CN110168760A - 致动器设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及具有嵌入的磁性颗粒以用于促进增强的致动效果和/或感测效果的电活性材料致动器(和组合的传感器‑致动器)。

Description

致动器设备和方法

技术领域

本发明涉及致动器设备，尤其是包括电活性材料的致动器设备。

背景技术

电活性材料(EAM)(尤其是电活性聚合物(EAP))是电响应材料领域内新兴的一类材料。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/致动器解决方案的显著优势，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(几十兆伏/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。

利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经受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。

机械致动器通常能够在术语方面被表征为机械致动器在其致动性能上能够实现的一组特定的应力-应变组合。这种可实现的应力-应变组合的范围受到致动器的固有性质的限制，因此致动器的可能应用将受到限制。

对于电活性材料致动器，期望扩展可实现的应力-应变组合的范围，从而拓宽该技术的潜在应用领域。迄今为止，只有通过构造由耦合在一起的多个EAP致动器的组合形成的复杂的复合致动器结构才能在该领域内实现改进。这种结构制造复杂，具有大的形状因数，并且需要大量额外的驱动电子器件来进行控制。这本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致动器还受限于可实现的感测性能。众所周知，能够通过将低幅度的AC感测信号叠加到致动器驱动信号来检测EAP致动器的致动程度。然而，使用这些方法的感测性能是有限的。尤其地，EAP的信噪比在某种程度上是限制性的，因此对于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。

已知可以增加具有额外的专用感测层的EAP致动器以促进更精确的感测测量。然而，这会增加致动器的复杂性和形状因数，并且还可能因频繁的致动循环导致感测层分层而导致致动器寿命的潜在减少。

因此，通常寻求能够提供改善的致动性能和/或能够提供关于致动器的变形程度的改善的反馈感测的基于EAM的致动器和方法。

发明内容

在致动器设备领域内众所周知的是，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，已知利用这种设备可实现的致动运动和致动力的范围是有限的。

文献US 2009/0165877描述了许多用于在微流体系统中使用的致动器设备。在一组实施例中，致动器适于响应于电场的施加而变形。这些致动器可以包括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，致动器适于响应于磁场的施加。这些致动器可以包括磁性颗粒以促进这种功能。

在磁传感器领域内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感测。例如，JP 2000038643公开了一种通过将磁响应颗粒分散在压电基质中来制造的磁传感器。磁能的变化引起磁性颗粒中的机械响应，该机械响应然后向压电基质施加应力。这些应力因此能够在感应的压电电流中被检测到。

发明人已经认识到，通过适当的修改，可以将这些效果中的一些效果结合到电活性材料设备的领域内，以便改善致动功能或感测功能。

本发明由权利要求来限定。

本发明总体上涉及具有结合的磁性颗粒以用于促进增强的致动效果和/或感测效果的电活性材料致动器。可以有利地组合下述示例中的任一个示例的特征。

根据示例，提供了一种致动器设备，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

软磁性材料颗粒，其分散在所述电活性材料内；

磁场生成单元，其能操作用于生成用于施加到所述致动器构件的可配置的场强图案的磁场；

电刺激生成单元；以及

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

这些实施例基于以下构思：将软磁性颗粒结合在电活性材料构件内，从而提供结合电响应性质和磁响应性质两者的致动器。在示例中利用这两种功能来提供超出仅利用一种功能或另一种功能的现有技术设备实现或可实现的致动效果的致动效果。

根据特定示例，所述电活性材料(EAM)可以是电活性聚合物材料(EAP)。

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，从而在致动器构件中引起一种或多种变形形状、配置或动作。在示例中，控制器能操作用于提供对两个单元的协调控制，从而在致动器构件中引起一种或多种变形形状、配置或动作的程序。

协调控制可以包括同时激活两个单元，并且/或者可以包括按顺序激活两个单元。控制器可以例如根据至少一种操作模式被配置为一起激活磁场和电场，从而在致动器构件中提供例如比单独使用电学解决方案或磁性解决方案可实现的幅值或范围增强的幅值或范围的复合变形。

额外地或替代地，控制器可以根据至少一种操作模式被配置为同时激活两个单元，以在致动器构件中提供例如比仅使用单个刺激手段可实现的形状具有额外复杂程度的特定形状或变形图案。

例如，两个单元可以一起使用以提供复合致动形状，复合致动形状由基本变形(例如，例如通过电刺激引起的穿过整个构件的均匀弯曲)形成，在基本变型上叠加有(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的)额外的局部变形。以这种方式，示例能够提供延伸超出先前可实现的效果的新的致动效果。

通过另外的示例的方式，根据一个或多个示例，可以以顺序激活模式控制磁场生成单元和电场生成单元以提供一种或多种致动形状或效果。可以利用顺序控制来提供不同的特定致动形状或配置的进展并且/或者可以用于提供动态致动效果，例如，波动行为或振荡行为。这种电刺激和/或磁刺激的序列可以形成控制器被配置为引起的变形模式的程序。

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错综复杂的或机械强度更大的致动移动和效果。

电刺激生成单元可以例如是用于施加穿过致动器构件的至少部分的电场的一组电极。该单元可以替代地包括能电耦合到致动器构件的电流源，该电流源用于提供穿过致动器构件的至少部分的电流。

磁场生成单元可以是例如可控磁体(即，电磁体)。该单元可以额外地或替代地包括导电线圈，该导电线圈用于承载用于建立磁场的循环电力。例如，这可以是螺线管。在一些示例中，线圈可以缠绕致动器构件的至少部分。在替代示例中，线圈可以被布置为邻近致动器构件的部分。

在所有示例中，磁场生成单元能操作用于生成可配置的场强图案的场，所述可配置的场强图案的场泛指具有穿过延伸通过致动器构件的至少部分的空间的可配置的向量场量的磁场。磁向量场通常由一组磁场线来表示，磁场线指示特定空间区域中的场的方向。根据示例，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引起预定义的一组变形模式中的任一种。控制器可以例如具有包括程序指令的存储器，所述程序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一种。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，控制器能操作用于运行用于控制致动器构件的变形的预定控制时间表，该控制时间表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，所述控制时间表包括取决于一个或多个输入参数的步骤。

根据一个或多个示例，输入参数可以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接口单元来接收，并且可以包括指示要运行的特定的一个或多个控制模式的命令或者指示要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(以一系列控制模式中的任一种)对致动器的激活或停用。

额外地或替代地，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，例如，将根据下面的另外的示例更详细地描述的部件。

术语“软”磁性材料泛指那些表现出可逆磁化的磁性材料。它们通常具有以下性质：在暴露于磁场时被磁化，但在去除磁场时失去所述磁化。这与所谓的硬磁性材料形成对比，所述硬磁性材料即使在没有施加外部磁场的情况下也会表现出持续或永久的磁化。

根据一个或多个特定示例，软磁性材料颗粒可以包括以下中的至少一种：软铁磁性材料、顺磁性材料，以及超顺磁性材料。

根据一组或多组示例，软磁性材料可以是磁致伸缩材料，所述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。

