基于活性材料节点的可重构结构的制作方法

专利名称：基于活性材料节点的可重构结构的制作方法
基于活性材料节点的可重构结构 相关申请的交叉引用本申请要求2005年2月19日提交的美国临时的专利申请 No. 60/654， 309的权益，在此全文引入作为参考。
技术背景本公开 一 般地涉及基于可重构结构的活性材料节点。 发明概要在此公开了基于可重构结构的活性材料节点。在一个实施方案中， 所述可重构结构包含至少一个中心体；多个臂附着于所述至少一个中心 体并且从其延伸，其中所述中心体和/或臂的至少一部分限定了一个节 点并且其由活性材料形成，所述活性材料适于响应激活信号而改变其至 少一种属性，其中所述至少一种属性的改变改变了模量性能、形状取 向、或者所述活性材料部分的模量性能改变与形状取向改变的结合；适 于提供所述激活信号的激活装置与所述活性材料有效连通；并且控制器 与所述激活装置有效连通。应将理解的是，所述臂可以具有不同几何图 案的截面形状，包括但不局限于棒状、带状(厚的以及薄的)、和片状 (厚的以及薄的)，并且它们在所述中心体处的连接可以为孔、缝等几 何协调的形式。在另一个实施方案中， 一种用于选择性地重构结构的方法，包括向 含有多个固定连接到中心体的臂的可重构结构的节点施加激活信号，其 中所述节点包含所述中心体和/或臂的至少一部分并且由活性材料形 成；以及改变从所述节点的模量性能、形状取向、以及模量性能和形状 取向的结合中选择的一个。通过以下附图和详述说明对上述所描述的及其他特性进行例证。


现在参照所述附图，其是示范性的实施方案并且其中类似的元件用 同样的数字表示图1是根据本公开一个实施方案的可重构的结构的示意图；图2是根据本公开另一个实施方案的可重构的结构的示意图；并且图3是一个结构元件的剖视图。详细说明在此处公开的是基于可重构结构的活性材料，其中一个或多个被选 择节点的模量或形状可以通过施加适当的场而被可逆地改变。用这样的 方式，所述结构可以被即时地重构和/或所述结构的刚度可以被改变。 所述可重构结构可以是多维的，并且还可以作为用于即需地选择性连接 和/或断开的附加结构。如将要在下面更为详细描述的，所述不同的节 点可以;陂选择性地激活和去激活以适应各种应用。这里所使用的术语"活性材料"是指若干不同类别的材料，其中的全 部显示了至少一个属性的变化，例如当受到许多不同类型被施加激活信 号中的至少一个时的尺寸、形状和/或弹性模量，这种信号的例子为热 的、电的、磁的、机械的、气压的信号等。活性材料的一类为形状记忆 材料。这些材料显示出形状记忆效应。具体地，在伪塑性地变形之后， 通过响应激活信号，它们可以恢复其原来的形状。适合的形状记忆材料包括《旦不限于，形状记忆合金(SMAs)、磁形状记忆合金(MSMAs)、 以及形状记忆聚合物(SMPs)。活性材料的第二类可以被认为是那些受 到所施加的激活信号时显示出至少一个属性的改变，但是当所述施加激 活信号去除后又恢复到它们的初始状态的材料。这个类别的活性材料包 括但不局限于压电材料、电活性聚合物(EAPs)、磁流变流体以及弹性 体(MRs)、电流变流体(ERs) 、 baroplastics、上述材料中的一个或 多个与非活性材料的复合物和包含上述材料中至少一个的结合等。以上所提到的活性材料，即SMAs、 MSMAs、 EAPs、以及次要程度的 为MR弹性体可以随着施加适当的激活信号而提供一种可测量的阻塞 力，从而提供自我启动的附加功能，以及在有些情况下，表现为可逆的 可重构结构。与此相反，活性材料例如SMPs、 baroplastics、以及MR 和ER流体很少或不会提供启动力。但是，这些材料确实提供了将所述 节点锁定在适当位置的能力，并且这样可以对内应力进行锁定，否则所 述内应力会起到重构所述结构的作用。更具体地说，所述SMPs和 baroplastics可以在未激活时用来锁定所述结构几何形状，而所述MR 和ER流体将在激活时锁定所述结构。本领域技术人员将容易地理解所 述不同活性材料所固有和特有的独特性能，并且根据本公开可以容易地 将该知识应用到特定的可重构结构和应用中。图1显示了一种典型的可重构结构，其一般由数字10表示。可重构的结构10包括从处于中心的中心体14放射状布置的多个臂12。虽然 显示了四个臂，可以使用更多或更少的臂。同样地，每个臂可以具有同 样的或不同的形状，其不必如图中所示是直线的。此外，尽管该可重构 结构IO被显示为基本上平面的简单结构，但对于一些应用来说，复杂 的几何形状也是可以预期的。例如，所述结构可以包括多个中心体，或 者被连接到另外的可重构结构并形成三维二十面体的结构。照这样，所 述可重构的结构不意欲受限于任何特定的形状或形式。