JP6869533B2 - 多節環状弾性体 - Google Patents

Description

本発明は、弾性変形可能な環状の多関節構造体である多節環状弾性体に関する。

エントロピー弾性又は相転移等の高分子特有の力学特性は、ポリマーと呼ばれる線状物体のねじり回転や曲げ変形の素過程から集団的な絡み合いまでの階層的・統計的な相互作用によって発現される。

従来、この種の線状物体として、ロボットアーム等に利用される多関節構造体が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１に開示されたロボットアームは、複数のリンク要素からなる３つのセグメントと、３つのセグメントにおいて隣り合う２つのセグメントを連結する２つの関節継手と、３つのセグメントを湾曲させるための制御ワイヤとを備えている。特許文献１に開示されたロボットアームによれば、セグメントレベルでのマニピュレートを行うことにより、緻密なロボットアームの制御を行うことができる。

また、多関節構造体として全体が環状に構成された閉ループ構造のものも知られている。このような環状の多関節構造体として、Tangleモデルと呼ばれる玩具が提案されている。この玩具は、ねじり回転を主体とする環状の線状物体であり、剛体である９０度に湾曲した曲がり要素を１つのセグメントとして、このセグメントをｎ個用いて構成されている。具体的には、ｎ個の曲がり要素（セグメント）を回転ヒンジ機構によって互いに連結して環状にしている。この種の曲がり要素の一つが、ピボットセグメントとして米国意匠特許第334,416に開示されている。

特表２００９−５２２１２１号公報

上記のように複数の曲がり要素によって構成された環状の多関節構造体では、曲がり要素をねじり回転させることで複数の形態に変形させることができる。この場合、環状の多関節構造体がとりうる形態の数（形態の自由度）は、曲がり要素の数（ｎ）に依存する。

例えば、米国意匠特許第334,416に開示された曲がり要素（ピボットセグメント）を６個組み合わせた環状の多関節構造体（ｎ＝６）では、chair型、boat型及びtwist-boat型と呼ばれる３つの構造のみに分類される。

環状の多関節構造体が変形してエネルギー的に安定な平衡状態となる形態のことを、結合回転と関連付けられる立体配座と呼ぶが、従来の環状の多関節構造体では、立体配座の種類の数が曲がり要素の数に依存するため、立体配座の種類の数が少ない。

本発明は、弾性部による連続的な曲げ変形と関節部による離散的なねじり回転とによって立体配座の制御を可能とする節環状弾性体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る多節環状弾性体の一態様は、各々が弾性変形可能な複数の弾性部と、複数の関節部とを備え、前記複数の関節部の各々は、回転ヒンジ機構を有し、前記弾性部と前記関節部とが交互に連結されて全体として環状の弾性体をなしている。

本発明によれば、弾性部による連続的な曲げ変形と関節部による離散的なねじり回転とによって立体配座の制御を可能とする多節環状弾性体を実現できる。

実施の形態に係る多節環状弾性体の全体構成を模式的に示す図である。 実施の形態に係る多節環状弾性体を構成するセグメントの拡大図である。 実施の形態に係る多節環状弾性体における弾性部の構成を示す図である。 実施の形態に係る多節環状弾性体における関節部の構成を示す図である。 実施の形態に係る多節環状弾性体を変形させるときの実験例を示す図である。 図５に示す実験例で用いた支持部材の構成を示す図である。 実施の形態に係る多節環状弾性体が変形するときの様子を示す図である。 実施の形態に係る多節環状弾性体において、第１の状態と第２の状態とを模式的に示す図である。 実施の形態に係る多節環状弾性体における第１の状態と第２の状態とに遷移するときのエネルギー変化を模式的に示す図である。 実施の形態に係る多節環状弾性体の適用例を模式的に示す図である。 多節環状弾性体の変形例を説明するための図である。 多節環状弾性体の変形例における双安定性の状態を模式的に示す図である。 弾性部の変形例の構成を示す図である。 関節部の変形例の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
以下、実施の形態に係る多節環状弾性体１の構成について、図１〜図４を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る多節環状弾性体１の全体構成を模式的に示す図である。図２は、同多節環状弾性体１を構成するセグメントの拡大図である。図３は、同多節環状弾性体１における弾性部１００の構成を示す図である。図４は、同多節環状弾性体１における関節部２００の構成を示す図である。図４において、（ａ）は、関節部２００の斜視図を示しており、（ｂ）は、関節部２００の平面図を示しており、（ｃ）は、（ｂ）のＡ−Ａ線における関節部２００の断面図を示している。

図１に示すように、多節環状弾性体１は、複数の弾性部１００と、複数の関節部２００とを備えている。本実施の形態における多節環状弾性体１は、さらに、ワイヤ３００を備えている。

多節環状弾性体１は、弾性部１００と関節部２００とが交互に連結されて全体として環状（ループ状）の弾性体をなしている。本実施の形態では、図１に示すように、２３個の弾性部１００と２３個の関節部２００とが交互に連結されている。

