CN101505707B

CN101505707B - 压力致动器和施加压力的方法

Info

Publication number: CN101505707B
Application number: CN2007800306053A
Authority: CN
Inventors: S·阿斯瓦迪; M·T·约翰逊; M·A·赖梅
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: KR20090038904A; EP2054005B1; US20100234779A1; EP2054005A2; BRPI0715879A2; WO2008020377A3; ES2370178T3; ATE517600T1; JP2010500895A; CN101505707A; WO2008020377A2

Abstract

本发明公开一种压力致动器，其包括承载结构、与该承载结构一体化和/或与其连接的形状记忆材料、和该形状记忆材料附近的至少一个加热元件，该加热元件被配置成至少局部地改变该加热元件附近的该形状记忆材料的形状。在具体实施例中，该压力致动器包括与该形状记忆材料分开的至少一个加热元件，该至少一个加热元件可以被配置成局部地改变该形状记忆材料内的温度。

Description

压力致动器和施加压力的方法

技术领域

本发明涉及一种压力致动器。

背景技术

对于某些愈合和/或化妆过程，在身体的某些位置施加压力是有利的。然而，使用的常见压力服不能充分地促进愈合和/或化妆过程。

本发明的目的是提供一种促进愈合和/或化妆过程的手段。

发明内容

可以单独地或组合地实现本发明的上述目的和其他目的，其中本发明包括压力致动器，其包括承载结构、与所述承载结构一体化和/或与其连接的形状记忆材料、和所述形状记忆材料附近的至少一个加热元件，所述加热元件被配置成至少局部地改变所述加热元件附近的所述形状记忆材料的形状。

通过本发明，可以改变形状记忆材料的形状，其中形状记忆材料(以及因而的压力致动器)的形状变化被限制到相应的加热元件附近的形状记忆材料，从而诱发局部形状变化。因此，可以局部地控制施加到身体上的压力，从而促进愈合和/或化妆过程。在具体实施例中，通过使用与形状记忆材料分开的加热元件，通过单独地控制加热元件可以有利地控制局部压力，例如利用有源矩阵寻址和/或控制电路，从而提供动态受控的压力致动器。

此外，利用向人体或动物身体施加压力的方法可以单独地或组合地实现所述目的，包括优选利用形状记忆材料施加压力的压力致动器，其中所述压力致动器是至少部分柔性的，其中利用电路至少在位置和/或时间方面控制施加到身体上的压力。

此外，利用向人体或动物身体施加压力的方法可以单独地或组合地实现所述目的，其中压力经由形状记忆材料施加到身体上，其中所述形状记忆材料沿其表面以一定模式被加热，使得所述形状记忆材料大致根据所述模式局部地改变形状。

此外，利用形状记忆材料在向身体施加压力的装置中的用途可以单独地或组合地实现所述目的，其中所述形状记忆材料至少沿身体的方向局部地改变形状，优选大致垂直于身体。

此外，利用被配置成经由电路单独地驱动加热元件和/或加热元件组的计算机程序产品可以单独地或组合地实现所述目的，其中所述加热元件被配置成至少局部地加热向人体或动物身体施加压力的形状记忆材料，其中所述计算机程序产品被配置成利用所述加热元件的驱动至少在位置和/或时间方面控制所述记忆材料的局部形状变化。

