(57)【要約】本発明は、電力回路、および電力回路と動作可能に接続された電気コイルを有する接触開始電磁石を含む電磁気装置を提供し、電気コイルの一端は電力回路に直接接続され、他端は電磁石の磁心に接続され、よって、使用時に、磁心は、下記の２つの目的を果たす：（ｉ）コイルにより生成された電磁場を収束させる、および（ｉｉ）電磁石の磁心にエネルギーを与える電気回路の一部を形成する。複数の電磁気装置を組み合わせて、動力学的装置を形成させることができ、これは、電気に基づく運動装置を生成させることができ、これは、弾性管内に保持される複数の接触開始電磁石の使用により、骨格筋の形態および機能を模倣する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力回路、および
前記電力回路と動作可能に接続された電気コイルを有する接触開始電磁石
を含む、電磁気装置であって、
前記電気コイルの一端が前記電力回路に直接接続され、他端が前記電磁石の磁心に接続され、よって使用時に前記磁心が、（ｉ）前記コイルにより生成された電磁場を収束させる、および（ｉｉ）前記電磁石の磁心にエネルギーを与える電気回路の一部を形成するという、２つの目的を果たす、
電磁気装置。
【請求項２】
請求項１に記載の２つ以上の電磁気装置を含む、動力学的装置。
【請求項３】
使用時に、第１の電磁気装置の電磁石にエネルギーが与えられた場合、生成された磁場は、磁気的に、隣接する第２の電磁気装置の電磁石を引きつけるように構成されている、請求項２に記載の動力学的装置。
【請求項４】
使用時に、前記第２の電子装置の電磁石が前記第１の電磁気装置の電磁石と電気接触した場合、前記第２の電磁気装置の電磁石のための電気回路が閉じられ、前記第２の電磁気装置の電磁石にエネルギーが与えられ、磁場が生成されるように構成されている、請求項３に記載の動力学的装置。
【請求項５】
前記２つ以上の電磁気装置が直列に配置される、請求項２〜４のいずれか１項に記載の動力学的装置。
【請求項６】
前記２つ以上の電磁気装置が並列に電気的に接続される、請求項２〜５のいずれか１項に記載の動力学的装置。
【請求項７】
複数の電磁気装置を含む、請求項２〜６のいずれか１項に記載の動力学的装置。
【請求項８】
一部のまたは完全な哺乳類筋肉の機能をシミュレートするためのシステムであって、前記システムが請求項２〜７のいずれか１項に記載の１つ以上の動力学的装置を含み、前記１つ以上の動力学的装置が生体適合性材料に包まれている、システム。
【請求項９】
前記生体適合性材料が弾性である、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記生体適合性材料が管状セルを形成し、前記管状セルが複数の動力学的装置を含む、請求項８または９に記載のシステム。
【請求項１１】
いずれか１つの管状セル内の２つ以上の電磁気装置が、電力回路により電力供給されるように構成されており、印加される電気エネルギーの量が少なくとも部分的に、前記システムが動作する機械力に依存する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
隣接する管状セルが長軸に沿って１つ以上の接触点を形成するように構成されている、請求項１０または１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記管状セルが、２つの隣接する管状セル間の接触面積が、隣接する管の磁気軸間の角変位の範囲にわたって最大化されるように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
管状セル内の電磁気装置が、それらのエネルギーが与えられていない状態では、前記管状セルの磁気軸長さと比較すると、隣接する管状セルが接触した時に、前記システムのあらかじめ決められた収縮比を生成させる距離だけ、それらの磁気軸に沿って互いに分離される、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
機械的に協調して働くように構成されている、２つ以上の管状セルを含む、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記２つ以上の管状セルが、生体適合性材料により包まれ、管状セル集団を形成する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記生体適合性材料が弾性である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
