卷曲致动器系统和方法与流程

相关申请的交叉参考

本申请要求2017年4月10日提交的标题为“coiledactuatorsystemandmethod”的美国临时专利申请号62/483,839的权益，该申请特此以引用的方式整体地并入并且用于所有目的。

本申请还涉及2018年4月10日提交的标题为“coiledactuatorsystemandmethod”且代理人案号为0105198-019us0的美国申请号xx/xxx,xxx，并且还涉及2016年5月20日提交的标题为“systemandmethodforthermallyadaptivematerials”的美国申请15/160,439，所述申请特此以引用的方式整体地并入并且用于所有目的。

政府权利

本发明由政府支持在美国能源部授予的de-ar0000536下进行。政府在本发明中拥有某些权利。

附图说明

图1是加捻纤维、纤丝或纱线的图示，其示出了纤维偏角（α纤维）。

图2是加捻且卷曲的纤维或纱线的图示，其示出了纤维偏角（α纤维）、卷偏角（α卷）、卷直径（d）和纤维直径（d）。

图3a和图3b是具有不同卷偏角的两个示例卷曲纤维或纱线的图示。

图4a和图4b是通过移除牺牲层以增加卷之间的距离或间隔所产生的加捻纤维或纱线的另一个示例的图示。

图5a和图5b图示了以下两者的另外的示例：通过将加捻纤维或纱线缠绕在心轴或芯材料（诸如，另一种纤维或纱线）上所产生的卷曲纤维或纱线，和在移除心轴或中心芯材料之后所产生的释放的卷曲纤维或纱线。

图6a和图6b图示了通过将加捻纤维或纱线缠绕在包括以可移除材料覆盖的中心芯的芯材料上所产生的卷曲纤维或纱线的再另外的示例，以及图示了在使可移除材料溶解或反应而在卷曲纤维或纱线的中心处留下中心材料之后所产生的示例卷曲纤维或纱线。

图7a和图7b图示了加捻纤维或纱线的示例，该加捻纤维或纱线以这样的方式卷曲在心轴或中心芯上，使得纤维或纱线不与最近的相邻者接触，并且进一步图示了在移除心轴或中心芯之后所产生的卷曲纤维或纱线。

图8a和图8b图示了加捻纤维或纱线的另一个示例，该加捻纤维或纱线在用作加捻纤维或纱线的间隔物的第二纤维或纱线旁边卷曲在心轴或中心芯上，并且图示了通过移除心轴或中心芯和间隔物纤维或纱线所产生的卷曲纤维或纱线。

图9a图示了卷曲在心轴或中心芯上的两根加捻纤维或纱线。

图9b图示了在移除图9a的心轴或中心芯之后所产生的两个卷曲纤维或纱线致动器。这两个卷曲致动器被图示为嵌套在彼此内。

图10图示了加捻纤维的示例产生过程，该产生过程包括过程监测和反馈。

图11a图示了纤维卷曲系统的示例，该纤维卷曲系统包括纤维源线轴，该纤维源线轴将纤维馈送到接收和卷绕纤维的收线（uptake）线轴。

图11b图示了图11a的纤维卷曲系统，其中与图11a相比，卷成核区域已朝向收线线轴传播（propagate）。

图11c图示了图11a的纤维卷曲系统，其中与图11a相比，卷成核区域已朝向源线轴传播。

图12a是可以通过插捻在纤维或纱线中产生的扭结或普通缠结的图示。

图12b是可以通过插捻在纤维或纱线中产生的圆柱形缠结的图示。

图13和图14示出了两个环境响应卷曲纤维致动器。显微镜图像示出了通过两种不同方法所产生的具有类似几何的卷。比例尺条的长度为0.5mm。

图15a、图15b、图16a、图16b、图17a、图17b和图18图示了包括一个或多个卷曲纤维致动器的双压电晶片的示例实施例。

图19呈现了具有各种卷指数值（c）的超过200个示例加捻且卷曲的纯手性纤维致动器的有效线性热膨胀系数（cte）数据。

应注意，附图未按比例绘制，并且贯穿附图，为了说明性目的，类似结构或功能的元件一般由相似的附图标记来表示。还应注意，附图仅旨在促进描述优选实施例。附图并未图示所描述的实施例的每个方面，并且不限制本公开的范围。

具体实施方式

在各种实施例中，可以通过插捻过程来产生卷曲致动器（“人造肌肉”）。例如，纤维可以被加捻到卷曲的那一刻。在另一个示例中，纤维可以几乎被加捻到卷曲的那一刻，然后缠绕在心轴或者纤维或纱线芯上。尽管本文中讨论的各种实施例涉及纤维，但应清楚的是，各种实施例可以包括任何合适的细长元件，包括纤维、纤丝、带状物、纱线、线等等。附加地，如本文中使用的，“纤维”可以涵盖任何此类细长元件，包括：包括一根或多根纤维或其他元件的纱线、包括单个细长元件的纤维等等。因此，除非上下文另有规定，否则术语“纤维”应被解释为广泛地涵盖任何此类一个或多个细长元件。

在一些实施例中，本文中讨论的卷曲致动器纤维可以用于致动纺织品。例如，此类纺织品可以用于生产出对各种类型的环境条件（包括温度、水分、湿气等等）作出反应的衣服。在一些实施方式中，可以存在纺织品的最小载荷和/或纺织品可能需要接近体温操作，并且各种实施例可以被配置成用于在此类操作条件下进行期望的操作。另外的实施例可以被配置成用于各种其他合适的目的或应用，且因此涉及供人或动物用户使用的构型的示例不应被解释为对本文中公开的致动器的众多应用的限制。

各种实施例对于一些用途或实施方式可以具有许多优点。例如，致动器的一些实施例可以包括用于使用制造友好技术产生的致动器的更大热响应值，其中所述致动器具有受控的卷接触温度和热响应范围。

根据各种实施例，卷曲的热纤维或纱线致动器可以经由从加捻卷曲到扭动或缠结的那一刻（自卷曲型或通过加捻的卷曲型）、经由卷曲在心轴或用作一根或多根纤维可以卷绕的芯的其他合适材料上（通过缠绕的卷曲型）或其他合适的方法而制成。在各种示例中，这样芯可以是可部分或全部移除的，包括经由溶解进行的移除，如本文中更详细讨论的。

在一些示例中，常规的纱线生产机械（诸如，纺纱机或捻线机）不能够可靠地产生属于通过加捻的卷曲型的期望的受控几何纤维或纱线致动器。此类纱线的产生会对诸如以下各者的变量高度敏感：环境温度和湿气、输入纤丝结晶度和取向、摩擦、输入纤丝中的缺陷、纺锤速度的变化、馈送速率或收线速度、输入纤丝直径、纱线张力等等。

然而，如本文中更详细讨论的，在各种实施例中，在纱线张力、纱线馈送速率、插捻数/m，包装收线速率、纱线产生期间的翼锭（或钢领和钢丝圈）旋转速率等等之间的谨慎平衡可以产出具有可控几何的高度加捻或卷曲致动器。这些参数中的一个或多个可能需要在生产期间作改变或调整以考虑上述变量的波动；然而，一些常规的生产机器不允许此类参数在生产期间改变。此外，针对一个位置或纺锤的参数可能需要以与另一个位置或纺锤中的参数不同的方式改变，如果利用普通的驱动器来驱动若干个位置，则一些系统可能无法执行某个任务。因此，本文中公开了提供此类功能的新型机器。

用于插捻到纤丝纱线或纤维（单丝抑或多丝）中的示例方法可以包括环锭加捻、摩擦纺纱、倍捻加捻等等。环锭纺纱可以是利用被称为钢丝圈的导引件的运动的过程，该导引件围绕钢领自由地循环以进行插捻并同时将成形的纱线卷绕到筒管上。在生产环境中，可以使用普通的皮带驱动系统来驱动纺锤。插入到纤维中的捻度量可以由从馈送辊脱离的纱线的速度和纺锤的旋转速率来确定。由于摩擦和张力，钢丝圈（也称为从动件）的旋转速度会滞后于纺锤的旋转速度。钢丝圈和纺锤之间的旋转速度差异会导致纱线收线到筒管上。翼锭纺纱和粗纺可以遵循与环锭纺纱类似的原则，其中翼锭以不同的速度围绕旋转纺锤而旋转，从而导致插捻和纱线收线。在倍捻加捻中，可以通过设定纱线馈送速率和纺锤旋转速度或收线卷盘旋转速度和纺锤旋转速度来控制捻度水平。出于经济或其他的目的，可以利用普通的皮带驱动系统驱动针对生产机器上的不同位置来控制纱线馈送件、纺锤和/或收线卷盘的马达。

在一些实施例中，将高度加捻纤维卷绕在心轴或其他芯材料（诸如，另一种纤维或纱线）上可以提供到具有更大卷弹簧指数值的更大直径的更开放卷的路线，从而提供解决热响应的方法。然而，在一些示例中，由于从所产生的卷曲纤维或纱线致动器移除心轴的挑战，绕心轴卷绕可能不是很适合大量制造。在一些示例中，如果该过程包括短心轴，有可能在一端处呈锥形，其可以在一侧上被固定（一根或多根纤维、或纱线在该侧被馈入以缠绕在心轴上），则心轴卷绕可以更适合于大规模制造。当纤维绕心轴卷曲并前进时，纤维可以从心轴的端部脱落并且可以卷绕到锥体或筒体上。对于纤维或纱线致动器，在一些实施例中，缠绕或卷绕过程中使用的加捻纤维、纤维或纱线已在缠绕或卷绕之前被定形（通过加热、蒸汽或者化学或机械处理），并且在一些实施例中可以在卷绕或缠绕过程之后被定形。在一些示例中，如本文中更详细描述的，在纤维或纱线通过卷绕或缠绕而卷曲在牺牲材料上的过程中，可以将牺牲材料用作芯，并且稍后可以通过物理手段、溶解、熔化、洗涤、化学方法等等来移除牺牲材料。

可以解决卷几何（例如，热响应）和/或卷间隔（例如，活动温度范围）的一种方法可以包括使用牺牲材料。在一个此类实施例中，共挤出的多组分纤维（诸如，芯-鞘结构等等）可以是加捻且卷曲的（例如，由于插捻或通过卷绕在心轴或其他芯材料上，并且可选地卷曲致动器可以是退捻的），以形成热致动器。通过使鞘溶解或化学反应使得鞘被移除，可以增大卷的弹簧指数，同时增加一些示例的卷间隔。在一些示例中，可以在热定形之前或在热定形之后移除鞘材料（或多种材料）。

由于需要旋转纱线或纤维包装，一些加捻和纺纱技术与机器在其旋转速率方面会受到限制。假捻技术可以通过纺纱出更小的质量来克服这些实际的旋转速度限制；然而，在各种示例中，此类方法可能不会插入真捻，并且可能不允许产生具有期望性质的高度加捻且卷曲的纤维和纱线。在一些示例中，如果在纤维或纱线被馈入捻线机中的一侧上放出所赋予的捻度，则可以在加捻或卷曲过程中利用一些假捻技术的高旋转速率，由此加捻单元的另一侧可以赋予真捻，并且可能不会简单地移除赋予在加捻单元的相对侧上的捻度。可以通过两种类似的方法在机器的馈入侧上放出捻度。一种方法是将单独的短纤维馈入单元中并在加捻单元的部位处形成纱线，这类似于开端纺纱。在各种示例中，机器不需要纺纱出大的质量并且可能没有假捻，因为纱线可以在旋转部位处形成。第二种方法是对挤出的纤维加捻以作为在线过程的一部分，其中由于在熔体、凝胶或溶液的挤出部位附近的分子滑移而放出捻度。

