Selectively curable and actively steerable joint operational equipment

本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、２００７年７月２６日出願の同時係属米国仮特許出願第６０／９５２，１６２号の優先権を主張する。 この出願は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれるものとする。

本発明は、総じて、関節動作可能装置に関するものであり、特に、選択的に硬化可能且つ能動的に操縦可能な関節動作可能装置に関するものである。

関節動作可能装置が望ましいとされる応用（適用）が、ますます増えている。 例えば、宇宙空間における応用、又は人が行くことが不可能、危険、若しくは望ましくないであろう場所における探査若しくは研究の目的などの、より複雑な応用においてはもちろん、多くの製造プロセスにおいても、１つ又は２つ以上の関節を有するロボットアームが使用されてきた。 従来の関節動作可能なアーム及びその他の装置は、装置が運ぶと考えられる何らかの重さはもちろん、とりわけ長さを増すにつれては（したがって、より大きな曲げモーメントを支えなければならなくなるにつれては）自身の重さも支えられるように、十分な強さ又は硬さである必要があるので、多くの場合、重いうえに更にはかさばっている。

既存の装置は、特定の応用には適しているものの、より可動性、構成可能、且つ軽量な関節動作可能装置が望まれている。

本発明は、選択的に硬化可能且つ能動的に操縦可能な関節動作可能装置を提供する。 １つの態様において、第１の内腔を有する可撓性の内管と、該内管を収容する可撓性の外管と、多数の重なり合う硬化可能なうろこ状片と、を含む関節動作可能装置について説明される。 各うろこ状片は、内管と外管との間において内管に結合されている。 とりわけ注目すべきは、重なり合う片が、互いに対して滑動可能な非硬化状態と、互いに対して滑動可能でない硬化状態との間で作動可能なことである。

各種の好ましい実施形態において、うろこ状片は、多数の独立に作動可能なグループに分けて配置される。 その他の実施形態において、各うろこ状片は、個別に指定可能且つ作動可能であってよい。 うろこ状片を非硬化状態から硬化状態に作動させるために、様々な手段が使用されてよい。 総じて、選択された重なり合う片は、重なり合う隣り同士の片の間の摩擦力を選択的に制御することによって硬化される。 例えば、重なり合う片を合わせてそれらの間の摩擦力を増大させるために、各種の静電気システム及び空気圧システムが用いられてよい。

別の態様においては、今述べられたような関節動作可能装置を選択的に硬化させるための方法が開示される。 総じて、方法は、重なり合ううろこ状片のうちの選択された隣り同士の片の間に電場をかけることを含む。 電場は、重なり合う片のうちの選択された隣り同士の片を合わせる静電気引力を発生させることによって、重なり合う片のうちの選択された隣り同士の片の間の摩擦力を増大させ、選択された片を互いに対して実質的に滑動不可能にする。 その結果、選択された片に隣接する内管の部分が硬化される。

更に別の態様において、関節動作可能装置をその長さに沿った所定の領域において操縦するための方法について説明される。 概して、方法は、所定の領域に直径上で隣接する装置の部分を選択的に硬化させることと、硬化部分の拡張が実質的に阻止される一方で硬化部分に直径上で正対する装置の部分が拡張されるように、装置の内腔内の圧力を上昇させることと、を伴う。 その結果、装置は、硬化部分の付近において屈曲され、操縦される。

本発明のこれらの及びその他の特徴及び利点は、発明の以下の説明及び関連の図面において説明される。

本発明及びその利点は、添付の図面に関連してなされる以下の説明を参照することによって、最もよく理解されるであろう。

本発明の一実施形態にしたがって、例示的な関節動作可能装置の一部の斜視図を示している。

図１の関節動作可能装置の一部の直径方向断面及び軸方向断面をそれぞれ示している。

図１の関節動作可能装置の一部の直径方向断面及び軸方向断面をそれぞれ示している。

本発明の一実施形態にしたがって、一体的に形成された幾つかのうろこ状片を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、図３Ａのうろこ状片が内管の周回りに巻き付けられた様子を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、図３Ａのうろこ状片が内管にらせん状に巻き付けられた様子を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、収縮された非活性化状態にある図１の関節動作可能装置の一部を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、伸長された非活性化状態にある図１の関節動作可能装置の一部を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、伸長された硬化状態にある図１の関節動作可能装置の一部を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、非硬化状態のうろこ状片を有する図１の関節動作可能装置の内管の一部を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、硬化状態にある図５Ａのうろこ状片を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、幾つかの独立に制御可能な周方向小空間を有する例示的な関節動作可能装置の概略断面を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、幾つかの独立に制御可能な長手方向小空間を有する例示的な関節動作可能装置の軸方向断面を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、非活性化状態において静電クランプを用いる例示的な関節動作可能装置の一部の軸方向断面を示している。

電気的に活性化されクランプされた硬化状態にある図６Ａの装置を示している。

本発明の一実施形態にしたがって、関節動作可能装置を能動的に操縦する及び前進させるためのプロセスを示した流れ図である。

図８のプロセスにおける各種の工程を示している。

図８のプロセスにおける各種の工程を示している。

図８のプロセスにおける各種の工程を示している。

図中、類似の参照符号は、類似の構成要素を示すために使用されることがある。 また、図中の描写は、概略であって、正確な縮尺ではないことに留意せよ。

本発明は、総じて、関節動作可能な装置及び道具に関するものであり、特に、選択的に硬化可能且つ／又は能動的に操縦可能な関節動作可能装置に関するものである。 以下の説明から明らかなように、関節動作可能装置の全部又は一部を能動的且つ選択的に硬化させる能力は、多くの利点をもたらすとともに、これまでは実現不可能であった様々な応用を可能にする。 より具体的には、このような関節動作可能装置は、装置の所望の長さに沿って、装置の周回りの特定の領域において硬化されてよい。 硬化部分の伸長又は収縮が阻止される又は大幅に抑制される一方で、硬化部分に直径上で正対する部分を含むその他の装置の部分は長手方向に可撓性なままであり、これは、硬化部分の付近における装置の屈曲を促進し、その結果操縦の促進を助けることができる。 また、関節動作可能装置が完全に配備された際には、装置の硬化可能部分全体を硬化してよく、そうして、そこから各種の処理を実施するための、及び／又はそれに沿って各種のその他の道具及び器具を通すための、堅固なプラットフォームが提供される。 特に注目すべきは、本明細書において説明される関節動作可能装置が、総じて任意の構成に硬化可能であることである、すなわち、本明細書において説明される関節動作可能装置が、硬化前にどれほど入り組んでいても、事実上あらゆる形状を維持するように硬化可能であることである。

