CN110313076A - 致动器装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及嵌置有磁性颗粒(42)的电活性材料致动器(和组合式传感器—致动器)，以促进增强的致动和/或感测效果。

Description

致动器装置和方法
技术领域
本发明涉及一种致动器装置，特别是包括电活性材料的致动器装置。
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可用作传感器或致动器，并且可被容易地制造成多种形状，从而允许容易地集成到多种系统中。
已经开发出具有诸如致动应力和应变之类的特性的材料，这些材料在过去十年中已经得到了显著改善。对于产品研发来说，技术风险已被降低到可接受的程度，使得EAP在商业和技术上越来越受到关注。EAP的优点包括功率低、形状因数小、灵活性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间和循环致动。
EAP材料的改进性能和具体优势使其适用于新应用。
基于电致动，EAP装置可用于需要部件或特征少量移动的任何应用中。同样，该技术可被用于感测小运动。
由于在体积小或形状因数薄中结合有相对大的变形和力，导致EAP的使用实现了之前不可能实现的功能，或者提供了优于常用传感器/致动器解决方案的显著优势。EAP还提供了无噪声操作、精确的电子控制、快速响应及可能的大致动频率范围，例如0-1MHz、最典型地低于20kHz。
使用电活性聚合物的装置可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。其它示例包括电致伸缩的接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电粘弹的弹性体和液晶弹性体。
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)和碳纳米管(CNT)。其它示例包括离子聚合物凝胶。
场驱动EAP由电场通过直接机电耦合来驱动。它们通常需要高电场(每米数十兆伏)，但需要低电流。聚合物层通常是很薄的，以保持驱动电压尽可能低。
离子EAP通过离子和/或溶剂的电致传输而被活化。它们通常需要低电压，但需要高电流。它们需要液体/凝胶电解质介质(尽管一些材料系统也可使用固体电解质来运转)。
两类EAP都具有多个家族成员，每个家族成员都具有其自身的优点和缺点。
值得注意的第一子类的场驱动EAP是压电聚合物和电致伸缩聚合物。虽然传统的压电聚合物的机电性能是有限的，但是在改善这种性能方面的突破已导致了PVDF弛豫聚合物，其示出了自发的电极化(场驱动排列)。这些材料可被预加应变以改善应变方向上的性能(预应变导致更好的分子排列)。通常，使用金属电极，这是因为应变通常处于中等状态(1-5％)。也可以使用其它类型的电极(例如导电聚合物、基于炭黑的油、凝胶或弹性体等)。电极可以是连续的或分段的。
所关注的另一子类的场驱动EAP是介电弹性体。该材料的薄膜可被夹置在柔性电极之间，从而形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由施加的电场感生的麦克斯韦应力在该膜上产生应力，从而导致膜在厚度方面收缩并且在面积方面扩大。通常通过对弹性体预加应变(需要框架来保持该预应变)来扩展应变性能。应变可能是相当大的(10-300％)。这也限制了可用电极的类型：对于低应变和中等应变，可以考虑金属电极和导电聚合物电极，对于高应变状态，通常使用基于炭黑的油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。
值得注意的第一子类的离子EAP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，该膜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和聚合物膨胀。阴极区域中的应变在聚合物基体的其余部分中产生应力，从而导致朝向阳极弯曲。使施加的电压反转会使弯曲反转。众所周知的聚合物膜是和
值得注意的另一子类的离子聚合物是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常由被夹置在两层共轭聚合物之间的电解质组成。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被从聚合物中除去，从而驱动氧化和还原。还原导致收缩，氧化导致膨胀。
在一些情况下，当聚合物本身缺乏足够的导电性(在尺寸方向上)时，添加薄膜电极。电解质可以是液体、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)。
致动器也可由被悬置在电解质中的碳纳米管(CNT)形成。电解质与纳米管形成双层，从而允许注入电荷。这种双层电荷注入被视为是CNT致动器中的主要机制。CNT充当电极电容器，其中，电荷被注入到CNT中，该电荷随后被通过由电解质到CNT表面的移动形成的电气双层予以平衡。改变碳原子上的电荷导致C-C键长的变化。结果，可以观察到单个CNT的膨胀和收缩。
图1和图2示出了用于EAP装置的两种可能的操作模式。
该装置包括电活性聚合物层8，其被夹置在位于电活性聚合物层8的相反两侧上的电极4、6之间。
图1示出了未被夹持住的装置。如所示，使用电压致使电活性聚合物层在所有的方向上膨胀。
图2示出了一种装置，其被设计成使得仅在一个方向上产生膨胀。该装置由载体层10支撑。电压用于使电活性聚合物层弯曲或屈曲。
电极、电活性聚合物层和载体可被共同视为构成了整个电活性聚合物结构。
例如，该运动的性质源于在被致动时膨胀的有源层与无源载体层之间的相互作用。为了获得如所示的围绕轴线的不对称弯曲，可以例如施加分子取向(膜拉伸)，从而迫使在一个方向上移动。
在一个方向上的膨胀可能由EAP聚合物中的不对称性所引起，或者它可能由载体层的性质中的不对称性或两者的组合所引起。
如上所述的电活性聚合物结构可被用于致动和感测。最为有名的感测机制基于力测量和应变检测。例如，介电弹性体可通过外力而被容易地拉伸。通过在传感器上施加低电压，可以测量作为电压的函数的应变(电压是面积的函数)。
利用场驱动系统进行感测的另一种方法是直接测量电容变化或测量电极电阻的作为应变的函数的变化。
压电聚合物传感器和电致伸缩聚合物传感器可响应于所施加的机械应力而生成电荷(假设结晶度的大小是足够高的以生成可检测到的电荷)。共轭聚合物可利用压电离子效应(机械应力导致离子作用)。当暴露于可被测量到的应力时，CNT在CNT的表面上经历电荷变化。同样已经表明的是，当与气态分子(例如O2、NO2)接触时，CNT的电阻发生变化，从而使得可将CNT用作气体检测器。
机械致动器通常可根据术语而被表征为一组特定的应力-应变组合，在这些致动器的致动性能中，它们能够实现这些组合。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，并且因此致动器的可能应用将受到限制。
对于电活性材料致动器，所期望的是，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。迄今为止，只有通过构造复杂的复合致动器结构才能在该领域中实现改进，这些复合致动器结构由联接在一起的多个EAP致动器构成的组合形成。这种结构制造复杂，具有大形状因数，且需要相当多的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致动器还在可实现的感测性能方面是受限的。众所周知，可以通过将低幅度的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设置额外的传感器。
为EAP致动器增加额外的专用感测层以促进更为精确的感测测量是已知的。然而，这增加了致动器的复杂度和形状因数，并且还可能由于感测层的因频繁的致动循环导致的分层导致致动器寿命的潜在恶化。
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改进的反馈感测。
发明内容
在致动器装置领域中更为广泛地获知的是，将磁性颗粒嵌置在无源聚合物基体内，以便提供能够以不同的方式变形以提供致动效果的装置。然而，已知利用这种装置可实现的致动运动和力的范围是受限的。
文献US 2009/0165877描述了用于在微流体系统中使用的许多致动器装置。在一组实施例中，致动器适于响应于电场的施加而变形。这些可包括电活性聚合物材料以便于该效果。在单独的一组实施例中，致动器适于对磁场的施加作出响应。这些可包括磁性颗粒以便于该功能。
在磁传感器领域中还已知使用嵌置在压电材料基体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体中而制造的磁传感器。磁能的变化在磁性颗粒中感生机械响应，该机械响应随后向压电基体施加应力。这些应力可在由此感生出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，可能的是，将这些效果中的一些结合到电活性材料装置的领域中，以便改善致动或感测功能。
本发明由权利要求限定。
本发明主要涉及结合有磁性颗粒的电活性材料致动器，以促进增强的致动和/或感测效果。可以将下文概述的示例中的任一个的特征有利地组合在一起。
根据本发明的一方面，提供了一种致动器装置，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；和
软磁性材料的颗粒，其被分散在电活性材料内；
磁场生成装置，其能够操作以生成具有可配置场强图案的磁场，以施加在该致动器构件上；
电刺激生成装置；和
控制器，其可操作以便以协调的方式控制磁场生成装置和电刺激生成装置，从而在致动器构件中实现一个或多个变形图案。
本发明的实施例基于下列概念：将软磁性颗粒结合在电活性材料构件内，从而提供了一种结合有电响应特性和磁响应特性的致动器。在实施例中，利用这两个功能来提供致动效果，这些致动效果超出了利用仅利用一种或另一种功能的现有技术装置所实现的或可实现的致动效果。
根据具体示例，电活性材料(EAM)可以是电活性聚合物材料(EAP)。
控制器可操作以提供对于电刺激生成装置和磁场生成装置的协调控制，从而在致动器构件中感生出一个或多个变形形状、构型或动作。在示例中，控制器可操作以提供对这两个装置的协调控制，从而在致动器构件中感生出一个或多个变形形状、构型或动作的程序。
协调控制可包括同时启动这两个装置，和/或可包括顺序地启动这两个装置。控制器可被例如根据至少一种操作模式进行配置以一起启动磁场和电场，从而在致动器构件中提供复合变形，该复合变形例如具有与单独使用电刺激或磁刺激可实现的幅度或范围相比增强的幅度或范围。
另外或作为选择，控制器可被根据至少一种操作模式进行配置，以同时启动这两个装置，以便在致动器构件中提供与仅使用单个刺激装置可能实现的形状相比具有额外的复杂度或复杂程度的特定形状或变形图案。
例如，这两个装置可被一起使用以提供复合致动形状，其由基本变形(例如，例如整个构件的通过电刺激引起的均匀弯曲)形成，在该基本变形的顶部上叠加有(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)附加的局部变形。以这种方式，本发明的实施例能够提供新的致动效果，其超出了先前可实现的效果。
作为另一示例，根据一个或多个示例，可以以顺序启动模式控制磁场和电场生成装置，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的特定致动形状或构型的进展和/或可被用于提供动态致动效果，例如波动或振荡行为。这种电和/或磁刺激的次序可形成变形图案的程序，这些变形图案是控制器被配置成所感生的变形图案。
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。这可被有利地用于实现更为复杂或机械方面更为强有力的致动运动和效果。
