CN110062963A - 致动器设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明总体涉及具有嵌入的磁性颗粒的电活性材料致动器(和组合的传感器‑致动器)，以促进增强的致动和/或感测效果。

Description

致动器设备和方法

技术领域

本发明涉及致动器设备，特别是包括电活性材料的致动器设备。

背景技术

电活性材料(EAM)，并且特别是电活性聚合物(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，并且能够轻松制造成各种形状，从而允许容易地集成到各种系统中。

已经开发了具有诸如致动应力和应变的特性的材料，其在过去十年中已经显著改善。技术风险已经降低到对于产品开发可接受的水平，从而EAP在商业和技术上越来越受到关注。EAP的优点包括低功率、小形状因子、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材料的经改进的性能和特定优点使其适用于新的应用。

EAP设备能够用于需要基于电致动的部件或特征的小量的移动的任何应用中。类似地，该技术能够用于感测小的移动。

与普通致动器相比，由于在小体积或薄形状因子中组合相对大的变形和力，EAP的使用实现了之前不可能的功能，或者提供了超过常见传感器/致动器解决方案的显著优点。EAP还提供了：无噪声操作，准确的电子控制，快速响应，以及大范围的可能致动频率，诸如0-1MHz，最典型地低于20kHz。

使用电活性聚合物的设备能够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(诸如基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体。其他示例包括电致伸缩性接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电粘弹性弹性体和液晶弹性体。

离子驱动的EAP的示例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合物(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其他示例包括离子聚合物凝胶。

场驱动的EAP通过直接机电耦合由电场来驱动。其通常需要高的场(每米数十兆伏)但是低的电流。聚合物层通常是薄的，以保持驱动电压尽可能低。

离子EAP通过电诱发的离子和/或溶剂的传输而激活。其通常需要低的电压但是高的电流。其需要液体/凝胶电解质介质(但是一些材料系统也能够使用固体电解质操作)。

这两类EAP都具有多个族成员，每个族成员都具有自己的优点和缺点。

场驱动EAP的第一值得注意的子类是压电和电致伸缩聚合物。尽管常规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导致PVDF弛豫聚合物显示出自主的电极化(场驱动排列)。这些材料能够预应变以在应变方向上改善性能(预应变导致更好的分子排列)。通常，使用金属电极，因为张力通常处于中等状态(1-5％)。也能够使用其他类型的电极(诸如导电聚合物、炭黑基油、凝胶或弹性体等)。电极能够是连续的或分段的。

场驱动的EAP的另一感兴趣子类是介电弹性体。这种材料的薄膜可以被夹置在顺应性电极之间，形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由所施加的电场诱发的麦克斯韦应力导致膜上的应力，使得其在厚度上收缩并且在面积上扩张。通常通过对弹性体进行预应变(需要框架来保持预应变)来扩大应变性能。应变能够相当大(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；对于高应变的方案，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的第一值得注意的子类是离子聚合物金属复合物(IPMC)。IPMC由溶剂溶胀的离子交换聚合物膜组成，其被层压在两个薄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+水基溶液。当施加场时，阳离子通常与水一起行进到阴极侧。这导致亲水簇的重组以及聚合物的扩张。阴极区域中的应变导致聚合物基质的其余部分中的应力，这导致朝向阳极弯曲。反转所施加的电压会使弯曲反转。众所周知的聚合物膜是和

离子聚合物的另一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由夹置在两层共轭聚合物之间的电解质组成。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或者从聚合物中除去，从而驱动氧化和还原。还原导致收缩，氧化导致扩张。

在一些情况下，当聚合物自身缺乏足够的导电性(尺度相关)时，添加薄膜电极。电解质能够是液体、凝胶或固体材料(即，高分子量聚合物和金属盐的复合物)。最常见的共轭聚合物是聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PTh)。

致动器也可以由碳纳米管(CNT)形成，悬置在电解质中。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，电荷被注入到CNT中，然后通过电解质移动到CNT表面而形成的电双层进行平衡。改变碳原子上的电荷导致C-C键长的变化。结果，能够观察到单个CNT的扩张和收缩。

图1和图2示出了针对EAP设备的两种可能的操作模式。

所述设备包括电活性聚合物层8，其被夹置在电活性聚合物层8的相对侧上的电极4、6之间。

图1示出了未夹紧的设备。如所示的，使用电压使电活性聚合物层在所有方向上扩张。

图2示出了被设计为使得仅在一个方向上产生扩张的设备。所述设备由载体层10支撑。电压用于使电活性聚合物层弯曲或弯折。

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。

该运动的性质例如源于在被致动时扩张的有源层与无源载体层之间的交互。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，例如可以施加分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上移动。

在一个方向上的扩张可能由EAP聚合物的不对称性引起，或者可能由载体层的性质不对称，或者由这两者的组合引起。

如上文所描述的电活性聚合物结构可以用于致动和感测两者。最突出的感测机制是基于力测量和应变检测。例如，介电弹性体能够通过外力容易地拉伸。通过在传感器上施加低电压，能够根据电压来测量应变(电压是面积的函数)。

利用场驱动系统进行感测的另一种方式是直接测量电容变化或者根据应变来测量电极电阻的变化。

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(假设结晶的量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(机械应力导致离子的运用)。当暴露于能够测量的应力时，CNT经受CNT表面上的电荷变化。还已经表明，当与气态分子(例如O₂、NO₂)接触时，CNT的电阻发生变化，使得CNT可用作气体检测器。

机械致动器通常能够根据术语来表征一组特定的应力-应变组合，在其致动性能中，其能够实现。这种可实现的应力-应变组合的范围受到致动器的固有特性的限制，并且因此针对致动器的可能应用将受到限制。

对于电活性材料致动器，将期望扩张可实现的应力-应变组合的范围，由此拓宽该技术的潜在应用。迄今为止，仅通过构造复杂的复合致动器结构才能实现该领域的改进，所述复合致动器结构由耦合在一起的多个EAP致动器的组合形成。这种结构制造复杂、具有大的形状因子、并且需要大量额外的驱动电子设备进行控制。这自身限制了这些解决方案的应用范围。

除了致动性能的限制之外，现有技术的EAP致动器还在可实现的感测性能中受到限制。众所周知的，能够通过将低幅度AC感测信号叠加到致动器驱动信号上来检测EAP致动器的致动程度。然而，使用这些方法的感测性能是受限的。特别地，EAP的信噪比在某种程度上是限制性的，并且因此，在反馈测量中需要高精度的应用通常需要提供额外的传感器。

已知扩增具有附加专用感测层的EAP致动器以促进更精确的感测测量。然而，这增加了致动器的复杂性和形状因子，并且还会由于因频繁的致动循环引起的感测层的分层而导致致动器寿命的潜在劣化。

因此，通常寻求基于EAM的致动器和方法，其能够提供改进的致动性能，和/或能够提供关于致动器的变形程度的经改进的反馈感测。

发明内容

在致动器设备的领域中更宽泛地知道将磁性颗粒嵌入无源聚合物基质内以便提供能够以不同方式变形来提供致动效果的设备。然而，已知利用这样的设备可实现的致动运动和力的范围受到限制。

文献US 2009/0165877描述了用于微流体系统的许多致动器设备。在一组实施例中，所述致动器适于响应于电场的施加而变形。这些可包含电活性聚合物材料以促进这种效果。在一组单独的实施例中，所述致动器适于响应于磁场的施加。这些可以包括磁性颗粒以促进该功能。

在磁传感器的领域中还已知使用嵌入在压电材料基质内的磁性颗粒来实现对磁场强度的检测。例如，JP 2000038643公开了一种通过将磁性响应颗粒散布在压电基质中而制造的磁传感器。磁能的变化在磁性颗粒中诱发机械响应，然后向压电基质施加应力。这些应力因此可以在诱发的压电电流中被检测到。

发明人已经认识到，利用适当的修改，可以将这些效果中的一些效果并入到电活性材料设备领域中，以便改善致动或感测功能。

本发明由权利要求限定。

本发明总体涉及电活性材料致动器，其具有并入的磁性颗粒，用于促进增强的致动和/或感测效果。可以有利地组合以下概述的示例中的任何示例的特征。

根据示例，提供了一种致动器设备，其包括：

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

散布在所述电活性材料内的软磁材料的颗粒；

磁场生成单元，其能操作用于生成可配置场强模式的磁场，用于施加到所述致动器构件；

电刺激生成单元；以及

控制器，其能操作用于以协调的方式控制所述磁场生成单元和所述电刺激生成单元，由此在所述致动器构件中实现一种或多种变形模式。

这些示例基于将软磁颗粒并入在电活性材料构件内的概念，由此提供一种并入电响应和磁响应性质的致动器。在示例中利用这两个功能来提供的致动效果超出仅利用一个或另一个的现有技术设备实现或可实现的致动效果。

根据特定示例，电活性材料(EAM)可以是电活性聚合物材料(EAP)。

所述控制器能操作用于提供对电刺激生成单元和磁场生成单元的协调控制，由此在致动器构件中诱发一种或多种变形形状、配置或动作。在示例中，所述控制器能操作用于提供对两个单元的协调控制，由此在致动器构件中诱发一种或多种变形形状、配置或动作的程序。

协调的控制可以包括同时地激活所述两个单元，和/或可以包括顺序地激活所述两个单元。所述控制器例如可以根据至少一种操作模式来配置以一起激活磁场和电场，由此在致动器构件中提供复合变形，例如与单独使用电刺激或磁刺激可实现的相比具有增强的幅度或范围。

另外地或备选地，所述控制器可以根据至少一种操作模式来配置，以同时地激活两个单元，从而在致动器构件中提供特定的形状或变形模式，其与仅使用单独的刺激单元可实现的形状相比具有额外程度的复杂或错综度。

例如，两个单元可以一起使用以提供复合致动形状，其由基本变形(诸如，例如通过例如电刺激引起的跨整个构件的均匀弯曲)形成，在其顶部上叠加有另外的局部变形(例如通过在致动器构件的至少局部区域内的颗粒的磁刺激引起)。以这种方式，示例能够提供新的致动效果，其延伸超出先前可实现的那些效果。

通过另外的示例，根据一个或多个示例，可以以顺序激活模式控制磁场和电场生成单元，以提供一个或多个致动形状或效果。可以利用顺序控制来提供不同特定致动形状或配置的进展和/或可以用于提供动态致动效果，诸如波动或振荡行为。电和/或磁刺激的这样的序列可以形成控制器被配置为诱发的变形模式的程序。

因此，磁性颗粒与EAP材料的组合有效地提供了控制致动器构件的变形的额外自由度。这可以有利地用于实现更复杂或更机械有力的致动运动和效果。

电刺激生成单元例如可以是一组电极，用于跨致动器构件的至少一部分来施加电场。所述单元备选地可以包括可电耦合到致动器构件的电流源，用于跨致动器构件的至少一部分提供电流。

磁场生成单元可以是例如可控磁铁(即电磁铁)。该单元可以附加地或备选地包括导电线圈，其用于承载用于建立磁场的循环电。例如，这可以是螺线管。在一些示例中，线圈可以被缠绕在致动器构件的至少一部分的周围。在备选示例中，线圈可以布置为邻近于致动器构件的一部分。

在所有示例中，磁场生成单元能操作用于生成可配置场强模式的场，通过该场可更广泛地表示跨穿过延伸通过致动器构件的至少一部分的空间的可配置矢量场量的磁场。磁矢量场常常由一组磁场线表示，该磁场线指示特定空间区域中的场的方向性。根据示例，所述磁场的磁场线可以是可配置的。

根据一个或多个示例，控制器能操作用于在致动器构件中诱发变形模式的预先定义的集合中的任意模式。控制器例如可以具有包括程序指令的存储器，该指令用于在致动器构件中实现多种不同致动模式或配置中的任意致动模式或配置。这些程序指令可以包括用于以协调方式控制电刺激生成单元和磁场生成单元的特定设置或命令组合。这些程序指令可以包括用于控制电刺激生成单元和磁场生成单元一起操作或者例如以顺序方式单独操作的指令。

