CN110214381A - 基于电活性材料的致动器设备 - Google Patents

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Abstract

一种设备包括布置为线性组的多个电活性材料致动器单元。在数据线上提供用于控制个体单元的驱动的数据，并且在每个相邻电活性材料致动器单元对之间进行数据线连接。根据来自数据线的接收数据来控制电活性材料致动器单元。当需要在小型应用环境中寻址和控制多个致动器时，这提供了降低的布线复杂性。

Description

基于电活性材料的致动器设备
技术领域
本发明涉及利用诸如电活性聚合物的电活性材料的致动器设备。
背景技术
电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP可以充当传感器或致动器，并且可以容易地制造成各种形状，从而允许容易地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的特性的材料，其在过去的十年中已经显著改进。技术风险已经降低到产品开发的可接受水平，使得EAP在商业和技术上变得越来越令人感兴趣。EAP的优点包括低功率、小形状因子、柔性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间和循环致动。
EAP材料的改进性能和特定优点引起对新的应用的适用性。
EAP设备可以用于期望基于电致动的部件或特征的少量移动的任何应用中。类似地，所述技术能够用于感测小的移动。
对EAP的使用实现了以前不可能的功能，或者提供了优于常规传感器/致动器解决方案的大的优点，这是因为与常规致动器相比的相对大的变形和在小的体积或薄的形状因子中的力的组合。EAP还给出无噪声操作、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0-20kHz。
使用电活性聚合物的设备可以细分为场驱动材料和离子驱动材料。
场驱动EAP的范例是电介质弹性体、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫聚合物或聚氨酯)以及液晶弹性体(LCE)。
离子驱动EAP的范例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合物以及离子聚合物金属复合物(IPMC)。
场驱动EAP由电场通过直接机电耦合来致动，而针对离子EAP的致动机制涉及离子的扩散。这两个类都具有多个族成员，每个族成员具有其自身的优点和缺点。
图1和图2示出了用于EAP设备的两种可能的操作模式。
所述设备包括夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间的电活性聚合物层14。
图1示出了未夹紧的设备。如图所示，电压被用于使电活性聚合物层在所有方向上膨胀。
图2示出了被设计为使膨胀仅在一个方向上出现的设备。所述设备由载体层16支撑。电压被用于使电活性聚合物层弯曲或成弓形(bow)。
这种移动的性质例如产生于无源载体层与当被致动时膨胀的有源层之间的相互作用。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，可以例如应用分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上的移动。
一个方向上的膨胀可以由电活性聚合物的不对称性引起，或者其可以由载体层的性质中的不对称性或两者的组合引起。
由于其固有的小形状因子，电活性聚合物非常适合用于需要实现多种功能并且因此需要多个致动器的应用中。例如，在特定应用中，致动器的阵列可以是有用的，例如在定位系统和受控拓扑结构表面中。
然而，基本互连解决方案将需要至少一条接线或线缆连接到致动器中的每个以及额外的一个(公共)接地连接。致动器的数量越高，电连接变得越复杂。如果需要例如以类似矩阵的方式寻址数百个致动器，则这不能够通过常规布线方案容易地实现，尤其是在需要诸如移动设备或医学手术装备中的小形状因子的情况下。
例如，在基于导管或导丝的设备中，使所有致动器设备由从设备的端部出现的接线个体地控制将是不实际的，因为这将要求接线贯穿设备的长度上延伸。在实际情况下，不存在容纳这些接线的空间，并且此外接线会降低设备的可操纵性。
长接线也易出现缺陷(断裂或短路)，在接线被制作为薄的情况下尤其如此。
实现连接线的减少的备选方法是使用矩阵寻址方案。
无源矩阵阵列是仅使用行(n行)和列(m列)连接的阵列驱动系统的简单实施方式。仅需要(n+m)个驱动器来寻址多达(n×m)个致动器。这提供了一种成本有效的方法，其也减少了布线量。
