JP2022083440A - 鋸歯構成を有する電極対及びそれを含む人工筋肉 - Google Patents

Abstract

【課題】鋸歯構成を有する電極対及びそれを含む人工筋肉を提供すること。【解決手段】第１の電極及び第２の電極を含む電極対が提供される。第１の電極及び第２の電極のそれぞれは、外面、内面、第１の端部、第２の端部、及び第１の端部から外側に延びるリードを有する。リードは第１の端部に第１の幅を有する。第１の電極及び第２の電極の少なくとも一つの第２の端部は、第２の端部に形成され第１の末端及び第２の末端を有する凹部を有する。第２の幅は凹部の第１の末端と第２の末端との間を延びる。凹部は鋸歯パターンにより規定される。第１の電極が第２の電極の上に位置する場合、第１の電極の少なくとも一つの凹部は他方の電極のリードと隣接する。【選択図】図１

Description

本明細書は、概して電極対を作動する装置及び方法に関し、より具体的には、短絡することなく増加した電圧入力を受けるように構成された電極対を用いる装置及び方法に関する。

電極対を含む装置の力出力は、電極対に運ばれる電圧の量に直接関係する。しかしながら、電極対に運ばれる電圧の量が最大動作電圧を上回ると、電極対は電圧破壊を示し、短絡が起こる。よって、電極対により動作される装置に運ばれる電圧の量は、短絡すること又は電圧破壊を示すことなく電極対が受けることができる電圧の量により制限される。結果として、装置の力出力を増加するためには、電極対の最大動作電圧を増加させることが望ましい。

さらに、現在のロボット技術は、しばしば構造化された環境において、タスクを実行するサーボモータなどの剛性構成要素に依存している。この剛性は、多くのロボット工学の応用において、少なくとも一部がサーボモータ及び他の剛性ロボット装置の出力重量比に起因する制限を生じさせる。人工筋肉及び他の柔らかいアクチュエータを用いることにより、柔らかいロボット工学の分野がこれらの制限を改善する。人工筋肉は、生物の筋肉の多用途性、性能、及び信頼性を模倣しようと試みている。いくつかの人工筋肉は流体アクチュエータに依存しているが、流体アクチュエータは加圧ガス又は加圧液体の供給を必要とし、チャネル及びチューブのシステムを介して流体輸送を起こさなければならず、人工筋肉の速度及び効率を制限してしまう。他の人工筋肉は熱活性ポリマー繊維を用いているが、これらは低効率で制御及び動作するのが困難である。

ある特定の人工筋肉の設計が、Ｅ． Ａｃｏｍｅ， Ｓ． Ｋ． Ｍｉｔｃｈｅｌｌ， Ｔ． Ｇ． Ｍｏｒｒｉｓｓｅｙ， Ｍ． Ｂ． Ｅｍｍｅｔｔ， Ｃ． Ｂｅｎｊａｍｉｎ， Ｍ． Ｋｉｎｇ， Ｍ． Ｒａｄａｋｏｖｉｔｚ， ａｎｄ Ｃ． Ｋｅｐｌｉｎｇｅｒによる『Ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｍｕｓｃｌｅ－ｌｉｋｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ』と題された論文（Ｓｃｉｅｎｃｅ ０５ Ｊａｎ ２０１８： Ｖｏｌ． ３５９， Ｉｓｓｕｅ ６３７１， ｐｐ． ６１－６５）に記載されている。これらの油圧増幅自己修復静電（ＨＡＳＥＬ）アクチュエータは、静電力及び油圧力を用いさまざまな作動モードを達成する。しかしながら、ＨＡＳＥＬアクチュエータ人工筋肉には、単位体積当たりのアクチュエータ電力に限りがある。

その結果、短絡することなく増加した電圧入力を受けることができ、増加した単位体積当たりのアクチュエータ電力を提供することができる、改良された電極対及びそれを含む人工筋肉の必要性がある。

一つの実施形態において、電極対は、それぞれが外面、内面、第１の端部、第２の端部、及び前記第１の端部から外側に延びるリードを有する第１の電極及び第２の電極を含む。前記リードは前記第１の端部に第１の幅を有する。前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つの前記第２の端部は、前記第２の端部に形成され第１の末端及び第２の末端を有する凹部を有する。第２の幅は前記凹部の前記第１の末端と前記第２の末端との間を延びる。前記凹部は鋸歯パターンにより規定される。前記第２の幅は前記第１の幅より大きい。前記第１の電極が前記第２の電極の上に位置する場合、前記第１の電極及び前記第２の電極の前記少なくとも一つの前記凹部は他方の電極の前記リードと隣接する。

他の実施形態において、人工筋肉は、電極領域及び膨張可能な流体領域を含むハウジングと、前記ハウジングの前記電極領域に位置した電極対と、前記ハウジング内に収容された誘電性流体と、を含む。前記電極対は、前記ハウジングの第１の面に固定された第１の電極及び前記ハウジングの第２の面に固定された第２の電極を含む。前記第１の電極及び前記第２の電極はそれぞれ、外面、内面、第１の端部、第２の端部、及び前記第１の端部から外側に延びるリードを有する。前記リードは前記第１の端部に第１の幅を有する。前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つの前記第２の端部は、前記第２の端部に形成され第１の末端及び第２の末端を有する凹部を有する。第２の幅は前記凹部の前記第１の末端と前記第２の末端との間を延びる。前記凹部は鋸歯パターンにより規定される。前記第２の幅は前記第１の幅より大きい。前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つは、前記膨張可能な流体領域を取り囲む中央開口部を含む。前記第１の電極が前記第２の電極の上に位置する場合、前記第１の電極及び前記第２の電極の前記少なくとも一つの前記凹部は他方の電極の前記リードと隣接する。非作動状態から作動状態への作動により前記誘電性流体が前記膨張可能な流体領域に移動する(direct)ように、前記電極対が前記非作動状態と前記作動状態との間で作動可能である。

さらに他の実施形態において、人工筋肉を作動する方法は、人工筋肉の電極対に電気的に連結した電源を用いて電圧を発生することを含む。前記人工筋肉は、電極領域及び膨張可能な流体領域を含むハウジングと、前記ハウジングの前記電極領域に位置した前記電極対と、前記ハウジング内に収容された誘電性流体と、を含む。前記電極対は、前記ハウジングの第１の面に固定された第１の電極及び前記ハウジングの第２の面に固定された第２の電極を含む。前記第１の電極及び前記第２の電極はそれぞれ、外面、内面、第１の端部、第２の端部、及び前記第１の端部から外側に延びるリードを有する。前記リードは前記第１の端部に第１の幅を有する。前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つの前記第２の端部は、前記第２の端部に形成され第１の末端及び第２の末端を有する凹部を有する。第２の幅は前記凹部の前記第１の末端と前記第２の末端との間を延びる。前記凹部は鋸歯パターンを規定する。前記第２の幅は前記第１の幅より大きい。前記第１の電極及び前記第２の電極の前記少なくとも一つの前記凹部が他方の電極の前記リードと隣接するように前記第１の電極は前記第２の電極の上に位置することができる。前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つは、前記膨張可能な流体領域を取り囲む中央開口部を含む。前記電圧を前記人工筋肉の前記電極対に印加し、それにより、前記誘電性流体を前記ハウジングの前記膨張可能な流体領域に移動させ前記膨張可能な流体領域を膨張させるように、前記電極対を非作動状態から作動状態へ作動する。

本明細書に記載の実施形態により提供されたこれらの及び付加的な特徴は、図面と併せて以下の詳細な説明を考慮することでより充分に理解されよう。

図面に記載された実施形態は、本質的に例示的かつ模範的なものであり、特許請求の範囲によって規定される主題を限定することを意図するものではない。例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むと理解することができる。