作为示例，电刺激生成装置可以是一组电极，用于在致动器构件的至少一部分上施加电场。该装置可作为选择包括可电联接到致动器构件的电流源，用于在致动器构件的至少一部分上提供电流。
作为示例，磁场生成装置可以是可控磁铁(即电磁铁)。该装置可另外或作为选择包括导电线圈，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，线圈可被缠绕在致动器构件的至少一部分的周围。在替代示例中，线圈可被邻近于致动器构件的一部分布置。
在所有示例中，磁场生成装置可操作以生成具有可配置场强图案的场，在更为广泛的意义上，它意指穿过该空间的具有可配置矢量场量的磁场，该磁场延伸穿过该致动器构件的至少一部分。磁矢量场通常由一组磁力线表示，这组磁力线表示特定空间区域中的场的方向性。根据本发明的实施例，磁场的磁力线可以是可配置的。
根据本发明的一个或多个实施例，可以在致动器构件上实现不均匀的变形图案，即局部变化的变形图案。
因此，根据一个或多个实施例，
磁场生成装置可被配置成生成具有不均匀场强的磁场，以施加在致动器构件上；和/或
软磁性材料的颗粒可被不均匀地分散在致动器构件中；
以便，在任一种情况下，在该致动器构件上实现不均匀的变形图案。
在示例中，可以通过生成具有沿给定尺寸是不均匀的场强的磁场来实现不均匀变形图案，不均匀性是沿着该给定尺寸的。
不均匀变形图案可以是指在具体示例中感生出不均匀的表面浮雕图案或不均匀的表面轮廓的图案。
根据一个或多个实施例，控制器可操作以在致动器构件中感生出预定义的一组变形图案中的任一种。控制器可例如具有包括程序指令的存储器，该程序指令用于在致动器构件中实现多种不同的致动模式或构型中的任一种。这些程序指令可包括用于以协调的方式控制电刺激生成装置和磁场生成装置的特定设置或命令组合。这些程序指令可包括用于控制电刺激生成装置和磁场生成装置以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，控制器可操作以执行用于控制该致动器构件的变形的预定控制时程，该控制时程包括用于控制电刺激生成装置和磁场生成装置的步骤，以及可选择地，其中所述控制时程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，输入参数可包括一个或多个用户输入命令。用户输入命令可从一个或多个用户界面单元接收，并且可包括指示待执行的特定的一个或多个控制模式的命令或指示待实现的一个或多个变形图案的命令，或者可被简单地用于触发该致动器的启动或停用(在一系列控制模式中的任一种中)。
附加地或作为选择，输入参数可包括从一个或多个传感器装置或感测元件获得或接收到的参数。感测元件可包括例如用于确定致动程度的部件，如例如将根据下面详述的示例更为详细地描述的那样。
术语‘软’磁性材料泛指那些呈现出可逆的磁化作用的那些磁性材料。它们通常具有一旦暴露于磁场就变得磁化，但一旦移除磁场就失去所述磁化作用的性质。这与所谓的硬磁性材料形成对比，该硬磁性材料甚至是在没有施加外部磁场的情况下也呈现出持续或永久的磁化作用。
根据一个或多个具体示例，软磁性材料的颗粒可包括以下中的至少一种：软铁磁性材料、顺磁性材料和超顺磁性材料。
根据一组或多组实施例，软磁性材料可以是磁致伸缩材料，用于响应于由磁场生成装置施加磁场而实现该致动器构件的收缩或膨胀。
在这些实施例的具体示例中，该磁场生成装置可被配置成生成具有均匀场强的磁场，用于施加在致动器构件上。均匀场强意味着具有与位置无关的场强，特别是在致动器构件主体的整个范围内是相同的场强。均匀磁场可被另外称为同质磁场。
在存在具有均匀场强的磁场的情况下，磁致伸缩颗粒不承受磁性吸引力或磁性排斥力，而是被磁性刺激以便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体的相应变形，并因此导致致动器构件整体的相应变形。在宏观尺度上，这些磁致变形导致该致动器构件的膨胀或收缩。
在根据本发明的任一实施例的其它示例中，磁场生成装置可被配置成生成具有不均匀磁场强度的磁场，以施加在致动器构件上。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各不相同的场强。
更具体地，在当前情况下，场可以呈现出场强在远离该磁场生成装置的方向上例如作为与该磁场生成装置相距的距离的函数的下降。不均匀场可被另外称为空间非同质磁场。
在存在任何磁场(均匀或不均匀)的情况下，对软磁性材料进行刺激以呈现与施加的所述磁场平行且在与施加的所述磁场相同的方向上的磁化作用。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，任何磁化颗粒都将承受净力。在目前的软磁性颗粒的情况下，其中每个颗粒的磁化作用都与所施加的磁场平行且与所施加的磁场相互适应，颗粒各自在该颗粒的位置处承受沿场的(正)梯度的方向上的净力。在磁场在远离磁场生成装置的方向上在强度方面降低的情况下(如在本示例中)，每个软磁性颗粒承受朝向磁场生成装置的吸引力。
因此，通过根据当前描述的示例施加不均匀磁场，磁性颗粒承受朝向磁场生成装置的吸引力。通过适当地控制磁场生成装置以刺激具有特定场强图案的磁场，可以在致动器构件中实现特定的变形图案。特别地，在示例中，可使该致动器构件受到感应以便在磁场生成装置的方向上弯曲或歪曲(特别是如果致动器构件在每一端部被夹持住)。
因此，根据一个或多个实施例，控制器可操作以通过控制磁场生成装置生成具有不均匀磁场强度的磁场，引起该致动器构件的至少一部分在给定方向上的弯曲，该磁场具有沿与所述给定的弯曲方向反平行的方向延伸穿过该致动器构件的磁力线。
根据一个或多个实施例，磁性颗粒可悬浮在电活性材料内的聚合物液滴中，聚合物液滴的粘性低于电活性材料的粘性。在这种情况下，液滴随该致动器构件的任何电致变形而动，但在施加磁场时并不迁移通过该EAP基体。这两种材料可能是不混溶的。提供这种液滴的效果可以是致动器构件内的抵抗EAP基体的变形的阻力减小。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产生相当大的阻力。这与将磁性颗粒直接嵌置在EAP基体内的系统形成对比。在后一种情况下，颗粒确实对EAP的变形施加具局部阻力，这是因为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，但由于这些液滴的粘性显著低于EAP聚合物的粘性，因此对变形的局部阻力是较小的。
根据一组或多组实施例，软磁性材料的颗粒可被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。
特别地，颗粒可在示例中被以一组空间离散的浓度布置在该致动器构件内。优选地，在这些情况下，电活性材料具有粘性，以便在由磁场生成装置的磁场施加磁力时防止颗粒迁移通过该材料。
在这些情况下，磁场生成装置可操作以在所述一组空间离散的浓度中的每一种上生成具有不同磁场强度的磁场。控制器可被根据特定控制模式进行配置，以控制磁场生成装置生成具有不同磁场强度的所述磁场。以这种方式，可以致使该致动器构件的不同局部部分或区域以不同的程度或以不同的图案或构型变形。
因此，在这些实施例中，可以实现更错综复杂的致动模式和动作。特别地，在将对变形进行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图案和致动运动和动作。因此，这显著扩大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建立的应用中的性能。
在根据本发明的另一方面的示例中，提供了一种致动方法，该方法利用了致动器构件，该致动器构件包括：
电活性材料，其适于响应于电刺激的施加而变形；和
被分散在电活性材料内的软磁性材料的颗粒；
并且该方法包括：
以协调的方式控制磁场生成装置和电刺激生成装置，从而在该致动器构件中实现一个或多个变形图案，该磁场生成装置可操作以生成具有可配置的场强图案的磁场。
根据示例，提供了一种致动器装置，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；和
硬磁性材料的颗粒，其被分散在电活性材料内并且被排序，使得该致动器构件的至少一部分在给定方向上呈现出磁化作用；
磁场生成装置，其可操作以生成具有可配置的场强图案的磁场，用于施加在该致动器构件的至少一部分上；
电刺激生成装置；和
控制器，其可操作以便以协调的方式控制磁场生成装置和电刺激生成装置，从而在致动器构件中实现一个或多个变形图案。
这些示例基于与上述概念类似的概念，即在电活性材料构件的主体内结合有磁响应颗粒。然而，这些示例使用硬磁性颗粒而非软磁性颗粒。如上所述的硬磁性颗粒的特征在于呈现出持久或永久的磁化作用，其并不取决于外部施加的磁场。这引入了许多新的可能性和选择方案，用于控制致动器构件的变形以实现新的且有趣的致动模式和效果。
如在上面的示例中，协调控制可包括同时启动两个装置，和/或可包括顺序地启动这两个装置。
在示例中，控制器可操作以便在致动器构件中感生预定义的一组变形图案中的任一种。
根据一组或多组示例，控制器可操作以执行用于控制致动器构件的变形的预定控制时程，该控制时程包括用于控制电刺激生成装置和磁场生成装置的步骤，和可选择地，其中所述控制时程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。
根据一个或多个具体示例，硬磁性材料的颗粒可包括以下中的至少一种：硬铁磁性材料；铁氧体材料、钐钴(SmCo)和铷铁硼(NdFeB)。
如在先前描述的示例中，硬磁性材料可以是磁致伸缩材料，用于响应于由磁场生成装置施加磁场来实现致动器构件的收缩或膨胀。
在这些示例的特定子集中，磁场生成装置可被配置成生成具有均匀或不均匀磁场强度的磁场，以便施加在该致动器构件上，其中，这些术语将被理解为如上所定义的那样。
在具有均匀磁场强度的磁场的情况下，磁致伸缩颗粒并不承受磁性吸引力或磁性排斥力，但被磁性刺激以便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体的相应变形，并因此导致致动器构件整体的相应变形。在宏观尺度上，这些磁致变形导致该致动器构件的膨胀或收缩。
在存在具有不均匀磁场强度(例如，强度远离磁场生成装置而降低)的磁场的情况下，硬磁性材料承受净力。力的方向取决于其自身磁化作用的方向。特别地，如果硬磁性颗粒的磁化作用与所施加的磁场平行且与所施加的磁场相互适应，则磁性颗粒将在颗粒位置的点处承受在磁场强度的(正)梯度的方向上的力。在磁场强度在远离磁场生成装置的方向上降低的情况下，在这种情况下，颗粒将承受朝向该磁场生成装置的吸引力。
相反，如果硬磁性颗粒的磁化作用与磁场的大方向相反指向，则颗粒将在颗粒的位置处承受在与场的梯度的方向相反的方向上的磁力。此外，假设该磁场在远离磁场生成装置的方向上减小，在这种情况下，磁性颗粒将经受排斥力，从而将它们推离磁场生成装置。
因此，在示例中，双向变形变得是可实现的，这是因为颗粒的偏转方向可被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，以根据由场生成装置生成的场线穿过所述部分的方向朝向或远离磁场生成装置偏转。
更具体地，控制器可以在示例中被配置成通过控制磁场生成装置生成具有不均匀磁场强度的磁场，实现致动器构件的在与该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，其中，该磁场具有沿与磁化作用基本相同的方向延伸通过该致动器构件的磁力线。
附加地或作为选择，控制器可在示例中被配置成通过控制磁场生成装置生成具有不均匀磁场强度的磁场，来实现致动器构件的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。该磁场具有在与磁化方向基本相反的方向上延伸穿过该致动器构件的磁力线。