在特定示例中，磁场生成单元可以被配置为生成用于施加穿过致动器构件的均匀场强的磁场。均匀场强意味着具有与位置无关的场强，尤其是指场强在致动器构件主体的整个范围内是相同的。均匀磁场也可以被称为匀场。

在存在均匀场强的磁场的情况下，磁致伸缩颗粒不经受磁性吸引力或磁性排斥力，但是受到磁刺激而在形状或尺寸上改变或变形。颗粒的这种变形引起周围的电活性材料基质的对应变形，并因此引起致动器构件整体的对应变形。在宏观尺度上，这些磁感应变形引起致动器构件的扩张或收缩。

在另外的特定示例中，磁场生成单元可以被配置为生成用于施加穿过致动器构件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，尤其是指穿过致动器构件的主体的场强是变化的。

更具体地，在当前情况下，场在远离磁场生成单元的(一个或多个)方向上可以表现出场强下降，例如作为距磁场生成单元的距离的函数。不均匀场也可以被称为空间不均匀磁场。

在存在任意磁场(均匀或不均匀)的情况下，刺激软磁性材料以使其表现出与所述施加的磁场平行且在与所述施加的磁场相同的方向上的磁化。尤其是在存在不均匀磁场的情况下，由于作用在软磁性材料两个“极”上的力不平衡，任何磁化颗粒都将经受净力。在目前的软磁性颗粒的情况下，其中每个颗粒的磁化都是平行的且与施加的磁场共同取向，颗粒各自在其位置处的场的(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)，每个软磁性颗粒都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图案的磁场，能够在致动器构件中实现特定变形模式。尤其地，在示例中可以使致动器构件在磁场生成单元的方向上弯曲或扭曲(在致动器构件的每个端部被夹紧的情况下尤其如此)。

因此，根据一个或多个示例，控制器能操作用于通过以下操作来引起致动器构件的至少部分在给定的方向上弯曲：控制磁场生成单元以生成不均匀磁场强度的磁场，所述磁场具有在与所述给定的弯曲方向反平行的方向上延伸通过致动器构件的磁场线。

根据一个或多个示例，磁性颗粒可以悬浮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致变形，但在施加磁场时不会迁移通过EAP基质。这两种材料可以是不混溶的。提供这种液滴的效果可以是致动器构件内抵抗EAP基质的变形的阻力减小。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，因此对变形的部分阻力较小。

根据一组或多组示例，软磁性材料颗粒可以不均匀地分散在致动器构件中，以便实现不均匀的变形图案。

尤其地，在示例中，颗粒可以以一组空间离散浓度被布置在致动器构件内。优选地，在这些情况下，电活性材料具有这样的粘度，使得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具有穿过所述一组空间离散浓度中的每个的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以生成不同磁场强度的所述磁场。以这种方式，可以引起致动器构件的不同局部部分或区域以不同程度变形或者变形到不同图案或配置。

因此，在这些示例中，可以实现更错综复杂的致动模式和动作。尤其地，在对变形的这种局部控制与电刺激变形相结合的情况下，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，并且还增强了它们在已经建立的应用中的性能。

根据另外的示例，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

软磁性材料颗粒，其分散在所述电活性材料内；

并且所述方法包括：

以协调方式控制磁场生成单元和电刺激生成单元，从而实现所述致动器构件中的一种或多种变形模式，所述磁场生成单元能操作用于生成可配置的场强图案的磁场。

根据另外的示例，提供了一种致动器设备，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

硬磁性材料颗粒，其分散在所述电活性材料内，并且被排序为使得所述致动器构件的至少部分在给定的方向上表现出磁化；

磁场生成单元，其能操作用于生成用于施加穿过所述致动器构件的至少部分的可配置的场强图案的磁场；

电刺激生成单元；以及

控制器，其能用于以协调方式控制所述磁场生成单元和所述电刺激生成单元，从而在所述致动器构件中实现一种或多种变形模式。

该组实施例基于与上述第一组实施例类似的构思，即，在电活性材料构件的主体内引入磁响应颗粒。然而，目前描述的示例使用硬磁性颗粒而不是软磁性颗粒。如上所述的硬磁性颗粒的特征在于其表现出持久或永久的磁化，这种持久或永久的磁化不依赖于外部施加的磁场。这对于控制致动器构件的变形以实现新的和感兴趣的致动模式和效果引入了广泛的新的可能性和选择。

如在前面描述的示例中，协调控制可以包括同时激活两个单元，并且/或者可以包括按顺序激活两个单元。

在示例中，控制器能操作用于在致动器构件中引起预定义的一组变形模式这能够的任一种。

根据一组或多组示例，控制器能操作用于运行用于控制致动器构件的变形的预定控制时间表，该控制时间表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，所述控制时间表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，硬磁性材料颗粒可以包括以下中的至少一种：硬铁磁性材料、铁氧体材料、SmCo，以及NdFeB。

如在前面描述的示例中，硬磁性材料可以是磁致伸缩材料，其用于响应于磁场生成单元施加磁场而实现致动器构件的收缩或扩张。

在特定示例中，磁场生成单元可以被配置为生成用于施加穿过致动器构件的均匀或不均匀的磁场强度的磁场，其中，这些术语应当被理解为上述定义。

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磁性吸引力或磁性排斥力，但是受到磁刺激而在形状或尺寸上改变或变形。颗粒的这种变形引起周围的电活性材料基质的对应变形，并因此引起致动器构件整体的对应变形。在宏观尺度上，这些磁感应变形引起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，硬磁性材料经受净力。力的方向取决于其自身磁化的方向。尤其地，如果硬磁性颗粒的磁化是平行的并且与所施加的磁场共同取向，则磁性颗粒将经受在该颗粒的位置点处的磁场强度的(正)梯度的方向上的力。在磁场强度在远离磁场生成单元的方向上减小的情况下，颗粒将经受朝向磁场生成单元的吸引力。

相反，如果硬磁性颗粒的磁化方向与磁场的大致方向相反，则颗粒将经受与在该颗粒位置处的场的梯度相反的方向上的磁力。同样，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，从而被推动远离磁场生成单元。

因此，在目前描述的示例中，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。尤其地，可以控制致动器构件的不同部分，以根据场生成单元生成的场线穿过所述部分的方向而朝向或远离磁场生成单元进行偏转。

更具体地，在示例中，控制器可以被配置为通过以下操作来实现致动器构件在于致动器构件的所述至少部分的磁化方向反平行的方向上的弯曲：控制磁场生成单元以生成非均匀磁场强度的磁场，所述非均匀磁场强度的磁场具有在与磁化方向基本相同的方向上延伸通过致动器构件的磁场线。

额外地或替代地，在示例中，控制器可以被配置为通过以下操作来实现致动器构件在与致动器构件的所述至少部分的磁化方向平行的方向上的弯曲：控制磁场生成单元以生成具有不均匀磁场强度的磁场，所述不均匀磁场强度的磁场具有在与磁化方向基本相反的方向上延伸穿过致动器构件的磁场线。

