JP6591967B2 - シート材料からなるソフトデバイス - Google Patents

Description

援用による組み込み
本明細書に援用される全ての特許、特許出願、および公開は、本明細書に記載される本発明の時点で、当業者に既知の当該技術分野の状況をより詳細に説明するため、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

関連出願
本出願は、２０１３年１０月１日に出願された米国仮特許出願61/885,092号に優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

背景
ほとんどのロボットは、いわゆる「硬質（ハード）」のボディ設計、すなわち、剛質（通常は金属）の骨格、電気式または油圧式駆動、電気機械制御、感知、およびフィードバックを用いて構築される。これらのロボットは、それらが目的として設計された作業（例えば、制御環境下における重工業）では非常に成功しているが、より困難な作業（例えば、過酷な環境における安定した運動性）に直面すると、重度の制限を有する。すなわち、車両は蹄脚ほどうまく機能しない。

進化の過程で、可動性生物には広範なボディ設計が選択されてきた。動物に似た骨格のロボットへの多数のアプローチが、活発に開発されており、「ビッグドッグ（Ｂｉｇ Ｄｏｇ）」が１つの例である。第２のクラスのロボット、すなわち骨格を持たない動物に基づくものは、次のいくつかの理由からそれほど研究されていない：ｉ）「海洋様」生物（イカ）は、水の浮力による支持がなければ動作しない；ｉｉ）これらのシステムを作製するのに必要な材料および構成要素が利用可能でない；ｉｉｉ）それらにおいて使用される作動の主要な種類（例えば、漏水検出器）は、実質上従来のロボット工学において使用されていない。これらのシステムは、それらの能力および潜在的用途において、本質的に硬質体のシステムとは大きく異なる。それらは（少なくとも開発の早期においては）硬質体のシステムに遅れをとるが、制限された空間（亀裂、瓦礫）をより安定かつ良好に移動することができ、より軽量で、より安価である。

「ソフト（軟質）」と記載され得る、ロボットまたはロボットアクチュエータは、それらの製造に用いられる材料およびそれらの駆動方法により、最も簡単に分類される。
空気圧ソフトロボットアクチュエータは、次に示すような構造に依存する、非伸張性材料を用いて製造することができる。空気圧式人工筋肉（ＰＭＡ）としても知られるマッキベンアクチュエータは、作動部の軸方向に非伸張性である、織物シース内での制限された袋の膨張に依存する。結果として起こる変形は、半径方向の膨張および軸方向の収縮をもたらし、印加され得る力は、印加される圧力に比例する。関連するアクチュエータは、ひだ状空気圧式人工筋肉と称される。

駆動方法として、ならびに、這行および跳躍の両方を行うことができるロボットにおける主要な構造的要素、の両方として使用される、形状記憶合金等の「ソフト」ロボットアクチュエータが存在する。「ソフト」と記載され得る、別のアプローチでは、従来のロボット要素（電気モータ）とシェイプデポジションマニュファクチャリング（Ｓｈａｐｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）（ＳＤＭ）に基づくソフトポリマーの接着との組み合わせを使用する。この技術は、３Ｄ印刷および削合の組み合わせである。従来のロボット工学と軟質要素との複合物の例は、ニュージーランドにおいて柔らかな果物の梱包速度および効率を改善する柔らかい指を備えるロボット把持装置の開発に使用されて大きな成功を収めた。

成形されたエラストマーで相互接続されたチャネルを使用するソフトロボティクスが報告されている。ソフトロボティクスは関節可動域を受けるように空気圧を使用してロボットを駆動させることができる。 基本的なソフトロボットアクチュエータは、より硬いかまたは伸張し難い基材に対し、膨張可能なチャネルまたは袋を含む。ソフトロボットのデザインおよび駆動に関する更なる情報はPCT出願第PCT/US11/61720号を参照。この内容は参照によりその全体が組み込まれる。

成形はソフトロボットアクチュエータを作製するための1つの方法である。しかしながら、それは、バッチプロセスである。従って、ソフトロボットを製造するための低コスト、簡便かつハイスループットな手法が必要とされている。ソフトロボットの駆動装置のための新規、簡便かつ効率的な設計もまた必要とされている。

本明細書にて、容易にかつ効率的に製造可能なソフトコンポジットアクチュエータが記載される。本明細書にて開示されるソフトコンポジットアクチュエータは、二つ以上の材料の層またはシートを接着することにより製造することができる。複数の材料層が加圧流体を保持するように設計された1つまたは複数の袋を構成するように互いに接着していてもよい。袋内に流体を注入することによって加圧され袋が加圧されるとき、ソフトコンポジットアクチュエータが駆動することができる。接着は、機械的、熱的および/または化学的手法またはその組合せにより達成され得る。本明細書に開示されるソフトコンポジットアクチュエータは、任意の型を使用せずに製造可能である。

いくつかの実施形態において、材料層の一つが、他の層と熱的に接着（または高周波溶接もしくは超音波溶接）可能な熱可塑性エラストマー材料からなり、アクチュエータの袋（例えば、気密袋）が定義される。また、これらの構成は化学的および機械的接着またはそれらの組み合わせを用いて達成することもできる。ソフトコンポジットアクチュエータを製造および使用する方法もまた、本明細書にて開示される。

ある態様において、ソフトコンポジットアクチュエータは以下を含む様に記載される：
歪み制限層;
第１半径方向拘束層；および
第１半径方向拘束層と歪み制限層との間に配置された第１エラストマー層；
ここで第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層は互いに接着して、少なくとも一つの加圧流体を保持するための袋を構成する。

本明細書に記載の任意の実施形態において、接着は、熱接着、化学接着、機械的接着およびそれらの組み合わせの群から選択される。

本明細書に記載の任意の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータはさらに第１エラストマー層に隣接して配置された第２エラストマー層を含んでおり、その歪み制限層は第２半径方向拘束層を含む。

本明細書に記載の任意の実施形態において、半径方向拘束層は、1つまたは複数の、半径方向拘束セクションを含む。

本明細書に記載の任意の実施形態において、半径方向拘束セクションは均等にまたは不均等に半径方向拘束層に分配された半径方向拘束ストリップを含む。

本明細書に記載の任意の実施形態において、半径方向拘束ストリップは半径方向拘束層の縁の１つと平行、または半径方向拘束層の縁の１つに対して斜めに配向している。

本明細書に記載の任意の実施形態において、半径方向拘束ストリップは 第１エラストマー層に接着している。

本明細書に記載の任意の実施形態において、半径方向拘束層は、1つまたは複数の、開口部のない歪み制限セクションを含む。

本明細書に記載の任意の実施形態において、半径方向拘束層は以下を含む：
隣接した第１エラストマー層の１つまたは複数の部分が駆動時に通って膨張する、 1つまたは複数の開口部
1つまたは複数の、開口部を有さない、歪み制限セクション。

本明細書に記載の任意の実施形態において、第１エラストマー層、歪み制限層および第１半径方向拘束層は互いに接着して、加圧流体を保持するための複数の袋を形成している。

本明細書に記載の任意の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータはさらに、歪み制限層に隣接した1つまたは複数の 剛質要素を含む。

本明細書に記載の任意の実施形態において、袋が気体および液体からなる群から選択される加圧流体を収容するようにデザインされる。

本明細書に記載の任意の実施形態において、エラストマー層、歪み制限層、および半径方向拘束層の１つが、流体の吸収、光の透過、色または発光の変化、ソフトセンサーまたは貼り薬の埋込、少なくとも１つの電気回路または発熱体の部分の埋込、およびこれらの組合せの機能、を有するように構成される。

本明細書に記載の任意の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは、複数の指を含む副木、把持装置、または手袋の部分であるか、もしくは副木、把持装置、または手袋である。

他のある態様において、以下を含むソフトコンポジットアクチュエータが記載される；
1つまたは複数の第1エラストマーセクションおよび1つまたは複数の第1半径方向拘束セクションを含む一体型の、第1コンポジット層；および
歪み制限層、
ここで第１コンポジット層および歪み制限層は互いに接着して少なくとも１つの加圧流体を保持するための袋を形成する。

本明細書に記載の任意の実施形態において、歪み制限層は、１つまたは複数の第２エラストマーセクションおよび１つまたは複数の第２半径方向拘束セクションを含む、一体型、第２コンポジット層を含む。

本明細書に記載の任意の実施形態において、第1および／または第2エラストマーセクション、第1および／または第2半径方向拘束セクションならびに第1および／または第2コンポジット層は同じ厚みを有する。

本明細書に記載の任意の実施形態において、第1および／または第2エラストマーセクションおよび第1および／または第2半径方向拘束セクションは異なる厚みを有する。

本明細書に記載の任意の実施形態において、第1および／または第2半径方向拘束セクションは、第1および／または第2エラストマーセクションに被包されている。

本明細書に記載の任意の実施形態において、第1および／または第2エラストマーセクションならびに第1および／または第2半径方向拘束セクションは互いに接着している。

本明細書に記載の任意の実施形態において、接着は、熱的接着、化学接着、機械的接着およびそれらの組合せの群から選択される。

本明細書に記載の任意の実施形態において、半径方向拘束セクションは、コンポジット層の縁の１つに対して平行またはコンポジット層の縁の１つに対してある角度で配向した半径方向拘束ストリップを含んでいる。

本明細書に記載の任意の実施形態において、半径方向拘束ストリップは、コンポジット層において、均等または不均等に分配されている。

本明細書に記載の任意の実施形態において、第1コンポジット層および歪み制限層は、互いに接着して、加圧流体を保持するための複数の袋を形成する。

本明細書に記載の任意の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータはさらに、歪み制限層に隣接した1つまたは複数の剛質要素を含む。

本明細書に記載の任意の実施形態において、袋は、気体および液体からなる群から選択される加圧流体を収容するようにデザインされる。

本明細書に記載の任意の実施形態において、層の１つが、流体の吸収、光の透過、色または発光の変化、ソフトセンサーまたは貼り薬の埋込、少なくとも１つの電気回路または発熱体の部分の埋込、およびこれらの組合せの機能、を有するように構成される。

本明細書に記載の任意の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは、複数の指を含む副木、把持装置、または手袋の部分であるか、もしくは副木、把持装置、または手袋である。

さらに別の態様において、任意の実施形態における複数のソフトコンポジットアクチュエータを含むソフト駆動装置が記載される。

本明細書に記載の任意の実施形態において、ソフト駆動装置は次を含む：
第１流体源に接続している第１ソフトコンポジットアクチュエータ；および
第２流体源に接続している第２ソフトコンポジットアクチュエータ

さらに別の態様において、次を含む駆動の方法が記載される：
任意の実施形態のソフトコンポジットアクチュエータの提供；および
袋を、流体を用いて加圧；ここで、ソフトコンポジットアクチュエータが所定の方式で駆動する。

