(57)【要約】本発明は、表面の複数の異なる線形ストレッチまたはセクションを通じた前記表面の弾性の少なくとも一つの指標の分析を可能にする、受表面に適用するための表面分析装置を提供する。本装置は、少なくとも一つのアクチュエーション要素、少なくとも一つの感知要素および少なくとも一つのさらなる感知もしくはアクチュエーション要素を含む、アクチュエーターおよびセンサーの二次元配列を含む。これらの要素のうちの二つ以上の要素の選択された諸集合が、コントローラによって一緒に作動させられ、各集合は少なくとも一つのアクチュエーターおよび一つのセンサーを含み、それにより、集合におけるそれぞれのアクチュエーター、センサー対の間の弾性の指標を得る。アクチュエーター部位において受表面に変形を刺激し、さらなる変位した点において受表面によって加えられる結果的な圧力および／または力を測定することに基づいて、弾性指標が得られる。センサーは、たとえば加えられる圧力および／または力における変化をモニタリングしてもよい。
2019534719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受表面の複数の異なる線形セクションを通じた前記受表面の弾性を分析するために前記受表面に適用する装置であって、当該装置は、
・表面を有する担体と；
・担体表面にマウントされた三つ以上の表面相互作用要素の配列であって、前記表面相互作用要素のそれぞれは任意の一時点においてはアクチュエーションまたは圧力感知機能の一方のみを実行するよう動作可能であり、互いから空間的に離間されて、担体表面にわたって二次元的に分布しており、
・第一の表面相互作用要素はアクチュエーション機能を実行するよう動作可能であり；
・第二の表面相互作用要素は圧力感知機能を実行するよう動作可能である、配列と；
・前記表面相互作用要素と動作上結合されたコントローラとを有しており、前記コントローラは：
・第一の接触点において前記受表面における変形を誘起するよう前記第一の表面相互作用要素を制御する段階と；
・第二の、空間的に離間した接触点において前記受表面によって加えられる圧力および／または力を測定して、前記第一の点と第二の点の間の前記受表面の弾性の指標の決定を可能にするよう前記第二の表面相互作用要素を制御する段階と；
・さらなる一つまたは複数の接触点において前記受表面における変形を誘起するまたは前記受表面によって加えられる圧力および／または力を測定して、それにより前記さらなる一つまたは複数の点のそれぞれと前記第二または第一の接触点との間の弾性の指標の決定を可能にするよう一つまたは複数のさらなる表面相互作用要素を制御する段階とを実行するよう適応されている、
装置。
【請求項２】
前記コントローラは、前記表面相互作用要素の複数の異なる対を選択的に制御するよう動作可能であり、各対は、アクチュエーションを実行するよう動作可能な一つの要素と、圧力および／または力の感知を実行するよう動作可能な一つの要素とを含み、該制御により、それぞれの表面変形および圧力／力感知機能を独立してまたは同時に実行し、それにより前記受表面の異なる角度の複数の線形セクションを通じた複数の独立したまたは同時の弾性測定を可能にする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記コントローラは、さらなる空間的に離間した点におけるさらなる表面相互作用要素による変形の誘起後に、それぞれの接触点において前記受表面によって加えられる圧力および／または力の変化を測定するよう前記表面相互作用要素の一つまたは複数を制御するよう適応されている、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記コントローラが、前記受表面の複数の異なる線形セクションについての平均または総合弾性測定値の分析を可能にするために、一つまたは複数の表面相互作用要素から得られた複数の圧力および／または力測定値を処理するようさらに適応されている、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項５】
・前記表面相互作用要素のうちの複数が、アクチュエーション機能を実行するよう動作可能であり、前記コントローラは、それぞれの複数の接触点において前記受表面におけるそれぞれの変形を誘起するよう前記複数の要素を制御し、さらなる空間的に変位した接触点において前記受表面によって加えられる圧力および／または力を測定するよう、単一のさらなる表面相互作用要素を制御するよう適応されている；および／または
・前記表面相互作用要素のうちの複数が、圧力および／または力の感知機能を実行するよう動作可能であり、前記コントローラは、単一の接触点において前記受表面における変形を誘起するよう単一のさらなる表面相互作用要素を制御し、さらなる複数の接触点において前記受表面によって加えられる圧力および／または力を測定するよう、前記複数の表面相互作用要素を制御するよう適応されている、
請求項１ないし４のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項６】
前記複数の表面相互作用要素はそれぞれ前記単一の表面相互作用要素に隣接して位置される、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記表面相互作用要素の少なくとも部分集合が、それぞれ、アクチュエーションまたは圧力感知のうちの選択されたほうを実行するよう動作可能であり、任意的に、
前記コントローラは、アクチュエーション機能の実行と感知機能の実行との間で表面相互作用要素の前記部分集合の各表面相互作用要素を選択的に切り換えるよう動作可能である、
請求項１ないし６のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項８】
前記表面相互作用要素の少なくとも部分集合は、電気信号の印加に応答して変形するよう適応されたおよび／またはその要素にかけられる力もしくは圧力に応答して電気信号を生成するよう適応された電気活性ポリマー材料を含む、請求項１ないし７のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項９】
前記制御は：
・それぞれの接触点において前記受表面における面外変形を誘起するよう少なくとも一つの表面相互作用要素を制御し、さらなるそれぞれの接触点において前記受表面によって加えられる面外圧力および／または力を測定するよう少なくとも一つのさらなる表面相互作用要素を制御すること、および／または
・それぞれの接触点において前記受表面における面内変形を誘起するよう少なくとも一つの表面相互作用要素を制御し、さらなるそれぞれの接触点において前記受表面によって加えられる面内もしくは面外の圧力および／または力を測定するよう少なくとも一つのさらなる表面相互作用要素を制御することを含む、
請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも一つの表面相互作用要素が面内変形を誘起するよう動作可能であり、少なくとも一つのさらなる表面相互作用要素が面内もしくは面外の圧力および／または力を測定するよう動作可能であり、前記コントローラは、前記受表面に時間変化する面内変形を誘起するよう前記少なくとも一つの要素を制御するために前記少なくとも一つの要素に時間変化する制御信号を加えるよう適応され、さらに、前記さらなる表面相互作用要素からの出力に基づいて、前記時間変化する変形と、前記さらなる要素における圧力または力の変化の検出との間の時間遅延を決定するよう適応されている、請求項８記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの表面相互作用要素は、同時に面内および面外変形の両方を誘起するよう動作可能であり、前記コントローラはさらに、前記受表面において時間変化しない面外変形を誘起するよう前記少なくとも一つの表面相互作用要素を制御するようさらに適応されている、請求項９記載の装置。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記受表面における面外変形を誘起するよう第一の表面相互作用要素を制御し、前記受表面に向かう方向に加えられる面外圧力および／または力を測定するよう少なくとも一つのさらなる表面相互作用要素を制御するよう動作可能であり、任意的に、前記コントローラは、前記受表面におけるそれぞれの面外変形を誘起するよう二つの表面相互作用要素を制御するよう適応され、前記さらなる表面相互作用要素は前記二つの要素の間に位置される、請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１３】
前記表面相互作用要素の一つまたは複数は、温度感知機能を実行するようさらに動作可能であり、前記コントローラは、前記受表面の温度を測定するよう前記要素を制御するよう適応されており、任意的には、当該装置はさらに前記表面相互作用要素および／または前記受表面の一部を加熱するよう動作可能な加熱要素を有する、請求項１ないし１２のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１４】
前記担体は、前記受表面のトポロジーに従う可撓性の担体であり、任意的に、前記担体は、皮膚への適用のためである、請求項１ないし１３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１５】
表面分析装置によって、受表面の複数の線形セクションを通じた前記受表面の弾性の指標を決定する方法であって、前記表面分析装置は：
・表面を有する担体と；
・担体表面にマウントされた三つ以上の表面相互作用要素の配列であって、前記表面相互作用要素のそれぞれは任意の一時点においてはアクチュエーションまたは圧力感知機能の一方のみを実行するよう動作可能であり、互いから空間的に離間され、担体表面にわたって二次元的に分布しており、
・第一の表面相互作用要素は、アクチュエーション機能を実行するよう動作可能であり、
・第二の表面相互作用要素は、圧力感知機能を実行するよう動作可能である、配列とを有しており；
当該方法は：
・第一の接触点において前記受表面における変形を誘起するよう前記第一の表面相互作用要素を制御する段階と；
・第二の、空間的に離間した接触点において前記受表面によって加えられる圧力および／または力を測定して、前記第一の点と第二の点の間の前記受表面の弾性の指標の決定を可能にするよう前記第二の表面相互作用要素を制御する段階と；
・さらなる一つまたは複数の接触点において前記受表面における変形を誘起するまたは前記受表面によって加えられる圧力および／または力を測定して、それにより前記さらなる一つまたは複数の点のそれぞれと前記第二または第一の接触点との間の弾性のさらなる指標の決定を可能にするよう一つまたは複数のさらなる表面相互作用要素を制御する段階とを含む、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受表面の弾性の指標を決定するため、詳細には受表面を通じた複数の方向に対応する指標を決定するための表面分析装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面の弾性の分析は多くの異なる産業および技術分野において重要である。例として、ファブリック、テキスタイルまたは他の材料が技術的な機能のために利用される任意の応用は、素材の表面の弾性を詳細に評価する能力から裨益しうる。これは、コンポーネントの機能的な技術的パラメータを同定すること、あるいはコンポーネントまたはプロダクトの想定される寿命または耐久度を評価することであってもよい。例は、たとえば家具や衣服において使われるテキスタイルの、あるいは機械における力伝達パーツとして使われるコンポーネント（たとえばベルト）の分析を含む。
【０００３】
さらに、表面分析に特に関心がもたれるあるさらなる分野は、皮膚の分析である。
【０００４】
皮膚は、人体のために枢要な複数の機能を実行する。これらは、体温の調節および水分喪失からの保護を含む。これらの機能に直接関係した皮膚の測定可能な属性がある――つまり、弾性および硬度である。これらの属性が経年加齢および光線加齢によって直接影響されること、また影響の度合いは身体の異なるエリアについて異なることが知られている。
【０００５】
これらの属性を定量化できることは、人の皮膚の加齢状態の特徴付けを可能にするので、重要である。かかる特徴付けは、損傷があればそれを修復するための適切で効果的な皮膚治癒療法を決定することにおいて助けとなりうる。
【０００６】
よって、皮膚の弾性および硬度を評価するためのツールは、継続的な関心領域である。特に、皮膚押込抵抗、また皮膚伸長能力を決定するためのツールにはかなりの関心が寄せられている。
【０００７】
皮膚の弾性および硬度を研究室の場面で評価するためのさまざまな方法および手法が存在する。これらは原子間力顕微鏡法および組織エレクトログラフィーを含む。これらは組織弾性指標を提供することに効果的であると判明しているものの、現在のところ、臨床または家庭場面で使うには適さない複雑な設備を必要とする。これは、それらの適用可能性を制限し、潜在的な患者（または他のユーザー）が、皮膚の状態の評価を達成するための訓練されたオペレーターがスタッフとしている専用の研究所を訪問しなければならないことを要求する。これは、多くの患者には全く実施可能でないまたはスケーラブルでない。臨床および家庭場面で皮膚の弾性の指標を提供できる装置に関心が寄せられている。
【０００８】
研究所でない場面に対して、より適用可能ないくつかの装置は存在している。これらは、Courage  and  Khazakaエレクトロニックによって販売されている「Customer  MPA  580」を含む。この装置は、より実際的であるが、それでもまだ、かなり大きく、複雑な機械であり、小型化してたとえば小規模な治療および／または測定装置に組み込むには好適でない。小規模装置は、実用性および使いやすさがずっと高く、よってかなりの関心が寄せられている。
【０００９】