根据一个或多个示例，控制器可以被配置为通过以下操作在致动器构件的至少两个相邻部分中实现相反指向的弯曲：控制磁场生成单元以生成并施加穿过致动器构件的不均匀场强的磁场，所述不均匀场强的磁场具有在与所述致动器构件的磁化方向分别相反的平行方向上延伸穿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表现出偏转或变形(例如，弯曲)。这是通过施加穿过具有不同方向的那些相应部分的磁场来实现的。

在特定示例中，控制器可以被配置为按顺序激活用于所述相应的相邻部分中的每个的磁场，从而实现致动器构件中的波浪状运动。通过控制一组相邻部分中的每个的相反指向的偏转以按顺序一次一个地激活而不是同时激活整体，能够实现波动运动或摆动运动。这种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，这种波动运动用于实现某些机械“润滑”效果，或者用于实现与致动器构件的波动表面啮合的任何固体或流体的推进或运动。

根据一组或多组示例，硬磁性材料颗粒可以不均匀地分散在致动器构件中，以便实现不均匀的变形图案。

尤其地，在示例中，颗粒可以以一组空间离散浓度被布置在致动器构件内。

在这些情况下，磁场生成单元能操作用于生成具有穿过所述一组空间离散浓度中的每个的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以生成不同磁场强度的所述磁场。以这种方式，可以引起致动器构件的不同局部部分或区域以不同程度、不同方向变形或者变形到不同图案或配置。

因此，在这些示例中，可以实现更错综复杂的致动模式和动作。尤其地，在对变形的这种局部控制与电刺激变形相结合的情况下，可以实现宽范围的可能的变形模式和致动移动。因此，这显著拓宽了所提供的致动器构件的潜在应用范围，并且还增强了它们在已经建立的应用中的性能。

根据另外的示例，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

硬磁性材料颗粒，其分散在所述电活性材料中，并且被排序为使得所述致动器构件的至少部分表现出给定的方向的磁化，

并且所述方法包括：

以协调方式控制磁场生成单元和电刺激生成单元，从而实现所述致动器构件中的一种或多种变形模式，所述磁场生成单元能操作用于生成可配置的场强度图案的磁场。

现在将概述根据本发明的实施例。

根据本发明的一个方面的示例提供了一种致动器设备，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

磁性材料颗粒，其分散在所述电活性材料内；

磁场传感器，其适于检测所述致动器构件的至少部分内或附近的磁场强度；以及

控制器，其适于基于来自所述磁场传感器的输出来确定所述致动器构件的形状的变化的指示。

本发明的实施例基于使用嵌入电活性材料构件内的磁性颗粒来提供具有某些固有感测能力的致动器设备。尤其地，本发明的该方面的实施例是可控制的，以实时地并且与致动器构件的电刺激同时地提供对致动器构件的形状变化的方面的准确指示。因此，根据至少一些示例的实施例能够提供关于致动器构件的(如在构件的形状变化中所体现的)变形程度的实时反馈。根据本发明，这些感测能力可以有利地结合到上述任何示例性致动器设备(或这些示例的特征)中或与之组合，如将在下面的段落中更详细地描述的。

根据一个或多个实施例的控制器可以适于确定致动器构件的厚度的变化的指示。致动器构件可以例如具有包括相对的主表面的层状结构。在这种情况下，厚度应当被理解为致动器构件在两个主表面之间的在法向于每个主表面的方向上延伸的尺寸。然而，更一般地，厚度可以指致动器构件的任何尺寸，但是更典型地可以指根据本发明的该方面提供的任何致动器构件的三个尺寸中的较小尺寸或最小尺寸。

虽然下面将关于致动器构件的厚度变化的测量来描述本发明的构思，但是应当理解，在其他示例中，该构思可以容易地应用于确定形状变化的其他方面。作为非限制性示例，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轮廓或轮廓的变化。这可以例如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处理结果以确定致动器构件的整体形状或轮廓如何改变来实现。

根据实施例的至少一个子集，控制器可以适于基于来自磁场传感器的所述输出确定磁场强度的变化，并且基于以下方式确定致动器构件的形状的所述变化。表示确定的场强的变化。例如，该确定可以基于这两个值之间的已知直接或间接关系。该确定可以基于与两个值相关的等式或表达式，或者在替代示例中可以例如基于控制器可访问的查找表的使用来执行确定。

根据实施例的至少一个子集，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引起致动器构件的变形。因此，根据这些实施例的控制器被配置为控制致动器的致动和感测行为。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气和/或磁性设备的变形控制来获得。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引起所述变形。

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。或者，控制器可以与外部电刺激生成单元可操作地耦合或耦合。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引起的变形的形状或程度。因此，本发明的实施例的固有感测能力可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施加的致动电压，直到满足致动器构件的特定阈值厚度(或其他尺寸或形状阈值)。此时，控制器可以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。

在本发明的该方面的所有实施例中，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。或者，指示可以包括一些其他变量或参数，其可以提供代理测量或形状变化的指示。

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，或者可替代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，本发明的实施例中提供的感测功能可以有利地与上述示例的任何特征组合或结合。尤其地，磁性颗粒可以是硬磁性颗粒或软磁性颗粒，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一个相关的特定实施例。

根据实施例的至少一个子集，颗粒可以是硬磁性材料颗粒，其中控制器适于基于检测到的磁性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。场强和致动器构件的形状。

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定义查找表来确定致动器构件的形状变化的所述指示，查找表存储致动器构件形状(例如，厚度)与每个检测到的磁场强度相关联的值。

或者，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测量的场强的变化，并由此确定形状的相应变化。

根据实施例的至少一个子集，颗粒可以是磁致伸缩磁性材料颗粒，其中控制器适于基于所确定的致动器构件的磁化强度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表现出磁化(永久或场致)，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测所显示的磁化的变化，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，基于已知的弹性或基于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致动器构件形状的变化与由颗粒引起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。

根据实施例的至少一个子集，颗粒可以是软磁性材料颗粒，其中控制器适于基于来自磁场传感器的所述输出确定穿过致动器构件的磁导率的变化，以及基于所确定的磁导率变化确定所述致动器构件形状变化的指示。

尤其地，根据一个或多个示例，可以基于该关系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尺寸，<g>是平均值颗粒之间的距离在平行于厚度的方向上。

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)，则间距间隙<g>的尺寸随着颗粒彼此压缩而变化(在这种情况下)压缩)或相互拉开(在扩张的情况下)。根据上述关系式(1)，在磁导率的发生变化中可以测量距离间隙的这种变化。

通过使用查找表，控制器可以将特定检测到的磁导率变化与致动器构件形状(例如厚度)的相应变化相关联。或者，可以由控制器基于所确定的<g>的变化(从μ的测量变化导出)以及<g>与致动器形状之间的已知关系来计算。这可以是实验得出的关系，尤其是对于所讨论的特定致动器构件，或者可替代地可以是理论上导出的关系。