本明細書に記載の任意の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータの駆動は、屈曲動作、屈曲とひねりの組合せ動作、線形伸張、線形伸張とひねりの組合せ、線形収縮、線形収縮とひねりの組合せ、およびそれらの任意の組合せから選択された１つまたは複数の動作を達成する。

本明細書に記載の任意の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは、切り込みを広げるまたは動く、臓器や筋肉および／または骨を移動させる、関節を補強する、関節の動きを支持するために装着される、物体を形状マッチさせる、既定の屈曲関節部分が折りたたまれて折り紙様構造を生み出す、物体の十分な把持を達成する、または物体に対して共形のパッドされた層を生み出すように構成される。

本明細書に記載の任意の実施形態において、加圧流体は温度制御される。

本明細書に記載の任意の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは流体加圧により硬化する。

本明細書に記載の任意の実施形態において、袋は、第１流体圧力下、第１級の硬さにまで膨張するよう、または第１流体圧力とは異なる第２流体圧力下、第２級の硬さにまで膨張するように構成される。

本明細書に記載の任意の実施形態において、アクチュエータは、力の分配、材料の混合、材料のハンドリング、持ち上げ、把持、太陽電池セルまたはミラーのステアリング、表面上での材料のステアリングをなすように駆動される。

さらに別の態様において、次を含む駆動の方法が記載される：
本明細書に記載の任意の実施形態のソフト駆動装置の提供；および
１つまたは複数の袋を、１つまたは複数の流体を用いて加圧；ここで、ソフト駆動装置が所定の方式で駆動する。

さらに別の態様において、次を含む駆動の方法が記載される：
任意の本明細書に記載の任意の実施形態のソフト駆動装置の提供；および
交互に第１流体源および第２流体源を作動することによる、交互の第1ソフトコンポジットアクチュエータの袋および第2ソフトコンポジットアクチュエータの袋の加圧。
駆動時、第1ソフトコンポジットアクチュエータは屈曲して、かつ、駆動時、第2ソフトコンポジットアクチュエータは硬化する。

さらに別の態様において、次を含む、本明細書に記載の任意の実施形態のソフトコンポジットアクチュエータの作製の方法が開示される：
第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層の提供、ここでエラストマー層は半径方向拘束層と歪み制限層の間に配置される；および
少なくとも１つの加圧流体を保持するための袋を定義する封着された周囲部分(sealed parameters)を形成して、第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層の接着。

本明細書に記載の任意の実施形態において、第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層の提供は次を含む：
第１エラストマーの積層体層、歪み制限積層体層、および第１半径方向拘束積層体層を含む予備的に重ねられた積層体の提供；および
重ね合わさった第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層を提供する、積層体の部分の分離。

さらに別の態様において、次を含む、本明細書に記載の任意の実施形態のソフトコンポジットアクチュエータの作製の方法が開示される：
第１コンポジット層および歪み制限層の提供；および
少なくとも１つの加圧流体を保持するための袋を定義する封着された周囲部分を形成して、第１コンポジット層および歪み制限層の接着。

本明細書に記載の任意の実施形態において、第1コンポジット層および歪み制限層の提供は次を含む：
第1コンポジット積層体層および歪み制限積層体層を含む予備的に重ねられた積層体の提供；および
重ね合わさった第1コンポジット層および歪み制限層を提供する、積層体の部分の分離。

本明細書に記載の任意の実施形態において、接着は、熱的接着、化学接着、機械的接着およびそれらの組合せの群から選択される。

本明細書に記載の任意の実施形態において、エラストマー層、歪み制限層および半径方向拘束層は１つのパッケージに含まれる。

本明細書に記載の任意の実施形態において、接着は、パッケージに損傷を及ぼさずに、パッケージングを通る外部熱またはパッケージング内部の発熱体により生成される内部熱により達成される。

本明細書に記載の任意の実施形態において、エラストマー層または第１コンポジット層は、接着前に予歪みがかかった状態である。

本明細書に記載の任意の実施形態において、接着前または接着中において層の１つは非平面的形状を有している。

本明細書に記載された任意の実施形態と、本明細書に記載された他の任意の１つまたは複数の実施形態との組合せが想定される。

本明細書において、別途定義されるか、使用されるか、または特徴付けされない限り、本明細書で使用される用語（技術および科学用語を含む）は、関連技術に照らしてそれらの許容される意味と一貫性のある意味を持つと解釈すべきであり、本明細書で明示的に定義されない限り、理想化した、または過度に画一的な意味に解釈すべきでない。例えば、特定の組成について言及する場合、その組成は、実際上、完全ではないが実質的に純粋なものとすることができ、現実に不完全なものが適用されてよく、例えば、少なくとも微量不純物（例えば、１％または２％未満）が存在し得ることは、本明細書の適用範囲内であると考えることができ、同様に、特定の形状について言及する場合、その形状は、例えば、製造公差により、理想的な形状から外れたばらつきがあることを意図される。本明細書中で表現されている割合または濃度は、重量比または体積比で定義され得る。

第１、第２、第３などの用語は、本明細書において様々な要素を説明するために使用することができるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、単に、１つの要素を他から区別するために使用される。したがって、下記に説明する第１の要素は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素と名付けることができる。「上に」「下に」「左に」「右に」「前に」「後ろに」などの空間的な相対用語は、図に示す１つの要素と他の要素との関係を説明する記述を容易にするために本明細書で使用することができる。当然のことながら、空間的な相対用語および図示した構成は、本明細書で説明する、および図に示す向きに加えて、使用時または運転時の装置の様々な向きを包含することを意図されている。例えば、図の装置が反転された場合、他の要素または部分の「下に」または「真下に」と説明された要素は、他の要素または部分の「上に」配置される。したがって、例示的な用語「上に」は、上および下の向きを両方包含することができる。装置は、それ以外に向きを合わせることができ（例えば、９０°または他の向きに回転される）、本明細書で使用される空間的相対記述子は適宜解釈される。さらに、本開示において、要素が他の要素に「配置される」、「接続される」、または「つなげられる」または「接触している」など、と称される場合、別途指定されない限り、要素は、他の要素に直接的に配置されるか、接続されるか、つなげられるか、または接触してよいし、あるいは介在要素が存在してもよい。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものであり、例示的な実施形態を限定することを意図されるものではない。本明細書において、「１つの」などの単数形は、文脈により別途示されない限り、複数形も含むことを意図されている。さらに、「含む」、および「含むこと」という用語は、決まった要素またはステップの存在を示すが、１つまたは複数の他の要素またはステップの存在または追加を排除するものではない。用語「積層体」および「ソフトコンポジットアクチュエータ」は交換可能に使用されてよい。

図面の記載
例示のみを目的として提示される、以下の、限定することを意図するものではない図面を参照して本発明が説明される。

図１Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、接着が気密性（または水密性）の袋を定義するように互いに接着した２つの層を含む屈曲可能な駆動装置の分解図および組立図を示す：１つの層は歪み制限特性を有し、もう１つの層は弾性特性を有する。

図１Ｂは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、流体加圧下における２層型屈曲アクチュエータの斜視図を示し、弾性層が膨張して、半径および長さが増大する。

図１Ｃは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、流体加圧下における２層型屈曲アクチュエータの斜視図であり、特定の圧力において膨張性弾性層が歪みが制限されている層を屈曲させる。

図２Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、接着が気密性（または水密性）の袋を定義するように互いに接着した３つの層を含む屈曲可能な駆動装置の分解図および組立図を示す：１つの層は半径方向歪みが制限されている特性を有し、１つの層は弾性特性を有し、もう１つの層は歪み制限特性を有する。

図２Ｂは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、流体加圧下における３層型屈曲アクチュエータの側面図を示し、ここで、半径方向拘束層は弾性層の半径方向の膨張を制限し、弾性層が半径方向拘束層の切り抜きを介して膨張することを可能とすることで線形成長を促進する。

図２Ｃ−２Ｇは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、２つの半径方向拘束層と２つの弾性層が接着して線形伸張アクチュエータを構成できる方法を記載する。

図２Ｃは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、層の重ね合わせの分解図を示す。

図２Ｄは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、構造体の半分を示し、ここで、接着後、歪み制限ストリップを弾性層に接着したまま残して、半径方向拘束層から余分の材料を除去することができる。

図２Ｅは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、流体加圧がない場合およびある場合の積層体の断面図である。

図２Ｆは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、非加圧状態の線形伸張アクチュエータの斜視図である。

図２Ｇは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、流体加圧下伸張している線形アクチュエータの斜視図であって、接着によって接続された歪み制限ストリップはアクチュエータの長さに沿って半径方向に拘束フープを構成して、線形伸張を促進する。

図２Ｈは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、アクチュエータの最長寸法へと歪み制限ストリップの配向を変化させることが収縮線形アクチュエータ（すなわち、最大変形が収縮である）を作製するための手法として使用され得ることを例示する。

図３Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、アクチュエータが非加圧状態で非平面形状を取るように、組立前または組立中に特定の形状に予備形成された層、を含む、屈曲駆動装置の分解図を示す。

図３Ｂは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、その非加圧状態で組み立てられた曲げアクチュエータの斜視図を示す。

図３Ｃは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、加圧状態の曲げアクチュエータの側面図を示す。

図４Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、２つの層を含む、屈曲駆動装置の分解図および組み立て図を示し、１つの層がｙ軸に沿って延伸し易くｘ軸に沿って歪みが制限されている異方的特性を有しており、もう一方の層はｘ及びｙ方向の両方に対して歪みが制限されている。

図４Ｂは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、流体加圧下における２層型屈曲アクチュエータの側面図を示し、異方性層は、半径方向の膨張を制限する一方で線形成長を促進する二重の機能を果たして、構造体の屈曲をもたらす。

図４Ｃは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、互いに接着して気密性（または水密性）の袋を構成する２つの異方性層を含む、組み立てられた線形伸張アクチュエータの斜視図である。

図４Ｄは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、流体加圧下における線形伸張アクチュエータの側面図であって、異方性層の歪み制限部分が、半径方向の膨張を制限し、線形伸張を促進するフープを構成する。

図４Ｅは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、流体加圧下において、屈曲およびひねり運動が可能な駆動装置の、分解図および組立図である。

図４Ｆは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、ある角度をなす弾性的要素および歪み制限的要素を用いて２つの異方性層を結合することで、流体加圧下において、線形伸張およびひねり運動が可能な駆動装置の、分解図および組立図である。

図５Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、半径方向拘束層のプロファイル（上）および、流体加圧下におけるアクチュエータの応答（下）を示す。

図５Ｂは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、単一のアクチュエータが閉じた形を形成するようにいくつかの関節部が設計され得ることを例示する、図５Ａの拡張である。