图1示出了加捻纤维100的示例100a，其示出了纤维偏角（α纤维）。在该示例中，纤维100中的捻度水平由在纤维100上加捻的虚线105表示。在各种实施例中，可以通过显微镜下检查从纤维100来直接地观察和确定捻度水平。如图1中所示，通过测量纤维表面处观察到的捻度和纤维100的轴向方向之间的角度，可以确定纤维偏角α纤维。对于退捻纤维，在各种示例中纤维偏角将为0°。

在加工期间和最终用途应用中，可以对纤维、纤丝和纱线加捻。本文中描述的纤维和纱线致动器可以具有所谓的“高捻度水平”（或是“高度加捻的”），在一些示例中，这可以包括足以带来在一些实施例中20º或更大的纤维偏角α纤维以及在另外的实施例中在25°至50°之间的纤维偏角α纤维的捻度量。在一些示例中，“高度加捻的”或具有“高捻度水平”可以包括产生大于或等于10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°或55°的纤维偏角α纤维的捻度量。当插捻到纤维或纱线中并且纤维偏角增大时，纤维或纱线具有缠结的趋势。这种缠结的开始取决于许多变量，包括环境条件、材料、材料的加工历史以及纤维或纱线上的张力。当纤维偏角α纤维高于40°、在一些情况下为约45°时，纤维或纱线常常会缠结。在一些实施例中，产生纤维偏角α纤维在30°和40°之间的高度加捻纤维或纱线是有利的，从而降低了引发缠结的可能性，同时仍然产生可以用于通过缠绕在芯材料上来产生卷曲纤维致动器的高度加捻纤丝。

产生此类高度加捻纤维100的条件可以随环境条件、材料标识、材料加工历史和纤维直径而变化，其中在一些示例中更大的直径需要较小的捻度以带来给定的纤维偏角α纤维。在纱线中，有效的纤维偏角α纤维可以被理解为在加捻或高度加捻纱线的表面处的纤丝的角度。

对于像尼龙、聚酯等等的纤维材料，热膨胀系数（cte）值在一些示例中可以为约0.05mm/m/℃，并且在另外的示例中不超过约0.1mm/m/℃。在拉伸的纤维或片材中，聚合物链的排序可以产生各向异性性质，并且cte值在一些示例中可以沿拉伸方向下降十倍或更多，或者在另外的示例中变为负值。然而，在一些示例中，通过使用卷或弹簧结构，可以有效地放大纤维100的热机械响应。商品纤维和纱线可以通过插入高捻度水平被卷曲或“圆柱形缠结”，从而根据一些实施例产生卷曲纤维热致动器，其可以被描述为“人造肌肉”，基本上纤维或纱线已像弹簧一样卷曲，使得它们具有巨大或夸大的热膨胀性质。

图2是加捻且卷曲的纤维100的示例100b的图示，其示出了纤维偏角（α纤维）、卷偏角（α卷）、卷直径（d）和纤维直径（d）。图1的纤维100以卷曲构型示出，该卷曲构型限定了在卷曲纤维100内延伸的腔220。在该示例中，卷曲纤维100的相邻卷部分240被间隔开以在相邻卷部分240之间限定空间260。例如，卷曲纤维100的第一卷部分240a和第二卷部分240b限定第一空间260a，并且卷曲纤维100的第二卷部分240b和第三卷部分240c限定第二空间260b。在该示例中，第一空间260a和第二空间260b限定了在卷曲纤维100内延伸的连续空间260。在如本文中更详细描述的另外的示例中，卷曲纤维100的卷部分240可以接合，使得卷曲纤维100的部分240之间的一些或多个空间260变得不存在（例如，图3b）。

加捻纤维100可以具有纤维偏角α纤维，如图1和图2中所示。在加捻到卷曲的那一刻的纤维100中，可以通过用于形成卷的材料和过程条件来确定纤维偏角α纤维。然而，在一些实施例中，这可能不会导致对于特定目标温度响应来说最佳或期望的纤维偏角α纤维。通过卷绕或缠绕在心轴或其他芯上的卷形成可以使得能够形成由一根或多根纤维100产生的卷，所述纤维已被高度加捻以产生期望的纤维偏角α纤维。在一些实施例中，期望的纤维偏角α纤维可以在30°和50°之间，且在一些示例中更优选地在35°和45°之间。

卷直径（d）和纤维直径（d）可以用于计算卷弹簧指数（c）。例如，弹簧指数（c）可以在弹簧力学中被定义为c=d/d，其中d是纤维直径且d为如通过纤维中心线测量的标称卷直径，如图2中所图示。具有大弹簧指数（c）的卷或弹簧可以更开放，具有更大的直径，而具有小弹簧指数（c）的卷可以更密切地类似于具有小直径的紧卷。诸如卷曲致动器的有效热膨胀系数（cte）和刚度（例如，模量）之类的性质可以取决于卷的几何（例如，弹簧指数c和卷偏角α卷，其中纤维的结构也有贡献，包括纤维偏角α纤维）。在一些实施例中，通过改变弹簧指数（c），致动冲程和/或应力可以被可调谐到期望的参数。

在各种实施例中，可以通过卷100的几何来控制卷曲纤维100的热响应。在一些应用中，最大化卷曲纤维100的热响应是有利的，这在一些示例中可能需要大的卷直径（d）（例如，相对于纤维直径（d））。在一些示例中，在不卷绕在心轴、纱线、纤维或其他芯上的情况下形成的卷曲纤维100可以限于小的卷直径（d）和小的卷弹簧指数（c）值。为使通过自卷曲所产生的纤维和纱线致动器突破这一局限性以实现大的卷直径（d）和基本上高于约1.7、高于2.0或高于2.5的卷弹簧指数（c）、以及大小为-2mm/m/k或更大的有效热膨胀系数（cte），一些实施例的初纺（as-formed）卷可以是退捻的（即，沿与导致卷曲的插捻的方向相反的反方向被加捻）以移除过多的残余捻度和残余压缩机械应力。这种退捻可以改变卷的几何，增加它们的直径，但是在各种实施例中不需要实施到移除卷的那一刻以实现期望的结果。在一些实施例中，最大卷直径（d）不是通过在适合于卷曲过程的拉伸载荷下实施受控退捻来实现的，而是在小载荷（例如，≤50%的在卷曲步骤期间使用的载荷）或甚至接近零的载荷（例如，≤10%的在卷曲步骤期间使用的载荷、可忽略的拉伸载荷等等）下实现的。在一些实施例中，退捻可以用于影响通过卷绕过程产生的卷的卷弹簧指数（c）和/或几何。

卷偏角（α卷）可以通过测量加捻纤维100的轴向方向和垂直于卷曲纤维100延伸沿着的方向的假想线之间的角度来确定。当卷曲纤维100像弹簧一样被拉伸时，卷偏角（α卷）可以增大，并且对于给定的卷曲纤维100来说，当卷曲纤维100被充分压缩到纤维100的卷部分240彼此接触的那一刻时，卷偏角（α卷）可以达到其最小值。

除了卷弹簧指数（c）（其可以反映制成卷的纤维100的相对于纤维直径（d）的整体卷直径（d））之外，卷偏角α卷可以是卷结构的度量，其与卷的性质有关。当卷形成时，在过度的或高的捻度的影响下，卷曲纤维100的（通过加捻的卷曲型）部分240可以彼此物理接触，其中每个卷部分240触碰其相邻的卷部分240。此类卷的最佳堆叠可以导致卷偏角α卷的最小化，并且可以对温度或其他环境参数的改变产生最大化的响应。如果卷曲纤维100被物理地延伸并且卷拉开以在卷部分240之间产生空间260，则在一些示例中卷偏角α卷可以增大并且可以降低温度响应。

虽然通过插捻被卷曲（通过加捻的卷曲型）的各种卷曲纤维致动器可以形成对于该尺寸的卷具有最小卷偏角α卷的卷，但是当通过卷绕在芯材料上（通过缠绕的卷曲型）形成卷时，在如本文中描述的一些示例中，可以存在对卷偏角α卷的一些附加控制，这是可能的，因为缠绕的纤维或纱线可以以这样的方式间隔开，使得卷偏角α卷对于卷弹簧指数（c）处于其最小值（相邻卷彼此接触），或者使得卷偏角α卷更大（相邻卷部分240之间有一定量的间隔260）。在一些应用中，最大化致动器的热响应可以是有利的，从而需要更小的卷偏角α卷。对卷偏角α卷的控制还可以与对卷到卷接触温度和致动器的环境响应范围的控制有关。

与图1一样，纤维100中的捻度水平由在纤维100上加捻的虚线105表示。朝向图2的图示的底部，以横截面示出加捻纤维100，且虚线箭头表示加捻纤维100中的加捻的方向。如图2的示例中所图示，加捻是沿z方向，卷曲也是如此，且因此卷曲纤维100可以被定义为纯手性。卷曲纤维100的另外的示例可以具有任何合适的手性。在图示的顶部附近，通过虚线示出了纤维或卷，以作为纤维100卷可以继续而具有任意长度的指示。因此，在各种实施例中，如本文中讨论的卷曲纤维100可以具有任何合适的长度。加捻纤维的阴影区段表示卷曲纤维100的后退到图示页面中的部分。

图3a和图3b以具有不同卷偏角的两种不同构型图示了图2的示例卷曲纤维100b。图3a的卷曲纤维100的弹簧指数（c）与图3b的卷曲纤维100的弹簧指数（c）类似。在各种示例中，通过机械应力、通过产生膨胀的温度变化等等，图3b的卷曲纤维100b可以被拉伸以产生类似于图3a的卷曲纤维构型的构型。类似地，通过机械应力、通过产生压缩的温度变化等等，图3a的卷曲纤维100b可以被压缩以产生类似于图3a的卷曲纤维构型的构型。在一些实施例中，图3a和图3b的示例卷曲纤维100是纯手性的，并且温度的降低会导致卷曲纤维100的线性膨胀。

图4a和图4b示出了牺牲材料410在控制卷曲纤维100的卷几何中的用途。例如，图4a图示了具有壳410（或海岛）的芯卷曲纤维100，其中壳410可以是可移除材料。例如，在一些实施例中，壳410可以是可移除的（例如，经由洗涤、化学溶解等等），并且如图4b的示例中所示，所得卷曲纤维100可以在纤维100的卷之间具有附加间隔和/或具有不同的卷指数值。例如，如图4b中所示，可以在卷曲纤维100的相应部分240之间产生空间260。尽管图4a和图4b的卷曲纤维100并未描绘纤维100中的捻度，但在另外的实施例中，卷曲纤维100可以包括任何合适的量的捻度。

