JP6438557B2 - コイル状および非コイル状ナノファイバー撚糸およびポリマーファイバーのねじりおよび引張アクチュエータ - Google Patents
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Description
本出願は、2012年8月1日に出願された米国特許出願第61/678,340号、名称「Coiled And Non−Coiled Nanofibers Yarn
Torsional And Tensile Actuators」、および2013年3月14日に出願された第61/784,126号、名称「Coiled And Non−Coiled Twisted Nanofiber Yarn And Polymer Fiber Torsional And Tensile Actuators」に対する優先権を主張するものであり、これらの特許出願は、本発明の所有者によって共同所有される。これらの特許出願は、全ての目的に対して参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、本発明は、米空軍研究局によって授与された認可番号FA9550−09−1−0537およびFA9550−12−1−0211、米空軍によって授与された認可番号AOARD−10−4067、ならびに米海軍研究事務所によって授与されたMURI認可番号N00014−08−1−0654の下で、政府支援によってなされたものである。政府は、本発明において一定の権利を有する。本発明はまた、認可番号AT−0029によってRobert A.Welch Foundationからも支援された。
下記は、カーボンナノチューブに基づく、そのような多様なタイプのアクチュエータの例を提供する。2つのナノチューブ間の静電引力および斥力が、カンチレバーに基づくナノピンセット[P.Kim、C.M.Lieber、Science 286、2148−2150(1999)]、ならびに機械に基づくスイッチおよび論理素子[T.Rue
ckes、K.Kim、E.Joselevich、G.Y.Tseng、C.−L.Cheung、C.M.Lieber、Science 289、94−97(2000);V.V.Deshpande、H.−Y.Chiu、H.W.Ch.Postma、C.Miko、L.Forro、M.Bockrath、Nano Letters 6、1092−1095(2006)]に使用された。マクロスケールにおいて、電気駆動のカーボンナノチューブアクチュエータ[R.H.Baughman et al.,Science 284、1340−1344(1999);U.Vohrer、I.Kolaric、M.H.Haque、S.Roth、U.Detlaff−Weglikowska、Carbon 42、1159−1162(2004);S.Gupta、M.Hughes、A.H.H.Windle、J.Robertson、J.Appl.Phys.95、2038−2042(2004)]、および燃料駆動のカーボンナノチューブアクチュエータ[V.H.Ebron et al.,Science 311、1580−1583(2006)]は、数パーセントのアクチュエータストローク、および生来の筋肉よりも数百倍高い応力発生を提供した。実証された大ストロークの空気式ナノチューブアクチュエータは、ナノチューブシート内での電気化学ガスの発生を使用した[G.M.Spinks et al.,Advanced Materials 14、1728−1732(2002)]。有機ポリマーとのカーボンナノチューブ複合材は、光反応アクチュエータ[S.V.Ahir、E.M.Terentjev、Nature
Materials 4、491−495(2005)]、形状記憶アクチュエータ[H.Koerner、G.Price、N.A.Pearce、M.Alexander、R.A.Vaia、Nature Materials 3、115−120(2004)]、および電気機械アクチュエータ[S.Courty、J.Mine、A.R.Tajbakhsh、E.M.Terentjev、Europhysics Letts.64、654−660(2003)]を提供した。これまでの研究はまた、熱的に駆動される形状記憶材料としてのポリマー充填カーボンナノチューブ非撚糸の使用も実証したが、可逆作動は達成されなかった[P.Miaudet et al.,Science
318、1294−1296(2007)]。他の研究では、熱作動材料を電気加熱してカンチレバーの撓みを提供するために、分散カーボンナノチューブまたはナノチューブシートを使用した[A.T.Sellinger、D.H.Wang、L.−S.Tan、R.A.Vaia、Adv.Mater.22、3430(2010);L.Chen、C.Liu、K.Liu、C.Meng、C.Hu、J.Wang、S.Fan、ACS Nano 5、1588(2011);およびY.Hu、W.Chen、L.H.Lu、J.H.Liu、C.R.Chang、ACS Nano 4、3498−3502(2010)]。上で説明されるカーボンナノチューブ人工筋肉、ならびに従来技術の任意のタイプの人工筋肉には、大きな制限が存在する。そのような制限としては、応答の遅さ、発生ストロークもしくは力の少なさ、サイクル寿命の短さ、アクチュエータの応答におけるヒステリシス、電解質の使用、または動作の温度範囲の狭さ、および殆ど場合、(エネルギー変換効率の低さのような)これらのおよび他の制限のいくつかの組み合わせが挙げられる。
et al.,Science 323、1575−1578(2009)およびA.E.Aliev et al.,PCT国際特許出願第WO2010/019942A2号(2010)]。残念なことに、そのようなカーボンナノチューブ筋肉は、一般的に、数千ボルトの印加電圧を使用し、また、重荷重を支持することができる筋肉を提供するために、厚さ方向に拡大することができない。
(1)作動要素としてニートまたはハイブリッドなナノチューブ撚紡績糸だけを含む。
(2)いかなる電解質またはカウンター電極も必要とせず、低電圧で動作する。
(3)電気的に、化学的に、および光子的に駆動することができる。
(4)2百万を超える可逆ねじり作動サイクルを達成し、ハイブリッド糸筋肉は、平均11,500回転/分でローターを回転させる。この回転速度は、電気化学カーボンナノチューブ筋肉について我々が以前に実証したものよりも20倍速く、また、形状記憶合金、強誘電体セラミック、また導電性ポリマーに基づく以前の筋肉よりも20,000倍以上速い。
(5)(a)以前の電気化学ねじり筋肉よりも5倍高く、(b)大型電気モーターよりも僅かに高い、筋肉重量あたりの重量トルクを発生する。
(6)140万サイクル以上にわたって1,200サイクル/分で3%の引張収縮を達成する。
(7)生来の骨格筋肉よりも85倍高い、27.9kW/kgの筋収縮中の平均出力密度を達成する。作動および逆作動双方の場合を含めて、4.2kW/kgの収縮出力密度を実証したが、これは、一般的な内燃エンジンのパワーウェイトレシオの4倍である。
(8)10%の最大引張収縮を実証した。
(9)上記(3)〜(8)の実証は、撚紡績ナノチューブホストが容積拡大ゲストを閉じ込めているハイブリッド筋肉に関するものであるが、本発明の出願人はまた、白熱温度
まで電熱的に加熱されるニートなナノチューブ撚紡績糸のためのねじりおよび引張作動も実証した。これらのニートな筋肉は、7.3%の引張収縮を提供する一方で、他のいかなる高仕事容量アクチュエータも耐えることができない極端な温度で、重荷重を持ち上げる。
(10)実証は、ねじりモーター、収縮筋肉、および機械的に作動させるために感知プロセスのエネルギーを取り込むセンサを含む。
アクチュエータ材料は、最適には、糸の形態であるか、または編組織物または編組もしくは諸撚り撚紡績糸等のナノファイバー撚紡績糸を含む材料の形態である、ナノファイバー撚紡績のネットワークを含む。種々のナノファイバーならびにナノファイバーの合成および製作プロセスは、異なるタイプのナノファイバーの混合物およびナノファイバーと他の材料との混合物であり得るように、有用に展開することができる。1つの重要な例として、特にハイブリッド作動糸について、静電紡績によって生成される配向されたナノファイバーは、静電紡績中またはその後に、糸に撚紡績することができる。別の重要な例として
、フォレストから引き出したカーボンナノチューブシートの中のナノチューブは、テンプレート(セラミックまたは金属等)としての別の材料で被覆することができ、次いで、作動糸を作製するために撚紡績することができる(ハイブリッド作動糸を作製するために、有用にゲストを浸透させることができる)[M.D.Lima et al.,Science 331、51−55(2011)]。意図する筋肉の展開に応じて、このプロセスのナノチューブテンプレートは、随意に、撚紡績の前またはその後に除去することができる。
1、51−55(2011)]に行うことができる。
入中のシートのプリーツ加工等のプロセスのため、確率的要素を含む[M.D.Lima
et al.,Science 331、51−55(2011)]。対照的に、(各アルキメデススクロールに撚りを提供する初期のターン数に対する)2つのアルキメデススクロールを二重アルキメデススクロールに諸撚りすることによって挿入されるターン数は、糸のエネルギー論の結論であるので、dおよびTだけからαを予測するための厳密な位相式は存在しない。糸の全てのセグメントが対応する構造レベルで同じキラリティを有する場合、その糸は、ホモキラルと呼ばれる。
の液体蒸発プロセスによる表面張力効果を使用することによるものである。
ができ、フォレスト高さの増加およびフォレスト密度の増加は、所与の幅のフォレストを紡績することによって得ることができる糸の直径を増加させる。高さ約400μmのカーボンナノチューブフォレストからのシートは、直径数百ミクロンの単一諸撚り糸を生成するために、予め引き出し、スタックし、次いで、撚紡績することができる。そのような直径は、撚りの挿入前に、糸を諸撚りすることによって、およびゲストを組み込むことによって飛躍的に増加させることができる。特殊な手法を使用することによって、直径約100nmまでのカーボンナノチューブ糸を、カーボンナノチューブフォレストから撚紡績することができる[W.Li、C.Jayasinghe、V.Shanov、M.Schulz、Materials 4、1519−1527(2011)]。また、ミクロンスケールおよびより小さいスケールの本発明の実施形態の用途については、2本のナノワイヤの自己撚りで、ナノスケールの諸撚糸構造を生成することができることも重要である[X.Y.Ji、M.Q.Zhao、F.Wei、X.Q.Feng、Appl.Phys.Lett.100、263104(2012)]。
ゲスト作動材料をホスト糸に組み込むための方法としては、例えば、溶融および溶液浸透(その後に原位置重合化を行うことができる)、ならびにバイスクローリングが挙げられ、ゲストは、撚りの挿入前にMWNTシート上に蒸着される[M.D.Lima et
al.,Science 331、51(2011)]。ハイブリッドカーボンナノチューブ糸を作製するために使用される方法のいくつかは、実施例1〜4で説明される。パラフィンワックスは、熱安定性の高さ、転移幅および温度の同調性、相転移および熱膨張に関連付けられる容積変化の大きさ、およびカーボンナノチューブ糸を湿潤させるそれらの能力のため、好適なゲストである。
粉末被覆ガンを使用した、キャリアガスからナノチューブウェブ(すなわち、シートまたはシートウェッジ)上へのゲストの静電蒸着は、高速かつ制御可能であり、−帯電したゲスト粒子と接地または逆帯電したターゲットウェブとの間の引力は、蒸着領域にわたるゲスト粒子の均一な蒸着層の形成を補助する。
い容積変化を有することができる固体状態の転移によって無秩序な回転が導入されるので、有機回転子結晶(そのような長鎖分子のいくつかを分類することができる)が有用である[J.M.Pringle、P.C.Howlett、D.R.MacFarlane、M.Forsyth、Journal of Materials Chemistry 20、2056−2062(2010);G.Annat、J.Adebahr、I.R.McKinnon、D.R.MacFarlane、M.Forsyth、Solid State Ionics 178、1065−1071(2007);J.Font、J.Muntasell、E.Cesari、Materials Research Bulletin 30、839−844(1995)]。低揮発性のため、イオン結晶であるプラスチック結晶が特に有用である。比較的低い温度での作動に関する1つの例は、テトラエチルアンモニウムジシアナミドであり[J.M.Pringle、P.C.Howlett、D.R.MacFarlane、M.Forsyth、Journal of Materials Chemistry 20、2056−2062(2010);G.Annat、J.Adebahr、I.R.McKinnon、D.R.MacFarlane、M.Forsyth、Solid State Ionics 178、1065−1071(2007)]、これは、17〜20℃で起こる固体状態の相転移で、急激な5.7%の容積膨張を受ける。
ンゴムの重量パーセントは、約95%であった。2g/cm3未満の密度を有するゲストを含有するハイブリッドナノファイバー糸について、ゲストが充填される好適な容積は、約50%を超え、より好ましくは、ゲストが充填される容積は、約85%を超える。また、液体ゲストまたは液体ゲスト前駆体をホスト糸に浸透させる事例において、ゲストが充填される好適な容積は、約50%を超え、より好ましくは、ゲストが充填される容積は、約85%を超える。しかしながら、用途の必要性がハイブリッド糸のストロークを高めることではなく、ハイブリッド糸の強度を高めることである場合、より低い容積パーセントのゲストの充填を有用に展開することができる。容積重量は、糸ゲストに浸透させる前に撚ったホストナノファイバー糸に挿入される撚りの程度を変動させることによって、用途の必要性に従って変更することができる。
本発明について行われる実験、および実験結果を説明するために理論的分析に基づいて、我々は、糸に関するねじりまたは引張作動を最適化する構成を説明することができるが、該構成は、(1)ゲストの浸透が糸全体または糸の長さの半分に沿って行われること、(2)糸が、ホモキラル(1つのキラリティ)であるか、またはヘテロキラル(反対のキラリティを有する等しい長さのセグメントを伴う)であること、および(3)浸透させた全ての糸が同じ作動条件を受けること、を除いて同じである。それらの相互接続部にローターを有する、反対のキラリティの糸セグメント(SおよびZ等)(図1D)は、回転を提供するためにそのようなセグメントを加算的に動作させるので、パドルに対する初期トルクを最大にする。図1Cの一方を繋いだ構成は、図1Dの構成の2倍のねじり回転を提供するが、初期トルクは半分であるので、どちらの構成も、等しいねじり仕事容量を提供する。両端部を繋いだホモキラル糸(図1B)の1つのセグメントの作動は、作動糸を解撚するときに非作動糸を撚るエネルギーコストのため、図1Dのヘテロキラル糸よりも少ない回転を発生する。図1Cの構成のように、非諸撚糸を有する図1Dの構成は、他の糸セグメントにおいてS撚りがZ撚りを打ち消すことを防止するために、固体ゲストによって内部的に拘束されない限り、可逆的な作動を提供しない。そのような同じ構成は、特に糸のコイル化をもたらす撚りを含む、撚りが挿入されたポリマー糸によってねじりまたは引張作動が提供される、本発明の実施形態に有用に展開することができる。
を提供することができる単一の諸撚糸のための唯一の構成である。
張荷重に対する糸筋肉の取り付けが、その反対側の端部が自由に並進しないばねへの糸筋肉の取り付けと置き換えられる場合に当てはまるであろう。このばねは、片持ちばねを含む、種々のタイプとすることができる。