根据一个或多个示例，颗粒可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，即可以具有长度尺寸大于宽度尺寸的横截面。这种不对称性有助于增强材料对所施加的变形的灵敏度，表现出磁导率的变化：形状的较小变化导致在磁导率变化方面的较大响应。这可以提高致动器形状的确定变化的精度。

在示例中，磁导率可以通过测量响应于施加外部磁场B而在致动器构件上感应的辅助磁场H来确定。根据B和H的商，直接跟随磁导率(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在致动器构件上施加磁场的磁场生成单元，其中磁场传感器被布置为检测穿过致动器构件的所述施加磁场的强度。例如，磁场可以通过磁记录头或霍尔传感器测量。

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

此外，在该子实施例的示例中，电活性材料可具有足够的粘度，以在磁场生成单元的磁场施加磁力时防止颗粒通过材料迁移。这确保了颗粒在致动器构件上的一致分布，从而确保所测量的磁导率变化可以可靠地与致动器构件形状的相应变化相关联。

在根据本方面的任何实施例的示例中，磁性材料颗粒可以不均匀地分散在致动器构件内，以形成一组空间离散的颗粒浓度，并且其中磁场传感器包括用于独立的设备。检测每个所述空间离散浓度的磁场强度。

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图案变形的情况下，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构造，从而提供更错综复杂的整体变形图案。这里，例如在这些单独部分中的每一个上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可能是特别有利的。

额外地或替代地，这种复合感测能力可以确定致动器构件形状的更错综复杂的方面的变化，例如构件的整体轮廓的变化。例如，通过监视成员的一系列连续部分中的每一个如何改变厚度或长度，可以确定成员的整体轮廓或轮廓如何改变。

根据本发明的另外的方面的示例还提供了一种用于感测致动器构件的形状的变化的方法，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

磁性材料颗粒，其分散在所述电活性材料内，

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所述致动器构件的至少部分内或附近的磁场强度，并且

基于来自所述磁场传感器的所述输入来确定所述致动器构件的所述形状的变化的指示。

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的电活性聚合物设备；

图2示出了受到背衬层的约束的已知的电活性聚合物设备；

图3示意性地图示了示例性致动器设备；

图4示意性地图示了另外的示例性致动器设备；

图5示意性地图示了利用单个磁场而不是多个磁场对图4的示例性致动器设备的激活；

图6示意性地图示了悬浮在聚合物液滴中并分散在EAP基质内的磁性颗粒；

图7示意性地图示了示例性致动器构件的部分；

图8示意性地图示了示例性致动器构件；

图9示意性地图示了另外的示例性致动器构件；

图10示意性地图示了包括磁致伸缩颗粒的示例性致动器构件；

图11示意性地图示了包括软磁性颗粒的示例性致动器构件；

图12示意性地图示了另外的包括软磁性颗粒的示例性致动器构件；

图13示意性地图示了另外的包括软磁性颗粒的示例性致动器构件；

图14示意性地图示了包括硬磁性颗粒的示例性致动器构件；

图15示意性地图示了包括硬磁性颗粒的示例性致动器构件；并且

图16示意性地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

本发明总体上涉及电活性材料致动器，该电活性材料致动器包括例如电活性聚合物，该电活性聚合物具有嵌入的磁性颗粒，该磁性颗粒用于促进增强的致动效果和/或感测效果。

示例提供了致动器设备，该致动器设备包括具有嵌入的软磁性颗粒的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设备。控制器适于以协调方式控制这两个单元，从而在致动器构件中实现一种或多种变形模式。

示例提供了致动器设备，该致动器设备包括具有嵌入的硬磁性颗粒的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设备。控制器适于以协调方式控制这两个单元，从而在致动器构件中实现一种或多种变形模式。

示例提供了致动器设备，该致动器设备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示出了第一示例致动器设备。该设备包括致动器构件12，其具有厚度16，并且包括结合有多个分散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。

磁致生成单元22布置在致动器构件12的近侧，磁场生成单元22能操作用于生成磁场，该磁场具有延伸穿过致动器构件主体的磁场线。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。任选地，磁场生成单元可以是永磁体，虽然这可能不是优选的，因为它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设备，以便改变所施加的磁场强度(或者停止应用完全是一个领域)。

虽然示出了磁场生成单元从图3中的致动器构件移位，但是在其他示例中，磁场生成单元可以被布置为与致动器构件接触。根据一个或多个示例，磁场生成单元可以包括线圈，线圈围绕致动器构件12的至少部分缠绕。

致动器设备还包括一对电极26，其固定到致动器构件12的相对主表面。举例来说，电极可以层压到每个所述主表面上。或者，也可以使用任何其他固定或固定设备。用于将电极与致动器构件连接的合适设备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，用于生成电刺激并将其施加到致动器构件12的电活性聚合物材料，从而引起致动器构件的变形。尤其地，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，例如弹性体或其他合适的场驱动的电活性聚合物材料(上面概述的合适示例，也在下面的其他段落中)。

虽然在该特定示例中，电刺激生成单元以一对电极26的形式提供，但是在另外的示例中，可以额外地或替代地提供用于施加电流的设备。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头。在这些情况下，电活性聚合物材料可以是根据上述实施例的离子电活性聚合物或下面的其他段落。

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可操作地连接，并且能操作用于协调方式控制两个单元，以在致动器构件中实现一种或多种变形模式的程序。12。在图3的特定示例中，控制器与磁场生成单元和电极对电耦合，并且适于通过向每个设备传送可控电流或电压来实现对两个单元的控制。通过控制传递到电场生成单元的电流或电压，可以改变施加场的大小。通过控制传递到电极对26的电压，还可以控制在致动器构件12的厚度16上感应的电场强度。

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适于通过经由控制命令的传送来控制由设备22生成的磁场的强度或场模式。有效的耦合。

根据目前描述的示例，分散在EAP材料内的磁性颗粒是软磁性材料颗粒。然而，应该理解，图3中所示的致动器设备结构与包括软磁性颗粒或硬磁性颗粒的致动器构件12完全兼容。结合硬磁性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包括与软磁性颗粒混合的电活性聚合物材料，从而形成EAP复合材料。软磁性颗粒应理解为可通过外部施加的磁场可逆地磁化的颗粒，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。软磁性颗粒在特定示例中可以是例如软铁磁性颗粒，顺磁性颗粒或超顺磁性颗粒。

图3(a)示出了处于空转，未致动状态的致动器构件12。

图3(b)示出了在磁场生成单元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，尤其是在远离磁场生成单元的磁极的方向上磁场强度下降的磁场。

如前一节所述，在向软(对)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，具有磁化的磁化)。场源22)。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和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表现出出大小梯度，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。在颗粒的引起“南极”(从图3的角度看，顶部)比在北极处的场强。因此，南极(被磁源22的N极吸引)的吸引力比北极的排斥力(被磁源22的N极排斥)强。因此，对磁场生成单元22存在净吸引力。

