(57)【要約】  回転運動デバイス（１０）を提供する。１つの実施の形態では、回転運動デバイス（１０）は、マス（１２）と、外周構成部材（１４）と、マス（１２）と外周構成部材（１４）とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポーク（１６）とを備え、少なくとも１つのスポーク（１６）は、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、回転運動デバイス（１０）は、少なくとも１つのスポーク（１６）が歪むことによって、マス（１２）が動き、回転運動デバイス（１０）が重力に対してバランスを崩し、回転するように構成されている。【選択図】  図１
2013538963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスと、
外周構成部材と、
前記マスと前記外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、
前記少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、前記少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、
前記少なくとも１つのスポークが歪むことによって、前記マスが動き、重力に対してバランスを崩し、回転するように構成されていることを特徴とする回転運動デバイス。
【請求項２】
前記エレクトロアクティブポリマーは、イオン性エレクトロアクティブポリマーからなる請求項１に記載の回転運動デバイス。
【請求項３】
前記エレクトロアクティブポリマーは、イオンポリマーメタルコンポジットからなる請求項１に記載の回転運動デバイス。
【請求項４】
前記マスは、ペイロードを支持するように構成されている請求項１に記載の回転運動デバイス。
【請求項５】
前記複数のスポークは、２次元平面内を延び、
前記外周構成部材は、車輪を形成する請求項１に記載の回転運動デバイス。
【請求項６】
前記複数のスポークは、３次元に延び、
前記外周構成部材は、球体を形成する請求項１に記載の回転運動デバイス。
【請求項７】
前記マスが、それを中心として回転するように構成された軸をさらに備えている請求項１に記載の回転運動デバイス。
【請求項８】
前記外周構成部材は、外側方向に向かって延びる複数のブレードを含む請求項７に記載の回転運動デバイス。
【請求項９】
前記外周構成部材は、少なくとも１つのギヤの歯を含む請求項７に記載の回転運動デバイス。
【請求項１０】
前記外周構成部材は、ピンとクレセント・ガードとを備えており、
前記ピンを受け入れるように構成された少なくとも１つの凹部を有するクロス部をさらに備える請求項７に記載の回転運動デバイス。
【請求項１１】
前記外周構成部材の表面をトレースするように構成されたカムフォロアをさらに備え、
前記外周構成部材が回転すると、前記カムフォロアが前記外周構成部材の表面をトレースし、機構に対して前記外周構成部材の回転を伝達する請求項７に記載の回転運動デバイス。
【請求項１２】
軸と、
前記軸を中心として回転するように構成されたマスと、
外側方向に向かって延びる少なくとも１つのブレードを有する外周構成部材と、
前記マスと前記外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、
前記少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、前記少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、
前記少なくとも１つのスポークが歪むことによって、前記マスが動き、重力に対してバランスを崩し、前記軸を中心として回転するように構成されていることを特徴とするファン。
【請求項１３】
マスと、
外周構成部材と、
前記マスと前記外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、
前記少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、前記少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、
前記少なくとも１つのスポークが歪むことによって、前記マスが動き、重力に対してバランスを崩し、ロールするように構成されていることを特徴とするペイロード輸送システム。
【請求項１４】
前記複数のスポークは、２次元平面内を延び、
前記外周構成部材は、車輪を形成する請求項１３に記載のペイロード輸送システム。
【請求項１５】
前記複数のスポークは、３次元に延び、
前記外周構成部材は、球体を形成する請求項１３に記載のペイロード輸送システム。
【請求項１６】
前記マスは、ペイロードを支持するように構成されている請求項１３に記載のペイロード輸送システム。
【請求項１７】
(1)少なくとも第１の車輪及び第２の車輪と、
(2)前記第１の車輪と前記第２の車輪を接続し、前記第１の車輪及び前記第２の車輪がそれを中心として回転する軸と、
(3)前記軸に接続され、ペイロードを支持するように構成されたプラットフォームとを備え、
前記第１の車輪及び前記第２の車輪のそれぞれは、
(a)マスと、
(b)外周構成部材と、
(c)前記マスと前記外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、
前記少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、前記少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、
前記第１の車輪及び前記第２の車輪のそれぞれは、前記少なくとも１つのスポークが歪むことによって、前記マスが動き、前記第１の車輪及び前記第２の車輪のそれぞれが重力に対してバランスを崩し、ロールするように構成されていることを特徴とするペイロード輸送システム。
【請求項１８】
(1)実質的に平らな板であり、少なくとも１つのギアの歯を有するラックと、
(2)ピニオンとを備え、
前記ピニオンは、
(a)軸と、
(b)前記軸を中心として回転するように構成されたマスと、
(c)少なくとも１つのギアの歯を有する外周構成部材と、
(d)前記マスと前記外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、
前記少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、前記少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、
前記ピニオンは、前記少なくとも１つのスポークが歪むことによって、前記マスが動き、前記ピニオンが重力に対してバランスを崩し、前記軸を中心として回転するように構成されていることを特徴とするラック・アンド・ピニオンシステム。
【請求項１９】
前記マスが前記軸を中心として回転する場合に、前記ラックの前記少なくとも１つのギヤの歯と、前記外周構成部材の前記少なくとも１つのギヤの歯とが、噛み合うように構成されている請求項１８に記載のラック・アンド・ピニオンシステム。
【請求項２０】
(1)ピストンと、
(2)ローラ部と、
(3)前記ローラ部を前記ピストンに接続する接続ロッドとを備え、
前記ローラ部は、
(a)軸と、
(b)前記軸を中心として回転するように構成されたマスと、
(c)外周構成部材と、
(d)前記マスと前記外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、
前記少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有しており、前記少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、
前記ローラ部は、前記少なくとも１つのスポークが歪むことによって、前記マスが動き、前記ローラ部が重力に対してバランスを崩し、前記軸を中心として回転するように構成されていることを特徴とする回転運動と往復運動の間の変換を行うデバイス。
【請求項２１】
前記軸を中心とする前記マスの回転により、前記接続ロッドが前記ピストンを往復運動させるように構成されている請求項２０に記載の回転運動と往復運動の間で変換を行うデバイス。
【請求項２２】
(1)枢軸点と、
(2)前記枢軸点を中心に枢動するように構成されたシャフトと、
(3)ローラ部と、
(4)前記ローラ部を、前記シャフトに接続する接続ロッドとを備え、
前記ローラ部は、
(a)軸と、
(b)前記軸を中心として回転するように構成されたマスと、
(c)外周構成部材と、
(d)前記マスと前記外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、
前記少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、前記少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、
前記ローラ部は、前記少なくとも１つのスポークが歪むことによって、前記マスが動き、前記ローラ部が重力に対してバランスを崩し、前記軸を中心として回転するように構成されていることを特徴とするクランクシステム。
【請求項２３】
前記軸を中心とする前記マスの回転により、前記接続ロッドが前記シャフトを前記枢軸点を中心に枢動させるように構成されている請求項２２に記載のクランクシステム。
【請求項２４】
(1)少なくとも２つのローラと、
(2)回転可能なアーム部と、
(3)前記回転可能なアーム部を前記少なくとも２つのローラに接続する接続部とを備え、
前記少なくとも２つのローラのそれぞれは、