本明細書に示されかつ記載された一つ以上の実施形態に係る、分解された状態での例示的な電極対の斜視図を概略的に示す。 本明細書に示されかつ記載された一つ以上の実施形態に係る、組み立てられた状態での電極対の斜視図を概略的に示す。 本明細書に示されかつ記載された一つ以上の実施形態に係る、例示的な人工筋肉の分解図を概略的に示す。 本明細書に示されかつ記載された一つ以上の実施形態に係る、図３の人工筋肉の上面図を概略的に示す。 本明細書に示されかつ記載された一つ以上の実施形態に係る、非作動状態にある、図４の線５－５に沿った図３の人工筋肉の断面図を概略的に示す。 本明細書に示されかつ記載された一つ以上の実施形態に係る、作動状態にある、図３の人工筋肉の断面図を概略的に示す。 本明細書に示されかつ記載された一つ以上の実施形態に係る、非作動状態にある、例示的な人工筋肉の断面図を概略的に示す。 本明細書に示されかつ記載された一つ以上の実施形態に係る、作動状態にある、図７の人工筋肉の断面図を概略的に示す。 本明細書に示されかつ記載された一つ以上の実施形態に係る、複数の図３の人工筋肉を含む人工筋肉集合体の斜視図を概略的に示す。 本明細書に示されかつ記載された一つ以上の実施形態に係る、人工筋肉を動作させるための作動システムを概略的に示す。

本明細書に記載の実施形態は、電極対、電極対を含む人工筋肉、複数の人工筋肉を含む人工筋肉集合体、及びそれを用いる方法を対象とする。本明細書に記載の電極対は、電圧が印加された及び断たれた時に互いに選択的に係合及び係脱するように作動可能である、少なくとも第１の電極及び第２の電極を含む。第１の電極及び第２の電極はそれぞれ、外面、内面、第１の端部、第２の端部、及び第１の端部から外側に延びるリードを有する。リードは第１の端部に第１の幅を有する。第１の電極及び第２の電極の少なくとも一つの第２の端部は、第２の端部に形成され第１の末端及び第２の末端を有する凹部を有する。凹部は第１の末端と第２の末端との間を延びる第２の幅を有する。凹部は鋸歯パターンにより規定される。凹部の第２の幅はリードの第１の幅より大きい。組み立てられた状態の場合、第１の電極及び第２の電極の少なくとも一つの凹部が他方の電極のリードと隣接するように、第１の電極は第２の電極の上に位置する。この凹部を連結した電極に隣接して設けることで、短絡を最小限にし、動作可能な電圧の増加を促進する。人工筋肉及び人工筋肉の動作の様々な実施形態が本明細書により詳細に記載される。可能な限り、図面全体を通して同じ又は同様の部分を言及するのに同じ参照番号を用いる。

ここで図１及び図２を参照すると、電極対１０が示される。電極対１０は、第１の電極１２及び第２の電極１４を含む。例示しやすくするために第１の電極１２及び第２の電極１４のみを示すが、本明細書で論じられ図３～図１０に例示するように、電極対１０を中間絶縁層、ハウジング、電気部品などの任意の適切な構成要素と組み合わせても、共に用いてもよいことを理解すべきである。そのため、電極対１０は、例えば、ロボット工学、医療機器、道具などのいくつもの応用に用いてもよく、本明細書でより詳細に論じられるように、人工筋肉に組み込まれてもよい。その際に、電極対１２は、第１の電極１２及び第２の電極１４が互いに作動できるようにするための任意の適切な支持構造物を含んでもよい。

第１の電極１２は、内面１６、外面１８、第１の端部２０、及び反対側の第２の端部２２を含む。いくつかの実施形態において、第１の電極１２は、第１の端部２０と第２の端部２２との間を延び本体２７を規定する一対の対辺(opposite sides)２４、２６を含む。図示のように、第１の電極１２の本体２７は、第１の端部２０、第２の端部２２、及び一対の辺(sides)２４、２６により規定される矩形形状を有する。しかしながら、第１の電極１２の形状は本明細書に例示のものに限定されないことを理解すべきである。例えば、第１の電極１２の本体２７は、正方形の形状、円形の形状、星形の形状、又は他の任意の適切な形状を有してもよい。

第１の電極１２は、電荷を第１の電極１２に運ぶために端子が取り付けられ、第１の電極１２の第１の端部２０から外側に延びるリード２８を含む。いくつかの実施形態において、リード２８は、第１の電極１２の第１の端部２０から垂直に延びる。第１の電極１２が一体のモノリシック構造を形成するように、リード２８は第１の電極１２と一体形成される。リード２８は、リード２８の幅Ｗ１を規定するリード接続点Ｐ１、Ｐ２での第１の電極１２の第１の端部２０から延びる。第１の電極１２の第２の端部２２は変形し、第１の電極１２の第１の端部２０に向かって延びる凹部３０を設ける。凹部３０は、凹部３０の幅Ｗ２を規定する第１の末端Ｔ１及び第２の末端Ｔ２を有する。凹部３０の幅Ｗ２はリード２８の幅Ｗ１より大きい。いくつかの実施形態において、凹部３０は、第１の電極１２の第１の端部２０に向かって延びるくぼんだ円弧に沿って第１の電極１２の第２の端部２２に形成された鋸歯パターン３２により規定される。第１の電極１２の第２の端部２２に形成された鋸歯パターン３２は、第１の電極１２の辺２４、２６の間を延びる複数の歯３４を含む。歯３４の数はそれぞれの歯３４の角度Ａ１によって決まる。それぞれの歯３４の角度Ａ１が大きくなると、鋸歯パターン３２は、より少ない歯３４を含む。それぞれの歯３４の角度Ａ１が小さくなると、鋸歯パターン３２は、より多くの歯３４を含む。いくつかの実施形態において、それぞれの歯３４の角度Ａ１は、２０°～９０°である。いくつかの実施形態において、それぞれの歯３４の角度Ａ１は、３０°～６０°である。それぞれの歯３４は、同じ角度Ａ１を有する必要がない。そのため、鋸歯パターン３２のいくつかの歯３４が、鋸歯パターン３２の他の歯３４よりも狭くてもよい。しかしながら、第１の電極１２の第２の端部２２に形成された特定のパターンは、本明細書に例示の鋸歯パターン３２に限定されない。いくつかの実施形態において、第１の電極１２の第２の端部２２は、第１の電極１２の第１の端部２０に向かって延び、第１の電極１２の第２の端部２２に形成された湾曲したくぼみ、Ｖ字形のくぼみ、又は他の任意の適切な形を含んでもよい。

いくつかの実施形態において、第２の電極１４は第１の電極１２と同一である。そのため、第２の電極１４は、内面３６、外面３８、第１の端部４０、及び反対側の第２の端部４２を含む。いくつかの実施形態において、第２の電極１４は、第１の端部４０と第２の端部４２との間を延び本体４７を規定する一対の対辺４４、４６を含む。図示のように、第２の電極１４の本体４７は、第１の端部４０、第２の端部４２、及び一対の辺４４、４６により規定される矩形形状を有する。しかしながら、第２の電極１４の形状は本明細書に例示のものに限定されないことを理解すべきである。例えば、本体４７は、正方形の形状、円形の形状、星形の形状、又は他の任意の適切な形状を有してもよい。

