(57)【要約】  第１の作動セグメントの一端部が第１の端子に接続され、第１の作動セグメントのもう一方の端部が第２の端子に接続される、人工筋繊維の第１の作動セグメントを含むアクチュエータ装置。装置は、第２の作動セグメントの一端部が第３の端子に接続され、第２の作動セグメントのもう一方の端部が第４の端子に接続される、人工筋繊維の第２の作動セグメントも含む。装置は、第１及び第２の作動セグメントの両方に配置されたパドルと、第１及び第２の作動セグメントに配置された加熱設備も含む。加熱設備は、独立して第１及び第２の作動セグメントに熱の形でエネルギーを供給し、アクチュエータ装置の移動は、第１または第２の作動セグメントを作動させることによってパドルを所望の位置まで回転させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撚紡績人工筋繊維の第１の作動セグメントであって、前記第１の作動セグメントの一端部が第１の端子に接続され、前記第１の作動セグメントのもう一方の端部が第２の端子に接続された、撚紡績人工筋繊維の第１の作動セグメントと、
撚紡績人工筋繊維の第２の作動セグメントであって、前記第２の作動セグメントの一端部が第３の端子に接続され、前記第２の作動セグメントのもう一方の端部が第４の端子に接続されている、撚紡績人工筋繊維の第２の作動セグメントと、
前記第１及び前記第２の作動セグメントの両方に配置されたパドルと、
前記第１及び前記第２の作動セグメントに接続された加熱設備であって、前記加熱設備が独立して前記第１及び前記第２の作動セグメントに熱の形でエネルギーを供給する、加熱設備とを含む、アクチュエータ装置であって、
前記アクチュエータ装置が、前記第１または前記第２の作動セグメントを作動させることによって前記パドルを所望の位置に移動させる、アクチュエータ装置。
【請求項２】
前記第１及び前記第２の作動セグメントが、直線的に配置され、前記第２の端子及び前記第３の端子が、電気的に接続されることをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記パドル上に配置された少なくとも１つのガイドベアリングをさらに含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記パドルの角度位置を検出するセンサー装置をさらに含む、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
電気的停止部であって、前記電気的停止部が、電気的接続時に前記パドルの回転を停止させることをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
機械的停止部であって、前記機械的停止部が、前記パドルの回転を停止させることをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記パドルが、前記アクチュエータ装置の回転軸に平行に配向された平面を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記加熱設備が、電気的に加熱された導電性材料である、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記加熱設備が、パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて電気的に加熱された導電性材料である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１及び前記第２の作動セグメントの各々が、ナイロン６、ナイロン６，６、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される高分子繊維を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１及び前記第２の作動セグメントの各々が、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１及び前記第２の作動セグメントの各々が、パラフィンワックスをさらに含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１３】
前記パドルが、ガイドプレートタイプのパドルである、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記ガイドタイプのパドルに光検出器が取り付けられている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
アクチュエータ装置を製造するための方法であって、
ナノ繊維及び変化プロセスによって容積の変化を受けるよう動作可能である作動糸ゲストを含む人工筋繊維を撚ることと、
前記ナノ繊維及び前記作動糸ゲストを熱アニールすることによって前記人工筋繊維をセットすることと、
前記人工筋繊維を第１及び第２の作動セグメントに切り分けることと、
前記第１の作動セグメントの一端部を第１の端子に固定し、もう一方の端部を第２の端子に固定することと、
前記第２の作動セグメントの一端部を第３の端子に固定し、もう一方の端部を第４の端子に固定することと、
前記第１及び第２の作動セグメントの両方にパドルを配置することと、
前記第１及び前記第２の作動セグメントに加熱設備を配置することであって、前記加熱設備が独立して前記第１及び前記第２の作動セグメントに熱の形でエネルギーを供給することとを含み、
前記アクチュエータ装置が、前記加熱設備を用いて前記第１または前記第２の作動セグメントを作動させることによってパドルを所望の位置まで回転させる、前記アクチュエータ装置を製造するための方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２０１６年４月２９日に出願された米国仮出願第６２／３２９，８０３号及び２０１６年６月１４日に出願された第６２／３５０，１１３号の優先権を主張するものであり、両方ともに、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
撚り高分子及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）繊維及び糸に基づく、熱駆動式ねじりアクチュエータは、本質的に単安定であるという不都合が生じる。言い換えれば、アクチュエータは、作動状態を維持するためにエネルギーの連続供給を必要とし得る。例えば、このようなアクチュエータが、アクチュエータ周囲の環境における温度変化を利用していない場合、作動し続けるために十分なアクチュエータの温度を維持するためには、熱エネルギーの連続供給を必要とし得る。そのようなエネルギーは、電気的に、化学的に、または光学的によって供給され得る。ラッチ及びラチェットなどの機械的機構は、アクチュエータを作動位置にロックするために、そのような熱駆動式ねじりアクチュエータに追加し得る。しかしながら、このような機構の追加は、アクチュエータの機械的複雑性を増加させ得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一態様では、本発明の実施形態は、第１の作動セグメントの一端部が第１の端子に接続され、第１の作動セグメントのもう一方の端部が第２の端子に接続される、人工筋繊維の第１の作動セグメントを含むアクチュエータ装置に関する。装置は、第２の作動セグメントの一端部が第３の端子に接続され、第２の作動セグメントのもう一方の端部が第４の端子に接続される、人工筋繊維の第２の作動セグメントも含む。装置は、第１及び第２の作動セグメントの両方に配置されたパドルと、第１及び第２の作動セグメントに配置された加熱設備も含む。加熱設備は、独立して第１及び第２の作動セグメントに熱の形でエネルギーを供給し、アクチュエータ装置の移動は、第１または第２の作動セグメントを作動させることによってパドルを所望の位置まで回転させる。
