CN101095277A - 机械超常材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了具有主动可控机械性质的超常材料。所述超常材料包括可变形结构和一组激活元件。所述激活元件可在多种状态之间受到控制。所述超常材料包括当一个或多个所述激活元件处于所述第一激活状态时机械性质的第一值且包括当所述激活元件已被激活至所述第二激活状态时机械性质的第二值。在一个方面中，所述超常材料与复合材料类似，其中所述组成材料之间的连接性或所述组成材料的形状和布置可受到动态控制从而影响所述超常材料的机械性质。

Description

机械超常材料

美国政府权利

本申请部分地受到美国空军研究实验室和国防部高级研究项目机构给予的合同号为FA8650-04-C-7140的政府支持。政府对本发明享有一定权利。

对相关申请的交叉引用

本申请要求共同待审的美国临时专利申请No.60/552,456在35U.S.C§119(e)下产生的优先权，所述临时专利申请为所有目的在此作为参考被引用。

技术领域

本发明涉及一种具有可控机械性质的复合材料。更具体而言，本发明涉及一种复合超常材料(meta-material)，所述复合超常材料具有在制造后且在使用过程中可改变的性质。

背景技术

历史上，人们起初对他们身边可得的材料的选择是有限的：木材、石头和骨头。他们最终获得了对天然存在的材料如铁和青铜进行精炼且对这些材料进行模制和成形的能力。几千年后，人们发明了定制材料和复合物，如塑料和钢筋，所述物质的机械性质可在制造过程中定制以适合特定应用情况。

材料技术的改进导致应用情况的改进。铁器时代和青铜时代产生了成形武器、农具、珠宝和食用器具。20世纪之交的复合材料使得能够出现多种新应用情况。飞行影响了新型的轻质和高强度材料；钢筋混凝土构建起更大的建筑物和桥梁；且塑料给玩具和其它工业带来了革命。

这些材料允许设计者或建设者从多种机械性质中进行选择以适合给定应用情况。然而，一旦材料被选择且包括在装置或结构内，其机械性质就固定下来。在使用过程中主动控制材料的机械性质的能力在多种应用情况下是有用的-且使得能够产生许多新的应用情况。可改变机械性质的现有材料仍非常有限且可分成两类：主动材料(activematerial)和内在自适应材料。

内在自适应材料响应于外部刺激产生分子或微观结构转变，这导致机械性质产生变化。内在自适应材料的实例包括热响应材料，如橡胶和形状记忆聚合物，其中刚度和阻尼基于温度改变；磁流变和电流变流体，其中所述材料响应于外部磁场或电场产生微观转变；和聚合物凝胶，其中刚度变化取决于聚合物基体中的流体量。这些材料可能具有不希望的温度敏感性。此外，这些材料提供了有限控制。例如，独立地改变这些材料的弹性和阻尼或控制液体/固体极端之间的电流变流体是不可能的。

主动材料用作在变形的电(或热)能与机械能之间转换的换能器。主动材料的实例包括压电陶瓷、磁致伸缩材料(包括铁磁形状记忆合金)，和电活性聚合物。对于这些材料而言，它们的特定能量转换机构通常限制了可获得的机械性质范围。此外，控制主动材料的机械性质受到物理限制，如主动材料的最大能量输出和响应速度。

基于前面所述，材料选择仍然受限且具有一种或多种可控机械性质的材料很大程度上仍不满足需要。

发明内容

本发明提供了具有主动可控机械性质的超常材料。所述超常材料包括可变形或可重构的结构和一组激活元件。所述激活元件可在多种状态之间受到控制。所述超常材料包括当一个或多个所述激活元件处于所述第一激活状态时机械性质的第一值且包括当所述激活元件已被激活至所述第二激活状态时机械性质的第二值。在一个方面中，所述超常材料与复合材料类似，所述超常材料的结构或连接性可受到控制以便影响所述超常材料的机械性质。

一种典型的超常材料包括柔顺层作为所述可变形结构和联接至所述柔顺层的一组硬性激活元件。每个硬性激活元件可被静电夹持至另一个硬性激活元件或所述柔顺层以便增加其与另一个硬性激活元件的联接性。这改变了所述超常材料的连接性。当多个激活元件被夹持(激活)在一起时，所述超常材料的刚度、阻尼或另一种机械性质增加。当脱离夹持(去激活)时，所述超常材料在机械上与所述柔顺层类似。相应地，当所有所述激活元件进行静电夹持时，该超常材料的刚度或另一种机械性质可受到控制以在接近所述柔顺层的机械性质与所述硬性材料的机械性质范围内变化。

这些可控超常材料有广泛应用。例如，超常材料可被包括在能够具有可调阻抗的装置中。所述复合物还可以是多功能材料：它们可通过用作可控机械部件且用作支承结构而使尺寸和质量最小化。一种多功能应用在于用作保护性、适应性和功能性(例如吸收能量)的机器人或车辆外壳。

在一个方面中，本发明涉及一种超常材料。所述超常材料包括可变形或可重构的结构(为简便起见在下文中被称作可变形结构)和一组激活元件。每个激活元件a)被联接至所述可变形结构，b)包括参与激活机构的部件，且c)被构造以在第一激活状态与第二激活状态之间变化。所述超常材料包括当至少一个所述激活元件处于所述第一激活状态时机械性质的第一值且包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时机械性质的第二值。

在另一个方面中，本发明涉及一种提供刚度控制的超常材料。所述超常材料包括可变形结构和一组激活元件。每个激活元件a)被联接至所述可变形结构，b)包括相对刚性的部件，且c)被构造以在第一激活状态与第二激活状态之间改变。所述超常材料包括当至少一个所述激活元件处于所述第一激活状态时的第一刚度且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时的第二刚度。

在又一个方面中，本发明涉及一种提供阻尼控制的超常材料。所述超常材料包括当至少一个所述激活元件处于所述第一激活状态时的第一阻尼系数且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时的第二阻尼系数。

在再一个方面中，本发明涉及一种静电夹持超常材料。所述超常材料包括可变形结构和一组激活元件。每个激活元件包括被联接至所述可变形结构的刚性部件。所述超常材料包括当至少一个所述激活元件未被静电夹持至另一个激活元件时机械性质的第一值且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件已被静电夹持至另一个激活元件时机械性质的第二值。

在另一个方面中，本发明涉及一种控制超常材料的机械性质的方法。所述方法包括将至少一个激活元件从第一激活状态激活至第二激活状态。所述超常材料包括当至少一个所述激活元件处于所述第一激活状态时机械性质的第一值且包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时机械性质的第二值。

在又一个方面中，本发明涉及一种利用超常材料改变刚度的方法。所述方法包括将至少一个激活元件从第一激活状态激活至第二激活状态。所述至少一个激活元件包括大于所述可变形结构弹性模量的弹性模量。所述超常材料包括当至少一个所述激活元件处于所述第一激活状态时的第一刚度且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时的第二刚度。

在再一个方面中，本发明涉及一种改变超常材料形状的方法。所述方法包括对一个或多个激活元件至少部分地去激活。所述方法还包括将力施加到所述可变形结构上以使所述超常材料获得新形状。所述方法进一步包括当所述超常材料获得所述新形状时激活所述一个或多个激活元件。

在另一个方面中，本发明涉及一种利用超常材料吸收能量的方法。所述方法包括将至少一个激活元件从第一激活状态激活至第二激活状态。所述超常材料包括当至少一个所述激活元件处于所述第一激活状态时机械性质的第一值且包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时机械性质的第二值。所述方法进一步包括将力施加到所述超常材料上以使得所述可变形结构产生变形。

下面通过对本发明和相关图的描述而对本发明的这些和其它特征和优点进行说明。

附图说明

图1A示出了根据本发明的一个实施例的超常材料的一部分；

图1B示出了当超常材料中包括的激活元件被去激活时沿横向伸展后的图1A的超常材料；

图1C示出了根据本发明的另一个实施例的在柔顺层的两侧上具有硬性激活元件的超常材料的一部分；

图2A示出了根据本发明的一个特定实施例的超常材料；

图2B示出了根据本发明的另一个特定实施例的超常材料；

图2C示出了具有面外变形的图2A或图2B所示的超常材料；

图2D和2E示出了根据本发明的另一个实施例的包括柔顺电极和可弯曲但不可延伸的激活元件的超常材料；

图2F示出了根据本发明的一个实施例的双重可控超常材料；

图2G和2H示出了根据本发明的另一个实施例的具有共用电极的超常材料；

图2I和2J示出了根据本发明的另一个实施例的包括在柔顺电极的相对侧上的两个柔顺层的超常材料；

图2K和2L示出了根据本发明的一个实施例的设置成圆柱形拓扑的超常材料；

图3A示出了根据本发明的一个特定实施例的提供控制弯曲刚度以及平面刚度的能力的超常材料的剖面；

图3B示出了允许机械夹持的图3A所示的超常材料的放大部分；

图4A示出了根据本发明的另一个实施例的包括磁激活元件的超常材料；

图4B示出了在对超常材料中的所有元件进行激活后图4A所示的超常材料；

图5A示出了根据本发明的另一个实施例的超常材料；

图5B示出了包括图5A所示的超常材料中使用的激活元件的多层超常材料；

图5C示出了在对所有元件进行激活后图5B所示的超常材料；

图6A-图6C示出了根据本发明的一个特定实施例的有助于控制弯曲刚度的模块化超常材料；

图7A示出了根据本发明的一个特定实施例的利用且锁定形状变化以增加刚度的超常材料的激活元件；

图7B示出了激活后的图7A所示的激活元件；

图7C示出了根据本发明的一个实施例的“突弹跳变(snapthrough)”双稳态超常材料；

图7D示出了激活后的图7C所示的双稳态超常材料；

图7E证实了可利用简单的层叠(lay-up)工艺制造图7C所示的双稳态超常材料；

图7F示出了根据本发明的一个实施例的包括平面“弓形”致动器堆的超常材料；

图7G示出了组合成蜂窝状结构且平行叠置的图7F所示的多个弓形致动器；

图8A和8B示出了根据本发明的另一个实施例的具有激活元件的超常材料，所述激活元件被布置在表面上以便允许响应于任何平面方向控制刚度和阻尼；

图8C示出了根据本发明的另一个实施例的超常材料，所述超常材料包括作为构成部分的超常材料的多个叠置层以便允许厚度更大且允许沿任何方向控制力和力矩；

图9示出了包括圆柱形超常材料且用于典型空间应用中的触手机器人；

图10A-图10C示出了三种典型的卷绕超常材料设计；

图11A示出了根据本发明的一个实施例的超常材料织物的简化视图；

图11B示出了根据本发明的另一个实施例的超常材料织物的简化视图，所述超常材料织物可通过被夹持在两个更硬性的层之间而受到硬化；

图12示出了根据本发明的一个实施例的用于改变超常材料的机械性质的工艺流程；和

图13示出了根据本发明的另一个实施例的用于改变超常材料形状的工艺流程。

具体实施方式

结合附图所示的多个优选实施例对本发明进行详细描述。在下列描述中，阐述多个特定细部以便提供对本发明的详尽理解。然而，本领域的技术人员应该理解，可不通过一些或所有这些特定细部实施本发明。在其它情况下，为避免不必要地混淆本发明，没有对已公知的工艺步骤和/或结构进行详细描述。

综述

超常材料包括可控机械性质。机械性质可在使用过程中-在生产或制造后产生动态变化。超常材料与常规复合物的相似之处在于其包括一种以上的材料成分。然而，本发明的超常材料包括可受到动态激活的可控元件。

超常材料包括可变形或可重构的结构和一组激活元件。可变形结构可包括单一材料或包括多种组分的更复杂结构。一种更简单的可变形结构是柔顺板。在这种情况下，所有激活元件的去激活导致超常材料与柔顺板的机械性质大体上类似。复杂结构可包括多种组分，所述多种组分相互作用以形成单个可操作机构(例如，图11所示的纤维织物或图4-图5所示的结构)。在形状改变的实施例中，可变形结构包括足够的柔顺性以响应于造成形状变化的外力。一些可变形结构包括其中结构形状影响超常材料的机械性质的设计(图7A-图7B)。

一个或多个激活元件的激活改变了所关心的机械性质。在一个实施例中，激活元件是联接至可变形结构的独立的单个结构，如具有高刚度且交叠在柔顺板上的“鳞片部(scale)”(图2A-图2L)。在另一个实施例中，激活元件是与可变形结构结合的部分共用材料，如电活性聚合物上的可独立受控的激活区域。

可变形结构可包括现有结构且不需要成为超常材料独有的独立元件。下面给出了实例，其中在触手表面上设置了鳞片部。在这种情况下，可变形结构为触手本身。可变形结构不需要是被动材料或结构。另一种可选方式是，其可包括例如在电刺激下产生形状变化或诱发力的主动材料。例如，可变形结构可以是电活性聚合物的板，所述板响应于施加的适当电压而产生膨胀。在另一个实例中，可变形结构可以是静电马达，其中两块相对硬性的板响应于电刺激滑过彼此。

超常材料中的激活元件采用激活机构。通常，激活机构可采用任何适当方法或系统从而可控地改变超常材料的机械性质。在一个实施例中，激活机构是静电夹持，其中两个传导表面由于所施加的电场产生的静电力而被夹持在一起。在另一个实施例中，激活机构可包括机械夹持，其中两个部件或表面由于杠杆、弹簧或沿与外部负载分开的方向操作的其它装置诱发的机械力而被夹持在一起并锁定在适当位置处。还描述了响应于磁输入而改变超常材料的机械性质的激活元件。激活机构可包括其它技术。一些实例包括电磁装置(例如螺线管或马达)、压电装置、电活性聚合物、形状记忆合金、金属和尺寸或形状随温度改变的其它材料、响应于电刺激或化学梯度而改变尺寸的聚合物凝胶、囊部、圆柱体或响应于添加到所述室中或从所述室中去除的流体而改变形状的其它室、以及位于两个硬性元件之间或可变形单元内的电流变或磁流变流体，或可使夹持机构移动的任何其它致动器。可控元件还可包括主动材料或内在可变材料及其相应的激活机构。超常材料还可包括并非独立材料的其它激活机构，如静电或电磁诱发的夹持或运动。在一些情况下，激活元件可结合两个或多个这些机构。例如，机械锁定可与静电或电磁致动结合。

激活元件被构造以在激活状态之间变化。超常材料的机械性质随一个或多个激活元件的不同激活状态产生变化。对于静电夹持而言，激活状态可包括未夹持、完全夹持和部分夹持。对于机械夹持而言，激活状态可包括机械锁定、自由和摩擦相关。磁激活可包括与静电夹持或机械夹持相似的磁状态。此外，其可包括通过永久磁体产生的永久磁力。激活元件的不同位置还可表达不同状态。通常，如本领域的技术人员将意识到地，激活状态将随特定激活机构而改变。

