JP2022120803A - 勾配補剛された電極対を備える人工筋肉及びこれを含む人工筋肉組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】電極対を備える人工筋肉及び該人工筋肉を作動するための方法を提供すること。
【解決手段】電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジングと、ハウジングの電極領域に位置付けられる、第１の電極及び第２の電極を含む電極対と、ハウジング内に収容される誘電流体と、ハウジングと第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方との間に位置付けられる補剛部材とを含む人工筋肉が提供される。補剛部材は、電極領域の側端から拡張可能な流体領域へ向かう方向にハウジングの剛性を増大させる。電極対は、非作動状態から作動状態への作動が、誘電流体を拡張可能な流体領域へ方向付けるように、非作動状態と作動状態との間で作動可能である。
【選択図】図１

Description

本明細書は、概して、デバイスの少なくとも１つの面における集中的な膨張のための装置及び方法、より詳細には、電極対を利用してデバイスを膨張させるように流体を方向付けるための装置及び方法に関する。

現在のロボット技術は、多くの場合構造化環境において、タスクを実施するためのサーボモータなど、剛体構成要素に依拠する。この剛性は、多くのロボット用途において、少なくとも部分的に、サーボモータ及び他の剛体ロボットデバイスの重量対動力比によって引き起こされる、制限を生じさせる。ソフトロボティクスの分野は、人工筋肉及びソフトアクチュエータを使用することによって、これらの制限を改善する。人工筋肉は、生物学的な筋肉の多用途性、性能、及び信頼性を模倣しようとする試みである。一部の人工筋肉は、流体アクチュエータに依拠するが、流体アクチュエータは、加圧ガス又は液体の供給を必要とし、流体輸送は、流路及び管の系を通じて発生しなければならず、人工筋肉の速度及び効率を制限する。他の人工筋肉は、熱活性型高分子ファイバを使用するが、これらは、制御が困難であり、低効率で動作する。

１つの特定の人工筋肉設計は、Ｅ．Ａｃｏｍｅ、Ｓ．Ｋ．Ｍｉｔｃｈｅｌｌ、Ｔ．Ｇ．Ｍｏｒｒｉｓｓｅｙ、Ｍ．Ｂ．Ｅｍｍｅｔｔ、Ｃ．Ｂｅｎｊａｍｉｎ、Ｍ．Ｋｉｎｇ、Ｍ．Ｒａｄａｋｏｖｉｔｚ、及びＣ．Ｋｅｐｌｉｎｇｅｒによる、“Ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｍｕｓｃｌｅ－ｌｉｋｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ”という表題の論文（Ｓｃｉｅｎｃｅ ０５ Ｊａｎ２０１８：Ｖｏｌ．３５９、Ｉｓｓｕｅ ６３７１、ｐｐ．６１－６５）に説明されている。これらの油圧増幅自己修復静電（ＨＡＳＥＬ）アクチュエータは、静電及び油圧力を使用して様々な作動モードを達成する。ＨＡＳＥＬアクチュエータ人工筋肉は、作動されると圧縮して流体を拡張可能な流体領域内へ押し込む、均一の剛性を有するハウジングを含む。しかしながら、ハウジングは、ハウジングの均一の剛性に起因して、拡張可能な流体領域から離れる方向に圧縮して流体を方向付け得る。

したがって、人工が流体を拡張可能な流体領域内へより効果的に方向付けるように作動されるように、勾配剛性を有する改善された人工筋肉が必要とされている。

１つの実施形態において、人工筋肉は、電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジングと、ハウジングの電極領域に位置付けられる、第１の電極及び第２の電極を含む電極対と、ハウジング内に収容される誘電流体と、ハウジングと第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方との間に位置付けられる補剛部材であって、電極領域の側端(opposite edge)から拡張可能な流体領域へ向かう方向にハウジングの剛性を増大させる補剛部材と、を含み、電極対は、非作動状態から作動状態への作動が、誘電流体を拡張可能な流体領域内へ方向付けるように、非作動状態と作動状態との間で作動可能である。

別の実施形態において、人工筋肉は、電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジングと、ハウジングの電極領域に位置付けられる、第１の電極及び第２の電極を含む電極対と、ハウジング内に収容される誘電流体と、ハウジングと第１の電極及び第２の電極の各々との間に位置付けられる一対の補剛部材であって、電極領域の側端から拡張可能な流体領域へ向かう方向にハウジングの剛性を増大させる、一対の補剛部材と、を含み、電極対は、非作動状態から作動状態への作動が、拡張可能な流体領域に近位の電極対間の距離が減少される前に、電極領域の側端に近位の電極対間の距離を減少させるように、非作動状態と作動状態との間で作動可能である。

さらに別の実施形態において、人工筋肉を作動させるための方法は、人工筋肉の電極対に電気的に結合される電源を使用して電圧を提供することであって、人工筋肉が、電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジングと、ハウジングの電極領域に位置付けられる、第１の電極及び第２の電極を含む電極対と、ハウジング内に収容される誘電流体と、ハウジングと第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方との間に位置付けられる補剛部材であって、電極領域の側端から拡張可能な流体領域へ向かう方向にハウジングの剛性を増大させる、補剛部材と、を含む、電圧を提供することと、非作動状態から作動状態への作動が、誘電流体を拡張可能な流体領域内へ方向付けるように、非作動状態と作動状態との間で電極を作動させることと、を含む。

本明細書に説明される実施形態によって提供されるこれら及び追加の特徴は、図面と併せて、以下の詳細な説明を考慮してさらに完全に理解されるものとする。

図面に明記される実施形態は、本質的に例証的及び例示的であり、請求項によって規定される主題を制限することは意図されない。例証的な実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面と併せて読まれるときに理解され得、同様の構造体は同様の参照番号により示される。

本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、例証的な人工筋肉を概略的に描写する分解組立図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、図１の人工筋肉を概略的に描写する平面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、非作動状態にある、図２の線３－３に沿って取られた図１の人工筋肉を概略的に描写する断面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、作動状態にある図１の人工筋肉を概略的に描写する断面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、例証的な人工筋肉を概略的に描写する分解組立図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、図５の人工筋肉を概略的に描写する平面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、非作動状態にある、図６の線７－７に沿って取られた図５の人工筋肉を概略的に描写する断面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、作動状態にある、図５の人工筋肉を概略的に描写する断面図である。 本明細書に示され説明される１つ又は複数の実施形態に従う、人工筋肉を動作させるための作動システムを概略的に描写する図である。

本明細書に説明される実施形態は、人工筋肉、及び人工筋肉を動作させる方法を対象とする。本明細書に説明される人工筋肉は、選択的な、オンデマンドで膨張した拡張可能な流体領域を提供するために、人工筋肉の領域を選択的に上げ下げするように作動可能である。人工筋肉は、ハウジング及び電極対を含む。誘電流体は、ハウジング内に収容され、ハウジングは、電極領域及び拡張可能な流体領域を含み、電極対は電極領域に位置付けられる。電極対は、ハウジングの電極領域に位置付けられる、第１の電極及び第２の電極を含む。補剛部材は、ハウジングと第１の電極及び第２の電極のうちの少なくとも一方との間に位置付けられる。補剛部材は、電極領域の側端から拡張可能な流体領域へ向かう方向にハウジングの剛性を増大させる。拡張可能な流体領域へ向かう方向に延びる増大する剛性を有するハウジングは、電極対が作動され、拡張可能な流体領域の方へジッピングしているときに、拡張可能な流体領域の反対側のハウジングの端部が最初に圧縮されることを結果としてもたらす。電極対は、非作動状態から作動状態への作動が、誘電流体を拡張可能な流体領域内へ方向付けるように、非作動状態と作動状態との間で作動可能である。これは、拡張可能な流体領域を拡張し、オンデマンドで人工筋肉の一部分を上昇させる。人工筋肉及び人工筋肉の動作の様々な実施形態が、本明細書内にさらに詳細に説明される。可能な場合はいつでも、同じ参照番号が、同じ又は同様の部分に言及するために図面全体にわたって使用される。

これより図１～図４を参照すると、人工筋肉１００が示される。図１に示されるように、人工筋肉１００は、ハウジング１０２と、第１の電極１０６及び第２の電極１０８を含む電極対１０４と、第１の電極１０６に固定される第１の電気絶縁体層１１０と、第２の電極１０８に固定される第２の電気絶縁体層１１２とを含む。人工筋肉１００はまた、ハウジング１０２と第１の電極１０６及び第２の電極１０８のうちの少なくとも一方との間に位置付けられる１つ又は複数の補剛部材を含む。示されるように、第１の補剛部材１１３及び第２の補剛部材１１５は、ハウジング１０２と第１の電極１０６との間に位置付けられ、第３の補剛部材１１７及び第４の補剛部材１１９は、ハウジング１０２と第２の電極１０８との間に位置付けられる。