第２の電極１４は、電荷を第２の電極１４に運ぶために端子が取り付けられ、第２の電極１４の第１の端部４０から外側に延びるリード４８を含む。いくつかの実施形態において、リード４８は、第２の電極１４の第１の端部４０から垂直に延びる。第２の電極１４が一体のモノリシック構造を形成するように、リード４８は第２の電極１４と一体形成される。リード４８は、リード４８の幅Ｗ３を規定するリード接続点Ｐ３、Ｐ４での第２の電極１４の第１の端部４０から延びる。第２の電極１４の第２の端部４２は変形し、第２の電極１４の第１の端部４０に向かって延びる凹部５０を設ける。凹部５０は、凹部５０の幅Ｗ４を規定する第１の末端Ｔ３及び第２の末端Ｔ４を有する。凹部５０の幅Ｗ４はリード４８の幅Ｗ３より大きい。いくつかの実施形態において、凹部５０は、第２の電極１４の第１の端部４０に向かって延びるくぼんだ円弧に沿って第２の電極１４の第２の端部４２に形成された鋸歯パターン５２により規定される。第２の電極１４の第２の端部４２に形成された鋸歯パターン５２は、第２の電極１４の辺４４、４６の間を延びる複数の歯５４を含む。歯５４の数はそれぞれの歯５４の角度Ａ２によって決まる。それぞれの歯５４の角度Ａ２が大きくなると、鋸歯パターン５２は、より少ない歯５４を含む。それぞれの歯５４の角度Ａ２が小さくなると、鋸歯パターン５２は、より多くの歯５４を含む。いくつかの実施形態において、それぞれの歯５４の角度Ａ２は、２０°～９０°である。いくつかの実施形態において、それぞれの歯５４の角度Ａ２は、３０°～６０°である。それぞれの歯５４は、同じ角度Ａ２を有する必要がない。そのため、鋸歯パターン５２のいくつかの歯５４が、鋸歯パターン５２の他の歯５４よりも狭くてもよい。しかしながら、第２の電極１４の第２の端部４２に形成された特定のパターンは、本明細書に例示の鋸歯パターン５２に限定されない。いくつかの実施形態において、第２の電極１４の第２の端部４２は、第２の電極１４の第１の端部４０に向かって延び、第２の電極１４の第２の端部４２に形成された湾曲したくぼみ、Ｖ字形のくぼみ、又は他の任意の適切な形を含んでもよい。

いくつかの実施形態において、第１の電極１２と第２の電極１４は同一でなくてもよい。非限定例として、第１の電極１２は矩形形状を有してもよく、第２の電極１４は円形形状を有してもよい。さらに、鋸歯パターン３２、５２及びリード２８、４８は、第１の電極１２及び第２の電極１４のそれぞれの両端に位置しているとは限らない。いくつかの実施形態において、鋸歯パターン３２、５２は、第１の電極１２及び第２の電極１４のリード２８、４８に隣接した第１の電極１２及び第２の電極１４の他の任意の適切な辺、エッジ、端部、又は他の部分に形成されてもよい。しかしながら、本明細書でより詳細に論じられ、図１及び図２に示すように、組み立てられた状態の場合、第１の電極１２の鋸歯パターン３２は第２の電極１４のリード４８の上に配置され、第２の電極１４の鋸歯パターン５２は第１の電極１２のリード２８の上に配置される。第１の電極１２及び第２の電極１４の両方が凹部３０、５０を有するものとして示されているが、第１の電極１２及び第２の電極１４の一つのみが凹部を有する実施形態が考えられる。

図１及び図２に示すように、第１の電極１２及び第２の電極１４はそれぞれ、矩形形状を有する。図１に示すように、第１の電極１２の内面１６が第２の電極１４の内面３６に面し、第１の電極１２のリード２８が第２の電極１４のリード４８とは反対方向に延びている分解された状態では、第１の電極１２及び第２の電極１４は互いに間隔を空けている。

図２に示すように、第１の電極１２の内面１６が第２の電極１４の内面３６に隣接するように、第１の電極１２及び第２の電極１４は組み立てられた状態にあり互いに接触する。この配置において、第２の端部４２に形成された鋸歯パターン５２を有する第２の電極１４の第２の端部４２は第１の電極１２の第１の端部２０及びリード２８に隣接し、第２の端部２２に形成された鋸歯パターン２３を有する第１の電極１２の第２の端部２２は第２の電極１４の第１の端部４０及びリード４８に隣接する。特に、リード２８は凹部５０の第１の末端Ｔ３と第２の末端Ｔ４との間で横方向に位置し、リード４８は凹部３０の第１の末端Ｔ１と第２の末端Ｔ２との間で横方向に位置する。

第２の電極１４の第２の端部４２に形成された凹部５０がなければ、第２の電極１４の第２の端部４２（破線で示す）とリード接続点Ｐ１、Ｐ２での第１の電極１２のリード２８との間に垂直交差が形成されるだろう。同様に、第１の電極１１の第２の端部２２に形成された凹部３０がなければ、第１の電極１２の第２の端部２２（破線で示す）とリード接続点Ｐ３、Ｐ４での第２の電極１４のリード４８との間に垂直交差が形成されるだろう。第１の電極１２と第２の電極１４との間のこれらの潜在的な垂直交差は、過剰電圧を受けた場合に短絡又は電圧破壊の影響を受けやすい。第１の電極１２及び第２の電極１４のそれぞれに鋸歯パターン３２、５２を設けることにより、これらの垂直交差が取り除かれる。結果として、第１の電極１２のリード２８及び第２の電極１４のリード４８で短絡すること又は電圧破壊を示すことなく、電極対１０はより高い電圧を受けることができる。従来の電極は、約８キロボルト（ｋＶ）で短絡し、電圧破壊を示す。いくつかの実施形態において、電極対１０は、短絡することなく８ｋＶを超える電圧を受けることができる。いくつかの実施形態において、電極対１０は、短絡することなく少なくとも９ｋＶの電圧を受けることができる。いくつかの実施形態において、電極対１０は、短絡することなく少なくとも１０ｋＶの電圧を受けることができる。使用時、連結した端子を介して電荷がリード２８、４８に運ばれ、第１の電極１２と第２の電極１４を互いに引きつける引力をもたらす。電荷が断たれると、第１の電極１２と第２の電極１４との間の引力が取り除かれる。本明細書でより詳細に論じられるように、他方の電極１２、１４のリード２８、４８を覆う鋸歯パターン３２、５２を含む第１の電極１２及び第２の電極１４の上述の開示を人工筋肉で用いることができ、電極対１０を短絡することなく人工筋肉が耐えることができる電圧の量を改善する。

ここで図３及び図４を参照すると、人工筋肉１００が示される。人工筋肉１００は、ハウジング１０２、第１の電極１０６及び第２の電極１０８を含みハウジング１０２の向かい合った面に固定された電極対１０４、第１の電極１０６に固定された第１の電気絶縁体層１１０、及び第２の電極１０８に固定された第２の電気絶縁体層１１２を含む。いくつかの実施形態において、ハウジング１０２は、第１の内面１１４及び第２の内面１１６などの一対の向かい合った内面並びに第１の外面１１８及び第２の外面１２０などの一対の向かい合った外面を含む一体のモノリシック層である。いくつかの実施形態において、ハウジング１０２の第１の内面１１４及び第２の内面１１６は少なくとも部分的にヒートシール可能である。他の実施形態において、ハウジング１０２は、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４などの一対の個別に製造されたフィルム層であってもよい。よって、第１のフィルム層１２２は第１の内面１１４及び第１の外面１１８を含み、第２のフィルム層１２４は第２の内面１１６及び第２の外面１２０を含む。

その後の説明を通じて、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４を含むハウジング１０２を、一体のハウジング１０２とは反対であるとして言及するかもしれない。しかしながら、どちらの配置も考えられることを理解すべきである。いくつかの実施形態において、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４は概して同じ構造及び構成を含む。例えば、いくつかの実施形態において、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４はそれぞれ、二軸延伸ポリプロピレンを含む。

第１の電極１０６及び第２の電極１０８はそれぞれ、第１のフィルム層１２２と第２のフィルム層１２４との間に位置する。いくつかの実施形態において、第１の電極１０６及び第２の電極１０８はそれぞれ、例えば、マイラー（登録商標）などのアルミニウム被覆ポリエステルである。さらに、第１の電極１０６及び第２の電極１０８の一つは負に帯電した電極であり、第１の電極１０６及び第２の電極１０８の他方は正に帯電した電極である。本明細書で論じられる目的のため、人工筋肉１００の他方の電極１０６、１０８が負に帯電している限り、電極１０６、１０８のどちらが正に帯電してもよい。

