CN109937488A - 用于电活性致动器的刚度控制 - Google Patents

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D·A·范登恩德
M·T·约翰逊
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Abstract

提供了一种具有可控刚度分布的致动器设备，其中，致动器构件(12)包括电活性聚合物材料(16)，所述电活性聚合物材料具有嵌入其中的吸光填料元件(20)。所述填料元件适于吸收入射光能(26)并将所述入射光能转换成热能，从而加热所述电活性材料的周围部分。通过选择性地控制指向所述致动器构件的光源(24)的强度水平或光谱组成成分，能够在所述构件上实现特定程度加热散布，结果，能够在所述致动器构件上实现所需的特定刚度或柔性分布。

Description

用于电活性致动器的刚度控制
技术领域
本发明涉及具有可控刚度的致动器设备，尤其涉及具有可控刚度的基于电活性材料的致动器构件。
背景技术
电活性材料(EAM)(尤其是电活性聚合物(EAP))是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP能够用作传感器或致动器并且能够被轻松制造成各种形状，从而允许被轻松集成到各种各样的系统中。
已经开发出具有诸如致动应力和应变等特性的材料，这些材料在过去十年中已经得到显著改善。技术风险已经降低到针对产品开发可接受的水平，因此EAP在商业和技术上越来越受到关注。EAP的优势包括功率低、外形小、灵活、无噪声操作、准确、可能实现高分辨率、快速响应时间以及循环致动。
EAP材料的改善性能和特殊优势使得其适用于新的应用。
基于电致动，EAP设备能够用于需要对部件或特征进行小量移动的任何应用中。类似地，该技术也能够用于感测小的移动。
EAP的使用实现了以前不可能实现的功能，或者提供了优于普通传感器/致动器解决方案的巨大优势，这是因为与普通致动器相比，EAP结合了相对较大的变形与小体积或薄外形中的力。EAP还提供了无噪声操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可能的致动频率，例如，0-1MHz，最典型地低于20kHz。
使用电活性聚合物的设备能够被细分为场驱动材料和离子驱动材料。
场驱动EAP的示例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(例如，基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体。其他示例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电粘弹性体以及液晶弹性体。
离子驱动EAP的示例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合物(IPMC)以及碳纳米管(CNT)。其他示例包括离子聚合物凝胶。
场驱动EAP通过直接机电耦合由电场致动。场驱动EAP通常需要高场(伏特/米)但低电流。聚合物层通常很薄以保持驱动电压尽可能低。
离子EAP通过电致离子和/或溶剂迁移而被活化。离子EAP通常需要低电压但高电流。离子EAP需要液体/凝胶电解质介质(但是一些材料体系也能够使用固体电解质)。
这两类EAP都有多个家庭成员，每个家庭成员都有自己的优势和缺点。
场驱动EAP的第一个值得注意的子类是压电和电致伸缩聚合物。虽然传统的压电聚合物的机电性能有限，但是在改善这种性能方面的突破使得得到PVDF弛豫聚合物，PVDF弛豫聚合物显示出自发的电极化(场驱动对齐)。这些材料能够进行预先应变以在应变方向上改善性能(预先应变使得得到更好的分子对齐)。通常使用金属电极，因为应变通常处于中等状态(1-5％)。也能够使用其他类型的电极(例如，导电聚合物、炭黑基油、凝胶或弹性体等)。电极能够是连续的或分段的。
场驱动EAP的另一个感兴趣子类是介电弹性体。可以将这种材料的薄膜夹在柔性电极之间而形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由施加的电场引起的麦克斯韦应力造成膜上的应力，引起膜厚度收缩并且面积扩大。通常通过使弹性体预先应变(需要框架来保持预先应变)来扩大应变性能。应变可能相当大(10-300％)。这也限制了能够使用的电极的类型：对于低应变和中等应变，能够考虑金属电极和导电聚合物电极，对于高应变方案，通常使用炭黑基油、凝胶或弹性体。电极能够是连续的或分段的。
离子EAP的第一个值得注意的子类是离子聚合物金属复合物(IPMC)。IPMC包括溶剂溶胀的离子交换聚合物膜，该膜被层压在两个薄的金属或碳基电极之间，并且需要使用电解质。典型的电极材料是Pt、Gd、CNT、CP、Pd。典型的电解质是Li+和Na+水溶液。当施加场时，阳离子通常与水一起行进到阴极侧。这会引起亲水集群的重组和聚合物的扩展。阴极区中的应变引起聚合物基质的其余部分中的应力，从而引起朝向阳极的弯曲。对施加电压进行反转会反转弯曲。众所周知的聚合物膜是和
离子聚合物的另一个值得注意的子类是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常包括夹在两个共轭聚合物层之间的电解质。该电解质用于改变氧化态。当通过电解质向聚合物施加电势时，电子被添加到聚合物中或者从聚合物中除去，从而驱动氧化和还原。还原会引起收缩，氧化会引起扩展。
在一些情况下，当聚合物本身缺乏足够的导电性(在尺寸方面)时，添加薄膜电极。电解质能够是液体、凝胶或固体材料(即，高分子量聚合物与金属盐的复合物)。最常见的共轭聚合物是聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PTh)。
致动器也可以包括碳纳米管(CNT)，CNT悬浮在电解质中。电解质与纳米管形成双层，允许注入电荷。这种双层电荷注入被认为是CNT致动器的主要机制。CNT充当电极电容器，其中，电荷被注入CNT，然后这通过电解质移动到CNT表面而形成的双电层而得到平衡。改变碳原子上的电荷会引起C-C键长的变化。结果，能够观察到单个CNT的扩展和收缩。
图1和图2示出了针对EAP设备的两种可能的操作模式。
该设备包括电活性聚合物层8，电活性聚合物层8夹在电活性聚合物层8的相对侧上的电极4、6之间。
图1示出了未被夹紧的设备。如图所示，电压用于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10支撑。电压用于使电活性聚合物层弯曲。
可以认为电极、电活性聚合物层和载体一起构成整个电活性聚合物结构。
例如，这种移动的性质源于在被致动时扩展的主动层与被动载体层之间的相互作用。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，可以例如施加分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上移动。
在一个方向上的扩展可能是由EAP聚合物的不对称性引起的，或者可能是由载体层的性质不对称或两者的组合引起的。
如上所述的电活性聚合物结构可以用于致动和感测。最为主导性的感测机制基于力测量和应变检测。例如，能够通过外力容易地拉伸介电弹性体。通过在传感器上施加低电压，能够测量作为电压的函数(电压是面积的函数)的应变。用场驱动系统进行感测的另一种方法是直接测量电容变化或者测量作为应变的函数的电极电阻的变化。
