JP2017528661A - 可撓性と伸縮性を有するソフトアクチュエータ用電子歪制限層 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、国防総省により授与された国防高等研究事業局(DARPA)認可番号W911NF‐11‐1‐0094と、全米科学財団により授与された認可番号DMR‐0820484に基づいて、米国政府の助成によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
本明細書内で引用されるすべての特許、特許出願、および特許公開は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本明細書で説明される本発明の時点で当業者に知られた技術水準をより完全に説明するために、これらの刊行物の開示は、参照によりその全体が本出願に組み込まれる。
一体化された電気部品を有するソフトロボットであって、
流体源に連通するように構成された入口を有する、膨張式または折畳み式(collapsible)の本体と、
前記膨張式または折畳み式の本体の一部に固定され、可撓性を有する歪制限層とを備え、
前記歪制限層は、少なくとも1つの電気部品を含むソフトロボット、について記載されている。
1つ以上の実施形態に係るソフトロボットを準備するステップと、
前記膨張式または折畳み式の本体を加圧するか減圧して前記ソフトロボットを作動させるステップと、
前記歪制限層に配置された前記電気部品に入力を与えるステップとを含み、
前記電気部品は、前記入力に応答して、電子またはそれに関連する場に作用し、または、前記電気部品の挙動または物理状態が、電子またはそれに関連する場により変更される。
1つ以上の実施形態では、異なる機能性を有する複数の層を積層して熱接合することにより、作動可能な電子ソフトロボットを作製できる。1つ以上の実施形態では、同時係属中の米国仮出願第61/978573号(2014年4月11日出願)に記載された高スループットの製造方法を用いて、電子ソフトロボットを製造できる。この文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。図1Aに示されているように、空気圧網形状に切断されたTPUシートと共に裏面に熱可塑性ポリウレタン(TPU)設けられた1組のシートを用意し、これらのシートを積み重ねて接合することにより、歪制限層を照らすLEDを含む照明付きソフトアクチュエータが構成される。歪制限層の熱可塑性特性により、層を熱接合できる。さらに、既製のシートは、容易に入手可能であり、さらに廉価でかつ利用しやすいので、電子ソフトロボットが廉価に製造される。この処理は、極めて急速に、経てばロールツーロール方式で行うことができるので、大量に製造できる。
1つ以上の実施形態では、成型処理を用いて、作動可能な電子ソフトロボットを作製できる。伸長性エラストマー材料を型に鋳造して、可撓性と伸縮性を有し、空気圧、液圧、または減圧(真空引き)により作動するネットワークを生成する。このネットワークは、非伸長性や最小限に伸長可能な歪制限層を有する一面に裏付けされており、電子部品を歪制限層に組み込む。幾つかの実施形態では、歪制限層は、適度な歪みに適応できる(例えば、35%未満、40%超過、または50%超過、または0.1以上50%以下、および、本明細書において示される値のいずれかに制限する任意の範囲)。
一般的に導電性を得るために用いられる商品材料(ワイヤ、導電メッシュ、束状の導電ファイバなど)を、埋込み型電気部品に接続するためにソフトアクチュエータに組み込むことができる。電子ソフトロボットは、さまざまな従来のワイヤや、直線のワイヤ導線、ジグザクパターンのワイヤ導線、蛇行パターンの(曲がりくねった)ワイヤ導線、コイル状パターンのワイヤ導線、金属繊維束および金属メッシュなどの他の導電材料を含んでいてもよい。2014年6月6日に出願した同時係属中の仮出願第62/009084号を参照されたい。同仮出願には、導電性複合材料の金属繊維の利用に関してさらに詳しく述べられている。同仮出願の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