图5a和图5b示出了牺牲芯510在卷几何的控制中的用途，其示出了缠绕在芯510上的加捻纤维100，该芯可以限定卷曲纤维100的内直径。芯510的虚线指示芯510可以具有任何合适的长度。芯510可以安置在卷曲纤维100的腔220内，并且可以包括元件，包括心轴、纤丝、纱线等等。在各种实施例中，可以移除如图5a中所示的芯510（例如，物理地、化学地或其他合适的方式），以产生如图5b中所示的自由卷曲纤维100。在一个实施例中，中心芯510可以包括纤丝或纱线，该纤丝或纱线包括可溶性聚合物（诸如，聚乙烯醇、乙烯乙烯醇等等），该可溶性聚合物可以溶解于水或其他溶剂中，包括在任何合适的温度下（诸如，室温、40℃、60℃、80℃或者更高或更低的温度）。

对于将一个或多个加捻纤维100缠绕在牺牲芯510上的生产方法来说，不需要完全移除芯510，并且在一些情况下，可能期望保留芯510的一部分。使芯510的一部分保留在卷曲致动器纤维100的腔220中可以在许多其他方面是有利的，包括剩余材料是导电的（例如，金属、复合材料、有机材料等等）并且可以允许加热材料的情况、以及材料是可延伸的（例如，由于其化学本质、机械结构等等）从而允许容易线性延伸但就弯曲或屈曲而言增加了材料的强度的情况。

作为说明，水溶性纤维可用作包覆纱线中的芯510，其中覆盖的一根或多根纤维在构成芯510缠绕物的卷绕之前或期间被加捻，并且在定形卷绕纤维100之后，可以通过洗涤步骤移除芯510。许多材料适合用作中心牺牲芯510，诸如水溶性聚合物纤丝或纱线、有机可溶性聚合物纤丝或纱线、或在酸或碱、氧化剂或还原剂、或其他化学试剂存在的情况下易于溶解或降解的纤丝或纱线。

作为一个非限制性示例，“海岛”纱线可以用作牺牲芯510，并且在洗掉纱线的“海”部件时，细纤维纱线可以保留在卷致动器的腔220内。这些纤维可用于水分管理或限制纤维致动器的运动范围。在纯手性纤维致动器的情况下，可以在卷接触温度下实现有效的最小长度（即，卷曲纤维100的一些或所有部分240接触，使得空间260部分或完全不存在；纯手性纤维致动器在低于卷接触温度的温度下将在其卷之间具有物理空间），但随着温度下降和卷膨胀，卷曲纤维100的运动范围会由于存在延伸穿过卷曲纤维100的腔220的一根或多根纤维而受到限制。“海岛”纱线可以由多组分挤出纤维制成，其中至少一种组分可以是可溶的或以其他方式可移除的，从而使得能够在牺牲材料的“海”中形成非牺牲材料的细特征（包括“岛”）。在加工中的某个时刻，可以移除牺牲材料，从而留下“岛”，这些“岛”可以是带有细特征的纤维，如果它们没有牺牲“海”材料的保护，则在某些机器上将难以高速处理。

例如，图6a和图6b图示了卷曲纤维100的另一个示例100e，其可以通过将加捻纤维100缠绕在芯510上所产生，该芯包括可移除的壳材料610和内部材料620。在图6a的示例中，芯510可以包括外层或壳材料510，该外层或壳材料可以是可溶的或以其他方式可移除的，并且在将加捻纤维100缠绕在芯510上之后，可移除的壳材料610可以被溶解或以其他方式被带走，从而使卷曲纤维100自由移动，同时留下更小的中心芯内部材料620，如图6b中所示。虽然该剩余的芯材料被图示为呈单股的单一材料，但在一些实施例中，它可以包括多种材料和/或多股。

通过控制围绕芯510的每米捻数或缠绕次数，可以控制致动器的卷间隔，该致动器包括通过卷绕所产生的一根或多根卷曲纤维100（包括在卷曲纤维100的部分240之间具有或不具有空间260的卷曲纤维100）。例如，图7a图示了加捻纤维100的另一个示例100f，其以这样的方式卷曲在芯510（例如，具有如本文中讨论的一种或多种材料的心轴或中心芯）上，使得每个纤维纱线卷部分240不与最近的相邻卷部分240接触，从而使得在卷曲纤维100内产生空间260。在如图7b中所示移除了芯510时（例如，经由溶解、物理移除等等），卷曲纤维100可以响应于变化的环境条件（例如，如本文中讨论的温度、湿气等等）而变为自由地进行无阻碍运动。

卷部分240之间的间隔也可以通过使用间隔纤维830来控制，如图8a中所示。例如，如图8a的示例100g中所示，加捻纤维100可以卷曲在芯510（例如，心轴、具有如本文中描述的一种或多种材料的心轴或中心芯）上，并且可以在间隔纤维830的旁边缠绕，该间隔纤维用作用于加捻纤维100的间隔物。间隔纤维830可以安置在相应的卷部分240之间，并防止卷部分240彼此接触。该方法可以提供一种控制卷曲纤维100中的卷到卷间隔的方式。图8b示出了在移除间隔纤维830和芯510之后的剩余卷曲纤维100。如本文中讨论的，间隔纤维830和芯510可以是以各种合适的方式可移除的，包括经由溶剂的溶解、物理移除等等。

图9a图示了卷曲在芯510（例如，心轴）上的第一加捻纤维1001和第二加捻纤维1002，其中两根加捻纤维1001、1002落座于彼此旁边。图9a示出了包括缠绕在可移除芯510上的两根纤维1001、1002的结构900，且图9b图示了两个嵌套的卷曲致动器纤维1001、1002在从芯510释放之后的结构900。图示了两根纤维1001、1002以示出捻度，并且两个卷都被示为纯手性卷。在图9a和图9b的示例结构900中，第二纤维1002被示为具有更小尺寸，其为第一纤维1001的约80%。在另外的示例中，两根纤维1001、1002可以是相同的尺寸，或者可以是且适合不同尺寸或直径。在一些实施例中，当暴露于环境条件变化（诸如，温度降低）时，包括两个嵌套的卷纤维1001、1002（在图9a和图9b中被示为彼此物理接触）的结构900可以相应地膨胀，并且嵌套的结构900的线性长度可以增加。与其他图示一样，示出了示例致动器的一部分，但是此类纤维或纱线材料可以具有任意长度。

部分或全部移除牺牲芯510可以在线轴上或在过程中在线提供自由的卷曲纤维致动器，但也可以在织物或成品阶段移除牺牲芯。作为一个非限制性示例，可溶性牺牲芯可以用于卷曲高度加捻的纤丝，并且在针织或机织包括缠绕结构的织物之后，可以移除牺牲芯。在此类情况下，在织物生产和加工期间，牺牲芯可以提供尺寸稳定性并促成了处理的简易性。

可以以各种合适的方式制造卷曲纤维100。例如，卷曲机可以用于在线性纤维100中产生卷，如本文中更详细讨论的。在一些实施例中，此类卷曲机可以包括传感器，以监测纤维100的卷曲并基于来自此类传感器的数据来修改卷曲机的参数。例如，在一些实施例中，监测纤维性质并使用实时信息来控制生产可以是有利的。传感器的输出可以用于反馈回路中来调整机器参数，以产生具有期望的几何和机械性质且具有最小故障的高度加捻纱线。卷曲机的一个或多个部分可以是单独可控的。

当纤维100被加捻到卷曲的那一刻时，可能期望知道纱线沿着馈送路径已卷曲到哪里，使得可以调整诸如纱线张力、纱线馈送速率、插捻数/m、包装收线速率、或翼锭旋转速率之类的参数以防止发生故障。故障的示例可以包括纱线断头、纱线勾纱或不期望的或不受控的缠结。一些传感器可以检测故障（例如，纱线断头）并输出信号以停止机器或警告技术人员已发生故障。

用于产生具有可控几何的卷曲纤维100的一个示例策略是：确定沿着纤维100的长度的捻度水平，并调整纺锤速度、翼锭速度和/或收线卷盘速度以将高度加捻（并且有可能卷曲）的纱线收线到筒管或线轴上。在一些示例中，如果加捻或卷曲纤维100没有被正确地收线到筒管上，则它会导致故障。可以通过沿着纤维路径100添加一个或多个传感器来确定沿着纤维100的长度的捻度水平。传感器输出可以用于反馈回路中来调整机器参数，以防止发生故障和/或产生具有期望的几何的卷曲纤维100。此类传感器包括光学传感器（例如，ccd或相机系统、编码器、激光测微计、光学测微计、激光干涉仪等等）、机械传感器（诸如，弹簧加载的机械开关等等）和/或电气传感器（诸如，电位计、应变传感器、压电传感器等等）。

加捻纤维100的几何可以在生产期间直接地测量（例如，通过测量加捻纤维100的直径）抑或间接地测量（例如，通过测量与加捻纤维100的几何相关的其他性质）。传感器输出可以用于反馈回路中来实时调整机器参数（例如，张力、加捻速度、馈送速率、收线速率等等），直到产生期望的捻度水平和几何。

可以与有源纤维100的捻度水平和几何相关的性质可以包括（但不限于）纤丝色调/反射率、光泽、纤丝或纤维直径（d）、阻抗、应变、纤维光滑度或纹理、局部纤维速度等等。例如，纤维100的高度加捻区域的速度可以远低于存在低捻度水平的区域的速度。在一些实施例中，如果导电纤丝或纤维100被加捻，则可以使用霍尔效应传感器。

在各种实施例中，可以沿着纤维路径放置一个或多个张力传感器或馈送器，并且来自此类传感器的数据可以用于在制造期间控制加捻纤维的几何。高度加捻纤维100可以经历轴向收缩，在一些示例中，这可以增加纤维100中的张力，除非调整馈送速率以补偿轴向收缩。可以将测量卷几何（直接地抑或间接地）的传感器和/或相关的过程控制系统添加到赋予假捻的机器，或者添加到在纤维100中赋予真捻的机器。

传感器输出（诸如，纤维100在沿着纤维路径的给定位置处的尺寸）可以被反馈到机器的过程控制件中，并且可以告知收线速度、张力、加捻速率、馈送速率或其他过程变量。在一些实施例中，考虑沿着纤维路径的多个传感器的输出和/或来自一个或多个过程测量的输出可以是有利的，诸如纤维尺寸、纤维速度、张力和环境条件（诸如，温度和湿气）。一些传感器（诸如，相机）可以提供多于一条的信息，例如指示纤维直径（d）和纤维速度两者。

作为非限制性示例，传感器可以用于在高度加捻纤丝、纱线或纤维100的生产中监测和控制捻度水平。纤维偏角α纤维可以促成纤维或纱线致动器的性能性质，并且纤丝、一根或多根纤维、或纱线中的捻度水平可以在生产期间加以监测并且提供对于控制加捻过程和所产生的纤维偏角α纤维来说重要的反馈。例如，捻度信息可以用于改变纤维上的收线速率或张力。相机是可以提供关于纤丝的捻度水平的信息的传感器的一个示例，这可以经由确定纤维直径（d）（纤维直径（d）在加捻时可以变厚）、经由直接测量纤维偏角α纤维、或经由其他合适的方法进行。

在另一个非限制性示例中，传感器可以用于监测环境响应致动器纤维100的卷曲，并且可以提供用于控制卷曲纤维100的生产的信息。例如，相机或其他合适的视觉系统可以提供关于纤维100的捻度水平的信息，并且可以用于在卷曲之前监测纤维100的捻度水平；可以用于监测沿着纤维100的卷曲速率或卷曲位置，并且此类信息可以用于确定适合卷曲纤维100的收线速率和/或用于调整张力。在一些实施例中，此类系统可以确定卷直径（d），在一些示例中，卷直径（d）在纤维100的最终性质中可以是重要的，并且此类系统可以向机器的控制系统提供卷直径信息以增加或减小张力，当产生卷曲纤维100时，张力可以直接影响卷直径（d）。