調査した引張およびねじりアクチュエータは、ハイブリッド糸の構造を安定させるために、それによって、その後の2百万を超えることもある可逆的な作動サイクルの評価中の、高度に可逆的な動作を可能にするために、少なくとも30の初期トレーニングサイクルを受けた。作動糸のカタパルトとしての使用の説明(実施例12、および最大発生トルクの関連する特徴付け)ならびに実施例18および実施例19の結果を除いて、全てのアクチュエータの測定は、等張であり、それは、作動中に一定の機械力が糸に印加されたことを意味する。報告された重量仕事および電力能力は、作動糸の総重量に対して正規化される。実施例5〜19および実施例21のアクチュエータの測定結果は、撚カーボンナノチューブ糸に関するものである。
cmパルスを印加することによって、直径150μm、部分的コイル状の二重アルキメデス糸について、5.5MPaの応力下で10%の収縮が実現された(図3D)。この糸の断面積は、図3Aおよび図3Bの糸の断面積よりも170倍大きく、周囲空気中での受動的冷却はあまり効果的ではなく、冷却時間は、約25msから約2.5sに増加し、その結果、加熱および冷却時間の双方を考慮したときに、低い収縮電力密度(0.12kW/kg)をもたらす。
、ニートな糸に対するこの30°/mmのねじり作動は、形状記憶合金、強誘電体セラミック、または導電性ポリマーについて以前に報告された最大値の200倍である。1Hzの周波数および20%のデューティサイクルを伴う9.7V/cmの電圧パルスを使用して、白熱温度まで真空中で駆動したときの、このニートな2本諸撚り糸については、ねじり作動も調査した。毎分510回転の平均速度によって、27°/mmの回転が観察された。この可逆的な構成は、糸が作動サイクルにおける全ての点で固体ゲストを含有しないときに、図1Dの構成におけるヘテロキラル単一諸撚り糸の作動の可逆性が不足するのと対照的である。後者の場合、2つの糸セグメントにおける反対の撚りの永続的な打ち消しが作動中に起こり、それによって、サイクル中のねじり回転の永続的な延長および減少をもたらす。
mpounds 482、416−419(2009)]、応答時間は数十分単位であった。糸の100倍速い応答速度は、糸の小孔およびPd被覆の薄さによって生じる。そのような糸アクチュエータは、目標とした水素圧力を超えたときに入口を素早く閉じる、インテリジェント筋肉として使用することができる。
e 334、494−497(2011)]の性能を改善する。そのような改善は、電気化学的な二重層荷電に使用される非コイル状糸を、撚り掛け糸によって生成されるよじりの結果としてコイル状にされる糸、または糸の諸撚りの結果としてコイル状にされる糸と置き換えることを含む。このコイル化は、電気化学的に二重層荷電される人工筋肉のために得られる引張アクチュエータのストロークを増加させる。そのような以前の電気化学的筋肉は、作動中の永続的な解撚のため、一端部を繋いだ構成またはヘテロキラル構成のどちらを使用しても可逆的に動作させることができなかったが、本発明の実施形態は、どちらの場合(図1Cおよび図1Dの構成)においても、可逆的な作動を得ることができることを示す。この後者の改善は、作動糸の内部の液体が作動を提供する容積変化を提供しているときであっても可逆的な作動を得るために、好適に諸撚りした糸を展開することができるという今回の発見によって生じる。そのような好適に諸撚した糸(SZおよびZS糸等)は、糸のコイルを解くことが、諸撚りした糸内の撚りの増加と関連付けられる糸である。コイル化による撚りと糸内の撚りとのこの釣合いは、一端部を繋いだヘテロキラル構成の可逆性を可能にするために、ねじり戻しばねのように作用する。
撚りを挿入した非コイル状およびコイル状ポリマーファイバー筋肉を作製するための前駆体として使用されるポリマーファイバーは、よく知られている方法を使用して作製することができ、−多くの場合、釣り糸または縫い糸として使用される−市販の高強度ファイバー(シングルフィラメントまたはマルチフィラメント)を使用することに利点が見出されている。この現在の選択の理由は、コストであるが、コストは、そのような糸が既に数多くの用途に対して商業的に広く使用されているという事実によって低減される。また、出願人は、種々の市販のファイバーを、加熱したときに10%を超える可逆的な収縮を提供する人工筋肉に変換してきたが、筋肉前駆体としては、それらの強度の高さ、特に作動中に実現可能な収縮の高さ、および比較的低コストでの商業的入手可能性のため、高い機械的強度を有する高分子量ポリエチレン(PE)およびナイロン6またはナイロン6,6ファイバーが特に好ましい。
上の場所に凝集し、次いで、その長さを通して伝播する。印加される重量は、重要であり、また、所与のファイバーに対して狭い範囲にわたって調整可能であるが、−重量が少な過ぎると撚りの挿入中にファイバーがもつれ、重量が多過ぎると撚っている間にファイバーが破損する。この印加重量の範囲において、隣接するファイバコイルは、接触している。そのようなコイルの接触は、作動中の収縮を妨げるので、コイルを分離させるために、作動中により大きい重量が印加される。あるいは、コイルを分離させるために、ファイバーを意図して部分的に解撚すれば、より小さい重量を印加することができ、これは、通常、コイルの数を減少させることなく起こる。そのようにコイル化したファイバーは、相対的な端部の回転が可能であれば、部分的にコイルが解ける。熱的にアニーリングすることは、コイル状ファイバーをヒートセットすることができるが、その後の相当な引張応力の印加は、それでも、端部の回転が可能であれば、コイル化を消滅させる。コイルを撚りに変換することによってコイルの数が減少する、両端部を繋いだファイバーに、低温で十分に高い荷重を印加することが可能であるが、これは、ファイバーが破損するため、高温ではあまり成功しない。一例として、30gの荷重下の直径130μmのナイロン6(Coats and Clark製0.005サイズのモノフィラメント)について、ファイバーのコイル化を開始する前に挿入された撚りの密度は、2046ターン/m±3%であり、コイル化を終了する前に挿入された撚りの合計は、3286ターン/m±4%であり、挿入された撚りの合計3653ターン/m±3%は、コイル状ファイバーを破損させる。
めに、それでも局所的な過熱を回避しながら、作動中のプロファイルされた印加電圧、電流、または電力入力を展開することが有用であり得る。本明細書の方策は、いかなる局所的な過熱の危険性もなく、作動の開始時に加熱速度を最大にし、次いで、過熱が問題を起こし得るときに加熱を低減させることである。
熱作動。別途支持されない限り、ここおよび他の場所で、応力を得るために力を正規化することは、ファイバーの直径に対するものであり、ファイバーの直径は、初期非撚ファイバーの直径である。これが行われるのは、コイル状ファイバーのコイルの直径およびファイバーの直径を正確に測定することが困難であり、また、報告されている大部分の測定値が等圧(一定の印加重量)であるからであり、よって、ファイバーの応力は、作動中に変動する。
重下で撚ったときに、(25〜130℃で)1.8×10−4/Kの初期平均半径方向熱膨張を有したが、ファイバーのコイル化のオンセット時に、2.2×10−4/Kまで僅かに増加した(撚りは、540ターン/mであり、初期ファイバー長さのうち1%だけをコイル状にした)。長さ収縮定数(LCF)は、コイル状または非コイル状ファイバーの初期ファイバー長さと最終的な長さとの比率であり、この僅かにコイル状のポリマーファイバーについて、1.16であった。
Exchange,Inc.,サイズ003、5Tex)に関するものである[M.Zhang、S.Fang、A.A.Zakhidov、S.B.Lee、A.E.Aliev、C.D.Williams、K.R.Atkinson、およびR.H.Baughman、Science 309、1215−1219(2005)]。周期的な作動を得るために、volt/cmおよび20%のデューティサイクルの1Hzの方形波電位を印加した。図14のデータは、ファイバー応力が22MPaであるときに、このコイル状ファイバーが、百万サイクル以上にわたって10%収縮することがきることを示す。コイル状ファイバーは、クリープを受けたが(挿入画を参照されたい)、このクリープは、百万サイクルにわたって2%未満であり、クリープ速度は、サイクルの増加とともに減少し、また、ストロークにおけるいかなる顕著な非可逆性もなかった。
れるときに限定される。全ての他の熱的または電気化学的に駆動される人工筋肉のように、このサイクルタイムは、アクチュエータファイバーの直径の増加とともに増加する。この応答時間は、周囲温度の変化を使用して、緩やかに変動する温度変化からエネルギーを採取するとき、または着用者の快適さを提供するために小孔を変化させる衣類織物を提供するときのように、熱サイクル時間が長いときには重要でないが、電熱的に駆動される作動の全サイクル中に出力電力を最大にするときには重要である。
実現された引張ストロークおよび仕事ならびに電力密度は、コイル状ハイブリッド糸に対して非常に高いので、そのような高サイクル寿命の筋肉は、多様な用途に使用すること
ができる。主要な競合するNiTi形状記憶金属のアクチュエータは、高ヒステリシスなアクチュエータストロークを有するので、アクチュエータの変位の制御は、サイクル内の履歴に対する作動の依存性によって、非常に複雑である。この履歴依存性は、図2Aのワックスハイブリッド糸の結果については小さく、また、溶融状態の間にニートな糸または任意のワックスを充填した糸のサイクルについては無視することができる。また、このヒステリシスは、コイル状にしたものを含む、撚りを挿入したポリマーファイバーに対して小さくすることができる。
一方の糸の端部を固定し、反対側の糸の端部を引張作動を伝達するために使用することによって達成することができる。しかしながら、摩擦を最小にするために、そのようなピンは、独立した糸をファイバーサイズのプーリーで支持することができる。
えば、引張動作は、ばね荷重式ピン(随意に、円筒状、ブレード形状、または他のさらに複雑な形状のものとすることができる)を可逆的に後退させることができ、それによって、表面の凸凹を変化させる。海洋船舶の表面から海洋生物を除去するために、ピンの伸長および収縮の1つ以上のサイクルを使用することができる。また、ミクロンサイズまたはより大きいパドルの回転を、表面の凸凹を変化させるために利用することもできる。凸凹が制御されるそのような作動表面は、流体の境界層に影響を及ぼし、それによって、船舶、航空機、および陸上車両等に対するさらに効率的なおよび/または制御された挙動を可能にするために使用することができる。親水性または疎水的なパドル表面が外部にあるようなパドルのねじり回転のような、そのような作動はまた、表面エネルギーを変化させるために使用することもできる。そのような表面エネルギーの変化はまた、ピンの可逆的な伸長および収縮によって有用に達成することもできる。
きる。ハイブリッドナノファイバー筋肉内のゲストの選択は、環境における放射線もしくは化学物質に対する統合的時間−温度曝露または統合的曝露のような、曝露を統合するセンサを作動させるために必要とされる可逆的な作動または非可逆的な作動を提供するように設計することができる。特定のセンサの必要性を満たすことが可能なゲストの範囲は膨大であるので、機械作動を提供する可逆的および非可逆的の双方の(すなわち、統合的)感知のための性能を最適化することが可能である。ゲストの選択に関連して、文献は、温度もしくは温度履歴または化学物質もしくは放射線曝露の関数として、可逆的または非可逆的な容積変化を受ける材料のホストを説明している。
したポリマーファイバー筋肉の可逆的な引張作動は、窓のブラインドまたはシャッターを開閉するために使用することができる。熱的に駆動される筋肉は、窓寸法のほぼ全体に広げることができ、また、プーリーを使用してストロークを増幅することができるので、小さい温度変化を使用して、いかなる音も立てることなく、またはいかなる電気エネルギーも消費することなく、ブラインドおよびシャッターを段階的に開閉することができ、これは、現在使用されている、ブラインドおよびシャッターを開閉する高価なモーターと異なる。加えて、そのような光機械作動は、マイクロおよびマクロ光学デバイスのための作動を提供するために使用することもできる。
じる感触は、織物および他の編組構造の実現を制限している。対照的に、伝導性および非伝導性ナイロンの双方のスプールは、安価に入手することができ、衣類で広く使用され、また、本発明の実施形態によって、作動時に収縮または膨張を提供する高ストロークの人工筋肉に容易に処理される。
部分において多孔性で湿潤可能な材料、またはウイッキングを提供することができる中空編組内の溝の場所によって提供することができる。
]、また、選択されたジアセチレンが、重合中の大きい寸法変化(置換基−CH2OSO2C6H5CH3を有する対称性ジアセチレンの重合方向において4.9%)[R.H.Baughman、J.Chem.Phys.68、3110−3117(1978)]を提供することができるので、そのようなジアセチレンは、そのような糸に基づく時間−温度の指示デバイスのためのゲストとして有用である。
記憶金属アクチュエータのように、燃料で駆動することができる[「Fuel Powered Actuators and Methods of Using Same」、R.H.Baughman、V.H.Ebron、Z.Yang、D.J.Seyer、M.Kozlov、J.Oh、H.Xie、J.Razal、J.P.Ferraris、A.G.MacDiarmid、W.A.A.Macaulay、米国特許第8,096,119B2号]。燃料で駆動される撚紡績ハイブリッド筋肉を提供するための1つの本発明の実施形態は、(水素またはメタノールと空気のような)燃料と酸化剤を組み合わせることによって熱を発生させるための、糸のコアに容積が変化するゲストを含み、また、糸のシェルに(PtまたはPt合金のような)触媒粒子を含む糸を提供するためのものである。バイスクローリングプロセス[M.D.Lima et al.,Science 331、51−55(2011)]は、そのようなシース−コア構造を有する撚紡績筋肉を提供するために、好都合に使用することができる。これは、容積が変化するホスト材料をフォレストから引き出したシートまたはシートスタックの一方の拡張領域側に蒸着させ、触媒粒子を残りのシート領域に蒸着させ、次いで、触媒が糸のシースの中にあり、容積が変化するゲストが糸のコアの中にあるように非対称的に撚りを挿入することによって達成される。同様に、そのような容積が変化するゲストおよび触媒の非対称的な蒸着は、ナノチューブフォレストからナノチューブ糸を直接紡績する間、撚りの挿入中に形成されるシートウェッジに蒸着させることができる。実施例25で示されるように、化学的に駆動される可逆的な作動は、非可逆的な作動を提供する筋肉の構成および/または筋肉のタイプを選択することによって、非可逆的な作動に変化させることができる。実施例25で使用される構成は、一端部を繋いでいる単一諸撚りでコイル状のナイロン筋肉のための非可逆的作動を提供するためのものである。
用途にも有用である。さらに、撚りを挿入したポリマーファイバーは、大きい制御可能な負の熱膨張を提供し、該熱膨張は、糸のコイル化によって調整することおよび大幅に高めることができるので、そのような撚りを挿入したポリマーファイバー糸は、ファイバーアセンブリ(ならびに糸およびファイバーのアセンブリ)または複合体について、ほぼゼロの熱膨張が求められる用途等に特に有用である。
の電熱作動に必要とされるジュール熱を生成するために、DC方形波電圧パルスを印加する代わりに、はるかに高い周波数(しかし、類似する平方2乗平均振幅を有する)の音声信号電圧を印加することができる。ナノファイバーシートが最初に加熱されておらず、筋肉の作動中に該シートの温度が上昇する場合に起こる周波数倍増を処理する、音響信号を考慮すると、筋肉支持ナノファイバーシートは、(例えば、「筋肉が作動している」と保存している)音響メッセージを放送することができる。
この実施例1は、パラフィンワックスゲストを含有する糸筋肉の製作を説明した。我々は、(缶詰化および蝋燭に使用されるワックスのような)他の市販のワックスについて類似した結果を得たが、別途指示されない限り、説明される結果は、将来の研究者達が容易に入手できる可能性が高いワックス(Sigma−Aldrich製411671ワックス)に関するものであり、該ワックスは、アルカンの混合物を含む。第3項における結果
は、このワックスが約83℃で完全に溶融し、固体状態転移中に30〜90℃で約20%膨張して溶融し、そして、90〜210℃で約10%の追加的な容積の膨張を提供することを示す。
