TWI758370B - 人工肌肉致動器之改良技術(三) - Google Patents

人工肌肉致動器之改良技術(三) Download PDF

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Abstract

一致動器包括複數個人工肌肉纖維及至少一傳導材料。至少一傳導材料在致動器的致動期間電性刺激複數個人工肌肉纖維。一致動器裝置包括至少一人工肌肉纖維及至少一高強度抗潛變纖維。

Description

人工肌肉致動器之改良技術(三) 交叉參考相關申請案
本申請案係主張依循35 U.S.C.§119(e)對於2016年12月8日提申的美國臨時申請案62/431,717、及2017年2月23日提申的美國臨時申請案62/462,544之優先權，且該等申請案的整體內容以參考方式併入本文。
本發明係有關於人工肌肉致動器之改良技術。
以扭曲聚合性與奈米碳管(CNT)纖維及紗為基礎的熱驅動式扭轉致動器係具有廣泛的應用範圍。包含扭曲及/或線圈狀聚合物的人工肌肉致動器係具有低成本、高產量及設計簡單性之優點。人工肌肉致動器因為大幅簡化工程及較低的生產成本而可具有優於小型馬達之優點。
在一態樣中，根據本揭示的一致動器裝置可包括複數個人工肌肉纖維及至少一傳導材料，該至少一傳導材料在致動期間電性刺激複數個人工肌肉纖維。
在另一態樣中，根據本揭示的一致動器裝置可包括至少一人工肌肉纖維及至少一高強度抗潛變纖維。
將從下文描述及附帶的申請專利範圍得知所請求標的物之其他態樣及優點。
100,200,300:人工肌肉致動器束
102,202,302,402,502:人工肌肉纖維
104,204,304:傳導材料線結構
400,500:人工肌肉致動器
424:中央高強度纖維；高強度抗潛變纖維
524:高強度纖維
602:線圈狀人工肌肉
652:彈簧
下文將參照附圖描述本揭示的特定實施例，其中類似的代號表示相似的元件。然而應瞭解：附圖係繪示本文所描述的不同實行方式而無意限制本文所述的不同技術之範圍。
圖1係為根據本文所揭露的一或多個實施例之一人工肌肉致動器束的示意圖；圖2係為根據本文所揭露的一或多個實施例之一第二人工肌肉致動器束的示意圖；圖3係為根據本文所揭露的一或多個實施例之一第三人工肌肉致動器束的示意圖；圖4係為根據本文所揭露的一具有抗潛變性之人工肌肉致動器束的示意圖；圖5係為根據本文所揭露的一具有抗潛變性之第二人工肌肉致動器束的示意圖；圖6係為根據本文所揭露之與一彈簧呈平行運行的一線圈狀人工肌肉致動器之示意圖。
在本發明的實施例之下列詳細描述中，提出許多特定細節以供更徹底瞭解本發明。然而，一般熟悉該 技藝者將瞭解：本發明可以在不具有這些細節下實行。在其他案例中，並未詳述熟知的形貌體以免使描述變得不必要地複雜。
現在將參照附圖來詳述本揭示的實施例。不同圖中類似的元件係可以相似代號表示以求一致。並且，一般熟悉該技藝者將瞭解：本文所揭露的實施例可以在不具有所提供的特別細節下實行，以容許更徹底瞭解所請求之標的物。尚且，一般熟悉該技藝者將易於知道附圖中的元件尺度可變動而不脫離本揭示的範圍。
本揭示的一或多個實施例係有關於人工肌肉致動器。一或多個實施例係包括人工肌肉纖維的束化，以形成一人工肌肉致動器。一或多個實施例係包括抗潛變性(creep resistance)。一般熟悉該技藝者將瞭解：本文所揭露的實施例可與其他實施例作組合使用，或併入其他既有的致動器技術中，諸如上文藉由參考所併入者。
請瞭解除非另行明述，「或」用語係為「包括性或」。在「包括性或」的定義下，請瞭解「A或B」用語係指「單獨A、單獨B、或A與B兩者」。類似地，請瞭解「A、B或C」係指「單獨A、單獨B、單獨C、A與B兩者、A與C兩者、B與C兩者、或A與B與C」。
根據本文所揭露的實施例，一奈米碳管層係由堆積在彼此頂上的複數個奈米碳管(CNT)片所構成。在一或多個實施例中，複數個CNT片可包含包繞在自身上數次的單片。根據本文所揭露的實施例，此等CNT片可被視 為等向性。在一或多個實施例中，這些CNT片在堆積於彼此頂上時變成實質不可分離且不會解開。CNT層在部分實例中可含有50個CNT片、100個CNT片、或更多。
人工肌肉裝置亦可稱為片肌肉裝置、複合奈米纖維人工肌肉、複合肌肉裝置、複合致動器、人工肌肉致動器、或類似物。
複合用語係用來表示CNT片被滲入有一客體致動材料以形成一或多個CNT層，且進一步地，CNT層亦可包括其他材料。例如，材料可包括彈性體(例如以矽氧為基礎的橡膠、聚氨酯、苯乙烯-丁二烯共聚物、天然橡膠、及類似物)、氟化塑膠(例如過氟烷氧基烷烴(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯(FEP)、及類似物)、芳醯胺、(例如克維拉(Kevlar)、諾邁柯斯(nomex)、及類似物)、環氧樹脂、聚醯亞胺、石蠟蠟、及類似物。
