JP2016505790A - 空気圧式感知アクチュエータ - Google Patents

Abstract

空気圧式人工筋肉(PAM)アクチュエータ本体が、空気注入式チャンバ、およびチャンバが流体(例えば、空気または水)により膨らむときにアクチュエータを収縮させる、可撓性を有するが非伸長性であるファイバなどの制限部品を含む弾性材料から形成されうる。アクチュエータ本体は、円筒状または平板状でありうる。アクチュエータ本体は、アクチュエータ本体の膨張を感知するために、導電性流体で満たされたマイクロチャネルを含む、弾性材料から形成されたセンサ層を含みうる。センサ層は、アクチュエータ本体が膨らみ、導電性流体の電気抵抗を変化させるときに膨張するように構成されうる。アクチュエータ本体と制限部品との間のセンサ層は、アクチュエータの収縮力の変化を測定するために用いることができ、制限部品の外側のセンサ層は、アクチュエータの長さの変化を測定するために用いられうる。

Description

関連出願の相互参照
本願は、その内容が、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、2013年1月21日に出願した米国仮特許出願第61/754,681号の35 U.S.C.§119(e)に基づく恩典を主張する。

この出願は、Stretchable Two-Dimensional Pressure Sensorと題する米国特許出願第12/945,014号、現在は米国特許第8,316,719号、およびActively Controlled Wearable Orthotic Devices and Active Modular Elastomer Sleeve for Wearable Orthotic Devicesと題する米国を指定するPCT特許出願第PCT/US2012/053569号に関係し、各出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。

政府支援
本発明は、U.S. National Science Foundationにより与えられた助成金番号CNS 0932015に基づく政府支援により行われた。政府は、本発明にある一定の権利を有する。

マイクロフィッシュによる付属書類への参照
該当なし。

発明の技術分野
本発明は、リアルタイムでのアクチュエータの制御を可能にする埋込型センサを含む空気圧式人工筋肉アクチュエータに関する。

先行技術の説明
空気圧式人工筋肉（PAM）アクチュエータは、ロボット工学など様々な分野で機械的作動を提供するために用いられる。アクチュエータは典型的には、両端を密封され、ゴムまたはシリコンなどの弾性材料から形成される、軸に沿って延在する円筒チューブを含む。気体または液体などの流体をチューブ内に注入させてチューブを膨張させることができる空気注入口が設けられる。チューブはまた、可撓性を有するが非伸長性であるファイバ、またはチューブが軸に沿って膨張するのを防ぐ他の材料も含む。典型的には、ファイバは、チューブの各末端で固定される。その結果、空気が注入口内に注入されると、チューブは、軸に対して横方向に放射状に膨張し、軸に沿って長さが収縮する。空気が放出されると、チューブは放射状に収縮し、かつ軸方向に伸びる。このように、アクチュエータは、ロボットアームなどのデバイスを動かすために使用することができる。

これらの空気圧式アクチュエータの欠点の1つは、それらに固有の非直線的挙動のために、それらを位置（収縮の長さ）および力（収縮力）に関して制御することが難しい場合があることである。例えば、ジョイント上またはデバイス上の他の場所に設置された、アクチュエータの外部にある外部センサが用いられうる。しかしながら、このような外部センサは、システムを嵩張った、重量がある、複雑なものとし、作動に比較的小さく軽量な空気圧式のものを使用することのいかなる潜在的利点も打ち消してしまう。

概要
本発明は、リアルタイムでのアクチュエータの制御を可能にする埋込型センサを含む機械式アクチュエータに関する。アクチュエータは、軸に対して横方向の広がりに膨張できるチャンバまたはキャビティ内に注入される流体に反応して、動作軸に沿って収縮する空気圧式アクチュエータを含みうる。アクチュエータは、ケーブルまたはケブラー（Kevlar）ファイバなどの可撓性を有するが非伸長性であるファイバ等、キャビティの膨張に反応してアクチュエータを軸に沿って収縮させる、制限要素を含みうる。これらのアクチュエータは、ロボット工学および補綴学などの機械装置を作動させるために、人工筋肉として用いられうる。

本発明の種々の態様によれば、空気圧式人工筋肉アクチュエータは、生物システムにおいて洗練された制御ループのための手段を提供する受容器である筋紡錘およびゴルジ腱器官から着想を得た一体型感知能力を備えうる。本発明によれば、一体型センサは、PAMアクチュエータの長さの変化および引張力の変化を測定することができる。

本発明の一態様によれば、空気圧式アクチュエータは、第1の末端から第2の末端まで軸に沿って延在するチャンバを含む弾性材料から形成されうる。アクチュエータは、流体がチャンバ内に注入されることを可能にするようにチャンバに接続された注入口を含みうる。アクチュエータは、アクチュエータが軸に沿って伸びるのを防ぐ、第1の末端および第2の末端に結合した複数の可撓性ファイバを含みうる。アクチュエータはまた、第1の末端と第2の末端との間にアクチュエータに沿って配置されかつアクチュエータに結合し、それによって、流体がチャンバ内に注入されてチャンバを膨張させた場合に第1のセンサ層の膨張が引き起こされる、第1のセンサ層も含むことができ、ここで、第1のセンサ層は、アクチュエータの一部分に沿って延在する、導電性液体を含有する第1のマイクロチャネルを含み、それによって、第1のセンサ層の膨張が、マイクロチャネルの少なくとも1つの寸法の変化、および第1のマイクロチャネル中の導電性液体の電気抵抗の変化をもたらす。

