(57)【要約】  隣接するアクチュエータ、または流体もしくは固体の形態をした負荷によって引き起こされる各アクチュエータの変形に基づいて各アクチュエータをトリガし、アレイを通して作動を伝播する機械感覚性による順次的作動用に構成されたアクチュエータアレイが提供される。したがって、作動は、最小の計算オーバーヘッドで調整される。また、かかるアレイでの使用に適したアクチュエータ、アクチュエータの制御方法、および機械感覚性アクチュエータアレイの制御方法が提供される。
2012517790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイを通した機械感覚性伝播作動を介した順次的作動用に構成されたアクチュエータアレイ。
【請求項２】
前記アクチュエータが、たわみアクチュエータを含む、請求項１に記載のアレイ。
【請求項３】
各たわみアクチュエータが、ほぼ最大ストロークのときに、隣接するアクチュエータに直接または間接的に力を加える、請求項２に記載のアレイ。
【請求項４】
隣接するたわみアクチュエータのストローク経路が部分的に重なる、請求項２または請求項３に記載のアレイ。
【請求項５】
前記機械感覚性が、各アクチュエータの電気特性をその物理的位置に関連づける自己検出を用いて達成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のアレイ。
【請求項６】
前記アクチュエータが、誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のアレイ。
【請求項７】
各ＤＥＡが、少なくとも２つの誘電エラストマー膜、２つの外側電極、および少なくとも１つの内側電極を含み、前記外側電極が接地される、請求項６に記載のアレイ。
【請求項８】
前記アクチュエータが、誘電エラストマー最小エネルギ構造（ＤＥＭＥＳ）ユニットを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のアレイ。
【請求項９】
自己検出が、各アクチュエータにおける容量性検出によって達成され、アクチュエータに加えられた力が、前記アクチュエータの２以上の電極間の静電容量における変化を引き起こし、その検出が、前記アクチュエータの作動をトリガする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のアレイ。
【請求項１０】
前記アクチュエータアレイが電源を含み、各アクチュエータを通した電圧が、充電電流のパルス幅変調（ＰＷＭ）によって制御され、各アクチュエータの静電容量が、パルス間の放電プロファイルから計算される、請求項９に記載のアレイ。
【請求項１１】
自己検出が、抵抗検出を用いて達成され、アクチュエータに加えられた力が、前記アクチュエータの少なくとも１つの電極の表面抵抗における変化を引き起こし、その検出が、前記アクチュエータの作動をトリガする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のアレイ。
【請求項１２】
前記ＤＥＭＥＳユニットが、フレームの周囲またはその近くで、前記フレームの外面と接合される誘電エラストマーアクチュエータを含む、請求項７に記載のアレイ。
【請求項１３】
前記アクチュエータが、作動の反復進行波パターンを生成するために閉ループを形成する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のアレイ。
【請求項１４】
流体または固体を選択的に処理するための処理手段と、
前記処理手段の変形を検出するための検出手段と、
前記処理手段の変形の検出に基づいて、前記処理を作動させるためのトリガ手段と、
を含む機械感覚性アクチュエータ。
【請求項１５】
前記処理手段が、誘電エラストマーアクチュエータを含み、前記検出手段が、前記誘電エラストマーアクチュエータの少なくとも２つの電極間の静電容量における変化を監視することによって変形を検出するように構成される、請求項１４に記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
前記検出手段およびトリガ手段が、前記処理手段に供給される電圧を制御することによって前記処理手段を作動させるように、およびパルス間における前記処理手段の放電プロファイルを監視することによって前記処理手段の変形を監視するように構成されたパルス幅変調電源を含む、請求項１４または請求項１５に記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の複数のアクチュエータを含む装置。
【請求項１８】
アクチュエータの機械受容特性を用いて前記アクチュエータの変形を検出することと、前記検出された情報を用いて前記アクチュエータを作動させることと、を含む、アクチュエータの制御方法。
【請求項１９】
前記アクチュエータの変形が、前記アクチュエータの静電容量、抵抗、または漏れ電流の１つ以上における変化を監視することによって検出される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１８または請求項１９に記載の方法に従って、２以上の隣接する機械感覚性アクチュエータを独立して制御し、それによって１つのアクチュエータの作動が、隣接するアクチュエータの変形および作動を引き起こす、アクチュエータアレイの制御方法。
【請求項２１】
前記アレイにおける各アクチュエータが、直前のアクチュエータおよび／または負荷の移動によって作動される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記アクチュエータアレイが、前記アレイにおける少なくとも１つのアクチュエータを選択的に作動させることによってトリガされる、請求項２０または請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
添付図面の図２〜１９に示す実施形態のいずれか１つに関連して明細書中で実質的に説明されているようなアクチュエータアレイ。
【請求項２４】
添付図面の図２〜１９に示す実施形態のいずれか１つに関連して明細書中で実質的に説明されているような機械感覚性アクチュエータ。
【請求項２５】
添付図面の図２〜１９に示す実施形態のいずれか１つに関連して明細書中で実質的に説明されているような機械感覚性アクチュエータの制御方法。
【請求項２６】
添付図面の図２〜１９に示す実施形態のいずれか１つに関連して明細書中で実質的に説明されているようなアクチュエータアレイの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たわみアクチュエータの分野に関し、誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）に特に適用される。特に、本発明は、アレイ全体にわたる作動を制御するために、機械感覚性または自己検出を用いる誘電エラストマーアクチュエータアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギを機械エネルギに変換することによる物体または流体の処理は、従来的には、例えば羽根車、プロペラ、車輪、軌道またはコンベアベルトと結合された電気モータの回転運動を用いて力を伝えることを含んでいる。いくつかの用途では、かかる方法は、あり得る理由の中でとりわけ、重量、雑音および／または効率ゆえに実際的でも望ましくもない。特に、非常に小さな規模では、プロペラ／羽根車は、粘度が極めて高いかまたは支配的でさえある低レイノルズ数を有する流体フローにおいて推進力を達成するには効果的ではない。
