CN109154282B - 含有聚合物纤维肌肉的致动纺织品 - Google Patents

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Abstract

一种智能(智慧型)纺织品，其通过使用聚合物纤维扭转和拉伸致动器，可以通过温度变化或水分吸收来控制其孔隙率、形状、纹理、蓬松度、硬度或颜色。该温度变化可能是由于环境温度的变化或外部刺激(如热电加热)。实现其的机理包括：(a)纺织品结构中聚合物纤维致动器的直接致动(收缩或扩展)；(b)在纺织品结构中围绕经纱和/或纬纱螺旋缠绕的聚合物纤维致动器的旋转；(c)通过聚合物纤维扭转致动器来旋转雪尼尔型或带状经向(或纬向)末端；(d)通过使用心轴致动器作为纱线的绒状或圈状部分在雪尼尔型花式纱线中产生绒或圈的收缩或扩展；(e)通过拉力聚合物纤维致动器的收缩使经纱(或纬纱)屈曲；(f)通过聚合物纤维致动器的扭转效应来减小纱线直径；(g)带有芯丝、线或纱线的分段式心轴致动器的收缩或扩展；或(h)变色纺织品的差异染色的聚合物纤维致动器的旋转。

Description

含有聚合物纤维肌肉的致动纺织品
相关申请的交叉引用
本申请要求(i)2016年3月21日提交的题为“含有聚合物纤维和聚合物纱线致动器的致动纺织品”的美国临时专利申请系列号62/31 1,274以及(ii)2016年8月6日提交的题为“用于纺织应用的扭曲、层叠、均匀盘绕和非均匀盘绕的人造肌肉”的美国临时专利申请系列号62/371,744的优先权，这些临时专利申请由本发明的申请人共同拥有，其内容通过引用全文纳入本文用于所有目的。
本申请涉及2013年8月1日N.Li等人的PCT专利申请公开WO2014/022667，“盘绕和非盘绕的扭曲纳米纤维纱线和聚合物纤维扭转和拉伸致动器”(“Li'667 PCT申请”)，并且由本发明的所有者共同拥有。Li'667 PCT申请通过引用全文纳入本文用于所有目的。
发明领域
一种致动纺织品，其含有聚合物纤维扭转或拉伸致动器(人造肌肉)，当暴露于刺激(如温度变化或水分摄取)时，其可以改变其孔隙率、形状、蓬松度(loft)、纹理、或颜色。进步包括由聚合物纤维非均匀扭曲或盘绕制成的人造肌肉，以及在高温下退火的盘绕聚合物纤维致动器，以使得即使在在非栓系时也能够可逆致动。特别是，描述了包含人造肌肉的有用纺织品结构，其能够改变孔隙率、形状、蓬松度(loft)、纹理、或颜色而纺织品宽度或长度没有显著变化。
政府权利
本发明是在空军科学研究办公室授予的基金FA9550-12-1-0211和基金FA9550-15-1-0089、亚洲航空航天研究与发展办公室授予的基金FA2386-13-4119、以及RobertA.Welch基金会的基金AT-0029下由政府资助完成。政府对本发明拥有一定的权利。
发明背景
现代世界中新技术和创新技术的出现以及生活方式的变化使得多功能智能(智慧型)纺织品和服装的研发和生产兴盛起来。然而，仍未开发出通过对环境条件作出反应或受到热、电或化学源刺激而改变其孔隙率、形状、蓬松度、纹理和颜色的致动纺织品，尽管例如下述领域非常需要：舒适调整型衣物、防护性衣物、智能包装和可通过改变其孔隙率来调节流速的智慧型过滤器。
舒适调整型衣物需要响应环境温度变化或汗水存在的环境响应型纺织品。通过吸收热量来帮助保持温度的相变材料(PCM)已经涂覆在纺织品上以提供温度调节纺织品[Zuckerman'362专利；Shin 2005]。该新型纺织品已经商业化用于服装应用，例如，三井公司(Mitsui Corporation)使用用于滑雪和运动服的PEG涂覆织物[Hu 2011]。已经努力用PCM填充中空人造丝纤维和聚丙烯纤维，但是在衣物中的应用被如下所阻碍：PCM的高相变温度、能够使PCM泄漏的纤维壁中的缺陷、以及PCM在纺织品机械性能和耐久性上不期望的影响。[Vigo 1983]。另外，商业涂料和相关纺织品(以HeiQ材料命名为Adaptive)已经作为一种独特的水合功能聚合物投入市场，其捕获并分配水分以使得穿着者保持凉爽和干燥。
基于形状记忆聚合物(SMP)(主要是聚氨酯(SMPU))的热响应纺织品也令人感兴趣。热响应SMPU薄膜可以用常规织物进行涂覆、层压或内衬，从而可以训练纺织品以响应温度变化而进行形状变化[Li 2004；Liu 2008]。具有在人体温度附近的玻璃化转变的SMPU也用于制造有助于保持稳定体温的透气织物[Hu 2012]。
水分响应SMP也被用于热量和水分的联合管理。一个示例是名为“Sphere ReactShirt”的智能衬衫，其后通风口可以打开以允许在穿着者出汗时排汗和散热[Hu 2012]。
水凝胶也可用于在纺织品中提供环境响应型热量和水分的管理。用热响应聚合物凝胶(TRPG)改性的织物显示出响应环境温度的溶胀/消溶胀或水合/脱水行为。例如，泯德技术公司(Mide Technology Corporation)(美国)使用TRPG作为潜水服织物(SmartSkinTM)的内层，以使得潜水员保持恒定温度[Serra 2002]。
与SMP涂层相比，具有较低形状固定性，较高形状恢复性和较高恢复应力的形状记忆纤维也已用于制造能变形的纺织品(shape changing textiles)。它们具有优于形状记忆合金(SMA)线的优点，因为它们可以容易地应用于纺织品，价格低廉，并且非常柔韧(flexible)。以实验室规模生产的SMP纤维可以具有5-60℃的可定制转换温度和20-90％的形状固定比[Hu 2012]。
形状记忆合金线已用于为消防员提供热防护服。在消防员外套的两层之间，安装了转换温度为50℃的可逆驱动形状记忆合金弹簧。在高温暴露期间，形状记忆合金弹簧会扩展，由此增加双层纺织品的蓬松度，并增加其隔热能力。形状记忆线还用于制造智能衬衫，其可以根据温度自动地向上或向下卷起袖子。双向形状记忆合金弹簧也用于智慧型窗帘，其会根据温度自动打开和关闭[Hu 2012]。
在生产包括具有纺织品的区域的服装的另一尝试中描述了不同类型的纺织品，所述纺织品具有通过物理刺激或以其他方式(例如水的存在或温度变化)改变的结构，从而改变纺织品的性质[Baron的774专利；Davis的414专利；Wise的'448申请]。
三菱丽阳纺织品有限公司(Mitsubishi Rayon Textile Co.Ltd.)描述了基于含有盘绕纤维的纱线的纺织品。当干燥时，盘绕纤维会抑制空气渗透。然而，当被汗液弄湿时，盘绕减少，从而减小纤维直径并增加纱线孔隙率，由此提供通风。[三菱丽阳纺织有限公司，VENTCOOLTMhttp://mrtx.co.jp/en/kinou/ventcool.html]。
金百利克拉克公司(Kimberly-Clark,Inc.)的专利申请[Lee'088申请]描述了使用水分敏感型聚合物引起响应水分变化的纺织品孔隙率变化。致动纺织品包括水分响应纱线，其螺旋缠绕在平行的非致动纱线上，以使得这些非致动纱线互连。
然而，所描述的大多数纺织品结构在暴露于水分或温度变化期间并不能维持纺织品宽度和长度。在改变纺织品孔隙率的同时保持纺织品宽度和长度的这个问题是具有挑战性的，并且本发明实施方式解决了这个问题。本发明实施方式将解决另一个重要问题：使用影响个体舒适度的小温度变化实现纺织品孔隙率或蓬松度的大改变的困难。另外，虽然已知可能影响纺织品色泽的许多化学过程(例如通过使用热响应或湿度敏感型染料)，但是仍需要基于致动的物理过程，其为纺织品外观提供了更多类型的视觉变化。最后，纺织品对热或水分暴露的响应通常是不可逆的或极差地可逆。将会描述在纺织品中实现高度可逆的机械致动，而不需要扭转拴系或定位拴系组件纤维的方法。
发明内容
本发明涉及一种智能(智慧型)纺织品，其通过使用聚合物纤维扭转和拉伸致动器，可以通过温度变化或水分吸收来控制其孔隙率、形状、纹理、蓬松度、硬度或颜色。这可能是因为环境中的变化，例如，环境温度或湿度的变化，或外部刺激(如电热加热)。这些变化通过致动纤维实现，该致动纤维在温度变化或水分摄取时由于纤维内的高度螺旋布置而通过扭转和/或张力来致动。该螺旋布置可能出现在高度扭曲的纤维中，例如由纤维产生的可逆扭转致动，所述纤维已经高度扭曲到接近纤维将自发形成线圈的点。这种螺旋布置还出现在致动盘绕纤维中，其中，高度扭曲的纤维形成线圈，使得盘绕纤维可以驱动可逆收缩或扩展(expand)。使用这种致动来实现智能纺织品的机制包括：(a)纺织品结构中聚合物纤维致动器的拉伸致动(收缩或扩展)；(b)聚合物纤维的扭转致动以使纺织品元件旋转；(c)翼型纱线的翼收缩或扩展；(d)通过拉伸聚合物纤维致动器的收缩使纱线屈曲；(e)由于嵌入式扭转或拉伸纤维致动器而改变直径或宽度的纱线或带状物；(f)围绕芯纤维的分段式心轴致动器的收缩或扩展；(g)变色纺织品的差别染色聚合物纤维致动器的旋转；(h)在织物层之间纤维致动器的拉伸致动以改变织物层之间的蓬松度；(i)驱使多个织物层的相对位置移动以打开和关闭孔隙或改变颜色；或(j)将包含致动纤维和弹性体基质的致动复合体纳入到纺织品结构中。
非均匀盘绕的致动器可提供基本上无限制的冲程(stroke)、非线性硬度或其它功能特性。具有可变直径和/或间距的盘绕肌肉可以提供通过均匀线圈无法实现的巨大冲程，并且能够实现具有可***度的致动器。这特别适用于厚度响应温度变化而变化的度的舒适调整型纺织品和下一代机器人。也可以使用简单的扭曲工艺(twisting process)将使纤维收缩转变为使纤维扩展。
由聚合物纤维制成的退火线圈在受热时热致动，并且可以固定成能够可逆致动而在足够高的温度下退火时无需扭转栓系或平移栓系的不同形状。
纺织织物被广泛认为是由纤维制成的二维表面。织造织物和针织织物由交织纱线生产，而非织造织物由纤维直接生产。本发明包括致动织造织物(常规织造织物、多轴织造织物、马利莫织造织物、3D织造织物或任何其他织造织物)、针织(纬编和经编)织物或非织造织物，其通过使用聚合物纤维扭转和拉伸致动器或其复合/混合形式与传统的线/长丝/纱线，可以通过温度变化或水分吸收变化控制其孔隙率、形状、蓬松度、纹理或颜色。该温度变化可能是由于环境温度的变化或外部刺激(如热电或热化学)导致。
特别感兴趣的是智能纺织品结构，其可通过温度变化或水分吸收来控制孔隙率、形状、纹理、蓬松度、硬度或颜色，而不会导致整个纺织品宽度或长度在致动期间变化。这可以通过纳入致动纤维或带状物来实现，所述致动纤维或带状物驱使其直径或宽度改变，而在温度变化或水分吸收期间基本上不改变它们的长度。
致动器或被动非致动元件的旋转(例如通过使用翼型纱线结构)也可以用于调节孔隙率和其它纺织品性能而不改变整个纺织品的宽度或长度。进一步的实施方式使用：(a)纺织品区域，其通过扩展和收缩区域进行同步致动，使得整个纺织品宽度和长度得以保持；(b)纺织品区域，其进行致动以改变尺寸，而其他非致动纺织区域防止整个纺织品宽度或长度改变；或者(c)致动区域，其在与为整个纺织品提供结构的方向垂直的方向上进行致动，其通常是该区域的长度方向，并且其中该结构方向不会随着致动而改变长度，使得整个纺织品长度或宽度不会改变。
本发明的可能应用包括：
本发明可用于调节热性能以改进衣物的舒适性。
本发明可用于降落伞以控制打开冲击以及随后的下降期间的空气流动。
本发明还可用于控制技术应用中的流体流速，例如过滤织物或智能软管和管道中的流体流速。
本发明可用于太阳光的自动(自主)控制，例如用于智能温室、智能窗帘、智能农业覆盖物、智能遮阳篷和智能建筑纺织品(雨棚、遮阳篷和防水油布)。
本发明可用于防护性衣物。
本发明也可用于间隔织物，以调节织物蓬松度。
本发明可用于生产变形纺织品。
本发明可用于压力可控的服装。
本发明还可用于生产变色纺织品。
