JP4638740B2 - 三次元多目的素子システムおよび三次元多目的素子を生成するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、自律的に独立した一体型素子を利用して、極めて広大な範囲の形式、色および材料、機械的特性、運動学的特性、機能的特性の莫大な範囲を有する３次元構造を作成するために用いられる３次元多目的素子システムおよび３次元多目的素子を生成するための方法に関する。

本発明によれば、３次元多機能素子システムはオリジナルの機能的コピーを作ることによって様々な技術に適用されてもよく、それらの技術には例えば、宇宙技術、家具産業、装飾および建築業、玩具および娯楽産業、整形外科、三次携帯電話、製造業、救助および家事ロボット、ならびに最終的には、特に遺伝学、結晶学および化学の研究シミュレーションシステム創成などがあげられる。

国際特許出願ＰＣＴ/ＧＢ９５/００４６０（公開番号ＷＯ９５/２３６７６）において、モノマーという名の一組の六角形の塊を構成するいくつかのプログラム可能な材料が開示されている。モノマーはコンピューター制御モードで互いに接近しあい、構造およびメカニズムを作成することができる。モノマーはまた、他のモノマーと結合したり、分離されることなく互いに接近したりすることができる。あるモノマーが破損された場合には、まだ存在中のモノマーが破損されたモノマーを除去し、良好のクローンと交換する。モノマー運動は、全構造体の合成において必要なそれぞれのモノマー運動の個々の経路を指定するために、流れ、ゲート、幹線および容器に系統的に分割される。特殊モノマーには、所期の合成された構造体とともに所期の装置を形成するツール類が設けられている。モノマーは、側壁の垂直対称軸に溝を有しており、またモノマー内部には、滑動するくさびを設けられた突出インターロックを有している。近隣するモノマーは互いに結合し閉鎖されるか、あるいは接続上のこれらの相互移動が歯状棒および歯車またはその他を介して可能であるようにリンクされてもよい。それぞれのモノマーは、電磁石またはリニア誘導モーターのいずれかにより制御されるラッチシステムによって互い配置されてもよい。第２のモノマー形には各壁に４つの対称的な溝が設けられており、溝は壁部対称軸に対して４５度の角度で配置されている。これらの溝は、近隣するモノマーが相互に連結することを防ぐ挿入素子として機能する。第３のモノマー形は、６つの壁部すべての前面素子に設けられており、これらの素子には各素子の対称軸に載置されたＴ字型の区間溝が備えられている。
溝にはラッチ・ユニットが載置されて、リンクされたモノマーが相互位置に整列することを可能にする。ラッチ・ユニットは、モノマーの前面素子の外表面へ垂直に整列されたギヤー伝動装置により制御される。電磁石を備えたリニア誘導モーターは、モノマーの移動を確実なものにする。静止モノマーのリニア誘導モーターは、移動されるモノマーを平行移動させる。一連の静止モノマーのリニア誘導モーターを正確に調整することにより、この一連のモノマーに沿った高い移動速度への達を可能にする。電気が供給され、近隣するモノマーを介して中央の源から制御データの伝送が起こる。３Ｄセルフアセンブリング法および静電式微細構造の操作というタイトルの論文が２００１年８月発行の「ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ」誌の４８巻、第８号に掲載されているが、この論文では３次元のセルフアセンブリング法および静電式微細構造の開始方法が開示されている。微細構造の目的は、光学装置、特に広い反射角を有する微細ミラーマトリックス用に、専用制御素子を完成させることである。最初の平坦な構造体は１つのポリシリコン構造層内部で行なわれる。可動構造体は、薄い弾性支柱を介して２本の主な支援用の梁と連結される回転プレートを含む。４つの統合された最終的な制御装置ＳＤＡの組み合わせにより支援用の梁が決定される。振動する電気信号を介して、ＳＤＡ素子は移動するとともに、最初の平坦な構造層を最終的に曲げる。構造に求められる形状に達すると、それぞれの素子は機械的に閉鎖される。

