(57)【要約】本発明は、電気化学アクチュエーションに関与するシステム、装置、および関連方法を提供する。場合によっては、本発明のシステムまたは装置への電圧または電流の印加により、機械的仕事をもたらし得る容積変化または寸法変化を生成してもよい。例えば、システムの少なくとも一部分は、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置されてもよい。また、このようなシステムは、例えば、ポンプ（例えば、注入ポンプ）および薬物投与装置を含む種々の用途において有用であってもよい。
2009545290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置されるアクチュエータシステムであって、
陰極および陽極を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、
該陰極および陽極の片方または両方は、アクチュエータであり、第１の部分および第２の部分を備え、
充電および／または放電時に、化学種は、該第２の部分とは異なる程度まで該第１の部分とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化し、該第２の部分に対して結果として生じる寸法変化を受けることによって、該第１の部分と該第２の部分との間のひずみ差を該アクチュエータに付与して、該アクチュエータの少なくとも一部分の変位を引き起こし、
該アクチュエータの変位は、機械的仕事を行ない、該仕事を行なう構造に連結されることを必要としない、
アクチュエータシステム。
【請求項２】
前記第１の部分は、前記第２の部分と電気通信する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３】
前記化学種はインターカレート化学種である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４】
前記化学種はプロトンである、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項５】
前記化学種はめっき化学種である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６】
前記第１および第２の部分は、異なる材料から形成される、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７】
前記第１および第２の部分は、実質的に同一の材料から形成される、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項８】
前記第１および第２の部分は、異なる電位を有する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９】
前記第１および第２の部分は、異なる程度まで前記化学種に露出される、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０】
前記アクチュエータの前記変位によって、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置される少なくとも１つの部分を含む構造をさらに備える、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１１】
前記化学種は、前記第２の部分とではなく、前記第１の部分と実質的にインターカレート、脱インターカレート、または合金化する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１２】
前記第１の部分は、該第１の部分と前記第２の部分との間のひずみ差を付与するように、該第２の部分とは異なる程度まで前記化学種とインターカレートする、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１３】
前記第１の部分は、該第１の部分と前記第２の部分との間のひずみ差を付与するように、該第２の部分とは異なる程度まで前記化学種と合金化する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１４】
前記第１および第２の部分は伝導性である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１５】
充電または放電時に、前記アクチュエータの少なくとも一部分の前記変位は、レザバに力を加えて、該レザバからの流体の容積変位を引き起こす、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１６】
前記流体は薬物を含有する、請求項１５に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１７】
前記薬物はインスリンである、請求項１６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１８】
前記陽極および／または陰極は、ストリップ、板、シート、カップ、折り畳み式シート、またはストリップの形状である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１９】
前記陽極および／または陰極は、非平面である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２０】
前記陽極および／または陰極は、板またはペレットである、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２１】
前記陽極および／または陰極は、少なくとも１つの溝を備える、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２２】
前記陽極および／または陰極は、多数の「脚」もしくは「腕」または分岐を有する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２３】
前記電気化学セルは、自発的に放電するように構築および配置される、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２４】
前記アクチュエータシステムは、機械的仕事を行なう構造に連結される、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２５】
前記アクチュエータシステムは、機械的仕事を行なう構造に連結されない、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２６】
前記アクチュエータの変位は、正である前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２７】
前記アクチュエータの変位は、ゼロである前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２８】
前記アクチュエータの変位は、負である前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２９】
第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置されるアクチュエータシステムであって、
陰極および陽極を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、
該陰極および陽極の片方または両方は、アクチュエータであり、第１の部分および第２の部分を備え、
充電および／または放電時に、化学種は、該第２の部分とは異なる程度まで該第１の部分とインターカレート、脱インターカレート、または合金化し、該第２の部分に対して結果として生じる寸法変化を受けることによって、該第１の部分と該第２の部分との間のひずみ差を該アクチュエータに付与して、該アクチュエータの少なくとも一部分の変位を引き起こし、
該アクチュエータの変位は、機械的仕事を行ない、該仕事を行なう構造に連結されることを必要としない、
アクチュエータシステム。
【請求項３０】
前記第１の部分は、前記第２の部分と電気通信する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３１】
前記化学種はインターカレート化学種である、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３２】
前記化学種はプロトンである、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３３】
前記化学種はめっき化学種である、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３４】
前記第１および第２の部分は、異なる材料から形成される、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３５】
前記第１および第２の部分は、実質的に同一の材料から形成される、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３６】
前記第１および第２の部分は、異なる電位を有する、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３７】
前記第１および第２の部分は、異なる程度まで前記化学種に露出される、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３８】
前記アクチュエータの前記変位によって、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置される少なくとも１つの部分を含む構造をさらに備える、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３９】
前記化学種は、前記第２の部分とではなく、前記第１の部分と実質的にインターカレート、脱インターカレート、または合金化する、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４０】
前記第１の部分は、該第１の部分と前記第２の部分との間のひずみ差を付与するように、該第２の部分とは異なる程度まで前記化学種とインターカレートする、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４１】
前記第１の部分は、該第１の部分と前記第２の部分との間のひずみ差を付与するように、該第２の部分とは異なる程度まで前記化学種と合金化する、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４２】
前記第１および第２の部分は伝導性である、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４３】
充電または放電時に、前記アクチュエータの少なくとも一部分の前記変位は、レザバに力を加えて、該レザバからの流体の容積変位を引き起こす、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４４】
前記流体は薬物を含有する、請求項４３に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４５】
前記薬物はインスリンである、請求項４４に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４６】
前記陽極および／または陰極は、ストリップ、板、シート、カップ、折り畳み式シート、またはストリップの形状である、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４７】
前記陽極および／または陰極は、非平面である、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４８】
前記陽極および／または陰極は、板またはペレットである、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項４９】
前記陽極および／または陰極は、少なくとも１つの溝を備える、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項５０】
前記陽極および／または陰極は、多数の「脚」もしくは「腕」または分岐を有する、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項５１】
前記電気化学セルは、自発的に放電するように構築および配置される、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項５２】
前記アクチュエータシステムは、機械的仕事を行なう構造に連結される、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項５３】
前記アクチュエータシステムは、機械的仕事を行なう構造に連結されない、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項５４】
前記アクチュエータの変位は、正である前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項５５】
前記アクチュエータの変位は、ゼロである前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項５６】
前記アクチュエータの変位は、負である前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項２９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項５７】
第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置されるアクチュエータシステムであって、
陰極および陽極を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、
該陰極および陽極の片方または両方は、アクチュエータであり、第１の部分および第２の部分を備え、
該第２の部分とは異なる程度までの該第１の部分の酸化および／または還元時に、該第２の部分に対して結果として生じる寸法変化を受けることによって、該第１の部分と該第２の部分との間のひずみ差を該アクチュエータに付与して、該アクチュエータの少なくとも一部分の変位を引き起こし、
該アクチュエータの変位は、機械的仕事を行ない、該仕事を行なう構造に連結されることを必要としない、
アクチュエータシステム。
【請求項５８】
前記第１の部分は、前記第２の部分と電気通信する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項５９】
前記第１の部分の酸化および／または還元時に、前記第２の部分とは異なる程度まで該第１の部分とインターカレート、脱インターカレート、または合金化する化学種をさらに含む、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６０】
前記化学種はインターカレート化学種である、請求項５９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６１】
前記化学種はプロトンである、請求項５９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６２】
前記化学種はめっき化学種である、請求項５９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６３】
前記第１および第２の部分は、異なる材料から形成される、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６４】
前記第１および第２の部分は、実質的に同一の材料から形成される、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６５】
前記第１および第２の部分は、異なる電位を有する、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６６】
前記第１および第２の部分は、異なる程度まで前記化学種に露出される、請求項５９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６７】
前記アクチュエータの前記変位によって、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置される少なくとも１つの部分を含む構造をさらに備える、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６８】
前記化学種は、前記第２の部分とではなく、前記第１の部分と実質的にインターカレート、脱インターカレート、または合金化する、請求項５９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項６９】
前記第１の部分は、該第１の部分と前記第２の部分との間のひずみ差を付与するように、該第２の部分とは異なる程度まで前記化学種とインターカレートする、請求項５９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７０】
前記第１の部分は、該第１の部分と前記第２の部分との間のひずみ差を付与するように、該第２の部分とは異なる程度まで前記化学種と合金化する、請求項５９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７１】
前記第１および第２の部分は伝導性である、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７２】
充電または放電時に、前記アクチュエータの少なくとも一部分の前記変位は、レザバに力を加えて、該レザバからの流体の容積変位を引き起こす、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７３】
前記流体は薬物を含有する、請求項７２に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７４】
前記薬物はインスリンである、請求項７３に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７５】
前記陽極および／または陰極は、ストリップ、板、シート、カップ、折り畳み式シート、またはストリップの形状である、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７６】
前記陽極および／または陰極は、非平面である、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７７】
前記陽極および／または陰極は、板またはペレットである、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７８】
前記陽極および／または陰極は、少なくとも１つの溝を備える、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項７９】
前記陽極および／または陰極は、多数の「脚」もしくは「腕」または分岐を有する、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項８０】
前記電気化学セルは、自発的に放電するように構築および配置される、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項８１】
前記アクチュエータシステムは、機械的仕事を行なう構造に連結される、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項８２】
前記アクチュエータシステムは、機械的仕事を行なう構造に連結されない、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項８３】
前記アクチュエータの変位は、正である前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項８４】
前記アクチュエータの変位は、ゼロである前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項８５】