在一个实施例中，激活元件当受到激活时改变了超常材料的连接性。这可包括改变激活元件之间的连接性和/或改变激活元件与可变形结构之间的连接性。这种连接性的变化不需要涉及大的结构变形且因此我们说另一种可选方式是，结构可重构而不是可变形。下面提供了激活元件之间连接性变化的实例，其中讨论了蜂窝状结构(例如图4)。蜂窝状结构包括具有相对硬性的侧部柔性结合点的互连运动机构阵列。当不处于激活状态时，机构可自由移动。然而，在一个实施例中，静电夹持形成了新的硬性侧部元件，所述新的硬性侧部元件将机构分成两个类桁架结构，所述类桁架结构不能响应于外部负载产生变形。这被称作连接性变化(change in connectivity)，原因在于结构的所有元件都在那里，但通过激活我们能够连接元件且显著改变结构的机械响应。

下面提供了激活元件与可变形结构之间的连接性变化的实例(例如图1和图2)。在这种情况下，激活改变了可变形结构与硬性元件之间的连接性。在一种状态下，可变形结构被连接至外部负载，使得材料显示出低刚度。在另一种状态下，硬性元件现在被连接至可变形结构，所述可变形结构进一步被连接至外部负载，由此使得材料显示刚性。

超常材料在本文中被认为是复合物且充分均质以成为材料而不是易于分离的子系统的集合。在某种意义上，激活元件组共同形成了复合物中的一种材料，且超常材料被认为是复合材料，其中复合物中的一种材料可受到外部控制。一些复合物包括“中等尺度”结构，所述中尺度结构可产生主动变化以调节机械性质。“中等尺度”在此处限定为大于分子尺度，但小于应用情况中所关心的宏观尺度。在一些情况下，中等尺度特征可能相当小且通过微观制造技术生产。在其它情况下，它们可较大(如英寸)。中等尺度超常材料被制成一定尺寸以使得其激活元件与总的超常材料的重要特征尺寸(如总厚度、长度或形变量)相比较小。

本发明的一个优点在于其尺度不变。例如，硬性激活元件被联接至柔顺结构的平面设计可通过多种尺寸实施。在一个实施例中，激活元件较大且在几英寸范围内。在另一个实施例中，激活元件是微小的且人眼不易看到。因此，本文所述的多个实施例的原理和部件的实施与激活元件和可变形结构的尺寸无关。本文所述的多种超常材料可在微观(小于1mm)和宏观(大于1mm)水平上实施。

对于本发明的超常材料而言，可产生动态变化的机械性质包括刚度、阻尼、硬度、韧性、回弹性和弹性模量。其它机械性质以及总形状也可受到控制，且下面对一些机械性质进行了描述。

与现有复合物(如钢筋混凝土)相似地，所述复合物的单独材料(混凝土和钢)由于其单独的所需性质(分别为压缩和拉伸强度)而被选择，也可在设计和制造过程中改变和选择超常材料的机械性质。然而，本发明提供了材料选择的另一自由度：超常材料中使用的成分还可在设计和制造过程中根据其机械性质在使用过程中产生动态变化的能力而被选择。因此，超常材料允许设计者基于材料的静态和/或动态性能选择材料组分。设计者还可基于超常材料的动态结构改变超常材料。这允许自由地选择适当的主动或本质材料和适当的激活机构，如具有低致动能量的激活机构。则设计中等尺度的结构包括材料选择、激活元件选择和设计、和可变形结构(如几何形状和连接性)设计-涉及静态和动态性能。这种设计柔性允许超常材料的所关心的可控机械性质如刚度在较宽范围内改变。

在一些设计中，超常材料的机械性质可通过：a)激活一个或多个激活元件及其对机械性质的单独或组合影响；b)获得可变形结构的不同状态，所述可变形结构改变了机械性质，如新形状和所得的刚度；和c)a)与b)的组合而产生变化。

本文所述的超常材料可包括任意数量的单个激活元件。约1至约1000个激活元件在多种设计中是适当的。可使用多于1000个激活元件。事实上，一些超常材料可包括柔顺基板上数以千计的呈一定图案的单个激活元件。一些超常材料可包括约10至约100个激活元件。

激活元件被机械地联接至可变形结构。通常，联接可指的是直接或间接联接、附接等。间接联接可包括激活元件附接到中间物体或结构上，所述中间物体或结构随后附接或要不然联接至可变形结构。附接可包括化学连结如粘结剂、机械紧固、或防止附接的两种物体之间产生相对运动的任何其它适当技术。本领域的技术人员应该意识到使两种物体机械联接的不同技术和适用于特定材料的技术。例如，适当的粘结剂将取决于连结的两种材料，正如本领域的技术人员将意识到地。

可柔性地获得外部控制。一些实施例采用电控制、磁控制或根据每个激活元件的激活机构和可操作性的其它技术。下面将对多个实例进行进一步详细地描述。在一个实施例中，可变形结构和激活元件的机械连接性受到外部控制以便改变复合超常材料作为整体的机械性质。外部控制可利用一些能量以使得结构性质产生较大变化。本发明因此允许组成材料的形状、连接性或结构产生低能的较小变化以使超常材料的机械性质产生更大变化。本发明的一些实施例允许对机械性质如刚度进行方向性控制。在多种情况下，外部控制几乎不增加质量或复杂性，正如一个或多个共用柔顺电极所例示地(图2G-图2J)。

典型的超常材料

图1A示出了根据本发明的一个实施例的超常材料10的一部分。超常材料10包括可变形结构12和一组激活元件14。在这种情况下，可变形结构12包括柔顺基板。图1B示出了当激活元件14去激活时的柔顺基板12和沿横向16伸展的超常材料10。尽管超常材料现在将被描述为物体、系统和部件，但本领域的技术人员将认识到本发明还包括实施与这些物体、系统和部件相关的作用的方法。

超常材料10包括联接至柔顺基板12的一组硬性激活元件14。每个激活元件14包括硬性部件19和电极18。硬性部件19的附接部分19a被机械联接至可变形结构12。在这种情况下，部分19a例如利用适当的粘结剂被直接附接至柔顺基板12。还可利用其它形式的直接和间接联接。每个硬性部件19的未连结或“自由”部分19b，所述部分未直接附接至柔顺基板12，包括设置在其上的电极18。在特定实施例中，电极18被设置为硬性部件19表面上的薄层。例如，电极18可包括设置在薄聚酰亚胺板19上的金属溅射层。尽管为简便和理解的原因仅示出了两个激活元件14，但超常材料10可包括沿任何平面方向位于可变形结构12的顶表面上的附加激活元件14。

激活元件14包括两种状态：a)去激活状态，在所述去激活状态下自由部分19b未联接至另一个激活元件14，和b)激活状态，在所述激活状态下自由部分19b通过静电方式(或通过其它激活装置如电磁夹具)夹持至另一个激活元件14。在静电情况下，为了使夹持发生，每个相邻元件14的每个电极18的电压必须不同。图1A中的超常材料可沿任何方向进行延伸且包括两个以上的激活元件14。在这种情况下，任何两个相邻激活元件的电压必须不同。通常通过使一个元件处于施加电压下且另一个元件处于相对地电位或相反极性的电压下而实现所述差别。

超常材料10因此采用静电夹持作为激活机构。静电夹持利用穿过绝缘体或介电材料的电场将一种材料粘结至另一种材料。在这种情况下，绝缘体包括每个激活元件14的硬性部件19。通过电极18和与电极18电连通的外部控制电子设备(未示出)施加静电夹持电压。静夹持电压将激活元件14a的自由部分19b暂时固定到与自由部分19b交叠的另一个激活元件14b的附接部分19a上。

因此，如果激活元件14上没有静电夹持电压，激活元件14的自由部分19b可相对于彼此且相对于柔顺基板12自由平移。该条件允许柔顺基板12-和超常材料10-根据柔顺基板12的机械性质弯曲或伸展。

然而，一旦施加静电夹持电压，则激活元件14彼此夹持。这种激活防止了两个激活元件14之间的相对运动，且改变了超常材料10的机械性质。例如，当两个激活元件14在图1A所示的位置处被静电夹持在一起时，超常材料10的刚度根据每个硬性部件19的刚度增加。除刚度以外的其它机械性质也产生变化，如韧性、回弹性、剪切强度等，如下面将要进一步详细描述地。两个硬性部件19与激活元件14之间的连结继续直至施加静电夹持电压达静电吸引不再保持伸展力的状态。通过适当设计，沿该平面方向的夹持力(所述夹持力是主要由于施加垂直于表面静电力所产生的摩擦力)可与鳞片部材料的屈服强度一样大。

随后，超常材料10沿方向16的刚度从当没有激活元件14被激活且超常材料10大体上呈现柔顺基板12的机械性质时的最小刚度向当所有激活元件14通过与其相邻搭配元件夹持而接合时的最大硬度变化。因此，当没有激活元件14被激活时，超常材料10可根据基板12的柔顺性沿如图1B所示的横向16伸展。然而，激活元件14的接合使超常材料10硬化-且可根据施加到超常材料上的任何外力将超常材料10锁定在其当前位置。假定拉力16不足以克服交叠激活元件14之间的静电夹持力的话，则超常材料10的最大刚度将等于每个硬性部件19中使用的材料刚度。

一些超常材料和激活机构允许可调地控制机械性质。考虑阻尼的情况。在这种情况下，超常材料10的阻尼可在最小极值与最大极值之间变化。通常，每个激活元件14根据a)所施加的静电夹持强度，和b)静电夹持的表面积的量提供对外部偏置的可控量的摩擦阻力(阻尼)。这两种效应改变了两个夹持元件之间的摩擦。当材料在平面中伸展时，这些元件相对于彼此进行滑动。该摩擦诱发了阻尼。改变静电夹持电压将改变两个激活元件14之间的静电连结强度。通过这种方式，可利用控制电子设备通过增加或降低提供给一个或多个激活元件14的静电夹持电压而动态地改变(例如在使用过程中响应于闭路控制)超常材料10提供的阻尼。例如，可降低施加的电压以使得每个激活元件14提供的阻尼降低一半。可根据需要利用其它电压分数和所得的强度水平。此外，表面积的量还可产生动态变化以影响超常材料10的阻尼变化。

在一个实施例中，超常材料10包括对激活元件14的子组的可独立控制。在特定实施例中，超常材料10包括独立地寻址并控制超常材料10中的每个激活元件14。对于超常材料10包括数十或数百或数千单个激活元件14的实施例而言，则可通过对适当量的激活元件14进行激活以获得所需刚度而可调地控制超常材料的集合刚度。例如，如果一定数量的元件被激活以使得夹持元件的总长度包括柔顺基板12总长度的一半，则材料的刚度为沿基板的测量长度方向的单独基板的刚度的两倍。可调控制的精度将取决于激活元件14的数量以及电寻址的颗粒度。

与复合材料的常规设计相似地，超常材料10提供的最小刚度和最大刚度可在使用前的设计和制造过程中改变。例如，可在设计过程中选择每个硬性部件19的弹性性质，这将影响超常材料10提供的最大刚度。对于应用情况，还可预先确定激活元件14之间交叠的表面区域以提供所需最大强度，刚度可被控制处于所述最大强度。此外，柔顺基板12可被设计和选择以提供所需最小刚度。

超常材料10和20示出了简化设计。其它设计是可能的。例如，静电夹持可具有非平面拓扑。这种非平面拓扑的实例是装配在管道内部的纤维或条带。纤维或条带和管道分别具有通过介电绝缘层绝缘的电极。当未被激活时，纤维或条带可在管道内部滑动。当被激活时，纤维或条带与管道之间的静电夹持防止产生滑动或允许在附加阻尼(根据需要)的情况下进行滑动。另一种可选方式是，每个纤维或条带可包含由绝缘体完全覆盖的单个传导电极。在这种情况下，通过使相邻纤维带有相反极性电荷以使所述纤维彼此夹持而产生激活。这些管形结构可被布置在表面上或遍及可变形或可重构结构的体积。它们可沿单个方向对齐以仅控制沿该方向的刚度或夹持，或它们可沿多个方向对齐。纤维可沿材料长度延伸或仅在某种程度上通过材料。超常材料还可包括组合成单个结构的本文所述的多个实施例。例如，使多个图1 A所示的超常材料叠置可形成更厚的超常材料。在这种情况下，隔板可被设置在层之间以确保硬性部件14不会受力靠在柔顺基板12上。隔板可位于激活元件的附接点处以使得不妨碍激活元件的运动。这种包括叠置层的超常材料的实例如下图8C所示。

如果超常材料包括叠置层，则还可能对层进行不同激活以使得所得机械性质是每个层的刚度或阻尼的组合。例如，一些层可集中于控制阻尼而另一些层可集中于控制刚度。在另一个实例中，一些层可被制造得比另一些层更硬以使得所得刚度是每个层刚度的组合。注意到每个层不需要具有相同的几何形状或使用同样的材料。例如，一些层可被设计以提供阻尼控制，而另一些层被更好地设计以控制刚度或提供夹持状态下更大的强度(例如通过允许激活元件产生大量交叠)。在另一个实例中，可更优化地设计一些层以提供一个范围内的刚度，而更优化地设计另一些层以提供另一个范围内的刚度(例如通过选择下面的可变形层或激活元件的尺寸和空间密度)。随后可通过对组合层进行激活而在较宽的范围内但在非常精细的程度上控制刚度，所述组合层被设计以在特定刚度范围内发挥最好功能。

图1C示出了根据本发明的另一个实施例的超常材料20的一部分。超常材料20包括可变形结构22和一组激活元件24。在这种情况下，可变形结构22包括柔顺层，所述柔顺层的厚度和弹性性质被选择以使得当激活元件24未受到激活时为超常材料20提供机械性质。激活元件24a和24b被设置在柔顺层22的顶表面上，而激活元件24c被设置在柔顺层22的相对表面上。

与超常材料10相似地，超常材料20依靠静电夹持作为激活机构且包括一组硬性激活元件24。表面静电夹持激活元件在本文中还被称作”鳞片部’。鳞片部包括位于形成盖的可变形结构的表面上的小(相对于变形和所关心的应用情况而言)的硬性元件。鳞片部可包括共同形成更大的结构如可控外壳的相似部件。在一个实施例中，鳞片部24是金属且兼作硬性部件和电极。超常材料20随后可受到外部和电控制以在柔顺的去激活状态与硬性激活状态之间变化。在去激活状态下，超常材料20大体上呈现出柔顺层22的性质。在激活状态下，超常材料大体上呈现出硬性激活元件14的性质，如受到夹持强度限制地。

超常材料20与超常材料10的主要不同之处在于硬性激活元件24位于可变形结构22的相对表面上。在这种情况下，建立起穿过柔顺层22的电场，所述柔顺层兼作介电层和可变形结构。当施加夹持电压时，激活元件14形成了硬性材料的连续环，即使激活元件14位于柔顺层22的相对侧上(它们仍垂直交叠以允许进行静电夹持)。

在特定实施例中，电可控的超常材料20采用对弹性柔顺层22上的金属硬性元件进行静电夹持的方式。在这种情况下，每个金属元件兼作硬性元件和电极。当金属鳞片部静电夹持至弹性体时，超常材料20具有与金属相似的刚度和强度。当金属鳞片部被去激活时，超常材料具有与可伸展的弹性体类似的硬度。可通过改变施加的夹持电压或通过改变分别静电夹持的金属鳞片部的数量而获得中等强度和刚度。

