(57)【要約】センサを構成する方法は、構造を形成するために、所定の配置で第１の材料を堆積させることを含む。堆積させることは、構造内に少なくとも１つの空隙を生じさせる。本方法はさらに、空隙内に第２の材料を堆積させることを含む。第２の材料は、第２の材料の変形に従って変動する電気的特性を有し得る。本方法はまた、１つ以上の電気的特性の観察を可能にするために、第２の材料への電気的アクセスを提供することも含む。センサは、構造内に分散された１つ以上の空隙を有する、構造を含む。センサはまた、１つ以上の空隙内に堆積される材料も含む。材料は、ピエゾ抵抗性等の１つ以上の電気的特性によって特徴付けられ得る。センサは、材料上の第１の場所に電気的に連結される第１の接点と、材料上の第２の場所に電気的に連結される第２の接点とを含む。【選択図】  図１７Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサを構成する方法であって、
構造を形成するために、所定の配置で第１の材料を堆積させることであって、前記構造内に少なくとも１つの空隙を生じさせる、堆積させることと、
前記空隙内に第２の材料を堆積させることであって、前記第２の材料は、前記第２の材料の変形に従って変動する１つ以上の電気的特性を有する、堆積させることと、
前記１つ以上の電気的特性の観察を可能にするために、前記第２の材料への電気的アクセスを提供することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記第１の材料を堆積させることはさらに、付加製造手法を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記所定の配置は、センサ設計を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記所定の位置はさらに、それぞれが前記センサ設計の断面外形である、複数の連続層をさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の材料は、導電性エラストマーを含み、前記１つ以上の電気的特性は、ピエゾ抵抗特性を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の材料は、導電性粒子の室温加硫シリコンサスペンションを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記導電性粒子は、ニッケル被覆黒鉛粒子を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２の材料を堆積させることはさらに、前記構造の中のポートを通して前記第２の材料を注入することを含み、前記ポートは、前記少なくとも１つの空隙へのアクセスを提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記注入することは、シリンジによって達成され、よって、前記シリンジは、前記シリンジおよび前記ポートに確実に固定されるカプラを通して、前記ポートに接続する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記カプラは、前記シリンジに連結するためのスレッドを有する、ルアーロックである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の材料への電気的アクセスを提供することはさらに、第１の電極を前記第２の材料上の第１の場所に取り付けることと、第２の電極を前記第２の材料上の第２の場所に取り付けることとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の場所は、前記第２の材料の第１の端部であり、前記第２の場所は、前記第２の材料の第２の端部である、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
１つ以上の電気構成要素を前記構造に埋め込むことをさらに含み、前記１つ以上の電気構成要素は、前記第２の材料に電気的に連結される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記１つ以上の電気構成要素は、増幅器、フィルタ、比較器、電極、電圧調整器、電流調整器、サンプラー、およびバッファから成る群から選択される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
センサであって、
その中に分散される１つ以上の空隙を含む構造と、
前記１つ以上の空隙内に堆積される材料であって、１つ以上の電気的特性によって特徴付けられる、材料と、
前記材料上の第１の場所に電気的に連結される第１の接点と、
前記材料上の第２の場所に電気的に連結される第２の接点と、
を備える、センサ。
【請求項１６】
前記構造は、それぞれが前記構造の断面外形である、複数の連続層を含む、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１７】
前記複数の連続層は、付加製造手法を使用して作成される、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記構造は、センサ設計に基づく、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１９】
前記センサ設計は、トルクセンサを表す、請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２０】
前記センサ設計は、力センサを表す、請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２１】
前記センサ設計は、衝撃センサを表す、請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記センサ設計は、屈曲センサを表す、請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２３】
前記センサ設計は、振動センサを表す、請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２４】
前記材料上の前記第１の場所は、前記材料の第１の端部であり、前記材料上の前記第２の場所は、前記材料の第２の端部である、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項２５】
前記１つ以上の電気的特性は、ピエゾ抵抗特性を含む、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項２６】
前記材料は、前記構造の中の開口を通して前記材料を注入することによって、１つ以上の空隙内に堆積される、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項２７】
前記開口を注入器に接続するアダプタをさらに含み、前記アダプタは、前記注入器に連結するためのスレッドを含む、請求項２６に記載のセンサ。
【請求項２８】
前記アダプタは、前記構造の中の前記開口に着脱可能に連結され、よって、前記アダプタは、前記材料が前記空隙の中に堆積された後に、前記開口から取り外すことができる、請求項２７に記載のセンサ。
【請求項２９】
前記材料は、シリコーンＲＴＶサスペンションにおいて黒鉛粒子を含む、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項３０】
装具デバイスであって、
人間の解剖学的構造の一部分に対する支持を提供するための構造であって、その中に分散される１つ以上の空隙を含む、支持を提供するための構造と、
前記１つ以上の空隙内に堆積される材料であって、ピエゾ抵抗特性によって特徴付けられる、材料と、
前記材料上の第１の場所に電気的に連結される第１の接点と、
前記材料上の第２の場所に電気的に連結される第２の接点と、
を備える、装具デバイス。
【請求項３１】
短下肢装具であって、
足、足首、および下脚のうちの１つ以上に対する支持を提供するための構造であって、その中に分散される１つ以上の空隙を含む、構造と、
前記１つ以上の空隙内に堆積される材料であって、ピエゾ抵抗特性によって特徴付けられる、材料と、
前記材料上の第１の場所に電気的に連結される第１の接点と、
前記材料上の第２の場所に電気的に連結される第２の接点と、
を備える、短下肢装具。
【請求項３２】
上肢測定デバイスであって、
第１の表面および第２の表面を有する構造であって、前記第１の表面の下の前記構造内に分散される少なくとも１つの空隙、および前記第２の表面の下の前記構造内に分散される少なくとも１つの空隙を含む、構造と、
前記空隙内に堆積される材料であって、ピエゾ抵抗特性によって特徴付けられる、材料と、
前記構造内の前記空隙のそれぞれについて、
（ａ）前記材料上の第１の場所に電気的に連結される第１の接点と、
（ｂ）前記材料上の第２の場所に電気的に連結される第２の接点と、
を備える、上肢測定デバイス。
【請求項３３】
物体との接触を感知するためのデバイスであって、
外面を有する構造であって、前記外面の中へ延在する第１の空隙および第２の空隙を含み、それぞれが前記構造の断面外形である複数の連続層を含む、構造と、
前記空隙の中へ堆積される材料であって、ピエゾ抵抗特性によって特徴付けられ、前記第１の空隙の中へ堆積される前記材料は、前記第２の空隙の中へ堆積される前記材料と接触していない、材料と、
前記第１の空隙の中へ堆積される前記材料、および前記第２の空隙の中へ堆積される前記材料に電気的に連結される電気回路と、を備え、
前記物体に接触する前記外面は、前記電気回路に、閉電気回路を形成させる、
デバイス。
【請求項３４】
導電性物体は、前記導電性物体が前記第１の空隙の中の前記材料および前記第２の空隙の中の前記材料に電気的に連結されたときに、前記電気回路に閉電気回路を形成させる、請求項３３に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記物体は、前記第２の空隙の中の前記材料に電気的に連結されるように前記第１の空隙の中の前記材料の片持ち部分を前記物体が動かすときに、前記電気回路に、閉電気回路を形成させる、請求項３３に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記複数の連続層は、付加製造手法を使用して作成される、請求項３３に記載のデバイス。
【請求項３７】
電気回路の少なくとも一部分を支持するためのデバイスであって、
その中に分散される１つ以上の空隙を含む構造であって、それぞれが前記構造の断面外形である、複数の連続層を含む、構造と、
前記少なくとも１つの空隙中へ堆積される材料であって、ピエゾ抵抗特性によって特徴付けられる、材料と、を備え、
前記材料は、前記電気回路に電気的に連結され、よって、前記材料は、前記電気回路の中の導体の少なくとも一部分を形成する、
デバイス。
【請求項３８】
前記複数の連続層は、付加製造手法を使用して作成される、請求項３３に記載デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、次の特許出願、２０１１年９月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／５３９，１９８号、および２０１２年５月２３日に出願された米国仮特許出願第６１／６５０，５３１号の利益を主張するものであり、その内容は、参照によりその全体が組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
人体のためのカスタムセンサ化構造を作成することは、時間および費用がかかる可能性があり、多くの場合、各特定のユーザは、それを最初から再設計することが必要である。感知素子を構造の中へ埋め込む能力を合理化することで、より大きい定量的フィードバックを、ユーザ、医師、人間工学的快適さの研究者、物理療法措置中の患者の運動経過、患者評価のための監視ツール、および生活の質を向上させるために毎日装着される補助ツールに提供することができる。
【発明の概要】
【０００３】
一態様において、本発明は、センサを構成する方法である。本方法は、構造を形成するために、所定の配置で第１の材料を堆積させることを含む。堆積させることは、構造内に少なくとも１つの空隙を生じさせる。本方法はまた、空隙内に第２の材料を堆積させることも含む。第２の材料は、第２の材料の変形に従って変動する１つ以上の電気的特性を有する。本方法はさらに、１つ以上の電気的特性の観察を可能にするために、第２の材料への電気的アクセスを提供することを含む。
【０００４】
一実施形態において、第１の材料を堆積させることはさらに、付加製造手法を使用することを含む。別の実施態様において、所定の配置は、センサ設計を含む。所定の配置は、複数の連続層を含むことができる。連続層のそれぞれは、センサ設計の断面外形であり得る。外形内には空隙が画定され得る。
【０００５】
別の実施態様において、第２の材料は、導電性エラストマーである。１つ以上の電気的特性は、ピエゾ抵抗特性を含み得る。ピエゾ抵抗特性は、材料が受ける変形量に対する電気抵抗特性の変化を含み得る。ピエゾ抵抗特性は、圧電効果と関連付けられ得る。第２の材料は、導電性粒子の室温加硫シリコンサスペンションであり得る。導電性粒子は、ニッケル被覆黒鉛粒子を含み得る。
【０００６】
別の実施態様において、第２の材料を堆積させることはさらに、構造の中のポートを通して第２の材料を注入することを含む。ポートは、少なくとも１つの空隙へのアクセスを提供し得る。一実施形態において、注入することは、シリンジによって達成される。シリンジは、シリンジおよびポートに確実に固定されるカプラを通して、ポートに接続し得る。カプラは、シリンジに連結するためのスレッドを有する、ルアーロックであり得る。
【０００７】
一実施形態において、第２の材料への電気的アクセスを提供することはさらに、第１の電極を第２の材料上の第１の場所に取り付けることと、第２の電極を第２の材料上の第２の場所に取り付けることとを含む。第１の場所は、第２の材料の第１の端部であり得る。第２の場所は、第２の材料の第２の端部であり得る。
【０００８】
別の実施形態はさらに、１つ以上の電気構成要素を構造に埋め込むことを含む。１つ以上の電気構成要素は、第２の材料に電気的に連結され得る。１つ以上の電気構成要素は、増幅器、フィルタ、比較器、電極、電圧調整器、電流調整器、サンプラー、もしくはバッファ、またはこれらの構成要素の任意の組み合わせであり得る。全般に、当技術分野で知られている構成要素が構造に含まれ得る。
【０００９】
別の態様において、本発明は、センサを含む。センサは、構造を含み、構造は、構造内に分散される１つ以上の空隙を含み得る。センサはまた、１つ以上の空隙内に堆積される材料も含む。材料は、１つ以上の電気的特性によって特徴付けられる。センサはさらに、材料上の第１の場所に電気的に連結される第１の接点と、材料上の第２の場所に電気的に連結される第２の接点とを含む。
【００１０】
一実施形態において、構造は、それぞれが構造の断面外形である、複数の連続層を含む。複数の連続層は、付加製造手法を使用して作成される。
【００１１】
構造は、センサ設計に基づき得る。すなわち、構造は、人間の設計者、コンピュータに基づくアルゴリズム、もしくは他の自動化システム、またはそれらの組み合わせによって作成される設計計画に従って構成される。一実施形態において、センサ設計は、トルクセンサを表す。別の実施態様において、センサ設計は、力センサを表す。さらに別の実施形態において、センサ設計は、衝撃センサを表す。別の実施態様において、センサ設計は、屈曲センサを表す。さらなる実施形態において、センサ設計は、振動センサを表す。
【００１２】
一実施形態において、材料上の第１の場所は、材料の第１の端部であり、材料上の第２の場所は、材料の第２の端部である。別の実施態様において、１つ以上の電気的特性は、ピエゾ抵抗特性を含む。
【００１３】
一実施形態において、材料は、構造の開口を通して材料を注入することによって、１つ以上の空隙内に堆積される。開口を注入器に接続するアダプタが使用され得る。アダプタは、注入器に連結するために使用されるスレッドを含み得る。アダプタは、構造の中の開口に着脱可能に連結され得、よって、アダプタは、材料が空隙の中に堆積された後に、開口から取り外され得る。一実施形態において、材料は、シリコーンＲＴＶサスペンションにおいて黒鉛粒子を含み得る。
【００１４】
別の態様において、本発明は、装具デバイスである。装具デバイスは、人間の解剖学的構造の一部分に対する支持を提供するための構造を含む。構造は、構造内に分散される１つ以上の空隙を含むことができる。装具デバイスは、１つ以上の空隙内に堆積される材料を含み得る。材料は、ピエゾ抵抗特性によって特徴付けられ得る。デバイスはさらに、材料上の第１の場所に電気的に連結される第１の接点と、材料上の第２の場所に電気的に連結される第２の接点とを含む。
【００１５】
別の態様において、本発明は、短下肢装具を備え、それは、足、足首、および下脚のうちの１つ以上に対する支持を提供するための構造である。構造は、構造内に分散される１つ以上の空隙を含み得る。装具はまた、１つ以上の空隙内に堆積される材料も含む。材料は、ピエゾ抵抗特性によって特徴付けられ得る。装具は、材料上の第１の場所に電気的に連結される第１の接点と、材料上の第２の場所に電気的に連結される第２の接点とを含み得る。
【００１６】
別の態様において、本発明は、上肢測定デバイスを含み、それは、第１の表面および第２の表面を有する構造を含む。構造は、第１の表面の下の構造内に分散される少なくとも１つの空隙、および第２の表面の下の構造内に分散される少なくとも１つの空隙を含み得る。デバイスはさらに、空隙内に堆積される材料を含む。材料は、ピエゾ抵抗特性によって特徴付けられ得る。構造内の空隙のそれぞれについて、第１の接点は、材料上の第１の場所に電気的に連結され得、第２の接点は、材料上の第２の場所に電気的に連結され得る。
【００１７】
別の態様において、本発明は、物体との接触を感知するためのデバイスを含む。デバイスは、外面を有する構造を含み、構造は、外面の中へ延在する第１の空隙および第２の空隙を含む。構造は、それぞれが構造の断面外形である、複数の連続層を含む。デバイスはさらに、空隙の中へ堆積される材料を含み、材料は、ピエゾ抵抗特性によって特徴付けられ、第１の空隙の中へ堆積される材料は、第２の空隙の中へ堆積される材料と接触していない。デバイスはまた、第１の空隙の中へ堆積される材料、および第２の空隙の中へ堆積される材料に電気的に連結される、電気回路も含む。物体に接触する外面は、電気回路に、閉電気回路を形成させる。一実施形態において、導電性物体は、導電性物体が第１の空隙の中の材料および第２の空隙の中の材料に電気的に連結されたときに、電気回路に、閉電気回路を形成させる。別の実施態様において、物体は、第２の空隙の中の材料に電気的に連結されるように第１の空隙の中の材料の片持ち部分を物体が操作するときに、電気回路に、閉電気回路を形成させる。一実施形態において、複数の連続層は、付加製造手法を使用して製造される。
【００１８】
別の態様において、本発明は、電気回路の少なくとも一部分を支持するためのデバイスを含む。デバイスは、構造内に分散される１つ以上の空隙を含む構造を含む。構造は、それぞれが構造の断面外形である、複数の連続層を含む。デバイスはさらに、少なくとも１つの空隙の中へ堆積される材料を含む。材料は、ピエゾ抵抗特性によって特徴付けられる。材料は、電気回路に電気的に連結され、よって、材料は、電気回路の中の導体の少なくとも一部分を形成する。一実施形態において、複数の連続層は、付加製造手法を使用して作成される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明の前述のおよび他の目的、その種々の特徴、ならびに本発明自体は、添付図面とともに読み込むときに、以下の説明からより完全に理解され得る。
【図１】３次元（３Ｄ）走査および埋め込みセンサを組み合わせるデバイスから利益を得ることができる人体の領域を示す図である。
【図２】デバイスのセンサおよび電気配線との統合設計のプロセスを示す図である。
【図３】コニカミノルタ製Ｖｉｖｉｄ９１０レーザスキャナを示す図である。
【図４】非接触立体写真測量を使用して物理的物体の表面および色のデジタルバージョンを作成するときに生じる経過を示す図である。
【図５】一般的なＡＭ処理を示す図である。
【図６】ＳＬＡの具体例を提供する図である。
【図７】ＦＤＭの構成を示す図である。
【図８】多重ポリマー射出プロセスを示す図である。
【図９】例示的なＳＬＳシステムを示す図である。
【図１０】例示的な歪みゲージを示す図である。
【図１１Ａ】ピエゾ抵抗効果を使用する、異なる研究および市販のセンサ技術を示す図である。
【図１１Ｂ】同上
【図１２Ａ】人間の生体力学的感知のためにＩＲ／光を使用する、異なる研究および市販のセンサ技術を示す図である。
【図１２Ｂ】同上
【図１３Ａ】人間の生体力学的感知のために導電性材料を使用する、異なる研究および市販のセンサ技術を示す図である。
【図１３Ｂ】同上
【図１４Ａ】段階間の構成要素の適合を示す図である。
【図１４Ｂ】埋め込み構成要素を有するロボット昆虫体のＳＤＭ段階を示す図である。
【図１５】人間の生体力学的感知のために小型メカトロニクスを使用する、異なる研究および市販のセンサ技術を示す図である。
【図１６】ＡＭ材料から構築されるばねフレクシャー要素を使用するデバイスを示す図である。
【図１７Ａ】ピエゾ抵抗エラストマーサスペンションの全般的な作動原理を示す図である。
【図１７Ｂ】引張試験中の電気的応答を示す図である。
【図１７Ｃ】導電性シリコンのゲージ率のプロットを示す図である。
【図１８Ａ】ポリマーブリッジの長手方向の歪みを示す図である。
【図１８Ｂ】ポリマーブリッジの鍵となる寸法および複合体の同等性を示す図である。
【図１９Ａ】ルアーロックを有する説明される実施形態による、力センサを示す図である。
【図１９Ｂ】ＭＰＪサンプルセンサおよび６Ｈｚのシヌソイドに対する負荷セルの応答を示す図である。
【図２０】そのような市販の（Ｆｕｔｅｋ）トルクセンサの例を示す図である。
【図２１】２つの区間の間で、計装シャーピンのように作用するポリマーを示す図である。
【図２２】ハンドル設計を示す図である。
【図２３】図２２で描写される液圧ハンドルの代替バージョンを示す図である。
【図２４】図２３で描写されるハンドルの製作および注入段階を示す図である。
【図２５】シンブルスイッチの内部に埋め込まれるチャネルを示す図である。
【図２６】埋め込みチャネルを有する、２つの部品の専用設計で手首載置の電子デバイスを示す。
【図２７】カスタムＲＰ  ＡＦＯを作成するためのプロセスを示す図である。
【図２８Ａ】点クラウドの精緻化のためのデジタルプロセスのフロー図である。
【図２８Ｂ】センサの概要および装着者と相互作用するＡＦＯの機能を示す図である。
【図２８Ｃ】カスタムセンサ化されたＡＦＯの作成、計装、適用、およびロギングのためのプロセス図である。
【図２９】ＡＦＯのＣＡＤの後面像を図示する。
【図３０】３つのＡＦＯの比較を提供する図である。
【図３１】説明される実施形態に従って計装されるＡＦＯ上のチャネル注入部位の特徴の詳細を示す図である。
【図３２】埋め込み歪み感知を有するロボットの羽根、および地面の反力からの衝撃を検出するための埋め込みセンサを有するロボットの脚を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
身体外部を支持し、感知し、それと相互作用することを必要とするカスタム構造のある好適な外部領域は、以下の４つの基準に基づいて決定することができる。
●  最も多種多様な日常生活の活動に最も利用される領域。