然而，无源矩阵EAP致动器阵列将遭受相邻致动器之间的串扰。当施加电压以致动一个致动器时，其周围的致动器也经历电压并且将部分地致动，这对于许多应用而言是不想要的效果。这意味着可以实现的最佳的致动对比率。因此，关于无源矩阵寻址方案，独立于其它致动器个体地寻址每个致动器并不是直接的。
已经预期使用有源矩阵来寻址电活性聚合物致动器的阵列，例如用于电子盲文应用。有源矩阵方法涉及在每个电活性聚合物致动器处、在行导体和列导体的交叉处提供切换设备。以这种方式，如果期望，阵列中的每个致动器可以个体地致动。
然而，这需要循环寻址序列，使得并非同时真正地寻址设备的阵列。对于阵列的所有行和列，仍然存在需要的显著数量的电连接。
另一个问题是每个致动器和控制器布置可能需要高压致动器电压(通常约200V)和用于控制电子设备的低压控制电压两者。这再次意味着与致动器的额外连接。
发明内容
因此，需要一种寻址方案，其可以寻址多个EAP，同时提供系统的操作所需的高电压和低电压，并使用减少数量的电连接。
本发明的目的是至少部分地满足上述需要。该目的至少部分地由独立权利要求限定的本发明实现。从属权利要求提供有利的实施例。
根据本发明的一个方面的范例，提供一种致动器设备，包括：
布置为线性组的多个电活性材料致动器单元，每个电活性材料致动器单元包括至少两个电力线端子和至少一个数字数据线端子；
至少两条电力线和数据线，其中，每个电活性材料致动器单元并联连接在至少两条电力线之间，所述至少两条电力线连接至所述至少两个电力线端子；以及
线性组的每个相邻电活性材料致动器单元对之间的数据线连接，
其中，每个电活性材料致动器单元包括：
电活性材料致动器；
数字控制器，其连接到至少一个数据线端子，以用于从数据线接收数据；以及
用于根据接收数据驱动电活性材料致动器的驱动器。
通过“线性组”是指单元电连接成为线。然而，物理配置可以采取任何期望的形状，包括单元的二维阵列。
该设备利用单条数据线来寻址多个致动器。致动器单元也由公共电力线供电(它们在这些电力线之间并联)，使得一小组电力线和数据线用于控制所有致动器单元。能够存在并联连接到所有单元的单条数据线，或者单元之间能够存在数据线的菊链式连接。数据线形成数字总线。
这种设计实现整个设备的小的形状因数，具有需要路由到致动器单元和从致动器单元路由的少量的电连接。
在一个范例中，每个电活性材料致动器单元还可以包括电力单元，其中，电力单元包括用于从至少两条电力线中的一条上的信号导出用于控制器的第一电源和用于驱动器的第二电源的电力转换器。这种设计实现仅两条电力线；高电力线和诸如地的公共参考。然后，高电力线信号用于导出用于驱动器的相对高电压源，以施加到致动器，以及用于数字控制器的相对低电压源。
在另一个范例中，该设备包括三条电力线，包括公共参考电力线、控制器电力线和驱动器电力线，其中，每个电活性材料致动器单元包括三个对应的电力线端子。在这种情况下，可以通过向单元提供两个不同的电源，简化每个单元处的电路。
在一组范例中，每个电活性材料致动器单元包括数据线输入端子和数据线输出端子，其中，数据线连接处于一个电活性材料致动器单元的数据线输出端子与下一电活性材料致动器单元的数据线输入端子之间。
这形成了单元的菊链式连接。数据线连接到单元中的第一个，并且然后信号(在局部修改之后)从一个单元传递到下一单元。
整个设备控制器用于在电力线上提供电力并在数据线上提供数据信号。在该组范例中，设备控制器可以适于提供数据信号，该数据信号包括串联的一组数据字，每个数据字与电活性材料致动器单元中的相应的一个相关联，其中，每个电活性材料致动器单元的控制器适用于剥离相关联的数据字。因此，当数据信号沿菊链传递时，要读取的字被剥离。以这种方式，每个单元执行相同的动作，即在数据信号的特定位置(例如在前面)读取字，并且然后从信号中剥离该字。因此，单元可以全部具有相同的设计，并且控制哪些数据字到达哪些单元由整个设备控制器决定。
在另一组范例中，每个电活性材料致动器单元包括数据线输入端子，其中，数据线连接处于一个电活性材料致动器单元的数据线输入端子与下一电活性材料致动器单元的数据线输入端子之间。在这种情况下，端子中的数据线全部变为并联连接到相同数据线。
设备控制器再次用于在电力线上提供电力并且在数据线上提供数据信号。在该组范例中，设备控制器可以适于提供包括串联的一组识别字和数据字的数据信号，每个识别字与电活性材料致动器单元中的相应一个相关联，其中，每个电活性材料致动器单元的控制器适于识别其自身的相关联的识别字并读取相关联的数据字。因此，所有单元都接收相同的数据信号，但不同的部分链接到不同的标识。这意味着每个单元需要知道其自身的标识，使得可以在数据信号内识别相关的数据字。
