CN113396488A - 具有结构化纳米空隙的电活性聚合物设备中的经设计的加载响应 - Google Patents

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奥斯汀·莱恩
克里斯托弗·元庭·廖
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Abstract

一种设备可以包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的副电极、以及设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极的电活性聚合物元件。电活性聚合物元件可以包括纳米空隙聚合物材料，由此电活性聚合物元件的抗变形性相对于电活性聚合物元件的变形量是非线性的。还公开了各种其他设备、方法和***。

Description

具有结构化纳米空隙的电活性聚合物设备中的经设计的加载 响应
交叉引用
本申请要求美国第16/205,257号非临时申请的优先权，该申请的标题为“ENGINEERED LOADING RESPONSE IN ELECTROACTIVE POLYMER DEVICES HAVINGSTRUCTURED NANOVOIDS”并于2018年11月30日提交，其全部内容通过引用并入本文。
背景
电活性聚合物(EAP)材料可能在电场的影响下改变其形状。EAP材料已经被研究用于各种技术，包括致动、传感和/或能量收集。重量轻且适形的电活性聚合物可以被结合到诸如触觉设备的可穿戴设备中，并且是新兴技术的有吸引力的候选者，这些新兴技术包括虚拟现实/增强现实设备，其中期望舒适的、可调节的形状因子。
例如，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)眼镜设备(eyewear device)或头戴装置(headset)可以使用户能够体验事件，例如在计算机生成的三维世界模拟中与人的交互或查看叠加在真实世界视图上的数据。VR/AR眼镜设备和头戴装置也可用于娱乐以外的目的。例如，政府可以使用这种设备进行军事训练，医生可以使用这种设备模拟手术，以及工程师可以使用这种设备作为设计可视化辅助工具。
传统上，这些和其他使用电活性聚合物的应用利用聚合物材料的泊松比产生横向膨胀，作为对导电电极之间压缩的响应。尽管最近有所发展，但提供具有改进的变形控制的电活性聚合物材料(包括表现出可变或甚至负的刚度的材料)将是有利的。
概述
如下文将更详细描述的，本公开涉及包括纳米空隙聚合物材料的电活性设备。示例设备可以包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的副电极、以及电活性聚合物元件，该电活性聚合物元件具有设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极的纳米空隙聚合物材料。在一些实施例中，由于将纳米空隙引入到电活性聚合物元件中，电活性聚合物元件的抗变形性相对于电活性聚合物元件的变形量可以是非线性的。在一些实施例中，电活性聚合物元件可以被配置为在平行于主电极和副电极之间产生的电场的方向上收缩，并且还在至少一个正交于电场的方向上收缩。
在示例设备中，纳米空隙可以占据纳米空隙聚合物材料的体积至少约10％，并且可以均质地(homogeneously)或非均质地(non-homogeneously)分布在其中。例如，电活性聚合物元件内的纳米空隙的分布可以随着电活性聚合物元件的厚度而变化，或者该分布可以横向变化，即在正交于厚度维度的一个或更多个维度上变化。设置在主电极和副电极之间，电活性聚合物元件的厚度可以是100纳米至10微米。
在一些实施例中，当在主电极和副电极之间施加为电活性聚合物元件的介电强度的大约10％至大约90％的电场时，电活性聚合物元件可以具有大于静电能的应变能。在一些实施例中，电活性聚合物元件的应力-应变曲线可以具有随着应变的增加而增加的斜率。在一些实施例中，电活性聚合物元件的应力-应变曲线可以包括负斜率。
电活性聚合物元件可以进一步包括诸如钛酸钡的材料的颗粒，其中这种颗粒具有高介电常数。颗粒，例如高介电常数颗粒，可以设置在纳米空隙内或者分散在整个聚合物基质中，并且可以具有大约10nm和大约1000nm之间的平均直径。
根据一些实施例，一种电活性设备可以包括主电极、与主电极的至少一部分重叠的副电极、以及电活性聚合物元件，该电活性聚合物元件具有设置在主电极和副电极之间并邻接主电极和副电极的纳米空隙聚合物材料。电活性聚合物元件可以沿至少一个维度表现出负有效泊松比。
用于形成电活性设备的对应方法可以包括形成主电极，直接在主电极上形成包含纳米空隙聚合物材料的电活性聚合物元件，以及与主电极相对并直接在电活性聚合物元件上形成副电极。电活性聚合物元件可以表现出沿至少一个维度的负有效泊松比、或相对于电活性聚合物元件的变形量的非线性抗变形性中的至少一个。在至少一个实施例中，电活性聚合物元件可以沿一对相互正交的维度中的每一个维度表现出负的有效泊松比。
根据本文描述的一般原理，来自上面提到的实施例中的任一个的特征可以与彼此组合地被使用。通过结合附图和权利要求阅读以下详细描述，将会更全面地理解这些和其他实施例、特征和优点。
附图简述
附图示出了若干示例性实施例，并且是说明书的一部分。这些附图连同下面的描述一起展示并解释了本公开的各种原理。
图1示出了根据本公开的一些实施例的包括具有随机分布的纳米空隙的电活性聚合物元件的示例电活性设备(例如，致动器、传感器或能量收集设备)的示意图。
图2示出了根据本公开的某些实施例的示例电活性设备的示意图，该电活性设备具有包含纳米空隙的有序阵列的电活性聚合物元件。
图3示出了根据本公开的某些实施例的示例电活性设备的示意图，该电活性设备具有包含光刻限定的纳米空隙的电活性聚合物元件。
图4示出了根据本公开的一些实施例的相互隔离的纳米空隙的示例网络的示意图。
图5示出了根据本公开的一些实施例的相互连接的纳米空隙的示例网络的示意图。
图6A示出了根据本公开的一些实施例的另一示例纳米空隙电活性设备的图。
图6B示出了根据本公开的一些实施例的处于压缩状态的图6A的示例纳米空隙电活性设备的图。
图7示出了根据本公开的一个或更多个实施例的纳米空隙聚合物材料的应力对应变的示例曲线图。
图8A示出了包括纳米空隙聚合物材料的示例电活性聚合物元件的示意性横截面图。
图8B示出了根据本公开的一些实施例的图8A的示例电活性聚合物元件的示意图，该电活性聚合物元件响应于压缩应力的施加而在横向维度上表现出负的有效泊松比。
图9示出了将具有真空间隙的常规静电致动器的吸合电压(pull-in voltage)和电活性聚合物的吸合电压与聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜的经验介电击穿电压进行比较的曲线图。
图10A示出了根据本公开的一些实施例的示例可变形元件和可以包括电活性设备的透镜组件的横截面视图。
图10B示出了根据本公开的一些实施例的处于致动状态的图10A的可变形元件和透镜组件的另一横截面视图。
图11示出了根据本公开的一些实施例的具有多个可变形元件(例如，多个液体透镜)的示例透镜组件设备的横截面视图，该透镜组件设备可以包括电活性设备。
图12示出了根据本公开的一些实施例的示例透镜组件设备的另一横截面视图，该透镜组件设备具有多个可变形元件并且可以包括电活性设备。
图13示出了根据本公开的一些实施例的示例近眼显示***的图，该近眼显示***包括近眼显示器和控制***，它们可以彼此通信地耦合。
图14示出了根据本公开的一些实施例的示例近眼显示器的图，该近眼显示器具有透镜，包括具有多个液体透镜的透镜组件。
图15是根据一些实施例的用于制造电活性设备的示例方法的流程图。