この実施例2は、ポリジアセチレンゲストを含有する糸筋肉の製作を説明した。利用したジアセチレン(DA)は、10,12−ペンタコサジイン酸[CH3(CH2)11C≡C−C≡C(CH2)8COOH]であり、Alfa Aesar Co.,Ltd.から購入し、受領したまま使用した。紡績したままの両端部を繋いだフェルマー糸(直径9μm、20,000ターン/mの撚りを挿入)を、最初に、1時間、8MのDAテトラヒドロフラン溶液に浸漬し、次いで、DAを浸透させた糸を溶液から取り出し、そして、繋いだままの状態で、室温で一晩乾燥した。原位置でDAをポリジアセチレン(PDA)に重合するために、UV光(30WのUVランプからの254nm)を使用した。重合時間は、一般的に、約3分であり、該重合は、糸に暗青色を発色させた。しかしながら、1つにはナノチューブおよびジアセチレンの吸収が糸の内部でのUV光の深い浸透を妨げるので、重合は不完全であった。
この実施例3は、ポリエチレングリコールゲストを含有するハイブリッド糸筋肉の製作を説明した。約6000の平均分子量および60〜63℃の溶融温度範囲を有する、ポリエチレングリコール(PEG)、H(OCH2CH2)nOHを、Sigma Aldrich社からフレークとして入手し(Bio−Ultrra 6000)、受領したまま使用した。直径13μmのフェルマー糸(15,000ターン/mの撚りを挿入)を、約100℃で30分間、PEGの溶融槽に浸漬することによって、PEGを該糸セグメントの下半分に浸透させた。次いで、両端部を繋いだ糸を、PEG浴槽から取り出し、室温まで冷却させた。PEGを充填した糸セグメントの直径は17μmであり、バイアス角度は、31°であった。
この実施例4は、パラジウムゲストを含有する糸筋肉の製作を説明した。電子ビーム蒸着(CHA−50電子ビーム蒸発器)を使用して、剛性ロッドによって支持された、2つの共配向されたMWNTシートのスタック内の個々のナノチューブおよびナノチューブ束を、最初に、(均一なPd蒸着を確実にするために)厚さ約5nmのTiバッファ層で被覆し、次いで、厚さ60、80、120、または140nmのPd層で被覆した。層の厚
さは、同じ環境にある平面基材上の蒸着層の厚さに対応する公称値である。次いで、シートスタックを撚紡績(100〜200ターン/m)して、二重アルキメデス構造を有する直径144μmの糸を得た。糸の可逆的な作動を得るためには60nmのPd層が十分であり、より薄い被覆は、糸に撚りを挿入する難しさを不所望に増加させた。
この実施例5は、糸のコイル化が、ニートなカーボンナノチューブ糸およびパラフィンワックスを浸透させたカーボンナノチューブ糸の双方について、引張作動を飛躍的に増加させることを示した。ワックスの浸透前およびその後のコイル状二重アルキメデス糸の引張収縮対温度は、図2Aにおいて非コイル状フェルマー糸の対応するデータ(挿入画)と比較される。ワックスの浸透は、糸のコイル化を行ったときに、全ての糸について引張収縮を大幅に高めた。作動の荷重依存性の差にもかかわらず、類似した直径および撚り角度を有する非コイル状のフェルマー糸および二重アルキメデス糸について、類似した引張ストロークが得られた(図6)。3.8MPaの引張応力下でニートなコイル状糸を周囲温度から白熱温度(約2,560℃)まで加熱することで、0.16kJ/kgの仕事能力に相当する7.3%の可逆的な糸の収縮を提供した(図2B)。糸のコイル化が引張作動ストロークを大幅に高めたので、コイル状糸(図1E)が、引張作動に関する下の研究の大部分の焦点となる。
この実施例6において、その自重を17,700回持ち上げた、両端部を繋いでパラフィンワックスを充填したコイル状フェルマー糸を使用した、140万を超えるサイクルにわたって、注目に値する1分あたり1,200サイクルおよび3%のストロークでの引張作動が実証されたことを示した(図3A)。この高い速度は、50%のデューティサイクルで、20Hz、18.3V/cmの方形波電圧を長さ3.8cm、重量2.25μg/cmの糸に印加することによって生じた。25msの高速な受動的冷却は、小径の糸およびコイル(それぞれ、11.5μmおよび20μm)によって生じたものである。十分に分離させた25msのパルスを印加することで、(一般的な内燃エンジンのパワーウェイトレシオの4倍である)4.2kW/kgの平均電力出力で、この収縮中に、1.58%の初期収縮および0.104kJ/kgの機械的エネルギーを得た。
この実施例7は、印加電圧および機械的荷重を増加させ、一方で、パルス持続期間を減少させることによって、引張アクチュエータとしての実施例6の糸の性能を最適化することができることを示した。図3Bは、15msにわたって32V/cmが印加されたときに、30msで糸がその質量を175,000回持ち上げる、一連の作動を示す。収縮中の仕事(0.836kJ/kg)は、27.9kW/kgの電力出力を提供したが、これは、哺乳類の骨格筋のピーク出力(0.323kW/kg)の85倍であり、また、以前のカーボンナノチューブ筋肉の最大測定電力密度の約30倍である[J.Foroughi et al.,Science 334、494(2011)]。しかしながら、高い印加電力は、過熱および遅いパラフィン蒸発を引き起こすことによって、サイクル寿命を低減させる。
収縮中のアクチュエータのストロークおよび仕事容量は、全般に、同時に最大にすることはできないが、印加荷重を最適化することによって独立して最大にすることができる。図3Cは、ワックスを浸透させた直径150μmの両端部を繋いだ二重アルキメデス糸に異なる量の撚りを挿入した場合の、アクチュエータのストロークおよび仕事容量の応力依存性を示す。コイル化を引き起こすための十分な撚りを有する糸に関して大幅に高められる可逆的な収縮は、ワックスの蒸発温度直下まで定常状態で電気加熱することによって生じた。高い応力を印加することは、初期状態(引張およびねじり変形に対して、固体ワックスが構造補強を提供する)よりも、収縮状態(溶融ワックスを含有する)の方が糸のヤ
ング率が低く、それに応じて、荷重下での弾性伸びが大きいため、ストロークを減少させる。高度にコイル化した糸のストロークは、低い応力で減少し(図3C)、それは、収縮を妨げる隣接するコイルのごく近くと整合する。
図3Cは、ワックスハイブリッド糸の収縮中にストロークまたは仕事を最大にする、最適な量のコイル化があることを示した。中間撚りを有するコイル状フェルマー糸について、5.7MPaの応力で、5.6%の最大収縮が観察された。コイル状糸にさらに6.8%の撚りを加えることで、最大収縮応力(5.1%の歪みについて16.4MPa)および最大測定収縮仕事(84MPaで1.36kJ/kg)を増加させたが、これは、生来の筋肉の仕事容量の29倍である。その後に撚りを41%減少させることで、コイル化を排除し、最大収縮および収縮仕事を低い値まで低減させた(それぞれ、0.7%および0.31kJ/kg)。十分に分離させた50ms、15V/cmパルスを印加することによって、直径150μm、部分的コイル状の二重アルキメデス糸について、5.5MPaの応力下で10%の収縮が実現された(図3D)。この糸の断面積は、図3Aおよび図3Bの糸の断面積よりも170倍大きく、周囲空気中での受動的冷却はあまり効果的ではなく、冷却時間は、約25msから約2.5sに増加し、その結果、加熱および冷却時間の双方を考慮したときに、低い収縮電力密度(0.12kW/kg)をもたらす。
この実施例8において、図1Aの構成のニートなフェルマー糸の引張作動対撚りの挿入に関する実験データは、熱収縮に関する撚りの重要性および結果として生じるバイアス角度の増加を示す(図5)。挿入する撚りをおよそ9,650ターン/mからおよそ28,130ターン/mに増加させることによって、一定の印加電力での引張作動は、約2.8倍(約0.03%から約0.086%に)増加した。しかしながら、コイル化の開始が(33,800ターン/mで)初めて観察されたときに、熱収縮が約4.5%減少したが、これはおそらく、コイル化が殆どなく、弾性係数の減少に対する導入したコイル化の影響が殆どないときに収縮を提供する際の、非コイル状糸セグメントの優位性に起因するものである。
この実施例9において、糸の中間点でパドルを回転させた(図1Bの構成)、長さ6.9cmで直径10μmの両端部を繋いで半分をワックスに浸透させたホモキラルフェルマー糸に関して、2百万サイクルにわたって超高速で高度に可逆的なねじり作動を実証された。ハイブリッド糸は、1分あたり全サイクル平均11,500回転に対して、−最初に一方向へ、次いで、反対方向へ−、16.5倍重いパドルを加速した(図4A)。作動温度は、Tmfをはるかに超えていたが、ねじり戻しばね(図1Bの非作動糸セグメント)の存在のため、高いサイクル寿命をもたらした。図4Bは、高度に可逆的な百万サイクルにわたって150倍重いパドルを回転させた類似する糸に関して、入力電力および印加引張荷重に対するねじり回転の依存性を示す。荷重を増加させることで、回転速度が、5,500回転/分から最大7,900の回転/分まで増加した。電気加熱を100Wの白熱ランプからの光パルスを使用した加熱と置き換えることによって、半分ワックスに浸透させた糸に関して、可逆的なねじり作動(12.6°/mm)も駆動した。
この実施例10は、両端部を繋いだホモキラル糸のねじり作動に対するワックス浸透の効果を特徴付けており、糸の半分が作動し、もう半分は、大部分がねじり戻しばねとして機能する。利用した直径16μmのフェルマー糸は、15,000ターン/mの撚りを挿入し、35°のバイアス角度を有した。ワックスを含有する糸の構成は、図1Bの場合と全く同じであり、また、電力が糸の長さの半分だけに印加されたことを除いて2つの糸セグメントが同等であることだけが非浸透糸の構成と異なる。これらの比較実施例では、同
じ機械的荷重が印加され、作動を達成するために使用した電圧は、同じであった(11.6V/cm)。いくつかのねじり作動回転が、ニートな糸について観察された(4.9°/mm)、これは、低温および高温の糸セグメントの間のねじりおよび引張弾性係数における僅かな差に起因し得るが、この回転は、その後にパラフィンワックスを糸セグメントの1つに浸透させたときに観察された71.2°/mmのねじり作動と比較して低かった。
この実施例11は、(非諸撚りヘテロキラル糸の代わりに)2本諸撚りヘテロキラル糸の使用が、図1Dの構成について、可逆的な電熱ねじり作動を可能にすることを実証した。SZ糸は、1メートルあたり20,000ターンの初期撚りを有する直径11μmのフェルマーZ糸に約30%の追加の撚りを挿入することによって得た。この高度に撚った糸は、次いで、それ自体の上に折り畳み、よって、諸撚りのため、Z撚りの一部をS撚りに変換した。ZS糸も同様に作製した。次いで、これらの糸は、ともに結び、その結び目の位置にパドルを取り付けた。結果として生じる2本諸撚りSZ−ZS糸構造は、直径20μmであった。
この実施例12は、パラフィンワックスを浸透させたコイル状カーボンナノチューブ糸が巨大な特定のトルクを発生させることができること、およびこのトルクを、物体を投げるために使用できることを実証した。スタック長さあたりおよそ3,000のターン/mの撚りが挿入された、直径100μmで長さ6.4cmの完全に浸透させたヘテロキラル二重アルキメデス糸について測定した静的特定トルク対印加電力は、図4Cに示される。この直径100μmの糸について、8.42N・m/kgの最大特定トルクを発生したが
、これは、電気化学的に駆動されるナノチューブ糸について実証されたもの場合も5倍高く[J.Foroughi et al.,Science 334、494−497(2011)]、また、大型電気モーター(最大6N・m/kg)の場合よりも若干高い。このトルクは、ヘテロキラル糸の中央接合点に取り付けられた金属パドル(長さ23mm)によって働かせた力を測定するためのデジタル微量天秤を使用して決定した。パドルは、水平位置で、力の測定中に微量天秤のプレートに押し付けた。作動電圧がゼロであるときにいかなる力も微量天秤に印加されないように、実験の開始時に、糸の中のワックスを(電気加熱によって)溶融させ、金属パドルが微量天秤のプレートと接触している間に再び固体化させた。この同じパラフィンワックスを浸透させたヘテロキラル糸を使用して、小型のグレコローマン式カタパルトの腕(図4C、下部挿入画)を300°回転させることによって投射物を投げた。最大ねじり作動温度は、ワックスの溶融が完了する温度を超えたが、カタパルトの可逆的な動作を達成した。
この実施例13において、出願人はまた、他の容積膨張ゲストを含有するハイブリッド糸に関して、熱的に駆動される可逆的なねじり作動も実証した。これは、現在、CH3(CH2)11C≡C−C≡C(CH2)8COOHについて実証され、実施例2で説明されるように、これをフェルマー撚紡績糸(d=9μmおよびα=26°)に浸透させ、1,4−付加によって光重合化して、ポリジアセチレン(PDA)を生成した。色が変化するカーボンナノチューブ糸を作製するために使用される関連するポリジアセチレンのように[H.Peng et al.,Nature Nanotech.4、738(2009)]、生成されるポリジアセチレンは、多色性であり、高過ぎる温度に到達しない限り可逆的に、約57℃で青色−赤色相転移を提供する。しかしながら、非重合モノマーは、約63℃で溶融し、追加的な糸の膨張を生成するので、部分的な重合度は、複雑化の要因である。
たモノマーが溶融することによる大きな容積の変化のため、図1Bの両端部を繋いで半分浸透させた糸の構成に関して、80℃未満までの作動について、100°/mmの可逆的なねじり回転が得られた。より高い温度に対する作動は、おそらくは非可逆的な相転移のため、十分に可逆的でなかった。
この実施例14は、実施例4のパラジウムハイブリッドカーボンナノチューブ糸に関して、吸収によって駆動される作動を実証した。0.022MPa印加引張応力を使用したねじり作動の特徴付けのために、図1Dの構成を展開した。可逆的なねじり作動は、二重アルキメデスの糸内のナノチューブ束上の厚さ60nmのパラジウム層上での水素の吸収および脱離によって駆動した。この直径144μmの糸は、90重量%のパラジウムを含有していたので、結果として生じる高いねじり剛性は、撚りの挿入を最大200ターン/mに制限した。それでも、一端部を繋いだ糸は、水素吸収中にその自由端で千倍重いパドルを回転させた。アクチュエータを含む真空チャンバの中へ0.05atmのH2を注入することで、約6s以内でパドルを1.5回転させたが、これは、水素曝露と真空との間の繰り返しサイクル中の類似する時間尺度で、完全に逆になった。厚さ10μmのPd合金層の寸法変化を利用した、カンチレバーに基づくアクチュエータは、以前に実証されているが[M.Mizumoto、T.Ohgai、A.Kagawa、J.of Alloys and Compounds 482、416−419(2009)]、応答時間は数十分単位であった。糸の100倍速い応答速度は、糸の小孔およびPd被覆の薄さによって生じる。そのような糸アクチュエータは、目標とした水素圧力を超えたときに入口を素早く閉じる、インテリジェント筋肉として使用することができる。
この実施例15は、液体の吸収および離脱も、図9で示されるように、作動を駆動することを実証したが、両端部を繋いだフェルマー糸のねじり作動は、液体への浸漬長さの関数として示される。湿潤液体における両端部を繋いだホモキラル糸の浸漬深さを変動させることによって、殆ど可逆的なねじり回転が得られた。図9Aのアクチュエータ試験構成が展開され、糸の総長さは、80mmであり、作動を記録するために使用したパドルは、ほぼ糸の中間にあり、糸の頂端部は、軟質ロッド支持体に取り付け、また、糸の底部は、固定された直径20mmのガラスバイアルの底部に強固に取り付けた。調査したフェルマー糸は、およそ25,000ターン/mの撚りが挿入され、初期の糸の直径が8μmであり、バイアス角度が32°であった。マイラーパドルは、幅3.5mm、高さ2mm、および厚さ0.1μm、および重量1.0mgであり、これは、糸の総重量の約100倍であった。
この実施例16は、実施例3で説明される方法を使用して、ポリエチレングリコール(PEG)を部分的に浸透させた、両端部を繋いだホモキラル非コイル状フェルマー糸のねじり作動を実験的に実証した。溶融中に容積が10%膨張するので、PEGをカーボンナノチューブ糸のゲストとして選択した[L.J.Ravin、T.Higuchi、J.
