EP2326467A1 - Künstlicher muskel - Google Patents

Künstlicher muskel

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EP2326467A1
EP2326467A1 EP09775858A EP09775858A EP2326467A1 EP 2326467 A1 EP2326467 A1 EP 2326467A1 EP 09775858 A EP09775858 A EP 09775858A EP 09775858 A EP09775858 A EP 09775858A EP 2326467 A1 EP2326467 A1 EP 2326467A1
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EP
European Patent Office
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nano
artificial muscle
expansion unit
muscle according
cell
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Withdrawn
Application number
EP09775858A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Achim Gröger
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/10—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type
    • F15B15/103—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type using inflatable bodies that contract when fluid pressure is applied, e.g. pneumatic artificial muscles or McKibben-type actuators
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/08—Muscles; Tendons; Ligaments
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/006—Motors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61F2002/0894—Muscles
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2002/5066—Muscles

Definitions

  • the invention relates to an artificial muscle consisting of a large number of nano-motors (referred to below as nano-power-cell), the nano-motors being the smallest unit for the production of complex muscular structures for the generation of longitudinal motor forces.
  • Nano-Power-Cell muscular structures can be produced, whose characteristics correspond to human and animal muscles. Levers and rotations are produced by the course of the muscle structures.
  • the Nano Power Cell is in all
  • the force generating element can be used as a muscle prosthesis.
  • the described drive unit comprising at least one force-generating element, which has a rigid end portions closed internal cavity to limit its working volume and of which a portion fixedly connected to a first part of the mechanism and another portion tensile strength with another part of the mechanism is connected to a with a control device for varying the working volume of the force-generating element, wherein the force generating element has a radially elastic tubular jacket whose longitudinal expansion is limited by a support structure, so that under the action of the control device, the mecanicober vom- to volume ratio with change in length ( ⁇ L) of the force-generating element is variable.
  • the preferably elongate shell is connected at the end to rigid plates, the distance of which can be changed by raising or lowering the internal pressure, which results in either shortening or moving back into the original length of the force-generating element.
  • the individual elements are connected by fluid connection at one end of the force-generating element. Due to the small dimensions of the force-generating elements, the fluid connections are relatively thin, that is capillary-shaped, form, whereby a pressure change only very slowly can be done, which leads to the example of a muscle to chameleon-like movement speeds.
  • muscle groups can be formed with the round structures, they have drawbacks in performing rotational movements.
  • rotational movements for example, arm or foot rotation
  • round structures of the inflatable body are unsuitable because they distort each other in transversely arranged muscle at the moment of force generation while the required force within the muscle is consumed.
  • Movements such as the human skeleton, are basically based on pulling movements.
  • high performance active elements EAP "Electro - Active Polimer - Actuator" of various kinds or the nanotechnology of the natural muscle
  • liquid crystals of ferroelectric elastomers which allow rapid movements and are environmentally insensitive
  • a construction is required which creates a compressive effect in a pulling action
  • high performance nematic elastomers of various kinds or the nanotechnology of the natural muscle such as the nano-elastic liquid crystals of nematic elastomers, which allow rapid movements and are environmentally insensitive
  • a construction is required which generate a direct pulling action and make this micromechanically non-positively implementable.
  • the technical problem is based on a very low-power drive with high power output.
  • the design of the Nano Power Cell drive is such that it is externally constructed so that the drive is very soft and visually very similar to the muscle of humans and animals.
  • Task and objective is a biologically similar drive of muscular structures with low power consumption for the use of different technical and bionic applications.
  • the drive is made up of a large number of nano-motors (nano-power-cell).
  • the Nano-Power-Cell is the smallest unit for the production of complex muscular structures for the generation of longitudinal motor forces, which converts a pressure (polymers) into a tensile action or stabilizes a contraction rubber (elastomers), so that the Nano-Power-Cell is stabilized non-positively in the polymers.
  • Complex structures such as a muscle whose effect consists of serial and parallel nano-power cells, can be used for a variety of applications, such as in prosthetics, internal medicine, robotics, technology and much more. be used.
  • Based on the small nano power cell's are muscular structures whose properties correspond to human and animal muscles. Levers and rotations are produced by the course of the muscular structures.
  • the Nano-Power-Cell consists of a honeycomb-shaped jacket in which the spiral-shaped expansion unit is embedded.
  • the liquid crystal molecules are incorporated in polymer networks so as to exert a leverage effect upon application of an electric field.
  • the expansion unit consists of a winding in which liquid crystals of ferroelectric elastomers are incorporated.
  • the volume expansion By reducing the electric field, the volume expansion returns to its original state.
  • the radial expansion which takes place in the middle, leads to the shortening of the nano-power-cell, which is used as a force for the movement sequences.
  • other variants of the EAP family can be used.
  • a further possibility of forming the expansion unit is that it is designed as a contraction rubber consisting of at least one nematic elastomer winding which is formed with embedded liquid crystals.
  • the expansion unit designed as a contraction rubber is known as cylindrical hollow body formed, which is provided all around with at least one arranged along the lateral surface nematic elastomer winding.
  • a heating device or a laser light source is arranged within the cylindrical hollow body. This is connected via an electrical connection in each case with the mechanical couplings.
  • the expansion unit consists of at least one nematic elastomer winding, in which liquid crystals are incorporated, and a heating device or laser light source arranged in the interior of the elastomer winding.