小規模なまたは小型化された装置に、より適用しやすいある種の手法も存在している。特に、これらの手法は、典型的には、ユーザーの皮膚のある点に面内または面外変形を適用して、同じ点または異なる、空間的に変位した点において皮膚によって加えられる対応する反作用力を測定することに基づく。
【００１０】
たとえば特許文献１は、所与の単一点において組織のサンプルのヤング率および剪断弾性係数の両方を測定できる圧電フィンガー（Piezoelectric  Finger）センサーを開示している。このフィンガー・センサーは、二層の圧電材料を含む。一つは組織のサンプルに力を加えるために変形するよう構成されており、もう一つは第一の層の変位を感知するよう構成されている。感知された変位値をモニタリングすることによって、皮膚の抵抗力が決定でき、よって所与の点における弾性が評価できる。複数の異なる個別の点において弾性値を決定するために、複数のこれらの装置がユーザーの皮膚に適用されてもよい。
【特許文献１】米国特許出願公開第2014/0352448号
【００１１】
この手法はずっと実際的ではあるものの、これは単一の孤立した点での弾性測定値を得ることだけに限られている。たとえば組織の延びた長さを通じた弾性の指標を得るための、あるいは異なる諸方向に延びる異なるサンプル長さに対応する指標を得るための手段は開示されていない。本願のコンテキストにおいて、方向性のデータはきわめて貴重である。皮膚は特に、その弾性において非等方性効果を示すことが知られており、それについての情報は、皮膚の加齢状態の、ずっと詳細で正確な特徴付けを可能にするであろうからである。
【００１２】
Y.Shiらの論文（非特許文献１）は、第一の点で皮膚を変形させ、第二の、空間的に変位した点で結果として皮膚によって加えられる圧力または力を測定することに基づいて皮膚のサンプルのヤング率を決定するための分析モデルを論じている。この手法は、皮膚の層に加えられた三つのPZTリボンの線形配列を使う。リボンのうちの一つが電気的に刺激されて収縮させられ、それにより、間にある皮膚組織の結果的な変形の結果として他の二つのリボンの結果的な膨張を誘起する。この膨張の程度が測定され、それによりヤング率が計算される。
【非特許文献１】Shi  YY  et  al.、An  Analytic  Model  for  Skin  Modulus  Measurement  Via  Conformal  Piezoelectric  Systems、ASME.  J.  Appl.  Mech.  2015;82(9)
【００１３】
この手法は、組織の伸びた長さ（上記のさまざまなリボンの間に延びている）にわたる皮膚弾性の測定を可能にするが、その実際的な適用可能性においてはきわめて制限されている。特に、皮膚の異なる長さまたは領域に対応する弾性の複数の指標を得るための手段は提供しない。センサー測定は、収縮するリボンから複数の距離のところでなされるが、モデルはすべてのセンサー位置で一定かつ共通の弾性を想定している。異なる複数の線形位置に現われる弾性の変動の検出および測定を許容するものではない。
【００１４】
このモデルは、先の場合と同様に、複数方向データを得る手段は提供しない。モデルは完全に、諸リボンの線形配列のみを前提としており、この手法が複数方向の指標を提供するようどのように拡張されることができるかについては何らの示唆も与えない。
【００１５】
最後に、Courage  and  Khazakaエレクトロニックによって製造されるさらなる装置がある。これは、皮膚におけるコラーゲンおよびエラスチン繊維の方向を測定するよう設計されている。これは、皮膚を通じた音響衝撃波の共鳴伝達時間（resonance  running  time）を測定することに基づく。この装置は、衝撃波を生成するよう構成された単一のアクチュエーターと、衝撃波の到達を検出するよう構成された単一のセンサーとを有する。この装置は、いくつかの異なる皮膚方向におけるコラーゲンおよびエラスチン繊維の方向性の分析を可能にするために、手動で回転されることができる。
【００１６】
この装置は、皮膚の弾性を測定すること自身に適用可能性が限られており、やはり、任意の一つの時点においては皮膚の単一の方向の長さのみを通じた皮膚属性を測定する能力を提供するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、当技術分野においては、小さな形状因子および単純な操作を維持しつつ、より多くの量および範囲の異なる測定データをストレートな仕方で提供でき、それにより所与の関心表面の、より詳細で洞察に富む分析を可能にする、表面弾性を分析するための改善された装置が一般に必要とされている。
【００１８】
この必要性に少なくとも部分的に対処することが本発明の目的である。この目的は、独立請求項によって定義される発明によって達成される。従属請求項は有利な実施形態を定義する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明のある側面によれば、受表面にあてがって、前記表面の複数の異なる線形セクションを通じた前記受表面の弾性を分析するための装置が提供される。本装置は、
表面を有する担体と；
担体表面にマウントされた三つ以上の表面相互作用要素の配列であって、各要素は任意の一時点においてはアクチュエーションまたは圧力感知機能の一方のみを実行するよう動作可能であり、それらの要素は互いから空間的に離間されて、担体表面にわたって二次元的に分布しており、前記配列は、アクチュエーション機能を実行するよう動作可能な少なくとも第一の表面相互作用要素と、圧力感知機能を実行するよう動作可能な少なくとも第二の表面相互作用要素とを含む、表面相互作用要素の配列と；
前記表面相互作用要素と動作上結合されたコントローラとを有しており、前記コントローラは：
第一の接触点において前記受表面における変形を誘起するよう前記第一の表面相互作用要素を制御する段階と；
第二の、空間的に離間した接触点において前記受表面によって加えられる圧力および／または力を測定して、前記第一の点と第二の点の間の前記受表面の弾性の指標の決定を可能にするよう前記第二の表面相互作用要素を制御する段階と；
さらなる一つまたは複数の接触点において前記受表面における変形を誘起するまたは前記受表面によって加えられる圧力および／または力を測定して、それにより前記さらなる一つまたは複数の点のそれぞれと前記第二または第一の接触点との間の弾性の指標の決定を可能にするよう一つまたは複数のさらなる表面相互作用要素を制御する段階とを実行するよう適応されている。
【００２０】
こうして、かかる装置は、前記表面の複数の異なる線形セクションを通じた前記受表面の弾性を分析するその能力に基づき、表面分析装置と呼称されることができる。
【００２１】
よって、本発明の実施形態は、所与の受表面の目標エリアにセンサーおよびアクチュエーターの複数アレイ（または配列）を適用することに基づく。各アクチュエーターは、所与の点においてまたは何らかの小さな所与のエリアを通じていくらかの変形を誘起するために受表面に力を加えるよう動作可能である。各センサーは、別個の所与の点において受表面によって該センサーに加えられる力または圧力を測定するよう動作可能である。所与のセンサー点における測定された力または圧力における、前記別個の点において所与のアクチュエーターによって変形が加えられた後の変化を、モニタリングするまたは他の仕方で判別することにより、アクチュエーターとセンサーとの間の表面硬さの指標が得られてもよい。特に、受表面の介在するセクションが硬いほど、センサーにおける圧力または力の測定される変化が大きくなる。
【００２２】
前記アレイ内のアクチュエーターおよびセンサーの異なる組み合わせを作動させることによって、皮膚の複数の異なる線形ストレッチまたはセクションを通じた皮膚（または他の目標受表面）の硬さの指標を得ることができる。これは、皮膚弾性の、より豊かで、より詳細な分析を許容する。いくつかの場合には、複数の測定値が同時に得られてもよい。他の場合には、複数の測定値は個々にまたは逐次に得られてもよい。
【００２３】
前記配列は、任意の所望されるパターンまたはレイアウトに従うようデザインまたは構成されうる。与えられるパターンが大きいまたは複雑であるほど、受表面の目標エリアを通じて得られる異なる測定の多様さおよび幅は大きくなる。
【００２４】
さらに、表面相互作用要素の前記配列は、横方向に二次元を通じて広がり、よって多様な異なる角度で互いに変位したアクチュエーターおよびセンサーを含む。これらの異なる組み合わせを選択的に作動させることによって、複数の異なる方向に沿った弾性に関するデータが得られる。上記で論じたように、多方向データは、非等方性効果の解析を可能にするので、きわめて貴重である。かかるデータは、人の皮膚の現在状態への、より詳細な洞察を提供できる。
【００２５】
最も単純な場合には、前記配列は、アクチュエーションおよび感知のそれぞれを実行できる少なくとも一つを含む少なくとも三つの表面相互作用要素を含む。少なくとも一つのさらなる表面相互作用要素が、アクチュエーションまたは感知を実行するよう動作可能であってもよい。コントローラは、前記少なくとも一つのさらなる要素を、それがどちらの機能（アクチュエーションか感知か）を実行するよう構成されるかに依存して、前記第一または第二の要素の一方または両方と一緒に同時に制御するよう適応される。センサーとして動作している場合には、前記第一の（アクチュエーション）要素の作動と並行して、圧力および／または力を測定するよう作動されてもよい。アクチュエーターとして動作している場合には、前記第二の（感知）要素と並行して動作するよう制御されてもよい。あるいはまた、四つ以上の要素が提供される場合には、各さらなる要素は、他のさらなる要素のうちの少なくとも一つと並行して作動されてもよい。ここで、該他のさらなる要素は、（アクチュエーションおよび感知のうちの）逆の機能を実行するよう適応される。
【００２６】
いずれの場合にも、前記配列の一つの要素（前記第一または第二の要素）は、弾性分析を実行する目的のために少なくとも二つの他の要素の間で事実上「共有」される。これは、（たとえば二つの要素の専用の対を二つではなく）たった三つの要素を使って、（皮膚の異なる区間、セクションまたはストレッチについての）弾性の二つの別個の指標を得ることを可能にする。これは、動作上の効率および形状因子の最小化の点で有意な恩恵をもたらす。
【００２７】
より洗練された例では、任意の所望されるパターンまたは構成に従って配列された、四つ以上の表面相互作用要素が設けられてもよい。しかしながら、それぞれの場合において、前記配列の少なくとも一つの要素はいくつかの複数の測定機能を提供するよう適用される：少なくとも一つの要素は、他の要素のうちの複数と組み合わせて測定値を提供する。このようにして、本発明は、表面相互作用資源の効率的な共有を達成し、所与のサンプル表面積に対して得られるデータの密度を最大にする。
【００２８】
受表面（receiving  surface）は皮膚のエリアであってもよいが、本発明は皮膚での使用に限定されない。実施形態は、素材の任意の柔軟なまたは可撓なエリアの分析に有用に適用されうる。以下の記述では、皮膚での使用に関して与えられる説明は、単に例として解釈されるべきであり、それぞれの場合において、記載される概念は、他の任意の柔軟な受表面に等しく適用されうる。
【００２９】
実施形態は、表面相互作用要素の配列を含む。各要素はセンサーまたはアクチュエーターのいずれかとして所与の測定の目的のために動作する。いくつかの要素は固定した動作を有していてもよい。すなわち、常にセンサーとして、または常にアクチュエーターとして動作してもよい。いくつかの要素はいずれのモードでも動作可能であってもよい。しかしながら、いずれも、同時に両方として動作するようには制御されない。
【００３０】
各表面相互作用要素が一時にはアクチュエーションまたは感知のうちの一方のみを実行することを要求することによって、異なる点の間の受表面の横方向ストレッチを通じた弾性の測定が、より容易に達成可能になる。逆に、所与の感知要素による同時アクチュエーションは、なされるどんな横方向弾性測定をも根本的に歪めるであろう。感知要素のところでこのアクチュエーションによって引き起こされる局所的な変形が、ほぼ完全に、なされる値から測定を飽和させ、センサーと横方向に変位したアクチュエーターとの間のいかなる横方向弾性をも正確に測定することを困難または不可能にするであろう。
【００３１】
各アクチュエーター‐センサー対は、その対の間の受表面の弾性の指標の決定を可能にする。「弾性の指標（measure  of  elasticity）」という句は、たとえば受表面の弾性の指示（indication）または表現（representation）を与える任意の値、傾向または関係を一般に指すよう広義に意図されている。弾性とは、一般に、硬さ、硬度、堅さまたは可撓性を意味する。この用語は、本発明をいかなる特定の科学的または学術的定義の弾性に限定することも意図されていない（たとえば、受表面のヤング率の測定はある実施形態を使って可能ではあるが、本発明は、受表面のヤング率の測定を可能にすることに限定されない）。
【００３２】
本発明の実施形態は、受表面を通じた種々のエリア、線形セクションまたは方向に対応し、任意的には種々の種類の弾性指標（たとえば剪断弾性係数または圧縮弾性率）に対応する複数の異なる弾性指標を得るためのアクチュエーターおよびセンサーの複数配列の使用に向けられる。用語「線形セクション」は、表面上の二つの個別の点の間に延在する表面に沿った任意の線形の区間を指す。これは、二点間の皮膚のストレッチまたは長さまたは距離を指す。これに関し、二つの異なる線形セクションは重なり合ってもよいが、たとえばその方向または特定の長さにおいて異なっていてもよい。
【００３３】
各実施形態は、少なくとも二つの弾性測定値を捕捉するために少なくとも三つの表面相互作用要素の複数セット〔複数からなるセット〕を利用する。いくつかの場合には、これら二つの測定値は同時に得られてもよく、他の場合には、個々にまたは逐次的に得られてもよい。
【００３４】
