CN109640797A

CN109640797A - 用于分析接收表面的弹性的表面分析设备和方法

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Publication number: CN109640797A
Application number: CN201780053513.0A
Authority: CN
Inventors: E·G·M·佩尔塞斯; C·P·亨德里克斯; A·希尔格斯; M·T·约翰逊; D·A·范登恩德; R·A·范德莫伦赫拉夫
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2037-08-28
Also published as: CN109640797B; RU2748878C2; JP6588681B1; US10928283B2; EP3506814A1; RU2019109210A; EP3506814B1; JP2019534719A; US20190178764A1; WO2018041761A1; RU2019109210A3

Abstract

本发明提供了一种表面分析设备，其用于施加到接收表面，以使得能够分析所述表面的跨所述表面的多个不同线性部分的弹性的至少一个量度。所述设备包括：致动器和传感器的二维布置，包括至少一个致动元件、至少一个感测元件以及至少一个另外的感测或致动元件。由控制器一起激活这些元件中的两个或更多个元件的选定集合，每个集合包括至少一个致动器和一个传感器，由此获得该集合中的每个致动器与传感器对之间的弹性的量度。基于刺激致动器位置处的接收表面中的变形并且测量由接收表面在另外的移位点处施加的合成压力和/或力来获得弹性量度。例如，传感器可以监测所施加的压力和/或力的变化。

Description

用于分析接收表面的弹性的表面分析设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定接收表面的弹性的量度、并且特别是确定与跨所述接收表面的多个方向相对应的量度的表面分析设备和方法。

背景技术

对表面的弹性的分析在许多不同的行业和技术领域中都是重要的。举例来说，在其中针对技术功能而利用面料、织物或其他材料的任何应用可以受益于以详细方式评估材料的表面的弹性的能力。这可以是识别部件的功能技术参数，或者评估部件或产品的可能寿命或耐久性。范例包括分析例如在家具或衣物中使用的织物，或者分析用作机械中力传递部分(诸如皮带)的部件。

另外，对表面分析特别感兴趣的另外的一个领域是对皮肤的分析。

皮肤执行对人体至关重要的多项功能。这些功能包括调节体温以及防止水分流失。存在皮肤的与这些功能(亦即，弹性和硬度)直接相关的可测量属性。众所周知，这些属性直接受时间老化和光老化的影响，并且影响程度也因身体的不同区域而变化。

对这些属性进行量化的能力是重要的，因为其使得能够表征人的皮肤的老化状态，这继而能够有助于确定适当的并且有效的皮肤愈合疗法来修复任何损伤。

因此，用于评估皮肤弹性和硬度的工具是一直感兴趣的领域。具体地，用于确定皮肤压痕抗性并且还有皮肤拉伸能力的工具是特别感兴趣的。

存在用于在实验室环境中评估皮肤弹性和硬度的各种方法和方案。这些方法和方案包括原子力显微镜和组织弹性成像。尽管这些方法和方案已经证明在提供组织弹性量度方面是有效的，但是其目前需要复杂的器械，这些器械不适合于在临床或家庭环境中使用。这限制了其适用性，并且要求潜在的患者(或者其他用户)必须访问由经训练的操作员供职的专用实验室，以实现对其皮肤的状态的评估。对于大量患者而言，这根本不可行或不可扩展。感兴趣的是能够在临床和家庭环境中提供对皮肤弹性的量度的设备。

确实存在更适合用于非实验室环境的一些设备。这些设备包括由Courage andKhazaka electronic出售的‘Cutometer MPA 580’。该设备更实用，但是仍然是相对大并且复杂的机器，其不适合于小型化并且例如集成到小规模处置和/或测量设备中。小型设备提供大得多的实用性和可用性，并且因此非常令人感兴趣。

确实存在更适合用于小规模或小型化设备的特定方法。具体地，这些方案通常基于将面内或面外变形应用于用户皮肤上的点，并且在相同的点或者不同的空间上位移的点处测量由皮肤施加的对应反作用力。

例如，US 2014/0352448公开了一种压电手指传感器，其能够在给定的单个点处测量组织的样本的杨氏模量和剪切模量两者。所述手指传感器包括两层压电材料，一层压电材料被配置为变形以向组织的样本施加力，而另一层压电材料被配置为感测第一层的位移。通过监测感测到的位移值，能够确定皮肤的阻力，并且因此评估在给定点处的皮肤的弹性。可以将这些设备中的多个设备应用于用户的皮肤以确定在多个不同个体点处的弹性值。

尽管这种方案更加实用，但是其仅限于在单个隔离的点处获得弹性测量结果。例如，没有公开用于获得跨组织的延伸长度的弹性的测量结果的手段或者用于获得与在不同方向上延伸的不同样本长度相对应的测量结果的手段。方向性数据在本上下文中是非常有价值的，因为已知皮肤尤其在其弹性方面表现出各向异性效应，关于其的信息将使得能够更详细和准确地表征皮肤的老化的状态。

Y.Shi等人的论文(Shi YY等人，An Analytic Model for Skin ModulusMeasurement Via Conformal Piezoelectric Systems.ASME.J.Appl.Mech.2015；82(9))讨论了一种用于基于在第一点处的皮肤变形而确定皮肤的样本的杨氏模量，并且测量在第二空间上位移的点处由皮肤施加的合成压力或力。所述方案使用被施加到皮肤层的三条PZT带的线性布置，其中的一条PZT带被电刺激以收缩，由此引起由于干预皮肤组织的随之变形而造成的另外两条带的随之扩张。测量该扩张的程度并且由此计算杨氏模量。

尽管这种方法使得能够测量跨延伸的组织长度(在各种带之间延伸)的皮肤弹性，但是其实际应用性受到高度限制。具体地，其没有提供用于获得与不同长度或皮肤区域相对应的弹性的多个测量结果的手段。尽管传感器测量是在距收缩带的多个距离处进行的，但是该模型假定在每个传感器位置处为恒定并且共同的弹性。其不允许检测和测量在不同线性位置处发生的弹性的变化。

如在先前的情况中，所述模型也没有提供用于获得多方向数据的手段。所述模型完全以带的专有线性布置为前提，并且没有提供可以如何扩展所述方案以提供多方向测量结果的指示。

最后，存在由Courage and Khazaka electronic制造的另外的设备，其被设计用于测量皮肤中的胶原蛋白和弹性蛋白纤维的方向。其基于测量通过皮肤的声冲击波的共振运行时间。所述设备包括：单个致动器，其被配置为生成冲击波；以及单个传感器，其被配置为检测冲击波的到达。所述设备能够手动地旋转，以使得能够在多个不同的皮肤方向上分析胶原蛋白和弹性蛋白纤维方向性。

所述设备对于测量皮肤弹性自身具有有限的适用性，并且再次提供了在任何时间仅跨皮肤的单个方向长度来测量皮肤属性的能力。

发明内容

因此，在本领域中普遍需要一种经改进的设备，其用于分析表面弹性、保持小形状因子和简单的操作，但是能够以直接的方式提供更大量和范围的不同测量数据，由此使得能够对给定感兴趣表面进行更详细和深入的分析。

本发明的目的是至少部分地解决所述需要。该目的是利用由独立权利要求所限定的本发明来实现的。从属权利要求限定了有利实施例。

根据本发明的一方面，提供了一种设备，其用于施加到接收表面，以分析所述接收表面的跨所述表面的多个不同线性部分的弹性，所述设备包括：

承载体，其具有表面；

三个或更多个表面交互元件的布置，其被安装到承载体表面，每个元件能操作用于在任何一个时间处执行致动或压力感测功能中的仅一项功能，并且所述元件在空间上彼此分离并且跨所述承载体表面以二维分布；并且其中，所述布置包括：至少第一表面交互元件，其能操作用于执行致动功能；以及至少第二表面交互元件，其能操作用于执行压力感测功能；以及

控制器，其与所述表面交互元件操作性地耦合，并且适于：

控制所述第一表面交互元件以在所述接收表面中在第一接触点处引起变形；

控制所述第二表面交互元件以测量由所述接收表面在第二空间上分离的接触点处施加的压力和/或力，从而使得能够确定在第一点与第二点之间的所述接收表面的弹性的量度；并且

控制一个或多个另外的表面交互元件，以在所述接收表面中在另外的一个或多个接触点处引起变形，或者测量由所述接收表面在另外的一个或多个接触点处施加的压力和/或力，以便由此使得能够确定在所述另外的一个或多个点中的每个点与第二接触点或第一接触点之间的弹性的量度。

因此，这样的设备能够被指定为表面分析设备，基于其能力来分析所述接收表面的跨所述表面的多个不同线性部分的弹性。

因此，本发明的实施例基于将传感器和致动器的多个阵列(或布置)应用于给定接收表面的目标区域。每个致动器能操作用于向所述接收表面施加力以在给定点处或者跨一些小的给定区域引起一些变形。每个传感器能操作用于测量由所述接收表面在单独的给定点处施加到其上的力或压力。通过监测或者以其他方式确定在给定致动器在分离点处施加变形之后在给定传感器点处测量到的力或压力的变化，可以获得在致动器与传感器之间的表面硬度的量度。具体地，接收表面的干预部分越硬，传感器处的压力或力的测量到的变化将越大。

通过激活阵列内的致动器和传感器的不同组合，能够获得跨皮肤的多个不同线性延伸或部分的皮肤(或者其他目标接收表面)的硬度的量度。这允许对皮肤弹性的更丰富和更详细的分析。在一些情况下，可以同时地获得多个测量。在其他情况下，可以个体地或顺序地获得多个测量。

所述布置可以被设计或配置为遵循任何期望的图案或布局。所提供的图案越大或越复杂，能够跨接收表面的目标区域获得的不同测量的多样性和广度越大。

此外，表面交互元件的所述布置跨二维横向地延伸，并且因此包括以各种不同角度彼此位移的致动器和传感器。通过选择性地激活这些元件的不同组合，能够获得与沿着多个不同方向的弹性有关的数据。如上文所论述的，多方向数据是高度有价值的，因为其能够分析各向异性效应。这些能够提供对人的皮肤的当前状态的更详细了解。

