针对可调节的物理维度特性整合至物品的动态材料的制作方法
【专利说明】针对可调节的物理维度特性整合至物品的动态材料
[0001]发明背景
[0002]动态材料是能够响应于刺激而改变形状的材料。刺激可以是热能(或缺乏热能)、含水量(或缺乏含水量)、光(或缺乏光)、电流(或缺乏电流)、磁影响(或缺乏磁影响)的形式和其他形式的刺激。
[0003]发明概述
[0004]本发明的各方面涉及针对可调节的物理特性(例如，美感性、功能性)将动态材料整合至物品的系统和方法。例如，响应于人类身体热量，动态材料可以改变形状以允许服装物品中的额外的透气性或升程(loft)。类似地，响应于水分的存在，服装物品可以关闭通风孔以防止将雨引入物品的内部部分之内。形状变化材料可以改变仅影响由形状变化材料形成的特征的形状。此外，据设想，形状变化材料可以改变影响作为整体的物品的几何结构(例如，突起、浅凹、通风孔，等等)的形状。
[0005]提供本概述以简化的形式介绍构思的选择，这在下面的详细描述中进一步描述。本概述既不意图识别所要求主题的关键特征或者基本特征，也不意图用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
[0006]附图简述
[0007]下面参照附图详细地描述本发明的说明性实施方式，通过引用将其合并于此，并且在附图中:
[0008]图1描绘了根据本发明的各方面的包括基础材料和反应性结构的示例性的反应性材料部分；
[0009]图2描绘了根据本发明的各方面的示例性的反应性结构；
[0010]图3-图7描绘了根据本发明的各方面的利用反应性结构和非反应性结构的呈活性状态的示例性构造；
[0011]图8描绘了根据本发明的各方面的结合至具有多个玮线和经线的织物材料内的动态材料；
[0012]图9描绘了根据本发明的各方面的具有设定变形的织物材料；
[0013]图1OA-图1OC描绘了根据本发明的各方面的衣物的选定部分的可变的孔；
[0014]图1lA-图12B描绘了可以用于本文中设想的一个或更多个方面的示例性电激活聚合物(EAP);
[0015]图13描绘了根据本发明的各方面的响应于所施加的刺激而填充间隙空位的形状变化结构；
[0016]图14描绘了根据本发明的各方面的几何材料的平面图；
[0017]图15描绘了根据本发明的各方面的、图14的在第一方向上延伸的形状记忆聚合物构件和在相反方向上延伸的其他形状记忆聚合物构件的透视图；和
[0018]图16-图19B描绘了根据本发明的各方面的利用动态材料打开和关闭结合至物品的通风结构的折曲通风孔(reflex vent)构思。
[0019]图20描绘了根据本发明的各方面的载体材料上的成形且定向的动态材料的示例性拉胀结构；
[0020]图21描绘了根据本发明的各方面的拉胀结构，其具有相对于与图20中讨论的拉胀结构相似的图案的定位线以示出各部分相对于彼此的定向和放置，以便响应于刺激实现所需的Z-方向变化；
[0021]图22描绘了根据本发明的各方面的示例性关系三角形，其描述呈第一状态和呈第二状态的拉胀结构中的各部分的关系；
[0022]图23描绘了根据本发明的各方面的由动态材料部分和载体材料形成的呈维度状态的拉胀结构；
[0023]图24描绘了根据本发明的各方面的呈与图20、21和23中讨论的那些结构相似的维度状态的拉胀结构；
[0024]图25描绘了根据本发明的各方面的形成有载体材料和多个动态材料部分的可选择的拉胀结构；
[0025]图26描绘了根据本发明的各方面的拉胀结构的维度透视图，该拉胀结构具有与图25中描绘的动态材料相似的动态材料的图案；
[0026]图27描绘了根据本发明的各方面的拉胀结构的维度透视图，该拉胀结构具有与图25中描绘的动态材料(来自与图26中讨论的表面相对的表面)相似的动态材料的图案；
