本發(fā)明屬于柔性微機械系統(tǒng)，具體地說，涉及一種可動態(tài)、程序化調(diào)節(jié)表面拓撲形貌變形的柔性執(zhí)行系統(tǒng)及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、表面拓撲形貌變形的柔性執(zhí)行系統(tǒng)具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景，例如新型微流控系統(tǒng)、智能人機交互界面、機器人感知和執(zhí)行系統(tǒng)、可穿戴設(shè)備、vr、ar、元宇宙等領(lǐng)域，可以提供更加安全可靠的人機交互界面和觸覺感知體驗等?，F(xiàn)有的拓撲形貌可變的柔性執(zhí)行系統(tǒng)往往存在以下兩種問題：1.表面的拓撲變化是整體的，也就是在外界的物理或者化學(xué)刺激下，材料整體發(fā)生拓撲變化，但是對于某個或多個局部的拓撲變化不能單獨調(diào)節(jié)，例如液晶高分子膜通過液晶基元的特殊排列可以實現(xiàn)從平坦的平面整體變化為馬鞍面，但是局部的區(qū)域無法進行定制化調(diào)節(jié)；2.表面的拓撲變化不能動態(tài)、程序化的調(diào)節(jié)，也就是在外界的物理或者化學(xué)刺激下，有些材料的局部可以發(fā)生拓撲形貌變化，但是這種變化是預(yù)先設(shè)計在材料中的，這就使得拓撲形貌變化的模式僅一或二種非常有限的數(shù)量，例如液晶高分子膜通過液晶基元的特殊排列可以實現(xiàn)局部位置的拓撲形貌變化，但是這種變化的模式只有一種。

2、因此，迫切需要開發(fā)一種可以動態(tài)調(diào)節(jié)、程序化控制的表面拓撲形貌變形的柔性執(zhí)行系統(tǒng)，以提高柔性執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本方案提供了一種可動態(tài)、程序化調(diào)節(jié)表面拓撲形貌變形的柔性執(zhí)行系統(tǒng)及應(yīng)用，設(shè)計了一套可尋址的物理或化學(xué)刺激下激發(fā)對應(yīng)的刺激響應(yīng)高分子材料形變，并帶動上方的隔膜層形變進而產(chǎn)生表面拓撲形貌變形的柔性執(zhí)行系統(tǒng)，用戶可以使用程序軟件自定義所需要的表面拓撲形貌模式，然后通過執(zhí)行層執(zhí)行后，得到所設(shè)定的表面拓撲形貌。

2、第一方面，本方案提供了一種可動態(tài)、程序化調(diào)節(jié)表面拓撲形貌變形的柔性執(zhí)行系統(tǒng)，包括：依次通信連接的基于表面拓撲形貌變形的芯片以及芯片控制單元，其中所述基于表面拓撲形貌變形的芯片包括自下而上依次鋪設(shè)的驅(qū)動層以及形變執(zhí)行層，其中驅(qū)動層為可尋址的刺激源陣列，形變執(zhí)行層為微型柔性執(zhí)行器陣列，芯片控制單元控制驅(qū)動層上的刺激源單元刺激形變執(zhí)行層發(fā)生刺激響應(yīng)形變。在一些實施例中，基于表面拓撲形貌變形的芯片以及芯片控制單元三者之間通過導(dǎo)線連接以用于控制信號傳輸和能量供應(yīng)。

3、在一些實施例中，所述基于表面拓撲形貌變形的芯片包括自下而上依次鋪設(shè)的驅(qū)動層、形變執(zhí)行層以及隔膜層，其中隔膜層為柔性彈性體薄膜，隔膜層通過化學(xué)/物理方法同形變執(zhí)行層鍵合，以響應(yīng)形變執(zhí)行層的刺激響應(yīng)形變。

4、在一些實施例中，作為隔膜層的柔性彈性體薄膜的下表面通過化學(xué)/物理方法同作為形變執(zhí)行層的微型柔性執(zhí)行器陣列的上表面鍵合，當(dāng)微型柔性執(zhí)行器陣列在外部刺激下做出刺激響應(yīng)形變時帶動柔性彈性體薄膜發(fā)生表面形狀/形貌變化。

