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Die
Erfindung betrifft einen künstlichen Muskel, der aus einer
Vielzahl von Nano-Motoren (in nachfolgenden Nano-Power-Cell genannt)
besteht, wobei die Nano-Motoren die kleinste Einheit für
die Herstellung komplexer muskulärer Strukturen für
die Generierung längsmotorischer Kräfte sind.
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Komplexe
Strukturen wie zum Beispiel ein Muskel, deren Wirkung aus einer
Vielzahl von seriellen und parallelen Nano-Power-Cellen gebildet
ist, können für den vielfältigen Einsatz
wie zum Beispiel in der Prothetik verwendet werden. Auf Basis der
kleinen Nano-Power-Cell sind muskuläre Strukturen herstellbar,
deren Eigenschaften menschlicher und tierischer Muskeln entspricht.
Hebel und Drehbewegungen werden durch den Verlauf der Muskel-Strukturen hergestellt.
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Neben
dem Einsatz in der Prothetik ist die Nano-Power-Cell in allen Einsatzgebieten
einsetzbar, in denen eine längswärts ziehende
Kraftentwicklung anwendbar ist. Das gilt auch für rotierende
Bewegungsabläufe, deren Bewegung aus mehreren Längskraftmaschinen
erzeugt wird.
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Bekannt
ist aus der
DE 36 44
481 A1 eine Antriebseinheit für Bewegungsmechanismen,
die auch ohne weiteres als Implantat im Bereich der biomedizinischen
Technik einsetzbar ist.
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In
diesem Fall kann das Krafterzeugungselement als Muskelprothese Verwendung
finden. Bei der beschriebenen Antriebseinheit bestehend aus mindestens
einem Krafterzeugungselement, das einen von steifen Endteilen abgeschlossenen
Innenhohlraum zur Begrenzung seines Arbeitsvolumens hat und von
dem ein Abschnitt fest mit einem ersten Teil des Mechanismus und
ein anderer Abschnitt zugfest mit einem weiteren Teil des Mechanismus
verbindbar ist, um eine relative Lageveränderung der Teile
gegeneinander zu bewirken, und mit einer Steuereinrichtung zur Veränderung
des Arbeitsvolumens des Krafterzeugungselements, wobei das Krafterzeugungselement
einen radialelastischen schlauchartigen Mantel hat, dessen Längsdehnung durch
eine Stützstruktur begrenzt ist, so daß unter Einwirkung
der Steuereinrichtung das Innenoberflächen- zu Volumenverhältnis
unter Längenveränderung (ΔL) des Krafterzeugungselements
veränderbar ist.
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Der
vorzugsweise längliche Mantel ist endseitig mit steifen
Platten verbunden, deren Abstand durch Anhebung oder Absenkung des
Innendruckes veränderbar ist, wodurch sich entweder eine
Verkürzung oder das Zurückbewegen in die ursprüngliche Länge
des Krafterzeugungselements ergibt. Verbunden sind die einzelnen
Elemente durch Fluidanschluß an einem Ende des Krafterzeugungselements.
Aufgrund der geringen Abmessungen der Krafterzeugungselemente sind
die Fluidanschlüsse relativ dünn, das heißt
kapillarförmig, auszubilden, wodurch eine Druckänderung
nur sehr langsam erfolgen kann, was am Beispiel eines Muskels zu
chameleonartigen Bewegungsgeschwindigkeiten führt.
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Mit
den runden Strukturen können zwar Muskelgruppen gebildet
werden, jedoch haben diese Nachteile bei der Ausführung
von Drehbewegungen. Für Drehbewegungen, zum Beispiel Arm-
oder Fußdrehung, sind runde Strukturen des Blähkörpers
ungeeignet, da diese sich bei quer angeordnetem Muskel im Moment
der Krafterzeugung ineinander verziehen und dabei die erforderliche
Kraftwirkung innerhalb des Muskels verbraucht wird.
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Ein
weiterer Nachteil besteht in der Erzeugung des Druckes. Die Aggregate
zur Erzeugung der erforderlichen Drücke (pneumatisch, hydraulisch usw.)
sind relativ groß auszubilden, wodurch es problematisch
ist, diese am beweglichen Körper mitzuführen.
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Bewegungsabläufe,
wie beispielsweise dem menschlichen Skelett, basieren grundsätzlich
auf ziehende Bewegungen. Zur Nutzung hochleistungsaktiver nematischer
Elastomere unterschiedlichster Ausprägungen oder der Nanotechnologie
des natürlichen Muskels), wie der Nanotechnologie von Flüssigkeitskristallen
der nematischer Elastomere, die schnelle Bewegungen zulassen und
umweltunempfindlich sind, ist eine Konstruktion erforderlich, die eine
direkte Zugwirkung erzeugen und diese mikromechanisch kraftschlüssig
umsetzbar machen.
