DE102021130012A1

DE102021130012A1 - Elektrodenpaare mit Sägezahnkonfiguration und künstliche Muskeln, die diese enthalten

Info

Publication number: DE102021130012A1
Application number: DE102021130012.6A
Authority: DE
Inventors: Michael P. Rowe
Original assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc; Toyota Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2022-05-25
Also published as: US20220407437A1; JP2022083440A; CN114536303A; US20220166351A1; US11967910B2; US11469690B2

Abstract

Es wird ein Elektrodenpaar geschaffen, das eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst. Sowohl die erste als auch die zweite Elektrode haben eine äußere Fläche, eine innere Fläche, ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Leitung, die sich von dem ersten Ende nach außen erstreckt. Die Leitung hat eine erste Breite am ersten Ende. Das zweite Ende von zumindest einer von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hat eine darin ausgebildete Ausnehmung mit einem ersten Endpunkt und einem zweiten Endpunkt. Eine zweite Breite erstreckt sich zwischen dem ersten Endpunkt und dem zweiten Endpunkt der Ausnehmung. Die Ausnehmung ist durch ein Sägezahnmuster definiert. Wenn die erste Elektrode auf der zweiten Elektrode positioniert ist, grenzt die Ausnehmung der zumindest einen von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode an die Leitung der anderen Elektrode.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen und Verfahren zur Betätigung von Elektrodenpaaren und insbesondere auf Vorrichtungen und Verfahren zur Verwendung von Elektrodenpaaren, die so konfiguriert sind, dass sie erhöhte Spannungseingänge ohne Kurzschluss empfangen.
HINTERGRUND
Die Kraft- bzw. Leistungsausgabe einer Vorrichtung mit einem Elektrodenpaar steht in direktem Zusammenhang mit der an das Elektrodenpaar gelieferten Spannungsmenge bzw. Spannung. Wenn jedoch die an das Elektrodenpaar gelieferte Spannung eine maximale Betriebsspannung übersteigt, kommt es zu einem Spannungsdurchbruch und einem Kurzschluss des Elektrodenpaars. Somit ist die an eine Vorrichtung, die von einem Elektrodenpaar betrieben wird, gelieferte Spannung durch die Spannung begrenzt, die das Elektrodenpaar aufnehmen kann, ohne einen Kurzschluss oder einen Spannungsdurchbruch zu verursachen. Daher ist es wünschenswert, die maximale Betriebsspannung eines Elektrodenpaars zu erhöhen, um die Kraft- bzw. Leistungsausgabe der Vorrichtung zu steigern.
Darüber hinaus stützen sich aktuelle Robotertechnologien auf starre Komponenten, wie z. B. Servomotoren, um Aufgaben zu erfüllen, oft in einer strukturierten Umgebung. Diese Starrheit stellt in vielen Roboteranwendungen eine Einschränkung dar, die zumindest teilweise durch das Verhältnis zwischen Gewicht und Leistung von Servomotoren und anderen starren Robotikgeräten verursacht wird. Im Bereich der Soft-Robotik werden diese Einschränkungen durch den Einsatz künstlicher Muskeln und anderer weicher Aktuatoren überwunden. Künstliche Muskeln versuchen, die Vielseitigkeit, Leistung und Zuverlässigkeit eines biologischen Muskels zu imitieren. Einige künstliche Muskeln beruhen auf fluidischen Aktuatoren bzw. Fluidaktuatoren, aber Fluidaktuatoren benötigen eine Zufuhr von unter Druck stehendem Gas oder Flüssigkeit, und der Flüssigkeitstransport muss durch Systeme von Kanälen und Röhren erfolgen, was die Geschwindigkeit und Effizienz der künstlichen Muskeln einschränkt. Andere künstliche Muskeln verwenden thermisch aktivierte Polymerfasern, die jedoch schwer zu steuern sind und mit geringer Effizienz arbeiten.
Ein besonderes Design eines künstlichen Muskels wird in dem Artikel „Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators with muscle-like performance“ von E. Acome, S. K. Mitchell, T. G. Morrissey, M. B. Emmett, C. Benjamin, M. King, M. Radakovitz und C. Keplinger beschrieben (Science, 05 Jan 2018: Vol. 359, Ausgabe 6371, pp. 61-65). Diese hydraulisch verstärkten selbstheilenden elektrostatischen (HASEL) Aktuatoren nutzen elektrostatische und hydraulische Kräfte, um eine Vielzahl von Betätigungsmodi zu erreichen. Künstliche Muskeln mit HASEL-Aktuatoren haben jedoch eine begrenzte Aktuatorleistung pro Volumeneinheit.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an verbesserten Elektrodenpaaren und dieselben enthaltenden künstlichen Muskeln, die erhöhte Spannungseingänge ohne Kurzschluss empfangen können und eine erhöhte Aktuatorleistung pro Volumeneinheit bieten.
KURZFASSUNG
In einer Ausführungsform umfasst ein Elektrodenpaar eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die jeweils eine äußere Fläche, eine innere Fläche, ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Leitung haben, die sich vom ersten Ende nach außen erstreckt. Die Leitung hat eine erste Breite am ersten Ende. Das zweite Ende von zumindest einer von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode weist eine darin ausgebildete Ausnehmung mit einem ersten Endpunkt und einem zweiten Endpunkt auf. Eine zweite Breite erstreckt sich zwischen dem ersten Endpunkt und dem zweiten Endpunkt der Ausnehmung. Die Ausnehmung ist durch ein Sägezahnmuster definiert. Die zweite Breite ist größer als die erste Breite. Wenn die erste Elektrode auf der zweiten Elektrode positioniert ist, befindet sich die Ausnehmung der zumindest einen von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode neben der Leitung der anderen Elektrode.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein künstlicher Muskel ein Gehäuse mit einem Elektrodenbereich und einem ausdehnbaren Fluidbereich, ein Elektrodenpaar, das im Elektrodenbereich des Gehäuses angeordnet ist, und ein dielektrisches Fluid, das im Gehäuse aufgenommen ist. Das Elektrodenpaar umfasst eine erste Elektrode, die an einer ersten Fläche des Gehäuses befestigt ist, und eine zweite Elektrode, die an einer zweiten Fläche des Gehäuses befestigt ist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode haben jeweils eine äußere Fläche, eine innere Fläche, ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Leitung, die sich von dem ersten Ende nach außen erstreckt. Die Leitung hat eine erste Breite am ersten Ende. Das zweite Ende von zumindest einer von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hat eine darin ausgebildete Ausnehmung mit einem ersten Endpunkt und einem zweiten Endpunkt. Eine zweite Breite erstreckt sich zwischen dem ersten Endpunkt und dem zweiten Endpunkt der Ausnehmung. Die Ausnehmung ist durch ein Sägezahnmuster definiert. Die zweite Breite ist größer als die erste Breite. Zumindest eine von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode weist eine zentrale Öffnung auf, die den ausdehnbaren Fluidbereich umgibt. Wenn die erste Elektrode auf der zweiten Elektrode positioniert ist, grenzt die Ausnehmung zumindest einen von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode an die Leitung der anderen Elektrode. Das Elektrodenpaar ist zwischen einem nicht betätigten Zustand und einem betätigten Zustand betätigbar, so dass die Betätigung vom nicht betätigten Zustand in den betätigten Zustand das dielektrische Fluid in den ausdehnbaren Fluidbereich leitet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Betätigung eines künstlichen Muskels das Erzeugen einer Spannung unter Verwendung einer Stromversorgung, die elektrisch mit einem Elektrodenpaar eines künstlichen Muskels gekoppelt ist. Der künstliche Muskel umfasst ein Gehäuse mit einem Elektrodenbereich und einem ausdehnbaren Fluidbereich, wobei das Elektrodenpaar im Elektrodenbereich des Gehäuses angeordnet ist, und ein dielektrisches Fluid, das in dem Gehäuse aufgenommen ist. Das Elektrodenpaar umfasst eine erste Elektrode, die an einer ersten Fläche des Gehäuses befestigt ist, und eine zweite Elektrode, die an einer zweiten Fläche des Gehäuses befestigt ist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode haben jeweils eine äußere Fläche, eine innere Fläche, ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Leitung, die sich von dem ersten Ende nach außen erstreckt. Die Leitung hat eine erste Breite am ersten Ende. Das zweite Ende von zumindest einer von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hat eine darin ausgebildete Ausnehmung mit einem ersten Endpunkt und einem zweiten Endpunkt. Eine zweite Breite erstreckt sich zwischen dem ersten Endpunkt und dem zweiten Endpunkt der Ausnehmung. Die Ausnehmung ist durch ein Sägezahnmuster definiert. Die zweite Breite ist größer als die erste Breite. Die erste Elektrode kann so auf der zweiten Elektrode positioniert werden, dass die Ausnehmung der zumindest einen von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode an die Leitung der anderen Elektrode angrenzt. Zumindest eine von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode weist eine zentrale Öffnung auf, die den ausdehnbaren Fluidbereich umgibt. Die Spannung wird an das Elektrodenpaar des künstlichen Muskels angelegt, wodurch das Elektrodenpaar von einem nicht betätigten Zustand in einen betätigten Zustand betätigt wird, so dass das dielektrische Fluid in den ausdehnbaren Fluidbereich des Gehäuses geleitet wird und den ausdehnbaren Fluidbereich ausdehnt.
Diese und zusätzliche Merkmale, die durch die hier beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt werden, werden im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verstanden.
