[go: up one dir, main page]

KR20150038475A - 코일형 및 비-코일형 꼬인 나노섬유 원사 및 폴리머 섬유 비틀림 및 인장 액추에이터 - Google Patents

코일형 및 비-코일형 꼬인 나노섬유 원사 및 폴리머 섬유 비틀림 및 인장 액추에이터 Download PDF

Info

Publication number
KR20150038475A
KR20150038475A KR1020157005179A KR20157005179A KR20150038475A KR 20150038475 A KR20150038475 A KR 20150038475A KR 1020157005179 A KR1020157005179 A KR 1020157005179A KR 20157005179 A KR20157005179 A KR 20157005179A KR 20150038475 A KR20150038475 A KR 20150038475A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
yarn
twist
coiled
actuator
twisted
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.)
Granted
Application number
KR1020157005179A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102150136B1 (ko
Inventor
나 리
카터 에스 헤인즈
마르시오 디 리마
대 안드라데 모니카 정
샤오리 팡
오지영
미하일 이 코즐로브
파트마 코테페
오저 코테페
동석 서
레이 에이치 바우만
Original Assignee
보드 오브 리전츠, 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템
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 보드 오브 리전츠, 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템 filed Critical 보드 오브 리전츠, 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템
Publication of KR20150038475A publication Critical patent/KR20150038475A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102150136B1 publication Critical patent/KR102150136B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/06112—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using the thermal expansion or contraction of enclosed fluids
    • F03G7/06113—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using the thermal expansion or contraction of enclosed fluids the fluids subjected to phase change
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/006—Motors
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01H—SPINNING OR TWISTING
    • D01H1/00—Spinning or twisting machines in which the product is wound-up continuously
    • D01H1/10—Spinning or twisting machines in which the product is wound-up continuously for imparting multiple twist, e.g. two-for-one twisting
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/02—Yarns or threads characterised by the material or by the materials from which they are made
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/22—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre
    • D02G3/26—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre with characteristics dependent on the amount or direction of twist
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/44—Yarns or threads characterised by the purpose for which they are designed
    • D02G3/448—Yarns or threads for use in medical applications
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04C—BRAIDING OR MANUFACTURE OF LACE, INCLUDING BOBBIN-NET OR CARBONISED LACE; BRAIDING MACHINES; BRAID; LACE
    • D04C1/00—Braid or lace, e.g. pillow-lace; Processes for the manufacture thereof
    • D04C1/02—Braid or lace, e.g. pillow-lace; Processes for the manufacture thereof made from particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/063—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction
    • F03G7/0633—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction performing a rotary movement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/064—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by its use
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N10/00—Electric motors using thermal effects
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00—Physical properties
    • D10B2401/04—Heat-responsive characteristics
    • D10B2401/046—Shape recovering or form memory
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00—Physical properties
    • D10B2401/06—Load-responsive characteristics
    • D10B2401/061—Load-responsive characteristics elastic
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2509/00—Medical; Hygiene
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/066—Actuator control or monitoring
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2913—Rod, strand, filament or fiber
    • Y10T428/2922—Nonlinear [e.g., crimped, coiled, etc.]
    • Y10T428/2925—Helical or coiled

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)
  • Prostheses (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Ropes Or Cables (AREA)

Abstract

꼬임-스펀 나노섬유 원사 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유를 포함하는 액추에이터 (인공 근육)은 전기적으로, 광으로, 화학적으로, 열적으로, 흡수에 의해, 또는 다른 수단에 의해 구동될 때 비틀림 및/또는 인장 구동을 발생시킨다. 이들 인공 근육은 비-코일형 또는 코일형 원사를 이용하고 순수할 수 있거나 또는 게스트를 포함할 수 있다. 이들 인공 근육을 포함하는 디바이스가 또한 기재되어 있다.