附图说明

下面，结合附图进一步阐明本发明的实施例。在附图中：

图1显示压力致动器的侧剖视图；

图2显示向形状记忆材料的工作示例；

图3显示双向形状记忆材料的工作示例；

图4显示形状记忆合金作为温度的函数的形状变化过程图；

图5A显示刺绣形状记忆材料线的方法实施例的立体图；

图5B显示形状记忆材料的刺绣线的实施例的立体图；

图6显示缝纫在承载结构上的形状记忆材料带的俯视图；

图7A显示扭曲的形状记忆材料纤维的立体图；

图7B和图7C显示缠绕的形状记忆材料纤维的立体图；

图8A～图8G显示压力致动器的实施例；

图9显示压力致动器的俯视剖视图；

图10A显示压力致动器的侧剖视图；

图10B显示压力致动器的俯视剖视图；

图11显示压力致动器的俯视剖视图，其中示出了形状记忆材料的网格。

具体实施方式

在说明书中，相同或相应的零件具有相同或相应的附图标记。所示的示例性实施例不应被理解为以任何方式限制，仅用于说明。

图1显示压力致动器1的实施例的示意性侧剖视图。显示的压力致动器1包括SMM(形状记忆材料)2和加热元件3。设置与SMM 2和加热元件3连接的承载结构4。在该实施例中，通过加热使SMM 2改变形状。为此，设置加热元件3。在使用中，SMM 2的形状变化造成压力致动器1例如对人的皮肤7施加压力P。在特定实施例中，承载结构4至少部分是柔性的，例如，以防止对SMM 2施加过多反作用力。对于穿着诸如服装或装束等结构，这也是有利的。

在某些实施例中，压力致动器1的应用包括按摩绷带、治疗压力绷带(例如，以防止血栓形成、褥疮)、按摩座椅(例如在汽车或飞机中)、触觉发射机、移动设备和/或虚拟现实的触摸互动、针压、烧伤患者的压力服、治疗服装，例如静脉曲张患者的袜子、身体轮廓校正服、压力服等。例如，对于烧伤创面的愈合，压力服已经是一个重要组成部分，其中通过施加压力使疤痕组织减少，可以减少疤痕组织的形成。

形状记忆材料(SMM)2是具有独特性质的材料，它在通过诱发的温度变化而使材料机械变形之后可以恢复形状。SMM包括形状记忆聚合物(SMP)和形状记忆合金(SMA)，它们例如是商业化的形式，如纤维、丝、带、管、板和颗粒、以及在SMA情况下的粉末。已知的SMP包括聚氨酯和聚苯乙烯-丁二烯嵌段聚合物。已知的SMA一般包括NiTi基或Cu基合金，例如Cu-Zn-Al或Cu-Al-Ni。由于根据本发明可以使用多种SMM，很显然，本发明不应该局限于上述SMM。

在本领域中，单向SMA和双向SMP都是众所周知的。在特定实施例中，SMM 2包括单向SMM 2，而在其他实施例中，SMM 2包括双向SMM 2。

从图2的示例可以看出，通过加热，在通过被称为转变温度(T_g)的温度时，单向SMM 2从临时变形形状变化到记忆的形状。在图2中，步骤a代表记忆的形状。在步骤b中，SMM 2变形，其中机械变形所产生的能量存储在材料中。然后经步骤c中的加热，这种能量释放，从而促进恢复到原始记忆的形状的过程。对于单向聚合物，从步骤d可以看出，冷却SMM 2原则上不影响形状。

双向SMM 2具有可逆相变。图3示出双向SMM 2的形状变化过程。步骤a-c显示出图2的单向SMM 2例子一样的效果。从图3可以看出，在步骤d中，冷却会改变SMM 2的形状，回到机械变形后的形状，而无需施加外部应力。机械变形后的形状将被称为第二记忆的形状。对于双向SMM 2，控制加热和冷却可能对于SMM 2响应时间是至关重要的。一般而言，可以根据参数例如恢复应变、温度控制要求、功能性疲劳等采用不同的SMM 2。在具体实施例中，在压力致动器1中使用添加的弹性材料，以协助和/或对抗SMM 2的某些形状变化。

使用必须依赖于SMM 2的性质施用的温度。根据SMM 2的性质和/或施用到SMM 2的温度，SMM 2完全或部分地恢复其记忆的和/或第二记忆的形状。

根据本发明的压力致动器1还意图包括单向SMM 2，由于结合它们与杨氏模量与相关SMM 2的杨氏模量具有特定关系的纺织材料，这使得行为与双向SMM 2一样，如在尚未预先公布的欧洲专利申请号EP05106301.4中提到的那些，此处并入该专利申请作为参考。

