(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が閉じられ、他端に外部から制御可能な圧力を受けるインナーチューブと、
加圧によって径方向に膨張し、軸方向に収縮する伸縮部材であって、前記インナーチューブの外側に軸方向に複数のチャンバ−室を形成する伸縮部材と、
を備え、
前記インナーチューブは、前記チャンバ−室ごとに少なくともひとつの開口を有し、
前記チャンバ−室の軸方向の長さをＬ、そのチャンバ−室に対応する前記少なくともひとつの開口の総面積をＳとしたとき、前記複数のチャンバ−室それぞれの比Ｓ／Ｌは、先端のチャンバー室ほど大きいことを特徴とする移動体。
【請求項２】
前記伸縮部材は管状であり、前記インナーチューブは前記伸縮部材に挿入されており、
前記複数のチャンバ−室それぞれの境界部分において、前記伸縮部材の内壁と前記インナーチューブの外壁が密着していることを特徴とする請求項１に記載の移動体。
【請求項３】
長さＬは先端ほど短く、面積Ｓは先端ほど大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の移動体。
【請求項４】
前記インナーチューブは、先端から２番目以降の前記チャンバ−室ごとに上流部分と下流部分を仕切る開閉可能な弁を有し、かつ上流部分と下流部分それぞれに前記開口が設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の移動体。
【請求項５】
前記インナーチューブは、面積Ｓが先端のチャンバ−室ほど大きい状態と、後端のチャンバ−室ほど大きい状態と、が切りかえ可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体圧を利用した移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
体内の観察のための内視鏡や、薬液の投与、体液の排出のためのカテーテルは、重要な医療機器として知られる。これらの器具はいずれも、体内の細い管内に挿入して使用されるため、径方向のサイズには制約があり、複雑な機構を組み込むことが難しい。このためこのような器具は、自分自身の推進力を有さず、したがって従来では、医療行為者が外部から力を与えて、体内に押し込み、あるいは引き抜く必要があった。
【０００３】
近年、能動カテーテルや能動内視鏡の開発が進められている。たとえば特許文献１〜３には、空気圧を用いた管内自走装置、内視鏡推進装置、管内挿入装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４０７１３号公報
【特許文献２】特開２０１２−８１１３０号公報
【特許文献３】特開平５−２９３０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２に記載の装置は、軸方向すなわち推進方向に複数の伸縮ユニットあるいはバルーンを有し、それらの変形によって推進力を発生させる点で共通する。しかしながら、複数の伸縮ユニット／バルーンを個別に変形させるために、伸縮ユニット／バルーンごとに空気圧を独立に制御する必要があり、したがって複数のエアチューブが必要となる。このことが、小型化の障壁となっていた。
【０００６】
管内を推進可能な移動体は、体内のみでなく、ガス管などの管路や複雑な狭隘地形においての用途も期待される。
【０００７】
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、簡素な構造を有する移動体の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、移動体に関する。移動体は、一端が閉じられ、他端に外部から制御可能な圧力を受けるインナーチューブと、加圧によって径方向に膨張し、軸方向に収縮する伸縮部材であって、インナーチューブの外側に軸方向に複数のチャンバ−室を形成する伸縮部材と、を備える。インナーチューブは、チャンバ−室ごとに少なくともひとつの開口を有する。チャンバ−室の軸方向の長さをＬ、そのチャンバ−室に対応する少なくともひとつの開口の総面積をＳとしたとき、複数のチャンバ−室それぞれの比Ｓ／Ｌが異なっている。
【０００９】
この態様によると、インナーチューブの他端に供給する１系統の圧力を制御することにより、複数のチャンバ−室を、比Ｓ／Ｌの大きさに応じて異なるタイミングで膨張、収縮させることができ、これにより移動体をミミズのように変形させて、推進力を発生させることができる。
【００１０】
伸縮部材は管状であり、インナーチューブは前記伸縮部材に挿入されてもよい。複数のチャンバ−室それぞれの境界部分において、伸縮部材の内壁とインナーチューブの外壁が密着していてもよい。
