【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于柔性微机械系统，具体地说，涉及一种可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统及应用。
技术介绍
1、表面拓扑形貌变形的柔性执行系统具有广泛的工业应用前景，例如新型微流控系统、智能人机交互界面、机器人感知和执行系统、可穿戴设备、vr、ar、元宇宙等领域，可以提供更加安全可靠的人机交互界面和触觉感知体验等。现有的拓扑形貌可变的柔性执行系统往往存在以下两种问题：1.表面的拓扑变化是整体的，也就是在外界的物理或者化学刺激下，材料整体发生拓扑变化，但是对于某个或多个局部的拓扑变化不能单独调节，例如液晶高分子膜通过液晶基元的特殊排列可以实现从平坦的平面整体变化为马鞍面，但是局部的区域无法进行定制化调节；2.表面的拓扑变化不能动态、程序化的调节，也就是在外界的物理或者化学刺激下，有些材料的局部可以发生拓扑形貌变化，但是这种变化是预先设计在材料中的，这就使得拓扑形貌变化的模式仅一或二种非常有限的数量，例如液晶高分子膜通过液晶基元的特殊排列可以实现局部位置的拓扑形貌变化，但是这种变化的模式只有一种。
2、因此，迫切需要开发一种可以动态调节、程序化控制的表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，以提高柔性执行系统的应用场景。
技术实现思路
1、本方案提供了一种可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统及应用，设计了一套可寻址的物理或化学刺激下激发对应的刺激响应高分子材料形变，并带动上方的隔膜层形变进而产生表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，用户可以使用程序软件自定义所需要的表面
2、第一方面，本方案提供了一种可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，包括：依次通信连接的基于表面拓扑形貌变形的芯片以及芯片控制单元，其中所述基于表面拓扑形貌变形的芯片包括自下而上依次铺设的驱动层以及形变执行层，其中驱动层为可寻址的刺激源阵列，形变执行层为微型柔性执行器阵列，芯片控制单元控制驱动层上的刺激源单元刺激形变执行层发生刺激响应形变。在一些实施例中，基于表面拓扑形貌变形的芯片以及芯片控制单元三者之间通过导线连接以用于控制信号传输和能量供应。
3、在一些实施例中，所述基于表面拓扑形貌变形的芯片包括自下而上依次铺设的驱动层、形变执行层以及隔膜层，其中隔膜层为柔性弹性体薄膜，隔膜层通过化学/物理方法同形变执行层键合，以响应形变执行层的刺激响应形变。
4、在一些实施例中，作为隔膜层的柔性弹性体薄膜的下表面通过化学/物理方法同作为形变执行层的微型柔性执行器阵列的上表面键合，当微型柔性执行器阵列在外部刺激下做出刺激响应形变时带动柔性弹性体薄膜发生表面形状/形貌变化。
5、在一些实施例中，所述的隔膜层的厚度范围在0mm-5mm(其中0表示不使用隔膜层)，隔膜层的柔性弹性体薄膜的材料可以是硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯的一种或任一组合的高分子复合材料。
6、在一些优选实施例中，柔性弹性体薄膜是具有较低模量(0.1kpa-9000kpa)的pdms薄膜。
7、在一些实施例中，微型柔性执行器阵列上设有多个独立程度控制的微型柔性执行器，其中每一微型柔性执行器在刺激驱动下产生高度/长度方向上伸长/缩短或弯曲的刺激响应形变，微型柔性执行器的形状变化作用在与其键合的隔膜层上，使得柔性弹性体薄膜表面产生相应的形貌/形状的变化。
8、在一些实施例中，所述微型柔性执行器阵列中的每一个微型柔性执行器在高度/长度方向上缩短形变的变形率绝对值(ε＝|(l0-l)/l0|)范围在0-80％，伸长形变时的变形率绝对值(ε＝|(l0-l)/l0|)范围在0-500％，弯曲形变时的弯曲角度范围在0-90°。
9、在一些实施例中，所述微型柔性执行器阵列中的微型柔性执行器由刺激响应形变高分子材料制备而成，其中刺激响应形变高分子材料为液晶高分子材料、凝胶、超分子材料、形状记忆材料、介电弹性体、液-气相转变材料等在外界物理或化学刺激下产生长度、体积或弯曲角度变化的材料的一种以及这些刺激响应变形材料的复合材料。
