本發(fā)明涉及一種由一個或多個結(jié)構(gòu)組成的設(shè)備。本發(fā)明還涉及一種形成具有一個或多個結(jié)構(gòu)的設(shè)備的方法。

背景技術(shù)：

1、小至幾毫米甚至更小的無線小型軟體醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)能夠安全地、適應(yīng)性地在密閉空間中(諸如在帶有包括小直徑管道和通道的機器內(nèi)，或者甚至在人體或動物體內(nèi))穿行。這種獨特的能力在各種醫(yī)療應(yīng)用中(諸如微創(chuàng)手術(shù)和局部按需治療操作)也能夠具有潛在的優(yōu)勢。

2、對于這種微型設(shè)備，已經(jīng)探索了各種光學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)軟致動方法。雖然這些設(shè)備體的柔軟性使其帶有能力來具有大的程序變形并且與環(huán)境安全交互，但它也限制了它們的輸出力和重量標準化做功能力(work?capacity，工作容量)。

3、通常，軟設(shè)備表現(xiàn)出小的力輸出和大的變形。材料的柔軟性使其難以儲存和釋放大量的機械能。因此，它們不能用于需要大的力輸出和高的做功能力的設(shè)備和機器人應(yīng)用。

4、根據(jù)一個示例，不考慮增加外部磁場振幅，計算出現(xiàn)有磁性軟設(shè)備的輸出力在60μn左右飽和。

5、然而，一些醫(yī)療程序(諸如擠壓、夾持和切割)需要帶有更高力輸出(即，力輸出大于1n)的設(shè)備，這比之前報道的磁性軟設(shè)備的最大能力高出約105倍。

6、在幾厘米或更大范圍內(nèi)的規(guī)模下，卷繞的人造肌肉已被證明是很有前途的設(shè)備，通過連續(xù)將聚合物纖維扭曲(twisting，扭轉(zhuǎn)、捻轉(zhuǎn))成卷繞的形狀能夠制造該設(shè)備。最近的研究表明，與之前提出的方法相比，卷繞的肌肉能夠具有更高的做功能力和更大的輸出力。具體地，卷繞的肌肉的做功能力比生物骨骼肌的做功能力大50倍。此外，當所述肌肉由碳納米管、形狀記憶聚合物和釣魚線組成時，卷繞的肌肉可能提供比其自身重量高1000倍以上的輸出。

7、此外，通過定制卷繞的肌肉的前驅(qū)纖維(precursor?fiber)的成分或結(jié)構(gòu)(例如，通過向前驅(qū)纖維添加氧化石墨烯(go)薄片或在其表面設(shè)計堅韌的護鞘)可能大大增加所述卷繞的肌肉的輸出力和做功能力。這種卷繞的肌肉有望推動人形機器人、假肢和微流體設(shè)備的領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于該背景，本發(fā)明的目的在于提供帶有大的輸出力和高的做功能力的設(shè)備。

2、該目的是由獨立權(quán)利要求的主題來解決的。

3、特別地，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備由一個或多個結(jié)構(gòu)組成，每個所述結(jié)構(gòu)包括至少三層。也就是說，該設(shè)備至少包括芯、活性(active)鞘(sheath，護套)以及保護鞘。芯由至少一種尼龍纖維形成，活性鞘包括樹脂，氧化石墨烯(go)和第一類磁性粒子分別嵌入樹脂。此外，保護鞘由彈性材料形成，該彈性材料保護內(nèi)層不受外部環(huán)境的影響。

4、因此，換句話說，本發(fā)明的設(shè)備包括一個或多個結(jié)構(gòu)(例如，人工卷繞的肌肉)，這些結(jié)構(gòu)被集成到設(shè)備中(諸如微型軟設(shè)備)，使得該設(shè)備的應(yīng)用能夠擴展到需要大的輸出力和高的工作能力的設(shè)備。

5、一個或多個結(jié)構(gòu)至少建立為三層結(jié)構(gòu)，包括芯、活性鞘和保護鞘。每層都有特定的功能。

6、舉例來說，芯的功能是提供設(shè)備的固有功能，即，如果需要設(shè)備的夾持或抓取功能，則通過能夠?qū)崿F(xiàn)這種夾持或抓取功能的結(jié)構(gòu)能夠形成芯，例如，以卷繞的結(jié)構(gòu)的形式。