前記アクチュエータの変位は、負である前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項５７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項８６】
第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置されるアクチュエータシステムであって、
陰極および陽極を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、
該陰極および陽極の片方または両方は、アクチュエータであり、第１の部分および第２の部分を備え、
充電および／または放電時に、化学種は、該第２の部分とは異なる程度まで該第１の部分において電気化学的に析出され、該第２の部分に対して結果として生じる寸法変化を受けることによって、該第１の部分と該第２の部分との間のひずみ差を該アクチュエータに付与して、該アクチュエータの少なくとも一部分の変位を引き起こし、
該アクチュエータの変位は、機械的仕事を行ない、該仕事を行なう構造に連結されることを必要としない、
アクチュエータシステム。
【請求項８７】
前記第１の部分は、前記第２の部分と電気通信する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項８８】
前記化学種はインターカレート化学種である、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項８９】
前記化学種はプロトンである、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９０】
前記化学種はめっき化学種である、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９１】
前記第１および第２の部分は、異なる材料から形成される、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９２】
前記第１および第２の部分は、実質的に同一の材料から形成される、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９３】
前記第１および第２の部分は、異なる電位を有する、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９４】
前記第１および第２の部分は、異なる程度まで前記化学種に露出される、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９５】
前記アクチュエータの前記変位によって、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置される少なくとも１つの部分を含む構造をさらに備える、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９６】
前記化学種は、前記第２の部分とではなく、前記第１の部分と実質的にインターカレート、脱インターカレート、または合金化する、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９７】
前記第１の部分は、該第１の部分と前記第２の部分との間のひずみ差を付与するように、該第２の部分とは異なる程度まで前記化学種とインターカレートする、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９８】
前記第１の部分は、該第１の部分と前記第２の部分との間のひずみ差を付与するように、該第２の部分とは異なる程度まで前記化学種と合金化する、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項９９】
前記第１および第２の部分は伝導性である、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１００】
充電または放電時に、前記アクチュエータの少なくとも一部分の前記変位は、レザバに力を加えて、該レザバからの流体の容積変位を引き起こす、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０１】
前記流体は薬物を含有する、請求項１００に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０２】
前記薬物はインスリンである、請求項１０１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０３】
前記陽極および／または陰極は、ストリップ、板、シート、カップ、折り畳み式シート、またはストリップの形状である、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０４】
前記陽極および／または陰極は、非平面である、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０５】
前記陽極および／または陰極は、板またはペレットである、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０６】
前記陽極および／または陰極は、少なくとも１つの溝を備える、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０７】
前記陽極および／または陰極は、多数の「脚」もしくは「腕」または分岐を有する、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０８】
前記電気化学セルは、自発的に放電するように構築および配置される、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０９】
前記アクチュエータシステムは、機械的仕事を行なう構造に連結される、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１１０】
前記アクチュエータシステムは、機械的仕事を行なう構造に連結されない、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１１１】
前記アクチュエータの変位は、正である前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１１２】
前記アクチュエータの変位は、ゼロである前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１１３】
前記アクチュエータの変位は、負である前記アクチュエータシステムの容積変化または寸法変化によって生成される、請求項８６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１１４】
陰極、陽極、および電気化学セルの第２の部分とは異なる程度まで該電気化学セルの第１の部分とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能である化学種を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、それによって、該第１および／または第２の部分は、放電時に寸法変化を受けて、機械的仕事を行なうアクチュエータの変位を引き起こし、該電気化学セルは、製造時に充電されるように構築および配置され、使用後に部分的に放電され、または最初の放電後にさらに充電されない、アクチュエータ装置。
【請求項１１５】
前記第１の部分は、前記第２の部分と電気通信する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１１６】
放電後に使い捨てである、請求項１１４に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１１７】
前記装置は、流体ポンプである、請求項１１４に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１１８】
前記装置は、流体を身体に送達するための注入流体ポンプである、請求項１１４に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１１９】
放電時に、前記アクチュエータの変位は、レザバに力を加えて、該レザバからの流体の容積変位を引き起こす、請求項１１４に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２０】
前記流体は薬物を含有する、請求項１１９に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２１】
前記薬物はインスリンである、請求項１２０に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２２】
前記変位の速度は、一定または可変である、請求項１１９に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２３】
前記容積変位は、前記セルの放電速度を制御することによって制御される、請求項１１９に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２４】
前記容積変位は、前記セルが放電する回路の抵抗を変動することによって制御される、請求項１１９に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２５】
前記アクチュエータ装置は、デューティサイクルを有し、該デューティサイクルは、前記アクチュエータ装置に結合した外部回路を開放および／または閉鎖することによって制御される、請求項１１９に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２６】
前記寸法変化は、イオン交換時に寸法を変化させる多孔質電極によって提供される、請求項１１４に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２７】
前記多孔質電極は、圧粉もしくは金属発泡体または寸法的に活性な材料および寸法的に非活性な材料の混合物であり、該電極は、任意で添加物を含む、請求項１２６に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２８】
前記多孔質電極は、充電または放電時に、湾曲、屈曲、カッピングを含む寸法変化を受ける、請求項１２６に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２９】
前記多孔質電極は、多孔度の勾配を備える、請求項１２８に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１３０】
前記多孔質電極は、表層をさらに備える、請求項１２８に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１３１】
前記表層は、前記多孔質電極よりも大きい程度まで、インターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化される、請求項１３０に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１３２】
前記電気化学セルの寸法的に活性な材料は、プロトン、アルカリイオン、イオン錯体、ヒドロキシルイオン、炭酸イオン、塩素酸イオン、硫酸イオン、およびリン酸イオンから成る群からの、化学種とのインターカレートまたは合金化時に膨張する、請求項１１４に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１３３】
前記電気化学セルの寸法的に活性な材料は、リチウムとインターカレートまたは合金化し、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎ、炭素、黒鉛、硬質炭素、メソポーラス炭素、酸化物、インターカレーション酸化物、層状酸化物、粘土鉱物、硫化物、層状硫化物、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、およびＷＳ２のうちの１つ以上を含む、請求項１１４に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１３４】
前記電気化学セルは、自発的に放電するように構築および配置される、請求項１１４に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１３５】
陰極、陽極、およびインターカレーション化学種を備える少なくとも１つの電気化学セルを備える注入ポンプであって、該陰極および／または陽極は、流体を身体へ注入させるように、充電および／または放電時に寸法変化を受ける、注入ポンプ。
【請求項１３６】
前記電気化学セルは、自発的に放電するように構築および配置される、請求項１３５記載の注入ポンプ。
【請求項１３７】
前記流体は、液体、固体と液体の混合物、ペースト、またはゲルを含む、請求項１３５に記載の注入ポンプ。
【請求項１３８】
前記流体は薬物を含有する、請求項１３５に記載の注入ポンプ。
【請求項１３９】
前記薬物はインスリンである、請求項１３５に記載の注入ポンプ。
【請求項１４０】
前記注入速度は、一定または可変である、請求項１３５に記載の注入ポンプ。
【請求項１４１】
前記注入速度は、前記セルの放電速度を制御することによって制御される、請求項１１４に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１４２】
前記注入速度は、前記セルが放電する回路の抵抗を変動することによって制御される、請求項１１４に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１４３】
前記アクチュエータシステムは、デューティサイクルを有し、該デューティサイクルは、前記アクチュエータ装置に結合した外部回路を開放および／または閉鎖することによって制御される、請求項１１９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１４４】
生理学的設定において使用されるように構築および配置されるアクチュエータであって、
第２の部分に隣接する第１の部分を備え、該第１の部分は、化学種を含む体液に露出すると寸法変化を受け、結果としてもたらされる該化学種の該第１の部分への電気化学インターカレーション、該化学種の該第１の部分からの脱インターカレーション、または該化学種との接触の結果としての該第１の部分の酸化／還元は、該アクチュエータの寸法変化を付与する、アクチュエータ。
【請求項１４５】
前記第１の部分は、前記第２の部分と電気通信する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１４６】
前記第１および第２の部分は、異なる電位を有する、請求項１４４に記載のアクチュエータ。
【請求項１４７】
前記体液は血液である、請求項１４４に記載のアクチュエータ。
【請求項１４８】
前記化学種はプロトンである、請求項１４４に記載のアクチュエータ。
【請求項１４９】
身体に埋め込まれる、請求項１４４に記載のアクチュエータ。
【請求項１５０】
前記アクチュエータは、自発的に放電するように構築および配置される、請求項１４４に記載のアクチュエータ。
【請求項１５１】
薬物を身体に投与するための電気化学アクチュエータであって、
少なくとも１つの陰極と、
少なくとも１つの陽極と、
化学種と、
を備え、
該電気化学アクチュエータは、電圧または電流の印加を受け、それによって、該電圧または電流の印加またはその停止は、該電気化学アクチュエータの少なくとも１つの電極において、該化学種のインターカレーションを含み、該電気化学アクチュエータの容積変化または寸法変化をもたらし、
該容積変化または寸法変化は、薬物の身体への投与をもたらす、
電気化学アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明は、米国陸軍により授与された政府の契約Ｗ９１１Ｗ６−０５−Ｃ−００１３の下で支援を受けて行なわれた。政府は、本発明において特定の権利を有する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、電気化学アクチュエーションに関与するシステム、装置、および関連方法を提供する。
【背景技術】
【０００３】
アクチュエーションは、概して、物体または物体の一部がエネルギー（例えば、電気エネルギー、化学エネルギー等）を機械エネルギーに変換することにより調整および移動可能である機構を言及する。アクチュエータは、エネルギーが変換される方式によって分類されてもよい。例えば、静電気アクチュエータは、静電気力を機械力に変換する。
【０００４】
圧電アクチュエーションは、高帯域幅および高アクチュエーション力をもたらすが、低ひずみ（典型的には、１％よりも大幅に低い）をもたらし、高アクチュエーション電圧を必要とする。形状記憶合金（ＳＭＡ）、磁歪素子、および新たに開発された強磁性形状記憶合金（ＦＳＭＡ）は、より大きなひずみをもたらすことが可能であるが、応答が遅いためにその適用性が制限される。電場誘起ドメイン運動（圧電、ＦＳＭＡ）に基づくアクチュエーション機構も、阻止される低応力を有する傾向にある。上記のアクチュエーション方法は、重量ベースの性能指数に悪影響を及ぼす高密度の活性材料（鉛系の酸化物、金属合金）の使用に基づく。したがって、高いアクチュエーションエネルギー密度、高アクチュエーション力（応力）、大きな自由ひずみ、および有用な帯域幅を提供可能である技術の必要性がある。
【０００５】
電気化学を使用するアクチュエーションの特定の方法は、過去に説明されているが、耐負荷アクチュエーション材料は気体または液相であり、本発明の手法に比べて弾性係数が低く、ひいてはアクチュエーションエネルギー密度およびアクチュエーション応力が低いと考えられ得る。変位が観測されているにもかかわらず、機械的仕事は立証されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、方法および装置の改善が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置されるアクチュエータシステムであって、陰極および陽極を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、陰極および陽極の片方または両方は、アクチュエータであり、第１の部分および第２の部分を備え、充電および／または放電時に、化学種は、第２の部分とは異なる程度まで第１の部分とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化し、第２の部分に対して結果として生じる寸法変化を受けることによって、第１の部分と第２の部分との間のひずみ差をアクチュエータに付与して、アクチュエータの少なくとも一部分の変位を引き起こし、アクチュエータの変位は、機械的仕事を行ない、その仕事を行なう構造に連結されることを必要としない、アクチュエータシステムに関する。
【０００８】
本発明は、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置されるアクチュエータシステムであって、陰極および陽極を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、陰極および陽極の片方または両方は、アクチュエータであり、第１の部分および第２の部分を備え、充電および／または放電時に、化学種は、第２の部分とは異なる程度まで第１の部分とインターカレート、脱インターカレート、または合金化し、第２の部分に対して結果として生じる寸法変化を受けることによって、第１の部分と第２の部分との間のひずみ差をアクチュエータに付与して、アクチュエータの少なくとも一部分の変位を引き起こし、アクチュエータの変位は、機械的仕事を行ない、その仕事を行なう構造に連結されることを必要としない、アクチュエータシステムに関する。
【０００９】
