使用图案化纳米空隙进行致动和变形感测的系统和方法与流程

背景

可以包括诸如手套和头戴装置的设备的增强现实(ar)和虚拟现实(vr)系统可以使用户体验事件，例如在计算机生成的三维世界模拟中与人互动，或者查看叠加在现实世界视图上的ar数据。ar/vr设备也可用于娱乐以外的目的。例如，政府可能使用这种设备进行军事训练模拟，医生可能使用这种设备进行外科手术，以及工程师可能使用这种设备作为可视化辅助。ar/vr设备可以包括传感器、换能器或光学组件。因此，希望改进这种设备和使用它们的系统。

概述

本公开大体上涉及根据所附权利要求所述的电活性设备、系统和方法。如下文将更详细描述的，一些实施例包括示例电活性设备，其包括具有非均匀分布的空隙的电活性元件，使得当电信号施加到电活性元件时，电活性元件具有非均匀的电活性响应。一些实施例包括电活性系统，例如包括一个或更多个电活性设备，并且一些实施例包括例如感测和/或致动的方法。

在一些实施例中，电活性设备可以包括第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的电活性元件。电活性元件可以包括电活性聚合物和分布在元件聚合物内的多个空隙，例如，分布在作为多孔聚合物结构的电活性聚合物内的多个空隙。多个空隙在电活性元件内可以具有非均匀的分布，并且电活性元件至少部分基于空隙的非均匀分布具有非均匀的电活性响应。在一些实施例中，当电信号施加在第一电极和第二电极之间时，电活性设备基于空隙的非均匀分布提供非均匀的致动。在一些实施例中，当对电活性元件的一部分施加机械变形时，在第一电极和第二电极之间产生电信号，并且电活性设备提供电信号(在该示例中可以称为传感器信号)，该电信号至少部分取决于电活性元件内空隙的非均匀分布。在一些实施例中，电活性设备可以将电能转换成机械能(例如，用作致动器)，和/或可以被配置成将机械能转换成电能(例如，用作能量收集设备)。电活性设备的示例可以包括但不限于致动器、传感器、微机电设备和/或任何其他合适的设备。

多个空隙的非均匀分布可以包括以下参数中的一个或更多个的空间变化：空隙直径(例如，局部平均空隙直径或其他类似的尺寸参数)、空隙体积、空隙数密度、空隙体积分数或空隙取向(例如，在各向异性空隙的情况下)。空隙可以包括非聚合材料。空隙可以包括气体、液体、凝胶、泡沫或非聚合物固体中的至少一种。非均匀电活性响应可包括电活性元件的第一部分的第一变形，其不同于电活性元件的第二部分的第二变形。变形可以包括在一个或更多个方向上的压缩(例如，平行于所施加的电场)、曲率的变化或尺寸参数如长度、宽度、高度等的其他变化。电活性设备可以在第一电极和第二电极之间施加第一电压时具有第一变形，在第一电极和第二电极之间施加第二电压时具有第二变形，第一变形和第二变形明显不同。电信号可以包括电势差，电势差可以包括直流或交流电压。可以选择交流电压的频率，以在佩戴者的皮肤上提供可感知的触觉。在一些实施例中，频率可以高于设备的最高机械响应频率，使得变形可以响应于所施加的均方根(rms)电场而发生，但是对所施加的频率没有明显的振荡机械响应。所施加的电信号可能在第一电极和第二电极之间产生电活性元件的非均匀收缩。非均匀电活性响应可以包括电活性元件表面的曲率，在一些实施例中，该曲率可以是复合曲率。在一些实施例中，电活性设备可以包括机械耦合到电活性元件的光学元件。光学元件可以包括透镜、光栅、棱镜、反射镜或衍射光栅中的至少一种。在一些实施例中，电活性设备可以是可佩戴设备的部件。可佩戴设备可包括头盔或其他头饰、眼镜框、手套、腰带(belt)或被配置成邻近或贴近(proximate)佩戴者身体定位的任何设备，以例如当用户佩戴该可佩戴设备时贴近用户支撑电活性设备，并且电活性设备可被配置成向用户提供触觉信号。

在一些实施例中，电活性设备包括第一电极、第二电极和位于第一电极和第二电极之间的电活性元件。电活性元件可以包括电活性聚合物和在电活性元件内具有非均匀分布的多个空隙。向电活性元件的一部分施加机械输入在第一电极和第二电极之间产生电信号。对机械变化的电响应可以在电活性设备上变化，幅度至少部分地由机械输入相对于电活性元件内非均匀分布的空隙的位置来确定。电活性元件可以包括第一部分和第二部分，并且由对第一部分的机械输入产生的第一电压明显不同于由对第二部分的类似机械输入产生的第二电压。电活性设备可以是被配置为由用户佩戴的可佩戴设备的部件。该可佩戴设备被配置成抵靠用户的身体部分来支撑电活性设备。电活性设备可以被配置成提供与身体部分的构造相关的电信号，例如身体部分的构造，例如关节角度。例如，电信号可用于确定手指部分、手腕、肘部、膝盖、脚踝、脚趾或其他身体关节的关节角度，或者机械设备的弯曲角度。例如，可佩戴设备可以是手套，并且电活性设备可以被配置成至少部分地基于用户手内的关节角度，例如手指部分之间的角度，来提供电信号。

在一些实施例中，一种方法包括在电活性设备中产生电活性响应，该电活性设备包括位于第一电极和第二电极之间的电活性元件，其中由于电活性元件内空隙的非均匀分布，对电输入或机械输入的电活性响应在电活性设备的空间范围内明显变化。在一些实施例中，电活性响应可以包括对电输入的机械响应，其在电活性设备的空间范围内变化，电输入施加在第一电极和第二电极之间。机械响应可以被称为致动，并且示例设备可以是或包括致动器。在一些实施例中，电活性响应可以包括电信号，该电信号具有指示电活性设备的机械输入的位置的特征，该电信号在第一电极和第二电极之间测量。电信号可以是所谓的传感器信号，并且在一些实施例中，电活性设备可以是或包括传感器。在一些实施例中，电活性设备可以用作致动器和传感器。在一些实施例中，电活性设备被支撑在用户的手上，并且电信号可以用于确定用户的手势，例如包括手指移动的手势。

在一些实施例中，方法可以被编码为计算机可读介质上的计算机可读指令。例如，计算机可读介质可以包括一个或更多个计算机可执行指令，当由计算设备的至少一个处理器执行时，该指令使得电信号被施加到电活性设备。在一些实施例中，计算机可读介质可以包括一个或更多个计算机可执行指令，当由计算设备的至少一个处理器执行时，从电活性设备接收电信号。在一些实施例中，由于电活性元件内空隙的非均匀分布，对电或机械输入的电活性响应在电活性设备的空间范围内明显变化。在一些实施例中，电活性响应可以包括对电信号的在电活性设备的空间范围内变化的机械响应，电信号被施加在第一电极和第二电极之间。在一些实施例中，从电活性设备接收的电信号具有指示电活性设备的机械输入的位置或者指示电活性设备的弯曲角度的特征。在一些实施例中，电活性设备可以支撑在用户的手上。控制元件可以被配置成确定来自用户的手势数据，和/或向用户提供触觉反馈。

在一些实施例中，电活性系统可以包括一个或更多个电活性设备，其可以是可佩戴设备的部件。电活性系统可以包括控制元件，该控制元件可以是被配置为向一个或更多个电活性设备提供致动信号的电子电路。致动信号可用于向人提供触觉信号。电活性系统可以包括存储在存储器(例如控制元件的存储器)中的几个模块，包括被配置为向电活性设备提供电活性信号的致动元件、被配置为从电活性设备提供的电信号确定身体部分的构造的传感器元件。

根据本文描述的一般原理，本文公开的这些和任何其他实施例的特征可以彼此结合使用。当结合附图和权利要求阅读下面的详细描述时，这些和其他实施例、特征和优点将被更充分地理解。

附图简述

附图示出了许多示例性实施例，并且是说明书的一部分。这些附图连同下面的描述一起展示并解释了本公开的各种原理。

图1a和图1b示出了根据一些实施例的示例性电活性设备，其至少部分基于电活性聚合物内空隙的非均匀分布而具有非均匀致动。

图2a和图2b示出了根据一些实施例的电活性设备的第一部分内响应于机械输入的电信号产生。

图3a和图3b示出了根据一些实施例的电活性设备的第二部分内响应于机械输入的电信号产生；

图4a-4c示出了根据一些实施例的基于空隙的非均匀分布的非均匀致动。

图5a-5d示出了根据一些实施例的非均匀致动的示例方法。

图6a和图6b示出了根据一些实施例，分别响应于第一和第二施加电场而形成的第一和第二复合弯曲。

图7示出了根据一些实施例的靠近佩戴者皮肤的示例性电活性设备。

图8示出了根据一些实施例的包括反射镜的示例电活性设备。

图9示出了根据一些实施例的包括透镜的示例电活性设备。

图10a和图10b示出了根据一些实施例的示例电活性设备并用作弯曲传感器的用途。

图11示出了根据一些实施例的位于手指关节附近的示例性电活性设备。

图12示出了根据一些实施例的从多个电活性设备接收传感器信号的示例控制元件；

图13示出了根据一些实施例的在ar/vr设备中使用的示例透镜。

图14示出了根据一些实施例的示例电活性系统。

图15示出了根据一些实施例的示例头戴式显示器。

图16示出了根据一些实施例的使用电活性设备来获得和利用用户手势数据的示例计算机实现方法的流程图。

图17示出了根据一些实施例的操作电活性设备的示例方法的流程图。

在全部附图中，相同的参考符号和描述指示相似的但不一定相同的元件。虽然本文所述的示例性实施例容许各种修改和替代形式，但是特定的实施例在附图中作为示例被示出并且在本文将被详细描述。然而，本文描述的示例性实施例并不旨在受限于所公开的特定形式。更确切地，本公开涵盖了落在所附权利要求的范围内的所有修改、等同物和替代方案。

示例性实施例的详细描述

本公开大体上涉及电活性设备、系统和方法。如下文将更详细解释的，本公开的实施例可包括电活性设备、电活性系统或方法，包括使用具有非均匀致动响应的电活性元件。非均匀致动响应可以基于电活性致动器内空隙的非均匀分布。

在一些实施例中，电活性设备可以包括分层的至少两个电活性元件(例如，电活性弹性聚合物元件)的堆叠，其中电极邻接每个电活性元件的相对表面。在一些实施例中，电活性元件可以由相邻的电极对驱动。如下所述，电极可以可选地经由至少一个接触层电连接到沿着堆叠的横向外围延伸的至少一个相邻公共电极。

当施加电场时，电活性元件(例如电活性聚合物元件)可以变形，例如电活性元件可以压缩(例如，沿着一个方向压缩)、(例如，沿着一个方向)伸长、弯曲、改变一个或更多个表面曲率等。变形可以由电场的电场强度决定。例如，可以通过在两个电极之间放置电活性元件来产生电场，每个电极处于不同的电势。随着电极之间的电势差(即，电压差)增加(例如，从零电势开始)，变形量也可以增加，例如沿着电场线增加。当达到一定的静电场强度时，这种变形可能达到饱和。在没有静电场的情况下，电活性聚合物可以处于其松弛状态，不经历诱导变形，或者等效地说，不经历内部或外部的诱导应变。在一些实施例中，电活性元件可包括有效泊松比小于约0.35且有效未压缩密度小于弹性体致密化时的约90％的弹性体。在一些实施例中，术语“有效泊松比”可以指材料中横向应变(例如，第一方向上的应变)与轴向应变(例如，第二方向上的应变)之比的负值。在一些实施例中，电活性元件可以包括纳米空隙(nanovoided)聚合物材料。