在最简单的情况下，所述布置包括至少三个表面交互元件，其包括能够执行致动和感测中的每项的至少一个表面交互元件。至少一个另外的表面交互能操作用于执行致动或感测。所述控制器适于与第一元件或第二元件中的一个或者这两者同时地控制至少一个另外的元件，这取决于其被配置为执行哪项功能(致动或感测)。如果其作为传感器来操作，则其可以被激活以在激活第一(致动)元件的同时测量压力和/或力。如果其作为致动器来操作，则其可以被控制以与第二元件(感测元件)同时地操作。备选地，在提供多于三个元件的情况下，每个另外的元件可以与其他另外的元件中的至少一个元件同时地激活，其他另外的元件适于执行相反的功能(致动和感测)。

在任一种情况下，出于执行弹性分析的目的，所述布置的一个元件(第一元件或第二元件)在至少两个其他元件之间有效地‘共享’。这使得能够仅使用三个元件(而不是例如两个专用的两元件对)获得两个单独的弹性量度(对于皮肤的不同间隔、部分或延伸)。这在操作效率以及最小化形状因子方面赋予了显著的益处。

在更复杂的范例中，可以提供多于三个表面交互元件，根据任何期望的图案或配置来布置。然而，在每种情况下，应用所述布置的至少一个元件以提供一些多种测量能力：至少一个元件与多个其他元件组合地提供测量。以这种方式，本发明实现了对表面交互资源的有效共享，并且使得能够在给定样本表面区域上获得的数据的密度最大化。

所述接收表面可以是皮肤的区域，但是本发明并不限于与皮肤一起使用。实施例可以有用地应用于对材料的任何柔性或柔顺区域的分析。在下文的描述中，在与皮肤一起使用方面提供的解释应当仅被解读为示例性的，并且在每种情况下，所描述的概念可以同等地被应用于任何其他柔性接收表面。

实施例包括表面交互元件的布置，每个元件出于给定测量的目的而操作为传感器或致动器。一些元件可以具有固定的操作：始终作为传感器操作或者始终作为致动器操作。一些元件可以在任一种模式下操作。然而，没有一个元件被控制为两者同时地操作。

通过要求每个表面交互元件一次执行致动或感测中的仅一项功能，能更容易地实现对接收表面的不同点之间的横向延伸上的弹性的测量。相反，由给定感测元件的同时致动将从根本上扭曲正在进行的任何横向弹性测量。由这种致动在感测元件处引起的局部变形几乎使所进行的力测量完全饱和，使得难以或者不可能准确地测量在传感器与横向移位的致动器之间的任意横向弹性。

每个致动器-传感器对使得能够确定该对之间的接收表面的弹性的量度。短语‘弹性的量度’通常旨在宽泛地指代例如提供接收表面弹性的指示或表示的任何值、趋势或关系。弹性通常是指刚度、硬度、坚固度或顺应性。该术语并不旨在将本发明限于弹性的任何特定科学或学术定义(本发明并不限于例如使得能够测量接收表面的杨氏模量，但是这可能能够使用特定实施例)。

本发明的实施例涉及使用致动器和传感器的多种布置来获得弹性的多种不同量度，对应于跨接收表面的不同区域、线性部分或方向，并且任选地对应于不同种类的弹性量度(例如，剪切弹性或压缩弹性)。术语‘线性部分’指代沿着表面的任何线性间隔，在表面上的两个相应点之间延伸。其指代两点之间的皮肤的延伸或长度或距离。在这方面，两个不同的线性部分可以重叠，但是例如在其方向或者其特定长度上不同。

每个实施例利用至少三个表面交互元件的多个集合来捕获至少两个弹性测量。在一些情况下，这两个测量可以同时地获得，在其他情况下，其可以个体地或顺序地获得。

例如，根据至少一组实施例，所述控制器可以能操作用于选择性地控制多个不同对的表面交互元件，每对包括能操作用于执行致动的一个元件以及能操作用于执行压力和/或力感测的一个元件，以独立地或同时地执行表面变形和压力/力感测功能的相应对，从而实现在所述接收表面的多个不同线性部分上的多个独立或同时的弹性量度。

这种布置中的每对包括单个致动器和单个传感器，其由接收表面的不同特定线性延伸分离开。每对能操作用于实现对表面弹性的个体测量，对应于在其之间延伸的接收表面的特定线性延伸。

所述对可以重叠，使得单个元件贡献于实现针对多个不同线性表面部分的测量。在共享元件是致动器的情况下，可以以这种方式同时地获得多个测量。其中，致动器是传感器，可以顺序地执行每个个体测量。

根据另外的一组范例实施例，

多个表面交互元件可以能操作用于执行致动功能，并且其中，所述控制器适于：控制所述多个元件以在接收表面中在相应的多个接触点处引起相应的变形；并且控制单个另外的表面交互元件，以测量由所述接收表面在另外的空间上位移的接触点处施加的压力和/或力；和/或

多个表面交互元件可以能操作用于执行压力和/或力感测功能，并且其中，所述控制器适于：控制单个另外的表面交互元件以在所述接收表面中在单个接触点处引起变形；并且控制所述多个表面交互元件以测量由所述接收表面在另外的多个接触点处施加的压力和/或力。

具体地，在任一种情况下，所述多个表面交互元件可以各自邻近于所述单个表面交互元件来定位(即，没有其他元件位于其之间)。可以提供例如由多个传感器包围的单个中央致动器，或者由多个致动器包围的单个中央传感器。备选地，多个元件可以被线性地对齐，并且单个互反元件位于例如从该线横向地位移的位置处。

因此，在这些范例实施例的每个实施例中，提供了与单个传感器组合的致动器的多个集合，或者与单个致动器组合的传感器的多个集合。在单个提供的元件与多个互反元件中的每个互反元件之间是所述接收表面的不同的特定线性延伸。在多个元件中的每个元件邻近于单个元件来定位的情况下(即，没有元件位于其之间)，这些不同的线性延伸中的每个线性延伸也在不同的角度方向上延伸。

每个实施例允许执行多个弹性测量，一个用于位于多个元件中的每个元件与单个互反元件之间的接收表面的所述不同线性延伸中的每个线性延伸。

这样的布置具有使得能够在使所需数量的部件最小化的同时执行多个不同测量的优点。由于单个传感器或单个致动器能够分别与多个另外的互反元件中的每个互反元件配对，这避免了需要提供单独的专用致动器-传感器对来执行每次测量。单个传感器或致动器在多个互反致动器或传感器中的每个之间有效地共享，并且因此仅需要一个。这降低了设备的成本，并且还使用于实现给定数量的不同测量的所需的形状因子最小化。

取决于表面交互元件的整体布置的尺寸，所述布置可以包括在特定实施例中的上文所描述的配置中的一个或者这两个。此外，这些布置或操作模式中的任一个可以与先前所描述的操作模式组合在一起，其中，同时地或单独地激活致动器对。

根据一组或多组实施例，所述表面交互元件的至少一子集可以能操作用于各自执行致动或压力感测中的选定的一项。这在设备的操作中提供了相当大的灵活性和适应性。

具体地，根据这些实施例，所述控制器能操作用于在执行致动功能与感测功能之间选择性地切换表面交互元件的所述至少子集中的每个表面交互元件。

这允许所述表面交互元件的配置被随意地调整和改变，以提供致动器与传感器的任何任意组合。这继而使得能够获得更宽泛的选择以及各种不同的弹性测量。通过在致动功能与感测功能之间选择性地切换元件的不同组合，能够分析所述接收表面的不同延伸，例如在不同方向上延伸和/或对应于不同距离或长度。

另外，这种灵活性可以允许在接收表面的单个给定线性延伸上收集弹性的多种不同的量度。不同的弹性量度可能需要实现致动器与传感器的不同配置或组合。在表面交互元件的操作是能改变的情况下，在范例中可以在所述接收表面的相同给定区域或部分上实现多种这些不同的测量。

根据本发明的该实施例或者任何其他实施例，所述表面交互元件的至少子集可以包括电活性聚合物材料，所述电活性聚合物材料适于响应于电信号的施加而变形，和/或适于响应于施加在所述元件上的力或压力而生成电信号。

电活性聚合物材料通过叠加高幅度DC信号与低幅度AC信号，尤其能够实现同时的致动和感测能力。高幅度DC信号引起静态变形，而低幅度AC信号通过监测电容变化而实现压力感测。

在实施例中，所述表面交互元件可以适于根据不同模式来操作。具体地，所述致动器可以适于在所述接收表面中引起面内变形(拉伸)和/或在所述接收表面中引起面外变形(压痕)。所述传感器同样可以适于检测或感测面内或面外压力或力中的一项或两项。这些不同的模式可以允许获得弹性的不同量度。

更具体地，根据一个或多个实施例，对所述表面交互元件的控制可以包括：

控制至少一个表面交互元件以在所述接收表面中在相应的接触点处引起面外变形，并且控制至少另外的表面交互元件以测量由所述接收表面在另外的相应的接触点处施加的面外压力和/或力；和/或

控制至少一个表面交互元件以在所述接收表面中在相应的接触点处引起面内变形，并且控制至少另外的表面交互元件以测量由所述接收表在另外的相应的接触点处施加的面内或面外压力和/或力。

面内是指与所述接收表面主要或基本平行的方向。面外是指与所述接收表面主要或基本垂直或正交的方向。

表面操纵和感测模式的这些不同模式可以使得能够提供表面弹性的不同量度。具体地，第一模式或配置使得能够实现对压痕抗性的测量。通过在第一点处引起面外变形(压痕)，并且监测由表面在横向移位点处施加的面外压力或力，能够测量表面对压痕的抗性。抗性越强，则在传感器处测量到的压力下降越大。抗性越弱，则在传感器处测量到的压力的下降越小。