  • a heating device or laser light source By applying a working voltage to the heater or the laser light source, the nematic elastomer windings are heated or activated in the laser, which leads to a shortening of the Nano Power Cell and thus to a radial circumferential extension in the middle region.
  • the working voltage is safe for humans and animals, ie less than 25 volts.
  • the length change returns to its original state.
  • the shortening of the Nano Power Cell leads to radial expansions, which take place in the middle of the Nano Power Cell and lead to the natural expansion of the muscle and at the same time is used to stabilize rotating forces for the movement processes.
  • the replica of the nanomotor muscle of living things, such as man, is the target of the expansion unit.
  • the invention will be explained in more detail. Show it
  • the artificial muscle according to the invention consists of nano-motors 1 (nano-power-cells), which are formed from symmetrical honeycomb symmetrical individual plates 4 designed as double triangular segments, which are movable in the middle, and an expansion unit 5 in the interior exhibit. The outer ends are welded.
  • each nano-power cell 1 consists of six double triangle segments (individual plates 4), which are arranged in honeycomb form the inner shell 2 and the expansion unit 5 surrounded ( Figure 1).
  • the space between the expansion unit 5 and the triangular segments 4 is filled with a filling compound 6, which leads to the immediate change of the outer shell 8, when the expansion unit 5 expands ( Figure 2 and 3).
  • the length of the Nano-Power-Cell 1 will be about four to six millimeters depending on the application, for example, muscular prosthetic structures.
  • the diameter depends on the number of windings of the plastic film, which forms the expansion unit 5 and is between three and four millimeters in unexpanded status.
  • the circumference increases in the central region of the nano-power cell 1.
  • This expansion creates a train on the outer ends of the triangle segments 4 by the set angle, which for shortening the nano-power cell. 1 leads.
  • the shortening creates the traction for the muscle.
  • the tensile force is indispensable for human and animal skeletal structures in order to realize motion sequences.
  • the expansion unit 5 ( Figures 4 and 5) consists of two helically wound, both sides conductive and easily stretchable plastic films.
  • the plastic films form the field plates (pole 1 and pole 2) 10, 11, between which the liquid crystals 9 are embedded.
  • the effect of the expansion unit 5 is enhanced by the incorporation of the liquid crystals 9 in the helically wound plastic film. This means that between the plastic films and between the winding, the expansion of the liquid crystals 9 takes place.
  • the expansion of the liquid crystals 9 is generated by applying a voltage which causes an electric field to act on the liquid crystals 9.
  • the liquid crystals 9 of the ferroelectric elastomers are rectified by the electric field according to the field strength, whereby the volume expansion 7 is formed by a lever effect of the molecules.
  • the liquid crystals 9 return to a disordered state.
  • the reaction time of the expansion unit 5 is in the millisecond range, therefore, a control unit must be used, which allows a smooth and adapted movement.
  • the supply of the nano-power cell 1 with the control voltage for the electric field is done via connector / coupling 3, which are attached to both ends of the cell.
  • the connectors 3 are connected via a flexible connection line with the expansion unit 5.
  • the ends of the nano-power cell 1 are used as connectors, which also serve as a coupling 3 between the individual nano-power cell's 1.
  • the artificial muscle according to the invention consists of the nano-motors 1 (nano-power-cell), which are formed of radially honeycomb symmetrical arranged as double triangular segments individual plates 4, which are movable in the middle, and inside an expansion unit. 5 exhibit. The outer ends are welded.
  • Each Nano Power Cell 1 consists of six double triangular segments (Individual plates 4) which are arranged honeycomb-shaped, which form the inner shell 2 and the expansion unit 5 surrounded.
  • the space between the expansion unit 5 and the triangle segments 4 provides the space required for the radial expansion of the cylindrical rubber consisting of nematic elastomers (Figure 6).
  • the length of the Nano-Power-Cell 1 will be about four to six millimeters depending on the application, for example, muscular prosthetic structures.
  • Nano-Power-Cell's 1 To bring the Nano-Power-Cell's 1 after expansion in its original state, this is surrounded by an easily compressible material, which also forms the insulator for the applied voltage.
  • a shortening of the nano-power cell 1 is produced by supplying heat or light. Due to the honeycomb structure, the radial circumference of the nano-power cell 1 is enlarged centrally.
  • the shortening creates the traction for the muscle.
  • the tensile force is indispensable for human and animal skeletal structures in order to realize motion sequences.
  • the expansion unit 5 is formed as a contraction rubber consisting of a nematic elastomer winding 13 with inclusions of liquid crystals.
  • the expansion unit 5 has a construction as a cylindrical hollow body. This is all around with at least one along the lateral surface extending nematic elastomeric winding 13 provided.
  • a heating device or laser light source 14 is arranged and connected by means of the electrical connections with the mechanical couplings 3.
  • the hollow body and carrier of the elastomers is positively connected to the outer coupling elements.
  • the effect of the expansion unit 5 is generated by the incorporation of the liquid crystals in the nematic elastomer winding 13.
  • the nematic elastomeric winding 13 By applying a voltage to the heater or laser light source 14, the nematic elastomeric winding 13 is heated or excited, whereby it contracts and a radial extent 12 of the outer shell is formed. By reducing the voltage at the heater or the laser light source 14, the nematic elastomer winding 13 returns to its original state. The nano-power cell 1 is stretched and thus reduces the radial extent 12.