管状セル集団内の前記管状セルが、互いに対して変位される、請求項１６〜１７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１９】
非導電性強磁性流体を含み、前記流体が、前記動力学的装置の１つ、ほとんどまたは全てを少なくとも部分的に取り囲む、請求項８〜１８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２０】
請求項２〜７のいずれか１項に記載の動力学的装置、または請求項８〜１９のいずれか１項に記載のシステムを動物に埋め込む工程を含み、前記動力学的装置またはシステムが、前記動物の骨格構成要素に直接または間接的に機械的に結合される、動物の筋障害を治療する方法。
【請求項２１】
前記動力学的装置またはシステムが、前記動物の神経構成要素に直接または間接的に電気的に結合される、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は生物工学、特に生体力学工学の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
世界的な人口年齢および社会構造変化として、我々の脆弱者および身体障害者は、支援サービスが利用しにくくなるので、普通の日常動作を独立して実施するために自動化された補助を必要とするであろう。
【０００３】
骨格筋を複製する全ての現在のアプローチとして、筋肉塊（ｍｕｓｃｌｅ  ｍａｓｓ）を、油圧／空圧シリンダ様装置、ギア／滑車を有する電動機、空気圧ブラダーなどの仕組みと置き換えるアプローチがとられてきた。結果として、必要な性能を達成するために、これらの装置は嵩高くなり、かなりの電源を必要とし、一般に、直線に沿った２つの固定点の間で力を提供することができるにすぎない。
【０００４】
さらに現在のアプローチは典型的には、所望の成果を達成するために必要とされる力を適用するのに必要とされる運動量を、最初に感知し、その後これを制御する複雑な制御システムを必要とする。
【０００５】
最後に、現在のアプローチは典型的にはそれらの性能を最終的に妨害し、劣化させる環境因子にさらされる。それらはまた、定期保守を必要し、危険な環境における使用または欠損骨格筋を置き換えるための手術による埋め込みに不適当なものとなる。
【０００６】
本発明の一態様は、先行技術の問題を克服し、改善するために、形態および機能の両方において骨格筋にとって代わる個人的支援機器およびシステムを提供することである。本発明のさらなる態様は、器質的または人工運動システムの構築または補充のための構成要素を形成するように構成された動力学的運動装置を提供することである。別の態様は、先行技術に対する有用な代替案を提供することである。
【０００７】
文書、行為、材料、装置、物品などの記載は、本発明の背景を提供する目的のためだけに、この明細書に含められる。これらの内容のいずれかまたは全てが先行技術の土台の一部を形成した、または、本出願の各特許請求範囲の優先日前に存在していたので、本発明と関連する分野での普通の一般的知識であったということは示唆されず、表されない。
【発明の概要】
【０００８】
第１の態様では、本発明は、電力回路、および電力回路と動作可能に接続された電気コイルを有する接触開始電磁石を含む電磁気装置を提供し、ここで、電気コイルの一端は電力回路に直接接続され、他端は電磁石の磁心に接続され、よって、使用時に、磁心は、下記の２つの目的を果たす：（ｉ）コイルにより生成された電磁場を収束させる、および（ｉｉ）電磁石の磁心にエネルギーを与える電気回路の一部を形成する。
【０００９】
第２の態様では、本発明は、本明細書で記載される２つ以上の電磁気装置を含む動力学的装置を含む。
【００１０】
１つの実施形態では、動力学的装置は、使用時に、第１の電磁気装置の電磁石にエネルギーが与えられた場合、生成された磁場は、磁気的に、隣接する第２の電磁気装置の電磁石を引きつけるように構成される。
【００１１】