通常，在一个方面中，本发明的特征在于一种响应水分吸收或温度的变化而基本上不改变整个纺织品宽度或长度的纺织品，其包括至少一个扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器，其操作性地可逆改变(1)纺织品的至少一个单层的孔隙率，(2)纺织品色泽，或者(3)其组合。如本文所用，“基本上不改变”一个测定量(例如宽度或长度)意味着变化小于5％。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
纺织品可以是单层纺织品。
聚合物纤维致动器可包含具有捻度的纤维，其中(a)每单位长度的捻度乘以(b)纤维平均直径的乘积至少为50°。
(a)每单位长度的捻度乘以(b)纤维平均直径的乘积可以是至少90°。
纺织品可选自(a)织造结构、(b)经编针织结构、(c)纬编针织结构、(d)编织结构，和(e)其组合。
纺织品可包含非织造结构。
纺织品可包含机械稳定的织造芯纤维结构。芯纤维结构的纤维元件可以以同轴方式定位在盘绕聚合物纤维致动器的线圈内。盘绕聚合物纤维致动器在结构上可以主要是同手性或异手性(heterochiral)的。如本文所用，“主要”是指超过50％。在一些实施方式中，盘绕纤维致动器在结构上可以75％或更多是同手性或异手性的。
纺织品可包括围绕芯纱的大量盘绕纤维致动器。
盘绕纤维致动器的内径可以足够大，以允许盘绕纤维致动器以基本独立于芯纱长度的方式改变长度。如本文所用，“足够大”是指至少足够大从而如所描述的那样起作用，即，在该情况下，盘绕光纤致动器的内径至少足够大以允许盘绕光纤改变长度，这基本独立于芯纱的长度。如本文所用，“基本独立于”是指盘绕纤维长度发生变化，而芯纱长度变化不超过5％。
纺织品可包括雪尼尔型纱线结构，其包括至少一个致动芯纤维和至少一个绒头纤维(pile fiber)。绒头纤维可以通过至少一个致动芯纤维锁定到纱线主体中。至少一个致动芯纤维可包括扭转聚合物纤维致动器。绒头纤维可以操作性地旋转以改变纺织品结构。
纺织品可包括翼型纱线结构，其包括至少一个芯纤维和至少一个致动绒头纤维(pile fiber)。绒头纤维可以通过至少一个芯纤维锁定到纱线主体中。致动绒头纤维可以包含聚合物纤维致动器。绒头纤维可以操作性地驱动纺织品结构改变。
纺织品可以包括至少一种纤维，所述纤维操作性地响应水分吸收或温度的变化而旋转。旋转可以产生孔隙率、颜色或其组合的变化。
聚合物纤维扭转致动器可以操作性地可逆引起至少10°的纱线旋转角度变化。
聚合物纤维致动器可以操作性地可逆引起纺织品的孔隙率增加或减少至少10％。
纺织品可以是衣物制品。
衣物制品可选自：(a)舒适调整型衣物、(b)防护性衣物、(c)运动服、(d)用于美学目的的变形衣物、和(e)其组合。
纺织品可选自(a)降落伞、(b)智能过滤器、(c)间隔织物、(d)智能窗帘、(e)智能建筑纺织品、(f)智能包装、和(g)控制透光率的纺织品。
纺织品可包括通过聚合物纤维致动器连接的至少两个织物层。致动器操作性地响应水分吸收或温度的变化而移动层的相对位置，以改变纺织品孔隙率、色泽或其组合。
温度变化可以通过电热加热、光热加热、化学热加热和电子部件产生的热量中的一种或多种来提供。
颜色变化可以通过双色或多色致动聚合物纤维的扭转致动来实现。
颜色变化可以通过致动聚合物纤维和变色元件的组合来实现。致动聚合物纤维可选自：(i)致动聚合物纤维，其通过扭转以旋转多色元件来操作，和(ii)致动聚合物纤维，其通过拉伸致动来操作并且接合至通过伸展改变颜色的元件。
变色元件可选自：(a)金属层已沉积到其上的合成薄膜或纤维，(b)由结构色泽衍生出其光学性质的纤维，和(c)其组合。
可以存在至少两个连接的致动聚合物纤维或致动聚合物纤维段，其操作性地以相反的手性方向扭转致动，使得在连接点处，连接的致动聚合物纤维或致动聚合物纤维段以相同的旋转方向来协同旋转元件。
可逆变化可在基本上不引起纺织品弯曲的情况下操作性地发生。如本文所用，“基本上不引起弯曲”意味着弯曲不会改变超过5度。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种纤维，其是可以响应温度而可逆地改变至少一个纤维厚度方向。该纤维包括组成纤维材料和至少一个扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器。纤维在纤维厚度上的热膨胀系数比组成纤维材料的热膨胀系数在大小上大至少2倍。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
纤维直径可以操作性地随着温度的升高而降低。
聚合物纤维致动器可包含具有捻度的纤维，其中(a)每单位长度的捻度乘以(b)纤维平均直径的乘积至少为50°。
(a)每单位长度的捻度乘以(b)纤维平均直径的乘积可以是至少90°。
纤维可包括芯纤维，所述芯纤维由聚合物纤维致动器螺旋缠绕。
聚合物纤维致动器可以紧密地缠绕在芯纤维周围。
聚合物纤维致动器可以松散地缠绕在高孔隙率纱线周围，
高孔隙率纱线的密度可低于高孔隙率纱线中组成纤维密度的30％。
纤维还可包括沿第一扭曲方向合股在一起的多个聚合物纤维致动器，并且聚合物纤维致动器沿第二扭曲方向扭曲。第一和第二扭曲方向可以是相反的。
纤维还可包括合股在一起的多个聚合物纤维致动器。至少一个聚合物纤维致动器可以沿着与至少一个其他聚合物纤维致动器相反的方向扭曲。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种包括至少一种上述纤维的纺织品，所述纤维可以响应温度而操作性地可逆改变至少一个纤维厚度方向。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种纺织品结构，其包括至少一个扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器。该纺织品响应温度或水分变化而操作性地可逆改变(1)纺织品的孔隙率、(2)纺织品色泽、或(3)其组合。纺织品结构进一步包括如下之一：
(a)两个或更多个致动区域，其改变尺寸以使得两个或更多个致动区域的第一区域子集响应水分吸收或温度的变化而在宽度或长度上增加。第一区域子集的宽度或长度的增加通过两个或更多个致动区域的第二区域子集补偿，所述第二区域子集响应水分吸收或温度的变化而减小宽度或长度，使得纺织品的整体宽度和整体长度不显著改变。
(b)操作性地响应水分吸收或温度的变化而改变尺寸的至少一个致动区域，以及至少一个非致动区域，使得非致动区域防止纺织品的整体宽度或整体长度显著改变。
(c)至少一个致动区域，其可以响应温度或湿度的变化而改变其面积。致动区域包括至少一个盘绕聚合物纤维致动器，并且沿着至少一个方向的尺寸不会显著改变，使得整个纺织品的宽度或长度不会显著改变。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
聚合物纤维致动器可包含具有捻度的纤维，其中(a)每单位长度的捻度乘以(b)纤维平均直径的乘积至少为50°。
(a)每单位长度的捻度乘以(b)纤维平均直径的乘积可以是至少90°。
至少一个非致动区域可包括弹性体材料。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种致动复合结构，其包括弹性体聚合物基质和至少一个扭曲聚合物纤维致动器或盘绕聚合物纤维致动器，至少一个扭曲聚合物纤维致动器或盘绕聚合物纤维致动器响应水分吸收或温度的变化而操作性地可逆致动。复合体操作性地在暴露于水分或温度变化时可逆地改变孔隙率、形状、纹理、颜色或其组合。捻纺(twist-spun)聚合物纤维致动器通过选自下述的致动机制操作：(A)扭转致动、(B)拉伸致动、和(C)其组合。致动机制操作性地引起选自下述的复合结构变形：(A)扭转、(B)线性尺寸变化、(C)弯曲、和(D)其组合。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
复合结构可以纳入两层或更多层织物之间，使得该结构可操作以响应水分吸收或温度的变化而致动，从而改变两层或更多层织物之间的分隔。
复合结构可以是纺织品层的一部分，其可操作以响应水分吸收或温度的变化而可逆改变下述的一项或两项：(i)纺织品的孔隙率和(ii)纺织品外观。
复合结构可以可操作以起到翼片的作用，该翼片可操作以响应水分吸收或温度的变化而可逆地打开或关闭。
可以存在至少两个连接的致动聚合物纤维或致动聚合物纤维段，其操作性地以相反的手性方向扭转致动，使得在连接点处，连接的致动聚合物纤维或致动聚合物纤维段以相同的旋转方向来协同旋转元件。
通常，在一个方面，本发明的特征在于一种盘绕、扭曲的聚合物纤维，其操作性地可逆地致动而不经扭转拴系或定位拴系。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
盘绕扭曲的聚合物纤维可以是同手性的。盘绕扭曲的聚合物纤维可以在盘绕扭曲的聚合物纤维的相邻线圈之间具有空间，使得盘绕扭曲的聚合物纤维在加热时能操作性地通过收缩来致动。
盘绕扭曲的聚合物纤维可以是异手性的。盘绕扭曲的聚合物纤维可以在加热时操作性地通过扩展来致动。
通过实现线圈间接触，盘绕扭曲的聚合物纤维可以响应温度增加或所吸收水分的增加而操作性地增加硬度。
通常，在另一方面，本发明的特征在于扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器。扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器通过响应水分吸收或温度的变化而改变长度、扭曲或其组合来操作性地可逆致动。扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器具有在致动器的长度上变化的可变性质。可变性质选自：线圈直径、线圈间距、纤维直径、纤维扭曲方向、纤维扭曲量、纤维组成，盘绕方向、及其组合。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
致动器可包括至少两个线圈。所述至少两个线圈可以操作性地在致动期间伸缩穿过彼此。
致动器可以操作性地在致动期间使得至少一个线圈的线圈手性反转。
致动器可以操作性地在致动期间使得所有线圈的手性反转。
致动器可以是拉伸致动器，其具有可***度，所述硬度是致动器位移的函数。
致动器可以是拉伸致动器，其具有可***度，所述硬度是致动器温度的函数。
致动器可以操作性地通过电热加热、光热加热或其组合来致动。
致动器可以操作性地操作性地响应温度变化而进行操作。致动器应变的最大可逆变化可以大于每摄氏度温度变化1％。
聚合物纤维致动元件可包含尼龙。
其可以操作性地响应环境温度或湿度来改变包装材料的热导率。
包装材料的热导率可以在温度上限时是最大值，并且可以在温度下限时是最小值。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种纺织品，其包括至少一个上述扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
其可以通过选自下述的方法响应温度而操作性地调节热性质：(a)改变纺织品孔隙率，(b)改变整体纺织品厚度，(c)改变纺织品内的两个或更多个织物层之间的分隔，和(d)其组合。
纺织品可包括两个或更多个织物层。聚合物纤维致动器可以连接至至少一个织物层。聚合物纤维致动器可以操作性地响应温度变化而改变两个或更多个织物层之间的间隔。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种纺织品，其包括两层或更多层织物。包含扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器作为两层或更多层织物之间填充材料。由于填充材料响应水分吸收或温度的变化而改变尺寸，该纺织品操作性地改变厚度。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
