DE102008049936A1

DE102008049936A1 - Künstlicher Muskel

Info

Publication number: DE102008049936A1
Application number: DE102008049936A
Authority: DE
Inventors: Lüder MOSLER
Original assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Current assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-04-22
Also published as: WO2010037379A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen künstlichen elektrischen Muskel, mit zwei einander gegenüberliegenden Endstücken (12, 14), zwei Elektrodenelementgruppen (16, 24) von flexiblen Elektrodenelementen (18), die nebeneinander entlang je einer Fläche (F₁, F₂) angeordnet und mit ihren Enden an den Endstücken (12, 14) befestigt und mit einer Anode bzw. Kathode (20, 32) kontaktiert sind, und einem verformbaren Dielektrikum (26), das zwischen der ersten Elektrodenelementgruppe (16) und der zweiten Elektrodenelementgruppe (24) so angeordnet ist, dass es die Elektrodenelementgruppen (16, 24) nicht durchdringen kann, wobei die Elektrodenelemente (22, 18) in einer Längsrichtung (A) so elastisch sind und das Dielektrikum (26) so inkompressibel ist, dass sich die Elektrodenelemente (22, 18) bei einem Anlegen einer Spannung zwischen die Anode (20) und die Kathode (32) so verformen, dass das erste Endstück (12) und das zweite Endstück (14) sich relativ zueinander bewegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen künstlichen elektrischen Muskel. Künstliche Muskeln sind Bauteile, bei denen das Anlegen einer elektrischen Spannung unmittelbar, das heißt ohne Zwischenschaltung eines Elektromotors, zu einer Kraft führt.
Aus dem Aufsatz „Biominetics Using Electroactive Polymers (EAP) as Artificial Muscles – a Review" von Yoseph Bar-Cohen, Journal of Advanced Materials, Volume 38, No. 4, October 2006 sind Muskeln bekannt, die aus Polymeren aufgebaut sind, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung ein Biegemoment erzeugen. Nachteilig hieran ist, dass eine relativ aufwendige Konstruktion notwendig ist, wenn lediglich eine Verkürzung mit dem künstlichen elektrischen Muskel erreicht werden soll.
Aus dem Artikel „Contractile dielectric elastomer actuator with folded shape" von F. Carpi und D. De Rossi, Proceedings of SPIE Vol. 6168, 61680 D-1 werden unterschiedliche Konzepte dielektrischer Kontraktionsaktuatoren beschrieben. Neben einer Stapelanordnung von Dickenwandlern, der bei Aktuierung anschwillt und sich verkürzt, was die Gefahr einer Trennung der Plattenebenen voneinander aufgrund der senkrecht zur Plattenebene orientierten Zugspannungen in sich birgt, ist ein gefalteter elektrischer Muskel bekannt. Beim Anlegen einer Spannung addieren sich die Biegemomente eines mäanderförmig gefalteten Polymers zu einer linearen Kontraktionsbewegung. Nachteilig hieran ist, dass stets Polymere eingesetzt werden müssen, die ein Biegemoment entwickeln, wenn eine Spannung an sie angelegt wird.
Bekannt sind zudem künstliche elektrische Muskeln, die Kohlenstoffnanoröhrchen enthalten. Nachteilig hieran ist die aufwendige Fertigung, die zudem zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht prozesssicher gelingt. Das führt zudem zu einem hohen Preis für derartige künstliche Muskeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen konstruktiv besonders einfachen künstlichen elektrischen Muskel vorzuschlagen.
