DE102022126946A1

DE102022126946A1 - Weicher Aktor, künstlicher Muskel mit demselben und Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln unter Verwendung desselben

Info

Publication number: DE102022126946A1
Application number: DE102022126946.9A
Authority: DE
Inventors: Sung Ryul Yun; Inwook Hwang; Hyung Cheol Shin; Seongcheol Mun; Mi Jeong Choi
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2023-05-04
Also published as: US20230138999A1

Abstract

Es wird ein weicher Aktor geschaffen. Der weiche Aktor umfasst einen ersten Trägerkörper, einen zweiten Trägerkörper, der von dem ersten Trägerkörper in einer ersten Richtung beabstandet ist, eine Garnstruktur, deren eines Ende mit dem ersten Trägerkörper gekoppelt ist und deren anderes Ende mit dem zweiten Trägerkörper gekoppelt ist, und einen Lichtquellenabschnitt, der von der Garnstruktur in einer zweiten Richtung beabstandet ist, die die erste Richtung schneidet. Die Garnstruktur umfasst eine Polymerschicht mit einer Schraubenfederform, die sich in der ersten Richtung erstreckt, und eine Lichtabsorptionsschicht, die so ausgelegt ist, dass sie eine äußere Oberfläche der Polymerschicht umgibt.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese nicht vorläufige US-Patentanmeldung beansprucht gemäß 35 USC § 119 die Priorität der am 9. August 2022 eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2021-0148654 und der am 2. November 2021 eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2022-0099414 , deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
Hintergrund
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen weichen Aktor, einen künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und ein Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet, und insbesondere auf einen weichen Aktor, der präzise gesteuert werden kann, einen künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und ein Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet.
Ein künstlicher Muskel bezieht sich auf ein Material oder eine Vorrichtung, die künstlich unter Nachahmung eines echten Muskels erzeugt wird und eine Bewegung als Antwort auf Reize wie z. B. eine Spannung, einen Strom, eine Temperatur und einen Druck zeigt. Technologien für künstliche Muskeln beginnen mit einem McKibben-Luftmuskel, der kontrahiert und entspannt wird, während Druckluft in einen Schlauch geleitet wird, und werden mit verschiedenen Materialien wie einer Formgedächtnislegierung (SMA), einem elektroaktiven Polymer (EAP) und einem garnstrukturierten Polymer-Nanomaterial-Verbundstoff usw. und Strukturen entwickelt. Ein elektroaktives Polymer ist ein Material, das bewegt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, und hat verschiedene Vorteile wie z. B. eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit, eine große Verformung, eine geringe Leistungsaufnahme und hervorragende Verarbeitbarkeit und hat Prinzipien und Eigenschaften, die denen der Muskeln des menschlichen Körpers am ähnlichsten sind. Daher wird das elektroaktive Polymer trotz der Beschränkung auf eine niedrige Ausgabeleistung weithin für Technologien für künstliche Muskeln untersucht. Das elektroaktive Polymer kann gemäß einem Betriebsverfahren davon in ein ionisches elektroaktives Polymer (ionisches EAP) und ein feldaktiviertes elektroaktives Polymer (feldaktiviertes EAP) unterteilt werden. Wenn eine Spannung an das ionische Polymer angelegt wird, tritt aufgrund einer Volumendifferenz, die erzeugt wird, wenn Ionen in Richtung einer Elektrode mit entgegengesetzten Ladungen bewegt werden, eine Biegeverformung (ein Verbiegen) auf. Der feldaktivierte EAP kann einer elektronischen Polarisation durch ein angelegtes elektrisches Feld und einer Verformung durch eine elektrostatische Kraft, die durch elektrische Ladungen verursacht wird, die in beiden Elektroden induziert werden, unterworfen werden. Unter ihnen ist ein dielektrisches Elastomer ein künstliches Muskelmaterial, das aufgrund seiner sehr großen Verformung und mechanischen Spannung, schnellen Ansprechgeschwindigkeit, Haltbarkeit und hervorragenden Reproduzierbarkeit im Vergleich zu anderen elektroaktiven Polymeren die meiste Aufmerksamkeit auf sich zieht.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung schafft einen weichen Aktor, der präzise gesteuert werden kann, einen künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und ein Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet.
Die vorliegende Offenbarung schafft zudem einen schlanken weichen Aktor mit einem kleinen Volumen, einen künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und ein Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das Obige beschränkt, sondern auch andere hier nicht beschriebene Aufgaben sind für Fachleute aus den nachstehenden Beschreibungen klar verständlich.
Eine Ausführungsform des erfinderischen Konzepts schafft einen weichen Aktor, der umfasst: einen ersten Trägerkörper; einen zweiten Trägerkörper, der von dem ersten Trägerkörper in einer ersten Richtung beabstandet ist; eine Garnstruktur, deren eines Ende mit dem ersten Trägerkörper gekoppelt ist und deren anderes Ende mit dem zweiten Trägerkörper gekoppelt ist; und einen Lichtquellenabschnitt, der von der Garnstruktur in einer zweiten Richtung beabstandet ist, die die erste Richtung schneidet, wobei die Garnstruktur umfasst: eine Polymerschicht mit einer Schraubenfederform, die sich in der ersten Richtung erstreckt; und eine Lichtabsorptionsschicht, die so ausgelegt ist, dass sie eine äußere Oberfläche der Polymerschicht umgibt.