本発明のこれらおよび他の能力は、発明それ自体と共に、以下の図面、詳細な説明および特許請求の範囲の検討後により十分に理解できるであろう。

図1Aは、本発明による未作動／弛緩位置にある空気圧式アクチュエータの態様の図である。図1Bは、本発明による作動位置にある空気圧式アクチュエータの態様の図である。 本発明による空気圧式アクチュエータの態様の層を示す図である。 図3Aは、本発明による未作動／弛緩位置にある空気圧式アクチュエータの態様の横断面の図である。図3Bは、本発明による作動位置にある空気圧式アクチュエータの態様の横断面の図である。 本発明による空気圧式アクチュエータの態様を作製するための方法の図である。図4は、エラストマーチューブ中にらせん状のマイクロチャネルを埋め込むための製造工程を示す。製造工程には、次の要素が含まれうる：（a）外型および内型を調製する；（b）液体エラストマーを注ぐ、およびエラストマーが硬化する；（c）外型を除去する；（d）硬化したエラストマーチューブに細い低摩擦ファイバをらせん状に巻き付ける；（e）第2の外型を調製する。（f）液体エラストマーを注ぐ。（g）第2の注がれたエラストマーの硬化時に、外型および内型を取り除く。（h）低摩擦ファイバを一方の末端から引き抜き、エラストマーチューブ中にらせん状の跡（マイクロチャネル）を作製する。 本発明による製造工程の種々の段階での空気圧式アクチュエータの態様を示す図である。 本発明による空気圧式アクチュエータの別の態様の図である。 本発明による空気圧式アクチュエータの別の態様の層を示す図である。 図7Aは、本発明による未作動／弛緩位置にある空気圧式アクチュエータの別の態様の横断面の図である。図7Bは、本発明による作動位置にある空気圧式アクチュエータの別の態様の横断面の図である。 本発明による空気圧式アクチュエータの別の態様を作製するための方法の図である。 本発明による空気圧式アクチュエータの別の態様を作製するための方法の図である。 本発明による製造工程の種々の段階での空気圧式アクチュエータの別の態様を示す図である。 図11Aおよび11Bは、単体アクチュエータ内に組み込まれたセンサを示す。図11(A)は、ケブラーファイバ上の第1のセンサ層(図6の層3a)を示す前面を示し；図11(B)は、ケブラーファイバ下の第2のセンサ層（図6の層1b）を示す背面を示す。 複数の埋込型体積ゼロエアチャンバを伴う本発明によるマルチセル型空気圧式アクチュエータを示す。図12(a)はプロトタイプを示し；図12(b)は弛緩したアクチュエータを示し；図12(c)は収縮したアクチュエータを示す。 図13Aおよび13Bは、本発明によるマルチセル型アクチュエータ用の特性評価システムの例を示す。図13(A)は特性評価の構成を示し；図13(B)は、異なる空気圧による力および収縮長の反応を示す特性評価の結果を示す。 図14A、14B、および14Cは、本発明による空気圧式アクチュエータを作製する別の方法を示す。

好ましい態様の詳細な説明
本発明は、一体型感知を含むアクチュエータに関し、位置および力のリアルタイムの報告を提供し、アクチュエータのリアルタイムの制御を提供することができる。アクチュエータは、用途に応じて異なる態様で提供されうる。

図1Aおよび1Bは、本発明による一体型アクチュエータ100の一態様を示す。図1Aは、弛緩状態または非加圧状態にある一体型アクチュエータ100を示す。図1Bは、収縮状態または加圧状態にある一体型アクチュエータ100を示す。本発明のいくつかの態様によれば、アクチュエータ100は、第1の末端102および第2の末端104の間に延在するアクチュエータ本体110を含むことができ、かつ気体または液体などの流体がアクチュエータ100の内部の中心キャビティまたはチャンバ内に注入されるのを可能にする注入口120を含む。

本発明のいくつかの態様によれば、アクチュエータ本体110は、流体がアクチュエータ100のキャビティ内に注入されると膨張でき、次いで、流体が放出されキャビティから排出されると弛緩状態または非加圧状態に戻ることができる、1つまたは複数のエラストマー材料の層により形成されうる。いくつかの態様において、エラストマー材料は、Smooth-on, Inc., Easton, PAのDragon Skin等の高弾性シリコンゴムを含みうる。エラストマー材料は、ゴム、シリコン、ポリウレタンおよびPDMSを含む広範囲なエラストマー材料から選択されうる。

作動中、アクチュエータ100は、第1の末端102および第2の末端104の間に延在する軸に沿って伸びることおよび収縮することができる。第1の末端102および第2の末端104は、作動させる装置に末端を取り付け可能とするために、任意の公知の固定要素を含みうる。末端102および104は、例えば、それらを作動装置にボルト締めさせるためのループを含むか、あるいはそれらをネジ穴に、または嵌合ナットもしくは他の内部にネジ山がつけられた要素を使用して接続させることを可能にする、ネジ山をつけた棒を含みうる。

本発明のいくつかの態様によれば、アクチュエータ本体は、軸に対して横方向に加えられる膨張力に反応して軸に沿ってアクチュエータを収縮させるように適合された制限部品を含みうる。制限部品は、例えば、ファイバ、コード、ケーブル、シートもしくは機械的リンク機構、または機械的リンク機構およびファイバ、コード、ケーブルもしくはシートの組み合わせから構築されうる。

