(57)【要約】  エレクトロポリマー関節運動内視鏡及び挿入方法が、本明細書に記載される。操作可能な内視鏡は、手動で又は選択的に操作可能な遠位部分及び自動的に制御される近位部分を備えたセグメント化された長い本体を有しており、エレクトロポリマー材料によって関節運動することができる。これらの材料は、電界等の刺激の存在下で機械的に収縮するか又は膨張するように構成される。内視鏡の隣接するセグメントは、エレクトロポリマー材料を使用して、内視鏡の一部に沿って外側周辺の近傍に又はそれのまわりに置かれるときに、材料のサイズ又は長さに相対的な差を誘発することによって、関節運動することができる。【選択図】図１０Ａ【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の選択的に制御可能なセグメントと、複数の自動的に制御可能なセグメントと、電子モーションコントローラと、前記電子モーションコントローラの制御下で前記セグメントの形状を変えるために各セグメントに接続されたプラスチックアクチュエータと、を有する器具を経路に沿って進める方法であって、
前記経路に沿ってカーブをとるように、選択的に制御可能なセグメントの形状を選択的に変えるステップであって、前記電子モーションコントローラを使用して前記選択的に制御可能なセグメントに連結された前記プラスチックアクチュエータを作動するステップと、
前記電子モーションコントローラを使用して、自動的に制御可能なセグメントに連結された前記プラスチックアクチュエータを自動的に変形し、前記経路に沿ったカーブをとるように前記自動的に制御可能なセグメントの形状を変えるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記プラスチックアクチュエータが、電気粘性プラスチックアクチュエータである、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記近位の自動的に制御可能なセグメントにおける前記プラスチックアクチュエータを自動的に制御しながら、前記器具を遠位に前進して、前記カーブを近位に伝播するステップを更に備える、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記セグメントにおける前記プラスチックアクチュエータを自動的に制御しながら、前記器具を近位に後退して、前記カーブを前記器具に沿って遠位に伝播するステップを更に備える、請求項１記載の方法。
【請求項５】
トランスデューサを使用して、前記前進を測定するステップを更に備える、請求項３記載の方法。
【請求項６】
トランスデューサを使用して、前記後退を測定するステップを更に備える、請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記器具を近位に前進し且つ／又は遠位に後退するときに、前記カーブが空間においてほぼ固定されたままであるように、前記セグメントの形状が、前記プラスチックアクチュエータの作動によって制御される、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記経路がチューブを横切る、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記チューブが身体の器官である、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記器具が内視鏡であり、前記路が患者の結腸に沿っている、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
複数の関節運動セグメントを備え、各セグメントの形状が、空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータの作動によって変えられる内視鏡。
【請求項１２】
各セグメントの形状が、二つ以上の空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータの協働作動によって変えられる、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項１３】
少なくとも一つの空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータが非活性である一方、少なくとも一つの空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータが作動される、請求項１２記載の内視鏡。
【請求項１４】
前記空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータが、クーロン力によって作動される、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項１５】
前記空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータが、電歪、静電気、圧電性及び強誘電性からなる群から選択された力によって作動される、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項１６】
前記空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータが、電子電気活性ポリマーとして分類される、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項１７】
各セグメントが、複数の空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータを更に備え、前記複数の電気活性ポリマーアクチュエータは、前記セグメントが前記セグメントの長手方向軸に対する軸に沿って曲がることができるように、構成される、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項１８】
各関節運動セグメントにおいて前記少なくとも一つの電気活性ポリマーアクチュエータを作動するように構成された電子モーションコントローラを更に備える、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項１９】
前記関節運動セグメントの一部における前記電気活性ポリマーアクチュエータが、カーブに従うように選択的に制御可能であり、前記関節運動セグメントの別の部分における電気活性ポリマーアクチュエータが、前記内視鏡が前記カーブを通って進む間に、前記自動的に制御可能な関節運動セグメントに沿って前記曲線を伝播するために前記電子モーションコントローラによって自動的に制御可能である、請求項１８記載の内視鏡。
【請求項２０】
二つの隣接する関節運動セグメントの間に接続される電気活性ポリマーアクチュエータを更に備え、前記電気活性ポリマーアクチュエータの作動が前記二つの隣接する関節運動セグメントの間の相対運動を生じる、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項２１】
前記電気活性ポリマーアクチュエータが、関節運動セグメントの周囲に配置されたリングである、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項２２】
前記電気活性ポリマーアクチュエータが、前記関節運動セグメントの周辺に配置される、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項２３】
三つの電気活性ポリマーアクチュエータが、関節運動セグメントのまわりで間隔を置いている、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項２４】
前記電気活性ポリマーアクチュエータが、均一に間隔を置いている、請求項２３記載の内視鏡。
【請求項２５】
前記電気活性ポリマーアクチュエータの前記電気活性ポリマーの膨張が、前記関節運動セグメントを曲げる、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項２６】
前記電気活性ポリマーアクチュエータの前記電気活性ポリマーの収縮が、前記関節運動セグメントを曲げる、請求項１１記載の内視鏡。
【請求項２７】
長い本体と、
作動されるときに前記長い本体の少なくとも一部を任意の位置で所望のカーブへと曲げる少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータと、
前記少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータを作動して前記長い本体の少なくとも一部を前記所望のカーブへと曲げ、且つ、前記長い本体の曲がっていない部分が前記位置を通るときに前記長い本体の曲がっていない部分に沿って前記所望のカーブを伝播するように構成された電子モーションコントローラと、
を備える内視鏡。
【請求項２８】
前記カーブが経路の一部である、請求項２７記載の内視鏡。
【請求項２９】
前記経路が管状経路である、請求項２８記載の内視鏡。
【請求項３０】
前記経路がヒトの体内にある、請求項２８又は２９に記載の内視鏡。
【請求項３１】
前記経路がヒトの結腸内にある、請求項２９記載の内視鏡。
【請求項３２】
前記長い本体が、複数のセグメントを備える、請求項２７記載の内視鏡。
【請求項３３】
前記少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータが、隣接するセグメントの間に相対運動を生じさせることによって、前記長い本体の少なくとも一部を所望のカーブへと曲げる、請求項３２記載の内視鏡。
【請求項３４】
前記少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータが、二つ以上のセグメントの間に接続される、請求項３２記載の内視鏡。
【請求項３５】
前記電子電気活性ポリマーアクチュエータが、前記長い本体のまわりに配置されたシートであり、前記シートが、複数の活性区域と複数の非活性区域とを有し、前記複数の活性区域が前記長い本体を曲げるように位置している、請求項２７記載の内視鏡。
【請求項３６】
前記電子モーションコントローラが、前記活性区域を選択的に作動して前記長い本体に沿って前記所望のカーブを伝播する、請求項３５記載の内視鏡。
【請求項３７】
前記長い本体が、連続的に曲げ可能な構造体である、請求項２７記載の内視鏡。
【請求項３８】
前記少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータが、巻かれた電気活性ポリマーアクチュエータである、請求項２７記載の内視鏡。
【請求項３９】
前記少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータが、巻かれた電気活性ポリマーアクチュエータである、請求項３４記載の内視鏡。
【請求項４０】
少なくとも二つのセグメントであって、各セグメントが、外側表面と内側表面とを有し、前記外側表面と前記内側表面との間に配置された少なくとも二つの内側アクチュエータアクセスポートを備える該少なくとも二つのセグメントと、
前記内側アクチュエータアクセスポートの各々を通って延在し、前記少なくとも二つのセグメントに連結された少なくとも一つの電気機械アクチュエータであって、その作動が、前記少なくとも二つのセグメントの間の撓みを生じる、該少なくとも一つの電気機械アクチュエータと、
を備える関節運動器具。
【請求項４１】
前記少なくとも一つの電気機械アクチュエータが、電界によって活性化されるときには、前記電界の平方に比例する誘発歪を示す、請求項４０記載の関節運動器具。
【請求項４２】
前記少なくとも一つの電気機械アクチュエータが、作動されるポリマーアクチュエータである、請求項４０記載の関節運動器具。
【請求項４３】
前記作動されるポリマーアクチュエータが、電解質なしで動作する、請求項４２記載の関節運動器具。
【請求項４４】
前記作動されるポリマーアクチュエータの活性機構が、クーロン力を使用する、請求項４２記載の関節運動器具。
【請求項４５】
前記作動されるポリマーアクチュエータの活性機構が、電歪力、静電気力、圧電性力又は強誘電性力を使用する、請求項４２記載の関節運動器具。
【請求項４６】
前記ポリマーアクチュエータが強誘電性ポリマーである、請求項４５記載の関節運動器具。
【請求項４７】
前記ポリマーアクチュエータが、圧電性作用を示すポリマーを備える、請求項４５記載の関節運動器具。
【請求項４８】
前記ポリマーアクチュエータが、エレクトレット材料を備える、請求項４５記載の関節運動器具。
【請求項４９】
前記ポリマーアクチュエータが、誘電性電気活性ポリマーである、請求項４５記載の関節運動器具。
【請求項５０】
前記作動されるポリマーアクチュエータの活性機構が、非電気的に活性化されるポリマーを備える、請求項４２記載の関節運動器具。
【請求項５１】
前記ポリマーアクチュエータが、化学的に活性化されるポリマーである、請求項４６記載の関節運動器具。
【請求項５２】
前記ポリマーアクチュエータが、形状記憶ポリマーである、請求項４６記載の関節運動器具。
【請求項５３】
前記ポリマーアクチュエータが、マッキベン型人工筋肉である、請求項４６記載の関節運動器具。
【請求項５４】
前記ポリマーアクチュエータが、光活性ポリマーである、請求項４６記載の関節運動器具。
【請求項５５】
前記ポリマーアクチュエータが、磁気活性ポリマーである、請求項４６記載の関節運動器具。
【請求項５６】
前記ポリマーアクチュエータが、熱活性ポリマーゲルである、請求項４６記載の関節運動器具。
【請求項５７】
前記作動されるポリマーアクチュエータの活性機構が、電気化学力を使用する、請求項４２記載の関節運動器具。
【請求項５８】
前記作動したポリマーアクチュエータの活性機構が、導電性ポリマー無しでイオン力を使用する、請求項４２記載の関節運動器具。
【請求項５９】
前記作動したポリマーアクチュエータの活性機構が、導電性ポリマーを用いてイオン力を使用する、請求項４２記載の関節運動器具。
【請求項６０】
前記少なくとも二つのセグメントの間に延在するシースを更に備える、請求項４０記載の関節運動器具。
【請求項６１】
前記セグメントが連続している、請求項４０記載の関節運動器具。
【請求項６２】
前記セグメントが環状である、請求項４０記載の関節運動器具。
【請求項６３】
前記アクセスポートの少なくとも一つが、規則的な幾何学的形状を有する、請求項４０記載の関節運動器具。
【請求項６４】
前記アクセスポートの少なくとも一つが、円、矩形、長円、楕円及び多角形からなる群から選択された規則的な幾何学的形状を有する、請求項４０記載の関節運動器具。
【請求項６５】
前記アクセスポートの少なくとも一つが、複合的な幾何学的形状を有する、請求項４０記載の関節運動器具。
【請求項６６】
前記シースが、前記少なくとも二つのセグメントの前記外側表面に取り付けられている、請求項６０記載の関節運動器具。
【請求項６７】
前記シースが、前記少なくとも二つのセグメントの前記内側表面に取り付けられている、請求項６０記載の関節運動器具。
【請求項６８】
前記シースが、前記少なくとも二つのセグメントの前記内側表面に取り付けられており、別のシースが、前記少なくとも二つのセグメントの前記外側表面に取り付けられている、請求項６０記載の関節運動器具。
【請求項６９】
前記シースの材料が、生体適合性材料を含む、請求項６０、６６、６７及び６８のいずれか一項に記載の関節運動器具。
【請求項７０】
複数のセグメントと、
ポリマー層と、活性区域を有する予め歪まされたポリマー層と、を備えるシースであって、前記複数のセグメントのまわりに配置されたシースと、
を備え、
前記予め歪まされたポリマー層の一部にわたって電圧を提供することによって、前記複数のセグメントの少なくとも二つの間に撓みを生成する、セグメント化された器具。
【請求項７１】
前記シースが、前記複数のセグメントを取り囲むように、前記複数のセグメントのまわりに配置される、請求項７０記載のセグメント化された器具。
【請求項７２】
前記シースが、前記複数のセグメントを取り囲むように前記複数のセグメントのまわりに配置され、前記複数のセグメントのまわりに前記シースの複数の層を形成する、請求項７０記載のセグメント化された器具。
【請求項７３】
前記シースが、前記複数のセグメントのまわりに配置され、前記複数のセグメント及び前記シースによって画成されるワーキングチャネルを形成する、請求項７０記載のセグメント化された器具。
【請求項７４】
前記シースが、前記複数のセグメントの外周で、前記複数のセグメントのまわりに配置される、請求項７０記載のセグメント化された器具。
【請求項７５】
前記シースが、前記複数のセグメントの内周で、前記複数のセグメントのまわりに配置される、請求項７０記載のセグメント化された器具。
【請求項７６】
前記シースが、複合ラミネートポリマーアクチュエータを備える、請求項７０記載のセグメント化された器具。
【請求項７７】
身体内に挿入するための選択的に操作可能な遠位端及び自動的に制御可能な近位端を有するマルチレーヤー壁構造体の長く可撓性のある管状本体と、
軸方向に間隔をおいた場所で前記可撓性のある管状本体内にある少なくとも一対の構造的要素と、
前記マルチレーヤー壁構造体に含まれる少なくとも一つのポリマー層に活性区域を形成する少なくとも一対の柔軟電極であって、前記少なくとも一対の構造的要素の間にある、該少なくとも一対の柔軟電極と、
前記活性区域を選択的に活性化し、選択的に操作可能であるか又は自動的に制御可能である前記少なくとも一対の構造的要素の間に前記長く可撓性のある管状本体の一部を形成する、制御手段と、
を備える関節運動器具。
【請求項７８】
前記マルチレーヤー壁構造体の最も外側の層が、前記関節運動器具の外側層である、請求項７７記載の関節運動器具。
【請求項７９】
外側の可撓性のあるシースが、前記可撓性のある管状本体を同心的に囲繞する、請求項７７記載の関節運動器具。
【請求項８０】
少なくとも一つのポリマー層に活性区域を形成する少なくとも一対の柔軟電極が、電気的に活性化されるポリマーアクチュエータの一部である、請求項７７記載の関節運動器具。
【請求項８１】
少なくとも一つのポリマー層に活性区域を形成する少なくとも一対の柔軟電極が、イオン活性ポリマーアクチュエータの一部である、請求項７７記載の関節運動器具。
【請求項８２】
少なくとも一つのポリマー層に活性区域を形成する少なくとも一対の柔軟電極が、非電気的に活性化されるポリマーアクチュエータの一部である、請求項７７記載の関節運動器具。
【請求項８３】
マルチレーヤー壁構造体が、ラミネートポリマーシート構造体を使用して形成されたプラスチックアクチュエータを含む、請求項７７記載の関節運動器具。
【請求項８４】
前記ラミネートポリマーシート構造体が、歪まされたポリマー及び／又は歪んでいないポリマーを含む、請求項８３記載の関節運動器具。
【請求項８５】
前記活性区域が、ポリマー変形の一つの平面方向を提供する、請求項７７記載の関節運動器具。
【請求項８６】
前記活性区域が、ポリマー変形の二つの平面方向を提供する、請求項７７記載の関節運動器具。
【請求項８７】
前記少なくとも一対の柔軟電極が、多自由度のポリマー変形を生成する電極パターニングを備える、請求項７７記載の関節運動器具。
【請求項８８】
マルチレーヤー壁構造体の長く可撓性のある管状本体が、複合ラミネートポリマーアクチュエータを備える、請求項７７記載の関節運動器具。
【請求項８９】
遠位端及び近位端を有する長い本体であって、予バイアス形状を有する長い本体と、
前記長い本体に連結された少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータであって、活性化したときに、前記長い本体の少なくとも一部を前記予バイアス形状から変えるようにする、該少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータと、
を備える曲げ可能な器具。
【請求項９０】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、電気的に活性化されるポリマーアクチュエータを備える、請求項８９記載の曲げ可能な器具。
【請求項９１】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、イオン活性ポリマーアクチュエータを備える、請求項８９記載の曲げ可能な器具。
【請求項９２】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、非電気的に活性化されるポリマーアクチュエータを備える、請求項８９記載の曲げ可能な器具。
【請求項９３】
前記予バイアス形状が、外科処置に使用される典型的な経路に関連する、請求項８９記載の曲げ可能な器具。
【請求項９４】
前記予バイアス形状が、脈管構造の一部に関連する、請求項８９記載の曲げ可能な器具。
【請求項９５】
前記予バイアス形状が、骨格の一部に関連する、請求項８９記載の曲げ可能な器具。
【請求項９６】
前記予バイアス形状が、器官の形状に関連する、請求項８９記載の曲げ可能な器具。
【請求項９７】
前記予バイアス形状が、器官の内部形状に関連する、請求項９６記載の曲げ可能な器具。
【請求項９８】
前記予バイアス形状が、心臓の内部形状に関連する、請求項９７記載の曲げ可能な器具。
【請求項９９】
前記予バイアス形状が、結腸の内部形状に関連する、請求項９７記載の曲げ可能な器具。
【請求項１００】
前記予バイアス形状が、内臓の内部形状に関連する、請求項９７記載の曲げ可能な器具。
【請求項１０１】
前記予バイアス形状が、喉の内部形状に関連する、請求項９７記載の曲げ可能な器具。
【請求項１０２】
前記予バイアス形状が、器官の外部形状に関連する、請求項９６記載の曲げ可能な器具。
【請求項１０３】
前記予バイアス形状が、心臓の外部形状に関連する、請求項１０２記載の曲げ可能な器具。
【請求項１０４】
前記予バイアス形状が、肝臓の外部形状に関連する、請求項１０２記載の曲げ可能な器具。
【請求項１０５】
前記予バイアス形状が、腎臓の外部形状に関連する、請求項１０２記載の曲げ可能な器具。
【請求項１０６】
複数のセグメントを有する長い本体と、
選択的に操作可能な遠位部分を形成する前記複数のセグメントの第１の部分と、
自動的に制御可能な近位部分を形成する前記複数のセグメントの第２の部分と、
作動されるときに、前記複数のセグメントの前記第１の部分又は前記第２の部分を関節運動するか又は曲げる少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータと、
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータを活性化し、且つ、前記第１の部分から前記第２の部分へ所望のカーブを伝播するように構成された電子モーションコントローラと、
を備える関節運動器具。
【請求項１０７】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、前記第１の部分及び前記第２の部分の両方を作動する、請求項１０６の関節運動器具。
【請求項１０８】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、柔軟電極を備える、請求項１０６の関節運動器具。
【請求項１０９】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、電荷分布層を備える、請求項１０６の関節運動器具。
【請求項１１０】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、複合ラミネートポリマーアクチュエータを備える、請求項１０６の関節運動器具。
【請求項１１１】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、巻かれた活性ポリマーアクチュエータを備える、請求項１０６の関節運動器具。
【請求項１１２】
前記巻かれた活性ポリマーアクチュエータが、複合の巻かれた活性ポリマーアクチュエータである、請求項１１１の関節運動器具。
【請求項１１３】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、イオンで作動されるポリマーアクチュエータであって、電解質なしで作動するポリマーアクチュエータを備える、請求項１０６の関節運動器具。
【請求項１１４】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、導電性ポリマー及び柔軟電極を備える、請求項１０６の関節運動器具。
【請求項１１５】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、導電性ポリマー及び電荷分布層を備える、請求項１０６の関節運動器具。
【請求項１１６】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、導電性ポリマー及び複合ラミネートポリマーアクチュエータを備える、請求項１０６の関節運動器具。
【請求項１１７】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、電気的に活性化されるポリマーを備える、請求項１０６の関節運動器具。
【請求項１１８】
前記少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、非電気的に活性化されるポリマーを備える、請求項１０６の関節運動器具。
【発明の詳細な説明】
【関連出願への相互参照】
【０００１】
[0001]本出願は、２００２年８月２６日に出願された米国特許出願第１０／２２８，５８３号の一部継続出願であり、これは、２００１年２月２０日に出願された米国特許出願第０９／７９０，２０４号、発明の名称「Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ  Ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ  ａｎｄ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ」（現在は米国特許第６，４６８，２０３号）の継続出願であり、これは、２０００年４月３日に出願された米国仮特許出願第６０／１９４，１４０号の優先権を主張している。また、本出願は、２００３年７月１３日に出願された米国特許出願第１０／６２２，８０１号の一部継続出願であり、これは、２００１年１０月２日に出願された米国特許出願第０９／９６９，９２７号、発明の名称「Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ  Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ  Ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ」（現在は米国特許第６，６１０，００７号）の継続出願であり、これは、２００１年２月２０日に出願された米国特許出願第０９／７９０，２０４号（現在は米国特許第６，４６８，２０３号）の一部継続出願であり、これは、２０００年４月３日に出願された米国仮特許出願第６０／１９４，１４０号の優先権を主張している。また、本出願は、２００３年８月２０日に出願された米国予備特許出願第６０／４９６，９４３号の優先権を主張している。これらの各々は、参照としてその全体が本明細書に組み込まれる。
【発明の分野】
【０００２】
[0002]本発明は、広く、関節運動(articulating)器具及びこのような器具の使用に関する。より詳細には、本発明は、工業及び医療の環境において選択された経路に沿って関節運動器具を挿入し制御するのを容易にするためにプラスチック電気機械アクチュエータを有利に使用する関節運動器具、方法及び装置に関する。
【発明の背景】
【０００３】
[0003]関節運動し、又は、曲げることが可能であり、又は、操作可能である器具であって、広く様々な工業及び医療の用途に使用される器具には、多数の例がある。一般に、関節運動器具は、視診、修復等の作業を達成するために、選択された経路又は所望の経路に沿って進むように方向づけられる。経路が回旋状になればなるほど、所望の位置へ器具を導くために、より高度な関節運動、制御及び可撓性が必要となる。関節運動器具用の運動及び制御の程度が増すにつれて、器具を操作するのに必要なアクチュエータ構成要素の数、種類及びサイズも同様に増加し得る。
【０００４】
[0004]関節運動器具は、広く様々な商業環境において、例えば、工業ロボットへの応用及び医療への応用を含む用途を見出している。関節運動医療器具の一つの例は、内視鏡である。内視鏡は、患者の身体の内部を可視化するための医療器具である。内視鏡は、結腸鏡検査、気管支鏡検査法、胸腔鏡検査、腹腔鏡検査、及び、ビデオ内視鏡検査を含む、様々な異なる診断及び診療処置に使用される。身体の遠い部分により効率的に接近したいという要望、又は、経路に沿った他の区域を避けながら一つの区域に接近したいという要望は、結果として、一般に、関節運動内視鏡及び関節運動手術器具の複雑性を増加する。
