电活性聚合物致动器的制作方法

本发明涉及电活性聚合物致动器。

背景技术：

电活性聚合物(eap)是电响应性材料领域内的一类新兴材料。eap可用作传感器或致动器，且可轻松地被制造成各种形状，从而允许轻松地整合到各种各样的系统中。

材料已经研发到具有诸如致动应力和应变的特性，该特性在过去十年得到了显著改善。技术风险已减小到产品开发可接受的水平，使得eap在市场上和技术上都越来越受关注。eap的优点包括低功率、小形状因子、柔性、无噪音操作、准确度、高分辨率可能性、快速响应时间以及周期性致动。

eap材料的改善的性能和特定优势形成了对新应用的适用性。

eap装置可用于期望一个部件或特征有基于电致动的少量移动的任何应用中。类似地，该技术可用于感测少量移动。本发明尤其涉及致动器。

由于与常用致动器相比将相对大的变形和力与小的体积或薄的形状因子相结合，使用eap能够实现之前不可能实现的功能，或者提供优于常用致动器解决方案的较大优势。eap还提供无噪音操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可行的致动频率，诸如0-1mhz，更通常地低于20khz。

使用电活性聚合物的装置可被细分为场驱动材料和离子驱动材料。

场驱动型eap的示例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(诸如基于pvdf的驰豫型聚合物)和电介质聚合物。其它示例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电致粘弹性弹性体和液晶弹性体。

离子驱动型eap的示例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合材料(ipmc)和碳纳米管(cnt)。其它示例包括离子聚合物凝胶。

场驱动型eap是由电场通过直接机电耦合来致动的。它们通常需要高电场(每米伏特，v/m)但需要低电流。聚合物层通常是薄的，以保持驱动电压尽可能地低。离子型eap是由离子和/或溶剂的电感传输激活的。它们通常需要低电压但需要高电流。它们需要液体/凝胶电解质介质(但一些材料系统也可以使用固态电解质操作)。两类eap均具有多个家族成员，每一个都具有其自身的优势和劣势。

场驱动型eap的值得注意的第一子类是压电聚合物和电致伸缩聚合物。尽管传统的压电聚合物的机电性能有限，但改善此性能的一项突破性进展已导致产生了pvdf弛豫型聚合物，其显示出自发性的电极化(场驱动对准)。这些材料可以是预应变的，以便改善应变方向上的性能(预应变导致更好的分子对准)。正常情况下会使用金属电极，因为应变通常处于适中的状态(1-5％)。也可使用其它类型的电极(诸如导电聚合物、基于碳黑的油、凝胶或弹性体等)。电极可以是连续的或分段的。

场驱动型eap的所关注的另一子类是电介质弹性体。这种材料的薄膜可夹在适形电极之间，从而形成平行板电容器。在电介质弹性体的情况下，由所施加的电场感应出的麦克斯韦(maxwell)应力导致在薄膜上产生应力，从而使得薄膜的厚度减小而面积扩大。应变性能通常通过对弹性体进行预应变(需要框架以保持预应变)而增大。应变可以是相当大的(10-300％)。这也约束了可使用的电极类型：对于低应变和中等应变来说，可考虑金属电极和导电聚合物电极；对于高应变机制来说，通常使用基于碳黑的油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。

离子型eap的值得注意的第一子类是离子聚合物金属复合材料(ipmc)。ipmc由层叠在两片薄金属或基于碳的电极之间的溶剂膨胀的离子交换聚合物膜片构成，且需要使用电解质。典型的电极材料是pt、gd、cnt、cp和pd。典型的电解质是基于li+和na+水的溶液。在施加电场时，阳离子通常与水一起行进到阴极侧。这导致了亲水性簇团的重新组织和聚合物的扩展。阴极区域内的应变导致在聚合物基质的其余部分中产生应力，从而导致朝向阳极弯曲。使所施加的电压逆转会使弯曲倒转。众所周知的聚合物膜片是和

离子聚合物的值得注意的另一子类是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常由夹在两层共轭聚合物之间的电解质组成。电解质用于改变氧化状态。在将电势通过电解质施加到聚合物时，将电子添加到聚合物或从聚合物移除电子，从而驱动氧化和还原。还原导致收缩，氧化导致扩展。

在一些情况下，在聚合物本身缺乏足够的导电性时(量纲上)，添加薄膜电极。电解质可以是液态、凝胶或固态材料(即，高分子量聚合物和金属盐的复合物)。最常见的共轭聚合物是聚呲咯(ppy)、聚苯胺(pani)和聚噻吩(pth)。

致动器也可由悬垂于电解质中的碳纳米管(cnt)形成。电解质与纳米管一起形成双层，从而允许电荷的注入。这种双层电荷注入被视为cnt致动器的主要机制。cnt用作电极电容器，其中电荷注入到cnt中，随后通过由电解质移动到cnt表面而形成的双电层来平衡。改变碳原子上的电荷会导致c-c键长度的改变。因此，可观察到单个cnt的扩展和收缩。

图1和2示出了用于eap装置的两种可能的操作模式。

该装置包括夹在电极10、12之间的电活性聚合物层14，电极位于电活性聚合物层14的相反两侧上。

图1示出了未被夹住的装置。使用电压以致使电活性聚合物层如图所示沿所有方向扩展。

图2示出了被设计成仅沿一个方向发生扩展的装置。该装置由载体层16支撑。使用电压以致使电活性聚合物层弯曲或拱起。

电极、电活性聚合物层和载体一起可被视为构成了整个电活性聚合物结构。

举例而言，这种移动的本质源于在被致动时扩展的主动层与被动载体层之间的交互作用。为了获得如图所示围绕轴线的不对称性弯曲，例如，可应用分子取向(膜拉伸)，迫使移动沿一个方向。