図５Ｃは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、単一の積層体上で多点屈曲アクチュエータが組み合わせられ得ることを例示する、図５Ａの拡張である。

図６Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、単一の積層体上で多機能を組み合わせた駆動装置の、上面図および等軸測視図を描いており、２つの屈曲アクチュエータが２つの補強材を介してつながっている。

図６Ｂは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、図６Ａの拡張であって、複数の補強材が屈曲アクチュエータを支持するために使用されてより広い範囲の填補が可能である。

図７Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、付加的な層として、屈曲点を特徴づけるように使用され、屈曲の曲率半径を調整し、力の伝達を改善し、かつ補助装置のための実装基板として機能することが可能な剛質要素を組み込んでいる、駆動装置の分解図および断面図を描いている。

図７Ｂは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、剛質要素を有する、流体加圧下における屈曲アクチュエータの側面図であって、剛質要素間のすき間においてのみ屈曲する。

図８Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、単一の屈曲アクチュエータからなり、組立時において予歪層を組み込んでいる、バイモルフ屈曲アクチュエータの分解図である。

図８Ｂは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、加圧の異なるステップにおける、バイモルフ屈曲アクチュエータの動きの範囲を示している。

図８Ｃは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、対立するバイモルフ屈曲アクチュエータ同士が、把持装置を形成するように使用され得ることを図示している。

図９Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、図４Ｃの拡張であって、複数の線形伸張アクチュエータが、同じ積層体上にまとめられ、多自由度系屈曲および伸張アクチュエータを形成する。

図９Ｂは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、図９Ａの端面図であって、多自由度系屈曲および伸張アクチュエータの製造における、次のステップを図示しており、積層体が端と端で接着して、筒状形態を形成している。

図９Ｃは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、１つの袋が加圧されると、それが線形的に伸張してチューブ構造を屈曲させること例示している。

図１０は、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、着用可能な応用の斜視図であって、関節部の動きを補助するように、ソフトアクチュエータが手袋に組み込まれている。

図１１は、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、材料層の斜視図であって、多機能性および任意に電子部品、発熱体、センサーなどを組み合わせること、を例示している。

図１２は、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、駆動装置が接続された加圧袋を使用して力を伝える駆動装置の側面図の、一連の流れを示している。

図１３Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、駆動装置のロールシートが所望の長さへとカットされて、シーリング器具により袋が再び密封され得る、描写の一連の流れである。

図１３Ｂは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、どのようにこれらの駆動装置のシートが密封されて、互いに接着されて、異なる駆動構造の範囲を形成するかを、図示する。

図１４は、積層体の層がパッケージング（滅菌状態および非滅菌状態）の中に含まれている、駆動装置の袋が定義される、プロセスを描写している。

詳細な説明
本明細書において、二つまたはそれ以上の材料層の接着により作製されるソフトコンポジットアクチュエータが記載される。本明細書で使用される、材料層は、１つもしくは複数のエラストマーセクションおよび１つもしくは複数の半径方向拘束セクションを含む、エラストマー層、歪み制限層、半径方向拘束層、または第１もしくは第２コンポジット層のことを指してもよい。本明細書で使用される、エラストマー層は１つまたは複数の弾性材料からなり、圧力下、屈曲、湾曲、ひねり運動またはその形状および／もしくは配向を変化させる任意の運動にさらされ得る層を指す。弾性材料の非限定的例示は弾性ポリマー（例えばウレタン、シリコーン）、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥｓ）、熱可塑性ウレタン（ＴＰＵｓ）などを含む。本明細書で使用される、「エラストマー的」と「弾性的」は交換可能に使用される。

いくつかの実施形態において、材料層は歪み制限層である。本明細書で使用される、歪み制限層は、弾性的でない、またはエラストマー層より弾性的でない任意の層を指す。その結果、駆動（例えば袋の加圧）時において、歪み制限層ではなく、エラストマー層の形状または配向における変化が、駆動後のソフトコンポジットアクチュエータの形状、湾曲、および／または配向を優先的に決定する。いくつかの実施形態において、歪み制限層は、１つまたは複数の歪み制限材料からなる。歪み制限材料の非限定的例示は、少しの例をあげるとすれば、繊維、糸、不織材料、および高デュロメータ材料を含む。当業者に歪み制限材料として適切だと知られている任意のその他の材料も使用され得る。

他の実施形態において、材料層は、得られる袋の半径方向の膨張を制限して、効率的な屈曲を促進する半径方向拘束層である。いくつかの特定の実施形態において、半径方向拘束層は歪み制限層と同様の歪み制限特性を有し得る。ソフトコンポジットアクチュエータにおいて、半径方向拘束層は歪み制限材料に袋の半径方向の膨張を制限させる働きをする。１つまたは複数の実施形態において、半径方向拘束層は、例えば、エラストマー層に隣接した部分を切り抜きを通して膨張させる切り抜きが挙げられる、開口部を含む高デュロメータ材料のシートであり、それは、配置された膨張半径方向拘束部分（例えばストリップまたは帯）を提供する。半径方向拘束部分は、エラストマー層の半径方向の膨張が制限または限定されるように配置、配列される（例えば、ソフトコンポジットアクチュエータの幅を横切るバンドまたはストライプのように）。いくつかの実施形態において、半径方向拘束部分は均等にまたは不均等に半径拘束層に分配される。いくつかの特定の実施形態において、半径方向拘束部分、例えば図２Ｃのストリップ２２０、は半径方向拘束層の縁の１つと平行または半径方向拘束層の縁の１つとある角度で配向している。その角度（θ）は任意の範囲であるかまたはいくらかの値を有することができる。いくつかの実施形態において、θは約１０、２０、３０、４０、４５、５０、６０、７０、８０度であるかまたはここで開示された値のうち任意の２つにより制限された範囲である。

いくつかの特定の実施形態において、半径方向拘束層またはセクションは、屈曲を促進しない、弾性層の線形伸張および半径方向の膨張の制限を支持、することで、アクチュエータのより効率的な屈曲を促進する袋またはエラストマー層の半径方向への膨張を制限する。更なる他の実施形態において、半径方向拘束セクションは他の材料を含む層に組み込まれ得る。例として、半径方向拘束層または歪み制限層は一体型コンポジット層であることができ、例えば図４Ａにおける層４０１であって、１つまたは複数のエラストマーセクションおよび１つまたは複数の半径方向拘束セクションを含んでいる。エラストマーセクションはエラストマーの材料からなってよく、半径方向拘束セクションは歪み制限材料からなってよい。

ある実施形態において、半径方向拘束層は、組み合わされて接着され半径方向拘束層を形成し得る、１つまたは複数の個々の半径方向拘束セクションを含む。いくつかの特定の実施形態において、半径方向拘束セクションは、半径方向拘束層に均等または不均等に分配された半径方向拘束ストリップを含む。半径方向拘束ストリップは、例えば図４Ａにおけるストリップ４０５であり、半径方向拘束層の縁の１つと平行、または半径方向拘束層の縁の１つとある角度で、配向していてよい。その角度（θ）は任意の範囲であるかまたはいくらかの値を有することができる。いくつかの実施形態において、θは約１０、２０、３０、４０、４５、５０、６０、７０、８０度であるかまたはここで開示された値のうち任意の２つにより制限された範囲である。半径方向拘束ストリップは第１エラストマー層と接着していてよい。

いくつかの実施形態において、材料層は上記の半径方向拘束層である。

２つまたはそれ以上の材料層が、互いに接着して、加圧流体を保持するための、密封された少なくとも１つの袋を形成している。いくつかの実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータにおける、２つの隣接した材料層の周囲部分またはある部分は互いに接着して、袋が流体の注入／吸引源と接続している点を除いて、流体密封性の袋を形成している。ある実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータにおける、隣接したエラストマー層と歪み制限層の周囲部分またはある部分は互いに接着して、流体密封性の袋を形成している。他の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータにおける、隣接した第１コンポジット層と歪み制限層の周囲部分またはある部分は互いに接着して、流体密封性の袋を形成している。更なる他の実施形態においてソフトコンポジットアクチュエータにおける、隣接した第１コンポジット層と第２コンポジット層の周囲部分またはある部分は互いに接着して、流体密封性の袋を形成している。更なる他の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは２つのエラストマー層を含み、かつ、２つの隣接したエラストマー層の周囲部分またはある部分は互いに接着して、流体密封性の袋を形成している。

他の実施形態において、半径方向拘束層は開口部を有さない１つまたは複数の歪み制限セクションを含む。そして、半径方向拘束層は隣接した第１エラストマー層の１つまたは複数の部分が駆動時に膨張して通る１つまたは複数の開口部および、開口部を有さない１つまたは複数の歪み制限セクションを含んでいてよい。駆動時、そのようなソフトコンポジットアクチュエータは、開口部を有する半径方向拘束層の部分において屈曲し得て、開口部を有さない半径方向拘束層の部分において硬くなり得る。

いくつかの実施形態において、袋は、加圧流体を袋に注入する外部流体源と接続している点を除いて、気密性である。流体の非限定的例示は、気体および液体を含む。流体源の非限定的例示は、ガスタンク、ガスシリンダー、液体ポンプ、コンプレッサー、化学反応により放出される気体、などを含む。気体は空気、窒素、または不活性ガスの１つであってよい。液体は水、水溶液、および、有機溶媒または溶液を含む。駆動時（例えば、袋が加圧流体を注入されるとき）においてソフトコンポジットアクチュエータは所定の方法で駆動して、アクチュエータの形状、サイズ、配向および／または湾曲を変化させて、１つまたは複数の所望の機能を達成するソフトアクチュエータは、同じまたは異なる流体源に接続された、１つの袋または複数の袋を有していてよい。

ある態様において、ソフトコンポジットアクチュエータが記載され、
エラストマー層；
歪み制限層；および
半径方向拘束層、
の含有を含み、ここでエラストマー層は半径方向拘束層と歪み制限層の間に配置され；かつ
エラストマー層、歪み制限層、および半径方向拘束層は互いに接着して、加圧流体を保持するための、少なくとも１つの袋を形成する。

歪み制限層はソフトコンポジットアクチュエータの上部または底部に位置してよい。層型ソフトコンポジットアクチュエータは膨張の方向の制御を可能とする。例えば、図１−３はソフトコンポジットアクチュエータが、異なる弾性の材料および削減材料（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）（例えば、エラストマー層、歪み制限層、および半径方向拘束層）を層構造とすることにより構築され得ることを示している。