各種の関節動作可能装置を選択的に硬化させるための様々な方法及び構造が後述される。 概して、本発明は、装置上に配置された重なり合う素子の間の摩擦力を制御することによって、重なり合う隣り同士の素子の間の運動を選択的に阻止又は抑制し、そうして、装置の所望の部分を可制御式に且つ選択的に硬化させる。 特定の実施形態においては、上記の素子は、可撓管の周回りに可撓管の長さに沿って配置された薄いうろこ状の片の形態をとる。 これらのうろこ状片の間の摩擦を増大させるためのものとして、例えば、重なり合う片を空気圧システムを通じて押し合わせるなどの各種の機械的メカニズムはもちろん静電気引力も含む、様々な手段が説明される。

添付の図面に図示されるような各種の例示的実施形態を参照にして、本発明の各種の態様が詳細に説明される。 以下の説明においては、本発明の完全な理解を可能にするために、多くの詳細が特定されている。 しかしながら、当業者ならば明らかなように、本発明は、これらの詳細の一部または全部を特定しなくても実施可能である。 また、本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるため、周知のプロセス工程及び／又は構造の詳細な説明は省略される。

先ず、図１を参照にして、例示的な関節動作可能装置１００（以下では「関節動作可能道具」とも称される）について説明される。 関節動作可能装置１００は、総じて、蛇状又は触手状のアームに似ており、道具及び／又はその他の器具を使用するように構成されてよい。 別の実施形態において、関節動作可能装置１００は、幾つかあるなかでも、カメラ、ビデオカメラ、熱結像システム、鏡器具、及び／又はその他のセンサ（例えば気体、圧力、温度）を備えている。 一部の実施形態において、関節動作可能装置１００は、その他の道具及びその他の各種の装置とともに使用するためのガイド、スリーブ、又は外皮として構成されてよい。 例えば、関節動作可能装置１００の中心内腔１２０内に、道具又はその他の装置が挿入されてよく、そうして、装置１００は、対応する装置を取り巻くとともにその装置を部分的に選択的に硬化させるために使用できるようになる。 これらの実施形態の一部において、関節動作可能装置１００は、対応する装置を操縦する及び進めるためのガイドとして機能してよい。 関節動作可能装置１００の長さ、幅（直径）、及び断面は、特定の応用のニーズにしたがって大きく異なってよい。 例えば、多くの実施形態において、数センチから数メートルまでの規模の長さが適している。

図１に示された断面１０１によって示されるように、関節動作可能装置１００は、総じて、内管１０２と、外管１０４と、内管１０２の外側表面１０３と外管１０４の内側表面１０５との間の中間空間１０８内に配置された幾つかの作動可能素子１０６とを含む。 各種の実施形態において、作動可能素子１０６は、隣り同士の片が互いに重なり合うように配置されたうろこ状片の形態をとる。 より具体的には、うろこ状片１０６は、所定の片の少なくとも一部が隣りの片の少なくとも一部に重なるように配置される。 例示的実施形態の以下の説明においては、作動可能素子１０６は、総じて、うろこ状片１０６と称されてよい。 しかしながら、これは、どの実施形態においても、作動可能素子の幾何学形状を具体的に限定することを意図していない。 関節動作可能装置１００は、数十、数百、又は数千の（又はそれより多くの）個々のうろこ状片１０６を有してよい。

内管１０２は、その長さに沿って少なくとも長手方向に可撓性であるという意味で、変形可能な構造と見なされてよい。 より具体的には、各種の実施形態において、内管１０２は、長手方向には収縮又は伸長することができるが径方向への拡張は規制される。 内管１０２は、幾つかの異なる材料で形成されてよい。 例えば、内管１０２は、シリコーン、ポリウレタンはもちろん、その他の様々な適切な弾性材料で形成されてよい。 また、一部の好ましい実施形態において、内管１０２の壁１１０は、使用時などに内管１０２が屈曲又は湾曲されるときの内管１０２の座屈を抑制又は阻止するために、十分な軸方向強度を有してよい。 総じて、内管の壁の適切な厚さは、内腔１２０のサイズを含む、内腔の材料及び幾何学形状などの多くの要因に依存している。 或いは、内腔１２０は、圧縮荷重を受けたときの座屈を阻止するために、空気又はその他の何らかの気体若しくは液体などの流体によって加圧することができる。 断面を維持するために内圧に依存しないその他の実施形態の場合は、より厚い壁が望ましいであろう。

ポリウレタンなどの径方向に拡張可能な材料で内管１０２が形成される実施形態においては、内管１０２の長さに沿って、間隔をあけて、幾つかの周方向規制部が提供されてよい。 周方向規制部は、所望の直径を超える内管１０２の径方向の拡張を抑制又は阻止するように配置される。 周方向規制部は、総じて、非弾性材料のリングで形成され、内管が収縮状態、伸長状態、又はその他の何らかの平衡状態のいずれにある場合でも内管１０２の長さに沿って所望の位置に維持されるように、適切な接着剤又はその他の手段によって内管１０２の外側表面１０３に固定されてよい。 一部の実施形態において、作動可能素子又はうろこ状片１０６は、周方向規制部の上に配置されてよい。