沿一个方向的扩展可起因于eap聚合物中的不对称性，或者其可起因于载体层特性中的不对称性，或两者的组合。

因此，由eap的电刺激引发的形状改变具有许多有益的应用。然而，材料的刺激也伴随着致动器装置所呈现出的复阻抗的变化。更具体地讲，电抗ixc大致由于所引发的eap(层)厚度的减少而改变其数值。

对eap的电抗的最大影响是输入电容。通过将eap致动器建模为(多层)平板电容器，电容可近似表示如下：

其中c是输入电容，n是内部主动eap层的数目，ε0是真空的电容率，εr是eap材料的相对电容率，a和b是eap层的长度和宽度(因此a*b＝层的表面积)，且d是eap层的厚度。对于并非矩形的层来说，a.b可用表示eap层的表面积的等同的适当表达式来代替。

在对eap层进行电刺激时，厚度d减小。横向尺寸a和b同时扩展(即，更一般地说，表面积扩大)。因此，电容增大。图3示出了示例性eap层的电容(y轴)与所施加的dc电压(x轴)之间的关系。如所绘示的图表所示，在驱动电压从0v到250v的范围上，观察到输入电容的大致78％的总增长。

技术实现要素：

本发明的发明人已观察到，eap层的电容根据所施加的电压的上述变化显著增加了致动器装置的电子操作的复杂性，因为变化的电容必须在所施加的电信号中补偿，从而需要更复杂的驱动电子装置。这可能使得在发生变形时实时调整供给到eap层的电压或电流成为必需，或者在该装置仅被充电一次(使用“采样保持”驱动方案)的情况下，提前考虑到所产生的电容变化并相应地施加初始充电电压成为必需。在任一情况下，考虑到这一附加的依赖性需要使用补充的驱动电子装置，这增加了eap致动器装置的成本、复杂性和体积。

加剧这种复杂性是被电刺激的eap层的另一特征性表现，其中eap材料在到达其最终偏转位置的过程中呈现出延迟或滞后。这在图4中示出，该图示出了对于用两个不同的示例性电压(120v(24)和200v(26))刺激的示例性eap材料来说eap层的偏转(y轴)与时间(x轴)之间的关系。偏转以μm为单位示出，且时间以秒为单位。

从图表中可观察到，即使在40秒的时间段后，eap层仍未到达其最终偏转，无论是120v的刺激还是200v的刺激。另外，对于较高的驱动电压来说，延迟的程度变得较大。

所呈现出的延迟的至少一部分可简单地归因于聚合物的固有的物理弛豫过程，其本质上是非常缓慢的。然而，该延迟被上述电容-变形关系加剧。随着eap层缓慢地接近其最终偏转位置，在该层上的电容相应地继续增加。这继而需要电活性聚合物材料或电介质的持续充电，这本身则导致eap的进一步偏转(因为在eap层上的电场强度增加了)。

这种表现的另一劣势是非恒定电容负载必需的电驱动。由于不断变化的电容，必须不仅在初始激活时为eap致动器充电，还要持续供应另一电流以便随着装置的输入电容增加而增加电荷。这需要更复杂的驱动电子装置。

如果eap致动器是根据“取样保持”驱动方案寻址的，例如，在eap阵列的矩阵寻址中使用的类型，则这是尤其重要的。在这种方案中，eap仅简单地连接到电压源(电压是“被取样”的)且随后在大部分驱动时间内被隔离。在这种情况下，eap仅仅“保持”固定的电荷量。在这种情况下，在驱动期间电容的任何改变将导致在该装置上施加“不正确”(或非期望)的最终电压，且因此导致错误的最终变形(因为对于固定电荷来说，电压将随着电容变化而变化)。

鉴于前述劣势，本发明人已确认需要一种能够提供电刺激致动的eap致动器装置，其中改善或避免了与依赖变形的电容相关联的伴随的复杂性。

由随附权利要求限定的本发明旨在满足前述需要。从属权利要求限定了有利的实施例。

因此，根据本发明的一个方面，提供一种致动器构件，在该致动器构件上呈现出电容，且包括：

电活性聚合物材料，该电活性聚合物材料适于根据所施加的电场的量级而变形；及

电容补偿装置，该电容补偿装置适于至少部分地抵消由该致动器构件的变形引起的所述电容的变化。

本发明是基于通过调适致动器构件本身的固有电特性而在致动状态“提前”的情况下补偿电容的已知变化的原理。致动器构件被设置成具有电容补偿装置，该电容补偿装置被设计成操纵或变更在致动器构件上呈现出的电容，以便部分地或完全地校正或抵消在致动器被刺激而变形时引发的任何变化。电容补偿装置适于对致动器构件的电容进行调整，以至少部分地抵消由致动器构件的变形导致的所述电容的变化。结果是适于呈现出大致均匀或恒定的电容的致动器构件，而无论其变形程度如何。这也意味着致动器到达其最终偏转位置(图4所示)的延迟或滞后可被显著地减少。

电容补偿装置可采取各种各样的不同形式。然而，一般来讲，它包括一种或多种具有电特性的材料的使用，该材料在并入致动器构件的结构中时，具有改变在致动器构件上呈现出的电容与下述各项中的一个或多个之间的可观察的趋势或关系的效果：致动器的变形程度、在致动器上施加的电场的量级以及在致动器构件的活性外表面上的外加电荷。具体地讲，本发明的实施例可包括适于实现一种电容的电容补偿装置，该电容在变形、电场和/或外加电荷的情况下不呈现出可观察到的改变。

