JP2022118705A - 交互にオフセットされた人工筋肉層を備える人工筋肉積層 - Google Patents

交互にオフセットされた人工筋肉層を備える人工筋肉積層 Download PDF

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Abstract

【課題】複数の人工筋肉層を含む人工筋肉積層を提供すること。【解決手段】各人工筋肉層は、電極領域及び拡張可能な流体領域を伴うハウジングを有する１つ又は複数の人工筋肉、ハウジング内に収容される誘電流体、並びに電極領域に位置付けられる第１及び第２の電極を有する電極対を含む。第１及び第２の電極は各々、２つ以上のタブ部分及び２つ以上のブリッジ部分を含む。２つ以上のブリッジ部分は、隣接するタブ部分に相互接続する。第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方は、タブ部分の間に位置付けられ、拡張可能な流体領域を一周する、中央開口部を含む。複数の人工筋肉層は、各人工筋肉層の人工筋肉の拡張可能な流体領域が、隣接する人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉の少なくとも１つのタブ部分に重なるように配置される。【選択図】図１

Description

本明細書は、概して、人工筋肉の積層(stacks)及び配置に関する。
現在のロボット技術は、多くの場合構造化環境において、タスクを実施するためのサーボモータなど、剛体構成要素に依拠する。この剛性は、多くのロボット用途において、少なくとも部分的に、サーボモータ及び他の剛体ロボットデバイスの重量対動力比によって引き起こされる、制限を生じさせる。ソフトロボティクスの分野は、人工筋肉及びソフトアクチュエータを使用することによって、これらの制限を改善する。人工筋肉は、生物学的な筋肉の多用途性、性能、及び信頼性を模倣しようとする試みである。一部の人工筋肉は、流体アクチュエータに依拠するが、流体アクチュエータは、加圧ガス又は液体の供給を必要とし、流体輸送は、流路及び管の系を通じて発生しなければならず、人工筋肉の速度及び効率を制限する。他の人工筋肉は、熱活性型高分子ファイバを使用するが、これらは、制御が困難であり、低効率で動作する。
１つの特定の人工筋肉設計は、Ｅ．Ａｃｏｍｅ、Ｓ．Ｋ．Ｍｉｔｃｈｅｌｌ、Ｔ．Ｇ．Ｍｏｒｒｉｓｓｅｙ、Ｍ．Ｂ．Ｅｍｍｅｔｔ、Ｃ．Ｂｅｎｊａｍｉｎ、Ｍ．Ｋｉｎｇ、Ｍ．Ｒａｄａｋｏｖｉｔｚ、及びＣ．Ｋｅｐｌｉｎｇｅｒによる、“Ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｍｕｓｃｌｅ－ｌｉｋｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ”という表題の論文（Ｓｃｉｅｎｃｅ ０５ Ｊａｎ２０１８：Ｖｏｌ．３５９、Ｉｓｓｕｅ６３７１、ｐｐ．６１－６５）に説明されている。これらの油圧増幅自己修復静電（ＨＡＳＥＬ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ）アクチュエータは、静電及び油圧力を使用して様々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は、単位容積あたりの限られたアクチュエータ動力を有する。さらには、ＨＡＳＥＬアクチュエータ人工筋肉及び他の既知の人工筋肉は、小設置面積で組み合わせると同時に、これらの人工筋肉の組み合わせの達成可能な集合的な力を増加させることが困難である。
したがって、単位容積あたりの増加したアクチュエータ動力を有する改善された人工筋肉、及びこれらの改善された人工筋肉の小設置面積配置が必要とされている。
１つの実施形態において、人工筋肉積層は、複数の人工筋肉層を含む。各人工筋肉層は、１つ又は複数の人工筋肉を含み、１つ又は複数の人工筋肉は、電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジング、ハウジング内に収容される誘電流体、並びに電極領域に位置付けられる第１及び第２の電極を有する電極対を含む。第１の電極及び第２の電極は各々、２つ以上のタブ部分及び２つ以上のブリッジ部分を含む。２つ以上のブリッジ部分の各々は、隣接するタブ部分に相互接続する。第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方は、２つ以上のタブ部分の間に位置付けられ、かつ拡張可能な流体領域を一周する、中央開口部を含む。加えて、複数の人工筋肉層は、各人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉の拡張可能な流体領域が、隣接する人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉の少なくとも１つのタブ部分に重なるように配置される。
別の実施形態において、人工筋肉積層は、３つ以上の人工筋肉層を含む。各人工筋肉層は、１つ又は複数の人工筋肉を含む。１つ又は複数の人工筋肉は、電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジング、ハウジング内に収容される誘電流体、並びに電極領域に位置付けられる第１及び第２の電極を有する電極対を含む。第１の電極及び第２の電極は各々、２つ以上のタブ部分及び２つ以上のブリッジ部分を含む。２つ以上のブリッジ部分の各々は、隣接するタブ部分に相互接続する。第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方は、２つ以上のタブ部分の間に位置付けられ、かつ拡張可能な流体領域を一周する、中央開口部を含む。さらには、各内側人工筋肉層は、第１のタブ軸線に沿って第１の隣接する人工筋肉層とオフセットされ、第２のタブ軸線に沿って第２の隣接する人工筋肉層とオフセットされ、各タブ軸線は、拡張可能な流体領域の中心軸線から、内側人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉のタブ部分のうちの少なくとも１つの端部まで延びる。
さらに別の実施形態において、人工筋肉積層を作動させるための方法は、複数の人工筋肉層の各人工筋肉の電極対に電気的に結合される電源を使用して電圧を生成することを含む。各人工筋肉は、電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジングを含み、誘電流体は、ハウジング内に収容され、電極対は、第１の電極及び第２の電極を含み、ハウジングの電極領域に位置付けられる。第１の電極及び第２の電極は各々、２つ以上のタブ部分及び２つ以上のブリッジ部分を含み、２つ以上のブリッジ部分の各々は、隣接するタブ部分に相互接続し、第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方は、２つ以上のタブ部分の間に位置付けられ、かつ拡張可能な流体領域を一周する、中央開口部を含む。複数の人工筋肉層は、各人工筋肉層の各人工筋肉の拡張可能な流体領域が、隣接する人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉少なくとも１つのタブ部分に重なるように配置される。本方法は、電圧を、複数の人工筋肉層のうちの少なくとも１つの、少なくとも１つの人工筋肉の電極対に印加し、以て、少なくとも１つの人工筋肉の電極対を非作動状態から作動状態へ作動させ、その結果として、誘電流体が、ハウジングの拡張可能な流体領域内へ方向付けられ、拡張可能な流体領域を拡張することをさらに含む。
本明細書に説明される実施形態によって提供されるこれら及び追加の特徴は、図面と併せて、以下の詳細な説明を考慮してさらに完全に理解されるものとする。
図面に明記される実施形態は、本質的に例証的及び例示的であり、請求項によって規定される主題を制限することは意図されない。例証的な実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面と併せて読まれるときに理解され得、同様の構造体は同様の参照番号により示される。
