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WO2010037379A1 - Künstlicher muskel - Google Patents

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WO2010037379A1
WO2010037379A1 PCT/DE2009/001382 DE2009001382W WO2010037379A1 WO 2010037379 A1 WO2010037379 A1 WO 2010037379A1 DE 2009001382 W DE2009001382 W DE 2009001382W WO 2010037379 A1 WO2010037379 A1 WO 2010037379A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
electrode element
end piece
artificial muscle
element group
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2009/001382
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lüder MOSLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Otto Bock Healthcare GmbH
Original Assignee
Otto Bock Healthcare GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Otto Bock Healthcare GmbH filed Critical Otto Bock Healthcare GmbH
Publication of WO2010037379A1 publication Critical patent/WO2010037379A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2/70—Operating or control means electrical
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2002/5066—Muscles

Definitions

  • the invention relates to an artificial electrical muscle.
  • Artificial muscles are components in which the application of an electrical voltage directly, that is without the interposition of an electric motor, leads to a force.
  • the invention has for its object to propose a structurally particularly simple artificial electrical muscle.
  • the invention solves the problem by an artificial electrical muscle having (a) a first end piece, (b) a second end piece opposite the first end piece, (c) a first electrode element group of electrode elements arranged side by side along a first closed surface have first end with which they are attached to the first end piece, have a second end, with which they are attached to the second end piece, which are contacted with an anode and which are flexible, (d) a second electrode element group of electrode elements, side by side a second closed surface, having a first end with which they are attached to the first end piece, having a second end with which they are attached to the second end piece, which are contacted with a cathode and flexible, and (e) to a deformable dielectric, between the first electrode element group and the second electrode nelementoli is arranged so that it can not or not substantially penetrate the electrode element groups, wherein the electrode elements are so inelastic in a longitudinal direction and the
  • the dielectric is compressed and bulges due to the volume constancy of the dielectric preferably in the middle. Due to the deflection of the almost strain-free electrode elements, there is a shortening of the distance of the electrode element ends from one another, as a result of which the end pieces are moved toward one another.
  • the electrode element groups are designed as tensile force-transmitting elements, so that the force transmission takes place substantially parallel to the longitudinal extent of the electrode elements. This avoids that by a tensile force transmission perpendicular to the electrode plane, the electrodes are lifted or detached from the dielectric or from an adjacent electrode. In a thread-like configuration of the electrode elements, the dielectric can be pressed in slightly between the electrodes.
  • the invention is based on the idea of arranging the dielectric between the electrode element groups such that application of an electrical voltage between the two electrode element groups leads to an increase in a hydrostatic pressure in the dielectric.
  • the electrode element groups are also arranged so that the first surface and the second surface are different in size.
  • the dielectric desires to avoid the increased hydrostatic pressure by increasing the area between the electrodes. Since this is suppressed in the longitudinal direction due to the configuration of the electrode elements, the circumference increases and the artificial muscle deforms. It is a simple mechanism that can be implemented with simple design and easy to manufacture.
  • the electrode element groups are arranged on the end pieces such that the increase of the hydrostatic pressure when applying a voltage in the dielectric results in the dielectric not being able to expand in the longitudinal direction of the electrode elements and the electrode element groups thereby changing their shape, for example to the outside bulge.
  • the artificial muscle according to the invention is particularly robust.
  • the artificial muscle can also be constructed so that external parts carry no tension, so that the artificial muscle is safe to handle.
  • the electrode elements are filiform or filamentary.
  • a thread-like electrode element is understood in particular to mean electrode elements which have a constant cross-section over a longitudinal extent. This cross section is elliptical or circular, for example. However, it is also possible for the cross section to be rectangular, for example, so that the electrode elements are strip-shaped.
  • a filament-type electrode element is to be understood as filament-shaped and strip-shaped electrode elements. Such electrode elements are particularly easy to manufacture and process and result in a high efficiency artificial electrical muscle.
  • the thread-like electrode elements may be formed twisted, while Deniata can be formed twisted, for example, twisted around a substantially cylindrical outer surface, whereby the length of the electrode elements increases and a reinforced bulge can be achieved.
  • the electrode elements are arranged along closed surfaces. This is to be understood in particular that the surfaces are orientable in a mathematical sense and thus separate an interior space from an exterior space, wherein each connection path between the interior space and the exterior space extends either through the area or through one of the two end pieces. It is possible, but not necessary, for the electrode elements to adjoin one another in each case. It is also possible that the electrode elements are spaced apart from each other.
  • the first surface and the second surface are cylinder jacket surfaces.
  • these cylinder jacket surfaces are concentric with one another. This results in a symmetrical structure that is particularly easy to manufacture and also has a particularly simple Verkürzungskinetik.
  • first surface and the second surface extend equidistantly. When contracting the muscle then tilting of the first surface are avoided over the second surface.
  • first surface and the second surface are arranged spirally.
  • first surface and the second surface have at least one open end where they are bonded together so that the dielectric can not move out of the free end.
  • the artificial muscle can thereby be used as a pump or biased by the first electrode element group and / or the second electrode element group with the first end piece and the second end piece enclose a gas-tight cavity.