术语“抵消(offset)”是在(例如)“消解”、“补偿”或“反向施加”的意义上使用的，且仅旨在意味着电容补偿装置部分地或完全地使电容返回到在不存在任何电致变形或所施加的电场的情况下应具有的水平。该电容补偿装置可具有完全地或大致地将电容维持或保持为设定的恒定值的效果。

根据至少一组实施例，电容补偿装置适于通过减少致动器构件的至少一部分的相对电容率来抵消电容的所述改变。

由于电容与相对电容率εr成正比例(见上文公式1)，通过减小致动器的至少一部分的相对电容率，在该至少一部分上呈现出的电容减小。电容补偿装置可适于(例如)将所呈现出的相对电容率减小一个量级，这种变化符合由于致动器的变形引发的电容的变化。

电容补偿装置可适于(例如)根据下述各项中的一个或多个而引发致动器构件的相对电容率的减小：增加所施加的电场的量级、增加外加电荷、致动器构件的机械变形。所呈现出的这种依赖性可完全地或部分地匹配致动器构件的电容(不存在补偿装置的情况下)与下述各项中的一个或多个之间的关系：增加所施加的电场的量级、增加外加电荷和致动器构件的机械变形。

根据至少一组实施例，电容补偿装置可包括补偿材料，该补偿材料响应于下述各项中的一个或多个而独立地呈现出在补偿材料上的电容的减小：增加所施加的电场的量级、增加外加电荷、致动器构件的机械变形。

这种相关性可完全地、大致地或部分地匹配在致动器构件的电容(不存在补偿装置的情况下)与上述三个特性之间呈现出的关系。

更具体地讲，电容补偿装置可包括补偿材料，该补充材料独立地呈现出有效相对电容率的减小。

在这种情况下，补偿材料自身呈现出的有效相对电容率根据所述变量中的一个或多个而变化。在将该材料并入致动器构件的主体中时，这种依赖性可实现电容的对应变更，以便完全地或部分地抵消由致动器构件的变形引发的电容改变。

根据这一组示例，电容补偿装置可包括由所述补偿材料形成的多个颗粒，所述颗粒嵌置在电活性聚合物材料中。嵌置的颗粒可具有变更或偏置在致动器构件上的总体呈现出的电容和/或相对电容率的效果。

电容补偿装置可包括由所述补偿材料形成的涂层，从而覆盖电活性聚合物材料的至少一部分。这可以设置于其自身上，或者结合上述的嵌置颗粒来设置。该涂层可具有影响、偏置或改变所呈现出的电容(或相对电容率)表现的类似效果，使得在该装置上的总体呈现出的电容大致恒定，而无论致动器构件的变形如何。

致动器构件可包括由电活性聚合物材料形成的至少第一层，和包括补偿材料的至少第二层。由补偿材料形成的该至少第二层可直接联接eap材料层或布置成至少与其毗邻。这可具有偏置或变更致动器构件的总体呈现出的电容或相对电容率的效果。

根据至少另一组示例，电容补偿装置可包括与电活性聚合物材料形成混合物或复合物的材料，该混合物或复合物响应于下述各项中的一个或多个而呈现出在该混合物或复合物上的电容的减小或有效相对电容率的减小：增加所施加的电场的量级、增加外加电荷和致动器构件的机械变形。

根据这一组示例的补偿装置本身可以呈现出或不呈现出补偿性的电特性，例如根据致动器的变形而变化的电容或有效相对电容率。然而，在与eap材料相组合以形成复合物或混合物时，所形成的复合物或混合物确实呈现出预期的电特性。

混合物或复合物可呈现出根据变形、外加电荷或所施加的电场而减小的相对电容率。这样则可抵消在不存在补偿装置的情况下因变形导致的电容变化。混合物或复合物可固有地呈现出将趋于随(例如)所施加的电场或外加电荷而变化的电容，使得该电容变化可与因变形所引发的变化相结合以基本上使其无效或消除。

在各种情况下，根据这一组示例，致动器构件可包括所述混合物或复合物形成的一个层或多个层或由其构成。

致动器构件可替代地或另外包括由电活性聚合物材料形成的至少第一层，和由所述混合物或复合物形成的至少第二层。

根据上述示例及实施例中的任一个，致动器构件中可进一步包括电容率偏置材料，该电容率偏置材料适于永久地变更致动器构件的至少一部分的相对电容率。“永久地变更”是指引发或实现对致动器构件的一个或多个部分呈现出的相对电容率的永久(静态)抵消或偏置。

在示例中，电容率偏置材料可与电活性聚合物材料和电容补偿材料(或电容补偿混合物或复合物)中的一种或多种结合。这可以通过混合所述材料、或者通过在多层致动器构件内设置一层偏置材料来实现。在这些情况下，偏置材料并不妨碍相对电容率的任何电场/电荷/变形的依赖性，而仅施加固定的偏置或抵消，使得相对电容率以较高或较低水平开始且以较高或较低水平结束。

在具体示例中，偏置材料可至少与电活性聚合物材料混合或组合，以便直接改变电活性聚合物的基线、或静态相对电容率。

施加固定的电容率偏置或抵消的效果可以是改变使致动器构件可做出机械响应的场强的范围。通过静态地增加基线相对电容率，电活性聚合物材料可在较低范围的电场强度下响应(即，可响应于较低电压的电刺激而变形)。在高电压是不实际或不期望的设置或应用的情况下，这可能是有利的。例如，通过将自补偿的eap致动器并入较低电压的电路中，这种调适可增加其可能的应用或实施的范围。

另外，某些可能的补偿材料可仅在所施加的电场强度的具体范围处或上呈现出预期的场依赖性电容率。通过将适合的电容率偏置材料引入到致动器构件，致动器可响应的场强范围可被改变(如在前段落所述)以便恰好匹配使补偿材料呈现出所需的场依赖性(相对)电容率的场强范围。

