CN118785940A - 可重构刚性化结构 - Google Patents

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Abstract

本文描述了可从柔性构型快速地转变成刚性构型的可重构结构。芯层、表面片材层和外部密封层形成可重构结构。例如，通过向密封结构施加真空或压力，可重构结构可以从柔性构型转变成刚性或刚硬构型。在真空或压力被移除的情况下，这些层可以容易地相对于彼此剪切或移动。在施加真空或压力的情况下，这些层可以转变成一种状态，在这种状态下，它们表现出显著增强的抵抗剪切、移动、弯折和屈曲的能力，从而刚硬化成刚性构型。

Description

可重构刚性化结构
优先权要求
本专利申请要求2022年1月4日提交的标题为“RECONFIGURABLE STRUCTURES(可重构结构)”的第63/296,478号美国临时专利申请的优先权，该美国临时申请通过引用以其整体并入本文。
通过引用并入
本说明书中提及的所有出版物和专利申请均通过引用以其整体并入本文，其程度如同每个单独的出版物或专利申请被特别地和单独地指示通过引用并入。
背景
本申请涉及可从柔性构型转变到刚硬构型的可重构结构的领域。
使用领域
圆柱形刚性化设备(例如，管、杆等)已经被描述用于导航通过迂曲的解剖结构，例如(但不限于)胃肠道、胆管和胰腺管、血管系统(包括心脏、外周、肺和神经脉管系统)和气道。这种长形设备可以从柔性构型(即，松弛的、柔软的或松垂的构型)快速转变为刚性构型。这些设备可以包括多个层，例如卷曲或增强层、滑动层、编结层、其他刚性化层、囊状物层和/或密封护套。施加真空或压力可使这些设备从柔性构型转变为刚性构型，并且通常包括管状构型，但也可包括杆状(实心圆柱体)构型。
具有可重构形状的现有非管状结构包括设计和/或制造方法复杂或昂贵的结构。例如，包括链接结构片材(例如环、立方体和八面体)的材料最近已经被描述。这些(通常是3D打印的)材料被设计成使得它们可以在压缩和拉伸下堵塞(jam)。其他刚性化材料包括通过嵌入热响应液晶弹性体(LCE)的网络或加热时收缩的聚合物薄条控制的形状。这些LCE包含可拉伸的加热线圈，可以用电流充电，从而加热线圈并使它们收缩。当LCE收缩时，它们会拉拽嵌入其中的柔性材料并将其压缩成预先设计的实心形状。颗粒堵塞刚硬化技术也已被广泛描述。
需要一种可重构结构，该可重构结构具有简单的、构造可靠的构型，可以提供一致的横截面厚度和低材料质量。提供可以在不需要大量电子器件的情况下使用的刚性化且可重构的结构也将是有用的。
本公开的概述
本文描述了装置(例如，系统和设备，包括结构系统)，其可以选择性地从柔软的、可折叠的和柔性的片材构型刚性化，该片材构型可以符合或变形成期望的形状，该期望的形状可以被“冻结”或可释放地锁定成刚性和刚硬的结构。本文还描述了使用这些装置的方法。这些装置可以用作医疗设备，或者用于非医疗用途，包括例如用于容易压实且然后可以快速组装的住所、建筑结构或紧急避难所。通常，这些装置可用于将受益于从柔性片材变换为刚性结构的任何部件。
例如，本文描述了可刚性化壳体结构，该可刚性化壳体结构包括：柔性芯层；第一剪切增强层(first shear enhancing layer)，该第一剪切增强层被定位在柔性芯层的第一侧上，第一表面片材与第一剪切增强层相邻；第二剪切增强层，该第二剪切增强层被定位在柔性芯层的第二侧上，并且第二表面片材与第二剪切增强层相邻，其中，柔性芯层的第二侧与柔性芯层的第一侧相对；以及，外部覆盖物，该外部覆盖物围绕芯层、第一剪切增强层、第一表面片材、第二剪切增强层和第二表面片材密封；以及入口，该入口被定位在外部覆盖物内，被构造成允许在密封外壳内施加压力，其中，第一表面片材和第二表面片材被构造成在第一构型中抵靠柔性芯层剪切，第一构型在不施加压力的情况下是柔性的，并且其中，第一表面片材和第二表面片材在第二构型中贴附到芯层，第二构型在施加压力的情况下是刚性的。
压力可以是负压。
在一些示例中，芯层包括Nomex或铝蜂窝(aluminum honeycomb)。
在这些示例中的任一个中，可以使用多个芯层。芯层可以包括泡沫。芯层可以包括带有刻痕的木材(scored wood)(例如，轻木)。芯层可以是不连续的。芯层可以包括约0.1cm-10cm、0.5cm-10cm、0.1cm-5cm、0.5cm-5cm、0.5cm-2cm、1cm-5cm、1cm-10cm、2cm-10cm、2cm-8cm、2cm-5cm、3cm-10cm、3cm-8cm、3cm-5cm、4cm-10cm、4cm-8cm、4cm-5cm或5cm-10cm的厚度。芯层可具有在约2lb/ft3-20 lb/ft3之间的密度。
表面片材可以包括编织的(woven)或编结的(braided)纤维布。在一些示例中，表面片材包括彼此间歇地附接的单向纤维。在一些实例中，纤维布包括约0°-90°、10°-90°、20°-90°、30°-90°、40°-90°、50°-90°、60°-90°、70°-90°、80°-90°、20°-80°、30°-70°、40°-60°、30°-50°或40°-50°的编结角或编织角。编结角可以是相邻纤维或纤维束之间的角度。