【０００５】
[0005]結腸鏡の挿入は、結腸が曲がりくねった回旋状の経路であるので、複雑である。結腸を通って結腸鏡を進めるためには、結腸鏡の相当の操作がしばしば必要となり、これは、処置をより困難で時間のかかるものにし、腸穿孔等の合併症の可能性を増す。結腸のカーブを通る正確な経路を選択することを容易にするために、操作型結腸鏡が考案されている。しかし、結腸鏡を結腸内へと更に挿入するにつれて、選択された経路に沿って結腸鏡を進めることはより困難になる。標準の結腸鏡では、遠位先端のみ、典型的には１０ｃｍの長さが操作可能であり、結腸鏡本体の残りは受動的である。したがって、装置の能力は限られている。医師又は他のユーザによって結腸鏡に与えられる押力は、結腸鏡本体の形状が結腸内で複雑なカーブをとる場合には、結腸鏡先端の前進運動を生じない。任意の平面で二つ以上の曲げをもって複雑にカーブした後に、結腸鏡の近位端における押力は、装置の最近位のカーブを拡大する。これは、結腸鏡の「ルーピング」を生じ、結腸鏡によって画成される最近位の曲線が拡大し、器具の遠位先端は結腸内を更に進むことはできない。
【０００６】
[0006]各ターンで、結腸の壁は、結腸鏡のカーブを維持しなければならない。結腸鏡は、各ターンの外側に沿う結腸の粘膜表面をこする。結腸鏡の摩擦及び弛みが各ターンで蓄積し、前進及び後退がより困難になり、結腸鏡のルーピングが生じる。加えて、結腸壁に対する力は、摩擦の蓄積で増加する。極度にねじれている場合には、結腸の全てを通って結腸鏡を進めることが不可能になることもある。
【０００７】
[0007]一定の種類のポリマーは一定状態の刺激下で形状を変えることができるという原理に基づく様々な電気機械アクチュエータが、何十年もの間、調査されている。この調査は、Ｙｏｓｅｐｈ  Ｂａｒ−Ｃｏｈｅｎによって、「Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  （ＥＡＰ）  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ａｓ  Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｍｕｓｃｌｅｓ：  Ｒｅａｌｉｔｙ，  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ａｎｄ  Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ」（ＳＰＩＥ  Ｐｒｅｓｓ、２００１年１月）という題名の書籍にまとめられた。本明細書で使用されるように、活性ポリマーは、Ｂａｒ−Ｃｏｈｅｎによって記載されたポリマーのファミリーに広く関連する。どの種類のポリマーが実際に調査下であるかを正確に説明するためには、更なる正確さが必要とされる。これらのポリマーをその活性化のモードによって分類することが有用である。Ｂａｒ−Ｃｏｈｅｎによって提案されたように、これらは、非電気的に作動されたポリマー、イオンで作動されたポリマー及び電気的に作動されたポリマーを含む。活性機構の各種類の中には多数のサブカテゴリーがある。Ｂａｒ−Ｃｏｈｅｎによると、イオンで作動されたポリマーは、電気活性ポリマーゲル、アイオノマーポリマー金属複合材料、導電性ポリマー、及び、カーボンナノチューブを含む。
【０００８】
[0008]Ｃｏｕｖｉｌｌｏｎらは、導電性ポリマーアクチュエータのいくつかの用途を提案している（すなわち、米国特許出願第２００３／００６９４７４号）。Ｃｏｕｖｉｌｌｏｎらは、導電性ポリマーを、共役バックボーンを有し且つ導電性であるポリマーのクラスとして説明している。Ｃｏｕｖｉｌｌｏｎは、導電性ポリマーの例として、ポリアニリン、ポリピロール及びポリアセチレンを挙げている。Ｂａｒ−Ｃｏｈｅｎらも、これらの材料の各々を導電性ポリマーとして分類している。
【０００９】
[0009]導電性ポリマー、例えばＣｏｕｖｉｌｌｏｎらによって説明されたものは、多数の欠点があり、関節運動器具用のアクチュエータとして使用される有用性を限定する。導電性ポリマーアクチュエータの活性機構は、導電性ポリマーフィルムと電解媒体との間のイオン交換過程に基づいている。Ｂａｒ−Ｃｏｈｅｎによると、これは、導電性ポリマーアクチュエータの応答時間を制御し限定する要因である。応答時間は、ゲル又は液体電解質の使用によって改良することができるが、この代案は、アクチュエータがカプセル化されることを必要とする。他方、固体電解質は、カプセル化を必要としないが、イオン導電性が低く、関節運動器具で有効に作動するために十分に低い機械的剛性を有することもあり有さないこともある。
【００１０】
[0010]導電性ポリマーの使用を提案する人が直面する別の難題は、材料自体である。導電性ポリマーは、π共役系であり、一重結合及び二重結合がポリマー鎖に交互に沿っている。これらのポリマーは、本来的には導電性ではないが、代わりに、ポリマーの構造及び導電性を化学的に又は電気化学的に修正する「ドーピング」と呼ばれるプロセスを使用して導電性ポリマーに変形される。ドーピングプロセス、及び、多数の酸化還元反応サイクル後の導電性状態の維持には、多数の難問が存在する。更に、共役ポリマーは、化学的に安定ではなく、循環されると、その充電容量は徐々に減少する。導電性ポリマーが直面する更に別の難題は、電極／導電性ポリマー界面での層間剥離である。１９９９年には、Ｓｍｅｌａらは、層間剥離を、金電極を備えたポリピロールを使用する導電性ポリマーアクチュエータの故障モードとして報告した（Ｂａｒ−Ｃｏｈｅｎ、ｐｇ．２０６）。
【００１１】
[0011]導電性ポリマーには上に挙げたものや他の難題及び欠点があるため、活性ポリマー及び活性ポリマーをベースとしたアクチュエータの利点をより完全に実現する関節運動器具の必要性がある。
【発明の簡単な概要】
【００１２】
[0012]本発明のいくつかの実施形態においては、広く様々な医療及び工業の用途に使用される関節運動器具が提供される。一態様において、関節運動器具は、器具の関節運動を提供する複数の制御可能なセグメントを有する。いくつかのセグメントは、ユーザによって（コンピュータ制御支援ありで又はなしで）選択された経路又は所望の経路内に又はそれに沿って操作可能であるか又は制御可能であり、一方、他のものは、電子的に制御されるか又はコンピュータ制御されて、いわゆる「フォローザリーダー」方式で、先に操作されたセグメントの形状に従う。「フォローザリーダー」技術は、共同所有された同時係属の米国特許出願（係属中のＢｅｌｓｏｎの第２０３号出願）に記載されている。本発明の態様において、セグメントを制御することは、一つのセグメント又は複数のセグメントを所望の形状に位置決めするために、選択された電気機械アクチュエータを作動させることを意味する。本発明の他の態様において、制御することは、一つのセグメント又は複数のセグメントを所望の形状に位置決めするために選択された電気機械アクチュエータを作動させるだけではなく、セグメントが遠位(distally)に又は近位(proximally)に進むときに、選択された形状を他のセグメントに伝播するために、電子的な、コンピュータに基づいた、又は、他の公知のモーションコントローラを使用することもまた意味する。
【００１３】
[0013]いくつかの態様において、関節運動器具は、操作可能な内視鏡であり、患者の結腸、他の内部体腔、又は、他の内部身体空間を、これらの器官の壁との衝突を最小にして検査する。一態様において、本明細書に記載された操作可能な内視鏡は、セグメント化した長い(elongated)本体を有しており、手動で又は選択的に操作可能な遠位(distal)部分（少なくとも一つのセグメント）及び自動的に制御される近位(proximal)部分を備えている。更なる態様において、選択的に操作可能な遠位部分は、例えば、上記遠位部分の壁又は円周周囲の対向する側部の弧の長さを制御するとによって、又は、他の方法で、セグメントの間の相対形状(geometry)又は関係を変える作動力を提供することによって、装置の残りの部分に対して任意の方向に屈曲することができる。
【００１４】
[0014]一態様において、選択的に操作可能な遠位部分は、装置の残りの部分に対して任意の方向に、例えば完全に１８０度まで、選択的に操作され（又は曲げられ）得る。ファイバ画像形成バンドル及び一つ以上の照明ファイバが、本体を通って近位部分から遠位部分へ延在してもよい。照明ファイバは、好ましくは、その近位端で、光源に連通する。光源は、例えば、装置及び／又は患者の外部の場所に位置決めされる白熱ランプ等の従来の光源、又は、ＬＥＤ等の他の光源である。あるいは、内視鏡は、内視鏡本体の遠位部分に位置決めされたＣＣＤ又はＣＭＯＳ等の小型ビデオカメラを備えたビデオ内視鏡として構成されてもよい。ビデオカメラは、照明ファイバと組み合わせて使用されてもよい。任意であるが、内視鏡の本体はまた、一つ又は二つのアクセスルーメンを含んでいてもよく、これは、例えば、吹送又は洗浄、空気及び水チャネル、及び、真空チャネル等のために使用されてもよい。一般に、内視鏡の本体は、高度に可撓性があり、そのため、様々なチャネルを無傷で維持しながら、座屈又は捩れなしで、小径の曲線のまわりを曲がることができる。内視鏡は、他の医療及び工業の用途のために、様々なサイズ及び構成で作ることができる。
【００１５】
[0015]別の態様において、内視鏡の操作可能な遠位部分は、最初に、患者の身体の開口を通って、例えば、肛門を経由して直腸内に、人工肛門造設処置の場合には瘻孔を通って、進んでもよい。内視鏡は単に、手動で、又は、モータ又は他の何らかの作動の方法によって自動的に、患者の胃腸管の第１の湾曲に達するまで、進んでもよい。この点で、ユーザ（例えば、医師又は外科医）は、操作可能な遠位部分を能動的に制御し、内視鏡が進むために最適な湾曲又は形状を得ることができる。最適な湾曲又は形状は、一般に、結腸の壁からの最小量の接触又は干渉を呈する経路である。一つの変形例において、ひとたび所望の湾曲が決定されると、内視鏡は、制御可能な部分の自動的に制御されるセグメントが遠位部分に従い、一方、最適な湾曲又は形状を、制御可能な部分の残りのセグメントへ近位に伝達しつつように、結腸内を更に進んでもよい。このようにして、器具が進むにつれて、当該器具は、遠位部分が画成した経路に従う。内視鏡装置を挿入する一つの変形例のより詳細な説明は、参照としてその全体が本明細書に組み込まれる共同所有の米国特許第６，４６８，２０３号に見ることができる。制御可能なセグメントの操作は、下記に更に詳細に説明される。
【００１６】
[0016]本発明の一態様において、関節運動器具の作動は、電気機械アクチュエータによって達成される。当該アクチュエータは、ポリマーの活性に基づくもの等のプラスチックアクチュエータを含む。一態様において、電気機械アクチュエータは、ポリマーが非電気的に活性化されるポリマーであるプラスチックアクチュエータを含む。別の態様において、電気機械アクチュエータは、ポリマーがイオン活性ポリマーであるプラスチックアクチュエータを含む。別の態様において、電気機械アクチュエータは、ポリマーが、クーロン力を使用して活性化されるプラスチックアクチュエータを含む。別の態様において、電気機械アクチュエータは、ポリマーが、電気力を使用して活性化されるプラスチックアクチュエータを含む。別の態様において、電気機械アクチュエータは、ポリマーが、電歪、静電気、圧電性及び／又は強誘電性等の力を、単独で又は組み合わせて使用して作動されるプラスチックアクチュエータを含む。
【００１７】
[0017]一態様において、本発明は、イオン活性ポリマー電気機械アクチュエータの制御使用を通して作動されるか又は操作される制御可能なセグメントを有する関節運動器具を提供する。このイオン活性ポリマー電気機械アクチュエータは、ｄｃバイアスを使用して活性化された状態を持続することができない。一態様において、本発明は、電解質を使用せずに活性化されるイオン活性ポリマーアクチュエータの制御使用を通して作動されるか又は操作される関節運動器具を提供する。更なる態様において、イオン活性ポリマーアクチュエータは、電気活性ポリマーゲルを備える。更なる態様において、イオン活性ポリマーゲルアクチュエータは、物理ゲル、化学ゲル、化学的に作動されるゲル、又は、電気的に作動されるゲルを備える。更なる態様において、イオン活性ポリマーアクチュエータは、アイオノマーポリマー金属複合材料を備える。更なる態様において、イオン活性ポリマーアクチュエータは、カーボンナノチューブを備える。更なる態様において、イオン活性ポリマーアクチュエータは活性化し、結果として、イオン活性ポリマーが酸化還元過程を受けることのない関節運動器具の運動を生じる。
【００１８】
[0018]別の態様において、本発明は、電気機械アクチュエータの制御使用を通して作動されるか又は操作される制御可能なセグメントを有する関節運動器具を提供し、当該電気機械アクチュエータは、本質的に、ポリマーと、ポリマーに連結された一対の柔軟電極(compliant electrode)とからなり、それによって、関節運動器具を制御するか又は操作するのに使用される活性区域をポリマーに形成する
【００１９】
[0019]別の態様において、本発明は、導電性ポリマーアクチュエータの制御使用を通して作動されるか又は操作される制御可能なセグメントを有する関節運動器具を提供し、当該導電性ポリマーアクチュエータは、電解媒体に接触する導電性ポリマーと、少なくとも一対の柔軟電極を経由して導電性ポリマー及び電解媒体内に提供される電気エネルギと、を有する。
【００２０】
[0020]別の態様において、本発明は、電気機械アクチュエータの制御使用を通して作動されるか又は操作される制御可能なセグメントを有する関節運動器具を提供し、当該電気機械アクチュエータは、誘電性ポリマーと、上記ポリマーと共に活性区域を形成する一対の電極とを備え、活性区域のポリマーの撓みを使用して関節運動器具を制御するか又は操作する。更なる態様において、本発明は、関節運動器具を操作するために相乗的に制御される複数の活性区域を形成する複数の電極対を提供する。更なる態様において、電極は、柔軟電極である。
【００２１】
[0021]更なる態様において、本発明は、電子電気活性ポリマー系アクチュエータのカテゴリーからの電気機械アクチュエータの使用を通して作動されるか又は操作される関節運動器具を提供する。一態様において、電子電気活性ポリマー系アクチュエータを使用して、遠位の操作可能な部分を含む内視鏡の制御可能なセグメントを関節運動する。別の態様において、電子電気活性ポリマー系アクチュエータの実施形態は、非ドープポリマー、誘電性エラストマー、静電歪ポリマー(electrostatically strictedpolymer)、電歪ポリマー（すなわち、ポリビニリデンフルオライド−トリフルオロエチレンコポリマー又はＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））、ポリウレタン（例えば、Ｄｅｅｒｆｉｅｌｄによって製造されたもの：ＰＴ６１００Ｓ）、シリコーン（例えば、ダウコーニングによって製造されたもの：Ｓｙｌｇａｒｄ１８６）、フルオロシリコーン（例えば、ダウコーニングによって製造されたもの：７３０）、フルオロエラストマー（例えば、Ｌａｕｒｅｎによって製造されたものＬ１４３ＨＣ）、ポリブタジエン（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈによって製造されたもの：ＰＢＤ）、イソプレン天然ゴムラテックス、アクリル、アクリルエラストマー、予め歪まされた(pre-strained)誘電性エラストマー、アクリル電気活性ポリマー人工筋肉、シリコーン（ＣＦ１９−２１８６）電気活性ポリマー人工筋肉を含むが、それらに限定されない。
【００２２】
[0022]別の態様において、プラスチックアクチュエータは、ラミネートポリマーシート構造体を使用して形成され、当該ラミネートポリマーシートは、歪まされた(strained)ポリマーの組み合わせ、歪んでいない(unstrained)ポリマー、柔軟電極、ポリマー変形の一つの平面方向を形成する活性区域、ポリマー変形の二つの平面方向を形成する活性区域、多自由度を生成する柔軟電極パターニング、及び上記の組み合わせを含む。
【００２３】
[0023]本発明の他の態様において、プラスチック電気機械アクチュエータは、他の材料、例えば、電気粘性流体を備えるか又は備えないポリマーゲル、電気粘性流体、ポリジメチルシロキサン、ポリアクリロニトリル、カーボンナノチューブ及びカーボシングルウォールンナノチューブ（ＳＷＮＴ）の不溶混合物からの作動に依存する。
【００２４】
[0024]別の態様において、複数の選択的に制御可能なセグメントと、複数の自動的に制御可能なセグメントと、電子モーションコントローラと、電子モーションコントローラの制御下でセグメントの形状(geometry)を変えるために各セグメントに接続されたプラスチックアクチュエータと、を有する器具を経路に沿って進める方法であって、経路に沿ってカーブととるために選択的に制御可能なセグメントの形状を選択的に変えるステップであって、電子モーションコントローラを使用して上記選択的に制御可能なセグメントに連結されたプラスチックアクチュエータを作動するステップと、電子モーションコントローラを使用して自動的に制御可能なセグメントに連結されたプラスチックアクチュエータを自動的に変形し、経路に沿ってカーブをとるように自動的に制御可能なセグメントの形状を変えるステップと、を含む方法が提供される。
【００２５】
[0025]本発明の更なる態様において、プラスチックアクチュエータは、電気粘性プラスチックアクチュエータである。別の態様において、方法は、近位の自動的に制御可能なセグメントにおけるプラスチックアクチュエータを自動的に制御してカーブを近位に伝播しつつ、器具を遠位に前進するステップを含む。別の態様において、方法は、セグメントにおけるプラスチックアクチュエータを自動的に制御してカーブを器具に沿って遠位に伝播しつつ、器具を近位に後退するステップを含む。別の態様において、方法は、トランスデューサ、軸方向(axial)トランスデューサ又は他の位置インジケータを使用して、前進又は後退を測定するステップを含む。別の態様において、器具が近位に前進し且つ／又は遠位に後退するときに、カーブが空間においてほぼ固定されたままであるように、セグメントの形状をプラスチックアクチュエータの作動によって制御する。別の態様において、経路は、身体の開口内に存在する。別の態様において、経路は、工業的空間、例えば配管系に存在する。別の態様において、経路はチューブを横切る(traverse)。別の態様において、チューブは身体の器官である。別の態様において、器具は内視鏡であり、経路は患者の結腸に沿っている。
【００２６】
[0026]本発明の別の態様において、複数の関節運動セグメントを有する内視鏡が提供され、各セグメントの形状は、空中で操作可能な(operable in the air)電気活性ポリマーアクチュエータの作動によって変えられる。本明細書で使用されるように、「空中で操作可能な」との語は、アクチュエータが機能するために電解質又は他の転送媒体に依存せずに操作可能である多数の活性ポリマーの性質を意味する。「空中で操作可能な」との語は、ポリマーアクチュエータの操作を進めるためにこのような媒体を必要としないことを意味する。特に、導電性ポリマー系アクチュエータは、空中で操作可能ではない。それは、このようなポリマーが、適切な操作のために電解質に浸漬されるか又は囲繞される必要があるからである。「空中で操作可能な」は、非電解操作ポリマーアクチュエータの操作が可能である環境を限定しない。
【００２７】
[0027]本発明の別の態様において、各セグメントの形状は、二つ以上の空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータの協働作動によって変えられる。本発明の別の態様において、少なくとも一つの空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータが非活性であり、一方、少なくとも一つの空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータが作動される。本発明の別の態様において、空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータは、クーロン力によって作動される。本発明の別の態様において、空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータは、電歪、静電気、圧電性及び強誘電性からなる群から選択された力によって作動される。本発明の別の態様において、空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータは、電子電気活性ポリマーとして分類される。本発明の別の態様において、各セグメントは、複数の空中で操作可能な電気活性ポリマーアクチュエータを更に備え、複数の電気活性ポリマーアクチュエータは、セグメントが当該セグメントの長手方向軸に対する軸に沿って曲がることができるように、構成される。別の態様において、セグメントは、当該セグメントの長手方向軸に対する少なくとも２本の軸に沿って曲がることができる。
【００２８】
[0028]本発明の別の態様において、各関節運動セグメントにおいて少なくとも一つの電気活性ポリマーアクチュエータを作動するように構成された電子モーションコントローラが設けられる。本発明の別の態様において、関節運動セグメントの一部の電気活性ポリマーアクチュエータは、カーブに従うように選択的に制御可能であり、関節運動セグメントの別の部分の電気活性ポリマーアクチュエータは、内視鏡がカーブを通って進む間に、自動的に制御可能な関節運動セグメントに沿ってカーブを伝播するために電子モーションコントローラによって自動的に制御可能である。本発明の別の態様において、電気活性ポリマーアクチュエータは、二つの隣接する関節運動セグメントの間に接続され、電気活性ポリマーアクチュエータの作動が結果として二つの隣接する関節運動セグメントの間の相対運動を生じるようにする。本発明の別の態様において、電気活性ポリマーアクチュエータは、関節運動セグメントの周囲に配置されたリングである。本発明の別の態様において、電気活性ポリマーアクチュエータは、関節運動セグメントの周辺に配置される。本発明の別の態様において、三つの電気活性ポリマーアクチュエータが、関節運動セグメントのまわりにおいて、間隔をおいている。本発明の別の態様において、電気活性ポリマーアクチュエータは、均一に間隔をおいている。本発明の別の態様において、電気活性ポリマーアクチュエータの電気活性ポリマーの膨張が、関節運動セグメントを曲げる。本発明の別の態様において、電気活性ポリマーアクチュエータの電気活性ポリマーの収縮が、関節運動セグメントを曲げる。
【００２９】
[0029]本発明の別の態様において、長い(elongate)本体と、作動されるときに長い本体の少なくとも一部を任意の位置で所望のカーブへと曲げる少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータと、少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータを作動して長い本体の少なくとも一部を所望のカーブへと曲げ、且つ、長い本体の曲がっていない部分が上記の位置を通るときに長い本体の曲がっていない部分に沿って所望のカーブを伝播するように構成された電子モーションコントローラと、を有する内視鏡が提供される。本発明の別の態様において、カーブは経路の一部である。本発明の別の態様において、経路は管状経路である。本発明の別の態様において、経路はヒトの体内にある。本発明の別の態様において、経路はヒトの結腸内にある。本発明の別の態様において、長い本体は、複数のセグメントを備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータは、隣接するセグメントの間に相対運動を生じさせることによって、長い本体の少なくとも一部を所望のカーブへと曲げる。
【００３０】
[0030]本発明の別の態様において、少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータは、二つ以上のセグメントの間に接続される。本発明の別の態様において、電子電気活性ポリマーアクチュエータは、長い本体のまわりに配置されたシートであり、シートは、複数の活性区域と複数の非活性区域とを有し、複数の活性区域は長い本体を曲げるように位置決めされる。本発明の別の態様において、電子モーションコントローラは、活性区域を選択的に作動して長い本体に沿って所望のカーブを伝播する。本発明の別の態様において、長い本体は、連続的に曲げ可能な構造体である。本発明の別の態様において、少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータは、巻かれた(rolled)電気活性ポリマーアクチュエータである。本発明の別の態様において、少なくとも一つの電子電気活性ポリマーアクチュエータは、巻かれた電気活性ポリマーアクチュエータである。
【００３１】
[0031]本発明の別の態様において、少なくとも二つのセグメントであって、各セグメントは、外側表面と内側表面とを有し、外側表面と内側表面との間に配置された少なくとも二つの内側アクチュエータアクセスポートを備える少なくとも二つのセグメントと、少なくとも一つの電気機械アクチュエータであって、内側アクチュエータアクセスポートの各々を通って延在し、少なくとも二つのセグメントに連結され、当該少なくとも一つの電気機械アクチュエータの作動が少なくとも二つのセグメントの間の撓みを生じる、少なくとも一つの電気機械アクチュエータと、を含む関節運動器具が提供される。一態様において、少なくとも一つの電気機械アクチュエータは、電界によって活性化されるときには、電界の平方に比例する誘発歪を示す。本発明の別の態様において、少なくとも一つの電気機械アクチュエータは、作動されるポリマーアクチュエータである。本発明の別の態様において、作動されるポリマーアクチュエータは、電解質なしで動作する。本発明の別の態様において、作動されるポリマーアクチュエータの活性機構は、クーロン力を使用する。本発明の別の態様において、作動したポリマーアクチュエータの活性機構は、電歪力、静電気力、圧電性力又は強誘電性力を使用する。本発明の別の態様において、ポリマーアクチュエータは強誘電性ポリマーである。本発明の別の態様において、ポリマーアクチュエータは、圧電性作用を示すポリマーを備える。本発明の別の態様において、ポリマーアクチュエータは、エレクトレット材料を備える。本発明の別の態様において、ポリマーアクチュエータは、誘電性電気活性ポリマーである。本発明の別の態様において、作動されるポリマーアクチュエータの活性機構は、非電気的に活性化されるポリマーアクチュエータを含む。本発明の別の態様において、ポリマーアクチュエータは、化学的に活性化されるポリマーである。本発明の別の態様において、ポリマーアクチュエータは、形状記憶ポリマーである。本発明の別の態様において、ポリマーアクチュエータは、マッキベン型(Makibben)人工筋肉である。本発明の別の態様において、ポリマーアクチュエータは、光活性ポリマーである。本発明の別の態様において、ポリマーアクチュエータは、磁気活性ポリマーである。本発明の別の態様において、ポリマーアクチュエータは、熱活性ポリマーゲルである。本発明の別の態様において、作動されるポリマーアクチュエータの活性機構は、電気化学力を使用する。本発明の別の態様において、作動されるポリマーアクチュエータの活性機構は、導電性ポリマー無しでイオン力を使用する。本発明の別の態様において、作動されるポリマーアクチュエータの活性機構は、導電性ポリマーを用いてイオン力を使用する。本発明の別の態様において、シースが、少なくとも二つのセグメントの間に延在する。本発明の別の態様において、セグメントは連続している。本発明の別の態様において、セグメントは環状である。本発明の別の態様において、アクセスポートの少なくとも一つは、規則的な幾何学的形状を有する。本発明の別の態様において、アクセスポートの少なくとも一つは、円、矩形、長円、楕円又は多角形からなる群から選択された規則的な幾何学的形状を有��る。本発明の別の態様において、アクセスポートの少なくとも一つは、複合的な幾何学的形状を有する。本発明の別の態様において、シースは、少なくとも二つのセグメントの外側表面に取り付けられる。本発明の別の態様において、シースは、少なくとも二つのセグメントの内側表面に接着される。本発明の別の態様において、シースは、少なくとも二つのセグメントの内側表面に取り付けられ、別のシースは、少なくとも二つのセグメントの外側表面に取り付けられる。
【００３２】