いくつかの実施形態において、ハウジング１０２は、第１の内面１１４及び第２の内面１１６などの一対の対向する内面、並びに第１の外面１１８及び第２の外面１２０などの一対の対向する外面を含む、ワンピースのモノリシック層である。いくつかの実施形態において、ハウジング１０２の第１の内面１１４及び第２の内面１１６は、ヒートシール性である。他の実施形態において、ハウジング１０２は、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４など、一対の個々に製作されたフィルム層であり得る。故に、第１のフィルム層１２２は、第１の内面１１４及び第１の外面１１８を含み、第２のフィルム層１２４は、第２の内面１１６及び第２の外面１２０を含む。

続く説明の全体を通して、ワンピースのハウジングとは対照的に、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４を含むハウジング１０２について言及がなされ得る。しかしながら、いずれの配置も企図されるということを理解されたい。いくつかの実施形態において、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４は、概して、同じ構造体及び組成物を含む。例えば、いくつかの実施形態において、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４は各々、エラストマ材料を備える。いくつかの実施形態において、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４は各々、二軸配向ポリプロピレンを備える。実施形態において、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４の各々は、１．５ミル、２ミル、２．５ミル、３ミル、３．５ミル、４ミル、４．５ミルなど、１ミル～５ミル、又はそれらのうちいずれか２つの値を終点として有する任意の範囲の総厚を有する。示されないが、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４の各々は、一対の二軸配向ポリプロピレン層を備え得る。１つの例の実施形態において、各二軸配向ポリプロピレン層は、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４各々に３ミルの総厚をもたらすために、１．５ミルの厚さを有し得る。

第１の電極１０６及び第２の電極１０８は各々、第１のフィルム層１２２と第２のフィルム層１２４との間に位置付けられる。いくつかの実施形態において、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は各々、例えば、Ｍｙｌａｒ（登録商標）など、アルミニウム被覆ポリエステルである。加えて、第１の電極１０６及び第２の電極１０８のうちの一方は、負に帯電した電極であり、第１の電極１０６及び第２の電極１０８のうちの他方は、正に帯電した電極である。本明細書に論じられる目的のため、どちらか一方の電極１０６、１０８は、人工筋肉１００の他方の電極１０６、１０８が負に帯電される限り、正に帯電され得る。

第１の電極１０６は、フィルムを向いた面１２６、反対側の内面１２８、第１の端部１２１、及び反対側の第２の端部１２３を有する。第１の電極１０６は、第１の端部１２１と第２の端部１２３との間に延びる長さＬ１を有する。加えて、第１の電極１０６は、第１の端子１３０を含み、この第１の端子１３０は、第１の端子１３０が第１の電極１０６を作動させるために電源に接続され得るように、第１の電極１０６の第１の端部１２１から第１のフィルム層１２２の縁を過ぎて延びる。具体的には、端子１３０は、図９に示されるように、作動システム３００の電源及び制御器に、直接的又は直列に、結合される。同様に、第２の電極１０８は、フィルムを向いた面１４８、反対側の内面１５０、第１の端部１２５、及び反対側の第２の端部１２７を有する。第２の電極１０８は、第１の端部１２５と第２の端部１２７との間に延びる長さＬ２を有する。第２の電極１０８は、第２の端子１５２を含み、この第２の端子１５２は、第２の端子１３０が第２の電極１０８を作動させるために作動システム３００の電源及び制御器に接続され得るように、第２の電極１０８の第１の端部１２５から第２のフィルム層１２４の縁を過ぎて延びる。

上に記されるように、第１の補剛部材１１３及び第２の補剛部材１１５は、第１のフィルム層１２２と第１の電極１０６との間に位置付けられる。本明細書内にさらに詳細に論じられるように、第１の補剛部材１１３及び第２の補剛部材１１５は、第１のフィルム層１２２の剛性を徐々に、又は漸増的に増大させるために勾配剛性を提供し、これが、電極対１０４が作動されるとき第１の電極１０６の第１の端部１２１から第１の電極１０６の第２の端部１２３へ向かう方向における第１のフィルム層１２２のジッピング運動を結果としてもたらす。具体的には、第１の補剛部材１１３は、第１の端部１２９及び反対側の第２の端部１３１を有し、これらの間の長さＬ３を画定する。追加的に、第２の補剛部材１１５は、第１の端部１３３及び反対側の第２の端部１３５を有し、これらの間の長さＬ４を画定する。第１の電極１０６の長さＬ１は、第１の補剛部材１１３の長さＬ３よりも大きいということを理解されたい。追加的に、第２の補剛部材１１５の長さＬ４は、第１の電極１０６の長さＬ１と第１の補剛部材１１３の長さＬ３との間である。示されるように、第１の補剛部材１１３は、第１のフィルム層１２２と第２の補剛部材１１５との間に位置付けられ、第２の補剛部材１１５は、第１の補剛部材１１３と第１の電極１０６との間に位置付けられる。さらに、第１の補剛部材１１３の第２の端部１３１及び第２の補剛部材１１５の第２の端部１３５は、組み立てられると、第１の電極１０６の第２の端部１２３と整列される。

第３の補剛部材１１７及び第４の補剛部材１１９に関して、第３の補剛部材１１７は、第１の端部１３７及び反対側の第２の端部１３９を有し、これらの間の長さＬ５を画定する。追加的に、第４の補剛部材１１９は、第１の端部１４１及び反対側の第２の端部１４３を有し、これらの間の長さＬ６を画定する。第２の電極１０８の長さＬ２は、第３の補剛部材１１７の長さＬ５よりも大きいということを理解されたい。追加的に、第４の補剛部材１１９の長さＬ６は、第２の電極１０８の長さＬ２と第３の補剛部材１１７の長さＬ５との間である。本明細書内にさらに詳細に論じられるように、第３の補剛部材１１７及び第４の補剛部材１１９は、第２のフィルム層１２４の剛性を徐々に、又は漸増的に増大させるために勾配剛性を提供し、これが、電極対１０４が作動されるとき第２の電極１０８の第１の端部１２５から第２の電極１０８の第２の端部１２７へ向かう方向における第２のフィルム層１２４のジッピング運動を結果としてもたらす。示されるように、第３の補剛部材１１７は、第２のフィルム層１２４と第４の補剛部材１１９との間に位置付けられ、第４の補剛部材１１９は、第３の補剛部材１１７と第２の電極１０８との間に位置付けられる。さらに、第３の補剛部材１１７の第２の端部１３９及び第４の補剛部材１１９の第２の端部１４３は、組み立てられると、第２の電極１０８の第２の端部１２７と整列される。

好ましい実施形態において、補剛部材１１３、１１５、１１７、１１９は各々、１ミル、１．５ミル、２ミルなどの１ミル～２ミルの厚さ、又はそれらのいずれか２つの値を終端として有する任意の範囲の厚さを有する二軸配向ポリプロピレン層である。実施形態において、第１の補剛部材１１３及び第２の補剛部材１１５のうちの一方のみが、第１のフィルム層１２２と第１の電極１０６との間に提供される。さらに、実施形態において、第１の補剛部材１１３及び第２の補剛部材１１５は、それらの第１の端部におけるモノリシック部材の厚さがそれらの反対側の第２の端部におけるモノリシック部材の厚さよりも小さいような、ワンピースのモノリシック部材であり得る。厚さは、第１の電極１０６の第２の端部１２３へ向かうなど、第１の端部から第２の端部へ向かう長さ方向において、徐々に増加するか、又は漸増的に増加し得る。同様に、実施形態において、第３の補剛部材１１７及び第４の補剛部材１１９のうちの一方のみが、第２のフィルム層１２４と第２の電極１０８との間に提供される。さらに、実施形態において、第３の補剛部材１１７及び第４の補剛部材１１９は、それらの第１の端部におけるモノリシック部材の厚さがそれらの反対側の第２の端部におけるモノリシック部材の厚さよりも小さいように、ワンピースのモノリシック部材であり得る。厚さは、第２の電極１０８の第２の端部１２７へ向かうなど、第１の端部から第２の端部へ向かう長さ方向において、徐々に増加するか、又は漸増的に増加し得る。