7、活性鞘允許以系留方式或更優(yōu)選地非系留方式(例如，通過應(yīng)用磁場和/或電磁場)對設(shè)備進行外部致動(external?actuation)。

8、最后，保護鞘的功能是保護芯和活性鞘不受外部(諸如人體中存在的液體)的影響。

9、芯由至少一種尼龍纖維形成。這種纖維已被證明是有利的，因為例如它能夠被扭曲以用作如上述所述的卷繞的結(jié)構(gòu)。

10、活性鞘包括樹脂，氧化石墨烯(go)和第一類磁性粒子(特別是納米粒子)分別嵌入其中。第一類磁性粒子也能夠包括順磁性(paramagnetic)和/或超順磁性(納米)粒子。go粒子和磁性粒子的組合能夠增加活性鞘的韌性，并且能夠分別實現(xiàn)例如，無線加熱，諸如射頻磁加熱。加熱過程是致動結(jié)構(gòu)所必需的。

11、此外，將((超)順)磁性粒子和go粒子引入活性層能夠有助于實現(xiàn)非系留致動，力輸出高達3n以上，并且高的工作能力能夠達到高達3.5kj/kg的值。

12、保護鞘的功能是保護內(nèi)層不受外部環(huán)境的影響。例如，流體環(huán)境能夠降低設(shè)備的加熱效率，從而影響設(shè)備的致動應(yīng)變和輸出力。保護層能夠被配置為保護內(nèi)層不受這種影響。保護層的另一個功能是設(shè)備處于動作狀態(tài)時能夠保護內(nèi)層不受可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)損壞，例如，由于與其它結(jié)構(gòu)的機械碰撞。保護層的另一個功能還能夠是保護外部環(huán)境不受活性鞘生成的熱量的影響。能夠證明，例如在距離設(shè)備表面較小的距離(諸如2mm)測量溫度時，沒有保護層的設(shè)備的表面溫度上升到120℃以上，而包括保護層在內(nèi)的設(shè)備的表面溫度能夠保持在大約60℃甚至更低，諸如30℃。

13、因此，能夠得出結(jié)論，該結(jié)構(gòu)的保護層包括若干重要功能。

14、在這方面還注意的是，通過將這些結(jié)構(gòu)中的一個或多個集成到不同的設(shè)備中，能夠?qū)崿F(xiàn)各種各樣的微型設(shè)備，諸如縫合設(shè)備、剪刀、鉆孔機和能量存儲雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，這些都需要高的力輸出和做功能力。

15、根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，設(shè)備還包括第四層，該第四層為磁化鞘。例如，所述第四層能夠被用于在設(shè)備上編碼磁化曲線，以實現(xiàn)磁性變形和高輸出收縮力。

16、根據(jù)另一個實施例，磁化鞘包括磁性粒子和彈性體的組合，諸如ndfeb和pdms的組合。第四層磁性粒子的其他示例能夠是永磁粒子，諸如alnico磁體和/或smco磁體。彈性體基體還能夠包括硅橡膠，諸如ecoflex?00-30tm、ecoflex?00-50tm或dragon?skin?30tm。

17、活性鞘的樹脂還可以包括聚氨酸酯澆注樹脂，諸如crystal?cleartm或尼龍?；钚郧实幕w材料，即，活性鞘的樹脂，必須包括非常耐用的堅韌材料。

18、根據(jù)另一個實施例，第一類磁性粒子由fe3o4形成。也就是說，活性鞘中存在的磁性粒子是由fe3o4粒子形成的，這些粒子能夠用于在例如射頻磁加熱等情況下生成熱量。例如，這樣的加熱過程能夠使卷繞的結(jié)構(gòu)收縮從而生成移動。

19、第一類磁性粒子，即fe3o4粒子，能夠包括在10nm至500nm范圍內(nèi)選擇的尺寸，尤其是在20nm至200nm范圍內(nèi)，特別是在50nm至100nm范圍內(nèi)。

20、根據(jù)另一個實施例，該設(shè)備包括由ndfeb形成的第二類磁性粒子，該第二類磁性粒子包括在0.1μm至10μm的范圍內(nèi)選擇的尺寸，尤其是在2μm至6μm的范圍內(nèi)。第二類磁性粒能夠嵌入第四層(如果存在)。例如，這種粒子能夠被用于在磁性扭矩和磁性梯度下推動根據(jù)本發(fā)明的不同設(shè)備。這種粒子的平均直徑通常在5μm左右。

