(57)【要約】積層型ロボットアクチュエータは、シートまたは薄膜の形態の可撓性非伸張材料を含む限歪層、限歪層と対面関係にある薄膜またはシートの形態の可撓性膨張層を備え、膨張層は、限歪層に選択的に接着し、限歪層と膨張層との間の未接着領域の一部分が、加圧可能チャネルを画定し、少なくとも１つの流体注入口は、加圧可能チャネルと流体連通する。第１の可撓性非伸張材料は、第２の可撓性エラストマー材料の剛性よりも高い剛性を有し、可撓性エラストマーは、作動条件下において非伸張性である。
2015514932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層型ロボットアクチュエータであって、
シートまたは薄膜の形態の可撓性非伸張材料を含む限歪層と、
前記限歪層と対面関係にある、薄膜またはシートの形態の可撓性膨張層であって、前記膨張層は、前記限歪層に選択可能に接着され、前記限歪層と前記膨張層との間の未接着領域の一部分が、加圧可能チャネルを画定する、可撓性膨張層と、
前記加圧可能チャネルと流体連通する、少なくとも１つの流体注入口と、を備え、
前記第１の可撓性非伸張材料は、第２の可撓性エラストマー材料の剛性よりも高い剛性を有し、前記可撓性エラストマーは、作動条件下において非伸張性である、積層型ロボットアクチュエータ。
【請求項２】
前記限歪層と前記膨張層との間に配置される接着層をさらに備え、前記接着層は、前記膨張層を前記限歪層に選択的に接着して、前記チャネルを画定するように成形される、請求項１に記載の可撓性ロボットアクチュエータ。
【請求項３】
前記限歪層および前記膨張層のうちの１つが接着剤でコーティングされ、前記限歪層と前記膨張層との間に配置されるマスキング層をさらに備え、前記マスキング層は、前記限歪層と前記膨張層との間の未接着領域の形状を画定する、請求項１に記載の可撓性ロボットアクチュエータ。
【請求項４】
前記限歪層は、前記接着剤コーティングを備える、請求項３に記載の可撓性ロボットアクチュエータ。
【請求項５】
前記チャネルは、前記流体注入口を介した前記チャネルの加圧時に、前記可撓性ロボットアクチュエータの捻回運動を提供するように構成される複数の相互接続されたチャンバを備える、請求項１に記載の可撓性ロボットアクチュエータ。
【請求項６】
前記チャネルは、前記流体注入口を介した前記チャネルの加圧時に、前記可撓性ロボットアクチュエータの屈曲運動を提供するように構成される複数の相互接続されたチャンバを備える、請求項１に記載の可撓性ロボットアクチュエータ。
【請求項７】
前記限歪層の剛性は、流体注入口を介した前記チャネルの加圧時に、前記可撓性ロボットアクチュエータと関連する物理的強度を決定するように構成される、請求項１に記載の可撓性ロボットアクチュエータ。
【請求項８】
前記チャネルは、前記流体注入口を介した前記チャネルの加圧時に、前記可撓性ロボットアクチュエータの２つの異なる運動を提供するように構成される複数の相互接続されたチャンバを備える、請求項１に記載の可撓性ロボットアクチュエータ。
【請求項９】
前記可撓性ロボットアクチュエータに追加の物理的支持を提供するための補強構造をさらに備える、請求項１に記載の可撓性ロボットアクチュエータ。
【請求項１０】
さらに、前記チャネルは、前記少なくとも１つの流体注入口に独立して接続される複数のサブチャネルであって、それによって、前記サブチャネルの独立した加圧を可能にする、サブチャネルを備える、請求項１に記載の可撓性ロボットアクチュエータ。
【請求項１１】
前記チャネルは、湾曲した中央流導管に沿って配設される複数の相互接続されたチャンバを備える、請求項１に記載の可撓性ロボットアクチュエータ。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の可撓性ロボットアクチュエータを備える捻回アクチュエータであって、前記加圧可能チャネルが、中央流導管および複数の傾斜枝部を備え、前記傾斜枝部は、前記アクチュエータの捻回運動を決定するように前記アクチュエータの中心軸に対して鋭角である、捻回アクチュエータ。
【請求項１３】
前記中心軸は、前記中心流導管と整列している、請求項１２に記載の捻回アクチュエータ。
【請求項１４】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の可撓性ロボットアクチュエータを備える持ち上げロボットであって、前記加圧可能チャネルは、前記可撓性ロボットアクチュエータの中心点を中心に同心様式で配設される放射状チャネルと、前記放射状チャネルに垂直な接続チャネルを備え、前記放射状チャネルは、加圧時に前記限歪層の表面から離れて屈折するように構成される、持ち上げロボット。
【請求項１５】
複数の作動可能アームを備えるロボットであって、前記複数の作動可能アームのそれぞれは、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の可撓性ロボットアクチュエータを備える、ロボット。
【請求項１６】
前記ロボットは、２、３、４、５、６、７、８個、またはそれ以上の作動可能アームを備える、請求項１５に記載のロボット。
【請求項１７】
前記複数の作動可能アームのうちの１つ以上は、独立して作動するように構成される、請求項１５に記載のロボット。
【請求項１８】
複数の作動可能アームを備える把持デバイスであって、前記複数の作動可能アームのそれぞれは、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の可撓性ロボットアクチュエータを含み、前記複数の作動可能アームは、加圧時に、第１の静止位置から第２の作動位置に屈曲するように構成される、把持デバイス。
【請求項１９】
前記把持デバイスは、２、３、４、５、６、７、８個、またはそれ以上の作動可能アームを備える、請求項１８に記載の把持デバイス。
【請求項２０】
前記複数の作動可能アームのうちの１つ以上は、独立して作動するように構成される、請求項１８に記載の把持デバイス。
【請求項２１】
可撓性ロボットアクチュエータを提供するための方法であって、
第１の可撓性材料でできた実質的に２次元の層を有する限歪層を提供することと、
第２の可撓性材料でできた実質的に２次元の層を有する膨張層を提供することであって、前記第２の可撓性材料は非伸張性であり、前記第１の可撓性材料は、前記第２の可撓性材料と比較してより剛性であることと、
前記膨張層が前記限歪層に接着される領域の形状を決定することと、
前記領域の形状に基づいて前記膨張層を前記限歪層に接着させ、それによって、前記形状を有する流体連通のためのチャネルを形成することと、を含む、方法。
【請求項２２】
前記限歪層と膨張層との間に接着層を提供することをさらに含み、前記接着層は、前記膨張層を前記限歪層に選択的に接着して、チャネルを画定するように成形される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記限歪層と前記膨張層との間に配置されるマスキング層を提供することをさらに含み、前記マスキング層は、前記限歪層と前記膨張層との間の未接着領域の形状を画定する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
積層型軟体ロボットを作動させる方法であって、
請求項１〜１６のいずれか１項に従って積層型軟体ロボットを提供することと、
前記積層型軟体ロボットを作動させて所定の運動を提供する、一連の加圧および除圧を開始することと、を含む、方法。
【請求項２５】
前記一連の加圧および除圧は、２つ以上の所定の一連の運動を提供する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
把持の方法であって、
請求項１７〜１９のいずれか１項に従って把持デバイスを提供することと、
前記アームを標的物品と把持接触させる、一連の加圧および除圧を開始することと、を含む、方法。
【請求項２７】
一連の加圧および除圧を開始して、歩行運動を行うことをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記流体注入口を介して前記チャネルに印加される前記流体の圧力は、所定の範囲の運動を提供するように選択される、請求項２４、２６、または２７に記載の方法。
【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、２０１２年１月１９日に出願された「Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ」と題される先の出願日の米国仮特許出願第６１／５８８，５９６号の利益を主張する。この仮特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本明細書に引用される全ての特許、特許出願、および公開は、本明細書に記載される本発明の時点で当業者に既知の当該技術分野の状況をより詳細に説明するために、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００３】