１つの実施形態では、動力学的装置は、使用時に、第２の電子装置の電磁石が第１の電磁気装置の電磁石と電気接触した場合、第２の電磁気装置の電磁石のための電気回路が閉じられ、第２の電磁気装置の電磁石にエネルギーが与えられ、磁場が生成されるように構成される。
【００１２】
１つの実施形態では、２つ以上の電磁気装置が直列に配置される。
【００１３】
１つの実施形態では、２つ以上の電磁気装置が並列に、電気的に接続される。
【００１４】
１つの実施形態では、動力学的装置は複数の電磁気装置を含む。
【００１５】
第３の態様では、本発明は、一部のまたは完全な哺乳類筋肉の機能をシミュレートするためのシステムを提供し、システムは本明細書で記載される１つ以上の動力学的装置を含み、１つ以上の動力学的装置は生体適合性材料に包まれている。
【００１６】
１つの実施形態では、生体適合性材料は弾性である。
【００１７】
１つの実施形態では、生体適合性材料は管状セルを形成し、管状セルは複数の動力学的装置を含む。
【００１８】
１つの実施形態では、いずれか１つの管状セル内の２つ以上の電磁気装置は、電力回路により電力供給されるように構成され、印加される電気エネルギーの量は少なくとも部分的に、システムが動作する機械力に依存する。
【００１９】
１つの実施形態では、システムは、隣接する管状セルが長軸に沿って１つ以上の接触点を形成するように構成される。
【００２０】
１つの実施形態では、管状セルは、２つの隣接する管状セル間の接触面積は、隣接する管の磁気軸間の角変位の範囲にわたって最大化されるように構成される。
【００２１】
１つの実施形態では、管状セル内の電磁気装置は、それらのエネルギーが与えられていない状態では、管状セルの磁気軸長さと比較すると、隣接する管状セルが接触した時に、システムのあらかじめ決められた収縮比を生成させる距離だけ、それらの磁気軸に沿って互いに分離される。
【００２２】
１つの実施形態では、システムは、機械的に協調して働くように構成された２つ以上の管状セルを含む。
【００２３】
１つの実施形態では、２つ以上の管状セルは、生体適合性材料により包まれ、管状セル集団を形成する。
【００２４】
１つの実施形態では、システムは、非導電性強磁性流体を含み、流体は動力学的装置の１つ、ほとんどまたは全てを少なくとも部分的に取り囲む。
【００２５】
１つの実施形態では、生体適合性材料は弾性である。
【００２６】
１つの実施形態では、管状セル集団内の管状セルは、互いに対して変位される。
【００２７】
第４の態様では、本発明は、動物において筋障害を治療する方法を提供し、方法は本明細書で記載される動力学的装置、または本明細書で記載されるシステムを動物に埋め込む工程を含み、動力学的装置またはシステムは直接または間接的に動物の骨格構成要素に機械的に結合される。
【００２８】
１つの実施形態では、動力学的装置またはシステムは直接または間接的に動物の神経構成要素に電気的に結合される。
【００２９】
電気コイル／巻回物の一端は電力回路に直接接続され、他端は、電磁石自体のコアに直接接続される接触開始電磁石もまた、提供され、よって、コアは、コイル／巻回物により生成された電磁場を収束させる、ならびに電磁石自体にエネルギーを与える電気回路の一部を形成するという２つの目的を形成する。
【００３０】
以上で特定される複数の接触開始電磁石から構成され（以後、「バイオニック筋肉セル」）、弾性管に包まれた（集合的に「バイオニック筋線維」と呼ばれ得る）バイオニック筋肉塊もまた、提供され、ここで、いずれか１つの管内のバイオニック筋肉セルは、並列で電力供給されるが、直列に、印加される電気エネルギーの量およびバイオニック筋肉が動作する抵抗力に依存して開始される。
【００３１】
以上で特定されるバイオニック筋肉塊はバイオニック筋肉セルを有することができ、これらは、２つの隣接するバイオニック筋肉セル間の接触面積が隣接するバイオニック筋肉セルの磁気軸間の角変位の範囲にわたって最大化されるように成形される。
【００３２】
以上で特定されるバイオニック筋肉塊は、バイオニック筋線維内のバイオニック筋肉セルを有することができ、それらは、それらのエネルギーが与えられていない状態では、バイオニック筋肉セルの磁気軸長さと比較すると、隣接するセルが接触した時に、バイオニック筋肉の所望の収縮比が生成される距離だけ、それらの磁気軸に沿って互いに分離される。
【００３３】