Am.Pharm.Assoc.46、732(1957)]。糸の直径は、17μm、挿入した撚りの量は、15,000ターン/m、およびバイアス角度は、31°であった。糸の総長さは、5.2cmであり、糸の一端部の長さ2.6cmの区間にPEGを浸透させ、パドルは、図1Bのように、浸透させた糸セグメントと浸透させていない糸セグメントとの間の接合部とした。このパドルは、浸透させた糸セグメントよりも92倍重く、長方形のカプトンテープストリップ(長さ3.7mm、幅1.1mm、および厚さ130μm)であった。ねじり作動は、高速ムービーカメラ(240フレーム/s)を使用して記録し、データは、パドル回転角の時間依存性のフレーム毎の分析によって得た。
電気加熱に代わるものとして、この実施例17は、パラフィンを含有するカーボンナノチューブハイブリッド糸のねじりおよび引張作動を、手動でスイッチのオン(1.6〜2s)およびオフ(0.3〜0.5s)を行った100Wの白色光ランプによる白熱加熱によって生成することができることを実証した。図1Bの構成を使用することで、パラフィンワックスを半分浸透させた、両端部を繋いだホモキラルフェルマー糸(直径約15μm、約20,000ターン/mの撚りを挿入)に関して、12.6°/mmの可逆的なねじり作動が得られた。この糸セグメントを光子的に加熱することによって引き起こしたねじり作動中に、可逆的な引張収縮が、パラフィンを含有する糸セグメントの解撚と同時に起こった。
この実施例18は、(実施例1で説明される方法を使用して)パラフィンワックスを完全に浸透させて両端部を繋いだホモキラルコイル状フェルマー糸に関して、高周波数で大ストロークの引張作動を達成するための、レバーアームの使用を実証した。コイル内の糸の直径は、約22μmであり、コイルの直径は、約37μmであった。糸の総長さは、約15.2MPaの応力を印加したときに、7.3cmであった。剛性レバーアームは、長さ50mmのアルミニウム管(外径0.159cmおよび内径0.088cm)、重量0.196gであり、ロッドの一端部を中心に自由に枢動した。作動糸によって発生する力は、0.06の機械的利益を提供するために、(糸の端部に取り付けたアルミニウムリングを使用して)枢動点から3mmの距離に印加した。パラフィンの溶融温度を超える温度に対する作動を、糸の全長に沿って(5〜10Hzの周波数および50%のデューティサイクルで)約13V/cmの電圧を印加することによって生成した。このパルス状電力入力を使用して、5Hzの印加周波数について、11.9mmの最大垂直変位を得た。枢動点から5mmに作動力を印加し(0.1の機械的利益に相当)、6.7および10Hzのより高い印加周波数を使用すると、この変位は、それぞれ、10.4mmおよび3.5mmに減少した。
この実施例19は、パラフィンワックスを完全に浸透させた、両端部を繋いだホモキラルコイル状フェルマー糸に関する、増幅された高周波引張作動を実証した。糸筋肉および糸の構成(図1A)は、実施例18のものと同じであった。この実施例のように、作動糸
の一端部を、アルミニウムリングに結ぶことによって取り付けた。しかしながら、この実施例19において、糸筋肉によって発生する力は、(取り付けられたアルミニウムリングを介して)約0.04g/cmの線密度を有する直径254μmおよび長さ60mmの強化ワイヤカンチレバーに印加された。ワイヤへの取り付け点がカンチレバー基部から20mmであったので、機械的利益は0.33であった。糸筋肉の中のパラフィンワックスの溶融温度を超える温度に対する作動は、糸の全長に沿って(75Hzの周波数および50%のデューティサイクルで)約13V/cmの電圧を印加することによって生成した。このパルス状電力入力を使用して、75Hzで、3.43mmのカンチレバー先端部の最大垂直変位を得た。
この実施例20は、糸ゲストの容積変化を作動糸の容積変化と実験的かつ理論的に関連付ける、光学顕微鏡検査によって記録した動画を使用して、等張の電熱引張作動中に糸の全長の変化を測定したときの糸の構造の変化を特徴付けた。ワックスを充填した非コイル状二重アルキメデス糸を、図1A構成において両端部を繋いだ。この150μmの糸は、35°のバイアス角度を有し、スタック長さあたり2,500ターン/mの撚りが挿入された。印加荷重は、13.4MPaであり、123mW/cmの電力を印加して、作動定常状態と非作動定常状態との間をサイクルさせた。我々は、作動中に、糸の全量が0.585±0.003%収縮したときに、糸の直径が4.06±1.87%増加し、それによって、作動中に糸の容積が7.7±2.6%増加したことを示したことを観察した。ナノチューブの容積から予期されるように、周囲温度から約210℃までのこの糸のパーセント容積変化は、約30%であるワックスのパーセント容積変化よりもはるかに小さかった。
この実施例21は、ポリマーを充填したコイル状カーボンナノチューブ糸の引張アクチュエータとしての使用、ならびに、糸の撚りが低い状態で樹脂を浸透させ、その後にこの樹脂を重合させ、次いで、糸のコイル化を生成するために必要とされる高い撚りを挿入することによる、引張ストロークの向上を実証する。幅2.5cmおよび長さ15cmのフォレストから引き出した4つのMWNTシートのスタックに(5gの荷重下で)100〜200ターン/mの撚りを挿入することによって、直径300μmのホスト二重アルキメデスカーボンナノチューブ糸が生成された。次いで、この低撚ホスト糸には、シリコーンゴム樹脂(Silicones,Inc.製の2成分SiLocone cps 1200)を浸透させた。シリコーンゴムを(室温で約24時間にわたって)硬化させた後に、
複合糸を、完全にコイル状になるまで約0.2MPa張力下で撚った。糸の最終的な直径は、約270μmであった。この低撚浸透方法は、非常に高い重量および容積パーセントのゲスト材料を含有する、コイル状ハイブリッド糸を製作することを可能にする。上で説明されるシリコーンゴム/カーボンナノチューブ糸について、シリコーンゴムの重量パーセントは、約95%であった。このゲストを高充填した糸の結果として、ゲストの大きい熱膨張が生じ、また、浸透前のコイル化の使用により、電熱作動中に、巨大な引張収縮が生じた。電熱加熱時(0.2秒、5V/cmの方形波パルスを使用した)に、コイル状ハイブリッドナノチューブ糸は、5MPaの応力の下で、最大35%可逆的に収縮した(図10)。
この実施例22は、窓のシャッターの開口を制御するためのノイズレスアクチュエータとしての、単一コイル状、2本諸撚り、SZ撚りで、銀を被覆したナイロンファイバーの使用を実証し、図22C〜22Dに写真を示す。前駆体は、市販の直径200μmの銀を被覆した非撚ファイバーとし、990ターン/mの撚りを挿入した。ナイロン筋肉は、両端部を繋いだ。長さ28cmのコイル状ファイバーについて、25秒のサイクル(オン7秒およびオフ18秒)中にブラインドを開閉するために使用した動作電圧は、15Vの方形波であった。コイル状ファイバーの長さの変化は、200gの印加荷重下で、2cmの収縮(7.1%の収縮)であったが、これは、シャッターを閉鎖位置に戻すために使用した。この収縮を使用することで、シャッターは、ファイバーの作動中に、閉位置(垂直方向に対して15°の薄板の傾斜)から90°(全開位置)まで開く。周囲温度の変化を使用することによるこの熱作動の展開は、周囲温度での関連する変化に対するストロークを増幅するためのプーリー構成を展開することができた。発生させる力を増加させることが必要である場合、並列に動作する多数のコイル状ファイバーを展開することができる。
この実施例23は、制御ループを介したアクチュエータ位置の正確な制御を実証した。使用するコントローラは、比例積分微分コントローラ(PIDコントローラ)であったが、これは、産業的な制御システムに広く使用されているようなタイプのコントローラである。このPIDコントローラは、測定されたプロセス変量(現在位置)と所望の設定点との差として、「誤り」値を計算する。コントローラは、現在の印加電圧、電流、または電力であるプロセス制御入力を調整することによって、位置決めにおける誤りを最小にしようとする。
この実施例24において、ポリマーワイヤ筋肉を覆うCNTラップは、電熱作動中に、熱音響効果を介して音を生成することを実証した。CNTシートを巻き付けたコイル状ナイロンアクチュエータ(127μm、Coats and Clark製D67透明ナイロン)を調製した。DC電圧を印加する代わりに、同程度の2乗平均平方根(RMS)振幅の5kHzの交流正弦波電圧を印加して、作動を誘導した。CNTシートの高い表面積および低い熱容量のため、ポリマーワイヤ筋肉の熱作動は、10kHzで可聴音を生成し
た。出力周波数は、正および負の双方の電圧でのジュール加熱による入力周波数の2倍であった。
この実施例25は、一端部を繋いだナイロンファイバーアクチュエータの化学燃料に対する非可逆的応答を実証した。127μmのCoats and Clark製D67ナイロンフィラメントに、蒸着させたPt黒触媒粒子(Alfa Aesar 12755)を含有するCNTシートを巻き付けた。次いで、完全にコイル状になるまで、フィラメントを撚った。このプロセスは、ナイロンのかなりの塑性変形を引き起こし、よって、全ての弾性的に記憶された撚りが除去されたときであっても、フィラメントは、そのコイル形状を保持した。メタノールのビーカーの上に(一方の筋肉の端部を拘束しない状態で)配置されたときに、白金表面上でのメタノール蒸気と酸素との反応は、アクチュエータを加熱した。これは、コイル状構造の非可逆的な解撚を引き起こし、到達した温度を表す。
この実施例26は、撚りを挿入し、次いで、コイルの軸に対して反対方向のバイアス角度を有するカーボンMWNTシートストリップを螺旋状に巻き付けることによって完全にコイル状にしたナノファイバーに関して、両端部を繋いだ引張作動を実証する。そのようなMWNTシートストリップを二重螺旋状に巻き付ける前およびその後の、コイル状ナイロンファイバーの光学顕微鏡写真は、図15A〜15Bに示される。
た顕微鏡によって検出した。21.7MPaの応力で荷重を与えた筋肉に関する印加電圧、電気抵抗、温度、および発生した歪みの代表的な時間依存性は、図16に示される。筋肉は、加熱されたときに、最高26%可逆的に収縮した。
この実施例27は、コイル方向に負の熱膨張を有する、両端を繋いで、マンドレルでコイル状にした熱ポリマーファイバー筋肉の引張作動を説明する。このポリマーファイバー人工筋肉を調製するために、直径860μmのナイロン6モノフィラメントを、最初に、200gの荷重下で、コイル化のオンセットの直前まで撚った。次いで、それを、ファイバーの撚りと同じ方向に、マンドレルに巻き付けた。次いで、コイル状ポリマーファイバーを、構造をセットするために、150℃で20分間熱アニールした。直径0.4mmのマンドレルを使用して作製したポリマーコイルは、(ヒートガンからの熱風を使用して)140℃まで加熱したときに、3.5MPaの荷重下で、29%の収縮を提供した。直径2.7mmのマンドレルを使用してコイルの直径を増加させることによって、1MPaの荷重下で、140℃で最高49%の収縮が達成された。
この実施例28は、マンドレル上でのコイル化に使用される方法の結果としての、正の熱膨張を有するコイル状ポリマーファイバー糸を使用する、熱的に駆動される人工筋肉を説明する。この筋肉は、収縮するときではなく、膨張するときに、機械的仕事を行うように動作する。直径860μmのナイロン6モノフィラメントファイバーを、最初に、200gの荷重下で、コイル化のオンセットの直前まで撚った。次いで、この撚ファイバーを、挿入されたファイバーの撚りと反対方向に、直径2.7mmのマンドレルに巻き付けた。このコイルは、(片持ち梁によって支持された)50gの圧縮荷重下で、コイルガイドとしてコイル中心でガラスロッドを使用することによって位置付けた(図19A〜19B)。作動を提供するための加熱は、ヒートガンからの熱風を使用することによって提供した。コイル状ポリマー筋肉は、低面および上面との摩擦によって両端部を繋いだ。作動筋肉の温度を監視するために、筋肉コイルの内部に位置付けた薄い熱電対を使用した。およそ140℃まで加熱した時点で、コイル状ポリマーファイバー筋肉は、可逆的な膨張を示し、一方で、50gの荷重を持ち上げ、コイル状筋肉の長さの55%を超えた。
この実施例29は、水槽への浸漬によって可能にされる高速作動を実証した。銀めっきした6,6(Shieldex Trading,Inc.,117/17−2ply、製品番号:206121011717)をコイル状にし、2本諸撚りして、安定した高ストロークのSZ筋肉を形成した。10.8MPaの100gの荷重を印加し、アクチュエータおよび荷重はどちらも、脱イオン水の浴槽の中に浸漬した。そのような条件において、共振が見出され、急速な受動的冷却は、5Hzの速度での電熱作動および約7%のストロークを可能にした。
この実施例30は、コイル状ポリエチレンアクチュエータの収縮中の、効率および電力密度を測定した。ポリエチレンファイバー(SpiderWire StealthBraid6ポンドテスト)は、CNTシートを巻き付け、完全にコイル化されるまで撚った。長さ10cm、重量8.5mgの試料を使用した。熱放散を制限するために、10msにわたって390Vの急速パルスによって加熱したときに、アクチュエータは、166mJを消費した。それに応じて、アクチュエータは、600gの錘を0.37mmを持ち上げ、重力に対して2.18mJの仕事(0.26kJ/kg)を表した。これは、収縮中に1.32%のエネルギー効率および25.6kW/kg電力密度に達する。
この実施例31は、ナイロンおよびポリエチレン以外のポリマーファイバーに基づくアクチュエータを実証した。Kevlar、Nomex、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、およびポリエステルを、室温と作動温度との間での加熱および冷却サイクルによって、TMA(TA Instruments Q400EM)を介して測定した。KevlarおよびNomexはどちらも、負の熱膨張係数を有する。撚る前に、Kevlarは、300℃まで加熱した時点で、0.3%収縮し、一方で、Nomexは、280℃まで加熱したときに殆ど収縮を呈さなかった(0.02%未満)。コイル状にしたときに、KevlarおよびNomexは、それぞれ、350℃および280℃まで加熱すると、10%および3.5%収縮した。対照的に、PVDFおよびポリエステルは、全ての温度にわたって負の熱膨張を普遍的に呈するというわけではない。撚る前に、PVDFは、70℃まで加熱したときに長さが最高0.2%膨張し、その後に、135℃で、その元々の長さの0.9%収縮した。ポリエステルは、単に正の熱膨張を呈し、230℃まで加熱したときに、0.4%膨張した。しかしながら、PVDFおよびポリエステルについては、コイル状にすると、どちらの材料も加熱によって収縮し、それぞれ、135℃および230℃まで加熱した時点で10%および16%のストロークを提供した。全てのコイル状試料は、回転を防止するために、両端部を繋いだ。
この実施例32は、CNTシートストリップを螺旋状にファイバー基材に巻き付けるための方法を実証した。有限長さの試料について、ファイバーは、2つのモーターの間で支持した。紡績可能なCNTフォレストから引き出したCNTシートは、特定の送り角度で取り付け、該送り角度は、必要とされる巻き付け厚さに応じて変動させた。ファイバーを回転させ、ファイバーの長さに沿ってファイバーまたはフォレストを並進させることによって、CNTシートストリップの均一な被覆を一定の送り角度で適用した。より低い抵抗またはより高いシート面密度が必要とされるとき、追加的な巻き付けを、同じまたは異なるバイアス角度で適用することができた。この手法はまた、ファイバーの周りにCNTフォレストを巻き付ける紡績装置を通してファイバー基材を引き出すことによって、連続するファイバーの巻き付けを可能にするようにも拡張した。
この実施例33は、非並列ポリマーファイバーまたはハイブリッドナノファイバー糸筋肉または筋肉セグメントを使用することによって、荷重の2次元変位を提供するための単純な設計を実証した。CNTを巻き付けたコイル状ナイロンアクチュエータ(127μmのCoats and Clark製D67透明ナイロンフィラメント前駆体から製作)を、糸の中間で50gの荷重を懸架して、2つの支持体の間で保持した。支持体間の間隔は、アクチュエータが角度90度のV字形を形成し、頂点で荷重を支持するように調製した。電極は、各支持体に取り付けられ、中央で50gの錘に取り付けられ、よって、V字形の各脚部を独立して加熱することができた。各脚部に等しい電圧を印加することで、錘を垂直に持ち上げ、一方で、異なる電圧を印加することで、錘を水平に移動させることを可能にした。この挙動は、酸、塩基、および指示薬容器の間で毛管を移動させるために使用し、溶液の自動化された分注および混合を実証した。
スケールでの、ナノもしくはマイクロ顕微鏡検査のためのプローブの変位、またはSEM(走査電子顕微鏡)顕微鏡検査もしくはTEM(透過電子顕微鏡)顕微鏡検査の移動もしくは傾斜を含む、多様な用途に使用することができる。傾斜に対する能力は、傾斜する部材上の1つを超える場所に筋肉を取り付けることによって提供することができる。
この実施例34は、コイル状で2本諸撚りのSZ撚ナイロンファイバーの筋肉(モノフィラメントまたはマルチフィラメントであり、また、伝導性被覆を有するか、もしくは有しない)から作製される、種々の編組構造または平織編組構造の熱作動および電熱作動を実験的に実証する。
この実施例35は、電熱的または熱的に駆動されるナイロンファイバー筋肉がマッキベン編組織物の小孔を開閉させる、「呼吸する筋肉」を実証した。利用したCNTを被覆したSZ2本諸撚りコイル状ナイロン筋肉は、実施例34で説明されるように作製した。8本のそのような筋肉をともに編組してアクチュエータを作製し、マッキベン編組の内部に配置した。この8本の筋肉に基づく編組を、350gの荷重下で、(40Vの方形波電圧を使用し、オン5秒およびオフ20秒で)電熱的に作動させたときに、織物の孔領域は、(図22Aおよび図21Aの写真を比較して示されるように)最高16%可逆的に増加した。