図１に示された実施形態において、外管１０４は、ある種の平衡状態及び／又は非平衡状態において内管１０２及び外管１０４が概ね同心であることが可能であるように、内管１０２の周囲に配置される。 外管１０４も、やはり、好ましくはその長さに沿って長手方向に拡張及び収縮することができる材料で形成される。 例えば、外管１０４の形成には、ポリウレタンなどの幾つかの弾性材料の使用が適しているであろう。

一部の実施形態において、外管１０４は、その直径が可変であるように、径方向に拡張可能であってもよい。 例えば、外管１０４は、中間空間１０８内の圧力が周辺環境に対して十分に上昇されたときに外管１０４が径方向に拡張することを可能にする弾性材料で形成されてよい。 外管１０４は、また、中間空間１０８内の圧力が適切に低減されたときに外管１０４が径方向に収縮することを可能にすることによって外管の内側表面を収縮させうろこ状片１０６に押し付けることを可能にする弾性材料又はその他の可撓性材料で形成されてよい。 内管１０２と同様に、外管１０４の壁の厚さは、特定の応用のニーズにしたがって、そして外管の材料及び幾何学形状にしたがって、大きく異なってよい。

関節動作可能装置１００は、装置の末端１１６に先端１１４を含む。 先端１１４は、事実上あらゆる所望の形状に構成されてよい。 一部の実施形態において、内管１０２及び外管１０４は、先端１１４に接続又は結合され、先端１１４とともに中間空間１０８を密閉する働きをする。 一部の実施形態において、密閉された中間空間１０８は、各種の気体（例えば空気やヘリウムなど）によって可制御式に膨張及び収縮されてよい。 また、図示された実施形態において、先端１１４は、アパーチャ１１８を含む。 アパーチャ１１８は、関節動作可能装置１００の中心内腔１２０に道具又は器具を通らせてアパーチャ１１８に出入りさせることが望ましい実施形態において、特に有用である。

図２Ａ及び図２Ｂは、関節動作可能装置１００の一部の直径方向断面及び軸方向断面をそれぞれ示している。 図２Ａ及び図２Ｂは、うろこ状片１０６のとある特定の配置構成を、より詳細に示している。 内管１０２及び外管１０４と異なり、うろこ状片１０６は、比較的堅い又は非弾性の材料で形成される。 例えば、うろこ状片１０６の形成には、幾つかの非拡張性のプラスチック材料又は高分子材料が使用されてよい。 総じて、うろこ状片１０６は、屈曲可能ではあるが伸縮可能ではないように形成される、すなわち、うろこ状片は、引っ張り歪みに抵抗する。 一部の特定の実施形態において、うろこ状片１０６は、薄いＭｙｌａｒ又はナイロンの片で形成される。 適切な厚さは異なってよいが、一部の特定の実施形態において、各うろこ状片１０６は、およそ２０〜６０μｍの範囲の厚さを有してよい。 その他の実施形態において、うろこ状片１０６は、もっと厚くてよい。 更に、後述される実施形態の一部において、うろこ状片は、誘電体材料で形成される。 誘電体うろこ状片１０６は、片１０６を硬化させるために静電気力が使用される実施形態において、特に有用である。 これらの静電的実施形態の一部において、各うろこ状片１０６の一方の外側表面１２２は、金属化されている、又はそうでなければ導電層をコーティングされている。 １つの特定の実施形態においては、うろこ状片１０６の外側表面１２２に、アルミニウムの導電性コーティングがスパッタリングされる、めっきされる、又はそうでなければ蒸着若しくは添付される。

図示された実施形態において、各うろこ状片１０６は、内管１０２の外側表面１０３に結合される。 例えば、各うろこ状片１０６は、適切な接着剤によって内管１０２の外側表面１０３に固定されてよい。 しかしながら、一部の代替的実施形態において、うろこ状片は、外管１０４の内側表面１０５に結合されてよい。 総じて、うろこ状片１０６の組成、形状、配置構成、絶対的サイズ、及び相対的サイズは、極めて大きく異なってよい。 １つの実施形態において、うろこ状片１０６は、たとえ内管１０２が最大歪みを受けたときでも、クランプ（硬化）を可能にする十分な表面積の重なりが隣り同士の片の間にあることを保証するために、うろこ状片の間の間隔に相対的にサイズ設定される。 重なり合う領域に生成される摩擦力は、荷重を印加された結果として生じる引っ張り応力に抵抗するのに十分な大きさを保たなければならない、という規制を前提とすると、総じて、うろこ状片は、絶対的サイズが小さいほど、より入り組んだ歪み変化を可能にする。 １つの実施形態において、もしうろこ状片が比較的短い場合は、各うろこ状片の厚さは、クランプされた又はクランプ解除された（非硬化された）ときに、より屈曲又は湾曲した形状を可能にするために、比較的薄く作成されてよい。 また、図示された実施形態は、総じてうろこ状片を長方形のものとして示しているが、これは、全ての実施形態における必要条件ではない。 あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれた「Mechanical Meta-Materials（機械的メタマテリアル）」と題された同時係属米国特許出願第１１／０７８，６７８号（代理人整理番号第ＳＲＩ１Ｐ０５４）は、適切なうろこ状片及びその他の作動可能素子の各種の実施形態、並びに対応する幾つかの使用方法及び応用を説明している。

図２Ａ及び図２Ｂに示された実施形態において、うろこ状片１０６は、内管１０２の周回りに列状に配置され、所定の列の片の一部が、すぐ隣りの次の列の片の対応する一部に重なっている。 また、図示された実施形態において、各うろこ状片１０６は、それぞれ個々の（個別の）素子である、すなわち、各片は、それを取り巻く隣りの片と一体的に形成されていない。 片１０６は、総じて、内管１０２の長手方向中心軸と足並みが揃うように配置される。