厚度变化可以在不显著改变整体纺织品宽度或长度的情况下操作性地发生。
厚度变化可以在不显著引起纺织品弯曲的情况下操作性地发生。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种纺织品，其包括至少两个致动纺织品元件。致动纺织品元件可以包含盘绕聚合物纤维致动器。盘绕聚合物纤维致动器沿纺织品元件的宽度方向纳入，使得致动纺织品元件响应水分吸收或温度的变化而操作性地可逆改变宽度但不会显著改变长度，从而可逆地改变纺织品孔隙率而不会显著改变纺织品的宽度或长度。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
致动纺织品元件可形成织造、针织或编织结构。
致动纺织品元件可形成织造结构。致动纺织品元件可以在经线元件和纬线元件之间的一个或多个交叉点处连接。
致动纺织品元件可以是带状物。
带状物可包括织造、针织或编织织物。
聚合物纤维致动器可以纳入织造织物带状物的纬向方向。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种制造具有相反扭曲和盘绕方向的异手性盘绕致动器的方法。该方法包括通过沿第一方向扭曲聚合物纤维来制造同手性盘绕致动器的步骤。该方法还包括如下步骤：通过沿与第一方向相反的第二方向进行扭曲来使得同手性盘绕致动器的线圈方向反转，以制造异手性盘绕致动器。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
该方法可以进一步包括在反转步骤之后沿第一方向向异手性盘绕致动器添加额外的扭曲。
与添加额外扭曲步骤之前的异手性盘绕致动器的性能相比，添加额外扭曲步骤可以改进异手性盘绕致动器的性能。
该方法可以进一步包括在反转步骤之后对异手性盘绕致动器进行退火的步骤。
所述方法可以在不使用心轴的情况下进行。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种制造盘绕聚合物纤维的方法，该盘绕聚合物纤维可逆地致动而不经定位栓系或扭转栓系。该方法包括对盘绕聚合物纤维进行定位栓系和扭转栓系的步骤。该方法还包括以下步骤：在保持盘绕聚合物纤维的定位栓系和扭转栓系的同时，使盘绕聚合物纤维在高于150℃且低于聚合物熔融温度的温度下进行热退火。该方法还包括如下步骤：在退火之后，去除经退火的盘绕聚合物纤维的定位拴系和扭转拴系。经退火的盘绕聚合物纤维可以可逆地致动而不经定位拴系或扭转拴系。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
盘绕聚合物纤维可包括聚酰胺。
聚合物可以是尼龙6。热退火步骤期间的温度可以高于160℃。
聚合物可以是尼龙6,6。热退火步骤期间的温度可以高于180℃。
退火步骤可在真空或惰性气氛中进行。
退火可以在含有被聚合物吸收的蒸气的气氛中进行。
盘绕聚合物纤维可以是同手性的。可以在退火步骤期间施加结构限制以产生盘绕聚合物致动器，其中在室温下相邻线圈之间存在间隔，以允许收缩致动。
经施加以产生间隔的结构限制可以使得在退火步骤期间相邻线圈之间几乎没有间隔或没有间隔。
盘绕聚合物纤维可以是异手性的。可以在退火步骤期间施加结构限制以获得盘绕聚合物致动器，其中在室温下相邻线圈之间几乎没有间隔或没有间隔。
在不经扭转栓系或定位栓系的情况下可逆致动的盘绕聚合物纤维可包括作为次级盘绕结构一部分的盘绕纤维或者合股的盘绕纤维。
盘绕聚合物纤维的盘绕方向、直径、纤维扭曲量和相邻线圈之间的间隔中的至少一个可以沿着盘绕聚合物纤维的线圈长度而变化。
经施加以产生这种间隔的限制可以使得相邻线圈在退火期间良好分隔。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种盘绕聚合物纤维，其由至少一种上述用于制造盘绕聚合物纤维的方法所制成，该盘绕聚合物纤维能够可逆地致动而不经定位栓系或扭转栓系。升高的温度操作性地使盘绕纤维的拉伸模量降低至少2倍。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种包含聚合物纤维的纺织品，所述聚合物纤维由至少一种上述用于制造盘绕聚合物纤维的方法所制成，该盘绕聚合物纤维能够可逆地致动而没有定位栓系或扭转栓系。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种包括至少两层织物层的纺织品。各织物层包括至少一个扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器。所述至少一个扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器响应水分吸收或温度的变化而操作性地可逆改变(1)纺织品中至少一个单层的孔隙率、(2)纺织品色泽、或(3)其组合。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
致动纤维基本不在织物层之间迁移。连接织物层的纤维基本上是非致动纤维。如本文所用，“基本上不迁移”是指少于10％的致动纤维在织物层之间迁移。“基本上是非致动纤维”是指至少90％是非致动纤维。
纺织品可包括多个扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器。多个扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器可以通过粘结进行连接并且可以不交错。
可逆变化可以在不显著引起纺织品弯曲的情况下操作性地发生。
通常，在另一方面，本发明的特征在于一种纺织品，其包括两层或更多层织物。扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器连接至少两层，使得小于10％的聚合物致动器长度在织物层中。织物层之间的分隔响应水分吸收或温度的变化而操作性地改变。
本发明的实现可以包括以下一项或多项特征：
可以发生分隔变化而不会显著改变整体纺织品宽度或长度。
可以发生分隔变化而不会引起织物层弯曲。如本文所用，“基本上不引起弯曲”意味着弯曲不会改变超过5度。
填充材料可以在至少两个织物层之间。
聚合物纤维致动器可以是同手性盘绕聚合物纤维致动器。织物层之间的分隔可以响应水分吸收或温度的变化而操作性地降低。
聚合物纤维致动器可以是异手性盘绕聚合物纤维致动器。织物层之间的分隔可以响应水分吸收或温度的变化而操作性地增加。
纺织品还可包括主要包含在织物层内的至少一个扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器。在一些实施方式中，纺织品还可包括至少90％包含在织物层内的至少一个扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器。
前述内容相当宽泛地描述了本发明内容的特征和技术优点，使得能够更好地理解以下的详细说明。以下描述的本发明的其他特征和优点构成本发明要求保护的主题。本领域的技术人员应理解，所公开的概念和具体实施方式可以容易地被用作修改或设计用于实现本发明的同样目的的其他结构的基础。本领域的技术人员还应认识到这种等价结构没有偏离所附权利要求书中提出的本发明的精神和范围。
还应理解，本发明的应用不限于以下描述中阐述的或附图中示出的构造细节和部件的设置。本发明可以具有其它实施方式并且以各种方式予以实施和执行。另外，应理解的是本文中使用的词语和术语是为了描述的目的而不应被认为是进行限制。
附图说明
图1A至图1B显示了通过分别对单纤丝纤维或多纤丝聚合物(例如尼龙6，尼龙6,6、聚乙烯、PVDF、芳族聚酰胺、聚酯等)进行盘绕和退火制成的聚合物纤维拉伸致动器。
图1C显示了特定类型的拉伸致动器：心轴盘绕聚合物纤维致动器。
图2显示了通过对单纤丝纤维或多纤丝聚合物(例如尼龙6，尼龙6,6、聚乙烯、PVDF、芳族聚酰胺、聚酯等)进行高度扭曲和退火至刚好低于导致纤维中自发形成线圈的点而制成的聚合物纤维扭转致动器。
图3A至图3F显示了通过将拉伸或扭转致动器围绕直的芯纱线(例如弹性纱线)螺旋缠绕而制成的复合纱线。图3A、3C和3E是处于初始状态的纱线。图3B、3D和3F分别是处于致动状态的图3A、3C和3E的纱线。
图3G是可操作以使芯纱线致密化的致动纤维的热收缩的图。
图4A显示了翼型纱线结构，其是名为雪尼尔纱线的花式纱线，其中芯纱线进行扭曲以纳入翼纱线，所述翼纱线是可以是任何天然或人造纤维的绒头(或效果)纱线。
图4B是翼型纱线的图，该翼型纱线可通过扭转致动而旋转以打开或关闭孔隙。
图4C显示了通过纳入心轴盘绕作为翼部而制成的翼型纱线。
图4D显示了与图4C中所示类似的翼型纱线，其另外包含在心轴盘绕翼内的芯纱线。
图4E是翼型纤维结构的图，其中，翼包括响应温度变化或水分吸收而致动的纤维环。
图4F是图4E的相关实施方式的图，其中纤维翼进行致动以产生翼旋转和/或翼尺寸的变化。
图5A至图5D是通过熔合、缝合或使用任何其它合适的方法将扭转或拉伸致动器与带状纤维合并在一起而制成的翼型复合纤维的图。
图6A至图6B是显示多纤丝致动器的图，该多纤丝致动器可以通过随温度变化或水分吸收而扭曲或解扭来改变其直径，这些图显示了该纱线的初始状态和致动状态。
图7A至图7B显示了通过将一个S型扭曲的扭转聚合物纤维致动器与Z型扭曲的扭转聚合物纤维致动器松散地合股而制成的纱线，如这些图显示出这些纱线的初始状态和致动状态。图7C至图7D是这些致动器的图。
图8A-8D显示了通过将芯线/纤丝或纱线***心轴致动器而制成的复合纱线。心轴致动器可以按连续(图8A、8C)或分段(切成短的长度)形式(图8B、8D)使用。
图9A至图9B显示了使用聚合物纤维拉伸致动器制成的织造织物结构，其随着温度的升高而收缩以降低纺织品孔隙率。
图9C至图9D是分别对应于图9A至图9B中所示织物结构的图。
图10A至图10B显示了基本平纹织造织物结构，其通过纳入同手性心轴盘绕致动器使得随温度升高的纺织品孔隙率下降而制成。图10A显示了初始状态，并且图10B显示了致动状态。
图10C至图10D显示了平纹织造织物结构，其通过纳入异手性心轴盘绕致动器使得随温度升高的纺织品孔隙率增加而制成。图10C显示了初始状态，并且图10D显示了致动状态。
图10E至图10F显示了通过在经纱方向上纳入同手性心轴-盘绕聚合物致动器而产生的纱罗织造织物的初始状态和致动状态。
图10G显示了纱罗织造的图。
图11A至图11B显示了织物结构，由于围绕经纱和/或纬纱螺旋缠绕的聚合物纤维致动器的旋转，该织物结构可以响应温度变化或水分摄取通过卷曲变化来改变其孔隙率。
图11C至图11D显示了另一织物结构，由于围经纱和/或纬纱纤维绕螺旋缠绕的聚合物纤维致动器的旋转和收缩，该织物结构可以响应温度变化或水分摄取通过卷曲变化来改变其孔隙率。
图12A至图12B是显示具有雪尼尔、翼型花式纱线的织物的图，其可通过扭转聚合物纤维致动器所驱使的旋转，响应温度变化或水分摄取而改变其孔隙率。
图13A至图13B显示了由翼型花式纱线生产的织物，如图4C所示，具有心轴盘绕致动器作为当加热时可以收缩以改变纺织品孔隙率的翼或绒头。
图13C至图13D显示了由类似如图4D所示翼型花式纱线生产的织物，其具有翼结构，该翼结构由内有芯纱线的同手性心轴盘绕聚合物致动器组成。