本発明のいくつかの態様によれば、アクチュエータ本体110は、第1の末端102および第2の末端104の間に延在する軸に沿ってまたは軸と平行に配置される、可撓性を有するが非伸長性である1つまたは複数のファイバ124を含む制限部品を含みうる。ファイバ124の1つまたは複数は、末端102および104のそれぞれに直接的にまたは間接的に接続されうる。ファイバ124は、流体がキャビティまたはチャンバ内に注入されるときにアクチュエータ100の長さが伸びるのを防ぐために用いられうる。一方で、ファイバ124は、アクチュエータ100を末端と末端との間に延在する軸に対して横方向に放射状に膨張させて、アクチュエータを収縮させ末端102および104を共に軸方向に引き寄せることを可能にする。ファイバ124は、アクチュエータ本体110を形成する可撓性材料内に埋め込まれるか、あるいはアクチュエータ本体110を形成する材料の少なくとも1つの層の外側に配置されうる。本発明のいくつかの態様によれば、ファイバは、ケブラー（商標）ファイバ、コードもしくはケーブル、金属ケーブル（例えば、スチールケーブル）、または可撓性を有するが実質的に非伸縮性である他の材料でありうる。ケーブルまたはファイバに加えて、ファイバ材料もファブリック構造またはシート構造内に編み込まれうる。

流体制御システムは、アクチュエータ100内で流体の流れを制御するために提供されうる。注入口120は、アクチュエータ100の内部のキャビティ内への流体の注入を可能にするホースもしくは他の導管を接続するための注入管120または接続部の形で提供されうる。弁または他の流体流制御要素が、アクチュエータ100に出入りする流体の流れを制御するために注入口に結合されうる。いくつかの態様によれば、流体は、空気などの気体、または水もしくは作動液などの液体でありうる。不活性ガスなどの他の気体または液体は、環境に応じて用いられうる。

作動中、圧力下の流体は、アクチュエータ本体110の中心キャビティまたはチャンバ内に流入可能となり、それを本体110の軸に対して横方向に放射状に膨張させることができる。膨張は、ファイバも同様に放射状に膨張させ、ファイバの末端と末端の間の距離を短縮し、図1Bに示すように本体110の長さを軸に沿って収縮させる。流体が放出されるあるいはアクチュエータ本体110の中心キャビティまたはチャンバから漏出可能になると、それは、軸に沿って伸び、図1Aに示すようにその初期状態に回復する。本発明によれば、流体は、例えば、空気および水を含む、任意の気体または液体でありうる。所与の用途のために選択される流体は、必要とされる環境および力に応じて選択されうる。

本発明のいくつかの態様によれば、アクチュエータ本体110は、アクチュエータ本体材料内に組み込まれた1つまたは複数の感知要素を含みうる。感知要素は、アクチュエータ本体110の物理的寸法の変化を報告するために使用することができる部品でありうる。

本発明のいくつかの態様によれば、感知要素は、アクチュエータ本体110が膨張するときに電気抵抗が変化する伝導性液体を含む、アクチュエータ本体110に埋め込まれた1つまたは複数のマイクロチャネル130を含みうる。アクチュエータ本体110が収縮および伸長するときの抵抗の変化を測定するために、マイクロチャネル130の末端にワイヤが接続されうる。いくつかの態様によれば、マイクロチャネル130は、アクチュエータ本体110の少なくとも一部分の周りにおよびアクチュエータ本体110の少なくとも一部分に軸方向に沿って延在する渦巻状またはらせん状に形成されうる。いくつかの態様によれば、2つ以上のマイクロチャネル130が設けられ得、これらのマイクロチャネルは、アクチュエータ本体110の任意の層に設けられ得る。

図2は、本発明のいくつかの態様によるアクチュエータ100において提供されうる層を描く図である。このような態様において、アクチュエータ本体110は、3層以上の可撓性材料の層から構築されうる。最も内側の層である層1 212は、注入口120に接続されうるエアチャンバ222を囲みうる。層1 212は、エラストマーから形成され、かつエアチャンバ222の周りにらせん状または渦巻状に形成されるマイクロチャネル232など1つまたは複数のマイクロチャネルを含みうる。いくつかの態様によれば、マイクロチャネル232は、非毒性の伝導性液体、例えば、共晶ガリウム-インジウム（eGaIn）または共晶ガリウム-インジウム-スズ（Galinstan）で充填されうる。第2の層または中間層である層2 214は、アクチュエータの軸に対して平行に延在する、可撓性を有するが非伸長性であるファイバ224を含み、アクチュエータ本体110の両末端102、104で固定されうる。ファイバ224は、示すように可撓性材料中に埋め込まれうるか、または単に内側層である層1 212と外側層である層3 216の間に配置されうる。外側層である層3 216は、エラストマーから形成され、かつ層2 214またはファイバ224の周囲にらせん状または渦巻状に形成されるマイクロチャネル234など、1つまたは複数のマイクロチャネルを含みうる。マイクロチャネル232と同様に、マイクロチャネル234もまた、非毒性の伝導性液体、例えば、共晶ガリウム-インジウム（eGaIn）または共晶ガリウム-インジウム-スズ（Galinstan）で充填されうる。アクチュエータが膨張および弛緩するときの伝導性液体の電気抵抗の変化を制御システムが測定できるように、示していないが、ワイヤが、マイクロチャネルの各末端に接続され、伝導性液体と電気的に接触しうる。

