JP2021166870A - フックとループの人工筋肉 - Google Patents

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Abstract

【課題】分離型人工筋肉ファスナ及び分離型人工筋肉ファスナを製造する方法を提供する。
【解決手段】分離型人工筋肉ファスナを製造する方法は、人工筋肉繊維の1つ以上の筋肉ループを、1つ以上の筋肉ループの少なくとも一部が基材から延出するように、基材に固定すること、人工筋肉繊維をアニール処理して、1つ以上の筋肉ループを保持すること、及び1つ以上の筋肉ループの一部を切り取って、1つ以上の筋肉ループを1つ以上の筋肉フックに変化させることを含む。1つ以上の筋肉フックが1つ以上のホルダと係合しているときに、1つ以上の筋肉フックを作動させることで、1つ以上の筋肉フックを1つ以上のホルダから離脱させるようにする。
【選択図】図1

Description

捩れ構造を持つポリマやカーボンナノチューブ(CNT)の線維及び糸を基にした熱駆動の捩り及び引っ張りアクチュエータは、広範囲な用途を有する。人工筋肉アクチュエータは、捩れたおよび/またはコイル化したポリマを含み得、低コスト、高生産量、および設計の簡易性という利点を有する。人工筋肉アクチュエータは、非常に簡単化されたエンジニアリングと製品コストの低廉化とのために、特定の用途において利点を有し得る。
一態様では、本発明の1つ以上の実施形態は、分離型人工筋肉ファスナを製造する方法に関する。本方法は、人工筋肉繊維の1つ以上の筋肉ループを、1つ以上の筋肉ループの少なくとも一部が基材から延出するように、基材に固定すること、人工筋肉繊維をアニール処理して、1つ以上の筋肉ループを保持すること、及び1つ以上の筋肉ループの一部を切り取って、1つ以上の筋肉ループを1つ以上の筋肉フックに変化させることを含む。1つ以上の筋肉フックが1つ以上のホルダと係合しているときに、1つ以上の筋肉フックを作動させることで、1つ以上の筋肉フックを1つ以上のホルダから離脱させるようにする。
別の態様では、本発明の1つ以上の実施形態は、第1の部材と第2の部材とを含む分離型人工筋肉ファスナに関する。第1の部材は、第1の基材と、人工筋肉繊維で作られた1つ以上の筋肉フックとを含む。第2の部材は、第2の基材と、第2の基材に固定された1つ以上のホルダとを含む。1つ以上の筋肉フックが作動すると、1つ以上の筋肉フックが1つ以上のホルダから離脱する。
別の態様では、本発明の1つ以上の実施形態は、第1の部材と第2の部材とを含む回転人工筋肉ファスナに関する。第1の部材は、人工筋肉繊維の作動時に人工筋肉繊維の中心軸の周りを回転する人工筋肉繊維を含み、この中心軸は人工筋肉繊維の長手方向に沿っている。第1の部材は、人工筋肉繊維に放射状に留められた1つ以上のフックを更に含む。第2の部材は、基材と、基材に固定された1つ以上のホルダとを含む。作動時に、人工筋肉繊維が、1つ以上のフックを、1つ以上のホルダに対して回転させて移動させる。
本明細書に開示された1つ以上の実施形態の他の態様及び利点は、以下の説明と添付の特許請求の範囲とから明らかになるであろう。
図1A〜図1Cは、本発明の1つ以上の実施形態による実施態様例を示す図である。 図2A〜図2Bは、本発明の1つ以上の実施形態による追加の実施態様例を示す図である。 本発明の1つ以上の実施形態による人工筋肉デバイスを示す図である。 図4A〜図4Cは、本発明の1つ以上の実施形態による実施態様例を示す図である。 本発明の1つ以上の実施形態によるフローチャートを示す図である。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。整合性のために、個々の図の同様の要素は、同様の参照番号で表記される。
本発明の実施形態の以下の詳細な説明では、本発明のより一層の理解の徹底を期すために、多数の具体的な細部にわたる詳細な説明が行われる。しかしながら、本発明が、これらの細部にわたる詳細な内容を欠いたとしても実施できることは、当業者には明らかであろう。他の例では、説明を不必要に複雑にするのを避けるために、広く知られた特徴は詳細に説明されていない。