根据一个或多个示例，控制器可以能操作用于执行用于控制致动器构件的变形的预定控制调度，该控制调度包括用于控制电刺激生成单元和磁场生成单元两者的步骤，并且任选地，其中，所述控制调度包括取决于一个或多个输入参数的步骤。

输入参数可以根据一个或多个示例包括一个或多个用户输入命令。用户输入命令可以从一个或多个用户界面单元接收，并且可以包括指示待执行的特定的一个或多个控制模式或者指示待实现的一种或多种变形模式的命令，或者可以简单地用于触发对致动器的激活或停用(在任何一种控制模式中)。

另外地或备选地，输入参数可以包括从一个或多个传感器设备或感测元件获得或接收的参数。感测元件可以包括例如用于确定致动程度的部件，诸如例如将根据本发明构思的另外的示例更详细地描述。

术语“软”磁性材料泛指表现出可逆磁化的那些磁性材料。其通常具有在暴露于磁场时被磁化但是在去除磁场时失去所述磁化的形式。这与所谓的硬磁材料形成对比，所述硬磁材料即使在没有施加外部磁场的情况下也表现出持续或永久的磁化。

根据一个或多个特定示例，软磁材料的颗粒可以包括以下中的至少一种：软铁磁材料、顺磁材料和超顺磁材料。

根据一组或多组示例，软磁材料可以是磁致伸缩材料，用于响应于由磁场生成单元施加磁场而实现致动器构件的收缩或扩张。

在这些示例的特定示例中，磁场生成单元可以被配置为生成均匀场强的磁场，以跨致动器构件来施加。均匀场强意味着具有与位置无关的场强，并且特别是在致动器构件主体的整个范围内是相同的。均匀磁场以其他方式可称为均质磁场。

在存在均匀场强的磁场的情况下，磁致伸缩颗粒不经受吸引的或排斥的磁力，而是被磁刺激以在形状或尺寸上改变或变形。颗粒的这种变形导致周围的电活性材料基质的对应变形，并且因此导致致动器构件整体的对应变形。在宏观尺度上，这些磁诱发变形导致致动器构件的扩张或收缩。

在另外的示例中，磁场生成单元可以被配置为生成用于跨致动器构件施加的不均匀磁场强度的磁场。不均匀磁场强度是指根据位置而变化的场强，特别是在致动器构件的主体上变化。

更具体地，在当前情况下，场可以呈现出远离磁场生成单元的(一个或多个)方向上的场强下降，例如根据距离磁场生成单元的距离。不均匀场以其他方式可以被称为空间非均质磁场。

在存在任何磁场(均匀或不均匀)的情况下，刺激软磁材料以呈现与所述施加的磁场平行并且在相同方向上的磁化。特别是在存在不均匀磁场的情况下，由于作用在其两个“极”上的力的不平衡，任何磁化颗粒都将经受净力。在目前的软磁颗粒的情况下，其中，每个颗粒的磁化与施加的磁场平行并且共同取向，每个颗粒在颗粒的该位置处的场的(正)梯度的方向上经受净力。在磁场在远离磁场生成单元的方向上强度降低的情况下(如在本示例中)，每个软磁颗粒经受朝向磁场生成单元的吸引力。

因此，通过根据当前描述的示例施加不均匀磁场，磁性颗粒经受朝向磁场生成单元的吸引力。通过适当地控制磁场生成单元以刺激特定场强模式的磁场，能够实现致动器构件中的特定变形模式。特别地，致动器构件在示例中可以被诱发在磁场生成单元的方向上弯曲或翘曲(特别是当致动器构件在每个端部被夹紧时)。

因此，根据一个或多个示例，控制器能操作用于通过控制磁场生成单元生成不均匀磁场强度的磁场，来在给定方向上诱发致动器构件的至少一部分的弯曲，所述不均匀磁场强度的磁场具有在与所述给定弯曲方向反平行的方向上延伸通过所述致动器构件的磁场线。

根据一个或多个示例，磁性颗粒可以悬置在电活性材料内的聚合物液滴中，聚合物液滴的粘度低于电活性材料的粘度。在这种情况下，液滴跟随致动器构件的任何电诱发的变形，但是在施加磁场时不会迁移通过EAP基质。这两种材料可以是互不相溶的。提供这样的液滴的效果可以是在致动器构件内相对EAP基质的变形减少阻力。这是因为在EAP变形时，聚合物颗粒能够变形而不会对周围的EAP产生显著的阻力。这与其中磁性颗粒直接嵌入EAP基质中的系统形成对比。在后一种情况下，颗粒确实对EAP的变形施加部分阻力，因为EAP分子必须沿着颗粒表面迁移(剪切)。还会发生对液滴的剪切，但是由于这些液滴的粘度显著低于EAP聚合物的粘度，因此对变形的部分抵抗力较小。

根据一组或多组示例，软磁材料的颗粒可以不均质地散布在致动器构件中，以便实现不均匀变形模式(pattern)。

特别地，颗粒在示例中可以在致动器构件内以一组空间上离散的浓度来布置。优选地，在这些情况下，电活性材料具有粘度，以便在磁场生成单元的磁场施加磁力时防止颗粒迁移通过材料。

在这些情况下，磁场生成单元能操作用于生成跨所述一组空间上离散浓度中的每种浓度的具有不同磁场强度的磁场。控制器可以根据特定控制模式来配置，以控制磁场生成单元生成不同磁场强度的磁场。以这种方式，可以诱发致动器构件的不同局部部分或区域变形到不同程度或不同模式或构造。

因此，在这些示例中，可以实现更复杂和错综的致动模式和动作。特别地，在对变形的这种局部控制与电刺激变形组合的情况下，可以实现宽范围的可能的变形模式和致动移动和动作。因此，这显著拓宽了所提供的致动器构件的潜在应用范围，并且还增强了其在已建立的应用中的性能。

在根据另外的示例的示例中，提供了一种致动方法，所述方法利用致动器构件，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

散布在所述电活性材料内的软磁材料的颗粒；

并且所述方法包括：

以协调的方式来控制能操作用于生成可配置场强模式的磁场的磁场生成单元以及电刺激生成单元，以便由此在所述致动器构件中实现一种或多种变形模式。

根据本发明的一方面，提供了一种致动器设备，其包括：

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

硬磁材料的颗粒，其被散布在所述电活性材料内，并且被排序以使得所述致动器构件的至少一部分呈现在给定方向上的磁化；

磁场生成单元，其能操作用于生成用于跨所述致动器构件施加的可配置场强模式的磁场；

电刺激生成单元；以及

控制器，其能操作用于以协调的方式控制所述磁场生成单元和所述电刺激生成单元，由此在所述致动器构件中实现一种或多种变形模式。

本发明的所提供的实施例基于与上述示例类似的概念，亦即，在电活性材料构件的主体内引入磁响应颗粒。然而，根据本发明该方面的示例使用硬磁颗粒而不是软磁颗粒。如上所述的硬磁颗粒的特征在于呈现出持久或永久的磁化，其不依赖于外部施加的磁场。这引入了宽泛的新可能性和选项，用于控制致动器构件的变形以实现新的并且感兴趣的致动模式和效果。

特别地，本发明的实施例允许跨致动器构件创建不均匀变形模式，即，局部变化的变形模式。

因此，根据一个或多个实施例，

磁场生成单元可以被配置为生成用于跨致动器构件施加的不均匀场强的磁场；并且/或者

硬磁材料的颗粒可以不均质地散布在致动器构件中；

从而在任何一种情况下都可以跨致动器构件实现不均匀变形模式。

在示例中，可以通过生成具有沿该维度不均匀的场强的磁场来实现不均匀变形模式，其中，不均匀性沿着给定的维度。

如在先前概述的示例中，协调控制可以包括同时地激活两个单元，并且/或者可以包括顺序地激活两个单元。

在示例中，控制器能操作用于在致动器构件中诱发任何预先定义的变形模式。

根据一组或多组实施例，所述控制器能操作用于执行用于控制所述致动器构件的变形的预定控制调度，所述控制调度包括用于控制所述电刺激生成单元和所述磁场生成单元的步骤，并且任选地，其中，所述控制调度包括取决于一个或多个输入参数的步骤。输入参数可以是用户输入命令。

根据一个或多个特定示例，所述硬磁材料的颗粒包括以下中的至少一种：硬铁磁材料；铁氧体材料，SmCo，和NdFeB。

如在先前所述的示例中，所述硬磁材料可以是磁致伸缩材料，其用于响应于由所述磁场生成单元施加的磁场而实现所述致动器构件的收缩或扩张。

在这些实施例的特定示例中，所述磁场生成单元可以被配置为生成用于跨所述致动器构件施加的均匀或不均匀磁场强度的磁场，其中，这些术语如上所定义地理解。

在存在均匀磁场强度的磁场的情况下，磁致伸缩颗粒不经受吸引磁力或排斥磁力，而是被磁刺激以在形状或尺寸上改变或变形。颗粒的这种变形导致周围的电活性材料基质的对应变形，并因此，导致致动器构件整体的对应变形。在宏观尺度上，这些磁诱发的变形导致致动器构件的扩张或收缩。

在存在不均匀磁场强度的磁场(例如，远离磁场生成单元的强度降低)的情况下，硬磁材料经受净力。力的方向取决于其自身磁化的方向。特别地，如果硬磁颗粒的磁化是与施加的磁场平行的并且共同取向的，那么磁性颗粒将在颗粒的位置的点处在磁场强度的(正)梯度的方向上经受力。在磁场强度在远离磁场生成单元的方向上减小的情况下，颗粒将在这种情况下经受朝向磁场生成单元的吸引力。

相反，如果硬磁颗粒的磁化与磁场的一般方向相反，那么颗粒将与颗粒位置处的场的梯度相反的方向上经受磁力。同样地，假设磁场在远离磁场生成单元的方向上减小，在这种情况下，磁性颗粒将经受排斥力，将其推离磁场生成单元。

因此，在本发明的实施例中，双向变形变得可实现，因为颗粒的偏转方向可以根据所施加的磁场的方向而变化。特别地，可以控制致动器构件的不同部分，以取决于场生成单元所生成的场线跨所述部分的方向朝向或远离磁场生成单元而偏转。

更具体地，所述控制器在示例中可以被配置为通过控制所述磁场生成单元生成不均匀磁场强度的磁场，来实现致动器构件在与致动器构件的所述至少一部分的磁化方向反平行的方向上的弯曲，所述不均匀磁场强度的磁场具有在与所述磁化基本相同的方向上延伸通过所述致动器构件的磁场线。

另外地或备选地，所述控制器在示例中可以被配置为通过控制磁场生成单元生成不均匀磁场强度的磁场，来实现致动器构件在与致动器构件的所述至少一部分的磁化方向平行的方向上的弯曲，所述不均匀磁场强度的磁场具有在与所述磁化方向基本相反的方向上延伸通过所述致动器构件的磁场线。

场可以具有特别是沿着与所述磁化方向和/或所述磁场线的方向平行的方向是不均匀的场强。场强特别可以在与磁化方向基本相反的方向上下降。

通过施加具有在所述方向上不均匀的场强的场，可以在示例中实现致动器构件的不均匀变形，不均匀性在给定方向上。

根据一个或多个实施例，控制器可以被配置为通过控制所述磁场生成单元生成并且施加跨所述致动器构件的不均匀场强的磁场，来实现所述致动器构件的至少两个相邻部分中的相反方向的弯曲，所述不均匀场强的磁场具有相对于所述致动器构件的磁化方向分别在相反的平行方向上延伸通过所述相邻部分的磁场线。根据这些示例，可以控制相邻部分以相对于磁场生成单元在不同的相应方向上呈现偏转或变形(例如弯曲)。这是通过在具有不同方向性的那些相应部分上施加磁场来实现的。

通过分别相反的平行方向是指跨两个部分的场线与磁化方向平行或基本平行取向，但是彼此相对地指向，例如，一个部分中的场线与磁化方向平行，而另一个中的场线与磁化方向反平行。