图14A至图14B显示了窄的织造织物(带状物)，其中心轴盘绕聚合物纤维致动器在带状物的纬向上进行织造，使得带状物的宽度和面积可以响应水分吸收或温度的变化而改变，但不会改变带状物的长度。
图15A至图15H显示了纺织品，其中将同手性心轴盘绕纤维致动器织造到纺织品区域和纺织品结构中，以使这些织造元件响应水分吸收或温度的变化而沿着致动纤维的方向收缩。
图16A至图16F显示了其它纺织品，其中将同手性心轴盘绕纤维致动器织造到纺织品区域和纺织品结构中，以使这些织造元件响应水分吸收或温度的变化而沿着致动纤维的方向收缩。
图17A至图17B显示了使用如图6A至图7D中所示的那些直径变化纤维制成的编织纺织品的图，其中纤维直径的变化引起纺织品总孔隙率的变化。
图17C至图17D显示了具有类似于如图7A至图7D所示致动纬纱的织造织物结构的图，其中Z型扭曲和S型扭曲致动器合股在一起，使得纺织品通过随着温度增加或水分吸收纬纱直径减小，来改变其孔隙率。
图18A至图18B分别显示出在初始状态和致动状态下的包括心轴盘绕聚合物纤维致动的致动马利莫织物结构。
图18C是图18A至图18B的马利莫织物的图。
图19A至图19B分别显示出在初始状态和致动状态下的使用具有线芯或纤丝芯的分段式心轴盘绕聚合物制动器。
图19C至图19D显示了由具有常规纱线作为芯纤维的分段式心轴盘绕致动器制成的与图19A至图19B相似的织物。
图20A显示了间隔织物，其中，两个织物层通过同手性心轴盘绕致动器连接。
图20B至图20C分别显示了该织物处于初始状态和致动状态的横截面。
图21A至图21B分别显示了以初始和致动状态描绘的间隔织物，其中两个织物层通过异手性心轴盘绕致动器连接。
图22A至图22E显示了通过同手性和异手性心轴盘绕致动器生产的变形织造织物。图22A显示了该变形织造织物的表面视图。图22B至图22D显示了该织物的变形阶段。图22E显示了该织造织物的图案报告。
图23A至图23B分别显示了处于初始状态和致动状态的变形针织织物。
图23C是显示图23A至图23B中所示织物结构的图。
图24A至图24B分别显示了在初始状态和激活状态下的通过将扭转聚合物肌肉包埋在硅橡胶补片内制成的复合补片。
图24C是显示图24A至图24B中所示复合补片(patch)的结构的图。
图25A至图25C分别显示了在初始状态下和不同加热时通过分段中有色的扭转聚合物肌肉制成的变色纤维面板。
图26A至图26C显示了变形织物的卷起阶段。该织物是通过合适的技术(例如缝合、粘合、熔合或刺绣)将聚合物致动器集成到织物表面上而制成的。
图27A至图27B显示了变形织物的折叠阶段。该织物是通过合适的技术(例如缝合、粘合、熔合或刺绣)将聚合物致动器集成到织物表面上而制成的。
图28A至图28B显示可以变形以改变其孔隙率、蓬松度和纹理的织物。
图29是图28A至图28B的织物的俯视视图。
图30A至图30B显示了使用多层纺织品通过使用致动来打开和关闭通道，以使每层中的孔对准和不对准。
图31A至图31B显示出使用包含数个单独盘绕致动器的绒头结构以响应温度改变结构的直径和孔隙率。
图32绘制了用于表征盘绕致动器的多个重要参数，例如纤维直径(3200)、线圈间距(3201)和线圈直径(3202)。
图33A至图33B显示出了沿长度方向具有可变线圈直径的线圈的形成。
图34A至图34E显示出图33中的线圈在(A)30℃、(B)50℃、(C)70℃、(D)85℃和(E)105℃下热致动的图。
图35绘制了图33的线圈的热致动。
图36A至图36C显示出从同手性扭曲线圈到异手性扭曲线圈的扭曲诱发转换期间线圈几何形状的进程。
图37A至图37B显示了在高温退火之前(图37A)和之后(图37B)的同手性盘绕聚合物纤维。
图38A至图38B显示了在高温退火之前(图38A)和之后(图38B)的异手性盘绕聚合物纤维。
图39显示了异手性盘绕聚合物纤维在不同温度下的应力-应变曲线，即(A)20℃(曲线3901)、(B)25℃(曲线3902)、(C)30℃(曲线3903)、(D)35℃(曲线3904)、(E)40℃(曲线3905)、(F)45℃(曲线3906)，(G)50℃(曲线3907)和(H)55℃(曲线3908)。图39的图表还反映了高模量区域3903和低模量区域3904。
具体实施方式
本发明包括织造、针织和非织造致动织物，其通过使用聚合物纤维或聚合物混合纤维扭转和拉伸致动器，可以响应温度变化或湿度变化来控制其孔隙率、形状、纹理、蓬松度、或颜色。为了本发明的目的，术语“纤维”包括纤维以及纤维组件，例如在纱线中发现的那些。然而，术语“纱线”保留其作为纤维组件的普通定义。“扭曲(的)”纤维定义为扭曲但不盘绕的纤维。“扭曲纤维致动器”被定义为扭曲的纤维，其能够响应湿度或温度的变化可逆地进行扭转旋转，提供扭转指数至少TRD＝0.2°，其中，TR是以度/米为单位的扭转致动，并且D是平均纤维直径。在一些实施方式中，扭转纤维致动器包含具有捻度的纤维，其中(a)每单位长度的捻度乘以(b)纤维平均直径的乘积至少为50°，并且在一些其他实施方式中至少为90°。
“盘绕(的)”纤维定义为一种包含以螺旋结构设置的扭曲纤维的纤维。“盘绕纤维致动器”定义为能够响应水分或温度或变化可逆地进行长度变化，该变化超过其非致动盘绕长度的8％。在一些实施方式中，盘绕纤维致动器包含扭曲纤维，该扭曲纤维包括具有捻度的纤维，其中(a)每单位长度的捻度乘以(b)纤维平均直径的乘积至少为50°，并且在一些其他实施方式中至少为90°。
“自盘绕”纤维是通过在不使用心轴的情况下在张力下将扭曲***扭曲纤维所产生的盘绕纤维。本文中的“心轴盘绕”纤维定义为通过将扭曲纤维缠绕在心轴周围所产生的盘绕纤维。“螺旋”盘绕纤维是一种盘绕纤维，其中，纤维扭曲和盘绕螺旋性的手性具有相同旋向性(handedness)，“异手性”盘绕纤维是其中纤维扭曲和盘绕螺旋性的手性具有相反的旋向性。“混合纱线”和“混合纤维”在本文中定义为渗入有致动客体材料的扭曲纱线或纤维(视情况而定)。“扭曲混合纱线致动器”是一种混合纱线，其响应温度或水分变化产生了提供至少TRD＝0.1°的扭转指数的扭转致动。“盘绕混合纱线”定义为一种包含以螺旋结构设置的扭曲混合纱线的纱线。“盘绕混合纱线致动器”定义为能够响应温度或水分变化可逆地经历长度变化，该变化超过其非致动盘绕长度的4％。
应当理解，在这些发明实施方式中，致动纤维可以是混合纱线(即，渗透有致动客体材料的加捻纱线)、或者无需包含致动客体的扭曲或盘绕纤维。
我们从低成本、高强度的纤维-通常用作钓鱼线或缝纫线开始。商业生产的聚乙烯和尼龙纤维是重要的肌肉前体，因为它们结合了纤维方向的可逆热收缩，大体积热扩展和热诱导尺寸变化中的大各向异性，以提供增强的肌肉冲程(muscle stroke)。
将扭曲***这些聚合物纤维以使得它们成为手性，这使得它们能起到扭转肌肉的作用。最重要的是，我们通过***如此大量的扭曲来大大放大拉伸冲程，使得一些扭曲转化为纤维盘绕，称为扭动(writhe)。通过使得纤维完全盘绕，获得了超过人体骨骼肌最大体内冲程(-20％)的拉伸收缩。这种盘绕比用于放大形状记忆金属线的冲程的那些更紧凑，从而提供了比NiTi线圈(-1.6MPa)报告的更高的应力(对于尼龙为19MPa)的收缩，其中应力通过归一化为非致动线圈的横截面积来获得。这种聚合物肌肉的弹簧指数(C)，即，平均线圈直径与纤维直径之比可小于1.7，而对于NiTi线圈，该比例超过3.0。
在自盘绕(即，无心轴盘绕)期间施加的重量是重要的，并且对于给定的纤维可在窄范围内调节——重量太小，纤维在***扭曲期间缠结，而重量太重，纤维会断裂。例如，对于127μm直径的尼龙6,6缝纫线，在盘绕期间的负载可以在10MPa至35MPa之间变化，产生弹簧指数分别为1.7至1.1之间的线圈。
在自盘绕(如果所***的扭曲仅在一个方向上则产生同手性纤维)之后，相邻的线圈立即接触，限制致动期间的收缩，并且必须通过增加拉伸载荷或减少扭曲来分离。另外，同样制造的异手性线圈聚合物纤维致动器必须处于压缩载荷下，以通过纤维扩展提供可用的致动。发明人已经发现通过在高于临界温度下对自盘绕的同手性纤维进行热退火，同时进行定位栓系和扭转栓系，所得的聚合物纤维在室温下具有良好分隔的线圈。这意味着经退火的自盘绕同手性纤维肌肉可以在纺织品中提供大冲程、可逆致动，而不需要对纺织品施加任何负荷。而且，使用如同手性纤维肌肉中所用的热退火条件，发明人发现不需要向已经适当退火的异手性盘绕聚合物纤维肌肉施加压缩载荷。
该热退火工艺还消除了限制使用聚合物纤维肌肉作为纺织品中的致动元件的另一个重要问题：如此制造的扭曲或盘绕聚合物纤维肌肉必须进行扭转栓系以提供可逆致动。该热退火过程应在高于临界温度且低于聚合物的熔融温度下进行，以实现盘绕肌肉的大冲程致动、以及消除对扭转拴系的需要。实现这些优点所需的临界温度取决于用于聚合物纤维致动器的聚合物。例如，对于尼龙6，该临界温度为160℃，对于尼龙6,6，该临界温度为180℃。基于该发现的认知，同手性盘绕聚合物纤维可以提供大收缩冲程而不施加拉伸载荷，并且异手性盘绕聚合物纤维可以有效致动而不施加压缩载荷，本领域技术人员将能够应用该技术与其它聚合物。
如果从纤维端部进行扭曲***，则将扭曲***单根光纤中是昂贵的。然而，发明人已经发现可以使用假捻来制造人造肌肉纤维，该人造肌肉维包含具有大量相反手性方向扭曲的纤维段。为了实现上述目的，可以沿纤维长度将扭曲***一个或多个位置。该扭转***点一侧上的纤维长度具有左旋扭曲(left-handed twist)，而另一侧上的纤维长度具有右旋扭曲(right-handed twist)。除非做一些特别处理，否则左旋扭曲和右旋扭曲将在制造期间或之后大幅抵消。该特殊处理是在致动器制造期间将假捻的***与热退火结合。
以前不可能使用自盘绕工艺(即，不使用心轴)制造异手性盘绕聚合物纤维。该异手性盘绕聚合物纤维肌肉对于在温度升高期间提高纺织品孔隙率特别有效。另外，使用心轴盘绕来制造异手性盘绕聚合物纤维肌肉是昂贵的，并且限制了所得到的盘绕聚合物纤维肌肉的结构。更具体地，盘绕聚合物纤维肌肉的弹簧指数对于确定致动器性能是重要的，并且使用心轴盘绕不能获得在致动期间产生高机械力所需的小弹簧指数。发明人已经发现可以使用自盘绕来制造小弹簧指数的异手性盘绕聚合物纤维肌肉。为实现此目的，使用如下方法：(1)将扭曲***聚合物纤维中，直至发生部分或完全盘绕；(2)所得结构在高于或低于上述临界温度的温度下进行热退火，同时进行定位拴系和扭转拴系；以及(3)将反向扭曲***经退火的聚合物纤维中，直至将同手性线圈至少部分转换成异手性线圈。此后，所得聚合物纤维致动器可任选地在高于或低于临界温度的温度下进行热退火，同时定位拴系和扭转拴系。
混合纱线致动器对于发明实施方式也是重要的。这些混合纱线致动器包括含有体积变化客体的扭曲纱线或盘绕纱线。纱线纤维可以是聚合的或非聚合的，例如碳纳米管。用于对这些肌肉进行扭曲和盘绕的方法类似于扭曲和盘绕的纤维肌肉所描述的方法。客体的选择对于确定肌肉反应至关重要。例如，可以通过选择随温度变化具有很小体积变化的聚合物客体或者在一个或多个相变处改变体积的聚合物客体来实现在宽温度范围或窄温度范围内的热致动。类似地，响应水或汗水的高冲程致动由适当选择的纱线客体[Kim 2015]导致。用于湿度响应指示剂的特别有效的纱线客体的示例包括形成水凝胶和吸湿材料的客体。
根据应用，纺织品孔隙率应在温度升高或暴露于湿气时而增加或减少。例如，舒适调整型纺织品可通过增加孔隙率来有效地响应温度升高。类似地，汗水响应纺织品可以由于水气吸收有效提高孔隙率。另一方面，用于保护急救人员免受化学或火灾危害的纺织品可在存在化学或热危害时有效地降低孔隙率。类似地，用于农业目的的技术纺织品可以有效地降低孔隙率以在被太阳加热时阻碍水蒸发。在另一示例中，降落伞中的电热加热纺织品可以设计成在加热时增加或降低孔隙率。