另外，在围绕单个传感器设置两个致动器并且这两个致动器都被控制用于引起同时的面外变形的情况下，能够在中央传感器处获得拉伸能力(或者横向/界面弹性)和压痕抗性的卷积的量度。

根据至少一个或多个范例，在一些情况下，还可以生成时变的面外变形。这使得能够确定弹性的动态量度。

根据一个或多个范例，第二模式或配置允许测量拉伸能力(界面或剪切弹性)。根据一个或多个实施例，所述第二模式还允许测量或评估褶皱尺寸或位置。通过在激活传感器响应之前施加横向变形并且确定所需的致动的程度，能够确定位于致动器与传感器之间的褶皱的估计的尺寸。

在引起时变的面内变形的情况下，所述第二模式还允许另外的测量能力。

具体地，根据至少一组实施例，至少一个表面交互元件可以能操作用于引起面内变形，并且至少另外的表面交互元件可以能操作用于测量面内或面外压力和/或力，并且其中，所述控制器适于将时变控制信号施加到所述至少一个元件，以便控制所述至少一个元件以在所述接收表面中引起时变的面内变形，并且还适于基于来自另外的表面交互元件的输出来确定所述时变的变形的生成与在另外的元件处的压力或力变化的检测之间的时间延迟。

所述时变的变形引起表面声(Lamb)波以跨所述接收表面传播，这能够通过与致动器隔开一定距离的压力或力传感器来检测。通过测量在生成所述波与所述波被传感器检测到之间的时间延迟，能够确定波的速度。由此，能够计算皮肤弹性的测量。特别是对于皮肤，Lamb波的速度使得能够确定皮肤粘弹性。

根据一个或多个实施例，至少一个表面交互元件可以能操作用于同时地引起面内和面外变形，并且其中，所述控制器还适于控制所述至少一个表面元件以在接收表面中引起非时变的面外变形。

所述非时变的面外变形将静态(基线)压力施加到所述接收表面，而所述时变的面内变形生成表面声波(剪切波)。通过改变面外变形水平，可以改变生成剪切波的静态基线压力。这为***提供了另外的自由度，并且可以为所收集的数据提供进一步的深度水平，使得能够获得弹性的更详细的图片。

备选地，改变所述静态面外变形可以使得能够调节所述表面交互元件与所述接收表面的耦合。

可以通过许多不同的特定单元来实现同时的面内和面外变形。可以有利地应用基于EAP的致动器，其中，低幅度AC信号被叠加在高幅度DC信号上。所述DC信号生成面外变形。所述AC信号生成时变的面内变形。

可以使用例如介电弹性体，或者使用基于PVDF的弛豫聚合物。

根据至少一组实施例，所述控制器可以能操作用于：控制第一表面交互元件以在所述接收表面中引起面外变形，并且控制至少另外的表面交互元件以测量在朝向所述接收表面的方向上施加的面外压力和/或力，并且任选地，其中，

所述控制器适于控制两个表面交互元件以在所述接收表面中引起相应的面外变形，另外的表面交互元件被定位在所述两个元件之间。

根据该组实施例，所述传感器适于测量由所述接收表面在朝向所述接收表面的方向上施加的压力或力，即，有效地施加到所述传感器的拉力。

该实施例使得能够确定皮肤摩擦或粘附的量度。皮肤的变形导致皮肤拉离或剥离于传感器。在存在低皮肤粘附力或摩擦力的情况下，在传感器上施加的拉力将是小的或者甚至为零；皮肤将仅远离传感器。在存在高粘附力/摩擦力的情况下，在皮肤被分离时将施加高的力，一旦皮肤已经分离就施加为零的力。

根据一个或多个实施例，所述表面交互元件中的一个或多个表面交互元件可以进一步能操作用于执行温度感测功能，并且其中，所述控制器适于控制所述元件以测量所述接收表面的温度，并且任选地，其中，所述设备还包括加热元件，所述加热元件能操作用于加热所述表面交互元件和/或所述接收表面的部分。

已知温度对材料弹性具有影响。如果需要，这些实施例允许针对温度来校正弹性测量。

另外，在提供加热元件的情况下，能够对不同温度下的皮肤弹性进行***性评估。根据温度的皮肤行为提供了比仅在单一温度下的测量更丰富的数据集。

在确定皮肤的热属性的实施例中也可以采用温度感测。这可以使得能够例如识别所述表面下方的动脉或其他解剖学特征的位置。这可以辅助定位所述设备以用于对特定感兴趣区域的最佳测量。

根据一个或多个实施例，所述承载体可以是顺应性承载体，其用于符合所述接收表面的拓扑结构。在这些情况下，所述承载体适于与其所应用到的所述接收表面的轮廓顺应地成形。这通过确保所有表面交互元件以最小的分离距离均匀地施加到所述接收表面来改善所述设备的功效。

根据至少一组实施例，所述设备用于应用于皮肤。在这些情况下，所述承载体可以是柔性的，以模制到所述皮肤接收表面的表面轮廓。所述承载体还应当优选是由局部可压缩的材料形成的，从而为所述设备的用户提供柔软、舒适的感觉。在特定范例中，所述承载体可以被配置用于形成可穿戴设备的部分，所述设备在使用中被布置成将所述承载体牢固地保持在用户的皮肤上。

根据本发明的另外的方面，提供了一种借助于表面分析设备来确定所述接收表面的跨所述接收表面的多个不同线性部分的弹性的量度的方法，所述表面分析设备包括：

承载体，其具有表面；以及

三个或更多个表面交互元件的布置，其被安装到承载体表面，每个元件能操作用于在任何一个时间处执行致动或压力感测功能中的仅一项功能，并且所述元件在空间上彼此分离并且跨所述承载体表面以二维分布；并且其中，所述布置包括至少第一表面交互元件，其能操作用于执行致动功能；以及至少第二表面交互元件，其能操作用于执行压力感测功能；

所述方法包括：

控制一个或多个另外的表面交互元件，以在所述接收表面中在另外的一个或多个接触点处引起变形或者测量由所述接收表面在另外的一个或多个接触点处施加的压力和/或力，以便使得能够确定在所述另外的一个或多个点中的每个点与第二接触点或第一接触点之间的弹性的另外的量度。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的范例，在附图中：

图1示意性描绘了根据本发明的范例表面分析设备；

图2示出了一种未被夹紧的已知电活性聚合物设备；

图3示出了一种由背衬层约束的已知的电活性聚合物设备；

图4示意性图示了根据本发明的实施例能实施的第一范例弹性测量模式；

图5示意性图示了用于减小由范例致动器引起的力的施加区域的适配器；

图6示意性图示了能在本发明的实施例中实施的第二范例弹性测量模式；

图7示意性图示了根据本发明的实施例能实施的第三范例弹性测量模式；

图8示意性图示了能在本发明的实施例中实施的皮肤粘附或摩擦测量手段；

图9示出了使用皮肤粘附或摩擦测量方法实现的范例致动器电压与传感器输出曲线；

图10示意性图示了能在本发明的实施例中实施的褶皱位置和/或尺寸测量方法；

图11示出了使用褶皱位置和/或尺寸测量方法实现的范例致动器电压与传感器输出曲线；

图12示意性图示了能在本发明的实施例中实施的第四范例弹性测量；

图13示意性图示了能在本发明的实施例中实施的第五范例弹性测量模式；

图14示意性图示了根据本发明的实施例的表面交互元件的n个范例布置；

图15示意性图示了根据本发明的实施例的表面交互元件的第二范例布置；

图16图示了表面交互元件的第二范例布置的范例操作模式；

图17图示了针对表面交互元件的第二范例布置的第二范例操作模式；并且

图18示出了在不同温度下测量的皮肤的样本的不同压力-应变曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种表面分析设备，所述表面分析设备用于应用到接收表面，以使得能够跨所述表面的多个不同线性延伸或部分来分析所述表面的弹性的至少一个量度。所述设备包括致动器和传感器的二维布置，包括至少一个致动元件、至少一个感测元件以及至少一个另外的感测或致动元件。由控制器一起激活这些元件中的两个或更多个元件的选定集合，每个集合包括至少一个致动器和一个传感器，以由此获得所述集合中的每个致动器与传感器对之间的弹性的量度。基于刺激在所述接收表面中在所述致动器位置处的变形，以及测量由所述接收表面在另外的移位点处施加的合成压力和/或力，来获得弹性量度。例如，传感器可以监测所施加的压力和/或力的变化。

在图1中图示了根据本发明的表面分析设备6的第一基本范例。所述设备包括：承载体8，表面交互元件14、16的布置10以及控制器20被安装到所述承载体8，所述控制器与所述元件操作性地耦合。

针对图1的范例，提供了三个表面交互元件的布置10，其包括能操作用于执行致动功能的一个元件14以及能操作用于执行压力和/或力感测功能的两个元件16。所述元件在空间上彼此分离布置并且形成三角形配置。

尽管在该范例中通过图示的方式提供了一个致动器和两个传感器的布置，但是在备选范例中，可以备选地提供一个传感器和两个致动器。

另外，三个表面交互元件14、16的布置仅表示可能配置的最简单的第一范例。在另外的范例中，所述布置可以被扩展，并且可以包括以任何期望的图案或配置来布置的任何数量的不同表面交互元件。更宽的布置允许获得更多种类的不同弹性测量，例如对应于所述接收表面的更多数量的不同部分，或者对应于弹性的不同具体量度或度量。将在下文的段落中更详细地描述另外的可能的布置以及对应的操作模式的更详细的范例。

承载体8适于被应用于接收表面的区域，使得表面交互元件各自相反地施加或压靠在所述接收表面上的相应的点或区域(相应的接触点)。该接收表面例如可以是皮肤(但是本发明并不限于与皮肤一起使用)。在范例中，所述控制器可以被嵌入在所述承载体的主体内，或者以其他方式由柔性屏蔽层覆盖，使得在应用所述承载体时控制器不压靠所述接收表面。例如，这可能干扰所述设备的操作，或者在所述设备被应用于用户的皮肤的情况下可能是不舒服的。