5、在一些實施例中，所述的隔膜層的厚度范圍在0mm-5mm(其中0表示不使用隔膜層)，隔膜層的柔性彈性體薄膜的材料可以是硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨酯的一種或任一組合的高分子復(fù)合材料。

6、在一些優(yōu)選實施例中，柔性彈性體薄膜是具有較低模量(0.1kpa-9000kpa)的pdms薄膜。

7、在一些實施例中，微型柔性執(zhí)行器陣列上設(shè)有多個獨立程度控制的微型柔性執(zhí)行器，其中每一微型柔性執(zhí)行器在刺激驅(qū)動下產(chǎn)生高度/長度方向上伸長/縮短或彎曲的刺激響應(yīng)形變，微型柔性執(zhí)行器的形狀變化作用在與其鍵合的隔膜層上，使得柔性彈性體薄膜表面產(chǎn)生相應(yīng)的形貌/形狀的變化。

8、在一些實施例中，所述微型柔性執(zhí)行器陣列中的每一個微型柔性執(zhí)行器在高度/長度方向上縮短形變的變形率絕對值(ε＝|(l0-l)/l0|)范圍在0-80％，伸長形變時的變形率絕對值(ε＝|(l0-l)/l0|)范圍在0-500％，彎曲形變時的彎曲角度范圍在0-90°。

9、在一些實施例中，所述微型柔性執(zhí)行器陣列中的微型柔性執(zhí)行器由刺激響應(yīng)形變高分子材料制備而成，其中刺激響應(yīng)形變高分子材料為液晶高分子材料、凝膠、超分子材料、形狀記憶材料、介電彈性體、液-氣相轉(zhuǎn)變材料等在外界物理或化學(xué)刺激下產(chǎn)生長度、體積或彎曲角度變化的材料的一種以及這些刺激響應(yīng)變形材料的復(fù)合材料。

10、在優(yōu)選實施例中，所述微型柔性執(zhí)行器陣列中的微型柔性執(zhí)行器由液晶高分子材料及其復(fù)合材料制備得到。

11、在優(yōu)選實施例中，所述刺激響應(yīng)形變高分子材料為通過烯醇點擊反應(yīng)、邁克爾加成反應(yīng)或自由基聚合得到的液晶彈性體材料，液晶彈性體材料為液晶高分子材料。

12、在一些實施例中，微型柔性執(zhí)行器陣列內(nèi)的每個微型柔性執(zhí)行器可以全部由刺激響應(yīng)形變高分子材料組成，也可以部分由刺激響應(yīng)形變高分子材料組成，例如雙元結(jié)構(gòu)，一半由刺激響應(yīng)形變?nèi)嵝圆牧蠘?gòu)成，而另外一半由非刺激響應(yīng)形變材料組成，例如各種高分子、陶瓷、金屬、玻璃、無機物等，其高度范圍為0-200mm，直徑范圍為0.0001-50mm，其中0mm代表全部使用刺激響應(yīng)形變材料制備微執(zhí)行器陣列。對應(yīng)的，微型柔性執(zhí)行器陣列中的非刺激響應(yīng)形變材料是通過商用的環(huán)氧樹脂得到。

13、在一些實施例中，所述的微型柔性執(zhí)行器陣列中單個微型柔性執(zhí)行器的刺激響應(yīng)形變?nèi)嵝圆牧现睆椒秶鸀?.0001mm-50mm，高度范圍為0.0001-50mm，相鄰微型柔性執(zhí)行器之間的間距范圍為0.0001mm-50mm，其微型柔性執(zhí)行器陣列排布的點陣形狀可以是正方形、矩形、三角形或其他不規(guī)則的形狀；微型柔性執(zhí)行器陣列中每個微型柔性執(zhí)行器的形態(tài)可以是圓柱體、四面體、長方體、紡錘體及其它規(guī)則或不規(guī)則的多面體。

