具体实施方式

本文中所描述的实施例涉及人造肌肉以及包含多个人造肌肉的人造肌肉组件。本文中所描述的人造肌肉为可致动的以选择性地升高和降低所述人造肌肉的区域，以提供选择性的、按需膨大的可膨胀流体区域。所述人造肌肉包含壳体以及电极对。电介质流体容纳于所述壳体内，并且所述壳体包含电极区域和可膨胀流体区域，其中所述电极对定位于所述电极区域中。所述电极对包含固定至所述壳体的第一表面的第一电极以及固定至所述壳体的第二表面的第二电极。所述电极对可在非致动状态与致动状态之间致动，以使得从所述非致动状态至所述致动状态的致动将所述电介质流体引导至所述可膨胀流体区域中。这使所述可膨胀流体区域膨胀，从而使所述人造肌肉的一部分按需升高。进一步，所述第一电极和第二电极各自包含两个或更多个接片部分以及使相邻的接片部分互连的两个或更多个桥接部分，并且所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包含中心开口，所述中心开口定位于所述接片部分之间并且围绕所述可膨胀流体区域。所述电极对的接片部分和桥接部分的设计有助于进行拉链式连接致动运动，以增加可通过人造肌肉的致动获得的每单位体积的力。在本文中更详细地描述人造肌肉以及人造肌肉的操作的各种实施例。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的附图标记来指代相同的或相似的部件。

现在参考图1和2，示出人造肌肉100。人造肌肉100包含：壳体102；固定至壳体102的相对的表面的电极对104，所述电极对104包含第一电极106和第二电极108；固定至第一电极106的第一电绝缘体层110；以及固定至第二电极108的第二电绝缘体层112。在某些实施例中，壳体102为一体式整体层，所述一体式整体层包含一对相对的内表面，比如第一内表面114和第二内表面116，以及一对相对的外表面，比如第一外表面118和第二外表面120。在某些实施例中，壳体102的第一内表面114和第二内表面116为可热密封的。在其它实施例中，壳体102可以为一对单独地制造的膜层，比如第一膜层122和第二膜层124。因此，第一膜层122包含第一内表面114和第一外表面118，并且第二膜层124包含第二内表面116和第二外表面120。

在整个随后的描述中，与一体式壳体相反，可以参考包含第一膜层122和第二膜层124的壳体102。应当理解的是，可预期任一种布置。在某些实施例中，第一膜层122和第二膜层124通常包含相同的结构和组成。例如，在某些实施例中，第一膜层122和第二膜层124各自包括双轴向地定向的聚丙烯。

第一电极106和第二电极108各自定位于第一膜层122与第二膜层124之间。在某些实施例中，第一电极106和第二电极108各自为铝涂覆的聚酯，例如，另外，第一电极106和第二电极108中的一个为带负电的电极，并且第一电极106和第二电极108中的另一个为带正电的电极。出于本文中所讨论的目的，第一电极106、第二电极108中的任一个可以为带正电的，只要人造肌肉100的第一电极106、第二电极108中的另一个为带负电的即可。

第一电极106具有面向膜的表面126和相对的内表面128。第一电极106抵靠第一膜层122、具体地第一膜层122的第一内表面114定位。另外，第一电极106包含第一端子130，所述第一端子130从第一电极106延伸超过第一膜层122的边缘，以使得第一端子130可以连接至电源以致动第一电极106。具体地，如图8中所示，端子直接地或串联地联接至电源以及致动系统400的控制器。类似地，第二电极108具有面向膜的表面148以及相对的内表面150。第二电极108抵靠第二膜层124、具体地第二膜层124的第二内表面116定位。第二电极108包含第二端子152，所述第二端子152从第二电极108延伸超过第二膜层124的边缘，以使得第二端子152可以连接至电源和致动系统400的控制器以致动第二电极108。