压电和电致伸缩聚合物传感器能够响应于所施加的机械应力而生成电荷(假设结晶度足够高以生成可检测的电荷)。共轭聚合物能够利用压电离子效应(机械应力使得离子起作用)。当暴露于能够测量的应力时，CNT经历CNT表面上的电荷变化。已经表明，当与气态分子(例如，O2、NO2)接触时，CNT的电阻改变，使得CNT可用作气体检测器。
基于EAP的致动器/传感器的可能应用是普遍的。为了进一步改善该技术的多功能性和应用范围，希望改善EAP致动器可实现的致动位移和力的范围。此外，还希望改善EAP致动器的能力以执行更复杂的移动和形状改变效果，包括例如多关节致动运动。当前，这种效应只能使用EAP矩阵或分段EAP结构来实现，这些结构构造复杂且制造成本较高。
因此，希望提供改善的致动功能的EAP致动器。
发明内容
发明人已经认识到，在可以对结构的刚度进行更大程度的控制的情况下，可以提高在单个EAP结构中可实现的运动和力的范围。目前，在现有技术中，EAP致动器内的刚度控制非常有限，最多扩展到在两种不同的材料柔性二元状态之间的选择性交替。
EAP固有地表现出一定程度的刚度变化，这是由于在电刺激时材料内发生压缩而产生的。然而，这种效应相对较小(例如，关于预先应变致动器的刚度变化因子仅为5或6)，此外，刚度变化与致动器变形直接相关。
希望实现具有如下刚度(例如，杨氏模量或储能模量)的基于电活性聚合物的致动器，这种刚度能够在至少一个数量级上变化并且能够通过刺激来控制，该刺激独立于用于控制EAP的致动的电刺激。
这种独立可控的刚度将使得EAP致动器能够覆盖比恒定刚度设备目前可能实现的力和位移的范围更宽的力和位移的范围。此外，能够提供具有可变刚度和阻尼分布的设备或者提供复杂(阵列光)形状改变效应的设备；当前只能使用矩阵或者借助于分段电活性聚合物结构来实现功能。
已知在两个不同水平之间临时调节EAP致动器的刚度以促使形成双稳态功能。例如，US 8237324公开了将电活性聚合物换能器从其玻璃化转变温度以下加热到其玻璃化转变温度以上，以便借助于电刺激而实现容易的变形。一旦实现了致动器的变形，就通过再次将致动器冷却到其玻璃化转变温度以下来使致动稳定。该文献公开了在一些示例中可以使用吸光颗粒来辅助加热过程。
然而，这样的方法仅对EAP致动器的刚度提供了有限程度的控制，可实现的状态尤其涉及到改善致动器结构的双稳态的问题。只有两种刚度状态是可实现的，这两种状态对应于材料的低于和高于玻璃化转变温度的两相。
因此，需要用于提供对EAP致动器的刚度的增强程度的控制的设备和方法。
本发明由权利要求来限定。
根据本发明的一个方面，提供了一种具有可调节刚度分布的致动器设备，包括：
致动器构件，其包括：
电活性材料，其适于响应于电刺激的施加而变形；以及
所述电活性材料内的吸光填料元件，所述吸光填料元件适于吸收入射光能并将所述入射光能转换成热能；
可控光源，其与所述致动器构件光学耦合并能用于将光输出提供到所述致动器构件上，所述光输出能被控制在一定范围的不同的强度水平和/或光谱组成成分之间，以便以能控制的方式调节所述致动器构件的刚度分布；以及
控制器，其能用于控制所述光输出的所述强度水平和/或光谱分布，以便在所述致动器构件中选择性地实现一定范围的至少三种不同的刚度分布中的任一种。
因此，本发明的实施例提供了一种EAM致动器，其具有能借助于发光刺激来进行控制的刚度。通过改变被引导到致动器构件上的光输出的强度和/或光谱分布，可以精确地控制在致动器构件上呈现的刚度分布。
吸光填料被配置为具有吸光性质并能有效地将光能转换成热能，然后热能从填料向外辐射或传导到包围填料的电活性聚合物材料。随着电活性聚合物材料被加热，其刚度稳定下降，刚度的变化直接取决于所引起的温度变化。
因此，吸光填料的辐照提供了一种有效且精确可控的手段来经由以发光方式激发加热的机制来改变电活性材料的刚度。使用发光敏感填料的加热提供了比例如典型的基于传导的方法(使用例如附接的加热元件或条带)更为有效且可控的加热手段。填料被嵌入电活性材料，因此能够将100％的产生的热量递送给材料本身，而(至少在开始时)不会损失到周围环境。此外，通过使用嵌入式填料，(根据至少一些示例)能够选择性地控制仅EAM层的某些部分或节段被加热而不是其他部分或节段被加热。使用基于外部传导的方法要困难得多。更好地控制加热会得到对刚度的更大控制。
电活性材料用作支撑基质，在所述支撑基质中嵌入填料，例如，小颗粒。
光的强度水平泛指光的发光输出功率或水平，并不一定是指任何特定的物理量。作为纯粹示例，光的强度水平可以指以下项中的任一个：光通量、发光功率、发射光的辐射通量、辐射强度、发光强度、发光度、辐照度、亮度或辐射能。
光谱组成成分是指在光的组成波长或频率方面的光的组成成分。它能够被解释为例如指的是可控光源的发射光谱。
刚度分布可以指的是在致动器构件上均匀呈现的刚度水平或程度。替代地，刚度分布可以指的是空间刚度分布，其在致动器构件的范围内局部变化。
术语“刚度”还应当被广泛地解释为通常指的是材料的柔性或刚性或弹性的性质。它不一定特定指任何物理量。然而，在特定示例中，它能够覆盖例如材料的杨氏模量或储能模量。
根据一个或多个实施例，所述控制器能用于控制所述光输出的所述强度水平和/或所述光谱分布，以便在所述致动器构件的至少部分中实现连续光谱的刚度水平中的任一个。例如，强度水平可能在连续的强度值谱内是可控的。致动器构件的至少部分的刚度水平可以直接取决于入射光的强度。因此，控制器能用于通过选择性地控制光源的输出强度来实现连续光谱的刚度水平中的任一个，以便发射已知与材料中给定的所需刚度水平相对应的强度的光。
根据本发明的任何实施例，所述控制器可以被配置为基于预定义的控制时间表和/或基于一个或多个输入控制参数来选择性地控制在所述致动器构件中实现的所述刚度分布。控制器可以例如包括程序指令，所述程序指令当在控制器上运行时令控制器执行特定控制时间表或程序的步骤。控制时间表或程序可以例如包括借助于控制光源循环通过一系列不同的输出水平或模式来循环通过致动器构件的一系列不同的刚度分布，每个输出水平或模式对应于致动器构件的所需的特定刚度分布。
在示例中，预定义控制时间表可以包括取决于一个或多个输入参数的步骤。在示例中，输入参数可以包括用户输入命令或参数。在另外的示例中，输入参数可以是借助于一个或多个传感器设备(例如，温度传感器或刚性传感器)获得的参数。
根据一个或多个实施例，所述吸光元件可以不均匀地分布在所述电活性材料中，以便使得能够在所述致动器构件中实现空间不均匀的刚度分布。例如，所述吸光填料元件分布在填料元件的空间离散集中区的集合中。
通过在致动器构件中提供在空间上集中的吸光填料集群，能够实现局部变化的刚度变化。尤其地，在存在EAP填料的较高集中区的那些位置，通常会发生较大程度的加热(在辐照致动器构件时具有均匀散布的光)，而在存在填料颗粒的较低集中区的那些位置不会发生较大程度的加热。
结果，较高集中区将表现出比低集中区更大程度的刚度变化，与低集中区相比，较高集中区变得相对柔性。以这种方式，填料元件的空间不均匀分布可以在致动器构件上引起空间不均匀的刚度分布。
根据一个或多个实施例，所述致动器构件可以包括多个不同的局部集中的吸光填料元件组，每个组都适于吸收不同范围的波长的光，并且
其中，所述控制器被配置为根据限定的控制时间表来控制所述光输出的所述光谱组成成分，以便实现所述致动器构件的特定刚度分布。
尤其地，控制器可以被配置为将光输出控制为仅包括填料元件组的子集所敏感的光的波长。以这种方式，控制器可以仅选择性地刺激致动器构件的某些区或节段的加热，从而实现与该加热模式相对应的所需的特定刚度分布。
