(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-11-24
(54)【発明の名称】微細構造体を推進および操舵するための装置
(51)【国際特許分類】
A61M 25/082 20060101AFI20221116BHJP
【ＦＩ】
A61M25/082 500
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022517819
(86)(22)【出願日】2020-09-18
(85)【翻訳文提出日】2022-05-11
(86)【国際出願番号】 FR2020051623
(87)【国際公開番号】W WO2021053305
(87)【国際公開日】2021-03-25
(31)【優先権主張番号】1910368
(32)【優先日】2019-09-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521440482
【氏名又は名称】ロビューテ
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】ドゥプラット，ベルトランド
(72)【発明者】
【氏名】オウルマス，アリ
(72)【発明者】
【氏名】フランコイズ，クエンティン
【テーマコード（参考）】
4C267
【Ｆターム（参考）】
4C267AA01
4C267AA32
4C267AA56
4C267BB03
4C267BB11
4C267BB12
4C267BB26
4C267BB31
4C267BB40
4C267BB42
4C267BB44
4C267BB47
4C267BB48
4C267BB54
4C267CC12
4C267CC19
4C267CC22
4C267GG31
(57)【要約】
本装置（１）は、
－前部（２１）および後部（２３）を接続する主軸（Ｘ２）に沿って伸長／収縮変形可能な少なくとも１つの部分（２０）を含む推進要素（２）と、
－エネルギー供給の影響下で、互いおよび推進要素の主軸（Ｘ２）を横切る第１の回転軸および第２の回転軸それぞれの周りに、推進要素（２）の回転を発生させるように適合された少なくとも２つのガイド要素（３、５、７）と、
－主軸（Ｘ２）に沿って伸長／収縮する推進要素（２）の変形可能要素（２０）の変形と協調して、主軸（Ｘ２）を横切る少なくとも１つの軸の周りに推進要素（２）の回転を作動させるように構成された制御ユニット（９）と
を備える。
【選択図】図１
－前部（２１）および後部（２３）を接続する主軸（Ｘ２）に沿って伸長／収縮変形可能な少なくとも１つの部分（２０）を含む推進要素（２）と、
－エネルギー供給の影響下で、互いおよび推進要素の主軸（Ｘ２）を横切る第１の回転軸および第２の回転軸それぞれの周りに、推進要素（２）の回転を発生させるように適合された少なくとも２つのガイド要素（３、５、７）と、
－主軸（Ｘ２）に沿って伸長／収縮する推進要素（２）の変形可能要素（２０）の変形と協調して、主軸（Ｘ２）を横切る少なくとも１つの軸の周りに推進要素（２）の回転を作動させるように構成された制御ユニット（９）と
を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
－推進要素（２）の前部（２１）および後部（２３）を接続する主軸（Ｘ２）に沿って伸長／収縮変形可能な少なくとも１つの部分（２０）を含む推進要素（２）と、－エネルギー源へのそれぞれの接続（８３、８５、８７；６３、６５）によるエネルギー供給の影響下で、互いおよび前記推進要素の前記主軸（Ｘ２）を横切る第１の回転軸および第２の回転軸それぞれの周りに、前記推進要素（２）の回転を発生させるように適合された少なくとも２つのガイド要素（３、５、７；４３、４５）と、