(a)軸と、
(b)前記軸を中心として回転するように構成されたマスと、
(c)外周構成部材と、
(d)前記マスと前記外周構成部材を接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、
前記少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、前記少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、
前記少なくとも２つのローラのそれぞれは、前記少なくとも１つのスポークが歪むことによって、前記マスが動き、前記少なくとも２つのローラのそれぞれが重力に対してバランスを崩し、前記軸を中心として回転するように構成されていることを特徴とするロボットアームシステム。
【請求項２５】
前記少なくとも２つのローラの回転により、前記回転可能なアーム部が回転するように構成されている請求項２４に記載のロボットアームシステム。
【請求項２６】
(1)ローラと、
(2)クロス部とを備え、
前記ローラは、
(a)軸と、
(b)前記軸を中心として回転するように構成されたマスと、
(c)ピン及びクレセント・ガードを有する外周構成部材と、
(d)前記マスと前記外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、
前記クロス部は、前記ピンを受け入れるように構成された少なくとも１つの凹部を備え、
前記少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、前記少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、
前記ローラは、前記少なくとも１つのスポークが歪むことによって、前記マスが動き、前記ローラが重力に対してバランスを崩し、前記軸を中心として回転するように構成されていることを特徴とするゼネバ装置。
【請求項２７】
前記ローラの回転により、前記クロス部が回転するように構成されている請求項２６に記載のゼネバ装置。
【請求項２８】
(1)ローラと、
(2)前記ローラの表面をトレースするように構成されたカムフォロアとを備え、
前記ローラは、
(a)軸と、
(b)前記軸を中心として回転するように構成されたマスと、
(c)外周構成部材と、
(d)前記マスと前記外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、
前記少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、前記少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、
前記ローラのそれぞれは、前記少なくとも１つのスポークが歪むことによって、前記マスが動き、前記ローラのそれぞれが重力に対してバランスを崩し、前記軸のそれぞれを中心として回転するように構成され、
前記ローラの回転により、前記カムフォロアが前記ローラの表面をトレースし、前記ローラの回転を機構に対して伝達することを特徴とする回転運動と変則運動の間の変換を行うデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１０年６月２５日出願の米国特許仮出願第６１／３５８，４３９の優先権を主張するもので、この仮出願の開示内容は、本明細書での参照によって本明細書に明示的に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
回転運動デバイス（rotary motion device）は、様々な産業及び毎日の生活において一般的なものである。回転運動デバイスの一例は、回転モータ（rotary motor）である。回転モータは、入力エネルギ（input energy）（例：コイルに印加された電気エネルギ）を機械エネルギ（mechanical energy）に変換する。典型的には、機械エネルギは、シャフトの回転運動として出力される。
【０００３】
回転運動デバイスは、モータに限られるものではない。むしろ、回転運動は、単純に円運動として定義されてもよい。したがって、周知の回転運動デバイスは、例えば、複数の車輪またはラック・アンド・ピニオン等により回転運動を直線運動に；ピストン、ギア機構（geared mechanism）またはカルダン・ギア（Cardan gear）等により回転運動を往復運動（reciprocating motion）に；クランク（crank）または早戻り（quick return）等により回転運動を揺動運動（oscillation motion）に；ゼネバ装置（Geneva stop）等により回転運動を間欠運動（intermittent motion）に；カム（cam）等により回転運動を変則運動（irregular motion）に変換するデバイスを含んでいてもよい。回転運動デバイスは、例えば、医療、宇宙、ロボット及びバイオミメティックのアプリケーション、微小電気機械素子（ＭＥＭＳ）、娯楽機器（entertainment device）及び振動を検出する必要のあるデバイス（devices requiring vibration sensing）等、他の様々な用途においても一般的なものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の回転運動デバイスは、多くの場合、重く、かさ高で、軽量であること若しくは継続的に出力できること、またはその両方を必要とする多くのアプリケーションに適していない。最近の進歩は、これらの欠点のうちいくつかのものについて対処しており、エレクトロアクティブポリマー（electroactive polymers）（"ＥＡＰ"ｓ）の使用を含むものである。ＥＡＰは、入力エネルギと機械エネルギとの間で変換を行う。回転モータとの関連で、ＥＡＰに接続された電極に電圧を印加すると、ＥＡＰは歪ませられる（deflect）。この歪みは、回転運動、すなわち、出力シャフト（power output shaft）の回転に変換される。ポリマーを繰り返し歪ませることによって、出力シャフトの継続的な回転を生じさせることができる。
【０００５】
回転運動デバイスのためにＥＡＰを用いる既知のものは、主に、ＥＡＰの線形的な歪み及び／または仕事（work）が行われる物（article）の抵抗（resistance）（例：モータのシャフトの回転抵抗[turning resistance]）及び重力（例：モータクランクアームの重量を重力に反して引っ張る）の両方を克服しなければならないデバイス構造のものに限られている。
【０００６】
本発明の実施の形態は、従来の回転運動デバイス及び既知のＥＡＰをベースとした回転運動デバイスの１以上の制限を克服することが可能なように、回転運動デバイスにおいてＥＡＰを用いることを開示している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの実施の形態では、回転運動デバイスを提供する。回転運動デバイスは、マス（mass）と、外周構成部材（circumferential component）と、マスを外周構成部材に接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポーク（spokes）とを備えており、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極（at least one input electrode）を有し、且つ、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、回転運動デバイスは、少なくとも１つのスポークが歪むことによって、マスが動き、回転運動デバイスが重力に対してバランスを崩し、回転する（rotate）ように構成されている。
【０００８】
他の実施の形態では、ＥＡＰを動力とするファンを提供する。ファンは、軸（axle）と、軸を中心として回転するように構成されたマスと、外側方向に向かって延びる少なくとも１つのブレードを有する外周構成部材と、マスと外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備えており、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、ファンは、少なくとも１つのスポークが歪むことによって、マスが動き、ファンが重力に対してバランスを崩し、軸を中心として回転するように構成されている。
【０００９】
他の実施の形態では、ペイロード輸送システム（payload transport systems）を提供する。１つの実施の形態のペイロード輸送システムは、マスと、外周構成部材と、マスと外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備えており、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、ペイロード輸送システムは、少なくとも１つのスポークが歪むことによって、マスが動き、ペイロード輸送システムが重力に対してバランスを崩し、ロールする（roll）ように構成されている。
【００１０】
他の実施の形態のペイロード輸送システムは、(1)少なくとも第１の車輪（wheel）及び第２の車輪と、(2)第１の車輪と第２の車輪を接続し、第１の車輪及び第２の車輪がそれを中心として回転する軸と、(3)軸に接続され、ペイロードを支持するように構成されたプラットフォームとを備え、第１の車輪及び第２の車輪のそれぞれは、(a)マスと、(b)外周構成部材と、(c)マスと外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備えており、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、第１の車輪及び第２の車輪のそれぞれは、少なくとも１つのスポークが歪むことによって、マスが動き、第１の車輪及び第２の車輪のそれぞれが重力に対してバランスを崩し、ロールするように構成されている。