たとえば少なくとも一組の実施形態によれば、コントローラは、表面相互作用要素の複数の異なる対を選択的に制御するよう動作可能であってもよい。各対は、アクチュエーションを実行するよう動作可能な一つの要素と、圧力および／または力の感知を実行するよう動作可能な一つの要素を含み、かかる選択的な制御により、表面変形と圧力／力感知機能のそれぞれの対を独立してまたは同時に実行し、それにより前記受表面の複数の異なる線形セクションを通じた複数の独立したまたは同時の弾性測定を可能にする。
【００３５】
この配列における各対は、受表面の異なる特定の線形ストレッチによって離間された単一のアクチュエーターおよび単一のセンサーからなる。各対は、それらの間に延在する受表面の特定の線形ストレッチに対応する表面弾性の個々の指標を達成するよう動作可能である。
【００３６】
対どうしが重なり合って、単一の要素が複数の異なる線形表面セクションについての測定を達成することに貢献してもよい。共有される要素がアクチュエーターである場合には、複数の測定は、このようにして同時に得られてもよい。アクチュエーターがセンサーである場合には、それぞれの個別の測定は逐次的に実行されてもよい。
【００３７】
さらなる一組の例示的実施形態によれば、
前記表面相互作用要素のうちの複数が、アクチュエーション機能を実行するよう動作可能であってもよく、前記コントローラは、それぞれの複数の接触点において受表面におけるそれぞれの変形を誘起するよう前記複数の要素を制御し、さらなる空間的に変位した接触点において受表面によって加えられる圧力および／または力を測定するよう、単一のさらなる表面相互作用要素を制御するよう適応される；および／または
前記表面相互作用要素のうちの複数が、圧力および／または力の感知機能を実行するよう動作可能であってもよく、前記コントローラは、単一の接触点において受表面における変形を誘起するよう単一のさらなる表面相互作用要素を制御し、さらなる複数の接触点において受表面によって加えられる圧力および／または力を測定するよう、前記複数の表面相互作用要素を制御するよう適応される。
【００３８】
具体的には、いずれの場合にも、前記複数の表面相互作用要素はそれぞれ前記単一の表面相互作用要素に隣接して（すなわち中間にさらなる要素がない）位置されてもよい。たとえば、複数のセンサーに囲まれた単一の中央アクチュエーターまたは複数のアクチュエーターに囲まれた単一の中央センサーが設けられてもよい。あるいはまた、前記複数の要素は、線形に整列されてもよく、前記単一の逆の要素は、たとえばその線から横方向に変位した位置に位置されてもよい。
【００３９】
よって、これらの例示的実施形態のそれぞれにおいて、単一のセンサーとの組み合わせにおける複数セット〔複数からなるセット〕のアクチュエーターまたは単一のアクチュエーターとの組み合わせでの複数セットのセンサーが提供される。単一の提供される要素と前記複数の逆の要素のそれぞれとの間には、受表面の異なる特定の線形ストレッチがある。前記複数のうちのそれぞれが前記単一の要素に隣接して（すなわち中間に要素がない）位置される場合、これらの異なる線形ストレッチのそれぞれも異なる角度方向に延在する。
【００４０】
各実施形態は、複数の弾性測定が実行されることを許容する。受表面の前記異なる線形ストレッチのそれぞれは、前記複数の要素のそれぞれと、前記単一の逆の要素との間にある。
【００４１】
そのような配列は、要求される部品数を最小にしつつ、複数の異なる測定が実行されることを可能にするという利点を有する。単一のセンサーまたは単一のアクチュエーターがそれぞれ複数のさらなる逆要素の各要素と対にされることができるので、これは、各測定を実行するために別個の専用のアクチュエーター‐センサー対を設ける必要性を回避する。単一のセンサーまたはアクチュエーターは事実上、前記複数の逆のアクチュエーターまたはセンサーのそれぞれの間で共有され、よって一つあるだけでよい。これは、装置のコストを削減し、所与の数の異なる測定を達成するための要求される形状因子をも最小にする。
【００４２】
表面相互作用要素の全体的な配列のサイズに依存して、前記配列は、具体的な実施形態において上記の構成の一方または両方を含みうる。さらに、これらの配列または動作モードのいずれも、アクチュエーターの対が同時にまたは別個に作動させられる先述した動作モードと組み合わされてもよい。
【００４３】
一つまたは複数の組の実施形態によれば、前記表面相互作用要素の少なくとも部分集合が、それぞれ、アクチュエーションまたは圧力感知のうちの選択されたほうを実行するよう動作可能でありうる。これは、装置の動作におけるかなりの柔軟性および適応性を提供する。
【００４４】
具体的には、これらの実施形態によれば、コントローラは、アクチュエーション機能および感知機能を実行することの間で表面相互作用要素の前記少なくとも部分集合のそれぞれを選択的に切り換えるよう動作可能でありうる。
【００４５】
これは、表面層相互作用要素の構成が、アクチュエーターとセンサーの任意の組み合わせを提供するよう随意に適応され、変更されることを許容する。これはひいては、異なる弾性測定の、より幅広い選択および多様性が得られるようにする。アクチュエーションおよび感知機能の間で要素の異なる組み合わせを選択的に切り換えることにより、たとえば異なる方向に延在するおよび／または異なる距離もしくは長さに対応する受表面の異なるストレッチが分析されることができる。
【００４６】
さらに、この柔軟性は、受表面の単一の所与の線形ストレッチを通じて、弾性の複数の異なる指標が集められることを許容しうる。異なる弾性指標は、達成するために、アクチュエーターおよびセンサーの異なる構成または組み合わせを要求することがある。表面相互作用要素の動作が変更可能な場合、複数のこれらの異なる指標がたとえば、受表面の同じ所与のエリアまたはセクション上で達成されうる。
【００４７】
本発明のこのまたは他の任意の実施形態によれば、表面相互作用要素の少なくとも部分集合は、電気信号の印加に応答して変形するよう適応されたおよび／またはその要素にかけられる力もしくは圧力に応答して電気信号を生成するよう適応された電気活性ポリマー（electroactive  polymer）材料を含んでいてもよい。
【００４８】
電気活性ポリマー材料は、特に、絶対値の大きなDC信号を低振幅AC信号と重畳することを通じて、同時のアクチュエーションおよび感知機能を可能にする。高振幅のDC信号は静的な変形を誘起し、低振幅のAC信号は、容量変化をモニタリングすることによる圧力感知を可能にする。
【００４９】
実施形態では、表面相互作用要素は、種々のモードに従って動作するよう適応されてもよい。特に、アクチュエーターは、受表面における面内変形（伸長）を誘起するおよび／または受表面における面外変形（押し込み）を誘起するよう適応されてもよい。同様に、センサーは、面内または面外の圧力または力の一方または両方を検出または感知するよう適応されうる。これらの異なるモードは、異なる弾性指標が得られることを許容しうる。
【００５０】
より具体的には、一つまたは複数の実施形態によれば、表面相互作用要素の制御は、次のことを含んでいてもよい：
それぞれの接触点において受表面における面外変形を誘起するよう少なくとも一つの表面相互作用要素を制御し、さらなるそれぞれの接触点において受表面によって加えられる面外圧力および／または力を測定するよう少なくとも一つのさらなる表面相互作用要素を制御する、および／または
それぞれの接触点において受表面における面内変形を誘起するよう少なくとも一つの表面相互作用要素を制御し、さらなるそれぞれの接触点において受表面によって加えられる面内もしくは面外圧力および／または力を測定するよう少なくとも一つのさらなる表面相互作用要素を制御する。
【００５１】
面内とは、受表面に主としてまたは実質的に平行な方向を意味する。面外とは、受表面に主としてまたは実質的に垂直または法線方向を意味する。
【００５２】
表面操作および感知のこれらの異なるモードは、表面弾性の異なる指標の提供を可能にしうる。具体的には、第一のモードまたは構成は、押込抵抗の指標が達成されることを可能にする。第一の点において面外変形（押し込み）を誘起し、横方向に変位した点で表面によって加えられる面外圧力または力をモニタリングすることによって、押し込みに対する表面の抵抗が測定できる。抵抗が硬いほど、センサーにおける測定される圧力降下が大きくなる。抵抗が弱いほど、センサーにおける測定される圧力降下が小さくなる。
【００５３】
さらに、単一のセンサーを囲んで二つのアクチュエーターが設けられ、両方のアクチュエーターが同時の面外変形を誘起するよう制御される場合、伸長能力（または横方向／界面弾性）と押込抵抗との畳み込みの指標が中央センサーにおいて得られる。
【００５４】
少なくとも一つまたは複数の例によれば、いくつかの場合には時間変化する面外変形が生成されることもある。これは、弾性の動的な指標を決定できるようにする。
【００５５】
第二のモードまたは構成は、一つまたは複数の例によれば、伸長能力（界面または剪断弾性）の測定を許容する。第二のモードは、一つまたは複数の実施形態によれば、しわのサイズまたは位置の測定または評価をも許容する。横方向の変形を加えてセンサー応答が作動される前に必要とされるアクチュエーションの程度を判別することによって、アクチュエーターとセンサーとの間にあるしわの推定されたサイズが決定できる。
【００５６】
第二のモードは、時間変化する面内変形が誘起される場合のさらなる測定能力をも許容する。
【００５７】
具体的には、少なくとも一組の実施形態によれば、少なくとも一つの表面相互作用要素が面内変形を誘起するよう動作可能であってもよく、少なくとも一つのさらなる表面相互作用要素が面内もしくは面外圧力および／または力を測定するよう動作可能であってもよく、前記コントローラは、受表面に時間変化する面内変形を誘起するよう前記少なくとも一つの要素を制御するために前記少なくとも一つの要素に時間変化する制御信号を加えるよう適応され、さらに、前記さらなる表面相互作用要素からの出力に基づいて、前記時間変化する変形と、前記さらなる要素における圧力または力の変化の検出との間の時間遅延を決定するよう適応される。
【００５８】
時間変化する変形は、受表面を横切って伝搬する表面弾性波（ラム波）を誘起し、それはアクチュエーターからある距離離れて離間している圧力または力センサーによって検出できる。波の生成とセンサーによるその検出との間の時間遅延を測定することによって、波の速度が決定できる。これから、皮膚弾性の測定値が計算できる。特に皮膚については、ラム波の速度は、皮膚の粘弾性の決定を可能にする。
【００５９】
一つまたは複数の実施形態によれば、少なくとも一つの表面相互作用要素は、同時に面内および面外変形を誘起するよう動作可能でありうる。ここで、コントローラは、受表面において時間変化しない面外変形を誘起するよう前記少なくとも一つの表面要素を制御するようさらに適応される。
【００６０】
前記時間変化しない面外変形は静的な（ベースライン）圧力を受表面に加える。一方、前記時間変化する面内変形は表面弾性波（剪断波）を生成する。面外変形レベルを変えることにより、弾性波が生成される静的なベースライン圧力が変更されてもよい。これは、システムにさらなる自由度を与え、集められたデータにさらなる深みレベルを提供でき、弾性の、より詳細な描像が得られるようにする。
【００６１】
あるいはまた、静的な面外変形を変えることは、表面相互作用要素の受表面との結合の調整を可能にしうる。
【００６２】
同時の面内および面外変形は、いくつかの異なる具体的手段によって達成されうる。EAPベースのアクチュエーターが有利に適用されうる。ここで、低振幅AC信号が絶対値の大きなDC信号に重畳される。DC信号は面外変形を生成し、AC信号が時間変化する面内変形を生成する。
【００６３】
たとえば誘電エラストマー、あるいはPVDFベースのリラクサー・ポリマーが使われてもよい。
【００６４】
少なくとも一組の実施形態によれば、コントローラは、受表面における面外変形を誘起するよう第一の表面相互作用要素を制御し、受表面に向かう方向に加えられる面外圧力および／または力を測定するよう少なくとも一つのさらなる表面相互作用要素を制御するよう構成されていてもよく、任意的に、
コントローラは、受表面におけるそれぞれの面外変形を誘起するよう二つの表面相互作用要素を制御するよう適応され、前記さらなる表面相互作用要素は前記二つの要素の間に位置される。
【００６５】
この一組の実施形態によれば、センサーは、受表面に向かう方向において受表面によって加えられる圧力または力、すなわち事実上、センサーに加えられる引っ張り力を測定するよう適応される。
【００６６】
この実施形態は、皮膚の摩擦（friction）または付着力（adhesion）の指標の決定を可能にする。皮膚の変形は、センサーから皮膚を引っ張るまたは引きはがす。皮膚の付着力または摩擦が小さい場合には、センサーに加えられる引っ張り力は低いか、あるいはさらにはゼロであろう。皮膚は単にセンサーから離れる。付着力／摩擦が大きい場合には、皮膚が分離される間に大きな力が加わり、いったん皮膚が離れたら力は0になる。
【００６７】
一つまたは複数の実施形態によれば、表面相互作用要素の一つまたは複数は、温度感知機能を実行するようさらに動作可能であってもよい。ここで、コントローラは、受表面の温度を測定するよう前記要素を制御するよう適応される。任意的には、当該装置はさらに表面相互作用要素および／または受表面の一部を加熱するよう動作可能な加熱要素を有する。
【００６８】
温度は物質の弾性に影響があることが知られている。これらの実施形態は、必要であれば弾性測定が温度について補正されることを許容する。
【００６９】
さらに、加熱要素が設けられる場合、種々の温度における皮膚弾性の系統的な評価が実行できる。温度の関数としての皮膚の振る舞いは、単一の温度だけにおける測定よりも豊かなデータセットを提供する。
【００７０】
温度感知は、皮膚の熱的属性を決定することにおいて諸実施形態において用いられてもよい。これはたとえば、表面の下にある動脈または他の解剖学的特徴の位置の識別を可能にしうる。これは、特定の関心領域の最適測定のために当該装置の位置決めを支援しうる。
【００７１】
