使用可折叠结构和活性材料致动的表面纹理化的制作方法

专利名称：使用可折叠结构和活性材料致动的表面纹理化的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于表面纹理化的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于使用活性材料致动和可折叠结构来主动地修改表面纹理的系统和方法。
背景技术：
表面纹理化已经长期被用于影响、启动或控制系统的各种物理的相互作用(S卩，方面或状况)，包括表面粘附、反射、摩擦系数、结构的颜色和计量)。传统上，一旦被模制、机加工、构造或以其他方式制造，物理系统通常存在设定的表面纹理，该表面纹理可能在上述方面中的一个或多个中是有利的，而在其他方面呈现缺点。结果，已经开发出主动纹理化系统，该主动纹理化系统使得在需要时修改表面纹理。常规的主动系统包括刚性结构和在其中存储有足够能量以使结构变形的弹性结构的各种组合，这种常规的主动系统是低效的，并且过于复杂，并且在一些情况下在容量和范围方面受限制。通过采用常规的机电致动，与其相关的各种限制(添加的重量、复杂性、部件数量等)将展现出很大利害关系。

发明内容
鉴于前述问题，本发明提出了一种主动地修改表面纹理的更有效的系统和方法，并且更具体地，提出了一种使用了活性材料致动和可折叠结构来修改表面纹理的系统和方法。结果，本发明用于修改系统的物理相互作用，这些物理相互作用由表面纹理影响、启用或控制。更具体地，除了其他物理相互作用之外，本发明用于修改其反射、热、流体、电磁、触感、声学、放射性或美观方面/能力。在优选的实施方式中，本发明用于修改表面的美观或感觉，以便实现视觉或触觉警告。最后，通过采用可折叠结构和活性材料致动，本发明展现出不太复杂的表面纹理化方案，该表面纹理化方案减少了可动部件的数量、封装需求和所产生的噪声量(关于声学以及EMF)。总体上，本发明提出了一种用于选择性地并且动态地修改暴露表面的纹理的系统。该系统包括可折叠结构，该可折叠结构通信地联接到该表面或限定该表面。也就是说，结构14例如以折纸式折叠的方式限定多个折叠部。每个折叠部还限定了折叠程度，并且具有最外边缘或顶点。该系统包括至少一个活性材料元件，该活性材料元件可操作以在暴露于激活信号或去除所述激活信号时经历基本特性的可逆变化。所述活性材料元件通信地联接到所述结构，使得所述变化引起或启动所述折叠程度的修改，并且因此引起或启动所述表面纹理的修改。在被主动地致动时，电源、控制器和传感器优选地与可折叠结构通信，并且构造成选择性地修改暴露表面的纹理。
本发明还包括以下方案:
1.一种用于选择性地修改暴露表面的纹理的系统，所述系统包括:
可折叠结构，所述可折叠结构限定多个折叠部，其中，每个折叠部还限定了折叠程度并且具有最外的边缘或顶点，并且所述结构通信地联接到所述表面；以及
至少一个活性材料元件，所述活性材料元件可操作以在暴露于激活信号或去除所述激活信号时经历基本特性的可逆变化，并且所述活性材料元件通信地联接到所述结构；
所述至少一个元件和所述结构协作地构造成使得:所述变化引起或实现所述折叠程度的修改，且因此引起或实现所述表面的纹理的修改。2.根据方案I所述的系统，其中，多个元件能够单独暴露给激活信号和/或去除激活信号，以便分别被单独激活或去激活，并且所述多个元件被驱动地联接到所述结构。3.根据方案I所述的系统，其中，所述多个折叠部限定正方形Miura折叠图案。4.根据方案I所述的系统，其中，所述表面由车辆限定，并且修改所述纹理改变了风阻、雷达散射、杂光或接触表面面积。5.根据方案I所述的系统，还包括:
控制器，所述控制器通信地联接到所述元件，并且可操作以选择性地产生所述信号和终止所述信号；以及
传感器，所述传感器通信地联接到所述控制器，并且可操作以确定信息并传送所述信息给所述控制器；
所述元件、所述控制器和所述传感器协作地构造成仅当信息被确定时修改所述纹理。6.根据方案I所述的系统，其中，所述结构包括金属外层和聚合物芯部。7.根据方案I所述的系统，其中，所述结构由形状记忆聚合物形成。8.根据方案7所述的系统，其中，所述结构被导致存储能量，并且所述变化使得所述结构释放所述能量。9.根据方案7所述的系统，其中，所述结构还包括多个内部设置的加热元件。10.根据方案I所述的系统，其中，所述至少一个元件是被驱动地联接到所述结构的致动器。11.根据方案10所述的系统，其中，所述活性材料选自主要包括如下各项的组:形状记忆合金；形状记忆聚合物；压电复合物；磁致伸缩材料；电致伸缩材料；介电弹性体；以及电活性聚合物。12.根据方案10所述的系统，其中，所述致动器的至少一部分被被动地致动。13.根据方案10所述的系统，其中，所述结构限定中间平面，并且多个致动器被单独连接到每个折叠部并且与每个折叠部横向地接合。14.根据方案10所述的系统，其中，所述致动器包括设置在所述结构下面的片材。15.根据方案10所述的系统，还包括:
相对设置的第一和第二端盖，所述第一和第二端盖牢固地紧固到所述结构并且与所述结构相邻，所述致动器被驱动地联接到至少一个端盖。16.根据方案10所述的系统，还包括:
弹性基底，所述弹性基底被牢固地粘附到所述结构。
17.根据方案16所述的系统，其中，所述致动器被嵌入在所述基底内并且横贯所述基底，并且所述致动器构造成拉伸或压缩所述基底。18.根据方案10所述的系统，其中，所述结构能够在变平状况和折叠状况之间改变，并且所述变化使得所述结构改变到这些状况之中的一个，所述系统还包括:
复位机构，所述复位机构对抗所述致动器被驱动地联接到所述结构，并且可操作以使得所述修改逆转并且使得所述结构改变至这些状况之中的另一个。19.根据方案18所述的系统，其中，所述复位机构是与所述致动器同轴地对齐的压缩弹簧。20.一种用于选择性地修改暴露表面的纹理的系统，所述系统包括:
可折叠结构，所述可折叠结构限定多个折叠部，其中，每个折叠部还限定了折叠程度并且具有最外的边缘或顶点，所述结构通信地联接到所述表面，并且所述结构至少部分地由活性材料元件形成，所述活性材料元件可操作以在暴露于激活信号或者去除所述激活信号时经历基本特性的可逆变化，并且所述活性材料元件可操作以选择性地实现或促进折叠；以及
活性材料致动器，所述活性材料致动器可操作以在被暴露于激活信号或者去除所述激活信号时经历基本特性的第二可逆变化，并且所述活性材料致动器通信地联接到所述结构；
所述结构、所述活性材料元件和活性材料致动器协作地构造成使得:所述第一变化和所述第二变化协作以使得所述折叠程度被修改，并且因此使得所述表面的纹理被修改。通过参考对本发明的各个特征的下述详细说明以及被包括在其中的示例，本发明(包括对车辆应用的参考，以及示例性折叠结构和活性材料元件/致动器)能够被更容易地理解。


在下文参考示例性比例的附图来详细描述本发明的优选实施方式，在附图中:
图1是根据本发明的优选实施方式的车辆的内部舱室的透视图，具体地示出了这样的受控纹理化系统，其包括:构成仪表板和中央控制台的主动受控纹理化表面；以及被驱动地联接到该仪表板表面的形状记忆线丝网眼；
图2a是根据本发明的优选实施方式的主动受控纹理化系统的正视图，其包括处于由单个力输入引起的变平状态中的可折叠结构；
图2b是如图2a所示的系统的正视图，其中输入已经停止并且该结构处于更加折叠的状态；
图3是根据本发明的优选实施方式的示例性可折叠结构的局部截面图，在该可折叠结构中蚀刻/形成有多条折线；
图4是根据本发明的优选实施方式的示例性可折叠结构的局部截面图，所述可折叠结构具有金属外层和聚合物芯部；
图5是根据本发明的优选实施方式的主动受控纹理化系统的局部正视图，所述主动受控纹理化系统包括可折叠结构以及与该结构正交地接合的多个致动器；
图6是根据本发明的优选实施方式的主动受控纹理化系统的平面图，所述主动受控纹理化系统包括:在其中偏心地具有多个加热元件的形状记忆聚合物结构；收缩性线丝致动器；传感器；电源；以及通信地联接到致动器、传感器和电源的控制器；
图7是根据本发明的优选实施方式的主动受控纹理化系统的截面图，所述主动受控纹理化系统包括:限定平坦的激活前表面的可折叠结构；粘附到该结构的基底；以及嵌入在该基底内的形状记忆线丝致动器，所述基底牢固地紧固到相对地接合该基底的端盖；
图8是根据本发明的优选实施方式的主动受控纹理化系统的截面图，所述主动受控纹理化系统包括:限定表面刻面的可折叠结构；粘附到该结构的基底；位于该基底外部的形状记忆线丝致动器；以及相对地接合该基底的端盖；
图9是根据本发明的优选实施方式的主动受控纹理化系统的截面图，所述主动受控纹理化系统包括:限定表面刻面的可折叠结构；粘附到该结构的基底；以及设置在该基底下面的活性材料片材；以及
图10是根据本发明的优选实施方式的主动受控纹理化系统的局部平面图，所述主动受控纹理化系统包括:基底、嵌入该基底中的交叠的刚性构件、以及被驱动地联接到这些构件的形状记忆弓形致动器。
具体实施例方式对优选实施方式的下述说明本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本发明、本发明的应用或使用。如本文所示出和描述的，在本文呈现了利用可变的可折叠结构14和活性材料致动来选择性地并且可逆地修改表面12的纹理的新颖的系统10和方法(图1-10)。创造性的系统10可用于实现预期状况，或在宽泛应用范围内修改表面12的物理相互作用、特征或现象。在图1中，例如系统10被示出为处于机动车辆设置中，其中仪表板100的纹理已经被修改以减少杂光，中央控制台102的纹理被已经修改以减少与热表面接合的接触表面面积。在其他应用中，要理解的是，表面纹理的修改可被用于减轻噪音、或改变高光(或镜面反射)而不影响基质材料的反射性。在又一其他应用中，要理解的是，修改外部主体表面纹理可被用于减少风阻和/或产生机动车辆或航空应用中的雷达散射。系统10的多个实施方式和示例在下文被进一步描述。1.活性材料的描述和讨论