电活性材料致动器例如包括电活性聚合物致动器。
根据本发明的另一方面的范例提供了一种致动设备的方法，所述设备包括：
布置为线性组的多个电活性材料致动器单元，每个电活性材料致动器单元包括至少两个电力线端子和至少一个数字数据线端子；
-至少两条电力线和数据线，其中，每个电活性材料致动器单元并联连接在至少两条电力线之间，所述至少两条电力线连接到至少两个电力线线路端子；以及
-线性组的每个相邻电活性材料致动器单元对之间的数据线连接，
其中，所述方法包括以下步骤：
在所述至少两条电力线之间提供电源信号；以及
为所述数据线上的所有电活性材料致动器单元提供驱动数据作为单个组合数据信号，并且在每个个体电活性材料致动器单元处识别组合数据信号的相关部分，并且根据相关部分驱动所述电活性材料致动器单元的电活性材料致动器。组合数据信号的相关部分的识别可以使用例如所要求的设备中的任何之一的数字控制器完成。
该方法使共享数据线可用于所有单元以及共享电力线。
在每个电活性材料致动器单元处，根据至少两条电力线之一上的信号，可以导出用于本地控制器的第一电源，并且可以导出用于本地驱动器的第二电源。
以这种方式，外部电力线的数量保持最小。
在一组范例中，每个电活性材料致动器单元包括数据线输入端子和数据线输出端子，其中，数据线连接处于一个电活性材料致动器单元的数据线输出端子与下一电活性材料致动器单元的数据线输入端子之间。方法然后可以包括：
提供包括串联的一组数据字的数据信号，每个数据字与电活性材料致动器单元中的相应的一个相关联；并且
在每个电活性材料致动器单元处，剥离相关联的数据字。
在另一组范例中，每个电活性材料致动器单元包括数据线输入端子，其中，数据线连接处于一个电活性材料致动器单元的数据线输入端子与下一电活性材料致动器单元的数据线输入端子之间。方法然后可以包括：
提供包括串联的一组识别字和数据字的数据信号，每个识别字与电活性材料致动器单元中的相应的一个相关联；
在每个电活性材料致动器单元处，识别其自身的相关联的识别字并读取相关联的数据字。
方法步骤可以至少部分地由软件实施。本发明提供了一种计算机程序(产品)，包括存储在计算机可读介质上或能存储在计算机可读介质上或能从通信网络下载的计算机可读代码，当在计算机上运行时，所述计算机可读代码可引起或导致执行要求保护的方法中的任何一种的步骤。因此，本发明的方法可以以软件实施，所述软件能够控制控制器和驱动器，可能地包括信号生成器，以用于驱动要求保护的设备。控制器和/或主控制器可以包括处理器和存储器，存储器在其中存储有计算机程序，并且处理器被布置用于运行计算机程序产品。可以在每个致动器单元的控制器处存储和操作计算机程序的一部分。任选地，设备可以包括用户输入和/或输出设备以及用于自动或手动操作设备的相关接口。
可以通过调整控制器或计算机程序产品，将方法的所有特征及其优点转化为计算机程序或控制器的特征。处理器可以是半导体处理器，例如中央处理单元等。存储器可以是能够由处理器访问的任何类型的RAM或ROM存储器。计算机可读介质可以是如本文先前定义的存储器，并且这可以是例如CD、DVD Blue Ray或硬盘型存储器。备选地，其可以是固态存储器，诸如被包括在SD、闪存或USB型记忆棒或卡中。计算机可读介质还可以是诸如LAN、WAN或本地网络等的通信网络，可以从其下载程序。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的范例，其中：
图1示出了未被夹紧的已知电活性聚合物设备；
图2示出了由背衬层约束的已知的电活性聚合物设备；
图3示出了电活性材料致动器单元的第一范例；
图4示出了连接在一起以形成设备的图3的一组单元；
图5示出了图4的设备的数据信号结构；
图6示出了连接在一起以形成设备的第二设计的一组单元；
图7示出了图6的设备的数据信号结构；
图8示出了利用一组致动器进行转向控制的导管。
具体实施方式
本发明提供了一种设备(和用于设备的操作方法)，其包括布置为线性组的多个电活性材料致动器单元。在数据线上提供用于控制个体单元的驱动的数据，并且在每个相邻电活性材料致动器单元对之间进行数据线连接。根据来自数据线的接收数据来控制电活性材料致动器单元。
当需要在小的应用环境中寻址和控制多个致动器时，本发明提供了降低的布线复杂性。
图3示出了电活性材料致动器单元20的第一范例。多个这样的单元旨在形成整体设备，其中，单元被布置为线性组(如下面将解释的)。每个电活性材料致动器单元20包括至少两个电力线端子PL1和PL2以及至少一个数字数据线端子DL1。