因此，所述控制器可以被配置为通过选择性地包括或排除所述致动器构件的一个或多个区域所包括的填料元件所敏感的光的波长来选择性地控制所述构件在所述一个或多个区域处的局部刚度。
根据一个或多个实施例，所述致动器设备可以包括填料元件的多个不同平面集中区的堆叠布置，所述堆叠布置沿着平行于所述光输出的光轴延伸的轴线进行堆叠，并且其中，每个平面集中区适于吸收所述光输出的光谱组成成分的不同部分。平面集中区的堆叠有效地形成层堆叠，每个层均由吸收不同波长的光的集合的填料颗粒进行填充。
每个平面集中区都可以例如适于吸收白光源的所谓减色。例如，三个平面集中区的堆叠中的每个都可以适于分别吸收青色光、品红色光和黄色光。以这种方式，只有入射在第一平面层上的白光源的青色部分将被吸收，而品红色光部分和黄色光部分被透射到位于下面的其余两层。然后，品红色部分可以被第二层吸收，而黄色光透射到第三层。
可以根据希望刺激哪些层来调节光的组成成分。例如，光源可以仅包括青色光和黄色光，从而不会刺激中间层。
以这种方式，可以通过仅照射堆叠的一侧来实现彼此堆叠在一起的两个或更多个平面元件集中区的选择性加热。
根据一个或多个实施例，所述可控光源与所述致动器构件可以借助于细长光导被光学耦合，并且任选地，其中，所述细长光导是光纤。
根据本发明的任何实施例，所述吸光填料元件可以包括填料元件，所述填料元件包括以下项中的至少一个：
黑色颜料；
过渡金属；
波长特定的染料；
磷光体；以及
荧光团。
根据一个或多个实施例，所述吸光填料元件可以包括具有依赖于温度的透光率的材料，使得透光率在特定温度下达到稳定阶段，并且任选地，其中，所述透光率针对高于所述电活性材料的玻璃化转变温度的温度达到稳定阶段。
根据本发明的另外的方面的示例提供了一种具有可转向节段的细长探头，所述细长探头包括任何上述致动器设备中的一个或多个致动器设备，所述一个或多个致动器设备用于促进所述可转向节段的转向。在特定示例中，细长探头可以是导管或导丝。在示例中，致动器设备的致动器构件可以被包括或被嵌入在细长探头的壁中，以便于尖端的转向。在特定示例中，细长探头可以包括多个致动器设备。在这些情况下，任选地，致动器设备中的两个或更多个致动器设备可以共享单个控制器。
根据一个或多个实施例，所述细长探头可以包括用于使所述可转向节段转向的相对的致动器构件的对，这两个构件的刚度被相互控制为使得在任何给定方向上转向时，这两个构件中的机械主动的一个构件被控制为具有高刚度，以便能够产生强大的主动致动力，并且这两个构件中的机械被动的一个构件被控制为具有低刚度，以便确保针对所述致动力的阻力最小。
在特定示例中，所述细长探头可以包括用于每个致动器构件的专用光导，所述专用光导用于向每个致动器构件提供单独可控的光输出。
根据本发明的另外的方面的示例还提供了一种选择性地控制致动器构件的刚度分布的方法，所述致动器构件包括：
电活性材料，其适于响应于电刺激的施加而变形，以及
所述电活性材料内的吸光填料元件，所述吸光填料元件适于吸收入射光能并将所述入射光能转换成热能，
所述方法包括：
将光输出引导到所述致动器构件上，所述光输出具有可控的强度水平和/或光谱组成成分；以及
控制所述光输出的所述强度水平和/或光谱分布，以便在所述致动器构件中选择性地实现一定范围的至少三种不同的刚度分布中的任一种。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例，在附图中：
图1示出了未被夹紧的已知电活性聚合物设备；
图2示出了受到背衬层约束的已知的电活性聚合物设备；
图3示意性地图示了根据本发明的一个或多个实施例的第一示例致动器设备；
图4示出了图示针对典型的电活性聚合物材料的弹性与温度之间的关系的曲线图；
图5示意性地图示了根据一个或多个实施例的第二示例致动器设备的致动器构件；
图6示意性地图示了根据一个或多个实施例的包括一个或多个示例致动器设备的导管；
图7示意性地图示了根据一个或多个实施例的第三示例致动器设备的致动器构件；
图8示意性地图示了包括根据本发明的一个或多个实施例的示例致动器设备的导丝；
图9示意性地图示了根据本发明的一个或多个实施例的第四示例致动器设备的致动器构件；
图10示出了图示许多不同聚合物的透光率与温度之间的关系的曲线图；并且
图11示意性地图示了根据本发明的一个或多个实施例的第五示例致动器设备的致动器构件。
具体实施方式
本发明提供具有可控刚度分布的电活性材料致动器设备。该设备的致动器构件包括电活性材料，例如，电活性聚合物，该电活性聚合物具有被嵌入或被包含在其中的吸光填料元件。吸光填料元件适于吸收入射光能并将该入射光能转换成热能，从而加热EAP材料的周围部分。通过选择性地控制指向致动器构件的光源的强度水平或光谱组成成分，能够在该构件上实现特定程度和加热散布，结果，能够在致动器构件的主体上实现所需的特定刚度或柔性分布。
图3示意性地图示了根据本发明的一个或多个实施例的致动器设备的简单的第一示例。致动器设备包括致动器构件12，致动器构件12包括电活性聚合物材料16以及电活性聚合物材料内的多个吸光填料元件20。该设备还包括可控光源24，可控光源24能用于将光输出26引导到致动器构件12上。
虽然在图3所示的简单图示中，光源24被布置为使得将光输出26直接提供到致动器构件12的表面上，但是在替代示例中，光源和致动器构件可以借助于例如用于在光源与致动器构件之间承载光输出的合适的光导而被间接光学耦合。
致动器设备还包括控制器30，控制器30与可控光源24操作性耦合，并且能用于控制由光源发射的光输出26的强度水平和/或光谱分布。
吸光填料元件20包括具有吸收入射光并将入射光转换成热能的性质的材料。然后，所产生的热能从填料元件向外扩散到致动器构件12的周围电活性聚合物材料中。吸光填料以有效且受控的方式将光转换成热，使得致动器构件中的复合EAP材料的温度快速且以受控的方式达到稳定值。达到的特定温度和达到该温度所需的时间取决于填料材料的类型和量以及致动器构件中填料材料与EAP材料的比率。此外，能够借助于被引导到致动器构件上的光输出26的强度或光谱组成成分来控制达到的特定温度和达到该温度所需的时间。
致动器构件的刚性或刚度取决于致动器构件的温度。这在图4中示出，图4提供了图示针对电活性聚合物材料的温度与弹性模量或储能模量之间的典型关系的曲线图。这种关系适用于许多场驱动和离子驱动的EAP材料。如图所示，弹性模量在一定温度范围内保持得相当稳定。在特定温度(在大多数情况下为玻璃化转变温度)下，弹性模量根据温度升高以相对快的速率开始降低。在更高的温度下，材料的弹性模量保持稳定；随着温度的进一步升高，不会使得弹性发生了另外的显著变化。
举例来说，(玻璃化)转变温度在0-40℃下的EAP材料包括：聚(丙烯酸叔丁酯)、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)、聚氨酯，以及混合有PMMA的P(VDF-TrFE-CFE)。这些物质表示可能特别适用于典型(室温)环境的合适材料的说明性示例的集合。该列表不是穷举性的，也可以使用其他合适的材料(其示例对于技术人员来说是显而易见的)。
通过控制被引导到致动器构件12上的光能的量和速率，能够精确控制致动器构件的加热程度，并且因此能够精确控制构件的刚性水平。
在示例中，控制器30能用于控制光输出26的强度水平。举例来说，“强度水平”可以指光输出26的发光功率。通过控制光输出的强度水平，可以控制光源24与吸光填料元件20之间的能量传递速率。通过控制能量传递速率，可以相应地控制由光能转换成吸光填料元件中的热能所引起的致动器构件的加热速率。以这种方式，控制器30能经由对可控光源24的控制来操作为精确控制致动器构件的刚度状态。
