CN110832652B - 基于电活性材料的致动器设备和致动方法 - Google Patents

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Abstract

所提出的设备包括被布置为集合的多个电活性材料致动器单元(20)。在三条共享功率线(Vop、Vop2、Vref)上传递用于驱动个体单元的控制数据。每个单元(20)的电活性材料致动器(21)根据经由解调器(24)、控制器(26)和驱动器(28)从功率线接收的控制数据来驱动。

Description

基于电活性材料的致动器设备和致动方法
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种类的材料。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，其在过去数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。这两个种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扩张。
图2示出了被设计为使扩张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扩张的有源层之间的相互作用。为了获得如图所示的围绕轴的非对称弯曲，可以例如应用分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上的移动。
一个方向上的扩张可以由电活性聚合物的非对称性引起，或者其可以由载体层的性质中的非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被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。
长接线也易倾于缺陷(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。这意味着存在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，仍然还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，存在对于可以寻址多个EAP而同时提供系统的操作所需的高压和低压并且使用减少数目的电连接的寻址方案的需要。
本发明的目的是至少部分地实现前述需要。该目的至少部分地由如由独立权利要求定义的本发明实现。从属权利要求提供有利的实施例。
根据本发明的方面的范例，提供了一种设备，包括：
多个电活性材料致动器单元，其被布置为集合，每个电活性材料致动器单元包括三个功率线端子；以及
三条功率线，其包括公共参考功率线、控制器功率线和驱动器功率线，其中，每个电活性材料致动器单元并联连接在所述三条功率线之间，所述三条功率线连接到所述三个功率线端子；
其中，每个电活性材料致动器单元包括：
电活性材料致动器；
解调器，其用于解调由所述功率线中的至少一条携带的数据信号；
控制器，其用于接收来自解调的数据信号的数据；以及
驱动器，其用于根据接收到的数据来驱动电活性材料致动器。
所述集合的单元接收相同功率线信号，并且因此跨至少两条功率线并联连接。然而，物理配置可以采取任何期望的形状。
该设备利用至少一条功率线上的数据调制以寻址多个致动器。所述致动器单元还由公共功率线(其并联连接在那些功率线之间)供电，使得功率线的小集合被用于控制所有致动器单元，并且不存在对于额外专用数据线的需要。所述功率线中的至少一条被用作数据总线。
因此，该设计实现用于具有需要路由到致动器单元和从致动器单元路由的少量电学连接的总体设备的小形状因子。
所述设备包括三条功率线，包括公共参考功率线、控制器功率线和驱动器功率线，其中，每个电活性材料致动器单元包括三个对应的功率线端子。因此，每个单元处的电路可以通过向所述单元供应两个不同电源来简化。
所述数据信号被调制的功率线中的至少一条可以是所述控制器功率线。这携带比所述驱动器功率线更低的电压，使得使调制和解调过程更简单。
一条功率线可以以致动水平数据的形式携带第一调制数据，并且所述功率线中的另一条可以以寻址数据的形式携带第二调制数据。以这种方式，编码数据被简化。一条功率线携带识别特定EAM单元的数据，并且另一功率线携带要由该EAM单元实施的致动水平。
在另一范例中，一条功率线携带功率斜坡信号，并且所述功率线中的另一条以寻址和定时数据的形式携带调制数据，以用于在特定时间处针对被寻址的单元采样功率斜坡信号。以这种方式，数据解调发生，并且然后可变功率电平被选择用于施加到由解调的信号识别的单元。所述单元然后优选地具有在连续驱动信号之间存储其驱动水平的本地存储电容器。
调制到所述至少一条功率线上的数据信号可以包括与特定致动器单元相关联的唯一地址和用于该致动器单元的数据信号。因此，可以个体地寻址所述致动器单元。
每个电活性材料单元可以包括电活性材料元件的子集，其中，所述数据信号包括用于所述子集的每个电活性材料元件的命令。这提供致动器单元的寻址，所述致动器单元自身包括致动器元件的簇，例如以提供多维致动(2D或3D)。