[0032]本発明の別の態様において、複数のセグメントと、ポリマー層と活性区域を有する予め歪まされたポリマー層とを備えるシースであって、複数のセグメントのまわりに配置されたシースと、を含むセグメント化された器具が提供され、予め歪まされたポリマー層の一部にわたって電圧を提供することによって、複数のセグメントの少なくとも二つの間に撓みが生成される。本発明の別の態様において、シースは、複数のセグメントを取り囲むように、複数のセグメントのまわりに配置される。本発明の別の態様において、シースは、複数のセグメントを取り囲むように複数のセグメントのまわりに配置され、複数のセグメントのまわりにシースの複数の層を形成する。本発明の別の態様において、シースは、複数のセグメントのまわりに配置され、複数のセグメント及びシースによって画成されるワーキングチャネルを形成する。本発明の別の態様において、シースは、複数のセグメントの外周において、複数のセグメントのまわりに配置される。本発明の別の態様において、シースは、複数のセグメントの内周において、複数のセグメントのまわりに配置される。本発明の別の態様において、シースは、複合ラミネートポリマーアクチュエータを備える。
【００３３】
[0033]本発明の別の態様において、身体内に挿入するための選択的に操作可能な遠位端及び自動的に制御可能な近位端を有するマルチレーヤー壁構造体の長く可撓性のある管状本体と、軸方向に間隔をおいた場所で可撓性のある管状本体内にある少なくとも一対の構造的要素と、上記マルチレーヤー壁構造体に含まれる少なくとも一つのポリマー層に活性区域を形成する少なくとも一対の柔軟電極であって、上記少なくとも一対の構造的要素の間にある少なくとも一対の柔軟電極と、活性区域を選択的に活性化し、それによって、選択的に操作可能であるか又は自動的に制御可能である少なくとも一対の構造的要素の間に長く可撓性のある管状本体の一部を作る制御手段と、を備える関節運動器具が提供される。本発明の別の態様において、マルチレーヤー壁構造体の最も外側の層は、関節運動器具の外側層である。本発明の別の態様において、外側の可撓性のあるシースは、可撓性のある管状本体を同心的に囲繞する。本発明の別の態様において、少なくとも一つのポリマー層に活性区域を形成する少なくとも一対の柔軟電極は、電気的に活性化されるポリマーアクチュエータの一部である。本発明の別の態様において、少なくとも一つのポリマー層に活性区域を形成する少なくとも一対の柔軟電極は、イオン活性ポリマーアクチュエータの一部である。本発明の別の態様において、少なくとも一つのポリマー層に活性区域を形成する少なくとも一対の柔軟電極は、非電気的に活性化されるポリマーアクチュエータの一部である。本発明の別の態様において、マルチレーヤー壁構造体は、ラミネートポリマーシート構造体を使用して形成されたプラスチックアクチュエータを含む。本発明の別の態様において、ラミネートポリマーシート構造体は、歪んだポリマー及び／又は歪んでいないポリマーを含む。本発明の別の態様において、活性区域は、ポリマー変形の一つの平面方向を提供する。本発明の別の態様において、活性区域は、ポリマー変形の二つの平面方向を提供する。本発明の別の態様において、少なくとも一対の柔軟電極は、多自由度のポリマー変形を生成する電極パターニングを備える。本発明の別の態様において、マルチレーヤー壁構造体の長く可撓性のある管状本体は、複合ラミネートポリマーアクチュエータを備える。
【００３４】
[0034]本発明の別の態様において、遠位端及び近位端を有する長い本体であって、予バイアス(pre-bias)形状を有する長い本体と、長い本体に連結された少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータであって、活性化したときに、長い本体の少なくとも一部を予バイアス形状から変えるようにする少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータと、を備える曲げ可能な器具が提供される。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、電気的に活性化されるポリマーアクチュエータを備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、イオン活性ポリマーアクチュエータを備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、非電気的に活性化されるポリマーアクチュエータを備える。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、外科処置に使用される典型的な経路に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、脈管構造の一部に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、骨格の一部に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、器官の形状に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、器官の内部形状に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、心臓の内部形状に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、結腸の内部形状に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、内臓(gut)の内部形状に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、喉の内部形状に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、器官の外部形状に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、心臓の外部形状に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、肝臓の外部形状に関連する。本発明の別の態様において、予バイアス形状は、腎臓の外部形状に関連する。
【００３５】
[0035]本発明の別の態様において、複数のセグメントを有する長い本体と、選択的に操作可能な遠位部分を形成する複数のセグメントの第１の部分と、自動的に制御可能な近位部分を形成する複数のセグメントの第２の部分と、作動されるときに、複数のセグメントの第１の部分又は第２の部分を関節運動するか又は曲げる少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータと、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータを活性化し、且つ、第１の部分から第２の部分へ所望のカーブを伝播するように構成された電子モーションコントローラと、を備える関節運動器具が提供される。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、第１の部分及び第２の部分の両方を作動する。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、柔軟電極を備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、電荷分布層を備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、複合ラミネートポリマーアクチュエータを備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、巻かれた活性ポリマーアクチュエータを備える。本発明の別の態様において、巻かれた活性ポリマーアクチュエータは、複合の(compound)巻かれた活性ポリマーアクチュエータである。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、イオンで作動されるポリマーアクチュエータであって、電解質なしで作動するポリマーアクチュエータを備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、導電性ポリマー及び柔軟電極を備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、導電性ポリマー及び電荷分布層を備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、導電性ポリマー及び複合ラミネートポリマーアクチュエータを備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、電気的に活性化されるポリマーを備える。本発明の別の態様において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、非電気的に活性化されるポリマーを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
[0076]ある種のポリマーはある状態の刺激下で形状を変えることができるという原則に基づいて、様々な電気機械アクチュエータが、何十年の間、調査されている。１９９０年代中に、活性ポリマーアクチュエータに関する広範囲におよぶ国際的な調査が行われ、多数の論文が発行され、数回会議が開催された。２００１年１月に、この調査は、Ｙｏｓｅｐｈ  Ｂａｒ−Ｃｏｈｅｎによって、「Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  （ＥＡＰ）  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ａｓ  Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｍｕｓｃｌｅｓ：  Ｒｅａｌｉｔｙ，  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ａｎｄ  Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ」（ＳＰＩＥ  Ｐｒｅｓｓ、２００１年１月）というタイトルで編集された本にまとめられた。ここで使用されるように、活性ポリマーは一般に、適切な刺激を受けたときに変化を呈するポリマーのファミリーを意味する。例えば、その全体が本明細書に組み込まれるＢａｒ−Ｃｏｈｅｎ  Ｔｏｐｉｃｓ  １、３及び７、第１章（１〜３８頁）、第４章（８９〜１１７頁）、第５章（１２３〜１３４頁）、第６章（１３９〜１８４頁）、第７章（１９３〜２１４頁）、第８章（２２３〜２４３頁）及び第１６章（４５７〜４９３頁）、を参照されたい。
【００３７】
[0077]活性ポリマーを分類する一つの方法は、活性機構のタイプによるものである。Ｂａｒ−Ｃｏｈｅｎによって使用され、且つ、ここに採用されるこのような分類は、非電気的に作動されるポリマー、イオンで作動されるポリマー及び電子的に作動されるポリマーを含む。活性機構の各タイプ内に多数の下位分類がある。非電気的に活性化されるポリマーは、化学的に活性化されるポリマー、形状記憶ポリマー、マッキベン型人工筋肉、光活性ポリマー、磁気活性ポリマー、熱活性ポリマーゲル、及び、電気化学作用を使用して活性化されるポリマーを含む。
【００３８】
[0078]イオン活性ポリマーは、電気活性ポリマーゲル、アイオノマーポリマー金属複合材料、導電性ポリマー及びカーボンナノチューブのグループを含む。一態様において、本発明は、電解質を使用せずに活性化されるイオン活性ポリマーアクチュエータの制御使用を通して作動されるか又は操作される関節運動器具を提供する。更なる態様において、イオン活性ポリマーアクチュエータは、電気活性ポリマーゲルを備える。更なる態様において、イオン活性ポリマーゲルアクチュエータは、物理ゲル、化学ゲル、化学作動ゲル又は電気作動ゲルを備える。更なる態様において、イオン活性ポリマーアクチュエータは、アイオノマーポリマー金属複合材料を備える。更なる態様において、イオン活性ポリマーアクチュエータは、カーボンナノチューブを備える。更なる態様において、イオン活性ポリマーアクチュエータは活性化し、結果として、イオン活性ポリマーが酸化／還元過程を受けることなく関節運動器具の運動を生じる。
【００３９】
[0079]電子活性ポリマーは、クーロン力、電気力、更に、電歪、静電気、圧電性の及び／又は強誘電性の力を用いて活性化されるポリマーを含む。更なる態様において、本発明は、電子電気活性ポリマー系アクチュエータのカテゴリーからの電気機械アクチュエータの使用を通して作動されるか又は操作される関節運動器具を提供する。一態様において、電子電気活性ポリマー系アクチュエータを使用して、遠位操作可能部分を含む内視鏡の制御可能なセグメントを関節運動する。別の態様において、電子電気活性ポリマー系アクチュエータの実施形態は、非ドープポリマー、誘電性エラストマー、静電歪ポリマー、電歪ポリマー（すなわち、ポリビニリデンフルオライド−トリフルオロエチレンコポリマー又はＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））、ポリウレタン（例えば、Ｄｅｅｒｆｉｅｌｄによって製造されたもの：ＰＴ６１００Ｓ）、シリコーン（例えば、ダウコーニングによって製造されたもの：Ｓｙｌｇａｒｄ１８６）、フルオロシリコーン（例えば、ダウコーニングによって製造されたもの：７３０）、フルオロエラストマー（例えば、Ｌａｕｒｅｎによって製造されたもの：Ｌ１４３ＨＣ）、ポリブタジエン（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈによって製造されたもの：ＰＢＤ）、イソプレン天然ゴムラテックス、アクリル、アクリルエラストマー、予め歪まされた誘電性エラストマー、アクリル電気活性ポリマー人工筋肉、シリコーン（ＣＦ１９−２１８６）電気活性ポリマー人工筋肉を含むが、それらに限定されない。
【００４０】
[0080]別の態様において、本発明の実施形態による関節運動器具は、ラミネートポリマーシート構造体を使用して形成されたプラスチックアクチュエータを採用する。ラミネートポリマーシート構造体は、予め歪んだポリマーの組み合わせ、歪んでいないポリマー、柔軟電極、ポリマー変形の一つの平面方向を形成する活性区域、ポリマー変形の二つの平面方向を形成する活性区域、多自由度を生成する柔軟電極パターニング、及び上記の組み合わせを含む。
【００４１】
[0081]いくつかの実施形態において、活性化されたポリマーは、予め歪まされる。予歪は、電気エネルギと機械エネルギとの間の転換を改良すると思われている。一実施形態において、予歪は、ポリマーの絶縁耐力を改良する。予歪は、電気活性ポリマーがより撓み且つより大きな機械的作用を提供することを可能にする。ポリマーの予歪は、一つ以上の方向において、予歪前のその方向の寸法に対する予歪後のその方向の寸法の変化として記述され得る。予歪は、ポリマーの弾性変形を含んでもよく、例えば、張力がかかっているポリマーを伸張し、伸張されている間に一つ以上の縁を固定することによって、形成されてもよい。一実施形態において、予歪は弾力性のものである。作動後に、弾性的に予め歪まされたポリマーは、原則的に、固定解除され、その元の状態に戻ることができる。予歪は、剛性フレームを使用して境界に課されてもよく、又は、ポリマーの一部に局所的に与えられてもよい。
【００４２】
[0082]一実施形態において、予歪が活性ポリマーの一部上に均一に加えられ、等方性の予め歪まされたポリマーを生成する。例として、アクリルエラストマーポリマーは、両方の平面方向に２００〜４００パーセント伸張されてもよい。別の実施形態において、予歪は、ポリマーの一部に異なる方向に不均等に加えられ、異方性の予め歪まされたポリマーを生成する。この場合、ポリマーは、作動されるときに、一方の方向で他方の方向よりも多く撓んでもよい。理論によって制約されることを望まないが、ポリマーを一方の方向に予め歪ませることによって、予歪方向にポリマーの剛性を高めることがあると考えられている。相応して、ポリマーは、高い予歪の方向では比較的により剛性であり、低い予歪方向ではより柔軟であり、作動時に撓みの大半は低い予歪方向で発生する。例として、使用されるアクリルエラストマーポリマーは、第１の方向に１００パーセント、第１の方向に垂直な方向に５００パーセント伸張されてもよい。活性ポリマーを予め歪ませることに関する更なる詳細は、その全体が参照として本明細書に組み込まれる、Ｐｅｌｒｉｎｅらに付与された米国特許第６，６６４，７１８号、発明の名称「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ」に見出され得る。
【００４３】
[0083]発明の他の態様において、本発明の実施形態による関節運動器具は、プラスチック電気機械アクチュエータを使用し、当該アクチュエータは、他の材料、例えば、電気粘性流体を備えるか又は備えないポリマーゲル、電気粘性流体、ポリジメチルシロキサン、ポリアクリロニトリル、カーボンナノチューブ及びカーボシングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）の不溶混合物からの作動に依存する。
【００４４】
[0084]関節運動器具は、多数の異なる種類の製品を含み、例えば、ワイヤレス内視鏡、ロボット内視鏡、カテーテル、例えば、血栓溶解カテーテル、電気生理的カテーテル及びガイドカテーテル等のカテーテルに使用される特定の設計、カニューレ、手術器具、又は、イントロデューサーシース、又は、他の処置に特定の関節運動器具を含む。
【００４５】
[0085]更に、関節運動器具は、体内構造物の診療又は治療のための操作可能な内視鏡、カテーテル及び挿入装置を含む。多くのこのような器具は、各々の開示が参照としてその全体が本明細書に組み込まれる、下記の米国特許及び米国特許出願に記載されている：米国特許第６，６１０，００７号、第６，４６８，２０３号、第４，０５４，１２８号、第４，５４３，０９０号、第４，７５３，２２３号、第４，８７３，９６５号、第５，１７４，２７７号、第５，３３７，７３２号、第５，３８３，８５２号、第５，４８７，７５７号、第５，６２４，３８０号、第５，６６２，５８７号、第６，７７０，０２７号、第６，６７９，８３６号及び米国特許出願第０９／９７１，４１９号（特許査定通知２／２４／０４、特許証発行費用支払い５／２７／０４）。
【００４６】
[0086]操作可能なマルチセグメントコンピュータ制御内視鏡装置は、本発明の実施形態のいくつかを説明するための検討目的に有用な一つの特定の例である。このような内視鏡の例は、米国特許第６，４６８，２０３号及び第６，６１０，００７号に記載されており、両方とも本出願人に譲渡されている。これらの操作可能なセグメント化内視鏡は、患者の身体内に挿入するために使用されてもよく、例えば、結腸鏡検査では肛門を通る。蛇行性の「フォローザリーダー」型のモーションを使用して患者内を進むためのこのような装置及び方法の例は、米国特許第６，４６８，２０３号に見ることができ、当該特許は、共同所有されており、上での参照によって本明細書に組み込まれている。内視鏡のセグメントの各々は、任意の形状を形成するために、個別に作動され制御されてもよい。このような「フォローザリーダー」型のアルゴリズムを使用して、装置は、隣接する組織又は物体を乱すことなく、曲がりくねった腔又は路内に進められてもよい。
【００４７】
[0087]「フォローザリーダー」モーションを実現するためのセグメント作動に関する別の変形例は、２００１年１０月２日に出願された米国特許出願第２００２／００６２０６２号に記載されている。記載されたように、変形例の一つは、各個別セグメントの少なくとも大半に搭載されるモータを使用する。それに記載されたモータは、本発明のいくつかの実施形態では、電気活性ポリマー回転クラッチモータに取って代わられてもよく、例えば、Ｈｅｉｍらの米国特許出願公開第２００２／０１７５５９８号、発明の名称「Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｒｏｔａｒｙ  Ｃｌｕｔｃｈ  Ｍｏｒｔｏｒｓ」に記載されたようなもの、又は、Ｈｅｉｍらの米国特許出願公開第２００２／０１８５９３７号、発明の名称「Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｒｏｔａｒｙ  Ｍｏｒｔｏｒｓ」に記載されたようなものであり、両方とも参照としてその全体が本明細書に組み込まれる。隣接するセグメントは、ヒンジ又はジョイントを介して互いに対して旋回してもよい。別の変形例は、２００２年８月２７日に出願された米国特許出願第２００３／００４５７７８号に記載されている。記載されたように、マルチセグメント化内視鏡のセグメントの各々は、内視鏡装置から離れて位置する一つ又は数個のアクチュエータ、例えばモータに接続されたプッシュプルケーブル又は「緊張材」（当分野では「ボーデンケーブル」としても既知である）によって作動されてもよい。これらの刊行物の各々は、共同所有され、参照としてその全体が本明細書に組み込まれる。
【００４８】
[0088]本明細書に記載されるように、活性ポリマー材料は、マルチセグメント化関節運動器具とともに使用され、例えば、二つの隣接するセグメント、複数のセグメント、関節運動器具のセクション、又は、関節運動器具の長さ全体の間の関係を変えてもよい。器具の一部を屈曲することは、ポリマーの活性が結果として器具の制御された関節運動になるように、器具の近傍に又はそのまわりに置かれたか又はそれ以外のやり方で連結された材料例えば活性ポリマー材料のサイズ又は長さに相対的な差を誘発することから生じることもある。例えば、活性ポリマー材料を使用するアクチュエータが内視鏡の一部の対向する側部に設けられて、活性ポリマー材料の活性によって内視鏡が活性化したポリマーアクチュエータを有する側部へ曲げられてもよい。代替の実施形態において、活性ポリマー材料を使用する別のアクチュエータは、先述のアクチュエータに対向して設けられ、対向する側部に沿って収縮しないか又は膨張するかのいずれかとして、内視鏡の当該部分を曲げるか又は旋回するのを容易にする。結果として得られる形状は、内径に沿って材料の収縮部分を有し、外径に沿って材料の非収縮長さ又は拡張長さを有する。
【００４９】
[0089]第１の側部１２及び第２の側部１４を有するセグメント１０を考える。活性ポリマー材料又はアクチュエータが、側部（図示せず）に沿って提供される。アクチュエータも材料も活性化されないときには、セグメントは中立位置のままである（図１ｂ）。他方、図１（ａ）は、Ｌ1で示されるセグメント１０の第１の側部１２の長さ方向に沿って位置する材料が、第２の対向する側部１４に沿って位置する材料の長さＬ2よりも短く、結果として得られるセグメントの曲げが第１の側部１２に向かう場合を示す。図１（ｂ）は、第１の側部１２の長さＬ1が、第２の側部１４の長さＬ2に等しい場合、結果として得られるセグメント１０の真っ直ぐな曲がっていない形状を示す。図１（ｃ）は、第１の側部１２の長さＬ1が、第２の側部１４の長さＬ2よりも長く、結果として得られるセグメント１０の曲げが第２の側部１４へ向かう場合を示す。
【００５０】
[0090]関節運動器具の曲げを、すべての方向又は可能な限り用途に適する多くの方向に、制御することが一般に望ましい。好ましい一実施形態において、活性ポリマー系アクチュエータは、セグメントを、セグメントの長手方向軸に対して少なくとも２本の軸に沿って曲がることができるようにする制御を提供する。セグメント２０は、このような制御及び２本の軸に沿って曲がることができる関節運動を達成する一つの構成を例示する（図２ａ〜２ｄ）。図２（ａ）及び２（ｂ）は、それぞれ、セグメント２０の側面図及び上面図である。セグメント２０は真っ直ぐであり、側部の長さＬ1、Ｌ2、Ｌ3及びＬ4はすべて等しい。図２（ｃ）及び２（ｄ）は、それぞれ、作動されたか又は曲げられたセグメント２０又はセグメント２０’の側面図及び上面図である。セグメント２０’に連結された活性ポリマーアクチュエータの制御された作動の結果として、セグメント２０’は、二つの方向、すなわち、Ｌ2で示される側部へ向けて、及び、ページの平面からＬ3で示される側部へ向けて、関節運動される。描写されたセグメント２０’を図示のように曲げさせるために、長さＬ2’は長さＬ1’よりも短く作られてもよく、長さＬ3’は長さＬ4’よりも短く作られてもよく、例えば、Ｌ2’及びＬ3’に沿って位置する活性ポリマー材料又はアクチュエータを収縮させることによる。このようにして、セグメント２０’は、二つの独立した軸に、関節運動させられるか又は曲げられてもよい。あるいは、Ｌ2’及びＬ3’に沿ったエレクトロポリマー材料は作動されないままであってもよく、対向する側部Ｌ1’及びＬ4’に沿った材料が膨張し、結果として得られる曲げを発生させてもよい。別の代替例において、セグメント２０’のすべての側部は、別のものと連動して使用されてもよい。例えば、側部Ｌ2’及びＬ3’に沿った材料は収縮してもよく、一方、側部Ｌ1’及びＬ4’に沿った材料は同時に拡張してもよい。
【００５１】
[0091]更に別の代替例において、セグメント２０’は、予め歪まされているか、又は、所定の望ましい形状又はカーブをもつバイアス状態を有するセグメントに対して当初非活性状態であってもよい。この例示において、セグメント２０’は、非活性状態で右へ湾曲する（図２ｃ及び２ｄ）。セグメント２０’に連結された活性ポリマー又はアクチュエータが活性化されるときに、セグメントは真っ直ぐな状態へ作動される。セグメントの予バイアスは、より少ないアクチュエータで作動することを可能にする。この例示において、側部１２に沿ったアクチュエータは、この位置におけるアクチュエータによって提供される湾曲を予バイアスが提供するため、取り外されてもよい。操作中に、予バイアスは、減少されるか（すなわち、それほど右曲がりではない）、排除されるか（すなわち、図２ａのように真っ直ぐ）、又は、所望により、別の構成へと関節運動されるか、のいずれかである。
【００５２】
[0092]予バイアスの使用はまた、関節運動器具２２を用いて例示される（図２ｅ、２ｆ）。関節運動器具２３は、選択的に操作可能な遠位部分２５及び自動的に制御される近位部分２６を備えた複数のセグメント（明瞭化のために示されない）を含む。関節運動器具２２は、任意の所望のカーブへと予バイアスされてもよい。カーブは、例えば、胸腔内の手術等の外科手術に使用される典型的な経路を表してもよく、ここで、予バイアス形状は、最終的に適所にあるときの器具の適切な形状に関与する。一般的な予バイアス形状は、患者の特定の解剖学的構造に対して形状を微調整するために操作されてもよい。別の例では、予バイアス形状は、脈管構造によって形成された経路に関係してもよく、又は、心臓等の器官内の解剖学的構造に関係してもよい。
【００５３】
[0093]次に、関節運動器具２２は、活性ポリマー層又はアクチュエータの使用を通して作動される制御可能なセグメント化結腸鏡としての使用に関連して説明される。関節運動器具２２が潤滑油を受けて肛門Ａを通って患者の結腸内に挿入されると、遠位端は直腸を通って、結腸の第１ターンに到達するまで進む。この第１ターンは、図２ｆには曲げ２４で例示される。回転をうまく通り抜けるために、選択的に操作可能な遠位部分２５が、ユーザによって操作制御を通してＳ状結腸へ向けて手動で操作される。操作制御から選択的に操作可能な遠位部分２５への制御信号は、電子モーションコントローラによってモニタされる。器具２２の遠位端をＳ状結腸内に進めるために選択的に操作可能な遠位部分２５の正しいカーブが選択されると、カーブは、参照として電子モーションコントローラのメモリ内に記録される。手動モードで操作されようと自動モードで操作されようと、所望のカーブ（２４）が選択的に操作可能な遠位部分２５で選択されると、関節運動器具２２が遠位に進むにつれて、選択されたカーブ２４が、電子モーションコントローラを使用して、自動的に制御される近位部分２６に沿って近位に伝播される。「フォローザリーダー」技術（後述される）に見られるように、カーブ２４は空間に固定されたままであり、一方、関節運動器具２２はＳ状結腸を通って遠位に進む。
【００５４】
[0094]しかし、第１ターンを越えてＳ状結腸に到達するために、結腸を横切ることは、一連の「左回転」とみなされてもよい。例えば、Ｓ状結腸から下行結腸に、下行結腸から横行結腸内に、且つ、横行結腸から右（結腸）曲を通って上行結腸内に結腸を横切ることは、一連の左回転を含むものと考える。このため、予バイアス曲げ２３は、左予バイアスの例であり、ひとたび結腸が横切られると、関節運動器具の一般配向を近似するために使用されてもよい。このようにして、器具２２が結腸を横切るために、予バイアスは、前進するにつれて、選択的に除去される。予バイアスはまた、患者の解剖学的構造をより厳密に近似するために、選択的に除去されてもよい。代替の実施形態において、予バイアスは、上述のように、最終位置以外の任意の位置に形形成されてもよい。
【００５５】