連邦政府の支援による研究または開発に関する記述
本発明は、Ｄｅｆｅｎｓｅ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｐｒｏｊｅｃｔｓ  Ａｇｅｎｃｙ（ＤＡＲＰＡ）によって授与された認可番号Ｗ９１１ＮＦ−１１−１−００９４の下に、米国政府の支援によりなされた。米国政府は、本発明に権利を有する。
【０００４】
本技術は、概して、可撓性アクチュエータに関する。具体的には、本発明は、大幅に薄型のロボット操作装置に関する。
【背景技術】
【０００５】
ほとんどのロボットは、いわゆる「硬質」(hard)の体制設計、すなわち、剛質（通常は金属）の骨格、電気式または油圧式作動、電気機械制御、感知、およびフィードバックを用いて構築される。これらのロボットは、それらが目的として設計された作業（例えば、制御環境での重度の製造）では非常に成功しているが、より困難な作業（例えば、過酷な環境における安定した運動性）に直面すると、重度の制限を有する。すなわち、車両は蹄脚ほどうまく機能しない。
【０００６】
進化の過程で、可動性生物には広範な体制設計が選択されてきた。動物に似た骨格のロボットへの多数のアプローチが、活発に開発されており、「ビッグドッグ」が１つの例である。第２のクラスのロボット、すなわち骨格を持たない動物に基づくものは、いくつかの理由から、それほど研究されていない：ｉ）「海洋様」生物（イカ）は、水の浮力による支持がなければ動作しない、ｉｉ）これらのシステムを作製するのに必要な材料および構成要素が利用可能でない、ｉｉｉ）それらに使用される主な種類の作動（例えば、漏水検出器）は、事実上、従来的なロボットに使用されていない。これらのシステムは、本質的に、それらの能力および潜在可用性が、硬質体制のシステムとは大きく異なる。それらは（少なくとも開発の早期においては）硬質体制のシステムに遅れをとるが、制限された空間（亀裂、瓦礫）をより安定かつ良好に移動することができ、より軽量で、より安価である。
【０００７】
「軟体」(soft)と表現することができるロボット、またはロボットアクチュエータは、最も簡単には、それらの製造に用いられる材料およびそれらの作動方法によって、分類される。軟体ロボット作動の分野は、１９５０年にＫｕｈｎらの研究で始まった。彼らの研究は、周囲媒質のｐＨに応じてポリマー材料がコイル状になり、非コイル状になる、可逆的変化に焦点を当てていた。彼らは、これを用いて錘を上下させることに成功し、したがって、ロボット作動における軟質材料の使用の原理の根拠を示した。Ｈａｍｌｅｎらは、１９６５年にこの発想を拡大し、ポリマー材料を電気的に収縮するように作製することができることを示した。これらの２つの開発は、ポリマーゲルの膨張および誘電に基づくアクチュエータの電子制御を用いた今後の研究の場を提供した。Ｏｔａｋｅらは、ヒトデ型のロボットアクチュエータの製造における電気活性ポリマーの使用を提示した。伸張性ポリマーから製造された密封チャンバの加圧に基づき、空気圧によって駆動される軟体アクチュエータは、１９９１年にＳｕｚｕｍｏｒｉらによって初めて報告された。この種類の作動は、把持装置、触手、および空気圧バルーンアクチュエータを含む他の関連デバイスを製造するために、ミリメートル規模で使用されている。
【０００８】
空気圧軟体ロボットアクチュエータは、鞴(bellow)等の構造に依存する、非伸張性材料を用いて製造することができる。空気圧式人工筋肉（ＰＭＡ）としても知られるＭｃＫｉｂｂｅｎアクチュエータは、作動部の軸方向には非伸張性である、織物シース内での制限された空気袋の膨張に依存する。結果として起こる変形は、放射方向の拡張および軸方向の収縮をもたらし、印加され得る力は、印加される圧力に比例する。関連するアクチュエータは、ひだ状空気圧式人工筋肉と称される。
【０００９】
作動方法、ならびに這行および跳躍の両方を行うことができるロボットにおける主要な構造的要素の両方として、Ｓｕｇｉｙａｍａらによって使用されている、形状記憶合金等の「軟体」ロボットアクチュエータが存在する。「軟体」と示され得る別のアプローチは、従来のロボット要素（電気モータ）およびＳｈａｐｅ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ（ＳＤＭ）に基づく軟質ポリマー結合の組み合わせを使用する。この技術は、３Ｄ印刷および削合の組み合わせである。従来のロボット工学と軟質要素との複合物の例は、Ｎｅｗ  Ｚｅａｌａｎｄにおいて柔らかい果物の梱包速度および効率を改善するための柔らかい指を備えるロボット把持装置の開発に使用されて大きな成功を収めた。
【発明の概要】
【００１０】
可撓性ロボットアクチュエータについて記載する。本開示のこれらおよび他の態様および実施形態を、以下に例示し、説明する。
【００１１】
開示される主題は、積層型ロボットアクチュエータを含む。積層型ロボットアクチュエータは、シートまたは薄膜の形態の可撓性非伸張材料を含む限歪層、限歪層と対面関係にある薄膜またはシートの形態の可撓性膨張層を含み得、膨張層は、限歪層に選択的に接着され、限歪層と膨張層との間の未接着領域の一部分が、加圧可能チャネルを画定し、少なくとも１つの流体注入口が、加圧可能チャネルと流体連通する。第１の可撓性非伸張材料は、第２の可撓性エラストマー材料の剛性よりも高い剛性を有し、可撓性エラストマーは、作動条件下において非伸張性である。
【００１２】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、積層型ロボットアクチュエータは、限歪層と膨張層との間に配置される接着層を含み得、この接着層は、膨張層を限歪層に選択的に接着して、チャネルを画定する。
【００１３】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、限歪層および膨張層のうちの１つは、接着剤でコーティングされ、積層型ロボットアクチュエータは、限歪層と膨張層との間に配置されるマスキング層をさらに含み、このマスキング層は、限歪層と膨張層との間の未接着領域の形状を画定する。
【００１４】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、限歪層は、接着剤コーティングを含む。
【００１５】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、チャネルは、流体注入口を介したチャネルの加圧時に、可撓性ロボットアクチュエータの捻回運動を提供するように構成される複数の相互接続されたチャンバを含む。
【００１６】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、チャネルは、流体注入口を介したチャネルの加圧時に、可撓性ロボットアクチュエータの屈曲運動を提供するように構成される複数の相互接続されたチャンバを含む。
【００１７】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、限歪層の剛性は、流体注入口を介したチャネルの加圧時に、可撓性ロボットアクチュエータにかかわる物理的強度を決定するように構成される。
【００１８】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、チャネルは、流体注入口を介したチャネルの加圧時に、可撓性ロボットアクチュエータの２つの異なる運動を提供するように構成される複数の相互接続されたチャンバを含む。
【００１９】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、アクチュエータは、可撓性ロボットアクチュエータに追加の物理的支持を提供するための補強構造をさらに含む。
【００２０】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、チャネルは、少なくとも１つの流体注入口に独立して接続され、それによって、サブチャネルの独立した加圧を可能にする、複数のサブチャネルを含む。
【００２１】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、チャネルには、湾曲した中央流導管に沿って配設される複数の相互接続されたチャンバが含まれる。
【００２２】
開示される主題はまた、本明細書に記載される実施形態のいずれかによる、可撓性ロボットアクチュエータを備える捻回アクチュエータを含む。加圧可能チャネルは、中央流導管および複数の傾斜枝部を含み、傾斜枝部は、アクチュエータの捻回運動を決定するようにアクチュエータの中心軸に対して鋭角である。