●  最良の生活の質のために毎日使用される、制御された運動範囲。
●  大きい人体計測の変動性−単に主要な測定だけではなく、曲線および表面に関する−を有する領域。
●  挟まれた場合に組織が不快に感じる可能性がある、または過剰に加圧された場合に血行が低下する可能性がある、骨質の隆起。
【００２１】
図１は、例えば付加製造構造で３次元（３Ｄ）走査および埋め込みセンサを組み合わせるデバイスから利益を得ることができる人体の領域を図示する。示されるように、短下肢複合体１０２、手関節複合体１０４、および首部−頭部複合体１０６は、これらの特徴を呈する。本明細書で説明される例示的な実施形態は、全般的に、最初の２つの領域、すなわち、例示的なセンサモダリティとして、上肢のためのセンサ化されたツールの要件およびその結果を使用する、遠位エフェクタに重点を置く。首部−頭部複合体が例示的な実施形態で明示的に扱われない場合であっても、首部−頭部複合体は、添付の特許請求の範囲および本開示の範囲内に含まれる。さらに、他の身体の領域も、例示的な実施形態において明示的に扱われない場合であっても、添付の特許請求の範囲および本開示の範囲内に含まれるものとみなされ得る。
【００２２】
ピエゾ抵抗感知現象は、説明される実施形態の変換要素として使用される。そのような変換要素は、どのような物理的現象が感知されるのかに依存する、異なるモダリティを有する。この基礎をなす変換要素を使用すれば、一群のセンサが可能であり、数ある中でも、力、圧力、トルク、振動、衝撃、および接触、ならびにそれらの組み合わせを測定するために使用され得る実施例が示される。加えて、センサ設計および製作の随意選択は、ユーザが、身体への適用および予想される負荷の大きさに依存して、感知範囲を調整することを可能にする。
【００２３】
説明される実施形態は、例えば次の２つの実現モードを介して、デバイスにおける、個々のユーザおよび周囲の幾何学形状に対する、各力センサの特性をカスタマイズし得る。
●  デバイス内現象：衝撃、機械的疲労、デバイス損傷、デバイス屈曲等の、センサを含むデバイスの健全性に対する自己診断測定。１つの例としては、損耗を確認するための埋め込みセンサ、力閾値を検出する衝撃センサを有する、短下肢装具が挙げられる。
●  デバイス−環境現象：周囲環境／人とデバイス本体との間の相互作用を感知する。この実現モードの１つの例としては、コンピュータインターフェースボタンデバイス、踵の接地および履物の中の接触の検出、装着可能な医学的監視ツール、捩れセンサ、および力センサが挙げられる。
【００２４】
説明される実施形態は、これまで研究されていない必要性に取り組むために、センサ設計およびデバイス設計を組み合わせる。カスタマイズ可能な力センサは、これまでの研究で論じられてきたが、大部分が、ナノスケールおよびマイクロスケールに限定されていた。人体の力と有効に相互作用するために、メソスケール計装が必要とされる。本明細書で使用される「メソスケール」は、人間の裸眼によって推定することができる、物理的寸法を意味する。既製のセンサと同様に、開示される実施形態の固有の幾何学形状、およびそれらの拡張可能な設計は、広範囲のセンサ−スタンドアロンのセンサおよびデバイス自体の本体の中に埋め込まれるセンサのどちらも−も容易に作成することができる、非常に独特な製作能力を必要とする。これは、小型の高精度な特徴、中空の特徴および空隙、薄い表面を構築することができ、マスカスタマイゼーションプラットフォームに拡張可能である、製作方法論を必要とする。これらの構造を製造することは、挿入鋳造、ロストワックス鋳造、５軸精密ＣＮＣミリング、またはプラスチック浸漬を含む、様々な方法を使用することで実現可能である。
【００２５】
速度およびプロセスの柔軟性について、本明細書で説明される例示的な実施形態は、一般に「ラピッドプロトタイピング」または「積層製造」とも称される、付加製造（ＡＭ）手法を利用する。ＡＭは、初期構造から材料を除去したり、初期構造の一部分を変形させたりするのではなく、連続する薄い断面層の材料を加えて、接着することによって３次元の輪郭および特徴を作成するので、ミリングおよびターニングのような従来の減法的製作方法とは異なる。
【００２６】
ＡＭの固有の利点は、それらの製作の柔軟性および生産速度のため、手術室の医師によって、ツールガイドおよび外科用インプラントとして採用された。同じ理由から、ＡＭはまた、身体外部のための機能性プラスチック構成要素を構築する方法としても探求されている。非侵襲性３Ｄ走査の開発は、設計基準としての役割を果たす、人体の表面輪郭のような、自由曲面のデジタルモデルを獲得することを可能にした。これらの２つの技術の組み合わせは、解剖学的特徴に対応する患者固有のデータ入力、ならびに、既に埋め込まれた電子構成要素による、容易に計装される患者固有の形態出力を作成する手段を提供することができる。医学的脈絡において、ＡＭセンサ化デバイスは、患者を支援、測定および評価、ならびにリハビリするのに十分に適している。
【００２７】
図２は、デバイスの設計をセンサおよび電気的配線と統合するプロセスを示す。プロセスは、構想および設計２０２から開始する。ＡＭのような柔軟性のある製作を使用することによって、エンドユーザまたは医師による設計入力パラメータは、解剖学的ランドマークおよび助変数方程式から質的有用性の選択に及ぶ。構想および設計の後には、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）処理２０４が続き、その間、導電素子を受け入れるように構築される特殊な空洞、空隙、チャンネル、および他のタイプの空の特徴（本明細書では、全般的に「空隙」と称される）を有する構造的形状について、ＣＡＤモデルが生成される。構造段階２０６中に、ＡＭ手法は、モデルの物理的な形を作成するために使用される。構築段階２０６で製作が完了すると、注入段階２０８中に、これらの空の特徴（例えば、空隙および空洞）に、導電性材料（例えば、ピエゾ抵抗エラストマーサスペンション）が充填される。空隙のそれぞれの特定の幾何学形状に応じて、空隙は、充填されると、機械的刺激に異なるように応答する。次いで、完成したデバイスは、ユーザおよびそれ自体との相互作用に応答するように、機能２１０が可能である。この応答は、選択された空洞の内部幾何学形状によって元々計画されたように、電気を伝導することから、印加された力、捩れ、またはモーメントによる抵抗の増加に及ぶ。
【００２８】
米国では、毎年７００，０００を超える脳卒中が発生する。脳卒中または衝撃外傷などの脳に対する怪我を受けての救急処置段階中に、微細なモータ制御、機敏さ、および歩行に対する物理的治療運動は、神経可塑性を介して、機能回復を開始する。
【００２９】
身体の影響を受けた側の感受性および運動範囲の低減は、それらがリハビリ措置に有効に応答していることを確実にするために患者を監視する際の課題を提示する。患者の回復に関する評価尺度は、ドアノブを回す、または蓋を開ける等の日常生活の活動に類似する能力から導き出され、通常、個別の尺度での患者に基づくフィードバックを含む。一群の容易にセンサ化されるツールは、このプロセスを称賛することができ、定量化可能な方法で患者の進捗を追跡することができる。コンピュータまたは電子記憶デバイスに接続することができるツールは、スケジュールされた物理的治療期間中の、およびそれ以外の患者の活動および運動を記録することができ、運動機能を高めることを示している。
【００３０】
救急処置を過ぎた残りの状態については、装具またはブレースのような援助デバイスを長期間使用することで、ユーザが、より高い生活の質のためのより広範囲の日常生活の活動（ＡＤＬ）を有することを可能にする。これらのデバイスの有効性は、デバイスが特定の条件、すなわち患者の人体計測および等運動能力にどのくらい十分に適しているかによって影響を受けるので、そのようなデバイスは、ユーザ固有の特徴を有し、それは、特定の運動制御能力に従って大幅に変動する可能性がある。センサをこれらのデバイスに埋め込むことによって、臨床医は、病院環境の外側および内側での装着者の日々の活動を監視することができるようになる。
【００３１】
３Ｄ走査デバイスは、多数の離散座標を取り込むことによって、自由曲面をデジタル化する。走査目標の表面をデジタル的に再作成するために、点が接続される。走査の解像度に応じて、プロセスは、寸法精度および表面粗さといった工業生産品質管理、いかなる寸法資料も有しない古い構成要素をデジタル化すること、または付加製造を介して解剖学的構造を製作するためにそれらが中間ステップとして使用される医学的モデリングに使用することができる。そのようなモデルは、手術前の計画、カスタムメイドの臀部および膝関節インプラント、手術後の顔面補綴、ならびに患者および医療スタッフのための教育ツールにおける実現に成功した。皮下撮像について、目標の点および表面を生成するために、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）および磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）が使用されてきたが、本議論は、表面の特徴だけを取り込む技術に重点を置いている。これらのデバイスは、接触および非接触の２つのカテゴリに分けられ得る。
【００３２】
接点デバイスは、表面に物理的に接触し、電子スイッチを介して、エンドエフェクタでの撓みによって場所を登録する。接触プローブは、サブミリメートルスケールからメソ構造まで様々な解像度があり、しばしば、エンドエフェクタ、および以前の測定に対して機械的接地を提供する関節アームの形態であるので、しばしば、幅広い測定量を通じて非常に正確である。
【００３３】
非接触スキャナ（すなわち、３Ｄレーザに基づくスキャナ）は、遠くから表面幾何学形状を取り込むことができる。技術によっては、表面から僅か数センチメートルから、景観マッピングの場合における数マイルまでになり得る。より軟質で、より繊細な構造について、または非常に大きい物体（例えば、航空機）について、非接触スキャナは、光に基づく測定によって視界全体にわたって掃引する。一部の場合において、ハンドヘルドデバイスは、双方の方法を使用して、点クラウドに与えられる機械的接地座標によってより広い視界を取り込む。
【００３４】
３Ｄレーザに基づくスキャナは、走査する表面に垂直に配向されるビームを放射する、非接触スキャナである。表面から反射された光は、撮像デバイス（例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ）によって２Ｄの投影として取り込まれ、２つのカメラとレーザエミッタとの間での三角測量を使用して、点クラウドが作成される。レーザスキャナは、輪郭を取り込むように設計されており、デジタル面を包み込む付加的な画像がなければ、色またはテクスチャ情報を記録することができない。図３は、コニカミノルタ製Ｖｉｖｉｄ９１０レーザスキャナ、説明される実施形態での使用に適したレーザスキャナの実施例を図示する。
【００３５】
医学的応用について、走査に使用される大部分の市販のレーザスキャナは、眼に安全であると判断されるが、湾曲面上の反射および他の不用意な事象は、潜在的に有害な焦点ビームをもたらす可能性がある。受信機の場所および配向を知ることで、線を数学的に三角形にして、形状およびサイズの再生に対して十分な点クラウドを再生するのに必要な双方の画像の中の明確な点のそれぞれの３Ｄ座標を作成する。３Ｄ写真測量スキャナは、表面を再構成するために、異なる視点から取り込まれる画像を使用する。画像は、各目標面について「見通し線」を三角形にし、測定するために、少なくとも２つの異なる既知の場所から取り込まれる。図４の画像は、非接触立体写真測量を使用して、物理的物体の表面および色のデジタルバージョンを作成するときに生じる経過を示す。３次元で表面距離を測定する場合、各ＸＹ座標の深さを決定するために、２つの基準点（すなわち、２つのカメラ受信機）がなければならない。これは、２つの眼を有することによる人間の深さの知覚に類似する。このデバイスは、走査目標の上へ色マップを投影し、３つのＪＰＥＧ画像−投影される色マップがオンの間に各カメラから１つずつ、およびオフのときに単一の画像−を取り込む。
【００３６】
点クラウドをコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）のための使用可能な基準に変えるために、２つの中間ステップを行う。最初のステップは、異形（スパイク）を除去し、穴を塗り潰し、そして、ファイルサイズを低減させるためにクラウドをデシメートすることによって、点クラウドをクリーニングする。第２のステップは、パラメトリック形状を走査面に適合させることである。パラメトリック幾何学形状を伴う機械部品を有する応用については、円筒および立方体のような形状を適合させることが可能であるが、器官の形状の滑らかな自由輪郭については、非一様有理Ｂスプライン（ＮＵＲＢＳ）が最適である。
【００３７】
デバイスおよび部品を解剖学的構造に適合させるように設計する能力は、最初の取り込みからの走査データの品質に大きな影響を受ける。素肌の走査品質は、被験者の物理的特徴、環境条件、および使用されるハードウェアの能力によって大きな影響が与えられる。目標および照明条件は、適切な較正、一貫した均一な照明、および安定したスキャナの載置によって、容易に制御することができるが、最も大きい変動は、被験者に残っている。平均的な肌の色合いおよび色相は、皮膚の斑点が異なるのと同様に、人によって異なる。これらは、医学的応用においてよく見られる条件であり、３Ｄスキャナが、生きている人間の被験者の表面の幾何学形状を正確にデジタル化することに対する課題を提起する。皮膚は、極めて重要な機能（例えば、ビタミンＤの生成）を行うために、光波長および放射波長が通過することを可能にする。３Ｄスキャナから放射される光の多くは、表皮境界を通過するときに表面下散乱を受け、屈折するか、または皮膚の表面下に吸収されるが、それは、登録されるデータ点の数を制限し、エラースパイクを発生させる。高精度レーザスキャナについて、単一の心拍による血管および皮膚の変形は、２つの異なる表面として現れ得る。被験者が静止したままのような随意運動、ならびに心拍、痙攣、または震えのような不随意運動は、高品質な走査に対する課題を提起する。耳たぶのようなより薄い解剖学的構造について、循環系からのこれらの影響は、さらに優勢であり、小さいが制御できない走査の逸脱を誘発する可能性がある。光スキャナもまた、個々の毛嚢のような鋭い縁部を取り込むことが困難であり、光が受信機から離れてランダムな方向に散乱する。データ欠損の大きい表面パッチは、過剰な鏡面反射に起因する。僅かな動きであっても、メッシュの中のスパイクおよび毛嚢のような異形を生じさせる可能性があり、また、ある色合いは、記録することがより困難になる可能性がある。
【００３８】
光投影３Ｄスキャナからの走査品質は、色調および走査面の鏡面反射に影響され易くなり得る。サンプルは、外径３ｃｍおよび脚長２．５ｃｍを有した。走査は、中央レンズから７０ｃｍ離れた前縁部を有する艶消し黒色の背景に対して行った。艶消しのサンプルは、Ｋｒｙｌｏｎ  Ｄｕｌｌｉｎｇ  Ｓｐｒａｙ１３１０（Ｋｒｙｌｏｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｇｒｏｕｐ、Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ、ＯＨ、ＵＳＡ）で均一に被覆した。光沢のあるサンプルは、Ｋｒｙｌｏｎ  ＵＶ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ  Ｃｌｅａｒ  Ａｃｒｙｌｉｃ  Ｇｌｏｓｓ  Ｃｏａｔｉｎｇで均一に被覆した。艶消しのサンプルは、より高い拡散反射を有し、光沢のあるサンプルは、各被覆の屈折率に基づいてより高い鏡面反射を有する。
【００３９】
全ての条件下で、白色の表面が、平らな表面について最良の走査品質を有する。黒色の区画は、充分な光を反射することができず、最も大きいむらおよびスパイクを有する。高光沢の縁部は、それらがランダムに光を散乱させ、穴として現れるので、登録することが困難である。これらの要因は、人間の装着者に適合させて、デバイスの快適さおよび機能を最大にするようにデバイスを設計するときに、全て考慮しなければならない。
【００４０】
複雑な自由３Ｄ輪郭を有する物体は、従来の製作方法で試作および製造することが非常に困難であり、かつ非常に高コストであり得る。付加製造（ＡＭ、また、「積層製作」、「ラピッドプロトタイピング」、「３Ｄ印刷」、「付加製作」、または「積層製造」としても知られる）は、これまで不可能であったこれらの特徴を、高速、正確、かつコスト効果的な方法で容易に製作するという可能性を開く製作方法論である。ミリングおよびターニングのような減法的機械加工の実践は、部品特徴だけが残るまで、廃棄物材料を除去する。ＡＭは、物体の薄い連続する断面外形を加えることによって基部から上に３次元物体を作成し、完全な３Ｄ形状まで互いに接着する。これは、いかなる新しいツーリングも必要としないので、治具が不要な製作であり、また、様々な製作材料、機械、および手順が世界中にあるが、これらの技術の本質は変わらない。
【００４１】
ＡＭの固有の能力は、工学設計プロセスに、開発時間およびコストの低減、系列設計におけるより広い多様性、ならびに最終デバイスの機能試験のためのより正確なプロトタイプといった利益を与えた。最初のＲＰ機械は、１９８６年に３Ｄシステムで始まったが、技術および産業界は、既に、比較的早い段階での開発でかなり進歩していた。ＡＭによって、形成および適合評価のための設計反復の間の通常は長い期間を大幅に低減させることができ、よって、部品のサイズに応じて、デジタル設計から物理的部品まで進めるのに数時間だけしか掛かり得ない。これらの要因は、この技術を、少ない注文数のカスタム部品を作成するのに優れたものにする。実質的に、全ての積層プロセスは、材料が厚さを蓄積できるよりもはるかに迅速に、水平面の中に材料を堆積させることができる。その結果として、部品は、部品の最も短い寸法全体がｚ軸に沿って配向されて、構築時間を最適化するように、一般的に、横にして構築される。部品はまた、構築サイクルあたりの部品を最大にするために、しばしば、構築チャンバ内で重ねられる。
医学分野においてＡＭを使用する利点の要約
●  小型で非常に正確である
●  中空の特徴および空隙を構築できる
●  薄い複雑な表面
●  好都合なマスカスタマイゼーション
●  構成要素の圧密化
●  非集中的な分散ネットワーク
●  生物学的および数学的入力による複雑な幾何学形状
●  機能材料
●  小バッチ製作
【００４２】
湾曲した内部特徴およびアンダーカットを有する部品および形状を設計することは、新しい利点を提供するが、現在、より効果的な液圧冷却チャネルとして、および電子部品のより安全な経路選択を行うために研究されている。これは、構築の複雑さが、減法的製作方法と比較してあまり大きい影響を及ぼさないので、部品の圧密化を容易にする。材料表の中の部品を低減させ、電気構成要素を統合することは、説明される実施形態の手法を使用した埋め込み半導体の１つの利益である。
【００４３】
コンカレントエンジニアリングの実践の一部は、設計プロセスの各段階において、製作の方法および制約を考慮している。従来の減法的製作方法は、「製造性を考慮した設計」およびこれらの制約を前もって予測することに大きな重点を置いている。ＡＭプロセスはまた、材料および幾何学形状の制限も有するが、それらの能力は、「設計を考慮した製造」という逆の理念を促進する。図５で説明される汎用ＡＭプロセスは、３Ｄ走査プロセス（パラメトリック表面を有するＣＡＤ段階から始まる）の延長であり得、または任意の他の製作段階として独立に動作することができる。
【００４４】
ツール経路（または一部の場合においてレーザ経路）は、部品の表面幾何学形状およびその支持構造に従う構築準備によって生成される。このプロセスにおいて鍵となるデジタルステップは、標準テッセレーション言語（ＳＴＬ）ファイルを使用して、この表面幾何学形状を生成している。ＳＴＬファイルは、サイズおよび形状が変動する三角形のＣＡＤ部分の表面幾何学形状を再作成するが、いかなる任意の他の設計データも含まず、測定単位および幾何学形状だけである。３Ｄ走査面をデシメートし、パラメータ化するのと同様に、三角形の解像度は、構築される部品のファイルサイズ、複雑さ、および物理的解像度に影響を及ぼす。複雑な内部空隙および特徴について、重要なことは、それらを構築するのに十分高い解像度を有する製作方法を有することだけでなく、ＳＴＬファイルおよび構築準備が、これらの特徴を維持し、それらを補間しないように設定されることである。下で説明されるプロセスは、市販タイプのＡＭの現在の主要なグループ化を表し、それぞれ、可撓性プラスチック材料で内部特徴を構築することができる。
【００４５】
［立体造形法］
立体造形法（ＳＬＡ）は、他の付加製造プロセスのいくつかよりも比較的古い技術であるが、最も広く使用されている方法の１つのままである。ＳＬＡは、単なる設計のモックアップまたはプロトタイプとしてではなく、最終製品として使用するのに十分強い部品を作成することができる、最初のプロセスの１つであった。
【００４６】
立体造形法プロセスは、液体フォトポリマー樹脂バットの中で断面スライスを順次的に硬化させて（重合させて）、構造物体の３Ｄ輪郭を作成するために、紫外線波長（約３２５ｎｍ）のレーザビームを使用する。ＳＬＡの図示については、図６を参照されたい。レーザビームが当てられたフォトポリマーの領域は、Ｘ−Ｙ面と平行である連続する薄いシートに部分的に硬化する。このシートが置かれるプラットフォームは、次いで、１つの層の厚さ（３Ｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｖｉｐｅｒの解像度は、Z軸で約０．０５ｍｍである）だけ下げられ、レーザは、第１の断面の上で新しい断面を追跡する。大部分のレーザは、機械において静的であり、ビームは、経路の輪郭を描くために、鏡によって連続的に再方向付けされる。レーザのための構築シーケンスは、一般的に、最初は、液体容積が流出するのをせき止めるための境界であり、続いて、層を固化させるための矩形のハッチである。レーザは、上部の隣接するいくつかのシートを貫通し、シートをともに結合させて、最終的な３次元物体を作成するのに十分強力である。アクリレートに基づくフォトポリマーは、立体造形法のために開発された、最も広く使用されている樹脂系である。構築較正の一部として、各部品は、通常約０．８％以下の収縮率を補償するようにスケーリングされる。
【００４７】
部品の中の任意の突出する特徴について、各層とともに支持格子骨格が構築されて、部品の幾何学形状を安定させ、部品表面を構築プラットフォームから分離する。３０を超える傾斜は、一般的に、支持構造を必要としない。
【００４８】
構造プロセスが完了した後には、いくつかの後処理が必要とされる。支持格子は、人手によって除去される必要があり、接触面は、人手によってクリーニングされる。イソプロパノールは、クリーニングを支援するためのよく見られる化学物質である。クリーニング後、部品は、樹脂を硬化させて仕上げるために、紫外線（ＵＶ）オーブンに移さなければならない。
【００４９】
ＳＬＡ部品は、後処理の後であっても、収縮および歪曲の影響を受け易い。熱、湿気、ならびに化学剤および強い溶媒との接触は、材料の色、形状、および完全性に影響を及ぼす。湿気および熱は、部品を軟化およびクリープさせる一方で、紫外線への連続曝露は、樹脂の不透明度を増加させる。これらの波長は、既に構築チャンバの中で樹脂を硬化させ、そして、紫外線に対する過剰曝露は、部品を脆弱にする。
【００５０】
下の表は、ＳＬＡの利点および不利な点を示す。
【表１】
2014533975.tif 000003
【００５１】