21、活性鞘還可以包括范圍在50μm至300μm內(nèi)的厚度，特別是100μm至250μm，尤其是200μm。

22、活性鞘能夠包括在1wt％至6wt％范圍內(nèi)選擇的go濃度，尤其是在2wt％至4wt％的范圍內(nèi)。增加設(shè)備的go濃度能夠增強設(shè)備的輸出性能。然而，隨著go濃度的增加，活性鞘會變得更加脆弱和易碎。因此，go濃度的正確選擇并非易事。

23、在另一個實施例中，活性鞘包括在10wt％至30wt％的范圍內(nèi)選擇的第一類磁性粒子的磁粒濃度?；钚郧实募訜嵝孰S著第一類磁性粒子濃度的增加而增加，這對本發(fā)明的設(shè)備是有利的。但是，如果所述濃度過高，則設(shè)備更容易損壞。因此，上述10wt％至30wt％的范圍已被證明是可取的。

24、該設(shè)備還能夠包括卷繞的形狀。正如在本技術(shù)的介紹部分所述，卷繞的結(jié)構(gòu)已被證明具有更高的做功能力和更大的輸出力。

25、根據(jù)另一個實施例，尼龍纖維包括在0.1mm至0.5mm范圍內(nèi)選擇的直徑，尤其是0.2mm至0.5mm，特別是0.45mm。

26、在這方面還注意的是，尼龍纖維能夠具有在1cm至100cm范圍內(nèi)選擇的長度，特別是在1cm至50cm范圍內(nèi)，特別是在5cm至40cm范圍內(nèi)。

27、根據(jù)另一個實施例，該設(shè)備包括在0.1mm至10mm范圍內(nèi)選擇的直徑，特別是0.4mm至5mm的直徑，尤其是0.4mm至1.2mm。

28、在這方面注意的是，如前所述的尼龍纖維能夠被扭曲多次以形成卷繞的結(jié)構(gòu)，例如扭曲次數(shù)能夠在100到10000次扭曲之間選擇，即，卷繞的結(jié)構(gòu)在每個芯中包括100至10000圈的單根尼龍纖維。確切的圈數(shù)取決于應(yīng)該扭曲的纖維的長度。例如，對于1cm至50cm范圍內(nèi)的纖維長度，大約需要100至1000圈。

29、根據(jù)又一個實施例，該設(shè)備包括至少一個功能組件，諸如框架、刀片、桿、螺釘、底盤和/或前述的組合。這些功能組件能使該設(shè)備用于各種應(yīng)用，諸如非系留微型軟(醫(yī)療)設(shè)備和機器人應(yīng)用，從而擴大了當前已知設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。也就是說，能夠?qū)崿F(xiàn)縫合器、鉆機、剪刀、夾持器甚至多聯(lián)接設(shè)備的不同設(shè)備示例，每個設(shè)備都具有對應(yīng)的潛在功能。

30、根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種形成具有一個或多個三層結(jié)構(gòu)的設(shè)備的方法。該方法包括以下步驟：提供纖維；利用活性鞘材料對纖維進行涂覆，其中，活性鞘材料包括樹脂，氧化石墨烯(go)和第一類磁性粒子嵌入樹脂；利用保護鞘材料進一步對纖維進行涂覆，其中該保護鞘材料包括彈性材料；以及，連續(xù)扭曲和卷繞涂覆的所述纖維以形成該設(shè)備?？蛇x地，也可以在扭曲和纏繞之前固化涂覆的所述纖維。

31、根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法還包括在卷繞涂覆的纖維之前用額外的磁性鞘對纖維進行涂覆的步驟。所述額外的磁性鞘是磁性粒子與彈性體的組合，諸如ndfeb和pdms的組合。用于第四層的磁性粒子的其他示例能夠是永磁粒子，諸如alnico磁體和/或smco磁體。彈性體基體還能夠包括硅橡膠，諸如ecoflex?00-30tm、ecoflex?00-50tm或dragonskin30tm。

32、卷繞涂覆的所述纖維的步驟還可以包括至少250圈，優(yōu)選300至400圈。確切的圈數(shù)通常取決于纖維的長度。例如，需要100到800圈才能卷繞長度為5cm至40cm的纖維。