本発明は、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置されるアクチュエータシステムであって、陰極および陽極を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、陰極および陽極の片方または両方は、アクチュエータであり、第１の部分および第２の部分を備え、第２の部分とは異なる程度までの第１の部分の酸化および／または還元時に、第２の部分に対して結果として生じる寸法変化を受けることによって、第１の部分と第２の部分との間のひずみ差をアクチュエータに付与して、アクチュエータの少なくとも一部分の変位を引き起こし、アクチュエータの変位は、機械的仕事を行ない、その仕事を行なう構造に連結されることを必要としない、アクチュエータシステムに関する。
【００１０】
本発明は、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置されるアクチュエータシステムであって、陰極および陽極を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、陰極および陽極の片方または両方は、アクチュエータであり、第１の部分および第２の部分を備え、充電および／または放電時に、化学種は、第２の部分とは異なる程度まで第１の部分において電気化学的に析出され、第２の部分に対して結果として生じる寸法変化を受けることによって、第１の部分と第２の部分との間のひずみ差をアクチュエータに付与して、アクチュエータの少なくとも一部分の変位を引き起こし、アクチュエータの変位は、機械的仕事を行ない、その仕事を行なう構造に連結されることを必要としない、アクチュエータシステムに関する。
【００１１】
本発明は、陰極、陽極、および電気化学セルの第２の部分とは異なる程度まで電気化学セルの第１の部分とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能である化学種を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、それによって、第１および／または第２の部分は、放電時に寸法変化を受けて、機械的仕事を行なうアクチュエータの変位を引き起こし、電気化学セルは、製造時に充電されるように構築および配置され、使用後に部分的に放電され、または最初の放電後にさらに充電されない、アクチュエータ装置に関する。
【００１２】
本発明は、陰極、陽極、およびインターカレーション化学種を備える少なくとも１つの電気化学セルを備え、陰極および／または陽極は、流体を身体へ注入させるように、充電および／または放電時に寸法変化を受ける、注入ポンプに関する。
【００１３】
本発明は、生理学的設定において使用されるように構築および配置されるアクチュエータであって、第２の部分に隣接する第１の部分を備え、第１の部分は、化学種を含む体液に露出すると寸法変化を受け、結果としてもたらされる化学種の第１の部分への電気化学インターカレーション、化学種の第１の部分からの脱インターカレーション、または化学種との接触の結果としての第１の部分の酸化／還元は、アクチュエータの寸法変化を付与する、アクチュエータに関する。
【００１４】
本発明は、薬物を身体に投与するための電気化学アクチュエータであって、少なくとも１つの陰極と、少なくとも１つの陽極と、化学種とを備え、電気化学アクチュエータは、電圧または電流の印加を受け、それによって、電圧または電流の印加またはその停止は、電気化学アクチュエータの少なくとも１つの電極において、化学種のインターカレーションを含み、電気化学アクチュエータの容積変化または寸法変化をもたらし、容積変化または寸法変化は、薬物の身体への投与をもたらす、電気化学アクチュエータに関する。
【００１５】
本発明のその他の側面、実施形態、および特徴は、添付の図面を併用し考察する際に、以下の発明を実施するための最良の形態により明らかになるであろう。添付の図面は、略図であり、一定の縮尺であると意図されない。明確にするために、全ての構成要素が全ての図面に表示されているとは限らず、また、図示する本発明の各実施形態の全ての構成要素であるとは限らず、これらの図は、当業者が本発明を理解するのに必ずしも必要であるとは限らない。全ての特許出願および特許は、参照することによってその全体が組み込まれる。矛盾が場合、定義を含む本明細書が支配する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に従う、（ａ）電圧または電流を印加しない、および（ｂ）電圧または電流を印加するアクチュエータシステムの例を示す。
【図２】本発明の一実施形態に従う、隣接する流体容器における流体を分注するための、（ａ）電圧または電流を印加しない、および（ｂ）電圧または電流を印加するアクチュエータシステムの例を示す。
【図３】図３Ａ―Ｃは、アクチュエータの変位速度およびストローク長さに作用するのに十分な剛性を有するアクチュエータシステムを示す。
【図４】本発明の一実施形態に従う、アクチュエータシステムの例を示す。
【図５】本発明の一実施形態に従う、アクチュエータシステムの別の例を示す。
【図６】本発明の一実施形態に従う、アクチュエータシステムの別の例を示す。
【図７】本発明の一実施形態に従う、アクチュエータシステムの別の例を示す。
【図８】図８Ａは、異なる材料から形成される第１および第２の部分を備えるアクチュエータシステムを示す。図８Ｂは、水に浸漬された後の、異なる材料から形成される第１および第２の部分を備えるアクチュエータシステムを示す。
【図９】（ａ）Ｚｎ形式における、および（ｂ）アクチュエータシステムのアクチュエーションをもたらすＺｎからＺｎ（ＯＨ）２へ変換時の、Ｚｎ層を備えるアクチュエータシステムを示す。
【図１０】（ａ）Ｚｎ形式における、および（ｂ）アクチュエータシステムのアクチュエーションをもたらすＺｎからＺｎ（ＯＨ）２へ変換時の、Ｚｎ層を備える別のアクチュエータシステムを示す。
【図１１】リチウムイオンの組を備えるアクチュエータシステムを示し、ここで、アクチュエータは、（ａ）電解質露出前のひずみがゼロの状態であり、また、（ｂ）電解質露出後のアクチュエーションを受ける。
【図１２】（ａ）充電状態および（ｂ）電解質における発生後の自発的放電時において組み立てられるリチウムイオンの組またはニッケル水素の組を示す。
【図１３】（ａ）電解質への露出前および（ｂ）システムが湾曲またはカッピングを受ける電解質への露出時の、２つの異なる部分を備えるアクチュエータシステムを示す。
【図１４】（ａ）電解質への露出前および（ｂ）システムが構造の湾曲または開放を受ける電解質へ露出時の、２つの異なる部分を備えるアクチュエータシステムを示す。
【図１５】（ａ）化学種への露出前および（ｂ）システムがアクチュエーションを受ける化学種へ露出時の、ヒンジ構造を有するアクチュエータシステムを示す。
【図１６】電源内蔵式電気化学ポンプの概略設計を示す。
【図１７】ひずみ増幅が内蔵される電源内蔵式モーフィングアクチュエータの変位対時間の曲線に関するグラフを示す。
【図１８】２０％のデューティサイクルによって制御される電気化学モーフィングアクチュエータの変位曲線に関するグラフを示す。
【図１９】銅箔に結合される０．１０ｍｍ厚さのスズ箔を利用するバイモルフ電気化学アクチュエータの定電流放電プロファイルを示す。
【図２０】銅に結合される０．０５ｍｍ厚さのスズ箔を利用する電気化学バイモルフセルの定電流放電プロファイルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、概して、電気化学アクチュエーションに関与するシステムおよび装置ならびに関連方法を提供する。
【００１８】
場合によっては、本発明は、少なくとも１つの構成要素を備え得るシステム（例えば、アクチュエータシステム）を提供し、この場合、構成要素への電圧または電流の印加により、構成要素の容積変化または寸法変化を生成してもよい。場合によっては、容積変化または寸法変化は、機械的仕事をもたらしてもよい。いくつかの実施形態において、システムの少なくとも一部分は、ある配向から別の配向へ変位されるように構築および配置されてもよい。また、システムの容積変化または寸法変化が、構造の配向、形状、サイズ、容積、またはその他の特徴に作用するように、システムは、別の構造に関連付けられてもよい。このようなシステムは、例えば、ポンプ（例えば、注入ポンプ）および薬物投与装置を含む種々の用途において有用であってもよい。
【００１９】
いくつかの実施形態において、システムは、システムの動作中に、１つ以上の構成要素（例えば、電極）に関連付けられる化学種を含んでもよい。イオン等の化学種は、装置の１つ以上の部分と相互作用することが可能であってもよい。本発明のいくつかの実施形態は、装置の１つ以上の電極との化学種の相互作用を伴い、電極において容積変化または寸法変化を生成してもよい。本明細書で使用する際、「容積変化または寸法変化」は、システムもしくはシステムの一部分の膨張、収縮、および／またはその他の変位を言及する。容積変化または寸法変化は、１つ以上の寸法における膨張、収縮、伸張、短縮、ねじれ、湾曲、せん断、またはその他の変位のうちの１つ以上の量を含んでもよい。場合によっては、容積変化または寸法変化は、等方性であってもよい。場合によっては、容積変化または寸法変化は、異方性であってもよい。このような変化は、機械的仕事、つまりアクチュエーションに用いられてもよい。システムは、特定の用途に適切であり得る任意の範囲の容積変化または寸法変化を受けてもよい。例えば、アクチュエータシステムは、流体容器に接触して配置されてもよく、また、流体容器から流体を分注するために、システムがポンプ装置の役割を果たすように膨張および収縮してもよい。
【００２０】
いくつかの実施形態において、本発明は、陽極、陰極、および化学種（例えば、リチウムイオン）を含む少なくとも１つの電気化学セルを備える電気化学アクチュエータを提供し、この場合、電気化学セルは、電圧または電流の印加時に容積変化または寸法変化を受ける。いくつかの実施形態において、電気化学アクチュエータは、例えば、１つまたは複数の電気化学セルの容積変化または寸法変化によって、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置される少なくとも１つの部分も含む構造も備えてもよい。構造の一部が変位される際に、機械的仕事がもたらされる。以下により詳細に説明するように、多種多様なシステムが、電気化学セルの容積変化または寸法変化によって駆動可能である。
【００２１】
本明細書で使用する際、「変位されるように構築および配置される」アクチュエータシステムは、システムの配向を変更し得る、つまり、システムの少なくとも一部分の変位（例えば、アクチュエーション）によるアクチュエータシステムを言及し、これは、その意図する目的において、システムに関連付けられるシステムまたは構造の性能に作用する。当業者は、この用語の意味を理解するだろう。例示的実施形態において、アクチュエータシステムは、流体容器またはレザバ等の構造に隣接して配置されてもよく、この場合、アクチュエータシステムは、流体容器からの流体をポンプで送入または分注するために、運動またはシステムのその他の変位が、流体容器の位置、形状、サイズ、またはその他の特徴に作用するように構築および配置される。
【００２２】
有利には、システムまたはシステムの一部分の第１の配向から第２の配向への変位は、例えば、湾曲、カッピング、ねじれ、伸張、および収縮等の多種多様な方法によって達成可能であり、例えば、以下にさらに十分に説明するように、システムの材料組成、システムの１つ以上の電気化学セルの構成、印加される電圧または電流、デューティサイクル、またはその他の動作パラメータを変動させることによって変更可能である。システムが構造に関連付けられる場合、システムの変位は、例えば、変位される構造、構造の形状、セルおよび構造間の動作関係にある任意の材料、および／または構成要素の材料組成に関連して、電気化学セルの配置を変化させることによって変更されてもよい。場合によっては、変位は、システムの一部分の直線変位を含めてもよい。場合によっては、変位は、システムの一部分のカッピングを含めてもよい。例えば、システムは、第１の平面配向を有してもよい円板状の部分を備えてもよく、アクチュエーション時に、円板状の部分は、第２の非平面半球型配向にカッピングすることにより変位されてもよい。
【００２３】
さらに、構造または構造の一部分の変位の度合いは、特定の用途によって調整可能である。例えば、いくつかの実施形態において、本発明の電気化学セルは、構造または構造の一部分の、例えば、５度を超える、１０度を超える、２０度を超える、３０度を超える、または４０度を超える変位を引き起こすことが可能である。特定の用途に応じて、その他の実施形態において、電気化学セルは、例えば、１ｃｍを超える、１０ｃｍを超える、２０ｃｍを超える、５０ｃｍを超える、または１ｍを超える変位を引き起こすことが可能である。
【００２４】
場合によっては、充電または放電時の電気化学セルの容積変位または寸法変位を使用して、システム、システムの一部分、またはシステムに隣接もしくは関連付けられる構造の物理手的変位を実行してもよい。容積変位または寸法変位（例えば、正味容積変化）は、充電および／または放電中に正、ゼロ、または負であってもよい。場合によっては、正味容積変化は、その組成または充電状態の関数としてのセルの構成材料のモル容積に関する表形式データを使用して、構成材料の各々に発生する容積変化から容易に計算されてもよく、または電気化学セル上で直接測定されてもよい。
【００２５】
いくつかの異なる構造は、本明細書に記載の電気化学セルによって駆動可能である。いくつかの実施形態において、本発明は、充電または放電時に第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置されるアクチュエータシステム（例えば、電気化学アクチュエータ）を提供する。場合によっては、アクチュエータシステムは、充電または放電時に第１の形状から第２の形状へ変更されるように構築および配置されてもよい。場合によっては、アクチュエータによりもたらされる変位は、電気化学セルにおいて発生する容積変化または寸法変化と同じ符号（例えば、正、負）を有してもよい。例えば、正の変位（例えば、直線寸法の増加）は、電気化学セル自体の正の正味容積変化（例えば、膨張）に相当してもよく、負の変位（直線寸法の減少）は、電気化学セル自体の負の正味容積変化（収縮）に相当してもよい。場合によっては、アクチュエータによりもたらされる変位は、電気化学セルにおいて発生する容積変化または寸法変化と同じ符号でなくてもよい。例えば、実施例に記載するように、正の変位は、負の正味容量変化を受ける電気化学セルによってもたらされてもよい。つまり、アクチュエータの変位は、電気化学セルの容積変化または寸法変化から分離されてもよい。
【００２６】
アクチュエータシステムは、陰極および陽極を備える少なくとも１つの電気化学セルを含むことが可能である。また、アクチュエータシステムは、直列または並列で動作可能である、例えば、２個以上、４個以上、１０個以上、２０個以上、または５０個以上の電気化学セルを含んでもよい。いくつかの実施形態において、多数の電気化学セルは、並列で電気的に連結されてもよいが、全体の変位を増加させるとともに全体の装置電圧を低く維持するためにスタックされてもよい。いくつかの実施形態において、電気化学アクチュエータの正味容積変化を使用して、薬物を含有する流体を含むがそれだけに限定されない流体のポンピングもしくは分注または身体への流体の投与をもたらす物理手的変位を実行してもよい。
【００２７】
いくつかの実施形態において、陰極および陽極の片方または両方は、アクチュエータであってもよく、また、電気化学セルの充電または放電時に、形状を変化することが可能であり、および／または第１の配向から第２の配向へ変位されることが可能である。場合によっては、アクチュエータシステムは、任意で相互に電気通信する第１の部分および第２の部分を備えることが可能であり、第１の部分および第２の部分は、充電または放電時に、容積変化差または寸法変化差、つまり変位差を受ける。例えば、形状変化または変位を受ける電極は、電極の変位を促進し得る機械的拘束を第２の部分に付与する第１の部分を備えてもよい。いくつかの実施形態において、第１の部分は、第２の部分と電気通信する。いくつかの実施形態において、第１の部分は、第２の部分と電気通信しない。
【００２８】
いくつかの事例において、第１の部分および第２の部分（例えば、電気化学セルの陽極および陰極、それぞれ、またはその反対）は、相互に直接隣接し得る層状であってもよく、またはその他の実施形態において、別の材料によって相互に分離されることが可能である。いくつかの実施形態において、第１および第２の部分は、相互に結合される。いくつかの実施形態において、第１および第２の部分は、システムの同一部分の異なる領域であり、この場合、一方の部分は、他方よりも、電気化学的に誘起された容積変化または寸法変化を受ける程度が大きい。
【００２９】
いくつかの実施形態において、充電および／または放電時に、化学種（例えば、インターカレーション化学種、電子、またはめっき化学種）は、第２の部分とは異なる程度（例えば、異なる度合い、濃度、ひずみ、容積、形状変化、またはその他の変化）で、第１の部分とまたは第１の部分でインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化する。例えば、化学種は、第１の部分を実質的にインターカレート、脱インターカレート、または合金化、酸化、還元、もしくはめっき化してもよいが、第２の部分とではなく、または第１の部分よりも少ない程度で第２の部分と行なわれる。第２の部分とは異なる程度までの第１の部分のインターカレーション、脱インターカレーション、または合金化、酸化、還元、もしくはめっき化の差異により、第１の部分は、容積もしくは直線寸法の増減またはアスペクト比の変化等の、結果として生じる寸法変化を受けてもよい。第２の部分は、化学種とインターカレート、脱インターカレート、または合金化、酸化、還元、もしくはめっき化せず、あるいは第１の部分よりも少ない程度でそれを行なうため、第２の部分は、大幅な寸法変化を受けず、または第１の部分と同じ寸法変化を受けなくてもよい。結果として、ひずみ差（例えば、対向ひずみ）が、第１の部分と第２の部分との間に付与されることによって、アクチュエータの少なくとも一部分の変位（例えば、内部屈曲または湾曲）を引き起こすことが可能である。アクチュエータの結果として生じる変位は、機械的仕事を行なう構造に連結することを必要とせずに、機械的仕事を行なうことが可能である。本発明の特定の実施形態において、アクチュエータのアクチュエーションは、第１の配向から第２の配向への膨張、収縮、湾曲、弓状変形、カッピング、褶曲、回転、またはその他の形式の変位を含めることが可能である。
【００３０】
場合によっては、アクチュエータシステムは、それ自体、ひずみ増幅またはひずみ減幅構造であってもよい。例えば、アクチュエータシステムまたはその一部分（例えば、電極）は、例えば、システムまたはその一部分で発生する容積変化から生じる任意の変位を増幅してもよい。いくつかの実施形態において、アクチュエータシステムまたは装置は、電極の容積変化から生じる変位を増幅してもよい。アクチュエータの変位を使用して、力を及ぼしてもよく、またはアクチュエータに隣接する構造の変位を実行してもよい。
【００３１】
本明細書に記載のアクチュエータシステムおよび装置（例えば、ポンプ）のいずれかについて、アクチュエータシステムまたはその一部分の変位を使用して、機械的仕事を行なう構造に連結することを必要とせずに機械的仕事を実行することが可能であり、場合によっては、アクチュエータシステムは、機械的仕事を行なう構造（例えば、ひずみ増幅構造、ひずみ減幅構造）に連結されてもよい。場合によっては、アクチュエータシステムは、機械的仕事を行なう構造に連結されなくてもよい。
【００３２】