【０００４】
別の態様では、本発明の実施形態は、繊維及び変化プロセスによって容積の変化を受けるように動作可能な作動糸ゲストを含む人工筋繊維を撚ることを含むアクチュエータ装置を製造する方法に関する。この方法は、アクチュエータ材料を熱アニールすることによって人工筋繊維をセットすること、及び人工筋繊維を第１及び第２の作動セグメントに切り分けることを含む。第１の作動セグメントの一端部は第１の端子に固定され、もう一方の端部は第２の端子に固定され、第２の作動セグメントの一端部は第３の端子に固定され、もう一方の端部は第４の端子に固定される。パドルは、第１及び第２の作動セグメントの両方に配置され、加熱設備も第１及び第２の作動セグメント上に配置される。加熱設備は、独立して第１及び第２の作動セグメントに熱の形でエネルギーを供給する。
【０００５】
アクチュエータ装置は、加熱設備を用いて第１または第２の作動セグメントを作動させることによってパドルを所望の位置まで回転させる。動作中、アクチュエータは、第１の作動セグメント内の第１の作動エネルギーを作動させ、第１の作動セグメントへの作動エネルギーを停止させ、第２の作動セグメントへの第２の作動エネルギーを作動させることによって荷重を所望の位置に移動させる。必要な作動エネルギーの量は、使用される材料及び環境条件に依存する。
【０００６】
本発明の他の態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【０００７】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本発明の１つまたは複数の実施形態による概略図である。
【図１Ｂ】本発明の１つまたは複数の実施形態による概略図である。
【図１Ｃ】本発明の１つまたは複数の実施形態による概略図である。
【図１Ｄ】本発明の１つまたは複数の実施形態による概略図である。
【図１Ｅ】本発明の１つまたは複数の実施形態による概略図である。
【図２】本発明の１つまたは複数の実施形態によるフローチャートである。
【図３】本発明の１つまたは複数の実施形態によるグラフである。
【図４】本発明の１つまたは複数の実施形態による概略図である。
【図５】本発明の１つまたは複数の実施形態による概略図である。
【図６】本発明の１つまたは複数の実施形態による概略図である。
【図７】本発明の１つまたは複数の実施形態によるグラフである。
【図８】本発明の１つまたは複数の実施形態による概略図である。
【図９】本発明の１つまたは複数の実施形態による概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
様々な図の同様の要素は、一貫性のために同様の参照番号で示され得る。さらに、本発明の実施形態の以下の詳細な説明では、特許請求された主題のより完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が述べられている。しかしながら、当業者には、本明細書に開示された実施形態は、これらの具体的な詳細なしに実施され得ることは明らかであろう。他の例では、説明を不必要に複雑にすることを避けるために、周知の特徴は詳細には説明されていない。
【００１０】
一般に、本発明の実施形態は、アクチュエータ装置及びアクチュエータ装置を製造する方法に関する。具体的には、本発明の実施形態は、単一の撚り繊維に基づき、ねじりアクチュエータが双安定であること、すなわち、少なくとも２つの異なる位置で安定することを可能にするアクチュエータの幾何形状及び起動のシーケンスに関する。双安定アクチュエータの１つまたは複数の実施形態は、追加の機械的構成要素を必要とし得ない。さらに、双安定アクチュエータの１つまたは複数の実施形態は、環境温度の変化による影響を受け得ない。
【００１１】
撚り繊維及びナノ繊維に基づく熱駆動式ねじり／引張アクチュエータには、作動位置のためのラッチ機構が欠落している。言い換えれば、このようなアクチュエータは、作動し続けるためのエネルギーを必要とする。これまでの、熱駆動式撚り／コイル状アクチュエータの例は、単安定（非作動状態でのみ安定）である。
【００１２】
本発明の実施形態には、２０１５年１月３０日に出願された米国特許出願第１４／６１０，９０５号に記載されているような作動材料が含まれ、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本発明の１つまたは複数の実施形態の設計の単純性により、リジットまたはフレキシブル基板に取り付けることができる複雑なアレイを製造し得る。さらに、米国特許出願第１４／６１０，９０５号に開示された実施形態とは対照的に、本発明の実施形態は、作動し続けるためにエネルギーの連続供給を必要とし得ない双安定アクチュエータアセンブリに関する。
【００１３】
本発明の実施形態は、電気的、光学的、熱的、化学的、吸収により、または他の手段によって駆動されたとき、ねじり及び／または引張作動を生成する、撚紡績ナノ繊維糸及び撚り高分子繊維を含む、アクチュエータ材料または人工筋肉を含む。本発明の実施形態は、非コイル状またはコイル状の糸または高分子繊維を利用するアクチュエータを含み、ニートであり得るかゲストを含み得る。「人工筋繊維」という用語は、本明細書では、ナノ繊維糸及び撚り高分子繊維、または作動を実施するナノ繊維糸及び撚り高分子繊維の集合（束）を説明するために汎用的に使用される。
【００１４】
本発明の１つまたは複数の実施形態は、固体ゲスト材料を糸に取り入れて、引張及びねじり作動を生じる容積変化を生成することによって、電解質、特定の対電極、及び／または特別なパッケージ化の必要性を排除し得る。本明細書で使用される場合、「引張作動」という用語は、作動ステップの間にアクチュエータが長さ方向に伸長するか収縮するかに関わらず、アクチュエータの長さ方向における作動を意味する。例えば、ハイブリッドナノチューブアクチュエータでは、撚紡績ナノチューブは、作動中のゲストを固体状態と溶融状態の両方に閉じ込め得て、ねじり作動及び高められた引張作動を可能にする機械的強度及び螺旋形の幾何学形状を提供する。糸アクチュエータ構造は、ねじりまたは引張動作のいずれかを最大にするように設計され得る。可逆的作動は、本発明の１つまたは複数の実施形態に従って、電気的、光学的、または化学的に駆動され得る。