在另一个特定实施例中，每个激活元件24可包括表面粗糙部或唇缘以增强夹持强度。图3A示出了适于与本文所述的多个实施例一起使用的这种激活元件的实例。程度更轻的夹持还允许激活元件24在上述的前面的实施例超常材料10的摩擦情况下进行滑动。这允许利用超常材料20进行阻尼控制，如下面将进一步详细描述地。

图2A示出了根据本发明的特定实施例的超常材料40。图2B示出了根据本发明的另一个特定实施例的超常材料50。

每个激活元件44在附接点45处附接至柔顺层42。将静电夹持电压施加到每个激活元件44上还导致每个元件的硬性部分粘结至相邻的激活元件44。当夹持电压被施加到超常材料40中的所有激活元件44上时，激活元件44共同形成调节超常材料40的机械性质的连续硬性层。

现在参见图2B，超常材料50中的每个激活元件54包括绝缘层56。绝缘层56被设置在刚性部件上以便被置于a)一个激活元件54的电极与b)位于柔顺层52的相同表面上的另一个交叠激活元件54之间。绝缘层56使得能够在两个交叠激活元件54之间实现静电夹持。在本设计中，柔顺层52仅用作机械基板，而绝缘层56用于实现激活元件54之间的静电夹持。从所使用材料数量的角度看，图2A所示的柔顺层42的设计更简单，但柔顺层42起到电作用和机械作用，因此柔顺层42的材料需求更严格。

图2A所示的超常材料40与上述超常材料20的相似之处在于建立起穿过柔顺层42的电场以为激活元件44提供静电夹持。例如，正电压可被施加到顶表面上的每个激活元件42上，同时负电压被施加到底表面上的每个激活元件上。然而，对于图2B所示的超常材料50而言，柔顺层52的一个表面上的相邻激活元件54上施加的电压极性交替变化以在该表面上的交叠激活元件54之间且穿过每个绝缘层56形成电位差。

在与图2A所示实施例相似的另一个实施例中，激活元件包括硬性层，所述硬性层还用作绝缘层，且该绝缘层顶部上的传导层用作电极。在该超常材料的一个特定实施例中，柔顺层为0.01″至0.05″厚的硅酮聚合物如Dow Corning HS IV(Dow Corning Corp.，Midland，Michigan)。绝缘硬性层为0.00025″至0.002″厚的聚酰亚胺如Kapton(DuPont Corporation，Route 23 South and Dupont Road，Circleville，OH 43113)。传导层是通过溅射或其它手段沉积在聚酰亚胺顶部上的金属化金涂层。500V至4000V的交流电压被施加穿过鳞片部。在另一个特定实施例中，传导层是约0.005″厚的浸渍碳的硅酮如来自Stockwell Rubber Co.(Philadelphia，Pennsylvania)的RTV 60-CON且绝缘层是0.001″厚的聚氨酯如来自Deerfield Polyurethane Inc.(P.O.Box 186，South Deerfield，MA 01373)的PT6100S。在本实施例中，硬性层是0.002″厚的Kapton聚酰亚胺。硬性层利用浸渍碳的硅酮电极作为粘结剂被附接至与绝缘层相对的电极表面。

超常材料40和50分别能够产生平面和/或面外变形。平面变形例如可包括线性或平面弹性或塑性伸展。面外变形可包括弯曲、扭曲、剪切、凹缩等。变形还可包括平面和面外变形的组合。图2C示出了具有面外变形的任何超常材料10、20、40或50的透视图。当已经实现这种位置(例如利用电活性聚合物，参见图2F)时，激活元件可随后受到激活以将超常材料锁定在其目前位置时。如下面将要进行进一步详细描述地，这种放置超常材料且使超常材料重新成形同时保持超常材料柔性且随后将超常材料锁定在所需位置的能力使得超常材料可用于形变和其它可变硬度或形状控制的应用中。

本发明还预想了其它静电夹持设计。图2D和图2E示出了根据本发明的另一个实施例的超常材料60。超常材料60包括设置在可变形结构64的单侧上的激活元件62。在这种情况下，可变形结构64包括柔顺层，所述柔顺层具有设置在其上的柔顺电极68。

每个激活元件62包括不可延伸部件65和绝缘层66。不可延伸部件65提供了平面刚度且还兼作每个激活元件的可寻址电极。绝缘层66允许穿过其厚度进行静电夹持。在另一个可选实施例中，绝缘层66还可以是不可延伸元件65且电极可以是施加到该元件的底表面上的薄涂层(远离柔顺层)。附接点63形成了每个激活元件62与柔顺基板64之间的连接。

柔顺电极68被设置在柔顺基板64的相同侧上作为激活元件62。在一个实施例中，柔顺电极68被埋置在基板64的表面内。在另一个实施例中，柔顺电极包括以选定的区域图案被施加到基板64的表面上的薄涂层(图2F)。例如，柔顺电极可包括通过模板形成一定图案的浸渍碳的聚合物。柔顺电极68几乎没有增加超常材料60的刚度且基本上不影响柔顺层64的去激活膨胀和收缩。此外，浸渍碳的聚合物几乎没有增加超常材料的厚度。

每个激活元件62是可弯曲但不可伸展的(不可延展或不可延伸的)。例如，薄且可弯曲的刚性部件65可包括薄铝层(例如厚度与铝箔相似)，而绝缘层66包括薄且可弯曲的聚酰亚胺层。激活元件62可响应于静电夹持力以及金属电极部件65与电极68之间的电压差共同产生弯曲(低弯曲模量)。在激活后，每个可弯曲元件62随后形成对应于施加到其上的静电夹持力的表面拓扑。

当所有激活元件共同受到夹持时，超常材料60呈现根据激活元件62的不可伸展刚度的平面刚度。此外，在每个激活元件62与柔顺电极68之间进行的单独寻址允许对超常材料60的阻尼进行粒状且可变的控制。因此，更小的静电夹持电压可被施加到一个或多个激活元件62上。可通过仅对激活元件62的特定相邻对进行选择性寻址而控制刚度。尽管未示出，但应该理解超常材料60可包括位于柔顺基板64两侧上的激活元件62。在一个实施例中，可利用一层以上的激活元件从而有效地控制面外变形。可通过在可变形基板的两侧上设置激活元件或通过叠置分别具有激活元件单层(如上所述)的可变形基板的多层而实现多层。

到现在为止，实施例已经示出激活元件沿单个方向以规则图案进行交叠。即，鳞片部成排布置。这种布置非常适于沿一个方向施加外部负载(如在材料端部上拉动)的材料。超常材料不限于这种简单布置且预想了其它布置。图8A和图8B示出了具有激活元件152的超常材料150的侧视图和透视图，所述激活元件交叠在大体上平面的表面154上以使得沿所有平面方向在元件152之间形成交叠。鳞片部152的这种布置允许材料150根据需要响应于沿所有平面方向的负载以及施加到材料150上的弯曲移动。这些交叠激活元件152可被设置在平面表面154的一侧或两侧上。

可通过本领域技术人员已公知的多种装置制造这种超常材料150。可能通过利用可变形结构154的变形优点制造交叠鳞片部152。例如，可变形结构154可首先沿两个平面方向伸长。柔性的不可延伸层随后被沉积在该可变形层顶部上且胶粘在附接点156处。该层随后利用激光切割或光刻装置被切割或蚀刻成不连续鳞片部152(如正方形或另一种适当形状)。可变形层154现在松弛至不那么延伸的状态从而导致鳞片部152沿所有方向交叠。

超常材料150的多层可进行叠置以形成多层超常材料。图8C示出了这种层的可叠置方式的一个实例。如上面讨论地，相邻的超常材料150的层可与位于单个激活元件152的一个或多个附接点处的隔板158互连。

图2G和图2H示出了根据本发明的另一个实施例的超常材料110。超常材料110包括激活元件112、柔顺基板114、电极116和硬性元件118。

激活元件112可弯曲但大体上不可延伸。例如，元件112可包括薄且可弯曲的金属层(例如与锡箔厚度或另一种厚度相似，只要层可响应于静电夹持力弯曲即可)或另一种不传导材料(例如聚酰亚胺)。元件112的激活使得它们与柔顺基板114的顶表面接触。在该点处，材料的平面刚度控制每个激活元件的平面偏置。如对于任何刚性或硬性材料一样地，足够大的力将导致最小的弹性偏置，但本文中的不可延伸指的是材料具有足够刚度以抵抗超常材料110预期经历的力所导致的偏置的概念。

柔顺电极116为每个激活元件112提供静电夹持。例如，可通过共用电极116施加电压从而同时引发每个激活元件112。另一种可选方式是，在通过激活元件中包括的电极(例如在非传导激活材料上呈一定图案的传导激活元件或电极)对激活元件112进行单独寻址以施加静电夹持电压的情况下，柔顺电极116可被用作地。在任一情况下，柔顺基板114用作电极116与每个激活元件112之间的绝缘层。

穿过柔顺基板114的静电夹持将每个可弯曲激活元件112吸引至柔顺基板114的顶表面且连接交叠(不可延伸)的激活元件112和硬性元件118。累积地，超常材料110受到激活以形成刚性平面材料-具有比至今为止示出的超常材料设计更少的激活元件112。这降低了超常材料110的复杂性，且提供了不一定需要与其它激活元件112交叠的激活元件112。

图2I和图2J示出了根据本发明的另一个实施例的超常材料130。超常材料130包括可弯曲但不可延伸的激活元件131和层状可变形结构132。

可变形结构132包括设置在两个柔顺层136之间的埋置柔顺电极134。在这种情况下，电极134通过每个相应的柔顺层136提供激活元件131的底层和顶层。

每个激活元件的绝对和相对尺寸是设计参数且可改变。在一个实施例中，静电夹持激活元件相对于元件之间的空间被制成一定尺寸以确保即使当柔顺层受到最大应变时，在激活元件之间交叠的表面区域足以允许静电夹持。具有更小绝对尺寸的激活元件允许超常材料的应变产生更复杂的变化。在一个实施例中，如果激活元件较短，则每个激活元件的厚度被降低以允许在夹持和脱离夹持的过程中产生弯曲。

平面柔顺层上的鳞片型激活元件的宽度和取向也可改变。在支持沿平面方向进行膨胀以及剪切应变的一个实施例中，激活元件被实施具有相对较低的纵横比(长度比宽度)。约1至约5之间的纵横比适用于多个实施例。为了保持对机械性质的多维平面控制，激活元件可沿两个平面方向交叠。可采用其它纵横比。在一个实施例中，采用狭窄的激活元件(高纵横比)。大于约5的纵横比适用于多个实施例。鳞片部的厚度通常比长度或宽度低得多。在一个实施例中，厚度为10微米至1000微米。

当静电夹持足以防止单个激活元件之间产生滑动时，超常材料的刚度和强度将基本上不取决于元件的取向，假设在夹持区域存在足够的交叠或电压诱发的静电夹持以防止滑动。然而，本发明不限于激活元件在可变形结构上的任何特定取向、布置或分布。在一个实施例中，激活元件对齐成垂直且平行的排和列。激活元件的分布不需要如此规则。在另一个实施例中，激活元件形成径向、扇形或另一种不对称表面布置。鱼身上的鳞片和鸟身上的羽毛是两种自然形态，所述自然形态不包括激活元件在可变形结构上的完美规则构造。

在一些情况下，相对较薄的柔顺层沿与大的伸展正交的方向产生泊松收缩可影响设置在柔顺层表面上的激活元件。为了防止这种正交收缩问题，包括柔顺层的超常材料还可包括用于防止激活元件沿收缩方向产生弯曲、屈曲或坍缩的机构。例如，柔顺层可包括沿伸展方向位于表面上的一条或多条狭缝或凹部。当材料被拉紧时，狭缝开得更宽。尽管就局部而言，泊松收缩未产生变化，但沿横向的总形变量在层边缘处降低。这种沿横向的降低有助于防止产生屈曲且还确保在激活元件中保持最大量的交叠。

可利用本质上具有更低的泊松收缩效应的其它可变形结构和柔顺层。这些结构和层包括柔顺泡沫，所述柔顺泡沫包括所谓零泊松或拉胀泡沫材料(auxetic foam)。

尽管迄今为止已经结合多个相对简单的超常材料设计对本发明进行了描述，但本发明包括使得能够对一种或多种机械性质进行动态控制的多种设计、形状和结构。事实上，多种超常材料设计的相对简便性允许延伸至无数其它且更复杂的设计可选方式。例如，迄今所述的实施例集中于平的外壳。本发明不限于这种平的拓扑。

图2K和图2L示出了根据本发明的一个实施例的设置成圆柱形拓扑以改变管道202的刚度的超常材料200。管道202可代表纤维、杆或另一种圆柱形表面或物体。在一个实施例中，超常材料200被构造成杆的外部圆柱形表面周围的“外壳”。在另一个实施例中，可变形结构形成了杆的主要材料，且激活元件用作外壳。

超常材料200包括薄的可弯曲但不可延伸的激活元件206。径向夹持激活元件206限制了其尺寸且改变了超常材料200的机械性质。这为超常材料200提供了可变刚度和夹持性质。

超常材料200证实了本发明可成形(圆柱体)方式的一个实例。本文所述的超常材料还可符合任意且复杂的表面形状，只要激活元件的尺寸比表面特征的尺寸更小(通常小得多)即可。

超常材料200还显示出相对简单的可变形结构(管道或大体上线性的杆)。更复杂的可变形结构是可能的。在一个实施例中，超常材料200形成卷绕弹簧。在这种情况下，本发明允许动态控制弹簧的机械性质。

在另一个实施例中，管道202用作纤维材料且组成织物或相似的宏观结构。图11A-图11B示出了根据本发明的两个实施例的超常材料织物210的简化视图。超常材料织物210包括编织的可变形结构211和纤维(如200)或条带212。该织物210可形成圆柱形状(如置于圆柱形本体上)或还可以平面形式或与先前讨论的平面实施例非常相似的任何表面形状被利用。在这种情况下，每条条带212形成了平面激活元件。

可独立控制织物中的每条纤维212或条带212以影响织物210的整体性能。在一个实施例中，纤维212包括静电夹持激活元件，所述激活元件当进行激活时防止包括激活元件的纤维212产生移动且减少了纤维212之间的移动。这有效地使织物210刚化。可通过多种方式实现这种夹持。每条纤维或条带212可包括捕获在绝缘层之间的传导层(电极)。如果沿织物每个方向的纤维或条带212中的电极被充电至不同电压，则这些纤维或条带之间的静电夹持将在它们彼此交叉的点处发生。在使用过程中，可允许在一些纤维212之间进行滑动以提供阻尼。这种具有动态可变机械性质的织物210例如将用于弹道学和其它高能撞击应用中。在这些应用情况中，动态改变断裂应变和弹性模量的能力大大增加了可被织物吸收的能量，正如下面将进一步详细描述地。