【００１１】
長さＬは先端ほど短く、面積Ｓは先端ほど大きくてもよい。これにより、先端方向への大きな推進力を得ることができる。
【００１２】
インナーチューブは、先端から２番目以降のチャンバ−室ごとに上流部分と下流部分を仕切る開閉可能な弁を有し、かつ上流部分と下流部分それぞれに開口が設けられてもよい。
これにより、弁の開閉に応じて、推進力の発生方向を切りかえることができる。
【００１３】
インナーチューブは、面積Ｓが先端のチャンバ−室ほど大きい状態と、後端のチャンバ−室ほど大きい状態と、が切りかえ可能であってもよい。
これにより、推進力の発生方向を切りかえることができる。
【００１４】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のある態様によれば、簡素な構造を有する移動体が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る移動体の断面図であり、図１（ｂ）はその外観図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｇ）は、図１の移動体の動作を説明する図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｇ）は、別の移動体の動作を説明する図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、面積Ｓｉと長さＬｉの設計例を示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３の場合の面積Ｓの設計例を示す図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｄ）は、移動体の製造方法を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施の形態に係る移動体の断面図である。
【図８】弁およびその制御機構の一例を示す断面図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、第３の実施の形態に係る移動体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る移動体１の断面図であり、図１（ｂ）はその外観図である。移動体１は、柔軟な線状のアクチュエータであり、ミミズのように変形しながら推進する。移動体１は、伸縮部材１０およびインナーチューブ２０を備える。なお図面に示される各部材の寸法は、理解の容易化、説明の簡潔化のため適宜拡大縮小されている。
【００１９】
伸縮部材１０は、内側からの加圧によって径方向に膨張し、軸方向に収縮する。このような性質を有する伸縮部材１０としては、マッキベン（McKibben）型の空気圧ゴム人工筋あるいはそれに類似する構造のチューブを用いることができる。またチューブの材料は特に限定されないが、たとえばシリコーンゴム製のものを用いることができる。
【００２０】
インナーチューブ２０は、その一端（先端ともいう）２２が閉じられている。インナーチューブ２０の他端（後端ともいう）２４には、制御部２が接続され、後端２４の圧力（空気の流量および向き）が外部から制御可能となっている。たとえば制御部２は、空気圧ポンプやコンプレッサと、圧力制御弁とを備えてもよい。
【００２１】
伸縮部材１０は、インナーチューブ２０の外側に軸方向に複数のチャンバ−室４０＿１〜４０＿Ｎを形成する。チャンバ−室４０＿１は最先端に、チャンバ−室４０＿Ｎは最後端に位置する。図１にはＮ＝３が例示されるが、Ｎは任意である。
【００２２】
たとえば伸縮部材１０は管状であり、インナーチューブ２０は伸縮部材１０に挿入される。複数のチャンバ−室４０＿１〜４０＿３それぞれの境界部分において、伸縮部材１０の内壁とインナーチューブ２０の外壁が密着している。たとえば移動体１は、伸縮部材１０を外部から径方向に押さえつける環状の拘束部材５０を備えてもよい。拘束部材５０は、糸、紐やゴム、金属線などを用いることができ、その材料は特に限定されない。あるいは、伸縮部材１０の内壁とインナーチューブ２０の外壁は、隣接するチャンバ−室４０の境界において接着あるいは溶着されてもよい。
【００２３】
インナーチューブ２０は、チャンバ−室４０＿ｉ（ｉ＝１，２，…Ｎ）ごとに少なくともひとつの開口２６＿ｉを有する。ここでは理解の容易化の説明の簡潔化のため、チャンバ−室４０ごとに１個の開口２６が設けられている。インナーチューブ２０の内部の流路２１は、開口２６＿ｉを介して対応するチャンバ−室４０＿ｉと連通している。
【００２４】