在全部附图中，相同的参考符号和描述指示相似的但不一定相同的元件。虽然本文描述的示例性实施例易于进行各种修改和替代形式，但是特定实施例已经在附图中通过示例的方式示出，并且在本文将被详细描述。然而，本文描述的示例性实施例并不旨在局限于所公开的特定形式。更确切地，本公开覆盖了落入所附权利要求的范围内的所有修改、等同物和替代物。
示例性实施例的详细描述
如将在下面更详细解释的，本公开总体上涉及电活性设备，且更具体地说，涉及具有包括纳米空隙聚合物材料的电活性聚合物元件的电活性设备。在电活性聚合物元件内引入纳米空隙可以影响聚合物材料的应力-应变行为，并且可以用于设计(engineer)设备的变形响应。具体而言，示例纳米空隙聚合物的应力-应变响应可能表现出负斜率，即负刚度，这可能与物理不稳定性(例如屈曲(buckling))有关。在某些实施例中，响应于压缩，包括纳米空隙聚合物材料的电活性聚合物元件可以表现出横向收缩而不是横向膨胀，这是负有效泊松比的特征。
在一些实施例中，横向收缩可以近似线性地与电活性聚合物元件的初始(即无应力)厚度成比例，比例常数由纳米空隙聚合物材料的材料特性(包括介电常数和弹性)决定。根据某些实施例，诸如介电强度和压缩应力-应变响应之类的体(bulk)材料特性可以通过在微米和纳米尺度上改变纳米空隙的几何形状来控制。
根据各种实施例，电活性设备可以用于致动光学组件(例如，透镜***)中的可变形光学元件。这种电活性设备可以将电能转换成机械能(例如，致动器)，但是也可以被配置成将机械能转换成电能(例如，能量收集设备)。电活性设备的示例包括但不限于致动器、传感器、微机电设备和/或任何其他合适的设备。
在各种实施例中，电活性设备可以包括电活性聚合物元件，该电活性聚合物元件包括设置在成对电极之间的纳米空隙聚合物材料。电极可以允许创建迫使电活性聚合物收缩的电场。这种电极可以包括相对薄的导电层或结构，并且可以具有非顺应性或顺应性。
在电极中可以使用任何合适的材料，包括适用于薄膜电极的导电材料，例如透明导电氧化物、铝、银、铟、镓、锌、碳纳米管、炭黑和/或通过真空沉积、喷涂、浸涂和/或任何其他合适的技术在非电活性聚合物层上或直接在电活性聚合物表面本身上形成的任何其他合适的材料。在一些示例中，本文使用的“电极”可以指导电材料，通常是薄膜或层。
电极可以是自愈的，使得当活性层(例如电活性聚合物元件)的区域短路时，电极可以隔离受损区域。合适的自愈电极可以包括金属(例如铝)薄膜。
在一些实施例中，电活性设备可以包括至少两个电活性聚合物元件(例如，弹性聚合物元件)的堆叠，该堆叠是分层的，其中电极邻接每个电活性聚合物元件的相对的表面。在一些实施例中，电活性聚合物元件可以由相邻的、相对的电极对驱动。如下所述，电极可以可选地经由至少一个接触层电连接到沿着堆叠的横向***延伸的至少一个相邻公共电极。
如本文所用，“电活性聚合物”可以指当受到电场刺激时表现出大小或形状变化的聚合物。在这点上，由于相对于使用聚合物的电活性设备(例如，致动器)所使用的操作电压，聚合物的击穿电压低，一些电活性聚合物可能具有有限的应用。因此，具有降低的操作电压和更高能量密度的电活性设备对于许多应用可能是有用的。此外，许多电活性聚合物(包括体电活性聚合物)可能响应于压缩而仅表现出横向膨胀，这也可能限制它们对特定设备架构的适用性。相反，响应于压缩而实现在至少一个横向维度上的收缩对于某些应用可能是有利的。
在一些示例中，电活性聚合物可以包括可变形聚合物，其关于电荷可以是对称的(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)丙烯酸酯等)或不对称的(例如，极化的聚偏二氟乙烯(PVDF)或其共聚物，如聚(偏二氟乙烯-共-三氟乙烯)(PVDF-TrFE))。形成电活性聚合物材料的聚合物材料的其它示例可以包括但不限于苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯、环氧树脂、卤化聚合物(例如PVDF)、PVDF的共聚物(例如PVDF-TrFE)、硅酮聚合物和/或任何其它合适的聚合物材料。这种材料可以具有任何合适的介电常数或相对电容率，例如范围从大约1.2到大约30的介电常数。
在电场存在的情况下，电活性聚合物可能根据该场的强度而变形(例如，压缩、伸长、弯曲等)。这种场的产生可以例如通过将电活性聚合物放置在两个电极之间来实现，每个电极处于不同的电势。随着电极之间的电势差(即，电压差)增加或减少(例如，从零电势开始增加或减少)，(主要是沿着电场线的)变形量也可以增加。当达到一定的电场强度时，这种变形可能达到饱和。在没有电场的情况下，电活性聚合物可以处于其松弛状态，不经历诱导变形，或者等效地说，不经历内部或外部的诱导应变。
本文所示和所述的方法和***可以用于形成具有单个或多个纳米空隙电活性聚合物层(例如，几个层到数十个、数百个或数千个堆叠的层)的电活性设备。例如，电活性设备可以包括从两个电活性聚合物元件和对应的电极到数千个电活性聚合物元件(例如，从2个电活性聚合物元件到大约5个、大约10个、大约20个、大约30个、大约40个、大约50个、大约100个、大约200个、大约300个、大约400个、大约500个、大约600个、大约700个、大约800个、大约900个、大约1000个、大约2000个或大于大约2000个电活性聚合物元件，包括任何前述值之间的范围)的堆叠。可以使用大的力或大量的层来实现高位移输出，其中整个设备位移可以表示为每层位移的总和。
如上所述，电活性设备(例如，致动器)可以至少包括第一导电材料和第二导电材料(例如，用作电极)。此外，具有纳米空隙的聚合物材料(例如，纳米空隙聚合物)可以设置在第一导电材料和第二导电材料之间。
在一些实施例中，纳米空隙聚合物材料可以包括具有高介电常数的材料(例如钛酸钡)的颗粒。颗粒的平均直径可以在大约10和大约1000nm之间(例如，在大约10和大约100nm之间，在大约20和大约100nm之间，等等)。高介电常数材料的颗粒可以分散在整个纳米空隙聚合物材料中和/或被结合到纳米空隙聚合物材料的空隙中。
形成电活性设备的方法包括依次(例如，经由气相沉积、涂覆、印刷等)或同时(例如，经由共流动、共挤出、槽模涂覆(slot die coating)等)形成电极和电活性聚合物材料。替代地，可以使用引发式化学气相沉积(i-CVD)来沉积电活性聚合物材料，其中，例如，可以使用所期望的聚合物的合适单体来形成所期望的涂层。在一些实施例中，用于形成电活性聚合物的单体、低聚物、预聚物和/或聚合物可以可选地与溶剂混合，并且可以在固化期间和/或之后从电活性聚合物中除去溶剂以在电活性聚合物内形成纳米空隙。在某些实施例中，纳米空隙的有序阵列可以通过嵌段共聚物(block co-polymer)的自组装或通过使用光刻工艺来形成。
以下将参考图1-15来提供用于纳米空隙材料、电活性设备和实现电活性设备(例如，致动器)的光学***及其制造的***、方法和装置的详细描述。与图1-3相关联的讨论包括根据各种实施例对具有包括纳米空隙聚合物材料的电活性聚合物元件的电活性设备的描述。结合图4和图5讨论示例纳米空隙几何形状。与图6A-9相关联的讨论描述了包括纳米空隙聚合物材料的示例电活性聚合物元件的变形响应。与图10A和图10B中描绘的实施例相关的讨论包括对示例可变形元件(例如，液体透镜)设计和结合有电活性设备的设备的描述。与图11和图12中所描绘的实施例相关的讨论包括透镜组件设备，所述透镜组件设备包括含有纳米空隙的电活性设备。与图13中所描绘的实施例相关的讨论示出了根据本发明的示例实施例的用于近眼显示器和控制***的图。与图14中所描绘的实施例相关的讨论示出了具有可以用所公开的电活性设备致动的透镜的示例近眼显示器。虽然本文讨论的许多示例可以针对头戴式显示***，但是本公开的实施例可以在各种不同类型的设备和***中实现。此外，将结合图15提供对用于制造电活性设备的方法的详细描述。
根据各种实施例，电活性设备可以包括重叠的主电极和副电极以及电活性聚合物元件，所述电活性聚合物元件包括设置在电极之间并邻接电极的纳米空隙聚合物材料。在电极之间施加电压可以诱导作用于电活性聚合物元件的麦克斯韦应力(Maxwell stress)。在聚合物材料内引入纳米级空隙可以改变关于体电活性聚合物的应力-应变行为，这可用于定义EAP响应外加电压的方式。