图11B所示的超常材料215不依靠条带与条带之间的夹持而是利用位于编织层210的每侧上的两个柔性但不可延伸的层214和216。这些柔性层214和216中的每个层包括位于其外表面上的电极。当电压被施加在两个电极上时，两个层214和216静电夹持在一起且编织层210被捕获在两个柔性层214与216之间且由此防止形成变形。在另一种变型中，编织层210的条带212包含当受到激活时吸引至任一电极外层由此限制编织层的移动的电极。

至此，可变形结构是相对被动的，但如上所述，可变形结构也可以是主动材料。图2F示出了根据本发明的另一个实施例的可双重控制的超常材料70。超常材料70包括两个主动部件：静电夹持激活元件62和用作可变形结构的电活性聚合物致动器74。

激活元件62包括绝缘层66和薄且可弯曲的刚性部件65。激活元件在一端处被附接至电活性聚合物75的表面。每个激活元件62被联接至电活性聚合物致动器74且与上面结合超常材料60所述的操作相似地进行操作。设置在电活性聚合物致动器74顶表面上的电极68提供与激活元件62之间的静电夹持。

电活性聚合物致动器74包括柔顺电活性聚合物75如介电弹性体。多个柔顺电极77被设置在电活性聚合物75的第一表面上，而单个共用柔顺电极78被设置在电活性聚合物75的相对表面上。绝缘层79被设置在服务于电活性聚合物致动器74的柔顺电极77与电极68之间。

利用一个或多个电极77和电极78进行致动导致电活性聚合物75产生平面或线性膨胀(且厚度增加较小)。电活性聚合物传感器可被构造成多种形状和设计，所述形状和设计响应于电输入影响所得的机械变形。例如，电活性聚合物致动器可被构造成板、卷和定制形状以获得所需偏置。使构件和致动器框体刚化还可用于设定机械输出。单块板可叠置形成多个层。可在单块板的表面上制得多种不同电极图案以允许更复杂的形状变化。在共同拥有的专利No.6,781,284中对电活性聚合物致动器和装置的致动进行进一步描述，所述专利的整体内容为所有目的在此作为参考被引用。在共同拥有的专利No.6,664,718中对多个电极的整体式聚合物进行了进一步描述，所述专利的整体内容为所有目的在此作为参考被引用。

总的来说，电活性聚合物传感器允许对超常材料70的形状、变形和尺寸进行外部控制。一旦已经利用电活性聚合物致动器74获得特定形状或位置，随后可引发激活元件72以锁定超常材料70的目前位置。

图3A示出了超常材料80的横截面，所述超常材料80提供了在几乎不施加或不施加外部激活时保持锁定或最大刚性状态的能力。超常材料80包括可变形结构84、激活元件86、隔板88和互锁部件90(图3B)。

可变形结构84包括两个柔顺层84a和84b以及两个相对表面85：第一柔顺层84a上的下表面85a以及第二柔顺层84b上的上表面85b。第一子组激活元件86a被设置在下表面85a上，而第二子组激活元件86b被设置在上表面85b上。

隔板88包括高刚度材料(与柔顺层相比)、被联接至层84a的下表面85a且联接至层84b上的上表面85b。隔板88例如可利用粘结剂被附接至每个表面。功能性地，隔板88将两个表面85分开且提供允许激活元件86位于可变形结构84的内表面上的空腔。隔板88不需要是完全硬性的且甚至可包括柔性泡沫。当每个层84上的激活元件子组被夹持时，上层和下层84及其相连的激活元件86分别形成高平面刚度，且隔板88使高刚度层分开。该分离增加了超常材料80的弯曲刚度。调节隔板88的几何形状和长度使得能够大体上独立于平面刚度调节最大弯曲刚度。通过控制每组激活元件的刚度，可控制弯曲刚度。

超常材料80还采用机械锁定作为激活机构以维持特定位置。图3B示出了根据特定实施例的超常材料80的放大部分82。

每个激活元件86包括与交叠激活元件86上的互锁部件90相互作用的互锁部件90。相互作用使得两个相邻或交叠激活元件86之间的横向相对运动必须克服超常材料80目前的刚度。在这种情况下，必须垂直地克服每个激活元件86上的配合部件90之间的互锁深度94，才能在激活元件86a与80b之间发生横向运动。

在这种情况下，互锁部件90包括沿与激活元件的移置方向正交的平面方向对齐的平行凸部92。本发明可利用其它几何形状以实现机械互锁。例如，凸部可在其远端处呈正方形或包括其它几何形状。此外，单个部件可不是平行且呈线性的(进入页面内)，且可包括波纹或其它平面构型，所述构型沿两个平面维度提供力。当机械部件90被锁定时，这沿多个方向为超常材料80提供了平面刚度。

超常材料80因此利用互锁部件90增强在特定位置的锁定。在特定实施例中，该设计包括具有足够刚性的层84以使得超常材料8 0在没有电输入或静电夹持的情况下锁定在所需位置处。这种无电压的锁定降低了功率消耗且允许超常材料80具有更希望的故障安全模式。

另一种可选方式时，小的电压差(+/-V)被施加在电极96上以帮助更紧固地锁定超常材料80。为了使超常材料80解锁，关掉V且可将第二电压V2施加到中心弹性体层92上。该电压V2的幅度大于V，且因此吸引了鳞片部的自由端。该吸引脱开了交叠鳞片部之间的接触且允许外部弹性基板产生自由应变。V2可产生振荡以帮助脱开交叠鳞片部之间的接触。

在采用静电夹持的其它实施例中，每个可夹持电极对的一个介电绝缘体和绝缘体激活元件，例如图2A至图2J所示的柔性鳞片部，由保持永久静电荷的材料薄板代替。这种材料包括乙烯基物质和其它聚合物且可在商业上得到且可用于多种应用如暂时和可再利用标志中。在这种情况下，当未在互补电极和绝缘体元件上施加电压时，板产生夹持。当电压被施加在两个电极上使得形成电场从而取消了永久带电板的电场时，元件被释放或减少夹持。具有永久电荷的材料是众所周知的。对于该实施例而言，可能在基本上没有电能输入的情况下保持最大硬性状态或固定装置。

超常材料80表明了可在基本柔顺层超常材料设计中包括多种特征的方式。可能实现多种其它设计增强。例如，附加夹持层可进一步增加给定电压下的超常材料强度。80的基本结构可叠置产生更厚的材料，所述材料能够改变其平面和弯曲刚度。所希望的是具有用于布置在不同角度的每个层的激活元件，以进一步增强超常材料的刚度均匀性。

可利用其它互锁或闭锁技术保持超常材料的位置。在一个实施例中，利用机械闭锁机械地防止激活元件分离。例如，一个硬性激活元件可包括与第二刚性激活元件上的阴闭锁件配合的阳闭锁件。联接的机械闭锁件随后可抵抗尝试使激活元件相对于彼此移动的任何外力。激活随后可包括使其相应激活元件上的配合闭锁件从闭锁状态移至未闭锁状态的任何适当激活机构。

超常材料中的激活元件和可变形结构的材料选择将很大程度上确定了超常材料的总机械性质。通常，可变形结构、激活元件及其部件的材料选择将随超常材料的设计变化。可在设计过程中为了适用于应用情况而选择这些材料，正如本领域的技术人员易于意识到地。影响材料选择的与性能相关的因素包括强度、最大延伸率、刚度、蠕变、抗撕裂性、摩擦学(摩擦和磨损)和疲劳、表面韧性的机械性质以及介电强度和电阻的电性质。在一些应用情况中，彼此接触的平滑表面使得能够通过允许表面之间产生更紧密的接触而使夹持力更高。在其它应用情况中，可能需要粗糙表面以允许如上所述进行机械互锁。其它与性能相关的因素可能与特定应用情况相关且用于选择部件材料。将影响材料选择的附加因素包括操作温度范围、湿气吸收、热传递和电磁特征。例如，可选择材料以提供所需环境耐受力、所需的热传导和/或电磁特征。可使用复合物或具有弱传导涂层的硬性塑料激活元件代替金属以改变热传导和电磁特征。还可选择材料以提供特定刚度或密度。另一种可选方式是，可能出于制造复杂性或成本的原因选择材料。

对于如上所述的“鳞片”型超常材料设计，每个激活元件中的硬性部件可包括刚度大于可变形结构刚度的任何材料。典型的材料包括硬性聚合物、具有喷涂传导橡胶的硬性塑料板、陶瓷板和纸(毡)或由陶瓷纤维制成的其它层、陶瓷泡沫、金属泡沫、碳纤维复合物、金属和硬性金属板如铝、具有薄层压金属涂层的硬性塑料电极、包括多种传导纤维的柔性电极和碳层压板(所述碳层压板例如用作飞机上的外壳)。可使用其它材料。硬性部件还可包括涂覆有传导涂层的非传导且具有高刚度的材料。

传导涂层或层可包括任何适当的电载体，如浸渍碳的聚合物、金属喷涂或溅射的涂层或任何其它本领域的技术人员可得的适当导体。由于静电力通常在高压和低电流下起作用，因此传导层不需要具有很高的传导性。事实上，碳纤维或其它碳颗粒的自然传导性即使由于与非传导聚合物基板混合而受到损失，但在很多情况下仍然是足够的。

用于可变形结构的材料将取决于特定设计。不依赖于电性能的薄柔顺层可包括具有适当柔顺性的任何材料。典型材料包括橡胶、柔顺聚合物、硅酮橡胶、多种橡胶如天然乳胶橡胶、丁腈橡胶、聚合物泡沫(包括上述零泊松和拉胀泡沫材料)、呈一定图案的柔性但不可延伸的聚合物以使得局部区域可屈曲而不是伸展、金属或聚合物弹簧阵列、金属网格和可伸展的纤维如通过包括弹性纤维而制得的那些纤维。例如，通过沿横向于柔顺方向的方向在聚合物中形成多条狭槽。狭槽可被布置成类砖块图案以使得沿横向方向的狭槽的相邻排产生偏置以使得狭槽不沿柔顺方向对齐。另一个实例是使聚合物形成蜂窝状结构，如图4A所示的结构102，其中聚合物能够通过在顶点处弯曲而产生屈曲。另一个实例是使聚合物板形成沿面外方向变形的结构如具有横向褶皱以允许其折叠的板、呈一定图案的金属板(功能与聚合物类似)。同时提供电性能和机械性能的弹性基板可选自多种材料。典型材料例如包括丙烯酸弹性体、硅酮橡胶、丁腈橡胶、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚氨酯弹性体。硅酮橡胶提供了良好的环境耐受力、大应变性能和良好的绝缘性(对于柔顺层绝缘的形式)。

鳞片部绝缘的实施例可使用具有良好绝缘性质和环境耐受力的聚合物涂层，如硅酮橡胶或聚酰亚胺。如果使用金属鳞片部或涂层，绝缘层还可包括在金属上直接形成的非传导金属氧化物(如阳极氧化铝)。

在利用传导的可变形结构和由于鳞片部被吸引至可变形结构的表面上的电极所致的夹持的实施例中，不需要可变形结构上的独立电极。

在一个特定实施例中，测量约6in2的超常材料包括具有薄的钢质鳞片部作为硬性激活元件的硅酮橡胶柔顺基板层。在弹性体一侧上的电极包括在硅酮粘合剂中的碳颗粒涂层。在该特定实施例中，电极是柔顺的。

尽管迄今已经结合相对简单的平面可变形结构对超常材料进行了描述，但应该理解可变形结构可包括薄层状复杂形状、具有复杂表面的本体和具有多个部件的结构。如上所述，例如，单个层可叠置或形成圆柱体。此外，迄今已经结合静电夹持和用作激活机构的电活性聚合物对超常材料进行了主要讨论。超常材料可利用其它激活机构。

图4A示出了根据本发明的另一个实施例的利用磁激活机构的超常材料100。超常材料100包括蜂窝状可变形结构102和磁激活元件104。图4B示出了磁元件104被激活后的超常材料100。超常材料100与前述实施例的不同之处在于其包括多个硬性元件和与伸展相反地产生形状重构的可变形结构。

可变形结构102包括具有相对硬性的构件105和柔性连结点106的蜂窝状栅格。每个连结点106枢转地联接两个或三个硬性构件105。在如图4A所示的激活状态，可变形结构102可产生压缩和膨胀，例如，如同手风琴一样。可通过多种已公知技术制造这种结构，所述技术例如包括对聚合物、金属或聚合物-纤维复合物进行挤出成型。

激活元件104可受到控制以呈现两种状态：a)第一位置或取向(图4A)，其中每个激活元件104基本上不会妨碍蜂窝状栅格102的变形或要不然有助于超常材料100的刚度(或另一种机械性质)；和b)第二位置或取向(图4B)，其中每个激活元件104增加了超常材料100的刚度(或另一种机械性质)。在第二位置处，每个激活元件106的刚性部件与可变形结构102的每个蜂窝状结构中的硬性块体108接界。这防止激活元件106上下的垂直相邻的硬性块体108之间产生垂直抑制或相对运动。当多个激活元件106已被激活时，这共同防止与激活元件106相邻的蜂窝状栅格中的硬性构件105与连结点106产生移动。对超常材料100中的所有激活元件106进行激活将整个可变形结构102固定在图4B所示的位置处。

在一个实施例中，激活元件104响应于磁输入且可围绕轴线旋转进入图4A所示的页面内(例如它们在任一端处受到枢轴或在中心受到旋转连结点的支承)。磁场(例如通过位于超常材料100外部或埋置在复合物的特定层中的电可控线圈产生的磁场)的取向确定了磁激活元件104的方向且因此确定了超常材料100的刚度。其它设计可在单个元件104上施加磁场以控制激活成任一位置状态。永久磁体或磁体阵列可重新设置在超常材料外部以便控制其性质。

超常材料100提供了另一个实例，其中可变形结构102与磁激活元件104之间的相互作用允许被施加以改变激活元件104的状态的能量产生小的变化从而影响超常材料100的总性质产生大的变化。至少，激活元件104的状态变化改变了超常材料100的总刚度。

磁输入还可使每个激活元件104呈现两种状态之间的中间状态。这例如对于获得超常材料100的中间集合效应如两个极端之间更小的刚度可能是有利的。还可通过仅旋转一些单个单元的激活元件实现中间刚度状态。例如，如果仅使得每隔一排呈硬性，则总硬度比如果使每个元件对齐从而实现的最大硬度小得多。还可利用永久磁体使结构具有相反功能。在这种情况下，激活装置包括位于永久磁体附近的电磁体，所述电磁体取消了永久磁体的磁附接且导致正常的磁致夹持元件脱离夹持且因此导致连接性和所得刚度产生变化。

在特定实施例中，可变形结构102包括塑料或金属材料。可使用其它材料。柔性连结点106可包括活铰链、变薄的塑料角、具有狭槽的互锁部件(造纸工业中通用)、或允许可变形结构102改变形状的任何其它机构。激活元件104例如可包括铁磁材料、线圈或永久磁体。还可包括用于罩住铁磁材料的部件，如提供结构强度的塑性部件。元件104还可包括优选本身与磁场梯度对齐的顺磁性材料或其它材料。

