(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１ナノメータの寸法を有する基本素子が、複数のフィラメントＭ間の複数のフィラメントＡの相互すべりにより電気的エネルギーを機械的仕事に変換することを特徴とし、スライディング・ナノアクチュエータ（ＳＮＡ）とも呼ばれる電気機械変換器であって、
前記基本素子は:
電気的半導体ディスクと;
前記半導体ディスクに接続された少なくとも２つの電気的半導体フィラメントＡ１及びＡ２を有するフィラメントＡと;
前記フィラメントＡ１及びＡ２の周りに対称的分布を形成する少なくとも３個の粒子と;
前記粒子に連結されたフィラメントＮと;
前記フィラメントＮが埋め込まれたより強いフィラメントＭと;
を含み、
電界によりイオンを強制的に前記半導体ディスクから前記フィラメントＡ１及びＡ２に沿って通過させた結果、前記粒子が偏向を生じて前記フィラメントＡ１及びＡ２を前記フィラメントＭに対して駆動させることにより、前記基本素子が短縮するＳＮＡ。
【請求項２】
前記基本素子は、前記フィラメントＡの周りの少なくとも３つの粒子が、薄い吊り下げフィラメントにより前記フィラメントＭに固定され、これらフィラメント及び粒子が液状又は気体状の媒体内に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のＳＮＡ。
【請求項３】
前記粒子が、その熱振動の運動エネルギー及びこれら粒子間のファンデルワールス引力の位置エネルギーからなる容積密度エネルギーの有意な減少を達成するために最適化された寸法、配置、相互接近、材料及び温度を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＮＡ。
【請求項４】
ＳＮＡの粒子及び他の部材の規則的３次元配列が、同一のデザインを有するそれらの表面電荷の静電反発力から生じることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＳＮＡ。
【請求項５】
フィラメントＡの周りの粒子が、その表面とは反対の電荷を有するイオンの数が増加した後に、ファンデルワールス力により相互に引き合い始めるようになっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＳＮＡ。
【請求項６】
粒子間のファンデルワールス引力が、その引き方向から小さな振れにより、フィラメントのシフトに変形され、その更なる引力及び傾向が、フィラメントＭ間のフィラメントＡに軸方向の力及び相互すべりを生じさせるようになっていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のＳＮＡ。
【請求項７】
前記基本素子のフィラメントＭ間のフィラメントＡの小さなすべりの繰返しが蓄積され、該基本素子内に比較的大きい変位及び力を生じさせるようにしたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のＳＮＡ。
【請求項８】
直列（線状の列）配置にある複数の前記基本素子の収縮の合計から及び／又は並列（並立）配置にある複数の前記基本素子の力の合計から生じる前記ＳＮＡの総収縮及び総力をもたらす請求項１から７のいずれか一項に記載のＳＮＡからなるＳＮＡ集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電気機械変換器は電気エネルギーを機械仕事(例えば、発生した力と移動との積として)に変換させる装置である。この変換器は我々の環境の全ての圏内で広く適用されている。このような変換器は電気モータ、電磁石、空気圧又は油圧シリンダー等を備えた電気−機械システムなどの古典的エンジニアリングで十分に確立されている。超小型電子技術において、電気機械変換器は、電子制御回路の情報処理部材をテクニカルプロセスと連結させるアクチュエータと呼ばれている。これらは、医療、宇宙、ロボット、超小型電子装置等を含む、多くの用途において開発され、ＣＤプレーヤー、カメラ、洗濯機、加熱及び空調システム、機械加工装置、自動車、ボート及び航空機、更に、呼吸装置、義肢において使用されている。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーを力及び移動に変換する方法は様々である。超小型電子技術におけるアクチュエータは新規又は改善された固体材料の変換特性に基づいている。このアクチュエータは従来の電気機械変換器と比較して可動部材が少ないという点で多くの利点を有する。アクチュエータの入力は、可能であればいつでも超小型電子技術と相容れるところの低いロス、電流、電圧で電気的に駆動される。この低い電圧、電流は誘導電界又は磁界の干渉を小さくするという要件に合致するものである。しかし、アクチュエータは、低い電圧、電流で、必要な、しかもしばしば大きい機械的力並びに変位を誘起させるものでなければならない。従って、最も重要な目的は、ロスが少ない低い電圧、電流で駆動することができ、かつ、十分に大きい機械仕事出力が得られる可及的に小さいアクチュエータを設計することである。古典的工学設計での単なるサイズの縮小では可能性は限られたものとなり、基本的に正しくない。新しい原理、材料及び技術は、新規、かつ、満足なアクチュエータに向けられている。表１は、現在のアクチュエータの主な特徴を、新規なスライディング(すべり)ナノアクチュエータ（ＳＮＡ、本特許出願）のものとの比較で表している。