図１Ａに例示する実施形態において、アクチュエータシステムの例を示す。本例示的実施形態に示されるように、アクチュエータシステム１１０は、陽極１１４と電気通信する陰極１１２を含む。陽極１１４は、第１の部分１１６および第２の部分１１８を含んでもよい。いくつかの実施形態において、部分１１６および１１８は、異なる材料から形成される。また、部分１１６および１１８は、異なる電位を有してもよい。例えば、部分１１６は、部分１１８とは異なる程度で、化学種とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化することが可能である材料を含んでもよい。部分１１８は、化学種を実質的にインターカレート、脱インターカレート、または合金化、酸化、還元、もしくはめっき化しない材料から形成されてもよい。場合によっては、部分１１６は、アルミニウム、アンチモン、ビスマス、炭素、ガリウム、シリコン、銀、スズ、亜鉛、あるいはリチウムとのインターカレーションまたは合金化もしくは化合物形成時に膨張可能であるその他の材料のうちの１つ以上を含む材料から形成されてもよい。特定の一実施形態において、部分１１６は、リチウムとのインターカレーション時に膨張可能であるアルミニウムを含む材料から形成される。部分１１８は、銅がリチウムと実質的にインターカレートまたは合金化しないため、銅から形成されてもよい。いくつかの事例において、部分１１８は、陽極集電体として役割を果たしてもよく、また、例えば、タブリードまたは電流リードを形成するために、電気化学セルの外部に延出してもよい。その他の実施形態において、部分１１８は、セルの外部に延出するタブリードまたは電流リードに連結されてもよい。また、陰極１１２も、集電体を含んでもよい。アクチュエータシステム１１０は、セパレータ１２２を含んでもよい。セパレータは、例えば、ガラス繊維布等の多孔質セパレータ膜または多孔質ポリマーセパレータであってもよい。リチウムイオン電池の構築に使用されるセパレータ等のその他の種類のセパレータも使用してもよい。また、アクチュエータは、液体状、固体状、またはゲル状であり得る電解質１２４も含んでもよい。電解質は、陰極の形成に使用されるような電気化学的に活性な化学種を含んでもよい。アクチュエータシステム１１０は、ポリマーパッケージ等のエンクロージャ１２６で密封されてもよい。
【００３３】
図１Ｂに示す実施形態に例示されるように、電気化学セルは、陰極および陽極間で閉回路が形成される場合に、電子電流が外部回路を通って２つの電極間を流れるように、電圧１３２を有してもよい。陰極１１２がリチウム金属電極であり、かつ電解質がリチウムイオンを含有する場合、リチウムイオン電流は、電極１１２から電極１１４へ内部で流れることが可能である。リチウムを含む部分１１６のインターカレーションは、容積膨張等の寸法変化をもたらすことが可能である。いくつかの事例において、この容積膨張は、初期容積に比べて、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも１００％、少なくとも１５０％、少なくとも２００％、少なくとも２５０％、または少なくとも３００％に達してもよい。高容積膨張は、例えば、部分１１６がリチウムで飽和する場合に発生してもよい。リチウムのインターカレーションにより部分１１６の容積が増加する際、部分１１６が結合され得る部分１１８は、リチウムのインターカレーションが最小または存在しないため、実質的に膨張しなくてもよい。したがって、部分１１６は、機械的拘束を提供する。この２つの部分間のひずみ差により、陽極１１４は湾曲または屈曲を受けることになる。陽極の寸法変化および変位の結果、アクチュエータシステム１１０は、第１の配向から第２の配向へ変位されることが可能である。陰極からのリチウム金属の損失と、陽極におけるリチウムによりインターカレートされた化合物またはリチウム合金とによる電気化学セルの容積変化または寸法変化（例えば、正味容積変化）が、正、ゼロ、または負であるか否かにかかわらず、この変位は発生可能である。場合によっては、アクチュエータの変位は、正であるアクチュエータシステムまたはその一部分の容積変化または寸法変化（例えば、正味容積変化）で発生してもよい。場合によっては、アクチュエータの変位は、ゼロであるアクチュエータシステムまたはその一部分の容積変化または寸法変化（例えば、正味容積変化）で発生してもよい。場合によっては、アクチュエータの変位は、負であるアクチュエータシステムまたはその一部分の容積変化または寸法変化（例えば、正味容積変化）で発生してもよい。
【００３４】
本明細書で使用する際、２つの部分間の「ひずみ差」は、電圧または電流の２つの部分への印加時の個々の各部分の応答（例えば、アクチュエーション）の違いを言及する。つまり、本明細書に記載のシステムは、第１の部分と、第１の部分に関連付けられる（例えば、接触してもよく、内部で連結してもよい）第２の部分とを備える構成要素を含んでもよく、この場合、本質的に同一の条件下において、第１の部分は、容積変化または寸法変化を受けてもよく、第２の部分は、容積変化または寸法変化を受けないため、第１の部分と第２の部分との間でひずみがもたらされる。ひずみ差によって、構成要素またはその一部分は、第１の配向から第２の配向へ変位されてもよい。場合によっては、ひずみ差は、アクチュエータシステムの１つ以上の部分との化学種のインターカレーション、脱インターカレーション、合金化、酸化、還元、またはめっき化の差異によってもたらされてもよい。
【００３５】
例えば、部分１１８に対する部分１１６のインターカレーション、脱インターカレーション、合金化、酸化、還元、またはめっき化の差異は、いくつかの手段によって達成可能である（図１Ａ）。一実施形態において、上述のように、部分１１６は、部分１１８とは異なる材料から形成されてもよく、この場合、材料のうちの１つは、化学種を実質的にインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化するが、一方、第２の部分は、より少ない程度で化学種と相互作用する。別の実施形態において、部分１１６および部分１１８は、同一の材料から形成されてもよい。例えば、部分１１６および部分１１８は、同一の材料から形成されてもよく、また、加圧粉末もしくは焼結粉末または発泡構造等の、実質的に高密度または多孔質であってもよい。場合によっては、電気化学セルの動作時にひずみ差をもたらすために、部分１１６または１１８は、電気化学セルの動作中に、制限されたイオン輸送により成分の勾配が発生し、ひずみ差がもたらされるように十分な厚さを有してもよい。いくつかの実施形態において、１つの部分または１つの部分の面積は、第２の部分または第２の部分の面積に対して優先的に化学種に露出されてもよい。その他の事例において、他方の部分に対する一方の部分の遮蔽またはマスキングにより、非マスキングまたは非遮蔽部分に比べて、マスキングまたは遮蔽部分のインターカレーション、脱インターカレーション、または合金化の程度の大小をもたらすことが可能である。これは、部分とのインターカレーション、脱インターカレーション、合金化、酸化、還元、またはめっき化を促進または抑制するために、例えば、表面処理もしくは成膜障壁層、障壁層材料による積層、またはマスキング／遮蔽される部分の表面の化学的または熱的処理によって達成されてもよい。障壁層は、ポリマー、金属、またはセラミックを含み得る任意の適切な材料から形成可能である。場合によっては、障壁層は、集電体等の、電気化学セルにおける別の機能としての役割を果たすことが可能である。障壁層は、いくつかの実施形態において、表面に均一に成膜されてもよい。その他の場合において、障壁層は、表面の特定部分のみが、表面のインターカレーション、脱インターカレーション、合金化、酸化、還元、またはめっき化を優先的に促進または抑制するように、組成および／または寸法における勾配を形成してもよい。直線的、段階的、指数関数的、およびその他の勾配が可能である。いくつかの実施形態において、高密度の表層の調合を含む部分１１６または１１８における多孔性の変動を使用して、イオン濃度勾配およびひずみ差の生成を補佐してもよい。また、本発明は、第１の部分と第２の部分との間のひずみ差を誘起するように、異なる程度で化学種と第１の部分との相互作用に関するその他の方法も検討する。いくつかの実施形態において、電極の屈曲または湾曲を使用して、以下により詳しく説明されるように、力を及ぼしてもよく、または有用な機能を達成する変位を実行してもよい。
【００３６】
本明細書に記載のいくつかの実施形態において、第１および第２の部分は、異なる特徴および特性をもたらす異なる材料から形成されるように記載されてもよい。本明細書に記載の任意の実施形態について、第１の部分および第２の部分は、実質的に同一の材料から形成されてもよいことを理解されたい。第１の部分および第２の部分が同一の材料から形成され得る場合、第１および第２の部分は、寸法、厚さ、多孔性、またはその同等物等の少なくとも１つの異なる特徴を任意で有してもよく、それにより、インターカレーション、脱インターカレーション、合金化、酸化、還元、またはめっき化の差異がもたらされ、ひずみ差が生じてもよい。例えば、第１および第２の部分は、同一の材料を含んでもよいが、第１および第２の部分に沿って多孔度の勾配をもたらす異なる多孔性を有してもよい。場合によっては、第１の部分は、第１の密度を有する多孔質材料（例えば、圧粉、発泡体）を含んでもよく、また、第２の部分は、第１の密度とは異なる第２の密度を有する多孔質材料を含んでもよい。
【００３７】
本明細書に記載のように、本発明のいくつかの実施形態は、化学種の１つ以上の電極との相互作用を伴う。例えば、電極は、化学種とインターカレートしてもよい。いくつかの実施形態において、アクチュエータシステムまたは装置の動作中に、１つの電極は、化学種の空間的に変動する濃度を入手してひずみ差をもたらし、それによって、システムまたは装置の少なくとも一部分の変位をもたらしてもよい。つまり、化学種は、例えば、電極の第２の部分よりも大きい程度まで、電極の一部分にインターカレートして、ひずみ差をもたらしてもよい。
【００３８】
本発明のアクチュエータまたはその一部分（例えば、電極）、特に、第２の部分と異なる程度で、化学種とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能な少なくとも第１の部分を含むものは、第１の配向から第２の配向に変位可能である限り、所望の機能を達成するために使用可能な板、シート、ストリップ、折り畳み式板またはストリップ、ビーム、カップ、ロッド、チューブ、円筒形等の、任意の適切な形状を有することが可能である。場合によっては、アクチュエータの少なくとも一部分は、穿孔されてもよく、および／または多数の「脚」または「腕」あるいは分岐を有してもよい。場合によっては、陽極および／または陰極は、非平面である。例えば、陽極および／または陰極は、板もしくはペレットまたはその他の非平面形状であることが可能である。いくつかの実施形態において、陽極および／または陰極は、任意の形状を有してもよく、また、少なくとも１つの溝を備えてもよく、この場合、溝は、アクチュエータシステムまたはその一部分の変位を促進および／または誘導してもよい。例えば、電極は、第１の配向から第２の配向へ電極を移動する様式を促進、誘導、または方向付けるように溝付けまたは浮き彫りされてもよい。場合によっては、電極は、アクチュエーション時に、少なくとも１つの溝に沿って折り畳んでもよい。
【００３９】
本発明のアクチュエータは、ナノメートルスケールからマイクロメータスケールおよび巨視的スケールまでのサイズの範囲にあることが可能である。例えば、いくつかの実施形態において、アクチュエータシステム１１０は、１メートル以下、１０センチメートル以下、１センチメートル以下、１ミリメートル以下、１００ミクロン以下、１０ミクロン以下、１ミクロン以下、１００ナノメートル以下、または１０ナノメートル以下の少なくとも１つの寸法を有してもよい。
【００４０】
アクチュエータの電極は、ナノメートルスケールからマイクロメータスケールおよび巨視的スケールまでのサイズの範囲にあることが可能である。例えば、いくつかの実施形態において、電極１１４は、１メートル以下、１０センチメートル以下、１センチメートル以下、１ミリメートル以下、１００ミクロン以下、１０ミクロン以下、１ミクロン以下、１００ナノメートル以下、または１０ナノメートル以下の少なくとも１つの寸法を有してもよい。
【００４１】
第２の部分と異なる程度で、化学種とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能な第１の部分を含むアクチュエータ（電極を含む）は、前述の化学種（例えば、寸法的に活性な材料）との相互作用を可能にする任意の適切な形式で、任意の適切な材料から形成されてもよい。いくつかの実施形態において、第１の部分は、イオン交換時に寸法を変化させる多孔質材料から形成されてもよい。寸法変化は、比較的均一の容積膨張もしくは収縮であってもよく、または本明細書に記載のように、ひずみ差の導入により生じる屈曲もしくは湾曲またはカッピングモードの変形であってもよい。多孔質材料は、圧粉（ｐｒｅｓｓｅｄ  ｐｏｗｄｅｒ  ｃｏｍｐａｃｔ）もしくは金属発泡体または寸法的に活性な材料の混合物であってもよい。第２の部分は、寸法的に非活性な材料から形成されてもよい。第１および第２の部分は、結合剤または炭素もしくは金属等の導電性添加剤等の添加剤を任意で含んでもよい。寸法的に活性な材料は、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｚｎ、炭素、黒鉛、硬質炭素、メソポーラス炭素、酸化物、インターカレーション酸化物、層状酸化物、粘土鉱物、硫化物、層状硫化物、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、よびＷＳ２の化学種のうちの１つ以上を含んでもよい。本発明のアクチュエータは、その他の金属、金属含有化合物、無機材料、およびその同等物も含んでもよいことを理解されたい。
【００４２】
場合によっては、本発明のアクチュエータは、イオン交換時に寸法を変化させる多孔質電極によって提供される寸法変化を受けてもよい。場合によっては、多孔質電極は、充電または放電時に、湾曲、屈曲、またはカッピングを含む寸法変化を受ける。いくつかの実施形態において、多孔質電極は、多孔度の勾配を含んでもよく、この場合、多孔質電極の第１の部分は、多孔質電極の第２の部分の多孔性とは異なる多孔性を有する。場合によっては、多孔質電極は、多孔質電極と接触する表層をさらに備え、この場合、表層は、（下層の）多孔質電極よりも大きい程度まで、インターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化される。表層は、多孔質電極の外面を部分的にまたは実質的に被覆またはカプセル化して、表層が、システムのその他の構成要素に主におよび／または直接的に露出されるようにしてもよい。場合によっては、表層は、下層の多孔質電極よりも大きい程度まで、インターカレートまたは合金化されてもよい。場合によっては、表層は、下層の多孔質電極よりも高密度であってもよい。
【００４３】
場合によっては、アクチュエータの少なくとも一部分（例えば、電極の一部分）とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能な化学種は、イオン状であってもよい。イオンの非限定的な例として、プロトン、水酸化物イオン、硫酸イオン、塩素酸イオン、リン酸イオン、および硝酸イオンが挙げられる。その他の場合において、化学種は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を含めてもよい。特定の実施形態において、化学種は、表面の少なくとも一部分の酸化または還元を引き起こすこと可能な電子である。その他の実施形態において、化学種は、第２の部分とは異なる程度まで第１の部分で電気化学的に成膜可能なめっき化学種である。場合によっては、化学種は、プロトン、アルカリイオン、リチウム、イオン錯体、ヒドロキシルイオン、炭酸イオン、塩素酸イオン、硫酸イオン、リン酸イオン、その他の多核イオン錯体、およびその同等物を含む群から選択されてもよい。場合によっては、化学種は、プロトン、アルカリイオン、イオン錯体、ヒドロキシルイオン、炭酸イオン、塩素酸イオン、硫酸イオン、およびリン酸イオンを含む群から選択される。場合によっては、化学種はプロトンである。
【００４４】
化学種は、陽極または陰極の活性化学種の生成に使用される材料等の固体状で、電気化学セルに最初に存在してもよい。その他の場合において、化学種は、電極の１つに積層されるが、電極の活性材料の一部ではない固体状であってもよい。別の実施形態において、化学種は、固体電解質等の別々の固体イオン源の形状であってもよい。さらに別の実施形態において、化学種は、電解質等の液体状またはゲル状で存在してもよく、また、セルの最初の充電／放電前に電気化学セルに存在してもよい。その他の実施形態において、これらの化学種は、電気化学セルの外部の実体に存在してもよい。例えば、化学種は、アクチュエータを使用する環境に存在してもよい。特定の一実施形態において、アクチュエータは、電気化学セルの電極の一部分とインターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能な化学種を含有する流体に浸漬されるように設計される。例えば、流体は、体液であってもよく、化学種は、体液に存在するイオン化学種であってもよい。
【００４５】
場合によっては、本発明の装置は、陽極、陰極、および化学種としてリチウムイオンを備えてもよい。陽極および陰極間の電界の印加時に、装置は、可逆的に充電および放電されてもよい。場合によっては、充電時に、リチウムイオンは、陽極に挿入して、容積または寸法が本質的に不変のままである陰極に対して容積変化または寸法変化を陽極が受けるようにしてもよい。放電時に、リチウムイオンは、陽極から陰極へ輸送されて、リチウムイオンが陰極に挿入されるようにする。その結果、陽極は、充電前のその容積／形状に戻ってもよく、また、陰極は、陽極に対して容積変化または寸法変化を受けてもよい。場合によっては、陽極および陰極の両方は、充電／放電サイクル時に、容積変化または寸法変化を同時または非同時に受けてもよい。場合によっては、陽極および陰極のうちの片方のみが、充電／放電サイクル時に、容積変化または寸法変化を受けてもよい。
【００４６】
本発明のアクチュエータは、多種多様な用途において使用可能である。例えば、アクチュエータは、マイクロ流体素子において使用可能あり、例えば、マイクロ流体素子におけるスイッチおよび弁機能は、アクチュエータによって実行可能である。その他の場合において、アクチュエータは、チャネルにおいてまたはオリフィス外で流動させるポンプとして使用されてもよく、薬物の制御投与のためのポンプを含んでもよい。その他の実施形態において、アクチュエータは、外付け型または埋め込み型医療装置の一部であることが可能である。アクチュエータの少なくとも一部分（例えば、電極の一部分）とインターカレート、脱インターカレート、酸化、還元、またはめっき化し得る化学種は、いくつかの実施形態（例えば、使用前の製造時）において、電気化学セルの一部であってもよいが、しかしながら、その他の実施形態において、アクチュエータを使用する環境の構成物質であってもよい。また、アクチュエータは、アドレス可能なマイクロアクチュエータが個々に駆動されるマイクロミラーアレイ等の、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）装置の一部であってもよい。その他の場合において、１つ以上のアクチュエータは、電流または電圧の印加時に、構造に開くように構築および配置されることが可能である。このような構造は、例えば、テントまたは足場として有用である。その他の場合において、本発明のアクチュエータは、電気入力によって電気的に膨張または収縮可能な手術道具または医療移植片の構成要素であることが可能である。多種多様な用途について、以下にさらに詳しく説明する。
【００４７】
いくつかの実施形態において、本発明のアクチュエータを使用して、アクチュエータに隣接する構造を変位または変形してもよい。例えば、図２Ａに例示する実施形態において示されるように、アクチュエータシステム１５０は、レザバ１７２から流体１７０を分注するための、ポンプとしての役割を果たすアクチュエータ１５１を含む。ポンプは、異なる容積、例えば、０．０１ｍＬを超える、０．０１ｍＬを超える、１ｍＬを超える、５ｍＬを超える、１０ｍＬを超える、１００ｍＬを超える、１Ｌを超える流体を分注してもよい。アクチュエータ１５１は、図１に記載のアクチュエータ１１０と類似の方式で動作してもよい。簡潔に言うと、化学種は、部分１５８に対して不均一に、電極１５４の第１の部分１５６とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化して、第１の部分と第２の部分との間にひずみ差を誘起するようにする。第２の部分は、機械的抑制であってもよく、これによって、電極１５４の屈曲または湾曲が引き起こされ、結果的にアクチュエータ１５１の屈曲または湾曲をもたらす。アクチュエータ１５１に隣接するレザバ１７２は、変形可能な材料から形成されてもよく、アクチュエータ１５１の屈曲によりレザバ内の圧力が増加し、図２Ｂに示されるようにレザバから流体１７０が押し出されて分注されるようにする。いくつかの実施形態において、レザバからの流体１７０の分注または注入の速度は、第１の位置から第２の位置へのアクチュエータの変位（例えば、ストローク長さ）の速度および／または程度によって制御可能である。分注速度は、一定または可変であるように制御されてもよい。アクチュエーションの速度および／または程度は、印加された電流または電圧（例えば、充電または放電中）の振幅および／または持続時間、電気化学セルの電極とインターカレート、脱インターカレート、合金化、またはめっき化される化学種の濃度、ならびに異なる程度で化学種と相互作用する、アクチュエータの第１および第２の部分の構成および材料組成等の電気化学セルの形成に使用される材料の寸法および材料組成等の、パラメータによって制御されてもよい。