Die Erfindung löst das Problem durch einen künstlichen elektrischen Muskel, mit (a) einem ersten Endstück, (b) einem dem ersten Endstück gegenüberliegenden zweiten Endstück, (c) einer ersten Elektrodenelementgruppe von Elektrodenelementen, die nebeneinander entlang einer ersten geschlossenen Fläche angeordnet sind, ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück befestigt sind, ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück befestigt sind, die mit einer Anode kontaktiert sind und die flexibel sind, (d) einer zweiten Elektrodenelementgruppe von Elektrodenelementen, die nebeneinander entlang einer zweiten geschlossenen Fläche angeordnet sind, ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück befestigt sind, ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück befestigt sind, die mit einer Kathode kontaktiert und flexibel sind, und (e) zu einem verformbaren Dielektrikum, das zwischen der ersten Elektrodenelementgruppe und der zweiten Elektrodenelementgruppe so angeordnet ist, dass es die Elektrodenelementgruppen nicht oder nicht wesentlich durchdringen kann, wobei die Elektrodenelemente in einer Längsrichtung so unelastisch sind und das Dielektrikum so inkompressibel aber elastisch ist, dass sich die Elektrodenelemente bei einem Anlegen einer Spannung zwischen Anode und Kathode so verformen, dass das erste Endstück und das zweite Endstück sich aufeinander zu bewegen. Das Dielektrikum wird zusammengedrückt und beult sich aufgrund der Volumenkonstanz des Dielektrikums bevorzugt in der Mitte aus. Durch die Umlenkung der nahezu dehnungsfreien Elektrodenelemente kommt es zu einer Verkürzung des Abstandes der Elektrodenelementenenden zueinander, wodurch die Endstücke aufeinander zu bewegt werden. Die Elektrodenelementgruppen sind als Zugkraft übertragende Elemente ausgebildet, so dass die Kraftübertragung im Wesentlichen parallel zu der Längserstreckung der Elektrodenelemente erfolgt. Hierdurch wird vermieden, dass durch eine Zugkraftübertragung senkrecht zur Elektrodenebene die Elektroden sich von dem Dielektrikum oder von einer angrenzenden Elektrode abheben oder lösen. Bei einer fadenartigen Ausgestaltung der Elektrodenelemente kann das Dielektrikum geringfügig zwischen die Elektroden hineingedrückt werden.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Dielektrikum zwischen den Elektrodenelementgruppen so anzuordnen, dass ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektrodenelementgruppen zu einer Erhöhung eines hydrostatischen Drucks im Dielektrikum führt. Die Elektrodenelementgruppen sind zudem so angeordnet, dass die erste Fläche und die zweite Fläche unterschiedlich groß sind. Das Dielektrikum möchte dem erhöhten hydrostatischen Druck ausweichen, indem es die Fläche zwischen den Elektroden vergrößert. Da dies in der Längsrichtung aufgrund der Ausgestaltung der Elektrodenelemente unterbunden ist, vergrößert sich der Umfang und der künstliche Muskel verformt sich. Es handelt sich dabei um einen einfachen Mechanismus, der mit konstruktiv einfachen Mitteln umgesetzt werden kann und leicht zu fertigen ist.
In anderen Worten sind die Elektrodenelementgruppen so an den Endstücken angeordnet, dass die Erhöhung des hydrostatischen Drucks beim Anlegen einer Spannung im Dielektrikum dazu führt, dass sich das Dielektrikum nicht in Längsrichtung der Elektrodenelemente ausdehnen kann und sich die Elektrodenelementgruppen dadurch ihre Form ändern, beispielsweise nach außen wölben.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass der erfindungsgemäße künstliche Muskel besonders robust ist. Der künstliche Muskel kann zudem so aufgebaut sein, dass außen liegende Teile keine Spannung führen, so dass der künstliche Muskel handhabungssicher ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrodenelemente fadenförmig bzw. filamentartig. Unter einem fadenförmigen Elektrodenelement werden insbesondere Elektrodenelemente verstanden, die über eine Längserstreckung einen gleich bleibenden Querschnitt aufweisen. Dieser Querschnitt ist beispielsweise ellipsen- oder kreisförmig. Es ist jedoch auch möglich, dass der Querschnitt beispielsweise rechteckförmig ist, so dass die Elektrodenelemente streifenförmig sind. Unter einem filamentartigen Elektrodenelement sind fadenförmige und streifenförmige Elektrodenelemente zu verstehen. Derartige Elektrodenelemente sind besonders einfach herzustellen und zu verarbeiten und ergeben einen mit hoher Effizienz arbeitenden künstlichen elektrischen Muskel. Die fadenförmigen Elektrodenelemente können verdrillt ausgebildet sein, beispielsweise verdrillt um eine im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche, wodurch die Länge der Elektrodenelemente erhöht und eine verstärkte Ausbeulung erzielt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrodenelemente entlang geschlossener Flächen angeordnet. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Flächen im mathematischen Sinne orientierbar sind und so einen Innenraum von einem Außenraum trennen, wobei jeder Verbindungspfad zwischen dem Innenraum und dem Außenraum entweder durch die Fläche oder durch eines der beiden Endstücke verläuft. Dabei ist es möglich, nicht aber notwendig, dass die Elektrodenelemente jeweils aneinander angrenzen. Es ist auch möglich, dass die Elektrodenelemente voneinander beabstandet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Fläche und die zweite Fläche Zylindermantelflächen. Besonders bevorzugt verlaufen diese Zylindermantelflächen konzentrisch zueinander. Es ergibt sich so ein symmetrischer Aufbau, der besonders leicht zu fertigen ist und zudem eine besonders einfache Verkürzungskinetik aufweist.