Description

코일형 및 비-코일형 꼬인 나노섬유 원사 및 폴리머 섬유 비틀림 및 인장 액추에이터 {COILED AND NON-COILED TWISTED NANOFIBER YARN AND POLYMER FIBER TORSIONAL AND TENSILE ACTUATORS}
관련된 특허 출원에 대한 교차-참조
본원은 발명의 명칭 "코일형 및 비-코일형 나노섬유 원사 비틀림 및 인장 액추에이터" 하에 2012년 8월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 시리즈 번호 61/678,340 및 발명의 명칭 "코일형 및 비-코일형 꼬인 나노섬유 원사 및 폴리머 섬유 비틀림 및 인장 액추에이터" 하에 2013년 3월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 시리즈 번호 61/784,126에 대한 우선권을 주장하며, 이들 특허 출원은 통상적으로 본 발명의 소유주에 의해 소유되며. 이들 특허 출원은 이로써 참고로 이들의 전문으로 다목적으로 인용된다.
정부 지분
본 발명은 미국 공군과학연구소에 의해 수여된 지원금 번호 FA9550-09-1-0537 및 FA9550-12-1-0211, 공군에 의해 수여된 지원금 번호 AOARD-10-4067, 및 해군 연구소에 의해 수여된 MURI 지원금 번호 N00014-08-1-0654 하에 정부 지원에 의해 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 있어서 특정 권리를 갖는다. 본 발명은 또한 Robert A. Welch 재단으로부터 지원금 번호 AT-0029에 의해 지원되었다.
발명의 분야
적당하게 매인 꼬임-스펀 나노섬유 원사 및 꼬인 섬유는 액체 또는 고체 전해질의 존재를 필요로 하지 않고 크게 가역적이고, 전기적으로, 광으로, 열적으로, 또는 화학적으로 유도된 비틀림 또는 인장 구동을 제공한다. 원사 코일링 또는 섬유 코일링은, 원사 또는 섬유의 과도한 꼬임 또는 합사로 인해, 구동 중에 치수를 변화시키는 게스트에 의한 원사 충전처럼 극적으로 액츄에이터 인장 스트로크를 증가시킨다.
전기적, 화학적, 열, 또는 광자 에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 액추에이터 물질 및 메커니즘이 한 세기에 걸쳐 추구되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 인류는 천연 근육의 놀라운 특성을 복제하는데 성공적이지 못하였고, 이는 가장 진보된 인공 사지, 외골격, 및 인간형 로봇이 임계적으로 필요한 능력이 결여되어 있음을 의미한다.
아마도 어떠한 다른 물질도 탄소 나노튜브보다 더 많은 근본적으로 상이한 유형의 액추에이터에 대해 기재되어 있지 않다. 실증된 전력 및 연료 동력 나노튜브 액추에이터는 천연 근육보다 최대 몇 퍼센트 더 큰 액추에이터 스트로크 및 100배 큰 스트레스 발생을 제공한다. 큰 스트로크 공압 나노튜브 액추에이터는 나노튜브 시트 내의 전기화학적 가스 발생을 사용하는 것으로 입증되었다. 다른 연구에서, 나노튜브는 광반응성, 형상 기억, 및 액정 폴리머를 이온성으로 도전시키는 다른 작동 물질-형 유전체의 반응을 완전히 수정하는 전극으로서 또는 첨가물로서 사용되어 왔다.
다음은 탄소 나노튜브에 기초한 이들 다양한 유형의 액추에이터들의 예를 제공한다. 2개의 나노튜브 사이의 정전기 인력 및 반발은 캔틸레버-기반 나노-족집게들 [P. Kim, C. M. Lieber, Science 286, 2148-2150 (1999)] 및 기계적-기반 스위치들 및 논리 소자들 [T. Rueckes, K. Kim, E. Joselevich, G. Y. Tseng, C.-L. Cheung, C. M. Lieber, Science 289, 94-97 (2000); V. V. Deshpande, H.-Y. Chiu, H. W. Ch. Postma, C. Miko L. Forro M. Bockrath, Nano Letters 6, 1092-1095 (2006)]에 대해 사용되었다. 거시적으로, 전력 [R. H. Baughman 등, Science 284, 1340-1344 (1999); U. Vohrer, I. Kolaric, M. H. Haque, S. Roth, U. Detlaff-Weglikowska, Carbon 42, 1159-1162 (2004); S. Gupta, M. Hughes, A. H. Windle, J. Robertson, J. Appl. Phys. 95, 2038-2042 (2004)] 및 연료 동력 [V. H. Ebron 등, Science 311, 1580-1583 (2006)] 탄소 나노튜브 액추에이터는 천연 근육보다 최대 몇 퍼센트 더 큰 액추에이터 스트로크 및 100배 더 큰 스트레스 발생을 제공하였다. 실증된 큰 스트로크 공압 나노튜브 액추에이터는 나노튜브 시트 내의 전기화학적 가스 발생을 사용하였다 [G. M. Spinks 등, Advanced Materials 14, 1728-1732 (2002)]. 유기 폴리머들과의 탄소 나노튜브 복합물은 광반응성 [S. V. Ahir, E. M. Terentjev, Nature Material 4, 491-495 (2005)], 형상 기억 [H. Koerner, G. Price, N. A. Pearce, M. Alexander, R. A. Vaia, Nature Material 3, 115-120 (2004)], 및 전기 기계적 [S. Courty, J. Mine, A. R. Tajbakhsh, E. M. Terentjev, Europhysics Letts. 64, 654-660 (2003)] 액추에이터를 제공하였다. 이전의 작업은 또한 열적 동력 형상 기억 물질로서 폴리머-충전된 꼬이지 않은 탄소 나노튜브 원사의 사용을 실증하였지만, 가역적 구동은 달성되지 않았다 [P. Miaudet 등, Science 318, 1294-1296 (2007)]. 다른 작업에서, 분산된 탄소 나노튜브 또는 나노튜브 시트는 열적으로 작동하는 물질을 전기적으로 가열하여 캔틸레버 편향을 제공하기 위해 사용되어 왔다 [A. T. Sellinger, D. H. Wang, L.-S. Tan, R. A. Vaia, Adv. Mater. 22, 3430 (2010); L. Chen, C. Liu, K. Liu, C. Meng, C. Hu, J. Wang, S. Fan, ACS Nano 5 , 1588 (2011); 및 Y. Hu, W. Chen, L. H. Lu, J. H. Liu, C. R. Chang, ACS Nano 4, 3498-3502 (2010)]. 임의의 유형의 선행기술 인공 근육 뿐만 아니라 상기 기재된 탄소 나노튜브 인공 근육에 대한 주요 한계가 존재한다. 이들 한계는 느린 반응, 낮은 스트로크 또는 힘 발생, 짧은 사이클 수명, 액추에이터 반응에서 이력현상, 전해질의 사용, 또는 작동을 위한 좁은 온도 범위 - 및 대개의 경우에 (낮은 에너지 전환 효율과 마찬가지) 이들 및 다른 한계의 일부의 조합을 포함한다.
탄소 나노튜브 인공 에어로겔 시트에 기반한 인공 근육은 선행 기술의 근육이 작동할 수 없는 극단적인 온도 (0 K 근처 내지 약 1900 K)에서 작동할 수 있도록 개발되어 왔다. 그것들은 한 방향으로 4 x 104%/s 및 250%를 초과할 수 있고 동일한 중량 및 길이 천연 근육에 대해서보다 30 배 이상 더 큰 힘을 생성할 수 있는 스트로크 속도 및 스트로크를 제공한다 [A. E. Aliev 등, Science 323, 1575-1578 (2009) 및 A. E. Aliev 등, PCT 국제 Appl. WO 2010/019942　A2 (2010)]. 불행하게도, 이들 탄소 나노튜브 근육은 전형적으로 수천 볼트의 인가된 포텐셜을 사용하고 무거운 하중을 지탱할 수 있는 근육을 제공하도록 두께 방향으로 조정될 수 없다.
전기화학적 동력의 다중벽 탄소 나노튜브 (MWNT) 원사 근육 [J. Foroughi 등, Science 334, 494-497 (2011)]은 형상 기억 합금 [A. C. Keefe, G. P. Carman, Smart Mater. Struct. 9, 665-672 (2000)], 강유전성 세라믹 [J. Kim, B. Kang, Smart Mater. Struct. 10, 750-757 (2001)] 또는 도전성 폴리머 [Y. Fang, T.J. Pence, X. Tan, IEEE/ASME Trans. Mechatronics 16, 656-664 (2011)]에 기반한 이전의 비틀림 근육보다 길이당 천배 더 큰 회전을 발생시킬 수 있다. 꼬임-스펀 작동 원사는 패들을 1.2초에 590 회전/분까지 가속화할 수 있고 [J. Foroughi 등, Science 334, 494-497 (2011)] 대형 전기 모터의 중량 측정 능력으로서 원사 중량당 유사한 토크 및 기계적 전력 생산을 제공한다. 그러나, 이들 이점은 일정 비용을 요한다. 구동은 전기화학적 이중-층 전하 분사 동안 이온 유입에 의해 산출된 원사 용적 변화로부터 발생하기 때문에, 전체 시스템 중량측정 성능은 작동 원사보다 액추에이터에 중량을 훨씬 더 부가하는 전해질, 상대 전극, 및 디바이스 패키징에 대한 필요성에 의해 저하된다. 상기 액체 전해질은 또한 구동 속도 및 배치 가능성 뿐만 아니라 작동 온도 및 전압을 제한한다.
본 발명의 일부 구현예에서, 본 발명은 인장 및 비틀림 구동을 생성하는 용적 변화를 발생시키기 위해 원사에 고체 게스트 물질을 사용함으로써 전해질, 상대 전극, 및 특수 패키징에 대한 필요성을 제거한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "인장 구동"은 액추에이터가 구동 단계에서 길이 방향으로 신장되거나 또는 수축되거나 무관하게 액추에이터의 길이 방향의 구동을 나타낸다. 하이브리드 나노튜브 근육에서 상기 꼬임-스펀 나노튜브는 이러한 작동 게스트를 고체 및 용융 상태 모두로 한정하고, 및 비틀림 구동 및 증대된 인장 구동을 가능하게 하는 기계적 강도 및 나선 기하학을 제공한다. 원사 액추에이터 구조는 비틀림이나 또는 인장 구동을 최대화하도록 조작될 것이다. 가역적 구동은 전기적으로, 광으로, 또는 화학적으로 동력이 공급될 것이다.
더욱이, 본 발명의 구현예들에 의해, 본 출원인은 고-사이클-수명, 큰-스트로크, 및 고속 비틀림 및 인장 인공 근육의 설명을 제공해 왔고, 이는:
(1) 작동 요소로서 순수한 또는 하이브리드 꼬임-스펀 나노튜브 원사 만을 포함한다.
(2) 어떠한 전해질 또는 계수기-전극도 필요로 하지 않고 저 전압에서 작동한다.
(3) 전기적으로, 화학적으로, 및 광으로 동력을 받을 수 있다.
(4) 2백만 이상의 가역적 비틀림 구동 사이클을 전달하고에 있어서, 하이브리드 원사 근육은 회전자를 평균 11,500 회전/분으로 회전시킨다. 이러한 회전 속도는 전기화학적 탄소 나노튜브 근육에 대해 우리가 이전에 입증한 것보다 20배 더 크고 형상 기억 합금, 강유전성 세라믹, 또는 도전성 폴리머에 기반한 이전의 근육에 대해서보다 20,000배 더 크다.
(5) (a) 이전의 전기화학적 비틀림 근육에 대해서보다 5배 더 크고 (b) 대형 전기 모터들에 대해서보다 약간 더 큰 근육 중량당 중량측정 토크를 발생한다.
(6) 1.4 백만 이상의 사이클에 대해 1,200 사이클/분으로 3% 인장 수축을 전달한다.
(7) 근육 수축 동안 27.9 kW/kg 평균 전력 밀도를 전달하고, 이는 천연 골격 근육에 대해서보다 85배 더 크다. 구동 및 구동의 반전 모두에 대한 시간을 포함하여, 4.2 kW/kg의 수축성 전력 밀도가 실증되었고, 이는 공통의 내부 연소 엔진의 동력-대-중량비의 4배이다.
(8) 10%의 최대 인장 수축을 입증하였다.
(9) (3)-(8)의 상기 설명은 꼬임-스펀 나노튜브 호스트가 용적 확장 게스트를 한정하는 하이브리드 근육에 대한 것이고, 본 발명의 출원인은 또한 백열 온도까지 전기 열적으로 가열된 순수한 꼬임-스펀 나노튜브 원사에 대한 비틀림 및 인장 구동을 입증하였다. 이들 순수한 근육은 7.3% 인장 수축을 제공하는 한편 어떠한 다른 큰 작업 용량 액추에이터도 생존할 수 없는 극단적인 온도에서 무거운 하중을 들어올린다.
(10) 설명들은 기계적으로 작동하는 감지 과정의 에너지를 포착하는 비틀림 모터, 수축성 근육, 및 센서를 포함한다.
복잡한 코일형 섬유 기하학적 구조는 선행 기술의 나노섬유 원사 근육의 그것과 비교하여 액추에이터 성능을 극적으로 증가시키기 위해 사용된다.
파라핀 왁스는 일부 발명의 구현예들에서 탄소 나노튜브 원사 내에서 높은 열 안정성; 전이 폭 및 온도의 조정 가능성; 상 전이 및 열 팽창과 연관된 큰 용적 변화; 및 탄소 나노튜브를 습윤시키는 그것들의 능력 때문에 원형 게스트로서 사용된다. 그러한 왁스는 열적 또는 전기-열적 동력의 액추에이터로서 오랫동안 조사되고 상업적으로 전개되어 왔다 [E. T. Carlen, C. H. Mastrangelo, Journal of Microelectromech. Syst. 11, 165 (2002)]. 작동 왁스를 탄소 나노튜브 원사의 나노 크기 기공들로 한정함으로써, 출원인은 종래의 유압 및 외부 가열 시스템을 회피하고 근육-유사 기하학을 직접적으로 사용하고에 있어서, 큰 표면/용적 및 열 및 전기적 도전성은 반응 속도를 증진시키고 나선 기하학은 비틀림 회전 및 인장 수축 모두를 가능하게 한다.
일부 다른 발명의 구현예들에서, 꼬임 삽입 및 임의의 섬유 코일링은 비틀림 구동, 인장 구동, 또는 이들의 조합을 제공하는 고성능 인공 근육을 제공하기 위해 낚시줄 및 재봉사를 위해 사용된 고강도 폴리에틸렌 및 나일론과 마찬가지로 보통의 폴리머 섬유에 적용된다. 나노섬유 원사 발명의 구현예들에 대해서와 마찬가지로, (1) 전기화학적 과정들은 구동을 위해 필요하지 않기 때문에 전해질, 상대 전극, 및 특수 패키징에 대한 필요가 또한 제거되고, (2) 가역적 구동은 꼬인 및 코일형 폴리머 섬유에 대해 전기적으로, 광으로, 열적으로, 또는 화학적으로 동력을 받을 수 있다.
비용 및 성능 모두는 꼬인 및 코일형 폴리머 섬유에 대한 주요 이점을 제공한다. 형상 기억 금속의 와이어는 거대한 스트레스 및 큰 스트로크를 발생시킬 수 있고 전기 열 구동 동안 빠른 수축을 제공할 수 있지만, 이들 인공 근육은 매우 고가이고 - 대중적인 고-성능 NiTi 와이어는 약 $1400/파운드 및 $1.50/m 비용이 든다. 그에 반해서, 폴리머 근육에 대한 전구체인 시판되는 폴리머 섬유는 저렴하고 (전형적으로 ~$2.50/파운드), 상업적 섬유를 인공 근육으로 전환시키는데 필요한 공정들 (전도체의 꼬임 삽입 및 임의의 혼입)은 저렴하다.
또한, 구동은 인가된 하중이 일정할 때조차 일정 사이클 내의 이전 이력에 좌우되기 때문에, 경쟁 형상 기억 금속 액추에이터는 무겁고 히스테릭 구동을 제공하고, 이는 그것들을 정확하게 조절하기 어렵게 만든다. 열적 동력의 형상 기억 폴리머 섬유 및 폴리머-충전된, 뒤틀리지 않은 탄소 나노튜브 섬유는 거대한 스트로크 및 수축성 작업 커패시티를 전달할 수 있지만 [P. Miaudet 등, Science 318, 1294-1296 (2007)], 크게 비가역적인 구동을 제공한다. 유기 도전성 폴리머의 전기화학적으로 유도된 섬유는 또한 큰 스트로크를 제공하지만, 불량한 주기성을 갖고 전해질 격납 시스템을 필요로 하고, 이는 시스템 중량 및 비용에 부가된다. 발명의 구현예들은 이들 문제 모두를 제거할 것이다.
발명의 요약
본 발명은 비틀림 및/또는 인장 구동을 생성하기 위한 인공 근육으로서 작용하는 꼬임-스펀 나노섬유 원사 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유를 포함한다.
본 발명은 전기적으로, 광으로, 열적으로, 화학적으로, 흡수에 의해, 또는 다른 수단에 의해 동력을 받았을 때 비틀림 및/또는 인장 구동을 생성하는 꼬임-스펀 나노섬유 원사 및 꼬인 폴리머 섬유를 포함하는 액추에이터 (인공 근육)를 추가로 갖는다. 이들 인공 근육은 비-코일형 또는 코일형 원사 또는 폴리머 섬유를 이용하고, 순수할 수 있거나 또는 게스트를 포함할 수 있다. 본 발명은 또한 이들 인공 근육을 포함하는 디바이스를 포함한다.
상기한 바는 이어지는 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 특징 및 기술적 이점을 오히려 광범위하게 개괄하였다. 본 발명의 특허 청구의 범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가의 특징 및 이점이 이하에 기재될 것이다. 개시된 개념 및 특정 구현예는 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위해 다른 구조를 수정하거나 또는 설계하기 위한 기초로서 쉽게 이용될 수 있음이 당해분야의 숙련가에 의해 인정되어야 한다. 또한 그러한 등가의 구성이 부가된 청구항들에 나타낸 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않음이 당해분야의 숙련가에 의해 실현되어야 한다.
또한 본 발명은 그의 용도에 있어서 하기 설명에 나타내거나 또는 도면에 예시된 구성의 세부 사항 및 구성 성분의 배열로 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 구현예들이 다양한 방식으로 실시되고 수행될 수 있다. 또한, 본원에 이용된 어법 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고 제한하는 것으로서 간주되지 않아야 함이 이해되어야 한다.
본 발명 및 그의 이점의 더 완전한 이해를 위해, 수반되는 도면들과 관련하여 취한 하기 설명에 대한 참조가 이하 이루어지고, 여기서:
도 1a-1d는 나노섬유 원사에 대해: 2-말단-연결된, 완전히-침윤된 호모키랄 원사에 대한 인장 하중 및 임의의 패들 위치 (도 1a); 2-말단-연결된, 바닥-하프-침윤된 호모키랄 원사 (도 1b); 1-말단-연결된, 완전히-침윤된 호모키랄 원사 (도 1c); 및 2-말단-연결된, 완전히-침윤된 헤테로키랄 원사 (도 1d)를 보여준다. 호모키랄 원사는 일 키랄성 (원사 꼬임과 코일 꼬임 방향 사이에서 다를 수 있음)을 갖는 원사이고 헤테로키랄 원사는 상이한 분절이 반대 키랄성을 갖는 것이다. 도시된 원사들은 각각 코일형, 비-코일형, 4-겹, 및 2-겹이다. 화살표들은 열 구동 동안 패들 회전의 관찰된 방향을 지시한다. 적색 및 녹색 원사-말단 부착물은 테테르이고, 이들은 말단 회전을 금지하고 - 적색 부착물은 또한 병진 변위를 금지함을 의미한다.
도 1e-1g는 탄소 나노튜브 원사에 대해 파라핀 왁스 (도 1e), 순수한 2-겹 원사 (도 1f) 및 순수한 4-겹 원사 (도 1g)에 의해 완전히 침윤된 호모키랄 코일형 원사의 주사 전자 현미경 (SEM) 현미경사진이다.
도 1h-1j는 페르마 (도 1h), 이중-아르키메데스의 (도 1i), 및 게스트-침윤된 4-겹 페르마 원사 (도 1j)에 대한 이상적인 단면들의 예시이다.
도 2a는 (도 1a의 배치에 대해) 130 ㎛ 초기 직경, 대략 4,000 회전/m (상기 전구체 시트 스택의 길이당)의 삽입된 꼬임, 및 6.8 MPa의 인가된 스트레스를 갖는 2-말단-연결된, 코일형, 호모키랄, 이중-아르키메데스의 원사에 대한 파라핀 왁스 침윤 전 (흑색) 및 후 (적색) 온도에 대한 인장 구동 스트레인의 측정된 의존도의 그래프를 보여준다. 삽도: 16 ㎛ 초기 직경, 대략 20,000 회전/m 꼬임, 및 4.8 MPa의 인가된 스트레스를 갖는 비-코일형 페르마 원사에 대한 파라핀 왁스 침윤 전 (흑색) 및 후 (적색) 상응하는 구동 데이타. 폐쇄된 및 개방된 기호들은 각각 온도를 증가시키고 감소시키기 위한 것이다.
도 2b는 (도 1a의 배치에 대해) 115 ㎛ 직경 및 ~4,000 회전/m의 삽입된 꼬임을 갖는 2-말단-연결된, 순수한, 코일형, 호모키랄, 이중-아르키메데스의, 탄소 나노튜브 원사에 대해 인가된 전력의 기능으로서 진공 중의 수축 동안 전열 인장 구동 스트레인 및 작업 용량의 그래프를 보여준다. 삽도: 이러한 원사 (좌측)에 대한 인장 구동 대 추정된 온도 및 10 g 하중을 들어 올리는 백열 원사의 사진. 폐쇄된 기호 및 개방된 기호는 각각 온도를 증가시키고 감소시키기 위한 것이다.
도 3a-3d는 (도 1a의 배치에 대해) 2-말단-연결된, 호모키랄, 파라핀-왁스-충전된 탄소 나노튜브 원사들에 대한 전열 인장 구동의 그래프를 보여준다. 도 3a에서 데이터는 14.3 MPa 스트레스를 제공한 하중을 들어 올리면서 18.3 V/cm, 20 Hz 구형파 전압에 의해 50% 듀티 사이클로 유도된 대략적으로 25,000 회전/m 꼬임을 갖는 11.5 ㎛ 직경, 코일형 페르마 원사에 대해 1,400,000 가역적 사이클 후 인장 구동 스트레인 대 시간을 보여준다. 도 3b는 500 ms의 기간을 갖는 15 ms, 32 V/cm 구형파 전압 펄스들에 의해 3% 듀티 사이클로 유도될 때 109 MPa 인가된 인장 응력을 갖는 도 3a의 원사에 대한 인장 구동을 보여준다. 도 3c는 상이한 수준의 삽입된 꼬임을 갖는 150 ㎛ 직경, 이중-아르키메데스의 원사에 대해 주울 가열 (0.189 V/cm)에 의해 생산된 정상상태 인장 구동 및 수축 작업 (흑색 및 청색 데이타 포인트, 각각)의 스트레스 의존을 보여준다. 도 3d는 5.5 MPa 인장 응력을 지원하고 50 ms 펄스 지속시간 및 2.5 s 기간을 갖는 15 V/cm 구형파에 의해 구동될 때 3,990 회전/m의 전구체 시트 스택 길이 당 삽입된 꼬임을 갖는 도 3c의 원사에 대한 인장 변형률 대 시간을 보여준다.
도 4a-4c는 2-말단-연결된, 파라핀-왁스-침윤된, 탄소 나노튜브 원사들에 대한 전열 비틀림 구동의 그래프를 보여준다. 도 4a는 (도 1b의 배치에 대해) 50% 듀티 사이클 및 41 MPa 인가된 하중을 사용하여 15 Hz, 40 V/cm, 구형파 전압에 의해 여기될 때 3.9 cm 길이, 하프-침윤된, 호모키랄 페르마 원사 (10 ㎛ 직경 및 대략 22,000 회전/m 꼬임)에 대한 평균 분당 회전수 대 사이클 수를 보여준다. 그래프 상의 각 지점은 120 사이클에 걸쳐 평균 속도를 나타낸다. 삽도: 하나의 완전한 사이클에 대한 회전 각 및 회전 속도 대 시간. 상기 평균 회전 속도는 거의 2 백만 사이클에 걸쳐 대략적으로 11,500 회전/분이었다. 도 4b는 도 4a의 원사를 사용하지만, 더 무거운 패들을 배포할 때 상이한 인장 하중들에 대해 인가된 전력의 함수로서 평균 분당 회전수를 보여준다. 삽도: 51.5 MPa 스트레스에 대해 회전각 및 속도 대 시간. 상기 평균 속도는 7,600 회전/분이었다. 도 4c는 (도 1d의 배치에 대해) 대략 3,000 회전/m의 스택 길이당 삽입된 꼬임을 갖는 100 ㎛ 직경, 6.4 cm 길이, 완전히-침윤된, 헤테로키랄, 이중-아르키메데스의 원사에 대해 스태틱 토크 대 인가된 전력을 보여준다. 삽도: 토크 측정 (하단부)을 위해 사용된 Greco-Roman 투석기 배치 및 상기 왁스-침윤된 원사 (좌측 상단)의 상기 표면에 도포된 파라핀 플레이크의 용융 온도를 지시하는 사진.
도 5는 도 1a의 배치에서 순수한, 호모키랄, 탄소 나노튜브, 페르마 원사에 대한 삽입된 꼬임의 함수로서 인장 구동의 그래프를 보여준다. 원사 수축을 획득하기 위해 인가된 상기 정상상태 전력은 각각의 꼬임 정동에 대해 측정된 원사 길이로 정규화될 때 일정하였고 (85 ± 2.6 mW/cm), 상기 원사 중량 당 입력 전력도 역시 일정하였다. 기계적 하중은 일정하였고 연결되지 않은 원사에 대해 SEM에 의해 측정된 13.5 ㎛ 원사 직경에 대해 72 MPa 스트레스에 대응하였다. 라인들은 눈을 위한 가이드이다.
도 6a-6b는 파라핀 왁스 침윤 전 (17.5 ± 0.5 ㎛ 및 16.4 ± 0.9 ㎛, 각각) 및 후 (18.1 ± 0.9 ㎛ 및 16.2 ± 1.1 ㎛, 각각) 20,000 ± 500 회전/m의 삽입된 꼬임 및 거의 동일한 직경을 갖는 호모키랄, 비-코일형, 탄소 나노튜브, 페르마 (도 6a) 원사 및 이중-아르키메데스의 탄소 나노튜브 원사 (도 6b)에 대한 인장 구동 (왼쪽 축) 및 길이 (오른쪽 축) 대 인가된 스트레스의 그래프를 보여준다. 도 1a의 배치가 사용되었고, 길이당 상기 전력은 각각의 하중에 대해 35 ± 2 mW/cm로 조절되었고, 이는 파라핀 왁스의 완전한 용융이 발생하는 온도 (~83℃) 훨씬 이상으로 구동을 제공하였다. 라인들은 눈을 위한 가이드이다.
도 7a-7b는 비틀림 액추에이터에 대해 전개된 수평 배치의 예시이다. 도 7a는 측면 표면과의 접촉이 부착된 말단 중량의 회전을 금지하지만, 이러한 기계적 하중의 수직 이동을 여전히 가능하게 하는 2-말단-연결된, 부분적으로 침윤된 원사 모터의 변종을 보여준다. 도 7b는 한쪽-말단이 연결된 완전히 침윤된 원사를 기반으로 비틀림 모터를 보여준다. 이 경우에 상기 부착된 기계적 중량은 모두 수직으로 회전하고 병진할 수 있다.
도 8은 증가하는 온도 및 감소하는 온도 (채워진 기호 및 개방된 기호, 각각)에 따라 진공에서 순수한, 헤테로키랄, 2-겹, 페르마 원사 (청색 삼각형) 및 왁스 충전 후 공기중에서 동일한 원사 유형 (흑색 원)에 대한 전력의 함수로서 정상상태 비틀림 회전을 보여준다. 삽도는 SZ 및 ZS 분절의 구조를 보여주는 SEM 현미경사진이고, 이들은 함께 매듭지어져 헤테로키랄 SZ-ZS 원사를 제조한다. 상기 패들은 도 1d의 사용된 2-말단 연결된 배치에 대해 SZ와 ZS 분절 사이에 위치하였다. 라인들은 눈을 위한 가이드이다.
도 9a-9b는 25,000 회전/m의 삽입된 꼬임을 갖는 8 ㎛ 직경, 호모키랄, 페르마, 탄소 나노튜브 원사에 대한 측정 장치 (도 9a) 및 아세토니트릴 중 및 헥산 중의 원사 함침 깊이 (도 9b)에 대한 패들 회전각의 관찰된 의존의 그래프를 보여준다. 폐쇄된 기호 및 개방된 기호는 액체 충전 및 제거, 각각을 위한 것이다. 라인들은 눈을 위한 가이드이다.
도 10은 꼬이지 않은 모노필라멘트 나일론 섬유 (좌측), 완전한 코일링을 제공하기 위한 꼬임 삽입 후 이러한 섬유 (중간), 및 SZ 합사 후 이러한 코일형 섬유 (우측)의 광학적 이미지를 보여준다.
도 11-12는 포레스트-그린 MWNT 시트 스트립으로 나선형으로 래핑된 모노필라멘트 나일론 섬유 (도 11) 및 이어서 상기 MWNT 시트 스트립으로 래핑된 크게 코일링된 나일론 섬유를 제공하기 위해 삽입된 꼬임 (도 12)의 주사 전자현미경 (SEM) 이미지를 보여준다.
도 13은 낮은-스캔-속도 온도 동안 열 기계적 분석 (TMA)이 도 1a 배치에서 코일형 나일론 섬유 근육에 대한 이력현상을 거의 또는 전혀 지시하지 않음을 보여주고, 이는 높은 스캔 속도에서 분명한 이력현상은 폴리머 섬유와 열전쌍 온도 센서 사이의 온도 지체로 인한 인공물임을 시사한다.
도 14는 근육 둘레에 래핑된 MWNT 시트를 사용하여 전기-열적으로 가열되고 있는 코일형 나일론 섬유 근육에 대해 백만 이상의 사이클 후 액추에이터 스트로크에서 어떠한 현저한 변화도 없음을 보여준다. 상기 섬유는 도 12에 나타낸 구조를 갖고 도 1a의 액추에이터 배치가 사용되었다. 그래프는 상기 2-말단-연결된 코일형 원사가 21.5 MPa 하중을 들어올릴 때 1 Hz에서 작동되었을 때 스트로크 대 사이클 수를 나타낸다. 삽도는 이러한 인가된 하중 하에 비가역적 폴리머 크리프가 존재하고, 이러한 크리프는 증가하는 사이클 수에 따라 감소함을 보여준다. 각각의 지점은 1,000 사이클의 평균을 나타낸다.
도 15a-15b는 포레스트-그린 MWNT 시트 스트립들로 이중 나선형 래핑 전 (도 15a) 및 후 (도 15b) 코일형 나일론 섬유에 대한 광학 현미경사진을 제공한다.
도 16은 도 15b의 상기 MWNT 래핑된 코일형 나일론 섬유에 대해 이러한 코일형 나일론 섬유 근육이 21.7 MPa 인장 하중 하에 부하될 때 인가된 전압 (a), 전기적 저항성 (b), 온도 (c) 및 산출된 스트레인 (d)의 시간 의존도를 보여준다. 도 1a의 상기 근육 배치가 사용되었다. 상기 섬유 시간 반응은 특수한 수동적 또는 능동적 수단들이 섬유 냉각을 위해 전개되지 않을 때 큰 섬유 직경, 가열 동안 인가된 낮은 전력, 및 이러한 직경 섬유를 위한 느린 냉각 때문에 느리다.
도 17은 코일형, 이중-아르키메데스의, 탄소 나노튜브 하이브리드 원사 근육에 대한 시간의 함수로서 구동을 보여주고, 상기 원사 게스트는 실리콘 고무이다. 전열 구동은 주기적 전기적 구형파 펄스 가열을 사용함으로써 수득되었고 도 1a의 상기 근육 배치가 사용되었다.
도 18a는 맨드렐 둘레의 섬유 코일링을 위한 장치 및 주요 공정 변수: 맨드렐 직경 (D), 상기 섬유에 인가된 회전/길이 (r), 상기 맨드렐 상에 인가된 코일링의 꼬임/길이 (R), 상기 섬유에 인가된 힘 (F) 및 상기 섬유와 상기 맨드렐의 축 사이의 각도 (θ)의 개략적 예시를 보여준다.
도 18b는 0.4 mm 직경 맨드렐 상에 래핑함으로써 코일링된 860 mm 직경 나일론 6 모노필라멘트의 광학 현미경사진을 보여준다.
도 18c는 2.7 mm 직경 맨드렐 상에 래핑함으로써 코일링된 860 mm 직경 나일론 6 모노필라멘트의 광학 현미경사진을 보여준다.
도 19a-19b는 50 g 압축 하중을 지원하면서 실온에서 수축된 상태일 때 (도 19a) 및 코일 길이의 가역적 팽창을 제공함으로써 이러한 압축 하중을 들어 올리기 위해 핫 에어를 사용하여 가열 후 (도 19b) 맨드렐-랩핑된, 코일형 나일론 6 모노필라멘트 섬유 (양성 열 팽창을 가짐)를 보여주는 사진이다. 상기 코일형 구조는 860 mm 나일론 6 모노필라멘트를 2.7 mm 직경 맨드렐 둘레에 래핑함으로써 제조되었다.
도 20a-20b는 꼬이지 않은 (도 20a) 및 코일형 (도 20b) 나일론 모노필라멘트의 구동 성능의 열기계적 분석 (TMA) 그래프이다. 도 20a-20b는 상기 액추에이터가 20℃와 180℃ 사이에서 주기적으로 가열되고 냉각될 때 관찰된 구동 스트레인을 각각 나타낸다. 도 20a-20b는 이들 조건들 하에 상응하는 인장 모듈러스를 보여준다.
도 21a-21d는 코일형 SZ 나일론 섬유 근육을 사용하여 제조된 다양한 직물 구조물들의 사진이고, 이는 완전한 코일링을 생산하기 위해 나일론 섬유를 꼬고 이어서 토크 밸런스된 2-겹 구조를 생산하기 위해 코일형 나일론 섬유를 SZ 합사함으로써 제작되었다. 도 21a는 꼬이지 않은 나일론 6 모노필라멘트로부터 유도된 4개의 SZ 폴리머 섬유 근육으로부터 제조된 평면 편조 직물의 사진이다. 도 21b는 8개의 비-코팅된, SZ 나일론 6 원사 근육을 편조함으로써 제조된 둥근 꼰 밧줄들을 보여준다. 도 21c는 MWNT-코팅된 SZ 나일론 6 원사 근육으로부터 제조된 둥근 꼰 구조를 보여준다. 도 21d는 시판되는 은-코팅된 나일론 6,6 다중-필라멘트 섬유를 SZ 나일론 근육 내로 전환시킴으로써 구성된 평직 직물 구조를 보여준다. 8개의 그러한 코일형 SZ 근육 섬유들은 상기 평직 직물의 날실 방향으로 혼입되는 한편, 면 원사는 씨실 방향으로 혼입되었다.
도 22a-21b는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 폴리머 섬유로부터 직조된 McKibben 편조에 대해 비-작동된 상태 (도 22a에서 "오프" 상태) 및 전열적으로 작동된 상태 (도 22b에서 "온" 상태)의 사진이다. McKibben 편조의 중심에 위치하는 도 21c의 둥근 편조 나일론 근육의 전열 수축성 구동 (8개의 꼰 MWNT-코팅된 SZ 나일론 근육으로 구성됨)은 상기 McKibben 편조를 수축시키고 그의 다공성을 개방한다. 공극 면적 증가는 전열 구동의 결과로서 16%이다.
도 22c-22d는 각각, 무소음, 가역적 전열 구동에 대해 1개의 코일형, 2-말단-연결된, 2-겹, SZ 꼬인, 은-코팅된 나일론 섬유 근육을 사용함으로써 수득된 폐쇄된 위치 및 개방된 위치의 셔터를 보여준다. 상기 셔터는 섬유 구동 동안 폐쇄된 위치 (도 22c에서 수직 방향에 관하여 15°슬랫 기울기)로부터 90°(도 22d에서 완전히 개방된 위치)까지 개방된다.
도 23a-23b는 주위 온도의 변화를 사용하여 셔터를 가역적 개방 및 폐쇄하기 위해 양성 열 팽창을 갖는 맨드렐 코일형 나일론 6 모노필라멘트 섬유의 사용을 보여준다. 도 23a는 실온에서 폐쇄된 위치의 셔터를 보여주고 도 23b는 대략적으로 80℃의 환경적인 온도에서 개방되고, 확장된 상태의 셔터를 보여준다 (도 23b). 중간 온도 노출은 셔터 폐쇄의 중간 정도를 제공한다.
상세한 설명
본 발명은 단독 또는 두드러진 구동 물질로서 꼬임-스펀 나노섬유 원사 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유를 포함하는 기계적 액추에이터에 관한 것이다. 대부분의 종래의 기계적 액추에이터와 달리, 작동 물질의 특성 변화는 구동을 유발한다. 이러한 이유 때문에, 및 작동 중의 다른 유사성 때문에, 우리는 기계적 액추에이터를 인공 근육이라 칭한다.
인공 근육은 60년 이상 동안 실질적인 관심사가 되어 왔지만, 상업적으로 이용되고 있는 유형은 거의 없다. 전형적인 문제는 느린 반응, 느린 스트레인/힘 발생, 짧은 사이클 수명, 전해질의 사용, 및 낮은 에너지 효율을 포함한다. 우리는 빠르고, 큰-힘, 큰-스트로크 비틀림 및 인장 구동을 제공하는 전해질-없는 근육으로서 유용한 위상학적 복합성을 갖는 게스트-충전된, 꼬임-스펀 탄소 나노튜브 원사를 설계해 왔다. 백만 이상의 가역적 비틀림 및 인장 구동 사이클이 실증되었고, 여기서 근육은 평균 11,500 회전/분으로 회전자를 회전시키거나 또는 3% 인장 수축을 1,200 사이클/분으로 전달한다. 이러한 회전 속도는 인공 근육에 대해 이전에 실증된 것보다 20배 더 크고, 근육 수축 동안 27.9 kW/kg 전력 밀도는 천연 골격 근육에 대한 것보다 85배 더 크다. 원사 게스트의 전기적으로, 화학적으로, 및 광정으로 동력받는 치수 변화에 의한 하이브리드 원사의 구동은 나선형 원사 호스트의 비틀림 회전 및 수축을 발생시킨다. 설명은 기계적으로 작동하는 감지 공정의 에너지를 포착하는 비틀림 모터, 수축성 근육, 및 센서를 포함한다.
발명 구현예의 인공 근육은 꼬임-스펀 나노섬유 원사를 포함한다. 발명 구현예의 목적을 위해, "나노섬유들"은 1000 nm 미만의 최소 측방향을 갖는 섬유로서 정의된다. 100 nm 미만 또는 10 nm 미만의 우세한 최소 나노섬유 측면 치수를 갖는 전기적으로 상호연결된 나노섬유들의 네트워크는 상이한 발명 구현예에 특히 유용할 수 있다. 나노리본은 특정 유형의 나노섬유인 것으로 간주된다.
본 발명의 다양한 구현예를 제조 및/또는 사용하는 것은 이하에 논의되지만, 본 발명은 다양한 구체적인 문맥으로 구현될 수 있는 많은 적용 가능한 발명적 개념을 제공함이 인식되어야 한다. 본원에 논의된 특정 구현예는 단지 본 발명을 제조 및/또는 사용하기 위한 특정 방식의 설명이고, 본 발명의 범위를 정하도록 의도되지 않는다.
꼬임- 스펀 나노섬유 원사들의 제작 및 구조
액추에이터 물질은 최적으로 원사 또는 직조 직물 또는 편조된 또는 합사된 꼬임-스펀 원사와 같은 꼬임-스펀 나노섬유 원사를 포함하는 물질의 형태인 꼬임-스펀 나노섬유의 네트워크를 포함한다. 다양한 나노섬유 및 나노섬유 합성 및 제작 공정들은 유용하게 전개될 수 있고, 마찬가지로 상이한 나노섬유 유형들의 혼합물 및 나노섬유와 다른 물질들의 혼합물일 수 있다. 하나의 중요한 예로서, 특히 하이브리드 작동 원사들에 대해, 정전 방적에 의해 생산된 배향된 나노섬유들은 정전 방적 동안 또는 그 후에 원사로 꼬임-스펀될 수 있다. 또 하나의 중요한 예로서, 포레스트 그린 탄소 나노튜브 시트 내의 나노튜브는 템플레이트 (예컨대, 세라믹 또는 금속)로서 또 하나의 물질로 코팅될 수 있고, 이어서 작동 원사를 제조하도록 꼬임 스펀될 수 있다 (하이브리드 작동 원사를 제조하기 위해 게스트와 유용하게 침윤될 수 있음) [M. D. Lima 등, Science 331, 51-55 (2011)]. 의도된 근육 배치에 따라, 이러한 공정을 위한 나노튜브 템플레이트는 꼬임 방적 전 또는 후에 임의로 제거될 수 있다.
그것들의 강도, 전기전도도, 및 기계적 강도 때문에, 탄소 나노튜브들 (CNTs)은 발명 구현예에 대해 특히 바람직하다. 특히 유용한 유형의 CNTs는 탄소 다중벽 나노튜브 (MWNTs), 탄소 소수-벽 나노튜브 (FWNTs), 및 탄소 단일 벽 나노튜브 (SWNTs)를 포함한다. SWNTs 또는 FWNTs가 리본으로 붕괴되도록 나노튜브 직경이 충분히 큰 경우조차 그러한 SWNTs 및 FWNTs는 발명 구현예들에 대해 유용하다.
그래핀 시트의 나노리본을 포함하는 꼬임-스펀 나노섬유 원사는 본 발명의 구현예들을 위해 작동시키기에 특히 유용하다. 높은 종횡비 나노섬유들로서 이들 그래핀 리본을 제조하기 위한 하나의 바람직한 방법은 탄소 나노튜브들을 압축 해제함으로써 이루어진다 [D. M. Kosynkin 등, Nature 458 , 872-876 (2009)]. 이러한 압축 해제 공정은 CNT 배열 (예컨대, CNT 시트)이 원사로 꼬임 스펀되기 전 또는 후에 달성될 수 있다.
고체상 및 액체상 가공 방법들 모두는 발명 구현예들에 유용한 꼬인 나노섬유 원사를 생산하기 위해 사용될 수 있다. 유용한 용액 방적 방법의 일부 예들은 폴리머 응고제를 포함하지 않는 폴리머-응고-기반 방적 및 용액-기반 방적 방법이다 [B. Vigolo 등, Science 290, 1331 (2000); L. M. Ericson 등, Science 305, 1447 (2004); S. Kumar 등, Macromolecules 35, 9039 (2002); 및 A. B. Dalton 등, Nature 423, 703 (2003)]. 발명 구현예들에 유용한 꼬인 나노섬유 원사들을 제공하기 위해, 원사 꼬임은 원사 용액 방적 동안 또는 그 후에 삽입되어야 한다. 추가로, 용액 방적 후에 원사 내에 남아 있는 응고제들 (예컨대, 폴리머)를 사용하는 용액 방적을 위해, 발명 구현예들의 꼬임-스펀 원사를 제조하기 위해 이들 원사를 사용하기 전에 이들 응고제를 제거하는 것이 일반적으로 유용하다.
용액 방적을 위한 CNT 분산 동안 CNT 길이 저하 뿐만 아니라 꼬인 원사를 제조하기 위해 용액 방적을 사용하는데 있어서 이들 문제 때문에, 방적을 위해 적당한 나노튜브 어셈블리를 직접적으로 초래하는 화학적 증기 증착 방법이 바람직하다. 액체가 가공 동안 또는 그 후에 전개되는지 여부와 무관하게 액체 중의 CNTs의 분산을 포함하지 않는 그와 같은 방적 방법은 고체상 방적이라 지칭된다. 수득한 원사는 일반적으로 더 강하고 용액 방적에 의해 유도된 순수한 원사보다 더 큰 꼬임 삽입을 수용할 수 있다. 상기 제1의 그러한 고체상 방적 방법은 부유 촉매를 사용하는 나노튜브의 화학적 증기 증착 (CVD) 합성을 포함하고 차후의 원사는 수집된 CNT 에어로겔 내로의 꼬임 삽입을 끌어낸다 [Y. Li, I. A. Kinloch, A. H. Windle, Science 304, 276 (2004)]. 꼬임-기반 방적의 이후의 방법은 CVD에 의해 기반 상에 합성된 나노튜브 포레스트로부터 인출된 나노튜브 에어로겔 시트 내로 꼬임 삽입을 포함한다. 그러한 꼬임 삽입은 CNT 포레스트로부터 시트 인출 동안 [M. Zhang, K. R. Atkinson, R. H. Baughman, Science 306, 1358-1361 (2004)] 존재할 수 있거나 또는 시트 또는 시트 스택이 CNT 포레스트로부터 인출된 후에 존재할 수 있다 [M. D. Lima 등, Science 331, 51-55 (2011)].
달리 지적되지 않으면, 실시예 1-9에 기재된 인공 근육 원사는 꼬임-스펀 비-코일형 및 코일형 CNT 원사들을 제조하기 위해 하기 방법을 최초로 사용함으로써 제작되었다. 꼬임-스펀 원사를 생산하기 위해 인출 가능한 탄소 MWNT 포레스트는 촉매 탄소 전구체로서 아세틸렌 (C2H2) 가스를 사용하는 철 촉매에 의해 코팅된 실리콘 웨이퍼 상의 화학적 증기 증착에 의해 성장되었다 [M. Zhang, K. R. Atkinson, R. H. Baughman, Science 306, 1358-1361 (2004)]. 대략적으로 350 ㎛ 높은 포레스트의 투과 및 주사 전자현미경 (SEM) 이미지는 상기 MWNTs가 대략 9 nm의 외부 직경을 갖고, 약 6개의 벽을 함유하고 큰 다발을 형성함을 지시한다. 열 중량 측정 분석은 인출된 나노튜브 내의 불연성 물질의 양이 1 wt% 미만이고, 이는 잔류 촉매의 양에 대한 상한치를 배치함을 지시한다.
3개의 상이한 스크롤 기하학적 구조: 페르마, 아르키메데스의, 및 이중-아르키메데스로 초래되는 작고 큰 직경의 원사들이 제작되었다 [M. D. Lima 등, Science 331, 51-55 (2011)]. 작은 직경 원사는 포레스트로부터 또는 포레스트와 1개의 강성 말단 지지체 또는 2개의 강성 말단 지지체 사이에 현탁된 인출전 나노튜브 시트 내로 시트 인출 동안 대칭 꼬임 삽입에 의해 제조되었다. 최종 구속 조건의 차이 때문에, 이들 방법은 후자 경우에 대해 포레스트 및 이중-아르키메데스의 스크롤들 (도 1i)에 연결된 시트의 전자의 경우에 대한 페르마 스크롤들 (도 1h)을 제공하고, 여기서 강성 막대 지지체들이 사용된다. 원사 직경은 약 0.5 cm 내지 약 5 cm의 인출된 포레스트 폭을 변화시킴으로써 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛로 편리하게 변동될 수 있다. 훨씬 더 큰 직경의 이중-아르키메데스의 원사는 강성 막대들 사이에 20 내지 40 MWNT 시트 (1.0 cm 내지 2.5 cm 폭 및 5 내지 17 cm 길이)를 적층하고 전기 모터를 사용하여 꼬임을 삽입함으로써 일반적으로 제작된 한편, 시트 스택의 한쪽 말단은 회전을 금지하기 위해 연결된 5 g 중량을 지지하였다. 대략적으로 150 회전이 5 cm 길이 시트 스택을 이중-아르키메데스의 구조를 갖는 4.5 cm 길이 원사로 붕괴시키는데 필요했다. 꼬임 삽입 동안 비대칭 스트레스의 도입은 이들 페르마 및 이중-아르키메데스의 원사를 아르키메데스의 원사로 전환시킬 수 있다 [M. D. Lima 등, Science 331, 51-55 (2011)].
시트 인출 동안 포레스트로부터 직접적으로 방적된 페르마 원사는 함침-유도된 비틀림 구동; 폴리디아세틸렌 하이브리드 원사 근육; 2-겹 원사 근육; 및 합사되지 않은, 왁스-충전된 비틀림 근육에 대해 사용되었다. 도 2a 삽도; 도 3a-3b; 도 4a-4b; 도 5 및 도 6a-6b의 페르마 원사는; 포레스트로부터 나노튜브 시트의 길이를 인출하고, 이어서 모터 및 강성 지지체를 통해 시트의 한쪽 말단에 꼬임을 삽입함으로써 제작된 한편, 다른 말단은 상기 MWNT 포레스트로부터 자유롭게 인출되도록 허용된다. 달리 지적되지 않으면, 삽입된 꼬임은 최종 원사 길이에 관하여 정규화된다. 이들 다른 경우들에 대해, 대개의 경우에 꼬임이 이중-아르키메데스의 원사를 형성하기 위해 시트 스택에 삽입된 경우, 꼬임은 상기 시트 스택의 길이로 정규화되었다.
최종 원사 길이 (T) 및 최종 원사 직경 (d)당 삽입된 꼬임의 양은 중요한 파라미터이고, 이는 페르마 원사에 대해 원사 표면의 나노튜브 배향과 원사 방향 사이의 바이어스 각(α)을 결정한다. 달리 지적되지 않으면, d 및 α모두는 꼬임 풀림을 금지하기 위해 장력 하에 2-말단-연결된 원사에 대해 SEM 현미경검사에 의해 측정되었다. 페르마 원사에 대해, 이론적 관계 α = tan-1(πdT)는 실현된 원사 구조의 복잡한 특성에도 불구하고 관찰치와 일치되고, 이는 꼬임 삽입 동안 시트 주름 가공과 같은 그러한 공정들로 인해 확률론적 요소들을 함유한다 [M. D. Lima 등, Science 331, 51-55 (2011)]. 그에 반해서, 2개의 아르키메데스의 스크롤을 into 이중-아르키메데스의 스크롤 내로 합사함으로써 삽입된 회전 수 (대 각각의 아르키메데스의 스크롤 내에 꼬임을 제공하는 초기 회전 수)는 원사 에너지론의 결과이기 때문에, 단지 d 및 T로부터 α를 예측하기 위한 엄격한 위상학적 방정식은 존재하지 않는다. 동일한 이유 때문에, 어떠한 부가된 파라미터도 포함하지 않는 그러한 간단한 위상학적 관계는 임의의 유형의 코일형 꼬임-스펀 원사에 대해 수득될 수 없다.
꼬임 삽입의 방향에 따라, 원사는 (시계 방향 및 반시계 방향 꼬임 삽입, 각각에 대해) S 또는 Z 원사로 분류된다. 원사 내의 모든 분절이 상응하는 구조적 수준에서 동일한 키랄성을 갖는 경우, 상기 원사는 호모키랄이라 칭한다. 이는 예를 들면 SZ 2 겹 원사 (합사로 인한 S 꼬임 및 각각의 가닥 내의 Z 꼬임을 가짐)가 호모키랄임을 의미한다. 원사가 동일한 구조적 수준에서 상이한 키랄성을 갖는 분절을 갖는 경우, 상기 원사는 헤테로키랄이라 칭한다. 현재 기재된 헤테로키랄 원사에 대해, 상이한 키랄성 원사 분절은 본질적으로 서로 거울상이다 (도 8의 참고 삽도).
현재 사용된 용어 "삽입된 꼬임" (때때로 연결 수라 칭함)은 내부 원사 꼬임과 코일링으로 인한 꼬임의 합이다. 다른 구조적 용어들에 대해 행해진 바와 같이, "원사 직경"은 그것이 코일형 또는 합사된 구조 내에 있을 때조차 구성성분 원사의 직경을 의미하고, 그렇게 함으로써 분화된 "코일링된 원사 직경" 또는 "합사된 원사 직경"으로 분화된다.
과한-꼬임 MWNT 원사는, 보통의 직물 원사, 고무 밴드, 및 DNA 분자에 대해서와 마찬가지로, 코일링 ("비틀기"라 칭함)을 유발한다. 출원인은 합사된 원사 내의 코일링 뿐만 아니라 그러한 코일링은 코일링되지 않은 원사에 대한 것들과 비교하여 인장 스트로크 및 작업 능력을 극적으로 증폭시키기 위해 사용될 수 있다. 코일형 원사 (도 1e)는 원사가 그의 최초 길이의 30-40%까지 수축될 때까지 추가의 꼬임을 삽입함으로써 비-코일형, 꼬임-스펀 원사로부터 일정한 하중 하에 일반적으로 제작되었다. 4 g 하중 하에 40개의 동시-배향된, 9 mm 폭, 15 cm 길이 시트의 스택 내의 꼬임 삽입에 의해 제조된 이중-아르키메데스의 원사에 대해, 코일링은 대략적으로 580 회전에서 시작되었고, 상기 원사는 대략적으로 620 회전 후 완전히 코일링되었다. 완전한 코일링이 발생할 때까지 꼬임 삽입 (원사 말단 부근 제외)은 원사 길이의 60% 수축을 생산하였다.
4-겹 원사 (도 1g 및 도 1j)는 4개의 동일한, 평행한-정렬된, S-꼬인, 단일-겹 페르마 원사 내로 합사의 S 꼬임을 삽입함으로써 제작되었다. 2-겹 원사 (도 1f)는 하기와 같이 제작되었다: ZS 원사는 미터당 20,000 회전의 초기 꼬임을 갖는 11 ㎛ 직경, 페르마 S 원사 내로 약 30% 추가의 S 꼬임을 삽입함으로써 수득되었다. 이렇게 크게 꼬인 원사는 이어서 자체 접혀졌고, 그에 따라 S 꼬임의 일부는 합사로 인해 Z 꼬임으로 전환되었다. SZ 원사는 유사하게 제조되었다.
용어 코일형 원사는 이러한 코일링이 단순한 원사 과한 꼬임 (도 1e에서와 같음) 또는 원사 합사와 같은 그러한 공정들 (2-겹 원사에 대해 도 1f 및 4-겹 원사에 대해 도 1g)의 결과인지 여부와 무관하게 일부 원사 부분에서 적어도 대략적으로 나선형 형상을 갖는 원사를 포괄적으로 지칭하도록 본원에서 사용된다.
용도 요구에 따라, 꼬임-스펀 나노섬유 원사의 제작을 위해 사용된 나노섬유 시트는 꼬임 삽입 전에 임의로 조밀화될 수 있다. 또한, 꼬임 방적에 의해 생산된 나노섬유 원사는 꼬임 삽입 후 또는 그 동안에 임의로 조밀화될 수 있다. 시트 치밀화를 유발하기에 특히 편리한 방법은 액체 침윤 및 차후의 액체 증발 공정으로 인한 표면 긴장 효과를 사용함으로써 이루어진다.
나노섬유, 및 특히 폴리머 나노섬유의 전기 방적은 하이브리드 원사 근육에 대해 유용한 호스트를 제공하는 꼬임-스펀 나노섬유 원사에 유용한 대안적인 경로를 제공한다. 하나의 본 발명의 구현예에서, 이들 나노섬유는 문헌에 기재된 전기 방적 방법을 사용하여 나노섬유의 배향된 시트 내로 최초로 전기 방적된다 [L. S. Carnell 등, Macromolecules 41, 5345-5349 (2008); D. Li, Y. Xia, Advanced Materials 16, 1151-1170 (2004); P. Katta, M. Alessandro, R. D. Ramsier, G. G. Chase, Nano Letters 4, 2215-2218 (2004)]; S. F. Fennessey, R. J. Farris, Polymer 45, 4217-4225 (2004)]. 탄소 나노튜브 시트의 경우에 대해서와 마찬가지로, 이들 나노섬유 시트는 원사 내로 꼬임 스펀될 수 있다. 탄소 나노튜브 근육에 대해 사용된 게스트는 꼬임 방적 전에 시트 상의 게스트 침착에 의해 또는 꼬임 방적 후 게스트의 혼입에 의해 호스트 원사 내에 제공될 수 있다.
꼬임 삽입의 다양한 공지된 방법은 방적 동안 원사 내로 꼬임을 도입함으로써 사용될 수 있다. 그와 같은 방법은 비제한적으로 링 방적, 뮤울 방적, 캡 방적, 개방-단부 방적, 소용돌이 방적, 및 헛꼬임 방적 기술을 포함한다 [E. Oxtoby, Spun Yarn Technology, Butterworths, 1987 및 C. A. Lawrence, Fundamentals of Spun Yarn Technology, CRC Press, 2002 참조].
나노섬유를 포함하는 꼬임-스펀 원사는 선택된 본 발명의 구현예에 대해 특히 유용하다. 한 가지 이유는 하이브리드 원사 근육에서 용융된 게스트의 편리한 제한을 가능하게 하는 나노 규모로 발생하는 거대한 계면 에너지에 있다. 예를 들면, 작동된 왁스-충전된 원사 내의 용융된 왁스가 냉각될 때 분별 용적 감소 ΔVw/V-w를 겪는 것을 고려해보자. 이러한 왁스 용적 변화가 원사 용적을 감소시킴 없이 발생한 경우, 나노튜브-파라핀 계면 에너지 (γnp)는 (γna-γnp)(ΔVw/V-w)An의 에너지 비용으로 나노튜브-공기 계면 에너지 (γna)에 의해 대체될 수 있고, 여기서 An는 나노튜브의 중량측정 표면적이다. 0.35 kJ/kg의 에너지에 관하여 γna-γnp~18 mJ/m2 [R. Zhou 등, Nanotechnology 21, 345701 (2010)], An~97 m2/g [P. Poschke, S. Pegel, M. Claes, D. Bonduel, Macromol. Rapid Commun. 28, 244 (2008)], 및 ΔVw/V-w~0.2를 사용하는 것은 액체 왁스의 용적이 감소함에 따라 나노튜브 원사를 압축시키기 위해 이용 가능하다. 가열 및 상응하는 왁스 팽창에 의한 차후의 원사 구동 동안, 원사 내의 이러한 탄성 에너지는 점진적으로 방출되고, 그렇게 함으로써 관찰된 바와 같이 - 전체 구동 사이클에 걸쳐 용융된 왁스와 원사 용적 사이에 일치를 유지한다. 이러한 분석은 왁스 증발 뿐만 아니라 원사 표면 상의 과량의 왁스는 인장 스트로크를 감소시킬 것임을 정확하게 예측한다.
매우 크고 매우 작은 직경의 꼬인 나노섬유 원사들 모두는 본 발명의 구현예들에 대해 유용하다. 그러나, (1) 열 구동을 반전시키기 위해 주위 공기 내에서 보조되지 않는 냉각 속도는 원사의 표면-대-용적 비가 증가하는 원사 직경에 따라 감소함에 따라 일반적으로 증가하고 (2) 나노섬유 원사의 하중 전달 능력은 일반적으로 증가하는 원사 직경에 따라 증가함이 인식되어야 한다. ~4 ㎛ to ~50 ㎛의 단일-겹 탄소 나노튜브 원사 직경은 ~400 ㎛ 높이 탄소 나노튜브 포레스트로부터 직접적으로 꼬임 스펀될 수 있고, 증가하는 포레스트 높이 및 증가하는 포레스트 밀도는 포레스트의 주어진 폭을 방적함으로써 수득될 수 있는 원사 직경을 증가시킨다. ~400 ㎛ 높이 탄소 나노튜브 포레스트로부터 시트는 수백 마이크론 직경을 갖는 단일-겹 원사를 생산하도록 미리-인출되고, 적층되고, 이어서 꼬임 스펀될 수 있다. 이들 직경은 꼬임 삽입 이전에 원사 합사에 의해서 및 게스트 혼입에 의해서 극적으로 증가될 수 있다. 특화된 기술을 사용함으로써, ~100 nm까지 하향의 탄소 나노튜브 원사 직경은 탄소 나노튜브 포레스트로부터 꼬임 스펀될 수 있다 [W. Li, C. Jayasinghe, V. Shanov, M. Schulz, Materials 4, 1519-1527 (2011)]. 또한 본 발명의 구현예의 마이크론 규모 및 더 작은 규모 적용에 대해 중요하게는, 2개의 나노와이어의 자체-꼬임이 나노규모 합사된 원사 구조를 생산할 수 있다 [X.-Y. Ji, M.-Q. Zhao, F. Wei, X.-Q. Feng, Appl. Phys. Lett. 100, 263104 (2012)].
조사된 인장 및 비틀림 액추에이터는 하이브리드 원사의 구조를 안정화시키기 위해 적어도 30 초기 훈련 사이클에 적용되었고 및 그렇게 함으로써 때때로 2 백만 이상의 가역적 구동 사이클 동안 차후의 평가 동안 크게 가역적인 작동을 가능하게 한다. 열적으로 동력받는 근육의 경우에 대해, 이들 훈련 사이클은 전형적으로 근육이 전개될 수 있는 최대 온도까지였다.
나노섬유 원사 근육 내의 게스트의 혼입
호스트 원사 내로 게스트 작동 물질을 혼입하는 방법은 예를 들면, 용융 및 용액 침윤 (which can be 그 다음 원위치 중합) 및 바이스크롤링을 포함하고, 여기서 상기 게스트는 꼬임 삽입 전에 MWNT 시트 상에 증착된다 [M. D. Lima 등, Science 331, 51 (2011)]. 하이브리드 탄소 나노튜브 원사를 제조하기 위해 사용된 방법들의 일부는 실시예 1-4에 기재되어 있다. 파라핀 왁스는 높은 열 안정성; 전이 폭 및 온도의 조정 가능성; 상 전이 및 열 팽창과 연관된 큰 용적 변화; 및 탄소 나노튜브 원사를 습윤시키는 그것의 능력 때문에 바람직한 게스트이다.