如本文所使用的，术语“活性材料”被限定为:当暴露于激活信号或去除激活信号时展现出基本(即，化学或固有的物理)特性的可逆变化的任何材料或复合物。在本发明中，活性材料可用于实现可折叠结构14的重新构造，并且可以构成致动器16和/或结构14自身。用于本发明的合适活性材料包括但不局限于具有记忆至少一个属性(例如，形状)的能力的形状记忆材料，并且该属性能够随后通过施加外部激励被恢复。示例性形状记忆材料包括形状记忆合金(SMA)、形状记忆陶瓷、电活性聚合物(EAP)、铁磁SMA、电流变(ER)复合物、磁流变(MR)复合物、介电弹性体、离子聚合物金属复合物(IPMC)、压电聚合物/陶瓷、以及大容量石腊(high-volume paraffin wax)。在这些之中，合适几何形状(或几何构造)的SM和EAP尤其适合用作本文的致动器16，并且由此它们将在下文被进一步描述。形状记忆合金(SMA)通常是指这样的一组金属材料，这些金属材料在经受合适热激励时展示出返回某一先前限定的形状或尺寸的能力。形状记忆合金能够经历相变，在相变中，形状记忆合金的屈服强度、刚度、尺寸和/或形状根据温度而变化。通常，在低温下或马氏体相中，形状记忆合金能够塑性变形，而在暴露于某一较高温度时将转变为奥氏体相或母相，从而返回到它们在变形之前的形状。形状记忆合金以数种不同的依赖于温度的相存在。这些相之中最常使用的相是马氏体和奥氏体相。在下述讨论中，马氏体相通常是指更容易变形且较低温度的相，而奥氏体相通常是指更刚硬且较高温度的相。当形状记忆合金处于马氏体相并且被加热时，该形状记忆合金开始改变为奥氏体相。在该现象开始时的温度通常被称为奥氏体开始温度(As)。并且该现象完成时的温度被称为奥氏体完成温度(Af)。当形状记忆合金处于奥氏体相并且被冷却时，该形状记忆合金开始改变为马氏体相，并且该现象开始时的温度被称为马氏体开始温度(Ms)。奥氏体完成转变为马氏体时的温度被称为马氏体完成温度(Mf)。通常，形状记忆合金在其马氏体相中更软并且更易变形，而在奥氏体相中更硬、更刚性和/或更刚硬。鉴于前述内容，用于形状记忆合金的合适激活信号是这样的热激活信号，该热激活信号具有足以引起马氏体相和奥氏体相之间的转变的量级。取决于合金成分以及处理历史，形状记忆合金能够展现出单向形状记忆效应、内在双向效应或外在双向形状记忆效应。退火的形状记忆合金通常仅具有单向形状记忆效应。对形状记忆材料的低温变形进行的随后充分地加热将引起马氏体至奥氏体类型的转变，并且该材料将恢复其初始的退火形状。因此，仅在加热时观察到单向形状记忆效应。包括展现出单向记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料并不自动地重组，而是需要外部机械力以使其形状返回至其先前构造。内在和外在双向形状记忆材料表征为:在加热时从马氏体相至奥氏体相的形状转变；以及在冷却时从奥氏体相回到马氏体相的附加形状转变。展现出内在形状记忆效应的活性材料由这样的形状记忆合金成分制成，该形状记忆合金成分将使得活性材料由于上面提到的相变而自动地重组其自身。内在双向形状记忆行为必须通过处理被引入形状记忆材料中。这样的过程包括:当处于马氏体相时材料的极度变形；在约束或负载下的加热-冷却；或诸如激光退火、抛光或喷丸加工之类的表面修整。一旦该材料被训练成展现出双向形状记忆效应，那么在低温和高温状态之间的形状变化通常是可逆的，并且经历大量的热循环而依然保持。对比而言，展现出外在双向形状记忆效应的活性材料是这样的复合材料或多组分材料，所述复合材料或多组分材料将展现出单向效应的形状记忆合金成分与提供恢复力以重新形成其初始形状的其他元件相结合。通过合金成分的略微变化以及通过热处理，可以调节形状记忆合金在受热时记忆其高温形式的温度。例如，在镍钛形状记忆合金中，该温度可以从高于大约100°c改变至低于大约-100°c。形状恢复过程仅在几度的范围内发生，并且转变的开始或完成可以被控制在一度或两度内，这取决于期望应用和合金成分。形状记忆合金的机械属性可能在跨过其转变的温度范围内极大地变化，从而通常向系统提供形状记忆效应、超弹效应和高阻尼能力。合适的形状记忆合金材料包括但不局限于:镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、镍镓基合金、铜基合金(例如，铜锌合金、铜招合金、铜金和铜锡合金)、金镉基合金、银镉基合金、铟镉基合金、锰铜基合金、铁钼基合金、铁钼基合金、铁钯基合金，等等。这些合金可以是二元的、三元的、或任何更高阶的合金，只要其合金成分展现出形状记忆效应(例如，形状取向、阻尼能力的变化等)即可。