第１の電極１０６は、フィルムを向いた面１２６及び反対側の内面１２８を有する。第１の電極１０６は、第１のフィルム層１２２、特に第１のフィルム層１２２の第１の内面１１４に対して位置する。さらに、第１の電極１０６は第１のリード１３０を含み、第１のリード１３０は、第１のリード１３０を電源に接続し第１の電極１０６を作動できるように、第１の電極１０６から第１のフィルム層１２２のエッジを超えて延びる。特に、図１０に示すように、リード１３０は作動システム４００の電源及びコントローラと端子を介して直接又は直列に連結する。リード１３０は、リード１３０の幅Ｗ５を規定するリード接続点Ｐ５、Ｐ６での第１の電極１０６から延びる。同様に、第２の電極１０８は、フィルムを向いた面１４８及び反対側の内面１５０を有する。第２の電極１０８は、第２のフィルム層１２４、特に第２のフィルム層１２４の第２の内面１１６に対して位置する。第２の電極１０８はリード１５２を含み、リード１５２は、リード１５２を作動システム４００の電源及びコントローラに端子を介して接続し第２の電極１０８を作動できるように、第２の電極１０８から第２のフィルム層１２４のエッジを超えて延びる。リード１５２は、リード１５２の幅Ｗ７を規定するリード接続点Ｐ７、Ｐ８での第２の電極１０８から延びる。

第１の電極１０６は、二つ以上のタブ部１３２及び二つ以上の橋部１４０を含む。各橋部１４０は隣接するタブ部１３２の間に位置し、隣接するタブ部１３２を相互に接続する。各タブ部１３２は、第１の端部１３４を有し、第１の電極１０６の重心軸Ｃからタブ部１３２の反対側の第２の端部１３６へ放射状に延び、第２の端部１３６は第１の電極１０６の外周１３８の部分を規定する。本明細書で論じられる電極対１０の第１の電極１２と同様に、第１の電極１０６のタブ部１３２の少なくとも一つは、タブ部１３２の第２の端部１３６に形成された凹部１３３を有する。凹部１３３は、凹部１３３の幅Ｗ６を規定する第１の末端Ｔ５及び第２の末端Ｔ６を有する。凹部１３３の幅Ｗ６はリード１３０の幅Ｗ５より大きい。いくつかの実施形態において、凹部１３３は、鋸歯パターン１３７により規定される。各橋部１４０は、第１の端部１４２を有し、第１の電極１０６の重心軸Ｃから橋部１４０の反対側の第２の端部１４４へ放射状に延び、第２の端部１４４は第１の電極１０６の外周１３８の他の部分を規定する。各タブ部１３２はタブ長さＬ１を、各橋部１４０は橋長さＬ２を有し、タブ長さＬ１及び橋長さＬ２は、第１の電極１０６の重心軸Ｃから径方向に延びる。タブ長さＬ１は、タブ部１３２の第１の端部１３４から第２の端部１３６までの距離であり、橋長さＬ２は、橋部１４０の第１の端部１４２から第２の端部１４４までの距離である。各タブ部１３２のタブ長さＬ１は、各橋部１４０の橋長さＬ２より長い。いくつかの実施形態において、橋長さＬ２は、例えばタブ長さＬ１の３０％～４０％など、タブ長さＬ１の２０％～５０％である。

いくつかの実施形態において、二つ以上のタブ部１３２は、タブ部１３２の一つ以上の対で配置される。タブ部１３２の各対は、互いに対極に配置された二つのタブ部１３２を含む。いくつかの実施形態において、第１の電極１０６は、第１の電極１０６の反対側又は両端に位置する二つのタブ部１３２のみを含んでもよい。いくつかの実施形態において、図１及び図２に示すように、第１の電極１０６は、四つのタブ部１３２及び隣接するタブ部１３２を相互に接続する四つの橋部１４０を含む。この実施形態において、四つのタブ部１３２は、互いに対極な二対のタブ部１３２として配置される。さらに、図示のように、第１のリード１３０はタブ部１３２の一つの第２の端部１３６から延び、タブ部１３２と一体形成される。図示のように、第１のリード１３０は、鋸歯パターン１３７が形成されたタブ部１３２の反対側のタブ部１３２の第２の端部１３６から延びる。しかしながら、本明細書で論じられるように、鋸歯パターン１３７は、例えば、第１のリード１３０が延びるタブ部１３２に隣接するタブ部１３２などの任意の適切なタブ部１３２に形成されてもよい。

第１の電極１０６と同様に、第２の電極１０８は、少なくとも一対のタブ部１５４及び二つ以上の橋部１６２を含む。各橋部１６２は隣接するタブ部１５４の間に位置し、隣接するタブ部１５４を相互に接続する。各タブ部１５４は、第１の端部１５６を有し、第２の電極１０８の重心軸Ｃからタブ部１５４の反対側の第２の端部１５８へ放射状に延び、第２の端部１５８は第２の電極１０８の外周１６０の部分を規定する。本明細書で論じられる電極対１０の第２の電極１４と同様に、第２の電極１０８のタブ部１５４の少なくとも一つは、タブ部１５４の第２の端部１５８に形成された凹部１３５を有する。凹部１３５は、凹部１３５の幅Ｗ８を規定する第１の末端Ｔ７及び第２の末端Ｔ８を有する。凹部１３５の幅Ｗ８はリード１５２の幅Ｗ７より大きい。いくつかの実施形態において、凹部１３５は、鋸歯パターン１３９により規定される。第１の電極１０６及び第２の電極１０８の両方が凹部１３３、１３５を有するものとして示されているが、第１の電極１０６及び第２の電極１０８の一つのみが凹部を有する実施形態が考えられる。第１の電極１０６と第２の電極１０８が互いに同軸であることから、第１の電極１０６と第２の電極１０８の重心軸Ｃは同じである。各橋部１６２は、第１の端部１６４を有し、第２の電極の重心軸Ｃから橋部１６２の反対側の第２の端部１６６へ放射状に延び、第２の端部１６６は第２の電極１０８の外周１６０の他の部分を規定する。各タブ部１５４はタブ長さＬ３を、各橋部１６２は橋長さＬ４を有し、タブ長さＬ３及び橋長さＬ４は、第２の電極１０８の重心軸Ｃから径方向に延びる。タブ長さＬ３は、タブ部１５４の第１の端部１５６から第２の端部１５８までの距離であり、橋長さＬ４は、橋部１６２の第１の端部１６４から第２の端部１６６までの距離である。タブ長さＬ３は、各橋部１６２の橋長さＬ４より長い。いくつかの実施形態において、橋長さＬ４は、例えばタブ長さＬ３の３０％～４０％など、タブ長さＬ３の２０％～５０％である。

いくつかの実施形態において、二つ以上のタブ部１５４は、タブ部１５４の一つ以上の対で配置される。タブ部１５４の各対は、互いに対極に配置された二つのタブ部１５４を含む。いくつかの実施形態において、第２の電極１０８は、第１の電極１０６の反対側又は両端に位置する二つのタブ部１５４のみを含んでもよい。いくつかの実施形態において、図１及び図２に示すように、第２の電極１０８は、四つのタブ部１５４及び隣接するタブ部１５４を相互に接続する四つの橋部１６２を含む。この実施形態において、四つのタブ部１５４は、互いに対極な二対のタブ部１５４として配置される。さらに、図示のように、第２のリード１５２はタブ部１５４の一つの第２の端部１５８から延び、タブ部１５４と一体形成される。図示のように、第２のリード１５２は、鋸歯パターン１３９が形成されたタブ部１５４の反対側のタブ部１５４の第２の端部１５８から延びる。しかしながら、本明細書で論じられるように、鋸歯パターン１３９は、例えば、第２のリード１５２が延びるタブ部１５４に隣接するタブ部１５４などの任意の適切なタブ部１５４に形成されてもよい。