依然として図１を参照すると、第１の電気絶縁体層１１０は、第１の端部１４５及び反対側の第２の端部１４７を含む。同様に、第２の電気絶縁体層１１２は、第１の端部１４９及び反対側の第２の端部１５１を有する。第１の電気絶縁体層１１０の第１の端部１４５及び第２の電気絶縁体層１１２の第１の端部１４９は各々、組み立てられると、第１の電極１０６の第１の端部１２１及び第２の電極１０８の第１の端部１２５と整列される。いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２は、概して、同じ構造体及び組成物を含むということを理解されたい。そのようなものとして、いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２は各々、接着面１８２、１８４及び反対側の非シール性面１８６、１８８をそれぞれ含む。いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２は各々、第１の電極１０６の内面１２８及び第２の電極１０８の内面１５０にそれぞれ接着される高分子テープである。

これより図２を参照すると、人工筋肉１００の平面図は、ハウジング１０２の外周囲を過ぎて延びる第１の電極１０６の第１の端子１３０及び第２の電極１０８の第２の端子１５２、すなわち、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４を伴った、組み立てられた形態で示される。示されるように、第２の電極１０８は、第１の電極１０６の上に積層され、したがって、他の構成要素がこの図では隠されるため、第２のフィルム層１２４、第３の補剛部材１１７、第４の補剛部材１１９、及び第２の電極１０８のみが例証される。

これより図３を参照すると、組み立てられた形態では、第１の電極１０６、第２の電極１０８、第１の電気絶縁体層１１０、及び第２の電気絶縁体層１１２は、第１のフィルム層１２２と第２のフィルム層１２４との間に挟まれる。追加的に、第１の補剛部材１１３及び第２の補剛部材１１５は、第１のフィルム層１２２と第１の電極１０６との間に位置付けられ、第３の補剛部材１１７及び第４の補剛部材１１９は、第２のフィルム層１２４と第２の電極１０８との間に位置付けられる。第１のフィルム層１２２は、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２を囲むエリアにおいて第２のフィルム層１２４に対して部分的にシールされる。具体的には、第１のフィルム層１２２は、第２のフィルム層１２４に対してシールされて、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２を囲むシール部分１９０を画定する。いくつかの実施形態において、第１のフィルム層１２２は、第２のフィルム層１２４に対してヒートシールされる。しかしながら、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４は、接着剤又は同種のものを使用するなど、任意の好適な様式でシールされ得る。

第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２は、第１のフィルム層１２２の一部分が第２のフィルム層１２４の反対部分に対してシールするのを防ぐバリアを提供し、以て非シール部分１９２を形成する。ハウジング１０２の非シール部分１９２は、電極対１０４が提供される電極領域１９４、及び、電極領域１９４に隣接する拡張可能な流体領域１９６を含む。示されないが、ハウジング１０２は、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２の幾何学的形状に適合し、人工筋肉１００のサイズ、すなわち、シール部分１９０のサイズを低減するために、切断され得る。

誘電流体１９８は、非シール部分１９２内に提供され、第１の電極１０６と第２の電極１０８との間を自由に流れる。「誘電」流体は、本明細書で使用される場合、伝導なしに電気力を伝送する媒体又は物質であり、そのようなものとして、低い電気伝導性を有する。いくつかの非限定的な例となる誘電流体としては、ペルフルオロアルカン、変圧器油、及び脱イオン水が挙げられる。誘電流体１９８は、針又は他の好適な注入デバイスを使用して、人工筋肉１００の非シール部分１９２内へ注入され得るということを理解されたい。

人工筋肉１００は、非作動状態と作動状態との間で作動可能である。非作動状態では、図３に示されるように、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、第１の電極１０６の第２の端部１２３及び第２の電極１０８の第２の端部１２７の近位で互いから部分的に離間される。第１の電極１０６の第１の端部１２１及び第２の電極１０８の第１の端部１２５は、ハウジング１０２がシールされていることに起因して、互いに対して所定の位置に留まる。作動状態では、図４に示されるように、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、互いと接触状態になり、また互いに対して平行に配向されて、誘電流体１９８を拡張可能な流体領域１９６内へと強いる。これにより、誘電流体１９８が拡張可能な流体領域１９６内へ流れ、拡張可能な流体領域１９６を膨張させる。具体的には、第１の補剛部材１１３及び第２の補剛部材１１５は、第１のフィルム層１２２を、拡張可能な流体領域１９６へ向かう方向において電極領域１９４内で次第により剛性にさせるということを理解されたい。同様に、第３の補剛部材１１７及び第４の補剛部材１１９は、第２のフィルム層１２４を、拡張可能な流体領域１９６へ向かう方向において電極領域１９４内で次第により剛性にさせる。そのようなものとして、電極対１０４の作動中、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４の最も剛性でない部分、すなわち、いかなる補剛部材１１３、１１５、１１７、１１９も有しない部分は、最初、電極対１０４の作動によって互いの方へ引き付けられる。続いて、最も剛性でない部分よりも大きい剛性を有する第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４の隣接部分、すなわち、それらの間に第２の補剛部材１１５又は第４の補剛部材１１９のみを含む部分が、互いの方へ引き付けられる。そして、最も大きい剛性を有する第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４の残りの部分、すなわち、それらの間に補剛部材１１３、１１５、１１７、１１９の各々を含む部分が、図４に示されるように、互いの方へ引き付けられる。第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４の剛性を拡張可能な流体領域１９６へ向かう方向に増大させることは、電極が、第１の電極１０６の第１の端部１２１及び第２の電極１０８の第１の端部１２５から第１の電極１０６の第２の端部１２３及び第２の電極１０８の第２の端部１２７の方へ「ジッピング」することを促進するということを理解されたい。

再び図３を参照すると、人工筋肉１００は、非作動状態で示される。電極対１０４は、ハウジング１０２の非シール部分１９２の電極領域１９４内に提供される。非作動状態では、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、互いから部分的に離間され、互いに対して非平行である。第１のフィルム層１２２が第２のフィルム層１２４に対してシールされていることに起因して、第１の電極１０６の第１の端部１２１及び第２の電極１０８の第１の端部１２５は、互いと接触状態になる。故に、誘電流体１９８は、第１の電極１０６と第２の電極１０８との間に提供され、以て、拡張可能な流体領域１９６の近位で第１の電極１０６の第２の端部１２３及び第２の電極１０８の第２の端部１２７を分離させる。別の言い方をすると、第１の電極１０６の第２の端部１２３と第２の電極１０８の第２の端部１５６との間の距離は、第１の電極１０６の第１の端部１２１と第２の電極１０８の第１の端部１２５との間の距離よりも大きい。いくつかの実施形態において、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、可撓性であり得る。非作動状態では、拡張可能な流体領域１９６は、高さＨ１を有する。

作動されるとき、図４に示されるように、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、上で論じられるように第１の電極１０６の第１の端部１２１及び第２の電極１０８の第１の端部１２５から、互いの方へジッパリングし、以て、誘電流体１９８を拡張可能な流体領域１９６内へ押し込む。示されるように、作動状態にあるとき、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、互いに対して平行である。作動状態では、誘電流体１９８は、拡張可能な流体領域１９６内へ流れて、拡張可能な流体領域１９６を膨張させる。そのようなものとして、第１のフィルム層１２２及び第２のフィルム層１２４は、反対方向に拡張する。作動状態では、拡張可能な流体領域１９６は、高さＨ２を有し、これは、非作動状態にあるときの拡張可能な流体領域１９６の高さＨ１よりも大きい。示されないが、電極対１０４は、非作動状態と作動状態との間の位置へ部分的に作動され得るということに留意されたい。これは、必要に応じて、拡張可能な流体領域１９６の部分膨張、及び調節を可能にする。

第１の電極１０６及び第２の電極１０８を互いの方へ動かすために、電圧が、電源によって印加される。いくつかの実施形態において、最大１０ｋＶの電圧が、誘電流体１９８を通じて電場を誘導するために電源から提供され得る。第１の電極１０６と第２の電極１０８との間の結果として生じる引力が、誘電流体１９８を拡張可能な流体領域１９６内へ押し込む。拡張可能な流体領域１９６内の誘電流体１９８からの圧力は、第１のフィルム層１２２及び第１の電気絶縁体層１１０を変形させ、第２のフィルム層１２４及び第２の電気絶縁体層１１２を反対の第２の軸方向に変形させる。第１の電極１０６及び第２の電極１０８に供給されている電圧が中止されると、第１の電極１０６及び第２の電極１０８は、非作動状態におけるそれらの最初の非平行位置へと戻る。

さらには、第１の電極１０６及び第２の電極１０８のサイズは、誘電流体１９８の変位の量に比例する。したがって、拡張可能な流体領域１９６内でより大きい変位が所望されるほど、電極対１０４のサイズは、拡張可能な流体領域１９６のサイズに対して増大される。拡張可能な流体領域１９６のサイズは、第１の電極１０６の長さＬ１及び第２の電極１０８の長さＬ２と比較した、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２の長さにおける差によって画定されるということを理解されたい。故に、拡張可能な流体領域１９６内の変位の度合いは、代替的に、又は追加的に、第１の電気絶縁体層１１０及び第２の電気絶縁体層１１２の長さを増大又は低減することによって制御される。