Besonders günstig ist es, wenn die erste Fläche und die zweite Fläche äquidistant verlaufen. Beim Kontrahieren des Muskels werden dann Verkippungen der ersten Fläche gegenüber der zweiten Fläche vermieden.
Alternativ ist es möglich, dass die erste Fläche und die zweite Fläche spiralförmig angeordnet sind. In diesem Fall haben die erste Fläche und die zweite Fläche zumindest ein offenes Ende, an dem sie so miteinander verbunden sind, dass sich das Dielektrikum nicht aus dem freien Ende herausbewegen kann.
Der künstliche Muskel kann dadurch als Pumpe eingesetzt oder vorgespannt werden, indem die erste Elektrodenelementgruppe und/oder die zweite Elektrodenelementgruppe mit dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück einen gasdichten Hohlraum umschließen. Dieser Hohlraum wird bevorzugt durch ein Ventil gegenüber einer Umgebung eines künstlichen Muskels abgedichtet. Wird der künstliche Muskel kontrahiert und es stellt sich eine Volumenvergrößerung durch die Ausbeulung im Inneren des künstlichen Muskels ein, kann ein Nachströmen eines Fluids, beispielsweise Luft und eine Flüssigkeit, durch das Ventil ermöglicht werden, so dass ein Einbeulen des künstlichen Muskels bei Vorliegen einer Zugbelastung verhindert wird. Die Elektrodenelementgruppen werden dadurch gezwungen, sich nach außen auszudehnen und in diesem Zustand zu verbleiben, auch wenn die Zugbelastung auf die Endstücke vergrößert wird.
Um ein Einbeulen zu vermeiden, kann die Wandstärke des künstlichen Muskels, beispielsweise durch eine entsprechende Ausgestaltung des Dielektrikums, angepasst ausgewählt werden. Ebenfalls ist es möglich, eine Vorbombierung auszubilden, damit bereits im nicht kontrahierten, relaxierten Zustand eine leichte Ausbeulung vorhanden ist.
Um die Kraftdichte des künstlichen Muskels zu erhöhen, können zusätzliche Elektrodengruppen vorgesehen sein. Bevorzugt sind dann alle Elektrodengruppen so angeordnet, dass sich ein symmetrischer, insbesondere ein rotationssymmetrischer, künstlicher Muskel ergibt. Ebenfalls ist es möglich, mehrere Elektrodengruppen hintereinander zu schalten, um den Gesamtweg der Verkürzung zu erhöhen.
Eine energetische Verbesserung bei einer Vielzahl von konzentrisch zueinander Elektrodengruppen besteht darin, wenn die Elektrodenabstände unterschiedlich groß sind, also die Schichtdicke des Dielektrikums zwischen Kathode und Anode sich von Schicht zu Schicht ändert. Die äußeren Schichten können dicker als die inneren Schichten sein, um die Unterschiede in der Krümmung auszugleichen, da die Krümmung innen größer als außen ist.