全体として、本発明の実施形態は、人工筋肉繊維で作られた分離型人工筋肉ファスナと、分離型人工筋肉ファスナの製造方法とを提供する。
人工筋肉繊維は、撚り紡糸されたポリマ繊維またはナノファイバ糸で作られた繊維であり得る。人工筋肉繊維中の繊維は、人工筋肉繊維の長手方向に対して一定の正味バイアス角を作るように捩られ得る。
人工筋肉繊維に動力を供給すると(すなわち、人工筋肉繊維にエネルギーを供給すると)、人工筋肉繊維は伸張または収縮し、人工筋肉繊維構造の捩れのために、その伸張または収縮が捩り力及び/または張力を生成し得る(すなわち、作動し得る)。人工筋肉繊維に動力を供給するには、放射または電気伝導を通じて人工筋肉繊維に熱エネルギーを供給することが有効である。また一方、人工筋肉繊維には、電力誘導、光吸収、化学反応などの他の方法で動力を供給してもよい。
人工筋肉繊維は、人工筋肉繊維の設計目的である特定の用途に基づいて所望の動きを引き起こすように、設計することができる。この動きの1つの制御法としては、人工筋肉繊維の捩れを決定することによるものがある。人工筋肉繊維が捩れているほど、人工筋肉繊維の作動時に生成され得る動きがより大きくなる。
人工筋肉繊維は、ポリマ系の繊維を含み得るがこれに限定されない。例えば、ナイロン6、ナイロン6,6、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ナイロン6,10、ナイロン6,12、ポリアリレートなどの液晶性ポリマ、及びこれらの組合せを人工筋肉アクチュエータに含めてもよい。人工筋肉繊維は、カーボンナノチューブ(CNT)系材料を含むこともできる。
人工筋肉繊維の幅、素材、捩れ、動きなどの特定の特性は、人工筋肉繊維の設計目的である特定の用途に基づいて変わり得る。
本発明の1つ以上の実施形態では、人工筋肉繊維は、「COILED AND NON−COILED TWISTED NANOFIBER YARN TORSIONAL AND TENSILE ACTUATORS」と題する2015年1月30日に出願された米国特許出願第14/610,905号に開示されている人工筋肉(アクチュエータ)と同様のものであってもよい。この米国特許出願の記載内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明の1つ以上の実施形態は、留めたり外したりを制御できる分離型人工筋肉ファスナを容易に製造するための方法を提供する。この分離型人工筋肉ファスナの製造は、より安価な締結装置を提供することができる。しかも、本発明の1つ以上の実施形態による分離型人工筋肉ファスナは、単に分離型人工筋肉ファスナに供給される動力(例えば、電流)を制御することによって、留める(係合する)か、または外す(離脱する)ことができるので、この分離型人工筋肉ファスナで作った締結機構の制御は、ユーザにとって好ましいものであり得る。
本発明の1つ以上の実施形態では、人工筋肉繊維から1つ以上のループを生じさせるように、人工筋肉繊維を編み、またはコイル化することができる。例えば図1Aに示すように、人工筋肉繊維(102)は、人工筋肉ループ(以下、筋肉ループ(104)と呼ぶ)を作るようにコイル化される。図1Aは、2つの筋肉ループ(104)のみを示す。しかしながら、より多いかまたはより少ない筋肉ループ(104)が存在してもよい。
本発明の1つ以上の実施形態では、人工筋肉繊維(102)を基材に固定してもよい。例えば図1Aに示すように、人工筋肉繊維(102)は、固定用媒体(108)を介して基材(106)に固定されている。固定用媒体(108)は、接着剤の一種、布、テザーなどであってもよい。例えば、人工筋肉繊維(102)を、布または薄膜に部分的に埋め込んでもよい。
別の例では、人工筋肉繊維(102)を、基材(106)内につなげてもよい。釘、ねじなどの他の固定具及び方法を使用してもよいことは、当業者には明らかであろう。
人工筋肉繊維(102)は、固定後に筋肉ループ(104)の少なくとも一部がループ形状を保持するように固定される。本発明の1つ以上の実施形態では、筋肉ループ(104)を、人工筋肉繊維(102)が基材(106)に固定されている間に作成することができる。例えば、人工筋肉繊維(102)を基材につなげるか、または接着して、筋肉ループ(104)を一斉に作成してもよい。
