基于活性材料的吸盘的制作方法

专利名称：基于活性材料的吸盘的制作方法
技术领域：
本发明一般地说涉及可遥控吸合与释放的吸盘，更具体地说涉及基 于活性材料的吸盘，其中 一种活性材料被制成一旦被激活能实现吸盘的 吸合/释放的构造。
背景技术：
吸盘是技术上熟知的，被广泛用于使夹紧装置得以贴附到光滑表面 上。典型的吸盘包括定义一个空穴的凹陷柔顺本体。当外部压力施加到 吸盘上并将它压抵在某一表面上时，吸盘的形变使空穴容积缩小，同时 使吸盘唇与表面之间形成密封。压力一旦撤去，吸盘将力图回复到其原 来未变形状态。这样一来，内穴的容积将增加，从而在空穴内造成至少 部分真空。从外部作用的大气压压力与空穴内的减压之间的压差产生一 个施加在吸盘上的净压力，从而使它能保持其位置并且也能支撑加在它 上面的额外载荷。不同于传统墙钉、胶粘剂固定件之类，吸盘用途灵活 多样并且将它们拿走后在原表面上不留洞或残余物。现有技术吸盘一般要求手动解除该部分直至完全的真空，即，破坏 其密封的完整性，才能选择地将吸盘从它所贴附的表面上去掉。若有一 种能遥控吸合和脱开的吸盘，那将是理想的。发明内容本文公开一种可遥控吸合并释放的吸盘。在一种实施方案中，该基 于活性材料的吸盘包含一种柔顺本体，被制成当被压抵在安装表面时能造成真空的形状；以及一种活性材料，处于与柔顺本体之间的可操作联 通，该活性材料能响应激活信号地操作以改变至少一种属性，其中柔顺 本体内的压力随着活性材料的至少一种属性的改变而改变。在另一种实施方案中，基于活性材料的吸盘包含 一种柔顺本体，被制成当被压抵安装表面时能在空穴内造成真空的构造；至少一条沟 槽，围绕着柔顺本体部分的周边配置;以及一种活性材料，被做成能选择 地收紧或撑开沟槽的一部分的构造，其中空穴内的压力和/或本体与安装表面之间界面处的压力空间分布发生改变。遥控吸合和脱开基于活性材料的吸盘的方法包括，抵住安装表面压 缩基于活性材料的吸盘以便在吸盘内的空穴与空穴外的环境压力之间 造成压差，从而在吸盘与安装表面之间造成一种密封并维持该压差，其 中基于活性材料的吸盘包含柔顺本体和与柔顺本体操作联通的活性材 料，该活性材料能操作以改变至少一种属性以响应激活信号，其中柔顺本体内的压差随着活性材料的至少一种属性的改变而改变；以及激活该 活性材料以便选择地增加或降低压差和/或改变本体与安装表面之间界 面处(压力)的空间分布。上面描述的以及其它特征将通过下面的附图和详细描述举例说明。


现在来看附图，其中画出范例实施方案，且其中相同的要素用相同的数字代号表示；图1画出按照一种实施方案的基于活性材料的吸盘的透视图；图2画出按照另一种实施方案、松开和吸合后基于活性材料的吸盘的透一见图；图3画出按照另一种实施方案、吸合和松开后基于活性材料的吸盘 的透^见图；图4画出按照另一种实施方案、吸合和松开后基于活性材料的吸盘 的透^L图；图5画出按照一种实施方案、具有基于活性材料的折叠线的手风琴 式吸盘的断面图；图6画出按照一种实施方案、包括基于活性材料的阀的手风琴式吸盘一旦脱开和吸合后的断面图；图7画出按照一种实施方案的吸合件的部分断面视图；图8画出按照另一种实施方案的吸合件的部分断面视图；图9画出按照另一种实施方案的吸合件的部分断面视图；图10A和B画出按照另一种实施方案、具有1或多个围绕着周边的沟槽的吸盘的部分断面—见图。
具体实施方式
在图1中，表示出一种扁平式吸盘，总地用代号IO表示。吸盘10包括适合用于吸合表面17的由凹陷柔顺本体构成的吸合件12(即，隔膜 样零件)，并任选地被模塑到颈部14的一端上。颈部14或吸合件12的 一部分还包括用于附加到另一物体上的手段或可与该物体制成一体。柔 顺凹陷表面还包括活性材料16,后者被制成，通过激活来改变活性材料 中的刚度、模量或几何形状从而产生、调节，和/或消除部分或完全真空 的构造。通过对活性材料的这些刚度或几何形状的改变的当地或远方激 活，能使吸盘10吸合和脱开。根据活性材料的位置、类型和构型，可 采用激活来造成、调节和/或解除由于柔顺本体与内穴之间的相互作用产 生的真空。根据吸盘的式样和活性材料与吸盘其余部分的相互作用方 式，可利用该活性材料的激活或失活达到吸合或脱开的目的。