CN1774577B - 脉冲驱动的伺服泵系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种不包含任何外部元件或者阀的泵系统。该泵系统的特征在于有普通类型的致动机构并采用优选成电活化致动器的可逆膨胀式致动器。通过顺序地活化设在该泵内的邻接致动器，使流体按选定的流率和方向移动。此泵用于泵送多种流体，并可用在各种工业、商业、医疗业、航空业或者军事应用中。

Description

脉冲驱动的伺服泵系统
导言
技术领域
本发明涉及泵，准确地说，本发明旨在一种用于以预定速率且沿着预定流路移动流体的可编程伺服泵系统。
背景技术
现有技术中已知多种泵，且已针对具体应用进行改装。用于移动流体的泵经由马达来驱动以对该液体产生一种使其流动的力，该马达用以驱动通常是活塞和阀的活动部件。这种泵系统中的阀一般经由电机设备例如螺线管和其它机械部件来驱动。如本领域技术人员将理解的，存在用于许多不同应用的无数型式的泵。例如，在医药设备领域中，存在用于为特定目的输送血液和其它生物流体的蠕动泵、隔膜泵和离心泵。在许多现代化学加工中使用的泵广泛依靠泵、管和阀的复杂互连来实现特定的化学转换或混合，该现代化学加工包括炼油或石油炼制、食品和药物制造以及发电。对多个专用泵或者过多阀构造的依赖导致系统复杂且昂贵，从而需要较高的维护及制造费用。
不需要任何活动部件的聚合物致动器常常用在这些复杂系统中以简化阀操作。近来已经开发出一种电活化聚合物(EAP-通常所说的人造肌肉)致动器。参见例如，“Electroactive Polymer(EAP)Activatorsas an Artificial Muscles”Yoseph ar-Cohen Ed.，Society ofPhoto-Optical Instrumentation Engineers，Publisher(2001)。电活化聚合物在被活化时可逆地膨胀或者改变形态。由活化EAP施加的机械力被吸收以移动致动器设备内的部件。
美国专利No.6,664,718描述了作为转换器且把电能转换为机械能的单片式电活化聚合物。EAP用于产生机械能以移动自动装置或泵的部件。
美国专利No.6,682,500描述了一种由EAP驱动的隔膜泵。在此泵中，EAP设在一种称为“隔膜”的弹性膜的下方。EAP在其被活化时膨胀和收缩，从而可逆地移动隔膜，该隔膜反过来又移动与其接触的流体。隔膜泵采用止回阀以控制液流。
美国专利No.6,685,442公开了一种基于导电性弹性聚合物凝胶的阀致动器。工作时，利用电解质溶液使导电性凝胶聚合物活化。通过操纵凝胶两端的电位，可控制弹性膜在膨胀凝胶和电解质溶液上的运动以作为一种“门”来开启或闭合流体通道，该门也用作该通道的止回阀。
致动器在泵系统中的使用降低了系统操作的复杂性。然而，所公开的采用聚合物致动器的每种泵仍然需要活动部件和阀。机械复杂性、维护费用、大尺寸和重量、无菌问题、流体杂质侵蚀产物、与特定流体的化学不兼容性以及工作往往有噪音使得绝大多数泵系统都不适用于特定目的。
因此，寻找不采用任何机构部件或阀的简单致动器设备。
发明内容
在下文公开了经改进的泵和泵送流体的方法，它们克服了现有技术泵的许多缺点，这些缺点包括采用复杂的可动部件以及较高的制造费用。
本发明设想这样一种致动器泵送系统，其利用在固定容积的外壳内部膨胀或者偏转致动器的力使流体移过该外壳。不需要任何活动部件或者阀。定时活化各个致动器使该致动器按预定的时间和顺序改变尺寸，从而使流体按特定时间和路径流动。
用于移动流体的本发明泵系统包括：致动器外壳，具有用于容纳流体的室；多个邻接致动器，位于该室内；以及活化装置，用于顺序地活化各个致动器。每个致动器在被活化时都改变尺寸并给所容纳的流体施加一移动力。
在本发明的优选实施例中，致动器外壳包括两个或多个用流体连通的室。在某些例子中，单独室被编程序以按各自的速率和流路移动流体的不同部分。单独室可例如用于更改其粘度在移过外壳时发生变化的流体的流率。在其它例子中，经过单独室的流率的协调调整用于使来自各个室的任何脉冲流态缓和为该室下游的平稳连续液流态。
优选地，该泵包括用于控制致动器活化装置的装置，借此按预定时间活化各个致动器。在优选实施例中，该控制器是一种与活化装置电连接的可编程微处理器。
在某些例子中，该泵包括用于确定流体的物理特性的检测器装置。该检测器与控制装置电连接并可将与流体的物理状态有关的信息反馈给该控制装置。此检测器测量例如流体的PH、粘度、离子强度、速率、压强或者化学成分的变化。这种反馈允许该泵交互式地改变流体的速率和流向。