在本文揭露的實施例中，紗係為一長、連續長度的互鎖纖維。在一CNT紗中，纖維係為CNT，且一核心纖維係為供CNT層包繞其周圍之纖維。
請瞭解除非另行明述，「或」用語係為「包括性或」。在「包括性或」的定義下，請瞭解「A或B」用語係指「單獨A、單獨B、或A與B兩者」。類似地，請瞭解「A、B或C」係指「單獨A、單獨B、單獨C、A與B兩者、A與C兩者、B與C兩者、或A與B與C」。
一般而言，本發明的實施例係有關於肌肉纖維致動器技術之進展。例如，本發明的實施例係包括一包 含人工肌肉纖維的束化之人工肌肉致動器。本發明的實施例亦包括抗潛變性。
本發明的實施例係包括致動器材料，或人工肌肉，其包括在藉由吸收、或藉由其他手段、被電性、光子性、熱性、化學性供應動力時將產生扭轉及/或拉張致動之扭紡(twist-spun)奈米纖維紗及扭曲聚合物纖維。本發明的實施例係包括利用線圈狀紗或聚合物纖維且可能為純的(neat)抑或包括一客體(guest)之致動器。
在一或多個實施例中，一人工肌肉致動器係由束狀人工肌肉纖維構成。根據本文揭露的實施例，相較於相似總直徑的單一纖維而言，束縛在一起的許多小直徑纖維係可增大總扭矩輸出。例如，由於紗動力學的緣故，一聚合物肌肉纖維的功率輸出係可遵循圈數/長度與直徑呈反比之關係。因此，增大的扭曲量係可容許纖維對於一給定時間期間產生較大的輸出。因此，一束肌肉纖維可比起相等尺寸的單一纖維產生更大的扭矩。
如上述，在一或多個實施例中，致動器可包括一傳導材料，致使致動可為電性刺激。此傳導材料可以多種不同方式被併入一束中。例如，傳導材料可採行被併入纖維束中之一或多條線的形式，如圖1至3所示範。
圖1顯示根據本文所揭露的一或多個實施例之一人工肌肉致動器束100的示意圖。圖1包括九個人工肌肉纖維102及四個傳導材料線結構104。傳導材料線結構104形成於人工肌肉纖維102之間的間隙中，其中人工肌肉 纖維102配置於一矩形陣列中。
圖2顯示根據本文所揭露的一或多個實施例之一人工肌肉致動器束200的示意圖。圖2示範一組態，其中傳導材料線結構204及人工肌肉纖維202配置於一矩形矩陣中。
本文所揭露的實施例不限於矩形陣列。圖3顯示根據本文所揭露的一或多個實施例之一人工肌肉致動器束300的示意圖。圖3示範一組態，其中一傳導材料線結構304及人工肌肉纖維302配置於一六角形矩陣中。
一般熟悉該技藝者將瞭解：本發明的實施例不僅限於圖1至3的組態。人工肌肉纖維及傳導結構的數量、暨人工肌肉纖維及傳導線結構的尺寸係可依據應用而變動。
並且，這些實施例並非僅限於如上述用於傳導材料之線狀結構。易言之，傳導材料可採行被併入束中之任何傳導材料的形式。例如，傳導材料亦可運作作為一束縛器以將纖維固持在一起。
在一或多個實施例中，可對於該束的人工肌肉致動器中之傳導材料使用一傳導塗覆物。傳導塗覆物可被塗覆在用以構成該束的人工肌肉纖維之人工肌肉纖維的一者或多者周圍。並且，根據本文的實施例，塗覆物可含蓋整體纖維束。
在一或多個實施例中，傳導材料可相對於與出現在束中的其他傳導材料之接觸呈現絕緣。這對於其中 傳導路徑在一經過人工肌肉致動器的迴路中運行之肌肉束可能尤其有用。其對於其中二個電性傳導肌肉纖維彼此呈接觸之設計亦可能尤其有用。
一線可被放置在該束的奈米纖維之中心，此線係可緩和隨後可能被置於線上的應變。由於線不需捲繞在個別纖維周圍，其亦可減低製造成本。將細金屬線捲繞在聚合性纖維周圍之製造程序已經成為許多品質保證議題的來源。由於金屬線破壞所導致的一不完整線路將使樣本無法運作並必須予以棄置。
利用單一金屬線係容許僅具有一用以捲繞及盤捲樣本之裝備，且並不需要捲繞一小條線或以一傳導層作塗覆。受束縛的人工肌肉更容易大規模生產。
由於旋轉所致的反覆扭曲，位於束中心的金屬線將可能疲勞且耗損。因此，可能尤其較佳的是對於傳導焦耳加熱器使用一較撓性的材料。奈米碳管(CNT)紗因為不容易疲乏且將大幅增長人工肌肉的壽命，故對於此應用尤為較佳。
較常破壞的傳導路徑係為人工肌肉纖維與地體之間的路徑，其係為一雙穩態人工肌肉及一需要不同角旋轉方向的肌肉。此線若例如被附接至一在一角方向旋轉的裝置則將經歷反覆的撓屈。可藉由增大線的長度來達成一種減小線的各分段上之應力量的方式，但這樣會不欲地增大最終產品的維度。再度地，係欲具有一較彈性的替代方案，且再次地，一CNT紗係代表一用以提供此傳導路 徑的理想選項。