再者，可 采用1组以上活性材料使某些组诱导吸合，而另一些则促使脱开。例如， 如图1所示，活性材料16可紧靠接触要吸合/脱开的表面的吸合件表面 配置或可限定该表面。活性材料的激活可用于造成或破除吸合件与该表 面17的密封吸合。替代地，整个吸盘可由活性材料制成。正如在本文中进一步详细描述的，活性材料可用于，通过局部或整 体的改变来改变吸合件的几何形状。在活性材料不是构成整个吸盘本身 的实施方案中，吸合件本体一般由弹性体构成。各种各样弹性体乃是本 领域技术人员熟知的。作为吸盘使用，弹性体优选地选择为肖氏A硬度 介于约30 ~约80的那些。术语"活性材料，，在这里被用来指几种不同类型材料，它们，当受 到多种不同类型外加激活信号当中至少之一时，全都表现出至少一种属 性如晶体结构、形态和/或弹性模量的改变，所述信号的例子是热、辐射、 潮湿、电、磁、应力、振动以及诸如此类。 一种类型活性材料是形状记 忆材料。这样的材料表现出形状记忆。具体地说，在发生假塑性形变之 后，它们可借助适当场的施加恢复到其原来的形状。按照此种方式，形 状记忆材料可响应激活信号而改变到规定的形状。合适的形状记忆材料 包括但不限于，形状记忆合金(SMA)、铁磁SMA(FSMA)和形状记忆聚 合物(SMP)。第二类活性材料可视为那些，当受到外加场作用时表现出 至少一种属性的改变，但一旦去掉外加场后便返回到其原来的状态的材 料。这一类活性材料包括但不限于，压电材料、电活性聚合物(EAP)、 磁致伸缩弹性体、磁流变聚合物以及诸如此类。视具体活性材料而定， 激活信号可采取，但不限于，电流、温度变化、潮湿、光、磁场、机械 载荷或应力，以及诸如此类的形式。形状记忆聚合物可以是热-响应的(即，性质的改变由热激活信号所 致)、光-响应的(即，性质的改变由基于光的激活信号所致)、湿-响应的 (即，性质的改变由液态激活信号如潮湿、水蒸气、水所致)、化学-响应的(即，对化学环境，例如，pH的改变做出响应)或者包含以上至少之一 的组合。形状记忆聚合物，只要在接触界面有一个柔性非-SMP材料， 尤其适合成形吸盘体，因为它们能发生相对高的可逆应变(100 ~ 300%),因而允许吸盘与各种各样几何形状共形，例如，平坦、凸起、 凹陷以及诸如此类，乃至尺寸，例如，几个纳米数量级高度的表面特征 和/或直至10cm或更大数量级的范围。一般而言，SMP是相离析的共聚物，在SPM内包含至少两种可描 述为定义不同链段的不同单元，每种链段对SMP的整体性质贡献不同。 这里所使用的术语"链段"指的是共聚形成SMP的相同或相似单体或 低聚物单元的嵌段、接枝或序列。每种链段可以是结晶或无定形的并且 将分别具有相应熔点或玻璃化转变温度(Tg)。术语"热转变温度"在这 里为方便计被用来统称Tg或熔点，取决于该链段是无定形链段抑或结 晶链段。如果SMP包含(n)链段，就说该SMP具有一个硬链段和(n-l) 软链段，其中硬链段的热转变温度高于任何软链段。于是，该SMP具 有(n)个热转变温度。硬链段的热转变温度被称作"最终转变温度"，而 所谓"最软，，链段的最低热转变温度则称作"第一转变温度"。重要的 是，如果SMP具有多个由相同热转变温度表征的链段，该温度也就是 最终转变温度，则称该SMP具有多个硬链段。当SMP加热到高于最终转变温度时，该SMP材料可被赋予各种形 状。SMP的永久形状可通过随后将SMP冷却至低于那个温度而固定或 被记住。这里所使用的术语"原来的形状"、"原来定义的形状"和"永 久形状，，是同义语，旨在互换地使用。 一种暂时形状可通过将材料加热 至高于任何软链段的热转变温度然而又低于最终转变温度的温度，施加 外部应力或载荷以便使SMP变形，随后冷却至该软链段的特定热转变 温度以下来固定。永久形状可通过在解除应力或载荷的同时加热该材^",直至达到该