蛇行パターンのワイヤを堆積させることは、1つ以上の実施形態による、エラストマー材料と剛体導体との間に生じる剛性の不整合を吸収する1つの方法である。この方法を利用して、装置が作動中に伸縮する歪制限層上の電子構造物を生成できる。図6Aから図6Dは、ソフトアクチュエータ上の電気デバイスが金の蛇行パターンを用いて配線されているさまざまな態様を示す図である。図6Aは、伸長性を有する空気圧層と非伸長性の歪制限層とを含むソフト屈曲式アクチュエータの断面図である。図6Bは、ワイヤを歪制限層に堆積させることを示す概略図である。最初にシャドーマスクをソフトアクチュエータの歪制限層の上に置く。次に、クロム接着層を、続いて金の導電膜を熱蒸発させることにより、ワイヤが堆積する。図6Cは、熱蒸発処理後のソフトアクチュエータの歪制限層上の蛇行パターンを示す図である。この例では、硬質の電気部品(マイクロコントローラ、電磁石、慣性計測装置、電荷結合デバイスなど)が、剛性を有する電気デバイスの下に配置されたエラストマーの伸長性を制限するポリイミド歪絶縁層を用いて、ソフトアクチュエータに装着される。例えば、図6Dを参照されたい。
1つ以上の実施形態では、歪制限層が電気部品の積み重ねられた層を収容でき、この層は、キャパシタとして機能してもよい。キャパシタは、タッチセンサとスピーカを含む幾つかの種類の電気デバイスの機能を有していてもよい。電子部品の多層または多段の配置により、電子デバイスの空間要件がさらに減少する。電気部品の多層配置を、図7Aから図7Dを参照しつつ説明する。この例では、2層の導電インクがソフトアクチュエータに堆積され、歪みセンサ、スピーカ、マイクロフォン、タッチセンサ、機械的変換器、キャパシタ、または圧力センサとして利用可能な構造を生成する。伝導性の液体およびゲル(共晶ガリウム‐インジウム(eGaIn)、炭素グリース、ヒドロゲル、イオン性液体など)を、ソフト電子機器を構成するために利用できる。図7Aは、ソフトアクチュエータの非伸長性層上のリソグラフィ的にパターン化された、蛇行して延びるワイヤの平面図と、伸長性を有する空気圧層と非伸長性の歪制限層とを含むソフトアクチュエータの断面図とである。蛇行して延びるワイヤが、歪制限層の外向きの表面に示されている。図7Bは、例えば変換器または容量センサとして機能可能な導電要素を生成するための伝導性インクの押出印刷を示す図である。伝導性インクは、ソフトアクチュエータより上に載置されている加圧シリンジから歪制限層に塗布可能である。図7Cは、生産工程における、ワイヤおよび押出加工されたインクが硬化性エラストマーでコーティングされる次のステップを示す図である。このステップは、パターンをアクチュエータに貼り付けるために押出加工されたパターンを封入し、その電気的接続をワイヤに固着し、最終的なソフト電子機器の伝導性インクの2層を分離することになる誘電材料を設ける働きをする。最後に、前述したような方法で、導電要素の2層を歪制限層に加えることができる。図7Dは、第2のワイヤ、伝導性インク層、およびエラストマー層を追加した後の装置(完成品)を示す側面図である。
ソフト電子機器を構成するための液体を堆積させる別の方法は、全方向印刷(omnidirectional printing)である。図8Aから図8Cは、全方向印刷を用いてソフトアクチュエータの歪制限層に歪みゲージを生成する方法を示す図である。図8Aは、ソフトアクチュエータの伸長性層を示す図である。この伸長性層は、空気圧チャンバを画定する空間から離間した位置に設けられた、伸長性材料の薄い対向層を含む。図8Bでは、未硬化のエラストマー層が、伸長性層の伸長性材料の薄い対向層にわたって堆積し、伝導性のインクパターンが、未硬化のエラストマーの層内で押出印刷されている。このインクが未硬化のエラストマーと同じ密度であれば、インクはエラストマー内で中立的に浮遊する。その結果、未硬化のエラストマーにインクを押出加工すると、インクは沈みも浮かびもせず、エラストマーにインクの複雑な3次元パターンを印刷できる。次に、未硬化のエラストマーを硬化させ、歪制限層に導電性トレースを固定する。エラストマーが硬化すると、エラストマーのゴム様ブロックに閉じ込められた3Dインク構造が得られる。図8Cは、エラストマーを硬化させた後の装置の断面図と底面図である。装置は、空気圧チャンバを画定する空間から離間した、伸長性材料の薄い対向層から構成される低伸長層と、全方向印刷を用いて堆積させた導電性トレースと、硬化エラストマーの保護膜とを含む。ワイヤが導電インクの埋込み型チャネルの端部に挿入され、歪みゲージが埋込まれたソフトアクチュエータの完成品を生成する。全方向印刷は、Adv Mater 2014に記載されている。同文献の内容は、参照により本願に組み込まれる。
