(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体化された電気部品を有するソフトロボットであって、
流体源に連通するように構成された入口を有する、膨張式または折畳み式の本体と、
前記膨張式または折畳み式の本体の一部に固定され、可撓性を有する歪制限層とを備え、
前記歪制限層は、少なくとも１つの電気部品を含み、
前記電気部品は、（ａ）リソグラフィにより画定されたワイヤ、（ｂ）蛇行して延びる導線、または（ｃ）前記歪制限層に適合するように固定された導電性トレースの少なくとも１つを備え、
前記膨張式または折畳み式の本体は、流体加圧時に開口または展開し、減圧時に閉口または折畳まれるように構成された１つ以上の可撓性または伸長性を有するチャンバを含む、
ソフトロボット。
【請求項２】
前記歪制限層は非伸長性である、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項３】
前記歪制限層は、０．１％以上５０％以下の伸長に適応可能である、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項４】
前記電気部品は、電圧、電流、またはインピーダンスを測定できる装置を含む、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項５】
前記電気部品は、電気信号を増幅、減衰、フィルタリング、またはスイッチングできる装置を含む、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項６】
前記電気部品は、供給された電圧および／または供給された電流の変化に応じて機械的または電気的な仕事をすることが可能な装置を含む、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項７】
前記電気部品は、供給された電圧および／または供給された電流の変化に応じて放射線を放出する装置を含む、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項８】
前記電気部品は、供給された電圧および／または供給された電流の変化に応じて温度を変化させる装置を含む、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項９】
前記歪制限層は２つ以上の層で構成され、前記電気部品は少なくとも２つの層に配置されている、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項１０】
前記電気部品であって異なる層にあるものどうしは、ビアを用いて互いに接続されている、
請求項９に記載のソフトロボット。
【請求項１１】
前記電気部品は、キャパシタとして機能するよう構成されている、
請求項９に記載のソフトロボット。
【請求項１２】
前記膨張式または折畳み式の本体は、互いに流体接続された複数の膨張式または折畳み式のチャンバを含み、
入口は、互いに流体接続された複数の膨張式チャンバのすべてまたはサブセットと連通するように構成されている、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項１３】
前記膨張式または折畳み式の本体は、流体加圧時に膨張し、または減圧時に潰れるように構成された１つ以上のエラストマーチャンバを含む、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項１４】
前記膨張式の本体は、成型体である、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項１５】
前記膨張式の本体は、積層体を含む、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項１６】
前記電気部品は、導線、電極、トランジスタ、光電池、電気化学検出器、バッテリ、スーパーキャパシタ、神経センサ、電気粘着パッド、ディスプレイ、電気機械変換器、スピーカ、マイクロフォン、光検出素子、レーザ距離計、音響距離計、アンテナ、発振器、インダクタ、誘導加熱器、キャパシタ、スーパーキャパシタ、電磁石、抵抗器、抵抗加熱器、リレー、光電池、整流器、ダイオード、ツェナーダイオード、ＬＥＤ、有機ＬＥＤ、ＣＣＤ、空気圧ポンプまたは油圧ポンプ、電気活性式ダイヤフラムバルブ、ソレノイドバルブ、マイクロコントローラ、論理回路、増幅器、演算増幅器、スイッチ、グローバルポジショニングシステム、ホイートストンブリッジ、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、ＲＦＩＤタグ、スパーク発生器、電力インバータ、アナログ‐デジタル変換器、サーマル撮像素子、およびセンサから選択される、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項１７】
前記センサは、熱センサ、歪センサ、化学センサ、生物センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス（ＭＥＭＳ）磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、ｐＨセンサ、堆積センサ、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、ＶＸガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、タブンセンサ、ソマンセンサ、ホスゲンセンサ、塩素ガスセンサ、爆発物探知機、アセトンセンサ、硝酸カリウムセンサ、過塩素酸カリウムセンサ、アンモニアセンサ、麻薬センサ、金属探知機、放射線検出器、および電流センサのうち１つ以上である、
請求項１６に記載のソフトロボット。
【請求項１８】
前記歪制限層に組み込まれた電気部品は、トランジスタ、オーディオスピーカ、ソフト歪みセンサ、静電容量式タッチセンサ、ＬＥＤ、神経センサ、圧力／温度センサ、バッテリ、または電気粘着デバイスとして機能するように構成されている、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項１９】
ソフトロボットを操作する方法であって、
請求項１に記載のソフトロボットを準備するステップと、
前記膨張式または折畳み式の本体を加圧するか減圧して前記ソフトロボットを作動させるステップと、
前記歪制限層に配置された前記電気部品に入力を与えるステップとを含み、
前記電気部品は、前記入力に応答して、電子またはそれに関連する場に作用し、または、前記電気部品の挙動または物理状態が、電子またはそれに関連する場により変更される、
方法。
【請求項２０】
前記電気部品は、電圧、電流、またはインピーダンスを測定する、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電気部品は、電気信号を増幅し、減衰し、濾波し、あるいは切替える、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記電気部品は、供給された電圧および／または電流の変化に応じて、機械的または電気的な仕事を行う、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気部品は、供給された電圧および／または電流の変化に応じて放射線を放出する（例えばＬＥＤである）、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記電気部品は、供給された電圧および／または電流の変化に応じて、温度を変化させる、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記電気部品は、トランジスタ、オーディオスピーカ、ソフト歪みセンサ、静電容量式タッチセンサ、ＬＥＤ、神経センサ、圧力サーマルセンサ、バッテリ、または電気粘着デバイスとして機能する、
請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１４年８月２２日に出願された米国特許出願第６２／０４０，９０５号に対して、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて優先権の利益を主張し、その内容は参照により組み込まれる。
【０００２】
［連邦政府による助成の記述］
本発明は、国防総省により授与された国防高等研究事業局（ＤＡＲＰＡ）認可番号Ｗ９１１ＮＦ‐１１‐１‐００９４と、全米科学財団により授与された認可番号ＤＭＲ‐０８２０４８４に基づいて、米国政府の助成によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
［参照組込み］
本明細書内で引用されるすべての特許、特許出願、および特許公開は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本明細書で説明される本発明の時点で当業者に知られた技術水準をより完全に説明するために、これらの刊行物の開示は、参照によりその全体が本出願に組み込まれる。
【技術分野】
【０００４】
本技術は、一般に、電子回路が一体化（集積）されたソフトロボットアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００５】
複雑なタスクを実行するために、機械は、硬質(hard)であるか軟質(soft)であるかにかかわらず、典型的に電気部品（モータ、センサ、マイクロコントローラ、ディスプレイ、ポンプ、バッテリなど）を一体化必要がある。ほとんどの電気部品は、高剛性の材料から作られており、動作時に伸縮・屈曲するソフトアクチュエータの本体に組み込むのは困難である。このような制限が、ソフトロボットシステムの分野の進歩に対して、技術的に大きな障害となっている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ソフトロボットには、一体化された（集積された）電気回路および／または電子デバイスが、可撓性および／または伸縮性を有する電子歪制限層に組み込まれている。ソフトアクチュエータの歪制限層は、装置の作動中に受ける歪みが最も少ないので、作動中に電気部品が受ける伸縮または変位が最少になるであろうという予想の下、電気部品をこの層に配置することが可能である。参照しやすいように、一体化された電気回路および／または電子デバイスが可撓性電子歪制限層に組み込まれたソフトロボットを、「電子ソフトロボット」と称する。
【０００７】
一態様では、一体化された電気回路を有するソフトロボットは、少なくとも１つのチャンバが本体内に配置されたエラストマー本体を備えている。前記エラストマー本体は、複数の相互接続チャンバへ入る流体を受けるよう構成された加圧口と、可撓性本体の片面に沿って配置された歪制限層とを備え、前記歪制限層は、少なくとも１つの電気部品を含む。