Auch können unterschiedliche Elektrodenabstände vorgesehen sein, um unterschiedliche Ansprechverhalten bei gleicher angelegter Spannung zu erzeugen. Größere Abstände führen zu einer weniger großen Anziehungskraft der Elektroden, so dass über die Einstellung des Abstandes der Elektroden zueinander unterschiedliche Kontraktionsstärken eingestellt werden können. Gleiches kann auch durch eine Variation der Dielektrika erfolgen, so dass bei gleich bleibenden Abmessungen und unterschiedlichen Dielektrika unterschiedliche Kontraktionsstärken bei gleicher angelegter Spannung erzeugt werden können.
Die Erfindung betrifft ebenfalls Prothesen oder Orthesen, die mit einem oben beschriebenen künstlichen Muskel ausgestattet sind.
Im Folgenden wird ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 einen erfindungsgemäßen elektrischen Muskel in einer relaxierten Stellung,
2a einen Querschnitt durch den künstlichen Muskel gemäß 1 in spannungsfreiem Zustand,
2b den Querschnitt gemäß 2a, bei dem eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elektrodenelementgruppen angelegt ist, und
3 einen kontrahierten elektrischen Muskel. Die
4a, 4b zeigen einen Schnitt durch eine Elementarzelle des elektrischen Muskels,
5 zeigt einen Querschnitt durch einen aus mehreren Elektrodenelementgruppen aufgebauten elektrischen Muskel in einer schematischen Ansicht,
6 zeigt eine schematische Ansicht eines elektrischen Muskels mit Elektrodenelementgruppen, die entlang spiralförmig verlaufender Flächen angeordnet sind, und
7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Muskels mit hintereinander geschalteten Teil-Muskeln. In
8 ist ein alternativer erfindungsgemäßer elektrischer Muskel gezeigt.
1 zeigt einen künstlichen elektrischen Muskel 10 mit einem ersten Endstück 12 und einem zweiten Endstück 14, die beide scheibenförmig und einander gegenüberliegend angeordnet sind. Zwischen dem ersten Endstück 12 und dem zweiten Endstück 14 ist eine erste Elektrodenelementgruppe 16 angeordnet, die eine Vielzahl an Elektrodenelementen 18.1, 18.2, ... aufweist. Im Folgenden bezeichnen Bezugszeichen ohne Zählsuffix jeweils das Objekt als solches. Alle Elektrodenelemente 18 sind mit einem ersten Ende fest mit dem ersten Endstück 12 und mit einem zweiten Ende mit dem zweiten Endstück 14 verbunden, so dass die beiden Endstücke 12, 14 nicht entlang einer Längsachse A, die entlang einer x-Achse verläuft, voneinander beabstandbar sind.
Die Elektrodenelemente 18 der ersten Elektrodenelementgruppe 16 sind entlang einer Zylindermantelfläche F₁ angeordnet, die eine geschlossene Fläche darstellt. Die zu der Zylindermantelfläche F₁ zugehörigen Stirnseiten werden durch die Endstücke 12 und 14 gebildet. Die Elektrodenelemente 18 sind in ihrer Längsrichtung A (x-Richtung) im Wesentlichen unelastisch. Das heißt, dass beim Betrieb des elektrischen Muskels 10 auftretende Kräfte so klein sind, dass die dadurch hervorgerufene relative Längung der Elektrodenelemente 18 beispielsweise unterhalb von 5‰ liegt. Die Elektrodenelemente 18 sind flexibel, so dass die beiden Endstücke 12, 14 in y- und z-Richtung leicht gegeneinander verschoben werden können.
2a zeigt einen Querschnitt in y-/z-Richtung durch den künstlichen Muskel 10 gemäß 1. Es ist zu erkennen, dass die Elektrodenelemente 18 elektrisch mit einer ersten Elektrode in Form einer Anode 20 verbunden sind, die durch das erste Endstück 12 hindurch verläuft (vergl. 1). Über die Anode 20 kann eine elektrische Spannung an die Elektrodenelemente 18 der ersten Elektrodenelementgruppe 16 angelegt werden.