ｉ番目のチャンバ−室４０＿ｉの軸方向の長さをＬｉ、そのチャンバ−室４０＿ｉに対応する少なくともひとつの開口２６＿ｉの総面積をＳｉしたとき、複数のチャンバ−室４０＿ｉそれぞれにおける比Ｓｉ／Ｌｉが異なっている。好ましくは比Ｓｉ／Ｌｉは、軸方向に単調に変化する。
【００２５】
以上が移動体１の構成である。続いてその動作を説明する。
【００２６】
１．  Ｓｉ／Ｌｉ≧Ｓｊ／Ｌｊ    （ｉ＜ｊ）
図２（ａ）〜（ｇ）は、図１の移動体１の動作を説明する図である。２つのチャンバ−室４０＿ｉ，４０＿ｊ（ｉ＜ｊ）に関して、Ｓｉ／Ｌｉ≧Ｓｊ／Ｌｊが成り立つものとする。移動体１は、管路１００の内部を右方向に推進する。図２（ａ）は初期状態を示す。制御部２によってインナーチューブ２０を加圧すると、インナーチューブ２０の開口２６を介してチャンバ−室４０内に空気が流れ込む。インナーチューブ２０の内部の空気圧が一定であると仮定すると、各チャンバ−室４０に流れ込む空気の流量は、そのチャンバ−室４０に対応する開口２６の面積Ｓに比例する。チャンバ−室４０の膨張速度は、その単位体積当たりの流量に比例する。伸縮部材１０の内径が均一であると仮定すれば、各チャンバ−室の体積は、軸方向の長さＬに比例する。したがってチャンバ−室４０＿ｉはそれぞれ、比Ｓｉ／Ｌｉに応じた膨張速度で膨張する。
【００２７】
つまり、図２（ｂ）に示すように比Ｓｉ／Ｌｉの大きな先端２２側のチャンバ−室４０＿１が先に膨張する。膨張したチャンバ−室４０＿１は管路１００の内壁１０２と接触することにより、推進方向（軸方向）の位置が固定される。チャンバ−室４０＿１が膨張すると、伸縮部材１０の性質により、チャンバ−室４０＿１の長さが短くなり、後続のチャンバ−室４０＿２、４０＿３が前方に引き寄せられる。さらに加圧を続けると、図２（ｃ）に示すように２番目のチャンバ−室４０＿２が膨張し、その長さが短くなり、後続のチャンバ−室４０＿３が前方に引き寄せられる。そして図２（ｄ）に示すようにすべてのチャンバ−室４０＿１〜４０＿３が膨張した状態となる。
【００２８】
続いて制御部２によって、インナーチューブ２０を減圧状態に切りかえられる。そうすると、図２（ｅ）に示すように比Ｓｉ／Ｌｉの大きな先端２２側のチャンバ−室４０＿１が先に収縮する。チャンバ−室４０＿１が収縮すると、伸縮部材１０の性質により、チャンバ−室４０＿１の長さが長くなり、チャンバ−室４０＿１が軸方向に繰り出される。さらに減圧を続けると、図２（ｆ）に示すように２番目のチャンバ−室４０＿２が収縮し、その長さが長くなり、チャンバ−室４０＿１、４０＿２が軸方向に繰り出される。さらに減圧を続けると、図２（ｇ）に示すように３番目のチャンバ−室４０＿３が収縮し、その長さが長くなり、チャンバ−室４０＿１〜４０＿３が軸方向に繰り出される。制御部２によって加圧、減圧を繰り返すことで、図２（ａ）〜（ｇ）の動作が繰り返され、移動体１は右方向つまり先端２２側に推進する。
【００２９】
なお、ここでは明確化のために、チャンバ−室４０＿１〜４０＿３が順に膨張、収縮する様子を示しているが、実際には、チャンバ−室４０＿１が膨張している間、チャンバ−室４０＿２、４０＿３も膨張してもよく、反対にチャンバ−室４０＿１が収縮している間、チャンバ−室４０＿２、４０＿３も収縮してもよい。
【００３０】
２．  Ｓｉ／Ｌｉ≦Ｓｊ／Ｌｊ    （ｉ＜ｊ）
図３（ａ）〜（ｇ）は、別の移動体１の動作を説明する図である。ここではｉ＜ｊを満たす２つのチャンバ−室４０＿ｉ、４０＿ｊに関して、Ｓｉ／Ｌｉ≦Ｓｊ／Ｌｊが成り立っている。この場合、複数のチャンバ−室４０が膨張、伸縮する順序が、図２（ａ）〜（ｇ）とは逆となる。これにより移動体１は、左方向つまり後端２４側に推進する。
【００３１】
以上が移動体１の動作である。この移動体１によれば、比Ｓｉ／Ｌｉに勾配を持たせることにより、インナーチューブ２０への１系統の圧力を制御するのみで、複数のチャンバ−室４０＿１〜４０＿３を、順に膨張、収縮させることができ、これにより移動体１をミミズのように変形させて、推進力を発生させることができる。
【００３２】
また、図２、図３で説明したように、勾配の方向に応じて、推進力の向きを設計することができる。さらに、開口２６の面積Ｓ、空間の長さＬにもとづいて、推進力や推進速度を設計することができる。さらに、移動体１では、複数のチャンバ−室４０を１系統の空気圧源によって制御可能であり、従来の移動体に比べてコスト、サイズを大幅に削減できる。
【００３３】
図４（ａ）〜（ｃ）は、面積Ｓｉと長さＬｉの設計例を示す図である。図４（ａ）では、長さＬ１〜Ｌ３は等しく、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３が成り立っている。
【００３４】