この実施例36は、コイル化の撚り方向がファイバー内の撚り方向と同じである、ヒートセットしたSSナイロンファイバーの熱作動に対する撚り密度の影響を調査する。直径300umの、マンドレルでコイル状にしたナイロンファイバーをヒートセットするために、オーブンを使用し(150℃で30分間)、その後に、ヒートガンからの熱風を使用して、熱作動を提供した。同じ印加荷重について、撚り密度が170ターン/m未満のヒートセットしたSSコイル状ナイロン糸(例えば、0、100、120、および150ターン/mのファイバー撚り密度を有するコイル)は、150℃を超えるヒートセット温度まで加熱すると、非可逆的に伸長し、170ターン/mを超える撚り密度(例えば、200ターン/m)を有するコイル状ナイロンは、加熱したときに、ほぼ可逆的に収縮し、冷却したときには、伸長する。したがって、臨界撚り密度は、約170ターン/mのファイバー撚りである。
この実施例37は、温度の変化による機械エネルギーとして熱エネルギーを採取するための、コイル状ナイロンファイバー筋肉の使用、およびこの機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための、5つの片持ち圧電プレートの使用を概念的に実証した。この電気エネルギーは、ナイロンファイバーの筋肉を圧電カンチレバーの自由端部に取り付けることによって発生させた。本実施例における利便性のため、コイル状ナイロンファイバー筋肉の温度変化を電気的に生成したが、周囲温度の変化によって生じる熱エネルギーを採取するために、同一の配設を使用することができる。
この実施例38は、環境温度の変化に基づいて光または気流を調節するための、ポリマー筋肉で駆動されるシステムの使用を実証する。本出願の実施形態は、圧縮下にある間に膨張したときに機械的仕事を行うために正の熱膨張を有するマンドレルでコイル状にしたナイロン筋肉を使用し、温度が上昇したときに小孔を増加させるスマート織物に使用することもできる実施形態である。直径860μmのナイロン6モノフィラメントファイバーを、最初に、200gの荷重下で、コイル化のオンセットの直前まで撚った。次いで、この撚ファイバーを、挿入されたファイバーの撚りと反対方向に、直径2.7mmのマンドレルに巻き付け、そして、80℃の適用温度よりも高い温度でヒートセットした。このようにして、2本のコイルを調製した。このコイルは、2本の金属ロッドの周りに位置付けられ、該ロッドは、該コイルの運動のためのガイドとしての役割を果たした。ヒートガンからの熱風を使用しておよそ80℃まで加熱した時点で、コイルが膨張し、コイルのターンの間を通るナイロンフィラメントによって支持される一組のプラスチック管を離れさせた(図23A)。自然冷却時に、コイルは、それらの元の位置に戻り(図23B)、それによってシャッターを閉じる。
本発明は、ナノファイバーに基づく糸アクチュエータ(人工筋肉等)を含む。本発明はさらに、電気的に、光子的に、化学的に、吸収によって、または他の手段によって駆動されたときに、ねじりおよび/または引張作動を発生する、ナノファイバー撚紡績糸または撚り挿入したポリマーファイバーを含むアクチュエータ(人工筋肉)を含む。これらの人工筋肉は、非コイル状またはコイル状糸を利用し、また、ニートであり得るか、またはゲストを含み得る。本発明はまた、これらの人工筋肉を含むデバイスも含む。
本発明の具体的態様は以下のとおりである。
[1]非電気化学アクチュエータであって、
(a)第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントであって、ナノファイバー、ならびに加熱、放射線への曝露、化学物質または化学混合物への曝露、およびそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される変化プロセスによって容積の大きな変化を受けるように動作可能である作動糸ゲストを含む、第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントと、
(b)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントに直接的または間接的に連結される、第1のアタッチメントと、を備え、
(i)前記非電気化学アクチュエータは、引張作動、ねじり作動、引張およびねじり作動の同時に使用可能な組み合わせ、ならびにそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される作動を提供するように動作可能であり、
(ii)前記第1のアタッチメントは、前記作動が前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントによって少なくとも部分的に生成される、前記作動の利用を可能にするように動作可能である、非電気化学アクチュエータ。
[2](a)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、長さを有し、
(b)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントの実質的に全長は、前記作動糸ゲストを含む、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[3](a)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントを電気的に加熱するために、加熱設備が前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントに動作可能に接続され、
(b)前記作動糸ゲストは、前記加熱設備によって加熱されたときに、容積の大きな変化を受けるように動作可能であり、
(c)前記加熱設備は、定期的な加熱、非定期的な加熱、ならびに定期的な加熱および非定期的な加熱の双方から成る群から選択される加熱を行うように動作可能である、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[4]前記作動糸ゲストは、少なくとも大部分が可逆的である、容積の大きな変化を受けるように動作可能である、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[5]前記作動糸ゲストの前記大部分が可逆的である容積の変化は、前記作動糸ゲストが前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントの中の前記ナノファイバーと接触しているときに、大きなヒステリシスの存在を伴わずに起こるように動作可能である、[4]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[6]前記作動糸ゲストは、(a)前記作動糸ゲストの化学的加熱を生成する曝露、および(b)前記作動糸ゲストによる化学的吸収を生成する曝露から成る群から選択される化学的曝露によって生じる容積の変化に対して動作可能である、[4]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[7](a)前記非電気化学アクチュエータは、ねじりアクチュエータであり、
(b)前記第1のアタッチメントは、パドルおよびねじりレバーアームから成る群から選択される第1のねじりアタッチメントである、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[8]パドルおよびねじりレバーアームから成る群から選択される1つを超えるねじりアタッチメントを備え、全てのねじりアタッチメントが、前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントに直接的または間接的に連結される、[7]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[9]第1の端部および第2の端部を有する第2のセグメントをさらに備え、
(a)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、第1の端部および第2の端部を有し、
(b)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントの前記第2の端部は、前記第2のセグメントの前記第1端部に接続され、
(c)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントの前記第1の端部および前記第2のセグメントの前記第2の端部は、ねじり回転を制止するためにねじって繋がれ、
(d)前記ねじりアタッチメントの少なくとも1つは、前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントの前記第2の端部と、前記第2のセグメントの前記第1の端部との間の機械的接続部に近接する、[7]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[10]前記第2のセグメントは、実質的に非作動であり、また、ねじりばねとして作用するように動作可能である、[9]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[11]前記第2のセグメントは、第2の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントであり、該第2の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、作動糸ゲストを備え、また、前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントの前記第2の端部と前記第2のセグメントの前記第1の端部との間の接続部でねじり回転を提供するように作動し、該ねじり回転は、前記第1の作動ナノファイバー糸セグメントによってこの接続部に提供される方向と同じ方向である、[9]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[12](a)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、単一諸撚糸、2本諸撚糸、および4本諸撚糸から成る群から選択される糸であり、
(b)前記2本諸撚糸の中の諸撚りのそれぞれ、およびそれぞれまたは前記4本諸撚糸の中の諸撚りは、同じ挿入ねじり方向を有し、
(c)これらの諸撚りをともに諸撚りするための撚り方向は、前記2本諸撚糸および前記4本諸撚糸の各諸撚りにおける撚り方向と反対である、[2]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[13]前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントの前記諸撚りのそれぞれは、作動糸ゲストで実質的に充填される、[12]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[14](a)前記第2のセグメントは、実質的にいかなる作動糸ゲストも含まない、実質的に非作動ナノファイバー糸セグメントであり、
(b)前記第2の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントおよび前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、同程度の長さを有し、
(c)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントおよび前記第2の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、機能的に実質的に同一の糸に由来する、[10]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[15](a)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、前記ねじりアクチュエータの中で実質的に唯一の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントであり、
(b)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、前記作動糸ゲストで実質的に充填され、
(c)前記非電気化学アクチュエータはさらに、前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントのねじり作動を生成するために、少なくとも1つの手段を備え、前記手段は、(1)前記作動糸ゲストを電気的に加熱することを可能にするワイヤ接続部、(2)前記作動糸ゲストの光熱加熱または前記作動糸ゲストの光反応のうちの少なくとも1つを可能にするように動作可能である、放射線源および放射線経路、(3)前記糸ゲストの化学的曝露を可能にするように動作可能である、前記作動糸ゲストに対する化学物質源および化学的経路、および(4)それらの組み合わせ、から成る群から選択される、[14]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[16](a)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、前記作動糸ゲストで実質的に充填される、第1の2本諸撚りナノファイバー撚紡績糸セグメントであり、
(b)前記第2の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、前記作動糸ゲストで実質的に充填される、第2の2本諸撚りナノファイバー撚紡績糸セグメントであり、
(c)前記第1の2本諸撚りナノファイバー撚紡績糸セグメントおよび前記第2の2本諸撚りナノファイバー撚紡績糸セグメントのそれぞれは、前記2本の糸の諸撚り内の一方の糸の撚り方向、およびそのような諸撚りを諸撚りするための反対の撚り方向を有し、
(d)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントの前記諸撚りのための撚り方向は、前記第2の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントの前記諸撚りのための撚り方向と反対である、[11]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[17]前記ナノファイバーは、電気ジュール加熱を使用した電熱作動を可能にするのに十分な電気伝導率を有する、電子伝導性ナノファイバーを含む、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[18]前記ナノファイバーは、多層カーボンナノチューブ、数層カーボンナノチューブ、リボン、グラフェンナノリボン、その誘導体に縮めさせた十分に大きいナノチューブ直径を有する単層カーボンナノチューブまたは数層ナノチューブ、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[19]前記ナノファイバーは、静電紡績プロセスによって作製されるナノファイバーを含む、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[20](a)前記ナノファイバーは、電気絶縁ポリマーナノファイバーであり、
(b)そのような電気絶縁ポリマーナノファイバーが熱作動を提供するように動作可能に加熱するための加熱設備が提供される、[19]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[21]前記加熱設備は、前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントに巻き付けられた電子伝導体を備え、よって、電熱作動を動作可能にする、[20]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[22]この電子伝導体は、前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントの周りに螺旋状に巻き付けられる、カーボンナノチューブシートストリップである、[21]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[23]前記作動糸ゲストは、パラフィンワックス、ポリエチレングリコール、長鎖脂肪酸、有機回転子結晶、シリコーンゴム、パラジウム、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[24]前記作動糸ゲストは、異なる固体相の間、固体状態と液体状態の間、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される様式で、作動中に転換することができる、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[25]前記非電気化学アクチュエータは、物体の機械的変位、機械的仕事の達成、引張力の発生、またはそれらの組み合わせから成る群から選択される作動を提供するように動作可能である、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[26](a)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、コイル状にされ、