Die Elektrodenelemente 18 sind auf der Zylindermantelfläche F₁ um einen Kreismittelpunkt M angeordnet. Konzentrisch dazu sind zweite Elektrodenelemente 22.1, 22.2, ..., entlang einer zweiten Zylindermantelfläche F₂ angeordnet, die eine zweite Elektrodenelementgruppe 24 bilden. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass jeweils einem ersten Elektrodenelement 18 genau ein zweites Elektrodenelement 22 gegenüberliegt. Zwischen der ersten Elektrodenelementgruppe 16 und der zweiten Elektrodenelementgruppe 24 ist ein hohlzylinderförmiges Dielektrikum angeordnet. Das Dielektrikum 26 kann beispielsweise aus einer Umhüllung 28 und einer dielektrischen Gallerte 30 aufgebaut sein.
Das Dielektrikum 26 ist so aufgebaut, dass es sich stets zwischen den beiden Zylindermantelflächen F₁ und F₂ befindet und die Zylindermantelflächen F₁, F₂ nicht durchqueren kann. Dazu ist beispielsweise die Umhüllung 28 entsprechend dicht und steif ausgelegt.
Die zweiten Elektrodenelemente 22 der zweiten Elektrodenelemente 24 sind elektrisch mit einer zweiten Elektrode in Form einer Kathode 32 kontaktiert, über die eine elektrische Spannung an sie angelegt werden kann. Die Anode 20 und die Kathode 32 sind elektrisch gegeneinander durch das Dielektrikum 26 isoliert.
2a zeigt den potentialfreien Zustand. Das heißt, dass zwischen Anode 20 und Kathode 32 keine Potentialdifferenz besteht. Es sei darauf hingewiesen, dass es nicht notwendig ist, dass die ersten Elektrodenelemente 18 radial außerhalb der zweiten Elektrodenelemente 22 angeordnet sind. Es wäre entsprechend möglich, die Bezeichnungen für Anode und Kathode zu vertauschen. Die Bezeichnung Anode bzw. Kathode dient lediglich der Verständlichkeit.
2b zeigt den Zustand, in dem eine Spannung zwischen der Anode 20 und der Kathode 32 anliegt. Dadurch kommt es zu einer negativen elektrostatischen Aufladung der zweiten Elektrodenelemente 22 gegenüber den positiv aufgeladenen ersten Elektrodenelementen 18. Die ungleichnamig geladenen Elektrodenelemente ziehen einander an, so dass ein Innendruck p des Dielektrikums 26 ansteigt. Der erhöhte Innendruck p übt auf die erste Zylindermantelfläche F₁ und die zweite Zylindermantelfläche F₂ eine hydrostatische Kraft aus. Da die erste Zylindermantelfläche F₁ größer ist als die zweite Zylindermantelfläche F₂ wirkt netto eine Kraft F_radial radial nach außen. Die Ausbeulung findet statt, da sich bei einem gleichbleibenden Volumen eine Vergrößerung der Mantelfläche einstellt.
3 zeigt, dass die radial nach außen wirkende Kraft F_radial zu einem Ausbuchten der Elektrodenelemente 18 in y-z-Richtung führt, d. h. radial nach außen. Dadurch sinkt ein Abstand zwischen den beiden Endstücken 12, 14 von L_R im relaxierten Zustand auf L_k im kontrahierten Zustand. Bei Kurzschließen der beiden Elektrodenelementgruppen 16, 24 drückt die Biegespannung der Elektrodenelemente die beiden Endstücke 12, 14 wieder auseinander.
Das Dielektrikum 26 umschließt einen Hohlraum in Form eines Innenraums 34 (vergl. 2b), der gegenüber einer Umgebung des künstlichen Muskels 10 gasdicht abgedichtet ist. Über ein Ventil 36, das in 1 schematisch eingezeichnet ist, kann ein Gas- bzw. Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Innenraum 34 und der Umgebung freigegeben oder abgesperrt werden. Auf diese Weise kann der elektrische Muskel 10 als Pumpe eingesetzt werden, wenn das Hohlraumvolumen durch die Ausbeulung vergrößert und durch die Relaxierung wieder verringert wird.