作動中、アクチュエータが収縮すると、内側層（層1 212）と外側層（層3 216）の両層における液体金属を含有するマイクロチャネル232およびマイクロチャネル234は、図3Bに示すように伸展し、液体伝導体の電気抵抗が増大する。この抵抗の変化は、2つ以上の変位での抵抗を実験的に測定し、間にある位置を推定または外挿することにより、アクチュエータの軸方向変位（アクチュエータの収縮）を決定するために使用することができる。

空気圧式アクチュエータ100、200の作動は、内側マイクロチャネル332および外側マイクロチャネル334の動きに対する圧縮空気（または流体）の差動効果を評価することにより、よりよく理解されうる。アクチュエータの2つの末端が固定されているときに、圧縮空気がエアチャンバに入ると、筋肉の全体的な形状はほとんど同じ状態のままだが、エアチャンバの圧力は増大する。この結果、内側層（層1 312）は、内部空気圧により押し出されるが、それと同時に、ファイバ324により圧迫される。ファイバ324は、内側マイクロチャネル332の特定の領域のみを覆う。ファイバ324により覆われる（例えば、交わる）内側マイクロチャネル332のそのような領域は、圧縮および変形される。図3Aを図3Bと比較されたい。全体的な効果は、内側層（層1 312）の内側マイクロチャネル332の電気抵抗の増大である。しかしながら、外側マイクロチャネル334は伸長も圧縮もされていないことから、このマイクロチャネルの電気抵抗はほとんど変化しない。筋肉に対する負荷が非常に低いインピーダンスである場合、2つのマイクロチャネルの抵抗の増加はほとんど同じであるが、負荷がより高いインピーダンスである場合、2つのマイクロチャネルは、異なる反応を示し、内側マイクロチャネルの抵抗の増大がより大きい。したがって、これら2つのマイクロチャネルを用いると、システムは、収縮長、負荷、および収縮力を同時に決定することができる。

本発明のいくつかの態様によれば、外側マイクロチャネル334は、アクチュエータ100の長さの変化を測定するために使用することができ、そして、内側マイクロチャネル332は、アクチュエータ100の収縮力の変化を測定するために使用することができる。長さおよび力の変化が同時に起こる場合、内側マイクロチャネルは伸長と圧縮の両方を同時に経験することから、収縮力を測定するために、外側マイクロチャネル334のセンサシグナルが、内側マイクロチャネル332のものから差し引かれうる。

本発明のいくつかの態様によれば、アクチュエータ100の力および変位は、アクチュエータ100に空気圧を加えた時の収縮力を測定する付属設備中にアクチュエータ100を置くことにより、実験的に測定されうる。第2の末端104を固定し、第1の末端102をバネばかりなどのスケールに取り付けることにより、異なる量の圧力が加えられるときのアクチュエータの力および長さが測定されうる。2つ以上のデータ点を用いて、力および変位は実験データから決定されうる。

図4は、本発明のいくつかの態様による、エラストマーアクチュエータ本体110中に埋め込まれたらせん状マイクロチャネルを作製するための製造工程の一例を図示する。らせんの巻き数は、感度を選択するために用いることができ、巻きが多くなるとより高い感度がもたらされる。本発明のこの態様によれば、エラストマーがその液体状態にあるときに、125マイクロメーターの直径または断面寸法を有する巻き付けられた低摩擦ファイバ（例えば、DyneemaまたはSpectra）を所定の位置に維持し、次いで、エラストマーが硬化したときにファイバを取り除くことにより、チャンネルがエラストマー内に形成されうる。他の態様では、低摩擦ファイバは、50から1000マイクロメーターの範囲の直径または断面寸法を有しうる。

本発明のいくつかの態様によれば、50マイクロメーターから1000マイクロメーターの範囲の断面寸法を有するマイクロチャネルが形成されうる。マイクロチャネル332および334の寸法は、加えられる力の量およびアクチュエータ自体の寸法を含む用途に基づき決定されうる。本発明の一態様によれば、低摩擦ファイバの位置決めのためのガイドとして使用されうるパターンは、図4に示される外型において作製され、マイクロチャネルの位置決めをより一貫性のあるものにすることができる。型は、ステップ4(A)に示すように内部の柱および外型を含みうる。液状のエラストマー材料は、ステップ4(B)で示すように、型の中に注がれあるいは注入され、硬化されうる。硬化したエラストマー層は、図4(C)で示すように型から取り出されうる。外型のらせん状のマイクロチャネルパターンは、ステップ4(D)に示すように、低摩擦ファイバまたはコード（例えば、DSM Dyneema LLC, Stanley, NCから入手できるDyneema、またはHoneywell International, Colonial Heights, VAから入手できるSpectra）などの充填要素または充填材料の挿入のために、硬化した内側チューブ上の位置決めを提供する。低摩擦ファイバを伴う硬化した内側チューブは、ステップ4(E)でより大きな外型内に挿入され、ステップ4(F)でエラストマーの外側層が加えられる。外側層が硬化した後に、4(G)で、完成された層が外型から取り出される（そして、内部の柱が除去される）。低摩擦ファイバは、ステップ4(H)で、完成された層から除去され、導電性液体で充填されるマイクロチャネルを有する完全な層が残されうる。型部品は、例えば、3-Dプリンターを用いて形成することができる。

らせん状マイクロチャネルが埋め込まれたエラストマーチューブの例を図5(A)〜5(D)に示す。図5(A)は、本発明の一態様による、Dyneemaファイバおよびケブラーファイバが埋め込まれた、3D印刷された型の中のエラストマーチューブを示す。図5(B)は、Dyneemaファイバを取り除いた後のエラストマーチューブを示す。図5(C)は、3-D印刷された型からエラストマーチューブを取り出した後のエラストマーチューブを示す。図5(D)は、空気圧式取り付け具、らせん状マイクロチャネル中に注入されたeGaIn伝導性液体、およびeGaIn伝導性液体に接続されたワイヤを有する、本発明の態様によるアクチュエータの例を示す。