每个电活性材料致动器单元还可以包括用于将数据信号调制到所述功率线中的至少一条上的调制器。这意指所述总线系统使能要么所述致动器单元与通用系统控制器之间要么多个致动器单元之间的双向通信。
设备控制器例如被用于提供所述功率线上的功率和数据信号。所述设备控制器可以例如提供数据信号，所述数据信号包括成串的识别字和数据字的集合，每个识别字与所述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己的相关联的识别字并且读取相关联的数据字。因此，所有单元通过共享调制功率线来接收相同数据信号，但是不同部分被链接到不同身份。这意指每个单元需要知道其自己的身份，使得相关数据字可以在所述数据信号内识别。
电活性材料致动器例如包括电活性聚合物致动器。
本发明还提供了导管，其包括如上文所定义的设备，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。
根据本发明的另一方面的范例提供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，其被布置为集合，每个电活性材料致动器单元包括三个功率线端子；以及
三条功率线，其包括公共参考功率线、控制器功率线和驱动器功率线，其中，每个电活性材料致动器单元并联连接在所述三条功率线之间，所述三条功率线连接到所述三个功率线端子，
其中，所述方法包括：
在所述三条功率线上提供功率信号；
提供被调制到所述功率线中的至少一条上的数据信号；
在每个个体电活性材料致动器处：
解调由所述功率线中的至少一条携带的数据信号；
接收来自解调的数据信号的数据；并且
根据接收到的数据来驱动所述电活性材料致动器。
该方法使得共享功率线能够被用于向所有单元提供数据通信。
在每个电活性材料致动器单元处，所述控制器功率线上的第一电源可以被用于本地控制器，并且所述驱动器功率线上的第二电源可以被用于本地驱动器。
方法可以至少部分由软件实施。
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两个范例，其中一个是根据本发明的；
图4示出了连接在一起以形成设备的图3的单元的集合；
图5示出了用于图3的设备的数据信号结构；并且
图6示出了利用用于转向控制的致动器的集合的导管。
具体实施方式
本发明提供包括被布置为集合的多个电活性材料致动器单元的设备(和用于设备的操作方法)。在共享功率线上调制用于控制个体单元的驱动的数据。电活性材料致动器单元根据来自数据线的接收到的数据来控制。
本发明提供当多个致动器需要在小应用环境中寻址和控制时的布线的降低的复杂性。
在功率线布置方面的最多减少的实施方式可以仅利用单条电源线和接地连接。然而，本发明利用两条非接地功率线(因此总共存在三条功率线)，使得没有功率转换需要在致动器单元中发生。它们被供应有单独的驱动功率和控制器功率。所有致动器单元并联连接到功率线并且由控制信号控制，所述控制信号在电源线之上调制。
图3示出了电活性材料致动器单元20的两个可能范例。多个这样的单元旨在形成总体设备，其中，单元被布置为集合。通常可以存在数十或数百个致动器单元。每个电活性材料致动器单元20在第一范例(其不在本发明的范围内)中包括两个功率线端子T1、T2并且在第二范例(其是根据本发明的)中包括三个功率线端子T1、T2、T3。
在对致动器单元的供电方面，最简单的实施方式可以仅使用两个功率线端子，并且将首先描述该最简单的实施方式。其被示出在图3的顶部部分中。
图3的顶部部分示出了提供操作电压的第一功率线Vop，其连接到单元20的第一功率线端子T1。参考电压Vref形成第二功率线并且连接到第二功率线端子T2，并且这可以是接地。提供了以数据信号的形式在功率线Vop上调制的数据。
电活性材料致动器单元20包括电活性材料致动器21。在每个单元20内可以存在一个或多个这样的致动器。单元20包括用于解调数据信号的解调器24。数字控制器26接收来自解调器24的解调的数据。其解释驱动命令，所述驱动命令然后被用于控制用于根据接收到的数据来驱动电活性材料致动器21的驱动器28。
为了最小化需要的外部线的数目，图3的顶部的范例具有功率单元22。功率单元包括功率转换器，以用于根据第一功率线上的信号Vop导出用于控制器26的第一电源Vs1和用于驱动器28的第二电源Vs2。通过在每个单元20中提供功率单元22，不需要第二电源Vop2。
功率单元22可以通过AC或优选地DC电压来馈送。根据电压幅度，功率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/或适合于操作致动器的(高)DC电压。如果使用高操作电压(Vop)，则功率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到DC电压上转换器和/或DC到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)。第一电源(Vop)可以例如递送中值电平电压幅度，使得相对低的上转换因子仍然要求从而到达期望的电压Vs2以对驱动器供电。