在本发明的优选实施例中，该泵以受控速率移动流体。在这些实施例中，活化装置按选定的时间顺序地活化各个邻接致动器。流体的流率取决于致动器的活化速率以及经由每个致动器移动的体积。因此，在某些优选例子中，以迅速的时间间隔重复且顺序地脉动各个致动器，流体实质上是从外壳中喷出。在其它例子中，按特定时间活化第一组邻接致动器，然后在第一组返回到它们的原始尺寸的同时，顺序活化第二组邻接致动器。若干次地重复此活化模式或者利用沿着流体流路的更多组致动器重复此活化模式使得一定体积流体被移动并最终从外壳中喷出。利用经活化致动器与已恢复致动器之间的体积差确定在给定时间里移动的流体量。
致动器外壳内的室足够刚硬以防止其由于活化致动器所施加的力而发生变形，因为经活化致动器的移动力需要该室维持实质上恒定的容积。然而在某些例子中，当将此泵放入小腔室中时，致动器外壳会在被插入的同时略微变形。
在本发明的其它优选实施例中，控制致动器外壳内流体的流向。在这些实施例中，各个致动器在室内的位置确定了所移动流体的流路。经由此室引导的流体将流入不含有任何阻挡液流的致动器的空间。在某些优选例子中，各个致动器以网格图案设置在室内，且各个致动器放置在每条网格线的交点处。在这些例子中，流经网格的流体会移入由该网格内的致动器位置所限定的无阻挡空间，但是不会流入利用致动器阻挡的空间。可设计其它致动器图案以产生不同的流路。最优选地，这些实施例中的泵包括用于确定流体特性的检测器。泵控制器被编程序以响应于来自检测器的反馈并活化选定致动器，从而交互式地确定流体的流路。
在某些例子中，室包括用于接收不同流体的多于一个的入口，且每种流体被导入不同路径。在这些例子中，通过使不同流体的流路相交，该泵可用作流体混合设备。使混合流体反应，然后引导至排出流路。
在本发明的其它优选实施例中，该泵按确定的速率和确定的路径移动流体。在这些例子中，泵内致动器的顺序活化速率和图案确定了流体的流率，且致动器在致动器外壳的室内的位置确定了流路。
本发明中使用的致动器被优选成实质上是惰性的且不与流体反应。在这些例子中，泵用于移动生物流体例如血液，致动器与流体是生物相容的。在其它例子中，该室包括位于致动器与所容纳流体之间的弹性不可渗透衬垫以阻止致动器与流体接触。
在本发明的优选实施例中，每个单独致动器都包裹在一种实质上惰性的材料内，以防止其与流体接触以及在某些例子中防止其与邻接致动器相互作用。各个致动器在被包裹时是位于致动器外壳内的单独整体单元。
最优选地，本泵的致动器由响应于活化装置的弹性材料组成。该弹性材料在被活化时改变其尺寸。在某些例子中，此材料膨胀，且由于邻接致动器施加的膨胀阻碍而向外线性地移入被所容纳流体占据的空间中，从而移动该流体。在某些其它例子中，聚合物的活化导致其收缩成较小体积，从而空出其上方的空间以供流体流动。在某些其它例子中，弹性材料改变形状。当形状出现变化时，弹性材料推动并移动流体。本发明的一重要方面是致动器在未被活化时迅速地回复其原始形状。致动器的可逆特性维持泵送活动。
更优选地，本发明泵中的致动器是从以下组中选出的可逆响应的弹性材料，该组包括电活化聚合物、电解质活化聚合物凝胶、光活化聚合物、压电聚合物、压电陶瓷材料、化学活化聚合物、磁活化聚合物、热活化聚合物和形状记忆聚合物。利用室尺寸、致动器被活化时的尺寸变化量以及所移动流体的特性确定该致动器的形状和尺寸。
在本泵的优选实施例中，致动器由电活化聚合物组成。在某些例子中，该活化装置是一种直接促使各个致动器按确定的时间和图形改变尺寸的电路。由直接电活化导致的电活化聚合物的化学变化例如PH变化、离子强度变化或者相位变化使得致动器改变尺寸或者形状。压电聚合物或者配有电触点的聚合物是适于用在这些实施例中的致动器例子。在采用电活化聚合物的实施例中，每个致动器都与邻接致动器电屏蔽。
在本发明泵的其它优选实施例中，致动器包括经由与电解质溶液接触而被活化的电解质活化聚合物凝胶。在这些实施例中，各个聚合物都用半渗透材料包裹，致动器外壳包括用于容纳电解质溶液的储存器，活化装置是一种电路，借其使电解质溶液自储存器经由半渗透材料可逆流动至与聚合物接触和离开聚合物，以使该致动器进行可逆运动。
在这些优选实施例中，利用电路直接活化或者利用电解质活化致动器，该泵优选地包括用于驱动该电路的遥控设备。最优选地，该遥控设备是由红外线或者射频驱动的。在某些优选实施例中，利用微处理器控制该遥控设备，该微处理器被编程序以按选定的时间和顺序活化致动器。