图3示出了提供了操作电压的第一电力线Vop，第一电力线Vop连接到单元20的第一电力线端子PL1。任选的第三电力线Vop2被示出，其连接到第三电力线端子PL3。参考电压Vref形成第二电力线并连接到第二电力线端子PL2，并且这可以是接地的。第一(数据输入)数据线Din连接到第一数据线端子DL1，并且在图3的范例中，每个单元20还具有连接到数据线Dout的第二(数据输出)数据线端子DL2。
电活性材料致动器单元20包括电活性材料致动器21。每个单元20内可以存在一个或多个这样的致动器。数字控制器26连接到数据线端子，以用于从数据线Din接收数据。其解释驱动命令，然后所述驱动命令用于根据接收数据控制驱动器24以驱动电活性材料致动器21。
为了最小化所需的外部线路的数量，图3的范例具有电力单元22。电力单元包括电力转换器，以用于根据第一电力线上的信号Vop导出用于控制器26的第一电源Vs1和用于驱动器24的第二电源Vs2。通过在每个单元20中提供电力单元22，不需要第二电源Vop2。
电力单元22可以通过AC或优选地DC电压来馈送。根据电压幅度，电力单元需要能够将输入电压转换为用于(一个或多个)数字逻辑部分的(低)dc操作电压和适合于操作致动器的(高)dc电压。如果使用高操作电压(Vop)，则电力单元仅需要下转换电压，以生成用于数字控制的低dc操作电压。
因此，功率单元可以包括AC/DC转换器。其可以包括DC-DC电压上转换器和/或DC-DC电压下转换器。因此，取决于所供应的总功率信号，可以增加电压以达到驱动器电源，或者降低电压以达到数字控制器电源，或者两者(例如，如果提供中间电压)。
如果提供两个电源(Vop1、Vop2以及参考)，则单元不需要内部电力转换功能。单元需要两个电源，因为需要高电压来驱动致动器(例如100V或更高)，而需要低电压(例如5V)来向数字电路供电。
第一电源(Vop)可以替代地递送中等电压幅度，使得仍然需要相对低的上转换因子来达到期望电压Vs2以向驱动器供电。由于不需要(或仅需要很小的)电力转换单元，因此使用两个电源产生更小得多的单元。
所述单元还包括一个数模转换器，其接收数字数据并为驱动器提供合适的模拟驱动信号。在所示的范例中，数模转换器是控制器26的一部分。其用于实现对数据线上的数字命令的解释，使得可以控制驱动器以向致动器递送对应的模拟致动水平。
数模转换器可用作集成电路，但也可以以模拟电子器件制造。优选的解决方案基于使用简单(低成本)微控制器，以用于D/A转换以及进一步的处理功能。
图3的单元被设计用于串行数据链中的连接。
假设仅一个外部电源被提供，则单元20仅需要四条电接线来向任何数量的单元供电并且控制其，所述单元实质上经由串行总线连接，并且从而通过串行寻址操作。
两个端子用于向单元供电，并且需要另外两个端子以用于数字数据输入和数据输出。在图3中，未示出任何所需的无源元件，例如每个电源端子处的并联电容器。
供电(通过线的对Vop和Vref)可以实现为一组中每个单元之间的并联配置。
在菊链式装置中，前一单元的数字输出Dout连接到下一单元的数字输入Din。图4中示出了三个单元20a、20b、20c的菊链式配置。其示出了所有单元如何相对于电力线Vop和Vref并联，但它们相对于数据线Din串联。
菊链式布置限定了一组单元的线性电连接。该组中的第一单元20a从整体设备控制器40接收其数字数据流，整体设备控制器40能够生成数字数据以便控制单元。在单元的线性连接的结束处来自单元20c的最后一个数字输出可以保持打开，如图4所示，或者其可以利用电阻器终止或者连接回主控制器40的数字输入部，例如如果由单元正确接收到所有数据，则启用检查。
返回到设备控制器40的该连接也可以用于启用双向通信，使得设备控制器可以接收由单元生成的数据。
因此，图4示出了每个电活性材料致动器单元20a、20b、20c并联连接在至少两条电力线Vop和Vref之间，并且数据线连接42被提供在该组的每个相邻电活性材料致动器单元对之间。
所有电子器件可以集成到一个芯片(例如，专用集成芯片，ASIC)中，如果需要，仅几个电源部件连接到其。例如，大多数模拟和数字电子器件可以组合并集成在ASIC中，仅有限的无源部件(例如电感器和电容器)和/或有源部件(例如晶体管)与其连接。
每个致动器单元20a、20b、20c需要对数字信号流的接收作出反应，使得基于数字信息控制偏转。图5示出了向针对图4的菊链式范例的数据线提供信号的可能格式的一个范例。示出了两个激活周期ACn和AC(n+1)。
需要定义数模转换的分辨率。通过范例，考虑8位分辨率。在这种情况下，根据8位字，可以实现最大28＝256个模拟状态。然后在致动器的驱动器单元中定义模拟控制幅度与致动器的机械偏转之间的映射。为了对数字信息(0或1)进行编码，许多编码原理对于本领域技术人员而言是已知的。例如，可以使用压缩和/或安全性/安全算法，以及特殊的开始或结束序列。
