DE202009001086U1 - Künstlicher Muskel - Google Patents

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Abstract

Künstlicher Muskel, der aus mindestens einem Nano-Motor besteht, wobei der Nano-Motor aus einer ausdehnbaren äußeren Hülle mit stabiler Längsstruktur gebildet wird und in seinem Inneren eine Ausdehnungseinheit angeordnet ist und die äußere Hülle aus sechs rautenförmigen Einzelplatten besteht, die mittels flexibler Verbindungen untereinander befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungseinheit (5) als Kontraktionsgummi bestehend aus mindestens einer nematischen Elastomerwicklung (9) mit Einlagerungen von Flüssigkeitskristallen ausgebildet ist.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aufgabe und Zielsetzung ist ein biologisch ähnlicher Antrieb muskulärer Strukturen mit geringer Leistungsaufnahme für den Einsatz unterschiedlichster technischer und bionischer Einsatzgebiete.
  • Der Antrieb wird aus einer Vielzahl von Nano-Motoren (Nano-Power-Cell) gebildet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Nachbau des nanomotorischen Muskels von Lebewesen, wie dem Menschen, ist das Ziel der Ausdehnungseinheit.
  • Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
  • 1 – Außenansicht des Nano-Motors (Nano-Power-Cell)
  • 2 – Schnitt durch den Nano-Motor
  • 3 – Schnitt A-A
  • 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).
  • 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).
  • Die Länge der Nano-Power-Cell 1 wird je nach Anwendung, zum Beispiel muskulärer Strukturen der Prothetik ca. vier bis sechs Millimeter betragen.
  • 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.
  • 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.
  • Die Verkürzung erzeugt die Zugkraft für den Muskel. Die Zugkraft ist für menschliche und tierische Skelettstrukturen unabdingbar, um Bewegungsabläufe zu realisieren.
  • 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.
  • 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.
  • Die Reaktionszeit der Ausdehnungseinheit 5 liegt im 200 Millisekundenbereich, daher muß eine Steuereinheit eingesetzt werden, die einen gleichmäßigen und angepaßten Bewegungsablauf ermöglicht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei komplexen geometrischen Aufbauten der Muskelpakete ist der Steuerungsmechanismus für alle zusammenwirkenden Muskelpakete entsprechend fein abzustufen.
  • 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.
  • 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.
  • Längskräfte werden für alle erforderlichen Hebelwirkungen direkt umgesetzt. Die eingesetzte Wabenstruktur sorgt für einen hohen mechanischen Wirkungsgrad.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Anwendungsgebiet erstreckt sich auf alle technischen Anwendungen, bei denen mechanische kraftgesteuerte Bewegungsabläufe benötigt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 3644481 A1 [0004]

Claims (3)

  1. Künstlicher Muskel, der aus mindestens einem Nano-Motor besteht, wobei der Nano-Motor aus einer ausdehnbaren äußeren Hülle mit stabiler Längsstruktur gebildet wird und in seinem Inneren eine Ausdehnungseinheit angeordnet ist und die äußere Hülle aus sechs rautenförmigen Einzelplatten besteht, die mittels flexibler Verbindungen untereinander befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungseinheit (5) als Kontraktionsgummi bestehend aus mindestens einer nematischen Elastomerwicklung (9) mit Einlagerungen von Flüssigkeitskristallen ausgebildet ist.
  2. Künstlicher Muskel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kontraktionsgummi ausgebildete Ausdehnungseinheit (5) einen Aufbau in Form eines zylinderförmigen Hohlkörpers aufweist und dieser rundum mit mindestens einer entlang der Mantelfläche angeordneten nematischen Elastomerwicklung (9) versehen ist.
  3. Künstlicher Muskel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der als zylinderförmigen Hohlkörper ausgebildeten Ausdehnungseinheit (5) eine Heizeinrichtung oder Laserlichtquelle (10) angeordnet ist und diese über eine elektrische Verbindung (11) jeweils mit den mechanisch Kupplungen (3) verbunden sind.
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