本発明による感知アクチュエータはまた、その円筒形状に制限されることなく、自然な筋肉の機能を模倣するために用いられうる。本発明のこの態様は、身体の一部分の周りを囲む材料中に筋肉模倣物が埋め込まれうる用途において、例えば、能動的理学療法および能動的人工装具の用途において用いられうる。本発明によれば、感知アクチュエータは、生物学的筋肉と同様に、実質的に二次元の構成でまたは平板状の構成で形成されうる。平板状の構成は、その弛緩状態のときに実質的に平板状であり、身体に装着される装具またはスーツ中に組み込むことができるような、追加的体積がほとんど追加されない高度にコンパクトなアクチュエータを提供する。

図6Aおよび6Bは、本発明の別の態様による空気圧式アクチュエータ600を示す。この態様は、それがアクチュエータ本体610を作り上げる複数の積み重ねられた層を伴う二次元の平板状の構成を有していることを除いては、図1に示すアクチュエータの構造に類似している。図1Aおよび1Bに示すアクチュエータと同様に、アクチュエータ本体610は、第1の末端602から第2の末端604まで軸に沿って延在する。末端602および604は、作動させるデバイスに末端を確実に固定させることができる固定要素または取り付け要素(示さず)を含みうる。

いくつかの態様によれば、アクチュエータ本体610は、第1の末端602および第2の末端604の間で延在する軸に沿ってまたは軸に平行に配置された、1つまたは複数の可撓性を有するが非伸長性であるファイバ624の1つまたは複数の層を含みうる。1つまたは複数のファイバ624は、末端602および604のそれぞれに直接的にまたは間接的に接続されうる。ファイバ624は、流体がキャビティまたはチャンバ内に注入されるときにアクチュエータ600の長さが伸びるのを防ぐために用いられうる。一方で、ファイバ624は、末端602と604との間で延在する軸に対して横方向に放射状にアクチュエータ600を膨張させて、アクチュエータを収縮させ末端602および604を共に軸方向に引き寄せることを可能にする。ファイバ624は、アクチュエータ本体610を形成する可撓性材料の1つまたは複数の層内に埋め込まれるか、またはチャンバを形成する材料の少なくとも1つの層である、アクチュエータ本体610の層0 611の外側に配置されうる。図6Bに示すように、ファイバ624は、例えば、アクチュエータ本体610の層2a 615および層2b 614内に埋め込まれうる。あるいは、層3a 617が層1a 613に接着されるときおよび層3b 616が層1b 612に接着されるとき、層2a 615および層2b 614を形成する材料は省略され、ファイバ624は適した位置に接着されうる。

流体制御システムは、アクチュエータ600内での流体の流れを制御するために提供されうる。注入口620は、アクチュエータ600の内部のキャビティまたはチャンバ内への流体の注入を可能にするホースまたは他の導管を接続するための注入管または接続部620の形で提供されうる。弁または他の流体流制御要素は、注入口620に結合され、アクチュエータ100に出入りする流体の流れを制御しうる。

図6Bは、本発明の別の態様による空気圧式アクチュエータ600の分解図を示す。最も内側の層は、層の中心に体積ゼロの流体チャンバを含む層0 611である。層0 611は、製造時に二層が接着するのを防ぐ特定の領域を中央に有する、共に接着される2つの平板状の材料シートから形成されうる。平らに押しつぶされる空気袋と同様に、この中央領域は、膨らんでいないときには体積を有さない。しかしながら、圧縮空気などの流体が内部に注入されると、それは膨らみ、固定長のファイバが、図7Aおよび7Bに示すように、ファイバの軸方向に筋肉収縮を作り出す。体積ゼロの流体チャンバは、その弛緩状態でアクチュエータをコンパクトにすることができる。層0中の流体チャンバが体積ゼロであることは必須ではない。

本発明のいくつかの態様によれば、アクチュエータ本体610は、流体チャンバを含む層0 611の上および下に層を含みうる。図6Bに示すように、アクチュエータ本体610は、層0の上に層1a 613、層2a 615および層3a 617を、層0の下に層1b 612、層2b 614および層3b 616を含みうる。本発明のいくつかの態様によれば、これらの層の一部は、アクチュエータの用途に応じて省略されうる。

本発明のいくつかの態様によれば、空気圧式アクチュエータ600の層の1つまたは複数は、層が伸展するときに電気抵抗を変化させて配置および力の感知を可能にする、導電性液体を含有するマイクロチャネル630を含みうる。本発明のマイクロチャネル630を埋め込んだeGaIn またはGalinstan感知層、アクチュエータ600の内側層(層1b 612)および外側層(層3a 617)は、図1A、1Bおよび2の態様のために記載したものと同じ方法で筋肉の収縮長および力変化の両方を検出しうる。本発明のいくつかの態様によれば、マイクロチャネル630は、流体が流体チャンバ内に注入されて層が伸展するときにマイクロチャネルの1つまたは複数の物理的寸法の変化をもたらす、パターンに応じた平板状の材料から形成される。図6Aおよび6Bは、マイクロチャネルが、第1の末端602の近くから第2の末端604の近くまで延在しうる「ジグザグ」パターンを形成するが、アクチュエータ600の軸に対して横方向に、表面の端から端まで前後に横断することを示す。