In einer Ausführungsform kann die Polymerschicht Nylon, Polyvinylalkohol (PVA), Baumwolle, Seide Und/oder Zellulose enthalten.
In einer Ausführungsform enthält die Lichtabsorptionsschicht Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT), das mit p-Toluolsulfonat (PEDOT-Tos) dotiert ist.
In einer Ausführungsform kann der Lichtquellenabschnitt mehrere LED-Lichtquellen aufweisen, wobei die mehreren LED-Lichtquellen in der ersten Richtung angeordnet sein können.
In einer Ausführungsform kann die Garnstruktur mehrfach bereitgestellt sein, wobei die mehreren Garnstrukturen so angeordnet sein können, dass sie in einer dritten Richtung, die sowohl die erste Richtung als auch die zweite Richtung schneidet, voneinander beabstandet sind.
In einer Ausführungsform kann der weiche Aktor ferner eine reflektierende Abdeckung aufweisen, die sich von dem ersten Trägerkörper zu dem zweiten Trägerkörper erstreckt, wobei die reflektierende Abdeckung so ausgelegt sein kann, dass sie die Garnstruktur und die Lichtquelle umgibt.
In einer Ausführungsform kann die reflektierende Abdeckung umfassen: eine elastische Polymerschicht, die so ausgelegt ist, dass sie einen Innenraum definiert, in dem die Garnstruktur und die Lichtquelle angeordnet sind; und eine Lichtreflexionsschicht auf einer äußeren Oberfläche der elastischen Polymerschicht.
In einer Ausführungsform kann die elastische Polymerschicht Polydimethylsiloxan (PDMS) enthalten.
In einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts umfasst ein künstlicher Muskel: einen weichen Aktor; und ein Verbindungselement, das dazu ausgelegt ist, den weichen Aktor mit einem menschlichen Körper zu koppeln, wobei der weiche Aktor umfasst: einen ersten Trägerkörper; einen zweiten Trägerkörper, der von dem ersten Trägerkörper in einer ersten Richtung beabstandet ist; eine Garnstruktur, die sich von dem ersten Trägerkörper zu dem zweiten Trägerkörper erstreckt, wobei die Garnstruktur eine Schraubenfederform hat; und einen Lichtquellenabschnitt, der von der Garnstruktur in einer zweiten Richtung beabstandet ist, die die erste Richtung schneidet, wobei das Verbindungselement umfasst: ein erstes Verbindungselement, das mit dem ersten Trägerkörper gekoppelt ist; und ein zweites Verbindungselement, das mit dem zweiten Trägerkörper gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform kann die Garnstruktur umfassen: eine Polymerschicht mit einer Schraubenfederform, die sich in der ersten Richtung erstreckt; und eine Lichtabsorptionsschicht, die so ausgelegt ist, dass sie eine äußere Oberfläche der Polymerschicht umgibt.
In einer Ausführungsform kann die Polymerschicht Nylon, Polyvinylalkohol (PVA), Baumwolle, Seide und/oder Zellulose enthalten, und die Lichtabsorptionsschicht kann Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) enthalten, das mit p-Toluolsulfonat (PEDOT-Tos) dotiert ist.
In einer Ausführungsform können das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement jeweils eine Ringform aufweisen.
In einer Ausführungsform kann der Lichtquellenabschnitt mehrere LED-Lichtquellen aufweisen, wobei die mehreren LED-Lichtquellen in der ersten Richtung angeordnet sein können.
In einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts umfasst ein Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln: Einstrahlen von Licht aus einem Lichtquellenabschnitt auf eine Garnstruktur; Ermöglichen, dass eine Lichtabsorptionsschicht der Garnstruktur das Licht absorbiert, um Wärme zu erzeugen; und Erwärmen einer Polymerschicht der Garnstruktur durch die von der Lichtabsorptionsschicht emittierte Wärme, um eine Länge der Polymerschicht zu verkürzen, wobei die Polymerschicht eine Schraubenfederform aufweist, die sich in einer ersten Richtung erstreckt, und die Lichtabsorptionsschicht so ausgelegt ist, dass sie die Polymerschicht umgibt.
In einer Ausführungsform kann der Lichtquellenabschnitt von der Garnstruktur in einer zweiten Richtung beabstandet sein, die die erste Richtung schneidet.
In einer Ausführungsform kann die Polymerschicht Nylon, Polyvinylalkohol (PVA), Baumwolle, Seide und/oder Zellulose enthalten und die Lichtabsorptionsschicht kann Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) enthalten, das mit p-10 Toluolsulfonat (PEDOT-Tos) dotiert ist.
Besonderheiten anderer Ausführungsformen sind in der genauen Beschreibung und den Zeichnungen enthalten.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen sind enthalten, um ein weitergehendes Verständnis des erfinderischen Konzepts zu bieten und sind in dieser Beschreibung enthalten und bilden einen Teil davon. Die Zeichnungen veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen des erfinderischen Konzepts und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien des erfinderischen Konzepts zu erläutern. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines künstlichen Muskels gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts;
2 eine Vorderansicht, die eine Garnstruktur eines weichen Aktors gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts darstellt;
3 eine Querschnittsansicht der Garnstruktur entlang der Linie I-I' von 2;
4 ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts darstellt;
5 eine perspektivische Ansicht, die das Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln gemäß dem Ablaufdiagramm von 4 darstellt.