【００２３】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、捻回アクチュエータの中心軸は、中央流導管と整列している。
【００２４】
開示される主題はまた、持上ロボットを含む。持上ロボットは、本明細書に記載される実施形態のいずれかによる可撓性ロボットアクチュエータを含む。加圧可能チャネルは、可撓性ロボットアクチュエータの中心点を中心に同心様式で配設される放射状チャネル、および放射状チャネルに垂直な接続チャネルを含み、放射状チャネルは、加圧時に限歪層の表面から離れて屈折する。
【００２５】
開示される主題はまた、本明細書に記載される実施形態のいずれかによる、複数の作動可能アームを備えるロボットを含み、複数の作動可能アームのそれぞれは、本明細書に記載される実施形態のいずれかによる可撓性ロボットアクチュエータを含む。
【００２６】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、ロボットは、２、３、４、５、６、７、８個、またはそれ以上の作動アームを含む。
【００２７】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、複数の作動可能アームのうちの１つ以上は、独立して作動するように構成される。
【００２８】
開示される主題はまた、複数の作動可能アームを備える把持デバイスを含む。複数の作動可能アームのそれぞれは、本明細書に記載される実施形態のいずれかによる、可撓性ロボットアクチュエータを含み、複数の作動可能アームは、加圧時に、第１の静止位置から第２の作動位置に屈曲するように構成される。
【００２９】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、把持デバイスは、２、３、４、５、６、７、８個、またはそれ以上の作動アームを含む。
【００３０】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、複数の作動可能アームのうちの１つ以上は、独立して作動するように構成される。
【００３１】
開示される主題はまた、可撓性ロボットアクチュエータを提供するための方法を含む。本方法は、第１の可撓性材料でできた実質的に２次元の層を有する限歪層を提供することと、第２の可撓性材料でできた実質的に２次元の層を有する膨張層を提供することであって、第２の可撓性材料は非伸張性であり、第１の可撓性材料は、第２の可撓性材料と比較してより剛性であることと、膨張層が限歪層に接着される領域の形状を決定することと、を含む。本方法は、領域の形状に基づいて膨張層を限歪層に接着させ、それによって、その形状を有する流体連通のためのチャネルを形成することをさらに含み得る。
【００３２】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、可撓性ロボットアクチュエータを提供するための方法はまた、限歪層と膨張層との間に接着層を提供することを含み得、接着層は、膨張層を限歪層に選択的に接着して、チャネルを画定するように成形される。
【００３３】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、可撓性ロボットアクチュエータを提供するための方法はまた、限歪層と膨張層との間にマスキング層を提供することを含み得、マスキング層は、限歪層と膨張層との間の未接着領域の形状を画定する。
【００３４】
開示される主題は、積層型軟体ロボットを作動させる方法を含む。本方法は、本明細書に記載される実施形態のいずれかによる、積層型軟体ロボットを提供することと、積層型軟体ロボットを作動させて所定の運動を提供する、一連の加圧および除圧を開始することと、を含み得る。
【００３５】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、一連の加圧および除圧により、２つ以上の所定の一連の運動を提供する。
【００３６】
開示される主題は、把持の方法を含む。把持の方法は、本明細書に記載される実施形態による把持デバイスを提供することと、アームを標的物品と把持接触させる、一連の加圧および除圧を開始することと、を含み得る。
【００３７】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、把持の方法はまた、一連の加圧および除圧を開始して、歩行運動を行うことをさらに含み得る。
【００３８】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、流体注入口を介してチャネルに適用される流体の圧力は、所定の範囲の運動を提供するように選択される。
【００３９】
本発明は、以下の図面への参照とともに説明され、これらは、例示のみの目的で提示され、制限することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１Ａ〜１Ｂは、いくつかの実施形態による、可撓性ロボットアクチュエータの空気圧作動の原理を図示する。
【図２】図２Ａ〜２Ｂは、いくつかの実施形態による、非伸張性膨張層を有する軟体ロボットの示力図および屈曲運動を図示する。
【図３】図３Ａ〜３Ｆは、いくつかの実施形態による、可撓性ロボットアクチュエータを製造するための方法を図示する。
【図４】図４Ａ〜４Ｅは、いくつかの実施形態による、可撓性巻込アクチュエータを図示する。
【図５】図５Ａ〜５Ｂは、いくつかの実施形態による、薄型捻回軟体ロボットおよびその動きを図示する。
【図６】図６Ａ〜６Ｂは、いくつかの実施形態による、薄型放射状巻込軟体ロボットおよびその動きを図示する。
【図７】図７Ａ〜７Ｂは、いくつかの実施形態による、ロボットの上の物体を持上げるように構成される、薄型持上ロボットを図示する。
【図８】図８Ａ〜８Ｂは、いくつかの実施形態による、増強支持構造を有する薄型アクチュエータを示す。
【図９】いくつかの実施形態による、波形運動が可能な可撓性波形アクチュエータを図示する。
【図１０】図１０Ａ〜１０Ｅは、いくつかの実施形態による、複数の薄型アクチュエータを有するロボットを図示する。
【図１１】図１１Ａ〜１１Ｄは、いくつかの実施形態による、３つの巻込アクチュエータを有する可撓性把持デバイスを図示する。
【図１２】いくつかの実施形態による、物理的支持ロボットを示す。
【図１３】いくつかの実施形態による、拡張動作を提供する拡張ロボットを図示する。
【図１４】いくつかの実施形態による、所定の作業を行うように構成される１つ以上のアクチュエータを有するロボットを図示する。
【図１５】図１５Ａ〜１５Ｂは、いくつかの実施形態による、複数のチャネルを有するアクチュエータを図示する。
【図１６】図１６Ａ〜Ｃは、いくつかの実施形態による、複数の薄型アクチュエータを有するグライダーを図示する。
【図１７】図１７Ａ〜Ｄは、いくつかの実施形態による、複数の薄型アクチュエータを有するグライダーを図示する。
【図１８】図１８Ａ〜１８Ｄは、いくつかの実施形態による、２つの可撓性アクチュエータを有する紙製のロータを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
棘皮動物（ヒトデ、ウニ）および刺胞動物（クラゲ）等の生物は、最先端の鋼体ロボットシステムにおいてすら例を見ない移動が可能な、古代の信じられないほど成功した比較的単純な生物である。自然界と最先端のロボットシステムとの間の差の１つの主要な理由は、ロボット工学に利用可能な材料選択における重度の制限である。自然界と最先端のロボットシステムとの間の差を埋めるために、ロボットシステムは、種々の材料を利用してきた。例えば、軟体ロボットシステムは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる２０１１年１１月２１日に出願された「Ｓｏｆｔ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ」と題されるＳｈｅｐｈｅｒｄらによるＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１１／６１７２０号に開示のように、軟質エラストマー等の軟質材料を使用して、その構造を構築することができる。
【００４２】
本開示は、自然界と最先端のロボットシステムとの間の差を埋めるための異なるアプローチを提供する。具体的には、開示されるシステムおよび方法は、積層型ロボットアクチュエータを提供する。可撓性ロボットアクチュエータのいくつかの実施形態は、３次元運動を提供するように構成され得る、加圧可能経路の内部セットを形成するように配設される、実質的に２次元の（薄膜またはシート）材料の積み重ね(stack)を含む。この薄型アクチュエータは、安価な材料および安価なプロセスを用いて、迅速に製造することができる。アクチュエータは、異なる剛性を有する２つの非伸張性層と、２つの層を一緒に固定する（任意選択の）接着層とを要するだけである。アクチュエータの強度および可撓性は、異なる剛性を有する２つの層に使用される材料を変化させることによって、容易に制御することができる。さらに、加圧可能経路の配設および形状は、複数の方式で調製することができ、それによって、異なる運動および用途を可能にする。