ソフトコンポジットアクチュエータの駆動メカニズムは、まず図１Ａ−１Ｃを参照して記載される。図１Ａに示されるように弾性層１０１および歪み制限層１０３は、層の周囲部分１０５において接着される。接着は熱的、機械的、および／または化学的に達成され得る。いくつかの実施形態において、弾性層は、歪み制限層のような他の層と熱的に接着し得る弾性的ポリマーからなる。本明細書で使用される、用語「弾性層」または「弾性的セクション」（以下に記載）は、弾性特性を有する材料からなる材料層またはセクションを指し、加圧下において屈曲または膨張可能である。本明細書で使用される、用語「歪み制限層」は、下記記載のコンポジット層において、非弾性的であるまたは、弾性層または弾性的セクションを形成する弾性的材料よりも弾性が低い材料層のことを指す。弾性層１０１と歪み制限層１０３の接着が気密性袋１０７の形成をもたらし、これは流体を注入および除去して袋から出し入れさせて袋を膨らませるまたは縮ませるよう設計された外部流体注入／吸引源と接続していることを除き、密封されている。

そして、２つの異なる材料層（すなわち１つの弾性層１０１および１つの歪み制限層１０３）が接着して袋を形成するとき、得られる構造１０９は袋の加圧流体に対して異方的な応答を有する。歪み制限層１０３の制限された膨張が進行するとき、弾性層１０１は膨張する。この２層における歪み応答の違いが、歪みが制限されている層の方向への構造の屈曲を引き起こし得る（図１Ｃ）。図１Ｂは、流体注入／吸引源１１５からの加圧流体で部分的に充填された袋１１１を有するソフトコンポジットアクチュエータを図示する。部分的に充填された袋は、弾性層１１３が湾曲するように外部圧力（Δｐ）より高い内部圧力を有している。袋が加圧流体により十分に充填されると、膨張した気密性袋（図１Ｃにおける部分１１７）を形成する弾性層の部分の線形成長が結果的に、歪みが制限されている層１１９の屈曲をもたらす。外周部の拘束、すなわち周囲部分１０５における接着、は有益である。なぜならば、そのような外周部の拘束がなければ、その材料層はある点（例えば、材料が降伏応力または疲労降伏応力に近づいたとき）の後、屈曲という目的のために有用でなくなる、無視できない半径方向成長をすることになるからである。

１つまたは複数の実施形態によるソフトコンポジットアクチュエータが図２Ａ−２Ｈを参照して記載される。図２Ａに示されるように、エラストマー層２０３は半径方向の拘束層２０１と歪み制限層２０５の間に配置される。層２０１、２０３および２０５の周囲部分、例えば部分２０７が互いに熱的に接着することで、駆動時に所定の形態（図２Ｂ）に屈曲するソフトコンポジットアクチュエータ２０９が得られる。接着は化学的手法、機械的手法および、それらの組み合わせにより達成されてもよい。本応用の利点の一つは、ここで記載されるソフトコンポジットアクチュエータが型を使用することなく得ることができ、製造工程が格段に単純化されることである。いくつかの実施形態において、熱を２つまたはそれ以上の材料層、例えばエラストマー層および歪み制限層、に付与して層同士を接着させることができる。他の実施形態において、手または機械による機械的力を２つまたはそれ以上の材料層、例えばエラストマー層および歪み制限層、に付与して層同士を接着させることができる。更なる他の実施形態において、化学反応剤が材料層の間に配置されるかまたは１つまたは複数の材料層に埋め込まれて、化学反応が開始され、２つまたはそれ以上の材料層、例えばエラストマー層および歪み制限層同士を接着させてもよい。

図２Ｂにおいて示されるように、ソフトコンポジットアクチュエータ２０９は層２０１および２０３の周囲部分の接着により形成される袋を含む。この袋（図２Ｂにおける２１３）は注入／吸引源２１１に接続されて加圧液体が袋２１３に注入される。この流体が充填された袋は、外圧（Δｐ）よりも高い、エラストマー層２０３および半径方向拘束層２０１を歪み制限層２０５に向かって屈曲させる内圧を有している。

そして、図２Ａ−２Ｃに示されるように、弾性層の半径方向の膨張を制限することによる更なる異方的応答を生み出すために、追加の層、すなわち半径方向拘束層を追加することができる。歪み制限部分またはバンド２１６が半径方向の膨張を制限する一方で、半径方向拘束層上の切り抜き（２１５）が弾性層に縦方向に膨張させることを可能とする。袋の半径方向の膨張の束縛は、弾性層の線形伸張を支持して、屈曲を促進しない半径方向の膨張を制限することで、より効率的な屈曲を促進する。追加の層が加えられることで、流体を吸い上げる超吸収性材料、抗菌特性、温熱療法および冷熱両方といった他の機能を含むことができるようになることも注意されるべきである。

ソフトコンポジットアクチュエータは袋の加圧時において、所定の方式において駆動するように、および／または１つまたは複数の所望の機能を果たすように、デザインおよび設計され得る。駆動時において、ソフトコンポジットアクチュエータは構造的異方性または構造的等方性を生み出すようにデザインされてもよい。つまり、ソフトコンポジットアクチュエータは、ソフトコンポジットアクチュエータの異なる軸に沿って測定されたとき、同じまたは異なる構造的変化を駆動時において生み出し得る。

いくつかの実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータはさらに第２エラストマー層を含み、例えば、２つのエラストマー層の縁を熱的に封着することで、袋を形成することができる。いくつかの実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータにおける歪み制限層はエラストマー層の半径方向の膨張を制限する半径方向拘束層でもある。これらのデザインは、図２Ｃ−２Ｇを参照して記載され、接着して線形伸張アクチュエータを形成している２つの半径方向拘束層および２つの弾性層を含む線形伸張アクチュエータを示す。

図２Ｃに示されるように、第１および第２エラストマー層、それぞれ２２３および２２５は第１半径方向拘束層２１７および歪み制限層（すなわち第２半径方向拘束層２２１）に挟持されている。半径方向拘束層２１７および２２１は、それぞれ切り抜き２１９および２２７を含む。層２１７、２２３，２２５および２２１がそれらの周囲部分、例えば縁２２９、で接着した後、複合体２３１を形成するためにソフトコンポジットアクチュエータのいくつかの部分、例えば部分２３５および２３７、は図２Ｄに示される点線に沿って切り取られてソフトコンポジットアクチュエータ２３３を形成することができる。半径方向拘束層２１７および２２１からのこれらの余分な材料は除去されて弾性層に接着した歪み制限ストリップ２４３を残す。図２Ｅは、流体加圧がない場合（図２Ｅの上部）および流体加圧がある場合（図２Ｅの下部）のソフトコンポジットアクチュエータ２３３の断面図である。図２Ｅに示されるように、ソフトコンポジットアクチュエータは、縁２２９において互いに接着している層２１７、２２１、２２３および２２５を有する。駆動時において、層２２３と２２５の間の袋２３９は加圧されて、外圧Ｐ_ａｔｍよりも高いＰ_１の内圧を生み出す。その結果、アクチュエータ２３３の層が図２Ｅの下部に示されるように湾曲する。

図２Ｆは非加圧状態の線形伸張アクチュエータ２３３の斜視図である。層、例えば２４１および２４７、の縁が接着している（図２Ｇ）。図２Ｇは、流体加圧下、伸張している駆動状態の線形アクチュエータ２３３の斜視図であり、ここで、縁２４１における接着により接続されている、半径方向拘束層２１７における歪み制限ストリップ２４３は、アクチュエータの長さに沿った半径方向拘束フープを形成して、軸２４５の方向に沿った線形伸張を促進する。
図２Ｈは歪み制限ストリップ２５１の配向が縦に長く、つまり軸２５３に沿って、伸びるとき、得られるソフトコンポジットアクチュエータは収縮線形アクチュエータ２４９（つまり最大変形が収縮性）である。図２Ｈは、非駆動状態（図２Ｈの上段左角）および駆動状態（図２Ｈの下段右角）の収縮線形アクチュエータ２４９を示す。

ある実施形態において、加圧流体は温熱または冷熱療法を施すために温度制御される。例えば、流体ラインが、温熱および／または冷熱療法または治療を施すため、材料層にヒートスタンプされることも可能である。

図２Ａー２Ｈに示されるように、エラストマー層、歪み制限層および半径方向拘束層は、接着前または接着時に平面的形状を有し得る。いくつかの他の実施形態において、エラストマー層、歪み制限層、および半径方向拘束層の少なくともは、接着前または接着時に非平面的形状を有し得る。

１つまたは複数の実施形態において、組立前に、ソフトコンポジットアクチュエータの１つまたは複数の層が非平面的形状に予備形成され得る。図３Ａは、アクチュエータが非加圧状態において非平面的形状をとるように、組立前または組立中に特定の形状へと予備形成された屈曲ソフトコンポジットアクチュエータの分解図である。ソフトコンポジットアクチュエータは予備形成された半径方向拘束層３０１、予備形成された弾性層３０３および歪み制限層３０５を含む。これらの材料層は材料層の周囲部分、例えば周囲部分３０７、において接着して、屈曲ソフトコンポジットアクチュエータ３０９（図３Ｂ）を形成する。アクチュエータ３０９において形成された袋は管３１１を介して加圧流体源へと接続している。当業者に知られる接続の他のタイプが想定される。図３Ｂは、非加圧状態における、組み立てられた屈曲アクチュエータ３０９の斜視図である。図３Ｃは、加圧状態における、屈曲アクチュエータの側面図である。アクチュエータ３０９が管の接続３１１を通した加圧流体の注入により駆動されるとき、半径方向拘束層３０１は弾性層３０３の半径方向の膨張を束縛し、アクチュエータ３０９は所定の方式において、すなわち歪み制限層３０５の方向に向かって、屈曲する。

そして、いくつかの実施形態において、流体加圧下においてアクチュエータが特定の厚み（または加圧下プロファイル）を達成するようにデザインできるように、アクチュエータの組立前または組立中に１つまたは複数の材料層、例えば半径方向拘束層、第１および第２コンポジット層（図４ＡーＦにおける異方性層のことも指す）、弾性層または歪み制限層を予備形成（例えば熱的形成）することは有利である。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の材料の予備形成が、所望の動作範囲、硬さ、および力発生を達成するためのソフトコンポジットアクチュエータにとって望ましい。なぜならこれらの出力はアクチュエータの厚みと関連しているからである。非平面形状初期状態への予備形成は、目的の状態に達するための材料上におけるより弱い歪みを付与し得て、必要とする入力圧力および材料疲労を軽減させ得る。材料層の非平面形状の非限定的例示は半円筒形状（図３Ａ−３Ｃ）、長方形状、テーパー状、および蛇腹形状を含む。任意のソフトコンポジットアクチュエータの任意の材料層が予備形成されていてよい。