6 eine perspektivische Ansicht eines künstlichen Muskels gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts;
7 eine perspektivische Ansicht eines künstlichen Muskels gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts;
8 eine Querschnittsansicht eines weichen Aktors entlang der Linie II-II' von 7; und
9 eine perspektivische Ansicht, die einen Anwendungszustand des künstlichen Muskels gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts darstellt.

Genaue Beschreibung
Beispielhafte Ausführungsformen von technischen Ideen des erfinderischen Konzepts werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, um Zusammensetzung und Wirkungen des erfinderischen Konzepts ausreichend zu verstehen. Die technischen Ideen des erfinderischen Konzepts können jedoch in unterschiedlichen Formen verkörpert sein und sollen nicht als auf die hierin dargelegte Ausführungsform beschränkt angesehen werden. Vielmehr sind diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und Fachleuten den Umfang der vorliegenden Erfindung vollständig vermittelt. Ferner ist die vorliegende Erfindung nur durch den Umfang der Ansprüche definiert.
Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente. Die Ausführungsformen in der genauen Beschreibung werden mit beispielhaften Blockdiagrammen, perspektivischen Ansichten und/oder Querschnittsansichten als ideale beispielhafte Ansichten des erfinderischen Konzepts beschrieben. In den Figuren sind die Abmessungen der Bereiche zur effektiven Beschreibung der technischen Inhalte übertrieben dargestellt. In den Zeichnungen beispielhaft dargestellte Bereiche haben allgemeine Eigenschaften und werden verwendet, um eine spezifische Form einer Vorrichtung zu veranschaulichen. Daher sollten sie nicht als den Umfang des erfinderischen Konzepts beschränkend ausgelegt werden. Auch wenn verschiedene Begriffe verwendet werden, um verschiedene Komponenten in verschiedenen Ausführungsformen des erfinderischen Konzepts zu beschreiben, sind die Komponenten nicht auf diese Begriffe beschränkt. Diese Begriffe werden nur verwendet, um eine Komponente von einer anderen Komponente zu unterscheiden. Die hierin beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen umfassen komplementäre Ausführungsformen davon.
In der folgenden Beschreibung werden die Fachbegriffe nur zum Erklären einer spezifischen Ausführungsform verwendet, ohne die vorliegende Erfindung einzuschränken. In dieser Beschreibung können die Begriffe in Singularform Pluralformen umfassen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes erwähnt ist. Die Bedeutung von „umfasst“ und/oder „umfassen“ schließt andere Komponenten zusätzlich zu einer erwähnten Komponente nicht aus.
Im Folgenden wird die vorliegende Offenbarung im Einzelnen beschrieben, indem bevorzugte Ausführungsformen der technischen Ideen des erfinderischen Konzepts unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines künstlichen Muskels gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts.
Nachfolgend wird eine Richtung D1 in 1 als erste Richtung bezeichnet, eine Richtung D2, die die erste Richtung D1 schneidet, als zweite Richtung bezeichnet und eine Richtung D3, die sowohl die erste Richtung D1 als auch die zweite Richtung D2 schneidet, als dritte Richtung bezeichnet.
Unter Bezugnahme auf 1 kann ein künstlicher Muskel M bereitgestellt sein. Der künstliche Muskel M kann anstelle eines Teils der Muskeln des menschlichen Körpers Leistung liefern, die einen menschlichen Körper bewegt. Beispielsweise kann der künstliche Muskel M mit einem Finger des menschlichen Körpers gekoppelt sein, um Leistung zu liefern, die den Finger bewegt. Die Ausführungsform des erfinderischen Konzepts ist jedoch nicht darauf beschränkt und der künstliche Muskel M kann mit anderen Abschnitten des menschlichen Körpers gekoppelt sein. Die Einzelheiten hiervon sind unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Der künstliche Muskel M kann einen weichen Aktor A umfassen. Der weiche Aktor A kann eine Vorrichtung sein, die Leistung liefert. Insbesondere kann der weiche Aktor A in der ersten Richtung D1 gedehnt oder in der ersten Richtung D1 zusammengezogen werden. Dazu kann der weiche Aktor A einen ersten Trägerkörper 11, einen zweiten Trägerkörper 13, eine Garnstruktur 3 und einen Lichtquellenabschnitt 5 umfassen.
Der erste Trägerkörper 11 kann mit einer Seite des menschlichen Körpers verbunden sein. Beispielsweise kann der erste Trägerkörper 11 mit dem menschlichen Körper so gekoppelt sein, dass er an einer Seite eines Gelenks des menschlichen Körpers fixiert ist. Der erste Trägerkörper 11 kann eine Scheibenform haben, wie sie in 1 dargestellt ist, ist aber nicht darauf beschränkt.
Der zweite Trägerkörper 13 kann mit der anderen Seite des menschlichen Körpers verbunden sein. Beispielsweise kann der zweite Trägerkörper 13 mit dem menschlichen Körper so gekoppelt sein, dass er an der anderen Seite des Gelenks des menschlichen Körpers fixiert ist. Der zweite Trägerkörper 13 kann eine Scheibenform haben, wie sie in 1 dargestellt ist, ist aber nicht darauf beschränkt. Der zweite Trägerkörper 13 kann von dem ersten Trägerkörper 11 beabstandet sein. Wie es in 1 gezeigt ist, kann der zweite Trägerkörper 13 beispielsweise um einen vorbestimmten Abstand von dem ersten Trägerkörper 11 in der ersten Richtung D1 beabstandet sein.