表面片材可包括约0.1cm-5cm、0.5cm-5cm或0.5cm-2cm的厚度。表面片材的覆盖率可为约30％-70％，诸如40％-60％，例如30％、40％、50％、60％或70％。表面片材可包含具有约1GPa-400GPa(例如，约10GPa-200GPa、50GPa-200GPa、50GPa-100GPa、60GPa-100GPa、70GPa-100GPa、大于100GPa或大于200GPa)的弹性模量的拉伸元件。表面片材可由密度为约0.1g/cm3-3g/cm3、0.1g/cm3-2g/cm3、0.1g/cm3-4g/cm3、0.1g/cm3-5g/cm3、0.1g/cm3-6g/cm3、0.1g/cm3-7g/cm3、0.1g/cm3-8g/cm3、0.1g/cm3-9g/cm3或0.1g/cm3-10g/cm3的材料构成。表面片材可以包括矩形、扁平、圆形和/或椭圆形的纤维。表面片材可以包括塑料或金属的纤维。表面片材可以由单丝或小纤维束构成，其中这些纤维每束多达1000根纤维。
外部覆盖物可以包括弹性体。外部覆盖物可具有约30A-80A、40A-70A、50D-60D的硬度。外部覆盖物可以包括塑料。外部覆盖物可具有约0.0001”-1”、0.001”-1”、0.005”-1”、0.01”-1”、0.05”-1”、0.01”-0.5”、0.5”-1”的厚度。
在这些装置中的任一个中，入口附接到管道。
本文还描述了将壳体结构从柔性构型转变为刚硬构型的方法，该方法包括：将壳体结构设置成一定的形状或姿态(position)，该壳体结构包括围绕被定位在第一表面片材和第二表面片材之间的芯层的密封外层，第一表面片材和第二表面片材被构造成抵靠芯层和/或抵靠剪切增强层剪切；通过在密封外层中的入口向壳体结构施加压力，从而使第一表面片材和第二表面片材贴附到芯层，并使壳体结构在该形状或姿态中变硬。
这些方法中的任一种可以包括通过向壳体结构施加负压(例如，真空)来向壳体结构施加压力。向壳体结构施加压力可以包括向壳体结构施加0.01psi-14.7psi的负压。这些方法中的任一种可以包括停止施加压力，从而允许壳体结构转变回柔性构型。
本文所描述的所有方法和装置的任意组合，在本文中都是预期的，并且可以被用于实现本文描述的益处。
附图简述
通过参照以下阐述说明性实施例的详细描述以及附图，将获得对本文描述的方法和装置的特征和优点的更好的理解，其中：
图1显示了可重构壳体结构的示例。
图2A显示了围绕圆柱体成形的可重构壳体结构的示例。
图2B显示了支撑圆柱体的重量的图2A的成形的壳体结构。
图3A显示了围绕圆柱体的端部成形的可重构壳体结构的示例。
图3B显示了支撑圆柱体的重量的图3A的成形的壳体结构。
图4A显示了围绕杆成形的可重构壳体结构的示例。
图4B显示了图4B的可重构壳体结构，其中杆被移除并且结构保持处于管状形状。
图4C显示了支撑圆柱体的重量的图4C的可重构壳体结构。
图5A示意性地示出了穿过处于松弛(非刚性化、高度柔性)构型的可重构壳体结构的一个示例截取的横截面。
图5B示意性地示出了穿过处于刚性化构型的图5A的可重构壳体截取的横截面。
图5C示意性地示出了穿过处于松弛(非刚性化、高度柔性)构型的可重构壳体的另一示例截取的横截面。
图6A示出了穿过类似于图5A所示的处于松弛(非刚性化、高度柔性)构型的可重构壳体结构的另一示例截取的横截面。
图6B是穿过处于松弛(非刚性化、高度柔性)构型的可重构壳体结构的另一示例截取的横截面；图6B中所示的结构由堆叠的芯层的堆叠层形成。
图7A显示了可用作可重构壳体结构中的表面片材的编结塑料单丝材料层的示例。
图7B显示了可用作可重构壳体结构中的表面片材的编织纤维布材料层的示例。
图8A和图8B显示了可用作可重构壳体结构中的芯层的材料层的实施例。
详细描述
本文描述了包括平面材料片材的装置(例如，系统和设备)，这些平面材料片材可以通过施加负压(例如，真空)而可控地且快速地从高度柔性构型(即，松弛的、柔软的或松垂的构型)转变为高度刚性的构型(即，刚硬的和/或在其被刚性化时保持其形状的构型)。这些装置可以被称为可刚性化片材和/或可刚性化壳体结构。
本文描述的结构可以快速刚性化(例如，几乎瞬时，例如在小于1秒、小于0.5秒、小于0.3秒、小于0.2秒、小于0.1秒等内)。较大的结构因为它们的体积较大可能需要更长的时间来刚性化。它们可以被构造成通过包括分布在结构内的多个压力(例如，抽吸)端口而快速刚性化。
通常，这些结构中的任一个可以在平坦表面的方向上在不明显收缩的情况下进行转变。
