阅读说明：本技术 柔性体及控制其发生形变的方法 (Flexible body and method for controlling deformation of flexible body ) 是由 孙晓午 鲁俊祥 黄杰 王建树 祝培涛 张亚娇 陈婷 胡松 于 2019-01-02 设计创作，主要内容包括：提供了一种柔性体及控制该柔性体发生形变的方法。柔性体包括一个或多个柔性单元,每个柔性单元包括：第一电极、第二电极、电活性聚合物层,以及薄膜晶体管,所述薄膜晶体管的源极或漏极与所述第二电极电连接。第一电极和第二电极被配置成提供作用于所述电活性聚合物层的电场,所述电活性聚合物层被配置成响应于所述第一电极和所述第二电极提供的电场而发生形变。该柔性体可应用于机器人、义肢、按摩椅等设备,有利于简化设备的结构,提升设备的灵活度。(A flexible body and a method for controlling deformation of the flexible body are provided. The flexible body comprises one or more flexible units, each flexible unit comprising: the thin film transistor comprises a first electrode, a second electrode, an electroactive polymer layer and a thin film transistor, wherein a source electrode or a drain electrode of the thin film transistor is electrically connected with the second electrode. The first and second electrodes are configured to provide an electric field that acts on the electroactive polymer layer, which is configured to deform in response to the electric field provided by the first and second electrodes. The flexible body can be applied to equipment such as robots, artificial limbs, massage chairs and the like, and is beneficial to simplifying the structure of the equipment and improving the flexibility of the equipment.)

柔性体及控制其发生形变的方法

技术领域

本发明涉及一种柔性体及控制该柔性体发生形变的方法。

背景技术

近年来，人工智能成为全球范围内的科学技术焦点，基于人工智能技术的各种新型的机器人不断问世并广泛应用于工业生产和日常生活。为了实现行走或发生局部形变的功能，目前的机器人以及其他类似的电动设备通常需要采用人工肌肉，并因此需要马达或液压系统进行控制。然而，马达或液压系统导致整个系统相对比较笨重，限制了灵活度、力量以及整体的工作性能。

发明内容

本发明的实施例提供一种新型的柔性体，该柔性体包括一个或多个柔性单元。每个柔性单元包括：第一电极、第二电极、电活性聚合物层，以及薄膜晶体管，薄膜晶体管的源极或漏极与第二电极电连接，第一电极和第二电极被配置成提供作用于电活性聚合物层的电场，电活性聚合物层被配置成响应于第一电极和第二电极提供的电场而发生形变。

根据本发明的一些实施例，第一电极和所述第二电极位于电活性聚合物层的同侧，或者第一电极和第二电极分别位于电活性聚合物层的两侧。

根据本发明的一些实施例，电活性聚合物层包括离子型电活性聚合物，所述柔性单元还包括与所述电活性聚合物层接触的电解液层。

根据本发明的一些实施例，电活性聚合物层包括N个电活性聚合物子层，所述电解液层包括N-1个电解液子层，所述电解液子层处于相邻的两个电活性聚合物子层之间，N为大于1的正整数。

根据本发明的一些实施例，电活性聚合物层包括M个电活性聚合物子层，电解液层包括M或M+1个电解液子层，所述电解液子层和所述电活性聚合物子层间隔排布，M为正整数。

根据本发明的一些实施例，柔性单元还包括覆盖所述薄膜晶体管的第一绝缘层，所述第二电极形成在所述第一绝缘层远离所述薄膜晶体管的一侧，所述第一绝缘层中设置有过孔，所述薄膜晶体管的源极或漏极通过所述过孔与所述第二电极电连接。

根据本发明的一些实施例，柔性单元包括由多个所述薄膜晶体管构成的薄膜晶体管阵列，由多个所述第二电极构成的第二电极阵列，以及一个或多个所述第一电极。所述薄膜晶体管阵列中的每个薄膜晶体管的源极或漏极与所述第二电极阵列中相应的一个第二电极电连接，所述第二电极阵列中的多个所述第二电极间隔排布，分别对应于所述电活性聚合物层的不同位置。