当加热时，同手性致动器收缩，并且异手性纤维扩展。发明人将描述通过使用随着温度升高而长度增加或减少的聚合物纤维肌肉使得孔隙率随着温度升高而增加的纺织品结构。
类似地，本发明人已经获得了通过使用随温度升高而长度增加或减少的聚合物纤维肌肉使得孔隙率随着温度升高而降低的织物结构。
经历颜色变化的织物是众所周知的，但通常使用热致变色或水分响应颜料。发明人将在本文中描述由聚合物纤维肌肉的致动可以提供颜色变化以及纺织品外观和纹理的其它变化的方法。
纺织品结构
公开了本发明的纺织品结构，包括能够响应温度或水分变化而改变孔隙率、形状、纹理、蓬松度或色泽的那些纺织品结构。发明实施方式适用于各种纺织品结构，包括织造、针织、编织、非织造的纺织品结构。另外，这些纺织品结构可以使用多种工艺(例如包括刺绣，缝合和粘合)的组合来制造。然而，对于所有这些发明实施方式，响应温度或水分变化的致动由聚合物纤维致动器或混合纤维致动器提供，其制备已在上文进行了描述。
图1A显示了通过自盘绕尼龙6,6单纤丝制成的拉伸人造肌肉。图1B显示了通过自盘绕银涂覆尼龙6.6纱线制成的拉伸人造肌肉。该拉伸聚合物纤维致动器可在加热时收缩高达20％。因此，如果该聚合物纤维致动器在平纹织造纺织品中以纬向方向和经向方向进行制造，则该致动将使得纺织品孔隙率降低高达36％。
图1C显示了心轴盘绕的人造肌纤维，其通过将高度扭曲的尼龙6,6单纤丝缠绕在心轴上然后使该盘绕的聚合物纤维退火而制成。
图2显示了通过将尼龙6,6纱线高度扭曲到恰好低于自盘绕开始的点所制成的扭转人造肌肉。
图3A至图3F分别显示了初始状态和热致动状态下的复合纤维的示例性实施方式。图3A、3C和3E是处于初始状态的纤维。图3B、3D和3F分别是处于致动状态的图3A、3C和3E的纤维。聚合物纤维致动器301围绕直的弹性(芯)纤维302螺旋缠绕。螺旋缠绕的聚合物纤维的致动导致芯纤维屈曲。如果将该纤维结构纳入到纺织品中，该屈曲将会使得纺织品的孔隙率增加。因此，纺织品温度下降将会使得纺织品孔隙率下降。在图3A和3B以及图3C和3D的实施例中，致动纤维是自盘绕的。如图3E和图3F所示的比较例显示了当致动纤维高度扭曲但未盘绕时的相同的屈曲过程结果。图3G是可操作以使芯纱线(高孔隙率的芯纱线304)致密化的致动纤维(聚合物纤维制动器303)的热收缩的图。如果将该芯纱线纳入到纺织品中，纱线致密化将会使得纺织品的孔隙率增加。
图4A显示了纱线结构的一个示例性实施方式，该纱线结构可用于织物的孔隙率控制而基本上不改变该织物的整体宽度或长度。在该实施例中，芯致动纱线支撑了雪尼尔结构的翼(绒头)然而，在更常规的实施方式中，致动纱线不一定是雪尼尔结构的芯纱线，而是可以通过致动来旋转被动雪尼尔纱线以改变孔隙率。虽然雪尼尔结构通常被定义为通过将长度短的绒头纱线放置在两根芯纱之间然后将纱线扭合在一起而制造的纱线，但在本发明实施方式中，雪尼尔结构(或等效地，翼基结构)定义为包含翼(无论这些翼是否是纱线结构)的任意纱线支撑结构。此外，在该更常规的定义中，翼不需要在纱线两侧延伸。
图4A-B中的该雪尼尔纱线结构的一个示例由芯纱401组成，其通过将聚合物纤维扭转致动器403与单纤丝纱线404一起扭曲，同时由芯纱401锁定到纱线主体中的翼(或绒头)纱线402以使它们垂直于纱线轴放置的方式定位。响应温度变化，制动器围绕纱线轴旋转，使得绒头纱线转向以打开孔隙。
上述芯致动纱线使雪尼尔结构的翼旋转，以根据温度打开或关闭孔隙。在需要最高程度隔热的温度下，应尽量降低雪尼尔结构的孔隙率。当温度升高到高于这些温度时，雪尼尔结构的翼会旋转，以打开孔隙。因此，温度降低也不会使得孔隙打开，对纺织品织法进行选择以阻止翼旋转超过完全闭合状态。此外，在一些实施方式中，致动芯纱线包含具有相反旋向性的热固化段，以使得其在热或湿度驱动致动期间沿相反方向旋转。
某些类别的应用并不需要使用上述不希望翼旋转的阻挡。该应用的一个示例是使用致动的雪尼尔结构来控制包含药物产品的包装的热隔离，所述药品既不应冷冻也不应暴露于过高的温度。图4A-B的绒头纱线可以垂直放置，以在所需温度下提供对应于最小隔离的最大孔隙率。更高或更低的温度通过使得这些绒头纱线旋转以增加隔离来提供降低的孔隙率。在该实施方式的变体中，可以纳入绒头纱线，使得翼从芯纱线不对称地延伸，并且相邻的绒头纱线以小于翼长度的间隔进行定位，使得翼片在超过低温和高温时都在关闭位置进行阻挡。在这些极端温度之间的温度，翼片旋转以打开孔隙。在其它实施方式中，相邻的雪尼尔纱线的翼的旋转手性可以是相反的，使得当温度超过或低于目标温度时，相反方向的旋转在打开或关闭位置提供了阻挡。
图4B的示意性翼型纱线可以是非致动的雪尼尔纱线，其通过响应温度变化或水分摄取的纤维扭转致动而旋转。或者，如果芯纱线由响应温度升高而解扭的扭转致动纤维制成，则当经受均匀的温度变化时纱线将不会旋转，但是单个段操作性地响应纱线的不均匀加热而旋转。当需要翼型纱线的芯纤维响应均匀的温度变化而旋转时，可以使用非均匀扭转来纳入芯纤维，例如通过使用交替的S型和Z型手性纤维段。
图4C-4D显示了翼型纤维结构，其中翼的热引发致动或水分引发致动引起纺织品孔隙率的所需变化，而无需迫使纺织品宽度或长度改变。在本发明的实施方式中，纤维405的翼响应温度变化或水分摄取而经历尺寸变化，并且纤维405的芯部分可以可选地是非致动的。出于美观目的，翼可包括致动纤维406和非致动纤维407。在图4C中，致动纤维406是同手性心轴致动器，非致动纤维407是普通纱线。在图4D中，致动纤维406是具有普通芯纱线的同手性心轴致动器，非致动纤维407是普通纱线。
图4E显示了翼型纤维结构409，其具有聚合物致动器410、接结纱线(bindingyarn)411和芯纱412，其中，翼包括响应温度变化或水分摄取而致动的纤维环。这种改变纺织品孔隙率的致动可能涉及环尺寸和/或环旋转的变化。图4F显示了翼型纤维结构413(其具有聚合物致动器410、接结纱线411和芯纱线412)的相关实施方式，其中，纤维翼正在致动以在翼尺寸和/或翼旋转产生变化，从而改变纳入有翼型纤维结构的纺织品的孔隙率。
图5A显示了翼型复合纤维，其中，扭转纤维致动器501周期性连接到带状纤维502。对扭转纤维致动器501进行分段，使得相邻的带状段具有相反的手性(S型和Z型)，并且带状纤维和致动手性分段纤维之间的连接点全部以S型-Z型连接或全部以Z型-S型连接、而不是这两种连接的混合来制备的。由于这种连接结构和相邻致动器段的相反手性，在温度变化或水分吸收期间，带状物沿一个方向均匀地旋转，由此打开或关闭纺织品中的孔隙。沿着经向致动纤维的长度使用由多个翼组成的分段式带状物使得该结构能够被织造为具有在翼之间相交的纬纱的织物。在不使用阻挡机制的情况下，如图4的讨论中所描述的那样，孔隙率增加是由温度相对于导致纺织品中所有带状物平行的温度升高或降低引起的。虽然这样的操作可用于将产品保持在固定温度，但更常规的是希望孔隙率以相反方向改变，从而升高和降低温度。因此，对于这些实施方式，例如用于舒适调整型纺织品或防护型纺织品，需要使用用于带状物旋转的阻挡机制，类似于雪尼尔纱线所描述的那些。与本文所述的用于使用扭转旋转以改变纺织品孔隙率的其它方法类似，纺织品中的本发明纤维的旋转可用于改变纺织品颜色和整体外观。
图5B-5D显示了通过组合聚合物纤维拉伸致动器503和弹性体纱线504制成的复合纱线。在该示例中，致动器以规律间隔505粘合到弹性体纱线上当温度升高时致动器收缩以引起弹性体纤维屈曲，以打开织物的孔、或改变织物的厚度。
图14A-14B显示出可以称为带状物(或扁丝(tape yarn))的纱线类型。该窄的织造织物(即，图14A-14B中的带状物)可以响应水分吸收或温度的变化以控制纺织品孔隙率。图14A显示了非致动状态的织造带状物，其中同手性盘绕聚合物纤维致动器(聚合物纤维致动器1401)在该材料宽度(纬向方向)上被织入带状物的非致动材料(被动纤维1402)中。当加热时，这些盘绕的致动器如图14B所示进行收缩，可逆地减小了带状物的宽度而保持其长度不变。
图14A-14B的带状物本身是通过窄织机(narrow weaving machine)产生的织造结构。带状物包括作为纬纱(1401)的同手性致动器，其导致在希斯施加(heath application)时带状物宽度的减小而不改变带状物长度。这对应于具有圆形截面的常规纱线直径减小。由于致动器仅在带状物中沿纬向方向设置，因此预期带状物长度不会改变。这为所得织物提供了孔隙率的增加而不改变其整体尺寸。
在织物中，该致动带状物可以与纬向或/和径向方向上的非致动带状物一起使用或者不一起使用。如下文所讨论的，图16A-16D显示出图14A-14B的致动带状物与非致动带状纱线一起使用。
图6A至图6B分别显示了处于其初始状态和致动状态的多纤丝致动器。
所述纱线可以随水分吸收或温度的变化通过扭曲或解扭来改变其直径。该致动器通过使用聚合物多纤丝纱线生产。该纱线进行盘绕，随后热退火以部分固定盘绕结构。
然后，盘绕结构解扭，直至线圈消失并随后以相反手性再次出现。最后，该盘绕的纱线进行第二次热退火以部分固定反向盘绕的结构，然后解扭至线圈被完全去除并且所得的纱线包含非常少扭曲的程度。该纱线处理通常可适用于用于制备人造肌肉的聚合物纤维，并且还已经证明用于市售可得的尼龙6,6纱线(Shieldex)，其中纱线内的单个纤维涂覆有银。将上述处理应用于Shieldex纱线会得到在加热过程中使得直径可逆地改变20％的致动纱线。对于包含该致动纱线的纺织品，该纱线直径减少20％使得热产生的可逆孔隙率增加高达36％。
图7A至7D显示出具有相反手性的纤维可以松散地合股在一起，以制备当受热或暴露于湿气时直径减小的纱线。图7A显示了与Z型扭曲尼龙6,6聚合物纤维致动器松散合股的S型扭曲尼龙6,6聚合物纤维致动器的非热致动状态，并且图7B显示了其热致动状态。图7C和图7D是分别是图7A至图7B中所画结构的示意性图，其中，700是合股纱线，并且701和702是具有相反手性的纤维。温度升高导致纱线中的致动器在长度上收缩，并且沿相反方向旋转，因此使得合股纱线的直径下降。在温度升高期间的该直径下降可以用于提高含有双合股致动聚合物纤维的纺织品的孔隙率。
实现本发明实施方式的关键方面是在致动聚合物纤维之间存在松散的合股。因此，本发明的实施方式可以独立于致动纤维的手性和合股在一起的致动纤维的数量来实施。然而，如果纱线中的所有致动纤维具有相同的手性，并且使用该手性合股在一起，当温度升高或水分含量升高时纱线直径将会增加，由此使得纳入有该纱线的纺织品的孔隙率下降。相反，如果纱线中的所有致动纤维具有相同的手性，并且合股的手性与致动纤维手性相反，随着纱线中温度升高或水分含量升高，合股的纱线的直径将会下降。对于这些温度升高或水分增加导致纱线直径增加的实施方式，合股纱线的非致动状态不必松散地合股。
本发明下一个实施方式描述了描述了一种复合纤维结构，其中盘绕聚合物纤维致动器支撑在芯纤维上。图8A-8D显示了通过将芯纤维803***心轴致动器而制成的复合纱线(分别是801和804)。心轴致动器可以用作连续心轴致动器(例如图8A中的同手性心轴致动器804)，也可以分段形式(例如图8B中的分段式心轴致动器805)使用。如果产品中需要传导或电热致动，则芯纤维可以是任何聚合物单丝或导线如铜线。图8C至图8D显示了具有非致动芯纱线的相同类型的纱线。
图9A显示了在经向方向和纬向方向上使用同手性聚合物纤维致动器织造的织物。当温度升高时，这些同手性致动器收缩并解扭，降低了所得织物的孔隙率，如图9B所示。随后温度降低导致孔隙率增加到至其初始状态。图9C至9D是分别对应于图9A和9B中所示织物结构的图。
孔隙率变化通过如下等式限定：
Figure BDA0001872728590000271