[0095]図２ｆはまた、器具が、他の部分においては予バイアス状態を保持しつつ、いくつかの部分においてどのように作動されるかを示す。例えば、選択的に操作可能な端２５が関節運動されて曲げ２４を形成し、中間領域が作動されて予バイアス湾曲を減少し、一方、近位端は元々の予バイアス湾曲を保持する。予バイアスの使用によって、器具を最終位置に維持するために必要なアクチュエータの数をより少なくすることが可能となり、又は、より少ない数のアクチュエータを全体に使用し得ることが認識されるべきである。例えば、器具２２の左バイアスにおいて、側部２３ａに沿ったアクチュエータは、より少なくてもよく、又は、存在しなくてもよい。器具２２のこのような実施形態の器具は、したがって、アクチュエータの使用を通じて作動されて、当該器具を予バイアス形状から変形し(reduce）、無効にし、又は、克服し、且つ、再方向づける。
【００５６】
[0096]遠位端２５及び近位端２６を備えた長い本体を有する曲げ可能な器具２２が提供される。長い本体には、予バイアス形状が設けられる。長い本体に連結された少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータがあり、活性化されるときには、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータが、長い本体の少なくとも一部を予バイアス形状から変えるようにする。一実施形態において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、電気的に活性化されるポリマーアクチュエータを備える。別の実施形態において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、イオン活性ポリマーアクチュエータを備える。更に別の実施形態において、少なくとも一つの活性ポリマーアクチュエータは、非電気活性ポリマーアクチュエータを備える。上述の予バイアス形状に加えて又はそれと組み合わせて、予バイアス形状の実施形態はまた、予バイアス形状が、外科手術に使用される典型的な経路、脈管構造の一部、骨格の一部、内部器官形状及び外部器官形状の両方を含む器官の形状に関連することを、含む。いくつかの実施形態において、予バイアス形状は、心臓、結腸、内臓又は喉の一部の内部形状に関連する。いくつかの実施形態において、予バイアス形状は、心臓、肝臓又は腎臓の一部の外部形状に関連する。
【００５７】
[0097]いくつかの実施形態において、関節運動器具は、アセンブリ全体を実質的に線状構成へと一実施形態ではバイアスし、又は、上述のように非線状構成又は特化された構成へとバイアスする復元力である。上記に検討されたように、アクチュエータを使用して、この実質的に線状の構成から逸脱してもよい。多数の従来の公知の機構のいずれかを提供して、適切なバイアスを関節運動器具に与えることが可能であることを認識すべきである。例えば、且つ、先に例示されたように、器具は、弾性スリーブ内に配置されてもよく、これは、スリーブの歪んだか、歪んでいないか、又は、他の状態に構成された形状によって決定される構成に、システムを戻す傾向がある。あるいは、セグメントの構造的要素に関連して、ばね又は他の適切に弾性のある部材を配置し、所望の構成、線状、非線状、又は別の箇所において検討されたような他の形状に器具を戻すためことができる。更に別の代替例において、器具自体の構造的要素は、単独で、又は、他の適切な弾性があるか又は復元的な部材と組み合わせて、器具を所望の構成に維持してもよく、又は、戻してもよい。
【００５８】
[0098]本発明の関節運動器具のいくつかの実施形態においては、少なくとも二つの制御可能な長い側部をもつ器具セグメントであることが望ましい。いくつかの実施形態においては、セグメントを任意の数の方向に曲げることを可能にするために、少なくとも二つの制御可能な長いセグメントが二つの独立した軸に対して提供されることが必要である。いくつかの実施形態においては、側部又は制御可能な長いセグメントの各々は、独立して作動可能である。あるいは、単一の制御可能な長いセグメントが、当該制御可能な長いセグメント又はアクチュエータに対向して位置決めされた付勢ばね型要素とともに、各軸に使用されてもよい。一つの代替の実施形態において、一方の軸の側部の長さが固定され、次いで、対向する側部の長さが変動する。例えば、図２（ａ）を参照すると、長さＬ1及びＬ3が固定される場合に、長さＬ2及びＬ4を作動することは、セグメント２０’が多数の方向に曲がることを可能にする。
【００５９】
[0099]別の代替の実施形態においては、三つの独立して制御可能なアクチュエータ又は活性ポリマー材料を器具の側部に連結して、器具の作動を制御してもよい。９０度のインターバルで間隔をあける代わりに、図２に示されるように、独立して制御可能なアクチュエータ又は活性ポリマー材料を１２０度のインターバルで間隔をおくことができ、又は、関節運動器具の周囲に６０度の弧セグメントを形成してもよい。拡張によって、セクション（長手方向、水平方向又は側方向のセクションを含む）に形成された任意の数の制御可能なアクチュエータ又は活性ポリマー材料を、関節運動器具に、又はそのセグメントに、又はセグメントのグループに連結して、所望のように器具の曲げ及び／又は関節運動を提供してもよい。
【００６０】
[00100]いくつかの実施形態においては、器具の対向する側部に連結された少なくとも一対の活性ポリマーアクチュエータを制御することが好ましい。これによって、セグメントの四つの独立して制御可能な側部又は部分がもたらされ、セグメントの曲げを決定するのに使用され得る。これによって、所望の又は必要な曲げを決定するための計算の簡略化を容易にし得る。これによって、更に、セグメントに曲げを発生させる場合に、所望の制御性及び反応性を得ることができる。例えば、図３（ａ）は、側部に沿った四つの独立して制御可能なアクチュエータであって、セグメント３０の曲げ又は側部の長さを決定するための当該アクチュエータを使用する構成におけるセグメント３０の上面図を示す。この実施形態において、アクチュエータ（Ｕ、Ｄ、Ｌ及びＲ）は、９０度のインターバルでセグメント３０の周囲において対向する側部に配列される。代わって、図３（ｂ）のセグメント３２は、側部（Ｕ、Ｌ、Ｒ）に沿った三つの独立して制御可能なアクチュエータであって、側部の長さを決定するための当該アクチュエータを示す。三つのアクチュエータＵ、Ｌ、Ｒは、１２０度のインターバルでセグメント３２の周囲において間隔をおいている。図３（ｃ）は、更に別の変形例３４を示しており、セグメント３４の側部の長さを決定するための二つの独立して制御可能な側部Ｕ、Ｌ、及び、側部Ｕ、Ｌに対して対向する二つの固定された長さの側部Ｄ、Ｌを示しており、これらは９０度のインターバルで配列されている。
【００６１】
[00101]上記に示された例は、活性ポリマー材料及びアクチュエータをセグメントの周囲に配置するための特定の変形例に向けたものであるが、これらの例は、例示的なものであることを意図しており、その配置の他の変形例及び構成が、本開示の範囲内に含まれる。
【００６２】
[00102]いくつかの実施形態においては、活性ポリマー材料及び／又は活性ポリマー系アクチュエータを、関節運動器具の部分又はセグメントの長い側部を制御するために構成して、所望の方向、配向又は構成に器具を曲げるか又は他の方法で操作してもよい。活性ポリマー材料又はアクチュエータの個別に制御可能な片又は領域を、それらが器具のセグメントに作用して器具のセグメント又は部分の関連位置を修正するか短くするか長くするか又は他の方法で変え得るように位置決めし、次いで、活性ポリマーの収縮及び／又は活性を制御することによって、関節運動器具セグメントを、所望のように曲がるか屈曲するように構成してもよい。
【００６３】
[00103]一実施形態において、数片又は数本の活性ポリマー材料及び／又は活性ポリマー系アクチュエータが、隣接するセグメント４２、４４の間においてヒンジ又はジョイント４０の周辺又は周囲に設けられていてもよい（図４（ａ）〜４（ｃ））。活性ポリマー材料及び／又は活性ポリマー系アクチュエータ４６、４８の片５０、５２の端は、ヒンジ又はジョイント４０のまわりにおいて隣接するセグメント４２、４４に固定されてもよい。このため、活性ポリマー材料及び／又は活性ポリマー系アクチュエータ４６、４８の活性又は長さの変化は、ヒンジ又はジョイント４０に力をかけ、これを動きの軸に対して曲げる。図４（ａ）に示されるように、第１の側部Ｌ1における活性ポリマー材料４６の長さの収縮は、第２の側部Ｌ2の材料４８のものと同一の長さであり、ヒンジ４０は曲げられず、真っ直ぐな構成となるように、制御される。この場合、ヒンジ４０は、場合によって、両方の活性ポリマー材料及び／又は活性ポリマー系アクチュエータ４６、４８からの等しい張力下にあってもよく、又は、長い部分Ｌ1又はＬ2のいずれからの張力下になくてもよい。
【００６４】
[00104]ジョイント又はヒンジをＬ1へ向けて第１の側部へ曲げるために、図４（ｂ）に示されるように、長いポリマー材料４６は収縮させられてもよく、一方、ポリマー材料４８の長い部分Ｌ2は、弛緩又は膨張させられてもよい。ジョイント又はヒンジ４０を対向するＬ2へ向けて第２の側部へ曲げるために、図４（ｃ）に示されるように、ポリマー材料４８の長い部分Ｌ2は収縮させられてもよく、一方、ポリマー材料４６の長い部分Ｌ1は、弛緩又は膨張させられてもよい。ポリマー材料はまた、隣接するセグメント４２、４４及びヒンジ４０内に画成された間質空間又は内腔に位置してもよい。図４は、活性ポリマー材料及び／又は活性ポリマー系アクチュエータがセグメント及びヒンジの外部のまわりに構成される例示の実施形態である。代替の構成もまた可能であり、例えば、活性ポリマー材料及び／又は活性ポリマー系アクチュエータが、セグメント及び／又はヒンジ内に又はその間に配置される構成等がある。
【００６５】
[00105]図４に例示された実施形態は、等しい長さ又はサイズの活性ポリマーアクチュエータを含む（すなわち、Ｌ1は長さがＬ2に等しい）が、本発明の他の実施形態は、そのように限定されない。他の変形例は、同一のジョイント又はヒンジのまわりに、異なる長さを有する活性ポリマーアクチュエータ及び／又は材料の長さ、サイズ及び形状を使用してもよい。一実施形態において、第１の長い部分Ｌ1は第２の長い部分Ｌ2に対して、両者が中立又は非活性構成にないときには、長くても短くてもよい。いずれかの又は両方の長い部分が刺激されて収縮するか又は膨張するときに、隣接するセグメントが、互いに対してジョイント又はヒンジのまわりに様々な角度で曲がるように構成されてもよい。あるいは、異なる長さの活性ポリマーアクチュエータ及び／又は材料が構成されて、セグメントの長手方向軸のまわりにセグメントの均一な曲げがもたらされてもよい。
【００６６】
[00106]別の代替の実施形態において、関節運動器具の設計が、ヒンジの代わりにユニバーサルジョイントを使用することによって、二つの軸に曲がるように拡張されてもよい。ユニバーサルジョイントは、セグメントの長手方向軸に対して任意の方向に曲がることを可能にする。この場合、数個の活性ポリマー材料及び／又は活性ポリマーアクチュエータがユニバーサルジョイントにわたってセグメントの周囲に配列されて、隣接するセグメントが任意の所望の方向に曲げられてもよい。この形態は、好ましくは、セグメントの間に配列された少なくとも二つの材料を使用し、各々が二つの独立した軸の各々にジョイントの動きをもたらすことを可能にする。一実施形態においては、材料又はアクチュエータの最小数は、２である。他の実施形態においては、任意の数を使用して、ユニバーサルジョイントの所望の曲げを発生させてもよい。別の特定の実施形態においては、四つの活性ポリマー材料又はアクチュエータが、ユニバーサルジョイントの周辺にインターバルをおいて配列されて、活性化されるときに、曲げの二つの独立した軸の各々においてプッシュ及び／又はプル力を生成する。一実施形態において、インターバルは９０度である。代替の実施形態において、インターバルは９０度のインターバルではないが、代わりに、別の配列では、使用されるジョイントの特定の形状寸法に適する。
【００６７】
[00107]次に、図５ａ、ｂ及びｃに移ると、本発明の活性ポリマー作動器具の別の実施形態が示されている。この実施形態においては、連続したバンド状の活性ポリマー材料が、一定の長さを有する環状リング６０として形成されており、二つの隣接するセグメント６２、６４のまわりに置かれている。ヒンジ６６は、セグメント６２、６４の間に位置決めされている。活性ポリマーリング６０は、１本以上の軸において曲がり得るヒンジ６６の周辺に配置される。あるいは、セグメント６２、６４は、図５（ａ）に示されるように、２本以上の軸において曲がり得るユニバーサルジョイント６６’を使用して連結されてもよい。環状リング６０は、複数の活性区域を有する活性ポリマー材料（図５ａ）の単一のシートであってもよく、当該活性区域は、ポリマーの選択された部分を撓ませて、セグメント６２、６４の制御可能な運動をもたらす。代替の構成において、環状リングは、単一の片でなくてもよく、代わりに、複数の長手方向の活性ポリマーストリップ、例えば、図５ｂのポリマーストリップ６８、７０、７２であってもよい。一実施形態において、制御可能な活性ポリマー領域６８、７０、７２は、個別に（又は、代替的に、単一片、環状リング６０のサブセットとして）、電極の使用を通して、所望のように、収縮し、緩和し、且つ／又は、膨張し得るように構成されて制御される。当該電極は、セグメント６２、６４を所望の形状又は配向とするために、電圧を与えられてもよく、電圧解除されてもよく、且つ／又は、逆の極性で電圧を与えられてもよい。好ましい一実施形態においては、制御可能な領域６８、７０、７２の各々又は単一のリング６０は、独立して制御される。このように、単一の片状又は長い活性ポリマー材料を使用して、ヒンジ６６又はユニバーサルジョイント６６’のいずれかを任意の所望の方向へ作動してもよい。
【００６８】
[00108]三つで例示されているが、任意の数の個別に制御可能な領域をもつエレクトロポリマー材料が、形成されてもよい。いくつかの実施形態においては、領域の数は、３以上か又は２に等しい。一実施形態において、領域は、制御する軸の平面に作用するように配列される。例えば、図５（ｂ）に示されるように三つの領域６８、７０、７２、又は図５（ｃ）に示されるように四つの領域７４、７６、７８、８０を使用して、所望のように領域を個別に制御し、プッシュ及び／又はプル力を形成してもよい。
【００６９】
[00109]更に別の変形例において、環状リングに形成されセグメントの周辺に設けられる連続バンド状のエレクトロポリマー材料は、図６（ａ）に示されるように、数個の、すなわち、少なくとも二つのヒンジ又はユニバーサルジョイント上に延在するように、長さがより長く作られてもよい。これは、単一の連続片に形成されてもよく、可撓性のある内視鏡構造体の長さの一部を又は長さ全体を覆うように作られてもよい。この構成９０において、エレクトロポリマー材料の独立して制御可能な領域、例えば、領域９６、９８、１００、１０２等は、内視鏡の長さ方向に沿って各ヒンジ、ジョイント又はユニバーサルジョイントに曲げ力を発揮することができるように、又は、エレクトロポリマー材料９２、９４のスリーブ内にできるだけ多くのヒンジ、ジョイント又はユニバーサルジョイントが含まれるように形成され且つ配置されてもよい。エレクトロポリマー材料は、ヒンジ及びジョイントに力を与えてそれを曲げるために、ヒンジ又はジョイントの間に固定セクションの中点で又はその近傍でヒンジ止めされた構造体又はジョイント止めされた構造体に固定されてもよく、又は、場合によって、エレクトロポリマー材料は、構造体に取り付けられていなくてもよく、摩擦接触及び弾性を使用して構造体に力を与えてもよく、又は、電極を用いて引き受けるために制御される形状に構造体を従わせてもよい。あるいは、長いエレクトロポリマー材料が、中に画成された任意の間質空間で、セグメント、ヒンジ及び／又はユニバーサルジョイント内部に位置してもよい。
【００７０】
[00110]別の実施形態において、マルチセグメント関節運動器具９０は、複数の個別に制御可能な領域を含む（図６ａ）。この実施形態において、関節運動器具９０は、活性ポリマー材料９２、９４によって覆われた六つのヒンジ止めされたセグメントを含む。一実施形態においては、活性ポリマー材料は、セグメントの間においてヒンジ止めされた部分に対応する複数の制御可能なセグメントに分割される。活性化されるときには、これらの活性ポリマー材料は、セグメントの間でヒンジのまわりに制御された運動を生成する（すなわち、セグメント５−６は、制御可能なセグメント１００又は制御可能なセグメントセクション１０２によって変えられてもよい。関節運動器具９０は、ポリマー材料９２、９４の個別に制御可能な領域９６、９８、１００、１０２の活性ポリマーの活性を通して所望の方向に各ヒンジ又はジョイントを曲げてもよい。関節運動器具９０の一実施形態において、連続バンド状の活性ポリマー材料は、器具の長さ又は長さのサブセットにわたっており、シースを形成する。このシースは、例えば、シリコーン、ウレタン、又は、内視鏡又は他の医療装置に普通に使用されるような他の任意の生体適合性材料等の、生体適合性材料から作られるか又はそれが塗布されてもよく、したがって、害又は損傷を生じることなく生体組織に接触してもよい。一実施形態において、活性ポリマー材料又はアクチュエータの形状及び長さを制御するために使用される電極は、絶縁されるか又は覆われて、電気ショックを防止しており、生体適合性材料で実現されていてもよい。別の実施形態において、電極は柔軟電極である。更に別の実施形態において、シースは、マルチレーヤーラミネートのポリマーアクチュエータの一部である。一実施形態において、シースは、セグメント化構造体を覆う使い捨てカバーを形成しており、当該構造体はヒンジ及びヒンジに連結された活性ポリマー材料を備えている。別の実施形態において、シースは、クリーニング可能であり、洗浄可能であり、且つ／又は、再使用可能である。
【００７１】
[00111]図６（ｂ）は、制御可能な領域の代替の実施形態の断面図を示す。全体が活性ポリマー材料のスリーブを有するのではなく、活性ポリマー材料及び非活性ポリマー材料のセクションが設けられていてもよい。例えば、セクション１０４、１１０は活性ポリマー（例えば、その表面の一部にわたって分布された柔軟電極）を有する部分であってもよく、一方、セクション１０６、１０８は活性ポリマーを有さないか、又は、非活性ポリマー材料から形成される。あるいは、部分１０４、１０６、１０８、１１０の各々は、活性ポリマー材料から作られてもよく、各々が互いから独立して制御可能であってもよい。セクションは、例示された長手方向セクションに限定される必要はない。他の代替の実施形態は、五つ以上のセクション、複数の同心長手方向セクション、環状セクション、複数の同心環状セクション、及び、長手方向セクション、環状セクション及び同心セクションの組み合わせを含む。
【００７２】
[00112]他の代替の実施形態において、曲げ可能な器具又は関節運動器具は、図６のようなセグメントを使用せず、連続した可撓性のある材料を使用する。図７に例示されるように、代表的なセグメント１２４は、可撓性のある材料から作られ、例えば、ホース、チューブ、ばね、又は、曲げるか又は屈曲されてもよい他の任意の連続材料である。例示された実施形態において、セクションを有するか、片状であるか、又は長い活性ポリマー材料１２０、１２２が、セグメント１２４の周辺に配列される。活性ポリマー材料の片がセグメント１２４に連結されて、当該ポリマーの作動がセグメント１２４の所望の撓み、曲げ又は他の作動をもたらす。活性ポリマー材料は、任意の数の位置でセグメント１２４の構造体に、例えば、セグメントの外部に沿って、セグメントの内部に、セグメントの端のみに、セグメントの長さ方向に沿って連続して、又は、活性ポリマー材料の活性が結果として、セグメント１２４の形状、配向、曲げ又は全体的形状寸法の制御された変更になるような他の任意の方法で、連結されてもよい。
【００７３】
[00113]次に、セグメント１２４の例示的な作動が、図７ａ、７ｂ及び７ｃを参照して説明される。図７（ａ）に示されるように、長さＬ1をもつ第１の側部のエレクトロポリマー材料１２０の長さが、長さＬ2をもつ第２の側部の材料１２２のものと同一の長さであるように制御されるときに、セグメント１２４は曲げられず、真っ直ぐな構成にある。この場合、セグメント１２４は、場合によって、両方の活性ポリマー材料１２０、１２２から等しい張力下にあってもよく、又は、代替的に、セグメント１２４は活性ポリマー材料からの張力下になくてもよい。セグメント１２４を第１の側部へ曲げるために、図７（ｂ）に示されるように、セグメント１２４（Ｌ1）の左側にある活性ポリマー材料又はアクチュエータ１２０は収縮させられてもよく、一方、右側（Ｌ2）にある活性ポリマー材料又はアクチュエータ１２２は緩和又は膨張させられる。セグメント１２４を右へ曲げるために、図７（ｃ）に示されるように、セグメント１２４（Ｌ2）の右側への活性ポリマー材料又はアクチュエータ１２２は収縮させられてもよく、一方、左側（Ｌ1）への活性ポリマー材料又はアクチュエータ１２０は緩和又は膨張させられる。図７は、例示的な目的のために、１本の軸（左−右）において曲がる、ホース、チューブ又はばねを示し、追加の個別に制御可能な長いエレクトロポリマー材料を加えて、ホース、チューブ又はばねを、ページから平面に曲げて（上−下）、２本の軸及び３次元へ拡張してもよい。
【００７４】
[00114]更に別の変形例において、連続バンド状の活性ポリマー材料が環状リングに形成され、例えば、ホース、チューブ、ばね、又は、任意の方向に曲げるか又は屈曲されてもよい他の任意の連続材料であるセグメント１３０の周辺に置かれてもよい。この構成においては、図８（ａ）に示されるように、活性ポリマー材料の個別に制御可能な領域１３２、１３４、１３６が、電圧を印加されるか、電圧を解除されるか、又は逆の極性で電圧を印加されてもよい電極の使用を通して、所望のように収縮し、緩和し、且つ膨張してもよいように形成される。このようにして、単一の片状の活性ポリマー材料を使用して、一定の長さのセグメント１３０を作動してもよい。活性ポリマー材料の任意の数の個別に制御可能な領域１３２、１３４、１３６が、形成されてもよい。一実施形態において、二つの制御可能な領域がある。別の実施形態において、図８（ｂ）に示される三つの領域１３２、１３４、１３６のように、三つの制御可能な領域がある。更に別の実施形態において、図８（ｃ）に示される四つの領域１３８、１４０、１４２、１４４等の、四つ以上の制御可能な領域がある。上述の領域のいずれにおいて、当該領域は、制御する軸の平面に膨張し且つ／又は収縮するように配列されてもよく、且つ／又は、当該領域が使用されて、個別に制御され、セグメント１３０にプッシュ及び／又はプル力を形成してもよい。
【００７５】
[00115]図９（ａ）は、本発明の関節運動器具の代替の実施形態を例示する。関節運動器具１５０は、連続バンド状の活性ポリマー材料１５２、１５４を含み、当該材料は、この実施形態では、環状リングとして形成され、ホース、チューブ、ばね、又は、所望の方向に曲げるか又は屈曲されてもよい他の任意の連続材料１５３によって画成された間質空間の周辺に又はその内径に沿って配置されてもよい。いくつかの実施形態において、活性ポリマー材料は、数「セグメント」にわたって延在するように、十分な長さのものである。図９（ａ）において、制御可能なセクション又は領域１５６、１５８、１６０、１６２の各々にわたる個別制御のため、５つの「セグメント」の連続構造体が形成される。これらのセグメントは、任意の方向に曲げられ得る独立して制御可能なセクションとして画成される。セグメントは、任意の所望の長さになるように選択されてもよい。関節運動器具が内視鏡である例示的な実施形態において、セグメントは、例えば、長さが、例えば１ｃｍ〜１０ｃｍの範囲であってもよい。他の用途では、更により短いセグメント長さが使用されてもよく、それは用途に依存する。関節運動器具が脈管構造又は他の制限された経路を進むことが意図されるいくつかの実施形態において、セグメント長さは、１ｃｍ未満であってもよく、例えば、５０ｍｍ又は２５ｍｍである。
【００７６】
[00116]使用される活性ポリマー材料１５２、１５４は、単一の連続片に形成されてもよく、ホース、チューブ、ばね、又は、可撓性のある内視鏡構造体１５０を構成する他の可撓性のある材料の長さ全体を覆うように作られてもよい。この構成において、活性ポリマー材料の独立して制御可能な領域１５６、１５８、１６０、１６２が、内視鏡の長さ方向に沿って各セグメントに曲げ力をかけることができるように、又は、内視鏡の長さ全体よりも短くてもよい活性ポリマー材料のスリーブ内に、できるだけ多くのセグメントが含まれるように、形成されて配置される。活性ポリマー材料１５２、１５４は、セグメントに力を与えてそれを曲げるために、ホースに、チューブに、ばねに、又は、セグメントの各々の端点で又はその近傍で内視鏡を構成する他の可撓性のある材料に固定されてもよく、又は、場合によって、活性ポリマー材料１５２、１５４は、構造体に取り付けられていなくてもよく、摩擦接触及び弾性を使用して構造体に力を与えるか、又は、電極で引き受けるために制御される形状に構造体を従わせるかのいずれかである。
【００７７】
[00117]図９（ａ）は、各ヒンジ又はジョイントを所望の方向に曲げることができるように、動作するよう構成された活性ポリマー材料の個別に制御可能な領域１５６、１５８、１６０、１６２を有する実施形態を示す。この構造体において、一連のセグメントから作られた内視鏡の長さ又は長さのサブセットにわたる連続バンド状の活性ポリマー材料は、シースを形成する。このシースは、例えば、シリコーン、ウレタン、又は、内視鏡又は他の医療装置に普通に使用される他の任意の生体適合性材料である
生体適合性材料から作られるか又はそれが塗布されてもよく、したがって、害又は損傷を生じることなく生体組織に接触してもよい。活性ポリマー材料の形状及び長さを制御するために使用される電極は、柔軟電極であってもよく、また、絶縁されるか又は電気ショックを防止するために覆われてもよく、これもまた、生体適合性材料で実現されてもよい。一実施形態において、シースは、使い捨て可能である。別の実施形態において、シースは、クリーニング可能であり、再使用可能である。
【００７８】
[00118]図９（ｂ）は、制御可能な領域の一部分の一実施形態の断面図を示す。制御可能な領域１６６、１６８は活性ポリマー材料で構成されてもよく、一方、部分１６４、１７０は非活性ポリマー材料から作られてもよい。別の代替の実施形態において、制御可能な領域部分１６４、１６６、１６８、１７０の各々は、活性ポリマー材料を含んでもよく、各々が、互いから独立して制御可能であってもよい。
【００７９】
[00119]更に別の変形例において、ホース、チューブ、ばね、又は、代替の可撓性のある材料又は構造体である長尺物１８０は、図１０（ａ）に示されるように、複数のヒンジ、ジョイント又はユニバーサルジョイント１８２〜１９２から構成されてもよい。ヒンジ、ジョイント又はユニバーサルジョイント１８２〜１９２は、図１０（ａ）に示されるように、一体に接続されてセグメント１８０を形成してもよく、次いで、活性ポリマー材料の使用によって、２本の軸において曲げさせられてもよい。ヒンジ、ジョイント又はユニバーサルジョイント１８２〜１９２は、内腔１９４、又は、図１０（ｂ）のセグメント１８０の端面図に示されるように、ワーキングチャネルを画成してもよく、これは、構成要素が画成された内腔１９４内に組み立てられるか又は通り得るように、十分に大きい。ケーブル、チューブ、ワーキングチャネル、光ファイバ等のツール及び構成要素、及び、他のツール、照明バンドル等が、内腔１９４を通ってもよい。１本の軸のみにおいて曲がるように構成されるヒンジ又はジョイントを使用する配列用に（少なくとも２本の軸に曲がることができるユニバーサルジョイントとは対照的に）、ヒンジ又はジョイントの配向を交互にし、そのため、一つおきのヒンジ又はジョイントが一方の軸に曲がり（例えば、左−右）、中間にあるヒンジ又はジョイントが別の軸に曲がる（例えば、横方向又は上−下）ことが好ましい。
【００８０】
[00120]セグメント１８０の縦方向下のジョイント１８２〜１９２の間の間隔は、各リンクの直径に対して小さいことが好ましく（例えば、１：１又はそれ未満）、したがって、隣接するリンクの間のジョイントを覆う真っ直ぐな非関節運動材料の長さは、対応して短い。このようにして、一連の別々のヒンジ、ジョイント又はユニバーサルジョイント１８２〜１９２が、可撓性のある材料（例えば、ホース、チューブ、ばね等）の連続形状に近似してもよい。この変形例において、活性ポリマー材料は上述の変形例のいずれに使用されてもよい。
【００８１】