本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、例証的な人工筋肉を概略的に描写する分解組立図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、図１の人工筋肉を概略的に描写する上面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、非作動状態にある、図２の線３－３に沿って取られた図１及び図２の人工筋肉を概略的に描写する断面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、作動状態にある、図２の線３－３に沿って取られた図１の人工筋肉を概略的に描写する断面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、非作動状態にある別の例証的な人工筋肉を概略的に描写する断面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、作動状態にある図４Ａの人工筋肉を概略的に描写する断面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、同軸整列で位置付けられる複数の人工筋肉層を備える例となる人工筋肉積層を概略的に描写する上面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、非作動状態にある、線５Ｂ－５Ｂに沿った図５Ａの人工筋肉積層を概略的に描写する側面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、作動状態にある、線５Ｂ－５Ｂに沿った図５Ａの人工筋肉積層を概略的に描写する側面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、交互にオフセットされた配置に位置付けられる複数の人工筋肉層を備える例となる人工筋肉積層を概略的に描写する上面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、非作動状態にある、線６Ｂ－６Ｂに沿った図６Ａの人工筋肉積層を概略的に描写する側面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、作動状態にある、線６Ｂ－６Ｂに沿った図６Ａの人工筋肉積層を概略的に描写する側面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、非作動状態にある、線６Ｄ－６Ｄに沿った図６Ａの人工筋肉積層を概略的に描写する側面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、非作動状態にある、線６Ｄ－６Ｄに沿った図６Ａの人工筋肉積層を概略的に描写する側面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、周囲人工筋肉の追加を伴った、交互にオフセットされた配置に位置付けられる複数の人工筋肉層を備える例となる人工筋肉積層を概略的に描写する上面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、図５Ａ～図７の人工筋肉積層の人工筋肉を動作させるための作動システムを概略的に描写する図である。
本明細書に説明される実施形態は、複数の人工筋肉層を含む人工筋肉積層であって、複数の人工筋肉層の各々が、個々の人工筋肉の詰め込みを最大限にするように配置される少なくとも１つの人工筋肉を各々が有する、人工筋肉積層を対象とする。本明細書に説明される各々個々の人工筋肉は、選択的な、オンデマンドの、膨張した拡張可能な流体領域を提供するために、人工筋肉の領域を選択的に上げ下げするように作動可能である。特に、１つ又は複数の人工筋肉は各々、電圧の印加によって一緒に引き寄せられ得る電極対を含み、以て、誘電流体を拡張可能な流体領域内へ押し込み、拡張可能な流体領域を拡張し、人工筋肉の一部分をオンデマンドで上昇させる。第１の電極及び第２の電極は各々、２つ以上のタブ部分、及び隣接するタブ部分に相互接続する２つ以上のブリッジ部分を含み、第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方は、タブ部分の間に位置付けられる中央開口部を含み、拡張可能な流体領域を一周する。電極対のタブ部分及びブリッジ部分の設計は、人工筋肉の作動によって達成可能な単位容積あたりの力を増加させるために、ジッパリング(zippering)作動運動を促進する。
いくつかの用途では、個々の人工筋肉は、いくつかの所望の機能性を実施するのに充分な作動力を生成しない。これらの用途においては、層アレイで配置された人工筋肉の積層を配置して、利用可能な作動力を増加させることが有用であり得る。しかしながら、各層内の人工筋肉の数を増加させることは、人工筋肉積層の設置面積を増加させる。いくつかの用途においては、増加した作動力の利益を保持しながら、人工筋肉積層の設置面積を最小限にすることが有用であり得る。本明細書に説明される実施形態は、各人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉の各々の拡張可能な流体領域が、隣接する人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉の少なくとも１つのタブ部分に重なるように、交互にオフセットされた配置で積層された複数の人工筋肉層を備える人工筋肉積層を対象とする。この交互のオフセット配置は、ある特定の設置面積に配置され得る人工筋肉の数を増加させ、小設置面積を保持しながら、人工筋肉積層の達成可能な作動力における増加を促進する。人工筋肉積層の様々な実施形態が、本明細書にさらに詳細に説明される。可能な場合はいつでも、同じ参照番号が、同じ又は同様の部分に言及するために図面全体にわたって使用される。
これより図１及び図２を参照すると、人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’（図５Ａ～図７）に配設され得る例となる人工筋肉１００が概略的に描写される。人工筋肉１００は、ハウジング１１０と、ハウジング１１０の対向する面に固定される第１の電極１０６及び第２の電極１０８を含む電極対１０４と、第１の電極１０６に固定される第１の電気絶縁体層１１１と、第２の電極１０８に固定される第２の電気絶縁体層１１２とを備える。いくつかの実施形態において、ハウジング１１０は、第１の内面１１４及び第２の内面１１６などの一対の対向する内面、並びに第１の外面１１８及び第２の外面１２０などの一対の対向する外面を含む、ワンピース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１１０の第１の内面１１４及び第２の内面１１６は、ヒートシール性である。他の実施形態において、ハウジング１１０は、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４など、一対の個々に製作されたフィルム層であり得る。故に、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。
本明細書に説明される実施形態は主に、ワンピースのハウジングとは対照的に、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４を備えるものとしてハウジング１１０に言及するが、いずれの配置も企図されるということを理解されたい。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、同じ構造体及び組成物を含む。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は各々、二軸配向ポリプロピレンを備える。
第１の電極１０６及び第２の電極１０８は各々、第１のフィルム層１２２と第２のフィルム層１２４との間に位置付けられる。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は各々、例えば、Ｍｙｌａｒ（登録商標）など、アルミニウム被覆ポリエステルである。加えて、第１の電極１０６及び第２の電極１０８のうちの一方は、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のうちの他方は、正に帯電した電極である。本明細書に論じられる目的のため、どちらか一方の電極１０６、１０８は、人工筋肉１００の他方の電極１０６、１０８が負に帯電される限り、正に帯電され得る。