図２に示すように、多節環状弾性体１を構成するセグメントは、弾性部１００と、弾性部１００の両端に設けられた一対の関節部２００とによって構成されている。図１に示すように、多節環状弾性体１は、図２に示されるセグメントが環状に連続的に連結された閉ループ構造を有する。

図１〜図３に示すように、複数の弾性部１００の各々は、弾性変形可能な弾性部材である。つまり、各弾性部１００は、応力が与えられると弾性変形し、与えられた応力が取り除かれることで復元力が働いて元の形に戻ろうとする作用を有する。具体的には、弾性部１００は、応力が与えられることで延びたり縮んだりねじれたりし、与えられた応力から解放されると、弾性復元力によって元に戻ろうとする。なお、弾性部１００は、完全に元の状態に戻らなくてもよい。

本実施の形態において、複数の弾性部１００の各々は、棒状部材であって、曲率が変化するよう弾性変形可能となっている。具体的には、各弾性部１００は、湾曲するように変形する曲がりはりとして機能する。各弾性部１００は、低剛性の筒状部材であり、一例として、ポリプロピレン等の樹脂材料からなる蛇腹チューブである。この場合、弾性部１００としては、スリットが形成されていない蛇腹チューブを用いてもよいし、スリットが形成された蛇腹チューブを用いてもよい。

多節環状弾性体１を構成する弾性部１００は、全て同じ部品であってもよいが、これに限らない。また、弾性部１００は、蛇腹チューブではなく、蛇腹を有さない円筒状のポリプロピレン製のスリットチューブ、又は、蛇腹及びスリットを有さない円筒状のポリプロピレン製のチューブを用いてもよい。つまり、弾性部１００は、部品全体で剛性が一様なチューブであってもよいし、部品全体で剛性が非一様なチューブであってもよい。この場合、蛇腹及び／又はスリットを有する弾性部１００とした方が弾性変形しやすい。

弾性部１００の材質及び形状は、要求される弾性部１００の弾性力等の機能に応じて適宜選択することができる。具体的には、ヤング率と密度が最適な樹脂材料を選択し、この樹脂材料を用いて所定の弾性変形が得られる弾性部１００を作製するとよい。

ただし、弾性部１００は、ねじり変形に対して強いものにしておくことが好ましい。弾性部１００がねじり変形に弱いと、弾性部１００にねじりの応力が付与されると、弾性部１００は、曲げ変形とねじり変形とが連成した形で弾性変形し、後述するように、多節環状弾性体１全体が変形していく過程で関節部２００の回転を弾性部１００のねじり変形よりも優先して作用させることができなくなるおそれがある。特に、関節部２００での回転摩擦が大きいと、関節部２００が回転するよりも先に弾性部１００に曲げ応力が作用してしまう可能性がある。この場合、多節環状弾性体１が想定しているような変形様式を取ることができず、もつれ状態等の所定の形態に達することができなるそれがある。

したがって、弾性部１００は、ねじり変形に対して強いものにしておくとよい。つまり、弾性部１００としては、曲げ剛性に対してねじり剛性が大きいものであるとよい。

ここで、弾性部１００のねじり変形について、ねじり変形を含めた弾性部１００の弾性変形について説明する。

弾性部１００が棒状部材である場合、棒状部材の弾性変形は、（i）軸変形（軸上の圧縮／引張変形）、（ii）曲げ変形、（iii）ねじり変形のいずれかとなる。弾性部１００の材料が等方性材料とすると、これらの変形に対応する剛性（変形のしにくさ）は、それぞれ、軸剛性（＝Ｅ・Ａ）、曲げ剛性（＝Ｅ・Ｉ）、ねじり剛性（＝Ｇ・Ｉ_ｐ）で表される。ここで、Ｅは材料の縦弾性係数（ヤング率）、Ｇは横弾性係数（せん断弾性係数）、Ａは断面積、Ｉは断面二次モーメント、Ｉ_ｐは断面二次極モーメントを表している。Ｅ、Ｇの２つは、材料の性質に依存し、Ａ、Ｉ、Ｉ_ｐの３つは、断面形状などの幾何学的構造に依存する。

この場合、曲げ剛性に対してねじり剛性を大きくするには、例えば、ＥよりＧが大きい材料を選定すればよい。例えば、±４５°方向に繊維を配向させた複合材料は、Ｇが大きいので、弾性部１００の材料として好ましい。また、本実施の形態のように、弾性部１００を蛇腹構造にすることで、材料の性質とは関係なく、ねじり剛性を大きくすることもできる。つまり、形状を工夫することで弾性部１００のねじり剛性を大きくすることもできる。

なお、弾性部１００の弾性変形としては、軸変形、曲げ変形及びねじり変形に加えて、座屈変形等の他の特殊な変形が含まれていてもよい。座屈変形は、棒状部材の軸変形から曲げ変形に遷移する変形、または、棒状部材のねじり変形から曲げ変形に遷移する変形である。