臂连接器16被置于所述臂12的每端，用于将所述可重构结构连接 到另一个构件或另一个可重构的结构。所述连接器16可以采用任何适 于附着到另外的结构的形状或形式。所述另外的结构可以是可重构的或 非可重构的，并采用任何形状或形式。用于说明性的目的，所述臂12 由形状记忆聚合物形成并限定所述节点(虽然也应当同样地被理解，所 述中心体可以包括所述节点和/或其中所述中心体和所述臂的至少一部 分包括所述节点)。激活装置18和控制器20与所述活性材料有效的通 信以提供带有适当激活信号的选择性激活。例如，在给定例子中，所述 激活信号包括加热一个或多个所述臂(节点)到超过所述Tg，从而使限 定所述形状记忆聚合物的至少 一个片段降低杨氏模量(E)和切变模量(G) 性能，由此改变所述可重构结构的弯曲和扭转刚度性能。在其加热形式 中，所述臂的结构被容易地改变，并且所述新的位置可以通过在保持所 述新的结构时冷却到Tg以下而被固定(从而锁定任何内应力)。 一旦 所述臂冷却到Tg以下，其恢复了其早先的E和G,并因此其最初的钢性 被恢复，但是所述结构本身被重新设置。在一个实施方案中，所述被选择节点由活性材料所形成，所述活性 材料通过应用一种外加的场而被暂时"软化"，以使所述结构通过外加力 或内应力净皮重构。所述外加力或内应力可以采用各种形式，例如，自然 发生的和随机发生的。自然发生的外加力或内应力可以从所述可重构的 结构IO被置于其中的环境而发生，而随机的外加力或应力可以通过以 期望或随机的方式而有意地从外部施加作用以改变所述结构的几何形 状。维持所述改变了几何形状的内部或外部应力以保持所述被改变的几何形状直到其被固定或锁定。然后，当所述节点保持在所述被重构的结 构时，所述外加场将被去除。与改变所述可重构结构的几何形状相反，其它的实施方案包括控制钢性性能。在另一个实施方案中，在收到所述 激活后，所述节点被变形。这包括，例如，在以外力强迫的"塑性"改变 而使所述节点的几何形状发生变形之后，将其结构恢复到其最初的/开 始的几何形状。在另 一 个实施方案中，可以由不同活性材料的结合而形成混合节 点，其能因此被"软化，，。例如， 一个第一场的应用选择性地激活("软 化，，)第一活性材料。然后通过使用激活第二("启动器")活性材料 的第二场来改变所述节点的几何形状。用这样的方式，所述结构的模量 行为和形状取向可以被修整以适应其中使用了所述可重构结构的专门 应用。复合物可以进一步地扩展该功能。如果所述连接器被加热超过Tg, 对应于所述基础位置的弹簧钢插件可以用来恢复所述最初的结构，而无 需外部的载荷。所述插件的钢性(弯曲和/或扭转刚度性能)优选被选择以小于所述SMP臂在Tg以下的钢性并大于其超过Tg时的刚性。在另一个实施方案中，使用了对应于所述基础结构的预加应变马氏 体相SMA插件。从而可以使用激活信号用于重置所述结构，并且可以容 纳更大量的结构改变。还可以使用对抗的SMA激励来远距离地引发和控 制所述连接器的结构改变，从而得出紧凑的、自启动的、可重构的连接 器。在另一个实施方案中， 一种带有马氏体相的应力诱发相变的SMA插 件，即，被超弹性地应力变形的SMA,被用于与节点SMP相结合。所述 SMP锁定了在所述SMA中超过弹性的张紧，所述SMA可以通过加热和软 化所述SMP复原重置所述结构。有利地，这种可重构的结构可被用来局部地改变所述结构(例如， 在桁架式结构中不对等的结构在一个或多个连接器发生改变)或者全部 地改变所述结构(通过两个或更多个连接器来同等改变结构)而无需进 行拆解。这在快速模型中是很有用的。所述可重构性还使一个基本的连 接器可用于许多相关的应用或形式中，在被组装以适合所述形式或者应 用时，所述连接器的精确几何形状可以被调整。这降低了装配一个或多 个工件所需不同零件的数目。在另一个实施方案中，所述可重构结构提供了插座状的连接器。例 如，所述节点采用材料的3-维球、盘、圆柱等形式，其中全部或部分可以是活性材料。所述结构的其它元件将通过将它们插入插座中而被连接 到该节点，所述插座由所述节点的几何形状来限定。除了如上所述的多 个臂连接器的所有功能之外，所述活性材料可以在所述节点中被定位和 设置，从而容许结构元件从所述节点按需要而被选择性地断开。图2和3分别说明一种示范的可重构的结构30和结构元件32。所 述可重构的结构30适合于选择性地接合和脱离所述结构元件32。所述 可重构的结构30包括至少一个笼状节点结构，其被显示为当未激活时 具有最初的环形形状。所述笼状节点结构包括多个中心体34，其与由活 性材料形成的臂36相互连接。每个臂36具有弧形的形状，从而提供了 具有环形形状的所述笼状结构。