根据一个或多个示例，控制器可被配置成通过控制磁场生成装置生成具有不均匀场强的磁场并将该磁场施加在致动器构件上，以便在致动其构件的至少两个相邻部分中实现相反方向的弯曲，该磁场具有在与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力线。根据这些示例，可以控制相邻部分以相对于磁场生成装置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的部分上施加磁场来实现的。
在具体示例中，控制器可被配置成针对所述各个相邻部分中的每一个顺序地启动磁场，从而在致动器构件中实现波浪运动。可通过控制一组相邻部分中的每一个的相反指向的偏转以一次一个的方式顺序地启动而非同时整体启动来实现波状或摆动运动。这种波状运动在一系列应用中会是有用的或有利的，例如在微流体系统中用于推进或移动流体，用于实现某些机械“润滑”效果，或用于实现与致动器构件的波状表面接合的任何固体或流体主体的推进或运动。
根据一个或多个示例子集，硬磁性材料的颗粒可被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。
特别地，颗粒可在示例中被以一组空间离散的浓度布置在该致动器构件内。
在这些情况下，磁场生成装置可操作用于在所述一组空间离散的浓度中的每一种上生成具有不同磁场强度的磁场。控制器可被根据特定控制模式进行配置，以控制磁场生成装置生成具有不同磁场强度的所述磁场。以这种方式，可致使致动器构件的不同局部部分或区域在不同的程度上以不同的方向或不同的图案或构型加以变形。
因此，在这些示例中，可以实现更为错综复杂的致动模式和动作。特别地，在将对变形作出的这种局部控制与电刺激变形相结合的情况下，可实现宽范围的可能的变形图案和致动运动。这因此显著扩大了所提供的致动器构件的潜在应用的范围，且还增强了它们在已建立的应用内的性能。
其它示例提供了一种致动方法，该方法利用致动器构件，该致动器构件包括：
电活性材料，其适于响应于电刺激的施加而变形，和
硬磁性材料的颗粒，其被分散在电活性材料内，并且被排序成使得致动器构件的至少一部分在给定方向上呈现出磁化作用，
并且该方法包括：
以协调的方式控制磁场生成装置和电刺激生成装置，从而在致动器构件中实现一个或多个变形图案，其中，该磁场生成装置可操作以生成具有可配置的场强度图案的磁场。
根据其它示例，提供了一种致动器装置，包括：
致动器构件，其具有厚度，并包括：
电活性材料，其适于响应于电刺激的施加而变形；和
被分散在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其附近的磁场的强度；和
控制器，其适于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。
这些示例基于使用嵌置在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装置。特别地，本示例是可控制的，以实时地并且与致动器构件的电刺激同时提供对致动器构件的形状变化方面的精确指示。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(如在该构件的形状变化中所具体体现的那样)。在示例中，这些感测能力可被有利地结合到本发明的上述实施例中，如将在以下段落中更为详细地描述的那样。
根据一个或多个示例，控制器可适于确定致动器构件的厚度变化的指示。致动器构件可例如具有包括相对的主表面的层状结构。在这种情况下，厚度应被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。然而更一般地说，该厚度可以指致动器构件的任一任意尺寸，但是更典型地，可以指根据这些示例提供的任一致动器构件的三个尺寸中的更小或最小尺寸。
尽管下面将关于致动器构件的厚度变化的测量来描述这些示例的概念，但是将会理解的是，在其它示例中，概念可被容易地应用于确定形状变化的其它方面。作为非限制性示例，这些可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形状结构的变化。在其它示例中，形状变化可包括致动器构件的整体轮廓或边界的变化。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对结果进行处理以确定致动器构件的整体形状或轮廓已经如何改变来实现。
根据示例的至少一个子集，控制器可适于基于来自磁场传感器的所述输出来确定磁场强度的变化，并且基于所确定的场强变化来确定致动器构件的形状的所述变化。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。该确定可以基于与这两个值相关的等式或表达式，或者在替代示例中，可以例如基于使用控制器可访问的查找表来执行该确定。
根据示例的至少一个子集，控制器还可被配置成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感生致动器构件的变形。因此，根据这些示例，控制器被配置成控制致动器的致动行为和感测行为。致动器构件的致动控制可包括磁刺激变形和/或电刺激变形。在示例中，感测反馈可由控制器与通过电气和/或磁性装置对变形进行的控制相配合来获得。更具体地，控制器可操作以在确定致动器构件的所述形状变化的同时感生所述变形。
所述电刺激的施加可以通过进一步包含在电刺激生成装置的致动器装置内来实现。作为选择，控制器可以与外部电刺激生成装置可操作地联接或能够与之可操作地联接。在示例中，刺激可以是电流，或者在其它示例中可以是电场。
根据一个或多个示例，控制器可适于根据所确定的形状变化来控制在致动器构件中感生的变形的形状或程度。因此，当前描述的示例的固有感测能力可以用于直接通知对致动器构件的变形进行的控制。例如，控制器可以在至少一个控制模式中被配置成继续增大所施加的致动电压，直到满足致动器构件的特定阈值厚度(或其它尺寸或形状阈值)。此时，控制器可被配置成将电压保持于固定水平，以便保持由此实现的变形水平。将在以下部分中更为详细地描述其它示例。
在当前描述的一组示例中的所有示例中，控制器被配置成至少提供致动器构件的形状(例如厚度)变化的指示。在一些示例中，该指示可包括其形状变化方面的数值确定。作为选择，该指示可包括一些其它变量或参数，其可以提供形状变化的间接测定或指示。
在一些示例中，控制器可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，而非仅仅是厚度变化的指示。这可以是绝对厚度的数值测量，或者可作为选择包括与厚度直接或间接相关的一些其它值或参数。
如上所述，在这组示例中提供的感测功能可被有利地组合或结合到本发明的上述实施例中或者组合或结合到上述任何示例中或与上述任何示例组合或结合。特别地，根据本发明，磁性颗粒可以是软磁性颗粒或硬磁性颗粒，并且可包括磁致伸缩颗粒。现在将简要概述与这些选择方案中的每一个相关的具体示例。
根据至少一组示例，颗粒可以是硬磁性材料的颗粒，其中控制器适于基于检测到的磁场强度和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。
在具体示例中，控制器可包括存储器，并且可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，该查找表存储有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。
作为选择，控制器可被配置成确定检测到的磁场强度在给定时间间隔内的变化，并且其中该查找表存储有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到的场强变化，并由此确定相应的形状变化。
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呈现出磁化作用(永久的或场致的)，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测所呈现的磁化作用的变化，可以基于致动器构件的已知材料特性(例如基于已知弹性)或另外基于致动器形状变化与致动器构件材料的主体内的感生应力之间的已知关系来确定形状变化的指示。
因此，控制器被配置成基于致动器构件形状的变化与由颗粒感生的磁化作用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，颗粒可以是软磁性材料的颗粒，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致动器构件的形状变化的所述指示。
特别地，根据一个或多个示例，可以基于下列关系来确定致动器构件厚度的变化
μ＝αNd/<g> (1)
其中，α是取决于材料的常数，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，并且<g>是颗粒之间的在平行于厚度的方向上的平均间距。
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)，则空间间隙<g>的尺寸随着颗粒压缩更为靠近彼此(在压缩的情况下)或彼此更为拉开(在膨胀的情况下)。根据上述关系式(1)，可在所发生的磁导率的发生中测量到空间间隙的这种变化。
通过控制器使用查找表，可将检测到的磁导率的具体变化与致动器构件形状(例如厚度)的相应变化相关联。作为选择，可由控制器基于所确定的<g>的变化(从μ的测量变化推导出)以及<g>与致动器形状之间的已知关系进行计算。这可以是实验得出的关系，特别是对于所讨论的特定致动器构件而实验得出的关系，或者作为选择可以是理论上推导出的关系。
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，颗粒可具有大于1的纵横比，即可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在所呈现出的磁导率的变化方面的灵敏度：形状的较小变化导致磁导率变化方面的较大响应。这可提高所确定的致动器形状变化的精度。
在一些示例中，磁导率可通过测量响应于外部磁场B的施加而在致动器构件上感生的辅助磁场H来确定。通过B和H的商，直接获得磁导率(即B＝μH)。
因此，根据一个或多个示例，致动器装置还包括用于在致动器构件上施加磁场的磁场生成装置，其中，磁场传感器被布置成检测在致动器构件上施加的所述磁场的强度。例如，该磁场可通过磁记录头或霍尔传感器测量到。
在示例中，控制器可以可操作地联接到所述磁场生成装置，并且适于控制所述装置，以便将所述磁场施加到致动器构件。
此外，在具体示例中，电活性材料可具有足够的粘性，以便一旦由磁场生成装置的磁场施加磁力就防止颗粒迁移通过该材料。这确保了颗粒在致动器构件上的一致分布，从而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相应变化相关联。
根据当前描述的一组示例中的任一个，磁性材料的颗粒可被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地检测所述空间离散的浓度中的每一种上的磁场强度的装置。
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)变化。例如，这在致动器构件适于根据不均匀变形图案而变形的情况下会是特别有利的。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型，从而提供更复杂的整体变形图案。这里，例如感测这各个部分中的每一个上的厚度变化在提供例如用于控制该致动器构件的反馈方面会是特别有利的。
附加地或作为选择，这种复合感测能力可实现确定致动器构件形状的更为复杂的方面的变化，例如构件的整体轮廓的变化。例如，通过监视拐构件的一系列连续部分中的每一个如何改变厚度或长度，可以确定该构件的整体外形或轮廓如何改变。
其它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，该致动器构件包括：
电活性材料，其适于响应于电刺激的施加而变形，和
分散在电活性材料内的磁性材料的颗粒，