[00121]図１０（ｃ）に示された一実施形態において、個別の片状の又は長い活性ポリマー材料１８２、１８４は、セグメントの外部か又は内部のいずれかに使用されてもよく、ヒンジ又はジョイントから作られたセグメントに曲げ力を加える。あるいは、図１０（ｄ）に示されるように、連続バンド１８６が、セグメントの周囲に置かれてもよく、又は、セグメントの長さであるか又は少なくともセグメントの部分的な長さであるセグメントの内径内に置かれてもよく、セグメントに端点で又はその近傍で接着される。別の代替例において、図１０（ｅ）に示されるように、内視鏡全体か、又は、内視鏡を構成するセグメントのサブセットを構成し得る多数のセグメント１９０、１９２の周囲に、連続スリーブ１８８が置かれてもよい。連続バンド又はスリーブが使用される変形例において、活性ポリマー材料を、それが、いくつかの実施形態においては、セグメントごとに周囲に四つの個別に制御可能な領域を有し、且つ、これらの領域が、ヒンジ又はジョイントの曲げの軸に一致してプッシュ及び／又はプル力を発揮するように、構成することが好ましいこともある。個別に制御可能な片状又は長い活性ポリマー材料、又は、活性ポリマー材料の個別の領域を覆う個別に制御可能な電極を使用して、セグメントの各々を個別に任意の所望の方向に曲げてもよい。加えて、シースが設けられてもよく、これは、例えば、シリコーン、ウレタン、又は、内視鏡又は他の医療装置に普通に使用される他の任意の生体適合性材料である生体適合性材料から作られるか又はそれが塗布されてもよい。シースのコーティング又は材料は、害又は損傷を生じることなく生体組織に接触してもよいように、選択される。活性ポリマー材料の形状及び長さを制御するために使用される電極は、いくつかの実施形態において、絶縁されるか又は電気ショックを防止するために覆われてもよく、これもまた、生体適合性材料で実現されてもよい。他の実施形態において、電極は柔軟電極である。一実施形態において、シースは、使い捨てである。別の実施形態において、シースは、クリーニング可能であり、再使用可能である。
【００８２】
[00122]活性ポリマー材料の作動は、その特定のポリマーの活性機構に依存した多数の方法のいずれかにおいて発生してもよい。例えば、活性は、いくつかのポリマーでは、それらを、又はその部分を、又はそれらの領域を、電界の存在中に置くことによって、発生してもよい。他の場合には、活性機構は、ｐＨのレベルが変動する物質に活性ポリマーを接触させることに関係してもよい。いくつかの実施形態において、電気的に活性化されるポリマー材料及びアクチュエータは、電界の使用を通して作動される。電界を形成するために、図１１に示されるように、電極が使用されてもよい。これらの電極２０２、２０６は、導体材料をエレクトロポリマー材料２０４の片又は領域のいずれかの側部に置き、エレクトロポリマー材料の一方の側部にある導体材料２０２を一つの電圧ポテンシャル（Ｖ1）にし、一方、エレクトロポリマー材料の他方の側部にある導体材料２０６を別の電圧ポテンシャル（Ｖ2）にすることによって、形成される。このようにして、電界は、エレクトロポリマー材料にわたって提供される。電圧ポテンシャルは、安定して一定であってもよく、又は、経時変化してもよい。
【００８３】
[00123]別の変形例において、電極は、エレクトロポリマー材料に非常に近接して接触する別個の材料であってもよい。電極及びエレクトロポリマー材料の配列は、例えば、サンドイッチ構成に形成されてもよく、各構成要素は、別個の片から構成される。層は、平らであるか又は管状であるかのいずれかでもよい。Ｍｙｌａｒ等の薄く導電性があり可撓性のある材料が使用されてもよい。エレクトロポリマー材料の収縮、緩和及び／又は膨張を可能にするために、サンドイッチ配列の層は、互いに対して動くことができてもよい。この理由のために、滑りやすいか又は滑らかな材料が使用されてもよい。
【００８４】
[00124]更に別の変形例において、電極は、活性ポリマー材料の表面に直接結合されてもよい。この場合、電極は、可撓性があることが好ましく、圧縮し且つ膨張することができ、そのため、収縮、緩和、及び膨張を行うときにエレクトロポリマー材料とともに動いてもよい。可撓性のある材料、例えば、導電性ゴム又は導電性材料の柔軟なウィーブから作られた電極を使用して、活性ポリマー材料を最大範囲の動きにすることを可能にしてもよい。いくつかの実施形態においては、エレクトロポリマー材料の表面に電極を接着する柔軟な方法が好ましく、例えば、ゴムセメント、ウレタン結合、又は、他の柔軟な接着剤が好ましい。更なる電極の実施形態及び柔軟な電極の実施形態は、Ｐｅｌｒｉｎｅらに付与された米国特許第６，３７６，９７１号、発明の名称「Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」に記載されており、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。
【００８５】
[00125]更に別の変形例において、電極は、導電性インクを備えたシルクスクリーン等のプロセス、又は、印刷回路基板の生産に使用されるような還元プロセスを使用して、活性ポリマー材料の表面に直接印刷されてもよい。この変形例において、導電性インクは、活性ポリマー材料の運動とともに膨張し収縮することが必要であってもよい。これを達成するために、電極は、領域に細分割されて、例えば波線又は他の幾何学的形状といった全体的な動きを可能にする。図１２は、大きな程度の伸張及び収縮を可能にする導電性インクのパターン２１０、２１２を示す。この変形例において、電極の領域のいずれか又はすべてを個別に制御するために必要なすべての接続を印刷することが望ましいこともあり、その結果、活性ポリマー材料の多数の領域が制御されてもよく、このようにして、図１３に示されるように、追加配線の必要性を減少するか又は排除する。
【００８６】
[00126]個別に制御可能な電極の各々の電圧ポテンシャルを制御することによって、関節運動器具の形状を制御するために使用されるエレクトロポリマー材料の片又は領域の形状の制御が行われる。これは、コントローラの使用によって成されてもよく、当該コントローラは、電極の各々をオン又はオフに切り替え、電極の各々の電圧を個別に任意の所望の電圧に制御する。これは、コンピュータ又は他のプログラム可能なコントローラの使用によって、達成されてもよい。コントローラは、次いで、内視鏡のエレクトロポリマー材料の個別に制御可能な領域、部分又は片を作動することができる。このようにして、内視鏡の長さ全体の形状は、上述のように、「フォローザリーダー」アルゴリズムを含む任意の所望の方法で制御されてもよい。
【００８７】
[00127]更に別の変形例において、別個の接続が、個別電極の各々とコントローラとの間に形成されてもよい。この変形例において、別個のワイヤ又は一対のワイヤ、又は、ワイヤを備えているプリントトレースを使用して、図１３の概略図に示されるように、各電極をコントローラに接続してもよい。
【００８８】
[00128]更に別の変形例においては、内視鏡の単一のセグメントを作動するのに必要であるように、各々が、より少ない数の電極を切り換え制御することができる小さなコントローラのネットワークが、図１４に示されるように、データネットワーク及びパワーネットワークを備えたメインコントローラに、接続される。メインコントローラは、次いで、電極の各々用の設定を、ネットワークの各通信ノードへ伝送することによって、個別にセグメントの各々を構成する。これは、各電極から内視鏡のメインコントローラへと形勢されなければならない接続の数を大幅に減少する。更なるコントローラが、本明細書に参照することによって組み込まれる、Ｈｅｉｍ及びＰｅｌｒｉｎｅの特許及び出願、更に、参照として本明細書に組み込まれるＰｅｌｒｉｎｅらの米国特許出願公開第２００３／００６７２４５号、発明の名称「Ｍａｓｔｅｒ／Ｓｌａｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ」に記載されている。
【００８９】
[00129]選択された設計の変形とは無関係に、できるだけ速く且つ応答可能なようにセグメントを作動させるために、収縮が停止させられ緩和の過程にあるエレクトロポリマー材料の領域に対して能動的に引っ張ることが有利なこともある。これが、セグメントが新しく命じられた位置を達成するために必要な応答時間を減少するという利点を有しているのは、エレクトロポリマー材料の領域又は片が受動的に緩和するための時間が、エレクトロポリマー材料の対向する片又は領域がセグメントを新しく必要な位置へ引っ張るのに必要な時間よりも長いからである。このアルゴリズムを使用して、セグメント、ジョイント又はヒンジは、新しい位置を達成するためにそれらを緩和させる代わりに、新しい位置内に能動的に引かれる。
【００９０】
[00130]更に代替の構造体へ移る前に、本発明のいくつかの実施形態に使用されるような巻かれた電気活性ポリマーの製作及び用途、更に、電気的に活性化されるポリマー、又は、電気活性ポリマーの構造及び操作の基本的な原則のいくつかが最初に解明される。本発明の装置の電気エネルギと機械エネルギとの間の変換は、電気活性ポリマーの一つ以上の区域のエネルギ転換に基づいている。電気活性ポリマーは、機械エネルギと電気エネルギとの間の転換を可能にする。いくつかの場合において、電気活性ポリマーは、機械歪を伴って電気特性（例えば、キャパシタンス及び抵抗）を変える。
【００９１】
[00131]電気エネルギと機械エネルギとの間の転換における電気活性ポリマーの能力を例示するのを助けるために、図１５Ａは、本発明の一実施形態に係るトランスデューサ部分１５１０の上部斜視図を示す。トランスデューサ部分１５１０は、電気エネルギと機械エネルギとの間で転換するための電気活性ポリマー１５１２の一部を含む。一実施形態においては、電気活性ポリマーは、二つの電極の間の絶縁誘電体として作用するポリマーを意味し、二つの電極の間に電圧差を加えられたときに撓み得るものである（「誘電性エラストマー」）。頂部及び底部の電極１５１４及び１５１６は、電気活性ポリマー１５１２にそれぞれその頂部及び底部の表面で接着され、ポリマー１５１２にわたる電圧差を提供するか、又は、ポリマー１５１２から電気エネルギを受け取る。ポリマー１５１２は、頂部及び底部の電極１５１４及び１５１６によって提供される電界の変化で撓み得るものである。電極１５１４及び１５１６によって提供される電界の変化に応答するトランスデューサ部分１５１０の撓みは、「作動」と称される。作動は、典型的に、電気エネルギが機械エネルギに転換することに関与する。ポリマー１５１２はサイズが変わると、撓みが使用されて、機械的作用が生成される。
【００９２】
[00132]図１５Ｂは、撓みを含むトランスデューサ部分１５１０の上部斜視図を例示する。一般に、撓みは、ポリマー１５１２の一部の、任意の変位、膨張、収縮、捩れ、線状又は区域の歪、又は、他の任意の変形を意味する。作動のために、電極１５１４及び１５１６に加えられるか又はそれによる電圧差に対応する電界の変化は、ポリマー１５１２内に機械的圧力を生成する。この場合、電極１５１４及び１５１６によって生成された異なる電荷は、互いに引き付け合い、電極１５１４及び１５１６の間に圧縮力を提供し、平面方向１５１８及び１５２０のポリマー１５１２に膨張力を提供し、ポリマー１５１２を電極１５１４及び１５１６の間で圧縮させ、平面方向１５１８及び１５２０に伸張させる。
【００９３】
[00133]電極１５１４及び１５１６は、柔軟であり、ポリマー１５１２と共に形状を変える。ポリマー１５１２及び電極１５１４及び１５１６の構成は、撓みを伴うポリマー１５１２の応答を増加する。より具体的には、トランスデューサ部分１５１０が撓むにつれて、ポリマー１５１２の圧縮が電極１５１４及び１５１６の反対の電荷を近づけさせ、ポリマー１５１２の伸張が各電極の類似電荷を分離する。一実施形態において、電極１５１４及び１５１６の一方が接地される。例えば、トランスデューサ部分１５１０は一般に、撓みを発生する静電気力と機械的な力がバランスを取るまで、撓み続ける。機械的な力は、ポリマー１５１２材料の弾性復元力、電極１５１４及び１５１６のコンプライアンス、及び、トランスデューサ部分１５１０へ連結された装置及び／又は荷重によって提供される任意の外部抵抗力等を含む。印加された電圧の結果としてのトランスデューサ部分１５１０の撓みは、多数の他の要因に依存し得るものであり、例えば、ポリマー１５１２誘電定数及びポリマー１５１２のサイズに依存し得る。
【００９４】
[00134]本発明に係る電気活性ポリマーは、任意の方向に撓むことができる。電極１５１４及び１５１６の間に電圧が加えられた後に、電気活性ポリマー１５１２は、両方の平面方向１５１８及び１５２０でサイズが増加する。いくつかの場合において、電気活性ポリマー１５１２は、非圧縮性であり、例えば、応力下で実質的に一定の容量を有する。この場合、ポリマー１５１２は、平面方向１５１８及び１５２０における膨張の結果として、厚さが減少する。本発明は、非圧縮性ポリマーに限定されず、ポリマー１５１２の撓みは、このような簡単な関係に一致しなくてもよいことに注意しなければならない。
【００９５】
[00135]図１５Ａに示されるトランスデューサ部分１５１０の電極１５１４及び１５１６の間に比較的大きな電圧差を加えることは、トランスデューサ部分１５１０を、図１５Ｂに示されるように、より薄くより大きな区域形状に変化させる。このようにして、トランスデューサ部分１５１０は、電気エネルギを機械エネルギに転換する。トランスデューサ部分１５１０を使用して、機械エネルギを電気エネルギに転換してもよい。
【００９６】
[00136]作動のために、トランスデューサ部分１５１０は一般に、撓みを駆動する静電気力と機械的な力がバランスを取るまで、撓み続ける。機械的な力は、ポリマー１５１２材料の弾性復元力、電極１５１４及び１５１６のコンプライアンス、及び、トランスデューサ部分１５１０へ連結された装置及び／又は荷重によって提供される任意の外部抵抗等を含む。加えられた電圧の結果としてトランスデューサ部分１５１０の撓みは、多数の他の要因に依存してもよく、例えば、ポリマー１５１２誘電定数及びポリマー１５１２のサイズである。
【００９７】
[00137]一実施形態において、電気活性ポリマー１５１２は、予め歪まされる。ポリマーの予歪は、一つ以上の方向において、予歪後の方向の寸法の、予歪前のその方向の寸法に対する変化として説明され得る。予歪は、ポリマー１５１２の弾性変形を含んでもよく、例えば、張力でポリマーを伸張し、伸張しつつ一つ以上の縁を固定することによって形成されてもよい。あるいは、下記により詳細に説明されるように、ばね等の機構が電気活性ポリマーの異なる部分に連結されてもよく、ポリマーの一部を歪ませる力を提供してもよい。多くのポリマーでは、予歪は、電気エネルギと機械エネルギとの間の転換を向上する。向上された機械的な応答は、電気活性ポリマー用のより大きな機械的作用、例えば、より大きな撓み及び作動圧力を可能にする。一実施形態において、予歪は、ポリマーの絶縁耐力を向上する。別の実施形態において、予歪は、弾性的である。作動後、弾性的に予め歪まされたポリマーは、原則として、固定解除され、その元々の状態に戻ることができる。
【００９８】
[00138]一実施形態において、予歪は、ポリマー１５１２の一部上に均一に加えられ、等方性の予め歪まされたポリマーを生成する。例として、アクリルエラストマーポリマーは、両方の平面方向に２００〜４００パーセント伸張されてもよい。別の実施形態において、予歪は、ポリマー１５１２の一部に異なる方向に不均等に加えられ、異方性の予め歪まされたポリマーを生成する。この場合、ポリマー１５１２は、作動されるときに、一方の方向で他方の方向よりも多く撓んでもよい。予歪は、先述されている。一実施形態において、トランスデューサ部分１５１０の方向１５１８における撓みは、垂直方向１５２０における大きな予歪を利用することによって高めることができる。例えば、トランスデューサ部分１５１０として使用されるアクリルエラストマーポリマーは、方向１５１８に１０パーセント、垂直方向１５２０に５００パーセント伸張されてもよい。ポリマーの予歪の量は、ポリマー材料及び用途におけるポリマーの所望の能力に基づいてもよい。
【００９９】
[00139]一般に、ポリマーは、予め歪まされた後に、一つ以上の物体又は機構に固定されてもよい。剛性の物体では、当該物体は、ポリマーに望ましい予歪のレベルを維持するために適切に硬いことが好ましい。ポリマーを歪ませる力を提供するばね又は他の適切な機構は、ばね又は機構へ接着する前に、ポリマーに先に設定された任意の予歪に加えてもよく、又は、ポリマーのすべての予歪を担っていてもよい。ポリマーは、化学接着剤、接着層又は材料、機械的な接着等の当分野において公知の任意の従来の方法にしたがって、一つ以上の物体又は機構に固定されてもよい。
【０１００】
[00140]本発明のトランスデューサ及び予め歪まされたポリマーは、任意の特定の幾何形状又は撓みの種類に限定されない。例えば、ポリマー及び電極は、任意の幾何形状又は形状に形成されてもよく、チューブ及びマルチレーヤーロール、複数の剛性構造体の間に接着された巻かれたポリマー、湾曲した又は複雑な形状を含む任意の形状のフレームにわたって、一つ以上のジョイントを有するフレームにわたって、接着された巻かれたポリマー、等を含む。本発明によるトランスデューサの撓みは、一つ以上の方向における線膨張及び圧縮、曲げ、ポリマーが巻かれるときの軸方向撓み、ポリマーのまわりの外側円筒形に設けられた穴からの撓み、等を含む。トランスデューサの撓みは、ポリマーに接着されたフレーム又は剛性構造体によってポリマーがどのように抑制されるかによって、影響されてもよい。
【０１０１】
[00141]本発明で電気活性ポリマーとして使用されるのに適切な材料は、静電気力に応答して変形するか又はその変形が結果として電界の変化になる任意の実質的に絶縁のポリマー又はゴム（又はその組み合わせ）を含んでもよい。一つの適切な材料は、カリフォルニア州カーペンテリアのＮｕＳｉｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙによって提供されたＮｕＳｉｌ  ＣＦ１９−２１８６である。予め歪まされたポリマーとして使用されるのに適切な他の模範的な材料は、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、例えば、ミネソタ州セントポールの３Ｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが生産したＶＨＢ４９１０アクリルエラストマー、ポリウレタン、熱可塑性エラストマー、ＰＶＤＦを備えているコポリマー、感熱接着剤、フルオロエラストマー、シリコーン及びアクリル成分を備えているポリマー等である。シリコーン及びアクリル成分を備えているポリマーは、例えば、シリコーン及びアクリル成分を備えているコポリマー、シリコーンエラストマー及びアクリルエラストマーを備えているポリマー混合物等を含んでもよい。これらの材料のいくつかの組み合わせもまた、本発明の関節運動器具の実施形態の活性ポリマー又はポリマーアクチュエータ又はトランスデューサ等の電気活性ポリマーとして、使用されてもよい。
【０１０２】
[00142]電気活性ポリマーとして使用される材料は、高い絶縁破壊の強度、低い弾性率（大きな又は小さい変形用）、高い誘電定数等の、一つ以上の材料特性に基づいて選択されてもよい。一実施形態において、ポリマーは、多くても約１００ＭＰａの弾性率を有するように選択される。別の実施形態において、ポリマーは、約０．０５ＭＰａ〜約１０ＭＰａの間の、好ましくは約０．３ＭＰａ〜約３ＭＰａの間の、最大作動圧力を有するように選択される。別の実施形態において、ポリマーは、約２〜約２０の間の、好ましくは約２．５〜約１２の間の、誘電定数を有するように選択される。
【０１０３】
[00143]本発明のアクチュエータの電気活性ポリマー層は、広い範囲の厚さを有してもよい。一実施形態において、ポリマーの厚さは、約１マイクロメートル〜約２ミリメートルの間の範囲であってもよい。ポリマーの厚さは、フィルムを一方又は両方の平面方向に伸張することによって減少されてもよい。多くの場合には、本発明の電気活性ポリマーは、薄膜として製造され実施されてもよい。これらの薄膜に適切な厚さは、５０マイクロメートル未満であってもよい。
【０１０４】
[00144]本発明の電気活性ポリマーは、高い歪で撓んでもよいため、ポリマーに接着された電極もまた、機械的な又は電気的な能力を低減せずに撓まなければならない。一般に、本発明に使用されるのに適切な電極は、電気活性ポリマーへ適切な電圧を供給することができるか又はそれから適切な電圧を受け取ることができるのであれば、任意の形状及び材料であってもよい。電圧は、一定であるか又は経時変化するかのいずれかであってもよい。一実施形態において、電極は、ポリマーの表面に接着する。ポリマーに接着する電極は、柔軟であることが好ましく、ポリマーの変化する形状に従う。相応して、本発明は、接着される電気活性ポリマーの形状に従う柔軟電極を含んでもよい。電極は、電気活性ポリマーの一部に与えられるだけであり、その形状にしたがって活性区域を画成する。電気活性ポリマーの一部を覆うだけである電極の幾つかの例が、下記に更に詳細に説明される。
【０１０５】
[00145]本発明に使用されるのに適切な様々な種類の電極は、米国特許第６，３７６，９７１号に記載されており、これは、上記に参照として先に組み込まれた。それに記載され本発明に使用されるのに適切な電極は、金属トレース及び電荷分布層を備える構造化電極、平面寸法から変化することを含むテクスチャード加工電極、導電性グリース例えばカーボングリース又はシルバーグリース、コロイド懸濁液、高いアスペクト比の導電性材料例えばカーボンフィブリル及びカーボンナノチューブ、及び、イオン性導電性材料の混合物を含む。本明細書に記載されているように、本発明の関節運動器具の実施形態は、有利なことに、一つ又は柔軟な電極を含む一つ以上の電極、及び、活性ポリマーを作動するための一つ以上の活性区域を含んでもよい。一実施形態において、活性ポリマーは、電気的に活性化されるポリマー又は電気活性ポリマーである。一般的に言えば、本発明に使用されるのに適切な電極は、一定であるか又は経時変化するかのいずれかの適切な電圧を、活性ポリマーへ供給するか又はそれから受け取ることができるのであれば、任意の形状及び材料であってもよい。一実施形態において、電極は、ポリマーの表面に接着する。ポリマーに接着する電極は、柔軟であることが好ましく、ポリマーの変化する形状に従う。いくつかの実施形態において、一つの電極又は複数の電極は、活性ポリマーの一部のみに与えられてもよく、その形状にしたがって活性区域を画成する。特定の一実施形態において、活性ポリマーは、電気活性誘電性ポリマーである。
【０１０６】
[00146]柔軟電極は、一つ以上の方向に撓むことができる。線歪を使用して、これらの方向の一つにおける柔軟電極の撓みを説明してもよい。本明細書で使用されるように、柔軟電極の線歪は、撓みの線に沿った単位長さあたりの撓みを意味する。本発明の柔軟電極では、少なくとも約５０パーセントの最大線歪（引っ張り又は圧縮）が可能である。いくつかの柔軟電極では、少なくとも約１００パーセントの最大線歪が一般的である。当然ながら、電極は、最大よりも少ない歪で撓んでもよい。一実施形態において、柔軟電極は、一つ以上の高い導電性の領域及び一つ以上の低い導電性の領域を備える「構造化電極」である。
【０１０７】
[00147]本発明の電極に使用される材料は、異なっていてもよい。電極に使用される適切な材料は、グラファイト、カーボンブラック、コロイド懸濁液、銀及び金を含む薄い金属、銀充填及び炭素充填のゲル及びポリマー、及び、イオンで又は電子的に導電性のポリマーを含んでもよい。本発明の柔軟電極は、単独で使用されてもよく、又は、電荷分布層と組み合わせて使用されてもよい。特定の実施形態において、本発明に使用されるのに適切な電極は、例えば、ペンシルバニア州フィラデルフィアのＳｔｏｃｋｗｅｌｌ  Ｒｕｂｂｅｒ  Ｃｏ．，Ｉｎｃ．が生産したＳｔｏｃｋｗｅｌｌ  ＲＴＶ６０−ＣＯＮ等のシリコーンゴム結合剤中に８０パーセントのカーボングリース及び２０パーセントのカーボンブラックを含む。カーボングリースは、マサチューセッツ州フェアヘブンのＮｙｅ  Ｌｕｂｒｉｃａｎｔ  Ｉｎｃ．が提供したＮｙｏＧｅｌ７５６Ｇ等の種類である。導電性グリースはまた、ゲル状導電性グリースを提供するために、エラストマー、例えば、ニューヨーク州ウォーターフォードのＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃが生産したシリコーンエラストマーＲＴＶ１１８等と混合されてもよい。
【０１０８】
[00148]電荷分布層を有する実施形態では、電極は構造化電極であるとみなされ、当該構造化電極は、活性ポリマーのいずれかの側部のパターン化導電性トレース又は部分が、柔軟な電荷分布層によってポリマーから分離されることを意味する。このように、金属トレース及び電荷分布層は、ポリマーの対向する表面に適用される。したがって、構造化電極は、頂部から底部へ、上部金属又は導電性トレース、上部電荷分布層、活性ポリマー、下部電荷分布層、下部金属又は導電性トレースの断面を有する活性ポリマーアクチュエータを意味する。この一般的な構造は、特定の活性ポリマーの必要条件に適合するために、必要に応じて修正されてもよいことを当業者は認識するであろう。例えば、導電性ポリマーが使用される場合には、適切な電解質がいずれかの又は両方の電荷分布層の間に設けられる。
【０１０９】
[00149]一般に、電荷分布層のいくつかの実施形態は、電気活性ポリマーよりも大きいが金属トレースよりは小さいコンダクタンスを有する。電荷分布層の非強制の導電率必要条件は、広く様々な材料が使用されることを可能にする。例として、電荷分布層は、カーボンブラック、コロイドシルバーを備えたフルオロエラストマー、少ない割合のヨウ化ナトリウムの質量負荷を備えた水系ラテックスゴムエマルジョン、及び、テトラチアフルバレン／テトラシアノキノジメタン（ＴＴＦ／ＴＣＮＱ）電荷移動錯体を備えたポリウレタンを含んでもよい。これらの材料は、均一な範囲で薄い均一な層を形成することができ、環境内にかなりの電荷が漏れる前に金属トレースの間に電荷を伝えるのに十分な表面導電率を有する。一実施形態において、電荷分布層用の材料は、アクチュエータに使用される活性ポリマーのＲＣ時定数に基づいて選択される。例として、本発明のいくつかの実施形態に適切な電荷分布層の表面抵抗は、１０6〜１０11オームの範囲であってもよい。いくつかの他の実施形態において、電荷分布層は使用されず、金属トレースはポリマーに直接パターン化されることにも注意すべきである。電荷分布層が使用されないこれらの実施形態において、ポリマー表面の空気又は別の化学種が、トレースの間に電荷を担持するのに十分である。この効果は、プラズマエッチング又はイオンインプランテーション等の表面処理を通して表面導電率を上げることによって、高められてもよい。
【０１１０】
[00150]更に別の実施形態において、複数の金属電極がポリマーの同一の側部に位置し、ポリマーの幅にわたっている。この実施形態において、電極は、幅に対して垂直な方向にコンプライアンスを提供する。二つの隣接する金属電極が、それらの間のポリマー材料用の電極として作用する。複数の金属電極はこのようにして交互になり、交互の電極は、ポリマーの同期活性を提供するために電気的に接続してもよい。他の実施形態において、電極は、長さ方向に対して垂直な方向にコンプライアンスを提供するように配列される。
【０１１１】
[00151]一定の電極材料は、特定のポリマーに対して旨く働くことがあり、他のものではそれほど作用しないこともあることが理解される。例として、カーボンフィブリルは、アクリルエラストマーポリマーに対して旨く働くが、シリコーンポリマーでは旨く働かない。大半のトランスデューサでは、柔軟電極用の望ましい特性は、下記の一つ以上を含んでもよい。すなわち、低い弾性率、低い機械的減衰、低い表面抵抗、均一な抵抗、化学的且つ環境的安定性、電気活性ポリマーとの化学的適合性、電気活性ポリマーへの良好な接着性、及び、滑らかな表面を形成する能力である。いくつかの場合には、本発明のトランスデューサは、二つの異なる種類の電極を実施してもよく、例えば、各活性区域用に異なる電極の種類、又は、ポリマーの対向する側部に異なる電極の種類である。
【０１１２】
[00152]巻かれた電気活性ポリマー装置
【０１１３】
[00153]図１６Ａ〜１６Ｄは、本発明の一実施形態にしたがって巻かれた電気活性ポリマー装置１５２０を示す。図１６Ａは、装置１５２０の側面図を例示する。図１６Ｂは、頂部端からの装置１５２０の軸方向図を例示する。図１６Ｃは、断面Ａ−Ａを通って取られた装置１５２０の軸方向図を例示する。図１６Ｄは、巻く前の装置１５２０の構成要素を例示する。装置１５２０は、巻かれた電気活性ポリマー１５２２、ばね１５２４、エンドピース１５２７及び１５２８、及び、装置１５２０を一緒に保持するのに使用される様々な製造構成要素を備える。
【０１１４】