这些装置可以包括由可施加真空的密封区域封闭的层的堆叠。层包括一个或更多个芯层，该芯层在两侧被剪切增强层封闭并且在堆叠的外侧被表面片材封闭。剪切增强层可以是可选的，并且可以不被包括在一些示例中；例如，表面片材可以直接接触芯。层彼此堆叠并被封闭在密封的或可密封区域内，该密封的或可密封区域连接到可以施加真空(负压)的一个或更多个端口。通常，在松弛构型中，层可以相对于彼此自由滑动且是柔性的，其中施加很少或不施加真空。当施加负压(例如，真空)时，堆叠可以层压在一起并且显著增加组件的刚度。可以通过调整负压的大小来调节刚度。
此外，可以通过调节芯来改变刚度，包括增加或减小芯厚度、芯层的数量、表面片材的特性和/或剪切增强层的特性。例如，增加芯层的厚度(或增加所有芯层的总厚度)通常允许结构实现更大的最终刚度，而减小芯的厚度(或减小所有芯层的总厚度)通常会降低在相当压力(comparable pressure)下的最终刚度。芯层可以被分成多个芯层，该多个芯层由剪切增强层(或多个剪切增强层)分开。添加额外的芯层(以及由此，添加总厚度)可以显著增加在刚性化构型中可以实现的最终刚度，而不会显著增加在非刚性化构型中的柔性。因此，可以使用任何数量的芯层。通常，对于相当的负压，增加芯层的厚度可以增加刚性化构型中的极限刚度。芯层(或区域)可以被分成多个芯层。对于给定的厚度，具有较多(但较薄)的芯层可以增加柔性，而不会显著损害刚性化的刚度。
在非刚性化构型中，本文描述的可刚性壳体结构可以是高度可悬垂的，并且可以容易地确认可通过施加负压而刚性化的三维表面或形状。
可以使用任何合适的芯片材或芯层。通常，芯层或芯片材在弯曲时可以是高度柔性的并且具有明确限定的厚度。芯提供可设定或固定的横截面高度。芯可以具有实心表面或多孔或蜂窝结构，并且可以由允许弯曲同时抵抗压缩的柔性的任何合适的材料形成。例如，芯可以由一种或更多种材料形成，并且可以形成为柔韧结构，包括但不限于蜂窝结构(例如，NomexTM或铝)、泡沫(例如，片或有刻痕，具有背部支撑基质)或轻木(同样，通常带有刻痕，具有背部支撑基质)。
芯可以由多个层形成；如上所述，每个芯层可以由剪切增强层与相邻芯层分开。堆叠多个芯层可以增强基线柔性；极限刚度可以与骨料厚度有关，但是将芯分成组成层可以允许层间芯层剪切，这增强了柔性。
表面片材通常可以相对较轻并且具有高拉伸刚度并且表现出高剪切刚度，但是可以形成为柔韧层。例如，表面片材可以由编织或针织层或材料形成。例如，表面片材可以由纤维布(无刚性化树脂)形成。这种布可以是例如编织或编结的，并且它可以由纤维、高强度纤维、塑料或金属或这些的一些组合形成，例如纤维/环氧树脂层压材料、铝或不锈钢。表面片材可以由具有一定角度、厚度、开口面积、模量、纤维直径和/或编织图案的材料的纤维形成，这些角度、厚度、开口面积、模量、纤维直径和/或编织图案可以被调节或选择以使装置在松弛构型中的柔性最大化，同时最大化在刚性化构型中的刚性。通常，表面片材在松弛构型中可以是高度柔性的，但是当施加抽吸时，表面片材可以抵靠芯层层压以形成极其刚性的结构。
可以使用任何合适的剪切增强层，其可以将载荷从表面片材转移到芯，使得刚性化的刚度得到增强。例如，剪切增强层可以由具有各种不同硬度和厚度的弹性体材料形成，其可以被设置为优化松弛构型中的柔性，同时最大化刚性化构型中的刚度。
密封结构(例如，可密封外壳)可以由柔性且不透气的材料(诸如塑料或弹性体材料)形成。密封或可密封外壳可以将部件层保持在密封结构内，使得真空(负压)的施加使表面片材抵靠芯被抽真空，使得在将表面片材压附到芯的同时，它们提供表面片材的纤维间剪切稳定。当压力(真空)被释放时，形成表面片材的纤维相对于彼此自由剪切，表面片材不再被抽真空至芯，并且单元恢复到超柔性模式。
因此，多个层(例如，芯层、表面片材层、剪切增强层和囊状物层和/或密封外层)可以一起形成可重构结构。例如，通过向密封结构施加真空或压力，可重构结构可以从柔性构型转变到刚性或刚硬配置。在真空或压力被移除的情况下，这些层可以容易地相对于彼此剪切或移动。在施加真空或压力的情况下，这些层可以转变到一种状态，在这种状态下，它们表现出显著增强的抵抗剪切、移动、弯折和屈曲的能力，从而提供刚性化。
图1显示了可重构结构100的实施例。结构100包括密封区域102。该密封区域包括流体连接到真空/压力管线104的入口106。在不施加压力或真空的情况下，结构100是柔性的并且能够弯折或弯曲成各种不同的构型。图1中所示的示例显示了通向真空/压力管线104的单个端口或入口；实际上，可以包括多个入口压力管线和/或出口管线。例如，单个装置可以包括可选择性地且可分开刚性化的多个区域。入口管线和/或出口管线可以是带阀的或以其他方式可密封的。在图1中，装置的外周边不是可刚性化结构的一部分。在一些示例中，装置的其他子区域可以不是可刚性化的，而是可以保持柔性。在一些示例中，整个装置可以是可刚性化的。
现在参考图2A，显示了围绕圆柱体202弯曲的可重构装置(例如，类似于图1中所示的结构100)的一个示例。在不施加压力或真空的情况下，装置(例如，结构100)足够柔性到以这种方式弯曲。在施加压力或真空后，在围绕圆柱体弯曲时，结构100被刚硬化成其假定的形状，如图2B中的重构的形状所示。图2B还显示了刚硬化的结构100足够强硬到承受圆柱体的重量。
