烯酸酯基团。一种或多种可固化基团(例如丙烯酸酯基团)可用在可固化液晶组分中。间隔基团也是众所周知的；适用的示例可以是烷基或聚亚甲基((CH2)n)基团。
包含经由间隔基连接于可固化基团的介晶基团的分子本身是众所周知的。可用在该堆叠件的光响应层中的可固化液晶组分的非限制性示例是根据式1至3的化合物：
式1
式2
式3
丙烯酸酯官能化的可固化液晶组分(例如根据式1至3的化合物)由于线性棒状结构而显示出有效的介晶特性，并且丙烯酸酯基团可用在与其它可固化组分(例如其它可固化液晶组分)的聚合/交联反应中。在可固化液晶组分(例如根据式1至3的化合物和/或源自其的聚合物)与可固化的聚合或单体光响应基团之间也可发生聚合/交联反应。
术语光响应基团旨在意指对光作出响应的化学基团或部分。该光响应基团通过表现出物理变化来对光作出响应。至少一个光响应基团可被作为至少一种液晶组分的一部分结合和/或可以与该液晶组分分离开的方式加以使用。术语‘作为…的一部分结合’和‘以与...分离开的方式使用’可被解释为意指化学键分别将光响应基团连接或不连接到液晶组分。该光响应基团本身可具有介晶或液晶特性，使得它也可以是液晶组分。当被照射时，光响应基团的这种物理变化会影响至少一种液晶组分的排序/排列，以实现光响应层的宏观变化/变形。
可固化的光响应基团允许光响应基团被聚合或交联，并且它可被附着到另一可固化基团。这可通过利用至少一个可固化基团(例如丙烯酸酯基团)使光响应基团官能化来实现。该光响应基团可被使用间隔基团(例如烷基或聚亚甲基(-(CH2)n-)基团)连接到该可固化基团。适用的光响应基团可以是偶氮苯衍生的，因此适用的可固化光响应基团可以是丙烯酸酯官能化的偶氮苯衍生基团。
包含经由间隔基团与可固化基团连接的光响应基团的可固化光响应基团本身是众所周知的。可用在本发明的光响应部分中的这种可固化光响应基团的非限制性示例是根据式4的化合物：
式4
式中，q是间隔基团中的亚甲基的数目。例如，q可以等于3或6。
根据式4的二丙烯酸酯官能化的偶氮苯衍生的可固化光响应基团由于其线性棒状结构可自身显现出介晶特性。在一个非限制性示例中，根据式4的可固化光响应基团的丙烯酸酯基团可被用在与诸如其它可固化光响应基团(例如根据式4的其它可固化光响应基团或页源自于其的均聚物)之类的其它可固化组分的聚合/交联反应中。
光响应层可以通过制备可固化液晶组分(例如根据式1至3的化合物中的一种或多种)和光响应基团(例如根据式4的分子)的混合物来进行制备，从而例如使用平行摩擦表面来排列液晶组分的介晶基团，并使该混合物聚合或固化。该聚合方法并非特别受限制的，并且可以光化学、热、催化等方式执行。
所获得的光响应层可包含可固化的光响应基团中的一种或多种，例如丙烯酸酯官能化的偶氮苯衍生基团、可固化光响应基团的均聚物、可固化光响应基团与可固化液晶组分的共聚物、包含可固化光响应基团的均聚物和可固化液晶组分的共聚物以及包含可固化光响应基团的均聚物与可固化液晶组分的均聚物的共聚物。
光响应基团的均聚物或聚合物可通过聚合或交联(也称为固化)可固化光响应基团中的两种或更多种来形成。在一个示例中，可固化光响应基团被作为液晶组分的一部分结合，因此可固化的光响应基团的均聚物将有利地提供光响应特性、与弹性体聚合物网络的弹性相结合的液晶的分子有序性/排列特性。
作为选择，可固化光响应基团和可固化液晶组分的共聚物可通过使可固化光响应基团中的一种或多种与可固化液晶组分中的一种或多种共聚或交联(也称为固化)而形成。因此，可固化光响应基团与液晶组分连接，这可有利地增强光响应基团的光诱导响应对液晶的分子有序性/排列特性的影响，并因此增强提高其对于光响应层的宏观变形的影响。此外，该共聚物还有利地包括弹性体聚合物网络的弹性。
作为选择，包含可固化光响应基团的均聚物和可固化液晶组分的共聚物可通过使可固化光响应基团与可固化液晶组分中的至少一个的均聚物中的至少一种共聚或交联(也称为固化)而形成。因此，可固化光响应基团的均聚物与该液晶组分连接，这可有利地增强光响应基团的光诱导响应对液晶的分子有序性/排列特性的影响，并因此增强光响应的宏观变形。此外，共聚物还有利地包括弹性体聚合物网络的弹性。
作为选择，包含可固化光响应基团的均聚物和可固化液晶组分的均聚物的共聚物可通过共聚或交联(也称为固化)可固化光响应基团的均聚物中的至少一种与可固化液晶组分的均聚物中的至少一种而形成。因此，可固化光响应基团的均聚物与液晶组分的均聚物连接，这可有利地增强光响应基团的光诱导响应对液晶的分子有序性/排列特性的影响，并因此增强其对光响应层的宏观变形的影响。此外，该共聚物还有利地包括弹性体聚合物网络的弹性。
该堆叠件可被用作单个致动器，或者可存在该堆叠件的线或阵列，以例如提供对2D或3D轮廓的控制。这种致动器装置可应用于用于流体的柔性箔、导管、用于药物输送的致动器、衬垫或服装中的软体机器人(例如主动压力袜)，其可为老年人或残疾人提供机械支撑或帮助和指导物理疗法或帮助防止出现褥疮。其它可能的应用是在使用UV LED的产品中，例如口腔保健(牙齿美白涂层的固化)和光动力疗法(用于治疗牛皮癣、痤疮)。这种装置也可用在光催化氧化应用(水和空气净化)中。