SMP是根据聚合物的T_g(玻璃化转变温度)可以发生恢复过程的聚合物。当通过T_g时，特定SMP的机械性质变化。低于T_g，SMP是相对刚性的和塑性变形的，而高于T_g，材料是软的，取决于相对于T_g的温度可以是弹性和部分塑性的。双向SMP是已知的，例如从国际专利申请公开号WO 2004056547中获知。

通常，SMA与SMP具有相同或相似的温度诱导的转变性质。记忆效应源于高于某一温度的相变，在此期间，材料从马氏体相变化到奥氏体相。从图4的示例图可以看出，低温相是马氏体(M)相，高温相被称为奥氏体(A)。这些相的温度范围可以随材料被加热或冷却而变化。在图中，M_s指马氏体开始，即，马氏体相开始，其中SMA的结构在冷却开始变化，M_f指马氏体完成，其中变化完成，A_s指奥氏体开始，A_f指奥氏体完成，其中分别在加热期间开始和完成转变。SMA是塑性的，并相对容易在马氏体相变形，也被称为低于T_g，而在奥氏体相的温度下，也被称为高于T_g，材料是弹性的，具有相对较大的杨氏模量。

可以使用加热元件3控制SMM 2的形状变化。此外，可以通过向SMM 2、特别是SMA施加电力加热SMM 2，而不是使用单独的加热元件3。所述形状变化可以用来向人体或动物身体施加压力。例如，承载结构4可以包括织物和/或绷带，从而它能够穿在身体上，并允许SMM 2的形状变化。当通过加热将热量施用到SMM 2时，虚线所显示的形状变化2a发生在SMM 2中，这可能在压力致动器1的另一个层6中造成虚线所显示的形状变化6a。这样，压力致动器1例如通过皮肤7可以施加不同的压力P。

适于压力致动器1的承载结构4可以包括但不仅限于绷带、石膏、石膏模型、装束、纺织品、箔、织造和非织造结构、塑料制品、特别是聚合物、特别是聚合物织物，例如尼龙和涤纶、纱线、纤维，其中适合的纤维包括天然纺织纤维如棉花或羊毛纤维、再生纤维如粘胶、和合成纤维如涤纶、锦纶(尼龙)或聚丙烯纤维、胶状物质、皮革、动物皮肤。承载结构4可以用于通风和/或冷却的孔、绝缘层5、冷却层6等(参见例如图8A或图10A)。承载结构4也可以是透明的。在其他情况下，承载结构4由SMM2和/或一个或多个加热元件3构成，这样，SMM 2和/或加热元件3具有承载结构功能。

可以采取各种方式使SMM 2与纺织材料连接或一体化。SMM 2可以被刺绣(如图5所示)或例如缝纫或缝合(如图6所示)在承载结构4上。在图5中，示出的SMM 2包括纤维纱线。同样，任何形状的SMM 2，如表面成形、管形、带形或线形的SMM 2都可以绣在承载结构4上。在图6中，显示了例如通过缝纫刺绣的SMM 2的带或板。可选择地，可以使用特殊的纺织胶水或其他方法例如Velcro(维可牢尼龙搭扣)粘在织物上。承载结构4可以例如是编织的、针织的或非织造的。例如，SMM 2可以交织进承载结构4中。

从图7A可以看出，纤维形式的SMM 2可扭曲在一起，或从图7B和图7C可以看出，缠在其他常用纺织纤维周围。可选择地，纤维形式的SMM 2可以与纺织来源的其他单丝复合，形成可以纺织、针织或通过编织纱线和/或缠绕纤维保持在一起的多丝。在进一步实施例中，基本上整个承载结构4全由SMM 2构成，或者至少大一部分承载结构4由SMM 2构成。