［押し出しに基づく−溶融堆積モデリング］
溶融堆積モデリング（ＦＤＭ）は、部品表面に接触し、直ちに冷却するにつれて接着する、融解熱可塑性プラスチックのビードを押し出すことによって層を作成する。ＦＤＭは、数多くのプラスチックの組成物を利用することができ、最もよく見られるのは、ＡＢＳ、ポリカーボネート、またはそれらの組み合わせである。押し出しヘッド設計の新しいバリエーションおよび組み合わせが、急速に出現しているが、最もよく見られるものは、支持材料に１つのノズル、構築材料に１つのノズルである。構築チャンバは、加熱空間であり、材料の融点直下の温度に維持される。
【００５２】
この加熱環境内では、液体プラスチックの１つの層がその下の半融解層に接触すると、２つの層が結合するにつれてそれらはともに硬化する。構築および支持材料は、スプール等に送給され、押し出し機がＸ−Ｙ面の中に断面を完成した後に、次の外形のためにプラットフォームが１つの層の厚さ分下がる。熱可塑性プラスチックモデリング材料は、温度制御されたＦＤＭ押し出しヘッドの中へ送給され、半液体状態まで加熱される。結果として生じる部品は、異方性となり、ＸＹＺ方向に依存する構造的特性を有し、比較的粗い表面仕上げを有する。ＦＤＭ構成の具体例については、図７を参照されたい。
【００５３】
ＦＤＭの後処理は、支持材料を除去することを必要とし、該支持材料は、人手によって取り壊されるか、または超音波浴の中で石鹸および水を使用して洗い流される。後者は、水溶性である支持材料（ＷａｔｅｒＷｏｒｋｓ  ｓｏｌｕｂｌｅ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｓｙｓｔｅｍ）を使用する。内部構造について、ブレークアウェイサポート構成を除去することはほぼ不可能であるが、外部に構築された場合に限り、部品表面を撓ませると容易に分離する。
【００５４】
Ｚ高さの層厚さは、一般的に直径が約１．１５ｍｍのワイヤフィラメントにより、０．１５ｍｍ〜０．３５ｍｍの範囲である。プラスチックの高い粘度は、堆積速度を制限し、断面全体を材料で充填しなければならないので、結果として、構築速度を制限する。ＦＤＭ横断面の最も小さい特徴は、押し出されるビードが断面の各縁部の間を充填する前にそれらの輪郭を常時追跡するので、押し出されるビードの直径の２倍に制限される。下の表は、ＦＤＭの利点および不利な点を示す。
【表２】
2014533975.tif 000004
【００５５】
［多重ポリマー射出］
多重ポリマー射出（ＭＰＪ）システム（例えば、Ｏｂｊｅｔ社製）は、同じ部品またはプラットフォーム内で、複数の材料から部品を製造する能力を有する。この技術は、従来のインクジェットプリンタによるハードウェアに基づくが、それぞれが厚さを有する材料の列を堆積させる。感光性インクは、紫外線ランプによって直ちに硬化し、プレーナによって平坦に保たれ、どちらも構築段階を追跡する。異なる特性を有する広範囲にわたる材料と適合性があり、種々のショアＡ値でゴム状の部品を作成することができる。図８は、多重ポリマー射出プロセスを示す。この製作プロセスは、薄い異種構造を作成する能力を有し、個別の特徴が、異なる機械的剛性値を有する。
【００５６】
各領域は、別個のＳＴＬファイルとして保存され、共通の座標系を使用することによって整列される。これは、構築している間に複数の特徴を異なる特性と結びつけることを可能にする。この技術は、プロトタイプのオーバーモールディング、ゴムの特徴および被覆、ならびに順応性のある表面を使用した他の応用に共通して使用される。これらは、順応性のあるＦｕｌｌｃｕｒｅ９７０  ＴａｎｇｏＢｌａｃｋおよび剛体の硬いＦｕｌｌｃｕｒｅ８３０  ＶｅｒｏＷｈｉｔｅ材料の異種部品が、０．５８ｍｍの厚さを有する膜を構築することを示している。下の表は、ＭＰＪの利点および不利な点を示す。
【表３】
2014533975.tif 000005
【００５７】
［粉末に基づく：選択的レーザ焼結］
選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）は、ＣＯ２発熱レーザビームを使用して、連続層の中で熱可塑性プラスチックナイロン粉末をともに焼結させて、完成物体を形成する。各断面を構築する間に、精密ローラーが、構築チャンバの上に粉末の薄層を堆積させる。構築チャンバは、その焼結温度近くまで加熱され、レーザが外形に方向付けられると、レーザは、粒子の融点を少し超えて粒子を加熱し、そして、粒子は、ともに溶融する。焼結は、融解した材料の流れによって生じる変形を伴わずに粉末粒子を接合するので、融解または溶融と異なる。細いビームは、ビームの中心にある粒子だけを直接的に焼結点に到達させ、隣接する層が加熱されても、それらは融解せず、代わりに、連続的な支持体として機能する。
【００５８】
プラットフォームは、１つの層厚さ（０．０７６ｍｍの範囲）分下がって、次の外形を追跡する（特徴縁部について０．１７８ｍｍのＸ−Ｙ面解像度）を追跡する。構築チャンバは、部品が完成するまで一貫した熱およびレーザ強度を維持するために、不活性窒素ガスで充填される。集結粒子の密度および形状は、接着および機械的特性にかなりの影響を及ぼす。全般的に、より高いパッキング密度は、より良好な機械的特性に由来する。冷却後、粉末は、粒子材料に近似する密度のマトリクスを形成する。粒子境界は、弾性限界およびヤング率のような機械的特性に影響を及ぼす。より細かい粒子材料は、粗い粒子よりも高い降伏強度および硬度を有する。
【００５９】
高温で、粒子境界は、金属のクリープ速度を高め、より低い温度には、粗い粒子が好ましい。これは、プラスチックの粒子サイズを平衡させるために重要である。大きい粒子は、部品表面を粗くさせるが、細かく挽き過ぎると、静電荷が生じ、２Ｄ層に粉末を拡散させることを困難にする可能性がある。このプロセスは、熱可塑性プラスチック、複合材料、セラミック、および種々の金属に利用されている。プラスチックについて、それは一般に、ポリアミドのいくつかの派生物（ナイロン、あるときにはガラス繊維入り）であり、金属については、一般に、チタンおよびステンレス鋼の組み合わせである。図９は、例示的なＳＬＳシステムを示す。
【００６０】
部品（複数可）を粉末から取り出し、クリーニングできるようになる前に、チャンバを冷却するために、部品を構築するために費やす時間と同じくらいの長い時間が必要とされる。部品の壁に隣接する粒子は、熱伝導率により完成部分に僅かに固着する。後処理の一部として、これらの粒子は、圧縮空気によって吹き飛ばし、あるときにはやすりで磨くことを必要とする。
【００６１】
材料は、３〜４％の一般的な定量化収縮率を有する。熱接着および冷却による残留応力と組み合わせられると、完全に冷却される前に不適切に保管された場合、薄い部品については、カールする、曲がる、または歪む傾向が高くなる。構築による非焼結粉末は、変形しているので、全てを新しい部品に再使用することができない。長期間にわたって高温状態のままであった後には、従来通りに予測されるように結合しなくなる。これは、構築プラットフォーム毎に、少なくとも４０％の未使用の（すなわち、以前に加熱されていない）材料を使用することを必要とする。以前の構築サイクルからの残りの粉末は、スクラップとみなされ、廃棄されるかまたはリサイクルされる。下の表は、ＳＬＳの利点および不利な点を示す。
【表４】
2014533975.tif 000006
【００６２】
［埋め込み電子部品］
装着者の医学的状態のより広範囲な監視およびより大きい追跡可能性のために、電子的感知およびデータ伝送構成要素は、身体に装着されるかまたは近接するデバイスの中へ埋め込まれ得る。これは、患者のフィードバック、デバイスまたはその装着者の生体力学的分析、および埋め込み感知素子によって測定される測定値のうちの１つまたは組み合わせに基づいて、必要に応じて、設計および幾何学形状の変更を反復することを可能にする。
【００６３】
設計からデバイス作成の製作後の段階までの間のどこかで生じる、電子部品の埋め込みのプロセス計画について、種々のモデルが論じられている。過度に複雑になることなくメソスケールで人間と相互作用することができるカスタマイズ可能なセンサは、固有の設計および実現の課題を提起する。特にこの２つは、表面幾何学形状およびデバイス本体、ならびに軟組織の順応性の範囲および剛体の機械的特性と統合される。物理的現象を感知するか、またはそのデータを伝送する目的で、いくつかの異なるタイプの電子部品およびセンサが、デバイスの中へ埋め込まれた。
【００６４】
［ピエゾ抵抗センサ］
ピエゾ抵抗率は、印加された歪みによって電気抵抗が変化する、材料特性である。原子のエネルギー帯の内部配置は、この効果の程度を決定付ける。金属および半導体はどちらも、ピエゾ抵抗特性を有し、絶縁材料でも、導電性粒子で絶縁材料をドープすることによって、この特徴を与えることができる。サイズ、形状、濃度、およびドーピング材料自体は全て、この効果の程度に影響を及ぼす。ゴムまたは泡沫のような可撓性絶縁材料は、ドーピングを使用することによって導電性にすることができる。ピエゾ抵抗現象と、ピエゾ効果との違いは、前者は、歪みが電気的抵抗だけの変化を誘発するが、後者は、電位を作成するという点である。
【００６５】
力学的理論から、ポアソン比に従って縦歪みおよび横歪みが僅かに異なるので、印加される歪みの方向が重要である。同様に、断面が収縮するので、材料が等方性であっても、それぞれのピエゾ係数も僅かに異なる。半導体において、主要な値は、主要な応力と関連付けられる。単位抵抗率（容積抵抗率とも称される）は、電流が、材料のその表面に沿うのではなく、材料を通過することに留意されたい。
【００６６】
［歪みゲージ］
歪みゲージは、単一のリード線の薄い金属箔であり、適用表面での小さい撓みを測定するために、矩形のジグザグパターンで配置される。金属箔は、単軸の歪み感知用に設計されるプラスチック裏打ち上のピエゾ抵抗材料である。図１０は、例示的な歪みゲージを図示する。歪みゲージは、ロゼットを形成するように円形配列で配置することができ、それぞれ１つが、ホイートストンブリッジを使用して、既知の基準に従って、抵抗を電圧に変換し、それを測定する。歪みゲージは、印加に対して繊細であり得、熱ドリフトの影響を受け易くなり得る。
【００６７】
図１１Ａおよび１１Ｂは、人間の生体力学的感知のためにピエゾ抵抗効果を使用する、異なる研究および市販のセンサ技術を示す。
【００６８】
［赤外線および光に基づくセンサ］
赤外線（ＩＲ）センサは、アナログ信号によって出力されるときに、光の波長および強度を決定するために、フォトダイオードを使用する。これらのデバイスは、単にこの構成要素だけを使用して、または制御チャンバにおいて光エミッタを既知の値で使用するときに、環境条件を記録し、経路が遮断または部分的に閉鎖されたときに較正することができる。図１２Ａおよび１２Ｂは、人間の生体力学的感知のためにＩＲ／光を使用する、異なる研究および市販のセンサ技術を示す。
【００６９】
［磁気に基づくセンサ］
頑健な２状態センサについては、永久磁石の近接度を測定するためにホール効果を使用することが、一般的な選択である。例えば、数多くの自動車モデルにおいて、イグニッションキーは、磁石およびホール効果スイッチを使用して、エンジンを始動する。
【００７０】
永久磁石の周囲で４つのホール効果センサの矩形配列を使用して、モジュラーセンサを、ポリウレタンの中に埋め込んだ。この設計の複数の配列を、感知皮膚としてロボット（例えば、「Ｏｂｒｅｒｏ」ロボット）のエンドエフェクタに適用した。人間の皮膚の性能を模倣するために、および研究者がこれまでにＦＳＲ技術を使用して見出した課題のいくつかを克服するために、順応性のある設計を選択した。
【００７１】
［静電容量に基づくセンサ］
容量に基づく力センサアレイの設計は、台北の国立台湾大学で、研究者によって開発され、該設計は、可撓性ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）膜の変位を検出することによって、垂直力および剪断力を感知することができる。ＭＥＭＳの観点からの設計の取り組みで、Ｃｈｅｎｇ他は、フレクシャーとしてＰＤＭＳを使用し、歪み変換器として４つのコンデンサの配列を使用する。垂直力および剪断力の成分は、ドームの下の４つの感知素子の間の大きさおよび分布によって決定される。前の項での磁石およびホール効果の設計に類似して、これは、３軸感知ドームを作成するために、ＯＥＭセンサの安価な矩形配列を使用する各センサの設置面積は、８ｍｍ×８ｍｍである。
【００７２】
［導電性材料に基づくセンサ］
導電性材料は、ワイヤ、無線アンテナ、または接点スイッチのように作用することができる。これらの追跡の構成物は、単純な黒鉛サスペンションから、導電性が高いプラチナのようなより希少な材料までであり得る。外面への堆積の方法は、押し出しから、エアブラシ処理に類似するエアゾール噴射に及ぶ。共形電子部品を作成するためのこれらの技術は、あるときには、「直接印刷」または「直接書き込み」と称される。図１３Ａおよび１３Ｂは、人間の生体力学的感知のために導電性材料を使用する、異なる研究および市販のセンサ技術を示す。
【００７３】
［力感知抵抗器］
力感知抵抗器（ＦＳＲ）のための技術は、どのくらいの力が印加されているのかを測定するために、２つの薄い表面間の接触の程度を使用する。最初、これは、ピエゾ抵抗効果のようであり得、動作的には、歪みゲージに非常に類似するが、膜の構成物は、一定の単位抵抗を有することを意図するので、接触に基づくものである。力を検出すると称されるが、測定が円形の検出領域全体にわたって印加される負荷に依存するので、同程度に適切な名前は、「感圧性抵抗器」となるであろう。構成物に応じて、抵抗器は、１２０ｌｂｆまでの力を測定することができ、例えば０〜１．２ｋΩの範囲を有する可変抵抗器のように作用する。
【００７４】
センサは、（ａ）外へ通じる２つの電極を有するベースアクティブ領域、（ｂ）周辺部に沿った頂部上のスペーサリング、および（ｃ）下側に印刷される導電性インクスクリーンを有する適用ディスク、の３つの領域で構成される。感知領域内の印加力が増加するにつれて、ベース領域上で２つの電極を接続する導電性インクの量が増加し、センサの抵抗が減少する。スペーサーの厚さは、一般的に、０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍの間であり、感圧接着剤の印刷されたスクリーンであり得るか、フィルム状の感圧接着剤から切り取られ得るか、または２つの基板に分離すること、かつ接着することができる材料の任意の組み合わせを使用して構築され得る。いくつかのバリエーションは、第３の導電層または高温材料を有するが、同じ全般的な動作原理を保持する。工業用ＦＳＲのいくつかの主な利点は、それらの低いコスト、薄い外形、および可撓性基板である。いくつかの不利な点は、高精度歪みゲージに基づく負荷セルと比較しての、調整要件、負荷を印加する表面領域に対する感度、ドリフト、およびヒステリシスである。
【００７５】
［形状堆積製造］
形状堆積は、付加製造、５軸ＣＮＣ機械加工、応力除去のための表面ショットピーニング、および「マイクロ鋳造」を含む、複数のプロセスの利点を組み込んだ製造方法である。図１４Ａで示されるように、これらのプロセスのためのステーション間では、ロボット化パレットが、部品の作業を移動させることができ、段階の間で、回路基板および機構のような他の構成要素を適合させることを可能にする。
【００７６】
ＳＤＭ手法は、感知および作動のための部品の本体内部に既に組み立てられた電子構成要素で、部品を構成することを可能にした。ＳＤＭの研究者は、小型ロボットの製作において、締結具が、複雑さ、容積、および質量の多くを占め得ることを主張している。このプロセスの目的の１つは、これらの制約を除去することである。これはまた、図１４Ｂで示されるロボット昆虫のための電気的および機械的構成要素を統合する場合のように、より生物学的に感化された設計も可能にする。この図は、埋め込み構成要素を有するロボット昆虫本体［ＳｔａｎｆｏｒｄによるＣｌａｒｋ（２００１）を参照されたい］のＳＤＭ段階を図示する。
【００７７】
上で示されるように、幾何学形状の空洞は、ワックスから機械加工され、構成要素が挿入され、そして、空隙を充填するために鋳造材料が注入され、外面をクリーニングするために１つの最終的なミリング操作を伴う。構築中に、部品の内部空間にアクセスすることは、様々な剛性の材料区画を埋め込むことによって、順応性のある構成要素を受動的に配置することを可能にする。作動ハンドの下での順応性の設計では、締結具の必要性を除去するために、製作プロセス中に、可撓性材料を挿入した。
【００７８】
ＳＤＭプロセス全体は、時間およびコストのオーバーヘッドの組み合わせを負担する、複数の高解像度機械を使用する。使用した成形ステーションの１つのバージョンは、２１ヘッド自動ツール交換機構を有する５軸ＣＮＣミリング機械であった。ＳＤＭは、極めて柔軟な１組のプロセスであり、従来のＡＭ材料を使用することと関連付けられる課題の多くを回避する。しかしながら、現在、依然として、オンラインベンダーのような商業的供給源が容易に利用できない、特殊な研究プロセスである。
【００７９】
［小型メカトロニクス］
特殊な構成要素および幾何学形状を、小型のメカトロニクスデバイスに埋め込む能力は、ＳＤＭ以外の手法によって可能である。図１５は、人間の生体力学的感知のために小型メカトロニクスを使用する、異なる研究および市販のセンサ技術を示す。
【００８０】
説明される実施形態は、センサ設計を、人体と相互作用する装置のためのデバイスアーキテクチャと統合する方法論を提供する。センサをカスタムデバイスの中へ埋め込むという目的は、例えば、付加製造（ＡＭ）手法を使用することによって達成され得る。説明される実施形態には様々な製作方法も使用され得るが、ＡＭ技術は、小型のカスタマイズされた群のデバイスについて、最高の可撓性およびリソースのアジリティを提供するので、本明細書では一群のＡＭ技術が実施例において示される。加えて、ＡＭは、その幾何学形状が高い解像度、精度、および繰り返し性を有する空隙および空洞内部を有する部品を作成する、固有の製作能力を有する。
【００８１】
内部の感知素子は、各タイプの（例えば、力、トルク、衝撃）センサに比較的類似しているが、どのような現象を検出することが所望されるかに依存して、周囲のフレクシャーは変化する。このフレクシャーの機械的剛性は周囲の幾何学形状によって決定付けられ、力、モーメント等の大きさに従ってカスタマイズ可能である。このように、センサは、例えば下肢装具の低周波数および大きい歪み、上肢デバイスの高周波数およびより低い歪み、またはそれらの間の何かに適するように設計することができる。
【００８２】
デバイスの空隙および空洞の幾何学形状を特別に設計すること、ならびにそれらの中へ導電性の弾性ゲルを注入することによって、相互感知のための低コスト設計の選択肢、ならびにデバイスの自己診断が可能である。周囲の構造の設計に応じて、様々なタイプの機械的センサが可能であり、この章では、力、トルク、および衝撃について、スタンドアロンセンサの実施例が策定される。
【００８３】
埋め込みセンサの可能な応用は、あるときには矛盾することさえあり得る、広範囲にわたる要件を有する。この章における例示的なモダリティについて、センサ要件は、あたかも説明される実施形態が上肢生体力学測定のために使用されるかのように選択される。人間の相互作用研究について、力感知抵抗器（ＦＳＲ）は、通常、第１の低コストの選択肢である。説明される実施形態は、相当するＦＳＲ技術の性能に近づけさせるが、より大きい設計の柔軟性、容易さ、およびコストを可能にすることによって、計装を追加することに対する障壁をより低くする。
【００８４】
ＡＭ分野による製作オプションは、物理的構築能力、ならびに材料の選択および固有の属性の範囲に従って比較した。装着者との明白な相互作用が、インターフェースの最も重要な要件であった。センサの存在は、ユーザ／装着者の行動を不快なものから変えてはならず、また、行動に対して脅威または危険をもたらしてはならない。最後に、市販の力感知抵抗器について、カスタム形状および負荷範囲に対するリードタイムは、２〜４週間かかる可能性があり、または要求が高い場合にはより長くかかる可能性がある。本明細書で説明されるいくつかの実施形態において、ＣＡＤ全体、製作、およびセンサデバイスの準備は、１週間未満を費やし得る。市販の代替物と比較するために、説明される実施形態と関連付けられる１組のセンサ要件を、下の表で４つのカテゴリに編集する。
【表５】
2014533975.tif 000007
【００８５】
例示的な実施形態は、ピエゾ抵抗を利用するが、磁気抵抗、静電容量、およびインダクタンス等の他の感知現象も使用され得る。但し、効果の程度は様々である。
【００８６】
例えば、誘電ポリマー等の容量に基づくセンサは、高精度であり、大きい表面積を対象とすることができる。このセンサは、電子の蓄積および通過を測定して、接触およびあるときには圧力と関連させるために、２つの薄膜間の接触を使用する。膜間の撓み範囲を提供するための特殊な幾何学形状は、大部分のＡＭプロセスよりもより桁違いに小さくなり得る。しかしながら、様々な非平面幾何学形状を通じて２つの薄膜材料を挿入するかまたは取り付けるという実際の課題は、デバイスの空洞の中へ組み立てるための既存の既製品のソリューションを使用するよりも複雑であり得る。
【００８７】
磁気抵抗現象および強磁性現象は、デバイスの中空の空洞の中に注入し、次いで磁化させることができる鉄系粒子のサスペンションのような選択肢として有望である。いずれの方法も、永久磁石の磁場の存在下で電気的変化を誘発させ得、ホール効果センサで、または可変抵抗として測定することができる。永久磁石を作成するプロセスは、鉄系粒子を分極するために特殊な装置が必要であり、また、特定の配向および配列である必要がある。これは、様々な配向で不規則に配置されるセンサを有する固有のカスタム部品について、他のセンサ現象ほど実用的ではないかもしれない。
【００８８】
液体状態のままである導電性液体サスペンションは、定期的に回転させない場合、沈殿する傾向がある。液体チャネル自体も、漏出し易く、感知部位に隣接する可撓性の貯蔵部を必要とし得る。感知材料を空洞に適合させることができることは、構築中に感知材料が注入可能／押し出し可能なゲルまたは流体状態であり、次いでその後に、固化して頑健な形状を維持することが必要である。
【００８９】
故に、説明される実施形態のいくつかは、仕様を満たすための有効な感知素子を提供する、ピエゾ抵抗エラストマーサスペンションの系列からの材料を利用し得る。
【００９０】
説明される実施形態によるセンサは、機械的変形を電気信号の検出可能な変化に変換する、変換器として機能する。センサ素子の核は、ＡＭ構造内で、周囲のデバイス本体とシームレスに統合されるピエゾ抵抗ポリマーを利用する。ＡＭ材料の機械的特性および感知ポリマーを取り囲む幾何学形状の物理的特性は、それが起こす歪みのモードおよび量を決定付ける。特定の幾何学形状は、撓みを単一の面に限定することができる一方で、材料剛性および弾性範囲は、物理的撓みを決定付ける。これは、予想される負荷範囲について、フレクシャーの最大弾性変形が常時選択されるように、構築材料との同調性における寸法特性を選択することによって制御することができる。
【００９１】
市販の力センサは、十分に特徴付けられた適度に剛体の外部筐体の変形によって歪む、感知素子を有する。しかしながら、そのような市販バージョンは、小型デバイスの本体内に埋め込むことができず、数多くの人間−感知応用について、複雑であり、コストが高い。加えて、医療デバイスの機械的疲労および性能の自己診断として作用するために、これらの市販の構造は、デバイスの容積の全体を通して分散させることができない。
【００９２】