Figurenliste
Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen sind illustrativ und beispielhaft und sollen den durch die Ansprüche definierten Gegenstand nicht einschränken. Die folgende detaillierte Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen wird verständlich, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, hierbei zeigt:

1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Elektrodenpaares gemäß einer oder mehrerer der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen in zerlegtem Zustand;
2 schematisch eine perspektivische Ansicht des Elektrodenpaares gemäß einer oder mehrerer der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen in einem zusammengebauten Zustand;
3 schematisch eine Explosionsansicht eines künstlichen Muskels gemäß einer oder mehrerer der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
4 schematisch eine Draufsicht des künstlichen Muskels von 3 gemäß einer oder mehrerer der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
5 schematisch eine Querschnittsansicht des künstlichen Muskels von 3 entlang der Linie 5-5 in 4 in einem nicht betätigten Zustand gemäß einer oder mehrerer der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
6 schematisch eine Querschnittsansicht des künstlichen Muskels von 3 in einem betätigten Zustand gemäß einer oder mehrerer der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
7 schematisch eine Querschnittsansicht eines künstlichen Muskels in einem nicht betätigten Zustand gemäß einer oder mehrerer der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
8 schematisch eine Querschnittsansicht des künstlichen Muskels von 7 in einem betätigten Zustand gemäß einer oder mehrerer der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
9 schematisch eine perspektivische Ansicht einer künstlichen Muskelanordnung, die eine Vielzahl der künstlichen Muskeln von 3 enthält, gemäß einer oder mehrerer der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen; und
10 schematisch ein Betätigungssystem zum Betätigen eines künstlichen Muskels gemäß einer oder mehrerer der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf Elektrodenpaare, künstliche Muskeln, die die Elektrodenpaare enthalten, künstliche Muskelanordnungen, die eine Vielzahl von künstlichen Muskeln enthalten, und Verfahren zu deren Verwendung. Die hier beschriebenen Elektrodenpaare umfassen zumindest eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die so betätigt werden können, dass sie sich selektiv miteinander verbinden und voneinander lösen, wenn eine Spannung angelegt bzw. unterbrochen wird. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode haben jeweils eine äußere Fläche, eine innere Fläche, ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Leitung, die sich vom ersten Ende nach außen erstreckt. Die Leitung hat eine erste Breite am ersten Ende. Das zweite Ende von zumindest einer von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hat eine darin ausgebildete Ausnehmung mit einem ersten Endpunkt und einem zweiten Endpunkt. Die Ausnehmung hat eine zweite Breite, die sich zwischen dem ersten Endpunkt und dem zweiten Endpunkt erstreckt. Die Ausnehmung ist durch ein Sägezahnmuster definiert. Die zweite Breite der Ausnehmung ist größer als die erste Breite der Leitung. Im montierten Zustand ist die erste Elektrode so auf der zweiten Elektrode positioniert, dass die Ausnehmung zumindest einen von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode an die Leitung der anderen Elektrode angrenzt. Die Anordnung dieser Ausnehmung angrenzend einer zugehörigen Elektrode minimiert Kurzschlüsse und ermöglicht eine erhöhte Betriebsspannung. Verschiedene Ausführungsformen des künstlichen Muskels und die Funktionsweise des künstlichen Muskels werden hierin ausführlicher beschrieben. Wann immer möglich, werden in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen verwendet, um sich auf gleiche oder ähnliche Teile zu beziehen.
In den 1 und 2 ist ein Elektrodenpaar 10 dargestellt. Das Elektrodenpaar 10 umfasst eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 14. Es sollte verstanden werden, dass, während nur die erste Elektrode 12 und die zweite Elektrode 14 zur einfacheren Veranschaulichung gezeigt werden, das Elektrodenpaar 10 mit allen geeigneten Komponenten eingebaut oder verwendet werden kann, wie z. B. isolierende Zwischenschichten, ein Gehäuse, elektrische Komponenten und dergleichen, wie hierin besprochen und in den 3 bis 10 dargestellt. Als solches kann das Elektrodenpaar 10 in einer beliebigen Anzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. in der Robotik, in medizinischen Vorrichtungen und Werkzeugen, und kann in künstliche Muskeln eingebaut werden, wie hierin ausführlicher beschrieben wird. Dabei kann das Elektrodenpaar 12 jede geeignete Stützstruktur aufweisen, die es der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 ermöglicht, sich relativ zueinander zu bewegen.
Die erste Elektrode 12 umfasst eine innere Fläche 16, eine äußere Fläche 18, ein erstes Ende 20 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 22. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Elektrode 12 ein Paar gegenüberliegende Seiten 24, 26, die sich zwischen dem ersten Ende 20 und dem zweiten Ende 22 erstrecken, die einen Körper 27 bilden. Wie dargestellt, hat der Körper 27 der ersten Elektrode 12 eine rechteckige Geometrie, die durch das erste Ende 20, das zweite Ende 22 und das Paar von Seiten 24, 26 definiert ist. Es ist jedoch zu beachten, dass die Geometrie der ersten Elektrode 12 nicht auf die hier dargestellte beschränkt ist. Zum Beispiel kann der Körper 27 der ersten Elektrode 12 eine quadratische Geometrie, eine kreisförmige Geometrie, eine sternförmige Geometrie oder eine andere geeignete Geometrie haben.
Die erste Elektrode 12 umfasst eine Leitung 28, die sich vom ersten Ende 20 der ersten Elektrode 12 nach außen erstreckt und an der ein Anschluss angebracht ist, um eine Ladung an die erste Elektrode 12 zu liefern. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Leitung 28 senkrecht von dem ersten Ende 20 der ersten Elektrode 12. Die Leitung 28 ist einstückig bzw. integral mit der ersten Elektrode 12 ausgebildet, so dass die erste Elektrode 12 eine einteilige monolithische Struktur bildet. Die Leitung 28 erstreckt sich vom ersten Ende 20 der ersten Elektrode 12 an Leitungsverbindungspunkten P1, P2, die eine Breite W1 der Leitung 28 definieren. Das zweite Ende 22 der ersten Elektrode 12 ist verformt, um eine Ausnehmung 30 zu bilden, die sich in Richtung des ersten Endes 20 der ersten Elektrode 12 erstreckt. Die Ausnehmung 30 hat einen ersten Endpunkt T1 und einen zweiten Endpunkt T2, die eine Breite W2 der Ausnehmung 30 definieren. Die Breite W2 der Ausnehmung 30 ist größer als die Breite W1 der Leitung 28. In einigen Ausführungsformen ist die Ausnehmung 30 durch ein Sägezahnmuster 32 definiert, das im zweiten Ende 22 der ersten Elektrode 12 entlang eines konkaven Bogens ausgebildet ist, der sich in Richtung des ersten Endes 20 der ersten Elektrode 12 erstreckt. Das im zweiten Ende 22 der ersten Elektrode 12 ausgebildete Sägezahnmuster 32 umfasst eine Vielzahl von Zähnen 34, die sich zwischen den Seiten 24, 26 der ersten Elektrode 12 erstrecken. Die Anzahl der Zähne 34 ist abhängig vom Winkel A1 jedes Zahns 34. Wenn der Winkel A1 jedes Zahns 34 vergrößert wird, enthält das Sägezahnmuster 32 weniger Zähne 34. Wenn der Winkel A1 jedes Zahns 34 verringert wird, enthält das Sägezahnmuster 32 eine größere Anzahl von Zähnen 34. In einigen Ausführungsformen beträgt der Winkel A1 jedes Zahns 34 zwischen 20 Grad und 90 Grad. In einigen Ausführungsformen beträgt der Winkel A1 jedes Zahns 34 zwischen 30 Grad und 60 Grad. Nicht jeder Zahn 34 muss den gleichen Winkel A1 aufweisen. So können einige Zähne 34 in dem Sägezahnmuster 32 schmaler sein als andere Zähne 34 in dem Sägezahnmuster 32. Das spezifische Muster, das im zweiten Ende 22 der ersten Elektrode 12 ausgebildet ist, ist jedoch nicht auf das hier dargestellte Sägezahnmuster 32 beschränkt. In einigen Ausführungsformen kann das zweite Ende 22 der ersten Elektrode 12 eine gekrümmte Einbuchtung, eine V-förmige Einbuchtung oder eine andere geeignete Form aufweisen, die in dem zweiten Ende 22 der ersten Elektrode 12 ausgebildet ist und sich in Richtung des ersten Endes 20 davon erstreckt.
In einigen Ausführungsformen ist die zweite Elektrode 14 identisch mit der ersten Elektrode 12. Als solche umfasst die zweite Elektrode 14 eine innere Fläche 36, eine äußere Fläche 38, ein erstes Ende 40 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 42. In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite Elektrode 14 ein Paar gegenüberliegende Seiten 44, 46, die sich zwischen dem ersten Ende 40 und dem zweiten Ende 42 erstrecken, die einen Körper 47 bilden. Wie dargestellt, hat der Körper 47 der zweiten Elektrode 14 eine rechteckige Geometrie, die durch das erste Ende 40, das zweite Ende 42 und das Paar von Seiten 44, 46 definiert ist. Es ist jedoch zu beachten, dass die Geometrie der zweiten Elektrode 14 nicht auf die hier dargestellte beschränkt ist. Zum Beispiel kann der Körper 47 eine quadratische Geometrie, eine kreisförmige Geometrie, eine sternförmige Geometrie oder eine andere geeignete Geometrie aufweisen.
Die zweite Elektrode 14 umfasst eine Leitung 48, die sich vom ersten Ende 40 der zweiten Elektrode 14 nach außen erstreckt und an der ein Anschluss angebracht ist, um der zweiten Elektrode 14 eine Ladung zuzuführen. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Leitung 48 senkrecht von dem ersten Ende 40 der zweiten Elektrode 14. Die Leitung 48 ist einstückig bzw. integral mit der zweiten Elektrode 14 ausgebildet, so dass die zweite Elektrode 14 eine einteilige monolithische Struktur bildet. Die Leitung 48 erstreckt sich vom ersten Ende 40 der zweiten Elektrode 14 an den Leitungsverbindungspunkten P3, P4, die eine Breite W3 der Leitung 48 definieren. Das zweite Ende 42 der zweiten Elektrode 14 ist verformt, um eine Ausnehmung 50 zu bilden, die sich in Richtung des ersten Endes 40 der zweiten Elektrode 14 erstreckt. Die Ausnehmung 50 hat einen ersten Endpunkt T3 und einen zweiten Endpunkt T4, die eine Breite W4 der Ausnehmung 50 definieren. Die Breite W4 der Ausnehmung 50 ist größer als die Breite W3 der Leitung 48. In einigen Ausführungsformen ist die Ausnehmung 50 durch ein Sägezahnmuster 52 definiert, das im zweiten Ende 42 der zweiten Elektrode 14 entlang eines konkaven Bogens ausgebildet ist, der sich in Richtung des ersten Endes 40 der zweiten Elektrode 14 erstreckt. Das im zweiten Ende 42 der zweiten Elektrode 14 ausgebildete Sägezahnmuster 52 umfasst eine Vielzahl von Zähnen 54, die sich zwischen den Seiten 44, 46 der zweiten Elektrode 14 erstrecken. Die Anzahl der Zähne 54 ist abhängig vom Winkel A2 jedes Zahns 54. Wenn der Winkel A2 jedes Zahns 54 vergrößert wird, enthält das Sägezahnmuster 52 weniger Zähne 54. Wenn der Winkel A2 jedes Zahns 54 verringert wird, enthält das Sägezahnmuster 52 eine größere Anzahl von Zähnen 54. In einigen Ausführungsformen beträgt der Winkel A2 jedes Zahns 54 zwischen 20 Grad und 90 Grad. In einigen Ausführungsformen beträgt der Winkel A2 jedes Zahns 54 zwischen 30 Grad und 60 Grad. Nicht jeder Zahn 54 muss den gleichen Winkel A2 aufweisen. So können einige Zähne 54 in dem Sägezahnmuster 52 schmaler sein als andere Zähne 54 in dem Sägezahnmuster 52. Das im zweiten Ende 42 der zweiten Elektrode 14 ausgebildete spezifische Muster ist jedoch nicht auf das hier dargestellte Sägezahnmuster 52 beschränkt. In einigen Ausführungsformen kann das zweite Ende 42 der zweiten Elektrode 14 eine gekrümmte Einbuchtung, eine V-förmige Einbuchtung oder eine andere geeignete Form aufweisen, die in dem zweiten Ende 42 der zweiten Elektrode 14 ausgebildet ist und sich in Richtung des ersten Endes 40 davon erstreckt.