本発明の1つ以上の実施形態では、人工筋肉繊維(102)をアニール処理して、筋肉ループ(104)のループ形状を保持してもよい。1つ以上の実施形態では、人工筋肉繊維(102)を基材(106)に固定する前に、または固定した後で、人工筋肉繊維(102)をアニール処理してもよい。人工筋肉繊維(102)は、少なくとも人工筋肉繊維(102)材料のガラス転移温度よりも高く、かつ融解温度よりも低い温度にアニールすることができる。具体的なアニール温度は、人工筋肉繊維(102)の大きさ寸法や、人工筋肉繊維(102)に使用される材料などの、人工筋肉繊維(102)の特定の特性によって決まる。
本発明の1つ以上の実施形態では、筋肉ループ(104)を局部的に切り取ることによって、筋肉ループ(104)がフック(以下、筋肉フックと呼ぶ)に変えられる。例えば、本発明の1つ以上の実施形態に従って図1Bに示すように、図1Aの筋肉ループ(104)が切断され、筋肉ループ(104)の一部が取り除かれて、図1Bの筋肉フック(110)が作られる。
本発明の1つ以上の実施形態では、筋肉フック(110)が作動されていないとき、筋肉フック(110)はフック形状を有する。しかし、筋肉フック(110)が作動されると、筋肉フック(110)は異なる形状に変わり得る。
筋肉フック(110)は、通常のフック形状に限定されず、ホルダと係合することによってフックと同様に機能し得る他の形状を有してもよいことが当業者には明らかであろう。
本発明の1つ以上の実施形態では、筋肉フック(110)は、第1の本体(例えば、第1の基材)を、1つ以上のホルダを含む第2の本体(例えば、第2の基材)に係合させる(留める)ことができる。例えば、本発明の1つ以上の実施形態に従って図1Bに示すように、筋肉フック(110)は、基材(114)に結合されたループ(112)と係合することができる。このように、筋肉フック(110)は、筋肉フック(110)に結合されている基材(106)を、ループ(112)に結合されている基材(114)に係合させる。
ホルダは、ループ(112)に限定されず、フックであってもよいし、または筋肉フック(110)がホルダと係合することができるようにホルダとして機能する他のいかなる形状を有してもよいことが当業者には明らかであろう。更にホルダには、人工筋肉繊維を用いて導通させることもできる。
本発明の1つ以上の実施形態では、筋肉フック(110)を作動させると、筋肉フック(110)の形状が変わり、変形した筋肉フック(110)がループ(114)から離脱し得る。例えば、本発明の1つ以上の実施形態に従って図1Cに示すように、筋肉フック(110)を作動させると、筋肉フック(110)が開いて(例えば、真っ直ぐになって)ループ(112)から離脱してもよい。
本発明の1つ以上の実施形態では、筋肉フック(110)が冷えると、筋肉フック(110)は、初めのフック形状に戻ることができる。
本発明の1つ以上の実施形態では、最初に筋肉フックを作成してもよく、次いで筋肉フックを本体/ファスナ内に取り付けてもよい。例えば、本発明の1つ以上の実施形態に従って図2Aに示すように、人工筋肉繊維(202)を編み、固定用繊維(204)を介して基材に留めて、筋肉ループ(206)を作成することができる。人工筋肉繊維(202)をアニール処理した後、1つ以上の実施形態に従って図2Bに示すように、図2Aに示す筋肉ループ(206)を切断し、図2Bに示す筋肉フック(208)に変えることができる。次に、筋肉フック(208)を作動させて、ホルダと係合させるか、またはホルダから離脱させることができる。筋肉フック(208)を人工筋肉繊維(202)から分離して、本体/基材上に取り付けてもよい。
あるいは、本発明の1つ以上の実施形態では、図2Bに示すデバイスは、分離型人工筋肉ファスナとして機能し得る。
本発明の1つ以上の実施形態では、固定用繊維(204)は導電体であり得、作動のために筋肉フック(208)に電流を導通させることができる。これらの実施形態では、固定用繊維は、CNT糸、銅線、または設計もしくは機能の上で好ましい他の導体で作られていてもよい。