根据本发明的一些实施例，一个所述第一电极与至少两个所述第二电极共同提供作用于所述电活性聚合物层的电场。

根据本发明的一些实施例，柔性单元还包括数据电压发生器，被配置为与所述薄膜晶体管阵列中的多个薄膜晶体管的源极或漏极电连接，以向所述第二电极提供不同的第一电压。

根据本发明的一些实施例，柔性体包括多个所述柔性单元，多个所述柔性单元在沿着所述电活性聚合物层的延伸方向上排布。

根据本发明的一些实施例，柔性体包括多个所述柔性单元，多个所述柔性单元在垂直于所述电活性聚合物层的延伸方向的方向上层叠排布。

本发明的另外的实施例提供了一种控制如前述实施例中任一项所述的柔性体发生形变的方法，包括：向所述薄膜晶体管的源极或漏极供给第一电压；

向所述第一电极供给第二电压；改变所述第一电压，以调节作用于所述电活性聚合物层的电场，控制所述柔性体发生相应的形变。

根据本发明的一些实施例，柔性单元包括由多个所述薄膜晶体管构成的薄膜晶体管阵列、由多个所述第二电极构成的第二电极阵列、一个或多个所述第一电极、以及与所述薄膜晶体管阵列中的多个薄膜晶体管的源极或漏极电连接的数据电压发生器，所述方法包括：利用所述数据电压发生器为多个所述薄膜晶体管提供不同的所述第一电压；向所述第一电极供给所述第二电压；改变所述数据电压发生器提供的所述第一电压，以调节作用于所述电活性聚合物层的电场，控制所述柔性体发生相应的形变。

根据本发明的一些实施例，所述柔性体包括多个所述柔性单元，所述方法包括：利用多个所述数据电压发生器分别为相应的一个所述柔性单元中的各个薄膜晶体管提供不同的所述第一电压；向所述第一电极供给所述第二电压；改变多个所述数据电压发生器提供的所述第一电压，以调节作用于所述电活性聚合物层的电场，控制所述柔性体发生相应的形变。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的柔性体的柔性单元的局部截面图；

图2示意性地示出了根据本发明的另一实施例的柔性体的柔性单元的局部截面图；

图3示意性地示出了根据本发明的另一实施例的柔性体的柔性单元的局部截面图；

图4示意性地示出了根据本发明的又一实施例的柔性体的柔性单元的局部截面图；

图5示意性地示出了根据本发明的再一实施例的柔性体的柔性单元的局部截面图；

图6示意性地示出了根据本发明的一个实施例的柔性体的局部截面图；以及

图7示意性地示出了根据本发明的的另一实施例的柔性体的局部截面图。

具体实施方式

下面，通过示例的方式来详细说明本发明的具体实施例。应当理解的是，本发明的实施例不局限于以下所列举的示例，本领域技术人员利用本发明的原理或精神可以对所示出的各实施例进行修改和变型，得到形式不同的其他实施例，显然，这些实施例都落入本申请要求保护的范围。

图1为本发明实施例所述柔性体的柔性单元100的示例性结构的局部截面图。其中，每个柔性单元100包括第一电极11、第二电极12、电活性聚合物层13以及薄膜晶体管T，薄膜晶体管T的源极s或漏极d与第二电极12电连接。第一电极11和第二电极12被配置成提供作用于电活性聚合物层13的电场，电活性聚合物层13被配置成响应于第一电极11和第二电极12提供的电场而发生形变。

对于本发明实施例提供的柔性体，其中的电活性聚合物层可以在第一电极和第二电极提供的电场的作用下发生形变，上述电场可以通过外部电压施加至第一电极和第二电极而产生，并受外部电压和薄膜晶体管的控制。例如，具有不同波形的外部电压可以在第一电极和第二电极之间产生不同方向或强度的电场，另外，通过控制薄膜晶体管的导通或关断也可以对外部电压的平均幅值进行调制，从而使得柔性单元发生期望的形变，例如，膨胀或收缩。因而，这样的柔性体具有广泛的应用场景。例如，该柔性体可应用于机器人作为人工肌肉的组成结构。此时，可以在不需要马达或液压系统的情况下实现人工肌肉的柔性伸缩，因此，应用该柔性体可以大大简化人工肌肉的结构及其控制系统，增强人工肌肉的伸缩灵活性，提升机器人的整体性能。类似地，这种柔性体也可应用于义肢，从而提升用户行走或移动时的灵活度或便利性。而且，从以上的讨论可以理解到，该柔性体的膨胀过程实际上是将电能转换为机械能的过程，该机械能的具有较低的强度和缓和的释放过程，膨胀过程可向外部对象提供温和的冲击力，因此，该柔性体还可以应用于任何需要这种温和的冲击力的场合，包括但不限于电动按摩椅、传动器等。