In einigen Ausführungsformen können die erste Elektrode 12 und die zweite Elektrode 14 nicht identisch sein. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die erste Elektrode 12 eine rechteckige Geometrie haben und die zweite Elektrode 14 kann eine kreisförmige Geometrie haben. Darüber hinaus sind die Sägezahnmuster 32, 52 und die Leitungen 28, 48 nicht darauf beschränkt, an gegenüberliegenden Enden jeder der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 angeordnet zu sein. In einigen Ausführungsformen können die Sägezahnmuster 32, 52 in jeder anderen geeigneten Seite, Kante, jedem anderen Ende oder jedem anderen Abschnitt der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 neben der Leitung 28, 48 der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 ausgebildet sein. Wie jedoch hierin ausführlicher erörtert und in den 1 und 2 gezeigt wird, ist im zusammengebauten Zustand das Sägezahnmuster 32 der ersten Elektrode 12 über der Leitung 48 der zweiten Elektrode 14 angeordnet, und das Sägezahnmuster 52 der zweiten Elektrode 14 ist über der Leitung 28 der ersten Elektrode 12 angeordnet. Obwohl sowohl die erste Elektrode 12 als auch die zweite Elektrode 14 so dargestellt sind, dass sie die Ausnehmung 30, 50 aufweisen, sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen nur eine von der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 eine Ausnehmung aufweist.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, haben die erste Elektrode 12 und die zweite Elektrode 14 jeweils eine rechteckige Geometrie. Wie in 1 gezeigt, sind die erste Elektrode 12 und die zweite Elektrode 14 im demontierten Zustand voneinander beabstandet, wobei die innere Fläche 16 der ersten Elektrode 12 der inneren Fläche 36 der zweiten Elektrode 14 zugewandt ist und sich die Leitung 28 der ersten Elektrode 12 in eine entgegengesetzte Richtung wie die Leitung 48 der zweiten Elektrode 14 erstreckt.
Wie in 2 dargestellt, sind die erste Elektrode 12 und die zweite Elektrode 14 im zusammengebauten Zustand und werden so miteinander in Kontakt gebracht, dass die innere Fläche 16 der ersten Elektrode 12 an der inneren Fläche 36 der zweiten Elektrode 14 anliegt. In dieser Anordnung liegt das zweite Ende 42 der zweiten Elektrode 14 mit dem darin ausgebildeten Sägezahnmuster 52 neben dem ersten Ende 20 und der Leitung 28 der ersten Elektrode 12, und das zweite Ende 22 der ersten Elektrode 12 mit dem darin ausgebildeten Sägezahnmuster 23 liegt neben dem ersten Ende 40 und der Leitung 48 der zweiten Elektrode 14. Insbesondere ist die Leitung 28 seitlich zwischen dem ersten Endpunkt T3 und dem zweiten Endpunkt T4 der Ausnehmung 50 angeordnet, und die Leitung 48 ist seitlich zwischen dem ersten Endpunkt T1 und dem zweiten Endpunkt T2 der Ausnehmung 30 angeordnet.
Es ist zu beachten, dass ohne die im zweiten Ende 42 der zweiten Elektrode 14 ausgebildete Ausnehmung 50 eine senkrechte Schnittlinie zwischen dem zweiten Ende 42 der zweiten Elektrode 14 (durch gestrichelte Linien dargestellt) und der Leitung 28 der ersten Elektrode 12 an den Leitungsverbindungspunkten P1, P2 gebildet würde. In ähnlicher Weise würde ohne die im zweiten Ende 22 der ersten Elektrode 11 ausgebildete Ausnehmung 30 eine senkrechte Schnittlinie zwischen dem zweiten Ende 22 der ersten Elektrode 12 (durch gestrichelte Linien dargestellt) und der Leitung 48 der zweiten Elektrode 14 an den Leitungsverbindungspunkten P3, P4 gebildet werden. Diese potenziellen senkrechten Schnittlinien zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 sind anfällig für einen Kurzschluss oder einen Spannungsdurchbruch, wenn sie eine zu hohe Spannung erhalten. Durch das Vorsehen der Sägezahnmuster 32, 52 in jeder von der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 werden diese senkrechten Schnittlinien eliminiert. Infolgedessen kann das Elektrodenpaar 10 höheren Spannungen ausgesetzt werden, ohne dass es an den Leitungen 28 der ersten Elektrode 12 und der Leitung 48 der zweiten Elektrode 14 zu einem Kurzschluss oder Spannungsdurchbruch kommt. Herkömmliche Elektroden haben einen Kurzschluss und einen Spannungsdurchbruch bei etwa 8 Kilovolt (kV). In einigen Ausführungsformen kann das Elektrodenpaar 10 eine Spannung von mehr als 8 kV erhalten, ohne kurzgeschlossen zu werden. In einigen Ausführungsformen kann das Elektrodenpaar 10 eine Spannung von zumindest 9 kV erhalten, ohne kurzgeschlossen zu werden. In einigen Ausführungsformen kann das Elektrodenpaar 10 eine Spannung von zumindest 10 kV erhalten, ohne kurzgeschlossen zu werden. Im Gebrauch wird eine Ladung über die zugehörigen Anschlüsse an die Leitungen 28, 48 abgegeben, was zu einer Anziehungskraft führt, die die erste Elektrode 12 und die zweite Elektrode 14 zueinander hinzieht. Wenn die Ladung unterbrochen wird, wird die Anziehungskraft zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 aufgehoben. Wie hierin ausführlicher erörtert wird, kann die obige Offenbarung der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 einschließlich der Sägezahnmuster 32, 52, die die Leitungen 28, 48 der anderen Elektrode 12, 14 überlagern, in künstlichen Muskeln verwendet werden, auch um die Höhe der Spannung zu verbessern, die der künstliche Muskel aushalten kann, ohne das Elektrodenpaar 10 kurzzuschließen.
In den 3 und 4 ist ein künstlicher Muskel 100 dargestellt. Der künstliche Muskel 100 umfasst ein Gehäuse 102, ein Elektrodenpaar 104, einschließlich einer ersten Elektrode 106 und einer zweiten Elektrode 108, die an gegenüberliegenden Flächen des Gehäuses 102 befestigt sind, eine erste elektrische Isolierschicht 110, die an der ersten Elektrode 106 befestigt ist, und eine zweite elektrische Isolierschicht 112, die an der zweiten Elektrode 108 befestigt ist. In einigen Ausführungsformen ist das Gehäuse 102 eine einteilige monolithische Schicht mit einem Paar gegenüberliegender innerer Flächen, wie einer ersten inneren Fläche 114 und einer zweiten inneren Fläche 116, und einem Paar gegenüberliegender äußerer Flächen, wie einer ersten äußeren Fläche 118 und einer zweiten äußeren Fläche 120. In einigen Ausführungsformen sind die erste innere Fläche 114 und die zweite innere Fläche 116 des Gehäuses 102 zumindest teilweise heißsiegelbar. In anderen Ausführungsformen kann das Gehäuse 102 aus einem Paar einzeln hergestellter Folien- bzw. Filmschichten bestehen, beispielsweise einer ersten Filmschicht 122 und einer zweiten Filmschicht 124. So umfasst die erste Folien- bzw. Filmschicht 122 die erste innere Fläche 114 und die erste äußere Fläche 118, und die zweite Folien- bzw. Filmschicht 124 umfasst die zweite innere Fläche 116 und die zweite äußere Fläche 120.
In der folgenden Beschreibung kann anstelle des einteiligen Gehäuses 102 auf das Gehäuse 102 mit der ersten Filmschicht 122 und der zweiten Filmschicht 124 Bezug genommen werden. Es sollte jedoch klar sein, dass beide Anordnungen in Betracht kommen. In einigen Ausführungsformen weisen die erste Filmschicht 122 und die zweite Filmschicht 124 im Wesentlichen die gleiche Struktur und Zusammensetzung auf. Beispielsweise bestehen in einigen Ausführungsformen die erste Filmschicht 122 und die zweite Filmschicht 124 jeweils aus biaxial orientiertem Polypropylen.
Die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 sind jeweils zwischen der ersten Filmschicht 122 und der zweiten Filmschicht 124 angeordnet. In einigen Ausführungsformen bestehen die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 jeweils aus aluminiumbeschichtetem Polyester, wie z. B. Mylar^®. Darüber hinaus ist eine von der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 eine negativ geladene Elektrode und die andere von der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 ist eine positiv geladene Elektrode. Für die hier erörterten Zwecke kann jede Elektrode 106, 108 positiv geladen sein, solange die andere Elektrode 106, 108 des künstlichen Muskels 100 negativ geladen ist.