所述表面交互元件也可以各自被柔性覆盖层覆盖或屏蔽，以保护元件，或者例如改善设备舒适性。所述覆盖层可以是绝缘体，以防止任何漏电或者从所述元件传导到用户的皮肤。

所述承载体可以是薄的柔性贴片或垫的形式，以易于应用和/或粘附到用户的皮肤。这样的贴片或垫应当是柔性的，以允许与用户的皮肤牢固并且均匀地耦合，但是还应当保持足够的刚度以抵抗由(一个或多个)致动器造成的变形。

在操作中，控制器20可以适于控制致动元件14以在所述接收表面中在致动元件14正下方的表面的点或区域处引起(面内或面外)变形。在激活致动元件14的同时，或者至少在该元件的激活仍在进行中时，所述控制器可以适于进一步控制感测元件16中的一个或者这两者以测量或监测由位于其下方的接收表面的区域或点施加于其上的压力和/或力。通过测量和/或监测该压力和/或力，可以获得位于致动元件14与每个相应感测元件16之间的接收表面的部分或延伸的弹性(或硬度)的量度。

具体地，控制器可以控制所述感测元件以随时间监测压力和/或力，使得能够识别压力或力的变化。可以在激活所述致动器之前和之后监测所述感测元件的输出，使得能够识别由于所述接收表面(通过所述致动元件造成)的变形而产生的压力变化。

压力或力的经历的变化的幅度取决于介入材料的弹性或硬度。具体地，在位于致动元件与相应的感测元件之间的接收表面的部分相对硬的情况下，预期由感测元件所经受的压力或力的变化相对较大。同样地，在表面部分较不硬的情况下，预期在传感器处的力或压力的任何变化将较小。

通过评估或比较测量到的压力和/或力值(或者测量到的这些值的变化)与标准参考值集合，可以获得弹性的对应量度。备选地，可以应用物理模型以基于检测到的传感器输出或者所述检测到的输出的变化来计算对应的弹性量度。

根据至少一组有利实施例，可以使用电活性聚合物材料来形成致动元件14和/或感测元件16。电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中新兴的一类材料。其能够用作传感器或致动器，并且能够被容易地制造成各种形状，从而允许容易地集成到各种***中。

EAP的优点包括低功率、小形状因子、柔性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间以及循环致动。该领域的材料在过去十年中经历了显著的发展，并且诸如致动压力和应变的各种特性已经显著改善。技术风险也已降低到可接受的产品开发水平，从而EAP在商业和技术上变得更加令人感兴趣。

EAP材料的经改进的性能和特殊优势使其适用于新应用。一般而言，基于电子致动，EAP设备能够被有利地用于需要部件或特征的少量移动的任何应用中。类似地，所述技术能够被用于感测小移动。

EAP的使用实现了之前不可能的功能，并且与其他常见的传感器/致动器解决方案相比提供了显著的优点，这是由于在小体积或薄的形状因子中相对大的变形与力组合。EAP还提供无噪声操作、准确的电子控制、快速响应，以及大范围的可能致动频率，例如0-1MHz，最典型地低于20kHz。

使用电活性聚合物的设备能够被细分为场驱动和离子驱动材料。

场驱动EAP的范例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体。其他范例包括电致伸缩性接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电子弹性弹性体和液晶弹性体。

离子驱动的EAP的范例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合物(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其他范例包括离子聚合物凝胶。

场驱动的EAP通过直接机电耦合由电场致动。其通常需要高场(伏特每米)但低电流。聚合物层通常很薄，以保持驱动电压尽可能低。离子EAP通过离子和/或溶剂的电诱导的传输而被激活。其通常需要低电压但高电流。其需要液体/凝胶电解质介质(但是一些材料***也能够使用固体电解质操作)。这两类EAP都有多个家庭成员，每个家庭成员都具有其自己的优点和缺点。

场驱动EAP的第一值得注意的子类是压电和电致伸缩聚合物。尽管常规压电聚合物的机电性能有限，但是在改善该性能方面的突破已经得到了显示出自发的电极化(场驱动对齐)的PVDF弛豫聚合物。这些材料能够被预应变以在应变方向上改善性能(预应变导致更好的分子对齐)。通常，使用金属电极，因为应变通常处于中等范围(1-5％)。还能够使用其他类型的电极(诸如导电聚合物、炭黑基油、凝胶或弹性体等)。电极能够是连续的或分段的。

场驱动的EAP的另一感兴趣子类是介电弹性体。这种材料的薄膜可以被夹置在顺从性电极之间，形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由所施加的电场引起的Maxwell应力导致膜上的应力，导致所述膜在厚度上收缩并且在面积上扩大。通常通过对弹性体进行预应变(需要框架来保持预应变)来扩大应变性能。应变能够相当大(10-300％)。这也限制了能够使用的电极的类型：对于低和中等应变，能够考虑金属电极和导电聚合物电极，对于高应变方案，通常使用炭黑基油、凝胶或弹性体。所述电极能够是连续的或分段的。

离子EAP的第一值得注意的子类是离子聚合物金属复合物(IPMC)。IPMC包括溶剂溶胀的离子交换聚合物膜，所述膜被层压在两个薄金属或炭基电极之间，并且需要使用电解质。典型的电极材料是Pt、Gd、CNT、CP、Pd。典型的电解质是Li+和Na+水基溶液。当施加场时，阳离子通常与水一起行进到阴极侧。这导致亲水簇的重组和聚合物膨胀。阴极区域中的应变导致聚合物基质的其余部分中的应力，导致朝向阳极弯曲。反转所施加的电压会使弯曲反转。众所周知的聚合物膜是和

离子聚合物的另一值得注意的子类是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常包括被夹置在两层共轭聚合物之间的电解质。所述电解质用于改变氧化态。当通过电解质向聚合物施加电势时，电子被添加到聚合物或者从聚合物除去，从而驱动氧化和还原。还原导致收缩，氧化导致膨胀。

在一些情况下，当聚合物自身缺乏足够的导电性(尺寸方向)时，添加薄膜电极。所述电解质可以是液体、凝胶或固体材料(即，高分子量聚合物和金属盐的复合物)。最常见的共轭聚合物是聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PTh)。

致动器也可以由碳纳米管(CNT)形成，悬置在电解质中。电解质与纳米管形成双层，允许注入电荷。这种双层电荷注入被认为是CNT致动器的主要机制。CNT充当电极电容器，其中，电荷被注入到CNT中，然后通过电解质移动到CNT表面形成的电双层进行平衡。改变碳原子上的电荷导致C-C键长的变化。结果，能够观察到单个CNT的膨胀和收缩。

图2和图3示出了针对EAP设备的两种可能的操作模式。

所述设备包括电活性聚合物层28，其被夹置在电活性聚合物层28的相对侧上的电极24、26之间。

图2示出了未夹紧的设备。如所示的，使用电压以使电活性聚合物层在所有方向上膨胀。

图3示出了被设计为使得仅在一个方向上产生膨胀的设备。所述设备由承载体层30支撑。电压被用于使电活性聚合物层弯曲或弯折。

可以认为电极、电活性聚合物层和承载体一起构成整个电活性聚合物结构。

例如，该移动的性质源于当被致动时膨胀的有源层与无源承载体层之间的交互作用。为了获得如所示的围绕轴的不对称弯曲，例如可以施加分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上移动。

在一个方向上的膨胀可能由EAP聚合物中的不对称性引起，或者可能由承载体层的性质不对称引起，或者由这两者的组合引起。

如上文所描述的电活性聚合物结构可以被用于致动和用于感测两者。因此，其可以被用于在本发明的范例中提供致动元件14和感测元件16。

最突出的感测机制基于力测量和应变检测。例如，介电弹性体能够通过外力容易地拉伸。通过在传感器上施加低电压，能够根据电压来测量应变(电压是面积的函数)。

利用场驱动***进行感测的另一种方法是直接测量电容变化或者根据应变来测量电极电阻的变化。

压电和电致伸缩聚合物传感器能够响应于所施加的机械应力而生成电荷(假设结晶度的量足够高以生成可检测的电荷)。共轭聚合物能够利用压电离子效应(机械应力导致离子的运用)。当被暴露于能够测量的应力时，CNT经历CNT表面上的电荷变化。还已经表明，当与气态分子(例如，O₂、NO₂)相接触时，CNT的电阻发生变化，使得CNT能用作气体检测器。

假定EAP能够以致动模式操作或者以感测模式操作，使用这些材料具有允许操作为致动器或传感器之间的表面交互元件的适应性的进一步显著优点。根据一个或多个范例，所述控制器可以适于在致动与感测之间切换一个或多个基于EAP的表面交互元件的操作模式。

如上文所提到的，这允许配置表面交互元件以适应和改变，从而使得能够获得更宽泛的选择和各种不同的弹性测量。通过在致动功能与感测功能之间选择性地切换元件的不同组合，能够分析在不同方向上延伸并且对应于不同距离或长度的接收表面的不同延伸。

另外，这种灵活性可以允许针对接收表面的单个给定线性延伸收集弹性的多种不同量度。不同的弹性量度可能需要致动器与传感器的组合的不同配置来实现。在表面交互元件的操作是可变的情况下，在范例中可以在接收表面的相同给定区域或部分上执行多种这些不同的测量。

基于EAP的致动或感测元件可以由EAP堆栈形成，所述EAP堆栈包括由柔性绝缘体覆盖的多个电活性聚合物电极部件。当在致动模式下操作时，可以通过控制被施加到致动元件的致动电压来控制接收表面的变形程度。

尽管EAP被描述为用于提供致动器和/或传感器的材料的有利范例，但是本发明并不限于使用EAP来提供致动元件或感测元件。用于致动元件的其他备选范例性材料包括其他电活性或电可控材料，诸如，例如液晶聚合物网络、液晶弹性体、电流变弹性体、形状记忆材料(例如，热激活形状记忆材料)、压电陶瓷或磁控材料，诸如磁致伸缩材料。