一つまたは複数の実施形態によれば、前記担体は、受表面のトポロジーに従う可撓性の担体であってもよい。これらの場合、担体は、それが加えられる受表面の輪郭に合うような形を取るよう適応される。これは、表面相互作用要素のすべてが最小の分離距離で受表面に一様に加えられることを保証することによって、当該装置の効率を改善する。
【００７２】
少なくとも一組の実施形態によれば、当該装置は、皮膚への適用のためである。これらの場合、前記担体は、皮膚受表面の表面輪郭に合わせて形成されるよう柔軟であってもよい。担体はまた、好ましくは、当該装置のユーザーにとって軟らかく、快適な感触を提供するよう、局所的に圧縮可能な材料で形成されるべきである。担体は具体例では、ウェアラブル装置の一部を形成するよう構成されてもよく、当該装置は使用中、担体をユーザーの皮膚にしっかりと押し当てて保持するよう構成される。
【００７３】
本発明のあるさらなる側面によれば、表面分析装置によって、受表面の複数の異なる線形セクションを通じた前記受表面の弾性の指標を決定する方法が提供される。前記表面分析装置は：
表面を有する担体と；
担体表面にマウントされた三つ以上の表面相互作用要素の配列であって、各要素は任意の一時点においてはアクチュエーションまたは圧力感知機能の一方のみを実行するよう動作可能であり、それらの要素は互いから空間的に離間されて、担体表面にわたって二次元的に分布しており、前記配列は、アクチュエーション機能を実行するよう動作可能な少なくとも第一の表面相互作用要素と、圧力感知機能を実行するよう動作可能な少なくとも第二の表面相互作用要素とを含む、表面相互作用要素の配列とを有しており；
当該方法は：
第一の接触点において前記受表面における変形を誘起するよう前記第一の表面相互作用要素を制御する段階と；
第二の、空間的に離間した接触点において前記受表面によって加えられる圧力および／または力を測定して、前記第一の点と第二の点の間の前記受表面の弾性の指標の決定を可能にするよう前記第二の表面相互作用要素を制御する段階と；
さらなる一つまたは複数の接触点において前記受表面における変形を誘起するまたは前記受表面によって加えられる圧力および／または力を測定して、それにより前記さらなる一つまたは複数の点のそれぞれと前記第二または第一の接触点との間の弾性のさらなる指標の決定を可能にするよう一つまたは複数のさらなる表面相互作用要素を制御する段階とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
本発明の例についてここで、付属の図面を参照して、詳細に記述する。
【図１】本発明に基づく例示的な表面分析装置を概略的に描く図である。
【図２】クランプされていない既知の電気活性ポリマー・デバイスを示す図である。
【図３】裏打ち層によって制約される既知の電気活性ポリマー・デバイスを示す図である。
【図４】本発明の実施形態に基づいて実施可能な第一の例示的な弾性測定モードを概略的に示す図である。
【図５】例示的なアクチュエーターによって誘起される力の適用エリアを縮小するためのアダプターを概略的に示す図である。
【図６】本発明の実施形態において実施可能な第二の例示的な弾性測定モードを概略的に示す図である。
【図７】本発明の実施形態において実施可能な第三の例示的な弾性測定モードを概略的に示す図である。
【図８】本発明の実施形態に基づいて実施可能な皮膚付着または摩擦測定手段を概略的に示す図である。
【図９】皮膚付着または摩擦測定方法を使って達成される、例示的なアクチュエーター電圧対センサー出力の曲線を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に基づいて実施可能なしわ位置および／またはサイズ測定方法を概略的に示す図である。
【図１１】しわ位置および／またはサイズ測定方法を使って達成される、例示的なアクチュエーター電圧対センサー出力の曲線を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態において実施可能な第四の例示的な弾性測定を概略的に示す図である。
【図１３】本発明の実施形態において実施可能な第五の例示的な弾性測定モードを概略的に示す図である。
【図１４】本発明の実施形態に基づく表面相互作用要素の例示的な配列を概略的に示す図である。
【図１５】本発明の実施形態に基づく表面相互作用要素の第二の例示的な配列を概略的に示す図である。
【図１６】表面相互作用要素の第二の例示的な配列についての例示的な動作モードを示す図である。
【図１７】表面相互作用要素の第二の例示的な配列についての第二の例示的な動作モードを示す図である。
【図１８】種々の温度において測定された皮膚のサンプルについて種々の応力‐ひずみ曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
本発明は、表面の複数の異なる線形ストレッチまたはセクションを通じた前記表面の弾性の少なくとも一つの指標の分析を可能にする受表面に適用するための表面分析装置を提供する。本装置は、少なくとも一つのアクチュエーション要素、少なくとも一つの感知要素および少なくとも一つのさらなる感知もしくはアクチュエーション要素を含む、アクチュエーターおよびセンサーの二次元配列を含む。これらの要素のうちの二つ以上の要素の選択された諸集合が、コントローラによって一緒に作動させられ、それにより、その集合におけるそれぞれのアクチュエーター、センサー対の間の弾性の指標を得る。それぞれの集合は、少なくとも一つのアクチュエーターおよび一つのセンサーを含む。アクチュエーター部位において受表面に変形を刺激し、さらなる変位した点において受表面によって加えられる結果的な圧力および／または力を測定することに基づいて、弾性指標が得られる。センサーは、たとえば加えられる圧力および／または力における変化をモニタリングしてもよい。
【００７６】
本発明に基づく表面分析装置６の第一の基本的な例が図１に示されている。本装置は、担体８を有し、該担体に表面相互作用要素１４、１６の配列１０と、コントローラ２０とがマウントされており、コントローラはそれらの要素と動作上結合されている。
【００７７】
図１の例については、三つの表面相互作用要素の配列１０が設けられており、これはアクチュエーション機能を実行するよう動作可能な一つの要素１４と、圧力および／または力感知機能を実行するよう動作可能な二つの要素１６とを含む。これらの要素は、空間的に互いから離間されて配置されており、三角形配位をなす。
【００７８】
一つのアクチュエーターと二つのセンサーの配置がこの例では例解のために与えられるが、代替例では、一つのセンサーと二つのアクチュエーターが代わりに設けられてもよい。
【００７９】
さらに、三つの表面相互作用要素１４、１６の配置は、可能な構成の最も単純な第一の例を表わしているだけである。さらなる例では、配置は拡張されてもよく、任意の所望されるパターンまたは配位で配置された任意の数の異なる表面相互作用要素を含んでいてもよい。より広い配列は、たとえば受表面の、より多数の異なるセクションに対応する、あるいはより多数の具体的な弾性の指標もしくはメトリックに対応する、より多様な異なる弾性測定値を得ることを許容する。さらなる可能な配列および対応する動作モードの、より詳細な例は、後続のくだりで、より詳細に述べる。
【００８０】
担体８は、受表面の領域にあてがわれるよう適応され、それにより、表面相互作用要素はそれぞれ、受け表面のそれぞれの点またはエリア（それぞれの接触点）に対して逆に適用されるまたは押しつけられる。この受表面は、たとえば皮膚であってもよい（ただし、本発明は決して皮膚に関して使うことに限定されるものではない）。例では、コントローラは担体のボディー内部に埋め込まれてもよく、あるいはさもなければ柔軟なシールド層によって覆われてもよく、それにより、コントローラは、担体をあてがう際に受表面に対して押しつけられない。これは、たとえば装置の動作に干渉することがありえ、あるいは装置がユーザーの皮膚にあてがわれる場合、不快でありうる。
【００８１】
表面相互作用要素はまた、それぞれ柔軟な被覆層によって覆われるまたはカバーされるのでもよい。たとえば該要素を保護するため、あるいは装置の快適さを改善するためである。要素からユーザーの皮膚への電気的な漏れまたは伝導に対して保護するために、被覆層は絶縁体であってもよい。
【００８２】
担体は、ユーザーの皮膚への適用および／または付着がしやすいよう、薄い、柔軟なパッチまたはパッドの形であってもよい。そのようなパッチまたはパッドは、ユーザーの皮膚との堅牢かつ均等な結合を許容するために、柔軟であるべきであるが、アクチュエーター（単数または複数）による変形に抵抗するに十分な剛性も保持するべきである。
【００８３】
動作では、コントローラ２０は、アクチュエーション要素１４のすぐ下にある前記受表面の点もしくはエリアにおいて前記受表面において（面内または面外の）変形を誘起するよう、アクチュエーション要素１４を制御するよう適応されてもよい。アクチュエーション要素１４の作動と並行して、あるいはこの要素の作動がいまだ継続している間に、コントローラはさらに、感知要素１６の下に位置する前記受表面のエリアもしくは点によって感知要素１６に加えられる圧力および／または力を測定またはモニタリングするよう感知要素１６の一方または両方を制御するよう適応されてもよい。この圧力および／または力を測定および／またはモニタリングすることによって、アクチュエーション要素１４とそれぞれの感知要素１６との間にある受表面のセクションまたはストレッチの弾性（または硬さ）の指標が得られてもよい。
【００８４】
特に、コントローラは、圧力および／または力を時間を追ってモニタリングするよう感知要素を制御してもよい。それにより、圧力または力の変化が識別できる。感知要素の出力は、アクチュエーターの作動の前および後の両方においてモニタリングされてもよい。それにより、（アクチュエーション要素による）受表面の変形の結果として生じる圧力の変化が識別できる。
【００８５】
圧力または力の経験される変化の大きさは、介在する物質の弾性または硬さに依存する。具体的には、アクチュエーション要素とそれぞれの感知要素との間にある受表面のセクションが比較的硬い場合には、感知要素によって経験される圧力または力の変化が相対的に、より大きくなることが期待される。同様に、表面の該セクションがそれほど硬くない場合には、センサーにおける力または圧力の変化があったとしても、より小さくなることが期待される。
【００８６】
測定された圧力および／または力の値（またはこれらの値における測定された変化）を標準的な参照セットの値と突き合わせて評価または比較することによって、弾性の対応する指標が得られる。あるいはまた、検出されたセンサー出力または該検出された出力における変化に基づいて対応する弾性指標を計算するために、物理的なモデルが適用されてもよい。
【００８７】
少なくとも一組の有利な実施形態によれば、アクチュエーション要素１４および／または感知要素１６は、電気活性ポリマー材料を使って形成されてもよい。電気活性ポリマー（EAP:  electroactive  polymer）は、電気的に応答する材料の分野における台頭しつつあるクラスの材料である。EAPはセンサーまたはアクチュエーターとして機能でき、多様な形に容易に製造でき、多様なシステムへの簡単な統合を許容する。
【００８８】
EAPの利点は、低電力、小さな形状因子、柔軟性、ノイズのない動作、正確さ、高分解能の可能性、高速応答時間および巡回的なアクチュエーションを含む。この分野の材料はここ十年で著しい発展を遂げており、アクチュエーション応力およびひずみといったさまざまな特性が著しく改善した。技術リスクも、製品開発のために受け容れ可能なレベルにまで低下した。よって、EAPは商業的および技術的に関心を集めつつある。
【００８９】
EAP材料の改善されたパフォーマンスおよび具体的な利点は、新しい応用への適用可能性を生む。一般的な言い方では、EAPデバイスは、電気的なアクチュエーションに基づいてコンポーネントまたはフィーチャーの少量の動きが所望される任意の応用において有利に用いられることができる。同様に、この技術は小さな動きを感知するために使用できる。
【００９０】
EAPの使用は、以前には可能でなかった機能を可能にし、他の一般的なセンサー／アクチュエーター解決策と比べて著しい利点をもたらす。これは、小さな体積もしくは薄い形状因子における比較的大きな変形と力の組み合わせのためである。EAPはまた、ノイズのない動作、正確な電子制御、高速な応答および可能なアクチュエーション周波数の大きな範囲、たとえば0〜1MHz、最も典型的には20kHz未満をも与える。
【００９１】
電気活性ポリマーを使うデバイスは、電場駆動型およびイオン駆動型の材料に細分できる。
【００９２】
電場駆動型EAPの例は、圧電性ポリマー、電歪ポリマー（たとえばPVDFベースのリラクサー・ポリマー）および誘電エラストマーを含む。他の例は、電歪グラフト・ポリマー、電歪ペーパー、エレクトレット、電気粘弾性エラストマーおよび液晶エラストマーを含む。
【００９３】
イオン駆動式EAPの例は、共役系／導電性ポリマー、イオン導電性高分子金属接合体およびカーボンナノチューブ（CNT）を含む。他の例はイオン性ポリマー・ゲルを含む。
【００９４】
電場駆動式EAPは、直接的な電気機械結合を通じて電場によってアクチュエーションされる。かかるEAPは通例高電場（ボルト毎メートル）を必要とするが、低電流でよい。ポリマー層は駆動電圧をできるだけ低く保つために通例は薄い。イオン式EAPは、電気的に誘起されたイオンおよび／または溶媒の輸送によって作動させられる。かかるEAPは通例、低電圧だが、大きな電流を必要とする。これらは液体／ゲル電解質媒質を必要とする（ただし、いくつかの材料系は固体電解質を使って動作することもできる）。
【００９５】
電場駆動のEAPのまず注目すべきサブクラスは、圧電性および電歪ポリマーである。伝統的な圧電性ポリマーの電気機械的性能は限られているが、この性能を改善することにおけるブレークスルーがPVDFリラクサー・ポリマーにつながった。PVDFリラクサー・ポリマーは、自発的な電気分極（電場駆動の整列）を示す。これらの材料は、ひずみを受けた方向での改善された性能のために、あらかじめひずみを加えられることができる（事前ひずみが、よりよい分子整列につながる）。ひずみは通例、ほどほどの範囲（1〜5%）なので、通常、金属電極が使われる。他の型の電極（たとえば導電性ポリマー、カーボンブラック・ベースの油、ゲルまたはエラストマーなど）も使用できる。電極は連続でも、セグメント分割されていてもよい。