所使用的活性材料例如为形状记忆合 金，所述形状记忆合金的激活改变了所述笼状结构的形状取向。在激活 后，所述臂的形状从最初的弧形形状变化为基本上线性取向。所述笼状 结构中的所述形变可用于选择性地与结构元件32接合或脱离，所述结 构元件32丹有直径(dl )，其与所述可重构的结构30在未激活时的直 径(dl )几乎相同。所述结构元件32的轴40附近的环形槽38用来提 供所述具有可重构结构30的结构元件在活性材料节点激活后连接锁定 的位置。激活导致了较小的直径(d2),从而提供接合。做为一个例子，所述可重构结构可以用于机动车领域，以变换某种 结构或物体的几何形状，从而选择性地与目的相符，例如，所述可重构 结构尤其可以为杯架的形式，来放置不同形状的杯子，也可以是一种货 物容器，以防止行李在行李箱中颠簸(例如借助于一种剪裁机构其来将 其本身锁定在任何位置)， 一种可调整的高度悬架系统，等等。然而， 应当指出，所述可重构结构意图被限制在机动车领域或形状，但其可以 被应用在各种期望可重构性的场合中。形状记忆聚合物(SMPs)通常是指这样一类聚合材料，其表现出在 没有任何外加负载的情况下当受到适当的温度刺激时回到先前限定形 状的能力。形状记忆聚合物可以是热响应的(即，所述性能改变由热的 激活信号所引起)、光响应的(即，所述性能改变由基于光的激活信号 所引起)、潮湿响应的(即，所述性能改变由液体激活信号例如湿度、 水蒸汽、水所引起)、或包含上述中的至少一个的结合。通常，SMPs是相隔离的共聚物，其包含至少两个不同的单位，其可 以被描述为在所述SMP之内限定不同的片段，每个片段对所述SMP的总体特性的贡献是不同的。如在本文中使用，术语"片段"指的是相同或 相似的单体或低聚物单位嵌段、接枝、或交替共聚而形成的SMP。每个 片段可以是结晶或非晶的，并且分别具有对应的熔点或玻璃态转化温度(Tg)。为了方便起见，在此处使用术语"热转变温度"，通常是指Tg 或熔点，取决于所述片段是无定形片段还是结晶片段。对于包含(n) 个片段的SMPs,该SMP被称为具有一个硬片段和(n- 1)个柔性片段， 其中所述硬片段具有比任何柔性片段更高的热转变温度。这样，所述SMP 具有(n)热转变温度。所述硬片段的热转变温度被称作"最后转变温 度，，，并且所谓的"最软，，片段的最低热转变温度被称作"第一转变温 度，，。重要的是，如果所述SMP具有多个由相同热转变温度表征的片段， 其也是所述最后转变温度，则所述SMP被认作具有多个硬片段。当所述SMP被加热超过所述最后的转变温度时，所述SMP材料可以 被赋予永久性的形状。用于所述SMP的永久的形状可以通过随后在该温 度以下冷却所述SMP而被设定。如在本文中使用，术语"最初的形状"、 "先前限定的形状"、和"永久的形状"是同义的，并且可互换地使用。 一个暂时的形状可以通过下面步骤而被设定加热所述材料到高于任何 柔性片段的热转变温度但低于所述最后的转变温度的的温度、施加外部 应力或者负载以所述SMP变形、然后在维持所述因起变形的外部应力或 者负载同时，进行冷却使其低于所述柔性片段的特定的热转变温度。所述永久的形状可以通过以下步骤而被恢复在除去所述应力或者 负载的前提下加热所述材料，使其超过其被变形时的所述柔性片段的特 定的热转变温度，但低于所述最后的转变温度。因此，应该清楚，通过 结合多个柔性片段，可能会表现出多个暂时的形状，并且，若带有多个 硬片段，则可能会表现出多个永久的形状。同样地使用分层或者复合方 法，多个SMPs的结合将会表现在多个暂时和永久形状之间的转变。对于仅仅具有两个片段的SMPs,所述形状记忆聚合物的暂时形状在 第一转变温度被设定，随后在负载下同时对所述SMP进行冷却，以锁定 所述暂时的形状。只要所述SMP保持低于所述第一转变温度，所述暂时 的形状则被维持。当所述SMP在除去所述负载后被再一次超过所述第一 转变温度时，所述永久的形状被恢复。重复所述加热、造型、和冷却步 骤可以重复地重新设定所述暂时的形状。大多凄史SMPs显示出"one-way"效应，其中所述SMP显示出 一个永久的形状。在不施加应力或负载而将形状记忆聚合物加热并超过柔性片 段的热转变温度之后，所述永久的形状被获得并，且不使用外力的话， 所述造型将不会回复到所述暂时的形状。或者，某些形状记忆聚合物组合物可以被制备以显示出"two way" 效应，其中所述SMP显示出两个永久的形状。这些系统包括至少两个聚 合物部件。例如， 一个部件可以是第一交联聚合物，同时另一个部件是 与之不同的交联聚合物。所述部件通过分层技术或者互穿网络相结合， 其中所述两个聚合物部件是交联的但是彼此之间并不交联。通过改变温 度，形状记忆聚合物朝第一永久形状或者第二永久形状的方向改变其形 状。