在一个实施例中，从图8A可以看出，SMM 2还包括加热元件3，从而在SMM 2中集成加热元件3，即，集成的加热元件3或集成的SMM 2，这也被称为SMM 2。从图8B-G可以看出，当电流是通过(集成的)SMM2时，SMM 2升温并改变形状，其中图8B、图8D、图8F、图8G代表图8A所示截面VIII-VIII的实施例的俯视图。在其他实施例中，图8B、图8D、图8F、图8G可以代表截面XI-XI的实施例(参见图10A)，除了加热元件3单独提供或可以被加到一体化的加热元件3和SMM 2中。

在某些实施例中，例如图8A-图G所示的实施例，SMM 2的加热将使SMM 2的长度l减小。这以放大的方式显示在图8F和图8G中，其中承载结构4按箭头C所示收缩。另外，可以得到具有逆转作用记忆的形状，即，其中热量使SMM 2元件的长度l增加。这种线性长度变化可以转化为压力变化，例如通过构造绷带1形式的材料，例如缠绕在身体一部分上，如胳膊或腿。图8C和图8E示出了这一点，其中加热SMM 2导致绷带1施加较高或较低的压力。

在压力致动器1的实施例中，SMM 2配置成曲折结构的形式(图8D)或螺旋形式(图8F)。在这些实施例中，加热SMM 2可能会导致压力沿着压力致动器1在所有或至少多个点变化。在一个实施例中，使用多个SMM2线或其他类型SMM元件2，例如，允许沿着压力致动器1在不同点实现不同的压力、压力变化和/或压力方向的可能性。压力致动器1内的这些多个SMM也可以具有不同的结构性质，例如不同的质量和/或方向，例如，允许不同的压力。例如，可以实现沿着压力致动器1逐渐增加的压力梯度。

在进一步实施例中，作为时间函数和/或沿着压力致动器1改变SMM2的温度，以这样一种方式，即压力致动器1施加脉冲压力。例如，这可以适用于单个SMM线2。在其他实施例中，获得沿着压力致动器1移动的压力波，例如当沿着压力致动器1排列多个SMM线2时。

在特定实施例中，使用单独层5、6。例如在外表面8和压力致动器1的加热元件3之间，可以配置绝缘层5，从而加热SMM 2需要的功耗更低或以防止加热皮肤7。此外，可以使用冷却元件和/或冷却层和/或另一绝缘层6，例如在压力致动器1的内部9附近，即，在压力致动器1的使用过程中在加热元件3和皮肤7之间。这可能会阻止加热皮肤7。在特定实施例中，这些层或元件5、6可用于更快速地冷却和/或加热模块2，例如能更快速地施加压力变化。可以在加热元件3附件使用的冷却元件6的一个例子是珀耳帖(Peltier)设备。可能有利的是，施用某些压力模式作为时间函数和/或沿着压力致动器1，某些压力模式例如为局部压力变化、压力波、压力脉冲、压力梯度等。

在其他实施例中，从图9可以看出，压力致动器1包括上述SMM 2的一体结构和一体的加热元件3A(这种一体结构被称为SMM 2)以及单独的加热元件3B。在这些实施例中，通过SMM 2的电流不足以达到改变SMM 2的形状的温度。以某一个角度(例如大约90°)在SMM 2上排列额外的加热元件3B阵列。在SMM 2和加热元件3B的相交处10，SMM2被通过加热元件3A/SMM2和加热元件3B的电流产生的积累热量局部地充分加热，以局部地改变形状，即，超过T_g。在充分远离所述相交处10的某一距离处未超出T_g。按这种方式，可以诱导SMM 2的局部形状变化。

取决于SMM 2的性质，即T_g，在特定实施例中，可以适用图9所示的同样原理，其中SMM 2不与加热元件3A集成，即，未执行SMM 2和加热元件3的双重功能。在这种实施例中，SMM 2(不包括加热元件3A)被加热元件3B局部地加热，足以局部地改变形状。