これより図５～８を参照すると、人工筋肉２００が示される。図５に示されるように、人工筋肉２００は、個々の層が略プラス記号形状の幾何学的形状を有することを除き、本明細書に論じられる人工筋肉１００と実質的に同様である。そのようなものとして、人工筋肉２００は、ハウジング２０２と、第１の電極２０６及び第２の電極２０８を含む電極対２０４と、第１の電極２０６に固定される第１の電気絶縁体層２１０と、第２の電極２０８に固定される第２の電気絶縁体層２１２とを含む。人工筋肉２００はまた、ハウジング２０２と第１の電極２０６及び第２の電極２０８のうちの少なくとも一方との間に位置付けられる１つ又は複数の補剛部材を含む。示されるように、第１の補剛部材２１３及び第２の補剛部材２１５は、ハウジング２０２と第１の電極２０６との間に位置付けられ、第３の補剛部材２１７及び第４の補剛部材２１９は、ハウジング２０２と第２の電極２０８との間に位置付けられる。

いくつかの実施形態において、ハウジング２０２は、第１の内面２１４及び第２の内面２１６などの一対の対向する内面、並びに第１の外面２１８及び第２の外面２２０などの一対の対向する外面を含む、ワンピースのモノリシック層である。いくつかの実施形態において、ハウジング２０２の第１の内面２１４及び第２の内面２１６は、ヒートシール性である。他の実施形態において、ハウジング２０２は、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４など、一対の個々に製作されたフィルム層であり得る。故に、第１のフィルム層２２２は、第１の内面２１４及び第１の外面２１８を含み、第２のフィルム層２２４は、第２の内面２１６及び第２の外面２２０を含む。

続く説明の全体を通して、ワンピースのハウジングとは対照的に、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４を含むハウジング２０２について言及がなされ得る。いずれの配置も企図されるということを理解されたい。いくつかの実施形態において、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４は、概して、同じ構造体及び組成物を含む。例えば、いくつかの実施形態において、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４は各々、二軸配向ポリプロピレンを備える。実施形態において、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２３２の各々は、３ミルの総厚を有する。示されないが、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２３２の各々は、一対の二軸配向ポリプロピレン層を備え得る。実施形態において、各二軸配向ポリプロピレン層は、１ミル、１．５ミル、２ミルなどの１ミル～２ミルの厚さ、又はそれらのいずれか２つの値を終端として有する任意の範囲の厚さを有する。実施形態において、各二軸配向ポリプロピレン層は、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２３２各々に３ミルの総厚をもたらすために、１．５ミルの厚さを有する。

第１の電極２０６及び第２の電極２０８は各々、第１のフィルム層２２２と第２のフィルム層２２４との間に位置付けられる。いくつかの実施形態において、第１の電極２０６及び第２の電極２０８は各々、例えば、Ｍｙｌａｒ（登録商標）など、アルミニウム被覆ポリエステルである。加えて、第１の電極２０６及び第２の電極２０８のうちの一方は、負に帯電した電極であり、第１の電極２０６及び第２の電極２０８のうちの他方は、正に帯電した電極である。本明細書に論じられる目的のため、どちらか一方の電極２０６、２０８は、人工筋肉２００の他方の電極２０６、２０８が負に帯電される限り、正に帯電され得る。

第１の電極２０６は、フィルムを向いた面２２６及び反対側の内面２２８を有する。加えて、第１の電極２０６は、第１の端子２３０を含み、この第１の端子２３０は、第１の端子１３０が第１の電極２０６を作動させるために電源に接続され得るように、第１の電極２０６から第１のフィルム層２２２の縁を過ぎて延びる。具体的には、端子は、図９に示されるように、作動システム３００の電源及び制御器に、直接的又は直列に、結合される。同様に、第２の電極２０８は、フィルムを向いた面２４８及び反対側の内面２５０を有する。第２の電極２０８は、第２の端子２５２を含み、この第２の端子２５２は、第２の端子１３０が第２の電極２０８を作動させるために作動システム３００の電源及び制御器に接続され得るように、第２の電極２０８から第２のフィルム層２２４の縁を過ぎて延びる。

第１の電極２０６は、２つ以上のタブ部分２３２及び２つ以上のブリッジ部分２４０を含む。各ブリッジ部分２４０は、隣接するタブ部分２３２の間に位置付けられて、これらの隣接するタブ部分２３２を相互接続する。各タブ部分２３２は、第１の電極２０６の中心軸線Ｃからタブ部分２３２の対向する第２の端部２３６まで半径方向に延びる第１の端部２３４を有し、第２の端部２３６は、第１の電極２０６の外周囲２３８の一部分を画定する。各ブリッジ部分２４０は、第１の電極２０６の中心軸線Ｃから第１の電極２０６の外周囲２３８の別の部分を画定するブリッジ部分２４０の対向する第２の端部２４４まで延びる第１の端部２４２を有する。各タブ部分２３２は、タブ長さＡ１を有し、各ブリッジ部分２４０は、第１の電極２０６の中心軸線Ｃから半径方向に延びるブリッジ長さＡ２を有する。タブ長さＡ１は、タブ部分２３２の第１の端部２３４から第２の端部２３６までの距離を画定し、ブリッジ長さＡ２は、ブリッジ部分２４０の第１の端部２４２から第２の端部２４４までの距離を画定する。各タブ部分２３２のタブ長さＡ１は、各ブリッジ部分２４０のブリッジ長さＡ２よりも長い。いくつかの実施形態において、ブリッジ長さＡ２は、タブ長さＡ１の３０％～４０％など、タブ長さＡ１の２０％～５０％である。

いくつかの実施形態において、２つ以上のタブ部分２３２は、タブ部分２３２の１つ又は複数の対で配置される。タブ部分２３２の各対は、互いと径方向に対向して配置された２つのタブ部分２３２を含む。いくつかの実施形態において、第１の電極２０６は、第１の電極２０６の対辺又は両端に位置付けられる２つのみのタブ部分２３２を含み得る。いくつかの実施形態において、図５に示されるように、第１の電極２０６は、４つのタブ部分２３２、及び隣接するタブ部分２３２を相互接続する４つのブリッジ部分２４０を含む。この実施形態では、４つのタブ部分２３２は、二対のタブ部分２３２が互いに対して径方向に対向するように配置される。さらには、示されるように、第１の端子２３０は、タブ部分２３２のうちの１つの第２の端部２３６から延び、それと一体に形成される。

第１の電極２０６のように、第２の電極２０８は、少なくとも一対のタブ部分２５４及び２つ以上のブリッジ部分２６２を含む。各ブリッジ部分２６２は、隣接するタブ部分２５４の間に位置付けられて、これらの隣接するタブ部分２５４を相互接続する。各タブ部分２５４は、第２の電極２０８の中心軸線Ｃからタブ部分２５４の対向する第２の端部２５８まで半径方向に延びる第１の端部２５６を有し、第２の端部２５８は、第２の電極２０８の外周囲２６０の一部分を画定する。第１の電極２０６及び第２の電極１０８が互いと同軸であることに起因して、第１の電極１０６の中心軸線Ｃ及び第２の電極１０８の中心軸線Ｃは同じである。各ブリッジ部分２６２は、第２の電極２０８の中心軸線Ｃから第２の電極２０８の外周囲２６０の別の部分を画定するブリッジ部分２６２の対向する第２の端部２６６まで延びる第１の端部２６４を有する。各タブ部分２５４は、タブ長さＡ３を有し、各ブリッジ部分２６２は、第２の電極２０８の中心軸線Ｃから半径方向に延びるブリッジ長さＡ４を有する。タブ長さＡ３は、タブ部分２５４の第１の端部２５６から第２の端部２５８までの距離を画定し、ブリッジ長さＡ４は、ブリッジ部分２６２の第１の端部２６４から第２の端部２６６までの距離を画定する。タブ長さＡ３は、各ブリッジ部分２６２のブリッジ長さＡ４よりも長い。いくつかの実施形態において、ブリッジ長さＡ４は、タブ長さＡ３の３０％～４０％など、タブ長さＡ３の２０％～５０％である。