【０００３】
表１：  現在のアクチュエータ及びＳＮＡ（本特許出願）
パラメータは最大の達成／予測値を表している。
【表１】
0005380076.tif 000002
【０００４】
圧電アクチュエータ：
圧電作用は結晶構造における弾性変形並びに電気双極子の配向現象に基づくものである。電界を印加することにより電気双極子の変形が生じ、それにより結晶にひずみが生じることになる。現在使用されている多くの材料は、鉛、ジルコネート及びチタネートの合金（ＰＺＴセラミックス）、又はポリビニリデンフロリド（ＰＶＤＦ）に基づいた圧電フィルムに基づいている。これらは精密位置決め及び能動振動制御の分野で要求されている課題の解決の点で、多年に亘り成功裏に使用されてきた。
【０００５】
圧電アクチュエータは、高い作動出力、短い反応時間(又は高い操作周波数)及び数ナノメータのオーダーの位置決め精度と、僅かの低いひずみにより特徴づけられる。現在では、多少でも高電圧は、超小型電子技術における電圧とは直接的には受け入れられない。
【０００６】
磁わい（歪）アクチュエータ：
磁わい（歪）は殆んどの強磁性材料で生じる。希土類−鉄（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）「巨大磁わい合金」（ＧＭＡｓ）はニッケルのような強磁性元素よりも二桁の大きさの磁わいを生じさせる。ＧＭＡｓの静的磁わいは小さな変位と、大きな力を提供するリニアアクチュエータの構築を可能にする。
【０００７】
磁気抵抗変換器は圧電アクチュエータを超えた特定の利点を有する。すなわち、小さなヒステレシス、より高い操作温度、より低い電圧駆動信号、電磁制御の可能性及び磁気抵抗ロッドから駆動コイルを分離させる可能性である。電圧変換器及び磁わい（歪）変換器は多くの用途において互換性を有するが、電圧変換器はより大きい存在を確立している。それは特に、多種類の圧電セラミックス、既製アクチュエータが商業的に入手可能であるからである。
【０００８】
形状記憶アクチュエータ：
形状記憶（ＳＭ）の用語は予め定められた形状を復元できる或る種の材料の能力を指すものである。このＳＭ作用は形状記憶合金の固−固相転移に基づくものであり、これは特定の温度間隔内で行われる。この転移温度より高い場合、その結晶構造は、いわゆるオーステナイト状態となる。この材料の温度が転移温度より下に下がった場合は、マルテンサイト結晶構造は熱力学的理由から、より安定となる。ツイン（双晶）マルテンサイトの境界は容易に移動させることができる。その理由からＳＭ部材はマルテンサイト状態において極めて小さい力で変形させることができ、加熱したとき、このオーステナイト構造が再び確立される。同時に、ＳＭ材料はその元の形状に戻る。ニッケル−チタン（NiTi）及びニッケル−チタン−銅（NiTiCu）はアクチュエータを目的とする場合において最高の特性を有する。その変形は約１００℃に限られている。
【０００９】
ＳＭ部材は、その所定の形状を復元するとき、大きな力を生じさせることがある。ＳＭ部材を加熱することは比較的単純である。電流を通電させたとき、ジュール損失のため熱が発生する。冷却プロセスの間において、ややゆっくりした自然プロセスにより熱が除去される。しかし、小さなアクチュエータは、より高い容積対表面比を提供する。従って、周囲媒体への熱転移は大きく改善され、アクチュエータのより迅速な応答時間を生じさせる。スパッタリングは、使用されている典型的な作成方法である。空間が制限されている場合は、非常に高い容積当り仕事比は高い値となる。２％未満の低い効率の不利は熱力学のより決定される。低い効率及び遅い速度のため、電気的形状記憶アクチュエータは非常に特定の用途については良好な選択となる。
【００１０】
エレクトロニックポリマー：
高誘電性高分子（ferroelectric polymers）、例えばポリビニリデンフロリド（ＰＶＤＦ）は自然の電気分極を示す。大きい交流電界（〜200MV/m）を適用することにより、ほぼ２％の電子ひずみ（非線形）が誘起される。
【００１１】