所述永久形状中的每一个均属于所述SMP的一个部件。基于以下事 实，即一个部件("部件A")的机械性能几乎独立于所感兴趣的温度 范围内的温度，这就引起了总体形状对温度依赖性。而其它部件的机械 性能("部件B，，)在所感兴趣的温度范围内是与温度有关的。在一个 实施方案中，部件B在较低温度下与部件A相比强度变得更大，而同时 部件A在高温下强度更大并确定了实际的形状。可以通过设定部件A的 永久形状("第一永久形状'，)、将所述装置变形为部件B的永久形状 ("第二永久形状，，)、并在施加应力的同时固定部件B的永久形状而 制备两路的记忆装置。应该认识到本领域普通技术人员可能设置许多不同的形式和形状 SMPs。通过设计所述聚合物本身的组成和结构可以允许对用于所期望应 用的特定温度进行选择。例如，取决于特定的应用，最后的转变温度可 以为约0X>约30(TC或以上。用于形状复原的温度(即，柔性片段的热 转变温度)可以大于或等于约-3(TC。用于形状复原的另一个温度可以 为大于或等于约4(TC。用于形状复原的另一个温度可以为大于或等于约 IO(TC。用于形状复原的另一个温度可以为小于或等于约25(TC。用于形 状复原的又一个温度可以为小于或等于约20(TC。最后，用于形状复原 的另一个温度可以为小于或等于约150°C。任选地，SMP可以被被选择以提供应力-诱导的屈服，其可以被直接 使用(即不将所述SMP加热到其热转变温度以上来使其'变软')以制 造符合给定表面的面板，其被期望用于不同的应用。在这种情况下，所 述SMP可承受的最大应变能够，在一些实施方案中，与所述SMP在其热 转变温度以上被变形时相比，虽然相伴随的应力要大得多。虽然这里已经并将进一步地制造热响应的SMPs,鉴于这些公开，本 领域技术人员将能够认识到光响应的、潮湿响应的SMPs以及由其它方 法激活SMPs可以容易地被用于添加到或替代所述热响应SMPs的位置。 例如，代替使用加热，可以通过用能有效形成特殊交联的特定波长的光 来辐照光敏的SMP (同时在负荷下)而在所述光敏的SMP中设定暂时的 形状，并且在保持所述负荷同时中止所述辐照。为了回到最初的形状， 可以用有效裂解所述特殊交联的同样或不同的特定波长的光来辐照所 述光敏的SMP (同时除去所述负荷)。类似地，可以通过将潮湿响应的 SMP的特殊官能团或组成部分暴露于潮湿(例如，湿气、水、水蒸汽等 等)下以有效吸收特定水分量、对所述SMP施加负荷或应力、以及然后 在保持负荷的同时除去所述特定的水分量，从而在所述潮湿响应的SMP 中设定暂时的形状。为了恢复所述最初的形状，可以所述潮湿响应的 SMP暴露于潮湿中(除去所述负荷)。适合的形状记忆聚合物，无论对于何种特定类型的SMP,可以是热 塑性塑料、热固性-热塑性塑料的共聚物、互穿网络聚合物、半互穿网 络聚合物、或混合网络聚合物。所述SMP "单元"或"片段，，可以是单 个聚合物或聚合物的共混物。所述聚合物可以是直链或支链弹性体，带 有侧链或树枝状结构的单元。适合的形成形状记忆聚合物聚合物的组分 包括但不局限于，聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯酰 胺、聚(氨基酸)、聚肝、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烷基、聚丙烯酰 胺、聚亚烷基二醇、聚环氧烷、聚亚烷基对苯二甲酸酯、聚原酸酯、聚 乙烯醚、聚乙烯酯、聚卣乙烯、聚酯、聚交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、 聚氨酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯、以及其共聚物。合适的聚丙烯酸酯 的实例包括(曱基丙烯酸甲酯)、聚(曱基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙 烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、聚曱基丙烯酸己酯、聚(曱基 丙烯酸异癸酯)、聚(曱基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸笨酯)、 聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸异丙酯)、聚(丙烯酸异丁酯)以及聚(丙烯酸十八烷酯)。