在本发明泵的其它优选实施例中，致动器由光响应聚合物组成。在某些优选例子中，该光响应聚合物在有光的情况下被离子化。在其它优选例子中，该光响应聚合物在有光的情况下改变PH。通过曝露于特定波长的激光束、自然光、LED或者其它量子光源，控制该光活化聚合物的活化。在某些优选例子中，利用遥控设备例如一种红外线或者射频驱动设备来控制曝光时间。在这些优选实施例中，用微处理器来控制遥控设备，该微处理器被编程序以按选定的时间和顺序活化致动器。
在本发明的一个实施例中，该泵可用作流体混合设备。这些实施例尤其可用在化学处理或者生物处理系统中。对于化学处理，此设备可容纳多于一种的流体，且使每种流体沿选定的流路流入储存器并作为单独流体自该储存器流出。在生物处理系统中，此设备用作温和细胞处理设备(gentle cell processing device)。
在其它实施例中，此泵可用作便携式流体输送设备。因为此泵简单且由轻质量部件组成，故可用在偷袭行动中。
在本发明的其它优选实施例中，此泵用于沿着一表面推进物体。在这些实施例中，泵包括：致动器外壳，与物体接触；多个邻接致动器，与该致动器外壳接触且与表面接触；以及活化装置，用于顺序活化各个致动器。在此实施例中，当每个致动器被活化时，其改变形状且给该表面施加一移动力，从而沿着与该移动力方向相反的方向推进固体物体。此推进泵可用于推进悬浮在液体表面上的物体、悬挂在固体表面上的物体或者浸在液体中的物体。
本发明还提出了用于按受控速率泵送流体的方法。在该方法中，将本泵的致动器外壳设置成与所要泵送的流体进行流体接触，活化第一致动器以阻止从致动器外壳回流，以及然后按照顺序重复地活化邻接致动器，其中，各个致动器之一的活化发生在其邻接致动器之一已被活化以后。
该方法用于泵送不同粘度的流体。在这些方法中，泵包括两个或多个以流体连通的室，通过按不同时间和顺序活化其内的致动器，使每个室以不同的流率工作。
附图说明
从以下结合附图给出的对本发明的更具体说明，本发明的以上及其它方面、特征和优点将更明显，其中：
图1说明本发明的泵，表示了具有容纳流体的室的致动器外壳、该室内的多个邻接致动器以及用于顺序地活化各个致动器的活化装置。还表示了用于活化装置的控制器以及流体检测器。还表示了流体经过外壳的流动。在工作时，按照使流体以确定速率和路径流动的时间和顺序活化各个致动器。
图2A-2C说明室内的邻接致动器的可能布置。在图2A中，邻接致动器在室内按线性阵列设置。在此实施例中，致动器在被活化时膨胀至腔室的相对壁、形成一种阻挡流体流动的密封且同时沿着阵列轴移动流体。图2B说明呈两个并列线性阵列布置的致动器。在此实施例中，致动器在被活化时膨胀至相互接触。
图3说明室内具有多组邻接致动器的泵。指示了通过顺序活化邻接致动器而导致的流体流。
图4说明致动器外壳内具有三个以流体连通的室的本发明泵。
图5说明用于沿着确定路径移动流体的泵，其中，致动器按一定位置设在室内，该位置限定了在流体移动时供该流体使用的流路。在此示意图中，邻接致动器设在限定一种矩阵的网格线的交点处。
图6是室内的致动器的扩大图。致动器由光活化聚合物组成并被包裹在惰性材料内。表示了用于通向光源的管路。在此实施例中，可按受控速率和方向泵送流体。流体被引导至交点，它们在那里混合并使它们反应。
图7表示一种在线处理系统中的泵10，其中，各种流体按确定的时间导入主液流路径。此泵可被制造成一种插入化学或生物处理系统中的模块单元。
图8说明作为致动器12的蜂窝式支撑物的本发明致动器外壳11。
图9表示具有电活化致动器12的泵10，该电活化致动器12经由与电解质溶液接触而被活化。致动器外壳11包括室14和用于容纳电解质溶液28的储存器27。电极29位于致动器内，而电极30位于该致动器外。玻璃料31(半渗透网格)分隔致动器与电解质溶液。半渗透膜32包围致动器。
图10表示作为推进设备的泵10。图10A表示用于沿着某表面移动物体的泵。图10B表示用于移动悬浮在流体中的物体的泵。
从以下详细说明、附图和所附权利要求书，本发明的其它特征和优点将变得明显。
具体实施方式
定义
“活化装置”一般指藉以使聚合物致动器改变尺寸的装置。在被直接活化的电活化聚合物凝胶的情况下，活化装置是用于触发电路的开关装置，该电路使电活性引起聚合物内的化学反应，该化学反应使该聚合物的尺寸发生变化。在被间接活化的电活化聚合物凝胶的情况下，活化装置使电解质溶液流与聚合物接触，然后离开该聚合物。在光活化聚合物的情况下，活化装置是允许光与该聚合物接触的开关装置。在压电致动器的情况下，开关装置一般是给压电材料施加电压或物理压力的开关装置。