在另一个实施例中，如图10A所示，提供加热元件3的阵列。这允许局部加热SMM 2，因此，压力局部变化，例如沿着压力致动器1在不同位置。这些加热元件3例如可被控制电路11驱动，从而以受控方式诱导前面提到的模式，如压力脉冲、波和/或梯度。对于许多应用而言，能够施加和调整局部压力是有利的，例如在烧伤或静脉曲张患者的压力服中、在图形校正服中等等。所述控制电路11还可以基于从肌肉张力测量装置(图未示)接收的输入来驱动加热元件3，这样，实现智能、动态的压力致动器1。换句话说，使用从测量装置得到的输入，压力致动器1可以自动反应，以设定压力致动器1的压力P。所述测量装置的例子例如可以包括但不限于肌肉张力测量装置、压力测量装置(其中所述压力可以是例如表面压力、重力压力或环境压力)、伤口测量装置、流体测量装置和/或颜色测量装置。例如通过控制电路11，例如通过连接件或通过无线通信的方式使所述测量装置可以与压力致动器1连接或集成在压力致动器1中。

如图10A所示，加热元件3的一维或二维阵列，可以提供沿着压力致动器1和/或作为时间函数产生压力模式的灵活性。原则上，只有激活的加热元件3附近的SMM 2将变形，使得压力可以局部化。例如通过使用控制电路11，在阵列中的大量加热元件3作用下，可以作为时间函数施加相对精确地局部压力。例如，该实施例可用于触觉领域中，因为例如可以模拟一个或多个手指的触摸。例如，通过压力致动器1可以沿着压力致动器1的表面作为方向、位置和/或时间的函数施加多个压力波。

在一个实施例中，SMM 2排列在承载结构4中，使得使用时压力变化垂直于皮肤7发生，即，垂直于压力致动器1的表面9或10。优选地，施加到皮肤7上的压力应优选至少被导向皮肤7。换言之，在使用时SMM2沿远离压力致动器1的表面9的方向施加压力变化，更优选垂直于所述表面9。在图1的压力致动器1的侧剖视图中，所述压力由箭头P指示。因此，在一个实施例中，从图11所示的俯视剖视图可以看出，SMM 2排列成网格线，相应于图10A中XI-XI所示的截面。当然，在线形状旁边，可以任何纵向形状构造SMM 2，以获得网格，例如带、管等。通过排列成网格，SMM 2就会具有沿其轴线旋转的趋势更小，使得可以得到有利的压力方向P。在其他实施例中，通过使用SMM 2的带和/或板和/或刺绣SMM 2，可以实现防止定向和/或控制压力P方向。

在某些实施例中，设有热导体12。从图10A可以看出，该热导体可被设于加热元件3和SMM 2之间。此外，热导体12可排列在冷却元件或层6和SMM 2之间。热导体12可以是具有良好的导电性的材料，例如箔、油和/或凝胶。

可以设置一个或更多个绝缘层5和/或冷却层和/或元件6，例如，以防止加热元件3和/或SMM 2的热量到达皮肤7。请注意，在某些情况下，会故意让热量被传递到皮肤7，在这种情况下，层和/或元件6可被配置成允许至少一部分产生的热量传递到皮肤7。

在特定实施例中，加热元件3可以包括任何已知的加热原理，例如电阻加热、珀耳帖元件(peltier element)、辐射加热、射频加热、微波加热等。在另一个实施例中，加热元件3包括薄膜加热元件3，也被称为薄膜电阻加热元件3或薄箔加热元件3。这种技术可以在柔性的承载结构4或基板4上很方便地实施。

在一个实施例中，可以根据薄膜电子产品技术中所用的同样原理对加热元件寻址，例如大面积电子产品中的有源矩阵显示器，例如无定形硅、低温多晶硅、有机TFT等等。例如，通过使用有源矩阵和/或大面积电子产品技术，可以减少加热元件3的驱动器的数量，而不是驱动每一个或特定组的加热元件3。根据该实施例，加热元件3仍可单独寻址，从而允许压力致动器1中的局部压力变化。