【０００３】
例えば、ポンプ揚水、推進または運搬などの用途において、運動繊毛の方法で物体または流体を推進するたわみアクチュエータアレイを用いることが可能であり、場合によっては好ましい。かかるシステムは、それらの相対的な複雑さ、コストおよび／または非有効性ゆえに、従来的には極めて珍しかった。しかしながら、たわみアクチュエータアレイは、かかる用途において有効になり得る。
【０００４】
例えば「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｃｉｌｉａ  ｆｏｒ  ｏｂｊｅｃｔ  ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ（物体処理用の制御された繊毛）」なる名称の（特許文献１）は、繊毛の静電力または加熱によって個別に制御できる、基板に装着された人工繊毛アレイを用いて、基板に対して物体を移動させるかまたはその逆のことを開示している。
【０００５】
誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）は、物体または流体を処理するまたは推進するためにアレイにおいて使用するのによく適している。
【０００６】
たわみアクチュエータにおける最近の進歩、特に誘電エラストマー最小エネルギ構造（ＤＥＭＥＳ）の発展は、結果として、アレイにおいて人工繊毛として用いるために特に適切になり得るアクチュエータをもたらした。
【０００７】
例えば「Ａｃｔｕａｔｏｒ（アクチュエータ）」なる名称の（特許文献２）は、誘電エラストマーアクチュエータと接合されたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートフレームを好ましくは含むアクチュエータを開示している。エラストマーへの電界の印加によって、フレームの歪みが引き起こされる。
【０００８】
「Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ａｎｄ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ（電気活性ポリマートランスデューサおよびアクチュエータ」なる名称の（特許文献３）は、予め歪まされた電気活性ポリマーを用いて、それらの機械的反応を改善することを開示している。この文献は、広範囲な用途用に構成可能なたわみビームアクチュエータをアレイにおいて用いることを開示している。
【０００９】
ＤＥＭＥＳアクチュエータなどのたわみアクチュエータは、軽く、効率的で、強力であるが、しかしながら、先行技術は、アレイに対して流体もしくは物体を推進もしくは処理するために、または逆に流体もしくは物体に対してアレイもしくは基板を推進するために、個別アクチュエータの潜在的に大きなアレイを効果的に制御および調整する問題に十分に取り組んでいない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，９７９，８９２号明細書
【特許文献２】国際公開第２００７／０９６４７７号パンフレット
【特許文献３】米国特許第６，７８１，２８４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、先行技術の１つ以上の不都合を克服または改善する、アクチュエータアレイを用いて物体または流体を推進するための装置およびアクチュエータ、特に誘電エラストマーアクチュエータのアレイを制御するための方法を提供することである。
【００１２】
代替として、本発明の目的は、少なくとも、有用な選択を公に提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、以下の説明から明らかになろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１の態様によれば、概して本発明は、アレイを通した機械感覚性伝播作動を介した順次作動用に構成されたアクチュエータアレイに存すると言ってもよい。
【００１５】
好ましくは、アクチュエータには、たわみアクチュエータが含まれる。
【００１６】
好ましくは、各アクチュエータは、ほぼ最大ストロークにある場合に、隣接するアクチュエータ上に直接または間接的に力を加える。
【００１７】
好ましくは、隣接するアクチュエータのストローク経路は部分的に重なる。
【００１８】
好ましくは、アクチュエータには誘電エラストマーアクチュエータが含まれる。
【００１９】
好ましくは、誘電エラストマーアクチュエータには、誘電エラストマー最小エネルギ構造（ＤＥＭＥＳ）ユニットが含まれる。
【００２０】
好ましくは、機械感覚性は、各アクチュエータの電気特性をその物理位置に関連づける自己検出を用いて達成される。
【００２１】
好ましくは、前記ＤＥＭＥＳユニットのそれぞれには、可撓性フレームと接合された、予め伸ばされた誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）が含まれる。
【００２２】
好ましくは、ＤＥＡには、柔軟な電極間にそれぞれが設けられる１つ以上の誘電エラストマー膜が含まれる。
【００２３】
好ましくは、ＤＥＡには、少なくとも２つの誘電エラストマー膜、２つの外側電極、および少なくとも１つの内側電極が含まれ、外側電極が接地される。
【００２４】
好ましくは、自己検出には、各アクチュエータにおける容量性検出が含まれ、アクチュエータの変形が、２以上の電極間の静電容量における変化を引き起こし、その検出が、アクチュエータの作動をトリガする。
【００２５】
好ましくは、アクチュエータアレイには、さらに電源が含まれ、各アクチュエータを通した電圧は、充電電流のパルス幅変調（ＰＷＭ）によって制御され、各アクチュエータの静電容量は、パルス間の放電プロファイルから計算される。
【００２６】
代替として、前記自己検出には、抵抗検出が含まれるが、この場合には、アクチュエータの変形が、少なくとも１つの電極の表面抵抗の変化を引き起こし、その検出が、アクチュエータの作動をトリガする。
【００２７】
好ましくは、ＤＥＡは、フレームの周囲またはその近くでフレームの外面と接合される。
【００２８】
好ましくは、アクチュエータは、作動の反復進行波パターンを生成する閉ループを形成する。
【００２９】
第２の態様によれば、概して本発明は、流体または固体を選択的に処理するための処理手段と、処理手段の変形を検出するための検出手段と、処理手段の変形の検出に基づいて処理手段を作動させるためのトリガ手段と、を含む機械感覚性アクチュエータに存すると言ってもよい。
【００３０】
好ましくは、処理手段は、誘電エラストマーアクチュエータを含み、検出手段は、誘電エラストマーアクチュエータの少なくとも２つの電極間の静電容量における変化を監視することによって、変形を検出するように構成される。
【００３１】
好ましくは、検出およびトリガ手段には、処理手段に供給される電圧を制御することによって処理手段を作動させるように、およびパルス間における、処理の放電プロファイルを監視することによって処理手段の変形を検出するように構成されたパルス幅変調電源が含まれる。
【００３２】
第３の態様によれば、概して本発明は、アクチュエータの制御方法であって、アクチュエータの機械受容特性を用いてアクチュエータの歪みを検出することと、検出された情報を用いてアクチュエータを作動させることと、を含む方法に存すると言ってもよい。
【００３３】
第４の態様によれば、概して本発明は、本発明の第３の態様の方法に従い２以上の隣接する機械感覚性アクチュエータを独立して制御し、それによって１つ以上のアクチュエータの作動が、隣接するアクチュエータの変形および作動をトリガすることを含む、アクチュエータアレイの制御方法に存すると言ってもよい。