在示例中，强度水平能被控制在连续光谱的不同强度水平上。根据这些示例，根据由光源24产生的光输出的强度水平，能够在致动器构件内实现连续光谱的不同刚度水平。
与现有技术的设备相比，该致动设备具有许多优势。尤其地，致动器构件的刚度能被控制在一定范围的不同水平内。尤其地，控制器30能用于在致动器构件中选择性地实现一定范围的至少三种不同刚度分布中的任一种。在图3的特定示例中，刚度分布可以指致动器构件的不同刚度水平，其中，每个刚度水平对应于所产生的光输出26的特定强度水平。
此外，本发明的示例使得能够独立于构件12的致动状态来控制刚度。通过调节光源24的光输出26，能够完全控制刚度，这完全独立于用于控制致动器构件12的致动的电刺激。
另外，在本发明的示例中，在构件本身的材料内产生用于改变致动器构件的刚度的热量。因此，与例如提供外部施加的加热元件或其他导热设备的替代加热手段相比，这种传热效率显著提高。
本发明的示例允许电活性聚合物材料的弹性变化大于10倍，这显著大于借助于例如材料的机械变形所固有的可实现的刚度变化。
根据一个或多个示例，控制器30可以被配置为基于预定义的控制时间表来选择性地控制在致动器构件中实现的刚度分布。在示例中，预定义的控制时间表可以包括取决于一个或多个输入参数的步骤或过程。输入参数可以是用户输入参数，或者可以是例如从一个或多个传感器设备(例如，与致动器构件热耦合的温度传感器)获得的输入参数。
举个简单的示例，控制器可以例如被配置为实施控制时间表，其中，光源24被控制为发射足以在致动器构件12中创建至少三种不同刚度分布的集合中的一种分布的光输出26。控制时间表可以例如包括针对每个可能的刚度分布，尤其是已知足以实现特定的刚度分布的光强度和/或光谱组成成分。控制器30可以例如包括存储器，在所述存储器中，针对每个可能的刚度分布存储针对光输出的发光性质的对应集合，该对应集合对于在致动器构件内实现该分布是必需的。
控制时间表可以例如包括获得或寻求用户输入命令的步骤或过程，用户输入命令指示控制器能用于在致动器构件内实现的至少三个刚度分布中的特定一种。(一个或多个)控制命令可以借助于例如单独提供的用户接口设备而被提供给控制器30。替代地，致动器设备可以包括合适的用户接口设备。
额外地或替代地，根据一个或多个示例，控制器30可以被配置为运行控制时间表，该控制时间表包括用于使致动器构件12循环通过一系列不同刚度分布的步骤。所述一系列不同刚度分布可以是沿着连续光谱分布的相继分布(例如沿着连续光谱的可能的刚度水平的不同的均匀刚度水平)。替代地，不同的刚度分布也可以是离散分布，例如包括刺激致动器构件12内的局部区域的不同集合，从而实现不同的刚度配置或不同的形状变化效果。
在示例中，吸光填料元件可以包括填料颗粒或团粒。EAP材料与嵌入的填料颗粒的组合可以形成EAP复合物材料。在特定示例中，EAP填料元件可以包括黑色颜料。黑色颜料可以适合于与相对较强的光输出26结合使用。颜料的黑色赋予它们高的吸收效率，因此提高了光源24与致动器构件12之间的能量传递效率。作为非限制性示例，合适的黑色颜料包括乙炔黑、锑黑、原木黑湖(颜色指数：NBk2)，以及苯胺黑(PBk1)。还存在各种各样的替代黑色颜料，并且可以替代地使用任何合适的颜料。
颜料应当优选是不导电的，从而避免电捷径或电击穿。另外，颜料应优选是不溶解的。
也可以考虑染料。染料通常不是普遍不溶解的(它们溶解在某些溶剂中)，但对于某些溶剂组是不溶解的。当不溶解时，染料作为电活性材料基质内的颗粒(类似于颜料)进行分散。合适的示例包括(仅作为非限制性示例)印度油墨、黑色7984。
在替代示例中，可以使用包括过渡金属或基于过渡金属的填料。基于过渡金属的复合物还提供高吸收效率以及在周围EAP材料内的高发热效率。合适的过渡金属复合物可以包括镍或铜氧化物。
额外地或替代地，吸光填料元件20可以包括波长特异性管芯，例如，磷光体或荧光团。这些材料通常具有仅吸收特定的波长集合或波谱的光的性质。使用包括这样的材料的填料元件允许本发明的示例中的波长特异性吸收功能。尤其地，通过包括例如不同的填料元件组，每个填料元件组适于吸收不同集合的波长的光，可以通过控制被引导在致动器构件12的光输出26的特定的光谱组成成分来实现对致动器构件12的刚度分布的更为细微的或局部定向的控制。
例如，光可以被控制为仅包括特定波长的光并排除其他波长的光，以便仅选择性地刺激填料元件的特定子组的加热，从而仅在致动器构件的特定局部区域中引起刚度变化。
适合于这样的示例的磷光体包括硫化锌或氧化钇基磷光体。
适合于这样的示例的荧光团包括罗丹明基染料。
该设备使用复合物材料，该复合物材料结合了电活性材料(特别是聚合物)与其他颗粒(其通常被称为“填料”)。
现在将描述用于制造合适的包括具有嵌入或包含的填料颗粒的电活性聚合物材料的EAP复合物材料的手段以及对电活性材料的物理性质和电学性质的影响。
首先介绍介电弹性体电活性材料的示例。介电弹性体电活性材料夹在两个电极之间以创建介电电活性聚合物致动器。硅橡胶是主要应用的弹性体组。变形是带正电的电极与带负电的电极之间相互吸引的结果。
在硅氧烷中复合颗粒广泛用于工业规模。举例来说，超声换能器透镜由填充有铁和氧化硅颗粒的硅氧烷(PDMS，聚二甲基硅氧烷)制成，以增加声阻抗和耐磨性。含有金红石(TiO2)的PDMS(硅氧烷)复合物广泛用于增加折射率或创建白色反射材料。
关于介电电活性聚合物的性能，与诸如陶瓷的非导电硬颗粒的复合具有两个主要的显著效果。首先，材料的刚度增加，从而需要更大的力来获得相同的应变水平。另一个效果是复合物的介电常数发生变化(通常填料的介电常数将高于硅氧烷的介电常数，其接近于3)。取决于电压的应变效果是正还是负取决于颗粒的介电常数和颗粒尺寸，因为更小的颗粒对刚度的影响更大。
这在S.Somiya的“Handbook of Advanced Ceramics:Materials,Applications,Processing,and Properties”(MLCC的非线性介电性质，Waltham，学术出版社，2013年，第415页)中进行了讨论。举例来说，添加颗粒会增大介电常数，但也会增大刚度。
因此，已知将填料配复合到弹性体中以影响介电电活性聚合物的性质。已经广泛研究了添加高介电常数颗粒以增大弹性体的介电常数并因此提高潜在的有效性。
硅氧烷弹性体通常是通过混合两种组成成分来制备的。这两种组成成分中的一种含有Pt或过氧化物固化催化剂。能够在高速混合器中混合不同的组成成分。在同一过程中，能够加入填料或者可以已经在一种或两种组成成分中预先混合了填料。填料材料通常被施加到在处理期间蒸发的溶剂中。在高速混合器中混合之后或期间，通常施加真空以除去空气(和/或溶剂)内含物。在此之后，能够将该混合物进行流延和固化。固化温度和时间取决于聚合物等级，但通常约为80℃，持续10分钟。大多数颗粒与硅氧烷相容，只要它们不使催化剂(例如，含硫材料)失活即可。过氧化物固化硅氧烷不太敏感。
硅氧烷能够被注塑成型(液体硅橡胶，LSR)。在通过LSR注塑机的(静态)混合器之后，将两种组成成分注入螺杆中。可以在一种或两种组成成分中预先混合填料颗粒。通过冷螺杆将材料输送并注入热模具，在这里，惹模具中的材料根据温度快速固化。由于LSR具有非常低的粘度，因此能够实现非常薄的节段。典型的固化温度接近于180℃，时间约为30秒至1分钟。
除了流延和注塑之外，还有许多其他成型技术可用于生产薄膜形式的硅橡胶复合物组成成分。示例是挤压(箔和型材)，轧制箔，层压和轧制多层，刮片薄膜流延，旋涂和丝网印刷。
能够在制造时局部进行填充，例如通过使用多次注塑成型(2次或2次以上的成型)，硅氧烷分配和过度流延或硅氧烷添加制造(即，3D打印)时进行填充。
