[发明专利]具有结构化纳米空隙的电活性聚合物设备中的经设计的加载响应

说明书

一种设备可以包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的副电极、以及设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极的电活性聚合物元件。电活性聚合物元件可以包括纳米空隙聚合物材料，由此电活性聚合物元件的抗变形性相对于电活性聚合物元件的变形量是非线性的。还公开了各种其他设备、方法和系统。

交叉引用

本申请要求美国第16/205,257号非临时申请的优先权，该申请的标题为“ENGINEERED LOADING RESPONSE IN ELECTROACTIVE POLYMER DEVICES HAVINGSTRUCTURED NANOVOIDS”并于2018年11月30日提交，其全部内容通过引用并入本文。

背景

电活性聚合物(EAP)材料可能在电场的影响下改变其形状。EAP材料已经被研究用于各种技术，包括致动、传感和/或能量收集。重量轻且适形的电活性聚合物可以被结合到诸如触觉设备的可穿戴设备中，并且是新兴技术的有吸引力的候选者，这些新兴技术包括虚拟现实/增强现实设备，其中期望舒适的、可调节的形状因子。

例如，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)眼镜设备(eyewear device)或头戴装置(headset)可以使用户能够体验事件，例如在计算机生成的三维世界模拟中与人的交互或查看叠加在真实世界视图上的数据。VR/AR眼镜设备和头戴装置也可用于娱乐以外的目的。例如，政府可以使用这种设备进行军事训练，医生可以使用这种设备模拟手术，以及工程师可以使用这种设备作为设计可视化辅助工具。

传统上，这些和其他使用电活性聚合物的应用利用聚合物材料的泊松比产生横向膨胀，作为对导电电极之间压缩的响应。尽管最近有所发展，但提供具有改进的变形控制的电活性聚合物材料(包括表现出可变或甚至负的刚度的材料)将是有利的。

概述

如下文将更详细描述的，本公开涉及包括纳米空隙聚合物材料的电活性设备。示例设备可以包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的副电极、以及电活性聚合物元件，该电活性聚合物元件具有设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极的纳米空隙聚合物材料。在一些实施例中，由于将纳米空隙引入到电活性聚合物元件中，电活性聚合物元件的抗变形性相对于电活性聚合物元件的变形量可以是非线性的。在一些实施例中，电活性聚合物元件可以被配置为在平行于主电极和副电极之间产生的电场的方向上收缩，并且还在至少一个正交于电场的方向上收缩。

在示例设备中，纳米空隙可以占据纳米空隙聚合物材料的体积至少约10％，并且可以均质地(homogeneously)或非均质地(non-homogeneously)分布在其中。例如，电活性聚合物元件内的纳米空隙的分布可以随着电活性聚合物元件的厚度而变化，或者该分布可以横向变化，即在正交于厚度维度的一个或更多个维度上变化。设置在主电极和副电极之间，电活性聚合物元件的厚度可以是100纳米至10微米。

在一些实施例中，当在主电极和副电极之间施加为电活性聚合物元件的介电强度的大约10％至大约90％的电场时，电活性聚合物元件可以具有大于静电能的应变能。在一些实施例中，电活性聚合物元件的应力-应变曲线可以具有随着应变的增加而增加的斜率。在一些实施例中，电活性聚合物元件的应力-应变曲线可以包括负斜率。

电活性聚合物元件可以进一步包括诸如钛酸钡的材料的颗粒，其中这种颗粒具有高介电常数。颗粒，例如高介电常数颗粒，可以设置在纳米空隙内或者分散在整个聚合物基质中，并且可以具有大约10nm和大约1000nm之间的平均直径。

根据一些实施例，一种电活性设备可以包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的副电极、以及电活性聚合物元件，该电活性聚合物元件具有设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极的纳米空隙聚合物材料。电活性聚合物元件可以沿至少一个维度表现出负有效泊松比。