4a zeigt einen Schnitt durch eine Elementarzelle des künstlichen Muskels. Es sind die Elektrodenelemente 18.1 und 18.2 der ersten Elektrodenelementgruppe 16 und die Elektrodenelemente 22.1, 22.2 der zweiten Elektrodenelementgruppe 24 schematisch eingezeichnet. Das Dielektrikum 26 umgibt die Elektrodenelemente in dieser Ausführungsform in Form einer Elastomermatrix.
4b zeigt das Grundprinzip des erfindungsgemäßen elektrischen Muskels, wenn an die Elektrodenelemente 18.1, 18.2, 22.1, 22.2 eine Spannung angelegt wird. In diesem Fall stoßen sich die gleichnamig geladenen Elektrodenelemente 18.1, 18.2 der ersten Elektrodenelementgruppe 16 untereinander ab und ziehen die zweiten Elektrodenelemente 22.1 und 22.2 der zweiten Elektrodenelementgruppe 24 elektrostatisch an. Da eine Ausdehnung in x-Richtung, also in Längsrichtung A, aufgrund der Inelastizität der Elektrodenelemente 18, 22 nicht in Betracht kommt, dehnt sich auf Grund der Volumenkonstanz die Elementarzelle des künstlichen Muskels entlang der ersten Fläche F₁ bzw. der zweiten Fläche F₂ aus. Diese Ausdehnung wird umgesetzt in eine Bewegung der Endstücke relativ aufeinander zu oder relativ voneinander weg.
5 zeigt schematisch eine Parallelschaltung von mehreren Elektrodenelementgruppen. Neben der ersten Elektrodenelementgruppe 16 und der zweiten Elektrodenelementgruppe 24 existiert eine dritte Elektrodenelementgruppe 38, die Elektrodenelemente enthält. Die Elektrodenelemente der dritten Elektrodenelementgruppe 38 sind in 5 nicht zu erkennen, da es sich um einen Querschnitt handelt. Der künstliche Muskel 10 umfasst zudem eine vierte Elektrodenelementgruppe 40, eine fünfte Elektrodenelementgruppe 42 und eine sechste Elektrodenelementgruppe 44. Die zweite, vierte und sechste Elektrodenelementgruppe 24, 40, 44 sind gemeinsam an der Kathode 32 angeschlossen. Die erste, dritte und fünfte Elektrodenelementgruppe 16, 38, 42 ist gemeinsam an der Anode 20 angeschlossen. Durch Anlegen einer Spannung V zwischen Anode 20 und Kathode 32 kommt es zu einer Kontraktion des Dielektrikums 26 in einer Dickenrichtung D und zu einer Expansion in einer Umfangsrichtung U, was zu einem Ausbauchen des künstlichen Muskels 10 führt (vergleiche 3).
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen künstlichen Muskels 10, bei dem der Übersichtlichkeit halber die Endstücke weggelassen und die Elektrodenelementgruppen teilweise abgewickelt gezeigt sind. Die Elektrodenelementgruppen sind nunmehr entlang einer spiralförmigen Fläche F₁ bzw. F₂ angeordnet.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der ein erster künstlicher Teil-Muskel 46.1 hinter einem zweiten Teil-Muskel 46.2 angeordnet ist. Es können so eine Vielzahl von Teil-Muskeln hintereinander angeordnet werden.
8 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen künstlichen Muskels 10, bei dem die Endstücke 12, 14 als Ringe ausgebildet sind.