【００１１】
さらに他の実施の形態では、ラック・アンド・ピニオンシステムを提供する。ラック・アンド・ピニオンシステムは、(1)実質的に平らな板であり、少なくとも１つのギアの歯を有するラックと、(2)ピニオンとを備え、ピニオンは、(a)軸と、(b)軸を中心として回転するように構成されたマスと、(c)少なくとも１つのギアの歯を有する外周構成部材と、(d)マスと外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備えており、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、ピニオンは、少なくとも１つのスポークが歪むことによって、マスが動き、ピニオンが重力に対してバランスを崩し、軸を中心として回転するように構成されている。１つの実施の形態では、ラック・アンド・ピニオンシステムは、マスが軸を中心として回転する場合に、１つのラックの少なくとも１つのギヤの歯と、外周構成部材の少なくとも１つのギヤの歯とが、噛み合うように構成されていてもよい。
【００１２】
他の実施の形態では、回転運動と往復運動の間の変換を行うデバイスを提供する。回転運動と往復運動の間の変換を行うデバイスは、(1)ピストンと、(2)ローラ部と、(3)ローラ部をピストンに接続する接続ロッド（connecting rod）とを備え、ローラ部は、(a)軸と、(b)軸を中心として回転するように構成されたマスと、(c)外周構成部材と、(d)マスと外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備えており、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、ローラ部は、少なくとも１つのスポークが歪むことによって、マスが動き、ローラ部が重力に対してバランスを崩し、軸を中心として回転するように構成されている。１つの実施の形態では、回転運動と往復運動の間の変換を行うデバイスは、軸を中心とするマスの回転により、接続ロッドがピストンを往復運動させてもよい。
【００１３】
他の実施の形態では、クランクシステムを提供する。クランクシステムは、(1)枢軸点（pivot point）と、(2)枢軸点を中心に枢動するように構成されたシャフトと、(3)ローラ部と、(4)ローラ部を、シャフトに接続する接続ロッドとを備え、ローラ部は、(a)軸と、(b)軸を中心として回転するように構成されたマスと、(c)外周構成部材と、(d)マスと外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備えており、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、ローラ部は、少なくとも１つのスポークが歪むことによって、マスが動き、ローラ部が重力に対してバランスを崩し、軸を中心として回転するように構成されている。１つの実施の形態では、クランクシステムは、軸を中心とするマスの回転により、接続ロッドがシャフトを枢軸点を中心に枢動させる。
【００１４】
他の実施の形態では、ロボットアームシステムを提供する。ロボットアームシステムは、(1)少なくとも２つのローラと、(2)回転可能なアーム部と、(3)回転可能なアーム部を少なくとも２つのローラに接続する接続部とを備え、少なくとも２つのローラのそれぞれは、(a)軸と、(b)軸を中心として回転するように構成されたマスと、(c)外周構成部材と、(d)マスと外周構成部材を接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備えており、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、少なくとも２つのローラのそれぞれは、少なくとも１つのスポークが歪むことによって、マスが動き、少なくとも２つのローラのそれぞれが重力に対してバランスを崩し、軸を中心として回転するように構成されている。１つの実施の形態では、少なくとも２つのローラの回転により、回転可能なアーム部が回転する。
【００１５】
他の実施の形態では、ゼネバ装置を提供する。ゼネバ装置は、(1)ローラと、(2)クロス部（cross）とを備え、ローラは、(a)軸と、(b)軸を中心として回転するように構成されたマスと、(c)ピン及びクレセント・ガード（crescent guard）を有する外周構成部材と、(d)マスと外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備え、クロス部は、ピンを受け入れるように構成された少なくとも１つの凹部を備えており、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有し、且つ、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、ローラは、少なくとも１つのスポークが歪むことによって、マスが動き、ローラが重力に対してバランスを崩し、軸を中心として回転するように構成されている。１つの実施の形態では、ローラの回転により、クロス部が回転する。
【００１６】
他の実施の形態では、回転運動と変則運動の間の変換を行うデバイスを提供する。回転運動と変則運動の間の変換を行うデバイスは、(1)ローラと、(2)ローラの表面をトレースする（trace）ように構成されたカムフォロア（cam follower）とを備え、ローラは、(a)軸と、(b)軸を中心として回転するように構成されたマスと、(c)外周構成部材と、(d)マスと外周構成部材とを接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポークとを備えており、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極を有しており、少なくとも１つの入力電極に電圧を印加すると歪むように構成されており、ローラのそれぞれは、少なくとも１つのスポークが歪むことによって、マスが動き、ローラのそれぞれが重力に対してバランスを崩し、軸のそれぞれを中心として回転するように構成され、ローラの回転により、カムフォロアがローラの表面をトレースし、ローラの回転を機構に対して伝達する。
【００１７】
開示した回転運動デバイスは、可動部材が少なく静かに動作可能で、及び、小型化が可能な低消費電力のモビリティ機構を、さらに、提供することも可能である。
【００１８】
明細書に包含され及び一部を構成する添付の図面は、様々なシステム、方法、結果その他の例を図示するものであり、様々な実施例を示すために用いられるにすぎない。図に表現されている様々な構成要素は、正確には描かれておらず、また、図に表現されている様々な形状（例：長方形、四角形）は、説明のためにのみ示されているものであり、何らかの方法で本発明を限定して解釈するために考慮されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の位置及び第２の位置にある回転運動デバイス１０の例を示す図である。
【図２】本実施の形態において使用するのに適したＩＰＭＣの詳細な実施例を示す図である。
【図３】アクチュエータ３０、電極３２及び電極クランプ３４の配置の例を示す図である。
【図４ａ】電圧を印加する前の、アクチュエータ３０が初期の状態にある状態を示す図である。
【図４ｂ】電圧を印加している状態のアクチュエータ３０を示す図である。
【図５】３０のタイプのアクチュエータとイオン性液体の溶媒の歪みに対する時間の関係を示すデータを示す図である。
【図６】ブロック負荷試験装置（blocked load test set-up）に設置したアクチュエータ３０、電極３２及び電極クランプ３４の配置の例を示す図である。
【図７】図６に示された配置の例によって生成されたブロック負荷試験のデータである。
【図８】ファン８０の形態の回転運動デバイスの実施例を示す図である。
【図９】ぺイロード輸送システム（payload transport system）９０の形態の回転運動デバイスの例を示す図である。
【図１０ａ】ぺイロード輸送システム１００の形態の回転運動デバイスの例を示す側面図である。
【図１０ｂ】ぺイロード輸送システム１００の形態の回転運動デバイスの例を示す平面図である。
【図１１】ぺイロード輸送システム１１０の形態の回転運動デバイスの例を示す図である。
【図１２】ラック・アンド・ピニオンシステム１２０の一部である回転運動デバイスの例を示す図である。
【図１３ａ】ピストン機構１３０の一部である回転運動デバイスの例を示す正面斜視図である。
【図１３ｂ】ピストン機構１３０の一部である回転運動デバイスの例を示す側面斜視図である。
【図１４】クランクシステム１４０の一部である回転運動デバイスの例を示す図である。
【図１５】ゼネバ装置システム１５０の一部である回転運動デバイスの例を示す図である。
【図１６】カムシステム１６０の一部である回転運動デバイスの例を示す図である。
【図１７】ロボットアームシステム１７０の一部である回転運動デバイスの例を示す図である。
【図１８】フューエルを動力源とする（fuel powered）人工筋肉（artificial muscle）の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本実施の形態は、ＥＡＰをベースにした回転運動デバイスを説明したものである。一般的に言えば、ＥＡＰとは、印加された電圧に応じて形状を変える、または、"歪む（deflect）"素材のことである。