他のある態様において、以下を含むソフトコンポジットアクチュエータが記載される；
１つまたは複数の第１エラストマーセクションおよび１つまたは複数の第１半径方向拘束セクションを含む一体型の、第１コンポジット層；および
歪み制限層、
ここで第１コンポジット層および歪み制限層は互いに接着して少なくとも１つの加圧流体を保持するための袋を形成する。

第１コンポジット層はソフトコンポジットアクチュエータの上部または底部に位置する。いくつかの実施形態において、第１エラストマーセクション、第１半径方向拘束セクション、および／または第１コンポジット層が同じ厚みを有している。これらの実施形態において、第１コンポジット層が第１エラストマーセクションと第１半径方向拘束セクションの互いの接着から作製されることができる。他の実施形態において、第１エラストマーセクションおよび第１半径方向拘束部文は異なる厚みを有している。これらの実施形態において、第１コンポジット層および第１エラストマーセクションは同じ厚みを有していてもよい。いくつかの特定の実施形態において、第１エラストマーセクションは第１エラストマーセクションよりも厚く、かつ／または第１エラストマーセクションは第１半径方向拘束セクションを被包する。

この態様に記載のソフトコンポジットアクチュエータは図４ＡーＦを参照して記載される。図４Ａは、第１コンポジット層４０１を含む屈曲可能なソフトコンポジットアクチュエータ４０３の分解図および組立図である。第１コンポジット層４０１は、歪み制限材料からなる半径方向拘束セクション４０５および、弾性的材料からなるエラストマーセクション４０７を有する。セクション４０５および４０７は任意の形状またはサイズであることができて、熱的、化学的、および／または機械的方法により互いに接着して、一体型第１コンポジット層４０１を形成する。第１コンポジット層４０１は、ｘおよびｙ軸に沿って異なる膨張の特性または特徴を有しており（つまり、層４０１はｘ軸に沿ってよりもｙ軸に沿っての方がより容易に膨張し得る）、第１コンポジット層４０１は一体型異方性層のことも指す。図４Ａに示されるように、セクション４０５および４０７はともに、一体型層と同じ厚みを有している。そして、第１コンポジット層は歪み制限層４０９と接着して、屈曲ソフトコンポジットアクチュエータ４０３を形成する。

そして、図４Ａに記載の実施形態において、第１コンポジット層４０１は、異方的特性を有しており、ｙ軸に沿って伸張しやすく、かつｘ軸に沿っては歪みが制限されている。歪み制限層４０９は歪み制限材料からなり、歪みがｘおよびｙ方向の両方において制限されている。接着が流体密封性（例えば気密性または水密性）の袋を定義するように、層は２層の周囲部分において互いに接着している。

図４Ｂは、袋４１１が加圧下にあるときの、駆動時における屈曲ソフトコンポジットアクチュエータ４０３の側面図である。異方性層４０１は、半径方向の膨張を制限して、弾性的セクション４０７の線形成長を促進するという２つの機能を果たして構造体を屈曲させる。

いくつかの実施形態において、歪み制限層は、１つまたは複数の第２エラストマーセクションおよび１つまたは複数の第２半径方向拘束セクションを含む、第２コンポジット層を含むか、またはそのものであって、第２エラストマーセクション、第２半径方向拘束セクション、および第２コンポジット層は同じまたは異なる厚みを有しており、第２コンポジット層は一体型異方性層である。第１コンポジット層と同様に、第２エラストマーセクションおよび第２半径方向拘束セクションは互いに接着して第２コンポジット層を形成することができる。代替的に、第２半径方向拘束セクションは第２エラストマーセクションに被包されていてよい。半径方向拘束セクションはコンポジット層において均等または不均等に分配されていてよい。いくつかの実施形態において、半径方向拘束セクションは、コンポジット層の縁の１つに平行またはコンポジット層の縁の１つにある角度で配向した半径方向拘束ストリップを含んでいる。その角度（θ）は任意の範囲であるかまたはいくらかの値を有することができる。いくつかの実施形態において、θは約１０、２０、３０、４０、４５、５０、６０、７０、８０度であるかまたはここで開示された値のうち任意の２つにより制限された範囲である。これらの実施形態に記載のソフトコンポジットアクチュエータは図４Ｃー４Ｄを参照して記載される。

図４Ｃは、互いに接着して気密性（または水密性）の袋を形成する、２つの異方性層４１５および４１７からなる、組立後の線形伸張ソフトコンポジットアクチュエータ４１３の斜視図である。第１コンポジット層４１５は、歪み制限材料からなる半径方向拘束セクション４２１および弾性的材料からなるエラストマーセクション４１９を含む。セクション４１９および４２１は熱的、化学的、および／または機械的方法により互いに接着して一体型第１コンポジット層を形成する。セクション４１９および４２１は両方とも第１コンポジット層４１５と同じ厚みを有している。

図４Ｃにおける歪み制限層４１７は、歪み制限材料からなる半径方向拘束セクション４２５および弾性的材料からなるエラストマーセクション４２３を含む、第２コンポジット層でもある。セクション４２３および４２５は熱的、化学的、および／または機械的方法により 互いに接着して一体型第１コンポジット層を形成する。セクション４２３および４２５は両方とも第１コンポジット層４１７と同じ厚みを有している。

層４１５および４１７の両方は異方性層である。図４Ｄは、駆動前（図４Ｄの上部）および流体加圧下（図４Ｄの下部）における線形伸張アクチュエータ４１３の側面図であって、異方性層４１５および４１７の歪み制限セクション（４２１および４２５）が半径方向の膨張を制限して、線形伸張を促進するフープを形成している。図４Ｄに示されるように、駆動時において、アクチュエータはΔＬの距離で伸張する。

そして、上記記載のこれらの実施形態において、所望の異方的特性を単一の層内、例えば第１または第２コンポジット層内に創り出すことで、複数の材料層の接着の複雑性を軽減することができる。（繊維、糸、不織材料、および高デュロメータ材料などの歪みが制限されている材料からなる）歪み制限セクションは弾性的セクションと組み合わせて、ある他の方向（例えば図４Ａのｘ方向）よりも一方向（例えば図４Ａのｙ方向）により弾性的である単一の一体型層を創り出すことができる。この異方性層が、歪みが制限されている層と接着して、２つの材料層だけから構成される屈曲アクチュエータが得られる。単一層に含まれる異方性は、弾性的材料における鋳型法または歪みが制限されている材料の被包、エラストマーと歪みが制限されている材料との同時ヒートスタンプ、歪みが制限されている材料周りの２つのエラストマーフィルムの挟持、または弾性的材料と歪み制限材料との同時キャスト押し出し、を含むいくつかの手法により達成可能である。さらに、異方性層における弾性的材料および歪み制限材料の間隔と配向の調節が、硬化セクション、屈曲セクション、線形伸張セクション、線形伸張およびひねり運動、屈曲ーひねりセクション（例えば、硬化したセクションと屈曲セクションを有するアクチュエータの例として図５Ａを参照）といった一連の複数の駆動をソフトアクチュエータに組み合わせることが可能となる。同様に異方性層はもう一つのほかのある異方性層と接着して線形アクチュエータを作製可能である（伸張および収縮）。

図４ＡーＦは、弾性的材料と歪み制限材料を、エラストマーセクションおよび半径方向拘束セクションを含む１つの一体型層に組み合わせることで、膨張の方向は制御することが可能であることを示している。いくつかの実施形態において、歪み制限特性を生み出すために、エラストマーセクションおよび半径方向拘束セクションは同時にキャスト押し出しされるか、または埋め込まれた繊維補強材が使用され得る。特別記載された多層型のコンポジット層アクチュエータの様々な応用および変化は、一体型層におけるエラストマー／歪み制限材料の配列を組み合わせることによっても達成され得る。

いくつかの実施形態において、半径方向拘束セクションは、第１または第２コンポジット層の縁の１つに平行に配向した半径方向の歪みストリップを含む（例えば、図４Ａおよび図４Ｃを参照）。

他の実施形態において、半径方向拘束セクションは、コンポジット層の縁の１つにある角度で配向している半径方向の歪みストリップを含む。例えば、図４Ｅは流体加圧下における、屈曲およびひねり運動が可能なソフトコンポジットアクチュエータ４２７の分解図および組立図である。図４Ｅに示すように、歪み制限材料からなる半径方向拘束セクション４３１および弾性的材料からなるエラストマーセクション４２９を含む、一体型第１コンポジット層４３３が提供される。セクション４３１および４２９は、熱的、化学的、および／または機械的な方法により互いに接着して、一体型第１コンポジット層４３３を形成する。セクション４２９と４３１の両方が、第１コンポジット層４３３と同じ厚さを有する。図４Ｅに示すように、半径方向拘束セクション４３１は半径方向拘束ストリップの形態であって、層４３３の水平の縁（ｙ軸として示される）に対して角度（θ）で配向している。θは任意の範囲であるか、または任意の値を持つことができる。いくつかの実施形態において、θは約１０、２０、３０、４０、４５、５０、 ６０、 ７０、 ８０度であるかまたはここで開示された値のうち任意の２つにより制限された範囲である。ある角度をなす要素、例えば、異方性層４３３における４３１または４２９は、均等間隔で配置、断続的間隔で配置、および／または角度勾配をつけて配置され得る。異方性層において弾性的要素および歪みが制限されている要素にある角度をつけることは、ｙ軸に対してある角度で線形成長をすることを促進する。結果として、層４３３が歪み制限層、例えば４３５、と組み合わせられた場合、得られるアクチュエータ４２７は、駆動持において同時に屈曲およびひねり運動をする。

図 ４Ｆは、ある角度をなす弾性的要素および歪み制限要素を有する２つの異方性層を接着させることで、流体加圧下において線形伸張およびひねり運動が可能な駆動装置の分解図および組立図である。半径方向拘束セクション４４５（層４３９の水平縁に対してある角度θを有する）および弾性的セクション４４３を含む第１コンポジット層４３９は、同様に弾性的セクション４４７および半径方向拘束セクション４４９を含む第２コンポジット層４４１と組み合わされて、ソフトコンポジットアクチュエータ４３７を形成する。駆動されると、ソフトコンポジットアクチュエータ４３７は線形伸張およびひねり運動をする。

いくつかの実施形態において、駆動されるとソフトコンポジットアクチュエータは硬化して、補強材と呼ぶことが可能となる。図５Ａは非駆動時の補強材ソフトコンポジットアクチュエータ５０１の上面図（図５Ａの上部）および、流体加圧下において駆動時のアクチュエータの応答（図５Ａの底部）を示している。アクチュエータ５０１の半径方向拘束層５２３は、切り抜きセクション５０５および固体セクション５０３を含む。この配置において、切り抜きはアクチュエータが屈曲が可能な領域と定義されて、半径方向拘束層の固体セクション、例えば５０３、は任意の駆動を制限して、膨張により補強材と呼ばれる加圧チューブを形成する。