本发明提供了提供两个(非接地)电源的布置以及参考，因此实现了三个电源。这意指单元不需要图3的顶部中示出并且在上文所描述的内部功率转换能力。
在图3的底部部分示出了所得布置。存在第三功率线Vop2，并且致动器单元具有相关联的第三功率线端子T3。三条功率线包括：公共参考功率线(Vref)，其被提供到控制器、驱动器和解调器；用于控制器和解调器的控制器功率线(Vop)；以及用于驱动器的驱动器功率线(Vop2)。
两个非接地电源的使用实现小得多的单元，因为无(或仅小)功率转换单元被需要。单元需要两个内部电源，因为需要高电压以驱动致动器(例如，100V或更多)，而需要低电压(例如，5V)以对数字电路供电。
单元还包括数模转换器，其接收解调(数字)的数据并且导出用于驱动器的适合的模拟驱动信号。在示出的范例中，数模转换器可以是控制器26的一部分。其被用于使能数据线上的数字命令的解释，使得驱动器可以被控制以将对应的模拟致动水平递送到致动器。
数模转换器可用作集成电路，但是也可以制造在模拟电子设备中。优选方案基于使用简单(低成本)微控制器以用于数模转换以及另外的处理功能。
图3的单元被设计用于并联连接到两条或三条功率线，并且避免对专用数据线的需要。
当仅提供一个外部电源(除参考之外)时，单元20仅需要两条电线以供电和控制实质上经由通信和功率总线连接的任何数目的单元。当提供两个外部电源(除参考之外)时，使用三条电线，但是致动器单元可以是较小的，并且具有较低功耗和因此减少的热影响。在图3中，未示出任何需要的无源部件，诸如每个电源端子处的并联电容器。
图4示出了并联连接在三条功率线Vop、Vop2和Vref之间的三个电活性材料致动器单元20a、20b、20c，其中，功率线信号(其中之一可以简单地是接地)由设备控制器40提供以用于在功率线上提供功率和数据信号。为了该图的简单性，两条非接地功率线被示出为单条线。
用于每个致动器单元的所有电子设备可以被集成到一个芯片(例如专用集成芯片ASIC)中，其中，如果需要的话，仅几个功率部件连接到其。例如，大多数模拟和数字电子模块可以组合并且集成在ASIC中，其中，仅有限无源部件(例如电感器和电容器)和/或有源部件(例如晶体管)连接到其。
每个致动器单元20a、20b、20c需要对数字信号流的接收起作用，使得偏转基于数字信息来控制。
这可以通过以跟随有驱动数据的地址识别的形式提供数据来实现。
图5示出了包括成串的识别字和数据字的集合的数据信号的范例，其中，每个识别字与电活性材料致动器单元中的相应一个致动器单元相关联。每个单元的控制器然后识别其自己的相关联的识别字并且读取相关联的数据字。特别地，为了在单个单元之间进行区分，仅传送与单元的状态有关的数据字是不可能的。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5示出了一个识别字I(n)和数据字D(n)对。图5的数据格式为每个单元准备并且在总线上一起传送。利用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需要具有全部设备配置的所有地址信息。如果原始配置改变(通过添加或者取出单元)，则这需要在控制软件中通告。
所有单元连续地监听数据线。一旦单元识别其自己的地址，则以下数字信息将被解释为用于该特定单元的致动信息。数字信息可以在没有任何特定次序的情况下或还以特定次序一次一个地针对所有单元连续传送，使得高优先级单元将首先寻址，或者使得最近单元将首先寻址。
备选方法在于，数据可以仅针对其状态需要改变的那些单元传送。在这样的情况下，所有单元可以在结束应用之前停用或进入其原始位置。
本发明可以使用已知的功率线通信技术来实施。这样的技术已知用于经由若干网络设备并联连接到的公共功率线传送控制信息。功率线通信对于内部(in-house)通信是公知的，其中，网络通信链路经由建筑中的(一条或多条)干线功率线实现。存在用于这样的系统的IEEE功率线通信标准委员会设置标准。
一般而言，网络控制器(调制解调器/路由器)经由适配器连接到干线。通过干线布线，电源以及调制的数字信息在整个网络内被发送到连接到干线的所有设备。功率线通信网络的每个设备经由其自己的适配器连接，其将数字信息与干线功率分离。本地适配器执行滤波和调制(用于发送)和解调(用于接收)功能。功率线通信网络内的每个设备具有其自己和唯一的地址(例如IP和MAC地址)。
代替于50Hz(或60Hz)干线频率，其他AC或者甚至DC信号也可以用作数字信号载波。因此，还可以使用DC功率线。
在一个范例中，功率线Vop携带高操作电压(例如大约200V-300V的Vop)，使得在双线方法中，功率单元仅需要执行下转换，以生成用于数字控制的低DC操作电压(例如3V)。如果使用低压电流驱动离子EAP(IEAP)，则功率转换模块可以是非常简单的，因为数字操作电压和EAP操作电压可能几乎相等。这样的iEAP还可以被设计为匹配数字(和/或模拟)控制部分的操作电压例如以在例如3V的范围内。
如上文所解释的，除公共接地之外，两条(或甚至更多条)电压线的使用实现小得多的单元，因为没有(或小转换因子)功率转换单元将被需要，但是这将要求额外的功率线。在这种情况下，调制数据信号可以被提供在功率线中的任一个上但是优选地在较低电压线上，或者实际上可以存在在这两条功率线(除接地之外)上调制的数据。