其他适合的聚合物的实例包括聚苯乙烯、聚丙烯、 聚乙烯苯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚十八烷基乙烯醚)、聚(乙烯-乙酸乙烯共聚物)、聚乙烯、聚(环氧乙烷)-聚(对苯二曱酸 乙二酯)、聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)、聚己酸内酯-聚酰胺(嵌段共 聚物)、聚(己内酯)diniethacrylate -丙烯酸正丁酯、聚(norbornyl-多面体寡聚倍半硅氧烷)、聚氯乙烯、尿烷/丁二烯共聚物、聚氨酯-含有嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、诸如此类。如上所述的 用于形成SMPS中各种片段的聚合物是市售可得的或者可以使用常规化 学过程而合成的。本领域技术人员可以使用已知的化学以及加工技术经 过有限实验而容易地制备所述聚合物。将能够被本领域技术人员所理解的是，使用发泡剂来聚合不同的片 段可以形成形状记忆聚合物的泡沫，例如，可以是某些应用所希望的。 所述发泡剂可以是分解型的(化学分解放出气体)或蒸发型的(不经化 学反应而气化)。典型的分解型发泡剂包括但不限于，碳酸氢钠、叠氮 化合物、碳酸铵、亚硝酸铵、与水反应放出氢气的轻金属、偶氮曱酰胺、N,N'二亚硝基五亚曱基四胺等。典型的蒸发型发泡剂包括但不意欲限 于，三氯单氟代曱烷、三氯三氟代乙烷、二氯曱烷、压缩氮气等。相中最普遍被使用的是所谓的马氏体和奥氏体相。在以下讨论中，所述 马氏体相泛指更为可变形的、较低温度的相，而所述奥氏体相泛指更为 刚性的、更高温度的相。当所述形状记忆合金是马氏体相并且受热时， 其开始变成奥氏体相。该现象开始的温度经常被称为奥氏体起始温度 (As)。该现象完成的温度被被称为奥氏体终了温度(Af)。当所述形 状记忆合金在所述奥氏体相并且被冷却时，其开始变成马氏体相，并且 该现象起始的温度被称为马氏体起始温度(Ms)。该现象完成的温度被 被称为马氏体终了温度(Mf)。人们应该注意到，以上转变温度是由所 述SMA样品经受应力的函数。具体地，这些温度随应力增加而增加。鉴 于以上所述性能，所述形状记忆合金的变形优选是在等于或低于所述奥 氏体转变温度下的(等于或低于As)。随后加热所述奥氏体到转变温度 以上，使得所述变形了的形状记忆材料样品恢复到其永久形状。这样， 用于记形合金的适合的激活信号是其程度足够引起在马氏体和奥氏体 相之间变换的热激活信号。可以通过轻孩i改变所述合金的组成以及通过热枳4戒加工，来调整所 述形状记忆合金被加热记忆其高温形态的温度。例如，在镍-钛形状记 忆合金中，其可以从高于约10(TC被改变到低于约-100°C。所述形状复 原工艺可以发生的范围为只有一点程度或显示出更渐进的复原。所述变 换的开始或结束可以被控制在一个或两个程度之内，取决于期望应用和合金组成。在所述温度范围内所述形状记忆合金的机械性能变化很大， 跨越它们的变换过程，典型地提供形状记忆效应、超弹性效应和高的 阻尼能力。例如，在所述马氏体相中的弹性模量比在奥氏体相中观察到 的更低。在所述马氏体相中，形状记忆合金可以通过在外加应力下晶体 结构排列的重新组合而经受大的变形。如将在下面更详细地描述的，所 述材料将在所述应力除去之后保留这些形状。适合的形状记忆合金材料包括但不意欲限于，基于镍-钛的合金、 基于铟-钛的合金、基于镍-铝的合金、基于镍-镓的合金、基于铜的合 金(例如，铜锌合金、铜铝合金、铜-金、以及铜锡合金)，基于金-镉 的合金、基于银-镉的合金、基于铟-镉的合金、基于锰-铜的合金、基 于铁铂的合金、基于铁-4巴的合金等。所述合金可以是二元的、三元的、 或更高，只要所述显示出形状记忆效应，例如， 形状、取向、屈服强 度、挠曲模量、阻尼能力、超弹性、和/或类似性能的改变。适合的形、 除了严格的形状复原以外，任^T可被迫使而发生线性扩展或收缩的而生产弯曲启动器。在文献中，这一般被称为单形态启动器。如果两个 组分由同样的材料制成但被制成在相反的方向变形，所述材料成为双形 态的。对于即期响应的应用，某些材料本身可以适当的用于车辆控制机 构的外表面。可以通过使用至少一个活性材料，其分别扩展或收缩，来引起向左 侧或右侧弯曲。在所述双形态材料中，取决于所述至少一个活性材料层 的取向，还可以获得两个方向的任何一个。可以通过使用形状记忆合 金、导电聚合物、电致伸缩聚合物或其它轴向地紧张材料，其与建立弯 曲连接的弹性构件一起，来制作单形态材料。所述弹性构件可以为许多 类材料，包括金属合金、聚合物以及陶瓷。优选的材料为那些显示出大 的弹性应变限制，以及那些可以高效地存储机械能的材料。次要的考虑 包括那些可以容易地键合到至少一种活性材料上，在所述工作温度范围 内具有可接受的性能，并具有足够的韧性以经受得住重复激励的材料。 