在一些实施例中，电活性设备可以包括包含电活性聚合物的致动器。在一些实施例中，电活性设备可以包括第一电极、第二电极和位于第一电极和第二电极之间的电活性元件。基于电极和介电材料的架构的电活性设备可以用于致动以及感测和能量收集。

在一些实施例中，施加到位于第一电极和第二电极之间的电活性元件的电压在电活性元件内产生麦克斯韦应力，该应力导致诸如介电域的柔性域(flexibledomain)改变形状或相对取向。这种设备可能需要高工作电压来获得可观的致动振幅，并且由于电介质的击穿电压而存在性能上限。线性弹性材料的应变(没有拉进效应(pull-ineffect))可由下面的等式1近似计算：

等式1表明，致动应力(s)与介电材料的相对电容率(relativepermittivity)(εr)和施加电压(v)的平方成正比，与介电材料(如电活性聚合物或其复合物)的杨氏模量(y)和电极间距离(d)的平方成反比。项ε0代表自由空间的电容率。

在较高的电势差，介电材料内的电场可能超过介电材料的介电强度(es)，并且介电材料可能失效(例如经历介电击穿)。对于以电极间隔距离(d)隔开的平行电极，电介质内的电场可以近似为电压(v)与电极间隔距离(d)的比率。最大致动应力可估计为：

因此，通过降低电活性元件的有效杨氏模量(y)，可以增加致动，可以降低工作电压，并可增加能量密度。类似的效果可以通过增加电活性元件材料的电容率来实现。

电活性设备可以是将电能转换成机械能的设备(例如，包括一个或更多个电活性元件和相关电极)，其可以用作致动器。电活性设备也可以将机械输入转换成电信号。电活性设备可以用作传感器(例如，用于移动、振动、弯曲、扭转或任何用户运动(例如用户输入等)的传感器)。电极可以形成为电极层，可以是薄且柔性的导电层。电极可以自我修复，这意味着如果电活性设备的一部分短路，受损区域就会变成电隔离的。

可以确定复合电活性元件的有效杨氏模量(y有效)，其中空隙内材料的杨氏模量远小于基础介电材料的杨氏模量(y空隙<<y电介质)。如等式3所示，有效杨氏模量按空隙体积分数(φ空隙)成比例减少。

y有效＝y电介质(1-φ空隙)[等式3]

随着空隙体积分数的增加，有效模量降低，这反过来会增加空隙复合物的致动振幅，保持所有其他不变。在一些实施例中，介电常数可能由于空隙的存在而降低，例如，如果空隙是空气填充的。电活性元件可以包括电活性聚合物复合物，该复合物可以包括电活性聚合物和电活性元件内的空隙分布。电活性元件可进一步包括附加组分，例如颗粒(例如介电颗粒)、聚合物添加剂，例如增塑剂或其他添加剂。

因此，通过根据电活性元件内的位置来改变空隙的体积分数，致动程度可以根据电活性元件内的位置来改变。

参考图1-图16，以下将提供电活性设备、相关系统和方法的详细描述。

图1a和图1b示出了电活性设备10，其至少部分基于电活性元件内空隙的非均匀分布而具有非均匀致动。图1a示出了电活性设备20，包括电活性元件10、第一电极12和第二电极14。电活性元件包括电活性聚合物18，其中分布有空隙，例如空隙16。在一些实施例中，电活性设备包括在电活性聚合物内具有非均匀分布的电活性聚合物。如图1a所示，在电活性元件10内，空隙的体积分数大体上从左向右增加。

图1b示出了施加到电活性设备20的电场。来自电压源19的电压被施加到电活性元件10，使用电触点22和24分别与电极12和14电连通。图1b示出了具有第一部分24和第二部分26的电活性元件10。在通过电极12和14在电活性元件10的整个范围上施加相同的电压的情况下，电活性元件10的第二部分26的机械压缩可以明显大于电活性元件10的第一部分24的机械压缩。机械变形的程度(也可以称为致动)基于整个电活性元件10中空隙的分布以及其他参数。在该示例中，电活性设备20的非均匀机械电活性响应基于电活性聚合物10内的空隙(例如空隙16)的非均匀分布。

图2a和图2b示出了电活性设备的第一部分内响应机械输入的电信号产生。图2a示出了类似于图1a所示的电活性设备20，包括设置在第一电极12和第二电极14之间的电活性元件10。电活性设备从电活性元件10的第一部分24内的推动器元件30接收机械输入。作为响应，电活性设备20向电表32提供电信号。

图2b示出了对于第一部分内的机械输入的作为垂直于电极平面的方向上的机械位移(δz)的函数的示例电信号响应(δc)。该图将与下面的第二部分的机械输入的情况进行比较。

图3a和图3b示出了电活性设备的第二部分内响应于机械输入的电信号产生。图3a示出了类似于图2a所示的电活性设备20，其具有分别设置在第一电极12和第二电极14之间的电活性元件20。在图示的示例中，电活性设备从电活性元件10的第二部分内的推动器元件30接收机械输入。作为响应，电活性设备20向电表32提供电信号。

图3b示出了对于第二部分内的机械输入，作为垂直于电极平面的方向上的机械位移(δz)的函数的第二示例电信号响应(δc)。现在将该图与上面的图2b中所示的响应于对第一部分的机械输入而提供的电信号进行比较。响应于机械输入的电信号部分地基于机械输入相对于非均匀分布的空隙的位置。与第一部分相比，第二部分具有更大的空隙数密度和更大的空隙体积分数，因此具有更低的机械强度。结果，第二部分中的变形明显大于第一部分中的变形，即使对于施加在设备上的相同电压，并且在没有施加电压的情况下具有大致均匀的电极间隔(例如，如上图1a所示)。图3b示出了与位于第一部分中的机械输入相比，对于相似的机械输入，对于进入第二部分的机械输入，电信号大得多。对于相对较高的机械输入，电活性元件的变形可能倾向于发生在电活性元件的较宽部分上，并且两种情况之间的信号差异可以减小。

图4a-4c显示了基于空隙的非均匀分布的非均匀致动。图4a示出了电活性设备50，包括第一基板42、第一电极44、电活性元件40(包括电活性聚合物46和如空隙52的空隙)、第二电极48和第二基板54。图4a示出了没有电场施加在电活性元件上的电活性设备，在该示例中，电活性设备分别具有大致平行的第一基板42和第二基板54，以及大致平行的第一电极44和第二电极48。图4b示出了简化表示，其中为了说明的简单，电活性元件内的空隙结构未示出。图4b示出了分别电连接到第一电触点56和第二电触点58的第一电极44和第二电极48。在图4b中，在一对电触点之间没有施加电场。图4c显示了在第一电触点和第二电触点(56，58)之间并因此在第一电极和第二电极(44和48)之间施加电信号的电活性设备。空隙的非均匀分布在电活性元件40的中心部分60内与在边缘部分62内相比具有更大的空隙数密度和体积分数。在这个示例中，这可以提供基板(42和54)和电极(44和48)的凹曲率。如果两个基板/电极组合(42/44和48/54)具有相似的机械特性，则每个基板/电极组合的曲率可以相似。基板的曲率可以通过增加基板的刚性来减小，并且如果一个基板比另一个基板具有更大的刚性，则每个基板可以获得不同的曲率。

图5a-5d示出了非均匀致动的示例方法。图5a示出了在电活性聚合物68内具有非均匀分布的空隙(例如空隙66)的电活性元件。如图所示，空隙数密度在整个聚合物中保持相似，而空隙直径从左向右增加。因此，空隙体积分数也从左向右增加。在电活性设备中，由于在具有较高空隙体积分数的部分中电活性元件的弹性常数降低，与在具有相对较低空隙体积分数的部分中电活性效应降低相比，该电活性元件可以在具有较高空隙体积分数的部分中提供更大的电活性效应。

图5b示出了包括各向异性空隙(例如细长空隙72)的电活性元件70。各向异性空隙可以是例如细长的(例如雪茄形)或盘形的。空隙取向可以在电活性元件的空间范围内变化。

图5c显示了包括分布在电活性聚合物84中的空隙的电活性元件80。在第一部分(如图所示，在左侧)，空隙(例如空隙82)填充有相对低的介电材料，例如空气、碳氟化合物气体(例如，可从美国明尼苏达州maplewood的3m公司获得的3mnovec4710绝缘气体)或任何合适的气体。在第二部分(如图所示，在右侧)，空隙(例如空隙86)填充有相对高的介电空隙填充材料(例如六氟化硫)。在该示例中，可以使用空隙填充材料的非均匀分布来获得致动响应的空间变化。与第一部分相比，具有用较高介电空隙填充材料填充的空隙的第二部分可以表现出较高的电活性效果(例如，对于给定的施加电势为更大的致动，或者对于给定的机械输入为更大的电信号)。

图5d示出了电活性元件，其包括分布在电活性聚合物94内的空隙，例如空隙90。在第一部分(如图所示，在左侧)，空隙大致均匀分布。大致均匀分布的空隙延伸穿过第二部分(如图所示，在右侧)。然而，第二部分还包括分布在电活性聚合物中的介电颗粒。与第一部分相比，进一步包括介电颗粒的第二部分可以显示出更高的电活性效果(例如，对于给定的施加电势为更大的致动，或者对于给定的机械输入为更大的电信号)。

因此，使用空隙填充材料的非均匀组成，例如空隙填充材料的介电常数的变化，或者用特定空隙填充材料填充的空隙的数量分数的变化，可以获得非均匀的电活性响应。在一些实施例中，使用电活性聚合物内附加介电颗粒的非均匀分布可以实现非均匀电活性响应。电活性元件可以在一个或更多个以下颗粒特性中具有非均匀分布：介电常数、弹性常数或其他参数、介电颗粒分布(例如颗粒数密度、颗粒组成、颗粒直径或其他尺寸参数中的一个或更多个的变化)、颗粒介电常数、各向异性颗粒的颗粒取向或其他颗粒参数。

为了获得非均匀的电活性响应，电活性元件可以具有以下一个或更多个的非均匀分布：空隙特性(例如：以下项中的一个或更多个：体积分数；数量密度；直径或其他尺寸参数；各向异性空隙的取向；或其他空隙参数)、空隙填充材料特性(如上所述，例如以下一个或更多个：特定空隙填充材料的存在或不存在；介电常数；弹性参数；或其它空隙填充材料参数)、电活性聚合物特性(例如，分子量、化学组成、交联度、聚合物添加剂如增塑剂的体积或重量分数、介电常数、弹性常数或其它聚合物特性参数中的一个或更多个)、颗粒特性(如上文所讨论的，如以下项中的一个或更多个：颗粒的存在或不存在；颗粒组成；颗粒介电常数；颗粒直径；或其他尺寸参数)、基板特性(例如以下项中的一个或更多个：刚性；厚度；组成；或其它基板参数)、或电极特性(例如：电极组成、电极刚度、电极电阻、电极分离或其他电极参数中的一个或更多个)和/或任何附加层或材料(例如间隔物)的特性。

图6a和图6b分别示出了响应于第一和第二施加的电场而形成的第一复合弯曲和第二复合弯曲。图6a示出了电活性设备，其包括第一基板102、第一电极104、包括具有多个空隙(为清楚起见未示出)的电活性聚合物复合物106的电活性元件100、第二电极108和第二基板112。在该示例中，与第一基板102相比，第二基板112是刚性的，使得电活性元件响应于第一电压v1而引起的电致收缩(electroconstriction)(电场引起的收缩)诱导第一电极和第一基板的机械变形。电活性元件100内的多个空隙在电活性聚合物内具有非均匀的分布，使得最大变形部分116相对于靠近电活性元件100的左边缘和右边缘(如图所示)的边缘部分偏离中心。第一基板102的上表面114呈现复合弯曲。复合弯曲是弯曲的边或表面，其曲率半径随位置而变化，或者另外在不同的位置具有不同的值。在该示例中，弯曲表面在最大变形部分116的右侧部分中的曲率半径小于在最大变形部分116的左侧部分中的曲率半径。