并且该方法包括：
接收来自磁场传感器的输入，该磁场传感器适于检测致动器构件的至少一部分内或其附近的磁场的强度，以及
基于来自磁场传感器的所述输入，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地描述示例，在附图中：
图1示出了一种未被夹持住的已知电活性聚合物装置；
图2示出了一种已知的电活性聚合物装置，它受到背衬层的约束。
图3示意性地示出了示例性致动器装置；
图4示意性地示出了另一示例性致动器装置；
图5示意性地示出了具有单个磁场而非多个磁场的图4的示例性致动器装置的启动。
图6示意性地示出了悬浮在聚合物液滴中并分散在EAP基体中的磁性颗粒；
图7示意性地示出了示例性致动器构件的一个区段；
图8示意性地示出了示例性致动器构件；
图9示意性地示出了另一示例性致动器构件；
图10示意性地示出了包括磁致伸缩颗粒的示例性致动器构件；
图11示意性地示出了包括软磁性颗粒的示例性致动器构件；
图12示意性地示出了包括软磁性颗粒的另一示例性致动器构件；
图13示意性地示出了包括软磁性颗粒的另一示例性致动器构件；
图14示意性地示出了包括硬磁性颗粒的示例性致动器构件；
图15示意性地示出了包括硬磁性颗粒的示例性致动器构件；和
图16示意性地示出了包括磁致伸缩颗粒的示例性致动器构件。
具体实施方式
本发明主要涉及电活性材料致动器，其包括例如电活性聚合物，该电活性聚合物嵌置有磁性颗粒，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装置，其包括嵌置有软磁性颗粒的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装置。控制器适于以协调的方式控制这两个装置，从而在致动器构件中实现一个或多个变形图案。
示例提供了一种致动器装置，其包括嵌置有硬磁性颗粒的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装置。控制器适于以协调的方式控制这两个装置，从而在致动器构件中实现一个或多个变形图案。
示例提供了一种致动器装置，其包括嵌置有磁性颗粒的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。控制器被配置成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。在具体示例中，所确定的形状变化可被在控制致动器构件的变形图案方面用作反馈。
图3示出了第一示例性致动器装置。该装置包括致动器构件12，该致动器构件12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。致动器构件在两端被通过相应的夹具18夹持住。这两个夹具将致动器构件的任何横向膨胀引导成面外弯曲或变形。
靠近致动器构件12布置有磁场生成装置22，该磁场生成装置22可操作以生成磁场，该磁场具有延伸穿过致动器构件的主体的磁力线。磁场生成装置可包括呈导电线圈或绕组的形式的可控电磁体(例如螺线管)。作为选择，磁场生成装置可以是永磁体，尽管这可能并不是优选的，这是因为它会需要用于将磁体物理地重新定位于致动器构件以及远离该致动器构件重新定位的其它装置，以便改变所施加的磁场强度(或者完全停止施加磁场)。
尽管在图3中将磁场生成装置示出为相对于致动器构件移位，但是在其它示例中，磁场生成装置可被布置成与该致动器构件接触。根据一个或多个示例，磁场生成装置可包括线圈，该线圈被缠绕在致动器构件12的至少一个区段的周围。
该致动器装置还包括一对电极26，这对电极26被固定于致动器构件12的相反的主表面。举例来说，电极可被层压到所述主表面中的每一个上。作为选择，也可以使用任何其它固定或紧固装置。适用于将电极与致动器构件联接的装置对于本领域技术人员来说是显而易见的。
这对电极26提供了电刺激生成装置，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，并由此引起该致动器构件的变形。特别地，电极可操作以便穿过致动器构件的厚度16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，例如弹性体或其它适用的场驱动的电活性聚合物材料(在上文中概述的、同样在下面的其它段落中概述的适用示例)。
尽管在该具体示例中，电刺激生成装置被呈一对电极26的形式设置，但是在其它示例中，可以附加地或作为选择设置用于施加电流的装置。这可包括例如在致动器构件上的一对相应的点处电联接到该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在上文中或在下面的其它段落中所述的示例的离子电活性聚合物。
致动器装置还包括控制器30，该控制器30与磁场生成装置22和这对电极26操作性地联接，并且可操作以便以协调的方式控制这两个装置，从而实现致动器构件12中的一个或多个变形图案的程序。在图3的具体示例中，控制器与磁场生成装置和这对电极电联接，并且适于通过向每个装置传送可控电流或电压来实现对这两个装置的控制。通过控制传送到电场生成装置的电流或电压，可以改变所施加的场的幅度。通过控制传送到电极对26的电压，还可以控制穿过致动器构件12的厚度16感生的电场的强度。
在其它示例中，磁场生成装置22可还设置有单独的专用电源，并且其中，控制器30适于通过经由有效联接传送控制命令来控制由装置22生成的磁场的强度或场模式。
根据当前描述的示例，分散在EAP材料内的磁性颗粒是软磁性材料的颗粒。然而，将会明白的是，图3中所示的致动器装置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。结合有硬磁性颗粒的具体示例将在下面的段落中进行更为详细的描述。
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。软磁性颗粒将被理解为是可被通过外部施加的磁场可逆地磁化且一旦去除该外部施加的磁场就基本上(几乎立即)丧失其磁化作用的颗粒。软磁性颗粒在具体示例中可以是例如软铁磁颗粒、顺磁性颗粒或超顺磁性颗粒。
图3(a)示出了处于闲置的未致动状态中的致动器构件12。
图3(b)示出了在通过磁场生成装置22将磁场32施加到致动器构件时的致动器构件12。在本示例中，磁场生成装置被配置成施加磁场强度不均匀的磁场，特别是在远离磁场生成装置的磁极的方向上场强下降的磁场。
如前一部分中所述，一旦向软(顺)磁性材料施加任何磁场，该材料就被磁化，从而获得了具有与所施加的磁场的方向共同定向的方向的磁化作用(即利用场源22的磁化作用)。在本示例中，每个磁性颗粒在与所施加的磁场共同定向的方向上被磁化。
在所施加的磁场具有在朝向场源的方向上定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感生出净磁性吸引力。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极处感受到的吸引力和排斥力的不平衡。该场在颗粒的感生“南极”(从图3的角度看，处于顶部)比在北极处强。因此，(被吸引到磁源22的N极的)南极处的吸引力比(被磁源22的N极排斥的)北极处的排斥力强。因此，朝向磁场生成装置22存在净吸引力。
如图3(b)中所示，一旦施加磁场32，由此在颗粒和磁场生成装置22之间感生出的吸引力在致动器构件中引起变形。特别地，在致动器构件中沿磁场生成装置的方向引起弯曲36。
图3(c)示出了穿过致动器构件的厚度16同时施加磁场和电场时的致动器构件12。如所示，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相比，大小或幅度显著增加。借助于电极26施加电场引起电活性聚合物材料(由于夹具18而)面外变形。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装置的多种不同的控制模式。纯粹为了清楚起见，在所呈现以示出这些示例性控制模式的图中，并未示出电刺激生成装置和控制器。然而，对于每个附图和示例，将会明白的是，具体体现所述示例性控制模式的致动器装置实际上确实包括所述不存在的特征，并且控制器在所有的情况下都将会被配置成通过对电刺激生成装置和磁场生成装置进行的协调控制来实现一种或多种变形图案。如上所述，协调控制可包括同步和/或顺序控制。
在图3的示例中，软磁性颗粒被基本上均匀地分散遍及致动器构件。然而，在其它示例中，磁性颗粒可被不均匀地分布。在多个示例中，这可实现不均匀的变形图案。
图4(a)示出第一示例。这里，磁性颗粒被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，一旦启动磁场32，仅该中心区域42就承受朝向磁场生成装置22的吸引力。这引起了更为局部化的变形形式。特别地，所引起的弯曲或翘曲可仅延伸或覆盖该致动器构件的较小的中心区段，这与均匀地延伸遍及整个致动器构件形成对照。
附加地或作为选择，图4(a)中所示的颗粒的布置结构使得即使在磁场被穿过致动器构件12的整个长度均匀地施加(这与如已经在图3和图4的示例中所示出的仅穿过狭窄的局部区域施加形成对照)的情况下，也能够磁性地引起致动器构件的弯曲。
图4(b)示出了包括以非中心的局部浓度42聚集的软磁性颗粒的示例性致动器构件。如所示，这使得致动器构件中的变形的刺激能够被定位在致动器构件的最左侧区段中。在示例中，这可例如与使用电极(未示出)的致动器构件的电刺激相结合，从而提供由致动器构件的与如图4(b)中所示的磁致局部变形36相结合的整体基本上均匀的弯曲或翘曲形成的复合变形图案。
如在图4(a)的示例中，尽管在图中示出了局部磁场32，但是该示例与穿过致动器构件12的整个长度均匀地施加的磁场完全兼容。
图4(c)示出了另一示例，其包括磁性颗粒被局部地集中于致动器构件12的长度上的三个均匀间隔开的区域42中。相应的夹具18被设置在每个相应的局部区域42之间。如所示，设置磁场生成装置22，该磁场生成装置22可操作以施加穿过相应的局部区域42中的每一个延伸的磁场。可将分离开的局部磁场32施加到每个相应的区域(如图4(c)中所示)或可穿过致动器构件的整个长度均匀地施加单个磁场，从而覆盖住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。所注意到的是，在这种情况下，会聚可明显小于图4(c)中的布置结构，在图4(c)中的布置结构中，刺激了多个局部磁场。
一旦在三个局部区域42上施加磁场，就在每个区域上引起局部集中的变形，从而感生出复合变形图案，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结构。如在其它示例中那样，这可与致动器构件中的EAP材料的电刺激相结合，从而提供了由图4(c)中所示的三个局部凸起组成的复合变形图案，该局部凸起被叠加在致动器构件的穿过致动器构件的整个长度均匀延伸的更为宽广的整体弯曲或翘曲的顶部上。
例如，这三个区段可被以动态方式同时、单独地或顺序地磁刺激。对这些区段进行的独立刺激可能需要提供图4(c)的布置结构，其中，生成穿过这三个区段中的每一个施加的单独的局部磁场。同样，可以设置单个磁场生成装置，其能够生成具有针对致动器构件的不同区段变化的场强的磁场。
在上述实施例中，假设电活性聚合物基体具有粘性，以防止嵌置的磁性颗粒迁移通过该EAP基体材料。粘性使得由磁场生成装置22施加到颗粒的磁力不足以克服聚合物基体的粘性阻力。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。
根据实施例的一个或多个子集，磁性颗粒可被包封在可弹性变形的聚合物液滴中，该液滴的粘性低于EAP基体的粘性。这在图6中示意性地示出，图6示出了致动器构件的示例性区域，在该区域中，磁性颗粒被设置成悬浮在聚合物液滴48中，该液滴被嵌置在周围的EAP基体46内。