第一电极106包含两个或更多个接片部分132以及两个或更多个桥接部分140。每个桥接部分140定位于相邻的接片部分132之间，从而使这些相邻的接片部分132互连。每个接片部分132具有第一端134，所述第一端134相对于第一电极106的中心轴线C径向地延伸至接片部分132的相对的第二端136，其中第二端136限定第一电极106的外周边138的一部分。每个桥接部分140具有第一端142，所述第一端142相对于第一电极106的中心轴线C径向地延伸至桥接部分140的相对的第二端144，从而限定第一电极106的外周边138的另一个部分。每个接片部分132具有接片长度L1，并且每个桥接部分140具有沿径向方向相对于第一电极106的中心轴线C延伸的桥接长度L2。接片长度L1为从接片部分132的第一端134至第二端136的距离并且桥接长度L2为从桥接部分140的第一端142至第二端144的距离。每个接片部分132的接片长度L1比每个桥接部分140的桥接长度L2长。在某些实施例中，桥接长度L2为接片长度L1的20％至50％，比如接片长度L1的30％至40％。

在某些实施例中，两个或更多个接片部分132被布置于一对或多对接片部分132中。每一对接片部分132包含彼此直径地相对地布置的两个接片部分132。在某些实施例中，第一电极106可以包含定位于第一电极106的相对的侧或端上的仅仅两个接片部分132。在某些实施例中，如图1和2中所示，第一电极106包含四个接片部分132以及使相邻的接片部分132互连的四个桥接部分140。在该实施例中，四个接片部分132被布置成彼此直径地相对的两对接片部分132。此外，如图所示，第一端子130从接片部分132中的一个的第二端136延伸并且与第二端136一体地形成。

与第一电极106相似，第二电极108包含至少一对接片部分154和两个或更多个桥接部分162。每个桥接部分162定位于相邻的接片部分154之间，从而使这些相邻的接片部分154互连。每个接片部分154具有第一端156，所述第一端156相对于第二电极108的中心轴线C径向地延伸至接片部分154的相对的第二端158，其中第二端158限定第二电极108的外周边160的一部分。由于第一电极106和第二电极108彼此同轴，所以第一电极106和第二电极108的中心轴线C为相同的。每个桥接部分162具有第一端164，所述第一端164相对于第二电极的中心轴线C径向地延伸至桥接部分162的相对的第二端166，从而限定第二电极108的外周边160的另一个部分。每个接片部分154具有接片长度L3并且每个桥接部分162具有相对于第二电极108的中心轴线C沿径向方向延伸的桥接长度L4。接片长度L3为从接片部分154的第一端156至第二端158的距离并且桥接长度L4为从桥接部分162的第一端164至第二端166的距离。接片长度L3比每一个桥接部分162的桥接长度L4长。在某些实施例中，桥接长度L4为接片长度L3的20％至50％、比如接片长度L3的30％至40％。

在某些实施例中，两个或更多个接片部分154布置于一对或多对接片部分154中。每一对接片部分154包含彼此直径地相对地布置的两个接片部分154。在某些实施例中，第二电极108可以包含定位于第一电极106的相对的侧或端上的仅仅两个接片部分154。在某些实施例中，如图1和2中所示，第二电极108包含四个接片部分154以及使相邻的接片部分154互连的四个桥接部分162。在该实施例中，四个接片部分154被布置成彼此直径地相对的两对接片部分154。此外，如图所示，第二端子152从接片部分154中的一个的第二端158延伸并且与第二端158一体地形成。

现在参考图1-6，第一电极106和第二电极108中的至少一个具有在接片部分132的第一端134与桥接部分140的第一端142之间形成于其中的中心开口。在图3和4中，第一电极106具有中心开口146。然而，应当理解的是，当在第二电极108内设置中心开口时，第一电极106不需要包含中心开口146，如图5和6中所示。替代地，当在第一电极106内设置中心开口146时，第二电极108不需要包含中心开口。仍然参考图1-6，第一电绝缘体层110和第二电绝缘体层112具有分别对应于第一电极106和第二电极108的几何形状。因此，第一电绝缘体层110和第二电绝缘体层112各自具有对应于第一电极106和第二电极108上的类似的部分的接片部分170、172和桥接部分174、176。进一步，第一电绝缘体层110和第二电绝缘体层112各自具有外周边178、180，所述外周边178、180在定位于第一电极106的外周边138和第二电极108的外周边160上时分别对应于第一电极106的外周边138和第二电极108的外周边160。