일부 발명의 구현예들에 적용된 바와 같이, 바이스크롤링 방법 [M. D. Lima 등, Science 331, 51-55 (2011) 및 M. D. Lima 등, PCT 특허 WO2011005375 (A2)]은 (1) 포레스트로부터 직접적인 꼬임-기반 방적으로부터 초래되는 탄소 나노튜브 시트 쐐기 또는 (2) 포레스트로부터 시트 인출에 의해 수득된 자가-현탁된 나노튜브 시트 또는 시트 스택 상으로 게스트 물질의 침착을 포함한다. 다양한 호스트 나노섬유 웹 (즉, 시트)는 또한 위의 섹션 1.0에 기재된 바와 같이 유용하게 전개될 수 있다. 게스트 물질의 침착은 게스트 및 호스트의 층상 스택을 초래할 수 있는 종래의 방법을 사용하여 달성될 수 있다. 더욱 일반적으로, 본 발명의 구현예에 유용한 나노섬유 웹은 탄소 나노튜브 이외의 다른 나노섬유를 포함할 수 있고, 이들 웹은 정전 방적과 같은 다른 그러한 시트가 인출하는 공정에 의해 생산될 수 있다 [L. S. Carnell 등, Macromolecules 41, 5345-5349 (2008); D. Li, Y. Xia, Advanced Materials 16, 1151-1170 (2004); P. Katta, M. Alessandro, R. D. Ramsier, G. G. Chase, Nano Letters 4, 2215-2218 (2004); S. F. Fennessey, R. J. Farris, Polymer 45, 4217-4225 (2004)].
본 발명의 일부 구현예에서, 액체-없는 침착이 바람직하게는 사용된다. 정전 분말 코팅 건을 사용하여 운반 가스로부터 나노튜브 웹 (즉, 시트 또는 시트 쐐기) 상으로 게스트의 정전 침착은 빠르고 제어 가능하고 - 충전된 게스트 입자들과 접지되거나 또는 반대로 하전된 표적 웹 사이의 인력은 침착 영역에 걸쳐 게스트 입자의 균일하게 증착된 층의 형성을 돕는다.
다른 액체-없는 바이스크롤링 공정은 가스의 반응에 의한 그것들의 형성 직후에 가스-분산된 게스트 나노입자들의 전자 빔 증발, 스퍼터링, 화학적 증기 증착, 플라즈마-증대된 CVD, 건조 분말 에어브러쉬 침착, 또는 침착에 의한 게스트 물질의 침착을 포함한다.
액체 상태 및 준-액체-상태 게스트 침착은 또한 게스트 나노입자를 포획하기 위한 필터로서 나노튜브 시트 스택; 드롭 캐스팅, 및 잉크-젯 인쇄를 사용하여 전기영동 침착; 용액 여과-기반 침착과 같이 작업한다.
게스트의 잉크 제트 인쇄는 1 ㎍/cm2과 같이 그러한 낮은 면적 밀도를 갖는 자체-지지된 개별적인 나노튜브 시트에 대해서조차 효과적이고, 1개 이상의 게스트 물질의 패턴화된 침착을 제공하도록 편리하게 사용될 수 있고 - 그렇게 함으로써 원사 길이에 따라서 및 원사 직경에 따라서 게스트 조성물에서 조작된 변화를 유도한다. 그와 같은 비-균일한 게스트 침착은 원사 길이를 따라 구동을 변화시키기 위해 사용될 수 있다.
여과 방법에서, (a) 고체상-제작된 나노튜브 시트 스트립은 여과지의 상단에 배치되었고; (b) 액체-분산된 나노입자/나노섬유는 여과에 의해 나노튜브 스트립의 상단에 침착되었고; (c) 여과지 기판은 용매에 의해 용해되었고; 및 (d) 이중층 리본 스택 상의 꼬임-기반 방적은 액체 조에서 달성되었다 [M. D. Lima 등, Science 331, 51-55 (2011)]. 이러한 방법은 초음파 처리에 의해서와 같이 액체 분산될 수 있는 임의의 게스트 나노물질에 대해 실시될 수 있다.
시트 또는 시트 쐐기의 한쪽 위의 게스트의 균일한 코팅이 시트 표면 (예컨대 하나의 시트 에지에 인접함)의 분획에 대해서만 존재하는 게스트의 코팅으로 대체되고, 단일 아르키메데스의 스크롤의 형성이 거시적으로 관찰되도록 꼬임이 비대칭으로 인가되었을 때, 상기 게스트가 단지 코어 또는 쉘의 통로에 있는 경우의 코어-쉘 원사 구조 (우선적으로 스트레스된 쐐기 절반부에 부분적으로 의존함)가 초래된다 [M. D. Lima 등, Science 331, 51-55 (2011)]. 상기 제1 게스트에 의해 커버되지 않는 시트 영역 상에 제2 게스트를 침착시킴으로써, 제2 게스트는 원사 덮개를 점유할 수 있는 한편, 상기 제1 게스트는 원사 코어를 점유한다. 이러한 코어-덮개 바이스크롤링 기술 [M. D. Lima 등, Science 331, 51-55 (2011)]은 연료-동력받는 인장 및 비틀림 근육을 제조하기 위해 본 발명의 구현예들에서 전개된다. 연료 및 산화제 반응이 열을 생산하게 하는 촉매는 원사 덮개에서 바람직하고, 가열될 때 용적을 변화시키는 게스트는 원사 코어 내에서 바람직하다.
열적으로, 전열적으로, 및 광열적으로 동력받는 꼬임 스펀 근육에 대해 게스트를 변화시키는 용적의 선택은 상 전이 영역으로부터 제거된 온도 영역에서 고체상 상 전이, 고체-용융된 상 전이, 및 고체상 및 액체-상태 열 팽창 계수로 인한 용적 변화에 따라 이루어진다. 파라핀 왁스는 열-치수 변화의 온도 및 선명도 모두가 크게 동조될 수 있는 이점을 제공한다. 또한, 이들 왁스는 비독성이다. 폴리에틸렌 글리콜 및 지방산과 같은 다른 장쇄 분자들이 또한 유용하게 전개될 수 있다. 이들 분자들, 및 열 에너지 저장을 위해 전개될 수 있는 유사한 분자들 [S. Mondal, Applied Thermal Engineering 28, 1536-1550 (2008)]은 꼬임-스펀 근육 내의 게스트로서 사용될 수 있고, 이는 상 전이의 높은 엔탈피는 큰 용적 변화와 보편적으로 연관되기 때문이다. 유기 회전자 결정 (이들 장쇄 분자의 일부가 분류될 수 있음)은 회전적 장애가 크게 연관된 용적 변화를 가질 수 있는 고체상 전이에 의해 도입되기 때문에 유용하다 [J. M. Pringle, P. C. Howlett, D. R. MacFarlane, M. Forsyth, Journal of Materials Chemistry 20, 2056-2062 (2010); G. Annat, J. Adebahr, I. R. McKinnon, D. R. MacFarlane, M. Forsyth, Solid State Ionics 178, 1065-1071 (2007); J. Font, J. Muntasell, E. Cesari, Materials Research Bulletin 30, 839-844 (1995)]. 낮은 휘발성 때문에, 이온성 결정인 플라스틱 결정이 특히 유용하다. 비교적 낮은 온도에서 구동을 위한 하나의 예는 테트라에틸암모늄 디시안아미드이고 [J. M. Pringle, P. C. Howlett, D. R. MacFarlane, M. Forsyth, Journal of Materials Chemistry 20, 2056-2062 (2010); G. Annat, J. Adebahr, I. R. McKinnon, D. R. MacFarlane, M. Forsyth, Solid State Ionics 178, 1065-1071 (2007)], 이는 17 내지 20℃ 사이에 발생하는 고체상 상 전이에서 예리한 5.7% 용적 팽창을 겪는다.
게스트 물질이 액체 형태로 제조될 수 있고 이후에 고형화될 수 있는 용도에서, 여전히 낮은 정도의 삽입된 꼬임을 가질 때 나노섬유 원사를 침윤시키는 것이 유용하다. 이것은 저-꼬임 나노섬유 원사가 여전히 꼬임 삽입에 의해 완전히 조밀화되지 않기 때문에 유리하고, 나노섬유들 사이에 비교적 다량의 공극 용적이 존재한다. 이러한 큰 공극 용적 (총 원사 용적의 퍼센트로서 측정됨)은 큰 용적 퍼센트의 원사 게스트의 혼입을 가능하게 하고, 그렇게 함으로써 구동을 증폭시킨다. 이러한 저-꼬임-침윤 방법은 예를 들면, 전구체 액체 수지로서 꼬인 나노섬유 원사 내에 흡수된 나노섬유 원사 게스트에 인가될 수 있고, 이어서 용융된 상태로 꼬인 나노섬유 원사 내로 침윤되고 이어서 고형화되는 폴리머 또는 폴리머 혼합물로 중합된다. 수지 경화 또는 폴리머 고체화 후, 게스트-충전된 원사가 여전히 충분한 가요성을 유지하는 경우, 더 많은 꼬임은 그것을 완전히 코일링하기 위해 그렇게 함으로써 수득된 하이브리드 원사에 인가될 수 있다. 상기 게스트 물질이 호스트 나노섬유 원사를 코일링시킨 후 인가되는 경우, 훨씬 더 적은 공간이 원사에서 이용될 수 있고, 따라서 적은 게스트 물질이 혼입될 수 있다. 실리콘 고무의 95%를 함유하는 이중-아르키메데스의 원사는 이런 식으로 제조되었다 (실시예 21). 실리콘 고무는 하이브리드 원사에 기반한 인장 액추에이터를 위한 게스트 물질로서 매우 적당하고, 이는 열, 전열, 또는 광열 구동에 대한 크고 유용한 작업 온도 범위 (-55℃ 내지 300℃) 및 큰 선형 열 팽창 (3 x 10-4 /K)를 갖기 때문이다. 이러한 저-꼬임-침윤 방법을 사용하여 혼입될 수 있는 게스트 물질의 높은 용적 퍼센트로 인해, 매우 큰 액추에이터 스트로크가 수득될 수 있다. 이러한 저-꼬임-침윤 방법을 사용하여, 5 MPa 인장 하중 하에 최대 34% 인장 수축은 실리콘 고무 게스트를 함유하는 코일형 탄소 나노튜브 원사의 전기 펄스 가열을 위해 수득되었다 (도 17).
하이브리드 나노섬유 원사 근육은 임의로 (a) 코일링에 필요한 것보다 적은 꼬임을 삽입하는 단계, (b) 용융된 폴리머 또는 미경화된 폴리머 수지를 침윤시키는 단계, (c) 상기 폴리머를 고체화시키거나 또는 상기 폴리머 수지를 경화시키는 단계 및 (d) 원사 코일링을 유발하기에 충분한 꼬임을 삽입하는 단계의 공정에 의해 임의로 제조될 수 있다. 사실상, 용융된 폴리머 또는 미경화된 폴리머 수지를 침윤시키기 전에 삽입된 꼬임은 한쪽 방향으로 꼬임으로써 및 이어서 반대 방향으로 꼬임 해제함으로써 수득된 것과 마찬가지로 모두 또는 주로 헛꼬임될 수 있다.
비코일형 및 코일형 실리콘 고무 원사에 대해 그렇게 함으로써 달성된 실리콘 고무의 중량 퍼센트는 ~95%였다. 2 g/cm3 미만의 밀도를 갖는 게스트를 함유하는 하이브리드 나노섬유 원사에 대해, 게스트에 의한 바람직한 용적 하중은 약 50% 이상이고 게스트에 의한 더 바람직한 용적 하중은 약 85% 이상이다. 또한, 액체 게스트 또는 액체 게스트 전구체가 호스트 원사 내로 침윤되는 경우에, 게스트에 의한 바람직한 용적 하중은 약 50% 이상이고 및 게스트에 의한 더 바람직한 용적 하중은 약 85% 이상이다. 그러나, 적용 필요가 하이브리드 원사 스트로크의 증대보다 오히려 하이브리드 원사 강도의 증대에 대한 것인 경우들에 대해, 게스트의 더 낮은 용적 퍼센트 하중이 유용하게 전개될 수 있다. 용적 중량은 원사 게스트가 침윤되기 전에 꼬인 호스트 나노섬유 원사 내로 삽입되는 꼬임의 정도를 변화시킴으로써 응용 필요에 따라 변화될 수 있다.
인장 및 비틀림 구동에 대한 작동 원사 배치 및 키랄성의 효과
본 발명을 위해 수행된 실험 및 실험 결과를 설명하기 위한 이론적 분석을 기반으로, 우리는 다음, (1) 게스트 침윤은 전체 원사 또는 그의 길이의 2분의 1에 따르고, (2) 상기 원사는 호모키랄 (일 키랄성) 또는 헤테로키랄 (반대 키랄성을 갖는 동일한 길이 분절을 가짐)이고, (3) 모든 침윤된 원사 분절은 동일한 작동 조건들에 노출되는 것을 제외하고는 동일한 원사에 대해 비틀림 또는 인장 구동을 최적화하는 구성을 기재할 수 있다. 반대 키랄성 원사 분절 (S 및 Z와 같음)을 사용하여, 그것들의 상호 접점에서 회전자에 의해 (도 1d), 패들 상의 초기 토크를 최대화하고, 이는 이들 분절이 회전을 제공하도록 부가적으로 작동하기 때문이다. 도 1c의 1-말단-연결된 구성은 도 1d의 비틀림 회전의 두배를 제공하지만, 초기 토크의 2분의 1이고, 그에 따라 모든 구성은 동일한 비틀림 작업 용량을 제공한다. 2-말단-연결된 호모키랄 원사 내의 하나의 분절의 구동 (도 1b)은 작동 원사가 꼬임 해제됨에 따라 작동되지 않는 원자의 꼬임의 에너지 비용 때문에 도 1d의 헤테로키랄 원사에 대해서보다 더 작은 회전을 발생시킨다. 도 1c 구성에 대해서와 마찬가지로, 합사되지 않은 원사를 갖는 도 1d 구성은 S 꼬임이 다른 원사 분절 내의 Z 꼬임을 상쇄하는 것을 방지하기 위해 고체 게스트에 의해 내부적으로 구속되지 않는 한 가역적 구동을 제공하지 않는다. 이들 동일한 구성은 본 발명의 구현예들을 위해 유용하게 전개될 수 있고, 여기서 비틀림 또는 인장 구동은 꼬임이 삽입되고, 특히 원사 코일링을 초래하는 꼬임을 포함하는 폴리머 섬유에 의해 제공된다.
더욱 상세한 분석이 먼저 비틀림 구동을 위해 제공된다. 도 1c에서 작동 호모키랄 원사는 초기 온도로부터 최종 구동 온도로 가열될 때 Δθ(도/mm)의 원사 길이당 회전을 발생시킴을 고려하자. 연결된 말단으로부터 유리 원사 말단까지 임의의 거리 x에서 회전은 φ(x) = xΔθ이고, 이는 원사 말단에서 φ(L) = LΔθ이며, 여기서 패들이 위치한다. 도 1d에서 분절 길이 L/2를 갖는 헤테로키랄 원사에 대한 원사 중간점에서 패들 회전은 도 1c의 호모키랄 원사의 말단에서 현탁된 패들에 대한 것의 2분의 1일 것이다. 그러나, S 및 Z 원사 모두는 도 1d의 패들에 대해 동일한 토크를 제공하기 때문에, 이러한 구성에서 패들 회전을 가속화하는 초기 토크는 도 1c의 호모키랄 배치의 그것의 두배일 것이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 토크는 도 1d의 헤테로키랄 원사에 대한 LΔθ/2 회전 및 도 1c의 호모키랄 원사에 대한 LΔθ 회전 후에 사라지기 때문에, 비틀림 작업을 성취하는 능력은 두 경우에 동일하다.
조합된 비틀림 스트로크 및 비틀림 작업 능력의 관점으로부터, 도 1b의 하프-침윤된 호모키랄 원사 구조는 가장 불량한 성능을 제공한다. 작동 원사 분절의 꼬임 해제에 의해 발생된 비틀림 회전의 2분의 1은 비-작동하는 원사 분절을 꼬임 해제시키기 위해 사용되어야 하고, 구동 동안 L/2 작동 길이에 의해 생산된 패들 회전은 단지 LΔθ/4이고, 순수한 토크는 이러한 회전이 발생할 때 사라진다. 이러한 하프-침윤된 도 1b 구성은 게스트 용융점 미만으로 비틀림 구동을 최적화시키지 않더라도, 비틀림 복귀 스프링 (이는 나노섬유 원사를 필요로 하지 않음)을 갖는 이러한 유사한 구성은 게스트의 완전한 용융을 위한 온도가 초과될 때 크게 가역적인 비틀림 및 인장 구동 모두를 제공할 수 있는 단일 겹 원사에 대한 유일한 구성이다.
그러나, 크게 가역적인 비틀림 및 인장 구동의 조합은 원사가 2겹 (원사 내의 S 꼬임이 ZS 원사에 대한 합사로 인해 Z 꼬임에 의해 수반되고 그 반대가 ZS 원사에 대해 해당되는 경우)인 경우 게스트가 완전히 용융될 때조차 도 1c-1d 구성에 대해 수득될 수 있다. 이러한 가역성의 기원은 원사가 합사로 인한 증가된 꼬임을 제공하도록 작동될 때이고, 그것은 합사된 원사들 각각에서 꼬임을 동시에 감소시키고, 그렇게 함으로써 가역성을 유지하도록 작동하는 복원력을 제공한다.
본 관찰치는 단일-겹 작동 원사 분절이 이들이 구동 동안 수축함에 따라 꼬임 해제됨을 보여주기 때문에, 인장 수축을 최대화하는 원사 구성은 비틀림 구동을 최대화하는 것들이 아니다. ΔL/L의 인장 수축을 제공하는 도 1a의 2-말단 연결된 작동 원사를 고려해 보자. 도 1c에서와 같이 연결되지 않을 때, 구동 동안 호모키랄 원사의 꼬임 해제는 인장 수축을 부분적으로 상쇄하는 신장을 제공한다. 이러한 바람직하지 않은 신장은 도 1b의 2-말단 연결된, 2분의 1 침윤된 원사를 사용함으로써 크게 회피될 수 있고, 이는 작동 원사 분절의 꼬임 해제 동안 팽창이 작동되지 않는 원사 분절의 꼬임 해제 동안 수축에 의해 보상되기 때문이다. 도 1d의 헤테로키랄 원사 구성은 용적 확장 게스트에 대한 인장 성능을 감소시키고, 특히 원사 직경 및 비틀림 회전이 클 때조차, 원사 분절 모두는 구동 동안 꼬임 해제되고, 그렇게 함으로써 열 구동 동안 원하는 수축을 부분적으로 상쇄하는 신장을 제공하기 때문이다.
인장 수축의 이러한 바람직하지 않은 부분은 현저할 수 있고: 꼬임 삽입 동안 일정한 하중 하에 페르마 원사 수축에 대한 실험은 비-코일형, 탄소 나노튜브 원사를 생산하기 위한 꼬임 삽입의 말단 근처의 삽입된 꼬임 (mm의 길이당 도)에 대한 퍼센트 인장 변형률의 비율은 -0.231 d %/mm°이고, 여기서 d는 원사 직경임을 보여준다. 22와 32°사이의 원사 바이어스 각 및 9.6과 15 ㎛ 사이의 원사 직경인 이들 측정치는 100°/mm 비틀림 회전 (도 1c 또는 도 1d 구성에서)을 겪는 작동하는 10 및 100 ㎛ 직경 단일-겹, 페르마 원사가 0.23 및 2.3%, 각각의 꼬임 해제로 인한 저하된 인장 팽창 구성성분을 제공할 수 있음을 예측한다. 비틀림 구동에 대한 경우와 마찬가지로, 단일-겹, 꼬임-스펀 원사에 대해 유일한 도 1a 및 도 1b 구성은 게스트가 구동 동안 완전히 유체가 될 때 완전히 가역적인 인장 구동을 유지할 수 있다.
원사 중간점 또는 원사 말단에서 동일한 길이 원사 분절 및 회전자 (즉, 패들)의 위치의 상기 가정은 상기 논의에 대한 임의의 불필요한 복합성을 회피하기 위해 이루어졌다. 용도 요구에 따라, 상기 회전자는 원사 중심에 있을 필요가 없다. 사실상, 다중 회전자는 원사 길이에 따라서 전개될 수 있다. 추가로, 작동되지 않는 원사 길이는 많은 경우에 유일한 비틀림 복원 스프링으로서 작용하기 때문에, 이들 작동되지 않는 원사 길이는 다양한 물질로 제조된 비틀림 복원 스프링으로 대체될 수 있고, 나노섬유를 포함하지 않는 원사 또는 섬유를 포함한다. 마지막으로, 상이한 원사 분절이 작동되는 경우들에 대해, 이들 원사 분절은 반대 키랄성을 가질 필요가 없거나 또는 심지어 동일한 물질로 제조될 수 있다. 예를 들면, 하나의 작동된 2-겹 원사 분절은 원사 합사의 Z 원사 꼬임 및 S 꼬임을 가질 수 있는 한편 또 하나의 작동된 2-겹 원사 분절은 원사 합사에 대한 S 원사 꼬임 및 S 꼬임을 가질 수 있다. 또 하나의 예로서, 하나의 작동된 분절은 n-겹 원사일 수 있는 한편 또 하나의 원사 분절은 m-겹 원사일 수 있다 (n 및 m가 상이한 양의 정수인 경우). 사실상, 작동 원사는 임의로 작동 비-원사 분절, 예컨대 열적으로 작동된 형상 기억 폴리머 또는 형상 금속 기억 와이어를 포함할 수 있다. 유사하게, 꼬인 폴리머 섬유 근육은 다른 근육 유형과 임의로 조합될 수 있다.
도 1a-1d의 구성은 구동 동안 일정한 인장 하중을 지시하지만, 많은 실제적인 용도에서, 인장 하중은 구동 동안 변화할 것이다. 이는 예를 들면, 이들 구성에서 일정한 기계적 인장 하중에 대한 원사 근육의 부착이 그의 반대 말단이 병진되기에 자유롭지 않은 스프링에 대한 원사 근육의 부착에 의해 대체되는 경우일 것이다. 이러한 스프링은 캔틸레버 스프링을 포함하는 다양한 유형일 수 있다.
또한, 도 1a-1d의 구성이 회전자의 비틀림 변위, 인장 변위, 또는 이들 변위의 조합을 가능하게 하도록 설계되지만, 원사 근육은 또한 비틀림 또는 병진 변위를 제공할 필요 없이 토크를 제공하고 힘을 발생시키도록 유용하게 전개될 수 있음이 이해되어야 한다.
나노섬유 원사 근육의 성능
조사된 인장 및 비틀림 액추에이터는 하이브리드 원사의 구조를 안정화시키기 위해 적어도 30 초기 훈련 사이클에 적용되었고, 그렇게 함으로써 차후의 평가 동안 때때로 2 백만 이상의 가역적 구동 사이클 동안 크게 가역적인 작동을 가능하게 한다. 투석기로서 작동 원사의 기재된 사용의 예외 (실시예 12 및 최대 발생된 토크의 관련된 특성) 및 실시예 18 및 실시예 19의 결과에 의해, 모든 액추에이터 측정은 등장성이었고, 이는 일정한 기계력이 구동 동안 원사에 인가되었음을 의미한다. 보고된 중량측정 작업 및 동력 능력은 작동된 원사의 총 중량에 관하여 정규화된다. 실시예 5-19 및 실시예 21에서 액추에이터 측정 결과는 꼬인 탄소 나노튜브 원사들에 대한 것이다.
실시예 5는 원사 코일링이 모든 원사들에 대한 열 인장 수축을 크게 증대시켰고, 게스트 침윤 (본 실시예에서 파라핀 왁스)도 증대되었음을 보여준다. 주위로부터 백열 온도 (~2,560℃)까지 3.8 MPa 인장 응력 하에 순수한 코일형 원사를 가열하는 것은 0.16 kJ/kg 작업 능력에 상응하는 7.3% (도 2b)의 가역적 원사 수축을 제공하였다.
실시예 6은 분당 1,200 사이클 및 3% 스트로크가 전열 구동 동안 그 자신의 중량의 17,700 배를 들어 올리는 2-말단-연결된, 파라핀-왁스-충전된, 코일형 페르마 원사를 사용하여 1.4 백만 이상의 사이클 (도 3a) 동안 입증되었음을 보여준다. 잘-분리된 25 ms 펄스를 적용시키는 것은 4.2 kW/kg의 평균 파워 출력에서 이러한 수축 동안 1.58% 초기 수축 및 0.104 kJ/kg의 기계적 에너지를 생산하였고, 이는 공통의 내부 연소 엔진의 동력-대-중량비의 4배이다.
실시예 7은 인장 액추에이터로서 실시예 6의 원사 근육의 성능은 인가 전압 및 기계적 하중을 증가시킴으로써 최적화될 수 있지만, 전열 구동 동안 사용된 펄스 지속시간을 감소시킴을 보여준다. 본 실시예 7의 도 3b는 일련의 구동을 보여주고, 여기서 상기 원사는 32 V/cm가 15 ms 동안 인가될 때 30 ms 내에 그의 질량의 175,000 배를 들어 올렸다. 수축 동안 작업 (0.836 kJ/kg)은 27.9 kW/kg의 파워 출력을 제공하였고, 이는 포유동물 골격 근육의 피크 출력의 85 배 (0.323 kW/kg) 및 이전의 탄소 나노튜브 근육의 최대 측정된 전력 밀도의 30 배이다 [J. Foroughi 등, Science 334, 494 (2011)].
실시예 7 및 도 3c는 왁스 하이브리드 원사에 대해 수축 동안 스트로크 또는 작업을 최대화하는 최적의 양의 코일링이 존재함을 보여준다. 5.6%의 최대 수축이 중간체 꼬임을 갖는 코일형 페르마 원사에 대해 5.7 MPa 스트레스에서 관찰되었다. 6.8% 더 많은 꼬임을 코일형 원사에 첨사하는 것은 최대 수축 (5.1% 스트레인에 대해 16.4 MPa)의 스트레스 및 최대 측정된 수축성 작업 (84 MPa에서 1.36 kJ/kg)을 증가시켰고, 이는 천연 근육의 작업 용량의 29배였다. 5.5 MPa 스트레스 하의 10%의 수축은 잘-분리된 50 ms, 15 V/cm 펄스를 적용시킴으로써 150 ㎛ 직경, 부분적으로 코일형, 이중-아르키메데스의 원사에 대해 실현되었다 (도 3d). 이러한 원사의 단면적은 도 3a 및 도 3b의 원사에 대한 것보다 170배 더 컸기 때문에, 주위 공기의 수동적인 냉각은 덜 효과적이었다: 냉각 시간은 약 25 ms로부터 약 2.5 s로 증가되었고, 가열 및 냉각 시간 모두가 고려될 때 낮은 수축성 전력 밀도 (0.12 kW/kg)를 초래한다.
도 1a 구성에서 순수한 페르마 원사에 대한 실시예 8은 꼬임의 중요성을 보여주고 전열 수축에 대한 바이어스 각 증가를 초래한다 (도 5).
실시예 9는 원사 중간점에서 패들을 회전시키는 10 ㎛ 직경, 2-말단-연결된, 하프-왁스-침윤된 호모키랄 페르마 원사에 대해 2백만 사이클 동안 매우 빠르고, 크게 가역적인 비틀림 구동을 입증하였다 (도 1b 구성). 하이브리드 원사는 16.5 배 더 무거운 패들을 분당 완전한-사이클-평균 11,500 회전까지 - 먼저 하나의 방향으로, 이어서 역으로 가속화시켰다 (도 4a). 구동 온도가 완전한 왁스 용융 온도보다 훨씬 더 높더라도, 이러한 큰 사이클 수명은 비틀림 복원 스프링의 존재 때문에 수득되었다 (도 1b의 작동되지 않는 원사 분절). 도 4b는 150 배 더 무거운 패들을 백만의 크게 가역적 사이클 동안 회전시키는 유사한 원사에 대한 입력 전력 및 인가된 인장 하중에 대한 비틀림 회전의 의존도를 보여준다. 하중을 증가시키는 것은 회전 속도를 평균 5,500 회전/분으로부터 7,900 회전/분의 최대 평균까지 증가시켰다. 가역적 비틀림 구동 (12.6°/mm)은 또한 100 W 백열 램프로부터 광 펄스를 사용하는 가열로 전기적 가열을 대체함으로써 하프-왁스-침윤된 원사에 대해 유도되었다.
실시예 10은 2-말단 연결된 호모키랄 원사를 위한 비틀림 구동에 대한 왁스 침윤의 효과를 특징으로 하고, 상기 원사의 2분의 1이 작동하고, 나머지 절반은 비틀림 복원 스프링으로서 크게 기능한다. 원사를 함유하는 왁스에 대한 구성은 도 1b에 대해서와 정확하게 동일하였고, 비-침윤된 원사에 대해 전력이 원사 길이의 단 하나의-절반부에 인가된 것을 제외하고는 상기 2개의 원사 분절이 등가인 경우에만 상이하다. 이들 비교예에서 동일한 기계적 하중이 인가되었고 구동을 달성하기 위해 사용된 전압은 동일하였다. 일부 비틀림 구동 회전이 순수한 원사에 대해 관찰되었지만 (4.9°/mm), 이러한 회전은 원사 분절들 중의 하나가 파라핀 왁스에 의해 차후에 침윤되었을 때 관찰된 71.2°/mm 전열 비틀림 구동에 비교하여 낮았다.
실시예 11은 도 1d 구성에 대해 가역적 전열 비틀림 구동을 가능하게 하는 2-겹 헤테로키랄 원사 (합사되지 않은 헤테로키랄 원사 대신)의 사용을 입증하였다. SZ 원사는 분당 20,000 회전의 초기 꼬임을 갖는 11 ㎛ 직경, 페르마 Z 원사 내로 약 30% 초과 꼬임을 삽입함으로써 수득되었다. 이러한 크게 꼬인 원사는 이어서 자체 접혀졌고, 그에 따라 Z 꼬임의 일부는 합사로 인해 S 꼬임으로 전환되었다. ZS 원사는 유사하게 제조되었다. 이어서, 이들 원사는 함께 매듭지어졌고, 패들은 매듭의 위치에 부착되었다. 수득한 2-겹 SZ-ZS 원사 구조는 20 ㎛ 직경이었다. 입력 전력 측정의 함수로서 비틀림 구동의 정상상태 측정 (도 8)은 가역적 비틀림 회전이 (1) 왁스의 용융점 이상까지 왁스-충전되고 작동되거나 또는 (2) 순수하고 진공에서 백열 온도까지 작동된 헤테로키랄, 2-겹 페르마 원사에 대해 도 1d 구성을 초래함을 보여준다. 이들 실험에 대해 상기 인가된 스트레스는 순수한 원사에 대해 3.2 MPa 및 왁스-충전된 원사에 대해 5.8 MPa였다. 왁스-충전된 SZ-ZS 원사에 대해 여기서 달성된 최대 비틀림 구동 (68°/mm)은 도 1b 구성에서 실시예 10의 하프-침윤된 호모키랄 원사에 대해서와 거의 동일하고 (71.2°/mm), 진공에서 순수한 SZ-ZS 원사는 30°/mm 비틀림 구동 (대 공기 중에서 실시예 10의 하프-작동된, 순수한, 호모키랄 원사에 대해 4.9°/mm)을 제공하였다. 나노튜브 비틀림 액추에이터에 대해 낮더라도, 순수한 원사에 대한 이러한 30°/mm의 비틀림 구동은 형상 기억 합금, 강유전성 세라믹, 또는 도전성 폴리머에 대해 이전에 보고된 최대치의 200 배이다. 비틀림 구동은 또한 1 Hz 빈도 및 20% 듀티 사이클에 의해 9.7 V/cm 전압 펄스를 사용하여 백열 온도까지 진공에서 구동될 때 이러한 순수한 2-겹 원사에 대해 조사되었다. 27°/mm 회전은 분당 510 회전수의 평균 속도로 관찰되었다. 이러한 가역적 행동은 원사가 구동 사이클 내의 모든 지점에서 고체 게스트를 함유하지 않을 때 도 1d 구성에서 헤테로키랄, 단일-겹 원사의 구동의 가역성의 결여와 대조된다. 후자의 경우에, 상기 2개의 원사 분절의 반대 꼬임의 영구적 취소가 구동 동안 발생하고, 그렇게 함으로써 사이클링 동안 비틀림 회전의 영구적 신장 및 감소를 초래한다.
실시예 12는 파라핀-왁스-침윤된, 코일형 탄소 나노튜브 원사가 거대한 특정 토크를 발생시킬 수 있고 이러한 토크는 물체를 던지기 위해 사용될 수 있음을 입증한다. 스택 길이당 대략적으로 3,000 회전/m의 삽입된 꼬임을 갖는 100 ㎛ 직경, 6.4 cm 길이, 완전히-침윤된, 헤테로키랄, 이중-아르키메데스의 원사에 대해 측정된 정적인 특정 토크 대 인가된 전력은 도 4c에 도시되어 있다. 8.42 N.m/kg의 최대 특정 토크는 이러한 100 ㎛ 직경 원사에 대해 발생되었고, 이는 전기화학적으로 유도된 나노튜브 원사에 대해 입증된 것보다 5배 더 크고 [J. Foroughi 등, Science 334, 494-497 (2011)] 대형 전기 모터에 대해서보다 약간 더 크다 (최대 6 N.m/kg).
실시예 13은 파라핀 왁스에 대한 대안적인 용적-확장 게스트를 함유하는 하이브리드 원사에 대한 가역적, 전열적으로 동력받는 비틀림 구동을 입증한다. 이는 CH3(CH2)11C≡C-C≡C(CH2)8COOH에 대해 입증되었고, 이는 꼬임-스펀 페르마 원사 (d = 9 ㎛ 및 α = 26) 내로 침윤되었고, 실시예 2에 기재된 바와 같이 폴리디아세틸렌 (PDA)을 생산하기 위해 1,4-부가에 의해 광중합되었다. 상기 제1 조사된 수평 구성 (도 7a, 이는 도 1b 구성과 유사함)에 대해 상기 2-말단-연결된 호모키랄 페르마 원사는 일정한 하중 (2 MPa, 상기 작동되지 않는 원사의 단편으로 정규화되었을 때)을 지원하였다. 13 mW/cm 입력 전력이 인가되었을 때, 100°/mm의 가역적 패들 회전은 작동된 원사가 주울 가열 동안 꼬임 해제되었을 때 생산되었다. 크게 가역적인 구동은 5,000 이상의 온-오프 사이클 동안 입증되었고, 이는 조사된 최대치였다. 1-말단-연결된 구성에 대한 추가의 실시예 13 결과는 원사 내부의 폴리디아세틸렌이 원사 용적이 냉각 동안 감소할 때 비틀림 구동이 역전되게 하는 내부 비틀림 스프링으로서 기능함을 지시하였다. 상응하는 순수한 원사는 복원 스프링을 갖지 않기 때문에, 그것은 가역적 비틀림 구동을 제공하지 않았다. 이러한 청색-적색 상 전이에서 몇 퍼센트 욕정 증가 및 63℃에서 용융되는 불완전하게 중합된 모노머로부터 더 큰 용적 변화로 인해, 100°/mm의 가역적 비틀림 회전은 도 1b의 2-말단-연결된, 하프-침윤된 원사 구성에 대해 80℃ 미만까지 구동을 위해 수득되었다. 더 높은 온도까지의 구동은 비가역적 상 전이 때문에 마찬가지로 저조하게 가역적이었다.
실시예 14는 실시예 4의 팔라듐 하이브리드 탄소 나노튜브 원사에 대해 흡수에 의해 동력받는 구동을 입증하였다. 도 1d의 구성은 0.022 MPa 인가된 인장 응력을 사용하는 비틀림 구동의 특성화를 위해 전개되었다. 가역적 비틀림 구동은 그의 자유 말단에서 수소 흡수 동안 수천배 더 무거운 패들을 회전시키는 이중-아르키메데스의 원사 내의 나노튜브 다발 상에 60 nm 두께 팔라듐 층 상의 수소의 흡수 및 탈착에 의해 동력받았다. 액추에이터를 함유하는 진공 챔버 내로 0.05 atm H2의 주사는 ~6 s 내에 1.5 패들 회전을 유발하였고, 이는 수소 노출과 진공 사이의 반복된 사이클링 동안 유사한 시간 규모로 완전히 역전되었다. 10 ㎛ 두께 Pd 합금 층의 치수 변화를 이용하는 캔틸레버-기반 액추에이터는 이전에 입증되었지만 [M. Mizumoto, T. Ohgai, A. Kagawa, J. of Alloys and Compounds 482, 416-419 (2009)], 반응 시간은 수십 분이었다. 원사의 100-배 더 빠른 반응 속도는 Pd 코팅의 원사 기공도 및 얇음으로부터 초래되었다. 그와 같은 원사 액추에이터는 표적화된 수소 압력이 초과될 때 유입구를 빠르게 폐쇄시키는 지능형 근육으로서 사용될 수 있다.
실시예 15는, 도 9a의 액추에이터 시험 구성을 사용하여 액체 흡수 및 탈착이 또한 도 9b에 도시된 바와 같이 작동을 구동할 수 있고, 여기서 2-말단-연결된 페르마 원사의 비틀림 구동은 액체 내 함침 길이의 함수로서 도시된다. 크게 가역적인 비틀림 회전은 습윤 액체 내의 2-말단-연결된 호모키랄 원사의 함침 깊이를 변화시킴으로써 수득되었다. 초기 트레이닝 주기 후, 도 9b의 데이터는 패들 회전각 (φ)이 아세토니트릴 및 헥산, 각각에 대해 49.6 ± 3.4 및 35.3 ± 1.7 도/mm의 대략적인 기울기와 원사 함침 깊이의 함수임을 보여준다.
실시예 16은 실시예 3에 기재된 방법을 사용하여 폴리에틸렌 글리콜 (PEG)에 의해 부분적으로 침윤된 2-말단-연결된, 호모키랄, 비-코일형 페르마 원사에 대한 비틀림 구동을 실험적으로 입증한다. PEG는 그것이 용융 동안 10% 만큼 용적을 확장시키기 때문에 탄소 나노튜브 원사 내의 게스트로서 선택되었다 [L. J. Ravin, T. Higuchi, J. Am . Pharm . Assoc . 46, 732-738 (1957)]. 도 1b 구성을 사용하여, PEG의 용융 온도 이상까지의 구동은 전체 원사 길이에 따라 2.4 mA 구형파 전류 펄스 (3.4 Hz 빈도 및 25% 듀티 사이클)를 적용시킴으로써 생산되었다. 구동 동안 상응하는 동력은 16 mW/cm였고 구동 동안 인가된 인장 응력은 23 MPa (작동되지 않은 원사의 단면에 대해 정규화되었을 때)였다. 이러한 펄스 전력 입력을 사용하여, 분당 1,040 회전수의 최대 회전 속도 및 37°/mm의 비틀림 회전이 (침윤된 원사 분절이 가열 동안 최초로 꼬임 해제되고 이어서 보조 없는 냉각 동안 다시 꼬이는 구동 사이클 동안) 수득되었다. 구동에서 어떠한 저하도 관찰된 사이클의 최대 횟수 (100,000 사이클)에 이르기까지 관찰되지 않았다.
전기적 가열에 대한 대안으로서, 실시예 17은 파라핀-함유 탄소 나노튜브 하이브리드 원사의 비틀림 및 인장 구동이 수작업으로 스위치 온 (1.6 내지 2s) 및 오프 (0.3 내지 0.5s)된 100W 백열 램프로부터 백열 가열에 의해 생산될 수 있음을 입증하였다. 도 1b 구성을 사용하여, 12.6°/mm의 가역적 비틀림 구동은 파라핀 왁스에 의해 하프-침윤된 2-말단 연결된 호모키랄 페르마 원사 ( ~20,000 회전/m의 삽입된 꼬임을 갖는 ~15 mm 직경)에 대해 수득되었다. 가역적 인장 수축은 이러한 원사 분절을 광적으로 가열함으로써 유발된 비틀림 구동 동안 파라핀-함유 원사 분절의 꼬임 해제와 동시에 발생하였다.
실시예 18 및 19는 고주파수로서 증폭된 스트로크를 달성하기 위해 레버 암 및 캔틸레버 팔, 각각의 사용을 입증한다. 파라핀 왁스에 의해 완전히 침윤된 2-말단-연결된, 호모키랄, 코일형 페르마 원사는 구동을 제공하였다. 강성 레버 암 및 73 mm 길이 왁스 하이브리드 근육을 사용하여, 6.7 Hz에서 10.4 mm 및 10 Hz에서 3.5 mm의 변위가 입증되었다. 와이어 캔틸레버 및 동일한 왁스 하이브리드 근육을 사용하여, 3.4 mm의 캔틸레버 변위가 75 Hz에서 달성되었다. 마이크로-공기 비히클에 대한 비행을 달성하기 위해 이들 하이브리드 꼬임-스펀 원사의 사용과 관련하여, 이들 주파수는 곤충 비행에 대해 사용된 범위 내 (전형적으로 5 내지 200　Hz)임에 주의하자.
고속 및 높은 특정 작업 및 전력 능력을 제공하는 높은 사이클 수명 비-전기화학적 비틀림 및 인장 근육을 가능하게 하는 것 외에, 본 발명의 구현예는 이중 층 전하 분사에 의해 작동하는 선행 기술의 인공 근육의 성능을 개선한다 [J. Foroughi 등, Science 334, 494-497 (2011)]. 이들 개선은 원사 합사의 결과로서 과잉 꼬임 또는 코일형에 의해 생산된 비틀림의 결과로서 코일링된 원사에 의한 전기화학적 이중-층 하전을 위해 사용된 비-코일형 원사의 재구성을 포함한다. 이러한 코일링은 전기화학적으로 이중-층 충전된 인공 근육에 대해 수득될 수 있는 인장 액추에이터 스트로크를 증가시킨다. 이들 이전의 전기화학적 근육이 구동 동안 영구적 꼬임 해제 때문에 1-말단-연결된 배치 또는 헤테로키랄 구성을 사용하여 가역적으로 작동될 수 없지만, 본 발명의 구현예는 가역적 구동이 두 경우에 수득될 수 있음을 보여준다 (도 1c 및 도 1d의 구성). 이러한 후자의 개선은 작동 원사 내부의 액체가 구동을 생산하는 용적 변화를 제공하고 있을 때조차 가역적 구동을 수득하기 위해 적당하게 합사된 원사가 전개될 수 있다는 본 발견으로부터 초래된다. 그와 같은 적당하게 합사된 원사 (SZ 및 ZS 원사와 같음)는 원사 코일 없음이 합사된 원사 내의 꼬임의 증가와 연관되는 것들이다. 원사 내의 코일링 및 꼬임으로 인한 꼬임 사이의 이러한 밸런스는 1-말단-연결하고 헤테로키랄 구성에 대한 가역성을 가능하게 하는 비틀림 복원 스프링처럼 작동한다.
꼬임-삽입된, 비-코일형 및 코일형 폴리머 섬유 근육의 제작
꼬임-삽입된, 비-코일형 및 코일형 폴리머 섬유 근육을 제조하기 위한 전구체로서 사용된 폴리머 섬유는 잘 알려진 방법을 사용하여 특별히 제조될 수 있지만, 시판되는 고-강도 섬유 (단일 필라멘트 또는 다중필라멘트) - 가장 종종은 낚시줄 또는 재봉사로서 사용되는 것들을 사용하는데 있어서 이점이 발견된다. 현재의 선택을 위한 이유는 비용이고, 이는 이들 섬유가 많은 용도에 대해 상업적으로 이미 광범위하게 사용된다는 사실에 의해 감소된다. 또한, 출원인이 다양한 시판되는 섬유를 가열될 때 10% 이상의 가역적 수축을 제공하는 인공 근육으로 전환시키지만, 높은 기계적 강도를 갖는 고분자량 폴리에틸렌 (PE) 및 나일론 6 또는 나일론 6,6 섬유는 그것의 높은 강도, 특히 구동 동안 높은 실현 가능한 수축, 및 비교적으로 저비용에서 상업적 이용가능성 때문에 근육 전구체로서 특히 바람직하다.
본 발명의 구현예의 탄소 나노튜브 원사 근육에 대해서와 마찬가지로, 꼬임이 이들 높은 강도의 폴리머 섬유 내로 삽입된다. 이러한 꼬임은 섬유를 키랄성이 되게 하고, 이는 이들을 비틀림 인공 근육으로서 기능하게 한다. 가장 중요하게는, 액추에이터 인장 스트로크를 최대화시키기 위해, 출원인은 이러한 꼬임의 일부가 섬유 코일링으로 전환되는 그러한 다량의 꼬임 (초기 섬유 길이의 미터당 회전수로 측정됨)을 삽입하였다. 이러한 코일링은 형상 기억 금속 와이어의 스트로크를 증폭시키기 위해 사용된 코일링보다 훨씬 더 컴팩트하다. 일부 바람직한 본 발명의 구현예에서, 섬유 직경에 대한 평균 코일 직경 (즉, 내부 및 외부 코일 반경의 평균)의 비율인 스프링 지수는 약 1.7 미만인 반면에, NiTi 스프링에 대해 이러한 비율은 4를 초과한다. 사실상, 하부 직경 비에 대해 NiTi 형상 기억 와이어를 꼬려는 시도는 와이어 실패를 초래한다. 비-코일형 형상 기억 금속 와이어는 마르텐사이트에서 오스테나이트 상 전이 이상으로 가열될 때 수축되고, 이는 코일형 형상 기억 와이어에 대한 열 수축에 반연되어 있는 한편, 연구된 꼬이지 않은 폴리머 섬유는 양성 또는 음성 섬유-방향 열 팽창 계수를 갖는다. 조사된 크게-배향된 섬유에 대한 열 팽창 계수의 표시와 독립적으로, 섬유 꼬임 및 섬유 코일링 모두에 대해 동일한 방향으로 자동 코일링을 초래하는 꼬임 삽입 후, 상기 코일형 섬유는 인접한 코일이 접촉되지 않는 한 가열될 때 수축한다. 이러한 후자의 경우에, 상기 코일형 섬유는 구동 동안 온도 증가의 결과로서 확장할 수 있다.
꼬임은 상부 섬유 말단을 회전식 전기 모터의 축에 부착하고 그의 회전이 차단되는 중량에 하위 섬유 말단을 부착함으로써 폴리머 섬유 내로 가장 단순히 삽입된다. 섬유 코일링은 섬유 길이를 따라 1개 이상의 위치에서 일반적으로 핵을 이루고 및 이어서 전역으로 전파된다. 인가된 중량은 중요하고, 주어진 섬유에 대해 좁은 범위에 걸쳐 조정 가능하다 - 너무 적은 중량 및 섬유가 꼬임 삽입 동안 엉키고 너무 많은 중량 및 섬유는 꼬임 동안 파괴된다. 인가된 중량의 이러한 범위에서, 인접한 섬유 코일이 수축한다. 그러한 코일 접촉은 구동 동안 수축에 의해 간섭될 수 있기 때문에, 더 큰 중량은 코일을 분리시키기 위해 구동 동안 인가된다. 대안적으로, 더 낮은 중량은 섬유가 코일을 분리시키기 위해 의도적으로 부분적으로 꼬임 해제되는 경우에 인가될 수 있고, 이는 보통 코일의 수를 감소시킴 없이 발생한다. 그대로의-코일형 섬유는 상대적인 말단 회전이 허용되는 경우에 부분적으로 코일링되지 않을 것이다. 열적 어닐링이 코일형 섬유를 열-고정시킬 수 있더라도, 실질적인 인장 응력의 차후의 적용은 여전히 말단 회전이 허용되는 경우 코일링이 사라지도록 유발할 것이다. 코일들의 수가 코일-대-꼬임 전환에 의해 감소되는 2-말단-연결된 섬유로 저온에서 충분히 높은 하중을 인가하는 것이 가능하지만, 이것은 섬유가 파괴되기 때문에 고온에서 덜 성공적이다. 일 예로서, 일정한 30 g 하중 하에 130 mm 직경 나일론 6 (Coats 및 Clark으로부터 0.005 크기 모노필라멘트)에 대해, 섬유 코일링의 시작 전에 삽입된 꼬임 밀도는 2046 회전/미터 ± 3%이고, 코일링의 종료 전에 총 삽입된 꼬임은 3286 회전/미터 ± 4%이며, 3653 회전/미터 ± 3%의 총 삽입된 꼬임은 코일형 섬유가 파괴되도록 유발한다.
도 10 (중간)은 크게 코일형 나일론 6 인공 근육 섬유의 광학적 이미지를 보여준다. 토크-밸런스된 구조를 제공함으로써 꼬일링되지 않음에 관하여 이러한 섬유를 안정화시키기 위해, 동일한 꼬임 방향을 갖는 2개의 섬유 (예컨대 오른쪽 Z 꼬임) 합사에 대해 꼬임의 반대 방향 (S 꼬임)을 사용함으로써 함께 합사되었다. 그렇게 함으로써 토크 안정된 SZ 나일론 원사 섬유 근육은 도 10에 도시되어 있다 (우측). 일단 그렇게 함으로써 안정되면, 합사된, 크게-코일링된 섬유는 직물 또는 편조로 쉽게 직조될 수 있다. 이들 섬유 근육은 섬유, 합사된 섬유, 및 직물 구조 수준에 대한 계층적 구조를 갖는다. 계층적 구조 이용은 섬유 내의 복잡한 분자 배열로 하향 확장하고, 이는 폴리머 결정자의 사슬 방향에서보다 10배 더 음성인 섬유 방향으로 음성 열 팽창을 생산할 수 있다 [C. L. Choy, F. C. Chen, 및 K. Young, J. of Polym. Sci.; Polym. Phys. Ed. 19, 335-352 (1981)].
섬유 코일링에 대한 착수 직전에 섬유의 광학 현미경사진은 나선 표면 특징 (초기 섬유에서 섬유 방향의 라인들로부터 유도됨)을 보여주고, 섬유 방향에 관한 그의 바이어스 각은
α= tan-1(2πrT)이고,
여기서 r은 섬유 중심으로부터 거리이고 및 T는 섬유 길이당 회전수의 삽입된 꼬임이다.
폴리머 섬유 근육을 생산하기 위한 대안적인 가공 방법으로서, 꼬인 폴리머 섬유는 모세혈관 튜브 또는 임의의 유사한 원통형 또는 비-원통형 맨드렐 둘레에 나선형으로 래핑될 수 있고, 차후에 및 이러한 맨드렐로부터 임의로 방출될 수 있다. 그렇게 함으로써 수득된 코일형 섬유에 대한 가열 동안 구동은 맨드렐 둘레의 폴리머 섬유 꼬임 및 폴리머 섬유 코일링의 상대적 방향에 따라 수축되거나 또는 팽창될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 폴리머 섬유 꼬임 밀도가 임계 수준 이상이고 섬유 꼬임 및 섬유 코일링이 동일한 키랄 방향 (S 꼬임 또는 Z 꼬임)인 경우 가열이 코일 수축을 제공할 수 있지만, 반대 키랄 방향의 경우에 가열은 코일 팽창을 제공할 수 있다.
도 18a는 맨드렐 둘레에 폴리머 섬유 꼬임 및 섬유 코일링을 동시에 도입하기 위한 공정을 도식적으로 예시하고, 도 18b-18c는 맨드렐 래핑에 의해 제조된 코일형 폴리머 섬유의 예를 보여준다. 정확한 코일 형상 및 코일 및 섬유에 대한 꼬임 방향 및 방향 모두가 조절될 수 있고, 코일의 기하학은 열 어닐링에 의해 고정될 수 있다. 맨드렐 코일링의 주요 변수는 맨드렐의 직경 (D), 섬유에 인가된 회전/길이 (r), 맨드렐에 인가된 코일에 대한 꼬임/길이 (R), 섬유에 인가된 힘 (F) 및 섬유와 맨드렐의 축 사이의 각 (θ)이다. 이들 공정 변수는 코일 직경의 제어, 코일 회전수 사이의 간격, 및 코일형 폴리머 섬유 근육의 바이어스 각 및 키랄성을 허용한다. 큰 직경 코일은 더 큰 스트로크를 생산할 것이지만, 리프트 용량을 감소시켰다. 실시예 27 및 28은 코일형 원사의 구조를 비판적으로 변경하는 방법을 제공하고, 그에 따라 음성 또는 양성 코일 열 팽창이 수득되고, 맨드렐의 성능은 이들이 수축 또는 팽창 동안 작업할 때 근육을 코일링하였다.
상기 기재된 맨드렐 코일링 공정에서, 섬유에 대해서 및 코일에 대해서 꼬임 방향을 독립적으로 선택하는 것이 가능하다. 이것은 꼬임이 하중 하에 달리 구속되지 않은 섬유에 인가될 때 가능하지 않다. 섬유 꼬임 및 코일링은 동일하거나 또는 반대 방향일 수 있고 가열에 따라 코일 변위의 방향을 결정할 것이고: 섬유 및 코일 모두가 동일한 방향의 꼬임을 가질 때 이들은 삽입된 원사 꼬임 밀도가 임계 수준 이상인 경우에 가열 동안 수축되는 코일을 생산할 것이다. 코일 및 섬유가 반대 키랄성을 가질 때 상기 코일은 가열 동안 확장될 것이다. 이러한 코일 팽창은 또한 인장 구동을 위해 사용될 수 있고, 여기서 작업은 작업 사이클의 코일 팽창 부분 동안 달성된다. 다시, 코일의 직경이 더 클수록, 실시예 27에 기재된 바와 같이 스트로크는 더 클 것이다.
전기 전도성 근육 구성성분은 화학적으로, 광으로, 전자기적으로 (마이크로웨이브 흡수에 의해) 또는 주위 온도 변화에 의해 유도되는 폴리머 섬유 근육 또는 하이브리드 나노섬유 원사 근육에 대해 필요하지 않지만, 전도체는 폴리머 섬유 또는 나노섬유 원사가 자체로 전자 전도체 (본질적으로 전자적으로 도전성인 유기 폴리머 금속 또는 탄소 나노섬유 원사와 같음)가 아닌 한 전열 구동을 제공할 필요가 있다. 이러한 전도체는, 예를 들면, 다음과 같은 것일 수 있다: 고-강도 폴리머 섬유 상의 도전성 코팅 (금속 또는 탄소 코팅과 같음); 금속 와이어 또는 와이어; 꼬이지 않은 폴리머 섬유 근육, 코일형 폴리머 섬유 근육, 또는 꼬이지만 코일링되지 않은 폴리머 섬유 근육 둘레에 나선형으로 래핑된 전자적으로 도전성 나노섬유; 근육 섬유 (작동 직물 내의 금속 와이어 직물과 같음) 외부에 있는 전자 전도체; 또는 근육 배열 내부 (작동 폴리머 섬유 편조에 대해 내부와 같음)에 있는 전자 전도체. 전기전도성 코팅을 포함하는 시판되는 고 강도 폴리머 섬유가 현재 평가된 Shieldex 섬유(은-코팅된 나일론 6,6임)와 마찬가지로 전개될 수 있다. 섬유 길이 당 낮은 저항성은 아주 낮은 전압을 인가하면서 전열 구동 동안 고속 가열을 가능하게 한다. 추가로, 전자적으로 도전성 탄소 또는 탄소 복합체에 의해 코팅된 폴리머 섬유가 유용하게 전개될 수 있다.
전자적으로 도전성 페이스트 및 잉크는 전열 구동을 가능하게 하기 위한 코팅제, 예컨대 결합제 내에 은 분말 (임의로 은 나노섬유 또는 은 플레이크를 함유함)을 함유하는 것들 또는 결합제 내의 전자적으로 도전성 탄소의 형태들 (탄소 나노튜브 및 그래핀 플레이크를 포함함)로서 임의로 전개될 수 있다. 전자적으로 도전성 코일형 폴리머 섬유의 제조를 위해, 이들 전자 전도체는 꼬이지 않은 섬유, 꼬이지만 코일링되지 않은 섬유, 또는 코일형 섬유에 인가될 수 있다.
꼬이지 않은 폴리머 섬유 둘레에 또는 꼬이거나 또는 코일형 폴리머 섬유 둘레에 크게 도전성인 나노섬유의 래핑에 의한 전열적으로 작동된 또는 광-열적으로 작동된 폴리머 섬유 근육의 제조는 유용한 본 발명의 구현예이다. 랩핑된 나노섬유로서 탄소 나노튜브를 전개하는 것이 특히 유용하다. 이들 탄소 나노튜브는 탄소 나노튜브 포레스트로부터 시트 리본으로서 임의로 인출될 수 있고 폴리머 근육 섬유 상에 나선형으로 래핑될 수 있다. 도 11은 포레스트-그린 MWNT 시트 스트립으로 나선형으로 래핑된 모노필라멘트 나일론 섬유의 SEM 이미지를 보여준다. 도 12는 MWNT 시트 스트립으로 래핑된 크게 코일링된 나일론 섬유를 제공하기 위해 꼬임 삽입 후에 이러한 MWNT-시트-코팅된 나일론 섬유의 SEM 이미지를 보여준다. 도 15a-15b는 포레스트-그린 MWNT 시트 스트립에 의한 나선형 래핑 전 (도 15a) 및 후 (도 15b) 코일형 나일론 섬유에 대한 광학 현미경사진을 제공한다. 이 경우에 MWNT 시트 래핑은 코일형 원사 상에 2개의 나선 래핑 방향으로 이루어졌다. 도 16은 도 15b의 MWNT 랩핑된 코일형 나일론 섬유에 대해 수득된 전열 구동을 보여준다. 높은 열전도도 전자 전도체 (이러한 전자 전도체에 대한 고다공도 뿐만 아니라, 환경으로 열 수송을 증진시키기 위해)의 선택은 구동을 역전시키는 냉각을 위해 필요한 시간을 감소시키기 위해 유용하게 전개될 수 있다.
꼬이지 않은 폴리머 섬유 근육는 일반적으로 코일형 폴리머 섬유 근육보다 더 작은 액추에이터 수축을 제공하더라도, 이들 꼬이지 않은 폴리머 섬유 근육은 폴리머 섬유가 큰 음성 열 팽창 계수 (바람직하게는 약 -10-4/℃ 이상)를 갖고 꼬이지 않은 폴리머 섬유가 전자적으로 도전성 나노섬유 시트 리본으로 래핑된 경우에 전열적으로 작동된 근육에 대해 유용하다. 이러한 나노섬유 리본 시트는 바람직하게는 탄소 나노튜브 리본 시트이고, 이러한 탄소 나노튜브 리본 시트는 바람직하게는 탄소 나노튜브 포레스트로부터 인출된다. 탄소 나노튜브 리본 시트의 기원과 독립적으로, 탄소 나노튜브의 광학적 흡수는 광-열 구동을 증진시키기 위해 유용하게 전개될 수 있다.
꼬이지 않은 및 꼬인 폴리머 섬유 근육 모두에 대해 특히 바람직한 폴리머는 고 강도, 기계적으로 인출된 나일론 6; 나일론 6,6; 폴리에틸렌, 특히 겔-스펀 폴리에틸렌; 및 폴리비닐리덴 플루오라이드이다. 그것의 고 강도 때문에, 이들 적당한 폴리머 섬유 모두는 종종 낚시줄 또는 재봉사를 위해 사용된다. 폴리머 섬유 인공 근육으로의 전환을 위해 적당한 이들 폴리머 섬유는 모노필라멘트, 다중필라멘트 (임의의 용접 또는 필라멘트 사이의 다른 결합 방법을 가짐)인 섬유, 및 중공-코어 다중필라멘트 폴리머 섬유를 포함한다. 상기 폴리머 다중필라멘트 섬유는 나노규모 직경을 갖는 폴리머 필라멘트, 예컨대 전기-방적 또는 원심 방적에 의해 제작된 것들을 임의로 포함할 수 있다. 또한, 원사 다중필라멘트는 임의로 상이한 폴리머로 이루어질 수 있다.
중요하게는, 액추에이터 사이클의 작업 부분 동안 최대 파워 출력을 발생시키기 위해, 양성 열 팽창을 갖는 코일은 바람직하게는 팽창 동안 기계적 작업을 행하도록 작동되어야 하고 음성 열 팽창을 갖는 코일은 바람직하게는 팽창 동안 기계적 작업을 행하도록 작동되어야 한다. 그 이유는 가열 속도 (전력 입력에 의해 제어됨)가 냉각 속도 (주위 조건에 의해 조절됨)보다 훨씬 더 높을 수 있다는 것이다. 그러나, 적용 모드가 전력 밀도의 최적화를 필요로 하지 않을 때, 팽창 또는 수축 또는 그것의 조합 동안의 작업은 온도 변화의 결과로서 직물의 기공도의 변화와 같은 성능 목표를 실현하기 위해 사용될 수 있다.
여전히 지엽적 과열을 피하면서 가열 속도 (및 따라서 구동 작업 부분 동안 파워 출력)를 최대화하기 위해, 구동 동안 프로파일된 인가 전압, 전류, 또는 동력 입력을 전개하는 것이 유용할 수 있다. 여기서 전략은 구동의 시작 시에 가열 속도를 최대화하는 것이고, 여기서 지엽적 과열의 위험이 없고, 이어서 과열이 문제를 제기할 때 그것을 감소시킨다.
크게 가역적, 길이 사이클 수명 작동에 대해 조사된 인장 및 비틀림 액추에이터는 하이브리드 나노섬유 원사의 구조 또는 폴리머 섬유 구조를 안정화시키기 위해 가장 보편적으로 적어도 30 초기 훈련 사이클에 적용되었고, 그렇게 함으로써 수백만 가역적 구동 사이클에 대한 차후의 사용 동안 크게 가역적인 작동을 가능하게 한다. 열적으로 동력받는 근육의 경우에 대해, 이들 훈련 사이클은 전형적으로 근육이 전개될 수 있는 최대 온도로 되었다.
꼬임 삽입하고 코일형 폴리머 섬유 근육의 성능
열 구동. 여기서 및 다른 곳에서 달리 지적되지 않으면, 스트레스를 얻기 위한 힘 정상화는 섬유 직경에 관한 것이고 섬유 직경은 초기에 꼬이지 않은 섬유의 그것이다. 이는 코일형 섬유 내의 코일 직경 및 섬유 직경이 정확하게 측정되기 어렵고, 보고된 측정의 대부분은 등압 (일정한 인가된 중량)이고, 섬유 스트레스는 구동 동안 변화하기 때문에 이루어졌다.
코일링 전 및 후 섬유 열 팽창에 대한 열 기계적 분석 측정은 도 20a 및 20b, 각각에, 305 mm 직경 나일론 6 모노필라멘트 재봉사 (The Thread Exchange, 12 밀)에 대해 도시되어 있다. 온도 스캔을 증가시키고 감소시키는 중첩의 결핍은 이력현상으로 인한 것이 아니지만, 대신에 큰 온도 스캔 속도 (10℃/분)의 결과 및 TMA의 열전쌍에 의해 측정된 온도 사이의 상응하는 지체이다.
상기 나일론 6 섬유에 대해 20과 200℃ 사이의 가역적 열 수축은 섬유 코일링의 결과로서 2%에서 30%로 증가하였고, 15의 스트로크 증폭 인자를 제공한다. 이러한 스트로크 증폭 인자 (SAF)는 주위 및 하중 조건의 동일한 변화에 대한 꼬임 삽입 전 그것에 대한 꼬임 삽입 후 퍼센트의 액추에이터 스트로크의 비율이다. 코일형 다중필라멘트 나일론 6,6 섬유는 나일론 6,6이 치수 안정되고, 그렇게 함으로써 10의 SAF를 제공하는 더 높은 온도에 의해 가능해진 더 넓은 온도 범위 (20 내지 220℃)를 사용할 때 유사한 양 (23%) 만큼 수축한다. 겔-스펀 폴리에틸렌 폴리머 섬유의 유용한 치수 안정성의 최대 온도는 훨씬 더 낮지만 (대략 130℃), 이들 섬유의 더 큰 모듈러스 및 강도는 무거운 하중을 들어 올리는 열적으로 동력받는 인공 근육으로서 특히 유용하고, 증가된 에너지 효율을 제공한다. 비-코일형 및 코일형 스펙트럼 폴리에틸렌은 20 내지 130℃에서 1.4% 및 19%, 각각의 열 수축을 제공하였고, 이는 14의 SAF에 상응한다.
유리 상태 (즉, 맨드렐의 사용 없음)로 코일링된 폴리머 섬유 근육에 대해, 약 5 이상의 SAF가 바람직하고 약 10 이상의 SAF가 더 바람직하다. 또한 유리 상태로 코일링된 폴리머 섬유 근육은 꼬임 삽입 전에 폴리머 섬유 방향으로 음성 열 팽창 계수를 갖는 것이 바람직하다.
다른 조사된 섬유가 코일링 전에 양성 또는 음성 세로 열 팽창 계수를 갖지만, 꼬임이 일정한 인장 하중 하에 삽입될 때, 이들 모두는 섬유 꼬임 및 섬유 코일링이 동일한 키랄 방향인 한 코일링될 때 코일 축 방향으로 음성 열 팽창 계수를 제공하였다. 큰 직경 (640 mm) 나일론 6 모노필라멘트 낚시줄 (Berkeley Trilene 30 lb 시험)은 16 MPa 하중 하에 꼬일 때 1.8 x 10-4/K (25 내지 130 ℃)의 초기 평균 방사상 열 팽창을 갖고, 이는 섬유 코일링의 착수 시에 2.2 x 10-4/K까지 약간 증가되었다 (꼬임이 540 회전/m이었고 초기 섬유 길이의 1% 만이 코일링된 경우). 코일형 또는 비-코일형 섬유의 최종 길이에 대한 초기 섬유 길이의 비율인 길이 수축 인자 (LCF)는 이러한 유일한 약간 코일링된 폴리머 섬유에 대해 1.16이었다.
형상 기억 근육과 마찬가지로 1차 상 변화를 사용하는 근육에 비해 우리의 열-팽창-기반 근육의 주요 이점은 이력현상의 얻어질 수 있는 실질적인 부재이다. 이러한 이력현상은 NiTi 형상 기억 와이어에 대해 20℃를 쉽게 초과할 수 있고, 이는 액추에이터 제어를 크게 복잡하게 한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 우리의 측정 장치는 섬유 온도의 차이 및 기록된 온도로 인해 인공 이력현상을 도입하더라도, 이러한 효과를 최소화하기 위해 스캔 속도를 감소시키는 것은 나일론 액추에이터의 이력현상이 작거나 또는 존재하지 않음을 지시한다. 0.3 ℃/분 스캔 속도에서, 2℃ 미만 이력현상이 관찰가능하다. 형상 기억 와이어에 대한 그것과 비교되는 온도에 대해 훨씬 더 선형 반응과 조합된 이력현상의 이러한 부재는 로보트 및 인공 보철 용도에 매우 적합한 이들 코일형 폴리머 섬유 근육을 만들고, 여기서 제어의 연속적 범위가 요구된다.