  • This cavity is preferably sealed by a valve against an environment of an artificial muscle.
  • a fluid such as air and a liquid can be made possible by the valve, so that a denting of the artificial muscle is prevented in the presence of a tensile load
  • the electrode element groups are thereby forced to expand outward and remain in this state, even when the tensile load on the end pieces is increased.
  • the wall thickness of the artificial muscle can be selected, for example, by a corresponding design of the dielectric. It is also possible to form a Vorbombtechnik, so that even in the non-contracted, relaxed state, a slight bulge is present.
  • additional electrode groups may be provided.
  • all electrode groups are then arranged so that there is a symmetrical, in particular a rotationally symmetrical, artificial muscle. It is also possible to connect several electrode groups in succession in order to increase the overall path of shortening.
  • An energetic improvement in a plurality of electrode groups concentric to each other is when the electrode spacings are different in size, that is, the layer thickness of the dielectric between the cathode and anode changes from layer to layer.
  • the outer layers may be thicker than the inner layers to compensate for the differences in curvature since the curvature is greater inside than outside.
  • different electrode spacings may be provided to produce different responses at the same applied voltage. Greater distances lead to a less great attraction of the electrodes, so that by adjusting the distance of the electrodes to each other different contractile strengths can be adjusted. The same can also be done by a variation of the dielectrics, so that with constant dimensions and different dielectrics different contraction strengths can be generated at the same applied voltage.
  • the invention also relates to prostheses or orthoses equipped with an artificial muscle as described above.
  • Figure 1 shows an electrical muscle according to the invention in a relaxed
  • FIG. 2 a shows a cross section through the artificial muscle according to FIG. 1 in a tension-free state
  • FIG. 2 b shows the cross section according to FIG. 2 a, in which an electrical voltage is applied between the two electrode element groups
  • FIG. 3 shows a contracted electrical muscle.
  • Figures 4a, 4b show a section through an elementary cell of the electrical
  • FIG. 5 shows a cross section through an electrical muscle composed of a plurality of electrode element groups in a schematic view
  • FIG. 6 shows a schematic view of an electrical muscle
  • FIG. 7 shows a further embodiment of an electrical muscle according to the invention with partial muscles connected in series.
  • FIG. 8 shows an alternative electrical muscle according to the invention.
  • FIG. 1 shows an artificial electrical muscle 10 having a first end piece 12 and a second end piece 14, which are both disc-shaped and arranged opposite one another. Between the first end piece 12 and the second end piece 14, a first electrode element group 16 is arranged, which has a plurality of electrode elements 18.1, 18.2,. In the following reference numerals without Zählsuffix each denote the object as such. All of the electrode elements 18 are fixedly connected at a first end to the first end piece 12 and at a second end to the second end piece 14 so that the two end pieces 12, 14 are not spaced apart along a longitudinal axis A extending along an x-axis are.
  • the electrode elements 18 of the first electrode element group 16 are arranged along a cylinder jacket surface F 1 , which represents a closed surface.
  • the end faces associated with the cylindrical surface Fi are formed by the end pieces 12 and 14.
  • the electrode elements 18 are substantially inelastic in their longitudinal direction A (x-direction). That is, forces occurring during operation of the electrical muscle 10 are so small that the resulting relative elongation of the electrode elements 18 is, for example, below 5%.
  • the electrode elements 18 are flexible, so that the two end pieces 12, 14 in the y- and z-direction can be easily shifted against each other.
  • FIG. 2 a shows a cross section in the y / z direction through the artificial muscle 10 according to FIG. 1. It can be seen that the electrode elements 18 are electrically connected to a first electrode in the form of an anode 20, which is penetrated by the first end piece 12 passes through (see Figure 1). About the anode 20 may be a electrical voltage to the electrode elements 18 of the first electrode element group 16 are applied.
  • the electrode elements 18 are arranged on the cylinder jacket surface Fi around a circle center point M. Concentrically, second electrode elements 22.1, 22.2,..., Are arranged along a second cylinder jacket surface F 2 , which form a second electrode element group 24. It is possible, but not necessary, for each of a first electrode element 18 to be opposed by exactly one second electrode element 22. Between the first electrode element group 16 and the second electrode element group 24, a hollow-cylindrical dielectric is arranged.
  • the dielectric 26 may be constructed, for example, of a sheath 28 and a dielectric jelly 30.
  • the dielectric 26 is constructed so that it is always between the two cylinder jacket surfaces Fi and F 2 and the cylinder jacket surfaces Fi, F 2 can not traverse.
  • the sheath 28 is designed to be dense and stiff.
  • the second electrode elements 22 of the second electrode elements 24 are contacted electrically with a second electrode in the form of a cathode 32, via which an electrical voltage can be applied to it.
  • the anode 20 and the cathode 32 are electrically isolated from each other by the dielectric 26.
  • Figure 2a shows the floating state. That is, there is no potential difference between the anode 20 and the cathode 32. It should be noted that it is not necessary for the first electrode elements 18 to be arranged radially outside the second electrode elements 22. It would accordingly be possible to exchange the designations for anode and cathode.
  • the term anode or cathode is for convenience only.