来自传感器的多种信息（直接地监测过程或监测环境条件）可以被整合到卷曲机的控制系统中。作为非限制性示例，环境湿气、温度测量等等可以与卷直径（d）的在线过程测量一起使用，以提供关于对正加工的纤维100的张力和/或收线速率的控制的信息。

例如，图10是生产方法1000的图，在一些实施例中，该生产方法可以由传感器监测和控制以使该过程部分或全部自动化，使得用户交互对于方法1000的一些或全部部分不是必需的。在1010处，将来自源的纤维或纱线张紧并馈送到某个位置中，使得在1020处，在该位置处对材料进行加捻。然后，在1030处，可以将加捻且可能卷曲的纤维或纱线收线到筒管或线轴上。三个阶段1010、1020、1030被图示在框中并用实线包围它们，并且通过实线箭头示出从张紧到加捻到收线的材料转移。过程传感器1040和环境传感器1050被表示在具有虚线边缘的框中，并且在各个框之间示出的虚线箭头图示了用于控制阶段1010、1020、1030的反馈。

作为传感器（例如，传感器1040、1050）可以如何影响过程条件和控制的示例，监测温度和湿气的环境传感器可以将纤维的张力告知设定点，并且如果张力变得太大，则馈送器可以允许更多的材料进入到加捻区中。换句话说，在一些示例中，来自传感器1040、1050中的一个或两个的数据可以用于确定和实施纤维的张力设定和/或馈送速率，这可以包括增加或减小张力和/或增加或减小馈送速率。此类馈送速率可以包括从纤维源起的馈送和/或到加捻区的馈送。例如，在一些环境条件下，可能期望增加或减小加捻速率，且因此来自环境传感器1050的温度和/或相对湿气数据可以告知加捻速率。

在一些实施例中，监测过程1040的传感器（例如，相机）可以提供用于控制张力1010和收线速率1030的信息。作为非限制性示例，（一个或多个）过程传感器1040可以包括视觉系统（诸如，相机），该视觉系统可以用于在高度加捻纤维被进一步加捻以诱导卷曲的过程期间监测纤维中的卷的形成。在卷曲之前，纤维或纱线可以具有一定的厚度，视觉系统可以通过像素计数或其他合适的过程查看和测量该厚度以作为图像分析的一部分。插捻可以改变纤维的厚度，但是卷曲可以显著地改变纤维的有效厚度，从而增加跨越材料宽度的像素计数。

如果卷在加捻过程中成核，则附加的插捻可以使卷生长并使卷通过加捻纤维或纱线传播。在视觉系统的视野内，图像分析可以用于确定卷的存在，并且通过比较视频中的帧，可以确定卷前进或后撤的速度。当在1030处将卷曲纤维或纱线收线到线轴或筒管上时，如果收线速率太高，则卷可能移出过程传感器1040的视野（例如，在视觉系统的视野之外）。替代地，如果收线速率太低，则卷的传播可能在过程传感器1040的整个视野中进行，并且卷结构可以朝向张力馈送器在系统中向后移动。卷传播朝向张力馈送器的向后迁移以及卷传播朝向收线筒管的向前迁移可以是不期望的。因此，来自过程传感器1040的信息（例如，来自相机或其他视觉系统的数据的图像或视频分析）可以用于控制过程以以使其保持稳定。换句话说，来自过程传感器1040的数据可以用于控制诸如张力、馈送速率、加捻速率、收线速率等等之类的变量，以将卷成核点保持在期望的位置处或期望的位置范围内。

例如，图11a图示了纤维卷曲系统1100的示例，其包括纤维源线轴1102，该纤维源线轴将纤维100馈送到接收和卷绕纤维100的收线线轴1104。应注意，图11a的纤维卷曲系统1100的构型仅是此类纤维卷曲系统1100的一个构型的示例，并且任何其他合适的纤维源、纤维收线和张紧元件都在本公开的范围和精神内。

如图11a中另外所示，纤维100可以包括从源线轴1102脱离的线性部分1110和卷绕到收线线轴1104上的卷曲部分1120。卷成核区域1130将线性部分1110和卷曲部分1120分开，并且是这样的位置，即当纤维从源线轴1102移动到收线线轴1104时，纤维100的线性部分1110在此处变成卷曲部分1120。附加地，图11a图示了卷成核窗口1140，可以由一个或多个过程传感器1040（诸如，如图11a的示例系统1100中所示的相机1150）来监测该卷成核窗口。

卷成核窗口1140可以包括卷成核区域1130应定位在其中的期望位置。当纤维100在源线轴1102和收线线轴1104之间移动并且在纤维100上的卷成核区域1130处变为卷曲时，卷成核区域1130可以朝向收线线轴1104传播（例如，如图11b中所示）以及可以朝向源线轴1102传播（例如，如图11c中所示），这些可以潜在地将卷成核区域1130移出卷成核窗口1140（例如，如图11b和图11c中所示）。因此，系统1100可以经由一个或多个过程传感器1040来监测卷成核区域1130的位置和移动，并且实时调整系统1100的操作构型以将卷成核区域1130保持在卷成核窗口1140内和/或将卷成核区域移回到卷成核窗口1140中。

作为示例，如果传播的卷部分1120朝向收线筒管或线轴1104移动，则可以减小更新线轴1104处的收线速率以使卷成核区域1130朝向源线轴1102移动。在另一个示例中，如果传播的卷部分1120朝向纤维馈送器线轴1102移动，则可以增加收线线轴1104处的收线速率。通过监测卷成核区域1130的速度而不仅仅是卷成核区域1130的位置，根据卷成核区域1130传播的传播速率来调整收线线轴1104处的收线速率可以是可能的。然而，在另外的实施例中，通过仅识别传播的卷成核区域1130的位置，就可以实现足够的过程稳定性。在一些实施例中，收线线轴1104处的收线速率可以保持处于恒定值，并且生产过程中卷成核区域1130的传播的位置和/或速率的变化可以关于对纤维100的加捻速率的控制进行反馈，这可以增加捻度以更快地卷曲，由此使卷成核区域1130传播远离收线线轴1104并朝向纤维源线轴1102移动。在另外的实施例中，降低纤维100的加捻速率可以减小卷曲速率，并且可以使卷成核区域1130的传播远离纤维源线轴1102并朝向收线线轴1104移动。

作为另一个示例，如图10中所图示的生产方法1000中的过程传感器1040可以向控制系统提供信息以影响通过系统1100所产生的卷曲纤维100的几何。作为示例，来自相机1150等等的数据的图像或视频分析可以用于通过参考纤维直径（d）与卷直径（d）（见图1和图2）来确定卷曲材料的卷弹簧指数（c），纤维直径（d）与卷直径（d）两者可以以各种合适的方式测量（例如，通过在加工期间跨越材料的图像或帧进行像素计数）。在一些实施例中，卷弹簧指数（c）可以是相对的度量而不是绝对的度量，因此参考像素计数可以是确定卷弹簧指数（c）并且部分地理解初纺卷部分1120的几何的一种简单方式。因此，在一些示例中，可能不需要校准。在各种实施例中，如果发现所监测或确定的卷弹簧指数（c）太小或低于限定的最小卷弹簧指数阈值，则可以减小纤维100的张力。替代地，如果发现所监测或确定的卷弹簧指数（c）太大或高于限定的最大卷弹簧指数阈值，则可以增加纤维100的张力。

在一些实施例中，可能期望提高加捻卷致动器的生产率。然而，在一些示例中，高加捻速度会增加纤维形成不期望的扭结或普通缠结（见图12a）的可能性而不是形成产生卷的圆柱形缠结（见图12b）。在一些示例中，纤维100上的较高张力可以降低由于捻度不稳定性（形成普通缠结）而发生扭结的可能性，但是较高的张力会在具有更小弹簧指数（c）的纤维100中产生更紧的卷。

一种替代性示例方法可以是限制提供给加捻纤维100的物理空间，使得纤维100不具有经历与形成纽结或普通缠结（见图12a）相关联的形变所需的物理空间。在一些实施例中，普通缠结和圆柱形缠结两者都可能要求纤维100经历物理形变，但是扭结或普通缠结可以正交于纤维的拉伸方向，这在一些示例中需要更多空间。通过限制提供给缠结纤维或纱线的空间（例如，通过使用约束管等等），在一些示例中，可以有可能的是，保持足够的物理空间以便发生圆柱形缠结，而同时移除形成扭结或普通缠结将需要的空间。

例如，在一些实施例中，卷曲机100可以包括纤维100延伸穿过的约束管，其中该约束管的内直径大于或等于期望的卷直径（d）或最大卷直径并且小于或等于可以由纤维100交替地产生的扭结或普通缠结的直径或宽度。

如本文中讨论的，对于致动器的各种实施例，卷几何和/或卷间隔可以影响加捻且卷曲的致动器的性质。然而，可以以各种合适的方式实现对卷几何和/或间隔的控制。例如，一种方法可以是在生产期间控制生产温度和/或水分含量。正如在一些示例中在加捻和退捻期间利用不同的拉伸载荷可以是有利的，在一些示例中，在加捻和退捻步骤期间利用不同的温度（或水分含量）可以是有利的。替代地，响应于温度来更改张力可以是有利的。

在各种实施例中，如本文中讨论的一根或多根卷曲纤维100可以限定卷曲纤维致动器，该卷曲纤维致动器可以响应诸如温度、湿气、水分等等之类的环境条件。对于此类卷曲纤维致动器的实际使用，在一些实施例中，可能期望控制热响应（例如，冲程、∆长度/∆温度）和/或温度响应的范围或极限。对于给定的纤维材料，热响应的大小可以受到卷的几何或结构的影响，包括卷偏角α卷和卷直径（d）或者卷的开放度（例如，更大的卷直径（d）可以产生大的卷弹簧指数（c），并且此类卷可以具有更大的热响应）。附加地，温度响应范围的一端可以通过卷的间隔来控制（例如，一旦卷部分240彼此接触，卷曲致动器的收缩就需要材料的压缩并且可以大大减弱热响应的大小）。

对于卷曲致动器的实际使用，在一些示例中，可以希望此类卷曲致动器具有期望的热响应（例如，针对给定的温度变化的致动量，∆应变/∆t），并且可能期望此类卷曲致动器在与应用相关的温度范围内作出响应。在一些情况下，控制运动范围以及最小有效长度（例如，在特定温度下）和最大长度（例如，在另一温度下）可能是有利的，其中致动仅在这两个温度和两个长度之间有效地发生。