聚合物液滴被分散在整个EAP基体中，每个聚合物液滴包含由一个或多个刚性的磁性颗粒构成的集合。一旦对EAP进行电刺激(图6的右侧上所示)，聚合物液滴就通过弹性地改变它们的形状而跟随EAP基体的感生变形，但由于它们相对较低的粘性而导致它们并不会迁移通过该聚合物基体。这两种聚合物应特别是互不相溶的。
提供被包裹在聚合物液滴内的磁性颗粒的效果可以减轻对EAP基体的变形的抵抗力。这是因为一旦EAP变形，聚合物颗粒就能够变形而并不对周围的EAP施加相当大的阻力。这与其中磁性颗粒被直接嵌置在EAP基体中的系统形成对照。在这种情况下，颗粒确实对EAP的变形施加了局部阻力，这是因为EAP分子必须沿颗粒的表面迁移(剪切)。还会发生对液滴的剪切，但由于这些液滴的粘性明显低于EAP的粘性，对于变形的局部阻力是较小的。
如上所述，根据本发明的实施例，通过对磁场生成装置和电场生成装置进行的协调控制，可以实现一系列的变形形状和效应。在示例中，这可包括同时启动这两个装置以提供复合致动模式。根据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施加。在它们于相同方向上施加的情况下，可以实现加强或增强的变形响应。在它们于相反方向上施加的情况下，可以实现双向致动模式，其中，可以在致动器构件的不同区段中引起反向引导的弯曲。
所注意到的是，在同时施加电场和磁场的情况下，为了产生幅度增强的变形响应，应该确保所感生出的磁力大于由带电电极所感生出的静电力。
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。颗粒的浓度可穿过致动器构件不均匀地变化，从而调节致动器以提供不一致的变形响应图案。
根据本发明的示例为EAP致动器提供了改进的性能。特别地，根据本方面的示例性致动器能够通过组合磁性变形和电刺激变形来提供更大的致动力，和/或能够通过协调地使用电子和磁刺激来提供一系列的不同致动运动和变形形状。由每个刺激装置引起的变形可被叠加，或者可以顺序的方式加以控制。
通过适当的夹具，可以感生出在不同的区域处呈现不同的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)中所示。这可扩展到四个、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。这些区段可以是控制器以一起或顺序地进行刺激。根据任何描述的示例，可以设置多个磁场生成装置22，以便于对致动器构件的不同区域或区段进行独立的磁刺激。磁场生成装置可被设置在致动器构件12的同一侧或不同侧上，以便能够施加具有不同方向性的磁场。通过将具有不同方向的场施加到不同的区域，可以感生出不同的区域以便在不同的方向上变形。因此可实现双向性。
现在将参考附图描述替代的示例性致动器装置。这些示例提供了一种致动器装置，该致动器装置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装置。控制器适于以协调的方式控制这两个装置，从而在致动器构件中实现一个或多个变形图案的程序。
如上所述，图3中所示的装置架构可以被适当地用在当前的一组替代示例中。尽管图3中表示的具体示例包括软磁性颗粒，但是利用硬磁性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，读者参考上文中关于图3的描述，以获得对适用的示例性致动器装置的结构进行的详细描述。
根据本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的颗粒。出于本文献的目的，硬磁性材料被理解为被(通过预先施加外部磁场而)不可逆地磁化的且一旦移除磁场也并不会丧失其磁化这样(即它具有显著的剩余磁化作用)的材料。作为非限制性示例，硬磁性颗粒可由诸如铁氧体之类的铁磁性材料和诸如SmCo或NdFeB之类的金属制成。用于形成硬磁性颗粒的其它适用材料对于具有本领域技术知识的读者来说是显而易见的。
为了提供具有分散的硬磁性颗粒的致动器构件，可将硬磁性颗粒与电活性聚合物混合以形成EAP复合材料。该复合材料可被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且一致的磁化作用，磁性颗粒需要磁化过程，这通过施加强磁场来实现，以使颗粒的磁矩在统一的方向上排列。
可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。这随后使得颗粒难以通过EAP材料均匀地混合。因此，更优选地，在混合EAP复合材料之后进行颗粒的磁化，因此颗粒已经被固定在EAP内的适当位置。在这种情况下，EAP应具有足够高的粘性，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，将外部磁场施加到该致动器构件，以使磁矩在一致的方向上对齐。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(即场强一致的)磁场被用于磁化颗粒，这是因为这导致穿过整个致动器构件的磁化作用更为均匀(这是因为在每个点处都承受相同的磁场强度)。然而，在所施加的磁场强度足够高以使颗粒开始磁饱和的情况下，也可以考虑使用场强不均匀的磁场进行磁化。
根据一个或多个示例，可以在磁化致动器构件时将故意不均匀的磁场施加到该致动器构件，以便穿过该构件感生出不一致的磁化图案。通过提供不均匀的磁化作用，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程度。通过改变穿过不同区域的磁化强度，不同区域可通过或多或少对均匀磁场的施加作出响应。这可响应于均匀场的简单施加来产生所关注且复杂的变形图案。
在具体示例中，一些区域可被保持未磁化，而其它区域被均匀地磁化。这可提供铰接式的或接缝式的变形响应，其中，所施加的磁场致使磁化区域围绕未磁化区域或在其周围变形。在示例中，磁化颗粒的区域可通过非磁化颗粒的区域分离开。根据一个或多个示例，可将致动器构件的不同区域设置成具有不同极性或方向性的磁化作用，其中，两个相邻区域例如被反向地磁化。
如所述，根据当前描述的示例的致动器装置的基本结构可被通过上文中的图3的图示而获得理解。然而，用于(通过磁和电子装置)刺激致动器构件中的变形图案的控制模式通常可与在包括软磁性颗粒的示例中使用的控制模式不同。现在将详细地描述根据本示例的用于控制致动器构件的模式和装置。
图7示意性地示出了用于磁性地操纵示例性致动器构件12的简单的第一装置。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的一小段。颗粒被均匀地排列以使致动器构件在向上的方向上充满(从图7的角度看)整体磁化作用。由于颗粒具有并不取决于磁场的持续施加(这与上述实施例不同)的永久的剩余磁化作用，因此在本示例中，可以通过控制所施加磁场的方向性来控制致动器构件在不同的预期方向上变形。
这在图7中所示的两种构型中示出。在左侧构型中，控制磁场生成装置22以施加(场强不均匀的)磁场，该磁场具有与分散在致动器构件12中的颗粒的磁化作用共同定向的磁化作用。在这种情况下，所施加的磁场在颗粒上(即在磁场生成装置22的方向上)施加吸引力。根据该示例，电活性聚合物的粘性足够高以防止颗粒迁移通过聚合物基体。结果，由所施加的场施加的吸引力引起致动器构件在朝向磁场生成装置22的方向上的弯曲。
在图7的右侧构型中，磁场生成装置22被控制或配置成施加场强不均匀的磁场，该磁场具有相对于致动器构件12内的颗粒的磁化作用反向地定向的磁化作用。在这种情况下，所施加的场在颗粒上(即在远离磁场生成装置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的至少所示区段在远离磁场生成装置22的方向上的弯曲。
因此可以看出的是，通过控制所施加的磁场的方向，可以控制在示例性致动器构件12的一个或多个区段中引起的弯曲(或其它形式的变形)的方向。
在这两种情况下，都施加场强不均匀的磁场。该场的场强特别是在远离磁场生成装置22的方向上下降。由外部磁场施加在磁化本体上的磁力通常可由关系式(即grad(m·B))给出。在磁场的场强随着与磁场生成装置相距的距离增加而下降的情况下，这导致在朝向磁场生成装置的方向上的m·B的正梯度(假设穿过致动器构件的均匀磁化作用)。施加在磁性颗粒上的磁力的具体方向在每种情况下都将取决于所施加的磁场相对于颗粒的磁化方向的方向。
在磁场生成装置很小的情况下，或者至少在磁场生成装置能够生成被包含或受限在其空间跨度中的场的情况下，可以实现该致动器构件的局部集中的变形。
该概念在图8中示意性地示出。在该示例中，制备穿过其整个长度具有均匀的磁化作用的致动器构件12，其中，该致动器构件的每个区段52、54中的磁化方向是相同的。
在图8(a)中，第一磁场生成装置22沿与颗粒的磁化方向相反的方向穿过致动器构件12的第一区段52施加磁场32，并且第二磁场生成装置22在与颗粒的磁化作用共同定向的方向上穿过该致动器构件的第二区段54施加磁场32。结果，第一区段52中的颗粒经受排斥力，从而使第一区段远离第一场生成装置变形，并且第二区段54中的颗粒经受吸引力，从而使第二区段朝向第二场生成装置变形。这在致动器构件中导致了波状或起伏的变形图案。
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被反转，使得第一区段52向下变形而第二区段54向上变形。
通过根据时间循环地转换两个磁场生成装置22的方向性，可以实现动态波状或起伏的变形效果。
除了改变两个磁场的方向性之外，这两个场的强度也可被根据时间或静态地改变，以便在两个相邻的确定区段中的每一个中获得不同的变形程度。结果，可以实现几乎不受限制的一系列不同的双向变形图案。
此外，尽管在图8中仅示出了两个区段，但是本领域技术人员将容易理解，该概念可扩展到包括任意数量的不同区段的致动器构件，每个区段均设置有可独立控制的磁场。这可通过为每个区段提供独立的磁场生成装置或通过提供能够在不同的横向位置处生成具有不同强度的场的磁场生成装置而得到促进。
当扩展到大量(例如10个或更多个)可独立控制的区段时，可通过对每个连续区段顺序地启动磁场而沿该致动器构件生成行波图案。这种行波可有利地被用于例如在致动器构件上产生流体流。例如，这可被用作泵。这种起伏的变形模式例如在用于推进或移动流体的微流体系统中是特别有用的。
图9示出了图8的示例性控制模式的变型，其中，将(横向)均匀的磁场施加在致动器构件上，且分散在两个相邻区段52、54中的颗粒分别具有以不同方式定向的磁化作用。结果，一旦施加横向均匀的磁场32，致动器构件12的两个相邻区段52、54中的每一个就在不同的相应方向上变形。
如图9(b)中所示，通过转换所施加的磁场32的方向性，可反转两个相邻区段52、54的相应变形方向。因此，在示例中，通过循环地转换单个横向均匀的磁场32的方向性，也可实现在图8的示例中实现的动态起伏运动。
通过在致动器构件12的电活性聚合物基体内提供不均匀的颗粒分布，还可实现其它变形效果。这些可实现的效果反映了上文中参照图4的示例示出和描述的效果。通过以局部浓度布置磁性颗粒，可实现局部变形效果。
参考图4，通过将硬磁性颗粒集中在中心区域42中，可实现中心局部弯曲或变形。另外，根据示例，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区段42的不同弯曲方向。磁场方向可被循环地反转，从而实现例如振荡运动。相同的原理可适用于如图4(b)中所示的非中心区段42。
附加地或作为选择，如图4(c)中所示，通过提供颗粒的多个局部浓度，可在一系列局部区域42上实现局部变形。通过在每个相邻区段之间设置夹具，可以增强局部变形效果。另外，根据示例，可以通过改变给定区域处的所施加的磁场的方向来独立地控制每个单独区段的弯曲的方向性。结果，可以实现一系列不同的变形图案。
在描述上述示例时，已经仅详细描述了对致动器构件的磁变形的控制。然而，将会明白的是，在任何本示例的实施方案中，磁变形效果被以与电致变形效果一致地或互补地施加。如图3中所示，在示例中，可以设置一对电极，其被固定到致动器构件的相反的主表面，用于以所施加的电场的形式向电活性聚合物施加电刺激。