应当理解的是，在某些实施例中，第一电绝缘体层110和第二电绝缘体层112通常包含相同的结构和组成。这样，在某些实施例中，第一电绝缘体层110和第二电绝缘体层112各自分别包含粘合表面182、184以及相对的不可密封表面186、188。因此，在某些实施例中，第一电绝缘体层110和第二电绝缘体层112各自为分别粘附至第一电极106的内表面128以及第二电极108的内表面150的聚合物带条。

现在参考图2-6，示出处于组装形式中的人造肌肉100，其中第一电极106的第一端子130和第二电极108的第二端子152延伸超过壳体102、亦即第一膜层122和第二膜层124的外周边。如图2中所示，第二电极108堆叠于第一电极106的顶部上，并且因此，未示出第一电极106、第一膜层122以及第二膜层124。在它的组装形式中，第一电极106、第二电极108、第一电绝缘体层110和第二电绝缘体层112被夹持于第一膜层122与第二膜层124之间。第一膜层122在围绕第一电极106的外周边138和第二电极108的外周边160的区域处部分地密封至第二膜层124。在某些实施例中，第一膜层122被热密封至第二膜层124。具体地，在某些实施例中，第一膜层122被密封至第二膜层124以限定围绕第一电极106和第二电极108的密封部分190。第一膜层122和第二膜层124可以以任何合适的方式密封，比如使用粘合剂、热密封或等等。

第一电极106、第二电极108、第一电绝缘体层110和第二电绝缘体层112提供屏障，所述屏障防止第一膜层122密封至第二膜层124，从而形成未密封部分192。壳体102的未密封部分192包含其中设置有电极对104的电极区域194以及被电极区域194所围绕的可膨胀流体区域196。第一电极106和第二电极108的中心开口146、168形成可膨胀流体区域196并且被布置成轴向地堆叠于彼此之上。尽管未示出，但是壳体102可以被切割以符合电极对104的几何形状以及减小人造肌肉100的大小，即，密封部分190的大小。

电介质流体198被提供于未密封部分192内并且在第一电极106与第二电极108之间自由地流动。当在本文中使用时，“电介质”流体为这样的介质或材料：该介质或材料在不传导的情况下传递电动力并且正因为这样具有低电导率。一些非限制性示例性电介质流体包含全氟烃类、变压器油以及去离子水。应当理解的是，可以使用针或其它合适的注射装置将电介质流体198注射至人造肌肉100的未密封部分192中。

现在参考图3和4，人造肌肉100可在非致动状态与致动状态之间致动。在非致动状态中，如图3中所示，第一电极106和第二电极108接近于其中心开口146、168和接片部分132、154的第一端134、156彼此部分地相间隔。由于壳体102在第一电极106的外周边138和第二电极108的外周边160处密封，所以接片部分132、154的第二端136、158相对于彼此保持于适当位置中。在致动状态中，如图4中所示，第一电极106和第二电极108彼此接触并且平行于彼此定向以将电介质流体198迫压至可膨胀流体区域196中。这致使电介质流体198流动通过第一电极106和第二电极108的中心开口146、168并且使可膨胀流体区域196膨胀。

现在参考图3，示出处于非致动状态中的人造肌肉100。电极对104设置于壳体102的未密封部分192的电极区域194内。第一电极106的中心开口146和第二电极108的中心开口168在可膨胀流体区域196内同轴地对准。在非致动状态中，第一电极106和第二电极108彼此部分地相间隔并且彼此不平行。由于第一膜层122围绕电极对104密封至第二膜层124，所以接片部分132、154的第二端136、158彼此接触。因此，在第一电极106与第二电极108之间提供电介质流体198，从而使接片部分132、154的接近可膨胀流体区域196的第一端134、156分离。换句话说，第一电极106的接片部分132的第一端134与第二电极108的接片部分154的第一端156之间的距离大于第一电极106的接片部分132的第二端136与第二电极108的接片部分154的第二端158之间的距离。这使电极对104在被致动时朝向可膨胀流体区域196进行拉链式连接。在某些实施例中，第一电极106和第二电极108可以为柔性的。因此，如图3中所示，第一电极106和第二电极108为凸形的，以使得其接片部分132、154的第二端136、158可以保持彼此靠近，但是接近中心开口146、168处彼此相间隔。在非致动状态中，可膨胀流体区域196具有第一高度H1。