软链段的特定热转变温度以上然而又低于最终转变温度来恢复。于是， 显然，通过组合多种软链段，有可能表现出多种暂时形状，并且凭借多 种硬链段，有可能表现出多种永久形状。类似地，利用层合或复合材料 的技术，多种SMP的组合将表现出多种暂时与永久形状之间的过渡状态。还应当指出，其它激励也可利用，具体取决于SMP组合物，正如上面提到的，例如，光激励的、湿激励的，以及诸如此类。为方便计， 这里的讨论将集中于热激活，然而，本领域技术人员将懂得，其它激励 也能产生相似的结果并也应被包括在本公开的范围内。对于仅有2种链段的SMP来说，形状记忆聚合物的暂时形状可在 第一转变温度设定好，随后在载荷下冷却该SMP,以便锁定该暂时形 状。只要SMP保持低于第一转变温度，该暂时形状就将维持。当SMP 一旦被再次加热到高于第一转变温度，永久形状就将再现。重复该加 热、赋形和冷却的步骤，就可反复重置该暂时形状。大多数SMP表现出"单向"效应，其中SMP表现出l种永久形状。 在不加应力或载荷的条件下 一旦将形状记忆聚合物加热到高于软链段 热转变温度，就将获得永久形状，而且该形状在不使用外力的情况下将 不返回到暂时形状。作为替代方案，某些形状记忆聚合物组合物能制成表现出"双向，， 效应，其中SMP表现出2种永久形状。这些体系包括至少两种聚合物 组分。例如， 一种组分可以是第一交联聚合物，而另一种组分是不同的 交联聚合物。诸组分利用层技术组合，或者是互穿网络，其中2种聚合 物组分各自交联但彼此不交联。通过改变温度，形状记忆聚合物朝着第 一永久形状或第二永久形状的方向改变其形状。每一种永久形状各属于 SMP的一种组分。整个形状的温度依赖性由这样的事实造成，即， 一种 组分("组分A")的机械性质，在感兴趣的温度区间几乎与温度无关。 另一种组分("组分B")的机械性质在感兴趣的温度区间依赖于温度。 在一种实施方案中，组分B在低温变得比组分A更强，而组分A则在 高温较强并决定实际形状。双向记忆器件可这样制备:设定组分A的永 久形状("第一永久形状")，使器件变形到组分B的永久形状("第二永 久形状")，以及在施加应力的同时固定组分B的永久形状。本领域技术人员应懂得，可以将SMP制成多种不同形式和形状。 设计组合物以及聚合物自身的结构就能针对要求的用途选择特定的温
度。例如，视具体用途而定，最终转变温度可介于约0X: 约30(TC或 更高。形状恢复的温度(即，软链段热转变温度)可大于或等于约-3(TC。 形状恢复的另一温度可大于或等于约20°C。形状恢复的另一温度可大于 或等于约70。C。形状恢复的另一温度可小于或等于约250。C。形状恢复 的又一温度可小于或等于约200°C。最后，形状恢复的另一温度可小于 或等于约180°C。适合用于SMP的聚合物包括热塑性聚合物、热固性聚合物、聚合 物的互穿网络、半互穿网络，或者混合网络。聚合物可以是单一聚合物 或者聚合物共混物。聚合物可以是线型或具有侧链或树枝状结构元素的 支化热塑性弹性体。适合成形形状记忆聚合物的聚合物组分包括但不限 于，聚磷腈、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯酰胺、聚氨基酸、聚酐、聚碳酸 酯、聚丙烯酸酯、聚烯烃、聚丙烯酰胺、聚亚烷基二醇、聚氧化烯、聚 对苯二甲酸链烷二醇酯、聚原酸酯、聚乙烯基醚、聚乙烯基酯、聚乙烯 基卣化物、聚酯、聚丙交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、聚 醚酰胺、聚醚酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯基苯酚、聚乙烯基吡咯烷 酮、氯化聚丁烯、聚(十八烷基乙烯基醚)、乙烯/醋酸乙烯、聚乙烯、聚 环氧乙烷-聚对苯二曱酸乙二醇酯、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、二甲基丙烯酸酯-丙烯酸正丁酯、聚(降 水片基-多面体低聚硅倍半氧烷)、聚氯乙烯、氨酯/丁二烯共聚物、聚氨 酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物以及诸如此类，和包 含以上聚合物组分至少之一的组合。合适的聚丙烯酸酯的例子包括聚甲 基丙烯酸曱酯、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、聚甲基丙烯酸月桂 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 丁酯和聚丙烯酸十八烷基酯。