在一些实施例中，纳米空隙电活性聚合物元件的抗变形性相对于电活性聚合物元件的变形量可以是非线性的。在一些实施例中，纳米空隙电活性聚合物元件可以沿至少一个维度表现出负的有效泊松比，使得一个维度上的压缩导致一个或更多个正交维度上的横向收缩和/或屈曲。
如上所述，电活性设备可以包括含有电活性聚合物的致动器。纳米空隙可以设置在整个聚合物基质中。在一些实施例中，电活性设备可以包括至少两个聚合物层，其中每个层由一对电极驱动。图1-3各自示出了示例性电活性设备(例如，致动器)100，其具有第一电活性聚合物元件(例如，第一纳米空隙弹性体材料)105、第二电活性聚合物元件(例如，第二纳米空隙弹性体材料)110、第三电活性聚合物元件(例如，第三纳米空隙弹性体材料)115、主电极130a、副电极130b、三级电极130c和四级电极130d。所示出的是通过引入随机的(图1)、有序的(图2)或光刻图案化(图3)的纳米空隙180而具有微米和纳米尺度的修改的示例性压缩EAP堆叠致动器。
在一些实施例中，主电极130a和三级电极130c可以连接到主公共电极140，并且副电极130b和四级电极130d可以连接到与主公共电极140电隔离的副公共电极150。
在一些实施例中，电极130a、130b、130c、130d可以彼此间隔开，并且在水平方向上至少部分地重叠。在一些实施例中，副电极130b可以与主电极130a的至少一部分重叠(即，在水平方向上重叠)，三级电极130c可以与副电极130b的至少一部分重叠，并且四级电极130d可以与三级电极130c的至少一部分重叠。
第一电活性聚合物元件105可以包括设置在主电极130a和副电极130b之间并邻接主电极130a和副电极130b的第一弹性体材料。第二电活性聚合物元件110可以包括设置在副电极130b和三级电极130c之间并邻接副电极130b和三级电极130c的第二弹性体材料。第三电活性聚合物元件115可以包括设置在三级电极130c和四级电极130d之间并邻接三级电极130c和四级电极130d的第三弹性体材料。在一些实施例中，主公共电极140可以电耦合(例如，在具有低接触电阻的交界面处电接触)到主电极130a和三级电极130c。副公共电极150可以电耦合到副电极130b和四级电极130d。
在一些实施例中，电活性设备100可以包括图1-3中未示出的附加层。例如，附加的电活性聚合物元件(未示出)可以设置在四级电极130d的与第三电活性聚合物元件115相对的一侧。附加的电活性聚合物元件可以覆盖第一电活性聚合物元件105、第二电活性聚合物元件110和第三电活性聚合物元件115。
此外，附加的电极(未示出)可以设置成邻接附加的电活性聚合物元件的背离第三电活性聚合物元件115的表面。在一些实施例中，电活性设备100可以包括更多个(例如，两个、三个或更多个)这样的附加电活性聚合物元件和对应的电极。例如，电活性设备可以包括从两个电活性聚合物元件和对应的电极到数千个电活性聚合物元件(例如，从2个电活性聚合物元件到大约5个、大约10个、大约20个、大约30个、大约40个、大约50个、大约100个、大约200个、大约300个、大约400个、大约500个、大约600个、大约700个、大约800个、大约900个、大约1000个、大约2000个、大于大约2000个电活性聚合物元件，包括任何前述值之间的范围)的堆叠。
在一些实施例中，如本文所用，“弹性体材料”可以指具有粘弹性(即，粘性和弹性)和相对较弱的分子间力，并且与其他材料相比通常具有低弹性模量(固体材料的刚度的量度)和高失效应变的聚合物。在一些实施例中，电活性聚合物元件(例如，第一电活性聚合物元件105、第二电活性聚合物元件110和第三电活性聚合物元件115)可以包括有效泊松比小于大约0.35的弹性体材料，并且可以包括具有负泊松比的拉胀材料。例如，弹性体材料可以具有小于大约0.35的有效泊松比(例如，0.35、0.3、0.25、0.2、0.15、0.1、0.05、-0.05、-0.1、-0.15、-0.2、-0.25、-0.3、-0.35或更小，包括任何前述值之间的范围)。
在至少一个示例中，弹性体材料的有效密度可以小于当被致密化时(例如，当弹性体被压缩，例如，通过电极使弹性体更致密时)弹性体的约90％(例如，小于约80％，小于约70％，小于约60％，小于约50％，小于约40％)。在一些示例中，本文所用的术语“有效密度”可以指可以使用测试方法获得的参数，在该测试方法中，均匀厚的弹性体层可以放置在两个平坦且刚性的圆板之间。在一些实施例中，被压缩的弹性体材料的直径可以是弹性体材料的厚度的至少100倍。可以测量弹性体材料的直径，然后可以将板压在一起以在弹性体上施加至少大约1×106Pa的压力，并且重新测量弹性体的直径。有效密度可以根据以下表达式确定：D比率＝D未压缩的/D压缩的，其中D比率可以表示有效密度比，D未压缩的可以表示未压缩的聚合物的密度，以及D压缩的可以表示压缩的聚合物的密度。
在一些示例中，电活性聚合物元件(例如，第一电活性聚合物元件105、第二电活性聚合物元件110和第三电活性聚合物元件115)可以是空隙化的和/或纳米空隙化的(即，在构成电活性聚合物元件的材料中具有多个空隙和/或纳米大小的空隙)。在一些实施例中，纳米空隙可以占据电活性聚合物元件的体积的至少大约10％(例如，按体积计大约10％、按体积计大约20％、按体积计大约30％、按体积计大约40％、按体积计大约50％、按体积计大约60％、按体积计大约70％、按体积计大约80％、按体积计大约90％，包括任何前述值之间的范围)。
空隙和/或纳米空隙可以是闭孔的或开孔的、或它们的组合。对于开孔的空隙，空隙大小可以是空隙的最小平均直径。在一些实施例中，聚合物层可以包括热固性材料和/或弹性模量小于约10GPa的任何其他合适的材料(例如，约0.5GPa、约1GPa、约2GPa、约3GPa、约4GPa、约5GPa、约6GPa、约7GPa、约8GPa或约9GPa，包括任何前述值之间的范围)。
对于空隙内的材料(例如空气)的模量远小于聚合物基质的模量(Yvoid<<Ydielectric)的纳米空隙聚合物材料，有效模量(Yeff)可以表示为Yeff＝Ydielectric(1-□void)，其中□void是空隙的体积分数。
根据一些实施例，纳米空隙可以均质地或非均质地分布在整个纳米空隙聚合物材料中。举例来说，空隙大小和/或空隙大小分布可以是在纳米空隙聚合物材料内空间变化的，即，横向地和/或相对于纳米空隙聚合物材料的厚度变化。调整EAP的空隙分数可以调整其压缩应力-应变特性。
空隙和/或纳米空隙可以是任何合适的大小，并且在一些实施例中，空隙180可以接近未变形状态下的聚合物层的厚度的尺度。例如，空隙可以在大约10nm到大约等于相应电极对之间的间隙(如图3示意性地示出的)之间。在一些实施例中，空隙180可以在大约10nm和大约1000nm之间，例如在大约10nm和大约200nm之间(例如，大约10nm、大约20nm、大约30nm、大约40nm、大约50nm、大约60nm、大约70nm、大约80nm、大约90nm、大约100nm、大约110nm、大约120nm、大约130nm、大约140nm、大约150nm、大约160nm、大约170nm、大约180nm、大约190nm、大约200nm、大约250nm、大约300nm、大约400nm、大约500nm、大约600nm、大约700nm、大约800nm、大约900nm或大约1000nm，包括任何前述值之间的范围)。
根据一些实施例，空隙可以是大致球形的，然而空隙形状没有被特别限制。例如，除了球形空隙之外，或者代替球形空隙，纳米空隙聚合物材料可以包括扁圆形、长圆形、透镜状、卵形等的空隙，并且可以以凸起和/或凹陷的横截面形状为特征。此外，空隙可以相互隔离或相互连接。举例来说，图4示意性地示出了包括相互隔离的椭圆形空隙480的网络的纳米空隙聚合物材料460，而图5示意性地示出了包括相互连接的椭圆形空隙580的网络的纳米空隙聚合物材料560。在图4所示的实施例中，纳米空隙480的分布可以随着纳米空隙聚合物材料460的厚度而变化(即，在z方向上变化)。