因此，为了本发明的目的，要理解的是，SMA在被加热至高于其马氏体至奥氏体相变温度时展现出大约2.5倍的模量增加以及高达8%的尺寸变化(取决于预应变的量)。要理解的是，热致SMA相变是单向的，使得会需要偏置力复位机构(例如，弹簧)，以便一旦移除所施加的场就将SMA回复至其开始构造。可以使用焦耳加热，以使得整个系统能够被电子控制。然而，SMA的应力导致的相变在性质上是双向的。当SMA处于其奥氏体相时，施加足够的应力将导致该SMA改变至其较低模量的马氏体相，在该马氏体相中，该SMA可展现出高达8%的“超弹”变形。移除所施加的应力将使得SMA变回到其奥氏体相，由此恢复其开始形状和较高的模量。作为SMA的子类的铁磁SMA (FSMA)也可用于本发明中。这些材料与常规SMA材料类似地表现，具有在马氏体和奥氏体之间的应力或热导致的相变。此外，FSMA是铁磁的并且具有强磁晶各向异性，所述磁晶各向异性允许外部磁场影响场对齐的马氏体变体的取向/部分(或分数)。当移除该磁场时，该材料可能展现出完全双向、部分双向或单向的形状记忆。对于部分或单向的形状记忆而言，外部激励、温度、磁场或应力可以允许该材料返回至其开始状态。优良的双向形状记忆可以用于借助所供应的持续功率来进行比例控制。在机动车应用中，外部磁场一般借助软磁芯的电磁体来产生，但是一对赫尔姆霍茨线圈(Helmholtz coils)也可用于快速响应。电活性聚合物包括这样的聚合材料，这些聚合材料响应于电场或机械场而展现出压电、热电、电致伸缩特性。一个示例是具有压电聚(二氟乙烯-三氟-乙烯)共聚物的电致伸缩接枝弹性体。这种组合具有产生变化量的铁电-电致伸缩的分子复合物系统的能力。这些电活性聚合物可以作为压电传感器或者甚至作为电致伸缩致动器操作。适合用作电活性聚合物的材料包括这样的任何大致绝缘的聚合物或橡胶(或其组合)，所述聚合物或橡胶响应于静电力而变形，或者其变形导致电场的变化。适合用作预应变聚合物的示例性材料包括:硅酮弹性体、丙烯酸弹性体、聚氨酯、热塑性弹性体、包括PVDF的共聚物、压敏粘结剂、含氟弹性体、包括娃酮和丙烯酸半体(moiety)的聚合物,等等。包括硅酮和丙烯酸半体的聚合物例如可包括:包括硅酮和丙烯酸半体的共聚物；以及包括硅酮弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物混合物。用作电活性聚合物的材料可以基于一个或多个材料属性被选择，所述材料属性例如是高的电击穿强度、低弹性模量(用于大或小的变形)和高介电常数，等等。在一个实施方式中，聚合物被选择成使其具有至多大约100 MPa的弹性模量。在另一实施方式中，聚合物被选择成使其具有在大约0.05 MPa和大约10 MPa之间、优选地在大约0.3 MPa至大约3 MPa之间的最大致动压力。在另一实施方式中，聚合物被选择成使其具有在大约2至大约20之间、优选地在大约2.5至大约12之间的介电常数。本发明不旨在局限于这些范围。理想地，如果该材料具有高介电常数和高介电强度，那么具有比上述给出的范围更高的介电常数的材料将会是想要的。在许多情况下，电活性聚合物可能被制造并实施为薄膜。适合于这些薄膜的厚度可以小于50微米。由于电活性聚合物可能在高应变下偏转，因此附接到这些聚合物的电极也应当偏转，而不损害机械或电性能。通常，适合使用的电极可以是任何形状和材料的，只要所述电极能够向电活性聚合物供应合适电压或者从电活性聚合物接收合适电压。电压可以随时间是恒定的或变化的。在一个实施方式中，电极粘附到聚合物的表面上。粘附到聚合物上的电极优选地是顺应的，并且与聚合物的变化的形状相一致。因此，本发明可包括顺应性电极，这些顺应性电极与其被附接的电活性聚合物的形状相一致。这些电极可仅被施加到电活性聚合物的一部分上，并且根据其几何形状(或几何构造)来限定活性区域。适合用于本发明的各种类型的电极包括:包括金属迹线和电荷分布层的结构化电极；包括变化脱离了平面状尺寸的纹理化电极；诸如碳脂或银脂之类的导电脂；胶悬体；高纵横比(aspect ratio)的导电材料，例如碳纤维和碳纳米管；以及离子导电材料的混合物。此外，用于形成结构14的合适活性材料是形状记忆聚合物，以便向其中的折叠特征提供选择性的软化和硬化。形状记忆聚合物(SMP)通常是指这样的一组聚合材料，这些聚合材料在经受合适的热激励时展示出返回到先前限定的形状的能力。形状记忆聚合物能够经历相变，在该相变中，形状记忆聚合物的形状根据温度而变化。通常，SMP具有两个主要部段，即硬部段和软部段。通过在比最高热转变温度更高的温度下熔化或加工该聚合物并且随后冷却到低于该热转变温度，能够设置先前限定或永久的形状。最高热转变温度通常是硬部段的玻璃相 变温度(Tg)或熔点。能够如下设置临时形状:将该材料加热到比软部段的Tg或转变温度更高但是比硬部段的Tg或熔点更低的温度。当将该材料在高于软部段的转变温度的情况下进行加工时设置该临时形状，之后冷却以固定该形状。