JP2021502044A - カーボンナノチューブシートをラップする筋肉 - Google Patents

Abstract

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）筋肉デバイスは、第一ＣＮＴヤーンを含む。第一ＣＮＴヤーンは、チューブの形態にラップされる１つ以上の第一ＣＮＴシート、及び１つ以上の第一ＣＮＴシートに浸透する第一ゲスト発動材料を含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年１０月２６日に出願された米国仮出願第６２／５７７，５１２号、及び２０１７年１１月１７日に出願された米国仮出願第６２／５８８，０３４号に優先権を主張し、これらの内容は、それらの全体が参照により援用される。

ねじれた高分子繊維及びヤーン、ならびにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）繊維及びヤーンに基づく熱駆動トーショナルアクチュエータは、幅広い用途を有する。ねじれた高分子及び／またはコイル状高分子を含む、人工筋肉デバイスとも称される、人工筋肉アクチュエータは、低コスト、高生産量、及び設計単純性という利点を有する。人工筋肉アクチュエータは、非常に単純化されたエンジニアリング及びより低い製品コストにより、小型モータを上回る利点を有し得る。

１つの態様において、本明細書に開示される実施形態は、第一ＣＮＴヤーンを含むカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）筋肉デバイスに関する。第一ＣＮＴヤーンは、チューブの形態にラップされる１つ以上の第一ＣＮＴシート、及び１つ以上の第一ＣＮＴシートに浸透する第一ゲスト発動材料を含む。

１つの態様において、本明細書に開示される実施形態は、ＣＮＴ筋肉デバイスの製造方法に関する。方法は、芯繊維周囲に１つ以上の第一ＣＮＴシートをラップすること、及び１つ以上の第一ＣＮＴシートに第一ゲスト発動材料を浸透させて第一ＣＮＴヤーンを作製することを備える。

本明細書に開示される１つ以上の実施形態の他の態様及び利点は、以下の説明、及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

本発明の１つ以上の実施形態に従い、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）人工筋肉デバイスを示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、ＣＮＴ人工筋肉デバイスの断面図を示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、ＣＮＴ人工筋肉デバイスのＣＮＴシートをラップすることを示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、ＣＮＴ人工筋肉デバイスのＣＮＴシートをラップすることを示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、ＣＮＴ人工筋肉デバイスを示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、ＣＮＴ人工筋肉デバイスを示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、グラフを示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、ＣＮＴ人工筋肉デバイスの断面図及び側面図を示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、ＣＮＴ人工筋肉デバイスの断面図及び側面図を示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、実装例を示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、実装例を示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、実装例を示す。 本発明の１つ以上の実施形態に従い、フローチャートを示す。

本発明の具体的な実施形態は、添付の図面を参照して詳細にここで説明される。様々な図の同様の要素は、一貫性のために同様の参照番号で示される。

本発明の実施形態の以下の詳細な説明では、本発明のより完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が述べられている。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細なしに実施され得ることは、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ことを避けるために、周知の特徴は詳細には説明されていない。

一般に、本発明の実施形態は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）人工筋肉デバイス、及びＣＮＴ人工筋肉デバイスの製造方法に関する。

図１は、芯繊維（１０４）周囲に配置されるＣＮＴヤーン（１０２）を含むＣＮＴ人工筋肉デバイス（以降、ＣＮＴ筋肉デバイス（１００））を示す。

図１に示されるＣＮＴヤーン（１０２）は、芯繊維（１０４）周囲にラップされる１つ以上のＣＮＴシートを含む。ＣＮＴシートのそれぞれは、隣接して配置される複数のＣＮＴの薄いシートである。１つ以上の実施形態において、ＣＮＴシートは、０．２ｍｍ以上の幅であってもよい。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴシートは、ＣＮＴ筋肉デバイス（１００）の中央アクセス「Ｃ」に対してバイアス角「θ」を生成するようにラップされてもよい。例えば、０°のバイアス角は、Ｃに平行に配向されるＣＮＴシートに対応し、９０°のバイアス角は、Ｃに垂直に配向されるＣＮＴシートに対応する。

１つ以上の実施形態において、バイアス角は、以下の式（１）にあってもよい：
（１）θ＝ｔａｎ^ー１（２πｒＴ）。

式（１）中、「ｒ」は、ＣＮＴシートとＣとの間の半径距離であり、「Ｔ」は、１メートル当たりのねじり（回転）の数である。

１つ以上の実施形態において、芯繊維（１０４）は、ＣＮＴ筋肉デバイス（１００）の設計または機能性に基づき選択される機械的強度（すなわち、剛性）を有するいずれかの繊維であってもよい。例えば、芯繊維（１０４）が堅い材料から作製されている場合、ＣＮＴ筋肉デバイス（１００）の機械的強度を増し得るが、ＣＮＴ筋肉デバイス（１００）の可撓性を妨げる場合がある。

１つ以上の実施形態において、芯繊維（１０４）は、さまざまな高分子繊維、金属ワイヤ、炭素繊維、ガラス繊維、バサルトからのものであり得るが、これらに限定され得ない。芯繊維の実施例は、繊維、光ファイバ、天然繊維／糸、別のＣＮＴヤーン、またはそれらのトウ及びプライを含むが、これらに限定されない。ＣＮＴヤーンが良好な機械的強度、及び良好な可撓性を有し得るため、ＣＮＴヤーン（例えば、本明細書の実施形態に開示されているＣＮＴヤーン）を芯繊維として使用してもよい。