尽管已经结合对激活元件104的磁操控对可变形结构100进行了主要描述，但可采用其它技术控制激活元件。在另一个实施例中，激活元件104响应于电输入改变位置。在这种情况下，致动器响应于电信号且对每个激活元件104的位置或取向进行磁控制。还可利用电荷使激活元件静电对齐。在这种情况下，每个元件包括驻极体、具有永久电荷的机构或响应于电场的任何其它极性材料。驻极体可通过旋转等方式响应于电场，所述响应方式与前面的实施例响应于磁场的方式相同。

图5A示出了根据本发明的另一个实施例的超常材料120。超常材料120包括可变形结构122和激活元件124。

可变形结构122包括两个柔顺或可变形层123。每个柔顺层123具有当激活元件124未被激活时允许产生平面膨胀和面外弯曲的刚度。

每个激活元件124包括四个硬性柱125和两个刚性部件126。每个硬性柱125的一端被联接至上部柔顺层或下部柔顺层123。连结点128连接相邻的激活元件124且允许在相邻激活元件124之间进行枢转运动。连结点128还允许在每个激活元件124中包括的两个硬性柱125与刚性部件126之间进行枢转。

刚性部件126可受到控制以实现两种状态：a)自由状态，在所述状态下，左右刚性部件126未联接且可自由地滑过彼此；和b)激活状态，在所述状态下，左右刚性部件126被联接在一起。

超常材料120共同提供了类桁架结构，例如可通过将刚性部件126夹持在一起使所述结构选择性地接合或脱开接合。当所有刚性部件126处于自由状态时，横向力可使左右刚性部件126相对于彼此移动。这横向地挤压或扩展每个激活元件124。硬性柱125在连结点128处的机械联接将每个激活元件124的横向运动转化成垂直运动。可变形结构122还可在该自由状态进行有限程度的弯曲。

激活元件124包括允许每个激活元件124被锁定在目前位置或增加刚度的机构。在一个实施例中，利用静电夹持激活左右刚性部件126。在一种夹持设计中，一个部件126包括电极和设置在其上的绝缘层。另一个构件用作地。在另一种夹持设计中，每个柔顺件126包括绝缘层且在绝缘层上发生静电夹持。将静电夹持电压施加到电极上将单个激活元件124中的刚性部件126固定在一起。这防止激活元件124产生横向运动，且由于连结点128处的机械联接而防止产生垂直运动。这还防止了可变形结构122的弯曲。

在另一个实施例中，刚性部件126包括内在自适应或主动材料，所述材料可改变联接刚度且由此改变超常材料120的刚度。例如，刚性部件126可包括响应于电刺激改变其刚度且改变超常材料120的刚度的电活性聚合物。可用于激活元件124的其它内在自适应或主动材料包括具有与图3B相似的表面特征的压电弯曲部，所述压电弯曲部当受到激活时可形成互锁对、热控制或形状记忆合金弯曲部、和硬性元件，其中至少一个所述硬性元件例如具有电磁体。

在特定实施例中，可变形结构122包括任何柔顺层材料，如橡胶或弹性体或呈一定图案的聚合物或金属。硬性柱125可包括金属、塑料或任何其它刚性材料。刚性部件126可包括上面结合鳞片部实施例所使用的任何材料，如具有非传导涂层(例如非传导阳极氧化涂层)的金属、在一侧上溅射有金属的聚合物、具有聚酰亚胺绝缘体的粘合剂中的碳颗粒或具有绝缘体的任何传导材料。

与迄今所述的多种设计相似地，桁架超常材料120可以是3维或2.5维的。对于2.5维而言，其意味着该结构在第三维上没有所关心的区别特征；其可具有均匀尺寸，例如可通过沿第三正交方向挤出二维图案而制得所述均匀尺寸。我们还注意到图5A的基本结构可叠置形成更厚的材料。

图5B示出了根据本发明的特定实施例的超常材料140的不同可变形结构142中包括的图5A所示的激活元件124。

在这种情况下，可变形结构142包括所有激活元件124处于单个集成结构中的布置。更具体而言，可变形结构142包括多排144激活元件124，其中一排中的元件124的顶部附接至上面的排中的元件124的底部。此外，刚性部件146a被包括在排之间的两个元件124的附接点处。当激活元件124处于自由状态时，任何激活元件124的移动影响其相邻的元件。

图5C示出了在对所有元件124进行激活后的超常材料140，所述激活将可变形结构142和超常材料140静态固定在其目前位置。超常材料140可以是平面的或被挤出页面。

超常材料还可提供可调的弯曲刚度控制。在一个实施例中，超常材料通过提供能够在多个表面如柔顺层的上表面和下表面上夹持的能力而提供弯曲刚度控制。

正如注意地，超常材料可控制形状变化。主动材料还可被包括在可变形或可重构结构中以便为形状变化提供能量。

在一个实施例中，能够产生这种自致动形状变化的超常材料可利用突弹跳变或双稳态机构以便在一个形状与另一个形状之间变化(沿任一方向)。图7C示出了根据本发明的一个实施例的“突弹跳变”双稳态超常材料340。超常材料340包括致动元件342和六边形结构元件344。

致动元件342在施加电刺激后产生横向膨胀。在优选实施例中，致动元件342包括平面电活性聚合物致动器如介电弹性体。在共同拥有的专利No.6,781,284中对电活性聚合物致动器和装置的致动进行了进一步描述，所述专利的整体内容为所有目的在此作为参考被引用。

致动元件342被埋置在单个六边形结构元件344，或“单元”中且横跨每个单元的宽度，如图7C所示。当电活性聚合物致动器受到致动时，所导致的每个六边形单元344的宽度变化使单元突变成“沙漏”形状，因此导致如图7D所示，总结构340具有较大的总形状。中间程度的变形也是可能的。

图7E示出了可利用简单的层叠工艺制造这种超常材料的方式。致动元件342可被制成板结构350的形式，如图所示。这些板包含位于整体式基板上的可独立寻址的致动元件区域。在共同拥有的专利No.6,664,718中对整体式电活性聚合物致动器的多个电极进行了进一步描述，所述专利的整体内容为所有目的在此作为参考被引用。另一种可选方式是，这些激活层与半六边形结构352交替层叠以使得当附接成堆时它们可形成如图7C所示的横截面。

双稳态超常材料340的第二种构型包括平面“弓形”致动器360的叠堆(图7F)，所述平面“弓形”致动器分别包括横跨且附接到柔性框体364(附接在聚合物362的周部周围)内部的电活性聚合物362。柔性框体364用作在每个角处具有连结点的六边形联接部。在共同拥有的专利No.6,781,284 B1中对弓形致动器进行了进一步描述，所述专利也为所有目的在此作为参考被引用。当对弓形致动器360进行致动时，总面积变化与单元宽度变化相关。通过交替沉积六边形联接结构和平面致动器，可制造包括多排致动器结构的叠置蜂窝状结构。这种弓形致动器360的叠堆如图7C所示。

多个弓形致动器360可组成蜂窝状结构且如图7G所示平行叠置。与图7E所示的实例相似地，蜂窝状电极和激活元件374交替层叠作为电活性聚合物的板370上的电极。电活性聚合物板370包含位于整体式基板上的可单独寻址的激活元件374。

可对任何这些实施例的每个单独单元进行单独寻址。这允许通过仅对单元子组进行致动而产生中等形状变化。在一些设计中，为了获得控制部分材料或整体材料的形状的能力，整个超常材料被分成单独的块体以使得在块体之间不存在机械相互作用。例如，上述设计的蜂窝状结构可被分段以使得变形的蜂窝状结构不都一致地相互作用。通过控制整个超常材料的独立单元的形状，可能获得整个结构的任意所希望的形状。

每个单元的形状影响了沿特定方向的单元刚度和阻尼性质。例如，具有几乎沿一个方向对齐的壁部的单元在该方向上将比具有与该方向成相对较大角度的壁部的单元更硬。

图6A-图6C示出了根据本发明的特定实施例的层状复合超常材料180。超常材料180允许控制弯曲刚度以及控制平表面的形状。

超常材料180包括多个柔性层182和激活层184。每个激活层184被夹在两个柔性层182之间。通常，每个柔性层182包括组合的厚度和弹性模量以使得层可弯曲但几乎不可延伸。激活层184包括两个状态：a)第一状态，其中激活层184被机械联接至与其相邻的两个柔性层182，和b)分离状态，其中激活层184不与两个相邻层机械联接从而允许这两个柔性层之间产生剪切。则激活层184可包括允许进行外部控制从而使每个激活层和与其相邻的两个柔性层182联接且脱开联接的任何材料。

在特定实施例中，柔性层182包括薄传导板(如铜、铝或另一种金属)，而激活层184包括柔性介电体(如丁腈橡胶)。在这种情况下，超常材料180利用两个相邻的柔性层182作为电极以将静电夹持电压施加到设置在其间的介电活性层184上。这将激活层184联接至与其相邻的两个柔性层182。超常材料180中的每个层184可相似地受到激活。还可同时激活层的整个叠堆。

在与激活层184接合之前，柔性层182允许超常材料180响应于垂直外力186产生弯曲，如图6C所示。柔性层182的单块板(横截面)为超常材料提供了相对于E，即层182中使用的材料的弹性模量的弯曲刚度。层叠的多个去激活层182将一起为超常材料180提供相对于N×E的弯曲刚度，其中N是柔性层182的数量。如图6C所示，这仍提供了相对柔性的弯曲柱。代替地，力186可以是分布在柱长度上的力或与扭矩结合的力。多种力可将复合弯曲引入柱内。

当静电夹持电压被施加到每个激活层184上时，层182和184夹持在一起，这增加了超常材料180的弯曲硬度。更具体而言，在激活后，每个激活层184被联接至相邻的上面和下面的柔性层182。这增加了超常材料180的集合弯曲刚度，这是因为现在需要每个相连层182和184产生剪切使超常材料180产生弯曲。在特定实施例中，超常材料180的弯曲硬度增加了约N³倍。这允许超常材料180在去激活时是柔性的但激活时是刚性的。在一些情况下，从激活到去激活的弯曲刚度变化比率可以是N³∶N或N²∶1。可使用任意数量的层182和184。

可基于超常材料的组成材料的性质选择超常材料180的组成材料以产生所需动态结果。例如，钢可被用于柔性层182中以增加弯曲刚度。其它适当材料例如包括具有在表面上的呈一定图案的电极的柔性聚合物，和碳纤维复合材料。

在一个实施例中，柔性层182被联接或要不然附接以使得它们形成超常材料180的单个结构。例如，层182可在一端上(或两端)上分别附接至板。在另一个实施例中，超常材料180是自由形式的结构，如图所示。这允许超常材料180根据需要产生弯曲和扭曲。例如，可利用致动器或手动地对超常材料180进行外部操控(弯曲、扭曲等)。在任何特定形状下，利用静电夹持电压进行激活将锁定超常材料180的目前形状。

在图6A至图6C所示的设计的特定实施例中，激活层184包括0.004″厚的薄丁腈橡胶(例如由Kimberly-Clark Corporation，Rosewell，GA 30076 USA制造的商标为Safeskin的丁腈手套中使用的丁腈橡胶)。柔性层包括0.002″厚的黄铜板。还可利用10厘斯硅酮油以帮助防止层分离，尽管从应用和外部负载的角度而言，这可能并不必要。夹持电压可在约1000至1500V DC的范围内。

其它激活机构和系统可用于超常材料180。在一个实施例中，每个柔性层184包括柔顺聚合物或弹性体。激活层184可通过夹持、粘弹性材料的形状变化(例如利用主动材料如电活性聚合物)或通过将层184挤压在一起实现附接变化。在所有这些情况下，当复合超常材料产生弯曲时，将增加激活层184中的剪切力。在另一个实施例中，激活层包括进行膨胀以使得在激活前激活层184仅联接至一个柔性层182的层。在这种情况下，每个激活层184在激活前不会产生大量剪切变形。在激活后，激活层184联接至两个相邻的柔性层182，这现在降低了当复合超常材料弯曲时激活层184中的剪切应力。材料如聚合物凝胶、热膨胀材料可被包括在激活层184内以提供这种功能。激活层184还可包括主动材料如电火花聚合物或压电陶瓷，所述主动材料被附接至允许产生较大面外变形的机构。例如，电活性聚合物板的膨胀可对柔性聚合物的薄层进行挤压，所述薄层搭扣且压靠在相邻的层182上。激活层还可包括磁流变或电流变流体。这些流体在分别施加磁场和电场时从低剪切应力状态变为高得多的剪切应力状态。

与本文所述的多种设计相似地，超常材料140和180是模块化的。这允许基本图案沿平面方向或面外方向重复(叠置)以产生具有任何适当尺寸、长度或形状的超常材料。

一些超常材料还利用形状变化影响机械性质的变化。图7A示出了根据本发明的特定实施例的产生形状变化的柱160。柱160包括柔顺层162和设置在柔顺层162的底表面上的柔性但不可延伸的材料164。

在特定实施例中，柔顺层162包括电活性聚合物。电极166被设置在电活性聚合物的顶表面和底表面上。利用电极166对电活性聚合物进行致动导致柔顺电活性聚合物如图7B所示呈弓形。另一种可选方式是，超常材料160可不包括电活性聚合物且依赖外力(如静电吸引至附近的平表面)从而产生所需的形状变化。

引起柱160的致动(通过在电活性聚合物上施加电压或去除导致柱符合平表面的静电吸引力)导致柱获得更硬性的位置，如图7B所示的位置。这响应于沿柱的弯曲轴线且垂直于所述轴线的负载增加了柱160的刚度。例如，柱160将响应于施加在其远端处的向下力而产生更小的偏置。

有效地改变性质的图7所示的柱是低能形状变化可导致一种或多种机械性质产生较大变化的方式的简单实例。为了形成超常材料，该基本柱结构可被包括作为其它结构的建筑块元件。例如，这种元件的竖立阵列可被夹在两块硬性板之间。当元件被激活至图7B所示的状态时，所得层状结构将硬得多。在另一个实施例中，柱可沿一条边缘被附接至柔性表面，当柱处于图7A所示的未锁定状态时，该表面可弯曲，但当柱处于图7B所示的锁定状态时，该表面不可弯曲。

因此，由柱160形成的超常材料证实了本发明的另一个方面：利用形状变化改变机械性质且将超常材料锁定为新形状。在这种情况下，形状变化增加了弯曲柱的垂直刚度。

尽管由柱160形成的超常材料采用简单结构和非常适于所述目的的简单形状变化，但本发明不限于这种简单设计和形状变化且可包括激活前后更复杂的可变形结构。

形状变化(所述变化是超常材料的所需形状变化或超常材料内的元件形状变化)不需要仅源自超常材料内部产生的力或作用。例如，下面的一种应用情况描述了利用超常材料改变飞机上的机翼形状。在这种情况下，超常材料被去激活(置于低刚度状态)，利用适当的致动器(或风)移动，且随后激活成一些所需形状、位置或构型。在一些情况下，当风是湍流时，仅当所得风压沿所需方向作用时对材料进行去激活产生了看来自致动的系统。