感知構成要素を歪ませるためのばね要素としてのアルミニウムまたはステンレス鋼の代わりに、説明される実施形態のいくつかは、図１６で示されるように、ＡＭ材料から構築される、ばねフレクシャー要素を使用する。ピエゾ抵抗ポリマーは、ポリマーブリッジ１６０２に含まれ、感知回路の可変抵抗器素子として作用する。ポリマーブリッジ１６０２のいずれかの端部の電極１６０４は、センサを回路に取り付けるための接続部である。感知素子の容積を除く、ポリマーブリッジの幾何学形状および寸法は、埋め込み部位を取り囲むデバイスの幾何学形状から独立した状態を維持する。デバイスの設計は、従来の部品から適応させるか、または人体の幾何学形状のような自由幾何学形状を含む３Ｄ走査から取り込むことができる。
【００９３】
ポリマーブリッジおよびセンサの幾何学形状の範囲は、構造特性、ならびに電気的能力および製作能力に、並列に基づき得る。埋め込まれるポリマー、ポリマーの電気的特性、およびセンサ設計の頑健さによってより多くの制約および利益が決定される場合、寸法設計は繰り返し行われ得る。ブリッジ１６０２は、電子の均一な流れのために、およびポリマーが注入されるときに突然の圧力ステップを生じさせる幾何学形状を回避するために、一定の（すなわち、ブリッジの長さに沿って一定の）断面を有し得るが、他の断面も使用され得る。ブリッジの一実施形態は、対応する放射形対称が、ポリマーが注入されるときの剪断摩擦集中領域を回避するので、また、ブリッジ自体が各軸において最も高い剛性を有するので、円形断面を有し得る（但し、他の断面形状の使用され得る）。円形の外形はまた、一定の深さの外形を維持するので、ＣＡＤプロセスを簡略化し、ブリッジおよび注入ラインが、デバイス容積の中に３Ｄスイープカット特徴を作成することに起因し得る、回転配列の課題の影響を受けないようにする。これはまた、ポリマーブリッジが、導電性材料を含むためにその中心軸の周囲に一定の壁厚を有し得る理由でもある。
【００９４】
信号の繰り返し性および信頼性は、フレクシャー撓みの直線性に結びつけられる。したがって、説明される実施形態は、導電性感知材料およびそのＡＭフレクシャー筐体の双方の応力歪プロファイルの弾性区間内にとどまるように、変形を抑え得る。これは、選択されるセンサ機能が、使用による力／歪みを測定するためのものであると仮定している。デバイスの超過歪みの場合の安全警告については、比例限度を超える歪みを１度測定し、ユーザに警告することだけが必要である。
【００９５】
ポリマーブリッジの機構は、センサのフレクシャーが弾性的に受けることができる力の範囲を決定付ける。ポリマーの瞬間的な長手方向の歪みは、その電気的状態を決定付け、また、その電気的応答をシミュレーションする鍵である。その重要性は、導電性粒子が分離される程度である。図１７Ａは、ピエゾ抵抗エラストマーサスペンションの全般的な作動原理を図示する。
【００９６】
ピエゾ抵抗の長手方向の歪み特性を利用するには、機械的変形に関する考慮事項が存在する。点負荷または分散負荷を伴う片持ち梁等の、単純かつ十分に特徴付けられた幾何学形状では、中立軸が梁の重心を通過し、引張のための区間および圧縮のための区間を作成する。純曲げにおける梁は、梁へのいかなる軸方向応力も有さず、よって、中立軸上の粒子にいかなる歪みも有しない。ピエゾ抵抗材料は、それらの断面を通して均一の引張を前提に動作して、導電性粒子同士を引き離す。引張区間に隣接する圧縮区間を有することは、予測できない電気的応答を有し得る。
【００９７】
カンチレバー設計を維持するための１つの選択肢は、中空ポリマーブリッジ領域を梁の引張側に導入し、それをカンチレバーとして保つことである。しかしながら、この設計は、非常に小さい負荷以外に対しては、極めて脆弱であり得、面外の負荷に影響され易い。「固定梁」設計としていずれかの端部上でブリッジを挟持することは、ブリッジの重心に沿った長手方向の歪みを確保し、放射形対称を保ち、センサの幾何学形状全体を補剛する。このモデルは、次の仮定を含む。
●  シリコーンは、構造的でない。すなわち、いかなる機械的支持も有しない。
●  シリコーンは、ＡＢＳ中空ブリッジに対していかなる長手方向の滑りも有しない。すなわち、フレクシャーの歪みは、感知素子の歪みである。
●  平面ＸＹ応力だけがある。
【００９８】
ブリッジの両端が挟持されるので、各側が２つの反力およびモーメントを有し、また、６つの未知数を有し、また３つの平衡方程式だけしか有しないので、問題を不静定にする。しかしながら、負荷が梁の中央に直接印加されるので、対称条件を使用することによっていくつかを除去することができる。固定梁の撓み式は、梁軸に沿った２次空間導関数を有する４次方程式である。最大撓みは、対象軸に沿って、梁の中央で生じる。この値は、長手方向の歪みの大きさを決定付ける。その応用のデバイスについて各センサのポリマーブリッジを設計するときに、力は、分析における主たる仕様となり、続いて、３つの幾何学的パラメータ、すなわち、管内径、管外径、およびブリッジ長さとなる。
【００９９】
単純曲げにおける梁の場合、変形した中立軸に平行な任意の面に沿った長手方向の歪みは、一定であることを示すことができる。これは、梁のいずれかの端部で挟持される条件のため、撓みプロファイルが一定でない半径を有する曲線であるので、ここでの条件には当てはまらない。歪みは、ブリッジに沿って変動し、傾斜がゼロであるので、境界縁部および中心点で最小値を有し、最大傾斜および対称条件から、ｘ＝Ｌ／４およびｘ＝３Ｌ／４で最大値を有する。したがって、梁全体の歪みプロット線を検査し、ポリマーが受ける平均歪みを検査することが有用である。
【０１００】
［外部：ＡＭ筐体の特別な考慮すべき点］
説明される実施形態の特定の幾何学形状ならびに拡張可能な設計は、スタンドアロンとデバイス自体の本体に埋め込まれるものとのどちらでも、広範囲にわたるセンサを容易に作成することもできる、非常に独特な製作能力を必要とする。これは、付加製造（ＡＭ：一般に「ラピッドプロトタイピング」または「積層製造」とも称される）を使用することを興味深くし、中空特徴および空隙、薄い表面を含む高精度の特徴を小型に構築するために使用することができ、様々な材料によるマスカスタマイゼーションプラットフォームに拡張可能である。医学的感知応用について、主に材料特性に基づいて部品を選択することが重要であるが、そのＡＭ製作プロセスから相互に排他的でない。それらは、プロセス設定が、部品に現れる材料特性を大きく変化させるので、並列に検査される。
【０１０１】
［溶媒の漏出を可能にすること］
ポリマーブリッジの周囲のＡＭ材料構造は、導電性材料を完全に硬化させるために、適切な条件を提供する必要がある。溶媒に基づくエポキシおよびシリコーンの場合、脱ガス段階中に溶媒ガスがシリコーンから漏出することを可能にする、いくつかの方法がある必要がある。溶媒は、ＡＭ材料の中の孔および微小空洞を介して、またはＡＭ材料と化学的に結合することによって、ポリマーから離脱することができる。これらの２つの方法の実施例は、ＳＬＳナイロン１２およびＳＬＡ  Ａｃｃｕｒａ４０プラスチックのサンプルを使用して評価し、溶媒の漏出を評価するために、微小孔構造について、走査電子顕微鏡で画像化した。
【０１０２】
ＳＬＳプロセスで使用されるナイロンは、溶媒に対して化学的に非反応性であるが、ガスが漏出することを可能にする孔構造を含む。硬化の完全性は、ポリマーブリッジの静止抵抗値によって確認される。
【０１０３】
焼結プロセス中、部品の核となる領域は、より長いレーザ滞留時間があるので、より長い間高温に保たれることになり、対照的に、縁部は、レーザの滞留時間が最も短く、層間の粒子は、ともに完全に溶融しない。層の深さが増加するにつれて、各層は、より中実になり、細孔が減少し、ガスがその中へ漏出するのをより困難にする。したがって、最良の可能な硬化条件について、センサ部位および挿入チャネルは、部品特徴の表面／外縁部により近くなければならない。
【０１０４】
ＳＬＡ部品は、非多孔質であり、最も秩序立った結晶構造を有するが、ある程度は、依然として、飽和点まで溶媒を化学的に受け入れ／化合させることによって、硬化することを可能にする。この材料は、閾値が材料に依存するので、溶媒が漏出することについて最も困難な条件を示し、ブリッジ内部を構造的に劣化させ得る。ＳＬＡ部品は、溶媒がその中へ漏出するためのいかなる孔構造または空間も有しない。ポリマーが、ある幾何学的条件の下で完全な硬化に到達し、チャネル内部の一部分が溶けたことが確認された。ＳＬＡ樹脂は、その完全に硬化した状態であっても、イソプロパノールまたはエーテル等の強溶媒に化学的に影響され易く、溶媒ガスがポリマーブリッジの内部と反応しているという仮定を強固にする。劣化した管は、依然として電気を伝導するが、劣化は、デッドゾーンを生じさせ、シリコーンがもはやその周囲のＳＬＡフレクシャーと均等に歪まないので、任意の歪みに基づくセンサ設計の感度を低減させる。ＡＢＳ  ＦＤＭおよびＳＬＳナイロン１２の管の断面は、いかなる類似の反応をも呈さなかった。
【０１０５】
［直交異方性の機械的特性］
ＡＭ製作材料の機械的特性は、本来、直交異方性であり、それらの構築配向によって決定付けられる。実施形態の少なくともいくつかは、弾性区間の中の周囲材料の歪み状態を測定し、降伏点を越えて永久変形に至ることなく、ユーザに力を通知する。センサの挿入場所に応じて、直交異方性材料特性は、歪み限度に影響を及ぼす。高い弾性限度を有し、生体適合性であることに加えて、細孔が焼結パラメータによって十分に制御することができるので、ＳＬＳナイロンは、この溶媒に基づくエラストマーセンサを使用するデバイスを構築するための理想的なＡＭ方法である。
【０１０６】
結果は、３つの直交Z軸で構築される５つのサンプルについて平均した。また、配向に依存する不具合モードの相違も注目に値する。サンプルＡは、任意の塑性変形を伴う明確な降伏点を有しなかったので、むしろ脆いＳＬＡ材料のように作用した。塑性変形区間はまた、不具合モードが生じた場合に、装着者に対する危険性を最小にするために、重要な安全性考慮事項でもある。
【０１０７】
部品は、Ｚ構築軸が、最も大きい表面積の断面構築面に垂直であるときに、常時最も高い機械的特性を持つことになる。サンプルＢは、最も大きい「ネッキング」および最も大きい弾性変形区間を有した。サンプルＣは、応力集中区間で不具合をより起こし易く、また、サンプルＡは、最も脆かった。センサの配向対構築／部品の配向が、性能に対する影響である場合、測定の頑健性が検証され、信号の獲得またはフィルタリングの際に補償される必要がある。
【０１０８】
［内部：導電性材料］
説明される実施形態のセンサは、ピエゾ抵抗特性を有する導電性エラストマーを含む。好適な材料は、それを取り囲むＡＭ構造から歪みを受けたときに電気的特性の変化を示すが、中空の空洞内での動作による挿入限度に適合し、人間と一緒に使用しても安全である。ポリマーの要件は、物理的特性、および、ＡＭポリマーブリッジ設計への統合の容易さに基づいて４つのカテゴリに細分化され得る。
【０１０９】
現在のベンダーのプロセスとの統合：
商業的な利用のし易さを促進するために、最終ＡＭ構成要素は、ほぼ全てのサービス営業所で構築できなければならず、エンドユーザが、導電素子自体を挿入することができるか、または営業所が、導電性材料を埋め込むために現在のＡＭハードウェアを修正することなく、導電素子をそれらのサービス能力に容易に加えることができる。これはまた、導電性材料自体が、容易に入手できることを必要とし、および良好な研究所での実践を除いて、いかなる特別な取り扱い手順も必要としない。形状堆積モデリング（ＳＤＭ）は、構築段階中に構成要素および材料を挿入するのに特に適する技術であるが、特殊なハードウェアを必要とし、該技術は、現在、サービス営業所を介して研究者または消費者が広範囲に利用することができない。
【０１１０】
導電性材料の挿入（埋め込み）および準備：
センサの動作部位は、挿入部位に隣接していない場合があり、よって、材料は、劣化することなくセンサ部位の中へ入ることができるようにしなければならなかった。導電性材料が未硬化状態で挿入される場合、周囲温度および圧力の条件で、センサのための部分的に閉鎖されたチャンバ内で硬化させなければならなかった。多くのＡＭ材料は、２００℃未満のクリープ温度有し、それは、エラストマーに加硫する圧縮成形によく見られる硬化温度である。大部分の圧電材料および強誘電性材料は、２００〜８００℃の温度範囲に対する堆積および結晶化条件を必要とする。ＡＭ構造はまた、繊細な特徴を有することもあり得、導電性材料を含むチャンバを加圧することが困難になる。これは、ＡＭ構造が硬化に高温および高圧を必要とするので、数多くのシリコーンゴムサスペンションを除外し、また、ＡＭ熱可塑性プラスチックならびに数多くのＳＬＡ樹脂は、ゴムの硬化温度よりもはるかに低いクリープ温度を有する。人手による挿入については、その容器から導電性材料を除去することと、導電性材料をＡＭ構造の空洞の中へ挿入することとの間が数分である、実用的可能性がある。挿入要件は、少なくとも５分のポット寿命として指定される。
【０１１１】
電気的特性：
目標の電気的特性は、歪みゲージのような機能を行うことと、電位差計およびＦＳＲのいくつかのよく見られる特徴との組み合わせである。
【０１１２】
感知抵抗器において、電流は、抵抗素子を通しての熱エネルギーとして費やされる。高電気インピーダンス（多くのＦＳＲ要素は、ＭΩの範囲である）は、静止状態でセンサを通って移動する電子の量を低減させる。これはまた、電源内蔵式であるときに、熱的影響に対する脆弱性を最小にし、バッテリの寿命を最大にする。ＦＳＲは、通常、負荷中（０〜５０％の動作範囲）の比較的高い抵抗の変化を伴う。比較的に、標準的な歪みゲージ抵抗は、約０．０１〜１ｋΩの範囲である。電気抵抗のサブオームの変化が測定され、増幅される可能性があるが、材料が、２〜３ｍｍの最大予想距離歪んだときに、少なくともΩの範囲での変化が分かることが望ましかった。
導体における２つの測定点間のオームの法則は、次式で表され、
【数１】
2014533975.tif 000008
式中：
Ｖ＝測定点間の電位差
Ｉ＝電流Ａ
Ｒ＝測定点間の抵抗Ω
【０１１３】
静電容量のような時間的に変動する影響は、回避すべきである。電荷の蓄積または散逸について、それは、アナログおよびデジタルフィルタの設計に影響を及ぼし得、また、最大の測定可能な周波数に対する制限要因になる。
【０１１４】
機械的特性：
内部感知材料の機械的特性は、理想的には、機械的構造を限定するのではなく、「目に見えないように」機能しなければならない。モデリングの複雑さを最小にするために、機械的剛性に対する影響は無視できるべきである一方で、動作を継続することが必要とされる場合に弾性範囲全体を感知し、または１回限りの不具合警告が必要とされる場合にプラスチック領域の一部を感知する。ゲージ率を介しての機械的要件と関連して、材料は、動作上の歪みのレベルを最大にするために、それ自体の弾性範囲全体にわたって電気的に感知することができるべきである。
【０１１５】
上述のカテゴリからの要件は、下の表に要約される。
【表６】
2014533975.tif 000009
【０１１６】
説明される実施形態では、様々な市販の導電性材料が使用され得るが、下の表に要約される材料は、好適な材料の例を提供する。多くは、電気的接地エンクロージャまたは破損した電気的接続を修復することために一般的に使用される、導電性接着剤である。
【表７】
2014533975.tif 000010
2014533975.tif 000011
【０１１７】
下の項は、説明される実施形態に従う導電性材料の大きい群の候補の１つ以上のためのプロセスを説明する。しかしながら、そのような絞り込みは、説明される実施形態とともに使用する候補を除外することを意味するものではなく、大きい群の好適な材料から特定の１つを選択することを意味することを理解されたい。
【０１１８】
各候補は、簡易バブル試験片の中へ注入して、計装プロセスをシミュレーションし、候補は、上で説明される基準に従って絞り込んだ。各バブル試験は、１０個の材料サンプルを有し、指定された硬化時間後の導電性を確認した。バブル検査についての長さおよび内径の寸法は、最終的なセンサで最も簡単な（最も大きい）幾何学形状目標から選択した。
【０１１９】
バブル試験は、説明される実施形態の基本のポリマーブリッジを準備する容易さを比較する機会であった。大部分の材料サンプルは、シリンジを介して注入することができ、半透明のＡｃｃｕｒａ４０樹脂により、硬化後の状態に現れる空隙またはクラックの観察を可能にした。直径０．０１６インチ（約０．４０６ｍｍ）の銅電極を、最初に、バブル試験チャンバのいずれかの端部の中に挿入して、充填の容易さ、硬化プロセス、電極への接触、および導電性を比較した。上で記述される要件を使用した評価から、下の表で詳述されるように、候補は全て不適当であった。
【表８】
2014533975.tif 000012
【０１２０】
市販の選択肢が適していないため、サンプルは、溶媒に基づくシリコーンＲＴＶエポキシを高密度の鉄粉でドープすることによって、人手によって準備した。組み合わせから候補１２が生じ、繰り返し性が不十分であったが、ポリマー基準の全てに適合し、曲げたときまたは歪ませたときに抵抗変化を呈した。候補１２の有望な結果により、同じタイプの材料の好適な市販バージョンを探した。この成功した材料は、候補１３、すなわち、ニッケル被覆黒鉛粒子のシリコーンＲＴＶサスペンション（ＭＭＳ−０２０、Ｓｉｌｉｃｏｎｅ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．，Ｔｗｉｎｓｂｕｒｇ、ＯＨ）であった。
この材料は、要件の全てを満たす一方で、ピエゾ抵抗特性を呈し、市販されている。
【０１２１】
材料１３は、ニッケル被覆黒鉛（ＭＭＳ−０２０、Ｓｉｌｉｃｏｎｅ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．，Ｔｗｉｎｓｂｕｒｇ、ＯＨ）の導電性粒子を含む、シリコーン室温加硫（ＲＴＶ）材料である。この材料は、電子部品デバイスを接地するための可撓性電気絶縁材料として市販されている。この材料は、調査基準を満たしていたが、詳細なピエゾ抵抗または機械的特性のいずれも利用できなかった。
【０１２２】
材料１３は、溶媒反応抑制剤を脱ガスすることによって硬化する、一群の室温加硫（ＲＴＶ）材料の代表例である。よく見られる単液の溶媒に基づくエポキシとしては、シアノアクリレート（ｃｙａｎｏａｃｒｙｌｉｔｅ）瞬間接着剤「Ｃｒａｚｙ  Ｇｌｕｅ」、およびＤＷＰ−２４木工用接着剤「Ｌｉｑｕｉｄ  Ｎａｉｌｓ」が挙げられる。容器の密閉環境にあるときに、材料は、閉じ込められた溶媒が硬化プロセスを抑制するので、液体状態のままである。しかし、表面に塗布されると、液体内部の溶媒が周囲環境の中へ漏出し、エポキシ分子がクロスニットし、引き合って鎖を形成する。導電性黒鉛が、この材料の内部に懸濁されると、最終的な状態では、これらの粒子が互いに十分近づいて、電位差を伴う回路に適合したときに電子が次から次にジャンプすることを可能にする。このシリコーンを黒鉛と組み合わせると、粒子が別々に歪むときに、ピエゾ抵抗応答を増加させる。シリコンは、豊富にあり、安価で、熱的に安定しているので、サスペンションのための良好なエラストマーである。
【０１２３】
溶媒の漏出を促進し、硬化プロセスの速度を上げるために、代替の充填手順を検討した。充填チャネルの下に針付きシリンジを挿入し、漸増的に充填し、そして針を後退させることによって、溶媒が充填チャネルを通って逆に漏出する機会が存在する。しかしながら、これは、注入容積間の境界相互作用を生じさせ、充填プロセスを大幅に遅らせる。別の選択肢は、負圧を生じさせることによって、周囲のＡＭ材料を通して溶媒を外へ吸い出すことである。このプロセスは、複雑さを増加させ、より厚いＡＭ構造については、成功の可能性が低い。
【０１２４】
シリコーンのような材料は、それらの電気絶縁特性がよく知られているが、これらの特性は、導電性充填剤の導入（ドーピング）によって変更することができる。電流は、導体の中を通って流れることだけができ、またこれらの追加物は、ポリマーブリッジを通って電気を伝導するために最小濃度が必要であり、それらの硬化パターンは、浸透理論に従ってモデル化される。浸透理論は、一連の無秩序媒体を理解し、その予測を行うための、数学的方法論である。媒体における各点は、その隣に対するその接続度のランダムな変動によって画定される。これは、疾患感染の拡大、社会的傾向の採用、フラクタル、多孔質岩石中への液体浸入、およびこの場合の化学結合の重合作用等の、無秩序系をモデル化するために使用されている。統計的な浸透理論は、べき法則挙動として充填剤濃度に対する導電性の依存性を予測し、浸透閾値は、化学経路と呼ばれる２つの両端部間のリンクを作成するための最小接続数を指す。溶媒が放出されるにつれて分子結合を形成し、閾値で接合して、化学経路を形成する。これは、必ずしも２つの端点間の最も短い、または電気的に最も効果的な経路ではなく、単に最初に形成するものに過ぎないことに留意することが重要である。化学経路の形成は、ポリマーブリッジが電気を伝導することができるときに最初の瞬間を示す。浸透理論は、確率を説明するものであるので、正確な結果がほとんど存在しない。しかしながら、いくつかの結果は、連続体の形状が、導電性および浸透閾値を決定する役割を果たすという理論を支持している。正しければ、この理論は、それらの長さが連続体のうちで最も長い寸法であるので、ポリマーブリッジおよび注入ラインの幾何学形状の選択に影響を与える。
【０１２５】
最大導電性および浸透閾値のような値は、添加物粒子（ドーパント）の形状およびサイズを経験的に決定することによって平衡させることができる。全般的に、絶縁体の容積が導体に近くなるにつれて、抵抗が低くなる。より大きい粒子は、それらの存在が、電子が通過するために必要とする絶縁体の容積を減少させるので、より良好に導電し、また、粒子の形状を検査すると、「積層作用」のため、球形よりも薄片のほうがより良好に導電する。いくつかの実験において、繊維および薄片の抵抗値は、充填剤でパックしたときに、最高で１７桁減少した。充填剤の濃度に応じて、機械的特性も大きな影響を受ける可能性がある。黒鉛は脆い材料であり、混合物の中のシリコーンの容積割合が減少すると、バルク材料の脆性が増加する。
【０１２６】
粒子の堆積、形状、およびサイズ範囲を検査するために、単一の層を、番号ゼロのガラススライドに適用し、完全に硬化することを可能にした。導電性材料の画像は、Ｎｉｋｏｎ  Ｅｃｌｉｐｓ  ＴＥ２０００−Ｅカメラシステムを使用し、１０倍の倍率で微分干渉コントラスト（ＤＩＳ）顕微鏡法を使用して収集した。結果として生じる画像は、ニッケル−黒鉛が無秩序半導体であることを示した。
【０１２７】
電流を伝導するために、粒子は、高密度にパックすること、すなわち、隣接する粒子と直接接触させることが必要である。材料が歪むとき、粒子は、可撓性シリコンに付着したままであるが、互いに遠ざかり、電子が一方からもう一方に移動する経路の数を減少させる。ドーパント粒子のサイズおよび形状の不均一性は全て、サンプルの抵抗の変動性を増加させ、特に、サンプルが十分に小さいときには、バルク特性を表し得ない。
【０１２８】
重合プロセス中に、多数の経路を形成し、２つの電極間をネットワーク化する。マイクロ経路の合成抵抗は、ブリッジの総抵抗について多数の並列回路を合計することに等しい。
【０１２９】
ポリマーが歪むにつれて、経路の抵抗は、唯一の経路が残るまで、無限に増加する。この単一の経路は、化学経路と同様に作用し、最も効率的でないかもしれないが、唯一の利用可能な導電ルートである。ポリマーは、完全に硬化した材料としてバルク状態で常時検査されるので、個々の化学経路の抵抗を知るための実用的な理由は一切なく、単に完全硬化時の連続体（ブリッジ）の抵抗を知る実用的な理由しかない。このバルク電気特性は、材料の容積を通しての抵抗率である。
【０１３０】