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、具体的には、第１のフィルム層１２２の第１の内面１１４に対して位置付けられる。加えて、第１の電極１０６は、第１の端子１３０を含み、この第１の端子１３０は、第１の端子１３０が第１の電極１０６を作動させるために電源に接続され得るように、第１の電極１０６から第１のフィルム層１２２の縁を過ぎて延びる。具体的には、端子は、図７に示されるように、作動システム４００の電源及び制御器に、直接的又は直列に、結合される。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、具体的には、第２のフィルム層１２４の第２の内面１１６に対して位置付けられる。第２の電極１０８は、第２の端子１５２を含み、この第２の端子１５２は、第２の端子１３０が第２の電極１０８を作動させるために作動システム４００の電源及び制御器に接続され得るように、第２の電極１０８から第２のフィルム層１２４の縁を過ぎて延びる。
第１の電極１０６は、２つ以上のタブ部分１３２及び２つ以上のブリッジ部分１４０を含む。各ブリッジ部分１４０は、隣接するタブ部分１３２の間に位置付けられて、これらの隣接するタブ部分１３２を相互接続する。各タブ部分１３２は、第１の電極１０６の中心軸線Ｃからタブ部分１３２の対向する第２の端部１３６まで半径方向に延びる第１の端部１３４を有し、第２の端部１３６は、第１の電極１０６の外周囲１３８の一部分を画定する。各ブリッジ部分１４０は、第１の電極１０６の中心軸線Ｃから第１の電極１０６の外周囲１３８の別の部分を画定するブリッジ部分１４０の対向する第２の端部１４４まで延びる第１の端部１４２を有する。各タブ部分１３２は、タブ長さＬ１を有し、各ブリッジ部分１４０は、第１の電極１０６の中心軸線Ｃから半径方向に延びるブリッジ長さＬ２を有する。タブ長さＬ１は、タブ部分１３２の第１の端部１３４から第２の端部１３６までの距離であり、ブリッジ長さＬ２は、ブリッジ部分１４０の第１の端部１４２から第２の端部１４４までの距離である。各タブ部分１３２のタブ長さＬ１は、各ブリッジ部分１４０のブリッジ長さＬ２よりも長い。いくつかの実施形態において、ブリッジ長さＬ２は、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、２つ以上のタブ部分１３２は、タブ部分１３２の１つ又は複数の対で配置される。タブ部分１３２の各対は、互いと径方向に対向して配置された２つのタブ部分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の対辺又は両端に位置付けられる２つのみのタブ部分１３２を含み得る。いくつかの実施形態において、図１及び図２に示されるように、第１の電極１０６は、４つのタブ部分１３２、及び隣接するタブ部分１３２を相互接続する４つのブリッジ部分１４０を含む。この実施形態では、４つのタブ部分１３２は、二対のタブ部分１３２が互いに対して径方向に対向するように配置される。さらには、示されるように、第１の端子１３０は、タブ部分１３２のうちの１つの第２の端部１３６から延び、それと一体に形成される。
第１の電極１０６のように、第２の電極１０８は、少なくとも一対のタブ部分１５４及び２つ以上のブリッジ部分１６２を含む。各ブリッジ部分１６２は、隣接するタブ部分１５４の間に位置付けられて、これらの隣接するタブ部分１５４を相互接続する。各タブ部分１５４は、第２の電極１０８の中心軸線Ｃからタブ部分１５４の対向する第２の端部１５８まで半径方向に延びる第１の端部１５６を有し、第２の端部１５８は、第２の電極１０８の外周囲１６０の一部分を画定する。第１の電極１０６及び第２の電極１０８が互いと同軸であることに起因して、第１の電極１０６及び第２の電極１０８の中心軸線Ｃは同じである。各ブリッジ部分１６２は、第２の電極の中心軸線Ｃから第２の電極１０８の外周囲１６０の別の部分を画定するブリッジ部分１６２の対向する第２の端部１６６まで半径方向に延びる第１の端部１６４を有する。各タブ部分１５４は、タブ長さＬ３を有し、各ブリッジ部分１６２は、第２の電極１０８の中心軸線Ｃから半径方向に延びるブリッジ長さＬ４を有する。タブ長さＬ３は、タブ部分１５４の第１の端部１５６から第２の端部１５８までの距離であり、ブリッジ長さＬ４は、ブリッジ部分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、各ブリッジ部分１６２のブリッジ長さＬ４よりも長い。いくつかの実施形態において、ブリッジ長さＬ４は、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、２つ以上のタブ部分１５４は、タブ部分１５４の１つ又は複数の対で配置される。タブ部分１５４の各対は、互いと径方向に対向して配置された２つのタブ部分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の対辺又は両端に位置付けられる２つのみのタブ部分１５４を含み得る。いくつかの実施形態において、図１及び図２に示されるように、第２の電極１０８は、４つのタブ部分１５４、及び隣接するタブ部分１５４を相互接続する４つのブリッジ部分１６２を含む。この実施形態では、４つのタブ部分１５４は、二対のタブ部分１５４が互いに対して径方向に対向するように配置される。さらには、示されるように、第２の端子１５２は、タブ部分１５４のうちの１つの第２の端部１５８から延び、それと一体に形成される。
これより図１～図４Ｂを参照すると、第１の電極１０６及び第２の電極１０８のうちの少なくとも一方には、タブ部分１３２の第１の端部１３４とブリッジ部分１４０の第１の端部１４２との間に中央開口部が形成されている。図３Ａ及び図３Ｂでは、第１の電極１０６が、中央開口部１４６を有する。しかしながら、第１の電極１０６は、図４Ａ及び図４Ｂに示されるように中央開口部が第２の電極１０８内に提供されるとき、中央開口部１４６を含む必要がないということを理解されたい。代替的に、第２の電極１０８は、中央開口部１４６が第１の電極１０６内に提供されるとき、中央開口部を含む必要がない。依然として図１～図４Ｂを参照すると、第１の電気絶縁体層１１１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に全体的に対応する幾何学的形状を有する。故に、第１の電気絶縁体層１１１及び第２の電気絶縁体層１１２は各々、タブ部分１７０、１７２、及びブリッジ部分１７４、１７６を有し、これらは第１の電極１０６及び第２の電極１０８の同様部分に対応する。さらに、第１の電気絶縁体層１１１及び第２の電気絶縁体層１１２は各々、第１の電極１０６及び第２の電極１０８の上に位置付けられるとき、それぞれ第１の電極１０６の外周囲１３８及び第２の電極１０８の外周囲１６０に対応する外周囲１７８、１８０を有する。
いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層１１１及び第２の電気絶縁体層１１２は、概して、同じ構造体及び組成物を含むということを理解されたい。そのようなものとして、いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層１１１及び第２の電気絶縁体層１１２は各々、接着面１８２、１８４及び反対側の非シール性面１８６、１８８をそれぞれ含む。いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層１１１及び第２の電気絶縁体層１１２は各々、第１の電極１０６の内面１２８及び第２の電極１０８の内面１５０にそれぞれ接着される高分子テープである。
これより図２～図４Ｂを参照すると、人工筋肉１００は、ハウジング１１０の外周囲を過ぎて延びる第１の電極１０６の第１の端子１３０及び第２の電極１０８の第２の端子１５２、すなわち、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４を伴った、組み立てられた形態で示される。図２に示されるように、第２の電極１０８は、第１の電極１０６の上に積層され、したがって、第１の電極１０６、第１のフィルム層１２２、及び第２のフィルム層１２４は示されない。組み立てられた形態では、第１の電極１０６、第２の電極１０８、第１の電気絶縁体層１１１、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の外周囲１３８及び第２の電極１０８の外周囲１６０を囲むエリアにおいて、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に対してヒートシールされる。具体的には、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て、第１の電極１０６及び第２の電極１０８を囲むシール部分１９０を画定する。第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４は、接着剤、ヒートシーリング、又は同種のものを使用するなど、任意の好適な様式でシールされ得る。