－エネルギー源への前記接続（８３、８５、８７；６３、６５）の１つ以上を選択的に制御することによって、前記主軸（Ｘ２）に沿って伸長／収縮する前記推進要素（２）の前記変形可能部（２０）の変形と協調して、前記主軸（Ｘ２）を横切る少なくとも１つの軸の周りに前記推進要素（２）の回転を作動させるように構成された制御ユニット（９）であって、前記ガイド要素（３、５、７；４３、４５）は、エネルギー源へのそれぞれの接続（８３、８５、８７）によるエネルギー供給の影響下で可逆的に変形可能な活性材料に基づく少なくとも２つのガイドセグメント（３、５、７）をさらに備え、各ガイドセグメント（３、５、７）は、エネルギー供給の影響下で、その変形によって、前記推進要素の前記主軸（Ｘ２）を横切る回転軸の周りに前記推進要素（２）の回転を発生させるように適合される、制御ユニットと
を備える、可撓管またはマイクロロボットなどの微細構造体（１０）を推進および操舵するための装置（１）。
【請求項2】
少なくとも１つのガイドセグメント（３、５、７）は、電気活性材料またはバイメタル要素を含み、前記装置（１）は、その変形を活性化するために前記ガイドセグメント（３、５、７）に接続された電気エネルギー源（８３、８５、８７）を備える、先行する請求項に記載の推進および操舵装置。
【請求項3】
少なくとも１つのガイドセグメント（３、５、７）は、光活性材料を含み、前記装置（１）は、その変形を活性化するために、前記ガイドセグメント（３、５、７）に対向してその放射光が放射される放射源（８３’、８５’、８７’）を備える、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の推進および操舵装置。
【請求項4】
前記ガイドセグメント（３、５、７）の少なくとも２つは、それらが同時に変形する場合、前記主軸（Ｘ２）に沿って伸長／収縮する前記推進要素（２）の前記変形可能部（２０）の変形を作動させ、それらが選択的に変形する場合、前記主軸（Ｘ２）を横切る回転軸の周りに前記推進要素（２）の回転を作動させるように構成される、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の推進および操舵装置。
【請求項5】
前記ガイド要素は、電気エネルギー源へのそれぞれの接続（６３、６５）を各々設けた少なくとも２つの電磁ガイドコイル（４３、４５）を備え、これらは、前記推進要素（２）に固定された磁石（４１）とともに電磁トランスデューサ（４）を形成し、前記磁石（４１）は、静止位置において前記推進要素（２）の前記主軸（Ｘ２）に平行であり、各ガイドコイル（４３、４５）は、電気エネルギー供給の影響下で、前記磁石（４１）のその静止位置に対する回転を発生させて、前記推進要素の前記主軸（Ｘ２）を横切る回転軸の周りに前記推進要素（２）の回転を引き起こすように適合される、先行する請求項のいずれか１項に記載の推進および操舵装置。
【請求項6】
電気エネルギー源へのそれぞれの接続（６２）を設けた線形作動電磁コイル（４２）をさらに備え、これも、前記推進要素（２）に固定された前記磁石（４１）とともに電磁トランスデューサ（４）を形成し、前記線形作動コイル（４２）は、電気エネルギー供給の影響下で、前記主軸（Ｘ２）に平行な前記磁石の移動を発生させて、前記主軸（Ｘ２）に沿って伸長／収縮する前記推進要素（２）の前記変形可能部（２０）の変形を引き起こすように適合される、請求項５に記載の推進および操舵装置。
【請求項7】
前記制御ユニット（９）は、前記主軸（Ｘ２）に沿った伸長／収縮によって、前記推進要素（２）の前記変形可能部（２０）の変形を作動させるようにさらに構成される、先行する請求項のいずれか１項に記載の推進および操舵装置。
【請求項8】
前記主軸（Ｘ２）に沿って伸長／収縮する前記推進要素（２）の前記変形可能部（２０）の変形を作動させるように構成された、電磁トランスデューサまたはポンプなどのアクチュエータ（４１、４２）を備える、先行する請求項のいずれか１項に記載の推進および操舵装置。
【請求項9】
前記少なくとも２つのガイド要素（３、５、７；４３、４５）は、前記変形可能部（２）の半径方向外側に位置付けられることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１項に記載の推進および操舵装置。
【請求項10】