エレクトレット（electrets）は強い電界に曝すことにより電気分極が保持されるポリマーを指している。エレクトレットに対する電流の適用は静電形マイクロホンによるものでもよい。
【００１２】
静電気的にひずみを付与されたポリマーとしても知られている誘電性ＥＡＰは、平行平板コンデンサーにより代表されるものである。このフィルムの観察される応答は主として双方の電極に対する静電電荷間の相互作用によりもたらされる（マックスウエル効果）。２つの電極に対する反対の電荷は互いに引き合い、各電極に対する同じ電荷は互いに反発し合う。
【００１３】
電わい（歪）グラフトポリマー（electrostrictive graft polymer）は、結晶構造を形成する可撓性バックボーン高分子と、グラフトポリマーとの２つの成分からなる。グラフト結晶性極性相は、適用された電界に応答する部分と、エラストマーシステムのための架橋サイトとを提供する。この材料は４％までの電界誘起−ひずみを提供する。
【００１４】
液晶エラストマー材料は、ジュール熱を誘起させることにより電気的に活性化することができる。これらの材料の作動機構には、１秒未満の時間に亘るネマチック相と、イソトロピック相との間の相転移が含まれる。その逆のプロセスは、より遅いものであり、約１０秒を要する。
【００１５】
イオン性ポリマー：
イオン性ポリマーゲル（ＩＰＧ）は、構造内で溶媒の多くを維持させながら固体に物理的又は化学的変化を生じさせる溶液又はコロイド懸濁液である。ゲルの膨張及び収縮はマトリックスの内外への水又は溶媒の拡散に左右される。１ｍｍ厚のシートの応答時間は約２０分であるが、カルシウムイオンに応答して約５０ミリ秒で収縮する３０μｍの収縮性物体が植物中に見出されている[2]。
【００１６】
イオン性ポリマー・金属複合体（ＩＰＭＣ）は、ＩＰＧのサブグループを形成するものである。これらは一般には、薄い金属電極（約１０μｍ）を有する薄い（約２００μｍ）ポリマー薄膜からなるものである。ポリ電解質マトリックスは、カウンターカチオン(対カチオン)の或る量により中和され、上記薄膜に共有結合されたアニオンの電荷を均衡化させる（例えば、Nafion、デユポン、アルカリ金属での中和）。溶融状態（すなわち、水和）のＩＰＭＣが急激に適用されたステップ電位（１−３Ｖ）で刺激を受けると、可動性カウンターカチオンが陰極に向けて拡散する。その結果、この複合体は最初の早い曲げを生じ、ついでゆっくりした弛緩がなされる。
【００１７】
導電性ポリマー：
導電性ポリマーはいわゆる共役により特徴づけられ、その場合、炭素２重結合がポリマー主鎖に沿って炭素単結合と周期的に交互した状態となっている（ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン）。導電性ポリマーは、イオンをドーピングした場合には比較的高い導電性を有するものとなる。シリコーンとは異なり、このドーパントは、それがポリマー鎖間を占める空間に対し容易に挿入したり、その空間から容易に除去することができる。他の半導体材料と比較して、ドーピングレベルを非常に高くすることができる。すなわち、４個のモノマー当り、約１個のドーパント・カウンターである。ドーピングレベルの変化の間において容積変化がこれら材料内になされるから、アクチュエータの構築が可能となる。
【００１８】
例えば、ポリピロールフィルムが、正に荷電された電極に対し電気化学的に成長したとき、そのフィルムは自動的にｐ型にドープされることになる（図１Ａ、電子が除去され、ポリマーが酸化される）。電解質としては、ドデシルベンゼン・スルホネート・ナトリウム塩（NaDBS）を使用することができる[1, p.211]。この塩が、Na＋及びDBS−に解離されたとき、アニオンDBS−はドーピングされたポリピロールネットワークに構築され、ポリピロールフィルムの荷電中立性が維持される。それらの大きなサイズのため、DBS−アニオンは不動化され、ポリマーの外に容易に拡散することができない。外部からの電位が印加されない場合は、ポリピロールはｐ型ドーピング状態にて安定に維持される。この電極に対し、負の電位が印加されたとき（図１Ｂ）、電子がポリマー内に戻され、失われた電荷が満たされることになる（電子が受理され、ポリマーが還元される）。カチオンNa＋は同時にポリマー内に入り、不動化されたアニオンについて補償することになり、NaDBS塩を形成する。巨視的に見て、このポリマーはその容積を増大させる。印加電圧の大きさによっては、ポリピロールはその容積を２％まで変化させることができる。正の電位が印加されたとき（図１Ｃ）、電子及びカチオンがポリマーの外に再び移動し、ポリマーの容積は、図１Ａに均等する図１Ｄの状態まで減少することになる。従って、イオン濃度、従ってポリマーの容積を外部の電界により正しく制御することができる。一般に、以下の３つの作用が導電性ポリマーの容積変化について影響を及ぼす。