【０００８】
１つ以上の実施形態では、前記歪制限層は非伸長性であり、または、前記歪制限層は、３５％未満、４０％未満または５０％未満の歪み（例えば、０．１以上５０％以下の歪み）に適応できるものであってもよい。１つ以上の実施形態では、前記歪制限層は、膨張性エラストマー本体と比べて１０％より大きい、５０％より大きい、１００％より大きい、または５００％より大きい剛性を有する。
【０００９】
前述の実施形態のいずれかでは、前記電気部品が以下から選択される：導線、電極、トランジスタ、光電池、電気化学検出器、バッテリ、電気粘着パッド、ディスプレイ、電気機械変換器、スピーカ、マイクロフォン、光検出素子、アンテナ、発振器、インダクタ、誘導加熱器、キャパシタ、スーパーキャパシタ、電磁石、抵抗器、抵抗加熱器、リレー、光電池、整流器、ダイオード、ツェナーダイオード、ＬＥＤ、有機ＬＥＤ、ＣＣＤ、空気圧ポンプまたは油圧ポンプ、ソレノイドバルブ、電気活性式ダイヤフラムバルブ、マイクロコントローラ、論理回路、増幅器、演算増幅器、スイッチ、グローバルポジショニングシステム、ホイートストンブリッジ、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、ＲＦＩＤタグ、スパーク発生器、電力インバータ、アナログ‐デジタル変換器、光学撮像素子、サーマル撮像素子、ニチノール・アクチュエータ、およびセンサ。
【００１０】
前述の実施形態のいずれかでは、センサが、以下のうちの１つ以上である：サーマルセンサ、歪みセンサ、化学的センサ、生物学的センサ、神経センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス（ＭＥＭＳ）磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、ｐＨセンサ、堆積センサ（沈降センサ）、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、ＶＸガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、爆発物探知機、金属探知機、放射線検出器、および電流センサ。
【００１１】
前述の実施形態のいずれかでは、前記可撓性本体は成型され、または前記可撓性本体は積層板を含む。
【００１２】
前述の実施形態のいずれかでは、前記ソフトロボットは、前記歪制限層に配置されている１つ以上のセンサから得たデータに少なくとも部分的に基づいて、前記ソフトロボットの運動を制御する制御系を含む。
【００１３】
１つ以上の実施形態では、可撓性を有し、選択的に伸縮性を有する電子歪制限層を構成することにより、さまざまな電気部品をソフトアクチュエータの本体に組み込むことが可能であることを開示している。このソフトアクチュエータは、高伸長性エラストマーと低伸長性エラストマーを両方組み込み、歪みゼロから適度な歪みまで適応可能である多量の電気部品を、電子歪制限層に含むことができる。例示的であって非限定的な電気部品の例には、可撓性および／または伸縮性、さらに剛性を有する一般的な電子デバイス（例えば、トランジスタ、ディスプレイ、バッテリ、電気機械変換器、スピーカ、サーマルセンサ、歪みセンサ、圧力センサ、筋電センサ、光検出素子など）の実施形態がある。
【００１４】
１つ以上の実施形態では、フレキシブル電子部品が、前記ソフトアクチュエータにおいて前記歪制限層の機能を果たす耐力要素として用いられる。幾つかの実施形態では、前記歪制限層は非伸長性である。
【００１５】
別の態様では、
一体化された電気部品を有するソフトロボットであって、
流体源に連通するように構成された入口を有する、膨張式または折畳み式(collapsible)の本体と、
前記膨張式または折畳み式の本体の一部に固定され、可撓性を有する歪制限層とを備え、
前記歪制限層は、少なくとも１つの電気部品を含むソフトロボット、について記載されている。
【００１６】
１つ以上の実施形態では、前記歪制限層は非伸長性である。
【００１７】
１つ以上の実施形態では、前記歪制限層は、３５％未満、または４０％未満、または５０％未満の歪み、例えば０．１以上５０％以下の歪みに適応可能である。
【００１８】
１つ以上の実施形態では、前記電気部品は、電圧、電流、またはインピーダンスを測定できる装置を含む。
【００１９】
１つ以上の実施形態では、前記電気部品は、電気信号を増幅、減衰、フィルタリング、またはスイッチングできる装置を含む。
【００２０】
１つ以上の実施形態では、前記電気部品は、供給された電圧および／または供給された電流の変化に応じて機械的または電気的な仕事をすることが可能な装置を含む。
【００２１】
前述の実施形態のいずれかでは、前記電気部品は、供給された電圧および／または供給された電流の変化に応じて放射線を放出する装置を含む。
【００２２】
前述の実施形態のいずれかでは、前記電気部品は、供給された電圧および／または供給された電流の変化に応じて温度を変化させる装置を含む。
【００２３】
前述の実施形態のいずれかでは、前記歪制限層は２つ以上の層で構成され、前記電気部品は少なくとも２つの層に配置され、例えば、前記電気部品であって異なる層にあるものどうしは、ビア（electrical via)を用いて互いに接続されている。選択的に、前記電気部品は、キャパシタとして機能するよう構成される。
【００２４】
前述の実施形態のいずれかでは、前記膨張式または折畳み式の本体は、互いに流体接続された複数の膨張式または折畳み式のチャンバを含み、入口は、互いに流体接続された複数の膨張式チャンバのすべてまたはサブセットと連通するように構成されている。
【００２５】
前述の実施形態のいずれかでは、前記膨張式または折畳み式の本体は、流体加圧時に膨張し、または減圧時に潰れるように構成された１つ以上のエラストマーチャンバを含む。
【００２６】
前述の実施形態のいずれかでは、前記膨張式または折畳み式の本体は、流体加圧時に開口または展開し、減圧時に閉口または折畳まれるように構成された１つ以上の可撓性または伸長性を有するチャンバを含む。
【００２７】
前述のいずれかの実施形態では、前記膨張式の本体は、成型体である。
【００２８】
前述のいずれかの実施形態では、前記膨張式の本体は、積層体を含む。
【００２９】
前述のいずれかの実施形態では、前記電気部品は、前記歪制限層の上に配置されたリソグラフィにより画定されたワイヤを含む。
【００３０】
前述のいずれかの実施形態では、前記電気部品は、蛇行して延びる（曲がりくねった）導線を含む。
【００３１】
前述のいずれかの実施形態では、前記歪制限層上の電気部品は、座屈した歪制限層に適合するように固定された導電性トレースを含む。
【００３２】
前述のいずれかの実施形態では、前記電気部品は、以下から選択される：導線、電極、トランジスタ、光電池、電気化学検出器、バッテリ、スーパーキャパシタ、神経センサ、電気粘着パッド、ディスプレイ、電気機械変換器、スピーカ、マイクロフォン、光検出素子、レーザ距離計、音響距離計、アンテナ、発振器、インダクタ、誘導加熱器、キャパシタ、スーパーキャパシタ、電磁石、抵抗器、抵抗加熱器、リレー、光電池、整流器、ダイオード、ツェナーダイオード、ＬＥＤ、有機ＬＥＤ、ＣＣＤ、空気圧ポンプまたは油圧ポンプ、電気活性式ダイヤフラムバルブ、ソレノイドバルブ、マイクロコントローラ、論理回路、増幅器、演算増幅器、スイッチ、グローバルポジショニングシステム、ホイートストンブリッジ、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、ＲＦＩＤタグ、スパーク発生器、電力インバータ、アナログ‐デジタル変換器、サーマル撮像素子（または赤外線撮像素子）、およびセンサ。
【００３３】
前述の実施形態のいずれかでは、センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス（ＭＥＭＳ）磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ（ケミレジスタ）、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、ｐＨセンサ、堆積センサ、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、ＶＸガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、タブン(tabun)センサ、ソマン(soman)センサ、ホスゲン(phosgene)センサ、塩素ガスセンサ、爆発物探知機、アセトンセンサ、硝酸カリウムセンサ、過塩素酸カリウムセンサ、アンモニアセンサ、麻薬センサ、金属探知機、放射線検出器、および電流センサ。
【００３４】
前述のいずれかの実施形態では、本明細書に記載されている本発明のソフトロボットが開示されており、前記歪制限層に組み込まれた電気部品は、トランジスタ、オーディオスピーカ、ソフト歪みセンサ、静電容量式タッチセンサ、ＬＥＤ、神経センサ、圧力サーマルセンサ、バッテリ、または電気粘着デバイスとして機能するように構成されている。
【００３５】
更なる別の態様では、ソフトロボットを操作する方法であって、
１つ以上の実施形態に係るソフトロボットを準備するステップと、
前記膨張式または折畳み式の本体を加圧するか減圧して前記ソフトロボットを作動させるステップと、
前記歪制限層に配置された前記電気部品に入力を与えるステップとを含み、
前記電気部品は、前記入力に応答して、電子またはそれに関連する場に作用し、または、前記電気部品の挙動または物理状態が、電子またはそれに関連する場により変更される。
【００３６】
１つ以上の実施形態では、前記電気部品は、電圧、電流、またはインピーダンスを測定する。
【００３７】
１つ以上の実施形態では、前記電気部品は、電気信号を増幅し、減衰し、濾波し、あるいは切替える。
【００３８】
１つ以上の実施形態では、前記電気部品は、供給された電圧および／または電流の変化に応じて、機械的または電気的な仕事を行う。
【００３９】
１つ以上の実施形態では、前記電気部品は、供給された電圧および／または電流の変化に応じて放射線を放出する（例えばＬＥＤである）。
【００４０】
１つ以上の実施形態では、前記電気部品は、供給された電圧および／または電流の変化に応じて、温度を変化させる。
【００４１】
１つ以上の実施形態では、前記電気部品は、トランジスタ、オーディオスピーカ、ソフト歪みセンサ、静電容量式タッチセンサ、ＬＥＤ、神経センサ、圧力サーマルセンサ、バッテリ、または電気粘着デバイスとして機能する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】１つ以上の実施形態による、歪制限層に組み込まれたフレキシブル電子機器を用いる空気圧屈曲式ソフトアクチュエータの構成を示す概略図である。