10、在优选实施例中，所述微型柔性执行器阵列中的微型柔性执行器由液晶高分子材料及其复合材料制备得到。
11、在优选实施例中，所述刺激响应形变高分子材料为通过烯醇点击反应、迈克尔加成反应或自由基聚合得到的液晶弹性体材料，液晶弹性体材料为液晶高分子材料。
12、在一些实施例中，微型柔性执行器阵列内的每个微型柔性执行器可以全部由刺激响应形变高分子材料组成，也可以部分由刺激响应形变高分子材料组成，例如双元结构，一半由刺激响应形变柔性材料构成，而另外一半由非刺激响应形变材料组成，例如各种高分子、陶瓷、金属、玻璃、无机物等，其高度范围为0-200mm，直径范围为0.0001-50mm，其中0mm代表全部使用刺激响应形变材料制备微执行器阵列。对应的，微型柔性执行器阵列中的非刺激响应形变材料是通过商用的环氧树脂得到。
13、在一些实施例中，所述的微型柔性执行器阵列中单个微型柔性执行器的刺激响应形变柔性材料直径范围为0.0001mm-50mm，高度范围为0.0001-50mm，相邻微型柔性执行器之间的间距范围为0.0001mm-50mm，其微型柔性执行器阵列排布的点阵形状可以是正方形、矩形、三角形或其他不规则的形状；微型柔性执行器阵列中每个微型柔性执行器的形态可以是圆柱体、四面体、长方体、纺锤体及其它规则或不规则的多面体。
14、在一些实施例中，作为驱动层的可寻址的刺激源阵列与芯片控制单元以及程序化控制单元通信连接，驱动层的刺激源在程序化控制单元和芯片控制单元的程序化控制下，产生动态图案化的刺激并驱动作为形变执行层的微型柔性执行器阵列产生动态图案化形变。若设有隔膜层的话，微型柔性执行器阵列的刺激响应形变诱导隔膜层表面产生局部、图案化形貌/形状变化。
15、在一些实施例中，驱动层由可寻址控制刺激源组成，可以选择基于digital lightprocessing(dlp)或(liquid crystal display(lcd)的数字图案化光投影技术的驱动层，基于printed circuit boards(pcb)或半导体微纳加工工艺制备的电极阵列驱动层，或其它可以实现对局部、图案化刺激控制的驱动层，或基于oled和led阵列的光显示技术的一种或其组合。在优选的实施例中，驱动层选择基于printed circuit boards(pcb)或半导体微纳加工工艺制备的电极阵列驱动层。在另一优选例中，可寻址控制刺激源的驱动层是基于printed circuit boards(pcb)或半导体微纳加工工艺制备的电极阵列驱动层。
16、本方案所述的可寻址控制刺激源选自光、电、温度、湿度、化学刺激的一种或多种。当驱动层采用光为刺激源，通过调节光源的光照强度、光斑区域大小和光源分布；当采用电为刺激源，通过调节电源的电场强度和分布；当温度为刺激源，通过调节温度源的温度和本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，包括：依次通信连接的基于表面拓扑形貌变形的芯片以及芯片控制单元，其中所述基于表面拓扑形貌变形的芯片包括自下而上依次铺设的驱动层以及形变执行层，其中驱动层为可寻址的刺激源阵列，形变执行层为微型柔性执行器阵列，芯片控制单元控制驱动层上的刺激源单元刺激形变执行层发生刺激响应形变。
2.根据权利要求1所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，所述基于表面拓扑形貌变形的芯片包括自下而上依次铺设的驱动层、形变执行层以及隔膜层，其中隔膜层为柔性弹性体薄膜，隔膜层通过化学/物理方法同形变执行层键合，以响应形变执行层的刺激响应形变。
3.根据权利要求2所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，隔膜层的柔性弹性体薄膜的材料为硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯的高分子材料的一种或任意组合的高分子复合材料。
4.根据权利要求1所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，微型柔性执行器阵列上设有多个独立程度控制的微型柔性执行器，其中每一
5.根据权利要求4所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，每一个微型柔性执行器在高度/长度方向上缩短形变的变形率绝对值范围在0-80％，伸长形变时的变形率绝对值范围在0-500％，弯曲形变时的弯曲角度范围在0-90°。