[00154]図１６Ｃに例示されるように、電気活性ポリマー１５２２は巻かれる。一実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーは、電極を備えて又は備えずに、それ自体のまわりに包まれた（例えば、ポスターのように）、又は、別の物体（例えば、ばね１５２４）のまわりに包まれた、電気活性ポリマーを意味する。ポリマーは、繰り返し巻かれてもよく、最低でも、少なくともポリマーの内側層部分に重なり合うポリマーの外側層部分を備える。一実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーは、物体又は中心のまわりに包まれた螺旋状に巻いた電気活性ポリマーを意味する。用語が本明細書で使用されるように、「巻かれた」は、どのようにしてポリマーがその巻かれた構成になるかとは無関係である。
【０１１５】
[00155]図１６Ｃ及び１６Ｄに例示されるように、電気活性ポリマー１５２２は、ばね１５２４の外部のまわりに巻かれる。ばね１５２４は、ポリマー１５２２の少なくとも一部を歪ませる力を提供する。ばね１５２４の頂部端１５２４ａは、剛性エンドピース１５２７に接着される。同様に、ばね１５２４の底部端１５２４ｂは、剛性エンドピース１５２８に接着される。ポリマー１５２２の頂部縁１５２２ａ（図１６Ｄ）は、エンドピース１５２７のまわりに巻かれ、適切な接着剤を使用してそれに接着される。ポリマー１５２２の底部縁１５２２ｂは、エンドピース１５２８のまわりに巻かれ、接着剤を使用してそれに接着される。したがって、頂部端１５２４ａの撓みがポリマー１５２２の頂部縁１５２２ａの撓みに対応するため、ばね１５２４の頂部端１５２４ａは、ポリマー１５２２の頂部縁１５２２ａに作用可能に連結される。同様に、ばね１５２４の底部端１５２４ｂは、ポリマー１５２２の底部縁１５２２ｂに作用可能に連結され、撓み底部端１５２４ｂはポリマー１５２２の底部縁１５２２ｂの撓みに対応する。ポリマー１５２２及びばね１５２４は、そのそれぞれの底部分と頂部分との間に撓むことができる。
【０１１６】
[00156]上述のように、多くの電気活性ポリマーは、予め歪まされるときにより良好に機能する。例えば、いくつかのポリマーは、予め歪まされるときに、より高い破壊電界強さ、電気的に作動された歪及びエネルギ密度を呈する。装置１５２０のばね１５２４は、ポリマー１５２２に対して結果として円周方向予歪及び軸方向予歪の両方になる力を提供する。
【０１１７】
[00157]ばね１５２４は、対向する軸方向（図１６Ａ）に外向き力を提供する圧縮ばねであり、ポリマー１５２２を軸方向に伸張し、ポリマー１５２２を軸方向に歪ませる。したがって、ばね１５２４は、張力がかかっているポリマー１５２２を軸方向１５３５に保持する。一実施形態において、ポリマー１５２２は、軸方向１５３５に約５０〜約３００パーセントの軸方向予歪を有する。製造のために下記に更に詳細に説明されるように、装置１５２０は、ばねが圧縮されている間に予め歪まされた電気活性ポリマーをばね１５２４のまわりに巻くことによって製造されてもよい。ひとたび解放されると、ばね１５２４は、引っ張り歪がかかっているポリマー１５２２を保持し、軸方向予歪を達成する。
【０１１８】
[00158]ばね１５２４はまた、ポリマー１５２２に円周方向予歪も維持する。予歪は、ポリマーがばね１５２４のまわりに巻かれる前に、方向１５３３（図１６Ｄ）に長手方向にポリマー１５２２内に設定されてもよい。製造中にこの方向に予歪を設定する技術は、下記により詳細に説明される。巻いた後にポリマーを固定することは、ばね１５２４用の実質的に一定の外径とともに、ばね１５２４のまわりに円周方向予歪を維持する。一実施形態において、ポリマー１５２２は、約１００〜約５００パーセントの円周方向予歪を有する。多くの場合、ばね１５２４は、結果としてポリマー１５２２上で異方性予歪になる力を提供する。
【０１１９】
[00159]エンドピース１５２７及び１５２８は、巻かれた電気活性ポリマー１５２２の対向する端及びばね１５２４に接着される。図１６Ｅは、本発明の一実施形態にしたがってエンドピース１５２７の側面図を例示する。エンドピース１５２７は、外側フランジ１５２７ａ、インタフェース部分１５２７ｂ、及び、内側穴１５２７ｃを備える円形構造体である。インタフェース部分１５２７ｂは、ばね１５２４と同一の外径を有することが好ましい。インタフェース部分１５２７ｂの縁はまた、ポリマーの損傷を防止するために、丸みを帯びていてもよい。内側穴１５２７ｃは円形であり、頂部端から外側フランジ２７ａを含む底部外側端へ、エンドピース１５２７の中心を通って進む。特定の実施形態において、エンドピース１５２７は、アルミニウム、マグネシウム又は他の機械金属を備える。内側穴１５２７ｃは、エンドピース１５２７内に機械加工されたか又は類似の方法で製造された穴によって画成される。特定の実施形態において、エンドピース１５２７は、３／８インチの内側穴１５２７ｃを備えた１／２インチのエンドキャップを備える。
【０１２０】
[00160]一実施形態において、ポリマー１５２２は、外側フランジ１５２７ａまでずっとは延在せず、ポリマー１５２２の外側部分の縁と外側フランジ１５２７ａの内側表面との間にギャップ１５２９が残される。下記に更に詳細に説明されるように、この巻かれた構成を維持するために、接着剤か又はグルー接着剤が、巻かれた電気活性ポリマー装置に加えられてもよい。ギャップ１５２９は、エンドピース１５２７に、巻かれた装置の外径の増強ではなく、接着剤か又はグルー接着剤用に専用の空間を提供し、ロールのすべてのポリマー層をエンドピース１５２７へ固定する。特定の実施形態において、ギャップ１５２９は、約０ｍｍ〜約５ｍｍの間である。
【０１２１】
[00161]エンドピース１５２７及び１５２８の間の電気活性ポリマー１５２２及びばね１５２４の部分は、その機能的な目的のために活性であるとみなされてもよい。したがって、エンドピース１５２７及び１５２８は、装置１５２０の活性領域１５３２を画成する（図１６Ａ）。エンドピース１５２７及び１５２８は、ばね１５２４に且つポリマー１５２２に接着するために共通の構造体を提供する。加えて、各エンドピース１５２７及び１５２８は、装置１５２０へ外側から機械的且つ取り外し可能な連結を可能にする。例えば、装置１５２０は、エンドピース１５２７がロボットの上流リンクへ接着され且つエンドピース１５２８がロボットの下流リンクへ接着されるロボット用途に使用されてもよい。次いで、電気活性ポリマー１５２２の作動が、二つのリンクの間の自由の程度によって決定されるように、下流リンクを上流リンクに対して動かす（例えば、リンク１上のピンジョイントのまわりのリンク１５２の回転）。
【０１２２】
[00162]特定の実施形態において、内側穴１５２７ｃは、ねじ又はねじ山を切ったボルト等のねじ山を切った部材を備えたねじ山を切ったインタフェースが可能な内側ねじ山を備える。内側ねじ山は、装置１５２０の一方の端への取り外し可能な機械的接着を可能にする。例えば、ねじは、ロボット要素へ外側から接着するためにエンドピース１５２７内の内側ねじ山内にねじ込まれてもよい。装置１５２０への取り外し可能な機械的接着のために、各エンドピース１５２７及び１５２８内にねじ込まれるべきナット又はボルトは、ばね１５２４の軸方向コアを通って進み、それによって、二つのエンドピース１５２７及び１５２８を互いに対して固定する。これによって、装置１５２０を任意の撓んだ状態で保持することができ、例えば、巻いている間に有用な完全に圧縮された状態等である。これはまた、ポリマー１５２２が保管中に歪まないように、装置１５２０の保管中にも有用であってもよい。
【０１２３】
[00163]一実施形態において、剛性部材又は線状ガイド１５３０が、ばね１５２４のばねコア内に配置される。ばね１５２４のポリマー１５２２は、エンドピース１５２７及び１５２８の間で実質的に柔軟であるため、装置１５２０は、方向１５３５に沿って軸方向に撓み、且つ、ポリマー１５２２及びばね１５２４をその線状軸（ばね１５２４の中心を通って進む軸）から離して曲げることとの両方が可能である。いくつかの実施形態において、軸方向撓みのみが所望される。線状ガイド１５３０は、装置１５２０が線状軸を中心にしてエンドピース１５２７及び１５２８の間で曲がるのを防止する。好ましくは、線状ガイド１５３０は、装置１５２０の軸方向撓みに干渉しない。例えば、線状ガイド１５３０は、それ自体とばね１５２４の任意の部分との間に摩擦抵抗を導入しないことが好ましい。線状ガイド１５３０で、又は、軸方向１５３５の外部の動きを防止する他の任意の適切な制約で、装置１５２０は、出力が完全に方向１５３５である線状アクチュエータ又はジェネレータとして作用してもよい。線状ガイド１５３０は、任意の適切に剛性な材料例えば木、プラスチック、金属等から構成されてもよい。
【０１２４】
[00164]ポリマー１５２２は、ばね１５２４のまわりに繰り返し巻かれる。単一の電気活性ポリマー層構造用に、本発明の巻かれた電気活性ポリマーは、約２〜約２００の間の層を備えてもよい。この場合、層とは、巻かれたポリマーの半径方向断面で遭遇（存在）するポリマーフィルム又はシートの数を意味する。いくつかの場合には、巻かれたポリマーは、約５〜約１００の間の層を備える。特定の実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーは、約１５〜約５０の間の層を備える。
【０１２５】
[00165]別の実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーは、マルチレーヤー構造（複数層構造）となる。マルチレーヤー構造では、巻いたり巻き付けたりする前に互いに配置される複数のポリマー層を備える。例えば、第２の電気活性ポリマー層は、上にパターン化された電極を備えず、パターン化された電極を両側部に有する電気活性ポリマー上に配置されてもよい。二つのポリマーのすぐ間にある電極は、直接接触する両方のポリマー表面に作用する。巻いた後に、電極化ポリマーの底部側の電極は、次いで、非電極化ポリマーの頂部側に接触する。このようにして、パターン化した電極を上に備えていない第２の電気活性ポリマーは、第１の電極化ポリマーの二つの電極を使用する。
【０１２６】
[00166]他のマルチレーヤー構造も構成することができる。例えば、マルチレーヤー構造は、任意の偶数のポリマー層を備えてもよく、その中で、奇数のポリマーが電極化され、偶数のポリマーは電極化されないようにしてもよい。次いで、頂部の非電極化ポリマーの上部表面は、巻いた後に、スタックの底部の電極を当てにする。２、４、６、８等を有するマルチレーヤー構造が、この技術を可能にする。いくつかの場合において、マルチレーヤー構造に使用される層の数は、ロールの寸法及びポリマー層の厚さによって限定されてもよい。ロール半径が減少するにつれて、許容される層の数もまた典型的に減少する。使用される層の数とは無関係に、巻かれたトランスデューサは、所与の極性の電極が反対の極性の電極に触れないように、構成される。一実施形態において、複数の層は、各々が個別に電極化され、巻く前に一つおきのポリマー層が反転され、巻いた後に互いに接触する電極が、類似電圧又は極性であるようにする。
【０１２７】
[00167]マルチレーヤーポリマーのスタックはまた、２種類以上のポリマーを備えてもよい。例えば、第２のポリマーの一つ又は複数の層を使用して、巻かれた電気活性ポリマー層の弾性又は剛性を修正してもよい。このポリマーは、作動中に、充電／放電において、活性があってもなくてもよい。非活性ポリマー層が使用されるときには、ポリマー層の数は奇数であってもよい。第２のポリマーはまた、巻かれた製品の能力を変える別の種類の電気活性ポリマーであってもよい。
【０１２８】
[00168]一実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーのもっとも外側の層は、上に配置された電極を備えない。これは、機械的保護の層を提供するために、又は、次の内側層の電極を電気的に絶縁にするために、行われてもよい。
【０１２９】
[00169]装置１５２０は、小型の電気活性ポリマー装置構造体を提供し、従来の電気活性ポリマー装置に対して、全体的に電気活性ポリマー装置の能力を改良する。例えば、装置１５２０のマルチレーヤー構造は、個別のポリマー層の各々に対する装置の全体的ばね定数を調整する。加えて、ばね１５２４を経由して達成された装置の増加した剛性は、装置１５２０の剛性を増加し、所望により、作動における応答をより速くすることができる。
【０１３０】
[00170]特定の実施形態において、ばね１５２４は、カリフォルニア州ロサンゼルスのＣｅｎｔｕｒｙ  Ｓｐｒｉｎｇによって提供されるカタログ番号１１４２２等の圧縮ばねである。このばねは、０／９１ｌｂ／インチのばね力、及び、４．３８インチの自由長さ、１．１７インチの固体長さ、０．３６０インチの外径、０．３インチの内径という寸法によって特徴づけられる。この場合、巻かれた電気活性ポリマー装置１５２０は、約５〜５ｃｍの高さ３６、約０．８〜約１．２ｃｍの直径１５３７、及び、約４〜約５ｃｍのエンドピースの間の活性領域を有する。ポリマーは、約３００〜約５００パーセントの円周方向予歪及び約１５０〜約２５０パーセントの軸方向予歪（ばね１５２４による力貢献を含む）によって特徴づけられる。
【０１３１】
[00171]装置１５２０は、多くの機能的な用途を有する。下記に更に詳細に説明されるように、本発明の電気活性ポリマーは、他に記載されるように、様々な医療及び工業の用途のためにマルチセグメント化器具の作動のために使用されてもよい。したがって、装置１５２０もまた、機械的エネルギの作動及び生産のためにロボット用途に使用されてもよい。あるいは、巻かれた装置２０は、ロボットリンク又は関節運動セグメントの剛性及び減衰制御に寄与してもよい。したがって、エンドピース１５２７又は１５２８のいずれかが、潜在的に動く機械的リンクに連結され、リンクから機械的エネルギを受け取り、動きを減衰してもよい。この場合、ポリマー１５２２は、下記に記載される技術にしたがって、この機械的エネルギを電気エネルギに転換する。
【０１３２】
[00172]装置１５２０は、巻かれたポリマーに内側に配置された単一のばね１５２４を備えて例示されているが、歪及び予歪力を提供するために、ポリマーの外側に別のバネ等の追加構造体が使用されてもよいことが理解される。これらの外側構造体は、例えば、エンドピース１５２７及び１５２８を使用して、装置１５２０に接着されてもよい。
【０１３３】
[00173]本発明はまた、巻かれたポリマーを歪ませる力を加えるために巻かれた電気活性ポリマー装置に使用されるばね以外の機構も包含する。用語が本明細書で使用されるように、巻かれた電気活性ポリマー装置に歪を提供するために使用される機構は、一般に、巻かれた電気活性ポリマーの異なる部分に力を提供することができるシステム又は要素の配列を意味する。多くの場合、機構は曲がりやすい（例えば、ばね）か、又は、可動部分（例えば、空気圧シリンダ）を有する。機構はまた、剛性部分（例えば、フレーム等）を備えてもよい。あるいは、歪力を提供して軸方向撓みを可能にするために、圧縮可能材料及び発泡体が、ロールの内側に配置されてもよい。
【０１３４】
[00174]一般に、機構は、ポリマーへ力を提供する。一実施形態において、後述されるように、力は、装置の力対撓み特性を変え、例えば、負の力応答を提供するようにする。別の実施形態において、力はポリマーを歪ませる。この後者の場合は、ポリマーが力に応答して、その撓み状態に対して機構の影響なしで、撓むことを暗示する。この歪は、上述のような予歪を含んでもよい。一実施形態において、機構は、ポリマーに先に設定された任意の予歪を維持するか又は加え、後述されるように巻いている間に固定具によって提供されるような予歪である。別の実施形態において、予歪はポリマーに先に加えられておらず、機構が予歪をポリマーに設定する。
【０１３５】
[00175]一実施形態において、機構は、電気活性ポリマーに類似するか又は異なる別のエラストマーである。例えば、この第２のエラストマーは、巻く前に軸方向に圧縮されるほぼ中実のラバーコアとして配置されてもよい（電気活性ポリマーに軸方向引っ張り予歪を提供するために）。エラストマーコアは、巻く過程を容易にするために剛性ロッド用の薄い穴を有することができる。潤滑油を差す場合には、剛性ロッドは製造後にロールから滑り出てもよい。類似技術を使用して、電気活性ポリマーがしっかり巻かれた中実エラストマーロールを作ってもよい。
【０１３６】
[00176]機構及びその構成要素は典型的に、歪が達成されるように、ポリマーに作用可能に連結される。これは、固定されたか又は取り外し可能な連結、永久接着等を含んでもよい。上記のばねの場合には、作用可能な連結は、接着剤例えばグルー接着剤の使用を含み、これは、ばねの対向する端をポリマーの対向する端に接着する。接着剤はまた、所望により、巻かれたポリマーをフレームに接着するのに使用される。連結は、直接であっても間接であってもよい。二つの機械的構造体を一緒に連結するか又は接着するために多数の技術があることを当業者は知っているため、これらの技術は簡潔さのためにここでは広範には説明しない。
【０１３７】
[00177]本発明の巻かれた電気活性ポリマーは、多数の利点を有する。第１に、これらの設計は、各層を個別にフレーム作る必要なくマルチレーヤー装置を提供し、多数のフレームを積み重ねる。加えて、これらの装置によって提供される円筒形パッケージは、平坦な電気活性ポリマー装置に関連する平らなパッケージよりも、長く円筒形のパッケージが有利である用途において、有利である。加えて、ロールに多数のポリマー層を使用することは、装置の信頼性を改良し、任意の個別のポリマー層の不完全さ及び局所割れに対する感度を減少する。
【０１３８】
[00178]巻かれた電気活性ポリマー装置の代替的設計
【０１３９】
[00179]複数の活性区域
【０１４０】
[00180]いくつかの場合には、電極は、電気活性ポリマーの区域全体に対してポリマーの限られた部分を覆う。これは、ポリマーの縁のまわりの電気的破壊を防止するために、巻かれた構造（例えば、外側ポリマーバリア層）をポリマー部分が容易にするために、多機能性を提供するために、又は、ポリマーの一つ以上の部分用の特別製の撓みを達成するために、行われてもよい。用語が本明細書で使用されるように、活性区域は、電気活性ポリマーの一部と、その部分へ電気エネルギを提供するか又はそれから電気エネルギを受け取る一つ以上の電極と、を備えているトランスデューサの一部として規定される。活性区域は、後述される機能の任意のために使用されてもよい。作動のために、活性区域は、十分な静電気力を有するポリマーの一部を含んで、その部分の撓みを可能にする。生成又は検知のために、活性区域は、十分な撓みを有するポリマーの一部を含み、静電エネルギの変化を可能にする。本発明のポリマーは、複数の活性区域を有してもよい。
【０１４１】
[00181]本発明にしたがって、「モノリシック」という用語が本明細書で使用され、単一のポリマー上に複数の活性区域を備えている電気活性ポリマー及びトランスデューサを意味する。図１７Ａは、本発明の一実施形態にしたがって、単一のポリマー１５１上に複数の活性区域を備えているモノリシックトランスデューサ１５０を例示する。モノリシックトランスデューサ１５０は、電気エネルギと機械エネルギとの間を転換する。モノリシックトランスデューサ１５０は、二つの活性区域１５２ａ及び１５２ｂを有する電気活性ポリマー１５１を備える。ポリマー１５１は、例えば、ポリマーの縁に接着された剛性フレーム（図示せず）を使用して、適所に保持されてもよい。活性区域１５２ａ及び１５２ｂにワイヤ１５３が連結され、これは、活性区域１５２ａ及び１５２ｂの間の電気連通を可能にし、通信電子機器１５５との電気連通を可能にする。
【０１４２】
[00182]活性区域１５２ａは、頂部及び底部の電極１５４ａ及び１５４ｂを有し、これらは、それぞれ、その頂部及び底部の表面１５１ｃ及び１５１ｄでポリマー１５１に接着する。電極１５４ａ及び１５４ｂは、ポリマー１５１の部分１５１ａにわたって電気エネルギを提供するか又は受け取る。部分１５１ａは、電極１５４ａ及び１５４ｂによって提供される電界の変化で撓んでもよい。作動のために、部分１５１ａは、電極１５４ａ及び１５４ｂの間にポリマー１５１を備え、ポリマー１５１の他の任意の部分は、電極１５４ａ及び１５４ｂを使用して電圧を加えるときに撓みを可能にするのに十分な静電気力を有する。活性区域１５２ａが電気エネルギから機械エネルギへ転換するためのジェネレータとして使用されるときには、部分１５１ａの撓みが、部分１５１ａの電界の変化を生じさせ、これは、電極１５４ａ及び１５４ｂによる電圧差の変化として受け取られる。
【０１４３】
[00183]活性区域１５２ｂは、頂部及び底部の電極１５６ａ及び１５６ｂを有し、これらは、それぞれ、その頂部及び底部の表面１５１ｃ及び１５１ｄでポリマー１５１に接着する。電極１５６ａ及び１５６ｂは、ポリマー１５１の部分１５１ｂにわたって電気エネルギを提供するか又は受け取る。部分１５１ｂは、電極１５６ａ及び１５６ｂによって提供される電界の変化で撓んでもよい。作動のために、部分１５１ｂは、電極１５６ａ及び１５６ｂの間にポリマー１５１を備え、ポリマー１５１の他の任意の部分は、電極１５６ａ及び１５６ｂを使用して電圧を加えるときに撓みを可能にするために静電気力によって誘発された十分な応力を有する。活性区域１５２ｂが電気エネルギから機械エネルギへ転換するためのジェネレータとして使用されるときには、部分１５１ｂの撓みが、部分１５１ｂの電界の変化を生じさせ、これは、電極１５６ａ及び１５６ｂによる電圧差の変化として受け取られる。
【０１４４】
[00184]電気活性ポリマー用の活性区域は、従来の電気活性ポリマー製造技術を使用して、容易にパターン化され構成されてもよい。複数の活性区域ポリマー及びトランスデューサは、米国特許出願第０９／７７９，２０３号、現在は米国特許第６，６６４，７１８号に更に記載されており、これは、すべての目的のために参照として本明細書に組み込まれる。複数の活性区域をパターン化し独立して制御する能力が与えられるならば、本発明の巻かれたトランスデューサが、多くの新しい用途に使用され、且つ、従来の用途で新しいやり方で使用されるのを可能にする。
【０１４５】
[00185]図１７Ｂは、本発明の一実施形態にしたがって、巻く前に、単一のポリマー１７２上に複数の活性区域を備えているモノリシックトランスデューサ１７０を例示する。トランスデューサ１７０は、対向ポリマー側部１７７に個別の電極１７４を備える。電極１７２の対向する側部（図示せず）は、電極１７４に位置が対応する個別の電極を含んでもよく、又は、区域にわたり且つ複数の又はすべての電極１７４に作用し電気通信を簡略化する共通の電極を含んでもよい。次いで、活性区域１７６は、活性区域の操作のモードによって決定されたように、各個別電極１７４とポリマー１７２の対向する側部の電極との間にポリマー１７２の部分を備える。作動のために、例えば、電極１７４ａ用の活性区域１７６ａは、上述のように、その部分の撓みを可能にするのに十分な静電気力を有するポリマー１７２の部分を含む。
【０１４６】
[00186]トランスデューサ１７０の活性区域１７６は、一つ以上の機能用に構成されてもよい。一実施形態において、すべての活性区域１７６は、すべて作動用に構成される。ロボット用途に使用されるのに適切な別の実施形態において、一つ又は二つの活性区域１７６は検知用に構成され、一方、残っている活性区域１７６は作動用に構成される。このようにして、トランスデューサ１７０を使用する巻かれた電気活性ポリマー装置は、作動及び検知の両方が可能である。後述されるように、検知用に示された任意の活性区域は、各々が、検知電子機器へ専用のワイヤリングを含んでもよい。
【０１４７】
[00187]図示のように、電極１７４ａ〜ｄは、各々がそれに接着されたワイヤ１７５ａ〜ｄを含み、これは、専用の外部電気通信を提供し、各活性区域１７６ａ〜ｄ用に個別の制御を可能にする。電極１７４ｅ〜ｉはすべて、共通電極１７７、及び、活性区域１７６ｅ〜ｉとの共通電気通信を提供するワイヤ１７９に、電気通信する。共通電極１７７は、類似のやり方で作用するために使用される巻かれた電気活性ポリマーの複数の活性区域との電気通信を簡略化する。一実施形態において、共通電極１７７は、巻く前にポリマー１７２に配置されたアルミニウムホイルを備える。一実施形態において、共通電極１７７は、電極１７４ａ〜ｉに使用されるものに類似した材料のパターン化電極であり、例えばカーボングリースである。
【０１４８】
[00188]例えば、作動、ジェネレーション、検知、剛性及び／又は減衰の変化、又は、その組み合わせの一つ以上のために、１セットの活性区域が使用されてもよい。適切な電気制御はまた、単一の活性区域が二つ以上の機能のために使用されるのを可能にする。例えば、活性区域１７４ａは、ロボット用途におけるロボットの肢の作動及び可変剛性制御のために使用されてもよい。同一の活性区域はまた、ロボットの肢の動きに基づいて電気エネルギを生成するためのジェネレーション用に使用されてもよい。これらの機能の各々に適切な電極は、下記に更に詳細に説明される。活性区域１７４ｂもまた、作動、ジェネレーション、検知、剛性の変化、又は、その組み合わせのために、柔軟に使用されてもよい。用途によって所望により、一つの活性区域によって生成されるエネルギが、別の活性区域に提供されてもよい。したがって、本発明の巻かれたポリマー及びトランスデューサは、電気エネルギから機械エネルギへ転換するためのアクチュエータ、機械エネルギから電気エネルギへ転換するためのジェネレータ、パラメータを検知するセンサ、又は、剛性及び／又は減衰を制御するために使用される可変剛性及び／又は減衰装置、又は、その組み合わせとして使用される活性区域を含んでもよい。
【０１４９】
[00189]一実施形態において、作動のために使用される複数の活性区域は、グループに配線され、巻かれた電気活性ポリマー装置から、力の段階的電気制御及び／又は撓み出力を提供する。例えば、巻かれた電気活性ポリマートランスデューサは、５０の活性区域を有してもよく、そのうちの２０の活性区域が一つの共通電極に連結され、１０の活性区域が第２の共通電極に連結され、別の１０の活性区域が第３の共通電極に連結され、５の活性区域が、個別に配線された残りの５つの中で、第４の共通電極に連結される。次いで、各共通電極用の適切なコンピュータ管理及びオンオフ制御が、バイナリオンオフスイッチのみを使用して、巻かれたトランスデューサ用の段階的な力及び撓み制御を可能にする。このシステムの生物学的相似は、多くの哺乳類の筋肉制御システムに見られる運動単位である。明らかに、任意の数の活性区域及び共通電極が、このように実施されてもよく、適切な機械的出力又は段階的な制御システムを提供する。
【０１５０】
[00190]多自由度の巻かれたロール
【０１５１】
[00191]別の実施形態において、電気活性ポリマーの複数の活性区域が配置され、活性区域のこのようなサブセットは、巻いた後に半径方向に整列配置される。例えば、複数の活性区域は、巻いた後に、活性区域がロールの９０度ごとに配置されるように、配置されてもよい。これらの半径方向に整列配置された電極は、次いで、一体で作動されてもよく、巻かれた電気活性ポリマー装置用の多自由度の動きを可能にする。
【０１５２】
[00192]図１７Ｃは、本発明の一実施形態にしたがって、二次元出力が可能である巻かれたトランスデューサ１８０を例示する。トランスデューサ１８０は、１０層を提供するために巻かれた電気活性ポリマー１８２を備えている。各層は、４つの半径方向に整列配置された活性区域を備える。各活性区域の中心は、隣接のものに対して９０度のインクレメントで配置される。図１７Ｃは、ポリマー１８２のもっともの外側の層と、半径方向に整列配置された活性区域１８４、１８６及び１８８と、を示し、これは、その中心が互いに対して９０度のインクレメントをマークするように、配置される。ポリマー１８２の裏側の第４の半径方向に整列配置された活性区域（図示せず）は、半径方向に整列配置された活性区域１８６からおよそ１８０度に位置する中心を有する。
【０１５３】
[00193]半径方向に整列配置された活性区域１８４は、同一の半径方向の整列配置を有する内側ポリマー層の活性区域との共通電気通信を含んでもよい。同様に、他の３つの半径方向に整列配置された外側活性区域１８２、１８６及び図示されない裏部の活性区域は、その内側層の対応物との共通電気通信を含んでもよい。一実施形態において、トランスデューサ１８０は、４つの半径方向に整列配置された活性区域セットの各々に共通の作動を提供する４本のリード線を備える。
【０１５４】
[00194]図１７Ｄは、半径方向に整列配置された活性区域１８８、及び、作動された、その対応する半径方向に整列配置された内側層の活性区域を備えたトランスデューサ１８０を例示する。活性区域１８８、及び、対応する内側層の活性区域の作動は、結果として、ポリマー１８２の対向する側部でトランスデューサ１８８の軸方向膨張になる。結果は、活性区域１８８の中心点からおよそ１８０度で、トランスデューサ１８０は側方向に曲がる。この影響はまた、トランスデューサ１８０の頂部部分１８９の撓みによって測定されてもよく、これは、図１７Ｄに示されたこの点へ、図１７Ｃに示された静止位置から半径方向アークをトレースする。活性区域１８８及び対応する内側層の活性区域に提供される電気エネルギの量を変えることは、このアークに沿って頂部部分１８９の撓みを制御する。したがって、トランスデューサ１８０の頂部部分１８９は、図１７Ｄに示されたような撓みを有してもよく、又はより大きくてもよく、又は、図１７Ｃに示された位置から最小に離れた撓みを有してもよい。別の方向における類似曲げは、他方の半径方向に整列配置された活性区域セットの任意の一つを作動することによって達成されてもよい。