  • the reaction time of the expansion unit 5 is in the 200 millisecond range, therefore, a control unit must be used, which allows a smooth and adapted movement.
  • the connectors 3 are connected to the expansion unit 5 via a flexible electrical connection 15.
  • the ends of the nano-power cell 1 are used as connectors, which also serve as a coupling 3 between the individual nano-power cell's 1.
  • the arrangement of several nano-power cells 1 to complex muscle packages can be implemented in any geometric shapes. It is always to be assumed from the fact that a muscle package can only pull. Each counteraction is to be made by a settled complementary muscle package.
  • control mechanism for all interacting muscle packages is to be fine-scaled accordingly.
  • the nano-motors 1 cause by applying a voltage a volume expansion 7. This causes an expansion of the muscle cell, thereby shortening the muscle cell (nano-power CeII 1) is formed.
  • a very small cell construction is implemented by the use of nano-motor technology.
  • the nano-motors 1 cause upon application of a voltage, a contraction of the elastomeric rubber (elastomer winding 13). This causes a shortening of the muscle cell, thereby resulting in a radial enlargement of the muscle cell (Nano Power Cell 1).
  • the expansion acts on the six diamond-shaped individual plates 4, which are arranged honeycomb-shaped.
  • the combination of the parallel and serial arrangement of the Nano-Power-Cell's 1 makes no physical difference to natural muscles. It is palpable that very similar muscle consistencies can be achieved.
  • the energy requirement for the artificial muscle which consists of a large number of nano-power cells 1, is at a peak power of about 500 watts. This order of magnitude is necessary to avoid the usual force developments, e.g. of man.
  • a fuel cell unit is used, which is available in very small sizes. The accommodation of this fuel cell is possible in the interior of artificial bones.
  • Heat development of the fuel cell is used for warming the artificial muscles to body temperature.
  • Transverse rotations can be implemented by the honeycomb-shaped outer surface, since in this case an inevitable mutual stabilization of the individual elements of the artificial muscle with one another is established and thus large transverse rotation forces can be realized. Due to the distribution of six diamond-shaped tension elements in a honeycomb structure high tensile forces, in particular by the tough behavior of the individual self-stabilizing diamonds, can be implemented.
  • Fast movements can be achieved within a range of 100 milliseconds, which would be very fast for activities of living beings. All movements are controlled so that slow and fast movements can be implemented.
  • the controls for controlling the cells are purely electronic. No mechanical assemblies, such as valves, are necessary for control. All movements are noiseless.
  • the voltages used are less than 25 volts and are harmless to living things such as humans and animals.
  • the processor-controlled computer units which are networked with each other, are moved into the interior of the large bones.
  • the software is used to control continuous motion sequences with self-learning algorithms.
  • This drive is important for bionic applications in order to produce body replacement parts of the latest generation.
  • the advantage of this drive is the high similarity of natural muscular drives of human and animal bodily functions. Using sophisticated control mechanisms,
  • Sensors consisting of hardware and software, the connection to the nervous system, drive energy from hydrogen fuel cells and advanced connections of natural bone parts with artificial materials for artificial bone construction.
  • the field of application is very broad for the artificial muscle. It can be used in prosthetics, internal medicine, robotics, as in general technical applications with longitudinal forces.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen künstlichen Muskel, der aus einer Vielzahl von Nano-Motoren (in nachfolgenden Nano-Power-Cell genannt) besteht, wobei die Nano-Motoren die kleinste Einheit für die Herstellung komplexer muskulärer Strukturen für die Generierung längsmotorischer Kräfte sind. Der erfindungsgemäße künstliche Muskel besteht aus den Nano-Motoren (1) (Nano-Power-Cell's), welche aus radial wabenförmig angeordneten symmetrischen, als doppelte Dreiecksegmente ausgebildete Einzelplatten (4), die mittig beweglich sind, gebildet werden und im Inneren eine Ausdehnungseinheit (5) aufweisen.

Description

Künstlicher Muskel
Die Erfindung betrifft einen künstlichen Muskel, der aus einer Vielzahl von Nano-Motoren (in nachfolgenden Nano-Power-Cell genannt) besteht, wobei die Nano-Motoren die kleinste Einheit für die Herstellung komplexer muskulärer Strukturen für die Generierung längsmotorischer Kräfte sind.
Komplexe Strukturen wie zum Beispiel ein Muskel, deren Wirkung aus einer Vielzahl von seriellen und parallelen Nano-Power-Cellen gebildet ist, können für den vielfältigen Einsatz wie zum Beispiel in der Prothetik verwendet werden. Auf Basis der kleinen Nano-Power-Cell sind muskuläre Strukturen herstellbar, deren Eigenschaften menschlicher und tierischer Muskeln entspricht. Hebel und Drehbewegungen werden durch den Verlauf der Muskel-Strukturen hergestellt.
Neben dem Einsatz in der Prothetik ist die Nano-Power-Cell in allen
Einsatzgebieten einsetzbar, in denen eine längswärts ziehende Kraftentwicklung anwendbar ist. Das gilt auch für rotierende Bewegungsabläufe, deren Bewegung aus mehreren Längskraftmaschinen erzeugt wird. Bekannt ist aus der DE 36 44 481 Al eine Antriebseinheit für Bewegungsmechanismen, die auch ohne weiteres als Implantat im Bereich der biomedizinischen Technik einsetzbar ist.