致动器构件可包括至少第一层和第二层，第一层和第二层中的每一个适于响应于下述各项中的一个或多个而呈现出减小的电容或有效相对电容率：所施加的电场的量级增加、外加电荷的增加和致动器构件的机械变形，且其中

每一层适于仅在一个不同的具体范围的所施加的电场强度、外加电荷值或机械变形上呈现出所述减小的电容或有效相对电容率。

在更具体的示例中，这种效果可通过将电容率偏置材料并入该至少第一和第二层中的一个或多个而实现，该电容率偏置材料适于永久地变更致动器构件的至少一部分的相对电容率。

通过使用一个以上的层，可在各种各样的不同致动状态和电刺激强度上实现电容补偿，即使用于在每一层中提供补偿的具体材料或复合物仅具有有限范围的适用性。此外，诸如此类的多层结构允许电容与所施加的电压之间的类似对数的关系(图3所示)得以更容易、更廉价且更简单地补偿。例如，在每一层中可使用不同的材料或补偿装置，每种材料或补偿装置提供具体水平或量级的电容偏置或抵消。通过构建具有不同偏置量级的多个层(其随着致动器变形到越来越大的程度而被逐渐激活)的致动器结构，可易于实现指定模式的所需的电容补偿。

根据一组或多组的示例，致动器构件可包括至少第一层和第二层，第一层和第二层中的每一个适于响应于下述各项中的一个或多个而呈现出减小的电容或有效相对电容率：所施加的电场的量级增加、外加电荷的增加和致动器构件的机械变形。

每一层可适于仅在一个不同的具体范围的所施加的电场频率上呈现出所述减小的电容或有效相对电容率。

附图说明

现将参照附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了未被夹住的已知电活性聚合物装置；

图2示出了被背衬层约束的已知电活性聚合物装置；

图3示出了在电活性聚合物上呈现出的电容与所施加的电压之间的关系；

图4示出了随所施加的两个不同电压的时间而变化的示例性电活性聚合物的偏转；

图5示出了一示例性电容补偿材料的相对电容率与所施加的电场量级之间的关系；

图6示出了第二示例性电容补偿材料的相对电容率与所施加的电场量级之间的关系；

图7示出了包括电容补偿材料形成的嵌置颗粒的示例性致动器构件；

图8示出了包括一层电容补偿材料和一层电活性聚合物的示例性致动器构件；

图9示出了包括单层的示例性电容补偿复合物或混合物的示例性致动器构件；

图10示出了包括一层示例性电容补偿复合物或混合物和一层电活性聚合物的示例性致动器构件；并且

图11示出了两个示例性电容补偿层的相对电容率与所施加电场的趋势线。

具体实施方式

本发明提供一种电活性聚合物致动器，其包括适于至少部分地抵消因构件上的变形引发的在构件上的电容的任何改变的电容补偿装置。以此方式，装置的电子控制表现为更简单，因为在驱动致动器以执行具体变形时不必考虑致动器构件上的变化的电容。

根据至少一组设想的实施例，电容补偿是通过致动器构件的有效(或平均)相对电容率常数(或介电常数)εr的操纵或变更来实现的。具体地讲，根据一组实施例，提供一种自补偿的eap致动器，其与现有技术的eap致动器的区别在于，其适于根据下述各项中的一个或多个而减少或消除致动器结构的总有效相对电容率εr的变化：a)所施加的电压，b)构件的带电面板或表面上的外加电荷，及c)致动器构件的机械变形。

在至少一组示例中，减少致动器构件的总体或平均εr的变化是通过并入独立地呈现出固有电容率值εr的材料来实现的，该固有电容率值根据上述的a)、b)和c)项中的一个或多个而减小。这些材料自然地呈现出根据这些变量而减小的电容，且因此可用于补偿且至少部分地抵消由发生变形的电活性聚合物否则会呈现出的电容的增加。

然而，在操作eap聚合物的典型频率范围(以khz为单位)内，随着所施加的电压的增加或所施加的电场量级的增加而呈现出电容减小的材料并不常见。在静态情况下，所有材料趋于随着电压(或电荷状态)增加而增加其电容(由于热力学第二法则)。

然而，确实存在某些种类的材料，其由于诸如分子偶极子(moleculardipole)的重新排序延迟或液晶的慢速旋转等动态因素，可在某些频率范围呈现出动态电容的减小。

在尤其是(多层)陶瓷电容器的领域，非线性介电性的效果已被研发(例如：参见somiya,s.(2013)的handbookofadvancedceramics:materials,applications,processing,andproperties(高级陶瓷手册：材料、应用、处理和特性)。在nonlineardielectricityofmlccs(mlcc的非线性介电性)中(第415页)。沃尔瑟姆：学术出版社)。

已知呈现出强介电性的非线性材料的一个示例是钡-锆-钛(bzt)。bzt的相对电容率与所施加的ac电场的幅度之间的关系如图5所示，其中(无量纲的)相对电容率在y轴上表示，且所施加的ac电场的幅度(以kv/mm为单位)在x轴上表示。ac电场是以10khz为频率施加的。

从图中可看出，bzt的相对电容率εr起初以较低场强增加，在大致0.28kv/mm的场强下到达为约11750的峰值。超过约0.3kv/mm后，相对电容率的值随着电场强度的不断增加而呈现出明显的下降。

将这种材料(或类似表现的材料，例如，如陶瓷领域中已知的)并入到eap致动器构件的结构或主动层中将对致动器构件整体的有效(平均)相对电容率常数具有影响(至少对于较高的场强和较高的ac频率来说)。