图5示出了级联成整个24位数据信号的三个8位字。前8位旨在用于第一单元20a，下一8位旨在用于下一单元20b，并且最后8位旨在用于最后一个单元20c。
因此，所有单元的数字数据以串行方式在数字数据线上发送。数据由主控制器40封装，并连接到该组中的第一单元20a。
主控制器40为每个单元获取每个8位字，并以这样的方式排列其：将它们逐个写入。数字数据流开始于第一单元的8位，向其添加第二单元的8位，等等。
因此，更一般地，总位流由针对n个单元的8×n位组成。整个位流的24位字例如由“重置”时段分开，例如较长的低状态(0)或较长的高状态(1)或特别定义的位序列(尽管这可能是以减少数量的可能的模拟状态为代价)。
当在数据线(即数字总线)上发送整个数据信号时，第一单元20a读取前8位，并通过剥离它们将整个数据信号减少这8位。其仅发送剩余的信号(而没有前8位)。这示出为图5中的第二行。
然后，第二单元20b读取前8位字，并且然后从数据信号中剥离8位，以留下图5的底行所示的信号。最后，最后的单元20c剥离剩余的8位。
整个流程需要在主控制器40中知道需要编址多少个单元。如果任何单元需要改变其致动水平，则生成并重新发送整个数据信号(对于所有单元)。如果要改变单元的数量，则必须将这通知给系统的主控制器40。
最后的单元20c的输出部可以由主控制器40连接和读取，以便检查是否已经正确地接收了所有数据。在这种情况下，例如可以将特殊位序列添加到起始位流(通过主控制器)和/或每个单元可以在总位流的结束处添加位序列。
在其最广泛的概念中，本发明提供了致动器单元与电力线的并联连接，以允许高压驱动的致动器和低压驱动的数字控制电子器件的操作。可以从外部供应一个或多个操作电压。根据串联连接到单元中的每个的数字信息调谐致动器驱动水平。
在上面的范例中，每个单元被认为仅具有一个致动器。然而，一个单元也可以包括多于一个的致动器，例如三个致动器(例如，以生成每单元的3D移动/位移)。在这样的配置中，可以以这样的方式调整数字数据流：提供多个控制字，例如每单元3×8位(＝24位)，其中，每个8位字专用于单元中的三个致动器中的一个。
图4的范例基于串行寻址。
图6示出了可以被认为基于致动器单元的准串行寻址的备选方案。
再次示出了三个电活性材料致动器单元20a、20b、20c。每个包括数据线输入端子DL1，其连接到数据线Din。然而，没有数据线输出端子。再次存在数据线连接50，但它们位于相邻单元的数据线输入端子之间，使得所有单元直接连接到相同的数据线。
在该范例中，设备控制器40提供数据信号，所述数据信号包括一组串联的识别字和数据字，每个识别字与电活性材料致动器单元中的相应的一个相关联。然后，每个单元的控制器识别其自身的相关联的识别字并且读取相关联的数据字。具体地，为了区分单个单元，不可能仅发送与单元的状态有关的数据字。除此之外，数据信号需要定义实际数字信息属于哪个单元。
图7示出了一个识别字I(n)和数据字D(n)对。
这提供了准串行寻址，其中，每个单元具有其电力连接(Vop和Vref)以及仅一条并联数字数据线Din。因此，准串行意味着，尽管数字数据线并联连接到每个单元，但是在每个时刻期间，在总线上发送仅一个数据组(地址+致动数据)。
图7的数据格式针对每个单元被准备，并且在总线上一起发送。使用8位地址分辨率，可以寻址多达256个单元。如果使用更多位，则也可以寻址更多单元。在这样的系统中，主控制器40需要具有整个设备配置的所有地址信息。如果改变原始配置(通过添加或取出单元)，则这需要在控制软件中公布。
所有单位都持续收听数据线。一旦单元识别出其自身的地址，跟随的数字信息将被解释为该特定单元的致动信息。数字信息可以逐个地连续发送用于所有单元而没有任何特定顺序，或者也可以以特定顺序发送，使得将首先编址高优先级单元或者将首先编址最近的单元。
备选方法是仅为其状态需要改变的那些单元发送数据(连续地，逐个地，有或没有优先级，如前所述)。在这种情况下，在结束应用之前，可以停用所有单元或使其进入其原始位置。
如上所述，双向通信也是可能的。系统可以在一条数据线上发送和接收数据。例如，单元可以收听总线，并且如果没有数据实际上由单元中的任何发送，则可以发送新数据，从而给出时间复用解决方案。可以实施诸如频率或码复用解决方案等的其他通信原理。
代替于将最后的单元的数字输出端子设置为开路(或端接)，可以使用环状配置，从而将非常最后的数字输出馈送给主控制器。这种反馈可以例如用于提供当前致动(偏转)状态的反馈或任何其他感测信息(压力、力等)。
一种感兴趣应用是导管或导丝。在该应用中，存在针对连接线的非常有限的空间，以及多条接线不会对刚度产生不利影响的要求。