【００１９】
１）対イオンの挿入（ポリピロールの上記例中の最も優勢のもの）
２）連鎖のコンフォメーション（例えば、直鎖又は捩れ鎖）
３）連鎖間の相互作用（例えば、静電力）
研究された導電性ポリマーアクチュエータの殆んどは“導電性ポリマーフィルム／容積変化のないフィルム”に基づくものであり、この場合、導電性ポリマーは唯一の電気機械的活性物質である。導電性ポリマーフィルムは、電気機械的電池中の仕事・電極として接続され、付加的対電極及び電解質溶液が必要となる。
【００２０】
導電性ポリマーアクチュエータの作動機構は、導電性ポリマーフィルムと電解質媒体(電解質溶液又はドライ／ウエットポリマー電解質)との間のイオン交換に基づくものである。これは、この種のアクチュエータの比較的長い応答時間を制御し、制限する最も重要な因子である。導電性ポリマーの低い線形ひずみは、自然の筋肉と同じようにして効果的な直線状のアクチュエータの働きの構築を妨害する。この事実は、新規なポリマーあるいは長手方向の変化を増幅させる必要のある新規な構成に求めるに当って克服しなければならない重要な制限である。
【００２１】
カーボンナノチューブ：
カーボンナノチューブは、イクサイティングな電気的及び機械的特性を有し、これは共有結合炭素の複数の中空チューブからなる構造から得られるものである。二重層電荷注入は最も期待できるアクチュエータ機構と思われる[2, p.262]。この機構は導電性ポリマーで観察されるものと明らかに区別される。イオン流とその結果の電気機械的アクチュエータ動作は、大変に複雑であり、電解質中でのポリマーの対イオン及びイオンの相対的移動性により決定される。対照的に、カーボンナノチューブは電気機械的コンデンサーとして動作し、ナノチューブ中に注入された電荷が電解質イオンのナノチューブ表面への移動により形成された電気二重層によりバランスされる。電荷注入は、上記二重層に近い表面原子の炭素−炭素共有結合長に量子化学に基づく寸法の変化を生じさせる。短い応答時間及び高い力密度が、強い二重結合の機能に基づくこの機能から期待される。しかし、小さく、低い線状ひずみ伴う問題が残ることになる。
【００２２】
ナノチューブ「フォレスト」中の異なるチューブ間の静電気的反発によりこれらチューブ間に反発を生じさせる。インター・チューブ静電気アクチュエータ機構も科学的に興味のあるところである。
【００２３】
分子アクチュエータ：
単分子内の刺激誘起配座変化は、殆んどの生物学的分子アクチュエータの基礎となっている。この分子アクチュエータの１例はモータタンパク質キネシンにより駆動される輸送システムである[5]。ランダムコイル・ツ・ヘリックス変形は、最も強力な相似変化の一例である[2, p.304]。生物学的モータの共通する原理的欠点は、試験管内(in vitro)では寿命が制限されること、許容し得る環境条件の範囲が狭いことである。
【００２４】
自然の筋肉：
哺乳動物の骨格筋肉は、６億年以上に亘り進化した高度に最適化されたシステムであると考えられる。これら筋肉は個々の筋肉繊維−単細胞から作られており、約１０μｍの直径、数センチ以下の長さの筒状のものであり、細胞膜により囲まれている。この筋肉細胞は平行ミヨフィブリルから作られている。このミヨフィブリルは、サルコメアと呼ばれる数ミクロン軸長の収縮性ユニットであり、３つのタイプのフィラメント、すなわち、薄い、厚い及び接続されているフィラメントを含む。サルコメア内の厚いタンパク質フィラメント（ミヨシン）及び薄いタンパク質フィラメント（アクチン）は収縮において中心的役割を果たすことが知られている。このアクチン及びミヨシンタンパク質は収縮機構を有し、これらは摺動及び折り畳みの双方として解釈することができる[3]。
【００２５】
（１）摺動機構は、１９６０年頃から広く認められるようになった。筋肉細胞が電位作用により電気的に刺激されると、神経によりその細胞膜に沿って伝達され、カルシウムイオンが筋小胞体（Ｚ−プレートの近くに配置されている）から放出され、アクチンフィラメントの特定部位に結合する。ついで、最も近いミヨシン・ヘッド・グループがこれらの部位に結合し、厚いフィラメント及び薄いフィラメントが機械的に接続されると思われるが、動きは生じない。動きのためには、上記ヘッド・グループがそれらの角度を変化させ、これらの厚いフィラメント及び薄いフィラメントを互いに通り過ぎるようにして引っ張る必要がある。この目的のためにはエネルギーを必要とし、これはＡＴＰの形で提供される。このヘッド・グループはアデノシン・トリホスファターゼ（ATPase）酵素部位を有し、これらは上記ヘッドがアクチンと結合したされたときにのみ活性となる。Mg２＋の存在下でこの能動複合体がＡＴＰを加水分解し、無機ホスファーゼと、アデノシン・ジホスフェ−ト（ＡＤＰ）とを生じさせる。