センサの静止抵抗を推定する（表面積に対する）材料容積を通しての平均単位抵抗率を決定するために、導電性試験を行った。ＡＳＴＭ  Ｂ１９３規格のガイドラインを使用して、均一の長さおよび断面の１０個のサンプルを、２組の管の中に準備した。１つの材料は、溶媒の漏出を促進するために、セルロース酪酸塩、多孔質非反応性プラスチックであり、もう１つは、非多孔質材料を構成する、ガラスであった。管サンプルは、試験規格の１２インチ（または３００ｍｍ）ガイドラインのうちの０．００３インチ（０．０７６ｍｍ）以内の長さであり、内径は、０．１２５インチ（０．３１７５ｃｍ）であった。サンプルは、導電性について定期的に測定し、僅か７日後に導電性値が以前の測定の１０％に下がった場合であっても、完全に硬化することを確実にするために、３０日間静置した。抵抗率は、次式を使用して算出した。
【数２】
2014533975.tif 000013
式中
ρｖ＝体積抵抗率Ωｍ
Ａ＝断面積ｍ２
Ｌ＝Ｒを決定するために使用されるゲージ長（ｍ）
Ｒ＝測定抵抗Ω
【０１３１】
硬化期間中、サンプルは、２０℃で温度制御ヒュームフードに保存した。測定値は、Ｆｌｕｋｅ１７９デジタルマルチメーターで収集し、結果は、３０日間の硬化後に１０分間隔で測定した５つの測定値の平均によるものとした。３０日の期間後、いずれのガラスサンプルも導電性を達成しなかった。
【０１３２】
サンプルの抵抗の範囲は、７．１〜８４．６μΩｍの間で変動し、各サンプルの標準偏差は、その平均の０．０３％以内である。プラスチックサンプルからの平均は、３１．０μΩｍであり、２７．４μΩｍの標準偏差を有する。この変動性は、主に、管バッチの多種多様な粒子サイズに起因するが、平均は、依然としてバルク材料特性を表す。粒子の形状および密度、ならびにニッケル被覆の均一性は全て、抵抗率の変動性に影響を与える。その粒子特性の分散に対する各センサの個々の較正は、これらの結果を考慮することができる。加えて、この範囲は、黒鉛−ニッケルサンプルを準備するために、サイズおよび形状についてより一貫して良好に制御されるプロセスによって、低減させることができる。高い標準偏差にもかかわらず、結果として生じる平均は、黒鉛の抵抗率の測定値と一致する。この試験における抵抗率値は、絶縁体が試験容積の一部を占めるので、純黒鉛の抵抗率値よりも高く、断面積を縮小することと同様に電気の流れを有効に抑制する。
【０１３３】
複数のＡＭ材料によるプロトタイプを、制御された設定における静的応答および動的応答について検査した。センサおよびシステムは、静止状態の間の静電容量およびドリフト、ならびに種々の動的な負荷パターンに対する応答について検査した。シリコーンの静止ドリフトは、摂氏２０度で４５分間、分圧器回路でセンササンプルを使用して検査した。調整された３．３Ｖの電源を、分圧器回路の残り半分として１００Ω抵抗器とともに使用した。この第１の試験片は、６．５Ωの静止抵抗を有した。回路には、いかなるアナログまたはデジタルフィルタも使用しなかった。
【０１３４】
どちらのサンプルからのデータも、ｍＶ程度の小さい変化を示し、データ獲得解像度の限度に近づく。約数オームの予想される抵抗変化について、任意のドリフト効果は、無視できるものと思われる。データにおける小さい変化は、双方のグラフにおける量子化誤差または測定空間における僅かな熱効果に起因し得る。
【０１３５】
電源を切った後に放電するときの材料の静電容量を確認するために、同じ試験構成を使用した。一連のダイオードは、遮断中の電力供給によるサンプルに関する任意のドレインを防止した。異なる周波数は、人手によって起動した。各電源遮断に続く４０ｍｓにわたって、放電効果がある。これは、この放電効果による干渉を回避するために、信頼性のある測定の最大周波数に対する考慮である。
【０１３６】
センサの性能は、感知素子としての導電性材料の振る舞いに依存する。その電気的応答および機械的限度は、４つのパラメータ、すなわち、ポリマーブリッジを画定する３つの幾何学的寸法、およびゲージ率の機械−電気的関係による１つ、によって決定付けられる。以下の項は、３つの幾何学形状パラメータについて論ずる。３つの幾何学形状パラメータは、ブリッジ内部のポリマーの容積、および完全に硬化するために溶媒が漏出しなければならない材料の容積に従って、ポリマーの完全に硬化する能力に影響を及ぼす。この時点で、特定のセンサについて予想される硬化時間はまた、センサ化されたデバイスを使用する準備が整い、確実に測定値を測定する前に、どのくらい長く待機することになるのかも示す。これらのパラメータの影響は、タグチメソッドを使用して決定した。
【０１３７】
幾何学形状の従属変数に基づいて応答特徴のパラメータを最適化するために、タグチ設計の直交配列を使用した。このモデリング方法は、センサのポリマーブリッジの多数のバリエーションを試験することを必要とすることなく、効果を決定するための関係性を得る。タグチメソッドは、入力パラメータを変動させることによる、目的関数の最適化のための統計に基づく方策である。タグチは、最小限のトライアルで多数の要因の分析を可能にする直交配列を使用して、頑健なシステムの許容限度に対する設計基準を導入した。この方法は、長い間大量製造に使用されてきたが、近年、新しい部品を設計する間のパラメータ最適化に対する関心も増えてきた。タグチメソッドは、表面仕上げ、寸法精度、および最大引張強度等の、出力特性の多変数最適化のためのＲＰプロセスで使用されている。研究は、どの出力特性が各入力パラメータの影響を最も受けるかを決定するために、温度に対する構築パラメータ、構築速度、および構築密度を変動させる検査を有する。この構成は、２７（３３）の別々の実験を行うことを必要とせずに、３つのパラメータでの３つ全ての幾何学形状変数の試験を可能にする。
【０１３８】
センサの全体的なサイズ目標に基づいて、設計空間を画定するために、小さい値、中間の値、大きい値を各幾何学形状パラメータに割り当てた。３つのパラメータには３つのレベルを割り当て、各一連の５つのサンプルを構築した。一連のサンプルは、立体造形法（ＳＬＡ）、Ａｃｕｒａ４０樹脂を使用して構築した。脱ガス中の化学的相互作用は、放出する容積に依存する。ＳＬＡ樹脂は、この溶媒との固有の反応を有するが、ＦＤＭ、ＳＬＳ、およびＭＰＪと共に使用される他の材料は、非反応性であるので、依然として全体的に硬化させるための最も困難な条件を表す。
【０１３９】
完全に硬化したときに、ポリマーは、連続的に導電する。これは、材料状態の電気的指標であり、硬化時間および硬化完了は、混合物内部の溶媒蒸気が漏出する能力に基づき、したがって、この脱ガスプロセスに対する幾何学形状の異なる組み合わせの影響のランク付けを決定するために、幾何学形状の異なる組み合わせを評価した。
【０１４０】
管の長さ寸法を除いて、実験手順および測定は、ＡＳＴＭ  Ｂ１９３−０２規格に従った。各実験は、最大同心度について、構築Z軸に整列される管の長さで製作した。これはまた、いかなる内部支持体も生成されなかったので、全ての管の表面を滑らかに保った。ＳＬＡ材料が後処理され、完全に硬化した時点で、シリンジを使用してポリマーを管の中へ注入した。透光性樹脂を通して観察して、空気溜りの形成を回避するように注意した。シリンジは、管がシリコーンで充填されるまで除去しなかった。サンプルは、２０℃で温度制御ヒュームフードに保存した。抵抗測定値は、７日間にわたって６時間毎に測定した。
【０１４１】
対照条件は、製造業者によって推奨される２４時間の硬化期間であった。空気に完全に曝露されると、溶媒が自由に漏出することを可能にする。第１の導電性の時間および安定化の時間は、溶媒が漏出する容易さを示し、完全な硬化が完了することを可能にする、重要な値である。
【０１４２】
溶媒が放出され、分子が鎖をクロスニットすると、分子がともに接近し、半導体として電子が移動することを可能にする。データのパターンは、次の３つの段階に従う。（１）電気インピーダンスは、第１の導電性経路が硬化するまで無限であるが、制限的で、高インピーダンスを維持する。（２）抵抗値の急激な減少は、黒鉛粒子全体にわたるより容易な流れを可能にするように増加する、電子に対するチャネル選択肢の数の指示である。（３）分子の全ては、クロスニットを有し、また、抵抗値は、シリコーンが完全に硬化し、粒子の高い密度が容易な導電を可能にすると、定常状態に落ち着く。
【０１４３】
各実験内の５つのサンプルは、同じパターンに従ったが、それらの一貫性が変動した。実験１、２、４、５、および８は全て、変動する硬化パターンを有するが、同程度の最終静止値を有する。定常状態値への減少は、第１の導電の瞬間後、各実験について、４０〜５０時間以内にほぼ完全に生じた。タグチ分析を行うために、この第１の導電の時間を、各実験にわたって変動させたので「可能な限り短い」プロセス目的として選択した。
【０１４４】
硬化時間に影響を与える幾何学形状因子は、重要性の順に、ブリッジ長、壁厚、および内径である。これは、とりわけ、ポリマーブリッジの長さを、センサの迅速かつ完全な硬化を促進するために、２０ｍｍで最小にしなければならず、また、壁厚および内径もできる限り小さくしなければならないが、小さい値と中間の値との間の設計ウィンドウを有する。連続６時間の測定値が１２時間の期間にわたる以前の値の１０％以内であったときが、抵抗値が落ち着く（安定する）までの時間である。７日のトライアル終了時点での実験の単位導電度の状態を比較するために、電気的抵抗率も算出し、表に含めた。この結果は、全般的な浸透理論と一貫しており、第１に長さに基づく化学経路までの時間を推定する。すなわち、ブリッジの長さが、第１および定常状態の導電度までの時間に最も大きい影響を与える。
【０１４５】
このトライアルによる結果は、ポリマーブリッジの寸法を最小化することが、硬化時間を減少させることを導き出す結論を補強する。実験１は最初に硬化状態に到達するので、大部分が定着および安定するのに最も長い時間がかかり、これは、最も低い電気比抵抗を有することによって示された。７日よりも長い期間の他の実験を検査すると、類似したパターンを示すことがあり得るが、それらが高い繰り返し性で完全に硬化した場合であっても、これは、１週間という短いリードタイムを有することに対するセンサの要件に反する。硬化基準に到達しなかったサンプルも、ＳＬＡ構造の溶媒吸収閾値に到達し得、残りの溶媒が硬化反応を抑制し続けた。
【０１４６】
ここでのサンプルの平均容積抵抗は、以前の容積試験よりもおよそ１０倍高い。ＳＬＡ筐体は、溶媒放出を制限するだけでなく、実験の長さが、容積試験よりも２３日早く終了した。測定値が同じ全時間にわたって継続した場合は、より小さい寸法のサンプルが以前の平均に近似すると思われ、ある時点でＡｃｃｕｒａ４０の溶媒反応を飽和させるので、タグチポリマーの容積が増加するにつれて、可能性が減少する。
【０１４７】
力センサ内部の導電性ポリマーの性能を予測し、モデル化するために、歪みに対するその電気的反応および機械的反応を理解することが必要である。これらの反応は、ゲージ率（ＧＦ）およびポアソン比（ν）の試験から決定した。ＧＦを決定するために、機械的伸長および電気的抵抗の変化を同時に測定した。導電性シリコーンの材料サンプルを準備し、引張モードで試験してそれらを歪ませ、一方で、電気的抵抗の変化を記録した。どちらの引張試験の組も、成形ゴムのドッグボーンサンプルに関するＩＳＯ３７：２０１１（Ｅ）規格に従った。サンプルの硬化条件は、ポリマーブリッジの内部を近似することが必要であったが、しかしながら、繰り返し可能な幾何学形状および平坦面を作成する方法は、ブリッジ内部で硬化させるものと同じ課題を提起した。薄壁金型を作製して、滑らかな表面を伴う所望の形状を維持しながら、溶媒が漏出することを可能にするために、複数の方法を試みた。より大きい金型については、導電性材料の周辺部の障壁が最初に硬化し、溶媒ガスがコア部分から漏出するのを遮断し、内部を硬化しないままにする。ロストワックスは、有効ではなく、薄壁ＳＬＡ二重チャンバ金型がいくつかの代替措置であった。基板材料は、残留組織またはクラック伝播を残すことなく、溶媒が漏出することを可能にすることを必要とした。コルク、シナノキ、および複数の多孔質熱可塑性プラスチックは、サンプル表面をゲージングおよび損傷を与えることなく除去／クリーニングすることができなかったので、成功しなかった。
【０１４８】
Ｆｏａｍｕｌａｒ２５０押し出しポリスチレン壁絶縁発泡体（Ｏｗｅｎｓ  Ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ、Ｔｏｌｅｄｏ、ＵＳＡ）は、ドッグボーン表面を支持するための確実な基板として作用するが、溶媒の漏出も可能にすることに成功した。対向表面は、引張試験中に抵抗を測定するよう電極を適用するために、きれいな表面を残しながら容易に剥離する薄いポリエチレン（０．１２７ｍｍ）と接触させた。
【０１４９】
サンプルは、完全に硬化させるために、２５℃で３０日間、温度制御環境の中に置いた。この時点で、ポリエチレン層を剥がし、金型位置合わせタブを除去した。クラック、空隙、または脱金型プロセスによる損傷を有するあらゆるサンプルを破棄した。
【０１５０】
上で説明される成型方法を使用して、１０個のサンプルを準備し、試験は、ＡＳＴＭ  Ｄ６３８−１０規格に従った。測定値は、１ｍｍ／分で、インストロンおよび２軸伸縮計を使用して測定した。長手方向（軸方向）および横断方向の歪みの結果は、下に示される。
【０１５１】
この値は、弾性材料について非常に低いポアソン比である。ゴムは、通常、０．４〜０．５の理論的な機械的最大値により近くなる。しかしながら、この値を充填剤と比較すると、この意味で、０．１〜０．２の比率を有するコンクリート黒鉛のようにより振る舞う。
【０１５２】
可能性がある理由としては、サンプルが成形または注入されるときに、導電性粒子（非常に低いポアソン比を有する）がチャンバ内部でともに圧縮され、微小な空隙にシリコーンエラストマー（最大ポアソン比）が充填されることである。長手方向の負荷が印加されると、歪みがその軸に沿ってシリコーンを伸長させるが、依然として、横断面内で粒子がより近づくための空間はほとんどない。センサの中のブリッジを撓ませたとき、横歪みはほとんどなく、したがって、ポリマーは、内筒面から分離しようとしない。可撓性／弾性材料がそのような低い値を有することは特異であるが、この結果は、フレクシャーの歪みが導電性ポリマーの歪みに等しいという推測を補強するので、実際には非常に有益である。
【０１５３】
ピエゾ抵抗材料のゲージ率（ＧＦ）は、その電気的インピーダンス（従属変数）の変化と、歪みのその機械的状態（独立変数）の変化との関係である。文字通り、それは通常、線形弾性的な機械的変形（それと関連付けられる、推定される線形の電気的変化を伴う）に基づく、単一の数である。これは、歪みに応答するゲージワイヤの電気的感度である。ＧＦはまた、ピエゾ抵抗率または感度因子としても知られており、材料の瞬間抵抗または単位抵抗率を使用して算出することができる。後者は、収縮する断面積のポアソン比を考慮する。歪みの小さい変化を検出することがより容易になるので、高いＧＦ値を有することが望ましい。
【０１５４】
材料を歪ませると、印加された負荷に対して垂直な断面が収縮する。よって、ポアソン比を使用することを考慮することで、これを考慮して下で示される修正されたＧＦの式を使用する別の選択肢がある。センサモデリングに対する推測の１つは、ブリッジ内に含まれるポリマーが、内壁から移動または離れないことである。
【０１５５】
この効果を呈するいくつかの他の材料は、下の表に示される。
【表９】
2014533975.tif 000014
【０１５６】
プラチナは、半導体および集積回路で広く使用されている、入手可能な優れた導電性材料であり、また、ピエゾ抵抗効果も呈する。純金属の中で、ニッケルは、最も感度が高いので、望ましいものにする最も大きいゲージ率を有するが、否定的であることに留意されたい。ニッケルおよびいくつかの他の金属は、それらが歪み依存であるという点で、特異なＧＦを有し、よって、最初に、低い歪みに対して抵抗が減少し、次いで、ある点の後に変化する。これらの一定でないＧＦ値は、別個のモデルを必要とする。ＧＦは、ワイヤ材料のワイヤ長、断面積、およびピエゾ抵抗効果の変化に影響を受ける。歪み感度因子Ｓ自体は、ニッケルの−１２．１からプラチナの６．１に及ぶ。純材料と合金との間であっても、ＧＦが極めて有意になる可能性があるので、材料固有の試験が必要である。黒鉛は、脆い材料であり、よって、その純粋状態では、その弾性限度が非常に低いので、ＧＦを有しない。
【０１５７】
導電性シリコーンは、引張破壊試験においてＧＦを試験した。制御容積の引張伸長中の抵抗率を測定するための試験プロトコルは、ＡＳＴＭ  Ｄ２５７−７８およびＡＳＴＭ  Ｂ１９３規格の組み合わせであった。以前に説明した成形手法を使用したこの試験のために、１０個のサンプルを準備した。電極は、表面導電率ではなく、容積導電率を測定するために、両端部をサンプルの両側と表面接触させた。あごの外側は、試験サンプルを除いて電気的に絶縁した。全てのサンプルは、熱変化および感知材料に対する影響を回避するために、摂氏２０度の温度制御環境に維持し、試験を行った。Ｉ型クォーターホイートストンブリッジで５Ｖの入力を使用し、信号は、４次バターワースフィルタで前処理した。図１７Ｂの引張負荷に対する電気的応答の第１の検査は、３５Ｎでのサンプルの破壊限度、および電気的応答のレベルオフを示す。図１７Ｂは、引張試験中の１０個のサンプルの電気的応答である。サンプルがもはや電気を伝導しなくなったときに、サンプルは、回路を閉じるために接触する粒子の最小数と同等のｐｃ値に到達した。ポリマーサンプルが歪むときの抵抗に注目すると、これは、材料が絶縁体というよりは半導体のように作用するときに類似する。
【０１５８】
機械的歪みおよび電気的抵抗率の変化は、図１７Ｃにプロットされ、該図は、この材料のゲージ率のプロットが、歪みの非線形関数であることを示す。機械的歪みおよび電気的抵抗率の変化の曲線の形状は、主要なＧＦ電気的応答がニッケル被覆によるものであることを示す。最初の部分は、負の関係を有し、正の関係が純ニッケルの応答に類似する前に、明らかな変曲点を有する。第２の歪み限度の後に、電気的応答がレベルオフし、これが材料の感知範囲であるが、依然として、機械的限度よりも低い。変曲点は、曲線適合の導関数から決定し、低歪みと高歪みとの間で分割するために、２つの線形回帰区間を感知範囲の上にオーバーレイした。
【０１５９】
第１の直線部分からのＧＦは、低歪み状態でのニッケルに対する予想値に相当するが、第２の領域は、１桁高く、機械的変化に対する感度がより大きい。第２の区間は、応答がレベルオフする０．００８６３の歪みでカットオフした。これは、電気的に感知するための歪み限度とみなされる。オーバーレイされる２つの直線部を有する歪みに対して、ゲージ率自体をプロットした。ポリマーがブリッジ内に含まれると、１０個のサンプルからのＧＦの変動性は、センサの精度および繰り返し性に影響を及ぼす。
【０１６０】
２つの電気的応答区間を、機械的応答曲線にオーバーレイした。負のＧＦ領域は、非線形の機械的区間と一致することが分かり、正のＧＦは、線形の機械的領域と一致することが分かった。
【０１６１】
理想的な感知材料は、機能する歪み範囲を最大にするために、その機械的限度にできる限り近い電気的応答限度を有し、それは、フレクシャーよりも大きい感知限度を有する。各ＡＭ材料は、それ自体の弾性限度を有し、次に、どの程度の弾性限度をポリマーが感知することができるかについて比較するためのものである。
【０１６２】
以前の要件は、センサがフレクシャーの弾性限度による全ての変化を測定することができることであった。上の数字は、この特定のポリマーが、最も一般的なＡＭ材料の全歪み限度を感知することができず、一部の場合において、ＳＬＳナイロン系列の場合には、最高でもおよそ４０％に過ぎないことを示す。シリコーンの電気的感知範囲は、それ自体の機械的範囲の僅か９％である。感知範囲は、上で論じられるように、ドーピング特性を修正することによって変更することができるが、２組の特性が相互依存しているので、任意の新しい配合物を機械的に再試験する必要がある。ポリマーの測定範囲は、センサが歪みを上限（または好ましくは下限）の歪み変曲点に制限するために、より固い構造を必要とするので、センサの力負荷容量を制限する。また、ＳＬＡ  Ａｃｃｕｒａ４０が化学的に適合しなくても、ＳＬＡ樹脂またはＦＤＭプラスチックのようなより固い材料を感知するように、より良く解釈される。これは、ＦＤＭ系列の材料が、時間安定的で、安価で、溶媒と化学的に非反応性であり、またポリマーがそれらの弾性限度の最も大きい割合を検出することができるので、ＦＤＭ系列の材料が最良の初期センサ候補であるという結論に至る。
【０１６３】
説明される実施形態の第１の組の機能センサの幾何学形状寸法を選択するために、ビーム理論およびＦＥＡ方法の組み合わせを使用した撓み分析を使用した。サンプルは、最も一般的な市販のＡＭ技術を使用して構築し、負荷プロファイルおよび最高１０Ｎの大きさについて、カスタム線形サーボチューブ試験ベッド上で性能を評価した。
【０１６４】
ＡＢＳ  Ｍ３０ｉ材料を線形モードおよび曲げモードで検査して、センサ筺体の幾何学形状が導電性シリコーンの歪み限度に一致し得ることを確認するために、有限要素解析（ＦＥＡ）を構成した。
【０１６５】
初期設計は、ボタン直径を小さく保つことによって、梁の中央で点負荷を維持するためのものであった。シミュレーションは、ＣＯＳＭＯＳを使用して行い、６６，０００の４面体要素のメッシュを有し、管の両端面を挟持し、Ｘ−Ｙ面に沿って対称状態であり、また、その中間点でブリッジに垂直に、ボタンの上に負荷を印加した。適用される負荷条件は、１０Ｎの範囲であった。
【０１６６】
背面（力の印加点）のボタンの外周が小さ過ぎたので、歪みが、ブリッジの中のポリマー全体を通して均一に分散されるのではなく、中央で担持されることになった。これらのタイプの応力集中は、より小さい負荷であってもシリコーンブリッジに損傷を与える可能性があるので、回避する必要がある。ボタンをより広くすることによって、より固くなるのでセンサの長さ「Ｌ」を理論的に短くする。これは、上のシミュレーションで見られるボタンの側部の周囲の座屈効果を考慮するとき、ならびに、ブリッジに沿って歪みをより均一にし、局所的影響を最小にするときに必要である。剪断負荷に対する頑健さについては、横方向剛性も加える。この場合、負荷ボタンの半径は、ｒｏに等しかった。図１８Ａは、１０Ｎの静的負荷に対するいくつかのポリマーブリッジの結果−この場合は、ポリマーブリッジの長手方向の歪み−を図示する。
【０１６７】
ＦＥＡに基づくブリッジ内の歪み範囲は、０．０００３３７〜０．０１４７５ある。１０Ｎの負荷について、分析は、およそ０．００７８の平均歪み値を示し、ポリマーの感知能力の電気的限度に近づいている。ポリマーブリッジ内に歪みの範囲があるが、重要な考慮事項は、ブリッジ全体について何が代表値であるのかを決定することである。ＧＦの式は、要素に沿って一貫した等しい歪みを仮定しており、曲線の領域の下で平均を取ったときに、代表的歪みは、０．００９である。この値は、センサ筐体の動的試験について、１０Ｎの上限負荷を設定するために使用した。
【０１６８】
決定されたプラスチックブリッジの寸法に関して、その機械的剛性に対するポリマーの影響を検査した。ＡＢＳ  Ｍ３０ｉプラスチックの層としてのポリマーの同等厚さを、以下の式を使用して算出した。
Ｅシリコーン  ε（πｒｉ２）＝ＥＭ３０ｉ  ε（π（ｒｎ２−ｒｉ２））
そして、等しい弾性係数の同等の薄肉円筒として、既存の断面の上にオーバーレイした。ポリマーブリッジの鍵となる寸法および複合材料の同等性について、図１８Ｂを参照されたい。シリコーンの同等Ｅ値として使用するために、これらがゴム材料のための範囲を表すように、最小値０．０１ＧＰａおよび最大値０．１ＧＰａを使用した。
【０１６９】