Die Garnstruktur 3 kann den ersten Trägerkörper 11 mit dem zweiten Trägerkörper 13 verbinden. Beispielsweise kann eine Seite der Garnstruktur 3 mit einer Oberfläche des ersten Trägerkörpers 11 gekoppelt sein und die andere Seite der Garnstruktur 3 kann mit einer Oberfläche des zweiten Trägerkörpers 13 gekoppelt sein. Wenn der erste Trägerkörper 11 und der zweite Trägerkörper 13 in der ersten Richtung D1 voneinander beabstandet sind, kann sich die Garnstruktur 3 in der ersten Richtung D1 erstrecken. Die Garnstruktur 3 kann eine Schraubenfederform haben. Das heißt, die Garnstruktur 3 kann eine Schraubenfederform haben, die sich in der ersten Richtung D1 erstreckt. Die Garnstruktur 3 kann gestreckt oder zusammengezogen werden. Genauer gesagt kann die Garnstruktur 3 so gestreckt oder zusammengezogen werden, dass eine Länge der Garnstruktur 3 in der ersten Richtung D1 variiert. Somit kann ein Abstand zwischen dem ersten Trägerkörper 11 und dem zweiten Trägerkörper 13 variieren. Die Einzelheiten davon werden später beschrieben.
Der Lichtquellenabschnitt 5 kann Licht auf die Garnstruktur 3 strahlen. Der Lichtquellenabschnitt 5 kann von der Garnstruktur 3 in einer Richtung beabstandet sein, die die erste Richtung D1 schneidet. Wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist, kann der Lichtquellenabschnitt 5 von der Garnstruktur 3 in der zweiten Richtung D2 beabstandet sein. Der Lichtquellenabschnitt 5 kann eine LED-Lichtquelle 51 und ein Lichtquellenträgerelement 53 umfassen.
Die LED-Lichtquelle 51 kann so angeordnet sein, dass sie der Garnstruktur 3 zugewandt ist. Wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist, kann die LED-Lichtquelle 51 in einer Richtung entgegengesetzt zu der zweiten Richtung D2 angeordnet sein. Die LED-Lichtquelle 51 kann Licht auf die Garnstruktur 3 strahlen. Eine Temperatur zumindest eines Teils der Garnstruktur 3 kann durch das von der LED-Lichtquelle 51 eingestrahlte Licht steigen. Die LED-Lichtquelle 51 kann mehrfach bereitgestellt sein. Die mehreren LED-Lichtquellen 51 können entlang der Erstreckungsrichtung der Garnstruktur 3 angeordnet sein. Beispielsweise können die mehreren LED-Lichtquellen 51 in der ersten Richtung D1 angeordnet sein. Nachfolgend wird die LED-Lichtquelle 51 jedoch der Einfachheit halber im Singular beschrieben.
Das Lichtquellenträgerelement 53 kann die LED-Lichtquelle 51 tragen. Das Lichtquellenträgerelement 53 kann mit dem ersten Trägerkörper 11 oder dem zweiten Trägerkörper 13 verbunden sein. Wie es in 1 gezeigt ist, kann sich das Lichtquellenträgerelement 53 von dem zweiten Trägerkörper 13 in einer Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung D1 erstrecken.
2 ist eine Vorderansicht, die die Garnstruktur des weichen Aktors gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts darstellt, und 3 ist eine Querschnittsansicht der Garnstruktur entlang der Linie I-I' von 2.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 kann die Garnstruktur 3 eine Polymerschicht 31 und eine Lichtabsorptionsschicht 33 umfassen.
Die Polymerschicht 31 kann eine Schraubenfederform haben. Genauer kann die Polymerschicht 31, die in 3 gezeigt ist, eine Schraubenfederform haben, die sich in der ersten Richtung D1 erstreckt, wie es in 2 dargestellt ist. Die Polymerschicht 31 kann ein Polymerfasermaterial enthalten. Beispielsweise kann die Polymerschicht 31 Nylon, Polyvinylalkohol (PVA), Baumwolle, Seide und/oder Zellulose enthalten. Die Ausführungsform des erfinderischen Konzepts ist jedoch nicht darauf beschränkt und die Polymerschicht 31 kann andere Arten von Materialien umfassen, deren Volumen gemäß einer Temperatur variieren.