為了避免在中間需要將一接地線附接至一裝置，另一選項係為提供肌肉纖維束本身內的一傳導迴路。可具有二個對於彼此的接觸呈絕緣但在與電源供應器呈相對之人工肌肉束的端點處除外之導體。以此方式，電流將通過一導體來到肌肉纖維的端點，然後藉由與第一導體呈平行的另一導體而返回至電源供應器。若導體由金屬構成，其可單純具有被施加至裝置端點之銲料，以電性連接二個導體。如此可進一步能夠容易進行製造。並且，一金屬化的CNT紗係可具有被施加至其的銲料。尚且，此程序亦可使用在其中導體為一被包繞在部分人工肌肉周圍的細線、以及其中人工肌肉纖維具有一被施加至其表面上的連續傳導層之情形。可使用用以產生電性連接之其他技術，包括一傳導漆，其對於高吸收性CNT紗作為導體的實施例係可能特別有用。
可能令導體在一絕緣層中被塗覆以防止電性接觸，或者其可被定位為在人工肌肉纖維束中彼此呈相對，俾使位於其間的非傳導聚合物肌肉用來將各導體彼此絕緣。
摩擦係在該束的肌肉將如何操作上扮演重要的角色。若該束中的人工肌肉纖維各者之間的摩擦力過高，則各人工肌肉纖維將無法獨立於彼此作操作、而是將以單一肌肉纖維作移動。若肌肉纖維之間所產生的摩擦夠低，則肌肉纖維將能夠獨立於彼此作操作。束化的優點在 於：比起單一大的高度扭曲肌肉纖維而言，從被束縛在一起之許多小的高度扭曲肌肉纖維可產生更多的扭矩，其中該束以及單一人工肌肉纖維皆具有相同的總直徑。由於纖維的螺旋角(helix angle)與每單位長度可被插入的扭曲數之間的關係式tan(α)=πTD，其中α為紗的螺旋角、T為每公尺的扭曲數、且D為纖維的直徑，這或許是驚人的現象。一人工肌肉纖維分段中之扭曲數愈高，則扭矩輸出亦愈大。
為了防止電流通過導體造成短路，可能欲使導體與彼此之接觸呈絕緣。對於其中傳導路徑在一經過肌肉的迴路中運行之肌肉束而言，這可能尤其有用。對於其中二個電性傳導肌肉纖維變成彼此接觸之設計，這可能亦尤其為有用。雖難以適足地絕緣一細銅線，但此可予以達成。若利用奈米碳管作為可能較易被絕緣之精選的傳導材料，亦可能為有用。另一選項係為對於人工肌肉纖維本身使用一傳導聚合物或材料。這樣可能更容易具有一被施加至其的絕緣層。
一人工肌肉纖維將隨時間經過及反覆使用而受到潛變，其中潛變係為由於肌肉纖維本身變形所致之肌肉中的拉力損失。潛變是一種隨時間經過而發生且依據諸如負荷、溫度及特別是纖維的性質等許多因素而定之自然程序。
耐綸係為一種常見的人工肌肉材料，具有低成本與可製造性(manufacturability)之優點。不幸地，耐綸亦易受到潛變。一種途徑係以一較不易受到潛變的聚合 物、或諸如奈米碳管紗等其他高強度材料來取代耐綸。
在一或多個實施例中，可藉由移除肌肉纖維上的部分負荷、且藉由施加一高強度抗潛變纖維來降低潛變。在一或多個實施例中，一束的肌肉纖維係包括至少一高強度抗潛變纖維。
如圖4所見，在一或多個實施例中，一人工肌肉致動器係可包含一束的人工肌肉纖維402，該束的人工肌肉纖維402係在一中央高強度纖維424周圍被配置於一六角形陣列中。
如圖5所見，在一或多個實施例中，一人工肌肉致動器500係可包含一束的人工肌肉纖維502，該束的人工肌肉纖維502係在該陣列的相對角落被配置於一具有一對高強度纖維524的正方形陣列中。
對於旋轉性人工肌肉，由於高強度纖維根本不需致動，故不需要扭曲或盤捲該高強度纖維。範例高強度纖維係可包括克維拉(KevlarTM)及VectranTM。奈米碳管(CNT)紗係可能能夠同時地防止潛變並提供肌肉纖維的電性致動所需之歐姆加熱。比起高度扭曲的耐綸纖維而言，未扭曲的耐綸纖維具有略微更大之對於潛變的耐抗性，表示致動(扭曲的)耐綸纖維與非致動(未扭曲的)耐綸纖維之一組合可在一束中一起使用。在一或多個實施例中，由於整體束必須被加熱及冷卻以產生致動，可使用一小直徑纖維使熱容(heat capacitance)達到最小化。加熱一不產生致動的纖維係將降低束的能量效率並會增長冷卻時 間，因此負面地影響致動速率。參照圖4，人工肌肉纖維402係繞著其中心縱軸扭曲。高強度抗潛變纖維424具有一中心縱軸且為未扭曲的。人工肌肉纖維402的一外圍與高強度抗潛變纖維424的一外圍接觸。人工肌肉纖維402的中心縱軸與高強度抗潛變纖維424的中心縱軸隔開且與其平行地延伸。
線圈狀線性致動肌肉亦可具有一抗潛變材料與該肌肉協力地工作。如圖6所示，在一或多個實施例中，一彈簧652可與線圈狀人工肌肉602呈平行運行而被施加。彈簧652可如圖3所示捲繞在人工肌肉纖維周圍，或者其可能可在一陣列的纖維及彈簧中對於人工肌肉(未顯示)呈並列狀。
雖然本揭示已經僅就有限數量的實施例作描述，熟悉從本揭示獲益的技藝者將瞭解：可設計出不同的其他實施例而不脫離本發明的範圍。為此，本發明的範圍應僅受限於附帶的申請專利範圍。
400‧‧‧人工肌肉致動器
402‧‧‧人工肌肉纖維
424‧‧‧中央高強度纖維