一条电源线可以被用于地址调制(即，以提供设备识别)，并且另一电源线可以被用于致动调制。因此，如果地址在一条功率线上发送，则另一功率线可以传送对应的启用信息(与对应的EAP应当启用的电压/电流幅度相关)。
调制和解调功能可以以各种方式来实施。基本方案是实施发送来自DC或低频供电电压的高频控制信号但是阻挡所有其他信号(DC或低干线频率)的简单高通滤波器。如果在应用中仅连接几个EAP，则该简单解调能够已经是足够的。
然而，如果更多EAP被连接到相同功率线(或者改进信噪比)，则可以使用更复杂的调制和解调。
控制电子设备可以基于用于数模转换而且用于某种另外的处理的简单低成本微控制器。
数字控制信息可以以许多已知方式经由公共功率线发送。在最简单的实施方式中，二进制信息在由DC功率总线定义的DC载波信号上直接调制，例如作为矩形脉冲图案。二进制信息可以根据已知编码算法编码以便改进信号传输质量。然而，这仍然能够导致对干扰信号(并且通常对任何噪声)的高暴露。因此，较高频AC载波信号可以叠加到DC功率信号上，充当调制数字信息的额外AC载波。再次，可以使用若干已知调制方案。
EAP致动器可以被形成为簇。例如，一个致动器单元可以包括三个致动器元件的集合，例如以生成每致动器单元的3D运动/位移。这可以要么通过将超过一个地址分配给这样的多EAP致动器(例如针对一个单元内的每个EAP元件，一个)要么通过软件编码使得命令被提供用于寻址单元内的所有个体元件来实现。
通信可以是双向的，使得单元可以在功率线上传送和接收数据。例如，其可以监听总线，并且如果无数据正被传送，则新数据可以被提供给创建时间复用方案的总线。可以实施其他通信原理，诸如频分或码分复用方案或其他。该双向通信能力使得单元能够提供当前致动(偏转)状态或任何其他感测信息(压力、力等)的反馈。除致动器之外，EAP单元可以被用作传感器。
对于这样的双向通信，数据不仅需要在EAP单元中的每个中被接收(解调/滤波)，而且需要经由功率线调制和传送。因此，除解调器单元之外，调制器单元也需要实施在EAP单元中的每个中。总体系统的主控制器然后还需要具有解调器功能(除其其调制器功能之外)以便提取从EAP单元传送的信息并且最后处理数据(例如以用于执行计算或简单地显示)。在不涉及主控制器/主站的情况下，也可以实现EAP单元之间的双向通信。
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6示出了沿导管62形成的电活性材料致动器60的集合。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。对于流压力感测，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，而没有其间的任何(无源)层，或者间接地附接，在其间具有额外的(无源)层。然而，不需要总是如此。对于弛豫体或永久性压电或铁电EAP，直接接触不是必要的。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，使得其跟随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、离子凝胶和聚合物凝胶。
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-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚氨基甲酸酯或者其混合物。
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-乙撑二氧噻吩、聚(聚苯硫醚)、聚苯胺。
可以提供额外的无源层，以用于响应于所施加的电场而影响所述EAP层的行为。
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。
上文所讨论的那些之外的层可以被用于调整设备(诸如额外的聚合物层)的电学或机械行为。
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条的所施加的电压造成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。场使阳离子连同水一起行进到阴极侧。这导致亲水簇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，从而导致朝阳极的弯曲。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非对称配置中，则所施加的电压能够引起所有种类的变形，诸如扭曲、滚动、扭转、旋转以及非对称弯曲变形。
设备可以用作单个致动器，或者可以存在设备的行或阵列，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，诸如带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，牙刷可以被提供有启用的簇；