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Das
technische Problem beruht auf einem äußerst leistungsarmen
Antrieb bei gleichzeitig hoher Abgabeleistung. Die Konstruktion
des Nano-Power-Cell-Antriebs ist so beschaffen, daß diese äußerlich
so aufgebaut ist, daß der Antrieb fühlbar sehr weich
und dem Muskel von Mensch und Tier optisch sehr ähnlich
ist.
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Aufgabe
und Zielsetzung ist ein biologisch ähnlicher Antrieb muskulärer
Strukturen mit geringer Leistungsaufnahme für den Einsatz
unterschiedlichster technischer und bionischer Einsatzgebiete.
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Der
Antrieb wird aus einer Vielzahl von Nano-Motoren (Nano-Power-Cell)
gebildet.
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Die
Nano-Power-Cell bildet die kleinste Einheit für die Herstellung
komplexer muskulärer Strukturen für die Generierung
längsmotorische Kraft, der die Zugwirkung des Gummis der
nematischen Elastomere in die in eine stabile mechanische Konstruktion übernimmt.
Komplexe Strukturen, wie zum Beispiel ein Muskel, dessen Wirkung
aus seriellen und parallelen Nano-Power-Cell's gebildet ist, können
für den vielfältigen Einsatz, wie zum Beispiel
in der Prothetik, inneren Medizin, Robotik, Technik uvm. verwendet
werden. Auf Basis der kleinen Nano-Power-Cell's sind muskulärer
Strukturen herstellbar, deren Eigenschaften menschlicher und tierischer
Muskeln entspricht. Hebel und Drehbewegungen werden durch den Verlauf
der muskulären Strukturen hergestellt.
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Die
Nano-Power-Cell besteht aus einer wabenförmigen Mantelung,
in der eine Ausdehnungseinheit eingebettet ist. Die Ausdehnungseinheit
ist als Kontraktionsgummi bestehend aus mindestens einer nematischen
Elastomerwicklung die mit eingelagerten Flüssigkeitskristallen
ausgebildet ist.
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Die
als Kontraktionsgummi ausgebildete Ausdehnungseinheit ist als zylinderförmigen
Hohlkörper ausgebildet, welcher rundum mit mindestens einer
entlang der Mantelfläche angeordneten nematischen Elastomerwicklung
versehen ist. Innerhalb des zylinderförmigen Hohlkörpers
ist eine Heizeinrichtung oder eine Laserlichtquelle angeordnet.
Diese ist über eine elektrische Verbindung jeweils mit den
mechanisch Kupplungen verbunden.
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Die
Ausdehnungseinheit besteht aus mindestens einer nematischen Elastomerwicklung,
in der Flüssigkeitskristalle eingebunden sind, und einer im
Inneren der Elastomerwicklung angeordneten Heizeinrichtung oder
Laserlichtquelle. Durch Anlegen einer Arbeitsspannung an die Heizeinrichtung oder
der Laserlichtquelle werden die nematischen Elastomerwicklungen
erwärmt bzw. beim Laser akiviert, was zu einer Verkürzung
der Nano Power Cell und damit zu einer radialen Umfangserweiterung
im Mittelbereich führt. In der Praxis liegt die Arbeitsspannung
im für Mensch und Tier ungefährlichen Bereich, also
unter 25 Volt. Durch Verminderung der Arbeitsspannung geht die Längenänderung
in seinen Ursprungszustand zurück. Die Verkürzung
der Nano-Power-Cell führt zu radialen Ausdehnung, die mittig
in der Nano-Power-Cell stattfindet und die als Kraft für
die Bewegungsabläufe angewendet wird.
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Der
Nachbau des nanomotorischen Muskels von Lebewesen, wie dem Menschen,
ist das Ziel der Ausdehnungseinheit.
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Anhand
eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher
erläutert werden. Es zeigen:
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1 – Außenansicht
des Nano-Motors (Nano-Power-Cell)
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2 – Schnitt
durch den Nano-Motor
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3 – Schnitt
A-A
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Der
erfindungsgemäße künstliche Muskel besteht
aus den Nano-Motoren 1 (Nano-Power-Cell's), welche aus
radial wabenförmig angeordneten symmetrischen, als doppelte
Dreiecksegmente ausgebildete Einzelplatten 4, die mittig
beweglich sind, gebildet werden und im inneren eine Ausdehnungseinheit 5 aufweisen.