【００２１】
当該デバイスが遍在していること及び理解を容易にするために、本明細書においては、従来の機構の回転運動デバイスとの関係で、ＥＡＰをベースにした回転運動デバイスの複数の実施例を開示している。しかしながら、本明細書において開示されている回転運動を発生させる概念は、医療、宇宙、ロボット及びバイオミメティックのアプリケーション、微小電気機械素子（ＭＥＭＳ）、娯楽機器及び振動を検出する必要のあるデバイスに等しく適用可能であることが十分に予期される。
【００２２】
このようにして、図１に示した最も単純な形態において、回転運動デバイス１０が開示されている。図１に示したように、回転運動デバイス１０は、マス１２と、外周構成部材１４と、それぞれが回転可能な状態でマス１２を外周構成部材１４に接続し、少なくとも１つがエレクトロアクティブポリマーから構成されている複数のスポーク１６ａ，１６ｂ，１６ｃ及び１６ｄとを備え、複数のスポーク１６ａ，１６ｂ，１６ｃ及び１６ｄのうち、少なくとも１つのスポークは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図１に示した実施の形態の目的からすると、スポーク１６ａ，１６ｂ，１６ｃ及び１６ｄのそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に（input electrode(s)）電圧を印加すると曲がるように構成されている。回転運動デバイス１０は、さらにスポーク１６ａ〜ｄのうち少なくとも１つのスポークの曲げ（bending）及び伸ばし（straightening）（以下、併せて「歪み」とする）によってマス１２を動かし、回転運動デバイス１０が重力に対してバランスを崩すように構成されている。重力によりマス１２が平衡位置（equilibrium position）に戻ることにより、回転運動が生じる。回転運動デバイス１０の望まれる出力を得るために、マス１２の形状及び重さ、ＥＡＰスポーク１６ａ〜ｄの数及び位置、外周構成部材１４の直径、望まれる回転方向、及び、望まれる回転速度等の要因によって、１以上のＥＡＰスポーク１６ａ〜ｄを歪ませて（すなわち、曲げて及び／または伸ばして）作動させる。１つの実施の形態においては、回転運動デバイス１０の動きは、１以上のＥＡＰスポーク１６ａ〜ｄを曲げて歪ませることによって得られる。他の実施の形態では、回転運動デバイス１０の動きは、１以上のＥＡＰスポーク１６ａ〜ｄを伸ばして歪ませることによって得られる。さらに他の実施の形態では、回転運動デバイス１０の動きは、１以上のＥＡＰスポーク１６ａ〜ｄを曲げて歪ませることと伸ばして歪ませることの組み合わせによって得られる。
【００２３】
さらに図１を参照すると、回転運動デバイス１０は、最も単純な形態において、中心に配置されたマス１２を移動させることによる重心（center of gravity）の摂動（perturbation）によって動かされる車輪（wheel）として考えることもできる。"位置１"は、回転運動デバイス（車輪）１０が平衡位置にある状態を示している。平衡位置において、マス１２は、ＥＡＰでできた１以上のスポーク（１６ａ〜ｄ）の配置によってつり下げられている（suspended）。平衡位置においては、ＥＡＰスポーク１６ａ〜ｄは、マス１２が外周構成部材１４の重心（すなわち車輪のリム[rim]の中心線）と水平に並ぶように保持する。ＥＡＰスポーク１６ｄを作動させて曲げると、マス１２を中心線から引き離し（"位置２"）、回転運動デバイス１０の重心を変化させる。さらに、スポーク１６ｄがマス１２を引っ張るために曲がるのに合わせて、スポーク１６ｂ及び１６ｃが伸びるように、ＥＡＰスポーク１６ｂ及び１６ｃも、スポーク１６ｄと協調して作動することで寄与することができる。実施の形態に示すように、回転運動デバイス１０は、位置１に示しているのと同様の基本的な配置になるように、マス１２を平衡に戻そうと、その中心を中心にして反時計回りに回転する。したがって、回転を生じさせるために、重力と組み合わせてＥＡＰを作動させる、１以上の実施の形態は、新規であり、且つ、独創的な特徴である。ＥＡＰを既定の方法（choreographed manner）で繰り返し作動させると、回転運動デバイス１０は、継続的に回転する。ＥＡＰスポーク１６ａ〜ｄを既定の動きで作動させることで、回転速度及び回転方向も制御することができる。
【００２４】
別の実施の形態では、回転運動デバイス１０は、マス１２、外周構成部材１４及び少なくとも１つのスポーク１６ａ〜ｄを備えている。マス１２は、スポーク１６ａ〜ｄによってつり下げられており、スポーク１６ａ〜ｄのうち、少なくとも１つはＥＡＰスポークであり、且つ、少なくとも１つはバネその他の付勢デバイスである。少なくとも１つのバネは、マス１２を支持している際にテンションを与えられた状態になっており、マス１２を外周構成部材１４に向かって引っ張るように動作するように、付勢されていてもよい。この実施の形態では、ＥＡＰスポークによってマス１２が平衡位置に保持されるように、少なくとも１つのＥＡＰスポークは、作動したままに構成されていてもよい。ＥＡＰスポークの入力電極の電圧の印加を止めると、ＥＡＰスポークが伸びることが許容され、少なくとも１つのバネがマス１２を中心線から引き離すようになる。結果として生じる不均衡（imbalance）により、回転運動デバイス１０が動くことになる。他の別の実施の形態では、スポーク１６ａ〜ｄのそれぞれがＥＡＰスポークであり、マス１２が平衡位置にある間、動作状態で、テンションを与えられた状態にあるように構成されている。１以上のＥＡＰスポークの入力電極の電圧の印加を止めると、ＥＡＰスポークが伸びることが許容され、残りの１以上のＥＡＰスポークがマス１２を中心線から引き離すことになり、回転運動デバイス１０が動くことになる。
【００２５】
印加された電圧によって歪むことに加えて、ＥＡＰは、歪まされることによって、電極間に電圧を発生させることが可能である。この特徴により、ＥＡＰを歪みセンサーまたは力センサーとして使用することが可能である。この検知能力は、どのＥＡＰスポークがどの位置にあるかを測定するために、回転運動デバイス１０に用いることができる。例えば、"上部（top）"または１２時の位置のＥＡＰスポーク１６ａが完全に伸びている場合が基準であり、歪みが生じていないことを示す電位であり、１２時の位置に存在することを示す。さらに、"下部（bottom）"または６時の位置のＥＡＰ１６ｃが、最も収縮するＥＡＰになり、基準を示す電位から最も異なる電位を生じるものである。このことにより、６時の位置に存在することを示す。これらの情報を全ていっしょに用いて、回転運動デバイス１０の位置合わせに使用することができ、そして、望む方向に回転運動を生じさせるために、どのＥＡＰをどの方向に作動させるかを決定することができる。
【００２６】
さらに、本明細書において開示された回転運動デバイスは、"反対に（reverse）"動作させた場合、発電機（generator）を構成することが期待される。例えば、１つの実施の形態では、単純にモータを反対に動作させる発電機であり、シャフトを回転させることで、ＥＡＰが伸縮して、電力（power）を発生させるために電圧を発生させる。言い換えれば、本明細書で開示された回転運動デバイスでＥＡＰの発電能力（voltage generating capability）を利用すると、ＥＡＰを歪ませる、または、ＥＡＰに力を加えることによって、エネルギーハーベスタ（energy harversters）のための有用なデバイスにすることができることが期待される。
【００２７】
［ＥＡＰ］
典型的には、ＥＡＰは、２つのグループに分類される。第１のグループは、"イオン性の（ionic）"、"ウェットの（wet）"または"電気化学な"ＥＡＰとして知られている。第１のグループは、印加された電圧によって、イオンマス（ionic mass）が移動することによって歪むものである。第２のグループは、"電子的な（electronic）"、"ドライの（dry）"、または"電界活性の（field-activated）"ＥＡＰとして知られている。第２のグループは、印加された電圧によって生み出される電界によって歪むものである。
【００２８】
適切な電子的なＥＡＰは、例えば、強誘電性ポリマー（ferroelectric polymers）（例：電子線照射したＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）[electron-radiated P(VDF-TrFE)]、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）ターポリマー[P(VDF-TrFE) terpolymers]、及び、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、誘電性ＥＡＰまたは電歪ポリマー（electrostatically stricted polymers）（例：シリコン[silicon]、ポリウレタン[poyurethane]及びポリアクリレート[polyacrylate]）、電歪グラフトエラストマー（electrostrictive graft elastomers）（例：コポリマー−ポリ（ビニリデン−フルオライド−トリフルオロエチレン[copolymer-poly(vinylidene-fluoride-trifluoroethylene)]）及び液晶エラストマー（例：ポリアクリレート[polyacrylate]及びポリシロキサン[polysiloxane]）を含む。
【００２９】