接下来将介绍压电聚合物复合物的示例。
已经研究了含有PVDF复合物(基质聚合物)和陶瓷颗粒(例如，PZT)的压电聚合物复合物。溶剂流延和旋涂等制造技术是合适的。而且，冷压技术和热压技术也是合适的。在溶解PVDF之后，蒸发溶剂直到获得粘性混合物，然后可以进行填料颗粒的混合。可以实现具有良好分散的粒度分布和完整聚合物基质的基于PVDF聚合物的复合物。
接下来将介绍弛豫电致伸缩聚合物致动器的示例。
这些聚合物是一类半结晶三元共聚物，其能够在中等应变下提供相对较大的力。因此，这些致动器具有广泛的潜在应用。通过采用适当的缺陷修饰，已经从“常规的”PVDF聚合物开发出弛豫电致伸缩聚合物。弛豫电致伸缩聚合物含有：偏二氟乙烯(VDF)、三氟乙烯(TrFE)，以及1，1-氯氟乙烯(CFE)或三氟氯乙烯(CTFE)。
添加化学单体(例如与VDF-TrFE共聚合的1，1-氯氟乙烯(CFE))形式的缺陷消除了常规的铁电相，得到机电应变大于7％且弹性能量密度在150MV/m下为0.7J/cm3的弛豫铁电体。此外，已经描述了经由P(VDF-TrFE)共聚物的高电子辐照引入缺陷，共聚物也能够从“常规的”铁电P(VDF-TrFE)转变成弛豫铁电体。
这些材料可以通过如由F.Carpi等人的“Dielectric Elastomers asElectromechanical Transducers:Fundamentals,Materials,Devices,Models andApplications of an Emerging Electroactive Polymer Technology”(牛津，Elsevier，2011年，第53页)中所描述的聚合物合成来形成。这篇文献公开了悬浮聚合过程与氧活化引发剂的组合。这些膜能够通过将溶液倒在玻璃基板上然后蒸发溶剂来形成。
在薄膜流延之前，能够将所需的填料加入溶剂中。在流延之后，然后能够将复合物退火以除去溶剂并提高结晶度。结晶速率能够根据填料集中程度和粒度分布而降低。拉伸将使分子链对齐，并且由于颗粒能够固定分子链，因此拉伸将变得更加困难。对于大多数添加剂，介电常数将会增大，这降低了达到一定应变所需的致动电压。材料刚度将会增大，从而使应变减小。
因此，制造工艺涉及形成聚合物溶液，添加颗粒，混合，然后进行流延(例如，流延成型)，该流延可能与层压相结合。替代方案是旋涂、压制等。
使用分配和/或3D溶剂打印能够实现集中程度的局部变化。例如，对于3D打印工艺，层厚度可以在10至20μm之间。
在所有示例中，填料的添加通常会对击穿电压有影响。电活性聚合物能够达到的最大应变由能够施加的最大电压(即，击穿电压(或介电强度))来决定。
聚合物的击穿电压与在施加的外部场下聚合物分子的解离有关。在聚合物基质中添加填料颗粒能够对击穿电压产生显著影响。特别大的颗粒能够使得场发生局部增大。因此，将聚合物与亚微米范围的颗粒的混合对电压击穿具有较低的负面影响。此外，聚合物-填料界面结构能够强烈影响电压击穿。
颗粒的聚集是降低击穿电压的另一种影响。然而，通过修饰颗粒表面来防止聚集和改善界面结构，能够降低电压击穿水平的负面影响。然而，填料的聚合物将获得比未填充的聚合物更低的击穿强度，从而引起更低的致动应变。
总之，对于介电电活性聚合物，能够使用各种工业复合成型技术来实现与颗粒的复合。为了保持对刚度的影响并因此使受限的致动器的冲程减小，优选使用较小的浓度。对于给定的体积浓度，也优选不太小的颗粒以保持受限的刚度影响。能够选择软基聚合物以补偿刚度的增加。增加的介电常数能够在降低的电压下进行致动。为了维持介电强度，应当限制粒度和浓度并且能够采取措施来改善聚合物-填料接口以及颗粒分散。通过印刷填料颗粒的图案能够实现局部浓度变化。
弛豫型电活性聚合物与颗粒复合也是可能的。关于颗粒浓度和尺寸对刚度和介电强度的影响的类似趋势与上述效果相当。能够在聚合之后添加颗粒。能够使用各种技术(例如，流延成型和旋涂)对溶解的聚合物进行成型。例如也可以通过使用印刷方法来实现局部浓度变化。
根据一个或多个示例，光源可以包括一个或多个固态光源，例如，LED或OLED。额外地或替代地，光源可以包括其他种类的光源，例如，灯丝或荧光光源。额外地或替代地，光源可以包括一个或多个激光光源。
应当注意，在描述本发明的实施例时，没有详细描述对致动器构件12的致动状态的控制。对用于提供致动效果的基于电活性聚合物的致动器的控制是众所周知的，并且将是本领域技术人员可以立即想到的。因此，为了简洁起见，没有描述通过电刺激来控制致动器构件的变形。在特定示例中，可以借助于单独的专用控制器来实施对致动器构件的致动状态的控制。替代地，单个控制器30可以被配置为提供对这两个方面的控制，但是其中，尽管如此，刚度的控制完全独立于致动状态的控制。
在图3所示的特定示例中，吸光填料元件20均匀地分布在致动器构件12的主体上。结果，响应于光输出26的刺激，在致动器构件内引起均匀的升温水平(假设光输出提供光能在致动器构件上的均匀分布)。因此，在该特定示例中，光输出26的变化可以影响在致动器构件上的均匀刚度水平的变化。
然而，在其他示例中，吸光填料元件20可以不均匀地分布在致动器构件12的主体上。图5中示出了这样的示例：其示意性地图示了根据本发明的一个或多个实施例的致动器构件12，致动器构件12具有在空间上聚集成局部集中的组的填料元件20。根据该示例，在用光输出26辐照致动器构件12时，仅刺激包括填料颗粒的高集中区的局部区域(由阴影区36示意性地指示)以升高温度，从而降低刚度，而中间区域(由非阴影区38示意性地指示)保持相对不加热并因此保持较高的刚度水平。
结果，在致动器构件12的主体上引起不均匀的刚度变化图案，其中，局部区域变得更柔软且更有柔性，而中间区域保持刚性。填料颗粒的不均匀分布从而使得能够响应于光源26的辐射而刺激致动器构件上的不均匀刚度分布。
在其他示例中，可以以不同方式组织或布置集群，以便提供刚度变化的不同图案或分布。
根据一个或多个示例，颗粒可以不分布在如图5所示的离散集群中，而是可以连续地分布在致动器构件上，但具有不均匀的空间分布图案，即，包括较高集中区和较低集中区的空间分布图案。
图6图示了在导管42内实施的图3的简单的第一示例致动器设备，该第一示例致动器设备用于为导管的可操纵尖端提供增强的转向功能。导管42包括相互对置的致动器构件46、48的对，该致动器构件46、48的对是沿着导管尖端的管腔的相对壁节段安装的。两个相对的致动器构件中的每个都被供应有单独的光导52、54，光导52、54用于将相应的致动器构件与位于导管的近端处的单个光源24光学耦合。在特定示例中，光导可以是光纤。
应当注意，图6的示意图中的尺寸并不是按比例绘制的。虽然光导52、54被绘制得比致动器构件46、48短，但实际上光导可以沿着导管的整个长度延伸到最终近端。此外，光源24被示为在空间上与导管的近端分离，然而在实践中，光导可以永久地或可移除地机械(和光学)耦合到导管的端部。
图6中图示的导管应用旨在解决目前涉及多向导管尖端转向的问题，其中，安装在导管中的用于促进双向转向的相互对置(对抗)的致动器会由于致动器的残余刚度而阻碍彼此的致动效果，即使致动器在不活跃也会保持残余刚度。在理想情况下，两个致动器中的机械主动的致动器在致动时将具有相对较高的刚度，以便施加最大量值的力，而两个致动器中的机械被动的致动器将是相对柔性的，从而提供针对主动致动器的最小可能的阻力。