【００１５】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、作動要素としてニートまたは撚紡績ナノチューブ糸を実証し、電解質または対電極を必要とせずに低電圧で動作し、電気的、化学的、及び光学的に駆動され得て、及び／または他のいかなる高仕事容量アクチュエータも耐えることができない極端な温度で、重荷重を持ち上げる一方で、７．３％の引張収縮を提供する、高サイクル寿命、大ストローク、ならびに高速のねじり及び引張アクチュエータを提供し得る。
【００１６】
本発明の実施形態は、白熱温度まで電熱的に加熱されたニートな撚紡績ナノチューブ糸のねじり及び引張作動を提供し得る。
【００１７】
１つまたは複数の実施形態では、アクチュエータの性能を高めるために複雑なコイル状の繊維の幾何学形状を使用し得る。いくつかの実施形態では、高い熱安定性、転移幅及び温度の同調性、相転移及び熱膨張に関連付けされる容量変化の大きさ、及びカーボンナノチューブを湿潤させるそれらの能力のため、カーボンナノチューブ糸のプロトタイプゲストとしてパラフィンワックスを使用し得る。
【００１８】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、撚り挿入及び任意に繊維をコイル状にすることは、ねじり作動、引張作動、またはそれらの組み合わせを提供する高性能アクチュエータを得るために、通常の高分子繊維、例えば、釣り糸及び縫い糸に使用される高強度ポリエチレン及びナイロンに適用され得る。いくつかの実施形態では、電気化学的プロセスが作動のために必要とされないため、電解質、対電極、及び特別なパッケージ化の必要性を排除し得て、可逆的作動は、撚り及びコイル状の高分子繊維に対して電気的、光学的、熱的、または化学的に駆動され得る。
【００１９】
コスト及び性能の両方が、本発明の１つまたは複数の実施形態による、撚り及びコイル状の高分子繊維に大きな利点を提供する。高分子アクチュエータの前駆体として市販されている高分子繊維は、比較的安価である。市販の繊維をアクチュエータに変換するために必要なプロセス（導体の撚り挿入及び任意の組み込み）もまた、本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、安価である。
【００２０】
電気的、化学的、及び光学的に駆動される糸ゲストの寸法変化によるハイブリッド糸の作動は、本発明の１つまたは複数の実施形態による螺旋形の糸ホストのねじり回転及び収縮を生成する。
【００２１】
本発明の１つまたは複数の実施形態は、撚紡績ナノ繊維糸を含む。本開示の目的のために、「ナノ繊維」は、１０００ｎｍ未満の最小側部を有する繊維として定義される。主に１００ｎｍ未満または１０ｎｍ未満のナノ繊維の最小横方向寸法を有する、電気的に相互接続されるナノ繊維のネットワークは、特に異なる実施形態に有用であり得る。ナノリボンは、特定の種類のナノ繊維であるとみなされ得る。
【００２２】
本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、アクチュエータ材料は、糸の形態であるか、織布または編組または諸撚り撚紡績糸などの撚紡績ナノ繊維糸を含む材料の形態である、撚紡績ナノ繊維のネットワークを含む。様々なナノ繊維及びナノ繊維の合成及び製造プロセスは、異なるナノ繊維タイプの混合物及びナノ繊維と他の材料との混合物であり得るように、使用することができる。一例として、特にハイブリッド作動糸の場合、静電紡績によって生成される配向されたナノ繊維は、静電紡績中または静電紡績後に、糸に撚紡績し得る。別の例として、フォレストから引き出したカーボンナノチューブシート中のナノチューブは、テンプレート（セラミックまたは金属など）として別の材料で被覆し得て、次いで、作動糸を作製するため撚紡績し得る（ハイブリッド作動糸を作製するために、ゲストを浸透させ得る）。意図されたアクチュエータの展開に応じて、このプロセスのナノチューブテンプレートは、随意に、撚紡績の前またはその後に除去することができる。
【００２３】
本発明の実施形態は、一般に、人工筋肉アクチュエータを使用して、軸を中心にして装置／物体を回転させるための装置に関する。装置は、人工筋肉の制御された加熱によって人工筋肉に取り付けられた装置／物体の回転速度を正確に制御し得る。
【００２４】
本発明の実施形態は、人工筋肉によって懸架された装置／物体を取り付けし得るパドルを含む。人工筋肉は、熱を加えると回転し、人工筋肉を構成する個々の筋肉の周囲に巻かれた小さなワイヤによって提供され得る。例えば、電流がワイヤを通過し、ワイヤの抵抗によりワイヤが加熱され得る。パドルの角回転の速度は、銅線に供給される電流を変化させ、それによって人工筋肉に提供される熱を変化させることによって制御し得る。他の実施形態では、筋肉は導電性材料から構成され得て、電力は人工筋肉内の導電性材料を介して直接印加され得る。
【００２５】
本発明の実施形態は、パドルを任意の所望の速度で回転させるように設計され得て、パドルは一定に保たれることが望まれ得るか、時間とともに変化し得る。実施形態は、装置／物体が取り付けられるパドルの角回転速度を感知し得る電子機器を組み込んだ装置も含む。これらの電子機器は、角度回転の速度も自動的に調整し得る。
【００２６】
本発明の実施形態は、装置／物体が取り付けられるパドルの動きを制限する機構を組み込み得る。このような実施形態は、一定範囲の動きを提供し得る。加えて、パドルが回転する角度のセットは、装置のいずれかの端部の端子を手動で回転させることによって制御し得る。端子は、モーターまたは他の人工筋繊維などの他の手段によって回転させ得る。
【００２７】
本発明の実施形態は、製造コスト、静寂性、制御、簡易性、置換能、洗練されたデザイン、及び大量生産の容易性の点で利点を提供し得る。本発明の実施形態は、本明細書に開示された、いくつかの利点を追加して、上述したモーターに比べて優れている利点のすべてを有し得る。
【００２８】
図１は、本発明の１つまたは複数の実施形態によるアクチュエータ装置を示す。これらの実施形態は、少なくとも２つのセグメントの間に配置された荷重を有するアクチュエータ材料の２つのセグメントを含む双安定アクチュエータを含む。図１Ａでは、パドル１０６は荷重であり、パドル１０６が安定位置にあって、第１のセグメント１０２及び第２のセグメント１０４が非作動状態にある。図１に示すように、第１のセグメント１０２の一端部は第１の末端部１０８に固定され得て、第２のセグメント１０４の一端部は第２の末端部１１０に固定される。
【００２９】
作動中、図１Ｂに示すように、第１のセグメント１０２は、パドル１０６を移動（回転）させる作動エネルギーを供給することによって作動する。
【００３０】
この構成では、第１のセグメント１０２は解撚され、第２のセグメント１０４は撚り上がる。図１Ｃでは、パドル１０６は、所望の位置に達する。次いで、図１Ｄでは、前部セグメント１０２は、作動エネルギーを除去することによって停止され、第２のセグメント１０４は、作動エネルギーを供給することによって短時間で作動し、この作動により、第２のセグメント１０４は変形しパドル上のトルクを失う。これにより、図１Ｅに示すように、パドル１０６が第２の安定状態になる。
【００３１】