Die erste Elektrode 106 hat eine dem Film bzw. der Folie zugewandte Fläche 126 und eine gegenüberliegende innere Fläche 128. Die erste Elektrode 106 liegt an der ersten Filmschicht 122 an, insbesondere an der ersten inneren Fläche 114 der ersten Filmschicht 122. Darüber hinaus umfasst die erste Elektrode 106 eine erste Leitung 130, die sich von der ersten Elektrode 106 über einen Rand der ersten Filmschicht 122 hinaus erstreckt, so dass die erste Leitung 130 mit einer Stromversorgung verbunden werden kann, um die erste Elektrode 106 zu betätigen. Insbesondere ist die Leitung 130 entweder direkt oder in Reihe mit einer Stromversorgung und einem Controller eines Betätigungssystems 400, wie in 10 dargestellt, über einen Anschluss verbunden. Die Leitung 130 erstreckt sich von der ersten Elektrode 106 an Leitungsverbindungspunkten P5, P6, die eine Breite W5 der Leitung 130 definieren. In ähnlicher Weise hat die zweite Elektrode 108 eine dem Film bzw. der Folie zugewandte Fläche 148 und eine gegenüberliegende innere Fläche 150. Die zweite Elektrode 108 liegt an der zweiten Filmschicht 124 an, genauer gesagt an der zweiten inneren Fläche 116 der zweiten Filmschicht 124. Die zweite Elektrode 108 umfasst eine Leitung 152, die sich von der zweiten Elektrode 108 über einen Rand der zweiten Filmschicht 124 hinaus erstreckt, so dass die Leitung 152 über einen Anschluss mit einer Stromversorgung und einem Controller des Betätigungssystems 400 verbunden werden kann, um die zweite Elektrode 108 zu betätigen. Die Leitung 152 erstreckt sich von der zweiten Elektrode 108 an Leitungsverbindungspunkten P7, P8, die eine Breite W7 der Leitung 152 definieren.
Die erste Elektrode 106 umfasst zwei oder mehr Laschenabschnitte 132 und zwei oder mehr Brückenabschnitte 140. Jeder Brückenabschnitt 140 ist zwischen angrenzenden bzw. benachbarten Laschenabschnitten 132 angeordnet und verbindet die angrenzenden Laschenabschnitte 132 miteinander. Jeder Laschenabschnitt 132 hat ein erstes Ende 134, das sich radial von einer Mittelachse C der ersten Elektrode 106 zu einem gegenüberliegenden zweiten Ende 136 des Laschenabschnitts 132 erstreckt, wobei das zweite Ende 136 einen Abschnitt eines Außenumfangs 138 der ersten Elektrode 106 definiert. Ähnlich wie bei der ersten Elektrode 12 des hier besprochenen Elektrodenpaares 10 weist zumindest einer der Laschenabschnitte 132 der ersten Elektrode 106 eine Ausnehmung 133 auf, die in dem zweiten Ende 136 des Laschenabschnitts 132 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 133 hat einen ersten Endpunkt T5 und einen zweiten Endpunkt T6, die eine Breite W6 der Ausnehmung 133 definieren. Die Breite W6 der Ausnehmung 133 ist größer als die Breite W5 der Leitung 130. In einigen Ausführungsformen ist die Ausnehmung 133 durch ein Sägezahnmuster 137 definiert. Jeder Brückenabschnitt 140 hat ein erstes Ende 142, das sich radial von der Mittelachse C der ersten Elektrode 106 zu einem gegenüberliegenden zweiten Ende 144 des Brückenabschnitts 140 erstreckt, das einen anderen Abschnitt des Außenumfangs 138 der ersten Elektrode 106 definiert. Jeder Laschenabschnitt 132 hat eine Laschenlänge L1 und jeder Brückenabschnitt 140 hat eine Brückenlänge L2, die sich in einer radialen Richtung von der Mittelachse C der ersten Elektrode 106 erstrecken. Die Laschenlänge L1 ist ein Abstand zwischen dem ersten Ende 134 und dem zweiten Ende 136 des Laschenabschnitts 132 und die Brückenlänge L2 ist ein Abstand zwischen dem ersten Ende 142 und dem zweiten Ende 144 des Brückenabschnitts 140. Die Laschenlänge L1 eines jeden Laschenabschnitts 132 ist länger als die Brückenlänge L2 eines jeden Brückenabschnitts 140. In einigen Ausführungsformen beträgt die Brückenlänge L2 20 % bis 50 % der Laschenlänge L1, z. B. 30 % bis 40 % der Laschenlänge L1.
In einigen Ausführungsformen sind die zwei oder mehr Laschenabschnitte 132 in einem oder mehreren Paaren von Laschenabschnitten 132 angeordnet. Jedes Paar von Laschenabschnitten 132 umfasst zwei Laschenabschnitte 132, die einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann die erste Elektrode 106 nur zwei Laschenabschnitte 132 umfassen, die an gegenüberliegenden Seiten oder Enden der ersten Elektrode 106 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen, wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst die erste Elektrode 106 vier Laschenabschnitte 132 und vier Brückenabschnitte 140, die benachbarte Laschenabschnitte 132 miteinander verbinden. In dieser Ausführungsform sind die vier Laschenabschnitte 132 als zwei Paare von Laschenabschnitten 132 angeordnet, die einander diametral gegenüberliegen. Außerdem erstreckt sich, wie dargestellt, die erste Leitung 130 vom zweiten Ende 136 eines der Laschenabschnitte 132 und ist integral bzw. einstückig mit diesem ausgebildet. Wie dargestellt, erstreckt sich die erste Leitung 130 vom zweiten Ende 136 eines Laschenabschnitts 132 entgegengesetzt zu dem Laschenabschnitt 132, in dem das Sägezahnmuster 137 ausgebildet ist. Wie hierin erörtert, kann das Sägezahnmuster 137 jedoch in jedem geeigneten Laschenabschnitt 132 ausgebildet sein, wie beispielsweise in einem Laschenabschnitt 132, der an den Laschenabschnitt 132 angrenzt, von dem sich die erste Leitung 130 erstreckt.
Wie die erste Elektrode 106 umfasst auch die zweite Elektrode 108 zumindest ein Paar von Laschenabschnitten 154 und zwei oder mehr Brückenabschnitte 162. Jeder Brückenabschnitt 162 ist zwischen angrenzenden bzw. benachbarten Laschenabschnitten 154 angeordnet und verbindet die benachbarten Laschenabschnitte 154 miteinander. Jeder Laschenabschnitt 154 hat ein erstes Ende 156, das sich radial von einer Mittelachse C der zweiten Elektrode 108 zu einem gegenüberliegenden zweiten Ende 158 des Laschenabschnitts 154 erstreckt, wobei das zweite Ende 158 einen Abschnitt eines Außenumfangs 160 der zweiten Elektrode 108 definiert. Ähnlich wie bei der zweiten Elektrode 14 des hier besprochenen Elektrodenpaares 10 weist zumindest einer der Laschenabschnitte 154 der zweiten Elektrode 108 eine Ausnehmung 135 auf, die in dem zweiten Ende 158 des Laschenabschnitts 154 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 135 hat einen ersten Endpunkt T7 und einen zweiten Endpunkt T8, die eine Breite W8 der Ausnehmung 135 definieren. Die Breite W8 der Ausnehmung 135 ist größer als die Breite W7 der Leitung 152. In einigen Ausführungsformen ist die Ausnehmung 135 durch ein Sägezahnmuster 139 definiert. Obwohl sowohl die erste Elektrode 106 als auch die zweite Elektrode 108 mit den Ausnehmungen 133, 135 dargestellt sind, sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen nur eine von der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 eine Ausnehmung aufweist. Da die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 koaxial zueinander angeordnet sind, ist die Mittelachse C der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 identisch. Jeder Brückenabschnitt 162 hat ein erstes Ende 164, das sich radial von der Mittelachse C der zweiten Elektrode zu einem gegenüberliegenden zweiten Ende 166 des Brückenabschnitts 162 erstreckt, das einen anderen Abschnitt des Außenumfangs 160 der zweiten Elektrode 108 definiert. Jeder Laschenabschnitt 154 hat eine Laschenlänge L3 und jeder Brückenabschnitt 162 hat eine Brückenlänge L4, die sich in einer radialen Richtung von der Mittelachse C der zweiten Elektrode 108 erstrecken. Die Laschenlänge L3 ist ein Abstand zwischen dem ersten Ende 156 und dem zweiten Ende 158 des Laschenabschnitts 154 und die Brückenlänge L4 ist ein Abstand zwischen dem ersten Ende 164 und dem zweiten Ende 166 des Brückenabschnitts 162. Die Laschenlänge L3 ist länger als die Brückenlänge L4 eines jeden Brückenabschnitts 162. In einigen Ausführungsformen beträgt die Brückenlänge L4 20% bis 50% der Laschenlänge L3, beispielsweise 30% bis 40% der Laschenlänge L3.
In einigen Ausführungsformen sind die zwei oder mehr Laschenabschnitte 154 in einem oder mehreren Paaren von Laschenabschnitten 154 angeordnet. Jedes Paar von Laschenabschnitten 154 umfasst zwei Laschenabschnitte 154, die einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Elektrode 108 nur zwei Laschenabschnitte 154 umfassen, die an gegenüberliegenden Seiten oder Enden der ersten Elektrode 106 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen, wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst die zweite Elektrode 108 vier Laschenabschnitte 154 und vier Brückenabschnitte 162, die benachbarte Laschenabschnitte 154 miteinander verbinden. In dieser Ausführungsform sind die vier Laschenabschnitte 154 als zwei Paare von Laschenabschnitten 154 angeordnet, die einander diametral gegenüberliegen. Außerdem erstreckt sich, wie dargestellt, die zweite Leitung 152 vom zweiten Ende 158 eines der Laschenabschnitte 154 und ist integral bzw. einstückig mit diesem ausgebildet. Wie dargestellt, erstreckt sich die zweite Leitung 152 vom zweiten Ende 158 eines Laschenabschnitts 154 entgegengesetzt zu dem Laschenabschnitt 154, in dem das Sägezahnmuster 139 ausgebildet ist. Wie hierin erörtert, kann das Sägezahnmuster 139 jedoch in jedem geeigneten Laschenabschnitt 154 ausgebildet sein, wie beispielsweise in einem Laschenabschnitt 154, der an den Laschenabschnitt 154 angrenzt, von dem sich die zweite Leitung 152 erstreckt.