[0027]图28描绘了根据本发明的各方面的具有形成简单弯曲的动态材料部分的拉胀结构的示例性图案；
[0028]图29描绘了根据本发明的各方面的呈局部维度状态的图28的拉胀结构；
[0029]图30描绘了根据本发明的各方面的呈维度状态的图28的拉胀结构；
[0030]图31描绘了根据本发明的各方面的示例性动态材料部分；
[0031]图32描绘了根据本发明的各方面的动态材料部分3000沿着剖切线32_32的横截面图；
[0032]图33描绘了根据本发明的各方面的动态材料部分3000沿着剖切线33_33的横截面图；
[0033]图34描绘了根据本发明的各方面的动态材料部分；
[0034]图35描绘了根据本发明的各方面的动态材料部分沿着剖切线35-35的横截面图；
[0035]图36描绘了根据本发明的各方面的动态材料部分沿着剖切线36-36的横截面图；
[0036]图37A-37D描绘了根据本发明的各方面的动态材料部分、偏置材料(biasingmaterial)和一种或更多种载体材料的示例性布置；
[0037]图38描绘了根据本发明的各方面的一系列动态材料段；
[0038]图39描绘了根据本发明的各方面的呈“闭合”定向的动态材料致动的可渗透结构；
[0039]图40描绘了根据本发明的各方面的呈“开放”定向的动态材料致动的可渗透结构；
[0040]图41描绘了根据本发明的各方面的沿着图40的剖切线41-41的横截面图；和[0041 ] 图42描绘了根据本发明的各方面的呈开放状态的动态材料致动的可渗透结构。
[0042]发明详述
[0043]具体描述了本发明的各实施方式的主题以满足法定需求。然而，该描述自身并不意图限制本专利的范围。相反，结合其他现有的或未来的技术，本发明人已设想到还可能以其他方式使所要求的主题具体化，以包括不同元件或元件的组合，它们相似于本文件中所描述的那些。
[0044]本发明的各方面涉及针对可调节的物理特性(例如，美感性、功能性)将动态材料整合至物品的系统和方法。例如，响应于人类身体热量，动态材料可以改变形状以允许服装物品中的额外的透气性和/或升程。类似地，响应于水分的存在，服装物品可以关闭通风孔以防止将雨弓I入物品的内部部分之内。形状变化材料可以改变仅影响由形状变化材料形成的特征的形状。此外，据设想，形状变化材料可以改变影响作为整体的物品的几何结构(例如，突起、浅凹、通风孔，等等)的形状。
[0045]设想了多种机构、材料和材料的应用。进一步地，可以使用机构、材料和/或材料的应用的任何组合。即使本文中明确叙述了仅一个特定组合，也应理解，可以实现并设想多种可选择的实施方式。例如，即使当连同油墨应用一起描述形状记忆聚合物以形成可调节大小的孔时，也应设想到磁反应性材料或电活性材料可以用作可选择的装置。进一步地，也设想本文中未明确讨论的其他材料。例如，虽然以下的部分可能明确地集中在聚合物类物质，但是应设想到任何潜在的动态材料都可能被取代(例如，金属的、有机的/天然的)。进一步地，本文中提供的机构事实上仅是示例性的并且不是限制的。反而，本文中所明确叙述的机构意图提供引导，以便使一种或更多种材料的潜在实施提供环境响应性机构。因此，本文中固有地设想并提供了额外的机构。
[0046]在示例性方面，本文中提供的材料、材料应用和/或机械结构设想为被结合至一种或更多种物品。物品是以下物品:服装(例如，内衣、衬衫、长裤、袜子、帽子、手套，等等)、鞋类(例如，鞋、靴子、凉鞋)、衬垫/保护装置、装饰物、外衣(例如，外套、雨衣，等等)，及类似物。因此，在示例性方面，据设想，物品包括被人类穿用或使用的并且能够响应于一种或更多种刺激以改变由刺激产生的特性的任何部件。
[0047]材料