除此之外，用于变更有效(平均)相对电容率的适合材料的其它示例可通过针对电介质材料的定向极化考虑朗之万(langevin)函数的高阶项(在raju,g.g.(2003)的dielectricsinelectricfields(电场中的电介质)(纽约：crc出版社)中论述)来揭示。该函数描述了沿所施加电场的方向的平均偶极矩μ0与单个偶极子的固定矩(permanentmoment)μ之间的下述关系：

其中x＝μe/kt(e＝电场强度，k＝波兹曼常数，且t＝温度)。表达式右侧可被视为众所周知的郎之万函数。

这一公式的高阶项仅在高电场强度(大约几个mv/m或更大)下相关，且因此在通常以大于10v/μm的场强刺激的电介质eap的情况下尤其相关。然而，对于eap的其它变体来说，它们也具有潜在的适用性：其表现对于在足够高的电场强度下刺激的任何适合材料来说保持恒定。

对郎之万公式的这些高阶项的考虑表明相对电容率在高场强下减小。相对电容率的改变δεr可表达为

其中e是电场强度，na是阿伏伽德罗常量，μ是导磁系数，c是常数，v是摩尔体积，ε0是真空电容率，k是波兹曼常数，且t是温度。

利用这一效应的适合材料的示例包括钛酸锶钡(bst)材料，其通常用于可调电容器。图6示出了例示说明随着所施加的dc电场强度(x轴，单位为kv/cm)而变的bst样本的(无量纲)相对电容率(y轴)的图。

从图中可看出，bst的相对电容率随着电场强度增加而几乎线性地减小，从零施加电场时大约2600的最大值(针对此样本)减小到在大致11kv/cm的施加场强时大约1750的值。对于沿相反方向施加的同等电场也观察到相同的关系。

上述示例性的相对电容率减小的材料可通过多种方式并入到致动器结构中，以实现根据所施加的电场强度的增加来提供电容补偿的预期效果。

图7示出了根据本发明的一个或多个实施例的第一示例性致动器构件。该结构包括一层电活性聚合物(eap)材料14，其由用于跨过eap层建立电场的第一电极10和第二电极12围绕。嵌置在eap层内的是根据上述示例中的一个或多个的电容补偿材料或者具有随着电场强度(或外加电荷，或机械变形程度)的增加而呈现出相对电容率减小的特性的任何其它适合材料形成的多个随机分布松散嵌置的颗粒34。

颗粒34可大致均匀地分布于整个eap层14中。由于这些颗粒的相对电容率具有根据电场强度增加而减小的特性，它们具有降低整个层14的总有效(平均)相对电容率的效果。通过仔细选择适合的材料(其呈现出根据所施加的电场而以大致匹配致动器构件的电容增加的固有速率的速率下降的相对电容率)，可提供根据电场强度在电极10、12之间呈现出大致恒定的电容的致动器。这符合公式(1)，其示出电容与相对电容率线性相关。

可选择具有所需的相对电容率的变化速率的材料，或者可以制造或合成材料(通常为上文论述的种类)以具有所需的精确的变化速率。

图8示出了根据一个或多个实施例的第二示例性致动器构件。该结构包括第一电极10和第二电极12，其之间设置有第一层电活性聚合物(eap)材料14和根据上文论述的示例所述的第二层电容补偿材料38，或者呈现出类似的相对电容率与所施加电场(或外加电荷，或机械变形程度)的依赖性的其它示例性材料。

如图7所示的示例，补偿材料层具有随着电场强度增加而降低致动器构件结构的总有效(平均)相对电容率的效果。

在所示的示例中，eap层14和补偿材料层38直接地彼此联接。然而，在替代性示例中，这些层可由适合的界面层分隔开，诸如电介质层。

尽管在图8所示的示例性致动器中仅设置单个eap层14和单个补偿材料层38，但在其它示例中，可设置每种类型的多个层。例如，这些层可交替地布置，以便实现两种类型的层的相对电容率的最大程度混合。

替代性地或另外，根据其它示例，可提供一种包括至少一个eap层的致动器构件，该eap层具有由适合的电容补偿材料形成的涂层。该涂层可仅涂布eap层的顶表面和底表面，或者可涂布该层的所有外表面(包括侧表面)。该涂层具有类似于图8所示的示例中的平行层38的效果，其根据所施加的电场强度(或外加电荷，或机械变形程度)而改变整个致动器结构的相对电容率。

尽管在上述描述和阐释中，已描述了呈现出随着所施加的电场强度而改变的相对电容率的材料，但应当理解，这些材料也可被理解为随着其它变量而改变。在eap致动器的情况下，致动器构件的变形程度根据所施加电场强度而自然地增加。因此，上述材料也可理解为根据致动器构件的机械变形程度而改变。另外，根据库仑(coulomb)定律，由于电场强度随着外加电荷的总数量而线性地增加，则这些材料也可理解为随着电极10、12上的外加电荷的数量而改变。

其它材料也可视为具有与机械变形程度和外加电荷中的一个或两个直接相关地改变所呈现出的电容或相对电容率的特性。

根据另一组实施例，提供一种由eap复合物或混合物构成的一层或多层形成的致动器构件，复合物或混合物适于根据下述各项中的一个或多个而呈现出减小的相对电容率(或电容)：所施加的电场强度、致动器电极上的外加电荷和机械变形程度。