具体例として、図１に開示された実施形態では、本発明の１つまたは複数の実施形態に従って、装置に電気的に作動エネルギーを供給するために１５Ｖ、６０ｍＡの電流を用い得る。この例では、パドルの重量は５０ｍｇであり、作動セグメントの重量は３．７ｍｇである。
【００３２】
当業者であれば、本発明の実施形態から利益を得ることができる出願件数を理解するであろう。本発明の１つまたは複数の実施形態は、住宅または建造物のシャッター及び／またはブラインド制御に使用され得る。例えば、本発明の１つまたは複数の実施形態は、直射日光の存在が作動材料を加熱してブラインドを調整する自動ブラインドシステムに使用し得る。そのような用途は、効率的な集光のために太陽電池パネルを方向付けるためにも使用され得る。
【００３３】
本発明の１つまたは複数の実施形態を使用して、バルブ制御によって通気口を通る空気流を方向付けるためにも使用し得る。作動に伴う騒音がないことは、本発明の１つまたは複数の実施形態を望ましいものにし得る。さらに、本発明の１つまたは複数の実施形態は、様々なトリガーイベントに基づいて、住宅及び器具のドア、ふた、またはハッチを開くために使用され得る。
【００３４】
本発明の１つまたは複数の実施形態は、追加のセンサー、例えば、動き、煙、または一酸化炭素検出器と協働するように設計し得て、そのようなセンサーに応答して作動するように設計され得る。
【００３５】
図１で説明した実施形態では、パドル１０６は、平面が第１のセグメント１０２及び第２のセグメント１０４に対して垂直である平面形状で示されているが、これらの実施形態はそのように限定されない。例えば、パドルは、第１のセグメント及び第２のセグメントと平行に、または同じ方向に配向された平面を有し得る。そのような実施形態では、パドルは、装置の作動によってパドルの表面が傾斜及び／または回転する取り付け面として機能し得る。
【００３６】
図２は、本発明の１つまたは複数の実施形態に従って、図１で説明したアクチュエータを製造する方法を示すフローチャートである。まず、米国特許出願第１４／６１０，９０５号に記載されているようにアクチュエータ材料を製造する。例えば、ステップ２０２では、ナノ繊維糸が撚られ、ナノ繊維糸は、ナノ繊維と、容積の実質的変化を受けるように動作可能な作動材料とを含む。次いで、ステップ２０４では、ナノ繊維糸は、ナノ繊維及びアクチュエータ材料を熱アニールすることによってセットされる。
【００３７】
ステップ２０６では、ナノ繊維糸は第１及び第２の作動セグメントに切り分けられる。ステップ２０８では、第１の作動セグメントの一端部は、第１の末端部に固定される。ステップ２１０では、パドルは、第１の作動セグメントのもう一方の端部及び第２の作動セグメントの一端部に配置される。パドルは、任意の周知の手段、例えば、エポキシ樹脂によって配置し得る。第２の作動セグメントのもう一方の端部は、ステップ２１２では第２の末端部に固定される。
【００３８】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、アクチュエータ材料を用いてナノ繊維糸に加熱設備を組み込み得る。例えば、導電性ワイヤをアクチュエータ材料の周囲に巻き付けるか、アクチュエータ材料に被覆を施し得る。導電性材料を組み込むことによって、作動材料は、印加された電流を用いて加熱され得る。供給される熱は、作動エネルギーとして使用される。熱処理のための加熱設備の組み込みは、ナノ繊維糸を第１及び第２の作動セグメントに切り分ける前に行い得る。
【００３９】
さらに、本発明の１つまたは複数の実施形態では、第１及び第２の独立した電気的接続部は、それぞれ第１及び第２の作動セグメントに設置し得る。これは、作動装置への３つの電気的接続部、第１及び第２の作動セグメントの各々への２つの接続部、及び、例えば、パドルでの両方への１つの接続部によって設置され得る。
【００４０】
当業者であれば、この開示の観点から、作動の大きさ及び特性は、作動材料の特性によって決定されることを理解するであろう。例えば、第１のセグメントの幅及び長さは、パドル上のトルク量を決定するのに役立つ。
【００４１】
例えば、図２に記載されているように、厚さ０．８６ｍｍのナイロン６撚モノフィラメントを製造し得る。このようなアクチュエータは、コイル状に巻いた先端まで１Ｋｇの重さで８０１ｂの定格のナイロンモノフィラメント釣り糸を撚ることによって製造し得る。次いで、繊維を強固につなぎ、繊維を撚って固定するために１５０Ｃで１０分間処理し得る。４０ＡＷＧ銅線を導電性材料として使用し得る。撚り繊維は、銅線ワイヤとの間に０．２ｍｍの隙間を空けて巻き付け得る。平らなステンレスワイヤは、アクチュエータセグメントを基板（末端部）及びパドルに取り付けるために使用し得る。平らなステンレスワイヤは、機械的及び電気的接続部を提供するために、撚り及び銅で巻き付けられた繊維の周囲を圧縮し得る。
【００４２】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、パドル運動は、運動範囲及び運動速度に関して制御され得る。本明細書で開示される実施形態では、運動範囲は、機械的停止または電気的停止を使用して制御し得る。例えば、図３に記載されたような振動運動の場合、人工筋肉は、曲線３１２で示される運動で振動するように設計され得る。所望の停止は、線３１４、３１６によって示されるように設計され得る。停止３１４、３１６は、本明細書の実施形態に従って、本質的に機械的または電気的であり得る。例えば、装置は、図１に示すように環境がパドルの運動を制限するように配置され得る。他の実施形態では、パドルの運動を停止させるために、単純な機械的停止部を配置し得る。
【００４３】
図４は、上述したような電気的停止部のための構成を示す。図４では、パドル４０６の平面は、人工筋繊維４０２に平行であり、所望の運動範囲は線４１２によって示される。これらの実施形態は、ピン、ロッド、フォイル、紙、テープ、及び／または織物などの導電性材料４１４を含む。これらの実施形態は、人工筋肉束４０２の表面に接続されるか、または人工筋肉４０２に含まれる導電性材料に接続される導電線４１６も含む。そのような実施形態では、パドル運動４１２は、電源（図示せず）によって制御され得る。例えば、導電線４１６が導電性材料４１４と電気的に接触したときに、電気的な接触が動作を停止させるように設計され得る。１つまたは複数の実施形態では、電気的な接触があるときに、筋肉が方向を変え、行き過ぎることなく反対方向に動くように、装置を設計し得る。１つまたは複数の実施形態では、フィードバックループを使用して、パドルの位置を監視し、（必要に応じて）補償し得る。
【００４４】
図５は、本明細書に開示された１つまたは複数の実施形態による構成を示す。図５で開示された実施形態は、第１の人工筋繊維束５０２及び第２の人工筋繊維束５０４を含む。人工筋繊維５０２、５０４は、互いに直接接触せず、その代わりに、２つの筋肉を機械的に接続するが、それらの電気的分離を維持する材料片が存在し得る。いくつかの実施形態では、材料片はパドル５０６であり得るが、実施形態はそのように限定されない。図５に示すように、電力は、端子５２０、５２２を介して供給される。電流は、人工筋肉を通って、反対側に接地された単一の接地端子５２４に移動する。