在这些实施例的特定示例中，控制器可以被配置为顺序地激活针对每个相应相邻部分的磁场，由此在致动器构件中实现波状运动。通过控制一组相邻部分中的每个部分的相反指向的偏转以一次顺序激活一个而不是同时整体地激活来实现波动或摆动运动。这样的波动运动在一系列应用中可能是有用的或有利的，例如在用于推进或移动流体的微流体系统中，用于实现特定机械“润滑”效果，或者用于实现与致动器构件的波动表面接合的任何固体或流体的推进或运动。

根据一组或多组实施例，硬磁材料的颗粒可以不均质地散布在致动器构件中，以便实现不均匀变形模式。

特别地，颗粒在示例中可以在致动器构件内以一组空间上离散的浓度来布置。

在这些情况下，磁场生成单元能操作用于生成跨所述一组空间上离散浓度中的每种浓度具有不同磁场强度的磁场。控制器可以根据特定控制模式被配置为控制磁场生成单元生成不同磁场强度的所述磁场。以这种方式，致动器构件的不同局部部分或区域可以被诱发变形到不同程度、在不同方向或者不同模式或配置。

因此，在这些实施例中，可以实现更复杂和错综的致动模式和动作。特别地，在对变形的这种局部控制与电刺激变形组合的情况下，可以实现宽范围的可能的变形模式和致动运动。因此，这显著拓宽了所提供的致动器构件的潜在应用范围，并且还增强了其在已建立的应用中的性能。

在根据本发明的另一方面的示例提供了一种致动方法，所述方法利用致动器构件，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

硬磁材料的颗粒，其被散布在所述电活性材料内，并且被排序以使得致动器构件的至少一部分呈现给定方面的磁化；

并且所述方法包括：

以协调的方式控制能操作用于生成可配置场强模式的磁场的磁场生成单元以及电刺激生成单元，以便由此在所述致动器构件中实现一种或多种变形模式。

根据示例，提供了一种致动器设备，其包括：

致动器构件，其具有一定厚度，并且包括：

电活性材料，其适于响应于电刺激的施加而变形；以及

散布在所述电活性材料内的磁性材料的颗粒；

磁场传感器，其适于检测致动器构件的至少一部分内或附近的磁场强度；以及

控制器，其适于基于来自磁场传感器的输出来确定致动器构件的形状变化的指示。

这些示例基于使用嵌入在电活性材料构件内的磁性颗粒来提供具有特定固有感测能力的致动器设备。特别地，这些示例是可控制的，以实时地并且与致动器构件的电刺激同时地提供致动器构件的形状变化方面的准确指示。因此，根据至少一些情况，示例能够提供关于致动器构件的变形程度的实时反馈(如在构件的形状变化中所体现的)。在示例中，这些感测能力可以有利地并入到上面概述的本发明的实施例中，和/或与上面概述的示例组合，如将在下面的段落中更详细地描述的。

根据一个或多个当前描述的示例的控制器可以适于确定致动器构件的厚度变化的指示。致动器构件例如可以具有包括相对的主表面的层状结构。在这种情况下，厚度应当理解为致动器构件在两个主表面之间在垂直于每个主表面的方向延伸的维度。然而，更一般地，厚度可以指致动器构件的任何任意维度，但是更典型地可以指根据这些示例提供的任何致动器构件的三个维度中的较小者或最小者。

尽管下面将关于致动器构件的厚度变化的测量来描述概念，但是应当理解，在其他示例中，概念可以容易地应用于确定形状变化的其他方面。通过非限制性示例，这些可以包括致动器构件的宽度、高度或长度的变化，或致动器构件的曲率或拓扑的变化。在其他示例中，形状变化可以包括致动器构件的整体外形或轮廓的变化。这例如可以通过将下面描述的确定方法或步骤应用于致动器构件的多个不同部分并且对结果进行处理以确定致动器构件的整体形状或外形如何改变来实现。

根据示例的至少一个子集，控制器可以适于基于来自磁场传感器的输出来确定磁场强度的变化，并且基于所确定的场强的变化来确定致动器构件的形状的变化。例如，该确定可以基于这两个值之间的已知的直接或间接关系。所述确定可以基于与两个值相关的等式或表达式，或者在备选示例中例如可以基于控制器可访问的查找表的使用来执行确定。

根据示例的至少一个子集，控制器还可以被配置为通过向致动器构件施加电刺激和/或向致动器构件施加磁场来诱发致动器构件的变形。因此，根据这些示例的控制器被配置为控制致动器的致动和感测行为两者。致动器构件的致动控制可以包括磁刺激变形和/或电刺激变形。在示例中，感测反馈可以由控制器通过电和/或磁单元的变形控制来获得。更具体地，控制器能操作用于在确定致动器构件的所述形状变化的同时诱发所述变形。

所述电刺激的施加可以通过进一步包含在电刺激生成单元的致动器设备内来实现。备选地，控制器可以与外部电刺激生成单元可操作地耦合或可耦合。在示例中，刺激可以是电流，或者在其他示例中可以是电场。

根据一个或多个示例，控制器可以适于根据所确定的形状变化来控制在致动器构件中诱发的变形的形状或程度。因此，本示例的固有感测能力可以用于直接通知控制致动器构件的变形。例如，控制器可以被配置为至少一个控制模式以继续增加所施加的致动电压，直到满足致动器构件的特定阈值厚度(或者其他维度或形状阈值)。此时，控制器可以被配置为将电压保持在固定水平，以便保持由此实现的变形水平。将在以下部分中更详细地描述其他示例。

在本主要示例组的所有情况下，控制器被配置为至少提供致动器构件的形状(例如厚度)的变化的指示。在一些示例中，该指示可以包括对其形状变化的方面的数值确定。备选地，指示可以包括一些其他变量或参数，其可以提供形状变化的代理测量或指示。

在一些示例中，控制器可以适于基于来自磁场传感器的输出来识别致动器构件的厚度的指示。在这些示例中，获得致动器构件的总厚度或绝对厚度的指示，而不仅仅是厚度变化的指示。这可以是绝对厚度的数值测量，或者可以备选地包括与厚度直接或间接相关的一些其他值或参数。

如上所述，在这组示例中提供的感测功能可以有利地组合或并入到如上概述的本发明的实施例中，和/或与上面概述的示例组合。特别地，磁性颗粒可以是硬磁颗粒或软磁颗粒，并且可以包括磁致伸缩颗粒。现在将简要概述与这些选项中的每个选项相关的特定示例。

根据示例的至少一个子集，颗粒可以是硬磁材料的颗粒，其中，控制器适于基于在检测到的磁场强度与致动器构件形状之间的已知直接或间接关系来确定致动器构件的形状变化的所述指示。

在特定示例中，控制器可以包括存储器，并且可以适于通过存储在所述存储器中的预先定义的查找表来确定致动器构件的形状变化的所述指示，查找表存储与每个检测到的磁场强度相关联的致动器构件形状(例如，厚度)值。

备选地，控制器可以被配置为确定在给定时间间隔内检测到的磁场强度的变化，并且其中，查找表存储与一系列可能的检测到的磁场强度变化相关联的形状变化值。然后可以在查找表内识别场强中的测量到的变化，并由此确定形状的对应变化。

根据示例的至少一个子集，颗粒可以是磁致伸缩磁性材料的颗粒，其中，控制器适于基于所确定的致动器构件的呈现出的磁化的变化来确定形状变化的所述指示。磁致伸缩颗粒的特征通常在于呈现出磁化(永久的或场诱发的)，其响应于力或应变的施加以可预测的方式变化或波动。通过使用磁场传感器监视呈现出的磁化的变化，可以基于致动器构件的已知材料特性来确定形状变化的指示，例如，基于已知的弹性或者基于在致动器形状变化与致动器构件材料的主体内的诱发应力之间的已知关系。

因此，控制器被配置为基于在致动器构件形状的变化与由颗粒诱发的磁化的变化之间的已知关系来确定形状变化的所述指示。

根据示例的至少一个子集，颗粒可以是软磁材料的颗粒，其中，控制器适于基于来自磁场传感器的所述输出来确定跨致动器构件的磁导率的变化，并且基于所确定的磁导率变化来确定致动器构件形状变化的所述指示。

特别地，根据一个或多个示例，可以基于以下关系来确定致动器构件厚度的变化：

μ＝αNd/<g> (1)

其中，α是材料相关常数，N是垂直于厚度的每单位横截面积的颗粒数，d是每个颗粒在平行于厚度的方向上的维度，并且<g>是在颗粒之间在平行于厚度的方向上的平均间距距离。

如果致动器构件在与厚度平行的方向上变形(例如通过施加电刺激)，则间距距离间隙<g>的尺寸随着颗粒彼此挤压而变化(在压缩的情况下)或者远离彼此拉开(在扩张的情况下)。根据上述关系(1)，在磁导率发生变化中可以测量间距距离间隙的这种变化。

通过使用查找表，控制器可以将特定的检测到的磁导率变化与致动器构件形状(例如厚度)的对应变化相关。备选地，可以由控制器基于所确定的<g>的变化(从μ的测量到的变化导出的)以及基于在<g>与致动器形状之间的已知关系来计算。这可以是实验导出的关系，特别是对于所讨论的特定致动器构件，或者备选地可以是理论上导出的关系。

根据一个或多个示例，颗粒可以具有非圆对称的横截面。更一般地，颗粒可以具有大于1的纵横比，即，可以具有长度维度大于宽度维度的横截面。这种不对称性有助于在根据呈现出的磁导率的变化方面增强材料对所施加的变形的灵敏度：形状的较小变化导致在磁导率变化方面的较大响应。这可以提高所确定的致动器的形状变化的精度。

在示例中，磁导率可以通过测量响应于施加外部磁场B而跨致动器构件诱发的辅助磁场H来确定。根据B和H的商，磁导率直接遵从(即B＝μH)。

因此，根据一个或多个示例，致动器设备还可以包括用于跨致动器构件施加磁场的磁场生成单元，其中，磁场传感器被布置为检测跨致动器构件的所施加的磁场的强度。例如，磁场可以通过磁记录头或霍尔传感器来测量。

在示例中，控制器可以可操作地耦合到所述磁场生成单元，并且适于控制所述单元，以便将所述磁场施加到致动器构件。

此外，在该示例子集的特定情况下，电活性材料可以具有足以在磁场生成单元的磁场施加磁力时防止颗粒迁移通过材料的粘度。这确保了颗粒在致动器构件上的一致分布，由此确保测量到的磁导率变化可以可靠地与致动器构件形状的对应变化相关。

在示例中，磁性材料的颗粒可以不均质地散布在致动器构件内，以形成一组空间上离散的颗粒浓度，并且其中，磁场传感器包括用于独立地检测跨每个所述空间上离散的浓度的磁场强度的单元。

这可以实现更细微或复杂的感测能力，其中，可以独立地测量致动器构件的不同部分的形状(例如，厚度)的变化。例如，在致动器构件适于根据不均匀变形模式变形的情况下，这可能是特别有利的。在这些情况下，致动器构件的不同部分可以是可控制的，以采用不同的特定形状或配置，由此提供更复杂的整体变形模式。这里，例如跨这些个体部分中的每个部分感测厚度变化在提供例如用于控制致动器构件的反馈方面是特别有利的。

另外地或备选地，这样的复合感测能力可以实现确定致动器构件形状的更复杂方面的变化，诸如构件的整体轮廓的变化。例如，通过监视构件的一系列连续部分中的每个部分如何改变厚度或长度，能够确定构件的整体轮廓或外形如何改变。

根据其他示例的示例，还提供了一种用于感测致动器构件的形状变化的方法，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

散布在电活性材料内的磁性材料的颗粒，

并且所述方法包括：

接收来自磁场传感器的输入，所述磁场传感器适于检测致动器构件的至少一部分内或附近的磁场强度，并且

基于来自磁场传感器的所述输入，来确定致动器构件的形状变化的指示。

附图说明

现在将参考附图详细描述示例，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示出了受背衬层约束的已知的电活性聚合物设备；