图3A显示了围绕圆柱体202的端部缠绕的可重构结构100。在不施加压力或真空的情况下，结构100足够柔性到以这种方式弯曲。在施加压力或真空之后，在围绕圆柱体弯曲时，结构100被刚硬化成其假定的形状，如图3B的重构的形状所示。图3B还显示了刚硬化的结构100足够强硬到承受圆柱体的重量。
参考图4A，可重构结构100被显示为围绕杆402缠绕或覆盖。在不施加压力或真空的情况下，结构100足够柔性到以这种方式弯曲。在施加压力或真空同时围绕杆弯曲之后，结构100被刚硬化成其假定的形状，如图4B的重构的形状所示。图4C显示了刚硬化的结构100足够强硬到承受圆柱体202的重量。
停止施加压力(例如，关停真空和/或通风)使得刚硬化的结构返回其柔性构型或朝向其柔性构型移动。
图5A显示了可重构结构100的横截面示意图的示例。在该示例中(未按比例示出)，结构100包括密封封闭区域204。密封封闭区域204封闭单个芯206，该单个芯206在上表面和下表面上被邻近外面片材层208、208’的内部纤维剪切稳定层212、212’两侧包围。封闭区域可以由例如弹性体或塑料材料203封闭，并且可以被称为外部密封容器。真空和/或压力管线210流体地连接到密封区域204。当施加抽吸时，真空压力管线可以被支撑以防止塌陷。在一些示例中，如图所示，从装置的端部施加抽吸(负压)。可替代地或附加地，这些可以被分布在结构内，并且可以被施加在多于一个位置和/或中心位置处。
图5B示意性地示出了在其中施加负压(真空)的处于刚性化构型的权利要求5A的装置。在该示例中，负压将外面片材208、208’抵靠纤维间剪切稳定片212、212’和芯层206进行层压。芯在该轴线上可能是相对不可压缩的。图5A中的层之间的间隔被夸大，因为在未刚性化的构型中，各层(包括外部密封室)可以彼此相抵靠地(但是松散地)平放。
图5C显示了可重构结构100’的另一示例的另一横截面示意图，该可重构结构100’包括密封封闭区域204，该密封封闭区域204封闭单个芯206，该单个芯206在上表面和下表面上被邻近外面片材层208、208’的内部纤维剪切稳定层212、212’从两侧包围。在该示例中，还在外面片材层的外部包括第三剪切稳定层212”和第四剪切稳定层212”’。在所描述的任何装置中，附加剪切稳定层212”、212”’可以存在于表面片材208、208’的两侧上。这可为表面片材提供增强的剪切特性，从而提供增强的刚性。
在本文描述的任何装置中，剪切稳定层212、212’可以被结合到芯(或被结合到各自的芯)。这仍然可以相对于表面片材提供剪切增强特性。剪切稳定层可以更牢固地被附接并提供增强的刚性，同时仍然允许芯具有柔性，因为剪切稳定层可以是弹性体。
本文描述的任何装置都可以包括(例如，在外部密封容器(例如袋203)的内部和复合叠层的外层(例如外面片材208或外部剪切层212”)之间的)可呼吸材料，例如织物或随机定向的纤维“呼吸器”，这可以增强从装置中排出空气。
如上所述，芯层可以为可重构结构提供明确限定的厚度或横截面高度，同时还提供柔性。在一些实施例中，芯层包括沿其表面不连续的材料。不连续性可以指沿其表面包含刻痕(scores)的材料。不连续性也可以指至少部分地被构造为网眼(mesh)、网格(web)或网(net)的材料，或者以其他方式包括连接的材料股(例如蜂窝)。
在一些实施例中，芯层包括约5％-100％、10％-100％、15％-100％、20％-100％、25％-100％、30％-100％、35％-100％、40％-100％、45％-100％、50％-100％、55％-100％、60％-100％、65％-100％、70％-100％、75％-100％、80％-100％、85％-100％、90％-100％、10％-90％、20％-80％、30％-70％、40％-60％、45％-55％等的接触面积百分比。在一些示例中，芯接触面积可以是低的(例如，小于15％、小于10％、小于8％、小于7％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％等)。
在一些实施例中，每个芯层包括约0.1cm-10cm、0.5cm-10cm、0.1cm-5cm、0.5cm-2cm、1cm-5cm、1cm-10cm、2cm-10cm、2cm-8cm、2cm-5cm、3cm-10cm、3cm-8cm、3cm-5cm、4cm-10cm、4cm-8cm、4cm-5cm、5cm-10cm等的厚度。可以使用多个芯层，并且该多个芯层可以由剪切稳定层分开。总的芯厚度可能很大。例如，整个芯(或芯区域)可具有在0.1cm与50cm之间(例如，在0.1cm与40cm之间、在1cm与35cm之间、在1cm与31cm之间、在1cm与25cm之间、在1cm与16cm之间等)的厚度。
例如，图6A显示了类似于图5A所示的装置100”的示例，其包括芯206’，该芯206’在两侧被一对剪切稳定层212、212’和表面片材208、208’包围。在该示例中，芯206具有比图5A和图5B中的芯的高度228更大的高度228’。当施加负压时，更大的高度可导致更大的刚度。