【００４５】
図５で説明した実施形態では、電流が端子５２０を通過することで人工筋肉５０２が回転し、パドル５０６を回転させる。パドルが所望の角回転の終わりに達した後、人工筋肉５０２は停止し、人工筋肉５０４は端子５２２を介して作動し、反対方向の回転を開始する。
【００４６】
図６は、本明細書で開示される１つまたは複数の実施形態による別の構成を示す。図６で開示された実施形態は、第１の人工筋繊維束６０２及び第２の人工筋繊維束６０４を含む。人工筋繊維６０２、６０４は、互いに直接接触する。２つの筋肉を機械的に接続する１つの材料片があり得る。先の実施形態と同様に、材料片はパドル６０６であり得るが、実施形態はそのように限定されない。図６に示すように、端子６２０、６２２を介して電力が供給され、端子６２６、６２８はそれぞれ接地され、切断可能である。
【００４７】
図６に記載の実施形態では、端子６２８が接地から切断され、人工筋繊維束６０４の接地がオフになる。電流が、人工筋繊維束６０２に通過することで、人工筋繊維束６０２が回転し、パドル６０６を回転させる。パドル６０６が所望の角度回転の終わりに達した後、端子接続部６２６は停止するか、または接地が切断される。次いで、人工筋繊維束６０４が作動し、反対方向の回転を開始する。人工筋繊維束６０４は、端子６２８を接地し、端子６２２に電流を供給することによって作動する。
【００４８】
図６の実施形態は、人工筋繊維束を分離するために多くの絶縁体を必要としないという利点を有し得るが、これらの実施形態は、作動することが望まれる人工筋繊維の反対側の人工筋繊維への電流漏れの原因となる電子機器を必要とする場合がある。
【００４９】
両方の端子６２６、６２８が接地されている場合、人工筋肉繊維束６０２を作動するために端子６２０を介して供給される電流は人工筋繊維束６０４にも漏れる。この反対側の筋肉の作動は、反対側の筋肉が作動した筋肉の運動に直接対抗するため、プロセス全体の効率が５０％低下する場合がある。したがって、端子６２６、６２８は、別個に接地する必要がある。１つまたは複数の実施形態では、これは、電子スイッチの使用によって達成され得る。
【００５０】
本明細書で開示される実施形態は、制御された角回転速度を有し得る。１つまたは複数の実施形態では、印加電圧は、安定した角回転速度を提供するように変更される。電圧の変化は、電流の流れ、すなわち、人工筋肉を作動させるために発生する熱に影響を及ぼす。１つまたは複数の実施形態では、高周波数で電圧を変調するパルス幅変調（ＰＷＭ）が、矩形変調波間の山と谷が平均して所望の値になるように使用される。矩形波の幅を制御することによって、平均印加電流を制御し、筋肉を所望の速度で加熱し得る。加熱速度を一定にすると、回転速度も一定になる。
【００５１】
例えば、図７に示すように、印加電圧７３０は、印加電圧７３０の平均電圧７３２が、人工筋肉アクチュエータを作動させるために必要な電圧であるように矩形変調電圧であり得る。変調のパルス幅及び周波数は、アクチュエータの一定の回転速度をもたらす一定の加熱速度を提供する。例えば、電圧は、９００〜１０００Ｈｚの周波数で変調された１２Ｖであり得る。より具体的には、電圧は９８０Ｈｚで変調され得る。変調の幅は、人工筋繊維の荷重、周囲温度、人工筋繊維の内部抵抗などによって、１０％〜５０％まで変化し得る。
【００５２】
図８は、本発明の１つまたは複数の実施形態による装置を示す。図８で説明した実施形態は、回転台８０６（例えば、パドルまたはガイドプレート）、第１の人工筋肉束８０２、及び第２の人工筋肉束８０４を含む。第１の人工束８０２は、端子８２０と共通端子８２４との間に電気的に接続され、第２の人工筋肉束は、端子８２２と共通端子８２４との間に電気的に接続される。回転台８０６は、共通端子８２４に配置される。これらの実施形態では、第１及び第２の人工筋肉８０２、８０４は、装置の様々なポイントで結合された１つまたは複数の人工筋繊維または人工筋繊維束を含み得る。これらの実施形態は、ガイドベアリング８３４も含み得る。回転台８０６に安定性を与えるために、ガイドベアリング８３４を筋肉の周囲に付加し得る。ガイドベアリング８３４は、パドルに取り付けられ、人工筋肉束がガイドベアリング８３４の内部で自由に回転することを可能にし得る。図８で説明した実施形態は、センサー装置８３６も含み得る。センサー装置８３６は、回転台８０６の角度を検出するために設けられている。
【００５３】
前述の実施形態のように、実施形態は、加熱によって各人工筋肉を回転させることを含む。これらの筋肉の中には、筋肉繊維の周囲の薄い導電層／ワイヤ／要素及び／または加熱要素を通過する電流からの抵抗によって熱が提供されるものもある。束内の他の人工筋肉には、導電性材料が巻き付けられていない場合があり、したがって、これらの人工筋肉は、電気的に導通された隣接する筋肉から熱を吸収することによって熱を得る。角回転の速度は、導電層に供給される電流を変化させ、それによって人工筋肉に提供される熱を変化させることによって制御し得る。あるいは、人工筋肉のすべてが導電性材料を含み得て、電気がそれらを介して直接印加され得る。
【００５４】
図８で説明した実施形態では、装置の中央の共通接地端子８２４を介して端子８２０にわたって電圧が印加される。これにより、電圧が印加された第１の人工筋肉束８０２が加熱され作動することで、回転台８０６が回転する。所望の角度に達すると、電圧が端子８２０から除去され、電圧が端子８２２に印加されて、その結果、第２の人工筋肉束８０４が作動する。第２の人工筋肉束８０４は、作動すると、回転台８０６を反対方向に回転させる。
【００５５】
上述したように、印加電圧は、筋肉に流れる電流の有効量を制御するように変化させ得る。上述のパルス幅変調（ＰＷＭ）は、特定の電圧のみが利用可能である状況において特に有用であり得る。角回転速度は、一定の速度を有するように設定され得て、または特定の用途の要求に基づいて変化するように設定され得る。
【００５６】
これらの実施形態では、装置は、第１または第２の人工筋肉束のうちの１つが加熱されて回転台８０６が所定位置にロックされる、双安定人工筋肉として機能し得る。これは、電力を消費することなく、回転台８０６の回転を停止させる必要がある状況に特に有用であり得る。
【００５７】
図９は、本発明の１つまたは複数の実施形態によるセンサー装置の実施形態を示す。センサー装置９３６は、パドル９０６に取り付けられ、人工筋繊維９０２を囲み得るエンコーダ９３８を含む。エンコーダ９３８は、穴９４０を含み得る。センサー９４２は、穴９４０を使用してエンコーダ９３８の位置を検出するために使用される。したがって、パドル９０６の角度位置を決定し得る。
【００５８】
他の実施形態では、パドルの位置は、撚り時のアクチュエータの撚りの度合の変化による人工筋繊維の内部抵抗の変動によって決定され得る。
【００５９】
本明細書で開示される実施形態は、二次元角回転のためのアクチュエータ装置を含み、パドルが円形の角度をつけて回転する能力を提供する。例えば、図６に開示された実施形態は、図６に示す人工筋繊維に対して本質的に垂直な付加の人工筋繊維束を含むように変更され得る。そのような実施形態では、絶縁材料の交互の層が、筋肉が電気的に接触するのを防ぐために使用され得る。パドルは、パドルが回転したときに、パドル端部と筋繊維との間の望ましくない接触を防止するように設計され得る。すなわち、パドルは、作動している筋肉に対して垂直な人工筋肉にパドル端部が接触しないように設計し得る。