图6b示出了施加第二电压v2(在该示例中大于v1)如何引起第一基板102的上表面114的第二复合曲率。

图7示出了靠近佩戴者皮肤的电活性设备。电活性设备130包括第一基板122、第一电极124、包括电活性复合物126的电活性元件120、第二电极128和第二基板132。第二基板可以至少部分地靠近、基本上邻近或邻近佩戴者的皮肤134定位。交流电压源136向电活性设备施加交流电压，电活性设备响应电信号振荡。机械响应可以与所施加电场的平方相关，高达击穿电压，并且低于截止频率。在该示例中，电活性元件包括非均匀分布的空隙，使得在设备的右手部分中的变形最大(如图所示)。在这个示例中，振荡电场的施加引起电活性设备的振荡，以向佩戴者的皮肤提供触感。可以使用带子(例如皮带)、粘合剂、适合调整的衣物(例如手套、头饰或其他可佩戴物品)或其他方法以至少部分地贴近、基本上邻近或邻近佩戴者的皮肤134支撑电活性设备。

图8示出了电活性设备150，其包括反射层154、第一基板142、第一电极144、包括电活性聚合物复合物146的电活性元件140、第二电极148和第二基板152。电压源用于在第一电极和第二电极之间施加电压。电活性复合物包括非均匀分布的空隙，使得电活性元件140的变形在中心最大，从而在第一电极144、第一基板142和反射层154中产生曲率。在一些实施例中，包括反射表面的电活性设备可以用作具有电可调焦距的曲面镜。镜面形状(例如，圆形截面、抛物线)和形式(例如，凹形、凸形、波浪形或其他形式)可以由电活性元件140内空隙的非均匀分布的形式来控制。

图9示出了包括透镜158的电活性设备160。电活性设备的其他方面类似于图8的方面，并且将不再进一步讨论。第一基板142的变形改变了透镜158的表面，提供了电可调焦距的透镜158。透镜可以包括柔性材料，例如硅树脂、凝胶材料或其他柔性光学材料。

电活性设备可以使用光学透明或半透明材料制造，例如在电活性设备中包括可变形的(且因此电可调的)光学元件，例如透镜、反射镜、光栅、棱镜、全息元件或其他光学元件。在一些实施例中，空隙可以具有小于光波长的尺寸参数(例如直径)，以减少散射。在一些实施例中，空隙可包括可与电活性聚合物折射率匹配的材料，例如使用液体空隙填充材料，其中该液体例如在一定条件(诸如光波长(例如，可透射穿过设备的至少一种光波长)和温度)下，具有与电活性聚合物的折射率相似(例如，相差在20％以内)的折射率。

图10a和图10b示出了电活性设备和作为弯曲传感器的用途。图10a示出了电活性设备178，其包括第一电极162、电活性元件160和第二电极168，电活性元件160包括穿过电活性聚合物164分布的空隙(例如空隙166)。空隙在电活性元件160内具有非均匀的分布。电活性元件160具有中心部分172，该中心部分172相比周围边缘部分具有更大数量密度的空隙(和更大体积密度的空隙)。基于空隙的非均匀分布，与周围的边缘部分相比，电活性元件的中心部分172具有降低的刚度。

图10b显示了施加到电活性设备178的弯曲变形。中心部分172表现出局部空隙导向的屈曲(void-directedbuckling)。由于屈曲变形而增加的变形增加了通过第一电连接174和第二电连接176获得的电信号vs，该第一电连接和第二电连接分别附接到第一电极和第二电极。

在一些实施例中，用作致动器的电活性设备可以被配置成初始弯曲的构造，并且可以在中心(或其他)部分中显示电场诱导的屈曲，这导致增强的致动程度(例如，进一步弯曲的程度增强)。

图11示出了电活性系统，该系统包括位于用户手指186上手指关节附近的电活性设备180和182。当电活性设备用作传感器时，控制元件184用于从电活性设备接收电信号。控制元件可以输出表示用户的一个或更多个手指关节的关节角度的经处理的传感器信号。例如，对于多达5个手指(术语手指也可以指拇指)，每个手指可能有来自多达3个关节的信号。类似地，经处理的传感器信号还可以包括指示手掌构造、手腕构造(例如，在多达三个正交平面内弯曲)或任何其他身体部分构造的数据。在一些实施例中，电活性设备也可用于致动模式，例如响应于由控制元件接收的接收致动信号。控制元件可接收致动信号，并响应于该致动信号向一个或更多个电活性设备提供一个或更多个电信号。

图12示出了电活性系统，该系统包括从多个电活性设备200-208接收信号的控制元件210。来自电活性设备的传感器信号可以由控制元件分析并转换成经处理的传感器信号，该经处理的传感器信号可以包含与例如来自一只手的手指的手指位置相关的数据。来自控制元件的信号可以被传递到逻辑单元220，逻辑单元220可以进一步处理来自控制元件的传感器数据，以确定例如用户的手势。手势可以包括数据输入(例如，按下虚拟键盘的键)、其他字母数字输入、其他字符和/或符号输入、虚拟鼠标、轨迹球或其他数据输入设备的控制。

图13示出了在ar/vr设备中使用的透镜。图13示出了根据至少一个实施例的透镜-显示器组件300的横截面。如图13所示，透镜-显示器组件300可以包括可调透镜305、可调透镜310、位于可调透镜305和310之间的显示器345以及透镜组件外壳325。在一些实施例中，透镜组件外壳325和显示器345之间的体积可以为本文所述的电活性设备(例如，致动器)提供空间。根据一些实施例，可调透镜305和310的组合可以修改由显示器345创建的图像的表观调节距离(apparentaccommodationdistance)，而不改变用户眼睛所感知的远处现实世界对象(例如，树355)的外观。

图14示出了近眼显示系统400，其包括近眼显示器(ned)410和控制系统420，它们可以彼此通信耦合。近眼显示器410可以包括透镜412、电活性设备(例如，致动器)414、显示器416和传感器418。控制系统420可以包括控制元件422、力查找表424和增强现实(ar)逻辑426。

增强现实逻辑426可以确定要显示什么虚拟对象以及虚拟对象要投影到的现实世界位置。因此，增强现实逻辑426可以生成由显示器416以如下的方式显示的图像流428：使得显示器416中显示的右侧和左侧图像的对齐导致朝向期望的现实世界位置的视觉辐辏(ocularvergence)。

控制元件422可结合力查找表(lut)424使用由增强现实逻辑426确定的相同定位信息，以确定由如本文所述的电活性设备414(例如，致动器)向透镜412施加的力的大小。电活性设备414可以响应于控制元件422而向透镜412施加适当的力，以调整显示器416中显示的虚拟图像的表观调节距离，从而匹配虚拟图像的表观辐辏距离(apparentvergencedistance)，进而减少或消除辐辏调节冲突(vergence-accommodationconflict)。控制元件422可以与传感器418通信，传感器418可以测量可调透镜的状态。基于从传感器418接收的数据，控制元件422可以调节电活性设备414(例如，作为闭环控制系统)。

在一些实施例中，显示系统400可以一次显示多个虚拟对象，并且可以确定用户正在观看(或可能正在观看)哪个虚拟对象，以识别要为其校正表观调节距离的虚拟对象。例如，该系统可以包括眼睛跟踪系统(未示出)，其向控制元件422提供信息，以使控制元件422能够选择相关虚拟对象的位置。

附加地或替代地，增强现实逻辑426可以提供关于哪个虚拟对象最重要和/或最有可能引起用户注意的信息(例如，基于空间或时间接近度、移动和/或附加到虚拟对象的语义重要性度量)。在一些实施例中，增强现实逻辑426可以识别多个潜在重要的虚拟对象，并且选择近似一组潜在重要的虚拟对象的虚拟距离的表观调节距离。

控制系统420可以代表用于管理可调透镜412的调节的任何合适的硬件、软件或其组合。在一些实施例中，控制系统420可以代表片上系统(soc)。这样，控制系统420的一个或更多个部分可以包括一个或更多个硬件模块。附加地或替代地，控制系统420的一个或更多个部分可以包括一个或更多个软件模块，当存储在计算设备的存储器中并由计算设备的硬件处理器执行时，该软件模块执行本文描述的一个或更多个任务。

控制系统420通常可以代表用于为头戴式显示器提供显示数据、增强现实数据和/或增强现实逻辑的任何合适的系统。在一些实施例中，控制系统420可以包括图形处理单元(gpu)和/或被设计为优化图形处理的任何其他类型的硬件加速器。

图15示出了增强现实眼镜500。上述控制系统420可以在诸如图15所示的增强现实眼镜500的系统中实现。如图所示，眼镜500可以包括耦合到框架530(例如，在未示出的眼线(eyewire)处)的可调焦距透镜510。在一些实施例中，图8的控制系统420可以集成到框架530中。替代地，控制系统420的全部或一部分可以位于远离眼镜500的系统中，并且被配置为经由有线或无线通信来控制眼镜500中的电活性设备(例如，致动器)。

在一些实施例中，每个透镜510可以包括例如由弹性膜和光学透明且刚性的后基板封装的光学流体。沿着透镜510的周边的致动(例如，使用一个或更多个电活性设备，如结合本文的实施例进一步示出和描述的)可以改变透镜的曲率(从而改变光焦度)，正和负形状由所施加的力的方向决定。在一个实施例中，膜表面在静止时(例如，在零电功率)可以是非平面的(例如，凹面或凸面)。在一个示例中，当基板弯曲时，膜表面可以是非平面的。

安装在框架530中(例如，在眼线中)的电活性设备(例如，致动器)可以使每个透镜变形，通过定制的位移和偏转，以及通过包括例如rgb(红-绿-蓝)波导的不对称透明孔的周边安装，实现高光学质量。

如所述，图8的控制系统420可以触发电活性设备来调节透镜(例如，透镜510)以帮助解决辐辏调节冲突。辐辏调节冲突可能源于人类对深度的感知方式。当人眼注视一个对象时，它会调节到这个对象——也就是说，它会改变焦距来对这个对象聚焦。这种调节是对深度的视觉线索：比这个距离更近或更远的对象在视网膜上没有聚焦。这种“视网膜模糊”是一种线索，即对象所处于的距离不同于调节距离，但是这种线索对于对象是更近还是更远是模糊的。

当(立体地)使用双眼时，双眼视差(binoculardisparity)是深度的主要视觉线索。两只眼睛从稍微不同的角度看一个对象，所以它们得到略有不同的对象视图。这种视图的差异是两种视图之间的双眼视差(不完全匹配)。视觉系统通常将这两幅图像融合成单一的感知，并将两幅图像之间的差异转换成深度感知。对象越靠近，它在两个视网膜上产生的图像之间的差异(匹配误差)就越大。

在典型的虚拟现实头戴式设备中，虚拟显示平面或焦平面可以位于固定距离处。但是虚拟对象可以“位于”焦平面的前面或后面。头戴式显示器可以试图再现这种虚拟对象的双眼视差，这是深度的主要视觉线索。但是双眼视差线索可能驱使眼睛辐辏(verge)在一个距离，而来自虚拟平面的光线可能产生视网膜模糊，这驱使眼睛调节到另一个距离，在那些深度线索之间产生冲突，并迫使观看者的大脑不自然地适应冲突的线索。这种辐辏-调节冲突反过来会造成视觉疲劳，尤其是在长期使用增强现实系统的过程中。