次に、関節部２００について説明する。図１〜図３に示すように、複数の関節部２００の各々は、回転ヒンジ機構を有する関節部材である。具体的には、図１の拡大図及び図４に示すように、各関節部２００は、第１関節部２１０と第２関節部２２０とによって構成されている。本実施の形態において、第１関節部２１０及び第２関節部２２０の外形は略円柱状であるので、関節部２００の全体の外形も略円柱状である。

図４に示すように、第１関節部２１０は、オス型部品であり、突出部２１１と、突出部２１１の先端に形成された掛止部２１２と、ワイヤ３００を挿通するための挿通孔２１３と、弾性部１００の開口端部を嵌め込むための円環状の溝部２１４とを有する。

第１関節部２１０において、掛止部２１２は、突出部２１１の外径よりも大きい外径を有するように鍔状（爪状）に形成されている。また、挿通孔２１３は、第１関節部２１０の軸方向に貫通するように形成されている。なお、細線のワイヤ３００による応力集中を緩和するために、ワイヤ３００の入り口となる挿通孔２１３の内周縁には、Ｒ面加工を施しておくとよい。

図４に示すように、第２関節部２２０は、メス型部品であり、突出部２１１を囲む開口をなす開口部２２１と、開口部２２１に繋がる穴部２２２と、ワイヤ３００を挿通するための挿通孔２２３と、弾性部１００の開口端部を嵌め込むための円環状の溝部２２４とを有する。

第２関節部２２０において、穴部２２２には、第１関節部２１０の掛止部２１２が収納される。穴部２２２の開口径は、開口部２２１の開口径よりも大きい。また、開口部２２１、穴部２２２及び挿通孔２２３は、互いに連通するように設けられている。挿通孔２２３は、第２関節部２２０の軸方向に貫通するように形成されている。なお、第２関節部２２０についても、細線のワイヤ３００による応力集中を緩和するために、ワイヤ３００の入り口となる挿通孔２２３の内周縁には、Ｒ面加工を施しておくとよい。

第１関節部２１０と第２関節部２２０とは、第１関節部２１０の掛止部２１２が第２関節部２２０の開口部２２１の内面に掛止されることによって連結されている。また、第１関節部２１０と第２関節部２２０とは、突出部２１１を回転軸として回転可能に連結されている。これにより、第２関節部２２０における回転ヒンジ機構が実現される。

具体的には、第１関節部２１０と第２関節部２２０とは、棒状部材である弾性部１００の長手方向を法線とする面を回転面として面回転する。つまり、関節部２００において、第１関節部２１０と第２関節部２２０とは、突出部２１１を回転軸として石臼状に面回転するように連結されており、関節部２００としては、弾性部１００の長手方向には長さが変化しない。このように、関節部２００は、弾性変形することなく、回転ヒンジによる面回転のみの機能を有する。なお、第１関節部２１０と第２関節部２２０との間の隙間は、第１関節部２１０と第２関節部２２０とが面回転する際に摩擦力が極端に大きくならない程度の極狭の寸法にしておくとよい。

このように構成される関節部２００は、例えば、ＡＢＳ樹脂等の樹脂材料によって構成することができる。なお、以下に説明する実験では、３Ｄプリンタを用いて関節部２００を作製したため、図４に示すように、メス型部品である第２関節部２２０の上面及び側面にはサポート材を除去するための孔が形成されているが、この孔は、第２関節部２２０の機能上、無くてもよい。

関節部２００と弾性部１００とを連結して互いに固定する場合、例えば、弾性部１００の長手方向の一方の開口端部を第１関節部２１０の溝部２１４に嵌め込んで接着材等によって接着固定するとともに、弾性部１００の長手方向の他方の開口端部を第２関節部２２０の溝部２２４に嵌め込んで接着材等によって接着固定する。これにより、図２に示されるセグメントを作製することができる。このように、関節部２００と弾性部１００とを順次接着して連結することで、環状の多節環状弾性体１を得ることができる。

次に、ワイヤ３００について説明する。ワイヤ３００は、複数の弾性部１００の各々の曲率を変化させるための曲率制御部の一例である。図１及び図２に示すように、ワイヤ３００は、複数の弾性部１００及び複数の関節部２００を貫通する略環状の線状体である。ワイヤ３００は、高い剛性を有することが望ましく、例えば鋼ワイヤである。

本実施の形態において、ワイヤ３００は、環状に連結された全ての弾性部１００と全ての関節部２００とに挿通されている。この場合、ワイヤ３００は、筒状の弾性部１００の内部を挿通させるとともに、第１関節部２１０の挿通孔２１３と第２関節部２２０の挿通孔２２３とに挿通させている。なお、ワイヤ３００による摩擦力を低減するため等の理由で、ワイヤ３００には潤滑剤が塗布されているとよい。