図7Aおよび7Bは、弛緩状態および膨張状態のそれぞれにおける図6のアクチュエータ600の横断面を示す。図7Aに示すように、アクチュエータ700は、各層が次の層に対して実質的に平行に延在する、実質的に平板状でありうる。図7Bに示すように、流体チャンバが膨らむと、各層は、アクチュエータ本体610の軸に対して横方向に膨張し、層2b 614のファイバ724を層1b 612のマイクロチャネル630に押し付け、その電気抵抗を層3a 617のマイクロチャネル630のものとは異なるように変化させる。これは、層1b 612のマイクロチャネル630が収縮力の変化を測定するのに用いられるようにし、かつ層3a 617のマイクロチャネル630がアクチュエータの長さの変化を測定するのに用いられるようにする。長さおよび力の変化が同時に起こる場合、内側層である層1b 612は伸長と圧縮の両方を同時に経験することから、収縮力を測定するために、外側層である層3a 617のセンサシグナルが、内側層である層1b 612のシグナルから差し引かれうる。

体積ゼロの流体チャンバを作製するための製造工程の一例を図8に示す。図8に示す体積ゼロのエアチャンバを作製するための製造工程は以下を含む：(A)底型を調製する；(B)液体エラストマーを注ぎ、それを硬化させる；(C)硬化したエラストマー上にネガティブマスクを配置する。(D)パターン剥離材料を噴霧する。パターン剥離材料は、マスクしていない領域上に噴霧され、底層が上層に接着してしまうのを防ぐ。(E)マスクを取り除く；(F)底型上に第2の上型を置く；(G)液体エラストマーを注ぐ；および(H)エラストマーの硬化時に上型および底型を取り除く。剥離材料は、チャンバの領域において上層が底層に付着するのを防ぐ。注入口は、例えば、剥離材料を用いる、注入管を設ける、またはチャンバ内を切り取る、穿設する、もしくはくり抜くことのいずれかにより、層内に作製されうる。必要ならば、洗浄液がチャンバ内に導入され、剥離材料を除去しうる。

別の製造方法を図9に示す。パターン剥離スプレーを用いるかわりに、ポジティブマスクが、液体エラストマーがコーティングされるのを防ぐ。体積ゼロの流体チャンバを作製するための図9の別の製造工程は以下を含む：(A)底型を調製する。(B)液体エラストマーを注ぎ、それを硬化させる。(C)ポジティブマスクを置く。(D)液体エラストマーの層をスピンコートする。(E)マスクを取り除く。(F)部分的に焼成する。(G)底層の上に硬化した上層を積層する。(F)エラストマー層の硬化時に型を除去する。図8の方法は注ぐ工程を繰り返すが、図9の方法は2つの硬化した層の接着工程を必要とする。体積ゼロのエアチャンバ用のこれらの製造方法はまた、成型工程および鋳造工程に対する代替として、検知用の体積ゼロのマイクロチャネルを作製するためにも用いられうる。

本発明によるアクチュエータおよびその中間製造段階の一例を図10(A)および10(B)に示す。図10(A)は、完成したデバイスの前面および背面を示す。図10(B)は、3D印刷された型の中で接着させたファイバおよびセンサ層を示す。本発明による一つの完成したプロトタイプの詳細図を図11(A)および11(B)に示す。図11(A)は、ファイバ層上にセンサ層を有する前面を示す。図11(B)は、センサ層の上にファイバ層を有する背面を示す。図10(A)、10(B)および11(A)、11(B)に示すアクチュエータは、単一ユニットの体積ゼロのエアチャンバ、および複数の平板状の層中の埋込型マイクロチャネルを有する。アクチュエータをそれらの軸に沿って直列に接続または製造することにより、複数の平板状アクチュエータの一群が図12に示すように作製されうる。図12に示す例は、25％を上回る収縮の能力を有する。複数の筋肉の直列構成は収縮長を増大させるのに対し、並列構成は、収縮力を増大させるために用いられうる。

図13(A)および13(B)は、特性評価システムの例、および本発明の一態様によるマルチセル型アクチュエータの結果としての特性の例を示す。図13(a)に示すように、特性評価システムは、市販の材料応力/歪みテスターを含むことができ、マルチセル型アクチュエータは、予め定義された圧力（例えば、5、7.5、10、12.5および15 psi）でアクチュエータ内に圧縮空気を注入することにより試験されうる。収縮力および収縮長は、市販の材料テスターを用いて異なる空気圧について測定されうる。図13(b)は、各空気圧値に対する力曲線および収縮曲線を含む特性結果を示す。

図14A、14Bおよび14Cは、本発明のいくつかの態様によるエラストマー材中のらせん状マイクロチャネル1330を形成するための別の方法の図を示す。この方法では、らせん状チャネルは、図13Aに示すように実質的に真っ直ぐかつ平板状の層において作られうる。マイクロチャネルは、マイクロチャネルを有するベース層を成型し、次いで、その上に層を接着させることにより、または上記のDyneemaファイバまたはSpectraファイバなどの低摩擦ファイバを用いて層を成型することにより、形成されうる。マイクロチャネル層が硬化した後、それは、図14Bに示すように、内型の周りにらせん状または他の様式で巻き付けられ、外型内に挿入される。液体エラストマーが、型のキャビティ内に注がれるまたは注入される際に、非伸長性ファイバ1324は型の中の適所に保持され、その結果マイクロチャネル1330および非伸長性ファイバ1324の両方を含む層が形成されうる。硬化後、図14Cに示すように、結果として生じるチューブ状部品が型から取り出され、本発明による空気圧式アクチュエータを構築するために用いられうる。第2のマイクロチャネル1330をもたらす外側層は、チューブ状部品の周りに第2のマイクロチャネル層を巻き付け、液体エラストマーを注ぐか注入し、図14Bに示す方法と同様に外側層を形成することにより、図13Cに示す結果として生じるチューブ状部品に付加されうる。