14、在一些實施例中，作為驅(qū)動層的可尋址的刺激源陣列與芯片控制單元以及程序化控制單元通信連接，驅(qū)動層的刺激源在程序化控制單元和芯片控制單元的程序化控制下，產(chǎn)生動態(tài)圖案化的刺激并驅(qū)動作為形變執(zhí)行層的微型柔性執(zhí)行器陣列產(chǎn)生動態(tài)圖案化形變。若設(shè)有隔膜層的話，微型柔性執(zhí)行器陣列的刺激響應(yīng)形變誘導(dǎo)隔膜層表面產(chǎn)生局部、圖案化形貌/形狀變化。

15、在一些實施例中，驅(qū)動層由可尋址控制刺激源組成，可以選擇基于digital?lightprocessing(dlp)或(liquid?crystal?display(lcd)的數(shù)字圖案化光投影技術(shù)的驅(qū)動層，基于printed?circuit?boards(pcb)或半導(dǎo)體微納加工工藝制備的電極陣列驅(qū)動層，或其它可以實現(xiàn)對局部、圖案化刺激控制的驅(qū)動層，或基于oled和led陣列的光顯示技術(shù)的一種或其組合。在優(yōu)選的實施例中，驅(qū)動層選擇基于printed?circuit?boards(pcb)或半導(dǎo)體微納加工工藝制備的電極陣列驅(qū)動層。在另一優(yōu)選例中，可尋址控制刺激源的驅(qū)動層是基于printed?circuit?boards(pcb)或半導(dǎo)體微納加工工藝制備的電極陣列驅(qū)動層。

16、本方案所述的可尋址控制刺激源選自光、電、溫度、濕度、化學(xué)刺激的一種或多種。當(dāng)驅(qū)動層采用光為刺激源，通過調(diào)節(jié)光源的光照強度、光斑區(qū)域大小和光源分布；當(dāng)采用電為刺激源，通過調(diào)節(jié)電源的電場強度和分布；當(dāng)溫度為刺激源，通過調(diào)節(jié)溫度源的溫度和分布；當(dāng)濕度為刺激源，通過調(diào)節(jié)濕度大小和分布區(qū)域；當(dāng)使用化學(xué)刺激源，通過調(diào)節(jié)化學(xué)刺激源的濃度和分布，實現(xiàn)對微型柔性執(zhí)行器陣列中每個微型柔性執(zhí)行器的形變量的實時動態(tài)控制，進而控制隔膜層的柔性彈性體薄膜的圖案化、局部拓撲形貌/形狀變化。

17、在另一優(yōu)選例中，所述的可圖案化、局部驅(qū)動的驅(qū)動層為可尋址控制刺激源是電刺激。

18、在一些實施例中，驅(qū)動層的刺激源陣列鋪設(shè)在基底上構(gòu)成可圖案化、局部驅(qū)動的基板，在一些實施例中，所述的基于表面拓撲形貌變形的芯片可以制備在平面或非平面、帶有曲率的基底上，對應(yīng)的，可圖案化、局部驅(qū)動的基板可以是平面或非平面、帶有曲率的基底。也就是說，驅(qū)動層的刺激源陣列鋪設(shè)在平面或非平面、帶有曲率的基底上。

19、在一些實施例中，所述芯片控制單元包括對應(yīng)控制刺激源單元的開關(guān)芯片和控制開關(guān)芯片的為微控制器，此時開關(guān)芯片選擇為基于mosfet的電子開關(guān)芯片。當(dāng)然在其他實施例中，芯片控制單元可基于dlp或者lcd的光投影方案等其他技術(shù)通過投影或顯示出光的明暗變化也可以實現(xiàn)對驅(qū)動層的刺激源單元激發(fā)與否的控制。對應(yīng)的，在一些實施例中，所述芯片控制單元通過開關(guān)芯片控制位于基于表面拓撲形貌變形的芯片中的驅(qū)動層上的每一個刺激源單元，由芯片控制單元的微控制器通過通訊協(xié)議控制每一個開關(guān)芯片。