전열 인장 구동. 전기적 구동에 대한 상기 최초로 기재된 결과는 포레스트-인출된 [M. Zhang, S. Fang, A. A. Zakhidov, S. B. Lee, A. E. Aliev, C. D. Williams, K. R. Atkinson, 및 R. H. Baughman, Science 309, 1215-1219 (2005)] 탄소 나노튜브 시트 스트립으로 나선형으로 래핑되고 이어서 4.5의 LCF로 코일링된 76 ㎛ 직경 나일론 6 모노필라멘트 재봉사 (The Thread Exchange, Inc., 크기 003, 5 Tex)이다. volt/cm 및 20% 듀티 사이클의 1 Hz 구형파 포텐셜이 주기적 구동을 수득하기 위해 인가되었다. 도 14의 데이터는 이러한 코일형 섬유가 섬유 스트레스가 22 MPa일 때 백만 이상의 사이클 동안 10% 만큼 수축할 수 있음을 보여준다. 상기 코일형 섬유는 크리프를 겪지만 (도면 삽도 참조), 이러한 크리프는 1 백만 이상의 사이클 동안 2% 미만이고, 크리프의 속도는 증가된 사이클링에 의해 감소되었고, 스트로크에서 어떠한 현저한 비가역성도 없었다.
열적으로 수축성, 크게 코일형 폴리머 섬유 근육 상의 상기 인가된 하중이 낮은 수준까지 감소됨으로써, 인접하는 코일이 인장 수축 동안 접촉을 만들어내기 시작할 때, 스트로크는 크기가 감소되고 결국 양성이 되고, 대략적으로 섬유의 방사상 방향 열 팽창과 동일하다. 코일형 섬유 내의 꼬임의 양이 꼬임 제거에 의해 감소되는 경우, 구동 동안 인장 수축을 위해 필요한 최소 하중은 상응하게 감소된다.
수축 동안 행해진 작업은 코일형 섬유 근육이 파괴되는 최대 기계적 하중을 전형적으로 증가시킨다. 수축 동안 관찰된 중량측정 작업 (실시예 30)은 천연 근육에 대해 얻어질 수 있는 것의 5.5 배였다 [D. R. Peterson, J. D. Bronzino, Biomechanics: Principles and Applications (CRC Press,　Boca Raton, 2008)]. 더욱더 인상적으로, 평균 출력 전력 (25.5 kW/kg)은 포유동물 골격 근육의 피크 출력 (0.323 kW/kg)의 79 배였다 [D. R. Peterson, J. D. Bronzino, Biomechanics: Principles and Applications (CRC Press,　Boca Raton, 2008)].
이들 전기-열적으로 동력받는 인공 근육에 대한 근육 사이클 속도는 근육 냉각을 위해 요구되는 시간 만큼 제한된다. 모든 다른 열적으로 또는 전기화학적으로 유도된 인공 근육에 대해서와 마찬가지로, 이러한 사이클 시간은 작동 섬유의 증가하는 직경에 따라 증가된다. 이러한 반응 시간은 서서히 변화하는 온도 변화로부터 에너지를 수확하거나 또는 착용자 편안함을 제공하기 위해 기공도를 변화시키는 의류 직물을 제공하도록 주위 온도 변화를 사용할 때처럼 열 사이클링 시간이 길 때 중요하지 않지만, 전열적으로 동력받는 구동의 총 사이클 동안 출력 전력을 최대화할 때 중요하다.
다양한 능동적 또는 수동적인 냉각 방법을 사용함으로써, 사이클 시간은 극적으로 감소될 수 있다. 예를 들면, 2-겹, 코일형, 은-플레이팅된 섬유 (170 mm의 초기 꼬이지 않은 직경을 가짐)는 수중에 함침될 때 10.8 MPa 스트레스 하에 5 Hz에서 약 10% 스트로크를 생산하였다. 유사하게, 강제 대류에 의해 헬륨 또는 활성 냉각에서 수동적인 작동은 두꺼운 섬유의 고속 구동을 허용할 수 있다.
광열 인장 구동. 얇은 코일형 섬유는 빛을 사용하여 광열적으로 구동될 때 고속 인장 구동을 제공한다. 예를 들면, 코일형 76 ㎛ 직경, 모노필라멘트 나일론 6 섬유 (The Thread Exchange, Inc. 3 mil, 5000 회전/m의 구매-후-삽입된 꼬임을 가짐)는 섬유로부터 2.5 cm에 위치한 250 W 백열 램프에 의해 조명할 때 26 MPa 하중을 들어 올리기 위해 1초 이내에 7% 만큼 수축되었다. 상기 코일은 이러한 스트레스에서 수축되지 않았고 LCF는 2.5였다.
화학적으로 동력받는 인장 구동. 촉매적 백금-흑색 입자의 침착을 함유하는 CNT 시트로 나일론 6 섬유를 래핑하고 이어서 섬유 코일링을 도입함으로써, 화학적으로 동력받는 근육이 생산되었다. 이러한 근육은 연료를 산화제와 조합함으로써 방출된 열 또는 단일 유체 구성성분의 화학적 변환에 의해 생산된 열과 마찬가지로 (30% H2O2 수용액 중의 과산화수소의 물로의 Pt 촉매된 전환에 대해서와 같음), 다양한 열 화학적 반응에 의해 방출된 열에 의해 동력받을 수 있다.
전열 비틀림 구동. 초기 측정을 위해, 패들은 섬유 코일링의 시작 직전 또는 섬유 코일링의 완료 후에 꼬여진 수직으로 현탁된 폴리머 쓰레드의 유리-단부에 부착되었다. 두 경우에, 비틀림 구동은 열적으로, 전열적으로, 광으로, 또는 화학적으로 동력받을 때 관찰되었다. 그러나, 비틀림 복원 스프링의 이러한 현재의 부재하에, 구동은 불량하게 가역적이고 - 가열 동안 비틀림 액추에이터 스트로크이고, 이는 비-코일형 섬유에 대해 꼬임 해제되고 사이클링 동안 빠르게 감소되는 완전히 코일링된 섬유에 대한 코일링의 꼬임 해제된 섬유에 대응하였다.
2-말단-테더링의 부재 시조차 낚시줄 및 재봉사 (및 다른 유사한 폴리머 섬유)에 대한 크게 가역적인 비틀림 구동을 제공하기 위해, 섬유 코일링은 SZ 2-겹 섬유를 생산하기 위해 S 코일링을 사용하여 2개의 Z 꼬인 섬유를 합사함으로써 토크 밸런스된 구조로 제공되었다. 크게 가역적인 비틀림 구동은 섬유 Z 꼬임과 섬유 합사의 S 꼬임의 합이 보존되어야 하기 때문에 수득되었고 - 구동의 반전 동안 코일링은 섬유 내의 꼬임 방출을 역전시키기 위한 비틀림 복원 스프링으로서 작동한다. 수득할 수 있는 토크를 최대화하기 위해, 동일한 길이 SZ 및 ZS 분절을 포함하는 섬유가 그것의 중간점에 부착된 회전자에 의해 전개되었다. 그렇게 함으로써 발생된 중량측정 토크는 큰 상업적 전기 모터에 대해 전형적인 2.5 내지 6 Nㆍm/kg 범위였다.
꼬인 및 코일형 나노섬유 원사 및 꼬인 및 코일형 폴리머 섬유의 적용
실현된 인장 스트로크 및 작업 및 전력 밀도는 코일형 하이브리드 원사에 대해 너무 높기 때문에, 이들 고-사이클-수명 근육은 다양한 용도에 대해 사용될 수 있다. 주요 경쟁하는 NiTi 형상 기억 금속 액추에이터는 크게 히스테릭 액추에이터 스트로크를 갖고, 따라서 액추에이터 변위의 제어는 사이클 내의 이전 이력에 대한 구동의 의존도에 의해 크게 복잡하다. 이러한 이력 의존은 도 2a의 왁스 하이브리드 원사 결과에 대해 작고, 용융된 상태 사이의 순수한 원사 또는 임의의 왁스-충전된 원사를 사이클링하기 위해 무시될 수 있다. 또한, 이러한 이력현상은 코일링된 것들을 포함하는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유에 대해 작을 수 있다.
형상 기억 금속은 비틀림 액추에이터로서 이용되지만, 비틀림 구동 (0.15°/mm) [A. C. Keefe, G. P. Carman, Smart Mater. Struct. 9, 665 (2000)]은 왁스 하이브리드 원사 (실시예 10에서 71°/mm) 및 폴리디아세틸렌 하이브리드 원사 (실시예 13에서 100°/mm)에 대해서 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유에 대해서 여기서 입증된 것보다 훨씬 더 작다. 잠재적으로 더 긴 사이클 수명에 따라 개선된 제어 및 큰 회전 구동은 마이크로 밸브로의 확대, 혼합기, 스마트폰 렌즈, 위치 설정기 및 장난감 뿐만 아니라 형상 기억 합금 현재 이용되도록 의료 기기, 로봇, 및 셔터 내의 나노섬유 원사 근육 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육의 유틸리티를 지시한다. 실시예 22는 윈도우 셔터의 개방을 조절하기 위한 무소음 액추에이터로서 단일 코일형, 2-겹, SZ 꼬인, 은-코팅된 나일론 섬유의 사용을 나타내고 도 22c-22d는 폐쇄된 위치와 개방된 위치 사이에서 가역적으로 작동되는 셔터의 사진을 제공한다.
실시예 38 및 도 23a-23b는 주위 온도 변화에 응답하여 셔터의 개방 및 폐쇄를 위한 2개의 맨드렐-코일형 나일론 6 모노필라멘트 섬유의 사용을 보여준다. 나일론 원사 내의 꼬임 삽입 및 맨드렐 코일링의 반대 방향의 결과로서, 이러한 코일형 나일론 섬유 근육은 양성 열 팽창 계수를 갖는다. 압축 하중 하에 작업을 행하도록 작동하여, 이들 나일론 근육은 온도가 증가함에 따라 셔터를 점진적으로 개방한다. 실시예 22 및 실시예 38의 셔터 구성은 기류 또는 빛의 통과를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
나노섬유 원사 근육 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육은 또한 매크로- 또는 마이크로-크기의 펌프, 밸브 구동, 및 유체 혼합기로서 사용될 수 있다. 이들 혼합기는 화학적 분석 또는 화학적 합성이 극도로 작은 면적 디바이스에서 효율적으로 행해지는 "칩에 대한 화학 실험실"에 대해 유용할 것이다. 이전의 전기화학적으로-동력받는 탄소 나노튜브 원사 마이크로-유체 혼합기에 대해서와 달리 [J. Foroughi 등, Science 334, 494 (2011)], 어떠한 계수기-전극 또는 전해질도 본 발명의 구현예의 원사 비틀림 근육 또는 폴리머 섬유 근육에 대해 필요하지 않다. 마이크로 규모 또는 더 작은 규모로, 입증된 비틀림 구동은 크게 민감성 전기화학적 분석물 분석에 사용된 전극을 회전시키기 위해 사용될 수 있고, 그렇게 함으로써 훨씬 더 크고 훨씬 더 비싼 보통의 모터에 대한 필요성을 제거한다.
꼬임-스펀 원사 근육 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육은 종래의 전자 계전기를 위한 구동을 제공하기 위해서 및 자동차 문 상의 잠금 장치와 같은 목적을 위해 사용된 부피 큰 전자석을 제거하기 위해 추가로 사용될 수 있다.
꼬임 스펀 원사 근육 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육의 가요성은 나노섬유 원사 또는 폴리머 섬유 어셈블리의 주어진 길이에 대해 실현된 스트로크를 증폭시키기 위해 이용될 수 있다 (여기서 작동 원사의 훨씬 더 긴 길이가 함유됨). 이러한 증폭은 작동 원사 (또는 꼬인 폴리머 섬유)를 2개의 평행한 정지된 핀 둘레에 간단히 래핑하고, 하나의 원사 말단을 정박시키고, 인장 구동을 전송하기 위해 반대 원사 말단을 사용함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 마찰을 최소화하기 위해, 이들 핀은 섬유 크기 도르래 상에 독립적인 원사를 지원할 수 있다.
원사 및 섬유 가요성 및 매듭지음 능력은 또한 텐세그리티 구조의 모르핑을 가능하게 하도록 이들 인장-작동하는 나노섬유 원사 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유를 사용함으로써 이용될 수 있다. 이 경우에 나노섬유 하이브리드 원사 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유는 구조적 모르핑을 가능하게 하도록 텐세그리티 구조를 위해 사용된 막대 사이에 말단-대-말단 연결성을 제공할 수 있다. 대안적으로, 이들 구조 내에 중공 막대를 사용하고 원사 또는 섬유가 또 하나의 막대에 접속하도록 돌출하는 것으로부터 반대 막대 말단에 작동 나노섬유 하이브리드 원사 또는 꼬임-삽입된 섬유를 접속시킴으로써, 텐세그리티 구조에 대한 모르핑의 진폭이 증가될 수 있다. 폴리머 섬유 근육 또는 나노섬유 원사 근육의 가역적 구동 또는 비가역적 구동은 오르가미 접힌 형상으로 접혀진 것들 및 순응하는 기전에 기반한 것들과 마찬가지로 다양한 다른 모르핑 구조에 대한 구동을 제공하기 위해 사용될 수 있다 (Handbook of Compliant Mechanisms, L. L. Howell, S. P. Magleby, 및 B. M. Olsen, eds., John Wiley 및 Sons, Inc., 2013). 코일형 폴리머 섬유 근육 및 코일형 나노섬유 원사 근육은 공간에 전개될 때 개방되는 접힌 태양전지 배열과 마찬가지로 그것들을 보다 치밀하게 만들도록 접혀진 가역적으로 또는 비가역적으로 개방 또는 폐쇄 구조에 대해 사용될 수 있다. 이러한 배치는 전열적으로 또는 주위 온도 또는 빛에 대한 노출의 변화를 이용함으로써 달성될 수 있다.
꼬임-스펀 나노섬유 근육 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육의 인장 구동은 펌핑되어야 할 유체를 함유하는 접힐 수 있는 튜우빙 둘레에 독립적으로 작동 가능한 나노섬유 원사 또는 꼬인 폴리머 섬유 분절을 구성하고 펌핑을 얻기 위해 이들 원사 또는 폴리머 섬유 분절을 순차적으로 작동시킴으로써 연동 펌프에 대해 마이크로 및 매크로 규모로 편리하게 전개될 수 있다.
광학 기기 적용은 다른 본 발명의 구현예를 제공한다. 예들은 초고속 광학적 셔터 (패들의 비틀림 회전에 의해), 레이저 스페클 감소를 위한 광 확산기의 병진, 다른 광학적 소자의 병진 또는 회전을 위한 수단, 또는 렌즈의 초점 길이를 변화시키는 수단 (예컨대 순응하는 렌즈의 기계적 변형에 의해)을 제공하는 꼬임-스펀 나노섬유 원사 및 원사 어셈블리 및 꼬임-삽입된 섬유 및 섬유 어셈블리이다. 나노섬유 원사 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육의 인장 또는 비틀림 구동은 상이한 색을 드러내도록 이들 화소를 회전시킴으로써 또는 동일한 효과를 달성하는 병진에 의해 징후에 대한 화소를 변화시키기 위해 사용될 수 있다.
나노섬유 원사 근육 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육은 또한 햅틱 장치에서 사용될 수 있고, 여기서 액추에이터 변위는 촉각 정보를 제공한다. 이러한 촉각 피드백은 로보트 디바이스를 사용하여 수술을 원격으로 수행하면서 외과의사가 착용한 글러브에서와 같이 사용자의 손 또는 손가락을 통해 이루어질 수 있다. 또 하나의 용도에서, 이들 인공 근육은 재생 가능한 점자 디스플레이 내에 스프링-하중 핀을 누르기 위해 사용될 수 있다.
하이브리드 꼬임-스펀 원사 및 꼬임 삽입된 섬유의 비틀림 및 인장 구동은 지엽적 및 대규모로 스마트 표면을 작동시키도록 전개될 수 있다. 예를 들면, 인장 구동은 스프링-하중 핀 (임의로 원통형이거나, 블레이드 형상화되거나, 또는 다른 더 복잡한 형상일 수 있음)을 가역적으로 후퇴시킬 수 있고, 그렇게 함으로써 표면 거칠기를 변화시킨다. 핀 확대 및 후퇴의 1개 이상의 사이클은 해양 비히클의 표면으로부터 해양 유기체를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 마이크론 크기 또는 더 큰 패들의 회전은 또한 표면 거칠기를 변화시키기 위해 이용될 수 있다. 조절된 거칠기를 갖는 이들 작동 표면은 유체 내의 경계 층들에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있고, 그렇게 함으로써 해양, 공중, 및 육지 비히클을 위해서와 같이 더욱 효율적인 및/또는 조절된 움직임을 가능하게 한다. 친수성 또는 소수성 패들 표면이 외부에 있도록 패들의 비틀림 회전과 같은 그러한 구동은 또한 표면 에너지를 변화시키기 위해 사용될 수 있다. 그러한 표면 에너지 변화는 또한 핀의 가역적으로 확대 및 수축에 의해 유용하게 달성될 수 있다.
천연 근육 및 열 형상 기억 금속 근육과 마찬가지로, 열적으로 작동된 나노섬유 근육 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육은 근육 수축 및 상응하는 인장력 발생을 유지하기 위해 에너지 투입을 필요로 한다. 열 근육에 대해 이러한 유지 에너지는 근육에 대한 외부 온도가 작동된 근육보다 더 낮을 때 근육 온도를 일정하게 유지하는데 필요한 것에 대응한다. 유사한 문제가 유전체 근육 및 전기화학적 근육에 대해 존재하지만, 이들 경우에 필요한 유지 에너지는 전기적 자가방전으로 인해 전기 에너지를 대체하는 것이다. 유지 에너지의 이러한 문제는 수축 작업이 달성되자 마자 구동이 역전될 때 발생하지 않고, 수축의 힘 또는 정도를 유지하기 위해 래치를 사용함으로써 피해질 수 있다. 그와 같은 래치 기전은 문헌에 기재되어 있고, 다중 액추에이터 사이클의 액추에이터 스트로크를 조합함으로써 임의의 다량 만큼 액추에이터 스트로크를 증가시킬 수 있는 인치-웜 액추에이터 기전을 포함한다 ["Fuel Powered Actuators and Methods of Using Same" R. H. Baughman, V. H. Ebron, Z. Yang, D. J. Seyer, M. Kozlov, J. Oh, H. Xie, J. Razal, J. P. Ferraris, A. G. MacDiarmid, W. A. Macaulay, US 8,096,119 B2].
작은 직경 하이브리드 원사 근육은 수축 작업이 전체 사이클 시간으로 정규화될 때조차 (공통의 내부 연소 엔진의 전력-대-중량 비의 4배인 실시예 6으로부터 입증된 4.2 kW/kg) 거대한 중량측정 전력 밀도를 제공하지만, 절대적인 작업 및 파워 출력은 원사 직경이 증가되지 않거나 또는 많은 원사가 평행하게 배치되지 않는 한 낮다. 그러나, 실시예 7은 극적으로 증가하는 원사 직경이 주위 공기의 냉각 속도를 감소시킴을 보여준다. 이러한 문제는 구동을 역전시키기 위해 활성 냉각을 사용함으로써 또는 구동 열을 빠르게 흡수하는 둘러싸는 주위 온도 매질을 사용함으로써 나노섬유 원사 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육 모두에 대해 개선될 수 있다. 물은 냉각을 위한 그러한 유용한 매질 중의 하나이다. 수동적인 냉각을 위한 다른 유용한 선택은 수소 및 헬륨과 같은 높은 열확산 가스이다. 주위 수소를 사용하는 냉각은 구동 사이클의 냉각 부분 동안 수소의 주사가 순방향 구동을 제공하기 위해 공기 (또는 산소)와 수소의 차후의 혼합물의 제조에 있어서 냉각을 가속화시키기 때문에 수소/공기 혼합물에 의해 동력받는 꼬임-스펀 근육에 대한 천연 착용감을 제공한다.
하이브리드 나노섬유 원사 근육 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육은 환경적인 조건을 감지하고 가역적 또는 비-가역적 인장 또는 회전식 반응 (디자인에 따라)을 제공하는 지능형 센서로서 유용하다. 하나의 예는 실시예 14의 가역적으로-작동하는 수소-감지 액추에이터이다. 바이스크롤된 원사 내의 생물학적으로 관능화된 게스트는 자가-동력받는 감지 및/또는 제어 목적을 위한 분석물에 반응할 수 있다. 하이브리드 나노섬유 근육 내의 게스트의 선택은 환경에서 방사선 또는 화학물질에 대한 통합된 시간-온도 노출 또는 통합된 노출과 마찬가지로, 노출에 통합되는 작동 센서에 필요한 가역적 구동 또는 비가역적 구동을 제공하도록 설계될 수 있다. 특정한 센서 요구를 충족시키는 가능한 게스트의 범위가 막대하기 때문에, 기계적 구동을 제공하는 가역적 및 비가역적 (즉, 통합하는) 감지 모두에 대한 성능을 최적화 시키는 것이 가능하다. 게스트의 선택과 관련하여, 문헌은 온도 또는 온도 이력 또는 화학적 또는 방사선 노출의 함수로서 가역적 또는 비가역적 용적 변화를 겪는 물질의 호스트를 기재한다.
폴리머 섬유 및 나노섬유 하이브리드 원사 근육의 비가역적 시간-온도-의존적 구동은 백신 및 다른 의약품과 같이 열적으로 과-노출된 생성물에 대한 패키징의 개방을 방해하기 위해 사용될 수 있다. 원사 또는 섬유 용적 팽창은 의약품의 용기 상단의 개방을 방해하는 마찰을 제공하도록 사용될 수 있다. 대안적으로, 이러한 구동은 꼬임 상단의 개방에 의해 간섭되는 핀을 방출할 수 있다.
코일형 폴리머 섬유 근육 및 나노섬유 원사 근육은 주위 온도에 반응하여 기공도를 개방 및 폐쇄시키는 판지 상자와 마찬가지로 (생성물의 온도를 조절하도록) 스마트 패키징 물질의 구동을 위해 사용될 수 있다.
불활성 대기에서 실온으로부터 백열 온도 (~2,560℃)까지 전열 가열에 따라 입증된 7.3% 가역적 수축 (실시예 5 및 도 2b)을 제공하기 위한 코일형 순수한 탄소 나노튜브 원사의 능력은 어떠한 다른 고강도 근육도 작동할 수 없는 온도에서 수행하기 위한 이들 근육의 유용성을 지시한다. 이들 근육은 밸브를 개방 또는 폐쇄시키는 것 등의 구동을 제공하는 지능형 물질로서 직접적으로 작용하도록 주위 온도를 변화시킴으로써 자가-동력받을 수 있다. 실시예 10, 실시예 11, 및 도 8에 도시된 바와 같이, 온도의 변화는 또한 순수한 탄소 나노튜브 원사 (실시예 11에서 SZ-ZS 원사에 대해 진공에서 정적 측정 동안 최대 30°/mm)에 대한 비틀림 구동을 제공할 수 있고, 이는 온도 측정 및 제어 목적 모두를 위해 유용하다. 진공에서 순수한 2-겹 탄소 나노튜브 원사에 대한 백열 온도까지의 전기 펄스 측정은 27°/mm 회전 및 분당 510 회전수의 평균 회전 속도를 제공하였다 (실시예 11).
성취 가능한 근육 비틀림 및 인장 스트로크는 일반적으로 비교적 더 작을 것이지만, 실온 미만에서 코일형 순수 원사 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유의 치수 변화는 온도를 지시하고 밸브를 개방 또는 폐쇄시키는 것과 같은 작용성 반응을 직접적으로 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 밸브 제어는 인장 구동, 비틀림 구동, 또는 이들의 조합을 제공하기 위해 나노섬유 원사 근육 또는 폴리머 섬유 근육을 사용함으로써 임의의 온도 범위에서 수득될 수 있다.
주위 온도의 변화를 사용하는 것 대신에, 방사선 (및 특히 빛)의 흡수로 인한 가열은 꼬인 폴리머 섬유 근육 또는 꼬임-스펀 나노섬유 원사 근육의 비틀림 구동을 제공할 수 있다. 탄소 나노튜브는 거의 완벽한 흑체 흡수제이기 때문에, 광학적 가열이 쉽게 발생한다. 실시예 9는 하프-왁스-침윤된 페르마 원사가 100 W 백열 램프로부터 광 펄스를 사용하는 가열에 의해 작동되었을 때 12.6°/mm의 가역적 비틀림 구동을 나타낸다. 가역적 비틀림 및 인장 광 구동은 또한 하이브리드 꼬임-스펀 나노섬유 원사 근육 내의 나노섬유 원사 호스트 또는 게스트 (또는 이들의 조합) 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육 내의 폴리머의 가역적 광반응에 의해 수득될 수 있다. 가역적 인장 및 비틀림 광 구동 (광-열 가열, 광반응, 또는 이들의 조합을 사용함)은 가정 및 사무실과 같은 공간, 온실, 및 태양전지 농장을 위한 태양 조명을 자동으로 조절하기 위해 사용될 수 있다. 가장 간단하게는, 하이브리드 나노섬유 원사 근육 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육의 가역적 인장 구동은 윈도우 블라인드 또는 셔터를 개방 및 폐쇄하기 위해 사용될 수 있다. 열적으로 동력받는 근육은 전체 창문 치수로 거의 확장할 수 있고, 스트로크는 도르래를 사용하여 증폭될 수 있기 때문에, 작은 온도 변화는 임의의 소리를 만들거나 또는 전기 에너지를 소비함이 없이 블라인드 및 셔터를 점진적으로 개방 및 폐쇄시키기 위해 사용될 수 있고, 이는 블라인드 및 셔터를 개방 및 폐쇄시키는 현재 사용되는 비싼 모터에 대한 경우는 아니다. 추가로, 그러한 광-기계적 구동은 마이크로- 및 매크로-광학 기기에 대한 구동을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
주위 온도의 변화, 광 노출의 변화에 의한 광-구동, 및 주위 화학적 환경의 변화 (주위 수분을 포함함)를 사용하는 화학-기계적 구동을 통한 열-구동은 나노섬유 원사 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 구동에 의한 기계적 에너지를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 기계적 에너지는 전기적 코일의 배열 내에 영구 자석의 회전을 유발하는 것과 같은 그러한 수단을 사용함으로써 또는 근육 발생된 스트레인의 압전 또는 강유전성 소자로의 적용에 의해 전기 에너지로서 수확될 수 있다. 이러한 수확된 에너지는 예를 들면 무선 센서에 동력을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
폴리머 섬유 및 하이브리드 원사 근육은 광이 조직 및 혈액을 통해 (예컨대 탄소 나노튜브의 혼입에 의해) 수송되는 적외선 영역 근처에서 크게 흡수될 수 있기 때문에, 이러한 에너지 수확은 혈액 및 조직의 과잉 가열이 회피될 수 있는 한 (예컨대 혈액 및 조직으로부터 에너지 수확기를 분리하지만, 냉각을 위해 혈액 순환을 여전히 사용함으로써) 인간 몸체에서 달성될 수 있다.
의류 내의 나노섬유 원사의 구동은 가변 기공도를 제공할 수 있고, 여기서 게스트 물질을 확장 또는 수축시키는 것은 직물 기공을 개방 또는 폐쇄시키기 위해 원사 길이, 원사 직경, 및/또는 코일 직경을 변경시킬 수 있고, 그렇게 함으로써 편안함을 증가시키거나 또는 화학적 또는 열 위협에 반하는 보호를 제공한다. 직물 기공도의 이러한 개방 및 폐쇄는 또한 작동 원사에 부착되고 직물 내에 포맷된 마이크론-크기 패들의 회전에 의해 달성될 수 있음으로써, 패들은 직물 표면에 대해 평행 또는 수직이다. 본 발명의 구현예의 교시는 온도 증가에 의해 팽창 또는 수축하는 나노섬유 하이브리드 원사 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유를 제공하기 때문에, 종래에 이용가능한 직조를 사용하는 직물 설계가 촉진됨으로써, 직물은 온도 증가에 따라 기공도를 개방하거나 또는 폐쇄시킨다. 삽입된 섬유 꼬임이 코일 내의 그것과 반대 방향에 있는 적당하게 열-고정된 코일형 폴리머 섬유 근육의 사용은 가열될 때 길이를 증가시키는 섬유를 제공하는 가장 편리한 수단이고, 이는 하이브리드 나노섬유 원사에 대한 그러한 성등을 달성하는 것이 큰 음성 용적측정 팽창 계수 (물질에 대해 드문 경우)를 갖는 게스트의 사용 또는 나노섬유 꼬임 및 코일링에 대한 반대 방향 꼬임 삽입의 사용 및 나노섬유 원사 코일링으로 인해 하이브리드 나노섬유 꼬임 및 반대 꼬임의 부분 취소에 의한 비가역적 구동을 회피하는 냉동된-게스트 내 구조의 사용을 필요로 하기 때문이다. 파라핀 왁스와 같은 게스트 물질은 온도가 너무 뜨거워질 때 에너지를 흡수하고 온도가 감소될 때 이러한 에너지를 방출함으로써 온도 변화에 거슬러 잘 알려진 완화 기능을 동시에 제공할 수 있다.
직물 내의 나노섬유 원사 근육 및 꼬인 폴리머 섬유 근육은 주위 온도의 변화, 환경에서 화학물질의 변화의 결과로서, 또는 빛 또는 다른 방사선에 대한 노출에 의해 작동될 수 있거나 (따라서 이들은 자가-동력받음) 또는 이들은 저항 가열에 의해 전기적으로 작동될 수 있다. 직물 내의 원사의 그와 같은 전기적으로 동력받는 구동은 주위 조건 (예컨대 화재 진압자들에게 너무 높은 온도 또는 안전하지 않은 화학적 또는 생물학적 환경)을 검출함으로써 임의로 조절될 수 있다. 형상 기억 와이어 근육은 직물에 인장 수축을 제공하도록 전개될 수 있지만, 그것의 비용 및 불편한 느낌은 직물 및 다른 직물 구조의 실현을 제한한다. 그에 반해서, 전도성 및 비-전도성 나일론 모두의 스풀은 구동에 따라 수축 또는 팽창을 제공하는 큰 스트로크 인공 근육 내로 저렴하게 수득될 수 있고, 의류 내에 널리 사용되고, 본 발명의 구현예에 의해 쉽게 가공된다.
꼬임-스펀 하이브리드 원사 근육 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유는 직조될 수 있거나 또는 액추에이터 적용을 위해 직물 내로 바느질될 수 있다. 나노섬유 원사 또는 꼬인 폴리머 섬유 근육은 직물 내의 원사 또는 섬유의 대부분 또는 소수를 구성할 수 있다. 직물 내의 구동의 목적하는 비등방성에 따라, 이들 작동 원사 또는 섬유는 하나의 직물 방향으로 (평직 직물의 씨실 또는 날실 방향과 마찬가지) 또는 모든 원사 및 섬유 방향으로 크게 배치될 수 있다. 상이한 꼬임-스펀 원사 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유는 환경, 빛, 또는 상이한 주위 온도에서 다른 에이전트에 대한 노출에 반응하여 작동시키는 능력을 직물에 제공하는 바와 같이 그러한 목적을 위해 직물 내에 임의로 전개될 수 있다.
직물 내의 나노섬유 원사 또는 폴리머 섬유 근육의 이러한 구동은 환경적인 열 또는 화학적 조건에 반응하여 직물 기공을 가역적으로 또는 비가역적으로 개방 또는 폐쇄시키기 위해 사용될 수 있고, 그렇게 함으로써 이들 직물로부터 유도된 의류가 착용자의 편안함 또는 안전성을 증진시키기 위해 동적으로 사용되도록 한다. 평직 직물 내의 날실 방향 섬유는 본질적으로 똑바를 수 있기 때문에, 씨실 방향 섬유는 위 및 아래 (씨실 섬유 위 및 아래)로 진행되지만, 날실 방향으로 작동 섬유의 배치는 목표가 기계적 작업을 행하기 위해 작동 섬유 배열을 사용하는 것일 때 바람직할 수 있다 (동시에 최소로 열적으로 함께 상호 작용하는 평행한 열적으로 작동하는 섬유의 배치로부터 초래될 수 있는 높은 원사 냉각 속도로부터 혜택을 가짐). 다른 한편으로, 평직 직물의 씨실 및 날실 방향 모두에서 작동 폴리머 섬유 또는 나노섬유 원사의 배치 (및 3차원 직물에 대해서와 같이 더 복잡한 직조를 위한 다양한 방향에 대해)는 열 또는 화학적 환경적인 조건에 반응하여 기공도를 변화시키는 직물을 제조하는 것과 같은 목적을 위해 유용하게 전개될 수 있다. 의류에서의 사용 외에, 온도에 반응하여 기공도를 변화시키는 직물은 텐트를 편안하게 조정하기 위해 사용될 수 있다.
폴리머 섬유 또는 나노섬유 원사 근육 구동에 의해 유발된 치수 변화는 몸에 ? 맞는 의류, 수중 다이빙을 위한 수트, 또는 공간 수트 여부를 떠나 이들 의복 내로의 편안한 진입을 가능하게 하도록 몸에 ? 맞는 의복 내로 전개될 수 있다. 다양한 기전은 수트가 몸 또는 다른 사용 온도에 도달할 때 광-팽창 (수트가 도입될 때 이후에 이완됨) 또는 열 수축과 같은 그러한 목적을 위해 전개될 수 있다.
작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유는 또한 편조될 수 있고, 이는 둘러싸는 액체, 둘러싸는 주위 공기, 또는 다른 둘러싸는 가스와 열 접촉을 증가시키기 위한 유용한 목적으로 작용할 수 있다. 그와 같은 증가된 열 접촉은 구동을 반전시키기 위한 나노섬유 원사 또는 폴리머 섬유 냉각 속도를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 추가로, 중공 편조된 꼬임-스펀 나노섬유 원사 근육 구조 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육 구조는 열 구동을 역전시키는 가속화된 냉각을 수득하기 위해 유용하게 전개될 수 있다. 이를 달성하기 위한 하나의 수단은 편조된 구조의 코어를 통해 냉각 액체 또는 가스를 통과시키는 것이다. 또 하나의 수단은 가열 파이프로서 중공 편조의 코어 - 구동의 반전을 가속화시킬 가열 파이프 상의 액체 축합 부위로의 가열된 근육과의 접촉으로부터 액체의 증발을 사용하는 것이다. 사실상, 중공 편조는 독립적으로 작동되는 분절을 포함할 수 있다. 이 경우에, 전기-열적으로 작동되려 하는 또 하나의 편조 분절로의 구동의 반전 동안 하나의 편조 분절로부터 열의 전달은 제2 편조 분절을 가동시키는데 필요한 전기 에너지를 감소시킬 수 있다. 심지 수단은 이들 가열 파이프의 작동을 위해 필요하고, 이는 편조 코어의 부분적인 다공성, 습윤 가능한 물질 또는 심지를 제공할 수 있는 중공 편조 내의 홈들의 위치에 의해 제공될 수 있다.
추가로, 중공 편조 구조는 편조 내의 꼬임-스펀 원사의 연료-동력받는 구동을 위해 전개될 수 있다. 이 경우에 연료 및 산화제 (공기 및 수소 또는 메탄올과 같음)는 연소를 위해 사용된 촉매가 배치되는 편조 코어로 수송된다. 대안적으로, 임의로 상호작용하지 않거나 또는 최소로 상호작용하는 단일 화학적 구성성분 또는 다중 화학적 구성성분의 임의로 촉매된 발열적 화학적 변환은 화학-열 구동에 동력을 제공할 수 있다. 더욱 일반적으로, 인공 근육 원사 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육은 그것이 개별적으로 또는 직물, 니트, 또는 편조된 구조에서와 같은 배열의 일부로서 작동하는지 여부와 무관하게 연료를 사용하여 작동될 수 있다.
폴리머 섬유 근육 및 하이브리드 원사 근육은 인간형 로봇에 대한 매력적인 얼굴 제스처, 예컨대 노인을 위한 동반 로봇에 대해 사용된 것들을 제공하기 위해 유용하게 전개될 수 있다. 30개의 얼굴 근육은 보통의 인간 감정 (행복, 놀람, 슬픔, 공포, 등)을 표현하기 위해 필요하고, 로보트를 위해 사용되는 현재의 모터는 작업을 행할 수 없다.
더욱 일반적으로, 인간 몸체 내에 630개 이상의 근육이 존재하고 현재 사용되는 모터 또는 유압 디바이스는 인간형 로봇 또는 보철 디바이스를 위해 그것의 작용성을 제공할 수 없다. 다른 한편으로, 본 코일형 폴리머 섬유 및 나노섬유 원사 근육은 인간 모발만큼 얇을 수 있고, 거대한 스트로크를 제공할 수 있고, 작업을 행하기 위해 평행하게 쉽게 배열될 수 있다. 매우 두꺼운 열적으로 동력받는 폴리머 근육 섬유 또는 나노섬유 원사 하이브리드 근육을 사용할 때, 수득할 수 있는 빠른 냉각 속도에서의 문제는 배열 내에 많은 섬유를 사용하고 이들 섬유의 일부만을 선택적으로 작동시킴으로써 다루어질 수 있는 한편, 다른 것들은 자연적으로 냉각되도록 허용된다. 대안적으로, 둘러싸는 유체 (물과 같음) 또는 가스 (헬륨과 같음)는 냉각 속도 (냉각을 활성화시킬 수 있음)를 가속화하기 위해 사용될 수 있다.
또 하나의 용도 구현예로서, 꼭 들어 맞는 의류 내의 폴리머 근육 섬유 또는 나노섬유 원사 하이브리드 근육은 병약자의 허약한 동작에 증폭된 기계적 반응을 제공하는 외골격과 같이 사용될 수 있다.
많은 적용은 크게 가역적 액추에이터 반응을 필요로 하지만, 다른 적용은 비가역적 인장 또는 비틀림 구동을 이용한다. 후자의 하나의 예는 부패하기 쉬운 생성물의 열 노출 조건을 모니터하기 위해 사용된 시간-온도 지시자이다. 동일한 열 환경에 있는 부패하기 쉬운 생성물의 저하 속도에 대한 지시자 물질의 비가역적 시간-온도 반응 특성을 매칭시킴으로써, 시간-온도 지시자는 부패하기 쉬운 생성물 (예컨대 백신)이 허용될 수 없는 생성물 저하를 초래하는 열 이력에 노출되어 있음을 신호하기 위해 사용될 수 있다. 비가역적 근육은 비가역적 비틀림 회전 또는 인장 구동 반응을 제공하기 위해 나노섬유 원사 내의 게스트 물질의 비가역적 치수 변화를 사용할 수 있다. 예를 들면, 하이브리드 원사의 인장 액추에이터 반응은 생성물 품질에 대한 열 노출의 중증도를 나타내기 위해 열 노출 시계의 바늘을 편향시킬 수 있다 (예컨대 백신의 나머지 사용 가능한 수명을 나타냄). 대안적으로, 포인터의 원사-유도된 비틀림 회전은 지시자 반응을 제공할 수 있다. "사용하거나 또는 사용하지 않음" 반응은 이 경우에 하나의 패들 측 (하나의 색을 가짐)은 임계 토크가 게스트 치수 변화로부터 초래될 때까지 가시적이도록 지시되는 패들을 한정함으로써 제공될 수 있고, 이는 상이하게 착색된 패들 측이 가시적이도록 패들을 뒤집는다. 열적으로 중합성 디아세틸렌의 중합의 동력학이 많은 중요한 부패하기 쉬운 생성물 (백신과 같음)의 그것에 일치하기 때문에 [U.S. 3,999,946] 및 선택된 디아세틸렌이 중합 동안 큰 치수 변화를 제공할 수 있기 때문에 (치환기 그룹 - CH2OSO2C6H5CH3과 대칭 디아세틸렌에 대한 중합 방향의 4.9%) [R. H. Baughman, J. Chem. Phys. 68, 3110-3117 (1978)]), 이들 디아세틸렌은 이들 원사-기반 시간-온도 지시자 디바이스에 대한 게스트로서 유용하다.
많은 유형 또는 생성물의 품질은 생성물이 냉동되었는지 여부 (및 생성물이 냉동된 것의 배수)에 의존하기 때문에, 하이브리드 나노섬유 원사 근육 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유는 자가-동력받는 동결 지시자로서 유사하게 전개될 수 있다. 예를 들면, 가역적 구동 (파라핀의 선택에 의해 선택된 온도에서)을 제공하기 위해 파라핀-왁스-침윤된 나노튜브 원사를 사용하여, "동결 시계"의 팔은 생성물의 동결-해동 노출의 수를 카운팅할 수 있다.
구동 동안 원사 저항성의 변화는 가역적 액추에이터에 대한 스트로크의 제어를 위한 수단을 더욱 포괄적으로 제공할 뿐만 아니라 지시자 반응을 제공하는 추가의 기전을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 시간-온도 이력 적용 또는 감지 온도 또는 화학물질에 대해, 작동된 하이브리드 나노섬유 원사의 비가역적 저항성 변화는 원격으로 전자적으로 판독가능한 지시자 반응을 제공하기 위해 RFID (무선 주파수 식별) 태그에 사용될 수 있다. 대안적으로, 인장 또는 비틀림 구동은 RFID 태그 상의 안테나의 저항성 또는 커패시턴스를 변화시키고, 그렇게 함으로써 원격으로 판독가능한 반응을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
하이브리드 나노섬유 원사 근육의 경우에 대해서와 마찬가지로, 꼬임-삽입된 폴리머 섬유는 화학적 또는 방사선 노출을 통합하고 그렇게 함으로써 비가역적 기계적 반응을 제공하는 시간-온도 지시자 디바이스 또는 디바이스를 통합하는데 유용한 비가역적 인장 또는 비틀림 구동을 제공할 수 있다. 그러한 적용을 실현하기 위해, 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 내의 폴리머는 관심있는 지시자인 열, 조사, 또는 화학적 노출 조건에서 불안정해지도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 접합된 디아세틸렌 그룹을 함유하는 폴리머는 적당하게 고온 또는 화학선 방사선 (UV, γ-선, x-선, 또는 이온화 입자와 같음)에 노출될 때 1,4-부가 반응에 의해 추가로 중합되는 것으로 공지되어 있다. 이러한 반응과 연관된 치수 변화는 필요한 비가역적 지시자 반응을 제공할 수 있고, 이는 인장 구동 또는 비틀림 회전에 의한 구동일 수 있다.
더욱 일반적으로, 꼬임은 시간-온도 지시자에서 모니터링을 위해 관심있는 온도보다 훨씬 더 낮은 온도에서 폴리머 섬유에 삽입될 수 있다. 가역적 근육 열 반응을 제공하는 근육 훈련이 회피되는 경우 (시간-온도 모니터링을 위해 관심있는 온도로의 가열에 의한 섬유 기계적 스트레인의 어니일링과 같음), 이들 온도까지 원사의 차후의 노출은 지시자 반응을 제공하는 비가역적 구동을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 다중 결합과 반응하는 환경에서 화학물질의 통합된 검출에 대해, 꼬임-삽입된 폴리머 섬유는 그러한 결합 (올레핀성 및 아세틸렌성 그룹과 같음)을 함유하도록 선택될 수 있다. 나노섬유 원사 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유의 코일링은 가역적 및 비가역적 인장 구동 모두를 증폭시킬 수 있기 때문에, 그러한 코일형 나노섬유 및 꼬임-삽입된 폴리머 섬유는 인장 구동 제공하기 위해 사용된 비가역적 노출-통합 근육에 대해 바람직하다. 2개의 말단이 연결될 때만 가역적 비틀림 구동을 제공하는 꼬인 나노섬유 원사 근육 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육에 대한 하나의 말단 테더링은 비틀림 지시자 반응을 제공하는 노출 통합 근육을 제공하기 위한 특히 편리한 수단이다.
원사 열 액추에이터는 인장 구동 만이 가능한 이전의 연료-동력받는 형상 기억 금속 액추에이터에 대해서와 마찬가지로 연료 동력받을 수 있다 ["Fuel Powered Actuators and Methods of Using Same" R. H. Baughman, V. H. Ebron, Z. Yang, D. J. Seyer, M. Kozlov, J. Oh, H. Xie, J. Razal, J. P. Ferraris, A. G. MacDiarmid, W. A. Macaulay, US 8,096,119 B2]. 연료-동력받는 꼬임-스펀 하이브리드 근육을 제공하기 위한 하나의 본 발명의 구현예는 원사 코어 내의 용적-변화 게스트 및 연료 및 산화제 (공기와 함께 수소 또는 메탄올과 같음)를 조합함으로써 열을 발생시키기 위해 원사 쉘 내의 촉매적 입자 (Pt 또는 Pt 합금과 같음)를 함유하는 원사를 제공하는 것이다. 바이스크롤링 공정 [M. D. Lima 등, Science 331, 51-55 (2011)]은 그러한 덮개-코어 구조를 갖는 꼬임-스펀 근육을 제공하기 위해 편리하게 사용될 수 있다. 이것은 포레스트 인출된 시트 또는 시트 스택의 하나의 확장된 영역 측면 상에 용적-변화 호스트 물질, 및 잔여 시트 영역 상의 촉매 입자를 침착시키고, 이어서 촉매가 원사 덮개 내에 있고 용적-변화 게스트가 원사 코어 내에 존재하도록 꼬임을 비대칭으로 삽입함으로써 달성된다. 유사하게, 용적-변화 게스트 및 촉매의 그러한 비대칭 침착은 나노튜브 포레스트로부터 나노튜브 원사의 직접적인 방적 동안 꼬임 삽입 동안 형성된 시트 쐐기 내에 증착될 수 있다. 실시예 25에 도시된 바와 같이, 화학적으로 유도된 가역적 구동은 비가역적 구동을 제공하는 근육 배치 및/또는 근육 유형을 선택함으로써 비가역적 구동으로 변화될 수 있다. 단일-겹, 코일형 나일론 근육에 대한 비가역적 구동을 제공하기 위해 실시예 25에 사용된 구성은 일-말단 테더링이다.
선행 기술 작업 [J. Foroughi 등, Science 334, 494 (2011)]은 이전에 기재된 전기화학적 나노튜브 원사 근육이 비틀림 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위해 역으로 구동될 수 있음을 제안하였다. 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위해 전기화학적 공정을 사용하는 대신에, 꽤 상이한 접근법이 하이브리드 나노섬유 원사 및 폴리머 섬유 인공 근육에 대한 본 발명의 구현예에 사용된다. 출원인은 하이브리드 나노섬유 원사 또는 폴리머 섬유 인공 근육의 비틀림 또는 인장 구동을 유발하도록 주위 온도, 입사광 세기, 또는 화학적 환경 (습도를 포함함)의 변동과 연관된 에너지를 수확한다. 이어서, 이들은 전기장-바이어스된, 엘라스토머-물질-기반 커패시터를 변형시키기 위해 접촉하는 전극을 갖는 압전 또는 강유전성을 변형시키는 인장 또는 비틀림 구동을 사용하는 것과 같은 그러한 공정들에 의해, 또는 둘러싸는 전기 코일에 상대적으로 영구 자석을 회전시키기 위해 인공 근육의 비틀림 구동 (또는 전기 코일이 정적 자기장에 관하여 회전되는 역전 공정)을 사용함으로써 전기 에너지로서 이러한 기계적 에너지를 수확한다. 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 수단은 다양하고 잘 알려져있기 때문에, 본 기술의 신규성은 주위에서 이들 변동으로부터 기계적 에너지를 발생시키기 위해 하이브리드 꼬임-스펀 나노섬유 원사 또는 꼬인 폴리머 섬유 인공 근육을 사용하는데 있다.
꼬임-스펀 원사 및 꼬인 폴리머 섬유에 의해 제공된 구동은 원사 및 섬유 토우 및 로프, 및 다른 구조물과 같은 원사 및 폴리머 섬유 어셈블리의 열 팽창 및 수용상태에 영향을 미치도록 사용될 수 있다. 예를 들면, 많은 용도에서 또 하나의 구조적 물질의 음성 열 팽창으로 하나의 구조적 물질의 양성 열 팽창을 보상하는 것이 바람직하고, 코일링을 삽입하는 본 발견은 양성 및 음성 열의 매칭을 가능하게 하는 약 10 또는 그 이상의 인자 만큼 크기가 조절 가능하게 증가되도록 순수한 꼬임-스펀 나노섬유 원사의 음성 열 팽창을 가능하게 함으로써, 원하는 열 팽창이 수득될 수 있다 (제로 근처인 것을 포함함). 꼬임-스펀 원사 내로 파라핀과 같은 물질의 침윤이 열 팽창을 더욱 더 음성으로 만들 수 있기 때문에, 하이브리드 꼬임-스펀 원사는 또한 이러한 용도에 특히 유용하다. 게다가, 꼬임-삽입된 폴리머 섬유는 원사 코일링에 의해 조정 및 크게 증진될 수 있는 크고 통제가능한 음성 열 팽창을 제공하기 때문에, 이들 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 원사는 제로-근처 열 팽창이 섬유 어셈블리 (및 원사 및 섬유 어셈블리) 또는 복합물을 위해 구해지는 그러한 용도에 특히 유용하다.
꼬임-스펀 하이브리드 원사 내의 고체 게스트의 용융은 원사 인장 탄성률이 가역적으로 감소되도록 유발한다 (및, 상응하게는, 증가하는 원사 적합성). 그러므로, 이러한 유형의 구동은 마이크로-공기 비히클에 대한 날개의 경직성 또는 인공 근육의 경직성을 변화시키는 것과 같이 다양한 목적을 위해 사용될 수 있다.
더욱 일반적으로, 상이한 유형의 작동 나노섬유 하이브리드 원사 및 상이한 유형의 꼬임-삽입된 폴리머 섬유의 조합은 전체 스트로크 및 규정 준수의 견지에서 조작된 반응을 제공하도록 주어진 액추에이터 길이 내에서 병렬 운전 또는 운전을 위해 조합될 수 있다. 전기-열 구동의 경우에, 액추에이터 길이에서 또는 상이한 병렬 액추에이터 길이에 대해 상이한 분절에 대한 독립적인 전기적 접속부는 공을 잡는 인간형 로봇에 대해서와 같이 적용 요구에 따라 스트로크 및 규정 준수를 조정하기 위해 사용될 수 있다. 그와 같은 조합은 또한 환경적으로 동력받는 인공 근육에 대한 반응 조정을 가능하게 할 수 있다.
나노섬유 원사 및 폴리머 섬유 근육이 형상 기억 금속 근육에 대한 그것과 대조되는 고정된 하중 하에 작동될 때 근육 스트로크의 이력현상의 관찰된 낮은 정도는 근육 스트로크의 제어를 촉진시킨다. 이것은 실시예 23에 나타내고, 종래의 비례하는-통합-유도체 컨트롤러 (PID 컨트롤러)는 위치 설정 오류를 최소화하기 위해 사용된다. 이러한 낮은 또는 부재하는 이력현상은 비-평행한 코일형 폴리머 섬유 또는 하이브리드 나노섬유 원사 근육 또는 근육 분절의 배치를 사용함으로써 하중의 2-차원 변위를 제공하도록 실시예 33에 사용된다.
하이브리드 나노섬유 원사 근육 또는 폴리머 섬유 근육에 기계적으로 커플링된 전열 구동을 위한 전기적 가열 소자를 사용함으로써, 가열 소자의 저항성은 이러한 가열 소자의 저항성을 측정함으로써 근육 스트로크를 결정하기 위해 전개될 수 있다. 그러한 적용을 위해, 전기적 가열 소자의 저항성은 바람직하게는 온도에 민감하지 않지만, 근육 스트레인에 대해 민감하다. 그러한 적당한 전기적 가열 소자의 예는 폴리머 섬유 근육 또는 하이브리드 나노섬유 원사 근육 둘레에 래핑된 탄소 나노튜브 시트이다. 유사하게, 그러한 랩핑된 탄소 나노튜브 시트 또는 유사한 소자는 광-열적으로 또는 화학적으로 동력받는 구동에 의해 제공되거나 또는 주위 온도 또는 화학적 환경 (환경적인 습도를 포함함)의 변화에 의해 동력받는 것과 같이 비-전기적으로 동력받는 근육 구동을 위한 근육 스트로크를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 구현예의 폴리머 섬유 근육 또는 나노섬유 원사 근육은 또한 실시예 24에 도시된 바와 같이 전기적으로 또는 광-열적으로 구동될 때 소리를 열 음향학적으로 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 그러한 용도에 대해, 소리 발생 소자 (예컨대, 폴리머 섬유 근육, 하이브리드 나노섬유 원사 근육, 또는 순수한 나노섬유 원사 근육 둘레에 래핑된 탄소 나노튜브 시트)는 고다공도 및 충분히 낮은 열 관성을 가져야 하므로 그것은 음향 주파수에서 가열 및 냉각될 수 있다. 이러한 소리는 근육 활동을 감지하기 위한 수단을 제공하도록 임의로 검출될 수 있다. 실시예 24의 경우에 대해서와 같이, 나노섬유 도전성 층이 구동되는 빈도는 나노섬유-랩핑된, 꼬임-삽입된 폴리머 섬유 근육이 전열적으로 작동되는 빈도보다 훨씬 더 높을 수 있고, 이는 나노섬유 층이 전형적으로 훨씬 더 거대한 근원적인 폴리머 섬유 근육보다 훨씬 더 빠르게 가열 및 냉각될 수 있기 때문이다. 예를 들면, DC 구형파 전압 펄스를 적용하는 것 대신에, 훨씬 높은 주파수 (그러나 유사한 평균 제곱근 진폭을 가짐)에서 오디오 신호 전압은 전열 근육 구동을 위해 필요한 주울 가열을 생산하기 위해 인가될 수 있다. 나노섬유 시트가 처음에 열처리되지 않는 경우에 발생하는 주파수 배가를 처리하는 음향 신호 및 근육 구동 동안 이러한 시트의 상승하는 온도를 고려하여, 근육-지지된 나노섬유 시트는 음향 메신저를 방송할 수 있다 (절감, 예를 들어 "근육이 작동된다")
추가로, 폴리머 섬유 또는 나노섬유 원사 근육의 구성을 갖는 소자는 근육으로서 전개되지 않을 때조차 소리를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 그러한 열 음향학적으로 소리를 발생시키는 섬유 또는 원사 요소는 증가된 소리 세기를 제공하고, 및 소리 발생의 방향성 스티어링을 제공하기 위해 (배열 내의 상이한 원사 또는 섬유에 입력된 전기적 신호의 상대적인 상들을 변화시킴으로써) 병렬 또는 병렬 아닌 원사 또는 폴리머 배열로 작동될 수 있다.
그러한 소리 발생 섬유 또는 원사 요소는 또한 이러한 주위 잡음에 관하여 이상 위상으로 작동하였을 때 주위 잡음의 취소를 위해 사용될 수 있다.
직접적인 전류 바이어스는 임의로 이들 열-음향 나노섬유 원사 또는 폴리머 섬유 소자에 인가될 수 있음으로써, 소리 발생은 입력 교류 전류와 동일한 주파수에서 이루어지고 - 그렇게 함으로써 어떠한 바이어스도 인가되지 않을 때 발생하는 입력 주파수에 관하여 출력 소리 주파수의 배가를 회피한다. 관심있는 기능이 배타적으로 기계적 구동일 때조차, 그러한 직접적인 전류 바이어스는 원하는 액추에이터 스트로크에 관하여 액추에이터 스트로크의 진동을 제공하도록 유용하게 인가될 수 있다.
추가의 용도 구현예로서, 꼬인 폴리머 섬유 근육 및 꼬임-스펀 나노섬유 원사 근육의 인장 또는 비틀림 구동은 원치않는 병진 또는 회전식 동작을 취소하도록 사용될 수 있다. 이러한 구현예는 원치않는 병진 또는 회전식 동작에 반작용하는 근육 발생된 토크 또는 인장력의 적용에 의해 작동한다.
본 발명의 추가의 정보는 M. D. Lima 등, "Electrically, Chemically, and Photonically Powered Torsional and Tensile Actuation of Hybrid Carbon Nanotube Yarn Muscles," Science, 338, 928-932 (2012)에 포함되어 있고, 이는 본원에 그 전문으로서 참고 문헌으로 인용된다.
실시예
본원에서 제공된 실시예들은 본 발명의 구현예들의 일부를 보다 완전히 예시하기 위한 것이다. 이어지는 실시예들에 개시된 기술은 본 발명의 실시에서 잘 기능하도록 출원인에 의해 발견된 기술을 나타내고, 그에 따라 그의 실시를 위한 예시적인 모드들을 구성하도록 고려될 수 있음이 당해분야의 숙련가에 의해 인식되어야 한다. 그러나, 당해분야의 숙련가는 본 개시내용에 비추어, 많은 변화들이 개시된 특정 구현예에서 이루어질 수 있고, 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어남이 없이 동일하거나 또는 유사한 결과를 여전히 수득할 수 있음이 인식될 것이다.
실시예 1
본 실시예 1은 파라핀 왁스 게스트를 함유하는 원사 근육의 제작을 기재한다. 우리는 다른 상업적으로 수득된 왁스에 대한 유사한 결과를 수득하였지만 (통조림 및 촛불에 대해 사용된 것들과 같음), 달리 지적되지 않으면 상기 기재된 결과는 미래의 연구자들에게 쉽게 이용될 수 있는 가능성이 있는 왁스 (Sigma-Aldrich 411671 왁스)에 대한 것이고, 이는 알칸의 혼합물을 포함한다. 섹션 3에서의 결과는 이러한 왁스가 ~83℃에서 완전히 용융되고, 고체상 전이 및 용융 동안 30 내지 90℃ 사이에서 ~20% 만큼 확장되고, 90 내지 210℃ 사이에서 ~10% 추가의 용적 팽창을 제공함을 보여준다.
MWNT 원사는 "고온 와이어 방법"을 사용하여 파라핀 왁스에 의해 전형적으로 침윤되었고, 여기서 2-말단-연결된, 꼬임-스펀 원사는 일정한 인장 하중 하에 파라핀 왁스의 용융점 이상까지 전기적으로 가열되었고, 이어서 소량의 고체 파라핀과 접촉되었다. 가열된 원사를 고체 파라핀의 플레이크 또는 용융된 파라핀의 소적들과 접촉시킴에 따라, 상기 파라핀은 원사를 통해 빠르게 확산된다. 100 ㎛ 직경 MWNT 원사에 대해, 약 3 V/cm의 인가된 전압은 Aldrich 파라핀 왁스의 침윤을 가능하게 하기에 충분하였다. 원사 표면 상의 과잉 파라핀은 구동을 저하시켰기 때문에, 상기 원사는 어떠한 과잉 파라핀도 원사 표면 상에서 관찰되지 않을 때까지 파라핀의 증발 온도 (~233℃)까지 전기적으로 가열되었다. 이러한 제2 단계에 대한 필요성은 가열된 원사에 대한 용융된 소적들의 다중 적용에 의해 회피될 수 있고, 및 과잉 파라핀이 원사 표면 상에 축적되기 전에 이러한 공정을 중지시킨다. 포레스트 인출 동안 직접적으로 꼬임 스펀되는 모든 페르마 원사에 대해 사용된 또 하나의 왁스 침윤 방법은 일정한 인장 하중 (실패 스트레스의 ~10%) 하에 용융된 파라핀 (약 0.1 cm/s) 내로 2-말단-연결된, 그대로의-스펀 원사를 서서히 담지시키는 것이다. 원사 단면의 SEM 현미경 검사는 순수한 원사의 기공도는 상기 느린 함침 방법을 사용하는 왁스 침윤에 의해 크게 제거되었음을 지시한다.