第１の電極１０６、第２の電極１０８、第１の電気絶縁体層１１１、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に対してシールするのを防いで非シール部分１９２を形成するバリアを提供する。ハウジング１１０の非シール部分１９２は、電極対１０４が提供される電極領域１９４、及び、電極領域１９４によって囲まれる拡張可能な流体領域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、拡張可能な流体領域１９６を形成し、互いに対して軸方向に積層されるように配置される。示されないが、ハウジング１１０は、電極対１０４の幾何学的形状に適合し、人工筋肉１００のサイズ、すなわち、シール部分１９０のサイズを低減するために、切断され得る。
誘電流体１９８は、非シール部分１９２内に提供され、第１の電極１０６と第２の電極１０８との間を自由に流れる。「誘電」流体は、本明細書で使用される場合、伝導なしに電気力を伝送する媒体又は物質であり、そのようなものとして、低い電気伝導性を有する。いくつかの非限定的な例となる誘電流体としては、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。誘電流体１９８は、針又は他の好適な注入デバイスを使用して、人工筋肉１００の非シール部分１９２内へ注入され得るということを理解されたい。
これより図３Ａ及び図３Ｂ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。非作動状態では、図３Ａに示されるように、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、それらの中央開口部１４６、１６８、及びタブ部分１３２、１５４の第１の端部１３４、１５６の近位で互いから部分的に離間される。タブ部分１３２、１５４の第２の端部１３６、１５８は、ハウジング１１０が第１の電極１０６の外周囲１３８及び第２の電極１０８の外周囲１６０においてシールされていることに起因して、互いに対して所定の位置に留まる。作動状態では、図３Ｂに示されるように、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、互いと接触状態になり、また互いに対して平行に配向されて、誘電流体１９８を拡張可能な流体領域１９６内へと強いる。これにより、誘電流体１９８が、第１の電極１０６及び第２の電極１０８の中央開口部１４６、１６８を通って流れて、拡張可能な流体領域１９６を膨張させることを引き起こす。
これより図３Ａ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１１０の非シール部分１９２の電極領域１９４内に提供される。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、拡張可能な流体領域１９６内に同軸に整列される。非作動状態では、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、互いから部分的に離間され、互いに対して非平行である。第１のフィルム層１２２が電極対１０４の周りで第２のフィルム層１２４に対してシールされていることに起因して、タブ部分１３２、１５４の第２の端部１３６、１５８は、互いと接触状態になる。故に、誘電流体１９８は、第１の電極１０６と第２の電極１０８との間に提供され、以て、拡張可能な流体領域１９６の近位でタブ部分１３２、１５４の第１の端部１３４、１５６を分離させる。別の言い方をすると、第１の電極１０６のタブ部分１３２の第１の端部１３４と第２の電極１０８のタブ部分１５４の第１の端部１５６との間の距離は、第１の電極１０６のタブ部分１３２の第２の端部１３６と第２の電極１０８のタブ部分１５４の第２の端部１５８との間の距離よりも大きい。これは、作動されるとき、拡張可能な流体領域１９６の方へジッパリングする(zippering)電極対１０４を結果としてもたらす。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、可撓性であり得る。故に、図３Ａに示されるように、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、それらのタブ部分１３２、１５４の第２の端部１３６、１５８が、互いに対して近いままであり得るが、中央開口部１４６、１６８の近位で互いから離間されるように、凸状である。非作動状態では、拡張可能な流体領域１９６は、第１の高さＨ１を有する。
作動されるとき、図３Ｂに示されるように、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、それらのタブ部分１３２、１５４の第２の端部１４４、１５８から互いの方へジッパリングし、以て、誘電流体１９８を拡張可能な流体領域１９６内へ押し込む。示されるように、作動状態にあるとき、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、互いに対して平行である。作動状態では、誘電流体１９８は、拡張可能な流体領域１９６内へ流れて、拡張可能な流体領域１９６を膨張させる。そのようなものとして、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４は、反対方向に拡張する。作動状態では、拡張可能な流体領域１９６は、第２の高さＨ２を有し、これは、非作動状態にあるときの拡張可能な流体領域１９６の第１の高さＨ１よりも大きい。示されないが、電極対１０４は、非作動状態と作動状態との間の位置へ部分的に作動され得るということに留意されたい。これは、必要に応じて、拡張可能な流体領域１９６の部分膨張、及び調節を可能にする。
第１の電極１０６及び第２の電極１０８を互いの方へ動かすために、電圧が、電源（図７の電源４８など）によって印加される。いくつかの実施形態において、最大１０ｋＶの電圧が、誘電流体１９８を通じて電場を誘導するために電源から提供され得る。第１の電極１０６と第２の電極１０８との間の結果として生じる引力が、誘電流体１９８を拡張可能な流体領域１９６内へ押し込む。拡張可能な流体領域１９６内の誘電流体１９８からの圧力は、第１のフィルム層１２２及び第１の電気絶縁体層１１１を第１の電極１０６の中心軸線Ｃに沿って第１の軸方向に変形させ、第２のフィルム層１２４及び第２の電気絶縁体層１１２を第２の電極１０８の中心軸線Ｃに沿って反対の第２の軸方向に変形させる。第１の電極１０６及び第２の電極１０８に供給されている電圧が中止されると、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、非作動状態におけるそれらの最初の非平行位置へと戻る。動作中、電圧は、人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’の人工筋肉１００をまとめて及び／又は選択的に作動させるために、図５Ａ～図７の人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’の１つ又は複数の人工筋肉１００に印加され得る。