本発明の1つ以上の実施形態では、筋肉ループ(206)の一部を切断せず、筋肉フック(208)に変えなくてもよく、筋肉フック(208)の少なくとも一部を、切断されていない筋肉ループ(206)の少なくとも一部と係合させてもよい。本発明の1つ以上の実施形態では、切断されていない筋肉ループ(206)及び筋肉フック(208)は、同じ基材か、または別々の基材に取り付けられてもよい。
本発明の実施形態は、単に筋肉フックをホルダから離脱させることに限定されない。実際に本発明の1つ以上の実施形態では、人工筋肉ファスナは、上述の離脱プロセスとは反対のプロセスが起こり得るように設計し、製造してもよい。例えば、筋肉ループを、作動時に筋肉フックに変化し得る筋肉片に切り分けることができる。このような実施形態では、筋肉片はホルダ近傍に提供され、筋肉片を作動させることによって筋肉片が筋肉フックに変化し、ホルダと係合する。
本発明の1つ以上の実施形態では、筋肉片を人工筋肉繊維に結合してもよく、人工筋肉繊維及び筋肉片の作動時に、人工筋肉繊維は筋肉片をホルダ近傍に移動させ、筋肉片が筋肉フックへと変化し、ホルダと係合する。
本発明の1つ以上の実施形態によるフック及びホルダの別の留め方または外し方としては、回転人工筋肉繊維を用いて、ホルダに対してフックを移動させることによるものがある。それに伴って、本発明の1つ以上の実施形態は、回転作動によってホルダに係合し、または離脱する回転人工筋肉ファスナを対象とし、図3及び図4A〜図4Cを参照しながら説明する。
図3は、回転人工筋肉繊維(302)を含み得る回転人工筋肉ファスナを示す。回転人工筋肉繊維(302)は、基材に留めてもよいし、または留めなくてもよい。回転人工筋肉繊維(302)に、1つ以上のフック(304)が放射状に取り付けられている。図3は、フック(304)が互いに同一直線上にあることを示す。しかし、フック(304)を互いに同一直線上に取り付けなくてもよいことは、当業者には明らかであろう。
本発明の1つ以上の実施形態では、人工筋肉繊維を基材(例えば、接着剤、テザーなど)に固定するための上述の方法を用いて、フック(304)を、回転人工筋肉繊維(302)に取り付けることができる。フック(304)を、他の器具または方法で取り付けてもよいことは、当業者には明らかであろう。
本発明の1つ以上の実施形態では、フック(304)は、非筋肉フック(通常のフック)であってもよく、または本発明の1つ以上の実施形態による上述の筋肉フックと同様であってもよい。筋肉フックの場合には、筋肉フックを、本発明の1つ以上の実施形態に従って作ることができ、次いで筋肉フックが作られる人工筋肉繊維から切り出すことができる。
本発明の1つ以上の実施形態によれば、回転人工筋肉繊維(302)の作動時に回転人工筋肉繊維(302)は、図3で見てX軸に沿った方向である、回転人工筋肉繊維(302)の中心軸(306)の周りを半径方向に回転する。回転人工筋肉繊維(302)の半径方向の回転は、フック(304)を回転させる。
本発明の1つ以上の実施形態では、フック(304)が回転するとフック(304)は1つ以上のホルダと係合し、または1つ以上のホルダから離脱することができる。以下では、本発明の1つ以上の実施形態による実施態様例として、回転人工筋肉ファスナの回転及び機能を、図4A〜図4Cを参照しながら説明する。
図4Aは、回転人工筋肉繊維(402)の断面図を示す。1つ以上のフック(404)が回転人工筋肉繊維(402)に取り付けられている。回転人工筋肉繊維(402)に取り付けられた複数のフック(404)が存在し得ることは、当業者には明らかであろう。複数のホルダ(406)が、基材(408)に取り付けられ、回転人工筋肉繊維(402)の近傍に配置されている。図4Bに示すように、回転人工筋肉繊維(402)を作動させると、フック(404)が回転し、ホルダ(406)の1つ以上と係合することができる。
本発明の1つ以上の実施形態では、回転人工筋肉繊維(402)が冷えると、回転人工筋肉繊維(402)は逆方向に回転し、したがってホルダ(406)から離脱することができる。