실시예 2
본 실시예 2는 폴리디아세틸렌 게스트를 함유하는 원사 근육의 제작을 기재한다. 이용된 디아세틸렌 (DA)은 10,12-펜타코사디노익산 [CH3(CH2)11C≡C-C≡-C(CH2)8COOH]였고, 이는 Alfa Aesar Co., Ltd로부터 구매되었고 수용된 대로 사용되었다. 그대로-스펀되고, 2-말단-연결된, 페르마 원사 (9 mm 직경, 20,000 회전/m의 삽입된 꼬임)는 8 M DA 테트라하이드로푸란 용액에 1 시간 동안 최초로 함침되었고, 이어서 상기 DA 침윤된 원사는 연결을 유지하면서 용액으로부터 제거되었고 실온에서 밤새 건조되었다. UV 광 (30W UV 램프로부터 254 nm)은 DA를 폴리디아세틸렌 (PDA) 내로 제자리 중합하기 위해 사용되었다. 중합 시간은 전형적으로 약 3 분이었고, 이는 상기 원사가 암청색을 개발하도록 유발하였다. 그러나, 중합은 나노튜브 및 디아세틸렌 흡수가 상기 원사 내부의 UV 광의 깊은 침투를 방지하기 때문에 부분적으로 불완전하였다.
실시예 3
본 실시예 3은 폴리에틸렌 글리콜 게스트를 함유하는 하이브리드 원사 근육의 제작을 기재한다. ~6000의 평균 분자량 및 60 내지 63℃의 용융 온도 범위를 갖는 폴리에틸렌 글리콜 (PEG), H(OCH2CH2)nOH이 Sigma Aldrich (Bio-Ultra 6000)로부터 플레이크로서 수득되었고 수신된 대로 사용되었다. 상기 PEG는 약 100℃에서 30분 동안 PEG의 용융 조 내의 이러한 원사 분절의 함침에 의해 직경 페르마 원사 (15,000 회전/m의 삽입된 꼬임 함유)의 하부 절반 내로 침윤되었다. 이어서 상기 2-말단-연결된 원사는 PEG 조로부터 제거되었고, 실온으로 냉각되었다. PEG-충전된 원사 분절의 직경은 17 ㎛였고, 바이어스 각은 31°였다.
실시예 4
본 실시예 4는 게스트를 함유하는 원사 근육의 제작을 기재한다. e-빔 침착 (CHA-50 e-빔 증발기)을 사용하여, 강성 막대에 의해 지지된 2개의 동시-배향된 MWNT 시트의 스택 내의 개별적인 나노튜브 및 나노튜브 다발들은, ~5 nm 두께 Ti 버퍼 층에 의해 (균일한 Pd 침착을 보장하기 위해), 이어서 60, 80, 120, 또는 140 nm 두께 Pd 층에 의해 최초로 코팅되었고, 여기서 상기 층 두께는 동일한 환경에 있는 평면 기판 상의 침착의 층 두께에 대응하는 공칭 값이다. 이어서, 상기 시트 스택은 이중-아르키메데스의 구조를 갖는 144 mm 직경 원사를 수득하기 위해 꼬임 스펀 (100 내지 200회전/m)되었다. 60 nm Pd 층은 상기 원사의 가역적 구동을 수득하기에 충분하였고, 더 두꺼운 코팅은 원사 꼬임을 삽입하는 어려움을 바람직하지 못하게 증가시켰다.
실시예 5
본 실시예 5는 순수한 및 파라핀 왁스 침윤된 탄소 나노튜브 원사들 모두에 대한 인장 구동을 극적으로 증가시킴을 보여준다. 코일형 이중-아르키메데스의 원사에 대한 인장 수축 대 온도는 왁스 침윤 전 또는 후에, 비-코일형 페르마 원사에 대해 상응하는 데이터 (도면 삽도)와 도 2a에서 비교된다. 왁스 침윤은 모든 원사에 대한 인장 수축을 크게 증가시켰고, 원사 코일링도 증가되었다. 구동의 하중 의존의 차이에도 불구하고, 유사한 인장 스트로크가 유사한 직경 및 꼬임 각을 갖는 비-코일형, 페르마 및 이중-아르키메테스의 원사에 대해 수득되었다 (도 6). 순수한 코일형 원사를 주위 온도부터 백열 온도 (약 2,560℃)까지 3.8 MPa 인장 응력 하에 가열하는 것은 7.3%의 가역적 원사 수축을 제공하고 (도 2b), 0.16 kJ/kg 작업 능력에 상응한다. 원사 코일링은 인장 구동 스트로크를 크게 증진시켰기 때문에, 코일형 원사 (도 1e)는 인장 구동에 대한 아래 연구의 대부분의 초점이다.
실시예 6
본 실시예 6에서, 분당 현저한 1,200 사이클 3% 스트로크에서 인장 구동은 그 자신의 중량의 17,700배를 들어 올린 2-말단-연결된, 파라핀-왁스-충전된, 코일형 페르마 원사를 사용하여 1.4 백만 이상의 사이클 (도 3a) 동안 실증되었다. 이러한 고속은 50% 듀티에서 20 Hz, 18.3 V/cm 구형파 전압을 3.8 cm 길이 원사 칭량 2.25 ㎍/cm에 적용함으로써 생산되었다. 25 ms의 고속 수동 냉각은 작은 원사 및 코일 직경 (11.5 ㎛ 및 20 ㎛, 각각)으로부터 초래되었다. 잘-분리된 25 ms 펄스를 적용하는 것은 4.2 kW/kg의 평균 파워 출력에서 이러한 수축 동안 (공통의 내부 연소 엔진의 전력-대-중량 비의 4배) 1.58% 초기 수축 및 0.104 kJ/kg의 기계적 에너지를 수득하였다.
실시예 7
본 실시예 7은 인장 액추에이터로서 실시예 6의 원사의 성능은 펄스 지속시간을 감소시키면서 인가 전압 및 기계적 하중을 증가시킴으로써 최적화될 수 있음을 보여준다. 도 3b는 일련의 구동을 보여주고 여기서 상기 원사는 32 V/cm이 15 ms 동안 인가될 때 30 ms 내에 그의 질량의 175,000배를 들어 올린다. 수축 (0.836 kJ/kg) 동안 작업은 27.9 kW/kg의 파워 출력을 제공하였고, 이는 포유동물 골격 근육의 피크 출력의 85배 (0.323 kW/kg)이고 이전의 탄소 나노튜브 근육의 최대 측정된 전력 밀도의 30배이다 [J. Foroughi 등, Science 334, 494 (2011)]. 그러나, 높은 인가된 전력은 과도한 가열 및 느린 파라핀 증발을 유발함으로써 사이클 수명을 감소시킨다.
수축 동안 액추에이터 스트로크 및 작업 용량은 일반적으로 이들이 동시에 최대화될 수 없더라도 상기 인가된 하중을 최적화함으로써 독립적으로 최대화될 수 있다. 도 3c는 2-말단 연결된 왁스-침윤된, 150 ㎛ 직경, 이중-아르키메데스의 원사 내의 상이한 양의 꼬임 삽입에 대한 액추에이터 스트로크 및 작업 용량의 스트레스 의존도를 보여준다. 코일링을 유발하기에 충분한 꼬임을 갖는 원사에 대해 크게 증대된 가역적 수축은 정상상태 전기적 가열로부터 왁스 기화 온도 바로 미만까지 초래되었다. 높은 스트레스를 적용하는 것은 수축된 상태 (용융된 왁스 함유)에서 원사의 낮은 영률 및 상응하여 초기 상태보다 하중 하에 대응하는 더 큰 탄성 신장 (여기서 상기 고체 왁스는 인장 및 비틀림 변형 모두에 대한 구조적 강화를 제공함)으로 인해 스트로크를 감소시킨다. 크게 코일링된 원사에 대한 스트로크는 낮은 스트레스 (도 3c)에서 감소하고, 이는 수축을 방해하는 인접한 코일의 인접 부근과 일치한다.
도 3c는 왁스 하이브리드 원사에 대한 수축 동안 스트로크나 또는 작업을 최대화하는 최적의 양의 코일링이 존재함을 보여준다. 5.6%의 최대 수축이 중간 꼬임을 갖는 코일형 페르마 원사에 대해 5.7 MPa 스트레스에서 관찰되었다. 6.8% 이상의 꼬임을 상기 코일형 원사에 첨가하는 것은 최대 수축 (5.1% 스트레인에 대해 16.4 MPa) 및 최대 측정된 수축 작업 (84 MPa에서 1.36 kJ/kg)의 스트레스를 증가시켰고, 이는 천연 근육의 작업 용량의 29배이다. 차후에 꼬임을 41% 만큼 감소시키는 것은 코일링을 제거하였고, 최대 수축 및 수축성 작업을 낮은 값 (0.7% 및 0.31 kJ/kg, 각각)으로 감소시켰다. 5.5 MPa 스트레스 하에 10%의 수축은 잘-분리된 50 ms, 15 V/cm 펄스를 적용시킴으로써 150 ㎛ 직경, 부분적으로 코일형, 이중-아르키메데스 원사에 대해 실현되었다 (도 3d). 이러한 원사의 단면적은 도 3a 및 도 3b의 원사에 대해 170배 더 컸기 때문에, 주위 공기의 수동적인 냉각은 덜 효과적이었다: 냉각 시간은 약 25 ms로부터 약 2.5 s로 증가되었고, 가열 및 냉각 시간 모두가 고려될 때 낮은 수축성 전력 밀도를 초래하였다 (0.12 kW/kg).
실시예 8
본 실시예 8에서, 도 1a 구성에서 순수한 페르마 원사를 위한 인장 구동 대 꼬임 삽입에 대한 실험 데이터는 꼬임의 중요성 및 열 수축에 대해 초래된 바이어스 각 증가를 보여준다 (도 5). 대략적으로 9,650 회전/m으로부터 대략적으로 28,130 회전/m까지 삽입된 꼬임의 증가에 의해, 일정한 인가된 동력에서 인장 구동은 약 2.8 배 (약 0.03% 내지 약 0.086%) 증가되었다. 그러나, 코일링의 시작이 최초로 관찰되었을 때 (33,800 회전/m에서)　열 수축에서 약 4.5% 감소가 있었고, 이는 작은 코일링 및 감소하는 모듈러스에 대한 도입된 코일링의 효과가 존재할 때 수축을 제공하는데 있어서 비-코일형 원사 분절의 우세로 인한 것일지도 모른다.
실시예 9
본 실시예 9에서, 매우 빠르고, 크게 가역적인 비틀림 구동은 원사 중간점에서 패들을 회전시킨 6.9 cm 길이, 10 ㎛ 직경, 2-말단-연결된, 하프-왁스-침윤된 호모키랄 페르마 원사에 대해 2백만 사이클 동안 실증되었다 (도 1b 구성). 상기 하이브리드 원사는 16.5 배 더 무거운 패들을 분당 완전한-사이클-평균 11,500 회전 - 처음으로 한 방향으로, 이어서 역으로 가속화되었다 (도 4a). 구동 온도는 Tmf보다 훨씬 위였지만, 이러한 높은 사이클 수명은 비틀림 복귀 스프링 (도 1b의 작동되지 않는 원사 분절)의 존재 때문에 초래되었다. 도 4b는 백만개의 크게 가역적인 사이클 동안 150 배 더 무거운 패들을 회전시킨 유사한 원사에 대해 입력 전력 및 인가된 인장 하중에 대한 비틀림 회전의 의존도를 보여준다. 증가하는 하중은 회전 속도를 5,500 회전/분으로부터 최대 7,900 회전/분까지 증가시켰다. 가역적 비틀림 구동 (12.6°/mm)은 또한 100 W 백열 램프로부터 광 펄스를 사용하는 가열로 전기적 가열을 대체함으로써 하프-왁스-침윤된 원사에 대해 구동되었다.
실시예 10
본 실시예 10은 2-말단 연결된 호모키랄 원사를 위한 비틀림 구동에 대한 왁스 침윤의 효과를 특성화하고, 여기서 상기 원사의 2분의 1이 작동되고 나머지 절반은 비틀림 복귀 스프링으로서 크게 기능한다. 이용된 16 mm 직경 페르마 원사는 15,000 회전/m의 삽입된 꼬임 및 35°의 바이어스 각도를 갖는다. 왁스 함유 원사에 대한 구성은 도 1b에 대해서와 같이 정확하게 동일하였고, 비-침윤된 원사에 대한 그것은 전력이 원사 길이의 단 하나의-절반부에 적용되었음을 제외하고 상기 2개의 원사 분절이 등가인 경우에만 상이하다. 이들 비교예에서, 동일한 기계적 하중이 인가되었고, 구동을 달성하기 위해 사용된 전압은 동일하였다 (11.6 V/cm). 일부 비틀림 구동 회전이 저온과 고온 원사 분절 사이의 비틀림 및 인장 모듈러스의 작은 차이로 인해 존재할 수 있는 순수한 원사 (4.9°/mm)에 대해 관찰되었지만, 이러한 회전은 원사 분절들 중의 하나가 파라핀 왁스에 의해 차후에 침윤되었을 때 관찰된 71.2°/mm 비틀림 구동까지 낮게 비교되었다.
실시예 11
본 실시예 11은 2-겹 헤테로키랄 원사 (합사되지 않은 헤테로키랄 원사 대신)의 사용은 도 1d 구성에 대해 가역적 전열 비틀림 구동을 가능하게 함을 입증하였다. SZ 원사는 미터당 20,000 회전의 초기 꼬임을 갖는 11 ㎛ 직경, 페르마 Z 원사 내로 약 30% 초과의 꼬임을 삽입함으로써 수득되었다. 이렇게 크게 꼬인 원사는 이어서 자체적으로 접혔고, 그에 따라 Z 꼬임의 일부는 합사로 인해 S 꼬임으로 전환되었다. ZS 원사는 유사하게 제조되었다. 이어서, 이들 원사는 함께 매듭지어졌고, 패들은 매듭의 위치에 부착되었다. 수득한 2-겹 SZ-ZS 원사 구조는 20 ㎛ 직경이었다.
입력된 전력 측정의 함수로서 비틀림 구동의 정상상태 측정 (도 8)은 가역적 비틀림 회전이 (1) 왁스의 용융점 이상까지 왁스-충전되고 작동되었거나 또는 (2) 순수하고 진공에서 백열 온도까지 작동된 헤테로키랄, 2-겹 페르마 원사에 대한 도 1d 구성을 초래함을 보여준다. 이들 실험에 대해 인가된 스트레스는 순수한 원사에 대해 3.2 MPa 및 왁스-충전된 원사에 대해 5.8 MPa였다. 여기서 왁스-충전된 SZ-ZS 원사 (68°/mm)에 대해 달성된 최대 비틀림 구동은 도 1b 구성에서 실시예 10의 하프-침윤된 호모키랄 원사에 대해 거의 동일하지만 (71.2°/mm), 진공에서 순수한 SZ-ZS 원사는 30°/mm 비틀림 구동 (대 공기 중에서 실시예 10의 하프-작동된, 호모키랄 원사에 대해 4.9°/mm)을 제공하였다. 이러한 후자 차이는 적어도 부분적으로 구동으로부터 고온까지 초래되는 순수한 원사에 대한 구동 증대를 보여준다 (이는 현재 다공성 순수한 원사에 대한 대류 에너지 손실을 제거하기 위해 진공을 사용함으로써 왁스-충전된 원사에 대해서와 동일한 동력에서 가능해짐). 나노튜브 비틀림 액추에이터에 대해 낮지만, 순수한 원사에 대한 이러한 30°/mm의 비틀림 구동은 형상 기억 합금, 강유전성 세라믹, 또는 도전성 폴리머에 대해 이전에 보고된 최대치의 200 배이다. 비틀림 구동은 1 Hz 빈도 및 20% 듀티 사이클을 갖는 9.7 V/cm 전압 펄스를 사용하여 백열 온도까지 진공에서 구동되었을 때 이러한 순수한 2-겹 원사에 대해 조사되었다. 27°/mm 회전이 분당 510 회전의 평균 속도로 관찰되었다.
이러한 가역적 행동은 원사가 구동 사이클의 모든 위치에서 고체 게스트를 함유하지 않을 때 도 1d 구성에서 헤테로키랄, 단일-겹 원사의 구동의 가역성의 결핍과 대조된다. 후자의 경우에, 상기 2개의 원사 분절에서 반대 꼬임의 영구적 취소는 구동 동안 발생하고, 그렇게 함으로써 사이클링 동안 비틀림 회전의 영구적 신장 및 감소를 초래한다.
실시예 12
본 실시예 12는 파라핀-왁스-침윤된, 코일형 탄소 나노튜브 원사는 거대한 특정 토크를 발생시킬 수 있고, 이러한 토크는 물체를 던지기 위해 사용될 수 있음을 입증하였다. 스택 길이당 대략적으로 3,000 회전/m의 삽입된 꼬임을 갖는 100 ㎛ 직경, 6.4 cm 길이, 완전히-침윤된, 헤테로키랄, 이중-아르키메데스의 원사에 대해 측정된 정적인 특정 토크 대 인가된 전력은 도 4c에 나타낸다. 8.42 N.m/kg의 초대 특정 토크는 이러한 100 ㎛ 직경 원사에 대해 발생되었고, 이는 전기화학적으로 유도된 나노튜브 원사에 대해 입증된 것보다 5배 더 크고 [J. Foroughi 등, Science 334, 494-497 (2011)] 대형 전기 모터에 대해서보다 약간 더 크다 (최대 6 N.m/kg). 이러한 토크는 헤테로키랄 원사의 중심 접합점에 부착된 금속 패들 (23 mm 길이)에 의해 발휘된 힘을 측정하기 위해 디지털 마이크로 밸런스를 사용하여 결정되었다. 상기 패들은 수평 위치에 있었고, 힘 측정 동안 마이크로 밸런스의 플레이트에 반하여 눌려졌다. 작동 전압이 제로일 때 어떠한 힘도 마이크로 밸런스에 인가되지 않았으므로, 실험의 시작 시에 상기 원사 내의 왁스는 (전기적 가열에 의해) 용융되었고 다시-고형화된 한편 상기 금속 패들은 마이크로 밸런스의 플레이트와 접촉하였다. 이러한 동일한 파라핀-왁스-침윤된 헤테로키랄 원사는 소형 Greco-Roman 스타일 투석기 (도 4c, 하부 삽도)의 팔을 300°만큼 회전시킴으로써 발사체를 던지기 위해 사용되었다. 최대 비틀림 구동 온도는 왁스 용융이 완료된 온도 이상이었지만, 투석기의 가역적 동작이 달성되었다.
실시예 13
본 실시예 13에서, 출원인은 또한 다른 용적-확장 게스트를 함유하는 하이브리드 원사에 대해 가역적, 열적으로 동력받는 비틀림 구동을 입증하였다. 이것은 현재 CH3(CH2)11C≡C-C≡C(CH2)8COOH에 대해 입증되었고, 이는 실시예 2에 기재된 바와 같이 꼬임-스펀 페르마 원사 (d = 9 ㎛ 및 a = 26°) 내로 침윤되었고 1,4-부가에 의해 폴리디아세틸렌 (PDA)를 생산하기 위해 광중합되었다. 색-변화하는 탄소 나노튜브 원사를 제조하기 위해 사용된 관련된 폴리디아세틸렌에 대해서와 마찬가지로 [H. Peng 등, Nature Nanotech. 4, 738 (2009)], 생산된 폴리디아세틸렌은 다색이고, 너무 높은 온도에 도달되지 않는 한 가역적인 ~57℃에서 청색-대-적색 상 전이를 제공한다. 그러나, 중합의 부분 정도는 문제이고, 중합되지 않은 모노머는 ~63℃에서 용융되고, 추가의 원사 팽창을 생산하기 때문이다.
상기 최초로 조사된 수평 구성 (도 7a, 이는 도 1b 구성과 유사함)에 대해, 상기 2-말단-연결된 호모키랄 페르마 원사는 일정한 하중 (2 MPa, 작동되지 않은 원사의 단면으로 정규화될 때)을 지원하였다. 비틀림 구동을 위해 사용된 PDA-함유 원사 분절은 3 cm 길이였고, 총 원사 길이는 7 cm였으며, 그중 6 cm는 와이어 눈 구멍 지지체 앞에 위치하였고, 원사 길이의 나머지는 슬롯된 중량을 수직으로 지지하였고, 이는 자유롭게 회전할 수 없었다 (그러나 작동 원사 분절이 수축되고 확장됨에 따라 자유롭게 수직으로 이동하였음). 그러므로, 침윤되지 않은 원사 길이는 비틀림 복귀 스프링으로서 작용한다. 이러한 제2의 기재된 구성 모두에 대해, 주울 가열은 원사 말단과 금속 눈 구멍 지지체 사이에 전압을 인가함으로써 이루어졌다. 2 mA DC 전류가 상기 원사에 인가되었을 때 (13 mW/cm 입력 전력에 대응함), 100°/mm의 가역적 패들 회전은 주울 가열 동안 꼬이지 않은 작동된 원사로서 생산되었다. 크게 가역적인 구동은 5,000 이상의 온-오프 사이클 동안 입증되었고, 이는 조사된 최대치였다.
1-말단-연결된 구성 (도 7b, 이는 도 1c에 대해서와 유사함)에서 조차, 완전히 침윤된, PDA-하이브리드 원사는 중합되지 않은 모노머의 용융점 이상까지 가열되었을 때조차 가역적 비틀림 회전을 제공할 수 있다. 2 mA DC 전류가 3 cm 길이 디아세틸렌-침윤된 원사 분절에 인가되었을 때, 상기 패들은 작동 원사의 꼬이지 않음에 대응하는 방향으로 회전되었고, 이러한 회전은 이어서 전기적 가열이 중단되었을 때 역전되었다. 이는 상기 원사 내부의 폴리디아세틸렌은 원사 용적이 냉각 동안 감소할 때 비틀림 구동을 역전시키기 위한 내부 비틀림 스프링으로서 기능함을 지시한다. 상응하는 순수한 원사는 복귀 스프링을 갖지 않기 때문에, 이는 가역적 비틀림 구동을 제공하지 않는다.
이러한 청색-적색 상 전이에서 몇 퍼센트 용적 증가 및 63℃에서 용융된 불완전하게 중합된 모노머로부터 더 큰 용적 변화로 인해, 100°/mm의 가역적 비틀림 회전은 도 1b의 2-말단-연결된, 하프-침윤된 원사 구성에 대해 80℃ 미만까지 구동을 위해 수득되었다. 더 높은 온도까지의 구동은 비가역적 상 전이 때문에 마찬가지로 저조하게 가역적이었다.
실시예 14
본 실시예 14는 실시예 4의 팔라듐 하이브리드 탄소 나노튜브 원사에 대한 흡수에 의해 동력받는 구동을 입증하였다. 도 1d의 구성은 0.022 MPa 인가된 인장 응력을 사용하여 비틀림 구동의 특성화를 위해 전개되었다. 가역적 비틀림 구동은 이중-아르키메데스의 원사 내의 나노튜브 다발들 상에서 60 nm 두께 팔라듐 층 상의 수소의 흡수 및 탈착에 의해 동력을 받았다. 이러한 144 ㎛ 직경 원사는 90 wt% 팔라듐을 함유하였기 때문에, 수득한 높은 비틀림 강성은 꼬임 삽입을 최대 200 회전/m까지 제한하였다. 그럼에도 불구하고, 1-말단-연결된 원사는 그의 자유 말단에서 수소 흡수 동안 천배 더 무거운 패들을 회전시켰다. 0.05 atm H2의 액추에이터를 함유하는 진공 챔버 내로의 주사는 ~6 s 이내에 1.5 패들 회전을 유발하였고, 이는 수소 노출 및 진공 사이의 반복된 사이클링 동안 유사한 시간 규모로 완전히 역전되었다. 10 ㎛ 두께 Pd 합금 층의 치수 변화를 이용하는 캔틸레버-기반 액추에이터는 이전에 입증되었지만 [M. Mizumoto, T. Ohgai, A. Kagawa, J. of 합금 및 화합물 482, 416-419 (2009)], 반응 시간은 수십분이었다. 상기 원사의 100-배 더 빠른 반응 속도는 원사 기공도 및 Pd 코팅의 얇음으로부터 초래되었다. 그와 같은 원사 액추에이터는 표적화된 수소 압력이 초과될 때 입구를 빠르게 폐쇄하는 지능형 근육으로서 사용될지도 모른다.
실시예 15
본 실시예 15는 액체 흡수 및 탈착이 또한 도 9에 도시된 바와 같이 작동을 구동할 수 있음을 입증하였고, 여기서 2-말단-연결된 페르마 원사의 비틀림 구동은 액체 중의 함침 길이의 함수로서 나타낸다. 크게 가역적인 비틀림 회전은 습윤 액체 중의 2-말단-연결된 호모키랄 원사의 함침 깊이를 변화시킴으로써 수득되었다. 도 9a의 액추에이터 시험 구성이 전개되었고, 여기서 총 원사 길이는 80 mm였고, 기록 구동을 위해 사용된 패들은 대략적으로 원사 중간점에 있었고, 원사의 상부 말단은 가요성 막대 지지체에 부착되었고, 바닥 원사 말단은 정지된 20 mm 직경 유리 바이알의 바닥에 견고하게 부착되었다. 조사된 페르마 원사는 대략적으로 25,000 회전/m의 삽입된 꼬임을 함유하였고, 초기 원사 직경 및 바이어스 각은 각각 8 ㎛ 및 32°였다. Mylar 패들은 3.5 mm 폭, 2 mm 높이 및 0.1 ㎛ 두께였고 1.0 mg으로 칭량되었고, 이는 총 원사보다 ~100 배 더 무거웠다.
액추에이터 반응은 약 4 cm3의 시험 액체를 유리 내로 최초로 주사함으로써 훈련되었고, 이는 약 12 mm의 원사 함침 깊이를 제공하였다. 토크 밸런스를 지시하는 패들 회전이 정지한 후, 상기 액체는 약 0.1 mL/s에서 제거되었고, 이는 원사 함침 깊이에서 0.3 mm/s 감소에 대응하였다. 액체 충전/제거 절차는 원사 함침에 대한 패들 회전각의 의존도에 대한 가역성의 정도를 보장하기 위해 3배 반복되었다. 이러한 트레이닝 주기 후, 도 9b에서 데이터는 패들 회전각 (φ)이 아세토니트릴 및 헥산, 각각에 대해 49.6 ± 3.4 및 35.3 ± 1.7 도/mm의 기울기와 원사 함침 깊이의 함수임을 보여준다.
실시예 16
본 실시예 16은 실시예 3에 기재된 방법을 사용하여 폴리에틸렌 글리콜 (PEG)에 의해 부분적으로 침윤된 2-말단-연결된, 호모키랄, 비-코일형 페르마 원사에 대한 비틀림 구동을 실험적으로 입증하였다. PEG는 그것이 용적을 10% 만큼 용융 동안 팽창시키기 때문에 탄소 나노튜브 원사에서 게스트로서 선택되었다 [L. J. Ravin, T. Higuchi, J. Am. Pharm. Assoc. 46, 732 (1957)]. 원사 직경, 삽입된 꼬임의 양, 및 바이어스 각은 각각 17 ㎛, 15,000 회전/m, 및 31°였다. 총 원사 길이는 5.2 cm였고, 한쪽 원사 말단에서 2.6 cm 길이 섹션은 PEG로 침윤되었고, 상기 패들은 도 1b에서와 마찬가지로, 침윤된 원사 분절과 비-침윤된 원사 분절 사이의 접합부에 존재하였다. 침윤된 원사 분절보다 92배 더 무거운 이러한 패들은 직사각형 Kapton 테잎 스트립 (3.7 mm 길이, 1.1 mm wide, 및 130 ㎛ 두께)이었다. 비틀림 구동은 고속 영화 카메라를 사용하여 기록되었고 (240 프레임/s), 데이타는 패들 회전각의 시간 의존의 프레임-바이-프레임 분석에 의해 수득되었다.
도 1b 구성을 사용하여, PEG의 용융 온도 이상까지의 구동은 전체 원사 길이를 따라 2.4 mA 구형파 전류 펄스 (3.4 Hz 빈도 및 25% 듀티 사이클)을 적용시킴으로써 생산되었다. 구동 동안 상응하는 동력은 16 mW/cm였고 구동 동안 인가된 인장 응력은 23 MPa (비-작동된 원사의 단면까지 정규화될 때)였다. 이러한 펄스 전력 입력을 사용하여, 분당 1,040 회전수의 최대 회전 속도 및 37°/mm의 비틀림 화전이 수득되었다 (침윤된 원사 분절이 가열 동안 최초로 꼬임 풀림되고 이어서 도움 없는 냉각 동안 다시-꼬인 구동 사이클 동안). 구동에서 어떠한 저하도 관찰된 사이클의 최대 횟수 (100,000 사이클)에 이르기까지 관찰되지 않았다.
실시예 17
전기적 가열에 대한 대안으로서, 본 실시예 17은, 파라핀-함유 탄소 나노튜브 하이브리드 원사의 비틀림 및 인장 구동은 수동으로 온 (1.6-2s) 및 오프 (0.3-0.5s) 스위치된 100 W 백색광 램프로부터 백열 가열에 의해 생산되었다는 것을 실증했다. 도 1b 구성을 사용하여, 12.6°/mm의 가역적 비틀림 구동은 파라핀 왁스에 의해 절반-침윤된 2-말단-연결된 호모키랄 페르마 원사 (삽입된 꼬임의 대략적으로 20,000 회전/m을 갖는 약 15 mm 직경)에 대해 수득되었다. 가역적 인장 수축은 이러한 원사 분절을 광으로 가열함으로써 유발된 비틀림 구동 동안 파라핀-함유 원사 분절의 꼬임 풀림과 동시에 발생하였다.
실시예 18
본 실시예 18은 (실시예 1에 기재된 방법을 사용하여) 파라핀 왁스에 의해 완전히 침윤된 2-말단-연결된, 호모키랄, 코일형 페르마 원사에 대한 큰 빈도, 큰 스트로크, 인장 구동을 달성하기 위해 레버 암의 사용을 입증하였다. 코일 내의 원사 직경 및 코일 직경은 각각 약 22 ㎛ 및 약 37 ㎛였다. 총 원사 길이는 약 15.2 MPa의 스트레스가 인가되었을 때 7.3 cm였다. 강성 레버 암은 50 mm 길이 알루미늄 튜브 (0.159 cm 외부 직경 및 0.088 cm 내부 직경)였고, 하나의 막대 말단 둘레를 자유롭게 선회하는 0.196 g으로 칭량되었다. 작동 원사에 의해 발생된 힘은 0.06의 기계적 이점을 제공하기 위해 (원사 말단에 부착된 알루미늄 링을 사용하여) 피봇점으로부터 3 mm의 거리에 인가되었다. 파라핀의 용융 온도 이상까지의 구동은 전체 원사 길이를 따라 약 13 V/cm 전압 (5-10 Hz 빈도 및 50% 듀티 사이클에서)을 적용시킴으로써 생산되었다. 이러한 펄스 전력 입력을 사용하여, 11.9 mm의 최대 수직 변위는 5 Hz의 인가된 빈도에 대해 수득되었다. 피봇점으로부터 5 mm에 구동력을 적용하고 (0.1의 기계적 이점에 상응함), 6.7 및 10 Hz의 더 높은 인가된 빈도를 사용하여, 이러한 변위는 각각 10.4 mm 및 3.5 mm로 감소되었다.
실시예 19
본 실시예 19는 파라핀 왁스로 완전히 침윤된 2-말단-연결된, 호모키랄, 코일형 페르마 원사에 대한 증폭된, 높은 빈도 인장 구동을 입증하였다. 원사 근육 및 원사 구성 (도 1a에서와 같음)은 실시에 18과 동일하였다. 본 실시예에 대해서와 마찬가지로, 작동 원사의 한쪽 말단은 알루미늄 고리에 대해 매듭지음으로써 부착되었다. 그러나, 본 실시예 19에서 원사 근육에 의해 발생된 힘은 (부착된 알루미늄 고리를 통해) 약 0.04g/cm의 선형 밀도를 갖는 254 ㎛ 직경 및 60 mm 길이의 템퍼링된 와이어 캔틸레버에 인가되었다. 와이어에 대한 부착점은 캔틸레버 베이스로부터 20 mm였기 때문에, 기계적 이점은 0.33이었다. 원사 근육 내의 파라핀 왁스의 용융 온도 이상까지의 구동은 전체 원사 길이를 따라 약 13 V/cm 전압 (75 Hz 빈도 및 50% 듀티 사이클에서)을 적용시킴으로써 생산되었다. 이러한 펄스 전력 입력을 사용하여, 3.43 mm에 의해 캔틸레버 팁의 최대 수직 변위는 75 Hz에서 수득되었다.
실시예 20
본 실시예 20은 작동된 원사의 용적 변화에 대한 원사 게스트의 용적 변화에 실험적으로 및 이론적으로 관련한다. 광학 현미경검사에 의해 기록된 영화는 전체 원사 길이 변화가 등장 전열 인장 구동 동안 측정됨에 따라 원사 구조 변화를 특성화하도록 사용되었다. 왁스-충전된, 비-코일형, 이중-아르키메데스의 원사는 도 1a 구성에서 2-말단-연결되었다. 이러한 150 ㎛ 직경 원사는 약 35°의 바이어스 각을 갖고, 2,500 회전/m의 스택 길이당 삽입된 꼬임을 함유하였다. 상기 인가된 하중은 13.4 MPa였고, 123 mW/cm의 전력이 작동된 정상 상태와 작동되지 않은 정상 상태 사이의 사이클에 인가되었다. 우리는 원사 직경은 총 원사 길이가 0.585 ± 0.003% 만큼 수축함에 따라 4.06 ± 1.87% 만큼 증가되었음을 관찰하였고, 그렇게 함으로써 원사 용적은 구동 동안 7.7 ± 2.6% 만큼 증가되었음을 지시한다. 예상대로 나노튜브 용적 때문에, 주위 온도로부터 약 210℃ 이상까지 이러한 퍼센트 원사 용적 변화는 왁스의 퍼센트 용적 변화보다 훨씬 더 작았고, 이는 약 30%이다.
상기 결과와의 비교를 위해, 구동 동안 원사에 대한 퍼센트 용적 변화 (ΔVy/V-y)는 다발로 된 나노튜브의 밀도 (ρb), 구동 전 왁스의 초기 밀도 (ρw), 왁스인 원사 중량의 분획 (Fw), 및 구동 동안 왁스 용적의 분획의 변화 (ΔVw/V-w)로부터 산출되었다. 그 결과는 다음과 같다:
ΔVy/V-y = (ΔVw/V-w)(1 + (ρw/ρb)((1-Fw)/Fw))-1.
ρb = 1.65 g/cm3의 나노튜브 다발 밀도는 전형적인 다발이 6개의 벽을 갖는 육각형으로 폐쇄-포장된 9 nm 직경 나노튜브를 함유함을 근사함으로써 산출되었다. 고체 왁스의 밀도에 대해 0.9 g/cm3을 사용하여, ρw/ρb = 0.54. 180 ㎛ 직경, 이중-아르키메데스의 원사 (0.28) 내의 왁스의 측정된 중량 분율 및 30 내지 210℃ (30%)에서 측정된 ΔVw/Vw에 대해, 산출된 원사 용적 변화는 12.6%이고, 이는 상기 측정된 값의 2개의 표준 편차 이내에 있다 (7.7 ± 2.6%).
실시예 21
본 실시예 21은 저-꼬임 원사 상태에서 수지 침윤에 의한 인장 스트로크의 증대, 이러한 수지의 차후의 중합 및 이어서 원사 코일링을 생산하기 위해 필요한 큰 꼬임의 삽입 뿐만 아니라 인장 액추에이터로서 폴리머-충전된, 코일형 탄소 나노튜브 원사의 사용을 나타낸다. 300 mm 직경 호스트 이중-아르키메데스의 탄소 나노튜브 원사는 2.5 cm 폭 및 15 cm 길이인 4개의 포레스트-그린 MWNT 시트의 스택 내로 100 내지 200 회전/m의 꼬임 (5g 하중 하)을 삽입함으로써 생산되었다. 이러한 저-꼬임 호스트 원사는 이어서 실리콘 고무 수지에 의해 침윤되었다 (실리콘, Inc.로부터 이-구성성분 실리콘 cps 1200). 실리콘 고무가 (실온에서 ~24 시간 동안) 경화된 후, 상기 복합 원사는 그것이 완전히 코일링될 때까지 약 0.2 MPa 긴장 하에 꼬여졌다. 원사의 최종 직경은 약 270 mm였다. 이러한 저-꼬임-침윤 방법은 매우 높은 중량 및 용적 퍼센트의 게스트 물질을 함유하는 코일형 하이브리드 원사가 제작되도록 허용한다. 상기 기재된 실리콘 고무/탄소 나노튜브 원사에 대해 실리콘 고무의 중량 퍼센트는 약 95%였다. 게스트와 이러한 높은 원사 로딩, 상기 게스트의 큰 열 팽창, 및 코일링의 후-침윤 사용의 결과로서, 거대한 인장 수축이 전열 구동 동안 초래되었다. 전기적 가열에 따라 (5V/cm의 0.2 초 구형파 펄스를 사용하여), 상기 코일형 하이브리드 나노튜브 원사는 5 MPa (도 10)의 스트레스 하에 최대 35% 만큼 가역적으로 수축되었다.
실시예 22
본 실시예 22는 윈도우 셔터의 개방을 조절하기 위한 무소음 액추에이터로서 단일 코일형, 2-겹, SZ 꼬인, 은-코팅된 나일론 섬유의 사용을 나타내고, 이는 도 22c-d에 그려져 있다. 전구체 꼬이지 않은 200 um 직경 은-코팅된 섬유는 상업적으로 수득하였고, 삽입된 꼬임은 990 회전/미터였다. 나일론 근육은 2-말단 연결되었다. 25 초 사이클 동안 블라인드를 개방 및 폐쇄시키기 위해 사용된 작동 전압은 28 cm 길이 코일형 섬유에 대해 15 V 구형파 (7 초 온 및 18 초 오프)였다. 코일형 섬유의 길이 변화는 200 g의 인가된 하중 하에 2 cm 수축 (7.1% 수축)이었고, 이는 셔터를 폐쇄된 위치로 되돌리기 위해 사용되었다. 이러한 수축을 사용하여 상기 셔터는 섬유 구동 동안 폐쇄된 위치로부터 (수직 방향에 관하여 15°슬랫 경사 ) 90°까지 (완전 개방 위치) 개방된다. 주위 온도 변화의 사용에 의한 이러한 열 구동의 구성은 주위 온도의 관련된 변화에 대한 스트로크를 증폭시키기 위해 도르래 구성을 전개할 수 있다. 발생된 힘의 증가가 필요한 경우, 평행하게 작동하는 다중 코일형 섬유가 전개될 수 있다.
실시예 23
본 실시예 23은 제어 루프를 통한 액추에이터 위치의 정확한 제어를 입증하였다. 사용된 컨트롤러는 비례하는-적분-유도체 컨트롤러 (PID 컨트롤러)였고, 이는 산업용 제어 시스템으로 널리 사용되는 컨트롤러 유형과 같다. 이러한 PID 컨트롤러는 측정된 공정 변수 (현재 위치)와 원하는 설정값 사이의 차이로서 "오류" 값을 산출한다. 상기 컨트롤러는 현재 인가 전압, 전류, 또는 동력인 공정 제어 입력을 조절함으로써 위치 조정에 있어서 오류를 최소화하도록 시도한다.
형상 기억 액추에이터의 히스테릭 행동이 제어 시스템을 복잡하게 하지만, 이러한 문제는 조사된 코일형 폴리머 섬유에 대해 발생하지 않았다. 코일형, 탄소-나노튜브-시트-랩핑된 나일론 액추에이터의 변위를 정확하게 조절한 간단한 PID 루프가 구현되었다. 변위는 오메가 LD701 비-접촉 변위 센서에 의해 측정되었고, NI PCI-6040E 취득 카드를 통해 컴퓨터에 입력/출력 연결되었다. Labview-기반 PID 루프는 0.1 mm 내로 변위를 조절하였다. 이러한 시스템은 최대 2 Hz에서 사용자-정의된 사인-파를 정확하게 생산하기에 충분히 강력하였다.
실시예 24
본 실시예 24에서, 폴리머 와이어 근육을 덮는 CNT 랩은 전열 구동 동안 열 음향 효과를 통해 소리를 생산하는 것으로 도시되었다. CNT-시트 랩핑된, 코일형 나일론 액추에이터 (127 ㎛ Coats 및 Clark D67 투명한 나일론)가 제조되었다. DC 전압을 적용하는 대신에, 유사한 평균 제곱근 (RMS) 진폭의 5 kHz AC 사인파 전압이 구동을 유도하기 위해 인가되었다. CNT 시트의 높은 표면적 및 낮은 열 커패시턴스로 인해, 폴리머 와이어 근육의 열 구동은 10 kHz에서 가청음을 생산하였다. 출력 빈도는 양성 및 음성 전압 모두에서 주울 가열로 인해 입력 빈도의 그것의 두배 였다.
실시예 25
본 실시예 25는 화학적 연료에 대한 1-말단-연결된 나일론 섬유 액추에이터의 비가역적 반응을 입증하였다. 127 ㎛ Coats 및 Clark D67 나일론 필라멘트는 침착된 Pt-흑색 촉매 입자를 함유하는 CNT 시트로 래핑되었다 (Alfa Aesar 12755). 필라멘트는 이어서 완전히 코일링될 때까지 꼬여졌다. 이러한 공정은 나일론의 현저한 소성 변형을 유발하였고, 모든 탄성-저장된 꼬임이 제거되었을 때조차, 필라멘트는 그의 코일형 형상을 유지하였다. 메탄올의 비이커 위에 배치되었을 때 (한쪽 근육 말단에서 제한되지 않음), 백금 표면 상에서 메탄올 증기와 산소의 반응은 액추에이터를 가열하였다. 이는 얻어진 온도를 나타내는 코일형 구조의 비가역적 꼬임 풀림을 유발하였다.
실시예 26
본 실시예 26은 꼬임 삽입에 의해 완전히 코일링되고 이어서 코일의 축에 관한 반대로 지향된 바이어스 각을 갖는 탄소 MWNT 시트 스트립의 나선형 와인딩으로 래핑된 나일론 섬유에 대한 2-말단-연결된 인장 구동을 나타낸다. MWNT 시트 스트립에 의한 그러한 이중 나선형 래핑 전 및 후의 코일형 나일론 섬유의 광학 현미경사진이 도 15a-15b에 도시된다.
코일형 나일론 섬유 근육는 2-단계 공정을 사용함으로써 ~230 mm 직경 상업적으로-이용가능한, 다중-필라멘트 나일론 재봉사 (Coats & Clark)로부터 제조되었다. 연결되지 않았을 때 그의 형상을 유질할 수 있는 제1, 코일형, 꼬임-삽입된 나일론 섬유 (도 15a)가 제작되었다. 이를 달성하기 위해, 전구체 재봉사의 길이는 35 MPa 스트레스에 의해 로딩되었고 쓰레드가 완전히 코일링될 때까지 꼬여졌다. 초기 폴리머 섬유 길이는 코일형 구조의 길이보다 4-5 배 더 길었다. 이러한 코일형 구조의 형상을 안정화시키기 위해, 코일형 쓰레드는 약 5분 동안 나일론 유리전이 온도 이상까지 뜨거운 공기의 히팅 건에 의해 가열되었다. 그와 같이 제조된 폴리머 섬유는 연결 풀림 및 하중의 제거 후에 코일형 구조를 유지하였다.
제2 제조 단계에서, 상기 코일형 섬유는 포레스트-그린 MWNT 시트 스트립의 여러 층들로 래핑되었다. 이러한 절차에서, 상기 섬유는 MWNT 시트가 정지된 포레스트로부터 인출되고 섬유 길이를 따라 병진됨에 따라 일정한 속도로 회전되었다. 코일형 나일론 섬유 (쓰레드) 래핑 상의 MWNT 시트 스트립 래핑은 코일형 섬유 원사의 축에 관하여 대칭적으로 합사된 나선형으로 래핑된 시트 리본을 제공하기 위해 순방향으로 2배 및 이어서 역방향으로 2배 수행되었다. MWNT 시트에 의한 래핑 전 및 후에 코일형 섬유의 광학 현미경 이미지가 각각 도 15a 및 15b에 도시된다.
2-말단-연결된 구동 측정에 대해, 제조된 폴리머 섬유 근육의 한쪽 말단은 하나의 전기적 접속부로서 작용하는 정지된 금속 막대에 부착되었고, 반대 근육 말단은 제2 원사 테더를 제공한 제2 전기적 접속부로서 작용하는 얇은, 가요성 금속 와이어에 연결되었다. 초기의 꼬이지 않은 쓰레드의 단면에 관하여 정규화되었을 때 21.7 MPa를 제공하는 중량으로 폴리머 근육을 로딩한 후, 상기 폴리머 섬유 근육은 정지된 막대와 금속 와이어 사이에 인가된 가변 진폭의 구형파 전압을 사용하는 주울 가열에 의해 작동되었다. 구동 동안 근육의 표면 온도는 열전쌍을 사용하여 액추에이터 사이클 동안 시간의 함수로서 기록되었다. 또한, 액추에이터 사이클 동안 MWNT 주울 가열기의 저항성은 Keithley 공급원 미터를 사용하여 기록되었다. 주울 가열에 의해 유도된 폴리머 섬유 근육의 구동은 비디오 카메라를 구비한 현미경에 의해 검출되었다. 21.7 MPa 스트레스로 로딩된 근육에 대한 인가 전압, 전기적 저항성, 온도 및 발생된 스트레인의 전형적인 시간 의존도는 도 16에 도시된다. 근육은 가열될 때 최대 26% 만큼 가역적으로 수축되었다.
실시예 27
본 실시예 27은 코일 방향으로 음성 열 팽창을 갖는 2-말단-연결된, 맨드렐-코일형 열 폴리머 섬유 근육의 인장 구동을 기재한다. 이러한 폴리머 섬유 인공 근육을 제조하기 위해, 860 mm 직경 나일론 6 모노필라멘트는 200 g의 하중 하에 코일링의 착수 직전에 최초로 꼬여졌다. 이어서 그것은 섬유 꼬임과 동일한 방향으로 맨드렐 둘레에 감겼다. 상기 코일형 폴리머 섬유는 이어서 상기 구조를 고정시키기 위해 20분 동안 150℃에서 열적으로 어닐링되었다. 0.4 mm 직경 맨드렐을 사용하여 제조된 상기 폴리머 코일은 (히팅 건으로부터 뜨거운 공기를 사용하여) 140℃까지 가열될 때 3.5 MPa 하중 하에 29% 수축을 전달하였다. 2.7 mm 직경 맨드렐을 사용하여 코일의 직경을 증가시킴으로써, 140℃에서 최대 49%의 수축이 1 MPa 하중 하에 달성되었다.
실시예 28
본 실시예 28은 맨드렐 상의 코일링을 위해 사용된 방법의 결과로서 양성 열 팽창을 갖는 코일형 폴리머 섬유 원사를 사용하는 열적으로 동력받는 인공 근육을 기재한다. 이러한 근육은 수축할 때보다는 오히려 팽창할 때 기계적 작업을 행하도록 작동한다. 860 mm 직경 나일론 6 모노필라멘트 섬유는 코일링의 착수 바로 전까지 200 g 하중 하에 최초로 꼬였다. 이어서 이러한 꼬인 섬유는 삽입된 섬유 꼬임과 반대 방향으로 2.7 mm 직경 맨드렐 둘레에 감겼다. 이러한 코일은 50 g의 압축 하중 (캔틸레버 빔에 의해 지지되었음) 하에 코일 가이드로서 코일 중심에서 유리 막대를 사용함으로써 배치되었다 (도 19a-19b). 구동을 제공하기 위한 가열은 히팅 건으로부터 뜨거운 공기를 사용함으로써 제공되었다. 상기 코일형 폴리머 근육은 하부 및 상부 표면과의 마찰에 의해 2-말단 연결되었다. 근육 코일 내부에 배치된 얇은 열전쌍은 작동 근육의 온도를 모니터링하기 위해 사용되었다. 대략적으로 140℃까지 가열함에 따라, 상기 코일형 폴리머 섬유 근육은 코일형 근육 길이의 55%를 초과하는 50 g 하중을 들어 올리면서 가역적 팽창을 보였다.
실시예 29
본 실시예 29는 수조에서 함침에 의해 가능해진 고속 구동을 나타낸다. 은-플레이팅된 나일론 6,6 (Shieldex Trading, Inc., 117/17-2ply, 생성물 번호: 206121011717)은 코일되었고 안정한, 고-스트로크 SZ 근육을 형성하기 위해 2-겹 합사되었다. 10.8 MPa의 100 g 하중이 인가되었고 액추에이터 및 하중은 모두 탈이온수의 조에 침지되었다. 이들 조건에서, 5 Hz의 속도 및 약 7%의 스트로크에서 전열 구동을 허용하는 공명이 밝혀졌다.
실시예 30
본 실시예 30은 코일형 폴리에틸렌 액추에이터에 대한 수축 동안 효율 및 비전력을 측정하였다. 폴리에틸렌 섬유 (SpiderWire Stealth 편조 6 lb 시험)은 CNT 시트로 래핑되었고, 완전히 코일링될 때까지 꼬였다. 8.5 mg으로 칭량된 10 cm 길이 샘플이 사용되었다. 열 소실을 제한하기까지 10 ms 동안 390 V의 신속한 펄스로 가열될 때, 상기 액추에이터는 166 mJ를 소비하였다. 응답하여, 상기 액추에이터는 600 g 중량을 0.37 mm 만큼 들어올렸고, 중력 (0.26 kJ/kg)에 반하여 2.18 mJ의 작업을 나타낸다. 이는 수축 동안 1.32%의 에너지 효율 및 25.6 kW/kg의 비전력에 이르는 양이다.
실시예 31
본 실시예 31 은 나일론 및 폴리에틸렌 이외의 폴리머 섬유를 기반으로 한 액추에이터를 입증하였다. Kevlar, Nomex, 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 및 폴리에스테르는 실온과 구동 온도 사이의 고리형 가열 및 냉각에 의해 TMA (TA 기기 Q400EM)를 통해 측정되었다. Kevlar 및 Nomex 모두는 음성 열 팽창 계수를 갖는다. 꼬임 전에, Kevlar는 300℃까지 가열함에 따라 0.3% 만큼 수축한 한편, Nomex는 280℃까지 가열될 때 어떠한 수축 (<0.02%)도 거의 나타내지 않았다. 코일링될 때, Kevlar 및 Nomex는 350℃ 및 280℃, 각각으로 가열될 때 10% 및 3.5% 만큼 수축되었다. 그에 반해서, PVDF 및 폴리에스테르는 보편적으로 모든 온도에 걸쳐 음성 열 팽창을 나타내지 않는다. 꼬임 전에, PVDF는 70℃까지 가열될 때 길이에서 최대 0.2% 확장되었고, 및 차후에 135℃까지 그의 최초 길이의 0.9% 만큼 수축되었다. 폴리에스테르는 양성 열 팽창을 순수하게 나타내고, 230℃까지 가열될 때 0.4% 만큼 확장되었다. 그러나, 코일링될 때, 두 물질은 가열에 의해 수축되고, PVDF 및 폴리에스테르, 각각에 대해 135℃ 및 230℃까지 가열됨에 따라 10% 및 16% 스트로크를 제공한다. 모든 코일형 샘플은 회전을 방지하기 위해 2-말단-연결되었다.
실시예 32
본 실시예 32 는 섬유 기판 둘레에 CNT 시트 스트립을 나선형으로 래핑하는 방법을 입증하였다. 유한 길이의 샘플에 대해, 상기 섬유는 2개의 모터들 사이에 지지되었다. 방적 가능한 CNT 포레스트로부터 인출된 CNT 시트는 특정 공급 각으로 부착되었고, 이는 필요한 래핑 두께에 따라 변화되었다. 섬유의 길이를 따라 섬유를 회전시키고, 섬유 또는 포레스트를 병진시킴으로써, CNT 시트 스트립의 균일한 코팅은 일정한 공급각으로 도포되었다. 더 낮은 저항성 또는 더 높은 면적의 시트 밀도가 필요할 때, 추가의 랩은 동일하거나 또는 상이한 바이어스 각으로 인가될 수 있다. 이러한 기술은 또한 섬유 둘레에 CNT 포레스트를 감는 방적 장치를 통해 섬유 기판을 인출함으로써 섬유의 연속적 래핑을 허용하도록 확장되었다.
실시예 33
본 실시예 33은 비-평행한 폴리머 섬유 또는 하이브리드 나노섬유 원사 근육 또는 근육 분절의 배열을 사용함으로써 하중의 2-차원 변위를 제공하기 위한 간단한 디자인을 입증하였다. CNT-랩핑된, 코일형 나일론 액추에이터 (127 ㎛ Coats 및 Clark D67 투명한 나일론 섬유 전구체로부터 제작됨)는 2개의 지지체 사이에 유지되었고, 원사의 중간에 50 g 하중을 현탁하였다. 지지체들 사이의 간격은 상기 액추에이터가 정점에서 지원되는 하중에 의해, 90도 각도로 V 형상으로 형성되도록 조정되었다. 전극은 각각의 지지체에, 중간에서 50 g 중량에 부착됨으로써, V의 각각의 레그는 독립적으로 가열될 수 있다. 동일한 전압을 각각의 레그에 적용하는 것은 중량을 수직으로 들어올린 한편, 유사하지 않은 전압을 적용하는 것은 중량을 수평으로 이동시키도록 허용하였다. 이러한 움직임은 산, 염기 및 지시자 용기 사이의 모세혈관 튜브를 이동시키도록 사용되었고, 용액의 자동화된 분산 및 혼합을 나타낸다.
본 실시예의 그것에 대한 유사한 배열은 기계적 하중의 3-차원 변위를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 하나의 V-형상화된 작동 폴리머 섬유 (독립적으로 레그를 가짐)를 사용하는 대신에, 2개의 작동 폴리머 섬유 (다시 독립적으로 어드레스 가능한 레그를 가짐)가 제3 방향으로 독립적으로 조절된 변위를 제공하도록 전개될 수 있다. V-형상화된 제2 원사 근육은 임의로 상기 제1 V-형상화된 원사 근육과 동일하게 구성될 수 있지만, 상기 제1 V-형상화된 원사 근육까지 90°로 배향될 수 있다. 그와 같은 2-D 및 3-D 근육 구성은 거시적으로, 마이크로규모, 또는 나노규모, 나노- 또는 마이크로-현미경검사에 대한 프로브의 변위를 포함하는 다양한 용도에 대해 사용될 수 있거나 또는 SEM (주사 전자현미경) 현미경검사 또는 TEM (투과 전자현미경) 현미경검사에 대해 샘플을 이동시키거나 또는 경사시킨다. 경사시키는 능력은 아이템이 경사되고 있는 하나 이상의 장소에서 근육의 부착에 의해 제공될 수 있다.
실시예 34
본 실시예 34는 코일형, 2-겹, SZ 꼬인 나일론 섬유 근육 (이는 모노이거나 또는 다중-필라멘트이고 도전성 코팅을 갖거나 또는 가질 수 없음)으로부터 제조된 다양한 편조 또는 평직-직물 구조의 열 및 전열 구동을 실험적으로 나타낸다.
최초의 기재된 결과에 대해, 8개의 MWNT-리본-시트-랩핑된, 코일형, 2-겹, SZ 나일론 6 섬유는 평면-편조 직물 내로 조립되었다. 작동 섬유 근육에 대한 전구체 섬유는 상업적으로 수득된 130 ㎛ 직경 나일론 6 모노필라멘트 (Coats 및 Clark로부터 0.005 크기 모노필라멘트)였다. 꼬임이 이러한 섬유 내로 삽입되었고 (섬유 긴장을 제공하기 위해 30 g 중량을 사용하는 3280 회전/m) 이어서 상기 꼬인 섬유는 SZ 2-겹 원사를 제조하기 위해 다시 자체 접혀졌다. 상기 2-겹 SZ 원사는 MWNT 시트 스트립의 5개의 래핑된 층들을 제공하도록 포레스트-그린 MWNT 시트 스트립으로 나선형으로 래핑되었다. 이러한 MWNT 코팅 과정 전에 2-겹 SZ 원사의 외부 직경은 538 ㎛ ± 2%였고, 이러한 공정 후 직경은 567 ㎛ ± 3%로 증가되었다. 5-층 MWNT 코팅 후 2-겹 폴리머 섬유의 전형적인 섬유 저항성은 682 Ω/cm였고, 이러한 저항성은 8개의 랩핑된 SZ 나일론 6 섬유가 평행하게 작동하는 편평한 편조 구조에 대해 167 Ω/cm로 감소되었다.
구동은 구형파 100 mA 전류 (3 초 온, 5 초 오프)를 사용하여 일정한 520 g 하중 하에 수행되었다. 12 cm 길이 직물 샘플에 대해, 13.3% 스트로크에 대응하는 1.6 cm 변위가 관찰되었다. 제2 평면 편조 직물 (도 21a에 도시됨)은 4개의 비-코팅된, 코일형, 2-겹, SZ 나일론 6 모노필라멘트로부터 유사하게 제조되었고, 이는 환경적으로 제공된 가열 또는 광열 가열에 의해 작동될 수 있다.
둥근 편조된 로프 (도 21c에 도시됨)는 상기 기재된 MWNT-코팅된, SZ 꼬인 나일론 6 원사 근육 중의 8개를 편조시킴으로써 제조되었다. 전체 편조된 구조의 저항성은 83 Ω/cm였다. 구동은 5.5 V/cm의 구형파 전압을 사용하여 (3 초 온 및 5 초 오프) 일정한 550 g 하중 하에 수행되었다. 7.29 cm 길이 편조에 대해, 전열 가열 동안 관찰된 1 cm 수축은 13.7% 스트로크에 대응한다. 또 하나의 둥근 편조는 8개의 SZ 꼬인 나일론 6 원사를 편조함으로써, 그러나 MWNT 전자 전도체의 혼입 없이 유사하게 제조되었다. 이러한 편조 (도 21b에 도시됨)는 직접적인 열 가열 또는 광열 가열에 의해 작동될 수 있다.
평직 직물은 날실 방향으로 10개의, 비-코팅된 SZ, 2-겹 코일형 나일론 섬유 (상기 기재된 바와 같이 제조됨) 및 씨실 방향으로 면 원사를 혼입함으로써 제조되었다. 이러한 직물은 직접적인 열 가열에 의해 작동될 수 있다. 또 하나의 평직 구조 (도 21d에 도시됨)는 시판되는 은-코팅된 나일론 6,6 다중-필라멘트 섬유를 SZ, 2-겹, 코일형 나일론 근육으로 최초로 전환시킴으로써 구성되었다. 8개의 그러한 코일형 근육 섬유는 평직 직물의 날실 방향으로 혼입된 한편, 면 원사는 씨실 방향으로 혼입되었다. 날실 방향의 직물 저항성은 60 Ω/cm였다. 구동은 6.25 cm의 날실 방향 직물 길이를 사용하여 일정한 1.3 kg 하중 하에 수행되었다. 90 V의 구형파 전압 (6 초 온 및 25 초 오프를 가짐)을 적용할 때, 12.6%의 스트로크에 상응하는 7.9 mm의 변위가 관찰되었다.
실시예 35
본 실시예 35는 전열적으로 또는 열적으로 동력받는 나일론 섬유 근육이 McKibben 편조 직물 직조에 대한 기공도를 개방하고 폐쇄한 "호흡하는 직물"을 입증하였다. 이용된 CNT-코팅된 SZ, 2-겹 코일형 나일론 근육은 실시예 34에 기재된 바와 같이 제조되었다. 이들 근육 중의 8개는 액추에이터를 제조하기 위해 함께 편조되었고, 이는 McKibben 편조 내부에 위치한다. 직조 공극 면적은 이러한 8-근육-기반 편조가 350 g 하중 하에 (5 초 온 및 20 초 오프인 40V 구형파 전압을 사용하여) 전열적으로 작동될 때 최대 16%까지(도 22a 및 도 21a 사진을 비교함으로써 도시된 바) 가역적으로 증가되었다.
실시예 36
본 실시예 36은 코일링의 꼬임 방향이 섬유 내의 꼬임 방향과 동일한 열-고정, SS 나일론 섬유의 열 구동에 대한 꼬임 밀도의 효과를 조사한다. 오븐 (150℃, 30 분 동안)은 300 um 직경, 맨드렐-코일형 나일론 섬유를 열 고정시키기 위해 사용되었고 열 구동은 히팅 건으로부터 뜨거운 공기를 사용하여 차후에 제공되었다. 동일한 인가된 하중에 대해, 170 회전/미터 미만의 꼬임 밀도 (예를 들면, 0, 100, 120, 및 150 회전/미터의 섬유 꼬임 밀도를 갖는 꼬일)를 갖는 열적으로 고정된 SS 코일형 나일론 원사는 150℃ 열-고정 온도 이상으로 가열됨에 따라 비가역적으로 신장되고, 170 회전/m 이상의 꼬임 밀도 (예를 들면, 200 회전/m)를 갖는 코일형 나일론은 가열될 때 거의 가역적으로 수축하고, 냉각될 때 신장된다. 그러므로, 중요한 꼬임 밀도는 섬유 꼬임의 약 170 회전/m이다.
실시예 37
본 실시예 37은 온도 변화로 인한 기계적 에너지로서 열 에너지를 수확하기 위한 코일형 나일론 섬유 근육의 사용, 및 이러한 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한 5개의 캔틸레버 압전판의 기계적으로 부착된 배열의 사용을 개념적으로 입증하였다. 이러한 전기 에너지는 나일론 섬유 근육이 압전 캔틸레버의 자유 말단에 부착되었기 때문에 산출되었다. 본 실시예에서 편의상 코일형 나일론 섬유 근육의 온도 변화는 전기적으로 생산되었지만, 동일한 배열이 주위 온도의 변화에 기인하는 열 에너지를 수확하기 위해 사용될 수 있다.
실시예 38
본 실시예 38은 환경적인 온도 변화에 기반한 광 또는 기류의 조절을 위한 폴리머-근육 동력받는 시스템의 사용을 나타낸다. 본원 구현예는 압축 하에 팽창될 때 기계적 작업을 하도록 양성 열 팽창을 갖는 맨드렐-코일형 나일론 근육을 사용하고, 이는 온도가 증가할 때 기공도를 증가시키는 스마트 직물에 대해 사용될 수도 있는 구현예이다. 860 mm 직경 나일론 6 모노필라멘트 섬유는 코일링의 설정 바로 직전까지 200 g 하중 하에 최초로 꼬여졌다. 이어서, 이러한 꼬인 섬유는 2.7 mm 직경 맨드렐 둘레에 삽입된 섬유 꼬임과 반대 방향으로 감겨졌고 80℃의 적용 온도보다 더 높은 온도에서 가열 설졍되었다. 2개의 코일들은 이런 식으로 제조되었다. 이들은 그것의 동작에 대한 가이드로서 작용하는 2개의 금속 로드 둘레에 위치하였다. 히팅 건으로부터 뜨거운 공기를 사용함으로써 대략적으로 80℃까지 가열함에 따라, 코일들은 코일들의 회전 사이에서 회전하는 나일론 필라멘트에 의해 지지된 플라스틱 튜브의 세트와 떨어져 이동하면서 확장되었다 (도 23a). 자연 냉각 시에, 상기 코일들은 그것의 최초 위치로 복귀하고 (도 23b), 그렇게 함으로써 셔터를 폐쇄시킨다.
본 발명의 다양한 특징
본 발명은 나노섬유-기반 원사 액추에이터 (예컨대, 인공 근육)을 포함한다. 본 발명은 전기적으로, 광으로, 화학적으로, 흡수에 의해, 또는 다른 수단에 의해 동력받을 때 비틀림 및/또는 인장 구동을 발생시키는 꼬임-스펀 나노섬유 원사 또는 꼬임-삽입된 폴리머 섬유를 포함하는 액추에이터 (인공 근육)을 추가로 포함한다. 이들 인공 근육은 비-코일형 또는 코일형 원사를 이용하고, 순수할 수 있거나 또는 게스트를 포함하는 것일 수 있다. 본 발명은 또한 이들 인공 근육을 포함하는 디바이스를 포함한다.
본원에 인용된 모든 특허들, 특허 출원, 및 공보의 개시 내용은 이들이 본원에 기재된 것들에 보충적인 예시적인, 절차적, 또는 다른 세부사항을 제공하는 정도까지 이로써 본원에 참고 문헌으로 그 전문으로 인용된다. 상기-기재된 구현예의 상기-기재된 구조, 기능, 및 동작들의 일부는 본 발명을 실시할 필요가 없고, 예시적인 구현예 또는 구현예들의 완전성을 위한 설명에 간단히 포함됨이 이해될 것이다. 또한, 상기-기재된 참조된 특허들 및 공보에 기재된 특이적 구조, 기능, 및 작동들은 본 발명과 관련하여 실시될 수 있지만, 이들은 그의 실시에 필수적이지 않음이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위에서 실제로 벗어남이 없이 특이적으로 기재된 것과 달리 실시될 수 있음이 이해되어야 한다.
본 발명의 구현예들이 도시되고 기재되었지만, 그의 변형은 본 발명의 사상 및 교시에서 벗어남이 없이 당해 분야의 숙련가에 의해 이루어질 수 있다. 본원에 기재된 구현예들 및 제공된 실시예들은 단지 예시적인 것이고, 제한되도록 의도되지 않는다. 본원에 개시된 많은 변화들 및 변형들이 가능하고 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서, 그 보호 범위는 상기 제시된 설명에 의해 제한되지 않는다.