当被致动时，如图4中所示，第一电极106和第二电极108从其接片部分132、154的第二端144、158朝向彼此进行拉链式连接，从而将电介质流体198推动至可膨胀流体区域196中。如图所示，当处于致动状态中时，第一电极106和第二电极108彼此平行。在致动状态中，电介质流体198流动至可膨胀流体区域196中以使可膨胀流体区域196膨大。这样，第一膜层122和第二膜层124沿相反的方向膨胀。在致动状态中，可膨胀流体区域196具有第二高度H2，所述第二高度H2大于可膨胀流体区域196的当在非致动状态中时的第一高度H1。尽管未示出，但是应当注意的是，电极对104可以被部分地致动至处于所述非致动状态与所述致动状态之间的位置。这将容许可膨胀流体区域196的部分膨大并且容许在必要时进行调整。

为了使第一电极106和第二电极108朝向彼此运动，通过电源施加电压。在某些实施例中，可以从电源提供高达10kV的电压以穿过电介质流体198感应电场。第一电极106与第二电极108之间的所引起的吸引力将电介质流体198推动至可膨胀流体区域196中。来自可膨胀流体区域196内的电介质流体198的压力致使第一膜层122和第一电绝缘体层110沿着第一电极106的中心轴线C沿第一轴向方向变形并且致使第二膜层124和第二电绝缘体层112沿着第二电极108的中心轴线C沿相反的第二轴向方向变形。一旦停止对第一电极106和第二电极108供应电压，第一电极106和第二电极108就返回至它们的在非致动状态中的最初的非平行位置。

应当理解的是，本文中所公开的本发明实施例、具体地具有互连的桥接部分174、176的接片部分132、154对不包含接片部分132、154的致动器(比如HASEL致动器)提供许多改进。与包含具有均匀的径向地延伸的宽度的甜甜圈形电极的已知的HASEL致动器相比，分别在第一电极106和第二电极108中的每一个上包含两对接片部分132、154的人造肌肉100的实施例减小了人造肌肉100的整体质量和厚度，减小了在致动期间所需的电压量，并且减小了人造肌肉100的总体积而不减小在致动之后的合力的大小。更特别地，人造肌肉100的接片部分132、154提供进行拉链式连接的前部，与包含甜甜圈形电极的HASEL致动器相比，所述进行拉链式连接的前部通过对人造肌肉100提供局部的且均匀的液压致动而增加致动功率。具体地，与甜甜圈形HASEL致动器相比，一对接片部分132、154提供的每单位体积的致动器功率的量为甜甜圈形HASEL致动器的两倍，而两对接片部分132、154提供的每单位体积的致动器功率的量为甜甜圈形HASEL致动器的四倍。使接片部分132、154互连的桥接部分174、176还通过在致动期间维持相邻的接片部分132、154之间的距离来限制接片部分132、154的屈曲。由于桥接部分174、176与接片部分132、154一体地形成，所以桥接部分174、176还通过消除提供增加的破裂风险的附接位置而防止接片部分132、154之间的泄漏。

在操作中，当人造肌肉100被致动时，可膨胀流体区域196的膨胀产生每立方厘米(cm³)致动器体积3牛顿-毫米(N.mm)或更大的力，比如每立方厘米4N.mm或更大、每立方厘米5N.mm或更大、每立方厘米6N.mm或更大、每立方厘米7N.mm或更大、每立方厘米8N.mm或更大、或等等。在一个示例中，当通过9.5千伏(kV)的电压致动人造肌肉100时，人造肌肉100提供5N的合力。在另一个示例中，当通过10kV的电压致动人造肌肉100时，人造肌肉100在500克的负载下提供440％的应变。