前記変形可能部（２）は、前記前部（２１）と前記後部（２３）との間に配置された揺動ディスク（３０）を含み、前記少なくとも２つのガイド要素（３、５、７；４３、４５）は、前記後部（２３）と前記揺動ディスク（３０）との間に配置されることを特徴とする、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の推進および操舵装置。
【請求項11】
可撓管またはマイクロロボットなどの微細構造体（１０）を推進および操舵するための方法であって、－請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の推進および操舵装置（１）を備える前記微細構造体（１０）が、１０－５～１０－１の間に含まれる低いレイノルズ数を有する流体中に導入され、
－エネルギー源への接続（８３、８５、８７；６３、６５）の１つ以上を、制御ユニット（９）を使用して選択的に制御することによって、主軸（Ｘ２）に沿って伸長／収縮する推進要素（２）の変形可能部（２０）の変形と協調して、前記主軸（Ｘ２）を横切る少なくとも１つの軸の周りの前記推進要素（２）の回転が作動される、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流体中、特に、動脈もしくは静脈などの被検体の血管中、または脳、心臓、肝臓、膵臓などの被検体の臓器中を移動することを意図された微細構造体、例えば、ステントもしくはカテーテルなどの可動性可撓管、またはさらにはマイクロロボットを推進および操舵するための装置に関する。可動性可撓管またはマイクロロボットは、特に低侵襲手術または標的療法に関連する様々な生物医学的操作を行うために使用され得る。
【背景技術】
【0002】
損傷を与えずに深部構造および機能性構造に到達する能力は、低侵襲手術、特に脳神経外科手術における主要な課題である。マイクロテクノロジーのおかげで、完全自律型微小医療装置を被験体の血管または臓器の内部に送ることが可能となっている。しかし、そのような微小医療装置は、不均一かつ敏感な環境中でも、少なくとも装置のサイズに等しい正確度で、３次元でのその推進および操舵を可能とするシステムを必要とする。
【0003】
これに関連して、本発明は、微細構造体が移動する環境の完全性を可能な限り維持しながら、少なくとも微細構造体のサイズに等しい正確度で、低レイノルズ数の流体環境中を含めて微細構造体の効果的かつ信頼性の高い推進および操舵を可能とする、可撓管またはマイクロロボットなどの微細構造体を推進および操舵するための装置を提供することを目標とする。
【発明の概要】
【0004】
この目標のために、本発明は、
－推進要素の前部および後部を接続する主軸に沿って伸長／収縮変形可能な少なくとも１つの部分を含む推進要素と、
－エネルギー源へのそれぞれの接続によるエネルギー供給の影響下で、互いおよび推進要素の主軸を横切る第１の回転軸および第２の回転軸それぞれの周りに、推進要素の回転を発生させるように適合された少なくとも２つのガイド要素と、
－エネルギー源への接続の１つ以上を選択的に制御することによって、主軸に沿って伸長／収縮する推進要素の変形可能部の変形と協調して、主軸を横切る少なくとも１つの軸の周りに推進要素の回転を作動させるように構成された制御ユニットであって、ガイド要素は、エネルギー源へのそれぞれの接続によるエネルギー供給の影響下で可逆的に変形可能な活性材料に基づく少なくとも２つのガイドセグメントをさらに備え、各ガイドセグメントは、エネルギー供給の影響下で、その変形によって、推進要素の主軸を横切る回転軸の周りに推進要素の回転を発生させるように適合される、制御ユニットと
を備える、可撓管またはマイクロロボットなどの微細構造体を推進および操舵するための装置を目的とする。
－推進要素の前部および後部を接続する主軸に沿って伸長／収縮変形可能な少なくとも１つの部分を含む推進要素と、
－エネルギー源へのそれぞれの接続によるエネルギー供給の影響下で、互いおよび推進要素の主軸を横切る第１の回転軸および第２の回転軸それぞれの周りに、推進要素の回転を発生させるように適合された少なくとも２つのガイド要素と、