１つ以上の実施形態において、芯繊維（１０４）が金属ワイヤである事例において、芯繊維（１０４）は、タングステン、銅、または金属編組などの金属ワイヤであり得るが、これらに限定され得ない。金属ワイヤは、機械的強度（すなわち、剛性）をＣＮＴ筋肉デバイス（１００）に提供し得、高伝導路を提供し得る。この高伝導路を使用して、ＣＮＴ筋肉デバイス（１００）を発動させる、またはアニールしてもよい。

１つ以上の実施形態において、芯繊維（１０４）の直径は、ＣＮＴ筋肉デバイス（１００）の所望の引張強度、及び／または剛性に基づき選択されてもよい。

図２は、芯繊維（２０６）、及びこの芯繊維（２０６）周囲に配置されるＣＮＴヤーン（２０２）を含むＣＮＴ筋肉デバイス（２００）の断面図を示す。ＣＮＴヤーン（２０２）は、芯繊維（２０６）周囲にラップされる１つ以上のＣＮＴシート（２０４）、及びＣＮＴシート（２０４）に浸透するゲスト発動材料（２０８）を含む。１つ以上の実施形態において、ゲスト発動材料（２０８）は、ＣＮＴシート（２０４）全体の中に浸透し得る。他の実施形態において、ゲスト発動材料（２０８）は、ＣＮＴシート（２０４）の一部の中に浸透し得る。

簡単にするために、図２は、互いに隣接する別個の層として、ＣＮＴシート（２０４）、及びゲスト発動材料（２０８）を示す。しかしながら、ＣＮＴシート（２０４）及びゲスト発動材料（２０８）は、ＣＮＴシート（２０４）間の間隙中に浸透するゲスト発動材料（２０８）によって非常に多孔性のＣＮＴ層を形成するように構築され得るため、別個ではない場合がある。ＣＮＴ層における、これらの特徴及びいずれかのキャビティは、数ナノメートルから数ミクロン（μｍ）の範囲の寸法を有してもよい。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴシート（２０４）中へのゲスト発動材料（２０８）のより良好な浸透のために、ラップされたＣＮＴシート（２０４）が真空下にある間に、ゲスト発動材料（２０８）をＣＮＴシート（２０４）に塗布してもよい。ゲスト発動材料（２０８）を塗布した後に、真空を開放し、ゲスト発動材料（２０８）をＣＮＴシート（２０４）中に吸引する。これは、以降、真空アシスト浸透と称される。

１つ以上の実施形態において、芯繊維（２０６）は、コイルばね（ すなわち、コイルばね繊維）であってもよい。１つ以上の実施形態において、コイルばね繊維の利点は、ＣＮＴシート（２０４）の内層（すなわち、芯繊維（２０６）により近い層）中へのゲスト発動材料（２０８）の吸引をより良好に可能にすることであってもよい。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）に動力を供給する（すなわち、加熱する）と、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）は、発動し、これは、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）がＣＮＴ筋肉デバイス（２００）に動力を供給することに応答して動く（例えば、回転する、屈曲する、伸長する、または収縮する）ことを意味する。１つ以上の実施形態において、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）の発動は、ゲスト発動材料（２０８）の体積変化（すなわち、膨張または収縮）によって駆動される。例えば、ゲスト発動材料（２０８）を加熱すると、ゲスト発動材料（２０８）は、膨張し得る。このため、ＣＮＴシート（２０４）が可撓性であるが、それらは、伸長することに対して抵抗するため、ＣＮＴシート（２０４）のバイアス角は、回転及び／または引張運動方向をゲスト発動材料（２０８）の体積変化に提供し、発動を引き起こし得る。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）が５ｗｔ％のＣＮＴシート（２０４）（またはＣＮＴ）、及び９５ｗｔ％のゲスト発動材料（２０８）を含む場合に、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）が発動するため、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）は、低い引張強度を有する。しかしながら、当業者は、ＣＮＴシート（２０４）及びゲスト発動材料（２０８）の体積百分率または質量百分率がＣＮＴ筋肉デバイス（２００）の好ましい設計または機能性に基づき選択されてもよいことを認識するであろう。

１つ以上の実施形態において、ゲスト発動材料（２０８）に動力を供給する有効な方式は、抵抗加熱によりＣＮＴシート（２０４）を介してゲスト発動材料（２０８）を加熱することによる方式である。しかしながら、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）は、動力誘導、光吸収、化学反応などのような他の方法によって動力を供給されてもよい。

１つ以上の実施形態において、他の伝導性材料（例えば、金属ワイヤ、ＣＮＴワイヤ、グラフェン）をＣＮＴ筋肉デバイス（２００）周囲にラップし、ゲスト発動材料（２０８）を加熱してもよい。

１つ以上の実施形態において、ゲスト発動材料（２０８）は、ゲスト発動材料（２０８）の、ＣＮＴシート（２０４）に浸透するその機能、融点、生体適合性、耐薬品性、超高温耐性（すなわち、熱い／冷たい状態における耐久性）、または熱膨張に基づくが、これらに限定されずに選択されてもよい。

１つ以上の実施形態において、シリコーンベースのゴムが高温に耐え得て、加熱時にＣＮＴヤーン（２０２）からスクイーズされ得ないため、シリコーンベースのゴムをゲスト発動材料（２０８）として使用してもよい。１つ以上の実施形態において、ゲスト発動材料は、シリコーンベースのゴムのＳｙｌｇａｒｄ１８４であってもよい。１つ以上の他の実施形態において、ゲスト発動材料（２０８）は、パラフィンワックスであってもよい。