【０１５５】
[00195]半径方向に整列配置された活性区域セットの作動を組み合わせることは、頂部部分１８９の撓み用に二次元の空間を生成する。例えば、半径方向に整列配置された活性区域セット１８６及び１８４は、同時に作動されてもよく、図１７Ｃに示された座標系に対応する４５度の角度で頂部部分用に撓みを生成する。半径方向に整列配置された活性区域セット１８６に提供される電気エネルギの量を減少し且つ半径方向に整列配置された活性区域セット１８４に提供される電気エネルギの量を増加することは、頂部部分１８９をゼロ度マークにより近くに動かす。次いで、適切な電気制御は、頂部部分１８９が０度〜３６０度の任意の角度の路をトレースするのを可能にするか、又は、この二次元空間で可変路に従うのを可能にする。
【０１５６】
[00196]トランスデューサ１８０はまた、三次元撓みも可能である。トランスデューサ１８０の全４側部における活性区域の同時作動は、頂部部分１８９を上方へ動かす。言い換えると、トランスデューサ１８０はまた、トランスデューサ１８０の全側部における活性区域の同時作動に基づいて軸方向撓みが可能である線状アクチュエータでもある。この線状作動を、半径方向に整列配置された活性区域の差動式作動及び上述されたばかりのその結果として得られる二次元撓みに連結することは、結果として、トランスデューサ１８０の頂部部分用の三次元撓みになる。このようにして、適切な電気制御は、頂部部分１８９が上下に動くことを可能にし、且つ、この線状軸に沿って二次元路をトレースするのを可能にする。
【０１５７】
[00197]トランスデューサ１８０は、簡略化のために、９０度のインクレメントで配置された４つの半径方向に整列配置された活性区域セットを備えて示されているが、二次元及び三次元の動きが可能である本発明のトランスデューサは、より複雑な設計又は代替の設計を備えてもよいことが理解される。例えば、８つの半径方向に整列配置された活性区域セットが、４５度のインクレメントで配置される。あるいは、二次元及び三次元の動きには、１２０度のインクレメントで配置された３つの半径方向に整列配置された活性区域セットが、適切である可能性がある。
【０１５８】
[00198]加えて、トランスデューサ１８０は、軸方向活性区域の一つのセットのみで示されるが、図１７Ｃの構造体は、モジュール式である。言い換えると、９０度のインクレメントで配置された４つの半径方向に整列配置された活性区域セットは、軸方向に複数回、発生してもよい。例えば、二次元及び三次元の動きを可能にする半径方向に整列配置された活性区域セットは、１０回繰り返されてもよく、１０の独立して制御可能なリンクを備えたスネーク状のロボットマニピュレータを提供する。
【０１５９】
[00199]入れ子状の巻かれた電気活性ポリマー装置
【０１６０】
[00200]いくつかの用途は、巻かれた電気活性ポリマー装置からストロークが増加することを望む。一実施形態において、入れ子状の構成又は複合の巻かれた活性ポリマーアクチュエータを使用して、電気活性ポリマー装置のストロークを増加する。入れ子状の又は複合の構成において、一つ以上の電気活性ポリマーロールは、別の電気活性ポリマーロールの中空中心部分に置かれる。
【０１６１】
[00201]図１７Ｅ〜Ｇは、本発明の一実施形態にしたがって、円筒形ロールの垂直中点を通って取られた入れ子状の電気活性ポリマー装置２００の模範的な断面図を例示する。入れ子状の装置２００は、３つの電気活性ポリマーロール２０２、２０４及び２０６を備える。各ポリマーロール２０２、２０４及び２０６は、各ロールに均一な撓みを提供する単一の活性区域を含む。各ポリマーロール２０２、２０４及び２０６用の電極は、電気的に連結して一緒に作動（又は電気エネルギを生成）してもよく、又は、独立した制御及び性能のために別個に配線されてもよい。電気活性ポリマーロール２０２の底部は、コネクタ２０５を使用して、次の外側の電気活性ポリマーロール、すなわちロール２０４の頂部に接続される。コネクタ２０５は、力及び撓みを一つのポリマーロールから別のポリマーロールへ移す。コネクタ２０５は、好ましくは、ロールの間の動きを制限せず、低摩擦且つ絶縁の材料、例えばテフロン等を備えてもよい。同様に、電気活性ポリマーロール２０４の底部は、もっとも外側の電気活性ポリマーロール２０６の頂部に接続される。ポリマーロール２０２の頂部は、装置２００の中心を通って走る出力シャフト２０８に接続される。入れ子状装置２００は、３つの同心の電気活性ポリマーロールを備えて示されているが、入れ子状装置は、別の数の電気活性ポリマーロールを備えてもよいことが理解される。
【０１６２】
[00202]出力シャフト２０８は、装置２００（又は外側の物体への機械的インタフェース）に機械的出力を提供してもよい。軸受が底部ハウジング２１２に配置されてもよく、装置２００の中心を通って軸方向にシャフト２０８の実質的に摩擦のない線状運動を可能にする。ハウジング２１２もまた、ロール２０６の底部に接着されてもよく、シャフト２０８がハウジング２１２を通って移動するのを可能にする軸受を含む。
【０１６３】
[00203]シャフト２０８の撓みは、入れ子状装置２００に含まれる各電気活性ポリマーロールの累積撓みを備える。より具体的には、ポリマーロール２０２、２０４及び２０６の個別の撓みが合計して、シャフト２０８の合計線状運動出力を提供する。図１７Ｅは、ゼロ撓みの入れ子状の電気活性ポリマー装置２００を例示する。この場合、各ポリマーロール２０２、２０４及び２０６は非活性（静止）位置にあり、装置２００は完全に収縮している。図１７Ｆは、各ポリマーロール２０２、２０４及び２０６に２０％の歪を備えた入れ子状の電気活性ポリマー装置２００を例示する。したがって、シャフト２０８は、各ロールの個別長さに対して６０％の全体歪を示す。同様に、図１７Ｇは、各ポリマーロール２０２、２０４及び２０６に５０％の歪を備えた入れ子状の電気活性ポリマー装置２００を例示する。この場合、シャフト２０８は、各ロールの個別長さに対して１５０％の全体歪を備える。複数の電気活性ポリマーロールを互いに内部に入れ子状にすることによって、個別ロールの歪は合計され、単一ロールを使用して達成されるであろうよりも大きな正ストロークを提供する。次いで、入れ子状の電気活性ポリマーの巻かれた装置は、大きな歪及び小型のパッケージを必要とする用途に有用である。
【０１６４】
[00204]別の実施形態において、シャフト２０８は、チューブ内部のシャフトであってもよく、これは、ロールが別の方向に曲がることなく軸方向に膨張し収縮することを可能にする。いくつかの状況では、２０８を２０２の頂部に接着させ軸受を通って走らせることが有利であるが、シャフト２０８はまた、二つの別個の片であってもよく、すなわち、１）２１２に接続され、２０６の頂部へ向けての途の約４／５ほど軸方向に突出するシャフトと、２）２０６の頂部に接続され、２１２へ向けての途の約４／５ほど軸方向に突出し、２１２に接続されたシャフトを部分的に取り囲むチューブと、である。
【０１６５】
[00205]図１７Ｈ〜Ｊは、本発明の別の実施形態にしたがって、入れ子状の電気活性ポリマー装置２２０の模範的な垂直断面図を例示する。入れ子状装置２２０は、３つの電気活性ポリマーロール２２２、２２４及び２２６を備える。各ポリマーロール２２２、２２４及び２２６は、各ロールに均一な撓みを提供する単一の活性区域を含む。
【０１６６】
[00206]この構成において、隣接する電気活性ポリマーロールは、その共通の非接続端で接続される。より具体的には、電気活性ポリマーロール２２２の底部は、その次に外側にある電気活性ポリマーロール、すなわちロール２２４の底部に接続される。同様に、電気活性ポリマーロール２２４の頂部は、もっとも外側の電気活性ポリマーロール２２６の頂部に接続される。ポリマーロール２２２の頂部は、装置２２０の中心を通って走る出力シャフト２２８に接続される。シャフト２０８に関連して述べたものに類似して、シャフト２２８は、チューブ内部のシャフトであってもよく、これは、ロールが別の方向に曲がることなく軸方向に膨張し収縮することを可能にする。
【０１６７】
[00207]図１７Ｈは、装置２２０の非作動（静止）位置を示す。図１７Ｉは、ポリマーロール２２４の作動による装置２２０の収縮位置を示す。図１７Ｊは、ポリマーロール２２２及び２２６の作動による装置２２０の拡張位置を示す。図１７Ｈの非作動（静止）位置において、シャフト２０８の位置は、各個別ロールの軸方向長さに依存して、図１７Ｉの収縮位置と図１７Ｊの拡張位置の間にある場所である。
【０１６８】
[00208]この入れ子状の設計は、増加した撓みを提供するために、増加する数の層で繰り返されてもよい。第１の入れ子状のロールから開始して、一つおきのロールを作動させることは、シャフト２２８を収縮させる。最も外側のロールから開始して、一つおきのロールを作動することは、シャフト２２８を拡張させる。入れ子状装置２２０の設計の一つの利点は、電荷が一つのポリマーロールから別のポリマーロールへ分路されてもよく、これにより、全体的なエネルギの使用を保護できることである。
【０１６９】
[00209]次に、多数の代替のセグメントの実施形態が、図１８Ａ〜１８Ｆに関して、説明される。いくつかの実施形態において、少なくとも二つのセグメントを有する関節運動器具が提供され、各セグメントは外側表面と内側表面とを有し、外側表面と内側表面との間に配置された少なくとも二つの内側アクチュエータアクセスポートを備える。加えて、少なくとも一つの電気活性アクチュエータが内側アクチュエータアクセスポートの各々を通って延在し、少なくとも二つのセグメントに連結され、そのため、少なくとも一つの電気活性アクチュエータの作動が結果として、少なくとも二つのセグメントの間の撓みになる。
【０１７０】
[00210]セグメント１８０２は、外側表面１８０４と内側表面１８０６とを有する環状の連続したセグメントの例である（図１８Ａ）。３つの内側アクチュエータアクセスポート１８０８が、外側表面１８０４と内側表面１８０６との間に配置される。内側アクチュエータアクセスポート１８０８は、この実施形態では、略長円又は楕円形の形状を有する。他の形状は可能である。下記により詳細に説明されるように、内側アクセスポートの実施形態は、セグメントと、例えばアクチュエータ、巻かれたアクチュエータ、一つ以上の活性区域を有する活性ポリマー材料のシート等の活性ポリマー構成要素と、の間に接着点を提供する。
【０１７１】
[00211]セグメント１８１０は、形状が略円形であり、外側表面１８０４と内側表面１８０６とを有する（図１８Ｂ）。二つの内側アクチュエータアクセスポート１８１２が、外側表面１８０４と内側表面１８０６との間に配置される。内側アクセスポート１８１２は、この実施形態では、略円形の形状を有する。
【０１７２】
[00212]セグメント１８１６は、形状が略円形であり、外側表面１８０４と内側表面１８０６とを有する（図１８Ｃ）。１２の均一に間隔をおかれたアクチュエータアクセスポート１８１８が、外側表面１８０４と内側表面１８０６との間に、セグメント１８１６の円周のまわりに配置される。内側アクセスポート１８１８は、この実施形態では、略円形の形状を有する。各内側アクセスポートの形状は、所与のセグメントではポートごとに同一である必要はなく、ポートはセグメントのまわりに均一に整列される必要はない。いくつかのポートは、外側表面１８０４又は内側表面１８０６により近くてもよく、又は、二つ以上のポートが、同一の半径に沿って位置決めされ且つ内側表面１８０６と外側表面１８１６との間に分布されることが可能である。これらの代替例はセグメント１８１６の実施形態に対して説明されるが、本明細書に記載された他のセグメントの実施形態にも同様に適用される。
【０１７３】
[00213]セグメント１８２０は、形状が略円形であり、外側表面１８０４と内側表面１８０６とを有する（図１８Ｄ）。８つのアクチュエータアクセスポート１８２２が、セグメント周囲のまわりに外側表面１８０４と内側表面１８０６との間に整列される。内側アクセスポート１８１８は、この実施形態では、様々な略長円の形状を有する。
【０１７４】
[00214]セグメント１８２５は、形状が略円形であり、外側表面１８０４と内側表面１８０６とを有する（図１８Ｅ）。４つのアクチュエータアクセスポート１８２６が、外側表面１８０４と内側表面１８０６との間にセグメント１８２５の円周のまわりに配置される。内側アクセスポート１８２６は、この実施形態では、矩形の形状を有する。
【０１７５】
[00215]セグメント１８３０は、略円形であり、先のセグメント実施形態とは異なり、非連続である（図１８Ｆ）。セグメント１８３０は、外側表面１８３２と内側表面１８３４とを有する。３つのアクチュエータアクセスポート１８３６が、外側表面１８３２と内側表面１８３４との間にセグメント１８３０のまわりに配置される。内側アクセスポート１８３６は、この実施形態では、複合幾何学的形状を有する。この実施形態において、複合幾何学的形状は、インゲン豆の形状に似ている。後述されるように、複合幾何学的形状のアクセスポートは、活性ポリマー材料のシート又はセクション又はセグメントに有利な曲線を提供してもよい。セグメント１８３２はまた、非環状又は非円形のセグメント形状も例示する。セグメントの部分はフレア状になり、より長円の形状を提供する実施形態もあり、形状が平らな三角形又は丸みを帯びた円錐形状に似てもよい実施形態もある。
【０１７６】
[00216]様々なセグメント及びアクセスポートの上記検討から、セグメントの少なくとも一つのアクセスポートが、規則的な幾何学的形状を有することが認識される。いくつかの実施形態において、アクセスポートは、円形、矩形、長円、楕円形からなる群から選択された規則的な幾何学的形状を有する。他の実施形態において、アクセスポートは、複合幾何学的形状を有してもよい。更に、内側アクセスポートは、均一な間隔あけを備えて備えず、任意の形状、数、配向又は空間配列でありうる。例えば、セグメントの実施形態が上述の予バイアス形状の器具と有利に組み合わされた実施形態において、セグメントのアクセスポートは、アクチュエータが予バイアス形状の影響を弱めるように位置決めされる必要性を認識する以外のやり方で分布されてもよい。他の実施形態において、二つ以上の活性ポリマーアクチュエータ又は材料が、アクセスポートを通って提供されるか、アクセスポートに連結されるか、又は、アクセスポートで終端する。
【０１７７】
[00217]図１９Ａ及び１９Ｂは、本発明の関節運動器具の実施形態において、関節運動するか曲がるか又は他のように操作するのに使用されてもよい活性ポリマーセグメントの更なる実施形態を例示する。関節運動セグメント１９００及び１９５０は、類似構造を共有する。これらは、最小の二つのセグメントであり、各セグメントは、外側表面と内側表面とを有し、外側表面と内側表面との間に配置された少なくとも二つの内側アクチュエータアクセスポートを備えている。例示された実施形態は、アクセスポート１８０８を備えたセグメント１８０２を示す。他の述べられたセグメント等のいずれも使用されてよいことを認識すべきである。関節運動セグメントはまた、内側アクチュエータアクセスポートの各々を通って延在し少なくとも二つのセグメントに連結された少なくとも一つの電気機械アクチュエータも含み、そのため、少なくとも一つの機械活性アクチュエータの作動が結果として、少なくとも二つのセグメントの間の撓みになる。一実施形態において、活性ポリマーアクチュエータ１９１０は、外側セグメント１８０２に接着され（すなわち、終端し）、中間セグメント１８０２を通って進み十分に連結され、セグメントの各々、いずれ、及び／又は、すべての間で撓みを可能にする。図１９Ａに例示された実施形態において、活性ポリマーアクチュエータ１９１０は、ポリマーシート１９１２と、電極を含む活性区域１９１５とを含む。ポリマーシートは、活性区域１９１５に使用される部分のみを有する活性ポリマーから形成されてもよい。異なる材料の追加裏打ちシートを必要とするのではなく、活性ポリマー材料は、アクチュエータに使用される構造シート１９１２として使用することができることを認識すべきである。
【０１７８】
[00218]加えて、シース１９０５が、少なくとも二つのセグメントの外側表面１８１６に接着される。代替の実施形態において、シース１９０５は、少なくとも二つのセグメントの内側表面１８０６に接着される。いくつかの実施形態において、シースは、再使用されてもよいように、耐久性があり可撓性があり且つ洗浄可能である医療当分野において公知の適切な材料から形成される。他の実施形態において、シースは、セグメントから取り外すことができ、使い捨てである。更に別の実施形態において、シース材料は、生体適合性材料を備える。
【０１７９】
[00219]関節運動セグメント１９５０（図１９Ｂ）は、複数の活性区域１９６５がセグメント１８０２の間に設けられる点で、関節運動セグメント１９００とは異なる。３つの活性区域１９６５が、図１９Ｂに示される。より多い数が可能である。更に、活性区域は、均一に間隔をおかれる必要はなく、また、セグメントの長手方向軸に沿ってのみ整列配置される必要はない。加えて、セグメント１９００、１９５０のすべての実施形態では、活性区域の構造及びポリマーシート１９１２、１９６２は、活性ポリマーアクチュエータの適切な操作を提供するために、予め歪まされたポリマー及び歪まされていないポリマー、マルチラミネート電極構造体、柔軟電極、他の構造的要素を含んでもよい。例えば、導電性ポリマー型のアクチュエータに隣接して電解質を提供する。
【０１８０】
[00220]上記に描かれたセグメントは閉鎖ループ及び開放ループであるが、セグメントは、所望により、様々な長さのチューブと組み合わせて使用されてもよく、又は、それに取って代わられてもよい。例えば、公知の脈管の、胆管の、又は、食道のステントに類似して構造された一連の短いチューブを使用することができる。このような構造体は、一連の短いステント状要素の間に位置決めされた複数のアクチュエータの配置を含んでもよい。
【０１８１】
[00221]本発明のいくつかの実施形態において、関節運動器具は、上述の巻かれたポリマーアクチュエータの実施形態を使用して、作動されるか、曲げられるか、又は、他のように操作される。一般に、巻かれたポリマーアクチュエータは、一対のセグメント２００８の間に延在する。図２０Ａにおいて、活性セグメント２００５は、セグメント２００８の間に分布された巻かれたポリマーアクチュエータ２０１０ａ、ｂ及びｃを含む。適切な電子制御機器が提供され、アクチュエータが別個に又は組み合わせて操作されるのを可能にし、セグメント２００８の間に所望の撓みを生成する。
【０１８２】
[00222]活性セグメント２０２０は、巻かれたポリマーアクチュエータ２０２５ａ及び２０２５ｂの協働対を含む（図２０Ｂ）。巻かれたアクチュエータ２０２５ａ、２０２５ｂはまた、アクチュエータに加えられた電位が、逆の操作を提供するためにどのように逆にされてもよいかも例示する。例えば、実線は正の電位の印加を示し、点線は負の電位の印加を表す。適切な電子制御が提供され、逆作動を別個に又は組み合わせて使用してアクチュエータが操作されるのを可能にし、セグメント２００８の間に所望の撓みを生成する。
【０１８３】
[00223]活性セグメント２０３０は、協働的な巻かれたポリマーアクチュエータ対の代替の実施形態を含む。巻かれたアクチュエータ対２０３４ａ、ｂ及び２０３６ａ、ｂはセグメント２００８の間に配置される。一実施形態において、セグメント２００８は、アクチュエータ２０３４ａをその接着したセグメント２００８上で引いている間にアクチュエータ２０３４ｂをその接着したセグメント２００８で押すことによって、操作されるか又は関節運動されてもよい。別の実施形態において、両方のアクチュエータ対２０３４ａ、ｂ及び２０３６ａ、ｂは、上述の押し引きモードで操作している。別の実施形態では、全アクチュエータよりも少ないアクチュエータが活性化され、セグメント２００８を撓ませる。他の代替の巻かれたポリマーアクチュエータの構成も可能である。例えば、図２０Ｂに説明された可逆性態様を他の実施形態に加えてもよく、又は。アクチュエータ構成２０１０、２０２５及び２０３４の組み合わせを、同一セグメント対の間に使用してもよい。
【０１８４】
[00224]図５、６、７、８、及び９に説明された実施形態に更に、単一の長いチューブ２１００を構造的要素として使用して、本発明の関節運動器具の実施形態を形成することができる。いくつかの実施形態において、構造体の設計は、複数のステント状の要素の形態であってもよい。いくつかの実施形態において、長い部材２１００は、上記図２ｅ及び２ｆに検討されたように、長い部材２１００が固有のバイアス又はメモリを有するように構成されることができるように、可撓性のある材料か又は弾性材料から形成される。バイアスは、アセンブリを、例示されたように実質的に線上の構成に戻すか、又は、上記に検討されたように任意の所望のバイアス形状に戻すように作用する。同様に、次いで、部材２１００に連結されたアクチュエータを使用して、例えば、関節運動器具が挿入される腔、器官又は体腔の形状を反映するのに必要なように、元々の又はバイアスの構成からこれを撓ませることができる。当然ながら、弾性スリーブ等のバイアスの源（すなわち、上記に検討されたように構造体内に又はそのまわりに挿入される）もまた、提供されてもよい。
【０１８５】
[00225]図２１もまた、ポリマー層２１０７に沿って配置された活性区域２１１０を有する多数の活性ポリマーシート２１０５を例示する。この実施形態において、ポリマーシート２１０７は、部材２１００のまわりを少なくとも１回は包むほど十分に広く、いくつかの実施形態においては複数回包むことができる。他で検討された代替の実施形態において、ポリマーシートは、複数の活性区域を有してもよいが、部材２１００の周囲のセクション又は部分ほど広いだけである。これらの代替例において、一つ以上のポリマーシートのセクションを使用して、部材２１００を曲げるか又は他のように操作する。
【０１８６】
[00226]例示された実施形態において、活性区域は、ポリマー層２１０７の長手方向軸に沿って延在する。ポリマー層２１０７は、有利なことに、活性領域がポリマーシートに不可欠である活性ポリマーから形成されてもよい。ポリマーシート全体が作動のために使用されてもよいため、活性区域は、所望により、任意の配列、場所又は配向であってもよい。これは、非活性ポリマーを使用するか又はこの設計の固有の簡略さとは無関係に単にポリマー構造要素を使用する他のポリマーアクチュエータ設計に対して、一つの利点である。活性区域２１１０は、単一のモノリシック構造である必要はないが、蛇行性のジグザグの又は他のパターン化された導電性トレースを含んでもよいことを認識すべきである。活性区域２１１０の実施形態は、上述の様々な代替の電極及び活性区域の構成のすべてを含むこともまた認識されるべきである。
【０１８７】
[00227]図２１にはまた、第２のポリマーシート２１１５に設けられた複数の歪みゲージ又はフィードバックポリマー要素２１２０が、例示される。フィードバック要素を使用して、セグメントの操作中に、モニタしフィードバックを提供してもよい。いくつかの実施形態において、フィードバック要素は、シート２１１５に印刷される。他の実施形態において、フィードバック要素は、Ｐｅｌｒｉｎｅらの米国特許出願公開第２００２／０１３０６７３号に更に記載されるような電気活性ポリマーセンサであり、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。ポリマーシート２１０７、２１１５の順序は、シート２１０７が部材２１００に接触しシート２１１５がシート２１０７の外側に接触する例示された実施形態から、変えられてもよい。一つの代替の実施形態において、シート２１１５は、部材２１００とシート２１０７との間に対する。代替の実施形態において、シート２２０７、２１１５は、任意の配列で、部材２１００内部に配置されることができる。
【０１８８】
[00228]図２２は、作動された部材２１００の別の実施形態を例示する。この実施形態は、活性区域２２１０及び歪みゲージ２１２０の両方を含む単一のポリマーシート２２０７が使用される点で、図２１の実施形態とは異なる。加えて、活性区域２２１０は、図２１では長手方向の活性区域であるのとは対照的に、部材２１００の長手方向軸にほぼ直交して整列配置される。代替の実施形態において、シート２２０７は部材２１００内部に配置されることができる。
【０１８９】
[00229]図２３は、本発明による活性ポリマー作動セグメント２３００の実施形態を例示する。この実施形態において、コイル又はコイルチューブ２３０５がセグメントを画成する。ここで、複合のアクチュエータセグメントがラミネート構造体に形成される。一実施形態では、活性区域（図示せず）を有するアクチュエータ２３０５の第１のセットが、コイル２３００のまわりに円周的に作用する一連のフープ構造に設けられる。一実施形態では、アクチュエータ２３１０の第２のセットが、コイル２３００上で長手方向に作用するように設けられる。アクチュエータ２３０５、２３１０の各々は、結果として極めて構成しやすく曲げ可能な器具になるように、複数の活性区域を含んでもよい。活性区域の各々は、上述の電極及び／又は活性区域の特徴のすべて又はいくつかを含んでもよい。例えば、セグメント２３０５の関節運動は、第１のセットのアクチュエータ２３０５の一つ以上の活性区域から生成された作動力（単／複）と、第１のセットのアクチュエータ２３１０の一つ以上の活性区域から生成された作動力（単／複）との組み合わせから生じてもよい。代替の実施形態において、第１のセットのアクチュエータ２３０５は、単一のポリマーシートに設けられ、第２のセットのアクチュエータ２３１０は、アクチュエータ２３０５を含むシートに結合されたか又は連結された第２のポリマーシートに設けられる。
【０１９０】
[00230]複合ラミネートポリマーアクチュエータの概念は、図２４を参照して、更に例示される。複合ラミネートポリマーアクチュエータ２４００は、複数の異なる活性区域２４１０、２４１２、２４１６、２４１８及び２４２０を有する活性ポリマーシート２４０６のまわりにポリマー層２４０２、２４０４を含む。一実施形態において、層２４０２、２４０４及び２４０６は、すべて活性ポリマーであり、唯一の差は、層２４０６が複数の活性区域を有することである。活性区域の各々は、上述の電極及び／又は活性区域の特徴のすべて又はいくつかを含んでもよい。
【０１９１】
[00231]複合ラミネートポリマーアクチュエータの概念は、図２５を参照して、更に例示される。一実施形態において、複合ラミネートポリマーアクチュエータ２５００は、各々が複数の異なる活性区域を有する４つの活性ポリマー層２５２０、２５３０、２５４０及び２５５０を含む。更なる実施形態において、各層の活性区域の配向は、異なってもよい。例えば、シート２５２０の活性区域は構成１を提供し、シート２５３０は構成２を提供する、等である。例示的な活性ポリマーシート２５１０は、異なる配向を備えた複数の活性区域が提供される点を例示する。活性区域２５１４は略長手方向の側面であり、活性区域２５１２、２５１６は、相補的な角度配向を有する活性区域を例示する。他の活性区域配向も可能である。例えば、活性区域の構成１〜４の各々は同一であっても異なっても又は相補的であってもよい。一実施形態において、１枚のシートの活性区域は、別のシートの活性区域に相補的なやり方で作用する。代替の実施形態において、シートは互いに隣接する。更に別の代替の実施形態において、少なくとも１枚の他のシートが、相補的なシートを分離する。シートとして説明されているが、本発明の複合ラミネートポリマーアクチュエータは、フープ、リング、長手方向セクション、又は、他の部分的なセグメント内に形成されてもよいことを認識すべきである。
【０１９２】
[00232]更なる活性区域構成も可能である。例えば、活性区域は、活性ポリマー変形の一方又は両方の平面方向を生成する活性ポリマーシートに設けられてもよい。有利なことに、複数の活性区域及びそのそれぞれの電極（導電層を備えても備えなくても）は、単一の活性ポリマー基板又はシート材料にパターン化されてもよく、単一の活性ポリマー基板又はシートから多自由度又は作動様式を生成する。
【０１９３】