図３Ａ及び図３Ｂに示された別の特定の実施形態においては、より大きな一片又はシートから、幾つかのうろこ状片１０６が一体的に形成される。 例えば、図３Ａは、例示的な長方形のシート３０７を示している。 シート３０７は、幾つかのうろこ状片３０６を形成するようにカットされている。 特に注目すべきは、各片３０６が、未カットの「根っこ」部分３０９を通じて隣りの片３０６とつながったままであるように、各カットが、シート３０７の幅全体には及ばないことである。 片３０６の幅は、特定の応用にしたがって異なってよいが、一部の特定の実施形態においては、各カットは、すぐ隣りのカットからおよそ３〜１２ｍｍ（大体０．１２５〜０．５インチ）の範囲にある。 より大きな実施形態においては、片の幅は、１センチ又は数十センチの（又はそれより大きい）規模であってよい。 各シート３０７から一体的に形成される片３０６の数も、大きく異なってよい。 １つの実施形態において、各シート３０７の長さは、内管３０２の周に対応するように適切にサイズ設定される。 この実施形態において、各シート３０７の未カットの根っこ部分３０９は、図３Ｂに示された軸方向像に示されるように、一体的につながれた片３０６の輪を形成するように内管１０２の周回りに巻き付けられて接着固定される。 内管が径方向に拡張可能な実施形態において、うろこ状片３０６のシート３０７は、それら自体が周方向規制部として機能してよい。 別の実施形態においては、より長いシート３０７が使用される。 例えば、図３Ｃに示された軸方向像においては、内管３０２の周囲に１枚のシート３０７がらせん状に巻き付けられる。

非活性化状態（以下においては「非作動状態」又は「非硬化状態」とも称される）においては、隣り同士のうろこ状片１０６の間の摩擦が比較的無視でき、これは、それぞれ収縮状態及び伸長状態にある装置１００の一部を示している図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、隣り同士の片が力を無視して互いに対して滑動することを可能にする。 例えば、一部の実施形態において、装置は、その最大長のおよそ１０〜２５％の範囲内まで長手方向に折り畳み可能である。 非活性化状態において、内管１０２は、内管１０２の堅さ又は弾性にしたがって収縮及び伸長することができる。 非活性化状態にある装置１００の堅さ又は弾性は、内管１０２及び外管１０４のそれぞれの堅さの何らかの組み合わせであって、うろこ状片１０６の間の摩擦力によって大きく影響されないものと推定される。

しかしながら、本発明の実施形態にしたがうと、隣り同士のうろこ状片１０６の間の摩擦力は、選択的に変化されてよい。 総じて、隣り同士のうろこ状片１０６の間の摩擦力は、重なり合う隣り同士のうろこ状片１０６を押し付ける又はクランプすることによって、選択的に且つ可制御式に変化される。 次に、隣り同士のうろこ状片１０６の間の摩擦力を選択的に且つ可制御式に変化させるための幾つかの例示的実施形態が説明される。 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ非硬化状態及び硬化状態のうろこ状片１０６を有する内管１０２の一部の斜視図を示している（内管１０２の一部のみがうろこ状片１０６を有するものとして示されているが、内管１０２の全長にうろこ状片が配置されていてよいことが理解されるべきである）。

一部の実施形態においては、選択されたうろこ状片１０６の間の摩擦力を変化させるために、空気圧システムが用いられる。 より詳しくは、１つの実施形態においては、真空を導入して中間空間１０８内の圧力（例えば空気圧）を周辺環境の圧力未満に低減させるために、真空源が使用される。 中間空間１０８内の圧力の低減は、外管１０４を径方向に収縮させる効果を有する。 圧力が十分に低減されると、外管１０４の内側表面１０５は、収縮してうろこ状片１０６のそれぞれの外側表面１２２に径方向の力を内向きに作用させる。 図４Ｃは、このような減圧されたクランプ状態又は活性化状態にある図４Ａ及び図４Ｂの関節動作可能装置１００を示している。 外管１０４の収縮の結果、重なり合うそれぞれのうろこ状片１０６の表面の間の垂直力、及びゆえに摩擦力が増大される。 適切な圧力下において、重なり合ううろこ状片１０６の間の摩擦力の増大は、それらの片の間における相対運動を抑制する。

摩擦が増大した結果、重なり合う非弾性うろこ状片１０６は、硬化される、又はより具体的には、重なり合ううろこ状片１０６は、効果的に組み合わせることによって、うろこ状片１０６自体を形成するために使用される非弾性材料の堅さを前提とした非弾性単一構造を形成する。 重なり合ううろこ状片１０６の間の相対運動（例えば滑動）は、（印加された荷重が高すぎない限り）阻止されるので、重なり合ううろこ状片によって形成される単一構造は、硬化前におけるうろこ状片１０６の配置構成又は形状に相対的な更なる大幅な伸長、収縮、又はそれ以外の歪みを実質的に阻止される。

重なり合ううろこ状片１０６は、内管１０２に対して固定されるので、可撓性の内管１０２もまた、効果的に硬化される。 図示された実施形態において、全中間空間１０８内の圧力の低減は、関節動作可能装置１００全体を硬化させる効果を有するであろう。 更に、関節動作可能装置１００は、事実上あらゆる形状又は構成に硬化されてよい。 より具体的には、関節動作可能装置１００は、装置の長さに沿った１つ又は２つ以上の領域において屈曲され、引き続き硬化されてよく、そうして、装置１００は、硬化前にとっていた屈曲の形態を維持することができる。 このような硬化能力は、広範囲の応用の取り合わせにおいて有用である。 例えば、関節動作可能装置１００は、道具又はその他の器具を装置１００内に誘導して通らせることができるように硬化させることができる。