Bezugnehmend auf die 3 bis 8 weist zumindest eine von der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 eine zentrale Öffnung auf. In den 3 und 4 weist die erste Elektrode 106 eine zentrale Öffnung 146 auf, die darin zwischen dem ersten Ende 134 der Laschenabschnitte 132 und dem ersten Ende 142 der Brückenabschnitte 140 ausgebildet ist, und die zweite Elektrode 108 weist eine zentrale Öffnung 168 auf, die darin zwischen dem ersten Ende 156 der Laschenabschnitte 154 und dem ersten Ende 164 der Brückenabschnitte 162 ausgebildet ist. Es versteht sich jedoch, dass die erste Elektrode 106 die zentrale Öffnung 146 nicht enthalten braucht, wenn die zentrale Öffnung 168 auch in der zweiten Elektrode 108 vorgesehen ist, wie in den 5 und 6 gezeigt. Alternativ braucht die zweite Elektrode 108 die zentrale Öffnung 168 nicht zu enthalten, wenn die zentrale Öffnung 146 auch in der ersten Elektrode 106 vorgesehen ist.
Weiterhin Bezug nehmend auf die 2 bis 8 weisen die erste elektrische Isolierschicht 110 und die zweite elektrische Isolierschicht 112 eine Geometrie auf, die im Wesentlichen der ersten Elektrode 106 bzw. der zweiten Elektrode 108 entspricht. So weisen die erste elektrische Isolierschicht 110 und die zweite elektrische Isolierschicht 112 jeweils Laschenabschnitte 170, 172 und Brückenabschnitte 174, 176 auf, die ähnlichen Abschnitten an der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 entsprechen. Ferner haben die erste elektrische Isolierschicht 110 und die zweite elektrische Isolierschicht 112 jeweils einen Außenumfang 178, 180, der dem Außenumfang 138 der ersten Elektrode 106 bzw. dem Außenumfang 160 der zweiten Elektrode 108 entspricht, wenn sie darauf positioniert sind. Da die erste elektrische Isolierschicht 110 eine Geometrie aufweist, die der ersten Elektrode 106 entspricht, ist in dem Außenumfang 178 eines der Laschenabschnitte 170 der ersten elektrischen Isolierschicht 110 eine durch ein Sägezahnmuster 141 definierte Ausnehmung ausgebildet, die dem in der ersten Elektrode 106 ausgebildeten Sägezahnmuster 137 entspricht. Da die zweite elektrische Isolierschicht 112 eine Geometrie aufweist, die der zweiten Elektrode 108 entspricht, ist in ähnlicher Weise in dem Außenumfang 180 eines der Laschenabschnitte 172 der zweiten elektrischen Isolierschicht 112 eine durch ein Sägezahnmuster 143 definierte Ausnehmung ausgebildet, die dem in der zweiten Elektrode 108 ausgebildeten Sägezahnmuster 139 entspricht. Die Struktur und die Merkmale der Sägezahnmuster 32, 52 des Elektrodenpaares 10, wie sie hier beschrieben sind, sind gleichermaßen auf jedes der Sägezahnmuster 137, 139, 141, 143 des künstlichen Muskels 100 anwendbar.
Es sollte verstanden werden, dass in einigen Ausführungsformen die erste elektrische Isolierschicht 110 und die zweite elektrische Isolierschicht 112 im Wesentlichen die gleiche Struktur und Zusammensetzung aufweisen. So weisen in einigen Ausführungsformen die erste elektrische Isolierschicht 110 und die zweite elektrische Isolierschicht 112 jeweils eine klebende Fläche 182, 184 und eine gegenüberliegende nicht klebende Fläche 186, 188 auf. So sind in einigen Ausführungsformen die erste elektrische Isolierschicht 110 und die zweite elektrische Isolierschicht 112 jeweils ein Polymerband, das auf die innere Fläche 128 der ersten Elektrode 106 bzw. die innere Fläche 150 der zweiten Elektrode 108 geklebt ist.
In den 4 bis 8 ist der künstliche Muskel 100 in einem zusammengebauten Zustand dargestellt, bei dem sich die erste Leitung 130 der ersten Elektrode 106 und die zweite Leitung 152 der zweiten Elektrode 108 über einen Außenumfang des Gehäuses 102, d.h. die erste Filmschicht 122 und die zweite Filmschicht 124, hinaus erstrecken. Wie in 4 gezeigt, ist die zweite Elektrode 108 auf die erste Elektrode 106 gestapelt, weshalb die erste Elektrode 106 und die zweite elektrische Isolierschicht 112 nicht dargestellt sind. Nur ein Teil der ersten elektrischen Isolierschicht 110 ist in der Nähe der ersten Leitung 130 dargestellt, die von der ersten Elektrode 106 ausgeht. Darüber hinaus ist die erste Leitung 130 seitlich zwischen dem ersten Endpunkt T7 und dem zweiten Endpunkt T8 der Ausnehmung 135 der zweiten Elektrode 108 angeordnet. In ähnlicher Weise, wenn auch nicht dargestellt, ist die zweite Leitung 152 seitlich zwischen dem ersten Endpunkt T5 und dem zweiten Endpunkt T6 der Ausnehmung 133 der ersten Elektrode 108 angeordnet. Im zusammengebauten Zustand sind die erste Elektrode 106, die zweite Elektrode 108, die erste elektrische Isolierschicht 110 und die zweite elektrische Isolierschicht 112 sandwichartig zwischen der ersten Filmschicht 122 und der zweiten Filmschicht 124 angeordnet. Die erste Filmschicht 122 ist teilweise mit der zweiten Filmschicht 124 in einem Bereich versiegelt, der den Außenumfang 138 der ersten Elektrode 106 und den Außenumfang 160 der zweiten Elektrode 108 umgibt. In einigen Ausführungsformen ist die erste Filmschicht 122 teilweise mit der zweiten Filmschicht 124 versiegelt. Insbesondere ist in einigen Ausführungsformen die erste Filmschicht 122 mit der zweiten Filmschicht 124 versiegelt, um einen versiegelten Abschnitt 190 zu definieren, der die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 umgibt. Die erste Filmschicht 122 und die zweite Filmschicht 124 können auf jede geeignete Weise versiegelt werden, beispielsweise mit einem Klebstoff, durch Heißsiegeln oder Ähnliches.
Die erste Elektrode 106, die zweite Elektrode 108, die erste elektrische Isolierschicht 110 und die zweite elektrische Isolierschicht 112 stellen eine Barriere dar, die verhindert, dass die erste Filmschicht 122 vollständig mit der zweiten Filmschicht 124 versiegelt wird, wodurch ein nicht versiegelter Abschnitt 192 gebildet wird. Der nicht versiegelte Abschnitt 192 des Gehäuses 102 umfasst einen Elektrodenbereich 194, in dem das Elektrodenpaar 104 vorgesehen ist, und einen ausdehnbaren Fluidbereich 196, der von dem Elektrodenbereich 194 umgeben ist. Die zentralen Öffnungen 146, 168 der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 bilden den ausdehnbaren Fluidbereich 196 und sind so angeordnet, dass sie axial aufeinander gestapelt werden und den ausdehnbaren Fluidbereich 196 definieren. Obwohl nicht dargestellt, kann das Gehäuse 102 zugeschnitten werden, um der Geometrie des Elektrodenpaars 104 zu entsprechen und die Größe des künstlichen Muskels 100, nämlich die Größe des versiegelten Abschnitts 190, zu verringern.
Ein dielektrisches Fluid 198 ist in dem nicht versiegelten Abschnitt 192 vorgesehen und fließt frei zwischen der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108. Ein „dielektrisches“ Fluid, wie es hier verwendet wird, ist ein Medium oder Material, das elektrische Kraft ohne Leitung überträgt und als solches eine geringe elektrische Leitfähigkeit hat. Einige nicht einschränkende Beispiele für dielektrische Fluide sind Perfluoralkane, Transformatorenöle und entionisiertes Wasser. Das dielektrische Fluid 198 kann mit einer Nadel oder einer anderen geeigneten Injektionsvorrichtung in den nicht versiegelten Abschnitt 192 des künstlichen Muskels 100 injiziert werden.
Bezugnehmend auf die 5 und 6 ist der künstliche Muskel 100 zwischen einem nicht betätigten Zustand und einem betätigten Zustand betätigbar. Im nicht betätigten Zustand, wie in 5 gezeigt, sind die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 in der Nähe ihrer zentralen Öffnungen 146, 168 und des ersten Endes 134, 156 der Laschenabschnitte 132, 154 teilweise voneinander beabstandet. Das zweite Ende 136, 158 der Laschenabschnitte 132, 154 bleibt relativ zueinander in Position, da das Gehäuse 102 am Außenumfang 138 der ersten Elektrode 106 und am Außenumfang 160 der zweiten Elektrode 108 versiegelt ist. So sind das Sägezahnmuster 137 der ersten Elektrode 106 und das Sägezahnmuster 141 der ersten elektrischen Isolierschicht 112 neben dem Außenumfang 160 der zweiten Elektrode 108 und der zweiten Leitung 152 vorgesehen. In ähnlicher Weise sind das Sägezahnmuster 139 der zweiten Elektrode 108 und das Sägezahnmuster 143 der zweiten elektrischen Isolierschicht 112 neben dem Außenumfang 138 der ersten Elektrode 106 und der ersten Leitung 130 vorgesehen. Im betätigten Zustand, wie in 6 gezeigt, werden die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 miteinander in Kontakt gebracht und parallel zueinander ausgerichtet, um das dielektrische Fluid 198 in den ausdehnbaren Fluidbereich 196 zu drücken. Dies bewirkt, dass das dielektrische Fluid 198 durch die zentralen Öffnungen 146, 168 der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 fließt und den ausdehnbaren Fluidbereich 196 aufbläst.
In 5 ist der künstliche Muskel 100 im nicht betätigten Zustand dargestellt. Das Elektrodenpaar 104 befindet sich innerhalb des Elektrodenbereichs 194 des nicht versiegelten Abschnitts 192 des Gehäuses 102. Die zentrale Öffnung 146 der ersten Elektrode 106 und die zentrale Öffnung 168 der zweiten Elektrode 108 sind koaxial innerhalb des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 ausgerichtet. Im unbetätigten Zustand sind die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 teilweise voneinander beabstandet und nicht parallel zueinander. Da die erste Filmschicht 122 mit der zweiten Filmschicht 124 um das Elektrodenpaar 104 herum versiegelt ist, werden die zweiten Enden 136, 158 der Laschenabschnitte 132, 154 miteinander in Kontakt gebracht. Auf diese Weise wird das dielektrische Fluid 198 zwischen der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 bereitgestellt, wodurch das erste Ende 134, 156 der Laschenabschnitte 132, 154 in der Nähe des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 getrennt wird. Anders ausgedrückt ist ein Abstand zwischen dem ersten Ende 134 des Laschenabschnitts 132 der ersten Elektrode 106 und dem ersten Ende 156 des Laschenabschnitts 154 der zweiten Elektrode 108 größer als ein Abstand zwischen dem zweiten Ende 136 des Laschenabschnitts 132 der ersten Elektrode 106 und dem zweiten Ende 158 des Laschenabschnitts 154 der zweiten Elektrode 108. Dies führt dazu, dass das Elektrodenpaar 104 bei Betätigung in Richtung des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 einen Reißverschluss bildet. In einigen Ausführungsformen können die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 flexibel sein. Wie in 5 dargestellt, sind die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 relativ zueinander konvex, so dass die zweiten Enden 136, 158 der Laschenabschnitte 132, 154 nahe beieinander bleiben können, aber in der Nähe der zentralen Öffnungen 146, 168 voneinander beabstandet sind. Im nicht betätigten Zustand hat der ausdehnbare Fluidbereich 196 eine erste Höhe H1.