適切なイオン性ＥＡＰは、例えば、イオン性ゲル（ionic gels）（例：ＰＡＭＰＳ、ジメチルスルホキシド混合ポリ（ビニルアルコール）ゲル[poly(vinyl alcohol) gel with dimethyl sulfoxide]及び導電繊維混合ポリアクリロニトリル[polyacrylonitrile with conductive fibers]）、導電性ポリマー（conductive polymers）（例：ポリピロール[polypyrrole]、ポリエチレンジオキシチオフェン[polyethylenedioxythiophene]、ポリ−（ｐ−フェニレンビニレン）[poly-(p-phenylene vinylene)]、ポリアニリン[polyaniline]及びポリチオフェン[polythiophene]）、カーボンナノチューブ（carbon nanotubes）（例：単層[single-]及び多層[multi-walled]のカーボンナノチューブ）及び電気粘性流体（electro-rheological fluids）（例：フルオロシリコーン基油中のポリマー粒子[polymer particles in fluorosilicone base oil]）を含む。
【００３０】
イオン性ＥＡＰの特定のサブセット（subset）は、ポリマー中のカチオン移動度（cation mobility）に帰因する、電気的活性化に対応して曲がるイオンポリマーメタルコンポジット（ionic polymer metal composites）（ＩＰＭＣｓ）を含む。相互連結するクラスター（interconnected clusters）に固定された（fixed）陰イオン（negative ions）のネットワーク内に、ＩＰＭＣ内のベースポリマーが、陽イオン（positive ions）の移動のためのチャネル（channels）を提供する。静電力及び移動カチオンが曲げの原因である。ＩＰＭＣのいくつかは、次の有利な特徴を有している：（１）必要とする電圧が低い（１〜１０Ｖ）、（２）比較的に高応答である（＞１００Ｈｚ）、（３）可動部がない、（４）小型化できる可能性がある、及び、（５）繰り返しの曲げに対する耐久性がある。ベースポリマーは、例えば、ナフィオン（Nafion）（登録商標）（デュポン社[Dupont]により製造されたペルフルオロスルホンネート[perfluorosulfonate]）、フレミオン（Flemion）（登録商標）（日本の旭硝子社により製造されたペルフルオロカルボキシレート[perfluorocarboxylate]）及びアシプレックス（Aciplex）（登録商標）（旭化成社による製造）を含む。カチオンは、例えば、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（tetra-n-butylammonium）、リチウムカチオン（lithium cation）及びナトリウムカチオン（sodium cation）を含む。適切な金属は、例えば、白金（plutinum）及び金（gold）を含む。
【００３１】
図２は、本実施の形態において用いるのが適切なＩＰＭＣの詳細な実施の形態を示している。図示したように、ＩＰＭＣ２０は、イオン交換膜層（ion exchange membrane layer）２２、ＲｕＯ２／イオン導電バインダー層（Ru02/ion conducting binder layers）２４及び電位分布層（potential distributing layer）２６を備えた積層体（laminate）からなる。アクチュエータの製造の詳細は次のようになっている。
【００３２】
電極インク（electrode ink）の調合（formulation）：０．３ｇの酸化ルテニウム（ＩＶ）（Ruthenium(IV) oxide）、０．２ｇの脱イオン水（di-H2O）、３．０ｇの５ｗｔ％のナフィオン（登録商標）溶液及び１．５ｇのｔ−ブチルアルコール（t-butyl alcohol）を混ぜ合わせ（combine）、攪拌プレート（stir plate）上でオーバーナイト（overnight）で攪拌する。
【００３３】
電極の製造（fabrication）：赤外線加熱の下で、ガラス強化されたポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene）（ＰＴＦＥ）のデカル（decal）に、およそ１２層の電極インクを塗装する。各層は、次の層を塗布する前に乾燥されている。
【００３４】
アクチュエータの製造：電極を、Ｎ１１５  Ｎａ＋型（N115 Na+ form）になるように、ホットプレス（hot press）を用いて華氏４１０度及び５００ｐｓｉｇで３分間、両面からプレスし、続いて、プレスの圧力の下で冷却する。冷却した時点で、プレスから取り除き、デカルをはがす。
【００３５】
それから、バインダや溶剤（solvent）を使用せずに、ホットプレスを用いて華氏２００度で３０秒間プレスして電極に直接、金箔（gold leaf）を貼り付ける。代わりに、真空蒸着（vacuum evaporation）によって電極の外面を金でコーティング（coating）してもよい。第１に、電極をアルゴンイオンで前洗浄する（preclean）。ＥＡＰに２０ｎｍのクロム（chromium）を蒸着する。クロムの上に１００ｎｍの金を蒸着する。上記工程は、ＥＡＰの反対側の面にも繰り返される。
【００３６】
１〜４Ｖの電圧を印加する結果としての歪みの大きさ（magnitude）及び速さを特徴付けるために、図２に示したタイプのアクチュエータの例で実験的試験（experimental test）を行った。図３は、アクチュエータ３０、電極３２及び電極クランプ３４の配置の例を示す図である。図４ａは、電圧を印加する前の、アクチュエータ３０が初期の状態にある状態を示す図である。図４ｂは、電圧を印加している状態のアクチュエータ３０を示す図である。図５は、３０のタイプのアクチュエータとイオン性液体の溶媒の歪みに対する時間の関係を示すデータを示す図である。イオン性液体は、歪みを促進させるのに特に適したものであってもよい。図５に示した結果を生じさせるのに使用したアクチュエータ３０の大きさは、２０ｍｍ×３ｍｍであった。
【００３７】
図６は、ブロック負荷試験装置（blocked load test set-up）におけるアクチュエータ３０、電極３２及び電極クランプ３４の配置の例を示す図である。この試験では、アクチュエータ３０をロードセルセンサ（load cell sensor）３６に対して静止させた状態にしてあり、アクチュエータ３０が曲がってセンサ３６を押すように、アクチュエータ３０を作動させる。図７は、ブロック負荷試験のデータである。図７に示したように、１５ｍｍ×６ｍｍのアクチュエータ３０は、３Ｖで約３．４ｇの力を発揮する。
【００３８】
他の適切なＥＡＰは、全てを参照することにより本明細書に組み込まれる、Aliev, A.E.; Oh, J, Kozlov M.E.; Kuznetsov, A.A.; Fang, S.; Fonseca, A.F.; Ovalle, R.; Lima, M.D.; Haque, M.H.; Gartstein, Y.N.; Zhang, M.; Zakhidov, A.A.; Baughman, R.H., Giant-Stroke, Superelastic Carbon Nanotube Aerogel Muscles. Science 2009, 323 (5921), 1575-1578において、見つけることができるかもしれない。さらに、例えば、電磁アクチュエータ（electromagnetic actuator）、（熱エネルギによって駆動される）形状記憶合金（shape memory alloy）等を含めて、他のタイプのアクチュエータ技術も適切である。
【００３９】
以下では、本明細書に開示した基本的なコンセプトの用途が見出されるであろう包括的ではない詳細な実施例のリストに注意を向ける。
【００４０】
［回転運動デバイス−ファン］
図８を参照して、１つの実施の形態では、ＥＡＰは、ファン８０を駆動するのに適しているかもしれない。図８に示したように、ファン８０は、マス８１と、マス８１がそれを中心として回転するように構成された軸８２と、外周構成部材８３と、それぞれが回転可能な状態でマス８１を外周構成部材８３に接続する複数のスポーク８４とを備え、マス８１と、軸８２と、外周構成部材８３と複数のスポーク８４とでファン８０のローラ部（roller portion）を形成し、複数のスポーク８４のうち少なくとも１つは、エレクトロアクティブポリマーからなり、複数のスポーク８４のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図８に示した実施の形態の目的からすると、スポーク８４のそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に電圧を印加すると曲がるように構成されている。同様に、スポーク８４のそれぞれは、１つまたは複数の入力電極の電圧の印加を止めると伸びるように構成されていてもよい。ファン８０のローラ部は、ファンベース（fan base）８５によって支持されていてもよい。さらに、ファン８０は、少なくとも１つのスポーク８４の歪み（すなわち、曲げ及び／または伸び）によってマス８１がローラ部の重心と並んだ位置から移動し、結果としてファン８０のローラ部が重力に対してバランスを崩すように構成されている。重力の下で、マス８１が平衡位置に戻ると、軸８２を中心とする回転運動（すなわち、ファン８０のローラ部のスピン[spinning]）を生じる。ある１つの実施の形態では、複数の外側ブレード（outer blade）は傾斜している。ブレード８６の傾斜した表面が空気中を移動すると、ファン８０の前に存在する空気が前方に押し出される。繰り返し作動させ、したがって、既定の方法でＥＡＰスポーク８４を歪ませると、ファン８０を継続的にスピンさせ、結果として、気流（air stream）が動くことになる。本明細書において、ファンが軸を中心としてスピンまたは回転すると表現されまたは請求している部分は、ファンのローラ部が軸を中心として回転することを意味しているのであって、ファンベース（例えば、ファンベース８５）も軸を中心としてスピンする、ということではないことに注意する必要がある。