放出されたエネルギーの一部は上記ヘッド・グループの位置を伸張から屈曲に変化させるのに使用される。残念ながら、これらのヘッドの揺動機構の科学的説明はむしろ混乱したものとなっている。このプロセスが繰返され、薄いフィラメントはサルコメアの中間に向けて引っ張られてサルコメアは短縮する。電気的活動が終了したとき、過剰のカルシウムが筋小胞体により急速に摂取される。ＡＴＰ−ＡＤＰ分裂エネルギーの残りは、カルシウムイオンが筋小胞体に戻ったときに消費される。結合カルシウムがない場合は、上記ヘッド・グループはアクチンに結合された状態に留まることができず、他のタイムリーな電気的刺激がない場合は、サルコメアは伸張し、筋肉は再び弛緩する。しかし、電気的刺激の十分に高い周期での繰返しがなされた場合は、サルコメアは個々の単収縮（twitches）により、その最小長さに収縮することができる。この機構は、収縮の多くの公知の特徴を説明するものである。
【００２６】
（２）折畳み機構：  すべり（スライディング）機構を不適当なものとする幾つかの理由がある。１９５０年代の半ばまで、筋肉収縮は、相転位に類似するたんぱく質の折畳みに似た機構により生じるものと考えられていた。更に最近でも、Pollack[3]は、細胞の生物学的機能の多くが単一の一体化機構（相転移）により支配されると提案している。サルコメアの収縮はその主な例の１つである。それは３つのフィラメントにおけるカルシウム誘起相転移の結果であると考えられている。すなわち、薄いフィラメント内での縮合、接続フィラメント内での折畳み−開き状態の遷移、更に、ミヨシンフィラメントの螺旋からランダムコイルの相転移である。しかし、幾つかの疑問が解決されていない。
【００２７】
（３）ミヨシンヘッドの格子の相転移は、現存する疑問[6]に答えるものである。これは解釈の観点（１）及び（２）の双方を含むものである。ミヨシンヘッド列のカルシウム誘起相転移（それ自体の中でのその配列の再構築）の間のファンデルワールス引力は、主な駆動力を表している。ミヨシンヘッドのファンデルワールス・アプローチを、厚いフィラメント及び薄いフィラメントのすべりに変換させる単純なレバー機構がギア機構を構築することになる。
【００２８】
他のモデル（３）も本特許出願の理論的背景を表している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
以下の４点が本発明の基本的課題を形成している。
【００３０】
１）スライディング・ナノアクチュエータ（ＳＮＡ）の基本素子の基本的構造及び機能。
【００３１】
２）ファンデルワールス引力の位置エネルギーの密度の変化を最大にするのに最適な粒子のサイズ。
【００３２】
３）収縮状態への最大のアプローチ及びアクチュエータの弛緩の間の最大密度を可能にするＳＮＡ内の粒子の配列。
【００３３】
４）基本素子の単収縮の蓄積を誘起させる粒子の配置の周期的変化。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
ＳＮＡの基本素子の基本的構造及び機能：
ＳＮＡの基本素子の構造は、図３に示すように、例えば筒状断面の直径が５−１５ｎｍの少なくとも２つの電気的半導体フィラメントＡ１及びＡ２（例えば電気的活性ポリマー）からなり、これらは電気的半導体ディスクに接続されている。これらフィラメントＡ１及びＡ２の周りには少なくとも３個の粒子（例えば、半径Ｒ＝５−２０ｎｍの球状粒子）の対称的分布が形成されている。これら粒子はフィラメントＮ（例えば、円形断面の直径が１−５ｎｍのフィラメント）に連結されており、このフィラメントＮはフィラメント束又はより強いフィラメントＭ内に埋め込まれている。これら粒子、ディスク及びフィラメントの表面は同じ電荷、例えばマイナスの電荷を有する。
【００３５】
弛緩状態において、粒子及びフィラメントの位置は、規則的配置において静電反発力により制御される（図３の上図）。これらフィラメントＡ１、Ａ２、Ｎ、Ｍ、ディスク及び固体粒子は液体又は気体媒体中に配置される。有利な方法として、これら粒子は、図５及び６に従って、最密配置を以って六角形格子（ｈｃｐ）に配列される。
【００３６】
収縮状態において（図３の下図、図５の上図左及び図７）、フィラメントＡ１及びＡ２は、ＳＮＡの全体の表面上の電荷とは反対の電荷を有するイオンの層により囲まれている。このイオン層は好ましくは、多価イオンで構築される。例えば、フィラメント表面の負の電荷の場合、電界によりイオンを強制的にディスクからフィラメントＡ１及びＡ２に沿って通過させる。高い濃度のイオンは、粒子及びフィラメントＡ１及びＡ２上の電気二重層を崩壊させる。後に、この崩壊はそれらの静電反発力を局所的に中和させる。フィラメントＡ１及びＡ２におけるファンデルワールス引力の定常的影響により粒子相互の引力並びにそれらのフィラメントＡ１及びＡ２との接触が生じることになる。この粒子と、フィラメントＡ１及びＡ２との接触並びに粒子相互の継続的引力により、粒子の偏向が生じ、それによりフィラメントＡ１及びＡ２が中央部に向けて駆動されることになる。それにより、ＳＮＡの基本素子及びＳＮＡ全体の双方が短縮することになる。１つの単収縮によりＳＮＡは、例えば１５ｎｍ収縮する。