さらに「セルフアセンブラ」（ＬＯＳ ＡＬＡＭＩＴＯＳのＩＥＥＥ ＣＯＭＰ. ＳＯＣ.ＰＲＥＳＳ社により発行された１９９４年５月８日より５月１３日に米国Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏで行なわれた米国ロボット光学および自動化に関する国際会議議事録）により、２次元装置を作成するための同様な装置から構成されるセルフアセンブラが開示された。それぞれの素子は３つの層より構成され、可動部分を有しない。頂部層および底部層は同じ形状であり、それぞれの層は対照的に配置された３つの磁石を含み、これらの磁石の北極は底部層に載置されている。中間層は頂部層および底部層と同じ形状であるが、これらの層に対して６０度の角度で向いており、磁石の代わりに３つの電磁石を含む。

電磁石は印加された電圧の分極化にしたがって後退または押出された磁石を有し、次回になんら影響を及ぼすことなく２つの磁石間を回転してもよい。各素子は他の６以下の素子にリンクされてもよい。各素子間の連絡は赤外線光学システムにより確保される。中継器と受信器は、磁石と電磁石との中間にある孔部に配置される。連絡部では、非同期式直列化プロトコルが適用される。８ビットプロセッサは受け取った情報と合致する電磁石の分極化について決定する。各素子が配置される極板が供給端子として用いられるワイヤレスシステム内に電気が与えられる。極板は複数の領域に分割されて、供給電圧に毎秒連結される。また一方で、残る極板は接地される。各素子への供給は４つの接点および１つの整流器からなされる。それぞれの素子は近接する素子との局部的な接続に関する情報のみを有している。全体的な構造体の形状は各素子間の局部的なリンクに基づいて説明される。

本発明にしたがうと、３次元多目的素子システムにおいて、移動ならびに他の素子との連結および他の素子からの分離が可能な単一の一体型素子から構成され、プログラム可能な集積回路と、それぞれの単一素子と電磁石とをリンクするためのインターロックとを含み、システムの単一素子のケーシング壁部は、形成時に実際の構造内の単一素子のプログラムされた位置に依存する磁気分極化を有する。単一素子のアクティブ状態では、システムの単一素子のケーシングの壁部は、異なる磁気分極化を有する。これに対して、単一素子がアクティブ状態ではない場合には、システムの単一素子のケーシングの壁部は、同じ磁気分極化を有する。アクティブ状態のシステムの単一素子を、アクティブ状態ではないシステムの単一素子に接続する場合には、仮想オブジェクトに関する情報と、非アクティブ状態のシステムの単一素子の実際の構造における連続的な稼動中の番号に関する情報とは連結されて、アクティブ状態のシステムの単一素子から、アクティブ状態ではないシステムの単一素子の集積回路の記憶装置に伝送される。システムの所与の単一素子のケーシング壁部の複数組の座標は、システムの単一素子の稼動中の番号に割り当てられる。これらのデータセットは、システムの各単一素子の集積回路内のプログラムに転送され、この一方で集積回路内のプログラムは、システムの単一素子のそれぞれの壁部の活性化または非活性化の双方を決定するとともに、連続的にリンクされるシステムの単一素子に適切な稼動中の番号を割り当てる。

システムの単一素子のケーシング壁部内の磁気分極化は、システムの単一素子内部の電磁石によって生成される。システムの単一素子のケーシングの壁は、これらの相互位置を変更することができるように互いに接続される。システムの単一素子のケーシングの壁は、エレクトロプラスチック作動装置によって互いに連結され、プログラム可能な集積回路から送信された励起信号にしたがって壁部の相互位置を制御する。
０−９
システムの単一素子は、集積回路、インターロック、電磁石およびエレクトロプラスチック作動装置に供給する電圧源を有する。

電圧源は太陽電池からの供給により再生可能である。太陽電池への光は光パイプの内部を通って運ばれるが、この光パイプはまた、オブジェクトに関する情報および集積回路へのプログラム指示の両方をさらに伝える。オブジェクトの実際の構造は、単一のシステム素子のすべてのケーシング壁部が非活性化されることならびに集積回路への情報送信の結果としてすべてのインターロックが分離されることを介して、システムの単一素子の初期状態に分散されてもよい。

