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WO2010037379A1 - Artificial muscle - Google Patents

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Publication number
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
German (de)
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/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS 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
    • A61F2/00Filters 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
    • A61F2/50Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68Operating or control means
    • A61F2/70Operating or control means electrical
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS 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
    • A61F2/00Filters 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
    • A61F2/50Prostheses not implantable in the body
    • A61F2002/5066Muscles

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

The invention relates to an artificial electric muscle with two endpieces (12, 14) lying opposite each other, with two electrode element groups (16, 24) made up of flexible electrode elements (18) which are arranged next to one another along a surface (F1, F2) and are secured via their ends to the endpieces (12, 14) and make contact with, respectively, an anode or cathode (20, 32), and with a deformable  dielectric (26), which is arranged between the first electrode element group (16) and the second electrode element group (24) such that it cannot penetrate the electrode element groups (16, 24), wherein the electrode elements (22, 18) are elastic in a longitudinal direction (A), and the dielectric (26) is incompressible, such that when a voltage is applied between the anode (20) and the cathode (32), the electrode elements (22, 18) deform in such a way that the first endpiece (12) and the second endpiece (14) move relative to each other.

Description

Künstlicher Muskel Artificial muscle

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.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.

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.From the article "Biominetics Using Electroactive Polymers (EAP) as Artificial Muscles - a Review" by Yoseph Bar-Cohen, Journal of Advanced Materials, Volume 38, No. 4, October 2006, muscles are known that are made up of polymers that are used in the A disadvantage of this is that a relatively complicated construction is necessary if only a shortening of the artificial electrical muscle is to be achieved.

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.Various concepts of dielectric contraction actuators are described in the article "Contractile dielectric elastomer actuator with a folded shape" by F. Carpi and D. De Rossi, Proceedings of SPIE Vol 6168, 61680 D-1, in addition to a stack arrangement of thickness transducers which swells on actuation A shortened electrical muscle is known, and when a voltage is applied, the bending moments of a meander-folded polymer add up to a linear contraction movement, which is disadvantageous in that it is always necessary to use polymers which develop a bending moment when a voltage is applied to them.

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.Also known are artificial electrical muscles that contain carbon nanotubes. The disadvantage of this is the elaborate production, which also does not succeed yet reliably at the present time. This also leads to a high price for such artificial muscles.

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.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 nelementgruppe 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 dielectric is so incompressible but elastic, that the E lektrodenelemente so when applying a voltage between the anode and cathode deform, that the first end piece and the second end piece to move towards each other. 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.

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.In other words, 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.

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.It is a further advantage that 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.

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 a preferred embodiment, 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 Denelemente 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.

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 a preferred embodiment, 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.

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.In a preferred embodiment, the first surface and the second surface are cylinder jacket surfaces. Particularly preferably, 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.

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.It is particularly favorable if the first surface and the second surface extend equidistantly. When contracting the muscle then tilting of the first surface are avoided over the second surface.

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.Alternatively, it is possible that the first surface and the second surface are arranged spirally. In this case, the 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.

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.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. Will the Artificial muscle contracts and there is an increase in volume by the bulge in the interior of the artificial muscle, a backflow of 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.

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.In order to avoid denting, 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 Vorbombierung, so that even in the non-contracted, relaxed state, a slight bulge is present.

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.In order to increase the force density of the artificial muscle, additional electrode groups may be provided. Preferably, 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.

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.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.

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.Also, 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.

Die Erfindung betrifft ebenfalls Prothesen oder Orthesen, die mit einem oben beschriebenen künstlichen Muskel ausgestattet sind.The invention also relates to prostheses or orthoses equipped with an artificial muscle as described above.