ここで図３～図８を参照すると、第１の電極１０６及び第２の電極１０８の少なくとも一つは中央開口部を有する。図３及び図４において、第１の電極１０６は、タブ部１３２の第１の端部１３４と橋部１４０の第１の端部１４２との間でその中に形成された中央開口部１４６を有し、第２の電極１０８は、タブ部１５４の第１の端部１５６と橋部１６２の第１の端部１６４との間でその中に形成された中央開口部１６８を有する。しかしながら、図５及び図６に示すように中央開口部１６８も第２の電極１０８内に設けられた場合、第１の電極１０６は中央開口部１４６を含む必要がないことを理解すべきである。あるいは、中央開口部１４６も第１の電極１０６内に設けられた場合、第２の電極１０８は中央開口部１６８を含む必要がない。

さらに図２～図８を参照すると、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２はそれぞれ、概して第１の電極１０６及び第２の電極１０８に対応する形状を有する。よって、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２はそれぞれ、第１の電極１０６及び第２の電極１０８上の同様の部分に対応するタブ部１７０、１７２及び橋部１７４、１７６を有する。さらに、第１の電極１０６及び第２の電極１０８上に位置した場合、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２はそれぞれ、第１の電極１０６の外周１３８及び第２の電極１０８の外周１６０に対応する外周１７８、１８０を有する。第１の電気絶縁体層１１０が第１の電極１０６に対応する形状を有するため、第１の電極１０６に形成された鋸歯パターン１３７に対応する第１の電気絶縁体層１１０のタブ部１７０の一つの外周１７８に鋸歯パターン１４１により規定された凹部が形成される。同様に、第２の電気絶縁体層１１２が第２の電極１０８に対応する形状を有するため、第２の電極１０８に形成された鋸歯パターン１３９に対応する第２の電気絶縁体層１１２のタブ部１７２の一つの外周１８０に鋸歯パターン１４３により規定された凹部が形成される。本明細書に記載されるように、電極対１０の鋸歯パターン３２、５２の構造及び特徴は、人工筋肉１００の鋸歯パターン１３７、１３９、１４１、１４３のそれぞれに同じように適用できる。

いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２は概して同じ構造及び構成を含むことを理解すべきである。そのため、いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２はそれぞれ、接着面１８２、１８４及び反対側のシール不可能な面１８６、１８８を含む。よって、いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２はそれぞれ、第１の電極１０６の内面１２８及び第２の電極１０８の内面１５０にポリマーテープで接着される。

ここで図４～図８を参照すると、人工筋肉１００は、ハウジング１０２の外周、すなわち、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４を超えて延びる第１の電極１０６の第１のリード１３０及び第２の電極１０８の第２のリード１５２を有する組み立てられた状態で示される。図４に示すように、第２の電極１０８は第１の電極１０６の上部に積み重ねられる、したがって、第１の電極１０６及び第２の電気絶縁体層１１２は示さない。第１の電極１０６から延びる第１のリード１３０に接近して第１の電気絶縁体層１１０の一部のみが示される。さらに、第１のリード１３０は第２の電極１０８の凹部１３５の第１の末端Ｔ７と第２の末端Ｔ８との間で横方向に位置する。同様に、図示しないが、第２のリード１５２は第１の電極１０８の凹部１３３の第１の末端Ｔ５と第２の末端Ｔ６との間で横方向に位置する。組み立てられた状態では、第１の電極１０６、第２の電極１０８、第１の電気絶縁体層１１０、及び第２の電気絶縁体層１１２は、第１のフィルム層１２２と第２のフィルム層１２４との間に挟まれる。第１のフィルム層１２２は、第１の電極１０６の外周１３８及び第２の電極１０８の外周１６０を取り囲む領域で、第２のフィルム層１２４に対して部分的にシールされる。いくつかの実施形態において、第１のフィルム層１２２は、第２のフィルム層１２４に対して部分的にシールされる。特に、いくつかの実施形態において、第１のフィルム層１２２は、第２のフィルム層１２４に対してシールされ、第１の電極１０６及び第２の電極１０８を取り囲むシール部１９０を規定する。第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４は、例えば、接着剤、ヒートシーリング又は同種のものを用いた任意の適切な方法でシールしてもよい。

第１の電極１０６、第２の電極１０８、第１の電気絶縁体層１１０、及び第２の電気絶縁体層１１２は、第１のフィルム層１２２が第２のフィルム層１２４に完全にシールされるのを防ぐ障壁を提供し、それにより、非シール部１９２を形成する。ハウジング１０２の非シール部１９２は、電極対１０４が設けられた電極領域１９４及び電極領域１９４に取り囲まれた膨張可能な流体領域１９６を含む。第１の電極１０６及び第２の電極１０８の中央開口部１４６、１６８は、膨張可能な流体領域１９６を形成し、互いに軸方向に積み重なり膨張可能な流体領域１９６を規定するよう配置される。図示しないが、ハウジング１０２は、電極対１０４の形状に一致するようカットしてもよく、人工筋肉１００の大きさ、すなわち、シール部１９０の大きさを縮小してもよい。

誘電性流体１９８は、非シール部１９２内に設けられ、第１の電極１０６と第２の電極１０８との間を自由に流れる。本明細書で使用する『誘電性』流体は、伝導することなく電気の力を伝達する媒質又は材料であり、そのため、電気伝導度が低い。誘電性流体の非限定例として、ペルフルオロアルカン、変圧器油、及び脱イオン水が挙げられる。誘電性流体１９８は、針又は他の適切な注入装置を用いて人工筋肉１００の非シール部１９２に注入されてもよいことを理解すべきである。

ここで図５及び図６を参照すると、人工筋肉１００は、非作動状態と作動状態との間で作動可能である。図５に示すように非作動状態では、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、その中央開口部１４６、１６８及びタブ部１３２、１５４の第１の端部１３４、１５６に接近して互いに部分的に間隔を空けている。タブ部１３２、１５４の第２の端部１３６、１５８は、第１の電極１０６の外周１３８及び第２の電極１０８の外周１６０でシールされたハウジング１０２が原因で、互いにその位置にとどまる。そのため、第１の電極１０６の鋸歯パターン１３７及び第１の電気絶縁体層１１２の鋸歯パターン１４１は、第２の電極１０８の外周１６０及び第２のリード１５２に隣接して設けられる。同様に、第２の電極１０８の鋸歯パターン１３９及び第２の電気絶縁体層１１２の鋸歯パターン１４３は、第１の電極１０６の外周１３８及び第１のリード１３０に隣接して設けられる。図６に示すように作動状態では、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、互いに接触し平行に配向し、誘電性流体１９８を膨張可能な流体領域１９６に送り込む。これにより、誘電性流体１９８は、第１の電極１０６及び第２の電極１０８の中央開口部１４６、１６８を流れ、膨張可能な流体領域１９６を膨張させる。

ここで図５を参照すると、人工筋肉１００は非作動状態で示される。電極対１０４は、ハウジング１０２の非シール部１９２の電極領域１９４内に設けられる。第１の電極１０６の中央開口部１４６及び第２の電極１０８の中央開口部１６８は、膨張可能な流体領域１９６内で同軸上に配列される。非作動状態では、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、互いに部分的に間隔を空け互いに非平行である。電極対１０４の周りで第２のフィルム層１２４にシールされた第１のフィルム層１２２が原因で、タブ部１３２、１５４の第２の端部１３６、１５８は、互いに接触する。よって、誘電性流体１９８は、第１の電極１０６と第２の電極１０８との間に設けられ、それにより、膨張可能な流体領域１９６に接近してタブ部１３２、１５４の第１の端部１３４、１５６が離される。別の言い方をすれば、第１の電極１０６のタブ部１３２の第１の端部１３４と第２の電極１０８のタブ部１５４の第１の端部１５６の距離は、第１の電極１０６のタブ部１３２の第２の端部１３６と第２の電極１０８のタブ部１５４の第２の端部１５８の距離より大きい。これにより、作動すると、膨張可能な流体領域１９６に対して電極対１０４が締まる(zipper)ことになる。いくつかの実施形態において、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は柔軟であってもよい。よって、図５に示すように、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、そのタブ部１３２、１５４の第２の端部１３６、１５８が互いに近接したままであるが中央開口部１４６、１６８に接近して互いに間隔を空けてもよいように、互いに凸状である。非作動状態では、膨張可能な流体領域１９６は第１の高さＨ１を有する。