通过将该材料加热到高于软部段的转变温度，该材料可以返回到其永久形状。例如，聚合材料的永久形状可以是呈现大致笔直形状并且限定第一长度的线丝，而临时形状可以是限定了比第一长度更短的第二长度的类似线丝。在另一实施方式中，该材料在被激活时呈现具有第一弹性模量的弹性，并且在去激活时呈现具有第二弹性模量的弹性。永久形状恢复所需的温度可以被设置在大约_63°C至大约120°C或更高的温度之间的任何温度。工程化所述聚合物自身的成分和结构可以允许选择用于期望应用的具体温度。用于形状恢复的优选温度是大于或等于大约-30°C、更优选地大于或等于大约0°C、并且最优选地是大于或等于大约50°C的温度。同样，用于形状恢复的优选温度小于或等于大约120°C，最优选地小于或等于大约120°C并且大于或等于大约80°C。合适的形状记忆聚合物包括:热塑性塑料、热固性材料、相互渗透的网络、半相互渗透的网络或混合网络。聚合物能够是单个聚合物或聚合物的混合物。聚合物可以是线性的热塑性弹性体或具有侧链的分支热塑性弹性体，或枝晶结构元件。用于形成形状记忆聚合物的合适聚合物组分包括但不局限于:聚膦腈；聚(乙烯醇)；聚酰胺；聚酯酰胺；聚(氨基酸)；聚酸酐；聚碳酸酯；聚丙烯酸酯；聚亚烃基(polyalkylenes);聚丙烯酰胺；聚亚烃基乙二醇；聚亚烃基氧化物；聚亚烃基对苯二酸酯；聚原酸酯；聚乙烯醚；聚乙烯酯；聚乙烯基；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；及它们的共聚物。适合的聚丙烯酸酯包括:聚(甲基丙烯酸甲酯)；聚(甲基丙烯酸乙酯)；聚(甲基丙烯酸丁酯);聚(甲基丙烯酸异丁酯);聚(甲基丙烯酸己酯);聚(甲基丙烯酸异癸酯);聚(甲基丙烯酸十二酯);聚(甲基丙烯酸苯酯) ’聚(丙烯酸甲酯) ’聚(丙烯酸异丙酯) ’聚(丙烯酸异丁酯);以及聚(丙烯酸十八酯)。其他合适聚合物的示例包括:聚苯乙烯；聚丙烯；聚酹(polyvinylphenol);聚乙烯卩比咯烧酮；氯化聚丁烯；聚(十八烧基乙烯基醚)乙烯醋酸乙烯酯；聚乙烯；聚(环氧乙烷)-聚(对苯二甲酸乙二酯)；聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)；聚己内酯-聚酰胺(嵌段共聚物)；聚(己内酯)二甲基丙烯酸-n-丙烯酸丁酯 ’聚(降莰基-多面体低聚倍半硅氧烧)(poly (norbornyl-polyhedral oligomeric silsequioxane));聚氯乙烯；尿烧 / 丁二烯共聚物；聚氨酯嵌段共聚物；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，等等。因此，为了本发明的目的，要理解的是，SMP在被加热高于其具有较低玻璃相变温度的组分的玻璃相变温度时展现出模量的急剧下降。如果在温度下降时保持负载/变形，那么变形后形状将被设置在SMP中，直到其在无负载下被再加热，在该无负载状况下，将返回其模制形状。虽然SMP会以块、片材、板材、格子、桁架、纤维或泡沫形式被不同地使用，但是SMP需要使其温度高于其具有较低玻璃相变温度的组分的玻璃相变温度，即在低温环境中需要连续功率输入以保持其较低模量的状态。I1.示例性纹理化系统以及使用方法
如上所述，系统10总体上包括与表面12连通(S卩，限定该表面，或者与该表面直接或间接的物理接合)的可折叠结构14。例如，结构14能够是薄的平面状片材，该薄的平面状片材已经被训练成在被横向挤压时经历折纸式折叠。如从图2a和图2b最佳地所示的，结构14具有多个折叠部14a，这些折叠部限定了可变程度的折叠；本发明用于修改由折叠部14a提供的折叠程度，以便将表面12重新纹理化。通常优选的是，折叠该结构14以及片材的弹性模量这两者的作用在大多数折叠状况下在表面12上产生复位偏置。结构14的连续性和图案使得折叠的表面12在极小输入致动的情况下在大区域上均匀地变形。最后，要理解的是，可折叠结构14可能被层叠或涂覆有带颜色的或者以另外方式纹理化的介质，以形成更复杂的表面12。更具体地，在图2a和图2b中，示出了具有多个鲱鱼鱼骨状(或人字形)的刻面14b。相邻刻面14b由协作以进一步限定上顶点和下顶点14c的多个共用折边来限定。顶点14c的动态控制主要限定表面纹理或者操纵柔性覆层(例如，绝热或其他保护性膜、薄层等)15，以影响表面纹理。在结构14构造成经历折纸式折叠的情况下，复杂表面12以受控并且节约空间的方式被产生并调节。例如，结构14可呈现正方形Miura折叠图案，其中刻面14b的斜度和大小可以均匀且可逆地增加(图2b)或减少(图2a)。这种变形可能沿一个或多个方向同时发生，这取决于折叠表面12的几何尺寸(或几何构造)。在构造的优选方法中，结构14由钢片材或铝片材原料形成，并且通过在片材的两个表面上都蚀刻折线(图3)来产生图案。更优选地，折叠部14a的机械变形导致片材14由于应变硬化而以弹簧状的方式表现。如果使用高强度金属合金并且期望在15-30度的折叠角内保持弹性工况，那么最小折线优选地处于0.015-0.030英寸(S卩，0.038-0.076 cm)之间，这对应于处于0.05-0.08英寸(S卩，0.13-0.20 cm)之间的最小刻面尺寸(使得刻面大于折线尺寸的三倍)。另选地，通过沿片材14的相反两侧上的预期折线在该片材内产生变薄区域，从而能够以自组织的方式完成折叠。这例如通过光刻、湿蚀刻、冲压、或压制特征到片材中来完成。为了同时进行成形和折叠操作，可使用冲压或压制。