Im Folgenden wird ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigtIn the following, an exemplary embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows

Figur 1 einen erfindungsgemäßen elektrischen Muskel in einer relaxiertenFigure 1 shows an electrical muscle according to the invention in a relaxed

Stellung,Position,

Figur 2a einen Querschnitt durch den künstlichen Muskel gemäß Figur 1 in spannungsfreiem Zustand,FIG. 2 a shows a cross section through the artificial muscle according to FIG. 1 in a tension-free state,

Figur 2b den Querschnitt gemäß Figur 2a, bei dem eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elektrodenelementgruppen angelegt ist, undFIG. 2 b shows the cross section according to FIG. 2 a, in which an electrical voltage is applied between the two electrode element groups, and

Figur 3 einen kontrahierten elektrischen Muskel. DieFIG. 3 shows a contracted electrical muscle. The

Figuren 4a,4b zeigen einen Schnitt durch eine Elementarzelle des elektrischenFigures 4a, 4b show a section through an elementary cell of the electrical

Muskels,muscle,

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch einen aus mehreren Elektrodenelementgruppen aufgebauten elektrischen Muskel in einer schematischen Ansicht,FIG. 5 shows a cross section through an electrical muscle composed of a plurality of electrode element groups in a schematic view,

Figur 6 zeigt eine schematische Ansicht eines elektrischen Muskels mitFIG. 6 shows a schematic view of an electrical muscle

Elektrodenelementgruppen, die entlang spiralförmig verlaufender Flächen angeordnet sind, und Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Muskels mit hintereinander geschalteten Teil-Muskeln. InElectrode element groups arranged along spiraling surfaces, and FIG. 7 shows a further embodiment of an electrical muscle according to the invention with partial muscles connected in series. In

Figur 8 ist ein alternativer erfindungsgemäßer elektrischer Muskel gezeigt.FIG. 8 shows an alternative electrical muscle according to the invention.

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.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.

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.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. 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.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.

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.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.

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.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. For this purpose, for example, the sheath 28 is designed to be dense and stiff.

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.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.

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.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.

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.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.

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.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. When short-circuiting the two electrode element groups 16, 24, the bending stress of the electrode elements pushes the two end pieces 12, 14 apart again.

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.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.

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.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.

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.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. In this case, the same named charged electrode elements 18.1, 18.2 of the first electrode element group 16 from each other and attract the second electrode elements 22.1 and 22.2 of the second electrode element group 24 electrostatically. Since an expansion in the x-direction, ie in the longitudinal direction A, is out of the question due to the inelasticity of the electrode elements 18, 22, the unit cell of the artificial muscle expands along the first surface Fi or the second surface F 2 due to the volume constancy , This expansion is translated into movement of the end pieces relative to or away from each other.

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).FIG. 5 schematically shows a parallel connection of a plurality of electrode element groups. Besides the first electrode element group 16 and the second electrode element group 24, there is a third electrode element group 38 including electrode elements. The electrode elements of the third electrode element group 38 can not be seen in FIG. 5, since this is a cross section. 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. By applying a voltage V between anode 20 and cathode 32, a contraction of the dielectric 26 occurs in a thickness direction D and an expansion in a circumferential direction U, which leads to bulging of the artificial muscle 10 (see FIG. 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.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 .

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.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.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 Künstlicher Muskel10 Artificial muscle