因此，在图6所示的实施例中，控制器(未示出)被配置为实施相互控制状态，其中，两个致动器构件被控制为具有相反的刚度水平：每当两个致动器构件46、48中的一个被控制为具有相对较高的刚度时，两个致动器构件中的另一个被控制为具有相对较低的刚度(或甚至最小的刚度)。尤其地，控制器可以被配置为确定两个致动器构件中的哪个(如果有的话)处于主动致动状态并且控制该致动器构件以具有相对较高的刚度水平，同时控制两个致动器构件中的另一个以具有相对较低的刚度水平。
这在图6中图示出。当第一致动器构件46处于主动致动状态时，导管42被(向左)转向到第一位置58。在该致动状态中，控制器被配置为控制第一致动器构件46处于相对较高的刚度状态，并且控制第二致动器构件48处于相对较低的刚度状态。相反，当第二致动器构件48处于主动致动状态时，导管42被(向右)转向到第二位置60。在该致动状态中，控制器被配置为控制第二致动器构件48处于相对较高的刚度状态，并且控制第一致动器构件46处于相对较低的刚度状态。
在示例中，通过提供两个单独的光源24而不是图6中所示的单个光源，可以实现对两个致动器构件46、48的单独控制。替代地，图6中所示的单个光源可以适于具有可独立控制的光输出区，一个光源与第一光导52的近端光学耦合，并且另一个光源与第二光导54的近端光学耦合。替代地，可以通过提供致动器构件46、48来实现对两个致动器构件的独立控制，每个致动器构件包括对不同的相应波长范围的光敏感的光敏填料元件。以这种方式，通过选择性地控制光输出26以仅包括要寻址的致动器构件所敏感的那些波长的光，单个光源26可以独立地控制两个致动器构件46、48。
如上所述，致动器构件的可控刚度使得能够在示例实施例中实现更复杂精细的致动移动和形状。受益于增强的变形活动范围的一个特定应用是对导管和导丝穿过狭窄曲折的(外围)血管的导航。这种导航需要精细的转向技术，这种技术是使用具有固定刚度分布的标准EAP致动器所难以实现的。通常通过在位于转向枢轴点周围的EAP致动器中提供局部柔性区域来实现最有效的转向。在这些点被固定的情况下，可用的转向运动的复杂性和适应性有限。
因此，根据实施例的至少一个集合的示例提供了细长的EAP致动器构件，该EAP致动器构件具有被定位在沿着构件的长度的不同点处的多个“软斑点”，包括吸光填料元件的局部集中区，以使得能够调节局部刚度水平。填充每个“软斑点”的填料元件适于对不同波长范围敏感，使得可以独立地控制每个局部斑点的刚度。
图7中图示了这样的示例，其示出了细长致动器构件12，细长致动器构件12具有三个局部化的吸光填料元件70、72、74的区域，每个区域都包括填料颗粒的局部集中区，这局部集中区适于吸收不同频率(或波长)范围的光。如图7的上图所示，每个局部化区域70、72、74都沿着致动器构件的长度形成局部可调节的斑点或点。在发光刺激时，每个斑点变得具有柔性并且有效地提供局部枢轴点，致动器构件12在EAP材料变形时关于局部枢轴点自然弯曲。通过用局部区域70、72、74中的一个或多个所敏感的(一个或多个)特定频率的光选择性地进行刺激，可以自发地产生一个或多个局部转向枢轴点的对应集合。以这种方式，控制器(未示出)能用于选择性地控制所实现的致动器构件转向的特定模式和形状。
虽然图7的特定示例示出了仅三个局部“软斑点”70、72、74的集合，但是在其他示例中，可以提供填料颗粒的更多数量的(例如，10个或更多个，或者甚至20个或更多个)局部集中区。填料颗粒集群的数量越多，对构件12的刚度分布以及因此对转向配置的刚度分布的控制程度就越大。
根据以上示例的实施例实现了自适应转向功能，而不使用多个EAP构件的复杂几何结构或使用分段EAP结构，这两者都是构造和操作复杂的，并且制造起来也更为昂贵。
根据一个或多个其他实施例，可以提供用于血管导航和穿透堵塞的导丝，这种导丝包括根据本发明的一个或多个致动器构件。致动器构件可以用于促进导丝尖端的可调节转向动作。导丝尖端尤其可以是可控制的，以根据特定的操作模式在不同的柔性状态之间进行调节。这些模式可以包括例如：直线导航模式、转向导航模式和穿透堵塞模式。
通常，例如在慢性完全堵塞移除流程中，具有不同刚度的不同导丝用于移除流程的不同部分。具有中等刚度水平的相对柔性导丝通常可以用于在主血管中快速且容易地进行导航，相对较软的导丝用于在小且曲折的血管中进行操纵，并且最后，刚性导丝(尖端)用于穿透堵塞。通过提供具有可调节刚度水平的尖端的导丝，可以避免使用多种不同的导丝，从而显著提高了移除操作的效率和速度。
这在图8中更清楚地图示出，图8示出了具有可转向尖端的示例性导丝43，该可转向尖端包括根据本发明实施例的至少一个致动器构件。导丝被示为以三种不同的操作和控制模式来实施。
在第一模式(图8中的左图)中，导丝尖端中的致动器构件(借助于相关联的可控光源-图8中未示出)被控制为表现出低刚度水平，使得导丝可以被导航通过血管78的相对直的节段。
在第二模式(图8中的中间图)中，导丝43尖端中的致动器构件被控制为表现出中等刚度水平，以便导航通过血管78的更曲折的节段。在该模式中，需要(通过EAP致动器的电刺激)在一个或多个方向上转向导丝尖端。因此优选是刚度相对较高的状态，以提供更大的致动力以便于转向。
在第三模式(图8中的右图)中，导丝78尖端中的致动器构件被控制为表现出相对较高的刚度水平，以便穿透血管78中的局部堵塞(或狭窄)82。
通过例如控制由相关联的光源(图8中未示出)引导到致动器构件上的光的强度，致动器构件可以容易地在(至少)三个不同刚度水平之间变化。
图9示意性地图示了根据本发明的一个或多个实施例的另外的示例致动器设备。该设备包括致动器构件12，致动器构件12包括电活性聚合物材料的单个片材，该材料具有位于片材上的各种不同位置处的不同密度的吸光填料元件的多个局部集中区86、88、90、92。通过改变由光源24提供到致动器构件12上的光输出的强度和/或光谱组成成分，能够在电刺激EAP材料时在各个位置处引起不同的局部变形行为。尤其地，通过选择性地控制不同局部化区的相对刚度，可以在致动器构件12上实现不同的刚度分布，并且因此，在致动器构件变形时，引起不同的弯曲和压缩形状和效果。
根据一个或多个示例，可以选择不同局部化区中的两个或更多个的吸光填料元件，以便对不同的相应波长范围的光敏感。以这种方式，可以借助于单个光源24(通过选择性地控制由光源产生的光输出内包括的特定波长的光)来实现对不同局部区域的独立选择性控制。
根据该实施例的示例可以用于创建致动阵列效果，而无需使用复杂的EAP结构、阵列或矩阵驱动。例如，这可能对简单的(触觉)用户接口和光学设备有用。
根据另外的实施例集合的示例可以提供由穿孔的EAP复合物材料片材形成的致动器构件，该致动器构件具有穿孔(或孔)，该穿孔(或孔)的尺寸能根据所施加的发光刺激的强度和/或光谱组成成分来控制。例如，这样的穿孔片材可以提供用于实现受控扩散的膜。
例如，致动器构件片材可以限定多个开口，其中，每个开口均由EAP材料的区域围绕或机械连通，所述EAP材料的区域具有适于对一个或多个频率的特定集合的光敏感的吸光填料元件。开口的某些子集可以具有适于对一个或多个频率的公共集合敏感的填料元件。替代地，每个开口可以被提供有适于对一个或多个频率的独特集合敏感的填料元件。
致动器构件片材可以适于使得在没有对EAP施加任何电刺激的情况下所有开口都是打开的(或者替代地，所有开口都是闭合的)。在用电刺激刺激EAP时，致动器构件片材可以适于以使得所有开口切换为闭合(或打开)的方式而变形。应当理解，通过改变紧密包围开口中的一个或多个开口的特定集合的致动器构件片材的区域的刚度，可以控制所述开口以不同的方式响应电刺激的施加或不施加。通过光学地(利用它们所敏感的光谱组成成分的光)刺激某些开口，可以控制特定的开口以例如在剩余的孔关闭时打开这些特定的开口或者在剩余的孔打开时关闭这些特定的开口。以这种方式，可以独立地控制(一个或多个)个体开口的集合。