在进一步实施例中，驱动加热元件3的驱动器，即在有源矩阵电路中，可以是加热元件3的集成电流源，它的应用在大面积电子产品领域中是已知的。

在所有这些和/或进一步实施例中，可以设置温度传感器13。温度传感器13可用于控制加热元件3的温度。例如，通过使用这些，产生压力变化所需的温度可以被限于所需要的温度，这样，可以限制例如皮肤7的能量消耗和不必要的加热。在一个实施例中，温度传感器13组合在加热元件3中，例如，例如，使用大面积电子产品和/或有源矩阵技术可以制造加热元件3和温度传感器13的阵列。此外，可以实施有源矩阵技术，以驱动传感器13和加热元件3。在另一个实施例中，可以在SMM 2附近配置传感器13。

在另一个实施例中，不是使用加热元件3阵列以与一个或多个SMM2合作，而是配置一个加热元件3以与多个SMM 2被配置成具有不同性质(例如质量、方向、T_g)，这样，压力沿着压力致动器1变化。

应当认为，本发明不仅限于医药、化妆领域，而且也可以适用于其他领域，例如电子设备、时装。例如该产品可以用作特定类型的生活方式因素和/或纳入服装、家具等中。

显然，本发明不以任何方式限于说明书和附图所代表的实施例。在本发明所附权利要求书列出的框架内可以作出许多变化和组合。实施例的一个或更多个方面的组合或不同实施例的组合也在本发明的框架内。应该理解，所有类似的变化均落入本发明所附权利要求书列出的框架内。

Claims

1.压力致动器，其包括承载结构、与所述承载结构一体化或与其连接的形状记忆材料、和所述形状记忆材料附近的多个加热元件，所述加热元件被配置成局部地改变所述加热元件附近的所述形状记忆材料的形状。

2.如权利要求1所述的压力致动器，其中所述多个加热元件和所述形状记忆材料分开配置。

3.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述多个加热元件被配置成局部地改变所述形状记忆材料内的温度。

4.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述多个加热元件包括加热元件的有源矩阵驱动阵列。

5.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述多个加热元件包括薄膜加热元件。

6.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述形状记忆材料被配置成使得使用时所述形状记忆材料以受控方向施加压力。

7.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述形状记忆材料被配置成使得使用时以大致垂直于所述压力致动器表面的方向施加所述压力。

8.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述形状记忆材料被配置成使得使用时至少远离所述压力致动器的表面而施加压力，在所述压力致动器的使用期间所述表面与身体接触。

9.如权利要求8所述的压力致动器，其中所述形状记忆材料被配置成使得使用时大致垂直于所述压力致动器的所述表面而施加压力。

10.如权利要求1或2所述的压力致动器，在所述形状记忆材料和/或多个加热元件附近提供至少一个温度传感器。

11.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述至少一个温度传感器包括温度传感器阵列。

12.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述压力致动器至少具有在使用中应用到身体或接近身体的内表面，其中在所述内表面和所述形状记忆材料之间设有隔热层。

13.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中设有控制电路以驱动所述加热元件。

14.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述控制电路被配置成沿着所述压力致动器产生作为位置、方向和/或时间函数的压力模式。

15.如权利要求14所述的压力致动器，其中设置测量装置以为所述控制电路提供输入来驱动多个加热元件。

16.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中在所述多个加热元件和/或形状记忆材料附近设置至少一个冷却元件。

17.如权利要求1或2所述的压力致动器，在所述多个加热元件和所述形状记忆材料之间，和/或在所述至少一个冷却元件和所述形状记忆材料之间提供热导体。

18.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述形状记忆材料包括至少一个集成的另一加热元件。

19.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述承载结构是至少部分柔性的。

20.如权利要求1或2所述的压力致动器，其中所述承载结构包括一体化的所述形状记忆材料和所述多个加热元件。

21.具有如前述权利要求任一项所述的压力致动器的服装或装束。