  • Figure 2b shows the state in which a voltage between the anode 20 and the cathode 32 is applied. This leads to a negative electrostatic charge of the second electrode elements 22 compared to the positively charged The unlike charged electrode elements attract each other, so that an internal pressure p of the dielectric 26 increases. The increased internal pressure p exerts a hydrostatic force on the first cylinder jacket surface Fi and the second cylinder jacket surface F 2 . Since the first cylinder jacket surface Fi is larger than the second cylinder jacket surface F 2, a net force F rac j i i acts radially outward. The bulging takes place, since an enlargement of the lateral surface occurs at a constant volume.
  • FIG. 3 shows that the radially outward force F rad i a i results in a bulging of the electrode elements 18 in the yz direction, ie, radially outward. This reduces a distance between the two end pieces 12, 14 of L R in the relaxed state to L k in the contracted state.
  • the bending stress of the electrode elements pushes the two end pieces 12, 14 apart again.
  • the dielectric 26 encloses a cavity in the form of an interior 34 (see FIG. 2b) which is sealed in a gas-tight manner with respect to an environment of the artificial muscle 10. Via a valve 36, which is shown schematically in Figure 1, a gas or liquid exchange between the interior 34 and the environment can be released or shut off. In this way, the electric muscle 10 can be used as a pump when the void volume is increased by the bulge and is reduced again by the relaxation.
  • FIG. 4a shows a section through an elementary cell of the artificial muscle.
  • the electrode elements 18.1 and 18.2 of the first electrode element group 16 and the electrode elements 22.1, 22.2 of the second electrode element group 24 are shown schematically.
  • the dielectric 26 surrounds the electrode elements in this embodiment in the form of an elastomer matrix.
  • FIG. 4b shows the basic principle of the electrical muscle according to the invention when a voltage is applied to the electrode elements 18.1, 18.2, 22.1, 22.2.
  • FIG. 5 schematically shows a parallel connection of a plurality of electrode element groups.
  • the artificial muscle 10 further includes a fourth electrode element group 40, a fifth electrode element group 42, and a sixth electrode element group 44.
  • the second, fourth, and sixth electrode element groups 24, 40, 44 are connected in common to the cathode 32.
  • the first, third and fifth electrode element groups 16, 38, 42 are connected in common to the anode 20.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of an artificial muscle 10 according to the invention, in which, for the sake of clarity, the end pieces are omitted and the electrode element groups are shown partially unwound.
  • the electrode element groups are now arranged along a spiral-shaped surface F 1 or F 2 .
  • FIG. 7 shows an embodiment according to the invention, in which a first artificial partial muscle 46.1 is arranged behind a second partial muscle 46.2. It can thus be arranged a plurality of partial muscles in a row.
  • FIG. 8 shows a further alternative embodiment of an artificial muscle 10 according to the invention, in which the end pieces 12, 14 are formed as rings.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen künstlichen elektrischen Muskel, mit zwei einander gegenüberliegenden Endstücken (12, 14), zwei Elektrodenelementgruppen (16, 24) von flexiblen Elektrodenelementen (18), die nebeneinander entlang je einer Fläche (F1, F2) angeordnet und mit ihren Enden an den Endstücken (12, 14) befestigt und mit einer Anode bzw. Kathode (20, 32) kontaktiert sind, und einem verformbaren Dielektrikum (26), das zwischen der ersten Elektrodenelementgruppe (16) und der zweiten Elektrodenelementgruppe (24) so angeordnet ist, dass es die Elektrodenelementgruppen (16, 24) nicht durchdringen kann, wobei die Elektrodenelemente (22, 18) in einer Längsrichtung (A) so elastisch sind und das Dielektrikum (26) so inkompressibel ist, dass sich die Elektrodenelemente (22, 18) bei einem Anlegen einer Spannung zwischen die Anode (20) und die Kathode (32) so verformen, dass das erste Endstück (12) und das zweite Endstück (14) sich relativ zueinander bewegen.

Description

Künstlicher Muskel
Die Erfindung betrifft einen künstlichen elektrischen Muskel. Künstliche Muskeln sind Bauteile, bei denen das Anlegen einer elektrischen Spannung unmittelbar, das heißt ohne Zwischenschaltung eines Elektromotors, zu einer Kraft führt.
Aus dem Aufsatz „Biominetics Using Electroactive Polymers (EAP) as Artificial Muscles - a Review" von Yoseph Bar-Cohen, Journal of Advanced Materials, Volume 38, No. 4, October 2006 sind Muskeln bekannt, die aus Polymeren aufgebaut sind, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung ein Biegemoment erzeugen. Nachteilig hieran ist, dass eine relativ aufwendige Konstruktion notwendig ist, wenn lediglich eine Verkürzung mit dem künstlichen elektrischen Muskel erreicht werden soll.