電気粘着は、電気的に制御された収斂性の接着技術であり、基板に対して可逆的でかつ接着剤を用いない結合が要求されることが多い用途(例えばグリッピング)で用いられる。典型的な電気粘着パッドは、誘電材料の表面にパターン化されている2つのインターディジテイテッド電極からなる。図9Aから図9Dは、レーザによる直接的描画製造処理を用いた、埋め込み電気粘着パッドを有するソフトアクチュエータの製造方法を示す図である。図9Aは、銀ナノ粒子溶液に部分的に浸漬されているプラズマ処理されたエラストマーシートを示す図である。次に、銀ナノ粒子をその界面で焼結し、粒子を弾塑性シートに固着させるために、レーザ光線をエラストマーシートと溶液との界面の焦点に導入する。所望の電極パターンを生成するために、レーザ光線の焦点を界面全体に走査する。図9Bは、パターン化されたエラストマーシートの上面図である。分解図は、インターディジテイテッド電極のフィンガを示す。図9Cでは、適切な電気粘着パッドの機能に必要とされる誘電層を生成するために、薄いエラストマー層を電極の表面に付加する。図9Dにおいて、最後に、弾塑性シートをソフトアクチュエータの伸長層に装着し、装置を充電するために、2つの電極にワイヤを装着する。レーザ焼結を介したPDMS上の金属パターン化は、J Micromech Microeng 21, 095018(2011)に記載されている。同文献の内容は、参照により本願に組み込まれる。
座屈した金属フィルムの生成は、エラストマー材料と剛性導体との剛性の不整合に適応する別の方法である。典型的に、座屈フィルムの作成は、機械的に伸長したエラストマー基板にフィルムを堆積させる(熱膨張したフィルムへの堆積も含まれる)ことにより達成される。フィルムを取り付けた後、エラストマー基板上の伸長応力を除くと、基板が収縮可能となり、堆積したフィルムが座屈する。図10Aから図10Fは、一軸方向に歪んだPDMSエラストマーシートに材料をリソグラフィ的にパターン化することにより、座屈ワイヤの製造を示す図である。図10Aは、例えば縁部を締着しシートを伸長することにより、機械的に歪んだエラストマーシートを生成する方法を示す。図10Bに示すように、付着したフィルムのパターンを画定するために、例えばシャドーマスクを用いて歪んだシートをマスキングしてもよい。次に、PDMSシートの露出領域を金属でコーティングしてもよい。図10Cは、まずエラストマーをプラズマ処理し、次に、金とパラジウムをサンプルにスパッタコーティングすることを示している。次に、この機械的に加えられた歪みを解放すると、エラストマーシートが収縮可能となり、図10Dの平面図と側面図に示すように、導電性の被覆が座屈する。次に、更なる電気部品を歪みのないPDMS層に取り付ける。図10Eは、ポリイミド製の歪絶縁層を用いてソフトアクチュエータに装着された硬質の電気部品を示す。最後に、図10Fでは、歪制限層をより伸長性の高い空気圧層に取付けて、最終的なソフト電子機器アクチュエータを形成する。
伸縮可能な電子機器は、一時的な支持構造物(導線、半導体、絶縁体など)に材料を堆積させ、続いてその材料をエラストマーに封入することにより、製造可能である。この方法を用いて、光電池センサが埋込まれたソフトアクチュエータを生成する。図11Aを参照する。エラストマーマスクをポリカーボネートのフィルタ膜の表面に付着させ、堆積する第1の材料のパターンを画定する。次に、金のナノワイヤの分散体をマスク上に注入し、フィルタ膜により濾過する。この処理により、金のナノワイヤに残る分散液の液相を除去する。次に、金のナノワイヤ・フィルムをエタノールで完全に洗浄する。図11Bは、第2のマスクを利用した酸化亜鉛(ZnO)のナノワイヤの塗布を示す。この第2のマスクを金のパターンの頂部に位置合わせし、続いて、酸化亜鉛ナノワイヤの分散体を塗布し、次にエタノールで洗浄する。図11Cでは、金と酸化亜鉛ナノワイヤのパターンをエラストマーに封入するために、未硬化のエラストマーをフィルタ膜に注入する。次に、このエラストマーを硬化させ、得られるエラストマーシートをフィルタ膜から剥離する。最後に、図11Dに示すとおり、ナノワイヤがパターン化されたエラストマーシートの側面図と平面図が示されているが、複数の光センサを形成する。このエラストマーシートをソフトアクチュエータの伸長層に付着させ、最終的なソフト電子機器アクチュエータを形成する。
可撓性および/または伸縮性を有するソフトバッテリとスーパーキャパシタを記載してきたが、これらはソフトロボットの低伸長層に組み込まれてもよい。軟質の機械(ポンプ、センサ、電磁弁、ニチノール製アクチュエータなど)に関連付けられる装置に電力を供給するために、これらのエネルギー蓄積装置をソフトアクチュエータの歪制限層に埋込むことができる。図12Aと図12Bは、ソフトアルカリ蓄電池をソフトアクチュエータに組み込む方法を示す。図12Aでは、4つのソフトバッテリ(ソフトバッテリの数は任意である)が利用されており、ソフトアクチュエータの歪制限層において並列接続されている。これらのバッテリを、最初に個別に構成し、次に、ソフトアクチュエータの伸長層に共に配線して搭載してもよい。次に、バッテリと電気接続部を剛性の高いエラストマーに封入して、電気歪制限層を形成する。図12Bは、水酸化カリウム塩橋を備えた過酸化マグネシウム(MgO2)カソードと亜鉛アノードからなる例示的なソフトバッテリの構成を示す図である。