いくつかの実施形態において、２つ以上のタブ部分２５４は、タブ部分２５４の１つ又は複数の対で配置される。タブ部分２５４の各対は、互いと径方向に対向して配置された２つのタブ部分２５４を含む。いくつかの実施形態において、第２の電極２０８は、第１の電極２０６の対辺又は両端に位置付けられる２つのみのタブ部分２５４を含み得る。いくつかの実施形態において、図５に示されるように、第２の電極２０８は、４つのタブ部分２５４、及び隣接するタブ部分２５４を相互接続する４つのブリッジ部分２６２を含む。この実施形態では、４つのタブ部分２５４は、二対のタブ部分２５４が互いに対して径方向に対向するように配置される。さらには、示されるように、第２の端子２５２は、タブ部分２５４のうちの１つの第２の端部２５８から延び、それと一体に形成される。

これより図５を参照すると、第１の電極２０６及び第２の電極２０８のうちの少なくとも一方には、タブ部分２３２の第１の端部２３４とブリッジ部分２４０の第１の端部２４２との間に中央開口部が形成されている。示されるように、第１の電極２０６が、中央開口部２４６を有する。しかしながら、第１の電極２０６は、中央開口部２６８が第２の電極２０８内に提供されるとき、中央開口部２４６を含む必要がないということを理解されたい。代替的に、第２の電極２０８は、中央開口部２４６が第１の電極２０６内に提供されるとき、中央開口部２６８を含む必要がない。

上に記されるように、第１の補剛部材２１３及び第２の補剛部材２１５は、第１のフィルム層２２２と第１の電極２０６との間に位置付けられる。本明細書により詳細に論じられるように、第１の補剛部材２１３及び第２の補剛部材２１５は、第１のフィルム層２２２の剛性を徐々に又は漸増的に増大させるために勾配剛性を提供する。示されるように、第１の補剛部材２１３は、第１のフィルム層２２２と第２の補剛部材２１５との間に位置付けられ、第２の補剛部材２１５は、第１の補剛部材２１３と第１の電極２０６との間に位置付けられる。

第１の補剛部材２１３及び第２の補剛部材２１５は各々、第１の電極２０６に全体的に対応する幾何学的形状を有する。故に、第１の補剛部材２１３は、タブ部分２２１、及び隣接するタブ部分２２１の間に延びて外周囲２２５を画定するブリッジ部分２２３を含む。同様に、第２の補剛部材２１５は、タブ部分２２７、及び隣接するタブ部分２２７の間に延びて外周囲２３１を画定するブリッジ部分２２９を含む。しかしながら、第１の補剛部材２１３及び第２の補剛部材２１５は、第１の電極２０６よりも寸法的に小さい。具体的には、第２の補剛部材２１５は、第１の電極２０６よりも寸法的に小さく、第１の補剛部材２１３は、第２の補剛部材２１５よりも寸法的に小さい。第１の電極２０６が中央開口部２４６を有する実施形態において、第１の補剛部材２１３は、中央開口部２３３を有し、第２の補剛部材２１５は、中央開口部２３５を有し、各々が第１の電極２０６の中央開口部２４６と同軸である。

第３の補剛部材２１７及び第４の補剛部材２１９に関しては、上に記されるように、第３の補剛部材２１７及び第４の補剛部材２１９は、第２のフィルム層２２４と第２の電極２０８との間に提供される。本明細書により詳細に論じられるように、第３の補剛部材２１７及び第４の補剛部材２１９は、第２のフィルム層２２４の剛性を徐々に又は漸増的に増大させるために勾配剛性を提供する。示されるように、第３の補剛部材２１７は、第２のフィルム層２２４と第４の補剛部材２１９との間に位置付けられ、第４の補剛部材２１９は、第３の補剛部材２１７と第２の電極２０８との間に位置付けられる。

第３の補剛部材２１７及び第４の補剛部材２１９は各々、第２の電極２０８に全体的に対応する幾何学的形状を有する。故に、第３の補剛部材２１７は、タブ部分２３７、及び隣接するタブ部分２３７の間に延びて外周囲２４１を画定するブリッジ部分２３９を含む。同様に、第４の補剛部材２１９は、タブ部分２４３、及び隣接するタブ部分２４３の間に延びて外周囲２４７を画定するブリッジ部分２４５を含む。しかしながら、第３の補剛部材２１７及び第４の補剛部材２１９は、第２の電極２０８よりも寸法的に小さい。具体的には、第４の補剛部材２１９は、第２の電極２０８よりも寸法的に小さく、第３の補剛部材２１７は、第４の補剛部材２１９よりも寸法的に小さい。第２の電極２０８が中央開口部２６８を有する実施形態において、第３の補剛部材２１７は、中央開口部２４９を有し、第４の補剛部材２１９は、中央開口部２５１を有し、各々が第２の電極２０８の中央開口部２６８と同軸である。

実施形態において、補剛部材２１３、２１５、２１７、２１９は各々、１ミル、１．５ミル、２ミルなどの１ミル～２ミルの厚さ、又はそれらのいずれか２つの値を終端として有する任意の範囲の厚さを有する二軸配向ポリプロピレン層である。実施形態において、第１の補剛部材２１３及び第２の補剛部材２１５のうちの一方のみが、第１のフィルム層２２２と第１の電極２０６との間に提供される。さらに、実施形態において、第１の補剛部材２１３及び第２の補剛部材２１５は、中央開口部の反対側の端におけるモノリシック部材の厚さが、中央開口部におけるモノリシック部材の厚さよりも小さいような、ワンピースのモノリシック部材であり得る。厚さは、反対端から中央開口部へ向かう長さ方向において徐々に増大するか、漸増的に増大し得る。同様に、実施形態において、第３の補剛部材２１７及び第４の補剛部材２１９のうちの一方のみが、第２のフィルム層２２４と第２の電極２０８との間に提供される。さらに、実施形態において、第３の補剛部材２１７及び第４の補剛部材２１９は、中央開口部の反対側の端におけるモノリシック部材の厚さが、中央開口部におけるモノリシック部材の厚さよりも小さいような、ワンピースのモノリシック部材であり得る。厚さは、反対端から中央開口部へ向かう長さ方向において徐々に増大するか、漸増的に増大し得る。

依然として図５を参照すると、第１の電気絶縁体層２１０及び第２の電気絶縁体層２１２は、それぞれ第１の電極２０６及び第２の電極２０８に全体的に対応する幾何学的形状を有する。故に、第１の電気絶縁体層２１０及び第２の電気絶縁体層２１２は各々、第１の電極２０６及び第２の電極２０８の同じ部分に対応するタブ部分２７０、２７２、及びブリッジ部分２７４、２７６を有する。さらに、第１の電気絶縁体層２１０及び第２の電気絶縁体層２１２は各々、第１の電極２０６及び第２の電極２０８の上に位置付けられるとき、それぞれ第１の電極１０６の外周囲２３８及び第２の電極１０８の外周囲２６０に対応する外周囲２７８、２８０を有する。

いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層２１０及び第２の電気絶縁体層２１２は、概して、同じ構造体及び組成物を含むということを理解されたい。そのようなものとして、いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層２１０及び第２の電気絶縁体層２１２は各々、接着面２８２、２８４及び反対側の非シール性面２８６、２８８をそれぞれ含む。いくつかの実施形態において、第１の電気絶縁体層２１０及び第２の電気絶縁体層２１２は各々、第１の電極２０６の内面２２８及び第２の電極２０８の内面２５０にそれぞれ接着される高分子テープである。

これより図６を参照すると、人工筋肉２００の平面図は、ハウジング２０２の外周囲を過ぎて延びる第１の電極２０６の第１の端子２３０及び第２の電極２０８の第２の端子２５２、すなわち、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４を伴った、組み立てられた形態で示される。示されるように、第２の電極２０８は、第１の電極２０６の上に積層され、したがって、他の構成要素がこの図では隠されるため、第２のフィルム層２２４、第３の補剛部材２１７、第４の補剛部材２１９、及び第２の電極２０８のみが例証される。

これより図７を参照すると、組み立てられた形態では、第１の電極２０６、第２の電極２０８、第１の電気絶縁体層２１０、及び第２の電気絶縁体層２１２は、第１のフィルム層２２２と第２のフィルム層２２４との間に挟まれる。追加的に、第１の補剛部材２１３及び第２の補剛部材２１５は、第１のフィルム層２２２と第１の電極２０６との間に位置付けられ、第３の補剛部材２１７及び第４の補剛部材２１９は、第２のフィルム層２２４と第２の電極２０８との間に位置付けられる。第１のフィルム層２２２は、第１の電極２０６の外周囲２３８及び第２の電極２０８の外周囲２６０を囲むエリアにおいて、第２のフィルム層２２４に対して部分的にシールされる。具体的には、いくつかの実施形態において、第１のフィルム層２２２は、第２のフィルム層２２４に対してシールされて、第１の電極２０６及び第２の電極２０８を囲むシール部分２９０を画定する。いくつかの実施形態において、第１のフィルム層２２２は、第２のフィルム層２２４に対してヒートシールされる。しかしながら、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４は、接着剤又は同種のものを使用するなど、任意の好適な様式でシールされ得る。