Aus dem Artikel „Contractile dielectric elastomer actuator with folded shape" von F. Carpi und D. De Rossi, Proceedings of SPIE Vol. 6168, 61680 D-1 werden unterschiedliche Konzepte dielektrischer Kontraktionsaktuatoren beschrieben. Neben einer Stapelanordnung von Dickenwandlern, der bei Aktuierung anschwillt und sich verkürzt, was die Gefahr einer Trennung der Plattenebenen voneinander aufgrund der senkrecht zur Plattenebene orientierten Zugspannungen in sich birgt, ist ein gefalteter elektrischer Muskel bekannt. Beim Anlegen einer Spannung addieren sich die Biegemomente eines mäanderförmig gefalteten Polymers zu einer linearen Kontraktionsbewegung. Nachteilig hieran ist, dass stets Polymere eingesetzt werden müssen, die ein Biegemoment entwickeln, wenn eine Spannung an sie angelegt wird.
Bekannt sind zudem künstliche elektrische Muskeln, die Kohlenstoffnanoröhrchen enthalten. Nachteilig hieran ist die aufwendige Fertigung, die zudem zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht prozesssicher gelingt. Das führt zudem zu einem hohen Preis für derartige künstliche Muskeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen konstruktiv besonders einfachen künstlichen elektrischen Muskel vorzuschlagen. Die Erfindung löst das Problem durch einen künstlichen elektrischen Muskel, mit (a) einem ersten Endstück, (b) einem dem ersten Endstück gegenüberliegenden zweiten Endstück, (c) einer ersten Elektrodenelementgruppe von Elektrodenelementen, die nebeneinander entlang einer ersten geschlossenen Fläche angeordnet sind, ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück befestigt sind, ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück befestigt sind, die mit einer Anode kontaktiert sind und die flexibel sind, (d) einer zweiten Elektrodenelementgruppe von Elektrodenelementen, die nebeneinander entlang einer zweiten geschlossenen Fläche angeordnet sind, ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück befestigt sind, ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück befestigt sind, die mit einer Kathode kontaktiert und flexibel sind, und (e) zu einem verformbaren Dielektrikum, das zwischen der ersten Elektrodenelementgruppe und der zweiten Elektrodenelementgruppe so angeordnet ist, dass es die Elektrodenelementgruppen nicht oder nicht wesentlich durchdringen kann, wobei die Elektrodenelemente in einer Längsrichtung so unelastisch sind und das Dielektrikum so inkompressibel aber elastisch ist, dass sich die E- lektrodenelemente bei einem Anlegen einer Spannung zwischen Anode und Kathode so verformen, dass das erste Endstück und das zweite Endstück sich aufeinander zu bewegen. Das Dielektrikum wird zusammengedrückt und beult sich aufgrund der Volumenkonstanz des Dielektrikums bevorzugt in der Mitte aus. Durch die Umlenkung der nahezu dehnungsfreien Elektrodenelemente kommt es zu einer Verkürzung des Abstandes der Elektrodenelementenenden zueinander, wodurch die Endstücke aufeinander zu bewegt werden. Die Elektrodenelementgruppen sind als Zugkraft übertragende Elemente ausgebildet, so dass die Kraftübertragung im Wesentlichen parallel zu der Längserstreckung der Elektrodenelemente erfolgt. Hierdurch wird vermieden, dass durch eine Zugkraftübertragung senkrecht zur Elektrodenebene die Elektroden sich von dem Dielektrikum oder von einer angrenzenden Elektrode abheben oder lösen. Bei einer fadenartigen Ausgestaltung der Elektrodenelemente kann das Dielektrikum geringfügig zwischen die Elektroden hineingedrückt werden. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Dielektrikum zwischen den Elektroden- elementgruppen so anzuordnen, dass ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektrodenelementgruppen zu einer Erhöhung eines hydrostatischen Drucks im Dielektrikum führt. Die Elektrodenelementgruppen sind zudem so angeordnet, dass die erste Fläche und die zweite Fläche unterschiedlich groß sind. Das Dielektrikum möchte dem erhöhten hydrostatischen Druck ausweichen, indem es die Fläche zwischen den Elektroden vergrößert. Da dies in der Längsrichtung aufgrund der Ausgestaltung der Elektrodenelemente unterbunden ist, vergrößert sich der Umfang und der künstliche Muskel verformt sich. Es handelt sich dabei um einen einfachen Mechanismus, der mit konstruktiv einfachen Mitteln umgesetzt werden kann und leicht zu fertigen ist.