１つ以上の実施形態において、ゲスト発動材料（２０８）は、加熱時に均一に膨張し得る。１つ以上の実施形態において、ゲスト発動材料（２０８）は、半径方向に膨張し得る。ゲスト発動材料（２０８）の熱膨張係数が増加するにつれて、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）の最大発動量（発動機能）も増加し得る。１つ以上の実施形態において、より柔らかいゲスト発動材料（２０８）は、より大きな発動を提供し得るが、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）のより低い機械的強度を提供し得る。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴヤーン（２０２）は、他の材料をも含んでもよい。例えば、ゲスト発動材料（２０８）は、エラストマー類（例えば、シリコーン系ゴム、ポリウレタン、スチレン-ブタジエンコポリマー、及び天然ゴム）、フッ素化プラスチック類（例えば、ペルフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及びフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ））、アラミド類（例えば、ケブラー及びノメックス）、エポキシ類、ポリイミド類、及びパラフィンワックスを含むが、これらに限定されない場合がある。

１つ以上の実施形態において、芯繊維（２０６）は、ゲスト発動材料（２０８）の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有し得る。１つ以上の実施形態において、芯繊維（２０６）は、著しく膨張しない場合がある。

１つ以上の実施形態において、芯繊維（２０６）の断面積は、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）の全断面積の１０％未満であってもよく、ＣＮＴ筋肉デバイス（２００）の全断面積の１％未満であってもよい。

図３Ａ及び３Ｂは、ＣＮＴシートが芯繊維周囲にラップされ得る方法を示す。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、３つのＣＮＴシート（３０２）は、芯繊維（３０４）上に配置される。ＣＮＴシート（３０２）は、互いから離隔されるため、各ＣＮＴシート（３０２）は、ＣＮＴ層を形成し得る。芯繊維（３０４）を回転させ（回転矢印によって示される）、同時に引く（直線矢印によって示される）と、ＣＮＴシート（３０２）を芯繊維（３０４）周囲にラップし、３つの連続したＣＮＴ層を芯繊維（３０４）の全長に作製する。

１つ以上の実施形態において、１５−ｍｍ幅のＣＮＴシート（３０２）を、長さが１ｍである芯繊維（３０４）周囲に１０回ラップしてもよい。

１つ以上の実施形態において、各ＣＮＴシート（３０２）は、それ自体の上に複数回ラップされ、ＣＮＴシート（３０２）が分離できなくなる場合があり、ラップを解くことができないＣＮＴシート（３０２）のスタックを作製する場合がある。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴシート（３０２）のそれぞれの中のＣＮＴは、互いとアライメントを取ってもよく、図３Ａ中の「Ｄ」によって示されるＣＮＴシート（３０２）の長さ沿いの一方向内にアライメントを取ってもよい。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴシート（３０２）の数は、３つより多くても少なくてもよい。また、１つのＣＮＴシート（３０２）は、芯繊維（３０４）周囲に複数回ラップされることができる。例えば、回転する芯繊維（３０４）をＸ軸に沿う一方向内の前後に動かすことによって、１つのＣＮＴシート（３０２）を芯繊維（３０４）周囲に複数回ラップすることができる。

１つ以上の実施形態において、芯繊維（３０４）に対してＣＮＴシート（３０２）の角度「θ_ｒ」は、図１に示され、上記に考察されている、ＣＮＴシートのバイアス角「θ」と同一である。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴシート（３０２）をラップすると、９０°に向かいθにおいて天然のドリフトがあってもよい。１つ以上の実施形態において、より密着したラップのためにＣＮＴシート（３０２）を引くことによって、θにおけるドリフトを減少させる、または除去することができる。１つ以上の実施形態において、芯繊維（３０４）の引く速度及び直径は、所望のθに依存する。

ＣＮＴシート（３０６）は、ふわふわしていてもよい。そのため、図３Ａに示されるように、圧縮ツール（３０６）を使用して、ＣＮＴシート（３０２）を芯繊維（３０４）に押し付けてもよい。１つ以上の実施形態において、圧縮ツール（３０６）は、ブレードまたはテフロン（登録商標）ロッドであってもよい。しかしながら、圧縮ツール（３０６）は、ＣＮＴ筋肉デバイスの好ましい製造に基づき、何か他のものであってもよい。

図３Ｂは、ＣＮＴシート（３０２）が芯繊維（３０４）によってなす角度「θ_ｒ１、θ_ｒ２、θ_ｒ３」のそれぞれを調整してもよいため、ＣＮＴシート（３０２）によって作製されるＣＮＴ層が互いに対して異なるバイアス角を有してもよいことを示す。例えば、図３Ｂにおいて、θ_ｒ３は、外側ＣＮＴ層のバイアス角であり、外側ＣＮＴ層の下のＣＮＴ層のバイアス角であるθ_ｒ１及びθ_ｒ２よりも９０°に近い。この実施例に従い、１つ以上の実施形態において、図３Ａ及び３Ｂに示されるこの方法の利点は、ＣＮＴ層のバイアス角を半径の関数として正確に制御してもよいことである。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴ層のそれぞれのバイアス角は、芯繊維（３０４）の長さにわたり変化してもよい。例えば、θ_ｒは、芯繊維（３０４）がＸ軸沿いに動いている間に変化してもよい。