要理解的是，还可使用聚合物材料以实现表面轮廓的更大变化。聚合物结构14更好地适合在不止一点处被致动，由此形成对纹理的更复杂(例如，非均匀)修改，并且提供了更宽范围的刻面尺寸和纵横比，从而使得聚合物结构在更宽范围的波长(、)频谱上(包括但不局限于可见光和雷达频率)可被使用。此外，对于基于电磁的应用(例如，天线)，一些聚合物结构的连续导电性提供了更多的益处。聚合物结构14可以具有沿一个或多个取向的纤维增强件，并且呈现纺织和无纺图案以用于增加的拉伸能力和结构整体性。如图4所示的另一实施方式包括层叠的金属-聚合物-金属结构24，其中，表面刻面14b在粘附到中心聚合物芯部28上的金属外层26内被化学蚀刻。在该构造中，要理解的是，弯曲应变可以由顺应性聚合物层吸收。在优选的实施方式中，系统10包括活性材料致动器16，该活性材料致动器被驱动地联接到结构14并且可操作以重构该结构14。例如，形状记忆合金线丝16可以被驱动地联接到结构14的一个或多个侧向角部或边缘，并且设置在外部，如图2a和图2b所示。另选地并且如图1所示，线丝16可以横贯表面12的跨度。在此，要理解的是，结构14在其外围可能具有一个或多个膨胀翼板(未示出)以便于附接到线丝16以及便于由线丝16进行的线性作用；此外，线丝16可以由被限定在折叠状况中的底部顶点的线性集合处的多个孔夹带。更具体地，多条线丝16在其穿越该跨度时可能彼此相交以便呈现网眼或网格(也如图1所示)。通过激活活性材料致动器16，结构14被重构，使得刻面(facet) 14b被使得减少(或增加)其斜率；并且通过改变斜率，修改表面纹理。然后，该纹理可能反向，由此使得优选的系统10是足够弹性且耐用以在期望数量的循环内保持可逆的系统。在另一实施方式中，多个致动器16构造成以横向且更优选地正交的方式接合每个顶点(图5)，以便与插接板(bed of pins)类似地实现期望波长(入)。致动器16由可收缩活性材料(例如，形状记忆合金)形成，并且可以是主动和被动激活的致动器16a和16b的组合，其中被动致动器16b被连接到上部顶点，并且主动致动器16a被连接到底部顶点。当主动致动器16a被致动时，底部顶点被下拉，而被动致动器16b将上部顶点保持在固定高度，使得刻面14b的斜率更有效地增加。此外，这形成了这样的表面12，该表面改变了纹理但是保持与周围表面齐平。因此，要理解的是，致动器16a和16b能够相对平移，并且因此被嵌入在弹性基部17内或对应于折叠图案被夹带。同样，存储在总体系统10 (包括基部)内的能量可能提供恢复力。更优选地，其中每个致动器16具有SMA线丝，包括有复位机构19 (例如，与其同轴地对齐的压缩弹簧(图5))以具有趋于回复的偏置力。另选地，可收缩介电弹性体、磁致伸缩、电致伸缩、压电复合物或EAP致动器16以及膨胀材料(例如，被约束成线性地作用的大容量石蜡致动器16)可能取代SMA被使用。可收缩致动器16可能以可标度的方式制成为连续或穿孔片材，这些片材被堆叠以提供合适的响应量级。最后，在多个致动器16被单独激活的情况下，要理解的是，能够实现更局部化、动态且可变的行程修整。因此，如图6所示，优选的系统10还包括电源18，该电源通信地联接到致动器16并且可操作以按需产生足够的激活信号。例如在机动车应用中，电源18可以包括车辆的充电系统(未示出)。而且，电子控制器20可用于电源18和致动器16之间，并且被编程地布设以控制致动。也就是说，通过相应地操纵该信号，可以控制表面纹理化事件的定时、持续时间和量级。最后，可使用传感器22向控制器20提供信息(例如，触发事件的通知，例如检测到雷达波束、太阳光、或超过阈值温度或速度)。在这种构造中，当控制器20接收到该信息时，系统10除了按需纹理化之外或取代该按需纹理化，可操作以提供自主纹理化。例如，可采用温度计22以便仅当内部舱室温度达到阈值温度时实现方向盘表面(未示出)或中央操纵台102 (图1)的主动纹理化；或者，能够使用光电传感器22以在白天期间主动地修改仪表板100的纹理以便减少杂光。当速度计22达到阈值速度时，还可实现关于风阻以及外表面纹理的类似自动化。在优选实施方式中，结构14和活性材料元件6被一体形成。例如，结构14可以由形状记忆聚合物形成，该形状记忆聚合物使得结构14能够选择性软化以及使得结构14能够以记忆的方式返回至折叠状态。