－エネルギー源への接続の１つ以上を選択的に制御することによって、主軸に沿って伸長／収縮する推進要素の変形可能部の変形と協調して、主軸を横切る少なくとも１つの軸の周りに推進要素の回転を作動させるように構成された制御ユニットであって、ガイド要素は、エネルギー源へのそれぞれの接続によるエネルギー供給の影響下で可逆的に変形可能な活性材料に基づく少なくとも２つのガイドセグメントをさらに備え、各ガイドセグメントは、エネルギー供給の影響下で、その変形によって、推進要素の主軸を横切る回転軸の周りに推進要素の回転を発生させるように適合される、制御ユニットと
を備える、可撓管またはマイクロロボットなどの微細構造体を推進および操舵するための装置を目的とする。
【0005】
本発明に係る推進および操舵装置は、推進要素の変形可能部の変形によって得られる微細構造体の推進と協調して、互いおよび主軸を横切る少なくとも２つの回転軸の周りの推進要素の回転を作動させる能力により、微細構造体の３次元での操舵を可能とする。本発明の文脈では、２つの軸は、平行でない場合に互いを横切り、これは２つの軸が互いに垂直な場合を含むが、それに限定されない。
【0006】
本発明の文脈では、回転の作動は、移動する環境中、特に低レイノルズ数の流体環境中での微細構造体の所望の運動および軌道を得るために、推進要素の変形可能部の変形と協調して、特に同時にまたは順次に実行される。より具体的には、回転の作動は、推進要素の変形可能部の変形と同時に、または推進要素の変形可能部の変形と順次に、すなわち、回転および変形が次々と、特に繰り返して行われるように、実行され得る。
【0007】
本発明の文脈では、本発明に係る推進および操舵装置を備える微細構造体は、典型的には、５ｍｍ以下、具体的には２ｍｍまたは１ｍｍ以下の外径を有する。
【0008】
１つの特徴によれば、推進要素は、少なくとも第１のガイドセグメントおよび第２のガイドセグメントを備え、その結果、第１のガイドセグメントの変形が、推進要素の主軸に垂直な第１の回転軸の周りの推進要素の回転を発生させ、第２のガイドセグメントの変形が、推進要素の主軸および第１の回転軸の両方に垂直な第２の回転軸の周りの推進要素の回転を発生させる。
【0009】
ガイドセグメントの実施形態によれば、当該セグメントは、活性材料でコーティングされた、推進要素の変形可能部の領域である。ガイドセグメントの別の実施形態によれば、当該セグメントは、推進要素の変形可能部に取り付けられた、活性材料を設けた支持体を備えるセグメントである。
【0010】
一実施形態によれば、推進要素の変形可能部は、０．１～１０ＧＰａ、好ましくは０．５～２ＧＰａの範囲に含まれるヤング率を有する材料で作製される。一実施形態では、推進要素の前部、後部、および変形可能部の全てが、同じ材料で作製される。一実施形態では、前部、後部、および変形可能部の構成材料は、生体適合性ポリマーである。前部、後部、および／または変形可能部に適した材料の例は、ＭＩＣＲＯ ＲＥＳＩＳＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＧｍｂＨ社製の製品ＯＲＭＯＣＬＥＡＲなどの、ＵＶ硬化性無機－有機ハイブリッドポリマーである。
【0011】
一実施形態では、少なくとも１つのガイドセグメントは、電気活性材料またはバイメタル要素を含み、推進および操舵装置は、その変形を活性化するためにガイドセグメントに接続された電気エネルギー源を備える。具体的には、エネルギー源は、ガイドセグメントの電気活性材料またはバイメタル要素に電線またはケーブルで接続された電源である。
【0012】
本発明の文脈では、電気活性材料は、電気エネルギー供給の影響下で、特にその形状またはそのサイズを変化させることによって変形する材料である。本発明の文脈における好適な電気活性材料の例としては、ニチノールなどの形状記憶合金、または電気活性ポリマー（ＥＡＰ）、特に誘電性電気活性ポリマーおよびはイオン性電気活性ポリマーが挙げられる。非限定的な例として、本発明に関連して使用することができるイオン性電気活性ポリマーは、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）である。