其中，Afl是初始状态下孔的投影面积，Af2是致动状态下孔的投影面积。在图9A至9B所示织物中，当织物受热时孔隙率下降26％。
图10A显示了使用同手性心轴-盘绕致动器1002作为经向纤维的平纹织造织物1001的示例性实施方式。随着温度升高，织物中致动器收缩，导致纺织品孔隙率下降高达88％，如图10B所示。
图10C显示了通过使用异手性心轴-盘绕致动器1004作为纬向纤维所制造的类似平纹织造织物1003。随着温度升高，致动器沿纬向方向扩展，导致纺织品孔隙率下降高达88％，如图10D所示。
图10E显示了特定织物结构，纱罗织法，其通过使用平行纬向的同手性心轴盘绕致动器产生，所述致动器穿过成对的非致动经向纤维，如图10G(显示了心轴盘绕致动器1005)所示。随着温度升高，致动器收缩，导致织物孔隙率显著下降(高达50％)，如图10F所示。
致动纤维可以响应水分吸收或温度的变化，以打开或关闭纺织品中的孔。然而，通常不希望这种孔隙率变化引起纺织品整体宽度或长度的相应变化。通过使纺织品区域进行致动以改变形状，例如通过改变区域的宽度，但至少在一个方向基本保持不变，可以避免在致动期间纺织品宽度或长度的这种变化。例如，图15A至图15H和图16A至图16F中的示例显示了纺织品，其中将同手性心轴盘绕纤维致动器织造到纺织品区域和纺织品结构中，以使这些织造元件在温度升高时沿着致动纤维的方向收缩。在该纺织品元件中，垂直于致动纤维的方向是实际定义整个纺织品宽度和长度的方向，并且在致动期间不会改变。
进行致动以改变其宽度或长度的纺织品元件可以纳入非致动纺织品框架中以响应水分吸收或温度的变化来打开或关闭孔，但不改变纺织品的整体宽度或整体长度。将致动纺织品元件(例如致动带状物)纳入到非致动纺织品中的方法包括经编针织、纬编针织、织造、缝合、粘合、编织等。
图15A至图15B显示了由非致动区域和致动区域组成的织造织物。图15C至图15D显示了图15A至图15B的纺织品构造和致动机理。致动区域位于纺织品的中部，并且包含两个单独的元件，所述元件通过将作为纬纱的心轴盘绕聚合物纤维致动器(聚合物纤维致动器1501)以及非致动经纱(被动纤维1502)一起进行织造而制成。
在室温下，该两个致动纺织品元件是平行的，并且彼此接触。当温度升高时，图15A和15C中的同手性盘绕纬纱进行致动以打开两个纺织品元件之间的孔，如图15B和15D所示。
利用宽度变化元件引起孔隙率可逆变化而不改变整个织物宽度或长度的其它优选实施方式显示于图15E至图15H中，其也具有聚合物纤维致动器1501和被动纤维1502。图15G至图15H所示纺织品结构还显示了粘合纤维1503。
图15E和图15G的初始纺织品结构随着温度或水分吸收提高，通过增加纺织品内现有孔的尺寸(如图15F所示)或通过在纺织品内形成新的孔(如图15H所示)来提高孔隙率。类似的结构也可以使用异手性盘绕聚合物纤维致动器来制造，以实现随着温度或水分吸收提高而使孔隙率下降，例如在所需应用中提供更多的遮蔽或屏蔽。
应该理解的是，在这些实施方式中，致动区域不需要是矩形的。本领域技术人员可以容易地制造不同形状的致动区域和所产生的不同形状的孔，例如，通过选择不同的织造、缝合、针织、或编织图案以纳入聚合物纤维致动器来进行。
图16A至图16D显示了通过在纺织品的纬向方向和径向方向中使用带状窄织造织物(类似于图14A至图14B中)所设计的纺织品，即，径向方向中为带状窄织物1601(织物1601通过在纬向方向中使用聚合物致动器来织造)，并且纬向方向中为带状窄织物1602(织物1602通过在纬向方向中使用聚合物致动器来织造)。图16A至图16D的纺织品还包含非致动带状窄织物、带状物纤维、或纱线1603。
织造这些带状物，从而在带状物的宽度上沿纬相方向纳入同手性心轴螺旋致动器。这些单独的带状物用作可以通过响应水分吸收或温度的变化进行致动来改变其宽度而基本不改变带状物长度的元件。通过将两个这样的带状物织造到纺织品中(如图16A和图16C所示，所得到的纺织品可以响应于温度升高而提高其孔隙率，如图16B和图16D所示。这通过以下方式实现：每个组成带状物的宽度减小，以打开织物内的孔，同时带状物长度保持不变，从而防止在致动期间纺织品的整体宽度或长度发生变化。当温度下降时，纺织品恢复其原始的低孔隙率状态。
完全由这种致动带状物制成的织造纺织品显示于图16E至图16F(在经向方向上具有致动带状物1604并且在纬向方向上具有致动带状物1605，以及聚合物纤维致动器1606)。图16E至图16F中所示的该织造纺织品将类似地进行致动以改变孔隙率，而不改变整体纺织品宽度或纺织品长度。带状物也可以使用异手性盘绕纤维致动器制造，该异手性盘绕纤维致动器响应温度升高或水分吸收而扩展，例如提供增加隔离以屏蔽极端温度的智能包装。
为了本发明的目的，应理解致动纤维可以是纺织品结构的元件，其本身织造、编织、针织、或以其它方式构造为更大的致动纺织品元件。例如，带状纺织品可以有效地以平纹织造织结构进行织造，以提供改变孔隙的纺织品。
图11A和图11C显示了使用图3A至图3F的讨论中所描述的复合纱线进行设计的织物的示例性实施方式。图11A中，致动器在温度升高期间围绕其轴旋转(解扭)并收缩，而图11C中，致动器在温度升高期间主要解扭，导致螺旋直径减小，迫使芯纤维屈曲。这导致致动织物中孔隙率更高，如图11B和图11D所示。当温度下降时，致动逆转，导致芯纤维松弛回到其初始的直线位置。当温度升高时，图11A至图11B的孔隙率增加为约6％。当温度升高时，图11C至图11D的孔隙率增加为约35％。
图12A显示了使用雪尼尔翼型纱线1201制成的织物的示例性实施方式，其可用于织物中的孔隙率控制而不改变织物的整体宽度或长度。这些翼型纱线1201包含含有扭转致动器403和扭曲在一起的单纤丝纱线404的芯纱线1202(参见图4B)，其可以进行致动以使得翼旋转，从而响应水分吸收或温度的变化来改变的孔隙率，见图12B。随着温度下降，这些纱线可以回到其初始位置。用于该示例的致动纤维优选是分段式的，使得交替的段逆转手性，如图4A至图4B所示，从而使得翼一致地旋转。或者，与图示雪尼尔纱线的末端连接的扭转致动纤维可以用于引起图12B的旋转。
本文限定的“角孔隙率变化”取决于纤维翼的旋转角度(α)，并由下式限定：
角孔隙率变化(％)＝(l-(cos(α))x100 [2]
其中，α是织物平面中纤维翼响应温度或所吸收水分变化的旋转角度。在纺织品中的唯一元件是非重叠的翼型致动元件，并且纤维翼的尺寸在纤维致动期间不变，角孔隙率等于先前限定的孔隙率变化。
对于图12A至图12B中所示的纱线，织物平面中纱线的旋转角度为约30°，产生约13％的角孔隙率变化。这些复合纱线可以用于织物中的孔隙率变化而不改变织物的整体宽度或整体长度。
图13A至图13B显示了由图4C所示的致动翼型纱线制成的织物，其中，致动导致翼形状的变化(即，花式纱线1301具有同手性心轴致动器作为绒头)。当温度升高时，这些异型纱线的绒头收缩，导致孔隙率增加约33％。
图13C至图13D显示出使用与如图4D中所示翼型纱线类似类型的纱线制备的织物的示例性实施方式，其中，同手性心轴盘绕致动器在非致动芯纤维外(即，翼型纱线1302具有围绕非致动纱线的同手性心轴盘绕致动器)。该纺织品结构在温度升高时提供了约45％的织物孔隙率升高。这些类型的致动织物可用于织物中的温度响应型或湿度响应型孔隙率控制，但不改变织物的整体长度或整体宽度。
使用响应温度变化或水分摄取而改变直径的纤维允许纺织品结构孔隙率改变而不会使整个纺织品长度或宽度发生显著变化。图17A至图17B显示了针织纺织品1701的示意图，其中，针织纺织品1701中纤维1702的直径变化引起纺织品中总孔隙率的变化。图17B反应了图17A所示的纤维1702直径下降(与纤维1702的直径相比)。
图17C至图17D显示了将图6A至图7D所述纤维结构用于改变孔隙率的纺织品的示例。这些纺织品(具有非致动器纤维1703和聚合物纤维致动器1704)通过随着温度升高或水分吸收而减小纱线直径来改变其孔隙率。图17C和图17D分别显示了温度升高之前和之后的纺织品结构。致动纱线可用于针织结构或，或用作织造纺织品中的纬纱或纬纱，或纬纱和经纱。
图18A至图18C显示出马利莫型结构的应用，以提供改变孔隙率的纺织品。在马利莫型纺织品结构中，纱线不是交织的。相反，纺织品一层中的平行纤维与第二纺织品层中的平行纤维粘合，以提供纺织品的机械稳定性。不同于使用粘合剂连接这些不同层中的这些纤维，第三纤维可以提供该机械连接。虽然一个纤维层相对于第二纤维层的取向方向不需要是正交的，但是本图显示了存在该正交的情况。该织物由同手性心轴盘绕致动器1803的两个垂直层(1801和1802)组成。然后，这两个层粘合在一起以使结构机械稳定。图18A和图18B分别显示了温度升高之前和之后的纺织品结构。在温度升高时同手性纤维盘绕致动器收缩，这会使得纺织品孔隙率下降。为了随着温度升高获得升高的纺织品孔隙率，可以使用异手性纤维致动器替代同手性致动器使用。图18C是图18A至图18B的马利莫织物的图，其具有顶层聚合物致动器1804、聚合物致动器1805的底层以及结合纱线1806。
图19A至图19D显示出由分段式同手性心轴盘绕致动器1901与纤丝芯1902制成的纺织品1900(并且，图8B和8D中更容易地显示了同手性心轴盘绕致动器1901的分段)。在这些实施方式中，同手性心轴盘绕致动器1901被切割为长度短的段并且围绕纤维放置，所述纤维在图19A和19B中是铜丝1903，并且在图19C和19D中是红色非致动纱线1904。
图19A和图19B分别显示了在热致动之前和期间的纺织品结构，其导致在温度升高时孔隙率增加75％而不改变整个纺织品的宽度或长度。图19C至图19D显示了类似的热致动以改变纺织品的孔隙率，其中，致动线圈由非致动聚合物纱线支撑。为了制造随着温度升高孔隙率下降的纺织品(其可以用作抑制蒸发的技术纺织品)，可以使用异手性心轴盘绕致动器替代同手性致动器。
图20A显示了间隔织物2000，其具有由同手性心轴盘绕致动器2001支撑的连接层。间隔织物的两层可以包括任何天然或人造纤维，尽管在本图中使用了黄麻纤维。在该实施方式中，致动纤维连接了间隔纺织品的层，但是并未以其它方式纳入到这些纺织品层中。更具体地说，为了使温度变化或水分吸收期间纺织品宽度和长度的变化最小化，优选将不大于10％的致动纤维长度纳入在间隔织物的任一纺织品层内。同样优选的是(为了使致动期间纺织品宽度和长度的变化都最小化)，致动纤维在迁移到第二纺织品层之前在纺织品层中经历不超过1次弯曲。图20B至图20C分别显示了在热致动之前和之后该织物2000的横截面图。随着温度升高，连接部分中的同手性心轴致动器显著收缩，由此使得织物背面和正面之间的间隔减小(高达50％)，如图20C所示。
图21A至图21B显示了另一类型的间隔织物的实施方式，其中，层通过异手性心轴盘绕致动器2101连接。图21A显示了初始状态的织物2100的横截面。随着温度升高，异手性心轴致动器2101扩展，使得织物背面和正面的之间的间隔(蓬松度)增加，如图21B所示。
三维(3D)织造和针织结构也可以通过在纺织品层上使用由拉伸聚合物致动器制成的纬纱和经纱以及连接纺织品层的纤维来生产。这使得基于3D织造或针织纺织品的结构和复合材料能够响应温度变化或水分吸收而呈现出体积扩展或收缩。
在下一个本发明实施方式中提供了单层纺织品，其由于温度变化或水分摄取而在交替方向上进行弯曲。图22A至图22E显示了该实施方式的一个示例，图22A是由图22E所示的编织图案制成的变形织造织物。在图22E中，列表示作为纬纱位置的函数，同手性或异手性致动器是在纺织品的顶部还是底部。图22B至图22D显示出随纺织品编织的一部分的温度增加，弯曲致动的进程。弯曲方向优选在分别转向相邻部(变形织物2200)时反转，如前表面图和侧视图。图22E显示了该织造织物的图案报告。图22B至图22D显示了当温度升高时该变形织物的弯曲位置。应注意，蓝色非致动纱线2201仅提供用于编织的框架，其不需要纳入到最终的纺织品中。