这会允许在无外力(即，零功率保持)的情况下保持该变形。也就是说，能够增加结构14的刚度，和/或减少使表面12变形所必需的力。总体上，SMP在其去激活状态下会被模制到折叠图案和更大程度的折叠状况，接着在激活之后通过接收足够力矢量输入而被变平，然后通过在保持该输入的情况下去激活SMP而锁定在该变平状况。为了使结构14返回到更大程度的折叠状况，SMP在没有输入的情况下被再次激活。在采用形状记忆聚合物的情况下，结构14优选地包括嵌入的加热元件(例如，线丝或片)24，所述嵌入的加热元件产生局部加热和变形(图6)。局部软区域和硬区域可用于在表面12上限定可变的折叠图案(或折叠样式)，通过给加热元件24和/或致动器16的具体组合赋能可以改变该可变折叠图案。因此，可提供用于纹理控制的更大变化性的优选折线。图6示出了双重实施方式，其中结构由SMP形成以实现选择性软化/锁定、以及影响折叠图案(与蚀刻、冲压等一起)，并且收缩性线丝16横贯该结构14以便实现选择性折叠。在另一示例中，结构14可包括被训练成记忆更大程度的折叠状况的形状记忆合金(SMA)片材。在此，结构14可以处于正常低模量马氏体相，使得低能量输入导致该结构变平。当期望更大程度的折叠状况(图2b)时，在输入被移除之后该结构14被加热至高于其转变温度以回复其记忆形状。另选地，在结构14处于正常奥氏体相时，要理解的是，足够量级的应力负载输入可被施加，以在变平之前实现奥氏体至马氏体的相变。在释放应力负载之后，结构14返回到奥氏体相和记忆形状。最后，要理解的是，能够采用前述示例的组合，其中SMA形成外层26并且SMP形成聚合物芯部28。在另一实施方式中，折叠结构14粘附到顺应性基底30，通过顺应性基底30可以实现致动(图7-10)。也就是说，基底30可能构造成使得:将其变形会修改在结构14内的折叠程度。结构14优选地使用柔性粘结剂来粘附到基底30。优选地，基底30具有比预带图案的结构14更低的弹性模量。由此，该基底30优选地在变形时提供恢复力，并且可以预应变。取决于所包括的图案，基底30可以单向轴向地预应变或双向轴向地预应变。在释放(或单调地减少)该预应变之后，借助有组织的折叠模式来释放在较高刚度的表面片材14中建立的压缩应变能。为了改善折叠特征，可采取数个步骤，包括:稍微预偏置折线的变形；结合在顶点14c处的通孔；以及谨慎地选择结构、粘结剂和基底材料。在一些情况下，基底30可能具有粘附特性，从而免除了对单独粘结剂的需要。为了辅助折叠，要理解的是，可采用渐进的夹具和工具。在该构造中，优选的致动器16被驱动地联接到基底30，并且更优选地通过相对的端盖32。端盖32与基底30的侧向边缘共同延伸(图7-9)，使得致动力被均匀地传递。端盖32相对于基底30被牢固地紧固，并且可以借助超模压(over-molded)的接合尖头(未示出)被锚定在该基板30中。在第一示例中，致动器16包括至少一个(优选地，多个)形状记忆线丝/筋(或腱)，这些形状记忆线丝/筋由例如嵌入其中的SMA、EAP等形成，以便横贯基底30的总宽度(图7)。更优选地，单条线丝16由端盖32夹带以沿基底30的长度形成多个环。在此，线丝16在被激活时促进均匀平移，由此使得端盖32朝向彼此移动而不偏心。在使用热激活致动器16时，要理解的是，基底30能够耐受期望数量的加热-冷却循环而不变差。为此，能够使用诸如绝热套筒之类的屏障物(未示出)来包封线丝16并且保护基底30。在另一示例中，致动器16从外部联接到至少一个端盖32，并且构造成记忆地移位至少一个端盖32 (图8)。例如，能够使用SMA线丝16来拉动盖32并且拉伸基底30，其中线丝16根据需要通过至少一个带轮(未示出)而变长/再导向。为了增加大小以及减少波长(即，压缩结构14)，被夹设在端盖32和固定结构之间的压电叠堆在被激活时可能被使得膨胀；或者在被激活时变直的弓形SMA或EAP元件16 (图10)可用于压缩基底30。最后，可采用SMP或SMA弹簧(未示出)，其能够通过激活来修改其弹簧常数，其中，仅更加刚硬的常数可以克服基底30的压缩强度。在另一实施方式中，致动器16可包括设置在基底30下面的活性材料片材(或盘)(图9)。例如，平面状片材可由SMA形成，以便可操作以沿全部方向侧向地收缩。在该构造中，要理解的是，激活片材16大致导致了其中提供最大可恢复马氏体应变的表面面积的百分之十六的减少。还要理解的是，致动器16以及基底30的底部是自由的，以允许再次增加系统深度，使得表面12在纹理方面改变，但是另外仍保持与周围表面齐平。这也适用于包括负泊松比材料的基底30。在又另一示例中，系统10包括刚性构件34，该刚性构件被嵌入在基底30中并且被驱动地联接到致动器16 (图10)。在所述实施方式中，刚性构件34被划分为两个或更多个部分34a和34b，这些部分沿相反方向移动以压缩/拉伸该基底30。也就是说，构件34作为传动装置可用于调整激活以及调节纹理。