Die äußeren Enden sind verschweißt. So
besteht jede Nano-Power-Cell 1 aus sechs doppelten Dreiecksegmenten
(Einzelplatten 4), die wabenförmig angeordnet
sind, welche die innere Hülle 2 bilden und die
Ausdehnungseinheit 5 umgeben (1).
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Der
Zwischenraum zwischen der Ausdehnungseinheit 5 und den
Dreiecksegmenten 4 bietet den erforderlichen Raumbedarf
für die radiale Ausdehnung des zylindrischen Gummis bestehend
aus nematischen Elastomeren (2 und 3).
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Die
Länge der Nano-Power-Cell 1 wird je nach Anwendung,
zum Beispiel muskulärer Strukturen der Prothetik ca. vier
bis sechs Millimeter betragen.
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Um
die Nano-Power-Cell's 1 nach der Ausdehnung in seinen Ursprungszustand
zu bringen, wird diese von einem leicht komprimierbaren Material umgeben,
das gleichzeitig den Isolator für die angelegte Spannung
bildet.
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Bei
den nematischen Elastomeren wird durch Wärme- oder Lichtzuführung
eine Verkürzung der Nano-Power-Cell 1 erzeugt.
Durch die wabenförmige Struktur wird der radiale Umfang
der Nano-Power-Cell 1 mittig vergrößert.
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Die
Verkürzung erzeugt die Zugkraft für den Muskel.
Die Zugkraft ist für menschliche und tierische Skelettstrukturen
unabdingbar, um Bewegungsabläufe zu realisieren.
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Die
Ausdehnungseinheit 5 ist als Kontraktionsgummi bestehend
aus einer nematischen Elastomerwicklung 9 mit Einlagerungen
von Flüssigkristallen ausgebildet. Die Ausdehnungseinheit 5 weist
einen Aufbau als zylinderförmiger Hohlkörper auf.
Dieser ist rundum mit mindestens einer längs der Mantelfläche
verlaufenden nematischen Elastomerwicklung 9 versehen.
Innerhalb des Hohlkörpers ist eine Heizeinrichtung oder
Laserlichtquelle 10 angeordnet und mittels der elektrischen
Verbindungen mit den mechanischen Kupplungen 3 verbunden.
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Die
Wirkung der Ausdehnungseinheit 5 wird durch die Einlagerung
der Flüssigkeitskristalle in der nematischen Elastomerwicklung 9 generiert.
Durch Anlegen einer Spannung an die Heizeinrichtung oder Laserlichtquelle 10 wird
die nematische Elastomerwicklung 9 erwärmt bzw.
angeregt, wodurch diese sich zusammenzieht und eine Radialausdehnung 7 entsteht.
Durch Verminderung der Spannung an der Heizeinrichtung bzw. der
Laserlichtquelle 10 geht die nematische Elastomerwicklung 9 in
Ihren ursprünglichen Zustand zurück. Die Nano-Power-Cell 1 wird gestreckt
und damit die Radialausdehnung 7 reduziert.
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Die
Reaktionszeit der Ausdehnungseinheit 5 liegt im 200 Millisekundenbereich,
daher muß eine Steuereinheit eingesetzt werden, die einen
gleichmäßigen und angepaßten Bewegungsablauf
ermöglicht.
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Die
Versorgung der Nano-Power-Cell 1 mit der Arbeitsspannung
für die Heizeinrichtung oder der Laserlichtquelle 10 erfolgt über
Steckverbinder/Kupplung 3, die an beiden Enden der Zelle
angebracht sind. Die Steckverbinder 3 werden über
eine flexible elektrische Verbindung 11 mit der Ausdehnungseinheit 5 verbunden.
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Die
Enden der Nano-Power-Cell's 1 werden als Steckverbinder,
die gleichzeitig als Kupplung 3 zwischen den einzelnen
Nano-Power-Cell's 1 dienen, verwendet.
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Die
Anordnung mehrerer Nano-Power-Cell's 1 zu komplexen Muskelpaketen
ist beliebig in allen geometrischen Formen umsetzbar. Dabei ist
immer von der Tatsache auszugehen, daß ein Muskelpaket nur
ziehen kann. Jede Gegenwirkung ist durch ein angesiedeltes komplementäres
Muskelpaket vorzunehmen.
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Bei
komplexen geometrischen Aufbauten der Muskelpakete ist der Steuerungsmechanismus für
alle zusammenwirkenden Muskelpakete entsprechend fein abzustufen.
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Durch
den Einsatz der Nano-Motoren-Technologie werden sehr kleine Zellenkonstruktionen
umgesetzt. Die Nano-Motoren 1 bewirken beim Anlegen einer
Spannung eine Verkürzung der Nano-Power-Cell 1.