【００３４】
好ましくは、アレイにおける各アクチュエータは、直前のアクチュエータおよび／または負荷の移動によって作動される。
【００３５】
好ましくは、アクチュエータアレイは、アレイにおける少なくとも１つのアクチュエータを選択的に作動させることによってトリガしてもよい。
【００３６】
好ましくは、または代替として、アクチュエータアレイは、アクチュエータの１つ以上の上に力を加える負荷によってトリガしてもよい。
【００３７】
本発明のさらなる態様は、全てその新規な態様において検討すべきであるが、次の説明から明白になろう。
【００３８】
ここで、本発明の多数の実施形態を、図面に関連して例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（ａ）非圧縮および（ｂ）圧縮状態における、先行技術による誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）を示す。
【図２】（ａ）平面、（ｂ）部分的に丸まった、および（ｃ）平衡状態における、本発明で使用するのに適した誘電エラストマー最小エネルギ構造（ＤＥＭＥＳ）ユニットを示す。
【図３】（ａ）逆にされていない、および（ｂ）逆にされた構成における、ＤＥＡとＤＥＭＥＳユニットのフレームとの間の接合を示す。
【図４】本発明による生体模倣アクチュエータアレイの例示的な用途を示す。
【図５】（ａ）単層ＤＥＡ膜ならびに（ｂ）および（ｃ）二重層ＤＥＡ膜を有するＤＥＭＥＳユニットで使用するのに適したフレームを示す。
【図６】本発明による自己検出ＤＥＭＥＳ回路の回路図を示す。
【図７】本発明による自己検出ＤＥＭＥＳアクチュエータ用の例示的な放電プロファイルを示す。
【図８】本発明による機械感覚性生体模倣アクチュエータアレイにおけるＤＥＭＥＳアクチュエータを制御するための例示的な状態図である。
【図９】平衡位置および作動位置の両方における２つの隣接するＤＥＭＥＳユニットのシミュレーションを示す。
【図１０】本発明による生体模倣アクチュエータアレイによって模倣された有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）櫛パドルの作動の「波」の伝播を図式的に示す。
【図１１】アクチュエータの線形アレイにおける、本発明の一実施形態用のＤＥＭＥＳユニットの好ましい設計を示す。
【図１２】平衡における、図５（ｂ）のＤＥＭＥＳユニット設計のシミュレートされた（ａ）プロファイル図および（ｂ）トップダウン図を示す。
【図１３】平衡における、図５（ｃ）の代替ＤＥＭＥＳユニット設計のシミュレートされた（ａ）プロファイル図および（ｂ）トップダウン図を示す。
【図１４】非対称な三相三角形アレイループを示す。
【図１５】膨張アレイループを示す。
【図１６】図１４〜１６のいずれか１つにおけるアクチュエータアレイループにおいて各アクチュエータを制御するための状態機械図の例である。
【図１７】進行波パターンでトリガされる４つのアクチュエータのグリッドによって推進されるボールの形態をした膨張アレイを使用中に図式的に示すが、この場合にアクチュエータＡ、ＤおよびＣは、図１８（ａ）、（ｂ）および（ｃ）における様々な作動段階に示されている。
【図１８】本発明の１つの可能な実施形態による蠕動ポンプを図式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
説明の全体にわたって、同様の参照数字は、様々な実施形態において同様の機構を指すために用いられる。本発明は、次の点において、生体模倣アクチュエータアレイ（ＢＡＡ）と言ってもよいアクチュエータアレイに存する。すなわち、少なくとも一実施形態によれば、このアクチュエータアレイは、従来的な方法／システムの独自の代替として、液体、ガスまたは固体を処理するための独自の方法および装置を提供するために、有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅまたは「ｃｏｍｂ  ｊｅｌｌｙ」）の推進動作を模倣するという点である。
【００４１】
有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）は、櫛状パドル、すなわち長さが数ミリメートルの何千もの運動繊毛によって形成されたたわみアクチュエータの長手方向のアレイまたは列を用い、水の中をそれ自体を推進する小さな海洋生物である。繊毛は、図１０に示すように、強直な前方に達するパワーストロークおよび鞭のような回復ストロークを備えた２段階パターンで前後に打ち付ける。この非対称なストロークパターンは、（非常に低いレイノルズ数において）個別繊毛の規模で推進力を生成するために不可欠である。パワーストロークは、回復ストロークよりも流体を押しやって、正味フローをもたらす。
【００４２】
有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）の繊毛の挙動を模倣する機械的アクチュエータであって、その少なからぬものが、所望の全体的挙動を達成するためにアクチュエータユニットの作動を調整している機械的アクチュエータのアレイを用いることには著しい困難がある。複雑さ、携帯性および／または電力消費の理由で、個々に作動されるユニットのかかる調整を最小の計算オーバーヘッドで達成することが一般に望ましい。さらに、アクチュエータユニットはまた、意図した用途のための適切な運動および力を生成し、一方で信頼性を維持し、かつサイズ、重量、電力消費、不透水性などの設計要件に一般的に従うように設計されなければならない。
【００４３】
有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）は、脳を有しない。それらの口における平衡器官が、動物がその向きを制御できるように、作動させるべき櫛の正確な列をトリガする。列内のパドル調整は、機械感覚性を介して達成されるが、この場合には、作動信号またはトリガが、パドル自体に沿って運ばれるかまたはパドル自体によって伝播される。前のパドルの接触が、ラインにおける次のパドルの運動をトリガする。本発明の方法に採用されたこのアプローチの利点は、パドルシステムまたはアクチュエータユニットが、最小の計算オーバーヘッドで調整されるということであり、これは、有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）が脳を有しない点で明らかである。第２の利点は、本明細書において以下で説明するように、システムが、変化する負荷条件に動的に応答することである。
【００４４】
繊毛は、有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）によって推進用にうまく適用されるが、基板上の人工繊毛アレイを追加的または代替として用い、基板に対して物体および／もしくは流体を推進するか、または物体もしくは流体に対して基板を推進してもよい。ポンプ揚水、物体の処理および海洋推進におけるＢＡＡの例示的な用途は、単に、技術の多くの多様な用途の例として本明細書において以下で説明するが、この技術は、小規模および／または携帯システムで用いるためには、それらの比較的小さなサイズ、重量および効率ゆえに特に魅力的である。したがって、ＢＡＡを用いるシステムには、それぞれが単一基板上に設けられた、１つもしくは複数の１次元アクチュエータアレイもしくは列、または１つもしくは複数の２次元アクチュエータアレイを含んでもよい。
【００４５】
設計およびシミュレーション