各種の実施形態においては、関節運動可能装置１００の、より小さい特定の選択部分又は選択領域のみを選択的に硬化させる又はクランプすることが望ましい。 これを容易にするために、中間空間１０８は、幾つかの小空間に分割する又は区切ることができる。 例えば、図６Ａ及び６Ｂは、独立に制御可能な小空間に隣接する選択領域を硬化させるために空気圧（例えば真空）システムを用いる例示的な関節動作可能装置６００の直径方向断面及び軸方向断面をそれぞれ示している。 図６Ａに示された実施形態において、中間空間１０８は、独立に制御可能な周方向の４つの小空間、区域、又は通路６３０に分割される。 このような通路６３０は、例えば、内管１０２の外側表面１０３の長手方向断片を外管１０４の内側表面１０５に接続することによって形成されてよい。 図示された実施形態においては、通路壁６３２が内管１０２と外管１０４とをそれぞれ相互に接続している。 代替の実施形態においては、内管１０２の部分自体が外管１０４に接着固定又は溶接されて通路６３０を形成していてよい。 図６Ａには、４つの通路６３０のみが示されているが、通路６３０の数は、特定の応用のニーズにしたがって異なってよいことに留意するべきである。 総じて、うろこ状片を硬化させるために真空を用いる実施形態において、所定の断面における通路６３０の数は、自由度の数を示している、又はより詳しくは、その断面において装置がなしえる個別の屈曲方向の数を示している。 例えば、装置がそれを中心に屈曲可能な各個別の軸は、２つの自由度を提供する。 各通路６３０は、自身に関連付けられた真空ラインに接続されてよい。 このように、１つ又は２つ以上の選択通路６３０内のうろこ状片１０６のみを、そしてその（それらの）選択通路に隣接する内管１０２の部分のみを硬化させられるように、その（それらの）選択通路内の圧力のみを低減させることができる。 なお、所定の直径方向断面における２つ又は３つ以上の通路６３４内のうろこ状片１０６の硬化は、更なる回転軸、及びゆえに更なる自由度を提供できることに留意するべきである。

中間空間１０８は、図６Ｂの長手方向断面によって示されるように、装置の長さに沿って小空間に分割されてもよい。 図示された実施形態において、中間空間１０８は、区切り壁６３６によって４つの長手方向区域６３４に長手方向に分割されている。 ４つの長手方向区域６３４のみが示されているが、長手方向区域６３４の数は、特定の応用のニーズに基づいて大きく異なってよい。 総じて、うろこ状片を硬化させるために真空を用いる実施形態においては、長手方向区域６３４の数は、関節動作可能装置６００のうちの別々に硬化可能な長手方向部分の数を示している。 より詳しくは、各区域６３４は、その他の区域と無関係に硬化されてよいので、回転を通じて既に進められている装置の部分は、その他の装置の部分を可撓性の状態に維持したまま硬化されてよい。 更に、一部の実施形態においては、各長手方向区域６３４内に、幾つかの独立に制御可能な周方向区域（図６Ａを参照にして説明された通路６３０など）を組み入れることによって、装置のどの部分を硬化させるかに対して更に選択的な制御を可能にすることが望ましいであろう。

各種の代替的実施形態において、関節動作可能装置１００のうろこ状片１０６は、その他の手段を通じてクランプ及び硬化されてよい。 １つの代替的実施形態においては、選択されたうろこ状片１０６をクランプする又は硬化させるために、静電気力が用いられる。 これらの実施形態において、うろこ状片１０６は、誘電体材料で形成される。 一部の特定の実施形態において、各うろこ状片１０６の一方の外側表面１２２は、金属化されている、又はその他の何らかの導電性層によってコーティングされている。 例えば、Ｍｙｌｅｒ又はナイロンの片の外側表面が、アルミニウムの薄膜によって金属化されていてよい。

例示的な静電的実施形態においては、内管１０２上の及び／又は外管１０４上の選択された片に及び／又は関連の電極に、静電ポテンシャルがかけられる。 十分な静電ポテンシャルがかけられると、重なり合う隣り同士のうろこ状片の間に、それらの片を合わせてそれらの片の間の摩擦力を増加させることによって重なり合う隣り同士のうろこ状片を最終的に硬化させる電場が生成される。

図７Ａは、電気的に作動可能なうろこ状片７０６を有する関節動作可能装置７００の軸方向断面の一部を示している。 図示された実施形態において、電気的に作動可能な各うろこ状片７０６は、その特定のうろこ状片に隣接する内管１０２の壁に取り付けられた関連の電極７０７を有する。 図７Ｂは、クランプ状態又は硬化状態にあるときの図７Ａの装置を示している。 図７Ｂに示された実施形態においては、選択されたうろこ状片７０６の外側導電性表面７２２が接地される一方で、選択されたうろこ状片に隣接する関連の電極７０７は、正の電圧＋Ｖにバイアスされている。 例えば、一部の実施形態において、５００〜５０００ボルトの範囲の正の電圧が、優れた働きをすることが示されている。

代替の実施形態において、電極７０７は不要である。 この実施形態においては、重なり合う隣り同士のうろこ状片７０６の外側表面が、異なる電圧にバイアスされている。 例えば、第１の列の片７０６の外側導電性表面を電圧Ｖ＋にバイアスする一方で、すぐ隣りの第２の列の片７０６の外側導電性表面を接地する又は負の電圧Ｖ−にバイアスすることによって、重なり合う隣り同士の片をクランプしてよい。 このパターンは、第２の列のすぐ隣りの第３の列の片７０６が再び＋Ｖにバイアスされるように繰り返されてよい。