本発明の1つ以上の実施形態では、回転筋肉繊維(402)の作動時に、フック(404)がホルダ(406)から離脱し得る。
本発明の1つ以上の実施形態では、回転人工筋肉繊維(402)の作動時に、フック(404)がホルダ(406)とより緊密に係合し得る。例えば、図4Cに示すように、回転人工筋肉繊維(402)は、回転して基材(408)に近づいてゆく。
回転人工筋肉繊維(302、402)を作動させて、上述の機能(例えば、係合、離脱、及び緊密係合)のいかなる組合せも実行できることは、当業者には明らかであろう。例えば、図4Bに示すように、回転人工筋肉繊維(402)を作動して、フック(404)をホルダ(406)と係合させることができ、次いで図4Cに示すように、回転人工筋肉繊維(402)をより一層作動させて、フック(404)のホルダ(406)との係合を更に緊密にすることができる。
図1A〜図1C及び図2A〜図2Bを参照しながら上で説明した分離型人工筋肉ファスナを、図3及び図4A〜図4Cを参照しながら上で説明した回転人工筋肉ファスナと組み合わせて特定の機能を実行できることは、当業者には明らかであろう。例えば、筋肉フック(110、208)を回転人工筋肉繊維(302、402)に取り付けて、筋肉フック(110、208)をホルダ(406)と係合させたり、ホルダ(406)から離脱させたりするように、筋肉フック(110、208)及び回転人工筋肉繊維(302、402)の動きの組合せを実行することができる。
更に、図5は、本発明の1つ以上の実施形態によるフローチャートを示す。フローチャートは、分離型人工筋肉ファスナを製造する方法を表す。ステップ505では、筋肉ループの少なくとも一部が基材から延出するように、複数の筋肉ループが基材に固定される。例えば、図1Aに示すように、筋肉ループ(104)は、固定用媒体(108)を介して基材(106)に固定される。
ステップ510では、人工筋肉繊維が筋肉ループのループ形状を保持するように、この人工筋肉繊維がアニール処理される。例えば、図1Aに示す人工筋肉繊維(102)は、筋肉ループ(106)のループ形状を保持するためにアニール処理される。ステップ510を、ステップ505の前または後に実行してもよい。
ステップ515では、筋肉ループが局部的に切り取られて、筋肉ループを筋肉フックに変える。例えば、図1Aに示す筋肉ループ(106)は、図1Bに示す筋肉フックに変えられる。
本発明の1つ以上の実施形態では、筋肉フックがフック形状を保持するように、ステップ515の前にステップ510を実行することができる。しかし、ステップ510をステップ515と同時に、またはステップ515の後に実行してもよいことは、当業者には明らかであろう。
本開示は限られた数の実施形態に関してのみ記載されているが、本開示の恩恵を受ける当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の様々な実施形態を考案することができることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
102 人工筋肉繊維
104 筋肉ループ
106 基材
108 固定用媒体
110 筋肉フック
112 ループ
114 基材
202 人工筋肉繊維
204 固定用繊維
206 筋肉ループ
208 筋肉フック
302 回転人工筋肉繊維
304 フック
306 中心軸
402 回転人工筋肉繊維
404 フック
406 ホルダ
408 基材

Claims (15)

  1. 第1の基材と、
    ポリマ繊維またはナノファイバ糸で作られた繊維を含む人工筋肉繊維で作られた1つ以上の筋肉フックと
    を備え、
    前記ポリマ繊維またはナノファイバ糸で作られた繊維が捩れているおよび/またはコイル化されている、第1の部材であって、
    前記1つ以上の筋肉フックが前記第1の基材に固定され、
    前記1つ以上の筋肉フックが前記第1の基材から延出する、
    前記第1の部材と、
    第2の基材と、
    前記第2の基材に固定された1つ以上のホルダと
    を備えた第2の部材と
    を備えた、分離型人工筋肉ファスナであって、