(b)前記第1のナノファイバー撚紡績糸は、糸の実質的に全長にわたって作動糸ゲストを含む、[25]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[27]前記作動糸ゲストの容積変化は、少なくとも大部分が可逆的である、[25]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[28]前記作動糸ゲストの前記大部分の可逆的な容積変化は、大きなヒステリシスの存在を伴わずに生じさせるように動作可能である、[27]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[29](a)前記非電気化学アクチュエータは、高度に可逆的なねじりおよび引張作動を同時に提供するように動作可能であり、
(b)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントは、前記作動糸ゲストで実質的に充填され、
(c)前記作動糸ゲストは、前記変化プロセスによって容積の大きな変化を可逆的に受けるように動作可能であり、
(d)前記非電気化学アクチュエータは、引張荷重下にあり、長さを変化させることができ、また、
(1)第1のセグメント端部での転位および回転を実質的に防止するために、前記第1のセグメント端部に繋がれ、前記繋ぎ目から離れた位置に前記糸セグメントの長さに沿って取り付けられるパドルまたはねじりレバーを支持し、また、作動中に固体状態から液体状態に完全に変化するように動作可能ではない固体作動糸ゲストを含む、コイル状もしくは非コイル状で単一諸撚りの作動ナノファイバー撚紡績糸セグメント、または2本諸撚り作動ナノファイバー撚紡績糸セグメント、
(2)作動糸ゲストを含み、前記第1の端部での回転を実質的に防止するように前記第1の端部に繋がれ、また、前記第2の端部上で、ねじりばねとして作用する実質的に作動しない要素の第1の端部に取り付けられ、前記実質的に作動しない要素の前記第2の端部が、前記第2の端部の回転を防止するように繋がれ、前記2つの繋ぎ目のうちの1つが、端部の転移を制止し、パドルまたはねじりレバーアームが、前記作動ナノファイバー糸と前記実質的に作動しない要素との間の接続部に近接して取り付けられる、コイル状もしくは非コイル状で単一諸撚りの作動ナノファイバー撚紡績糸セグメント、または2本諸撚り作動ナノファイバー撚紡績糸セグメント、
(3)どちらも前記作動糸ゲストを含む、2つの機械的に接続された2本諸撚り作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントであって、(i)前記2つの機械的に接続された2本諸撚り糸セグメントの個々の諸撚りのそれぞれが、同じ糸の撚り方向を有し、(ii)前記2本諸撚り糸セグメントのそれぞれが、糸の撚りおよび糸の諸撚りについて反対の撚り方向を有し、(iii)前記第1の機械的に接続された2本諸撚り糸セグメントの前記糸の撚り方向が、前記第2の機械的に接続された2本諸撚り糸セグメントの前記糸の撚り方向と反対であり、(iv)前記2つの機械的に接続された2本諸撚り糸セグメントの間の前記接続部から最も遠く離れている2本諸撚り糸セグメントの端部が、ねじり回転を防止するように繋がれ、(v)そのような端部の繋ぎ目の1つが、端部の転位を制止し、(vi)パドルまたはねじりレバーアームが、前記2つの機械的に接続された2本諸撚り糸セグメントの間の機械的接続部に、またはその近くに取り付けられる、2つの機械的に接続された2本諸撚り作動ナノファイバー撚紡績糸セグメント、のうちの少なくとも1つを備える、[1]に記載の非電気化学アクチュエータ。
[30]プロセスであって、
(a)ナノファイバー撚紡績糸を生成するステップであって、(1)配向されたナノファイバーを含むナノファイバー非撚糸、(2)配向されたナノファイバーのリボン、および(3)撚紡績糸を生成するように収束する配向されたナノファイバーのリボンから成る群から選択されるナノファイバー配列にねじりを挿入することによって、ナノファイバー撚紡績糸を生成するステップと、
(b)前記作動糸ゲストまたはその前駆体を前記撚紡績糸に浸透させることによって、作動糸ゲストまたはその前駆体を導入するステップと、
(c)加熱、放射線への曝露、化学物質もしくは化学混合物への曝露、およびそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される変化プロセスによって容積の大きな変化を受けるように動作可能である、前記作動糸ゲストを含む作動ナノファイバー撚紡績糸を形成するステップと、を含む、プロセス。
[31]前記形成するステップは、前記作動糸ゲストを含む前記作動ナノファイバー撚紡績糸を形成するために、前記作動糸ゲストまたはその前駆体を変換することを含む、[30]に記載のプロセス。
[32]プロセスであって、
(a)(1)配向されたナノファイバーのリボン、および(2)糸へ収束する配向されたナノファイバーのリボンから成る群から選択されるナノファイバー配列を形成するステップと、
(b)作動糸ゲストまたはその前駆体を前記ナノファイバー配列に蒸着することによって、作動糸ゲストまたはその前駆体を導入するステップと、
(c)ナノファイバー糸を形成するために前記ナノファイバー配列にねじりを挿入するステップであって、該ナノファイバー糸は、(1)加熱、放射線への曝露、化学物質もしくは化学混合物への曝露、およびそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される変化プロセスによって容積の大きな変化を受けるように動作可能である、作動糸ゲストを含む作動ナノファイバー撚紡績糸、または(2)加熱、放射線への曝露、化学物質もしくは化学混合物への曝露、およびそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される変化プロセスによって容積の大きな変化を受けるように動作可能である、作動糸ゲストを含む作動ナノファイバー撚紡績糸に変換することができる、前駆体ナノファイバー撚紡績糸のいずれかである、ナノファイバー配列にねじりを挿入するステップと、を含む、プロセス。
[33]前記プロセスのステップは、同時またはほぼ同時に起こり得る、[30]、[31]、または[32]に記載のプロセス。
[34](a)前記配向されたナノファイバーは、(1)静電紡績、(2)カーボンナノチューブフォレストからのカーボンナノチューブの引き出し、(3)浮遊触媒で生成したカーボンナノチューブから形成されるエアロゲルからのカーボンナノチューブの引き出し、(4)液体中のナノファイバーの分散体からの溶液紡績、(5)配向されたグラフェンナノリボンを提供するための、配向された多層カーボンナノチューブの解体、および(6)配向されたカーボンナノチューブ上への材料のテンプレート化、から成る群から選択される方法によって直接的または間接的に生成される、[30]〜[32]または[33]に記載のプロセス。
[35]前記テンプレート化プロセスはさらに、前記配向されたカーボンナノチューブを酸化的に除去することを含む、[34]に記載のプロセス。
[36](a)前記作動糸ゲストまたは前記その前駆体を導入する前記ステップは、高い空隙容積割合を有する低撚りまたは疑似ナノファイバー撚糸に行われ、
(b)前記プロセスはさらに、所定の撚り挿入状態を前記作動ナノファイバー撚紡績糸に提供するために、追加的な撚りを使用することを含む、[30]、[31]、または[33]に記載のプロセス。
[37]前記作動ナノファイバー撚紡績糸は、(a)ゲストを含まないナノファイバー糸に対して、疑似撚りまたは糸をコイル状にするのに必要とされるよりも少ない撚りを挿入すること、(b)溶融ポリマーまたは未硬化ポリマー樹脂を前記ゲストを含まない糸に浸透させること、(c)前記浸透させた糸に対して、糸をコイル状にするのに十分な撚りを挿入すること、および(d)前記ポリマーを固化させることまたは前記ポリマー樹脂を硬化させること、から成る群から選択される方法によって作製される、コイル状の熱作動ナノファイバー撚紡績糸である、[30]または[31]に記載のプロセス。
[38]引張作動、ねじり作動、引張およびねじり作動の同時に使用可能な組み合わせ、ならびにそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される作動を提供するように動作可能な非電気化学アクチュエータを備える、作動センサであって、前記非電気化学アクチュエータは、
(a)第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントであって、ナノファイバー、ならびに加熱、放射線への曝露、化学物質または化学混合物への曝露、およびそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される変化プロセスによって容積の大きな変化を受けるように動作可能である作動糸ゲストを含む、第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントと、
(b)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントに直接的または間接的に連結される、第1のアタッチメントと、を備え、前記第1のアタッチメントは、前記作動が前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントによって少なくとも部分的に生成される、前記作動の利用を可能にするように動作可能である、作動センサ。
[39](a)前記作動センサは、作動糸ゲストの高度に可逆的な容積変化による前記作動を利用するように動作可能であり、
(b)前記作動は、(1)制御目的で、表示または使用される温度または化学的曝露の連続的に変動する値、(2)制御目的で、表示様式で記録または使用される温度の極値、または(3)制御目的で、表示様式で計数または使用される特定の温度の下限または上限を超えた回数、から成る群から選択される情報を得ることを可能にする、[38]に記載の作動センサ。
[40]前記作動は、所望のセンサ機能に対する前記作動センサの動作に関連する時間尺度に関して実質的に非ヒステリシスである、[38]に記載の作動センサ。
[41](a)前記作動センサは、曝露効果を統合するように動作可能であり、
(b)前記作動センサは、作動糸ゲストの高度に非可逆的な容積変化による前記作動を利用するように動作可能であり、
(c)前記作動は、温度曝露または化学的曝露の効果を統合すること、およびそのような統合された効果が制御目的で表示または使用されることを可能にすること、から成る群から選択されるプロセスを行うことを可能にするように動作可能である、[38]に記載の作動センサ。
[42]熱的に駆動される非電気化学引張アクチュエータであって、
(a)コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸と、
(b)前記コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸のかなりの長さを加熱するための加熱設備と、
(c)前記コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸に動作可能に接続されるアタッチメントであって、前記コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸が、(1)物体の機械的変位、(2)機械的仕事の達成、(3)引張力の発生、および(4)それらの任意の組み合わせ、から成る群彼選択される作動を提供するように動作可能であることを可能にする、アタッチメントと、を備え、
(i)前記コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸は、いかなる作動ゲストも実質的に含まず、
(ii)前記コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸は、第1の端部および第2の端部を有し、
(iii)前記第1の端部および前記第2の端部の相対的なねじり回転を制止するように、前記第1の端部が繋がれ、また、前記第2の端部が繋がれる、熱的に駆動される非電気化学引張アクチュエータ。
[43]アクチュエータシステムであって、
(a)[42]に記載の熱的に駆動される非電気化学引張アクチュエータと、
(b)(1)真空、(2)不活性雰囲気、および(3)他の不活性流体から成る群から選択される周囲環境と、を備え、前記周囲環境は、作動中に実質的に加熱するように動作可能である前記コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸の領域を取り囲む、アクチュエータシステム。
[44]前記取り囲む不活性雰囲気は、ヘリウムガスを含む、[43]に記載のアクチュエータシステム。
[45]前記作動を提供する温度の変化は、以下、(i)周囲温度の変化、(ii)電気加熱によって引き起こされる温度の変化、および(iii)電磁放射によって引き起こされる加熱、のうちの1つによって動作可能に引き起こされる、[42]に記載の熱的に駆動される非電気化学引張アクチュエータ。
[46]前記温度の変化は、前記コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸のかなりの部分が白熱する、少なくとも最高温度までである、[45]に記載の熱的に駆動される非電気化学引張アクチュエータ。
[47]前記温度の変化は、前記コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸の全長にわたって提供される、[45]に記載の熱的に駆動される非電気化学引張アクチュエータ。
[48]前記コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸は、(i)糸の撚りを糸のコイルに変換した撚り掛けによってコイル状にされる、単一の諸撚糸、および(ii)前記諸撚りのそれぞれが諸撚りによってコイル状にされる、諸撚糸のうちの少なくとも1つを含む、[45]に記載の熱的に駆動される非電気化学引張アクチュエータ。
[49]前記コイル状カーボンナノファイバー撚紡績糸は、多層カーボンナノチューブ、数層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブ、リボン、グラフェンナノリボン、その誘導体に縮めさせた十分に大きいナノチューブ直径を有する単層カーボンナノチューブもしくは数層カーボンナノチューブ、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、ナノファイバーを含む、[42]に記載の熱的に駆動される非電気化学引張アクチュエータ。
[50]コイル状ポリマーファイバーを含む、コイル状ポリマーファイバーアクチュエータであって、
(a)前記コイル状ポリマーファイバーは、
(1)高強度で高度に鎖配向した前駆体ポリマーファイバーを選択することであって、前記前駆体ポリマーファイバーは、シングルフィラメントまたはマルチフィラメントである、選択することと、
(2)前記コイル状ポリマーファイバーを形成するために、撚り方法によって撚りを挿入することであって、前記撚り方法は、
(i)コイル化が起こるまで、前記前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入することと、
(ii)コイル化を生成しないレベルまで前記前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入し、次いで、前記最初に挿入された撚りに、同じまたは反対方向にコイル化を挿入すること、から成る群から選択される、挿入することと、を含むプロセスから作製され、
(b)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータは、熱的に駆動される非電気化学コイル状ポリマーファイバーアクチュエータである、コイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[51]前記撚りは、前記コイル状ポリマーアクチュエータの実質的に全長に沿ってコイル化を生成するように挿入される、[50]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[52]第1の端部および第2の端部を備え、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの前記第1の端部および第2の端部は、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの作動中に、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの前記第1の端部と前記第2の端部との間での相対的な回転を制止するために、ねじって繋がれる、[50]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[53](a)前記撚り方法は、コイル化が起こるまで、前記前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入することを含み、