可以用任何可以依赖启动信号而 一皮驱动以伸展和收缩的材料来制作双形态材料。离子型聚合物启动器例如IPMC和导电聚合物固有地会显示 出该效应，这是由于离子的迁移会引起跨越膜的膨胀。因此，这些材料优选被用于这类变形。或电致伸缩;1能的聚合材料。°电致伸i材料的二个例子是与压电J (偏二氟乙烯-三氟-亚乙基)共聚物接枝的弹性体。该结合能够生产出不同 量的铁电-电致伸缩分子的复合系统。或橡胶(或其结合)f其响应静电二而变形或;^变形会导致^场的改 变。适于用作预加应变聚合物的典型材料包括硅氧烷弹性体、丙烯酸弹 性体、聚氨酯、热塑塑料弹性体、包含PVDF的共聚物、压敏粘合剂、 氟弹性体、包含硅氧烷和丙烯酸部分的聚合物等。例如，包含硅氧烷和 丙烯酸部分的聚合物可以包括包含硅氧烷和丙烯酸部分的共聚物、包含 硅氧烷弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物共混物。用作电活性聚合物的材料可以基于 一个或多个材料性质而被选 择，例如高的电击穿强度、低弹性模量-(对于大的或小的变形来说)、 高的介电常数等。在一个实施方案中，所述聚合物被选择从而具有至多约100 MPa弹性模量。在另一个实施方案中，所述聚合物被选择从而具 有约0.05 MPa-约10 MPa的最大启动压力，并优选约0.3 MPa -约3 MPa。在另一个实施方案中，所述聚合物被被选择从而具有约2-约20 的介电常数，并优选约2. 5-约12。本公开不意欲受限于该范围。理想 地，具有比以上所述给定范围更高介电常数的材料将是所希望的，如果 所述材料兼备高的介电常数和高的绝缘强度的话。在很多情况下，电活 性聚合物可以作为薄膜被制造和实施。适于这些薄膜的厚度可以低于50 微米。由于电活性聚合物可能在高应变下挠曲，附着于所述聚合物的电极 应当也同时挠曲，而不损害机械或电气性能。通常，适于使用的电极可 以是任何形状和材料，条件是它们能够提供适合的电压到电活性聚合 物，或者从电活性聚合物接收适合的电压。所述电压可以是恒定的或者 随时间而变化的。在一个实施方案中，所述电极粘附于所述聚合物的表电极。所述电极可以仅仅施加到电活性聚合物的部分上，并且依照它们 的几何形状限定了活性区域。适于本公开使用的各类电极包括包含金属轨迹和电荷分布层的结构化电极、在平面维度中变化的紋理化电极、 导电油脂例如碳脂或者银脂、胶态悬浮体、高展弦比导电材料例如碳原 纤和碳纳米管、以及离子导电材料的混合物。本公开所述的用作电极的材料可以变化。适合的用于电极的材料可 以包括石墨、炭黑、胶态悬浮体、薄的金属包括银和金、银填充以及碳 填充的凝胶和聚合物、以及离子或者电子导电的聚合物。当然某些电极 材料可能与特定的聚合物工作较好，和对于其它聚合物来说则工作地不 那么好。例如，碳原纤与丙烯酸弹性体聚合物工作较好，同时与硅氧烷 聚合物则不那么好。适合的压电材料包括但不限于，无机化合物、有机化合物和金属。 关于有机的材料，在主链或者侧链上，或者在所述分子之内的两个链上 具有非中心对称结构和大的偶极矩基团的所有聚合材料可被用作所述 压电薄膜适合的选择。典型的聚合物包括，例如，但不局限于聚(4-苯乙烯^f黄酸钠)、聚(聚(乙烯胺)骨架偶氮发色团)、和它们的衍生物； 多氟烃，包括聚偏二氟乙烯、其共聚合物二氟乙烯("VDF")、共-三氟乙烯、和它们的衍生物；多氯烃，包括聚(氯乙烯)、聚偏二氯乙 烯、和它们的衍生物；聚丙烯腈，和它们的衍生物；多元羧酸，包括聚(曱 基丙烯酸)、和它们的衍生物；聚脲和它们的衍生物；聚氨酯和它们的衍 生物；生命分子例如聚-左旋乳酸和它们的衍生物；以及细胞膜蛋白质、 和磷酸酯生命分子例如磷脂；聚苯胺和它们的衍生物、季胺的所有衍生 物；聚酰胺包括芳族聚酰胺和聚酰亚胺；包括Kapton和聚醚酰亚胺；以及 它们的衍生物；所有膜聚合物；聚N-乙烯基吡咯烷酮)(PVP)均聚物； 以及其衍生物；以及无规PVP -聚乙酸乙烯酯共聚物；以及所有在主链或者侧链中，或者在所述主链和側链两者上具有偶极矩基团的芳香聚合物; 和其混合物。压电材料还可以包括选自铅、锑、锰、钽、4告、铌、镧、柏、4巴、 镍、鴒、铝、锶、钛、钡、钓、铬、银、铁、硅、铜的金属；包含上述 金属中至少 一个的合金；和包含上述金属中至少 一个的氧化物。适合的 金属氧化物包括Si02, A1 203, Zr02, Ti02, SrTi03， PbTi03, BaTi03， Fe03， Fe304, ZnO及其混合物，和VIA与IIB族化合物，例如CdSe， CdS， GaAs， AgCaSe2， ZnSe， GaP， InP, ZnS，及其混合物。