回到图1-3，在某些实施例中，当在主电极130a和副电极130b之间施加第一电压时，第一电活性聚合物元件105可以从初始状态变形到变形状态。此外，当在副电极130b和三级电极130c之间施加第二电压时，第二电活性聚合物元件110可以结合第一电活性聚合物元件105的变形从初始状态变形到变形状态，并且当在三级电极130c和四级电极130d之间施加第三电压时，第三电活性聚合物元件115可以结合第一电活性聚合物元件105和第二电活性聚合物元件110的变形从初始状态变形到变形状态。第一、第二和第三电压可以相等，也可以不相等。
在一些实施例中，向电极(例如，主电极130a、副电极130b、三级电极130c和/或四级电极130d)施加电压可以在至少一个方向(例如，参照定义的坐标系的x、y或z方向)上在电活性聚合物元件中创建至少大约10％的应变(例如，在由施加的电压而产生的施加力的方向上的变形量除以材料的初始尺寸)。
在一些实施例中，向一个或更多个电活性聚合物元件施加电压可以改变其纳米空隙区域内的气体内压。例如，在与电活性聚合物元件的变形相关联的尺寸变化期间，气体可以扩散到电活性聚合物元件中或从电活性聚合物元件中扩散出来。电活性聚合物元件的这种变化会影响例如在尺寸变化期间包含电活性聚合物的电活性设备(例如，电活性设备100)的滞后，并且当电活性聚合物元件的尺寸快速变化时还会导致漂移。
因此，在实施例中，纳米空隙可以用抑制电活性聚合物元件的电击穿(例如，在变形期间)的气体填充。气体可以包括空气、氮气、氧气、氩气、六氟化硫和/或任何合适的气体。在另一方面，电活性设备(例如，致动器)100可以具有施加到电活性设备100的边缘和/或一个或更多个电极或其组合的密封层(未示出)。合适的密封层可以包括无机材料(例如二氧化硅)的薄膜层，其用任何合适的方法施加，包括例如原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等。薄膜层也可以由聚合物层和无机层的一个或更多个二元体(dyad)制成。在实施例中，密封层还可以包括通过溶剂和/或用引发式CVD施加的阻隔材料，例如聚三氟氯乙烯(PCTFE)和/或其他聚合物。
在一些实施例中，电活性聚合物元件105、110、115中的每一个可以独立地在未变形状态下具有最大厚度，并且在变形状态下具有压缩厚度。举例来说，当第一电活性聚合物元件105处于未变形状态时，第一弹性体材料的密度可以是当第一电活性聚合物元件105处于变形状态时第一弹性体材料的密度的大约90％或更小。当第二电活性聚合物元件110处于未变形状态时，第二弹性体材料的密度可以是当第二电活性聚合物元件110处于变形状态时第二弹性体材料的密度的大约90％或更小。当第三电活性聚合物元件115处于未变形状态时，第三弹性体材料的密度可以是当第三电活性聚合物元件115处于变形状态时第三弹性体材料的密度的大约90％或更小。
在一些实施例中，当在主电极130a和副电极130b之间施加电压时，第一弹性体材料可以表现出至少大约10％的压缩应变，当在副电极130b和三级电极130c之间施加电压时，第二弹性体材料可以表现出至少大约10％的压缩应变，并且当在三级电极130c和四级电极130d之间施加电压时，第三弹性体材料可以表现出至少大约10％的压缩应变。
在一些实施例中，电活性聚合物元件105、110、115中的一个或更多个可以包括具有高介电常数的材料的颗粒，颗粒的平均直径在大约10nm和大约1000nm之间。在一些实施例中，具有高介电常数的材料可以包括钛酸钡(BaTiO3)，其是钙钛矿族的成员，并且还可以包括其他钛酸盐。具有高介电常数的材料可以设置在空隙180内和/或纳米空隙聚合物材料的整个基质中。
BaTiO3是一种具有相对高的极化和介电常数(例如，在大约500和大约7000之间的值)的铁电材料，并且可以在本文描述的各种电活性设备中使用。除了大的极化率和电容率之外，BaTiO3也可以获得大的应变。纯BaTiO3是绝缘体，而在掺杂后，它可以结合聚合物材料转变成半导体。在一些实施例中，具有高介电常数的材料的颗粒可以被包含在聚合物中，以改变第一电活性聚合物元件105、第二电活性聚合物元件110或第三电活性聚合物元件115的机械特性(例如泊松比)或电气特性(电阻、电容等)。附加地或替代地，任何其他合适的组分可以添加到电活性聚合物材料中。
在一些实施例中，第一电活性聚合物元件105、第二电活性聚合物元件110、第三电活性聚合物元件115和/或至少一个附加的电活性聚合物元件(未示出)可以具有大约10nm至大约10μm的厚度(例如，大约10nm、大约20nm、大约30nm、大约40nm、大约50nm、大约60nm、大约70nm、大约80nm、大约90nm、大约100nm、大约200nm、大约300nm、大约400nm、大约500nm、大约600nm、大约700nm、大约800nm、大约900nm、大约1μm、大约2μm、大约3μm、大约4μm、大约5μm、大约6μm、大约7μm、大约8μm、大约9μm或大约10μm，包括任何前述值之间的范围)，示例厚度为大约200nm至大约500nm。
在一些实施例中，电活性聚合物元件105、110、115可以分别包括第一弹性体材料、第二弹性体材料和第三弹性体材料，每种材料的有效泊松比为约0.35或更小。在一些实施例中，第一电活性聚合物元件105、第二电活性元件110和/或第三电活性聚合物元件115可以包括有助于形成或支撑空隙区域或两者的材料的颗粒。合适的颗粒包括硅酸盐(例如二氧化硅)(其包括由硅胶、热解法二氧化硅产生的结构)、钛酸盐(例如钛酸钡)、金属氧化物(例如二氧化钛)、它们的复合物等。颗粒的平均直径可以在大约10nm和大约1000nm之间，并且颗粒可以形成平均尺寸在大约100nm和大约10,000nm之间的分支或网状颗粒。
在一些实施例中，公共电极(例如，主公共电极140和副公共电极150)可以以与图1-3所示不同的多种方式构造。例如，公共电极可以形成倾斜的形状，或者可以是更复杂的形状(例如，图案化的或自由形式的)。在一些实施例中，公共电极可以被成形为允许电活性设备100在操作期间压缩和膨胀。
在一些实施例中，电极(例如，主电极130a、副电极130b、三级电极130c、四级电极130d、主公共电极140和副公共电极150)可以包括金属，例如铝、金、银、锡、铜、铟、镓、锌等。可以使用其他导电材料，包括碳纳米管、石墨烯、透明导电氧化物(TCO，例如氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)等)，等等。
在一些配置中，电极可以被配置为弹性地拉伸。在这样的实施例中，电极可以包括TCO、石墨烯、碳纳米管等。在其他实施例中，例如，在电活性设备具有包括纳米空隙电活性聚合物材料的电活性聚合物元件的实施例中，可以使用相对刚性的电极(例如，包括诸如铝的金属的电极)。
在一些实施例中，电极(例如，主电极130a、副电极130b、三级电极130c、四级电极130d、主公共电极140和副公共电极150)可以具有大约1nm至大约1000nm的厚度，示例厚度为大约10nm至大约50nm。一些电极(例如，主电极130a、副电极130b、三级电极130c、四级电极130d，或未示出的至少一个附加电极)可以被设计成允许第一电活性聚合物元件105、第二电活性聚合物元件110、第三电活性聚合物元件115和/或至少一个附加电活性聚合物元件(未示出)的电击穿(例如，弹性体聚合物材料的电击穿)的愈合。在一些实施例中，包括自愈电极(例如，铝电极)的电极(例如，主电极130a、副电极130b、三级电极130c、四级电极130d或未示出的至少一个附加电极)的厚度可以大约为20nm。