【００９６】
電場駆動のEAPのもう一つの興味深いサブクラスは、誘電エラストマーである。この材料の薄膜は、可撓性の電極の間にはさまれて、平行平板コンデンサーを形成しうる。誘電エラストマーの場合、加えられた電場によって誘起されるマクスウェル応力は、薄膜に対する応力を生じ、薄膜を厚さにおいて収縮するとともに、面積において拡大させる。ひずみ性能は、典型的には、エラストマーに事前にひずみを加えることによって大きくされる（事前ひずみを保持するためにフレームが必要）。ひずみは、かなりなものになりうる（10〜300%）。これも、使用できる電極の型を制約する：小さなおよび中程度のひずみについては、金属電極および導電性ポリマー電極が考慮でき、高いひずみの範囲については、カーボンブラック・ベースの油、ゲルまたはエラストマーが典型的には使われる。電極は連続的でも、セグメント分割されていてもよい。
【００９７】
イオン式EAPのまず注目すべきサブクラスは、イオン導電性高分子金属接合体（IPMC）である。IPMCは、溶媒膨潤したイオン交換ポリマー膜を二つの薄い金属またはカーボン・ベースの電極の間にラミネートしたものからなり、電解質の使用を必要とする。典型的な電極材料はPt、Gd、CNT、CP、Pdである。典型的な電解質はLi+およびNa+の水性溶液である。電場が加えられるとき、カチオンは典型的には水と一緒に陰極側に進む。これは、親水性クラスターの再編成およびポリマー膨張につながる。陰極エリアにおけるひずみは、ポリマー基質の残りの部分における応力につながり、その結果、陽極に向かった曲がりが生じる。加えられる電圧の反転させると、曲がりが逆になる。よく知られたポリマー膜はNafion（登録商標）およびFlemion（登録商標）である。
【００９８】
イオン式ポリマーのもう一つの注目すべきサブクラスは、共役系／導電性ポリマーである。共役系ポリマー・アクチュエーターは典型的には、共役系ポリマーの二つの層によってはさまれた電解質からなる。電解質は、酸化状態を変えるために使われる。電解質を通じてポリマーに電位が加えられると、電子がポリマーに加えられるかポリマーから除去されるかして、酸化および還元を駆動する。還元は収縮を生じ、酸化は膨張を生じる。
【００９９】
いくつかの場合には、ポリマー自身が十分な伝導性（次元方向の（dimension-wise））を欠くときには薄膜電極が加えられる。電解質は液体、ゲルまたは固体材料（たとえば高分子量のポリマーと金属塩の錯体）であることができる。最も一般的な共役系ポリマーはポリピロール（Ppy）、ポリアニリン（PANi）およびポリチオフェン（PTh）である。
【０１００】
アクチュエーターは、電解質中に懸濁したカーボンナノチューブ（CNT）で形成されてもよい。電解質はナノチューブと二重層をなし、電荷の注入を許容する。この二重層電荷注入は、CNTアクチュエーターにおける主要な機構と考えられる。CNTは電極コンデンサーとして作用する。ここで、該CNTに電荷が注入され、それが電解質のCNT表面への移動によって形成される電気二重層によって釣り合いが取られる。炭素原子の電荷を変えると、C-C結合長の変化が生じる。結果として、単一のCNTの膨張および収縮が観察されることができる。
【０１０１】
図２および図３は、EAPデバイスについての二つの可能な動作モードを示している。
【０１０２】
デバイスは、電気活性ポリマー層２８を、該電気活性ポリマー層２８の両側の電極２４、２６の間にはさんだものを有する。
【０１０３】
図２は、クランプされていないデバイスを示している。電気活性ポリマー層に、図のように全方向に膨張させるために電圧が使われる。
【０１０４】
図３は、一つの方向にのみ膨張が生じるよう設計されたデバイスを示している。デバイスは担体層３０によって支持されている。電気活性ポリマー層が曲がるまたは屈するよう電圧が使われる。
【０１０５】
一緒になって、電極、電気活性ポリマー層および担体が、全体的な電気活性ポリマー構造を構成していると考えられてもよい。
【０１０６】
この動きの性質は、たとえば、アクチュエーションされたときに膨張する活性層と、受動的な担体層との間の相互作用から生じる。図のように軸のまわりの非対称な曲がりを得るために、たとえば分子配向化（フィルム延伸）が適用されて、動きを一方向に強制してもよい。
【０１０７】
一方向での膨張は、EAPポリマーにおける非対称性から帰結してもよく、あるいは担体層の属性における非対称性から帰結してもよく、あるいは両方でもよい。
【０１０８】
上記のような電気活性ポリマー構造は、アクチュエーションおよび感知の両方のために使用されうる。よって、本発明の例におけるアクチュエーション要素１４および感知要素１６の両方を提供するために使用されうる。
【０１０９】
最も顕著な感知機構は、力測定およびひずみ検出に基づく、たとえば誘電エラストマーは、外力によって簡単に伸長できる。センサーに低い電圧をかけることによって、ひずみが電圧の関数として測定できる（電圧は面積の関数である）。
【０１１０】
電場駆動システムによる感知のもう一つの方法は、容量変化を直接、測定することまたはひずみの関数として電極抵抗の変化を測定することである。
【０１１１】
圧電性および電歪ポリマー・センサーは、加えられた機械的な応力に応答して電荷を生成できる（結晶性の量が検出可能な電荷を生じるために十分高いとして）。共役系ポリマーはピエゾイオン効果（piezo-ionic  effect）（機械的な応力がイオンの移動につながる）を利用できる。CNTは、応力にさらされたときにCNT表面における電荷の変化を経験し、それが測定できる。気体分子（たとえばO2、NO2）と接触するときにCNTの抵抗が変化することも示されており、CNTは気体検出器として使用できる。
【０１１２】
EAPはアクチュエーション・モードまたは感知モードのどちらでも動作できるので、これらの材料の使用は、アクチュエーターまたはセンサーとして動作することの間での、表面相互作用要素の適応可能性を許容するという前記さらなる著しい利点を担う。一つまたは複数の例によれば、コントローラは、一つまたは複数のEAP表面相互作用要素の動作モードをアクチュエーションと感知の間で切り換えるよう適応されてもよい。
【０１１３】
上記のように、これは、表面相互作用要素の構成が適応または変更されることを許容し、得られる異なる弾性測定値の、より幅広い選択および多様性を可能にする。アクチュエーションおよび感知機能の間で諸要素の異なる組み合わせを選択的に切り換えることによって、たとえば異なる方向に延在する、異なる距離または長さに対応する前記受表面の異なるストレッチが分析されることができる。
【０１１４】
さらに、この柔軟性は、受表面の単一の所与の線形ストレッチについて、複数の異なる弾性指標が収集されることを許容しうる。異なる弾性指標は、達成するために、アクチュエーターおよびセンサーの異なる構成または組み合わせを要求することがある。表面相互作用要素の動作が変更可能な場合、複数のこれらの異なる測定値がたとえば、受表面の同じ所与のエリアまたはセクション上で実行されうる。
【０１１５】
EAPベースのアクチュエーションまたは感知要素は、柔軟な絶縁体で覆われた、複数の電気活性ポリマー電極コンポーネントを有するEAPスタックで形成されてもよい。アクチュエーション・モードで動作するとき、受表面の変形の度合いは、アクチュエーション要素に加えられるアクチュエーション電圧を制御することによって、制御されうる。
【０１１６】
アクチュエーターおよび／またはセンサーを提供するための材料の有利な例としてEAPが記載されているが、本発明はアクチュエーション要素および／または感知要素を提供するためにEAPを使うことに限定されない。アクチュエーション要素のための他の代替的な例示的材料は、他の電気活性または電気的に制御可能な材料、たとえば液晶ポリマー・ネットワーク、液晶エラストマー、電気流動エラストマー、形状記憶材料（たとえば熱で活性化される形状記憶材料）、圧電セラミックまたは磁気的に制御可能な材料、たとえば磁歪材料を含む。
【０１１７】
さらに、電気活性または電気的に制御可能な材料を含まない他の種類のアクチュエーターが考えられてもよい。それはたとえば、膨張可能なものまたはMEMSアクチュエーション・デバイスに基づく微小アクチュエーター技術を組み込むアクチュエーターを含む。
【０１１８】
同様に、感知要素は他の力および／または圧力感応性デバイスによって提供されてもよく、それは、ひずみゲージ、圧電センサー（たとえばセラミックまたはPVDF箔）および容量性センサーを含むがそれに限られない。
【０１１９】
動作では、受表面弾性の指標が、いくつかの異なる方法およびモードに従って表面相互作用要素を使って得られてもよい。これら異なる可能なモードの選択について、これから詳細に記載する。表面分析装置のどの所与の実施形態も、これらのモードのうちの一つまたは任意の組み合わせを実装するよう適応されうることを注意しておく。表面相互作用要素の配置のサイズに依存して、複数の異なるモードが、コントローラによって、同時に実装されてもよく、あるいは別個に実装されてもよい。
【０１２０】
図４は、受表面の弾性の指標を得るための第一の例示的なモードまたは方法を示している。図は、受表面３４に適用されている例示的な装置の断面図を示している。今の例の目的のためには、受表面が皮膚であることが想定されるが、例示的なモードは他の受表面に適用されてもよい。皮膚３４に対面して単一のアクチュエーター１４および単一の圧力センサー１６を支持している担体８が示されている。明確のため、これら二つの要素のみが示されているが、実際の場合における本装置の実施形態はただ二つの要素より多くを有するであろうこと、今のモードは、より大きな所与の配列の要素のうちの任意の対を使って実装されうることを理解しておくべきである。
【０１２１】
図４のａは、アクチュエーション要素１４がアイドルである、第一の不活性な状態において前記配列を示している。図４のｂに示されるように、コントローラ（図４には示さず）によって制御電圧が加えられると、アクチュエーターは、受表面に向かって下方に延びる方向に膨張するよう変形する。この変形は、受表面３４に下向きの力を加え、よって皮膚の表面３４において面外変形（または押し込み）を誘起する効果をもつ。
【０１２２】
限定しない例では、アクチュエーション要素は（上記のように）EAP材料の一つまたは複数の層を有するEAPベースのアクチュエーターであってもよく、電気的な刺激の印加に応じて変形するよう適応されていてもよい。
【０１２３】
感知要素１６は、受表面によって加えられる圧力を測定するよう適応される。これも一つまたは複数のEAPコンポーネントによって形成されてもよく、上記の方法に従って圧力を測定するために利用されてもよい。あるいはまた、感知要素は異なる種類の圧力および／または力センサー、たとえば応力ゲージ、圧電センサー（たとえばセラミックまたはPVDF箔）または容量性センサーであってもよい。
【０１２４】
図４のｂは、皮膚層（受表面）３４が比較的硬い（またはしっかりしているまたは非弾性的である）例を示している。対照的に、図４のｃは、受表面が相対的にそれほど硬くない（またはしっかりしていないまたはより弾性的である）例を示している。受表面が相対的に、より硬い場合には、受表面３４における誘起される押し込みの相対的な直径は、より大きくなる。受表面がそれほど硬くない場合には、誘起される変形の相対的な直径は、より小さくなる。
【０１２５】
上記の記述における用語「硬い」は、広義に解釈されるものであり、比較的しっかりしている、あるいはそれほど弾性的でない皮膚を指しうること、あるいは例解される挙動を生じさせる一つまたは複数の他の物理的属性を指しうることを注意しておく。これらの属性は、たとえば皮膚の粘性挙動または上皮表面層における張力またはゆるみに関係していてもよい。
【０１２６】
用語「硬い」または「弾性的」または「弾性」は、複数の物理的属性および因子が考慮に入れられる「有効弾性」を指しうる。いかなる特定の古典的な弾性指標（たとえば弾性率）をも直接指さず、皮膚の典型的な領域の変形応答に影響できる属性および因子の、より広い集合をカバーすることが意図された、より一般的なまたは広い概念でありうる。
【０１２７】
さまざまな物理的な因子のこの複雑な組み合わせが、上記の結果を生じさせる：つまり、より大きな「有効弾性」または低下した「硬さ」を示す皮膚上の点に局所的にフォーカスされた力を加えることが、より小さな総体直径をもつくぼみを生じる。
【０１２８】
図４のａおよびｂのそれぞれにおける異なる皮膚属性の結果として、アクチュエーター１４から横方向に変位して位置する圧力または力感知要素１６は、その測定される圧力における変化を経験し、かかる変化は、二つの場合のそれぞれにおいて異なる。より硬い皮膚の場合（図４のｂ）、誘起されるくぼみの直径は、より大きく、皮膚３４のより大きなエリアがセンサーの底面から引き離され、よって、受層によってセンサーに加えられる全体的な圧力が低下する。それほど硬くない皮膚の場合（図４のｃ）、誘起されるくぼみのサイズは、より小さく、より少ない皮膚がセンサーから引き離されるか、あるいは皮膚のどの部分もセンサーから引き離されない。よって、感知される圧力低下があったとしても、より少ない。
【０１２９】
よって、皮膚３４の変形前および／または後にセンサー１６の圧力計測値（reading）をモニタリングすることによって、皮膚弾性の度合い（degree）の指示（indication）が達成されうる。具体的には、この測定モードは、皮膚押込抵抗の指標（measure）が得られることを可能にする（面外皮膚弾性）。
【０１３０】
具体例では、センサーの圧力出力は、アクチュエーターの作動の前後両方においてモニタリングされてもよく、圧力値の変化が決定されてもよい。他の例では、作動後の生の圧量値のみが捕捉されてもよい。
【０１３１】
いずれの場合にも、捕捉されたまたは決定された値は、たとえば、何らかの標準セットの参照値と突き合わせてさらに比較または評価されてもよい。それにより弾性の度合いの何らかの定量的な指標を達成するためである。それらの値は、定量的な弾性の指標を決定できるようにする物理的なモデルに変数として入力されてもよい。