图3示意性图示了示例性致动器设备；

图4示意性图示了另一示例性致动器设备；

图5示意性图示了具有单个磁场而不是多个磁场的图4的示例性致动器设备的激活；

图6示意性图示了悬置在聚合物液滴中并且散布在EAP基质中的磁性颗粒；

图7示意性图示了示例性致动器构件的一部分；

图8示意性图示了示例性致动器构件；

图9示意性图示了另一示例性致动器构件；

图10示意性图示了包括磁致伸缩颗粒的示例性致动器构件；

图11示意性图示了包括软磁颗粒的示例性致动器构件；

图12示意性图示了包括软磁颗粒的另一示例性致动器构件；

图13示意性图示了包括软磁颗粒的另一示例性致动器构件；

图14示意性图示了包括硬磁颗粒的示例性致动器构件；

图15示意性图示了包括硬磁颗粒的示例性致动器构件；并且

图16示意性图示了包括磁致伸缩颗粒的示例性致动器构件。

具体实施方式

本发明总体涉及电活性材料致动器，其包括例如电活性聚合物，其具有嵌入的磁性颗粒，用于促进增强的致动和/或感测效果。

示例提供了一种致动器设备，其包括具有嵌入的软磁颗粒的EAM致动器构件，并且还包括用于向致动器构件施加电刺激和磁场的单元。控制器适于以协调的方式控制这两个单元，由此在致动器构件中实现一种或多种变形模式。

示例提供了一种致动器设备，其包括具有嵌入的硬磁颗粒的EAM致动器构件，并且还包括用于向致动器构件施加电刺激和磁场的单元。控制器适于以协调的方式控制这两个单元，由此在致动器构件中实现一种或多种变形模式。

示例提供了一种致动器设备，其包括具有嵌入的磁性颗粒的EAM致动器构件，并且还包括用于检测致动器构件的主体内或附近的磁场强度的磁场传感器。控制器被配置为基于来自磁场传感器的输出来确定致动器构件的形状变化的指示。控制器尤其可以确定致动器构件的厚度变化。在特定实施例中，所确定的形状变化可以用作控制致动器构件的变形模式的反馈。

图3图示了第一示例性致动器设备。所述设备包括致动器构件12，其具有厚度16，并且包括并入有多个散布的磁性颗粒的电活性聚合物材料。致动器构件的两端由相应的夹具18夹紧。两个夹具将致动器构件的任何横向扩张引导到面外弯曲或变形。

邻近于致动器构件12布置的是磁场生成单元22，磁场生成单元22能操作用于生成磁场，所述磁场具有跨致动器构件主体延伸的磁场线。磁场生成单元可以包括导电线圈或绕组形式的可控电磁体，例如螺线管。磁场生成单元备选地可以是永磁体，但是这可能不是优选的，因为其需要用于将磁体物理地重新定位到致动器构件和从致动器构件重新定位的其他单元，以便改变所施加的磁场强度(或者完全停止场的应用)。

尽管示出了磁场生成单元从图3中的致动器构件被置换，但是在其他示例中，磁场生成单元可以布置成与致动器构件相接触。根据一个或多个示例，磁场生成单元可以包括线圈，该线圈围绕致动器构件12的至少一部分缠绕。

致动器设备还包括一对电极26，其被附加到致动器构件12的相对主表面上。举例而言，电极可以被层压到每个所述主表面上。备选地，也可以使用任何其他固定或紧固单元。用于将电极与致动器构件耦合的合适单元对于技术人员来说是显而易见的。

该对电极26提供电刺激生成单元，其用于生成电刺激并且将其施加到致动器构件12的电活性聚合物材料，由此诱发致动器构件的变形。特别地，电极能操作用于在致动器构件的厚度16上施加电场。在这种情况下，电活性聚合物材料可以是场驱动的电活性聚合物材料，例如弹性体或者其他合适的场驱动的电活性聚合物材料(上面、也在下面的其他段落中概述的合适示例)。

尽管在该特定示例中，电刺激生成单元以一对电极26的形式设置，但是在另外的示例中，可以附加地或备选地提供用于施加电流的单元。这可以包括例如在致动器构件上的一对相应点处电耦合到致动器构件的一对电触点。在这些情况下，电活性聚合物材料可以是根据上述实施例或在下面的其他段落中的离子电活性聚合物。

致动器设备还包括控制器30，控制器30与磁场生成单元22和一对电极26可操作地耦合，并且能操作用于以协调的方式来控制该两个单元，以在致动器构件12中实现一种或多种变形模式的程序。在图3的特定示例中，控制器与磁场生成单元和一对电极电耦合，并且适于通过向每个单元传送可控电流或电压来实现对该两个单元的控制。通过控制传送到电场生成单元的电流或电压，可以改变所施加的场的幅度。通过控制传送到一对电极26的电压，还可以控制在致动器构件12的厚度16上诱发的电场强度。

在另外的示例中，磁场生成单元22可以进一步设置有单独的专用电源，并且其中，控制器30适于通过经由有效耦合传送控制命令来控制由单元22生成的磁场的强度或场模式。

根据目前描述的示例，散布在EAP材料内的磁性颗粒是软磁材料的颗粒。然而，应当理解，图3中所示的致动器设备结构与包括软磁颗粒或硬磁颗粒的致动器构件12完全兼容。并入硬磁颗粒的具体示例将在下面的段落中更详细地描述。

用于本示例的致动器构件12包括与软磁颗粒混合的电活性聚合物材料，由此形成EAP复合物。软磁颗粒应当理解为可通过外部施加的磁场可逆地磁化并且在去除外部施加的磁场时基本上(几乎立即)失去其磁化的颗粒。软磁颗粒在特定示例中可以是例如软铁磁颗粒、顺磁颗粒或超顺磁颗粒。

图3(a)示出了处于空闲、未致动状态的致动器构件12。

图3(b)示出了在由磁场生成单元22将磁场32施加到致动器构件上时的致动器构件12。在本示例中，磁场生成单元被配置为施加具有不均匀磁场强度的磁场，特别是在远离磁场生成单元的磁极的方向上场强下降的磁场。

如前一部分所述，在向软(顺)磁性材料施加任何磁场时，材料被磁化，获得具有与所施加的磁场的方向共同取向的磁化(即，具有场源22的磁化)。在本示例中，每个磁性颗粒在与施加的磁场共同取向的方向上被磁化。

在所施加的磁场具有在朝向场源的方向上取向的场强梯度的情况下，这在由此磁化的磁性材料与所施加的磁场的源之间引起净吸引磁力。这是因为不均匀场在每个磁化颗粒的两个相应极之间呈现出幅度梯度，从而导致分别在每个磁场上感受到的吸引力和排斥力的不平衡。在颗粒的诱发的“南”极(从图3的角度看，顶部)比在北极处的场更强。因此，南极的吸引力(被磁源22的N极吸引)比北极的排斥力(被磁源22的N极排斥)更强。因此，存在朝向磁场生成单元22的净吸引力。

如图3(b)所示，在施加磁场32时，由此在颗粒与磁场生成单元22之间诱发的吸引力诱发致动器构件的变形。特别地，在致动器构件中在磁场生成单元的方向引入弯曲36。

图3(c)示出了在致动器构件的厚度16上同时施加磁场和电场时的致动器构件12。如图所示，这两种刺激的组合引起致动器构件12的类似弯曲，但振幅或幅度与仅通过磁刺激引起的相比显著增加。借助于电极26施加电场引起电活性聚合物材料在平面外变形(由于夹具18)。这种电致变形与磁变形相结合，以产生增强的整体致动响应。

现在将参考附图详细描述用于磁场生成单元的许多不同控制模式。纯粹为了清楚起见，在所示出的图中示出了这些示例性控制模式，未示出电刺激生成单元和控制器。然而，对于每个附图和示例，应当理解，体现所描述的示例控制模式的致动器设备实际上确实包括所述不存在的特征，并且控制器在所有情况下都将被配置为通过电子刺激生成单元和磁场生成单元的协调控制来实现一种或多种变形模式。如上所述，协调控制可以包括同步和/或顺序控制。

在图3的示例中，软磁颗粒基本上均匀地散布在致动器构件上。然而，在其他示例中，磁性颗粒可以不均匀地分布。在示例中，这可以实现不均匀变形模式。

图4(a)示出第一示例。这里，磁性颗粒局部地集中在中心区域42中，周围区域不具有磁性颗粒。结果，在激活磁场32时，仅该中心区域42经受朝向磁场生成单元22的吸引力。这引起更局部化的变形形式。特别地，引起的弯曲或翘曲可以仅延伸或覆盖致动器构件的较小中心部分，而不是均匀地延伸通过整个致动器构件。

附加地或备选地，图4(a)中所示的颗粒的布置使得即使在磁场均匀地施加在致动器构件12的整个长度上的情况下也能够磁性地诱发致动器构件的弯曲，这与图3和图4的示例所示的仅应用于狭窄的局部区域相反。

图4(b)示出了包括以非中心局部浓度42聚焦的软磁颗粒的示例性致动器构件。如图所示，这使得致动器构件中的变形的刺激能够定位在致动器构件的最左侧部分中。在示例中，这例如可以与使用电极(未示出)的致动器构件的电刺激组合，从而提供由致动器构件的整体基本上均匀的弯曲或翘曲以及磁诱发的局部变形36形成的复合变形模式，如图4(b)所示。

如在图4(a)的示例中，尽管在图中示出了局部磁场32，但是该示例与在致动器构件12的整个长度上均匀施加的磁场完全兼容。

图4(c)示出了另一示例，包括跨致动器构件12的长度在三个均匀间隔的区域42中局部集中的磁性颗粒。相应的夹具18被设置在每个相应的局部区域42之间。如图所示，提供磁场生成单元22，其能操作用于施加跨相应局部区域42中的每个区域延伸的磁场。可以将单独的局部磁场32施加到每个相应的区域(如图4(c)所示)，或者可以将单个磁场均匀地施加在致动器构件的整个长度上，覆盖每个相应的局部区域42。后一种替代情况在图5中以参考的方式示出。应注意，在这种情况下，会聚可以显著小于图4(c)的布置，在图4(c)的布置中刺激了多个局部磁场。

在三个局部区域42上施加磁场时，跨每个区域诱发局部集中的变形，由此引起复合变形模式，该模式由沿致动器构件12的长度的三个凸起或突起的布置组成。如在其他示例中那样，这可以与致动器构件中的EAP材料的电刺激组合，从而提供由图4(c)中所示的三个局部凸起组成的复合变形模式，其叠加在顶上，在跨致动器构件的整个长度均匀延伸的致动器构件的更宽的整体弯曲上或翘曲上。

例如，可以以动态方式同时、单独或顺序地磁性刺激这三个部分。对各部分的独立刺激可能需要提供图4(c)的布置，在其中生成单独的局部磁场以在三个部分中的每一个上施加。等效地，可以提供单个磁场生成单元，其能够生成具有对于致动器构件的不同部分而变化的场强的磁场。

在上述实施例中，假设电活性聚合物基质具有粘度，以防止嵌入的磁性颗粒迁移通过EAP基质材料。粘度使得由磁场生成单元22施加到颗粒上的磁力不足以克服聚合物基质的粘性阻力。这通常是电活性聚合物具有相对高的弹性模量(例如，杨氏模量)的情况。

根据示例的一个或多个子集，磁性颗粒可以封装在可弹性变形的聚合物液滴中，该液滴的粘度低于EAP基质的粘度。这在图6中示意性地示出，示出了致动器构件的示例性区域，其中设置有磁性颗粒悬置在聚合物液滴48中，该液滴嵌入在周围的EAP基质46中。

聚合物液滴散布在整个EAP基质中，每个聚合物液滴包含一个或多个刚性磁性颗粒的集合。在电刺激EAP(图6的右侧所示)时，聚合物液滴通过弹性改变其的形状跟随EAP基质的诱发变形，但是由于其相对较低的粘度而不会迁移通过聚合物基质。两种聚合物应特别是不互溶的。