有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）に触発された生体模倣機械感覚性アクチュエータアレイを作製するために、少なくとも１つの隣接するアクチュエータとの直接接触または負荷を介した間接接触によって生成される力などの外力を検出して、自身の動作をトリガし、したがって作動の波を自己組織化することがそれぞれできるたわみアクチュエータアレイを提供しなければならない。したがって、生体模倣アクチュエータアレイの文脈における機械感覚性は、外部的に誘発された変形または摂動を検出し、アクチュエータがそれに対する外力を検出できるようにするたわみアクチュエータの能力として定義してもよい。
【００４６】
たわみアクチュエータは、流体または固体を選択的に処理するための処理手段と見なしてもよい。
【００４７】
誘電エラストマー最小エネルギ構造（ＤＥＭＥＳ）は、本発明用の好ましいたわみアクチュエータである。なぜなら、アレイを通して順次的に移動を検出し作動を伝播するために、各ＤＥＭＥＳユニットの電気特性を測定してたわみアクチュエータの先端位置に関連付けることができるからである。用途によっては、作動のいくつかの離間された「波」が、任意の時点において単一のアレイを通して伝播してもよい。
【００４８】
個別アクチュエータアレイユニットが、たわみアクチュエータ、特に誘電エラストマー最小エネルギ構造（ＤＥＭＥＳ）を含む好ましい実施形態に関連して、本明細書において以下で本発明を説明するが、本発明の範囲から逸脱せずに、ＤＥＭＥＳおよび／または誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）の代替を使用可能であることを理解されたい。可能な代替には、バイメタル板、イオン電気活性ポリマー、または特許文献１に説明されているものなどの静電制御アクチュエータを含んでもよい。しかしながら、本発明の少なくとも１つの実施形態におけるように、有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）と類似した繊毛推進システムを達成するために、アクチュエータアレイは、たわみアクチュエータであって、例えば、メソスケールで容易に作製でき、機械感覚性にすることができ、かつ流体中で軽い推進力を理想的に提供できるたわみアクチュエータを含まなければならない。
【００４９】
便宜上説明の全体にわたって「ユニット」と呼ばれる個別ＤＥＭＥＳたわみアクチュエータには、薄い可撓性フレームに装着された、予め伸ばされた誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）が含まれる。
【００５０】
一般に参照符号１０の誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ）には、典型的には図１（ａ）に例として示すような柔軟な電極１２間に設けられた誘電エラストマー膜１１が含まれる。誘電エラストマー膜１１は、キャパシタの方法で電極１２を通して高圧が印加されると、静電圧によって圧縮され、図１（ｂ）に示すようにポリマーの平面展開を引き起こす。
【００５１】
本発明の好ましい実施形態によれば、各ＤＥＭＥＳアクチュエータユニットのＤＥＡには、２つの誘電エラストマー膜１１および３つの柔軟な電極１２が含まれる。電極１２の１つは、膜１１間に設けられ、他の２つの電極は、膜１１の対向する外面間に設けられる。この構成によって、外側電極１２は、ＤＥＡを作動させるために内側電極１２に供給される電荷と共に接地することが可能になる。代替として、ＤＥＡにはまた、２を超える膜および３を超える電極を含んでもよい。比較的露出された外側電極１２を接地することには、いくつかの利点がある。これらの利点には、例えば、隣接するユニットが接触した場合における放電または短絡の恐れなしに、密なアクチュエータアレイを可能にすること、システムの絶対的な静電容量を増加させ、それによって容量性自己センサの信号対雑音比を改善すること、および静電気雑音の遮蔽、環境適用性および耐水性によって隣接するユニット間のクロストークを低減することが含まれる。
【００５２】
ＤＥＡは、「人工筋肉」のあだ名を得た。なぜなら、それらが、大きな能動歪みおよび比圧力、静かな動作、音声帯域幅、ならびに特にセンサおよびジェネレータモードの両方で動作する能力を備え、様々なアクチュエータ性能特性にわたって卓越しているからである。
【００５３】
ＤＥＡおよびフレームを含む単純なＤＥＭＥＳユニットの例が、一般に参照符号２０で図２（ａ）−２（ｃ）に図式的に示されている。引き伸ばされたＤＥＡ１０が、平面可撓性フレーム（詳細は示さず）に接合されてＤＥＭＥＳユニット２０を形成すると、ＤＥＡ１０は、ＤＥＡ１０における歪みエネルギが、フレームにおけるたわみエネルギと等しくなって、図２（ｃ）に示す複雑な３Ｄ構造を形成する平衡に達するまで、図２（ａ）に示すような最初は平坦なフレームを、図２（ｂ）に示すように丸める。ＤＥＡ１０が作動されると、エネルギ平衡がシフトし、フレームは、図２（ａ）の平面状態に向かって収縮する。同様に、電極１２を短絡させることによって、ＤＥＭＥＳユニットは、図２（ｃ）の平衡状態の方へ戻される。
【００５４】
生体模倣アクチュエータアレイで使用するための適切なＤＥＭＥＳユニットを設計する際には、多数の要因を考慮しなければならない。ＤＥＭＥＳユニットは、次のように設計しなければならない。すなわち、アレイを通して作動を順次的に伝播させ、一方で多くの作動サイクル後に予想通りに確実に変形するように、機械感覚性用に直接または間接的接触が隣接するユニット間で発生するための十分なストロークおよび平衡位置を備えたＤＥＭＥＳユニットを機械感覚性アレイに組み込むことができるような方法で設計しなければならない。
【００５５】
ＤＥＭＥＳの固有の非線形および時間依存の性質ゆえに、ＤＥＭＥＳのマニュアル設計は、困難かつ非直観的なプロセスになり得る。この理由で、機械感覚性アレイの設計を支援するために、有限要素モデリングアプローチを用いてもよい。好ましいアプローチは、静電エネルギ密度項で拡張されたＡｒｒｕｄａ−Ｂｏｙｃｅ歪みエネルギ関数を利用してＤＥＡ膜を表現する。これは、厚さ方向に応力を印加するＭａｘｗｅｌｌ圧力をシミュレートする既存の方法に勝る改善である。なぜなら、それによって、平面歪みの状態において計算的に効率的な膜要素の使用が可能になり、膜厚さ計算が単純化されるからである。
【００５６】
本発明の好ましい実施形態によれば、生体模倣アクチュエータアレイには、基板上に設けることが可能で、隣接するユニットとほぼ最大ストロークで接触するような方法で配置されたＤＥＭＥＳユニットの列が含まれる。本記載のために、基板は、任意の表面、すなわちその上にアレイの隣接するＤＥＭＥＳユニットまたはたわみアクチュエータが形成されるか貼り付けられる任意の表面を意味する。
【００５７】
図４は、本発明によるＢＡＡの可能な一用途の単純な例を図式的に示すが、この例では、アクチュエータアレイを用いて、基板４１とほぼ平行に設けられたレールペア４３に沿ってシリンダまたはボール４２を推進することができる。ＤＥＭＥＳユニットは、機械感覚性であり、アレイにおける前のユニットの接触に基づいて作動する。ボール４２は、Ａで示されたＤＥＭＥＳユニット２０において、またはその近くで出発するが、Ａで示されたＤＥＭＥＳユニット２０は、トリガされて作動し、ＤＥＭＥＳユニットＡの先端が、Ｂで示された隣接するＤＥＭＥＳユニット２０と接触するかまたはほぼ隣接して、その作動をトリガするまで、レール４３に沿ってボール４２を押す。このプロセスは、Ｆで示されたユニットが作動され、ボールがレール４３の端に到着するまで、反復され、連続するＤＥＭＥＳユニット２０の作動を伝播する。