更に別の実施形態において、指定可能な電極７０７は、外管７０４上にも配置される。 この実施形態においては、うろこ状片７０６は、全体を誘電体材料で形成されてよく、導電性表面を含まない。 その代わり、選択されたうろこ状片７０６がクランプされる際に、内管７０２上の及び外管７０４上の電極７０７に、相対する電圧がそれぞれ印加されてよい。 例えば、内管７０２上の選択された電極７０７を正の電圧Ｖ＋にバイアスする一方で、直径上で隣接する外管７０４上の関連の電極７０７を接地する又は負の電圧Ｖ−にバイアスすることによって、バイアスされた電極７０７の合間にある関連のうろこ状片７０６間に電場を発生させることができる。

静電クランプメカニズムの更なる詳細は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれた「Mechanical Meta-Materials（機械的メタマテリアル）」と題された同時係属米国特許出願第１１／０７８，６７８号（代理人整理番号第ＳＲＩ１Ｐ０５４）において見いだすことができる。

各種の実施形態において、うろこ状片７０６自体及びあらゆる関連の電極は、ともに個別に指定可能であることによって、うろこ状片７０６自体の細かさで選択的硬化を制御することを可能にしている。 その他の実施形態においては、複数のうろこ状片７０６及び／又は関連の電極７０７をグループレベルで指定することによって、ひとグループの片を同時に硬化させれば十分であろう。 一部の実施形態においては、装置に結合されたコントローラにうろこ状片７０６を電気的に接続するために、個々のワイヤが使用されてよい。 このようなワイヤは、中間空間７０８及び／又は中心内腔７２０を通して配線されてよい。 或いは、うろこ状片７０６及び電極７０７は、内管７０２自体の外側表面７０３上にプリント又はそれ以外の方法で蒸着さてよい電気的トレースを通じてコントローラに電気的に接続されてよい。 また、電極７０７自体も、内管７０２又は外管７０４の関連の表面上にプリントされてよい。 例えば、このような電気的トレースは、対応する表面上に蒸着されたグラファイトからなっていてよい。

更にその他の実施形態において、重なり合ううろこ状片１０６の間の摩擦力を変更するその他の手段が使用されてよい。 例えば、一部の実施形態において、うろこ状片１０６を硬化させるために、磁気クランプが使用されてよい。 また、重なり合ううろこ状片１０６の間の摩擦力を変更する上記の手段は、いずれも調節可能であることがわかる、すなわち、摩擦力、及びゆえに硬化の度合いは、微細に制御されてよいことがわかる。 総じて、調節可能な制御の正確さは、うろこ状片１０６の数と、うろこ状片を活性化又は硬化させるために使用される指定の細かさとに依存する。

以上の実施形態は、うろこ状片１０６の特定の配置構成を参照にして説明されたが、選択的な硬化は、様々に異なるサイズ及び形状を有する広範囲のうろこ状片の取り合わせによっても実現可能であることに留意するべきである。 例えば、これまでのところ、実施形態は、うろこ状片の重なりを、単一方向の規則的なパターンで示されてきた。 すなわち、作動可能素子、片、又はうろこ１０６は、総じて列状に配置されてきた。 このような配置構成は、外部荷重が１つの方向に印加される（軸方向荷重など）材料によく適している。 しかしながら、うろこ状片の配置構成は、このような単純な配置構成に限定されず、その他の配置構成も考えられる。 例えば、うろこ状片は、隣り同士の片の間において、異なる全ての又は幾つかの方向に重なりがあるように配置されてよい。 うろこ状片のこのような配置構成は、装置に印加される多方向の荷重及び曲げモーメントに対して関節動作可能装置が望みどおりに応答することを可能にする。

また、上述のように、片１０６の幅及び向きも、大きく異なってよい。 １つの実施形態において、うろこ状片は、比較的低いアスペクト比（長さ対幅）で実装される。 例えば、多くの実施形態において、約１から約５までの間のアスペクト比が適している。 堅さの多次元制御を維持するために、うろこ状片は、長手方向及び周方向の両方に重なっていてよい。 その他のアスペクト比が用いられてもよい。 別の実施形態においては、狭いうろこ状片（高アスペクト比）が用いられる。

更に、上記の実施形態は、内管及び外管の両方を含むものとして説明されたが、これは、全ての実施形態における必要条件ではない。 例えば、一部の実施形態においては、外管が含まれない。 うろこ状片を硬化させるために静電気力が用いられる実施形態においては、周辺環境への電気的経路を形成しないために、片の外側表面が絶縁性であってよい。 その他の実施形態においては、内管が含まれない。 これらの実施形態において、うろこ状片は、管の内側表面に結合される。

更にその他の代替的実施形態において、外管１０４及び／又は内管１０２は、壁に隙間のない管の形態ではなく、穴の開いた管状又は円筒状の構造をとってよい。 例えば、両方又は一方の管の壁は、編まれた、織られた、又は「魚網状の」設計に似ていてよい。 また、内管及び外管の断面は、全ての実施形態において円形である必要はないことを認識されるべきである。 例えば、一部の特定の応用においては、卵形又は楕円形の断面が適しているであろう。 また、内管及び外管は、全ての実施形態において閉じられた形態をとる必要はない、すなわち、その他の実施形態においては、管の直径方向断面が、「ｃ」字型、「ｕ」字型、又はその他の所望の形状を形成していてよい。

次に、上述された任意の関節動作可能装置の各種の応用及び使用方法が説明される。 １つの態様において、関節動作可能装置を操縦するために、選択的硬化が用いられる。 例えば、図８は、関節動作可能装置を能動的に操縦するための１つの例示的プロセスを示した流れ図である。 １つの実施形態において、上述されたうちの任意のようなうろこ状片（不図示）を有する関節動作可能装置９００が、収縮状態で提供される。 １つの特定の実施形態において、うろこ状片及び関連の管は、一部の片及び管の部分が可変長の顕微鏡と同様に互いの内部へ収縮するように、入れ子状に収縮される。