【００４３】
これらの薄型可撓性アクチュエータは、他のロボットアクチュエータと比較して、明らかな利点を提供し得る。例えば、薄型アクチュエータは、保管および輸送が容易であり得、平面上で巧妙に動作するように構成され得る。さらに、薄型アクチュエータは、軽量であり得、先進的な空気力学構造および人工海洋生物の開発を可能にし得る。さらに、薄型アクチュエータは、他のロボットシステムとは異なり、狭い空間において動作するように構成され得、それによって、「捜索および救助任務」にロボットによる支援を提供する。薄型アクチュエータは、割れ目、詰まった環境にある物体、または一般的な薄い物体、障害物、もしくは亀裂を取り扱う際に、特に有用であり得る。例えば、通常の軟体ロボットアクチュエータが籠の中の卵から１つを把捉することは、卵の間の空間が限られており、アクチュエータがその限られた空間に「適合する」ことがないため、困難であろう。対照的に、薄型アクチュエータが籠の中の卵から１つを把捉することは、薄型アクチュエータは限られた空間に適合し得るため、容易であろう。
【００４４】
薄型の可撓性アクチュエータは、種々の用途に有用であり得る。具体的には、薄型可撓性アクチュエータは、生物医学適用に有用であり得る。薄型可撓性アクチュエータは、器官において繊細に操作および動作を行うための手術道具として使用され得る。例えば、可撓性アクチュエータは、狭い切開部に挿入することができ、より良好な視野のために、繊細に器官を分離することができる。既存の手術道具は、剛性かつ硬質であるため、手術の際に操作を誤ると、器官が切れるか、または不必要な医学的合併症を引き起こす可能性がある。対照的に、薄型アクチュエータは、軟質かつ可撓性であり得るため、薄型アクチュエータに基づく手術道具は、医学的合併症を引き起こす可能性が低い。
【００４５】
図１は、いくつかの実施形態による、積層型ロボットアクチュエータの構造およびその作動原理を図示する。可撓性ロボットアクチュエータ１００は、互いの上に積み重ねられた複数の層を含み得る。各層は、実質的に２次元であり、シート、層、または薄膜の形態である。実質的に２次元の層は、材料の厚さが、材料の幅および高さよりも実質的に小さい、幅、高さ、および厚さを有する材料として特徴付けることができる。いくつかの場合において、層の幅および高さのうちの小さい方と、層の厚さとの比は、形状因子として定義され得る。いくつかの実施形態において、実質的に２次元の層の形状因子は、少なくとも５である。他の実施形態において、実質的に２次元の層の形状因子は、少なくとも１０である。さらに別の実施形態において、実質的に２次元の層の形状因子は、少なくとも２０である。さらに別の実施形態において、実質的に２次元の層の形状因子は、少なくとも５０である。さらに別の実施形態において、実質的に２次元の層の形状因子は、少なくとも１００である。さらに別の実施形態において、実質的に２次元の層の形状因子は、少なくとも２００である。さらに別の実施形態において、実質的に２次元の層の形状因子は、少なくとも５００である。さらに別の実施形態において、実質的に２次元の層の形状因子は、少なくとも１０００である。さらに別の実施形態において、実質的に２次元の層の形状因子は、少なくとも２０００である。さらに別の実施形態において、実質的に２次元の層の形状因子は、少なくとも５０００である。
【００４６】
可撓性ロボットアクチュエータは、限歪層(strain-limiting layer)１０２および膨張層(inflatable layer)１０４を含み得る。限歪層は、屈曲、拡張、および／または捻回(twisting)からもたらされる歪みを含む、様々な種類の歪みを制限することができる。屈曲、拡張、および捻回による歪みは、一様性または異方性引張応力を限歪層に印加し得、限歪層は、その降伏強度に達するまで、この引張応力に抵抗し得る。いくつかの実施形態において、限歪層１０２および膨張層１０４の材料は、作動時のアクチュエータの物理的強度等、ある特定の機械的特性を満たすように選択され得る。
【００４７】
限歪層１０２は、その薄型の２次元の形状因子に部分的に起因して、可撓性材料から作製され、例えば、層を損傷することなく屈曲させることができるが、比較的剛性であり、例えば、伸展または拡張に抵抗性を有する。いくつかの場合において、限歪層の剛性は、作動時の可撓性ロボットアクチュエータと関連する物理的強度を決定し得る。
【００４８】
限歪層は、膨張層１０４のものと比較して、より剛性の高い(stiff)材料から作製される。例えば、限歪層１０２は、梱包用テープ、およびＧｏｒｉｌｌａ  Ｔａｐｅ（登録商標）を含み得る。限歪層１０２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の剛性ポリマー、合成繊維、ダクトテープ、Ｋｅｖｌａｒ（著作権）、ならびに紙、綿布、およびナイロン等の織物を含む、広範な剛性の非伸張材料を含み得る。好適な厚さは、その材料の所望される材料特性に基づいて選択される。例えば、より厚いシートは、より剛性であり、より高い屈曲耐性を提供し、より大きな作動力を要するが、ロボット強度がより高い。典型的な厚さは、数十マイクロメートルから数ミリメートルの範囲に及び得る。そのような材料は、シートおよび薄膜の形態で容易に入手可能であり、追加の寸法変更または再加工を全く必要とせずに、組み立てプロセスに組み込むことができる。例えば、梱包テープは、１ミル（約２５μｍ）〜４ミル（約１００μｍ）の厚さが市販入手可能であり、ＰＥＴフィルムは、１０μｍから１〜２ｍｍの範囲の厚さで市販されている。
【００４９】
膨張層１０４は、限歪層１０２のものよりも低い剛性を有する可撓性材料を使用して製造される。したがって、膨張層１０４は、限歪層１０２と比較して、より容易に屈曲または変形する。いくつかの場合において、構造物の剛性は、その材料およびその形状に依存し得る。したがって、膨張層１０４の剛性は、適切な材料および適切な形状を選択することによって制御することができる。いくつかの実施形態において、膨張層１０４の材料は、好ましくは、作動の加圧条件下で著しく拡張しないように十分に高いヤング係数を有する。したがって、膨張層１０４の材料は、限歪材料１０２よりも容易に屈曲するが、作動圧力下で伸展または拡張（バルーンのように）しない。いくつかの場合において、作動圧は、膨張層１０４が拡張または伸展しないように、制御され得る。例えば、アクチュエータに印加される作動圧は、２ｐｓｉ〜１０ｐｓｉ（約１３．８ｋＰａ〜６８．９ｋＰａ）であり得る。膨張層１０４の拡張または伸展を防ぎながらアクチュエータに印加され得る圧力の範囲は、膨張層１０４に使用される材料のヤング係数、および膨張層１０４と限歪層１０２との間の接着剤の接着強度に依存し得る。いくつかの実施形態において、膨張層１０４は、限歪層１０２と同じ材料を使用して形成されてもよい。そのような実施形態では、膨張層１０４は、限歪層１０２と比較して低い剛性を示すように、限歪層１０２よりも薄くあり得る。
【００５０】
膨張層１０４の典型的な厚さは、数十マイクロメートルから数百マイクロメートルの範囲に及び得る。典型的な材料には、ニトリル、ラテックスゴム、塩化ビニリデン、および低密度ポリエチレン等の低剛性ポリマーを含む、広範な低剛性材料が含まれる。塩化ビニリデンから作製されるポリマーには、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、およびＳａｒａｎ（登録商標）ＰＶＤＣフィルムおよびＫｅｖｌａｒ（著作権）ポリマー（ポリ−パラフェニレンテレフタルアミド）が含まれ得る。そのような材料は、シートおよび薄膜の形態で容易に入手可能であり、追加の寸法変更または再加工を全く必要とせずに、組み立てプロセスに組み込むことができる。例えば、ＰＤＶＣフィルムは、１ミル（約２５μｍ）〜４ミル（約１００μｍ）の範囲の厚さで市販入手可能であり、ＰＣＶフィルムは、１０μｍから１〜２ｍｍの範囲の厚さで市販されている。いくつかの実施形態において、膨張層１０４は、限歪層１０２と同じ材料を使用して形成されてもよい。そのような実施形態では、膨張層１０４は、限歪層１０２と比較して低い剛性を示すように、限歪層１０２よりも薄くあり得る。
【００５１】