本明細書に開示される人工筋肉１００、具体的には、相互接続するブリッジ部分１７４、１７６を伴うタブ部分１３２、１５４の本実施形態は、Ｅ．Ａｃｏｍｅ、Ｓ．Ｋ．Ｍｉｔｃｈｅｌｌ、Ｔ．Ｇ．Ｍｏｒｒｉｓｓｅｙ、Ｍ．Ｂ．Ｅｍｍｅｔｔ、Ｃ．Ｂｅｎｊａｍｉｎ、Ｍ．Ｋｉｎｇ、Ｍ．Ｒａｄａｋｏｖｉｔｚ、及びＣ．Ｋｅｐｌｉｎｇｅｒによる、“Ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｍｕｓｃｌｅ－ｌｉｋｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ”という表題の論文（Ｓｃｉｅｎｃｅ ０５ Ｊａｎ２０１８：Ｖｏｌ．３５９、Ｉｓｓｕｅ６３７１、ｐｐ．６１－６５）に説明される油圧増幅自己修復静電（ＨＡＳＥＬ）アクチュエータなどのタブ部分１３２、１５４を含まないアクチュエータに勝るいくつかの改善点を提供する。第１の電極１０６及び第２の電極１０８の各々にそれぞれ二対のタブ部分１３２、１５４を含む人工筋肉１００の実施形態は、人工筋肉１００の全体的な質量及び厚さを低減し、作動中に必要とされる電圧の量を低減し、均一の半径方向に延びる幅を有するドーナツ形状の電極を含む既知のＨＡＳＥＬアクチュエータと比較して、作動後の結果として生じる力の量を低減することなく、人工筋肉１０１の総体積を減少させる。より詳細には、人工筋肉１００のタブ部分１３２、１５４は、ドーナツ形状の電極を含むＨＡＳＥＬアクチュエータを比較して、人工筋肉１００の局所的かつ均一の油圧作動を提供することによって、増加された作動動力を結果としてもたらすジッピング前面を提供する。具体的には、一対のタブ部分１３２、１５４は、ドーナツ形状のＨＡＳＥＬアクチュエータと比較して２倍の量の単位容積あたりのアクチュエータ動力を提供する一方、二対のタブ部分１３２、１５４は、４倍の量の単位容積あたりのアクチュエータ動力を提供する。タブ部分１３２、１５４を相互接続するブリッジ部分１７４、１７６はまた、作動中、隣接するタブ部分１３２、１５４間の距離を維持することによって、タブ部分１３２、１５４のバックリングを制限する。ブリッジ部分１７４、１７６が、タブ部分１３２、１５４と一体的に形成されることから、ブリッジ部分１７４、１７６はまた、遮断リスクの増加をもたらす付着場所を排除することによって、タブ部分１３２、１５４間の漏出を防ぐ。
動作中、人工筋肉１００が作動されるとき、拡張可能な流体領域１９６の拡張は、アクチュエータ容積の立方センチメートル（ｃｍ3）あたり３ニュートンミリメートル（Ｎ．ｍｍ）以上の力、例えば、ｃｍ3あたり４Ｎ．ｍｍ以上、ｃｍ3あたり５Ｎ．ｍｍ以上、ｃｍ3あたり６Ｎ．ｍｍ以上、ｃｍ3あたり７Ｎ．ｍｍ以上、ｃｍ3あたり８Ｎ．ｍｍ以上、又は同種のものなど、をもたらす。１つの例において、人工筋肉１００が９．５キロボルト（ｋＶ）の電圧により作動されるとき、人工筋肉１００は、結果として生じる５Ｎの力をもたらす。別の例において、人工筋肉１００が１０ｋＶの電圧により作動されるとき、人工筋肉１００は、５００グラム荷重で４４０％ひずみをもたらす。
さらには、第１の電極１０６及び第２の電極１０８のサイズは、誘電流体１９８の変位の量に比例する。したがって、拡張可能な流体領域１９６内でより大きい変位が所望されるほど、電極対１０４のサイズは、拡張可能な流体領域１９６のサイズに対して増大される。拡張可能な流体領域１９６のサイズは、第１の電極１０６及び第２の電極１０８における中央開口部１４６、１６８によって画定されるということを理解されたい。故に、拡張可能な流体領域１９６内の変位の度合いは、代替的に、又は追加的に、中央開口部１４６、１６８のサイズを増大又は低減することによって制御され得る。
図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、人工筋肉１００’の別の実施形態が例証される。人工筋肉１００’は、人工筋肉１００と実質的に同様である。そのようなものとして、同様の構造体は同様の参照番号で示される。しかしながら、示されるように、第１の電極１０６は、中央開口部を含まない。故に、第２の電極１０８だけが、その中に形成された中央開口部１６８を含む。図８に示されるように、人工筋肉１００’は、第１の電極１０６が平坦であり、第２の電極１０８が第１の電極１０６に対して凸状であることを伴って非作動状態にある。非作動状態では、拡張可能な流体領域１９６は、第１の高さＨ３を有する。作動状態では、図４Ｂに占めされるように、拡張可能な流体領域１９６は、第１の高さＨ３よりも大きい第２の高さＨ４を有する。第１の電極１０６及び第２の電極１０８の両方とは対照的に、第２の電極１０８にのみ中央開口部１６８を提供することによって、全体的変形が、人工筋肉１００’の一方の側に形成され得るということを理解されたい。加えて、全体的変形が人工筋肉１００’の一方の側にのみ形成されることから、人工筋肉１００’の拡張可能な流体領域１９６の第２の高さＨ４は、誘電流体のすべての他の寸法、配向、及び体積が同じであるとき、人工筋肉１００の拡張可能な流体領域１９６の第２の高さＨ２よりもさらに遠くへ人工筋肉１００’の中心軸線Ｃに対して垂直の長手方向軸線から延びる。
これより図５Ａ～図７を参照すると、人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’が描写される。図５Ａ～図７では、各人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’は、複数の人工筋肉層２１０、３１０を備え、複数の人工筋肉層２１０、３１０の各々は、１つ又は複数の人工筋肉１００を備える。いくつかの実施形態において、複数の人工筋肉層は、代替的に、又は追加的に、図４Ａ及び図４Ｂの人工筋肉１００’を備える。動作中、人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’は、単一の人工筋肉１００よりも多くの作動力を生成する。図５Ａ～図７は、増加した作動力を生成するために使用され得るいくつかの異なる積層配置を描写する。
図５Ａ～図５Ｃの人工筋肉積層２０１は、個々の人工筋肉層２１０の各々個々の人工筋肉１００の拡張可能な流体領域１９６が、他の個々の人工筋肉層２１０の個々の人工筋肉１００と同軸整列にあるように、同軸整列で配設された複数の人工筋肉層２１０を備える。図５Ｂ及び図５Ｃの側面図に示されるように、人工筋肉積層２０１は、３つの人工筋肉層２１０Ａ～２１０Ｃを備える。任意の数の人工筋肉層２１０が企図されるということを理解されたい。図５Ｂは、非作動状態にある人工筋肉積層２０１を描写し、図５Ｃは、作動状態にある人工筋肉積層２０１を描写する。人工筋肉積層２０１の各層において、個々の人工筋肉１００に重ならない。このように、図５Ａ～図５Ｂの人工筋肉積層２０１は、集合的な作動力を生成し得るが、各人工筋肉層２１０の個々の人工筋肉１００の同軸整列は、大きい設置面積を作り出す。人工筋肉の配置の設置面積を低減するため、図６Ａ～図６Ｅに描写される人工筋肉積層３０１が実装され得る。
図６Ａ～図６Ｅの人工筋肉積層３０１は、交互にオフセットされた配置で配置される複数の人工筋肉層３１０を備える。人工筋肉積層３０１は、第１の人工筋肉層３１０Ａ、第２の人工筋肉層３１０Ｂ、第３の人工筋肉層３１０Ｃ、及び第４の人工筋肉層３１０Ｄという４つの人工筋肉層３１０を備える。図６Ａは、人工筋肉積層３０１の上面図であり、図６Ｂ～図６Ｅは、人工筋肉積層３０１の側面図である。図６Ｂ及び図６Ｃは、非作動状態（図６Ｂ）及び作動状態（図６Ｃ）にある、線６Ｂ－６Ｂに沿った人工筋肉積層３０１の側面図を示す。図６Ｄ及び図６Ｅは、非作動状態（図６Ｄ）及び作動状態（図６Ｅ）にある、線６Ｄ－６Ｄに沿った人工筋肉積層３０１の側面図を示す。線６Ｂ－６Ｂは、線６Ｄ－６Ｄに対して直交しており、故に、図６Ｂ及び図６Ｃは、図６Ｄ及び図６Ｅとは異なる人工筋肉積層３０１の側面を示し、図６Ｂ及び図６Ｃによって示される側面は、図６Ｄ及び図６Ｅによって示される側面に対して直交している。
各人工筋肉層３１０は、１つ又は複数の人工筋肉１００、例えば、複数の人工筋肉１００を備える。例えば、図６Ａにおいて、第１の人工筋肉１００Ａは、人工筋肉積層３０１の人工筋肉１００の例証である。人工筋肉積層３０１の人工筋肉層３１０のうちのいくつかが単一の人工筋肉１００を備える実施形態が企図されるということを理解されたい。図６Ａ～図６Ｅに描写される人工筋肉積層３０１の交互のオフセット配置において、複数の人工筋肉層３１０は、各人工筋肉層３１０の１つ又は複数の人工筋肉１００のハウジング１１０の各拡張可能な流体領域１９６が、隣接する人工筋肉層３１０の１つ又は複数の人工筋肉１００の少なくとも１つのタブ部分１３２、１５４に重なるように配置される。言い換えると、各人工筋肉層３１０の１つ又は複数の人工筋肉１００のハウジング１１０の各拡張可能な流体領域１９６は、隣接する人工筋肉層３１０の１つ又は複数の人工筋肉１００のハウジング１１０の電極領域１９４に重なる。いくつかの実施形態において、１つの人工筋肉１００の個々のタブ部分１３２、１５４は、個々のタブ部分１３２、１５４の第２の端部１３６、１５８が、隣接する筋肉層３１０内の人工筋肉１００の拡張可能な流体領域１９６の中心軸線Ｃにおいて、又はその近くで終端するように、隣接する人工筋肉層３１０内の人工筋肉１００の拡張可能な流体領域１９６に重なり得る。故に、拡張可能な流体領域１９６のうちのいくつかには、拡張可能な流体領域１９６の片側又は両側において、各々異なる人工筋肉１００からの２つのタブ部分１３２、１５４が重ねられ得る。電極対１０４の第２の電極１０８のタブ部分１５４が図６Ａに示されるが、電極対１０４は、タブ部分１３２を伴う第１の電極１０６も含むということを理解されたい。