【図１Ｂ】その歪制限層に組み込まれているフレキシブル電子機器を用いる空気圧屈曲式ソフトアクチュエータの分解図である。
【図１Ｃ】照明されたＬＥＤを有する屈曲式ソフトアクチュエータを示す図である。
【図２Ａ】曲率センサが一体化された空気圧式ソフトマニピュレータの製造方法を示す概略図である。付着したアルミニウム電極およびステンシル印刷された複合材料で仕上げられ、ポリジメチルシロキサン（ｃ‐ＰＤＭＳ）と混合したカーボンブラックからなるポリエステル／セルロース混用紙と、紙ベースのフレキシブル電子機器を作成するセンサとを示す図である。
【図２Ｂ】曲率センサが一体化された空気圧式ソフトマニピュレータの製造方法を示す概略図である。未硬化のエラストマーで浸漬され、続いてアセンブリが熱硬化される、フレキシブル電子機器と接触しているエコフレックス（Ｅｃｏｆｌｅｘ）空気圧層の配置を示す図である。
【図３Ａ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、ソフトロボットアクチュエータの上面図である。
【図３Ｂ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、ソフトロボットアクチュエータの下面図である。
【図３Ｃ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、異なる空気圧チャネルの制御された膨張により個々のフィンガが動作する状態を示す図である。
【図３Ｄ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、異なる空気圧チャネルの制御された膨張により個々のフィンガが動作する状態を示す図である。
【図３Ｅ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、異なる空気圧チャネルの制御された膨張により個々のフィンガが動作する状態を示す図である。
【図３Ｆ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、異なる空気圧チャネルの制御された膨張により個々のフィンガが動作する状態を示す図である。
【図３Ｇ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、異なる空気圧チャネルの制御された膨張により個々のフィンガが動作する状態を示す図である。
【図３Ｈ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、生卵を持ち上げるマニピュレータの一連の動作を時間の経過に沿って示す図である。
【図３Ｉ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、生卵を持ち上げるマニピュレータの一連の動作を時間の経過に沿って示す図である。
【図３Ｊ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、生卵を持ち上げるマニピュレータの一連の動作を時間の経過に沿って示す図である。
【図３Ｋ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、生卵を持ち上げるマニピュレータの一連の動作を時間の経過に沿って示す図である。
【図３Ｌ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、生卵を持ち上げるマニピュレータの一連の動作を時間の経過に沿って示す図である。
【図３Ｍ】埋込み型電気部品を含むハンド状ソフトロボットのグリッパの動作を示す図であり、生卵を持ち上げるマニピュレータの一連の動作を時間の経過に沿って示す図である。
【図４】ソフトアクチュエータに１０回打込みを行う前後におけるハンド状ソフトロボットのグリッパのｃ‐ＰＭＤＳセンサの電気抵抗と、各フィンガの曲率との関係を示す図である。
【図５】ソフトロボットの歪み制限層に導線を組み込む図であり、図５Ａは、ソフトアクチュエータロボットの作製に用いられる伸長性の空気圧層の上面図と側面図であり、図５Ｂは成型され、あるいはチャネルが切断された、歪み制限層を含むソフトロボットの側面図であり、図５Ｃは、低伸長層に導電回路が付加されたものを示す図であり、図５Ｄは、可撓性ポリマーに導電回路が封入されたものを示す図であり、図５Ｅは、歪み制限層に導電回路を組み込む熱硬化されたアセンブリを示す図であり、この層はエラストマーから作られるので、適度な伸長力（延伸力）を有しうる。
【図６】１つ以上の実施形態による、蛇行して延びるワイヤが組み込まれた例示的な電子ソフトアクチュエータを示す図である。図６Ａは、電子ソフトアクチュエータの断面図であり、図６Ｂは、電子ソフトアクチュエータの歪み制限層上に蛇行して延びるワイヤが堆積した、熱蒸発による堆積処理を示す概略図であり、図６Ｃは、電子ソフトアクチュエータの歪み制限層上で蛇行して延びるワイヤの平面図であり、図６Ｄは電子機器が取付けられた電子ソフトアクチュエータの側面図である。
【図７】１つ以上の実施形態による、電子部品がソフト歪みセンサ、スピーカ、マイクロフォン、タッチセンサ、機械変換器、キャパシタ、または圧力センサを組み込んでいる、例示的な電子ソフトアクチュエータを示す図である。図７Ａは、歪み制限層上でリソグラフィ的にパターン化されたワイヤの概略図であり、図７Ｂは、電気部品の導電インクでの印刷を示す概略図であり、図７Ｃは、エラストマーへの電気部品の封入を示す概略図であり、図７Ｄは、電子機器を備えた電子ソフトアクチュエータの底面図と側面図であり、積層された電気部品を示している。
【図８】１つ以上の実施形態による、全方向印刷を用いて電子部品が作製されている例示的な電子ソフトロボットである。１つ以上の実施形態により、図８Ａは、ソフトアクチュエータロボットの作製に用いられる伸長性空気圧層の概略図であり、図８Ｂは、導電性トレースを堆積するのに用いられる処理を示す断面図であり、図８Ｃは、電子機器を有する電子ソフトアクチュエータの底面図と側面図であり、積層された電気部品を示している。
【図９】１つ以上の実施形態による、電気接着パッドを備えた例示的な電子ソフトロボットを示す図である。図９Ａは、銀のナノ粒子溶液に部分的に浸漬され、プラズマ処理されたエラストマーシートに、銀の導電性トレースを焼結する作業を示す図であり、図９Ｂは、互いに組合わされた焼結電極のフィンガを示す分解図を備えた、焼結されたトレースを示す平面図であり、図９Ｃは、焼結電極をＰＤＭＳ誘電体層に封入することを示す概略図であり、図９Ｄは、歪み制限層に電気接着パッドが設けられた装置の断面図である。
【図１０】１つ以上の実施形態による、低伸長性層に座屈表面が設けられた例示的な電子ソフトロボットを示す図である。
【図１１】１つ以上の実施形態による、フォトセンサが低伸長層に組み込まれた例示的な電子ソフトロボットを示す図である。
【図１２】１つ以上の実施形態による、ソフトバッテリが組み込まれた例示的な電子ソフトロボットを示す図である。
【図１３】１つ以上の実施形態による、電気リード線と表面実装型電子機器が組み込まれた例示的な電子ソフトロボットハンドを示す図である。
【図１４Ａ】流体加圧下で伸長する線形アクチュエータを示す斜視図であり、接着剤により接続された歪み制限ストリップが、アクチュエータの長さ部分に沿って半径方向の歪み制限フープを形成し、したがって、直線的な伸長が促進される。
【図１４Ｂ】ひだ状の空気網状装置の構造と製造を示す図である。（ａ）は、ひだ状ベローズ構造物のソフトリソグラフィ用の２つ割り型であり、（ｂ）は、金型に押圧されているＫｅｖｌａｒ（商標）／Ｅｃｏｆｌｅｘ（商標）を示し、（ｃ）は、複製されたＫｅｖｌａｒ（商標）／Ｅｃｏｆｌｅｘ（商標）ベローズを示し（矢印は（ｂ）金型が付加される方向を示す）、（ｃ）は、相互接続された一連のひだ状チャンバと歪み抵抗シートとを含むひだ状の空気圧ネットワーク装置のアセンブリの斜視図であり、（ｄ）は、Ｋｅｖｌａｒ（商標）／Ｅｃｏｆｌｅｘ（商標）の平面に対するベローズの密封状態を示す図である（矢印は、ベローズが付加される方向を示す）。
【図１４Ｃ】１つ以上の実施形態による、円筒状の空気圧チャネルの周囲に紙がベローズ状のパターンに折畳まれた伸長アクチュエータを製造する処理を示す概略図である。（Ａ）まず、図示された折畳みパターンを有する紙が、円筒状の金型に挿入される。（Ｂ）次に、エラトマー予混合物が金型に注入されて、パターン化された紙が埋め込まれた状態で硬化する。（Ｃ）空気圧チャネルの頂部と底部を密封することにより、空気圧チャネルが完成する。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
一体化された電気回路を有するソフトロボットは、膨張式の本体から作られてもよい。膨張式の本体は、流体源と連通するよう構成された加圧口と、膨張式の本体の一部分に固定された歪制限層とを有する。歪制限層は、少なくとも１つの電気部品を含む。電子部品は、電子（またはそれに関連した場）に影響を与えるように用いられ、またはその挙動または物理状態が、電子（またはそれに関連した場）により変化するような任意の装置（または物理要素）である。例えば、当該装置（または物理要素）は、電圧、電流、またはインピーダンスを測定するものであってもよい。電子部品はまた、電気信号を増幅し、減衰し、濾波（フィルタリング）し、または切り替える装置（または物理要素）を含む。電子部品はまた、供給された電圧および／または電流の変化に応じて、機械的仕事や電気的仕事を実行する装置または物理要素を含む。電子部品はまた、供給された電圧および／または電流の変化に応じて、ＬＥＤなどの放射線を放出する装置（または物理要素）を含む。電子部品はまた、供給された電圧および／または電流の変化に応じて温度を変化させる任意の装置（または物理要素）を含む。
【００４４】
電気部品の例は以下を含む：導線、電極、トランジスタ、光電池、電気化学検出器、バッテリ、電気粘着パッド、ディスプレイ、電気機械変換器、スピーカ、マイクロフォン、光検出素子、アンテナ、発振器、インダクタ、誘導加熱器、キャパシタ、スーパーキャパシタ、電磁石、抵抗器、抵抗加熱器、リレー、光電池、整流器、ダイオード、ツェナーダイオード、ＬＥＤ、有機ＬＥＤ、ＣＣＤ、空気圧ポンプまたは油圧ポンプ、ソレノイドバルブ、電気活性式ダイヤフラムバルブ、マイクロコントローラ、論理回路、増幅器、演算増幅器、スイッチ、グローバルポジショニングシステム、ホイートストンブリッジ、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、ＲＦＩＤタグ、スパーク発生器、電力インバータ、アナログ‐デジタル変換器、光学撮像素子、サーマル撮像素子、ニチノール・アクチュエータ、およびセンサ。
【００４５】