【0013】
本発明の文脈では、バイメタル要素は、材料が導電性である場合には特に電流によってもたらすことができる熱供給の影響下で、異なる機械的特性に従って個々に弾性変形する２つの材料を含む要素であり、それらの緊密な接触によって、バイメタル要素の極めて著しい変形を生み出す。そのようなバイメタル要素は、特に、２つの金属ストリップの共圧延によって形成され得る。本発明の文脈における好適なバイメタル要素の例は、銅および鋼のバイメタル、または鉄およびニッケルのバイメタルであるが、それは、これらが全く異なる熱膨張係数を有する金属材料を組み合わせたバイメタルであるからである。
【0014】
一実施形態では、少なくとも１つのガイドセグメントは、光活性材料を含み、推進および操舵装置は、その変形を活性化するために、ガイドセグメントに対向してその放射光が放射される放射源を備える。具体的には、放射源は、レーザ光源またはＬＥＤ（発光ダイオード）であり、その放射光は、ガイドセグメントの光活性材料に対向して位置付けられた遠位端を有する光ファイバを使用して、ガイドセグメントの光活性材料まで透過される。
【0015】
本発明の文脈では、光活性材料は、放射光の影響下、特に光エネルギー供給の影響下で変形する材料である。本発明の文脈における好適な光活性材料の例は、アゾベンゼン分子を含む液晶のネットワークを含む。放射源は、可視スペクトルの全波長を含む白色光源であり得る。非限定的な例として、本発明に関連して使用することができる光活性材料は、特に酸処理によってヒドロキシアゾピリジニウム形態に局所的に変換されたアゾメロシアニン色素を含有する、二重感光性液晶に基づくアクチュエータである。
【0016】
１つの特徴によれば、前述のガイドセグメントの少なくとも２つは、それらが同時に変形する場合、主軸に沿って伸長／収縮する推進要素の変形可能部の変形を作動させ、それらが選択的に変形する場合、主軸を横切る回転軸の周りに推進要素の回転を作動させるように構成される。ガイドセグメントに選択的にエネルギーを供給することによって、推進要素の回転および伸長／収縮変形を作動させることが可能であり、これは、微細構造体の方向操舵および推進を確実に行うことを可能とする。
【0017】
１つの特徴によれば、ガイドセグメントは、推進要素の主軸の周りに等方的に分配される。これは、推進要素の方向操舵の改善された制御をもたらす。
【0018】
一実施形態によれば、推進要素の変形可能部は、推進要素の前部と後部との間で主軸の周りに螺旋状に配置された単一の可撓性脚を備え、可撓性脚は、可撓性脚に沿って分配され、それらの変形によって、互いおよび推進要素の主軸を横切る第１の回転軸および第２の回転軸それぞれの周りに、推進要素の回転を発生させるように構成された、少なくとも２つのガイドセグメントを含む。
【0019】
別の実施形態によれば、推進要素の変形可能部は、推進要素の前部と後部との間で主軸の周りに螺旋状に配置された少なくとも２つの可撓性脚を備え、推進および操舵装置は、それらの変形によって、互いおよび推進要素の主軸を横切る第１の回転軸および第２の回転軸それぞれの周りに、推進要素の回転を発生させるように構成された、少なくとも１対のガイドセグメントを、第１の可撓性脚および第２の可撓性脚それぞれに含む。
【0020】
本発明の態様によれば、ガイド要素は、電気エネルギー源へのそれぞれの接続を各々設けた少なくとも２つの電磁ガイドコイルを備え、これらは、推進要素に固定された磁石とともに電磁トランスデューサを形成し、磁石は、静止位置において推進要素の主軸に実質的に平行であり、各ガイドコイルは、電気エネルギー供給の影響下で、磁石のその静止位置に対する回転を発生させて、推進要素の主軸を横切る回転軸の周りに推進要素の回転を引き起こすように適合される。
【0021】
１つの特徴によれば、ガイドコイルおよび推進要素に固定された磁石を備える各電磁トランスデューサについて、磁石は、推進要素の回転の作動のためにガイドコイルの内側に挿入される。そのような構成は、各ガイドコイルの電気的接続に作用することによって、推進要素の回転を確実かつ正確に制御することを可能とする電磁変換効率を確保する。もちろん、磁石の極性および各ガイドコイルの電力供給は、推進要素の所望の回転を得るために適合される。