可利用任何适当的致动器移动物体且使超常材料变形或再成形。马达、气压汽缸和螺线管适用于多种系统中。在一个实施例中，当超常材料处于去激活状态时，电活性聚合物传感器用于使超常材料偏置。电活性聚合物是一类柔顺聚合物，所述柔顺聚合物的电状态随变形改变。包括电活性聚合物的致动器可具有多种形状和尺寸且可适于特定应用情况或设计。典型的电活性聚合物可包括电致伸缩的聚合物、介电弹性体(又名电弹性体)、传导聚合物、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、凝胶等。在共同拥有的专利No.6,628,040中对适于与本发明一起使用的电活性聚合物进行了进一步描述，所述专利的整体内容在此作为参考被引用。其它适当致动器可包括上述主动材料或内在可变材料。与可用于夹持的那些力相似的静电或电磁力也可用于提供形状控制的致动。例如，可通过使条带的电压顺序交替而使具有电极条带或电磁区域的两个交叠层相对于彼此进行滑动，所述滑动方式与线性马达使滑子相对于定子移动的方式相同。这种基于相对于彼此滑动的平板的线性马达对于本领域的技术人员是已公知的。这些机动层可被附接至超常材料的可变形结构或完全替代所述结构。

性质和性能

超常材料允许对一种或多种机械性质进行动态控制。可控机械性质包括刚度、阻尼、弹性或塑性强度、屈服强度、拉伸或压缩强度、剪切强度、弹性模量、韧性、抗撕裂性、最大延伸率、断裂应变、断裂吸收能、泊松比、蠕变、疲劳、摩擦学、剪切模量、回弹性、声波传输系数、阻尼、机械损失因素、硬度、冲击阻力、抗震性和形状。

如迄今所述，本文所述的超常材料非常适于进行刚度控制。对于采用静电夹持的激活元件，只要激活元件之间的静电夹持和摩擦力大于试图拉开它们的外力，则夹持是有效的(即，不发生滑动)。这种夹持导致超常材料的刚度约等于硬性组成材料的刚度。可通过柔顺层(如果包括的话)的剪切变形引入一些柔顺性，但当使用薄弹性体层时，这种柔顺性较小。鳞片部绝缘的设计不存在这种柔顺性问题。在一些情况下，这类设计中的绝缘体事实上可能比芯部鳞片材料更硬。

柔顺平面结构上的具有二维激活控制的硬性激活元件允许可沿面内方向控制刚度。这允许对平面刚度进行动态方向控制，即沿一个方向呈刚性而沿另一个方向是柔顺的，且随后沿每个方向变为相反刚度。对于一些超常材料设计，例如还可通过控制柔顺层的相对侧上的相对刚度而独立地改变弯曲和平面刚度。

本发明还允许在使用过程中对超常材料的刚度进行可变且动态的控制，使其介于最小极端与最大极端之间。在一个实施例中，通过选择性地激活一些但并非所有激活元件从而有效地提供可变刚度而实现可调(动态且可变)的刚度。另一种可选方式是，当对于静电夹持实施例使用更低的电压以使得激活元件可在负载下滑动但仍抵抗受控量的施加力时，可实现对结构的阻尼控制。在一些实施例中，如利用磁流变或电流变流体的那些实施例，通过改变电压改变激活程度也可直接影响硬度变化。

本发明的超常材料提供的刚度变化可能相当惊人。例如，具有弹性体基板如硅酮(具有约1MPa的弹性模量)和6061-T6铝的鳞片部(具有70GPa的弹性模量)的柔顺层的刚度变化理论上可达70,000倍。在一个实施例中，超常材料的硬度变化能够比其原始硬度大100倍。这对于控制振动或噪声是有用的，在匹配(避免)10倍的频率共振变化需要刚度变化100倍的情况下。用于形变结构的材料也将得益于从硬性向柔顺性且返回硬性状态而发生的较大变化。在特定实施例中，超常材料能够比其原始硬度产生超过1000倍硬度变化。可在两个极端之间选择任意刚度(例如通过控制在静电夹持超常材料表面上受到激活的元件数量)。在另一个实施例中，前后刚度被用于描述超常材料的特征。包括激活前小于约1MPa的刚度和激活后大于约1000MPa的刚度的超常材料适用于多种应用情况。在特定实施例中，超常材料包括激活前小于约10MPa的刚度和激活后大于约100MPa的刚度。在一些情况下，超常材料开始时可为约100MPa且在激活后转化成约10GPa。

尽管迄今已经结合超常材料中动态变化的刚度对本发明进行了主要描述，但本发明不限于控制该特定机械性质。

超常材料还提供了主动且动态的阻尼控制。我们已经注意到，可通过有意允许激活元件进行滑动而主动控制由包括静电夹持的超常材料提供的阻尼。因此，静电夹持电压可降低至允许激活元件滑动的量。换句话说，施加的静电夹持不足以承受受到阻抑的外力。这种部分夹持方式允许控制包括超常材料的结构的有效阻尼。可利用上述任何静电夹持超常材料实现受控阻尼。例如，超常材料120中的刚性部件126的部分夹持(图5A)允许进行滑动从而产生与夹持度相关的阻尼量。

控制超常材料中的一个或多个粘弹性层的剪切形变量还允许进行阻尼控制。为了增加弯曲柱的阻尼，粘弹性材料的层可被捕获在超常材料180的柔性层182之间(图6A-图6B)以使得该层上的剪切力大大增加且因此该层为总结构增加了大量阻尼。

超常材料可提供独立可控的刚度和阻尼。例如，复合物可包括独立的用于控制刚度的层和用于控制阻尼的层。如上所述，如果激活导致刚度或阻尼产生二元变化，则对总量的激活元件中的子组进行激活可提供部分控制。

超常材料还可被设计以允许可变的韧性(断裂吸收能)或回弹性(塑性变形吸收能)。包括铝的本发明的一些实施例可提供比铝本身更大的韧性或硬度。例如，当超常材料在拉伸负载的情况下失效(释放静电夹持)时，失效不是灾难性的。超常材料可被构造以在略延伸的长度下重新夹持且继续在夹持刚度下作用。通过重复允许材料释放和再夹持，超常材料消散了大量能量。因此，超常材料不仅可增强装置的刚度，而且可增强其回弹性。即使材料重复失效，一旦去除负载且对材料进行去激活，则其可弹性回复其原始形状而不受损。

在一个实施例中，超常材料被构造成支承结构负载的物体。这可通过降低用于支承结构负载的其它结构的质量而降低物体的总质量。根据物体和设计，超常材料可通过提供拉伸和压缩面内应力和扭矩、承载作为封闭扭矩箱(torque box)的一部分的剪切流而支承弯曲负载。

外部控制

超常材料的实施可采用一些类型的外部控制。这可包括与激活元件连通所需的任何硬件和用于实施控制的任何电路或逻辑算法。

对于静电夹持实施例而言，至少需要最少量的控制硬件(金属线等)和电路以为激活元件提供静电夹持电压且从所述激活元件上去除所述静电夹持电压。在一个实施例中，超常材料包括对于每个活化元件的独立控制。在另一个实施例中，激活元件的子组被共同寻址和控制(例如利用共用电极)。目标和复杂性变化的逻辑算法还可用于控制激活元件且调节所关注的机械性质。

通常，使一组激活元件接合以改变超常材料和机械性质(“激活能量”)所需的能量相对于超常材料的所得能量性能可能相对较小。在多种情况下，通过集合的超常材料产生弹性和阻尼能量。例如，一旦激活机构与硬性激活元件接合，则超常材料或结构的变形能量确定了机械性质而不是激活能量。因此可进行控制且在几乎没有能量消耗，如输入电能的情况下保持控制。由于仅需要激活以进行较小或较低力的运动或提供夹持，这在多种情况下几乎不需要能量但产生了惊人的机械性质，则本发明还提供了能量有效的机构以影响机械性质产生较大变化。

保持静电夹持实施例所需的电功率相对最小，原因在于效应是基于电场的且不需要大量电流流过。静电夹持的功率消耗取决于绝缘体厚度、夹持压力和绝缘体电阻率。例如，对于在10％的交叠情况下夹持且具有10μm的绝缘体厚度、10¹³ohm-m的电阻率(例如硅酮、二氧化硅或其它绝缘体)和300V/μm的场(对于约1MPa的夹持压力以及2.7的介电常数而言是足够的)的1m²表面而言，保持完全负载所需的功率仅为4mW。该实例仅是示例性的；此外，具有更薄涂层的更好的绝缘体可降低功率消耗。此外，利用机械互锁装置的其它可选设计在夹持状态下几乎不使用或不使用电压(参见图3B)。从基本视角考虑，静电夹持激活元件用作电容器，因此可能需要一些有限量的能量以施加夹持电压。在一个实施例中，当材料被去激活时，施加到超常材料上的能量被回收。利用静电夹持的实施例是高反应性(电容性)的电负载。从电容性负载中回收能量的电路对于本领域的技术人员而言是已公知的。在一个实施例中，静电夹持依靠高电压。在特定实施例中，夹持电压高于约1kV。在适当情况下可使用其它电压。根据所使用的材料，静电夹持实施例采用低电流、高电压操作(通常具有低泄漏电流)，所述操作使电源装置、布线和连接器的质量最小化。这提供了多种能量有效的超常材料。

多种因素将影响可得静电夹持力以及所需功率。这些参数包括a)绝缘或介电材料及其厚度；b)激活元件材料、柔顺性；和几何形状，和c)驱动电路(交流或直流激励)。多种适当的绝缘和介电材料包括聚酰亚胺和聚偏氟乙烯(PVDF)。此外，传导性更高的材料如丁腈橡胶和热塑性聚氨酯也适用于一些应用情况。表面粗糙度和鳞片部柔顺性也可增加可得的静电夹持力。

本发明可利用交流或直流激励。根据所使用的材料和电能供应装置，由直流信号(或任何其它不可逆电压)驱动的静电夹持力可能由于周围环境的寄生充电和介电体内的电荷迁移而随时间降低。利用双极(即变为正极或负极)交流信号取代直流信号可能消除这些情况中产生的介电充电。对于交流信号而言，电压每次改变极性，则夹持力直接变为零。在一个实施例中，超常材料包括一组机械冗余激活元件。通过利用机械冗余激活元件，当交流信号通过一些激活元件子组的零电压点时，超常材料可消除滑动。在另一个特定实施例中，超常材料包括平行布置的冗余夹持激活元件。如果通过与另一交流信号相位差为90度的信号驱动一些冗余激活元件，则至少一些激活元件总是受到夹持。在另一个实施例中，切换极性的电子速度可以快到机械系统来不及滑动(即，在场改变极性且重新夹持前，惯性防止了产生任何明显运动)。在特定实施例中，使用高于约1Hz的激励频率。可使用其它交流频率。

此外，本发明还允许对机械性质在其最小极端与最大极端之间进行可变控制。例如，多个静电夹持实施例允许夹持电压处于最小极端与最大极端之间(例如允许产生阻尼)。控制电子装置可包括调节电子装置以有利于这种控制装置和逻辑算法实施可变控制。可变或二元控制可包括开路控制、具有主动传感的闭路控制等。

在一个方面中，本发明涉及一种改变超常材料的机械性质的方法。图12示出了根据本发明的一个实施例的用于改变超常材料中的机械性质的工艺流程300。超常材料包括可变形结构和联接至可变形结构的一组激活元件。

工艺流程300从使一个或多个激活元件从第一状态激活至第二状态开始(302)。激活可包括将静电夹持电压施加到静电夹持激活元件上。可改变磁场以激活一个或多个磁基激活元件。通常，激活将采用由超常材料中使用的激活机构确定的任何适当步骤。

第一状态或第二状态可包括完全“打开”或“关闭”状态，或其间的一些其它部分状态。多种超常材料提供了基于可变输入的可调机械性质变化。例如，可通过反馈控制回路调节施加到激活元件上的电压处于阶梯输入水平从而获得阻尼或韧性的所需水平。另一种可选方式是，可通过磁场控制激活元件的位置以允许获得两个位置极端之间的多个位置，所述位置影响了刚度或阻尼。

机械性质响应于通过一个或多个激活元件获得的第二状态而产生变化(304)。在其中机械变化是刚度变化的实施例中，激活元件的刚度或弹性模量大于可变形结构的刚度或弹性模量。在这种情况下，多个硬性激活元件可联接在一起以增加超常材料的集合刚度。在一个实施例中，激活元件产生接合以改变可变形结构的中等尺度几何形状或连接性且由此改变超常材料复合物的粘弹性质。刚度变化很适于抑制和控制噪声、振动和震动。例如，可引发激活元件以使得物体包括超常材料或避免物体在没有刚度变化的情况下经历共振频率。另一种可选方式是，超常材料可用于物体中作为动态振动吸收器且刚度变化导致超常材料与物体经历的共振频率匹配且在共振频率下吸收能量。

工艺流程300随后确定是否需要另一种变化(306)。在例如机械性质可调的静电夹持应用情况中，可利用第一电压在可允许的最小电压与最大电压之间对激活元件进行部分激活。随后可根据需要增加或降低电压和机械性质(例如阻尼、刚度)。

尽管已经结合改变超常材料的机械性质对本发明进行了主要描述，但应该理解本发明还可用于控制包括超常材料的装置、物体或结构的机械性质。因此，工艺流程300还可应用于通过控制超常材料中的一个或多个激活元件而控制装置、物体或结构的机械性质。

在另一个实施例中，本发明涉及一种用于改变超常材料或物体的形状的方法。图13示出了根据本发明的另一个实施例的改变超常材料形状的工艺流程320。

工艺流程320从对一个或多个激活元件进行至少部分去激活开始。这种意义上的去激活可包括完全去激活，或部分去激活至激活元件的打开极端与关闭极端之间的一些中间状态。可对元件进行去激活以降低超常材料或物体的刚度、阻尼或一些其它机械性质，或要不然改变超常材料的连接性或形状。至少，激活元件将被去激活以使得超常材料响应于且顺从移动可变形结构的外力。

超常材料或物体随后改变形状(324)。这可包括将力施加到可变形结构上以改变超常材料的形状。在一个实施例中，利用环境力改变装置形状。例如，包括超常材料的内窥镜或导液管可受到其所通过的通道的被动导引。当需要沿特定方向操纵内窥镜时，超常材料的某些区域被激活以使得装置可仅沿所需方向弯曲。这允许通过在所希望的时间对超常材料进行解锁(将超常材料去激活至其呈柔顺性的点)和锁定(将超常材料激活至其相对于输入力呈刚性的点)控制刚度而使环境产生作用。这还允许利用湍流使空气流中的翅片移动。在另一个实施例中，利用人工力改变超常材料的形状，如上所述。

随后对一个或多个激活元件进行激活(326)。激活可增加超常材料的刚度或要不然改变超常材料的连接性或形状。此外，激活可在一些中间位置停止以实现小于超常材料所允许的最大机械性质的机械性质。