【００６０】
本明細書に開示された実施形態では、人工筋繊維を様々な方法で取り付けて接続し得る。例えば、導電接続のために、ステンレス、銅、黄銅または他の可鍛性の平坦な金属を使用して、筋肉をしっかり固定（クランプ）し、電流を伝導させ得る。いくつかの実施形態では、金属管を使用し得る。人工筋繊維は、金属管に挿入され、筋肉または束の周囲で圧縮され得る。他の実施形態では、導電性エポキシ樹脂を使用し得る。
【００６１】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、その強度、導電性、及び機械的強度のために、本発明の１つまたは複数の実施形態による作動材料に使用し得る。ＣＮＴの有用なタイプには、カーボン多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）、カーボン数層ナノチューブ（ＦＷＮＴ）、及びカーボン単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）が含まれる。このようなＳＷＮＴ及びＦＷＮＴは、ナノチューブの直径が、ＳＷＮＴまたはＦＷＮＴをリボンに縮めさせるのに十分大きい場合でも有用であり得る。
【００６２】
グラフェンシートのナノリボンを含む撚紡績ナノ繊維糸は、本発明の１つまたは複数の実施形態に従って使用し得る。これらのグラフェンリボンを高アスペクト比のナノ繊維として作製するための１つの方法は、カーボンナノチューブを解体することである。この解体プロセスは、ＣＮＴ配列（ＣＮＴシートなど）が糸に撚紡績される前または後に達成し得る。
【００６３】
固体状態及び液体状態の両方の処理方法は、本発明の１つまたは複数の実施形態に従って、撚りナノ繊維糸を生成するために使用し得る。有用な溶液紡績法のいくつかの例は、高分子凝固剤に基づく紡績法及び高分子凝固剤を含まない溶液に基づく紡績法である。撚りナノ繊維糸を提供するために、糸の溶液紡績中またはその後に糸撚りを挿入する必要がある。
【００６４】
１つまたは複数の実施形態によれば、溶液紡績の後に糸の中に残留する凝固剤（高分子など）を用いる溶液紡績の場合、一般に、これらの糸を使用して撚紡績糸を作製する前に、これらの凝固剤を除去することが有用である。
【００６５】
紡績糸を作製するための溶液紡績を使用する際のこれらの複雑さ、ならびに溶液紡績のためのＣＮＴ分散中のＣＮＴ長さの低下のため、紡績に適したナノチューブアセンブリを直接もたらす、化学気相成長法を１つまたは複数の実施形態で使用し得る。液体中のＣＮＴの分散を含まないそのような紡績方法は、液体が処理中または処理後に展開されるかどうかに関わらず、固体状態紡績と称される。結果として生じる糸は、全般的に、溶液紡績によって得られるニートな糸よりも強くなり得て、より高い撚り挿入に適応することができる。
【００６６】
そのような固体状態の紡糸方法の１つは、浮遊触媒を用いたナノチューブの化学気相堆積（ＣＶＤ）合成を含み、及びその後の糸の引き出し、収集したＣＮＴエアロゲルへの撚り挿入を含む。他の撚りに基づく紡績法は、ＣＶＤによって基材上に合成されたナノチューブフォレストから引き出されたナノチューブエアロゲルシートへの撚り挿入を含む。このような撚り挿入は、ＣＮＴフォレストからのシートの引き出し中、またはＣＮＴフォレストからシートまたはシートスタックを引き出した後に行うことができる。
【００６７】
アクチュエータセグメントの１つまたは複数の実施形態は、以下の方法を用いて撚紡績された非コイル状及びコイル状のＣＮＴ糸を作製するように製造され得る。撚紡績を生成するための引き出し可能なカーボンＭＷＮＴフォレストは、カーボン前駆体としてアセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスを使用して、鉄触媒によって被覆したシリコーンウエハ上に化学蒸着によって成長させた。高さおよそ３５０μｍのフォレストの透過及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像は、ＭＷＮＴがおよそ９ｎｍの外径を有し、約６つの層を含み、また、大きい束を形成し得ることを示す。熱重量分析は、引き出したナノチューブの不燃性材料の量が１重量％未満であり、残留する触媒の量に上限を設け得ることを示す。
【００６８】
撚り挿入は、３つの異なるスクロール幾何学形状、すなわち、フェルマー、アルキメデス、及び二重アルキメデスをもたらす小径及び大径の糸を作製し得る。小径の糸は、フォレストからのシートの引き出し中に対称形の撚り挿入によって作製し得るか、またはフォレストと１つの剛性端部支持体もしくは２つの剛性端部支持体との間に懸架される予め引き出したナノチューブシートに作製し得る。端部拘束の違いにより、これらの方法は、フォレストに連結されたシートの前者の場合には、フェルマースクロールを提供し、２つの剛性ロッド支持体を使用する後者の場合には、二重アルキメデススクロールを提供し得る。糸の直径は、引き出したフォレストの幅を約０．５ｃｍ〜約５ｃｍで変化させることによって、約１０μｍ〜約３０μｍに変動させ得る。さらに大きい直径の二重アルキメデス糸は、剛性ロッド間で２０〜４０枚のＭＷＮＴシート（幅１．０ｃｍ〜２．５ｃｍ及び長さ５〜１７ｃｍ）を積み重ね、電気モーターを使用して撚りを挿入し、一方で、シートスタックの一端部が、回転を制止するためにつないだ５ｇの錘を支持することによって製作し得る。１つまたは複数の実施形態では、５ｃｍの長さの３０枚のシートを、二重アルキメデス構造を有する４．５ｃｍの長さの糸に縮めさせるために、約１５０ターンが必要である。撚り挿入中の非対称応力の導入は、そのようなフェルマー糸及び二重アルキメデス糸をアルキメデス糸に変換し得る。
【００６９】
１つまたは複数の実施形態によれば、フォレストからのシート引き出し中に直接紡績されたフェルマー糸は、浸漬駆動によるねじり作動、ポリジアセチレンハイブリッド糸アクチュエータ、２本諸撚り糸アクチュエータ、及び非諸撚りワックス充填ねじりアクチュエータに使用され得る。このようなフェルマー糸は、フォレストからある長さのナノチューブシートを引き出し、次いで、モーター及び剛性支持体を介して、シートの一端部に撚りを挿入し、もう一方の端部をＭＷＮＴフォレストから自由に引き出すことを可能にすることによって製作し得る。特に記載のない限り、挿入された撚りは、最終的な糸の長さに対して正規化され得る。他の例では、ほとんどの場合、二重アルキメデス糸を形成するために、撚りがシートスタックに挿入され、撚りは、シートスタックの長さに正規化し得る。
【００７０】
撚り挿入の方向に従って、糸はＳ糸またはＺ糸（それぞれ、時計回り及び反時計回りの撚り挿入用）に分類し得る。糸のすべてのセグメントが対応する構造レベルで同じキラリティを有する場合、その糸は、ホモキラルと呼ばれ得る。これは、例えば、ＳＺ２本諸撚り糸（諸撚りによるＳ撚り及び各諸撚り内のＺ撚りを伴う）がホモキラルであることを意味する。糸が同じ構造レベルで異なるキラリティを有するセグメントを有する場合、その糸は、ヘテロキラルと呼ばれる。ヘテロキラル糸について、異なるキラリティの糸セグメントは、本質的に互いに鏡像であり得る。