限歪層１０２および膨張層１０４の一部分を、互いに選択的に接着させて、図１Ａに図示されるように、複数の層を有する単一の積層構造体を形成することができる。「選択的に接着した」とは、２つの層の間で、全ての面が一緒に糊着されるわけではないことを意味する。領域は、対面する表面に糊着されず、接着されずに留まる。限歪層１０２と膨張層１０４との間の未接着接触面が、チャネル１０６を形成する。本明細書により詳細に記載されるように、未糊着の非接着領域は、加圧源を使用して加圧され得る相互接続されたチャンバまたはチャネルを画定するように選択される。以下により詳細に記載されるように、２つの層を接着させる複数の手段を使用することができる。チャネル１０６は、実質的に中空であり得、実質的に、限歪層１０２と膨張層１０４との間の接着接触面によって収容または包囲（すなわち、区分化）され得る。また、チャネル１０６は、流体注入口に接続され得、流体連通を受け得る。例えば、チャネル１０６は、流体注入口を介して、圧力源と流体連通し、それによって、圧力源から流体を受容し得る。圧力源は、空気、またはより一般的には、任意の種類の流体（例えば、水、油）を提供し得る。
【００５２】
静止状態は、チャネル内の圧力（「Ｐ１」）が、気圧（「Ｐａｔｍ」）等、チャンバ１０６外の圧力と実質的に同一である状態として特徴付けられる。静止状態では、チャネル１０６は、いくつかの実施形態によれば、図１Ａに示されるように、その形状を維持する。
【００５３】
加圧状態は、チャネル内の圧力が、チャンバ１０６外の圧力よりも大きい状態として特徴付けられる。加圧状態では、チャネル１０６は、いくつかの実施形態に従って、図１Ｂに図示されるように、変形し得る。チャネル１０６の変形は、２つの層の剛性に依存し得る。膨張層１０４は限歪層１０２よりも剛性が低いため、加圧チャネル１０６は、限歪層１０２よりも前に膨張層１０４の変形を引き起こし、それによって屈曲運動をもたらす。
【００５４】
屈曲運動の方向は、部分的に、膨張層１０４の拡張特性に依存する。例えば、膨張層１０４が、拡張性材料を使用して形成される場合、膨張層１０４は、変形および拡張され、結果として、エラストマーの表面積が増加する。加圧すると、可撓性ロボットアクチュエータ１００は、２０１１年１１月２１日に出願された「Ｓｏｆｔ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ」と題されるＳｈｅｐｈｅｒｄらによるＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１１／６１７２０号に開示されるように、拡張し、体積が増え、限歪層１０２の方向に屈曲する。換言すると、可撓性ロボットアクチュエータ１００の加圧は、アクチュエータ１００を、限歪層１０２側に屈折させる。
【００５５】
対照的に、膨張層１０４が、可撓性、例えば、屈曲可能な非拡張材料を使用して形成される場合、膨張層１０４は、変形、例えば、屈曲され得るが、拡張され得ない。加圧すると、膨張層１０４上のチャネル１０６の外周の周りの張力は、限歪層１０２を、限歪層１０２に対して実質的に垂直な角度で引っ張り、これが、膨張層１０４に向かった屈曲運動を引き起こす。加圧したとき、図１Ｂでθとして示される、膨張層１０４の膨張した部分と限歪層１０２との間の「接触角」は、典型的に９０°未満であり、これは、膨張層１０４が、接触点で限歪層１０２に張力を与え、屈曲運動をもたらすことを示す。換言すると、非伸張性膨張層を有する可撓性ロボットアクチュエータ１００の加圧は、アクチュエータ１００を膨張層１０４側に屈折させる。
【００５６】
図２Ａ〜２Ｂは、いくつかの実施形態による、非伸張性膨張層を有する軟体ロボットの屈曲運動を示す、積層型軟体ロボットアクチュエータの加圧の際に働く力の概略図を提供する。図２Ａは、一方の側面が限歪層１０２によって、および他方の側面が膨張層１０４によって密封された空気圧チャネルの断面図を示す。空気圧チャネルを加圧すると、圧力は、限歪層１０２および膨張層１０４に力を印加する。力は、ベクトル２０２および２０４によって示される。圧力は、体積を最大化しながら表面積を最小限に抑えるように空気圧チャネルを誘導する。したがって、圧力は、非伸張性膨張層１０４を、限歪層１０４の外側へそこから離れて屈折させる。しかしながら、この圧力は、限歪層１０２が、非伸張性膨張層１０４と比較してより剛性であるため、限歪層１０２を、膨張層１０４の外側へそこから離れて屈折させるのには十分でない場合がある。したがって、限歪層１０２への正味の力は、大きなベクトル２０６で示されるように、下向きの力である。限歪層２０２に対するこの下向きの力は、図２Ｂに図示されるように、外側への屈折を通じた膨張層１０４の効果的な短縮とともに、膨張層１０４に向かって屈曲運動を引き起こす。
【００５７】
いくつかの実施形態において、可撓性アクチュエータによって提供される力は、高出力の圧力源により作動される場合により高くなり得るため、高圧源を使用して可撓性ロボットアクチュエータを操作することが望ましい。チャネル１０６によって対応され得る最大圧力は、限歪層１０２および膨張層１０４の特性に依存し、さらに、２つの層の間の接着の強度にも依存する。したがって、２つの層の間の強力な接着を確保することが望ましい場合がある。
【００５８】
図３は、いくつかの実施形態による、可撓性ロボットアクチュエータを製造するための２つの方法を図示する。第１の方法は、図３Ａに図示されるように、両側に接着剤コーティングを有する薄層３０２を、限歪層１０２と膨張層１０４との間に設ける。高いレベルで、第１の方法は、限歪層１０２および膨張層１０４を接着層３０２のいずれかの側面に接着することによって、可撓性ロボットアクチュエータを製造する。いくつかの実施形態において、接着層３０２は、市販入手可能なもの等の両面テープであり得る。好適な両面接着層は、Ｓｃｏｔｃｈ銘柄および３Ｍ接着テープといった、種々の供給源から入手可能である。接着層３０２は、例えば、所望のチャネル１０６の形状に切断、型抜き、型押し等を行うことによって、成形することができる。例えば、図３Ａでは、中央部分３０４を、長方形の接着層３０２から除去して、チャネル１０６に対応するボイド空間を形成する。接着層が限歪層１０２と膨張層１０４とを接着させるとき、中央の切り欠き部分３０４を除く全ての部分を接着させる。したがって、中央の切り欠き部分３０４の限歪層１０２は、膨張層１０４に接着されず、この限歪層１０２と膨張層１０４との間の未接着接触面が、チャネル１０６を形成する。
【００５９】
図３Ｂは、第１の方法に従って組み立てられたアクチュエータの上から見た図３０６および前面図３０８を示す。接着層３０２は、限歪層１０２と膨張層１０４との間に配置され、中央の切り欠き部分３０４が、チャネル１０６を形成する。図３Ｃは、第１の方法に従って製造されたアクチュエータ３１０の写真である。
【００６０】
可撓性ロボットアクチュエータを製造するための第２の方法は、図３Ｄに図示されるように、限歪層１０２、膨張層１０４、およびマスキング層３１２を使用する。いくつかの実施形態において、この方法は、表面上に接着剤を有する限歪層１０２を用いる。限歪層１０２上の接着剤は、限歪層１０２の表面全体に均一に分散され得るか、または限歪層１０２の表面全体に選択的に分散（すなわち、パターン付け）され得る。接着剤は、同様に、限歪層に加えて、またはその代わりに、膨張層に適用されてもよい。
【００６１】
高いレベルで、第２の方法は、限歪層１０２の上面の接着剤を使用して、限歪層１０２と膨張層１０４とを接着させることによって、可撓性ロボットアクチュエータを製造する。チャネル１０６を形成するために、限歪層１０２の一部分は、マスキング層３１２（例えば、パターン付きスペーサー）を使用して、選択的に膨張層１０４への接着を防止することができる。マスキング層３１２は、２つの層の物理的接触を防ぎ、限歪層１０２と膨張層１０４との間のこの未接着接触面が、チャネル１０６を形成する。いくつかの実施形態において、接着剤は、限歪層１０２の上面の代わりに、膨張層１０４の底面に存在してもよく、他の実施形態では、接着剤は、限歪層１０２の上面および膨張層１０４の底面の両方に存在してもよい。いくつかの場合において、接着剤は、両面テープまたは糊を含み得る。いくつかの実施形態において、限歪層１０２は、すでに接着剤が適用されている、片面テープを含み得る。他の実施形態において、膨張層１０４は、すでに接着剤が適用されている、片面テープを含み得る。テープには、ダクトテープ、梱包用テープ、絶縁テープ、フィラメントテープ、ホッケーテープ、医療用テープ、スラグテープ、または外科用テープを挙げることができる。
【００６２】
図３Ｅは、第２の方法に従って組み立てられたアクチュエータの上から見た図３１４および前面図３１６を示す。マスキング層３１２は、限歪層１０２と膨張層１０４との間に配置され、チャネル１０６を形成する。図３Ｆは、第２の方法に従って製造されたアクチュエータ３１８の写真である。
【００６３】