In anderen Worten sind die Elektrodenelementgruppen so an den Endstücken angeordnet, dass die Erhöhung des hydrostatischen Drucks beim Anlegen einer Spannung im Dielektrikum dazu führt, dass sich das Dielektrikum nicht in Längsrichtung der Elektrodenelemente ausdehnen kann und sich die Elektrodenelementgruppen dadurch ihre Form ändern, beispielsweise nach außen wölben.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass der erfindungsgemäße künstliche Muskel besonders robust ist. Der künstliche Muskel kann zudem so aufgebaut sein, dass außen liegende Teile keine Spannung führen, so dass der künstliche Muskel handhabungssicher ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrodenelemente fadenförmig bzw. filamentartig. Unter einem fadenförmigen Elektrodenelement werden insbesondere Elektrodenelemente verstanden, die über eine Längserstreckung einen gleich bleibenden Querschnitt aufweisen. Dieser Querschnitt ist beispielsweise ellipsen- oder kreisförmig. Es ist jedoch auch möglich, dass der Querschnitt beispielsweise rechteckförmig ist, so dass die Elektrodenelemente streifenförmig sind. Unter einem filamentartigen Elektrodenelement sind fadenförmige und streifenförmige Elektrodenelemente zu verstehen. Derartige Elektrodenelemente sind besonders einfach herzustellen und zu verarbeiten und ergeben einen mit hoher Effizienz arbeitenden künstlichen elektrischen Muskel. Die fadenförmigen Elektrodenelemente können verdrillt ausgebildet sein, bei- denelemente können verdrillt ausgebildet sein, beispielsweise verdrillt um eine im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche, wodurch die Länge der Elektrodenelemente erhöht und eine verstärkte Ausbeulung erzielt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrodenelemente entlang geschlossener Flächen angeordnet. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Flächen im mathematischen Sinne orientierbar sind und so einen Innenraum von einem Außenraum trennen, wobei jeder Verbindungspfad zwischen dem Innenraum und dem Außenraum entweder durch die Fläche oder durch eines der beiden Endstücke verläuft. Dabei ist es möglich, nicht aber notwendig, dass die Elektrodenelemente jeweils aneinander angrenzen. Es ist auch möglich, dass die Elektrodenelemente voneinander beabstandet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Fläche und die zweite Fläche Zylindermantelflächen. Besonders bevorzugt verlaufen diese Zylindermantelflächen konzentrisch zueinander. Es ergibt sich so ein symmetrischer Aufbau, der besonders leicht zu fertigen ist und zudem eine besonders einfache Verkürzungskinetik aufweist.
Besonders günstig ist es, wenn die erste Fläche und die zweite Fläche äquidistant verlaufen. Beim Kontrahieren des Muskels werden dann Verkippungen der ersten Fläche gegenüber der zweiten Fläche vermieden.
Alternativ ist es möglich, dass die erste Fläche und die zweite Fläche spiralförmig angeordnet sind. In diesem Fall haben die erste Fläche und die zweite Fläche zumindest ein offenes Ende, an dem sie so miteinander verbunden sind, dass sich das Dielektrikum nicht aus dem freien Ende herausbewegen kann.
Der künstliche Muskel kann dadurch als Pumpe eingesetzt oder vorgespannt werden, indem die erste Elektrodenelementgruppe und/oder die zweite Elektroden- elementgruppe mit dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück einen gasdichten Hohlraum umschließen. Dieser Hohlraum wird bevorzugt durch ein Ventil gegenüber einer Umgebung eines künstlichen Muskels abgedichtet. Wird der künstliche Muskel kontrahiert und es stellt sich eine Volumenvergrößerung durch die Ausbeulung im Inneren des künstlichen Muskels ein, kann ein Nachströmen eines Fluids, beispielsweise Luft und eine Flüssigkeit, durch das Ventil ermöglicht werden, so dass ein Einbeulen des künstlichen Muskels bei Vorliegen einer Zugbelastung verhindert wird. Die Elektrodenelementgruppen werden dadurch gezwungen, sich nach außen auszudehnen und in diesem Zustand zu verbleiben, auch wenn die Zugbelastung auf die Endstücke vergrößert wird.
Um ein Einbeulen zu vermeiden, kann die Wandstärke des künstlichen Muskels, beispielsweise durch eine entsprechende Ausgestaltung des Dielektrikums, ange- passt ausgewählt werden. Ebenfalls ist es möglich, eine Vorbombierung auszubilden, damit bereits im nicht kontrahierten, relaxierten Zustand eine leichte Ausbeulung vorhanden ist.
Um die Kraftdichte des künstlichen Muskels zu erhöhen, können zusätzliche E- lektrodengruppen vorgesehen sein. Bevorzugt sind dann alle Elektrodengruppen so angeordnet, dass sich ein symmetrischer, insbesondere ein rotationssymmetrischer, künstlicher Muskel ergibt. Ebenfalls ist es möglich, mehrere Elektrodengruppen hintereinander zu schalten, um den Gesamtweg der Verkürzung zu erhöhen.
Eine energetische Verbesserung bei einer Vielzahl von konzentrisch zueinander Elektrodengruppen besteht darin, wenn die Elektrodenabstände unterschiedlich groß sind, also die Schichtdicke des Dielektrikums zwischen Kathode und Anode sich von Schicht zu Schicht ändert. Die äußeren Schichten können dicker als die inneren Schichten sein, um die Unterschiede in der Krümmung auszugleichen, da die Krümmung innen größer als außen ist.
Auch können unterschiedliche Elektrodenabstände vorgesehen sein, um unterschiedliche Ansprechverhalten bei gleicher angelegter Spannung zu erzeugen. Größere Abstände führen zu einer weniger großen Anziehungskraft der Elektroden, so dass über die Einstellung des Abstandes der Elektroden zueinander unterschiedliche Kontraktionsstärken eingestellt werden können. Gleiches kann auch durch eine Variation der Dielektrika erfolgen, so dass bei gleich bleibenden Abmessungen und unterschiedlichen Dielektrika unterschiedliche Kontraktionsstärken bei gleicher angelegter Spannung erzeugt werden können.
Die Erfindung betrifft ebenfalls Prothesen oder Orthesen, die mit einem oben beschriebenen künstlichen Muskel ausgestattet sind.