作動すると、図６に示すように、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、そのタブ部１３２、１５４の第２の端部１４４、１５８から互いに向かって締まり、それにより、誘電性流体１９８を膨張可能な流体領域１９６へ押しやる。図示のように、作動状態の場合、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は互いに平行である。作動状態では、誘電性流体１９８は膨張可能な流体領域１９６に流れ込み、膨張可能な流体領域１９６を膨張させる。そのため、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４は反対方向に膨張する。作動状態では、膨張可能な流体領域１９６は、非作動状態の場合の膨張可能な流体領域１９６の第１の高さＨ１より大きい第２の高さＨ２を有する。図示しないが、電極対１０４が非作動状態と作動状態との間の位置まで部分的に作動してもよいことに留意すべきである。これにより、必要に応じて、膨張可能な流体領域１９６の部分的な膨張と調整が可能になるであろう。

第１の電極１０６及び第２の電極１０８を互いに向かって移動するため、電源により電圧を印加する。いくつかの実施形態において、電源からは１０ｋＶまでの電圧が提供されてもよく、誘電性流体１９８の中に電界を生じさせる。結果として生じた第１の電極１０６と第２の電極１０８との間の引力は、誘電性流体１９８を膨張可能な流体領域１９６へ押しやる。膨張可能な流体領域１９６内の誘電性流体１９８からの圧力により、第１のフィルム層１２２及び第１の電気絶縁体層１１０が第１の電極１０６の重心軸Ｃに沿った第１の軸方向に変形し、第２のフィルム層１２４及び第２の電気絶縁体層１１２が第２の電極１０８の重心軸Ｃに沿った反対の第２の軸方向に変形する。第１の電極１０６及び第２の電極１０８に供給される電圧が一旦断たれると、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、非作動状態での初期の非平行な位置に戻る。

本明細書に開示の本実施形態、特に、タブ部１３２、１５４に形成された鋸歯パターン１３７、１３９を有するタブ部１３２、１５４が、鋸歯パターン１３７、１３９を有するタブ部１３２、１５４を含まない、ＨＡＳＥＬアクチュエータなどのアクチュエータに対して多数の改善点を提供することを理解すべきである。第１の電極１０６及び第２の電極１０８のそれぞれに二対のタブ部１３２、１５４を含む人工筋肉１００の実施形態は、均一かつ放射状に延びる幅を有するドーナツ型の電極を含む公知のＨＡＳＥＬアクチュエータと比較して、作動後に結果として得られる力の量を減らすことなく人工筋肉１００の全体の質量及び厚さを減らし、作動中に必要な電圧の量を減らし、人工筋肉１００の全体積を減らす。より詳しくは、人工筋肉１００のタブ部１３２、１５４は、ドーナツ型の電極を含むＨＡＳＥＬアクチュエータと比較して、人工筋肉１００の局所的かつ均一な油圧作動を提供することにより作動電力の増加をもたらす締められた前面を提供する。特に、ドーナツ型のＨＡＳＥＬアクチュエータと比較して、一対のタブ部１３２、１５４は、二倍量の単位体積当たりのアクチュエータ電力を提供する一方で、二対のタブ部１３２、１５４は、四倍量の単位体積当たりのアクチュエータ電力を提供する。タブ部１３２、１５４を相互に接続する橋部１７４、１７６はまた、作動中、隣接するタブ部１３２、１５４の間の距離を保つことによりタブ部１３２、１５４の座屈を制限する。橋部１７４、１７６はタブ部１３２、１５４と一体形成されるため、橋部１７４、１７６はまた、破壊リスクの増加をもたらす付着位置を取り除くことによりタブ部１３２、１５４の間の漏れを防ぐ。その上、本明細書で論じられるように、鋸歯パターン１３７、１３９はタブ部１３２、１５４とリード１３０、１５２との間の垂直交差の点を取り除く。これにより、人工筋肉１００は、短絡及び電圧破壊のリスクを低下させつつより高い電圧を受けることができるようになる。

動作中、人工筋肉１００を作動させると、膨張可能な流体領域１９６の膨張は、例えば、アクチュエータの体積の１立方センチメートル（ｃｍ³）当たり３ニュートンミリメートル（Ｎ．ｍｍ）以上、アクチュエータの体積の１ｃｍ³当たり４Ｎ．ｍｍ以上、アクチュエータの体積の１ｃｍ³当たり５Ｎ．ｍｍ以上、アクチュエータの体積の１ｃｍ³当たり６Ｎ．ｍｍ以上、アクチュエータの体積の１ｃｍ³当たり７Ｎ．ｍｍ以上、アクチュエータの体積の１ｃｍ³当たり８Ｎ．ｍｍ以上、アクチュエータの体積の１ｃｍ³当たり９Ｎ．ｍｍ以上、アクチュエータの体積の１ｃｍ³当たり１０Ｎ．ｍｍ以上、アクチュエータの体積の１ｃｍ³当たり１１Ｎ．ｍｍ以上、及びアクチュエータの体積の１ｃｍ³当たり１２Ｎ．ｍｍ以上の力を生み出す。一つの例において、９．５キロボルト（ｋＶ）の電圧により人工筋肉１００を作動させると、人工筋肉１００は結果として５Ｎの力を提供する。他の例において、１０ｋＶの電圧により人工筋肉１００を作動させると、人工筋肉１００は５００グラムの負荷の下で４４０％の張力を提供する。

さらに、第１の電極１０６及び第２の電極１０８の大きさは、誘電性流体１９８の変位量に比例する。したがって、膨張可能な流体領域１９６内の大きな変位が望ましい場合、膨張可能な流体領域１９６の大きさに対して電極対１０４の大きさを増す。膨張可能な流体領域１９６の大きさは、第１の電極１０６及び第２の電極１０８の中央開口部１４６、１６８により規定されることを理解すべきである。よって、あるいは又はさらに、膨張可能な流体領域１９６内の変位の度合いは、中央開口部１４６、１６８の大きさを増すこと又は縮小することにより制御してもよい。

図７及び図８に示すように、人工筋肉２００の他の実施形態を例示する。人工筋肉２００は、実質的には人工筋肉１００と同様である。そのため、同様の構造が同様の参照番号で示されている。しかしながら、図示のように、第１の電極１０６は中央開口部１４６を含まない。よって、第２の電極１０８のみがその中に形成された中央開口部１６８を含む。図７に示すように、人工筋肉２００は、第１の電極１０６が平面であり第２の電極１０８が第１の電極１０６に対して凸状である、非作動状態にある。非作動状態では、膨張可能な流体領域１９６は第１の高さＨ３を有する。図８に示すように作動状態では、膨張可能な流体領域１９６は、第１の高さＨ３より大きい第２の高さＨ４を有する。第１の電極１０６及び第２の電極１０８の両方とは反対であるとして第２の電極１０８のみに中央開口部１６８を設けることにより、全体の変形が人工筋肉２００の片側に形成されてもよいことを理解すべきである。さらに、全体の変形が人工筋肉２００の片側のみに形成されるため、人工筋肉２００の膨張可能な流体領域１９６の第２の高さＨ４は、誘電性流体の他の寸法、配向、及び体積が全て同じである場合の人工筋肉１００の膨張可能な流体領域１９６の第２の高さＨ２よりも、人工筋肉２００の重心軸Ｃに対して垂直な長手方向軸からさらに延びる。