１つ以上の実施形態において、図３Ａ及び３Ｂに示されるこの方法の利点は、ＣＮＴシート（３０２）を
いずれかの所望の角度にラップしてもよいことである。例えば、ＣＮＴ筋肉デバイスをコイル状にすることなく、ＣＮＴシートに対して８０°より大きいバイアス角を提供するように、ＣＮＴシート（３０２）をラップしてもよい。しかしながら、芯繊維（３０４）なしでＣＮＴシート（３０２）をラップすることにより、ＣＮＴ筋肉デバイスがもはや線形ではなく、らせんパターンにねじられるように、ＣＮＴ筋肉デバイスをコイル状にしてもよい。また、このコイル効果は、当該技術において、ひねり数として知られている。芯繊維（３０４）なしでＣＮＴシート（３０２）をラップするためのコイル効果は、より低いバイアス角で発生する可能性がより高い場合がある。

他の実施形態において、バイアス角は、芯繊維（３０４）から半径距離の関数として増加する、または減少してもよい。したがって、１つのＣＮＴ層から別のＣＮＴ層へのバイアス角がより滑らかに変化することができるように、ＣＮＴ層の数を増加させることが有利であり得る。

１つ以上の実施形態において、１つのＣＮＴシート（３０２）をラップしながら、芯繊維（３０４）の引く速度、芯繊維（３０６）の長さにわたる芯繊維（３０６）の直径、及びθ_ｒ定数を保つことによって、芯繊維（３０６）の長さにわたるＣＮＴシート（３０２）のバイアス角は、一定であってもよい。代替に、他の実施形態において、これらのパラメータのいずれかを変更することにより、芯繊維（３０６）の長さにわたりＣＮＴシート（３０２）のバイアス角を変えてもよい。

１つ以上の他の実施形態において、ＣＮＴシート（３０２）は、交互のＣＮＴ層が交互のバイアス角を有し得るようにラップされてもよい。
例えば、バイアス角は、＋４５°と−４５°との間で交互にしてもよい。

１つ以上の実施形態において、図４Ａ及び４Ｂに従い、ＣＮＴ筋肉デバイスは、異なる発動特性を有する複数のＣＮＴヤーンを含んでもよい。例えば、ＣＮＴ筋肉デバイス（４００）は、芯繊維（４０４）周囲に配置される第一ＣＮＴヤーン（４０２）、及び第一ＣＮＴヤーン（４０２）周囲に配置される第二ＣＮＴヤーン（４０６）を含む。

１つ以上の実施形態において、第一及び第二ＣＮＴヤーン（４０２、４０６）は、第一及び第二ＣＮＴヤーン（４０２、４０６）の発動力を決定してもよい、異なる種類または量のゲスト発動材料、異なる量のＣＮＴシート、異なる厚さ、異なるバイアス角などを有してもよい。例えば、図４Ｂに示されるように、第一ＣＮＴヤーンのバイアス角「θ_１」、及び第二ＣＮＴヤーンのバイアス角「θ_２」は、異なってもよい（ 例えば、θ_１はθ_２より小さくてもよい）。

１つ以上の他の実施形態において、θ_１は、１０°であってもよく、θ_２は、７０°であってもよい。１つ以上の実施形態において、θ_１は、３０°であってもよく、θ_２は、６０°であってもよい。１つ以上の実施形態において、θ_１は、６０°であってもよく、θ_２は、３０°であってもよい。

１つ以上の実施形態において、θ_２に対してより小さいθ_１は、第二ＣＮＴヤーン（４０６）に対して第一ＣＮＴヤーン（４０２）についてより大きな発動力を提供してもよい。しかしながら、第一及び第二ＣＮＴヤーン（４０２、４０６）の相対的な発動力を決定する、第一及び第二ＣＮＴヤーン（４０２、４０６）のＣＮＴシートの、ゲスト発動材料の量及び種類、厚さ、または量などの他の因子がある場合がある。例えば、１つ以上の実施形態において、第一及び第二ＣＮＴヤーン（４０２、４０６）の１つは、ゲスト発動材料なしで組み込まれてもよい。ゲスト発動材料を含まないＣＮＴヤーンは、発動力を与えない場合があるが、それは、ＣＮＴ筋肉デバイス（４００）について機械的強度を与え得る。

１つ以上の実施形態において、約５４．７３°のバイアス角でＣＮＴシートをラップすることが有利であり得る。この角度は、２０１１年に発表された、Ｓｃｉｅｎｃｅ ３３４．６０５５、４９４−４９７ページにＪａｖａｄ Ｆｏｒｏｕｇｈｉらによる「Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｕｓｃｌｅｓ」において説明されている単一らせんモデルを用いて決定される。単一らせんは、均一ならせんの形態で均一にねじられる材料である。単一らせんモデルは、
単一らせん（または一層）についてのみ作用し、発動機構の良好な第一近似として機能する基本的なモデルである。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴヤーンがＣＮＴヤーンの長さにわたり小さい張力下でわずかな長さの増加を可能にし、回転を可能にする場合に、そしてバイアス角が約５４．７３°を下回る場合に、ゲスト発動材料の膨張時に、ＣＮＴヤーンは、ねじれを戻す傾向にある。しかしながら、バイアス角が約５４．７３°を上回るときに、ＣＮＴヤーンのねじれは、増加する。１つ以上の実施形態において、前者の場合（バイアス角は約５４．７３°を下回る)は、後者の場合（バイアス角は約５４．７３°を上回る)より高い発動を与える場合があり、特に、さまざまなバイアス角を有するＣＮＴヤーンの多層からなるＣＮＴ筋肉デバイスにおいて、より高い発動を与え得る。