用于成形上面要求的SMP中各种各样链 段的聚合物有市售供应或者可利用常规化学合成。本领域技术人员能轻 易地利用公知的化学和加工技术制备这些聚合物，不需要不必要的实 验。类似于形状记忆聚合物，形状记忆合金以几种不同温度-依赖的相存 在。这些相中使用得最普遍的是所谓马氏体相和奥氏体相。在下面的讨 论中，马氏体相一般地指较易变形、较低温度相，而奥氏体相一般地指 刚性较大、温度较高的相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，
它开始变为奥氏体相。此种现象的开始温度通常被称作奥氏体开始温度 (As)。此种现象完成的温度被称作奥氏体完成温度(Af)。当形状记忆合 金处于奥氏体相并冷却时，它开始变为马氏体相，而此种现象开始的温度被称作马氏体开始温度(Ms)。奥氏体完成变为马氏体的温度被称作马 氏体完成温度(Mf)。 一般而言，形状记忆合金当处于其马氏体相时较软 并且较容易变形，而当处于奥氏体相时则较硬、较刚挺和/或较僵硬。从 以上的性质来看，形状记忆合金的膨胀优选地在或低于奥氏体转变温度 (在或低于As)发生。随后的在奥氏体转变温度以上的加热将导致已膨胀 的形状记忆合金缩回到其永久形状。于是，适合用于形状记忆合金的激 活信号是一种热激活信号，其大小足以导致在马氏体与奥氏体相之间的 转变。当加热时形状记忆合金记住其高温形式的那一温度可通过略微改 变合金的组成和通过热处理加以调节。例如，在镍-钛形状记忆合金中， 可将它从高于约100。C改变到低于约-10(TC。形状恢复过程发生在仅仅 几度范围内并且转变的开始和完成可根据要求的用途和合金组成控制 在1或2度范围内。形状记忆合金的机械性能在跨越其转变过程的温度 范围内变化很大，通常能提供形状记忆效应、超塑性效应和高阻尼能 力。合适的形状记忆合金材料包括但不限于，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-铝合 金、铜-金合金和铜-锡合金)、金-镉基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、 锰-铜基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金以及诸如此类。这些合金可以 是二元、三元或任何更高阶的，只要合金组合物表现出形状记忆效应， 例如，形状取向的改变、屈服强度和/或挠曲模量等性质、阻尼能力、超 塑性等的改变，以及诸如此类。适宜形状记忆合金材料的选择取决于该 组分将在什么样的温度范围操作。电活性聚合物包括，作为对电或力学场的响应表现出压电、热电或 电致伸缩性质的那些聚合物材料。电致伸缩-接枝弹性体的例子是压电聚 (偏二氟乙烯-三氟乙烯)共聚物。此种組合具有产生数量不同的铁电-电致 伸缩分子复合材料体系的能力。这些材料可作为压电敏感元件或甚至电 致伸缩致动元件^操作。适合用作电活性聚合物的材料包括任何基本上绝缘的聚合物或橡
胶(或其组合)，只要它作为对静电力的响应发生变形，或者其变形导致 电场的变化。适合用作预-张紧聚合物的范例材料包括硅氧烷弹性体(硅橡胶)、丙烯酸弹性体、聚氨酯、热塑性弹性体、包含PVDF的共聚物、 压敏胶粘剂、氟弹性体、包含硅氧烷和丙烯酸部分的聚合物，以及诸如 此类。包含硅氧烷和丙烯酸部分的聚合物可包括，例如，包含硅氧烷和 丙烯酸部分的共聚物以及包含硅氧烷弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物 共混物。这些类型材料能很好地适应形成与某一表面密封吸合的唇区域 的要求。作为电活性聚合物使用的材料可根据1或多种材料性质选择，例 如，高电击穿强度、低弹性模量一一(为了大或小的变形)、高介电常数 以及诸如此类。在一种实施方案中，聚合物被选择为具有最高约100 MPa 的弹性模量。在另一种实施方案中，聚合物被选择为具有介于约0.05 MPa 约10MPa，优选约0.3 MPa ~约3 MPa的最高致动压力。