此外，可以考虑不包括电活性或电可控材料的其他种类的致动器，包括例如并入基于可充气或MEMS致动设备的微型致动器技术的致动器。

同样地，感测元件可以由其他力和/或压力敏感设备来提供，包括，但不限于：应变仪、压电传感器(例如，陶瓷或PVDF箔)和电容传感器。

在操作中，可以根据许多不同方法和模式使用表面交互元件来获得接收表面弹性的量度。现在将详细描述对这些不同的可能模式的选择。应当注意，表面分析设备的任何给定实施例可以适于实施这些模式中的一个或任何组合。取决于表面交互元件的布置的大小，可以由控制器同时地实施或者分离地实施多种不同的模式。

图4图示了用于获得接收表面的弹性的量度的第一范例模式或方法。该图示出了被应用于接收表面34的范例设备的截面视图。出于本范例的目的，将假设接收表面是皮肤，但是范例模式也可以被应用于其他接收表面。承载体8被示出为抵靠皮肤34的表面来支撑单个致动器14和单个压力传感器16。为了清楚起见，仅仅示出了这两个元件。然而，应当理解，在实际情况下，所述设备的实施例将包括不止两个元件，并且本模式可以使用任何一对较大的给定元件布置来实施。

图4a示出了处于第一非活动状态的布置，其中，致动元件14空闲。如在图4b中所示的，在由控制器(在图4中未示出)应用控制电压时，致动器变形以在朝向所述接收表面向下延伸的方向上膨胀。该变形具有向下施加力到接收表面34上的效果，并且由此在皮肤34的表面中引起面外变形(或压痕)。

在非限制性范例中，所述致动元件可以是基于EAP的致动器，其包括一层或多层EAP材料，并且适于响应于电刺激的应用而变形(如上文所描述的)。

感测元件16适于测量由接收表面施加到其上的压力。这也可以由一个或多个EAP部件形成，并用于根据上文所描述的方法来测量压力。备选地，所述感测元件可以是不同种类的压力和/或力传感器，诸如应力计、压电传感器(例如，陶瓷或PVDF箔)或电容传感器。

图4b示出了皮肤表面(接收表面)34相对较硬(或坚固或无弹性)的范例。相比之下，图4c示出了接收表面相对较不硬(或坚固或更有弹性)的范例。在接收表面相对较硬的情况下，接收表面34中引起的压痕的相对直径更大。在接收表面较不硬的情况下，引起的变形的相对直径较小。

注意，以上文的描述中的术语‘坚硬’应当广义地解释，并且可以指代更坚固或弹性更小的皮肤，或者可以备选地指代产生所图示行为的一个或多个其他物理属性。这些属性可能涉及例如皮肤的粘性行为或者上皮肤表层中的张力或松弛。

术语‘坚硬的’或‘弹性的’或‘弹性’可以指代‘有效弹性’，其中考虑了多个物理属性和因素。其可能不直接指代任何特定的经典弹性量度(诸如弹性模量)，但是可以是更一般或更广泛的概念，旨在涵盖能够影响典型皮肤区域的变形响应的更宽泛的属性和因素。

各种物理因素的这种复杂的组合产生上文所描述的结果：将局部聚焦力应用到展现出更大‘有效弹性’或降低‘硬度’的皮肤上的点导致具有较小相对直径的压痕。

由于图4a和图4b中的每幅图中的不同皮肤属性，位于从致动器14横向地移位的压力或力感测元件16经历其测量到的压力的变化，其在这两种情况中的每种情况下都不同。在较硬的皮肤(图4b)的情况下，其中，引起的压痕的直径较大，皮肤34的更大区域被拉离传感器的基部，并且因此，通过接收层施加到传感器的总压力减少。在皮肤较不硬的情况下(图4c)，其中，引起的压痕的尺寸较小，较少的皮肤或者甚至根本没有皮肤被拉离传感器，并且因此，任何感测到的压力降低将较小。

因此，通过在皮肤34的变形之前和/或之后监测传感器16的压力读数，可以实现皮肤弹性程度的指示。具体地，这种测量模式使得能够获得皮肤压痕抗性的量度(面外皮肤弹性)。

在特定范例中，可以在致动器的激活之前和之后监测传感器的压力输出，并且确定压力值的变化。在其他范例中，可以捕获仅激活之后的原始压力值。

在任一情况下，所捕获的或所确定的值可以在范例中进一步与参考值的一些标准集合进行比较或评估，以便由此实现弹性程度的一些定量量度。这些值也可以作为变量输入到物理模型中，所述模型使得能够确定弹性的定量量度。

在任一情况下，根据一个或多个范例，该进一步处理可以由控制器自身或者由设备中所包括的另外的分析单元来执行。备选地，所述设备可以适于仅输出原始值自身，随后由外部***或人类操作员执行任何分析。

在使用基于EAP的致动器的情况下，不仅能够引起致动器的静态变形，而且还可以引起随时间变化的变形，其中，致动器膨胀的程度随时间而变化。通过向致动器施加DC控制信号来实现静态变形。相反，可以通过向致动器施加AC信号来实现振荡变形。

在致动器14中引起时变变形导致引起的压痕的深度随时间改变(例如周期性地)。这可以实现进一步获得弹性的动态量度。例如，时变变形可以在接收表面34中引起行进波。波行进穿过皮肤的速度可以提供皮肤弹性的指示。

根据一个或多个范例，致动元件14可以被提供有适配器，用于改变通过所述致动元件将力施加到接收表面34的区域。在图5中示出了范例，其图示了适配器38，适配器38被设计成减小致动器14的变形力被施加到所述接收表面上的总面积。这因此增加了被施加到表面的压力。图5a和图5b分别示出了处于空闲和致动状态的布置。

在另外的范例中，可以提供不同的适配器，例如被设计用于增加在其上施加力的区域的适配器(并且因此减小所施加的压力的幅度)。

图4的范例图示了基于在表面中施加面外变形并且在测量由接收表面施加的面外压力和/或力来确所述定接收表面的压痕抗性的方法。

根据另外的范例，还可以实现面内弹性的一种或多种量度。在简单的第一范例中，这可以使用图4的范例布置的变型来获得，其中，提供了两个致动器14，一个位于传感器的任一侧并且能操作用于横向地扩展(在基本平行于接收表面的方向上)。传感器16被设置成能操作用于测量施加在其下部有效表面上的横向力。

通过刺激两个致动器同时横向地变形，实现了位于其之间的皮肤区域的拉伸(即，实现了皮肤的面内变形)。控制位于两个致动器之间的传感器以监测由所述接收表面施加在其下表面上的横向(面内)力。取决于皮肤的弹性，针对致动器的给定横向变形，将由传感器测量力的不同幅度。具体地，对于相对较硬的皮肤而言，变形后的测量到的力将更大，而对于相对更松或更有弹性的皮肤而言，测量到的力将更低。

再次地，所述控制器可以被配置成计算测量到的力的变化(在致动之前和之后)，或者简单地捕获原始力值。可以再次将这些计算值或原始值与参考值的一些标准集合进行比较，以便获得皮肤(或其他表面)面内弹性的定量量度。所述值可以备选地使用物理模型来处理，由此获得定量弹性量度。

根据另外的范例变型，图4的范例模式可以被简单地扩展为包括两个致动元件16(位于感测元件18的两侧)，这两个致动元件16都能操作用于引起面外变形(压痕)。

所述两个致动器可以由所述控制器来刺激，以在感测元件的任一侧的表面中引起同时的压痕。在这种情况下，实现了压痕和拉伸两者的组合。所述传感器可以测量这两种效应的卷积。

在这种情况下，所述传感器可以能操作用于测量施加在其下部有效表面上的横向力，或者可以能操作用于测量施加到其下部有效表面的面外(即，垂直于接收表面)力。在任一种情况下，传感器信号输出都可能受到压痕和拉伸效应两者的影响，并且因此，所获得的压力/力测量可以提供反映这两种物理效应的量度。

图6示出了另外的范例操作和测量模式，借助于该模式能够获得表面弹性的另外的备选量度。在这种情况下，所述设备的所提供的承载体8保持这样的布置：其包括能操作用于产生面内变形的致动元件14以及能操作用于感测面内或面外压力和/或力的传感元件16。再次地，尽管出于该范例的目的仅示出了两个元件，但是本发明的真实实施例包括具有多于两个元件的布置。可以根据当前操作模式来控制多对这样的布置以实现多种弹性测量。

如在图6b中所示的，致动元件14利用时变控制电压来刺激，使其以时变方式横向地变形，由此在接收表面34中引起时变的面内变形。这表现为生成表面(声学)Lamb波40，其在表面34上传播。

如在图6c中所示的，该波40在时间延迟Δt之后由传感元件16检测为压力波。基于时间延迟，能够计算波的速度。

在弹性剪切波传播速度与其行进通过的材料的硬度之间存在正相关关系。结果，波速的值提供了接收表面弹性的指示。具体地，在该方法被应用于皮肤的情况下，该表面声波(Lamb)波的速度可以提供用户皮肤的粘弹性的指示。

通过包括位于致动元件14附近的附加感测元件16，可以在另外的范例中扩展该测量模式(或者在图4中所图示的模式)。在范例中，每个感测元件可以被定位在致动器附近(没有其他元件在其之间)，例如形成围绕中央传感器的环形布置。

这样的配置使得能够同时获得多个弹性量度(压痕或粘弹性量度)，因为由中央致动器生成的单个变形模式能够由每个周围的感测元件同时感测或监测。这样的配置例如允许更快的数据记录，以及更高效的功耗。

图7示出了图6的范例操作模式的变型，其中，致动元件14能操作用于横向和垂直地扩展(即，平行并且垂直于接收表面34)。如在图7b中所示的，首先控制所述致动器在垂直于(正交于)所述接收表面的方向上静态地变形，以在所述接收表面中引起静态(非时变)面外变形(压痕)。

如在图7c中所示的，然后同时控制致动器14从而以时变方式横向地变形。时变横向扩展刺激合成的表面声波(Lamb)波40，其沿着(已经交错的)接收表面34在横向地移位的传感元件16的方向上传播。所述感测元件被配置为检测波的到达，如在图6的范例中那样。基于测量到的到达时间，能够再次确定波的速度。