このように、本実施の形態では、弾性部１００の曲率を変化させるための曲率制御部としてワイヤ３００を用いたが、これに限らない。例えば、弾性部１００の曲率を制御する手段としては、異種材の線膨張係数差を利用したものであってもよいし、光駆動アクチュエータを利用したものであってもよいし、電気駆動アクチュエータを利用したものであってもよい。

次に、本実施の形態における多節環状弾性体１の変形態様について、図５〜図７を用いて説明する。図５は、実施の形態に係る多節環状弾性体１を変形させるときの実験例を示す図である。図６は、図５に示す実験例で用いた支持部材２５０の構成を示す図である。図７は、同多節環状弾性体１が変形するときの様子を示す図である。なお、図５及び図７は、実験台に配置した多節環状弾性体１を上から見たときの状態を示している。また、図７では、多節環状弾性体１から引き出したワイヤ３００は省略している。

図５に示すように、本実験例では、２３個の弾性部１００と２４個の関節部２００とを用いて交互に連結して環状の多節環状弾性体１を作製した。弾性部１００としては、全長６０ｍｍ、外径１４ｍｍのポリプロピレン製の黒色の蛇腹チューブを用い、関節部２００としては、図３に示される構造でＡＢＳ樹脂製のものを用い、ワイヤ３００としては、直径１ｍｍの鋼ワイヤを用いた。なお、関節部２００において、第１関節部２１０と第２関節部２２０の隙間（回転面間の隙間）は０．２５ｍｍとした。

また、本実験では、実験用として支持部材２５０を用いている。具体的には、図５に示すように、弾性部１００と関節部２００とを交互に連結し、先頭の関節部２００と最後尾の関節部２００とを支持部材２５０で連結することで全体として環状の多節環状弾性体１を作製した。

支持部材２５０としては、図６に示すものを用いることができる。支持部材２５０は、略円筒部材に数ミリ幅のスリット２５１が設けられた断面Ｃ字状の形状である。このように構成された支持部材２５０を用いて、支持部材２５０の両端に関節部２００の溝部２２４に差し込むことで、閉じた環状形状の多節環状弾性体１を構成している。そして、スリット２５１からワイヤ３００の両端を引き出している。

なお、本実施の形態において、支持部材２５０の材質は、ＡＢＳ樹脂としたが、これに限らない。また、スリット２５１は、円筒部材を分断するように軸方向の全長にわたって存在するように支持部材２５０に形成したが、これに限らず、ワイヤ３００を通すことができれば、例えば、貫通孔であってもよい。また、支持部材２５０の全体形状は直円筒形状としたが、これに限らない。また、本実験では支持部材２５０には大きな反力が作用するため、支持部材２５０の強度（壊れにくさ）は大きい方が望ましい。したがって、支持部材２５０の形状や材質等は、支持部材２５０の強度を大きくするようなものであるとよい。

そして、図５に示すように、このように作製した環状の多節環状弾性体１を用いて、支持部材２５０の部分で多節環状弾性体１を保持し、ロータ４１０を用いて支持部材２５０からワイヤ３００の両端を引き出して、ウインチ４００でワイヤ３００を巻き取っていった。ウインチ４００は、多節環状弾性体１におけるワイヤ３００の長さを調整する調整部の一例である。本実験において、ウインチ４００は、手動式のハンドウインチを用いたが、電動式の電動ウインチでも同様である。

また、本実験では、片側巻き取りでワイヤ３００を巻き取った。具体的には、引き出したワイヤ３００のうちの一方側の第１ワイヤ部３０１を固定し、ワイヤ３００の他方側の第２ワイヤ部３０２のみをウインチ４００で巻き取った。

この場合、ウインチ４００でワイヤ３００を巻き取っていくと、図７の（ａ）〜（ｅ）に示される挙動（プロセル）で多節環状弾性体１が種々の形態に変形した。つまり、ウインチ４００でワイヤ３００を巻き揚げていくと、多節環状弾性体１内のワイヤ３００の長さが短くなっていくことで弾性部１００がワイヤ３００から応力を受け、このワイヤ３００から受ける応力によって、各弾性部１００が弾性変形し、多節環状弾性体１の形態が変化していった。

図７の（ａ）〜（ｅ）に示すように、ワイヤ３００の巻き揚げ開始から多節環状弾性体１の片側部分（図７では下側部分）に変形が集中し、立体配座の非対称性が見られた。これは、片側巻き取りでワイヤ３００を巻き揚げたことや、牽引されるワイヤ３００が支持部材２５０の入り口で接触して摩擦力が発生したこと等が原因であると考えられる。さらに巻き揚げを続けていくと、変形集中を維持しつつ、全体が収縮するように変化していくことが分かった。

この図７の（ａ）〜（ｅ）に示される変化の過程において、２３個の各弾性部１００の変形の度合及び変形の態様は、各弾性部１００が受ける応力によって様々である。本実施の形態では、ワイヤ３００が巻き取られていくと、各弾性部１００は、ワイヤ３００からの応力によって曲率が漸次増加するように変形するが、各弾性部１００によって曲率（湾曲度合い）は異なる。