对于具有负热膨胀系数的热致动器的一些实施例，这些热致动器具有沿相同方向加捻的纤维和卷（例如，纯手性卷），在某个温度下和高于该温度下，卷可以彼此接触（卷接触温度），从而达到致动器的有效最小长度。在各种示例中，纯手性卷曲纤维致动器在其温度低于其卷接触温度时将在其卷之间具有物理空间。人造肌肉可以用于机器人应用中，在机器人应用中，它们可以移动质量块（mass）。在这些应用中，初次加载的卷曲致动器可以拉伸致动器的卷并且可以将它们拉开，从而允许在致动器收缩时提升载荷。然而，在致动器未被预拉伸或预加载的应用中，在一些实施例中，使卷曲纤维在感兴趣的温度范围内致动可以是有必要的。对于其中可能期望接近体温的致动的服装以及其他领域中的应用，在一些示例中，致动器可能不会达到压缩状态，其中卷与其邻居接触，直到温度超出期望的活动范围，从而允许在感兴趣的整个范围内的运动。然而，用于产生卷曲致动器的一些现有方法产生的致动器在致动器无载荷时需要延长冷温度（例如，小于10℃），如它们在一些服饰示例中可能的那样。控制卷之间的物理间隔和卷接触温度（其中相邻卷接触并且对温度的大的响应下降）对于产生实际用于致动纺织品（特别是服饰和床上用品）的卷曲纤维致动器可以是重要的。

在各种实施例中，控制卷部分240之间的间隔260可以用于控制卷接触温度，高于该温度，一些卷曲致动器可以是有效地不活动的。为了增加卷部分240之间的间隔260，可以通过如上文所描述的退捻来减少或移除初生（as-produced）卷中的残余的过量捻度和压缩应力。卷曲纤维致动器可以经热定形（例如，经退火），并且定形条件也可以促成卷之间的间隔。卷可以通过设计而成为温度响应的，并且可以对在热定形期间施加的大的温度作出响应，在一些示例中，取决于材料，该温度可以超过200℃。在一些示例中，取决于具体的退火条件（例如，时间、温度、诸如水之类的任何促进剂的存在等等），可以移除材料中的一些量的残余压缩应力。在各种实施例中，通过热定形保留下来或产生的任何部分都会影响卷间隔。

可以在各种合适的温度下执行热定形历时各种合适的时间。例如，在一些实施例中，可以在140℃、170℃或200℃下执行热定形。在另外的示例中，可以在小于或等于150℃、140℃、或130℃等等的温度下执行热定形。在再另外的示例中，可以在大于100℃、110℃、120℃、130℃或140℃的温度下执行热处理。针对此类热处理的温度范围可以在这些示例温度中的任一个之间的范围内。在一些示例中，可以在期望的温度范围内热处理卷曲致动器历时各种合适的时间段，包括15分钟、30分钟、1小时、2小时、3小时或4小时。附加地，可以在被这些示例时间段中的任一个限制的合适范围内执行热处理。

对于相同的热定形条件，本文中描述了三个非限制性示例情况。第一示例是纤维致动器在定形程序期间自由移动的情况。该过程的高温会导致卷压缩，然后致动器可以在该压缩位置中定形。从热定形程序中出来，随着温度的冷却，卷会具有膨胀的趋势，但是在一些示例中任何残余压缩都可能对该卷膨胀不利，并且在室温或者预期应用所感兴趣的温度范围下卷仍然可以彼此接触。

第二示例热定形程序在退火过程期间物理地约束纤维致动器，使得温度升高不会物理地使卷彼此更紧密地接触。存在许多种方式来应用此类约束，例如一个实施例包括将纤维致动器收线到线轴上并在定形程序期间约束整批纤维，诸如通过用能够承受定形程序的条件的片材或带子来缠绕线轴。在定形过程之后，在一些实施例中，经冷却的致动器卷会具有膨胀的趋势，并且分开的程度大于热定形致动器在定形过程期间自由收缩的情况。在热定形过程期间受到约束的纤维致动器的卷接触温度值可以高于在没有物理约束的情况下热定形的类似致动器的卷接触温度值，并且更高的卷接触温度可以使得能够在室温和体温下或者在其他期望的温度下使用无载荷的致动器。如本文中讨论的，体温可以包括包括约37.0℃、38.0℃、39.0℃等等的温度、以及通常在皮肤处或在皮肤周围的环境中发现的温度（包括约27.0℃、28.0℃、29.0℃、30.0℃、31.0℃、32.0℃、33.0℃、34.0℃、35.0℃、36.0℃等等）。如本文中讨论的，室温可以包括包括约10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30℃等等的温度。

第三示例热定形程序与第二示例的类似之处可以在于，第三示例在热定形过程期间约束纤维致动器，但它是通过在该过程期间有意地拉伸致动器来这样做的。在一些实施例中，这可以进一步将卷接触温度移位到更高值。对于这三种情况中的每一种，温度、时间和促进材料定形的任何化学试剂的存在可以是附加的因素。

对于环境响应的加捻且卷曲的纤维和纱线致动器，在一些实施例中，如果修改定形程序以将卷接触温度移位到更高值，则卷可以在更低的温度下变得更加延伸（如更大的卷偏角α卷中所反映的），并且可以减弱致动器的热响应。对于服装和纺织品领域中的一些示例应用，可能期望具有大的热响应（例如，|cte|≥2mm/m/k）和高的卷接触温度（例如，20℃，在一些情况下更优选地为40℃）。

对于通过卷绕产生的卷曲，在一些实施例中，退捻可以用于使卷直径（d）膨胀，并且可以影响卷间隔260。此外，可以通过以下方式来控制一些实施例的卷部分240之间的间隔260：将加捻的有源纤维100卷绕在心轴或其他芯材料510上并且在卷部分240之间具有一些间隔260（见图7a）和/或将有源纤维100牺牲纤维830一起卷绕在心轴或其他芯材料510上，使得牺牲纤维830用作卷部分240之间的物理间隔物（见图8a）。可以将牺牲材料830物理地移除（例如，将其从卷上退绕）、溶解、通过化学手段移除等等。牺牲材料的直径或尺寸可以与被卷曲的加捻纤维100的直径或尺寸相当，或者牺牲材料830可以更大或更小，以作为控制最终致动器纤维100中的卷之间的间隔260的一种方式。

在一些实施例中，卷接触温度可以用于限制致动器的运动范围。在一些应用中，限制致动器的最小长度可以是有利的，并且通过控制卷接触温度，可以将最小长度设定到该温度和任何更高的温度。虽然在一些示例中随着温度继续增加会存在某种变化，但是由于卷不能自由移动，因此这种变化会小得多（该描述假设卷曲致动器随着温度降低而膨胀，纯手性卷就是这种情况；卷方向与捻向相反的异手性卷可以具有相反的行为，并且随着温度降低且产生卷-卷接触可以收缩到最小尺寸，且一旦卷部分240与相邻卷部分240直接接触（见图3b），卷部分240就可以在低于卷接触温度的温度下具有大大减小的热收缩）。

卷接触温度的控制可以提供对致动器的刚度（例如，有效模量）的一种类型的控制。在各种实施例中，当卷部分240接触时，致动器可以变得更具刚性，这可以用于并入有纤维致动器的设计中。

在一些示例中，通过将纤维缠绕在致动器上使得致动器是在纱线内受到保护的环境响应芯，可以控制致动器的延伸。随着致动芯的延长，外纤维（例如，连续纤丝、短纤维等等）可以被拉成越来越线性的取向，并且可以达到外纤维足够直以使其致力于抵抗拉伸延伸的程度。在这一刻，在各种示例中，致动器可以进入到热响应区，其中缠绕纤维会极大地阻碍附加的延伸，从而有效地为致动器产生最大长度。在一些实施例中，缠绕或遮盖卷曲致动器可以带来许多其他益处，包括改善的手感、外观、防勾纱、控制芯吸、水分处理、耐化学性、致动纱线的总体积等等。缠绕还可以用于平衡掉纤维致动器的扭矩。例如，致动器可以在两端处受约束，以使卷的加捻动作转换成随温度变化的线性尺寸变化。如果致动器沿相反的捻向缠绕有纤维或与纤维合股（例如，z形加捻致动器可以沿s方向缠绕有纤维或与纤维合股），则可以消除该约束性要求。

虽然本文中公开的各种示例涉及卷曲致动器的热响应，但是这些材料可以是水分敏感的和/或化学敏感的，另外或在替代例中，并且在涉及温度或环境响应或调适的情况下，意味着包括水分敏感性、水敏感性和/或化学敏感性。

本文中描述的各种实施例可以包括单丝或多丝纱线。然而，在另外的示例中，短纤维纱线可以用于产生卷曲的热致动器。在一些实施例中，此类纱线中的单独的纤维可以通过表面-表面相互作用而交联，或者可以用交联剂或聚合剂浸渍呈卷被分开的延伸形式的纱线，以改善热响应纱线的长期完整性。在一些示例中，纱线本身可以用作通过芯吸分配液体聚合剂的媒介物。类似地，材料可以用作短纤维或多丝纱线上的涂层以用作填料或釉料。此类材料可以包括作为溶液施加的上浆剂，或者可以包括通过熔融过程施加的聚合物。在一些实施例中，可以在纤维或纱线致动器的加捻和卷曲之后移除该保护性材料，该保护性材料用作辅助产生致动器的牺牲材料。

产生具有期望的几何（例如，高弹簧指数c、低卷偏角α卷、卷部分240之间的受控间隔260等等）的卷的一种示例方法可以包括将一根或多根预加捻（但是在一些示例中不卷曲）纤维100与一根或多根牺牲纤维编织在一起。编织可以在有芯510或没有芯510的情况下完成。编织品可以被热定形，并且可以通过物理手段、溶解、熔化、洗涤、化学方法等等来移除牺牲纤维和芯。

产生具有期望的几何（例如，高弹簧指数c、低卷偏角α卷、卷部分240之间的受控间隔260等等）的卷的另一种示例方法可以包括将一根或多根预加捻（但是在一些示例中不卷曲）纤维100缠绕或卷绕在一根或多根牺牲纤维或纱线上。一根或多根牺牲纤维可以限定围绕一根或多根牺牲纤维形成的卷的中心腔220的几何。缠绕的或覆盖的纤维或纱线可以被热定形，并且可以通过物理手段、溶解、熔化、洗涤、化学方法等等来移除一根或多根牺牲纤维，从而将缠绕的纤维卷从芯中释放出来。在致动器产生的该示例方法中，牺牲芯可以用作模板或结构，纤维可以卷绕在其上。用于缠绕在芯上的纤维或纱线可以是单丝、连续纤丝纱线，或者可以是短纤维纱线，其可选地预备有可移除尺寸和/或润滑剂以促进卷曲结构的形成。

在一些示例（包括可以具有高弹簧指数的细纱线）中，有效模量可能太低而无法实现期望的热或机械性能。为了增加有效模量，可以在生产期间将卷缠绕在弹性或非弹性芯上，该芯可以在最终产品中保留纱线的一部分。在一些示例中，卷也可以缠绕在多组分芯上，其中在缠绕/热定形之后，可以通过化学或物理手段等等移除该芯的一部分。

一根或多根纤维100在牺牲芯510上的缠绕也可以用于交叉纱线覆盖（其中第一组一根或多根纤维100沿一个方向（s或z）缠绕在芯510上）、然后是附加的覆盖（其中第二组一根或多根纤维100沿相反方向（z或s）缠绕在芯510和第一缠绕物上，该第一缠绕可以包括第一组一根或多根纤维100）。在一些实施例中，第一组和第二组纤维100两者都可以是高度加捻的，从而产生嵌套的卷曲致动器，其中具有z捻的外部纯手性卷包围具有s捻的内部纯手性卷，或者具有s捻的外部纯手性卷包围具有z捻的内部纯手性卷，这可以产生平衡或部分平衡的致动纱线。在一些实施例中，第一组或第二组纤维中仅有一组是高度加捻的，并且可以存在另一组纤维以达到支撑、抑制、保护、增容或其他合适的目的。