静态面外变形用于调节致动器14在接收表面34上的静态(基线)压力。这可以使得能够调节致动器与接收表面的耦合，或者可以使得能够取得对波40速度的多次测量，对应于不同的静压力。在后一种情况下的静压在***中提供了额外的自由度，这可以允许实现对表面弹性的更丰富和更详细的分析。

在范例中，可以通过将叠加的DC和AC信号施加到EAP元件，来实现对致动器的静态垂直和时变横向膨胀的同时刺激。高幅度DC信号在与所述接收表面正交的方向上生成静态膨胀，而低幅度AC信号生成与接收表面平行的时变膨胀。使用介电弹性体可能效果最佳。也可以使用基于PVDF的弛豫聚合物，但是可实现的位移较小。

根据另外的范例操作模式，能够获得皮肤粘附和摩擦的量度。这是通过在皮肤的压痕和移位时测量皮肤样本的所谓剥离力来实现的。图8示意性描绘了用于实现该测量的范例配置。所述布置包括两个致动器14，其能操作用于在皮肤表面34中生成面外变形，致动器定位在中央感测元件16周围。

在这种情况下，感测元件16必须能操作用于测量正和负力/压力两者；其必须能操作用于测量由所述接收表面在朝向表面向内的方向上施加的力或压力(即，远离感测元件自身的下表面的‘拉力’)以及在朝向其自身的下表面向上的方向上的力。

如在图8中所示的，在激活这两个致动器14时，在皮肤表面34中产生的变形施加向下的力，该向下的力用于将皮肤拉离感测元件16的表面。在皮肤被拉离时，其拉下传感器16的幅度取决于皮肤粘附力。这种向下拉力的峰值被称为‘剥离’力。

为了提高灵敏度，能够通过使用相对光滑和/或柔软的传感器表面来增强剥离力，这可以放大皮肤粘附性质。皮肤粘附和皮肤摩擦是相关的，并且因此，粘附力(或‘粘性’)的量度提供摩擦的指示。

剥离力(以及因此皮肤粘附力)能够根据致动器电压-传感器输出曲线来确定。在图9的图上示出了这样的曲线的两个范例，其中，x轴表示致动器14电压，而y轴表示由感测元件16测量到的力。

曲线44示出了对于具有低粘附力和摩擦力的皮肤所取得的输出曲线。在此，随着致动器的变形增加，测量到的力近似线性地减小到零，并且然后对于所有另外的致动电压保持为零。这指示经历了零剥离力；皮肤粘附力太低而不会引起皮肤到传感器16任何能测量到的粘附。

曲线46示出了对于具有(较)高粘附力和摩擦力的皮肤所取得的输出曲线。在此，再次地，所测量到的力随着电压的增加线性地减小到零，但是随后继续下降到负力测量，达到由虚线48指示的最小值。虚线48指示‘剥离力’：皮肤开始与传感器分离所必需的力。经过剥离力，所测量到的力大致线性地再次增加到零，指示皮肤自身正在缓慢地剥离。

通过分析所获得的致动电压与传感器输出曲线，能够确定针对给定皮肤样本的剥离力，并且因此获得皮肤粘附和摩擦的量度。

在变型中，一个致动器和一个传感器仅可以被用于测量剥离力，只要两者充分靠近在一起。

根据另外的范例操作模式，可以执行对皮肤褶皱的尺寸和/或位置的测量。该模式在图10中图示。能操作用于横向地变形的致动器14与能操作用于测量面内或面外力或压力的传感器16组合使用。假设褶皱52位于致动器与传感器之间。在激活致动器时，向皮肤施加横向面内力，沿箭头所示的方向拉动皮肤。

取决于褶皱52的尺寸(以及是否存在褶皱)，获得不同致动电压与传感器输出曲线。图11示出了对应于不同褶皱情形的许多不同范例曲线，其中，x轴表示致动器电压，而y轴表示传感器输出。

在传感器16与致动器14之间存在褶皱的情况下，传感器最初记录零输出(或者至少非常弱的输出)，而褶皱52被‘展开’。在褶皱已经被完全展开之后，所述传感器输出由于固有皮肤弹性而迅速地增加。完全展开褶皱所需的致动器电压(即，位移)(‘阈值电压’)提供褶皱的尺寸(宽度、深度、体积)的指示。

这在图11中图示，其中，曲线64和曲线66分别表示对应于较小和较大皱折52的输出曲线。在每种情况下，传感器输出保持接近零直到给定的阈值电压。一旦超过该阈值，所述传感器输出开始增加。在图上由箭头68示出了针对较大褶皱趋势线66的阈值电压。较小的褶皱具有较小的阈值电压。

曲线62对应于不存在褶皱的情况。如所示的，在此，传感器输出仅随着电压的增加而增加，而没有任何初始延迟或暂停。

通过分析所获得的致动电压与传感器输出曲线，能够评估褶皱的存在和/或大小。

图12图示了根据本发明实施例的另外的范例操作模式。使用这样的布置：其包括能操作用于在接收表面34中引起面外变形的两个致动元件14，以及位于两个致动器之间的感测元件16，其能操作用于测量面外压力和/或由接收表面向上朝向传感器的方向施加的力。

该布置有效地表示参考图4所图示的范例测量模式的扩展，其中，提供了两个变形致动器14而不是一个。

图12a示出了初始非活动状态。图12b图示了在相对较硬的皮肤的情况下两个致动器14的激活。图12c图示了在相对较不硬的皮肤的情况下两个致动器的激活。

在较硬皮肤的情况下(图12b)，两个致动器14的激活在传感器16处引起大的压降。实际上，图12b示出了皮肤与传感器完全分离的极端情况，因此导致压力下降100％。这有效地表示与在图4的范例模式中预期实现的结果相同的结果，但具具有更大的总体引起的压降。

在皮肤较不硬的情况下(图12c)，可以获得更有趣的结果。在第一种情况下，较低硬度的皮肤将导致传感器16处的较低测量到的压降(如图4范例的情况)。然而，在一些情况下，实际上可以测量净压力上升，这是由于在两侧施加对称压力引起的诱导***而发生的。

更柔韧的皮肤允许由致动器14在传感器16的任一侧上施加的向下压力以至少部分地向内和向上朝向传感器重新定向。在一些情况下，该压力可以表现为向上施加压力到传感器的下部感测表面上(如在图12c中所示的)。***的程度取决于皮肤的硬度。因此，与图4的配置和操作模式相比，并入两个压痕致动器的这种扩展的布置允许获得关于皮肤硬度的附加信息。

图13示出了用于获得接收表面的弹性的量度的另外的范例操作模式。该范例有效地表示参考图12所图示的先前模式的‘逆’。在此，使用两个致动元件14，其位于中央感测元件16的两侧。所述感测元件适于测量由接收表面34在远离所述接收表面的方向上施加的面外压力和/或力。

致动器14中的每个致动器能操作用于在远离接收表面34的方向上变形，如在图13b和图13c中所图示的。由于周围的承载体8矩阵被牢固地施加到所述接收表面，因此该变形在由致动器变形留下的空隙内产生有效的真空效果。该真空效应使得下方的皮肤(或者其他接收表面)被部分地向上拉，以占据由变形产生的所述间隙的部分。这有效地引起皮肤的起伏，这导致在两个致动器之间对称地放置的皮肤的区域向下落下。在该区域与传感器元件16对准的情况下，该下降将被检测为施加的向上的力或压力的下降。

测量到的压降的幅度将取决于皮肤34的硬度。图13b示出了硬皮肤样本的情况。在此，皮肤的中央区域的下降很小，并且因此，测量压力下降很小。图13c示出了较不硬皮肤的情况。在此，压降要大得多。通过分析传感器的输出值，可以获得皮肤弹性或硬度的量度。

在变型范例中，传感器16可以是位移传感器而不是压力或力传感器。

可以在本发明的任何范例实施例中有利地并入或实现任何上文所描述的模式和配置。在特定情况下，可以同时地实施多种不同模式，或者所述控制器可以适于在不同模式之间切换以实现不同形式的测量。

在上文先前的段落中描述的图1的第一范例设备实施例图示了本发明的最简单的情况，其中，仅提供了三个表面交互元件的布置。然而，本发明的概念允许有利的扩展以覆盖包括任何数量的不同元件的布置，其被布置成遵循任何期望的图案或配置。更复杂的图案可以允许获得更丰富或更详细的测量数据集。

图14示出了例如可以并入范例实施例中的表面交互元件的第一备选范例布置10。所述布置包括围绕中央致动元件14的六个感测元件16的六角形布置。所述布置允许对应于不同方向获得多种弹性量度。如上文所描述的，多方向信息使得能够获得各向异性信息。

例如，可以为位于每个传感器16与中央致动器之间的皮肤的每个伸展获得一种弹性量度。这可以通过激活中央传感器以(根据上文所描述的任何模式)引起(面内或面外)变形，并且控制每个周围的传感器来测量合成压力来实现。在这种情况下，传感器读取可以同时进行，由此同时实现对应于六个不同方向的六个弹性量度。

在图14的布置的变型中，可以替代地围绕单个感测元件提供多个致动器的环形阵列。这种布置还允许对位于每个致动器与中央传感器之间的每个皮肤部分获得弹性量度。

然而，该变型布置还允许实施上文所描述的弹性测量的其他特定模式。例如，致动器的每对A-B、C-D、E-F可以与中央传感器组合地激活，以根据上文参考图12所描述的模式来实现测量。

在提供适当的传感器(能操作用于测量正压和负压)的情况下，可以另外实施根据图8的范例的测量模式。

在提供适当的致动器(即，能操作用于远离所述接收表面变形的致动器)的情况下，也可以实施图13的测量方法。可以提供多种不同类型的致动器以实施多种这些不同模式。

尽管通过范例的方式示出了六边形布置，但是可以同样地使用任何配置，例如矩形、五边形或任何其他规则或者不规则形状或配置。六边形布置赋予了允许获得多种不同方向量度的优点，同时还在相邻布置之间提供良好的镶嵌，由此允许将布置扩展到任意尺寸。