图16是示例性计算机实现的方法600的流程图。在一些实施例中，计算机实现的方法包括从电活性设备接收电信号，并确定用户手势输入，例如手指运动、项目选择、键盘输入或其他输入。在图16中，步骤602对应于(例如，通过控制元件，例如基于处理器的设备，例如计算机设备)从电活性设备接收电信号。步骤604对应于(例如，通过控制元件)处理电信号，以提供包括一个或更多个手势参数的手势数据。手势参数可以包括手指关节弯曲角度、手掌弯曲、手腕弯曲、手位置或其他手构造参数。步骤606对应于将经处理的手势数据与任何其他手势数据(例如摄像机数据、加速度计数据或任何其他传感器信号数据源)组合，以提供组合的手势数据。步骤608对应于(例如，通过控制元件或与控制元件通信的逻辑单元)从组合的手势数据中确定用户数据。步骤610对应于向ar/vr系统提供用户数据，例如作为用户输入数据。例如，键盘键入手势参数形式的手势数据可以从组合的手势数据中确定，并用于以键入的键输入的形式向ar/vr系统提供用户数据。

可用于确定组合手势数据的其他传感器数据可包括来自其他电活性设备的其他手势数据。手势数据可以包括以下项中的一个或更多个：变形的大小、变形的位置、弯曲角度或(例如，从多种手势类型中选择的)手势类型。电信号的分析可以基于电活性设备的电活性元件内空隙的非均匀分布。在一些实施例中，非暂时性计算机可读介质包括一个或更多个计算机可执行指令，当由控制元件(例如计算机设备)的至少一个处理器执行时，该指令使得控制元件向电活性设备发送电信号以获得非均匀致动，其中该非均匀致动至少部分基于电活性设备的电活性元件内的空隙的非均匀分布。

图17示出了根据本公开的一些实施例的操作电活性设备的示例方法700的流程图。根据本文描述的各种实施例，在步骤702，可以在电活性设备中产生电活性响应，该电活性设备包括位于第一电极和第二电极之间的电活性元件(例如，参见图1a-图16)。由于电活性元件内空隙的非均匀分布，对电输入或机械输入的电活性响应可能在电活性设备的空间范围内明显变化(例如，参见图1a、图1b、图2a、图3a、图4a、图5a-5d、图10a和图10b)。

在一些实施例中，电活性响应可以包括对电输入的机械响应，其在电活性设备的空间范围内变化，电输入施加在第一电极和第二电极之间(例如，参见图1a、图1b、图4a-4c、图6a-图10b和图13-图15)。在另外的实施例中，电活性响应可以包括电信号，该电信号具有指示电活性设备的机械输入的位置的特征，该电信号在第一电极和第二电极之间测量(例如，参见图2a-图3b、图11和图12)。在至少一个实施例中，电活性设备可以抵靠用户的手和/或用户身体的任何其他合适的部分来支撑。电信号然后可用于确定用户的手势，该手势包括手指移动和/或其他身体移动(例如，参见图7、图11和图12)。

图16和图17所示的方法可以由任何合适的计算机可执行代码和/或计算系统来执行，该系统包括图12所示的系统或图14所示的系统。在一个示例中，图16和图17中所示的一个或更多个步骤可以表示其结构包括多个子步骤和/或由多个子步骤表示的算法。可以执行例如图16和/或图17的计算机实现的方法的系统可以包括至少一个电活性设备、控制元件和逻辑单元。上文结合图12或图14讨论了示例系统。

在一些实施例中，电活性设备包括第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的电活性元件。电活性元件可以包括电活性聚合物和分布在电活性聚合物内的多个空隙，例如作为多孔聚合物结构。空隙通常可以彼此隔离，或者至少部分地通过开孔结构(open-cellstructure)相互连接。多个空隙在电活性聚合物内可以具有非均匀的分布，并且当电信号施加在第一电极和第二电极之间时，电活性元件基于空隙的非均匀分布可以具有非均匀的电活性响应。

多个空隙的非均匀分布可以包括空隙直径、空隙体积、空隙数密度、空隙体积分数或空隙取向(例如，在各向异性空隙的情况下)中的至少一个的空间变化。空隙可以包括非聚合材料。空隙可以包括气体、液体、凝胶、泡沫或非聚合物固体中的至少一种。非均匀电活性响应可包括电活性元件的第一部分的第一变形，其不同于电活性元件的第二部分的第二变形。变形可以包括在一个或更多个方向上的压缩(例如，平行于所施加的电场)、曲率的变化或尺寸参数如长度、宽度、高度等的其他变化。电活性设备可以在第一电极和第二电极之间施加第一电压时具有第一变形，在第一电极和第二电极之间施加第二电压时具有第二变形，第一变形和第二变形明显不同。电信号可以包括电势差，电势差可以包括直流或交流电压。可以选择交流电压的频率，以在佩戴者的皮肤上提供可感知的触觉。在一些实施例中，频率可以高于设备的最高机械响应频率，使得变形可以响应于所施加的rms电场而发生，但是对所施加的频率没有明显的振荡机械响应。所施加的电信号可能在第一电极和第二电极之间产生电活性元件的非均匀收缩。非均匀电活性响应可以包括电活性元件表面的曲率，在一些实施例中，该曲率可以是复合曲率。

在一些实施例中，电活性设备可以包括机械耦合到电活性元件的光学元件。光学元件可以包括透镜、光栅、棱镜、反射镜或衍射光栅中的至少一种。在一些实施例中，电活性设备可以是可佩戴设备的部件。该可佩戴设备可以包括头盔或其他头饰、眼镜框、手套、腰带或被配置成邻近或靠近佩戴者身体的任何设备，以例如当用户佩戴该可佩戴设备时贴近用户支撑该电活性设备，并且该电活性设备可以被配置成向用户提供触觉信号。在一些实施例中，电活性设备包括第一电极、第二电极和位于第一电极和第二电极之间的电活性元件。电活性元件可以包括电活性聚合物和在电活性元件内具有非均匀分布的多个空隙。向电活性元件的一部分施加机械输入在第一电极和第二电极之间产生电信号。对机械变化的电响应可以在电活性设备上变化，幅度至少部分地由机械输入相对于电活性元件内非均匀分布的空隙的位置来确定。电活性元件可以包括第一部分和第二部分，并且由对第一部分的机械输入产生的第一电压明显不同于由对第二部分的类似机械输入产生的第二电压。

电活性设备可以是可佩戴设备的部件，被配置为由用户佩戴。该可佩戴设备被配置成抵靠用户的身体部分来支撑电活性设备。电活性设备可以被配置成提供与身体部分的构造相关的电信号，例如身体部分的构造，例如关节角度。例如，电信号可用于确定手指部分、手腕、肘部、膝盖、脚踝、脚趾或其他身体关节的关节角度，或者机械设备的弯曲角度。例如，可佩戴设备可以是手套，并且电活性设备可以被配置成至少部分地基于用户手内的关节角度，例如手指部分之间的角度，来提供电信号。在一些实施例中，一种方法包括在电活性设备中产生电活性响应，该电活性设备包括位于第一电极和第二电极之间的电活性元件，其中由于电活性元件内空隙的非均匀分布，对电输入或机械输入的电活性响应在电活性设备的空间范围内明显变化。

在一些实施例中，电活性响应可以包括对电输入的机械响应，其在电活性设备的空间范围内变化，电输入施加在第一电极和第二电极之间。机械响应可以被称为致动，并且示例设备可以是或包括致动器。在一些实施例中，电活性响应可以包括电信号，该电信号具有指示电活性设备的机械输入的位置的特征，该电信号在第一电极和第二电极之间测量。电信号可以是所谓的传感器信号，并且在一些实施例中，电活性设备可以是或包括传感器。在一些实施例中，电活性设备可以用作致动器和传感器两者。在一些实施例中，电活性设备抵靠用户的手而被支撑，并且电信号被用于确定用户的手势，该手势包括手指移动。在一些实施例中，可以根据传感器信号来确定用户的键入输入，例如到虚拟键盘中的输入。

在一些实施例中，电活性设备可以包括一个或更多个电活性元件，并且电活性元件可以包括一种或更多种电活性材料，电活性材料可以包括一种或更多种电活性聚合物材料。在各种实施例中，电活性设备可以包括第一电极、与第一电极的至少一部分重叠的第二电极、以及设置在第一电极和第二电极之间的电活性元件。在一些实施例中，电活性元件可以包括电活性聚合物。在一些实施例中，电活性元件可以包括弹性体材料，其可以是聚合物弹性体材料。在一些实施例中，弹性体材料可以具有大约0.35或更小的泊松比。当在第一电极和第二电极之间施加第一电压时，电活性元件可以从初始状态变形到变形状态，并且当在第一电极和第二电极之间施加第二电压时，还可以变形到第二变形状态。

在一些实施例中，可以有一个或更多个附加电极，并且公共电极可以电耦合到一个或更多个附加电极。例如，电极和电活性元件可以以堆叠配置设置，其中第一公共电极耦合到第一多个电极，第二公共电极电连接到第二多个电极。第一和第二多个电极可以以堆叠配置交替，使得每个电活性元件位于第一多个电极之一和第二多个电极之一之间。

在一些实施例中，电活性元件可以在未变形状态下具有最大厚度，并且在变形状态下具有压缩厚度。在一些实施例中，电活性元件在未变形状态下的密度约为变形状态下电活性元件密度的90％或更小。在一些实施例中，当在第一电极和第二电极之间施加电压时，电活性元件可以表现出至少大约10％的应变。

在一些实施例中，电活性元件可以在多个限定区域中包括至少一种非聚合物组分，并且该方法可以进一步包括从固化的弹性体材料中去除至少一种非聚合物组分的至少一部分，以形成纳米空隙聚合物材料。

在一些实施例中，电活性设备包括电活性聚合物，其配置有第一位置的图案化纳米空隙，使得第一位置与具有第二位置的图案化纳米空隙的第二位置具有不同的换能行为。在一些实施例中，施加在整个电活性元件上的整体电场(globalelectricfield)在第一位置和第二位置之间产生不同的变形。电活性元件可以具有多个位置的图案化纳米空隙，使得当施加第一电压时，eap呈现预定的复合曲率。当施加第二电压时，电活性设备可以表现出不同于第一预定复合曲率的第二预定复合曲率。一种可佩戴设备可以包括电活性设备，其中当人佩戴该可佩戴设备时，第一复合曲率向人提供第一触觉感觉，第二复合曲率向人提供第二触觉感觉。在一些电极中，第一电极和/或第二电极可以被图案化，允许局部电场被施加到设备的一部分，例如，以提供局部复合曲率。

在一些实施例中，传感器包括电活性设备，其中电活性设备包括第一部分和第二部分，其中由于图案化纳米空隙的非均匀分布，第一部分具有与第二部分不同的传感器响应。传感器可以是可佩戴设备。该传感器可以与控制器电通信，该控制器被配置为基于来自可佩戴设备的一个或更多个电输出来确定可佩戴设备的挠曲。例如，可佩戴设备可以包括被配置为传感器的一个或更多个电活性设备。在一些实施例中，传感器可以被配置成基于来自传感器的一个或更多个电信号来确定传感器佩戴者的关节位置。传感器可以是手套或其他可佩戴设备的一部分。在一些实施例中，传感器可以包括电活性传感器的布置，并且可以被配置为确定对键盘的击键，其中键盘可以是真实的或虚拟的键盘。

电活性元件内空隙的非均匀分布可包括对距离参数(例如，离电活性元件边缘和/或中心的距离)的函数依赖。例如，电活性元件可以具有大致均匀厚度的大致矩形形状。在一些实施例中，空隙的体积分数可以沿着平行于矩形形状的长边和/或短边的方向单调增加。在一些示例中，空隙体积分数在电活性元件的某个部分中可以具有最高值，并且从最高部分向别处(例如靠近边缘)具有较低空隙体积分数的部分减小。在一些示例中，空隙体积分数在电活性元件的某个部分中可以具有最低值，并且从最低部分增加到别处(例如靠近电活性元件的边缘)具有较高空隙体积分数的部分。在一些示例中，电活性元件可以具有大致盘形形状。空隙的体积分数可以作为离盘中心的径向距离的函数而变化。在一些实施例中，体积分数在盘形电活性元件的中心部分最高，并沿径向方向向边缘减小。在一些实施例中，体积分数可以在中心部分最低，并且沿着径向方向向边缘增加。空隙体积分数的变化可以具有与距离参数的函数关系，例如包括与距离参数以及一个或更多个相关距离参数的线性、二次、正弦、波动、抛物线或其他函数关系中的一种或更多种。例如，距离参数可以被确定为沿着边缘的距离、斜穿过(obliquelyacross)中心的距离、距中心的距离或者给定电活性元件的其他距离测量值。