10: Künstlicher Muskel
12: erstes Endstück
14: zweites Endstück
16: Elektrodenelementgruppe
18: Elektrodenelement
20: Anode
22: zweite Elektrodenelemente
24: zweite Elektrodenelementgruppe
26: Dielektrikum
28: Umhüllung
30: Gallerte
32: Kathode
34: Innenraum
36: Ventil
38: dritte Elektrodenelementgruppe
40: vierte Elektrodenelementgruppe
42: fünfte Elektrodenelementgruppe
44: sechste Elektrodenelementgruppe
46: Teil-Muskel
A: Längsrichtung
M: Kreismittelpunkt
F₁: erste Zylindermantelfläche
F₂: zweite Zylindermantelfläche
p: Innendruck
F_radial: Kraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Biominetics Using Electroactive Polymers (EAP) as Artificial Muscles – a Review” von Yoseph Bar-Cohen, Journal of Advanced Materials, Volume 38, No. 4, October 2006 [0002]
- „Contractile dielectric elastomer actuator with folded shape” von F. Carpi und D. De Rossi, Proceedings of SPIE Vol. 6168, 61680 D-1 [0003]

Claims

Künstlicher elektrischer Muskel, mit (a) einem ersten Endstück (12), (b) einem dem ersten Endstück (12) gegenüber liegenden zweiten Endstück (14), (c) einer ersten Elektrodenelementgruppe (16) von Elektrodenelementen (18), die (i) nebeneinander entlang einer ersten Fläche (F₁) angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück (12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück (14) befestigt sind, (iv) mit einer Anode (20) kontaktiert und, (v) flexibel sind, (d) einer zweiten Elektrodenelementgruppe (24) von Elektrodenelementen, die (i) nebeneinander entlang einer zweiten Fläche (F₂) angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück (12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück (14) befestigt sind, (iv) mit einer Kathode (32) kontaktiert und (v) flexibel sind, und (e) einem verformbaren Dielektrikum (26), das zwischen der ersten Elektrodenelementgruppe (16) und der zweiten Elektrodenelementgruppe (24) so angeordnet ist, dass es die Elektrodenelementgruppen (16, 24) nicht durchdringen kann, (f) wobei die Elektrodenelemente (22, 18) in einer Längsrichtung (A) so unelastisch sind und das Dielektrikum (26) so inkompressibel ist, dass sich die Elektrodenelemente (22, 18) bei einem Anlegen einer Spannung zwischen die Anode (20) und die Kathode (32) so verformen, dass das erste Endstück (12) und das zweite Endstück (14) sich relativ zueinander bewegen.
Künstlicher Muskel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (18, 22) entlang geschlossener Flächen (F₁, F₂) angeordnet sind.
Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (18, 22) fadenförmig sind.
Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche und die zweite Fläche Zylindermantelflächen (F₁, F₂) sind.
Künstlicher Muskel (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die erste Fläche (F1) und die zweite Fläche (F₂) konzentrisch verlaufen.
Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (F₁) und die zweite Fläche (F₂) äquidistant sind.
Künstlicher Muskel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (F₁) und die zweite Fläche (F₂) spiralförmig angeordnet sind.
Künstlicher Muskel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (18, 22) in Längserstreckung des künstlichen Muskels verdrillt angeordnet sind.
Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenelementgruppe (16) und/oder die zweite Elektrodenelementgruppe (24) mit dem ersten Endstück (12) und dem zweiten Endstück (14) einen gasdichten Hohlraum (34) umschließen.
Künstlicher Muskel (10) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Ventil (36), das zum reversiblen Verschließen des Hohlraums (34) angeordnet ist.
Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch (a) eine dritte Elektrodenelementgruppe (38) von Elektrodenelementen, die (i) nebeneinander entlang einer dritten Fläche angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück (12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück (14) befestigt sind, (iv) mit der Anode kontaktiert und, (v) flexibel sind, (b) eine vierte Elektrodenelementgruppe (40) von Elektrodenelementen, die (i) nebeneinander entlang einer vierten Fläche angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück (12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück (14) befestigt sind, (iv) mit einer Kathode (32) kontaktiert und (v) flexibel sind, und (c) ein verformbares Dielektrikum, das zwischen der ersten Elektrodenelementgruppe (16) und zweiten Elektrodenelementgruppe (24) so angeordnet ist, dass es die Elektrodenelementgruppen (16, 24) nicht oder nicht wesentlich durchdringen kann.
Künstlicher Muskel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelementgruppen (18, 24; 38, 40) unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen.
Künstlicher Muskel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen verschiedenen Elektrodenelementgruppen (18, 24; 38, 40) unterschiedliche Dielektrika angeordnet sind.
Prothese oder Orthese mit einem künstlichen Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.