图23A至图23B分别显示了处于初始状态和致动状态的变形针织织物2301。通过将致动器(更精细的聚合物致动器2302)经向***到3×3反针编织(purl)结构(具有非致动纤维2303)来制造该结构，如图23C所示。***的经纱由同手性心轴盘绕致动器制成，其在受热时收缩，这导致织物形状和形态的显著变化。
由致动纤维嵌入弹性体聚合物基质中所制成的复合结构可进行致动以引起复合材料的面内变形和面外变形。这可用于生产补片和致动元件，其能打开孔和翼片而不会使整个复合材料长度或宽度改变。图24A至图24B显示了使用硅橡胶和扭转致动纱线制成的复合补片的示例，其中硅橡胶叶片的扭转旋转通过具有相反扭曲手性的协同作用扭转致动器进行驱动，所述扭转致动器在每个叶片的中部进行连接，如图24C中示意性显示。如图24C所示，复合补片包括具有一个扭曲方向的致动聚合物纤维2401，具有相反扭曲方向的致动聚合物纤维2402或非致动纤维，以及嵌有聚合物纤维致动器的复合翼片2403。在温度升高时，这些致动纤维段经历相反的手性扭转旋转，其进行操作以使橡胶叶片沿相同方向扭曲，从而在不改变补片的整体长度或宽度的情况下产生孔隙。补片下的第二层也可用于提供颜色或其它美学变化，而不会导致纺织品在致动期间变得能透视。
该变化可以通过温度变化或通过水分吸收来驱动，例如，通过部分或完全包埋于复合物中的致动纤维来驱动。这些变化可以由纤维的扭转旋转、纤维长度上的拉伸变化、或导致复合物弯曲、扭曲和其它变形的组合引起。除了智能纺织品织物，该变化还可以用于实现泵、软机器人和由温度或湿度驱动的其它变形结构。
扭曲或盘绕纤维致动器可以纳入到纺织品中以通过调整有色和/或半透明元件的位置来改变其色泽或外观。或者，该颜色或外观变化可以通过致动纤维来实现，所述致动纤维使结构性有色元件变形，所述结构性有色元件以微米级或纳米级进行图案化来得到它们的颜色。图25A至图25C显示出使用不同色泽聚合物扭转肌肉的变色纤维面板，其中，在半透明致动纤维的不同侧呈现不同颜色，如图25A所示。当整个面板上温度均匀的时候，面板显示出紫色，如图25B所示。当面板一侧的温度升高时，紫色纱线旋转以露出透明面板，如图25C所示。
这些纤维阵列可以任选地纳入到纺织品中，例如通过使用这些纤维作为制造结构内的经纱。通过使用长浮纱(float)(即，其中致动经线纤维不与纬线纤维交织的长肌肉长度)或通过使用与纬线纤维相比具有更大直径的致动经线纤维，可以使旋转摩擦阻碍最小化。或者，变色纤维可以包含扭曲的扭转致动段和非致动段，其中非致动段被织造为纺织品，致动段自由旋转。如果色泽位于致动纤维的一侧并且致动纤维在相对的两端进行扭转栓系，则该结构沿着致动变色纤维的长度响应温度梯度。这种对温度差异的响应可以用于将人体上的热量实时可视化，或者用于技术纺织品中进行热传导的显示器。或者，如果致动纤维包含具有相反手性的交替段，致动纤维阵列的色泽将取决于温度。
图26A至图26C显示出随温度升高能够弯曲或卷起的致动纺织品结构(变形织物2600)的实施方式。织物2600通过将同手性心轴盘绕聚合物纤维致动器2601缝合到织物表面2602上来生产。图26A显示出结构2600的初始状态，并且图26B至图26C显示出加热期间结构260的致动。这种可逆致动可用于变形纺织品，或提供整合到更大织物中的翼片，使得翼片响应水分或温度变化而向上弯曲从而暴露出孔隙，而整个更大的织物保持其原始长度和宽度。该聚合物致动器可以通过许多技术纳入到织物表面中，包括缝合、粘合、熔合或刺绣，并且在织物的相对侧上使用协同致动的同手性和异手性肌肉可以用于增加对水分吸收温度变化致动的灵敏度。
图27A至图27B显示了纺织品结构2700的实施方式，其可以通过随温度升高而折叠来进行变形。该织物通过将同手性心轴盘绕聚合物纤维致动器2701缝合到织物表面2702上来生产。图27A显示了该结构的初始状态，并且图27B显示了致动状态。致动是完全可逆的。
图28A至图28B显示了可以响应温度变化而变形以改变其孔隙率、蓬松度和纹理的织物2800。弹性扁平纱线2801和同手性盘绕聚合物致动器2802的组合以相反方向交替地弯曲以产生孔隙、纹理和蓬松度变化。图28A显示了该结构2800的初始状态，并且图28B显示了致动状态。随温度升高而获得的所得蓬松度变化约为90％，并且该变化是完全可逆的。图29是结构2800的俯视图。
致动的多层纺织品也可用于通过在致动期间使层的相对位置移动来改变织物的孔隙率或外观。例如，图30A至图30B显示了由两个织物层构成的纺织品的示例，织物层各自具有洞的规则阵列。该纺织品的基底层保持在适当位置。该纺织品的上层通过同手性盘绕聚合物纤维致动器在一个方向上进行连接，弹性纤维在另一个方向上进行连接，使得织物层在室温下移动为不对准，以阻挡穿过织物的孔，如图30A。
当受热时，聚合物纤维致动器收缩以使上织物层与基底层对齐，从而使得穿过织物的孔隙打开，如图30B所示。在该情况下，当受冷时，弹性纤维使得织物层回到其原始位置。
然而，可以通过端对端连接的成对的同手性和异手性盘绕纤维致动器来提供类似的功能，使得其连接点随着温度或湿度变化而改变位置，但整体长度不会改变。在需要极少致动的情况下，例如当各织物层中的孔较小时，或者当使用大冲程的心轴盘绕纤维致动器时，织物层可以通过长度短的致动纤维彼此连接以实现该效果。在致动期间需要较大位移以引起层移位的情况下，纤维可以在长的长度上在织物层之间进行连接，例如通过利用由袖子上或腰部周围的管状服装区域提供的长圆周路径来进行。
图31A至图31B显示了响应温度变化而改变其直径和孔隙率的纤维的示例。该纤维由多个高度扭曲的尼龙纤维构成，所述尼龙纤维已经退火以形成在各线圈之间具有大间距的小直径线圈。与通常具有更短线圈间距长度的普通盘绕纤维拉伸致动器相比，这些扭曲且盘绕的元件提供了减小的拉伸致动，但是反而提供了较大的响应温度变化的径向扩展。图31A中的结构由5个这样的大间距的同手性心轴盘绕纤维致动器组成，这些同手性心轴盘绕纤维致动器已经合股在一起以形成纱线。当受热时，该纱线的直径可逆地增加，如图31B，打开纱线内的内部体积和孔隙率。该变化可以用于控制智能纺织品中响应水分吸收或温度的变化的孔隙率。另外，该大间距盘绕纤维的闭合体积的变化可以用于控制保留在纱线中的水的量，或者，用于使泵和其它装置在直径上收缩或扩展，例如通过使用主动电热加热(active electrothermal heating)。
非均匀盘绕人造肌肉
图32绘制了盘绕致动器的多个重要参数，包括纤维直径(3200)、线圈间距(3201)和线圈直径(3202)。其它性能包括纤维扭曲和纤维盘绕的幅度和方向。用于制造盘绕致动器的普通方法可以产生不同的线圈几何结构，但是这些几何结构在致动器的长度上通常是均匀的。
图33B描绘了通过在图33A的螺旋模具中在真空环境下在180℃下对高度扭曲的绕线尼龙6单丝进行2小时高温退火而产生的非均匀线圈。绕线允许方便地进行纤维的电热加热以引起致动。尽管线圈最初在高温下退火为扁平形状，但是线圈在冷却期间的致动导致扁平结构伸长至其最终的室温长度。该所得线圈的锥形结构在盘绕纤维致动器的长度上以直径和间距长度变化，导致了与在其长度上具有恒定线圈直径的线圈显著不同的热致动。
图34A至图34E显示了图33B的线圈直径可变的致动器的致动。在30至70℃的初始加热期间(图34A至图34C)，线圈收缩，如传统的同手性线圈致动器所预期的那样。然而，与具有固定直径的传统同手性线圈致动器不同，该结构内的线圈能够彼此穿过，允许该结构收缩成扁平螺旋而不会受相邻线圈之间的接触阻挡。在超过70℃的较高温度下(图34D至图34E)，线圈反转，从同手性线圈切换为异手性线圈，并开始沿相反方向扩展。在冷却期间，过程相反，线圈初始缩短，然后在通过其中心反转后恢复其原始长度。
图35描绘了图33B的线圈直径可变致动器的致动与温度的函数。如图34A至34E所示，在加热期间，线圈初始缩短到接近零长度，并且在进一步加热时，线圈开始沿相反方向延长。还绘制了按照通过相对于在30℃下初始线圈长度的归一化所计算的致动应变。通过这种归一化，30℃和105℃之间的最大致动应变接近-200％。通过将应变归一化到可能的最小线圈长度(其是组成纤维的直径，-860μm)，超过+8000％和-8000％的拉伸应变将通过该线圈递送。
提供响应小温度变化的大可逆变化的这些非均匀线圈可以用作两个织物层之间的填充物，以根据温度变化来改变纺织品的厚度和隔离质量。类似地，线圈可以垂直连接至织物层，以提供最大的厚度变化，而不会引起响应温度变化或水分吸收的纺织品面积变化。尽管图33B的线圈初始以伸长的同手性状态开始，但是这些线圈也可以从在室温下的平坦位置开始，或者通过在该静止长度处阻挡线圈的机械约束，或者通过对具有不同约束的线圈进行退火以将其室温结构训练成任何需要的构造。这种在其长度上具有可变直径或间距的非均匀线圈还具有如下性质：其硬度可以在其应变范围内显著变化。这允许成对的非线性弹性致动纤维用于控制位置和硬度与两个纤维的温度支架内的关系，或者用于能够在冲击期间改变其硬度以提供减速的机械能吸收结构和纺织品。
除了改变性能，如线圈直径、线圈间距和沿着盘绕纤维致动器的长度的纤维扭曲之外，还可以制造次级盘绕结构，其中盘绕纤维本身形成为线圈。该次级盘绕可用于改变这些次级线圈的冲程，因为初级盘绕纤维可以提供比扭曲纤维更大的长度变化，这可以补偿或抵抗产生次级线圈的拉伸致动时的扭转致动。
虽然通过在张力下将扭转***纤维中可以容易地制造同手性盘绕纤维致动器，但是该方法不适合生产异手性盘绕纤维。因此，用于制造异手性线圈的方法是：(1)以一个手性使纤维高度扭曲，(2)以相反的手性将扭曲体缠绕在心轴上，以及(3)对心轴上的线圈进行退火以保持其形状。这种较长的过程很麻烦，并且使得其不容易大批量生产。作为生产具有相反扭曲和线圈手性的异手性盘绕纤维的替代方法，我们开发了一种方法，以通过使同手性纤维解扭将同手性盘绕纤维转变为异手性盘绕纤维，直到线圈自发地翻转成异手性排列。
图36A至图36C显示出在解扭期间紧密盘绕的同手性致动器产生异手性盘绕致动器的进程。在图36A中，紧密盘绕的尼龙纤维已经进行退火以保持其结构。图36B显示了在图36A的线圈解扭以使线圈翻转之后中部线圈的转换(如翻转传播箭头3601所示)。在图36C中，翻转过程已将初始S型手性线圈完全转换为Z型手性线圈。由于线圈在手性反转过程中失去扭曲，因此图36C的异手性致动器通常进行退火，然后部分扭转以恢复一些初始扭曲并改进致动。
关于本发明的进一步信息见述于发明人尚未公开的陈述和发明人尚未发表的论文[标题为“什么限制了肌肉冲程？(What Limits Muscle Stroke？)”]的节选中，其分别附于附录1-3。关于本发明的进一步信息还见述于美国专利申请公开序列号第62/311,274，其附于附录3(包括另外的附图及附件A)。附件1至3的材料通过引用其全文纳入本文用于所有目的。
盘绕致动器的高温退火
已发现使用高温退火工艺会显著影响盘绕聚合物致动器的性质和性能。而先前的低温退火盘绕纤维致动器需要扭转栓系以防止纤维在致动期间不可逆地失去扭曲，并且通常需要非零拉伸载荷来分离线圈以允许致动，而本发明的高温退火线圈提供了高度可逆的致动而无需任何拴系或负荷。这可以通过如下发现来实现：这些较高的退火温度不仅更好地固定了纤维内的扭曲结构，而且其主要将盘绕纤维的扭曲和长度状态固定为高温下限制的形状。其结果是，在冷却期间，肌肉将从其固定的高温长度反向致动到不同的室温长度。该现象对于将盘绕的肌肉固定成以前难以实现的新形状特别有用。例如，在高温退火后的冷却期间，使得在加热期间收缩的同手性盘绕纤维反向致动以延长并分开相邻线圈之间的空间。由于纤维上的大扭曲，之前低温退火的纯手盘绕致动器将拉到一起，因此需要拉伸载荷以在室温下翻开线圈，从而允许致动。该高温退火过程消除了这种限制，并且能够容易地制备锥形盘绕结构，例如图33B中所示线圈，所示线圈是通过以图33A的平面结构进行高温退火而产生。