提供包裹在聚合物液滴内的磁性颗粒的效果可以减轻对EAP基质变形的抵抗力。这是因为在EAP变形时，聚合物颗粒能够变形而不会对周围的EAP施加显著的阻力。这与磁性颗粒直接嵌入EAP基质中的系统形成对比。在这种情况下，颗粒确实对EAP的变形施加部分阻力，因为EAP分子必须沿颗粒表面迁移(剪切)。还会发生对液滴的剪切，但是由于这些液滴的粘度显著低于EAP的粘度，因此对变形的部分阻力较小。

如上所述，通过磁场生成单元和电场生成单元的协调控制，可以根据示例实现宽范围的变形形状和效果。在示例中，这可以包括同时地激活两个单元以提供复合致动模式。取决于所施加的磁场的方向，电场效应和磁场效应可以在相同方向或相反方向上应用。当其在相同方向上施加时，可以实现加强或增强的变形响应。在其沿相反方向施加的情况下，可以实现双向致动模式，其中可以在致动器构件的不同部分中诱发相反方向的弯曲。

注意，在同时施加电场和磁场的情况下，为了产生增强幅度的变形响应，应当确保诱发磁力大于由带电电极诱发的静电力。

对于任何上述实施例，可以改变磁性颗粒的浓度和/或可变形聚合物液滴的浓度，以便加强或减弱致动器构件中的变形响应。颗粒的浓度可以在致动器构件上不均匀地变化，从而调节致动器以提供不均匀的变形响应模式。

示例为EAP致动器提供了改进的性能。特别地，示例性致动器能够通过组合磁性和电子刺激变形来提供更大的致动力，并且/或者能够通过电子和磁性刺激的协调使用来提供更宽范围的不同致动运动和变形形状。由每个刺激单元诱发出的变形可以叠加，或者可以以顺序方式来控制。

通过适当的夹紧，可以在不同区域诱发呈现不同形状或致动动作的致动器构件。例如，具有三个区域的致动器构件，如图4(c)所示。这可以扩张到四个、五个或任意数量的区域。可以通过磁刺激独立地控制每个区域。这些部分可以是控制器以一起或顺序地刺激。根据任何描述的示例，可以提供多个磁场生成单元22以便于对致动器构件的不同区域或部分的独立磁刺激。磁场生成单元可以设置在致动器构件12的同一侧或不同侧，以便能够施加具有不同方向性的磁场。通过将不同方向的场施加到不同区域，可以诱发不同区域在不同方向上变形。因此可实现双向性。

现在将参考附图详细描述根据本发明的实施例。这些示例提供了一种致动器设备，其包括具有散布的硬磁颗粒的EAP致动器构件，并且还包括用于向致动器构件施加电刺激和磁场的单元。控制器适于以协调的方式控制这两个单元，由此在致动器构件中实现一种或多种变形模式的程序。

如上所述，图3中所示的设备架构可以适当地用于提供根据本发明的该方面的简单的第一实施例的示例中。尽管图3中表示的具体示例包括软磁颗粒，但是用硬磁材料颗粒替换这些颗粒产生完全根据本方面的致动器构件。因此，读者可以参考上面关于图3的描述，以获得对合适的示例性致动器设备的结构的详细描述。

根据本发明的致动器构件包括EAP材料，该EAP材料具有散布在其中的硬磁材料的颗粒。出于本文件的目的，硬磁材料被理解为不可逆地磁化的材料(通过先前施加外部磁场)，并且在去除磁场时不会失去其磁化(即，具有显著的残余磁化)。通过非限制性示例，硬磁颗粒可以由诸如铁氧体的铁磁材料和诸如SmCo或NdFeB的金属制成。用于形成硬磁颗粒的其他合适材料对于技术人员来说是显而易见的。

为了提供具有散布的硬磁颗粒的致动器构件，可以将硬磁颗粒与电活性聚合物混合以形成EAP复合物。该复合物可用于形成致动器构件12的主体。为了确保致动器构件的均匀和一致的磁化，磁性颗粒需要磁化过程，这通过施加强磁场来实现，以便使颗粒的磁矩在统一的方向上对准。

可以在混合颗粒之前执行该磁化。然而，这可能由于颗粒间磁吸引而导致颗粒凝结。这使得颗粒难以通过EAP材料均匀混合。因此，更优选地，在混合EAP复合物之后进行颗粒的磁化，此时颗粒已经固定在EAP内的适当位置。在这种情况下，EAP应当具有足够高的粘度，以防止散布的磁性颗粒响应于磁场的施加而迁移通过EAP。

为了对颗粒进行磁化，在混合和形成之后，将外部磁场施加到致动器构件，以使磁矩在一致的方向上对准。磁场的磁场强度应当大于颗粒的矫顽场强。在优选的情况下，均匀(即均匀场强)磁场用于磁化颗粒，因为这导致整个致动器构件的磁化更均匀(因为在每个点都经受相同的磁场强度)。然而，在所施加的磁场强度足够高以使颗粒进入磁饱和的情况下，也可以考虑使用具有不均匀场强的磁场的磁化。

根据一个或多个示例，可以在磁化致动器构件时有意地将不均匀磁场施加到致动器构件，以便在构件上诱发不均匀的磁化模式。通过提供不均匀的磁化，可以改变致动器构件的致动行为。特别地，特定区域的变形响应取决于局部磁化的幅度。通过改变跨不同区域的磁化强度，不同区域可以通过或多或少地施加均匀磁场来响应。这可以支持响应于均匀场的简单施加而创建感兴趣并且复杂的变形模式。

在特定示例中，一些区域可以保持未磁化，而其他区域被均匀磁化。这可以提供铰接或接合的变形响应，其中施加的磁场使得磁化区域在未磁化区域周围或附近变形。在示例中，磁化颗粒的区域可以由非磁化颗粒的区域分开。根据一个或多个示例，致动器构件的不同区域可以被提供不同极性或方向性的磁化，其中两个相邻区域例如被相反地磁化。

如上所述，根据本发明的该方面的示例性致动器设备的基本结构可以从以上图3的图示中理解。然而，用于刺激致动器构件中的变形模式的控制模式(通过磁性和电子单元)通常可以与上述不同。现在将详细描述根据本发明的用于控制示例性致动器构件的模式和单元。

图7示意性图示了根据本发明的用于磁性操纵示例性致动器构件12的简单的第一单元。该图示出了具有散布的硬磁颗粒的示例性致动器构件12的一小部分。颗粒均匀地对准以使致动器构件充满向上方向的整体磁化(从图7的角度看)。由于颗粒具有永久残余磁化，其不依赖于继续施加的磁场(与先前的软磁材料示例不同)，所以在本方面中，可以通过控制所施加的磁场而控制致动器构件以在不同的期望方向上变形。

这在图7中所示的两种配置中示出。在左手侧配置中，控制磁场生成单元22以施加(具有不均匀场强的)磁场，该磁场具有与在致动器构件12中散布的颗粒的磁化共向的磁化。在这种情况下，施加的磁场对颗粒施加吸引力(即，在磁场生成单元22的方向上)。根据该实施例，电活性聚合物的粘度足够高以防止颗粒迁移通过聚合物基质。结果，由施加的磁场施加的吸引力诱发致动器构件在朝向磁场生成单元22的方向上弯曲。

在图7的右手侧配置中，磁场生成单元22被控制或配置为施加不均匀场强的磁场，该磁场具有相对于致动器构件12内的颗粒的磁化相反取向的磁化。在这种情况下，所施加的场在颗粒上(即，在远离磁场生成单元22的方向上)施加排斥力。结果，施加该磁场导致致动器构件12的至少所示部分在远离磁场生成单元22的方向上弯曲。

因此，能够看到，通过控制施加的磁场的方向，可以控制在示例性致动器构件12的一个或多个部分中引起的弯曲方向(或其他形式的变形)。

在这两种情况下，都施加不均匀场强的磁场。该场特别是在远离磁场生成单元22的方向上的场强下降。由外部磁场施加在磁化主体上的磁力通常可以由关系式给出(即grad(m.B))。在磁场随磁场生成单元的距离增加而场强下降的情况下，这导致m·B的正梯度(假设跨致动器构件的均匀磁化)朝向磁场生成单元的方向。施加在磁性颗粒上的磁力的特定方向在每种情况下取决于所施加的磁场相对于颗粒磁化方向的方向。

在磁场生成单元较小的情况下，或者至少在磁场生成单元能够生成包含于或限制于其空间跨度的场的情况下，可以实现致动器构件的局部聚焦变形。

该概念在图8中示意性图示。在该示例中，致动器构件12被制备成跨其整个长度具有均匀的磁化，致动器构件的每个部分52、54中的磁化方向是相同的。

在图8(a)中，第一磁场生成单元22沿与颗粒磁化方向相反的方向在致动器构件12的第一部分52上施加磁场32，并且第二磁场生成单元22沿与颗粒的磁化共同取向的方向在致动器构件的第二部分54上施加磁场32。结果，第一部分52中的颗粒经受排斥力，使第一部分远离第一场生成单元变形，并且第二部分54中的颗粒经受吸引力，使第二部分朝向第二场生成单元变形。这导致致动器构件中的波浪状或波动变形模式。

图8(b)示出了类似的控制方案，其中两个磁场的方向性已经反转，使得第一部分52向下变形而第二部分54向上变形。

通过根据时间循环地切换两个磁场生成单元22的方向性，可以实现动态波浪状或摆动变形效果。

除了改变两个磁场的方向性之外，两个场的强度也可以根据时间或静态地变化，以在两个相邻部分中的每个部分中实现不同程度的变形。结果，可以实现几乎无限范围的不同双向变形模式。

此外，尽管在图8中仅示出了两个部分，但是技术人员将容易理解，该概念可以扩张到包括任意数量的不同部分的致动器构件，每个部分设置有可独立控制的磁场。这可以通过为每个部分提供独立的磁场生成单元或通过提供能够在不同的横向位置生成具有不同强度的场的磁场生成单元来促进。

当扩张到大量可独立控制的部分时，例如扩张到10个或更多个可独立控制的部分时，可以通过对每个连续部分的磁场的顺序激活来沿致动器构件生成行波模式。这种行波可以有利地用于例如在致动器构件上产生流体流动。例如，这可以用作泵。这种波动变形模式特别适用于例如推进或移动流体的微流体系统。

图9示出了图8的示例性控制模式的变型，其中(横向)均匀磁场施加在致动器构件上，并且其中，散布在两个相邻部分52、54中的颗粒分别具有不同方向的磁化。结果，在施加横向均匀磁场32时，致动器构件12的两个相邻部分52、54中的每个部分在不同的相应方向上变形。

如图9(b)所示，通过切换所施加的磁场32的方向性，两个相邻部分52、54的各自变形方向可以反转。因此，在该示例中，通过循环地切换单个横向均匀磁场32的方向性，也可以实现在图8的示例中实现的动态波动运动。

通过在致动器构件12的电活性聚合物基质内提供不均匀的颗粒分布，根据本方面的实施例还可以实现进一步的变形效果。这些可实现的效果反映了上面参考图4的实施例所示和所述的那些。通过将磁性颗粒排列成局部浓度，可以实现局部变形效果。

参考图4，通过将硬磁颗粒集中在中心区域42中，实现中心局部的弯曲或变形。另外，根据本方面的示例，可以反转所施加的磁场32的极性，从而实现致动器构件的该中心部分42的不同弯曲方向。磁场方向可以反复反转，从而实现例如振荡运动。相同的原理适用于如图4(b)所示的非中心部分42。

另外地或备选地，如图4(c)所示，通过提供多个局部集中的颗粒，可以跨局部区域42的阵列实现局部变形。通过在每个相邻区域之间提供夹具，可以增强局部变形效果。另外，根据本方面的示例，可以通过改变给定区域处施加的磁场的方向来独立地控制每个单独部分的弯曲方向性。结果，可以实现多种不同的变形模式。