図４（ｂ）では、面積Ｓ１〜Ｓ３が等しく、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３が成り立っている。図４（ｃ）では、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３かつＬ１＜Ｌ２＜Ｌ３が成り立っている。進行方向を反対とする場合、不等号の向きを反対とすればよい。
【００３５】
図５（ａ）〜（ｃ）は、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３の場合の面積Ｓの設計例を示す図である。図５（ａ）では、各チャンバ−室４０に異なる面積の開口がひとつずつ設けられる。図５（ｂ）では、同じサイズの開口が、異なる個数設けられている。図５（ｃ）では、異なるサイズの開口が、異なる個数設けられている。あるいは後出の図６（ａ）に示すように、異なるサイズの開口を、複数の同数個ずつ設けてもよい。
【００３６】
続いて、移動体１の具体的な製造方法の一例を説明する。図６（ａ）〜（ｄ）は、移動体１の製造方法を示す図である。図６（ａ）に示すように、インナーチューブ２０に、複数の開口２６＿１〜２６＿３が形成される。たとえば開口２６は、針状の器具を用いて形成してもよい。
【００３７】
図６（ｂ）を参照して、伸縮部材１０の製造方法の一例を説明する。カーボンチューブ１２を回転させながらシリコン（たとえばEcoflex00-50：登録商標）１４を表面に塗布し、シリコンチューブを作製する。そしてシリコンチューブの表面に、糸１６をマッキベンのような網目構造となるように巻き付ける。そして糸１６にシリコン１４を染みこませて、減圧状態（負圧）とし、糸１６の上からシリコン１４をコーティングし、硬化させる。なお伸縮部材１０としては市販のマッキベン型人工筋ゴムを利用してもよい。
【００３８】
図６（ｃ）に示すように、伸縮部材１０にインナーチューブ２０を挿入する。そして句６（ｄ）に示すように、複数のチャンバ−室４０それぞれの境界において、伸縮部材１０がインナーチューブ２０と密着するように拘束部材５０を装着する。たとえば拘束部材５０は、ナイロン繊維やポリアミド系合成繊維、あるいは針金やピアノ線などの金属線であってもよい。
【００３９】
以上が移動体１の製造方法である。本発明者がこの製造方法によって製造した移動体１の試作品は、重量２．５ｇ、長さ１８．５ｃｍ、伸縮部材１０の内径２ｍｍ、外径４ｍｍであった。この試作品により、内径６ｍｍ〜８ｍｍの管路での推進を確認しており、移動速度として８ｍｍ／ｓｅｃ（５０ｃｍ／分）が得られており、能動カテーテルをはじめとする医療用途としても実用性が高いことを確認している。
【００４０】
なおこの試作品では、内径６ｍｍより狭い管路１００では、伸縮部材１０が十分に膨張することができず、推進力の低下が見られた。言い換えれば、伸縮部材１０の径は、管路１００の内径を考慮して最適化すればよい。
【００４１】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、比Ｓ／Ｌが固定されており、したがって進行方向は一定であった。第２の実施の形態では、進行方向が切りかえ可能な構成を説明する。
【００４２】
図７（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施の形態に係る移動体１ａの断面図である。インナーチューブ２０ａは、チャンバ−室４０＿２〜４０＿３（４０＿Ｎ）において、上流部分６２と下流部分６４を仕切る開閉可能な弁６６＿２〜６６＿３を有する。またチャンバ−室４０＿２〜４０＿３においてインナーチューブ２０ａには、上流部分６２と下流部分６４それぞれに開口６８，７０が設けられる。
【００４３】
図７（ｂ）には、弁６６＿２，６６＿３が開いた状態が示される。弁６６＿２，６６＿３が開いた状態は、図１（ａ）のとインナーチューブ２０と等価である。各チャンバ−室４０＿２（４０＿３）において、弁６６＿２（６６＿３）より上流の開口６８と下流の開口７０の合計面積が、有効な開口面積Ｓ２（Ｓ３）となる。したがってＳ１＞Ｓ２＞Ｓ３が成り立ち、図３に示すように移動体は、先端２２方向に推進する。
【００４４】
図７（ｃ）には、弁６６＿２，６６＿３が閉じた状態が示される。加圧状態では、チャンバ−室４０＿３において、開口６８からチャンバ−室４０＿３に空気が流れ込む。これにより初めにチャンバ−室４０＿３が膨張しはじめる。膨張が完了しチャンバ−室４０＿３の圧力が高まると、開口７０からインナーチューブ２０の流路２１に空気が流れ込む。
【００４５】
続いて、チャンバ−室４０＿２に開口６８から空気が流れ込む。これによりチャンバ−室４０＿２が膨張しはじめる。膨張が完了しチャンバ−室４０＿２の圧力が高まると、開口７０からインナーチューブ２０の流路２１に空気が流れ込む。