図３に図示される２つの方法は、容易なプロトタイプ作製および容易な製造の両方に適している。例えば、容易なプロトタイプ作製については、レーザー切断技術を用いて異なる層の可撓性アクチュエータを切り出す（すなわち、成形する）ことができ、容易な製造のために、工業環境において既に普及している打抜技術を使用して、異なる層の可撓性アクチュエータを、切り出すことができる。写真平板技術または他の高価で時間を要するプロセスは必要ない。
【００６４】
可撓性ロボットアクチュエータは、ある特定の、ときに複雑な３次元運動を提供するように設計され得る。例えば、加圧チャネルの数および配設ならびに限歪およびエラストマーシートに選択される材料に応じて、積層型ロボットアクチュエータは、屈曲、捻回、把捉、および巻込運動を行い得る。これらの運動のうちの１つ以上を組み込むロボットアクチュエータを、設計することができる。
【００６５】
図４は、いくつかの実施形態による、可撓性屈曲アクチュエータを図示する。図４Ａは、巻込アクチュエータ４０２の構造を示す。巻込アクチュエータ４０２は、限歪層、接着層、および膨張層を含む。限歪層は、厚さが５０マイクロメートルのポリエステルの薄膜（すなわち、ＰＥＴ）であり、膨張層は、厚さが１５０マイクロメートルのラテックスゴムのシートであり、接着層は、厚さが約５０マイクロメートルの両面テープである。接着層は、テープが限歪層と膨張層とを接着させるときに、２つの層の間の接触面が、複数の相互接続されたチャネル４０６を形成するように、パターン付け（または切り欠き）が行われる。複数の相互接続されたチャネル４０６は、流体注入口４０４を介して加圧流体を受容するように構成される。流体注入口４０４は、圧力源（図には示されない）と流体連通し得る。
【００６６】
図４Ｂは、その静止状態にある巻込アクチュエータ４０２を、クリップからぶら下げた状態で図示する。その静止状態において、巻込アクチュエータ４０２は、静止しており、重力に従う。対照的に、図４Ｃは、約３ｍｌの加圧空気で加圧された、その加圧状態にある同じ巻込アクチュエータ４０２を図示する。その加圧状態において、巻込アクチュエータ４０２は、重力に反して作用し、膨張層を中心に屈曲する。巻込アクチュエータ４０２は、巻込アクチュエータ４０２の膨張層１０４が、加圧時に拡張しないように、制御することができる。
【００６７】
図４Ｄは、その静止状態にある、水平方向に置かれた巻込アクチュエータ４０２を図示し、図４Ｅは、約３ｍｌの加圧空気で加圧された、その加圧状態にある、水平方向に置かれた同じ巻込アクチュエータ４０２を図示する。その加圧状態において、巻込アクチュエータ４０２は、重力に反して作用し、膨張層を中心に巻込まれる。
【００６８】
いくつかの実施形態において、薄型アクチュエータの捻回運動は、チャネルの形状にコードする(encode)ことができる。図５Ａ〜５Ｂは、いくつかの実施形態による積層型捻回軟体ロボットおよびその動きを図示する。図５Ａは、薄型捻回軟体ロボット５０２に埋め込まれるチャネルを示す。図５Ａに示されるように、薄型捻回軟体ロボット５０２は、傾斜枝部５０６を伴う中央流導管５０４を有する、樹木様に成形されたチャネルを含み得る。ロボットの中心軸に対する傾斜枝部５０６の角度は、気体注入口５０８を介して加圧空気を受容した際の、薄型軟体ロボットの運動を決定し得る。薄型ロボット５０２について、中心軸は、チャネルの中央流導管５０４と揃えられている。枝部５０６が、等角度、例えば、中心軸に直角に配置される場合、アクチュエータが加圧空気を受容すると、積層型アクチュエータは、図４Ｃに図示されるように、チャネルの中央流導管５０４に直角に巻込まれる。しかしながら、傾斜枝部５０６が中心軸に対して直角未満である（例えば、傾斜枝部５０６と中心軸との間の角度５１０ａおよび５１０ｂのうちの小さい方が、鋭角である）場合、アクチュエータが加圧空気を受容すると、薄型アクチュエータは、図５Ｂに図示されるように捻回し、これは、アクチュエータが、中心軸に対して鋭角で巻込まれるためである。
【００６９】
中心軸と傾斜枝部５０６との間の角度がより小さく、例えば、より鋭角になるにつれて、薄型アクチュエータは、より鋭角に捻回する（アクチュエータは、入力圧力の関数として、より早く捻回する）。例えば、入力圧力が２ｐｓｉ（約１３．８ｋＰａ）の場合、中心軸に対して６０度の傾斜枝部５０６を有するアクチュエータは、中心軸に対して８０度の傾斜枝部５０６を有するアクチュエータを２ｐｓｉに加圧したものと比較して、捻回がより大きい。
【００７０】
いくつかの実施形態において、薄型アクチュエータが巻込まれる配向は、２つの角度５１０ａおよび５１０ｂのうちのどちらが小さいかに依存する。例えば、角度５１０ａが、角度５１０ｂよりも小さい場合、アクチュエータ５０２は、図５Ｂに図示されるように、反時計方向に捻回するであろう。しかしながら、角度５１０ａが、角度５１０ｂよりも大きい場合、アクチュエータ５０２は、時計方向に捻回するであろう。
【００７１】
いくつかの実施形態において、単一のチャネルが、異なる種類の運動をコードし得る。例えば、チャネルの上部は、中心軸に対して直角の傾斜枝部を含み得、これは中心軸に対して直角の巻込運動を誘発するであろう。しかしながら、チャネルの下部は、中心軸に対して４５度の傾斜枝部を含んでよく、これは捻回運動を誘発するであろう。したがって、アクチュエータの異なる部分は、異なるチャネル構造を使用して異なる運動でコードされ得る。
【００７２】
いくつかの実施形態において、チャネルは、薄型軟体ロボットに放射状巻込運動をコードする、放射状様式で配設され得る。図６Ａ〜６Ｂは、いくつかの実施形態による薄型放射状巻込軟体ロボットおよびその動きを図示する。図６Ａは、薄型放射状巻込軟体ロボット６０２に埋め込まれるチャネルを示す。図６Ａに図示されるように、薄型捻回軟体ロボット６０２は、パイ形状の枝部６０６を伴う湾曲した中心軸６０４を有する放射状様式で配設される樹木様に成形されたチャネルを含み得、例えば、チャネルまたは「枝部」は、湾曲した中心軸によって画定される曲線の外側ではより大きく、湾曲した中心軸によって画定される曲線の内側では次第により小さい寸法へと細くなる。ロボット６０２の形状に対するパイ形状の枝部６０６の配設は、図６Ｂに図示されるように、薄型軟体ロボット６０２が、気体注入口６０８を介して加圧空気を受容した際の運動を決定する。
【００７３】
図７Ａ〜７Ｂは、いくつかの実施形態による、アクチュエータの中央部分を持上げるように構成される薄型持上ロボットを図示する。平板軟体ロボットの中央部分を上昇させる能力は、ロボットの上に置かれた物体を上げるまたは上昇させることを可能にする。図７Ａは、薄型持上ロボットと関連するチャネル構造を示す。薄型持上ロボット７０２は、中心点を中心として同心方式で配設される放射状チャネル７０４、および放射状チャネル７０４に垂直な接続チャネル７０６を含み得る。加圧すると、放射状チャネル７０４は、限歪層の表面から離れて屈折する。軟体ロボットを、限歪層が上向きになるように配置した場合、作動は、弾性層を、下層の支持表面の平面へと下向きに屈折させ、それによって、中央区画７０８を上昇させる。交差チャネル７０６は、作動の際に軟体ロボットに機械的支持を提供し得る。図７Ｂは、圧力レベルを増加させた際の、薄型持上ロボット７０２の持上運動を示す。この例において、カップの質量は、１２．１グラムである。
【００７４】
いくつかの実施形態において、薄型軟体ロボットは、積層型アクチュエータの端部を強化し、さらなる物理的支持を提供するように、補強されてもよい。図８Ａ〜８Ｂは、いくつかの実施形態による、補強ビームで強化された薄型アクチュエータを示す。図８Ａに示されるように、薄型アクチュエータ８０２は、作動を提供するための空気圧チャネル８０４および１つ以上の補強構造８０６を含み得る。加圧すると、空気圧チャネル８０４は、図４Ｃで説明されたような、屈曲運動を誘発する。補強構造８０６は、アクチュエータ８０２にさらなる強度を提供する。補強構造８０６は、膨張層および限歪層が、全体的な構造を支持するのに十分な機械的強度を有さない場合、または空気圧チャネル８０４が薄型アクチュエータ８０２全体を包含せず、作動力が、アクチュエータの長さに沿って伝送される場合に、特に有用であり得る。支持構造には、木材、金属、プラスチック、またはテープを含む、剛性材料を用いて形成されたアーチ、ビーム、またはカラムが含まれ得る。図８Ｂは、加圧時の薄型ロボット８０２の動きを示す。薄型ロボット８０２は、空気圧チャネル８０４を有する領域のみが巻込まれ得、薄型ロボット８０２の残りの部分は、補強構造８０６によって堅強化される。強化されると、アクチュエータの「脚部」は、薄型ロボット８０２の質量を支持することができる。
【００７５】