6.根据权利要求1所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，微型柔性执行器阵列内的每个微型柔性执行器全部由刺激响应形变高分子材料组成，或部分由刺激响应形变高分子材料组成，其中刺激响应形变高分子材料为在外界物理或化学刺激下产生长度、体积或弯曲角度变化的材料的一种以及任一组合的复合材料。
7.根据权利要求1所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，可寻址的刺激源阵列的刺激源选自光、电、温度、湿度、化学刺激的一种或多种，当驱动层采用光为刺激源，通过调节光源的光照强度、光斑区域大小和光源分布；当采用电为刺激源，通过调节电源的电场强度和分布；当温度为刺激源，通过调节温度源的温度和分布；当湿度为刺激源，通过调节湿度大小和分布区域；当使用化学刺激源，通过调节化学刺激源的浓度和分布，对微型柔性执行器阵列中每个微型柔性执行器的形变量的实时动态控制。
8.根据权利要求1所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，驱动层的刺激源阵列铺设在平面或非平面、带有曲率的基底上。
9.根据权利要求1所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，芯片控制单元控制位于基于表面拓扑形貌变形的芯片中的驱动层上的每一个刺激源单元；程序化控制单元联通芯片控制单元以将编程信号发送给芯片控制单元，或在芯片控制单元上产生编程信号。
10.一种可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统的应用方法，控制上述权利要求1到9任一所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，包括：芯片控制单元接收或产生编程信号，芯片控制单元基于编程信号控制基于表面拓扑形貌变形的芯片的驱动层上的每一刺激源单元，驱动层刺激芯片形变执行层做出刺激响应形变，形变执行层的刺激响应形变带动隔膜层产生表面拓扑形貌。
...【技术特征摘要】
1.一种可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，包括：依次通信连接的基于表面拓扑形貌变形的芯片以及芯片控制单元，其中所述基于表面拓扑形貌变形的芯片包括自下而上依次铺设的驱动层以及形变执行层，其中驱动层为可寻址的刺激源阵列，形变执行层为微型柔性执行器阵列，芯片控制单元控制驱动层上的刺激源单元刺激形变执行层发生刺激响应形变。
2.根据权利要求1所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，所述基于表面拓扑形貌变形的芯片包括自下而上依次铺设的驱动层、形变执行层以及隔膜层，其中隔膜层为柔性弹性体薄膜，隔膜层通过化学/物理方法同形变执行层键合，以响应形变执行层的刺激响应形变。
3.根据权利要求2所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，隔膜层的柔性弹性体薄膜的材料为硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯的高分子材料的一种或任意组合的高分子复合材料。
4.根据权利要求1所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，微型柔性执行器阵列上设有多个独立程度控制的微型柔性执行器，其中每一微型柔性执行器在刺激驱动下产生高度/长度方向上伸长/缩短或弯曲的刺激响应形变。
5.根据权利要求4所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，每一个微型柔性执行器在高度/长度方向上缩短形变的变形率绝对值范围在0-80％，伸长形变时的变形率绝对值范围在0-500％，弯曲形变时的弯曲角度范围在0-90°。
6.根据权利要求1所述的可动态、程序化调节表面拓扑形貌变形的柔性执行系统，其特征在于，微型柔性执行器阵列内的每个微型柔性执行器全部由刺激响应...
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