以上で特定されるバイオニック筋肉塊は群化されて、さらに別の弾性管に包まれた３つ以上のバイオニック筋線維の群となったそのバイオニック筋線維を含むことができ（「バイオニック筋肉群」と呼ばれる）、バイオニック筋肉群内の１つのバイオニック筋線維内のバイオニック筋肉セルは、バイオニック筋線維の長さに沿って、同じバイオニック筋肉群内の他のバイオニック筋線維内のバイオニック筋肉セルに対して変位される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のためのビルディングブロックまたはバイオニック筋肉セルを形成する接触開始電磁石の一例の切り取り斜視図である。この例は一致する凸状および凹状端を有する単純な「ダンベル」デザインの形態をとり、ここで、電気回路は筋線維の外側を走る導電体により完成される。
【図２】それらの軸が整列された時に、２つの隣接するバイオニック筋肉セル間でどのように電気接触が達成されるかを示す切り取り斜視図である。
【図３】それらの軸が整列されていない時に、２つの隣接するバイオニック筋肉セル間でどのように電気接触が達成されるかを示す切り取り斜視図である。この特徴により、バイオニック筋線維に可撓性が与えられ、バイオニック筋線維、群および塊は角回りでの収縮および複雑な形状を達成することができる。
【図４】バイオニック筋肉セルのいずれにもエネルギーが与えられていない（すなわち、バイオニック筋線維がその「弛緩」状態にある）時の、図１で示される電磁石セルを使用したバイオニック筋線維の切り取り斜視図である。
【図５】バイオニック筋肉セルのいくらかにエネルギーが与えられた（すなわち、バイオニック筋線維が部分的に「収縮」状態にある）時の、図１で示される電磁石セルを使用したバイオニック筋線維の切り取り斜視図である。
【図６】バイオニック筋肉セルの千鳥形配列を示す、そのエネルギーを与えられていないまたは「弛緩」状態にある３線維バイオニック筋肉群の斜視図である。千鳥形配列は圧縮効率を最適化する。
【図７】３つのバイオニック筋線維の各々におけるバイオニック筋肉セルのいくつかにエネルギーが与えられた（すなわち、バイオニック筋肉群が部分的に「収縮」状態にある）時の、３線維バイオニック筋肉群の斜視図である。
【図８】線維、群、塊および外筒がどのように配列されるかを示す、３群バイオニック筋肉塊の断面である。
【図９】どのように各バイオニック筋肉セルに並列で電力供給され、直列でエネルギーが与えられるかを示すバイオニック筋肉興奮のための電気配線である。
【図１０】図１において図表で示された型の、単一の動力学的装置の写真である。
【図１１】図４および５において図表で示された型の、複数の動力学的装置の写真である。
【図１２】図６および７において図表で示された型の、複数の動力学的装置の写真である。
【図１３】外側外筒を有する複数の動力学的装置の（図１１で示される型の）写真である。
【図１４】筋肉をシミュレートするために、哺乳類骨に適用された図１３の外筒を有する装置を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
この記載を考慮した後では、当業者には、発明が様々な他の実施形態および他の適用においてどのように実行されるか明らかである。しかしながら、本発明の様々な実施形態が本明細書で記載されているが、これらの実施形態は例として提供されたにすぎず、制限するものではないことが理解される。そのようなものとして、様々な他の実施形態のこの記載は、本発明の範囲または幅を制限するものと解釈されるべきではない。さらに、利点または他の態様の言明は、特定の例示的な実施形態にあてはまるものであり、特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態に必ずしもあてはまらない。
【００３６】
この明細書の記載および特許請求の範囲を通して、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語ならびに「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「包含する（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などのその用語の変形は、他の添加物、構成要素、整数または工程を排除することを意図しない。
【００３７】