図５は、ゲスト発動材料の体積が５％増加するときの単一らせんモデルの実施例を示す。小さな張力下で、ＣＮＴヤーンの長さ「Ｌ」（例えば、図１、２、及び４Ａ〜４Ｂにおいて、Ｘ軸沿いのＣＮＴヤーン（１００、２００、４００）の長さ）は、最初の長さ「Ｌ_０」から増加してもよいため、グラフの横軸上の長さの変化「Ｌ／Ｌ_０」は、１より大きい。バイアス角が約５４．７３°未満である５０°（短い破線）である場合、相対的なねじれ（ｎ／ｎ_０）は、５４．７３°のバイアス角の場合（実線）に対して減少する。バイアス角が５４．７３°より大きい６０°（長い破線）である場合に、相対的なねじれ（ｎ／ｎ_０）は、５４．７３°のバイアス角の場合（実線）に対して増加する。ここで、ｎは、ゲスト発動材料の膨張後（すなわち、発動時）のＣＮＴヤーンのねじれであり、ｎ_０は、ＣＮＴヤーンが製造されたときのねじれであり得る、膨張前のＣＮＴヤーンの最初のねじれである。

１つ以上の実施形態において、バイアス角が
５４．７３°より大きくないままで、芯繊維周囲に１つ以上のＣＮＴ層をラップすることが有利である場合がある。他の実施形態において、バイアス角は、芯繊維から半径距離の関数として単調に増加する、または減少してもよい。バイアス角は、５４．７３°の最大バイアス角に増加する、または減少してもよい。

１つ以上の実施形態において、芯繊維が発動力を生成するために必要とされない場合があるため、芯繊維は、ねじれがなくてもよい。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴヤーンのバイアス角を調整し、ＣＮＴ筋肉デバイスの発動及び強度の所望の組み合わせを提供してもよい。１つ以上の実施形態において、最適なバイアス角（すなわち、最大発動に対応するバイアス角（例えば、５４．７３°））を上回り、バイアス角が大きくなるに連れ、ＣＮＴヤーンの発動力が弱くなる結果をもたらす。
１つ以上の実施形態において、最適なバイアス角は、５４．７３°でなくてもよい。

１つ以上の実施形態では、ＣＮＴシートにおいて、ＣＮＴは、ＣＮＴシートの長さにわたりアライメントを取ってもよい。これらの実施形態において、ＣＮＴがそれらの長さ沿いに最強なので、これらのＣＮＴシートも、それらのバイアス角沿いに強い。したがって、ＣＮＴ筋肉デバイスの長さ沿い（例えば、図１、２、及び４Ａ〜４Ｂ中のＸ軸沿い）の方向におけるＣＮＴ筋肉デバイスの相対的な機械的強度（すなわち、長手方向の強度）、及びＣＮＴ筋肉デバイスの長さに垂直な方向におけるＣＮＴ筋肉デバイスの相対的な機械的強度（すなわち、半径方向の強度）は、ＣＮＴヤーンのバイアス角に依存する。例えば、９０°に近いバイアス角ほど、高い半径方向の強度、及び低い長手方向の強度を提供し、また０°に近いバイアス角ほど、その逆も提供する。

１つ以上の実施形態において、人工筋肉デバイスの強度は、ＣＮＴヤーンのバイアス角だけではなく、芯繊維の強度及び直径、ＣＮＴシートまたはゲスト発動材料に行われるいずれかの処置、ゲスト発動材料を除く追加のゲスト材料などにも依存してもよい。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴヤーンを補強し、破裂に対するＣＮＴ筋肉デバイスの機械的強度を増してもよい。
しかしながら、ＣＮＴヤーンを補強することにより、ＣＮＴ筋肉デバイスの発動を低下させる可能性がある。

図６及び７は、芯繊維（６０４、７０４）周囲に配置されるＣＮＴヤーン（６０２、７０２）を含むＣＮＴ筋肉デバイス（６００、７００）の断面図（図６〜７の上面）、及び側面図（図６〜７の底面）を示す。ＣＮＴヤーン（６０２、７０２）を補強するため、補強ヤーン（６０６、７０６）は、ＣＮＴヤーン（６０２、７０２）周囲に巻かれる。１つ以上の実施形態において、補強ヤーン（６０６、７０６）は、高いねじり強度、及び良好な可撓性を有するＣＮＴワイヤ（すなわち、編組ＣＮＴ）であってもよい。

図６に示されるように、補強ヤーン（６０６）は、補強ヤーン（６０６）がバイアス角にアライメントを取るようにＣＮＴヤーン（６０２）周囲に巻かれてもよい。１つ以上の実施形態において、補強ヤーンは、補強ヤーンの正味のバイアス角が９０°である（すなわち、バイアス角がない）ように巻かれてもよい。例えば、図７に示されるように、バイアス角を交互にしながら補強ヤーン（７０６）を編組し、バイアス角がない状態を生じさせてもよい。１つ以上の実施形態において、補強ヤーンをランダム配向によって編組することができ、バイアス角がない状態を生じさせてもよい。