电致变形可被与磁致变形同时施加，或者控制器30可被配置成实施对于两种刺激的协调顺序控制，以获得复杂的静态的或随时间变化的变形图案。在所有情况下，对于两个刺激装置(电子和磁性)的协调控制能够实现不同变形动作、形状和效果的显著增强的范围和广度。
根据上述本发明的任何实施例，或根据上文详述的其它示例，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。一旦磁致伸缩材料磁化，该材料就表现出应变，即每单位长度的长度变化。相反，磁性材料中的(即通过施加外力感生的)外部感生应变将导致材料的磁性状态的变化，从而引起穿过该材料呈现的磁场的变化。磁致伸缩材料的磁性状态和机械状态之间的这种双向联接提供了可用于致动和感测形状变化的转换能力。
磁致伸缩颗粒可由软磁性材料或硬磁性材料形成，因此下面描述的示例与本发明的任何实施例或上述任何示例的应用是可兼容的。
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包括其中分布有磁致伸缩颗粒的电活性聚合物材料。
上部图像示出了在施加磁场之前处于闲置状态中的致动器构件12。示意性地示出了处于该第一状态下的示例性磁性颗粒62的磁特性。示例性颗粒被描绘成包括示例性的一组磁域，每个磁域包括具有不同相关排列的磁偶极子。尽管仅示出了四个域，这四个域包含以四个完全垂直的取向排列的颗粒，但这仅仅是示意性说明，并且实际上可存在更多个域，并且通常在一种颗粒内将存在非常大量的(主要是微观的)域，从而包含以不同取向排列的偶极子。
在并未施加任何磁场的情况下(如颗粒62的情况下)，穿过不同域的磁偶极子具有随机方向，使得在宏观尺度上，偶极矩平衡并且每个颗粒都呈现出零净磁化。
图10的下部图像示出了在施加均匀磁场(即具有一磁场强度的磁场，该磁场强度穿过致动器构件的范围是均匀的并且并不随位置而变化)时的致动器构件。借助于适用的磁场生成装置(未示出)，例如可控电磁铁或其它线圈或螺线管，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子开始在共同方向上排列(与所施加的场平行)。颗粒64示意性地表示在施加低强度磁场时的示例性颗粒的磁域，并且颗粒66表示了施加高强度磁场时的域，此时颗粒内的所有域的偶极子已对齐，从而有效地保留偶极子的单个均匀域，其中，所有的偶极子均在共同方向上排列。
当将任何均匀磁场施加到这种致动器构件12时，并不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历形状变化。特别地，磁致伸缩颗粒的体积发生变化。假设对于在非刺激状态下为球形的颗粒，施加磁场致使颗粒略微变形成椭圆形。在宏观尺度上，这可被用于提供小致动，但具有更高的力。
根据磁致伸缩材料的特定类型，一旦施加磁场，就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，示出了负磁性材料的颗粒。施加垂直排列的磁场导致颗粒的水平排列变形(或压缩)。这导致致动器构件的厚度16的整体减小。
所注意的是，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的)示例不同，其中，磁刺激致动仅可在施加不均匀磁场时才能实现。
在图10的具体示例中，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的具体示例中，示出了长度增加。结果，致动器构件的电活性聚合物基体将在垂直于致动器构件的厚度16的方向上膨胀。该膨胀可被用于提供小振幅但高力的致动力。
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。如可见，颗粒在横向方向上存在轻微的膨胀。
在其它示例中，可以使用磁致伸缩材料，该磁致伸缩材料适于在磁场的影响下收缩。在这种情况下，电活性聚合物基体将相应地同样以小幅度但高的力收缩。这两种材料在单个致动器构件内的组合可在示例中实现双向驱动，其中，致动器构件的不同区段可以分别膨胀或收缩。
根据一个或多个其它示例，磁致伸缩颗粒可被不均匀地分布通过致动器构件，从而提供磁性颗粒的一组局部浓度。这可实现与结合图4的示例描述的效果类似的效果，其中，可以获得局部变形效果。例如，通过如图4(c)中所示以一组三种不同的浓度来集中颗粒，可在每个所述局部区域42中刺激不同的膨胀或收缩效果。特别地，在具有高颗粒浓度的区域中，聚合物基体的任何膨胀或收缩都将会更大，并且因此将发生局部变形效果。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，以形成任何预期的变形构型。
根据一个或多个其它示例，可以结合结构化磁场来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获得不同的变形效果。特别地，结构化磁场可在不同的局部区域处具有不同的场强或方向，从而获得局部变化的变形效果。
磁致伸缩颗粒的使用可有利地被与本发明的任何所述实施例或上文概述的任何示例相结合。
另一组示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。
根据这些示例，提供了一种致动器装置，其包括嵌置有磁性颗粒的EAP致动器构件并且还包括用于检测致动器构件的主体内或其附近的磁场强度的磁场传感器。控制器被配置成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。在具体实施例中，所确定的形状变化可被用作控制致动器构件的变形图案的反馈。
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。该致动器构件可例如具有包括相反的主表面的层状结构。在这种情况下，厚度将被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，更为概括地说，厚度可以指的是致动器构件的任何任意尺寸，但是更典型地可以指的是根据当前描述的示例提供的任何致动器构件的三个尺寸中的较小或最小的尺寸。
尽管下面将描述特别涉及测量致动器构件的厚度变化的具体示例，但是将会明白的是，在其它示例中，类似的概念可被容易地应用于确定形状变化的其它方面。作为非限制性示例，这些可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形状结构的变化。在其它示例中，形状变化可包括致动器构件的整体轮廓或边界的变化。
该概念可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具体示例。
应用于包括分散的软磁性颗粒的示例性致动器构件的概念在图11到图13中示出。在这种情况下，该概念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，磁导率可容易地超过1000)，电活性聚合物复合材料的磁导率(μ)可被获得以与下列成比例：
μ＝αNd/<g> (1)
其中，α是比例参数，N是垂直于致动器构件的厚度的单位表面积的颗粒数(其中，厚度被在前一部分中描述的意义上加以理解)，d是每个颗粒的与致动器构件的厚度平行的平均尺寸，并且<g>是致动器构件的磁性颗粒之间的在与厚度平行的方向上的平均间距。
在分散的磁性颗粒的长度d在与致动器构件的厚度平行的方向上增加(即，以赋予它们不相等的纵横比)的情况下，针对任何给定<g>所呈现出的磁导率的总体大小被显著增大。这在图11中示意性地示出，图11示出了具有分散的磁性颗粒的示例性致动器构件12。在左侧图像中，颗粒在高度尺寸和宽度尺寸上是基本对称的，从而具有小的d 82和大间隙距离<g>。
右侧图像示出了具有显著扩张的高度尺寸d 82的颗粒的致动器构件，并且其中，空间间隙<g>已因此显著减小。由于这些变化，导致磁导率μ增大了一百倍。这些数字仅作为说明来提供，并且颗粒的用以提供增大的高度尺寸d的任何等效修改同样是适用的。
提供这些高度延伸的椭球形颗粒可通过一系列众所周知的方法中的任一种来实现，并且用于形成这种颗粒的装置对于本领域技术人员(特别是任何胶体化学家)来说都是显而易见的。
在实施例中，通过向致动器构件12施加相对大的均匀磁场，同时提高其温度以由此降低电活性聚合物基体的粘性阻力，可以实现图11中所示的颗粒的均匀排列。不均匀场也可被用于排列颗粒。然而，这将会导致在颗粒上施加净平移力，从而导致破坏了颗粒在EAP基体内的分布。使用均匀磁场避免了这种困难。
一旦实现了所需排列，就可再次降低该温度，以将颗粒固定在适当位置中，并移除所施加的磁场。
当考虑具有高固有磁导率的材料的颗粒时，致动器构件12的有效磁导率与d/<g>大致成比例。当已将颗粒适当地排列时，如图11的右侧图像中一样，空间间隙<g>通常明显小于颗粒‘高度’尺寸d。比率d:g的典型值可例如是10:1。结果，处于闲置的未致动状态下的致动器构件的有效磁导率可与μ＝α*N*10大致成比例。
当在(被放置在致动器构件的相反的主表面上的)电极26之间施加电压时，穿过致动器构件12建立电场，从而促进致动器构件的厚度减小。在磁性颗粒比电活性聚合物基体更硬的情况下，这种厚度压缩迫使颗粒更为靠近，从而减小了平均空间距离<g>。
这在图12中被示意性地示出，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。一旦在电极26之间施加电场，就引起致动构件在厚度方面的收缩，从而导致在图12的右侧图像中示出的致动状态。如所示，颗粒之间的空间间隙d被显著减小。
特别地，如果该间隙被减小到其尺寸的一半，则磁导率μ将加倍，使得它可与μ＝α*N*20大致成比例。如果该间隙被减小到其原始尺寸的十分之一，则磁导率将增加10倍，使得它可与α*N*100大致成比例。如果构件12的压缩是足够大的以使颗粒之间的间隙被完全闭合住(即，颗粒间的EAP被完全挤出，从而在颗粒之间不留下间隙)，则磁导率将恢复到颗粒的固有磁导率，使得它与μ＝α*N*μ固有大致成比例。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它方式)直接转化为致动器构件的所呈现出的磁导率的可测量变化。在致动器构件的结构与图11和图12的示例相一致的情况下，厚度的小变化导致所呈现出的磁导率的大变化(例如，呈数量级地变化)。因此，通过测量致动器构件12的磁导率的变化，可以定量地推导出厚度的变化。
致动器构件的磁导率可在示例中通过另外设置的磁传感器(例如磁记录头或霍尔传感器)进行测量。在示例中，致动器装置还可包括磁场生成装置，用于穿过致动器构件施加小(例如均匀)磁场，并且其中，通过测量穿过致动器构件所呈现的辅助场的变化(即使用一般关系B＝μH)来测量磁导率。通过施加均匀磁场，可提供这种感测功能，而并不会干扰使用不均匀磁场的致动器构件的任何磁致变形。以这种方式，本文描述的厚度感测可被有利地结合到上文中结合本发明描述的示例性致动器实施例中的任何一个。
图12的致动器装置还可包括控制器(未示出)，磁传感器(和可选择地磁场生成装置)可被操作性地联接到该控制器。控制器可被配置成控制该传感器以监测致动器构件的磁导率或监测穿过致动器构件的磁场强度。基于测量到的磁场强度，该控制器可被配置成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到的或经确定的磁导率(或磁导率变化)转换为相应的厚度变化。查找表可被存储在由致动器装置所包括(例如由控制器所包括)的存储器中。查找表可存储已知对应于一系列不同可能的测量到的或经确定的磁导率值的相关厚度变化值。作为选择，可以通过控制器使用理论关系来计算厚度的变化。