而且，第一电极106和第二电极108的大小与电介质流体198的位移量成比例。因此，当期望可膨胀流体区域196内的较大的位移时，使电极对104的大小相对于可膨胀流体区域196的大小增加。应当理解的是，可膨胀流体区域196的大小由第一电极106和第二电极108中的中心开口146、168限定。因此，可以替代地或另外地通过增加或减小中心开口146、168的大小来控制可膨胀流体区域196内的位移程度。

如图5和6中所示，示出人造肌肉200的另一个实施例。人造肌肉200大致上类似于人造肌肉100。这样，相同的结构用相同的附图标记表示。然而，如图所示，第一电极106不包含中心开口。因此，仅仅第二电极108包含形成于其中的中心开口168。如图5中所示，人造肌肉200处于非致动状态中，其中第一电极106为平坦的并且第二电极108相对于第一电极106为凸形的。在非致动状态中，可膨胀流体区域196具有第一高度H3。在致动状态中，如图6中所示，可膨胀流体区域196具有第二高度H4，所述第二高度H4大于第一高度H3。应当理解的是，与在第一电极106和第二电极108两者上均提供中心开口相反，通过仅仅在第二电极108中提供中心开口168，总变形可以形成于人造肌肉200的一侧上。另外，由于总变形形成于人造肌肉200的仅仅一侧上，所以当所有其它尺寸、取向以及电介质流体的体积相同时，人造肌肉200的可膨胀流体区域196的第二高度H4从垂直于人造肌肉200的中心轴线C的纵向轴线比人造肌肉100的可膨胀流体区域196的第二高度H2更远地延伸。

现在参考图7，示出包含多个人造肌肉、比如人造肌肉100的人造肌肉组件300。然而，应当理解的是，多个人造肌肉200可以类似地布置成堆叠形式。每个人造肌肉100可以在结构上是相同的并且以叠层布置，以使得每个人造肌肉100的可膨胀流体区域196叠置在相邻的人造肌肉100的可膨胀流体区域196上。每个人造肌肉100的端子130、152电连接至彼此，以使得可以在非致动状态与致动状态之间同时致动人造肌肉100。通过将人造肌肉100布置成堆叠构造，人造肌肉组件300的总变形为每个人造肌肉100的可膨胀流体区域196内的变形的总和。这样，由人造肌肉组件300所引起的变形程度大于由人造肌肉100单独所提供的变形程度。

现在参考图8，可以提供致动系统400，用于在非致动状态与致动状态之间操作人造肌肉或人造肌肉组件，比如人造肌肉100、200或人造肌肉组件300。因此，致动系统400可以包含控制器402、操作装置404、电源406、以及通信路径408。现在将描述致动系统400的各个构件。

控制器402包含通信地联接至各种构件的处理器410和非暂时性电子存储器412。在某些实施例中，处理器410和非暂时性电子存储器412和/或其它构件包含于单个装置内。在其它实施例中，处理器410和非暂时性电子存储器412和/或其它构件可以分布于通信地联接的多个装置之间。控制器402包含存储一组机器可读指令的非暂时性电子存储器412。处理器410执行存储于非暂时性电子存储器412中的机器可读指令。非暂时性电子存储器412可以包括RAM、ROM、闪速存储器、硬盘驱动器、或能够存储机器可读指令的任何装置，以使得机器可读指令可以由处理器410访问。因此，本文中所描述的致动系统400可以以任何常规计算机编程语言被实施为预编程的硬件元件或者被实施为硬件和软件构件的组合。非暂时性电子存储器412可以被实施为一个存储器模块或多个存储器模块。

在某些实施例中，非暂时性电子存储器412包含用于执行致动系统400的功能的指令。例如，所述指令可以包含用于基于使用者命令操作人造肌肉100、200或者人造肌肉组件300的指令。

处理器410可以为能够执行机器可读指令的任何装置。例如，处理器410可以为集成电路、微芯片、计算机或任何其它计算装置。非暂时性电子存储器412和处理器410联接至通信路径408，所述通信路径408在致动系统400的各个构件和/或模块之间提供信号互连性。因此，通信路径408可以使任何数量的处理器彼此通信地联接，并且容许联接至通信路径408的模块在分布式计算环境中运行。具体地，每个模块可以作为可以发送和/或接收数据的节点运行。当在本文中使用时，术语“通信地联接”意味着联接的构件能够彼此交换数据信号，例如，经由导电介质交换电信号，经由空气交换电磁信号，经由光波导交换光信号，以及等等。