【００４１】
［回転運動デバイス−回転運動を線形運動に］
［ぺイロード輸送システム−車輪］
図９を参照して、ある１つの実施の形態では、ＥＡＰは、車輪のハブ（hub）に積まれたマス（mass）／ぺイロードを輸送するためのローラまたは車輪を駆動するのに適しているかもしれない。図９に示したように、マス輸送システム（mass transport system）９０は、第１の場所から第２の場所に輸送する質量（mass）を有する物体（object）を収納する（contain）ハブ９１と、外周構成部材（例：円形または円筒形の車輪のリム[rim]）９２と、それぞれが回転可能な状態でハブ９１を外周構成部材９２に接続する複数のスポーク９３とを備え、複数のスポーク９３のうち少なくとも１つは、エレクトロアクティブポリマーからなり、複数のスポーク９３のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図９に示した実施の形態の目的からすると、スポーク９３のそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に電圧を印加すると曲がるように構成されている。同様に、スポーク９３のそれぞれは、１つまたは複数の入力電極の電圧の印加を止めると伸びるように構成されていてもよい。さらに、マス輸送システム９０は、少なくとも１つのスポーク９３が歪むことによって、ぺイロードを含むハブ９１を動かし、結果としてマス輸送システム９０が重力に対してバランスを崩すように構成されている。重力の下で、ぺイロードを含むハブ９１が平衡位置に戻ると、回転運動（すなわち、マス輸送システム９０のロール[rolling]）を生じる。既定の方法でＥＡＰスポーク９３を繰り返し作動させると、マス輸送システム９０を継続的にロールさせる。
【００４２】
ハブ９１自体も質量を有していることに注意する必要がある。したがって、ハブ９１が"空（empty）"であったとしても、すなわち、ハブ９１が輸送する別のマス／ぺイロードを収納していなかったとしても、ＥＡＰの作動によって誘発されるハブ９１の動きは、マス輸送システム９０が重力に対してバランスを崩し、上記のようにロールする。したがって、ハブ９１は、第１の場所でマスを積んで、上記のように、ＥＡＰが作動して重力と協同（conjunction）することによって、第２の位置にロールして移動することができる。ハブ９１は、第２の位置でマスを降ろして、上記のように、ＥＡＰが作動して重力と協同することによって、元の場所（または第３の場所）にロールして移動することができる。
【００４３】
［ぺイロード輸送システム−自動車］
図１０ａ及び１０ｂを参照して、１つの実施の形態では、マス／ぺイロードを輸送する自動車（automobile）の構成に用いることに適しているかもしれない。図１０ｂに示すように、ぺイロード輸送システム１００は、４つの"車輪"１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ及び１０１ｄを備えている。より多くの、または、より少ない車輪１０１も可能である。図１０ａに示すように、車輪１０１のそれぞれは、マス１０２と、外周構成部材（すなわち、車輪のリム）１０３と、それぞれが回転可能な状態でマスを外周構成部材１０３に接続する複数のスポーク１０４とを備え、複数のスポーク１０４のうち少なくとも１つは、エレクトロアクティブポリマーからなり、複数のスポーク１０４のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図１０ａ及び１０ｂに示した実施の形態の目的からすると、スポーク１０４のそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に電圧を印加すると曲がるように構成されている。同様に、スポーク１０４のそれぞれは、１つまたは複数の入力電極の電圧の印加を止めると伸びるように構成されていてもよい。さらに、車輪１０１のそれぞれは少なくとも１つのスポーク１０４が歪むことによって、車輪１０１を動かし、重力に対して車輪１０１がバランスを崩すように構成されている。重力の下で、車輪１０１が平衡位置に戻ると、回転運動（すなわち、車輪１０１のロール）を生じる。既定の方法でＥＡＰスポーク１０４を繰り返し作動させると、車輪１０１を継続的にロールさせる。
【００４４】
図１０ｂに示すように、ぺイロード輸送システム１００は、さらに、２つの軸１０６ａ及び１０６ｂを備えている。より多くのまたはより少ない軸１０６を用いることも可能である。図示したように、軸１０６ａは、車輪１０１ａと１０１ｂを繋ぎ、マス１０２ａ及び１０２ｂが軸１０６ａに回転可能な状態で"固定"されている。また、軸１０６ｂは、車輪１０１ｃと１０１ｄを繋ぎ、マス１０２ｃ及び１０２ｄが軸１０６ａに回転可能な状態で"固定"されている。
【００４５】
図１０ｂにさらに図示したように、ぺイロード輸送システム１００は、さらに、デッキ（deck）またはフレーム（frame）１０７を備えており、軸１０６ａ及び１０６ｂの間に架かり（spanning）及び／または重なっている（overlapping）。デッキまたはフレーム１０７は、ペイロード（例：財物[property]、人など）を保護するように適していてもよい。既定の方法でＥＡＰスポーク１０４を繰り返し作動させると、車輪１０１を継続的にそれぞれと調和してロールさせる。したがって、デッキまたはフレーム１０７にペイロードを積むことが可能であり、第１の場所から第２の位置に移動させることが可能である。
【００４６】
さらに、図示しない１つの実施の形態では、図９に示した車輪９０の例と同様に、１以上のマス１０２は、順にペイロードを収納可能なハブを備えてもよい。
【００４７】
［ペイロード輸送システム−球体ローラ］
図１１を参照して、他の実施の形態では、ＥＡＰは、車輪のハブに積んだマス／ぺイロードを輸送する球体の（spherical）ローラまたは車輪として用いることに適しているかもしれない。図１１に示したように、マス輸送システム１１０は、第１の場所から第２の場所に輸送する質量を有する物体を収納するハブ１１１と、外周構成部材（球体[sphere]）１１２と、３次元に放射線状に延びる複数のスポーク１１３とを備え、複数のスポーク１１３のうち少なくとも１つは、エレクトロアクティブポリマーからなり、複数のスポーク１１３のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図１１に示した実施の形態の目的からすると、スポーク１１３のそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に電圧を印加すると曲がるように構成されている。同様に、スポーク１１３のそれぞれは、１つまたは複数の入力電極の電圧の印加を止めると伸びるように構成されていてもよい。さらに、ペイロード輸送システム１１０は、少なくとも１つのスポーク１１３の歪みによってペイロードを収納したハブ１１１が動き、ペイロード輸送システム１１０がペイロード輸送システム１１０の重心と並ばないようになるようにして、重力に対してバランスを崩すように構成されている。重力の下で、ペイロード輸送システム１１０が平衡位置に戻ると、回転運動（すなわち、ペイロード輸送システム１１０のロール）を生じる。既定の方法でＥＡＰスポーク１１３を繰り返し作動させると、ペイロード輸送システム１１０を継続的にロールさせ、いかなる方向にも移動でき、ペイロード輸送システム１１０を誘導し、障害物を避けるために方向転換を可能にする。
【００４８】
ハブ１１１自体も質量を有していることに注意する必要がある。したがって、ハブ１１１が"空"であったとしても、すなわち、ハブ１１１が輸送する別のマス／ぺイロードを収納していなかったとしても、ＥＡＰの作動によって誘発されるハブ１１１の動きは、ペイロード輸送システム１１０が重力に対してバランスを崩し、上記のようにロールする。したがって、ハブ１１１は、第１の場所でマスを積んで、上記のように、ＥＡＰが作動して重力と協同することによって、第２の位置にロールして移動することができる。ハブ１１１は、第２の位置でマスを降ろして、上記のように、ＥＡＰが作動して重力と協同することによって、元の場所（または第３の場所）にロールして移動することができる。
【００４９】
［ラック・アンド・ピニオンシステム］
図１２を参照して、１つの実施の形態では、ＥＡＰは、ラック・アンド・ピニオンシステム、例えば、１２０に用いるのに適しているかもしれない。ラック・アンド・ピニオンシステムは、一般的に、車のハンドル（steering wheel）の回転運動を車輪の左右の運動に変換するのに用いられている。図１２に示したように、ラック・アンド・ピニオンシステム１２０は、ピニオン部１２１及びラック部１２２を備えている。図示したように、ピニオン部１２１は、マス１２３と、マス１２３がそれを中心として回転するように構成された軸と、外周構成部材１２５と、それぞれが回転可能な状態でマス１２３を外周構成部材１２５に接続する複数のスポーク１２６とを備え、複数のスポーク１２６のうち少なくとも１つは、エレクトロアクティブポリマーからなり、複数のスポーク１２６のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図１２に示した実施の形態の目的からすると、スポーク１２６のそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に電圧を印加すると曲がるように構成されている。同様に、スポーク１２６のそれぞれは、１つまたは複数の入力電極の電圧の印加を止めると伸びるように構成されていてもよい。さらに、ピニオン部１２１は、少なくとも１つのスポーク１２６の歪みによってマス１２３が動き、結果としてピニオン部１２１が重心に対してバランスを崩すように構成されている。重力の下で、マス１２３が平衡位置に戻ると、軸を中心とする回転運動（すなわち、ピニオン部１２１のスピン）を生じる。ピニオン部１２１は、硬い歯（rigid teeth）１２７を備えている。図示したように、ラック部１２２は、硬い歯１２９を有する平板（flat bar）１２８を備えている。