Im Folgenden wird ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 einen erfindungsgemäßen elektrischen Muskel in einer relaxierten
Stellung,
Figur 2a einen Querschnitt durch den künstlichen Muskel gemäß Figur 1 in spannungsfreiem Zustand,
Figur 2b den Querschnitt gemäß Figur 2a, bei dem eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elektrodenelementgruppen angelegt ist, und
Figur 3 einen kontrahierten elektrischen Muskel. Die
Figuren 4a,4b zeigen einen Schnitt durch eine Elementarzelle des elektrischen
Muskels,
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch einen aus mehreren Elektrodenelementgruppen aufgebauten elektrischen Muskel in einer schematischen Ansicht,
Figur 6 zeigt eine schematische Ansicht eines elektrischen Muskels mit
Elektrodenelementgruppen, die entlang spiralförmig verlaufender Flächen angeordnet sind, und Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Muskels mit hintereinander geschalteten Teil-Muskeln. In
Figur 8 ist ein alternativer erfindungsgemäßer elektrischer Muskel gezeigt.
Figur 1 zeigt einen künstlichen elektrischen Muskel 10 mit einem ersten Endstück 12 und einem zweiten Endstück 14, die beide scheibenförmig und einander gegenüberliegend angeordnet sind. Zwischen dem ersten Endstück 12 und dem zweiten Endstück 14 ist eine erste Elektrodenelementgruppe 16 angeordnet, die eine Vielzahl an Elektrodenelementen 18.1 , 18.2, ... aufweist. Im Folgenden bezeichnen Bezugszeichen ohne Zählsuffix jeweils das Objekt als solches. Alle Elektrodenelemente 18 sind mit einem ersten Ende fest mit dem ersten Endstück 12 und mit einem zweiten Ende mit dem zweiten Endstück 14 verbunden, so dass die beiden Endstücke 12, 14 nicht entlang einer Längsachse A, die entlang einer x- Achse verläuft, voneinander beabstandbar sind.
Die Elektrodenelemente 18 der ersten Elektrodenelementgruppe 16 sind entlang einer Zylindermantelfläche F1 angeordnet, die eine geschlossene Fläche darstellt. Die zu der Zylindermantelfläche Fi zugehörigen Stirnseiten werden durch die Endstücke 12 und 14 gebildet. Die Elektrodenelemente 18 sind in ihrer Längsrichtung A (x-Richtung) im Wesentlichen unelastisch. Das heißt, dass beim Betrieb des elektrischen Muskels 10 auftretende Kräfte so klein sind, dass die dadurch hervorgerufene relative Längung der Elektrodenelemente 18 beispielsweise unterhalb von 5 %o liegt. Die Elektrodenelemente 18 sind flexibel, so dass die beiden Endstücke 12, 14 in y- und z-Richtung leicht gegeneinander verschoben werden können.
Fig. 2a zeigt einen Querschnitt in y-/z-Richtung durch den künstlichen Muskel 10 gemäß Figur 1. Es ist zu erkennen, dass die Elektrodenelemente 18 elektrisch mit einer ersten Elektrode in Form einer Anode 20 verbunden sind, die durch das erste Endstück 12 hindurch verläuft (vergl. Figur 1). Über die Anode 20 kann eine elektrische Spannung an die Elektrodenelemente 18 der ersten Elektrodenele- mentgruppe 16 angelegt werden.
Die Elektrodenelemente 18 sind auf der Zylindermantelfläche Fi um einen Kreismittelpunkt M angeordnet. Konzentrisch dazu sind zweite Elektrodenelemente 22.1 , 22.2, ... , entlang einer zweiten Zylindermantelfläche F2 angeordnet, die eine zweite Elektrodenelementgruppe 24 bilden. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass jeweils einem ersten Elektrodenelement 18 genau ein zweites Elektrodenelement 22 gegenüberliegt. Zwischen der ersten Elektrodenelementgruppe 16 und der zweiten Elektrodenelementgruppe 24 ist ein hohlzylinderförmiges Dielektrikum angeordnet. Das Dielektrikum 26 kann beispielsweise aus einer Umhüllung 28 und einer dielektrischen Gallerte 30 aufgebaut sein.
Das Dielektrikum 26 ist so aufgebaut, dass es sich stets zwischen den beiden Zylindermantelflächen Fi und F2 befindet und die Zylindermantelflächen F-i, F2 nicht durchqueren kann. Dazu ist beispielsweise die Umhüllung 28 entsprechend dicht und steif ausgelegt.
Die zweiten Elektrodenelemente 22 der zweiten Elektrodenelemente 24 sind e- lektrisch mit einer zweiten Elektrode in Form einer Kathode 32 kontaktiert, über die eine elektrische Spannung an sie angelegt werden kann. Die Anode 20 und die Kathode 32 sind elektrisch gegeneinander durch das Dielektrikum 26 isoliert.
Figur 2a zeigt den potentialfreien Zustand. Das heißt, dass zwischen Anode 20 und Kathode 32 keine Potentialdifferenz besteht. Es sei darauf hingewiesen, dass es nicht notwendig ist, dass die ersten Elektrodenelemente 18 radial außerhalb der zweiten Elektrodenelemente 22 angeordnet sind. Es wäre entsprechend möglich, die Bezeichnungen für Anode und Kathode zu vertauschen. Die Bezeichnung Anode bzw. Kathode dient lediglich der Verständlichkeit.