在一些实施例中，电极(例如，主电极130a、副电极130b、三级电极130c、四级电极130d、主公共电极140和副公共电极150)可以使用任何合适的工艺制造。例如，可以使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、蒸发、喷涂、旋涂、原子层沉积(ALD)等来制造电极。在另一方面，可以使用热蒸发器、溅射***、喷涂器、旋涂器、ALD单元或使用印刷或冲压等来制造电极。
根据一些实施例，并且参考图6A和图6B，电活性设备650可以包括一对电极，该对电极包括主电极652和副电极654。这些成对的电极可以用位于其间的由纳米空隙聚合物形成的电活性聚合物元件656间隔开，使得主电极652邻接纳米空隙电活性聚合物元件656的第一表面658，并且副电极654邻接纳米空隙电活性聚合物元件656的与第一表面658相对的第二表面660。电活性聚合物元件656具有任何合适的尺寸，包括任何合适的厚度和/或宽度，没有限制。
在一些实施例中，当在主电极652和副电极654之间施加电压差时，电活性聚合物元件656可以从未变形状态(如图6A所示)或部分变形状态变形到更完全的变形状态(如图6B所示)。在一些实施例中，电活性聚合物元件656的变形状态可以是压缩状态，其中电活性聚合物元件656在z方向上具有减小的厚度T2，如图6B所示。本文所用的厚度可以指电活性聚合物元件的至少一部分平行于在邻接电活性聚合物元件的成对电极之间产生的E-场的长短(extent)。在一些实施例中，电活性聚合物元件656的初始状态可以是未受到E-场影响的状态、或者已经受到在主电极652和副电极654之间产生的E-场影响的状态，并且E-场可以被增强以放大E-场诱导的变形。
在图6A和图6B中表示了主电极652和副电极654之间的电场线的示例性方向E1。根据一些实施例，如图6A和图6B所示，电活性聚合物元件656在变形状态下的变形量可以对应于E-场的强度，或者等效地，对应于施加在主电极652和副电极654之间的电压量。在至少一个示例中，当电活性聚合物元件656处于压缩状态时，电活性聚合物元件656可以横向(即，在图6B所示的x方向上)收缩，使得电活性聚合物元件656在x方向上具有减小的宽度。在一些实施例中，除了或代替x方向上的收缩，电活性聚合物元件656可以在y方向上横向收缩(未示出)。
电活性聚合物元件656在未变形或松弛状态下可以具有最大厚度(例如，图6A所示的厚度T1)，并且在当在主电极652和副电极654之间施加至少某个值的电压差时的变形状态(例如，最大变形状态)下可以具有最小厚度(例如，图6B所示的厚度T2)。在一些实施例中，电活性聚合物元件656的最大厚度可以从大约10nm到大约10μm。附加地或替代地，处于未变形状态的电活性聚合物元件656的宽度可以从大约100nm到大约100μm(例如，大约100nm、大约500nm、大约1μm、大约10μm、大约20μm、大约30μm、大约40μm、大约50μm、大约60μm、大约70μm、大约80μm、大约90μm或大约100μm，包括在任何前述值之间的范围)。本文所用的宽度可以指电活性聚合物元件的至少一部分在横向于预期电场的维度上的长短。
图7示出了示例纳米空隙聚合物材料的非线性抗变形性，其示出了应力对应变的定性图，其中可以在三个区域(I-III)上考虑应力响应。在区域I内，应力随着应变单调增加，表明线性弹性行为和局部应力最大值(例如，随着电压的增加)。纳米空隙聚合物材料的弹性模量可以从弹性变形区域(区域I)中的应力-应变曲线的斜率导出。根据某些实施例，纳米空隙聚合物材料可以包括热固性聚合物，并且具有小于大约10GPa(例如，小于大约0.5、1、2、5或10GPa)的弹性模量，包括任何前述值之间的范围。
在区域II内，应力稳定下来，并随着应变的增加而减小(即，压缩应力-应变曲线表现出负斜率)，这可能归因于纳米空隙聚合物材料的屈曲和伴随的负刚度。参考区域III，应力-应变曲线的斜率再次为正，这与纳米空隙的塌陷和纳米空隙聚合物材料的压实相关联。再次参考图6B，屈曲和空隙塌陷可能伴随着聚合物材料在一个或更多个横向方向上的横向收缩，即在x方向上的收缩和/或在y方向上的收缩。根据一些实施例，这种非线性抗变形性可以实现对静电设备的简化控制，因为单个电压可以用于产生一定范围的硬化行为(stiffening behavior)。弯曲模式或隔膜EAP致动器的压缩预加载可以在经由施加的电压而诱导的应力下诱导屈曲行为。
图8A和图8B示意性地示出了示例性电活性聚合物元件的屈曲变形。图8A示出了包括具有规则的纳米空隙阵列880的均质聚合物材料860的无应力电活性聚合物元件850的表示。在施加压缩应力(即在z方向上)之后，纳米空隙880塌陷，并且电活性聚合物元件850屈曲并表现出伴随的横向收缩(即在x方向上)，如图8B所示。
将纳米空隙引入到纳米空隙聚合物材料中不限于改变整个电活性聚合物元件的性质。纳米空隙可以在整个纳米空隙聚合物材料中被选择性地使用，以在电活性聚合物元件内局部地诱导不同的行为，例如，使得电活性聚合物元件的不同部分对同一电压做出不同地响应。
图9从理论上比较了包括真空间隙的标准静电致动器和EAP的吸合电压(或在不稳定和塌陷之前的最大静电能量下的电压)与PDMS膜的经验确定的介电击穿电压。区域910突出了100纳米至1微米以下的厚度，其中介电击穿可能难以预测。区域920示出了具有真空间隙的标准电活性设备的操作状态(operating regime)，并且组合区域920和930表示纳米空隙电活性聚合物可实现的更宽的操作状态。
图10A示出了根据本公开的示例实施例的示例可变形元件和透镜组件的横截面视图，该透镜组件可以包括一个或更多个电活性设备。如图10A所示，可调节透镜1000可以是具有结构支撑元件1010(例如，刚性背板)和可变形光学元件1040的可调节透镜，其中密封件1020形成在结构支撑元件1010和可变形光学元件1040之间。
在各种实施例中，可调节透镜可以包括具有可调节的光学特性(例如，可调光焦度/焦距、对波前失真和/或像差的校正等)的任何合适类型的透镜。在一些示例中，如下文将更详细解释的，可调节透镜可以包括液体透镜。例如，可调节透镜1000可以填充有光学介质，该光学介质至少部分地被可变形光学元件封装(即，在结构支撑元件1010和可变形光学元件1040之间)。例如，透镜1000可以填充有液体或半固体材料(例如，凝胶、半固体聚合物等)。通常，透镜1000可以包含在压力下变形和/或流动的基本透明的材料。
结构支撑元件1010和可变形光学元件1040可以由任何合适的材料组成。在一些示例中，结构支撑元件1010可以包括刚性材料。例如，结构支撑元件1010可以由刚性的、基本透明的聚合物组成。可变形光学元件1040可以包括基本透明的弹性材料。例如，可变形光学元件1040可以由天然或合成的弹性体组成，当变形力被移除时，该弹性体返回到静止状态(resting state)。如下文将更详细解释的，在一些示例中，可变形光学元件1040可以使用产生直接驱动力的电活性设备来变形，以产生透镜1000的期望的光焦度或其他光学特性。
尽管在图10A中透镜1000未被致动，但是电活性设备可以向透镜1000施加力以致动透镜1000(如将结合图10B描述的)。此外，这种力可以围绕透镜1000的周边(perimeter)是均匀的，或者可以围绕透镜1000的周边是可变的。例如，对应于由第一电活性设备(例如，第一致动器)1030a的机械作用施加的力的矢量(未示出)可以与对应于由第二电活性设备(例如，第二致动器)1030b的机械作用施加的力的矢量相同。替代地，对应于由第一电活性设备1030a的机械作用施加的力的矢量可以不同于对应于由第二电活性设备1030b的机械作用施加的力的矢量。
图10B示出了根据本公开的示例实施例的处于致动状态的图10A的示例可变形元件和透镜组件的横截面视图。具体而言，图10B描绘了通过接收由两个不同的电活性设备的机械作用施加的力来致动的可调节透镜1000。在该示例中，第一电活性设备(例如，第一致动器)1030a可以将具有第一大小和第一方向的矢量的推力(未示出)施加到透镜1000周边上的第一区域。第二电活性设备(例如，第二致动器)1030b可以将具有第二大小和第二方向的矢量的推力(未示出)施加到透镜1000周边上的第二区域，以实现透镜1000的期望的光焦度或其他光学特性。本领域技术人员将理解，其他实施例可以使用压缩和膨胀的各种组合，其中各种数量的致动器向可变形光学元件上的各个位置施加不同的力，以实现透镜的期望的光学特性。