ソフトロボットの実際の構成は限定的なものではなく、膨張式の本体は、例えば、互いに流体接続された複数の膨張性チャンバから作られてもよい。ここで、加圧口は、複数の相互接続された膨張性チャンバと連通するよう構成されている。膨張式の本体は、流体加圧時に膨張するよう構成された１つ以上のエラストマーチャンバを用いて作られてもよい。他の実施形態では、膨張式の本体が、流体加圧時に屈曲せず、あるいは展開する１つ以上の可撓性または伸長性を有するチャンバから作られる。他の実施形態では、歪制限層が、螺旋状に本体の周囲に巻きつけられ、ねじれアクチュエータを形成する。国際特許公開第ＷＯ２０１２／１４８４７２号、２０１３年２月２８日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１３／２８２５０号、２０１３年１月２２日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１３／２２５９３号、および２０１３年１０月１日に出願された米国仮出願第６１／８８５０９２号、ならびに図１４Ａから図１４Ｃを参照されたい。これらの文献には、本発明での使用に適したソフトアクチュエータを限定せずに記載している。これらの文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４６】
本明細書で用いられているように、ソフトアクチュエータは、所定の信号に反応して動く少なくとも１つのチャンバを含む。アクチュエータシステムを併せて一体化し、ソフト触手のような装置を形成してもよい。ソフトロボットは、ロボット自体の内部に埋込まれているか、何らかの方法で連結された制御機能および／またはコンピュータ機能を選択的に有する、単一のアクチュエータまたはデバイス（または、多数のアクチュエータまたはデバイス）で構成されていてもよい。本明細書でいう「ロボット」には、単一のアクチュエータまたはソフトアクチュエータの集合体で作られる複数のアクチュエータのシステムの実施形態が含まれる。ソフトロボットは、単一のソフトアクチュエータや、組み合わされた機能群を有する幾つかのソフトアクチュエータで構成されてもよい。
【００４７】
ある実施形態では、ソフトロボットは、ソフトエラストマー内に埋め込まれたチャネル（または網状チャネル）を有しており、チャネルは加圧することにより大規模に且つ多用途に駆動できる。ソフトロボットアクチュエータは、チャネルを画定する軟質ゴム（エラストマーなど）から作られてもよい。ソフトロボットはまた、剛性を有するが、なお撓みやすい、例えば屈曲可能な歪制限層を含む。この歪制限層は、典型的に、網状チャネルの一面に沿って延びる。膨張が望ましくない場合には、弾性係数の高い素材をネットワークの区画に利用可能であり、伸長性が必要な場合には、弾性係数の低い素材をネットワークの区画に利用可能である。空気（空気圧）または流体（水圧）を介してチャネルを加圧するとき、または真空引きによりチャネルを減圧するとき、エラストマーの網状構造が膨張するか、減圧の場合には収縮する。そして、エラストマーの膨張または収縮はそれぞれ、加圧時には剛性を有する歪制限層の周囲で、減圧時にはエラストマーのネットワークの周囲で屈曲することにより、適応する。他の実施形態では、ソフトロボットが、作動時に展開も屈曲もしないチャンバを含んでいてもよい。この例では、ソフトロボットは、可撓性であるが非伸長性の素材から作られてもよい。というのは、加圧時には歪制限層の周囲でアクチュエータを展開するか屈曲しないことにより膨張に適応し、減圧した場合には、折り畳まれたアクチュエータの層の周囲で折り畳みや屈曲の程度を大きくすることにより収縮に適応するからである。１つ以上の実施形態では、センサ、電極、トランジスタ、ディスプレイ、バッテリ、電気機械変換器、スピーカ、サーマルセンサ、歪みセンサ、圧力センサ、光検出素子などの電子回路と電子デバイスが、ソフトロボットアクチュエータの歪制限層に組み込まれている。
【００４８】
歪みは、本体における相対変位、という観点で変形を表した用語である。変形は、ここでは力（例えば加圧により生じる力）が誘起する応力に起因して生じる。低剛性または低弾性係数の材料は、高弾性係数の材料と比べて大きく変形する。したがって、低剛性材料はより大きく歪む（つまり変形する）。その結果、高剛性または高弾性係数の材料の歪みは、より小さく、すなわち「制限される」。本明細書では、伸長、屈曲、膨張または展開する閾値となる力がより小さい、ソフトロボットの層または壁、またはその一部を、「伸長性」部材または「低歪み」部材と称す。また、本明細書では、伸長、屈曲、膨張または展開する閾値となる力がより大きい、ソフトロボットの層または壁、またはその一部を、「歪制限」層、「歪制限」壁または「歪制限」膜と称す。この要素は、「歪制限」部材と称することもある。１つ以上の実施形態では、歪制限層が、膨張式エラストマー本体と比べて１０％より大きい、５０％より大きい、１００％より大きい、または５００％より大きい（上に示される値のいずれかに制限する範囲）剛性を有する。幾つかの実施形態では、歪制限層は、適度な歪み（例えば、３５％未満、または、１％以上５％以下、５％以上１０％以下、１０％以上１５％以下、１５％以上２０％以下、２０％以上２５％以下、２５％以上３０％以下、または上に示される値のいずれかにより制限する範囲）に適応できるものであってもよい。
【００４９】
１つ以上の実施形態では、ソフトロボットは複数の材料を含んでいてもよく、１つの材料がアクチュエータの壁および／またはチャンバを形成し、別の材料が歪み制限壁を形成する。例えば、アクチュエータの壁またはチャンバは、硬化性エラストマーから成型されてもよく、３Ｄ印刷またはリソグラフィを用いて作られてもよく、または、熱硬化性エラストマーのシートを積層することにより組立てられてもよい。歪制限層は、組立てられたチャネルの網状構造の一面に設けられてもよい。この技術で利用可能な材料の例は広範囲にわたり、伸縮性材料用として、ラテックス、ポリウレタン、シリコーン、加硫ゴムなどのエラストマーと、歪み制限膜として、紙（ペーパー）、Ｋｅｖｌａｒ（ｃｏｐｙｒｉｇｈｔ）、綿、ナイロン、比較的剛性の高いエラストマーなどの布地類とを含む。歪制限層に組み込まれる剛性材料は、紙、織物、炭素繊維、ガラス繊維、または金属繊維を用いた複合材料であってもよい。
【００５０】
１つ以上の実施形態では、歪制限層は、実質的に非伸長性であって可撓性を有する。例えば、歪制限層は、紙（例えばセルロース系繊維）、Ｋｅｖｌａｒ（例えばポリアラミド繊維）などの強化繊維を含んでいてもよい。１つ以上の実施形態では、歪制限層は、シリコン注入紙、ポリエステルシート、ポリエチレンシート、またはポリアラミド（Ｋｅｖｌａｒ（登録商標））シートから作られてもよい。他の実施形態では、歪制限層は、限定された歪み、または適度な歪みを呈していてもよいが、いずれの場合でも、エラストマー空気圧ネットワーク（網目構造）よりも伸長性は低い。一例として、歪み制限部材は、ショアＡ硬さが３０以上８０以下のシリコーンまたはポリウレタンエラストマーであってもよい。例えば、歪制限層のショアＡ硬さが伸長性層のショアＡ硬さの１．４倍以上１．６倍以下である場合、ある程度伸長する優れた屈曲式アクチュエータが得られ、例えば１．０倍以上１．４倍以下である場合、屈曲の程度が小さい伸長性アクチュエータが得られ、１．６倍を超えると、ほとんど伸長しない屈曲式アクチュエータが得られる。１つ以上の実施形態では、歪制限層と伸長層の両方が、同種のポリマーを用いて作られている。例えば、シリコーン製の歪制限層はシリコーン製の伸長層に適合し、ポリウレタン製の歪制限層はポリウレタン製の伸長層と対になる。
【００５１】
１つ以上の実施形態では、膨張式の本体と歪制限層は、同一の材料を含んでいてもよい。歪制限層の製造に用いられる材料が空気圧チャンバの製造に用いられる材料と同じであっても、その材料はなお歪みを制限することが可能である。例えば、歪制限層は、空気圧層より厚くてもよく、その結果、厚い歪制限層を伸縮させるために、歪制限層は、薄い空気圧層に比べてかなり硬質となるであろう。別の例では、空気圧層がアコーディオンベローズまたは折り紙状の折畳み式構造物を含み、歪制限層は平坦な壁である。この場合、空気圧層と歪制限層の両方が同じ剛性を有する材料から作られていても、折畳まれたアコーディオンまたは折り紙状の空気圧層は、加圧時に歪制限層に用いられる平坦な厚板の周囲で展開し屈曲することになる。というのは、ゴムを伸長するよりもゴムを展開する方が容易なためである。別の実施形態では、同じエラストマーが制限層と空気圧層に用いられているが、得られる硬化複合材料が、空気圧層の製造に用いられる不純物なしの純粋なエラストマーよりも堅くなるように、歪制限層はさらに繊維パルプを含む。あるいは、歪制限層は、空気圧層の製造に用いられるエラストマーに比べて剛性の高いエラストマーから作られてもよい。
【００５２】
電気部品は、制限された歪み量に耐えるように設計されてもよい。一例として、歪制限層は、適度な歪み（５０％未満）に適応できるものであってもよい。高伸長性エラストマーと低伸長性エラストマーの両方を結合することによりソフトアクチュエータを構成でき、また、適度な歪みに適応可能な電気部品が多数開発されているので、伸縮性を有する電子歪制限層を備えたソフトアクチュエータについての検討が行われている。
【００５３】
幾つかの実施形態では、例えば電気部品が歪みに全く耐えられず、あるいは少ししか歪みに耐えられない場合、歪絶縁層を利用してもよい。歪絶縁層は、電気部品と下にある歪制限層との間に配置される剛性要素であってもよい。この歪絶縁層は、剛性を有する電気装置の下に配置される歪制限層の伸縮を制限する機能を果たす。典型的に、Ｋａｐｔｏｎ（カプトン）のようなポリイミド箔が、歪絶縁層として利用可能である。図６と図１０は、剛性要素を用いる歪制限層の例である。これらの例におけるポリイミドの歪制限層は、硬質の電子機器を取り付けるための歪絶縁要素として用いられる。
【００５４】
図１Ａは、１つ以上の実施形態よる、回路および／または電子要素が歪制限層に組み込まれた例示的な電子ソフトロボット１００を示す図である。この実施形態では、装置が、積層されて薄層状のソフトアクチュエータを形成する幾つかの層を含むが、任意の適した方法を用いてソフトアクチュエータを作ることができる。この方法は、３Ｄ印刷、成型、熱成形、フォトリトグラフィーなどを含むが、これらに限定されるものではない。この例示的な実施形態では、ソフト電子アクチュエータは、熱的に接合された材料を用いて作製され、この場合は、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）シートである。積層されたソフトアクチュエータは、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）などの熱可塑性エラストマーから作製される中央の空気圧網状層１１０を含む。この空気圧層は、連絡管１２５により互いに流体接続された幾つかのチャンバ１２０を含む。図１Ａは、単一のチャンバ（具体的には、チャンバ１２０とチャンバ連絡管１２５）の拡大図である。電子ソフトロボット１００の中央空気圧網状層１１０では、裏面にＴＰＵが設けられた（ＴＰＵが裏打ちされた）シート１４０，１５０が一方の側面に並べて設けられている。裏面にＴＰＵが設けられたシート１４０は、スパンデックスまたはラテックスなどの、ＴＰＵシート１４６に熱接合される、可撓性と膨張性を有する層１４５を含む。ＴＰＵが裏付けされたシート１５０は、ＴＰＵシート１５６に熱接合される電子回路を含む非伸長性または適度に伸長可能なシート１５５を含む。これらのシートは厚さが可変であり、電子ソフトロボットに所望の弾性と強度のバランスをとるように選択される。図１Ｂは、電子ソフトロボットの形成に用いられるシートの分解図である。図１Ｃは、図１Ａと図１Ｂに示された層を有する歪制限層へのＬＥＤ照明を含む、電子ソフトロボットを示す図である。