图8示出了沿导管82形成的一组电活性材料致动器80。可以致动每个致动器以实施局部弯曲功能，使得可以对导管进行转向。设备可以以相同的方式沿着导丝的尖端或在导丝的尖端处提供，例如导管导丝或支架递送导丝。可以通常执行设备的致动以引起弯曲，例如以用于如上所述的转向，但也用于扫描或运动补偿。
还可以提供电活性材料传感器，例如以用于测量流量和/或压力。对于流压力传感，设备中引起的下垂取决于压力。
电活性材料致动器优选地包括用于提供机械致动的电活性聚合物结构。结构定义非致动状态和至少一个致动状态(不同于非致动状态)，所述至少一个致动状态可通过将电驱动信号施加到电活性聚合物结构而获得。致动器具有电极布置，以用于向EAP材料提供驱动信号。电极结构可以直接附接到EAP材料，或者在它们之间具有中间层。
每个单元的EAP材料层可以夹在电极结构的电极之间。备选地，电极能够在EAP材料的同一侧上。在任一种情况下，电极能够被直接物理附接至EAP材料，而不需要其间的任何(无源)层，或者间接具有在其间的额外的(无源)层。然而，不需要总是如此。对于弛豫器或永久性压电或铁电EAP，不是必须直接接触。在后一种情况下，只要电极能够向EAP提供电场，EAP附近的电极就足够了，电活性聚合物结构将具有其致动功能。电极可以是可拉伸的，从而使它们遵循EAP材料层的变形。
取决于所使用的EAP材料(参见下文)，电驱动信号能够是电压信号或电流信号。
适合于所述EAP层的材料是已知的。电活性聚合物包括但不限于以下子类别：压电聚合物、机电聚合物、弛豫铁电聚合物、电致伸缩聚合物、电介质弹性体、液晶弹性体、共轭聚合物、离子聚合物金属复合物、离子胶体和聚合物胶体。
子类别电致伸缩聚合物包括，但不限于：
聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氯乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-三氯乙烯-氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏氟乙烯-三氯乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚亚安酯或者其混合物。
电介质弹性体的子类别包括但不限于：
丙烯酸酯、聚氨基甲酸酯、硅树脂。
子类别共轭聚合物包括但不限于：
聚吡咯、聚-3,4-乙烯二氧噻吩、聚(聚苯硫醚)、聚苯胺。
可以提供额外的被动层，以用于响应于所施加的电场来影响所述EAP层的行为。
每个单元的EAP层可以被夹置在电极之间。所述电极可以是可拉伸的，使得其跟随EAP材料层的变形。适合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：薄金属膜，诸如金、铜或铝；或者有机导体，诸如炭黑、碳纳米管、石墨、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)，例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)。也可以使用金属化聚酯膜，诸如金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，例如使用铝涂层。
将例如考虑不同层的弹性模量(杨氏模量)来选择针对不同层的材料。
上文所讨论的额外的层可以被用于调整设备(诸如额外的聚合物层)的电气或机械行为。
所述EAP设备可以是电场驱动的设备或离子设备。离子设备可以基于离子聚合物-金属复合物(IPMC)或共轭聚合物。离子聚合物-金属复合物(IPMC)是合成的复合物纳米材料，其在所施加的电压或电场下显示人工肌肉行为。
IPMC包括离子聚合物(如Nafion或Flemion)，其表面被化学地电镀或者被物理地涂覆有导体，诸如铂或金，或者碳基电极。在所施加的电压下，由于跨IPMC的所施加的电压而引起的离子迁移和再分布导致弯曲变形。聚合物是溶剂膨胀离子交换聚合物膜。所述场使阳离子连同水一起行进到阴极侧。这导致亲水性聚类的再组织以及聚合物扩展。阴极区域中的应变导致聚合物基质的其余部分中的应力，其导致朝着阳极的弯曲。反转所施加的电压使弯曲反向。
如果经电镀的电极被布置在不对称配置中，则所施加的电压能够引起所有类型的变形，诸如扭曲、滚动、扭转、旋转以及不对称的弯曲变形。
该设备可以用作单个致动器，或者可以存在一排设备或设备的阵列，例如以提供2D或3D轮廓的控制。
本发明可以应用于致动器的阵列为感兴趣的许多EAP应用中。