图6B显示了如本文所描述的可刚性化壳体结构100”’的示意图的另一示例。在图6B中，芯包括多个芯层206”、206”’、206””，它们各自被剪切稳定层212”、212”’分开。图6B所示示例的总芯厚度与图6A所示相似，且在类似负压下的极限刚度可以近似相等；然而，具有多个芯层的图6B的装置的基线柔性可以显著更高。
在一些实施例中，芯层包括在约1lb/ft3至30lb/ft3之间的密度(例如，2lb/ft3-20lb/ft3，2lb/ft3-18 lb/ft3，2lb/ft3-15 lb/ft3等)。通常，芯被构造成在弯折时是柔性的，但不可压缩，并且提供剪切载荷通过其传递的限定高度。芯层可以包括多种材料中的一种或更多种。在一些实施例中，芯层包括Nomex或铝(例如，Nomex或铝蜂窝，如图8A所示)。如上所述，在一些实施例中，芯层包括泡沫。泡沫可以至少部分带有刻痕，或者可以包括未被刻痕的片材。在一些带有刻痕的实施例中，泡沫包括背部支撑基质。在一些实施例中，芯层包括轻木。轻木可以至少部分地带有刻痕(图8B)或可以包括未被刻痕的片材。在一些带有刻痕的实施例中，轻木包括背部支撑基质。
如上所述，表面片材可包括可相对于邻近部件剪切的材料，从而允许结构可变形。例如，表面片材可以包括纤维布。布可以是编织的(参见例如图7B)或编结的(例如，如图7A所示的编结塑料)。布可以包括彼此间歇地附接的多层单向纤维。织物中的纤维可以包括高强度和高轴向刚度纤维(例如，碳、KevlarTM、TechnoraTM、玻璃纤维、DyneemaTM、VectranTM等)。
在一些实施例中，表面片材布相对于结构的纵向轴线可具有约0°-90°、10°-90°、20°-90°、30°-90°、40°-90°、50°-90°、60°-90°、70°-90°、80°-90°、20°-80°、30°-70°、40°-60°、30°-50°、40°-50°等的纤维编织或编结角度。
在一些实施例中，表面片材包括约0.1cm-5cm、0.5cm-5cm、0.5cm-2cm、1cm-5cm、2cm-5cm、3cm-5cm、4cm-5cm等的厚度。
在一些实施例中，表面片材包括30％-70％的覆盖率，诸如40％-60％，例如30％、40％、50％、60％或70％，其中覆盖面积是被布的纤维覆盖或阻挡的下层表面的百分比。
在一些实施例中，表面片材包含具有约1GPa-400GPa、10GPa-200GPa、50GPa-200GPa、50GPa-100GPa、60GPa-100GPa、70GPa-100GPa、大于100GPa、大于200GPa等的弹性模量的拉伸元件。通常，纤维的拉伸强度和刚度可以相对高，但是纤维或长丝可以相对于彼此移动或剪切。
在一些实施例中，表面片材包括具有低密度的轻质材料。密度可以小于约1g/cm3、在约0.1g/cm3-3g/cm3、0.1g/cm3-2g/cm3、0.1g/cm3-4g/cm3、0.1g/cm3-5g/cm3、0.1g/cm3-6g/cm3、0.1g/cm3-7g/cm3、0.1g/cm3-8g/cm3、0.1g/cm3-9g/cm3、0.1g/cm3-10g/cm3之间等。
纤维可以是矩形/扁平的(例如，长边缘为0.001”-0.060”，诸如0.005”、0.007”、0.010”或0.012”，且短边缘为0.0003”-0.030”，诸如0.001”、0.002”或0.003”)、圆形的(例如，直径为0.001”-0.020”，诸如0.005”、0.01”或0.012”)或椭圆形的。在一些实施例中，一些纤维可以是扁平的并且一些纤维可以是圆形的。
在一些实施例中，纤维可以由金属丝(例如，不锈钢、铝、镍钛诺、钨或钛)、塑料(尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯、PEEK、聚醚酰亚胺)或高强度和高轴向刚度纤维(例如，碳、KevlarTM、TechnoraTM、芳族聚酰胺、玻璃纤维、DyneemaTM或UHMWPE，或液晶聚合物(如VectranTM))制成。在一些实施例中，纤维可以由多层复合材料制成，例如具有薄弹性体涂层的金属芯。
表面片材可以由单丝或小纤维束构成，这些纤维每束多达1000根纤维。由于纤维之间增加的相互作用，较高数量的股可以有利地帮助使表面片材变刚硬。
芯和表面片材被保持在密封区域内。密封区域可以包括流体不可渗透的柔性材料。密封区域可以被构造为当施加真空以抵靠内层向下拉并贴合到内层的表面上时径向向内移动。密封区域边界层可以是柔软的和无创伤的，并且可以在两端密封以产生真空紧密腔室。密封区域边界层可以包括塑料。密封区域边界层可以是弹性体的，例如由聚氨酯制成。
在一些实施例中，整个结构包括密封区域。在一些实施例中，密封区域仅构成结构的一部分或多个部分。
密封区域边界层的硬度例如可以为30A～80A、40A～70A、50D～60D等。