在另外的范例中，每个表面交互元件的形状或尺寸可以改变，或者相邻元件之间的间距在整个布置上变化。

如上文所提到的，传感器和致动器的布置可以扩展到任何任意所需的尺寸。图15示出了传感器16和致动器14的多个镶嵌的六边形配置的范例布置。

所述布置有效地包括图14的多个布置。每对相邻的六边形‘单元’或配置在其之间共享其六个感测元件中的两个。元件的这种共享导致感测资源的有效利用，使得能够使用减少总数量的传感部件获得大量不同的弹性量度。

所述控制器可以控制布置10中的任何任意传感器-致动器对，以提供相应的弹性测量。这使得能够获得大量测量，不仅针对不同的方向，而且还针对跨不同距离和针对不同的本地位置。

图16和图17图示了利用图15的布置10内的元件的不同范例选择，以实现与跨接收表面的不同距离相对应的弹性量度。粗体轮廓元件是由控制器主动控制的元件。

如在图16中所示的，可以在中央致动器14与六个直接围绕的传感器16中的每个传感器之间进行初始集合的测量。一旦获得了这些测量，位于第一六边形环中的一个‘层’的六个传感器可以与中央致动器组合使用以获得另外的六个弹性量度，对应于相同集合的方向，但是跨更宽的距离。

这些仅表示两个范例操作或激活模式，并且显然可以激活元件的任何任意组合或图案以实现不同集合的测量。例如，可以激活个体元件对，或者激活遵循非六边形形状的感测元件的环或图案。多个元件的行可以被用于多种测量，或者多个行同时或顺序地使用。

根据任何范例布置，在一些范例中，可以对多种不同的弹性量度进行平均或者以其他方式组合，以提供针对给定区域的平均或合并弹性量度。例如，可以对不同方向的多个量度进行平均，以针对特定面积或区域提供弹性的单个量度。

如上文简要讨论的，使用基于EAP的感测和致动允许提供双功能表面交互元件，每个元件能操作用于根据需要用作致动器或传感器。使用这样的双向元件允许利用元件的给定布置(其以其他方式是可能的)获得更密集的数据集。这是因为双向元件允许实现致动器和传感器的任意组合。

通过向一个或多个致动器添加单独的专用感测功能，也可以在备选范例中实现这样的双功能。这可以例如通过向致动器添加压力(或者力或弯曲)传感器来实现。在一个或多个范例中，这样的传感器设备或元件可以在致动器下方附接在致动器的面向接收表面的下表面上。这将允许在期望的地方执行感测，而不必干扰致动功能。这样的传感器可以包括电阻、电容或压电柔性薄膜元件的范例，其可以例如使用粘合剂被粘合到致动器上或者直接印刷到致动器上。

尽管双功能致动器能操作用于实现感测或致动，但是两者将不同时地使用。增加的功能仅仅因为其允许在两种不同的操作模式之间进行任意切换而具有优点。

根据一个或多个范例实施例，温度感测能力可以被有利地并入到表面交互元件的一个或多个表面交互元件中。皮肤弹性属性高度依赖于温度。这在图18中图示，其示出了皮肤样本的5条不同的范例应力-应变曲线，每条曲线对应于不同的皮肤温度。x轴表示应力(MPa)，而y轴表示应变。从最上面到最下面，曲线分别对应于10℃、15℃、40℃、50℃和60℃的皮肤温度。

并入温度感测可以使得弹性测量能够针对温度进行校正，并且因此获得更准确和可靠的结果。

使用基于EAP的致动器可以直接实现温度感测，因为其能够在致动的同时测量温度。这在范例中可以通过叠加低幅度AC信号来实现，该AC信号用于确定利用高幅度DC信号来引起致动的温度。适当的AC信号可以导致跨EAP元件展现的阻抗根据执行致动的温度(以及所施加的DC驱动信号)而改变。

可以在操作之前执行校准过程，其中，在不同温度的期望范围中的每个温度处针对所施加的DC驱动信号的预期可能范围中的每个的DC驱动信号来测量跨EAP元件的电感。因此，可以生成在每个不同温度下施加的DC信号的对应展示的阻抗的查找表。该查找表可以用于设备的实施例的操作，以基于测量到的阻抗和已知的施加的DC驱动信号来确定EAP元件的估计的温度。

此外，在一系列不同温度下获得皮肤弹性的量度可能是有利的。根据温度的皮肤弹性行为提供了比单独在单个温度下的测量更丰富的数据集。

为了实现这一点，根据一个或多个范例实施例，加热器元件可以与一个或多个致动器结合，例如固定在致动器后方，这允许致动器和在其下方的皮肤被加热。

如上所述，可以在这些范例中再次感测温度，并且可以在不同温度下执行一系列弹性测量，以便根据温度来实现对弹性的分析。

备选地，加热元件可以放置在致动器的前方(在面向皮肤的一侧)。然而，在一些情况下，这可能通过防止致动器与皮肤之间的紧密接触而干扰致动器的致动性能。

在一些范例中，可以使用加热器/冷却器元件(诸如Peltier元件)来进行更准确的温度控制。

另外，温度感测功能可以被用于确定皮肤的热属性。例如，温度感测可以使得能够识别一个或多个解剖特征(诸如动脉)的位置。例如，对于定位动脉位置的情况，可以确定皮肤的热导率差异。由于流动血液传递热量，所以在靠近皮肤表面的动脉附近的热导率将更高。通过在停用所述加热元件之后跟踪每个传感器的温度降低，能够识别具有最高导热率的区域。这可能指示皮肤表面下存在动脉。

例如，动脉或其他解剖特征可以是用于执行弹性测量的感兴趣区域。

使用多个传感器输出(如在以上范例中所描述的)可以通过计算一个或多个差分传感器结果来消除噪声，从而实现更准确的结果。例如，差分传感器输出可以如下地计算：

其中，S_m和S_n是传感器输出，其对应于由相同致动器生成并且分别由传感器m和n中的每个传感器感测的相同发送信号。|S_tot|表示已经消除噪声的差分传感器结果。

本发明实施例的应用广泛并且多种多样。

本发明通常能应用于表面分析的领域。一系列工业可受益于本发明提供的改进的能力，以测量和分析在多个方向上延伸的接收表面的横向拉伸的弹性。本发明使得能够测量和分析表面的横向弹性的各向异性。

示例性应用可以包括织物弹性的测试，例如用于衣物、地毯、座椅或者诸如窗帘的其他织物装饰。具有更高复杂性和细节的弹性分析能力可以用于例如评估在这样的应用中使用的织物或材料的可能寿命。例如，所述设备可能被用于评估椅子的织物区域的不同线性区域的表面弹性。这还可以基于人坐在椅子上时的典型重量分布，评估材料中大多数磨损或应变的区域，以及可能的使用寿命。预计经历大多数应变的区域可以通过取决于使用本发明的实施例而获得的弹性测量的量来增强或增厚。

类似地，为了应用于针对窗帘的材料，例如评估材料的不同方向上的弹性可能是有用的，以便确定切割织物的方向，从而得到窗帘的最小重力引起的拉伸。同样适用于在宽范围的工业或商业领域使用的材料，其中，在使用中的材料的面内弹性是一个重要因素。

还已知对动物皮革的弹性的分析是有用的工具，并且本发明在皮革的不同拉伸上测量弹性的各向异性的附加能力可能是有价值的附加功能。

除了以上范例之外，还存在特别是涉及皮肤分析的广泛应用。

范例设备，尤其是当例如在薄的柔性贴片中实施时，将适用于美容疗法应用。皮肤弹性的测量可以被用于随后建议对皮肤的处置，尤其是衰老对皮肤弹性的影响。其他原因(除了衰老)可能是皮肤松弛、多形性红斑、阳光伤害和体重减轻。

疾病也能够与弹性的变化有关。如果皮肤水分充足并且健康，则皮肤通常伸展并且恢复到正常位置。超弹皮肤延伸超出正常限制。尽管这通常不引起关注，但是超弹皮肤能够是许多疾病和状况的症状。例如，Ehlers-Danlos综合征、Marfan综合征、脆骨症和Aarskog综合征。

进一步的应用可以是评估可疑胎记或者其他皮肤缺陷的弹性，作为将其与非恶性缺陷区分开的手段。在这种情况下，致动器与传感器的间距可以很小，以使得多个这些元件能够覆盖小的皮肤缺陷。

所提出的实施例可以被用于必须表征弹性材料的应用中。

除了上述用途外，潜在的应用包括：

-出于PPG血压/心率监测的目的来识别动脉的位置。可以激活位于必须测量血压的动脉上方的致动器；

-面部皮肤区域上的弹性变化信息可以被有利地用于针对更平滑剃刮来调整震荡速度的剃刀旋转(例如，迷你EAP-传感器阵列可以被并入在剃刀的皮肤接触部分之内)；

-弹性信息能够被用于优化皮肤的局部剂量，例如保湿剂或其他乳膏；-可以通过在皮肤上移动范例设备来测量皮肤摩擦，以表征不同位置处的皮肤摩擦变化。例如，该信息能够被用于优化美容治疗。

适用于EAP部件的材料是已知的。电活性聚合物包括但不限于子类：压电聚合物，机电聚合物，弛豫铁电聚合物，电致伸缩聚合物，介电弹性体，液晶弹性体，共轭聚合物，离子聚合物金属复合物，离子凝胶和聚合物凝胶。

子类电致伸缩聚合物包括但不限于：

聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(PVDF-TrFE-CFE)，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)，聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)，聚氨酯或者其共混物。

子类介电弹性体包括但不限于：

丙烯酸酯，聚氨酯，有机硅。

亚类共轭聚合物包括但不限于：

聚吡咯，聚-3,4-亚乙二氧基噻吩，聚(对亚苯基硫醚)，聚苯胺。

离子设备可以基于离子聚合物-金属复合物(IPMC)或共轭聚合物。离子聚合物-金属复合物(IPMC)是一种合成复合纳米材料，其显示在所施加的电压或电场下的人造肌肉行为。