对于具有更小直径（例如，小于0.25mm）的纤维或纱线，市售的缠绕或覆盖机械可能不能够提供每线性长度的适当的加捻或卷曲水平以产生具有最小化的卷偏角α卷的紧凑型卷曲致动器。在一个非限制性示例中，能够每米卷曲<5000个卷的缠绕机可将中心牺牲纤维或纱线与高度加捻的100微米纤丝缠绕在一起，从而在每个卷之间留下>100微米的空间。此类间隔可以留在卷曲材料中，但替代地，第二根高度加捻的纤丝（或第二根和第三根、或第二根和第三根和第四根等等）可以同时缠绕在中心芯材料上，从而形成两个卷，每个卷嵌套在另一个卷内部。虽然在一些示例中，环境响应将由于存在嵌套的卷而不会改变，但是一个或多个嵌套的卷可以在性质上具有一些差异。例如，由于存在第二卷，可以减小收缩范围。在另一个示例中，嵌套的卷的总组合刚度可以高于单独的卷的组合刚度。就生产而言，在各种示例中，添加第二纤丝可能不会增加卷曲步骤的加工时间，而是可以改善可靠性，因为两根（或更多根）纤丝在生产过程期间可以贴着彼此安顿并且有效地约束彼此。

在一些实施例中，可能没必要应用热来以期望的几何来定形卷。例如，可以利用通过塑性变形实现的机械定形。在一些示例中，还可以使用化学方法来移除残余机械应力并以期望的几何来定形卷。

具有特殊横截面的纤维（包括空心芯前体纤维等等）可以用于增加隔热值并减少由纤维产生的一些致动器的重量。在各种实施例中，非圆形横截面可以增加纤维100的表面积，从而提供芯吸、干燥、感觉等等方面的增强。

包括如本文中讨论的一根或多根卷曲纤维100的卷曲致动器或人造肌肉可以在服饰、床上用品、窗帘、隔热物等等方面具有各种合适的应用。例如，在一些实施例中，诸如外套、毛衣等等之类的服饰可以包括自适应织物，该自适应织物包括多个卷曲致动器，所述多个卷曲致动器包括多根卷曲纤维100，其中第一层自适应织物被配置成包围并面向穿着者的身体，并且第二层被配置成面向穿着者的外部环境。此类构型可以包括衬里和/或外面，自适应织物可以安置在衬里和/或外面中。在其他实施例中，可以在服装或其他产品中仅使用单个自适应层。

在各种实施例中，包括自适应织物的服饰可以被配置成基于穿着者的体温和/或外部环境的温度来改变构型，这可以包括放样或展平以提供基于温度的增加或减少的隔热性。例如，在环境温度冷于用户的直接环境的期望舒适温度（例如，大约27℃）的情况下，自适应织物的外层和/或内层可以被配置成放样以提供改善的隔热性来为用户御寒，在更低的温度下具有更大的放样和隔热量。替代地，在环境温度暖于对用户来说舒适的温度的情况下，自适应织物的外层和/或内层可以被配置成展平，从而为用户提供降低的隔热性。

附加地，服饰的自适应织物可以被配置成基于与穿着者的身体相关联的湿气来改变构型并且将此类湿气导引离开穿着者的身体。例如，在用户穿着包括自适应织物的服饰的同时出汗并且产生湿气时，自适应织物可以被配置成变得更加多孔和/或展平以允许此类湿气从服饰内朝向服饰外部逸出并远离用户。

包括多个卷曲致动器的自适应织物或纺织品可以以各种合适的方式产生，并且可以具有各种合适的特性。例如，两种材料之间的热膨胀系数（δcte）的差异是可以指示结构（诸如，双压电晶片或具有多个卷曲致动器的其他结构）的运动或偏转的范围的术语。对于一些示例材料，δcte项可以是100至200μm/m/k，这对于一些实施例可能是不期望的。因此，双压电晶片的各种实施例可以包括如本文中描述的高度加捻卷曲致动器（例如，图15a、图15b、图16a、图16b、图17a、图17b和图18），其在一些实施例中可以具有1000μm/m/k或更大的有效cte值，从而提供相同大小的∆cte值。在一些示例中，此类cte值可以用于具有期望的偏转或弯曲特性的双压电晶片和双层结构。

在各种实施例中，卷曲致动器可以用作热响应拉伸致动器（线性运动）和/或扭转致动器（旋转运动）。在另外的实施例中，通过使用补充材料，本文中描述的结构可以将卷曲致动器的线性运动转换成沿正交方向的运动。此类实施例可能期望用于热响应纱线、填料、毛毡、织物等等中，其可以包括在暴露于低温时变厚的服装和其他制品。

在各种实施例中，可能期望将材料配对，其中这两种配对的材料的cte值之间的差异（∆cte）是大的。因此，具有大cte值的卷曲致动器1210可以期望用于双压电晶片和包括双压电晶片的结构中。在一些实施例中，卷曲致动器可以具有正cte特性（例如，随温度的增加而膨胀，捻向和卷方向相反的异手性卷）或大的负cte特性（例如，随温度的增加而收缩，捻向和卷方向相同的纯手性卷）。在各种实施例中，并且如本文中描述，将包括相同纤丝材料的相对的卷曲致动器配对在一起可以产生更大的δcte。

在各种实施例中，双压电晶片可以包括加捻卷致动器，其中由于温度变化所引起的致动器的线性移位可以在双压电晶片中诱导平面外或正交偏转，从而导致双压电晶片的高度或厚度的有效变化。

图15a和图15b图示了双压电晶片1500的一个示例1500a，其包括在第一端1530和第二端1540处联接的卷曲致动器纤维100和纤丝1520。卷曲致动器纤维100和纤丝1520可以仅在第一端1530和第二端1540处联接和/或可以沿其长度的一部分联接。

在各种实施例中，卷曲致动器纤维100可以响应于温度变化而纵长地膨胀或收缩。例如，卷曲致动器纤维100可以在冷却时收缩（异手性纤维致动器，捻向和卷方向相反）或在冷却时膨胀（纯手性纤维致动器，捻向和卷方向相同）。在各种实施例中，纤丝1520可以纵长地膨胀、收缩或不展现出实质的变化。

图15a图示了处于以下两种构型的双压电晶片1500a：左边的在第一温度下的平坦构型，和右边的由温度变化引起的第一收缩构型。图15b图示了处于以下两种构型的图15a的双压电晶片1500a：左边的在第一温度下的平坦构型，和右边的由与图15a中所图示的温度变化不同的温度变化引起的第二收缩构型。例如，图15a可以图示基于负温度变化的构型变化，并且图15b可以图示基于正温度变化的构型变化。

在各种实施例中，卷曲致动器纤维100和纤丝1520可以被配置成两者都弯曲，如图15a和图15b的示例实施例中所示，其中卷曲致动器纤维100和纤丝1520的长度在弯曲和直线两种构型中邻接。在另外的实施例中，卷曲致动器纤维100和纤丝1520可以被配置成以不同方式弯曲，并且卷曲致动器纤维100和纤丝1520在平坦和/或弯曲构型中可能不邻接。

例如，图16a图示了双压电晶片1500的示例实施例1500b，其具有卷曲致动器纤维100和纤丝1620，其中，当双压电晶片1500处于平坦构型（左边）和弯曲构型（右边）时，卷曲致动器纤维100保持线性构型。在该示例中，卷曲致动器纤维100被示为由于温度变化而收缩，这导致纤丝1620远离卷曲致动器纤维100弯曲。

类似地，图16b图示了双压电晶片1500的另一个示例1500c，其包括第一纤丝1620a和第二纤丝1620b，其中卷曲致动器纤维100在第一纤丝1620a和第二纤丝1620b之间。在该示例中，双压电晶片1500c被示为由于温度变化而收缩，这导致纤丝1620a、1620b远离卷曲致动器纤维100弯曲，该致动器纤维保持线性构型。

图17a和图17b图示了双压电晶片1500的两个示例1500d、1500e，它们包括在第一端1530和第二端1540处联接的第一卷曲致动器纤维100a1和第二卷曲致动器纤维110b1。在一些实施例中，卷曲致动器纤维100a1、110b1可以沿着其长度的一部分联接。图17a图示了示例实施例1500d，其中，卷曲致动器纤维100a1、110b1具有相反的热响应并且在平坦（左边）和弯曲（右边）两种构型中保持毗连。相比之下，图17b图示了示例实施例1500e，其中，卷曲致动器纤维100a1、110b1在平坦构型（左边）中毗连并且可以在弯曲构型（右边）分开。

图18图示了双压电晶片1500f的示例实施例，其具有卷曲致动器纤维100和纤丝1520，其中，当双压电晶片1500处于平坦构型（左边）和弯曲构型（右边）时，纤丝1520保持线性构型。在该示例1500f中，卷曲致动器纤维100被示为由于温度变化而收缩，这导致卷曲致动器纤维100远离纤丝1520弯曲。

在各种实施例中，一根或多根加捻卷致动器纤维100可以与一根或多根刚性反向纤丝1520联接，所述刚性反向纤丝可以用作固定结构，致动器纤维100可以抵靠该固定结构正交地移位，从而形成具有仍改变其有效厚度的最小线性膨胀的结构。图18图示了此类结构的一个示例。

除了期望的有效cte值之外，卷曲致动器纤维100还可以提供一些加工或制造优点，诸如片材结构不可用的机械连接路线以及由与本文中讨论的相同长度的材料产生正和负cte卷两者的优点。当卷曲致动器纤维100的弹簧常数大时，卷曲致动器纤维100的有效cte值可以被最大化，从而在卷的中心处留下开放腔220。由于此类结构中可以存在的孔隙率、密度和透气性等等，卷曲致动器纤维100也可以是期望的。

在各种实施例中，可以通过织物或薄膜来机织或缝合一根或多根卷曲致动器纤维100和/或双压电晶片1500，以产生具有大的有效∆cte值和对应的大偏转的双压电晶片片材结构。在另外的实施例中，可以将一根或多根卷曲致动器纤维100缝合或结合到片材以形成双压电晶片片材。在一些实施例中，可以将一个或多个卷曲致动器缝合或结合到片材或织物的表面，所述卷曲致动器具有交替的卷段，这些卷段具有相反手性的交替的膨胀和收缩段。可以形成片材结构，其中随着温度的改变（由于交替手性型卷曲致动器纤维100内的正和负热响应区），片材或带状物呈现正弦曲线。交替手性型卷曲致动器的实施例可以在多种领域中都有应用。例如，各种实施例可以被配置成用于产生热自适应服装，其中交替手性型卷可以用于传统的锁缝中以在织物的表面上产生交替的正和负cte区域，从而随着温度的改变在织物中诱导起伏。在一些实施例中，锁缝中的第二纱线或纤维不需要是大cte或加捻卷曲致动器材料。

在一些实施例中，多根卷曲致动器纤维100可以并排铺设并且机织或缝合在一起，从而沿单个方向产生具有期望的cte的片材或层。在再另外的实施例中，具有不同cte的此类片材（例如，具有大的正cte的片材和具有大的负cte的片材）可以被配对，以产生具有期望的热膨胀差异和期望的曲率半径的平坦双压电晶片片材。