同等の壁厚は、ＦＤＭハードウェアを使用するための最小の提案された構築設定未満であった。すなわち、最も小さい特徴の構築設定でも、壁は既に、シリコーンが曲げに抵抗しなければならないあらゆる負担よりも固くなる。したがって、シミュレーションは、シリコーンを無視できるので、中空シリンダーの簡略化モデルを使用することができる。逆に、二次確認として、導電性ポリマーの同等の壁厚は、最小の構築壁厚に等しいとみなされ（説明される実施形態によるセンサが構築される度に、別の計算を加える）、次いで、幾何学形状に対するこの設計制約を達成するため、それがどのような弾性係数をもつのかを求めた。
【０１７０】
ゴムがＡＢＳプラスチックと同一のＥ値を有する場合であっても、依然として、０．００１７６２ｍの最小壁厚ではなく、僅か０．００１４１４２ｍの厚さであり、以前の推測に一致する。加えて、ｒｏを大幅に増加させるために必要とされるＥ値を確認するためにＥ２値を解くと、１．１４７ＧＰａとなる必要がある。これは、純シリコーンゴムの上限Ｅ値よりも１０倍大きく、むしろ１．５〜２ＧＰａのＥ値を有する中量ナイロンまたはポリプロピレン熱可塑性プラスチックのように作用する。
【０１７１】
粘性ポリマーは、壁内部に沿った剪断摩擦により、注入するときに高い圧力を必要とした。これを補償するために、各注入ポートは、封止を維持するために、部品本体の中に構築されるルアーロックスレッドを有する。図１９は、ルアーロックを有する説明される実施形態による、力センサを図示する。ポリマーがチャネルによって完全にカプセル化されると、スレッドは、組み込まれた剪断線に沿って破壊することによってきれいに除去することができる。銅線電極は、ポリマーがゲル化し始める直前に挿入され、近傍の導電性粒子を押しのけることによって頑健な電気的接触を作成する。ブリッジは、任意の筐体の形状の中へ埋め込むことができるが、図１９Ａの構成は、力感知原理を構築し、試験するのに十分コンパクトである。
【０１７２】
構築プラットフォームの準備段階中は、ソフトウェアの層スライシングパラメータを調整することが重要であった。ポリマーブリッジのような小さい湾曲および丸みを有する特徴は、あるときには、構築の外から補間することができる。元のＳＴＬファイルは、固体の特徴を有したが、層間の角度がデフォルトの閾値未満であったので、ｂｆｆファイルにおけるブリッジの上面および底面は欠損していた。説明される実施形態に従って構成される１つのセンサのための最終ＣＡＤは、いかなる内部支持構造も伴わずに、ＳＬＡ  Ｖｉｐｅｒにおいて構築することができた。構築の配向および構築パラメータは、構築後のクリーニングを容易にするように調整した。
【０１７３】
センサ設計の目標の１つは、ＡＭ構成要素が、ほぼあらゆるサービス営業所で構築することができ、エンドユーザが、導電素子自体を挿入することができるか、または営業所が、導電素子をそれらのサービス能力に容易に加えることができる。これはまた、導電性材料自体が、容易に入手できることを必要とし、ならびに通常の研究所およびＡＭの安全性を除いて、いかなる特別な処理手順も必要としない。充填の方策は、複雑なハードウェアまたは手順を必要とせず、また、分離した注入ポートを使用することによって、充填物の外形を限定する。充填中に、シリコンは、劣化することなくその液体状態で、チャネルを通してセンサ部位に移動することができる。選択された材料は、周囲温度および圧力の条件で、センサのための中空チャンバ内で硬化させることができる。多数の導電性材料およびシリコーンゴムサスペンションは、一般に、ＡＭ熱可塑性プラスチックならびに多数のＳＬＡ樹脂のクリープ値を超える、高圧および高温での加硫条件を必要とするので、選択範囲から除外した。１８：１のスラスト比を有する市販の注入ガンは、ルアー取り付け具を有するポリプロピレンシリンジを受容し、補強するように修正した。
【０１７４】
説明される実施形態に従って構成されるセンサのサンプルは、プラスチック材料を有する市販の手法により構築した。ＦＤＭ部品は、ＡＢＳ−Ｍ３０ｉ（Ｒｅｄｅｙｅ  ｏｎ  Ｄｅｍａｎｄ、ＵＳＡ）で構築した。この材料は、長期間の表面接触を伴うデバイスに好適な生体適合性によって、ＩＳＯ１０９９３で認定されている。加えて、選択されるＦＤＭ機械は、損傷を与えることなくセンサの内部空隙を明確にするために、可溶性の支持構造を利用した。
【０１７５】
ＳＬＡ  Ａｃｃｕｒａ４０は、ナイロンに類似する機械的特性を有し、アニール化によって熱処理することができる。ＭＰＪサンプルは、複数の材料を含み、また、構造物およびブリッジのそれぞれに利用できる最も剛体で、かつ最も可撓性のある選択肢を伴って構築される。空隙は、最初、可撓性ボタンと剛体の筐体との間に置いたが、構築中に、近い縁部がともに溶融し、２つではなく３つの異種材料境界を生じた。ＳＬＳナイロン１２もまた、生体適合性であり、中間および装具産業で使用されるいくつかの熱可塑性プラスチックに類似する特性を提供する。
【０１７６】
全体として、各材料によるセンサは、製作し、電気を伝導すること、すなわち完全に硬化することができる。ＳＬＡサンプルは、硬化するのが最も遅く、他のサンプルのおよそ２倍費やした。これは、溶媒の脱ガス中の樹脂の化学反応に起因する。ＦＤＭ部品の中の層を通って滲出するポリマーによる課題は、壁厚を増加させることによって緩和することができる。ＭＰＪサンプルは、可撓性ブリッジが注入プロセス中に制約のない特徴を有するので、いくらかの残存膨張を有した。ＭＰＪはまた、充填中に不具合（ブリッジの破裂）を生じた、唯一のセンササンプル群であった。ＳＬＳナイロンサンプルは、仕上げがより粗く、したがって、より高い注入圧力が必要であった。可撓性のポリマーブリッジを有する将来の部品について、注入段階中に通過させる必要がある導電性材料の容積を最小にすることが重要である。
【０１７７】
ポリマーが依然としてゲル状態である間の注入直後に、電極が、ブリッジのいずれかの端部に挿入される。電極部位の場所および配列は、銅のブリッジが撓まされた時に黒鉛粒子が銅リード線から離れる危険性を最小にするために、ポリマーブリッジの外部である。電気的に、説明される実施形態に従って構成されるセンサは、歪みゲージに最も近いか、または非常に低い抵抗のＦＳＲであり、実施形態からアナログ信号を獲得するための電気回路は、内蔵低域フィルタを有するＩ型クォーターホイートストンブリッジである。
【０１７８】
回路からのアナログ信号は、可変信号をアースではないソースのそれぞれと比較する必要があるので、浮遊ソースの示差測定として、データ獲得ハードウェアの中へ取り込まれる。ホイートストンの他の抵抗器は、ＲＳに対する電圧変化を最大にするように選択した。センサ精緻化中に、炭素膜抵抗器が約１分間にわたって過熱し、測定における感度劣化に至った。比較的高い２００〜３００ｍＡの電流を補償するために、セラミック抵抗器を使用して、ホイートストン回路を構成した。
【０１７９】
［試験］
構成されたセンサのブリッジ内部のポリマーの電気的応答を検査するために、制御負荷をボタンの中央に、ブリッジ対して垂直に印加した。負荷の大きさは、２、４、６、および１０Ｎの順で、ブリッジ内の理論上の最大歪みまで試験した。
【０１８０】
力変換器および負荷測定センサの試験および較正のための、機械的刺激に対する電気的応答、具体的には、導電性ポリマーおよびセンサ試験片のピエゾ抵抗応答を評価するために、線形動力計を構築した。この線形動力計は、圧縮力を試験下にあるブリッジユニットに供給するために、サーボチューブ（ＸＳＬ−２３０−１８、Ｃｏｐｌｅｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓ、ＭＡ）を使用して、静的または動的な機械力プロファイルを適用することができ、印加された力の入力を測定するための、直列の既製の精密小型負荷セル（ＬＣ３０２、Ｏｍｅｇａ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｓｔａｍｆｏｒｄ、ＣＴ）を有する。応答較正は、試験下にある試験片の出力に対する、負荷セルによって記録される、力の入力を相関させることによって行われる。サーボチューブは、電磁石基部マウントの中心の銅巻線で発生する電流によって推進される、棒状の一連の永久磁石である。サーボチューブ増幅器は、制御電圧信号を使用するときに、それ自体の内蔵ＰＩコントローラを備える。それは、サーボチューブに対する入力電流だけを使用して、または負荷セル測定による閉ループモードで、このように動作することができる。
【０１８１】
負荷プロファイルのそれぞれは、デスクトップコンピュータからＬａｂｖｉｅｗ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ａｕｓｔｉｎ、ＴＸ）ＧＵＩによって生成し、また、ＢＮＣ  ２１１０  ＤＡＱを使用した。動的プロファイルは、ランプ波状、矩形波状、鋸歯波状、または正弦波状である。ＧＵＩから、各パターンの振幅、位相、および周波数に対する動的試験のパラメータを設定することができる。負荷セルおよびセンサはどちらも、ＬａｂｖｉｅｗＶＩの中に、５００Ｈｚの獲得率のための１組のアナログ低域通過ＲＣフィルタ、および４次バターワースフィルタを有する。未処理のセンサ値（Ｂ）は、デジタルフィルタの適用前と後に、負荷セルと比較される。内蔵６０秒タイマーが、試験パターンを自動的に実行させ、次いで、各一連のデータを、負荷パラメータの値を伴って命名される新しいｔｘｔファイルに記録する。
【０１８２】
力の較正に加えて、システムはまた、センサ試験サンプルの周波数応答機能を特徴付けることも可能にする。動的試験は、サーボチューブの試験ベッドを使用して、２、４、および６Ｈｚの周波数で、２〜１０Ｎの振幅について正弦波状、方形波状、および鋸歯波状の力プロファイルを検査した。サンプルは、いかなる干渉も電磁石に起因しないことを確実にするために、サーボチューブおよびコイルの近くに配置した。
【０１８３】
Ａｃｃｕｒａ４０サンプルは、１０Ｎまでの全ての負荷プロファイルおよび振幅に対して無応答であった。信号は、不安定であり、また、負荷からはいかなる知覚可能な変化も観察されなかった。この低い感度は、ポリマーブリッジの内部の化学的劣化によるものであり、よって、機械的歪みは、必ずしも内部の導電性材料に変換されるとは限らない。これらのサンプルにおける唯一の顕著な変化は、ポリマーブリッジが破壊されて回路が開いたときの、機械的故障の後である。
【０１８４】
ＭＰＪ（多重ポリマー射出）サンプルを完全に硬化させ、結果を評価した。例えば、図１９Ｂは、多重ポリマー射出サンプルのセンサ、および６Ｈｚ正弦波に対する負荷セル応答を図示する。１０Ｎサンプルは、シリコーンの一定でないゲージ率のため、正弦波応答の途中に低下を呈する。これは、１０Ｎ負荷が、第１の歪み線を通過させるのに十分ブリッジを歪ませ、センサをほぼ飽和させることを示す。６Ｎの系列では、負荷の立ち上がりと立ち下がりとの間で、いくつかのヒステリシス応答が見られる。
【０１８５】
ＭＰＪ製作手法を使用して、単一の材料モダリティも検査した（ＶｅｒｏＷｈｉｔｅ）。フレクシャー全体は、剛体および可撓性の組み合わせではなく、単一の材料から作製される。
【０１８６】
ＦＤＭサンプルを完全に硬化させ、結果を評価した。２Ｎの振幅および０．４Ｈｚの周波数でのＦＤＭフレクシャーの中に構成されたセンサについて、３０分のドリフト試験を行った。トライアルの開始および終了時に、信号出力を評価した。
【０１８７】
ＭＰＪおよびＦＤＭサンプルはどちらも、負荷プロファイルと同調して応答する一方で、精度およびヒステリシスが変動することを示した。一定でないゲージ率の影響は、より高い振幅試験において明らかである。この影響に対する２つのソリューションは、歪みの量を第１の線形部分の範囲内に制限するようにブリッジを補強すること、または電圧値が第１または第２の線形歪み部分に関連しているかどうかを判定するために、過去の測定状態を検査する、データ獲得パターンを有することである。
【０１８８】
これらの結果は、導電性シリコーンサスペンションの特定の配合物について取得されたものであるが、他の溶媒に基づく導電性シリコーン材料が同様に振る舞うと仮定することは不合理ではない。溶媒がシリコーンサスペンションの容積に含まれるので、黒鉛粒子の密度の影響は、潜在的に硬化時間にかなり影響を与え得るが、その結果、これはまた、材料性能の機械特性、ならびに導電特性にも影響を与える。
【０１８９】
それぞれからの単一の曲線を、タイムスケールに従って整列させ、次いで、ＭＰＪを、ＦＤＭによる振幅について一致するように正規化した。ＭＰＪ材料は、非常に軟質であり、よって、サーボチューブが負荷の印加を減らすにつれて、より容易に復元する。これは、より大きいばねの復元を有するが僅かに遅い応答時間を有するＦＤＭと比較したときの、より速い応答を説明する。加えて、異なる材料が異なる量変形するので、振幅が必ずしも同じであるとは限らない。ポリマーブリッジの低い抵抗は、センサが比較的高い電流量を引き出し、一連の抵抗器が熱くなることを意味する。電気供給および条件回路は、ポリマーに対して高い電流を引き出すため、熱放散とみなす必要がある。ホイートストンブリッジでは、数分間の連続動作後の電力バランスを維持するために、他の抵抗器をセラミック素子と一致させることが鍵であった。
【０１９０】
ドリフト試験による応答は、より高いワット数の構成要素を使用するときであっても、熱効果に類似していた。回路の電源を切り、数分間静置したときに、同じ較正設定を使用して同じ忠実度で復元し得る。これは、ドリフトが、機械的疲労ではなく、主に電気的効果または熱的効果であることを示す。
【０１９１】
ＡＭ材料がそれらの静置位置に復元する速度、および全体的な粘弾性挙動から、ＡＭ材料を使用することによるいくつかの課題が生じる。ＭＰＪサンプルは、それらの低い材料剛性により高感度を有したが、正弦波プロファイルが適用されると、柔軟であり、負荷セルの表面に密着した。それらはまた、弾性限度が導電性シリコーンを超え、適用されるプロファイルよりも剛性がはるかに低いので、低い最大力範囲を有した。
【０１９２】
［トルクセンサ］
説明される実施形態に従って構成される注入ポリマーブリッジを、カスタマイズ可能なトルクセンサモダリティとしてフレクシャーに適用した。市販のトルク変換器は、筐体の機械的変形を理解するために、接着金属箔歪みゲージを使用する。それらの類似する対応部品、力センサのように、それらは、印加トルクによるトーションバーにおける剪断応力を検出する。構成されたポリマーブリッジはまた、印加トルクの軸、センサの回転軸に平行して配置される場合に、トルクセンサとしても機能することができる。力センサについての本明細書での説明は、様々なＡＭ材料を使用した特定の力センサ構成の設計および試験を有した。以下の説明は、所望の仕様を満たすために、幾何学構成を調整しながら、特定の材料を使用するという逆の方向を対象にする。
【０１９３】
説明されるトルクセンサの実施形態は、市販バージョンのトルクセンサから、静的原理を使用する。そのような市販の（Ｆｕｔｅｋ）トルクセンサの実施例については、図２０を参照されたい。この場合、接着された歪みゲージは、フィレットが歪むときにフィレットの外周に従い、よって、設計は、４つのポリマーブリッジを片持ち剪断構成に配置するように修正した。可能な限り適合性を保つために、締結具および載置構成は、Ｆｕｔｅｋとの一貫性を保った。
【０１９４】
電極構成および内部ポリマーブリッジの内径および外径は、力センサの設計、ならびにシリンジのルアーロックを使用した注入方法と同一である。耐荷重バージョンに着手する前に、製作に関する課題を、ＳＬＡおよびＦＤＭを使用して構築され、シリコーンが注入される「系列１」設計によって、前もって評価した。最初に、外径および全長は、その幾何学形状に設計される他のデバイスと容易に連動するので、Ｆｕｔｅｋによる市販のセンサとの一貫性を保った。ポリマーブリッジは、トルクによって生じる剪断歪みを最大にするように、半径の外側縁部へ移動させた。トルクセンサ系列１：同じノンパラメトリック設計を有する薄いポリマーブリッジを使用した。ＳＬＡバージョンは、本明細書で論じられるように構築することができたが、溶媒がブリッジの内部を劣化させる問題があった。
【０１９５】
トルクセンサ系列２：直線状の並列チャネルを、いずれの方向の引張にも応答するように保ち、正の空間ではなく負の空間に重点を置いた。ブリッジがフランジに接触する応力集中領域を除去するために、フィレットを含めた。実施例は、小さい負荷系列（０．２Ｎｍ）および中間の負荷系列（３Ｎｍ）で構築した。
【０１９６】
４つのブリッジの間の切断の角度を変動させて、最大ポリマー歪みを誘発するトルク値を調整する。外径は、既存のデバイスとの統合を容易にするために、市販の同等物と均等に維持した。内径および外径は、最小のポリマーブリッジに関して対称に保った。
【０１９７】
動作に対して固定される寸法は、ｒｂおよびｒｏであった（前者は、安全な構築解像度について外側縁部に到達することができる程度に近く、測定される歪みを最大にすることができる）。外部周辺部とブリッジが歪まされる内部との間の歪みの差が弾性限度を超えるので、すなわち、捩り歪みが内部材料に到達する前に外部が塑性的に変形されるので、それらをトルクセンサの内部に配置することは好ましくない。
【０１９８】
トルクセンサＦＥＡをモデル化することが力センサに関して類似していたときの推測：
●  ポリマーとブリッジとの間にいかなる内部スリップもない
●  粒子分散は均一であると予想されるので、ブリッジに沿って均一な平均歪みが最も重要である
●  フランジには無視できる歪みがあり、電極とポリマーとの界面にはいかなる運動もない
【０１９９】
シミュレーションは、フィレットとブリッジとの間の界面が最も高い応力の場所、したがって、最も高い剪断の場所であり、不具合の影響を受け易いことを示す。それらはまた、フランジが、特に電極の部位の周囲で、無視できる変形を起こすという計算仮定と合致する。応力分布の結果は、双方の幾何学形状について同程度である。
【０２００】
曲げのために必要とされる壁厚は、ＦＤＭの解像度閾値未満であったので、通常ポリマーブリッジの端部で見られる注入取り付け具は、系列２の構築部品から省略し、また、系列１から、注入中に加圧された場合に破裂し得る小さい層間剥離が分かる。系列２のサンプルは、シリンジをブリッジ内から後退させることにより、成功裏に充填された。
【０２０１】
７２時間後に、ポリマーが完全に硬化し、その定常状態の静止抵抗値に到達したことを確認するために、８時間にわたって１時間毎に測定値を測定した。
【０２０２】
静的試験および動的試験を行った。試験の目標は、以下の通りであった。（ａ）センサが新しいポリマーブリッジ構成で機能することを確認する、（ｂ）ＦＥＡモデルから勧められる負荷範囲に対する感度を検査する、（ｃ）静的および動的負荷プロファイル対する応答を検査する。試験構成は、センサの一方の端部を機械的に接地し、もう一方の端部をある質量で負荷する一方で、アームの端部に対する撓み角度および負荷を測定する。
【０２０３】
負荷がアームに対して垂直であるように誘導し、それを確実にするために、重量は、線形軌道上の負荷アームの端部に掛けた。動的負荷について、ばねを引張負荷セルと直列に配置し、０．０８ｍまで伸長させ、そして解放して、エネルギーの散逸を検査する一方で、センサの減衰振動を測定した。
【０２０４】
不具合点でのセンサ測定を検査するために、機械的不具合がはっきりするまで、アームを、振動を増加させながら正弦的に歪ませた。その後、測定は、複数サイクル継続した。
【０２０５】
２つのフレクシャー形状に対する動的試験を比較すると、予想通り、より弱い構造が撓む。回転角対引張力の相違は、フレクシャーが、予想される負荷範囲について剛性を変動させる一方で、ポリマーブリッジに対する同じ内部寸法および方法論を使用して設計することができることを示す。双方のセンサの動的性能は、おそらくは、正弦波負荷における弾性ばね効果およびエネルギー散逸試験により、静的試験よりも既知の値に近かった。静的較正トライアルについて、高い標準偏差は、負荷を緩やかに変化させることに対してこの構成を困難にする。しかしながら、動的性能は、質量を解放するときにより高い周波数振動のピークを検出することができたので、より有望である。
【０２０６】
トルクセンサの不具合モードを検査すると、応力集中および予想される大きさについて、ＦＥＡモデルに一致した。機械的不具合中およびその後の応答に注目すると、依然として、負荷の変化を測定することができるが、破壊後には異なる信号出力範囲である。トルク測定、不具合点、および不具合後の歪みにおいて機能するので、材料の状態の監視センサとしての使用の実現可能性を示す。
【０２０７】
人手によって印加される負荷の一部では、ポリマーが、第１の線形ＧＦ区間から、第２の区間（歪み閾値と交差した後に信号応答が逆転する領域Ａ）に入ることが分かる。センサの動作に対する考慮事項であるが、より大きい課題は、第２のＧＦ区間入ると、同じ静置状態には復元せず、その無負荷の形状に復元するまで数分間放置しなければならなかったことである。これは、ＦＤＭ材料の遅いばねの復元、およびポリマーのいくつかの特徴、おそらく、ブリッジの残存歪みの組み合わせ効果である。
【０２０８】
［衝撃感知シャーピン］
センサの力およびトルクモダリティにおいて、機械的不具合の後に、その応答が大幅に変化した。衝撃感知モダリティは、筺体がいつ壊れたのかを示すために、この特性を導電スイッチとして使用する。設定閾値を超えることから保護するために相互作用力を測定することについて、ポリマーは、図２１で示される２つの区間の間で、計装シャーピンのように作用することができる。
【０２０９】
ポリマーブリッジが、部品の剪断線の下を通過する無歪み導電性チャネルと置き換えられると、それは、２つの運動要素の間の相互作用力を検出するために、デジタルスイッチまたはアナログセンサとして動作することができ、機械的不具合が生じた場合に回路を開く。単一の構成要素ブラケットとして設計され、試験されるが、導電性剪断線は、埋め込みセンサとして動作することができる。装着可能なブレースの衝撃感知のための追加の利益、または人間とロボットとの相互作用デバイスのためのフェールセーフとして、ピンを破壊することは、転倒による援助の呼び出し、または機械に対する急停止としての電力切断の終了を起動させることができる。
【０２１０】
衝撃試験は、アイゾットノッチ付き衝撃試験［ＡＳＴＭ  Ｄ２５６を参照］における方法に基づいて行った。材料１つあたり、５つのサンプルの３つの群、すなわち、中空管を有するブラケット、中空管を有しないブラケット、導電性シリコーンを注入した一群の中空サンプルを構築した。
【０２１１】
Ｌ−ブラケット構成要素は、ポリマーのための中空チャネルを有するもの、および有しないものを製作した。トライアルの３つの群は、センサのための空間を作製するために部品断面から材料を除去することの動的な機械的影響、ならびに、部品の不具合モードに対する感知ゲルの影響を検査する。管の断面は、ポリマーブリッジセンサの２０％以内であり、よって、これまで探求した製作能力に一致する。各試験群の５つのサンプルは、ＳＬＡおよびＭＰＪシステムから２つの脆い材料について構築した。
【０２１２】
下の図は、試験中のセンサからの応答を示す。重要なことは、これらのデータが、センサからのいかなるアナログフィルタリングまたはデジタルフィルタリングも有さず、スイングアームのピーク速度で、電圧スパイクが既に衝撃を示し、その後に、抵抗の喪失によってホイートストンブリッジが均衡を失った時に、電圧の不連続ステップが続くことである。
【０２１３】
トライアルは、衝撃の瞬間の後の速度に基づいて比較した。モーメントアームの端部の質量を、ほぼサンプルを破壊する運動エネルギーを貯蔵するように選択したが、ＳＬＡおよびＭＰＪの差は、比較的小さかった。異なる断面の影響は、衝撃の後の終了速度によって示される。対照群の速度と比較して、ＳＬＡサンプルは、空洞のために材料を除去することによって、いかなる相違も示さなかったが、ＭＰＪ群は、チャネルの幾何学形状を加えることによって、いくつかの僅かな相違を有した。ＭＰＪサンプルは全て、揺動質量から均等にエネルギーを吸収したようであり、チャネルおよびポリマーの追加が、内部試験で無視できる相違を有したことを示した。