【００４８】
１つ以上の電気化学セルは、システムまたはシステムの一部分の変位を達成するために、任意で１つ以上の構成要素と組み合わせることによって配置されてもよい。場合によっては、異なるアクチュエーション能力を有する電気化学セルは、パターン化して表面上に配置されてもよく、この場合、各電気化学セルは、独立して制御される。参照することによって本明細書に組み込まれる、例えば、米国特許出願第１１／１５０，４７７号に基づく米国特許公報第２００６／０１０２４５５号ならびに国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ／２００５／０２０５５４に基づく国際公開第ＷＯ２００５／１２４９１８に記載されるようなセル、構成要素、および／または装置に関するその他の構成を、本発明の内容において使用してもよい。
【００４９】
本発明のアクチュエータは、異なる範囲のアクチュエーション速度およびストローク長さを可能にするように、異なる剛性の材料で作製可能である。例えば、ストローク長さの長いアクチュエータは、剛性が比較的低い１つ以上の材料から形成されてもよい。このような実施形態において、電流の短パルスは、第１の配向から第２の配向へのアクチュエータの変位を引き起こすことが可能である。対照的に、１つ以上のより剛性な材料から形成されるアクチュエータは、電流の印加時にのみ変位されてもよい。このような実施形態において、アクチュエータは、いくつかの事例において、負荷の有無にかかわらず、印加された電流の増分毎に第１の配向から第２または第３の配向へ変位可能である。いくつかの実施形態において、アクチュエータから機械的システムへのエネルギーの移動は、アクチュエータおよび機械的システムの剛性が一致する場合に最大になる。したがって、アクチュエータの材料の選択は、所望のアクチュエーションの特定の用途および／またはモードに基づいて選択可能である。
【００５０】
図３Ａ‐Ｃは、アクチュエータの剛性がいかにアクチュエータの変位速度およびストローク長さに影響を及ぼし得るかに関する例を示す。図３Ａに例示する実施形態において、アクチュエータ１８０は、第２の部分とは異なる程度まで化学種とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能である第１の部分を含む。アクチュエータの端部１８１は、アクチュエータが第１の位置ａにある位置に固定されてもよい。アクチュエータは、ピストン１９０および流体１９４を含有するレザバ１９４に隣接してもよい。（例えば、アクチュエータの第２の部分に対する第１部分との）化学種の不均一なインターカレーション、脱インターカレーション、合金化、酸化、還元、またはめっき化時に、アクチュエータ１８０は、図３Ｃに示されるように、位置ａから位置ｃへ変位されてもよい。アクチュエータ１８０は、長いストローク長さ「ａｃ」を達成するように剛性の低い１つ以上の材料から形成されてもよい。これは、例えば、アクチュエータが変位されるように、短パルスの電流をアクチュエータに印加することによって達成されてもよく、これは、ピストン１９０の変位を引き起こし、レザバから流体を分注可能にする。短パルスの電流は、アクチュエータがその新しい平衡位置ｃに緩和するまでレザバから流体をゆっくりと押し出してもよい。対称的に、図３Ｂは、第１の配向において高剛性の材料から形成されるアクチュエータ１８２を示し、この場合、アクチュエータの端部は、位置ｂにある。アクチュエータ１８０の電流と類似の大きさおよび持続時間の電流の印加時に、アクチュエータ１８２は、図３Ｃに示すように、位置ｂから位置ｃへ変位されてもよい。アクチュエータ１８２のストローク長さ「ｂｃ」は、アクチュエータ１８０および１８２の形成に使用される異なる剛性の材料により、アクチュエータ１８０のストローク長さ「ａｃ」よりも短い。いくつかの実施形態において、アクチュエータは、構造に印加される負荷または力を増加させるために、例えば、並列または直列でスタック可能である。
【００５１】
以下の例は、本発明のアクチュエータが実装可能である異なる構成および方式をさらに例示する。
【００５２】
図４に例示する実施形態において、アクチュエータシステム２００は、陽極２１２と、陰極２１４と、陽極または陰極とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能な化学種２１８を含む電解質層２１６とを含むアクチュエータ２１０を備える。印加電圧２２０の下で電解質層を通る化学種の輸送を使用して、矢印２２２および２２４の方向に、アクチュエータ２１０を上下に変位することが可能である。この変位により、例えば、弁の開閉、ミラー、ポンプ、流体等の変位に使用可能であるアクチュエーションをもたらすことが可能である。上述のように、陽極および陰極の形成に使用される材料の組み合わせは変更可能である。例えば、適切な材料は、リチウムイオンまたはニッケル水素電池における活性材料を含めてもよい。本実施形態に例示するように、アクチュエータシステム２１０は、１つの端部において基板２２８に固定される。基板は、アクチュエータのピストン２３０が、最小または存在しない変位を受けるように機械的拘束としての役割を果たすことが可能である。アクチュエータのピストン２３２が固定されない場合、この部分は、湾曲をもたらす変位を受ける。
【００５３】
別の実施形態において、アクチュエータの一部分とインターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能な化学種は、アクチュエータの一部分が化学種に優先的に露出される一方で、アクチュエータの異なる部分が露出されない、またはより少ない程度で化学種に露出されるように配置可能である。例えば、図５に例示する実施形態において、アクチュエータシステム２５０は、部分２５４および部分２５６を備えるアクチュエータ２５２を含む。部分２５６は、部分２５４よりも大きい程度まで、物質２６２（例えば、電解質）に浸漬される化学種２６０に露出されてもよい。部分２５４および基板２６４は、伝導性であってもよく、陽極および陰極としての役割を果たしてもよい。部分２５６は、絶縁体２６６によって基板２６４から絶縁されてもよい。基板（または、遠隔対極）および部分２５４間の電位差の印加時に、化学種２６０は、部分２５４よりも大きい程度まで、部分２５６とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化してもよい。化学種２６０を有する部分２５４および／または２５６のインターカレーションの種類は、例えば、特定の種類の化学種および部分２５４および２５６の形成に使用される材料に依存する。このインターカレーションは、部分２５４および２５６間のひずみ差により、アクチュエータ２５２の屈曲を引き起こすことが可能である。
【００５４】
アクチュエータシステム２００および２５０等の構造は、ＭＥＭＳ作製、薄膜構造の成膜に関する種々の方法、厚膜被覆技術、電極成膜方法、および物理的組み立ておよび積層を含む多種多様の方法によって作製されてもよい。作製に関するその他の方法も、適切であり、かつ当業者に既知であってもよい。
【００５５】
図６に例示する実施形態に示すように、アクチュエータシステム２７０は、基板２７４に一体的に連結（または非一体的に連結）され得るアクチュエータ２７６と電気通信する電極２７２を含む。アクチュエータ２７６の組成は均一であってもよいが、しかしながら、部分２８０は、アクチュエータの部分２８４よりも大きい程度まで化学種２８２に露出されてもよい。化学種に対する異なる露出（例えば、異なる面積の露出）は、部分２８４とは異なる程度で部分２８０とのインターカレーション、脱インターカレーション、合金化、酸化、還元、またはめっき化を引き起こすことが可能である。これは、例えば、矢印２２２および２２４の方向に、アクチュエータのアクチュエーションを引き起こすことが可能である。
【００５６】
いくつかの実施形態において、本発明のアクチュエータは、身体内等の生理学的な設定において使用されるように構築および配置される。例えば、本発明のいくつかの実施形態は、身体内に薬物を投与するための電気化学アクチュエータであって、本明細書に記載のような少なくとも１つの陰極、少なくとも１つの陽極、および化学種を備える電気化学アクチュエータを提供し、電気化学アクチュエータは、電圧または電流の印加を受けてもよく、それによって、電圧または電流の印加またはその停止は、電気化学アクチュエータの少なくとも１つの電極における化学種のインターカレーションを含み、電気化学アクチュエータの容積変化または寸法変化をもたらす。場合によっては、容積変化または寸法変化は、例えば、本明細書に記載されるような分注または注入方法あるいはその他の方法を介して、身体への薬物の投与または薬物を含む流体の身体への投与において有用であってもよい。
【００５７】
いくつかの事例において、アクチュエータは、アクチュエータの電極の一部分とインターカレート可能である化学種を含む体液（例えば、血液、尿、汗等）に浸漬される。インターカレーション時に、電極は、第１の配向から第２の配向への変位を受けてもよい。その他の実施形態において、化学種は、体液への露出時に、電極の一部分から身体に脱インターカレートしてもよい。または、その他の実施形態において、化学種は、体液への露出時に、電極の一部を酸化または還元してもよく、これは変位をもたらすことが可能である。その他の事例において、アクチュエータは、身体の外部で使用されてもよく、例えば、アクチュエータは、身体から摘出される体液に露出されてもよい。
【００５８】
図７は、生理学的設定において使用可能なアクチュエータの例示的な例である。アクチュエータ２９０は、陽極２９２、陰極２９４、および２つの電極の間に配置される絶縁体２９６を含む。アクチュエータ２９０は、例えば、電圧または電流の印加時に、他方の電極よりも大きい程度まで一方の電極にインターカレートまたは一方の電極から脱インターカレート可能である化学種２９９を含む体液２９８に浸漬されてもよい。これは、第１の配向から第２の配向へのアクチュエータの変位を引き起こすことが可能である。アクチュエータの異なるモードの変位は、アクチュエータの機械的設計に依存して達成可能である。例えば、アクチュエータは、ビーム、アコーディオン、ステント、円板、または多層スタック構造の形状であってもよい。アクチュエータのその他の形状および設計を使用して、第１の配向から第２の配向への構造の膨張、収縮、褶曲、ねじれ、湾曲、回転等を誘起することが可能である。いくつかの実施形態において、アクチュエータは、ステント、センサ、人口装具、およびその同等物等の医療移植片または移植片の部品の形式であってもよい。
【００５９】
本発明の別の実施形態において、アクチュエータシステムは、陰極と、陽極と、電気化学セルの第２の部分とは異なる程度まで電気化学セルの第１の部分とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能な化学種とを備える少なくとも１つの電気化学セルを含む。第１および／または第２の部分との化学種の上記相互作用のうちの１つにより、第１および／または第２の部分は、放電時に寸法変化を受けることによって、機械的仕事を行なうアクチュエータの変位が引き起こされる。いくつかの実施形態において、電気化学セルは、製造時に充電されるように構築および配置され、使用後に部分的に放電される。いくつかの実施形態において、電気化学セルは、製造時に充電されるように構築および配置され、使用後に部分的に放電されるか、または最初の放電後にさらに充電されない。アクチュエータシステムは、自発的に放電するように構築および配置されてもよい。場合によっては、アクチュエータは、いくつかのアクチュエーションを引き起こすように、異なる事例において１回以上放電されてもよい。放電（例えば、部分的放電、完全な放電）時に、アクチュエータを処分してもよい。このような構成は、特定のポンプ、センサ、移植片、および医療装置等の携帯型装置に有用であってもよい。
【００６０】
本発明の一実施形態は、流体を身体に注入するための注入ポンプを含む。注入ポンプは、陰極、陽極、および化学種を備える少なくとも１つの電気化学セルを含み、陰極および／または陽極は、流体を身体へ注入させるように、充電および／または放電時に寸法変化を受ける。あるいは、注入ポンプは、製造時に化学種を含まなくてもよいが、使用中に化学種へ露出時に、アクチュエーションを実行し、流体を注入可能である。いくつかの配置において、注入ポンプは、自発的に放電するように構築および配置される。このような装置は、電源内蔵式であり、これは、装置の電気化学セルが、充電状態で作製されることを意味する。装置は、電気化学セルが、放電時に膨張または変形するように、陽極材料および陰極材料を含むことが可能である。例えば、シリコンおよびスズ等の低コスト材料は、リチオ化時に膨張材料（例えば、３００％まで）として使用可能である。
【００６１】
分注される容積の大きさおよび分注持続時間を含むポンプ速度は、電気化学セルの放電速度により制御可能であるセルの膨張または変形速度によって判断可能である。放電の制御は、セルが放電する外部回路の抵抗を変動させること等の種々の方法によって実行可能である。外部制御は、例えば、ヒューズとしての役割も果たす薄い金属またはワイヤを含む抵抗器を含めることが可能である。これを使用して、抵抗器または外部回路を介した電気化学セルの自己放電の制御が可能になる。特定の実施形態において、可変抵抗器は、放電速度およびポンプ速度を制御するために、固体回路を含む外部回路において実装される。セルの外部抵抗を変動させることによって、瞬間放電速度およびアクチュエーション速度を制御することが可能である。
【００６２】
別の実施形態において、装置のデューティサイクルは、変位またはポンピングの程度または度合いを制御するために変動してもよい。本実施形態において、装置が放電または充電する外部回路は、開および閉回路あるいは「オンおよびオフ」間で繰り返し切り替えられてもよい。つまり、デューティサイクルは、アクチュエータ装置に結合した外部回路を開放および／または閉鎖することによって制御されてもよい。オン／オフパルスの周波数および持続時間は、変位および全変位の速度の制御を提供することが可能である。例えば、外部短絡状態下にある装置が、全ひずみεをもたらす時間ｔにおける完全な放電を提示する場合、閉回路において費やす総時間がｔ／１０になるように開回路および閉回路状態間で切り替えすることは、１０％デューティサイクルに相当し、正味ひずみはε／１０になる。閉回路パルスの持続時間が一定である実施形態において、変形の速度は、パルス周波数を変動させることによって制御可能である。パルス周波数およびパルス持続時間を独立して変動させて、アクチュエータまたはポンプの所望の変位対時間のプロファイルを達成するために、装置の変位対時間応答における固有の非線形性に対応することが可能である。
【００６３】
その他の実施形態において、放電の速度は、セルに設計可能である（例えば、自己放電速度は、加工可能である）。特定の一実施形態において、セルの内部インピーダンスは、所望の放電速度をもたらすために、電気化学的装置または電池に関する当業者に既知の方法を使用して設計される。外部短絡状態またはセルの外部リード間の抵抗が、セルの内部インピーダンスより実質的に低い状態において、放電の速度ひいてはアクチュエーションの速度は、主にセルの内部インピーダンスによって判断される。例えば、セルは、放電の特定の最大速度および本明細書に記載の制御方法を使用してもたらされるより低速度のために設計されてもよく、または不意の短絡状態下であっても安全で低速度の放電を提供する比較的高いインピーダンスを有するように設計されてもよい。
【００６４】
装置の変形の速度および／または量（ならびにこのような装置によって制御されるポンプのポンピングの対応する速度および／または量）は、例えば、一回使用の使い捨て装置が、既定の設定速度および時間ならびに／あるいは容積でポンプにって送入するように、装置に組み込まれることが可能である。代替的にまたは付加的に、装置は、放電／ポンピングの速度および／または程度が装置の使用中に変動可能であるように、あるいは装置の使用前に、異なるいくつかの設定のうちの１つから設定可能であるように構築可能である。装置を多数回使用可能であるいくつかの事例において、放電／ポンピングの速度および／または量は、使用毎、使用中等で変動可能である。当業者は、デジタルまたはアナログ回路あるいはその組み合わせによって、これらの特徴のいずれかのために、装置におけるシステムを設計することが十分に可能である。
【００６５】
これらの手段および／またはその他の手段によって、ポンプ速度は、電気化学セルの放電速度を制御することによって、広範囲にわたって変動可能である。いくつかの実施形態において、放電速度は、例えば、デューティサイクルまたは外部負荷の抵抗を制御する制御回路に送信される伝送信号によって無線で遠隔制御可能である。ポンプは、異なる容積、例えば、必要に応じて０．０１ｍＬを超える、０．１ｍＬを超える、１ｍＬを超える、５ｍＬを超える、１０ｍＬを超える、または５０ｍＬを超える流体を分注してもよい。
【００６６】
ポンプ形状の本発明のアクチュエータの用途は、薬物または流体の皮下投与、静脈内、髄腔内、ならびに薬物および流体を身体に投与するその他の一般的な方法、空気清浄器または香水ディスペンサ、ならびに埋め込み型薬物投与装置を含むがそれだけに限定されない用途に使用可能である。
【００６７】
例えば、バイメタルの組が電解質に浸漬される場合、バイメタルの対のうちの一方は、陽極であり、優先的に酸化されないが、他方は優先的に酸化されることが既知である。例として、鉄鋼の亜鉛との陽極防食が挙げられる。例示的実施形態において、図８Ａは、第１の部分３０２および第２の部分３０４を示し、第１および第２の部分は、異なる材料から形成される。図８Ｂは、水に浸漬された後の同一の構造を示す。構造は、ここで層３０６を含む。水への露出時に第１の部分がＦｅを含み、第２の部分がＺｎを含む場合、Ｚｎ（ＯＨ）２含む部分３０６が形成される。部分３０２における反応は２Ｈ＋＋２ｅ＝Ｈ２（ｇ）であり、部分３０６における反応はＺｎ＋２（ＯＨ-）＝Ｚｎ（ＯＨ）２＋２ｅである。
【００６８】
図９Ａ‐Ｂに示されるように、アクチュエータ３１０は、第１の部分３１２および第２の部分３１４を含む。薄層において第１の部分がＦｅから形成され、第２の部分３１４がＺｎから形成される場合、Ｚｎ（ＯＨ）２の形成中のＺｎからＺｎ（ＯＨ）２への変換（例えば、Ｚｎ＋２（ＯＨ-）＝Ｚｎ（ＯＨ）２＋２ｅ）時に、容積膨張が自発的なアクチュエーションをもたらし、図９Ｂに示すような湾曲状の変位を引き起こす。この自発的なアクチュエーションは、機械的仕事を実行するために、本発明のアクチュエータにおいて利用可能である。
【００６９】
図１０Ａ‐Ｂに示されるように、第１の部分３２０がＺｎから形成され、第２の部分３２２がＦｅから形成される場合、Ｚｎの変換（例えば、Ｚｎ＋２（ＯＨ-）＝Ｚｎ（ＯＨ）２＋２ｅ）時に、構造３１８は、図１０Ｂに示すように開放する。この種類のアクチュエーションは、ステント、脊椎間の圧縮応力を緩和する膨張椎間板、またはその他の構造等の構造に有用であり得る。類似の種類のアクチュエーションは、イオン化学種または分子化学種を流体から優先吸収することによって単に膨張する化学種を使用して達成可能である。
【００７０】
当業者は、本発明における使用に適切であり得るその他の対のバイメタルを選択可能である。
【００７１】
身体内において、大幅なガス発生を回避することが望ましい。また、特定の用途において永続的な塑性変形を受ける延性であるが強力な材料を有することも望ましい。いくつかの実施形態において、陽極材料および陰極材料が電気的に相互に短絡し、アクチュエータの少なくとも一部分とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能である化学種を含有する電解質において浸漬される場合に自発的に放電するアクチュエータを使用することが有利であってもよい。
【００７２】