Figur 2b zeigt den Zustand, in dem eine Spannung zwischen der Anode 20 und der Kathode 32 anliegt. Dadurch kommt es zu einer negativen elektrostatischen Aufladung der zweiten Elektrodenelemente 22 gegenüber den positiv aufgelade- nen ersten Elektrodenelementen 18. Die ungleichnamig geladenen Elektrodenelemente ziehen einander an, so dass ein Innendruck p des Dielektrikums 26 ansteigt. Der erhöhte Innendruck p übt auf die erste Zylindermantelfläche Fi und die zweite Zylindermantelfläche F2 eine hydrostatische Kraft aus. Da die erste Zylindermantelfläche Fi größer ist als die zweite Zylindermantelfläche F2 wirkt netto eine Kraft Fracjιai radial nach außen. Die Ausbeulung findet statt, da sich bei einem gleichbleibenden Volumen eine Vergrößerung der Mantelfläche einstellt.
Figur 3 zeigt, dass die radial nach außen wirkende Kraft Fradiai zu einem Ausbuchten der Elektrodenelemente 18 in y-z-Richtung führt, d. h. radial nach außen. Dadurch sinkt ein Abstand zwischen den beiden Endstücken 12, 14 von LR im relaxierten Zustand auf Lk im kontrahierten Zustand. Bei Kurzschließen der beiden Elektrodenelementgruppen 16, 24 drückt die Biegespannung der Elektrodenelemente die beiden Endstücke 12, 14 wieder auseinander.
Das Dielektrikum 26 umschließt einen Hohlraum in Form eines Innenraums 34 (vergl. Figur 2b), der gegenüber einer Umgebung des künstlichen Muskels 10 gasdicht abgedichtet ist. Über ein Ventil 36, das in Figur 1 schematisch eingezeichnet ist, kann ein Gas- bzw. Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Innenraum 34 und der Umgebung freigegeben oder abgesperrt werden. Auf diese Weise kann der elektrische Muskel 10 als Pumpe eingesetzt werden, wenn das Hohlraumvolumen durch die Ausbeulung vergrößert und durch die Relaxierung wieder verringert wird.
Figur 4a zeigt einen Schnitt durch eine Elementarzelle des künstlichen Muskels. Es sind die Elektrodenelemente 18.1 und 18.2 der ersten Elektrodenelementgrup- pe 16 und die Elektrodenelemente 22.1 , 22.2 der zweiten Elektrodenelement- gruppe 24 schematisch eingezeichnet. Das Dielektrikum 26 umgibt die Elektrodenelemente in dieser Ausführungsform in Form einer Elastomermatrix.
Figur 4b zeigt das Grundprinzip des erfindungsgemäßen elektrischen Muskels, wenn an die Elektrodenelemente 18.1 , 18.2, 22.1 , 22.2 eine Spannung angelegt wird. In diesem Fall stoßen sich die gleichnamig geladenen Elektrodenelemente 18.1 , 18.2 der ersten Elektrodenelementgruppe 16 untereinander ab und ziehen die zweiten Elektrodenelemente 22.1 und 22.2 der zweiten Elektrodenelementgruppe 24 elektrostatisch an. Da eine Ausdehnung in x-Richtung, also in Längsrichtung A, aufgrund der Inelastizität der Elektrodenelemente 18, 22 nicht in Betracht kommt, dehnt sich auf Grund der Volumenkonstanz die Elementarzelle des künstlichen Muskels entlang der ersten Fläche Fi bzw. der zweiten Fläche F2 aus. Diese Ausdehnung wird umgesetzt in eine Bewegung der Endstücke relativ aufeinander zu oder relativ voneinander weg.
Figur 5 zeigt schematisch eine Parallelschaltung von mehreren Elektrodenele- mentgruppen. Neben der ersten Elektrodenelementgruppe 16 und der zweiten Elektrodenelementgruppe 24 existiert eine dritte Elektrodenelementgruppe 38, die Elektrodenelemente enthält. Die Elektrodenelemente der dritten Elektrodenelementgruppe 38 sind in Figur 5 nicht zu erkennen, da es sich um einen Querschnitt handelt. Der künstliche Muskel 10 umfasst zudem eine vierte Elektrodenelementgruppe 40, eine fünfte Elektrodenelementgruppe 42 und eine sechste Elektrodenelementgruppe 44. Die zweite, vierte und sechste Elektrodenelementgruppe 24, 40, 44 sind gemeinsam an der Kathode 32 angeschlossen. Die erste, dritte und fünfte Elektrodenelementgruppe 16, 38, 42 ist gemeinsam an der Anode 20 angeschlossen. Durch Anlegen einer Spannung V zwischen Anode 20 und Kathode 32 kommt es zu einer Kontraktion des Dielektrikums 26 in einer Dickenrichtung D und zu einer Expansion in einer Umfangsrichtung U, was zu einem Ausbauchen des künstlichen Muskels 10 führt (vergleiche Figur 3).