[0048]设想成以具有一种或更多种潜在的物理反应性反应的动态材料包括但不限于形状记忆聚合物、形状记忆合金、电活性聚合物、磁反应性材料及类似物。如前所讨论的，设想了能够响应于一种或更多种刺激的另外的材料。例如，据设想，响应于热能(或响应于刺激而产生的热量)的材料引起物理形状变化。可选择的材料的实例是其中磁刺激被转化成热能而热能转而引起物理变化的材料。类似地，设想了这样一种材料，其有效接收光能形式的能量，光能接下来被转化为热能，而对该热能的物理变化即为响应。
[0049]形状记忆聚合物(“SMP”)是这样的材料，当施加刺激时，该材料返回到至少一种设定形状。设定形状是在人类或其他机器不具体操作的情况下，材料被设定形成的形式(二维或三维)。例如，SMP可以是I英寸宽乘3英寸长、1/32英寸厚的具有弹簧状线圈的设定形状的聚合物材料的带。在该示例中，当外部刺激例如热能被引入SMP材料时，在不进行物理操作或其他成形过程的情况下，材料从当前形状(例如，扁平带状)变成设定状态(例如，弹簧状线圈)。因此，SMP可以讨论成具有至少两种形状:第一形状，其是当引入具体刺激时SMP将试图形成的设定形状，和第二形状，其是除第一形状之外的形状。
[0050]设想为引起材料例如SMP返回至设定形状的刺激可以是热能(例如，热)、减弱的热能状态(例如，冷)、光、水分、电、磁、及其他形式的能量(缺乏能量)和环境条件。在示例性方面，据设想，刺激与人体相关。例如，据设想，皮肤温度和/或含水量的变化是足以使SMP从第二形状变化成第一设定形状的刺激。在示例性方面，据设想，在30摄氏度至40摄氏度的温度范围内刺激SMP从第二状态过渡至第一状态。进一步地，据设想，SMP可以具有热反应性的处于3摄氏度窗口内的有效区。例如，当人类皮肤温度在身体活动期间从34摄氏度变化至37摄氏度时，SMP通过从第二形状(例如，具有闭合孔、具有较大的升程特性)变化至第一设定形状(例如，具有开口、具有较小的升程特性)而起作用。设想其他热范围。也设想其他类型的刺激。
[0051]虽然SMP的前面讨论已集中于两种位置材料(例如，设定形状和任何其他形状)，但是据设想，可以利用三种或更多种形状的SMP。例如，据设想，可以利用具有第一温度下的第一设定形状、第二温度下的第二设定形状和低于第二温度的所有其他温度下的第三形状的SMP。多种设定形状聚合物可以由具有不同的反应温度或针对不同的刺激强度的两种或更多种SMP的复合材料形成。在示例性方面，多种设定形状聚合物的利用可以提供非二元效果，以致可以实现较大程度的形状操作控制。
[0052]在其他示例性方面，本文中提供的用于实现功能性概念的一个或更多个的材料可以响应于电输入，如下文中关于图1lA至图12B将更详细地讨论。进一步地，据设想，该材料可以响应于磁输入，例如磁反应性材料。如前所讨论，对本文提供的一个或更多个方面而言也将可选择的材料设想为适当选择。
[0053]在本发明的示例性方面，二位式材料(或多位式材料)可以利用偏置材料以在除去刺激时加速从第二状态返回至第一状态。例如，随着温度升高而从维度状态变成较平的状态的SMP可以利用层压的或以其他方式连结的偏置材料返回至第一维度状态。在示例性方面，当施加足够强度的刺激时，由SMP(或任何动态材料)施加的力可以大于由偏置材料施加的机械阻力，这允许SMP克服由偏置材料提供的阻力。因此，据设想，选择并操作偏置材料以调节引起SMP的尺寸变化的响应刺激强度。该可调节性允许将动态材料调整至具体刺激范围(例如，某些体温范围)的能力。偏置材料可以由任何材料例如具有不同刺激响应范围的动态材料形成。进一步地，据设想，偏置材料可以是非动态材料。进一步地，偏置材料可以选自许多合适材料，例如复合材料、聚合物、有机材料、金属材料、及类似物。
[0054]偏置材料可以与动态材料一起被层压，其可以与动态材料一起被整合，其可以接近动态材料定位，诸如此类。例如，图37A-图37D描绘了根据本发明的各方面的动态材料部分、偏置