可撓性ロボットアクチュエータは、複雑な運動が可能なように設計することができる。図９は、いくつかの実施形態による、デバイスが表面上で自発運動することを可能にする、波形運動が可能な可撓性自発運動アクチュエータを図示する。自発運動アクチュエータ９０２は、実質的に図４Ｃに図示されるように、巻込アクチュエータを含み得る。巻込アクチュエータの限歪層は、ダクトテープおよび／または透明テープ片を含み得、巻込アクチュエータの膨張層は、ラテックスゴムおよび／または紙を含み得る。接着層は、図４Ａの巻込アクチュエータ４０２にあるように、複数の相互接続されたチャネルを提供するように成形され得る。波形アクチュエータ９０２の底部表面には、さらに、歩行パッド９０４、９０６が含まれる。歩行パッド９０４、９０６は、糸くずを除去するためのブラシから切り出した。歩行パッド９０４、９０６には、１つの方向に移動する際に移動が自由に生じるようにパッド表面に対して平らに寝かせ、逆の方向に移動する際に下層表面と係合して移動に抵抗するように並べられる、非対称に配置された毛束を含む。アクチュエータは、周期的に加圧され、屈曲運動を開始させる。しかしながら、歩行パッドのため、歩行パッド９０６は、表面上に固定されたままであり、歩行パッド９０４は、巻上がる。圧力が解放され、アクチュエータが伸びると、歩行パッド９０４は、下層表面に固定されたままであり、歩行パッド９０６は、前方に摺動してアクチュエータを伸ばす。デバイスの作動および解放を繰り返し行うことにより、アクチュエータは、所定の方向（すなわち、左から右）に移動する。
【００７６】
いくつかの実施形態において、ロボットは、その薄型アクチュエータに適切な命令が提供された場合、複雑な運動を行うことができる。例えば、その薄型アクチュエータのうちの１つ以上を、独立して作動させて、所望される複雑な運動を提供することができる。図１０Ａ〜１０Ｅは、いくつかの実施形態による複数の薄型アクチュエータを有するロボットを図示する。ロボットは、３つの屈曲アクチュエータが、互いの上に積み重ねられている。ロボットの各巻込アクチュエータは、限歪層、膨張層、および接着層を有する。限歪層は、ダクトテープを含み得、膨張層は、ラテックスゴムおよび／または紙を含み得る。接着層は、図４Ａの巻込アクチュエータ４０２にあるように、複数の相互接続されたチャネル４０６を提供するように成形され得る。
【００７７】
ロボットの屈曲アクチュエータのそれぞれは、異なる運動命令を受容し得る。例えば、屈曲アクチュエータのそれぞれを、独立して、異なる時間に異なる圧力で加圧して、独立して制御することができる。例えば、図１０Ａでは、全ての屈曲アクチュエータが、それらの静止状態にある。図１０Ｂでは、上部の屈曲アクチュエータは、加圧されて巻込運動をもたらし、図１０Ｃでは、上部の屈曲アクチュエータおよび中間の屈曲アクチュエータの両方が加圧され、それによって、上部屈曲アクチュエータおよび中間屈曲アクチュエータの両方に巻込運動をもたらし、図１０Ｄでは、全ての屈曲アクチュエータが加圧され、全てのアクチュエータに巻込運動をもたらし、図１０Ｅでは、全ての屈曲アクチュエータが除圧され、そのため全ての屈曲アクチュエータは、それらの静止状態に戻る。
【００７８】
複数の薄型ロボットアクチュエータを、単一のロボットに組み立てて、複雑な運動が可能なロボットを提供することができる。図１１Ａ〜１１Ｄは、いくつかの実施形態による、３つの屈曲アクチュエータを有する可撓性把持デバイスを図示する。図１１の把持装置は、３つの屈曲アクチュエータを有し、各屈曲アクチュエータが、限歪層、膨張層、および接着層を有する。把持装置の屈曲アクチュエータは、作動時の把持の強度等、ある特定の機械的特性を満たすように設計することができる。限歪層は、ダクトテープおよび／または透明テープ片を含み得、膨張層は、ラテックスゴムおよび／または紙を含み得る。接着層は、図４Ａの巻込アクチュエータ４０２にあるように、複数の相互接続されたチャネル４０６を提供するように成形され得る。
【００７９】
図１１Ａは、１つ以上の屈曲アクチュエータと流体連通する、少なくとも１つのシリコンチューブで懸下された把持装置を示す。シリコンチューブは、把持装置の１つ以上の巻込アクチュエータに流体を提供するように構成され得る。いくつかの実施形態において、各シリコンチューブを、１つの屈曲アクチュエータに接続し、それによって、把持装置の屈曲アクチュエータの独立した制御を提供することができる。他の実施形態において、シリコンチューブを、全ての屈曲アクチュエータに接続して、それによって、巻込アクチュエータにより高い圧力を提供してもよい。図１１Ｂは、いくつかの実施形態による把持装置の下側を示す。把持装置は、中央にアクリル製の三角片を含み得る。アクリル製の三角片は、圧力源に接続された流体注入口を使用して、全ての屈曲アクチュエータに流体を提供するように構成され得る。図１１Ｃ〜１１Ｄは、把持装置の動作を図示する。図１１Ｃにおいて、把持装置は、発泡スチレンのカップを持ち上げ、図１１Ｄにおいて、把持装置は、紙のカップを持ち上げる。これらの事例のいずれも、把持装置を、空気圧によりおおよそ３４ｋＰａ（５ｐｓｉ）で加圧した。
【００８０】
いくつかの実施形態において、把持装置は、歩行運動を行うように操作することができる。例えば、把持装置のアクチュエータのうちの１つ以上を、歩行運動を模倣するように、独立して、または合わせて作動させることができる。いくつかの実施形態において、把持装置は、その歩行運動を行って、目的の物体に近接する位置まで移動し、続いて、そのアクチュエータを用いて目的の物体を把捉することができる。
【００８１】
図１２は、いくつかの実施形態による、それ自体を支持することが可能な軟体ロボットを示す。自立型ロボット１２０２は、物理的支持を提供する事が可能な２つ以上の薄型アクチュエータ１２０４を含み得る。自立型ロボット１２０２は、その薄型アクチュエータ５０４が加圧空気を受容すると、高くなった位置で物体を支持することができる。薄型アクチュエータ１２０４は、屈曲ロボット４０２および／または部分的屈曲ロボット８０２を含み得る。
【００８２】
図１３は、いくつかの実施形態による、拡張動作を提供する拡張ロボットを図示する。拡張ロボットは、互いの上に積み重ねられた２つ以上の薄型アクチュエータ１３０２を含み得るが、図１３に図示されるように、作動時には、互いに物理的に反発するように配設される。薄型アクチュエータ１３０２が、作動時ですら確実に１つの切片のままであるようにするために、薄型アクチュエータ１３０２を、互いに接着させることができる。いくつかの実施形態において、薄型アクチュエータ１３０２は、接着テープ１３０４を使用して互いに接着させる。薄型アクチュエータ１３０２は、屈曲ロボット４０２および／または部分的屈曲ロボット８０２を含み得る。いくつかの場合において、拡張ロボット１３０２は、所望される期間、２つの物体を分離するのに有用であり得る。例えば、外科手術の際、拡張ロボット１３０２は、所望される期間、２つの器官を分離させて、外科医に視野を提供することができる。別の例では、拡張ロボット１３０２は、加圧空気のパルスを受容するときに、跳躍運動を提供することができる。
【００８３】
いくつかの実施形態において、ロボットは、所定のタスクを行うように事前構成された、そのアクチュエータのうちの１つ以上を含み得る。図１４は、いくつかの実施形態による、所定のタスクを行うように構成される１つ以上のアクチュエータを有するロボットを図示する。このロボットは、４つのアクチュエータを含む：牽引アクチュエータ１４０２は、ロボットを垂直に牽引するように構成され、把捉アクチュエータ１４０４は、物体を把捉するように構成される。アクチュエータ１４０２および１４０４は、例えば、テープを使用して、互いに物理的に接続され得る。運動命令に基づいて、これらのアクチュエータのそれぞれは、独立して、または互いに連携して作動し得る。上の図において、把捉アクチュエータ１４０４は、カップの上に設置され、真ん中の図では、把捉アクチュエータ１４０４は、カップを把捉する。次いで下の図では、把捉アクチュエータ１４０４は、牽引アクチュエータ１４０２を用いて上げられている。
【００８４】
いくつかの実施形態において、ロボットは、複数のチャネルを含み得、チャネルのうちの１つ以上は、ロボットの異なる部分を作動させるように、独立して加圧することができる。図１５Ａ〜１５Ｂは、いくつかの実施形態による、複数のチャネルを有するアクチュエータを図示する。図１５Ａは、アクチュエータのチャネル構造を示す。アクチュエータは、４つのチャネル１５０２、１５０４、１５０６、および１５０８を有する。２つのチャネル１５０２および１５０４は、アクチュエータの本体を制御するための空気圧チャネルを形成し、残りの２つのチャネル１５０６および１５０８は、アクチュエータの端部を制御するための空気圧チャネルを形成する。図１５Ｂは、ある特定の運動命令に対するアクチュエータの運動を図示する。静止状態において、アクチュエータの端部は、ペンの下に置かれている。続いて、各端部１５０６および１５０８の空気圧チャネルを、独立して加圧して、ペンを把捉することができ、本体チャネル１５０２および１５０４を加圧して、ペンを保持して持上げることができる。アクチュエータは、重さが１３．５ｇであり、約０．３５ｍｍの厚さである。アクチュエータのこの特定の実装により、最大１０ｇの重さの物体を持ち上げることができる。しかしながら、アクチュエータの強度は、膨張層および限歪層に異なる材料を使用することによって、また高度に加圧された気体を用いて空気圧チャネルを加圧することによっても、制御することができる。