Claims (103)

  1. (a) 나노섬유들 및 가열, 방사선에 노출하기, 화학적 또는 화학적 혼합물에 노출하기, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 변화 과정에 의해 용적의 실질적인 변화를 겪도록 작동하는 작동 원사 게스트를 포함하는 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절;
    (b) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절에 직접적으로 또는 간접적으로 커플링된 제1 부착물로서,
    (i) 상기 비-전기화학적 액추에이터는 인장 구동, 비틀림 구동, 인장과 비틀림 구동의 동시에 사용할 수 있는 조합, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 구동을 제공하도록 작동 가능하고;
    (ii) 상기 제1 부착물은 구동을 이용할 수 있도록 작동 가능하고, 상기 구동은 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절에 의해 적어도 부분적으로 생산되는 제 1 부착물
    을 포함하는 비-전기화학적 액추에이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    (a) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 일정 길이를 갖고,
    (b) 실질적으로 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절의 전체 길이는 상기 작동 원사 게스트를 포함하는 비-전기화학적 액추에이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    (a) 가열 설비는 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절을 전기적으로 가열하기 위해 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절에 작동 가능하게 연결되고;
    (b) 상기 작동 원사 게스트는 상기 가열 설비에 의해 가열될 때 용적의 실질적인 변화를 겪도록 작동 가능하고, 그리고
    (c) 상기 가열 설비는 주기적 가열, 비-주기적 가열, 및 주기적 가열 및 비-주기적 가열 모두로 구성된 군으로부터 선택된 가열을 위해 작동 가능한 비-전기화학적 액추에이터.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 작동 원사 게스트는 적어도 크게 가역적인 용적의 실질적인 변화를 겪도록 작동 가능한 비-전기화학적 액추에이터.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 작동 원사 게스트의 크게 가역적인 용적 변화는 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절 내의 상기 나노섬유와 접촉할 때 실질적인 이력현상의 존재 없이 발생하도록 작동 가능한 비-전기화학적 액추에이터.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 작동 원사 게스트는 (a) 상기 작동 원사 게스트의 화학적 가열을 생산하고 (b) 상기 작동 원사 게스트에 의해 화학적 흡수를 생산하는 노출로 구성된 군으로부터 선택된 화학적 노출로부터 초래되는 용적의 변화를 위해 작동 가능한 비-전기화학적 액추에이터.
  7. 청구항 1에 있어서,
    (a) 상기 비-전기화학적 액추에이터는 비틀림 액추에이터이고; 그리고
    (b) 상기 제1 부착물은 패들 및 비틀림 레버 암으로 구성된 군으로부터 선택된 제1 비틀림 부착물인 비-전기화학적 액추에이터.
  8. 청구항 7에 있어서, 패들 및 비틀림 레버 암으로 구성된 군으로부터 선택된 1개 이상의 제1 비틀림 부착물을 포함하고, 모든 비틀림 부착물은 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절에 직접적으로 또는 간접적으로 커플링된 비-전기화학적 비틀림 액추에이터.
  9. 청구항 7에 있어서, 제1 말단 및 제2 말단을 갖는 제2 분절을 추가로 포함하고,
    (a) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 제1 말단 및 제2 말단을 갖고,
    (b) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절의 제2 말단은 상기 제2 분절의 상기 제1 말단에 접속되며,
    (c) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절의 상기 제1 말단 및 상기 제2 분절의 상기 제2 말단은 비틀림 회전을 금지하도록 비틀려 연결되고, 그리고
    (d) 상기 비틀림 부착물들 중의 적어도 하나는 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절의 상기 제2 말단과 상기 제2 분절의 상기 제1 말단 사이의 기계적 접속에 매우 근접하게 이루어지는 비-전기화학적 액추에이터.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제2 분절은 실질적으로 작동하지 않고 비틀림 스프링으로서 작동 가능한 비-전기화학적 액추에이터.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 제2 분절은 작동 원사 게스트를 포함하고 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절의 상기 제2 말단과 상기 제1 작동 나노섬유 원사 분절에 의해 이러한 접속부에 제공되는 바와 동일한 방향에 있는 상기 제2 분절의 상기 제1 말단 사이의 접속부에 비틀림 회전을 제공하도록 작동하는 제2 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절인 비-전기화학적 액추에이터.
  12. 청구항 2에 있어서,
    (a) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 단일-겹 원사, 2-겹 원사, 및 4-겹 원사로 구성된 군으로부터 선택된 원사이고,
    (b) 상기 2-겹 원사 내의 가닥들 각각 및 상기 4-겹 원사 내의 가닥들 각각은 삽입된 꼬임의 동일한 방향을 가지며, 그리고
    (c) 이들 가닥들을 함께 합사하기 위한 상기 꼬임 방향은 상기 2-겹 원사 내 및 상기 4-겹 원사 내의 각각의 가닥의 상기 꼬임 방향과 반대인 비-전기화학적 액추에이터.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절 내의 가닥들 각각은 작동 원사 게스트로 실질적으로 충전된 비-전기화학적 액추에이터.
  14. 청구항 10에 있어서,
    (a) 상기 제2 분절은 실질적으로 어떠한 작동 원사 게스트도 포함하지 않는 실질적으로 비-작동하는 나노섬유 원사 분절이고,
    (b) 상기 제2 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절 및 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 유사한 길이를 갖고, 그리고
    (c) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절 및 상기 제2 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 기능적으로 실질적으로 동일한 원사들로부터 유래하는 비-전기화학적 액추에이터.
  15. 청구항 14에 있어서,
    (a) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 상기 비틀림 액추에이터 내의 유일한 실질적으로 작동하는 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절이고,
    (b) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 상기 작동 원사 게스트로 실질적으로 충전되며, 그리고
    (c) 상기 비-전기화학적 액추에이터는 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절의 비틀림 구동을 생산하기 위한 적어도 하나의 수단을 추가로 포함하고, 상기 수단은 (1) 상기 작동 원사 게스트의 전기적 가열을 가능하게 하는 와이어 접속부, (2) 상기 작동 원사 게스트의 광열 가열 또는 상기 작동 원사 게스트의 광반응 중의 적어도 하나를 가능하게 하도록 작동 가능한 방사선 공급원 및 방사선 경로, (3) 상기 원사 게스트의 화학적 노출을 가능하게 하도록 작동 가능한 상기 작동 원사 게스트에 대한 화학적 공급원 및 화학적 경로, 및 (4) 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 비-전기화학적 액추에이터.
  16. 청구항 11에 있어서,
    (a) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 상기 작동 원사 게스트로 실질적으로 충전된 제1의 2-겹 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절이고,
    (b) 상기 제2 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 작동 원사 게스트로 실질적으로 충전된 제2의 2-겹 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절이며,
    (c) 상기 제1의 2-겹 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절 및 제2의 2-겹 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절 각각은 상기 2개의 원사 가닥들 내의 원사 꼬임의 한 방향 및 이들 가닥들을 합사하기 위한 반대 꼬임 방향을 갖고, 그리고
    (d) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절 내의 가닥들에 대한 상기 꼬임 방향은 제2 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절 내의 가닥들에 대한 꼬임 방향과 반대인 비-전기화학적 액추에이터.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유들은 전기적 주울 가열을 이용하여 전열 구동을 가능하게 하기에 충분한 전기 전도도를 갖는 전자적으로 도전성 나노섬유를 포함하는 비-전기화학적 액추에이터.
  18. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유들은 탄소 다중-벽 나노튜브, 탄소 소수-벽 나노튜브, 이들이 리본, 그래핀 나노리본, 그의 유도체로 붕괴되기에 충분히 큰 나노튜브 직경을 갖는 탄소 단일-벽 나노튜브 또는 소수-벽 나노튜브, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 비-전기화학적 액추에이터.
  19. 청구항 1에 있어서, 상기 나노섬유들은 상기 정전 방적 공정에 의해 제조된 나노섬유들을 포함하는 비-전기화학적 액추에이터.
  20. 청구항 19에 있어서,
    (a) 상기 나노섬유들은 전기 절연성 폴리머 나노섬유들이고, 그리고
    (b) 가열 설비는 열 구동을 제공하는 이들 전기 절연성 폴리머 나노섬유들을 작동 가능하게 가열하기 위해 제공되는 비-전기화학적 액추에이터.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 가열 설비는 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절에 대해 래핑되고, 그에 따라 전열 구동이 작동 가능하게 하는 전자 전도체를 포함하는 비-전기화학적 액추에이터.
  22. 청구항 21에 있어서, 이러한 전자 전도체는 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절에 대해 나선형으로 래핑된 탄소 나노튜브 시트 스트립인 비-전기화학적 액추에이터.
  23. 청구항 1에 있어서, 상기 작동 원사 게스트는 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 글리콜, 장쇄 지방산, 유기 회전자 결정, 실리콘 고무, 팔라듐, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 비-전기화학적 액추에이터.
  24. 청구항 1에 있어서, 상기 작동 원사 게스트는 상이한 고체상들 사이, 고체와 액체 상태들 사이 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 방식으로 구동 동안 형질전환될 수 있는 비-전기화학적 액추에이터.
  25. 청구항 1에 있어서, 상기 비-전기화학적 액추에이터는 물체의 기계적 변위, 기계적 작업의 성과, 인장력의 발생, 또는 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 구동을 제공하도록 작동 가능한 비-전기화학적 액추에이터.
  26. 청구항 25에 있어서,
    (a) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 코일형이고, 그리고
    (b) 상기 제1 꼬임-스펀 나노섬유 원사는 상기 전체 원사 길이를 실질적으로 초과하는 작동 원사 게스트를 포함하는 비-전기화학적 액추에이터.
  27. 청구항 25에 있어서, 상기 구동 원사 게스트의 상기 용적 변화는 적어도 크게 가역적인 비-전기화학적 액추에이터.
  28. 청구항 27에 있어서, 상기 구동 원사 게스트의 상기 크게 가역적인 용적 변화는 실질적인 이력현상의 존재 없이 발생하도록 작동 가능한 비-전기화학적 액추에이터.
  29. 청구항 1에 있어서,
    (a) 상기 비-전기화학적 액추에이터는 크게 가역적인 비틀림 및 인장 구동을 동시에 제공하도록 작동 가능하고,
    (b) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절은 상기 작동 원사 게스트로 실질적으로 충전되며,
    (c) 상기 작동 원사 게스트는 상기 변화 공정에 의해 용적의 실질적인 변화를 가역적으로 겪도록 작동 가능하고,
    (d) 상기 비-전기화학적 액추에이터는 인장 하중 하에 길이를 변화시킬 수 있고 하기 중 적어도 하나를 포함하는 비-전기화학적 액추에이터:
    (1) 제1 분절 말단에서 병진 및 회전을 실질적으로 방지하도록 제1 분절 말단에 연결되고, 테테르로부터 떨어진 위치에서 상기 원사 분절 길이를 따라 부착된 패들 또는 비틀림 레버를 지원하고, 구동 동안 고체로부터 유체 상태로 완전히 변화하도록 작동 가능하지 않은 고체 작동 원사 게스트를 포함하는 작동 꼬임-스펀 2-겹 나노섬유 원사 분절 또는 작동 꼬임-스펀 코일형 또는 비-코일형 단일-겹 나노섬유 원사 분절,
    (2) 작동 원사 게스트를 포함하고 상기 제1 말단에서 회전을 실질적으로 방지하도록 상기 제1 말단에 연결되고 상기 제2 말단 상에서 비틀림 스프링으로서 작동하는 실질적으로 비-작동 요소의 제1 말단에 부탁된 작동 꼬임-스펀 2-겹 나노섬유 원사 분절 또는 작동 꼬임-스펀 코일형 또는 비-코일형 단일-겹 나노섬유 원사 분절로서, 상기 실질적으로 비-작동 요소의 상기 제2 말단은 상기 제2 말단의 회전을 방지하도록 연결되고, 상기 2개의 말단 테테르 중의 하나는 말단 병진을 금지하고, 여기서 패들 또는 비틀림 레버 암은 상기 작동 나노섬유 원사와 상기 실질적으로 비-작동 요소 사이의 접속부 부근에서 부착되는 분절들,
    (3) 모두가 상기 작동 원사 게스트를 포함하는 2개의 기계적으로-연결된 꼬임-스펀 2-겹 작동 나노섬유 원사 분절로서, (i) 상기 2개의 기계적으로-연결된 2-겹 원사 분절 각각 내의 개별적인 가닥들 각각은 동일한 원사 꼬임 방향을 갖고, (ii) 상기 2-겹 원사 분절 각각은 원사 꼬임 및 원사 합사에 대한 반대 꼬임 방향을 가지며, (iii) 상기 제1의 기계적으로-연결된 2-겹 원사 분절 내의 원사 꼬임 방향은 제2의 기계적으로-연결된 2-겹 원사 분절에 대한 원사 꼬임 방향과 반대이고, (iv) 상기 2개의 기계적으로-연결된 2-겹 원사 분절들 사이의 접속부로부터 가장 먼 2-겹 원사 분절의 상기 말단들은 비틀림 회전을 방지하도록 연결되며, (v) 이들 말단 테테르들 중의 하나는 말단 병진을 금지하고, 및 (vi) 패들 또는 비틀림 레버 암은 상기 2개의 기계적으로-연결된 2-겹 원사 분절들 사이의 기계적 접속부에 또는 그 근처에 부착되는 상기 나노섬유 원사 분절.
  30. 다음 단계들:
    (a) (1) 배향된 나노섬유들을 포함하는 꼬이지 않은 나노섬유 원사; (2) 배향된 나노섬유들의 리본; 및 (3) 꼬임 스펀 원사를 생산하기 위해 수렴되는 배향된 나노섬유들의 리본으로 구성된 군으로부터 선택된 나노섬유 배열 내로 꼬임을 삽입함으로써 꼬임-스펀 나노섬유 원사를 생산하는 단계;
    (b) 작동 원사 게스트, 또는 그의 전구체를 상기 꼬임 스펀 원사 내로 침투시킴으로써 상기 작동 원사 게스트, 또는 그의 전구체를 도입하는 단계; 및
    (c) 가열, 방사선에 노출하기, 화학적 또는 화학적 혼합물에 노출하기, 및 이들의 임의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 변화 공정에 의해 용적의 실질적인 변화를 겪도록 작동 가능한 작동 원사 게스트를 포함하는 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사를 형성하는 단계를 포함하는 공정.
  31. 청구항 30에 있어서, 상기 형성 단계는 상기 작동 원사 게스트, 또는 전구체를 전환시키고, 따라서, 상기 작동 원사 게스트를 포함하는 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사를 형성하는 단계를 포함하는 공정.
  32. 다음 단계들:
    (a) (1) 배향된 나노섬유들의 리본 및 (2) 원사 내로 수렴되는 배향된 나노섬유들의 리본으로 구성된 군으로부터 선택된 나노섬유 배열을 형성하는 단계;
    (b) 상기 나노섬유 배열 상에 작동 원사 게스트, 또는 그의 전구체를 침착시킴으로써 상기 작동 원사 게스트, 또는 그의 전구체를 도입하는 단계;
    (c) (1) 가열, 방사선에 노출하기, 화학적 또는 화학적 혼합물에 노출하기, 및 이들의 임의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 변화 공정에 의해 용적의 실질적인 변화를 겪도록 작동 가능한 작동 원사 게스트를 포함하는 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사이거나, 또는 (2) 가열, 방사선에 노출하기, 화학적 또는 화학적 혼합물에 노출하기, 및 이들의 임의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 변화 공정에 의해 용적의 실질적인 변화를 겪도록 작동 가능한 작동 원사 게스트를 포함하는 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사로 전환될 수 있는 전구체 꼬임-스펀 나노섬유 원사인 나노섬유 원사를 형성하도록 상기 나노섬유 배열 내에 꼬임을 삽입하는 단계를 포함하는 공정.
  33. 청구항 30 내지 31 또는 32 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 공정의 상기 단계들은 동시에 또는 거의 동시에 발생할 수 있는 공정.
  34. 청구항 30 내지 32 또는 33 중 어느 하나의 항에 있어서,
    (a) 상기 배향된 나노섬유들은 (1) 정전 방적, (2) 탄소 나노튜브 포레스트로부터 탄소 나노튜브 연신, (3) 부유-촉매-생산된 탄소 나노튜브들로부터 형성된 에어로겔로부터 탄소 나노튜브 연신, (4) 액체 내의 나노섬유들의 분산액으로부터 용액 방적, (5) 배향된 그래핀 나노리본 제공하도록 배향된 다중벽 탄소 나노튜브들의 압축 해제, 및 (6) 배향된 탄소 나노튜브들 상에 물질을 템플레이팅하는 단계로 구성된 군으로부터 선택된 방법에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 생산되는 공정.
  35. 청구항 34에 있어서, 상기 템플레이팅하는 공정은 상기 배향된 탄소 나노튜브들을 산화적으로 제거하는 단계를 추가로 포함하는 공정.
  36. 청구항 30 내지 31 또는 33 중 어느 하나의 항에 있어서,
    (a) 상기 작동 원사 게스트, 또는 그의 전구체를 도입하는 상기 단계는 높은 공극 용적 분율을 갖는 저-꼬임 또는 헛꼬인 나노섬유 원사 상에서 수행되고, 그리고
    (b) 상기 공정은 상기 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사에 대해 예정된 꼬임 삽입 상태를 제공하기 위해 추가의 꼬임을 사용하는 단계를 추가로 포함하는 공정.
  37. 청구항 30 또는 31에 있어서, 상기 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사는 (a) 헛꼬임 또는 게스트-없는 나노섬유 원사를 위한 원사 코일링에 필요한 것보다 적은 꼬임을 삽입하는 단계, (b) 용융된 폴리머 또는 미경화된 폴리머 수지를 상기 게스트-없는 원사 내로 침투시키는 단계, (c) 상기 침윤된 원사에 대해 원사 코일링을 유발하기에 충분한 꼬임을 삽입하는 단계 및 (d) 상기 폴리머를 고형화시키거나 또는 상기 폴리머 수지를 경화시키는 단계로 구성된 군으로부터 선택된 방법에 의해 제조된 코일형, 열적으로 작동하는 꼬임-스펀 나노섬유 원사인 공정.
  38. 인장 구동, 비틀림 구동, 인장 및 비틀림 구동의 동시에 사용 가능한 조합, 및 이들의 임의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 구동을 제공하도록 작동 가능한 비-전기화학적 액추에이터를 포함하는 작동 센서에 있어서, 상기 비-전기화학적 액추에이터는,
    (a) 나노섬유들을 포함하는 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절 및 가열, 방사선에 노출하기, 화학적 또는 화학적 혼합물에 노출하기, 및 이들의 임의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 변화 공정에 의해 용적의 실질적인 변화를 겪도록 작동 가능한 작동 원사 게스트; 및
    (b) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절에 직접적으로 또는 간접적으로 커플링되는 제1 부착물을 포함하고, 상기 제1 부착물은 구동이 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절에 의해 적어도 부분적으로 생산되는 상기 구동을 이용 가능하도록 작동 가능한 작동 센서.
  39. 청구항 38에 있어서,
    (a) 상기 작동 센서는 작동 원사 게스트의 크게 가역적인 용적 변화로 인해 상기 구동을 이용하도록 작동 가능하고, 그리고
    (b) 상기 구동은 (1) 제어 목적을 위해 표시되거나 또는 사용되는 온도 또는 화학적 노출의 연속적으로 변화하는 값들, (2) 제어 목적을 위해 표시된 형식으로 기록되거나 또는 사용되는 온도의 극단적인 값, 또는 (3) 특정한 온도 하한치 또는 상한치가 제어 목적을 위해 표시된 방식으로 카운팅되거나 또는 사용되도록 초과된 횟수로 구성된 군으로부터 선택된 정보를 획득하는 것을 가능하게 하는 작동 센서.
  40. 청구항 38에 있어서, 상기 구동은 원하는 센서 기능을 위해 상기 작동 센서의 작동에 대해 관련된 시간 척도로 실질적으로 비-히스테릭인 작동 센서.
  41. 청구항 38에 있어서,
    (a) 상기 작동 센서는 노출 효과를 통합하도록 작동 가능하고,
    (b) 상기 작동 센서는 상기 작동 원사 게스트의 크게 비-가역적인 용적 변화로 인해 상기 구동을 이용하도록 작동 가능하며, 그리고
    (c) 상기 구동은 온도 노출 또는 화학적 노출의 효과를 통합하는 단계 및 그러한 통합된 효과가 제어 목적을 위해 표시되거나 또는 사용되게 하는 단계로 구성된 군으로부터 선택된 공정의 성능을 가능하게 하도록 작동 가능한 작동 센서.
  42. (a) 코일형 꼬임-스펀 탄소 나노섬유 원사,
    (b) 실질적인 길이의 상기 코일형 꼬임-스펀 탄소 나노섬유 원사를 가열하기 위한 가열 설비, 및
    (c) 상기 코일형 꼬임-스펀 탄소 나노섬유 원사가 (1) 물체의 기계적 변위, (2) 기계적 작업의 성과, (3) 인장력의 발생, 및 (4) 이들의 임의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 구동을 제공하도록 작동 가능하게 하는 상기 코일형 꼬임-스펀 탄소 나노섬유 원사에 작동 가능하게 접속된 부착물로서, 여기서,
    (i) 상기 코일형 꼬임-스펀 탄소 나노섬유 원사는 임의의 작동 게스트가 실질적으로 없고,
    (ii) 상기 코일형 꼬임-스펀 탄소 나노섬유 원사는 제1 말단 및 제2 말단을 가지며, 그리고
    (iii) 상기 제1 말단 및 상기 제2 말단의 상대적 비틀림 회전을 금지하도록 상기 제1 말단이 연결되고 상기 제2 말단이 연결된 부착물을 포함하는, 비-전기화학적, 열적으로-동력 받는 인장 액추에이터.
  43. (a) 청구항 42의 상기 비-전기화학적, 열적으로-동력 받는 인장 액추에이터,
    (b) (1) 진공, (2) 불활성 대기, 및 (3) 다른 불활성 유체로 구성된 군으로부터 선택되는 주위 환경으로서, 구동 동안 실질적인 가열을 위해 작동 가능한 코일형 꼬임-스펀 탄소 나노섬유 원사의 영역을 둘러싸는 상기 주위 환경을 포함하는 액추에이터 시스템.
  44. 청구항 43에 있어서, 상기 둘러싸는 불활성 대기는 헬륨 가스를 포함하는 액추에이터 시스템.
  45. 청구항 42에 있어서, 상기 구동을 제공하는 온도의 변화는 다음: (i) 주위 온도의 변화 (ii) 전기적 가열에 의해 유발된 온도의 변화, 및 (iii) 전자기 방사선에 의해 유발되는 가열 중의 하나에 의해 작동 가능하게 유발되는 비-전기화학적, 열적으로-동력 받는 인장 액추에이터.
  46. 청구항 45에 있어서, 상기 온도의 변화는 적어도 상기 코일형 꼬인-스펀 탄소 나노섬유 원사의 실질적인 부분이 백열로 되는 최대 온도에 이르는 비-전기화학적, 열적으로-동력 받는 인장 액추에이터.
  47. 청구항 45에 있어서, 상기 온도의 변화는 상기 코일형 꼬인-스펀 탄소 나노섬유 원사의 실질적으로 전체 길이에 걸쳐 제공되는 비-전기화학적, 열적으로-동력 받는 인장 액추에이터.
  48. 청구항 45에 있어서, 상기 코일형 꼬임-스펀 탄소 나노섬유 원사는 (i) 원사 꼬임을 원사 코일링으로 전환시킨 과한 꼬임에 의해 코일링된 단일 겹 원사, 및 (ii) 합사된 원사 중의 적어도 하나를 포함하고, 상기 가닥들 각각은 합사에 의해 코일링되는 비-전기화학적, 열적으로-동력 받는 인장 액추에이터.
  49. 청구항 42에 있어서, 상기 코일형 꼬임-스펀 탄소 나노섬유 원사는 탄소 다중-벽 나노튜브, 탄소 소수-벽 나노튜브, 이들이 리본, 그래핀 나노리본, 그의 유도체로 붕괴되기에 충분히 큰 나노튜브 직경을 갖는 탄소 단일-벽 나노튜브 또는 소수-벽 나노튜브, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 나노섬유들을 포함하는 비-전기화학적, 열적으로-동력 받는 인장 액추에이터.
  50. 코일형 폴리머 섬유를 포함하는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터로서,
    (a) 상기 코일형 폴리머 섬유는 다음 단계들:
    (1) 고-강도, 크게-사슬-배향된 전구체 폴리머 섬유를 선택하는 단계 (상기 전구체 폴리머 섬유는 단일-필라멘트 또는 다중-필라멘트임); 및
    (2) 상기 코일형 폴리머 섬유를 형성하도록 꼬임 방법에 의해 꼬임을 삽입하는 단계를 포함하는 공정으로부터 제조되고, 상기 꼬임 방법은
    (i) 코일링이 발생할 때까지 상기 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하는 단계, 및
    (ii) 코일링을 생산하지 않는 수준으로 상기 전구체 폴리머 섬유 내에 꼬임을 삽입하고, 이어서 초기에 삽입된 꼬임과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 코일링을 삽입하는 단계로 구성된 군으로부터 선택되고, 그리고
    (b) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터는 열적으로 동력받는, 비-전기화학적 코일형 폴리머 섬유 액추에이터인 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  51. 청구항 50에 있어서, 상기 꼬임은 상기 코일형 폴리머 액추에이터의 실질적으로 전체 길이에 따라 코일링을 생산하도록 삽입되는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  52. 청구항 50에 있어서, 제1 말단 및 제2 말단을 포함하고, 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 상기 제1 말단 및 제2 말단은 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 구동 동안 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 상기 제1 말단과 상기 제2 말단 사이의 상대적 화전을 금지하도록 비틀리게 연결된 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  53. 청구항 51에 있어서,
    (a) 상기 꼬임 방법은 코일링이 발생할 때까지 상기 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하는 단계를 포함하고, 그리고
    (b) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터는 상기 코일형 폴리머 섬유 내의 인접하는 코일들이 실질적으로 상기 전체 열 구동 공정 범위에 걸쳐 접촉하지 않는 적어도 충분한 기계적 인장 하중을 인가함으로써 가열될 때 최적의 인장 수축을 제공하도록 작동 가능한 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  54. 청구항 53에 있어서, 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터는 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 인장 기계적 고장을 초래하지 않는 최대 인장 하중 하에 작동 가능한 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  55. 청구항 50에 있어서, 구동을 역전시키기 위해 냉각 시간을 감소시키는 수단을 추가로 포함하고, 상기 수단은 (i) 헬륨-함유 대기 중에서 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터를 작동시키기, (ii) 수소-함유 대기 중에서 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터 작동시키기, (iii) 수조에서 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터 작동시키기, 및 (iv) 유동 유체를 사용하여 활성 냉각 제공하기로 구성된 군으로부터 선택되는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  56. 청구항 50에 있어서,
    (a) 상기 꼬임 방법은 코일링을 생산하지 않는 수준까지 상기 전구체 폴리머 섬유 내에 꼬임을 삽입하는 단계 및 이어서 초기에 삽입된 꼬임에 대해 동일한 방향 또는 반대 방향으로 코일링을 삽입하는 단계를 포함하고, 그리고
    (b) 상기 코일링을 삽입하는 단계는 맨드렐 둘레에 상기 꼬인 폴리머 섬유를 코일링하는 것을 포함하는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  57. 청구항 56에 있어서, 상기 코일형 폴리머 섬유를 상기 맨드렐로부터 제거하는 단계를 추가로 포함하는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  58. 청구항 56에 있어서,
    (a) 상기 맨드렐 둘레의 상기 코일링 방향은 상기 폴리머 섬유 전구체의 상기 꼬임 방향과 반대이고,
    (b) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터는 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 길이로 팽창을 제공하는 가열 동안 열 구동을 위해 작동 가능하고, 그리고
    (c) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터는 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터가 구동 사이클의 가열 부분 동안 길이로 팽창함에 따라 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터가 기계적 작업을 제공하도록 작동 가능하도록 구성되는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  59. 청구항 58에 있어서, 상기 폴리머 섬유 전구체는 상기 전구체 폴리머 섬유의 섬유 방향으로 양성 열 팽창 계수를 갖는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  60. 청구항 56에 있어서,
    (a) 상기 맨드렐 둘레의 상기 코일링 방향은 상기 폴리머 섬유 전구체의 꼬임 방향과 동일한 방향이고,
    (b) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터는 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 길이로 수축을 제공하는 가열 동안 열 구동을 위해 작동 가능하고, 그리고
    (c) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터는 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터가 구동 사이클의 가열 부분 동안 길이로 수축함에 따라 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터가 기계적 작업을 제공하도록 작동 가능하도록 구성되는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  61. 청구항 60에 있어서, 상기 폴리머 섬유 전구체는 상기 전구체 폴리머 섬유의 섬유 방향으로 음성 열 팽창 계수를 갖는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  62. 청구항 55에 있어서, 상기 전구체 폴리머 섬유는 폴리머 나노섬유들을 포함하는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  63. 청구항 50에 있어서, 상기 코일형 폴리머 섬유를 제조하는 공정은 열 세팅을 적어도 부분적으로 제공하도록 상기 폴리머 섬유를 열적으로 어닐링하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 열 어닐링 단계는 꼬임을 삽입하는 단계 동안 또는 그 후에 또는 코일링 단계 동안 또는 그 후에 발생하는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  64. 청구항 50에 있어서, 상기 전구체 폴리머 섬유는 나일론 6, 나일론 6,6, 폴리에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 폴리머 섬유를 포함하는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  65. 청구항 50에 있어서,
    (a) 상기 코일형 폴리머 액추에이터는 온도 변화의 결과로서 인장 수축 또는 인장 팽창을 제공하도록 작동 가능하고, 그리고
    (b) 상기 온도 변화는 (1) 주위 온도의 변화로 인한 가열, (2) 전기적 주울 가열, (3) 방사선에 의해 유발된 가열, (4) 화학적 반응에 의해 생산된 가열, 및 (5) 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 가열에 의해 제공되는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  66. (a) 청구항 50의 코일형 폴리머 섬유 액추에이터, 및
    (b) 다음:
    (1) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 전기적 가열을 가능하게 하는 와이어 접속부,
    (2) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 광열 가열을 가능하게 하는 방사선 공급원 및 방사선 경로, 및
    (3) 그의 반응이 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 가열을 생산하는 화학물질을 전달하기 위한 전달 시스템 중의 적어도 하나를 포함하는 액추에이터 시스템.
  67. 청구항 66에 있어서, 다음:
    (1) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 상기 코일형 폴리머 섬유 상의 전기전도성 코팅, (상기 전기전도성 코팅은 상기 꼬임 방법 전, 그 동안 또는 그 후에 도포됨);
    (2) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 폴리머 코일 상의 전기전도성 코팅, (상기 전기전도성 코팅은 코일 형성 동안 또는 그 후에 도포됨);
    (3) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 상기 코일형 폴리머 섬유 둘레에 래핑된 전기전도성 와이어, 원사, 또는 시트 스트립;
    (4) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 코일 둘레에 래핑된 전기전도성 와이어, 원사, 또는 시트 스트립;
    (5) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 상기 코일형 폴리머 섬유 둘레에 래핑된 전기전도성 나노섬유들;
    (6) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 코일 둘레에 래핑된 전기전도성 나노섬유들;
    (7) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 상기 코일형 폴리머 섬유 내의 전자적 도전성 구성성분; 및
    (8) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터에 근접해 있는 전기적 가열기로 구성된 군으로부터 선택되는 가열 소자를 사용하는 전기적 가열에 의한 열 구동을 위한 가열 설비들을 추가로 포함하는 액추에이터 시스템.
  68. 청구항 66에 있어서, 상기 가열 소자는 (1) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 상기 코일형 폴리머 섬유 상의 또는 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 코일 상의 금속 코팅, 탄소 코팅, 탄소 복합 코팅, 또는 도전성 잉크 또는 페이스트 코팅, (2) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 상기 코일형 폴리머 섬유 또는 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 코일 둘레에 래핑된 탄소 나노튜브 시트 스트립, (3) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터를 포함하는 직물 내에 공동-삽입된 전기전도성 와이어, (5) 2개 이상의 코일형 폴리머 섬유 액추에이터를 포함하는 편조 내부에 있는 전자 전도체, 및 (6) 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 소자를 포함하는 액추에이터 시스템.
  69. 청구항 65에 있어서, 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터는 방사선의 흡수에 의해 적어도 부분적으로 열적으로 작동하도록 작동 가능하고 흡수 인핸서는 상기 흡수를 증진시키기도록 작동 가능하게 제공되는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  70. 청구항 69에 있어서, 상기 흡수 인핸서는 (1) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 상기 코일형 폴리머 섬유, (2) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 코일, 또는 (3) 모두 둘레에 래핑되는 탄소 나노튜브 시트 스트립인 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  71. 청구항 65에 있어서,
    (a) 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터는 화학적 반응에 의해 생산된 가열의 결과로서 작동하도록 작동 가능하고, 그리고
    (b) 상기 화학적 반응은 산화제와 연료의 조합으로부터 또는 단일 유체 구성성분의 화학적 반응에 의해 작동 가능하게 기인하는 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  72. 청구항 65에 있어서, 화학 반응을 위한 촉매는 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 상기 코일형 폴리머 섬유 또는 상기 코일형 폴리머 섬유 액추에이터의 코일의 표면에 또는 표면 근처에 제공된, 코일형 폴리머 섬유 액추에이터.
  73. 다음 단계들:
    (a) 고-강도, 크게-사슬-배향된, 전구체 폴리머 섬유를 선택하는 단계로서, 상기 전구체 폴리머 섬유는 단일-필라멘트 또는 다중-필라멘트인 단계; 및
    (b) 코일형 폴리머 섬유를 형성하기 위해 꼬임 방법에 의해 꼬임을 삽입하는 단계를 포함하고, 상기 꼬임 방법은,
    (1) 상기 전구체 폴리머 섬유가 인가된 인장 기계적 하중 하에 있는 동안 코일링을 생산하기 위해 상기 전구체 폴리머 섬유 내로 충분한 꼬임을 삽입하는 단계,
    (2) 상기 인가된 인장 기계적 하중 하에 코일링을 생산하기에는 너무 낮은 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하고, 이어서 차후에 맨드렐 둘레에 수득한 비-코일형 폴리머 섬유를 래핑하는 단계, 및
    (3) 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 폴리머 섬유 액추에이터를 위해 코일형 폴리머 섬유 내로 전구체 폴리머 섬유를 전환시키는 공정.
  74. 청구항 73에 있어서, 상기 전구체 폴리머 섬유는 작동 게스트나 또는 나노섬유들이 실질적으로 없는 공정.
  75. 청구항 73에 있어서, 상기 전구체 폴리머 섬유 원사는 폴리머 나노섬유들을 실질적으로 포함하는 공정.
  76. 청구항 73에 있어서, 상기 꼬임 방법은 상기 전구체 폴리머 섬유가 인가된 인장 기계적 하중 하에 있는 동안 이러한 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하는 단계를 포함하고, 상기 인가된 기계적 하중은 상기 전구체 폴리머 섬유의 얽힘을 가능하게 하는 인장 하중을 초과하고 상기 전구체 폴리머 섬유가 파손되는 인장 하중 미만인 공정.
  77. 청구항 76에 있어서, 상기 기계적 인장 하중은 상기 전구체 폴리머 섬유 상에 인가된 중량으로부터 기인하고, 꼬임은 상기 전구체 폴리머 섬유 말단의 상기 제2 말단의 회전이 차단되는 동안 상기 전구체 폴리머 섬유의 한쪽 말단에 인가되는 공정.
  78. 청구항 76에 있어서, 상기 삽입된 꼬임의 양은 실질적으로 상기 꼬인 폴리머 섬유의 전체 길이를 따라 코일링을 생산하기에 충분한 공정.
  79. 청구항 78에 있어서, 상기 코일형 폴리머 섬유는 약 1.7 미만인 섬유 직경에 대한 평균 코일 직경 (상기 코일형 폴리머 섬유의 내부 및 외부 코일 직경의 평균)의 비율을 갖는 공정.
  80. 청구항 76에 있어서, 인접한 코일들 사이의 접촉이 원하는 인가된 인장 하중 하에 상기 코일형 폴리머 섬유의 구동 동안 발생하지 않도록 상기 코일형 폴리머 섬유의 코일들을 분리하도록 꼬임 탈-삽입 공정이 차후에 적용되는 공정.
  81. 청구항 73에 있어서, 상기 코일형 폴리머 섬유는 (i) 전기적, (ii) 광자적, (iii) 열, (iv) 화학적, (v) 흡수에 의해, 및 (vi) 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 공급원에 의해 동력받을 때, (a) 인장 구동, (b) 비틀림 구동, 및 (c) 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 구동을 발생할 수 있는 공정.
  82. 청구항 73에 있어서, 상기 전구체 폴리머는 나일론, 폴리에틸렌, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드로 구성된 군으로부터 선택된 섬유를 포함하는 공정.
  83. 청구항 73에 있어서, 상기 전구체 폴리머 섬유는 낚시줄을 위해 사용된 기계적 특성을 갖는 유기 합성 폴리머를 포함하는 공정.
  84. 청구항 73에 있어서, 상기 꼬임 방법은 상기 꼬임 삽입이 상기 인가된 인장 하중 하에 상기 전구체 폴리머 섬유의 코일링을 제공하기에 불충분한 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하는 단계, 및 상기 코일형 폴리머 섬유를 형성하기 위해 맨드렐 둘레에 상기 꼬임-삽입된 전구체 폴리머 섬유를 래핑하는 단계를 포함하는 공정.
  85. 청구항 73에 있어서, 열 어닐링이 상기 코일형 폴리머 섬유를 열 고정하기 위해 인가되는 공정.
  86. 섬유 꼬임 및 섬유 합사를 위해 반대 방향을 사용함으로써 함께 합연되는 동일한 꼬임 방향을 갖는 2개의 꼬인 단일 또는 다중필라멘트 섬유들을 포함하는, 열적으로-작동하는 2-겹 폴리머 섬유.
  87. 청구항 86의 1개 이상의 열적으로-작동하는 2-겹 섬유를 포함하는, 열적으로 작동하는 섬유.
  88. 청구항 86에 있어서, 상기 2-겹 폴리머 섬유가 실질적으로 토크 밸런스된, 열적으로-작동하는 2-겹 폴리머 섬유.
  89. 청구항 86에 있어서, 단일 또는 다중필라멘트 섬유 각각은 단일-필라멘트 또는 다중필라멘트, 고 강도, 크게-사슬-배향된, 전구체 폴리머 섬유 내로의 꼬임 삽입 공정에 의해 제조되고, 상기 꼬임 삽입은 섬유 코일링을 생산하기에 충분하거나 또는 섬유 코일링을 생산하기에 불충분한, 열적으로-작동하는 2-겹 폴리머 섬유.
  90. 청구항 86의 1개 이상의 열적으로-작동하는 2-겹 폴리머 섬유를 포함하고, 상기 직물 또는 상기 편조는 청구항 86의 상기 열적으로-작동하는 2-겹 폴리머 섬유 때문에 실질적인 부분에서 열적으로 작동하도록 작동 가능한 직물 또는 편조.
  91. 구항 90에 있어서,
    (a) 상기 직물 또는 편조는 온도 변화에 반응하여 (1) 기계적 작업 성취하기, (2) 힘 발생하기, (3) 직물 또는 편조 치수 변화시키기, (4) 직물 또는 편조 기공도 개방 및 폐쇄하기, 및 (5) 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 구동을 성취하기 위해 열적으로 작동하도록 작동 가능하고, 그리고
    (b) 상기 온도 변화는 주위 온도 변화 또는 전기적 또는 광열 가열로부터 기인하는 온도 변화에 대응할 수 있는 직물 또는 편조.
  92. 청구항 86에 있어서, 상기 섬유는 열적으로-동력 받는 비틀림 구동을 제공하도록 작동 가능한, 열적으로-작동하는 2-겹 폴리머 섬유.
  93. 폴리머 섬유 작동 요소를 포함하는 비-전기화학적, 열적으로 동력받는 액추에이터에 있어서,
    (a) 상기 폴리머 섬유 작동 요소는 단일-필라멘트 또는 다중-필라멘트이고,
    (b) 상기 폴리머 섬유 작동 요소는 고 강도, 크게-사슬-배향된 폴리머 섬유이며,
    (c) 상기 폴리머 섬유 작동 요소는 전자적으로 도전성 나노섬유들에 의해 나선형으로 래핑되는, 비-전기화학적, 열적으로 동력받는 액추에이터.
  94. 청구항 93에 있어서, 상기 나선형으로 래핑된 나노섬유는 적어도 하나의 나선형으로 래핑된 탄소 나노튜브 시트 내에 있는, 비-전기화학적, 열적으로 동력받는 액추에이터.
  95. 청구항 93에 있어서, 상기 비-전기화학적, 열적으로 동력받는 액추에이터는 저항 가열에 의해 열적으로 동력받고, 상기 전자적으로 도전성 나노섬유들의 상기 전기전도도를 사용하는 저항 가열에 의해 열적으로 동력받도록 작동 가능한, 비-전기화학적, 열적으로 동력받는 액추에이터.
  96. 청구항 93에 있어서, 고 강도, 크게-사슬-배향된 폴리머 섬유는 나일론 6, 나일론 6,6, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드로 구성된 군으로부터 선택된 폴리머를 포함하는, 비-전기화학적, 열적으로 동력받는 액추에이터.
  97. 청구항 93에 있어서, 상기 폴리머 섬유 작동 요소는 (1) 꼬인 및 비-코일형 또는 (2) 꼬이지 않은 및 비-코일형인, 비-전기화학적, 열적으로 동력받는 액추에이터.
  98. 꼬인 폴리머 섬유 작동 요소를 포함하는 비-전기화학적 비틀림 액추에이터에 있어서,
    (a) 상기 꼬인 폴리머 섬유 작동 요소는 가열될 때 비틀리게 동작하도록 작동 가능하고,
    (b) 상기 꼬인 폴리머 섬유 작동 요소는 꼬임 방법을 적용함으로써 단일-필라멘트 또는 다중필라멘트, 고 강도, 크게-사슬-배향된, 전구체 폴리머 섬유로부터 생산되고, 상기 꼬임 방법은 다음 단계들:
    (1) 상기 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하는 단계, (상기 삽입된 꼬임은 상기 폴리머 섬유의 코일링을 생산하기 위해 필요한 꼬임 미만임),
    (2) 코일링이 발생할 때까지 상기 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하는 단계,
    (3) 코일링이 실질적으로 상기 전체 섬유 길이를 따라 발생할 때까지 상기 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하는 단계,
    (4) 상기 전구체 폴리머 섬유 및 제2 전구체 폴리머 섬유 내로 동일한 방향으로 꼬임을 삽입하고 이어서 상기 삽입된 꼬임에 대해서보다 합사를 위해 반대 방향을 사용함으로써 이들 2개의 꼬인 폴리머 섬유들을 함께 합사하여 2-겹 섬유를 제조하는 단계로 구성된 군으로부터 선택되는, 비-전기화학적 비틀림 액추에이터.
  99. 청구항 98에 있어서, 상기 꼬인 폴리머 섬유 작동 요소는 2-겹 섬유이고, 상기 꼬인 폴리머 섬유 작동 요소에 작동가능하게 부착된 회전자를 추가로 포함하는, 비-전기화학적 비틀림 액추에이터.
  100. 청구항 98에 있어서,
    (a) 상기 꼬인 폴리머 섬유 작동 요소는 상기 2-겹 섬유 중의 2개를 포함하고,
    (b) 상기 제1의 2-겹 섬유는 SZ 구조를 갖고 제2의 2-겹 섬유는 ZS 구조를 가지며, 여기서 이들 2개의 2-겹 섬유들은 부착점에 함께 부착되고, 그리고
    (c) 상기 꼬인 폴리머 섬유 작동 요소에 작동 가능하게 연결된 회전자는 상기 부착점에 또는 그 부근에 위치하는, 비-전기화학적 비틀림 액추에이터.
  101. 청구항 98에 있어서, 열, 전열, 광자적, 및 화학적으로 구성된 군으로부터 선택된 공급원에 의해 작동 가능하게 동력받는, 비-전기화학적 비틀림 액추에이터.
  102. 열적으로 동력받도록 작동 가능한 비-전기화학적 폴리머 섬유 액추에이터를 포함하는 물품에 있어서,
    (a) 상기 폴리머 섬유 액추에이터는 다음 단계들
    (i) 고-강도, 크게-사슬-배향된, 전구체 폴리머 섬유를 선택하는 단계, (상기 전구체 폴리머 섬유는 단일-필라멘트 또는 다중-필라멘트임), 및
    (ii) 다음 단계들
    (1) 섬유 코일링을 생산하기에 불충분한 상기 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하는 단계,
    (2) 코일링이 발생할 때까지 상기 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하는 단계,
    (3) 코일링이 실질적으로 상기 전체 섬유 길이를 따라 발생할 때까지 상기 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하는 단계,
    (4) 코일링을 생산하지 않는 수준으로 상기 전구체 폴리머 섬유 내로 꼬임을 삽입하고, 이어서 초기에 삽입된 꼬임과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 코일링을 삽입하기 위해 맨드렐을 사용하는 단계,
    (5) (1) 또는 (2)의 단계들을 사용하여 꼬임을 삽입함으로써 제조된 폴리머 섬유를 합사하여 2-겹 섬유를 제조하는 단계, (상기 합사 방향은 상기 꼬임 삽입 방향과 반대임), 및
    (6) 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 방법을 적용하는 단계를 포함하는 공정에 의해 생산되고,
    (b) 상기 물품은 열적으로 작동하도록 작동 가능하고,
    (c) 상기 물품은 (i) 직물 또는 편조, (ii) 광 투과 또는 기류를 조절하기 위해 셔터 또는 블라인드를 개방 및 폐쇄하기 위한 기계적 기전 (iii) 의료 기기 또는 장난감을 위한 기계적 구동, (iv) 매크로- 또는 마이크로-크기의 펌프, 밸브 구동, 또는 유체 혼합기, (v) 전자 회로를 개방 및 폐쇄하거나 또는 잠금 장치를 개방 및 폐쇄하기 위한 기계적 계전기, (vi) 크게 민감한 전기화학적 분석물 분석에 사용된 전극을 회전시키기 위한 비틀림 구동, (vii) 광학 기기를 위한 기계적 구동, (viii) 광학적 셔터를 개방 및 폐쇄시키거나, 렌즈 또는 광 확산기를 병진 또는 회전시키거나, 규격 렌즈의 초점 길이를 변화시키는 변형을 제공하거나, 또는 디스플레이 상에 변화하는 이미지를 제공하도록 디스플레이 상의 화소들을 회전시키거나 또는 병진시키는 광학 기기를 위한 기계적 구동, (ix) 촉각 정보를 제공하는 기계적 구동, (x) 외과의사 장갑 또는 점자 디스플레이 내의 햅틱 디바이스를 위한 촉각 정보를 제공하는 기계적 구동, (xi) 표면 구조의 변화를 가능하게 하는 스마트 표면을 위한 기계적 구동 시스템, (xii) 외골격, 인공 사지, 또는 로봇을 위한 기계적 구동 시스템, (xiii) 인간형 로봇에 대한 현실적인 얼굴 표정을 제공하기 위한 기계적 구동 시스템, (xiv) 주위 온도에 반응하여 환기구를 개방 및 폐쇄하거나 또는 기공도를 변화시키는 온도 민감성 물질에 대한 스마트 패키징, (xv) 주위 온도 또는 광열 가열로부터 기인하는 온도에 반응하여 밸브를 개방 및 폐쇄하는 기계적 시스템, (xvi) 태양 방향에 관하여 태양 전지의 배향을 제어하는 광열 가열 또는 전기적 가열을 사용하는 기계적 구동, (xvii) 광-열적으로 작동되는 마이크로 디바이스, (xviii) 전기 에너지로서 수확되는 기계적 에너지를 생산하기 위해 온도의 변동을 사용하는 열적으로 또는 광열적으로 작동되는 에너지 수확기, (xix) 몸에 ? 맞는 의복, (열 구동은 상기 의복 내로의 진입을 용이하게 하기 위해 사용됨), (xx) 조절 가능한 컴플라이언스를 제공하기 위한 디바이스, (상기 조절 가능한 컴플라이언스는 전열 구동에 의해 제공됨), 및 (xxi) 병진 또는 회전 위치 설정기로 구성된 군으로부터 선택되는 물품.
  103. 비-전기화학적 액추에이터를 포함하는 물품에 있어서,
    (a) 상기 비-전기화학적 액추에이터는 인장 구동, 비틀림 구동, 인장 및 비틀림 구동의 동시에 사용 가능한 조합, 및 이들의 임의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 구동을 제공하도록 작동 가능하고
    (b) 상기 비-전기화학적 액추에이터는
    (1) 가열, 방사선에 노출하기, 화학적 또는 화학적 혼합물에 노출하기, 및 이들의 임의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 변화 공정에 의한 용적의 실질적인 변화를 겪도록 작동 가능한 작동 원사 게스트를 포함하는 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절, 및
    (2) 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절에 직접적으로 또는 간접적으로 커플링된 부착물을 포함하고, 여기서
    (i) 그러한 비-전기화학적 액추에이터는 인장 구동, 비틀림 구동, 인장 및 비틀림 구동의 동시에 사용 가능한 조합, 및 이들의 임의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 구동을 제공하도록 작동 가능하고;
    (ii) 상기 제1 부착물은 상기 구동이 상기 제1 작동 꼬임-스펀 나노섬유 원사 분절에 의해 적어도 부분적으로 생산되는 구동의 이용을 가능하게 하도록 작동 가능하며
    (c) 상기 물품은 (i) 열적으로, 광으로 또는 화학적으로 작동된 직물 또는 편조, (ii) 광 투과 또는 기류를 조절하기 위해 셔터 또는 블라인드를 개방 및 폐쇄하기 위한 열적으로 작동된 또는 광으로 작동된 기계적 기전 (iii) 의료 기기 또는 장난감을 위한 열적으로 또는 광으로 작동된 기계적 구동, (iv) 열적으로 또는 광으로 작동된 매크로- 또는 마이크로-크기의 펌프, 밸브 구동, 또는 유체 혼합기, (v) 전자 회로를 개방 및 폐쇄하거나 또는 잠금 장치를 개방 및 폐쇄하기 위한 열적으로 작동된 기계적 계전기, (vi) 크게 민감한 전기화학적 분석물 분석에 사용된 전극을 회전시키기 위한 열적으로 작동된 비틀림 구동, (vii) 광학 기기를 위한 열적으로 또는 광으로 작동된 구동, (viii) 광학적 셔터를 개방 및 폐쇄시키거나, 렌즈 또는 광 확산기를 병진 또는 회전시키거나, 규격 렌즈의 초점 길이를 변화시키는 변형을 제공하거나, 또는 디스플레이 상에 변화하는 이미지를 제공하도록 디스플레이 상의 화소들을 회전시키거나 또는 병진시키는 광학 기기를 위한 열적으로 또는 광으로 작동된 구동, (ix) 촉각 정보를 제공하는 열적으로 작동된 기계적 구동 시스템, (x) 외과의사 장갑 또는 점자 디스플레이 내의 햅틱 디바이스를 위한 촉각 정보를 제공하는 열적으로 작동된 기계적 구동 시스템, (xi) 표면 구조의 변화를 가능하게 하는 스마트 표면을 위한 열적으로 또는 광으로 작동된 기계적 구동 시스템, (xii) 외골격, 인공 사지, 또는 로봇을 위한 열적으로 작동된 기계적 구동 시스템, (xiii) 인간형 로봇에 대한 현실적인 얼굴 표정을 제공하기 위한 열적으로 작동된 기계적 구동 시스템, (xiv) 주위 온도에 반응하여 환기구를 개방 및 폐쇄하거나 또는 기공도를 변화시키는 온도 민감성 물질에 대한 열적으로 작동된 스마트 패키징, (xv) 주위 온도 또는 광열 가열로부터 기인하는 온도 또는 광반응에 반응하여 밸브를 개방하거나 또는 폐쇄하는 열적으로 또는 광으로 작동된 기계적 시스템, (xvi) 태양 방향에 관하여 태양 전지의 배향을 제어하는 열적으로 또는 광으로 작동된 기계적 구동, (xvii) 광적으로 작동되는 마이크로 디바이스, (xviii) 전기 에너지로서 수확되는 기계적 에너지를 생산하기 위해 주위 온도의 변화 또는 광열 가열에 의해 생산되는 온도 변화를 사용하는 열적으로 또는 광-열적으로 작동된 에너지 수확기, (xviii) 열적으로 작동된 몸에 ? 맞는 의복, (열 구동은 상기 의복 내로의 진입을 용이하게 하기 위해 사용됨), (xix) 조절 가능한 컴플라이언스를 제공하기 위한 열적으로 작동된 디바이스, (상기 조절 가능한 컴플라이언스는 전열 구동에 의해 제공됨), (xx) 열적으로 또는 광으로 작동된 병진 또는 회전 위치 설정기들, (xxi) 화학적으로 작동된 의료 기기, 및 (xxii) 열적으로, 화학적 흡수에 의해, 또는 기계적으로 작동하는 상기 감지 공정의 에너지를 포획하는 화학적 반응에 의해 동력받는 작동 센서로 구성된 군으로부터 선택되는 물품.
KR1020157005179A 2012-08-01 2013-08-01 코일형 및 비-코일형 꼬인 나노섬유 원사 및 폴리머 섬유 비틀림 및 인장 액추에이터 Active KR102150136B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261678340P 2012-08-01 2012-08-01
US61/678,340 2012-08-01
US201361784126P 2013-03-14 2013-03-14
US61/784,126 2013-03-14
PCT/US2013/053227 WO2014022667A2 (en) 2012-08-01 2013-08-01 Coiled and non-coiled twisted nanofiber yarn and polymer fiber torsional and tensile actuators