【００３７】
ディスクの分極の変化により、イオンは強制的に粒子に向った円筒状に移送され、ディスクに戻される。供給エネルギーの大部分はイオンのディスクへの戻りにより消費される。
【００３８】
ＳＮＡの基本素子の合計の収縮は、単収縮を合計した積となる。この単収縮は、粒子の交互の偏向及びその元の位置への戻りから生じる。具体例として、１５ｎｍに亘る１００の単収縮により単一素子の１．５ミクロンまでもの合計収縮が誘起される。
【００３９】
フィラメントの領域内のイオン濃度の継続的減少は弛緩（伸張）を生じさせる。
【００４０】
アクチュエータの基本素子は直列及び/又は並列で接続させ、それにより所望の移動及び/又は力を達成させることができる。
【００４１】
機能的粒子（そのサイズ、材質、最大アプローチ、仕事温度）及び変換されたエネルギー：
半径Ｒ（ｍ）の２つの同じ球状粒子の、それらの表面の距離ｄ→∞からｄ＜＜Ｒへのアプローチにより、そのファンデルワールス引力結合の位置エネルギーはゼロから実質的にマイナスの値に減少する。
【数１】
0005380076.tif 000003
【００４２】
ここで、Ｈ（Ｊ）はHammaker定数であり、粒子材料の品質及びそれが収容される媒体の品質を表している[7, 8]。
【００４３】
３粒子システム中の単一粒子の合計内部エネルギーＥ１（図５、左上図）は粒子の熱移動の平均運動エネルギーと、結合方向のファンデルワールス引力接合の位置エネルギーとの合計である。
【数２】
0005380076.tif 000004
【００４４】
ここで、ｋはボルツマン定数、１．２８Ｅ−２３（Ｊ／Ｋ）、Ｔは熱力学温度（Ｋ）である。
【００４５】
この粒子システムの内部エネルギーの容積密度ε（Ｊ／ｍ３）は、
【数３】
0005380076.tif 000005
【００４６】
ここで、ｎは単位容積１ｍ３当りの粒子の数である。
【００４７】
球状粒子が半径Ｒを有する場合、
【数４】
0005380076.tif 000006
【００４８】
ここで、Φは球状粒子による空間の充填度を示す（０＜Φ＜１）。
【００４９】
等式（３）によれば、Ｅ１を等式（２）に代入し、ｄを粒子ｄ０の可及的最小アプローチに代入し、ｎを等式（４）に代入することにより、容積密度エネルギーεの球状粒子の半径Ｒに対する依存度を得ることができる。
【数５】
0005380076.tif 000007
【００５０】
図４は等式（５）を実証するものである。このグラフの過程は明瞭な最小値を示している。この最小値は、粒子の半径Ｒ＊での容積密度エネルギーεの可能な最も低い減少を表している。この半径Ｒ＊は等式（６）及び（７）から計算することができる。
【数６】
0005380076.tif 000008
【数７】
0005380076.tif 000009
【００５１】
等式（７）からＲ＊を等式（５）のＲに代入することにより、この粒子のシステムの容積密度エネルギーεの最大の減少を得ることができる。
【数８】
0005380076.tif 000010
【００５２】
等式（７）及び（８）から、単位容積当り並びに単一の単収縮で最大エネルギー変換を有するＳＮＡの単一素子の構築のための基本的ルールを得ることができる。
【００５３】
ルール１：  粒子（例えば、半径Ｒ＊の球状粒子）のサイズは、例えば等式（７）に従う球状粒子について、最大アプローチｄ０及びＨａｍｍａｋｅｒ定数Ｈにおいて、仕事温度Ｔと特定の関係になければならない。
【００５４】
ルール２：  変換エネルギーの量は、粒子（例えば、等式（４）中の係数Φにより表される球状粒子について）による空間の充填度と正比例する。
【００５５】
ルール３：  変換エネルギーの量は、粒子の最大アプローチｄ０の３乗に逆比例する。
【００５６】
ルール４：  変換エネルギーの量は、Ｈａｍｍａｋｅｒ定数Ｈの３乗に比例する。
【００５７】
ルール５：  変換エネルギーの量は、熱力学的温度の２乗に逆比例する。
【００５８】
弛緩状態での粒子の配置：
ＳＮＡの基本素子の全ての成分の表面は同じ符号の電荷で荷電されている（例えば、周囲環境からの特定の吸収により、粒子の表面層の解離により、電気回路の外からの電荷により、あるいは何か他の機構によりマイナスとなっている）。対イオンの低い濃度の環境において、普存する同じ電荷は、すべての成分の普存の反発をもたらすものとなる。成分相互間の相互反発作用は結晶性格子に似た規則的構造の形成をもたらすものとなる。