由图10A中的电活性设备施加的致动透镜1000的力以及任何其他合适的力可以由任何合适类型的电活性设备施加，例如结合本公开的图1-3所示和所述的电活性设备。在另一方面，电活性设备中的至少一个(例如，电活性设备1030a和1030b中的一个)可以包括直接驱动致动器。如在一些实施例中所使用的，术语“直接驱动致动器”可以指在直接驱动***或配置(例如，不涉及中间的、离轴设备来传输功率的任何配置)中使用的任何致动器。相反，间接驱动***可以具有不沿着与致动器相同的运动轴线连接的至少一个传动系(drive-train)部件(例如，皮带、链条、滚珠丝杠机构、齿轮等)。直接驱动致动器的示例可以包括但不限于电驱动致动器、电活性弯曲器、音圈致动器、形状记忆合金、液压泵等。
如上所述，在各种实施例中，直接驱动致动器可以包括弯曲器。在一些示例中，本文使用的术语“弯曲器”可以指但不限于基于板或梁设计的电驱动致动器，该电驱动致动器通过施加的电场将面内收缩转换成面外位移。弯曲器或弯曲致动器可以包括以双压电晶片、单压电晶片或多层整体结构操作的全电活性或复合材料堆叠。在一些实施例中，本文使用的术语“单压电晶片弯曲器”可以指但不限于具有电活性层和非活性层的梁或板，其中位移由电活性层的收缩或膨胀引起。在一些实施例中，本文使用的术语“双压电晶片弯曲器”可以指但不限于具有两个电活性层的梁或板，其中位移由一层的膨胀或收缩以及第二层的交替收缩或膨胀引起。
在一些实施例中，本文使用的术语“多层弯曲器”可以指但不限于电活性层、电极层和绝缘层的多层堆叠，其与交替收缩和膨胀的电活性层集成为整体弯曲器。多层压电弯曲器中的压电层可以实现在低电压处出现高电场(并因此出现高的力和位移)。多层弯曲器可以包括多个薄压电陶瓷层，这可能需要较低的电压来实现类似于双压电晶片和单压电晶片设计的内应力。开环或闭环中的充电和电压控制也可以在进行一些调整的情况下，在多层弯曲器中实现。在一些示例中，多层弯曲器的控制***可以不需要高压电源。
根据一些实施例，致动器可以是框架轮廓的环弯曲器(frame-contoured ringbender)和/或可以包括堆叠或重叠的弯曲器。此外，致动器体积可以被限制在光学孔径外部的边缘区域，其可以包括透镜、光学元件、光学子组件等的周边体积。如上所述，诸如致动器(或一组致动器)的电活性设备可以在透镜的周边在离散点处或沿空间限定的分布提供相等或变化的力和位移。
本文公开的包括直接驱动弯曲器的电活性设备可以包括设置在两个电极之间的电活性聚合物元件。在这样的例子中，形成电活性设备的方法可以涉及同时(例如，经由共流动、槽模涂覆等)形成电极和电活性聚合物。
图11示出了根据本公开的示例实施例的具有多个可变形元件(例如，多个液体透镜)的透镜组件设备的示例横截面视图，该透镜组件设备包括电活性设备。具体地，图11示出了透镜显示组件1100的侧视图。如图11所示，透镜显示组件1100可以包括可调节聚焦的透镜1160(a)和可调节聚焦的透镜1160(b)。此外，透镜显示组件1100可以包括托架1130(a)和托架1130(b)，它们中的每一个都将可调节聚焦的透镜1160(a)连接到可调节聚焦的透镜1160(b)(例如，通过各自的电活性设备)。
因为托架1130(a)和1130(b)连接到与可调节聚焦的透镜1160(a)和可调节聚焦的透镜1160(b)耦合的电活性设备(例如，直接驱动致动器)，所以当托架1130(a)和/或1130(b)移动时，托架1130(a)和/或1130(b)可以同时向可调节聚焦的透镜1160(a)和可调节聚焦的透镜1160(b)施加力，从而使可调节聚焦的透镜1160(a)和1160(b)变形且使其光焦度改变。
此外，在一些示例中，透镜显示组件1100可以包括位于可调节聚焦的透镜1160(a)和1160(b)之间的显示器1145。例如，显示器1145可以包括基本上半透明(除了例如由显示器1145显示的虚拟对象)的增强现实显示器，允许用户的眼睛1150越过显示器1145看到真实世界对象，例如图11所示的树1155。
在一些实施例中，托架1130(a)和1130(b)可以各自向可调节聚焦的透镜1160(a)和可调节聚焦的透镜1160(b)施加相等的压力(例如，足以保持可调节聚焦的透镜1160(a)和1160(b)的相应膜内的张力但不会使可调节聚焦的透镜1160(a)和1160(b)变形的压力)。因此，可调节聚焦的透镜1160(a)和1160(b)可以是平坦的，并且没有表现出明显的光焦度。因此，由显示器1145显示的虚拟对象的表观适应距离(apparent accommodationdistance)可以是显示器1145距用户眼睛1150的实际距离。同样，透镜显示组件1100不会显著改变树1155对于用户眼睛1150的外观。
在一些示例中，本文所述的一个或更多个托架可以是刚性的。附加地或替代地，本文所述的一个或更多个托架可以在一个或更多个方向上具有一定程度的弹性。在一些例子中，托架的长度可以是固定的。在一些例子中，托架的长度可以是可调节的。例如，托架的长度可以通过使用例如固定螺钉或可调节螺纹轴(threaded shaft)来手动调节。附加地或替代地，托架的长度可以通过例如压电堆叠的使用来动态调节。
图11描绘了处于调节状态的透镜显示组件1100。如图11所示，托架1130(a)和1130(b)可以由一个或更多个致动器(例如，如本文所述的电活性设备)致动，以远离用户的眼睛1150和可调节聚焦的透镜1160(a)并朝向可调节聚焦的透镜1160(b)移动。在该过程中，分别由托架1130(a)和1130(b)施加的力1140(a)和1140(b)可以将可调节聚焦的透镜1160(a)成形为平凹透镜，并将可调节聚焦的透镜1160(b)成形为平凸透镜。可调节聚焦的透镜1160(a)因此可以使显示器1145显示的图像看起来更靠近眼睛1150。同时，可调节聚焦的透镜1160(b)可以补偿由可调节聚焦的透镜1160(a)产生的光焦度，使得树1155的外观不会受到可调节聚焦的透镜1160(a)的改变的显著影响。
应当理解，在一些示例中，托架1130(a)和1130(b)的中间位置可以导致对由显示器1145显示的图像的表观适应距离的中间改变，这允许虚拟对象的可能表观适应距离的连续范围，同时保持真实世界对象的外观的保真度。
在一些实施例中，可以包括附加的光学元件，例如透镜1165a和透镜1165b，以提供附加的光焦度。在一些实施例中，透镜1165a和1165b可以包括可用于治疗眼睛的屈光不正的处方透镜，所述屈光不正可以包括例如近视、远视、散光和老花眼等。在其他实施例中，处方透镜可以被定制以校正给定用户的屈光不正，其可以包括各种部件，例如用于解决近视和/或老花眼的球面部件、用于解决散光的柱面部件以及用于解决斜视和其他双眼视力障碍的棱镜部件。
图12示出了根据至少一个实施例的透镜显示组件1200的横截面。如图12所示，透镜显示组件1200可以包括可调节透镜1205、可调节透镜1210、位于可调节透镜1205和1210之间的显示器1245以及透镜组件外壳1225。在一些示例中，透镜组件外壳1225和显示器1245之间的体积可以为本文所述的电活性设备(例如，直接驱动致动器)提供空间。根据一些示例，可调节透镜1205和1210的组合可以修改由显示器1245创建的图像的表观适应距离，而不改变用户的眼睛1250所感知的远处真实世界对象(例如，树1255)的外观。
如图13所示，近眼显示***1300可以包括近眼显示器(NED)1310和控制***1320，它们可以彼此通信地耦合。近眼显示器1310可以包括透镜1312、电活性设备(例如，致动器)1314、显示器1316和传感器1318。控制***1320可以包括控制元件1322、力查找表(LUT)1324和增强现实(AR)逻辑1326。