    前記1つ以上の筋肉フックが作動すると、前記1つ以上の筋肉フックが前記1つ以上のホルダから離脱する、前記分離型人工筋肉ファスナ。
  2. 前記第1の基材が1つ以上のホルダを備え、
    前記第2の基材が1つ以上の筋肉フックを備えた、請求項1に記載の分離型人工筋肉ファスナ。
  3. 前記1つ以上の筋肉フックが布または薄膜に埋め込まれた、請求項1または請求項2に記載の分離型人工筋肉ファスナ。
  4. 前記1つ以上のホルダが人工筋肉繊維を備えた、請求項1〜3のいずれかに記載の分離型人工筋肉ファスナ。
  5. 前記人工筋肉繊維が、テザーを介して前記第1の基材に固定された、請求項1〜4のいずれかに記載の分離型人工筋肉ファスナ。
  6. 前記人工筋肉繊維が、ナイロン6、ナイロン6,6、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ナイロン6,10、ナイロン6,12、液晶性ポリマ、ポリアリレート、及びこれらの組合せからなる群から選択されるポリマ繊維を含む、請求項1〜5のいずれかに記載の分離型人工筋肉ファスナ。
  7. 請求項1から6の何れか一項に記載の分離型人工筋肉ファスナを製造する方法であって、
    前記人工筋肉繊維の1つ以上の筋肉ループを、前記1つ以上の筋肉ループの少なくとも一部が前記第1の基材から延出するように、前記第1の基材に固定すること、
    前記人工筋肉繊維をアニール処理して、前記1つ以上の筋肉ループを保持すること、及び
    前記1つ以上の筋肉ループの一部を切り取って、前記1つ以上の筋肉ループをそれぞれ1つ以上の筋肉フックに変化させ、前記1つ以上の筋肉フックが1つ以上のホルダと係合しているときに、前記1つ以上の筋肉フックを作動させることで、前記1つ以上の筋肉フックを前記1つ以上のホルダから離脱させるようにすること
    を含む前記方法。
  8. 前記1つ以上の筋肉ループが、前記1つ以上の筋肉ループを布または薄膜に埋め込むことによって固定される、請求項7に記載の方法。
  9. 前記1つ以上の筋肉ループが、テザーを介して前記第1の基材に固定される、請求項7または請求項8に記載の方法。
  10. ポリマ繊維またはナノファイバ糸で作られた繊維を含む人工筋肉繊維であって、
    前記ポリマ繊維またはナノファイバ糸で作られた繊維が捩れておりおよび/またはコイル化されており、
    前記人工筋肉繊維の作動時に、前記人工筋肉繊維が、前記人工筋肉繊維の中心軸の周りを回転し、
    前記中心軸が、前記人工筋肉繊維の長手方向に沿っている、
    前記人工筋肉繊維と、
    前記人工筋肉繊維に放射状に留められた1つ以上のフックと
    を備えた第1の部材と、
    基材と、
    前記基材に固定された1つ以上のホルダと
    を備えた第2の部材と
    を備えた、回転人工筋肉ファスナであって、
    前記作動時に、前記人工筋肉繊維が、前記1つ以上のフックを、前記1つ以上のホルダに対して回転させて移動させる前記回転人工筋肉ファスナ。
  11. 前記作動時に、前記1つ以上のフックが前記1つ以上のホルダと係合する、請求項10に記載の回転人工筋肉ファスナ。
  12. 前記作動時に、前記1つ以上のフックが前記1つ以上のホルダから離脱する、請求項10に記載の回転人工筋肉ファスナ。
  13. 前記作動時に、前記1つ以上のフックが前記1つ以上のホルダとの前記係合を緊密にする、請求項11に記載の回転人工筋肉ファスナ。
  14. 前記第1の部材が1つ以上のホルダを備え、
    前記第2の部材が1つ以上のフックを備えた、請求項10〜13のいずれかに記載の回転人工筋肉ファスナ。
  15. 前記人工筋肉繊維が、ナイロン6、ナイロン6,6、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ナイロン6,10、ナイロン6,12、液晶性ポリマ、ポリアリレート、及びこれらの組合せからなる群から選択されるポリマ繊維を含む、請求項10〜14のいずれかに記載の回転人工筋肉ファスナ。
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