【００５９】
弛緩状態の機能的粒子の配置は、この機能的粒子を囲む対イオンの低い濃度により判定され、反発相互作用は有意なものとなる。Derjaguin−Landau−Verwey−Overbeek（７）近似法によれば、静電反発項ＥＥＬが等式（２）に加えられる。
【数９】
0005380076.tif 000011
【００６０】
ここで、ｋはボルツマン定数１．３８Ｅ−２３ＪＫ−１；
ｎはイオンの容積濃度、ｍ−３；
ｋ−１は対イオンｍの二重層の「厚み」であり；
γ０は粒子上の表面電位のパラメータである。γ０→１
対イオン[7]の二重層の厚み。
【数１０】
0005380076.tif 000012
【００６１】
ここで、
εは真空の誘電率、８．８５４Ｅ−１２  Ｆｍ−１；
εＲは媒体の相対誘電率；
Ｅは基本電荷、１．６０２Ｅ−１９  Ｃ；
Ｚは媒体中の対イオンの価数。
【００６２】
機能性粒子の凝集に対する効果的エネルギーバリア（ここではＳＮＡ収縮に対するもの）が対イオンの十分に低い濃度で形成される。静電反発力は粒子をこのバリアの底（約３／２ｋＴ）に距離ｄＲまで駆動する。これは等式（９）を利用して計算することができる。
【数１１】
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【００６３】
距離ｄＲは、図６に従って機能的粒子の規則的配置を決定するものとなる。粒子の空間充填密度は以下の式で与えられる。
【数１２】
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【００６４】
ここで、係数０．７４はｈｃｐ格子における配位球体により充填度（可及的最大密度）を示し、ＤＨ／ＤＣの分数部分は、粒子の直径と、配位球体との間の割合を示している。従って、この配置は前記ルール２を満足するものである。
【００６５】
ｈｃｐ格子における配位球体の配置と、静電反発力との双方により、遊離チャンネル中の全てのフィラメントの機能的粒子の外への自由な動きが可能となる（図６）。
【００６６】
収縮状態での粒子の配置：
しかし、対イオンの局所的な高い濃度は、電気二重層の局所的崩壊及び反発力の部分的中和を生じさせる。ファンデルワールス引力が、これらの場所及びこの時間において優勢となる。
【００６７】
図５上図左及び図７によれば、ｈｃｐ格子における配位球体の配置により、粒子の３つ組配置が可能となると共に、収縮状態での最大アプローチｄ０並びに距離ｄ０より実質的に大きい径の締め付けフィラメントＡが可能となる。粒子の各対間のファンデルワールス引力は以下の等式により近似させることができる。
【数１３】
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【００６８】
フィラメントＡ１に沿うイオン流の運動圧力（又は他の作用）により、基本素子の中央に向けて位置３（図７下図）まで機能的粒子が傾斜される。粒子の更なるアプローチはアクチンフィラメントＡ１を上方にシフトさせる。各３つ組粒子は、フィラメントＡに対し３つの垂直力ＦＨ、フィラメントＮに対し３つの力ＦＮ、１つのフィラメントＡに対し３つの軸方向の力ＦＡを加えることになる（図５）。
【００６９】
基本素子は、力ＦＡの多重化により強力な合計力を誘起させるため、３つ組配置を使用する。
【００７０】
基本素子は、大きい合計収縮を誘起させるため、フィラメントＡ１及びＡ２の単一軸方向シフト（例えば、１５ｎｍ）の周期的繰返しを利用する（例えば、１５ｎｍ  ｘ  １００＝１．５μｍ）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７１】
実施例：
粒子のサイズ：等式（７）
体温程度の微温の水内での球状ポリマー粒子の最適半径であって（Ｈ＝５．１０−２１Ｊ、Ｔ＝３１０Ｋ）、最大アプローチｄ０＝０．４２４ｎｍ（Ｃａ２＋イオンの２層の厚み）を有するもの。
【数１４】
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【００７２】
最大ファンデルワールスエネルギーの変化：等式（８）
空間充填度、Φ＝０．１８５（ｈｃｐ格子内の球状粒子、ＤＨ／ＤＣ＝０．５；等式（７））についての関連内部エネルギーの変化。
【数１５】
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【００７３】
複合相互作用エネルギーの変化：等式（９）
図８は、半径Ｒ＝１０．５ｎｍの球状ナノ粒子の相互間距離に依存する相互作用エネルギー；水媒体中の比誘電率εＲ〜８０;及びグラフ上のパラメータに従う２価イオンの可変濃度を示している。
【００７４】