【００７１】
現在、使用されている「挿入された撚り」という用語（あるときには、連結数と呼ばれる）は、内部の糸の撚り及びコイル化による撚りの合計である。他の構造用語と同様に、「糸の直径」は、それがコイル状のまたは諸撚りした構造内にあり、それによって、「コイル状の糸の直径」または「諸撚りした糸の直径」と区別されるときであっても、構成要素の糸の直径を指す。
【００７２】
撚り掛けＭＷＮＴ糸は、通常の織物糸、ゴムバンド、及びＤＮＡ分子に関して、（「よじれ」と呼ばれ得る）コイル化を引き起こす。そのようなコイル化、ならびに諸撚糸におけるコイル化は、コイル化していない糸と比較して、引張ストローク及び仕事能力を飛躍的に増幅させるために使用され得る。コイル状糸は、糸がその元の長さの３０〜４０％に収縮するまで追加的な撚りを挿入することによって、定荷重下で、非コイル状の撚紡績糸から製作し得る。幅９ｍｍ、長さ１５ｃｍの４０枚のシートのスタックにおける撚り挿入によって、４ｇの荷重下で作製した二重アルキメデス糸について、コイル化は、およそ５８０ターンで始まり、およそ６２０ターンの後に糸は完全にコイル化し得る。完全なコイル化までの撚り挿入により、糸の長さの６０％の収縮を生成し得る。
【００７３】
コイル状糸という用語は、本明細書で、全般的に、このコイル化が単純な糸の撚り掛けまたは糸の諸撚りのようなプロセスの結果であるかどうかに関わらず、いくつかの糸の部分において少なくともほぼ螺旋形状を有する糸を指す。
【００７４】
用途の必要性に応じて、撚紡績ナノ繊維糸の製作に使用されるナノ繊維シートは、随意に、撚り挿入前に高密度化し得る。さらに、撚紡績によって生成されるナノ繊維糸は、随意に、撚り挿入後またはその間に高密度化することができる。シートの高密度化を引き起こすための特に好都合な方法は、液体浸透及びその後の液体蒸発のプロセスによる表面張力効果を使用することによるものである。
【００７５】
ナノ繊維、特に高分子ナノ繊維の電気紡績は、本発明の１つまたは複数の実施形態によるハイブリッド糸アクチュエータのための有用なホストを提供する撚紡績ナノ繊維糸への有用な代替の道筋を提供し得る。一実施形態では、ナノ繊維は、周知の電気紡績方法を使用して、ナノ繊維の配向シートに最初に電気紡績され得る。カーボンナノチューブシートと同様に、そのようなナノ繊維シートを糸に撚紡績することができる。カーボンナノチューブアクチュエータに使用されるゲストは、撚紡績前にシート上にゲストを蒸着させることによって、または撚紡績後にゲストを組み込むことによって、ホスト糸内に提供することができる。
【００７６】
１つまたは複数の実施形態に従って、紡績中に撚りを糸に導入するために、種々の周知の撚り挿入方法を使用し得る。そのような方法としては、限定されないが、リング紡績、ミュール紡績、キャップ紡績、オープンエンド紡績、ボルテックス紡績、及び疑似撚紡績技術が含まれる。
【００７７】
ナノ繊維を含む撚紡績糸は、選択された実施形態に特に有用であり得る。発生した巨大な界面エネルギーは、ハイブリッド糸アクチュエータにおける溶融ゲストの好都合な閉じ込めを可能にし得る。例えば、作動ワックスを充填した糸の中の溶融ワックスは、冷却されたときに微小な容積が減少し得る。糸の容積が減少することなくこのワックスの容積の変化が起こった場合、ナノチューブ−パラフィンの界面エネルギーは、ナノチューブの重量表面積のエネルギーコストで、ナノチューブ−空気の界面エネルギーに置き換えられる。加熱及び対応するワックスの膨張によるその後の糸の作動中に、この糸の弾性エネルギーが段階的に放出され、それによって、作動サイクル全体にわたって溶融ワックスと糸の容積との間の一致を維持し得る。したがって、糸表面上の過剰なワックス、ならびにワックスの蒸発は、引張ストロークを減少させ得る。
【００７８】
超大径及び超小径のナノ繊維撚糸は、本発明の実施形態によれば、どちらも使用し得る。しかしながら、ナノ繊維糸の荷重担持能力は、全般的に、糸の直径の増加とともに増加する。直径約４μｍ〜約５０μｍの単一諸撚りカーボンナノチューブ糸は、高さ約４００μｍのカーボンナノチューブフォレストから直接撚紡績することができ、フォレスト高さの増加及びフォレスト密度の増加は、所与の幅のフォレストを紡績することによって得ることができる糸の直径を増加させる。高さ約４００μｍのカーボンナノチューブフォレストからのシートは、直径数百ミクロンの単一諸撚り糸を生成するために、予め引き出し、スタックし、次いで、撚紡績し得る。これらの直径は、撚りの挿入前に、糸を諸撚りすることによって、及びゲストを組み込むことによって飛躍的に増加させ得る。
【００７９】
特殊な手法を使用することによって、直径約１００ｎｍまでのカーボンナノチューブ糸を、カーボンナノチューブフォレストから撚紡績し得る。ミクロンスケール及びより小さいスケールの用途については、２本のナノワイヤの自己撚りで、ナノスケールの諸撚糸構造を生成し得る。
【００８０】
本発明の実施形態は、ハイブリッド糸の構造を安定させるために、それによって、その後の２００万を超えることもある可逆的な作動サイクルの評価中の、高度に可逆的な動作を可能にするために、少なくとも３０の初期トレーニングサイクルを受け得る。
【００８１】
１つまたは複数の実施形態に従って、ゲスト作動材料をホスト糸に組み込むための方法には、例えば、溶融及び溶液浸透（その後にｉｎ−ｓｉｔｕ重合を行うことができる）、ならびにバイスクローリングが含まれ、ゲストは、撚り挿入前にＭＷＮＴシート上に蒸着される。パラフィンワックスは、熱安定性の高さ、転移幅及び温度の同調性、相転移及び熱膨張に関連付けられる容積変化の大きさ、及びカーボンナノチューブ糸を湿潤させるそれらの能力のため、好適なゲストとして使用し得る。
【００８２】
電気泳動析出、ゲストナノ粒子を取り込むためにフィルタとしてナノチューブシートスタックを使用する溶液濾過に基づく蒸着、ドロップキャスティング、及びインクジェット印刷などの、液体状態及び疑似液体状態のゲスト蒸着も使用し得る。
【００８３】
１つまたは複数の実施形態では、熱的に、電熱的に、及び光熱的に駆動されるアクチュエータのための、容積が変化するゲストの選択は、固体状態の相転移、固体溶融相転移、及び相転移領域から除去される温度領域における固体状態及び液体状態の熱膨張係数による容積の変化に応じて行われ得る。パラフィンワックスは、温度、及び熱的な寸法変化の鋭さの双方が高度に調整可能であるという利点を提供し得る。さらに、これらのワックスは、非中毒性でもある。ポリエチレングリコール及び脂肪酸のような他の長鎖分子も、有用に展開することができる。これらの分子、及び熱エネルギー貯蔵のために展開可能である分子などは、相転移の高いエンタルピーが、通常、大きい容積変化と関連付けられるので、撚紡績アクチュエータにおけるゲストとして使用し得る。関連付けられる大きい容積変化を有することができる固体状態の転移によって無秩序な回転が導入されるので、有機回転子結晶（これらの長鎖分子のいくつかを分類し得る）が有用である。低揮発性のため、イオン結晶であるプラスチック結晶が特に有用であり得る。比較的低い温度での作動に関する１つの例は、テトラエチルアンモニウムジシアナミドであり、これは、１７〜２０℃で起こる固体状態の相転移で、急激な５．７％の容積膨張を受け得る。