本发明的另一个实施例涉及一种吸收能量的方法。该方法包括根据应用情况所需的能量吸收改变超常材料的一种或多种机械性质。一旦已经设置机械性质，则力被施加超常材料上以使得可变形结构产生变形。在弹道学和其它撞击应用情况中，使激活元件的高刚度与柔顺基板的高延展性结合可增加超常材料的韧性。因此，可通过激活提高超常材料的刚度。可变形结构随后在更高的刚度下伸展。另一种可选方式是，超常材料可用于改变刚度和/或阻尼从而有意激励用作振动应用情况中的质量调节阻尼器或能量吸收器的物体。本发明还允许当扰动输入的频谱改变时，调节超常材料或结构的机械性质从而实现振动或噪声隔离。在振荡运动(振动)的单个周期内发生的刚度变化也可用于阻抑这种振动。

应用情况

主动控制或调节材料或结构的机械性质如弹性和粘弹性质的能力在多种应用情况中是有用的。事实上，本发明代表了突破性技术，因为超常材料从根本上改变了具有后期产生的固定组机械性质的材料的范例。在大多数工程领域中，材料技术的进步使得能够开拓新的应用领域。

一个实例是可从软且柔性状态切换至硬且刚性状态的运动或医用支架。另一个实例是鞋类，其中可控制与吸收相对的弹性。从柔性或可伸展状态变为相对刚性状态的能力还可被包括在具有可调装配性的衣服或鞋类中使用的纤维内。纤维还可被包括在帐篷、反射器、飞机或船舶外壳内，其中所希望的是控制外壳的装配性或柔顺性。这种具有可控机械性质的外壳可用于形变结构如形变飞机机翼中。此外，调节弹性和粘弹性质的能力可用于例如汽车中的振动控制系统中以基于不同驱动条件改变响应。

航空器和空间飞行器的发展与材料发展相关。从最初的木材和纤维材料到高速高强度的金属合金再到现代复合物，新材料的发展带来了军用和商用飞机的性能改进。具有方向性刚度和强度性质的二十世纪的复合物在上一个世纪为飞机设计者提供了自由度-具体而言提供了定制能力。利用复合物，设计者可设计具有方向性可变性质从而有效地承载具有方向不均匀性的负载的飞机结构。这些性质导致飞机结构节省了10-20％的重量且使得能够对飞机进行设计，如前掠X-29。

本发明提供了另一种自由度：动态材料性能。正如机械(如刚度和阻尼)性质可通过设计选择的复合材料允许改进空气动力结构一样，材料性质可受到主动控制的新一代材料使得能够产生新一代航空航天器结构。

飞机，如无人操纵航空器(UAVs)在航天应用中的作用变得逐渐重要。目前，飞机被设计以在一种特定飞行状态下实现最佳飞行。为了使燃料消耗最小化，低速监视飞机具有长的狭窄机翼且没有扫掠。相反地，高速攻击机(和高机动性战斗机)包括翼展更短、长翼弦的机翼，且具有大量扫掠以减少拖曳且增加空气动力效率。尽管一些目前的飞机的几何形状能够使振动最小，如控制机翼的扫掠角，但在两个极为不同的平台和机翼形状之间改变或“形变”的能力仍未实现。

本发明使得能够实现能够产生形状变化的空气动力有效的航空飞行器。在一个实施例中，包括具有超常材料部件的形变机翼的飞机使得能够经受用于实现明显形状变化的较大变形，同时支承气体动力和结构负载。例如，一种超常材料部件可以是包括柔顺基板上的静电夹持刚性鳞片部的飞机外壳。当需要时，飞机外壳可从刚性(通过对激活元件进行夹持)变为柔顺性(通过释放一个或多个激活元件)。如果部件或超常材料外壳总是刚性的(以满足航空力学的负载需求)，则形状变化将利用过量能量且形变致动器将大且重。相反地，如果外壳总是柔顺的，则其将不能承受机械负载。通过超常材料部件或外壳实现这些冲突的需求，所述部件或外壳的刚度可产生受控变化。

此外，所希望的是，当结构可用于承受负载时，结构以部分夹持模式产生形变。这种部分夹持方式允许控制结构的有效刚度和阻尼。控制阻尼可抑制空气动力环境中的颤振或其它不希望的运动(特别是在形变过程中)。对于飞机应用情况而言，超常材料部件或外壳还具有适当韧性且是轻质的(特别可用于更小的无人操纵航空器中)。在一个实施例中，外壳提供了所需的剪切刚度和弯曲刚度以便当激活元件被锁定时实现预期的飞行操纵，且允许在飞行如水平飞行过程中产生形变。

超常材料外壳可柔性地用于飞机的不同部件中。例如，超常材料的外壳可应用于飞机的机翼表面上以改变机翼的气体动力特征和性能。另一种可选方式是，垂直尾部可包括气体动力轮廓和/或尺寸可产生变化的超常材料。在一个实施例中，由本发明提供的形变机翼包括平滑表面以实现良好的气体动力效率。因此，外壳可经历大的变形以实现径向形状变化，同时支承气体动力负载，且保持平滑表面。在多种设计中，超常材料外壳还支承结构负载，由此降低飞机的质量。

可得益于形变的其它应用包括可配置或可重构的基于空间的反射器和阵列。超常材料还可用于可产生形状变化的汽车本体中。例如，汽车面板可变成更符合气体动力学的形状。

本发明还非常适用于抑制和控制噪声、振动和震动的应用情况中。多种应用情况需要本发明可提供的轻质且紧凑的阻抑噪声和振动的装置。在一些情况下，人们希望使结构中的阻尼最大化。在更复杂的结构中，有时希望改变刚度和阻尼以避免激励某些共振模式或有意激励其它模式(如用于质量调节减震器的模式)。如果扰动输入的频谱改变，则可通过调节超常材料或其结构的性质实现振动或噪声隔离。

这种超常材料例如可用作直升机、坦克或其它陆地车辆中的表面面板。在由直升机中的叶片速度或坦克地形确定的某些频率下，常规面板可产生过度振动且辐射大量噪声(与在泥路上行驶的汽车仪表板的振动相似)。整合入这些结构内的超常材料面板材料降低了振动，因此使得车辆噪声更小且可更友好地驾驶所述车辆。在其它情况下，所希望的是在反共振状态下激励超常材料面板以取消飞机或车辆结构的振动。刚度可在较大范围内变化以便适于多种输入频率(共振频率与扰动频率的平方根成比例)。在这些应用中，重量和空间是非常宝贵的，因此本发明提供了多功能面板-结构性且主动的振动控制材料。

这种节省重量和空间的振动消除结构可用于空间应用情况中。用于形变空间结构中的结构外壳或支承桁架结构可包括本文所述的自适应超常材料。现有空间结构可得益于自适应复合物，所述自适应复合物使得例如配置或针对天线或太阳能电池阵列的过程中的振动最小化。加拿大臂(Canadarm，一种自动控制机械臂)也可利用本文所述的超常材料外壳提供的振动和阻尼改进。由于臂部可保持相对较大的有效负载，因此需要大范围的动态调节。振动和噪声消除结构还可整合入货物装卸装置内或航天飞机的另一个部分内以使得在发射和引擎燃烧过程中对灵敏的有效载荷产生的震动和与声学相关的损伤最小化。

通常，可利用自适应超常材料通过响应于任何可变形结构的平面伸展或弯曲控制阻尼。因此，超常材料可被包括作为总振动控制系统中的一部分。所得结构可被认为是固态材料，所述固态材料的刚度和阻尼可受到主动控制。例如，本发明还使得能够实现具有内在振动控制的柱。这种柱在多种应用中是非常有用的。在此要求的超常材料还可替换阻抗可变的汽车悬架，所述汽车悬架目前采用难以控制、易泄漏且环境敏感的磁流变和电流变流体。

本文所述的超常材料还可用于生物模拟和与人们产生相互作用的应用如自适应修补术、矫正术和机器人学中。在特定实施例中，超常材料用于调节修补和矫正装置中的连结点的刚度和阻尼从而在多种地形和条件下为使用者提供更有效且稳定的步态或灵活性。允许对刚度和阻尼性质进行电控制的超常材料可解决现有修补和矫正装置的缺点。例如，超常材料不需要常规电磁和磁流变装置所需要的线圈。由于它们是完全固态的，因此它们不会产生泄漏且对于温度变化相对较不敏感。此外，静电夹持超常材料是相对较轻且能量有效的，这是因为它们的控制基于电场。材料可形成薄板，以使得它们可与合身的矫正器以及修补装置一起使用。这些薄结构还可形成自适应穴孔的基础，使用者可根据偏好调节所述自适应穴孔的尺寸和形状。除了修补装置和矫正器之外，这些刚度受控的材料可应用于其它医用需求中。例如，它们可用于制造自适应模型、支架或夹板，当所需载体或结合点位置在治愈过程中处于静止状态或产生变化时，可重新调节或松脱所述模型、支架或夹板以获得更多舒适性。这种机械可调的支架和夹板因此除运动以外提供了可适应的保护。

本发明还非常适用于高能量吸收的应用中。这些应用得益于具有高韧性、大的断裂延展应变和高弹性模量的材料。在这种情况下，超常材料结合了金属(或另一种硬性组分)的强度和柔顺层的延展性。弹道学、防碰撞和高速撞击应用代表了典型应用，其中本发明的超常材料可用作动态且高速的能量吸收器。

在能量吸收应用中，超常材料可被暂时设置成高弹性模量状态。当刚度由于弹性模量已经被克服时，超常材料则可使一个或多个激活元件滑动(或要不然使柔顺层偏置)，在更新且较高的弹性模量下重新施加激活电压且弹性地吸收能量。这种连续滑动和高弹性模量的再激活允许延长断裂应变，其中在暂时具有高模量的阶梯时期吸收大量能量。

选择超常材料的能量吸收特征的能力允许为车辆及所有者提供更大的防碰撞保护。例如，对于包括超常材料且涉及碰撞的车而言，指示撞击位置的传感器可与计算机连通，所述计算机确定了使超常材料产生变形且吸收能量或保持刚度的最佳速率。相似地，如果无人操纵车辆发生碰撞，则超常材料可在某些位置吸收能量且在发生碰撞后弹性回复其形状。

控制静电夹持激活元件产生滑动所处的电压的能力还可用于使可施加到装甲上的能量吸收最大化。在特定实施例中，通过允许恰在静电夹持的失效点下进行滑动而实现能量吸收的增加。事实上，超常材料结合了硬性材料的强度与弹性基板的延伸率。通过这种方式，可能产生具有更大弹性或韧性的材料。这种能力不仅保护了装甲，而且保护了穿戴者受到二次或三次撞击。

可易于切换至硬性装甲弹道学特征的柔性衣服代表了保护的飞跃。防弹衣试图防止射弹穿透且将射弹的动能消散在足够宽的区域上以便不会导致产生撞击损伤。同时，穿戴者优选使用轻且舒适的装甲。不幸的是，舒适性和保护性是静止的需求。因此，本发明可提供根据使用者控制的两个极端。材料如凯夫拉尔(Kevlar)和赛龙(zylon)可编织成薄且柔性的材料，且所得材料能够防止穿透。然而，撞击能量的分散得益于与硬性弹道插入物相关的弯曲硬度。本发明可替代硬性弹道插入物，这不仅使得更大的高速射弹如来复枪的射弹破裂，且保护穿戴者不受与动能传递相关的钝伤损伤。

因此，可根据需要从柔性变成硬性的材料可提供穿戴舒适度同时提供高度保护。能够手动地(例如进入危险区域时)或响应于某些刺激自动地产生附加的对于硬度的震动消散保护。适当的刺激根据危险本质包括光学或红外运动检测(“复眼”)、激光反射、与声或音相关的信号以及磁或电容性接近感应。

通过调节刚度和阻尼，还可保护超常材料不会失效。如果在大变形下进行这种调节，则可消散大量能量。因此，除了能够转换装甲的刚度，具有可控性质的材料可通过消散比相同质量的固定性质材料更多的能量而提供改进的保护。激活元件材料可包括与现有防弹衣中使用的材料相同的材料，如Small Arms Protective Inserts中的陶瓷。在这种情况下，本发明除了消散震动以外还提供了穿透保护(另一种方式，其中材料是多功能的)。

对刚度、阻尼或另一种机械性质进行主动控制是有用的其它应用包括：医疗器械，如内窥镜、外科手术工具、血管介入装置如磁共振成像(MRI)相容支架和动脉刮削装置；运动设备，如滑雪板、球拍、球杆、运动服和鞋、帆船上的帆和具有可变阻力的锻炼设备；为了舒适性具有刚度控制的家具；家用和建筑物的部件如静电门锁；具有主动反馈装置如键盘和盲人点字装置的装置；和汽车中的许多应用，如悬架、撞击吸收/折皱区域、静电制动器和安全带。

本发明还适用于触手型机器人或其它长且薄的可重构结构中。超常材料使得触手能够锁定在所需位置或构型处。当受到夹持时，超常材料增加了触手的刚度。触手机器人可利用任何适当的致动器，如一个或多个电马达。在一个实施例中，触手采用一个或多个电活性聚合物致动器和超常材料。电活性聚合物提供了简单且轻质但高度铰接的蛇状结构。

触手机器人可包括设置在管形超常材料(参见图2K-图2L)中的卷制电活性聚合物致动器。卷制电活性聚合物在电能与机械能之间转换；且包括卷制电活性聚合物和至少两个电极提供机械能/电能转换。卷制电活性聚合物装置允许实现紧凑的电活性聚合物装置设计，所述设计可被构造以通过多种方式致动，所述方式包括线性轴向延伸/收缩、弯曲和结合延伸和弯曲的多自由度致动器。卷制电活性聚合物还提供了获得多层电活性聚合物装置的简单替代方式。在一个实施例中，卷制电活性聚合物装置采用提供使聚合物产生应变的力的机构如弹簧。在共同拥有的专利申请No.10/793,401中对卷制电活性聚合物装置进行了进一步描述，所述专利的整体内容为所有目的在此作为参考被引用。

这种触手机器人的比例可适于多种尺寸和应用。触手的尺寸长度例如可从毫米变成米。机器人还可包括由下部致动配置确定的任何数量的自由度(DOF)。长触手机器人例如对于空间应用以及对于宇宙飞船进行的在轨道上的诊断和修补是有用的(图9所示的系统400)。采用超常材料的更短的触手机器人还非常适用于其它机器人应用，如末端执行器、指部、蛇状机器人等。

在一个实施例中，触手机器人包括一种或多种螺旋电层压超常材料设计。图10A-图10C示出了三种典型的螺旋超常材料设计。初始参见图10A，图中示出了第一螺旋和管形超常材料250的剖视图。

超常材料250包括内介电条带252，上电极254和下电极256(两个电极的厚度被放大了)被沉积在所述条带上的相同侧。卷绕条带252形成可变形结构，当不通过电极254和256施加静电夹持电压时，所述可变形结构可弯曲或伸展。当条带252卷绕时(在这种情况下从底部向顶部进行卷绕)，下电极256叠置在前一绕匝的上电极254上。这形成了螺旋通过超常材料250的一个延伸激活元件。当在两个电极254与256之间存在静电夹持电压差时，条带层252被静电吸引在一起且进行夹持，导致形成大体上硬性的管道。当去除静电夹持电压时，相邻的线圈可滑过彼此，从而允许可变形结构弯曲和/或伸展。