如图3(b)所示，在施加磁场32时，由此在颗粒和磁场生成单元22之间引起的吸引力引起致动器构件的变形。尤其地，在致动器构件中沿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，但与仅通过磁刺激引起的振幅相比，振幅或幅度显著增加。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，以生成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以下方式实现一种或多种变形模式：电子刺激发生设备和磁场发生设备的协调控制设备。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，软磁性颗粒基本上均匀地分散在致动器构件上。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。因此，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。这导致更局部的变形形式。尤其地，引起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，而不是均匀地延伸穿过整个致动器构件。

额外地或替代地，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引起致动器构件的弯曲，相反如图3和图4的示例中所示，仅应用于狭窄的局部区域。

图4(b)示出了包括聚焦在非中心局部浓度42中的软磁性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，这可以例如与使用电极(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形成的复合变形图案以及磁感应的局部变形36。如图4(b)所示。

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

图4(c)示出了另外的示例，其包括磁性颗粒，其局部集中在横跨致动器构件12的长度的三个均匀间隔的区域42中。相应的夹具18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，其能操作用于施加横跨每个相应局部区域42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)，或者可以在致动器构件的整个长度上均匀地施加单个磁场，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，会聚可显著小于图4(c)的布置，其中刺激了多个局部磁场。

在三个局部区域42上施加磁场时，在每个区域上引起局部集中的变形，从而引起复合变形图案，该复合变形图案包括沿致动器构件12的长度的三个凸起或突起的布置。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图案，其叠加在更宽的整体弯曲上或致动器构件的翘曲在致动器构件的整个长度上均匀地延伸。

例如，可以以动态方式同时，单独或按顺序磁性刺激这三个部分。对部分的独立刺激可能需要提供图4(c)的布置，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。

在上述实施方案中，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。这通常可以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。

根据一个或多个实施例的子集，磁性颗粒可以包封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中示意性地图示，图6示出了致动器构件的示例区域，其中磁性颗粒悬浮在聚合物液滴48中，该液滴嵌入周围的EAP基质46中。

聚合物液滴分散在整个EAP基质中，每个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它们的形状跟随EAP基质的引起变形，但由于它们相对较低的粘度而不会迁移通过聚合物基质。两种聚合物应尤其是不混溶的。

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，通过协调控制磁场生成单元和电场生成单元，可以根据目前描述的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。当它们在相同方向上施加时，可以实现增强或增强的变形响应。在它们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引起相反方向的弯曲。

应注意，在同时施加电场和磁场的情况下，为了生成增强幅度的变形响应，应该确保感应磁力大于由带电电极引起的静电力。

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。尤其地，目前描述的示例能够通过组合磁和电子刺激的变形来提供更大的致动力，和/或能够通过电子和磁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。。由每个刺激设备引起的变形可以叠加，或者可以以顺序方式控制。

通过适当的夹紧，可以引起在不同区域表现出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。这可以扩展到四个，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按顺序刺激。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，可以引起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其他示例。这些示例提供了一种致动器设备，其包括具有分散的硬磁性颗粒的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设备。控制器适于以协调方式控制这两个单元，从而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如上所述的示例中或者根据当前描述的示例集合。虽然图3中表示的具体示例包括软磁性颗粒，但是用硬磁性材料颗粒替换这些颗粒生成完全根据本示例组的致动器构件。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。

根据当前描述的示例的致动器构件包括EAP材料，该EAP材料具有分散在其中的硬磁性材料颗粒。出于本文件的目的，硬磁性材料被理解为不可逆地磁化的材料(通过预先施加外部磁场)，并且在去除磁场时不会失去其磁化(即，具有磁性材料)。显著的残余磁化)。作为非限制性示例，硬磁性颗粒可以由诸如铁氧体的铁磁性材料和诸如SmCo或NdFeB的金属制成。用于形成硬磁性颗粒的其他合适材料对于技术人员来说是显而易见的。

为了提供具有分散的硬磁性颗粒的致动器构件，可以将硬磁性颗粒与电活性聚合物共混以形成EAP复合材料。该复合材料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均匀方向上对准。

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结块。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，因此颗粒已经固定在EAP内的适当位置。在这种情况下，EAP应具有足够高的粘度，以防止分散的磁性颗粒响应于磁场的施加而迁移通过EAP。

为了磁化颗粒，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，可以在致动致动器构件时将有意的不均匀磁场施加到致动器构件，以便在构件上引起不均匀的磁化图案。通过提供不均匀的磁化，可以改变致动器构件的致动行为。尤其地，特定区域的变形响应取决于局部磁化的大小。通过改变跨越不同区域的磁化强度，不同区域可以通过施加均匀磁场或多或少的响应来响应。这可以响应于均匀场的简单应用而创建有趣且复杂的变形模式。

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周围变形。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，可以从上面图3的图示中理解根据当前描述的示例的示例性致动器设备的基本结构。然而，用于刺激致动器构件中的变形图案的控制模式(通过磁性和电子设备)通常可以与先前描述的示例中使用的控制模式不同。现在将详细描述用于控制当前描述的示例性致动器构件的模式和设备。

图7示意性地图示了根据本组示例的用于磁性操纵示例性致动器构件12的简单的第一设备。该图示出了具有分散的硬磁性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的整体磁化(从图7的角度看)。由于颗粒具有永久的剩余磁化强度，其不依赖于持续施加磁场(与根据前述实施例的实施例不同)，在目前描述的实施例中，可以控制致动器构件变形。通过控制施加的磁场的方向性来控制不同的方向。

这在图7中所示的两种配置中示出。在左手配置中，控制磁场生成单元22以施加磁场(具有不均匀场强度)，该磁场具有与分散在致动器构件12中的颗粒的磁化共定向的磁化。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引起致动器构件在朝向磁场生成单元22的方向上的弯曲。

在图7的右手配置中，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内的颗粒的磁化方向相反取向的磁化。。在这种情况下，施加的磁场在颗粒上(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。

因此可以看出，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)。

在两种情况下，都施加不均匀场强的磁场。该场尤其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体上的磁力通常可以用的关系给出(即grad(m，B))。当磁场随磁场生成单元的距离增加而磁场强度下降时，这导致m·B的正梯度(假设在致动器构件上均匀磁化)朝向磁场方向。磁场生成单元。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。

在磁场生成单元很小的情况下，或者至少在磁场生成单元能够生成包含或限制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。

该构思在图8中示意性地图示。制备该示例中的致动器构件12在其整个长度上具有均匀的磁化，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适用。在与颗粒的磁化共同定向的方向上，致动器构件的第二部分54上的磁场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变形手段。这导致致动器构件中的波浪状或波状变形图案。

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。

通过循环地切换两个磁场生成单元22的方向性作为时间的函数，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作为时间的函数或静态地变化，以在两个相邻部分中的每一个中实现不同的变形程度。结果，可以实现几乎无限范围的不同双向变形模式。