図６及び７は、補強ヤーン（６０６、７０６）をＣＮＴヤーン（６０２、７０２）の外面上に配置することを示す。しかしながら、１つ以上の実施形態において、補強ヤーン（６０６、７０６）は、ＣＮＴヤーン（６０２、７０２）の内側に部分的に、または完全に埋め込まれてもよい。例えば、いくつかのＣＮＴシートを巻いてもよく、次いで、いくつかの補強ヤーン（６０６、７０６）をＣＮＴシート上に巻いてもよく、その後、もう少しＣＮＴシートを巻き、ＣＮＴヤーン（６０２、７０２）中に補強ヤーン（６０６、７０６）を部分的に、または完全に埋め込んでもよい。

１つ以上の実施形態において、補強ヤーン（６０６、７０６）は、金属ワイヤまたはばねを含んでもよいが、これらに限定されない。補強ヤーン（６０６、７０６）を埋め込む利点は、補強
ヤーン（６０６、７０６）をエッチングし得る腐食剤から補強ヤーン（６０６、７０６）を保護することであり得る。

１つ以上の実施形態において、補強ヤーン（６０６、７０６）は、本明細書に開示される１つ以上の実施形態では、ＣＮＴシートをラップすることと同様に巻かれてもよい。例えば、補強ヤーン（６０６、７０６）は、図３Ａ〜３Ｂを参照して開示される方法によって巻かれてもよい。

１つ以上の実施形態において、上記の実施形態ではＣＮＴ筋肉デバイスを作製した後に、芯繊維を除去してもよい。中空であるＣＮＴ筋肉デバイスは、中空ＣＮＴチューブと称される。

ＣＮＴは、それらが接触する多くの材料に接着してもよい。しかしながら、１つ以上の実施形態において、芯繊維がＣＮＴヤーンに固着しないように、低い表面エネルギーを有する芯繊維を選択してもよく、この芯繊維を容易にＣＮＴヤーンから除去してもよい。例えば、１つ以上の実施形態において、芯繊維は、低い表面エネルギーのシリコーンの変形であってもよいし、シリコーンによって被覆されてもよい。１つ以上の実施形態において、芯繊維は、テフロン（登録商標）である、またはテフロン（登録商標）被覆を有する。

１つ以上の実施形態において、芯繊維は、ＣＮＴを破損させる温度より低い融点（例えば、空中で摂氏約４８０度)、またはゲスト発動材料の融点（例えば、シリコーンについて摂氏約２００度）を有する材料からのものであってもよい。これらの実施形態において、芯繊維は、融解して、排出されることによって、除去されてもよい。１つ以上の実施形態において、融解した芯繊維を排出することを補助するために、ＣＮＴヤーンの長さにわたる圧力差を適用してもよい。

１つ以上の実施形態において、真空中に、または不活性ガス（例えば、アルゴン）中に熱を加えることによって、ＣＮＴ破損温度は、摂氏２０００度を上回るまで上昇させてもよい。

１つ以上の実施形態において、芯繊維は、はんだなどの低い融点の金属からのものであってもよい。１つ以上の実施形態において、はんだ芯繊維の直径は、わずか５０μｍであってもよい。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴが伝導性であるため、ＣＮＴシートは、抵抗ヒーターとして機能してもよく、抵抗熱を使用して芯繊維を融解してもよい。

１つ以上の実施形態において、芯繊維をエッチング除去することによって除去する。例えば、芯繊維は、強酸または他の腐食剤を用いてエッチング除去されてもよい。ＣＮＴは、ほとんどの腐食剤に耐性であり、エッチングに耐える。例えば、芯繊維は、銅からのものであってもよく、塩化第二鉄（ＦｅＣｌ）などの強酸によってエッチング除去されてもよい。

１つ以上の実施形態において、銅芯繊維の直径は、５μｍ以下であってもよい。

１つ以上の実施形態において、芯繊維は、弾性（例えば、コイルばね、ゴム）であってもよく、芯繊維の直径が減少し、芯繊維がＣＮＴヤーンから分離するように伸長してもよい。これらの実施形態において、芯繊維を伸長させた後に、芯繊維をＣＮＴヤーンから引き出してもよい。１つ以上の実施形態において、芯繊維は、ＣＮＴシートをコイルのピッチ間で懸架することができるように、互いに十分に近いコイルを含むコイルばねである。

１つ以上の実施形態において、芯繊維がコイルばねであるときに、コイル状の繊維がＣＮＴヤーンの内部に残っている場合、ＣＮＴ筋肉デバイスは、中空ＣＮＴチューブとみなされてもよい。１つ以上の実施形態において、コイルばねの利点は、ＣＮＴ筋肉デバイスの良好な可撓性を提供することである。

図８Ａ及び８Ｂに示されるように、中空ＣＮＴチューブ（８００）の内面または外面を被覆材料（８０２）によって被覆してもよい。

例えば、１つ以上の実施形態において、被覆材料（８０２）を芯繊維上に被覆させてもよく、次いでＣＮＴヤーン（８０４）を被覆された芯繊維周囲にラップしてもよい。図８Ａに示されるように、芯繊維を除去した後に、被覆材料（８０２）がＣＮＴヤーン（８０４）の内面上に被覆したままであるように、被覆材料（８０２）は、ＣＮＴヤーン（８０４）に接着しなければならない。

１つ以上の実施形態に従い別の実施例では、図８Ｂに示されるように、被覆材料（８０２）は、芯繊維が除去されながら、または芯繊維が除去されずに、ＣＮＴヤーン（８０４）の外面を被覆してもよい。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴヤーン（８０４）の外面上の被覆材料は、ゲスト発動材料であってもよい。