【０１３２】
いずれの場合にも、このさらなる処理は、一つまたは複数の例によれば、コントローラ自身によって、あるいは装置に含まれるさらなる分析ユニットによって実行されてもよい。あるいはまた、装置は、生の値自身だけを出力するよう適応されていてもよく、どんな解析も、その後、外部システムまたは人間のオペレーターによって実行される。
【０１３３】
EAPベースのアクチュエーターが使われる場合、アクチュエーターの静的な変形だけでなく、時間変化する変形をも誘起することが可能である。ここで、アクチュエーター膨張の程度は、時間の関数として変化する。DC制御信号をアクチュエーターに加えることによって、静的な変形が達成される。対照的に、振動的な変形は、AC信号をアクチュエーターに加えることによって達成されうる。
【０１３４】
アクチュエーター１４に時間変化する変形を誘起することは、誘起される押し込みの深さを時間とともに（たとえば巡回的に）変化させる。これは、弾性のさらなる動的な指標が得られることを可能にしうる。たとえば、時間変化する変形は、受表面３４における進行波を誘起しうる。皮膚を通じて波が進行する速度は、皮膚の弾性の指示を提供しうる。
【０１３５】
一つまたは複数の例によれば、アクチュエーション要素１４は、アクチュエーション要素によって受表面３４に力が加えられるエリアを変えるためのアダプターを設けられていてもよい。図５に例が示されている。図５は、アクチュエーター１４の変形力が受表面に加えられる全面積を減らすよう設計されたアダプター３８を示している。これは結果的に、表面に加えられる圧力を増す。図５のａおよびｂは、それぞれアイドルな状態とアクチュエーションされた状態における前記配列を示している。
【０１３６】
さらなる例では、異なるアダプターが提供されてもよい。たとえば、力が加えられるエリアを増す（よって加えられる圧力の大きさを減じる）よう設計されたアダプターである。
【０１３７】
図４の例は、表面において面外変形を加え、受表面によって加えられる面外圧力および／または力を測定することに基づいて受表面の押込抵抗を決定する方法を示している。
【０１３８】
さらなる例によれば、面内弾性の一つまたは複数の指標が達成されてもよい。簡単な第一の例では、これは、図４の例示的配列の変形を使って得られてもよい。ここでは、二つのアクチュエーター１４が設けられ、センサーのそれぞれの側に一つが位置され、横方向に（受表面と実質的に平行な方向に）膨張するよう動作可能である。下側の活性表面を横断して加えられる横方向の力を測定するよう動作可能なセンサー１６が提供される。
【０１３９】
同時に横方向に変形するよう二つのアクチュエーターを刺激することによって、それらの間にある皮膚の領域の伸長が達成される（すなわち、皮膚の面内変形が実現される）。二つのアクチュエーターの間に位置されるセンサーは、受表面によってその下面を横断してはたらかされる横方向の（面内の）力をモニタリングするよう制御される。アクチュエーターの所与の横方向の変形について、皮膚の弾性に依存して異なる大きさの力がセンサーによって測定される。具体的には、変形後の測定される力は、相対的により硬い皮膚についてのほうが大きく、相対的により弛緩した、あるいはより弾性的な皮膚についてのほうが小さい。
【０１４０】
ここでもまた、コントローラは、（アクチュエーションの前後の）測定される力の変化を計算するよう、あるいは単に生の力の値を捕捉するよう構成されてもよい。これらの計算されたまたは生の値は、やはり、何らかの標準セットの参照値と比較されてもよい。皮膚（または他の表面）の面内弾性の定量的な指標を得るためである。それらの値は代替的に、定量的な弾性指標を得るために物理的なモデルを使って処理されてもよい。
【０１４１】
あるさらなる例示的な変形によれば、図４の例示的なモードは、単に、どちらも面外変形（押し込み）を誘起するよう動作可能な（感知要素１８のそれぞれの側に位置される）二つのアクチュエーション要素１６を含むよう拡張されてもよい。
【０１４２】
二つのアクチュエーターは、感知要素のそれぞれの側で表面に同時の押し込みを誘起するようコントローラによって刺激されてもよい。この場合、押し込みおよび伸長両方の組み合わせが達成される。センサーは、これら二つの効果の畳み込みを測定しうる。
【０１４３】
この場合のセンサーは、その下側の活性表面を横断して加えられる横方向の力を測定するよう動作可能であってもよく、あるいはその下側の活性表面に加えられる面外（すなわち受表面に垂直な）力を測定するよう動作可能であってもよく、よって、得られた圧力／力測定値は、これらの物理的な効果の両方を反映する指標を提供しうる。
【０１４４】
図６は、表面弾性のさらなる代替的な指標が得られるさらなる例示的な動作および測定モードを示している。この場合、当該装置の提供された担体８は、面内変形を生成するよう動作可能なアクチュエーション要素１４と、面内または面外の圧力および／または力を感知するよう動作可能な感知要素１６とを保持する。ここでもまた、この例の目的のためには二つの要素しか示されていないが、本発明の真の実施形態は、三つ以上の要素を有する配列を含む。そのような配列の複数の対が、複数の弾性測定を達成するために、この動作モードに従って制御されてもよい。
【０１４５】
図６のｂに示されるように、アクチュエーション要素１４は、時間変化する制御電圧をもって刺激されて、時間変化する仕方で横方向に変形し、それにより受表面３４における時間変化する面内変形を誘起する。これは、表面３４を横断して伝搬する表面（弾性）ラム波４０の生成において現われる。
【０１４６】
図６のｃに示されるように、この波４０は、時間遅延Δt後に感知要素１６によって圧力波として検出される。時間遅延に基づいて、波の速度が計算できる。
【０１４７】
弾性剪断波伝搬の速度と波が進行する材料の硬さとの間には正の相関がある。結果として、波の速度の値は、受表面弾性の指示を提供する。具体的には、本方法が皮膚に適用される場合、この表面弾性（ラム）波の速度は、ユーザーの皮膚の粘弾性の指示を提供しうる。
【０１４８】
この測定モード（または図４に示されるモード）は、さらなる例において、アクチュエーション要素１４に近接して位置する追加的な感知要素１６を含めることによって、拡張されうる。各感知要素は、たとえば、アクチュエーターに隣接して（他の要素が間になく）位置されてもよい。たとえば、中央のセンサーを取り囲む環状配置をなしてもよい。
【０１４９】
そのような構成は、複数の弾性指標（押し込みまたは粘弾性指標）が同時に得られることを可能にする。中央のアクチュエーターによって生成される単一の変形パターンが、周囲の感知要素のそれぞれによって同時に感知またはモニタリングされることができるからである。そのような構成は、たとえばより高速なデータ記録およびより効率的な電力消費を許容する。
【０１５０】
図７は、図６の例示的な動作モードの変形を示している。ここでは、アクチュエーション要素１４は、横方向および垂直方向両方に（すなわち、受表面３４に対して平行および垂直な方向両方に）膨張するよう動作可能である。図７のｂに示されるように、アクチュエーターはまず、受表面に垂直な方向（法線方向）に静的に変形するよう制御されて、受表面における静的な（時間変化しない）面外変形（押し込み）を誘起する。
【０１５１】
図７のｃに示されるように、次いで、アクチュエーター１４は、時間変化する仕方で横方向に変形するよう制御される。時間変化する横方向の膨張は、横方向に変位した感知要素１６の方向における（すでにくぼんだ）受表面３４に沿って伝搬する、結果的な表面弾性（ラム）波４０を刺激する。感知要素は、図６の例におけるように、波の到着を検出するよう構成される。測定された到着時間に基づいて、波の速度がここでも決定できる。
【０１５２】
静的な面外変形は、受表面３４に対するアクチュエーター１４の静的な（ベースライン）圧力を調整するはたらきをする。これは、アクチュエーターの、受表面への結合の調整を可能にしてもよく、あるいは異なる静的な圧力に対応する波４０の速度の複数の測定が達成されることを可能にしてもよい。後者の場合の静的な圧力は、システムにおける追加的な自由度を提供し、それは、表面弾性のより豊かで、より詳細な分析が達成されることを許容する。
【０１５３】
アクチュエーターの静的で垂直な膨張および時間変化する横方向の膨張の両方の同時刺激は、たとえば、重畳されたDCおよびAC信号をEAP要素に加えることによって達成されうる。絶対値の大きなDC信号は受表面の法線方向における静的な膨張を生成し、低振幅AC信号は受表面と平行な時間変化する膨張を生成する。これは、誘電エラストマーを使う際に最もよく機能しうる。PVDFベースのリラクサー・ポリマーが使われてもよいが、達成可能な変位は、より小さくなる。
【０１５４】
さらなる例示的な動作モードによれば、皮膚付着および摩擦の指標が得られる。これは、皮膚の押し込みおよび変位の際の皮膚のサンプルのいわゆる剥離力を測定することによって達成される。図８は、この測定を達成するための例示的な構成を概略的に描いている。前記配列は、皮膚表面３４において面外変形を生成するよう動作可能な二つのアクチュエーター１４を含み、それらのアクチュエーターは中央の感知要素１６を取り囲んで位置される。
【０１５５】
この場合の感知要素１６は、正負両方の力／圧力を測定するよう動作可能でなければならない。感知要素自身の下面に向かう上向きの方向の力のほか、表面に向かう内向き方向に受表面によってはたらかされる力または圧力（すなわち、感知要素自身の下面から離れる「引っ張り力」）を測定するよう動作可能でなければならない。
【０１５６】
図８に示されるように、両方のアクチュエーター１４を作動させると、皮膚表面３４における結果的な変形が、感知要素１６の表面から皮膚を引き離そうと作用する下向きの力を加える。皮膚が引き離される際、皮膚は、皮膚付着力に依存する大きさをもってセンサー１６を下に引く。この下向きの引っ張り力のピーク値は、「剥離」力として知られている。
【０１５７】
改善された感知のために、剥離力は、皮膚付着属性を増幅しうる比較的なめらかなおよび／または軟らかいセンサー表面を使って向上されることができる。皮膚付着および皮膚摩擦は相関しており、よって付着（または「ねばりけ」）の指標が摩擦の指示を与える。
【０１５８】
剥離力は（よって皮膚付着力は）、アクチュエーター電圧‐センサー出力曲線から決定できる。そのような曲線の二つの例が図９のグラフに示されている。ここで、x軸はアクチュエーター１４電圧を表わし、y軸は感知要素１６によって測定された力を表わす。
【０１５９】
曲線４４は、低い付着および摩擦をもつ皮膚について達成される出力曲線を示している。ここで、アクチュエーターの変形が増すにつれて、測定された力はほぼ線形にゼロまで減少し、その後はすべてのさらなるアクチュエーション電圧についてゼロに留まる。これは、経験される剥離力がゼロであることを示す。皮膚付着力が弱すぎて、センサー１６に対する皮膚の測定可能なくっつきを引き起こさないのである。
【０１６０】
曲線４６は、（より）高い付着および摩擦をもつ皮膚について達成される出力曲線を示している。ここでもまた、電圧増加とともに、測定された力は線形にゼロまで減少するが、その後、負の力測定値まで低下し続け、破線４８によって示される最小値に到達する。破線４８は「剥離力」を示す。皮膚がセンサーから離れ始めるために必要な力である。剥離力を過ぎると、測定される力はほぼ線形に再び増大してゼロに至る。これは、皮膚がゆっくりと自らをはがれつつあることを示す。
【０１６１】
得られたアクチュエーション電圧対センサー出力の曲線を解析することによって、所与の皮膚サンプルについての剥離力が決定でき、よって、皮膚付着および摩擦の指標が得られる。
【０１６２】
変形では、剥離力を測定するために一つのアクチュエーターおよび一つのセンサーだけが使われてもよい。両者が十分に近接して配置されていればよい。
【０１６３】
さらなる例示的な動作モードによれば、皮膚のしわのサイズおよび／または位置の測定が実行されてもよい。このモードは図１０に示されている。横方向に変形するよう動作可能なアクチュエーター１４が、面内または面外の力または圧力を測定するよう動作可能なセンサー１６との組み合わせで利用される。しわ５２は、アクチュエーターとセンサーの間に位置していると想定される。アクチュエーターを作動させると、横方向の面内力が皮膚に加えられ、皮膚を矢印で示される方向に引っ張る。
【０１６４】
しわ５２のサイズ（およびそもそもしわが存在するか否か）に依存して、異なるアクチュエーション電圧対センサー出力の曲線が得られる。図１１は、異なるしわシナリオに対応するいくつかの異なる例示的な曲線を示している。ここで、x軸はアクチュエーター電圧を表わし、y軸はセンサー出力を表わす。
【０１６５】
センサー１６とアクチュエーター１４の間にしわがある場合、しわ５２が「広げられる」間は、センサーは初期にはゼロの出力（または少なくとも非常に弱い出力）を示す。しわが完全に広げられた後では、本来の皮膚弾性のために、センサー出力は急速に上昇する。しわを完全に広げるために必要なアクチュエーター電圧（すなわち変位）（「閾値電圧」）は、しわのサイズ（幅、深さ、体積）の指示を与える。
【０１６６】
このことは図１１に示されている。ここで、曲線６４および６６は、それぞれより小さなおよびより大きなしわ５２に対応する出力曲線を表わしている。それぞれの場合において、センサー出力は所与の閾値電圧まではゼロ近くに留まる。ひとたびこの閾値を通過したら、センサー出力は上昇し始める。より大きなしわの傾向線６６についての閾値電圧は、グラフでは矢印６８によって示されている。より小さなしわはより小さな閾値電圧をもつ。
【０１６７】
曲線６２は、しわが存在しない場合に対応する。図のように、ここではセンサー出力は、初期の遅延や一時停止なしに、電圧の増大とともに単純に増大する。
【０１６８】
得られたアクチュエーション電圧対センサー出力の曲線を解析することによって、しわの存在および／またはサイズが評価されることができる。
【０１６９】