电活性元件可以将变形转换成电信号，例如与变形参数(例如施加的压力)成比例的比例电信号。电活性元件也可以接收电信号，该电信号基于电信号(例如，基于电压平方或均方电压)引起变形。电活性设备可以是具有基于电信号的变形程度的换能器，和/或基于变形程度提供电信号的传感器。电活性响应由电活性元件的介电常数和弹性模量介导。使用单一均质聚合物膜将换能器响应限制在设备上特定的输入电信号/输出机械响应。在一些实施例中，电活性设备致动和/或感测作为单个设备内的位置的函数的变形，而不需要复杂的电极结构，有助于电活性设备(例如换能器和/或传感器)能够使用简单的电架构(例如一对电极)进行空间可变的致动和感测响应。

在一些实施例中，设备包括换能器，其将物理量的变化转换成电信号，和/或反之亦然。在一些实施例中，换能器的电响应可以与机械输入的位置相关联。物理量的变化转化为电信号和/或反之亦然的过程可以称为换能。换能器可以包括电活性元件，例如电活性聚合物元件。在一些示例中，电活性元件可以包括其中形成有空隙分布的电活性聚合物。

在一些实施例中，电活性元件可以包括空隙分布。在一些实施例中，空隙可以包括填充有不同介质(例如非聚合材料，例如气体(例如空气)，或液体)的区域。电活性元件的一部分可以具有空隙的体积分数，其可以被确定为电活性元件的一部分内的空隙体积除以电活性元件的该部分的总体积。在一些实施例中，空隙体积分数可以是距离参数的函数。例如，空隙体积分数可以是离电活性元件的一个边缘的距离的线性函数，例如从一侧到另一侧以大致线性的方式增加。在一些示例中，体积空隙分数可以是距离参数的非线性函数，例如多项式函数(例如二次函数)、阶跃函数、抛物线函数、波动函数、正弦函数等。距离参数可以是离电活性元件边缘的距离。在一些实施例中，电活性元件可以具有大致长方体形状，例如具有长度、宽度和厚度，例如沿着大致相互正交的方向确定。电活性元件的厚度可以近似等于电极间距。在一些实施例中，电活性元件可以具有盘形、楔形、诸如杆的细长形式或其他形状。距离参数可以是(适当的)沿边缘的距离(例如，从一侧到另一侧的距离)、径向距离(例如，从盘形形状的中心或边缘在大致径向方向上的距离)或其他距离测量值。在一些实施例中，空隙体积分数可以是多个电活性元件上的距离参数的函数，例如包括多个电活性元件，这些电活性元件具有不同的平均空隙体积分数(可选地具有空隙体积分数的可感知的内部变化，或者在一些实施例中没有空隙体积分数的可感知的内部变化)，这些电活性元件被布置成获得空隙体积分数随穿过多个电活性元件的距离的期望变化。

在一些实施例中，系统包括至少一个物理处理器、包括计算机可执行指令的物理存储器，当由物理处理器执行时，计算机可执行指令使得物理处理器在电活性设备上施加电场，以基于电活性设备的电活性元件内的空隙的非均匀分布获得非均匀致动。在一些实施例中，一种系统包括至少一个物理处理器、包括计算机可执行指令的物理存储器，该计算机可执行指令当由物理处理器执行时使得物理处理器从电活性设备接收电信号，并处理电信号以获得电活性设备的变形参数，其中变形参数包括以下项中的一个或更多个：变形的幅度、变形的位置、弯曲角度、(例如，从多种手势类型中选择的)手势类型。电信号的分析可以至少部分基于电活性设备的电活性元件内空隙的非均匀分布。

在一些实施例中，非暂时性计算机可读介质包括一个或更多个计算机可执行指令，当由计算设备的至少一个处理器执行时，该指令使得计算设备处理从电活性设备接收的电信号以获得电活性设备的变形参数，其中该变形参数包括以下项中的一个或更多个：变形的幅度、变形的位置、弯曲角度、(例如，从多个手势类型中选择的)手势类型。电信号的分析可以基于电活性设备的电活性元件内空隙的非均匀分布。在一些实施例中，非暂时性计算机可读介质包括一个或更多个计算机可执行指令，当由计算设备的至少一个处理器执行时，该指令使得计算设备向电活性设备或电活性系统发送电信号以获得非均匀致动，其中该非均匀致动至少部分基于电活性设备的电活性元件内的空隙的非均匀分布。

电活性元件

在一些实施例中，电活性元件可包括有效泊松比小于约0.35且有效未压缩密度小于弹性体致密化时的约90％的弹性体。在一些实施例中，术语“有效泊松比”可以指材料中横向应变(例如，第一方向上的应变)与轴向应变(例如，第二方向上的应变)之比的负值。在一些实施例中，电活性元件可以包括纳米空隙聚合物材料。

在存在静电场的情况下，电活性聚合物可能根据该场的强度变形(例如，压缩、伸长、弯曲等)。这种电场的产生可以通过例如将电活性聚合物放置在两个电极之间来实现，每个电极处于不同的电势。随着电极之间的电势差(即，电压差)增加(例如，从零电势开始增加)，(主要是沿着电场线的)变形量也可以增加。当达到一定的静电场强度时，这种变形可能达到饱和。在没有静电场的情况下，电活性聚合物可能处于其松弛状态，无论在内部还是外部，都没有发生诱导变形，或者等效地说，都没有发生诱导应变。

在一些实施例中，聚合物元件可以包括弹性体。如本文所用，“弹性体”可指具有粘弹性(即粘性和弹性)、相对较弱的分子间力以及与其他材料相比通常较低的弹性模量(固体材料的刚度的量度)和较高的失效应变的材料，例如聚合物。在一些实施例中，电活性聚合物可包括有效泊松比小于约0.35(例如，小于约0.3、小于约0.25、小于约0.2、小于约0.15、小于约0.1、小于约0.5)的弹性体材料。在至少一个示例中，弹性体材料可具有小于弹性体在致密化时(例如，当弹性体例如通过电极使弹性体更致密而被压缩时)约90％(例如，小于约80％、小于约70％、小于约60％、小于约50％、小于约40％)的有效密度。

在一些实施例中，电活性元件可以包括弹性体材料，其可以具有大约0.35或更小的泊松比。在一些实施例中，电活性元件可具有约10nm至约10μm的厚度(例如，约10nm、约20nm、约30nm、约40nm、约50nm、约60nm、约70nm、约80nm、约90nm、约100nm、约200nm、约300nm、约400nm、约500nm、约600nm、约700nm、约800nm、约900nm、大约1μm、大约2μm、大约3μm、大约4μm、大约5μm、大约6μm、大约7μm、大约8μm、大约9μm、大约10μm)，示例厚度为大约200nm至大约500nm。

电活性设备可以包括多个堆叠层，例如，每个层包括设置在一对电极之间的电活性元件。在一些实施例中，电极可以在层之间共享，例如，设备可以具有位于相邻电极对之间的交替电极和电活性元件。各种堆叠配置可以以不同的几何形状构造，从而改变层之间的形状、对齐和间距。当操作电活性设备时，这种复杂的布置能够压缩、伸展、扭曲和/或弯曲。

电活性聚合物

电活性元件可以包括一种或更多种电活性聚合物，并且还可以包括额外的组分。如本文所用，“电活性聚合物”可以指当受到电场刺激时表现出尺寸或形状变化的聚合物。由于相对于使用聚合物的电活性设备(例如，致动器)所使用的工作电压，聚合物的低击穿电压，一些电活性聚合物的应用受到限制。具有降低的工作电压和更高的能量密度的电活性设备可用于许多应用。

在一些实施例中，电活性聚合物可以包括关于电荷对称的可变形聚合物(例如，聚二甲基硅氧烷(pdms)、丙烯酸酯等)或不对称的聚合物(例如，极化的聚偏二氟乙烯(pvdf)或其共聚物如聚(偏二氟乙烯-共-三氟乙烯)(pvdf-trfe))。形成电活性聚合物材料的聚合物材料的附加示例可包括但不限于苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯、环氧树脂、卤化聚合物，如pvdf、pvdf共聚物，如pvdf-trfe、硅酮聚合物和/或任何其它合适的聚合物材料。这种材料可以具有任何合适的介电常数或相对电容率，诸如例如范围从大约2到大约30的介电常数。

在静电场(e-场)存在的情况下，作为相反电荷之间产生的力，电活性聚合物的压缩性质的物理起源是用麦克斯韦应力张量进行数学表达的麦克斯韦应力。由给定e-场诱导的应变或变形的水平取决于e-场强度的平方、电活性聚合物的介电常数以及所讨论的材料的弹性顺应性(compliance)。在这种情况下，顺应性是应变相对于应力的变化，或者等效地、更实际地说，是位移相对于力的变化。

空隙

在一些实施例中，电活性元件可以包括空隙，例如纳米空隙(例如，在包括电活性聚合物或其复合物的电活性元件中具有多个空隙和/或纳米尺寸的空隙)。在一些实施例中，纳米空隙可以占据电活性元件体积的至少约10％(例如，按体积约10％、按体积约20％、按体积约30％、按体积约40％、按体积约50％、按体积约60％、按体积约70％、按体积约80％、按体积约90％)。空隙和/或纳米空隙可以是闭孔的或开孔的，或者是它们的混合物。如果它们是开孔的，空隙尺寸可以是孔(cell)的最小平均直径。在一些实施例中，聚合物层可以包括热固性材料和/或弹性模量小于约10gpa(例如，约0.5gpa、约1gpa、约2gpa、约3gpa、约4gpa、约5gpa、约6gpa、约7gpa、约8gpa、约9gpa)的任何其他合适的材料。

空隙和/或纳米空隙可以是任何合适的尺寸，并且在一些实施例中，空隙可以接近未变形状态下聚合物层的厚度尺度。例如，空隙可以在大约10nm到大约等于成对的两个电极之间的间隙之间。在一些实施例中，空隙可以在大约10nm到大约1000nm之间(例如，大约10nm、大约20nm、大约30nm、大约40nm、大约50nm、大约60nm、大约70nm、大约80nm、大约90nm、大约100nm、大约110nm、大约120nm、大约130nm、大约140nm、大约150nm、大约160nm、大约170nm、大约180nm、大约190nm、大约200nm、大约250nm、大约300nm、大约400nm、大约500nm、大约600nm、大约700nm、大约800nm、大约900nm、大约1000nm)，例如在大约10nm到大约200nm之间。

在一些实施例中，本文使用的术语“有效密度”可以指使用测试方法获得的参数，其中均匀厚的弹性体层可以放置在两个平坦且刚性的圆板之间。在一些实施例中，被压缩的弹性体材料的直径可以是弹性体材料厚度的至少100倍。可以测量弹性体材料的直径，然后可以将板压在一起以在弹性体上施加至少大约1×10⁶帕的压力，并且重新测量弹性体的直径。有效密度可以由以下表达式确定：d比＝d未压缩/d压缩，其中，d比可以表示有效密度比，d未压缩可以表示未压缩聚合物的密度，d压缩可以表示未压缩的聚合物的密度。