Diese bewirkt eine radiale Ausdehnung der Muskelzelle. Die Ausdehnung
wirkt auf die sechs rautenförmigen Einzelplatten 4,
die wabenförmig angeordnet sind. Die Kombination der parallelen
und seriellen Anordnung der Nano-Power-Cell's 1 lassen rein äußerlich
keinen wesentlichen Unterschied zu natürlichen Muskeln
erkennen. Fühlbar sind dem Menschen sehr ähnliche
Muskelkonsistenzen erzielbar.
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Der
Energiebedarf für den künstlichen Muskel, wie
beim Menschen üblich, der aus einer Vielzahl von Nano-Power-Cell's 1 besteht,
liegt bei einer kurzzeitigen Spitzenleistung von ca. 500 Watt. Diese
Größenordnung ist erforderlich, um die üblichen
Kraftentwicklungen z. B. des-Menschen herzustellen. Hierbei wird
ein Brennstoffzellenaggregat verwendet, welches in sehr kleinen
Baugrößen erhältlich ist. Die Unterbringung
dieser Brennstoffzelle ist im Innenraum der künstlichen
Knochen möglich. Die Wärmeentwicklung der Brennstoffzelle
wird für die Erwärmung der künstlichen
Muskeln auf Körpertemperatur verwendet.
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Längskräfte
werden für alle erforderlichen Hebelwirkungen direkt umgesetzt.
Die eingesetzte Wabenstruktur sorgt für einen hohen mechanischen Wirkungsgrad.
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Querdrehungen
sind durch die wabenförmige äußere Oberfläche
umsetzbar, da sich hierbei eine zwangsläufige gegenseitige
Stabilisierung der einzelnen Elemente des künstlichen Muskels
untereinander einstellt und damit große Querdrehungskräfte realisierbar
sind.
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Durch
die Verteilung von sechs rautenförmigen Zugelementen in
einer Wabenstruktur werden hohe Zugkräfte, insbesondere
durch das zähe Verhalten der einzelnen, sich selbst stabilisierenden Rauten,
umsetzbar.
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Schnelle
Bewegungsabläufe sind bis in einen Bereich von 200 Millisekunden
realisierbar, was für Aktivitäten von Lebewesen
sehr schnell wäre. Alle Bewegungsabläufe werden
so gesteuert, daß langsame und schnelle Bewegungen umsetzbar
sind.
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Die
Steuerelemente für die Ansteuerung der Zellen sind rein
elektronisch. Hierbei sind keinerlei mechanische Baugruppen, wie
zum Beispiel Ventile, zur Steuerung notwendig. Alle Bewegungsabläufe sind
geräuschlos. Die eingesetzten Spannungen liegen unter 25
Volt und sind für Lebewesen wie Mensch und Tier ungefährlich.
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Die
prozessorgesteuerten Computereinheiten, welche untereinander vernetzt
sind, werden in den Innenraum der großen Knochen verlagert.
Die Software dient zur Steuerung kontinuierlicher Bewegungsabläufe
mit selbstlernenden Algorithmen.
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Das
Anwendungsgebiet erstreckt sich auf alle technischen Anwendungen,
bei denen mechanische kraftgesteuerte Bewegungsabläufe
benötigt werden.
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Dieser
Antrieb ist für bionische Einsatzgebiete von Bedeutung,
um daraus Körperersatzteile neuester Generation herzustellen.
Der Vorteil dieses Antriebs ist die hohe Ähnlichkeit natürlicher
muskulärer Antriebe menschlicher und tierischer Körperfunktionen.
Mittels ausgefeilter Steuerungsmechanismen, bestehend aus Hard-
und Software, der Anbindung am Nervensystem, Antriebsenergie aus
Wasserstoff-Brennstoffzellen und modernster Verbindungen natürlicher
Knochenteile mit künstlichen Werkstoffen für eine
künstliche Knochenkonstruktion.
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Das
Einsatzgebiet ist für den künstlichen Muskel sehr
breit gefächert. Er ist in der Prothetik, der inneren Medizin,
der Robotertechnik, wie in allgemeinen technischen Anwendungen mit
längs ziehenden Kräften einsetzbar.
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- 1
- Nano-Motor
(Nano-Power-Cell)
- 2
- innere
Hülle
- 3
- Kupplung/Steckverbinder
- 4
- Einzelplatten/Doppel-Dreiecksegmente
- 5
- Ausdehnungseinheit
- 6
- Füllmasse
- 7
- Radialausdehnung
- 8
- äußere
Hülle
- 9
- Elastomerwicklung
- 10
- Heizung
- 11
- elektrische
Verbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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