【００５５】
歪制限層に電子機器を搭載することにより、電子回路が受ける可能性のある歪み量が制限され、歪制限層を設けることにより動作が影響を受けるという二重の利点が得られる。これにより、電子機器の収容のために設ける必要のある「場所」の大きさが低下する。というのは、歪制限層が、アクチュエータと回路基板という２つの役割を果たすからである。さらに、電子部品を多層または多段に配置して、電子デバイスの空間必要性をさらに減少させられるとともに、より複雑なデバイスをソフトロボットに導入できる。Ｈｉｇｈ‐Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ：Ｔｏｗａｒｄ  ａｎ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，  Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２２，  ４０３０‐４０３３（２０１０）を参照されたい。この文献の内容、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００５６】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、ＰＮＡＳ  １０６（５１），  ２１４９０‐２１４９４  （２００９）、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２３、３７５１‐３７６９（２０１１）、およびＡｄｖ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒ  １、９１７‐９２２（２０１１）に記載されているようなスーパーキャパシタや、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  １４、１４６０‐１４６４（２００２）、Ｎａｔ  Ｍａｔｅｒ  ８，  ４９４（２００９）、およびＳｃｉｅｎｃｅ  ３２１，  １４６８（２００８）に記載されているようなスーパーキャパシタとして機能するように構成されていてもよい。
【００５７】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２３、３５００‐３５０５（２０１１）に記載されているような光電子デバイスとして機能するように構成されていてもよい。
【００５８】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、Ｊｐｎ  Ｊ  Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ  ４８  ０４Ｃ１８１  ２００９、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２３  ４４９１‐４４９６  ２０１１、ＰＮＡＳ  １０５  ４９７６‐４９８０  ２００８、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９０  ２１２３‐２１２６  ２０００、Ｏｒｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  １１  ４５６‐４６２  ２０１０、Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ  Ｌｅｔｔ  ９８  １２４１０１  ２０１１、  Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２３  ６５４‐６５８  ２０１１、またはＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔ  ２５  ７９２‐７９４  ２００４に記載されているようなトランジスタとして機能するように構成されていてもよい。
【００５９】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、ＡＣＳ  Ｎａｎｏ  ５  ４８７８‐４８８５  ２０１１やＳｃｉｅｎｃｅ  ３４１  ９８４‐９８７  ２０１３に記載されているようなオーディオスピーカとして機能するように構成されていてもよい。
【００６０】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、Ｌａｂ  Ｃｈｉｐ  １１  ２１８９‐２１９６  ２０１１や、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２０１４に記載されているようなソフト歪みセンサとして機能するように構成されていてもよい。
【００６１】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２４  ２８５０‐２８５６  ２０１２に記載されているような、可撓性を有する静電容量式タッチセンサとして機能するように構成されていてもよい。
【００６２】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、Ａｄｖ  Ｆｕｎｃｔ  Ｍａｔｅｒ  ２０  ２８‐３５  ２０１０、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２２  ４０３０‐４０３３  ２０１０、またはＮａｔ  Ｃｏｍｍｕｎ  ３  ９７７  ２０１２に記載されているような、紙とエラストマーが実装されたＬＥＤとして機能するように構成されていてもよい。
【００６３】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、Ａｄｖ  Ｆｕｎｃｔ  Ｍａｔｅｒ  ２２  ６４０‐６５１  ２０１２に記載されているようなソフト神経センサとして機能するように構成されていてもよい。
【００６４】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、ＰＮＡＳ  １０２  ３５  １２３２１‐１２３２５  ２００５に記載されているようなソフト圧力サーマルセンサとして機能するように構成されていてもよい。
【００６５】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２０１３に記載されているようなソフト光検出器として機能するように構成されていてもよい。
【００６６】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、Ｊ  Ｍａｔｅｒ  Ｃｈｅｍ  Ａ  １  ５５０５−５５０８  ２０１３、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２２  ２０６５‐２０６７  ２０１０、またはＮａｔ  Ｃｏｍｍｕｎ  ４  １５４３  ２０１に記載されているような電池として機能するように構成されていてもよい。
【００６７】
歪制限層に組み込まれる電気部品は、１９９７  Ｍｏｎｋｍａｎ  Ａｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ａｓｔｒｉｃｔｉｖｅ  Ｐｒｅｈｅｎｓｉｏｎ、２００８  Ｐｒａｈａｌｄ  ｅｔ  ａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏａｄｈｅｓｉｖｅ  Ｗａｌｌ  Ｃｌｉｍｂｉｎｇ  Ｒｏｂｏｔｓ、ＩＲＯＳ１３‐Ｓｈｅｎ‐ＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃＡｄｈｅｓｉｏｎ、Ｍｏｎｋｍａｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｒｏｂｏｔ  Ａｎ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ３０  ３２６‐３３０  ２００３に記載されているような電気粘着デバイスとして機能するように構成されていてもよい。この文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００６８】
［ＬＥＤ照明を含む例示的な電子ソフトロボット］
１つ以上の実施形態では、異なる機能性を有する複数の層を積層して熱接合することにより、作動可能な電子ソフトロボットを作製できる。１つ以上の実施形態では、同時係属中の米国仮出願第６１／９７８５７３号（２０１４年４月１１日出願）に記載された高スループットの製造方法を用いて、電子ソフトロボットを製造できる。この文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。図１Ａに示されているように、空気圧網形状に切断されたＴＰＵシートと共に裏面に熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）設けられた１組のシートを用意し、これらのシートを積み重ねて接合することにより、歪制限層を照らすＬＥＤを含む照明付きソフトアクチュエータが構成される。歪制限層の熱可塑性特性により、層を熱接合できる。さらに、既製のシートは、容易に入手可能であり、さらに廉価でかつ利用しやすいので、電子ソフトロボットが廉価に製造される。この処理は、極めて急速に、経てばロールツーロール方式で行うことができるので、大量に製造できる。
【００６９】
電子回路と装置は、従来の方法を用いて歪制限層に組み込むことができる。ここで示されているように、例示的な電子回路と装置は、ＬＥＤ１７０に電気的に接続されている銀電極１６０を含む。この可撓性の電極は、Ｗｈａｔｍａｎ  Ｃｈｒ１クロマトグラフィー用紙にＥｒｃｏｎ社の銀インクの２本の平行線をステンシル印刷することにより低伸長層上に構成されているが、任意の印刷形式（グラビア印刷、スクリーン印刷、シャドー・マスキングでの化学気相成長法、マイクロコンタクト印刷、インクジェット式印字など）を用いることができる。ステンシル印刷後、オーブン内でインクを乾燥させ、銀電極を作成した。次に、３Ｍ製の接着剤が裏面に塗布されたＬＥＤストリップライトの一区画（３つのＬＥＤと抵抗器１８０を含む）を紙に固着した。銀インクを用いて、ステンシル印刷された電極をＬＥＤストリップの正極と負極に接続した。次に、紙ベースのフレキシブル電子機器とスパンデックスのシートの両方を、０．２ｍｍのＴＰＵシートを１９０℃で２分間これらに熱圧させることにより、エラストマーのバッキング層を設けた。次に、厚さ２ｍｍのＴＰＵシートをレーザ切断して、アクチュエータの空気圧ネットワークのパターンを形成した。最後に、裏面にＴＰＵ設けられたスパンデックスとフレキシブル電子機器を、レーザ切断したＴＰＵ空気圧ネットワークの両側に設置し、スタックを接合するために再度加・加熱した。得られたソフトアクチュエータを図１Ｃに示す。