在另一 种实施方案中，聚合物被选择为具有介于约2~约20,优选介于约2.5 ~ 约12的介电常数。本公开不限于这些范围。理想的是，具有高于上面 给出范围的介电常数的材料将是理想的，倘若希望材料既具有高介电常 数又具有高介电强度。在许多情况中，电活性聚合物可制成并作为薄膜 实施。适合这些薄膜的厚度可低于50 pm。由于电活性聚合物能以高应变挠曲，因此贴附在该聚合物上的电极 也将挠曲而不损失其力学或电性能。 一般而言，适合使用的电极可以是 任何形状和材料的，只要它们能给或从电活性聚合物提供合适的电压或 接受合适的电压。电压既可以是恒定也可以是随时间变化的。在一种实 施方案中，电极粘贴在聚合物表面上。粘附在聚合物上的电极优选是柔 顺的并且始终与聚合物变化着的形状保持共形。相应地，本公开可包括 与它所贴附的电活性聚合物的形状保持共形的柔顺电极。该电极可以仅 仅被施加在电活性聚合物的一部分上并定义一个与其几何形状一致的 活性区域。各种各样类型适合本公开使用的电极包括:含有金属线迹和电 荷分布层的有结构电极、包含各种各样超出平面的维度的带紋理电极、 导电脂如碳脂或银脂，胶体悬浮体、高长径比导电材料如碳原纤和碳纳 米管，以及离子导电材料的混合物。用于本公开电极的材料可以是各种各样的。适合用作电极的材料可 包括石墨、炭黑、胶体悬浮体、薄金属，包括银和金，银充填的和碳充
填的凝胶以及聚合物，还有离子或电子导电聚合物。要知道，某些电极 材料能与特定聚合物很好地工作但不能同样好地与其它聚合物工作。作 为例子，碳原纤能很好地与丙烯酸弹性体聚合物工作，但不能与硅氧烷 聚合物同样好地工作。合适的MR弹性体材料包括但不限于，包含铁磁或顺磁颗粒的悬浮体的弹性体聚合物基质，其中颗粒如上面所描述。合适的聚合物材料包括但不限于，聚-oc-烯烃、天然橡胶、硅橡胶、聚丁二烯、聚乙烯、聚异戊二烯以及诸如此类。合适的压电材料包括无机化合物、有机化合物和金属。关于有机材的大偶极矩基团的聚合物材:牛都可用作压电薄;莫的候^材料。合适的聚合物的例子包括但不限于，例如，聚4-苯乙烯磺酸钠("PPS")、聚S-119(聚(乙烯胺)主链偶氮发色团)，及其衍生物;polyfluorocarbines，包括 聚偏二氟乙烯("PVDF"),其共聚物偏二氟乙烯("VDF")、三氟乙烯 (TrFE)，及其衍生物;聚氯代烃，包括聚氯乙烯("PVC")、聚偏二氯乙 烯("PVC2"),及其衍生物;聚丙烯腈("PAN")，及其衍生物、聚羧酸， 包括聚甲基丙烯酸("PMA")，及其衍生物;聚脲，及其衍生物;聚氨酯 ("PUE")，及其衍生物;生物-聚合物分子如聚-L-乳酸及其衍生物；，以 及膜蛋白，以及磷酸酯生物分子;聚苯胺及其衍生物，以及四氨合物的所 有衍生物;聚酰亚胺，包括Kapton分子和聚醚酰亚胺("PEI"),及其衍 生物;所有膜聚合物;聚(N-乙烯基吡咯烷酮)("PVP")均聚物，及其衍生 物，以及无规PVP-共聚-醋酸乙烯("PVAc，，)共聚物;以及所有具有在主 链或侧链，或者主链和侧链两者中的偶极矩基团的芳族聚合物，及其混 合物。另夕卜，压电材料可包括(Pt、 Pd、 Ni、 T、 Cr、 Fe、 Ag、 Au、 Cu), 和金属合金及其混合物。这些压电材料还可包括，例如，金属氧化物如 (Si02、 A1203、 TK)2、 SrTi03、 PbTi03、 BaTi03、 Fe03、 Fe304、 ZnO)， 及其混合物；以及族VIA和IIB化合物，例如，(CdSe、 CdS、 GaAs、 AgCaSe2、 ZnSe、 GaP、 InP、 ZnS),及其混合物。虽然已讨论了由压电材料成形的双压电晶片，但本领域技术人员清 楚，其它材料也可用于提供类似行为。例如，离子聚合物执行元件如离 子聚合物金属复合材料和本质导电聚合物表现出此种由于导致整个膜 溶胀的离子物质的运输现象所产生的效应。上面提到的活性材料的应用提供一种具有可调模量的吸合件。当使 吸盘变形以便使它与要抓取的表面共形时，在一种实施方案中，活性材 料切换到其较低模量的形式，例如，SMP基材料的模量可通过加热该SMP部分至大于其转变温度(例如，玻璃化转变温度、熔融温度之类， 取决于该SMP的组成)而转换达30倍的幅度。