此外，虽然在图8中仅示出了两个部分，但是技术人员将容易理解，该构思可以扩展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。

当扩展到大量可独立控制的部分，例如10个或更多个时，可以通过对每个连续部分的磁场的顺序激活来沿致动器部件生成行波图案。这种行波可以有利地用于例如在致动器构件上生成流体流动。例如，这可以用作泵。这种波动的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，并且其中分散在两个相邻部分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中的每一个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的各个变形方向可以反转。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，根据本发明的示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的示例所示出和描述的效果。通过将磁性颗粒布置为局部浓度，可以实现局部变形效果。

参考图4，通过将硬磁性颗粒集中在中心区域42中，可实现中心局部的弯曲或变形。另外，根据本示例，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。磁场方向可以反复逆转，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。

额外地或替代地，如图4(c)所示，通过提供多个局部浓度的颗粒，可以在局部区域阵列42上实现局部变形。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，根据目前描述的示例，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，可以实现各种不同的变形模式。

在描述上述示例时，仅详细描述了对致动器构件的磁变形的控制。然而，应该理解，在任何上述示例的实施中，磁变形效应与电致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，其固定到致动器构件的相对主表面，用于以施加电场的形式向电活性聚合物施加电刺激。

电引起变形可以与磁感应变形同时施加，或者控制器30可以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，两个刺激设备(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。

在上述任何示例中，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换成机械能，反之亦然。在磁致伸缩材料磁化时，材料表现出应变，即每单位长度的长度变化。相反，磁性材料中的外部引起应变(即，通过施加外力引起)将导致材料的磁性状态的变化，从而引起材料上表现出的磁场的变化。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性材料或硬磁性材料形成，因此下面描述的示例与上述任何示例兼容。

使用磁致伸缩颗粒的磁致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处于空转状态。示意性地图示了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畴组，每个磁畴包括具有不同相对对准的磁偶极子。虽然仅示出了四个域，包含以四个完全垂直的方向排列的颗粒，但这仅仅是示意性说明，并且实际上可能存在更多，并且通常将存在非常大量的(主要是微观的)域。一个颗粒，包含在不同方向排列的偶极子。

在没有任何施加的磁场的情况下(如在颗粒62的情况下)，穿过不同区域的磁偶极子具有随机方向，使得在宏观尺度上，偶极矩抵消并且每个颗粒表现出零净磁化。

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)。借助于合适的磁场生成单元(未示出)，例如可控电磁体或其他线圈或螺线管，施加均匀磁场。

在施加的磁场的影响下，不同磁致伸缩颗粒磁畴的磁偶极开始在共同方向上对齐(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颗粒的磁畴，并且颗粒66在施加高强度磁场时表示畴，此时颗粒内所有畴的偶极子已对齐，留下有效地在偶极子的单个同质域中，所有偶极子域在共同方向上排列。

当任何均匀磁场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。尤其是，磁致伸缩颗粒的体积发生变化。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。

根据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。尤其地，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。这些不同的效果对给定磁场的应用具有不同的相关变形响应。

在图10的示例中，示出了负磁性材料颗粒。施加垂直排列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。

应注意，使用均匀或不均匀的磁场可实现该变形响应。因此，这些示例与上述(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匀磁场时才能实现。

在图10的特定示例中，均匀磁场72被施加到致动器构件12，从而引起磁性颗粒的体积变化。根据材料类型，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振幅但高力的致动力。

如上所述，示例颗粒对施加低强度磁场的变形响应在64中示出。可以看出，颗粒在横向上略微扩张。

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相应地收缩，同样具有小幅度但高的力。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，从而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)所示的三个不同浓度的组，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。尤其地，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将更大，因此将发生局部变形效应。可以通过设计引入电活性聚合物共混物中的颗粒的异质性以生成任何期望的变形构型。

根据一个或多个其他示例，可以结合均匀或不均匀的颗粒分布与结构化磁场结合使用，从而在致动器构件的不同局部区域中实现不同的变形效果。尤其地，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，从而实现局部变化的变形效果。

磁致伸缩颗粒的使用可以有利地与上述任何其他示例组合。

现在将描述根据本发明实施例的示例。

本发明的实施例涉及通过监测分散在EAP内的磁性颗粒的磁性来感测EAP致动器构件的形状的变化。

实施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，并且还包括磁场传感器，用于检测致动器构件的主体内或附近的磁场强度。控制器被配置为基于来自磁场传感器的输出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。

根据至少一组实施例的控制器尤其适于确定致动器构件的厚度变化的指示。致动器构件可以例如具有包括相对的主表面的层状结构。在这种情况下，厚度应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尺寸。然而更一般地，厚度可以指致动器构件的任何任意尺寸，但是更典型地可以指代根据本发明的实施例提供的任何致动器构件的三个尺寸中的更小或最小。

虽然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，类似的构思可以容易地应用于确定形状变化的其他方面。作为非限制性示例，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轮廓或轮廓的变化。

该构思可以应用于包括硬磁性颗粒，软磁性颗粒和/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一个有关的特定示例。

应用于包括分散的软磁性颗粒的示例性致动器构件的构思在图4和图5中示出。11至13。在这种情况下，该构思基于监测包括分散的软磁性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)，电活性聚合物复合材料的磁导率(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积的颗粒数(其厚度在前面部分描述的意义上理解)，d是与每个颗粒平行的每个颗粒的平均尺寸。致动器构件的厚度，<g>是致动器构件的磁性颗粒在与厚度平行的方向上的平均间距。

在分散的磁性颗粒d的长度在与致动器构件的厚度平行的方向上增加的情况下(即，赋予它们不相等的纵横比)，任何给定的磁导率的总体大小。<g>显著增加。这在图11中示意性地图示，图11示出了具有分散的磁性颗粒的示例性致动器构件12。在左手图像中，颗粒在高度和宽度尺寸上基本对称，具有小的d82和大的间隙距离<g>。

右侧图像示出了具有显著扩展的高度尺寸d82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性以提供增加的高度尺寸d同样适用。

提供这些高度延伸的椭球颗粒可以通过一系列众所周知的方法中的任何一种来实现，并且用于形成这种颗粒的方法对于技术人员(尤其是任何胶体化学家)来说是显而易见的。

在实施例中，通过向致动器构件12施加相对大的均匀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排列。不均匀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，导致EAP基质内颗粒分布的破坏。使用均匀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的右手图像中，空间间隙<g>通常显著小于颗粒高度尺寸d。比率d：g的典型值可以例如是10：1。结果，致动器构件在空转，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，从而减小平均间隙距离<g>。

这在图12中示意性地图示，图12示出了具有多个分散的软磁性颗粒82的示例性致动器构件12。在电极26之间施加电场时，致动致动器构件的厚度收缩，从而导致图12的右手图像中所示的致动状态。如图所示，颗粒之间的空间间隙d显著减小。