In diesem Fall kann das Krafterzeugungselement als Muskelprothese Verwendung finden. Bei der beschriebenen Antriebseinheit bestehend aus mindestens einem Krafterzeugungselement, das einen von steifen Endteilen abgeschlossenen Innenhohlraum zur Begrenzung seines Arbeitsvolumens hat und von dem ein Abschnitt fest mit einem ersten Teil des Mechanismus und ein anderer Abschnitt zugfest mit einem weiteren Teil des Mechanismus verbindbar ist, um eine relative Lageveränderung der Teile gegeneinander zu bewirken, und mit einer Steuereinrichtung zur Veränderung des Arbeitsvolumens des Krafterzeugungselements, wobei das Krafterzeugungselement einen radialelastischen schlauchartigen Mantel hat, dessen Längsdehnung durch eine Stützstruktur begrenzt ist, so daß unter Einwirkung der Steuereinrichtung das Innenoberflächen- zu Volumenverhältnis unter Längenveränderung (ΔL) des Krafterzeugungselements veränderbar ist.
Der vorzugsweise längliche Mantel ist endseitig mit steifen Platten verbunden, deren Abstand durch Anhebung oder Absenkung des Innendruckes veränderbar ist, wodurch sich entweder eine Verkürzung oder das Zurückbewegen in die ursprüngliche Länge des Krafterzeugungselements ergibt. Verbunden sind die einzelnen Elemente durch Fluidanschluß an einem Ende des Krafterzeugungselements. Aufgrund der geringen Abmessungen der Krafterzeugungselemente sind die Fluidanschlüsse relativ dünn, das heißt kapillär-förmig, auszubilden, wodurch eine Druckänderung nur sehr langsam erfolgen kann, was am Beispiel eines Muskels zu chameleonartigen Bewegungsgeschwindigkeiten führt.
Mit den runden Strukturen können zwar Muskelgruppen gebildet werden, jedoch haben diese Nachteile bei der Ausführung von Drehbewegungen. Für Drehbewegungen, zum Beispiel Arm- oder Fußdrehung, sind runde Strukturen des Blähkörpers ungeeignet, da diese sich bei quer angeordnetem Muskel im Moment der Krafterzeugung ineinander verziehen und dabei die erforderliche Kraftwirkung innerhalb des Muskels verbraucht wird.
Ein weiterer Nachteil besteht in der Erzeugung des Druckes. Die Aggregate zur Erzeugung der erforderlichen Drücke (pneumatisch, hydraulisch usw.) sind relativ groß auszubilden, wodurch es problematisch ist, diese am beweglichen Körper mitzuführen.
Bewegungsabläufe, wie beispielsweise dem menschlichen Skelett, basieren grundsätzlich auf ziehende Bewegungen. Zur Nutzung hochleistungsaktiver Elemente (EAP „Elektro - Aktiver - Polimere - Actuator" unterschiedlichster Ausprägungen oder der Nanotechnologie des natürlichen Muskels), wie von Flüssigkeitskristallen ferroelektrischer Elastomere, die schnelle Bewegungen zulassen und umweltunempfindlich sind, ist eine Konstruktion erforderlich, die eine Druckwirkung in eine Zugwirkung wandelt. Zur Nutzung hochleistungsaktiver nematischer Elastomere unterschiedlichster Ausprägungen oder der Nanotechnologie des natürlichen Muskels), wie der Nanotechnologie von Flüssigkeitskristallen der nematischer Elastomere, die schnelle Bewegungen zulassen und umweltunempfindlich sind, ist eine Konstruktion erforderlich, die eine direkte Zugwirkung erzeugen und diese mikromechanisch kraftschlüssig umsetzbar machen.
Das technische Problem beruht auf einem äußerst leistungsarmen Antrieb bei gleichzeitig hoher Abgabeleistung. Die Konstruktion des Nano-Power-Cell- Antriebs ist so beschaffen, daß diese äußerlich so aufgebaut ist, daß der Antrieb fühlbar sehr weich und dem Muskel von Mensch und Tier optisch sehr ähnlich ist.
Aufgabe und Zielsetzung ist ein biologisch ähnlicher Antrieb muskulärer Strukturen mit geringer Leistungsaufnahme für den Einsatz unterschiedlichster technischer und bionischer Einsatzgebiete.
Der Antrieb wird aus einer Vielzahl von Nano-Motoren (Nano-Power-Cell) gebildet.
Die Nano-Power-Cell bildet die kleinste Einheit für die Herstellung komplexer muskulärer Strukturen für die Generierung längsmotorischer Kräfte, die eine Druck- (Polymere) in eine Zugwirkung wandelt oder ein Kontraktionsgummi (Elastomere) so stabilisiert, daß die Nano-Power-Cell wie bei der Polymere kraftschlüssig stabilisiert wird.
Komplexe Strukturen, wie zum Beispiel ein Muskel, dessen Wirkung aus seriellen und parallelen Nano-Power-Cell's gebildet ist, können für den vielfältigen Einsatz, wie zum Beispiel in der Prothetik, inneren Medizin, Robotik, Technik uvm. verwendet werden. Auf Basis der kleinen Nano-Power-Cell's sind muskulärer Strukturen herstellbar, deren Eigenschaften menschlicher und tierischer Muskeln entspricht. Hebel und Drehbewegungen werden durch den Verlauf der muskulären Strukturen hergestellt.