図１１Ａ‐Ｂは、充電状態で組み立てられ、かつ電解質における発生時に自発的放電を受けるリチウムイオンの組（例えば、一部分はＬｉ０．５ＣｏＯ２を含み、別の部分はＬｉＸＴｉ５Ｏ１２，を含み、ここでｘ＞４である）を示す。（リチウムイオンの組の代わりに、アクチュエータは、充電状態において組み立てられ、かつ電解質における発生時に自発的放電を受けるニッケル水素の組であってもよい（例えば、一方の部分は、Ｎｉ３＋ＯＯＨを含み、他方の部分はＭＨＸを含み、ここでＭは金属である））。図１１Ａは、電解質への露出前におけるひずみがゼロであるアクチュエータを示し、図１１Ｂは、電解質への露出後のアクチュエータを示す。放電時に、アクチュエータの第１の部分は、アクチュエータの第２の部分よりも大きい容積に膨張することによって、アクチュエータの湾曲（収縮）を引き起こす。したがって、アクチュエータの電解質への露出時の自発的な放電は、アクチュエーションを引き起こすことが可能である。
【００７３】
図１２Ａ‐Ｂは、充電状態で組み立てられ（図１２Ａ）、また電解質における発生時に自発的放電を受ける（図１２Ｂ）リチウムイオンの組またはニッケル水素の組を示す。アクチュエータの形状により、アクチュエータは、自発的放電時に膨張する。
【００７４】
いくつかの種類の材料を本発明のアクチュエータにおいて使用することが可能である。例えば、化学種が水素である場合、チタン金属が非常に優れた水素吸収媒体であることから、チタン金属を電極材料として使用してもよい。その他の適切な水素吸収媒体には、貴金属が含まれる。Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、およびＡｕも、電極材料として使用可能な延性であるが強力な金属である。特定の一実施形態において、自発的に開放するステント（またはその他のアクチュエータ設計）は、例えば、電解質への露出時に、一方から他方への水素の輸送がアクチュエータの変位をもたらすように、水和金属が非水和金属へ結合することによって作製可能である。この具体的な手法は、図１３‐１４に示すように、電解質への露出前にアクチュエーションを引き起こす２つの金属間の水素の拡散を回避するために、半導体装置技術において広く使用されるように、２つの金属間の拡散障壁の導入により利益を得ることも可能である。図１３は、（ａ）電解質への露出前および（ｂ）電解質への露出時の、その各々が異なる材料（例えば、金属）を含む２つの異なる部分と、任意で各部分間に配置される拡散障壁とを備えるアクチュエータシステムを示し、本システムは、湾曲またはカッピングを受ける。同様に、図１４は、（ａ）電解質への露出前および（ｂ）電解質への露出時の、その各々が異なる材料（例えば、金属）を含む２つの異なる部分と、任意で各部分間に配置される拡散障壁とを備えるアクチュエータシステムを示し、本システムは、構造の湾曲または開放を受ける。いくつかの実施形態において、イリジウムは、その生体適合性により、アクチュエータの少なくとも一部分の形成に使用される金属として魅力的である。
【００７５】
別の実施形態において、本発明のアクチュエータは、例えば、図１５Ａ‐Ｂに示すように、ヒンジ構造を含むことが可能である。アクチュエータは、化学種を優先的にインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化可能である第１の部分３４２と、化学種を優先的にインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化しない第２の部分３４４とを含んでもよい。いくつかの事例において、第２の部分３４６および第３の部分３４８は、同一の材料から形成される。アクチュエータの第１の化学種への露出時に、第１の部分は、第１および／または第３の部分とは異なる程度で、化学種とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化し、図１５Ｂに示すように、アクチュエータの変位（例えば、膨張）を引き起こすことが可能である。任意により、第２の部分３４６および第３の部分３４８は異なる材料から形成され、第２の化学種への露出時に、アクチュエータは、第１の配向から第２の配向へ変位されてもよい。
【００７６】
第１の部分および第２の部分を含む本発明のアクチュエータであって、充電および／または放電時に、化学種が第２の部分とは異なる程度まで第１の部分とインターカレート、脱インターカレート、合金化、酸化、還元、またはめっき化され、第１の部分は、第２の部分に対して結果として生じる寸法変化を受けるアクチュエータは、多種多様な設定で使用可能である。したがって、本発明のアクチュエータは、上述のもの以外の構成、形状、および／または設計を有することが可能である。このような構成、形状、および／または設計の例は、参照することにより本明細書に各々が組み込まれる米国特許第６，５４５，３８４号、５，９０７，２１１号、５，９５４，０７９号、５，８６６，９７１号、５，６７１，９０５号、および５，７４７，９１５号に記載されるものを含む。
【００７７】
低電圧で長寿命の電気化学アクチュエータの設計に関する考察について次に説明する。いくつかの実施形態において、低電圧で長寿命の電気化学アクチュエータの設計は、特定の動作基準を含む。一実施形態において、陰極、陽極、非水電解質、およびリチウムを化学種（例えば、インターカレーション化学種）として備える電気化学セルを動作する方法が提供される。陽極が、約＋４Ｖ未満であるその使用の充電状態において、金属リチウムに対して平均平衡電位（または開回路電圧（ＯＣＶ））を有するように、電気化学セルは動作可能である。陰極は、約＋０．２Ｖを超えるその使用の充電状態において、金属リチウムに対して平均電位を有することが可能である。電気化学セルは、第１の配向から第２の配向へ変位可能な構成要素と動作関係にあってもよい。電気化学セルの動作は、電気化学セルの容積変化または寸法変化を引き起こすことが可能である。約１０Ｖ未満の電圧を電気化学セルへ印加する際に、構成要素は、電気化学セルの容積変化または寸法変化により、第１の配向から第２の配向へ変位可能である。
【００７８】
以下にさらに詳細に説明するように、陽極における電位が高過ぎると、陽極において、集電体および／または活性材料の電気化学的腐食がもたらされ得る。場合によっては、高電位は、電解質の伝導度の損失および／またはセル内に不要な副次的作用をもたらし得る非水電解質または塩の分解も引き起こす可能性がある。したがって、本発明の特定の電気化学セルは、約＋４Ｖ未満、約＋３．５Ｖ未満、約＋３．０Ｖ未満、または約＋２．５Ｖ未満のセルの充電状態において、平均平衡電位を有するように動作可能である。
【００７９】
以下にも説明されるように、平均平衡電位が低過ぎると（例えば、その使用の充電状態における金属リチウムに対して）、陰極集電体またはリチウム金属の成膜の電気化学的腐食等の悪影響が引き起こされ得る。したがって、電気化学セルは、陰極が、約＋０．２Ｖを超える、約＋０．５Ｖを超える、約＋１．０Ｖを超える、または約＋１．５Ｖを超える平均平衡電位を有するように動作されてもよい。特定の電気化学セルに応じて、陽極および陰極の平均平衡電圧の最大および最小範囲をそれぞれ選択することが可能である。例えば、一実施形態において、陽極は、約＋３．５Ｖ未満の平均平衡電位を有し、陰極は、約＋０．５Ｖを超える平均平衡電位を有する。別の実施形態において、陽極は、約＋３．５Ｖ未満の平均平衡電位を有し、陰極は、約＋１．０Ｖを超える平均平衡電位を有する。さらに別の実施形態において、陽極は、約＋３．５Ｖ未満の平均平衡電位を有し、陰極は、約＋１．５Ｖを超える平均平衡電位を有する。さらに別の実施形態において、陽極は、約＋３．０Ｖ未満の平均平衡電位を有し、陰極は、約＋０．５Ｖを超える平均平衡電位を有する。当然ながら、陽極および陰極のその他の範囲の平均平衡電位を選択することが可能である。
【００８０】
特定の実施形態において、電気化学セルを動作ステップは、約１０Ｖ未満の電圧を電気化学セルに印加するステップと、電気化学セルの容積変化または寸法変化により、第１の配向から第２の配向へ構成要素を変位するステップとを伴うことが可能である。以下にさらに詳細に説明するように、印加された電圧（つまり、動作電圧）は、電気化学アクチュエータのサイクル寿命を増加させるように一般的に低い。したがって、電気化学セルを動作するステップは、約１０Ｖ未満、約８Ｖ未満、約７．５Ｖ未満、約６Ｖ未満、約５Ｖ未満、または約４Ｖ未満の電圧を印加するステップを含んでもよい。しかしながら、短い持続時間で高出力のアクチュエーションを必要とする特定の時間について、印加された電圧は、定常状態の印加電圧より高くてもよいことを理解されたい。したがって、９５％を超える電気化学セルの動作寿命は、約１０Ｖ未満、約８Ｖ未満、約７．５Ｖ未満、約６Ｖ未満、約５Ｖ未満、または約４Ｖ未満の印加電圧で動作されてもよい。その他の実例において、９０％を超える、８０％を超える、７０％を超える、６０％を超える、または５０％を超える電気化学セルの動作寿命は、このような電圧で動作されてもよい。
【００８１】
低電圧で長寿命の電気化学アクチュエータの設計に関する以下の考察は、非水電解質リチウム電気化学セルの設計に関して具体的に説明される。しかしながら、アクチュエータとして使用される任意の電気化学セルに原理を適用可能であることを理解されたい。
【００８２】
アクチュエータとして使用される電気化学セルにおけるイオン化学種を含む化学種の輸送のための駆動力は、過電位（充電中）または不足電位（放電中）であることが可能であり、過電位および不足電位は、それぞれ、特定の充電状態におけるセルの平衡または休止あるいは開回路電圧（ＯＣＶ）の過不足の印加電圧の大きさである。充電状態の関数としてのＯＣＶは、各化合物の電位対ｘ（濃度）を把握している場合に、ならびに陰極対陽極材料の比率およびサイクル中のイオン化学種の不可逆的な損失の度合い等のセルのパラメータを把握してい場合に、当業者によって容易に判断可能である。例えば、ＬｉＣｏＯ２−黒鉛セルは、約３．９Ｖおよび約３Ｖ間の充電状態で連続的に変動するＯＣＶを有することが可能である一方、ＬｉＦｅＰＯ４−黒鉛セルは、幅広い充電状態において約３．３Ｖのほぼ一定電圧を有する。
【００８３】
高速度のアクチュエーションについて、充電中に大幅な過電位および放電中に大幅な不足電位を有することが望ましくてもよい。一方、電気化学セルに印加される電位の範囲が、特に多数の充電／放電サイクルにおいて、何らかの理由によりセルの性能および寿命に影響を及ぼし得ることも本明細書において認識される。動作電圧範囲の高い方の端において、高過ぎる電位は、陽極において集電体（アルミニウム等）または活性材料の電気化学的腐食あるいは非水電解質または塩の分解引き起こし得ることが認識される。これは、電解質の伝導度の損失またはセル内のガス生成等の不要な副次的作用をもたらし得る。動作電圧範囲の低い方の端において、低過ぎる電位は、陰極集電体（銅等）またはリチウム金属の成膜の電気化学的腐食を引き起こし、陰極における電位が、金属リチウムが安定する電位に到達する場合に後者が発生し得る。したがって、高速度のアクチュエーションのために、ならびにアクチュエーションに使用される非水リチウム電気化学セルにおける安定性および長寿命のために、高い過電位が、電解質システムまたは陽極集電体の安定限界に到達することなく充電中に印加可能であるように、比較的低いＯＣＶを有することが望ましくてもよい。しかしながら、低いＯＣＶは、低過ぎるべきではなく、低過ぎると、放電中に印加される高い不足電位が、陽極集電体（銅等）が溶解する電位に到達する場合があり、またはこれは、金属リチウムをめっき化する可能性がある。本発明の電気化学セルにおける高アクチュエーションエネルギーおよび出力を提供することが望ましい場合、これらの基準を満たす陽極および陰極の活性材料の選択が重要である。
【００８４】
いくつかの実施形態において、高速度かつ高ひずみであり、金属リチウムに対して測定される約４Ｖ未満のＯＣＶを含む陽極材料を有することが望ましい。その他の実施形態において、リチウムに対して測定されるＯＣＶは、約３．５Ｖ未満、約３Ｖ未満、または約２．５Ｖ未満である。このような陽極材料の非限定的な例として、ＬｉＦｅＰＯ４、ＴｉＳ２、ＴａＳ２、ならびにそれらの合金および組成的に修正された形式に基づく電極化合物が挙げられる。場合によっては、電気化学セルは、金属リチウムに対して少なくとも＋０．１Ｖである使用の組成の範囲において、高出力ならびにＯＣＶを有する陰極材料を含む。その他の場合において、ＯＣＶは、少なくとも＋０．５Ｖ以上である。例えば、黒鉛は、陽極材料と使用する場合に、正味ひずみが十分である適切な材料であることが可能である。別の適切な材料には、ＬｉＸＴｉＯ２スピネル、例えば、出発組成Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２が含まれ、これは、リチオ化時に、広範囲のリチウム組成おいて、金属リチウムに対してほぼ一定の電位の約１．５７Ｖを有し、また、ほぼゼロの容積変化を有する。したがって、これは、アクチュエーションに使用する陽極において容積変化を可能にすることができる。いくつかの実施形態において、陽極材料および陰極材料のこのような組み合わせに基づく電気化学セルは、典型的には約３．５Ｖ未満のセルＯＣＶを有する。当然ながら、セルが充電または放電される際に、正値および負値間で変動するセル電圧を有することが可能である一方で、金属リチウムに対して高過ぎない陽極電位および低過ぎない陰極電位に関する上述の状態に維持することが可能である。
【００８５】
このようなセルを電気化学アクチュエーションに使用する場合、印加される過電位および不足電位は、セルＯＣＶを超える充電電圧およびセルＯＣＶ未満の放電電圧をもたらすことが可能である。しかしながら、一般的に、セルの動作電圧の絶対値は低いままである。例えば、動作電圧の絶対値は、約１０Ｖ未満、７．５Ｖ未満、５Ｖ未満、または約３．５Ｖ未満であってもよい。短い持続時間の高出力アクチュエーションについて、印加される電圧は、パルス性質を有することが可能であり、電気化学的な損害をこのようなセルに通常もたらし得る定常状態電圧よりも安全に大幅に高くなることが可能であることに留意されたい。しかしながら、長寿命を得るためにセルの電圧が維持される状態下の電気化学セルの動作について、印加される電圧は、金属リチウムに対して約５Ｖ未満、約４．５Ｖ未満、または４Ｖ未満の陽極における電位をもたらしてもよい。これは、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＴｉＳ２、およびＬｉＴａＳ２等の化合物に基づく陽極材料の使用によって可能になる。
【００８６】
高機械エネルギー密度かつ高出力の電気化学アクチュエーション化合物の選択基準について次に説明する。アクチュエーション化合物の理論的機械エネルギー密度は、数式1/2Ｅε２により求められ、ここで、Ｅは弾性係数であり、εは特定の動作条件下で誘起可能なひずみである。したがって、高ひずみおよび高弾性係数の材料は、本発明の電気化学セルにおいてより高いエネルギー密度を提供するための電位を有する。
【００８７】
電気化学アクチュエータに関し、得られるひずみが、電気化学セルにおける化学種とインターカレートおよび合金化する濃度に必ずしも直線性を有するとは限らないことが本明細書において認識される。例えば、インターカレーション化合物ＬｉＸＴｉＳ２のひずみ対Ｌｉ濃度ｘに関するグラフにおいて、曲線の傾斜は、参照することによって本明細書に組み込まれる米国特許出願第１１，７９６，１３８号に記載されるように、低Ｌｉ濃度において最も急勾配である。したがって、アクチュエータを動作するためおよび／またはアクチュエータから最高の機械力を得るために使用される所定の電気エネルギーについて最大の機械エネルギーを得ることが望ましい場合に、ＬｉＸＴｉＳ２を電気化学アクチュエーション化合物として使用する際、約０から０．４のｘの範囲において動作することが望ましい。後者は、インターカレートされる化学種ｘの量が、電流および時間の積である考察から得られ、特定の動作電流について、特定の値のｘについてより高いひずみを有する化合物に関してより速いアクチュエーションが得られるようにする。
【００８８】
また、電気化学アクチュエータの機械力は、電気化学セルの速度能力（例えば、充電または放電の速度）に依存してもよいことも認識されたい。高速度能力は、高イオン伝導度の電解質を選択することによって、ならびに／あるいはイオンまたは電子拡散距離が短くなるようにセルを設計することによって入手されてもよい。粒子ベースの電極について、拡散距離ひいては拡散時間を減少させるために、例えば、微粒子サイズが望ましくてもよい。
【００８９】
したがって、材料の輸送特性も、電気化学アクチュエータを設計するための重要な選択基準であることが可能である。例えば、容積変化に関与するイオン化学種の化学拡散係数は、高くなるように選択されてもよい。本発明の一実施形態は、異なる材料を比較するための性能指数として使用可能な「力率」を識別し、これは、数式1/2Ｅε２Ｄで求められ、ここで、Ｄは該当する材料におけるイオン化学種の化学拡散係数である。図４は、その比重に対する異なる材料の力率を比較する。他に特別な条件がない限り、高力率および低比重ρの材料は、電気化学アクチュエータとしてより高比出力を提供可能であることに留意されたい。例えば、ＴｉＳ２およびＴａＳ２等の層状のジカルコゲナイドは、これらの基準に従う、特に有用な電気化学アクチュエーション化合物であってもよい。
【００９０】
アクチュエーション分野に該当する性能指数は、単位容積当たりに利用可能な機械力である出力密度と、単位質量当たりに利用可能な機械力である比出力も含むことを、本発明者は認識している。大部分のアクチュエーション用途において両方の値を最大化することが望ましい。電気化学アクチュエータの出力密度は、電気化学アクチュエータの動作中にイオン化学種が輸送される特徴的な拡散距離に関する考察を必要とすることに留意されたい。輸送距離は、電極間の距離、電極の多孔性を介する距離、およびセパレータを横切る距離を含み、一方、アクチュエーションの速度は、材料自体への拡散輸送に必要な時間を超えない。したがって、粒子サイズ（粒子ベースのアクチュエータに関する）および化学拡散係数は、重要な要因である。対等に材料を比較するために、類似の粒子サイズを有するように材料が処理可能であると仮定すると、出力密度は、量1/2（Ｅε２ＤＬｉ／ｘ２）として定義可能であり、また、比出力は1/2（Ｅε２ｘ２ρ／ＤＬｉ）として定義可能であり、ここでｘは、粒子寸法（例えば、半径または直径）である。図４は、その比重に対する異なる材料の出力密度を比較し、図６は、異なる材料の比出力に対する出力密度を比較する。これらの選択基準から、電気化学アクチュエータのための適切な材料が選択可能である。例えば、ＴｉＳ２およびＴａＳ２等の層状ジカルコゲナイドは、特に有用な電気化学アクチュエーション化合物であることが可能である。
【００９１】
一実施形態において、本発明の電気化学アクチュエータは、一方が充電され（例えば、有用な機械的仕事をもたらすために）、他方が放電され、またはその反対であるように恊動する少なくとも２つ（例えば、第１および第２）の電気化学アクチュエータを利用する。例えば、システムまたは装置は、相互に拮抗する配置において構成される第１および第２の電気化学セルを備えてもよく、第１のセルの放電が第２のセルの充電をもたらし、第２のセルの放電が第１のセルの充電をもたらすようにする。また、本製品は、第１および第２の電気化学セルのうちの少なくとも１つの充電および／または放電によって、第１の配向から第２の配向へ変位されるように構築および配置される構成要素も含んでもよい。当然ながら、相互に拮抗する配置において構成される電気化学セルを含む構造は、例えば、２組を超える、５組を超える、１０組を超える、２０組を超える、または５０組を超えるような複数の組の電気化学セルを含むことが可能である。このようなセルは、相互に対して直列または並列で動作可能である。対向するアクチュエータの組は、以前は、活性構造において使用されていたが（大部分のアクチュエータは、圧縮状態よりも引張状態でうまく機能するという理由またはその逆の理由から）、本発明の電気化学アクチュエータで使用するこのような設計には追加の利益がある。電気化学アクチュエータは、機械的仕事を実行すると同時に、電気エネルギーを保存または放出し、このような電気エネルギーが消散される場合（例えば、電気エネルギーを抵抗器において消散することによる熱の形式で）に、アクチュエータまたはアクチュエータのシステムエネルギー消費は高くなり得る。しかしながら、一方が充電されて他方が放電されるように電気エネルギーをアクチュエータ間で往復させることによって、電気エネルギーは大幅に節約される。各々が他方に力を及ぼすことが可能であるように配置される拮抗型電気化学アクチュエータの別の利益は、アクチュエータ上に位置する応力が、対向するアクチュエータの片方または両方を充電または放電することによって制御可能であることにある。例えば、本配置によって、アクチュエータにおける初期応力が、アクチュエーション力、クリープ、および／またはアクチュエータのコンプライアンスを最適化するように制御可能になる。さらに別の利益は、対向するアクチュエータが独立して充電または放電される場合に、アクチュエータの位置決め精度が改善されることにある。