【００５８】
図４の例において、ＢＡＡは、平面基板上に設けられたＤＥＭＥＳユニットの単一直線列として示されているが、システムは、曲線形状の基板を有することによって曲線レールに従うように構成してもよい。他の用途において、ＤＥＭＥＳユニット２０は、典型的には負荷（上記の例におけるボール４２など）との接触の結果として発生し得る外力もしくは間接的接触によってトリガしてもよく、または一ユニット２０における接触／力は、追加的または代替として、別の恐らくは隣接していない作動ユニット２０をトリガするために用いてもよい。
【００５９】
ＢＡＡを設計する際における、特に要求される力を生成するＤＥＭＥＳユニットを設計する際における困難さゆえに、設計は、モデリングまたはシミュレーションによって支援してもよい。特に、有限要素解析（ＦＥＡ）を用いて、ＤＥＭＥＳの挙動を効果的にシミュレートしてもよい。膜要素を用いてＤＥＡ膜をシミュレートし、シェル要素を用いてフレームをシミュレートするのが好ましい。これらの要素は、高アスペクト比構造用に設計され、かつこれらの構造によく適しているので、重要である。連続体要素の使用は、規模の程度と共にそれだけ要素数も多く、要素当たりの自由度もそれだけ大きいので、調整が悪くて扱いにくいシミュレーションに帰着する。
【００６０】
膜要素は、ＤＥＡ膜をシミュレートする効率的な方法を提供する。しかしながら、膜要素が平面歪みの状態で存在しているので、従来の方法で方程式１によって定義されるようなＭａｘｗｅｌｌ圧力を印加することは不可能である。
【数１】
2012517790.tif 000003
（１）
【００６１】
これを克服するために、厚さ方向Ｍａｘｗｅｌｌ圧力に頼らずにＤＥＡ膜をシミュレートするために、Ａｒｒｕｄａ−Ｂｏｙｃｅ歪みエネルギ関数を、アクチュエータの静電エネルギ密度で拡張してもよい（方程式２）。
【数２】
2012517790.tif 000004
（２）
【００６２】
粘弾性は、Ｐｒｏｎｅｙ級数緩和関数を全歪みエネルギ関数に適用すること、および静電気項を長期緩和の逆数で予め乗算することによって説明してもよい。これは、シミュレーションを準静的な場合に制限する。
【００６３】
適切なＤＥＭＥＳユニットを設計する際におけるＦＥＡの使用例として、図９は、図４の例で使用可能な２つの隣接するＤＥＭＥＳユニットの平衡状態（暗）と活性状態（明）との間の接触を示すオーバーレイプロットである。この例の設計要件によれば、ＤＥＭＥＳたわみアクチュエータは、７５％のストロークにある場合に、次の隣接するＤＥＭＥＳたわみアクチュエータユニットを押すことができなければならない。換言すれば、隣接するＤＥＭＥＳユニット２０のストローク経路は、部分的に重ならなければならない。これは、２つの要件に帰着する。すなわち、ａ）ＤＥＭＥＳは、十分なストロークを経なければならず、かつｂ）ＤＥＭＥＳは、静止または平衡において十分に丸められなければならない。これは、ＤＥＭＥＳをアレイにパターン化すること、ならびに平衡および作動の状態または位置を重ね合わせることによって、シミュレーションでテストすることができる。次に、相互作用は、図９に示すように直接観察することができる。
【００６４】
さらに、ＤＥＭＥＳユニットに適用可能なさらなる設計要件には、膜の剪断を防ぐために例えば１０ｍｍを下らないフレームの最小幅、クリープを防ぐために１％を超過しない最大線形歪み、２０ｍｍのユニット間隔を含んでもよく、先端は、平衡状態においてレール高さ未満であり、かつ作動中にボールを推し進めるためにレール高さを超えて移行しなければならず、先端の摂動による静電容量変化は、容量性自己センサシステムにおける雑音より大きくなければならず、例えば約５ｐＦである。したがって、提案されたＤＥＭＥＳ設計を製造前にモデリングする利益は著しい。
【００６５】
フレームのサイズおよび形状は、主にＢＡＡの用途に依存する。３つの例示的なフレーム設計が、図５に示されている。例えば図５（ａ）のフレーム３０は、単層ＤＥＡ膜に適しており、一方で図５（ｂ）のフレーム３０は、上記の自己検出二重層ＤＥＡ膜ＤＥＭＥＳユニットにより適している。図５（ｃ）は、二重層ＤＥＡ膜用の代替フレームを示す。本発明によるＢＡＡの少なくとも１つの用途用に好ましいさらなるＤＥＭＥＳユニット設計が、図１１に示されている。
【００６６】
図１２は、図５（ｂ）のフレーム設計におけるシミュレートされた平衡位置の（ａ）プロファイルおよび（ｂ）トップダウン図を示す。図１２（ｂ）は、ユニットの先端における鋭い局部的なたわみを示すが、これは、膜の接続角度、およびフレームの局部的なたわみによって引き起こされる応力集中ゆえに、フレーム上部内点からの膜の剥離につながる可能性がある。
【００６７】
図１３は、図５（ｃ）の改善されたフレーム設計のシミュレートされた平衡位置の対応する図を示すが、これは、ほぼ同じ平衡位置およびストロークを有する。特に図１３（ｂ）から、この設計が、フレームの先端の近くの局部的なたわみを低減し、フレームと膜との間の鋭角を緩和することが分かる。先端におけるこのより滑らかな曲線、およびフレームと膜との間の角度の緩和は、信頼性の実質的な改善につながる。
【００６８】
作製
フレームは、Ｇｒａｆｉｘ（登録商標）ＰｌａｓｔｉｃｓのＤｕｒａ−ＬａｒＴＭ００５などのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で形成するのが好ましいが、多数の他の材料およびプロセスが、本発明の範囲から逸脱せずに代替として使用可能であり、かついくつかの状況ではかなりの利点を提供する。
【００６９】
ＤＥＡ１０は、主に剪断においてフレーム３０上で支持される。これは、単一／多層膜設計において、膜が、フレームの端からある程度クリープすることにつながり、特に早期故障を引き起こす可能性がある。この理由で、自己検出設計は、この故障モードの防止を支援するために、はるかに幅の広いフレームを有するのが好ましい。
【００７０】
第２の難題は、ＰＥＴ材料が、潜在的には、温度およびタイプに依存して、例えばおおよそ２％を超える歪みで塑性的に変形する可能性があることである。これは、ＤＥＭＥＳの過度の丸まりおよび最終的な故障につながる。より厚いフレームは、同じ量の丸まりに対して、より大きな歪みにつながる。この問題を克服するために、ＤＥＭＥＳは、フレームにおける最大歪みが１％未満であるように設計されるべきである。
【００７１】
ＤＥＭＥＳユニット２０で用いるための理想的なＤＥＡ膜１１は、アクチュエータストロークを増強するために柔らかく、かつ高い誘電率および破壊強度を有して大きな圧縮圧力を生成する一方で、圧縮下で膜を通って流れる電流を防ぐ。誘電率の増加は、有用な作動を達成するために必要な駆動電圧を低下させる。
【００７２】
ＤＥＡ膜用の適切な材料には、３ＭＴＭから入手可能なアクリルエラストマーであるＶＨＢＴＭ、およびＮｕＳｉｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ＬＬＣのＣＦ１９−２１８６およびＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＨＳ３などのシリコーンが含まれる。ＶＨＢは、ＤＥＡ膜用の高エネルギ密度が可能な高粘性で超弾性の材料である。ＶＨＢは、きちんとした円筒形になり、かつ高粘着性なので、使用には便利であるが、しかしそれは、固定した厚さおよび配合を有する。シリコーンの主な利点は、ＶＨＢと比較した場合の帯域幅の増加、誘電率およびモジュラスなどの材料特性に対するより大きな制御、ならびに厚さおよびサイズなどの膜特性に対するより大きな制御である。
【００７３】