【０２１４】
３つのサンプルの機械的不具合モードを検査するときに、チャネル内部にポリマーを有する群は、双方の材料について、破裂が少なかった。センサを有しない２つの群は、剪断線から上方に粉砕したが、センサ化した材料は、２つの部分片にきれいに分かれ、ある場合において、ポリマーは、裂けてはいたが、チャネル内部にあった。これは、感知材料の存在が、減衰効果のため、衝撃の瞬間に吸収されるエネルギーに影響を与えることを示す。
【０２１５】
利用可能な材料のうち、導電性エラストマーの系列は、コンパクトでカスタマイズ可能な筐体において力を測定するためのピエゾ抵抗センサの構築に成功した。プロセスモデルは、様々な負荷プロファイルおよび大きさを感知することができるＡＭ構造の中へ注入されるセンサを作成することに成功した。
【０２１６】
Ａｃｃｕｒａ４０は、速硬性である必要がない場合には、オン−オフスイッチのような２進状態センサとして機能することができるが、アナログセンサには適さない。ＭＰＪおよびＦＤＭはどちらも、使用に良好なプロセスであり、それら自体の選択肢および利点を有する。ＭＰＪは、低い力感知範囲において、可撓性構造についてより幅広い材料選択範囲を有する一方で、ＦＤＭは、同じく生体適合性である、あまり高価でない材料である。
【０２１７】
複数のＡＭ材料は、人間によって直接印加される力を含む、様々な条件下で、静的および動的な機械的負荷を記録することができた。使用前にセンサを較正するために、工業用ＦＳＲを準備することといくつかの類似点があることが利益になる。既知の力を５回印加し、スケールおよびオフセットを調整することは、説明される実施形態に従って構成されるデバイスに埋め込まれる各センサの表面ボタンに適用される、ＯＥＭ力センサを使用するルーチンである。
【０２１８】
したがって、以下は、統合されたピエゾ抵抗センサを有するＡＭの医学的構造を作成するためのプロセスステップを要約する。
●  医療デバイスのための装着者の表面領域を走査する
●  感知範囲に対する撓みを最大にするように力センサのタイプを選択する
●  選択されたセンサ幾何学形状のＣＡＤをデバイスＣＡＤの中へ統合する
●  ＡＭ製作
●  中空管の中へポリマーを注入し、電極を挿入する
●  注入ロック取り付け具を分離する
【０２１９】
他の実施形態は、グラファイトシリコーン群から導電性材料を使用し得る。全般に、腐食性溶媒の脱ガスを必要とせずに、または少なくともより少量で硬化することができる任意の導電性エラストマーであれば、説明される実施形態に使用され得る。構築後の注入を介して導電素子を加えることは、ほとんどの場合、機能的であるが、不必要な制約および間違いをもたらす。これらの複雑化の要因の多くは、構築の後ではなく構築中に導電性材料を加えることによって、潜在的に排除することができる。
【０２２０】
下の説明は、上肢生体力学測定のためのデバイスにおいて、説明される実施形態に従って構成されるセンサを使用する、例示的な実現例を提供する。
【０２２１】
図２２で示されるハンドル設計は、固定式運動用自転車に設計されるあるタイプの液圧動力計であるが、再訓練するための全般的なコンピュータインターフェースとして使用することができる。自転車バージョンは、コンピュータによって生成される仮想環境の中で、乗り手の動的運動および操縦を制御するために、印加される力を測定する。初期プロトタイプは、圧縮負荷セルを有する代替物と比較して安価であり、液圧チャンバの固有の圧縮性およびばねの復元は、それらが等速力を増加させた時に、触覚フィードバックを乗り手に提供する。ハンドル直径および輪郭は、ユーザが、無理なくそれらの等速性筋力を最大にすることを可能にしながら、握持について最高の人間工学的快適さを提供するように選択した。背面および腹面から測定値を記録するが、個々の指からの力を検出することはできない。
【０２２２】
ハンドルの感知領域は、その場合、管系に接触するパドルの表面領域である。ハンドルキャップの下の管系は、管の最小曲げ半径に従って抑えられ、もつれることなく再配向する。２つの液圧チャンバの各チャネルは、筐体の中の溝に沿って埋め込まれ、高圧での密な封止を維持するために、ともに熱的に接着される。ハンドルは、管を通じて印加される力を、液圧チャンバの中の圧力から生じる電圧に一致させるように、個々に較正される。図２３は、図２２で描写される液圧ハンドルの代替のバージョンを図示する。図２３は、水圧ではなく、説明される実施形態のセンサを利用する。
【０２２３】
図２４は、図２３で描写されるハンドルの製作および注入段階を図示する。４つのシリンジロック（すなわち、本明細書で説明されるルアーロック）は、最左の画像で見ることができ、ポリマーが注入された後に除去される。
【０２２４】
どちらのデバイスも、本明細書で力センサを試験するために論じられる電磁サーボチューブアクチュエータ構成を使用して試験した。負荷振幅は、正弦波状波形および鋸歯状波形で、０．５〜１０Ｎの制御された正規圧縮の範囲であり、その後に、負荷を人手によって制御する。人手による負荷は、引張負荷セルを通して引張力をハンドル表面に印加し、それらの結果を比較した。同じ実験構成は、卓上試験について計装デバイスに負荷を与えるために使用することができる。
【０２２５】
感知ハンドルに負荷を与えるためのリンケージは、線形ガイドに沿って剛体であり、アルミニウムの力パドルの裏面は、センサとの接触に一致するように機械加工した。液圧ハンドルバーは、管系に一致するように半円形の溝を有し、説明される実施形態のセンサは、負荷ボタン頭部に接触するように、長さに沿って２つの平面を有した。
【０２２６】
第１の手順は、液圧ハンドルバーに関する静的較正であった。より小さい重量を使用して較正値を確認した後に、様々な振幅および周波数の正弦波パターンについて動的試験を行った。各動的試験は、１分間続けて、ハンドルは、トライアルの間に１分間静置した。
【０２２７】
人手による入力は、液圧ハンドルと直列に引張負荷セルを引っ張るために、サーボチューブに対して手で印加される負荷であった。動的試験の周波数範囲内であるが、人間ユーザからのランダムに生成された周波数および振幅の結果の検査を行った。
【０２２８】
説明される実施形態に従って構成されるセンサを有するハンドルバーの動的試験のための人手による負荷は、負荷バーで印加した。どちらのハードウェア構成も、静的に、動的に、および人手によって印加された負荷を測定することができた。液圧ハンドルバーは、完全な特徴付けを有し、６回の反復後、臨床環境での使用に十分頑健であった。試験構成中に、封止を破壊するか、またはハードウェアに損傷を与え得る、より高い衝撃、動的、およびインパルス負荷があったが、その性能は維持した。説明される実施形態に従って構成されるセンサを有するハンドルバーは、力および鍵となる接触を測定することができた。センサは、ハンドルバー筐体のための既存の幾何学形状設計の中へ埋め込むことができ、また、データを獲得し、ロギングすることができた。試験中の電気的劣化からの任意の干渉を回避するために、センサおよび回路は、トライアルの間に１分間静置した。負荷のピークおよびトラフのいくつかは、説明される実施形態に従って構成されるセンサを有するハンドルバーによって取り出されなかったが、これは、ばねの復元が電気的散逸よりも遅いので、電気的性能よりも、機械的弾性挙動に起因する可能性が高い。
【０２２９】
電極とポリマーとの間の接触部は、繊細な界面であり、ノイズおよび信号劣化の潜在的な発生源である。いくつかの実施形態は、ワイヤをリード線にはんだ付けすることと機能的に同等な、堅固な機械的接続を確実にするために、電極の挿入を精緻化する。人間での試験について、他の実施形態は、より幅広い群のデバイスおよび形状を含み、それによって、特定の握持タスク、およびモジュール式の埋め込み幾何学形状として注入されたセンサを使用する手の構成を試験する。
【０２３０】
木毛は、脳卒中後のユーザを、神経可塑性を促進するために、手の伸長および認識の反復運動において測定および支援するための、手−手首用デバイスである。木毛系の詳細は、２０１１年１２月５日に出願された米国特許出願第６１／５６６，７３７号で見出され得、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０２３１】
木毛系のサブアセンブリは、より少ない時間、より少ない構成要素、およびより少ない費用で、どのように感知素子を埋め込むことができるのかについて検査した。対象物体およびＬＥＤシンブルはどちらも、本明細書で説明される実施形態に従って構成されるセンサを使用して再設計した。
【０２３２】
力感知設計は、円筒パック設計の内側に適合するように修正した。これらの円筒のいくつかは、把握研究のために中空の球状物体設計の空洞の中に適合させて、握持運動を行うときの接触面を評価した。
【０２３３】
３つのパックは、それらが球状物体の中へ挿入される前に、静的重量で較正した。それらは、物体の内部にあるときに機能し、３つの増幅器回路との独立した動作は、様々な運動の程度で、指先からの接触を独立して登録することができる。将来の作業は、各指先および特定の握持タスクの目的に関して、相互作用力を既知の測定と比較することを含む。
【０２３４】
［導電性ＬＥＤシンブルおよび視覚フィードバックツール］
導電性シンブルの第１のバージョンを製作することは、時間およびエネルギーを大量に費やし、電子部品の準備、成形、内部に懸下される構成要素との鋳造、およびその後の銅メッシュの巻き付けといった複数の段階が必要である。説明される実施形態に従って構成されるバージョンにおいて、中空チャネルは、ワイヤのように作用するシンブル内部に設計した。各シンブルは、電池に接続される内蔵型回路である。ワイヤのための注入ポートは、指パッド領域の下に位置し、除去されると、背面のＬＥＤを起動させるスイッチを閉じるための２つの接点である。一実施形態において、閉鎖は、２つの接点が導電性材料と電気的に接触したときに生じ、よって、２つの接点は、導電性材料を通して互いに電気的に接続される。別の実施形態において、閉鎖は、接点の１つと関連付けられる導電性材料が片持ち配置で位置し、よって、任意の材料との導電性または非導電性接触が、接点を互いに電気的に接触させ、それによって回路が閉じるので生じる。
【０２３５】
この比較的簡単な実現例は、元の実現例よりも頑健であり、単一のステップで製作され、その後に注入段階が続く。図２５で示されるように、チャネルは、シンブルスイッチ内部に埋め込まれる。ＬＥＤは、注入ポートが取り除かれると、電池およびワイヤと直列に挿入される。注入部位は、瞬間スイッチの電極のように作用する。導電性シンブルは、運動またはゲームのための接触スイッチまたは金属製検出器として使用することができる。
【０２３６】
図２６において、２分割でカスタム設計の手首載置型電子デバイスは、導電性経路（すなわち、配線）を実現するための埋め込みチャネル、ＬＥＤインジケータ付きの内蔵電池、および磁気ロックとともに示される。チャネルが歪んでいないときに、チャネル内の導電性材料は、最小の時間依存容量特性のため、ワイヤとして作用する。手の部分片外部は、マネキンの手の３Ｄ走査から設計される２つの部品として構築した。２つの部品が手を包み込むと、回路が閉じる。導電性ポリマーが歪まなければ、回路は、ワイヤのように作用する。バックライトのためのＬＥＤに電力を供給するためのこの場合、画像をＳＬＡ  Ａｃｃｕｒａ４０プラスチックに圧印加工した。２つの半部が、磁石がそれらを固定するのに十分近いときに、２つの半部の間で回路が閉じ、インジケータ光が作動する。装着者がタスクを完了することを必要とする、手の機敏さまたはバランス運動について、視覚フィードバックは、成功を示すことができる。同様に、ワイヤは、ＬＥＤ照明に加えて、ピエゾブザーを介して聴覚フィードバックに接続するために使用することができる。
【０２３７】
黒鉛サスペンションは、ワイヤを構成する純銅または他の金属よりも高い抵抗率を有するが、依然として、部品の中へ注入されると、一貫して電力を伝送することができる。同じタイプの注入ポートおよびハードウェアを使用すると、管断面を、電流の引き込みを制限するために、直列の小型抵抗器と同様に作用するように指定することができる。これは、抵抗器をワイヤに沿って分散させる選択肢を提供し、ドーピング濃度または断面を変動させることによって、異なる抵抗特性を達成する。
【０２３８】
短下肢装具（ＡＦＯ）の適合性は、その機能に直接影響を及ぼし、大きい表面および詳細な特徴を含む。例えば、腓骨頭部が圧力をほとんどまたは全く受けないように、カーフバンドの周囲および脚の周囲で高い快適さレベルを維持することが重要である。後部板ばね（ＰＬＳ）ＡＦＯは、それらが、揺動中に足底屈を低減させることによって下垂足を治療することを可能にする、特定のトリムライン構成を有する。しかしながら、重度の腫れもしくは浮腫、不安定な足首、または他の短下肢の奇形を有する患者は、大量生産の適合性が不十分であるので、汎用の後部板ばね装具を使用することができない。加えて、複数の足の病気を伴う患者は、患者が低コストで迅速に利用できるようにすることができる、カスタマイズしたＡＦＯを必要とする。ＲＰ  ＡＦＯの製作において、その目的は、足首の力学を支持および制御する一方で、優れた快適さを提供することに関して、標準ＡＦＯの有効性に一致するか、またはそれを超えること、および歩行障害から生じる被験者の特定の解剖学的構造および必要性に対してカスタマイズすることによって適合させることであった。
【０２３９】
デジタルプロセスモデルは、義肢装具士の経験値および定量的設計目標を維持すること、および記録することが困難である手作業の動作およびプロセスを最小にすることによって、従来の装具の適合、製作、および処理に展開する。製作を自動化することは、鍵となる生体力学パラメータから施術者によって選択される幾何学形状を維持する一方で、カスタム医療デバイスの速度および入手可能性を高める。各患者のデジタル記録を保存することによって、脚〜胸部の物理的コピーを倉庫に保管するという高コストの必要性を省く。長時間にわたる記録はまた、施術者が、それらの解剖学的構造の以前の段階に戻り、筋肉組織の明確さおよび残存する回内運動について、経時的な変化を比較することも可能にする。ＡＦＯモデリング段階の全てがデジタル的に伝送され得るので、データ操作、製作、およびデータ記憶の物理的場所は、もはや、必ずしも義肢装具士のクリニックでの形態獲得に隣接するとは限らない。これらの技術と現在の装具分野との統合の最も大きい利益の１つは、それらのコストおよび関与が、義肢装具士に拡張可能であることである。図２７は、カスタムＲＰ  ＡＦＯを作成するためのプロセスを図示する。
【０２４０】
動作は、３Ｄスキャナからの患者固有の解剖学的表面データを利用し、コンピュータ支援設計ソフトウェアを使用して表面データを最適な形態に操作し、次いで、製作のためにＣＡＤソフトからＲＰ機械にデジタル出力をダウンロードするために、精緻化した。ナイロン１１粉末を使用する新しい選択は、義肢装具士によって現在使用されているポリプロピレンの範囲に類似する、延性材料特性を提供した。加えて、材料は、時間安定的で、洗うことができ、また、有害反応について皮膚に浸出しない。歩行分析は、ＳＬＳ  ＡＦＯが、健康な被験者の歩行に影響を及ぼして、歩行中に足首の足底屈を低減させ得ることを示したが、それは、下垂足の危険性を緩和するための通常機能である。カスタム装具構成要素のためのＡＭプロセスを使用することは、様々な程度で、ＡＦＯについて部分的または完全に調査したが、主に、ナイロン１１粉末によるＳＬＳプロセスを使用することを提案した。文書作成時に、ＳＬＳナイロンから完全に製作されたＡＦＯを伴って歩行する成人の歩行分析について、結果は、公表されなかった。
【０２４１】
修正された走査方法論は、短下肢複合体の表面を正規化し、走査データの変動を最小にすることが必要であった。不透明で白色のナイロン鋳造靴下は、付属肢の上へ伸ばすことができ、肌の色合いのあらゆる変動をほぼ完全に除去することができるが、鏡面反射を減少させ、また、肉を圧迫する。したがって、付属肢を削る必要なく、毛髪による潜在的な問題も除去される。伸ばしたときに、靴下は、０．２５ｍｍの厚さを皮膚表面に加える。
【０２４２】
短下肢複合体は、脛骨および足の相対的な配向に関して、距骨下中間位にあった。下肢の姿勢は、スキャナが、同じ視界で足の腹面および脚の後ろ側を観察することを可能にするために、若干仰向きであった（前方に傾いて支持された）。走査異形および不十分な適合の輪郭は、各個々の点クラウドに対する、局所曲率の最大比較、およびガウス形穴充填アルゴリズムによって除去される。きれいな点クラウドは、次いで、単一の点クラウドにマージされ、表面メッシュが適合される。走査中には、患者の解剖学的構造に関連するデータ、ならびに、除去しなければならない環境および義肢装具士の手による余分なデータが取り込まれる。患者の解剖学的構造と全ての他の点との間で、色における大きいコントラストを作成することによって、望ましくないデータが、ボクセルに対する色相および飽和の範囲に従って、除去され得る。患者の靴下で覆われた付属肢からの白色バランスは、義肢装具士の青色の手袋のため、義肢装具士との高いコントラストを有する。青色の手袋によって塞がれるいかなる表面も、走査によって登録することはできないが、施術者の手が患者の足首上の異なる場所に移動したときに取り込まれる別のメッシュから加えられ得る。
【０２４３】
物理的プロセスおよびデジタルプロセスの双方でＡＦＯ形状モデルを開発するために、かなりの量の主観的表面の操作が必要とされる。ＡＦＯデジタル走査に対する修正は、依然として、各領域の場所およびオフセット距離について、義肢装具士の指示を使用する。Ｒａｐｉｄｆｏｒｍのような３Ｄ操作ソフトウェアは、脚走査の表面を、クリーニングされ、修正され、そしてパラメータ化されたＡＦＯデジタルモデルと比較するために、表面オーバーレイの偏差分析を行う能力を有する。
【０２４４】
図２８Ａは、点クラウド精緻化（ＡＦＯデジタルモデル精緻化段階）のためのデジタルプロセスのフロー図を示す。
【０２４５】
各クリーニング手順中に、局所的な不規則性を検出するために、検査および分析を行うことによってＡＦＯ曲率プロット線の連続性を評価することが重要であった。表面メッシュは、理想的には、連続する滑らかな表面でなければならない。表面が良好に整うと、４つの側部のＮＵＲＢＳモデル表面のパッチが、ＣＡＤの式駆動の特徴参照として機能するように、メッシュに適合される。ＣＡＤになると、特徴をオフセットするか、表面を厚くするか、空洞を作成するか、または特徴を押し出すために、表面が参照され得る。
【０２４６】
ポリアミドナイロン１１「Ｄｕｒａｆｏｒｍ  ＰＡ」を使用したセンサ化されていないＡＦＯを製作して、ＡＦＯを製作するためにＳＬＳプロセスを使用する際の課題、ならびに健康な被験者の歩行に対するその動的効果を検査した。熱可塑性プラスチックが完全に焼結されると、いかなる吸入危険性もなくなり、オートクレーブ処理または洗浄することができる。この材料は、米国薬局方（ＵＳＰ）のクラスＶＩの生体適合材料として等級分けされ、表面接触に対していかなる危険も起こさず、最高で３０日間、体内に植付することさえできる。焼結ナイロンの機械的特性は、現在義肢装具士によって利用されている押し出しポリプロピレン材料の範囲内である。加えて、ＦＤＭおよびＳＬＳの双方によって使用される熱可塑性プラスチック材料は、選択的に加熱され、材料が再冷却し、固化する前にそれらの特徴表面が調整され得る。
【０２４７】
トリムラインの構成および材料厚さ（３ｍｍ）は、半可撓性のポリプロピレンＡＦＯに一致するように設定した。ＡＦＯの機械的材料性能およびＺ軸を最適化するために、構築配向は、アキレスに沿って水平データを整列させることによって、引張降伏点を最大にするように設定した。使用するＡＦＯは、Ｐ７３０ＳＬＳシステム（ＥＯＳ、Ｎｏｖｉ、ＭＩ、ＵＳＡ）で構築した。このＡＦＯの高さは、利用可能なＳＬＳ構築プラットフォームを収容するために、通常定められている高さよりもおよそ１５％短く設計した。脚に接触する領域の適合性は十分であった。
【０２４８】
義肢装具士は、各装着者との詳細な対話を続け、通常は、新しいＡＦＯを装着した後に、クリニック内またはその近くを２０分間歩行させる。正規の歩行分析が最も有益な定量化可能な評価であるが、僅か１０分の略式の歩行であっても、問題を含む／不快に感じる適合性を有する領域が分かる。水疱、挟み、腫れ、または赤みの場所および重篤性は全て、適合の快適さのよく見られる指標である。
【０２４９】
横方向のトリムラインは、ＡＦＯの硬さのレベルを設定し、初期の歩行分析によって患者に対して定められる。トリムラインの傾斜およびテーパーは、患者の必要性に対して主に質的に評価される。２つのカスタムポリプロピレンＡＦＯを、従来のプロセスを使用して製作した。ＡＦＯ−Ａは、市販のポリプロピレン後部板ばね装具であり、最も近い利用可能な適合性によってサイズ決定した。ＡＦＯ−Ｂおよび−Ｃは、背屈および足底屈角度においてより大きい（柔軟な）自由度を与え、また、運動範囲により少ない（半柔軟な）自由度を与えるように、トリムラインの輪郭に基づいて製作した。歩行におけるＡＦＯの役割は、指定された運動範囲が、最高の快適さおよび装着者のエネルギー消費の最小の増大を伴って、歩行対称性および歩調範囲を増加させることを可能にすることである。自己選択した歩調、足首の運動範囲、および足首のエネルギーにおけるトライアルを、装着者に対してどちらもカスタム構築した、ＲＰと従来のＡＦＯとの間で歩行について比較した。
【０２５０】
被験者の歩行パターンを特徴付けるために、反射マーカーを、被験者の骨盤および膝、足首、ならびに各脚の足の追従する特定の解剖学的目標に配置した。また、追加のマーカーを、ワンドに強固に取り付け、大腿中央部および脛中央部上に配置した。被験者は、歩行トライアルの全てにわたって、自己選択した快適な速度で２０フィート（約６メートル）の歩道に沿って歩行するように指示された。８カメラモーションキャプチャシステムは、歩行トライアル中の反射マーカーの３次元軌道を記録した。歩道表面に埋め込まれた２つの力プラットフォームは、足のプラットフォーム上への接触中の３次元地面反力およびモーメントを記録した。
【０２５１】
被験者は、以前にいかなる歩行障害または認知障害もない、右足が利き足で健康な成人であり、右側にＡＦＯを装着した。歩行評価中に、次の４つの異なる条件を試験した。１）スニーカーでＡＦＯなし（「ＡＦＯなし」）、２）標準ポリプロピレン後部板ばねＡＦＯ（ＰＰ  ＰＬＳ）、３）可撓性のカスタムＡＦＯ（ＰＰ  Ｆｌｅｘ）、および４）カスタムＲＰ  ＡＦＯ（ＳＬＳ  ＲＰ）。レベル歩行トライアル中、異なるＡＦＯのそれぞれを被験者の右脚に適合させた。力プラットフォームの上への各足の接触を伴う５つの歩行トライアルを、各ＡＦＯ条件について収集した。
【０２５２】
足首背屈および足底屈角度は、近似標準偏差とほぼ同等である。各ブレース条件によるデータは、「ＡＦＯなし」の右脚の特徴と比較された。ＳＬＳ  ＡＦＯの運動範囲は、正常な歩行に相当するパターンおよび大きさ、ならびに、左足首と右足首との間の対称性を呈した。背屈角度は、他のＡＦＯ条件と同じくらい大幅に低減するように見えないが、足底屈は減少した。歩調は、トライアル間で一貫しており、「ＡＦＯなし」の歩行と同等であったが、これは、ブレース条件が歩行を著しく阻害しなかったことを示す。
【０２５３】