ここで図９を参照すると、人工筋肉集合体３００が、複数の人工筋肉１００などの人工筋肉を含んで示される。しかしながら、複数の人工筋肉２００が、同様に、積層形態で配置されてもよいことを理解すべきである。それぞれの人工筋肉１００の膨張可能な流体領域１９６が隣接する人工筋肉１００の膨張可能な流体領域１９６を覆うように、それぞれの人工筋肉１００は構造が同一で積層して配置されてもよい。人工筋肉１００が非作動状態と作動状態との間で同時に作動できるように、それぞれの人工筋肉１００のリード１３０、１５２は互いに電気的に接続する。人工筋肉１００を積層構成で配置することにより、人工筋肉集合体３００の全体の変形は、それぞれの人工筋肉１００の膨張可能な流体領域１９６内の変形の和となる。そのため、人工筋肉集合体３００から結果として得られる変形の度合いは、人工筋肉１００単独によりもたらされるであろう変形の度合いよりも大きい。

ここで図１０を参照すると、作動システム４００は、電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００などの電極対、人工筋肉、又は人工筋肉集合体を非作動状態と作動状態との間で動作するため設けられてもよい。よって、作動システム４００は、コントローラ４０２、動作装置４０４、電源４０６、及び通信経路４０８を含んでもよい。作動システム４００の様々な構成要素をここで説明する。

コントローラ４０２は、様々な構成要素が通信するように連結したプロセッサ４１０及び非一時的電子メモリ４１２を含む。いくつかの実施形態において、プロセッサ４１０及び非一時的電子メモリ４１２、及び／又は他の構成要素は、単一装置内に含まれる。他の実施形態において、プロセッサ４１０及び非一時的電子メモリ４１２、及び／又は他の構成要素は、通信するように連結した複数の装置の間で分散されてもよい。コントローラ４０２は、一連の機械可読命令を格納する非一時的電子メモリ４１２を含む。プロセッサ４１０は、非一時的電子メモリ４１２に格納された機械可読命令を実行する。非一時的電子メモリ４１２は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードドライブ、又は機械可読命令がプロセッサ４１０によりアクセスできるように機械可読命令を格納できるどのような装置を備えてもよい。その結果、本明細書に記載の作動システム４００を前もってプログラムされたハードウェア要素として、又はハードウェア及びソフトウェア構成要素の組み合わせとして、どのような従来のコンピュータプログラミング言語で実装してもよい。非一時的電子メモリ４１２を一つのメモリモジュールとして、又は複数のメモリモジュールとして実装してもよい。

いくつかの実施形態において、非一時的電子メモリ４１２は、作動システム４００の機能を実行するための命令を含む。命令は、ユーザコマンドに基づき電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００を動作するための命令を含んでもよい。

プロセッサ４１０は、機械可読命令を実行できるどのような装置であってもよい。例えば、プロセッサ４１０は、集積回路、マイクロチップ、コンピュータ、又はその他の計算装置であってもよい。非一時的電子メモリ４１２及びプロセッサ４１０は、作動システム４００の様々な構成要素及び／又はモジュール間の信号の相互接続性をもたらす通信経路４０８に連結している。その結果、通信経路４０８は、いくつものプロセッサを互いに通信するように連結してもよく、通信経路４０８に連結したモジュールが分散コンピューティング環境で動作できるようになる。特に、各モジュールは、データを送信及び／又は受信してもよいノードとして動作してもよい。本明細書で使用する『通信するように連結した』という用語は、例えば、導電媒質を介した電気信号、空気を介した電磁信号、光導波路を介した光信号などのように、連結した構成要素がデータ信号を互いに交換できることを意味する。

図１０に概略的に示すように、通信経路４０８は、コントローラ４０２のプロセッサ４１０及び非一時的電子メモリ４１２を作動システム４００の複数の他の構成要素に通信するように連結する。例えば、図１０に示す作動システム４００は、動作装置４０４及び電源４０６に通信するように連結したプロセッサ４１０及び非一時的電子メモリ４１２を含む。

動作装置４０４により、ユーザが電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００の動作を制御できるようになる。いくつかの実施形態において、動作装置４０４は、スイッチ、トグル、ボタン、又はユーザの動作をもたらす制御の任意の組み合わせであってもよい。非限定例として、動作装置４０４の制御をアクティブにし第１の位置にすることにより、ユーザは電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００を作動状態へ作動してもよい。第１の位置の間、電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００は作動状態のままでいるであろう。動作装置４０４の制御を動作し第１の位置から第２の位置にすることにより、ユーザは電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００を非作動状態へ切り替えてもよい。

動作装置４０４は、通信経路４０８が動作装置４０４を作動システム４００の他のモジュールに通信するように連結するよう、通信経路４０８に連結する。動作装置４０４は、電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００の特定の動作構成に応じてユーザの命令を受け取るためのユーザインターフェースを設けてもよい。さらに、ユーザの命令は、一定の条件でのみ電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００を動作するための命令を含んでもよい。

電源４０６（例えば、バッテリー）は、電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００に電力を提供する。いくつかの実施形態において、電源４０６は、充電式直流電源である。電源４０６は、電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００に電力を提供するための単一電源又はバッテリーであってもよいことを理解すべきである。電源４０６を介して電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００に電力を提供するため電源アダプタ（図示せず）を設け、ワイヤハーネス又は同種のものを介して電気的に連結してもよい。

いくつかの実施形態において、作動システム４００はまた、表示装置４１４を含む。表示装置４１４は、通信経路４０８が表示装置４１４を作動システム４００の他のモジュールに通信するように連結するよう、通信経路４０８に連結する。表示装置４１４は、電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００の作動状態、又は電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００の作動状態における変化の兆候に反応して通知を出力してもよい。さらに、表示装置４１４は、光情報を提供することに加え、表示装置４１４の表面上の又は表示装置４１４に隣接した触覚入力の存在及び位置を検出するタッチスクリーンでもよい。その結果、表示装置４１４は、動作装置４０４を含み、表示装置４１４に提供された光出力上で機械的入力を直接受けてもよい。

いくつかの実施形態において、作動システム４００は、作動システム４００を携帯機器４１８にネットワーク４２０を介して通信するように連結するためのネットワークインターフェースハードウェア４１６を含む。携帯機器４１８は、制限されるものではないが、スマートフォン、タブレット、パーソナルメディアプレーヤー、又はその他の無線通信機能性を含む電気装置を含んでもよい。携帯機器４１８は、設けられた場合、動作装置４０４の代わりにユーザコマンドをコントローラ４０２に提供する働きをしてもよいことを理解すべきである。そのため、ユーザは、電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００を制御するためのプログラムを動作装置４０４の制御を用いることなく制御又は設定できるであろう。よって、電極対１０、人工筋肉１００、２００、又は人工筋肉集合体３００をコントローラ４０２とネットワーク４２０を介して無線で通信する携帯機器４１８を介して遠隔で制御してもよい。

以上により、人工筋肉を選択的に作動しその領域を上げ下げすることにより、物体の表面を膨張又は変形させるための人工筋肉が本明細書で規定されたことを理解すべきである。これにより、要求に応じて動作できる薄型の膨張部材が提供される。

本明細書では、『実質的に』及び『約』という用語は、あらゆる量的比較、値、測定、又は他の表現に起因しうる不確実性の固有の程度を表すために用いられうることに留意されたい。本明細書では、これらの用語はまた、量的表現が、問題の主題の基本機能が結果的に変化することなく、記載された基準から変わりうる程度を表すためにも用いられる。