根据示例，这可通过将电活性聚合物材料与上述电容补偿材料中的一种或多种相混合而实现。所形成的混合物可呈现出eap材料的电活性响应特性，同时也呈现出根据下述各项中的一项而减小的相对电容率：所施加的电场强度、外加电荷和机械变形程度。

eap材料与补偿材料的比率必须小心地选择，以便不将电活性聚合物的浓度稀释到使得电活性特性无法起效的程度。

根据其它示例，eap复合物可设置成与电场、电荷或变形依赖性相对电容率结合而呈现出eap的电活性特性。

对于包括上述种类的电容补偿eap混合物或复合物材料的致动器构件，存在多种可能的配置。

在图9中，示出了根据上文提供的描述并入示例性eap复合物的致动器构件的第一示例。该结构包括设置于第一围绕电极10和第二围绕电极12之间的由eap复合材料形成的单个层42。在响应于第一电极10和第二电极12之间建立的电场而变形的意义上，该单个层呈现出标准电活性聚合物的表现。然而，由于复合物的组成，其适于呈现处根据所施加的电场以具体调节的速率减小的有效相对电容率(介电常数)。

随着电场的施加且致动器开始变形，由于层42被压缩到较小厚度，该层的固有电容开始增加。然而，层42的复合材料的相对电容率被调节成随着所施加的电场以大致匹配因变形所致的电容增加的速率而减小。以此方式，电容变化可被部分地或完全地抵消或补偿。

尽管图9的示例示出了由eap复合材料形成的单个层，但在其它示例中，可设置多个层。

图10示出了根据上文概述的示例和描述并入eap复合材料的第二示例性致动器。该结构包括由标准(未改性)电活性聚合物形成的第一层14和毗邻第一层堆叠的eap复合材料形成的第二层42。这两个堆叠的层设置于用于在跨过这些层建立电场的第一电极10和第二电极12之间。

在将电场施加到电极10与12之间时，标准eap层14和eap复合层42两者均因响应而变形，且每一层上的电容相应地增加。如图9的示例，eap复合物适于呈现出随着电场强度增加而以恰当的速率减小的相对电容率，以部分地或完全地抵消或补偿增加的电容。

尽管图10的示例包括由eap材料形成的单个层和由eap复合材料形成的单个层，但在其它示例中，可替代性地提供由这些层中的一种或两种构成的多个层。这些层可交替地布置，以便提供这些层的相应的相对电容率的最佳混和或混合。

如上文论述，适合用于提供电容补偿效应的某些示例性材料可仅在相对有限范围的所施加的电场强度上呈现出预期的场依赖性相对电容率。在某些情况下，这一范围的场强可能与eap材料操作及其可响应的典型场强不匹配。

为了解决该问题，根据任一上述实施例，致动器构件可进一步适于包括电容率偏置材料，该电容率偏置材料适于永久地变更致动器构件的至少一部分的相对电容率。如在前部分所述，这种材料可适于对致动器构件的有效(平均)基线相对电容率实现固定的或静态偏置。

这可以有变更致动器的电活性聚合物元件可响应的所施加场强的范围的效果。如果使用了增加基线相对电容率的偏置材料，则这可有使致动器构件可在较小范围的场强响应的效果。这是因为，对于给定的所施加的场强，在整个致动器构件上呈现出的所形成的位移场将在量级上增加。

电容率偏置材料可结合补偿材料和/或补偿混合物/复合物使用，以实现一种致动器构件，该致动器构件可恰好在补偿材料呈现出所需的与电场/电荷/变形相关的电容率的频率范围上响应。

偏置材料可与电活性聚合物材料和补偿材料/混合物/复合物中的一种或两种形成混合物或复合物。

存在用于提供适合的偏置材料的多种方式，现将详细论述其范围。

本领域中已知用于变更电介质弹性体(一种类别的电活性聚合物)的介电常数的若干方法。例如，在carpi,f.等人(2011)的dielectricelastomersaselectromechanicaltransducers:eundamentals,materials,devices,modelsandapplicationsofanemergingelectroactivepolymertechnology(作为机电传感器的电介质弹性体：一种新兴的电活性聚合物技术的基本原理、材料、装置、模型及应用)(牛津：爱思唯尔(elsevier))中，公开了用于增加电介质弹性体的介电常数(相对电容率)的若干方法。这些方法可根据三个主要群组分类：随机复合物、场结构化复合物及新合成聚合物。

第一种方法基于将填料分散到聚合物基质中，这种填料是固态(例如粉末)或液态的。第二种方法也利用了复合方法，但这种情况下的材料在存在外部电场时硬化，因此使得偶极子对准。第三种策略基于新材料与定制特性的合成。

在下表1中给出了方法的三种群组的简要概览，以及对与每种方法相关联的示例性材料的选择。

表1：修改eap材料的相对电容率的方法列表(在所使用的物理过程和所采用的材料方面)。所提供的数字是材料的相对电容率。这可在互联网维基百科或标准化学物理手册上找到。pmn-pt：铌镁酸铅-钛酸铅；cb：碳黑；cnt：碳纳米管；cupc：铜苯二甲蓝；pani：聚苯胺；硅树脂：橡胶类的聚硅氧烷；pu：聚氨酯；pa：聚丙烯酸酯；pe：聚乙烯；eva：乙烯乙酸乙烯酯；s-sbs：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯；flce：铁电液晶弹性体；nbr：丁腈橡胶，也称为bunan橡胶：pht：聚六氢三嗪：环氧树脂：聚环氧化合物。

该表示出了用于修改电活性聚合物材料的相对电容率的现有水平的技术和工艺的示例。这些包括，将eap材料与具有增加eap材料的基线相对电容率的效果的适合的(高相对电容率)填料材料组合。因此，形成一种复合物或混合物，其呈现出eap材料的电活性响应特性但具有增加的基线相对电容率。这种混合物/复合物可使得eap材料能够响应于较小范围的所施加的电场强度。