(b)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータは、前記コイル状ポリマーファイバーの中の隣接するコイルが熱作動プロセス範囲の実質的に全体にわたって接触していない、少なくとも十分な機械的引張荷重を印加することによって加熱したときに、最適な引張収縮を提供するように動作可能である、[51]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[54]前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータは、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの引張による機械的破損もたらさない最大引張荷重下で動作可能である、[53]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[55]作動を逆にするための冷却時間を減少させる手段をさらに含み、前記手段は、(i)ヘリウム含有雰囲気中で前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータを動作させること、(ii)水素含有雰囲気中で前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータを動作させること、(iii)水槽中で前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータを動作させること、および(iv)流動流体を使用して能動的活性冷却を提供すること、から成る群から選択される、[50]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[56](a)前記撚り方法は、コイル化を生成しないレベルまで前記前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入し、次いで、前記最初に挿入された撚りに、同じまたは反対方向にコイル化を挿入することを含み、
(b)前記コイル化を挿入することは、前記撚ポリマーファイバーをマンドレルに巻き付けることを含む、[50]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[57]前記マンドレルから前記コイル状ポリマーファイバーを除去することをさらに含む、[56]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[58](a)前記マンドレルの周りのコイル化方向は、前記ポリマーファイバー前駆体の撚り方向と反対であり、
(b)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータは、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの長さの膨張を提供する加熱中の熱作動のために動作可能であり、
(c)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータは、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータが作動サイクルの加熱部分中に長さが膨張するように、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータが機械的作用を提供するように動作可能であるように構成される、[56]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[59]前記ポリマーファイバー前駆体は、前記前駆体ポリマーファイバーのファイバー方向に正の熱膨張係数を有する、[58]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[60](a)前記マンドレルの周りのコイル化方向は、前記ポリマーファイバー前駆体の撚りと同じ方向であり、
(b)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータは、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの長さの収縮を提供する加熱中の熱的な作動のために動作可能であり、
(c)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータは、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータが作動サイクルの加熱部分中に長さが収縮するように、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータが機械的作用を提供するように動作可能であるように構成される、[56]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[61]前記ポリマーファイバー前駆体は、前記前駆体ポリマーファイバーのファイバー方向に負の熱膨張係数を有する、[60]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[62]前記前駆体ポリマーファイバーは、ポリマーナノファイバーを含む、[55]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[63]前記コイル状ポリマーファイバーを作製する前記プロセスはさらに、少なくとも部分的にヒートセットを提供するために、前記ポリマーファイバーを熱アニールすることを含み、前記熱アニーリングは、前記撚りを挿入するステップ中もしくはその後、または前記コイル化ステップ中もしくはその後に起こる、[50]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[64]前記前駆体ポリマーファイバーは、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、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、ポリマーファイバーを含む、[50]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[65](a)前記コイル状ポリマーアクチュエータは、温度変化の結果として引張収縮または引張膨張を提供するように動作可能であり、
(b)前記温度変化は、(1)周囲温度の変化による加熱、(2)電気ジュール加熱、(3)放射線によって引き起こされる加熱、(4)化学反応によって生成される加熱、および(5)それらの組み合わせ、から成る群から選択される加熱によって提供される、[50]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[66]アクチュエータシステムであって、
(a)[50]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータと、
(b)
(1)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの電気加熱を可能にするワイヤ接続部、
(2)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの光熱加熱を可能にする放射線源および放射線経路、ならびに
(3)その反応によって前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの加熱を生成する化学物質を送達するための送達システム、のうちの少なくとも1つと、を備える、アクチュエータシステム。
[67](1)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの前記コイル状ポリマーファイバー上の電気伝導性被覆であって、前記撚り方法の前、その間、またはその後に適用される、電気伝導性被覆、
(2)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータのポリマーコイル上の電気伝導性被覆であって、前記コイルの形成中またはその後に適用される、電気伝導性被覆、
(3)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの前記コイル状ポリマーファイバーに巻き付けられる、電気伝導性ワイヤ、糸、またはシートストリップ、
(4)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータのコイルに巻き付けられる、電気伝導性ワイヤ、糸、またはシートストリップ、
(5)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの前記コイル状ポリマーファイバーに巻き付けられる、電気伝導性ナノファイバー、
(6)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータのコイルに巻き付けられる、電気伝導電性ナノファイバー、
(7)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの前記コイル状ポリマーファイバー内の電子伝導性構成要素、および
(8)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータに近接する、電気加熱器、から成る群から選択される加熱要素を使用した電気加熱による熱作動のための加熱設備をさらに備える、[66]に記載のアクチュエータシステム。
[68]前記加熱要素は、(1)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの前記コイル状ポリマーファイバー上の、または前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータのコイル上の金属被覆、カーボン被覆、カーボン複合被覆、または導電性インクもしくはペースト被覆、(2)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの前記コイル状ポリマーファイバーまたは前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータのコイルに巻き付けられるカーボンナノチューブシートストリップ、(3)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータを含む織物に共挿入される電気伝導性ワイヤ、(5)2つ以上のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータを含む編組の内部にある電子伝導体、および(6)それらの組み合わせ、から成る群から選択される要素を含む、[66]に記載のアクチュエータシステム。
[69]前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータは、放射線の吸収によって少なくとも部分的に熱的に作用するように動作可能であり、前記吸収を高めるように動作可能な吸収促進物質が提供される、[65]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[70]前記吸収促進物質は、(1)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの前記コイル状ポリマーファイバー、(2)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータのコイル、または(3)それらの双方、に巻き付けられるカーボンナノチューブシートストリップである、[69]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[71]
(a)前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータは、化学反応によって生成される加熱の結果として作動するように動作可能であり、
(b)前記化学反応は、燃料を酸化剤と組み合わせること、または単一の流体成分の前記化学反応によって動作可能に生じる、[65]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[72]前記化学反応のための触媒は、前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータの前記コイル状ポリマーファイバーまたは前記コイル状ポリマーファイバーアクチュエータのコイルの表面またはその近くに提供される、[65]に記載のコイル状ポリマーファイバーアクチュエータ。
[73]前駆体ポリマーファイバーをポリマーファイバーアクチュエータのためのコイル状ポリマーファイバーに変換するためのプロセスであって、
(a)高強度で高度に鎖配向した前駆体ポリマーファイバーを選択することであって、前記前駆体ポリマーファイバーは、シングルフィラメントまたはマルチフィラメントである、選択することと、
(b)前記コイル状ポリマーファイバーを形成するために、撚り方法によって撚りを挿入することであって、前記撚り方法は、
(1)前記前駆体ポリマーファイバーに機械的引張荷重が印加されている間に、コイル化を生成するために、前記前駆体ポリマーファイバーに十分な撚りを挿入すること、
(2)前記機械的引張荷重を印加されている間にコイル化を生成するには少な過ぎる撚りを前駆体ポリマーファイバーに挿入し、その後に、結果とし生じる非コイル状ポリマーファイバーをマンドレルに巻き付けること、および
(3)それらの組み合わせ、から成る群から選択される、プロセス。
[74]前記前駆体ポリマーファイバーは、作動ゲストまたはナノファイバーのどちらも実質的に含まない、[73]に記載のプロセス。
[75]前記前駆体ポリマーファイバーは、ポリマーナノファイバーを実質的に含む、[73]に記載のプロセス。
[76]前記撚り方法は、この前駆体ポリマーファイバーに機械的引張荷重が印加されている間に、前記前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入することを含み、前記印加される機械的荷重は、前記前駆体ポリマーファイバーをもつれさせることが可能な前記引張荷重を超え、かつ前記前駆体ポリマーファイバーが破損する前記引張荷重未満である、[73]に記載のプロセス。
[77]前記機械的引張荷重は、前記前駆体ポリマーファイバーへの印加重量によって生じ、撚りは、前記前駆体ポリマーファイバーの一端部には撚りが印加され、一方で、前記前駆体ポリマーファイバー端部の前記第2の端部の回転は阻止される、[76]に記載のプロセス。
[78]前記挿入される撚りの量は、前記撚ポリマーファイバーの実質的に全長に沿ってコイル化を生成するのに十分である、[76]に記載のプロセス。
[79]前記コイル状ポリマーファイバーは、約1.7未満である、平均コイル直径(前記コイル状ポリマーファイバーのコイル内径および外径の平均)とファイバー直径との比率を有する、[78]に記載のプロセス。
[80]前記コイル状ポリマーファイバーのコイルを分離させ、よって、所望の引張荷重が印加された状態で前記コイル状ポリマーファイバーの作動中に、隣接するコイル間の接触が起こらないように、撚り脱挿入プロセスがその後に適用される、[76]に記載のプロセス。
[81]前記コイル状ポリマーファイバーは、(i)電気的な、(ii)光子的な、(iii)熱的な、(iv)化学的な、(v)吸収による、および(vi)それらの組み合わせによる、から成る群から選択される供給源によって駆動されたときに、(a)引張作動、(b)ねじり作動、および(c)それらの組み合わせ、から成る群から選択される作動を発生させることができる、[73]に記載のプロセス。
[82]前記前駆体ポリマーは、ナイロン、ポリエチレン、およびポリフッ化ビニリデンから成る群から選択されるファイバーを含む、[73]に記載のプロセス。
[83]前記前駆体ポリマーファイバーは、釣り糸に使用される機械的特性を有する有機合成ポリマーを含む、[73]に記載のプロセス。
[84]前記撚り方法は、前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入することであって、前記撚りの挿入は、前記引張荷重が印加された状態で前記前駆体ポリマーファイバーのコイル化を提供するのに不十分である、撚りを挿入することと、前記コイル状ポリマーファイバーを形成するために、前記撚りが挿入された前駆体ポリマーファイバーをマンドレルに巻き付けることと、を含む、[73]に記載のプロセス。
[85]前記コイル状ポリマーファイバーをヒートセットするために、熱アニーリングが適用される、[73]に記載のプロセス。
[86]反対方向のファイバーの撚りおよびファイバーの諸撚りを使用することによってともに諸撚りされる、同じ撚り方向を有する2本の撚ったシングルまたはマルチフィラメントファイバーを含む、熱作動2本諸撚りポリマーファイバー。
[87]1つを超える[86]に記載の熱作動2本諸撚りファイバーを含む、熱作動ファイバー。
[88]前記2本諸撚りポリマーファイバーは、実質的にトルクバランスされる、[86]に記載の熱作動2本諸撚りポリマーファイバー。
[89]各シングルまたはマルチフィラメントファイバーは、シングルフィラメントまたはマルチフィラメントの高強度で高度に鎖配向した前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入するプロセスによって作製され、前記撚りの挿入は、ファイバーのコイル化を生成するのに十分であるか、またはファイバーのコイル化を生成するのに不十分である、[86]に記載の熱作動2本諸撚りポリマーファイバー。
[90]1本を超える[86]に記載の熱作動2本諸撚りポリマーファイバーを含む織物または編組であって、[86]に記載の熱作動2本諸撚りポリマーファイバーのため、前記織物または前記編組は、本質的部分において熱作動するように動作可能である、織物または編組。
[91](a)前記織物または編組は、温度変化に応じて、(1)機械的作用の達成、(2)力の発生、(3)織物または編組寸法の変化、(4)織物または編組の小孔の開閉、ならびに(5)それらの組み合わせ、から成る群から選択される作動を達成するよう熱的に作動するように動作可能であり、
(b)前記温度変化は、電気または光熱加熱によって生じる周囲温度の変化または温度変化に応じ得る、[90]に記載の織物または編組。