因此，通过适当地组合电刺激与光刺激，可以实现对在任何时间打开的特定数量和图案的开口的定制控制，并且在特定示例中，可以实现(例如通过改变发光刺激的各种光谱组成成分的强度)控制每个开孔的尺寸。
在一个或多个孔的不同子集具有对不同波长的光敏感的周围或相邻的填料元件的情况下，通过控制所施加的发光刺激的光谱组成成分，可以(通过选择性地包括或排除已知与不同子集相关联的波长)控制在任何一个时间打开的孔的特定配置。
这样的实施例可以用作在其表面上提供受控扩散的膜，特别是通过选择性地控制在任何时间要打开或关闭的更多或更少数量的开口来提供受控扩散的膜。
根据一个或多个特定示例，还可以控制扩散方向。这可以借助于例如具有指向一定范围的不同方向的表面或表面区域的膜来实现。这可以包括弯曲的膜(诸如球形的闭合曲线，或开放曲线)或具有面向不同方向的多个平面的接合膜。通过选择性地控制在不同面对方向的表面或表面节段中的每个表面或表面节段上打开的孔的数量，可以控制不同方向中的每个方向上的扩散速率。
根据本发明的一个或多个实施例，可以提供包括吸光填料元件的致动器构件，所述吸光填料元件至少部分地包括具有依赖于温度的透光率的材料。尤其地，可以调整或选择透光率，以便在达到特定温度时保持稳定或达到稳定阶段。更尤其地，可以控制透光率以在高于致动器构件所包括的电活性聚合物材料的玻璃化转变温度Tg的温度下保持稳定或达到稳定阶段。
聚合物的刚度在接近于玻璃化转变温度Tg时会急剧下降。在此温度下，控制材料的确切刚度会变得非常困难。通过在特定温度下(例如在颗粒的熔融温度下或在含有偶氮的聚合物的反式至顺式转变温度下(参见下文))掺入具有改变的透光率的材料的颗粒，可以实现对刚度的稳定控制。尤其地，如果选择具有在高于所述特定温度时达到稳定阶段或变得平坦的透光率的材料，则在超过该特定温度时进一步加热致动器构件会变得越来越困难。结果，致动器构件的温度保持稳定，因此可以保持对材料的刚度水平的控制。
具体针对图10中的含有偶氮的聚合物填料图示出这种效果，图10示出了针对许多不同的示例聚合物填料材料的透光率(y轴，任意单位)对温度(x轴，℃)的曲线图。不同的趋势线100、102、104、106表示不同的AZO复合物。
某些材料表现出如上所述的达到稳定阶段的行为，因此特别适合作为本发明的实施例中的吸光填料元件的候选物。尤其地，材料100在大致55℃下在透光率方面表现出特别明显的转变，然后在大致64℃下变得平坦。因此，这可能是特别合适的候选材料。材料102表现出相似但较弱的透光率行为，在30℃至大致60℃之间相对稳定地增加，然后在与材料100相似的透光率水平下变得平坦。
相比之下，材料104表现出透光率的尖锐尖峰(在大致68℃下)(其表征材料100)，但在给定的较高温度下不会达到稳定阶段，而是继续呈上升趋势。因此，该材料可能不太优选。材料104也可能是不太优选的，在30℃至75℃的范围内表现出大致均匀的透光率。
根据一个或多个实施例，可以通过吸光填料元件的熔化来实现对EAP致动器构件的刚度的进一步控制。当电活性聚合物被提供有填料元件或颗粒或纤维时，整个复合物材料的刚度将会随着颗粒的熔化而改变(即使电活性聚合物材料本身的刚度保持不变也是如此)。然后，这提供了另一种手段来(至少均匀地)调节这样的电活性聚合物致动器构件的刚度水平。另外，如果填料颗粒是(半)结晶的，则当颗粒熔化时，透射光谱也会改变。然后，根据这些实施例，也可以实现上述实施例中描述的那种依赖于温度的光学性质。
图11图示了根据本发明的一个或多个实施例的另外的示例致动器设备。该设备包括致动器构件12，致动器构件12具有三个平面布置的吸光填料元件110、112、114的堆叠集合，每个平面布置包括适于吸收不同的波长集合或范围的光的填料元件。尤其地，这三个颗粒的平面布置被选择为吸收包括典型的白色光源的所谓的减色(青色、品红色、黄色)。这三个平面布置沿着平行于光输出26的光轴延伸的轴线堆叠，光输出26通过光源24被引导到致动器构件12上。
填料元件的每个堆叠布置适于吸收光输出26的光谱组成成分的一部分并透射其余部分。以这种方式，当光穿过不同层中的每个层时，被引导到平面填料元件布置的堆叠上的光被连续地“剥离”不同波长的光。这种布置提供了在与入射光的光轴平行的方向上(即，在致动器构件的厚度内)选择性地控制致动器构件的局部刚度水平的手段。
在示例中，填充各种平面布置的吸光填料元件可以包括不同的染料，或者可以例如包括不同种类的磷光体。
可以根据希望刺激哪些层来调节光的组成成分。例如，光源可以仅包括青色光和黄色光，从而不会刺激中间层。
以这种方式，可以通过仅照射堆叠的一侧来实现彼此堆叠在一起的两个或更多个平面区域的选择性加热。
虽然在上文的详细描述中，已经针对EAP描述了根据本发明的设备和系统的构造和操作，但是本发明实际上能够用于基于其他种类的EAM(电活性材料)的设备。因此，除非另有说明，否则上文中的EAP材料也能够用其他EAM材料来代替。这样的其他EAM材料在本领域中是已知的，并且本领域技术人员将知道在哪里找到这样的其他EAM材料以及如何应用这些材料。下文将描述许多选择。
场驱动的EAM能够是有机材料或无机材料，并且如果是有机材料，则其能够是单分子材料、低聚物材料或聚合物材料。这些材料通常是压电材料并且可能是铁电材料，因此包括自发永久极化(偶极矩)材料。替代地，这些材料是电致伸缩材料，因此在被驱动时仅包括极化(偶极矩)材料，但在未被驱动时则不包括极化(偶极矩)材料。替代地，这些材料是介电弛豫材料。这些聚合物包括但不限于以下子类：压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物、弛豫铁电聚合物(例如，PVDF基弛豫聚合物或聚氨酯)、介电弹性体、液晶弹性体。其他示例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电粘弹性体以及液晶弹性体。
缺乏自发极化意味着电致伸缩聚合物即使在非常高的操作频率下也几乎不显示滞后损失。然而，这种优势的获得是以温度稳定性为代价的。在温度能够稳定在大致10℃以内的情况下，弛豫体以最佳状态运行。乍一看这似乎是极其有限的，但鉴于电致伸缩体在高频率和非常低的驱动场中表现优异，因此应用趋向于专门的微型致动器。这样的小型设备的温度稳定化相对简单，并且在整个设计和开发过程中通常只是个小问题。
弛豫铁电材料能够具有对于实际应用足够高的电致伸缩常数，即，有利于同时进行感测功能和致动功能。当零驱动场(即，电压)被施加到弛豫铁电材料时，弛豫铁电材料是非铁电材料，但在驱动期间，弛豫铁电材料变成铁电材料。因此，在非驱动时，材料中不存在机电耦合。根据上述流程，当施加驱动信号时，机电耦合变为非零，并且能够通过在驱动信号顶部施加小幅度的高频信号来测量该机电耦合。此外，弛豫铁电材料受益于非零驱动信号处的高机电耦合于良好的致动特性的独特组合。
最常用的无机弛豫铁电材料的示例是：铌镁酸铅(PMN)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)以及锆钛酸镧铅(PLZT)。但是在本领域中也已知其他材料。
基于PVDF的弛豫铁电基聚合物显示出自发的电极化，并且它们能够被预先应变以在应变方向上改善性能。它们能够是选自下文中的材料组中的任一种材料。
聚偏二氟乙烯(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)、聚偏二氟乙烯-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。