弛緩状態の粒子は、低い濃度２Ｅ２４ｍ−３のカチオンとなっており、球状粒子は相互間距離ｄＲ＝２１．６ｎｍまで押しのけられ、フィラメントは粒子間を自由に移動することができる。
【００７５】
弛緩から収縮への変換より上では、２価イオンの濃度は１Ｅ２８ｍ−３よりも高くなっており、球状粒子は最大アプローチｄＵ＝０．４２４ｎｍにまで寄り集まる。
【００７６】
産業上の利用性：
ＳＮＡは、高性能の技術的アクチュエータと単純な類似を有する工業科学を提供するものであって、表１に示す現行のアクチュエータと比較して、この関連するスライディング・ナノアクチュエータ（ＳＮＡ）は実質的により小さな寸法、より大きい変形、より短い応答時間、より高いワット密度、よりすぐれた位置決め精度、より低い入力電圧などの特徴を有する。
【００７７】
薬剤／産業では、このスライディング・ナノアクチュエータを第１に適用することができる。すなわち、このようなアクチュエータを薬剤の輸送、診断、活動電位と比較し得る駆動電圧を有する筋肉の代る能動生物学的適合性ポリマーインプラント、整形外科、外科手術などである。将来のエレクトロニクス及びマイクロ（ナノ）エレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ，ＮＥＭＳ）は、短い応答時間、低い駆動電圧、すぐれた位置決め精度での変位などの特徴を有する小さなサイズの基本素子を使用することになるであろう。ナノメータサイズの基本素子からなるモジュール設計を使用して高性能の大きい複合システムを構築することができるであろう。
【００７８】
ＳＮＡは、自然及び人工の環境において多くの制御作業のために広範に利用することができる。そのマイクロエレクトロニクス適合性入力信号を、電子制御回路を用いて発生させることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】電気化学的スイッチングサイクルプロセス（酸化還元）及びポリピロールシステム（NaDBS）での容積変化を示す模式図。
【図２】上図−弛緩状態の哺乳動物骨格筋中のサルコメア（筋節）を示し；下図−ミヨシンヘッドの揺動が薄いフィラメントを中央に向けて駆動させ、それによって、収縮するサルコメアを短縮させることを示す模式図。
【図３】スライディング・ナノアクチュエータ（ＳＮＡ）の基本素子の構成を示す模式図であって、上図は弛緩状態のＳＮＡであって、粒子及びフィラメントの位置は規則的格子中の静電反発力により制御されることを示し、下図は収縮状態のＳＮＡであって、粒子の傾きがフィラメントＡ１及びＡ２を中央に向けて駆動させ、それにより収縮するＳＮＡを短縮させることを示している。
【図４】球状粒子システムの運動エネルギーεｋ、ファンデルワールス位置エネルギーεｐ及び合計内部エネルギーεの夫々の、対半径Ｒ密度を示すグラフ図であって、Φ＝０．１８５;  Ｔ＝３１０Ｋ；Ｈ＝５Ｅ−２１Ｊ；ｄ０＝０．４２４ｎｍ。
【図５】フィラメントにおける張力の発生を示す模式図であって；左上図はフィラメントＡの周りの機能的球状粒子の配列；右上図はフィラメントＡに垂直な面での力の平衡; 左下図は粒子の下方への傾き、張力ＦＡ発生を、それぞれ示す。
【図６】弛緩状態において、ＳＮＡの基本素子内における距離ｄＲ（等式１１から計算された）で分離された粒子の詳細な配置を示す模式図である。ここで、断面において（上図）、直径ＤＣの配位球体の六角形最密充填が直径Ｄ＝２Ｒの球状粒子の配置を制御する。粒子間の穴の半分はシステム全体を貫通している。これらは自由Ａ１フィラメント、Ａ２フィラメント及びＭフィラメントを、各単層において３つの粒子を取着している３つの吊り下げフィラメントＮ（下図；上図には示されていない）を用いて、収容している。Ａ１フィラメントはＺ−プレート前面に取着され、Ａ２フィラメントは基本素子のＺ−プレート後面に取着されている。（図３参照）
【図７】収縮状態において（フィラメントＡ１に沿ってイオン供給）、各単層中の３つの球（又は、異なる粒子）は位置１から位置２（下図）へと互いに近づき、アクチンフィラメントＡ１を圧縮し；イオン流の動圧力（又は他の作用）は粒子を位置３（セクションＭ−粒子中央−Ａ１−粒子中央−Ｍ）（下図）に傾斜させ；この粒子の更なる接近はアクチンフィラメントＡ１を上方にシフトさせることを示す模式図である。
【図８】収縮（ｎ＝１Ｅ２８ｍ−３，ｄＵ＝０．４２４ｎｍ）及び弛緩（ｎ＝２Ｅ２４ｍ−３，ｄＲ＝２１．６ｎｍ）における、等式（９）に従う水中での直径ＤＨ＝２１ｎｍの球状粒子の相互作用（Ｈ＝５Ｅ−２１Ｊ，εＲ＝８０、Ｔ＝３１０Ｋ）を示すグラフ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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