密封区域边界层的厚度可以是约0.0001”-1”、0.001”-1”、0.005”-1”、0.01”-1”、0.05”-1”、0.01”-0.5”、0.5”-1”等。
在一些实施例中，密封区域边界层可以是塑料，包括例如聚乙烯、尼龙或PEEK。
真空和/或压力管线210流体地连接到密封区域204。真空/压力管线210可以包括管道(例如，塑料或弹性体管道)。在一些实施例中，管线210被构造成施加在最小到完全大气(例如，大约14.7psi)之间的真空。
通过施加压力(例如，负压)将表面片材选择性地粘附或附接到芯。表面片材与芯的这种选择性附接/分离允许结构在刚性构型和柔性构型之间切换。
可以通过调节芯(例如，芯的厚度、悬垂性、接触面积百分比等)来改变结构的刚度。还可以通过调节表面片材(例如，材料、角度、厚度、开口面积、模量、纤维直径、编织图案等)来调变刚度。还可以通过调节密封区域特性(例如，模量、硬度、厚度等)来调变刚度。可以通过调变压力或真空水平来改变结构的刚度。
示例性使用方法包括将可重构的结构设置成一定的姿态或形状。然后，可以对系统施加真空。随着表面片材被抵靠芯抽真空，表面片材提供表面片材的纤维间剪切稳定性，同时将表面片材压附到芯上。当压力释放时，表面片材不再向着芯被抽真空，并且纤维相对于彼此自由剪切，使得系统恢复到其柔性构型。
本文公开的结构可以有利地以第一状态(例如，平坦或卷起)收起，且然后能够快速转变成能够呈现各种形状的载荷承载结构。
本文所描述的结构可以有任何数量的形状(例如，正方形、圆形、卵形、矩形等)。这些结构可以用作医疗设备。例如，它们可以用于需要通过小的孔口进入身体且然后在身体内部膨胀以变成可用于推动、移动或重新定位解剖结构的较大的板或结构的元件。如另一示例，该结构可用于外骨骼或石膏。
本文所描述的结构也可用于非医疗应用。例如，该结构可以用于容易压实并且可以快速组装的住宅、建筑结构或紧急避难所。
应理解的是，前述构思和下面更详细讨论的另外的构思(假定这样的构思不相互矛盾)的所有组合被设想为本文所公开的发明主题的一部分，并且可以用于实现本文描述的益处。
本文描述和/或示出的步骤的工艺参数和顺序仅作为示例给出，并且可以根据需要变化。例如，虽然本文所示和/或描述的步骤可能是以特定顺序示出或讨论的，但这些步骤不一定需要以所示或讨论的顺序执行。本文描述和/或示出的各种示例方法还可以省略本文描述或示出的步骤中的一个或更多个，或者包括除了公开的这些步骤之外的附加步骤。
当一个特征或元件在本文被描述为“在另一特征或元件上”时，它可以直接在其他特征或元件上，或也可能存在中间的特征或元件。相反，当一个特征或元件被描述为“直接在另一特征或元件上”时，则没有中间的特征或元件存在。应当理解，当一个特征或元件被描述为“连接”、“附接”或“耦合”到另一特征或元件上时，它可直接连接、附接或耦合到其他特征或元件，或可能存在中间的特征或元件。相反，当一个特征或元件被描述为“直接连接”、“直接附接”或“直接耦合”到另一特征或元件时，则没有中间的特征或元件存在。虽然针对一个实施例进行了描述或示出，但是这样描述或示出的特征和元件可以应用于其他实施例。本领域技术人员应当理解，提到“邻近”另一特征设置的结构或特征可具有与相邻特征重叠或在相邻特征下方的部分。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不意图限制本发明。例如，除上下文另外明确说明之外，如本文所用的，单数形式“a(一)”、“an(一)”和“所述(the)”旨在同样包括复数形式。还应当理解的是，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”当在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其它特征、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。如本文所用的，术语“和/或”包括一种或更多种相关的所列项目中的任一组合和所有组合，并且可缩写为“/”。
空间相关的术语，诸如“在......下方(under)”、“在......下(below)”、“低于(lower)”、“在......上方(over)”、“上部(upper)”等，可能在本文中被使用，以便于描述如附图所示的一个元件或特征与另外的一个或更多个元件或特征的关系。应理解的是，空间相关的术语旨在包含除了附图中描绘的定向之外的装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果附图中的设备被颠倒方向，则元件被描述为“在其它元件或特征下方”、“在其它元件或特征下面(beneath)”，则该元件将被定向成“在其它元件或特征上方”。因此，示例性术语“在......下方”可涵盖在......上方和在......下方的两种定向。该装置可以被以其它方式定向(旋转90度或以其他定向)，并且本文使用的空间相关的描述词据此被解释。类似地，除另外特别说明之外，术语“向上(upwardly)”、“向下(downwardly)”、“竖直(vertical)”、“水平(horizontal)”等在本文中仅用于说明的目的。