电流驱动的EAM和EAP包括共轭聚合物、离子聚合物金属复合物、离子凝胶以及聚合物凝胶。
离子驱动的EAP的示例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合物以及离子聚合物金属复合物(IPMC)。
子类介电弹性体包括但不限于：
丙烯酸酯、聚氨酯、硅氧烷。
子类共轭聚合物包括但不限于：
聚吡咯、聚-3，4-亚乙二氧基噻吩、聚(对亚苯基硫醚)、聚苯胺。
上述材料能够作为纯材料或悬浮在基质材料中的材料而被植入。基质材料能够包括聚合物。
对于包括EAM材料的任何致动结构，可以提供额外的被动层以响应于施加的驱动信号而影响EAM层的行为。
EAP设备的致动布置或结构能够具有一个或多个电极，以用于向电活性材料的至少部分提供控制信号或驱动信号。优选地，这种布置包括两个电极。EAP可以被夹在两个或更多个电极之间。这种夹层对于包括弹性体介电材料的致动器布置是必需的，这是因为其致动归因于电极施加所产生的压缩力由于驱动信号而彼此吸引。两个或更多个电极也能够被嵌入弹性体介电材料中。电极可以是图案化的或非图案化的。
基板能够是致动布置的部分。它能够被附接到EAP和电极之间的电极的全体或者能够被附接到外部的一个电极上。
电极可以是可拉伸的，使得它们能够跟随EAM材料层的变形。这对于EAP材料尤其有利。适用于电极的材料也是已知的，并且可以例如选自包括以下项的组：金属薄膜(例如，金、铜或铝)或有机导体(例如，炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)(例如，聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)))。也可以使用金属化聚酯薄膜(例如，金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(例如使用铝涂层))。
一些布置可以在电活性材料层的每一侧上都具有电极层。也可以仅在例如使用交叉梳状电极的一侧提供电极层。如果电极仅在一侧，则可以形成反射式设备而不需要透明电极。
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。
可以使用上文讨论的那些附加层(例如，附加的聚合物层)来适应设备的电气性能或机械性能。
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。虽然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 (15)

1.一种具有可调节刚度分布的致动器设备，包括：
致动器构件(12)，其包括：
电活性材料(16)，其适于响应于电刺激的施加而变形；以及
所述电活性材料内的吸光填料元件(20)，所述吸光填料元件适于吸收入射光能并将所述入射光能转换成热能；
可控光源(24)，其与所述致动器构件光学耦合并能用于将光输出(26)提供到所述致动器构件上，所述光输出能被控制在一定范围的不同的强度水平和/或光谱组成成分之间，以便以能控制的方式调节所述致动器构件的刚度分布；以及
控制器(30)，其能用于控制所述光输出的所述强度水平和/或光谱分布，以便在所述致动器构件中选择性地实现一定范围的至少三种不同的刚度分布中的任一种。
2.根据权利要求1所述的致动器设备，其中，所述控制器(30)能用于控制所述光输出(26)的所述强度水平和/或所述光谱分布，以便在所述致动器构件(12)的至少部分中实现连续光谱的刚度水平中的任一个。
3.根据权利要求1或2所述的致动器设备，其中，所述控制器(30)被配置为基于预定义的控制时间表和/或基于一个或多个输入控制参数来选择性地控制在所述致动器构件(12)中实现的所述刚度分布。
4.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述吸光元件(20)不均匀地分布在所述电活性材料(16)中，以便使得能够在所述致动器构件(12)中实现空间不均匀的刚度分布。
5.根据权利要求4所述的致动器设备，其中，所述吸光填料元件(20)分布在填料元件的空间离散集中区(36)的集合中。
6.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述致动器构件(12)包括多个不同的局部集中的吸光填料元件组，每个组都适于吸收不同范围的波长的光，并且
其中，所述控制器被配置为根据限定的控制时间表来控制所述光输出(26)的所述光谱组成成分，以便实现所述致动器构件(12)的特定刚度分布。
7.根据权利要求6所述的致动器设备，其中，所述控制器(30)被配置为通过选择性地包括或排除所述致动器构件(12)的一个或多个区域所包括的填料元件(20)所敏感的光的波长来选择性地控制所述构件在所述一个或多个区域处的局部刚度。
8.根据权利要求6或7所述的致动器设备，包括填料元件的多个不同平面集中区(110、112、114)的堆叠布置，所述堆叠布置沿着平行于所述光输出(26)的光轴延伸的轴线进行堆叠，并且其中，每个平面集中区适于吸收所述光输出的光谱组成成分的不同部分。
9.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述可控光源(24)与所述致动器构件(12)借助于细长光导(52、54)被光学耦合，并且任选地，其中，所述细长光导是光纤。
10.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述吸光填料元件(20)包括填料元件，所述填料元件包括以下项中的至少一个：
黑色颜料；
过渡金属；
波长特定的染料；
磷光体；以及
荧光团。
11.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述吸光填料元件(20)包括具有依赖于温度的透光率的材料，使得透光率在特定温度下达到稳定阶段，并且任选地，其中，所述透光率针对高于所述电活性材料(16)的玻璃化转变温度的温度达到稳定阶段。
12.一种具有可转向节段的细长探头(42)，所述细长探头包括任一前述权利要求所述的致动器设备中的一个或多个致动器设备，所述一个或多个致动器设备用于促进所述可转向节段的转向。
13.根据权利要求12所述的细长探头(42)，包括用于使所述可转向节段转向的相对的致动器构件(46、48)的对，这两个构件的刚度被相互控制为使得在任何给定方向上转向时，这两个构件中的机械主动的一个构件被控制为具有高刚度，以便能够产生强大的主动致动力，并且这两个构件中的机械被动的一个构件被控制为具有低刚度，以便确保针对所述致动力的阻力最小。
14.根据权利要求12或13所述的细长探头(42)，包括用于每个致动器构件(46、48)的专用光导(52、54)，所述专用光导用于向每个致动器构件提供单独可控的光输出。
15.一种选择性地控制致动器构件(12)的刚度分布的方法，所述致动器构件包括：
电活性材料(16)，其适于响应于电刺激的施加而变形，以及
所述电活性材料内的吸光填料元件(20)，所述吸光填料元件适于吸收入射光能并将所述入射光能转换成热能，
所述方法包括：
将光输出(26)引导到所述致动器构件上，所述光输出具有可控的强度水平和/或光谱组成成分；以及
控制所述光输出的所述强度水平和/或光谱分布，以便在所述致动器构件(12)中选择性地实现一定范围的至少三种不同的刚度分布中的任一种。
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