在图1的示例中，柔性单元100包括彼此相对的第一柔性基板10和第二柔性基板20，第一柔性基板10和第二柔性基板20可以作为柔性单元的包封结构。第一电极11和第二电极12分别位于电活性聚合物层13的两侧。替代性地，在另一实施例中，如图2所示，第一电极11和第二电极12可分别位于电活性聚合物层13的同侧。能够理解到的是，在该情形中，电活性聚合物层13将受到第一电极11和第二电极12产生的电场的作用而发生形变。在这些实施例中，通过设置第一电极11和第二电极12的不同排布方式，都可以使第一电极和第二电极产生作用于电活性聚合物的电场，让电活性聚合物层发生形变。

电活性聚合物层13可以包括电子型电活性聚合物或离子型电活性聚合物，本申请对电活性聚合物的类型不作限制。在电活性聚合物层为离子型电活性聚合物的实施例中，柔性单元100还包括与离子型电活性聚合物层接触的电解液层。如图3所示，本发明实施例提供的柔性体的柔性单元包括彼此相对的第一柔性基板10和第二柔性基板20；位于第一柔性基板10和第二柔性基板20之间的第一电极11和第二电极12；位于第一电极和第二电极之间的离子型电活性聚合物层13；以及与离子型电活性聚合物层3接触的电解液14。在图3中，为了简洁起见，没有示出与第二电极12电连接的薄膜晶体管。然而，可以理解到的是，在一些实施例中，柔性体可以不具有薄膜晶体管，在这样的实施例中，柔性体中的各个柔性单元直接响应于外部电压的变化而发生不同的形变。因此，本文提到的“柔性体”的一般意义指的是在外部电压的作用下能够发生形变的结构，该结构至少具有前文提到的第一电极、第二电极和电活性聚合物层。离子型电活性聚合物可以在较低强度的电场作用下发生氧化，因此，在该情形中，柔性体可以在较低的外部电压下实现膨胀收缩。离子型电活性聚合物的成分例如可包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等，柔性体中的电解液包括但不限于盐酸、硫酸、高氯酸和氯化钠。

下面对图3所示的柔性单元100变的过程进行说明。当柔性体电连接至电源而在第一电极和第二电极之间产生电压差时，可在第一电极和第二电极之间形成电场，电活性聚合物层13中的电活性聚合物在该电场的作用下而发生氧化，聚合物骨架上由此产生正电荷。为了维持电中性，电解液14中的阴离子会进入电活性聚合物层以中和由于氧化而产生的正电荷。由于电解液14中的离子（包括阴离子和阳离子）都是溶剂化的，所以与阴离子相结合的溶剂也会跟随阴离子进入电活性聚合物层，从而引起电活性聚合物层体积的膨胀，最终导致整个柔性单元的膨胀。能够理解到的是，第一电极和第二电极之间的电场强度越强，电活性聚合物层14中的聚合物的氧化程度越高，柔性单元发生膨胀的程度也越高。当去除提供给第一电极和第二电极的电压时，电活性聚合物层13中的聚合物发生还原作用，还原作用实际上是一个得电子的过程。于是，电活性聚合物层13中的阴离子被排出以维持电中性。同样地，与阴离子结合的溶剂也跟随阴离子被排出电活性聚合物层13。由此，电活性聚合物层的体积得以收缩，使得整个柔性体处于收缩状态。

能够理解到的是，上述的图1至图3示意性地示出的柔性单元100主要是为了便于理解以上说明的柔性单元发生形变的过程，而不会对柔性体的形状或外形构成任何的限制。柔性体或柔性单元可以根据不同的应用场合而具有的形貌或尺寸，本文对此不作限定。此外，虽然在图3中，示出了电解液14处于电活性聚合物层13的下方，但是，这同样不会构成对本申请保护范围的限制，电解液14和电活性聚合物层13二者可以具有任何的相对位置关系，只要电解液14与电活性聚合物层13接触使得电解液中的离子能够进入电活性聚合物层即可。