図１２は、本発明の実施形態に基づくさらなる例示的な動作モードを示している。受表面３４における面外変形を誘起するよう動作可能な二つのアクチュエーション要素１４と、該二つのアクチュエーターの中間に位置する感知要素１６とを含む配列が使用される。感知要素は、該センサーに向かって上向きの方向に受表面によって加えられる面外圧力および／または力を測定するよう動作可能である。
【０１７０】
この配列は、事実上、図４を参照して例解した例示的な測定モードの拡張を表わしている。ここでは、一つではなく二つの変形アクチュエーター１４が設けられる。
【０１７１】
図１２のａは、初期の不活性な状態を示す。図１２のｂは、相対的により硬い皮膚の場合の両アクチュエーター１４の作動を示す。図１２のｃは、相対的にそれほど硬くない皮膚の場合の両アクチュエーター１４の作動を示す。
【０１７２】
より硬い皮膚の場合（図１２のｂ）、両アクチュエーター１４の作動は、センサー１６において大きな圧力降下を引き起こす。実際、図１２ｂは、皮膚が完全にセンサーから離され、よって100%の圧力降下を生じる極端な場合を示している。これは事実上、図４の例示的なモードにおいて達成されると期待されるのと同じ結果を表わすが、全体的な誘起される圧力降下はより大きくなる。
【０１７３】
それほど硬くない皮膚の場合（図１２ｃ）、より興味深い結果が得られることがある。第一の事例では、より低い硬さの皮膚は、（図４の例の場合と同様に）センサー１６における、より低い測定された圧力降下を生じる。しかしながら、場合によっては、実際には、正味の圧力上昇が測定されることがある。これは、両側での対称的な圧力の印加から生じる誘起されるせり上がりの結果として生じる。
【０１７４】
より柔軟な皮膚は、センサー１６のそれぞれの側でアクチュエーター１４によって加えられた下向きの圧力が、少なくとも部分的には、内側におよびセンサーに向かう上向きに、向き付け直されることを許容する。この圧力はいくつかの場合には（図１２のｃに示されるように）、センサーの下側の感知表面への上向きの加えられる圧力として現われることがある。せり上がりの度合いは、皮膚の硬さに依存する。よって、二つの押し込みアクチュエーターを組み込むこの拡張された配列は、図４の構成および動作モードに比べて、皮膚硬さについての追加的な情報が得られることを許容する。
【０１７５】
図１３は、受表面の弾性の指標を得るためのさらなる例示的な動作モードを示している。この例は、事実上、図１２を参照して例解した先のモードの「逆」を表わしている。ここでは、中央の感知要素１６のそれぞれの側に位置される二つのアクチュエーション要素１４が利用される。感知要素は、受表面から離れる方向に受表面３４によってはたらかされる面外圧力および／または力を測定するよう適応される。
【０１７６】
アクチュエーター１４のそれぞれは、図１３のｂおよびｃに示されるように、受表面３４から離れる方向に変形するよう動作可能である。周囲の担体８基質は受表面にしっかりと適用されるので、この変形は、アクチュエーター変形によって空にされる空隙内に有効的な真空効果を生じる。この真空効果のため、下の皮膚（または他の受表面）は、変形によって作り出された前記空隙の一部を占有するよう、部分的に上向きに引っ張られる。これは事実上、皮膚にうねり（undulation）を誘起し、それにより、二つのアクチュエーターの間に対称的に位置する皮膚の領域を下向きに降下させる。この領域がセンサー要素１６と整列するところでは、この降下は、加えられる上向きの力または圧力の低下として検出されることになる。
【０１７７】
測定される圧力降下の大きさは、皮膚３４の硬さに依存する。図１３のｂは、硬い皮膚のサンプルについての場合を示している。ここでは、皮膚の中央領域における落ち込みは小さく、よって測定圧力降下は小さい。図１３のｃは、それほど硬くない皮膚についての場合を示している。ここでは、圧力降下はずっと大きい。センサーの出力値を解析することにより、皮膚弾性または硬さの指標が得られてもよい。
【０１７８】
変形例では、センサー１６は、圧力または力センサーではなく、変位センサーであってもよい。
【０１７９】
上記のモードおよび構成のいずれも、本発明の任意の例示的実施形態に有利に組み込まれ、あるいは実装されることができる。場合によっては複数の異なるモードが同時に実装されてもよく、あるいはコントローラは異なる形の測定を達成するために異なるモードの間で切り換えるよう適応されてもよい。
【０１８０】
上記の先のくだりで記載された図１の第一の例示的な装置は、本発明の最も単純な場合を示しており、三つの表面相互作用要素のみの配列が設けられる。しかしながら、本発明の概念は、任意の所望されるパターンまたは構成に従うよう配列された任意の数の異なる要素を含む配列をカバーする有利な拡張を許容する。より複雑なパターンは、より豊かなまたはより詳細な測定データのセットが得られることを許容しうる。
【０１８１】
図１４はたとえば、例示的実施形態内に組み込まれてもよい表面相互作用要素の第一の代替的な例示的配列１０を示している。この配列は、中央のアクチュエーション要素１４を取り囲む六つの感知要素１６の六角環状配置を含む。この配列は、異なる方向に対応する複数の弾性指標が得られることを許容する。上記で論じたように、複数方向の情報は、非等方性情報が得られることを可能にする。
【０１８２】
たとえば、各センサー１６と中央アクチュエーターとの間にある皮膚の各ストレッチについて一つの弾性指標が得られてもよい。これは、中央センサーを作動させて変形（上記のモードのいずれかに応じて面内または面外）を誘起し、結果として生じる圧力を測定するよう周囲のセンサーのそれぞれを制御することによって達成されてもよい。センサー計測値はこの場合、同時並行して取られてもよく、それにより、六つの異なる方向に対応する六つの弾性指標を同時に達成する。
【０１８３】
図１４の配列の変形では、代わりに、単一の感知要素を囲む複数のアクチュエーターの環状アレイが設けられてもよい。この配列も、各アクチュエーターと中央センサーの間にある皮膚セクションのそれぞれについて弾性指標が得られることを許容する。
【０１８４】
しかしながら、この変形配列は、上記の弾性測定モードの他のあるものの実装をも許容する。たとえば、アクチュエーターの各対A-B、C-D、E-Fは、中央センサーと組み合わせて作動されて、上記で図１２を参照して述べたモードに従って測定を達成してもよい。
【０１８５】
適切なセンサーが提供される場合（正負両方の圧力を測定するよう動作可能なもの）、図８の例に基づく測定モードがさらに実装されうる。
【０１８６】
適切なアクチュエーターが提供される場合（すなわち、受表面から離れるように変形するよう動作可能なもの）、図１３の測定方法が実装されてもよい。複数のこれらの異なるモードの実装を可能にするために複数の異なる多様なアクチュエーターが設けられてもよい。
【０１８７】
六角形状の配列が例として示されているが、任意の配位が等しく利用されうる。たとえば、長方形、五角形または他の任意の規則的もしくは不規則な形状もしくは配位である。六角形状の配置は、複数の異なる方向の指標が得られることを許容するという利点を与える一方、隣り合う配列の間の良好な敷き詰めをも提供し、それにより、当該配列の任意のサイズへの拡張を許容する。
【０１８８】
さらなる例では、それぞれの表面相互作用要素の形状またはサイズが変えられてもよく、あるいはその配列を通じて、隣り合う要素の間のピッチが変えられてもよい。
【０１８９】
上記のように、センサーおよびアクチュエーターの配列は、任意の所望されるサイズに拡大されてもよい。図１５は、センサー１６およびアクチュエーター１４の六角形状配位を複数敷き詰めた例示的な配列を示している。
【０１９０】
配列は事実上、図１４の配列を複数有している。隣り合う六角形状の「セル」または配位の各対は、両者の間で、六つの感知要素のうちの二つを共有する。この要素の共有は、感知資源の効率的な利用につながり、多数の異なる弾性指標が、削減された総数の感知パーツを使って得られることを可能にする。
【０１９１】
コントローラは、それぞれの弾性測定を提供するために、配列１０における任意のセンサー‐アクチュエーター対を制御しうる。これは、異なる方向についてだけではなく、異なる距離や異なる局所的な位置についても、多数の指標が得られることを可能にする。
【０１９２】
図１６および図１７は、受表面を通じた異なる距離に対応する弾性指標を可能にするための、図１５の配列１０内の要素の異なる例示的な選択の利用を示している。太線の要素は、コントローラによって能動的に制御される要素である。
【０１９３】
図１６に示されるように、測定値の初期集合は、中央アクチュエーター１４と六つの直接囲んでいるセンサー１６のそれぞれとの間で計測されてもよい。ひとたびこれらの指標が得られたら、最初の六角形の環から１「層」外側に位置する六つのセンサーが、中央アクチュエーターとの組み合わせで利用されて、同じ一組の方向に対応するが、より広い距離を通じた、さらなる六つの弾性指標を取得してもよい。
【０１９４】
これらは、ほんの二つの例示的な動作または作動モードを表わしており、明らかに、任意の組み合わせまたはパターンの要素が作動されて、種々の測定値の集合を達成してもよい。たとえば要素の個々の対が作動されてもよく、六角形でない形に従う感知要素の環またはパターンでもよい。複数測定のために複数の要素のラインが利用されてもよく、あるいは複数のラインが同時にまたは逐次的に利用されてもよい。
【０１９５】
任意の例示的な配列に従って、複数の異なる弾性指標がいくつかの例では、平均され、あるいは他の仕方で組み合わされて、所与のエリアについての平均されたまたは融合された弾性指標を提供してもよい。たとえば、異なる方向についての複数の指標が平均されて、特定のエリアまたは領域についての弾性の単一の指標を提供してもよい。
【０１９６】
上記で手短かに論じたように、EAPベースの感知およびアクチュエーションの使用は、それぞれ必要に応じてアクチュエーターまたはセンサーとして動作可能な二つの機能の表面相互作用要素の提供を許容する。そのような双方向性要素の使用は、それなしで可能なよりも、所与の要素の配列を用いて、ずっと密なデータのセットを得ることを許容する。これは、双方向要素はアクチュエーターおよびセンサーの任意の組み合わせが実現されることを許容するからである。
【０１９７】
そのような双方向性は、一つまたは複数のアクチュエーターに別個の専用の感知機能を追加することによって代替的な諸例において実現されてもよい。これはたとえば、アクチュエーターに圧力（または力または曲げ）センサーを追加することによって達成されてもよい。一つまたは複数の例では、そのようなセンサー・デバイスまたは要素は、アクチュエーターの下で、アクチュエーターの受表面に向く下側表面上に取り付けられてもよい。これは、所望される場合には感知が実行されるが、必ずしもアクチュエーション機能に干渉しないことを許容する。そのようなセンサーは、たとえば、たとえば接着剤を使ってまたはアクチュエーターへの直接プリントによってアクチュエーターに接着されうる、抵抗性、容量性または圧電性の柔軟なフィルム要素からなっていてもよい。
【０１９８】
二機能アクチュエーターは感知またはアクチュエーションのどちらを達成するようにも動作可能だが、両者は同時に利用されることはない。加えられる機能は、二つの異なる動作モードの間の任意の切り換えを許容することにおいてのみ、利点を与える。
【０１９９】
一つまたは複数の例示的実施形態では、温度感知機能が、表面相互作用要素の一つまたは複数に有利に組み込まれてもよい。皮膚弾性属性は、温度に強く依存する。これは、図１８に示されている。図１８は、皮膚のサンプルについて、それぞれ異なる皮膚温度に対応する五つの異なる例示的な応力‐ひずみ曲線を示している。x軸は応力（MPa単位）を表わし、y軸はひずみを表わす。いちばん上からいちばん下の順に、曲線はそれぞれ10°C、15°C、40°C、50°Cおよび60°Cに対応する。
【０２００】
温度感知の組み込みは、弾性測定値が温度について補正されることを、よってより正確で信頼できる結果が得られることを可能にしうる。
【０２０１】
温度感知は、EAPベースのアクチュエーターを使って直接達成されてもよい。これらのアクチュエーターはアクチュエーションと同時に温度を測定できるからである。これは、たとえば、温度を決定するための低振幅AC信号を、アクチュエーションを誘起するための絶対値の大きなDC信号と重畳することによって達成されてもよい。適切なAC信号はEAP要素を通じた示されるインピーダンスを、アクチュエーションが実行される温度（および加えられるDC駆動信号）に依存して変化させる。
【０２０２】
動作に先立って較正プロセスが実行されてもよい。ここで、EAP要素を通じたインダクタンスが、所望される範囲の異なる各温度について、加えられるDC駆動信号の予期される可能な範囲のそれぞれについて測定される。それにより、異なる各温度における加えられたDC信号について対応する示されるインピーダンスのルックアップテーブルが生成されてもよい。このルックアップテーブルが、デバイスの実施形態の動作において、測定されたインピーダンスおよび既知の加えられるDC駆動信号に基づいて、EAP要素の推定温度を決定するために使用されてもよい。
【０２０３】
さらに、ある範囲の異なる温度における皮膚弾性の指標を得ることが有利であることがある。温度の関数としての皮膚の弾性的な振る舞いは、単一の温度のみにおける測定値よりも豊かなデータセットを提供する。
【０２０４】
これを達成するために、一つまたは複数の例示的実施形態によれば、アクチュエーターの一つまたは複数に、ヒーター要素が、たとえばアクチュエーターの背後に取り付けられて、組み込まれてもよい。それは、アクチュエーターおよびその下の皮膚が加熱されることを許容する。
【０２０５】
これらの例において、やはり上記で概説したように温度が感知されてもよい。温度の関数としての弾性の解析を達成するために、種々の温度で一連の弾性測定が実行されてもよい。
【０２０６】
あるいはまた、加熱要素は、アクチュエーターのおもて（皮膚に面する側）に位置されてもよい。しかしながら、これは場合によっては、アクチュエーターと皮膚との間の密着を妨げることによって、アクチュエーターのアクチュエーション性能に干渉することがありうる。