【００４６】
続いて、チャンバ−室４０＿１に開口２６＿１から空気が流れ込む。これによりチャンバ−室４０＿１が膨張しはじめる。
【００４７】
すべてのチャンバ−室４０＿１〜４０＿３が膨張した後、後端２４において減圧を開始する。その結果、チャンバ−室４０＿３，４０＿２，４０＿１の順序で縮小する。これにより図３（ａ）〜（ｇ）と同じ順序で複数のチャンバ−室４０の膨張、縮小が制御され、したがって移動体を後退させることができる。
【００４８】
このように第２の実施の形態に係る移動体１ａによれば、弁６６＿２，６６＿３の状態を制御することにより、進行方向を切りかえることができる。
【００４９】
図８は、弁６６およびその制御機構の一例を示す断面図である。流路２１は、弁６６に対応する部分において径が太くなっている。弁６６は、径が太い部分２３内に弁体（ストッパともいう）７２を含む。弁体７２は球体（ボール）であってもよく、弁体７２の径は、部分２３の内径より小さく、流路２１の内径より大きくなっている。部分２３と流路２１の境界部分が、弁座に相当する。複数の弁６６それぞれの弁体７２は、連結部材７４によって連結され、連結部材７４は、インナーチューブ２０ａの後端２４から引き出されている。連結部材７４は、紐や糸、金属線であってもよい。
【００５０】
図８には、弁６６が開いた状態が実線で示される。インナーチューブ２０ａの後端２４から引き出された連結部材７４を、左方向に引っ張ると、弁体７２は、一点鎖線で示す位置に移動する。これにより、流路２１が弁体７２によって閉じられ、弁６６が閉状態となる。
【００５１】
図８の構成によれば、複数の弁６６の開閉を外部から機械的に簡易に制御することができる。なお、弁の構造は特に限定されず、公知のバルブ構造を採用することができる。
【００５２】
（第３の実施の形態）
図９（ａ）、（ｂ）は、第３の実施の形態に係る移動体１ｂ，１ｃの断面図である。これらの移動体１ｂ，１ｃも、第２の実施の形態と同様に、進行方向が切りかえ可能であり、そのために複数のチャンバ−室４０＿１〜４０＿３の開口２６＿１〜２６＿３の面積Ｓ１〜Ｓ３が、物理的に変更可能となっている。具体的にはインナーチューブ２０ｂは、開口の面積Ｓが先端のチャンバ−室４０＿１ほど大きい状態（Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３）と、後端のチャンバ−室４０＿Ｎほど大きい状態（Ｓ３＞Ｓ２＞Ｓ１）と、が切りかえ可能となっている。
【００５３】
インナーチューブ２０ｂ，２０ｃは、内側管８０と外側管８２を有する２層構造を有し、内側管８０は、外側管８２の内部を摺動可能となっている。内側管８０には開口８４、外側管８２には開口８６が設けられており、それらの位置、サイズ、形状の少なくともひとつが異なっている。開口８４と開口８６のオーバーラップが、開口２６を形成する。
【００５４】
図９（ａ）では、内側管８０は長さ方向（軸方向）にスライド可能であり、スライドに応じて開口２６の面積が変化し、前進と後退を切りかえることができる。
【００５５】
図９（ｂ）では、内側管８０の上側と下側に、サイズの異なる開口８４ａ、８４ｂが形成される。外側管８２は周方向に回転可能であり、その開口８６は、開口８４ａとオーバーラップする状態と、開口８４ｂとオーバーラップする状態が切りかえ可能であり、回転に応じて前進と後退を切りかえることができる。なお、内側管８０と外側管８２の関係は相対的なものであり、内側管８０に対して外側管８２を動かしてもよいし、外側管８２に対して内側管８０を動かしてもよい。
【００５６】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００５７】
上述のいくつかの実施の形態では、管状の伸縮部材１０とインナーチューブ２０の組み合わせで移動体１を構成したが本発明はそれに限定されない。伸縮部材１０は、チャンバ−室４０ごとに物理的に分割された複数の部材で構成されてもよい。
【００５８】
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００５９】
１…移動体、２…制御部、１０…伸縮部材、１２…カーボンチューブ、１４…シリコン、２０…インナーチューブ、２１…流路、２２…先端、２４…後端、２６…開口、４０…チャンバ−室、５０…拘束部材、６２…上流部分、６４…下流部分、６６…弁、６８，７０…開口、７２…弁体、８０…内側管、８２…外側管。
【図１】
0006677409.tif 000002
【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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