【００９２】
典型的な電気化学セルは、セル内の容積変化の量を減少させるために、他方（例えば、陰極）が充電中に収縮する間に膨張する、または放電中にその反対になる電極（例えば、陽極）を含む。これは、低容積変化により、例えば、セル内の特定の層の剥離が減少するため、特定の用途に有利であることが可能である。しかしながら、本発明のいくつかの実施形態において、両電極が、充電または放電中に膨張すること、あるいは片方の電極が他方の膨張中に収縮しないことが有利である。有利には、このような構成により、他方の電極の反作用に浪費する代わりに、最大エネルギーをアクチュエーションに使用することが可能になる。
【００９３】
したがって、別の実施形態は、サイクル中に、電極のうちの一方が少なくとも１容積％膨張し、他方の電極が実質的に収縮しないように構築および配置される陽極および陰極を備える電気化学セルを含む。その他の実施形態において、電極のうちの一方が少なくとも０．５容積％、少なくとも２容積％、または少なくとも４容積％膨張するが、他方の電極は実質的に収縮しない。例えば、陽極または陰極のうちの一方が膨張する際に、他方が膨張可能であり、または容積変更しなくてもよい。構成要素は、このような電気化学セルと動作関係にあることが可能であり、構成要素は、電気化学セルの充電および／または放電によって第１の配向から第２の配向へ変位可能である。このような陽極および陰極の同時膨張または他方の電極が収縮しない一方での電極の膨張は、陽極および陰極の適切な材料を使用して実行可能である。
【００９４】
場合によっては、電極は、化学種（例えば、リチウム）を自発的に放電してもよく、それによって、電極の膨張または収縮ならびに／あるいは装置の１つ以上の構成要素の第１の配向から第２の配向への移動が引き起こされる。自発的な放電を呈する電極材料は、当技術分野において既知であり、装置の特定の「デフォルト」状態が所望される場合、例えば、電気化学セルの意図的または不意の短絡の場合に有利であってもよい。
【００９５】
電極としての使用に適切な材料には、金属、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属合金、金属間化合物、その他の金属含有化合物、その他の無機材料（例えば、炭素）、およびその同等物等の電気活性材料が含まれる。場合によっては、電極は、弾性係数が高い材料を有利に含んでもよい。場合によっては、材料は、本明細書に記載のように、化学種とのインターカレーション時に容積またはその他の寸法における変化を受けることが可能であってもよい。いくつかの実施形態において、電極は、単結晶または多結晶等の結晶構造を含む材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、電極は、非晶質材料または不規則材料を含んでもよい。
【００９６】
場合によっては、陽極を形成する材料は、アルミニウム、銀、金、ホウ素、ビスマス、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、鉛、アンチモン、シリコン、スズのうちの１つ以上を含む。いくつかの実施形態において、陽極を形成する材料は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２またはそれらの任意の合金もしくはドープ組成を含んでもよい。陰極を形成可能な材料の例として、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＴｉＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＷＳｉ２、ＴｉＳ２、もしくはＴａＳ２、またはそれらの任意の合金もしくはドープ組成が挙げられる。場合によっては、陰極を形成する材料は、ＴｉＳ２またはＴａＳ２を含んでもよい。その他の実施形態において、陰極を形成する材料は、ＬｉＭＰＯ４を含むことが可能であり、ここでＭは、１つ以上の第１遷移金属（例えば、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、またはＺｎ）またはそれらの任意の合金もしくはドープ組成である。場合によっては、陰極は、炭素を含み、この場合、炭素は、黒鉛、炭素繊維構造、ガラス状炭素構造、高配向熱分解黒鉛、不規則炭素構造、またはそれらの組み合わせの形式であってもよい。このような材料組成を含む電気化学セルは、上述の陰極電位、例えば、金属リチウムに対して＋４Ｖ未満の電位で動作してもよい。陽極電位は、上述の電位、例えば、金属リチウムに対して＋０．５Ｖを超える電位から選択されてもよい。
【００９７】
場合によっては、電極を形成する材料は、材料内で分散される化学種を含んでもよい。例えば、電極は、電極が、装置内において化学種の源としての役割を果たすことが可能であるように、ある量の化学種を含んでもよい。いくつかの実施形態において、基板またはその他の支持材料は、化学種と相互作用して、容積変化または寸法変化を誘起してもよい。例えば、シリコンウエハまたはその他の金属もしく金属含有基板は、電気化学セルの充電／放電時に容積変化または寸法変化が発生するようにリチオ化されてもよい。
【００９８】
本発明の電極において使用するための材料は、化学種との相互作用（例えば、リチオ化および脱リチオ化）時に、特定の特性を呈するように選択されてもよい。例えば、材料は、本明細書に記載の電気化学セルにおいて使用する場合に、特定の種類または量の容積変化または寸法変化（例えば、アクチュエーション）を呈するように選択されてもよい。当業者は、単純なスクリーニング検査を使用して、このような材料を選択することが可能であり得る。場合によっては、材料の特性および／または挙動は既知であってもよく、当業者は、例えば、所望の容積変化量に基づき、特定の用途に適合する材料を選択することが可能であり得る。例えば、リン酸オリビンＬｉ（Ｆｅ、Ｍｎ）ＰＯ４との可逆的リチウムインターカレーションは、Ａ．ＹａｍａｄａらによるＪ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ、１４８、Ａ２２４（２００１）に記載のように、Ｆｅ／Ｍｎの比率に基づいて７．４〜１０％の容積変化をもたらすことが既知である。場合によっては、材料は、材料を電極として電気化学セル内に組み込んで、セルの充電および放電時に材料の挙動を観測することによって材料をスクリーニングしてもよい。
【００９９】
場合によっては、電極材料は、化学種と相互作用する材料の能力に基づいて選択されてもよい。例えば、リチウムが化学種である場合、材料は、充電／放電時にリチウムイオンを急速におよび／または可逆的に受け入れる（例えば、リチオ化される）および/またはリチウムイオンを放出する（例えば、脱リチオ化）能力に基づいて選択されてもよい。また、化学種の材料との可逆的作用と関連付けられる対応するひずみは、材料へのイオン輸送速度を把握することによって判断されてもよい。このような判断は、実験的に検査されてもよく、またはイオン拡散係数、イオンおよび電子伝導率、および表面反応速度係数等の表集計値または推定値を使用して理論的に行なわれてもよい。当業者は、電極として使用するための適切な材料を選択するために本情報を使用することが可能であり得る。
【０１００】
電極は、当技術分野において既知である方法によって作製されてもよい。一実施形態において、電極材料は、ポリマー結合剤および／または炭素等の導電性添加剤を含有する粉末ベースの懸濁から成型されてもよい。懸濁は、高圧力下（例えば、リニアインチ毎に数トン）でカレンダ加工（例えば、回転）されて、活性材料の所望の容積パーセントを有する高密度に圧縮された層を形成してもよい。
【０１０１】
電解質としての使用に適切な材料は、イオンの保存および輸送のための媒体として機能可能である材料、場合によっては、陽極および陰極間のセパレータとして機能可能である材料を含む。イオンを保存および輸送可能である任意の液体、固体、またはゲル状の材料を使用してもよいが、但し、材料は、陽極および陰極に対して電気化学的および化学的に非反応性であり、また、材料は、陽極および陰極間のイオン（例えば、リチウムイオン）の輸送を促進する。電解質は、陽極および陰極間の短絡を防止するために、電子的に非伝導性であってもよい。
【０１０２】
電解質は、イオン伝導度を提供するための１つ以上のイオン電解質塩、および１つ以上の液体電解質溶媒、ゲルポリマー材料、またはポリマー材料を含むことが可能である。場合によっては、電解質は、非水電解質であってもよい。適切な非水電解質は、液体電解質、ゲル電解質、および固体電解質を含む有機電解質を含んでもよい。非水電解質の例は、例えば、ＤｏｒｎｉｎｅｙによるＬｉｔｈｉｕｍ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，  Ｎｅｗ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ、第４章、１３７〜１６５ページ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、アムステルダム（１９９４）およびＡｌａｍｇｉｒらによるＬｉｔｈｉｕｍ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，  Ｎｅｗ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ、第３章、ページ９３〜１３６、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、アムステルダム（１９９４）に記載されている。非水液体電解質溶媒の例として、例えば、Ｎ−メチルアセトアミド、アセトニトリル、アセタール、ケタール、エステル、炭酸塩、スルホン、亜硫酸塩、スルホラン、脂肪族エーテル、環状エーテル、グリム、ポリエーテル、リン酸エステル、シロキサン、ジオキソラン、Ｎ−アルキルピロリドン、それらの置換誘導体（例えば、それらのハロゲン化誘導体）、およびそれらの組み合わせ等の非水有機溶媒が挙げられるがそれだけに限定されない。
【０１０３】
いくつかの実施形態において、電気化学セルは、システムまたは装置内、例えば、陰極および陽極に位置する障壁またはセパレータ材料（例えば、層）をさらに含んでもよい。セパレータは、陽極および陰極を相互に分離または絶縁する材料であってもよく、短絡を防止し、陽極および陰極間のイオンの輸送を可能にする。セパレータ材料としての使用に適切な材料には、弾性係数の高いおよび／または剛性（例えば、硬直性）の高い材料、電子的に絶縁する材料、ならびに／あるいは機能を損失せずに、高圧、重量、および／またはひずみ（例えば、負荷）に耐えるのに十分な機械的強度を有する材料が含まれる。場合によっては、セパレータ層は、多孔質であってもよい。セパレータ材料の例として、ガラス、セラミック、ケイ酸塩セラミック、コージライト、酸化アルミニウム、アルミノケイ酸塩、またはその他の混合金属酸化物もしくは電子的に絶縁する窒化物または炭化物が挙げられる。場合によっては、セパレータ層は、ポリマー材料を含んでもよい。例えば、エストラマー材料を含むセパレータ層は、１つ以上の構成要素間のせん断運動を可能にするのに有用であってもよい。
【０１０４】
一実施形態において、多孔質セパレータ材料は、噴霧成膜、ドクターブレード被膜、スクリーン印刷、ウェブ被膜、コンマリバース被膜、またはスロットダイ被膜等の、セラミック処理または被覆技術の当業者に既知である方法を使用して、層の組み立て前に片方または両方の電極の表面上に微粒子またはスラリー層として成型されてもよい。
【０１０５】
本発明の装置は、特定の用途に適合する追加の構成要素をさらに備えてもよい。例えば、本発明の装置は、電源、伝導性材料を含む集電体等の集電体、外部パッケージ層、セパレータ層、およびその同等物を備えてもよい。パッケージ層は、電気化学的に絶縁材料またはその他の保護材料を含んでもよい。
【０１０６】
システムまたは装置は、アクチュエータとして使用する前に、任意で前処理または処理されてもよい。装置の前処理により、装置の機械的性能、剛性、アクチュエーションエネルギー密度、アクチュエーションひずみ、可逆性、および／または寿命が向上し、ならびに／あるいはひずみのクリープ変形およびヒステリシスが減少してもよい。場合によっては、装置またはその１つ以上の構成要素は、装置の材料および／または構成要素を統合するために、ならびに／あるいは自由容積の量を減少させるために、静水圧および／または一軸応力を受けてもよい。いくつかの実施形態において、印加される圧力は、１０，０００ｐｓｉ、２０，０００ｐｓｉ、３０，０００ｐｓｉ、４５，０００ｐｓｉ、またはそれを超えてもよい。装置の内部故障を防止し、および／または装置性能の向上を達成し得るように、任意の量の圧力を、装置の前処理に使用してもよいことを理解されたい。
【０１０７】
以下の実施例は、本発明の特定の実施形態を例示するように意図されるが、本発明の全体の範囲を限定するものとして解釈されるべきではなく、また、本発明の全体の範囲を例示するものではない。
【実施例】
【０１０８】
（実施例１）
電源内蔵式電気化学ポンプ
この机上の実験例において、本発明のアクチュエータは、インスリン療法のための電源内蔵式電気化学ポンプとして使用可能である。
【０１０９】
１型糖尿病患者の臨床治療は、通常はインスリン療法であり、この場合、長時間および短時間作用型インスリン注射を組み合わせて使用して、定期的な血糖測定に対応する。治療は、持続皮下インスリン注入（ＣＳＩＩ）を含むインスリン注入ポンプ療法を含めてもよく、マイクロプロセッサが制御するポンプから微小なカテーテルを介して速効型インスリンを分注する。いくつかの既存のポンプは、速効型インスリンを持続的に分注することが可能であり、また、食事の前後に投与量の増分を提供することができる。注入セットは、３日毎に変更されるため、効果的な注射の数が、従来の多数の連日注射（ＭＤＩ）レジメンよりも劇的に減少する。専用の速効型インスリンは、長時間持続型のインスリンが、皮下にデポーを形成することによって機能するため、投薬の予測可能性を大幅に改善する。しかしながら、このようなデポーからのインスリンの放出速度は、身体活動等の要因によって大幅に変動し得る。電源内蔵式電気化学ポンプは、効果的な注射の数の減少およびインスリン放出速度の変動に関する問題に対処することが可能である。
【０１１０】
電源内蔵式電気化学ポンプは、７２時間に２．０ｍＬを投与するように設計されてもよい。図１６は、電源内蔵式電気化学ポンプ３５０の概略設計を示す。陰極３５５はリチウム源を提供し、一方、陽極３６０は膨張要素である。セルは、陰極において利用可能なリチウムが陽極を拡張することができるように電気化学的に平衡がとれている。ポンプは、陽極が３００％容積膨張するように設計可能であり、アクチュエーション板に力を供給するピストンと類似した長手方向変位がもたらされ、次にインスリン溶液を含有するレザバ３６５を加圧する。陽極の垂直変位は、その幅／高さのアスペクト比（本図面において２：１であると仮定する）および容積変化によって判断可能である。電解質は、標準非水リチウム電池電解質であってもよい。パッケージは、充電式リチウムイオン電池用に現在使用されるものと類似するポリマーパッケージであることが可能である。
【０１１１】
有利には、インスリン溶液の放出速度は、陽極の形成に使用する適切な材料を選択することによって制御可能である。例えば、比較的低い剛性の陽極材料を有する電気化学ポンプでは、陽極は、放電時にその新しい平衡位置にゆっくりと変位することが可能である。これにより、レザバにゆっくりと力が印加され、身体へインスリンをゆっくりと注入することが可能になる。
【０１１２】
ポンプは、８．６ｍＬの容積を有し、これにより、全装置容積を１５ｍＬ未満にすることが可能になる。１４．５ｇのポンプ質量により、全装置質量が約２０ｇにすることが可能になるはずである。材料および電解質の適切な選択により、このポンプ設計は、所要の基礎速度で７２時間インスリンを投与することが可能である。約Ｃ／５（つまり、セルの最大容積について５時間の放電）のセル放電速度に相当するボーラス速度のために、追加の設計修正を内蔵することが可能である。付加的におよび／または代替的に、ポンプの仕様は、既存の持続性注入ポンプと類似していてもよい。例えば、Ｌｉｌｌｙ社製品のＬｉｓｐｒｏ（登録商標）等の速効型インスリンは、１ｍＬ濃度当たり１００単位を有する溶液としてパッケージ化される。典型的な基礎インスリン値は、１時間当たり０．５から１．５単位の間で調整されてもよい。食事のためのボーラス投与は、消費される１０ｇｍの炭水化物当たり１単位を含んでもよいため、食事のために１０単位が所望され得る。速効型インスリンの薬力学によると、１５分間で投薬を投与することが提案されている。任意のより長時間のものには、同量の皮下注射とはいくつか異なる点がある。したがって、投与のピーク速度は、１５分間で０．１ｍＬの容積である。６．５ｃｍ２の断面図を有するレザバの線形圧縮は、１５分で０．０１５ｃｍ、つまり毎秒０．１６７ミクロンの最大変位速度を必要とする。インスリン溶液の全連日投与は、約５０単位つまり０．５ｍＬでなくてはならない。したがって、３日間の供給量で、１．５ｍＬの容積ペイロードが必要とされる。
【０１１３】
（実施例２）
電気化学アクチュエータ
この机上の実験例において、電気化学アクチュエータは、銅の層に結合される寸法的に活性なリチウム貯蔵材料の層を含むバイモルフ構造を備える。銅の層は、リチウムと実質的に合金化またはインターカレートしないが、電気化学セルの動作電位において電気化学的に安定している。このバイモルフ構造は、セルの陽極を形成する。また、銅の層は、陽極集電体としての役割を果たすことも可能であり、最終の密封セルの外側に延出してタブリードまたは電流リードを形成してもよく、またはセルの外側に延出するタブリードまたは電流リードに連結されてもよい。陰極は、陰極集電体としての役割を果たす銅の層に結合または成膜されるリチウム金属の層である。２つの電極の間に、多孔質セパレータ膜、例えば、リチウムイオン電池の構築に使用されるもの等のガラス繊維布または多孔質ポリマーセパレータが配置される。層状セルは、１次または充電式リチウム電池技術に通常使用される非水リチウム伝導性液体電解質、または非水電気２重層コンデンサが注入される。例として、リチウム伝導性塩として１Ｍ濃度のＬｉＰＦ６が添加されているエチレンカーボネートおよびジエチレンカーボネートの１：１の容積の混合を含む溶媒、または、同ＬｉＰＦ６塩に添加される溶媒としてのアセトニトリルが挙げられる。
【０１１４】
電気化学アクチュエータは、ポリマーパッケージにおいて密封される。組み立て時に、セルは充電状態にあり、スズ陽極は、リチウム金属の陰極よりも低いリチウムの化学電位を有する。２つの電極間に電子電流を流すように陰極集電体および陽極集電体を連結すると、リチウムイオン電流が、リチウムからスズに内部で流れる。スズのリチウムとの合金化により、スズがリチウムで飽和する際に、容積膨張が約３００％に達成してもよい。リチウムとの合金化によりスズ層の容積が増加するため、それに結合される銅の層は、機械的拘束を提供し、バイモルフは、変位（例えば、湾曲）を受ける。また、陰極において、リチウムの損失により小さな応力がもたらされ得るが、リチウムが室温付近で高度に延性であるがめ、この応力は、陽極の応力よりもかなり小さい。したがって、セル全体は、陽極を備える電気化学アクチュエータ上のスズ層の容積変化により屈曲を受ける。次に、セルの屈曲により、アクチュエータに隣接して配置される薬物レザバに圧力が印加される。薬物レザバは、薬物を含む流体を含有し、嚢体等の変形可能な容器によって包囲される。圧力の印加により、薬物がレザバから分注される。
【０１１５】
（実施例３）
電気化学バイモルフ屈曲
この机上の実施例において、実施例２のバイモルフ構造は、図３Ａ‐Ｃに示されるように、半円形または「Ｕ」型の屈曲の形状で作製される。屈曲の一方の端は、分注装置の支持部またはハウジングに固定され、他方の端は、バイモルフが屈曲を受ける際に自由に分注する。電気化学セルの放電時に、屈曲は外側に延出し、屈曲の自由端は、薬物を含有する嚢体に力を印加し、嚢体からオリフィスまたは弁を介して薬物を分注する。
【０１１６】