この明細書を通して、「１つの実施形態」または「一実施形態」への言及は、実施形態との関連で記載される特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。よって、この明細書を通しての様々な場所における「１つの実施形態では」または「一実施形態では」という句の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を示すわけではないが、そうであってもよい。
【００３８】
筋肉塊を単一の装置で置き換えるのではなく、本発明は単一の筋肉塊を大量の非常に小さな装置で置き換え、それらは一緒に働き、骨格筋の可撓性および性能を複製する。本質的に、この発明の１つの実施形態におけるアプローチは、筋肉塊全体ではなく各筋肉細胞を、電気機械的な等価物と置き換えるものである。
【００３９】
バイオニック筋肉塊の作製は同様に、生物学的骨格筋の要素を模倣する。すなわち：バイオニック筋肉セルは、微小接触開始電磁石の形態で、バイオニック筋肉の最小ビルディングブロックを形成し；バイオニック筋線維は、一連の直線の間隔をあけたバイオニック筋肉セルの形態で、可撓性スリーブに含まれ；３つ以上のバイオニック筋線維で構成されるバイオニック筋肉群は、さらに別の可撓性スリーブに包まれる。各線維内のセルは互いに千鳥位置となるように配列され；ならびにバイオニック筋肉塊自体は、多くの筋肉群から構成される。バイオニック筋肉塊を構成するバイオニック筋肉群の数は、バイオニック筋肉群が発揮する力の量に比例するであろう。
【００４０】
いくつかの実施形態では、バイオニック筋肉塊は非導電性強磁性流体を含み、これは、磁場発生を増強し、また、廃熱を奪う。
【００４１】
下記は、発明の１つ、いくつかまたは全ての実施形態の利点である。
【００４２】
バイオフィードバック：バイオニック筋肉は、能動的にかつ本能的に、「放免（ｌｅｔｔｉｎｇ  ｇｏ）」により、より大きな反対の力に応答する能力を有する。これは、磁場の使用により達成され、ここで、磁場は、外力が選択された強度の磁場を超えた場合であっても、劣化し、破壊されない（ラム、モータ、ウォームドライブ、などとは異なる）。この「放免」特質は、即時フィードバックをバイオまたは人工制御装置に提供し、簡単でリアルタイムである相互作用プロセスが可能になる。
【００４３】
有用性：バイオニック筋肉は、人体内の筋肉を再現する能力を有し、これにより、ヒトは、人工運動装置を自然インターフェースにより制御することができる。全ての範囲の自然ヒト運動は、ヒト筋肉の骨格フレームに対する配置および相互作用を模倣する外骨格を作製することにより達成することができる。これを単純な感覚フィードバックメカニズムとカップリングさせると（バイオフィードバックを参照されたい）、自然に使用可能な解決策が生成される。この有用性は、自然ヒトインターフェースを他の自然非ヒト形態にカップリングさせることにより拡張させることができ、例えば航空制御のための鳥、水航海制御のための魚、テラフォーミング制御のための特定の掘削動物、輸送のための機敏な運動動物である。
【００４４】
適応性；筋肉発明は、密閉され、高耐久化され得ることにより、様々な環境内で動作する能力を増加させた。セル設計により多種多様の構築材料の使用が促進され、これにより、ある環境（例えば、人体内、極端な温度、極端な圧力、過度の放射線、など）への安全性、機能的および動作的要求に適合する。
【００４５】
スケーラビリティ：筋肉発明は、その様々な構築材料の使用により拡大される能力を増加させ（適応性を参照されたい）、これにより、使用用途の数が増加する。
【００４６】
可撓性：各筋肉構成要素は、多くの独立したセルから構成され、これにより、筋肉は他の物体の周囲に力を拡張させ、または容赦して外力に応じることができる（例えば、加圧されると曲がる）。
【００４７】
冗長性：各筋肉構成要素は、多くの独立したセルから構成され、機能経路のネットワークが形成され、これにより、損傷度を維持することができるシステムが生成される。
【００４８】
敏捷性：各筋肉構成要素は、多くの独立したセルから構成され、これにより、セルは変化する要求に迅速に適合するように高い頻度で維持される。
【００４９】
保全性：各筋肉構成要素は、多くの独立したセルから構成され、これにより、選択されたセルは、他のセルまたは構成要素の制約なしで、置き換え、増強させることができる。