第１の電気絶縁体層２１０及び第２の電気絶縁体層２１２は、第１のフィルム層２２２の一部分が第２のフィルム層２２４の反対部分に対してシールするのを防ぐバリアを提供し、以て非シール部分２９２を形成する。ハウジング２０２の非シール部分２９２は、電極対２０４が提供される電極領域２９４、及び、電極領域２９４によって囲まれる拡張可能な流体領域２９６を含む。第１の電極２０６及び第２の電極２０８の中央開口部２４６、２６８、並びに補剛部材の中央開口部は、拡張可能な流体領域２９６を画定し、互いの上に軸方向に積層されるように配置される。示されないが、ハウジング２０２は、第１の電気絶縁体層２１０及び第２の電気絶縁体層２１２の幾何学的形状に適合し、人工筋肉２００のサイズ、すなわち、シール部分２９０のサイズを低減するために、切断され得る。

誘電流体１９８などの誘電流体２９８は、非シール部分２９２内に提供され、第１の電極２０６と第２の電極２０８との間を自由に流れる。本明細書に論じられる人工筋肉１００と同様に、人工筋肉２００は、非作動状態と作動状態との間で作動可能である。非作動状態では、図７に示されるように、第１の電極２０６及び第２の電極２０８は、それらの中央開口部２４６、２６８、及びタブ部分２３２、２５４の第１の端部２３４、２５６の近位で互いから部分的に離間される。タブ部分２３２、２５４の第２の端部２３６、２５８は、ハウジング２０２が第１の電極２０６の外周囲２３８及び第２の電極２０８の外周囲２６０においてシールされていることに起因して、互いに対して所定の位置に留まる。作動状態では、図８に示されるように、第１の電極２０６及び第２の電極２０８は、互いと接触状態になり、また互いに対して平行に配向されて、誘電流体２９８を拡張可能な流体領域２９６内へと強いる。これにより、誘電流体２９８が、第１の電極２０６及び第２の電極２０８の中央開口部２４６、２６８を通って流れて、拡張可能な流体領域２９６を膨張させる。具体的には、第１の補剛部材２１３及び第２の補剛部材２１５は、第１のフィルム層２２２を、拡張可能な流体領域２９６へ向かう方向において電極領域２９４内で次第により剛性にさせるということを理解されたい。同様に、第３の補剛部材２１７及び第４の補剛部材２１９は、第２のフィルム層２２４を、拡張可能な流体領域２９６へ向かう方向において電極領域２９４内で次第により剛性にさせる。そのようなものとして、電極対２０４の作動中、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４の最も剛性でない部分、すなわち、いかなる補剛部材２１３、２１５、２１７、２１９も有しない部分は、最初、電極対２０４の作動によって互いの方へ引き付けられる。続いて、最も剛性でない部分よりも大きい剛性を有する第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４の隣接部分、すなわち、それらの間に第２の補剛部材２１５又は第４の補剛部材２１９のみを含む部分が、互いの方へ引き付けられる。そして、最も大きい剛性を有する第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４の残りの部分、すなわち、それらの間に補剛部材２１３、２１５、２１７、２１９の各々を含む部分が、図８に示されるように、互いの方へ引き付けられる。第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４の剛性を拡張可能な流体領域２９６へ向かう方向に増大させることは、電極が、第１の電極２０６及び第２の電極２０８のタブ部分２３２、２５４の第２の端部２３６、２５８から第１の電極２０６及び第２の電極２０８のタブ部分２３２、２５４の第１の端部２３４、２５６の方へ「ジッピング」することを促進するということを理解されたい。

これより図７を参照すると、人工筋肉２００は、非作動状態で示される。電極対２０４は、ハウジング２０２の非シール部分２９２の電極領域２９４内に提供される。第１の電極２０６の中央開口部２４６及び第２の電極２０８の中央開口部２６８は、拡張可能な流体領域２９６内に同軸に整列される。非作動状態では、第１の電極２０６及び第２の電極２０８は、互いから部分的に離間され、互いに対して非平行である。第１のフィルム層２２２が電極対２０４の周りで第２のフィルム層２２４に対してシールされていることに起因して、タブ部分２３２、２５４の第２の端部２３６、２５８は、互いと接触状態になる。故に、誘電流体２９８は、第１の電極２０６と第２の電極２０８との間に提供され、以て、拡張可能な流体領域１９６の近位でタブ部分２３２、２５４の第１の端部２３４、２５６を分離させる。別の言い方をすると、第１の電極２０６のタブ部分２３２の第１の端部２３４と第２の電極２０８のタブ部分２５４の第１の端部２５６との間の距離は、第１の電極２０６のタブ部分２３２の第２の端部２３６と第２の電極２０８のタブ部分２５４の第２の端部２５８との間の距離よりも大きい。いくつかの実施形態において、第１の電極２０６及び第２の電極２０８は、可撓性であり得る。故に、図７に示されるように、第１の電極２０６及び第２の電極２０８は、それらのタブ部分２３２、２５４の第２の端部２３６、２５８が、互いに対して近いままであり得るが、中央開口部２４６、２６８の近位で互いから離間されるように、凸状である。非作動状態では、拡張可能な流体領域２９６は、高さＢ１を有する。

作動されるとき、図８に示されるように、第１の電極２０６及び第２の電極２０８は、それらのタブ部分２３２、２５４の第２の端部２４４、２５８から互いの方へジッパリングし、以て、誘電流体２９８を拡張可能な流体領域２９６内へ押し込む。示されるように、作動状態にあるとき、第１の電極２０６及び第２の電極２０８は、互いに対して平行である。作動状態では、誘電流体２９８は、拡張可能な流体領域２９６内へ流れて、拡張可能な流体領域２９６を膨張させる。そのようなものとして、第１のフィルム層２２２及び第２のフィルム層２２４は、反対方向に拡張する。作動状態では、拡張可能な流体領域２９６は、高さＢ２を有し、これは、非作動状態にあるときの拡張可能な流体領域２９６の高さＢ１よりも大きい。示されないが、電極対２０４は、非作動状態と作動状態との間の位置へ部分的に作動され得るということに留意されたい。これは、必要に応じて、拡張可能な流体領域２９６の部分膨張、及び調節を可能にする。

第１の電極２０６及び第２の電極２０８を互いの方へ動かすために、電圧が、電源によって印加される。いくつかの実施形態において、最大１０ｋＶの電圧が、誘電流体２９８を通じて電場を誘導するために電源から提供され得る。第１の電極２０６と第２の電極２０８との間の結果として生じる引力が、誘電流体２９８を拡張可能な流体領域２９６内へ押し込む。拡張可能な流体領域２９６内の誘電流体２９８からの圧力は、第１のフィルム層２２２及び第１の電気絶縁体層２１０を第１の電極２０６の中心軸線Ｃに沿って第１の軸方向に変形させ、第２のフィルム層２２４及び第２の電気絶縁体層２１２を第２の電極２０８の中心軸線Ｃに沿って反対の第２の軸方向に変形させる。第１の電極２０６及び第２の電極２０８に供給されている電圧が中止されると、第１の電極２０６及び第２の電極２０８は、非作動状態におけるそれらの最初の非平行位置へと戻る。

本明細書に開示される本実施形態、具体的には、相互接続するブリッジ部分２７４、２７６を伴うタブ部分２３２、２５４は、タブ部分２３２、２５４を含まないＨＡＳＥＬアクチュエータなどのアクチュエータに勝るいくつかの改善点を提供するということを理解されたい。第１の電極２０６及び第２の電極２０８の各々にそれぞれ二対のタブ部分２３２、２５４を含む人工筋肉２００の実施形態は、人工筋肉２００の全体的な質量及び厚さを低減し、作動中に必要とされる電圧の量を低減し、均一の半径方向に延びる幅を有するドーナツ形状の電極を含む既知のＨＡＳＥＬアクチュエータと比較して、作動後の結果として生じる力の量を低減することなく、人工筋肉２００の総体積を減少させる。より詳細には、人工筋肉２００のタブ部分２３２、２５４は、ドーナツ形状の電極を含むＨＡＳＥＬアクチュエータを比較して、人工筋肉２００の局所的かつ均一の油圧作動を提供することによって、増加された作動動力を結果としてもたらすジッピング前面を提供する。具体的には、一対のタブ部分２３２、２５４は、ドーナツ形状のＨＡＳＥＬアクチュエータと比較して２倍の量の単位容積あたりのアクチュエータ動力を提供する一方、二対のタブ部分２３２、２５４は、４倍の量の単位容積あたりのアクチュエータ動力を提供する。タブ部分２３２、２５４を相互接続するブリッジ部分２７４、２７６はまた、作動中、隣接するタブ部分２３２、２５４間の距離を維持することによって、タブ部分２３２、２５４のバックリングを制限する。ブリッジ部分２７４、２７６が、タブ部分２３２、２５４と一体的に形成されることから、ブリッジ部分２７４、２７６はまた、遮断リスクの増加をもたらす付着場所を排除することによって、タブ部分２３２、２５４間の漏出を防ぐ。