虽然术语“第一”和“第二”在本文中可以用于描述各种特征/元件(包括步骤)，但是这些特征/元件不应该受这些术语的限制，除非上下文另有说明。这些术语可以用于将一个特征/元件与另一个特征/元件区分开。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一特征/元件可以被称为第二特征/元件，并且类似地，下面讨论的第二特征/元件可以被称为第一特征/元件。
在本说明书和所附权利要求书中，除非上下文另有要求，否则术语“包括(comprise)”及其变型诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”意味着可以在方法和制品(例如，组合物和设备，包括装置和方法)中共同使用各种部件。例如，术语“包括(comprising)”将被理解为暗示包含任何所述的元件或步骤，但不排除任何其他元件或步骤。
通常，本文描述的装置和方法中的任何一种应被理解为包容性的，但是部件和/或步骤的全部或子集可以可选地是排他的，并且可以被表示为“由”或可替代地“基本上由”各种部件、步骤、子部件或子步骤“组成”。
如本文在说明书和权利要求书中所用的，包括在示例中所用的，并且除非另有明确说明，否则所有数字可以被读作如同以单词“约(about)”或“大约(approximately)”开头，即使该术语没有明确出现。可以在描述幅度和/或位置时使用短语“约”或“大约”，以指示所描述的值和/或位置在值和/或位置的合理预期范围内。例如，数值可以具有为所陈述的值(或值的范围)的+/-0.1％、所陈述的值(或值的范围)的+/-1％、所陈述的值(或值的范围)的+/-2％、所陈述的值(或值的范围)的+/-5％、所陈述的值(或值的范围)的+/-10％等的值。本文给出的任何数值还应当理解为包括约或大约该值，除非上下文另有说明。例如，如果公开了值“10”，那么“约10”也被公开。本文列举的任何数值范围旨在包括包含在其中的所有子范围。还应理解，如本领域技术人员恰当地理解的，当公开了一个值时，则“小于或等于”该值、“大于或等于该值”且值之间的可能范围也被公开。例如，如果公开了值“X”，那么“小于或等于X”以及“大于或等于X”(例如，其中X为数值)也被公开。还应当理解，在整个申请中，以多种不同的格式提供数据，并且该数据表示数据点的任何组合的端点和起始点以及范围。例如，如果公开了特定数据点“10”和特定数据点“15”，则应当理解，大于、大于或等于、小于、小于或等于、和等于10和15以及在10和15之间被认为是公开的。还应当理解，还公开了两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则也公开了11、12、13以及14。
虽然上面描述了各种说明性实施例，但是在不脱离权利要求所描述的本发明的范围的情况下，可以对各种实施例进行若干改变中的任一个。例如，在替代实施例中，通常可以改变执行各种所描述的方法步骤的顺序，并且在其他替代实施例中，可以一起跳过一个或更多个方法步骤。各种设备和系统实施例的可选特征可以被包括在一些实施例中而不被包括在其他实施例中。因此，前面的描述主要被提供用于示例性目的，并且不应被解释为限制在权利要求中阐述的本发明的范围。
本文所包括的示例和说明通过说明而非限制的方式示出其中可以实践主题的具体实施例。如所提到的，可以利用和从其推导出其他实施例，使得可以做出结构和逻辑替换和改变而不脱离本公开的范围。仅为了方便，本发明性主题的这样的实施例在本文中可单独地或共同地由术语“发明”来指代，并且如果实际上多于一个被公开的话，不意图将本申请的范围主动地限制为任何单个发明或发明构思。因此，虽然本文已经说明和描述了特定实施例，但是被认为实现相同目的的任何布置可以替代所示的特定实施例。本公开旨在覆盖各种实施例的任何和所有修改或变型。在阅读以上描述后，本领域的技术人员将明白以上实施例的组合以及本文未具体描述的其他实施例。

Claims (26)

1.一种可刚性化壳体结构，包括：
柔性芯层；
第一表面片材，其被定位在所述柔性芯层的第一侧上；
第二表面片材，其被定位在所述柔性芯层的第二侧上，所述第二侧与所述柔性芯层的所述第一侧相对；以及
外层，其环绕所述柔性芯层、所述第一表面片材和所述第二表面片材并围绕所述柔性芯层、所述第一表面片材和所述第二表面片材形成密封；
入口，其被定位在所述外层内并且被构造成允许通过所述入口施加压力，
其中，所述第一表面片材和所述第二表面片材被构造成在第一构型中抵靠所述柔性芯层剪切，所述第一构型在没有从所述入口施加压力的情况下是柔性的，并且其中，所述第一表面片材和所述第二表面片材在第二构型中压附到所述柔性芯层，所述第二构型在从所述入口施加压力的情况下是刚性的。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述压力是负压。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述柔性芯层包括NomexTM或铝蜂窝。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，使用剪切增强层。