12 erstes Endstück12 first tail

14 zweites Endstück14 second tail

16 Elektrodenelementgruppe16 electrode element group

18 Elektrodenelement18 electrode element

20 Anode20 anodes

22 zweite Elektrodenelemente22 second electrode elements

24 zweite Elektrodenelementgruppe24 second electrode element group

26 Dielektrikum26 dielectric

28 Umhüllung28 serving

30 Gallerte30 jellies

32 Kathode32 cathode

34 Innenraum34 interior

36 Ventil36 valve

38 dritte Elektrodenelementgruppe38 third electrode element group

40 vierte Elektrodenelementgruppe40 fourth electrode element group

42 fünfte Elektrodenelementgruppe42 fifth electrode element group

44 sechste Elektrodenelementgruppe44 sixth electrode element group

46 Teil-Muskel46 partial muscle

A LängsrichtungA longitudinal direction

M KreismittelpunktM center of the circle

Fi erste ZylindermantelflächeFi first cylindrical surface

F2 zweite ZylindermantelflächeF 2 second cylinder jacket surface

P InnendruckP internal pressure

Fradial Kraft Fradial force

Claims

Patentansprüche claims 1. Künstlicher elektrischer Muskel, mit1. Artificial electrical muscle, with (a) einem ersten Endstück (12),(a) a first end piece (12), (b) einem dem ersten Endstück (12) gegenüber liegenden zweiten Endstück (14),(b) a second end piece (14) opposite the first end piece (12), (c) einer ersten Elektrodenelementgruppe (16) von Elektrodenelementen (18), die(c) a first electrode element group (16) of electrode elements (18) which (i) nebeneinander entlang einer ersten Fläche (Fi) angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück(i) are arranged side by side along a first surface (Fi), (ii) have a first end with which they are attached to the first end piece (12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück(12) are fastened, (iii) have a second end with which they are attached to the second end piece (14) befestigt sind,(14) are attached, (iv) mit einer Anode (20) kontaktiert und, (v) flexibel sind,(iv) contacted with an anode (20) and, (v) are flexible, (d) einer zweiten Elektrodenelementgruppe (24) von Elektrodenelementen, die(D) a second electrode element group (24) of electrode elements, the (i) nebeneinander entlang einer zweiten Fläche (F2) angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück(i) are arranged side by side along a second surface (F 2 ), (ii) have a first end with which they are attached to the first end piece (12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück(12) are fastened, (iii) have a second end with which they are attached to the second end piece (14) befestigt sind,(14) are attached, (iv) mit einer Kathode (32) kontaktiert und (v) flexibel sind, und(iv) contacted with a cathode (32) and (v) are flexible, and (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,(e) a deformable dielectric (26) arranged between the first electrode element group (16) and the second electrode element group (24) such that it can not penetrate the electrode element groups (16, 24), (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.(f) wherein the electrode elements (22, 18) are so inelastic in a longitudinal direction (A) and the dielectric (26) is incompressible so that the electrode elements (22, 18) upon application deforming a voltage between the anode (20) and the cathode (32) so that the first end piece (12) and the second end piece (14) move relative to each other. 2. Künstlicher Muskel (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (18, 22) entlang geschlossener Flächen (Fi1 F2) angeordnet sind.2. Artificial muscle (10) according to claim 1, characterized in that the electrode elements (18, 22) along closed surfaces (Fi 1 F 2 ) are arranged. 3. Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (18, 22) fadenförmig sind.3. Artificial muscle (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrode elements (18, 22) are thread-shaped. 4. Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche und die zweite Fläche Zylindermantelflächen (F1, F2) sind.4. Artificial muscle (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first surface and the second surface are cylinder jacket surfaces (F 1 , F 2 ). 5. Künstlicher Muskel (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die erste Fläche (F1) und die zweite Fläche (F2) konzentrisch verlaufen.5. Artificial muscle (10) according to claim 4, characterized in that the first surface (F1) and the second surface (F 2 ) are concentric. 6. Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (F1) und die zweite Fläche (F2) äquidistant sind.6. Artificial muscle (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first surface (F 1 ) and the second surface (F 2 ) are equidistant. 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.7. Artificial muscle (10) according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the first surface (F 1 ) and the second surface (F 2 ) are arranged spirally. 8. Künstlicher Muskel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelemente (18, 22) in Längserstreckung des künstlichen Muskels verdrillt angeordnet sind.8. Artificial muscle according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode elements (18, 22) are arranged twisted in the longitudinal extent of the artificial muscle. 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.9. Artificial muscle (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first electrode element group (16) and / or the second electrode element group (24) with the first end piece (12) and the second end piece (14) enclose a gas-tight cavity (34). 10. Künstlicher Muskel (10) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Ventil (36), das zum reversiblen Verschließen des Hohlraums (34) angeordnet ist.10. Artificial muscle (10) according to claim 9, characterized by a valve (36) which is arranged for reversibly closing the cavity (34). 11. Künstlicher Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch11. Artificial muscle (10) according to any one of the preceding claims, characterized by (a) eine dritte Elektrodenelementgruppe (38) von Elektrodenelementen, die(A) a third electrode element group (38) of electrode elements, the (i) nebeneinander entlang einer dritten Fläche angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück(i) are arranged side by side along a third surface, (ii) have a first end with which they are attached to the first end piece (12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück(12) are fastened, (iii) have a second end with which they are attached to the second end piece (14) befestigt sind, (iv) mit der Anode kontaktiert und, (v) flexibel sind,(14) are attached, (iv) contacted with the anode and, (v) are flexible, (b) eine vierte Elektrodenelementgruppe (40) von Elektrodenelementen, die(b) a fourth electrode element group (40) of electrode elements, which (i) nebeneinander entlang einer vierten Fläche angeordnet sind, (ii) ein erstes Ende besitzen, mit dem sie am ersten Endstück(i) are arranged side by side along a fourth surface, (ii) have a first end with which they are attached to the first end piece (12) befestigt sind, (iii) ein zweites Ende besitzen, mit dem sie am zweiten Endstück(12) are fastened, (iii) have a second end with which they are attached to the second end piece (14) befestigt sind,(14) are attached, (iv) mit einer Kathode (32) kontaktiert und (v) flexibel sind, und(iv) contacted with a cathode (32) and (v) are flexible, and (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. (c) a deformable dielectric disposed between the first electrode element group (16) and the second electrode element group (24) such that it can not or substantially penetrate the electrode element groups (16, 24). 12. Künstlicher Muskel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenelementgruppen (18, 24; 38, 40) unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen.12. Artificial muscle according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode element groups (18, 24, 38, 40) have different distances from each other. 13. Künstlicher Muskel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen verschiedenen Elektrodenelementgruppen (18, 24; 38, 40) unterschiedliche Dielektrika angeordnet sind.13. Artificial muscle according to one of the preceding claims, characterized in that different dielectrics are arranged between different electrode element groups (18, 24, 38, 40). 14. Prothese oder Orthese mit einem künstlichen Muskel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche. 14. prosthesis or orthosis with an artificial muscle (10) according to any one of the preceding claims.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102551918A (en) * 2012-02-21 2012-07-11 上海海事大学 Electroshock extension artificial muscle movement device
US20210283769A1 (en) * 2020-03-13 2021-09-16 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Artificial muscles having a reciprocating electrode stack