【００５０】
ロバスト性：各筋肉構成要素は、多くの独立したセルから構成され、機能経路のネットワークが形成され、これにより、筋肉は、不活性機能経路上でセルを交換することにより（保全性を参照されたい）、動作要求中の動作不能期間が低減される。
【００５１】
最大能力：各筋肉構成要素は、ある一定レベルの連続動作を維持する能力を有し、持続不可能な動作（すなわち、デューティサイクル）の急増の制御が含まれる。筋肉構成要素の最大能力が準最適であると考えられる場合、これは独立して交換することができ（保全性およびロバスト性を参照されたい）、課せられた動作要求をタイムリーな期間内に適合させることができる（敏捷性を参照されたい）。
【００５２】
アベイラビリティ；筋肉発明は、その耐故障性を維持する増加した能力（到達性および冗長性を参照されたい）、その増加した適合能力（敏捷性を参照されたい）、および長期間にわたって機能的に動作するその増加したレベル（保全性、ロバスト性および最大能力を参照されたい）により増加したレベルのアベイラビリティを有する。
【００５３】
本発明を以下、下記非限定的な好ましい実施形態によりさらに記載する。
【００５４】
発明の好ましい実施形態
バイオニック筋肉セル
バイオニック筋肉の本発明への鍵は接触開始電磁石の開発である。
【００５５】
導電性コイルの両端が電力回路に直接接続されている他の電磁石とは異なり、本発明の電磁石は導電性コイルの一端のみが電力回路に直接接続されている。コイルの他端は電磁石自体のコア上で電気的に終止する。結果として、電磁石のコアは下記２つの機能を実施する：（ｉ）導電性コイルにより生成された電磁場を収束させるおよび（ｉｉ）電磁石のための電気回路の一部を形成する。
【００５６】
電気回路は、本発明の接触開始電磁石がその一部を形成しており、電磁石のコアが電気回路の別の要素と電気接触すると、完成され、電磁石にエネルギーが与えられ、磁場が生成される。
【００５７】
バイオニック筋肉の本発明への鍵である接触開始電磁石は、それ自体で、様々な適用を有する。しかしながら、一連のこれらの接触開始電磁石が、弾性構築物内で、直列に配列され、並列で電力供給される場合、それらは普通の生物学的筋肉の電磁等価物を形成する。
【００５８】
直列の第１の電磁石にエネルギーが与えられるとすぐに、生成された磁場が、直列の次の電磁石を磁気的に引きつける。直列の第２の電磁石が第１の電磁石と電気接触するとすぐに、第２の電磁石のための電気回路が閉じられ、第２の電磁石にエネルギーが与えられ、それ自体の磁場が生成される。今、エネルギーが与えられた第２の電磁石により生成された電磁場は今、直列の第３の磁石を磁気的に引きつける、これを延々繰り返す。
【００５９】
図１は、巻回物１２およびコア１４を示すそのようなバイオニック筋肉セル１０の形状の１つの例にすぎない。既存の電磁石とは異なり、電磁石の磁心は磁性ならびに導電性機能の両方を果たす。この革新的特徴の重要性はバイオニック筋線維の下記記載において明らかになるであろう。
【００６０】
バイオニック筋肉セルの他の革新的特徴はその形状であり、凸状第一端１６および凹状第二端１８を有する。普通の電磁石とは異なり、バイオニック筋肉セルは、接触面積が接触する電磁石間の角変位の範囲にわたって最大化されるように成形される（図３を参照されたい）。この特徴により確実に、電気抵抗が角変位の範囲にわたって最小化される。
【００６１】
バイオニック筋肉セルダンベルは、高い透磁率を有し、導電性である単一片の磁気的に柔らかい材料から構成される。磁性コイルがダンベルの内部を満たし、磁性コイルの一端がダンベル形状の電磁石コアとの永久電気接続を形成する。コイルの反対端は、単一の筋肉内の全ての他の筋肉セルと並列で、電源に永遠に接続される。不活性筋肉セルが、すでにエネルギーが与えられ、よって電気的に接続されたバイオニック筋肉セルと電気的に接続すると、電気回路が閉じられる。
【００６２】
バイオニック筋線維
バイオニック筋肉セルはバイオニック筋肉塊のビルディングブロックとなり、バイオニック筋線維はそのワークエンジン（ｗｏｒｋ  ｅｎｇｉｎｅ）となる。
【００６３】