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EAP换能器的阵列提供局部触觉反馈；
具有可转向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。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，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 (13)

1.一种设备，包括：
多个电活性材料致动器单元(20)，其被布置为集合，每个电活性材料致动器单元包括三个功率线端子(T1、T2、T3)；以及
三条功率线，其包括公共参考功率线(Vref)、控制器功率线(Vop)和驱动器功率线(Vop2)，其中，每个电活性材料致动器单元并联连接在所述三条功率线(Vop、Vop2、Vref)之间，所述三条功率线连接到所述三个功率线端子(T1、T2、T3)；
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)；
解调器(24)，其用于解调由所述三条功率线中的至少一条功率线携带的数据信号；
控制器(26)，其用于接收来自解调的数据信号的数据；以及
驱动器(28)，其用于根据接收到的数据来驱动所述电活性材料致动器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述三条功率线中的在其上所述数据信号被调制的所述至少一条功率线是所述控制器功率线(Vop)。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，一条功率线以致动水平数据的形式携带第一调制数据，并且所述三条功率线中的另一条功率线以寻址数据的形式携带第二调制数据。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，一条功率线携带功率斜坡信号，并且所述三条功率线中的另一条功率线以寻址和定时数据的形式携带调制数据，以用于在特定时间处针对被寻址的单元对所述功率斜坡信号进行采样。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，被调制到所述至少一条功率线上的所述数据信号包括与特定致动器单元相关联的唯一地址(I(n))和针对该致动器单元的数据信号(D(n))。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，每个电活性材料单元包括电活性材料元件的子集，其中，所述数据信号包括用于所述子集的每个电活性材料元件的命令。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，每个电活性材料致动器单元(20)还包括用于将数据信号调制到所述三条功率线中的至少一条功率线上的调制器。
8.根据权利要求1或2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三条功率线上提供功率和数据信号。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备控制器适于提供包括成串的识别字和数据字的集合的数据信号，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所述电活性材料致动器单元自己的相关联的识别字并且读取相关联的数据字。
10.一种包括根据任一前述权利要求所述的设备的导管(62)，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)，其被布置为集合，每个电活性材料致动器单元包括三个功率线端子(T1、T2、T3)；以及
三条功率线，其包括公共参考功率线(Vref)、控制器功率线(Vop)和驱动器功率线(Vop2)，其中，每个电活性材料致动器单元并联连接在所述三条功率线(Vop、Vop2、Vref)之间，所述三条功率线连接到所述三个功率线端子(T1、T2、T3)；
其中，所述方法包括：
在所述三条功率线(Vop、Vop2、Vref)上提供功率信号；
提供被调制到所述三条功率线中的至少一条功率线上的数据信号；
在每个个体电活性材料致动器处：
解调由所述三条功率线中的至少一条功率线携带的数据信号；
接收来自解调的数据信号的数据；并且
根据接收到的数据来驱动所述电活性材料致动器。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：在每个电活性材料致动器单元处，在所述控制器功率线上使用第一电源以用于本地控制器，并且在所述驱动器功率线上使用第二电源以用于本地驱动器。
13.一种包括计算机程序代码模块的计算机程序，所述计算机程序代码模块适于当所述程序在计算机上运行时，执行根据权利要求11或12所述的方法的所有步骤。
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