5.根据权利要求1所述的结构，其中，使用多个芯层。
6.根据权利要求1所述的结构，其中，所述柔性芯层包括泡沫。
7.根据权利要求1所述的结构，其中，所述柔性芯层包括带有刻痕的轻木。
8.根据权利要求1所述的结构，其中，所述柔性芯层是不连续的。
9.根据权利要求1所述的结构，其中，所述柔性芯层包括约0.1cm-10cm、0.5cm-10cm、0.1cm-5cm、0.5cm-5cm、0.5cm-2cm、1cm-5cm、1cm-10cm、2cm-10cm、2cm-8cm、2cm-5cm、3cm-10cm、3cm-8cm、3cm-5cm、4cm-10cm、4cm-8cm、4cm-5cm或5cm-10cm的厚度。
10.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一表面片材包括纤维布。
11.根据权利要求10所述的结构，其中，所述纤维布是编织的或编结的。
12.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一表面片材和所述第二表面片材包括约0.1cm-5cm、0.5cm-5cm或0.5cm-2cm的厚度。
13.根据权利要求1所述的结构，其中，所述表面片材包括约30％-70％的覆盖率，诸如40％-60％的覆盖率，例如30％、40％、50％、60％或70％的覆盖率。
14.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一表面片材和所述第二表面片材包括约1g/cm3-3g/cm3、1g/cm3-2g/cm3、1g/cm3-4g/cm3、1g/cm3-5g/cm3、1g/cm3-6g/cm3、1g/cm3-7g/cm3、1g/cm3-8g/cm3、1g/cm3-9g/cm3或1g/cm3-10g/cm3的密度。
15.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一表面片材和所述第二表面片材包括矩形的、扁平的、圆形的和/或椭圆形的纤维。
16.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一表面片材和所述第二表面片材包括塑料或金属的纤维。
17.根据权利要求1所述的结构，其中，所述外层包括弹性体。
18.根据权利要求1所述的结构，其中，所述外层包括塑料。
19.根据权利要求1所述的结构，其中，所述外层包括约30A-80A或约50-60D的硬度。
20.根据权利要求1所述的结构，其中，所述外层包括约0.0001”-1”、0.001”-1”、0.005”-1”、0.01”-1”、0.05”-1”、0.01”-0.5”、0.5”-1”的厚度。
21.根据权利要求1所述的结构，其中，所述入口附接到管道。
22.一种可刚性化壳体结构，包括：
柔性芯层；
第一片材，其被定位在所述柔性芯层的第一侧上；
第二片材，其被定位在所述柔性芯层的第二侧上，所述第二侧与所述柔性芯层的所述第一侧相对；以及
外层，其环绕所述柔性芯层、所述第一片材和所述第二片材并围绕所述柔性芯层、所述第一片材和所述第二片材形成密封；
入口，其被定位在所述外层内并且被构造成允许通过所述入口施加压力，
其中，所述第一片材和所述第二片材在第一构型中抵靠所述柔性芯层剪切，所述第一构型在不通过所述入口施加压力的情况下是柔性的，并且其中，所述第一片材和所述第二片材在第二构型中刚性地贴附到所述柔性芯层，所述第二构型在通过所述入口施加压力的情况下是刚性的。
23.一种将壳体结构从柔性构型转变为刚硬构型的方法，包括：
将壳体结构设置成一定的形状或姿态，所述壳体结构包括环绕被定位在第一表面片材和第二表面片材之间的芯层的密封外层，所述第一表面片材和所述第二表面片材被构造成抵靠所述芯层剪切；
通过在所述密封外层中的入口向所述壳体结构施加压力，从而使所述第一表面片材和所述第二表面片材压附到所述芯层，并使所述壳体结构在该形状或姿态中变刚硬。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，向所述壳体结构施加压力包括向所述壳体结构施加负压。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，向所述壳体结构施加压力包括向所述壳体结构施加在0.01psi-14.7psi之间的负压。
26.根据权利要求23所述的方法，还包括停止施加压力，从而允许所述壳体结构转变回柔性构型。
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