【0022】
一実施形態によれば、推進および操舵装置は、電気エネルギー源へのそれぞれの接続を設けた線形作動電磁コイルをさらに備え、これも、推進要素に固定された磁石とともに電磁トランスデューサを形成し、線形作動コイルは、電気エネルギー供給の影響下で、主軸に平行な磁石の移動を発生させて、主軸に沿って伸長／収縮する推進要素の変形可能部の変形を引き起こすように適合される。ガイドコイルおよび線形作動コイルに選択的に電力供給することによって、推進要素の回転および伸長／収縮変形を作動させることが可能であり、これは、微細構造体の方向操舵および推進を確実に行うことを可能とする。
【0023】
別の実施形態によれば、前述の電磁ガイドコイルの少なくとも２つは、それらが電気エネルギーを同時に供給される場合、主軸に沿って伸長／収縮する推進要素の変形可能部の変形を作動させ、それらが選択的に電力供給される場合、磁石のその静止位置に対する回転を発生させて、主軸を横切る回転軸の周りに推進要素の回転を引き起こすように構成される。例えば同時にまたは順次に、ガイドコイルに選択的に電力供給することによって、推進要素の回転および伸長／収縮変形を作動させることが可能であり、これは、微細構造体の方向操舵および推進を確実に行うことを可能とする。
【0024】
一実施形態によれば、各ガイドコイルは、推進要素の主軸に実質的に平行なその中心軸を有する。別の実施形態によれば、各ガイドコイルは、推進要素の主軸に実質的に垂直なその中心軸を有する。
【0025】
ガイドコイルの数は、２つ以上の任意の数であり得る。具体的には、非限定的に以下の配置を本発明に関連して考慮することができる：推進要素の主軸の方向に沿って縦に並んで配置され、それらの中心軸が推進要素の主軸と一致せずかつそれに実質的に平行である２つのガイドコイル；横に並んで配置され、それらの中心軸が推進要素の主軸に実質的に平行である２つのガイド；推進要素の主軸の方向に沿って縦に並んで配置され、それらの中心軸が推進要素の主軸と一致せずかつそれに実質的に平行である少なくとも３つのガイドコイル、具体的には、３つ、４つ、５つ、または６つのガイドコイル；推進要素の主軸の周りに分配され、それらの中心軸が推進要素の主軸に実質的に平行である少なくとも３つのガイドコイル、具体的には、３つ、４つ、５つ、または６つのガイドコイル；推進要素の主軸の周りに分配され、それらの中心軸が推進要素の主軸に実質的に垂直である少なくとも３つのガイドコイル、具体的には、３つ、４つ、５つ、または６つのガイドコイル。
【0026】
１つの特徴によれば、制御ユニットは、主軸に沿った伸長／収縮によって、推進要素の変形可能部の変形を作動させるようにさらに構成される。したがって、推進要素の回転の作動と推進要素の伸長／収縮変形の作動とを最適に協調させることが可能である。
【0027】
１つの特徴によれば、推進および操舵装置は、主軸に沿って伸長／収縮する推進要素の変形可能部の変形を作動させるように構成された線形アクチュエータを備える。一実施形態によれば、線形アクチュエータは、変形可能部の一方の端部に固定された電磁コイルと変形可能部の他方の端部に固定された永久磁石との組み合わせを含む電磁トランスデューサを備える。一実施形態によれば、線形アクチュエータはポンプを備える。この実施形態は、推進要素の変形可能部がその内部容積に流体を含有することができる場合、特に、変形可能部が連続周壁を形成する外被を有する場合に適している。一実施形態では、推進要素の変形可能部はベローズを備え、アクチュエータはポンプを備える。
【0028】
一実施形態では、推進および操舵装置は、推進要素の前部に固定された少なくとも１つの推進繊毛を備え、推進繊毛の一方の端部は、前部に固定されているが、推進繊毛の他方の端部は、特に１０－５～１０－１の間に含まれる低いレイノルズ数を有する流体中で、微細構造体の非往復運動を発生させるために自由に動くように構成された自由端である。そのような繊毛の存在により、粘性または粘弾性物質中、特に脳などの被検体の臓器中でも、微細構造体の推進運動が得られる。推進要素の変形可能部の連続的な伸長／収縮サイクルは、粘性または粘弾性物質中での推進繊毛の運動を引き起こし、したがって、推進繊毛と粘性または粘弾性物質との相互作用により、正味の推進力をもたらす。