図５Ｂは、いくつかの屈曲関節部分５１１が単一のアクチュエータ上にデザインされることができることを例示する、図５Ａの伸張状態である。この図示において、アクチュエータ５０７は固体セクション５０９（駆動時において硬化する）および切り抜きセクション５１１（駆動時においてアクチュエータの屈曲を可能とする）を、半径方向拘束層５１９において含んでいる。結果的に、この閉じたループ型アクチュエータ５０７は、物体周りを覆うための用途または開口部分を生み出すための用途に使用されることができる。

図５Ｃは、多点屈曲アクチュエータが単一積層体上に組み合わされることができることを例示する、図５Ａの拡張である。この図において、アクチュエータ５１３は、屈曲アクチュエータは配列されて、把持装置を形成する。アクチュエータ５１３は、開口部、例えば、切り抜きセクション５２５および固体セクション５２７を含む、半径方向拘束層５１７を有する。図５Ｃの底部は、アクチュエータの袋がチューブの接続を介して加圧流体源に接続して３つの指が作動して、１つは加圧流体源に接続していないまたは異なる加圧流体源に接続している状況の概要を示している。この図において、４つの独立した屈曲アクチュエータは配列されて把持装置を形成する。結果的に３つの指および第４の指は別々に制御されることが可能である。

開口部、例えば切り抜きセクション、および固体セクションの位置は、任意の所定の方式で調整および配列されて、所望の屈曲、例えば駆動後のアクチュエータの任意の好ましい動作または形状の範囲を達成することができる。例えば、図４Ｅ−４Ｆに示されるように、半径方向拘束セクションは配列されてアクチュエータの材料層の縁とある角度を有することが可能であり、これにより（図示されていないが）同時の屈曲およびひねり運動が可能となる。

図６Ａは、多機能を単一の積層体上に組み合わせた駆動装置６０５の上面図および等軸測視図を図示している。この図において、２つの屈曲アクチュエータ６０１（その半径方向拘束層に切り抜きを有する）は２つの補強材６０３（その半径方向拘束層に固体セクションを有する）を介して接続している。アクチュエータの材料層は６０７のような周囲部分において接着している。このように、単一の袋を用いることで単一のシート上において、多機能を達成することができる。図６Ａにおいて、アクチュエータ６０５の長方形のプロファイルは周囲部分の熱的接着および（６０７に示される）内部方向にある距離で補われた第２接着を有している。長方形の２つの垂直サイド（６１７）において、半径方向拘束層は、屈曲アクチュエータを定義する開口部、例えば切り抜き、を有しており、一方で他の２つのサイド、つまり水平サイド６１９、においては半径方向拘束層は開口部を有しておらず、流体加圧下において構造要素として使用可能な硬い膨張したチューブとなる。

図６Ｂは、屈曲アクチュエータを支持してより広い範囲の填補を達成するために使用される複数の補強材を有するアクチュエータ装置６１５を示す。この図において、２つの屈曲アクチュエータ６１１（その半径方向拘束層に切り抜きを有する）は４つの補強材６１３（その半径方向拘束層に固体セクションを有する）を介して接続されている。アクチュエータの材料層は６０９のような周囲部分で接着している。この実施形態において、アクチュエータはより広い範囲を填補して屈曲運動を生み出すために使用されることが可能である。例えばこれは脚に添える副木として使用可能であり、負傷部分の長さに沿った安定性（すなわち、硬質性）も提供する。いくつかの実施形態において、駆動装置の各々のセクションの各々の機能をより高度に制御するために単一のアクチュエータの袋が複数の袋に分離されることが可能である。例えば、異なる圧力において操作することができるため、補強材は屈曲アクチュエータから分離された袋である必要がある場合がある。

いくつかの実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータはさらに１つまたは複数の、歪み制限層に隣接した剛質要素を含む。剛質要素はアクチュエータボディに追加されて、別個の屈曲点を定義してもよいし、または改善された力伝達または安定性のために特定の長さを剛質化してもよい。いくつかの実施形態において、剛質要素はさらに、より急な屈曲の曲率半径を可能として、補助装置のための実装基盤として使用可能である。

図７Ａは、剛質要素を追加の層として組み込んでいる駆動装置７１３の分解図および断面図を図示している。ソフトアクチュエータ７１３は、半径方向拘束層７０１、弾性層７０３、歪み制限層７０５および剛質要素７０９を含む剛質要素層７０７を含んでいる。これらの層は重なって、互いに接着して、アクチュエータ７１３を提供する。

図７Ｂは、流体加圧下における剛質要素を含む屈曲アクチュエータ７１３の側面図であって、剛質要素間の隙間、例えば位置７１５においてのみ屈曲する。図７Ｂは、図７Ａにおける上記の４つの層７０１、７０３、７０５および７０７を有するアクチュエータ７１３を示している。駆動時において、弾性層７１１のある部分が、半径方向拘束層７０１における開口部、例えば切り抜き、を通って膨張する。いくつかの実施形態において、剛質要素間の空間が増大されて曲率半径を増大してもよい。

本明細書で記載されるソフトコンポジットアクチュエータは様々な機能を有していてよい。いくつかの実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは、切り込みを広げる、動く、臓器や筋肉および／または骨を移動させる、関節を補強する、関節の動きを支持するために装着される、物体を形状マッチさせる、既定の屈曲関節部分が折りたたまれて、折り紙様構造を生み出す、物体の十分な把持を達成する、または物体に対して共形のパッドされた層を生み出すように構成される。

いくつかの実施形態において、材料層の１つ、例えば弾性層、は半径方向拘束層および／または歪み制限層に接着する前に予歪みが与えられている。弾性層へ予歪みが使用されてバイモルフ屈曲アクチュエータを生み出すことが可能である。これは、非加圧時においてロープロファイルの把持装置を作製するための方法として使用されることが可能であり、加圧時においては物体周りに適合可能である。任意の他のタイプの材料層も同様に予歪みが与えられることが可能である。

図８Ａは、組立時において予歪みが与えられた層を組み合わせたバイモルフ屈曲アクチュエータの組立を示している。弾性層８０３は、半径方向拘束層８０１と歪み制限層８０５が接着される前に、８０７および８０９の方向に予歪みが与えられる。図８Ｂは、異なる加圧ステップにおけるバイモルフ屈曲アクチュエータ８２５の動作範囲を示している。非流体加圧下（状態８１１）において、予歪みが与えられた弾性層はアクチュエータ８２５をカールした位置から開始させる。部分的流体加圧下（状態８１３）において、アクチュエータ８２５はカール状態でなくなり真っ直ぐになる。アクチュエータが完全に加圧される（状態８１５）と、それは反対サイドへとカールする。

図８Ｃは、反転するバイモルフ屈曲アクチュエータを使用して把持装置８２７を形成することが可能であることを図示している。非加圧状態８１７において、把持装置はカールして物体８２３を掴まない。部分的駆動状態８１９において、把持装置８２７は物体８２３を部分的に掴むだけである。最終的に、把持装置８２７は完全に加圧されて（状態８２１）、物体８２３は把持装置８２７によりきつく囲まれる。同様にバイモルフ屈曲アクチュエータは、互いに接着している（または同一の歪み制限層を共有する）２つの反転屈曲アクチュエータを用いて創り出すことも可能である。

いくつかの実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは多自由度系屈曲アクチュエータである。いくつかの特定の実施形態において、駆動の自由度、例えばソフトコンポジットアクチュエータの屈曲が、袋内部の流体加圧により制御かつ微調整され得る。いくつかの実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは１つまたは複数の空気式または油圧式の接続につながっている。例えば、袋に接続している空気式または油圧式の接続、例えば流体ポンプは、流体に対して異なる圧力を適用して、駆動、例えば屈曲、の異なる自由度をもたらし得る。

図９Ａ−９Ｃは図４Ｃの拡張であり、複数の線形伸張アクチュエータが同一の積層体上で集められて多自由度系屈曲および伸張アクチュエータを形成している。これらの図において、２つの異方性層（図９Ｂにおける第１コンポジット層９０１および第２コンポジット層９０３）が、９１１として示される位置で違いに接着して、それらが３つの異なる袋９０５、９０７および９０９を形成している。それぞれの第１および第２コンポジット層が弾性的セクション９１３および半径方向拘束セクション９１５を有している。接着後、３つの線形アクチュエータ９１７，９１９および９２１が形成される。

図９Ｂは図９Ａの端面図（図９Ｂの上部）であって、積層体が端９２３において端と端とで接着して管型形状（図９Ｂの下部）を形成している、多自由度系屈曲および伸張アクチュエータの作製における続けてのステップを図示している。

図９Ｃは、アクチュエータの１つの袋が選択的に加圧されると、それが線形伸張して、管状構造を角度θにまで屈曲させることを示している（概略９２７）。１つまたは複数のチャンバー／袋の流体加圧が屈曲およびいくつかの線形伸張をもたらす。一方で、全ての袋の等しい加圧はアクチュエータに線形伸張のみをもたらす（概略９２９）。概略９２７について注記すると、袋の１つのみが加圧されて、圧力Ｐ_１を有し、これは外部大気圧よりも大きい。概略９２９において、３つの袋の全てが等しく加圧されて、圧力Ｐ_１、Ｐ_２、およびＰ_３を有しており、これらは外部大気圧よりも大きい。

いくつかの実施形態において、本明細書で記載されるソフトコンポジットアクチュエータは四肢を安定化するために使用され得る。いくつかの実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは副木の一部または副木である。他の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは、複数の指を含む把持装置の一部であるか、または把持装置である。

図１０は、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、着用可能な応用の斜視図であって、関節部の動作を補助するように、ソフトアクチュエータが手袋１００１に組み込まれている。手袋１００１は、半径方向拘束層に切り抜き１００３を含み、指関節の屈曲を収容する。材料層ー接着アプローチは、手の閉じる動作を支持するトルクを指関節に対して適用可能なソフトアクチュエータのネットワークの統合を可能とする。手の平サイドにおける同様の設計が、手の開く動作の補助を可能とする。このアプローチを用いて、材料層は、アクチュエータを形成してかつ手袋の材料としての役割を果たすという、２つの機能の役割を果たすことが可能である。

いくつかの実施形態において、材料層の１つ、例えばエラストマー層、歪み制限層、第１および第２コンポジット層（下記記載）、ならびに／または半径方向拘束層は、流体の吸収、光の透過、色または発光の変化、ソフトセンサーの埋込、貼り薬の埋込、少なくとも１つの電気回路の部分の埋込、発熱体の埋込、およびこれらの組合せ、からなる群から選択される１つまたは複数の機能を有するように構成される。