Die Lichtabsorptionsschicht 33 kann die Polymerschicht 31 umgeben. Genauer kann die Lichtabsorptionsschicht 33 eine äußere Oberfläche 31s der Polymerschicht 31 umgeben, wie es in 3 dargestellt ist. Das heißt, die Lichtabsorptionsschicht 33 kann in Kontakt mit der äußeren Oberfläche 31s der Polymerschicht 31 sein. Wenn die Polymerschicht 31 eine Schraubenfederform hat, die sich in der ersten Richtung erstreckt, wie es in 2 gezeigt ist, kann die Lichtabsorptionsschicht 33, die die Polymerschicht 31 umgibt, auch eine Schraubenfederform ähnlich derjenigen der Polymerschicht 31 aufweisen. Die Lichtabsorptionsschicht 33 kann Licht absorbieren. Wenn beispielsweise Licht auf eine äußere Oberfläche 33s der Lichtabsorptionsschicht 33 gestrahlt wird, kann die Lichtabsorptionsschicht 33 das Licht absorbieren. Somit kann eine Temperatur der Lichtabsorptionsschicht 33 steigen. Zu diesem Zweck kann die Lichtabsorptionsschicht 33 ein Material enthalten, dessen Temperatur durch Absorbieren des Lichts variiert. Beispielsweise kann die Lichtabsorptionsschicht 33 Poly(3,4-10-ethylendioxythiophen) (PEDOT) enthalten, das mit p-Toluolsulfonat (PEDOT-Tos) dotiert ist. Die Ausführungsform des erfinderischen Konzepts ist jedoch nicht darauf beschränkt und die Lichtabsorptionsschicht 33 kann andere Arten von Materialien enthalten, die Licht absorbieren können. Die Lichtabsorptionsschicht 33 kann durch verschiedene Verfahren ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Lichtabsorptionsschicht 33 auf die äußere Oberfläche 31s der Polymerschicht 31 durch einen Sprühbeschichtungs- und/oder Tauchbeschichtungsprozess aufgebracht werden. Die Ausführungsform des erfinderischen Konzepts ist jedoch nicht darauf beschränkt und die Lichtabsorptionsschicht 33 kann durch andere Prozesse ausgebildet werden.
Die Einzelheiten einer Funktion der Garnstruktur 3 werden später beschrieben.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts zeigt.
Unter Bezugnahme auf 4 kann ein Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln S bereitgestellt sein. Das Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln S kann ein Verfahren zum Ansteuern des künstlichen Muskels M sein, der unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben wurde. Das Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln S kann einen Prozess (S1) zum Einstrahlen von Licht auf eine Garnstruktur, einen Prozess (S2) zum Ermöglichen, dass eine Lichtabsorptionsschicht Licht absorbiert, um Wärme zu erzeugen, und einen Prozess (S3) zum Ermöglichen, dass eine Polymerschicht in der Länge zusammengezogen wird, umfassen.
Im Folgenden wird das Verfahren S zum Ansteuern künstlicher Muskeln von 4 wird unter Bezugnahme auf 5 und 3 beschrieben.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die das Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln gemäß dem Ablaufdiagramm von 4 darstellt.
Unter Bezugnahme auf 5, 3 und 4 kann der Prozess (S1) zum Einstrahlen von Licht auf die Garnstruktur einen Prozess umfassen, bei dem es einem Lichtquellenabschnitt 5 ermöglicht wird, Licht auf die Garnstruktur einzustrahlen. Das heißt, das aus der LED-Lichtquelle 5110 emittierte Licht kann auf die Garnstruktur 3 eingestrahlt werden. Wenn die LED-Lichtquelle 51 mehrfach bereitgestellt ist, kann Licht aus jeder der mehreren LED-Lichtquellen 51 so emittiert werden, dass es auf die Garnstruktur 3 eingestrahlt wird. Das aus der LED-Lichtquelle 51 emittierte Licht kann auf eine äußere Oberfläche 33s einer Lichtabsorptionsschicht 33 gestrahlt werden.
Das Absorbieren von Licht durch die Lichtabsorptionsschicht zum Erzeugen von Wärme (S2) kann ein Absorbieren von Licht, das auf die äußere Oberfläche 33s der Lichtabsorptionsschicht 33 gestrahlt wird, durch die Lichtabsorptionsschicht 33 umfassen. Wenn die Lichtabsorptionsschicht 33 das Licht absorbiert, kann eine Temperatur der Lichtabsorptionsschicht 33 steigen. Wenn die Temperatur der Lichtabsorptionsschicht 33 steigt, kann die Lichtabsorptionsschicht 33 Wärme an die Umgebung abstrahlen. Das heißt, aufgrund eines photothermischen Effekts kann das von der Lichtabsorptionsschicht 33 absorbierte Licht verwendet werden, um Wärme an die Umgebung abzustrahlen. Mindestens ein Teil der von der Lichtabsorptionsschicht 33 emittierten Wärme kann auf eine Polymerschicht 31 übertragen werden.
Der Prozess (S3) zum Ermöglichen, dass die Polymerschicht in der Länge zusammengezogen wird, kann einen Prozess zum Erwärmen der Polymerschicht 31 durch die von der Lichtabsorptionsschicht 33 emittierte Wärme umfassen. Wenn die Polymerschicht 31 durch die Wärme erwärmt wird, kann die Temperatur der Polymerschicht 31 steigen. Wenn die Temperatur der Polymerschicht 31 steigt, kann die Polymerschicht 31 gestreckt werden. Genauer kann die Polymerschicht 31 dann, wenn die Temperatur der Polymerschicht 31 steigt, in einer Dickenrichtung gestreckt werden. Das heißt, die Polymerschicht 31 kann sich so ausdehnen, dass eine Querschnittsfläche der Polymerschicht 31, wie es in 3 dargestellt ist, verbreitert wird. Wenn die Polymerschicht 31 in der Dickenrichtung gestreckt wird, kann eine Länge der Polymerschicht 31 zusammengezogen werden. Das heißt, die Länge der Polymerschicht 31 in der ersten Richtung D1 kann reduziert werden. Wenn die Länge der Polymerschicht 31 zusammengezogen wird, kann ein Spalt zwischen dem ersten Trägerkörper 11 und dem zweiten Trägerkörper 13 schmaler werden. Das heißt, der erste Trägerkörper 11 und der zweite Trägerkörper 13 können sich einander annähern. Somit kann der gesamte weiche Aktor A zusammengezogen werden.