电活性元件或其他介电材料内的空隙密度可以作为位置的函数而变化。在一些实施例中，电活性组分(或介电材料)的体积分数可以在10％到60％之间变化。空隙的结构可以是互连的(开孔的)，或者空隙可以被合适的介电材料完全包围(闭孔的)。空隙可以部分填充电介质液体或电介质气体。空隙可以部分涂有一层合适的材料。在一些实施例中，空隙材料(例如多孔材料)可以使用模板剂(templatingagent)来制造，例如，引导电活性元件的孔隙或其他结构元件的结构形成的材料。模板剂可以是物质的任何相(固体、液体、气体)。在一些实施例中，移除模板剂以产生孔隙(或空隙)。

颗粒

在一些实施例中，电活性元件可以包括包含具有高介电常数的材料的颗粒，该颗粒的平均直径在大约10nm到大约1000nm之间。在一些实施例中，具有高介电常数的材料可以包括钛酸钡。

在一些实施例中，电活性元件可以包括一种或更多种聚合物，并且可以另外包括多个颗粒。在一些实施例中，电活性元件可以包括有助于形成空隙、支撑空隙区域或两者的材料颗粒。示例颗粒材料包括：硅酸盐，如二氧化硅，包括由硅胶、气相二氧化硅产生的结构；钛酸盐，例如钛酸钡；金属氧化物，例如过渡金属氧化物，例如二氧化钛；另一种氧化物；其复合物或其组合；或其他颗粒材料。颗粒的平均直径可以在大约10nm到大约1000nm之间，并且颗粒可以形成平均尺寸在大约100nm到大约10000nm之间的分支或网状颗粒。

在一些实施例中，电活性元件可以包括具有高介电常数的材料颗粒。在一些实施例中，颗粒的平均直径可以在大约10nm到大约1000nm之间。在一些实施例中，颗粒材料可以具有高介电常数。在一些实施例中，颗粒材料可以包括钛酸盐，例如钛酸钡(batio3)，或者其他钙钛矿材料，例如其他钛酸盐。

此外或替代地，任何其他合适的组分可以添加到电活性聚合物材料中。batio3是具有相对高的介电常数(例如，在大约500到大约7000之间的值)和极化的铁电材料，并且可以用在本文描述的各种电活性设备中。除了大的极化率和电容率之外，batio3也可以实现大的应变。纯batio3是一种绝缘体，而在掺杂时，它可以与聚合物材料一起转变成半导体。在一些实施例中，具有高介电常数的材料颗粒可以包含在聚合物中，以改变第一电活性元件或第二电活性元件的机械特性(例如，泊松比)或电特性(电阻、电容等)。

在一些实施例中，电活性设备包括第一电极、第二电极和介于第一电极和第二电极的至少一部分区域之间的空隙聚合物层。在一些实施例中，空隙聚合物层没有在大于10nm的长度尺度上的周期性结构，并且空隙具有小于1微米的特征长度尺度。空隙可以在开孔的配置中形成相连结构，或者空隙可以被例如介电材料包围，处于闭孔配置中。在一些实施例中，空隙介电材料可以进一步包括具有高介电常数的材料的颗粒，例如固体，例如钛酸钡。在一些实施例中，空隙可以用流体填充，例如液体或气体，例如介电液体或具有高介电强度气体的介电气体，例如卤化物，特别是氟化物，例如六氟化硫、有机氟化物等。

电极

在一些实施例中，本文使用的“电极”可以指导电材料，其可以是膜或层的形式。电极可以是自愈合的，使得当活性层(例如，电活性元件)的区域短路时，电极能够隔离受损区域。

在一些实施例中，电极(例如，诸如第一电极、第二电极115或任何其他电极)可以包括金属，例如铝、金、银、锡、铜、铟、镓、锌等。电极可以包括一种或更多种导电材料，例如金属、半导体(例如掺杂半导体)、碳纳米管、石墨烯、透明导电氧化物(tco，如氧化铟锡(ito)、氧化锌(zno)等)，或其他导电材料。

在一些实施例中，电活性设备可以包括成对的电极，它们允许产生迫使电活性聚合物收缩的静电场。这种电极可以包括相对薄的导电层或元件，并且可以具有非顺应性或顺应性。在电极中可以使用任何合适的材料，包括适用于薄膜电极的导电材料，诸如例如铝、透明导电氧化物、银、铟、镓、锌、碳纳米管、炭黑和/或通过真空沉积、喷涂、粘合和/或任何其他合适的技术在非电活性聚合物层上或直接在电活性聚合物表面本身上形成的任何其他合适的材料。在一些实施例中，电极或电极层可以是自愈的，从而可以隔离电路的局部短路造成的损坏。合适的自愈电极可以包括金属(例如铝)薄膜。

在一些实施例中，一个或更多个电极可以可选地例如通过接触层电互连到公共电极。在一些实施例中，电活性设备可以具有连接到第一多个电极的第一公共电极和连接到第二多个电极的第二公共电极。在一些实施例中，电极(例如，第一多个电极中的一个和第二多个电极中的一个)可以使用绝缘体(例如介电层)彼此电隔离。绝缘体可以包括没有明显导电性的材料，并且可以包括介电材料，诸如例如丙烯酸酯或硅酮聚合物。在一些实施例中，电极(或其他电连接器)可以包括金属(例如，锡、铝、铜、金、银等)。在一些实施例中，电极(例如电触点)或电连接器可以包括与其他类似部件类似的材料。

在一些实施例中，第一电极可以与第二电极的至少一部分重叠(例如，在平行方向上重叠)。第一电极和第二电极可以大致平行且间隔开。第三电极可以与第一电极或第二电极的至少一部分重叠。电活性元件可以包括第一聚合物(例如，弹性体材料)，并且可以设置在第一对电极(例如，第一电极和第二电极)之间。第二电活性元件(如果使用的话)可以包括第二弹性体材料，并且可以设置在第二对电极之间。在一些实施例中，可以有第一对电极和第二对电极共用的电极。

在一些实施例中，公共电极可以电耦合(例如，在具有低接触电阻的界面处电接触)到一个或更多个其他电极，例如，位于第一电极任一侧的第二电极和第三电极。在一些实施例中，电活性设备可以包括例如以堆叠配置交错在电极之间的附加电活性元件。例如，电极可以形成相互交错的电极堆叠，交替电极连接到第一公共电极，剩余的交替电极连接到第二公共电极。例如，附加的电活性元件可以设置在第一电极的另一侧。附加电活性元件可以与第一电活性元件重叠。额外的电极可以邻接任何额外的电活性元件的表面设置。在一些实施例中，电活性设备可以包括更多(例如，两个、三个或更多)这样的附加电活性元件和相应的电极。例如，电活性设备可以包括两个或更多个电活性元件和相应电极的堆叠。例如，电活性设备可以包括2个电活性元件至大约5个、大约10个、大约20个、大约30个、大约40个、大约50个、大约100个、大约200个、大约300个、大约400个、大约500个、大约600个、大约700个、大约800个、大约900个、大约1000个、大约2000个或大于大约2000个电活性元件。

在一些实施例中，电极可以是柔性的和/或弹性的，并且当电活性元件经历变形时，电极可以例如弹性地拉伸。电极可以包括一种或更多种透明导电氧化物(tco)，如氧化铟、氧化锡、氧化铟锡(ito)等，石墨烯、碳纳米管等。在其他实施例中，例如，在电活性设备具有包括纳米空隙电活性聚合物材料的电活性元件的实施例中，可以使用相对刚性的电极(例如，包括诸如铝的金属的电极)。

在一些实施例中，电极(例如，第一电极和/或第二电极，或任何其他电极)可以具有大约1nm至大约100nm的电极厚度，示例厚度为大约10nm至大约50nm。在一些实施例中，电极可以被设计成允许电活性元件的电击穿(例如，弹性聚合物材料的电击穿)的愈合。在一些实施例中，电极可以具有大约20nm的电极厚度。在一些实施例中，公共电极可以具有倾斜的形状，或者可以是更复杂的形状(例如，图案化或自由形式)。在一些实施例中，公共电极可以被成形为允许电活性设备在操作期间压缩和膨胀。

电极制造

在一些实施例中，可以使用任何合适的工艺制造电极(例如，第一电极、第二电极或包括任何公共电极的任何其他电极)。例如，可以使用物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、溅射、喷镀、旋涂、原子层沉积(ald)等方法制造电极。在一些实施例中，可以使用热蒸发器、溅射系统、喷涂器、旋涂器、ald单元等来制造电极。在一些实施例中，电活性元件可以直接沉积在电极上。在一些实施例中，电极可以直接沉积在电活性元件上。在一些实施例中，电极可以被预制并附着到电活性元件。在一些实施例中，电极可以沉积在基板上，例如玻璃基板或柔性聚合物膜。在一些实施例中，电活性元件可以直接邻接电极。在一些实施例中，在电活性元件和电极之间可以有介电层，例如绝缘层。可以使用任何合适的工艺组合。

透镜组件和光学系统

在一些实施例中，电活性设备可以包括或机械耦合到一个或更多个光学元件。光学元件可以包括透镜、反射镜、棱镜、全息元件、分束器、滤光器、衍射光栅或其他光学元件。在一些实施例中，电活性设备，例如致动器，可以包括或机械耦合到可调透镜。可调透镜可以包括具有可调光学特性(例如，可调光焦度/焦距、校正波前失真和/或像差等)的任何合适类型的透镜、液体透镜、凝胶透镜或其他可调透镜。例如，可调透镜可以包括填充有光学介质的可变形外层，该光学介质例如为液体或半固体材料(例如，凝胶、半固体聚合物等)。可调透镜可包括在压力下可变形和/或流动的一种或更多种(在应用波长下)基本透明的材料。

可变形光学元件可以包括基本透明且弹性的材料。例如，可变形光学元件可以包括天然或合成弹性体，当变形力被移除时，该弹性体返回到静止状态。在一些实施例中，可变形光学元件可以使用电活性设备来变形，该电活性设备产生直接驱动力以产生期望的光焦度或其他光学特性，例如用于透镜或其他光学元件。在一些实施例中，致动力可以围绕可变形透镜的周边施加，并且可以围绕透镜的周边大致均匀或可变。在一些实施例中，电活性设备可用于致动光学组件(例如，透镜系统)中的可变形光学元件。

在一些实施例中，致动器可以包括弯曲器。在一些实施例中，本文使用的术语“弯曲器”可以指但不限于基于板或梁设计的电驱动致动器，该电驱动致动器通过施加的电场将面内收缩转换成面外位移。弯曲器或弯曲致动器可以包括以双压电晶片(bimorph)、单压电晶片(unimorph)或多层单体配置操作的全电活性或复合材料堆叠。在一些实施例中，本文使用的术语“单压电晶片弯曲器”可以指但不限于具有电活性层和非活性层的梁或板，其中位移由电活性层的收缩或膨胀引起。在一些实施例中，本文使用的术语“双压电晶片弯曲器”可以指但不限于具有两个电活性层的梁或板，其中位移由一层的膨胀或收缩以及第二层的交替收缩或膨胀引起。

在一些实施例中，本文使用的术语“多层弯曲器”可以指但不限于电活性层、电极层和绝缘层的多层堆叠，其与交替收缩和膨胀的电活性层集成为单体弯曲器(monolithicbender)。多层压电弯曲器中的压电层可以在低电压下产生高电场(因此产生高的力和位移)。多层弯曲器可以包括多个薄压电陶瓷层，这可能需要较低的电压来实现类似于双压电晶片和单压电晶片设计的内应力。开环或闭环中的电荷和电压控制也可以在多层弯曲器中实现，但需要进行一些调整。在一些实施例中，用于多层弯曲器的控制系统可能不需要高压电源。

根据一些实施例，致动器可以是框架轮廓的环形弯曲器和/或可以包括堆叠或重叠的弯曲器。此外，致动器体积可被限制在光学孔外部的边缘区域，其可包括透镜、光学元件、光学子组件等的周边体积。如上所述，电活性设备如致动器(或一组致动器)可在离散点或沿透镜周边的空间限定分布提供相等或不同的力和位移。