「ＡＦＯなし」の右足首の周りのモーメントは、正常な歩行による大きさおよび時間的パターンに一致した。ＰＰ  ＰＬＳおよびＰＰ  ＦｌｅｘのＡＦＯについて、モーメント曲線の形状は、ピーク場所については「ＡＦＯなし」条件と一致したが、大きさは、それぞれ、２４％および１８％減少した。ＰＰ  ＰＬＳ（８４％）およびＰＰ  Ｆｌｅｘ（５７％）の双方について、足首で生成されるパワーが大幅に低減されたが、健康な歩行と同じパターンを呈する。これは、材料の抵抗運動から予想されるものであり、また、駆動された足底屈中の安定性を増加させることが必要な患者に対する利益にもなり得る。どちらのＡＦＯも、踵接地の直前にピークパワー周辺でより高い標準偏差を示し、ここでも、歩行パターンの不定性を示す。これは、標準のＡＦＯが作られるポリプロピレン材料のより大きい順応性、または、カスタムＰＰ  ＦｌｅｘのＡＦＯと比較した場合の被験者の足および足首の周囲でのＡＦＯの不十分な適合性によるものであり得る。
【０２５４】
２つの従来の（ＰＰ）ＡＦＯを比較したときに、それらは、歩行サイクル中の足首の運動学および動力学の制御に関して同様に機能し、材料およびトリムラインによっていくつかの僅かな逸脱を伴う。ＳＬＳ  ＡＦＯは、主にピークの足首角度が僅かに減少するといった、歩行に対するいくつかの小さい影響を有するが、ＰＰバージョンまたは市販品条件のいずれかよりも少ない衝撃を有する。最も可能性が高い寄与要因は、それが他のカスタム設計よりも短いので、そのより小さいモーメントアームによって足首を保持すること、および補剛することができないことである。これはまた、「ＡＦＯなし」の条件と比較して、つま先が離れている間、足首のパワー解放が変化しないので、右側の足首−パワーのグラフにも見られる。
【０２５５】
ＳＬＳ  ＡＦＯを構築するためのプロセスは、容易に成功し、低減された設計高さであっても、いくつかの生体力学影響を有した。より長い期間にわたって装着した場合、このより小型のバージョンは、上縁部をアキレスに沿って脚の中間まで掘り下げているので、不快に感じるようになる。１対の新しいＡＦＯ、すなわち、いかなるチャネルも有しない中実バージョン、および説明される実施形態に従って導電性ポリマーを受容するためのチャネルが計装されるものを設計した。基本設計は、後部高さが実際のポリプロピレンＡＦＯに一致して、歩行に対して適切な衝撃を有するように修正され、また、感知シリコーンのための中空管を有するバージョンおよび有しないバージョンの選択肢を有する。
【０２５６】
カスタムＳＬＳバージョンであっても、現在、ＡＦＯの寿命のどの段階にあるのかを知るための方法の必要性ある。製造方法としてＳＬＳプロセスを使用することによって、感知素子を埋め込むことによって加えられる、比較的小さいオーバーヘッドの作業負担または複雑さがある。ＡＦＯは、装着者に対する顕著な視覚的影響または顕著な感触を有することなく、塑性的に変形し始め得る。使用中に予想外に故障した場合、落下またはつまずき等の重篤な障害が生じ得る。埋め込みセンサは、臨床医および患者に、その寿命にわたって、疲労したＡＦＯの状態に関するデータを提供し得る。
【０２５７】
図２８Ｂは、装着者と相互作用するセンサおよびＡＦＯ機能の概要を示す。初期状態で、ＡＦＯは、装着者の歩行を支援し、安定させるように十分に機能する。電気抵抗（赤色の線）の範囲は、最初に、低程度の歪み範囲（青色矢印）である。経時的に、ＡＦＯは機械的に疲労し、歪みの範囲を増加させることを可能にする。センサ抵抗値が閾値を超えて、ＡＦＯの塑性変形を示すときには、その安全な動作上の寿命が終わりに到達したことを示し、装着者に検査または交換するように促す。これはまた、患者のフィードバック、デバイスおよびその着用者の生体力学的分析、ならびに埋め込み感知素子によって経時的に測定される測定値の分析に基づいて、必要に応じて、設計および幾何学形状の変更を反復することも可能にする。これらの反復は、材料の厚さ、材料の縁部を示すトリムライン、埋め込み構成要素の場所、製作プロセス中に生成される材料の密度、等を修正することを意味し得る。
【０２５８】
他の利用可能なセンサタイプと比較すると、説明される実施形態に従って構成されるピエゾ抵抗に基づくセンサは、歪みゲージ対する大き過ぎる変形に適応することができる一方で、ＡＦＯ材料内の中空の空洞の中へ容易に適合するので、統合することが最も容易であった。ＳＤＭ手法で使用される代替例は、ファイバブラッググレーティングセンサであり、電磁干渉を含まない、優れた歪み感知の選択肢である。この用途でそのような技術を使用することに対する障害は、ＡＦＯ内のチャネルを通してガラス管を挿入することである。これは、ガラスと材料本体との間の隙間を維持するが、感度を高く保つためにいかなる隙間も有しない、という矛盾する要件を伴う。説明される実施形態のセンサを使用した再設計について、導電性ゲルを充填する利用可能な空間を作製するために、材料は、チャネル空隙を作成するためにＣＡＤにおいて除去される。感知するためのトレードオフとして、この材料を除去する生体力学効果を検査するために、ＳＬＳ  ＡＦＯの２つのバージョンが必要であった。
【０２５９】
非接触３Ｄ走査および立体造形法を介して、ＲＰ  ＡＦＯを生成するプロセスに関する、ＡＦＯ構築の計装。図２８Ｃは、カスタムセンサ化されたＡＦＯの作成、計装、適用、およびロギングのためのプロセス図を示す。
【０２６０】
適切な挿入部位を決定することは、ＡＦＯの疲労を早期に通知するために必要とされる。破壊は、通常、応力集中が最も高いアキレスの基部周辺で生じる。歪み分散を識別するために、ＡＦＯの幾何学形状の有限要素モデルを、（規範的な歩行データからトルクおよび角度パラメータを使用して）曲げにおいて検査した。シミュレーションは、前頭面と平行な軸で、足首関節を通して印加されるモーメントに対するＡＦＯの応答について検査した。四面体要素を使用して、ＦＥＡについて、４９，７１７個のノードのメッシュを、Ｃｏｓｍｏｓ（Ｄａｓｓａｕｌｔ  Ｓｙｓｔｅｍｅｓ、Ｗａｌｔｈａｍ、ＭＡ、ＵＳＡ）で生成した。
シミュレーション限度：
●  足首の主要な運動は、矢状面にあり、よって、分析は、この面で撓ませて行った
●  物理的な足首の回転軸は、歩行中に背屈と足底屈との間で交互するが、モデルにおける印加モーメントの軸は、矢状面に垂直の状態を維持した
【０２６１】
ナイロン１１の等方的な材料特性を使用して、印加モーメントの大きさに従って後面を通って歪みが伝播する態様を検査するために、負荷をシミュレーションした。感知範囲内で機械的歪みを呈する領域に従って、ＡＦＯにおいてセンサの幾何学形状を測定部位に移すことを選択する。歪み領域が拡大し、大きさが増加するにつれて、この実施形態の縁部は、０．０８６３の歪みというその感知飽和点を超えて伸ばされることなく、歪みを登録するのに十分近くなければならない。より大きい直径での注入を容易にする一方で、構築解像度についてＡＦＯの両側で０．５ｍｍの壁厚を維持するために、２ｍｍの管断面を選択した。
【０２６２】
ＡＦＯを設計するためにＣＡＤを使用することのさらなる利益は、載置ハードウェアおよび治具を容易に統合することである。電子部品を収容するかまたはＯＥＭのカフを取り付けるために、４つの装着穴を頂部に構築する。これは、センサ精度が最も必要であるアキレスの基部でＡＦＯの応力分布に影響を与えることを回避するために、脛骨支持体の上端に選択される。２つの感知チャネル設計を、歪み区間の縁部の中へ到達する後部に沿って含めた。中間および側方タブは、構築時間および材料コストを低減させるために、設計から除去した。また、分析条件は、チャネルの終了場所を反復するために再実行した。図２９は、空洞（右縁部）およびカーフタブを除去した、ＡＦＯのＣＡＤの後面像を示す。チャネル場所は、この新しい設計によるＦＥＡを使用して更新した。
【０２６３】
ＡＭ製作チャンバの除去後は、センサの空洞および内部特徴からナイロン粉末材料を取り除くことに、特に注意した。感知およびデータ伝送構成要素は、中空空洞の中へ挿入されるか、または締結具を介して取り付けられる。ＡＦＯ表面は、粘着性の粉末を除去するために、ビーズブラスト処理した。図３０は、３つのＡＦＯの比較を提供する。従来のポリプロピレンＡＦＯ、非計装のＳＬＳ  ＡＦＯ、およびＳＬＳ  ＡＦＯを、説明される実施形態に従って計装した。下の表は、３つのＡＦＯのさらなる比較を提供する。
【表１０】
2014533975.tif 000015
【０２６４】
図３１は、説明される実施形態に従って計装される、ＡＦＯ上のチャネル注入部位の特徴の詳細を示す。中空チャネルの分解は、ＡＦＯに沿った内部を示す。感知チャネルは、この場合、曲げの際の片持ちビームの引張側のように作用する。
【０２６５】
歩行評価は、歩道においてＩＲモーションキャプチャおよび外部負荷セルの組み合わせを使用した。Ｖｉｃｏｎシステムのカメラのそれぞれは、ＩＲストロボ光を放射し、反射されると、３Ｄ空間で各マーカーのグレイスケール像を提供する。次いで、各マーカーの座標を、マーカーの三角測量からカメラ内で計算し、マーカーを自動的に追跡して、逆運動学を使用して３Ｄ軌道を確立する。動力学的および運動学的な特徴を記録するための手順は、骨盤および下肢の鍵となる解剖学的関節位置上に逆反射マーカーを取り付けること、および歩道に沿って歩行して、力プラットフォーム毎に１歩毎の踵接地を登録することから成る。ＳＬＳ  ＡＦＯの第１のバージョンと同じプロセスを使用して、反射マーカーを、骨盤および下肢に配置した。マーカーの任意の移動を補償するために、各ブレース条件間で静的測定を行った。ＡＦＯは、「罹患側」としての右脚に装着し、「無罹患側」としての左脚を伴う。
【０２６６】
歩行動力学および運動学は、次の４つのブレース条件間で記録した。
●  ＡＦＯなし（スニーカー歩行）
●  従来のＡＦＯ
●  ＳＬＳ  ＡＦＯ  センサチャネルなし
●  ＳＬＳ  ＡＦＯ  センサチャネルあり
【０２６７】
従来のＡＦＯは、義肢装具士によってポリプロピレン熱可塑性プラスチックから製作され、可撓性の支持体、ならびに背屈および足底屈においていくらかの抵抗を提供することを目的とした。２つのＳＬＳバージョンを、半可撓性のＰＬＳ  ＡＦＯの類似するトリムラインに従って、３Ｄ走査から設計した。基本的な生体力学試験の目標は、次の通りである。
●  ＡＦＯが新品であるときに歩行に対する各ＡＦＯの基本的な生体力学効果を確立する
●  チャネルに起因する２つのＳＬＳバージョン間の差の大きさを検査する
【０２６８】
試験被験者の歩行パターンは、正規母集団データと比較して基本的な測定値以外であるが、依然として健康な歩行を有するとみなされる、足首角度および足首モーメントのような、いくつかのグラフを有する。トライアルの時間的パラメータは、下の表に要約される。
【表１１】
2014533975.tif 000016
【０２６９】
足首角度は、踵接地中および立脚中のより大きい背屈、ならびに母集団よりも少ない足底屈にあり、規範的なデータの平均またはより高い端部でピークのつま先離れを伴う。被験者は、規範的な母集団というよりはむしろ背屈における足首角度で踵接地に近づき、歩行サイクルにおいておよそ５％遅れて自然なつま先離れを有する。場合により、被験者は、スニーカー（ＡＦＯなし）歩行の踵接地およびつま先離れの角度によって示されるように、規範的な母集団よりも大きいステップを取る。左側と右側との間の自然な差は、左側よりも右側について、より高い背屈および足底屈角度を示す。
【０２７０】
全てのブレース条件は、歩行イベントの時間的パターンを大幅に修正せずに、右側の足底屈の運動範囲を大幅に減少させる。これは、下垂足を防止するＡＦＯの効果と一致する。背屈スタンス中のピーク角度は、全てのＡＦＯ条件の間で比較的変化しないが、踵接地中の角度は、５０％以上減少する。同様に、スタンスおよび揺動のピーク膝角度はどちらも、おそらくは歩幅長が減少したので、ブレース条件のいずれかの間、著しくより小さい。全てのブレースは、膝角度に類似の影響を及ぼし、歩行サイクルにおいてピークの屈曲が僅かに遅れて行われる（正常な歩行での被験者の遅いつま先離れと同様）。
【０２７１】
また、反対側がブレースを装着しているときに、ピークの足首の足底屈角度が増加し、また、ピークの足首屈曲角度も３〜５°増加するので、無罹患（左）側がいくつかの補償方策を有することも可能であるが、この値は、収集されるトライアルの標準偏差の範囲内であるので、結論的ではない。
【０２７２】
無罹患側の足首モーメントは、比較的変化しないが、依然として、規範的な母集団のより高い端部上にあり、ピークモーメントは、標準偏差よりも僅かに高い。被験者の右側は、歩行を通して２０％のパワーの自然増を有するが、これは、完全に特異であるというわけではなく（ここでは、Ｎｅｐｔｕｎｅの歩行の論文を参照）、規範的な母集団データに見られない。このバンプは、おそらくはブレースを装着することによるより遅い歩行速度のため、ＡＦＯのいずれかを装着したときに緩和されるようになり、また、ピークのモーメントも減少する。下の表は、ＡＦＯを装着する右「罹患」側のピーク歩行値を示す。
【表１２】
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【０２７３】
２つのＳＬＳ  ＡＦＯは、ピークの背屈および足底屈を減少させるために互いに２°以内の足首角度に対する類似の影響を有し、さらに、従来のバージョンと同程度の足底屈角度も有する。ポリプロピレンは、ガラス繊維入りＤｕｒａｆｏｒｍ  ＥＸよりも可撓性であり、その衝撃は、減少した踵接地およびつま先離れの角度においてこの相違を示す。伸長および屈曲に対する右側のピーク膝角度は類似しており、「ＳＬＳ  センサり」バージョンは、事実上、「ＳＬＳ  センサなし」バージョンよりも従来のものに近い。前者の中空空洞は、ＡＦＯが中空であった場合よりもＡＦＯを僅かに軟かくし、すなわち、より多くの可撓性の従来のバージョンに密に近似する。「ＳＬＳ  センサなし」よりも可撓性であるが、３つの間でのつま先離れ中のピーク足底屈角度によって示されるように、依然として、従来のバージョンよりも硬い。反対側において、膝角度およびモーメント補償効果は、３つのブレース条件の間でほぼ同じであると思われる。
【０２７４】
ＳＬＳ  ＡＦＯによる歩行に対する影響は、両脚に対する従来のＡＦＯの範囲内であった。ポリマーを受容する中空空洞を有するバージョンは、ピーク角度中に僅かに多い可撓性を有するように振る舞ったが、従来設計とセンサ化されていない設計との間で中間の効果であった。
【０２７５】
歩行の衝撃およびＡＦＯの機械的状態は、その予想寿命の開始時および終了時に評価することができる。２４ヵ月にわたる使用の疲労をシミュレーションするために、第１の歩行分析によるパラメータを、ＡＦＯ試験ベッドにおいてモータコントローラに入力して、トルクを印加し、ＡＦＯを疲労させた。調整可能な留め具およびプラットフォームは、試験ベッドの回転軸が、（脛骨の基部の周りで）ＡＦＯと一致することを可能にする。ヒンジ付きの代用脚の設計を、装着者の脚と同じ方法でモーメントプロファイルをいくつかの類似する他の設計に適用するために使用する。
【０２７６】
ポリマーセンサ部位と一致する後面に接着される歪みゲージは全て、定期的にデータを取り、材料の歪み状態を検査し、ならびに、２つのセンサタイプの性能を比較する。モーターギアボックス内部のロータリエンコーダは、ＡＦＯの背屈／足底屈角度を測定することができ、ＡＦＯ／代用インターフェースでの負荷セルは、負荷に抵抗するときの相互作用力を測定することができる。
【０２７７】
中空空洞を有するＳＬＳ  ＡＦＯがＳＬＳ中実バージョンと従来バージョンとの中間で機能したことを考えれば、感知材料ために材料が除去されても、従来のＡＦＯのある変形例の機械的特性に一致することもあり得る。ＡＦＯ試験ベッドを使用したその機械的効果のさらなる特徴付けによって、従来バージョンの影響をより密に近似することが可能であり得る一方で、その内部に埋め込まれるセンサのさらなる利益も有し得る。ナイロン１２の表面仕上げは、ガラスビーズのため、かなり粗く、それは、アキレスのほぼ全長にわたって延びるチャネルを通じて材料を注入するという課題を提起する。
【０２７８】
ＡＭ手法を使用してＡＦＯ構築の利点を精緻化するためのプロセスとして、カスタムプロセスをモジュラー設計および調節可能な取り付け具と組み合わせることが、将来の作業に対して考慮される方策である。唯一のカスタム構築領域は、骨の領域を安定させる足首の周囲であるが、軟質組織を包み込むカフには既製のソリューションを使用する。最後に、モジュール式の機械的剛性およびばねの復元を提供するために、交換可能な負荷梁が後部で２つの領域を接続する。
【０２７９】
最後に、モジュール式の機械的剛性およびばねの復元を提供するために、交換可能な負荷梁が後部で２つの領域を接続する。これは、「カスタム構築は、必要最小限の構成要素数に限る」という設計の意図に従う。
【０２８０】
説明される実施形態はまた、部品が構築されるときにそれらの内部に電子部品を製作する、ＡＭハードウェアも利用することができる。例えば、従来はセンサから遠隔に位置する計装を、少なくとも部分的に、センサ自体とともに埋め込むことができる。データ獲得および測定と関連付けられる増幅器、フィルタ、比較器、バッファ、および他のそのような要素等の構成要素を埋め込むことができる。
【０２８１】
他の実施形態は、以下の改善点を含み得る。
【０２８２】
［粒子最適化の研究］
導電性エラストマーを作成するプロセスは、より均一の形状およびサイズを有する粒子に対する精緻化をもたらす。これは、容積抵抗率の繰り返し性および均一性を高める。導電性粒子のより高い密度のトレードオフは、より脆い機械的特性およびより低い弾性限度である。弾性シリコーンのための他のタイプの配合物を検査することで、より広い範囲の弾性変形の弾性限度を増加させることができる。より少ない溶媒（反応抑制剤）の漏出量を有する他のタイプのシリコーンは、硬化時間を短縮させることができる。
【０２８３】
［ニッケルを含まない代替の材料を検査する］
ニッケルを含有する導電素子を使用するという現在の選択は、いくつかの実施形態では使用され得ない。ニッケルは、変換器の応答から力を逆算するときに、モデル化することが非常に困難であり得る、非線形ゲージ率を有する。加えて、疑問の余地がある、ニッケルの使用に対する問題となる長期的健康危険性がある。いくつかの実施形態では、シリコーンＲＴＶサスペンションで微粉化グラファイト粉末が使用され得る。加えて、黒鉛は、それ自体では非毒性であり、また、生体に適した、さらには家庭用の材料から作製される、複数の導電性材料の組み合わせが提示されている。
【０２８４】
［感知チャネルの数および密度を増加させる］
いくつかの実施形態において、同じチャネルの直線配列および円形配列は、力感知の解像度を増加させることができ、また、センサに対する非垂直（接線）負荷の検出を改善することができる。マトリクスの層は、類似する力の範囲であるが、より多くの軸において検出するために、高い力（低い歪み）の上に低い力（高い歪み）のセンサを層にすることによって、最大力感知飽和点を増加させ得る。
【０２８５】
［手首、足首、首部、または頭部に対する、スポーツおよび危険な作業における保護パッドのための感知層］
いくつかの実施形態において、人間とそれらの外部と間の装着者固有の力センサの薄いＡＭ層は、怪我に対する早期警戒システムとして衝撃力を検出するために、感知「甲羅」を作成する。ヘルメットは、センサとともに計装されて、振盪または頭部外傷の早期警戒のために、頭蓋の特定の場所に対する衝撃力を検出し得る。
【０２８６】
［小型モバイルロボットのための事前計装構成要素］
小型の飛行／歩行ロボット（ならびにロボットデバイス）は、それらのエンドエフェクタ、四肢、および内部機構におけるセンサおよび自己診断のために、ミッションをカスタマイズすることができる。マイクロコントローラ、電力、および通信を有する標準コアユニットを、センサおよび電子部品とともにオンデマンドで構築される機構であるこれらの付属肢に接続することができる。図３２は、埋め込み歪み感知を有するロボット羽根、および地面反力からの衝撃を検出するために埋め込みセンサを有する、ロボット脚を図示する。ロボット構成要素の説明される埋め込みセンサは、フルサイズの非ロボット構成要素、例えばフルサイズの航空機の翼に拡張することができる。
【０２８７】
小型ロボットの四肢および操作者の状態を監視するために、説明される実施形態に従う埋め込みセンサは、足の裏に沿っているときに、移動中の脚の接触を検出することを補助することができ、または衝撃、衝突、または落下後の四肢の損傷を検出するために、体内に含めることができる。体内の中央コントローラは、あたかも機械的構造も感知構造であるかのように、外周要素に接続することができ、四肢の運動範囲を考慮する。
【０２８８】
薄い翼は、構造の風の乱れおよび健全性をモニタするために、埋め込みセンサから利益を得ることができる。スケールは、市販の大型旅客機と対照的に、スケールモデルの航空機または遠隔操作の趣味サイズに向いている。翼の形状は、構造のプロトタイプを作るために付加方法を使用することによって、既に精密に構築された自由曲面である。説明される実施形態に従うセンサは、シミュレーションモデルの妥当性を確認するために、風洞における試験モデルについてエンジニアにフィードバックを与えることができる。画像は、羽根先端部のセンサの場所を示し、これは、最も大きい歪みが生じる場所を調べる例である。これはまた、乱流に起因する振動に対するインジケータでもあり得る。羽根を航空機本体に取り付ける場所のような、他の鍵となる場所での望ましくない歪みを検出するために、説明される実施形態のセンサは、高い負荷の場合に塑性変形が生じているばあいに警告することができる。
【０２８９】
［片持ちポリマーブリッジの端部上の質量を使用する振動センサ］
片持ちビームの一方の端部に質量を加えることによって、センサの加速は、ポリマーブリッジを屈曲させる。この屈曲によって誘発される歪みの周波数および大きさのパターンは、加速について逆算することができる。
【０２９０】
［ロボットの外骨格と接続するための患者固有のカフ］
物理的治療におけるロボット外骨格の役割は、現在調査されている。この分野におけるそれらの操作モードは、依然として検査されているが、結果に関係なく、快適で安全な患者とロボットとの間の物理的インターフェースが非常に重要である。説明される実施形態の技術は、対象となる領域の３Ｄ走査に基づいて、計装された患者固有のカフを生成するために使用することができる。膝より下側および大腿の裏側の領域は、下肢インターフェースが骨に密着しており、（それぞれ）最も大きいトルクを生成することができるので、下肢インターフェースの一般的な選択肢である。足首−足複合体は、外骨格を機械的に接地するために使用されて、また、ロボットを垂直に接続する支柱の組織の圧縮および歪みを監視するために、埋め込みセンサから利益を得ることもできる。
【０２９１】
本発明は、その趣旨または基本的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化され得る。したがって、本実施形態は、あらゆる観点において例示的なものであり、限定的なものではないとみなされるべきであり、本発明の範囲は、上述の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、したがって、特許請求の範囲と同等の意味および範囲に入る全ての変更が、その中に包含されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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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２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図２８Ａ】
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【国際調査報告】
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