“控制装置”指与活化装置电接触的控制器。优选地，控制装置是一种编制程序以便按选定的时间和顺序使活化装置活化的电子设备。更优选地，控制装置包括已编程的微处理器。微处理器芯片在现有技术中是公知的。单芯片是廉价的且优选地用于用后即可丢弃的本发明实施例中。
“流体”指液体、泥浆、细粉末、乳浊液和溶剂混合物。在特定情况中，该流体可以是气体。
“微处理器”指计算机以及计算机中的CPU。优选地，微处理器是一种可编程序以便按选定时间和顺序运行泵的小芯片。微处理器可交互式地响应于检测器。制造费用非常便宜的特定芯片相当适于用后即可丢弃的本发明泵实施例。
“顺序活化”指邻接致动器的一种活化模式，其中，相邻致动器被一个接一个地活化。在邻接致动器阵列中，第一致动器的活化决定所要移动的流体量。相邻致动器的活化将移动此流体量。重复活化将顺序地继续沿着邻接致动器的表面把此流体量移过室。邻接致动器的顺序活化类似于在弹奏音阶时钢琴板上琴键的发声。然而，本泵不限于平直线性阵列的致动器。例如，一种管状室可包括呈螺旋阵列的致动器。在特定实施例中，可同时活化多个致动器的组合以移动更大量流体且增大流率。在这些实施例中，“顺序”指邻接的致动器组的活化。
用在本发明中的致动器优选地包括电活化聚合物(EAP)。这些聚合物通过表现出显著的形状或尺寸变化来响应外部的电刺激。EAP分为两大类：电子的和离子的。电场力或库仑力一般驱动电子EAP，而用于离子EAP的原始驱动器是离子的迁移或扩散。
电子类EAP包括铁电聚合物、介电聚合物、电限制接枝聚合物、电致伸缩纸、电血管弹性聚合物(electrovasoelastic polymers)以及液晶弹性体(LCE)材料。离子EAP包括聚合物凝胶(IPG)、离子键聚合物-金属的合成物(IPMC)、导电聚合物(CP)和石墨毫微管(CNT)。以下与离子EAP有关的表I可在Axom网址http://www.azom.com/details.asp？ArticleID＝885#_Ferroelectric_Polymers上找到：
表I
聚合物凝胶(IPG)
这些是电位与生物肌肉的力密度和能量密度相匹配的聚合物凝胶。利用化学反应活化聚丙烯腈材料，从酸性环境到碱性环境的变化引发使凝胶变得致密或者膨胀的动作。由于离子要穿过多层凝胶才能扩散，这种动作有点缓慢。
离子键聚合物-金属的合成物(IPMC)
这些是响应于由阳离子在聚合物网络内的迁移所导致的电活化而弯曲的EAP。通常，两种基础聚合物用于形成IPMC，它们是Nafion(由Du Pont制造的全氟磺酸盐)和Flemion(由日本Asahi Glass制造的全氟羧酸盐)。IPMC需要较低电压以激发弯曲响应(1-10V)以及1Hz以下的低频率。
导电聚合物(CP)
CP经由氧化还原循环过程中出现的可逆抗衡离子插入和排出来驱动。通过在对应电极处与电解质交换电子的氧化和还原反应，发生显著的体积变化。
电极通常由聚吡咯或聚苯胺或掺杂了HCL的PAN制成。CP致动器需要在1-5V范围内的电压。电压变化可以控制致动速率。这些材料可以实现高于20J/cm3的较高机械能量密度，然而它们具有1％的低效率。
用于CP的其它材料化合物是聚吡咯、聚乙烯二羟基噻吩、聚(对-苯亚乙脂)、聚苯胺和聚噻吩。据报导这些CP的一些应用有能开闭的小型盒、微型机器人、外科工具、组装其它微型设备的外科机器人。石墨毫微管(CNT)
1999年，作为正式EAP出现的CNT具有类似于金刚石的机械性能。致动机构经过电解液介质，通过注入使毫微管与电解液之间离子电荷平衡的电荷，键长发生变化。注入CNT内的电荷越多，尺寸变化越大。由于单个CNT的机械强度和模量以及可实现的致动器位移，与其它形式EAP相比，这些EAP拥有每周期最大功且产生高得多的机械应力。
如在表I中可观察到的，离子EAP的机械性能和化学机制变化显著。对本发明应用而言，在活化时表现出显著且可逆的体积变化的EAP是优选的。具有显著弯曲响应的优选聚合物例子包括基础聚合物Nafion(由Du Pont制造的全氟磺酸盐)和Flemion
Figure G04810203320080403D000102
(由日本AsahiGlass制造的全氟羧酸盐)。
可用在本发明优选实施例中的第二类致动器包括称为光致动器的光活化聚合物。光致动器使被照射材料的长度和体积发生变化。光活化背后的机制例子包括相变、聚合物的内部重构(异构化)以及光致伸缩(光电效应和压电效应的结合)。