本発明の好ましい実施形態によれば、電極１２は、Ｎｙｅ  Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ，Ｉｎｃ．のＮｙｏｇｅｌ  ７５６Ｇ導電性カーボングリースを用いて、誘電エラストマー膜１１の対向面上に作製される。代替として、電極１２は、カーボンの吹き付け、カーボンナノチューブ、イオン注入、スパッタコーティング、または当業者に明白な任意の他の適切なプロセスによって形成してもよい。例えば、電極接続部は、銅テープトラックを用いて設けてもよい。
【００７４】
ＤＥＭＥＳユニット２０は、面内に作製され、電気エネルギを機械エネルギに変換するための有用で効率的なたわみアクチュエータまたはトランスデューサを形成することができる。
【００７５】
ＤＥＡ１０が、フレーム３０と接合する前に予め伸ばされるので、ＤＥＭＥＳユニットの形状に依存して、ＤＥＡ１０は、図３（ａ）に示すように平衡時におけるフレーム３０の内面または凹面にデフォルトで接合してもよい。ＤＥＡ−フレーム接合は、ＤＥＡ１０がフレーム３０からはがれるようなＤＥＡ１０とフレーム３０との間の接着剤の剥離、またはＤＥＭＥＳユニット２０と基板（図示せず）との間の剥離ゆえに、ＤＥＭＥＳユニット２０の早期故障に帰着する可能性がある張力下にある。信頼性を改善するために、ＤＥＭＥＳユニット２０は、「逆」アクチュエータであることが好ましく、この場合には、ＤＥＡ１０は、図３（ｂ）に示すように、フレーム３０の周囲または隅において、またはそれらに隣接してフレーム３０の外面または凸面と接合される。基板に隣接するＤＥＭＥＳユニット２０の隅はまた、隅が丸まり基板から剥離するのを防ぐために、基板に固定するのが好ましい。代替または追加として、支持ブラケットを設けて、ＤＥＭＥＳの上面を押下して基板から離れて丸まるのを防いでもよい。
【００７６】
本発明のＤＥＭＥＳユニット２０は手製でもよいが、これは、時間を消費し、ユニット間の差異および非均一性に帰着する。さらに、本発明の好ましい実施形態によれば、ＢＡＡのＤＥＭＥＳユニット２０は、メソ（ミリメートル）またはマイクロ（サブミリメートル）スケールで作製される。メソスケールの作製のために、ＤＥＭＥＳユニットは、例えば、Ｔｒｏｔｅｃ  Ｌａｓｅｒ，Ｉｎｃ．のＳｐｅｅｄｙ３００などのレーザカッターを用いて作製してもよい。しかしながら、サブミリメートル範囲では、かかるレーザカッターの使用は、プラスチックのどんな切断をも囲む熱損傷ゾーンゆえに制限される。この場合には、非熱的な超短パルス（ＵＳＰ）レーザシステムが好ましい。ＵＳＰレーザは、（１００×１０−１５秒程度の）非常に短いバーストでレーザ光の非常に高強度のパルスを生成する。ピーク出力は、１ＭＷ程度に達することができる。入射電力が非常に高いので、材料における電子は多数の光子を吸収し、どんな熱も周囲の材料に伝達せずに、それらの親原子から逃れる。電子が逃げるとき、電子は、それらの今やイオン化された親原子を一緒に引っ張る。
【００７７】
アクチュエータユニット２０が一緒にくっつくのを防ぐために、薄いプラスチックのクリングラップフィルムまたは他の外側層を、アクチュエータの接触領域に貼り付けてもよい。
【００７８】
基板上に配置されたＤＥＭＥＳユニットまたはアクチュエータのアレイは、他の潜在的な用途の中でとりわけ流体ポンプ揚水、推進または物体運搬ができるＢＡＡ用の、軽量で、潜在的に非常に効率的で、強力な機構を提供する。
【００７９】
自己検出
自己検出は、アクチュエータのアレイまたはシーケンスにおける各個別アクチュエータユニットが、外部または自己が課した負荷の下で、それらの変形状態を認識していることを意味する。換言すれば、外力によるアクチュエータの変形は、検出することができ、かつ第１のアクチュエータユニットの作動によってトリガされる、アレイを通して自己伝播する作動の波を生成するために作動をトリガするように用いることができる。
【００８０】
ＤＥＭＥＳアクチュエータユニット２０の自己検出は、電極の静電容量もしくは表面抵抗またはＤＥＡにおける電極１２間の漏れ電流など、回路のある電気パラメータを検出することによって達成することができる。これらのパラメータのそれぞれは、ＤＥＡが作動されるか、さもなければ変形されたときに、電極１２および／または誘電膜１１のジオメトリと共に変化し、したがって、隣接するアクチュエータユニット２０または外部の物体もしくは力からの接触によって引き起こされた歪みまたは変形を検出するために用いることができる。したがって、ＤＥＡの機械的または物理的な状態もしくは位置は、監視された電気特性から推測することができる。
【００８１】
容量性自己検出の例を用いると、ＤＥＭＥＳの先端が押された場合に、膜１１は、それが圧縮または伸張されるので、変形して電極１２間の静電容量のかなりの変化を受ける。
【００８２】
容量性自己検出を達成するための１つの可能な好ましい方法を、例として以下で説明する。好ましい方法は、パルス幅変調（ＰＷＭ）アプローチを利用するが、この場合に、ＤＥＡ上の電圧は、充電電流のＰＷＭで制御され、静電容量は、パルス間の放電プロファイルから計算される。これを達成する例示的な回路が、図６に示されている。ＰＷＭ周波数は、２００Ｈｚなど、大きな変位用のシステムの機械的時定数よりかなり速くすべきであり、システムが静かなように２０ｋＨｚを超えてもよい。機械システムは、典型的にはＰＷＭ周波数より遅いが、しかしながら、電気システムはそうではない。自己センサは、図７に示すように、各ＰＷＭパルスの間の放電プロファイルを用いてＤＥＭＥＳの静電容量を計算する。放電プロファイルは、高電圧抵抗ラダーおよび信号調整回路を用いて測定される。サイクルの放電部分の間にＤＥＡから流れ出る電流は、式３によって近似することができるが、式３は、漏れ電流項を含むように修正してもよい。
【数３】
2012517790.tif 000005
（３）
【００８３】
システムの静電容量が、ごくわずかな変化しか受けず、一方でＤＥＭＥＳユニット２０が静止または平衡状態にあると仮定すると、式４が得られる。電圧は、導関数が分かるようにする高電圧抵抗ラダーを用いて測定され、電流は、オームの法則から与えられる。
【数４】
2012517790.tif 000006
（４）
【００８４】
高電圧ＤＣ電源が、ＢＡＡの電極に必要な電圧を供給するために用いられる。ＰＷＭ信号は、高電圧オプトカプラスイッチを用いて発生させるのが好ましい。放電および信号発生経路は、直列の１００Ｍオームおよび５６ｋオーム抵抗器で作製された。低域通過フィルタが、信号上の高周波雑音を除去する。回路全体は、電池式であるのが好ましく、かつ高電圧電源函、スイッチおよび信号調整回路用に別個の低損失リニアレギュレータを用いる。
【００８５】
したがって、図６に示すようなＰＷＭ電源回路は、パルス間におけるＤＥＡの放電プロファイルを測定することによって、処理手段の変形を検出するための検出手段と、ＤＥＡを通した電圧を制御することによって処理手段を作動させるためのトリガ手段と、の両方と見なしてもよい。
【００８６】
制御
推進などの用途における本発明のアクチュエータアレイの使用は、個別ＤＥＭＥＳユニット２０の移動または作動の調整を制御することを必要とする。これは、通常、アレイにおける隣接するユニットの順次的な作動を必要とし、それによってアレイは、アレイの長さに沿って伝播する「波」パターンで作動される。必要に応じて、多数の波が、任意の一アレイを通して同時に伝播してもよい。
【００８７】