图10B示出了根据本发明的另一个实施例的另一种卷绕超常材料270的剖视图。超常材料270包括沿管形轴线274叠置的内介电条带272。每个线圈272包括绝缘层276和设置在绝缘层276的外表面上的多个电极277和278。更具体而言，层276包括两个电极277a和277c以及两个电极278b和278d，所述电极的极性在表面上交替。电极277和电极278具有不同电连接性。例如，电极277和电极278可都接地。当层272卷绕时，一个层272上的电极277叠置在另一个层272上的具有另一种极性的电极278上。可利用电极277和电极278将静电夹持电压施加在绝缘层276上。通过提供电层压的多个层272，超常材料270提供了潜在地比超常材料250更刚硬且更坚固的管形护壳。

图10C示出了根据本发明的另一个特定实施例的第三管形超常材料290的剖视图。超常材料290包括与超常材料270相似地沿管形轴线叠置的内介电条带292。然而，在这种情况下，每个线圈292包括四个电极：A、B、C和D。层292被卷绕以使得i)一个层292上的电极A叠置在另一个层292上的电极C上，且ii)B叠置在D上。如上所述，通过利用多个电极对上的交流信号，可避免在介电或绝缘层中积聚电荷。例如，A-C电极对可被赋能以与B-D电极对之间产生相位差(例如90°或一些其它适当的时间变化)从而保持至少50％的区域总是受到夹持。

第四卷绕和管形变型(未示出)利用单个电极，且相继的线圈不必要交叠。第二电极被设置在柔性的管形或圆柱形基板上(例如电活性聚合物卷的电极最外层，与图2F所示的设计相似)。当电压被施加在这两个电极之间时，护壳静电夹持至柔性基板，形成硬性管形结构。在一个实施例中，电极之间的绝缘层靠置在柔性基板的外部或超常材料护壳的内部上。

这四种变形中存在其它可选设计方式。例如，超常材料管道可具有缓角和多个线圈，或具有陡角和很少的线圈。尽管当电层压结构处于非激活状态时给定长度的前者将最可能具有更好的柔性，但其也可能由于该区域中的交叠区域更薄而具有更低的强度。

用于使超常材料与电活性聚合物卷或其它管形元件整合的另一个实施例是围绕电活性聚合物卷的笼状结构。笼部的每侧可包括卷绕在激活层中的传导舌部，所述舌部滑入且滑出以导体为衬里的护壳内。例如，每侧可包括卷绕聚酰亚胺的铜质舌部，所述铜质舌部滑入以铜为衬里的护壳内。在去激活状态下，当舌部滑出护壳时，电活性聚合物卷可产生弯曲。如果激活，则舌部被锁定且防止电活性聚合物卷产生弯曲或轴向延伸。

应该认识到，多个前述实施例还可与这种管形结构结合，这是因为它们都可形成薄板或圆柱形形状。

本发明的一个优点在于有利于包括超常材料的物体产生形状变化。在一个实施例中，本发明对激活元件进行去激活且在物体改变形状之前降低超常材料的刚度。物体可利用致动器和/或来自环境的能量以改变形状。一旦已经获得新形状，则引发激活元件以在增加的刚度下锁定为新形状。这种形状变化能力可用于多种应用，如机器人和航空学中。

尽管已经根据多个优选实施例对本发明进行了描述，但为简便起见省略的变型、置换和等效方式落入本发明的范围内。例如，尽管已经结合多种特定电极材料对本发明进行了描述，但本发明不限于这些材料且在一些情况下可包括空气作为电极。因此预期应该结合所附权利要求确定本发明的范围。

Claims (75)

1、一种超常材料，所述超常材料包括：

可变形或可重构的结构；和

一组激活元件，其中每个激活元件a)被联接至所述可变形结构，b)包括参与激活机构的部件，且c)被构造以在第一激活状态与第二激活状态之间变化，

其中所述超常材料包括当至少一个所述激活元件处于所述第一激活状态时机械性质的第一值且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时机械性质的第二值。

2、根据权利要求1所述的超常材料，其中所述可变形结构包括柔顺层。

3、根据权利要求1所述的超常材料，其中每个激活元件包括具有大于所述可变形结构刚度的刚度的刚性部件。

4、根据权利要求3所述的超常材料，其中每个激活元件可弯曲但不可延伸。

5、根据权利要求3所述的超常材料，其中每个激活元件与相邻的激活元件至少部分地横向交叠。

6、根据权利要求3所述的超常材料，其中每个激活元件包括设置在所述刚性部件的一个表面上的电极。

7、根据权利要求6所述的超常材料，其中每个激活元件进一步包括设置在所述电极与a)相邻的激活元件或b)所述可变形结构之间的绝缘层。

8、根据权利要求3所述的超常材料，其中第一子组激活元件被附接至所述柔顺层的第一表面且第二子组激活元件被附接至与所述第一表面相对的所述柔顺层的第二表面。

9、根据权利要求8所述的超常材料，其中当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时，所述第一子组中的激活元件与所述第二子组中的激活元件横向交叠。

10、根据权利要求1所述的超常材料，其中所述激活元件组中的每个激活元件包括处于所述第二激活状态的静电夹持装置。

11、根据权利要求1所述的超常材料，其中所述超常材料被构造以使得所述激活元件组中的一个或多个所述激活元件的激活允许实现所述第一值与所述第二值之间的机械性质的第三值。

12、根据权利要求1所述的超常材料，其中所述超常材料包括当所述至少一个激活元件处于所述第一激活状态时的第一形状且包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时的第二形状。

13、根据权利要求1所述的超常材料，其中所述机械性质是韧性、弹性模量、刚度、阻尼、形状和回弹性中的一种。

14、根据权利要求1所述的超常材料，进一步包括锁定机构，当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时，所述锁定机构降低了保持所述超常材料位置所需的能量。

15、根据权利要求1所述的超常材料，其中所述激活元件被部分联接至所述可变形结构。

16、根据权利要求1所述的超常材料，其中所述超常材料包括两种材料的复合物，所述两种材料中的一种包括主动材料或内在可变材料且在所述主动材料或内在可变材料中包括所述一个或多个激活元件。

17、根据权利要求1所述的超常材料，进一步包括与所述激活元件组中每个激活元件形成的独立电连通。

18、根据权利要求1所述的超常材料，其中每个激活元件被附接至所述可变形结构。

19、根据权利要求1所述的超常材料，其中所述可变形结构的表面不平。

20、根据权利要求1所述的超常材料，其中所述第二状态所包括的所述激活元件之间的连接性不同于所述第一状态下所述激活元件之间的连接性。

21、根据权利要求1所述的超常材料，其中当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时，所述超常材料的形状不同于当所述至少一个激活元件处于所述第一状态时所述超常材料的形状。

22、一种超常材料，所述超常材料包括：

可变形结构；和

一组激活元件，其中每个激活元件a)被联接至所述可变形结构，b)包括刚性部件，且c)被构造以在第一激活状态与第二激活状态之间变化，

其中所述超常材料包括当至少一个所述激活元件处于所述第一激活状态时的第一刚度且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时的第二刚度。

23、根据权利要求22所述的超常材料，其中所述可变形结构包括柔顺层。

24、根据权利要求22所述的超常材料，其中所述刚性部件具有大于所述可变形结构刚度的刚度。

25、根据权利要求24所述的超常材料，其中每个激活元件可弯曲但不可延伸。

26、根据权利要求24所述的超常材料，其中每个激活元件与相邻的激活元件至少部分地横向交叠。

27、根据权利要求24所述的超常材料，其中每个激活元件包括设置在所述刚性部件的一个表面上的电极。

28、根据权利要求27所述的超常材料，其中每个激活元件进一步包括设置在所述电极与a)相邻的激活元件或b)所述可变形结构之间的绝缘层。

29、根据权利要求24所述的超常材料，其中第一子组激活元件被附接至所述柔顺层的第一表面且第二子组激活元件被附接至与所述第一表面相对的所述柔顺层的第二表面。

30、根据权利要求29所述的超常材料，其中所述第一子组中的激活元件与所述第二子组中的激活元件横向交叠。

31、根据权利要求22所述的超常材料，进一步包括与所述激活元件组中每个激活元件形成的独立电连通。

32、根据权利要求22所述的超常材料，其中所述激活元件组中的每个激活元件包括处于所述第二激活状态的静电夹持装置。

33、根据权利要求32所述的超常材料，其中所述静电夹持装置的强度限制了所述第二刚度。

34、根据权利要求32所述的超常材料，其中所述激活元件组是机械冗余的。

35、根据权利要求22所述的超常材料，其中所述超常材料被构造以使得所述激活元件组中的一个或多个所述激活元件的激活允许实现所述第一刚度与所述第二刚度之间的第三刚度。

36、根据权利要求22所述的超常材料，其中所述超常材料包括当所述至少一个激活元件处于所述第一激活状态时的第一形状且包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时的第二形状。

37、根据权利要求22所述的超常材料，其中可根据已被激活的激活元件的数量和位置调节所述第二刚度。

38、根据权利要求37所述的超常材料，其中每个刚性部件具有大于约100MPa的弹性模量。

39、根据权利要求37所述的超常材料，其中所述第一刚度小于约10MPa且所述第二刚度大于约100MPa。

40、一种超常材料，所述超常材料包括：

可变形结构；和

一组激活元件，其中每个激活元件a)包括刚性部件，b)被联接至所述可变形结构，且c)被构造以响应于外部输入在第一激活状态与第二激活状态之间变化，

其中所述超常材料包括当至少一个所述激活元件处于所述第一激活状态时的第一阻尼系数且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时的第二阻尼系数。

41、根据权利要求40所述的超常材料，其中每个激活元件包括具有大于所述可变形结构刚度的刚度的刚性部件。

42、根据权利要求41所述的超常材料，其中每个激活元件包括设置在所述刚性部件的一个表面上的电极。

43、根据权利要求40所述的超常材料，其中所述激活元件组中的每个激活元件包括处于所述第二激活状态的静电夹持装置，所述静电夹持装置不足以承受受到阻抑的外力。

44、一种超常材料，所述超常材料包括：

可变形结构；和

一组激活元件，其中每个激活元件包括被联接至所述可变形结构的刚性部件，

其中所述超常材料包括当至少一个所述激活元件未被静电夹持至另一个激活元件时机械性质的第一值且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件已被静电夹持至另一个激活元件时机械性质的第二值。

45、根据权利要求44所述的超常材料，其中所述刚性部件包括传导材料。

46、根据权利要求44所述的超常材料，其中所述刚性部件包括被联接至所述可变形结构的联接部分和静电夹持部分。

47、根据权利要求44所述的超常材料，进一步包括被附接至所述刚性部件的电极。

48、根据权利要求44所述的超常材料，其中每个激活元件与相邻的激活元件至少部分地横向交叠。

49、根据权利要求48所述的超常材料，其中每个激活元件进一步包括设置在所述电极与a)相邻的激活元件或b)所述可变形结构之间的绝缘层。

50、根据权利要求44所述的超常材料，其中所述可变形结构包括柔顺层。

51、根据权利要求50所述的超常材料，其中第一子组激活元件被附接至所述柔顺层的第一表面且第二子组激活元件被附接至与所述第一表面相对的所述柔顺层的第二表面。

52、根据权利要求51所述的超常材料，其中所述第一子组中的激活元件与所述第二子组中的激活元件横向交叠。

53、根据权利要求44所述的超常材料，进一步包括与所述激活元件组中每个激活元件形成的独立电连通。

54、根据权利要求44所述的超常材料，其中每个激活元件被附接至所述可变形结构。

55、根据权利要求44所述的超常材料，其中所述可变形结构的表面不平。

56、一种控制超常材料的机械性质的方法，所述超常材料包括可变形结构和被联接至所述可变形结构的一组激活元件，所述方法包括：

将至少一个激活元件从第一激活状态激活至第二激活状态，

其中所述超常材料包括当所述至少一个激活元件处于所述第一激活状态时机械性质的第一值且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时机械性质的第二值。

57、根据权利要求56所述的方法，其中激活所述至少一个激活元件包括将静电夹持电压施加到所述至少一个激活元件上。

58、根据权利要求57所述的方法，其中所述激活元件组是机械冗余的。

59、根据权利要求58所述的方法，其中所述静电夹持电压包括交流信号。

60、根据权利要求56所述的方法，其中所述机械性质是韧性、弹性模量、刚度、阻尼、形状和回弹性中的一种。

61、根据权利要求56所述的方法，进一步包括将所述至少一个激活元件激活至第三激活状态且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件处于所述第三激活状态时机械性质的第三值。

62、根据权利要求56所述的方法，其中每个激活元件与相邻的激活元件至少部分地横向交叠。

63、根据权利要求56所述的方法，其中所述可变形结构的表面不平。

64、根据权利要求56所述的方法，其中所述第二状态所包括的所述激活元件之间的连接性不同于所述第一状态下所述激活元件之间的连接性。

65、根据权利要求56所述的方法，其中当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时，所述超常材料的形状不同于当所述至少一个激活元件处于所述第一状态时所述超常材料的形状。

66、一种改变超常材料形状的方法，所述超常材料包括可变形结构和联接至所述可变形结构的一组激活元件，所述方法包括：

对一个或多个激活元件进行至少部分地去激活；

将力施加到所述可变形结构上以使得所述超常材料获得新形状；并且

当所述超常材料获得所述新形状时激活所述一个或多个激活元件。

67、根据权利要求66所述的方法，其中所述激活元件被去激活以使得所述超常材料顺从于移动所述可变形结构的外力。

68、根据权利要求66所述的方法，其中所述激活元件被去激活以使得所述超常材料的刚度从第一刚度降至第二刚度。

69、根据权利要求66所述的方法，其中所述第一刚度大于约100MPa且所述第二刚度小于约10MPa。

70、根据权利要求66所述的方法，其中所述超常材料被包括在飞机或其它航空器、汽车或其它陆地车辆或机器人、矫正器、修复装置或无人操纵系统中的一种装置内。

71、根据权利要求66所述的方法，其中激活所述至少一个或多个激活元件包括将静电夹持电压施加到一个或多个激活元件上。

72、一种利用超常材料吸收能量的方法，所述超常材料包括可变形结构和被联接至所述可变形结构的一组激活元件，所述方法包括：

将至少一个激活元件从第一激活状态激活至第二激活状态，

其中所述超常材料包括当至少一个所述激活元件处于所述第一激活状态时机械性质的第一值且所述超常材料包括当所述至少一个激活元件已被激活至所述第二激活状态时机械性质的第二值；并且

将力施加到所述超常材料上以使得所述可变形结构产生变形。

73、根据权利要求72所述的方法，其中激活所述至少一个激活元件包括将静电夹持电压施加到所述至少一个激活元件上。

74、根据权利要求72所述的方法，其中所述机械性质是韧性、弹性模量、刚度、阻尼、形状和回弹性中的一种。

75、根据权利要求72所述的方法，其中每个激活元件与相邻的激活元件至少部分地横向交叠。

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