20、在一些實施例中，該柔性執(zhí)行系統(tǒng)包括同芯片控制單元聯(lián)通的程序化控制單元，用戶在程序化控制單元上編程，程序化控制單元將編程信號發(fā)送給芯片控制單元；在一些實施例中，用戶可在芯片控制單元上的微控制器上直接編程，通過微控制器直接操控開關(guān)芯片。換言之，芯片控制單元的控制方式有：程序化控制單元聯(lián)通芯片控制單元以將編程信號發(fā)送給芯片控制單元，或芯片控制單元上的微控制器形成編程信號兩種。

21、在一些實施例中，所述的芯片控制單元是通過控制協(xié)議被程序化控制單元控制，最終實現(xiàn)在程序化控制單元上用程序控制驅(qū)動層上每一個刺激源單元。

22、在另一優(yōu)選例中，所述的通訊協(xié)議為spi協(xié)議。

23、在另一優(yōu)選例中，所述的通訊協(xié)議為usb協(xié)議。

24、在另一優(yōu)選例中，所述的程序化控制單元是通過電腦和控制程序?qū)崿F(xiàn)。

25、第二方面，本方案提供了一種可動態(tài)、程序化調(diào)節(jié)表面拓撲形貌變形的柔性執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用方法，包括：

26、芯片控制單元接收或產(chǎn)生編程信號，芯片控制單元基于編程信號控制基于表面拓撲形貌變形的芯片的驅(qū)動層上的每一刺激源單元，驅(qū)動層刺激芯片形變執(zhí)行層做出刺激響應(yīng)形變，形變執(zhí)行層的刺激響應(yīng)形變帶動隔膜層產(chǎn)生表面拓撲形貌。

27、在一些實施例中，該可動態(tài)、程序化調(diào)節(jié)表面拓撲形貌變形的柔性執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用于微流控系統(tǒng)、芯片實驗室、智能人機交互界面、機器人感知和執(zhí)行系統(tǒng)、盲文顯示器、可穿戴設(shè)備、vr、ar、元宇宙等領(lǐng)域。

28、相較現(xiàn)有技術(shù)，本技術(shù)方案具有以下特點和有益效果：

29、本發(fā)明設(shè)計一種可動態(tài)、程序化調(diào)節(jié)表面拓撲形貌變形的柔性執(zhí)行系統(tǒng)及應(yīng)用，本發(fā)明通過設(shè)計并制造了可尋址的刺激源陣列作為驅(qū)動層，在其上依次組裝刺激響應(yīng)形變的微型柔性執(zhí)行器陣列以及柔性彈性體薄膜，且配套設(shè)計并制造了可尋址刺激源陣列的芯片控制單元以及程序化控制單元，當(dāng)通過芯片控制單元以及程序化控制單元激活對應(yīng)的刺激源單元后，刺激源單元相應(yīng)地刺激響應(yīng)微型柔性執(zhí)行器陣列發(fā)生形變，帶動上方的柔性彈性體薄膜產(chǎn)生局部形變，最終表現(xiàn)為柔性執(zhí)行系統(tǒng)的局部、圖案化拓撲形貌/形狀變化。

30、值得注意的是這種變形是：1.可恢復(fù)的。當(dāng)撤去驅(qū)動層的刺激源的局部刺激，微型柔性執(zhí)行器陣列的刺激響應(yīng)形變高分子材料的形變恢復(fù)為未施加刺激的狀態(tài)，隔膜層的拓撲結(jié)構(gòu)也恢復(fù)到初始狀態(tài)；2.可重構(gòu)的。當(dāng)用戶通過軟件的設(shè)定，并通過硬件的信號傳輸改變了可尋址的驅(qū)動層的刺激源陣列的局部刺激分布，被刺激激發(fā)的刺激響應(yīng)形變高分子材料的形變分布也會重新配置，表現(xiàn)在隔膜層上的拓撲形貌變形也被重新配置。

31、這種動態(tài)表面形貌/形狀控制技術(shù)在全新概念的微流控系統(tǒng)、芯片實驗室、智能人機交互界面、機器人感知和執(zhí)行系統(tǒng)、盲文顯示器、可穿戴設(shè)備、vr、ar、元宇宙等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。