Die Nano-Power-Cell besteht aus einer wabenförmigen Mantelung, in der die schneckenförmig gewickelte Ausdehnungseinheit eingebettet ist. Die Flüssigkeitskristallmoleküle sind in Polymernetzwerke so eingebunden, daß diese beim Anlegen eines elektrischen Feldes eine Hebelwirkung ausüben. Die Ausdehnungseinheit besteht aus einer Wicklung, in der Flüssigkeitskristalle ferroelektrischer Elastomere eingebunden sind.
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes in der Maßeinheit von 1,5 kV/mm auf die Flüssigkeitskristalle entsteht eine Volumenausdehnung von derzeit ca. 4% der Nano-Power-Cell. In der Praxis liegt die Arbeitsspannung im für Mensch und Tier ungefährlichen Bereich, also unter 25 Volt.
Durch Verminderung des elektrischen Feldes geht die Volumenausdehnung in seinen Ursprungszustand zurück. Die radiale Ausdehnung, die mittig stattfindet, führt zur Verkürzung der Nano-Power-Cell, die als Kraft für die Bewegungsabläufe angewendet wird. Für die Ausdehnungseinheit sind auch andere Varianten der EAP-Familie einsetzbar.
Eine weitere Möglichkeit die Ausdehnungseinheit auszubilden, besteht darin, daß diese als Kontraktionsgummi bestehend aus mindestens einer nematischen Elastomerwicklung, die mit eingelagerten Flüssigkeitskristallen ausgebildet ist, auszulegen. Die als Kontraktionsgummi ausgebildete Ausdehnungseinheit ist als zylinderförmigen Hohlkörper ausgebildet, welcher rundum mit mindestens einer entlang der Mantelfläche angeordneten nematischen Elastomerwicklung versehen ist.
Innerhalb des zylinderförmigen Hohlkörpers ist eine Heizeinrichtung oder eine Laserlichtquelle angeordnet. Diese ist über eine elektrische Verbindung jeweils mit den mechanisch Kupplungen verbunden.
Die Ausdehnungseinheit besteht aus mindestens einer nematischen Elastomerwicklung, in der Flüssigkeitskristalle eingebunden sind, und einer im Inneren der Elastomerwicklung angeordneten Heizeinrichtung oder Laserlichtquelle. Durch Anlegen einer Arbeitsspannung an die Heizeinrichtung oder der Laserlichtquelle werden die nematischen Elastomerwicklungen erwärmt bzw. beim Laser akiviert, was zu einer Verkürzung der Nano Power Cell und damit zu einer radialen Umfangserweiterung im Mittelbereich führt.
In der Praxis liegt die Arbeitsspannung im für Mensch und Tier ungefährlichen Bereich, also unter 25 Volt. Durch Verminderung der Arbeitsspannung geht die Längenänderung in seinen Ursprungszustand zurück. Die Verkürzung der Nano- Power-Cell führt zu radialen Ausdehnungen, die mittig in der Nano-Power-Cell stattfinden und zur natürlichen Ausdehnung des Muskels führt und gleichzeitig zur Stabilisierung drehender Kräfte für die Bewegungsabläufe angewendet wird.
Der Nachbau des nanomotorischen Muskels von Lebewesen, wie dem Menschen, ist das Ziel der Ausdehnungseinheit. Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Figur 1 - Außenansicht des Nano-Motors (Nano-Power-Cell)
Figur 2 - Schnitt durch den Nano-Motor
Figur 3 - Schnitt A-A
Figur 4 - Schnittbild der Ausdehnungseinheit Figur 5 - schneckenförmig gewickelte Ausdehnungseinheit
Figur 6 - Schnitt durch eine weitere Ausführung des Nano-Motors
In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht der erfindungsgemäße künstliche Muskel aus den Nano-Motoren 1 (Nano-Power-Cell's), welche aus radial wabenförmig angeordneten symmetrischen, als doppelte Dreiecksegmente ausgebildete Einzelplatten 4, die mittig beweglich sind, gebildet werden und im inneren eine Ausdehnungseinheit 5 aufweisen. Die äußeren Enden sind verschweißt. So besteht jede Nano-Power-Cell 1 aus sechs doppelten Dreiecksegmenten (Einzelplatten 4), die wabenförmig angeordnet sind, welche die innere Hülle 2 bilden und die Ausdehnungseinheit 5 umgeben (Figur 1).
Der Zwischenraum zwischen der Ausdehnungseinheit 5 und den Dreiecksegmenten 4 wird mit einer Füllmasse 6 bestückt, die zur sofortigen Änderung der äußeren Hülle 8 führt, wenn sich die Ausdehnungseinheit 5 ausdehnt (Figur 2 und 3).
Die Länge der Nano-Power-Cell 1 wird je nach Anwendung, zum Beispiel muskulärer Strukturen der Prothetik ca. vier bis sechs Millimeter betragen. Der Durchmesser ist von der Anzahl der Wicklungen des Kunststoffilms abhängig, der die Ausdehnungseinheit 5 bildet und liegt zwischen drei und vier Millimeter im nicht ausgedehnten Status.
Um die Nano-Power-Cell's 1 nach der Ausdehnung in seinen Ursprungszustand zu bringen, wird diese von einem leicht komprimierbaren Material umgeben, das gleichzeitig den Isolator für die angelegte Spannung bildet.