圧力センサと温度センサは、ソフトグリッパまたはソフト義手/義足に利用してもよい。例えば、LEDストリップのソフトアクチュエータへの組み込みに関して記載されている方法と類似の方法で、既製品である圧力センサと温度センサを、ハンド状ソフトロボット(または他のソフトロボット)に組み込むことができる。圧力センサは、装置のグリップ力に関する情報を提供することができ、温度センサは、接触面の温度に関する情報を提供することになる。
例えば、特定の組成について言及する場合、その組成は、実際には、完全ではないが実質的には純粋なものとすることができ、現実に不完全な組成が適用されてもよく、例えば、少なくとも微量不純物(1%または2%未満など)が存在していても、本願明細書の範囲内であると考えることができる。同様に、特定の形状について言及する場合、その形状には、例えば、製造公差に起因して理想的な形状から外れたばらつきが存在していてもよい。本明細書で表現される百分率または濃度は、重量または体積のいずれで表されてもよい。
Claims (29)
- 一体化された電気部品を有するソフトロボットであって、
流体源に連通するように構成された入口を有する、膨張式または折畳み式の本体と、
前記膨張式または折畳み式の本体の一部に固定され、可撓性を有する歪制限層とを備え、
前記歪制限層は、少なくとも1つの電気部品を含む、
ソフトロボット。 - 前記歪制限層は非伸長性である、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記歪制限層は、35%未満、または40%未満、または50%未満の歪み、例えば0.1以上50%以下の歪みに適応可能である、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記電気部品は、電圧、電流、またはインピーダンスを測定できる装置を含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記電気部品は、電気信号を増幅、減衰、フィルタリング、またはスイッチングできる装置を含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記電気部品は、供給された電圧および/または供給された電流の変化に応じて機械的または電気的な仕事をすることが可能な装置を含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記電気部品は、供給された電圧および/または供給された電流の変化に応じて放射線を放出する装置を含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記電気部品は、供給された電圧および/または供給された電流の変化に応じて温度を変化させる装置を含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記歪制限層は2つ以上の層で構成され、前記電気部品は少なくとも2つの層に配置されている、
請求項1から8のいずれか1項に記載のソフトロボット。 - 前記電気部品であって異なる層にあるものどうしは、ビアを用いて互いに接続されている、
請求項9に記載のソフトロボット。 - 前記電気部品は、キャパシタとして機能するよう構成されている、
請求項9に記載のソフトロボット。 - 前記膨張式または折畳み式の本体は、互いに流体接続された複数の膨張式または折畳み式のチャンバを含み、
入口は、互いに流体接続された複数の膨張式チャンバのすべてまたはサブセットと連通するように構成されている、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記膨張式または折畳み式の本体は、流体加圧時に膨張し、または減圧時に潰れるように構成された1つ以上のエラストマーチャンバを含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記膨張式または折畳み式の本体は、流体加圧時に開口または展開し、減圧時に閉口または折畳まれるように構成された1つ以上の可撓性または伸長性を有するチャンバを含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記膨張式の本体は、成型体である