这允许吸合件比在其低温 状态的同 一材料更容易变形，借此允许吸盘从其本体下面驱赶更多流体 (例如，空气、液体、其它气体以及与用来构成吸盘的材料相容并且与使 用特定激活信号相容的类似流体)从而形成与感兴趣的表面之间的气密 密封。鉴于模量的改变正好提供柔性以造成良好气密密封，吸盘不同部 分的横断面不需要非常薄。这一性质可用于某些吸盘构型中以提供改善 的机械强度乃至提高的操作寿命。图2画出基于活性材料的吸盘20,包括一种压电材料22,后者被制成 能提起吸盘的周边密封24的构造，以便选择地释放真空和/或提起吸盘 的中心部分以便在吸盘下方造成部分真空从而提供吸合。很清楚，为脱 开，轮廓的改变必须使吸盘本体两侧之间压力达到均衡，这可通过在吸 盘与安装表面之间产生泄漏，或者通过缩小由吸盘提供的内穴容积来实 现。例如， 一种压电垫可设在吸盘的中心部分内或与之接触。压电材料 可以是单压电或者是双压电晶片。单压电晶片执行元件，即包含单层压 电材料的，被驱动以产生弯曲执行元件(仅沿一个方向弯曲)。相比之下， 双压电晶片执行元件，包含2层压电材料包围着中心层形成夹层，具体 取决于如何驱动，可沿2个相反方向作为弯曲执行元件动作。另外，该 压电材料可有指向性地激活以提供吸合抑或脱开。双压电晶片执行元件取凸起的形状来提供脱开，或采取凹陷的形状以实现吸合。替代地，作 为单压电晶片的压电材料可沿着吸盘的周边配置，即，围绕着接触物体 表面的用于贴附的部分。这样一来，压电材料的激活可破坏吸合的吸盘 与物体表面之间的密封，从而提供脱开。本领域技术人员清楚，不需要 施加任何外部机械力。然而，也可以施加机械力以便使吸盘的周边密封 到吸合表面上，或者既密封又驱赶空气以造成局部真空，正如某些场合 所要求的。在图3中，画出按照另一种实施方案的基于活性材料的吸盘30。吸
盘30的至少一个中心部分32(或在另一种实施方案中，整个部分)由形 状记忆聚合物构成。该形状记忆聚合物的激活导致该中心部分由于压差 而塌瘪，以致吸盘内压力Pl大致等于吸盘外大气压压力P2,以此方式 实现吸盘与表面的脱离/吸合。合适的激活信号可由激活器件34提供， 它可以是热信号、湿或辐射信号用以选择性激活形状记忆聚合物并使其 弹性模量减少一个足以提供塌瘪的数量。在该实施例中，整个脱开由单 一事件，即，中心部分的模量下降实现。脱开可以逐步或分成不连续的 步骤实现，如果压力的均衡是由多个部分的模量下降达到的。这些部分 可通过将它们逐个加热而激活，如果它们具有同一转换温度;或者可规定 某一总体温度，产生的效果是，只有那些其转换温度低于该总体温度的 区域才对内压的变化作出贡献。在图4中，画出一种基于形状记忆合金的吸盘40,它包括围绕吸盘 的周边42的形状记忆合金材料丝或条。形状记忆合金丝或条镶嵌在周 边一圏，成为压扁的(直线)条(或相反，作为曲线形状)但被做成具有被记 住的弓形或非直线的形状。于是， 一旦以适当激活器件激活，吸盘将松 开真空密封并允许脱开。虽然已举例说明了范例实施方案，但本领域技术人员将懂得，许许 多多其它活性材料可用来提供吸合与脱开。此种激活材料与吸盘构型的 结合乃是本领域技术人员充分掌握的。例如，吸盘的周边可由电活性聚 合物构成，它当激活时能改变吸盘形状并以此方式调节压差。吸盘可用于多种凡希望有一个基于抽吸的可松开的贴附的场合。例 如，基于活性材料的吸盘可用于在夹紧装配体、焊接之类用途中抓紧零 件和使夹具/定位块定位。另外，吸盘不限于任何特定形状。例如，图1~ 4 一般地画出技术上被称作为扁平真空吸盘的东西。其它构型也想象得 到。例如，正如在图5中所示，手风琴式吸盘50可以一种类似于上面 讨论的扁平吸盘的方式使用。然而，手风琴式吸盘提供1或多个板条折 叠线52的附加功能，它们可完全或部分地由活性材料构成。在图6中，吸盘60包括基于活性材料的阀62,控制着吸盘-吸合件 12内部的空气压力。阀62可包括活性材料68,其一端固定地贴附在吸盘 侧壁，而另一端固定地贴附在可滑动板条66上。偏置弹簧64固定地贴 附在与活性材料成偏置关系的可滑动板66上。可利用活性材料的激活 来克服与偏置弹簧相联系的偏置力以实现可滑动板条的移动以便关闭