在描述上述本发明的示例时，仅详细描述了对致动器构件的磁变形的控制。然而，应当理解，在本发明的任何实施例的实现中，磁变形效应与电诱发的变形效应一致或互补地应用。如图3所示，在示例中，可以提供一对电极，其附加到致动器构件的相对主表面上，用于以施加电场的形式向电活性聚合物施加电刺激。

电诱发变形可以与磁诱发变形同时施加，或者控制器30可以被配置为实现两个刺激的协调顺序控制，以实现复杂的静态或时变变形模式。在所有情况下，两个刺激单元(电子和磁性)的协调控制使得能够显著增强不同变形动作、形状和效果的范围和广度。

根据示例，磁性颗粒可以是磁致伸缩颗粒。磁致伸缩颗粒的特征在于将磁能转换或转变成机械能，反之亦然。在磁化磁致伸缩材料时，材料呈现出应变，即其长度在每单位长度的变化。相反，磁性材料中的外部诱发应变(即，通过施加外力诱发出)将导致材料的磁性状态的变化，由此诱发材料上呈现的磁场的变化。磁致伸缩材料的磁性和机械状态之间的这种双向耦合提供了可用于致动和感测形状变化的转换能力。

磁致伸缩颗粒可以由软磁材料或硬磁材料形成，因此下面描述的示例与上述本发明的实施例或上述任何示例的应用兼容。

使用磁致伸缩颗粒的磁诱发变形的简单示例在图10中示出。示例性致动器构件12包括具有分布在其中的磁致伸缩颗粒的电活性聚合物材料。

上图示出了在施加磁场之前致动器构件12处于空闲状态。示意性示出了在该第一状态下的示例性磁性颗粒62的磁特性。示出的示例性颗粒包括示例性磁域组，每个磁域包括具有不同相对对准的磁偶极。尽管仅示出了四个域，包含以四个完全垂直的方向对准的颗粒，但这仅仅是示意性说明，并且实际上可能存在更多，并且通常在颗粒内将存在非常大量的(主要是微观的)域，包含在不同方向对准的偶极。

在没有任何施加的磁场的情况下(如在颗粒62的情况下)，跨不同域的磁偶极具有随机方向，使得在宏观尺度上，偶极矩抵消并且每个颗粒呈现出零净磁化。

图10的下部图像示出了在施加均匀磁场时的致动器构件(即，具有磁场强度的磁场，该磁场强度在致动器构件的范围内是均匀的并且不随位置而变化)。借助于适当的磁场生成单元(未示出)，例如可控电磁铁或其他线圈或螺线管，施加均匀磁场。

在所施加的磁场的影响下，不同磁致伸缩颗粒磁域的磁偶极开始在共同方向上对准(与施加的场平行)。颗粒64示意性地表示在施加低强度磁场时示例性颗粒的磁域，并且颗粒66表示在施加高强度磁场时的域，此时颗粒内所有域的偶极已对准，有效地留在偶极的单个均质域中，所有偶极在共同方向上对准。

当任何均质磁场被施加到这样的致动器构件12时，没有经受吸引力或排斥力，但是磁致伸缩颗粒响应于所施加的场而经受形状变化。特别地，磁致伸缩颗粒的体积变化。假设在非刺激状态下为球形的颗粒，施加磁场会使颗粒稍微变形成椭圆形。在宏观尺度上，这可以用于提供小的致动，但具有更高的力。

取决于磁致伸缩材料的特定类型，在施加磁场时在致动器构件中获得长度增加或长度减小。特别地，取决于材料，可以实现两种不同类型的磁致伸缩效应中的一种：正磁致伸缩效应或负磁致伸缩效应。这些不同的效应对施加给定磁场具有不同的相关联的变形响应。

在图10的示例中，示出了负磁性材料的颗粒。施加垂直对准的磁场导致颗粒的水平对准变形(或压缩)。这导致致动器构件的厚度16的整体减小。

应当注意，使用均质或不均质的磁场可实现该变形响应。因此，这些示例与上述那些(与非磁致伸缩颗粒的使用有关)不同，其中磁刺激致动仅在施加不均质磁场时才能实现。

在图10的特定示例中，均质磁场72被施加到致动器构件12，由此引起磁性颗粒的体积变化。取决于材料类型，可以实现致动器构件的长度增加或长度减小。在图10的特定示例中，示出了长度增加。结果，致动器构件的电活性聚合物基质将在垂直于致动器构件的厚度16的方向上扩张。该扩张可用于提供小幅度但是高的力的致动力。

如上所述，示例性颗粒对施加低强度磁场的变形响应在64中示出。可以看出，颗粒在横向方向上有轻微的扩张。

在其他示例中，可以使用磁致伸缩材料，其适于在磁场的影响下收缩。在这种情况下，电活性聚合物基质将对应地收缩，同样具有小幅度但是高的力。在单个致动器构件内这两种材料的组合可以在示例中实现双向驱动，其中，致动器构件的不同部分可以分别扩张或收缩。

根据一个或多个其他示例，磁致伸缩颗粒可以不均匀地分布在致动器构件中，由此提供一组局部浓度的磁性颗粒。这可以实现类似于关于图4的示例所描述的效果，其中可以实现局部变形效果。例如，通过将颗粒浓缩成如图4(c)所示的三种不同浓度的组，可以在每个所述局部区域42中刺激不同的扩张或收缩效应。特别是在具有高浓度颗粒的区域中，聚合物基质的任何扩张或收缩都会更大，因此会发生局部变形效应。可以通过设计引入电活性聚合物混合中的颗粒的异质性以产生任何期望的变形配置。

根据一个或多个另外的示例，可以结合结构化磁场使用均匀或不均匀的颗粒分布，从而在致动器构件的不同局部区域中实现不同的变形效应。特别地，结构化磁场可以在不同的局部区域具有不同的场强或方向，由此实现局部变化的变形效应。

磁致伸缩颗粒的使用可以有利地与上述任何示例组合。

现在将描述通过监视散布在EAP内的磁性颗粒的磁性来感测EAP致动器构件的形状变化的示例。下面描述的示例可以有利地组合或并入到本发明的任何实施例中。

示例提供了一种致动器设备，其包括具有嵌入的磁性颗粒的EAP致动器构件，并且还包括用于检测在致动器构件的主体内或附近的磁场强度的磁场传感器。控制器被配置为基于来自磁场传感器的输出来确定致动器构件的形状变化的指示。在特定实施例中，所确定的形状变化可以用作控制致动器构件的变形模式的反馈。

根据特定示例的控制器尤其适于确定致动器构件的厚度变化的指示。致动器构件例如可以具有包括相对的主表面的层状结构。在这种情况下，厚度应当理解为致动器构件在两个主表面之间沿垂直于每个主表面的方向延伸的维度。然而，更一般地，厚度可以指致动器构件的任何任意维度，但是更典型地可以指根据这些示例提供的任何致动器构件的三个维度中的较小或最小者。

尽管下面将描述特定示例，其特别涉及致动器构件的厚度变化的测量，但是应当理解，在其他示例中，类似的概念可以容易地应用于确定形状变化的其他方面。通过非限制性示例，这些可以包括致动器构件的宽度、高度或长度的变化，或者致动器构件的曲率或拓扑的变化。在其他示例中，形状变化可以包括致动器构件的整体外形或轮廓的变化。

该概念可以应用于包括硬磁颗粒、软磁颗粒和/或磁致伸缩颗粒的致动器构件。现在将详细描述与这些情况中的每种情况有关的特定示例。

应用于包括散布的软磁颗粒的示例性致动器构件的概念在图11至图13中示出。在这种情况下，该概念基于监视包括散布的软磁颗粒的致动器构件的磁导率。

对于具有高磁导率的颗粒，例如铁氧体颗粒(其中磁导率可以容易地超过1000)，电活性聚合物合成物的磁导率(μ)可以与下列成比例：

μ＝αNd/<g> (1)

其中，α是比例参数，N是垂直于致动器构件厚度的每表面面积的颗粒数(其中厚度在前面部分描述的意义上理解)，d是与致动器构件的厚度平行的每个颗粒的平均维度，<g>是与厚度平行方向上在致动器构件的磁性颗粒之间的平均间距。

在散布的磁性颗粒的长度d在与致动器构件的厚度平行的方向上增加的情况下(即，赋予其不相等的纵横比)，对于任何给定的<g>呈现出的磁导率的总体幅度显著增加。这在图11中示意性地示出，图11示出了具有散布的磁性颗粒的示例性致动器构件12。在左侧图像中，颗粒在高度和宽度维度上基本对称，具有小的d 82和大的间距<g>。

右侧图像示出了具有显著扩张的高度维度d 82的颗粒的致动器构件，并且其中，间距间隙<g>因此显著减小。由于这些变化，磁导率μ增加了一百倍。这些数字仅作为说明提供，并且任何等效的颗粒适应以提供增加的高度维度d同样适用。

提供这些高度延伸的椭圆体颗粒可以通过一系列公知过程中的任何一种来实现，并且用于形成这种颗粒的手段对于技术人员(特别是任何胶体化学家)来说是显而易见的。

在示例中，通过向致动器构件12施加相对大的均质磁场，同时增加其温度从而降低电活性聚合物基质的粘性阻力，可以实现图11中所示的颗粒的均匀对准。非均质场也可用于对准颗粒。然而，这将导致在颗粒上施加净平移力，使得EAP基质内的颗粒分布被破坏。使用均质磁场避免了这种困难。

一旦实现所需的对准，可再次降低温度以将颗粒固定在适当位置，并移除施加的磁场。

当考虑具有高固有磁导率的材料的颗粒时，致动器构件12的有效磁导率近似与d/<g>成比例。当颗粒已经适当地对准时，如图11的右侧图像中，空间间隙<g>通常显著小于颗粒“高度”维度d。比率d：g的典型值例如可以为10：1。结果，致动器构件在空闲、未致动状态下的有效磁导率可以近似与μ＝α*N*10成比例。

当在电极26之间施加电压(设置在致动器构件的相对主表面上)时，在致动器构件12上建立电场，从而刺激致动器构件的厚度减小。在磁性颗粒比电活性聚合物基质更硬的情况下，这种厚度压缩迫使颗粒更靠近在一起，由此减小平均空间间隙距离<g>。

这在图12中示意性地示出，图12示出了具有多个散布的软磁颗粒82的示例性致动器构件12。在电极26之间施加电场时，引起致动构件的厚度收缩，由此导致在图12的右侧图像中示出的致动状态。如图所示，颗粒之间的空间间隙d显著减小。

特别地，如果间隙减小到其尺寸的一半，则磁导率μ将加倍，使得其可以近似与μ＝α*N*20成比例。如果间隙减小到其原始尺寸的十分之一，则磁导率将增加10倍，使得其可以近似与α*N*100成比例。如果构件12的压缩足够大以使颗粒之间的间隙完全闭合(即，颗粒之间的EAP被完全挤出而在颗粒之间留下零间隙)，则磁导率将恢复到颗粒的固有磁导率，使得其与μ＝α*N*μ_固有近似成比例。如上所述，在一些情况下，这可能是超过1000的值。

因此，致动器构件的厚度的变化(无论是通过电诱发变形还是其他方式)直接转化为致动器构件的展示的磁导率的可测量的变化。在致动器构件的结构与图11和图12的示例一致的情况下，厚度的小变化导致呈现出的磁导率的大的变化(例如，变化数量级)。因此，通过测量致动器构件12的磁导率的变化，可以定量地导出厚度的变化。

致动器构件的磁导率在示例中可以通过另外提供的磁传感器来测量，例如磁记录头或霍尔传感器。在示例中，致动器设备还可以包括磁场生成单元，其用于在致动器构件上施加小的(例如均质的)磁场，并且其中，通过测量跨致动器构件的展示的辅助场的变化来测量磁导率(即，使用一般关系B＝μH)。通过施加均质磁场，可以提供这种感测功能，而不会干扰使用非均质磁场的致动器构件的任何磁诱发变形。以这种方式，本文描述的厚度感测可以有利地并入到以上关于本发明描述的任何示例性致动器实施例中。