图37A至图37B显示了制备同手性盘绕聚合物纤维肌肉的进程，所述同手性盘绕聚合物纤维肌肉在室温下在相邻线圈之间具有空间，以允许在加热期间收缩致动。在图37A中，显示了高度扭曲的305μm直径的尼龙6,6纤维，其围绕金属丝心轴缠绕，并且相邻线圈之间没有空间。该结构在两端固定以防止扭转或平移运动，并在220℃下在真空中退火2小时。当冷却至室温并去除心轴时，获得图37B中的结构。
该结构可以可逆地热致动或电热致动，而不需要扭转栓系或拉伸负荷。在类似的过程中，自盘绕纤维可以在高温下退火以使相邻线圈之间的空间分开。尽管这种线圈初始通过内部扭曲紧密地保持在一起，但是退火的高温试图使线圈更紧密地在一起。由于线圈结构提供了线圈长度的下限，因此在高温下将线圈退火至线圈完全接触的长度。当随后使得盘绕纤维冷却并从退火炉中取出时，线圈进行致动以分开相邻线圈之间的空间。这使得能够以简单方式制备自盘绕纤维致动器，其可以在不需要扭转栓系或拉伸载荷的情况下可逆致动，这是用于响应水分吸收或温度的变化而致动的智能服装纺织品的理想性质。
图38A至图38B显示了制备异手性盘绕聚合物纤维肌肉的进程，所述异手性盘绕聚合物纤维肌肉在室温下在相邻线圈之间几乎没有空间。在图38A中，显示了高度扭曲的305μm直径的尼龙6,6纤维，其围绕金属丝心轴缠绕使得相邻线圈间隔约600μm的额外间隔。该结构在两端固定以防止扭转或平移运动，并在220℃下在真空中退火2小时。当冷却至室温并去除心轴时，获得图38B中的结构。
该结构可以可逆地热致动或电热致动，而不需要扭转栓系或拉伸负荷。选择在该示例中退火期间的退火温度和线圈间距，使得最终线圈在相邻线圈之间间隔几乎为零。该最小间距防止相邻线圈在室温下紧密接触，从而允许线圈在受热时扩展，同时将初始长度保持在最小值以产生最大的扩展冲程。
图39显示了异手性线圈纤维致动器的机械性能，所述异手性线圈纤维致动器类似于图38B中的线圈进行生产，但相邻线圈之间的空间较小，使得最终结构通过室温下的内部压缩应力紧密地保持在一起。当在20℃下拉伸至约1.5MPa的应力(曲线3901)时，该内部压缩力足以防止相邻线圈分开，导致相对高硬度的区域。然而，当受热时，异手性线圈的可扩展致动抵消了该内部力的一部分。结果，当所施加的拉伸应力增加时，有效硬度骤降超过特定应力。从刚性线圈到软线圈的这种转变发生在相邻线圈分离时的应变处，并且随着异手性线圈的温度升高，发生该转变的应力降低。该高度非线性和温度可调的应力-应变响应可用于可在致动期间改变其位置和硬度的致动器，或用于响应温度变化的智能闩锁(latches)或包装。类似地，调节致动开始时的转变温度的能力使得智能缝制品能够保持恒定结构直至所需转变温度，并且热致动纤维能够在更短的时间段内有效地冷却至其非致动长度。
在温度变化或水分吸收期间调节线圈间接触提供了用于改变织物硬度的特别有用的机制。取决于用于生产盘绕纤维致动器或致动纺织品的纺织品结构和热定形条件、以及由此产生的线圈直径、线圈间距和线圈弹簧指数，温度或所吸收水分的微小变化可导致随着线圈变为接触或非接触，纺织品硬度在一个或多个方向上分别增加或减少。
使用硬度变化纺织品(采用线圈间接触以改***度)的示例包括：(a)在暴露于汗液或升高的温度时变得更硬的文胸肩带，从而在身体活动期间增加***支撑；(b)响应威胁而从柔韧***的防护性衣物；(c)通过在致动期间提供长度和硬度以可控方式吸收机械能的纺织品，例如用于座椅安全带(seat belt)和其它安全带(harness)。该线圈间接触的变化可以由于环境温度、水分吸收、电热加热或其组合的变化而发生。电热加热特别优选用于威胁防护，例如用于防护性衣物或座椅安全带，因为可以区域选择性的方式来改变保护性纺织品的硬度，以根据威胁性质的动态传感器反馈最适宜地提供保护。
织物结构的应用
织物结构(例如上述那些)可以用于各种纺织品，并且可以响应水分吸收或温度的变化，以有利的方式进行使用。用途包括提供改变孔隙率、芯吸性、硬度外观和/或厚度的纺织品。
纺织品用途可包括(a)舒适调整型衣物，即调节热性能以改进舒适性；(b)防护性衣物；(c)运动服装；(d)降落伞、帆和机翼，例如以控制气流；(e)纺织品过滤器，例如在技术应用中控制流体的流速；(f)间隔织物，以调节织物蓬松度；(g)变形表面；(h)变色纺织品；(i)变形翼；(j)可控压缩型服装；(k)3D织造或针织织物，其可以在温度变化时表现出体积扩展或收缩；(1)智能软管和管道；(m)智能包装；(n)智能窗帘、智能农业覆盖物、智能温室、智能帐篷、智能遮阳篷和智能建筑纺织品(雨棚、遮阳篷和防水油布)；(o)加速愈合的绷带和覆盖物；(p)由于结构改变而具有可调谐疏水性的纺织品；(q)智能文胸和其它内衣，其可调节硬度以提供更强的支撑，或在洗涤和干燥循环期间进行致动以恢复其形状；(r)用于弹道防护的舒适调整型衣物，其改***度以响应威胁；(s)智能纺织品，其进行致动和/或调节刚度以优化机械能的吸收；(t)响应环境变化的智能包装材料和结构。
例如，实施方式包括服装物品，其包括本发明的智能(智慧型)纺织品，所述纺织品在水分吸收或温度的变化时会改变结构。由于温度或所吸收的水分的变化，制品的结构从第一构型改变为第二构型，以改变纺织品的性质。增强结构、切口、部分切口和涂层也可用于增强纺织品(和制品)的结构。
其他用途包括可变过滤、环境保护和包装。例如，能够通过环境或流体温度的简单改变来改变使用期间的过滤器孔隙率，可以改进分离过程。这些用途还包括农业应用。
这些织物可用于可通过外部刺激改变其形状的变形翼或类似表面。
这些致动织物也可用于太空服或类似应用的可控压缩服装。
虽然示出并描述了本发明的实施方式，但是，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和内容下可以对其进行变动。本文所述实施方式实施方式和实施例仅是举例，并不意图进行限制。本文所公开的实施方式的许多变化和变动在本发明范围之内。因此，其它实施方式包括在所附权利要求书的范围内。保护范围并受上述说明书限制。
本文中列举的所有专利、专利申请和出版物的内容都通过参考文献全文纳入本文，它们对本文陈述的内容提供示例性、程序上或其他细节上的补充。
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Claims (15)

1.一种纺织品，其包含至少一个扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器，所述致动器能响应水分吸收或温度变化而操作性地可逆改变(1)纺织品中至少一个单层的孔隙率，(2)纺织品色泽，或(3)其组合，而不显著改变整体纺织品宽度或长度，
其中，聚合物纤维致动器包含具有捻度的纤维，其中(a)每单位长度的捻度乘以(b)纤维平均直径的乘积至少为50°，
所述纺织品进一步包括如下之一：
(a)两个或更多个致动区域，其改变尺寸以使得两个或更多个致动区域的第一区域子集响应水分吸收或温度的变化而在宽度或长度上增加，并且第一区域子集的宽度或长度的增加通过两个或更多个致动区域的第二区域子集补偿，所述第二区域子集响应水分吸收或温度的变化而减小宽度或长度，使得纺织品的整体宽度和整体长度不显著改变；
(b)操作性地响应水分吸收或温度的变化而改变尺寸的至少一个致动区域，以及至少一个非致动区域，使得非致动区域防止纺织品的整体宽度或整体长度显著改变；
(c)至少一个致动区域，其可以响应温度或湿度的变化而改变其面积，其中，所述致动区域包括至少一个盘绕聚合物纤维致动器，并且沿着至少一个方向的尺寸不会显著改变，使得整个纺织品的宽度或长度不会显著改变。
2.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，(a)每单位长度的捻度乘以(b)纤维平均直径的乘积至少为90°。
3.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，所述纺织品选自：
(a)织造结构，
(b)经编针织结构，
(c)纬编针织结构，
(d)编织结构，和
(e)其组合。
4.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，
(a)纺织品包含机械稳定的织造芯纤维结构，
(b)芯纤维结构的纤维元件以同轴方式定位在盘绕聚合物纤维致动器的线圈内，并且
(c)盘绕聚合物纤维致动器在结构上主要是同手性或异手性的。
5.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，
(a)纺织品包含围绕芯纱的大量盘绕纤维致动器，并且
(b)盘绕纤维致动器的内径足够大，以允许盘绕纤维致动器以基本独立于芯纱长度的方式改变长度。
6.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，
(a)纺织品包含至少一种纤维，所述纤维能响应水分吸收或温度的变化而操作性地旋转，并且
(b)旋转产生孔隙率、颜色或其组合的变化。
7.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，所述聚合物纤维致动器能操作性地可逆引起纺织品的孔隙率增加或减少至少10％。
8.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，所述纺织品是衣物制品。
9.如权利要求8所述的纺织品，其特征在于，所述衣物制品选自：(a)舒适调整型衣物、(b)防护性衣物、(c)运动服、(d)用于美学目的的变形衣物、和(e)其组合。
10.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，所述纺织品选自(a)降落伞、(b)智能过滤器、(c)间隔织物、(d)智能窗帘、(e)智能建筑纺织品、(f)智能包装、和(g)控制透光率的纺织品。
11.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，
(a)颜色变化通过致动聚合物纤维和变色元件的组合来实现，
(b)致动聚合物纤维选自：
(i)致动聚合物纤维，其通过扭转以旋转多色元件来操作，以及
(ii)致动聚合物纤维，其通过拉伸致动来操作并且接合至以伸展来改变颜色的元件。
12.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，存在至少两个连接的致动聚合物纤维或致动聚合物纤维段，其能操作性地以相反的手性方向扭转致动，使得在连接点处，连接的致动聚合物纤维或致动聚合物纤维段以相同的旋转方向来协同旋转元件。
13.如权利要求1所述的纺织品，其特征在于，可逆变化能操作性地发生而不显著引起纺织品弯曲。
14.一种制备如权利要求1至权利要求13中任一项所述纺织品的方法：
(a)选择包含至少一种扭曲或盘绕的聚合物纤维致动器的纺织品；以及
(b)响应水分吸收或温度变化而可逆改变(1)纺织品中至少一个单层的孔隙率，(2)纺织品色泽，或(3)其组合，而不显著改变整体纺织品宽度或长度。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述温度变化通过电热加热、光热加热、化学热加热和电子部件产生的热量中的一种或多种来提供。
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