Bei Betätigung, wie in 6 gezeigt, schieben sich die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 von den zweiten Enden 144, 158 der Laschenabschnitte 132, 154 Reißverschlussartig aufeinander zu, wodurch das dielektrische Fluid 198 in den ausdehnbaren Fluidbereich 196 gedrückt wird. Wie dargestellt, sind die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 im betätigten Zustand parallel zueinander. Im betätigten Zustand fließt das dielektrische Fluid 198 in den ausdehnbaren Fluidbereich 196, um den ausdehnbaren Fluidbereich 196 aufzublasen. Dadurch dehnen sich die erste Filmschicht 122 und die zweite Filmschicht 124 in entgegengesetzte Richtungen aus. Im betätigten Zustand hat der ausdehnbare Fluidbereich 196 eine zweite Höhe H2, die größer ist als die erste Höhe H1 des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 im nicht betätigten Zustand. Obwohl nicht dargestellt, ist zu beachten, dass das Elektrodenpaar 104 teilweise in eine Position zwischen dem nicht betätigten Zustand und dem betätigten Zustand gebracht werden kann. Dies würde ein teilweises Aufblasen des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 und Anpassungen bei Bedarf ermöglichen.
Um die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 zueinander zu bewegen, wird eine Spannung durch eine Stromversorgung angelegt. In einigen Ausführungsformen kann eine Spannung von bis zu 10 kV von der Stromversorgung bereitgestellt werden, um ein elektrisches Feld durch das dielektrische Fluid 198 zu induzieren. Die daraus resultierende Anziehungskraft zwischen der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 drückt das dielektrische Fluid 198 in den ausdehnbaren Fluidbereich 196. Der Druck des dielektrischen Fluids 198 innerhalb des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 bewirkt, dass sich die erste Filmschicht 122 und die erste elektrische Isolierschicht 110 in einer ersten axialen Richtung entlang der Mittelachse C der ersten Elektrode 106 verformen und dass sich die zweite Filmschicht 124 und die zweite elektrische Isolierschicht 112 in einer entgegengesetzten zweiten axialen Richtung entlang der Mittelachse C der zweiten Elektrode 108 verformen. Sobald die an die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 angelegte Spannung unterbrochen wird, kehren die erste Elektrode 106 und die zweite Elektrode 108 in ihre anfängliche, nicht-parallele Position im nicht betätigten Zustand zurück.
Es sollte verstanden werden, dass die hier offenbarten Ausführungsformen, insbesondere die Laschenabschnitte 132, 154 mit den darin ausgebildeten Sägezahnmustern 137, 139, eine Reihe von Verbesserungen gegenüber Aktuatoren, wie z. B. HASEL-Aktuatoren, bieten, die nicht die Laschenabschnitte 132, 154 mit den Sägezahnmustern 137, 139 aufweisen. Ausführungsformen des künstlichen Muskels 100, die zwei Paare von Laschenabschnitten 132, 154 an jeder der ersten Elektrode 106 bzw. der zweiten Elektrode 108 aufweisen, verringern die Gesamtmasse und -dicke des künstlichen Muskels 100, verringern die während der Betätigung erforderliche Spannung und verringern das Gesamtvolumen des künstlichen Muskels 100, ohne den Betrag der resultierenden Kraft nach der Betätigung im Vergleich zu bekannten HASEL-Aktuatoren zu verringern, die donutförmige Elektroden mit einer einheitlichen, sich radial erstreckenden Breite aufweisen. Insbesondere bieten die Laschenabschnitte 132, 154 des künstlichen Muskels 100 Reißverschlussfronten, die zu einer erhöhten Betätigungskraft führen, indem sie eine lokalisierte und gleichmäßige hydraulische Betätigung des künstlichen Muskels 100 im Vergleich zu HASEL-Aktuatoren mit donutförmigen Elektroden ermöglichen. Insbesondere liefert ein Paar von Laschenabschnitten 132, 154 die doppelte Menge an Aktuatorleistung pro Volumeneinheit im Vergleich zu donutförmigen HASEL-Aktuatoren, während zwei Paare von Laschenabschnitten 132, 154 die vierfache Menge an Aktuatorleistung pro Volumeneinheit liefern. Die Brückenabschnitte 174, 176, die die Laschenabschnitte 132, 154 miteinander verbinden, begrenzen auch das Knicken der Laschenabschnitte 132, 154, indem sie den Abstand zwischen benachbarten Laschenabschnitten 132, 154 während der Betätigung aufrechterhalten. Da die Brückenabschnitte 174, 176 integral bzw. einstückig mit den Laschenabschnitten 132, 154 ausgebildet sind, verhindem die Brückenabschnitte 174, 176 auch eine Leckage zwischen den Laschenabschnitten 132, 154, indem sie Befestigungsstellen eliminieren, die ein erhöhtes Risiko des Aufbrechens darstellen. Darüber hinaus eliminieren die Sägezahnmuster 137, 139, wie bereits erwähnt, senkrechte Schnittpunkte zwischen den Laschenabschnitten 132, 154 und den Leitungen 130, 152. Dies ermöglicht es dem künstlichen Muskel 100, höhere Spannungen mit einem geringeren Risiko von Kurzschlüssen und Spannungsdurchbrüchen zu empfangen.
Im Betrieb, wenn der künstliche Muskel 100 betätigt wird, erzeugt die Ausdehnung des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 eine Kraft von beispielsweise 3 Newton-Millimetern (N·mm) pro Kubikzentimeter (cm³) Aktuatorvolumen oder mehr, 4 N·mm pro cm³ Aktuatorvolumen oder mehr, 5 N·mm pro cm³ Aktuatorvolumen oder mehr, 6 N. mm pro cm³ Aktuatorvolumen oder mehr, 7 N·mm pro cm³ Aktuatorvolumen oder mehr, 8 N·mm pro cm³ Aktuatorvolumen oder mehr, 9 N·mm pro cm³ Aktuatorvolumen oder mehr, 10 N·mm pro cm³ Aktuatorvolumen oder mehr, 11 N·mm pro cm³ Aktuatorvolumen oder mehr und 12 N·mm pro cm³ Aktuatorvolumen oder mehr. In einem Beispiel liefert der künstliche Muskel 100 bei einer Spannung von 9,5 Kilovolt (kV) eine resultierende Kraft von 5 N. In einem anderen Beispiel liefert der künstliche Muskel 100 bei einer Spannung von 10 kV eine Dehnung von 440 % unter einer Last von 500 Gramm.
Darüber hinaus ist die Größe der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 proportional zum Ausmaß der Auslenkung des dielektrischen Fluids 198. Wenn also eine größere Verschiebung innerhalb des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 erwünscht ist, wird die Größe des Elektrodenpaars 104 relativ zur Größe des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 vergrößert. Es ist zu verstehen, dass die Größe des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 durch die zentralen Öffnungen 146, 168 in der ersten Elektrode 106 und der zweiten Elektrode 108 bestimmt wird. Daher kann der Grad der Verschiebung innerhalb des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 alternativ oder zusätzlich durch Vergrößerung oder Verkleinerung der zentralen Öffnungen 146, 168 gesteuert werden.
Wie in den 7 und 8 gezeigt, ist eine weitere Ausführungsform eines künstlichen Muskels 200 dargestellt. Der künstliche Muskel 200 ist dem künstlichen Muskel 100 im Wesentlichen ähnlich. Daher sind gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In der gezeigten Darstellung weist die erste Elektrode 106 jedoch nicht die zentrale Öffnung 146 auf. Daher enthält nur die zweite Elektrode 108 die darin ausgebildete zentrale Öffnung 168. Wie in 7 gezeigt, befindet sich der künstliche Muskel 200 im nicht betätigten Zustand, wobei die erste Elektrode 106 plan ist und die zweite Elektrode 108 relativ zur ersten Elektrode 106 konvex ist. Im nicht betätigten Zustand hat der dehnbare Fluidbereich 196 eine erste Höhe H3. Im betätigten Zustand, wie in 8 gezeigt, hat der ausdehnbare Fluidbereich 196 eine zweite Höhe H4, die größer ist als die erste Höhe H3. Es sollte verstanden werden, dass durch die Bereitstellung der zentralen Öffnung 168 nur in der zweiten Elektrode 108, im Gegensatz zur Bereitstellung sowohl in der ersten Elektrode 106 als auch der zweiten Elektrode 108, die gesamte Verformung auf einer Seite des künstlichen Muskels 200 gebildet werden kann. Da die gesamte Verformung nur auf einer Seite des künstlichen Muskels 200 gebildet wird, erstreckt sich außerdem die zweite Höhe H4 des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 des künstlichen Muskels 200 weiter von einer Längsachse senkrecht zur Mittelachse C des künstlichen Muskels 200 als die zweite Höhe H2 des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 des künstlichen Muskels 100, wenn alle anderen Abmessungen, Ausrichtungen und das Volumen des dielektrischen Fluids gleich sind.