图12的致动器设备还可以包括控制器(未示出)，磁传感器(以及任选地磁场生成单元)可操作地耦合到该控制器。控制器可以被配置为控制传感器以监视致动器构件的磁导率或监视跨致动器构件的磁场强度。基于测量到的磁场强度，控制器可以被配置为计算跨致动器构件的磁导率的变化或绝对值。

在示例中，可以使用存储的查找表将测量或确定的磁导率(或磁导率变化)转换为对应的厚度变化。查找表可以存储在由致动器设备包括的存储器中，例如由控制器包括。查找表可以存储已知对应于不同可能的测量或确定的磁导率值的范围的相关联的厚度变化值。备选地，可以通过控制器使用理论关系来计算厚度的变化。

在特定示例中，测量到的磁导率值或所确定的厚度变化值可以由控制器用于控制致动器构件的磁和/或电刺激。以这种方式，测量到的构件厚度变化可以用于通知对致动器构件的致动程度或形状的控制。因此，上述感测功能可以用作控制致动器构件的变形的直接反馈的形式。

根据一个或多个示例，磁性颗粒可以不均匀地分布在致动器构件12中。图13中示意性示出了一个示例，其示出了包括跨致动器构件的EPA基质分布的三个在空间上分离的局部浓度42的软磁颗粒的致动器构件，可以实现感测致动器构件的不同局部部分处的致动器厚度。特别地，可以提供单独的专用磁传感器，用于感测跨每个局部浓度42的磁场或磁导率。以这种方式，可以实现磁导率的独立局部测量，并且因此可以实现厚度变化。

应用于包括散布的硬磁颗粒的示例性致动器构件的概念在图14和图15中示出。在这种情况下，该概念基于监视跨致动器构件的有限横向拉伸呈现的磁化强度。随着厚度变化，致动器构件的每表面面积的体积改变，由此改变有助于跨任何固定长度的磁化的永久磁化颗粒的数量。这可以通过伴随的磁场传感器来感测到，并且用于提供厚度的任何变化程度的指示。

图14中示出了该实施例的简单示例。左侧图像示出了具有处于非活动(非致动)状态的散布的硬磁颗粒的示例性致动器构件12。右侧图像示出了在电极96、98之间跨其厚度16施加电场时的致动器构件。电场刺激致动器构件的EAP材料变形，由此导致厚度减小。

磁场传感器92布置在致动器构件12的近侧，其能操作用于监视或测量致动器构件内或附近的位置处的磁场强度。

如图14中示意性所示，在致动器构件12的电刺激时，位于磁传感器92的感测区域102内的磁性颗粒的数量减少。结果，由致动器构件的该特定横截面所呈现出的总磁场强度以可测量的方式减小。通过监视由磁场传感器92感测到的磁场强度的变化，可以检测和监视致动器构件的厚度的变化。

磁场传感器92可操作地耦合到控制器(图14中未示出)，该控制器被配置为基于感测到的磁场强度来确定致动器构件的厚度的任何变化的指示。特别地，这可以通过存储在控制器的本地存储器内或控制器可访问的预定查找表来实现，该查找表存储与一组测量到的磁场强度中的每个磁场强度相关的致动器构件厚度值。这些值例如可以针对每个特定致动器构件通过实验导出，或者可以是已知属于特定规格的所有致动器构件的标准值。厚度变化值备选地可以由控制器基于已知的理论关系来确定。

所确定的致动器构件的厚度变化在示例中可以用于提供用于控制致动器12的位移反馈。在示例中，可以建立控制回路，其中，厚度测量提供直接或间接反馈以通知控制器控制致动器构件的电刺激。例如，经由预定的查找表或其他方式，控制器可以被配置为增加在电极96、98之间施加的电压，直到达到期望的厚度，此时电压被平稳到恒定值。

在致动器厚度与感测到的磁场强度的变化之间的确切关系取决于多种因素：由磁场传感器92感测到的永久颗粒的数量，这些颗粒到传感器的距离，以及由致动器的致动引起的特定变形形状，例如致动器的完全可能导致磁性颗粒与传感器之间的平均距离的依赖电压的变化。

这在图15中示意性地示出，图15示出了具有散布的硬磁颗粒的示例性致动器构件12，并且通过一组夹具18在任一端被夹紧。当致动器构件被电刺激时，由于夹紧将引起弯曲，这导致在磁性颗粒和磁场传感器92之间的距离增加。这通常可以导致感测到的磁场强度的降低。为了解决这个问题，控制器可以被配置为以预定方式补偿由于电变形而发生的场强的预期变化。为了便于此，控制器可操作地耦合到电极96、98两者和磁场传感器，使得可以在任何时候将特定电压施加到致动器构件。然后，这可以用于计算补偿场强值。

在当前示例的任何一个中，可以通过改变磁性颗粒浓度、颗粒直径和/或颗粒形状来定量地调节电和磁致动效应。

应用于包括散布的磁致伸缩颗粒的示例性致动器构件的概念在图16中示意性地示出。在这种情况下的概念还基于监视由致动器构件中的磁性颗粒呈现出的磁化强度。在致动器构件的电刺激和随后的变形时，在依赖于由变型在致动器构件中诱发出的应变的幅度的EAP矩阵内引起应力。这些应力又施加到磁致伸缩颗粒上。如上所述，磁致伸缩颗粒具有响应于所施加的应力以可预测的方式改变其磁化的性质。因此，能够看到，通过监视跨致动器构件的至少一部分的展示出的磁化，可以确定和监视致动器构件的厚度变化(即，诱发出的应变的分量)。

在图16中示意性示出了示例，其示出了由电活性聚合物材料形成的示例性致动器构件12，该电活性聚合物材料具有散布在其中的磁致伸缩颗粒。左侧图像示出了致动器构件处于初始的未致动状态。一个示例性磁性颗粒的磁性由62示意性地示出，其示出在该初始状态下，颗粒具有零净磁化(磁偶极在随机方向上对准)。在致动器构件变形时，磁性颗粒的形状变形，从62中的更球形变为63的更椭圆形。结果，使得颗粒获得净磁化(如63所示)。对于本示例，假设颗粒是正磁致伸缩材料。结果，颗粒响应于致动器构件的水平对准的变形，具有对应的水平对准的磁化(对于本示例，从图16的角度看，在从右到左的方向)。对于磁化方向，还要注意以下：只要磁偶极处于水平面，就没有优选的方向。然而，当颗粒密度足够高时，可能存在相互影响，使得磁偶极取向在水平面内沿一个方向对准。人们可以在设计或操作中考虑到这一点。

图16中所示的特定颗粒形状仅通过概念的说明来呈现，并且在其他示例中，颗粒可具有任何期望的形状而不会减小致动器设备的要求保护的效果。

在呈现出的磁化中的变化可以通过所提供的磁场传感器来测量。通过非限制性示例，这可以是导电绕组(例如在磁记录头中)，或者例如霍尔传感器或磁阻传感器。适用于测量磁场强度的其他现有技术的磁传感器对于技术人员来说是显而易见的。

磁场传感器可操作地与控制器耦合，该控制器能操作用于基于检测到的场强来确定致动器构件12的厚度16的值或者在其中的变化。在示例中，可以通过存储在控制器的本地存储器内或控制器可访问的预定查找表来确定厚度变化，该查找表存储与一组测量到的磁场强度中的每个磁场强度相关的致动器构件厚度值。这些值例如可以针对每个特定致动器构件通过实验导出，或者可以是已知属于特定规格的所有致动器构件的标准值。厚度变化值可以备选地由控制器基于已知的理论关系来确定。

如在以上示例中，所确定的致动器构件的厚度变化在示例中可以用于提供用于控制致动器12的位移反馈。在示例中，可以建立控制回路，其中，厚度测量提供直接或间接反馈，以通知控制器控制致动器构件的电刺激。

如在先前描述的实施例中，测量到的磁场强度取决于许多因素，包括在磁性颗粒和磁场传感器之间的距离。在致动器构件适于在电刺激时弯曲的情况下，该距离可以根据所施加的场电压(或电流)而改变。在示例中，控制器可以适于补偿这种依赖于场强变化的电压，例如根据关于前一示例所描述的方法。

同样如关于前一示例所讨论的，控制器可以利用所确定的厚度变化来通知控制致动器构件的变形。所确定的厚度变化可以用于例如作为控制致动器的致动行为的反馈回路的一部分(如上所述)。

如上所述，磁致伸缩颗粒可以是硬磁材料或软磁材料的颗粒。因此，当前描述的示例可以与本公开中描述的任何其他示例或实施例组合或结合。

根据任何示例，可以在通过电刺激或磁刺激来刺激致动器构件变形的同时，执行对致动器构件的形状变化的感测。对于同时磁感测和磁刺激变形，形状(例如厚度)变化的确定可能需要补偿已经跨致动器构件主动施加的已知磁场。

例如，在散布的硬磁颗粒的情况下，跨致动器构件的任何测量到的磁场强度通常可以包括被施加用于刺激变形的磁场。为了监视形状变化(通过监视跨构件展示的磁场强度的变化—如上面的示例所述)，仅需要从测量到的场强中减去或者以其他方式消除已知的主动施加的磁场的幅度。在测量具有嵌入的软磁或磁致伸缩颗粒的致动器构件中的形状变化的情况下，也可以应用类似的补偿方案。

根据本发明的任何实施例，可以实现通过刺激构件的致动(电或磁地)引起的致动器构件的形状(例如厚度)的变化的确定。这尤其可以通过在致动之前确定构件的形状的指示，并且随后在致动构件之后确定形状的指示来实现。如上所述，查找表或计算方法可以用于基于在致动之前和之后检测到的磁场强度来确定致动器构件的形状的指示(例如，厚度、高度或宽度的指示)。通过比较这两个值(例如，将一个值与另一个值相减)，可以实现形状变化的指示。

尽管在上面的详细描述中，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，但是本发明实际上可以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材料可以用其他EAM材料代替。这种其他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其以及如何对其进行应用。下面将描述多个选项。

场驱动的EAM可以是有机或无机材料，并且如果有机可以是单分子的，则可以是低聚物或聚合物。其通常是压电的并且可能是铁电的，因此包括自发的永久极化(偶极矩)。备选地，其是电致伸缩的，因此在被驱动时仅包括极化(偶极矩)，但是在未被驱动时则不包括极化(偶极矩)。备选地，其是电介质弛豫材料。这些聚合物包括但不限于子类：压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物、弛豫铁电聚合物(如基于PVDF的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、电粘弹性弹性体和液晶弹性体。

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，所述优点是以温度稳定性为代价获得的。在温度可以稳定在大约10℃以内的情况下，驰豫(relaxor)运行最佳。乍一看这似乎是极其有限的，但是鉴于电子限制器在高频率和非常低的驱动场中表现优异，那么应用往往是专门的微型致动器。这种小型设备的温度稳定性相对简单，并且在整个设计和开发过程中通常仅仅是一个小问题。

弛豫铁电材料可具有足够高的电致伸缩常数以用于良好的实际应用，即，有利于同时感测和致动功能。当零驱动场(即，电压)施加到其时，弛豫铁电材料是非铁电的，但是在驱动期间变为铁电体。因此，在非驱动时材料中不存在机电耦合。当施加驱动信号时，机电耦合变为非零，并且可以根据上述过程通过在驱动信号顶部之上施加小幅度高频信号进行测量。此外，弛豫铁电材料受益于非零驱动信号的高机电耦合和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：铌酸铅镁(PMN)、铌酸铅镁铅酸铅(PMN-PT)和锆钛酸铅镧(PLZT)。但是其他的在本领域中是已知的。

基于PVDF的弛豫铁电聚合物显示出自发的电极化，并且其可以预应变以在应变方向上改善性能。其可以是选自下文中的材料组中的任何一种。

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)、聚氨酯或者其混合物。

电流驱动的EAM和EAP包括共轭聚合物、离子聚合物金属合成物、离子凝胶和聚合物凝胶。

离子驱动的EAP的示例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物合成物和离子聚合物金属合成物(IPMC)。