尤其地，如果间隙减小到其尺寸的一半，则磁导率μ将加倍，使得它可以近似与μ＝α*N*20成比例。如果间隙减小到其原始尺寸的十分之一，则渗透率将增加10倍，因此它可以近似与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)，则渗透性将恢复到颗粒的固有渗透性，使得它与μ＝α*N*μ内在近似成比例。如上所述，在某些情况下，这可能是超过1000的值。

因此，致动器构件的厚度的变化(无论是通过电致变形还是其他方式)直接转化为致动器构件的所展示的磁导率的可测量的变化。在致动器构件的结构与图1和图2的示例一致的情况下。如图11和12所示，厚度的微小变化导致所表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可以在示例中通过另外提供的磁传感器测量，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，用于在致动器构件上施加小的(例如均匀的)磁场，并且其中通过测量穿过致动器构件的所展示的辅助场的变化来测量磁导率(即使用一般关系B＝μH)。通过施加均匀磁场，可以提供这种感测功能，而不会干扰使用不均匀磁场的致动器构件的任何磁感应变形。以这种方式，本文描述的厚度感测可以有利地结合到上述任何示例性致动器中或与之组合。

图12的致动器设备还可以包括控制器(未示出)，磁传感器(和任选地磁场生成单元)可操作地耦合到该控制器。控制器可以配置为控制传感器以监测致动器构件的磁导率或监测致动器构件上的磁场强度。基于测量的磁场强度，控制器可以被配置为计算穿过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)转换为相应的厚度变化。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渗透率值的范围的相关厚度变化值。或者，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，测量的磁导率值或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，所测量的构件厚度变化可用于通知对致动器构件的致动程度或形状的控制。因此，上述传感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通过致动器构件12。在图13中示意性地图示了一个示例，其示出了致动器构件，该致动器构件包括分布在致动器构件的EAP基质上的三个空间分离的软磁性颗粒的局部浓度42。通过如图所示提供颗粒的不均匀性，可以实现致动器构件的不同局部区段处的致动器厚度的感测。尤其地，可以提供单独的专用磁传感器，用于感测跨越每个局部浓度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，并因此实现厚度变化。

应用于包括分散的硬磁性颗粒的示例性致动器构件的构思在图4和图5中示出。14和15。在这种情况下，该构思基于监测在致动器构件的有限横向拉伸上表现出的磁化强度。随着厚度变化，致动器构件的每表面积的体积改变，从而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)状态的分散的硬磁性颗粒的示例性致动器构件12。右手图像示出了在电极96、98之间的电场16上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，从而导致厚度减小。

磁致传感器92布置在致动器构件12的近侧，磁场传感器92能操作用于监测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，致动器构件的该特定横截面所表现出的总磁场强度以可测量的方式减小。通过监测由磁场传感器92感测的磁场强度的变化，可以检测和监测致动器构件的厚度的变化。

磁场传感器92可以可操作地耦合到控制器(图14中未示出)，控制器被配置为基于所感测的磁场强度来确定致动器构件的厚度的任何变化的指示。尤其地，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，其存储与一组测量的磁场强度中的每一个相关的致动器构件厚度值。这些值可以例如针对每个特定致动器构件通过实验得出，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。或者，厚度变化值可以由控制器基于已知的理论关系来确定。

在某些实施例中，所确定的致动器构件的厚度变化可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，通过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，于是电压被平稳到恒定值。

致动器厚度与感测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感测的永久颗粒的数量，这些颗粒到传感器的距离，以及特定的变形形状。通过致动器的致动引起-例如，致动器的弯曲可导致磁性颗粒与传感器之间的平均距离的电压依赖性变化。

这在图15中示意性地图示，图15示出了具有分散的硬磁性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。当致动致动器构件时，由于夹紧而引起弯曲，这导致磁性颗粒与磁场传感器92之间的距离增加。这通常会导致感测的磁场强度降低。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，控制器可以可操作地耦合到电极96、98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。

对于本发明的该方面的任何实施例，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。

应用于包括分散的磁致伸缩颗粒的示例性致动器构件的构思在图16中示意性地图示。在这种情况下的构思还基于监测致动器构件中的磁性颗粒所表现出的磁化强度。在致动器构件的电刺激和随后的变形时，在EAP基质内引起的应力的大小取决于致动器构件中由变形引起的应变。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。因此可以看出，通过监测致动器构件的至少部分上的所显示的磁化，可以确定和监测致动器构件的厚度变化(即，引起应变的分量)。

在图16中示意性地图示了一个示例，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分散在其中的磁致伸缩颗粒。左侧图像显示致动器构件处于初始的未致动状态。一个示例磁性颗粒的磁性由62示意性地图示，其示出在该初始状态下，颗粒具有零净磁化(磁偶极子在随机方向上对准)。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，引起颗粒获得净磁化(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，具有相应的水平对准的磁化(在本示例中，从图16的角度看，从右到左的方向)。对于磁化方向，还要注意以下内容：只要磁偶极子处于水平面，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，使得磁偶极子取向在水平面内沿一个方向排列。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作为构思的说明而表现出，并且在其他示例中，颗粒可具有任何所需形状而不会减少本发明该实施方案的要求保护的效果。

表现出的磁化强度的变化可以通过所提供的磁场传感器来测量。作为非限制性示例，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。

磁场传感器可以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度确定致动器构件12的厚度16的值或在其中的变化。在示例中，厚度变化可以通过存储在控制器的本地存储器内的预定查找表来确定，或者可由控制器访问，存储与一组测量的磁场强度中的每一个相关的致动器构件厚度值。。这些值可以例如针对每个特定致动器构件通过实验得出，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。或者，厚度变化值可以由控制器基于已知的理论关系来确定。

如在以上示例中，在本发明的本实施例的示例中，所确定的致动器构件的厚度变化可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，测量的磁场强度取决于许多因素，包括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，该距离可以作为施加的场电压(或电流)的函数而改变。在示例中，控制器可以适于补偿这种依赖于电压的场强度变化，例如根据关于前一示例描述的方法。

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作例如控制致动器的致动行为的反馈回路的部分(如上所述)。

如上所述，磁致伸缩颗粒可以是硬磁性材料或软磁性材料颗粒。因此，在特定示例中，本实施例的示例可以与上述任何示例组合或结合。

根据本发明的任何实施例，可以在通过电刺激或磁刺激刺激致动器构件的变形的同时执行对致动器构件的形状变化的感测。对于同时磁感应和磁刺激变形，形状(例如厚度)变化的确定可能需要补偿已经积极地施加在致动器构件上的已知磁场。

例如，在分散的硬磁性颗粒的情况下，穿过致动器构件的任何测量的磁场强度通常可以包括施加的磁场以刺激变形。为了监测形状变化(通过监测在构件上展示的磁场强度的变化-如上面的示例中所述)，仅需要从测量的场强中减去或以其他方式消除已知的主动施加的磁场的大小。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)引起的致动器构件的形状(例如厚度)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。