バイオニック筋線維は、弾性非導電性外筒２０内の定位置に保持された多くのバイオニックセル１０から構成される。そのエネルギーが与えられていないまたは「弛緩」状態（すなわち電圧が印加されていない）（図４を参照されたい）では、各セルは直列の次のセルから、所望の収縮比だけ分離されている。この分離により、完全にエネルギーが与えられた時に、筋線維が所望の収縮比だけ収縮することになる。
【００６４】
電圧が線維内の第１のセルに印加されると、これは磁場を生成させ、これが直列の次のセルをひきつけ、それら全てを包む外筒を通して直列の全ての磁性セルに拡張される。
【００６５】
第２のセルが第１のセルと接触するとすぐに、第２のセルのための電気回路が完成し、これもまた磁場を生成させ、これが直列の次の（第３の）セルを引きつける（図５を参照されたい）。同時に、セルは並列で電力供給されるので（図９を参照されたい）、利用可能電位差はここで、２つのエネルギーが与えられたセル間で分割される。よって、第２のセルにより発生する磁場の強度は、第１のセルのみにより発生する磁場よりもわずかに弱い。
【００６６】
順にセルを引きつけ、エネルギーを与えるこのプロセスは、筋線維が作用する物体の合わせられた抵抗力が、エネルギーが与えられた筋肉セルにより生成される合わせられた磁力よりも大きくなるまで続く。このようにして、電磁バイオニック筋線維は電気化学的および化学機械的動作の組み合わせを通して動作する骨格筋の動作を模倣する。
【００６７】
この新規アプローチは、複雑な感覚および制御システムに対する必要性を排除する。というのも、運動は、インプット駆動ではなく、成果駆動であるからである。すなわち、オペレーターは、要求される運動を最初に決定し、サーボまたはこれを達成するためのモータを制御するのではなく、成果が達成されるまで、益々多くの電圧、よって力を印加する。
【００６８】
バイオニック筋肉群
バイオニック筋肉群は、同じ中間弾性非導電性外筒内の３つ以上筋線維２２の集合体である（図６および７を参照されたい）。
【００６９】
弾性非導電性外筒は、バイオニック筋線維を一緒に維持し、同じ群内の線維間で収縮力を伝達するために使用される。
【００７０】
１つのバイオニック筋肉群に対するバイオニック筋線維の数は、単一のバイオニック筋肉セルにより発生させることができる磁力および所望の収縮比により支配されるであろう。所望の収縮比が大きくなるほど、線維の数が大きくなり、および／または単一のセルにより発生させる必要のある磁力が大きくなる。
【００７１】
バイオニック筋肉群の重要な特徴は、バイオニック筋肉群の一部を形成する１つのバイオニック筋線維内のバイオニック筋肉セルは、同じバイオニック筋肉群内の別の線維のバイオニック筋肉セルに対して、バイオニック筋肉群の長さに沿ってオフセットされることである。
【００７２】
この特徴は、バイオニック筋肉群の収縮中のどの時点においても、１つのバイオニック筋線維内で接触する次のバイオニック筋肉セルは、完全収縮割当分離にあってもよく、バイオニック筋肉群内の他のバイオニック筋線維内のバイオニック筋肉セルは互いにより近接することを意味する。結果として、ある群内の線維のいずれかにおいて、次のバイオニック筋肉セルが接触するのに必要とされる力の量が、１つの線維のみ内で必要とされる力より小さくなる。
【００７３】
さらに、収縮のインクリメントはバイオニック筋肉群内のバイオニック筋線維の数で割った収縮の比に等しい。結果として、収縮は、そうでなければ、全てのセルが整列された場合にそうなるものよりもずっと滑らかである。
【００７４】
一群内に１つより多い線維が存在するという事実はまた、本発明の別の特徴を提供する：すなわち、冗長性である。
【００７５】
複数の筋線維なしでは、単一のバイオニック筋肉セルの故障は、筋肉全体が働かなくなることを意味するであろう。これは、故障したセルが依然として直列の前のセルに引きつけられるが、これは活性化されず、直列の次のセルを引きつけないであろうからである。
【００７６】
しかしながら、群内に他の線維が存在するので、その線維は故障した線維と共に、群内の他の線維により収縮させられる。結果として、故障したセルは活性化されないが、その線維内の次のセルが故障したセルと接触させられる。
【００７７】
その結果、その線維内の次のセルを活性化させることができ、線維の残りが、とにかく、故障したセルと共に働き続けることになろう。
【００７８】
この構成では、故障したセルを有しても、収縮においてわずかな中断または「付着」点があるにもかかわらず、筋肉群は働き続けるであろう。