In der obigen Beschreibung wird der weiche Aktor A für einen künstlichen Muskel M verwendet, ist aber nicht darauf beschränkt. Das heißt, der weiche Aktor A kann auf andere technische Gebiete außer dem künstlichen Muskel angewendet werden.
Entsprechend dem weichen Aktor, dem künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und dem Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet, gemäß Ausführungsformen des erfinderischen Konzepts kann der weiche Aktor unter Verwendung der Lichtquelle arbeiten. Daher kann der weiche Aktor im Volumen reduziert und im Gewicht leichter werden. Wenn daher der weiche Aktor auf den künstlichen Muskel angewendet wird, kann eine Belastung des menschlichen Körpers reduziert werden.
Entsprechend dem weichen Aktor, dem künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und dem Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet, gemäß Ausführungsformen des erfinderischen Konzepts kann die Garnstruktur unter Verwendung der Lichtquelle zusammengezogen werden und somit kann der weiche Aktor präzise angesteuert werden. Das heißt, eine Intensität des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts kann angepasst werden, um einen Verformungsgrad des weichen Aktors zu steuern. Da der Verformungsgrad des weichen Aktors unter Verwendung der Lichtintensität gesteuert wird, kann der weiche Aktor präzise gesteuert werden. Daher kann die Steuerungspräzision des künstlichen Muskels verbessert werden.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines künstlichen Muskels gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts.
Im Folgenden können Beschreibungen von Inhalt, der im Wesentlichen gleich oder ähnlich zu dem ist, der unter Bezugnahme auf 1 bis 5 beschrieben ist, weggelassen werden.
Unter Bezugnahme auf 6 kann ein künstlicher Muskel M' bereitgestellt sein. Der künstliche Muskel M' kann einen weichen Aktor A' umfassen. Anders als bei der Beschreibung unter Bezugnahme auf 1 kann der weiche Aktor A' von 6 mehrere Garnstrukturen 3' umfassen. Beispielsweise können vier Garnstrukturen 3' bereitgestellt sein, wie es in 6 dargestellt ist. Die Ausführungsform des erfinderischen Konzepts ist jedoch nicht darauf beschränkt und die Anzahl der Garnstrukturen 3' kann je nach speziellem Entwurf unterschiedlich angewendet werden. Die mehreren Garnstrukturen 3' können in der dritten Richtung D3 voneinander beabstandet sein.
Entsprechend dem weichen Aktor, dem künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und dem Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet, gemäß Ausführungsformen des erfinderischen Konzepts kann die Stauchungskraft des weichen Aktors durch Verwenden der mehreren Garnstrukturen verbessert werden . Das heißt, wenn eine ausreichende Ausgabeleistung mit nur einer Garnstruktur nicht sichergestellt ist, können mehrere Garnstrukturen angewendet werden. Auf diese Weise kann die Ausgabeleistung des weichen Aktors angepasst werden.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines künstlichen Muskels gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts und 8 ist eine Querschnittsansicht eines weichen Aktors entlang der Linie II-II' von 7.
Im Folgenden können Beschreibungen von Inhalt, der im Wesentlichen gleich oder ähnlich zu dem ist, der unter Bezugnahme auf 1 bis 6 beschrieben ist, weggelassen werden.
Unter Bezugnahme auf 7 und 8 kann ein künstlicher Muskel M'' bereitgestellt sein. Der künstliche Muskel M'' kann einen weichen Aktor A'' umfassen. Anders als bei der Beschreibung unter Bezugnahme auf 1 kann der weiche Aktor A'' von 7 ferner eine reflektierende Abdeckung 7 aufweisen.
Die reflektierende Abdeckung 7 kann eine Lichtquelle 5 und eine Garnstruktur 3 umgeben. In Ausführungsformen kann sich die reflektierende Abdeckung 7 von einem ersten Trägerkörper 11 zu einem zweiten Trägerkörper 13 erstrecken. Das heißt, die reflektierende Abdeckung 7 kann sich von dem ersten Trägerkörper 11 in der ersten Richtung D1 so erstrecken, dass sie mit dem zweiten Trägerkörper 13 verbunden ist. Genauer kann die reflektierende Abdeckung 7 unter dem Licht, das von dem Lichtquellenabschnitt 5 abgestrahlt wird, Licht reflektieren, das nicht von der Garnstruktur 3 absorbiert wird. Zu diesem Zweck kann die reflektierende Abdeckung 7 eine elastische Polymerschicht 71 und eine Lichtreflexionsschicht 73 umfassen.
Die elastische Polymerschicht 71 kann einen Innenraum 7h bereitstellen. Die Garnstruktur 3 und/oder der Lichtquellenabschnitt 5 können in dem Innenraum 7h angeordnet sein. Eine Länge der elastischen Polymerschicht 71 in der ersten Richtung D1 kann variieren. Das heißt, wenn der erste Trägerkörper 11 und der zweite Trägerkörper 13 aufgrund der Stauchung der Garnstruktur 3 näher beieinander liegen, kann die Länge der elastischen Polymerschicht 71 in der ersten Richtung D1 variieren. Zu diesem Zweck kann die elastische Polymerschicht 71 ein zusammenziehbares Material enthalten. Beispielsweise kann die elastische Polymerschicht 71 Polydimethylsiloxan (PDMS) enthalten. Die Ausführungsform des erfinderischen Konzepts ist jedoch nicht darauf beschränkt und die elastische Polymerschicht 71 kann andere Materialien mit einer variablen Länge enthalten.