また、弾性部１００は、長手方向、長手方向に交差する方向及び湾曲する方向等のあらゆる方向に弾性変形しようとする。ただし、ねじれる方向（ねじり方向）に弾性部１００を弾性変形させようとする応力が弾性部１００に作用すると、その応力は、弾性部１００ではなく関節部２００に作用することになる。つまり、弾性部１００がねじり方向に弾性変形しようとするときには、弾性部１００の両端に連結された関節部２００が優先的に作用し、関節部２００が面回転することになる。

このように、ワイヤ３００からの応力によって弾性部１００にねじりの応力が働くと、関節部２００が面回転することになる。この結果、弾性部１００には、ほとんどねじり変形が発生せず、基本的には、曲率の変化しか発生しない。

以上のとおり、本実験によれば、ワイヤ３００が巻き取られていくにしたがって、各弾性部１００の曲率が多様に変化するとともに関節部２００が面回転することで、多節環状弾性体１内のワイヤ３００の長さが短くなることに連動して多節環状弾性体１の全体の形状が、種々の形態に漸次変形していった。具体的には、図７の（ａ）〜（ｅ）に示されるように、Tangleモデルに類似する立体配座が確認された。

このように、本実施の形態における多節環状弾性体１では、多節環状弾性体１に付与される応力（エネルギー）が増加していくことで、弾性部１００は、曲率が増加するように曲げ変形し、また、関節部２００は、面回転してねじり回転する。これにより、多節環状弾性体１は、全体的に小さくなるようにして（つまり曲率が大きくなるようにして）種々の形態に弾性変形する。

一方、ウインチ４００を逆回転させてワイヤ３００を巻き戻していくと、多節環状弾性体１は、図７に示す挙動とは逆の挙動を示すことになり、最終的には、図７（ａ）に示すように、円環状に戻る。

つまり、多節環状弾性体１に付与される応力（エネルギー）が減少していくことで、弾性部１００は、曲率が減少するように曲げ変形し、また、関節部２００は、面回転してねじれるように回転する。これにより、多節環状弾性体１は、全体的に大きくなるようにして（つまり曲率が小さくなるようにして）種々の形態に戻っていく。

なお、本実施の形態では、多節環状弾性体１に応力が与えられていない初期状態のときに、多節環状弾性体１が最大の大きさの状態（図７（ａ）に示す円環状の状態）となるように構成したが、これに限らない。例えば、多節環状弾性体１に応力が与えられていない初期状態のときに、多節環状弾性体１は最小の大きさの状態（図７（ｅ）の状態）となるように構成し、多節環状弾性体１に付与される応力が増加していくことで、最大の大きさ（（図７（ａ）に示す円環状の状態））に近づくように形態が変化してもよい。つまり、弾性部１００の初期形状は、本実施の形態のように棒状に近い状態（曲率が小さい状態）であってもよいし、大きく湾曲するように変形した状態（曲率が大きい状態）のいずれであってもよい。

ここで、図８及び図９を用いて、多節環状弾性体１が図７に示すように様々な姿勢の形態に変化することについて、双安定性との観点で説明する。図８は、実施の形態に係る多節環状弾性体１において、第１の状態と第２の状態とを模式的に示す図である。図９は、同多節環状弾性体１における第１の状態と第２の状態とに遷移するときのエネルギー変化を模式的に示す図である。

図８に示すように、本実施の形態において、多節環状弾性体１は、複数の弾性部１００が弾性変形することによって、第１の状態と第２の状態とに可逆的に変化する。具体的には、多節環状弾性体１は、第１の状態から曲率が増加するように弾性部１００が変形すると第２の状態へと遷移し、第２の状態から曲率が減少するように弾性部１００が変形すると第１の状態へと遷移する。

本実施の形態において、第１の状態は、複数の弾性部１００の各々の曲率が最小となる状態であって、立体配座の種類の数Ｄが１つ（Ｄ＝１）の状態である。具体的には、第１の状態は、多節環状弾性体１が円環状になっている状態である。

一方、第２の状態は、各弾性部１００の曲率が第１の状態よりも大きい状態であって、多節環状弾性体１の立体配座の種類の数ＤがＤ≧Ｎ（Ｎは十分大きい整数）となる状態である。具体的には、第２の状態は、多節環状弾性体１がもつれている状態（もつれ状態）である。なお、立体配座の種類の数Ｄは、多節環状弾性体１を構成するセグメント数ｎに依存し、一例として１００以上であるが、これに限らない。

このような多節環状弾性体１における第１の状態及び第２の状態について、発明者が検討したところ、図９に示すように、第１の状態及び第２の状態は、いずれもエネルギー的に安定な平衡状態であって、双安定性の状態にあることが分かった。