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150038475A true KR20150038475A (ko) 2015-04-08
KR102150136B1 KR102150136B1 (ko) 2020-09-01

Family

ID=48985849

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157005179A Active KR102150136B1 (ko) 2012-08-01 2013-08-01 코일형 및 비-코일형 꼬인 나노섬유 원사 및 폴리머 섬유 비틀림 및 인장 액추에이터

Country Status (7)

Country Link
US (8) US9903350B2 (ko)
EP (2) EP3082248A3 (ko)
JP (4) JP6228605B2 (ko)
KR (1) KR102150136B1 (ko)
CN (2) CN104769834B (ko)
HK (1) HK1210549A1 (ko)
WO (1) WO2014022667A2 (ko)

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180025070A (ko) 2016-08-26 2018-03-08 재단법인대구경북과학기술원 소프트 액추에이터
KR20180127113A (ko) * 2017-05-19 2018-11-28 성균관대학교산학협력단 방열 물질을 포함하는 구동기, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 용도
KR20190080198A (ko) * 2017-12-28 2019-07-08 성균관대학교산학협력단 하이브리드형 소프트 액츄에이터 및 이의 제조방법
US10473093B2 (en) 2016-08-26 2019-11-12 Daegu Gyeongbuk Institute Of Science And Technology Soft actuator using thermoelectric effect
KR20190133700A (ko) * 2017-04-10 2019-12-03 어더 랩 엘엘씨 코일형 액츄에이터 시스템 및 방법
WO2020141865A1 (ko) * 2018-12-31 2020-07-09 한양대학교 산학협력단 전력 생산 모듈, 및 전력 생산 방법
KR102172383B1 (ko) * 2019-11-27 2020-10-30 한국생산기술연구원 생분해성 실의 마이크로 공극 형성 장치 및 방법
KR20220074183A (ko) * 2020-11-27 2022-06-03 한국생산기술연구원 광감응 액추에이터 및 그의 제조방법
KR20220134268A (ko) * 2021-03-26 2022-10-05 한국생산기술연구원 온도 감응 스마트 블라인더 및 그의 제조방법
US11686024B2 (en) 2015-05-21 2023-06-27 Other Lab, Llc System and method for thermally adaptive materials
US11885577B2 (en) 2015-05-20 2024-01-30 Other Lab, Llc Heat exchanger array system and method for an air thermal conditioner
KR20240025839A (ko) * 2022-08-19 2024-02-27 동국대학교 산학협력단 친수성 탄소나노튜브 얀의 제조 방법, 코일 구조 탄소나노튜브 얀의 구조적 안정성 향상 방법, 및 하이드로-액츄에이터
KR20250042543A (ko) * 2023-09-20 2025-03-27 한국생산기술연구원 해양 환경에서 사용 가능한 전방향 에너지 하베스터 및 그의 제조방법
US12389964B2 (en) 2018-03-05 2025-08-19 Other Lab, Llc Thermally adaptive fabrics and methods of making same