如在图8中示意性地描绘的，通信路径408使控制器402的处理器410和非暂时性电子存储器412与致动系统400的多个其它构件通信地联接。例如，图8中所描绘的致动系统400包含与操作装置404和电源406通信地联接的处理器410和非暂时性电子存储器412。

操作装置404容许使用者控制人造肌肉100、200或者人造肌肉组件300的操作。在某些实施例中，操作装置404可以为开关、触发器、按钮或任何控制器的组合以提供使用者操作。作为非限制性示例，使用者可以通过将操作装置404的控制器致动至第一位置而将人造肌肉100、200或人造肌肉组件300致动至致动状态中。当在第一位置中时，人造肌肉100、200或人造肌肉组件300将保持于致动状态中。使用者可以通过将操作装置404的控制器从第一位置操作至第二位置中而将人造肌肉100、200或人造肌肉组件300切换至非致动状态中。

操作装置404联接至通信路径408，以使得通信路径408将操作装置404通信地联接至致动系统400的其它模块。操作装置404可以提供使用者界面，用于接收关于人造肌肉100、200或人造肌肉组件300的特定的操作构造的使用者指令。另外，使用者指令可以包含仅仅在一定的条件下操作人造肌肉100、200或人造肌肉组件300的指令。

电源406(例如，电池)为人造肌肉100、200或人造肌肉组件300提供动力。在某些实施例中，电源406为可再充电的直流电源。应当理解的是，电源406可以为用于为人造肌肉100、200或人造肌肉组件300提供动力的单个电源或电池。可以提供电源适配器(未示出)并且所述电源适配器经由线束或等等电联接，用以借助于电源406为人造肌肉100、200或人造肌肉组件300提供动力。

在某些实施例中，致动系统400还包含显示装置414。显示装置414联接至通信路径408，以使得通信路径408将显示装置414通信地联接至致动系统400的其它模块。显示装置414可以响应于人造肌肉100、200或人造肌肉组件300的致动状态输出通知或者指示人造肌肉100、200或人造肌肉组件300的致动状态的改变。而且，显示装置414可以为触摸屏，所述触摸屏除了提供光学信息外还检测显示装置414的表面上的或者与显示装置414相邻的表面上的触觉输入的存在和位置。因此，显示装置414可以包含操作装置404并且在显示装置414所提供的光学输出上直接地接收机械输入。

在某些实施例中，致动系统400包含用于经由网络420将致动系统400通信地联接至便携式装置418的网络接口硬件416。便携式装置418可以包含但不限于智能电话、平板电脑、个人媒体播放器、或包含无线通信功能的任何其它电气装置。应当理解的是，当提供便携式装置418时，便携式装置418可以用来为控制器402而不是操作装置404提供使用者命令。这样，使用者可能能够控制或设定用于控制人造肌肉100、200或人造肌肉组件300的程序而不利用操作装置404的控制器。因此，可以经由借助于网络420与控制器402无线地通信的便携式装置418远程地控制人造肌肉100、200或人造肌肉组件300。

根据以上所述，应当理解的是，本文中所定义的是一种通过选择性地致动人造肌肉以使其区域升高或降低来使物体的表面膨大或变形的人造肌肉。这提供可以按需操作的低矮型膨大构件。

应当注意的是，在本文中可以使用术语“大致上”和“大约”来表示固有的不确定性程度，所述不确定性可以归因于任何定量比较、值、量度或其它表示。这些术语在本文中还被用来表示这样的程度：定量表示可以通过该程度与所陈述的参考不同，而不会导致所讨论的主题的基本功能发生改变。

尽管已经在本文中示例说明和描述了特定实施例，但是应当理解的是，在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下，可以做出各种其它改变和修改。而且，尽管已经在本文中描述了所要求保护的主题的各个方面，但是这些方面不需要组合使用。因此，意图是所附权利要求涵盖在所要求保护的主题的范围内的所有这样的改变和修改。