更具体地，诸如图10所示的弓形致动器之类的活性材料致动器16可以被附接到横杆36上，所述横杆36包括部分34a和34b之中被驱动的一个，以向该横杆提供推力。优选的刚性构件34如所示地是交织指状的；并且部分34a和34b的重叠长度L可能针对期望压缩/拉伸被规定。更优选地，部分34a和34b能够相对再定位，并且长度L可调节，以便调整构件30的使用寿命和/或调节对表面纹理的修改。已经参考示例性实施方式描述了本发明；本领域技术人员将理解的是，可以做出各种变化并且可以用等同物替代其元件，而不偏离本发明的范围。此外，能够作出许多修改以使得具体情形或材料适于本发明的教导，而不偏离本发明的实质范围。因此，本发明旨在不局限于作为用于实施本发明而构想的最佳模式公开的具体实施方式
，而是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的全部实施方式。
权利要求
1.一种用于选择性地修改暴露表面的纹理的系统，所述系统包括: 可折叠结构，所述可折叠结构限定多个折叠部，其中，每个折叠部还限定了折叠程度并且具有最外的边缘或顶点，并且所述结构通信地联接到所述表面；以及 至少一个活性材料元件，所述活性材料元件可操作以在暴露于激活信号或去除所述激活信号时经历基本特性的可逆变化，并且所述活性材料元件通信地联接到所述结构； 所述至少一个元件和所述结构协作地构造成使得:所述变化引起或实现所述折叠程度的修改，且因此引起或实现所述表面的纹理的修改。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，多个元件能够单独暴露给激活信号和/或去除激活信号，以便分别被单独激活或去激活，并且所述多个元件被驱动地联接到所述结构。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个折叠部限定正方形Miura折叠图案。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述表面由车辆限定，并且修改所述纹理改变了风阻、雷达散射、杂光或接触表面面积。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括: 控制器，所述控制器通信地联接到所述元件，并且可操作以选择性地产生所述信号和终止所述信号；以及 传感器，所述传感器通信地联接到所述控制器，并且可操作以确定信息并传送所述信息给所述控制器； 所述元件、所述控制器和所述传感器协作地构造成仅当信息被确定时修改所述纹理。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述结构包括金属外层和聚合物芯部。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述结构由形状记忆聚合物形成。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述结构被导致存储能量，并且所述变化使得所述结构释放所述能量。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述结构还包括多个内部设置的加热元件。
10.一种用于选择性地修改暴露表面的纹理的系统，所述系统包括: 可折叠结构，所述可折叠结构限定多个折叠部，其中，每个折叠部还限定了折叠程度并且具有最外的边缘或顶点，所述结构通信地联接到所述表面，并且所述结构至少部分地由活性材料元件形成，所述活性材料元件可操作以在暴露于激活信号或者去除所述激活信号时经历基本特性的可逆变化，并且所述活性材料元件可操作以选择性地实现或促进折叠；以及 活性材料致动器，所述活性材料致动器可操作以在被暴露于激活信号或者去除所述激活信号时经历基本特性的第二可逆变化，并且所述活性材料致动器通信地联接到所述结构； 所述结构、所述活性材料元件和活性材料致动器协作地构造成使得:所述第一变化和所述第二变化协作以使得所述折叠程度被修改，并且因此使得所述表面的纹理被修改。
全文摘要
本发明涉及使用可折叠结构和活性材料致动的表面纹理化。具体地，提供了适于选择性地并且可逆地修改表面纹理的主动纹理化系统，其利用了与所述表面通信的可变可折叠结构以及用于实现和/或引起折叠的活性材料致动。
文档编号B44C1/00GK103203864SQ20131001246
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月14日 优先权日2012年1月12日
发明者A.C.基夫, G.A.埃雷拉, G.P.麦克奈特, C.P.亨利, A.L.布朗, N.L.约翰逊 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司