Claims (5)

  1. 一種致動器裝置，其包含：具有一中心縱軸的至少一人工肌肉纖維，該至少一人工肌肉纖維係繞著其中心縱軸扭曲；及具有一中心縱軸的至少一高強度抗潛變纖維，該至少一高強度抗潛變纖維為未扭曲的，其中該至少一人工肌肉纖維的一外圍與該至少一高強度抗潛變纖維的一外圍接觸，且其中該至少一人工肌肉纖維的該中心縱軸與該至少一高強度抗潛變纖維的該中心縱軸隔開且與其平行地延伸。
  2. 如請求項1之致動器裝置，其中該至少一人工肌肉纖維係為以一六角形陣列方式被束縛在一起的複數條人工肌肉纖維，且該至少一高強度抗潛變纖維位於該六角形陣列的中心，其中該等複數條人工肌肉纖維之各者具有一對應中心縱軸，該等複數條人工肌肉纖維之各者係繞著其對應中心縱軸扭曲，且其中該等複數條人工肌肉纖維之各者的對應外圍表面與該至少一高強度抗潛變纖維的外圍表面接觸。
  3. 如請求項1之致動器裝置，其中該至少一高強度抗潛變纖維包含奈米碳管紗，該奈米碳管紗對該至少一人工肌肉纖維提供歐姆加熱。
  4. 如請求項1之致動器裝置，其中該至少 一高強度抗潛變纖維包含未扭曲的耐綸纖維。
  5. 如請求項4之致動器裝置，其中該至少一人工肌肉纖維包含扭曲的耐綸纖維。
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