図６Ａ～図６Ｅにおいて人工筋肉積層３０１の交互にオフセットされた配置を例証するため、各人工筋肉層３１０の人工筋肉１００の相対的な線厚が、それぞれの人工筋肉層３１０の相対的な空間的位置付けを例証するために使用される。例えば、図６Ａにおいて、第１の人工筋肉層３１０Ａは、最上層であるため、第１の人工筋肉層３１０Ａの人工筋肉１００は、複数の人工筋肉層３１０の最も幅広の線厚で描写される。同様に、図６Ａにおいて、第４の人工筋肉層３１０Ｄは、最下層であるため、第４の人工筋肉層３１０Ｄの人工筋肉１００は、複数の人工筋肉層３１０の最も狭い線厚で描写される。
人工筋肉積層３０１の交互にオフセットされた配置において、人工筋肉積層３０１の隣接する人工筋肉層３１０は、第１のタブ軸線１０又は第２のタブ軸線１２などの１つ又は複数のタブ軸線に沿って互いからオフセットされる。各タブ軸線は、複数の人工筋肉層３１０の個々の人工筋肉１００の拡張可能な流体領域１９６の中心軸線Ｃから、複数の人工筋肉層３１０の個々の人工筋肉１００のタブ部分１３２、１５４のうちの少なくとも１つの端部（すなわち、第２の端部１３６、１５８）まで延びる。図６Ａ～図６Ｅに描写される人工筋肉積層３０１の人工筋肉１００の実施形態は各々、径方向に対向した対で配置された４つのタブ部分１３２、１５４を備えるため、第１のタブ軸線１０は、第２のタブ軸線１２に直交している。人工筋肉積層３１０の人工筋肉１００は４つのタブ部分１３２、１５４を備える（すなわち、各人工筋肉１００の電極対１０４の各電極が４つのタブ部分１３２、１５４を備える）が、４つよりも多い又は少ないタブ部分１３２、１５４を備える人工筋肉１００を伴う実施形態が企図されるということを理解されたい。これらの実施形態は、電極あたり３つのタブ部分、電極あたり５つのタブ部分、若しくは電極あたり６つのタブ部分を伴う実施形態など、３つ以上のタブ軸線、又は、径方向に対向したタブ部分の単一の対を備える実施形態など、単一のタブ軸線のみを備え得る。さらには、例えば、三角形又は矩形人工筋肉など、他の人工筋肉設計が、交互にオフセットされた配置で配置される実施形態が企図されるということを理解されたい。
依然として図６Ａ～図６Ｅを参照すると、少なくとも３つの人工筋肉層３１０を備える人工筋肉積層３０１の実施形態は、２つの他の人工筋肉層３１０に隣接する人工筋肉層３１０である少なくとも１つの内側人工筋肉層を含む。これらの実施形態において、各内側人工筋肉層は、第１のタブ軸線１０に沿って第１の隣接する人工筋肉層とオフセットされ、第２のタブ軸線１２に沿って第２の隣接する人工筋肉層とオフセットされる。この多軸オフセットは、１つのタブ軸線に沿ったオフセットを示す横方向シフトにより、及び他のタブ軸線に沿ったオフセットを示す相対的な線厚により、図６Ｂ～図６Ｅの側面図において描写される。図６Ｂ及び図６Ｃにおいて、第２のタブ軸線１２に沿った人工筋肉層３１０間のオフセットは、横方向シフトによって示され、第１のタブ軸線１０に沿った隣接する人工筋肉層３１０間のオフセットは、相対的な線厚によって示される。特に、図６Ｂ及び図６Ｃ内のより幅広の線厚は、第１のタブ軸線１０に沿って最前面へ（すなわち、ページの外へ）シフトされた人工筋肉層３１０を示し、図６Ｂ及び図６Ｃ内のより狭い線厚は、第１のタブ軸線１０に沿って背景へ（すなわち、ページ内へ）シフトされた人工筋肉層３１０を示す。図６Ｄ及び図６Ｅにおいて、第１のタブ軸線１０に沿った人工筋肉層３１０間のオフセットは、横方向シフトによって示され、第２のタブ軸線１２に沿った隣接する人工筋肉層３１０間のオフセットは、相対的な線厚によって示される。特に、図６Ｄ及び図６Ｅ内のより幅広の線厚は、第２のタブ軸線１２に沿って最前面へ（すなわち、ページの外へ）シフトされた人工筋肉層３１０を示し、図６Ｄ及び図６Ｅ内のより狭い線厚は、第２のタブ軸線１２に沿って背景へ（すなわち、ページ内へ）シフトされた人工筋肉層３１０を示す。
図６Ａ～図６Ｅにおいて、第２の人工筋肉層３１０Ｂ及び第３の人工筋肉層３１０Ｃは、内側人工筋肉層である。第２の人工筋肉層３１０Ｂは、第１のタブ軸線１０に沿って第１の人工筋肉層３１０Ａからオフセットされ、第２のタブ軸線１２に沿って第３の人工筋肉層３１０Ｃからオフセットされる。第３の人工筋肉層３１０Ｃは、第２のタブ軸線１２に沿って第２の人工筋肉層３１０Ｂからオフセットされ、第１のタブ軸線１０に沿って第４の人工筋肉層３１０Ｄからオフセットされる。増加した数の人工筋肉層３１０を伴う人工筋肉積層３０１においては、このパターンが繰り返され得、人工筋肉層の密集した積層配置を可能にする。
依然として図６Ａ～図６Ｅを参照すると、人工筋肉積層３０１の交互にオフセットされた配置にある隣接する人工筋肉層３１０内のタブ部分１３２、１５４と拡張可能な流体領域１９６との重なりは、図５Ａ～図５Ｃの人工筋肉積層２０１と比較したとき、増加した数の人工筋肉１００がある特定の設置面積内に配設されることを可能にする。実際、人工筋肉積層３０１は、横方向（すなわち、第１及び第２のタブ軸線１０、１２に沿って）及び深さ方向の両方において、ある特定の設置面積に配設され得る人工筋肉１００の数を最大限にして、人工筋肉積層３０１の単位容積あたりの集合的な作動力を最大限にする。各人工筋肉１００が作動するとき、電極対１０４のタブ部分１３２、１５４が近づき（例えば、平らになり）、拡張可能な流体領域１９６が拡張する。タブ部分１３２、１５４が平らになることから、人工筋肉１００の拡張可能な流体領域１９６は、隣接する人工筋肉層３１０のタブ部分より上及び／又は下に位置付けられ得る。これにより、増加した数の人工筋肉が凝縮したブロック（すなわち、人工筋肉積層３０１）内に一緒に位置付けられ、共同で動作することが可能になる。実際、人工筋肉積層３０１は、各人工筋肉層３１０の人工筋肉１００がそれらの集合的な力を付加的様式で表すことができるように設計される。逆に、図５Ａの人工筋肉積層２０１の同軸整列は、各人工筋肉層２１０の拡張可能な流体領域１９６が重なるため、各人工筋肉層２１０によって生成される付加的な力を制限する。
これより図７を参照すると、人工筋肉積層３０１’が描写される。人工筋肉積層３０１’は、周囲人工筋肉３１５の追加を伴って、図６Ａ～図６Ｅの人工筋肉積層３０１を備える。周囲人工筋肉３１５は、人工筋肉１００と同じ構造体を備えるが、第１の周囲人工筋肉３１５Ａによって示されるように、人工筋肉積層３０１’の人工筋肉１００よりも少ないタブ部分１３２、１５４を有する。図７に示されるように、人工筋肉積層３０１’の人工筋肉１００は、４つのタブ部分１３２、１５４を備え、周囲人工筋肉３１５は、２つ又は３つのタブ部分１３２、１５４を備える。特に、周囲人工筋肉３１５は、縁周囲人工筋肉３１６及び角周囲人工筋肉３１８を備え得る。縁周囲人工筋肉３１６は、人工筋肉積層３０１の単一の側面に沿って延び、角周囲人工筋肉３１８は、角周囲人工筋肉３１８の１つのタブ部分が人工筋肉積層３０１の１つの側面に沿って延び、角周囲人工筋肉３１８の別のタブが人工筋肉積層３０１の別の側面に沿って延びるように、人工筋肉積層３０１の角に配設される。
図６Ａ～図６Ｅに示されるように、人工筋肉積層３０１の複数の人工筋肉層３１０の交互のオフセット配置は、人工筋肉積層３０１の縁に沿って対称性不均衡を作り出す。すなわち、交互のオフセット配置に起因して、人工筋肉層３１０は、人工筋肉積層３０１に縁隙間を残して、異なる場所で横方向に終端し得る。図７に示されるように、周囲人工筋肉３１５は、人工筋肉積層３０１’の各人工筋肉層３１０が横方向に隣接するように、これらの縁隙間を充填するために使用され得る。いくつかの実施形態において、各人工筋肉層３１０は、人工筋肉積層３０１の縁に沿った対称性を均衡にすること、及び全体的な設置面積を増加させることなく追加の作動力を人工筋肉積層３０１に付加することの両方のために、周囲人工筋肉３１５、例えば、縁周囲人工筋肉３１６及び角周囲人工筋肉３１８の組み合わせを備え得る。
これより図８を参照すると、作動システム４００は、人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’の各々個々の人工筋肉１００を動作させるために提供され得る。作動システム４００は、制御器５０、オペレーティングデバイス４６、電源４８、ディスプレイデバイス４２、ネットワークインターフェースハードウェア４４、及びこれらの構成要素を通信可能に結合した通信経路４１を備え得る。