【００７０】
［把持可能な電子ソフトロボット（ソフトハンド）］
１つ以上の実施形態では、成型処理を用いて、作動可能な電子ソフトロボットを作製できる。伸長性エラストマー材料を型に鋳造して、可撓性と伸縮性を有し、空気圧、液圧、または減圧（真空引き）により作動するネットワークを生成する。このネットワークは、非伸長性や最小限に伸長可能な歪制限層を有する一面に裏付けされており、電子部品を歪制限層に組み込む。幾つかの実施形態では、歪制限層は、適度な歪みに適応できる（例えば、３５％未満、４０％超過、または５０％超過、または０．１以上５０％以下、および、本明細書において示される値のいずれかに制限する任意の範囲）。
【００７１】
１つ以上の実施形態では、電子部品は、作動中にソフトロボットに生じる歪みを監視できる歪みセンサを含む。例えば、電子ソフトロボットは、ヒトの手の動きを模倣するアクチュエータを有するロボットを含んでいてもよく、電子ソフトロボットは、作動中にアクチュエータの曲率を測定する歪みセンサを備えていてもよい。
【００７２】
ソフトロボットシステムの１つの有望な用途は、柔軟な人工器官を作成するためのソフトロボットハンドまたは強調(collaborative)ロボット用ハンドである。図３では、ソフトハンドは、電子センサと一体化されて、握持している物体との相互作用を感知できるハンドを製造する。左側の図は、ソフトロボットハンドを示し、右側の図は、ヒトの手の感知能力を模倣するために適したセンサ（温度センサ、圧力センサなど）と一体化されているソフトロボットハンドを示す。
【００７３】
図２Ａと図２Ｂは、埋込み型曲率センサを備えた空気圧ソフトハンドグリッパを製造するのに用いられる手順を示す図である。ソフトリソグラフィを用いて、３次元印刷で製造したプラスチック製型にＥｃｏｆｌｅｘシリコーンプレポリマーを鋳造することにより、空気圧作動層を製造した。この歪センサは、ポリエステル／セルロース混合紙上にあるピエゾ抵抗式歪みセンサである。図２Ａに示す３ステップ処理を用いて、ピエゾ抵抗式センサを含む可撓性の電子歪制限層を得た。まず、接着テープを備えた紙にアルミニウム電極を付着させた。次に、ステンシルマスクを用いて、カーボンブラックと、ポリジメチルシロキサンポリマーとの混合物であるｓｙｌｇａｒｄ１８４（ｃ‐ＰＤＭＳ）で作られる曲率センサを印刷した。この曲率センサは、アルミニウム電極と部分的に重なりあっている。ｃ‐ＰＤＭＳ線を１００℃で１０分間硬化した。最後に、Ｅｃｏｆｌｅｘプレポリマーを用いて、Ｅｃｏｆｌｅｘポリマー作動層を紙ベースの可撓性の電子歪制限層の頂部に配置して、２つの部分を接着することにより、ハンド・アクチュエータの組立てを完了させた。紙を気密の複合材料に変えるため、この紙全体をＥｃｏｆｌｅｘシリコーンプレポリマーで薄くコーティングした。この集合物を６０℃で１時間硬化させた後、過剰な紙とポリマーをハサミで切り取った。
【００７４】
ハンドの操作は、図３Ａから図３Ｍに示されている。図３Ａは、伸長性エラストマー層の空気圧ネットワークを示す、ハンド状ソフトロボットを上面から見た図である。図３Ｂは、印刷されたピエゾ抵抗式センサを備えた歪制限層を示す、ハンド状ソフトロボットを下面から見た図である。図３Ｃから図３Ｇは、ハンド状アクチュエータの各「フィンガ」が独立して加圧作動可能であることを説明する図である。フィンガアクチュエータは、人の手の典型的な動きをもたらすように独立して、または協調して操作可能である。図３Ｈから図３Ｍは、一例として、鶏の卵を持ち上げるハンド状ソフトロボットの性能を説明する図である。
【００７５】
グリッパの歪制限層に印刷されているピエゾ抵抗式ｃ‐ＰＤＭＳセンサは、操作中、各フィンガの曲率を感知できる。グリッパのフィンガが加圧に応じて屈曲すると、曲率センサが伸縮する。このような伸縮により、曲率センサの浸透回路網（パーコレーションネットワーク）の接続性が減少し、これにより、その抵抗が増大する。歪制限層の紙は、屈曲の中立面の近くにある（中立面は、梁の材料が応力を受けていない場合の梁内の表面である）。センサが非伸長性層に対向する紙の面で中立屈曲面の上に印刷されているので、センサは作動中に伸長力を受ける。センサが反対側に印刷されると、センサは、作動中に圧縮力を受けることになり、センサの抵抗が降下することになる。空気圧チャネルの圧力を解放した後、ｃ‐ＰＤＭＳセンサの形状と電気的抵抗は完全に元に戻る。歪みセンサの抵抗を監視して、各フィンガアクチュエータが受ける反り量と関連付けてもよい。各フィンガアクチュエータは、別々に監視できる。図４Ａから図４Ｅは、ハンド状ソフトアクチュエータの各フィンガアクチュエータに対する抵抗対曲率のプロット（正方形のデータ点によりプロットされている）である。これは、適度な歪みに耐えられる歪制限層上の電子部品の一例である。実際は、適度な歪みは、その感知能力のために用いられる。
【００７６】
電子ソフトロボットは、電子回路が、歪みを加えられまたは圧壊したときに、頑強であって動作不良に耐えられる特性を有する。この特性は、ロボットが、危険な条件下や人間の直接的監督がない状況での作動が想定される多くの用途で魅力的である。図４Ａから図４Ｅでは、繰返し打込みを行った（ハンマーで衝撃を与えた）後でフレキシブル電子機器の性能が変わらないことが（丸い点でプロットされたデータで）示されている。その結果、これらのフレキシブル電子機器は、ソフトアクチュエータが用いられる幾つかの厳しい環境で耐え抜くことができる。
【００７７】
［低伸長層内に導電回路を備えた電子ソフトロボット］
一般的に導電性を得るために用いられる商品材料（ワイヤ、導電メッシュ、束状の導電ファイバなど）を、埋込み型電気部品に接続するためにソフトアクチュエータに組み込むことができる。電子ソフトロボットは、さまざまな従来のワイヤや、直線のワイヤ導線、ジグザクパターンのワイヤ導線、蛇行パターンの（曲がりくねった）ワイヤ導線、コイル状パターンのワイヤ導線、金属繊維束および金属メッシュなどの他の導電材料を含んでいてもよい。２０１４年６月６日に出願した同時係属中の仮出願第６２／００９０８４号を参照されたい。同仮出願には、導電性複合材料の金属繊維の利用に関してさらに詳しく述べられている。同仮出願の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００７８】
図５Ａから図５Ｅに示されているように、導電ワイヤをソフトロボットの歪制限層に含めてもよい。図５Ａは、ソフトアクチュエータの伸長性空気圧層５１０の平面図と側面図である。チャンバ５２０と相互接続チャネル５３０は、例えば、成型またはリソグラフィにより形成可能である。図５Ｂは、ソフト屈曲式アクチュエータの伸長性空気圧層５１０と非伸長性歪制限層５４０の組合せを示す断面図である。図５Ｃは、電流を供給するだけでなく信号を送信するための例示的な電気部品５５０と関連したワイヤ５６０、５６０’、５６０’’の取付けを示す図である。装着された電気部品は、従来の硬質の電気部品または可撓性および／または伸縮性を有する電気部品（バッテリ、スーパーキャパシタ、筋電位センサ、神経センサ、電気粘着パッド、ディスプレイ、光電池、電気化学検出器、トランジスタ、スピーカ、マイクロフォン、歪みセンサ、ＬＥＤ、サーマルセンサ、圧力センサ、光検出器、慣性計測装置、容量式タッチセンサ、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計など）であってもよい。この説明では電気部品が２つの導線に接続されているが、任意の数の導線を用いることができ、その数はシステム要件に基づいて変更されることに留意されたい。歪制限層が導電ワイヤを歪ませない場合、直線的なワイヤ５６０を利用できる。従来のワイヤは伸縮性を有さず屈曲可能であるので、アクチュエータの非伸長性層が受ける歪みにより適応するために、これらを屈曲構造５６０’’（蛇行パターン、らせん状パターン、およびジグザクパターンなど）とすることができる。他の実施形態では、金属繊維束と金属メッシュ５６０’を導電ワイヤとして利用できる。図５Ｄは、ワイヤと電子機器を歪制限層に固着するための、未硬化のエラストマー５７０の添加を示す図である。図５Ｅは、電子機器を備えた最終のソフトアクチュエータを示す。本実施形態では、この層が伸長可能となるようにエラストマーから作られる。したがって、図５Ｃに示すように屈曲して蛇行パターンを有する導電ワイヤと導電ネットとすることができる。というのは、エラストマーベースの歪制限層を伸長させると、これらの構造物を屈曲させて延長させられるからである。
【００７９】
［熱蒸着を利用した蛇行ワイヤを有する電子ソフトロボット］
蛇行パターンのワイヤを堆積させることは、１つ以上の実施形態による、エラストマー材料と剛体導体との間に生じる剛性の不整合を吸収する１つの方法である。この方法を利用して、装置が作動中に伸縮する歪制限層上の電子構造物を生成できる。図６Ａから図６Ｄは、ソフトアクチュエータ上の電気デバイスが金の蛇行パターンを用いて配線されているさまざまな態様を示す図である。図６Ａは、伸長性を有する空気圧層と非伸長性の歪制限層とを含むソフト屈曲式アクチュエータの断面図である。図６Ｂは、ワイヤを歪制限層に堆積させることを示す概略図である。最初にシャドーマスクをソフトアクチュエータの歪制限層の上に置く。次に、クロム接着層を、続いて金の導電膜を熱蒸発させることにより、ワイヤが堆積する。図６Ｃは、熱蒸発処理後のソフトアクチュエータの歪制限層上の蛇行パターンを示す図である。この例では、硬質の電気部品（マイクロコントローラ、電磁石、慣性計測装置、電荷結合デバイスなど）が、剛性を有する電気デバイスの下に配置されたエラストマーの伸長性を制限するポリイミド歪絶縁層を用いて、ソフトアクチュエータに装着される。例えば、図６Ｄを参照されたい。
【００８０】
［積層された電気部品を有する電子ソフトロボット］