子类介电弹性体包括但不限于：

丙烯酸酯、聚氨酯、有机硅。

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。

上述材料可以作为纯材料或者作为悬置在基质材料中的材料被植入。基质材料可以包括聚合物。

对于包括EAM材料的任何致动结构，可以提供额外的无源层以响应于所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，用于向至少一部分的电活性材料提供控制信号或驱动信号。优选地，该布置包括两个电极。EAP可以夹置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，因为其致动是由于电极施加的压力(由于驱动信号而彼此吸引)。两个或更多个电极也可以嵌入弹性体介电材料中。电极可以是模式化的或非模式化的。

基板可以是致动布置的一部分。其可以附接到EAP的整体与在电极之间的电极上或到外部的一个电极上。

电极可以是可拉伸的，以便其跟随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，并且例如可以选自包括以下项的组中：金属薄膜，例如金、铜或铝，或者有机导体，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。

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。

可以使用上面讨论的那些附加层来适应设备的电或机械性能，例如附加的聚合物层。

上述示例使用复合材料，其组合电活性材料(特别是聚合物)和其他颗粒(通常称为“填料”)。

现在将讨论制造这种复合材料的方式以及对电活性材料的物理和电性质的影响。

首先介绍介电弹性体电活性材料的示例。其夹置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。变形是在带正电荷和带负电的电极之间的吸引力的结果。

在硅树脂中混合颗粒广泛用于工业规模。作为示例，超声换能器透镜由填充有铁和氧化硅颗粒的硅树脂(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(硅树脂)化合物广泛用于增加折射率或者产生白色反射材料。

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混合具有两个主要的显著效果。首先，材料的刚度增加，需要更大的力来获得相同的应变水平。另一影响是合成物的介电常数变化(通常填料的介电常数将高于硅树脂的介电常数，其接近3)。取决于电压的应变效应是正还是负将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具有更大的影响。

这在S.Somiya在Nonlinear Dielectricity of MLCCs,Waltham,AcademicPress，2013，第415页中的“Handbook of Advanced Ceramics:Materials,Applications,Processing,and Properties”中讨论。通过示例，添加颗粒将增加介电常数，但是也增加了刚度。

因此，将填料混合到弹性体中以影响介电电活性聚合物的性质是已知的。

硅树脂弹性体通常通过混合两种组分来制备。其中一种含有Pt或过氧化物固化催化剂。不同的组分可以在高速混合器中混合。在相同的过程中，可以加入填料或填料可能已经在一种或两种组分中预混合。填料通常应用于在加工过程中蒸发的溶剂中。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)夹杂物。此后，可以将混合物浇铸并固化。固化温度和时间取决于聚合物等级，但是通常约为80℃，持续10分钟。大多数颗粒与硅树脂相容，只要其不使催化剂失活(例如含硫材料)。过氧化物固化硅树脂不太敏感。

硅树脂能够注塑成型(液体硅橡胶，LSR)。在通过LSR注塑成型机的(静态)混合器之后，将两种组分注入螺杆中。填料颗粒可以预先混合在一种或两种组分中。材料通过冷螺杆输送并且注入热模中，在此模具中根据温度快速固化。由于LSR具有非常低的粘度，因此可以实现非常薄的部分。典型的固化温度接近180℃，时间约为30秒至1分钟。

除了铸造和注塑成型之外，还有许多其他成型技术可用于生产也是薄膜形式的硅橡胶化合物组分。示例是挤出(箔和型材)，轧制箔，层压和轧制多层，刮刀薄膜浇铸，旋涂和丝网印刷。

填充能够在制造点局部进行，例如通过使用多次短注射成型(2次短射或包覆成型)、硅树脂分配和过度浇铸或硅树脂添加剂制造(即3D打印)。

接下来将介绍压电聚合物合成物的示例。

已经研究了含有PVDF化合物(基质聚合物)和陶瓷颗粒(如PZT)的压电聚合物合成物。如溶剂浇铸和旋涂等制造技术是合适的。此外，冷压和热压技术也是合适的。在溶解PVDF之后，蒸发溶剂直至获得粘性混合物，然后可以在填料颗粒中进行混合。可以实现具有良好散布的粒度分布和完整聚合物基质的PVDF聚合物基合成物。

接下来将介绍弛豫电致伸缩聚合物致动器的示例。

这些是一类半晶质三元共聚物，可以在中等应变下提供相对较高的力。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改性，已经从“常规”PVDF聚合物开发了弛豫电致伸缩聚合物。其含有：偏二氟乙烯(VDF)、三氟乙烯(TrFE)和1,1-氯氟乙烯(CFE)或三氟氯乙烯(CTFE)。

添加与VDF-TrFE共聚的化学单体(如1,1-氯氟乙烯(CFE))形式的缺陷，这消除了正常的铁电相，导致弛豫铁电体的机电应变大于7％并且在150MV/m处弹性能密度为0.7J/cm3。此外，已经描述了通过经由P(VDF-TrFE)共聚物的高电子辐射引入缺陷，共聚物也可以从“常规”铁电P(VDFTrFE)转变为铁电弛豫。

该材料可以通过聚合物合成形成，如在F.Carpi等人的“Dielectric Elastomersas Electromechanical Transducers：Fundamentals，Materials，Devices，Models andApplications of an Emerging Electroactive Polymer Technology”，Oxford，Elsevier，2011，第53页中所述。这公开了悬置聚合过程和氧活化引发剂的组合。这些薄膜可以通过将溶液倒在玻璃基板上然后蒸发溶剂来形成。

在薄膜浇铸之前，可以将所需的填料加入溶剂中。在浇铸之后，可以将合成物退火以除去溶剂并且增加结晶度。结晶速率可以根据填料浓度和粒度分布而降低。拉伸将使分子链对准，并且由于颗粒可以固定分子链，因此将变得更加困难。对于大多数添加剂，介电常数将增加，这降低了所需的致动电压以达到一定的应变。材料刚度会增加减少应变。

因此，制造过程涉及形成聚合物溶液、添加颗粒、混合，然后浇铸(例如带式浇铸)，可能与层压相组合。备选方式是旋涂、压制等。

使用散布和/或3D溶剂印刷可以实现浓度的局部变化。例如，对于3D打印过程，层厚度可以在10μm到20μm之间。

在所有示例中，填料的添加通常对击穿电压有影响。电活性聚合物可达到的最大应变由可施加的最大电压决定，即击穿电压(或介电强度)。

聚合物的击穿电压与施加的外场下的聚合物分子的解离有关。在聚合物基质中添加填料颗粒会对击穿电压产生显著影响。特别大的颗粒可以局部增加场。因此，将具有亚微米范围的颗粒与聚合物混合对电压击穿具有较低的负面影响。此外，聚合物-填料界面结构可以强烈影响电压击穿。

颗粒的凝聚是降低击穿电压的另一种效应。然而，通过改变颗粒表面，防止凝聚和改善界面结构，可以降低电压击穿水平的负面影响。然而，填充的聚合物将获得比未填充的聚合物更低的击穿强度，导致更低的致动应变。

总之，对于介电电活性聚合物，可以使用各种工业混合和成型技术实现与颗粒的混合。为了保持对刚度的影响并且因此限制致动器的行程减小，优选较小的浓度。对于给定的体积浓度，不是太小的颗粒也是优选的以保持对有限刚度的影响。可以选择软基聚合物以补偿刚度的增加。增加的介电常数可以支持在降低的电压下致动。为了保持介电强度，应当限制颗粒尺寸和浓度，并且采取措施改善聚合物-填料界面以及颗粒散布。可以打印局部浓度变化。

对于弛豫型电活性聚合物，也可以与颗粒混合。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应相当。可以在聚合之后加入颗粒。溶解的聚合物可以使用各种技术成型，例如带式浇铸和旋涂。局部浓度变化也是可能的。

根据研究附图、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他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。事实上，在相互不同的从属权利要求中记叙的特定措施并不表示不能有利地利用这些措施的组合。

权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种致动器设备，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

硬磁材料的颗粒，其被散布在所述电活性材料内，并且被排序以使得所述致动器构件的至少一部分呈现在给定方向上的磁化；

磁场生成单元，其能操作用于生成用于跨所述致动器构件的至少一部分施加的可配置场强模式的磁场；

电刺激生成单元；以及

控制器，其能操作用于以协调的方式来控制所述磁场生成单元和所述电刺激生成单元，由此在所述致动器构件中实现一种或多种变形模式。

2.根据权利要求1所述的致动器设备，其中：

所述磁场生成单元被配置为生成用于跨所述致动器构件施加的不均匀场强的磁场；并且/或者

所述硬磁材料的颗粒被非均质地散布在所述致动器构件中；

从而在任何一种情况下实现跨所述致动器构件的不均匀变形模式。

3.根据权利要求1或2所述的致动器设备，其中，所述协调的控制包括同时地激活所述两个单元，并且/或者包括顺序地激活所述两个单元。

4.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述控制器能操作用于执行用于控制所述致动器构件的变形的预定控制调度，所述控制调度包括用于控制所述电刺激生成单元和所述磁场生成单元两者的步骤，并且任选地，其中，所述控制调度包括取决于一个或多个输入参数的步骤。

5.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述硬磁材料的颗粒包括以下中的至少一种：硬铁磁材料；铁氧体材料，SmCo，和NdFeB。

6.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述硬磁材料是磁致伸缩材料，所述磁致伸缩材料用于响应于由所述磁场生成单元对磁场的施加而实现所述致动器构件的收缩或扩张。

7.根据权利要求6所述的致动器设备，其中，所述磁场生成单元被配置为生成用于跨所述致动器构件施加的均匀场强的磁场。

8.根据权利要求1-6中的任一项所述的致动器设备，其中，所述磁场生成单元被配置为生成用于跨所述致动器构件施加的不均匀场强的磁场。

9.根据权利要求8所述的致动器设备，其中，所述控制器被配置为：通过控制所述磁场生成单元生成不均匀磁场强度的磁场，来实现所述致动器构件在与所述致动器构件的所述至少一部分的所述磁化方向反平行的方向上的弯曲，所述不均匀磁场强度的磁场具有在与所述磁化基本相同的方向上延伸通过所述致动器构件的磁场线。

10.根据权利要求8所述的致动器设备，其中，所述控制器被配置为：通过控制所述磁场生成单元生成不均匀磁场强度的磁场，来实现所述致动器构件在与所述致动器构件的所述至少一部分的所述磁化方向平行的方向上的弯曲，所述不均匀磁场强度的磁场具有在与所述磁化方向基本相反的方向上延伸通过所述致动器构件的磁场线。

11.根据权利要求8-10中的任一项所述的致动器设备，其中，所述控制器被配置为：通过控制所述磁场生成单元生成并且施加跨所述致动器构件的不均匀场强的磁场，来实现所述致动器构件的至少两个相邻部分中的相反方向的弯曲，所述不均匀场强的磁场具有相对于所述致动器构件的所述磁化方向分别在相反的平行方向上的跨所述相邻部分延伸的磁场线。

12.根据权利要求11所述的致动器设备，其中，所述控制器被配置为顺序地激活针对相应相邻部分中的每个相邻部分的磁场，由此在所述致动器构件中实现波状运动。

13.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述硬磁材料的颗粒被非均质地散布在所述致动器构件中，以便实现不均匀变形模式。

14.根据权利要求13所述的致动器设备，其中，所述硬磁材料的颗粒在所述致动器构件内以一组空间上离散的浓度来布置。

15.一种致动方法，所述方法利用致动器构件，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

硬磁材料的颗粒，其被散布在所述电活性材料内，并且被排序以使得所述致动器构件的至少一部分呈现给定方向的磁化；

并且所述方法包括：

以协调的方式控制能操作用于生成可配置场强模式的磁场的磁场生成单元以及电刺激生成单元，以便由此在所述致动器构件中实现一种或多种变形模式。