增强现实逻辑1326可以确定要显示什么虚拟对象以及虚拟对象要被投射到的真实世界位置。因此，增强现实逻辑1326可以生成图像流1328，该图像流1328由显示器1316以这样的方式显示，即显示器1316中显示的右侧图像和左侧图像的对齐导致朝向期望的真实世界位置的视觉会聚(ocular vergence)。
控制元件1322可以使用由增强现实逻辑1326确定的相同定位信息，结合力查找表1324，来确定如本文所述将由电活性设备1314(例如，致动器)施加到透镜1312的力的量。电活性设备1314可以响应于控制元件1322，向透镜1312施加适当的力，来调整显示器1316中显示的虚拟图像的表观适应距离，以匹配虚拟图像的表观聚散距离(apparent vergencedistance)，从而减少或消除辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict)。控制元件1322可以与传感器1318通信，传感器1318可以测量可调节透镜的状态。基于从传感器1318接收的数据，控制元件1322可以调节电活性设备1314(例如，作为闭环控制***)。
在一些示例中，显示***1300可以一次显示多个虚拟对象，并且可以确定用户正在观看(或者可能正在观看)哪个虚拟对象，以识别要为其校正表观适应距离的虚拟对象。例如，该***可以包括眼睛跟踪***(未示出)，其向控制元件1322提供信息，以使控制元件1322能够选择相关虚拟对象的位置。
附加地或替代地，增强现实逻辑1326可以提供关于哪个虚拟对象最重要和/或最有可能引起用户的注意力的信息(例如，基于空间或时间接近度、移动和/或附加到虚拟对象的语义重要性度量)。在一些示例中，增强现实逻辑1326可以识别多个潜在重要的虚拟对象，并选择近似一组潜在重要的虚拟对象的虚拟距离的表观适应距离。
控制***1320可以表示用于管理对可调节透镜1312的调节的任何合适的硬件、软件或其组合。在一些示例中，控制***1320可以表示片上***(SOC)。这样，控制***1320的一个或更多个部分可以包括一个或更多个硬件模块。附加地或替代地，控制***1320的一个或更多个部分可以包括一个或更多个软件模块，当存储在计算设备的存储器中并由计算设备的硬件处理器执行时，该软件模块执行本文描述的一个或更多个任务。
控制***1320通常可以表示用于为头戴式显示器提供显示数据、增强现实数据和/或增强现实逻辑的任何合适的***。在一些示例中，控制***1320可以包括图形处理单元(GPU)和/或被设计为优化图形处理的任何其他类型的硬件加速器。
控制***1320可以在各种类型的***(例如图14所示的增强现实眼镜1400)中实现。如图所示，眼镜1400可以包括耦合到框架1430(例如，在眼线(eyewire)处，未示出)的可调节聚焦的透镜1410。在一些实施例中，图13的控制***1320可以集成到框架1430中。替代地，控制***1320的全部或一部分可以在远离眼镜1400的***中，并且被配置为经由有线或无线通信来控制眼镜1400中的电活性设备(例如，致动器)。
在实施例中，每个透镜1410可以包括例如由弹性膜和光学透明且刚性的后基板封装的光学流体。沿着透镜1410周边的致动(例如，使用结合图1-3进一步示出和描述的一个或更多个电活性设备)可以改变透镜的曲率(并因此改变光焦度)，其中正形状和负形状由所施加的力的方向决定。在实施例中，膜表面在静止(rest)时(例如，在零电功率下)可以是非平面的(例如，凹面的或凸面的)。在一个示例中，当基板弯曲时，膜表面可以是非平面的。
安装在框架1430中(例如，眼线中)的电活性设备(例如，致动器)可以使每个透镜变形，其中通过定制的位移和偏转，以及经由用于非对称透明孔径的周边安装，包括例如RGB(红-绿-蓝)波导，实现高光学质量。
如上所述，图13的控制***1320可以触发电活性设备来调节透镜(例如，透镜1410)以帮助解决辐辏调节冲突。辐辏调节冲突可能源于人类如何感知深度。当人眼注视对象时，它会适应这个对象——也就是说，它会改变焦距来聚焦到这个对象。这种适应是对深度的视觉提示：比这个距离更近或更远的对象在视网膜上是不聚焦的。这种“视网膜模糊”是一种提示，即对象处于与适应距离不同的距离，然而该提示对于对象是更近还是更远是模糊的。
当(立体地)使用双眼时，双眼视差是深度的主要视觉线索。两只眼睛从稍微不同的角度看着对象，所以它们得到对象的略有不同的视图。视图的这种差异是两个视图之间的双眼视差(不完全匹配)。视觉***通常将这两幅图像融合成单一的感知，并将两幅图像之间的视差转换成深度的感知。对象越靠近，它在两个视网膜上产生的图像之间的视差(匹配误差)就越大。
在典型的虚拟现实头戴式设备中，虚拟显示平面或焦平面可以位于固定距离处。但是虚拟对象可能“位于”焦平面的前面或后面。头戴式显示器可以尝试再现这样的虚拟对象的双眼视差，该双眼视差是深度的主要视觉提示。但是双眼视差提示可能会驱使眼睛在一个距离处接近，而来自虚拟平面的光线可能会产生视网膜模糊，这驱使眼睛适应另一个距离，在这些深度提示之间创建冲突，并迫使观看者的大脑不自然地适应冲突的提示。这种辐辏调节冲突反过来会造成视觉疲劳，尤其是在长时间使用增强现实***期间。
图15示出了根据本公开的示例实施例的用于生产电活性设备的示例方法1500的流程图。在步骤1510，可以形成主电极(例如，图1-3中的主电极130a)。
在图15中的步骤1520，包括纳米空隙聚合物材料的电活性聚合物元件(例如，图1-3中的第一电活性聚合物元件105)可以直接形成在主电极上。
在图15中的步骤1530，副电极(例如，图1-3中的电活性聚合物元件)可以与主电极相对并直接形成在电活性聚合物元件上。电活性聚合物元件可以表现出沿至少一个维度的负有效泊松比、或相对于电活性聚合物元件的变形量的非线性抗变形性中的至少一个。
根据各种实施例，电活性设备的电活性聚合物元件可以设置在电极之间，并且可以包括纳米空隙聚合物材料。纳米空隙可以规则地或随机地分布在整个聚合物基质中，并且使得能够设计电活性聚合物元件的各种特性，例如在电极之间存在电压梯度的情况下电活性聚合物元件的应力-应变行为。
在一些示例中，纳米空隙可以在电活性聚合物元件的诱导压缩期间提供负泊松比和伴随的横向收缩。有效泊松比(即纳米空隙材料的泊松比)在一个或两个横向维度(例如相互正交的维度)上可以是负的。在另外的示例中，纳米空隙可以提供增强的力密度，使得电活性设备能够在收缩期间以与天然肌肉相当的方式操作。
在一些实施例中，电活性聚合物元件可以包括设置在多个对应的电极对之间的多个纳米空隙聚合物材料层(例如，数百个或数千个亚微米层)。
本文描述和示出的电活性设备可以在任何合适的技术中使用，而没有限制。例如，这种电活性设备可以用作机械致动器来驱动相邻部件的移动。在至少一个实施例中，所公开的电活性设备可以结合到光学***例如如本文所述的可调节透镜(例如，流体填充的透镜)中，以驱动一个或更多个光学层的移动。这种致动可以例如允许可调节透镜的透镜层的选定移动，导致透镜层的变形，从而调节该可调节透镜的光学特性(例如，焦点、球面校正、柱面校正、轴向校正等)。在一些实施例中，本文公开的电活性设备可以用作微机械装置(例如微机电设备)中的致动器。附加地或替代地，电活性设备可以用于将机械能转换成电能，用于能量收集***和/或传感器装置。
本公开的实施例可以包括人工现实***或者结合人工现实***来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，真实世界)内容相结合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，它们中的任何一个都可以在单个通道或多个通道中呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式被使用(例如在人工现实中执行活动)。可以在各种平台(包括连接到主计算机***的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算***、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实***。