アレイを制御する場合に集中コントローラを使用することは、計算上の飽和につながる可能性がある。アレイがコンピュータに比べて大きい場合には、全ての要素またはシステムを全体として制御するほど十分な計算能力は全くあり得ない。さらに、大きなアクチュエータアレイの集中独立制御に必要な非常に多くの入力／出力ラインから困難が発生し得る。このようにアレイサイズが制限される場合には、アレイ制御法を用いる必要がある。
【００８８】
アレイ制御アプローチは、それらが局所的および集中制御戦略を組み合わせるという点で、多くの自然システムを思い出させる。有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）上の繊毛は、有用な推進力を生成するために正確なパターンで動く内部構造によって局所的に制御され、一方で全体的な調整は、隣接する繊毛をトリガすることによってか、またはより小さな繊毛の通信チャネルによって提供される。これは、主に分散制御の形態である。ゴキブリの脚部は、地形の変化に素早く反応するために反射神経を介して局所的に制御され、かつゴキブリの脳によって他の脚部と調整される。これは、階層制御の形態であり、かつゴキブリが、非常に迅速に起伏の多い地形を横断できるようにする。動物の筋肉は、多様な力を生成するために、リクルートメント戦略（ｒｅｃｒｕｉｔｍｅｎｔ  ｓｔｒａｔｅｇｙ）を介して制御される。
【００８９】
しかしながら、好ましい実施形態によれば、個別ＤＥＭＥＳユニット２０は、機械感覚性または自己検出性である。アレイにおける各ユニット２０は、それらの自己検出能力（例えば、前のアクチュエータによって押されたアクチュエータユニットによって引き起こされる静電容量の変化）を用いて、前の隣接するユニット（または例えば、そのユニットによって推進されているある物体または流体）の接触を検出し、これを自分の運動のトリガとして用いる。したがって、作動の波が、有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）と同じ方法でアレイに沿って伝播する。アレイにおけるアクチュエータのそれぞれは、単一の電源から電力を供給されるのが好ましいが、代替として複数の電源を用いてもよい。
【００９０】
機械感覚性を利用することによって、アレイは、分散制御ゆえに事実上追加的な計算オーバーヘッドなしに最適な挙動を達成する。図４に示すように、いくつかのレールに沿ってボールを推進する用途を検討する（これは任意のコンベア用途に一般化できる）。アレイにおける第１のＤＥＭＥＳユニット２０が、それ（設定に依存して、ボールまたはＤＥＭＥＳユニット）がアレイにおける次のＤＥＭＥＳユニット２０と接触するまで、ボールを前方に押し進める。次のＤＥＭＥＳユニット２０が、接触を検出して作動し、次のユニットへとボールを前方に押し進める等である。個別ユニット２０は、それらがボールを前方に押し進める必要があるときだけオンにされて、システムを非常に効率的にする。したがって、連続するアクチュエータは、独立したアクチュエータのどんな集中制御および調整も必要なしに、順次的に自動でトリガされる。
【００９１】
順次的作動は、自己検出を全く用いず、アレイの単純なタイミングで達成可能であるが、物体質量の増加は、ＤＥＭＥＳユニット２０が、ラインの次のユニットに物体を押し進めるのにより長くかかることを意味し得る。これは、時限システムを用いると、ラインの次のユニットが早すぎてトリガされ、ボールが置き去りにされることを意味する。本発明の機械感覚性システムを用いれば、ラインの次のＤＥＭＥＳユニット２０は、ボールがそのユニットに移動するまで待機する。これは、システムが、外部センサもかなりの計算手段も必要とせずに、アクチュエータ自体間の変動と同様に、負荷のタイプにも自己を自動的に適応させることを意味する。したがって、本発明のアレイによって、物体を運搬するための新規で非常に軽量な機構が提供される。岩のサンプルを収集するロボットなど、重量および効率が重要であり、かつ物体が規則的な形状およびサイズを有しない可能性がある用途に対して、アレイは特に有用である。
【００９２】
機械感覚性アレイの適応性はまた、流体推進およびポンプ揚水に及ぶ。本発明によるＢＡＡで推進される海洋ロボットを検討する。アレイは、水中において優れた推進力を生成するために、ある速度で移動すべきである。塩水から淡水へまたは泡の領域へ移動するなど、水の密度が変化する場合には、アレイが進む最適速度は変化する。機械感覚性アレイは、この速度に自動的に適応するが、これは、純粋な時限アレイでは不可能なことである。ロボットはまた、現在は可能でない方法で表面に沿って「歩く」ためのアレイを用いることが可能である。アレイはまた、それらをセンサモードに変えることによって、水流および物体に対するロボットの感度を増加させる手段を提供するだろう。アレイは、ステルス性が要件である用途用の、潜在的に非常に効率的で静かな推進形態である。有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）のように、海洋ロボットは、向きを制御するために独立してトリガ可能な列に配置された多数のアレイを有してもよい。
【００９３】
機械感覚性は、隣接するＤＥＭＥＳユニット２０間の、または外部物体からの接触を検出する任意の検出手段を用いて達成してもよい。例えば、容量性自己検出は、各ＤＥＭＥＳユニット２０の電極間の静電容量を検出し、これを、その上記のような機械的状態に関連付ける。したがって、ＤＥＭＥＳユニット２０は、前のアクチュエータまたは負荷からの接触によって引き起こされる、その先端の単に小さな変位に関連する静電容量の検知可能な変化を受けるように、かつその環境および隣接するＤＥＭＥＳから遮蔽されて、アクチュエータの密なパッキングおよび安全な環境的相互作用を可能にするように、かつ前の隣接するアレイユニット２０が伸びて次の隣接するユニット２０を押すか、または押すほど十分に移動できる状態で停止するように、かつ経時的に周知の状態に落ち着き、故障にまでクリープしないように設計しなければならない。他の要件は、当業者には明らかであろうし、アレイの用途に依存し得る。例えば、海洋推進用に用いられるアレイは、明らかに、ＤＥＭＥＳユニットが、それぞれ基本的に防水であることを必要とする。
【００９４】
代わりに、前述のように、検出手段は、好ましい誘電エラストマーたわみアクチュエータにおいて、電極の抵抗もしくは電極間の漏れ電流の変化を検出することによって、または各アクチュエータユニットの少なくとも一部における移動を検出できる任意の他の検出手段を用いることによって代替として達成してもよい。検出手段の選択は、主に、ＢＡＡおよびそこで用いられるたわみアクチュエータの用途に依存する。用いられるセンサ手段に依存し、隣接するアクチュエータユニットの作動が、アレイにおける前のアクチュエータまたはアレイによって担われる負荷の移動または接近によってトリガされるだけというのであれば、隣接するアクチュエータが接触することは必要ではなくなり得る。例えば、順次的作動は、隣接するアクチュエータ間の接触ではなく、隣接するアクチュエータによって引き起こされる流体波またはバッフルによってトリガしてもよい。ＤＥＡの自己検出能力、すなわちＤＥＡがセンサおよび電気機械的トランスデューサの両方の役割をする能力によって、ＤＥＡは、本明細書で上記したような生体模倣アクチュエータアレイに特に適したものになる。
【００９５】
さらなる態様によれば、本発明には、第１のアクチュエータを作動させること、変形を検出すること、および本明細書で説明するような機械感覚性によって次のアクチュエータを順次的に作動させることによって、アクチュエータアレイを制御する方法が含まれる。本発明はまた、機械感覚性アクチュエータアレイを用いて、物体または流体を推進する方法に存すると言ってもよい。
【００９６】
他の実施形態