双安定性とは、第１の状態及び第２の状態の２つの安定平衡状態を有するシステムである。この場合、自転車のスタンドのように、２つの安定平衡状態にある第１の状態と第２の状態とが可逆的に遷移する。具体的には、第１の状態から第２状態に遷移する場合、又は、第２の状態から第１の状態に遷移する場合、図９に示すようにしてシステム全体の総エネルギーが変化する。

このことを本実施の形態における多節環状弾性体１に適用すると、例えば、図５に示されるシステムにおいて、双安定機構として、ウインチ４００側に傘のストッパや自転車スタンド等に用いられるバネ機構等を追加することで、多節環状弾性体１に双安定性を確保することができる。これにより、図９に示すようなエネルギー変化が得られて、多節環状弾性体１は自己平衡状態に達する。

具体的には、第１の状態で自己平衡状態に達した多節環状弾性体１は、図８に示すように、円環状となる。理想的には、第１の状態では、複数の弾性部１００の各々の曲率が最小かつ同一となるので、多節環状弾性体１は、真円の円環状となる。

一方、第２の状態で自己平衡状態に達した多節環状弾性体１は、無数の形態をとりうる。つまり、第２の状態における多節環状弾性体１は、自己平衡状態に達した形態が複数存在する。

なお、多節環状弾性体１に採用しうる双安定機構（双安定システム）としては、上記の機構に限るものではない。例えば、表面エネルギーを小さくしようと、もつれることで表面積を小さくさせるようなメカニズム、弾性部１００にゴムバンドを付ける等して弾性部１１０がある曲率を超えると積極的に弾性エネルギーを小さくしようとするようなメカニズム、あるいは、ストッパによって固定するようなメカニズム等が考えられる。

このように、本実施の形態における多節環状弾性体１は、潜在的に双安定性を有しており、弾性エネルギーと表面エネルギーとの２種類のエネルギー収支によって曲率変化を表現するような新たしい双安定システムによって成り立っていると考えられる。具体的には、表面エネルギーが減少すると、弾性部１００の曲率が増加する。つまり、弾性エネルギーが増加する。一方、表面エネルギーが増加すると、弾性部１００の曲率が減少する。つまり、弾性エネルギーが減少する。

以上説明したように、本実施の形態における多節環状弾性体１は、Tangleモデルの線素を弾性体に拡張したものであり、弾性変形可能な弾性部１００と回転ヒンジ機構を有する関節部２００とが交互に連結されて全体として環状の弾性体をなしている。

これにより、弾性部１００による連続的な曲げ変形と関節部２００による離散的なねじり回転とが連成した線状物体の新規構造として、弾性部１００の曲げ変形によって立体配座の制御を可能とする多節環状弾性体１を実現することができる。

特に、本実施の形態における多節環状弾性体１では、複数の弾性部１００の各々が棒状部材であって曲率が変化するよう弾性変形可能となっている。

これにより、弾性部１００の曲げ変形に対応する曲率変化によって、系全体の立体配座を制御することができる。

なお、本実施の形態における多節環状弾性体１では、ワイヤ３００の牽引力による力学エネルギーによって多節環状弾性体１に応力（エネルギー）を与えることで、弾性部１００を曲げ変形させるとともに関節部２００をねじり回転させたが、これに限らない。例えば、多節環状弾性体１に応力を与える手段としては、光エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー又は音エネルギー等のその他のエネルギーを利用したものであってもよい。

ここで、本実施の形態における多節環状弾性体１の適用例について、以下説明する。

上記のように構成される多節環状弾性体１は、図１０に示すように、ステント１０に利用することができる。図１０は、実施の形態に係る多節環状弾性体１をステント１０に適用した例を模式的に示す図である。

図１０において、多節環状弾性体１は、マイクロサイズ化（微細化）されたマイクロ構造体である。ステント１０は、このようにマイクロサイズ化された多節環状弾性体１を複数用いて群集化することで構成されている。

このように構成されたステント１０は、例えば狭心症等の冠動脈疾患の治療に用いることばできる。具体的には、冠動脈の血管２の広げたい部位、又は、冠動脈形成術後に再閉塞や再狭窄させたくない血管２の部位に、複数の多節環状弾性体１からなるステント１０を挿入し、光エネルギー等の所定のエネルギーを多節環状弾性体１に付与する。これにより、複数の多節環状弾性体１の各々が血管２の所定の部位で最大化する。この結果、ステント１０が冠動脈に留置して、血管２の局部の広がりを維持することができるので、血管２の血流を正常に保つことができる。

なお、図１０に示される多節環状弾性体１では、ワイヤ３００が用いられておらず、弾性部１００の曲率を変化させる曲率制御部としては、光エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー又は音エネルギー等のエネルギーを、非接触で多節環状弾性体１に付与できるものを用いるとよい。この場合、これらのエネルギーは、多節環状弾性体１の外部から付与されてもよいが、弾性部１００自体が、これらのエネルギーを受けて自ら曲率が変化する性質を有するものであってもよい。