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen künstlichen Muskels 10, bei dem der Übersichtlichkeit halber die Endstücke weggelassen und die Elektrodenelementgruppen teilweise abgewickelt gezeigt sind. Die Elektroden- elementgruppen sind nunmehr entlang einer spiralförmigen Fläche F1 bzw. F2 angeordnet.
Figur 7 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der ein erster künstlicher Teil-Muskel 46.1 hinter einem zweiten Teil-Muskel 46.2 angeordnet ist. Es können so eine Vielzahl von Teil-Muskeln hintereinander angeordnet werden. Figur 8 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen künstlichen Muskels 10, bei dem die Endstücke 12, 14 als Ringe ausgebildet sind.
Bezugszeichenliste
10 Künstlicher Muskel
12 erstes Endstück
14 zweites Endstück
16 Elektrodenelementgruppe
18 Elektrodenelement
20 Anode
22 zweite Elektrodenelemente
24 zweite Elektrodenelementgruppe
26 Dielektrikum
28 Umhüllung
30 Gallerte
32 Kathode
34 Innenraum
36 Ventil
38 dritte Elektrodenelementgruppe
40 vierte Elektrodenelementgruppe
42 fünfte Elektrodenelementgruppe
44 sechste Elektrodenelementgruppe
46 Teil-Muskel
A Längsrichtung
M Kreismittelpunkt
Fi erste Zylindermantelfläche
F2 zweite Zylindermantelfläche
P Innendruck
Fradial Kraft

Claims

Patentansprüche
1. Künstlicher elektrischer Muskel, mit
(a) einem ersten Endstück (12),
(b) einem dem ersten Endstück (12) gegenüber liegenden zweiten Endstück (14),
(c) einer ersten Elektrodenelementgruppe (16) von Elektrodenelementen (18), die
(i) nebeneinander entlang einer ersten Fläche (Fi) angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück
(12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück
(14) befestigt sind,
(iv) mit einer Anode (20) kontaktiert und, (v) flexibel sind,
(d) einer zweiten Elektrodenelementgruppe (24) von Elektrodenelementen, die
(i) nebeneinander entlang einer zweiten Fläche (F2) angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück
(12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück
(14) befestigt sind,
(iv) mit einer Kathode (32) kontaktiert und (v) flexibel sind, und
(e) einem verformbaren Dielektrikum (26), das zwischen der ersten E- lektrodenelementgruppe (16) und der zweiten Elektrodenelementgruppe (24) so angeordnet ist, dass es die Elektrodenelement- gruppen (16, 24) nicht durchdringen kann,
(f) wobei die Elektrodenelemente (22, 18) in einer Längsrichtung (A) so unelastisch sind und das Dielektrikum (26) so inkompressibel ist, dass sich die Elektrodenelemente (22, 18) bei einem Anlegen einer Spannung zwischen die Anode (20) und die Kathode (32) so verformen, dass das erste Endstück (12) und das zweite Endstück (14) sich relativ zueinander bewegen.
2. Künstlicher Muskel (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (18, 22) entlang geschlossener Flächen (Fi1 F2) angeordnet sind.
3. Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (18, 22) fadenförmig sind.
4. Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche und die zweite Fläche Zylindermantelflächen (F1, F2) sind.
5. Künstlicher Muskel (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die erste Fläche (F1) und die zweite Fläche (F2) konzentrisch verlaufen.
6. Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (F1) und die zweite Fläche (F2) äquidistant sind.
7. Künstlicher Muskel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (F1) und die zweite Fläche (F2) spiralförmig angeordnet sind.
8. Künstlicher Muskel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (18, 22) in Längserstreckung des künstlichen Muskels verdrillt angeordnet sind.
9. Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenelementgruppe (16) und/oder die zweite Elektrodenelementgruppe (24) mit dem ersten End- stück (12) und dem zweiten Endstück (14) einen gasdichten Hohlraum (34) umschließen.
10. Künstlicher Muskel (10) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Ventil (36), das zum reversiblen Verschließen des Hohlraums (34) angeordnet ist.
11. Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
(a) eine dritte Elektrodenelementgruppe (38) von Elektrodenelementen, die
(i) nebeneinander entlang einer dritten Fläche angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück
(12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück
(14) befestigt sind, (iv) mit der Anode kontaktiert und, (v) flexibel sind,
(b) eine vierte Elektrodenelementgruppe (40) von Elektrodenelementen, die
(i) nebeneinander entlang einer vierten Fläche angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück
(12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück
(14) befestigt sind,
(iv) mit einer Kathode (32) kontaktiert und (v) flexibel sind, und
(c) ein verformbares Dielektrikum, das zwischen der ersten Elektrodenelementgruppe (16) und zweiten Elektrodenelementgruppe (24) so angeordnet ist, dass es die Elektrodenelementgruppen (16, 24) nicht oder nicht wesentlich durchdringen kann.
12. Künstlicher Muskel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelementgruppen (18, 24; 38, 40) unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen.
13. Künstlicher Muskel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen verschiedenen Elektrodenelementgruppen (18, 24; 38, 40) unterschiedliche Dielektrika angeordnet sind.
14. Prothese oder Orthese mit einem künstlichen Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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