【００５０】
ピニオン部１２１がラック部１２２と噛み合わされていると（engage）、すなわち、ピニオンの歯１２７とラックの歯１２９が噛み合わされていると（mesh）、上記のピニオン部１２１の既定の回転運動により、望ましいように、ラック部１２２を左右に動かすことができる。
【００５１】
［回転運動デバイス−回転運動を往復運動に］
［ピストン機構］
図１３ａ及び１３ｂを参照して、１つの実施の形態では、ＥＡＰは、回転運動を往復運動に変換するピストン機構、例えば、ピストンポンプ（piston pump）１３０を動かすのに適しているかもしれない。図１３ａ及び１３ｂに示したように、ポンプ１３０は、ローラ部１３１及びピストン（piston）１３２を備えており、接続ロッド１３３によって回転可能な状態で相互に接続されている。ローラ部１３１は、マス１３４と、マス１３４がそれを中心として回転するように構成された軸１３５と、外周構成部材１３６と、それぞれが回転可能な状態でマス１３４を外周構成部材１３６に接続する複数のスポーク１３７とを備え、複数のスポーク１３７のうち少なくとも１つは、エレクトロアクティブポリマーからなり、複数のスポーク１３７のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図１３ａ及び１３ｂに示した実施の形態の目的からすると、スポーク１３７のそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に電圧を印加すると曲がるように構成されている。同様に、スポーク１３７のそれぞれは、１つまたは複数の入力電極の電圧の印加を止めると伸びるように構成されていてもよい。さらに、ローラ部１３１は、少なくとも１つのスポーク１３７の歪みによってマス１３４が動き、結果としてローラ部１３１が重心に対してバランスを崩すように構成されている。重力の下で、マス１３４が平衡位置に戻ると、軸１３５を中心とする回転運動（すなわち、ローラ部１３１のスピン）を生じる。
【００５２】
図示したように、ピストン１３２は、ハウジング（housing）（例：チャンバ[chamber]またはシリンダ[cylinder]）１３８に収納されている。図示したように、ハウジング１３８は、接続ロッド用通路（connecting rod passageway）１３９ａと、（図１３ａではバルブ不要な円錐ディフューザ[valve-less conical diffuser]として図示している）入口部（inlet）１３９ｂと、（図１３ａではバルブ不要な円錐ディフューザとして図示している）出口部（outlet）１３９ｃとを備えている。
【００５３】
図示したように、上記のローラ部１３１の既定の回転運動により、接続ロッド１３３を回転させ、ピストン１３２を往復運動させる。図１３ａに示したように、例えば、ピストン１３２は、ローラ部１３１の回転及び対応する接続ロッド１３３の動きによって、位置１〜３の間を循環する。ピストン水ポンプ（piston water pump）の場合には、ピストン１３２の上向きの動き（upstroke）により吸引力（suction）が生じて入口部１３９ｂを通じてチャンバー１３８に水が入り、ピストン１３２の下向きの動き（downstroke）により出口部１３９ｃから水を押し出す。直前に示したコンセプトを往復運動をする内燃機関（internal combustion engine）に適用可能であることは、当業者にとっては、容易にわかるものである。
【００５４】
［回転運動デバイス−回転運動を揺動運動に］
［クランクシステム］
図１４を参照して、１つの実施の形態では、ＥＡＰは、回転運動を揺動運動に変換するクランク１４０を動かすのに適しているかもしれない。揺動運動とは、枢軸点に対する往復運動（back and forth motion）である。図１４に示したように、クランク１４０はローラ部１４１及びシャフト１４２を備えており、接続ロッド１４３によって回転可能な状態で相互に接続されている。図示したように、ローラ部１４１は、マス１４４と、マス１４４がそれを中心として回転するように構成された軸（図示せず）と、外周構成部材１４６と、それぞれが回転可能な状態でマス１４４を外周構成部材１４６に接続する複数のスポーク１４７とを備え、複数のスポーク１４７のうち少なくとも１つは、エレクトロアクティブポリマーからなり、複数のスポーク１４７のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図１４に示した実施の形態の目的からすると、スポーク１４７のそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に電圧を印加すると曲がるように構成されている。同様に、スポーク１４７のそれぞれは、１つまたは複数の入力電極の電圧の印加を止めると伸びるように構成されていてもよい。さらに、ローラ部１４１は、少なくとも１つのスポーク１４７の歪みによってマス１４４が動き、結果としてローラ部１４１が重心に対してバランスを崩すように構成されている。重力の下で、マス１４４が平衡位置に戻ると、軸を中心とする回転運動（すなわち、ローラ部１４１のスピン）を生じる。図示したように、シャフト１４２は、枢軸点１４８に対して往復運動をする。図示したように、上記のローラ部１４１の既定の回転運動により、接続ロッド１４３を回転させ、シャフト１４２を枢軸点１４８に対して往復運動をさせるようになる。
【００５５】
［回転運動デバイス−回転運動を間欠運動に］
［ゼネバ装置］
図１５を参照すると、１つの実施の形態では、回転運動を間欠運動に変換するゼネバ装置１５０を動かすのに適しているかもしれない。ゼネバ装置は、一般的に、例えば、一度に１フレームずつ進めるフィルム・プロジェクタ（film projector）に用いられている。
【００５６】
図１５に示したように、ゼネバ装置１５０は、ローラ部１５１及びクロス部１５２を備えている。図示したように、ローラ部１５１は、マス１５３と、マス１５３がそれを中心として回転するように構成された軸（図示せず）と、外周構成部材１５５と、それぞれが回転可能な状態でマス１５３を外周構成部材１５５に接続する複数のスポーク１５６とを備え、複数のスポーク１５６のうち少なくとも１つは、エレクトロアクティブポリマーからなり、複数のスポーク１５６のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図１５に示した実施の形態の目的からすると、スポーク１５６のそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に電圧を印加すると曲がるように構成されている。同様に、スポーク１５６のそれぞれは、１つまたは複数の入力電極の電圧の印加を止めると伸びるように構成されていてもよい。さらに、ローラ部１５１は、少なくとも１つのスポーク１５６の歪みによってマス１５３が動き、結果としてローラ部１５１が重心に対してバランスを崩すように構成されている。重力の下で、マス１５３が平衡位置に戻ると、軸を中心とする回転運動（すなわち、ローラ部１５１のスピン）を生じる。
【００５７】
図示したように、ローラ部１５１は、さらに、外周構成部材１５５に接続されたピン１５８及び図示しない軸に固定され、外周構成部材１５５に接続されたクレセント・ガード１５９を備えている。図示したように、上記のローラ部１５１の既定の回転運動により、ローラ部１５１を継続的にターンさせ（turn）、クロス部１５２の凹部１５２ａのうち１つにピン１５８が入り込むようになる。すると、図示したように、ピン１５８は、ローラ部１５１の各周期（each revolution）の四分の一だけクロス部１５２をターンさせる。クレセント・ガード１５９は、ピン１５８が凹部１５２ａの１つに挿入されている場合にはクロス部１５２の先端部（points）が通過することを許容し、ピン１５８がいずれの凹部１５２ａとも噛み合わされていない場合にはクロス部１５２を所定の位置に固定する。
【００５８】
［回転運動デバイス−回転運動を変則運動に］
［カムシステム］
図１６を参照して、１つの実施の形態では、ＥＡＰは、回転運動を変則運動に変換するカムシステム（cam system）１６０を動かすのに適しているかもしれない。図１６に示したように、カムシステム１６０はローラ部（カム）１６１とカムフォロア１６２とを備えている。図示したように、ローラ部１６１は、マス１６３と、マス１６３がそれを中心として回転するように構成された軸（図示せず）と、外周構成部材１６５と、それぞれが回転可能な状態でマス１６３を外周構成部材１６５に接続する複数のスポーク１６６とを備え、複数のスポーク１６６のうち少なくとも１つは、エレクトロアクティブポリマーからなり、複数のスポーク１６６のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図１６に示した実施の形態の目的からすると、スポーク１６６のそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に電圧を印加すると曲がるように構成されている。同様に、スポーク１６６のそれぞれは、１つまたは複数の入力電極の電圧の印加を止めると伸びるように構成されていてもよい。さらに、ローラ部１６１は、少なくとも１つのスポーク１６６の歪みによってマス１６３が動き、結果としてローラ部１６１が重心に対してバランスを崩すように構成されている。重力の下で、マス１６３が平衡位置に戻ると、軸を中心とする回転運動（すなわち、ローラ部１６１のスピン）を生じる。