Die Lichtreflexionsschicht 73 kann auf einer äußeren Oberfläche der elastischen Polymerschicht 71 angeordnet sein. Genauer kann die Lichtreflexionsschicht 73 die elastische Polymerschicht 71 umgeben. Die Lichtreflexionsschicht 73 kann auf der elastischen Polymerschicht 71 durch verschiedene Verfahren ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Lichtreflexionsschicht 73 auf der elastischen Polymerschicht 71 durch ein Verfahren wie etwa Stabbeschichtung, Meniskusschleppabscheidung (MDD), Sprühbeschichtung, Verdampfung oder Sputtern ausgebildet werden. Die Lichtreflexionsschicht 73 kann ein Material enthalten, das Licht reflektieren kann. Genauer kann die Lichtreflexionsschicht 73 ein dünnes Metallmaterial enthalten, das in der Lage ist, sichtbares Licht und/oder Infrarotlicht zu reflektieren.
Gemäß dem weichen Aktor, dem künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und dem Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet, gemäß Ausführungsformen des erfinderischen Konzepts kann die reflektierende Abdeckung, die die Lichtreflexionsschicht umfasst, die Garnstruktur und den Lichtquellenabschnitt umgeben. Das Licht, das in dem von der Lichtquelle abgestrahlten Licht nicht von der Garnstruktur absorbiert wird, kann von der lichtreflektierenden Schicht reflektiert und dann erneut auf die Garnstruktur eingestrahlt werden. Somit kann eine von der Garnstruktur absorbierte Lichtmenge zunehmen. Somit kann die Energieeffizienz verbessert werden.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Anwendungszustand des künstlichen Muskels gemäß einer Ausführungsform des erfinderischen Konzepts darstellt.
Unter Bezugnahme auf 9 kann der künstliche Muskel M ferner ein Verbindungselement 9 umfassen. Das Verbindungselement 9 kann einen weichen Aktor mit einem menschlichen Körper HF koppeln. Das Verbindungselement 9 kann ein erstes Verbindungselement 91 und ein zweites Verbindungselement 93 umfassen.
Das erste Verbindungselement 91 kann mit einem ersten Trägerkörper 11 gekoppelt sein. Das erste Verbindungselement 91 kann an einer Seite des menschlichen Körpers HF fixiert sein. Das erste Verbindungselement 91 kann eine Ringform haben, wie sie in 9 dargestellt ist, ist aber nicht darauf beschränkt.
Das zweite Verbindungselement 93 kann mit einem zweiten Trägerkörper 13 gekoppelt sein. Das zweite Verbindungselement 93 kann an einer Seite des menschlichen Körpers HF fixiert sein. Das zweite Verbindungselement 93 kann eine Ringform haben, wie sie in 9 dargestellt ist, ist aber nicht darauf beschränkt.
Entsprechend dem weichen Aktor, dem künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und dem Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet, gemäß Ausführungsformen des erfinderischen Konzepts kann eine Seite des künstlichen Muskels an einer Seite des menschlichen Körpers fixiert werden und die andere Seite des künstlichen Muskels kann an der anderen Seite des menschlichen Körpers fixiert werden. Wenn der weiche Aktor in diesem Zustand zusammengezogen wird, kann ein Teil des menschlichen Körpers bewegt werden. Wie es beispielsweise in 9 gezeigt ist, kann das Fingergelenk gebogen werden, wenn der weiche Aktor zusammengezogen wird, während der künstliche Muskel mit einem Fingergelenk des menschlichen Körpers gekoppelt ist.
Obwohl das Vorstehende auf der Grundlage der künstlichen Muskeln, die auf die Finger des menschlichen Körpers angewendet werden, dargestellt und beschrieben wurde, ist die Ausführungsform des erfinderischen Konzepts nicht darauf beschränkt. Das heißt, der künstliche Muskel gemäß dem erfinderischen Konzept kann auf andere Gelenke angewendet werden.
Entsprechend dem weichen Aktor, dem künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und dem Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet, gemäß der Ausführungsform kann der weiche Aktor präzise gesteuert werden.
Entsprechend dem weichen Aktor, dem künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und dem Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet, gemäß der Ausführungsform kann der weiche Aktor ein kleines Volumen haben und schlank sein.
Entsprechend dem weichen Aktor, dem künstlichen Muskel, der diesen umfasst, und dem Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das diesen verwendet, gemäß der Ausführungsform, kann der weiche Aktor mit den mehreren Krümmungen gebogen werden.
Die Wirkungen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die vorgenannten Aufgaben beschränkt, sondern andere Wirkungen, die hierin nicht beschrieben sind, sind für Fachleute aus den nachstehenden Beschreibungen klar ersichtlich.