１つ以上の実施形態において、被覆材料（８０２）は、硬化してもよい（例えば、アニールされることによって）。１つ以上の実施形態において、被覆材料（８０２）は、被覆材料（８０２）の融点を下回る温度でアニールされてもよい。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴシートは、それらが同時に他の材料を含むようにラップされてもよい。例えば、図８Ｃに示されるように、ＣＮＴヤーン（８０４）が１つ以上のグラフェン層（８０６）を含むように、ＣＮＴシートをラップしてもよい。グラフェン層（８０６）は、グラフェンシート、グラフェンフレーク、グラフェン酸化物シート、グラフェン酸化物フレーク、またはグラフェンナノプレートレットであってもよいが、これらに限定されない。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴヤーン（８０４）は、ゲスト発動材料の代替にグラフェン層（８０６）を含み、流体が中空ＣＮＴチューブ（８００）の内側に中空ＣＮＴチューブの壁部から漏れるのを防ぎ得る。

１つ以上の実施形態において、中空ＣＮＴチューブのＣＮＴシート中にゲスト発動材料をより良好に浸透させるために、
中空ＣＮＴチューブ内側の圧力は、中空ＣＮＴチューブ外側の圧力より低い値であるように調整され得るため、ゲスト発動材料は、中空ＣＮＴチューブの外側部分から内側部分中に吸引されてもよい。例えば、中空ＣＮＴチューブの内側中空部分（すなわち、芯繊維から抜かれる部分）に真空を適用してもよい。

１つ以上の実施形態において、中空ＣＮＴチューブの利点は、それが高い機械的強度（例えば、ねじり強度）を有し得るが、中空ＣＮＴチューブが非常に小さい内径を有するように設計されてもよいことである。
例えば、１つ以上の実施形態において、中空ＣＮＴチューブの内径は、５μｍ未満であってもよい。

１つ以上の実施形態において、ＣＮＴヤーンが中空ＣＮＴチューブの発動をもたらす正味バイアス角を有するように、ＣＮＴシートは、ラップされてもよい。代替に、１つ以上の実施形態において、ＣＮＴヤーンは、バイアス角を有していない場合があるので、中空ＣＮＴチューブは、発動しない。例えば、濾過方法、ソック法、またはエレクトロスピニング法によって生成される、ランダムに配向されたＣＮＴシートは、１つ以上の実施形態に従いラップされてもよい。１つ以上の実施形態において、バイアス角を有さない中空ＣＮＴチューブをパイプとして用いてもよい。

１つ以上の実施形態において、中空ＣＮＴチューブは、ねじれを防止するために補強されてもよい。例えば、上記に開示されているＣＮＴワイヤは、１つ以上の実施形態に従い、編組または他のパターンで中空ＣＮＴ発動デバイス周囲に配置されてもよい。

図９は、ＣＮＴ筋肉デバイスの製造方法を描くフローチャートを示す。１つ以上の実施形態において、図９に示されるステップのうちの１つ以上は、図９に示される順序と異なる順序において、省略される、繰り返される、及び／または実行され得る。その結果、本発明の範囲は、図９に示されるステップの特定の配置に限定されない。

ステップ９０５において、１つ以上のＣＮＴシート（すなわち、第一ＣＮＴシート）を芯繊維周囲にラップする。例えば、図２及び３Ａ〜３Ｂに示されるように、ＣＮＴシート（２０４、３０２）を芯繊維（２０６、３０４）周囲にラップする。別の実施例において、図１に示されるθ、及び図４Ｂに示されるθ_１及びθ_２などのバイアス角を生成するようにＣＮＴシートをラップしてもよい。

ステップ９１０において、第一ＣＮＴシートに第一ゲスト発動材料を浸透させ、第一ＣＮＴヤーンを作製してもよい。例えば、上記の１つ以上の実施形態に従い、ＣＮＴシートに浸透させるための方法によって、第一ＣＮＴシートに浸透させてもよい。

ステップ９１５において、第一ＣＮＴヤーンをアニールしてもよい。例えば、１つ以上の実施形態において、ＣＮＴヤーンをアニールするための上記の１つ以上の実施形態に従い、第一ＣＮＴヤーンをアニールしてもよい。

ステップ９２０において、さらなるＣＮＴシート（すなわち、第二ＣＮＴシート）を第一ＣＮＴヤーン周囲にラップしてもよい。例えば、図４Ａ〜４Ｂに示されるように、第二ＣＮＴヤーン（４０６）を第一ＣＮＴヤーン（４０２）周囲に配置する。１つ以上の実施形態において、ＣＮＴシートをラップするための上記の１つ以上の実施形態における方法に従い、第二ＣＮＴシートをラップしてもよい。

ステップ９２５において、第二ゲスト発動材料を第二ＣＮＴシート中に浸透させ、第二ＣＮＴヤーンを作製してもよい。例えば、図４Ａ〜４Ｂに示されるように、第一ＣＮＴヤーン（４０２）周囲に配置される第二ＣＮＴヤーン（４０６）にゲスト発動材料を浸透させる。１つ以上の実施形態において、ゲスト発動材料を浸透させるための上記の１つ以上の実施形態における方法に従い、第二ゲスト発動材料を浸透させてもよい。

１つ以上の実施形態において、第一及び第二ゲスト発動材料は、同じ材料からのものであってもよい。代替に、他の実施形態において、第一及び第二ゲスト発動材料は、異なる材料からのものであってもよい。