【００５９】
図示したように、上記のローラ部１６１の既定の回転運動により、ローラ部１６１を継続的にターンさせる。円運動（circular motion）によって動かされることにより、ローラ部１６１がターンすると、カムフォロア１６２がローラ部１６１の表面をトレースし、要求される機構に対して、ローラ部１６１の動きを伝達する。他の実施の形態では、ローラ部１６１は、望ましい速度（rate）で往復運動をするように（すなわち、単方向に継続的にターンするというよりは、むしろ、一方の方向に一部ターンし、それから他方の方向にターンするように）構成されており、望ましい頻度（frequency）及び速度で、カムフォロア１６２が上下する（rise and fall）ようになる。
【００６０】
［回転運動デバイス−ロボットアーム］
図１７を参照して、１つの実施の形態では、ＥＡＰは、ロボットアームシステム（robotic arm system）１７０を動かすのに適しているかもしれない。図１７に示したように、ロボットアームシステム１７０は、例えば、ひも（string）、ワイヤ（wire）、チェーン（chain）、ロープ（rope）、コンポジット（composite）等のコネクタ（connector）または滑車システム（pulley system）１７３を介して回転可能な状態で接続されたローラ部１７１ａ，ｂとロボットアーム１７２とを備えている。図示したように、ローラ部１７１ａ，ｂはそれぞれ、マス１７４と、マス１７４がそれを中心として回転するように構成された軸（図示せず）と、外周構成部材１７５と、それぞれが回転可能な状態でマス１７４を外周構成部材１７５に接続する複数のスポーク１７６とを備え、複数のスポーク１７６のうち少なくとも１つは、エレクトロアクティブポリマーからなり、複数のスポーク１７６のうち少なくとも１つは、少なくとも１つの入力電極（図示せず；ただし、図１７に示した実施の形態の目的からすると、スポーク１７６のそれぞれが対応する入力電極を有していると考えるべきである）を有し、且つ、１つまたは複数の入力電極に電圧を印加すると曲がるように構成されている。同様に、スポーク１７６のそれぞれは、１つまたは複数の入力電極の電圧の印加を止めると伸びるように構成されていてもよい。さらに、ローラ部１７１ａ，ｂは、少なくとも１つのスポーク１７６の歪みによってマス１７４が動き、結果としてローラ部１７１ａ，ｂが重心に対してバランスを崩すように構成されている。重力の下で、マス１７４が平衡位置に戻ると、軸を中心とする回転運動（すなわち、ローラ部１７１ａ，ｂのスピン）を生じる。
【００６１】
図示したように、ロボットアーム１７２は、ピン１７８を中心として回転する。したがって、上記のローラ部１７１ａ，ｂの既定の回転運動により、ローラ部１７１ａ，ｂを継続的にターンさせる。円運動によって動かされることにより、ローラ部１７１ａ，ｂがターンすることと、摩擦やギアの歯のかみ合わせ（meshing gear teeth）等によって、ロボットアーム１７２は、ピン１７８を中心として回転する。他の実施の形態では、ローラ部１７１ａ，ｂは、望ましい速度で往復運動をするように（すなわち、単方向に継続的にターンするというよりは、むしろ、一方の方向に一部ターンし、それから他方の方向にターンするように）構成されており、望ましい頻度及び速度で、ロボットアーム１７２が時計回り・反時計回りに回転することになる。
【００６２】
［ＥＡＰに対する電力の供給］
本明細書に記述した様々な実施の形態では、ローラのマスの中心の変位（displacement）を生じさせるために、アクチュエータ間（across）に電圧を印加する電源（power source）は、マスの中心に収納されたバッテリ（battery）を含んでいてもよい。図１を参照。他の電源を用いることも可能であり、全てを参照することにより本明細書に組み込まれる、Baughman, R.H., Fuel-Powered Actuators, 2006及びEbron, V.H.; Yang, Z.; Seyer, D.J.; Kozlov, M.E.; Oh, J.; Xie, H.; Razal, J.; Hall, L.J.; Ferraris, J.P.; MacDiarmid, A.G.; Baughman, R.H., Fuel-Powered Artificial Muscles. Science 2006, 311, 1580-83に開示されているフューエル（fuel）及び酸化剤（oxidizer）を用いることも可能である。フューエル及び／または酸化剤により電力を供給するアクチュエータの場合、デバイスは、チャンバ（chamber）に分割されていてもよい。チャンバ内では、アクチュエータの材料（material）がフューエル及び／または酸化剤にさらされており、アクチュエータを作動させ、及び／または作動を逆転させる。これらのタイプのアクチュエータは、同時に（simultaneously）、筋肉（muscle）、燃料電池の電極（fuel cell electrode）及びスーパーキャパシタの電極（supercapacitor electrode）としても機能する。
【００６３】
フューエルを動力源とする人工筋肉の概略図を図１８に示している。図１８の上部に示しているように、水に溶けた酸素が電荷（charge）をカーボンナノチューブ製のペーパー（paper）に（白金触媒[platinum catalyst]によって促進されて）移動させる。帯電することにより（charging）、ナノチューブ・フィルム（nanotube film）が膨張し、白金／カーボン／イオノマー（ionomer）層よりも膨張するため、フィルムが曲がることになる。図１８の下部に示しているように、回路を水素電極に対して閉じると、帯電が中和され、フィルムの曲がりは元に戻る。対極（counter electrode）は、カーボン二重層（carbon bilayer）−白金触媒−ナフィオン膜（Nafion membrane）のアセンブリ（assembly）である。全てを参照することにより本明細書に組み込まれる、Madded, J.D., Artificial Muscle Begins to Breathe. Science 2006, 311, 1559-60を参照。
【００６４】
「含む」（"include" or "including"）の用語が明細書または特許請求の範囲において使用される範囲において、特許請求の範囲で移行語（transitional word）として使用されるときに解釈される「具備する」（"comprising"）の用語と同等に、含められることが意図されている。さらに、「または」（"or"）が使用される範囲において（例：ＡまたはＢ[A or B]）、「ＡまたはＢまたはその両方」（"A or B or both"）が意図されている。出願人が「ＡまたはＢのみであって、その両方ではない」ということを意図する場合には、「ＡまたはＢのみであって、その両方ではない」という用語を用いる。したがって、本明細書において、「または」の用語は、包括的（inclusive）な用法であって、排他的（exclusive）な用法ではない。Bryan A. Garner, A Dictionary of Modern Legal Usage 624 (2d. Ed.1995)を参照。また、「内で」（"in"）または「内に」（"into"）の用語が明細書または特許請求の範囲において使用される範囲において、追加的に、「上で」（"on"）または「上に」（"onto"）を意味することが意図されており、また、その逆も同様である。さらに、「接続する」（"connect"）の用語またはその用語のいかなる形態が明細書または特許請求の範囲において使用される範囲において、「直接的に接続されている」（"directly connected to"）を意味することが意図されているだけでなく、他の１つの部材（component）または複数の部材（components）を通して接続または接触（contact）しているような「間接的に接続されている」（"indirectly connected to"）を意味することをも意図している。また、各例において明示的に述べられていないとしても、固定されたまたは静的な（static）接続だけでなく、回転可能な、または、動的な（dynamic）接続も含むことを意味する。いくつかの実施の形態では、「接続されている」（"connected"）とは、「作動的に接続されている」（"operatively connected"）を意味し、これは、ある物が他の物に対して、望まれた機能を発揮可能な方法で配置されていることである。
【００６５】
上記のように、本出願は実施の形態として説示し、且つ、実施の形態は、かなり詳細に述べているが、添付の特許請求の範囲の範囲を限定やどのような形でも制限する意図ではない。本出願の恩恵により、当業者によりさらなる効果及び改良を容易に行うことができる。したがって、本出願は、そのより広い側面において、詳細な説明、代表的な装置、及び、説示した実施例に制限されるものではない。したがって、概略的な発明のコンセプトの範囲から外れることなく、本出願の詳細な説明等に基づいて発展型を生み出すことが可能である。
【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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