制御器５０は、様々な構成要素が通信可能に結合されるプロセッサ５２及び非一時的な電子メモリ５４を備える。いくつかの実施形態において、プロセッサ５２及び非一時的な電子メモリ５４及び／又は他の構成要素は、単一のデバイス内に含まれる。他の実施形態において、プロセッサ５２及び非一時的な電子メモリ５４及び／又は他の構成要素は、通信可能に結合される複数のデバイス間に分散され得る。制御器５０は、機械可読命令のセットを記憶する非一時的な電子メモリ５４を含む。プロセッサ５２は、非一時的な電子メモリ５４に記憶された機械可読命令を実行する。非一時的な電子メモリ５４は、機械可読命令がプロセッサ５２によってアクセスされるように機械可読命令を記憶することができるＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードドライブ、又は任意のデバイスを備え得る。したがって、本明細書に説明される作動システム４００は、予め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、任意の従来のコンピュータプログラミング言語で実装され得る。非一時的な電子メモリ５４は、１つのメモリモジュール又は複数のメモリモジュールとして実装され得る。
いくつかの実施形態において、非一時的な電子メモリ５４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、人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’を動作させるための命令、例えば、１つ又は複数の人工筋肉１００を、個別に、又はまとめて、作動させるため、及び人工筋肉層２１０、３１０を、個別に、又はまとめて、作動させるための命令を含み得る。
プロセッサ５２は、機械可読命令を実行することができる任意のデバイスであってもよい。例えば、プロセッサ５２は、集積回路、マイクロチップ、コンピュータ、又は任意の他のコンピューティングデバイスであってもよい。非一時的な電子メモリ５４及びプロセッサ５２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相互接続性を提供する通信経路４１に結合される。したがって、通信経路４１は、任意の数のプロセッサを互いと通信可能に結合し、通信経路４１に結合されたモジュールが分散コンピューティング環境において動作することを可能にし得る。具体的には、モジュールの各々は、データを送信及び／又は受信し得るノードとして動作し得る。本明細書で使用される場合、用語「通信可能に結合」は、結合された構成要素が、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、及び同種のものなど、データ信号を互いと交換することができることを意味する。
図８に概略的に描写されるように、通信経路４１は、制御器５０のプロセッサ５２及び非一時的な電子メモリ５４を作動システム４００の複数の他の構成要素と通信可能に結合する。例えば、図８に描写される作動システム４００は、オペレーティングデバイス４６及び電源４８と通信可能に結合されたプロセッサ５２及び非一時的な電子メモリ５４を含む。
オペレーティングデバイス４６は、ユーザが人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’の人工筋肉１００の動作を制御することを可能にする。いくつかの実施形態において、オペレーティングデバイス４６は、スイッチ、トグル、ボタン、又はユーザ動作を提供するための制御の任意の組み合わせであり得る。オペレーティングデバイス４６は、通信経路４１がオペレーティングデバイス４６を作動システム４００の他のモジュールに通信可能に結合するように、通信経路４１に結合される。オペレーティングデバイス４６は、人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’のある特定の動作構成に関するユーザ命令を受信するためのユーザインターフェースを提供し得る。
電源４８（例えば、バッテリ）は、人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’の１つ又は複数の人工筋肉１００に電力を提供する。いくつかの実施形態において、電源４８は、充電式直流電源である。電源４８は、人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’の１つ又は複数の人工筋肉１００に電力を提供するための単一の電源又はバッテリであり得るということを理解されたい。電力アダプタ（示されない）が、提供されて、電源４８を介して人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’の１つ又は複数の人工筋肉１００に電力を提供するためのワイヤリングハーネス又は同種のものを介して電気的に結合され得る。
いくつかの実施形態において、作動システム４００は、ディスプレイデバイス４２も含む。ディスプレイデバイス４２は、通信経路４１がディスプレイデバイス４２を作動システム４００の他のモジュールに通信可能に結合するように、通信経路４１に結合される。ディスプレイデバイス４２は、光学情報を提供することに加えて、ディスプレイデバイス４２の面、又はディスプレイデバイス４２に隣接する面に対する触覚入力の存在及び場所を検出する、タッチスクリーンであり得る。したがって、ディスプレイデバイス４２は、オペレーティングデバイス４６を含み、ディスプレイデバイス４２によって光学出力が提供された際に直接的に機械的入力を受信し得る。
いくつかの実施形態において、作動システム４００は、ネットワーク６０を介して作動システム４００をポータブルデバイス７０に通信可能に結合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４４を含む。ポータブルデバイス７０は、限定するものではないが、スマートフォン、タブレット、パーソナルメディアプレイヤ、又はワイヤレス通信機能を含む任意の他の電気デバイスを含み得る。提供される場合、ポータブルデバイス７０は、オペレーティングデバイス４６の代わりに、ユーザコマンドを制御器５０に提供する役割を果たし得るということを理解されたい。そのようなものとして、ユーザは、オペレーティングデバイス４６の制御を利用して人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’の人工筋肉１００を制御するためのプログラムを制御又は設定することができてもよい。故に、人工筋肉積層２０１、３０１、３０１’の人工筋肉１００は、ネットワーク６０を介して制御器５０とワイヤレスで通信するポータブルデバイス７０を介して遠隔で制御され得る。
本明細書に説明される実施形態は、各人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉の各拡張可能な流体領域が、隣接する人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉の少なくとも１つのタブ部分に重なるように、交互にオフセットされた配置で積層された複数の人工筋肉層を備える人工筋肉積層を対象とするということをここで理解されたい。この交互のオフセット配置は、人工筋肉積層の単位容積あたりの大きい作動力を達成することができる小設置面積人工筋肉積層を形成するために、ある特定の設置面積における配置であり得る人工筋肉の数を増加させる。
用語「実質的に」及び「約」は、任意の定量比較、値、測定値、又は他の表現に起因し得る本質的な不確実性の程度を表すために本明細書において利用され得るということに留意されたい。これらの用語はまた、定量的表現が、問題となる主題の基本機能における変化を結果としてもたらすことなく、述べられた参照から変化し得る度合いを表すために本明細書において利用される。
特定の実施形態が本明細書に例証及び説明されているが、様々な他の変更及び修正が特許請求された主題の範囲から逸脱することなくなされ得るということを理解されたい。さらには、特許請求された主題の様々な態様が本明細書に説明されているが、そのような態様は、組み合わせて利用される必要はない。したがって、添付の特許請求の範囲は、特許請求された主題の範囲内にあるすべてのそのような変更及び修正を網羅することが意図される。

Claims (20)

  1. 複数の人工筋肉層を備える人工筋肉積層であって、
    各人工筋肉層は、１つ又は複数の人工筋肉を備え、
    前記１つ又は複数の人工筋肉は、
    電極領域及び拡張可能な流体領域を備えるハウジングと、
    前記ハウジング内に収容される誘電流体と、
    前記ハウジングの前記電極領域に位置付けられる、第１の電極及び第２の電極を備える電極対と、
    を備え、