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材料能够用其他EAM材料来代替。这样的其他EAM材料在本领域内是已知的，并且本领域技术人员将知道在哪里找到它们以及如何应用它们。下面将描述许多选择。

场驱动的EAM能够是有机材料或无机材料，并且如果有机能够是单分子、低聚物或聚合物，则它们通常是压电材料并且可能是铁电材料，因此包括自发的永久极化(偶极矩)。替代地，场驱动的EAM以及因此EAP是电致伸缩材料，因此在被驱动时仅包括极化(偶极矩)，但在未被驱动时则不包括极化(偶极矩)。替代地，场驱动的EAM以及因此EAP是介电弛豫材料。这样的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，这些优点是以温度稳定性为代价获得的。在温度能够被稳定在大致10℃以内的情况下，弛豫体最佳运行。乍一看这似乎是极其受限的，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性相对简单，并且在整个设计和开发过程中通常只表现出小的问题。

弛豫铁电材料能够具有足够高的电致伸缩常数以用于实际应用，即，有利于同时进行感测功能和致动功能。当将零驱动场(即，电压)施加到弛豫铁电材料时，弛豫铁电材料是非铁电体，但在驱动期间变成铁电体。因此，在非驱动时在该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，并且根据上述流程能够通过在驱动信号之上施加小幅度的高频信号来测量机电耦合。此外，弛豫铁电材料受益于非零驱动信号的高机电耦合与良好的驱动性质的独特组合。

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)。但是在本领域内也已知其他无机弛豫铁电材料。

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。

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)、聚氨酯或其共混物。

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作为悬浮在基质材料中的材料而被植入。基质材料能够包含聚合物。

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设备的致动装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，该设备包括两个电极。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设备是必需的，这是因为其致动是由于因驱动信号而彼此吸引的电极所施加的压缩力引起的。两个或更多个电极也能够被嵌入到弹性体介电材料中。电极可以是图案化的或非图案化的。

基板能够是致动装置的部分。基板能够被附接到EAP和电极之间的电极的全体或者能够被附接到外部电极中的一个电极。

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))。

一些装置可以在电活性材料层的每一侧上具有电极层。也能够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。

可以使用上文讨论的那些附加层(例如，附加的聚合物层)来调整设备的电气性能或机械性能。

上述示例使用了复合材料，复合材料将电活性材料(尤其是聚合物)与其他颗粒(其通常被称为“填料”)进行组合。

现在将讨论能够制造这样的复合材料的方式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。它们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。变形是带正电荷的电极与带负电荷的电极之间的吸引力的结果。

在硅氧烷中混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)混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混合具有两个主要的显著效应。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。另一个效应是混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应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，已知将填料混合到弹性体中以影响介电电活性聚合物的性质。

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颗粒尺寸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起剂的组合。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颗粒尺寸分布而降低。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10μm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效应。此外，聚合物-填料接口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接口结构，能够降低电压击穿水平的负面效应。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，能够使用各种工业混合成型技术来实现与颗粒的混合。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，应当限制颗粒尺寸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。能够印刷局部浓度变化。

弛豫型电活性聚合物与颗粒混合也是可能的。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应相当。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。局部浓度变化也是可能的。

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)

1.一种致动器设备，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

磁性材料颗粒，其分散在所述电活性材料内；

磁场传感器，其适于检测所述致动器构件的至少部分内或附近的磁场强度；以及

控制器，其适于基于来自所述磁场传感器的输出来确定所述致动器构件的形状的变化的指示。

2.如权利要求1所述的致动器构件，其中，所述控制器适于基于来自所述磁场传感器的所述输出来确定所述致动器构件的所述厚度的变化的指示。

3.如权利要求1或2所述的致动器设备，其中，所述控制器适于：基于来自所述磁场传感器的所述输出来确定所述磁场强度的变化，并且基于所确定的场强的变化来确定所述致动器构件的所述形状的所述变化。

4.如任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述控制器还被配置为通过向所述致动器构件施加电刺激和/或向所述致动器构件施加磁场来引起所述致动器构件的变形，并且任选地，其中，所述控制器能操作用于在确定所述致动器构件的形状的所述变化的同时引起所述变形。

5.如权利要求4所述的致动器设备，其中，所述控制器适于根据所确定的形状的变化来控制在所述致动器构件中引起的所述变形的形状或程度。

6.如任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述颗粒是硬磁性材料颗粒，并且其中，所述控制器适于基于检测到的磁场强度与所述致动器构件的形状之间的已知的直接关系或间接关系来确定所述致动器构件的形状的所述变化的所述指示。

7.如权利要求6所述的致动器设备，其中，所述控制器包括存储器，并且所述控制器适于借助于被存储在所述存储器中的预定义查找表来确定所述致动器构件的形状的所述变化的所述指示，所述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的形状值。

8.如权利要求1-5中的任一项所述的致动器设备，其中，所述颗粒是磁致伸缩磁性材料颗粒，并且其中，所述控制器适于基于所述致动器构件展现出的磁化强度的确定的变化来确定所述形状的变化的所述指示。

9.如权利要求8所述的致动器设备，其中，所述控制器被配置为基于所述致动器构件的形状的所述变化与由所述颗粒引起的所述磁化强度的所述变化之间的已知的关系来确定所述形状的变化的所述指示。

10.如权利要求1-5中的任一项所述的致动器设备，其中，所述颗粒是软磁性材料颗粒，并且其中，所述控制器适于：基于来自所述磁场传感器的所述输出确定穿过所述致动器构件的磁导率的变化，并且基于所确定的磁导率的变化来确定所述致动器构件的形状的变化的所述指示。

11.如权利要求10所述的致动器设备，其中，所述控制器适于确定所述致动器构件的所述厚度的变化的指示，并且其中，致动器构件的厚度的所述变化基于以下关系来确定：

μ＝αNd/<g>

其中，α是材料相关的常数，N是垂直于所述厚度的每单位横截面积的颗粒的数量，d是每个颗粒在平行于所述厚度的方向上的尺寸，并且<g>是在平行于所述厚度的方向上的所述颗粒之间的平均间距。

12.如权利要求10或11所述的致动器设备，其中，所述颗粒具有非圆形对称的横截面。

13.如权利要求10-12中的任一项所述的致动器设备，还包括用于施加穿过所述致动器构件的磁场的磁场生成设备，并且其中，所述磁场传感器被布置为检测所施加的穿过所述致动器构件的磁场的所述强度。

14.如任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述磁性材料颗粒不均匀地分散在所述致动器构件内，以形成颗粒的一组空间离散浓度，并且其中，所述磁场传感器包括用于独立检测穿过所述空间离散浓度中的每个的所述磁场强度的单元。

15.一种用于感测致动器构件的形状的变化的方法，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

磁性材料颗粒，其分散在所述电活性材料内，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所述致动器构件的至少部分内或附近的磁场强度，并且

基于来自所述磁场传感器的所述输入来确定所述致动器构件的所述形状的变化的指示。