In 9 ist eine künstliche Muskelanordnung 300 dargestellt, die mehrere künstliche Muskeln, wie den künstlichen Muskel 100, enthält. Es sollte jedoch verstanden werden, dass eine Vielzahl von künstlichen Muskeln 200 in ähnlicher Weise in einer gestapelten Formation angeordnet werden kann. Jeder künstliche Muskel 100 kann identisch aufgebaut und so in einem Stapel angeordnet sein, dass der ausdehnbare Fluidbereich 196 jedes künstlichen Muskels 100 den ausdehnbaren Fluidbereich 196 eines angrenzenden künstlichen Muskels 100 überlagert. Die Leitungen 130, 152 jedes künstlichen Muskels 100 sind elektrisch miteinander verbunden, so dass die künstlichen Muskeln 100 gleichzeitig zwischen dem nicht betätigten Zustand und dem betätigten Zustand betätigt werden können. Durch die Anordnung der künstlichen Muskeln 100 in einer gestapelten Konfiguration ist die gesamte Verformung der künstlichen Muskelanordnung 300 die Summe der Verformung innerhalb des ausdehnbaren Fluidbereichs 196 jedes künstlichen Muskels 100. Als solches ist der resultierende Grad der Verformung der künstlichen Muskelanordnung 300 größer als derjenige, der durch den künstlichen Muskel 100 allein bereitgestellt werden würde.
Bezugnehmend auf 10 kann ein Betätigungssystem 400 zum Betätigen eines Elektrodenpaares, eines künstlichen Muskels oder einer künstlichen Muskelanordnung, wie z.B. des Elektrodenpaares 10, der künstlichen Muskeln 100, 200 oder der künstlichen Muskelanordnung 300, zwischen dem nicht betätigten Zustand und dem betätigten Zustand vorgesehen werden. So kann das Betätigungssystem 400 eine Controller 402, eine Bedienvorrichtung 404, eine Stromversorgung 406 und einen Kommunikationspfad 408 umfassen. Die verschiedenen Komponenten des Betätigungssystems 400 werden nun beschrieben.
Der Controller 402 umfasst einen Prozessor 410 und einen nichttransitorischen elektronischen Speicher 412, mit dem verschiedene Komponenten kommunikativ verbunden sind. In einigen Ausführungsformen sind der Prozessor 410 und der nichttransitorische elektronische Speicher 412 und/oder die anderen Komponenten in einer einzigen Vorrichtung enthalten. In anderen Ausführungsformen können der Prozessor 410 und der nichttransitorische elektronische Speicher 412 und/oder die anderen Komponenten auf mehrere Vorrichtungen verteilt sein, die kommunikativ gekoppelt sind. Der Controller 402 umfasst einen nichttransitorischen elektronischen Speicher 412, der eine Reihe von maschinenlesbaren Anweisungen speichert. Der Prozessor 410 führt die maschinenlesbaren Anweisungen aus, die in dem nichttransitorischen elektronischen Speicher 412 gespeichert sind. Der nichttransitorische elektronische Speicher 412 kann RAM, ROM, Flash-Speicher, Festplatten oder jede andere Vorrichtung umfassen, die in der Lage ist, maschinenlesbare Anweisungen zu speichern, so dass der Prozessor 410 auf die maschinenlesbaren Anweisungen zugreifen kann. Dementsprechend kann das hier beschriebene Betätigungssystem 400 in jeder konventionellen Computerprogrammiersprache, als vorprogrammierte Hardwareelemente oder als Kombination von Hardware- und Softwarekomponenten implementiert werden. Der nichttransitorische elektronische Speicher 412 kann als ein Speichermodul oder als eine Vielzahl von Speichermodulen implementiert werden.
In einigen Ausführungsformen enthält der nichttransitorische elektronische Speicher 412 Anweisungen zum Ausführen der Funktionen des Betätigungssystems 400. Die Anweisungen können Anweisungen zum Betreiben des Elektrodenpaars 10, der künstlichen Muskeln 100, 200 oder der künstlichen Muskelanordnung 300 auf der Grundlage eines Benutzerbefehls enthalten.
Der Prozessor 410 kann jedes Gerät sein, das in der Lage ist, maschinenlesbare Anweisungen auszuführen. Zum Beispiel kann der Prozessor 410 ein integrierter Schaltkreis, ein Mikrochip, ein Computer oder eine andere Rechenvorrichtung sein. Der nichttransitorische elektronische Speicher 412 und der Prozessor 410 sind mit dem Kommunikationspfad 408 verbunden, der die Signalverbindung zwischen verschiedenen Komponenten und/oder Modulen des Betätigungssystems 400 herstellt. Dementsprechend kann der Kommunikationspfad 408 eine beliebige Anzahl von Prozessoren kommunikativ miteinander koppeln und es den mit dem Kommunikationspfad 408 gekoppelten Modulen ermöglichen, in einer verteilten Computerumgebung zu arbeiten. Insbesondere kann jedes der Module als ein Knoten arbeiten, der Daten senden und/oder empfangen kann. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „kommunikativ gekoppelt“, dass gekoppelte Komponenten in der Lage sind, Datensignale miteinander auszutauschen, wie z. B. elektrische Signale über ein leitendes Medium, elektromagnetische Signale über Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen.
Wie in 10 schematisch dargestellt, koppelt der Kommunikationspfad 408 den Prozessor 410 und den nichttransitorischen elektronischen Speicher 412 des Controllers 402 mit einer Vielzahl anderer Komponenten des Betätigungssystems 400 kommunikativ. Das in 10 dargestellte Betätigungssystem 400 umfasst beispielsweise den Prozessor 410 und den nichttransitorischen elektronischen Speicher 412, die kommunikativ mit der Bedienvorrichtung 404 und der Stromversorgung 406 verbunden sind.
Die Bedienvorrichtung 404 ermöglicht es einem Benutzer, den Betrieb des Elektrodenpaars 10, der künstlichen Muskeln 100, 200 oder der künstlichen Muskelanordnung 300 zu steuern. In einigen Ausführungsformen kann die Bedienvorrichtung 404 ein Schalter, ein Kippschalter, ein Taster oder eine beliebige Kombination von Bedienelementen sein, um eine Benutzerbedienung zu ermöglichen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann ein Benutzer das Elektrodenpaar 10, die künstlichen Muskeln 100, 200 oder die künstliche Muskelanordnung 300 in den betätigten Zustand versetzen, indem er die Bedienelemente der Betätigungsvorrichtung 404 in eine erste Position aktiviert. Während sich das Elektrodenpaar 10, die künstlichen Muskeln 100, 200 oder die künstliche Muskelanordnung 300 in der ersten Position befinden, bleiben sie im betätigten Zustand. Der Benutzer kann das Elektrodenpaar 10, die künstlichen Muskeln 100, 200 oder die künstliche Muskelanordnung 300 in den nicht betätigten Zustand schalten, indem er die Bedienelemente der Betätigungsvorrichtung 404 aus der ersten Position in eine zweite Position betätigt.
Die Bedienvorrichtung 404 ist mit dem Kommunikationspfad 408 gekoppelt, so dass der Kommunikationspfad 408 die Bedienvorrichtung 404 kommunikativ mit anderen Modulen des Betätigungssystems 400 koppelt. Die Bedienvorrichtung 404 kann eine Benutzerschnittstelle zum Empfangen von Benutzeranweisungen bezüglich einer spezifischen Betriebskonfiguration des Elektrodenpaars 10, der künstlichen Muskeln 100, 200 oder der künstlichen Muskelanordnung 300 bereitstellen. Darüber hinaus können die Benutzeranweisungen Anweisungen enthalten, das Elektrodenpaar 10, die künstlichen Muskeln 100, 200 oder die künstliche Muskelanordnung 300 nur unter bestimmten Bedingungen zu betreiben.
Die Stromversorgung 406 (z. B. eine Batterie) versorgt das Elektrodenpaar 10, die künstlichen Muskeln 100, 200 oder die künstliche Muskelanordnung 300 mit Strom. In einigen Ausführungsformen ist die Stromversorgung 406 eine wiederaufladbare Gleichstromquelle. Es versteht sich, dass die Stromversorgung 406 eine einzelne Stromversorgung oder Batterie sein kann, um das Elektrodenpaar 10, die künstlichen Muskeln 100, 200 oder die künstliche Muskelanordnung 300 mit Strom zu versorgen. Ein Stromadapter (nicht dargestellt) kann vorgesehen und elektrisch über einen Kabelbaum oder dergleichen gekoppelt sein, um das Elektrodenpaar 10, die künstlichen Muskeln 100, 200 oder die künstliche Muskelanordnung 300 über die Stromversorgung 406 mit Strom zu versorgen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Betätigungssystem 400 auch eine Anzeigevorrichtung 414. Die Anzeigevorrichtung 414 ist mit dem Kommunikationspfad 408 gekoppelt, so dass der Kommunikationspfad 408 die Anzeigevorrichtung 414 kommunikativ mit anderen Modulen des Betätigungssystems 400 koppelt. Die Anzeigevorrichtung 414 kann als Reaktion auf einen Betätigungszustand des Elektrodenpaars 10, der künstlichen Muskeln 100, 200 oder der künstlichen Muskelanordnung 300 oder als Hinweis auf eine Änderung des Betätigungszustands des Elektrodenpaars 10, der künstlichen Muskeln 100, 200 oder der künstlichen Muskelanordnung 300 eine Meldung ausgeben. Darüber hinaus kann die Anzeigevorrichtung 414 ein Touchscreen sein, der zusätzlich zur Bereitstellung optischer Informationen das Vorhandensein und die Position einer taktilen Eingabe auf einer Fläche der Anzeigevorrichtung 414 oder in deren Nähe erkennt. Dementsprechend kann die Anzeigevorrichtung 414 die Bedienvorrichtung 404 enthalten und mechanische Eingaben direkt auf die von der Anzeigevorrichtung 414 bereitgestellte optische Ausgabe empfangen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Betätigungssystem 400 eine Netzwerkschnittstellenhardware 416 zur kommunikativen Kopplung des Betätigungssystems 400 mit einem tragbaren Gerät 418 über ein Netzwerk 420. Das tragbare Gerät 418 kann, ohne Einschränkung, ein Smartphone, ein Tablet, einen Personal Media Player oder eine andere elektrische Vorrichtung mit drahtloser Kommunikationsfunktionalität umfassen. Es ist zu verstehen, dass das tragbare Gerät 418, wenn es zur Verfügung gestellt wird, dazu dienen kann, anstelle der Bedienvorrichtung 404 Benutzerbefehle an den Controller 402 zu übermitteln. So kann ein Benutzer in der Lage sein, ein Programm zur Steuerung des Elektrodenpaars 10, der künstlichen Muskeln 100, 200 oder der künstlichen Muskelanordnung 300 zu steuern oder einzustellen, ohne die Steuerungen der Bedienvorrichtung 404 zu verwenden. Somit können das Elektrodenpaar 10, die künstlichen Muskeln 100, 200 oder die künstliche Muskelanordnung 300 über das tragbare Gerät 418, das drahtlos mit dem Controller 402 über das Netzwerk 420 kommuniziert, ferngesteuert werden.