在一些实施例中，电活性设备可以包括一个或更多个直接驱动弯曲器，该弯曲器可以包括设置在两个电极之间的电活性元件。在这样的示例中，形成电活性设备的方法可以包括同时形成电极和电活性聚合物(例如，通过同向流动(coflow)、槽模涂布(slotdiecoating)等)。

在一些实施例中，根据本公开的示例实施例，透镜组件可以包括多个可变形光学元件(例如，多个可变形透镜，例如液体透镜)，其中变形由一个或更多个电活性设备提供。

设备制造方法

下面讨论各种制造方法。通过改变一个或更多个工艺参数，例如波长、强度、基板温度、其它工艺温度、气体压力、附加辐射的施加、化学浓度梯度、化学组成变化(例如控制胶束尺寸(micellesize))或其它工艺参数，电活性元件的性质可以在其空间范围内变化。非均匀的空隙尺寸分布可以通过改变电活性元件内的牺牲区域(sacrificialregion)的尺寸来获得。

形成电活性设备的方法包括顺序形成电极和电活性元件(例如，通过气相沉积、涂覆、印刷等)或同时形成电极和电活性元件(例如，通过同向流动、共挤出、槽模涂布等)。替代地，可以使用引发化学气相沉积(icvd)来沉积电活性元件，其中，例如，可以使用所需聚合物的合适单体来形成所需涂层。在一些实施例中，用于形成电活性元件的单体、低聚物和/或预聚物可以任选地与溶剂混合，并且可以在固化期间和/或之后从电活性元件中除去溶剂，以在电活性元件内形成纳米空隙。

一种制造电活性设备的方法可以包括将可固化材料沉积到第一电极上，固化沉积的可固化材料以形成电活性元件，例如包括固化的弹性体材料，以及将导电材料沉积到与第一电极相对的电活性元件的表面上以形成第二电极。在一些实施例中，固化的弹性体材料可以具有大约0.35或更小的泊松比。在一些实施例中，一种方法可以进一步包括将附加的可固化材料沉积到与电活性元件相对的第二电极的表面上，固化沉积的附加的可固化材料以形成包括第二固化弹性体材料的第二电活性元件，以及将附加的导电材料沉积到与第二电极相对的第二电活性元件的表面上以形成第三电极。

在一些实施例中，制造电活性元件的方法可以包括蒸发可固化材料或其前体，其中沉积可固化材料可以包括将蒸发的可固化材料沉积到第一电极上。在一些实施例中，制造电活性元件的方法可以包括将聚合物或其前体(例如可固化材料)印刷到电极上。在一些实施例中，一种方法还可以包括将聚合物前体材料与至少一种其他组分结合以形成沉积混合物。在一些实施例中，一种方法可以包括将可固化材料与具有高介电常数的材料颗粒结合以形成沉积混合物。

根据一些实施例，一种方法可以包括将可固化材料定位在第一导电材料和第二导电材料之间。定位的可固化材料可以被固化以形成包括固化的弹性体材料的电活性元件。在一些实施例中，固化的弹性体材料可以具有大约0.35或更小的泊松比。在一些实施例中，第一导电材料或第二导电材料中的至少一种可以包括可固化的导电材料，并且该方法可以进一步包括固化第一导电材料或第二导电材料中的至少一种以形成电极。在该示例中，固化第一导电材料或第二导电材料中的至少一种可以包括在固化定位的可固化材料期间固化第一导电材料或第二导电材料中的至少一种。

在一些实施例中，在将可固化材料定位在第一电极和第二电极之间的过程中，可固化材料和第一导电材料或第二导电材料中的至少一种可以是可流动的。一种制造电活性设备的方法可以进一步包括将可固化材料和第一导电材料或第二导电材料中的至少一种同时流动到基板上。

在一些实施例中，用于制造电活性设备(例如，致动器)的方法可以包括掩模(例如，阴影掩模(shadowmask))，以控制沉积材料的图案来形成电活性设备。在一些实施例中，电活性设备可以制造在由沉积室封闭的表面上，沉积室可以被抽真空(例如，使用一个或更多个机械真空泵至预定水平，例如10^-6托或更低)。沉积室可以包括刚性材料(例如，钢、铝、黄铜、玻璃、丙烯酸等)。用于沉积的表面可以包括转鼓(rotatingdrum)。在一些实施例中，旋转可产生离心能量，并使沉积材料更均匀地散布在机械耦合到表面的任何下面的顺序沉积材料(例如，电极、聚合物元件等)上。在一些实施例中，表面可以是固定的，沉积和固化系统可以相对于表面移动，或者表面、沉积和/或固化系统可以同时移动。

在一些实施例中，电活性设备(例如，致动器、传感器等)可以通过以下方式制造：提供具有第一表面的导电层(例如，第一电极)；将聚合物(例如电活性聚合物)或聚合物前体(例如单体)沉积(例如气相沉积)到电极上；根据需要，由聚合物前体形成聚合物，例如电活性聚合物(例如，通过固化或类似工艺)；以及在电活性聚合物上沉积另一导电层(例如，第二电极)。在一些实施例中，该方法可以进一步包括重复上述一个或更多个步骤来制造附加层(例如，第二电活性元件、其他电极、聚合物层和电极的交替堆叠等)。电活性设备可以具有堆叠配置。

在一些实施例中，可以通过首先沉积第一电极，然后在第一电极上沉积可固化材料(例如，单体)(例如，使用气相沉积工艺沉积)来制造电活性设备。在一些实施例中，沉积室的入口(未示出)可以打开，并且可以输入用于开始化学反应的合适的单体引发剂。在一些实施例中，本文所用的“单体”可以指形成给定聚合物(即，作为电活性元件的一部分)的单体。在其他示例中，聚合物前体(例如单体)的聚合可以包括暴露于电磁辐射(例如，可见光、uv、x射线或伽马辐射)、暴露于其他辐射(例如，电子束、超声波)、热、暴露于化学物质(例如，催化剂、引发剂等、它们的某种组合等)。

沉积的可固化材料可以用辐射源(例如电磁辐射，如uv和/或可见光)固化，以例如通过光聚合形成包括固化的弹性体材料的电活性元件。在一些实施例中，辐射源可包括可产生电磁辐射的通电细丝阵列(arrayoffilaments)、诸如发光二极管(led)或半导体激光器的半导体设备、其他激光器、荧光或光学谐波产生源等。单体和引发剂(如果使用的话)可以在暴露于辐射时反应形成电活性元件。在一些实施例中，辐射可以包括具有能够破坏材料中共价键的能量(例如，强度和/或光子能量)的辐射。辐射的示例可以包括电子、电子束、离子(例如质子、原子核和离子化的原子)、x射线、γ射线、紫外可见光或例如具有适当高的能量水平的其他辐射。在一些实施例中，固化的弹性体材料可以在多个限定区域中包括至少一种非聚合物组分，并且该方法可以进一步包括从固化的弹性体材料中去除至少一种非聚合物组分的至少一部分，以形成空隙化(例如，纳米空隙化)的聚合物元件。

然后将导电材料沉积到第一电活性元件的与第一电极相对的表面上，以形成第二电极。额外的可固化材料可以沉积在与电活性元件相对的第二电极的表面上。例如，沉积的附加可固化材料可以被固化以形成第二电活性元件，例如包括第二固化弹性体材料。在一些实施例中，额外的导电材料可以沉积在与第二电极相对的第二电活性元件的表面上，以形成第三电极。

在一些实施例中，沉积室可以具有排气口，该排气口被配置为打开以在材料(例如，单体、低聚物、单体引发剂、导电材料等)的一次或更多次沉积期间和/或之间释放室中的至少一部分蒸汽。在一些实施例中，沉积室可以被净化(例如，用气体或施加真空，或两者)，以去除一部分蒸汽(例如，单体、低聚物、单体引发剂、金属颗粒和任何所得副产物)。此后，可以重复一个或更多个前述步骤(例如，用于第二电活性元件等)。以这种方式，电活性设备的各个层可以保持在高纯度水平。

在一些实施例中，电活性设备的材料(如单体、低聚物、单体引发剂、导电材料等)的沉积可使用沉积工艺进行，如下文将进一步描述的化学气相沉积(cvd)。cvd可以指用于生产高质量、高性能固体材料的真空沉积方法。在cvd中，基板可以暴露于一种或更多种前体，其可以在基板表面上反应和/或分解以产生期望的沉积物(例如，一个或更多个电极、电活性聚合物等)。通常，还会产生挥发性的副产物，这些副产物可以通过气体流过腔室来去除。

在一些实施例中，可以使用大气压cvd(apcvd)涂层形成技术(例如，大气压下的cvd)来制造电活性设备。在一些实施例中，可以使用低压cvd(lpcvd)工艺(例如，在亚大气压下的cvd)来制造电活性设备。在一些实施例中，lpcvd可以利用降低的压力，这可以减少不希望的气相反应，并提高沉积材料在整个基板上的均匀性。在一个方面，制造装置可以应用超高真空cvd(uhvcvd)工艺(例如，在非常低的压力下的cvd，通常低于大约10^-6帕(相当于大约10^-8托))。

在一些实施例中，可使用气溶胶辅助cvd(aacvd)工艺(例如，前体被输送到电活性设备的cvd)，通过液体/气体气溶胶来制造电活性设备，气溶胶可超声地或用电喷雾产生。在一些实施例中，aacvd可与非挥发性前体一起使用。在一些实施例中，可使用直接液体注入cvd(dlicvd)工艺(例如，前体为液体形式的cvd，例如，溶解在溶剂中的液体或固体)来制造电活性设备。液体溶液可以在沉积室中向一个或更多个喷射器喷射。然后，前体蒸汽可以正如在cvd中那样被输送到电活性设备。dlicvd可用于液体或固体前体，使用这种技术可以达到沉积材料的高生长率。

在一些实施例中，可以使用热壁(hotwall)cvd工艺(例如，其中沉积室由外部电源加热，而电活性设备由来自沉积室的加热壁的辐射加热的cvd)来制造电活性设备。在另一方面，电活性设备可以使用冷壁(coldwall)cvd工艺(例如，其中仅电活性设备被例如通过感应而直接加热，同时室壁保持在室温的cvd)制造。

在一些实施例中，可以使用微波等离子体辅助cvd(mpcvd)工艺制造电活性设备，其中微波被用来提高前体的化学反应速率。在另一个方面，可以使用等离子体增强cvd(pecvd)工艺(例如，使用等离子体来增强前体的化学反应速率的cvd)来制造电活性设备。在一些实施例中，pecvd工艺可以允许在较低的温度下沉积材料，这对于对抗电活性设备的损坏或沉积某些材料(例如，有机材料和/或一些聚合物)可能是有用的。

在一些实施例中，可以使用远程等离子体增强cvd(rpecvd)工艺制造电活性设备。在一些实施例中，除了电活性设备可以不直接在等离子体放电区域中之外，rpecvd可以类似于pecvd。在一些实施例中，从等离子体区域移除电活性设备可以允许将处理温度降低到室温。

在一些实施例中，可以使用原子层cvd(alcvd)工艺制造电活性设备。在一些实施例中，alcvd可以沉积不同物质的连续层，以在电活性设备上产生层状结晶薄膜涂层。

在一些实施例中，可以使用燃烧化学气相沉积(ccvd)工艺制造电活性设备。在一些实施例中，ccvd(也称为火焰热解)可以指用于沉积高质量薄膜(例如，厚度范围从几分之一纳米(单分子层)到几微米的材料层)和纳米材料的开放气氛、基于火焰的技术，其可以用于形成电活性设备。