図１１は、複数機能を例示する本明細書に記載の材料層の斜視図である。いくつかの実施形態において、本明細書に記載の任意の材料層はエレクトロニクス、発熱体、センサーなどを組み込むことが可能である。図１１（左部分）に示されるように、発熱体１１０５は材料層１１０１、例えば歪み制限層に組み込まれる。また、図１１（右部分）に示されるように回路基板または電子素子１１０７が、材料層１１０３、例えば歪み制限層に組み込まれる（例えば印刷される）ことが可能である。本明細書に記載の任意の材料層は、フレックスセンサー、慣性計測装置（ＩＭＵｓ）、またはソフトセンサーによるセンサー機能を有することが可能である。

図１２は、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、駆動装置が接続された加圧袋を使用して力を伝える駆動装置１２０１の側面図の、一連の流れを示している。ステップ１２１５において、１２０３といった位置において複数の材料層を接着することにより、アクチュエータ１２０１が形成される。アクチュエータ１２０１は、互いに流体が接続状態にある、３つの袋１２０５，１２０７および１２０９を有している。ステップ１２１７において、ある重量のある物体１２１３が袋１２０７に配置されて、加圧流体１２１１が袋に注入される。袋１２０５および１２０９は膨張するが袋１２０７は、物体１２１３の重力によって膨張しない。ステップ１２１９において、力Ｆが袋１２０５および１２０９上に適用される。力Ｆは人為的または機械的手法により適用されることが可能である。結果として、加圧流体が袋１２０７へと力がかけられて、袋１２０７を膨張させて、かつ同時に物体１２１３をΔＤの高さだけ上方へと移動させる。このように、材料層の柔軟な性質が袋を非平面的シナリオで操作することを可能とし、そこで流体は狭い開口部、例えば開口部１２２１を通って、通り抜け可能である。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載のソフトコンポジットアクチュエータは全ての材料層を含む、予備的に重ねられた積層体の部分を接着することで作製されることが可能である。材料層は予備的に重ねられるかまたは多層積層体へと巻かれてよい。使用時において、所望の積層体の大きさが取り除かれて、例えば切断されて、接着されて、ソフトコンポジットアクチュエータを形成してよい。いくつかの実施形態において、積層体の２つまたはそれ以上の部分が切断されて互いに接着して、２つまたはそれ以上の本明細書に記載のソフトアクチュエータを含むソフト駆動装置を形成することが可能である。

いくつかの実施形態において、予備的に重ねられた積層体は第１エラストマーの積層体層、歪み制限積層体層、および第１半径方向拘束積層体層を含んでいる。積層体の部分は分離されて、一緒に重なっている第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層を提供する。そしてこれらの層は互いに接着して本明細書に記載のソフトコンポジットアクチュエータを提供し得る。

いくつかの実施形態において、予備的に重ねられた積層体は一体型、第１コンポジットおよび歪み制限積層体層を含む。積層体の部分は分離されて、一緒に重ねられた第１コンポジット層および歪み制限層を提供する。そしてこれらの層は互いに接着して本明細書に記載のソフトコンポジットアクチュエータを提供し得る。

図１３Ａは、本明細書中１つ以上の実施形態に記載の、駆動装置のロールシートが所望の長さへとカットされて、シーリング器具により袋が再び密封され得る、描写の一連の流れである。ステップ１３０１において、１３１１といった位置において接着した複数の材料層がロールに巻かれている。使用中において、ロールの所望の部分が切断されることが可能である。シーリング器具１３１３を使用することで、新しく切断されてできた縁が、封着されることが可能である（ステップ１３０３）。ステップ１３０５に示されるように、封着された縁１３１９は封着されたまま残して、切断された部分がさらに分断されることが可能である。

図１３Ｂは、どのように材料層ロールの切断部分が互いに組立られて異なる駆動装置の範囲を形成できるかを図示している。ステップ１３０７において、（その半径方向拘束層に切り抜き１３１５を含む）屈曲アクチュエータ１３２１および（その半径方向拘束層に切り抜き１３２７を含む）屈曲アクチュエータ１３２５が、（その歪み制限層に固体歪み制限セクション１３１７を含む）硬化アクチュエータ１３２３に連結している。ステップ１３０９において、得られる駆動装置１３２９が駆動されて、装置の屈曲部分（１３２１および１３２５）が屈曲し、一方で硬化部分（１３２３）は硬化する。これらの図示は、本明細書に記載の任意のソフトアクチュエータ、例えば屈曲、線形伸張、収縮、屈曲／ひねり、および硬化アクチュエータのシートが、様々な設計に向けて、ある長さに切断されて、密封されて、そして組立られることが可能であるという、コンセプトを提供する。

ある実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータの材料層シートを保持するためのパッケージングは、パッケージングシールのインテグリティを含むことなく、安全に熱接着パターンを伝達することが可能である。いくつかの実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータの材料層、例えばエラストマー層、歪み制限層、半径方向拘束層、第１コンポジット一体型層、および／または第２コンポジット一体型層、が１つのパッケージに含まれる。少なくとも２層の部分の接着は、パッケージに危害を及ぼさない外部手法により、ソフトコンポジットアクチュエータを所定の形状で形成可能である。いくつかの実施形態において、少なくとも２層の部分が、パッケージを通る外部熱源により接着する。他の実施形態において、パッケージはさらに発熱体を含み、活性発熱体から生み出される熱により接着が達成される。発熱体の非限定的例示は、誘導加熱、化学反応加熱、またはニクロム線、グラファイトなどの電気発熱体を含む。

図１４は、積層体の層がパッケージング（滅菌状態および非滅菌状態）の中に含まれている、駆動装置の袋が定義される、プロセスを描写している。図は、パッケージングシールのインテグリティを減少することなく、安全に熱接着パターンを伝達することが可能なパッケージングを図示している。このコンセプトは在庫の需要を満たす解決法を提供する。ステップ１４０７において、滅菌状態（または非滅菌状態）のパッケージング１４０３は熱的に接着している材料層シート１４０１を保持している。パッケージングの面は接着パターン１４０５を含んでよい。ステップ１４０９において、パッキングの面上にラベルされた熱的接着パターン１４１３に沿って、熱的（または化学的または機械的）に所望の袋を接着させるために、接着装置が使用される。よって、ステップ１４０９において、熱的接着パターン（この場合、長方形）がパッケージの内容に転写される一方でパッケージ内容物の無菌性が依然維持されている。ソフトコンポジットアクチュエータ１４１５が必要な場合、パッケージから取り出される（ステップ１４１１）。

さらに別の態様において、次を含む駆動の方法が記載されている：
本明細書に記載の任意の実施形態のソフトコンポジットアクチュエータの提供；および
袋を流体を用いて加圧；ここで、ソフトコンポジットアクチュエータが所定の方式で駆動する。

いくつかの実施形態において、材料層が配列かつ接着されて、構造的異方性を生み出す。
いくつかの実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータの駆動は、屈曲動作、屈曲とひねりの組合せ動作、線形伸張、線形伸張とひねりの組合せ、線形収縮、線形収縮とひねりの組合せ、およびそれらの任意の組合せから選択された１つまたは複数の動作を達成する。いくつかの特定の実施形態において、ソフトコンポジットアクチュエータは流体加圧により硬化する。袋は異なる圧力が注入されて、調整可能な硬さの表面を達成してもよい。外部加圧流体源によって、異なる圧力が制御されるかまたは調製されてよい。

さらに別の態様において、本明細書の任意の実施形態で記載される複数のソフトコンポジットアクチュエータを含む、ソフト駆動装置が記載される。複数のソフトコンポジットアクチュエータは同じ流体源または２つまたはそれ以上の異なる流体源に接続されてよい。ある実施形態において、ソフト駆動装置は、本明細書に記載の任意の実施形態に記載の第１および第２ソフトコンポジットアクチュエータを含む。第１ソフトアクチュエータは第１加圧流体源に接続されていてよく、かつ第２ソフトアクチュエータは第２加圧流体源に接続されていてよい。よって、第１および第２流体源を交互に作動させることで第１および第２ソフトコンポジットアクチュエータは別々にまたは交互に駆動されてよい。いくつかの特定の実施形態において、第１ソフトアクチュエータは本明細書に記載の補強材である。いくつかの特定の実施形態において、第２ソフトアクチュエータは本明細書に記載の屈曲アクチュエータである。よって、ソフト駆動装置における個々のソフトコンポジットアクチュエータの袋に接続した異なる流体源を駆動させることで、ソフト駆動装置が異なる動作、例えば屈曲または硬化、を可能とするように制御されてもよい。

さらに別の態様において、次を含む、本明細書に記載の任意の実施形態によるソフトコンポジットアクチュエータの作製の方法が開示される：
第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層の提供；ここでエラストマー層は半径方向拘束層と歪み制限層の間に配置される；および
少なくとも１つの加圧流体を保持するための袋を定義する封着された周囲部分を形成して、第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層の接着。

いくつかの実施形態において、第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層の提供は、第１エラストマーの積層体層、歪み制限積層体層、および第１半径方向拘束積層体層を含む予備的に重ねられた積層体を提供することを含み；積層体の部分を分離して、重ね合わさった第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層を提供することを含む。よって、必要に応じて、ソフトコンポジットアクチュエータの材料層は、予備的に重ねられて、切断、接着されていてよい。

さらに別の態様において、次を含む、本明細書に記載の任意の実施形態によるソフトコンポジットアクチュエータの作製の方法が開示される：
本明細書に記載の第１コンポジット層および歪み制限層の提供；および
少なくとも１つの加圧流体を保持するための袋を定義する封着された周囲部分を形成して、第１コンポジット層および歪み制限層、の部分の接着。いくつかの実施形態において、歪み制限層は本明細書に記載の第２コンポジット層を含む。

いくつかの実施形態において、第１コンポジット層および歪み制限層の提供は第１コンポジット積層体層および歪み制限積層体層を含む予備的に重ねられた積層体を提供することを含み；および積層体の部分を分離して、重ね合わさった第１コンポジット層および歪み制限層を提供することを含む。

接着は、熱的方法、化学的方法、機械的方法、およびそれらの組合せからなる群から選択される方法により達成される。いくつかの実施形態において、方法はさらに接着後のソフトコンポジットアクチュエータからの余分な材料の除去を含む。

さらに別の態様において、１つまたは複数の機能のために任意の実施形態のソフトアクチュエータを使用する方法が記載され、力の分配、材料の混合、材料のハンドリング、持ち上げ、把持、太陽電池セルまたはミラーのステアリング、表面上での材料のステアリングからなる群から機能が選択される。

いくつかの実施形態において、表面上での材料のステアリングは液体の移動または固体物体を移動させることを含む。

例示の目的のために、本発明の実施形態が図示されかつ記載されたが、これらの他の形態が本開示を参照することで当業者にとって明らかとなり、したがって、そのような、図示されかつ記載された特定の実施形態からの出発は本発明の精神と範囲の中に含まれるものとみなされることに注意されるべきである。