美国专利No.6,143,138公开了用作本发明致动器的光活化聚合物。该聚合物包括优选蒽的PH跃变分子。利用可见光激活PH跃变分子。伴随的PH变化迅速发生(在毫微秒内)，并通过连续波长光或者通过适当脉冲光来维持该变化。
用作本致动器的适当聚合物是公知的，且将成为适当致动器的新材料被不断发现。有关电活化聚合物的评论可在“ElectroactivePolymer(EAP)Activators as an Artificial Muscles”Yosephbar-Cohen Ed.，Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers，Publisher(2001)中找到，在此整体引入其内容。
尽管这里已经公开了适合用作本发明致动器的某些可逆膨胀聚合物，但是具有以下特性的任何材料都是适用的，该特性包括形状和体积在被活化时发生可逆且迅速的变化、低电压需求、良好的应变性和坚韧性。本发明范围试图延伸至将被开发出的显示出所需特性的新材料。
图1-10一般表示用数字10指示的本发明泵的优选实施例。
现在参照图1，泵10包括致动器外壳11、室14、多个位于该室14内的邻接致动器12以及用于顺序活化单独致动器12的活化装置13。致动器外壳可具有一个或多个入口15以及一个或多个出口16。
图1中还表示了控制器21。控制器21控制活化装置13，并确定单独致动器被顺序地活化的时间。这种控制器在现有技术中是公知的。优选地，控制器21是一种可编程序的微处理器，更优选地，控制器21是一种与活化装置电连接且可编程序的简单微片。
图1中还表示了用于确定流体的特定物理特性的检测器22，其中，该检测器与控制装置电连接并可将从流体得到的信号发送给该控制装置。用于此目的的检测器在现有技术中是公知的，并可响应于包括化学成分、PH、压力、温度和流率在内的流体的物理特性。
图2A-2E表示室14内的邻接致动器的可能布置。在图2A中，邻接致动器17A-P在室14内呈线性阵列布置。在这种实施例中，致动器在被活化时膨胀至室的相对壁，形成一种阻挡流体流动且同时沿着阵列轴向移动流体的密封。图2B表示呈两个并列线性阵列布置的致动器17A-N。在这种实施例中，致动器在被活化时膨胀至相互接触。这种阵列对于流体沿着致动器外壳内的流动轴垂直移动有用。这些例子是示范性的致动器布置，然而提供用于使膨胀致动器与固体表面接触以移动流体的其它布置也是可以的。
通过按照一种顺序时间图形单独活化每个邻接致动器来实现流体位移。致动器内的弹性材料在活化时改变尺寸，并给它们接触的流体体积施力。由所包容流体中的每个致动器施加的力是多向的，尽管流体移动，但不生成任何流。在本发明中，通过顺序地活化邻接致动器以使单独致动器膨胀至相对表面并移动与该致动器的膨胀尺寸相对应的流体体积来实现流体位移。阵列中的第一致动器被活化、膨胀至相对表面并给流体施力。由此第一致动器移动的流体将相对于该致动器沿着前后方向移动。然而当与第一致动器邻接的第二致动器被活化时，其仅沿着一个方向移动流体，因为其余三个方向被第一致动器、相对表面以及该致动器与之连接的室壁阻挡。通过继续执行邻接致动器的顺序活化，迫使流体沿着由致动器与外壳所限定的路径流动。在优选实施例中，致动器组在室内沿着流动轴布置。继续对每组重复执行顺序活化，直至第一组致动器使其形状变化反向且然后被再次活化。通过颠倒单独致动器的活化顺序，本泵可实现反向流动。某些聚合物在被活化时收缩。当用作本发明的致动器时，经膨胀的第一致动器设在室的入口处。活化图形开始于第一致动器的收缩，随后邻接致动器顺序地收缩。流体沿着由致动器所限定的路径流动。
图3表示具有多个顺序地设置在室14内的邻接致动器的邻接组17A-E、18A-E和19A-E的泵10。在此示意图中流体流分阶段地出现，其中，在第一阶段，第一组致动器17A-E被顺序地活化，然后在第二阶段，第二组致动器18A-E被顺序地活化。由第一组17A-E移动的流体体积将流入第二组18A-E上方的位置。重复这些阶段将得到经过并流出致动器外壳的脉冲液流。
流经致动器外壳11的速率由致动器的选定活化时间及顺序决定。可由致动器的尺寸变化计算预期流率。在给定时间内移动的流体量是在此时间过程中全部已膨胀(或已收缩)致动器的总体积量。流体流速是在由活化时间和顺序所确定的给定时间过程中移动的体积。控制器21可被编程序，以便按给定的时间和顺序活化致动器，从而提供选定流率。