１つ以上の実施形態では、歪制限層が電気部品の積み重ねられた層を収容でき、この層は、キャパシタとして機能してもよい。キャパシタは、タッチセンサとスピーカを含む幾つかの種類の電気デバイスの機能を有していてもよい。電子部品の多層または多段の配置により、電子デバイスの空間要件がさらに減少する。電気部品の多層配置を、図７Ａから図７Ｄを参照しつつ説明する。この例では、２層の導電インクがソフトアクチュエータに堆積され、歪みセンサ、スピーカ、マイクロフォン、タッチセンサ、機械的変換器、キャパシタ、または圧力センサとして利用可能な構造を生成する。伝導性の液体およびゲル（共晶ガリウム‐インジウム（ｅＧａＩｎ）、炭素グリース、ヒドロゲル、イオン性液体など）を、ソフト電子機器を構成するために利用できる。図７Ａは、ソフトアクチュエータの非伸長性層上のリソグラフィ的にパターン化された、蛇行して延びるワイヤの平面図と、伸長性を有する空気圧層と非伸長性の歪制限層とを含むソフトアクチュエータの断面図とである。蛇行して延びるワイヤが、歪制限層の外向きの表面に示されている。図７Ｂは、例えば変換器または容量センサとして機能可能な導電要素を生成するための伝導性インクの押出印刷を示す図である。伝導性インクは、ソフトアクチュエータより上に載置されている加圧シリンジから歪制限層に塗布可能である。図７Ｃは、生産工程における、ワイヤおよび押出加工されたインクが硬化性エラストマーでコーティングされる次のステップを示す図である。このステップは、パターンをアクチュエータに貼り付けるために押出加工されたパターンを封入し、その電気的接続をワイヤに固着し、最終的なソフト電子機器の伝導性インクの２層を分離することになる誘電材料を設ける働きをする。最後に、前述したような方法で、導電要素の２層を歪制限層に加えることができる。図７Ｄは、第２のワイヤ、伝導性インク層、およびエラストマー層を追加した後の装置（完成品）を示す側面図である。
【００８１】
例示的な伝導性の液体およびゲルは、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２３  ３５５９‐３５６４  ２０１１、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２０１３、Ａｄｖ  Ｆｕｎｃｔ  Ｍａｔｅｒ  ２０１２、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２０１４、ＩＥＥＥ  ＩＲＯＳ  ２０１１、およびＳｃｉｅｎｃｅ  ３４１  ９８４‐９８７  ２０１３に開示されている。これらの文献は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００８２】
［埋込み型電気抵抗ひずみゲージを有する電子ソフトロボット］
ソフト電子機器を構成するための液体を堆積させる別の方法は、全方向印刷(omnidirectional printing)である。図８Ａから図８Ｃは、全方向印刷を用いてソフトアクチュエータの歪制限層に歪みゲージを生成する方法を示す図である。図８Ａは、ソフトアクチュエータの伸長性層を示す図である。この伸長性層は、空気圧チャンバを画定する空間から離間した位置に設けられた、伸長性材料の薄い対向層を含む。図８Ｂでは、未硬化のエラストマー層が、伸長性層の伸長性材料の薄い対向層にわたって堆積し、伝導性のインクパターンが、未硬化のエラストマーの層内で押出印刷されている。このインクが未硬化のエラストマーと同じ密度であれば、インクはエラストマー内で中立的に浮遊する。その結果、未硬化のエラストマーにインクを押出加工すると、インクは沈みも浮かびもせず、エラストマーにインクの複雑な３次元パターンを印刷できる。次に、未硬化のエラストマーを硬化させ、歪制限層に導電性トレースを固定する。エラストマーが硬化すると、エラストマーのゴム様ブロックに閉じ込められた３Ｄインク構造が得られる。図８Ｃは、エラストマーを硬化させた後の装置の断面図と底面図である。装置は、空気圧チャンバを画定する空間から離間した、伸長性材料の薄い対向層から構成される低伸長層と、全方向印刷を用いて堆積させた導電性トレースと、硬化エラストマーの保護膜とを含む。ワイヤが導電インクの埋込み型チャネルの端部に挿入され、歪みゲージが埋込まれたソフトアクチュエータの完成品を生成する。全方向印刷は、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２０１４に記載されている。同文献の内容は、参照により本願に組み込まれる。
【００８３】
［電気粘着性を示す電子ソフトロボット］
電気粘着は、電気的に制御された収斂性の接着技術であり、基板に対して可逆的でかつ接着剤を用いない結合が要求されることが多い用途（例えばグリッピング）で用いられる。典型的な電気粘着パッドは、誘電材料の表面にパターン化されている２つのインターディジテイテッド電極からなる。図９Ａから図９Ｄは、レーザによる直接的描画製造処理を用いた、埋め込み電気粘着パッドを有するソフトアクチュエータの製造方法を示す図である。図９Ａは、銀ナノ粒子溶液に部分的に浸漬されているプラズマ処理されたエラストマーシートを示す図である。次に、銀ナノ粒子をその界面で焼結し、粒子を弾塑性シートに固着させるために、レーザ光線をエラストマーシートと溶液との界面の焦点に導入する。所望の電極パターンを生成するために、レーザ光線の焦点を界面全体に走査する。図９Ｂは、パターン化されたエラストマーシートの上面図である。分解図は、インターディジテイテッド電極のフィンガを示す。図９Ｃでは、適切な電気粘着パッドの機能に必要とされる誘電層を生成するために、薄いエラストマー層を電極の表面に付加する。図９Ｄにおいて、最後に、弾塑性シートをソフトアクチュエータの伸長層に装着し、装置を充電するために、２つの電極にワイヤを装着する。レーザ焼結を介したＰＤＭＳ上の金属パターン化は、Ｊ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ  Ｍｉｃｒｏｅｎｇ  ２１，  ０９５０１８（２０１１）に記載されている。同文献の内容は、参照により本願に組み込まれる。
【００８４】
［電子部品が適度に伸長可能な層に設けられた電子ソフトロボット］
座屈した金属フィルムの生成は、エラストマー材料と剛性導体との剛性の不整合に適応する別の方法である。典型的に、座屈フィルムの作成は、機械的に伸長したエラストマー基板にフィルムを堆積させる（熱膨張したフィルムへの堆積も含まれる）ことにより達成される。フィルムを取り付けた後、エラストマー基板上の伸長応力を除くと、基板が収縮可能となり、堆積したフィルムが座屈する。図１０Ａから図１０Ｆは、一軸方向に歪んだＰＤＭＳエラストマーシートに材料をリソグラフィ的にパターン化することにより、座屈ワイヤの製造を示す図である。図１０Ａは、例えば縁部を締着しシートを伸長することにより、機械的に歪んだエラストマーシートを生成する方法を示す。図１０Ｂに示すように、付着したフィルムのパターンを画定するために、例えばシャドーマスクを用いて歪んだシートをマスキングしてもよい。次に、ＰＤＭＳシートの露出領域を金属でコーティングしてもよい。図１０Ｃは、まずエラストマーをプラズマ処理し、次に、金とパラジウムをサンプルにスパッタコーティングすることを示している。次に、この機械的に加えられた歪みを解放すると、エラストマーシートが収縮可能となり、図１０Ｄの平面図と側面図に示すように、導電性の被覆が座屈する。次に、更なる電気部品を歪みのないＰＤＭＳ層に取り付ける。図１０Ｅは、ポリイミド製の歪絶縁層を用いてソフトアクチュエータに装着された硬質の電気部品を示す。最後に、図１０Ｆでは、歪制限層をより伸長性の高い空気圧層に取付けて、最終的なソフト電子機器アクチュエータを形成する。
【００８５】
座屈フィルム製造の更なる詳細は、Ｓｏｆｔ  Ｍａｔｔｅｒ  ７  ７１７７  ２０１１、ＰＮＡＳ  １０４  １５６０７  ２００７、Ｊ  Ｖａｃ  Ｓｃｉ  Ｔｅｃｈｎｏｌ  Ａ  ２２  １７２３‐１７２５  ２００４、ＰＮＡＳ  １０５  １８６７５‐１８６８０  ２００８、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ  ９３  ８  １４５９‐１４６７  ２００５、およびＳｃｉｅｎｃｅ  ３１１  ２０８‐２１２  ２０１２に記載されている。これらの文献の内容は、参照により本願に組み込まれる。
【００８６】
［フォトセンサが低伸長層に設けられた電子ソフトロボット］
伸縮可能な電子機器は、一時的な支持構造物（導線、半導体、絶縁体など）に材料を堆積させ、続いてその材料をエラストマーに封入することにより、製造可能である。この方法を用いて、光電池センサが埋込まれたソフトアクチュエータを生成する。図１１Ａを参照する。エラストマーマスクをポリカーボネートのフィルタ膜の表面に付着させ、堆積する第１の材料のパターンを画定する。次に、金のナノワイヤの分散体をマスク上に注入し、フィルタ膜により濾過する。この処理により、金のナノワイヤに残る分散液の液相を除去する。次に、金のナノワイヤ・フィルムをエタノールで完全に洗浄する。図１１Ｂは、第２のマスクを利用した酸化亜鉛（ＺｎＯ）のナノワイヤの塗布を示す。この第２のマスクを金のパターンの頂部に位置合わせし、続いて、酸化亜鉛ナノワイヤの分散体を塗布し、次にエタノールで洗浄する。図１１Ｃでは、金と酸化亜鉛ナノワイヤのパターンをエラストマーに封入するために、未硬化のエラストマーをフィルタ膜に注入する。次に、このエラストマーを硬化させ、得られるエラストマーシートをフィルタ膜から剥離する。最後に、図１１Ｄに示すとおり、ナノワイヤがパターン化されたエラストマーシートの側面図と平面図が示されているが、複数の光センサを形成する。このエラストマーシートをソフトアクチュエータの伸長層に付着させ、最終的なソフト電子機器アクチュエータを形成する。
【００８７】
伸縮性を有する光電池の作成と粒子封入印刷の更なる詳細は、Ａｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２３  ３５００‐３５０５  ２０１１  ａｎｄ  Ｊ  Ｍａｔｅｒ  Ｃｈｅｍ  Ｃ  ２  １２９８‐１３０５  ２０１４、およびＡｄｖ  Ｍａｔｅｒ  ２０１３に記載されている。これらの文献の内容は、参照により本願に組み込まれる。
【００８８】
［ソフトエネルギー蓄積装置が組み込まれた電子ソフトロボット］
可撓性および／または伸縮性を有するソフトバッテリとスーパーキャパシタを記載してきたが、これらはソフトロボットの低伸長層に組み込まれてもよい。軟質の機械（ポンプ、センサ、電磁弁、ニチノール製アクチュエータなど）に関連付けられる装置に電力を供給するために、これらのエネルギー蓄積装置をソフトアクチュエータの歪制限層に埋込むことができる。図１２Ａと図１２Ｂは、ソフトアルカリ蓄電池をソフトアクチュエータに組み込む方法を示す。図１２Ａでは、４つのソフトバッテリ（ソフトバッテリの数は任意である）が利用されており、ソフトアクチュエータの歪制限層において並列接続されている。これらのバッテリを、最初に個別に構成し、次に、ソフトアクチュエータの伸長層に共に配線して搭載してもよい。次に、バッテリと電気接続部を剛性の高いエラストマーに封入して、電気歪制限層を形成する。図１２Ｂは、水酸化カリウム塩橋を備えた過酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）カソードと亜鉛アノードからなる例示的なソフトバッテリの構成を示す図である。