本文描述和/或示出的显示设备和***广泛地表示能够执行计算机可读指令(例如在本文描述的模块内包含的那些指令)的任何类型或形式的计算设备或***。在它们的最基本的配置中，这些设备可以各自包括至少一个存储器设备和至少一个物理处理器。
在一些示例中，术语“存储器设备”通常指能够存储数据和/或计算机可读指令的任何类型或形式的易失性或非易失性存储设备或介质。在一个示例中，存储器设备可以存储、加载和/或维护本文描述的模块中的一个或更多个。存储器设备的示例包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、硬盘驱动器(HDD)、固态驱动器(SSD)、光盘驱动器、高速缓存、这些部件中的一个或更多个的变形或组合、或者任何其他合适的储存存储器。
在一些示例中，术语“物理处理器”通常指能够解析和/或执行计算机可读指令的任何类型或形式的硬件实现的处理单元。在一个示例中，物理处理器可以访问和/或修改存储在上述存储器设备中的一个或更多个模块。物理处理器的示例包括但不限于微处理器、微控制器、中央处理单元(CPU)、实现软核处理器的现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、这些部件中的一个或更多个的部分、这些部件中的一个或更多个的变形或组合、或任何其他合适的物理处理器。
在一些实施例中，术语“计算机可读介质”通常指能够存储或携带计算机可读指令的任何形式的设备、载体或介质。计算机可读介质的示例包括但不限于传输型介质(例如，载波)以及非暂时性介质，例如，磁存储介质(例如，硬盘驱动器、磁带驱动器和软盘)、光存储介质(例如，光盘(CD)、数字视频盘(DVD)和BLU-RAY盘)、电子存储介质(例如，固态驱动器和闪存介质)以及其他分发***。
本文描述和/或示出的过程参数和步骤的顺序仅作为示例被给出，并且可以根据需要变化。例如，虽然本文所示和/或所述的步骤可以以特定顺序示出或讨论，但是这些步骤不一定需要以所示出或讨论的顺序执行。本文描述和/或示出的各种示例性方法也可以省略在本文描述或示出的一个或更多个步骤，或者包括除了那些所公开的步骤之外的附加步骤。
提供前面的描述以使本领域中的其他技术人员能够最好地利用本文公开的示例性实施例的各种方面。该示例性描述并不旨在是穷尽的或受限于所公开的任何精确形式。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，许多修改和变化是可能的。本文公开的实施例应该被认为在所有方面都是说明性的，而不是限制性的。在确定本公开的范围时，应当参考所附权利要求及其等同物。
除非另有说明，否则如在说明书和权利要求中使用的术语“连接到”和“耦合到”(及其派生词)应被解释为允许直接和间接(即，经由其他元件或部件)连接。此外，如在说明书和权利要求中使用的术语“一个(a)”或“一个(an)”应被解释为意指“......中的至少一个”。最后，为了便于使用，说明书和权利要求书中使用的术语“包括(including)”和“具有”(及其派生词)可与词语“包括(comprising)”互换并具有相同的含义。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
主电极；
副电极，其与所述主电极的至少一部分重叠；以及
电活性聚合物元件，其包括设置在所述主电极和所述副电极之间并邻接所述主电极和所述副电极的纳米空隙聚合物材料，
其中，所述电活性聚合物元件的抗变形性相对于所述电活性聚合物元件的变形量是非线性的。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，纳米空隙占据所述纳米空隙聚合物材料的体积至少约10％。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电活性聚合物元件内的纳米空隙的分布基本上是均质的。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电活性聚合物元件具有100纳米至10微米的厚度。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电活性聚合物元件内的纳米空隙的分布随着所述电活性聚合物元件的厚度而变化。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电活性聚合物元件内的纳米空隙的分布在所述主电极和所述副电极之间横向变化。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，当在所述主电极和所述副电极之间施加为所述电活性聚合物元件的介电强度的约10％至约90％的电场时，所述电活性聚合物元件的应变能大于静电能。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电活性聚合物元件的应力-应变曲线具有随着应变的增加而增加的斜率。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电活性聚合物元件的应力-应变曲线包括负斜率。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电活性聚合物元件包括具有高介电常数的材料的颗粒，所述颗粒的平均直径在大约10nm和大约1000nm之间。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，具有所述高介电常数的所述材料包括钛酸钡。
12.一种电活性设备，包括：
主电极；
副电极，其与所述主电极的至少一部分重叠；以及
电活性聚合物元件，其包括设置在所述主电极和所述副电极之间并邻接所述主电极和所述副电极的纳米空隙聚合物材料，
其中，所述电活性聚合物元件沿至少一个维度表现出负有效泊松比。
13.根据权利要求12所述的电活性设备，其中，纳米空隙占据所述纳米空隙聚合物材料的体积至少约10％。
14.根据权利要求12所述的电活性设备，其中，所述电活性聚合物元件内的纳米空隙的分布基本上是均质的。
15.根据权利要求12所述的电活性设备，其中，所述电活性聚合物元件具有100纳米至10微米的厚度。
16.根据权利要求12所述的电活性设备，其中：
所述电活性聚合物元件被配置为在平行于所述主电极和所述副电极之间产生的电场的方向上收缩，并且
所述电活性聚合物元件被配置为在正交于所述电场的至少一个方向上收缩。
17.一种方法，包括：
形成主电极；
直接在所述主电极上形成包含纳米空隙聚合物材料的电活性聚合物元件；和
与所述主电极相对并直接在所述电活性聚合物元件上形成副电极，其中，所述电活性聚合物元件表现出以下中的至少一个：
沿至少一个维度的负有效泊松比，或者
相对于所述电活性聚合物元件的变形量的非线性抗变形性。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电活性聚合物元件沿一对相互正交的维度中的每一个维度表现出负有效泊松比。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，当在所述主电极和所述副电极之间施加为所述电活性聚合物元件的介电强度的约10％至约90％的电场时，所述电活性聚合物元件的应变能大于静电能。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电活性聚合物元件的应力-应变曲线包括负斜率。
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