为了实现预期的总体效果，必须小心地平衡添加到聚合物的电容率偏置材料的数量，以便不会破坏或显著地减弱致动行为。例如，如shakun,a.(2014).softelastomericmaterialwithimproveddielectricpermittivity(具有改善的电介质电容率的软弹性体材料)(thesis,20)中所述的，高相对电容率的填料并入，以及其他聚合物改性的方法，可导致材料特性的改变，该改变削弱聚合物的电响应性。这些包括弹性模量(例如，由于方法或交联的程度)和链缠结的变化，以及特定的分子间和分子内的交互作用。

然而，尽管如此，所添加的偏置材料的量必须足够高以形成对基线相对电容率的必需变更。

相对电容率的具体的预期增加(例如)可通过添加具有(较)低介电常数的相对大量的偏置材料，或通过添加具有较高介电常数的相对少量的偏置材料来实现。后一种情况大致是优选的，因为较少量材料的添加不太可能破坏整个致动器构件的电活性特性。

其它文献来源还论述了用于通过并入具有高介电常数的填料，或者通过聚合物改性(例如，见shakun,a.(2014).softelastomericmaterialwithimproveddielectricpermittivity(具有改善的电介质电容率的软弹性体材料)(thesis,20))来增加材料的相对电容率的方法。

如所论证的，与前述实施例相关，某些eap(尤其是电介质弹性体)可通过添加补偿材料而改性，使得其相对电容率与某些变量或边界条件(尤其是电场强度)一致地动态地减小。

而且，如在前的段落中所论证的，根据所引用的文献，已知晓某些方法，其中可将专用材料添加到电介质弹性体致动器，以静态地调节其相对电容率而采用不同的值。

因此，根据当前描述的实施例，提出将致动器构件的电活性聚合物材料改性，以使得eap致动器构件的有效介电常数在一定范围的所施加电场强度上呈现出根据场强而减小。该材料被挑选为使得这种减小速率恰好补偿因电活性聚合物在被电激活时的厚度减小(及横向尺寸增加)所导致的在致动器上的输入电容的任何变化。另外，可并入电容率偏置材料以静态地改变基线相对电容率，使得电场强度的范围(在该范围上补偿材料呈现出所需的减小)精确地匹配eap标准操作的那些强度。

根据某些示例，致动器构件设计，尤其是层厚度，可被调适以便确保在标准操作电压下在整个致动器构件上实现所需的场强。

根据上述示例及实施例中的任一个，所提供的致动器构件可包括至少两层材料，该材料适于呈现出随着电场强度、外加电荷和/或变形程度的增加而减小的相对电容率，其中层中的每一个仅在具体范围的所施加的电场强度、电荷值或机械变形上呈现出所述的减小。材料层可以是补偿材料形成的层，诸如图8的示例性致动器的示例层38。替代性地，材料层可以是如图9和10的致动器的示例层42中的eap复合材料或混合材料形成的层。

此外，每一层可包括或包含根据上述示例中的一个或多个的偏置材料，以便实现激活场强/电荷值/变形程度的所需范围。在具体示例中，每一层可包括由eap材料和具体数量或密度的偏置材料形成的复合物或混合物。为了针对不同的层实现不同的激活电压，包括在每一层中的具体密度或数量的偏置材料可以是不同的。以此方式，每一层可适于具有相对于基线相对电容率的不同的具体偏置。这意味着每一层的eap部件可在不同的电压范围是活性的。

此外，如上文阐释，通过使用一个以上的层，可在各种各样的不同致动状态和电刺激强度上实现电容补偿，即使在每一层中用于提供补偿的具体材料或复合物仅具有有限范围的适用性。此外，诸如此类的多层结构允许电容与所施加电压之间的类似对数的关系(图3所示)得以更容易、更廉价且更简单地补偿。

例如，在每一层中可使用不同的材料或补偿装置，每种材料或补偿装置提供具体水平或量级的电容偏置或抵消。通过构建具有不同偏置量级的多个层的致动器结构(其随着致动器变形到越来越大的程度而被逐渐激活)，可易于实现所需电容补偿的具体模式。

根据至少一些示例，上述实施例可通过提供由一种材料形成的多个层来实现，该材料在每个相关层中用不同方式组成或调适，或者可通过提供由同一材料构成但具有不同厚度的多个层来实现。每一层的不同厚度可影响具体的电场强度，例如相对电容率开始呈现出下降表现的电场强度。

根据任一上述示例，可提供一个或多个混合eap层，其包括与大量电容率偏置材料相结合的eap(或eap复合物)，其中偏置材料的密度沿跨过该层的一个或多个方向变化。这可允许根据所施加的电场强度而形成不同的有趣的变形模式，例如楔形或甚至波浪形。

根据任一上述实施例，可提供包括电容补偿材料或eap复合材料的两个或更多个层，其中每一层的相应材料适于相对于其它层沿循不断下降的相对电容率的不同趋势或模式。例如，这种不同趋势或模式可包括不同的激活点和/或斜率，和/或可包括不同的局部最小值或最大值。

图11示出了这一概念，其中示出了针对两个示例性补偿材料层的趋势线50、52，示出了相对电容率(y轴)与所施加电场强度(x轴)。这两个层各自呈现出不同的电容率与场强的表现模式，且各自具有不同的最大值点和不同的最小值点。

在示例中，可提供具有相应的相对电容率趋势的多个层，该相对电容率趋势在大范围的电场值上一起混和以便在所述范围上提供大致均匀或一致的相对电容率下降。以此方式，可在大范围的所施加场强上建立大致一致的电容，即使在(例如)每一层的电容率曲线单独地相对较窄时也如此。

此外，根据上述实施例中的任一个，可提供包括由电容补偿材料或eap复合材料形成的多个层，其中每一个层的材料适于仅针对具体范围的ac电场频率随着所施加的电场强度而呈现出减小的相对电容率。这提供了致动器构件的操作频率的柔性，因为可在不同的刺激频率下实现相同的电容补偿效应。