他の態様が本発明の範囲または精神の範囲内にある。さらに、上記説明は本発明に言及しているが、該説明は複数の発明を含みうる。

Claims (28)

1. 第1の末端から第2の末端まで軸に沿って延在するチャンバと、
   流体がチャンバ内に注入されることを可能にするようにチャンバに接続された注入口と、
   第1の末端および第2の末端に結合した複数の可撓性ファイバと、
   第1の末端から第2の末端まで軸に沿って延在しかつアクチュエータに結合し、それによって、流体がチャンバ内に注入されてチャンバを膨張させた場合に第1のセンサ層の膨張が引き起こされる、第1のセンサ層と
   を含み、
   該第1のセンサ層が、アクチュエータの一部分に沿って延在する、導電性液体を含有する第1のマイクロチャネルを含み、それによって、第1のセンサ層の膨張が、第1のマイクロチャネルの少なくとも1つの寸法の変化、および第1のマイクロチャネル中の導電性液体の電気抵抗の変化をもたらす、
   弾性材料から形成された空気圧式アクチュエータ。
2. 弾性材料が実質的に円筒状の本体を形成する、請求項1記載の空気圧式アクチュエータ。
3. 第1のセンサ層が、チャンバを取り囲む円筒を形成し、かつ複数のファイバが、第1のセンサ層を取り囲む円筒を形成する、空気圧式アクチュエータであって、かつ複数のファイバを取り囲む円筒状に形成される第2のセンサ層をさらに含み、
   該第2のセンサ層が、アクチュエータの一部分に沿って延在する、導電性液体を含有する第2のマイクロチャネルを含み、それによって、第2のセンサ層の膨張が、第2のマイクロチャネルの少なくとも1つの寸法の変化、および第2のマイクロチャネル中の導電性液体の電気抵抗の変化をもたらす、
   請求項2記載の空気圧式アクチュエータ。
4. 弾性材料が、第1の面および第2の面を有する実質的に平板状の本体を形成する、請求項1記載の空気圧式アクチュエータ。
5. 複数のファイバが、平板状の本体の第1の面に接着されたファイバ層の一部を形成する、請求項4記載の空気圧式アクチュエータ。
6. 第1のセンサ層が、平板状の本体の第1の面に接着されたファイバ層に接着された層を形成する、請求項5記載の空気圧式アクチュエータ。
7. 第1のセンサ層が、平板状の本体の第2の面に接着された層を形成する、請求項4記載の空気圧式アクチュエータ。
8. 複数のファイバが、平板状の本体の第2の面に接着された第1のセンサ層に接着された層を形成するファイバ層の一部を形成する、請求項7記載の空気圧式アクチュエータ。
9. 平板状の本体の第1の面に接着された、第1の末端および第2の末端に結合した複数の可撓性ファイバを含む第2のファイバ層と、
   第2のファイバ層に接着され、それによって、流体がチャンバ内に注入されてチャンバを膨張させた場合に第2のセンサ層の膨張が引き起こされる、第2のセンサ層と、
   をさらに含み、
   該第2のセンサ層が、アクチュエータの一部分に沿って延在する、導電性液体を含有する第2のマイクロチャネルを含み、それによって、第2のセンサ層の膨張が、第2のマイクロチャネルの少なくとも1つの寸法の変化、および第2のマイクロチャネル中の導電性液体の電気抵抗の変化をもたらす、請求項8記載の空気圧式アクチュエータ。
10. 第1の末端から第2の末端まで軸に沿って延在するチャンバを形成する第1の層と、
    流体がチャンバ内に注入されることを可能にするようにチャンバに接続された注入口と、
    第1の末端および第2の末端に結合した複数の可撓性ファイバを含む、第2の層と、
    第1の末端から第2の末端まで軸に沿って延在しかつアクチュエータに結合し、それによって、流体がチャンバ内に注入されてチャンバを膨張させた場合に第1のセンサ層の膨張が引き起こされる、第1のセンサ層と
    を含み、
    該第1のセンサ層が、アクチュエータの一部分に沿って延在する、導電性液体を含有する第1のマイクロチャネルを含み、それによって、第1のセンサ層の膨張が、第1のマイクロチャネルの少なくとも1つの寸法の変化、および第1のマイクロチャネル中の導電性液体の電気抵抗の変化をもたらす、
    弾性材料から形成された空気圧式アクチュエータ。
11. 第1の層が、実質的に平面の弾性材料から形成され、かつ第1のセンサ層が、実質的に平面の弾性材料から形成される、請求項10記載の空気圧式アクチュエータ。
12. 第1の層が、第1の面および第2の面を含み、かつ第2の層が、第1の層の第1の面に接着され、かつ第1のセンサ層が、第1の層の第2の面に接着されている、空気圧式アクチュエータであって、
    第1の末端から第2の末端まで軸に沿って延在しかつアクチュエータに結合し、それによって、流体がチャンバ内に注入されてチャンバを膨張させた場合に第2のセンサ層の膨張が引き起こされ；かつ該第2のセンサ層が、アクチュエータの一部分に沿って延在する、導電性液体を含有する第2のマイクロチャネルを含み、それによって、第2のセンサ層の膨張が第2のマイクロチャネルの少なくとも1つの寸法の変化、および第2のマイクロチャネル中の導電性液体の電気抵抗の変化をもたらす、第2の層に接着された第2のセンサ層と、
    第1の末端および第2の末端に結合した複数の可撓性ファイバを含む、第1のセンサ層に接着された第3の層と