有櫛動物（ｃｔｅｎｏｐｈｏｒｅ）を模倣するたわみアクチュエータ、特にＤＥＭＥＳアクチュエータユニットの直線または曲線の列、ラインまたはアレイに関連して本明細書において上記で本発明を説明したが、代替実施形態によれば、本発明には、作動の反復波を形成するための、閉ループに配置された複数のアクチュエータユニットを含んでもよい。閉ループには、例えば、図１４に示すような非対称の三相三角形アレイ、または図１５に示すような膨張アレイを含んでもよい。図１４および１５の両方の実施形態は、Ａ〜Ｃのラベルを付けられた３つのＤＥＡアクチュエータを伴って示されている。したがって、本発明はまた、上記のような同じ機械感覚性原理を用いて制御されるたわみアクチュエータまたは非たわみアクチュエータを用いる装置および方法に存し得る。
【００９７】
図１４の三角形アレイは、例えば、レーザカットアクリルフレーム３０に装着された３ＭＴＭＶＨＢ４９０５の予め伸ばされた膜から形成してもよい。三角形アレイのフレーム３０の隅または端は、各ＤＥＡ１０の拡張／縮小がほぼ面内もしくは平面であるように、取り付け面に固定してもよく、または代替として、フレームは、曲がるようにしてもよい。図１５の膨張アレイは、開口部上に膜を配置し、それを膨張させることによって形成してもよい。例えば、ＮｙｏＧｅｌ７５６Ｇ導電性カーボン担持グリースからなる電極を、適切なパターンで各装置上に塗装するか、さもなければ塗布してもよい。
【００９８】
各実施形態において、個別アクチュエータユニットの作動は、図１６に例として示す単純な状態機械によって独立して制御してもよい。ＤＥＡユニットまたは要素が平面において延びると、アレイの近くの要素に対する影響は、収縮であり、したがって領域の減少である。閾値静電容量が、各相またはアクチュエータユニット用に確立され、状態機械は、このレベルより下の降下に関しセンサにポーリングする。これが生じると、要素は、作動サイクルを経験し、次に、アクチュエータが次のアクチュエータによってトリガされるのを防ぐための無反応または不作動期間後に静電容量のポーリングに戻る。代替または追加として、アクチュエータアレイループのアクチュエータユニットは、各アクチュエータユニットが、一方の隣接するユニット（すなわち前のアクチュエータユニット）によって、他方のユニット（すなわち次のアクチュエータユニット）に勝って優先的にトリガされるように非対称的に設計してもよい。
【００９９】
選択される特定の閾値静電容量および不作動期間は、アクチュエータループの設計に依存し、かつ代替制御方法が、本発明の範囲から逸脱せずに使用可能である。
【０１００】
したがって、三角形アレイループは、反復回転進行波を生成する最初のトリガに続いて、アレイの第１のアクチュエータユニットから最後のアクチュエータユニットまで反復して伝播する作動の自己永続的な波を形成し、膨張アレイは、同様に、バルジが球の外側の回りを移動する回転進行波を可能にする。
【０１０１】
例えば、膨張アレイは、移動ロボット工学の分野において広い用途を有し得る。外側の回りのグリッドに配置されたＤＥＡで作製された膨張ボールを検討する。回転パターンでボールを変形させることによって、ボールは、様々な地形を越えて、それが望む場所へ回転するようにすることができる。空中プラットホームからの配備のために、ボールは、弾むようにすることが可能である。自己検出を一体化すれば、ボールは、正確な速度で自動的に「回転」することが可能であり、相は地面からの接触の解放によってトリガされる。これは、図１７（ａ）−（ｃ）に図式的に示す。
【０１０２】
別の可能な用途において、本発明は人工心臓を形成するように構成してもよい。血液は、心臓の構成筋肉の律動的な収縮を介して人体のあちこちに送り込まれる。この収縮は、心筋細胞（ミオサイト）の複雑な電気−化学−機械的な相互作用によって調整される。この一態様が機械感覚性であり、この機械感覚性は、細胞生理学に対する直接的な影響から、細胞間カップリングまで、および変化する負荷条件に対する全器官反応の調整まで、心臓系の全てのレベルにおけるフィードバックループの形成を可能にする。３Ｄ印刷技術は、可撓性ポンプとして用いるために機械感覚性ＤＥＡの３次元ネットワークによって形成される実際の人工心臓を作製するために潜在的に使用可能である。ポンプの鼓動運動は、ポンプの回りを際限なく進む機械感覚性作動の波によって調整され、実際の心臓と同じ方法で、変化する負荷条件または変形に適応するであろう。この全ては、特に、全く柔らかくて変形可能なポンプにおけるセクションの作動を調整する制御問題を考えれば、非常に低い中央の計算オーバーヘッドで達成されるだろう。
【０１０３】
本発明のさらに別の潜在的な用途において、本発明は、蠕動ポンプを形成するように構成してもよい。図１９に示すように、蠕動は、作動の波または移動するピンチを介し、可撓性パイプの下方に物体を推進する。人体は、嚥下中に食道などで蠕動を利用し、腸および胃は、食物および水の通過のために蠕動を利用する。ＤＥＡは、それらが軽量で強く、柔らかくて可撓性であり、潜在的に効率的なので、この用途にはよく適しており、かつ広範囲の環境条件に適している。身体における蠕動の制御は、不随意であり、部分的には機械感覚性によって達成される。すなわち、物質の塊または構造の隣接する収縮に応じた一領域の膨張が、作動すべき領域をトリガすることができる。当業者は、ＤＥＡアクチュエータアレイを自己検出性にすることによって、蠕動ポンプ用の適用性がさらに向上されることを理解されよう。
【０１０４】
前述のことから、先行技術による装置および／または方法に勝る多くの利点を提供するアクチュエータ、アクチュエータアレイ、アクチュエータの制御方法、およびアクチュエータアレイの制御方法が提供されることが理解されよう。特に、好ましい実施形態によるアクチュエータアレイは、軽量で、非常に効率的で、強力で、自動的に適応され、小さく、かつ最小の集中制御を必要とする、推進力を与えるための装置を提供する。可能な用途には限定するわけではないが、海洋推進、物体の運搬、流体のポンプ揚水、移動、表面を横切る空気流の制御、医療機器、および作動の進行波が有利な多くの他の用途が含まれる。本発明の制御方法によって、アクチュエータの潜在的に大きなアレイを制御するための著しく単純で適応性のある方法が提供される。
【０１０５】
文脈上明らかに他の意味に解すべき場合を除き、説明の全体にわたって、単語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｐｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等は、排他的または網羅的な意味ではなく包括的な意味で、すなわち、「含むが、限定するわけではない」という意味で解釈すべきである。
【０１０６】
本発明を、例としてかつその可能な実施形態に関連して説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、本明細書に対して変更または修正をなし得ることを理解されたい。さらに、周知の均等物を有する本発明の特定の構成要素または整数に対して言及がなされる場合には、かかる均等物は、あたかも個々に述べられているかのように、本明細書に組み込まれる。
【０１０７】
本明細書の全体にわたる先行技術のどんな説明も、かかる先行技術が、広く周知であるとも、またはその分野における共通の一般的知識の一部を形成するということの承認としても決して見なすべきではない。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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