Durch die Volumenausdehnung 7 der Ausdehnungseinheit 5 vergrößert sich der Umfang im mittigen Bereich der Nano-Power-Cell 1. Durch diese Ausdehnung entsteht durch den eingestellten Winkel ein Zug auf die äußeren Enden der Dreiecksegmente 4, welcher zur Verkürzung der Nano-Power-Cell 1 führt. Die Verkürzung erzeugt die Zugkraft für den Muskel. Die Zugkraft ist für menschliche und tierische Skelettstrukturen unabdingbar, um Bewegungsabläufe zu realisieren.
Die Ausdehnungseinheit 5 (Figur 4 und 5) besteht aus zwei schneckenartig gewickelten, beidseitig leitfähigen und leicht dehnfähigen Kunststoffilmen. Die Kunststoffilme bilden die Feldplatten (Pol 1 und Pol 2) 10, 11, zwischen denen die Flüssigkeitskristalle 9 eingelagert sind. Die Wirkung der Ausdehnungseinheit 5 wird durch die Einlagerung der Flüssigkeitskristalle 9 in dem schneckenförmig gewickeltem Kunststoffilm verstärkt. Das bedeutet, daß zwischen den Kunststoffilmen und zwischen der Wicklung die Ausdehnung der Flüssigkeitskristalle 9 stattfindet.
Die Ausdehnung der Flüssigkeitskristalle 9 wird durch Anlegen einer Spannung erzeugt, die ein elektrisches Feld auf die Flüssigkeitskristalle 9 einwirken läßt. Die Flüssigkeitskristalle 9 der ferroelektrischen Elastomere werden durch das elektrische Feld gemäß der Feldstärke gleichgerichtet, wodurch die Volumenausdehnung 7 durch eine Hebelwirkung der Moleküle entsteht.
Durch Verminderung der Feldstärke gehen die Flüssigkeitskristalle 9 in einen ungeordneten Zustand zurück.
Die Reaktionszeit der Ausdehnungseinheit 5 liegt im Millisekundenbereich, daher muß eine Steuereinheit eingesetzt werden, die einen gleichmäßigen und angepaßten Bewegungsablauf ermöglicht.
Die Versorgung der Nano-Power-Cell 1 mit der Steuerspannung für das elektrische Feld geschieht über Steckverbinder/Kupplung 3, die an beiden Enden der Zelle angebracht sind. Die Steckverbinder 3 werden über eine flexible Anschlußleitung mit der Ausdehnungseinheit 5 verbunden.
Die Enden der Nano-Power-Cell's 1 werden als Steckverbinder, die gleichzeitig als Kupplung 3 zwischen den einzelnen Nano-Power-Cell's 1 dienen, verwendet.
In einer weiteren Ausführung besteht der erfindungsgemäße künstliche Muskel aus den Nano-Motoren 1 (Nano-Power-Cell's), welche aus radial wabenförmig angeordneten symmetrischen, als doppelte Dreiecksegmente ausgebildeten Einzelplatten 4, die mittig beweglich sind, gebildet werden und im inneren eine Ausdehnungseinheit 5 aufweisen. Die äußeren Enden sind verschweißt. So besteht jede Nano-Power-Cell 1 aus sechs doppelten Dreiecksegmenten (Einzelplatten 4), die wabenförmig angeordnet sind, welche die innere Hülle 2 bilden und die Ausdehnungseinheit 5 umgeben.
Der Zwischenraum zwischen der Ausdehnungseinheit 5 und den Dreiecksegmenten 4 bietet den erforderlichen Raumbedarf für die radiale Ausdehnung des zylindrischen Gummis bestehend aus nematischen Elastomeren (Figur 6).
Die Länge der Nano-Power-Cell 1 wird je nach Anwendung, zum Beispiel muskulärer Strukturen der Prothetik ca. vier bis sechs Millimeter betragen.
Um die Nano-Power-Cell's 1 nach der Ausdehnung in seinen Ursprungszustand zu bringen, wird diese von einem leicht komprimierbaren Material umgeben, das gleichzeitig den Isolator für die angelegte Spannung bildet. Bei den nematischen Elastomeren wird durch Wärme- oder Lichtzuführung eine Verkürzung der Nano-Power-Cell 1 erzeugt. Durch die wabenförmige Struktur wird der radiale Umfang der Nano-Power-Cell 1 mittig vergrößert.
Die Verkürzung erzeugt die Zugkraft für den Muskel. Die Zugkraft ist für menschliche und tierische Skelettstrukturen unabdingbar, um Bewegungsabläufe zu realisieren.
Die Ausdehnungseinheit 5 ist als Kontraktionsgummi bestehend aus einer nematischen Elastomerwicklung 13 mit Einlagerungen von Flüssigkristallen ausgebildet. Die Ausdehnungseinheit 5 weist einen Aufbau als zylinderförmiger Hohlkörper auf. Dieser ist rundum mit mindestens einer längs der Mantelfläche verlaufenden nematischen Elastomerwicklung 13 versehen. Innerhalb des Hohlkörpers ist eine Heizeinrichtung oder Laserlichtquelle 14 angeordnet und mittels der elektrischen Verbindungen mit den mechanischen Kupplungen 3 verbunden. Der Hohlkörper und Träger der Elastomere ist mit den äußeren Kupplungselementen kraftschlüssig verbunden.