图4表示包括三个室14A，14B和14C的本发明泵10。在此示意图中，所有室皆以流体连通方式设置。每个室可独立于其它室操作，这样可按不同的时间和顺序启动流体流。这种布置用于泵送在流体流动过程中改变粘度的流体。其还用于衰减脉冲流。通过把致动器平行布置在室内并按不同时间活化每个外壳内的致动器来实现衰减。
图5表示用于沿着预定路径移动流体的泵10的优选实施例。致动器12按照一种图形设置在室14内，该图形限定了液流路径。填充圆圈指示被活化的致动器，空圆圈限定未被活化的致动器。在图5中，单独致动器设置在网格线的交点处，并指示了用于流体1和流体2的路径。当通路中的邻接致动器被活化时，流体将沿着由空圆圈所限定的路径流动。本发明的一个重要方面是利用本泵通过以给定时间活化特定致动器，可使流体按照预定图形流动。因此，如图5所示，通过使致动器17A和17B改变未活化状态的尺寸并通过活化致动器17C，可使两流体交汇。流体2将沿着新路径移动并将与流体1结合。在相交处可发生反应，新流体将由致动器的顺序活化而被引出室外。
图6是室14内的致动器的示图，表示被包裹在惰性材料10内的单独致动器17A，17B，17C。图6中的致动器包括光活化聚合物。至光源的通路可由管路(未表示)提供。在图6所示泵的某些实施例中，致动器被顺序地活化且流体以一种受控速率流动。在其它实施例中，按照一种限定液流路径的图形来活化致动器。图6还表示了用于接收两种流体的入口25和26。可如所示沿着单独路径引导流体。选择性地，流体可被引导至相交处，在那里，它们混合并反应。
图7表示一种在线处理系统中的泵10，其中，在预定时间将各种流体引导至主液流路径。入口15A-E接收各种流体。沿着单独的流动路径引导每种流体，并在预定时间将每种流体输送至主流体。由主流体与各种流体之间反应得到的反应产物自出口16流出。这种泵可被制造成一种模块单元以插入化学或生物处理系统中。该模块单元包括适当的连接器以实现与在线系统的流体连通。
图8说明作为致动器12的蜂窝式支撑物的本发明致动器外壳11。
图9表示具有电活化致动器的泵10，该电活化致动器12经由与电解质溶液接触而被活化。致动器外壳11包括室14和用于容纳电解质溶液28的储存器27。电极29位于致动器内，而电极30位于该致动器外。玻璃料31(半渗透网格)分隔致动器与电解质溶液。半渗透膜32包围致动器。
图10表示作为推进设备的泵10。图10A表示用于沿着某表面移动物体的泵。图10B表示用于移动悬浮在流体中的物体的泵。在图10A和10B中，致动器在被活化时变形或弯曲，这样由已活化致动器施加的力具有定向分量。在图10A中，推进方向将依据力的方向而沿着线性方向。在图10B中，通过把致动器设置在使总移动力不平衡的位置，可使推进方向为圆形或者曲折的。
本发明的泵以及致动器外壳可由现有技术中公知的方法来制造。致动器外壳可由材料例如聚四氟乙烯、结晶均聚物缩醛树脂、聚砜、聚氨酯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和类似聚合物、可模制或可加工玻璃、陶瓷、硅片及任何可使其不导电、刚硬和化学惰性的其它材料制成。在某些实施例中，多孔件或玻璃料位于致动器与电解质溶液之间。该玻璃料可以是玻璃、多孔聚合物例如聚丙烯或者多孔抗蚀金属例如镍。
致动器外壳优选地采用不导电聚合物通过注射成形法制成。在外壳内形成预期形状的室。首先，在模腔内设置挠性线路，闭合、定位该模腔并给该模腔注射熔融聚合物或类似材料。然后，从模具中移出部件且迅速移出。此时，执行任何二次操作例如机械加工或钻孔。接着，把致动器安装在室内，把多孔玻璃料设置在聚合物与容纳电解质溶液的储存器之间。下一步将是进行电连接以及安装未模制在外壳内的部件。在这以后，如果需要，将附加弹性衬垫以及额外的电解液。
优选实施例
在优选实施例中，致动器由这样一种EAP材料组成，该EAP材料由对其进行光谱辐射所引发的PH变化而膨胀。通过电解液离子穿过多层凝胶的扩散来导致这种膨胀，尽管这是一种缓慢过程，但可通过在外壳内增加更多有效流体通道来弥补。例如，如果一条通道产生1ml/hr的流率，那么十条通道将产生10ml/hr的流率。调谐光子芯片和光纤管使得单光源能够给每个致动器提供受控辐射，从而与为每个致动器提供单个光源的选择相比，降低所需能量损耗。
由此已经描述了本发明，但显然可按照多种方式来改变本发明。这种变型不被认为脱离本发明的实质和范围。对本领域技术人员而言显而易见，所有这些修改都试图包括在以下权利要求书的范围内。

Claims (44)