（実施例４）
増幅が内蔵される電源内蔵式モルヒネアクチュエータ
本実施例において、電気化学セルは、電圧または電流の印加時に駆動するその能力のために作製および研究された。多孔質ペレットは、1/2インチ直径のダイにおいて７５０ｌｂｆ下で−３２５メッシュのスズ粉（９９．８％［金属ベース］、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ社）から押圧された。ペレットの重量は０．６２５ｇであり、厚さは０．８９ｍｍであると測定された。ペレットは、ＢｉＳｎＡｇはんだ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ社）およびフラックス＃５ＲＭＡ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ社）を使用して、反射炉において１８０℃で３０分間組み立て体を加熱することによって、１５マイクロメータの厚さの銅箔にはんだ付けされた。この電極組み立て体を、電気化学セルにおいて陽極として使用し、一方、リチウム箔（厚さ〜０．８ｍｍ、Ａｌｄｒｉｃｈ社）を陰極として使用した。
【０１１７】
２つの層のＣｅｌｇａｒｄ２４００セパレータを使用して、スズ陽極およびリチウム箔陰極を分離した。リチウム箔電極は、厚さ１５ミクロンの銅箔から形成される集電体に取り付けられた。エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、およびエチルメチルカーボネー（４：１：３：２の容積）の混合溶媒に溶解される１．３３ＭのＬｉＰＦ６を含有する液体電解質を使用した。セルは、熱シーラを使用してポリエチレンの包装材料から形成されるエンベロープにおいて密閉された。組み立て時に、セルの開回路電圧は、２．８〜２．９Ｖであり、充電状態にあることを示した。放電時に、セル電圧は、ＳｎとＬｉの電気化学対に特徴的であるように、比較的一定の値の０．５〜０．４Ｖに急降下した。
【０１１８】
セルは、陽極集電体および陰極集電体を連結する１オームの抵抗器において放電された。変位は、スズの円板およびリチウム箔の平面に垂直に測定され、一方、放電されたセルは、Ｍｉｃｒｏ−Ｅｐｓｉｌｏｎ社の線形可変作動変圧器（ＬＶＤＴ）を使用して測定された。測定値は、ＬａｂＶｉｅｗ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社）とインターフェース接続されるＮａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＮＩ−ＵＳＢ  ６００９データ取得装置により測定された。図１７は、本実験から結果として生じる変位の、時間の関数としてのグラフを示す。
【０１１９】
ＬＶＤＴの印加小圧力の下で産出するリチウムおよびセパレータにより引き起こされる初期の小圧力の後、１１時間放電した際に、アクチュエータは１．８ｍｍ延出した。この絶対変位は、Ｓｎペレットの初期厚さの約２倍を上回った。検査後にアクチュエータを分解して調査すると、放電が発生していたことが分かり、リチウムは陰極から浸食され、一方の側面からスズペレットと合金化していた。アクチュエータの変位が、「カップ」形状に変形する円筒形のスズペレットに起因していることが容易に認められ、凸面は、セパレータおよびリチウム電極に対向する側面であった。したがって、スズペレットの形状モーフィングが、ペレットにおけるひずみ差の生成に起因することが分かり、リチウム電極に対向する側面は膨張を受けた。変形後のペレット面に垂直な変位方向における機械的負荷は、１ｋｇを超える負荷が、変形したペレットを破壊せずに支持され得ることを示した。したがって、アクチュエータは、十分な剛性を有し、この剛性は、１つ以上の針または極微針を通って流体を分注し得る薬物投与用途のような、流体充填嚢体の分注またはポンピング等の用途に有用であり得る。本実施例のアクチュエータをこのような流体充填嚢体に配置し、全体を剛性の容器で包囲することによって、薬物投与装置を入手することが可能である。
【０１２０】
このような薬物投与装置は、例えば、インスリンの３日間（７２時間）投与に適切であり得る。Ｌｉｌｌｙ社製品Ｌｉｓｐｒｏ（登録商標）等の速効型インスリンは、一般的に、１ｍＬ濃度当たり１００単位を有する溶液としてパッケージ化されている。インスリン溶液の１日の全ペイロードは、約５０単位つまり０．５ｍＬであり得る。したがって、３日間の供給量を含むポンプは、〜２．０ｍＬの全容積を収容することが可能である。例えば、１３ｃｍ２面積のレザバに作用すると１．５ｍｍを超える変位をもたらす、本実施例に記載されるアクチュエータは、所望の２．０ｍＬの容積を容易に入手することが可能である。典型的な基礎インスリン値は、１時間当たり０．５から１．５単位の間で調整されてもよい。食事のためのボーラス投与は、消費される１０ｇｍの炭水化物当たり１単位を含んでもよいため、食事のために１０単位が所望されてもよい。速効型インスリンの薬力学によると、１５分間で投薬を投与することが提案されている。したがって、投与のピーク速度は、１５分間で全容積の５％に相当する。２ｍＬのインスリンペイロードの完全な投与に相当する１．５ｍｍの変位が起こると、本実施例のアクチュエータは、ボーラス速度の必要性を容易に満たすことができる。基礎速度要件を満たすように速度を落とすためには、以下の実施例７に記載のように、外部負荷の抵抗増加またはデューティサイクル制御が実装可能である。
【０１２１】
本実施例は、電極におけるひずみ差の生成に起因する電気化学アクチュエーションを実証することによって、本発明の特定の実施形態における電気化学アクチュエータおよび薬物投与装置を実証することができる。セルの放電中のアクチュエータの正味容量変化に関する考察によると、入手した変位が正味容積変化と相関せず、実際は、セルの正味容積変化と反対の符号であることが示された。種々のＬｉＸＳｎ合金におけるリチウムの部分的なモル容積を純リチウムのモル容積と比較すると、純リチウムのモル容積のほうが大きいため、リチウムが陰極であるセルの放電により正味容量が減少したことが認められた。例えば、Ｌｉ２．５Ｓｎ、比較的低いＬｉ／Ｓｎ化学量論の化合物のモル容積は、３８．７３ｃｍ３ｍｏｌ-１である。純Ｓｎ金属のモル容積が１６．２４ｃｍ３ｍｏｌ-１，であるため、化合物の差分２２．４９ｃｍ３ｍｏｌ-１は、Ｌｉ２．５Ｓｎにおける２．５Ｌｉが占める容積であった。比較すると、純Ｌｉのモル容積は、Ｌｉ金属の２．５モルの容積が３２．７５ｃｍ３になるように、１３．１０ｃｍ３ｍｏｌ-１である。したがって、陽極側においてＬｉ２．５Ｓｎを形成するセルの完全な放電は、Ｌｉ電極からＳｎへの２．５モルのリチウムの輸送をもたらし、装置の容積の正味減少をもたらす。同様に、Ｌｉ４．４Ｓｎ中の比較的高い化学量論の化合物におけるＬｉのモル容積は、４２．０１ｃｍ３ｍｏｌ-１である一方で、純Ｌｉ金属の４．４モルの容積は、５７．６２ｃｍ３ｍｏｌ-１である。前述のように、このようなセルの放電により、正味容積が減少した。本実施例のアクチュエータに認められる外側または正の変位は、放電時の負の容積変化にもかかわらず発生した。アクチュエータの屈曲または「カッピング」モードの変形は、ペレットにおけるひずみ差による変形を増幅した。
【０１２２】
（実施例５）
電気化学アクチュエータの定電流放電
以下の実施例において、電気化学セルの定電流放電について研究した。実施例４に記載の電気化学セルを作製し、多孔質スズペレットおよび銅集電体間の接触として伝導性銅粘着テープをはんだの代わりに使用した。セルは、Ｍａｃｃｏｒ４３００電池テスタ（Ｍａｃｃｏｒ社）を使用して、定電流的に放電された（一定の放電電流）。スズペレットの重量は０．６２８ｇであり、厚さは１．０６ｍｍであると測定された。全スズが化合物Ｌｉ４．４Ｓｎにリチオ化されたと仮定すると、ペレットの理論容量は６２４ｍＡｈであった。組み立て時に、セルの開回路電圧は、２．８〜２．９Ｖであり、充電状態にあることを示した。セルは、０．８８ｍＡで０．０１Ｖに放電された。放電容量は５６．２２ｍＡｈであり、セルが、６３．６時間の放電時間中にその理論容量のほんの９％に放電されたことが示される。しかしながら、Ｓｎペレットは、実施例１のアクチュエータと同じ方法でカップ状になり、ほぼ同じように変形したことが認められた。本実施例は、正側リードおよび負側リードが外部回路において閉鎖される場合に、自発的に放電および駆動可能である電気化学アクチュエータの電流制限型制御を実証した。
【０１２３】
（実施例６）
電気化学バイモルフアクチュエータ
バイモルフ電極は、５０マイクロメートルの厚さおよび４０ｍｍｘ５ｍｍの面積の銅箔の片側をＫａｐｔｏｎ社の粘着テープでマスキングし、その箔を溶解スズに浸漬して片側をスズの層で被膜することによって作製された。スズの電気化学リチオ化時に、銅箔により提供される拘束は、バイモルフ構造の湾曲または「巻き上がり」をもたらし、凸側がリチオ化されたスズであるであることが考えられた。実施例４および５に類似する電気化学セルは、このバイモルフを陽極として使用して組み立てられ、スズ層をセパレータおよびリチウム箔陰極に対向して組み立てられた。組み立て時に、セルの開回路電圧は、２．８〜２．９Ｖであり、充電状態にあることを示した。セルは、０．０８９ｍＡの電流で０．０１Ｖに定電流的に放電された。放電容量は７．７ｍＡｈであり、厚さが約１０マイクロメートルのスズ層について約５０％の放電状態を表し、Ｌｉ４．４Ｓｎの組成が完全にリチオ化されると仮定する）。放電後、セルを分解し、スズ−銅バイモルフ電極は、バイモルフの全自由端において十分な湾曲を示し、形状モーフィングを実証した。
【０１２４】
その他の実験において、厚さが０．０５ｍｍ（９９．９９９％［金属ベース］、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ社）および０．１０ｍｍ（９９．９９％［金属ベース］、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ社）のスズ金属箔のサンプルの各々が１５マイクロメートル厚さの銅箔に連結され、２０ｍｍｘ５ｍｍ面積の平面なバイモルフ電極を形成した。電気化学セルは、スズ／銅のバイモルフ陽極と、０．４ｍｍ厚さのリチウム箔（Ａｌｄｒｉｃｈ社）陰極とを分離するように、２つの層のＣｅｌｇａｒｄ２４００セパレータを使用して構築された。セル毎に、リチウム箔電極は、１５ミクロンの厚さの銅箔から形成される集電体に取り付けられ、また、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、およびエチルメチルカーボネート（４：１：３：２の容積）の混合溶媒に溶解される１．３３ＭのＬｉＰＦ６を含有する液体電解質を使用した。各セルは、熱シーラを使用してポリエチレンの包装材料から形成されるエンベロープにおいて密閉された。
【０１２５】
セルは、Ｍａｃｃｏｒ４３００電池テスタ（Ｍａｃｃｏｒ社）を使用して定電流的に放電された。０．１０ｍｍ厚さのスズ箔を使用して形成されるセルは、０．４１７８ｍＡで０．０１Ｖに放電された。放電容量は、１．６５ｍＡｈ（理論放電容量の４％）であった。本装置の放電プロファイルを図１９に示す。分解時に、バイモルフ電極は、全自由端において「巻き上がり」状になったことが認められ、重度のモーフィングを実証した。
【０１２６】
０．０５ｍｍのスズ箔を使用して形成されたセルは、放電容量が１．６５ｍＡｈ（理論容量の４％）になるまで０．４０７６ｍＡで放電された。本装置の放電プロファイルは、図２０に示される。０．１０ｍｍスズ箔のバイモルフと同様に、本装置も、分解時に、バイモルフの全自由端で湾曲を示した。
【０１２７】
これらの実施例は、本発明の種々の電気化学バイモルフアクチュエータを実証した。また、これらの結果により、十分なモーフィングを入手するために本発明の電気化学セルを完全に放電する必要がなく、理論セル容量の数パーセントだけの放電から生じるひずみ差が、所望のアクチュエーションを達成するのに十分であり得ることが示される。
【０１２８】
（実施例７）
電気化学アクチュエータのデューティサイクル制御
実施例１に記載のものと類似の設計の電気化学アクチュエータは、低変形速度を入手するために、デューティサイクル制御放電を受けた。デューティサイクルは、電子リレー（Ｒａｄｉｏ  Ｓｈａｃｋ社）によって制御され、この電子リレーは、電気化学セルの端子において１オームの外部負荷抵抗器と直列接続されるＭａｃｃｏｒ４３００電池テスタ（Ｍａｃｃｏｒ社）からの電流制御によりオンおよびオフに切り替えられた。リレーは、電池テスタから電流を受ける間に閉鎖し、電流が干渉された際に開放した。２０％のデューティサイクルが構成され、この場合、電流は、全持続時間２００ｍｓのうち５０ｍｓの間、流された。図１８は、２０％のデューティサイクルにより制御される電気化学モーフィングアクチュエータの変位曲線に関するグラフを示す。図１８に示す装置の結果として生じる変位は、低制御速度におけるアクチュエータの変形を実証した。本明細書に記載のように、低制御速度の変形を入手する代替方法は、より高い抵抗の外部負荷によって、図１８のアクチュエータを放電することであってもよい。
【０１２９】
（実施例８）
駆動電圧がより大きい電源内蔵式電気化学アクチュエータ
ある状況下において、有意なセル分極が存在する場合であっても、十分な駆動電圧を必要とする場合等の、スズおよびリチウム金属を利用する先行の実施例よりも高い平均放電電圧が望ましい場合がある。アンチモンは、その比較的大きな開回路電圧対リチウム金属（〜０．９５Ｖ）により、このような用途に有用なモーフィング電極材料であることが可能である。電気化学的装置は、スズ粉の代わりに-３２５メッシュアンチモン粉（９９．５％［金属ベース］、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ社）を使用して、実施例１のように調合された。アンチモン粉は、1/2インチ直径のダイにおいて２２５０ｌｂｆ下で押圧された。結果として生じたペレットの重量は０．６８７ｇであり、厚さは１．３１ｍｍであり、理論容量の４５４ｍＡｈに相当した。サンプルは、３．０２５ｍＡの電流で０．０１Ｖに定電流的に放電された。放電容量は、４９．９８ｍＡｈ（理論容量の１１％）であり、アンチモンペレットの重度の変形をもたらした。
【０１３０】
本発明のいくつかの実施形態について本明細書に記載および例示されたが、当業者は、本明細書に記載の機能を実行するため、ならびに／あるいは結果および／または１つ以上の利点を実行するためのその他の多種多様な手段および／または構造を容易に想定し、また、このような変形および／または修正の各々は、本発明の範囲内にあると見なされる。より一般的には、本明細書に記載の全パラメータ、寸法、材料、および構成は、例示的であるように意図されること、ならびに実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される１つまたは複数の具体的な用途に依存することを、当業者は容易に理解するだろう。当業者は、複数の日常的な実験を使用して、本明細書に記載される本発明の特定の実施形態に対する多くの同等物を認識または解明することが可能であるだろう。したがって、前述の実施形態は、ほんの一例として提示されており、具体的に記載および請求されなくても、添付の請求項およびその同等物内において本発明を実用してもよいことを理解されたい。本発明は、本明細書に記載される各個々の特徴、システム、製品、材料、キット、および／または方法を対象とする。さらに、２つ以上のこのような特徴、システム、製品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、このような特徴、システム、製品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない限り、本発明の範囲に含まれる。
【０１３１】
本明細書および請求項で使用する際、不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、反対の意味で別途明示的に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味するように理解されたい。
【０１３２】
本明細書および請求項で使用する際、語句「および／または」は、等位要素、つまり、接続的に存在する要素、場合によっては、その他の場合において離接的に存在する要素のうちの「一方または両方」を意味するように理解されたい。「および／または」節により具体的に特定される要素以外のその他の要素は、具体的に特定されるこれらの要素に関連するか否かにかかわらず、反対の意味で別途明示的に示されない限り、任意で存在してもよい。したがって、非限定的な例として「Ａおよび／またはＢ」の言及を「備える」等のオープンエンドの言語と併用して使用する場合、一実施形態において、Ａを含みＢを含まない（Ｂ以外の要素を任意で含む）、別の実施形態においてＢを含みＡを含まない（Ａ以外の要素を任意で含む）、さらに別の実施形態において、ＡおよびＢの両方（その他の要素を任意で含む）等を言及することが可能である。
【０１３３】
本明細書および請求項で使用する際、「または」は、上記に定義される「および／または」と同じ意味を持つように理解されたい。例えば、リスト中の項目を分離する場合、「または」または「および／または」は、包含的である、つまり少なくとも１つを包含するように解釈されるものとするが、多数の要素またはリストの要素うちの複数の項目、および任意でリストに無い追加の項目も含むように解釈されるものとする。「〜のうちの１つだけ」または「〜のうちのまさに１つ」、請求項で使用する場合の「〜から成る」等の反対の意味であることを明示的に示す用語は、多数の要素またはリストの要素のうちのまさに１つの要素を含むことを言及する。一般的に、本明細書で使用する際、用語の「または」は、「どちらか一方」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つだけ」、または「〜のうちのまさに１つ」等の排他性の用語が先行する場合、排他的な代替を示すようにだけ解釈されるものとする（つまり、「一方または他方、しかし両方ではない」）。請求項で使用する場合「本質的に〜から成る」は、特許法の分野で使用されるその通常の意味を有するものとする。
【０１３４】
本明細書および請求項で使用する際、語句の１つ以上の要素のリストを言及する「少なくとも１つ」は、要素のリストにおける要素のうちの任意の１つ以上から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、要素のリスト内に具体的に列挙されるあらゆる要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含むとは限らず、また、要素のリストにおける要素の任意の組み合わせを除外しないことを理解されたい。また、本定義により、語句の「少なくとも１つ」が言及する要素のリスト内に具体的に特定される要素以外の要素が、具体的に特定されるこれらの要素に関連するか否かにかかわらず、任意で存在することが可能になる。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（つまり、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」と同等または「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」と同等）は、一実施形態において、Ｂが存在しない複数のＡを任意で含む少なくとも１つ（および任意でＢ以外要素を含む）、別の実施形態において、Ａが存在しない複数のＢを任意で含む少なくとも１つ（および任意でＡ以外要素を含む）、さらに別の実施形態において、複数のＡを任意で含む少なくとも１つ、複数のＢを任意で含む少なくとも１つ（および任意でその他の要素を含む）等を言及することが可能である。
【０１３５】
請求項において、ならびに上記の明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「関与する」、「保持する」、およびその同等物等の全ての移行句は、オープンエンドである、つまり限定されないように含むことを意味するように理解されたい。米国特許庁特許審査便覧の２１１１．０３条に記載されるように、移行句「〜から成る」および「〜から本質的に成る」のみが、それぞれクローズまたは反クローズ移行句であるものとする。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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