在具体示例中，测量到的磁导率值或经确定的厚度变化值可由控制器用于控制致动器构件的磁刺激和/或电刺激。以这种方式，测量到的构件厚度变化可被用于通知对致动器构件的致动程度或形状进行的控制。因此，上述感测功能可被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，磁性颗粒可以贯穿致动器构件12不均匀地分布。图13中示意性地示出了一个示例，其示出了一种致动器构件，该致动器构件包括分布在该致动器构件的EAP基体上的软磁性颗粒的三种空间分离的局部浓度42。通过如所示提供颗粒的不均匀性，可以实现对致动器构件的不同局部区段处的致动器厚度进行感测。特别地，可以设置单独的专用磁传感器，用于感测在每个局部浓度42上的磁场或磁导率。以这种方式，可以实现对磁导率进行独立的局部测量，并因此可以实现对厚度变化进行独立的局部测量。
应用于包括分散的硬磁性颗粒的示例性致动器构件的概念示于图14和图15中。在这种情况下，该概念基于监测穿过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，致动器构件的单位表面积的体积改变，从而改变有助于穿过任何固定长度的磁化作用的永磁颗粒的数量。这可以通过附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。右侧图像示出了在电极96、98之间穿过其厚度16施加电场时的致动器构件。该电场刺激该致动器构件的EAP材料变形，从而导致厚度减小。
磁场传感器92被邻近于致动器构件12布置，该磁场传感器92可操作以监测或测量该致动器构件内或其附近的一位置处的磁场强度。
如图14中示意性所示，一旦对致动器构件12进行电刺激，位于磁传感器92的感测区域102内的磁性颗粒的数量就减少。结果，由该致动器构件的该特定横截面所呈现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感测到的磁场强度的变化，可以检测和监测该致动器构件的厚度的变化。
磁场传感器92可以操作性地联接到控制器(图14中未示出)，该控制器被配置成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。在具体示例中，这可以通过被存储在控制器的本地存储器内的或是控制器可访问的、存储有与一组测量到的磁场强度中的每一个相关的致动器构件厚度值的预定查找表来实现。这些值可以例如针对每个具体的致动器构件通过实验得出，或者可以是已知属于具有具体规格的所有致动器构件的标准值。作为选择，厚度变化值可由控制器基于已知的理论关系来确定。
在当前描述的示例中，所确定的致动器构件的厚度变化可被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，厚度测量提供了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，通过预定查找表或其它方式，控制器可被配置成增加施加在电极96、98之间的电压，直到达到预期厚度为止，于是电压被平整到恒定值。
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、这些颗粒与传感器相距的距离以及通过致动器的致动引起的具体变形形状—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中示意性地示出，图15示出了具有分散的硬磁性颗粒并且通过一组夹具18在任一端处被夹持住的示例性致动器构件12。当对致动器构件进行电刺激时，由于该夹持引起弯曲，这导致磁性颗粒和磁场传感器92之间的距离增大。这通常可导致感测到的磁场强度的降低。为了解决该问题，控制器可被配置成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，控制器可被操作性地联接到电极96、98和磁场传感器，使得可以在任何时候获知正被施加到致动器构件的具体电压。这随后可被用于计算补偿场强值。
对于当前示例中的任一种，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整电和磁致动效应。
应用于包括分散的磁致伸缩颗粒的示例性致动器构件的概念在图16中示意性地示出。在这种情况下，该概念还基于监测由致动器构件中的磁性颗粒所表现出的磁化强度。一旦对致动器构件进行电刺激并且随后变形，就在EAP基体内感生出应力，该应力的大小取决于致动器构件中通过变形引起的应变。这些应力又被施加到磁致伸缩颗粒。如上所讨论的那样，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作用的性质。因此可以看出，通过监测穿过致动器构件的至少一部分所呈现的磁化作用，可以确定和监测致动器构件的厚度变化(即，感生应变的分量)。
在图16中示意性地示出了一个示例，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中分散有磁致伸缩颗粒。左侧图像示出了处于初始未致动状态的致动器构件。一个示例性磁性颗粒的磁性由62示意性地示出，其示出了，在该初始状态下，颗粒具有零净磁化(磁偶极子被在随机方向上排列)。一旦致动器构件变形，磁性颗粒的形状就变形，从而从62中的程度更大的球形变为63的程度更大的椭球形。结果，导致颗粒获得净磁化(如以63所示)。对于本示例，假设颗粒由阳性磁致伸缩材料制成。结果，颗粒响应于具有相应水平排列的磁化作用(在本示例中，从图16的角度看，在从右到左的方向上)的致动器构件的水平排列的变形。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中，就不存在优选方向。当颗粒密度足够大时，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。人们可在设计或操作中对此进行考虑。
图16中所示的具体颗粒形状仅作为对于概念的说明而呈现出，并且在其它示例中，颗粒可具有任何所需形状，而并不减少所述示例的要求保护的效果。
所呈现出的磁化强度的变化可通过所设置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)或者例如是霍尔传感器或磁阻传感器。适用于测量磁场强度的其它现有技术磁传感器对于本领域技术人员来说是显而易见的。
磁场传感器可以被与控制器操作性地联接，该控制器可操作以基于检测到的场强确定致动器构件12的厚度16的值或厚度16的变化。在示例中，可以通过预定查找表来确定厚度变化，该预定查找表被存储在控制器的本地存储器内，或是控制器可访问的，存储有与一组测量到的磁场强度中的每一个相关联的致动器构件厚度值。这些值可以例如针对每个特定的致动器构件通过实验得出，或者可以是已知属于具有具体规格的所有致动器构件的标准值。作为选择，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，所确定的致动器构件的厚度变化可以在示例中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，厚度测量提供了直接或间接反馈，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多个因素，这些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，该距离可以作为所施加的场电压(或电流)的函数而改变。在示例中，例如根据关于前一示例描述的方法，控制器可以适于补偿这种取决于电压的场强变化。
同样如关于前一示例所讨论的那样，所确定的厚度变化可以由控制器利用以通知对于致动器构件的变形的控制。所确定的厚度变化可被用作例如控制致动器的致动行为的反馈回路的一部分(如上所述)。
如上所讨论的那样，磁致伸缩颗粒可以是由硬磁性材料或软磁性材料制成的颗粒。因此，在特定情况下，当前描述的一组示例可以与本发明的任何上述实施例或上文概述的其它示例组合或结合。
根据当前示例中的任一个，可以在通过电刺激或磁刺激来刺激致动器构件的变形的同时执行对该致动器构件的形状变化的感测。对于同时磁敏和磁刺激变形，形状(例如厚度)变化的确定可能需要补偿正被主动地穿过该致动器构件施加的已知磁场。
例如，在分散的硬磁性颗粒的情况下，任何测量到的穿过致动器构件的磁场强度通常可以包括正被施加用于刺激变形的磁场。为了(通过监测穿过该构件呈现出的磁场强度的变化—如上面的示例中所述)监测形状变化，仅需要从测量到的场强中减去或以其它方式消除已知的主动施加的磁场的大小。在测量嵌置有软磁性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。
根据当前示例中的任一个，可以实现确定致动器构件的通过(电气地或磁性地)刺激该构件的致动所引起的形状(例如厚度)变化。这尤其可以通过在致动之前确定该构件的形状的指示并且随后在致动该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被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。
尽管在本文上面的详细描述中，已经针对EAP描述了根据本发明的装置和系统的结构和操作，但是本发明实际上可被用于基于其它种类的EAM(电活性材料)的装置。因此，除非另有说明，否则上文中的EAP材料可被利用其它EAM材料予以代替。这种其它EAM材料在本领域中是已知的，并且本领域技术人员将知道何处找到它们以及如何应用它们。下面将描述多种选择方案。
场驱动的EAM可以是有机或无机材料，并且如果是有机材料，则可以是单分子的、低聚物的或聚合物的。它们通常是压电的并且可能是铁电的，并由此包括自发的永久极化(偶极矩)。作为选择，它们是电致伸缩的，并且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)。作为选择，它们是介电弛豫材料。这种聚合物包括但不限于下列子类：压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物、弛豫铁电聚合物(例如基于PVDF的弛豫聚合物或聚氨酯)、介电弹性体、液晶弹性体。其它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甚至是在非常高的操作频率下也几乎不显示滞后损失。然而，以温度稳定性为代价获得了优点。在温度可被稳定在约10℃内的情况下，弛豫运行最佳。乍一看这似乎是极其有限的，但鉴于电致伸缩体在高频率和非常低的驱动场中表现优异，那么应用往往处于专门的微型致动器中。这种小型装置的温度稳定性相对简单，并且在整个设计和研发过程中通常只是一个小问题。
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，即在同时感测和致动功能方面是有利的。当将零驱动场(即电压)施加到弛豫铁电材料时，这些材料是非铁电的，但在驱动期间则变成是铁电的。因此，在非驱动时该材料中不存在机电耦合。根据上述过程，当施加驱动信号时，机电耦合变为非零，并且可以通过在驱动信号之上施加小振幅的高频信号来进行测量。此外，弛豫铁电材料受益于非零驱动信号下的高机电耦合和良好的驱动特性的独特组合。
无机弛豫铁电材料的最常用的示例是：铌酸铅镁(PMN)、铌酸铅镁铅酸铅(PMN-PT)和锆钛酸铅镧(PLZT)。但是其它材料在本领域中也是已知的。
基于PVDF的弛豫铁电基聚合物示出了自发的电极化，并且它们可被预应变以在应变方向上改善性能。它们可以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。
当前驱动的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)聚合物复合物和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、硅树脂。
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作为悬浮在基体材料中的材料植入。基体材料可包括聚合物。
对于包括EAM材料的任何致动结构，可以设置额外的无源层以响应于所施加的驱动信号影响EAM层的行为。