更详细地，IPMC由离子聚合物(如Nafion或Flemion)组成，其表面经化学镀或物理涂覆有导体，诸如铂或金，或者炭基电极。在所施加的电压下，由于在IPMC的条带上施加的电压引起的离子迁移和再分布导致弯曲变形。聚合物是溶剂溶胀的离子交换聚合物膜。该场使阳离子与水一起行进到阴极侧。这导致亲水簇的重组以及聚合物的膨胀。阴极区域中的应变导致聚合物基质的其余部分中的应力，导致朝向阳极弯曲。反转所施加的电压使弯曲反转。

如果电镀的电极以非对称的配置来布置，则所施加的电压能够引起所有种类的变形，诸如扭曲、滚动、扭转、转动和非对称弯曲变形。

在所有这些范例中，可以提供额外的无源层，用于响应于所施加的电场而影响EAP层的电和/或机械行为。

每个单元的EAP部件可以被夹置在各电极之间。所述电极可以是可拉伸的，使得其跟随EAP材料的变形。适用于电极的材料也是已知的，并且例如可以选自由薄金属膜(诸如金、铜或铝)或有机导体(诸如炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)，例如，聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS))组成的组中。也可以使用金属化聚酯薄膜，诸如金属化的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，例如使用铝涂层。

本发明能够被应用于许多EAP和光活性聚合物应用，包括其中感兴趣的致动器或传感器的无源矩阵阵列或者组合的传感器和致动器的范例。

例如，EAP致动器提供独特的益处，主要是因为其小的形状因子、柔性和高能量密度。因此，EAP和光响应聚合物能够被容易地集成在柔软的3D形状和/或微型产品和界面中。这样的应用的范例如下：

皮肤美容治疗，诸如皮肤致动设备，其形式为基于响应性聚合物的皮肤贴片，其对皮肤施加恒定或循环的拉伸以拉紧皮肤或减少褶皱；

具有患者接口面罩的呼吸设备，其具有基于响应性聚合物的活性垫或密封，以向皮肤提供交替的常压，从而减少或防止面部红斑；

带有自适应剃须刀头的电动剃须刀。能够使用响应性聚合物致动器来调节皮肤接触表面的高度，以便影响紧密度与刺激性之间的平衡；

口腔清洁设备，诸如带有动态喷嘴致动器的空气牙线，以改善喷雾的范围，尤其是在牙齿之间的空间中。备选地，可以为牙刷提供活化的簇；

消费者电子设备或触摸板，其经由集成在用户接口中或附近的响应性聚合物换能器的阵列提供局部触觉反馈；

具有可操纵顶端的导管，使得能够在曲折的血管中容易的导航。

通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述特定措施的仅有事实并不指示不能够有利地利用这些措施的组合。

权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims

1.一种用于施加到接收表面(34)以分析所述接收表面的跨所述表面的多个不同线性部分的弹性的设备(6)，所述设备包括：

-承载体(8)，其具有表面；

-布置(10)，其包括：

-三个或更多个表面交互元件(14、16)，其被安装到承载体表面，所述表面交互元件中的每一个表面交互元件：能操作用于在任何一个时间处执行致动功能或压力感测功能中的仅一项功能，并且在空间上彼此分离，并且跨所述承载体表面以二维分布；

-第一表面交互元件(14)，其能操作用于执行致动功能；以及

-第二表面交互元件(16)，其能操作用于执行压力感测功能；以及

-控制器(20)，其与所述表面交互元件(14、16)操作性地耦合，并且适于：

-控制所述第一表面交互元件(14)以在所述接收表面(34)中在第一接触点处引起变形；

-控制所述第二表面交互元件(16)以测量由所述接收表面(34)在第二空间上分离的接触点处施加的压力和/或力，以使得能够确定所述第一点与所述第二点之间的所述接收表面的弹性的量度；并且

-与至少所述第二元件和/或所述第一元件同时地控制一个或多个另外的表面交互元件，以在所述接收表面(34)中在另外的一个或多个接触点处引起变形或者测量由所述接收表面(34)在另外的一个或多个接触点处施加的压力和/或力，以便由此使得能够确定在所述另外的一个或多个点中的每个点与所述第二接触点或所述第一接触点之间的弹性的量度。

2.根据权利要求1所述的设备(6)，其中，所述控制器(20)能操作用于选择性地控制所述表面交互元件(14、16)的多个不同对，每对包括能操作用于执行致动的一个元件以及能操作用于执行压力和/或力感测的一个元件，以独立地或同时地执行相应的表面变形和压力/力感测功能，以由此实现跨所述接收表面(34)的多个不同成角的线性部分的多个独立或同时的弹性量度。

3.根据权利要求1或2所述的设备(6)，其中，所述控制器适于控制所述表面交互元件(14、16)中的一个或多个表面交互元件，以在由另外的表面交互元件在另外的空间上分离的点处引起变形之后，测量由所述接收表面(34)在相应的接触点处施加的所述压力和/或力的变化。

4.根据任一前述权利要求所述的设备(6)，其中，所述控制器(20)还适于处理从一个或多个表面交互元件(14、16)获得的多个压力和/或力测量，以便使得能够分析针对所述接收表面(34)的多个不同线性部分的平均或合计弹性测量。

5.根据任一前述权利要求所述的设备(6)，其中，

-多个所述表面交互元件(14、16)能操作用于执行致动功能，并且其中，所述控制器(20)适于：控制所述多个元件以在所述接收表面(34)中在相应的多个接触点处引起相应的变形，并且控制单个另外的表面交互元件以测量由所述接收表面在另外的空间上位移的接触点处施加的压力和/或力；和/或

-多个所述表面交互元件(14、16)能操作用于执行压力和/或力感测功能，并且其中，所述控制器(20)适于：控制单个另外的表面交互元件以在所述接收表面(34)中在单个接触点处引起变形，并且控制所述多个表面交互元件以测量由所述接收表面在另外的多个接触点处施加的压力和/或力。

6.根据权利要求5所述的设备(6)，其中，所述多个表面交互元件(14、16)均邻近于所述单个表面交互元件来定位。

7.根据任一前述权利要求所述的设备(6)，其中，所述表面交互元件(14、16)的至少子集均能操作用于执行致动或压力感测中的选定的一项，并且任选地，其中，

所述控制器(20)能操作用于在执行致动功能与执行感测功能之间选择性地切换表面交互元件(14、16)的所述子集中的每个。

8.根据任一前述权利要求所述的设备(6)，其中，所述表面交互元件(14、16)的至少子集包括电活性聚合物材料，所述电活性聚合物材料：适于响应于电信号的施加而变形，和/或适于响应于被施加在所述元件上的力或压力而生成电信号。

9.根据任一前述权利要求所述的设备(6)，其中，所述控制包括：

-控制至少一个表面交互元件(14)以在所述接收表面(34)中在相应的接触点处引起面外变形，并且控制至少另外的表面交互元件(16)以测量由所述接收表面在另外的相应的接触点处施加的面外压力和/或力；和/或

-控制至少一个表面交互元件(14)以在所述接收表面(34)中在相应的接触点处引起面内变形，并且控制至少另外的表面交互元件(16)以测量由所述接收表面在另外的相应的接触点处施加的面内或面外压力和/或力。

10.根据权利要求8所述的设备(6)，其中，至少一个表面交互元件(14)能操作用于引起面内变形，并且至少另外的表面交互元件(16)能操作用于测量面内或面外压力和/或力，并且其中，所述控制器(20)：适于将时变的控制信号施加到所述至少一个元件(14)以便控制所述至少一个元件以在所述接收表面(34)中引起时变的面内变形，并且还适于基于来自所述另外的表面交互元件(16)的输出来确定在时变的变形的生成与在所述另外的元件处的压力或力变化的检测之间的时间延迟。

11.根据权利要求9所述的设备(6)，其中，所述至少一个表面交互元件(14)能操作用于同时地引起面内变形和面外变形两者，并且其中，所述控制器(20)还适于控制所述至少一个表面交互元件以在所述接收表面(34)中引起非时变的面外变形。

12.根据任一前述权利要求所述的设备(6)，其中，所述控制器(20)能操作用于：控制第一表面交互元件(14)以在所述接收表面(34)中引起面外变形，并且控制至少另外的表面交互元件(16)以测量在朝向所述接收表面的方向上施加的面外压力和/或力，并且任选地，其中，所述控制器适于控制两个表面交互元件以在所述接收表面中引起相应的面外变形，所述另外的表面交互元件被定位在所述两个元件之间。

13.根据任一前述权利要求所述的设备(6)，其中，所述表面交互元件(14、16)中的一个或多个表面交互元件还能操作用于执行温度感测功能，并且其中，所述控制器(20)适于控制所述元件以测量所述接收表面(34)的温度，并且任选地，其中，所述设备还包括能操作用于对所述表面交互元件和/或所述接收表面的部分进行加热的加热元件。

14.根据任一前述权利要求所述的设备(6)，其中，所述承载体是顺应性承载体，其用于符合所述接收表面的拓扑结构，并且任选地，其中，所述承载体用于施加到皮肤。

15.一种借助于表面分析设备(6)来确定接收表面(34)的跨所述表面的多个线性部分的弹性的量度的方法，所述表面分析设备包括：

-承载体(8)，其具有表面；以及

-布置(10)，其包括：

-第一表面交互元件(14)，其能操作用于执行致动功能；

-第二表面交互元件(16)，其能操作用于执行压力感测功能；

所述方法包括：

-控制一个或多个另外的表面交互元件，以在所述接收表面中在另外的一个或多个接触点处引起变形或者测量由所述接收表面在另外的一个或多个接触点处施加的压力和/或力，以便使得能够确定在所述另外的一个或多个点中的每个点与所述第二接触点或所述第一接触点之间的弹性的另外的量度。