接下来参照图4，根据本发明的另外的实施例，电活性聚合物层包括第一电活性聚合物子层131和第二电活性聚合物子层132，电解液14处于第一电活性聚合物子层131和第二电活性聚合物子层132之间。在该实施例中，由于电解液处于第一电活性聚合物子层和第二电活性聚合物子层之间，即电解液由电活性聚合物包围，所以，电解液与电活性聚合物具有更大的接触面积。当柔性体接收到外部电压而工作时，电解液中更多的离子将进入电活性聚合物层，从而实现在同样的外部电压下实现更高程度的膨胀收缩，从而进一步提升应用该柔性体的装置的灵活性，并有利于改善能量利用效率。

进一步地，在其他的实施例中，电活性聚合物层中可掺杂有可移动的阴离子（例如，ClO₄ ^-等）。这样，电活性聚合物层的导电性得到增强，有利于加快柔性体响应于外部电压而膨胀收缩的速度，从而促进应用该柔性体的装置的反应速率。

基于图4所示的实施例，可以理解到的是，在其他的实施例中，电活性聚合物层包括N个电活性聚合物子层，电解液层包括N-1个电解液子层，电解液子层处于相邻的两个电活性聚合物子层之间， N为大于1的正整数。可选地，在另一实施例中，电活性聚合物层可包括M个电活性聚合物子层，电解液层包括M或M+1个电解液子层，电解液子层和电活性聚合物子层间隔排布，M为正整数。也就是说，在一些实施例中，电活性聚合物层由多个电解液子层形成，电活性聚合物层由多个电活性聚合物子层形成，这些电解液子层和电活性聚合物子层彼此交替排列。

再次参照图1或图2，在一些实施例中，柔性体的各个柔性单元包括覆盖薄膜晶体管的第一绝缘层17，第二电极12形成在第一绝缘层17远离薄膜晶体管的一侧，第一绝缘层17中设置过孔，薄膜晶体管的源极或漏极通过过孔与第二电极12电连接。在图1或图2中，也示意性地示出了单个薄膜晶体管T的基本结构，薄膜晶体管T具有栅极g、源极s、漏极d和有源层a。第二电极12电连接至薄膜晶体管T的源极或漏极中的一个（例如，漏极d），薄膜晶体管T的源极或漏极中的另一个可电连接至外部电源（图中未示出），第一电极11可电连接至参考电位。在图1或图2的示例中，薄膜晶体管T的源极s可用于接收外部电压。因此，可利用薄膜晶体管T对第二电极12进行驱动。当薄膜晶体管的栅极g接收到相应的控制信号而导通时，其可以将来自于电源的电压传输至第二电极12，从而在第二电极12和第一电极11形成电场，该电场使得这两个电极之间的电活性聚合物层发生形变。在该实施例中，第一绝缘层提供了对薄膜晶体管良好的保护，降低第二电极上的电位对薄膜晶体管工作性能的不利影响。第一绝缘层中的过孔的设置使得第一绝缘层不会影响薄膜晶体管对第二电极的驱动作用。

图1或图2的示例示出了柔性单元中布置单个薄膜晶体管和第二电极12，但是，在其他实施例中，可以布置多个薄膜晶体管和多个第二电极。例如，在图5的实施例中，柔性体的柔性单元包括由多个薄膜晶体管构成的薄膜晶体管阵列和由多个第二电极12构成的第二电极阵列、以及一个或多个第一电极11。薄膜晶体管阵列中的每个薄膜晶体管的源极或漏极与第二电极阵列中相应的一个第二电极12电连接，第二电极阵列中的多个第二电极彼此间隔排列，分别对应于电活性聚合物层的不同位置。对于这里的薄膜晶体管阵列，可以控制其中的一部分薄膜晶体管处于导通状态，另一部分薄膜晶体管处于关断状态。即，可以根据需要而对不同位置的薄膜晶体管进行独立的控制，由此使得一部分第二电极12和第一电极11之间具有电场，而另一部分第二电极12和第一电极11之间不存在电场，从而实现柔性体的局部区域发生形变。