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3918955A1 (en) * 1989-06-09 1989-12-21 Ringer Michael Technical simulation of the biological muscle principle as a technical muscle. Robot resembling an animal or a human being and having technical muscles. Parts of this robot as prostheses. Further applications of the muscle: as lifting and tensioning device, as muscle motor, for positioning of an object by several muscles, as adjustment means for the range of spring
US20060041183A1 (en) * 2004-08-20 2006-02-23 Massen Richard J Electromechanical machine-based artificial muscles, bio-valves and related devices
WO2007003048A1 (en) * 2005-06-30 2007-01-11 Victhom Human Bionics Inc. Dielectric polymer actuator

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006121818A2 (en) * 2005-05-05 2006-11-16 Rodrigo Alvarez Icaza Rivera Dielectric elastomer fiber transducers
EP1976036A3 (en) * 2007-03-30 2009-07-22 Tokai Rubber Industries, Ltd. Actuator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3918955A1 (en) * 1989-06-09 1989-12-21 Ringer Michael Technical simulation of the biological muscle principle as a technical muscle. Robot resembling an animal or a human being and having technical muscles. Parts of this robot as prostheses. Further applications of the muscle: as lifting and tensioning device, as muscle motor, for positioning of an object by several muscles, as adjustment means for the range of spring
US20060041183A1 (en) * 2004-08-20 2006-02-23 Massen Richard J Electromechanical machine-based artificial muscles, bio-valves and related devices
WO2007003048A1 (en) * 2005-06-30 2007-01-11 Victhom Human Bionics Inc. Dielectric polymer actuator

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102551918A (en) * 2012-02-21 2012-07-11 上海海事大学 Electroshock extension artificial muscle movement device
US20210283769A1 (en) * 2020-03-13 2021-09-16 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Artificial muscles having a reciprocating electrode stack
US11611293B2 (en) * 2020-03-13 2023-03-21 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Artificial muscles having a reciprocating electrode stack

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