【００８４】
ゲスト材料を液体の形態で調製し、後で固体化させることができる１つまたは複数の実施形態の用途では、依然として低い程度の挿入された撚りを有するときにナノ繊維糸を浸透させることが有用であり得る。これは、低撚ナノ繊維糸が撚り挿入によって依然として完全に高密度化されていないので、ナノ繊維間には比較的多量の空隙容積があり、好都合であり得る。この大きい空隙容積（総糸容積のパーセントとして測定したもの）は、糸ゲストの大きい体積パーセントの組み込みを可能にし、それによって、作動を増幅し得る。この低撚浸透法は、例えば、ナノ繊維撚糸に前駆体液体樹脂として吸収され、次いで、重合されるナノ繊維糸ゲストに、または溶融状態である間にナノ繊維撚糸に浸透され、次いで、固体化される高分子または高分子混合物に適用し得る。樹脂の硬化後または高分子の固体化後に、ゲストを充填した糸が依然として十分な柔軟性を保持している場合、該糸を完全にコイル状にするために、より多くの撚りを、得られたハイブリッド糸に適用し得る。ホストナノ繊維糸をコイル状にした後にゲスト材料が適用される場合、糸ではさらに少ない空隙しか利用することができなくなり、したがって、組み込むことができるゲスト材料がより少なくなる。９５％のシリコーンゴムを含有する二重アルキメデス糸は、このようにして調製し得る。１つまたは複数の実施形態では、シリコーンゴムは、熱、電熱、または光熱作動に対して大きい有効作動温度範囲（−５５℃〜３００℃）及び大きい直線的熱膨張（３×１０−４／Ｋ）を有するので、ハイブリッド糸に基づく引張アクチュエータに適したゲスト材料として使用し得る。この低撚浸透方法を使用して組み込むことができるゲスト材料の高い容積パーセントのため、非常に大きいアクチュエータストロークを取得し得る。この低撚浸透方法を使用することで、シリコーンゴムゲストを含有するコイル状カーボンナノチューブ糸の電気パルス加熱について、５ＭＰａの引張荷重下で最高３４％の引張収縮が取得され得る。
【００８５】
１つまたは複数の実施形態では、ハイブリッドナノ繊維糸アクチュエータは、随意に、（ａ）コイル化に必要とされるよりも少ない撚りを挿入し、（ｂ）溶融高分子または未硬化高分子樹脂を浸透させ、（ｃ）高分子を固体化するまたは高分子樹脂を硬化させ、（ｄ）糸のコイル化を引き起こすのに十分な撚りを挿入するプロセスによって作製し得る。実際に、溶融高分子または未硬化高分子樹脂を浸透させる前に挿入される撚りは、すべてまたは大部分を、例えば、一方向に撚り、次いで、反対方向に解撚することによって得られる、疑似撚りとすることができる。
【００８６】
糸セグメントの長さが等しく、荷重（または、パドル）の位置が糸の中央または糸の端部にあるという上の仮定は、上の考察に対するあらゆる不必要な複雑さを回避するために行ったものである。用途の必要性に応じて、荷重は、糸の中央にある必要はない。実際、図１に示すようないくつかの用途では、複数のパドルを糸長に沿って展開し得る。
【００８７】
加えて、非作動糸の長さは、多くの場合において、ねじり戻しばねとしての役割を果たし得るので、これらの非作動糸の長さは、ナノ繊維を含まない糸または繊維を含む、種々の材料で作製される、ねじり戻しばねと置き換えることができる。異なる糸セグメントが作動される事例について、これらの糸セグメントは、反対のキラリティを有する必要はなく、または同じ材料で作製する必要もない。
【００８８】
本発明の１つまたは複数の実施形態は、ねじり、熱駆動式アクチュエータの優れたエネルギー節約及び機械的複雑さの低減を有利に提供し得る。本発明の実施形態は、３安定状態以上に潜在的に拡張され得る。本発明の１つまたは複数の実施形態は、環境温度の変化に対して鈍感であり得る。
【００８９】
本発明の実施形態は、例えば、表面を吸収から反射に切り替える、熱調節における用途を有し得る。本発明の実施形態は、吸収を改善するために太陽光に対して太陽電池を調整するために使用され得る。本発明の実施形態は、例えば、疎水性表面から親水性表面に変化する、表面洗浄における用途も有し得る。本発明の実施形態は、軍事用途のための迷彩における用途も有し得る。当業者は、アクチュエータが多くの産業における用途を有し、装飾目的またはファッションに使用してもよいことを理解するであろう。
【００９０】
図８に関して説明したように、１つまたは複数の実施形態は、ガイドプレートタイプのパドルを含み得る。ガイドプレートタイプのパドルは、レーザー、光学検出器（カメラ、フォトダイオードなど）、及び／または他のタイプのセンサーなどの装置を指向させるために使用し得る。他の実施形態では、ガイドプレートタイプのパドルは、防壁として、例えば、空気または水の流れを方向付ける、または光を遮断する（すなわち、光源に対して陰影を提供する）ための出口のシャッターとして、それ自体を使用し得る。
【００９１】
さらに、当業者であれば、本発明は図面に示され明細書に記載された特定の例に限定されるものではないことを理解されたい。本発明を限定された数の実施形態に関して説明したが、本開示の利益を有する当業者は、他の実施形態が、本明細書に記載された本発明の範囲から逸脱しないように考案され得ることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【符号の説明】
【００９２】
１０２  第１のセグメント
１０４  第２のセグメント
１０６、４０６、５０６、６０６、９０６  パドル
１０８  第１の末端部
１１０  第２の末端部
４０２  人工筋繊維
４１２  パドル運動
４１４  導電性材料
４１６  導電線
５０２、６０２、８０２  第１の人工筋繊維束
５０４、６０４、８０４  第２の人工筋繊維束
５２０、５２２、６２０、６２２、６２６、６２８、８２０  端子
５２４  接地端子
７３０  印加電圧
７３２  平均電圧
８０６  回転台
８２４  共通端子
８３４  ガイドベアリング
８３６、９３６  センサー装置
９３８  エンコーダ
９４０  穴
９４２  センサー
【図１Ａ】
2019520522.tif 000003
【図１Ｂ】
2019520522.tif 000004
【図１Ｃ】
2019520522.tif 000005
【図１Ｄ】
2019520522.tif 000006
【図１Ｅ】
2019520522.tif 000007
【図２】
2019520522.tif 000008
【図３】
2019520522.tif 000009
【図４】
2019520522.tif 000010
【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９】
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【国際調査報告】
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