在这样的实施例中，一个第一电极与至少两个第二电极共同提供作用于电活性聚合物层的电场。为了在第一电极和第二电极之间形成电场，在一些实施例中，可以在柔性单元中设置能够产生期望的电压的电力转换装置。例如，在一些实施例中，柔性单元包括数据电压发生器，其被配置成与薄膜晶体管阵列中的各个薄膜晶体管的源极或漏极电连接，以向第二电极提供不同的数据电压（在本文中，也称为“第一电压”）。在图5的示例中，薄膜晶体管阵列和第二电极阵列布置在第二柔性基板20上，第一电极11布置在第一柔性基板10面向第二柔性基板20的表面，与第二电极阵列中的多个第二电极对应。

在这样的实施例中，可以控制薄膜晶体管阵列中的一部分薄膜晶体管处于导通状态，另一部分薄膜晶体管处于关断状态，即，通过对不同位置的薄膜晶体管进行独立控制，可以实现一部分第二电极12和第一电极11之间具有电场，而另一部分第二电极12和第一电极11之间不存在电场，由此实现柔性体的局部区域发生形变。也就是说，可以根据实际需要而控制柔性的某些区域处于膨胀状态，而另一些区域处于收缩状态，以实现期望的伸缩效果。而且，数据电压发生器可以基于电源电压而生成不同幅值的数据电压，不同幅值的数据电压被提供给不同的薄膜晶体管和相应的第二电极，由此可以在不同的第二电极和第一电极之间形成不同强度的电场，最终导致柔性体不同区域发生不同程度的膨胀。而且，能够理解到的是，柔性体的膨胀收缩可以根据薄膜晶体管的栅极控制信号和数据电压发生器提供的数据电压而连续变化，因此，该实施例进一步提升了柔性体伸缩的灵活性，能够实现应用该柔性体的装置（例如，机器人、电动按摩椅等）更加灵活细致的动作。

如图5所示，根据本发明的一些实施例，薄膜晶体管布置在第二柔性基板20上，柔性单元100盖薄膜晶体管的第一绝缘层17，第二电极12形成在第一绝缘层17上。第二电极12可经由第一绝缘层17中的过孔连接至薄膜晶体管的漏极d。当然，本领域技术人员能够理解到的是，薄膜晶体管的栅极g与其有源层也经由绝缘层隔开，该绝缘层被称为栅绝缘层18。

根据本发明的一些实施例，如图5所示，第一电极11可以作为公共电极，柔性单元还包括处于第二柔性基板上的公共电极线21，公共电极线21经由导电胶19连接至公共电极11。因此，公共电极线21与公共电极11具有相同的电位（例如，参考电位）。公共电极线21与薄膜晶体管的栅极g可以由相同的材料、并通过一次构图工艺（即，仅利用一个掩膜板）而形成，这样，可以提升制作该柔性体的效率并降低生产成本。

在一些实施例中，导电胶19是光敏性碳基导电硅胶。选取光敏性碳基导电硅胶有利于保证第一基板和第二基板之间的连接的可靠性，并有助于抵抗第一基板和第二基板由于电活性聚合物层的伸缩形变而发生分离。此外，光敏性碳基导电硅胶可以避免或减轻在柔性体的封装过程中电解液被蒸发。

根据本发明的一些实施例，柔性体包括多个柔性单元，这些柔性单元可以以任何适当的方式进行排列，以满足不同的需求。例如，对于图6所示的实施例，柔性体中的各个柔性单元100沿着电活性聚合物层的延伸方向上排布。这些柔性单元100可以被设置在彼此相对的两个柔性基板之间。因此，可以根据需要对不同的柔性单元100实施不同的控制，从而发生不同的形变，由此可以实现整个柔性体期望的形变。

可选地，在另外的实施例中，如图7所示，柔性体中的各个柔性单元100在垂直于柔性单元100中的电活性聚合物层的延伸方向的方向上层叠排布。相邻的柔性单元100之间可以由柔性材料层相隔离。由于在相同外部电压下，垂直于柔性单元100中的电活性聚合物层的延伸方向上发生的形变量，比在沿着电活性聚合物层的延伸方向发生的形变量更大，因此，在垂直于柔性单元中的电活性聚合物层的延伸方向的方向排布较少数量的柔性单元，可实现该方向上产生期望的形变量，提高利用效率，节省成本。当然，在另外的实施例中，可以用如图6所示的柔性体中的各个柔性单元100替代图7中的柔性单元100。