阀。活性材料的失活，可用来打开阀。相反的安排，即，活性材料的激 活关闭阀，而失活导致偏置弹簧打开阀，则是另一种变换方案。作为例 子，活性材料可以是形状记忆合金丝或弹簧，其中热激活导致形状记忆 元件的收缩。其它变换方案表示在图7~9中。在图7中，活性材料执行元件可用于产生和解除真空。该吸盘总地用代号70表示，它包括柔性膜72,在 凹陷柔顺本体12内。基于活性材料的致动元件处于与该膜的操作连接 中，致使活性材料的激活允许膜运动，从而提供改变凹陷柔顺本体内部 压力的手段。例如，形状记忆合金弹簧74的一端可贴附在吸盘颈部区 域76附近，而另一端则贴附在膜72上。形状记忆合金的激活能造成收 缩并导致，由于膜沿着箭头78所指方向拉伸，容积的增加，从而产生 或增加吸合膜12所提供的真空度。按此方式产生的内压下降可通过维 持元件74的激活，或者利用某种手段将膜锁定在挠曲的位置(例如，采 用双稳膜)来保持。该压力降低可通过使元件74失活或者通过释放膜(例 如，通过激活相反的一组智能材料，以导致双稳膜弹回到其原来的构型) 而逆转。可以想象此种式样的一种变换方案，其中增加和降低内部真空 的手段彼此对调。在图8中，吸盘80被做成具有辅助腔82的构造,该腔与凹陷柔顺本 体12(即，吸合膜)通过小孔86处于彼此流体联通。活性材料84可制成 与辅助腔82彼此操作联通，以致腔内压力的改变能影响吸盘的吸合膜 12所提供的压力。例如，形状记忆合金丝可围绕着辅助腔82—周配置。 在吸合本体12之前，活性材料净皮激活从而减少辅助腔82内的容积。一 旦本体吸合，通过令活性材料失活并允许包含辅助腔的材料固有回弹使 膜壁膨胀来进一步增加真空，致使它增加腔容积并进一步降低压力。在图9中，吸盘90被做成能增加辅助腔82内的容积的构造。活性 材料92被做成在一旦激活后能使辅助腔侧壁鼓胀膨出(增加容积)。例 如，侧壁的某些部分可由电活性聚合物构成或者具有镶嵌在其内的辅助 形状记忆合金丝。于是，激活便能产生或加强吸盘内的真空。图IOA和B画出吸盘IOO的又一种实施方案，具有，如图所示，1 或多个围绕吸盘周边106配置的沟槽104。活性材料102贯穿沟槽104 围绕周边106周期地或无规地配置。沟槽可如图所示围绕周边一圈如图 所示，沿径向配置，或者沿圆周和沿径向组合地配置。活性材料102可 用于选择地束紧和/或展宽沟槽的相对二侧壁，从而影响本体内的压力和 /或柔顺本体与安装表面之间接触(密封)压力的空间分布。以此方式，活 性材料的激活能实现解除、加强真空压力，或产生真空压力或者控制密 封压力的空间分布。有利的是，亦如本文所使用的，术语"第一"、"第二"以及诸如 此类，不表示任何顺序或重要性，而是被用来区別一种要素与另一种要素，而术语"the" 、 "a，，和"an"不表示数量的限定，而是表示所指 事项的至少之一的存在。另外，这里所公开的所有范围都包括端点值并 且可独立地组合。虽然已结合范例实施方案描述了本公开，但本领域技术人员懂得， 在不偏离本公开范围的前提下仍可制定出各种变换方案并且可用各种等价物替代其中的要素。另外，可对本说明内容做出许多修改以适应具 体情况或材料而不偏离其实质范围。因此，应强调，本公开不限于作为 实施该公开想到的最佳模式而公开的特定实施方案，相反本公开将包括 所有符合所附权利要求范围的实施方案。
权利要求
1.一种基于活性材料的吸盘，包含一种柔顺本体，被制成当被压抵在安装表面时能造成真空的形状；以及一种活性材料，处于与柔顺本体的可操作联通，该活性材料能响应激活信号可操作地改变至少一种属性，其中柔顺本体内的压力随着活性材料的至少一种属性的改变而改变。
2. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，其中柔顺本体包含由活性 材料构成的至少 一部分。
3. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，其中活性材料包含形状记 忆合金、形状记忆聚合物、铁磁形状记忆合金、电活性聚合物、磁流变 聚合物、压电材料或其组合。
4. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，其中活性材料镶嵌在柔顺 本体内。
5. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，其中活性材料围绕着柔顺 本体周边配置。
6. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，其中活性材料包含大量不 连续活性材料的基元，它们镶嵌在柔顺本体内。
7. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，其中活性材料响应激活信 号而改变形状，其中形状的改变能实现解除或增加柔顺本体内的真空。
8. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，其中激活信号包含热激活 信号、磁激活信号、辐射激活信号、电激活信号、化学激活信号、潮湿 激活信号、光激活信号、振动激活信号或者包含以上信号至少之一的组 合。
9. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，还包含一种激活器件，适 合用于给活性材料提供激活信号。
10. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，其中活性材料形成能，一 旦活性材料被激活和失活，选择地开和关的阀，其中该阀处于与柔顺本 体提供的真空之间的流体联通。
11. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，还包含与压抵安装表面时 由柔顺本体提供的真空之间流体联通的辅助腔，其中活性材料与辅助腔 处于操作联通以产生、加强或解除真空。
12. 权利要求1的基于活性材料的吸盘，其中安装表面不是平面的。
13. —种基于活性材料的吸盘，包含一种柔顺本体，被制成当被压抵在安装表面时能在空穴内造成真空 的形状；至少一条沟槽，围绕着柔顺本体周边配置;以及一种活性材料，被做成能选择地束紧或展宽一部分沟槽的构造，其发生改变。'' 5' — 日、； ''曰
14. 权利要求13的基于活性材料的吸盘，其中至少一条沟槽围绕周 边径向地配置，围绕周边周向地配置或者二者的组合。
15. 权利要求13的基于活性材料的吸盘，其中活性材料包含形状记 忆合金、形状记忆聚合物、铁磁形状记忆合金、电活性聚合物、压电材 料、磁流变聚合物或者包含以上材料至少之一的组合。
16. —种遥控吸合和脱开基于活性材料的吸盘的方法，该方法包括: 抵住安装表面压缩基于活性材料的吸盘以便在吸盘内的空穴与空穴外的环境压力之间造成压差，从而在吸盘与安装表面之间造成一种密 封并维持该压差，其中基于活性材料的吸盘包含柔顺本体和与柔顺本体 操作联通的活性材料，该活性材料能响应激活信号地操作以改变至少一 种属性，其中柔顺本体内的压差随着活性材料的至少一种属性的改变而 改变；以及激活该活性材料以便选择地增加或降低压差。
17. 权利要求16的方法，其中活性材料包含形状记忆合金、形状记 忆聚合物、铁磁形状记忆合金、电活性聚合物、压电材料、磁流变聚合 物或者包含以上材料至少之一的组合。
18. 权利要求16的方法，其中激活该活性材料能降低或增加模量性质。
19. 权利要求16的方法，其中激活该活性材料能改变活性材料的形 状取向。
全文摘要
可遥控吸合和脱开的吸盘，包括柔顺本体和与该柔顺本体操作联通并被做成能通过激活活性材料中的刚度或几何形状的变化产生和/或消除部分真空的活性材料。合适的活性材料包括形状记忆材料如形状记忆合金、铁磁形状记忆合金，以及形状记忆聚合物(SMP)。第二类活性材料包括当受到外加场作用时表现出至少一种属性的改变，而在外加场解除后立即返回到其原来状态的材料。此类活性材料包括压电材料、电活性聚合物(EAP)、磁流变聚合物以及诸如此类。
文档编号F16B47/00GK101153624SQ20071016131
公开日2008年4月2日 申请日期2007年9月28日 优先权日2006年9月28日
发明者A·L·布劳恩, N·D·曼卡默, N·L·约翰逊, R·斯蒂芬森 申请人:通用汽车环球科技运作公司