在许多应用中，产品的主要功能依赖于对人类组织的(局部)操纵、或者对接触界面的组织的致动。在这样的应用中，EAP致动器提供独特的益处，主要是由于小形状因子、柔性和高能量密度。因此，EAP能够容易地被集成在柔软的3D形状和/或微型产品和界面中。这样的应用的范例是：
皮肤美容处置，例如以基于EAP的皮肤贴片形式的皮肤致动设备，其对皮肤施加恒定或周期性拉伸以便拉紧皮肤或减少皱纹；
带有患者接口面罩的呼吸设备，其具有基于EAP的有源垫或密封件，以向皮肤提供交替的正常压力，其减少或防止面部红色印记；
带自适应剃须刀头的电动剃须刀。皮肤接触表面的高度可以使用EAP致动器进行调节，以便影响紧密和刺激之间的平衡；
口腔清洁设备，诸如具有动态喷嘴致动器的空气牙线，以改进尤其是在牙齿之间的空间中的喷雾的到达。备选地，牙刷可以设置有启用的簇；
消费电子设备或触摸面板，其经由被集成在用户接口中或附近的一系列EAP换能器提供局部触觉反馈；
具有可操纵尖端以实现在蜿蜒血管中的容易的导航的导管。如上所述，致动器功能例如控制弯曲半径以实施转向。
受益于EAP致动器的另一类相关应用涉及光的修改。诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件可以通过使用EAP致动器的形状或位置调整来进行自适应。此处EAP致动器的益处是例如较低的功耗。
系统中使用的数据信号通常由在中央控制器上运行的软件生成(以以组合数据信号的形式生成驱动数据)，并且其由在每个EAP致动器上本地运行的软件读取以提取相关数据字并且根据需要处理数据信号。
控制器用于运行软件。控制器可以利用软件和/或硬件以多种方式实施，以执行所需的各种功能。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个范例，所述一个或多个微处理器可以使用软件(例如，微代码)来编程以执行所需的功能。然而，控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实施，并且还可以实施为执行一些功能的专用硬件和处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合以执行其他功能。
可以在本公开的各种实施例中采用的控制器部件的范例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。
在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以编码有一个或多个程序，当在一个或多个处理器和/或控制器上运行时，所述程序执行所需的功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可运送的，使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到处理器或控制器中。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践所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。尽管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当被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种设备，包括：
-多个电活性材料致动器单元(20)，其被布置为线性组，每个电活性材料致动器单元包括至少两个电力线端子(PL1、PL2)和至少一个数字数据线端子(DL1)；
-数据线(Din)和至少两条电力线(Vop、Vref)，其中，每个电活性材料致动器单元并联连接在所述至少两条电力线(Vop、Vref)之间，所述至少两条电力线连接到所述至少两个电力线端子(PL1、PL2)；以及
-数据线连接(42；50)，其处于所述线性组的每个相邻电活性材料致动器单元对之间，
其中，每个电活性材料致动器单元(20)包括：
-电活性材料致动器(21)；
-数字控制器(26)，其被连接到所述至少一个数据线端子(DL1)，以用于从所述数据线接收数据；以及
-驱动器(24)，其用于根据接收数据来驱动所述电活性材料致动器。
2.如权利要求1所述的设备，其中，每个电活性材料致动器单元还包括电力单元(22)，其中，所述电力单元包括电力转换器，所述电力转换器用于根据所述至少两条电力线中的一条电力线上的所述信号来导出用于所述控制器的第一电源和用于所述驱动器的第二电源。