ステップ９３０において、第二ＣＮＴヤーンをアニールしてもよい。例えば、ＣＮＴヤーンをアニールするための上記の１つ以上の実施形態に従い、第二ＣＮＴヤーンをアニールしてもよい。１つ以上の実施形態において、第一及び第二ＣＮＴヤーンを合わせてアニールしてもよい。代替に、他の実施形態において、第一及び第二ＣＮＴヤーンを別々に（例えば、異なる温度、アニーリング時間、アニーリング環境）アニールしてもよい。

ステップ９３５において、芯繊維を第一ＣＮＴヤーンから除去してもよい。例えば、芯繊維は、上記に開示される１つ以上の実施形態に従いＣＮＴヤーンから除去されてもよい。

本開示を限定された数の実施形態に関してのみ説明したが、本開示の利益を有する当業者は、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が考案され得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。

Claims (18)

1. チューブの形態でラップされる１つ以上の第一カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シート、及び前記１つ以上の第一ＣＮＴシートに浸透する第一ゲスト発動材料、を含む第一ＣＮＴヤーン、を備える、ＣＮＴ筋肉デバイス。
2. 芯繊維をさらに備え、その中で前記１つ以上の第一ＣＮＴシートは前記芯繊維周囲にラップされる、請求項１に記載の前記ＣＮＴ筋肉デバイス。
3. 前記第一ＣＮＴヤーンは、中空チューブである、請求項１に記載の前記ＣＮＴ筋肉デバイス。
4. 前記第一ＣＮＴヤーン中のＣＮＴは、前記第一ＣＮＴヤーンの中心軸に対して第一バイアス角にアライメントを取る、請求項１〜３のいずれかに記載の前記ＣＮＴ筋肉デバイス。
5. 前記芯繊維の熱膨張係数は、前記第一ゲスト発動材料の熱膨張係数より低い、請求項２に記載の前記ＣＮＴ筋肉デバイス。
6. 前記第一ＣＮＴヤーンの前記中心軸からの前記ＣＮＴの半径距離が増加するにつれて、前記第一バイアス角は、増加する、請求項１〜５のいずれかに記載の前記ＣＮＴ筋肉デバイス。
7. 前記第一ＣＮＴヤーン周囲にチューブの形態でラップされる１つ以上の第二ＣＮＴシート、及び
   前記１つ以上の第二ＣＮＴシートに浸透する第二ゲスト発動材料、を含む第二ＣＮＴヤーンをさらに備え、
   前記１つ以上の第二ＣＮＴシート中の前記ＣＮＴは前記第一ＣＮＴヤーンの前記中心軸に対して第二バイアス角にアライメントを取る、請求項１〜６のいずれかに記載の前記ＣＮＴ筋肉デバイス。
8. カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）筋肉デバイスを製造する方法であって、
   芯繊維周囲に１つ以上の第一ＣＮＴシートをラップすること、及び前記１つ以上の第一ＣＮＴシートに第一ゲスト発動材料を浸透させて第一ＣＮＴヤーンを作製すること、を備える、前記方法。
9. １つ以上の第二ＣＮＴシートを前記第一ＣＮＴヤーン周囲にラップすること、及び前記１つ以上の第二ＣＮＴシートに第二ゲスト発動材料を浸透させて第二ＣＮＴヤーンを形成すること、をさらに備える、請求項８に記載の前記方法。
10. 前記第一ＣＮＴヤーンまたは前記第二ＣＮＴヤーンのうちの少なくとも１つをアニールすることをさらに備える、請求項８または請求項９に記載の前記方法。
11. 前記芯繊維を前記第一ＣＮＴヤーンから除去することをさらに備える、請求項８〜１０のいずれかに記載の前記方法。
12. 前記芯繊維は、前記芯繊維を前記第一ＣＮＴヤーンから引き出すことによって除去される、請求項１１に記載の前記方法。
13. 前記芯繊維は、前記１つ以上の第一ＣＮＴシート、及び前記第一ゲスト発動材料より低い融点を有し、
    前記芯繊維は、前記芯繊維の前記融点を上回る温度、ならびに前記１つ以上の第一ＣＮＴシート、及び前記第一ゲスト発動材料の前記融点を下回る温度に、前記芯繊維を加熱することを通じて前記第一ＣＮＴヤーンから融解除去されることによって除去される、請求項１１に記載の前記方法。
14. 前記第一ＣＮＴヤーンの長さにわたり異なる圧力を加えて融解した芯繊維を除去することをさらに備える、請求項１３に記載の前記方法。
15. 前記芯繊維は、化学的にエッチング除去されることによって除去される、請求項１１に記載の前記方法。
16. 前記芯繊維は、前記芯繊維の長さ沿いに弾性であり、前記芯繊維は、前記芯繊維の前記長さ沿いに伸長し、前記芯繊維の直径を減少させ、前記芯繊維を前記第一ＣＮＴヤーンの内面から分離させることによって除去される、請求項１１に記載の前記方法。
17. 前記１つ以上の第一ＣＮＴシートをラップする前に、第一被覆の層を前記芯繊維上に形成すること、をさらに備え、
    前記第一被覆は前記第一ＣＮＴヤーンの内面に接着し、前記芯繊維を除去した後に前記第一ＣＮＴヤーンの前記内面上に配置されたままである、請求項１１〜１６のいずれかに記載の前記方法。
18. 第二被覆の層を前記第一ＣＮＴヤーンの外面上に形成すること、をさらに備え、
    前記第二被覆は前記第一ＣＮＴヤーンに接着し、前記芯繊維を除去した後に前記第一ＣＮＴヤーン上に留まる、請求項１１〜１７のいずれかに記載の前記方法。

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