在一些实施例中，可使用热丝cvd(hfcvd)工艺制造电活性设备，该工艺也可被称为催化cvd(cat-cvd)或引发cvd(icvd)。在一些实施例中，该工艺可以使用热丝来化学分解源气体以形成电活性设备的材料。此外，丝温度和电活性设备各部分的温度可以独立控制，允许较低的温度在电活性设备处有较好的吸附速率，而较高的温度是丝处前体分解成自由基所必需的。

在一些实施例中，可使用混合物理化学气相沉积(hpcvd)工艺制造电活性设备。hpcvd可能涉及前体气体的化学分解和固体源的气化，以形成电活性设备上的材料。

在一些实施例中，可使用金属有机物化学气相沉积(mocvd)工艺(例如，使用金属有机物前体的cvd)在电活性设备上形成材料以制造电活性设备。例如，可使用这种方法在电活性元件上形成电极。

在一些实施例中，可以使用快速热cvd(rtcvd)工艺制造电活性设备。这种cvd工艺使用加热灯或其他方法来快速加热电活性设备。仅加热电活性设备而不是前体或室壁可以减少不希望的气相反应，这些不希望的气相反应可能导致在电活性设备中的颗粒形成。

在一些实施例中，可以使用光引发cvd(picvd)工艺制造电活性设备。该工艺可以使用uv光来刺激用于制造电活性设备材料的前体材料中的化学反应。在某些条件下，picvd可以在大气压或接近大气压的压力下操作。

在一些实施例中，电活性设备可以通过纳米空隙化工艺制造，该工艺包括将可固化材料(例如，诸如丙烯酸酯或硅酮的单体)和用于可固化材料的溶剂沉积到基板上，加热可固化材料，其中至少一部分溶剂保留在固化的单体中，并从固化的单体中除去溶剂。使用该工艺，可以在电活性元件中形成空隙，例如纳米空隙。在一些实施例中，可流动材料(例如，溶剂)可与可固化材料(例如，单体和导电材料)结合，以产生可用于生产具有纳米空隙的电活性聚合物的可流动混合物。单体可以是单官能(monofunctional)或多官能(polyfunctional)的，或它们的混合物。多官能单体可用作交联剂以增加刚性或形成弹性体。多官能单体可包括二官能材料(如双酚芴(eo)二丙烯酸酯)、三官能材料(如三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(tmpta))和/或更高官能材料。可以使用其他类型的单体，包括例如异氰酸酯，并且这些可以与具有不同固化机理的单体混合。

在一些实施例中，可流动材料可以与可固化材料(例如单体)结合(例如混合)。在一些实施例中，可固化材料可与至少一种不可固化组分(例如，具有高介电常数的材料颗粒)结合，以在例如电活性设备的电极(例如，第一电极或第二电极)上形成包括可固化材料和至少一种不可固化组分的混合物。替代地，可流动材料(例如溶剂)可被引入蒸发器中，以将可固化材料沉积(例如，通过蒸发，或者在替代实施例中，通过印刷)到电极上。在一些实施例中，可流动材料(例如，溶剂)可作为单独的层沉积在可固化材料(例如，单体)的上面或下面，并且可允许溶剂和可固化材料在被辐射源固化之前相互扩散，以产生具有纳米空隙的电活性聚合物。在一些实施例中，在可固化材料固化之后，在形成另一种电活性聚合物或另一种电极之前，可以允许溶剂蒸发。在一些实施例中，可以通过以下方式来加速溶剂的蒸发：用加热器对表面加热，加热器可以例如设置在鼓形成表面和/或任何其他合适的位置内，或者通过使用冷阱(例如将蒸汽冷凝成液体或固体的设备)来降低基板上方的溶剂的压力，或这两种动作的组合。隔离器(未示出)可以添加到装置中，以防止例如溶剂蒸汽干扰辐射源或电极源。

在一些实施例中，溶剂可以具有与至少一种被蒸发的单体相似的蒸汽压。溶剂可以溶解单体和生成的电活性聚合物，或者溶剂可以仅溶解单体。替代地，溶剂可对单体或(在应用单体混合物的情况下的)多种单体具有低溶解度。此外，溶剂可以与至少一种单体不混溶，并且当在基板上冷凝时可以至少部分地相分离(phaseseparate)。

在一些实施例中，可以有多个蒸发器，多个蒸发器中的每一个应用不同的材料，包括溶剂、非溶剂、单体和/或陶瓷前体，例如原硅酸四乙酯和水，以及任选的用于形成溶胶-凝胶的催化剂，例如hcl或氨。

在一些实施例中，产生用于结合电活性设备(如本文中不同描述的电活性设备)使用的纳米空隙聚合物的方法可以包括共沉积单体或单体混合物、表面活性剂和与表面活性剂相容的单体相关的非溶剂材料。在各种示例中，单体可包括但不限于丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸乙氧基乙酯、2-氯乙基乙烯基醚、丙烯酸氯甲基酯、甲基丙烯酸、烯丙基缩水甘油醚和/或n-羟甲基丙烯酰胺。其它固化剂如多胺、高级脂肪酸或其酯和/或硫可用作单体。在一些方面，表面活性剂可以是离子型或非离子型的(例如，可从sigma-aldrich公司获得的span80)。在另一方面，非溶剂材料可以包括有机和/或无机非溶剂材料。例如，非溶剂材料可以包括水或烃，或者可以包括高极性有机化合物，例如乙二醇。如上所述，单体或多种单体、非溶剂和表面活性剂可以共沉积。替代地，单体或多种单体、非溶剂和/或表面活性剂可以顺序沉积。在一个方面，可以控制基板温度以产生和控制通过共沉积或顺序沉积单体或多种单体、非溶剂和表面活性剂而产生的所得乳液的一种或更多种特性。可以对基板进行处理以防止乳液不稳定。例如，铝层可以涂覆有薄聚合物层，该聚合物层通过沉积单体然后固化该单体而制成。

如贯穿本公开所讨论的，所公开的设备、系统和方法可以提供优于传统设备、系统和方法的一个或更多个优点。例如，与现有设备相比，本文提出的电活性设备可包括电活性元件，该电活性元件在由成对电极之间的电势差产生的静电场的存在下实现基本均匀的应变，从而允许电活性设备实现例如能量密度和比功率密度(specificpowerdensity)的提高。这种均匀的应变可以减少或消除电活性元件中不想要的变形，并且可以导致电活性元件的更大的整体变形(例如压缩)，提供电活性元件的表面区域的更大程度的移动，同时需要更低的能量来提供这种变形。电活性元件可以包括具有纳米空隙区域的聚合物材料，该聚合物材料与无空隙材料相比，允许在存在电压梯度的情况下进行额外的压缩。此外，电活性设备可以形成为具有多个电活性元件的堆叠结构，电活性元件元件与多个电极层叠，使得多个电活性元件能够在单个设备中彼此联合地被致动，电活性设备与具有单个电活性元件或层的电活性设备相比，可以经历实质上更大程度的变形(例如，压缩和/或膨胀)。

本文描述和示出的电活性设备可以在任何合适的技术中使用，而没有限制。例如，这种电活性设备可以用作机械致动器来驱动相邻部件的移动。在至少一个实施例中，所公开的电活性设备可以被结合到光学系统中，例如如本文所述的可调透镜(例如，流体填充透镜)，以驱动一个或更多个光学层的移动。这种致动可以例如允许可调透镜的透镜层的选定移动，导致透镜层的变形，从而调节该可调透镜的光学特性(例如，焦点、球面校正、柱面校正、轴向校正等)。在一些实施例中，本文公开的电活性设备可以用作微机械装置(例如微机电设备)中的致动器。附加地或替代地，电活性设备可以用于将机械能转换成电能，用于能量收集系统和/或传感器装置。

本公开的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与捕获的(例如，真实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式使用(例如在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(hmd)、独立的hmd、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。

如上面所详述的，本文描述和/或示出的计算设备和系统广泛地表示能够执行计算机可读指令(例如在本文描述的模块中包含的那些指令)的任何类型或形式的计算设备或系统。在它们的最基本的配置中，这些计算设备可以各自包括至少一个存储器设备和至少一个物理处理器。

在一些实施例中，术语“存储器设备”通常指能够存储数据和/或计算机可读指令的任何类型或形式的易失性或非易失性存储设备或介质。在一个示例中，存储器设备可以存储、加载和/或维护本文描述的一个或更多个模块。存储器设备的示例非限制地包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、闪存、硬盘驱动器(hdd)、固态驱动器(ssd)、光盘驱动器、高速缓存、这些部件中的一个或更多个的变形或组合、或者任何其他合适的储存存储器。

在一些实施例中，术语“物理处理器”通常指能够解释和/或执行计算机可读指令的任何类型或形式的硬件实现的处理单元。在一个示例中，物理处理器可以访问和/或修改存储在上述存储器设备中的一个或更多个模块。物理处理器的示例非限制地包括微处理器、微控制器、中央处理单元(cpu)、实现软核处理器的现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、这些部件中的一个或更多个的部分、这些部件中的一个或更多个的变形或组合、或任何其他合适的物理处理器。

尽管被示为单独的元件，但是本文描述和/或示出的模块可以表示单个模块或应用的部分。此外，在某些实施例中，这些模块中的一个或更多个可以表示一个或更多个软件应用或程序，其当由计算设备执行时可以使计算设备执行一个或更多个任务。例如，本文描述和/或示出的一个或更多个模块可以表示被存储和配置为在本文描述和/或示出的一个或更多个计算设备或系统上运行的模块。这些模块中的一个或更多个还可以表示被配置为执行一个或更多个任务的一个或更多个专用计算机的全部或部分。

此外，本文描述的一个或更多个模块可以将数据、物理设备和/或物理设备的表示从一种形式转换成另一种形式。例如，本文所述的模块中的一个或更多个可以接收待转换的数据、转换数据、输出转换的结果以执行功能、使用转换的结果来执行功能、以及存储转换的结果以执行功能。附加地或可替代地，本文所述的一个或更多个模块可以通过在计算设备上执行、在计算设备上存储数据、和/或以其他方式与计算设备交互来将处理器、易失性存储器、非易失性存储器和/或物理计算设备的任何其他部分从一种形式转换成另一种形式。

在一些实施例中，术语“计算机可读介质”通常指能够存储或携带计算机可读指令的任何形式的设备、载体或介质。计算机可读介质的示例包括但不限于传输型介质(诸如，载波)以及非暂时性介质，诸如，磁存储介质(例如，硬盘驱动器、磁带驱动器和软盘)、光存储介质(例如，光盘(cd)、数字视频盘(dvd)和blu-ray盘)、电子存储介质(例如，固态驱动器和闪存介质)以及其他分发系统。

在本文描述和/或示出的过程参数和步骤的顺序仅作为示例被给出，并且可以根据需要而变化。例如，虽然在本文示出和/或描述的步骤可以以特定顺序被示出或讨论，但这些步骤不一定需要以所示出或讨论的顺序来被执行。本文描述和/或示出的各种示例性方法也可以省略在本文描述或示出的一个或更多个步骤，或者包括除了那些所公开的步骤之外的附加步骤。

提供前面的描述以使本领域中的其他技术人员能够最好地利用本文公开的示例性实施例的各种方面。该示例性描述并不旨在是穷尽的或受限于所公开的任何精确形式。许多修改和变化是可能的，而不偏离本公开的精神和范围。本文公开的实施例应当在所有方面被认为是说明性的而不是限制性的。在确定本公开的范围时，应当参考所附权利要求及其等同物。

除非另外提到，如在说明书和权利要求中使用的术语“连接到”和“耦合到”(及其派生词)应被解释为允许直接和间接(即，经由其他元件或部件)连接。此外，如在说明书和权利要求中使用的术语“一个(a)”或“一个(an)”应被解释为意指“......中的至少一个”。最后，为了容易使用，如在说明书和权利要求中使用的术语“包括(including)”和“具有”(及其派生词)与词“包括(comprising)”可互换并具有与词“包括(comprising)”相同的含义。