Die Wirkung der Ausdehnungseinheit 5 wird durch die Einlagerung der Flüssigkeitskristalle in der nematischen Elastomerwicklung 13 generiert.
Durch Anlegen einer Spannung an die Heizeinrichtung oder Laserlichtquelle 14 wird die nematische Elastomerwicklung 13 erwärmt bzw. angeregt, wodurch diese sich zusammenzieht und eine Radialausdehnung 12 der äußeren Hülle entsteht. Durch Verminderung der Spannung an der Heizeinrichtung bzw. der Laserlichtquelle 14 geht die nematische Elastomerwicklung 13 in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Die Nano-Power-Cell 1 wird gestreckt und damit die Radialausdehnung 12 reduziert.
Die Reaktionszeit der Ausdehnungseinheit 5 liegt im 200 Millisekundenbereich, daher muß eine Steuereinheit eingesetzt werden, die einen gleichmäßigen und angepaßten Bewegungsablauf ermöglicht.
Die Versorgung der Nano-Power-Cell 1 mit der Arbeitsspannung für die Heizeinrichtung oder der Laserlichtquelle 14 erfolgt über Steckverbinder/Kupplung 3, die an beiden Enden der Zelle angebracht sind. Die Steckverbinder 3 werden über eine flexible elektrische Verbindung 15 mit der Ausdehnungseinheit 5 verbunden. Die Enden der Nano-Power-Cell's 1 werden als Steckverbinder, die gleichzeitig als Kupplung 3 zwischen den einzelnen Nano-Power-Cell's 1 dienen, verwendet.
Die Anordnung mehrerer Nano-Power-Cell's 1 zu komplexen Muskelpaketen ist beliebig in allen geometrischen Formen umsetzbar. Dabei ist immer von der Tatsache auszugehen, daß ein Muskelpaket nur ziehen kann. Jede Gegenwirkung ist durch ein angesiedeltes komplementäres Muskelpaket vorzunehmen.
Bei komplexen geometrischen Aufbauten der Muskelpakete ist der Steuerungsmechanismus für alle zusammenwirkenden Muskelpakete entsprechend fein abzustufen.
Durch den Einsatz der Nano-Motoren-Technologie werden sehr kleine Zellenkonstruktionen umgesetzt. Die Nano-Motoren 1 bewirken beim Anlegen einer Spannung eine Volumenausdehnung 7. Diese bewirkt eine Ausdehnung der Muskelzelle, wobei dadurch eine Verkürzung der Muskelzelle (Nano-Power- CeII 1) entsteht.
In einer weiteren Ausführung wird durch den Einsatz der Nano-Motoren- Technologie eine sehr kleine Zellenkonstruktion umgesetzt. Die Nano-Motoren 1 bewirken beim Anlegen einer Spannung eine Kontraktion des elastomeren Gummis (Elastomerwicklung 13). Diese bewirkt eine Verkürzung der Muskelzelle, wobei dadurch eine radiale Vergrößerung der Muskelzelle (Nano- Power-Cell 1) entsteht. Die Ausdehnung wirkt auf die sechs rautenförmigen Einzelplatten 4, die wabenförmig angeordnet sind. Die Kombination der parallelen und seriellen Anordnung der Nano-Power-Cell's 1 lassen rein äußerlich keinen wesentlichen Unterschied zu natürlichen Muskeln erkennen. Fühlbar sind dem Menschen sehr ähnliche Muskelkonsistenzen erzielbar.
Der Energiebedarf für den künstlichen Muskel, der aus einer Vielzahl von Nano- Power-Cell's 1 besteht, liegt bei einer Spitzenleistung von ca. 500 Watt. Diese Größenordnung ist erforderlich, um die üblichen Kraftentwicklungen z.B. des Menschen herzustellen. Hierbei wird ein Brennstoffzellenaggregat verwendet, welches in sehr kleinen Baugrößen erhältlich ist. Die Unterbringung dieser Brennstoffzelle ist im Innenraum der künstlichen Knochen möglich. Die
Wärmeentwicklung der Brennstoffzelle wird für die Erwärmung der künstlichen Muskeln auf Körpertemperatur verwendet.
Längskräfte werden für alle erforderlichen Hebelwirkungen direkt umgesetzt. Die eingesetzte Wabenstruktur sorgt für einen hohen mechanischen • Wirkungsgrad.
Querdrehungen sind durch die wabenförmige äußere Oberfläche umsetzbar, da sich hierbei eine zwangsläufige gegenseitige Stabilisierung der einzelnen Elemente des künstlichen Muskels untereinander einstellt und damit große Querdrehungskräfte realisierbar sind. Durch die Verteilung von sechs rautenförmigen Zugelementen in einer Wabenstruktur werden hohe Zugkräfte, insbesondere durch das zähe Verhalten der einzelnen, sich selbst stabilisierenden Rauten, umsetzbar.
Schnelle Bewegungsabläufe sind bis in einen Bereich von 100 Millisekunden realisierbar, was für Aktivitäten von Lebewesen sehr schnell wäre. Alle Bewegungsabläufe werden so gesteuert, daß langsame und schnelle Bewegungen umsetzbar sind.
Die Steuerelemente für die Ansteuerung der Zellen sind rein elektronisch. Hierbei sind keinerlei mechanische Baugruppen, wie zum Beispiel Ventile, zur Steuerung notwendig. Alle Bewegungsabläufe sind geräuschlos. Die eingesetzten Spannungen liegen unter 25 Volt und sind für Lebewesen wie Mensch und Tier ungefährlich.