本发明还涉及该堆叠件的制造。在一个非限制性实例中，光响应层或膜在10微米的单元中进行制备，在这些单元中，平行的摩擦表面被填充有根据式1的可固化液晶组分和根据式2的光响应基团的混合物。在排列并借助于光引发剂进行光聚合之后，获得10微米的膜，该膜可被从单元中取出并被切成用于该堆叠件的光响应层。
在一种实施方案中，10微米的光响应层被堆叠在10微米的间隔件之间。随后利用可固化的硅树脂材料填充光响应层之间的间隙，该硅树脂材料也可被施加在该堆叠件的侧面，这会有助于将光分成几层。因此，通过经由设置在该堆叠件的周边处的非光响应材料来引导光，将光在堆叠方向上以及垂直于堆叠方向引导到光响应层。随后使硅树脂材料固化以形成可变形的非光响应层的硅树脂聚合物/橡胶。随后经由机械耦合件连接堆叠件的极端，该机械耦合件通过热或光化学聚合而由丙烯酸酯单体形成。
在替代实施方案中，通过诸如刮刀涂布之类的技术利用10微米的未固化的硅树脂材料涂覆该光响应层。随后堆叠涂覆好的光响应层，接着使硅树脂材料固化以形成硅树脂聚合物/橡胶。可以在使硅树脂材料固化之前或之后施加机械耦合件。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一种”或“一”并不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围进行限制。

Claims (14)

1.一种致动器装置，包括层的堆叠件，所述堆叠件包括：
-多个光响应层(101)，其响应于入射光而变形；和
-可变形的非光响应层(102)，其被至少部分地定位在每对相邻的所述光响应层之间，并且在所述光响应层之间引导光以及将光引导到所述光响应层。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述光响应层(101)各自包括至少一种液晶组分和至少一种光响应基团。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述至少一个光响应基团是肉桂酸衍生基团、肉桂基衍生基团、螺吡喃衍生基团和偶氮苯衍生基团中的至少一种。
4.如任一前述权利要求所述的装置，其中，每个光响应层(101)的厚度为1-50微米。
5.如任一前述权利要求所述的装置，其中，所述装置在所述堆叠件的至少一个侧面上包括机械耦合件(103)，所述机械耦合件固定住所述光响应层和所述可变形的非光响应层在堆叠方向上的相对位置，但允许所述堆叠件收缩和伸展。
6.如权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中，所述装置在所述堆叠件的至少一个侧面上包括机械耦合件(103)，所述机械耦合件固定住所述光响应层和所述可变形的非光响应层在所述堆叠方向上的相对位置，但允许所述堆叠件弯曲。
7.如权利要求5或6所述的装置，其中，所述机械耦合件(103)是诸如丙烯酸酯聚合物之类的聚合物。
8.如任一前述权利要求所述的装置，其中，所述光响应层(101)包括以下中的至少一种：
可固化的液晶组分；
诸如丙烯酸酯官能化的液晶组分之类的可固化液晶组分的聚合物。
9.如任一前述权利要求所述的装置，其中，所述可变形的非光响应层(102)是诸如硅树脂基聚合物或橡胶之类的聚合物或橡胶。
10.如前一权利要求所述的装置，其中，所述装置还包括用于提供入射光的光源(105)，所述光源被设置于所述堆叠件的顶部和/或底部和/或设置于所述堆叠件的一个或多个边缘处。
11.一种制造致动器装置的方法，包括形成堆叠件，所述堆叠件包括：
多个光响应层(101)，其响应于入射光而变形；和
相应的可变形的非光响应层(102)，其被至少部分地定位在每对相邻的光响应层之间，所述可变形的非光响应层在所述光响应层之间引导光以及将光引导到所述光响应层。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述方法包括：
在间隔件之间堆叠光响应层(101)；
利用诸如硅树脂材料和/或丙烯酸酯材料之类的可固化材料填充层间空间以及可选择地涂覆所述堆叠件的一个或多个侧面；和
使用热和/或光化学聚合使所述可固化材料固化。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述方法包括：
利用诸如硅树脂材料和/或丙烯酸酯材料之类的可固化材料涂覆光响应层；
堆叠涂覆好的层，以及可选择地利用诸如硅树脂材料和/或丙烯酸酯材料之类的所述可固化材料涂覆所述堆叠件的一个或多个侧面；以及
使用热和/或光化学聚合使所述可固化材料固化。
14.一种致动方法，包括：
照射包括多个光响应层(101)的堆叠件，所述光响应层(101)在每对相邻的光响应层之间通过可变形的非光响应层(102)分隔开，从而实现所述光响应层的变形，
使所述可变形的非光响应层(102)跟随所述光响应层(101)的变形；以及
引起所述光响应层的变形的均匀化。
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