Aus den obigen Ausführungen wird ersichtlich, dass hier ein künstlicher Muskel zum Aufblasen oder Verformen einer Fläche eines Objekts durch selektives Betätigen des künstlichen Muskels zum Anheben und Absenken eines Bereichs desselben definiert ist. Dies ermöglicht ein Aufblaselement mit niedrigem Profil, das bei Bedarf betätigt werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ hier verwendet werden können, um den inhärenten Grad der Unsicherheit darzustellen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, jeder Messung oder anderen Darstellung zugeschrieben werden kann. Diese Begriffe werden hier auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung der grundlegenden Funktion des fraglichen Gegenstands führt.
Obwohl hier bestimmte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben sind, können verschiedene andere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang des beanspruchten Gegenstands abzuweichen. Auch wenn hier verschiedene Aspekte des beanspruchten Gegenstandes beschrieben wurden, müssen diese Aspekte nicht in Kombination verwendet werden. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Änderungen und Modifikationen abdecken, die in den Anwendungsbereich des beanspruchten Gegenstandes fallen.

Claims

Elektrodenpaar, aufweisend: eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die jeweils eine äußere Fläche, eine innere Fläche, ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Leitung haben, die sich vom ersten Ende nach außen erstreckt, wobei die Leitung eine erste Breite am ersten Ende hat, wobei das zweite Ende von zumindest einer von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode jeweils eine darin ausgebildete Ausnehmung mit einem ersten Endpunkt und einem zweiten Endpunkt hat, wobei sich eine zweite Breite zwischen dem ersten Endpunkt und dem zweiten Endpunkt der Ausnehmung erstreckt, wobei die Ausnehmung durch ein Sägezahnmuster definiert ist, und wobei die zweite Breite größer als die erste Breite ist, wobei, wenn die erste Elektrode auf der zweiten Elektrode positioniert ist, die Ausnehmung der zumindest einen von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode an die Leitung der anderen Elektrode angrenzt.
Elektrodenpaar nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils eine in ihrem zweiten Ende ausgebildete Ausnehmung aufweisen und, wenn die erste Elektrode auf der zweiten Elektrode positioniert ist, die Leitung der ersten Elektrode seitlich zwischen dem ersten Endpunkt und dem zweiten Endpunkt der Ausnehmung der zweiten Elektrode positioniert ist und die Leitung der zweiten Elektrode seitlich zwischen dem ersten Endpunkt und dem zweiten Endpunkt der Ausnehmung der ersten Elektrode positioniert ist.
Elektrodenpaar nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils einen Körper aufweisen, der durch das erste Ende, das zweite Ende, eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite definiert ist, wobei sich die erste Seite und die zweite Seite zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstrecken und die Leitung sich senkrecht von dem Körper erstreckt.
Elektrodenpaar nach Anspruch 3, wobei der Körper der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode rechteckig ist, so dass das erste Ende der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode entsprechend dem zweiten Ende der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gegenüber liegt.
Elektrodenpaar nach Anspruch 1, wobei das Sägezahnmuster der Ausnehmung eine Vielzahl von Zähnen umfasst.
Elektrodenpaar nach Anspruch 5, wobei ein Winkel zwischen angrenzenden Zähnen des Sägezahnmusters zwischen 10 Grad und 100 Grad beträgt.
Elektrodenpaar nach Anspruch 6, wobei der Winkel zwischen angrenzenden Zähnen des Sägezahnmusters zwischen 30 Grad und 60 Grad beträgt.
Elektrodenpaar nach Anspruch 1, wobei sich das Sägezahnmuster entlang eines konkaven Bogens erstreckt.
Künstlicher Muskel, aufweisend: ein Gehäuse mit einem Elektrodenbereich und einem dehnbaren Fluidbereich; ein Elektrodenpaar, das in dem Elektrodenbereich des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Elektrodenpaar eine erste Elektrode, die an einer ersten Fläche des Gehäuses befestigt ist, und eine zweite Elektrode, die an einer zweiten Fläche des Gehäuses befestigt ist, aufweist, wobei: die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils eine äußere Fläche, eine innere Fläche, ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Leitung haben, die sich von dem ersten Ende nach außen erstreckt, wobei die Leitung eine erste Breite am ersten Ende hat, wobei das zweite Ende von zumindest einer von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine darin ausgebildete Ausnehmung mit einem ersten Endpunkt und einem zweiten Endpunkt hat, wobei sich eine zweite Breite zwischen dem ersten Endpunkt und dem zweiten Endpunkt der Ausnehmung erstreckt, wobei die Ausnehmung durch ein Sägezahnmuster definiert ist, und wobei die zweite Breite größer als die erste Breite ist, zumindest eine von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine zentrale Öffnung aufweist, die den ausdehnbaren Fluidbereich umgibt; und ein dielektrisches Fluid, das in dem Gehäuse aufgenommen ist, wobei, wenn die erste Elektrode auf der zweiten Elektrode positioniert ist, die Ausnehmung der zumindest einen von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode an die Leitung der anderen Elektrode angrenzt, wobei das Elektrodenpaar zwischen einem nicht betätigten Zustand und einem betätigten Zustand betätigbar ist, so dass die Betätigung von dem nicht betätigten Zustand in den betätigten Zustand das dielektrische Fluid in den ausdehnbaren Fluidbereich leitet.
Künstlicher Muskel nach Anspruch 9, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils zumindest zwei Laschenabschnitte und zumindest zwei Brückenabschnitte umfassen, wobei die zumindest zwei Laschenabschnitte durch das erste Ende und das zweite Ende definiert sind und jeder der zumindest zwei Brückenabschnitte angrenzende Laschenabschnitte miteinander verbindet.
Künstlicher Muskel nach Anspruch 10, wobei das Sägezahnmuster in einem ersten Laschenabschnitt der zumindest zwei Laschenabschnitte von jeder der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausgebildet ist, wobei sich die Leitung senkrecht von einem zweiten Laschenabschnitt der zumindest zwei Laschenabschnitte von jeder der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erstreckt, und wobei der erste Laschenabschnitt dem zweiten Laschenabschnitt gegenüber liegt.
Künstlicher Muskel nach Anspruch 9, wobei das Sägezahnmuster eine Vielzahl von Zähnen umfasst.
Künstlicher Muskel nach Anspruch 12, wobei ein Winkel zwischen angrenzenden Zähnen des Sägezahnmusters zwischen 30 Grad und 60 Grad beträgt.
Künstlicher Muskel nach Anspruch 9, wobei sich das Sägezahnmuster entlang eines konkaven Bogens erstreckt.
Künstlicher Muskel nach Anspruch 9, wobei: wenn sich das Elektrodenpaar in dem nicht betätigten Zustand befindet, die erste Elektrode und die zweite Elektrode nicht parallel zueinander sind; und wenn sich das Elektrodenpaar in dem betätigten Zustand befindet, die erste Elektrode und die zweite Elektrode parallel zueinander sind, so dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode so konfiguriert sind, dass sie einen Reißverschluss zueinander und zu der zentralen Öffnung hin bilden, wenn sie von dem nicht betätigten Zustand in den betätigten Zustand gebracht werden.
Verfahren zur Betätigung eines künstlichen Muskels, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen einer Spannung unter Verwendung einer Stromversorgung, die elektrisch mit einem Elektrodenpaar eines künstlichen Muskels gekoppelt ist, wobei der künstliche Muskel umfasst: ein Gehäuse mit einem Elektrodenbereich und einem dehnbaren Flüssigkeitsbereich; das Elektrodenpaar, das in dem Elektrodenbereich des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Elektrodenpaar eine erste Elektrode, die an einer ersten Fläche des Gehäuses befestigt ist, und eine zweite Elektrode, die an einer zweiten Fläche des Gehäuses befestigt ist, umfasst, wobei: die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils eine äußere Fläche, eine innere Fläche, ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Leitung haben, die sich von dem ersten Ende nach außen erstreckt, wobei die Leitung eine erste Breite am ersten Ende hat, wobei das zweite Ende von zumindest einer von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine darin ausgebildete Ausnehmung mit einem ersten Endpunkt und einem zweiten Endpunkt hat, wobei sich eine zweite Breite zwischen dem ersten Endpunkt und dem zweiten Endpunkt der Ausnehmung erstreckt, wobei die Ausnehmung durch ein Sägezahnmuster definiert ist, wobei die zweite Breite größer als die erste Breite ist, und wobei die erste Elektrode auf der zweiten Elektrode so positioniert werden kann, dass die Ausnehmung der zumindest einen von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode an die Leitung der anderen Elektrode angrenzt, zumindest eine von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine zentrale Öffnung aufweist, die den ausdehnbaren Fluidbereich umgibt; und ein dielektrisches Fluid, das in dem Gehäuse aufgenommen ist; und Anlegen der Spannung an das Elektrodenpaar des künstlichen Muskels, wodurch das Elektrodenpaar von einem nicht betätigten Zustand in einen betätigten Zustand betätigt wird, so dass das dielektrische Fluid in den ausdehnbaren Fluidbereich des Gehäuses geleitet wird und den ausdehnbaren Fluidbereich ausdehnt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Gehäuse eine erste Filmschicht und eine zweite Filmschicht umfasst, und die erste Filmschicht und die zweite Filmschicht teilweise aneinander heißgesiegelt werden, um einen versiegelten Abschnitt des Gehäuses zu definieren, wobei das Gehäuse ferner einen nicht versiegelten Abschnitt umfasst, der von dem versiegelten Abschnitt umgeben ist, wobei der Elektrodenbereich und der ausdehnbare Fluidbereich des Gehäuses in dem nicht versiegelten Abschnitt angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein Controller kommunikativ mit dem Elektrodenpaar gekoppelt ist und der Controller die Spannung von der Stromversorgung über die erste Elektrode und die zweite Elektrode leitet, um den künstlichen Muskel aus dem nicht betätigten Zustand in den betätigten Zustand zu betätigen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Sägezahnmuster eine Vielzahl von Zähnen umfasst, die sich entlang eines konkaven Bogens erstrecken, wobei ein Winkel zwischen angrenzenden Zähnen des Sägezahnmusters zwischen 30 Grad und 60 Grad beträgt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die an den künstlichen Muskel angelegte Spannung größer als 9 kV ist.