在另外的实施例中，可以将卷曲致动器纤维100缝合到薄膜、膜或织物上，这可以赋予此类薄膜、膜或织物热响应性质。因此，各种实施例可以消除对所选材料与隔热材料或织物更深入地整合的需要。在此类实施例中，附加地，热响应材料可以是机织物的一部分，它可以是隔热物的初级主体，它可以是衬底，或者它可以通过粘合剂或热结合而粘合到另一种材料。

附加地，卷曲致动器纤维100可以用于产生类似于鹅绒中的分支结构的分支结构。例如，在一些实施例中，在可变隔热性的大背景下，通过在卷曲过程期间将加捻纤维100拖曳穿过一层细纤维，细纤维可以被捕获或困在卷中，从而形成具有有利的隔热性、触觉和结构性质的分支结构。

卷曲致动器纤维100可以用作线性或扭转致动器。在各种实施例中，如本文中讨论的，将两种不同的材料配对可以产生平面外或正交运动。在一些实施例中，将具有不同cte特性的加捻卷不利地配对的机织或针织结构可以包括热响应双压电晶片1500。在一些实施例中，可以以各种合适的方式将多种材料机织在一起，以产生响应于温度而变化的机织物的总体物理结构。此类机织结构可以包括卷曲致动器纤维100、或响应于温度而改变构型或长度的其他合适的材料或结构。

在各种实施例中，机织或针织结构可以通过对齐纤维而用作约束，使得整体运动是内聚的并且不以不同组纤维的随机单独蠕动为特征，这对于热自适应材料以及最大化其偏转或其有效厚度变化可以是期望的。

在另外的实施例中，温度敏感结构可以包括非自适应约束，诸如活性材料不利于的纤维、纱线或织物，其中非自适应材料保持线性、直线或平坦并且活性材料由于膨胀而放样，或者其中活性材料保持线性、直线或平坦并且非自适应材料由于活性材料的收缩而放样。通过机织、针织或使用粘合剂，适当的约束可以在此类结构中产生期望的温度响应。在一些实施例中，采用限制材料的运动范围的约束可以是有利的。

在另外的实施例中，可以以各种合适的方式使用卷曲致动器纤维100或包括一根或多根卷曲纤维100的人造肌肉，所述方式包括以下各者中的一个或多个：（i）纺织品或编织品；（ii）用于打开和关闭百叶窗或卷帘以调节光透射或气流的机械机构；（iii）用于医疗装置或玩具的机械驱动器；（iv）宏观尺寸或微观尺寸的泵、阀驱动器或流体混合器；（v）用于断开和闭合电子电路或者打开和关闭锁的机械继电器；（vi）用于高灵敏度电化学分析物分析中使用的旋转电极的扭转驱动器；（vii）用于光学装置的机械驱动器；（viii）用于光学装置的机械驱动器，该光学装置打开和关闭光学快门，平移或旋转镜头或光漫射器，提供改变顺应性镜头的焦距的变形，或旋转或平移显示器上的像素以在显示器上提供变化的图像；（ix）提供触觉信息的机械驱动器；（x）为外科医生手套或盲文显示器中的触觉装置提供触觉信息的机械驱动器；（xi）用于智能表面的机械驱动系统，其使得能够改变表面结构；（xii）用于外骨骼、假肢或机器人的机械驱动系统；（xiii）用于为人形机器人提供逼真面部表情的机械驱动系统；（xiv）用于温度敏感材料的智能包装，其响应于环境温度来打开和关闭通风孔或改变孔隙率；（xv）响应环境温度或光热加热产生的温度来打开或关闭阀门的机械系统；（xvi）使用光热加热或电加热的机械驱动器，控制太阳能电池相对于太阳方向的取向；（xvii）光热致动的微型装置；（xviii）热或光热致动的能量收集器，其使用温度的波动来产生作为电能被收集的机械能；（xix）紧身服装，其中，热致动用于促进进入服装中；（xx）用于提供可调整的顺应性的装置，其中，通过电热致动来提供可调整的顺应性；（xxi）平移或旋转定位器等等。

所描述的实施例易于进行各种修改和替代形式，但是其具体示例已通过示例被示出并且在本文中进行了详细描述。然而，应理解，所描述的实施例将不限于所公开的特定形式或方法，而是相反，本公开将覆盖所有修改、等同物和替代方案。

第一和第二示例

图13和图14示出了根据本文中描述的方法产生的两种环境响应卷曲纤维致动器。图13和图14的显微镜图像示出了通过两种不同方法所产生的具有几何的卷。比例尺条的长度为0.5mm。

在图13中，高度加捻纤维卷由0.1mm的聚酰胺纤丝通过以下方式制成：在张力下加捻到诱导卷曲的那一刻、在减小的载荷下沿相反方向加捻卷（退捻）和热定形。测量卷指数且发现为约2.9，并且测量沿纤维致动器的轴向方向中的线性热膨胀系数且发现为-4.2mm/m/k。

在图14中，高度加捻纤维卷由0.1mm聚酰胺纤丝通过以下方式制成：在诱导卷曲的那一刻之前在张力下加捻，然后缠绕在牺牲纤维芯上，然后热定形和移除芯。测量卷指数且发现为约2.8，并且测量沿纤维致动器的轴向方向中的线性热膨胀系数且发现为-4.6mm/m/k。两个卷曲纤维致动器均由相同的聚酰胺纤丝制成，并且两个卷都是纯手性的，具有负的热膨胀系数，在冷却而不是加热时膨胀。通过加捻的卷曲型材料（图13）中的卷示出了彼此之间的小空间，而通过缠绕的卷曲型材料（图14）中的卷触碰或几乎触碰。

附加示例

使用上文所描述的这些技术，已产生了具有大小高于5mm/m/k的cte值的热致动器（对于具有负热膨胀的卷，负热膨胀的平均值小于-5mm/m/k或-0.005/k），并且还已产生了具有高于2mm/m/k的值的致动器。所有这些示例实施方式均接近体温致动，并且使得能够产生适合服饰应用的响应性纺织品。

图19呈现了具有各种卷指数值（c）的超过200个加捻且卷曲的纯手性纤维致动器的有效线性热膨胀系数（cte）数据。虚线表示数据的线性拟合（r²=0.7）。没有数据是针对心轴缠绕或芯缠绕的致动器；所有数据都表示通过加捻到带来卷曲的那一刻产生的卷。为了实现高于近似1.75的卷指数值，初纺卷部分地退捻，从而增加卷指数值和线性膨胀系数的大小。一般地，具有更大卷弹簧指数（c）的卷具有高到足以允许接近体温的膨胀和收缩的卷接触温度。这些卷具有更大弹簧指数、由不同材料制成并且处于不同条件下，它们还展现出卷之间的间隔和卷偏角的可变性，从而解释了在较高c值下数据中色散的一些增加。该数据表示由聚酰胺、聚酯和聚烯烃系列中的纤维产生的卷，其中各种纤维或纱线的直径尺寸的范围为0.05mm至大于0.3mm。该数据还表示在一系列条件下被热定形的卷。

表1总结了从在不同温度下被热定形的一系列加捻且卷曲的聚酯纤维致动器测量的热膨胀系数数据。六个（6）纤维致动器经产生以用于在140℃、170℃和200℃中的每个温度下进行退火，总共为18个纤维致动器。这些致动器全部在类似条件下产生，并且在退火步骤之前名义上相同。在每个温度下，被退火的纤维致动器中有一半是s捻纯手性致动器，且一半是z捻纯手性致动器。所有三种热定形条件均适合于产生大冲程的热响应材料，但较低的温度140℃和170℃产生了具有有意义地更大的热响应幅度的纤维致动器。每个热定形程序实施两（2）小时。

表1：在不同温度下被热定形的加捻且卷曲的聚酯纤维致动器的汇总数据

即使对于具有高熔点的材料，也可以使用较低温度的热定形条件。例如，高压釜条件（121℃饱和且加压的蒸汽历时15至20分钟）可以足以缓和高度加捻的聚酰胺中的一些捻度不稳定性，这可以减小可靠地处理高度加捻和/或卷曲材料所需要的张力。一般地，期望在高于材料的玻璃化转变温度的温度下进行热定形，对于纺织品中使用的普通聚合物（诸如，聚酯和聚酰胺），该温度通常小于100℃。对于聚烯烃材料，玻璃化转变温度可能低得多，常常低于0℃，并且小于100℃的热定形温度常常是足够的。

使用本文中描述的技术，已经表明，将纤维加捻到诱导卷曲的那一刻能够产生具有大于-9mm/m/k的有效线性热膨胀系数值的纯手性卷曲纤维致动器。附加的优化是可能的，并且此类值不是性能的上限。此外，将加捻纤维缠绕在芯上的方法可以产生类似的结果，并且可以使得能够对在一些示例中产生的卷结构进行优异的控制，由此提供获得更好性能的途径。