【００８９】
［歪制限層に組み込まれた電子部品の用途］
圧力センサと温度センサは、ソフトグリッパまたはソフト義手／義足に利用してもよい。例えば、ＬＥＤストリップのソフトアクチュエータへの組み込みに関して記載されている方法と類似の方法で、既製品である圧力センサと温度センサを、ハンド状ソフトロボット（または他のソフトロボット）に組み込むことができる。圧力センサは、装置のグリップ力に関する情報を提供することができ、温度センサは、接触面の温度に関する情報を提供することになる。
【００９０】
ソフト歪みセンサは、ソフトアクチュエータの動きを制御する閉ループ制御系の一部として利用可能である。例えば、ハンド状ソフトロボットでは、センサ抵抗が変化すると、フィンガアクチュエータの位置に関する情報を提供する。一実施形態では、制御ループシステムは、アクチュエータの加圧状態を、フィンガの位置と相関している予め選択された抵抗測定値が得られるように制御する。
【００９１】
１つ以上の実施形態では、歪みセンサは、抵抗の測定値を提供するように構成され、抵抗は、歪制限層の曲率、位置、または配置と相関している。
【００９２】
１つ以上の実施形態では、歪みセンサは、静電容量の測定値を提供するよう構成され、静電容量は、歪制限層の曲率、位置、または配置と相関している。
【００９３】
前述の実施形態のいずれかでは、圧力センサは、圧力測定値を提供するよう構成され、圧力測定値は、ソフトロボットのグリップ力と相関している。
【００９４】
前述の実施形態のいずれかでは、温度センサが、電圧を測定するように構成された熱電対であり、電圧は歪制限層の温度と相関している。他の実施形態では、温度センサは、例えば、抵抗温度検知器、サーミスタ、またはツェナーダイオードであり、抵抗または電圧は、温度測定のために測定される。
【００９５】
前記電気部品により、分散流体加圧／減圧システム用の構成部品（ワイヤやバルブなど）を与えてもよい。ここで、バルブは、空気圧、液圧、または真空のアクチュエータシステムの各チャンバと一体化されている。これにより、ソフトロボットの異なる点にある多数のアクチュエータにはそれぞれ、共通のガスライン、液体ライン、または真空ラインにより、ガスまたは液体を供給でき、減圧を行うことができる。この構成によれば、現在の設計のように、大規模のガス、液体、または真空ラインの束が中央電源から各アクチュエータまで延びている必要がない。
【００９６】
電気部品は、協調ロボットシステム、自律型ロボットシステム、遠隔救出ロボット、または医療装置において、視界不良が生じたときにソフトアクチュエータが与える照明であってもよい。一実施形態では、医療装置は、外科用牽引子であってもよい。例えば、自己保持型組織牽引子は、歪制限層に埋込まれたＬＥＤを備えていてもよい。この特徴は、ある領域を照明するのが困難な場合にその可視性を向上させる上で役立ちうる。
【００９７】
前記電気部品は、ソフトアクチュエータに埋込式の化学センサまたは生物センサを含んでいてもよい。化学または生物センサは、医学診断用のソフト外科ツールに組み込まれてもよい。生物および化学センサは、フェリシアン化物、重金属イオン、乳酸、尿酸、カリウム、およびナトリウムなどのさまざまな検体を検出するよう設計されてよい。例えば、銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極と炭素電極とを歪制限層にステンシル印刷してもよく、シクロ・ボルタメーターとして機能するように回路を配置してもよい。他の例では、電気回路は、グルコース検出器として機能するように選択されてよい。電流グルコメータは、血液中のグルコースに反応する酵素であるグルコースオキシダーゼを含むテストストリップ、およびメータ内の電極に対するインターフェースを用いる。ソフトロボットは、ロボットの外部にあるメータとの接続部を含んでいてもよく、すなわち、歪制限層にメータを含んでいてもよい。他の実施形態では、１組のイムノアッセイ用の電極および回路を、歪制限層にステンシル印刷してもよい。
【００９８】
前記電気部品は、人と交流するための映像（または文章）用のディスプレイをソフトロボットに組み込んでもよい。特にデジタル処理された画面表示を有するソフトロボットを作製する。１つ以上の実施形態では、歪制限層は、フレキシブルなＬＣＤ、ＬＥＤ、エレクトロウェッティングディスプレイ、プラズマディスプレイ、または電子ペーパディスプレイまたは他のフレキシブル電子層を含んでいてもよく、電子層は、画像や読み出された他の情報を表示するのに利用できる。
【００９９】
医学的身体検査（例えば胸部、前立腺、腹部、睾丸、女性の骨盤、およびリンパ節腫大の検出）を実行するために、電気部品が音波または圧力の送信器とセンサを含んでいてもよい。電子ソフトロボットは、例えば、歪制限層に圧電性素子が設けられたハンド状ソフトロボットであってもよい。ソフトグリッパは、前立腺の検査を行うために、前立腺などの試材との接触を確立でき、電子送信器とセンサが検査データを提供する。
【０１００】
前記電気部品は、自律型ロボットまたは遠隔テレプレゼンスの一部として、人との音声会話を可能にするスピーカとマイクロフォンを含んでいてもよい。ソフトロボティックスにソフト電子スピーカとマイクロフォンを設けることにより、そのロボットが被検者と「話す」ことや「対話する」ことが可能になる。
【０１０１】
前記電気部品は、ソフトグラスパを用いた物体識別のためや生活組織の評価のための、導電率センサとインピーダンスセンサであってもよい。抵抗、インピーダンス、および静電容量を測定できる。例えば、電子ソフトロボットは、歪制限層に導電率センサまたはインピーダンスセンサが設けられたハンド状ソフトロボットであってもよい。ソフトグリッパは、試材と接触でき、電子センサは検査データを提供する。
【０１０２】
前記電気部品は、分光法（赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線など）を行う光検出アレイを含んでいてもよい。本明細書においてＬＥＤの箇所で説明したように、歪制限層にフォトダイオードを組み込んでもよい。フォトダイオードは、分光計の一部として利用できる。
【０１０３】
医療装置、医学診断法、協調ロボットシステムおよびロボット自動化の分野において、画像収集のために、電気部品は、可撓性または剛性を有するＣＣＤチップを含んでいてもよい。
【０１０４】
前記電気部品は、ソフト電子筋肉アクチュエータに送電するためのワイヤを含んでいてもよい。動力／エネルギーをソフトロボットの他の領域に伝達できる回路網を確立するために、歪制限層を用いてもよい。例えば、バッテリ電源（外部または回路基板上の）からアクチュエーションシステムまで電気エネルギーを案内する回路を、歪制限層内に設けてもよい。
【０１０５】
本明細書において、別途定義されるか、用いられるか、または特徴付けされない限り、本明細書で用いられる用語（技術用語および科学用語を含む）は、関連技術に照らして許容される意味と一貫性のある意味を持つと解釈すべきであり、本明細書で明示的に定義されない限り、理想的、または過度に画一化された意味を持つと解釈すべきでない。
例えば、特定の組成について言及する場合、その組成は、実際には、完全ではないが実質的には純粋なものとすることができ、現実に不完全な組成が適用されてもよく、例えば、少なくとも微量不純物（１％または２％未満など）が存在していても、本願明細書の範囲内であると考えることができる。同様に、特定の形状について言及する場合、その形状には、例えば、製造公差に起因して理想的な形状から外れたばらつきが存在していてもよい。本明細書で表現される百分率または濃度は、重量または体積のいずれで表されてもよい。
【０１０６】
第１、第２、第３などの用語は、本明細書においてさまざまな要素を説明するために用いることができるが、これらの要素は、これらの用語により限定されるものではない。これらの用語は、単に、１つの要素を他から区別するために用いられる。したがって、以下で説明する第１の要素は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素と名付けることができる。本明細書では、「上に」「下に」「左に」「右に」「前に」「後ろに」など、空間において相対的な位置を表す用語を、図示する１つの要素と別の要素との関係を説明する記述を容易にするために用いている。当然であるが、空間において相対的な位置を表す用語および図示した構成は、本明細書で説明し、図面で示している向きに加えて、使用時または運転時の装置のさまざまな向きを包含する。例えば、別の要素または部分の「下に」または「真下に」と説明された要素は、図示している装置を反転させると、別の要素または部分の「上に」配置される。したがって、例示的な用語「上に」は、上および下の向きを両方包含することができる。装置は、図示している方向と異なる方向を向いていてもよく（例えば、９０度または他の角度で回転させてもよく）、本明細書で用いている空間において相対的な位置を表す用語は、これに従って解釈される。さらに、本開示において、１つの要素が別の要素に「配置される」、「接続される」、または「つなげられる」または「接触している」など、という場合、別途指定しない限り、この要素は、別の要素に直接的に配置されるか、接続されるか、つなげられるか、または接触してよいし、あるいは他の要素が介在していてもよい。
【０１０７】
本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明するためのものであり、例示的な実施形態を限定することはない。本明細書において、「１つの」などの単数形は、文脈が別途示さない限り、複数形も含む。
【０１０８】
説明目的のため、特定の順序のステップについて図示および記載してきたが、これらの順序は特定の点で変更可能であり、あるいは、所望の構成を入手しつつ、前記ステップを組み合わせることも可能であることが理解される。また、本発明の開示の範囲内であれば、開示している実施形態および特許請求の範囲に記載した発明の変形例が存在する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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【図３Ｊ】
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【図３Ｋ】
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【図３Ｌ】
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【図３Ｍ】
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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