本発明によればシステムは、まず前の構造体を破壊して新しい構造をつくるためにシステムの同様の単一素子を複合的に用いることを可能にする。システムの単一素子の各々は設計された実際の構造体の再構築に必要な１組の情報を有する。システムの単一素子の任意の量から、要望どおりに設計され、広範囲の形状、色および材料を有し、機械的特性、運動学的特性、動的な特性を有する構造体および構築物を作ることができる。

最良の実施態様

３次元多機能素子システムの単一素子は、エレクトロプラスチック作動装置３によって互いにリンクされた壁部６から構成されたケーシングを含み、このエレクトロプラスチック作動装置３は、引っ張られたり緩んだりすることによって３次元多機能素子システムの単一素子のケーシングの壁部６の相互位置を変更することができる。プログラム可能な集積回路１から送信された励起信号によって壁部６の相互位置には変化が生じる。熱エミッタ１４は、単一素子のケーシングの壁部６の相互位置が変化する過程で生成された余剰な熱、および他のシステム装置からの熱の双方を運び去る。単一素子内には、各単一素子を連結するためのインターロック７と、磁気コイル８とが設けられ、さらに、集積回路１と、インターロック７と、磁気コイル８と、エレクトロプラスチック作動装置３とに電圧を供給する電圧ＤＣ源５が設けられている。

電圧源５は太陽電池４からの供給により再生可能である。太陽電池への光は光パイプ２の内部を通って運ばれるが、この光パイプはまた、オブジェクト１０に関する情報および集積回路１へのプログラム指示１２の両方をさらに伝える。

非アクティブな状態においては、３次元多機能素子システムの単一素子はケーシングの全ての壁部（６）が同様のマイナスまたはプラスの磁極を有する。アクティブ状態では、単一素子のケーシングのそれぞれの壁部６は、異なる磁極で分極化されてもよい。システムの単一素子のケーシングのそれぞれの壁部６の分極化は、集積回路１内でプログラムされたオブジェクト１０の仮想構造体にしたがって、生成部９での実際の構造体内のシステムの所与の素子の位置に依存する。同じ磁極である非アクティブ単一素子の組は容器１１（図７）内に載置され、制御下で一定の運動に従う。システムのアクティブな単一素子が、システムの非アクティブな単一素子の組の内部に現われるとすぐに、システムに最も近い非アクティブ素子がシステムのアクティブ素子に接続される。システムの最初のアクティブな単一素子は、１と記されたオブジェクト１０の仮想構造体の最初の数１３を有しており、生成（図６）下で実際の構造体９内における同じ数に対応する。

アクティブ状態のシステムの単一素子を、非アクティブ状態のシステムの単一素子に接続する場合には、仮想オブジェクト１０に関する情報と、アクティブ状態ではないシステムの単一素子の実際の構造９における連続的な稼動中の番号１３に関する情報とは連結されて、アクティブ状態のシステムの単一素子から、アクティブ状態ではないシステムの単一素子の集積回路１の記憶装置に伝送される。システムの所与の単一素子のケーシング壁部６の複数組の座標は、システムの単一素子の稼動中の番号１３に割り当てられる。これらのデータセットは、システムの各単一素子の集積回路１内のプログラム１２に転送される。仮想オブジェクト１０に関して伝送されるデータにしたがうと、集積回路１内のプログラム１２は、システムの単一素子のそれぞれの壁部６の活性化または非活性化の双方を決定するとともに、連続的にリンクされるシステムの単一素子に適切な稼動中の番号１３を割り当てる。システムの連続的な素子がシステムの前の単一素子にリンクされる場合、任意のタイプのインターロック７により接続が阻まれる。システムのそれぞれの単一素子をリンクするとともにアクティブ化して、オブジェクト９の実際の構造体を作る手続きは、集積回路１内の仮想オブジェクト１０において利用可能な、すべての継続番号１３の範囲内で、システムのすべての単一素子が接続されるまで、過程の途中である。システムの単一素子間の連結をすべて終了すると、仮想オブジェクト１０に対応する実際の構造体９が現れる。オブジェクトの実際の構造体９は、システムの単一素子の初期の状態、すなわちシステムの非アクティブな単一素子の緩く結合された初期の組に分散されてもよい。このことは、システムの単一素子のケーシングの全ての壁部６の非活性化ならびに、実際の構造体９のすべての集積回路１に適切な情報を転送した結果、すべてのインターロック７が分離したことを通して発生する。このような非活性化が起こったあとには、三次元の多目的素子システムの単一素子はすべて、任意の所望の目的を達成するために新しい三次元構造体作成用に再度使用されてもよい。