このように、マイクロ構造体の多節環状弾性体１を群集化することによって密度制御が可能なマイクロデバイスを実現することができる。この場合、多節環状弾性体１は、上記のように医療用製品のみならず、マイクロデバイスが利用できる種々の産業用製品に利用することができる。

（変形例）
次に、多節環状弾性体１の変形例について、図１１及び図１２を用いて説明する。図１１は、多節環状弾性体１の変形例を説明するための図である。図１２は、同多節環状弾性体１の変形例における双安定性の状態を模式的に示す図である。

本変形例において、多節環状弾性体１における複数の弾性部１００の少なくとも一つは、曲率が固定されている。図１１に示すように、本変形例では、環状の多節環状弾性体１の対向する位置（つまり、周方向に１８０度間隔の位置）に存在する２つの弾性部１００の曲率を固定している。

この場合、ワイヤ３００等によって多節環状弾性体１に応力が与えられると、曲率が固定されていない弾性部１００は曲率が変化するように弾性変形するとともに関節部２００が面回転する。これにより、多節環状弾性体１は、２つの弾性部１００の曲率が固定されたまま、種々の形態に弾性変形することになる。

具体的には、図１２に示すように、本変形例において、多節環状弾性体１は、複数の弾性部１００の曲率変化によって、第１の状態（円環状の状体）と、第２の状態（もつれた状態）と、第３の状態（棒状環状の状態）とに可逆的に変化する。

つまり、上記実施の形態のように、弾性部１００の曲率を固定しない場合、図８に示すように、多節環状弾性体１は、第１の状態（円環状の状体）と第２の状態（もつれた状態）との２つの安定平衝状態をとりうるが、本変形例のように、２つの弾性部１００の曲率を固定した場合は、多節環状弾性体１は、第１の状態（円環状の状体）と第２の状態（もつれた状態）とに加えて、第３の状態（棒状環状の状態）との３つの安定平衝状態をとりうる。

このように、本変形例でも、上記実施の形態と同様に、弾性部による連続的な曲げ変形と関節部による離散的なねじり回転とによって立体配座の制御を行うことができるが、本変形例にように、特定の弾性部１００の曲率を固定しておくことで、多節環状弾性体１の多彩な形態を表現することが可能となる。なお、弾性部１００の曲率の固定の仕方によっては多種多様な状態に遷移させることができる。

（その他の変形例）
以上、本発明に係る多節環状弾性体１について、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態において、多節環状弾性体１を構成する弾性部としては、図３に示される構成のものを用いたが、これに限らない。例えば、図１３に示される構成の弾性部１００Ａを多節環状弾性体１に用いてもよい。弾性部１００Ａは、エラストマー性のゴム弾性を有する。弾性部１００Ａは、例えばシリコーンゴム等からなるゴムチューブである。このように、シリコーンゴムを用いることで、弾性変形しやすい弾性部１００Ａを安価に入手することができる。

また、図１３に示すように、弾性部１００Ａは、開口面積が他の部分よりも小さい窪み部１０１を有している。窪み部１０１は、例えば、弾性部１００Ａの中央部の全周が凹むようにくびれたくびれ部である。このように、窪み部１０１を設けることによって、より弾性変形しやすい弾性部１００Ａを実現することができる。ただし、ねじれても弾性部１００Ａが破断しないように、ねじり剛性を高くしておくことが好ましい。

また、図示しないが、弾性部として、開口する両端部をつなぐ一対のゴムバンドをゴムチューブの側面に取り付けて、圧縮力と引張力とが自己平衡する構造を有するものを用いてもよい。このような構造により、図９に示すような双安定システムを構築することができる。また、弾性部の曲率が増加する過程で曲げ剛性を著しく低下させることができるので、弾性部の復元力よりもゴムバンドの圧縮力が上回り、曲がりはりとしての弾性部が安定する新しい平衡状態に推移させることが可能となる。

また、上記実施の形態において、多節環状弾性体１を構成する関節部としては、図４に示される構成のものを用いたが、これに限らない。例えば、図１４に示される関節部２００Ａを多節環状弾性体１に用いてもよい。本変形例における関節部２００Ａは、図４に示される関節部２００と同様に、突出部２１１、掛止部２１２、挿通孔２１３及び溝部２１４を有するオス型部品である第１関節部２１０と、開口部２２１、穴部２２２、挿通孔２２３及び溝部２２４を有するメス型部品である第２関節部２２０とによって構成されているが、本変形例における関節部２００Ａでは、第２関節部２２０の開口部２２１に、段差部２２１ａが形成されている。したがって、本変形例において、第１関節部２１０と第２関節部２２０とは、第１関節部２１０の掛止部２１２が第２関節部２２０の段差部２２１ａに掛止されることによって連結されている。なお、本変形例における関節部２００Ａでも、第１関節部２１０と第２関節部２２０とは、突出部２１１を回転軸として回転可能に連結されている。これにより、関節部２００Ａにおける回転ヒンジ機構が実現される。