[92]前記ファイバーは、熱的に駆動されるねじり作動を提供するように動作可能である、[86]に記載の熱作動2本諸撚りポリマーファイバー。
[93]ポリマーファイバー作動要素を含む、非電気化学的で熱的に駆動されるアクチュエータであって、
(a)前記ポリマーファイバー作動要素は、シングルフィラメントまたはマルチフィラメントであり、
(b)前記ポリマーファイバー作動要素は、高強度で高度に鎖配向したポリマーファイバーであり、
(c)前記ポリマーファイバー作動要素は、電子伝導性ナノファイバーが螺旋状に巻き付けられる、非電気化学的で熱的に駆動されるアクチュエータ。
[94]前記螺旋状に巻き付けられたナノファイバーは、少なくとも1つの螺旋状に巻き付けられたカーボンナノチューブシートの中にある、[93]に記載の非電気化学的で熱的に駆動されるアクチュエータ。
[95]前記非電気化学的で熱的に駆動されるアクチュエータは、抵抗加熱によって熱的に駆動され、また、前記電子伝導性ナノファイバーの電気伝導性を使用した抵抗加熱によって熱的に駆動されるように動作可能である、[93]に記載の非電気化学的で熱的に駆動されるアクチュエータ。
[96]高強度で高度に鎖配向したポリマーファイバーは、ナイロン6、ナイロン6,6、およびポリフッ化ビニリデンから成る群から選択されるポリマーを含む、[93]に記載の非電気化学的で熱的に駆動されるアクチュエータ。
[97]前記ポリマーファイバー作動要素は、(1)撚った非コイル状であるか、または(2)撚っていない非コイル状である、[93]に記載の非電気化学的で熱的に駆動されるアクチュエータ。
[98]撚ポリマーファイバー作動要素を含む非電気化学ねじりアクチュエータであって、
(a)前記撚ポリマーファイバー作動要素は、加熱されたときに、ねじれて作動するように動作可能であり、
(b)前記撚ポリマーファイバー作動要素は、撚り方法を適用することによって、シングルフィラメントまたはマルチフィラメントの高強度で高度に鎖配向した前駆体ポリマーファイバーから生成され、前記撚り方法は、
(1)前記挿入された撚りは、前記ポリマーファイバーのコイル化を生成するために必要とされる撚り未満である、撚りを挿入すること、
(2)コイル化が起こるまで、前記前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入すること、
(3)実質的にファイバーの全長に沿ってコイル化が起こるまで、前記前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入すること、
(4)同じ方向で、前記駆動体ポリマーファイバーおよび第2の前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入し、次いで、前記挿入された撚りと反対方向の諸撚りを使用することによって2本諸撚りファイバーを作製するために、これらの2つの撚ポリマーファイバーを諸撚りすること、から成る群から選択される、非電気化学ねじりアクチュエータ。
[99]前記撚ポリマーファイバー作動要素は、2本諸撚りファイバーであり、さらに、前記撚ポリマーファイバー作動要素に動作可能に取り付けられるローターを備える、[98]に記載の非電気化学ねじりアクチュエータ。
[100](a)前記撚ポリマーファイバー作動要素は、2本の前記2本諸撚りファイバーを含み、
(b)前記第1の2本諸撚りファイバーは、SZ構造を有し、前記第2の2本諸撚りファイバーは、ZS構造を有し、これらの2本の2本諸撚りファイバーは、ともに取り付け点に取り付けられ、
(c)前記撚ポリマーファイバー作動要素に動作可能に接続されるローターは、前記取り付け点に、またはそれに近接して配置される、[98]に記載の非電気化学ねじりアクチュエータ。
[101]熱的、電熱的、光子的、および化学的から成る群から選択される供給源によって動作可能に駆動される、[98]に記載の非電気化学ねじりアクチュエータ。
[102]熱的に駆動されるように動作可能である非電気化学ポリマーファイバーアクチュエータを備える物品であって、
(a)前記ポリマーファイバーアクチュエータは、
(i)高強度で高度に鎖配向した前駆体ポリマーファイバーを選択することであって、前記前駆体ポリマーファイバーは、シングルフィラメントまたはマルチフィラメントである、選択することと、
(ii)方法を適用することであって、
(1)ファイバーのコイル化を生成するのに不十分である、撚りを前記前駆体ポリマーファイバーに挿入すること、
(2)コイル化が起こるまで、前記前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入すること、
(3)実質的にファイバーの全長に沿ってコイル化が起こるまで、前記前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入すること、
(4)コイル化を生成しないレベルまで前記前駆体ポリマーファイバーに撚りを挿入し、次いで、前記最初に挿入された撚りに、同じまたは反対方向にコイル化を挿入するためにマンドレルを使用すること、
(5)2本諸撚りファイバーを作製するために前記ステップ(1)または(2)を使用して撚りを挿入することによって作製されるポリマーファイバーを諸撚りすることであって、前記諸撚り方向は、撚りを挿入する方向の反対である、ポリマーファイバーを諸撚りすること、および
(6)それらの組み合わせ、から成る群から選択される、方法を適用することと、を含むプロセスによって生成され、
(b)前記物品は、熱的に作動するように動作可能であり、
(c)前記物品は、(i)織物または編組、(ii)光透過または気流を調節するためにシャッターまたはブラインドを開閉するための機械的機構、(iii)医療デバイスまたは玩具のための機械的駆動装置、(iv)マクロまたはマイクロサイズのポンプ、弁駆動装置、または流体混合器、(v)電子回路を開閉するための、またはロックを開閉するための機械的リレー、(vi)高感度の電気化学的分析物分析で使用される回転電極のためのねじり駆動装置、(vii)光デバイスのための機械的駆動装置、(viii)光学シャッターを開閉する、光拡散体を並進もしくは回転させる、順応レンズの焦点距離を変化させる変形を提供する、またはディスプレイ上の画像の変化を提供するために前記ディスプレイ上の画素を回転もしくは並進させる、光学デバイスのための機械的駆動装置、(ix)触覚情報を提供する機械的駆動装置、(x)外科用手袋またはブライユディスプレイの触覚デバイスのための触覚情報を提供する機械的駆動装置、(xi)表面構造の変化を可能にするスマート表面のための機械的駆動システム、(xii)外骨格、義肢、またはロボットのための機械的駆動システム、(xiii)人型ロボットの現実的な顔表現を提供するための機械的駆動システム、(xiv)周囲温度に応じて孔を開閉するかまたは小孔を変化させる温度感受性材料のためのスマートパッケージング、光熱加熱によって生じる周囲温度または温度に応じて弁を開閉する機械的システム、(xvi)太陽の方向に対する太陽電池の方向を制御する、光熱加熱または電気加熱を使用した機械的駆動装置、(xvii)光熱的に作動するマイクロデバイス、(xviii)電気エネルギーとして採取される機械的エネルギーを生成するために温度の変動を使用する、熱的または光熱的に作動するエネルギー採取装置、(xix)衣服への進入を促進するために熱作動が使用される、密着する衣服、(xx)調整可能な順応性が電熱作動によって提供される、前記調整可能な順応性を提供するためのデバイス、および(xxi)並進または回転位置決め装置、から成る群から選択される、非電気化学ポリマーファイバーアクチュエータを備える物品。
[103]非電気化学アクチュエータを備える物品であって
(a)前記非電気化学アクチュエータは、引張作動、ねじり作動、引張およびねじり作動の同時に使用可能な組み合わせ、ならびにそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される作動を提供するように動作可能であり、
(b)前記非電気化学アクチュエータは、
(1)第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントであって、加熱、放射線への曝露、化学物質または化学混合物への曝露、およびそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される変化プロセスによって容積の大きな変化を受けるように動作可能である作動糸ゲストを含む、第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントと、
(2)前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントに直接的または間接的に連結される、アタッチメントと、を備え、
(i)その非電気化学アクチュエータは、引張作動、ねじり作動、引張およびねじり作動の同時に使用可能な組み合わせ、ならびにそれらの任意の組み合わせから成る群から選択される作動を提供するように動作可能であり、
(ii)前記第1のアタッチメントは、前記作動が前記第1の作動ナノファイバー撚紡績糸セグメントによって少なくとも部分的に生成される、前記作動の利用を可能にするように動作可能であり、
(c)前記物品は、(i)化学的に作動する織物または編組の熱的に、光子的に、(ii)光透過または気流を調節するためにシャッターまたはブラインドを開閉するための、熱的に作動する、または光子的に作動する機械的機構、(iii)医療デバイスまたは玩具のための、熱的にまたは光子的に作動する機械的駆動装置、(iv)熱的にまたは光子的に作動するマクロまたはマイクロサイズのポンプ、弁駆動装置、または流体混合器、(v)電子回路を開閉するための、またはロックを開閉するための、熱的に作動する機械的リレー、(vi)高感度の電気化学的分析物分析で使用される回転電極のための、熱的に作動するねじり駆動装置、(vii)光デバイスのための、熱的にまたは光子的に作動する駆動装置、(viii)光学シャッターを開閉する、光拡散体を並進もしくは回転させる、順応レンズの焦点距離を変化させる変形を提供する、またはディスプレイ上の画像の変化を提供するために前記ディスプレイ上の画素を回転もしくは並進させる、光学デバイスのための、熱的にまたは光子的に作動する駆動装置、(ix)触覚情報を提供する、熱的に作動する機械的駆動システム、(x)外科用手袋またはブライユディスプレイの触覚デバイスのための触覚情報を提供する、熱的に作動する機械的駆動システム、(xi)表面構造の変化を可能にするスマート表面のための、熱的にまたは光子的に作動する機械的駆動システム、(xii)外骨格、義肢、またはロボットのための、熱的に作動する機械的駆動システム、(xiii)人型ロボットの現実的な顔表現を提供するための、熱的に作動する機械的駆動システム、(xiv)周囲温度に応じて孔を開閉するかまたは小孔を変化させる温度感受性材料のための、熱的に作動するスマートパッケージング、(xv)周囲温度、光熱加熱によって生じる温度、または光反応に応じて弁を開閉する、熱的にまたは光子的に作動する機械的システム、(xvi)太陽の方向に対する太陽電池の方向を制御する、熱的にまたは光子的に作動する機械的駆動装置、(xvii)光子的に作動するマイクロデバイス、(xviii)電気エネルギーとして採取される機械的エネルギーを生成するために光熱加熱によって生成される周囲温度の変化または温度の変化を使用する、熱的にまたは光熱的に作動するエネルギー採取装置、(xviii)衣服への進入を促進するために熱作動が使用される、熱的に作動する密着する衣服、(xix)調整可能な順応性が電熱作動によって提供される、前記調整可能な順応性を提供するための、熱的に作動するデバイス、(xx)熱的にまたは光子的に作動する並進または回転位置決め装置、(xxi)化学的に作動する医療デバイス、および(xxii)機械的に作動させるために前記感知プロセスのエネルギーを取り込む、熱的に、化学物質吸収によって、または化学反応によって駆動される作動センサ、から成る群から選択される、非電気化学アクチュエータを備える物品。
Claims (22)
- ねじりファイバーアクチュエータであって:
第1のポリマーファイバー直径を示す第1のポリマーファイバーであって、前記第1のポリマーファイバーは:
撚ポリマーファイバーを形成する第1の方向の第1の複数の撚り;
コイルのそれぞれが平均コイル直径を有する、前記撚ポリマーファイバー内の第2の方向の複数のコイル;
を含むように構成される、前記前記第1のポリマーファイバー;及び
前記第1のポリマーファイバーと連通しているねじり戻しばね;
を含む、前記ねじりファイバーアクチュエータ。 - 前記第1の方向及び前記第2の方向が同一である、請求項1に記載のねじりファイバーアクチュエータ。
- 前記第1の方向及び前記第2の方向が反対の方向である、請求項1に記載のねじりファイバーアクチュエータ。
- 前記複数のコイルのそれぞれのコイルが、コイルの内径及びコイルの外径の平均であり、前記第1のポリマーファイバー直径の1.7倍以下である平均コイル直径を有する、請求項1に記載のねじりファイバーアクチュエータ。
- 前記ねじり戻しばねが、前記第1の方向と反対の第3の方向に前記第1のポリマーファイバーと諸撚りされた第2のファイバーを含む、請求項1に記載のねじりファイバーアクチュエータ。
- 請求項1に記載のねじりファイバーアクチュエータであって:
前記第1の方向の第2の複数の撚りを含むように構成される第2のポリマーファイバーであって、前記第2のポリマーファイバーは前記第1の方向と反対の第3の方向に前記第1のポリマーファイバーと諸撚りされて、ヘテロキラル諸撚り糸を形成する、前記第2のポリマーファイバーをさらに含み、
前記第2のポリマーファイバーが前記ねじり戻しばねである、前記ねじりファイバーアクチュエータ。 - 前記第1のポリマーファイバーと接触する伝導体をさらに含む、請求項1に記載のねじりファイバーアクチュエータ。
- 前記第1のポリマーファイバー及び前記ねじり戻しばねの少なくとも一つと接続したローターをさらに含む、請求項1に記載のねじりファイバーアクチュエータ。
- ねじりナノファイバーアクチュエータであって:
糸直径を有する第1のカーボンナノファイバー糸であって:
撚カーボンナノファイバー糸を形成する第1の方向の複数の撚り;
コイルのそれぞれが前記糸直径より大きい平均コイル直径を有する、前記撚カーボンナノファイバー糸内の複数のコイル;
を含む、前記第1のカーボンナノファイバー糸:及び
前記第1のカーボンナノファイバー糸と連通しているねじり戻しばね;
を含む、前記ねじりナノファイバーアクチュエータ。 - 前記第1のカーボンナノファイバー糸内のゲストをさらに含み、前記ゲスト及び前記第1のカーボンナノファイバー糸が第1のハイブリッド糸を形成する、請求項9に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- 前記ゲストが、前記第1のカーボンナノファイバー糸を非作動状態から作動状態に変化させる容積変化の能力を有し、前記ゲストの前記容積変化は少なくとも7.7%であり、前記容積変化は前記第1のカーボンナノファイバー糸の回転トルクをもたらす、請求項10に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- 前記第1のハイブリッド糸が71°/mmから100°/mmまでのねじり作動を有する、請求項10に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- 前記ゲストがワックスである、請求項10に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- 前記ゲストがポリジアセチレンである、請求項10に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- 前記ねじり戻しばねが、ワックスに浸透させた前記カーボンナノファイバー糸のセグメントを含む、請求項9に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- ねじり作動が最大で30°/mmを含む、請求項15に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- 前記第1のカーボンナノファイバー糸と諸撚りされて2本諸撚りヘテロキラル糸を形成する第2の糸をさらに含む、請求項9に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- 前記2本諸撚りヘテロキラル糸が、前記2本諸撚りヘテロキラル糸の全体にわたるワックス浸透材をさらに含む、請求項17に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- ねじり作動が最大で30°/mmである、請求項18に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- 前記2本諸撚りヘテロキラル糸が、前記2本諸撚りヘテロキラル糸の半分の範囲内のワックス浸透材をさらに含む、請求項17に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- ねじり作動が最大で12.6°/mmである、請求項20に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
- 前記第1のカーボンナノファイバー糸がホモキラルカーボンナノファイバー糸を含み、前記ホモキラルカーボンナノファイバー糸の第1の半分は前記複数の撚りを含み、前記ホモキラルカーボンナノファイバー糸の第2の半分は、非作動であり、前記ねじり戻しばねを含む、請求項14に記載のねじりナノファイバーアクチュエータ。
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