3.如权利要求1所述的设备，包括三条电力线，所述三条电力线包括公共参考电力线(Vref)、控制器电力线(Vop)和驱动器电力线(Vop2)，其中，每个电活性材料致动器单元包括三个对应的电力线端子(PL1、PL2、PL3)。
4.如任一前述权利要求所述的设备，其中，每个电活性材料致动器单元包括数据线输入端子(DL1)和数据线输出端子(DL2)，其中，所述数据线连接(42)处于一个电活性材料致动器单元的所述数据线输出端子与下一电活性材料致动器单元的所述数据线输入端子之间。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的设备，还包括设备控制器(40)，所述设备控制器用于在所述电力线上提供电力并且在所述数据线上提供数据信号。
6.如权利要求5所述的设备，其中，所述设备控制器(40)适于提供包括串联的一组数据字的数据信号，每个数据字与所述电活性材料致动器单元中的相应一个电活性材料致动器单元相关联，其中，每个电活性材料致动器单元的所述控制器适于剥离相关联的数据字。
7.如权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，每个电活性材料致动器单元包括数据线输入端子(DL1)，其中，所述数据线连接(50)处于一个电活性材料致动器单元的所述数据线输入端子与下一电活性材料致动器单元的所述数据线输入端子之间。
8.如权利要求7所述的设备，还包括设备控制器(40)，所述设备控制器用于在所述电力线上提供电力并且在所述数据线上提供数据信号。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述设备控制器(40)适于提供包括串联的一组识别字和数据字的数据信号，每个识别字与所述电活性材料致动器单元中的相应一个电活性材料致动器单元相关联，其中，每个电活性材料致动器单元的所述控制器适于识别其自身相关联的识别字并且读取相关联的数据字。
10.一种导管(82)，包括如任一前述权利要求所述的设备，其中，所述多个电活性材料致动器单元用于所述导管的转向控制。
11.一种致动设备的方法，所述设备包括：
-多个电活性材料致动器单元(20)，其被布置为线性组，每个电活性材料致动器单元包括至少两个电力线端子(PL1、PL2)和至少一个数字数据线端子(DL1)；
-数据线(Din)和至少两条电力线(Vop、Vref)，其中，每个电活性材料致动器单元并联连接在所述至少两条电力线之间，所述至少两条电力线连接到所述至少两个电力线端子；以及
-数据线连接(42；50)，其处于所述线性组的每个相邻电活性材料致动器单元对之间，
其中，所述方法包括以下步骤：
-在所述至少两条电力线(Vop、Vref)之间提供电力信号；
-提供针对所述数据线(Din)上的所有所述电活性材料致动器单元的驱动数据作为单个组合数据信号；
-在每个个体电活性材料致动器单元处识别所述组合数据信号的相关部分；并且
-根据所述相关部分来驱动所述电活性材料致动器单元的每个电活性材料致动器。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：在每个电活性材料致动器单元处，根据所述至少两条电力线中的一条电力线上的所述信号来导出用于局部控制器的第一电源和用于局部驱动器的第二电源。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中，每个电活性材料致动器单元包括数据线输入端子和数据线输出端子，其中，所述数据线连接处于一个电活性材料致动器单元的所述数据线输出端子与下一电活性材料致动器单元的所述数据线输入端子之间，其中，所述方法包括：
提供包括串联的一组数据字的数据信号，每个数据字与电活性材料致动器单元中的相应的一个电活性材料致动器单元相关联；并且
在每个电活性材料致动器单元处剥离相关联的数据字。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中，每个电活性材料致动器单元包括数据线输入端子，其中，所述数据线连接处于一个电活性材料致动器单元的所述数据线输入端子与下一电活性材料致动器单元的所述数据线输入端子之间，其中，所述方法包括：
提供包括串联的一组识别字和数据字的数据信号，每个识别字与所述电活性材料致动器单元中的相应的一个电活性材料致动器单元相关联；
在每个电活性材料致动器单元处识别其自身相关联的识别字并且读取所述相关联的数据字。
15.一种包括计算机程序代码模块的计算机程序，当所述程序在计算机上运行时，所述计算机程序代码模块适于引起如权利要求11至14中的任一项所述的方法的所有步骤的运行。
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