図９Ａに示されるように、８０２において、関節動作可能装置の末端９１６は、残りの収縮部分から伸張される。 特定の実施形態において、関節動作可能装置の末端は、装置９００の残りの収縮部分から入れ子状に伸張するように構成される。 しかしながら、一部の代替的実施形態においては、先ず、関節動作可能装置９００の基端９１７が伸長される。 これらの実施形態において、収縮部分は前進され、装置の末端９１６は、最後に伸長する部分である。

関節動作可能装置は、任意の適切な手段によって伸張されてよい。 例えば、各種の実施形態において、所望の装置の部分を伸長させるために、装置の中心内腔内の圧力を増大させることができる。 各種の実施形態において、装置の特定の選択領域又は選択部分は、その選択部分が長手方向に自由に拡張可能である一方でその他の装置の部分が硬化状態にとどまり伸長不可能であるように、中心内腔圧力を増大させること及び上記特定の部分に関連付けられていないうろこ状片を硬化させることによって、伸長させることができる。

８０４において、装置の操縦を促進するために、装置の伸張部分の選択領域９５０が硬化される。 より詳細には、関節動作可能装置は、装置の長さに沿った特定の領域において、装置の周の特定の部分に沿って硬化されてよい。 硬化された特定の領域９５０は、上述されたうちの任意の手段などの適切な手段によって硬化されてよい。 ８０６において、装置は、図９Ｂに示されるように、硬化領域の付近において屈曲されることによって、硬化領域の付近において回転される又は操縦される。 １つの特定の実施形態において、装置は、中心内腔内の圧力を増大させることによって、硬化領域の付近において操縦される。 中心内腔内の圧力を増大させることは、選択された硬化領域に直径上で正対する非硬化領域を含む内管の非硬化領域を拡張させる効果を有する。 硬化領域は、長手方向に規制され、非硬化領域は、中心内腔内の圧力によって生成される力のもとで拡張を許されるので、装置は、硬化領域の付近において能動的に操縦される。 このように、装置を操縦するために、伸長とあわせて硬化自体が使用される。

代替的実施形態において、関節動作可能装置９００の末端９１６は、その他の手段によって操縦されてよい。 例えば、関節動作可能装置９００の末端９１６は、操縦ケーブル（以下においては「ワイヤ」、「操縦ワイヤ」、又は「引っ張りワイヤ」とも称される）を備えていてよい。 操縦ケーブルは、装置の全長に及び、末端９１６に取り付けれてよく、関連のアクチュエータ又は手動手段を使用して基端において動作される。 アクチュエータが使用される実施形態において、各ケーブルは、ケーブルを短く又は長くするように構成された関連のアクチュエータにつながれてよい。 操縦ケーブル及びアクチュエータは、当該分野においてよく知られており、したがって、ここでは詳細に説明されない。 関節動作可能装置は、装置の屈曲を望まれる領域を除く全ての領域を硬化させること、次いで所望の屈曲の方向及び大きさに対応して１本又は２本以上のケーブルを引っ張ることによって、装置の長さに沿った任意の地点において屈曲されてよい。 各種の実施形態において、関節動作可能装置９００は、いずれも装置の末端９１６に結合されたこのような３本の操縦ケーブルを備えていてよい。 このような３本のケーブルの使用は、末端９１６の三次元的操縦を可能にする。 好ましい実施形態においては、３本のケーブルが使用されているが、その他の実施形態において、関節動作可能装置は、２本、４本、又は更に多くのケーブルを備えていてよく、そうして、末端９１６の操縦に対して更に微細な制御を可能にすることができる。

装置９００は、次いで、所望の目的地に到達するために、８０８において、更に伸張又は前進されてよい。 特に有用な実施形態において、うろこ状片は、ユーザ（又はユーザによって制御されるコンピュータ若しくは回路）が、装置の特定の選択領域をいつどこで硬化させるかを微細に制御することができるように、個別に指定可能且つ作動可能である、又は少なくとも十分に小さなグループ単位で指定可能又は作動可能である。 １つの実施形態において、装置は、曲げられた後に、ある種の蛇が使用する直線状ロコモーションスキーム（移動方式）に似たロコモーションスキームを使用して、更に前進される。 より詳細には、関節動作可能装置の基端が押されている間に（又は装置が入れ子状に伸長されている間に）、曲げられた箇所にある選択された硬化領域のうろこ状片は、前進することができるように、クランプを解除される又は非硬化される。 それと同時に、先立って硬化されていた片の基端側にすぐ隣接するうろこ状片９０６が、次いで、硬化される。 このようにして、関節動作可能装置は、装置における屈曲又は曲げの絶対的な場所を不変に維持したまま前進することができる。

８１０において、目的地に到達したか否かが決定される。 もし目的地に到達しているならば、プロセスは、ここで終了されてよい。 ただし、所望の目的地に到達したときには、本明細書において説明されたうちの任意の方法を使用して、関節動作可能装置の硬化可能長さの全部又は一部が硬化されてよい。 関節動作可能装置は、硬化されることによって、装置の中心内腔に道具、器具、及びその他の物を通すための、そして一部の実施形態においてはそれを装置の末端から出すための、堅固なプラットフォーム又はガイドとして機能することが可能になる。 また、一部の実施形態においては、外管を拡張させるために、内管と外管との間の中間空間が加圧される。 例えば、装置の堅さを増大させるとともに座屈の傾向を低減させるために、又は装置の外側表面が例えば管又はパイプなどの周囲包囲物の壁に接触するように、外管を全部又は部分的に拡張させることが望ましいであろう。 これは、装置を周囲包囲物内に留め付ける働きをすることができる。