优选地，所述压电材料 选自聚偏二氟乙烯、锆钛酸铅、钛酸钡及其混合物。适合的磁流变流体材料包括但不意欲限于分散在流体载体中的铁磁性或者顺磁性的颗粒。适合的颗粒包括铁;铁合金，例如包括铝、硅、钴、 镍、钒、钼、铬、鵠、锰和/或铜的铁合金；铁氧化物，包括FeA和Fe304; 氮化铁;碳化铁；羰基铁;镍和镍的合金;钴和钴的合金二氧化铬；不锈钢； 硅钢等。适合的颗粒的例子包括直接铁粉末、还原铁粉末、氧化铁粉末/ 直接铁粉末的混合物以及氧化铁粉末/还原铁粉末的混合物。优选的磁-响 应颗粒的是羰基铁，更优选还原的羰基铁。所述颗粒尺寸应该净皮选择从而使所述颗粒经受》兹场时显示出多域特 征。对于所述颗粒的直径尺寸可以小于或等于约1， OOO微米，优选的小于 或等于约500微米，以及更优选的小于或等于约IOO微米。还优选为大于 或等于约0. 1微米的颗粒直径，更优选的大于或等于约0. 5,以及特别优 选的大于或等于约10微米。所述颗粒优选以总的MR流体组成的约5. 0-约50 vol。/。的量而存在。适合的流体载体包括有机液体，特别是非极性的有机液体。例子包括 但不局限于-圭油、矿物油、矿物油、石蜡油类、珪氧烷共聚物、白油、液 压油变压器油、卣化有机液体、例如氯化烃类、卣化烷烃、全氟聚醚以及 氟代烃；二酯、聚乙二醇、氟化硅氧烷、氰烷基硅氧烷、二醇、合成烃油 类，包括不饱和的和饱和的；以及包含上迷流体中至少一个的结合。所述载体组分的粘度可以为小于或等于约100，000厘泊、优选的小于 或等于约10， OOO厘泊、并且更优选的小于或等于约1， OOO厘泊。还优选 为大于或等于约1厘泊的粘度，更优选的大于或等于约250厘泊，以及特 别优选的大于或等于约500厘泊。也可使用含水的流体载体，特别是包含亲水矿物粘土例如皂土或者锂 蒙脱石的流体载体。所述含水的流体载体可以包括水或者包含少量极性 的、水可混溶的有才几溶剂例如甲醇、乙醇、丙醇、二甲亚石风、二曱基曱酰 胺、碳酸乙二酯、碳酸丙二酯、丙酮、四氬^^喃、二乙醚、乙二醇、丙二 醇等的水。所述极性有机溶剂的量为小于或等于总MR流体体积的约5. 0%、 并优选小于或等于约3. 0%。并且，所述极性有机溶剂的量优选大于或等于 总MR流体体积的约0. 1%,并更优选大于或等于约1. 0%。所述含水的流体 载体的pH优选小于或等于约13,并优选小于或等于约9. 0。此外，所述 含水的流体载体的pH为大于或等于约5. 0,并优选大于或等于约8. 0。可以使用天然的或者人造的皂土或锂蒙脱石。在所述MR流体中所述急土或锂蒙脱石的量为小于或等于总MR流体的约10重量％，优选小于或 等于约8. 0重量％,并更优选小于或等于约6. 0重量°/ 。优选地，所述皂土 或锂蒙脱石以大于或等于总MR流体的约0. 1重量°/ 而存在，更优选大于或 等于约1. 0重量％,并特别优选的大于或等于约2. 0重量°/ 。在所述MR流体中任选的组分包括粘土、有机粘土、羧酸盐皂、分散 剂、防腐剂、润滑剂、极限压力抗磨损添加剂、抗氧化剂、触变剂和常规 的悬浮剂。羧酸盐皂包括油酸亚铁、环烷酸亚铁、硬脂酸亚铁、二和三硬 脂酸铝、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸锌和硬脂酸钠，以及表面活性剂例 如磺酸盐、磷酸酯、硬脂酸、甘油单油酸酯、倍半油酸山梨坦、月桂酸盐、 脂肪酸、脂肪醇、氟化脂肪族聚合酯以及钛酸盐、铝酸盐和锆酸盐偶联剂 等。还可以包括聚亚烷基二醇，例如聚乙二醇，以及部分酯化的多元醇。适合的MR弹性体材料包括但不意欲限于包含铁磁性或顺磁性颗粒悬 浮液的弹性聚合物基质，其中所述颗粒为如上所述。适合的聚合物基质包 括但不局限于聚-oc-烯烃、天然橡胶、硅氧烷、聚丁二烯、聚乙烯、聚异 戊二烯等。有利地，所述可重构的结构可用于在概念设计阶段中的扭转模型(例 如车身模拟ups)。此外，使用以上物体的钢性的能力(在结构或机构中) 可通过在两个或更多个节点的同时发生的、以及可能协同的钢性改变而被 局部地(例如在节点处)和/或全局地改变。更进一步，如果需要不同的 连接器来装配工件，可以减少所述可重构结构的数目。代替使用n个不同 的连接器，我们可以使用一个可重构的连接器，其可以仅仅在组装运行前 或在所述组装运行期间被重构以适应当前的工件。尽管已经参考示范性实施方案对本公开进行了描述，本领域技术人员 应该理解的是，在本公开的范围之内，可以进行各种变化以及可以用同等 物来代替本发明的要素。此外，许多变体可以被制造以适应本公开所教导 的特定情况或材料，而没有离开本公开的实质范围。因此，本公开意图不 限于作为实施这些公开的最佳方式的所述特定实施方案，但所述公开将包 括属于所附权利要求范围内的所有实施方案。