如前所述，本发明实施例提供的柔性体可以作为人工肌肉的组成结构，因此，本发明的另外的实施例提供了一种人工肌肉，其包括如前述任一实施例所述的柔性体。应用本发明实施例提供的柔性体的人工肌肉具有更简易的结构，避免了复杂的控制系统，并能实现较灵活的伸缩。

此外，本发明的又一实施例提供了一种制作前述实施例提供的柔性体的方法，该方法包括：提供刚性基板；在刚性基板上制作如之前实施例所述的柔性体；以及将柔性体和刚性基板分离。这样，可以实现柔性体的量化生产，并提高柔性体的制作效率。

下面再次结合图5示例说明制作单个柔性单元的具体过程。首先，可以在第二基板20上通过涂胶、曝光、显影、刻蚀等工艺制作薄膜晶体管的栅极g和公共电极线21，然后依次制作栅绝缘层18、薄膜晶体管的有源层a和源/漏极。接着，制作覆盖薄膜晶体管的第一绝缘层17，并在第一绝缘层17中形成过孔。之后在第一绝缘层17上通过喷射金属材料形成第二电极12，使得第二电极12经由第一绝缘层17中的过孔与薄膜晶体管的源/漏极连接。在完成上述的步骤之后，或者在实施上述的步骤之前，可以实施如下的另外的步骤：在第一柔性基板10上依次制作第一电极11，然后，在第一电极11上涂覆一定厚度的电活性聚合物，并在电活性聚合物中注入电解液。此时，已经分别在第一柔性基板和第二柔性基板上制作完成了一些层结构。接下来，利用导电胶将第一柔性基板和第二柔性基板对合，并使得第一电极11和公共电极线21经由导电胶连接，从而得到如图5所示的柔性体。在一些实施例中，上述步骤中用于制作绝缘层的材料可以采用有机绝缘材料，并采用偶联剂将无机材料和有机材料连接，这样，可以有利于柔性基板上各层结构的持久稳定性，从而使得柔性体具有良好的弯曲形变稳定性。

本发明的另外的实施例提供了一种控制柔性体发生形变的方法，该柔性体可以是如前述实施例中任一实施例所述的柔性体。该方法可包括如下步骤：向所述薄膜晶体管的源极或漏极供给第一电压；向所述第一电极供给第二电压；改变所述第一电压，以调节作用于所述电活性聚合物层的电场，控制所述柔性体发生相应的形变。

进一步地，在另一实施例中，柔性单元包括由多个所述薄膜晶体管构成的薄膜晶体管阵列、由多个所述第二电极构成的第二电极阵列、一个或多个所述第一电极、以及与所述薄膜晶体管阵列中的多个薄膜晶体管的源极或漏极电连接的数据电压发生器，控制柔性体发生形变的方法包括：利用所述数据电压发生器为多个所述薄膜晶体管提供不同的所述第一电压；向所述第一电极供给所述第二电压；改变所述数据电压发生器提供的所述第一电压，以调节作用于所述电活性聚合物层的电场，控制所述柔性体发生相应的形变。

根据本发明的一些实施例，柔性体包括多个所述柔性单元，控制柔性体发生形变的方法包括：利用多个所述数据电压发生器分别为相应的一个所述柔性单元中的各个薄膜晶体管提供不同的所述第一电压；向所述第一电极供给所述第二电压；改变多个所述数据电压发生器提供的所述第一电压，以调节作用于所述电活性聚合物层的电场，控制所述柔性体发生相应的形变。

以上具体描述了本发明的一些示例性实施例，但是本领域技术人员在实践所要求保护的发明时根据对附图、公开内容已经权利要求的研究，能够理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件的存在,且各项权利要求不对其中所记载的各技术特征的数量作出限制。虽然一些特征被记载在不同的从属权利要求中，但是本申请也意图涵盖将这些特征组合在一起的实施例。