Die prozessorgesteuerten Computereinheiten, welche untereinander vernetzt sind, werden in den Innenraum der großen Knochen verlagert.
Die Software dient zur Steuerung kontinuierlicher Bewegungsabläufe mit selbstlernenden Algorithmen.
Das Anwendungsgebiet erstreckt sich auf alle technischen Anwendungen, bei denen mechanische kraftgesteuerte Bewegungsabläufe benötigt werden.
Dieser Antrieb ist für bionische Einsatzgebiete von Bedeutung, um daraus Körperersatzteile neuester Generation herzustellen. Der Vorteil dieses Antriebs ist die hohe Ähnlichkeit natürlicher muskulärer Antriebe menschlicher und tierischer Körperfunktionen. Mittels ausgefeilter Steuerungsmechanismen,
Sensorik, bestehend aus Hard- und Software, der Anbindung am Nervensystem, Antriebsenergie aus Wasserstoff-Brennstoffzellen und modernster Verbindungen natürlicher Knochenteile mit künstlichen Werkstoffen für eine künstliche Knochenkonstruktion.
Das Einsatzgebiet ist für den künstlichen Muskel sehr breit gefächert. Er ist in der Prothetik, der inneren Medizin, der Robotertechnik, wie in allgemeinen technischen Anwendungen mit längs ziehenden Kräften einsetzbar.
Bezugszeichen
1- Nano-Motor (Nano-Power-Cell)
2- innere Hülle
3- Kupplung/Steckverbinder
4- Einzelplatten/Doppel-Dreiecksegmente
5- Ausdehnungseinheit
6- Füllmasse
7- radiale Volumenausdehnung
8- äußere Hülle
9- Flüssigkeitskristalle
10- Pol 1
11- Pol 2
12- Radialausdehnung
13- Elastomerwicklung
14- Heizung
15- elektrische Verbindung

Claims

Patentansprüche
1. Künstlicher Muskel, dadurch gekennzeichnet, d a ß dieser aus mindestens einem Nano-Motor (1) besteht, wobei der Nano- Motor (1) aus einer ausdehnbaren äußeren Hülle (8) mit stabiler Längsstruktur gebildet wird und in seinem Inneren eine Ausdehnungseinheit (5) angeordnet ist.
2. Künstlicher Muskel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a ß die äußere Hülle (8) aus sechs rautenförmigen Einzelplatten (4), die mittels flexibler Verbindungen untereinander befestigt sind, besteht.
3. Künstlicher Muskel nach Anspruch 1 und I1 dadurch gekennzeichnet, d a ß die Ausdehnungseinheit (5) als Film mit Einlagerungen von Flüssigkeitskristallen (9) ferromagnetischer Elastomere (EAP Elektro
Aktive Polimere) ausgebildet ist.
4. Künstlicher Muskel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, d a ß der Film radial gewickelt ist.
5. Künstlicher Muskel nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, d a ß der Film aus mindestens drei Schichten besteht, wobei die äußeren Schichten aus einem nichtleitenden Material bestehen, deren Oberfläche beidseitig mit einem elektrisch leitendem Material beschichtet sind, und die Zwischenschichten aus den Flüssigkeitskristallen (9) ferromagnetischer Elastomere beladen sind.
6. Künstlicher Muskel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, d a ß die Ausdehnungseinheit (5) als Kontraktionsgummi bestehend aus mindestens einer nematischen Elastomerwicklung (13) mit Einlagerungen von Flüssigkeitskristallen ausgebildet ist.
7. Künstlicher Muskel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, d a ß die als Kontraktionsgummi ausgebildete Ausdehnungseinheit (5) einen Aufbau in Form eines zylinderförmigen Hohlkörpers aufweist und dieser rundum mit mindestens einer entlang der Mantelfläche angeordneten nematischen Elastomerwicklung (13) versehen ist.
8. Künstlicher Muskel nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, d a ß innerhalb der als zylinderförmigen Hohlkörper ausgebildeten Ausdehnungseinheit (5) eine Heizeinrichtung oder Laserlichtquelle (14) angeordnet ist und diese über eine mechanische, elektrische Verbindung (15) jeweils mit den mechanischen Kupplungen (3) verbunden sind.
9. Künstlicher Muskel nach Anspruch 1 und wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, d a ß an den Stirnseiten der äußeren Hülle (8) mechanisch Kupplungen (3) integriert sind, die gleichzeitig als elektrische Steckverbinder ausgebildet sind und als Halterung für die Endbereiche der rautenförmigen Einzelplatten (4) dienen.
10. Künstlicher Muskel nach Anspruch 1 nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, d a ß die aus den rautenförmigen Platten (4) gebildete Hülle mit einer federbelasteten Ummantelung versehen ist.
11. Künstlicher Muskel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, d a ß die federbelastete Ummantelung aus einem nichtleitendem Kunststoff besteht, der gleichzeitig als Isolator des Nano-Motors fungiert und der mechanischen Kompression dient.
12. Künstlicher Muskel nach Anspruch 1 und wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, d a ß der Raum zwischen der Ausdehnungseinheit (5) und der Innenseite der äußeren Hülle (8) mit einem flexiblen Kunststoff befüllt ist.
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