[00233]本発明のいくつかの実施形態において、関節運動器具は、ハイブリッド作動機構を使用して、操作されるか、曲げられるか、又は、制御される。ハイブリッド関節運動器具２６００は、緊張材駆動セグメント部分２６０７及び活性ポリマー部分２６０５を含む。明瞭化のために、二つの部分を結合するシース又は他の構造的接続は省略されている。緊張材駆動セグメント２６０７は、複数のセグメントを含み、ここでは３つである（２６１０、２６１５及び２６２０）。セグメントの各々は接着点２６１４を含み、もっとも遠位のセグメント２６１０を除くすべてはパススルー又はポータル２６１６を含み、力伝達要素２６１２（すなわち、緊張材、ボーデンケーブル等）がより遠位のセグメントに接着するのを可能にする。駆動セグメントセクション２６０７に関する更なる詳細は、同一権利人の譲渡された米国特許出願第１０／２２９，５７７号、発明の名称「Ｔｅｎｄｏｎ  Ｄｒｉｖｅｎ  Ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ」に示されており、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。活性ポリマー部分２６０５は、ここに記載された活性ポリマーアクチュエータ又は構成の任意の一つを含んでもよい。一実施形態において、セグメント化関節運動器具は、活性ポリマーによって作動される選択的に操縦可能な遠位端、及び、力伝達要素、ケーブル等の使用を通して作動される自動的に制御可能な近位端を含む。更に、経路の曲線が、活性ポリマーによって作動される選択的に操縦可能な遠位端の形状によって選択され画成され、次いで、力伝達要素の使用を通して作動される自動的に制御可能な近位端に沿って自動的に伝播される。ハイブリッド実施形態は、ハイブリッド関節運動器具２６００の「フォローザリーダー」型の作動を提供するために適切な制御システムを含むことを認識すべきである。フォローザリーダースキームの更なる詳細は、先に組み込まれたＢｅｌｓｏｎ特許第６，４６８，２０３号及び第６，６１０，００７号に記載されている。
【０１９４】
[00234]セグメント化内視鏡である関節運動器具に特定の言及がなされ、結腸鏡とともに使用される他のアセンブリが記載されている。本発明の実施形態の電気機械アクチュエータ及び電気機械アクチュエータアセンブリが、多数の他の医療及び工業の用途に、幅広い様々な制御可能な物品を操作するために構成されてもよい。加えて、本発明の実施形態は、下記とともに使用するために構成されることもでき、すなわち、ワイヤレス内視鏡、ロボット内視鏡、カテーテル、例えば、血栓溶解カテーテル、電気生理的カテーテル及びガイドカテーテル等のカテーテルに使用される特定の設計、カニューレ、手術器具、又は、イントロデューサーシース、又は、処置に特定な関節運動器具、例えば、体器官内で且つ／又は身体チャネルを通して、体器官のまわりに又はその間に、体腔と選択的に、身体内を航行するために本発明の実施形態の原則を使用する様々な医療処置に使用されるもの等である。
【０１９５】
[00235]次に、「フォローザリーダー」型制御の例が、図２７及び２８を参照して、説明される。「フォローザリーダー」型制御の更なる詳細は、Ｂｅｌｓｏｎに付与された米国特許第６，４６８，２０３号に示されている（先に参照として本明細書に組み込まれている）。
【０１９６】
[00236]図２７は、関節運動器具２７００の本体２７０２のセクションのワイヤフレームモデルを示す。予バイアス形状の実施形態が本明細書に記載されているが、この例は、例示されるように、真っ直ぐな又はバイアスのない位置を有するセクションにフォローザリーダーを使用することに対処する。関節運動器具本体２７０２の内部構造体の大半は、明瞭化のためにこの図面では排除されている。関節運動器具本体２７０２は、セグメント又はセクション１、２、３……１０等に分割される。各セクションの形状寸法は、適切な数の測長又は様々なセグメントの関連位置の他の指示によって画成される。セクションの形状寸法は、測長又は他の指示によって画成されてもよい。この例示的な例において、セグメントは、４本の軸、すなわち、ａ、ｂ、ｃ及びｄ軸に沿った長さ又は指示を有するものとして記載される。２又は３等のより少ない軸、及び、より多くの軸を使用して、セグメントを記載してもよい。この例示的な例において、セクション１の形状寸法は、４つの側長１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄによって画成され、セクション２の形状寸法は、４つの側長１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって画成される等である。好ましくは、形状寸法の測長又は他の指示の各々は、線状アクチュエータによって、例えば、本明細書に記載された活性ポリマーアクチュエータ及び材料の使用を通して、個別に制御される。線状アクチュエータは、数種類の異なる操作原則の一つを使用してもよい。例えば、線状アクチュエータの各々は、自己発熱ＮｉＴｉ合金線状アクチュエータ、又は、電気粘性プラスチックアクチュエータ、又は、他の公知の機械的、空気式、油圧式又は電気機械のアクチュエータであってもよい。いくつかの実施形態において、他の公知の電気機械アクチュエータは、本明細書に記載された活性ポリマーアクチュエータの実施形態を含む。例示的な例にとどまると、ａ、ｂ、ｃ及びｄ軸に沿った４つの側長を変えるために、各セクションの形状寸法は、線状アクチュエータを使用して変えられてもよい。いくつかの実施形態において、セグメント形状寸法の測長又は他の指示は、相補的な対で変えられ、関節運動器具本体２７０２を所望の方向へ選択的に曲げる。例えば、関節運動器具本体２７０２をａ軸の方向に曲げるために、長さ１１ａ、１２ａ、１３ａ……１１０ａは短くされ、長さ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ．．．１１０ｂは同じ量だけ長くされる。これらの長さが変えられる量は、結果として得られる曲線の半径を決定する。
【０１９７】
[00237]関節運動器具本体２７０２の選択的に操縦可能な遠位端部分２７０４において、各セクションのａ、ｂ、ｃ及びｄ軸の長さを制御するアクチュエータは、公知の操縦制御の使用を通してユーザによって選択的に制御される。したがって、ａ、ｂ、ｃ及びｄ軸の長さの適切な制御によって、関節運動器具本体２７０２の選択的に操縦可能な遠位端部分２７０４は、選択的に操縦されるか又は曲ることができる。いくつかの実施形態において、操縦可能な部分は、任意の方向に完全１８０度曲げられてもよい。
【０１９８】
[00238]しかし、自動的に制御される近位部分２７０６において、各セクションのａ、ｂ、ｃ及びｄ軸の長さは、使用されるアクチュエータの種類に基づいて制御し作動するのに適した電子モーションコントローラによって自動的に制御される。モーションコントローラは、フォローザリーダーアルゴリズム、例えば曲線伝播方法を実施し、関節運動器具本体２７０２の形状を自動的に制御する。曲線伝播方法がどのように操作するかを説明するために、図２８は、曲線Ｃを通って進む図２７に示される関節運動器具本体２７０２の自動的に制御される近位部分２７０６の一部のワイヤフレームモデルを示す。簡略化のために、二次元曲線の例が示され、ａ及びｂ軸のみが考慮される。三次元曲線では、すべての軸（例示的な例では４本、すなわち、ａ、ｂ、ｃ及びｄ軸）が、活動されるものである。
【０１９９】
[00239]図２８において、関節運動器具本体２７０２は、選択的に操縦可能な遠位端部分２７０４によって曲線Ｃを通るように操作され（手順のこの部分は、下記により詳細に説明される）、今、自動的に制御される近位部分２７０６が曲線部分にある。セクション１及び２は、曲線Ｃの比較的真っ直ぐな部分にあり、したがって、１１ａ＝１１ｂ及び１２ａ＝１２ｂである。しかし、セクション３〜７はＳ字形曲線セクションにあるため、１３ａ＜１３ｂ、１４ａ＜１４ｂ及び１５ａ＜１５ｂであるが、１６ａ＞１６ｂ、１７ａ＞１７ｂ及び１８ａ＞１８ｂである。関節運動器具本体２７０２が１ユニットだけ遠位に進むときに、セクション１は、１’がマークされた位置内に動き、セクション２は、セクション１が先に占めていた位置内に動き、セクション３は、セクション２が先に占めていた位置内に動く、等である。軸方向モーショントランスデューサは、固定の参照点に対する関節運動器具本体２７０２の軸方向位置を示す信号を生成し、この信号を電子モーションコントローラへ送るように使用してもよい。電子モーションコントローラの制御下で、関節運動器具本体２７０２が１ユニット進むたびに、自動的に制御される近位部分２７０６の各セクションは、現在占有している空間を先に占めていたセクションの形状を想定するために、信号を受ける。したがって、関節運動器具本体２７０２が１’がマークされた位置へ進むときには、１１ａ＝１１ｂ、１２ａ＝１２ｂ、１３ａ＝１３ｂ、１４ａ＜１４ｂ、１５ａ＜１５ｂ、１６ａ＜１６ｂ、１７ａ＞１７ｂ、１８ａ＞１８ｂ及び１９ａ＞１９ｂであり、関節運動器具本体１０２が１”がマークされた位置へ進むときには、１１ａ＝１１ｂ、１２ａ＝１２ｂ、１３ａ＝１３ｂ、１４ａ＝１４ｂ、１５ａ＜１５ｂ、１６ａ＜１６ｂ、１７ａ＜１７ｂ、１８ａ＞１８ｂ、１９ａ＞１９ｂ及び１１０ａ＞１１０ｂである。このようにして、Ｓ字形曲線Ｃは、関節運動器具本体１０２の自動的に制御される近位部分２７０６の長さ方向に沿って近位に伝播する。関節運動器具本体１０２が遠位に進むときには、Ｓ字形曲線は空間に固定されると考えられている。
【０２００】
[00240]同様に、関節運動器具本体２７０２が近位に引かれるときには、関節運動器具本体２７０２が１ユニット近位に動くたびに、自動的に制御される近位部分２７０６の各セクションは、現在占有している空間を先に占めていたセクションの形状を想定するために、信号で伝えられる。Ｓ字形曲線は、関節運動器具本体２７０２の自動的に制御される近位部分２７０６の長さ方向に沿って遠位に伝播し、関節運動器具本体１０２が近位に引くときには、Ｓ字形曲線は空間に固定されると考えられる。
【０２０１】
[00241]関節運動器具本体２７０２が進むか又は引くときには必ず、軸方向モーショントランスデューサが位置の変化を検出し、電子モーションコントローラが、関節運動器具本体２７０２の自動的に制御される近位部分２７０６に沿って、選択された曲線を近位に又は遠位に伝播し、曲線を空間的に固定された位置に維持する。これによって、例えば、器官内に、器官のまわりに、又は、脈管構造を通って、又は、結腸内部に、横行している経路の壁（単／複）に不必要な力を加えることなく、関節運動器具本体１０２が曲がりくねった曲線を通って動くのを可能にする。
【０２０２】
[00242]本明細書で使用されるように、曲線、曲線又は路に沿って進む又は引くは、単なる曲線及び路だけではなく、複雑な曲線、一連の簡単な又は複雑な曲線を意味し、医療環境及び工業環境の両方における三次元空間又はゾーンを含む。更に、進む又は他のように沿って伝播する又はから引くも含まれる。
【０２０３】
[00243]活性ポリマー電極を使用して関節運動器具のセグメントを制御して曲げることは、多数の技術を使用して実行されてもよい。本明細書に記載されたいくつかの技術は、器具にバイアス要素又は予歪を使用すること、活性ポリマーアクチュエータの協働対、活性区域及び複数の活性区域の使用を通して実現される複合アクチュエータによって誘発される撓みの量を調整するための電圧制御、自由度及び複合ラミネートポリマーアクチュエータを含む。別の代替例は、所望の曲線を生成するために複数の活性区域の順次制御に関与する。
【０２０４】
[00244]図２９（ａ）〜（ｄ）は、セグメント２９００を曲げるために、どのように多数の活性区域の順次活性及び制御を使用してもよいかを例示する。セグメント２９００は、関節運動器具の一部を形成するか、又は、完全な器具であってもよい。この例示的な実施形態において、セグメント２９００は、遠位端２９２０、近位端２９３０及び３つの活性区域２９０５、２９１０及び２９０５を有する。セグメントの曲げの程度は、作動される活性区域の数によって制御される。活性区域２９１５のみが活性化されるときには、わずかな曲げ２９６０がセグメント内に導入される（図２９（ａ））。活性区域２９１５及び２９１０の両方が活性化されるときには、セグメント２９００は、曲げ２９６０よりも鋭い曲げ２９７０を形成する（図２９（ｃ））。３つすべての活性区域２９１５、２９１０及び２９０５が活性化されるときには、セグメント２９００は、更により鋭い曲げ２９８０を形成する。この例示的な実施形態は、セグメント２９００に沿ってほぼ長手方向に整列配置される３つの活性区域を使用するが、より多くの、より少ない、異なって配向された、異なったサイズの、及び、異なって活性化された活性区域が使用されてもよいことを認識すべきである。
【０２０５】
[00245]更に、３つの活性区域２９１５、２９１０及び２９０５は、単一の電極として、又は、単一の活性区域のみとして例示され記載される。いくつかの実施形態において、活性区域は、多数の電極を含んでもよく、且つ、曲げの程度を更に細分割することができてもよい。例えば、活性区域２９１０がより大きな例示区域内に２０のサブ活性区域を含む例示的な場合を考慮する。サブ活性区域の各々は、セグメント２９００に対して整列配置され、セグメントを曲げ２９６０状態から２９７０曲げ状態へ曲げる。しかし、曲げ２９７０を生成する活性区域２９１０を活性化する上述の単一ステップとは異なり、サブ活性区域は、曲げ２９６０と曲げ２９７０との間の中間曲げ状態を生成するために１回に一つずつ活性化されてもよい。別の代替例において、アルゴリズムを使用するコントローラは、所望の曲線用に活性化されるべき活性区域の数／量等を決定する。更なる実施形態において、複数のサブ活性区域の使用は、応答時間をより速くするために有利に使用されてもよい。この理論に縛られることを望まない場合には、単一の活性区域のみを使用する類似セグメントよりもより速い応答時間でセグメントを生成するために複数のサブ活性区域を使用するポリマーアクチュエータ構成があってもよい。
【０２０６】
[00246]順次活性及び制御の概念は、単一の二次元曲げを使用して記載されているが、この概念は、もっとも複雑な形状用にでさえ、本明細書に記載された代替のアクチュエータの実施形態の全体にわたって有利に使用されてもよいことを認識すべきである。例えば、複合ラミネートポリマーアクチュエータの実施形態内の活性区域の配向、サイズ及び配置は、順次活性及び制御を使用して決定されてもよい。この概念の名前は、アクチュエータが同時に活性化されず順次のみであることを暗示しない。順次は、所望の曲げ、形状又は操作が達成されるまで、ますます多くのアクチュエータを加えることを意味する。より多くのアクチュエータを加えることでさえ、活性区域を活性化するために使用されるコントローラによって行われることができるが、それは、曲げ−活性区域活性化曲線が、おそらく公知であるか、又は、所望の曲線の速い活性を可能にするために十分に特徴づけられるからである。
【０２０７】
[00247]図３０は、遠位端３０１０及び近位端３００５及び活性区域又は電極３０１５、３０２０を有するセグメント３０００を例示する。セグメント３０００は、活性区域３０１５、３０２０の一方又は両方が非活性であるときに曲がるように特別に設計される。例えば、図３０（ａ）は、両方の活性区域３０１５、３０２０の単数又は複数の電極が活性化される場合を例示する。活性区域は、セグメント３０００の側部に沿ってポリマーを長くするためにポリマー誘発撓みを使用するように特別に整列配置される。結果として、活性区域３０１５によって誘発された撓み／変形は、活性区域３０２０によって誘発された撓み／変形によってバランスを取られるか又は相殺される。それ故、セグメント３０００は、図示の真っ直ぐな又は線状の位置を維持する。次に、活性区域３０１５が非活性である場合を考慮する。活性区域３０１５がその関連ポリマーを変形しないときには、その側部のポリマー（他方の側で活性区域３０２０に関連するポリマー等）は収縮し、それによって、セグメント３０００に曲げ３０２５を生成する。更に別の実施形態において、活性区域３０１５は、活性区域３０１５に加えられた電位を逆にすることが実際にセグメント曲げを曲げ３０３０へ増大するように構成されてもよい。類似の現象は、活性区域３０２０によって呈され、活性区域３０２０の電位が逆にされるときに、曲げ３０４０（活性区域３０２０は活性ではない）及び曲げ３０５０を生成する。曲げ３０２５、３０４０（非活性状態が誘発した曲げ）を生成する活性区域の配列及び構成は、逆電位を使用して生成された曲げ３０３０及び３０５０から独立して使用されてもよい。いくつかの実施形態において、非活性状態が誘発した曲げは、逆電位が誘発した曲げに呼応して使用されてもよい。
【０２０８】
[00248]本発明の電気機械アクチュエータ制御の関節運動器具の実施形態はまた、様々な異なる診断及び介入処置に使用されるのに適するように有利に修正されてもよく、結腸鏡検査、気管支鏡検査法、胸腔鏡検査、腹腔鏡検査、及び、上述の原則及び概念を使用するビデオ内視鏡検査を含む。本発明の実施形態にしたがった関節運動器具は、工業用途にも使用されてもよく、例えば、エンクロージャへのアクセスが困難な例えば機械類、パイプ等の曲がりくねった領域内の点検及び探索用途等である。
【０２０９】
[00249]本発明は詳述され、本発明の特定の実施形態についても説明した。これらの細目の使用は、本発明をいかなるようにも限定することは意図しない。例えば、本明細書に記載された装置及び方法は、非医療関連処置にも使用されてもよい。上記に開示された様々な例の間の特徴部の組み合わせが、互いに他の変形例に使用されてもよいことが企図される。更に、開示の精神内であり且つ特許請求の範囲に見られる本発明の等価物である本発明の変形例の程度まで、本特許がそれらの変形例も同様に適用することが本発明者らの意図である。
【図面の簡単な説明】
【０２１０】
【図１（ａ）】材料を収縮し且つ／又は膨張する場合にエレクトロポリマー材料を使用する内視鏡の一部の関節運動を示す図である。
【図１（ｂ）】材料が収縮し且つ／又は膨張する場合にエレクトロポリマー材料を使用する内視鏡の一部の関節運動を示す図である。
【図１（ｃ）】材料が収縮し且つ／又は膨張する場合にエレクトロポリマー材料を使用する内視鏡の一部の関節運動を示す図である。
【図２（ａ）】少なくとも２本の軸に沿って曲がることができるセグメントの斜視図である。
【図２（ｂ）】少なくとも２本の軸に沿って曲がることができるセグメントの端面図である。
【図２（ｃ）】少なくとも二つの方向に曲がるセグメントの斜視図である。
【図２（ｄ）】少なくとも二つの方向に曲がるセグメントの端面図である。
【図２（ｅ）】予め設定されたバイアスを有する関節運動器具の実施形態を示す図である。
【図２（ｆ）】予め設定されたバイアスを有する関節運動器具の実施形態を示す図である。
【図３（ａ）】エレクトロポリマー材料をセグメントのまわりに位置決めするための様々な可能な構成の端面図である。
【図３（ｂ）】エレクトロポリマー材料をセグメントのまわりに位置決めするための様々な可能な構成の端面図である。
【図３（ｃ）】エレクトロポリマー材料をセグメントのまわりに位置決めするための様々な可能な構成の端面図である。
【図４（ａ）】二つの隣接するセグメントの間に位置決めされたエレクトロポリマー材料を使用する内視鏡の一部の関節運動を示す図である。
【図４（ｂ）】二つの隣接するセグメントの間に位置決めされたエレクトロポリマー材料を使用する内視鏡の一部の関節運動を示す図である。
【図４（ｃ）】二つの隣接するセグメントの間に位置決めされたエレクトロポリマー材料を使用する内視鏡の一部の関節運動を示す図である。
【図５（ａ）】セグメントのまわりの連続バンド状に形成されたエレクトロポリマー材料を有するセグメントの斜視図である。
【図５（ｂ）】エレクトロポリマー材料の領域をセグメントの周囲に位置決めするための異なる構成の端面図である。
【図５（ｃ）】エレクトロポリマー材料の領域をセグメントの周囲に位置決めするための異なる構成の端面図である。
【図６（ａ）】数個のセグメント又はジョイント上に延在するエレクトロポリマー材料の連続バンドの側面図である。
【図６（ｂ）】数個のセグメント又はジョイント上に延在するエレクトロポリマー材料の連続バンドの断面端図である。
【図７（ａ）】可撓性のある材料の全長にわたって位置するエレクトロポリマー材料を使用する内視鏡の一部の関節運動を示す図である。
【図７（ｂ）】可撓性のある材料の全長にわたって位置するエレクトロポリマー材料を使用する内視鏡の一部の関節運動を示す図である。
【図７（ｃ）】可撓性のある材料の全長にわたって位置するエレクトロポリマー材料を使用する内視鏡の一部の関節運動を示す図である。
【図８（ａ）】材料のまわりで連続バンド状に形成されたエレクトロポリマー材料を有する可撓性のある材料の斜視図である。
【図８（ｂ）】エレクトロポリマー材料の領域を周囲に位置決めするための異なる構成の端面図である。
【図８（ｃ）】エレクトロポリマー材料の領域を周囲に位置決めするための異なる構成の端面図である。
【図９（ａ）】内視鏡の全長にわたって延在するエレクトロポリマー材料の連続バンドの側面図である。
【図９（ｂ）】内視鏡の全長にわたって延在するエレクトロポリマー材料の連続バンドの断面端図である。
【図１０（ａ）】ヒンジ、ジョイント又はユニバーサルジョイントを介して接続された複数のリンクの側面図である。
【図１０（ｂ）】ヒンジ、ジョイント又はユニバーサルジョイントを介して接続された複数のリンクの端面図である。
【図１０（ｃ）】内視鏡の一部のまわりで個別の長さに形成されたエレクトロポリマー材料を示す図である。
【図１０（ｄ）】内視鏡の一部のまわりで連続バンド状に形成されたエレクトロポリマー材料を示す図である。
【図１０（ｅ）】多数のセグメントの周囲に置かれたエレクトロポリマー材料の連続スリーブを示す図である。
【図１１】エレクトロポリマー材料を通して電圧ポテンシャルを生成するために、いずれかの側部に電極を有する一定の長さのエレクトロポリマー材料を示す図である。
【図１２】大きな程度の伸張及び収縮を可能にするエレクトロポリマー材料に置かれ得る導電性インク用のパターンを示す図である。
【図１３】別個のワイヤ又は一対のワイヤを使用してコントローラへ接続するための個別の導体を概略的に示す図である。
【図１４】各々が、エレクトロポリマー材料用のより少ない数の電極を切り換え且つ制御することが可能な小さなコントローラのネットワークを概略的に示す図である。
【図１５Ａ】本発明の一実施形態に係る電圧添加前のトランスデューサ部分の上面図である。
【図１５Ｂ】本発明の一実施形態に係る電圧添加後のトランスデューサ部分の上面図である。
【図１６Ａ】本発明の一実施形態に係る巻かれた電気活性ポリマー装置を示す図である。
【図１６Ｂ】本発明の一実施形態に係る巻かれた電気活性ポリマー装置を示す図である。
【図１６Ｃ】本発明の一実施形態に係る巻かれた電気活性ポリマー装置を示す図である。
【図１６Ｄ】本発明の一実施形態に係る巻かれた電気活性ポリマー装置を示す図である。
【図１６Ｅ】本発明の一実施形態に係り、図１６Ａの巻かれた電気活性ポリマー装置の端片を示す図である。
【図１７Ａ】本発明の一実施形態に係り、単一のポリマーに複数の活性区域を備えるモノリシックトランスデューサを示す図である。
【図１７Ｂ】本発明の一実施形態に係り、巻く前の、単一のポリマーに複数の活性区域を備えているモノリシックトランスデューサを示す図である。
【図１７Ｃ】本発明の一環境に係り、二次元出力を生成する巻かれたトランスデューサを示す図である。
【図１７Ｄ】１セットの半径方向に整列配置された活性区域の作動した場合の、図３Ｃの巻かれたトランスデューサを示す図である。
【図１７Ｅ】本発明の一実施形態に係り、入れ子状の又は複合の巻かれた電気活性ポリマー装置の例示的な垂直断面図である。
【図１７Ｆ】本発明の一実施形態に係り、入れ子状の又は複合の巻かれた電気活性ポリマー装置の例示的な垂直断面図である。
【図１７Ｇ】本発明の一実施形態に係り、入れ子状の又は複合の巻かれた電気活性ポリマー装置の例示的な垂直断面図である。
【図１７Ｈ】本発明の別の実施形態に係り、入れ子状の又は複合の巻かれた電気活性ポリマー装置の例示的な垂直断面図である。
【図１７Ｉ】本発明の別の実施形態に係り、入れ子状の又は複合の巻かれた電気活性ポリマー装置の例示的な垂直断面図である。
【図１７Ｊ】本発明の別の実施形態に係り、入れ子状の又は複合の巻かれた電気活性ポリマー装置の例示的な垂直断面図である。
【図１８Ａ】代替セグメントの実施形態を示す図である。
【図１８Ｂ】代替セグメントの実施形態を示す図である。
【図１８Ｃ】代替セグメントの実施形態を示す図である。
【図１８Ｄ】代替セグメントの実施形態を示す図である。
【図１８Ｅ】代替セグメントの実施形態を示す図である。
【図１８Ｆ】代替セグメントの実施形態を示す図である。
【図１９Ａ】活性ポリマーセグメントの更なる実施形態を示す図である。
【図１９Ｂ】活性ポリマーセグメントの更なる実施形態を示す図である。
【図２０Ａ】巻かれた及び複合の巻かれた（入れ子状の）ポリマーアクチュエータの実施形態を使用して作動されるか又は操作される関節運動器具の実施形態を示す図である。
【図２０Ｂ】巻かれた及び複合の巻かれた（入れ子状の）ポリマーアクチュエータの実施形態を使用して作動されるか又は操作される関節運動器具の実施形態を示す図である。
【図２０Ｃ】巻かれた及び複合の巻かれた（入れ子状の）ポリマーアクチュエータの実施形態を使用して作動されるか又は操作される関節運動器具の実施形態を示す図である。
【図２１】ポリマーシート上の多数の活性区域によって作動される可撓性のある部材の別の実施形態を示す図である。
【図２２】合成撓み測定能力を有するポリマーシート上の多数の活性区域によって作動される可撓性のある部材の別の実施形態を示す図である。
【図２３】多数の活性区域によって作動される可撓性のある部材の別の実施形態を示す図である。
【図２４】複合ラミネートポリマーアクチュエータ及び複数の活性区域の実施形態を示す図である。
【図２５】複合ラミネートポリマーアクチュエータ及び複数の活性区域の実施形態を示す図である。
【図２６】ハイブリッド関節運動器具の実施形態を示す図である。
【図２７】例示的な関節運動器具に加えられた「フォローザリーダー」技術の実施形態を示す図である。
【図２８】例示的な関節運動器具に加えられた「フォローザリーダー」技術の実施形態を示す図である。
【図２９（ａ）】可変湾曲セグメントの実施形態を示す図である。
【図２９（ｂ）】可変湾曲セグメントの実施形態を示す図である。
【図２９（ｃ）】可変湾曲セグメントの実施形態を示す図である。
【図２９（ｄ）】可変湾曲セグメントの実施形態を示す図である。
【図３０（ａ）】非活性電極を使用する可変湾曲の実施形態を示す図である。
【図３０（ｂ）】非活性電極を使用する可変湾曲の実施形態を示す図である。
【図３０（ｃ）】非活性電極を使用する可変湾曲の実施形態を示す図である。
【図３０（ｄ）】非活性電極を使用する可変湾曲の実施形態を示す図である。
【図３０（ｅ）】非活性電極を使用する可変湾曲の実施形態を示す図である。
【図１Ａ】
2007502671.tif 000002
【図１Ｂ】
2007502671.tif 000003
【図１Ｃ】
2007502671.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2007502671.tif 000006
【図２Ｃ】
2007502671.tif 000007
【図２Ｄ】
2007502671.tif 000008
【図２Ｅ】
2007502671.tif 000009
【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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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１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１７Ｅ】
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【図１７Ｆ】
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【図１７Ｇ】
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【図１７Ｈ】
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【図１７Ｉ】
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【図１７Ｊ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１８Ｅ】
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【図１８Ｆ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図２９Ｄ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３０Ｄ】
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【図３０Ｅ】
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【国際調査報告】
2007502671.tif 000084