权利要求
1. 一种可重构结构，包含至少一个中心体；和多个附着于所述至少一个中心体并且从所述至少一个中心体延伸的臂，其中所述臂和/或所述中心体的至少一部分限定了一个节点并且由活性材料形成，所述活性材料适于响应激活信号而改变至少一种属性，其中所述至少一种属性的改变改变了所述活性材料部分的模量性能、形状取向，或者是模量性能改变和形状取向改变的结合；激活装置，其与所述适于提供激活信号的活性材料有效连通；和与所述激活装置有效连通的控制器。
2. 权利要求l所述的可重构结构，其中所述多个臂和/或中心体中 的至少一个还包括用于附着到第二可重构结构的连接器。
3. 权利要求l所述的可重构结构，其中所述至少一个中心体和所述 多个臂被配置以形成三维结构。
4. ;〖又利要求1所述的可重构结构，其中所述至少一个节点可以通过向所述活性材料施加外加力或内应力被选择性地安置至少 一次。
5. 权利要求l所述的可重构结构，其中所述活性材料包含形状记忆 聚合物、baroplastic、形状记忆合金、磁性形状记忆合金、电活性聚合 物、磁流变弹性体、磁流变流体、电流变流体、电流变弹性体、离子型聚 合物金属复合物、压电体、或者包含上述活性材料中的至少一个的结合。
6. 权利要求1所述的可重构结构，其中所述多个臂和所述至少一 个中心体形成用于附着和释放构件的可重构开口 。
7. 权利要求1所述的可重构结构，其中所述激活信号是从热信号、 电信号、磁信号、机械信号、化学信号、光信号、以及包含上述信号中 至少一个的结合中选择的一个。
8. 权利要求1所述的可重构结构，其中所述至少一个属性的改变是可逆的。
9. 权利要求1所述的可重构结构，其中所述活性材料包含两个或 更多个所述活性材料的复合物。
10. 权利要求1所述的可重构结构，其中所述控制器被编程来发信 号于所述激活装置以提供激活信号，其响应从一个或多个传感器获得的信息，所述传感器监控所述节点的状态、所述节点是其一部分的物体、 以及所述结构的操作环境中的至少 一个。
11. 一种用于选择性地重构一种结构的方法，包含向可重构结构的节点施加激活信号，所述可重构结构包含多个固 定地连接到中心体的臂，其中所述节点包含所述臂和/或所述中心体的至少 一部分并且由活性材料形成；改变从所述节点的模量性能、形状取向、以及模量性能和形状取 向的结合中选择的一个。
12. 权利要求ll所述的方法，其中所述改变从所述节点的模量性 能、形状取向、和其结合中选择的一个是可逆的。
13. 权利要求ll所述的方法，其中施加所述激活信号包含向所述 节点施加从热信号、电信号、磁信号、机械信号、化学信号、光信号、 以及包含上述信号中至少 一个的结合中选择的 一个。
14. 权利要求ll所述的方法，其中所述活性材料包含形状记忆聚 合物、baroplastic、形状记忆合金、磁性形状记忆合金、电活性聚合 物、磁流变弹性体、磁流变流体、电流变流体、电流变弹性体、离子型 聚合物金属复合物、压电体、或者包含上述活性材料中的至少一个的结 合。
15. 权利要求ll所述的方法，其中所述活性材料包含两个或多个 所述活性材料的复合物。
16. 权利要求ll所述的方法，其中所述多个臂和所述至少一个中 心体形成用于附着和释放构件的可重构开口 。
17. 权利要求ll所述的方法，其中所述改变从模量性能、形状取 向和其结合中选择的一个使所述节点变硬。
18. 权利要求ll所述的方法，其中所述改变从模量性能、形状取 向和其结合中选择的一个使所述节点变软。
19. 权利要求11所述的方法，其中向所述节点施加所述激活信 号局部地改变所述可重构结构。
20. 权利要求ll所述的方法，其中向所述节点施加所述激活信号 全面地改变所述可重构结构。
全文摘要
可重构的结构，包括至少一个中心体、多个附着于所述至少一个中心体并从其延伸的臂，其中所述臂和/或中心体的至少一部分限定了一节点并且由活性材料形成。所述活性材料适合于响应激活信号而改变至少一种属性，其中所述至少一种属性的改变改变了所述活性材料部分的模量性能、形状取向、或所述模量性能改变和所述形状取向改变的结合。其中所述多个臂和所述至少一个中心体可以形成用于附着和释放构件的可重构开口。做为选择，所述多个臂和/或中心体可以进一步地包括用于附着到另外的结构的连接器。在此处还公开了用于选择性地重构结构的方法。
文档编号B65D6/00GK101218152SQ200680005454
公开日2008年7月9日 申请日期2006年2月17日 优先权日2005年2月19日
发明者A·L·布劳恩, N·D·曼卡姆, N·L·约翰逊 申请人:通用汽车环球科技运作公司