    をさらに含む、請求項10記載の空気圧式アクチュエータ。
13. 第1の表面を有する、弾性材料の第1の層を成型する工程と、
    流体チャンバを画定するために、第1の表面上に、予め定義したパターンで剥離材料を塗布する工程と、
    剥離材料を含有する第1の表面に弾性材料の第2の層を接着させ、それによって、第2の層が、第1の表面の剥離材料が塗布された領域を除いて第1の表面に接着する工程と、
    アクチュエータの一部分に沿って延在する、導電性液体を含有する第1のマイクロチャネルを含む第1のセンサ層を第2の層に接着させ、それによって、第1のセンサ層の膨張が、第1のマイクロチャネルの少なくとも1つの寸法の変化、および第1のマイクロチャネル中の導電性液体の電気抵抗の変化をもたらす工程と
    を含む、空気圧式アクチュエータを作製する方法。
14. 第1の層の第1の表面上にネガティブマスクを配置する工程と、ネガティブマスク上に剥離材料を塗布する工程とをさらに含む、請求項13記載の方法。
15. 弾性材料の第2の層を接着させる工程が、第1の層の第1の表面上に弾性材料の第2の層を成型することを含む、請求項13記載の方法。
16. 第1の表面を有する、弾性材料の第1の層を成型する工程と、
    第1の末端から第2の末端まで軸に沿って延在する流体チャンバを画定するために、第1の表面上に、予め定義したパターンで剥離材料を塗布する工程と、
    剥離材料を含有する第1の表面に弾性材料の第2の層を接着させ、それによって、第2の層が、第1の表面の剥離材料を塗布した領域を除いて第1の表面に接着する工程と、
    第1の末端から第2の末端まで軸に沿って延在する複数の可撓性ファイバを含む第3の層を第2の層に接着させる工程と
    を含む、空気圧式アクチュエータを作製する方法。
17. 第1の層の第1の表面上にネガティブマスクを配置する工程と、ネガティブマスク上に剥離材料を塗布する工程とをさらに含む、請求項16記載の方法。
18. 弾性材料の第2の層を接着させる工程が、第1の層の第1の表面上で弾性材料の第2の層を成型することを含む、請求項16記載の方法。
19. 第1の表面を有する、弾性材料の第1の層を形成する工程と、
    流体チャンバを画定するために、第1の表面上に、予め定義したパターンで液体エラストマーの層を塗布する工程と、
    含有する第1の表面上に液体弾性材料の第2の層を接着させ、それによって、第2の層が、液体エラストマーが塗布された領域において第1の表面に接着する工程と、
    アクチュエータの一部分に沿って延在する、導電性液体を含有する第1のマイクロチャネルを含む第1のセンサ層を第2の層に接着させ、それによって、第1のセンサ層の膨張が第1のマイクロチャネルの少なくとも1つの寸法の変化、および第1のマイクロチャネル中の導電性液体の電気抵抗の変化をもたらす工程と
    を含む、空気圧式アクチュエータを作製する方法。
20. 第1の層の第1の表面上にマスクを配置する工程と、マスク上に液体エラストマーの層を塗布する工程とをさらに含む、請求項19記載の方法。
21. 弾性材料の第2の層を接着させる工程が、第1の層の第1の表面上の液体エラストマーの層に硬化した弾性材料の層を接着させることを含む、請求項19記載の方法。
22. 第1の表面を有する、弾性材料の第1の層を形成する工程と、
    流体チャンバを画定するために、第1の表面上に、予め定義したパターンで液体エラストマーの層を塗布する工程と、
    含有する第1の表面上に液体弾性材料の第2の層を接着させ、それによって、第2の層が、液体エラストマーが塗布された領域において第1の表面に接着する工程と、
    第1の末端から第2の末端まで軸に沿って延在する複数の可撓性ファイバを含む第3の層を第2の層に接着させる工程と
    を含む、空気圧式アクチュエータを作製する方法。
23. 第1の層の第1の表面上にマスクを配置する工程と、マスク上に液体エラストマーの層を塗布する工程とをさらに含む、請求項22記載の方法。
24. 弾性材料の第2の層を接着させる工程が、第1の層の第1の表面上の液体エラストマーの層に硬化した弾性材料の層を接着させることを含む、請求項22記載の方法。
25. 埋込型マイクロチャネルを有するベース層を形成する工程と、
    型の中にベース層を配置する工程と、
    液体エラストマーを型内に加え、液体エラストマーを硬化させることにより、空気圧式アクチュエータ内にベース層を成型する工程と
    を含む、空気圧式アクチュエータを作製する方法。
26. ベース層内に低摩擦ファイバを成型し、ベース層を硬化させ、硬化したベース層から低摩擦ファイバを取り除くことにより、ベース層が形成される、請求項25記載の空気圧式アクチュエータを作製する方法。
27. 円形でありかつ内柱を含む型をさらに含む、請求項26記載の空気圧式アクチュエータを作製する方法。
28. 液体エラストマーを加える前に、型の中に可撓性ファイバを配置する工程をさらに含む、請求項25記載の空気圧式アクチュエータを作製する方法。

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