Families Citing this family (164)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3082248A3 (en) * 2012-08-01 2016-12-07 The Board of Regents,The University of Texas System Coiled and non-coiled twisted nanofiber yarn and polymer fiber torsional and tensile actuators
CN105081490B (zh) * 2014-04-23 2017-09-12 北京富纳特创新科技有限公司 线切割电极丝及线切割装置
RU2563815C1 (ru) * 2014-05-14 2015-09-20 Дмитрий Андреевич Журавлёв Искусственная мышца
US20150369264A1 (en) * 2014-06-20 2015-12-24 The Regents Of The University Of Michigan Sensing method for fiber-driven motion systems
WO2016018254A1 (en) * 2014-07-29 2016-02-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Lockable connector device
WO2016064220A1 (ko) * 2014-10-22 2016-04-28 한양대학교 산학협력단 온도 변화 또는 온도 구배에 의해 구동되는 회전형 구동기 및 이들을 이용한 에너지 하베스팅 장치
KR102311763B1 (ko) * 2015-01-26 2021-10-13 한양대학교 산학협력단 온도 구배에 의해 구동되는 회전형 구동기 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치
KR101675867B1 (ko) * 2014-12-17 2016-11-23 주식회사 아모그린텍 나노섬유 복합사를 이용한 치과용 코드 및 그의 제조방법
KR101650465B1 (ko) * 2015-02-16 2016-08-23 한국기계연구원 인공근육모듈
US11584505B1 (en) 2015-02-18 2023-02-21 Hrl Laboratories, Llc Phononic composite material with internal resonant phases
DE102015203837A1 (de) * 2015-03-04 2016-09-08 Pedex Gmbh Spiralige Filamente und deren Herstellung
CN107835645B (zh) * 2015-03-13 2021-11-12 乌杰尔有限公司 传感器网状织物
KR101731163B1 (ko) * 2015-03-30 2017-04-28 성균관대학교산학협력단 로봇의 인공근육 구동기
JP6111438B1 (ja) * 2015-08-04 2017-04-12 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 アクチュエータ
CN108138372B (zh) 2015-08-18 2021-01-05 马萨诸塞大学阿默斯特分校 用于芳族聚酰胺纤维改性的方法
US11197726B2 (en) * 2015-11-06 2021-12-14 Iowa State University Research Foundation, Inc. Microrobotic tentacles with spiral bending capability based on shape-engineered elastomeric microtubes and methods of manufacturing same
US10102722B2 (en) 2015-12-18 2018-10-16 Immersion Corporation Wearable article having an actuator that performs non-haptic and haptic operations
US10030637B2 (en) * 2015-12-18 2018-07-24 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Actuator
JP2017113520A (ja) 2015-12-18 2017-06-29 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 アクチュエータおよびアクチュエータセット
JP6519566B2 (ja) 2016-01-15 2019-05-29 株式会社デンソー 乗員検知システム、及びこれを備えた車両用空調装置
JP6583063B2 (ja) * 2016-03-09 2019-10-02 株式会社デンソー アクチュエータ装置
CN108884982B (zh) * 2016-03-10 2021-04-20 帕普集团私人有限公司 照亮的牵索系统
WO2017165435A2 (en) 2016-03-21 2017-09-28 Board Of Regents, The University Of Texas System Actuating textiles containing polymer fiber muscles
JP6519509B2 (ja) * 2016-03-24 2019-05-29 株式会社デンソー 加熱装置
US10837130B2 (en) * 2016-04-27 2020-11-17 Board Of Regents, The University Of Texas System Incandescent tension annealing processes for strong, twist-stable carbon nanotube yarns and muscles
KR102131069B1 (ko) * 2016-04-29 2020-07-07 린텍 오브 아메리카, 인크. 쌍안정 액츄에이터 다바이스
EP3452822A4 (en) * 2016-05-03 2020-06-03 JP Laboratories TIME TEMPERATURE DISPLAY BASED ON INCREASED THERMAL REACTIVITY OF A DIACETYLENE AFTER MELT RECRISTALIZATION
JP6665723B2 (ja) 2016-07-27 2020-03-13 株式会社デンソー アクチュエータ、センサ装置、及び、制御装置
JP2018019500A (ja) * 2016-07-27 2018-02-01 株式会社デンソー アクチュエータ及びセンサ装置
JP6714858B2 (ja) 2016-09-12 2020-07-01 株式会社デンソー アクチュエータ装置
JP6610596B2 (ja) 2016-09-20 2019-11-27 株式会社デンソー アクチュエータ装置
WO2018055972A1 (ja) * 2016-09-20 2018-03-29 株式会社デンソー アクチュエータ装置
US20190307919A1 (en) * 2016-10-06 2019-10-10 Lintec Of America, Inc. Coating for artificial muscles and actuators
US9911292B1 (en) * 2016-10-12 2018-03-06 Immersion Corporation Smart material for haptic feedback
US10292438B2 (en) * 2016-10-17 2019-05-21 David Fortenbacher Heated garments
JP6645404B2 (ja) 2016-11-24 2020-02-14 株式会社デンソー 乗員検知システム
EP3333419A3 (en) 2016-12-08 2018-09-12 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Actuator device
EP3551132A1 (en) 2016-12-08 2019-10-16 Lintec Of America, Inc. Improvements in artificial muscle actuators
WO2018118682A1 (en) * 2016-12-19 2018-06-28 Lintec Of America, Inc. Nanofiber yarn spinning system
US20200115827A1 (en) * 2016-12-27 2020-04-16 Lintec Corporation Actuator and manufacturing method thereof
WO2018156761A1 (en) * 2017-02-23 2018-08-30 Lintec Of America, Inc. Continuous production of muscle fibers
WO2018160555A1 (en) * 2017-02-28 2018-09-07 Lintec Of America, Inc. Manufacturing of artificial muscle actuators
US10174745B2 (en) * 2017-03-18 2019-01-08 Austin Russell Gurley Braided shape memory actuator
JP2018161010A (ja) * 2017-03-23 2018-10-11 株式会社デンソー 可動装置、その製造方法、および、その制御方法
JP6794892B2 (ja) * 2017-03-23 2020-12-02 株式会社デンソー 可動装置
JP6841115B2 (ja) * 2017-03-23 2021-03-10 株式会社デンソー 可動装置
US11065101B2 (en) 2017-03-27 2021-07-20 Massachusetts Institute Of Technology Fast torsional artificial muscles from twisted yarns of shape memory material
US10978965B2 (en) * 2017-04-28 2021-04-13 Lintec Of America, Inc. Triboelectric generator
DE102017207913A1 (de) * 2017-05-10 2018-11-15 Robert Bosch Gmbh Robotergliedmaße
KR102654854B1 (ko) * 2017-06-28 2024-04-03 더 보드 오브 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템 기계적 변형으로부터 전기 에너지를 수확하기 위한 감기고 꼬인 나노섬유 얀
US11259747B2 (en) * 2017-06-30 2022-03-01 James A. Magnasco Adaptive compression sleeves and clothing articles
TWI697326B (zh) * 2017-07-03 2020-07-01 美商琳得科美國股份有限公司 人工肌肉致動器裝置及用於製造該致動器裝置的方法
JPWO2019017070A1 (ja) * 2017-07-20 2020-05-28 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 コイル状繊維の製造装置及び製造方法
CN107574493B (zh) * 2017-07-25 2020-04-10 青岛农业大学 一种基于电纺的螺旋缠绕结构柔性可拉伸应变传感器
WO2019021604A1 (ja) * 2017-07-27 2019-01-31 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 アクチュエータを駆動する方法、アクチュエータ、およびアクチュエータを製造する方法
JP6867252B2 (ja) * 2017-07-31 2021-04-28 リンテック株式会社 アクチュエータ
WO2019036186A1 (en) * 2017-08-17 2019-02-21 Lintec Of America, Inc. SELECTIVE INFILTRATION OF NANOFIBRE YARNS
CN107604497A (zh) * 2017-10-09 2018-01-19 长春理工大学 磁光双功能纳米纤维纱线及其制备方法
TWI775975B (zh) * 2017-10-26 2022-09-01 美商琳得科美國股份有限公司 奈米碳管片包覆肌肉
CN107618028B (zh) * 2017-10-31 2019-12-27 平顶山学院 一种双向的人工肌肉
TWI709393B (zh) * 2017-11-17 2020-11-11 美商琳得科美國股份有限公司 奈米碳管人工肌肉閥及連接
WO2019102799A1 (ja) * 2017-11-21 2019-05-31 リンテック株式会社 アクチュエータ
JP6837246B2 (ja) 2017-11-27 2021-03-03 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 アクチュエータ装置
CN108340400B (zh) * 2018-02-12 2021-03-30 哈尔滨工业大学 一种柔性驱动型双向旋转机器人关节
JP7091888B2 (ja) * 2018-02-19 2022-06-28 株式会社デンソー アクチュエータ装置
JP6911209B2 (ja) * 2018-02-22 2021-07-28 リンテック・オブ・アメリカ・インコーポレイテッド 人工筋肉触手
JP7068479B2 (ja) * 2018-02-22 2022-05-16 リンテック・オブ・アメリカ・インコーポレイテッド 巻き付けられた中空カーボンナノチューブヤーンによる油圧筋肉
WO2019183391A1 (en) * 2018-03-21 2019-09-26 Lintec Of America, Inc. Carbon nanotube yarn electroosmotic pump
CN108588900A (zh) * 2018-03-28 2018-09-28 武汉纺织大学 海藻酸钠纤维基扭转驱动器的制备方法及其应用
US11028504B2 (en) * 2018-04-16 2021-06-08 The Hong Kong Polytechnic University Multi-level-architecture multifiber composite yarn
WO2019221822A1 (en) 2018-05-16 2019-11-21 Lintec Of America, Inc. Nanofiber fabric
US20190360125A1 (en) * 2018-05-22 2019-11-28 Nano And Advanced Materials Institute Limited Linear bi-component filament, fiber, or tape, and method of using thereof
WO2019222846A1 (en) * 2018-05-22 2019-11-28 Myant Inc. Method for sensing and communication of biometric data and for bidirectional communication with a textile based sensor platform
WO2019230102A1 (ja) 2018-05-31 2019-12-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 アクチュエータ装置、アクチュエータバンド及びアクチュエータバンドの製造方法
WO2019230103A1 (ja) 2018-05-31 2019-12-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 アクチュエータ装置、アクチュエータバンド及びアクチュエータバンドの製造方法
CN108839329B (zh) * 2018-06-15 2020-02-18 大连理工大学 一种聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备测试装置与方法
CN108842243A (zh) * 2018-06-29 2018-11-20 东华大学 红外光致动的聚氨酯/碳纳米管复合纤维及其制备和应用
US20210283863A1 (en) * 2018-08-03 2021-09-16 The Texas A&M University System Architecture-, Geometry-, and Microstructure-Controlled Processing of Carbon Fibers and Nanofibers via Pyrolysis of Multicomponent Hot-Drawn Precursors
CN108896199B (zh) * 2018-08-21 2020-06-23 厦门大学 一种可拉伸的纱线传感器及其制备方法
JP2020036889A (ja) * 2018-08-31 2020-03-12 リンテック・オブ・アメリカ・インコーポレイテッド フックとループの人工筋肉
JP7292287B2 (ja) * 2018-09-07 2023-06-16 リンテック株式会社 アクチュエータ
CN109082742B (zh) * 2018-09-10 2025-07-29 武汉纺织大学 对光热和湿度具有刺激响应性的纤维基扭转驱动器及其制备方法与应用
US20210317599A1 (en) * 2018-09-10 2021-10-14 Toray Industries, Inc. Fiber for actuators, and actuator and fiber product using same
CN109253740B (zh) * 2018-09-10 2021-02-12 中原工学院 一种基于纳米纤维包芯纱的电容式传感器及其制备方法
JP7095509B2 (ja) * 2018-09-12 2022-07-05 株式会社デンソー アクチュエータ装置
US11060512B2 (en) * 2018-09-17 2021-07-13 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Elongate fiber artificial muscles and method of fabrication
US11823808B2 (en) 2018-09-19 2023-11-21 University Of Massachusetts Conductive composite materials fabricated with protein nanowires
EP3857701A1 (en) * 2018-09-28 2021-08-04 University of Massachusetts Electric power generation from ambient humidity using protein nanowires
CN109113942B (zh) * 2018-10-12 2023-08-29 中国地质大学（武汉） 碳纳米管纤维复合形状记忆合金型驱动器
CN109372710B (zh) * 2018-10-25 2023-09-22 中国地质大学（武汉） 碳纳米管纤维纱线复合热膨胀材料型激光光热驱动器
US10890974B2 (en) * 2018-11-07 2021-01-12 Microsoft Technology Licensing, Llc Electromagnetically actuating a haptic feedback system
WO2020102862A1 (en) 2018-11-22 2020-05-28 Embraer S.A. Aircraft component systems for electrical energy harvesting and storage
US11131907B2 (en) * 2018-12-19 2021-09-28 Lintec Of America, Inc. Device sweeper
WO2020163228A1 (en) * 2019-02-07 2020-08-13 Board Of Regents, The University Of Texas System Unipolar artificial muscles and methods of use thereof
CN109833071A (zh) * 2019-02-15 2019-06-04 南京天朗制药有限公司 形状记忆伤口闭合装置
US12320802B2 (en) 2019-03-20 2025-06-03 University Of Massachusetts Microbial nanowires modified to contain peptides and methods of making
CN110183704A (zh) * 2019-04-11 2019-08-30 苏州斯坦得新材料有限公司 一种电热驱动薄膜及基于该薄膜的频率开关
US10577076B1 (en) * 2019-04-19 2020-03-03 Leo Edward Wylonis Shape-shifting aircraft wing actuated via polymer artificial muscle driven twisting wing ribs
WO2020231741A2 (en) * 2019-05-10 2020-11-19 Board Of Regents, The University Of Texas System Sheath-run artificial muscles and methods of use thereof
CN110373776B (zh) * 2019-06-28 2022-02-15 江苏大学 基于碳纳米复合纤维具有核壳结构的多种刺激响应驱动器
US11703257B2 (en) * 2019-10-01 2023-07-18 Board Of Regents, The University Of Texas System Methods for torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers and systems thereof
DE102019130713A1 (de) * 2019-11-14 2021-05-20 Vega Grieshaber Kg Temperaturüberwachungseinrichtung sowie Messanordnung damit
US11508498B2 (en) 2019-11-26 2022-11-22 Trimtabs Ltd Cables and methods thereof
US12297593B2 (en) * 2019-12-02 2025-05-13 Regents Of The University Of Minnesota Multifunctional active yarns and textiles
CN111830098A (zh) * 2020-03-24 2020-10-27 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 高响应速率的电化学驱动人工肌肉纤维的测试系统及方法
US11601074B2 (en) 2020-03-31 2023-03-07 Denso Corporation Actuator
US11631824B2 (en) 2020-04-08 2023-04-18 University Of Massachusetts Memristor device comprising protein nanowires
US11982637B2 (en) 2020-04-22 2024-05-14 University Of Massachusetts Sensors comprising electrically-conductive protein nanowires
CN111567283B (zh) * 2020-05-28 2024-12-27 贵州民族大学 一种基于加捻螺旋线的大棚卷膜器
CN111446885B (zh) * 2020-05-28 2025-04-01 深圳技术大学 柔性混合发电机及制备方法与应用、柔性自充电装置
CN111674021A (zh) * 2020-06-11 2020-09-18 宁夏大学 一种同向双盘绕线形复合炭纤维电热制动器的制备方法
CN111781187B (zh) * 2020-06-29 2022-08-02 哈尔滨工业大学 一种纤维状样品双向拉应力显微拉曼样品台
CN111702751A (zh) * 2020-07-13 2020-09-25 西安交通大学 一种尼龙卷绕式人工肌肉的制作装置及方法
CN111809807A (zh) * 2020-07-14 2020-10-23 贵州民族大学 一种基于加捻螺旋纱线的雨棚
CN112201744B (zh) * 2020-08-27 2023-05-30 东华大学 一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用
WO2022056545A2 (en) * 2020-09-11 2022-03-17 Regents Of The University Of Minnesota Shape memory alloy microfilament yarns
CN112605319B (zh) * 2020-11-27 2024-10-11 增城华昌塑料五金模具有限公司 一种弓弦拉伸装置
KR102266384B1 (ko) * 2021-01-25 2021-06-21 주식회사 울트라브이 필러용 생분해성 고분자 미세입자, 이를 포함한 필러용 동결건조체, 그 제조방법 및 상기 동결건조체를 포함하는 필러용 주사제
KR102402777B1 (ko) * 2021-02-15 2022-05-31 중앙대학교 산학협력단 줄꼬임­공압 엔진을 이용한 하이브리드 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법
CN113005585B (zh) * 2021-03-08 2022-02-01 苏州大学 包覆纱纺纱装置及阻燃抗电弧包覆纱的制备方法
CN112936250B (zh) * 2021-03-23 2022-08-05 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉及其制备方法
JP7665371B2 (ja) 2021-03-24 2025-04-21 リンテック株式会社 アクチュエータ及びアクチュエータの製造方法
US11460010B1 (en) 2021-03-30 2022-10-04 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. SMC integrated bi-stable strips for remote actuation
CN112986317B (zh) * 2021-03-31 2024-11-29 浙江理工大学 一种用于热驱动人工肌肉纤维的测试装置及其应用方法
WO2022209542A1 (ja) * 2021-04-02 2022-10-06 Ｅｎｅｏｓ株式会社 アクチュエータ素子
CN113106596B (zh) * 2021-04-15 2022-02-22 苏州大学 一种吸湿快干暖感复合纱及其制备方法
TWI788854B (zh) * 2021-05-24 2023-01-01 澤名股份有限公司 一種紗線製法
CN113309677B (zh) * 2021-05-26 2022-08-09 西湖大学 一种光控纤维执行器自发产生周期持续机械运动方法及系统
CN113532981B (zh) * 2021-06-17 2022-03-29 北京工业大学 一种可调配重的纤维平衡加捻辅助装置及相关实验方法
CN113406816B (zh) * 2021-06-17 2023-06-09 航天特种材料及工艺技术研究所 一种可通过电致热调控透光性的气凝胶复合材料及其制备方法和应用
CN113463232A (zh) * 2021-06-25 2021-10-01 江苏大学 一种聚合物纤维人工肌肉连续自动加捻收卷装置及方法
CN113675331A (zh) * 2021-06-25 2021-11-19 江苏大学 一种鞘材料裹覆与加捻的人工肌肉的制作装置及方法
CN113403834B (zh) * 2021-07-12 2023-06-16 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 高强高韧碳纳米管复合相变纤维、其制备方法及应用
CN113838818A (zh) * 2021-09-29 2021-12-24 常州大学 石墨烯包覆碳纳米管气凝胶的高热传导柔性热管及其制备方法
US20250236508A1 (en) * 2021-10-22 2025-07-24 GOVERNMENT OF THE UNITED STATES OF AMERICA, as represented by THE SECRETARY OF COMMERCE NATIONAL High-q micromechanical torsion resonator based on suspending a test mass from a nanoribbon
WO2023078562A1 (en) 2021-11-05 2023-05-11 Essity Hygiene And Health Aktiebolag Artificial muscle massage garment with coiled elements in or on textile fabric
WO2023078563A1 (en) 2021-11-05 2023-05-11 Essity Hygiene And Health Aktiebolag Artificial muscle massage garment
US12126279B2 (en) 2021-12-02 2024-10-22 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Hybrid actuation devices including artificial muscle stacks
KR102612862B1 (ko) * 2021-12-17 2023-12-15 인하대학교 산학협력단 고신축 전도성 마이크로 와이어 어레이 제조 장치 및 이를 이용한 고신축 전도성 마이크로 와이어 어레이 제조 방법
CN114474029B (zh) * 2022-02-16 2023-09-01 之江实验室 一种可高频驱动的热响应人工肌肉
EP4233765A1 (en) * 2022-02-24 2023-08-30 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Coiled device
US12383066B2 (en) 2022-04-26 2025-08-12 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Chair with shape memory material-based movement synchronized with visual content
AU2023262331A1 (en) * 2022-04-29 2024-12-12 Dennisson Technologies Limited A garment assembly for triggering, facilitating or resisting movement
CA3253727A1 (en) 2022-05-17 2023-11-23 Proenviroenergy Inc. INTERNAL COMBUSTION ENGINE
CZ310139B6 (cs) * 2022-06-09 2024-09-25 Technická univerzita v Liberci Způsob výroby lineárního nanovlákenného útvaru ve střídavém elektrickém poli, zařízení k provádění tohoto způsobu a zařízení k výrobě nanovlákenné niti
US20250339957A1 (en) * 2022-07-26 2025-11-06 University Of Iowa Research Foundation Low energy, non-ferrous, non-magnetic driving system for medical and other applications
US11965491B2 (en) * 2022-09-09 2024-04-23 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Soft actuators with twisted coiled polymer actuators
CN118756383A (zh) * 2022-09-28 2024-10-11 南京普立蒙医疗科技有限公司 一种制备更小针线直径比值的上针缝合线的设备及应用
US12330301B2 (en) * 2022-11-18 2025-06-17 Zebra Technologies Corporation Shape-memory effector assemblies with integrated position sensing
GB2629994A (en) * 2022-12-15 2024-11-13 Zhejiang Lab Electric-driven artificial muscle fiber having bidirectional linear strain and preparation method therefor
US20240263361A1 (en) * 2023-02-02 2024-08-08 Board Of Regents, The University Of Texas System Method of making large spring index artificial muscles
US20250146188A1 (en) * 2023-02-02 2025-05-08 Board Of Regents, The University Of Texas System Method of making large spring index artificial muscles
US12391378B2 (en) 2023-02-16 2025-08-19 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Morphing origami structures with light-responsive polymers
US12241458B2 (en) 2023-02-16 2025-03-04 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Actuator with contracting member
US12270386B2 (en) 2023-02-16 2025-04-08 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Shape memory material member-based actuator
US12163507B2 (en) 2023-02-22 2024-12-10 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Contracting member-based actuator with clutch
US12152570B2 (en) 2023-02-22 2024-11-26 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Shape memory material member-based actuator with electrostatic clutch preliminary class
TWI852580B (zh) * 2023-05-24 2024-08-11 捷立康生物科技股份有限公司 手術線材、其用途與製法
TWI864893B (zh) * 2023-07-19 2024-12-01 宏碁股份有限公司 散熱模組與電子裝置
CN117166107B (zh) * 2023-07-24 2025-10-24 东华大学 一种基于液晶弹性体纤维的电致旋转复合纱及其制备方法
US12234811B1 (en) 2023-08-21 2025-02-25 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Monitoring a state of a shape memory material member
US12378949B2 (en) 2023-08-31 2025-08-05 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Cannula TCP actuator
US12358657B2 (en) * 2023-10-20 2025-07-15 Iucf-Hyu (Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University) Subminiature drone comprising rotary artificial muscle motor and operating method thereof
CN117488452A (zh) * 2023-10-25 2024-02-02 武汉纺织大学 一种多功能可穿戴加捻纱的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4843921A (en) * 1988-04-18 1989-07-04 Kremer Stephen R Twisted cord actuator
US20090085444A1 (en) * 2005-05-05 2009-04-02 Rodrigo Alvarez Icaza Rivera Dielectric elastomer fiber transducers
WO2010019942A2 (en) * 2008-08-15 2010-02-18 Board Of Regents, The University Of Texas System Nanofiber actuators and strain amplifiers

Family Cites Families (134)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2451919A (en) * 1947-11-25 1948-10-19 Us Rubber Co Method of making stretchable yarn
US3012585A (en) 1957-06-06 1961-12-12 Royston Lab Pipe coating with flowable inner layer
JPS4968854A (ko) 1972-11-01 1974-07-03
JPS5061342A (ko) 1973-10-01 1975-05-26
JPS5178509A (ja) 1974-12-28 1976-07-08 Marugo Kk Tanjakukuinoseizohooyobisochi
JPS5229732A (en) 1975-08-30 1977-03-05 Ii Mazuuu Harii Camera bearing device
US4022276A (en) 1976-02-13 1977-05-10 Marathon Oil Company Method of selecting oil recovery fluids using nuclear magnetic resonance measurements
US3999946A (en) 1976-02-23 1976-12-28 Allied Chemical Corporation Time-temperature history indicators
JPS5429751A (en) 1977-08-09 1979-03-05 Satake Eng Co Ltd Grain polishing device
JPS5437966A (en) 1977-08-31 1979-03-20 Matsushita Electric Works Ltd Strainer
JPS5629869A (en) 1979-08-15 1981-03-25 Nec Corp Magnetic head for flexible disc device
JPS5629918A (en) 1979-08-21 1981-03-25 Iseki Agricult Mach Exhausted waste treating apparatus in dual barrel type threshing apparatus
AU542857B2 (en) 1979-11-27 1985-03-21 Foldcrown Limited Engine analyser
JPS5699387A (en) 1980-01-09 1981-08-10 Hitachi Ltd Display unit
JPS6119980A (ja) * 1984-07-05 1986-01-28 Furukawa Electric Co Ltd:The 形状記憶合金アクチユエ−タ
CN85201584U (zh) * 1985-05-24 1986-02-26 郑志文 夹筋强力包装纸袋及其专用加工设备
JPS6228605A (ja) 1985-07-30 1987-02-06 Hokuyo Automatic Co 光学式外形測定装置
TW222668B (ko) * 1992-03-19 1994-04-21 Minnesota Mining & Mfg
JPH0775356A (ja) * 1993-09-02 1995-03-17 Olympus Optical Co Ltd メカノケミカルアクチュエータ
JPH0872143A (ja) * 1994-09-07 1996-03-19 Terumo Corp 拡張可能なチューブ、これを用いた複合チューブおよびカテーテルチューブ
US5685149A (en) * 1995-11-14 1997-11-11 Tcam Technologies, Inc. Proportionally controlled thermochemical mechanical actuator
JPH11137694A (ja) * 1997-11-13 1999-05-25 Takiron Co Ltd 生体内分解吸収性の形状記憶ステント
US6555945B1 (en) 1999-02-25 2003-04-29 Alliedsignal Inc. Actuators using double-layer charging of high surface area materials
US6535311B1 (en) * 1999-12-09 2003-03-18 Corning Incorporated Wavelength selective cross-connect switch using a MEMS shutter array
AU2001287001A1 (en) * 2000-08-30 2002-03-13 Warwick Mills, Inc. Multi-layer and laminate fabric systems
AU2002307151A1 (en) * 2001-04-06 2002-10-21 Carnegie Mellon University A process for the preparation of nanostructured materials
US6782892B2 (en) 2002-08-30 2004-08-31 Philip Morris Usa Inc. Manganese oxide mixtures in nanoparticle form to lower the amount of carbon monoxide and/or nitric oxide in the mainstream smoke of a cigarette
CN100411979C (zh) 2002-09-16 2008-08-20 清华大学 一种碳纳米管绳及其制造方法
CN1282216C (zh) 2002-09-16 2006-10-25 清华大学 一种灯丝及其制备方法
CN1301212C (zh) 2002-09-17 2007-02-21 清华大学 一维纳米材料方向及形状调整方法
CN1296994C (zh) 2002-11-14 2007-01-24 清华大学 一种热界面材料及其制造方法
GB0418201D0 (en) * 2004-08-14 2004-09-15 Koninkl Philips Electronics Nv A fibre or filament
WO2007001392A2 (en) * 2004-10-01 2007-01-04 The Regents Of The University Of Michigan Manufacture of shape-memory alloy cellular meterials and structures by transient-liquid reactive joining
US8926933B2 (en) * 2004-11-09 2015-01-06 The Board Of Regents Of The University Of Texas System Fabrication of twisted and non-twisted nanofiber yarns
JP4734929B2 (ja) 2005-01-12 2011-07-27 日立造船株式会社 カーボンナノチューブの転写装置
JP2006249617A (ja) * 2005-03-11 2006-09-21 Yamanashi Tlo:Kk 高倍率で高物性のフィラメントの製造方法及び製造装置
CN100337981C (zh) 2005-03-24 2007-09-19 清华大学 热界面材料及其制造方法
CN1837147B (zh) 2005-03-24 2010-05-05 清华大学 热界面材料及其制备方法
CN1841713A (zh) 2005-03-31 2006-10-04 清华大学 热界面材料及其制作方法
CN100358132C (zh) 2005-04-14 2007-12-26 清华大学 热界面材料制备方法
CN100404242C (zh) 2005-04-14 2008-07-23 清华大学 热界面材料及其制造方法
US8505798B2 (en) * 2005-05-12 2013-08-13 Stanley Fastening Systems, L.P. Fastener driving device
US20060281382A1 (en) * 2005-06-10 2006-12-14 Eleni Karayianni Surface functional electro-textile with functionality modulation capability, methods for making the same, and applications incorporating the same
CN1891780B (zh) 2005-07-01 2013-04-24 清华大学 热界面材料及其制备方法
JP4696751B2 (ja) 2005-07-26 2011-06-08 日立造船株式会社 カーボンナノチューブを用いた電極の製造方法
JP2007056399A (ja) * 2005-08-24 2007-03-08 Unitica Fibers Ltd 特殊合撚糸
CN100500556C (zh) 2005-12-16 2009-06-17 清华大学 碳纳米管丝及其制作方法
JP2007177363A (ja) * 2005-12-27 2007-07-12 Nissan Motor Co Ltd 導電性高分子からなる繊維構造体およびその製造方法、その繊維構造体を用いた立体編物型アクチュエータと車両用部品
JP5135757B2 (ja) * 2006-01-13 2013-02-06 日産自動車株式会社 導電性高分子からなる布帛を用いたセンサ、アクチュエータ
JP2007227001A (ja) * 2006-02-21 2007-09-06 Shinshu Univ 高分子柔軟電極およびそれを用いたエレクトロデバイス
WO2007099975A1 (ja) 2006-02-28 2007-09-07 Toyo Boseki Kabushiki Kaisha カーボンナノチューブ集合体、カーボンナノチューブ繊維及びカーボンナノチューブ繊維の製造方法
JP4743520B2 (ja) 2006-03-02 2011-08-10 三洋電機株式会社 カーボンナノチューブ電極及びその製造方法
US8096119B2 (en) 2006-03-02 2012-01-17 Board Of Regents, The University Of Texas System Fuel-powered actuators and methods of using same
JP4894420B2 (ja) * 2006-03-16 2012-03-14 日産自動車株式会社 通気量可変布帛、吸音材、車両用部品
TWI424447B (zh) 2006-03-27 2014-01-21 Hitachi Shipbuilding Eng Co 利用奈米碳管之導電性材料及其製造方法、以及利用該材料之電雙層電容器
JP4807128B2 (ja) 2006-03-30 2011-11-02 日立造船株式会社 カーボンナノチューブを用いた電気二重層キャパシタおよびその製造方法
CN101054467B (zh) 2006-04-14 2010-05-26 清华大学 碳纳米管复合材料及其制备方法
CN101121791B (zh) 2006-08-09 2010-12-08 清华大学 碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法
CN100591613C (zh) 2006-08-11 2010-02-24 清华大学 碳纳米管复合材料及其制造方法
ES2370178T3 (es) * 2006-08-17 2011-12-13 Koninklijke Philips Electronics N.V. Accionador de presión.
CN101135625B (zh) 2006-09-01 2010-05-12 清华大学 碳纳米管阵列与基底结合力的测量方法
JP5061342B2 (ja) 2006-09-11 2012-10-31 国立大学法人大阪大学 カーボンナノチューブ電極及び当該電極を用いたセンサー
JP5116082B2 (ja) 2007-04-17 2013-01-09 住友精密工業株式会社 高熱伝導複合材料
CN101314464B (zh) 2007-06-01 2012-03-14 北京富纳特创新科技有限公司 碳纳米管薄膜的制备方法
CN101353785B (zh) 2007-07-25 2010-09-29 清华大学 高密度碳纳米管阵列复合材料的制备方法
JP4105754B1 (ja) * 2007-08-15 2008-06-25 晋介 椿原 補強硬化体およびその製造方法
CN101784583B (zh) 2007-08-22 2013-05-08 索尼化学&信息部件株式会社 新型聚酰亚胺树脂和感光性聚酰亚胺树脂组合物
CN101372614B (zh) 2007-08-24 2011-06-08 清华大学 碳纳米管阵列复合导热片及其制备方法
JP4587080B2 (ja) * 2007-08-27 2010-11-24 藤井撚糸株式会社 ループパイルタフテッドパイル布帛用パイル糸
CN101400198B (zh) 2007-09-28 2010-09-29 北京富纳特创新科技有限公司 面热光源,其制备方法及应用其加热物体的方法
CN101409962B (zh) 2007-10-10 2010-11-10 清华大学 面热光源及其制备方法
CN101407312B (zh) 2007-10-10 2011-01-26 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 碳纳米管薄膜的制备装置及其制备方法
JP5299884B2 (ja) 2007-10-23 2013-09-25 地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所 微細炭素繊維糸の製造方法、該製造方法に用いる微細炭素繊維形成基板、及び、前記製造方法によって製造された微細炭素繊維糸
CN101458975B (zh) 2007-12-12 2012-05-16 清华大学 电子元件
CN101480858B (zh) 2008-01-11 2014-12-10 清华大学 碳纳米管复合材料及其制备方法
CN101456277B (zh) 2007-12-14 2012-10-10 清华大学 碳纳米管复合材料的制备方法
CN101462391B (zh) 2007-12-21 2013-04-24 清华大学 碳纳米管复合材料的制备方法
WO2009081592A1 (ja) * 2007-12-26 2009-07-02 Kyushu University, National University Corporation カーボンナノチューブ混合ポリマーゲル
CN101497438B (zh) 2008-02-01 2012-11-21 清华大学 碳纳米管复合膜
CN101497436B (zh) 2008-02-01 2015-06-03 清华大学 碳纳米管薄膜结构及其制备方法
JP4504453B2 (ja) 2008-02-01 2010-07-14 ツィンファ ユニバーシティ 線状カーボンナノチューブ構造体の製造方法
CN101497437B (zh) 2008-02-01 2012-11-21 清华大学 碳纳米管复合膜的制备方法
US7947331B2 (en) 2008-04-28 2011-05-24 Tsinghua University Method for making thermal interface material
US7973295B2 (en) 2008-05-23 2011-07-05 Tsinghua University Method for making transparent carbon nanotube film
CN101591015B (zh) 2008-05-28 2013-02-13 清华大学 带状碳纳米管薄膜的制备方法
CN101626674B (zh) 2008-07-11 2015-07-01 清华大学 散热结构及其制备方法
CN101671442A (zh) 2008-09-12 2010-03-17 清华大学 碳纳米管阵列复合材料的制备方法
CN101712468B (zh) 2008-09-30 2014-08-20 清华大学 碳纳米管复合材料及其制备方法
JP5229732B2 (ja) 2008-11-11 2013-07-03 地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所 微細炭素繊維撚糸の製造装置及び製造方法
CN101734646B (zh) 2008-11-14 2012-03-28 清华大学 碳纳米管膜
CN101734645B (zh) 2008-11-14 2015-09-30 清华大学 碳纳米管膜
CN101734644B (zh) 2008-11-14 2012-01-25 清华大学 碳纳米管膜的拉伸方法
CN101760035B (zh) 2008-12-24 2016-06-08 清华大学 热界面材料及该热界面材料的使用方法
CN101823688B (zh) 2009-03-02 2014-01-22 清华大学 碳纳米管复合材料及其制备方法
CN101826467B (zh) 2009-03-02 2012-01-25 清华大学 热界面材料的制备方法
US8922100B2 (en) * 2009-03-04 2014-12-30 Honda Motor Co., Ltd. Woven active fiber composite
CN101837287B (zh) 2009-03-21 2012-05-30 清华大学 碳纳米管纳米颗粒复合材料的制备方法
JP5108813B2 (ja) * 2009-03-26 2012-12-26 クラレトレーディング株式会社 複合撚糸及びこの複合撚糸を用いた織編物
CN101863462B (zh) 2009-04-20 2012-05-16 清华大学 制备碳纳米管膜的方法及制备该碳纳米管膜的拉伸装置
CN101870465B (zh) 2009-04-22 2012-05-30 清华大学 碳纳米管膜的制备方法
CN101870463A (zh) 2009-04-27 2010-10-27 清华大学 碳纳米管泊松比材料
CN101870591B (zh) 2009-04-27 2012-07-18 清华大学 一种碳纳米管膜前驱、碳纳米管膜及其制造方法以及具有该碳纳米管膜的发光器件
CN101881741B (zh) 2009-05-08 2013-04-24 清华大学 一维材料热导率的测量方法
CN101880023B (zh) 2009-05-08 2015-08-26 清华大学 纳米材料薄膜结构
WO2011005375A2 (en) 2009-05-27 2011-01-13 Board Of Regents, The University Of Texas System Fabrication of biscrolled fiber using carbon nanotube sheet
CN101899288B (zh) 2009-05-27 2012-11-21 清华大学 热界面材料及其制备方法
CN101906288B (zh) 2009-06-02 2013-08-21 清华大学 热界面材料,具该热界面材料的电子装置及制备方法
CN101905877B (zh) 2009-06-02 2013-01-09 清华大学 碳纳米管膜的制备方法
CN101905878A (zh) 2009-06-04 2010-12-08 清华大学 碳纳米管线状结构及其制备方法
CN101920955B (zh) 2009-06-09 2012-09-19 清华大学 碳纳米管膜保护结构及其制备方法
CN101964229B (zh) 2009-07-21 2012-05-30 清华大学 碳纳米管绞线及其制备方法
CN101989583B (zh) 2009-08-05 2013-04-24 清华大学 散热结构及使用该散热结构的散热系统
CN101998706B (zh) 2009-08-14 2015-07-01 清华大学 碳纳米管织物及应用该碳纳米管织物的发热体
CN101993055B (zh) 2009-08-14 2013-02-13 清华大学 碳纳米管膜先驱、碳纳米管膜及其制备方法
CN101996890B (zh) 2009-08-25 2012-06-20 清华大学 碳纳米管散热器的制备装置及方法
CN102001641B (zh) 2009-08-28 2013-06-05 清华大学 碳纳米管线状结构的制备方法
CN102012060B (zh) 2009-09-08 2012-12-19 清华大学 壁挂式电取暖器
CN102039708B (zh) 2009-10-22 2013-12-11 清华大学 一种粘合两基体的方法
CN102040212B (zh) 2009-10-23 2013-01-09 清华大学 碳纳米管复合结构
CN102056353A (zh) 2009-11-10 2011-05-11 清华大学 加热器件及其制备方法
CN102115071B (zh) 2009-12-31 2013-01-09 清华大学 铺膜系统及使用该铺膜系统的铺膜方法
JP2011148037A (ja) * 2010-01-21 2011-08-04 Tokai Rubber Ind Ltd 形状記憶ポリマーを用いたアクチュエータおよびその制御方法
JP5429751B2 (ja) 2010-01-28 2014-02-26 地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所 カーボンナノチューブ撚糸およびその製造方法
JP5540419B2 (ja) 2010-02-15 2014-07-02 国立大学法人北海道大学 カーボンナノチューブシート及びその製造方法
US9878487B2 (en) 2010-03-03 2018-01-30 Syracuse University Multi-shape product
TWI504059B (zh) 2010-03-12 2015-10-11 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 射頻識別標籤天線及其製造方法
JP5699387B2 (ja) 2010-03-29 2015-04-08 地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所 カーボンナノチューブ撚糸およびその製造方法
JP5629918B2 (ja) 2010-03-29 2014-11-26 地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所 カーボンナノチューブ集合体、その製造方法及びカーボンナノチューブ撚糸
JP5629869B2 (ja) 2010-03-30 2014-11-26 大陽日酸株式会社 ロープ状炭素構造物及びその製法
CN102372252B (zh) 2010-08-23 2016-06-15 清华大学 碳纳米管复合线及其制备方法
JP5594111B2 (ja) * 2010-12-13 2014-09-24 トヨタ紡織株式会社 導電糸に導電性部材を接続する接続方法
JP5679939B2 (ja) 2011-09-28 2015-03-04 日立造船株式会社 触媒金属の除去方法
JP5788771B2 (ja) 2011-11-17 2015-10-07 トヨタ自動車株式会社 略垂直配向カーボンナノチューブ付き基材
EP3082248A3 (en) * 2012-08-01 2016-12-07 The Board of Regents,The University of Texas System Coiled and non-coiled twisted nanofiber yarn and polymer fiber torsional and tensile actuators

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4843921A (en) * 1988-04-18 1989-07-04 Kremer Stephen R Twisted cord actuator
US20090085444A1 (en) * 2005-05-05 2009-04-02 Rodrigo Alvarez Icaza Rivera Dielectric elastomer fiber transducers
WO2010019942A2 (en) * 2008-08-15 2010-02-18 Board Of Regents, The University Of Texas System Nanofiber actuators and strain amplifiers

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11885577B2 (en) 2015-05-20 2024-01-30 Other Lab, Llc Heat exchanger array system and method for an air thermal conditioner
US11686024B2 (en) 2015-05-21 2023-06-27 Other Lab, Llc System and method for thermally adaptive materials
US11041485B2 (en) 2016-08-26 2021-06-22 Daegu Gyeongbuk Institute Of Science And Technology Soft actuator using thermoelectric effect
US10473093B2 (en) 2016-08-26 2019-11-12 Daegu Gyeongbuk Institute Of Science And Technology Soft actuator using thermoelectric effect
KR20180025070A (ko) 2016-08-26 2018-03-08 재단법인대구경북과학기술원 소프트 액추에이터
KR20190133700A (ko) * 2017-04-10 2019-12-03 어더 랩 엘엘씨 코일형 액츄에이터 시스템 및 방법
US11519106B2 (en) 2017-04-10 2022-12-06 Other Lab, Llc Coiled actuator system and method
KR20180127113A (ko) * 2017-05-19 2018-11-28 성균관대학교산학협력단 방열 물질을 포함하는 구동기, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 용도
KR20190080198A (ko) * 2017-12-28 2019-07-08 성균관대학교산학협력단 하이브리드형 소프트 액츄에이터 및 이의 제조방법
US12389964B2 (en) 2018-03-05 2025-08-19 Other Lab, Llc Thermally adaptive fabrics and methods of making same
WO2020141865A1 (ko) * 2018-12-31 2020-07-09 한양대학교 산학협력단 전력 생산 모듈, 및 전력 생산 방법
US12034384B2 (en) 2018-12-31 2024-07-09 Iucf-Hyu (Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University) Electricity generating module and electricity generating method
KR102172383B1 (ko) * 2019-11-27 2020-10-30 한국생산기술연구원 생분해성 실의 마이크로 공극 형성 장치 및 방법
KR20220074183A (ko) * 2020-11-27 2022-06-03 한국생산기술연구원 광감응 액추에이터 및 그의 제조방법
KR20220134268A (ko) * 2021-03-26 2022-10-05 한국생산기술연구원 온도 감응 스마트 블라인더 및 그의 제조방법
KR20240025839A (ko) * 2022-08-19 2024-02-27 동국대학교 산학협력단 친수성 탄소나노튜브 얀의 제조 방법, 코일 구조 탄소나노튜브 얀의 구조적 안정성 향상 방법, 및 하이드로-액츄에이터
KR20250042543A (ko) * 2023-09-20 2025-03-27 한국생산기술연구원 해양 환경에서 사용 가능한 전방향 에너지 하베스터 및 그의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR102150136B1 (ko) 2020-09-01
US20240401574A1 (en) 2024-12-05
JP6228605B2 (ja) 2017-11-08
US20180073490A1 (en) 2018-03-15
JP6343267B2 (ja) 2018-06-13
US9903350B2 (en) 2018-02-27
HK1210549A1 (en) 2016-04-22
EP2880755B1 (en) 2019-10-02
WO2014022667A3 (en) 2014-09-18
US20220260062A1 (en) 2022-08-18
EP2880755A2 (en) 2015-06-10
US11149720B2 (en) 2021-10-19
EP3082248A2 (en) 2016-10-19
US20200191127A1 (en) 2020-06-18
US20220003221A1 (en) 2022-01-06
JP2016042783A (ja) 2016-03-31
US20200088175A1 (en) 2020-03-19
JP2018068106A (ja) 2018-04-26
US12060868B2 (en) 2024-08-13
CN104769834B (zh) 2020-02-07
US10480491B2 (en) 2019-11-19
CN104769834A (zh) 2015-07-08
CN105003405B (zh) 2019-07-23
WO2014022667A2 (en) 2014-02-06
JP6764459B2 (ja) 2020-09-30
US20150152852A1 (en) 2015-06-04
US20150219078A1 (en) 2015-08-06
JP2015533521A (ja) 2015-11-26
EP3082248A3 (en) 2016-12-07
US11143169B2 (en) 2021-10-12
US9784249B2 (en) 2017-10-10
JP2019080488A (ja) 2019-05-23
US12473896B2 (en) 2025-11-18
CN105003405A (zh) 2015-10-28
US11629705B2 (en) 2023-04-18
JP6438557B2 (ja) 2018-12-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12473896B2 (en) Thermally-powered polymer fiber actuators and articles including same
Zhou et al. The power of fiber twist
JP6802360B2 (ja) 双安定アクチュエータ装置
HK1229077A1 (en) Coiled and non-coiled twisted nanofiber yarn and polymer fiber torsional and tensile actuators
HK1229077A (en) Coiled and non-coiled twisted nanofiber yarn and polymer fiber torsional and tensile actuators
Kozlov et al. Coiled and non-coiled twisted polymer fiber torsional and tensile actuators
Kozlov et al. Coiled and non-coiled twisted nanofiber yarn torsional and tensile actuators

Legal Events

Date Code Title Description
PA0105 International application

Patent event date: 20150227

Patent event code: PA01051R01D

Comment text: International Patent Application

PG1501 Laying open of application
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20180430

Comment text: Request for Examination of Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20190517

Patent event code: PE09021S01D

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20191210

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20200602

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20200825

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20200825

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240806

Start annual number: 5

End annual number: 5