、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記膨張式の本体は、積層体を含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記電気部品は、前記歪制限層の上に配置されたリソグラフィにより画定されたワイヤを含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記電気部品は、蛇行して延びる導線を含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記歪制限層上の電気部品は、座屈した歪制限層に適合するように固定された導電性トレースを含む、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記電気部品は、導線、電極、トランジスタ、光電池、電気化学検出器、バッテリ、スーパーキャパシタ、神経センサ、電気粘着パッド、ディスプレイ、電気機械変換器、スピーカ、マイクロフォン、光検出素子、レーザ距離計、音響距離計、アンテナ、発振器、インダクタ、誘導加熱器、キャパシタ、スーパーキャパシタ、電磁石、抵抗器、抵抗加熱器、リレー、光電池、整流器、ダイオード、ツェナーダイオード、LED、有機LED、CCD、空気圧ポンプまたは油圧ポンプ、電気活性式ダイヤフラムバルブ、ソレノイドバルブ、マイクロコントローラ、論理回路、増幅器、演算増幅器、スイッチ、グローバルポジショニングシステム、ホイートストンブリッジ、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、RFIDタグ、スパーク発生器、電力インバータ、アナログ‐デジタル変換器、サーマル撮像素子、およびセンサから選択される、
請求項1から19のいずれか1項に記載のソフトロボット。 - 前記センサは、熱センサ、歪センサ、化学センサ、生物センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス(MEMS)磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、pHセンサ、堆積センサ、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、VXガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、タブンセンサ、ソマンセンサ、ホスゲンセンサ、塩素ガスセンサ、爆発物探知機、アセトンセンサ、硝酸カリウムセンサ、過塩素酸カリウムセンサ、アンモニアセンサ、麻薬センサ、金属探知機、放射線検出器、および電流センサのうち1つ以上である、
請求項20に記載のソフトロボット。 - 前記歪制限層に組み込まれた電気部品は、トランジスタ、オーディオスピーカ、ソフト歪みセンサ、静電容量式タッチセンサ、LED、神経センサ、圧力/温度センサ、バッテリ、または電気粘着デバイスとして機能するように構成されている、
請求項1から19のいずれか1項に記載のソフトロボット。 - ソフトロボットを操作する方法であって、
請求項1から22のいずれか1項に記載のソフトロボットを準備するステップと、
前記膨張式または折畳み式の本体を加圧するか減圧して前記ソフトロボットを作動させるステップと、
前記歪制限層に配置された前記電気部品に入力を与えるステップとを含み、
前記電気部品は、前記入力に応答して、電子またはそれに関連する場に作用し、または、前記電気部品の挙動または物理状態が、電子またはそれに関連する場により変更される、
方法。 - 前記電気部品は、電圧、電流、またはインピーダンスを測定する、
請求項23に記載の方法。 - 前記電気部品は、電気信号を増幅し、減衰し、濾波し、あるいは切替える、
請求項23に記載の方法。 - 前記電気部品は、供給された電圧および/または電流の変化に応じて、機械的または電気的な仕事を行う、
請求項23に記載の方法。 - 前記電気部品は、供給された電圧および/または電流の変化に応じて放射線を放出する(例えばLEDである)、
請求項23に記載の方法。 - 前記電気部品は、供給された電圧および/または電流の変化に応じて、温度を変化させる、
請求項23に記載の方法。 - 前記電気部品は、トランジスタ、オーディオスピーカ、ソフト歪みセンサ、静電容量式タッチセンサ、LED、神経センサ、圧力サーマルセンサ、バッテリ、または電気粘着デバイスとして機能する、
請求項23に記載の方法。
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