Obwohl die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben ist, versteht es sich für Fachleute auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Erfindung, dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne die technische Idee oder wesentliche Merkmale zu ändern. Somit sind die vorstehend offenbarten Ausführungsformen als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020210148654 [0001]
KR 1020220099414 [0001]

Claims

Weicher Aktor, der umfasst: einen ersten Trägerkörper; einen zweiten Trägerkörper, der von dem ersten Trägerkörper in einer ersten Richtung beabstandet ist; eine Garnstruktur, wovon ein Ende mit dem ersten Trägerkörper gekoppelt ist und wovon das andere Ende mit dem zweiten Trägerkörper gekoppelt ist; und einen Lichtquellenabschnitt, der von der Garnstruktur in einer zweiten Richtung, die die erste Richtung schneidet, beabstandet ist; wobei die Garnstruktur umfasst: eine Polymerschicht mit einer Schraubenfederform, die sich in der ersten Richtung erstreckt; und eine Lichtabsorptionsschicht, die so ausgelegt ist, dass sie eine äußere Oberfläche der Polymerschicht umgibt.
Weicher Aktor nach Anspruch 1, wobei die Polymerschicht Nylon, Polyvinylalkohol (PVA), Baumwolle, Seide und/oder Zellulose enthält.
Weicher Aktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtabsorptionsschicht Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT), das mit p-Toluolsulfonat (PEDOT-Tos) dotiert ist, enthält.
Weicher Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Lichtquellenabschnitt mehrere LED-Lichtquellen aufweist, wobei die mehreren LED-Lichtquellen in der ersten Richtung angeordnet sind.
Weicher Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Garnstruktur mehrfach bereitgestellt ist, wobei die mehreren Garnstrukturen so angeordnet sind, dass sie in einer dritten Richtung, die sowohl die erste Richtung als auch die zweite Richtung schneidet, voneinander beabstandet sind.
Weicher Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der weiche Aktor ferner eine reflektierende Abdeckung aufweist, die sich von dem ersten Trägerkörper zu dem zweiten Trägerkörper erstreckt, wobei die reflektierende Abdeckung so ausgelegt ist, dass sie die Garnstruktur und die Lichtquelle umgibt.
Weicher Aktor nach Anspruch 6, wobei die reflektierende Abdeckung umfasst: eine elastische Polymerschicht, die so ausgelegt ist, dass sie einen Innenraum definiert, in dem die Garnstruktur und die Lichtquelle angeordnet sind; und eine Lichtreflexionsschicht auf einer äußeren Oberfläche der elastischen Polymerschicht.
Weicher Aktor nach Anspruch 7, wobei die elastische Polymerschicht Polydimethylsiloxan (PDMS) enthält.
Künstlicher Muskel, der umfasst: einen weichen Aktor; und ein Verbindungselement, das dazu ausgelegt ist, den weichen Aktor mit einem menschlichen Körper zu koppeln, wobei der weiche Aktor umfasst: einen ersten Trägerkörper; einen zweiten Trägerkörper, der von dem ersten Trägerkörper in einer ersten Richtung beabstandet ist; eine Garnstruktur, die sich von dem ersten Trägerkörper zu dem zweiten Trägerkörper erstreckt, wobei die Garnstruktur eine Schraubenfederform hat; und einen Lichtquellenabschnitt, der von der Garnstruktur in einer zweiten Richtung, die die erste Richtung schneidet, beabstandet ist; wobei das Verbindungselement umfasst: ein erstes Verbindungselement, das mit dem ersten Trägerkörper gekoppelt ist; und ein zweites Verbindungselement, das mit dem zweiten Trägerkörper gekoppelt ist.
Künstlicher Muskel nach Anspruch 9, wobei die Garnstruktur umfasst: eine Polymerschicht mit einer Schraubenfederform, die sich in der ersten Richtung erstreckt; und eine Lichtabsorptionsschicht, die so ausgelegt ist, dass sie eine äußere Oberfläche der Polymerschicht umgibt.
Künstlicher Muskel nach Anspruch 10, wobei die Polymerschicht Nylon, Polyvinylalkohol (PVA), Baumwolle, Seide und/oder Zellulose enthält, und die Lichtabsorptionsschicht Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) enthält, das mit p-Toluolsulfonat (PEDOT-Tos) dotiert ist.
Künstlicher Muskel nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement jeweils eine Ringform aufweisen.
Künstlicher Muskel nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Lichtquellenabschnitt mehrere LED-Lichtquellen aufweist, wobei die mehreren LED-Lichtquellen in der ersten Richtung angeordnet sind.
Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln, das umfasst: Einstrahlen von Licht aus einem Lichtquellenabschnitt auf eine Garnstruktur; Ermöglichen, dass eine Lichtabsorptionsschicht der Garnstruktur das Licht absorbiert, um Wärme zu erzeugen; und Erwärmen einer Polymerschicht der Garnstruktur durch die von der Lichtabsorptionsschicht emittierte Wärme, um eine Länge der Polymerschicht zu verkürzen, wobei die Polymerschicht eine Schraubenfederform aufweist, die sich in einer ersten Richtung erstreckt, und die Lichtabsorptionsschicht so ausgelegt ist, dass sie die Polymerschicht umgibt.
Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln nach Anspruch 14, wobei der Lichtquellenabschnitt von der Garnstruktur in einer zweiten Richtung beabstandet ist, die die erste Richtung schneidet.
Verfahren zum Ansteuern künstlicher Muskeln nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Polymerschicht Nylon, Polyvinylalkohol (PVA), Baumwolle, Seide und/oder Zellulose enthält und die Lichtabsorptionsschicht Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) enthält, das mit p-10 Toluolsulfonat (PEDOT-Tos) dotiert ist.