動作中、人工筋肉２００が電圧を提供することによって作動されるとき、拡張可能な流体領域２９６の拡張は、アクチュエータ容積の立方センチメートル（ｃｍ³）あたり３ニュートンミリメートル（Ｎ．ｍｍ）以上の力、例えば、ｃｍ³あたり４Ｎ．ｍｍ以上、ｃｍ³あたり５Ｎ．ｍｍ以上、ｃｍ³あたり６Ｎ．ｍｍ以上、ｃｍ³あたり７Ｎ．ｍｍ以上、ｃｍ³あたり８Ｎ．ｍｍ以上、又は同種のものなど、をもたらす。電圧を提供することは、例えば、電源がバッテリである実施形態においては、電圧を生成すること、例えば、電源が電力アダプタである実施形態においては、電圧を変換すること、又は電圧を印加のために準備するための任意の他の既知の技術若しくはまだ開発されていない技術を含み得る。１つの例において、人工筋肉１００が９．５キロボルト（ｋＶ）の電圧により作動されるとき、人工筋肉２００は、結果として生じる５Ｎの力をもたらす。別の例において、人工筋肉２００が１０ｋＶの電圧により作動されるとき、人工筋肉２００は、５００グラム荷重で４４０％ひずみをもたらす。

さらには、第１の電極２０６及び第２の電極２０８のサイズは、誘電流体２９８の変位の量に比例する。したがって、拡張可能な流体領域２９６内でより大きい変位が所望されるほど、電極対２０４のサイズは、拡張可能な流体領域２９６のサイズに対して増大される。拡張可能な流体領域２９６のサイズは、第１の電極２０６及び第２の電極２０８における中央開口部２４６、２６８によって画定されるということを理解されたい。故に、拡張可能な流体領域２９６内の変位の度合いは、代替的に、又は追加的に、中央開口部２４６、２６８のサイズを増大又は低減することによって制御され得る。

これより図９を参照すると、人工筋肉１００、２００などの人工筋肉を動させるための作動システム３００は、非作動状態と作動状態との間で提供され得る。このように、作動システム３００は、制御器３０２、オペレーティングデバイス３０４、電源３０６、及び通信経路３０８を含み得る。作動システム３００の様々な構成要素がこれより説明される。

制御器３０２は、様々な構成要素が通信可能に結合されるプロセッサ３１０及び非一時的な電子メモリ３１２を備える。いくつかの実施形態において、プロセッサ３１０及び非一時的な電子メモリ３１２及び／又は他の構成要素は、単一のデバイス内に含まれる。他の実施形態において、プロセッサ３１０及び非一時的な電子メモリ３１２及び／又は他の構成要素は、通信可能に結合される複数のデバイス間に分散され得る。制御器３０２は、機械可読命令のセットを記憶する非一時的な電子メモリ３１２を含む。プロセッサ３１０は、非一時的な電子メモリ３１２に記憶された機械可読命令を実行する。非一時的な電子メモリ３１２は、機械可読命令がプロセッサ３１０によってアクセスされるように機械可読命令を記憶することができるＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードドライブ、又は任意のデバイスを備え得る。したがって、本明細書に説明される作動システム３００は、予めプログラムされたハードウェア要素として、又はハードウェア及びソフトウェア構成要素の組み合わせとして、任意の従来のコンピュータプログラミング言語で実装され得る。非一時的な電子メモリ３１２は、１つのメモリモジュール又は複数のメモリモジュールとして実装され得る。

いくつかの実施形態において、非一時的な電子メモリ３１２は、作動システム３００の機能を実行するための命令を含む。命令は、ユーザコマンドに基づいて人工筋肉１００、２００を動作させるための命令を含み得る。

プロセッサ３１０は、機械可読命令を実行することができる任意のデバイスであってもよい。例えば、プロセッサ３１０は、集積回路、マイクロチップ、コンピュータ、又は任意の他のコンピューティングデバイスであってもよい。非一時的な電子メモリ３１２及びプロセッサ３１０は、作動システム３００の様々な構成要素及び／又はモジュール間の信号相互接続性を提供する通信経路３０８に結合される。したがって、通信経路３０８は、任意の数のプロセッサを互いと通信可能に結合し、通信経路３０８に結合されたモジュールが分散コンピューティング環境において動作することを可能にし得る。具体的には、モジュールの各々は、データを送信及び／又は受信し得るノードとして動作し得る。本明細書で使用される場合、用語「通信可能に結合」は、結合された構成要素が、例えば、導電媒質を介した電気信号、空気を介した電磁信号、光導波路を介した光信号、及び同種のものなど、データ信号を互いと交換することができることを意味する。

図９に概略的に描写されるように、通信経路３０８は、制御器３０２のプロセッサ３１０及び非一時的な電子メモリ３１２を作動システム３００の複数の他の構成要素と通信可能に結合する。例えば、図９に描写される作動システム３００は、オペレーティングデバイス３０４及び電源３０６と通信可能に結合されたプロセッサ３１０及び非一時的な電子メモリ３１２を含む。

オペレーティングデバイス３０４は、ユーザが人工筋肉１００、２００の動作を制御することを可能にする。いくつかの実施形態において、オペレーティングデバイス３０４は、スイッチ、トグル、ボタン、又はユーザ動作を提供するための制御の任意の組み合わせであり得る。非限定的な例として、ユーザは、オペレーティングデバイス３０４の制御を第１の位置へ活性化させることによって、人工筋肉１００、２００を作動状態へと作動させ得る。第１の位置にある間、人工筋肉１００、２００は、作動状態に留まる。ユーザは、オペレーティングデバイス３０４の制御を第１の位置から第２の位置へと動作させることによって、人工筋肉１００、２００を非作動状態へ切り替え得る。

オペレーティングデバイス３０４は、通信経路３０８がオペレーティングデバイス３０４を作動システム３００の他のモジュールに通信可能に結合するように、通信経路３０８に結合される。オペレーティングデバイス３０４は、人工筋肉１００、２００のある特定の動作構成に関するユーザ命令を受信するためのユーザインターフェースを提供し得る。加えて、ユーザ命令は、特定の条件でのみ人工筋肉１００、２００を動作させるための命令を含み得る。

電源３０６（例えば、バッテリ）は、電力を人工筋肉１００、２００に提供する。いくつかの実施形態において、電源３０６は、充電式直流電源である。電源３０６は、人工筋肉１００、２００に電力を提供するための単一の電源又はバッテリであり得るということを理解されたい。電力アダプタ（示されない）が、提供されて、電源３０６を介して人工筋肉１００、２００に電力を提供するためのワイヤリングハーネス又は同種のものを介して電気的に結合され得る。実際、電源３０６は、１つのレベル（例えば、第１の電圧、電力レベル、又は電流）で電力を受信し、第２のレベル（例えば、第２の電圧、電力レベル、又は電流）で電力を出力することができるデバイスである。

いくつかの実施形態において、作動システム３００は、ディスプレイデバイス３１４も含む。ディスプレイデバイス３１４は、通信経路３０８がディスプレイデバイス３１４を作動システム３００の他のモジュールに通信可能に結合するように、通信経路３０８に結合される。ディスプレイデバイス３１４は、人工筋肉１００、２００の作動状態に応答した通知、又は人工筋肉１００、２００の作動状態における変化の指標を出力し得る。さらには、ディスプレイデバイス３１４は、光学情報を提供することに加えて、ディスプレイデバイス３１４の面、又はディスプレイデバイス３１４に隣接する面に対する触覚入力の存在及び場所を検出する、タッチスクリーンであり得る。したがって、ディスプレイデバイス３１４は、オペレーティングデバイス３０４を含み、ディスプレイデバイス３１４によって光学出力が提供された際に直接的に機械的入力を受信し得る。