本明細書では特定の実施形態を例示し記載してきたが、特許請求の範囲に記載された主題の範囲から逸脱することなく様々な他の変更及び改良を行ってもよいことを理解すべきである。さらに、本明細書では特許請求の範囲に記載された主題の様々な側面を記載してきたが、そのような側面を組み合わせて用いる必要はない。したがって、添付の特許請求の範囲は、特許請求の範囲に記載された主題の範囲内である全てのそのような変更及び改良を包含することが意図される。

Claims (20)

1. それぞれが外面、内面、第１の端部、第２の端部、及び前記第１の端部から外側に延びるリードを有する第１の電極及び第２の電極を備える電極対であって、
   前記リードは前記第１の端部に第１の幅を有し、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれの少なくとも一つの前記第２の端部は、前記第２の端部に形成され第１の末端及び第２の末端を有する凹部を有し、第２の幅は前記凹部の前記第１の末端と前記第２の末端との間を延び、前記凹部は鋸歯パターンにより規定され、前記第２の幅は前記第１の幅より大きく、
   前記第１の電極が前記第２の電極の上に位置する場合、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つの前記凹部は他方の電極の前記リードと隣接する、
   電極対。
2. 前記第１の電極及び前記第２の電極はそれぞれ、前記第１の電極及び前記第２の電極それぞれの前記第２の端部に形成された凹部を有し、前記第１の電極が前記第２の電極の上に位置する場合、前記第１の電極の前記リードは前記第２の電極の前記凹部の前記第１の末端と前記第２の末端との間で横方向に位置し、前記第２の電極の前記リードは前記第１の電極の前記凹部の前記第１の末端と前記第２の末端との間で横方向に位置した、請求項１に記載の電極対。
3. 前記第１の電極及び前記第２の電極はそれぞれ、前記第１の端部、前記第２の端部、第１の辺、及び反対側の第２の辺により規定される本体を有し、前記第１の辺及び前記第２の辺は前記第１の端部と前記第２の端部との間を延び、前記リードは前記本体から垂直に延びる、請求項１に記載の電極対。
4. 前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれの前記第１の端部が前記第１の電極及び前記第２の電極それぞれの前記第２の端部と向かい合うように、前記第１の電極及び前記第２の電極の前記本体は矩形である、請求項３に記載の電極対。
5. 前記凹部の鋸歯パターンは、複数の歯を備える、請求項１に記載の電極対。
6. 前記鋸歯パターンの隣接する歯の間の角度は、１０°～１００°である、請求項５に記載の電極対。
7. 前記鋸歯パターンの隣接する歯の間の角度は、３０°～６０°である、請求項６に記載の電極対。
8. 前記鋸歯パターンは、くぼんだ円弧に沿って延びる、請求項１に記載の電極対。
9. 電極領域及び膨張可能な流体領域を備えるハウジングと、
   前記ハウジングの前記電極領域に位置した、前記ハウジングの第１の面に固定された第１の電極及び前記ハウジングの第２の面に固定された第２の電極を備える電極対と、
   前記ハウジング内に収容された誘電性流体と、を備える人工筋肉であって、
   前記第１の電極及び前記第２の電極はそれぞれ、外面、内面、第１の端部、第２の端部、及び前記第１の端部から外側に延びるリードを有し、前記リードは前記第１の端部に第１の幅を有し、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つの前記第２の端部は、前記第２の端部に形成され第１の末端及び第２の末端を有する凹部を有し、第２の幅は前記凹部の前記第１の末端と前記第２の末端との間を延び、前記凹部は鋸歯パターンにより規定され、前記第２の幅は前記第１の幅より大きく、
   前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つは、前記膨張可能な流体領域を取り囲む中央開口部を備え、
   前記第１の電極が前記第２の電極の上に位置する場合、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つの前記凹部は、他方の電極の前記リードと隣接し、
   非作動状態から作動状態への作動により前記誘電性流体が前記膨張可能な流体領域に移動するように、前記電極対が前記非作動状態と前記作動状態との間で作動可能である、
   人工筋肉。
10. 前記第１の電極及び前記第２の電極はそれぞれ、少なくとも二つのタブ部及び少なくとも二つの橋部を備え、前記少なくとも二つのタブ部は前記第１の端部及び前記第２の端部により規定され、前記少なくとも二つの橋部のそれぞれは隣接するタブ部を相互に接続する、請求項９に記載の人工筋肉。
11. 前記鋸歯パターンは、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれの前記少なくとも二つのタブ部の第１のタブ部に形成され、前記リードは、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれの前記少なくとも二つのタブ部の第２のタブ部から垂直に延び、前記第１のタブ部は前記第２のタブ部と向かい合う、請求項１０に記載の人工筋肉。
12. 前記鋸歯パターンは、複数の歯を備える、請求項９に記載の人工筋肉。
13. 前記鋸歯パターンの隣接する歯の間の角度は、３０°～６０°である、請求項１２に記載の人工筋肉。
14. 前記鋸歯パターンは、くぼんだ円弧に沿って延びる、請求項９に記載の人工筋肉。
15. 前記電極対が前記非作動状態の場合、前記第１の電極及び前記第２の電極は互いに非平行であり、
    前記非作動状態から前記作動状態に作動した場合、前記第１の電極及び前記第２の電極は、互いに向かってかつ前記中央開口部に向かって締まるように構成されるよう、前記電極対が前記作動状態の場合、前記第１の電極及び前記第２の電極は互いに平行である、
    請求項９に記載の人工筋肉。
16. 人工筋肉を作動する方法であって、該方法は、
    人工筋肉の電極対に電気的に連結した電源を用いて電圧を発生することであって、
    前記人工筋肉は、電極領域及び膨張可能な流体領域を有するハウジングと、前記ハウジングの前記電極領域に位置した、前記ハウジングの第１の面に固定された第１の電極及び前記ハウジングの第２の面に固定された第２の電極を備える前記電極対と、前記ハウジング内に収容された誘電性流体とを備え、
    前記第１の電極及び前記第２の電極はそれぞれ、外面、内面、第１の端部、第２の端部、及び前記第１の端部から外側に延びるリードを有し、前記リードは前記第１の端部に第１の幅を有し、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つの前記第２の端部は、前記第２の端部に形成され第１の末端及び第２の末端を有する凹部を有し、第２の幅は前記凹部の前記第１の末端と前記第２の末端との間を延び、前記凹部は鋸歯パターンにより規定され、前記第２の幅は前記第１の幅より大きく、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つの前記凹部が他方の電極の前記リードと隣接するように前記第１の電極は前記第２の電極の上に位置することができ、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一つは、前記膨張可能な流体領域を取り囲む中央開口部を備える、ことと、
    前記電圧を前記人工筋肉の前記電極対に印加し、それにより、前記誘電性流体を前記ハウジングの前記膨張可能な流体領域に移動させ前記膨張可能な流体領域を膨張させるように、前記電極対を非作動状態から作動状態へ作動することと、
    を含む、方法。
17. 前記ハウジングは、第１のフィルム層及び第２のフィルム層を備え、前記第１のフィルム層と前記第２のフィルム層を互いに部分的にヒートシールし前記ハウジングのシール部を規定し、前記ハウジングはさらに前記シール部に取り囲まれた非シール部を備え、前記ハウジングの前記電極領域及び前記膨張可能な流体領域が前記非シール部に配置された、請求項１６に記載の方法。
18. コントローラは、前記電極対に通信するように連結し、前記コントローラは、前記電圧を前記電源から前記第１の電極及び前記第２の電極にわたって移動させ、前記人工筋肉を前記非作動状態から前記作動状態へ作動する、請求項１６に記載の方法。
19. 前記鋸歯パターンは、くぼんだ円弧に沿って延びる複数の歯を備え、前記鋸歯パターンの隣接する歯の間の角度は、３０°～６０°である、請求項１６に記載の方法。
20. 前記人工筋肉に印加された電圧は、９ｋＶより大きい、請求項１６に記載の方法。

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