可以依据以下条款来描述本公开的实施例：

1.一种构造热自适应服装的方法，所述热自适应衣服被配置成穿着在用户的身体上并且至少部分地包围用户的身体的一部分，所述热自适应服装包括：

产生多根卷曲致动器纤维，其中所述多根卷曲致动器纤维中的每一根通过以下方式产生：

对纤维加捻以产生高度加捻纤维，所述高度加捻纤维的纤维偏角α纤维在25°和50°之间；

将所述高度加捻纤维缠绕在牺牲芯上，以在所述高度加捻纤维中产生卷；

通过向安置在所述牺牲芯上的所述高度加捻纤维卷施加热量或化学定形剂来定形所述高度加捻纤维卷；以及

通过将所述牺牲芯溶解在溶剂中来移除所述牺牲芯，以产生具有以下特性的卷曲致动器纤维：

大于或等于2.0的卷弹簧指数（c），

大于或等于20℃的卷部分接触温度，

|cte|≥2mm/m/k的热响应，以及

在25°和50°之间的纤维偏角α纤维；

产生热自适应织物，所述热自适应织物包括所产生的多根卷曲致动器纤维；

产生由所述热自适应织物限定的服装主体，所述服装主体包括：

内部部分，其具有被配置成面向穿着用户的身体的内面；以及

外部部分，其具有被配置成面向所述穿着用户外部的环境的外面，

其中，所述热自适应织物被配置成响应于第一环境温度范围而呈现基本构型，并且

其中，所述热自适应织物被配置成响应于与所述第一环境温度范围分开的第二环境温度范围而呈现放样构型。

2.根据条款1所述的方法，其中，所述纤维包括以下各者中的一者：包括一根或多根纤维的纱线，或者包括单个细长元件的纤维。

3.根据条款1或2所述的方法，其中，通过溶解在水中来移除所述牺牲芯。

4.根据条款1至3中任一项所述的方法，其中，所述牺牲芯包括水溶性聚合物单丝、纤丝纱线或短纤维纱线。

5.根据条款1至4中任一项所述的方法，其中，在已将所述卷曲致动器纤维并入到织物中之后移除所述牺牲芯。

6.一种产生多根卷曲致动器纤维的方法，其中所述多根卷曲致动器纤维中的每一个通过以下方式产生：

对纤维加捻以产生加捻纤维，所述加捻纤维的纤维偏角α纤维在25°和50°之间；

将所述加捻纤维缠绕在牺牲芯上，以在所述加捻纤维中产生卷；

通过向安置在所述牺牲芯上的所述加捻纤维卷施加热量或化学定形剂来定形所述高度加捻纤维卷；以及

通过将所述牺牲芯溶解在溶剂中来移除所述牺牲芯，以产生具有以下特性中的两个或更多个的卷曲致动器纤维：

大于或等于2.0的卷弹簧指数（c），

大于或等于20℃的卷部分接触温度，

|cte|≥2mm/m/k的热响应，以及

在25º和50º之间的纤维偏角α纤维。

7.根据条款6所述的方法，其中，所述纤维包括以下各者中的一者：包括一根或多根纤维或其他元件的纱线，或者包括单个细长元件的纤维。

8.一种产生卷曲致动器纤维的方法，所述方法包括：

对纤维加捻以产生加捻纤维；

将所述加捻纤维缠绕在芯上，以在所述加捻纤维中产生卷；以及

移除所述芯的至少一部分以产生卷曲致动器纤维。

9.根据条款8所述的方法，其中，所述纤维包括以下各者中的一者：包括一根或多根纤维的纱线，或者包括单个细长元件的纤维。

10.根据条款8或9所述的方法，其还包括：通过加热或化学处理来定形所述卷曲致动器纤维。

11.根据条款10所述的方法，其中，在部分或完全移除所述芯之前实施定形所述加捻纤维卷。

12.根据条款10所述的方法，其中，在所述卷曲致动器纤维的线轴上实施所述加捻纤维卷的定形。

13.根据条款8至12中任一项所述的方法，其中，所述卷曲致动器纤维包括大于或等于2.0的卷弹簧指数（c）。

14.根据条款8至13中任一项所述的方法，其中，所述卷曲致动器纤维包括大于或等于10℃的卷部分接触温度。

15.根据条款8至14中任一项所述的方法，其中，所述卷曲致动器纤维包括|cte|≥2mm/m/k的热响应。

16.根据条款8至15中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：将至少两根加捻纤维缠绕在芯上以在所述加捻纤维中产生卷。

17.根据条款8至16中任一项所述的方法，其中，通过以下方式移除所述芯：

a.溶解；

b.化学反应；

c.或其组合。

18.根据条款17所述的方法，其中，所述芯还包括非可移除部分，所述非可移除部分在与所述可移除部分相同的条件下不可溶解或无化学反应性，从而留下所述芯的一部分。

19.根据条款8至18中任一项所述的方法，其中，对所述纤维加捻以产生所述加捻纤维包括：对所述纤维加捻以具有大于25°的纤维偏角α纤维。

20.根据条款8至19中任一项所述的方法，其中，对所述纤维加捻以产生所述加捻纤维包括：对所述纤维加捻以具有在30º和40º之间的纤维偏角α纤维。

21.一种用于制成卷曲纤维致动器的方法，当为以下条件时，所述卷曲纤维致动器在其卷之间具有物理空间：

a.所述卷曲纤维处于体温下，以及

b.无载荷，

其中，所述卷曲纤维致动器通过以下各者中的至少一者被定形：

a.热量，抑或

b.化学处理

同时处于物理约束下，所述物理约束防止在所述定形过程期间所述卷曲纤维致动器的实质性膨胀或收缩。

22.根据条款21所述的方法，其中，所述卷曲致动器纤维包括大于或等于2.0的卷弹簧指数（c）。

23.根据条款21或22所述的方法，其中，所述卷曲纤维致动器包括|cte|≥2mm/m/k的热响应。

24.根据条款21至23中任一项所述的方法，其中，在定形期间应用的所述物理约束被应用于所述卷曲纤维致动器的线轴。

25.根据条款21至24中任一项所述的方法，其中，在定形期间应用的所述物理约束：

a.防止在所述定形过程期间所述卷曲纤维致动器的实质性膨胀或收缩，以及

b.将所述卷曲纤维致动器保持于在其卷之间存在物理空间的位置中。

26.根据条款21至25中任一项所述的方法，其中，所述卷曲纤维致动器在大于或等于121℃的温度下被热定形。

27.根据条款21至26中任一项所述的方法，其中，当为以下条件时，所述卷曲纤维致动器在其卷之间具有物理空间：

a.所述卷曲纤维处于室温下，以及

b.无载荷。

28.一种用于制成卷曲纤维致动器的方法，当为以下条件时，所述卷曲纤维致动器在其卷之间具有物理空间：

a.所述卷曲纤维处于体温下，以及

b.无载荷，

其中，在所述卷的初始形成之后，在以下各者下对所述卷曲纤维致动器加捻：

a.沿与用于形成所述卷的捻向相反的方向，

b.处于小于在初始卷形成期间施加到所述纤维的张力的张力下，

c.并且仅达到所述初始形成的卷的大部分保持完好无损的程度，

并且其中所述部分退捻的卷曲纤维致动器通过以下各者中的至少一者被定形：

a.热量，抑或

b.化学处理。

29.根据条款28所述的方法，其中，所述卷曲致动器纤维包括大于或等于2.0的卷弹簧指数（c）。

30.根据条款28或29所述的方法，其中，所述卷曲纤维致动器包括|cte|≥2mm/m/k的热响应。

31.根据条款28至30中任一项所述的方法，其中，所述卷曲纤维致动器在大于或等于121℃的温度下被热定形。

32.根据条款28至31中任一项所述的方法，其中，当为以下条件时，所述卷曲纤维致动器在其卷之间具有物理空间：

c.所述卷曲纤维处于室温下，以及

d.无载荷。

33.一种用于制成卷曲纤维致动器的方法，当为以下条件时，所述卷曲纤维致动器在其卷之间具有物理空间：

e.所述卷曲纤维处于体温下，以及

f.无载荷，

其中，所述卷曲纤维致动器通过以下方式产生：

a.对纤维加捻以产生加捻纤维，

b.将所述加捻纤维缠绕在牺牲芯上，以在所述加捻纤维中产生卷，以及

c.移除所述牺牲芯的至少一部分以产生卷曲致动器纤维，

并且其中所述卷曲纤维致动器通过以下各者中的至少一者被定形：

a.热量，抑或

b.化学处理。

34.根据条款33所述的方法，其中，通过溶解来移除所述芯。

35.根据条款33或34所述的方法，其中，所述芯被完全移除。

36.根据条款33至35中任一项所述的方法，其中，所述加捻纤维在缠绕于芯上之前被定形以产生卷。

37.根据条款33至36中任一项所述的方法，其中，所述加捻纤维具有等于或大于20°的纤维偏角。

38.根据条款33至37中任一项所述的方法，其中，所述卷曲纤维致动器包括|cte|≥2mm/m/k的热响应。

39.根据条款33至38中任一项所述的方法，其中，所述卷曲纤维致动器在移除所述芯之前被热定形。

40.根据条款33至39中任一项所述的方法，其中，当为以下条件时，所述卷曲纤维致动器在其卷之间具有物理空间：

g.所述卷曲纤维处于室温下，以及

h.无载荷。

41.一种由高度加捻纤维或纱线制成的卷曲纤维或纱线致动器，所述高度加捻纤维或纱线缠绕或卷曲在牺牲芯上，其中所述牺牲芯已被部分或全部移除。

42.根据条款41所述的卷曲纤维或纱线致动器，其中所述纤维偏角在25°和45°之间。

43.根据条款41或42所述的卷曲纤维或纱线致动器，其中已通过溶解来移除所述牺牲芯。

44.根据条款41至43中任一项所述的卷曲纤维或纱线致动器，其中已通过溶解在水中来移除所述牺牲芯。

45.根据条款41至44中任一项所述的卷曲纤维或纱线致动器，其中所述牺牲芯是水溶性聚合物单丝、纤丝纱线或短纤维纱线。

46.根据条款41至45中任一项所述的卷曲纤维或纱线致动器，其中所述卷曲纤维或纱线致动器在移除所述牺牲芯之前通过热量或化学手段被定形。

47.一种产生卷曲纤维或纱线致动器的方法，所述方法包括：

a.对纤维或纱线加捻，

b.将所述加捻纤维或纱线缠绕或卷曲在牺牲芯材料上，以及

c.部分或全部移除所述牺牲芯材料。

48.一种改变卷曲纤维或纱线致动器中的卷几何的方法，所述方法包括：

a.施加等于或小于在形成所述卷期间施加的所述张力的张力，以及

b.对所述卷退捻以增大所述卷曲纤维或纱线致动器的卷指数。

49.根据条款48所述的方法，其中在退捻期间施加的张力小于在形成所述卷期间施加的所述张力的50%。

50.根据条款48或49所述的方法，其中在退捻期间监测所述卷的所述直径，并且直径数据用于控制以下过程参数中的至少一个：

a.张力，

b.收线速率，或

c.加捻速率。

51.一种由高度加捻纤维或纱线制成的卷曲纤维或纱线致动器，所述高度加捻纤维或纱线已通过在第一张力下插捻以及在第二张力下退捻而卷曲，这足以改变所述卷曲纤维或纱线致动器的所述卷指数。

52.根据条款51所述的卷曲纤维或纱线致动器，其中在相同的加捻、卷曲和定形条件下但无退捻步骤所产生的第二卷曲纤维或纱线致动器具有比由包括所述退捻步骤的相同过程产生的卷更低的卷接触温度。

53.根据条款51或52所述的卷曲纤维或纱线致动器，其具有以下各者中的至少一者：

a.大于或等于2.0的卷指数，或

b.高于室温的卷接触温度。

54.一种产生卷曲纤维或纱线致动器的方法，所述方法包括：

a.在第一张力下对纤维或纱线加捻，

b.通过以下各者中的一者来卷曲所述加捻纤维或纱线：

ⅰ.插捻到卷曲的那一刻，抑或

ⅱ.将所述加捻纤维或纱线缠绕或卷曲在牺牲芯或心轴上，以及

c.在第二张力下对所述卷退捻。

55.根据条款54所述的方法，其中，所述第二张力小于所述第一张力。

56.根据条款54或55所述的方法，其中，所述第二张力是所述第一张力的10%或更小。

57.一种卷曲纤维或纱线致动器，其在以下条件下在其卷之间具有物理空间：

a.所述卷曲致动器高于室温，以及

b.无载荷，

并且其中所述卷曲纤维或纱线致动器过以下各者中的至少一者被定形：

a.热量，抑或

b.化学处理

同时处于物理约束下，所述物理约束防止在所述定形过程期间的实质性膨胀或收缩。

58.根据条款57所述的卷曲纤维或纱线，其中，在定形之前，所述卷曲纤维或纱线致动器具有在室温下与相邻卷接触的卷。

59.根据条款57或58所述的卷曲纤维或纱线，其中，在定形之前，所述卷曲纤维或纱线致动器处于最小张力下。

60.一种传感器，其包括相机和图像分析，所述图像分析确定来自以下的列表中的至少一者：

a.相对或绝对的纤维或纱线直径，

b.纤维或纱线速度，以及

c.纤维或纱线缠结的位置，

并向来自以下的列表的至少一个过程变量提供生产控制信息：

a.张力，

b.收线速率，和

c.加捻速率，

所述生产控制信息用于生产或加工纤维或纱线。

61.一种纤维致动器，其在采用根据条款60所述的传感器的过程中产生。

62.一种纤维致动器，其具有等于或大于2.0的卷指数值，其中通过插捻到诱导圆柱形缠结的那一刻来产生所述卷。

63.根据条款62所述的纤维致动器，其具有大于20℃的卷接触温度。