【００８５】
図１６および１７は、いくつかの実施形態による、複数の薄型アクチュエータを有する別のロボットを図示する。例示されるロボットは、本体、羽、および突出部の３つの部を有するグライダーである。図１６Ａ〜１６Ｃは、それぞれ、本体、羽、および突出部のためのチャネル構造を図示する。本体のチャネルは、本体部を円筒形に丸めるように構成され、羽のチャネルは、羽を作動させて翼の形状にするように構成され、突出部のチャネルは、丸まった本体の一端を覆う錐体を形成するように構成される。図１７Ａは、グライダーの本体１７０２、羽１７０４、および突出部１７０６を図示する。羽１７０４は、羽１７０４の一部分を本体１７０２に物理的に織り込むことによって、本体１７０２に接着される。図１７Ｂ〜１７Ｄは、このロボットの運動を図示する。図１７Ｂにおいて、グライダーの本体１７０２は、円筒形に巻上がり、図１７Ｃでは、羽１７０４が翼の形状を形成するように作動され、図１７Ｄでは、突出部が、巻上がった本体のうちの一方を覆う錐体を形成するように作動されている。グライダーのこの実装は、重さが約２２．６ｇであり、約０．３５ｍｍの厚さである。いくつかの実施形態において、グライダー構造は、超軽量飛行機、水面移動機、または薄型アクチュエータの軽量特性を有利に利用することができる任意の他のロボットとして使用することができる。
【００８６】
薄型アクチュエータは、物体の空気力学特性を制御するための新たな機序を提供し得る。図１８は、いくつかの実施形態に従って、可撓性アクチュエータがどのようにして空気力学的構造物の制御を提供するかを図示する。図１８Ａは、本体および複数の可撓性アクチュエータ１８０４を有するロータ１８０２を図示し、本体および可撓性アクチュエータ１８０４は、紙を用いて形成される。ロータ１８０２は、落下の際に、ロータ１８０２が螺旋状に降下するように設計される。
【００８７】
可撓性アクチュエータ１８０４の効果を理解するために、ロータ１８０２を、アクチュエータの加圧ありおよびなしで、固定位置から複数回落下させ、ロータ１８０２の空気力学的特性を特徴付けた。特徴付けられた空気力学的特性には、落下時間（すなわち、固定位置から落下させた際に、ロータが地面に達するまでの所要時間）および運動軌道（すなわち、固定位置から落下させた際のロータの軌道）が含まれる。
【００８８】
図１８Ｂは、アクチュエータ１８０４の加圧ありおよびなしでのロータ１８０２の落下時間を示す。図１８Ｂは、ロータ１８０２が、そのアクチュエータ１８０４を加圧した場合、地面に達するまでにより長い時間がかかることを図示する。この結果は、ロータ１８０２のアクチュエータ１８０４が、ロータ１８０２の抗力（すなわち、流体抵抗）に影響を及ぼし得ることを図示する。ロータ１８０２の運動軌道は、固定位置から落下させた際にロータが地面とぶつかる地点を観察することによって、間接的に特徴付けられる。図１８Ｃは、ロータのアクチュエータ１８０４を加圧した場合のロータ１８０２の落下位置を示し、図１８Ｄは、ロータのアクチュエータ１８０４を加圧しない場合のロータ１８０２の落下位置を示す。これらの図は、アクチュエータを加圧したロータの落下位置は一貫しているが、アクチュエータを加圧しなかったロータの落下位置は激しく変動することを例証する。これは、加圧したアクチュエータ１８０４が、運動軌道の制御を提供し得ることの裏付けとなる。したがって、これらの実験は、可撓性ロボットアクチュエータが、物体の空気力学的特性を制御するための先進的な機序を提供し得ることを例証する。
【００８９】
可撓性ロボットアクチュエータは、種々の他の用途で使用可能である。例えば、図４の巻込アクチュエータを使用して、屈曲シートを提供することができる。また、図９の波形アクチュエータを、水等の液体の表面に波形運動を提供するように伸張させることができる。さらに、可撓性アクチュエータを使用して、多様な音響特性の音響媒体を形成することができる。例えば、壁の一部分を、可撓性の加圧可能アクチュエータを用いて形成することができる。可撓性アクチュエータが、その静止状態にあるとき、壁は、ある特定の音響伝送特性を呈し、可撓性アクチュエータがその加圧状態にあるとき、壁は、異なる音響伝送特性を呈する。可撓性アクチュエータの材料特性および／または物理的幾何を制御することにより、壁の音響伝送特性を制御することができる。
【００９０】
いくつかの実施形態において、可撓性ロボットアクチュエータは、非搭載型（ｏｆｆ−ｂｏａｒｄ）圧力源を動力としてもよい。圧力源は、可撓性チューブを通じてアクチュエータに接続される加圧空気源を含み得る。可撓性チューブは、シリコンチューブを含み得る。可撓性チューブは、性能を損なうことなく、数メートルの長さであり得る。他の実施形態において、可撓性アクチュエータは、搭載型圧力源を動力として使用し得る。搭載型圧力源には、気体、流体、または油等の流体を提供するように構成される、使い捨て加圧空気シリンダまたは搭載型ポンプが含まれる。搭載型ポンプは、２０１１年１１月２１日に出願されたＳｈｅｐｈｅｒｄらによる「Ｓｏｆｔ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ」と題されるＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１１／６１７２０号に開示されるような、搭載型機械的空気圧縮機、搭載型水電解装置、および搭載型化学ポンプを含み得る。
【００９１】
いくつかの実施形態において、可撓性ロボットアクチュエータに接続された圧力源は、コンピュータデバイスで起動するソフトウェアを使用して制御することができる。制御プロセスを実装するために必要なソフトウェアには、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ、またはＰｅｒｌ等の、高水準手続き型言語およびオブジェクト指向言語が含まれる。ソフトウェアはまた、所望される場合、アセンブリ言語で実装することもできる。いくつかの実施形態において、ソフトウェアは、本明細書に記載のプロセスを行うために、汎用または特定用途専用プロセシングユニットによって読取り可能な、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラム可能読出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラム可能読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、または磁気ディスク等の記憶媒体またはデバイスに記憶される。プロセッサには、マイクロプロセッサ（単一もしくは複数コア）、システムオンチップ（ＳｏＣ）、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、グラフィクスプロセシングユニット（ＧＰＵ）、または命令を処理することができる任意の他の集積回路、例えばｘ８６マイクロプロセッサを挙げることができる。
【００９２】
本開示は、上述の典型的な実施形態において記載および例示説明されたが、本開示は例示のみの目的でなされたものであり、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される、本開示の精神と範囲を逸脱することなく、本開示の実装の詳細に多数の変更がなされてもよいことを理解されたい。他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内である。
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１】
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【図３】
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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１２】
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【図１３】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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