また、上記実施の形態において、多節環状弾性体１における複数の弾性部１００は、与えられる応力の増減によって可逆的に弾性変形したが、これに限らない。例えば、複数の弾性部１００の中に、座屈変形等によって不可逆的に変形したものが含まれていてもよい。この場合、複数の弾性部１００の中の１つの弾性部１００の全体が不可逆的に変形してもよいし、複数の弾性部１００の中の１つの弾性部１００の一部が不可逆的に変形してもよい。このとき、ある一つの弾性部１００に屈服座屈が生じると、これがトリガーとなって連続的に他の弾性部１００にも屈服座屈が生じ、これにより系全体が新しい安定平衡状態に推移することも考えられる。

また、上記実施の形態では、ウインチ４００による片側巻き取りでワイヤ３００を巻き取ったが、これに限らない。例えば、ウインチ４００による両側巻き取りでワイヤ３００を巻き取ってもよい。この場合、多節環状弾性体１の変形の過程は、図７の（ａ）〜（ｂ）とは異なる挙動を示すが、第２の状態における多節環状弾性体１の立体配座の種類の数Ｄは、上記実施の形態と同様に、十分大きい数になる。

また、上記実施の形態において、多節環状弾性体１をステント１０に用いて、血管２の局部膨張に用いたが、これに限らない。例えば、１つ又は群集化した多節環状弾性体１を、血管以外の柔軟管の局部膨張に用いることもできる。

また、上記実施の形態において、多節環状弾性体１を医療用途に用いたが、これに限らない。例えば、多節環状弾性体１は、玩具用途、ロボットアーム等の産業用途、その他様々な用途に用いることができる。

その他、上記実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記の各実施の形態及び変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

本発明に係る多節環状弾性体は、玩具、ステント等の医療用品、又は、ロボットアーム等の産業機器に利用することができ、その他に、環状の線状物体が用いられる各種製品において有用である。

１ 多節環状弾性体
２ 血管
１０ ステント
１００、１００Ａ 弾性部
１０１ 窪み部
２００、２００Ａ 関節部
２１０ 第１関節部
２１１ 突出部
２１２ 掛止部
２１３ 挿通孔
２１４ 溝部
２２０ 第２関節部
２２１ 開口部
２２１ａ 段差部
２２２ 穴部
２２３ 挿通孔
２２４ 溝部
２５０ 支持部材
２５１ スリット
３００ ワイヤ
３０１ 第１ワイヤ部
３０２ 第２ワイヤ部
４００ ウインチ
４１０ ロータ

Claims (13)

1. 各々が弾性変形可能な複数の弾性部と、
   複数の関節部とを備え、
   前記複数の関節部の各々は、面回転する回転ヒンジ機構を有し、
   前記弾性部と前記関節部とが交互に連結されて全体として環状の弾性体をなす、
   多節環状弾性体。
2. 前記複数の弾性部の各々は、棒状部材であって、曲率が変化するよう弾性変形可能となっている、
   請求項１に記載の多節環状弾性体。
3. 前記多節環状弾性体は、前記複数の弾性部が弾性変形することによって、双安定性の状態にある第１の状態と第２の状態とに可逆的に変化する、
   請求項２に記載の多節環状弾性体。
4. 前記第１の状態は、前記複数の弾性部の各々の曲率が最小となる状態であり、
   前記第２の状態は、前記多節環状弾性体の立体配座の種類の数が１００以上となる状態である、
   請求項３に記載の多節環状弾性体。
5. さらに、前記複数の弾性部の各々の曲率を変化させる曲率制御部を有する、
   請求項２〜４のいずれか１項に記載の多節環状弾性体。
6. 前記曲率制御部は、前記複数の弾性体及び前記複数の関節部を貫通する略環状のワイヤである、
   請求項５に記載の多節環状弾性体。
7. さらに、前記多節環状弾性体における前記ワイヤの長さを調整する調整部を有する、
   請求項５又は６に記載の多節環状弾性体。
8. 前記複数の弾性部の各々は、光エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー又は音エネルギーを受けて自ら曲率が変化する、
   請求項２〜４のいずれか１項に記載の多節環状弾性体。
9. 前記複数の弾性部の少なくとも一つは、曲率が固定されている、
   請求項２〜８のいずれか１項に記載の多節環状弾性体。
10. 前記複数の弾性部の各々は、蛇腹チューブである、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の多節環状弾性体。
11. 前記複数の弾性部の各々は、ゴムチューブである、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の多節環状弾性体。
12. 前記ゴムチューブは、開口面積が他の部分よりも小さい窪み部を有する、
    請求項１１に記載の多節環状弾性体。
13. 前記弾性部は、曲げ剛性がねじり剛性よりも大きい、
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の多節環状弾性体。

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