３次元多目的素子のシステムおよびその機能の詳細を、変種を例に以下に説明する。
システムのアクティブ素子の概略構造を示す図である。 システムの非アクティブ素子の概略構造を示す図である。 システムの単一アクティブ素子の実行中における、システムの非アクティブ素子との連結の初期段階を示す図である。 システムのアクティブ単一素子と、システムの非アクティブ単一素子との連結の最終段階を示す図である。 実際の構造体を作成するためのシステムの５つの単一素子との恒久的な連結を概略的に示す図である。 システムの５つの単一素子から構成された３次元の実際の構造体を示す図である。 システムの単一素子が内部に設けられた携帯容器の簡略図を示す。

Claims (9)

1. ３次元多目的素子のシステムであって、
   ａ）前記システムは複数の単一素子を備え、前記単一素子の各々は、移動が可能であり、相対位置に依存してお互いに連結および分離が可能であり、前記単一素子はプログラム可能な集積回路と、インターロックと、電磁石とを含み、
   ｂ）前記単一素子の各々は、可変磁性分極化を有する複数のケーシング壁部を有し、前記単一素子の相対位置は前記ケーシング壁部の磁気分極の変化の結果であり、前記磁気分極の変化は前記単一素子の活性化または非活性化により達成され、
   ｃ）前記単一素子の各々は、電圧源を内部に有し、
   ｄ）前記単一素子の各々は、プログラム指示を含み、前記プログラム指示は、構築される所望のオブジェクトに関する情報と、これから構築される実際のオブジェクトにおいて、連結される非アクティブな前記単一素子が相当する連続的な稼動番号に関する情報と、を含み、アクティブな前記単一素子のプログラム可能な集積回路から、非アクティブな前記単一素子のプログラム可能な集積回路に含まれる記憶装置へ伝送され、
   ｅ）前記プログラム可能な集積回路は、前記単一素子の前記ケーシング壁部を活性化するか非活性化するか、を決定するように構成され、前記単一素子の前記ケーシング壁部が活性化または非活性化された結果、複数の前記単一素子が連続的に連結される、
   ３次元多目的素子のシステム。
2. 前記ケーシング壁部（６）が、前記ケーシング壁部の相互位置を変更することができるように互いに接続されている請求項１に記載のシステム。
3. 前記ケーシング壁部（６）が、エレクトロプラスチック作動装置（３）によって互いに連結され、前記エレクトロプラスチック作動装置はプログラム可能な集積回路（１）に連結された請求項１に記載のシステム。
4. 前記電圧源（５）が再生可能源である請求項１に記載のシステム。
5. 前記電圧源（５）は太陽電池（４）からの供給により再生可能である請求項４に記載のシステム。
6. 太陽電池（４）へ供給される光が、光パイプ（２）内で運搬される請求項５に記載のシステム。
7. プログラム指示（１２）とオブジェクト（１０）に関する情報を、前記集積回路（１）へ伝送するために、前記光パイプ（２）が、前記集積回路（１）に稼動可能に連結される請求項６記載のシステム。
8. 前記稼動番号（１３）は、前記ケーシング壁部（６）の座標の組を割り当てられ、割り当てられた前記座標の組は、当該システムの各前記単一素子の前記集積回路（１）内のプログラム（１２）に転送されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
9. 前記集積回路（１）に適切な情報を転送した結果として、前記単一素子のすべての前記ケーシング壁部（６）を非活性化し、すべてのインターロック（７）を分離することにより、前記オブジェクトの実際の構造体（９）が分散して、前記単一素子の初期状態に戻ることを特徴とする請求項１記載のシステム。

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