根据任一上述实施例，致动器构件可进一步包括电极布置结构，该电极布置结构包括两对或更多对电极，每一对被布置成使得夹住致动器构件的不同区段或区域。每一对可单独地操作(例如，通过专用驱动器)。另外可提供一个共用的接地/参考电极。根据该实施例，在eap的不同部分或区域上的电场强度可以是不同的，从而在可实现的变形形状和表现方面提供更大的柔性。

在替代性示例中，每一电极对的专用驱动器可用连接该电极对的电阻性和/或电抗性网络来替换。由于网络上的电压降，每一对电极之间可产生不同(但固定)的电压分布，从而导致在致动器构件的不同区域处产生激活水平的变化。这同样将导致在致动器构件的变形形状和表现方面有更大的柔性。

不同电极对(和致动器构件的对应的被刺激区域)之间的时间依赖性可通过将电抗性元件添加到网路(诸如小型表面安装(smd)电容器或感应器)来实现。

根据其它示例，上述电阻性和/或电抗性网络可经调适以便为电极对提供单个共用驱动器，其中经由网络将共用输出电压分成不同的幅度。每一分支可连接到每一电极对中的一个。这种布置结构可具有允许致动器的用户定制网络结构的优势(因为网络不再与致动器本身整合)。

适用于eap层的材料是已知的。电活性聚合物包括(但不限于)下述子类：压电聚合物、机电聚合物、弛豫型铁电聚合物、电致伸缩聚合物、电介质弹性体、液晶弹性体、共轭聚合物、离子聚合物金属复合材料、离子凝胶和聚合物凝胶。

电致伸缩聚合物子类包括(但不限于)：

聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(pvdf-trfe)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(pvdf-trfe-cfe)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(pvdf-trfe-ctfe)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(pvdf–hfp)、聚氨酯或其混和物。

电介质弹性体子类包括(但不限于)：

丙烯酸酯、聚氨酯、硅树脂。

共轭聚合物子类包括(但不限于)：

聚吡咯、聚-3,4-乙烯二氧噻吩、聚苯硫醚、聚苯胺。

离子装置可基于离子聚合物-金属复合材料(ipmc)或共轭聚合物。离子聚合物-金属复合材料(ipmc)是合成的复合纳米材料，其在施加的电压或电场下显示出人造肌肉的表现。

更详细地，ipmc由诸如nafion或flemion的离子聚合物组成，其表面经化学镀覆或物理涂布有诸如铂或金的导体或基于碳的电极。在所施加的电压下，由于在一条ipmc上施加的电压所致的离子迁移和再分布导致产生弯曲变形。该聚合物是溶剂膨胀的离子交换聚合物膜片。电场使阳离子与水一起行进到阴极侧。这导致了亲水性簇团的重新组织和聚合物的扩展。阴极区域的应变导致在聚合物基质的其余部分产生应力，从而导致朝向阳极弯曲。逆转所施加的电压会使弯曲倒转。

如果将镀覆电极布置成不对称构造，则施加的电压可引起各种类型的变形，诸如扭转、起伏、扭曲、翻转及非对称弯曲变形。

在所有这些示例中，可提供附加的被动层以响应于所施加的电场而影响eap层的电气和/或机械表现。

每一单元的eap层可夹在电极之间。该电极可以是可拉伸的，以使其沿循eap材料层的变形。适用于电极的材料也是已知的，且例如可从以下各项组成的群组中选出：金属薄膜，诸如金、铜、或铝；或有机导体，诸如碳黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(pani)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(pedot)，例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸)(pedot:pss)。也可使用金属化聚酯膜，诸如金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)，例如使用铝涂层。

本发明可应用于多种eap及光敏聚合物应用中，包括其中将致动器的被动基质阵列作为关注点的示例。

在许多应用中，该产品的主要功能依赖于人体组织的(局部)操纵，或组织接触界面的致动。在此类应用中，例如，主要由于小的形状因子、柔性及高能量密度，eap致动器提供独特的益处。因此，eap及光响应聚合物可易于整合到柔软的3d形状的和/或微型的产品和界面装置中。此类应用的示例包括：

皮肤美容护理装置，诸如呈基于响应性聚合物的皮肤贴布形式的皮肤致动装置，其将恒定或周期性的拉伸施加给皮肤以便张紧皮肤或减少皱纹；

具有患者界面罩的呼吸装置，其具有基于响应性聚合物的主动衬垫或密封件，以便向皮肤提供交替的正常压力，这会减少或避免面部红印。

具有适应性剃刀头的电动剃刀。皮肤接触表面的高度可使用响应性聚合物致动器来调整，以便影响贴近性与疼痛刺激之间的平衡。

诸如具有动态喷嘴致动器的空气牙线的口腔清洁装置，以改善喷流尤其是在牙齿之间的空间中的影响范围。替代性地，牙刷可设置有激活的刷毛簇；

消费性电子装置或触摸面板，其经由整合到用户界面中或附近的响应性聚合物换能器阵列来提供局部触觉反馈；

具有可操纵的末端的导管，以实现在曲折的血管中的轻松行进；

生理性人体参数的测量装置，诸如心跳、spo2和血压。

受益于这种致动器的另一种类的相关应用涉及光的改变。使用这些致动器，诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件可通过形状或位置调适而具有适应性。在这里，eap的一个益处是较低的功耗。

本领域技术人员在实施要求保护的发明时，从对附图、公开内容以及所附权利要求的研究中能够理解和实施所公开的实施例的其他变体。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一(a或an)”不排除复数。事实上某些措施在互不相同的从属权利要求中表述并不代表这些措施的组合不能被用于获益。权利要求中的任何附图标记不应解释为限制其范围。