    前記第１の電極及び前記第２の電極は各々、２つ以上のタブ部分及び２つ以上のブリッジ部分を備え、
    前記２つ以上のブリッジ部分の各々は、隣接するタブ部分に相互接続し、
    前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも一方は、前記２つ以上のタブ部分の間に位置付けられ、前記拡張可能な流体領域を一周する、中央開口部を備え、
    前記複数の人工筋肉層は、各人工筋肉層の前記１つ又は複数の人工筋肉の前記拡張可能な流体領域が、隣接する人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉の少なくとも１つのタブ部分に重なるように配置される、
    人工筋肉積層。
  2. 隣接する人工筋肉層は、１つ又は複数のタブ軸線に沿って互いからオフセットされ、各タブ軸線が、前記複数の人工筋肉層の個々の人工筋肉の前記拡張可能な流体領域の中心軸線から、前記複数の人工筋肉層の前記個々の人工筋肉の前記２つ以上のタブ部分のうちの少なくとも１つの端部まで延びる、請求項１に記載の人工筋肉積層。
  3. 前記複数の人工筋肉層は、少なくとも３つの人工筋肉層を備え、各内側人工筋肉層は、第１のタブ軸線に沿って第１の隣接する人工筋肉層とオフセットされ、第２のタブ軸線に沿って第２の隣接する人工筋肉層とオフセットされる、請求項２に記載の人工筋肉積層。
  4. 前記第１のタブ軸線は、前記第２のタブ軸線に対して直交している、請求項３に記載の人工筋肉積層。
  5. 前記複数の人工筋肉層の少なくとも１つは、１つ又は複数の周囲人工筋肉をさらに備え、
    前記１つ又は複数の周囲人工筋肉は、前記複数の人工筋肉層の少なくともの他の人工筋肉よりも少ないタブ部分を備える、請求項１に記載の人工筋肉積層。
  6. 前記複数の人工筋肉層の各々は、複数の人工筋肉を備える、請求項１に記載の人工筋肉積層。
  7. 前記第１の電極及び前記第２の電極は各々、二対のタブ部分及び二対のブリッジ部分を含み、各ブリッジ部分が、１対の隣接するタブ部分に隣接して相互接続し、各タブ部分が、反対側のタブ部分に径方向に対向する、請求項１に記載の人工筋肉積層。
  8. 前記第１の電極は、前記ハウジングの第１の面に固定され、前記第２の電極は、前記ハウジングの第２の面に固定される、請求項１に記載の人工筋肉積層。
  9. 前記電極対は、非作動状態から作動状態への作動が、前記誘電流体を前記拡張可能な流体領域へ方向付けて、前記拡張可能な流体領域を拡張するように、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、請求項１に記載の人工筋肉積層。
  10. 前記電極対が前記非作動状態にあるとき、前記第１の電極及び前記第２の電極は、互いに対して非平行であり、
    前記電極対が前記作動状態にあるとき、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第１の電極及び前記第２の電極が、前記非作動状態から前記作動状態へ作動されるとき、互いの方へ、及び前記中央開口部の方へ、ジッパリングするように構成されるように、互いに対して平行である、請求項９に記載の人工筋肉積層。
  11. 前記ハウジングの第１の面の反対側の前記第１の電極の内面に固定される第１の電気絶縁体層、及び前記ハウジングの第２の面の反対側の前記第２の電極の内面に固定される第２の電気絶縁体層をさらに備え、前記第１の電気絶縁体層及び前記第２の電気絶縁体層は各々、接着面及び反対側の非シール性面を含む、請求項１に記載の人工筋肉積層。
  12. ３つ以上の人工筋肉層を備える人工筋肉積層であって、
    各人工筋肉層は、１つ又は複数の人工筋肉を備え、
    前記１つ又は複数の人工筋肉は、
    電極領域及び拡張可能な流体領域を備えるハウジングと、
    前記ハウジング内に収容される誘電流体と、
    前記ハウジングの前記電極領域に位置付けられる、第１の電極及び第２の電極を備える電極対と、
    を備え、
    前記第１の電極及び前記第２の電極は各々、２つ以上のタブ部分及び２つ以上のブリッジ部分を備え、
    前記２つ以上のブリッジ部分の各々は、隣接するタブ部分に相互接続し、
    前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも一方は、前記２つ以上のタブ部分の間に位置付けられ、前記拡張可能な流体領域を一周する、中央開口部を備え、
    各内側人工筋肉層は、第１のタブ軸線に沿って第１の隣接する人工筋肉層とオフセットされ、第２のタブ軸線に沿って第２の隣接する人工筋肉層とオフセットされ、
    各タブ軸線は、前記拡張可能な流体領域の中心軸線から、前記内側人工筋肉層の前記１つ又は複数の人工筋肉の前記２つ以上のタブ部分のうちの少なくとも１つの端部まで延びる、
    人工筋肉積層。
  13. 前記第１のタブ軸線は、前記第２のタブ軸線に対して直交している、請求項１２に記載の人工筋肉積層。
  14. 前記電極対は、非作動状態から作動状態への作動が、前記誘電流体を前記拡張可能な流体領域へ方向付けて、前記拡張可能な流体領域を拡張するように、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、請求項１２に記載の人工筋肉積層。
  15. 前記第１の電極は、前記ハウジングの第１の面に固定され、前記第２の電極は、前記ハウジングの第２の面に固定される、請求項１２に記載の人工筋肉積層。
  16. 前記３つ以上の人工筋肉層の各々は、複数の人工筋肉を備える、請求項１２に記載の人工筋肉積層。
  17. 人工筋肉積層を作動させるための方法であって、
    複数の人工筋肉層の各人工筋肉の電極対に電気的に結合される電源を使用して電圧を生成することであって、
    各人工筋肉は、電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジングを備え、
    誘電流体は、ハウジング内に収容され、
    前記電極対は、第１の電極及び第２の電極を備え、前記ハウジングの前記電極領域に位置付けられ、
    前記第１の電極及び前記第２の電極は各々、２つ以上のタブ部分及び２つ以上のブリッジ部分を備え、
    前記２つ以上のブリッジ部分の各々は、隣接するタブ部分に相互接続し、
    前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも一方は、２つ以上のタブ部分の間に位置付けられ、前記拡張可能な流体領域を一周する中央開口部を備え、前記複数の人工筋肉層は、各人工筋肉層の各人工筋肉の前記拡張可能な流体領域が、隣接する人工筋肉層の１つ又は複数の人工筋肉の少なくとも１つのタブ部分に重なるように配置される、電圧を生成することと、
    前記電圧を、前記複数の人工筋肉層のうちの少なくとも１つの、少なくとも１つの人工筋肉の前記電極対に印加し、以て、前記少なくとも１つの人工筋肉の前記電極対を非作動状態から作動状態へ作動させ、その結果として、誘電流体が、前記ハウジングの前記拡張可能な流体領域内へ方向付けられ、前記拡張可能な流体領域を拡張することと、
    を含む、方法。
  18. 隣接する人工筋肉層は、１つ又は複数のタブ軸線に沿って互いからオフセットされ、各タブ軸線が、前記複数の人工筋肉層の個々の人工筋肉の前記拡張可能な流体領域の中心軸線から、前記複数の人工筋肉層の前記個々の人工筋肉の前記２つ以上のタブ部分のうちの少なくとも１つの端部まで延びる、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記複数の人工筋肉層は、少なくとも３つの人工筋肉層を備え、各内側人工筋肉層は、第１のタブ軸線に沿って第１の隣接する人工筋肉層とオフセットされ、第２のタブ軸線に沿って第２の隣接する人工筋肉層とオフセットされる、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記電圧を、前記複数の人工筋肉層の各々の各人工筋肉の前記電極対に印加し、以て、各人工筋肉の前記電極対を前記非作動状態から前記作動状態へ作動させ、その結果として、前記誘電流体が、各人工筋肉の前記ハウジングの拡張可能な流体領域へ方向付けられ、各人工筋肉の前記拡張可能な流体領域を拡張することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
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