【０２０７】
より正確な温度制御のために、ヒーター／クーラー要素（たとえばペルティエ素子）がいくつかの例において使われてもよい。
【０２０８】
さらに、皮膚の熱的属性を決定するために温度感知機能が使われてもよい。たとえば、温度感知は一つまたは複数の解剖学的特徴（たとえば動脈）の位置を同定することを可能にしうる。たとえば動脈の位置を特定する場合、皮膚の熱伝導率の差が決定されてもよい。血流による熱の輸送のため、熱伝導率は、皮膚の表面に近い動脈の近傍において、より高くなる。加熱要素の作動をやめた後の各センサーの温度の低下を追跡することによって、最も高い熱伝導率をもつ領域が識別できる。これは、皮膚表面の下の動脈の存在を示しうる。
【０２０９】
動脈または他の解剖学的特徴は、たとえば弾性測定値を実行するための関心領域であってもよい。
【０２１０】
（上記の例で記述したような）複数センサー出力の使用は、一つまたは複数の差分センサー結果の計算を通じてノイズが消去されることを許容することによって、より正確な結果を可能にしうる。たとえば、差分センサー出力は次のように計算されてもよい：
|Stot|＝|(Sm＋ノイズ)−(Sn＋ノイズ)|＝|Sm−Sn|
ここで、SmおよびSnは同じアクチュエーターによって生成される同じ伝送される信号に対応する、それぞれセンサーmおよびnによって感知されるセンサー出力である。|Stot|は、ノイズが打ち消された差分センサー結果を表わす。
【０２１１】
本発明の実施形態の応用は広く、多様である。
【０２１２】
本発明は、概括的には表面分析の分野で適用可能である。幅広い業界が、複数の方向に広がっている受表面の横方向ストレッチの弾性を測定および解析するために本発明によってもたらされる改善された能力から裨益しうる。本発明は、表面の横方向弾性における非等方性が測定され、解析されることを可能にする。
【０２１３】
例示的応用は、たとえば衣服、カーペット、シートまたは他のファブリック家具、たとえばカーテンのためのファブリック弾性の試験を含みうる。より高い洗練度および詳細さで弾性を解析する能力は、たとえば、そのような用途において使われるファブリックまたは素材の推定寿命を評価することにおいて有用でありうる。たとえば、装置は、椅子のためのファブリックのあるエリアの種々の線形な領域を通じた表面弾性を評価するために使用されてもよい。これは、椅子に座っているときの人々の典型的な重量分布にも基づいて、素材の摩耗またはひずみが最大になる可能性の高いエリアおよび確からしい使用可能寿命の評価を可能にしうる。最大のひずみを経験すると予測されるエリアは、本発明の実施形態を使って得られた弾性測定値に依存した量だけ強化されたり、あるいは厚くされたりしてもよい。
【０２１４】
同様に、カーテンのための素材への応用のためには、たとえば、重力によって誘起されるカーテンの伸長が最小になるためにファブリックをどの配向でカットするかを決定するために、素材の異なる方法における弾性を評価することが有用であることがある。同様に、使用時の素材の面内弾性が重要な因子である、幅広い範囲の産業または商業分野で使われる素材のための応用がある。
【０２１５】
獣皮の弾性の解析が有用なツールであることも知られている。獣皮の異なるストレッチを通じた弾性における非等方性を測定するための本発明の追加能力は、貴重な追加機能になりうる。
【０２１６】
上記の例に加えて、特に皮膚分析に関係して幅広い範囲の応用が存在する。
【０２１７】
例示的な装置は、特にたとえば薄い、柔軟なパッチなどにおいて実装されるとき、ビューティーセラピー用途において好適であろう。皮膚弾性の測定は、その後、皮膚の処置、特に皮膚の弾性に対する加齢の効果について助言するために使用されてもよい。（加齢以外の）他の原因は、弛緩性皮膚、多形滲出性紅斑、日光による損傷および体重減でありうる。
【０２１８】
また、疾病が弾性の変化に関係していることがある。皮膚は通常、十分にうるおいがあり、健康であれば、伸長してその通常位置に戻る。超弾性の皮膚は正常な限界を超えて伸長する。これは通例は心配の種ではないが、弾性過多の皮膚は、多くの疾病および状態の徴候であることがある。たとえば、エーラーズ・ダンロス症候群、マルファン症候群、骨粗鬆症およびアールスコグ症候群である。
【０２１９】
さらなる用途は、疑わしい母斑または他の皮膚欠陥の弾性を、悪性でない欠陥から区別する手段として、評価することでありうる。この場合のアクチュエーターおよびセンサーのピッチは、これらの要素の複数が小さな皮膚欠陥をカバーできるくらいに小さくてもよい。
【０２２０】
提案される実施形態は、弾性材料が特徴付けられる必要のある応用において使われることができる。
【０２２１】
上記で概説した用途のほかに、潜在的な用途は以下のものを含む：
・PPG血圧／心拍数モニタリングの目的のための動脈の位置の識別。血圧が測定される必要のある動脈の上に位置されるアクチュエーターが作動されうる；
・顔の皮膚のある領域を通じた弾性変動情報が、よりなめらかなシェーブのために、振動速度のシェーバー回転を適応させるために有利に使用されうる（たとえば小型EAPセンサーがシェーバーの皮膚に接触する部分内に組み込まれてもよい）；
・たとえばモイスチャライザーまたは他のクリームの、皮膚に対する局所適用量を最適化するために弾性情報が使用できる。
・種々の位置での皮膚の摩擦の変動を特徴付けるために皮膚の上で例示的装置を動かすことによって、皮膚摩擦を測定することができる。この情報はたとえば、美容処置を最適化するために使用できる。
【０２２２】
EAPコンポーネントのために好適な材料は既知である。電気活性ポリマーは、次のサブクラスを含むがそれに限定されない：圧電ポリマー、電気機械ポリマー、リラクサー強誘電性ポリマー、電歪ポリマー、誘電エラストマー、液晶エラストマー、共役系ポリマー、イオン導電性高分子金属接合体、イオン性ゲルおよびポリマー・ゲル。
【０２２３】
電歪ポリマーのサブクラスは、次のものを含むがそれに限定されない：
ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリフッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン（PVDF-TrFE）、ポリフッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン‐クロロフルオロエチレン（PVDF-TrFE-CFE）、ポリフッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン‐クロロトリフルオロエチレン（PVDF-TrFE-CTFE）、ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン（PVDF）、ポリウレタンまたはそれらの混合物。
【０２２４】
誘電エラストマーのサブクラスは、次のものを含むが、それに限定されない：
アクリレート、ポリウレタン、シリコーン。
【０２２５】
共役系ポリマーのサブクラスは、次のものを含むが、それに限定されない：
ポリピロール、ポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン、ポリ（p-フェニレンスルフィド）、ポリアニリン。
【０２２６】
イオン性デバイスは、イオン導電性高分子金属接合体（IMPC）または共役系ポリマーに基づいていてもよい。イオン導電性高分子金属接合体（IMPC）は、印加電圧または電場の下で人工筋肉の挙動を示す合成複合ナノ材料である。
【０２２７】
より詳細には、IPMCは、NafionまたはFlemionのようなイオン性ポリマーで構成され、その表面は白金もしくは金のような導体またはカーボン・ベースの電極で化学的にめっきされているかまたは物理的に被覆されている。印加電圧の下で、IPMCのストリップを横切って印加された電圧によるイオンの移動および再分布が曲げ変形をもたらす。ポリマーは溶媒膨潤したイオン交換ポリマー膜である。電場はカチオンを水とともに陰極側に移動させる。これは親水性クラスターの再編成およびポリマーの膨張をもたらす。陰極エリアにおけるひずみは、ポリマー基質の残りの部分における応力をもたらし、その結果、陽極に向かって曲がる。印加電圧を逆にすると、曲がりが反転する。
【０２２８】
めっきされた電極が非対称的な構成で配置されている場合、印加電圧は、ねじれ、ローリング、ねじり、回転、および非対称な曲げ変形などのあらゆる種類の変形を引き起こす可能性がある。
【０２２９】
これらの例のすべてにおいて、加えられた電場に応答してEAP層の電気的および／または機械的挙動に影響を及ぼすために追加の受動層を設けることができる。
【０２３０】
各ユニットのEAP成分は電極間にはさまれていてもよい。電極は、EAP素材の変形に追随するよう、伸張可能であってもよい。電極のために好適な材料も既知であり、たとえば、下記からなる群から選択されてもよい：金、銅またはアルミニウムのような金属薄膜またはカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリン（PANI）、ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT）、たとえばポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート）（PEDOT:PSS）のような有機導体。金属化ポリエステル・フィルム、たとえばアルミニウムコーティングを使用した金属化ポリエチレンテレフタレート（PET）も使用されうる。
【０２３１】
本発明は、アクチュエーターまたはセンサーのパッシブマトリクスアレイまたは組み合わされたセンサーおよびアクチュエーターが有用である例を含む、多くのEAPおよび光活性ポリマー用途において適用できる。
【０２３２】
たとえばEAPアクチュエーターは、主に小さな形状因子、柔軟性および高いエネルギー密度のために、比類ない恩恵を提供する。よって、EAPおよび光応答性ポリマーは、柔らかい、3D形状および／または小型の製品およびインターフェースに容易に統合されることができる。そのような用途の例は次のとおり：
皮膚にはりを与えるまたはしわを減らすために、一定のまたは巡回的な伸長を皮膚に加える応答性ポリマー・ベースの皮膚パッチの形の皮膚アクチュエーション・デバイスのような皮膚化粧処置；
応答性ポリマー・ベースのアクティブ・クッションまたはシールを有する患者インターフェース・マスクを備えた呼吸装置で、顔面の赤い跡を軽減または防止する交替する法線圧力を皮膚に加える；
適応シェービングヘッドを備えた電気シェーバー。皮膚接触表面の高さは、近さと刺激のバランスに影響を与えるために、応答性ポリマー・アクチュエーターを使って調整されることができる；
特に歯と歯の間の空間でスプレーの到達範囲を改善するための動的ノズル・アクチュエーターを備えたエアフロスのような口腔洗浄装置。あるいは、歯ブラシがアクティブ化される房を備えていてもよい；
ユーザインターフェース内またはその近くに統合されている応答性ポリマー・トランスデューサーのアレイを介して局所的な触覚フィードバックを提供する消費者電子装置またはタッチパネル；
曲がりくねった血管内での容易なナビゲーションを可能にするための操縦可能な先端を備えたカテーテル。
【０２３３】
開示された実施形態に対する他の変形が、図面、本開示および付属の請求項の吟味から、請求される発明を実施する際に当業者によって理解され実施されることができる。請求項において、単語「有する／含む」は他の要素や段階を排除するものではなく、単数表現は複数を排除しない。ある種の施策が互いに異なる従属請求項に記載されているというだけの事実が、これらの施策の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。
【０２３４】
請求項に参照符号があったとしても範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
2019534719.tif 000003
【図２】
2019534719.tif 000004
【図３】
2019534719.tif 000005
【図４（ａ）】
2019534719.tif 000006
【図４（ｂ）】
2019534719.tif 000007
【図４（ｃ）】
2019534719.tif 000008
【図５（ａ）】
2019534719.tif 000009
【図５（ｂ）】
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【図６（ａ）】
2019534719.tif 000011
【図６（ｂ）】
2019534719.tif 000012
【図６（ｃ）】
2019534719.tif 000013
【図７（ａ）】
2019534719.tif 000014
【図７（ｂ）】
2019534719.tif 000015
【図７（ｃ）】
2019534719.tif 000016
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019534719.tif 000019
【図１１】
2019534719.tif 000020
【図１２（ａ）】
2019534719.tif 000021
【図１２（ｂ）】
2019534719.tif 000022
【図１２（ｃ）】
2019534719.tif 000023
【図１３（ａ）】
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【図１３（ｂ）】
2019534719.tif 000025
【図１３（ｃ）】
2019534719.tif 000026
【図１４】
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【図１５】
2019534719.tif 000028
【図１６】
2019534719.tif 000029
【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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