Claims (46)

1. 歪み制限層；
   第１半径方向拘束層；および
   第１半径方向拘束層と歪み制限層の間に配置されている、第１エラストマー層；
   を含むソフトコンポジットアクチュエータであって、
   ここで第１エラストマー層、歪み制限層および第１半径方向拘束層は互いに接着して、加圧流体を保持するための、少なくとも１つの袋を形成し、
   半径方向拘束層が、隣接した第１エラストマー層の１つまたは複数の部分が駆動時に通って膨張する、１つまたは複数の開口部を含み、かつ、
   半径方向拘束層が、１つまたは複数の、開口部を有さない歪み制限セクションを含む、ソフトコンポジットアクチュエータ。
2. 接着が、熱接着、化学接着、機械的接着およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
3. ソフトコンポジットアクチュエータがさらに第１エラストマー層に隣接して配置されている第２エラストマー層を含み、かつ歪み制限層が第２半径方向拘束層を含む、請求項１または２に記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
4. 半径方向拘束層が１つまたは複数の半径方向拘束セクションを含む、請求項１〜３のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
5. 半径方向拘束セクションが半径方向拘束層において均等または不均等に分配された半径方向拘束ストリップを含む、請求項４に記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
6. 半径方向拘束ストリップが半径方向拘束層の縁の１つに対して平行、または半径方向拘束層の縁の１つに対して斜めに配向している、請求項５に記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
7. 半径方向拘束ストリップが第１エラストマー層に接着している、請求項５または６に記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
8. 第１エラストマー層、歪み制限層および第１半径方向拘束層が互いに接着して、加圧流体を保持するための複数の袋を形成している、請求項１〜７のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
9. ソフトコンポジットアクチュエータがさらに、歪み制限層に隣接した１つまたは複数の剛質要素を含む、請求項１〜８のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
10. 袋が気体および液体からなる群から選択される加圧流体を収容するようにデザインされている、請求項１〜９のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
11. エラストマー層、歪み制限層、および半径方向拘束層の１つが、流体の吸収、光の透過、色または発光の変化、ソフトセンサーまたは貼り薬の埋込、少なくとも１つの電気回路または発熱体の部分の埋込、もしくはこれらの組合せの機能を、有するように構成される、請求項１〜１０のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
12. ソフトコンポジットアクチュエータは、複数の指を含む副木、把持装置、または手袋の部分であるか、もしくは副木、把持装置、または手袋である、請求項１〜１１のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
13. 1つまたは複数の第1エラストマーセクションおよび1つまたは複数の第1半径方向拘束セクションを含む、長さと幅を有する第1コンポジット層；
    1つまたは複数の第２エラストマーセクションおよび、第２コンポジット層の幅を横切る1つまたは複数の第２半径方向拘束セクションを含む、長さと幅を有する第２コンポジット層；
    を含むソフトコンポジットアクチュエータであって、
    第１コンポジット層と第２コンポジット層は互いに接着して、加圧流体を保持するための、少なくとも１つの袋を形成し、第１および第２半径方向拘束セクションが袋の半径方向の膨張を拘束し、第１および第２エラストマーセクションが第１および第２コンポジット層の長さに沿った膨張を可能とする、ソフトコンポジットアクチュエータ。
14. 第１および／または第２コンポジット層が同じ厚みを有する、請求項１３に記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
15. 第１エラストマーセクションおよび第１半径方向拘束セクションが第１コンポジット層の長さに沿って異なる厚みを有する、請求項１３〜１４のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
16. 接着が、熱的接着、化学接着、機械的接着およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１３〜１５のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
17. 第１半径方向拘束セクションは、第１コンポジット層の縁の１つに対して平行または第１コンポジット層の縁の１つに対してある角度で配向した半径方向拘束ストリップを含んでいる、請求項１３〜１６のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
18. 第１半径方向拘束ストリップは、第１コンポジット層において、均等または不均等に分配されている、請求項１７に記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
19. 第１コンポジット層および第２コンポジット層が、互いに接着して、加圧流体を保持するための複数の袋を形成する、請求項１３〜１８のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
20. ソフトコンポジットアクチュエータはさらに、第２コンポジット層に隣接した１つまたは複数の剛質要素を含む、請求項１３〜１９のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
21. 袋は、気体および液体からなる群から選択される加圧流体を収容するようにデザインされる、請求項１３〜２０のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
22. 第１コンポジット層および第２コンポジット層の１つが、流体の吸収、光の透過、色または発光の変化、ソフトセンサーまたは貼り薬の埋込、少なくとも１つの電気回路または発熱体の部分の埋込、もしくはこれらの組合せの機能を、有するように構成される、請求項１３〜２１のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
23. ソフトコンポジットアクチュエータは、複数の指を含む副木、把持装置、または手袋の部分であるか、もしくは副木、把持装置、または手袋である、請求項１３〜２２のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータ。
24. 複数の、請求項１〜１２のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータを含む、ソフト駆動装置。
25. 複数のソフトコンポジットアクチュエータが
    第１流体源に接続している第１ソフトコンポジットアクチュエータ；および
    第２流体源に接続している第２ソフトコンポジットアクチュエータ、
    を含む、請求項２４に記載のソフト駆動装置。
26. 複数の、請求項１３〜２３のいずれかに記載のソフトコンポジットアクチュエータを含む、ソフト駆動装置。
27. 請求項１または１３に記載のソフトコンポジットアクチュエータを提供すること、および
    少なくとも１つの袋を、流体を用いて加圧して、ソフトコンポジットアクチュエータを所定の方式で駆動すること
    を含む、駆動の方法。
28. 加圧が、屈曲動作、屈曲とひねりの組合せ動作、線形伸張、線形伸張とひねりの組合せ、線形収縮、線形収縮とひねりの組合せ、およびそれらの組合せから選択された１つまたは複数の動作を達成する、請求項２７に記載の方法。
29. ソフトコンポジットアクチュエータが、切り込みを広げるまたは動く、臓器や筋肉および／または骨を移動させる、関節を補強する、関節の動きを支持するために装着される、物体を形状マッチさせる、既定の屈曲関節部分が折りたたまれて折り紙様構造を生み出す、物体の十分な把持を達成する、または物体に対して共形のパッドされた（ｐａｄｄｅｄ）層を生み出すように構成される、請求項２７〜２８のいずれかに記載の方法。
30. 流体が温度制御される、請求項２７〜２９のいずれかに記載の方法。
31. ソフトコンポジットアクチュエータが加圧により硬化する、請求項２７〜３０のいずれかに記載の方法。
32. 少なくとも１つの袋が、第１流体圧力下、第１級の硬さにまで膨張するよう、または第１流体圧力とは異なる第２流体圧力下、第２級の硬さにまで膨張するように構成される、請求項２７〜３１のいずれかに記載の方法。
33. アクチュエータが、力の分配、材料の混合、材料のハンドリング、持ち上げ、把持、太陽電池セルまたはミラーのステアリング、または表面上での材料のステアリングをなすように駆動される、請求項２７〜３２のいずれかに記載の方法。
34. 請求項２４に記載のソフト駆動装置の提供をすること、および
    少なくとも１つの袋を、１つまたは複数の流体を用いて加圧して、ソフト駆動装置を所定の方式で駆動すること
    を含む、駆動の方法。
35. 請求項２５に記載のソフト駆動装置の提供をすること、および
    交互に第１流体源および第２流体源を作動することによる、交互に第１ソフトコンポジットアクチュエータおよび第２ソフトコンポジットアクチュエータの加圧をすること、
    を含む駆動の方法。
36. 加圧時、第１ソフトコンポジットアクチュエータは屈曲して、かつ、加圧時、第２ソフトコンポジットアクチュエータが硬化する、請求項３５に記載の方法。
37. 第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層の提供（ここでエラストマー層は半径方向拘束層と歪み制限層の間に配置される）をすること、および
    少なくとも１つの加圧流体を保持するための袋を形成して、第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層の接着をすること
    を含み、
    半径方向拘束層が、隣接した第１エラストマー層の１つまたは複数の部分が駆動時に通って膨張する、１つまたは複数の開口部を含み、かつ、
    半径方向拘束層が、１つまたは複数の、開口部を有さない歪み制限セクションを含む、
    ソフトコンポジットアクチュエータの作製の方法。
38. 第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層の提供が
    第１エラストマーの積層体層、歪み制限積層体層、および第１半径方向拘束積層体層を含む予備的に重ねられた積層体の提供をすること、および
    重ね合わさった第１エラストマー層、歪み制限層、および第１半径方向拘束層を提供する、積層体の部分の分離をすること、
    を含む、請求項３７に記載の方法。
39. １つまたは複数の第１エラストマーセクションおよび１つまたは複数の第１半径方向拘束セクションを含む、長さと幅を有する第１コンポジット層、ならびに、１つまたは複数の第２エラストマーセクションおよび、第２コンポジット層の幅を横切る1つまたは複数の第２半径方向拘束セクションを含む、長さと幅を有する第２コンポジット層の提供をすること、および
    少なくとも１つの加圧流体を保持するための袋を形成して、第１コンポジット層および第２コンポジット層の接着をすること
    を含み、
    第１および第２半径方向拘束セクションが袋の半径方向の膨張を拘束し、第１および第２エラストマーセクションが第１および第２コンポジット層の長さに沿った膨張を可能とする、
    ソフトコンポジットアクチュエータの作製の方法。
40. 第１コンポジット層および第２コンポジット層の提供をすることが
    第１コンポジット積層体層および第２コンポジット積層体層を含む予備的に重ねられた積層体の提供をすること、および
    重ね合わさった第１コンポジット層および歪み制限層を提供する、積層体の部分の分離をすること
    を含む、請求項３９に記載の方法。
41. 接着が、熱的接着、化学接着、機械的接着およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項３７〜４０のいずれかに記載の方法。
42. エラストマー層、歪み制限層および半径方向拘束層が１つのパッケージに含まれる、請求項３７〜３８のいずれかに記載の方法。
43. 接着が、パッケージに損傷を及ぼさずに、パッケージングを通る外部熱またはパッケージング内部の発熱体により生成される内部熱により達成される、請求項４２に記載の方法。
44. エラストマー層または第１コンポジット層が、接着前に予歪みがかかった状態である、請求項３７または３９に記載の方法。
45. 接着前または接着中において１つまたは複数の第１エラストマー層、歪み制限層、第１半径方向拘束層、および第１コンポジット層が非平面的形状を有している、請求項３７または３９に記載の方法。
46. 第１コンポジット層および第２コンポジット層がパッケージに含まれる、請求項３９〜４１の方法。

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