1.一种用于以一受控流速将包含液剂或药液的液体流体从储存器输送到出口的药物输送泵系统，包括：
a.用于容纳流体的储存器；
b.一致动器外壳，具有与所述储存器流体连通的室，所述室具有用于允许流体从储存器流动的入口；
c.多个具有相似尺寸的单独致动器，位于所述室内且与所述流体接触；
d.活化装置，用于顺序地活化所述单独致动器，其中，每个致动器包括从以下组中选出的可逆响应的弹性材料，该组包括：电活化聚合物、电解质活化聚合物凝胶、光活化聚合物、化学活化聚合物、磁活化聚合物、热活化聚合物和形状记忆聚合物，其中，所述弹性材料弯曲或体积膨胀，所述弹性材料在被活化时都膨胀并改变尺寸并给所容纳的所述流体施加一移动力；以及
e.一出口，与所述室流体连通，允许流体从所述系统进行受控的流动。
2.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器外壳包括两个或多个用于以流动连通方式容纳所述流体的室。
3.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，使所述活化装置按选定的时间和顺序活化所述单独致动器，从而按选定的速率移动所述流体。
4.如权利要求1-3之一所述的泵系统，还包括用于所述活化装置的控制器，借此按预定时间活化所述单独致动器。
5.如权利要求4所述的泵系统，其特征在于，所述控制器是一种与所述活化装置电连接的可编程微处理器。
6.如权利要求1所述的泵系统，还包括用于确定所述流体的物理特性的检测器装置，其中所述检测器与所述控制装置电连接并可将从所述流体得到的信号发送给所述控制装置。
7.如权利要求6所述的泵系统，其特征在于，所述被检测的物理特性从以下组中选出，所述组包括化学成分、pH值、压力、温度和流率。
8.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器在所述致动器外壳内，以便限定供所述液体使用的预定流路。
9.如权利要求8所述的泵系统，其特征在于，所述泵系统包括两个或多个储存器，每个储存器与相应的室流体连通，在储存器和其相应的室之间限定单独的流路。
10.如权利要求9所述的泵系统，包括两个或多个出口。
11.如权利要求9所述的泵系统，其特征在于，所述单独的流路交叉，从而允许被移动的所述流体混合。
12.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器按选定的位置设在所述室的一个或多个内壁上以便当所述致动器被活化时限定一供所移动液体使用的流路，所述活化装置按选定的时间顺序地活化各个邻接致动器。
13.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器外壳位于一容纳所述流体的室的内部，所述室是一种在线流体处理系统的组件，所述致动器外壳的入口和出口在所述流体处理系统的流动轴线上。
14.如权利要求1所述的泵系统，还包括用于把所述致动器外壳接入一在线处理系统的连接装置。
15.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，至少一个所述致动器位于所述致动器外壳的所述入口附近，且其在被活化时形成一阻止所述流体从所述致动器外壳回流的障碍物。
16.如权利要求1所述的泵系统，还包括一位于所述致动器与所述容纳流体之间的弹性不可渗透衬垫以阻止所述致动器与所述流体接触。
17.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器相对于所述流体是惰性的且不与所述流体反应。
18.如权利要求16所述的泵系统，其特征在于，所述致动器是生物相容的。
19.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，每个所述单独致动器都被一种惰性的材料包裹。
20.如权利要求19所述的泵系统，其特征在于，所述材料相对于电解液是可半渗透的。
21.如权利要求19所述的泵系统，其特征在于，所述材料是不渗透的。
22.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器是从以下组中选出的可逆响应的弹性体材料，所述组包括电活化聚合物、电解质活化聚合物凝胶、光活化聚合物、压电聚合物、压电陶瓷材料、化学活化聚合物、磁活化聚合物、热活化聚合物和形状记忆聚合物。