しかしながら、もし、例えば更に曲げる必要があるなどの理由でまだ目標の目的地に到達していないならば、プロセスは、８０４に戻る。 屈曲又は曲げの絶対的な場所を固定させたままで関節動作可能装置を前進させられることを思い出すと、装置を前進させるためにロコモーションが使用されている間に、装置の末端を幾度も能動的に曲げることによって、既になされた屈曲を対応する当初の絶対的な場所にとどまらせることができる。 更に、装置の末端に結合された操縦ケーブルは、移動されている関節を除く全ての関節を硬化させることによって、複数の関節の移動／操縦を制御できることに留意するべきである。 このようなスキームによると、一度に１つの関節のみが移動可能であるが、関節動作可能装置の末端に結合された共通ケーブルセットを用いるだけで、多くの関節を制御することができる。 １つの例示的実施形態においては、非連続的な小段階の形で各関節を通じてうろこ状片を（例えば静電手段又はその他の適切な手段を通じて）順次作動させるために、コンピュータコントローラが使用される。 更に、順次的作動の速度を増大させる及びうろこ状片のサイズを低減させることによって、非連続的な段階が、より滑らかになり、関節動作可能装置の前進が、蛇状運動に更に酷似する。 好ましくは、装置の前進の速度は、作動の順序のタイミングが装置の前進の速度に一致するように、（例えばユーザ又はコンピュータ制御メカニズムによって）注意深く制御される。 このように、関節動作可能装置は、従来は個別のアクチュエータによって複数の関節を同時に移動させる必要があったような移動を使用して、滑らかに前進することができる。 これは、ユーザが、関節動作可能装置の末端を、目標の目的地に到達するまでずっと能動的に操縦することを可能にする。 図９Ｃは、第２の曲げ後における関節動作可能装置９００を示している。 第２の曲げの際は、第２の曲げにある部分を除く全ての装置９００部分が硬化されてよい。

また、装置を操縦又は誘導するために操縦ケーブルが使用される実施形態において、三次元運動のために、そして関節動作可能装置の長さに沿った事実上あらゆる数の関節動作又は曲げのために必要とされるのは、合計３本のケーブルのみである。 より具体的には、１本のケーブルを引っ張ることによって、装置のボディにトルクが付与され、これは、クランプ又は硬化されていない関節における屈曲を結果として生じる。 この技術によって、装置は、限られた数のアクチュエータを使用して、複雑な形状に屈曲させることができる。 反対に、当業者ならばわかるように、従来の関節動作可能装置は、総じて、複数の関節動作を許容するために、各断片又は各つなぎ目においてケーブル又はその他のアクチュエータを必要とする。 このように、従来の装置の場合、必要とされるケーブル及び／又はアクチュエータの数は、望まれる自由度とともに急激に増していく。 しかしながら、本発明の実施形態にしたがって、関節動作可能装置の特定の小領域を選択的に硬化させる能力は、３本のケーブル（複数の二次元関節動作の場合は２本のケーブル）のみによって、装置の長さに沿って複数の三次元関節運動を許容する。

説明された関節動作可能装置は、多くの応用において用途を見いだすことができる。 例えば、説明された関節動作可能装置は、各種の観察、検査、及びメインテナンスの応用における使用に特に適している。 例えば、各種の例示的な観察応用において、関節動作可能装置は、カメラ、ビデオカメラ、熱結像システム、又はその他の何らかの結像システムを装置の末端に備えていてよい。 一部の実施形態において、法執行官又は軍当局者などのユーザは、被疑者、敵、又はその他の観察対象の近くに密かに装置を設置してよい。 装置は、次いで、説明された方法を通じて手動式又は（コンピュータコントローラを通じて）電子式に且つ更には遠隔的に進められ、観察対象がいる室内へと壁若しくは天井に開いた窓若しくは穴、又はエアダクト若しくはパイプを通して入れられてよい。 関節動作可能装置は、録音機器及び／又はひいては武器を備えていてもよい。 一部の実施形態においては、催涙ガスなどのガスが、中心内腔を通されて、装置の末端にあるアパーチャから室内へと放出されてよい。 更にその他の実施形態においては、装置は、爆弾の解除に使用するためのワイヤカッタ又はペンチなどの道具を備えていてもよい。

その他の実施形態において、関節動作可能装置は、検査又はメインテナンスの目的に用いられてよい。 例えば、装置は、装置の末端にあるビデオカメラを通じて遠くから見ているであろうユーザの誘導下にある道具によって、機械的又は電気的なシステムを観察するため、問題を診断するため、及び／若しくは問題を解決若しくは修復するために、ライト及び／又は各種の道具を備えていてよい。 装置は、検査対象であるパイプ及びその他の管状構造における使用にとりわけ適している。 装置は、また、人が進入するのが安全でないような、洞窟設備内（ひいては水中）又は難破船内（閉じ込められた被災者を捜索するため）などにおける探査の目的で使用されてもよい。 関節動作可能装置は、軽量であり、ゆえに座屈又は破壊を生じることなく従来の装置よりも大幅に長く伸張できるので、これらの実施形態において、とりわけ有用である。

各種の実施形態において、関節動作可能装置は再構成可能である。 すなわち、装置の中心内腔に各種の道具、器具、又はその他の装置が通され、必要に応じてその他の道具に交換されてよく、そうして、装置の応用性が増している。

以上の説明は、説明を目的として、特定の述語体系を使用して発明の完全な理解を促している。 しかしながら、当業者ならば、発明を実施するためにこれらの詳細が必ずしも必要ではないことが明らかである。 したがって、本発明の特定の実施形態に関する以上の説明は、例示及び説明を目的として提示されたものである。 これらは、包括的であることも、又は開示された厳密な形態に発明を限定することも意図していない。 当該分野の通常の技術を有する者ならば、上記の教示内容に照らして多くの変更及び変形が可能であることが明らかである。

考えられる特定の用途に適した各種の変更とともに本発明及びその各種実施形態をその他の当業者が最適に利用することを可能にするために、以上の実施形態は、本発明の原理及びその実用的応用を最もよく説明できるように選択され記述されている。 本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲及びそれらの等価形態によって定められることを意図している。