【００７９】
バイオニック筋肉塊
バイオニック筋肉セルがビルディングブロックとなり、バイオニック筋線維がワークエンジンとなる場合、バイオニック筋肉塊は発電所となる。
【００８０】
バイオニック筋肉塊は、全体的な弾性非導電性外筒２６内に含まれる３つ以上のバイオニック筋肉群２４の集団である（図８を参照されたい）。この外筒は、収縮力を筋肉群間で伝達させ、かつ、筋肉構成要素を外部環境から密閉するために使用される。筋肉塊の各端での外筒の延長部は、バイオニック筋肉塊のための固定手段（または腱）を形成する。
【００８１】
バイオニック筋肉群の数／バイオニック筋肉塊は、要求される収縮力の量により決定される。
【００８２】
油性非導電性強磁性流体（すなわち、磁場の存在下で磁化可能な強磁性液体）の追加により、バイオニック筋肉塊の性能は増強され得る。決して、理論により制限されることを望まないが、強磁性流体はセル、線維、群および筋肉塊レベルで発生した電磁場の電磁効率を著しく増強させることが提案されている。
【００８３】
強磁性流体を、筋肉塊を通して循環させるための手段と共に使用される場合、強磁性流体はまた、バイオニック筋肉セルの電気および磁場抵抗により発生した全ての廃熱を運び去るように作用する。
【００８４】
加えて、強磁性流体は、（ｉ）一体となる筋肉セルの効果を弱め、よってより滑らかで、より自然の収縮動作を生成させる；（ｉｉ）筋肉塊内の金属の材料の酸化を阻止し、よって、筋肉塊の寿命を伸ばす；（ｉｉｉ）筋肉セルの周りの磁場シールドとして作用し、外部磁場からの磁場妨害を最小に抑えることができる。
【００８５】
バイオニック筋肉塊は、人工骨格筋を生成させるために使用され得るが、本発明は普遍的に適用可能な直線運動装置であり、直線固定運動経路を要求し、ならびに複雑な運動システムの開発をサポートするための産業を生み出す、任意の現在の運動装置に取って代わるように使用することができる。
【００８６】
発明の例示的な実施形態の以上の説明において、発明の様々な特徴は、開示を効率化し、１つ以上の様々な発明の態様の理解を助ける目的のために、時として、単一の実施形態、図面、またはその説明においてまとめられていることが認識されるべきである。しかしながら、この開示方法は、特許請求される発明が、各特許請求の範囲で明確に列挙されているものより多くの特徴を要求しているという意図を反映しているものとして解釈されるべきではない。むしろ、下記特許請求の範囲が反映しているように、発明の態様は単一の前記の開示された実施形態の全ての特徴よりすくないものにある。このように、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、これによりこの詳細な説明に明確に組み込まれ、各特許請求の範囲は、それ自体この発明の別々の実施形態として存在する。
【００８７】
さらに、本明細書で記載されるいくつかの実施形態はいくつかの特徴を含むが、他の実施形態で含まれる他の特徴は含まないが、当業者により理解されるように、異なる実施形態の特徴の組み合わせは発明の範囲内にあることが意味され、異なる実施形態を形成する。例えば、下記特許請求の範囲では、特許請求される実施形態のいずれも、任意の組み合わせで使用することができる。
【００８８】
本明細書で提供される記載では、多くの具体的詳細が明記される。しかしながら、発明の実施形態はこれらの具体的詳細なしで実施することができることが理解される。他の例では、よく知られた方法、構造および技術は、この記載の理解を曖昧にしないように、詳細には示されていない。
【００８９】
このように、発明の好ましい実施形態と考えられるものを記載してきたが、当業者であれば、他のおよびさらなる改変が、発明の精神から逸脱せずに可能であることを認識するであろう。全てのそのような変更および改変は、発明の範囲内に含まれることが主張されることが意図される。例えば、構成要素および機能性を図表に付加し、またはこれから削除してもよく、動作は機能ブロック間で交換可能である。工程は本発明の範囲内で記載される方法に付加し、またはこれから削除してもよい。
【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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