23.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器由电活化聚合物组成。
24.如权利要求23所述的泵系统，其特征在于，每个所述致动器都与邻接的致动器电屏蔽。
25.如权利要求23所述的泵系统，还包括一种用于按预定时间活化单独致动器的电气装置。
26.如权利要求25所述的泵系统，还包括与所述电气装置电接触的微处理器，所述微处理器被编程序以按预定时间驱动所述电气装置，由此按预定时间和顺序活化单独致动器。
27.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器包括经由与电解质接触而被活化的电活化凝胶。
28.如权利要求27所述的泵系统，还包括用于容纳电解质溶液的储存器。
29.如权利要求28所述的泵系统，还包括一位于所述致动器与所述电解质溶液之间的可渗透玻璃料。
30.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器是通过与电解质溶液接触而被活化的聚合物凝胶，单独聚合物都用半渗透材料包裹，所述致动器外壳包括用于容纳所述电解质溶液的储存器以及位于所述储存器与所述致动器之间的玻璃料，所述活化装置是一电路，借此电路使所述电解质溶液自所述储存器流过所述玻璃料和所述半渗透材料而与所述聚合物接触和离开所述聚合物，以使所述致动器发生可逆的尺寸变化。
31.如权利要求30所述的泵系统，其特征在于，所述电路由遥控设备来操纵。
32.如权利要求31所述的泵系统，其特征在于，所述遥控设备是由红外线或者射频驱动的。
33.如权利要求31所述的泵系统，其特征在于，所述遥控设备包括一被编程序以按选定时间和顺序活化所述致动器的微处理器。
34.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器由光响应聚合物组成，所述光响应聚合物在有光的情况下被离子化。
35.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器由光响应聚合物构成，所述光响应聚合物在有光的情况下改变pH值。
36.如权利要求35所述的泵系统，其特征在于，所述聚合物包括蒽。
37.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器由光响应聚合物构成，通过暴露于特定波长的激光束、自然光、LED或者量子光源，控制所述光响应聚合物的活化。
38.如权利要求37所述的泵系统，其特征在于，利用遥控设备控制所述曝光的时间。
39.如权利要求38所述的泵系统，其特征在于，所述遥控设备是由红外线或者射频驱动的。
40.如权利要求38所述的泵系统，其特征在于，利用微处理器驱动所述遥控设备，所述微处理器被编程序以按选定的时间和顺序活化所述致动器。
41.如权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述致动器由电活化聚合物组成，利用来自一电路的信号直接活化所述电活化聚合物。
42.如权利要求11所述的泵系统，其用作流体混合设备。
43.一种用于以一受控速率从独立的储存器输送包含液剂或药液的液体流体输送到出口的药物输送泵和储存器系统，包括：
a.用于容纳液剂或药液的储存器；
b.一致动器外壳，具有与所述储存器流体连通的室；
c.多个邻接的具有相似尺寸的致动器，与所述致动器外壳接触且与所述室中的流体接触；
d.活化装置，用于顺序地活化单独致动器，
其中，每个致动器包括从以下组中选出的可逆响应的弹性材料，该组包括：电活化聚合物、电解质活化聚合物凝胶、光活化聚合物、化学活化聚合物、磁活化聚合物、热活化聚合物和形状记忆聚合物，其中，所述弹性材料弯曲或体积膨胀，所述弹性材料在被活化时都膨胀并改变尺寸且给所述流体施加一移动力，从而沿着与所述移动力方向相反的方向推进所述流体；以及
e.一出口部分，与所述室流体连通，允许所述药液中的液剂从所述系统进行受控流动。
44.一种泵送流体的方法，包括将权利要求1所述的致动器外壳设置成与所述流体进行流体接触、活化第一致动器以阻止流体从所述致动器外壳回流、然后按照顺序重复地活化邻接的致动器，其中，单独致动器之一的活化发生在其邻接的致动器之一已被活化以后的某个时间；
其特征在于，所述泵包括两个或多个致动器外壳，所述致动器以不同的流率工作。
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