EAP装置的致动布置或结构可具有一个或多个电极，用于向至少一部分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可被夹置在两个或更多个电极之间。这种夹置对于包括弹性体介电材料的致动器布置而言是必需的，这是因为其致动尤其是由于由因驱动信号而彼此吸引的电极施加的压缩力所导致的。两个或更多个电极也可被嵌置在弹性介电材料中。电极可以是图案化的或非图案化的。
基板可以是致动布置结构的一部分。它可被附接到EAP的整体和电极、附接到电极之间、或附接到外部的电极之一。
电极可以是可拉伸的，使得它们跟随EAM材料层的变形。这对于EAP材料而言是尤其有利的。适用于电极的材料也是已知的，并且可以例如选自下列组，该组包括金属膜，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。
一些布置可在电活性材料层的每一侧上具有电极层。仅在一侧设置电极层，例如使用交叉梳状电极。
例如，将考虑不同层的弹性模量(杨氏模量)来选择用于不同层的材料。
可以使用上面讨论的那些层的附加层来适应该装置的电气或机械行为，例如附加的聚合物层。
上述示例使用复合材料，这些复合材料组合电活性材料(特别是聚合物)和其它颗粒(通常将被称为“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学性质的影响。
首先呈现介电弹性体电活性材料的示例。它们被夹置在两个电极之间以产生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被广泛地以工业规模加以使用。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、聚二甲基硅树脂)制成，以增加声阻抗和耐磨性。含有金红石(TiO2)的PDMS(硅树脂)化合物被广泛地用于增大折射率或产生白色反射材料。
关于介电电活性聚合物的性能，与诸如陶瓷之类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，从而需要更大的力来获得相同的应变水平。另一影响是复合材料的介电常数发生变化(通常，填料的介电常数将高于硅树脂的介电常数，后者接近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，这是因为更小的颗粒对刚度具有更大的影响。
这在沃尔瑟姆市(Waltham)的美国学术出版社(Academic Press)出版的2013版“高级陶瓷手册：材料、应用、加工和性能”第145页中的S.Somiya的多层陶瓷电容器(MLCC)的非线性介电性中加以讨论。作为示例，添加颗粒增加了介电常数，但也增加了刚度。
因此，已知将填料配混到弹性体中以影响介电电活性聚合物的性质。
硅橡胶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予以混合。在同一过程中，可以加入填料或填料可以已经被预混合在一种或两种组分中。填料通常被应用于在加工过程中蒸发的溶剂中。在于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使其固化。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。大多数颗粒与硅树脂是相容的，只要它们不使催化剂(例如含硫材料)失活。过氧化物固化的硅树脂是不太敏感的。
硅树脂可被注塑成型(液体硅橡胶，LSR)。在通过LSR注塑机的(静态)混合器之后，将两种组分注入到螺杆中。填料颗粒可被预先混合在一种或两种组分中。该材料被通过冷螺杆输送并被注入到热模具中，在该模具中，它根据温度快速固化。由于LSR具有非常低的粘性，因此可以实现非常薄的部分。典型的固化温度接近180℃，并且时间为约30秒至1分钟。
除了铸造和注塑之外，还有许多其它成型技术可被用于生产同样呈薄膜形式的硅橡胶化合物组分。示例是挤出(箔和型材)、箔的轧制、多层的层压和轧制、刮刀膜浇铸、旋涂和丝网印刷。
填充可以在制造点在当地进行，例如通过使用多次注射成型(2次注射或包覆成型)、硅树脂分配和过度浇铸或硅树脂添加剂制造(即3D打印)。
接下来将呈现压电聚合物复合材料的示例。
已经研究了含有PVDF化合物(基体聚合物)和陶瓷颗粒(例如PZT)的压电聚合物复合材料。溶剂浇铸和旋涂等制造技术是适用的。此外，冷压技术和热压技术是适用的。在溶解PVDF之后，蒸发溶剂直至获得粘性混合物为止，然后可以在填料颗粒中进行混合。可以实现具有良好分散的粒度分布和完整的聚合物基体的基于PVDF聚合物的复合材料。
接下来将呈现弛豫电致伸缩聚合物致动器的示例。
这些是一类半结晶三元共聚物，其可以在中等应变下传递相对高的力。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良，已经从“常规的”PVDF聚合物研发了弛豫电致伸缩聚合物。它们含有：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)。
添加呈与VDF-TrFE共聚的化学单体形式的缺陷(例如1,1-氯氟乙烯(CFE))消除了正常的铁电相，从而导致机电应变大于7％和在150MV/m下的弹性能密度为0.7J/cm3的弛豫铁电体。此外，已经描述了通过P(VDF-TrFE)共聚物的高电子辐射引入缺陷，该共聚物也可从“正常的”铁电P(VDFTrFE)转变为铁电弛豫。
这些材料可通过聚合物合成形成，如在F.Carpi等人的“作为机电换能器的介电弹性体：新兴电活性聚合物技术的基础、材料、器件、模型和应用(Dielectric Elastomers asElectromechanical Transducers：Fundamentals,Materials,Devices,Models andApplications of a Emerging Electroactive Polymer Technology)”，牛津，Elsevier，2011，第53页中所述。这公开了悬浮聚合方法和氧活化引发剂的组合。这些膜可通过将溶液倒在玻璃基板上然后使该溶剂蒸发来形成。
在膜浇铸之前，可向溶剂添加所需的填料。在浇铸之后，可然后将复合物退火以除去溶剂并提高结晶度。结晶速率可以根据填料浓度和粒度分布而降低。拉伸将使分子链对齐，并且由于颗粒可固定分子链，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。材料刚度将增加，从而减少应变。
因此，制造方法包括形成聚合物溶液，添加颗粒，混合，然后是可能与层压相结合的浇铸(例如带式浇铸)。替代方案是旋涂、压制等。
使用分配和/或3D溶剂印刷可以实现浓度的局部变化。例如，对于3D打印工艺，介于10μm到20μm之间的层厚是可能的。
在所有示例中，填料的添加通常对击穿电压有影响。利用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，该最大电压为击穿电压(或介电强度)。
聚合物的击穿电压与聚合物分子在所施加的外场下的解离有关。在聚合物基体中添加填料颗粒会对击穿电压产生显著影响。特别大的颗粒可局部地增加场。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-填料界面结构可强烈地影响电压击穿。
颗粒的团聚是降低击穿电压的另一种效应。然而，通过改变颗粒表面，从而防止附聚并改善界面结构，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低的击穿强度，从而导致更低的致动应变。
总之，对于介电电活性聚合物，可以使用多种工业复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因此限制致动器的行程减小，较小的浓度是优选的。对于给定的体积浓度，并非过小的颗粒同样是优选的，以保持对刚度的影响是受限的。可以选择软基聚合物以补偿刚度的增加。增加的介电常数可实现在降低的电压下启动。为了保持介电强度，应限制粒度和浓度，并且可采取措施以改善聚合物—填料界面以及颗粒分散。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于刚度和介电强度的影响的类似趋势与上述效果相当。聚合后可添加颗粒。溶解后的聚合物可使用多种技术成型，例如带式浇铸和旋涂。局部浓度变化也是可能的。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一种”或“一个”并不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能被有效地使用。
权利要求中的任何附图标记均不应被解释为限制该范围。

Claims (15)

1.一种致动器装置，包括：
致动器构件，所述致动器构件包括
电活性材料，所述电活性材料适于响应于电刺激的施加而变形；和
分散在所述电活性材料内的软磁性材料的颗粒；
磁场生成装置，所述磁场生成装置能够操作以生成具有能够配置的场强图案的磁场，用于施加于所述致动器构件；
电刺激生成装置；和
控制器，所述控制器能够操作以便以协调的方式控制所述磁场生成装置和所述电刺激生成装置，从而在所述致动器构件中实现一个或多个变形图案。
2.根据权利要求1所述的致动器装置，其中：
所述磁场生成装置被配置成生成具有不均匀场强的磁场，以便施加在所述致动器构件上；和/或
软磁性材料的所述颗粒被不均匀地分散在所述致动器构件中；
以便在任一情况下都在所述致动器构件上获得不均匀的变形图案。
3.根据权利要求1或2所述的致动器装置，其中，协调的所述控制包括同时启动所述两个装置。
4.根据任一前述权利要求所述的致动器装置，其中，协调的所述控制包括顺序地启动所述两个装置。
5.根据任一前述权利要求所述的致动器装置，其中，所述控制器能够操作以执行用于控制所述致动器构件的变形的预定控制时程，所述控制时程包括用于控制所述电刺激生成装置和所述磁场生成装置的步骤，并且可选地，所述控制时程包括取决于一个或多个输入参数的步骤。
6.根据任一前述权利要求所述的致动器装置，其中，软磁性材料的所述颗粒包括以下中的至少一种：软铁磁性材料、顺磁性材料和超顺磁性材料。
7.根据任一前述权利要求所述的致动器装置，其中，所述软磁性材料是磁致伸缩材料，用于响应于由所述磁场生成装置施加磁场而实现所述致动器构件的收缩或膨胀。
8.根据权利要求7所述的致动器装置，其中，所述磁场生成装置被配置成生成具有均匀场强的磁场，以施加在所述致动器构件上。
9.根据权利要求1-7中的任一项所述的致动器装置，其中，所述磁场生成装置被配置成生成具有不均匀场强的磁场，以施加在所述致动器构件上。
10.根据权利要求9所述的致动器装置，其中，所述控制器能够操作以通过控制所述磁场生成装置生成具有不均匀磁场强度的磁场，引起所述致动器构件的至少一部分在给定方向上的弯曲，所述磁场具有沿与所述给定的弯曲方向反平行的方向延伸穿过所述致动器构件的磁力线。
11.根据任一前述权利要求所述的致动器装置，其中，所述颗粒被悬浮在所述电活性材料内的聚合物液滴中，所述聚合物液滴的粘性低于所述电活性材料的粘性。
12.根据任一前述权利要求所述的致动器装置，其中，软磁性材料的所述颗粒被不均匀地分散在所述致动器构件中，以便实现不均匀的变形图案。
13.根据权利要求12所述的致动器装置，其中，软磁性材料的所述颗粒被以一组空间离散的浓度设置在所述致动器构件内。
14.根据权利要求13所述的致动器装置，其中，所述磁场生成装置能够操作以在所述一组空间离散的浓度中的每一种上生成具有不同磁场强度的磁场。
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，所述电活性材料适于响应于电刺激的施加而变形；和
被分散在所述电活性材料内的软磁性材料的颗粒；
并且所述方法包括：
以协调的方式控制磁场生成装置和电刺激生成装置，从而在所述致动器构件中实现一个或多个变形图案，其中，所述磁场生成装置能够操作以生成具有能够配置的场强图案的磁场。
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