いくつかの実施形態において、作動システム３００は、ネットワーク３２０を介して作動システム３００をポータブルデバイス３１８に通信可能に結合するためのネットワークインターフェースハードウェア３１６を含む。ポータブルデバイス３１８は、限定するものではないが、スマートフォン、タブレット、パーソナルメディアプレイヤ、又はワイヤレス通信機能を含む任意の他の電気デバイスを含み得る。提供される場合、ポータブルデバイス３１８は、オペレーティングデバイス３０４の代わりに、ユーザコマンドを制御器３０２に提供する役割を果たし得るということを理解されたい。そのようなものとして、ユーザは、オペレーティングデバイス３０４の制御を利用することなく人工筋肉１００、２００を制御するためのプログラムを制御又は設定することができてもよい。故に、人工筋肉１００、２００は、ネットワーク３２０を介して制御器３０２とワイヤレスで通信するポータブルデバイス３１８を介して遠隔で制御され得る。

上記から、本明細書に規定されるのは、電極対、及び電極対の反対側の端又は電極対の中央部分における拡張可能な流体領域へ向かう人工筋肉の増大する剛性を提供するための１つ又は複数の補剛部材を有する、人工筋肉である。これは、人工筋肉が、オンデマンドで誘電流体を拡張可能な流体領域内へ方向付けるために内向けにジッピングすることを確実にする。

用語「実質的に」及び「約」は、任意の定量比較、値、測定値、又は他の表現に起因し得る本質的な不確実性の程度を表すために本明細書において利用され得るということに留意されたい。これらの用語はまた、定量的表現が、問題となる主題の基本機能における変化を結果としてもたらすことなく、述べられた参照から変化し得る度合いを表すために本明細書において利用される。

特定の実施形態が本明細書に例証及び説明されているが、様々な他の変更及び修正が特許請求された主題の範囲から逸脱することなくなされ得るということを理解されたい。さらには、特許請求された主題の様々な態様が本明細書に説明されているが、そのような態様は、組み合わせて利用される必要はない。したがって、添付の特許請求の範囲は、特許請求された主題の範囲内にあるすべてのそのような変更及び修正を網羅することが意図される。

Claims (20)

1. 人工筋肉であって、
   電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジングと、
   前記ハウジングの前記電極領域に位置付けられる、第１の電極及び第２の電極を含む電極対と、
   前記ハウジング内に収容される誘電流体と、
   前記ハウジングと前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも一方との間に位置付けられる補剛部材であって、前記電極領域の側端から前記拡張可能な流体領域へ向かう方向に前記ハウジングの剛性を増大させる、補剛部材と、
   を備え、
   前記電極対は、非作動状態から作動状態への作動が、前記誘電流体を前記拡張可能な流体領域へ方向付けるように、前記非作動状態と前記作動状態との間で作動可能である、
   人工筋肉。
2. 前記ハウジングと前記第１の電極及び前記第２の電極の各々との間に位置付けられる補剛部材をさらに備える、請求項１に記載の人工筋肉。
3. 前記ハウジングと前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも一方との間に位置付けられる一対の補剛部材をさらに備え、前記一対の補剛部材の第１の補剛部材が、第１の長さを有し、前記一対の補剛部材の第２の補剛部材が、前記第１の長さよりも大きい第２の長さを有し、前記第１の補剛部材が、前記ハウジングと前記第２の補剛部材との間に位置付けられる、請求項１に記載の人工筋肉。
4. 前記ハウジングと前記第１の電極及び前記第２の電極の各々との間に位置付けられる一対の補剛部材をさらに備え、前記一対の補剛部材の第１の補剛部材が、第１の長さを有し、前記一対の補剛部材の第２の補剛部材が、前記第１の長さよりも大きい第２の長さを有し、前記第１の補剛部材が、前記ハウジングと前記第２の補剛部材との間に位置付けられる、請求項２に記載の人工筋肉。
5. 前記ハウジングは、エラストマ材料を備える可撓性ハウジングである、請求項１に記載の人工筋肉。
6. 前記ハウジングは、二軸配向ポリプロピレン層を備える、請求項５に記載の人工筋肉。
7. 前記ハウジングは、一対の二軸配向ポリプロピレン層を備える、請求項６に記載の人工筋肉。
8. 各補剛部材は、二軸配向ポリプロピレン層を備える、請求項４に記載の人工筋肉。
9. 前記第１の電極及び前記第２の電極は各々、２つ以上のタブ部分及び２つ以上のブリッジ部分を備え、前記２つ以上のブリッジ部分の各々は、隣接するタブ部分を相互接続し、前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも一方は、前記２つ以上のタブ部分の間に位置付けられ、前記拡張可能な流体領域を一周する、中央開口部を備える、請求項１に記載の人工筋肉。
10. 人工筋肉であって、
    電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジングと、
    前記ハウジングの前記電極領域に位置付けられる、第１の電極及び第２の電極を含む電極対と、
    前記ハウジング内に収容される誘電流体と、
    前記ハウジングと前記第１の電極及び前記第２の電極の各々との間に位置付けられる一対の補剛部材であって、前記電極領域の側端から前記拡張可能な流体領域へ向かう方向に前記ハウジングの剛性を増大させる、一対の補剛部材と、を備え、
    前記電極対は、非作動状態から作動状態への作動が、前記拡張可能な流体領域に近位の前記電極対間の距離が減少される前に、前記電極領域の前記側端に近位の前記電極対間の距離を減少させるように、前記非作動状態と前記作動状態との間で作動可能である、人工筋肉。
11. 前記一対の補剛部材の第１の補剛部材は、第１の長さを有し、前記一対の補剛部材の第２の補剛部材は、前記第１の長さよりも大きい第２の長さを有し、前記第１の補剛部材は、前記ハウジングと前記第２の補剛部材との間に位置付けられる、請求項１０に記載の人工筋肉。
12. 前記ハウジングは、一対の二軸配向ポリプロピレン層を備える、請求項１０に記載の人工筋肉。
13. 各補剛部材は、二軸配向ポリプロピレン層を備える、請求項１０に記載の人工筋肉。
14. 前記第１の電極及び前記第２の電極は各々、２つ以上のタブ部分及び２つ以上のブリッジ部分を備え、前記２つ以上のブリッジ部分の各々は、隣接するタブ部分を相互接続し、前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも一方は、前記２つ以上のタブ部分の間に位置付けられ、前記拡張可能な流体領域を一周する、中央開口部を備える、請求項１０に記載の人工筋肉。
15. 補剛部材の各々は、２つ以上のタブ部分及び２つ以上のブリッジ部分を備え、前記２つ以上のブリッジ部分の各々は、隣接するタブ部分を相互接続し、前記補剛部材の少なくとも１つは、前記２つ以上のタブ部分の間に位置付けられ、前記拡張可能な流体領域を一周する、中央開口部を備える、請求項１４に記載の人工筋肉。
16. 人工筋肉を作動させるための方法であって、
    人工筋肉の電極対に電気的に結合される電源を使用して電圧を提供することであって、前記人工筋肉が、
    電極領域及び拡張可能な流体領域を有するハウジングと、
    前記ハウジングの前記電極領域に位置付けられる、第１の電極及び第２の電極を含む前記電極対と、
    前記ハウジング内に収容される誘電流体と、
    前記ハウジングと前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの少なくとも一方との間に位置付けられる補剛部材であって、前記電極領域の側端から前記拡張可能な流体領域へ向かう方向に前記ハウジングの剛性を増大させる、補剛部材と、を備える、電圧を提供することと、
    前記電圧を、前記人工筋肉の前記電極対に印加し、以て、前記電極対を非作動状態から作動状態へ作動させ、その結果として、前記誘電流体が、前記ハウジングの前記拡張可能な流体領域へ方向付けられ、前記拡張可能な流体領域を拡張することと、
    を含む、方法。
17. 前記ハウジングは、第１のフィルム層及び第２のフィルム層を備え、前記第１のフィルム層及び前記第２のフィルム層を互いに対して部分的にヒートシールして前記ハウジングのシール部分を画定し、前記ハウジングが、前記シール部分に囲まれた非シール部分をさらに備え、前記ハウジングの前記電極領域及び前記拡張可能な流体領域は、前記非シール部分に配設される、請求項１６に記載の方法。
18. 一対の補剛部材は、前記ハウジングと前記第１の電極及び前記第２の電極の各々との間に位置付けられ、前記一対の補剛部材の第１の補剛部材が、第１の長さを有し、前記一対の補剛部材の第２の補剛部材が、前記第１の長さよりも大きい第２の長さを有し、前記第１の補剛部材が、前記ハウジングと前記第２の補剛部材との間に位置付けられる、請求項１６に記載の方法。
19. 前記ハウジング及び前記一対の補剛部材は各々、二軸配向ポリプロピレン層を備える、請求項１８に記載の方法。
20. 前記拡張可能な流体領域を拡張することは、アクチュエータ容積のｃｍ³あたり４Ｎ．ｍｍよりも大きい力をもたらす、請求項１６に記載の方法。

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