【0029】
１つの特徴によれば、その主軸に沿った推進要素の変形可能部の各伸長／収縮変形サイクルについて、１０－５～１０－１の間に含まれる低いレイノルズ数を有する流体中での、推進要素の収縮相における推進繊毛または各推進繊毛の自由端の経路は、前述の流体中での推進要素の伸長相における推進繊毛または各推進繊毛の自由端の経路と異なる。変形可能部の伸長相および収縮相に対する推進繊毛のそのような実装は、微細構造体の非往復運動を得ることを可能とし、これは、低レイノルズ数の流動性物質中での効率的な移動を可能とする。
【0030】
具体的には、非限定的な実施形態において、粘性または粘弾性物質中での推進繊毛（単数または複数）の自由端の経路は、変形可能部の各伸長／収縮サイクルについて、楕円経路または円形経路とトポロジー的に同等である。直線線分とトポロジー的に同等な自由端の経路は、たとえ異なるダイナミクスが経路に沿って適用されたとしても、微細構造体の非往復運動を得るのに適していないことに留意すべきである。
【0031】
一実施形態によれば、推進要素の後部は、少なくとも１つの推進繊毛を備える。本発明の文脈では、推進要素の前部のみに推進繊毛が存在すれば十分であることを理解すべきである。しかしながら、後部にも推進繊毛が設けられた構成は、粘性または粘弾性物質中での微細構造体の推進に寄与し得る。一実施形態によれば、推進要素の後部がその表面に少なくとも１つの推進繊毛を含む場合、後部の推進繊毛または各推進繊毛は、推進要素の前部の推進繊毛（単数または複数）と同一であり得るか、または異なり得る。
【0032】
一実施形態によれば、推進要素の前部および／または後部の推進繊毛または各推進繊毛は、０．１～１０ＧＰａ、好ましくは０．５～２ＧＰａの範囲に含まれるヤング率を有する材料で作製される。一実施形態によれば、推進繊毛または各推進繊毛は、推進要素の変形可能部と同じ材料で作製される。一実施形態では、推進繊毛の材料は、生体適合性ポリマーである。推進繊毛（単数または複数）に適した材料の例は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シリコン、またはＯＲＭＯＣＬＥＡＲなどのＵＶ硬化性無機－有機ハイブリッドポリマーを含む。
【0033】
一実施形態によれば、少なくとも２つのガイド要素は、変形可能部の半径方向外側に位置付けられる。
【0034】
一実施形態によれば、変形可能部は、前部と後部との間に配置された揺動ディスクを含み、少なくとも２つのガイド要素は、後部と揺動ディスクとの間に配置される。
【0035】
一実施形態によれば、推進および操舵装置は、縦に並んで配置された少なくとも２つの推進要素を備え、制御ユニットは、特に１０－５～１０－１の間に含まれる低いレイノルズ数を有する流体中で、微細構造体の非往復運動を発生させるように、所定の時間的順序に従って、それらの主軸に沿って伸長／収縮する推進要素の変形のサイクルを作動させるように構成される。そのような構成は、低レイノルズ数の流体中での効率的な移動を可能とする微細構造体の非往復運動を得るための別の方法である。この構成は、単独で、または上述したような非往復運動を発生させるための少なくとも１つの推進繊毛と組み合わせて、使用され得る。
【0036】
本発明の別の目的は、上述したような推進および操舵装置を備える微細構造体である。本発明の態様によれば、微細構造体は、低レイノルズ数の流動性物質中、具体的には１０－５～１０－１の間に含まれるレイノルズ数Ｒｅを有する流動性物質中を移動するように構成される。周知のように、レイノルズ数Ｒｅは、所与の流れ条件に対する慣性力および粘性力の相対的な大きさを定量化する無次元量である。レイノルズ数Ｒｅは、流体中の慣性力と粘性力との比：Ｒｅ＝ｕＬ／νによって表すことができ、式中、ｕは、物体に対する流体の平均速度であり、Ｌは、特性長さ寸法であり、νは、流体の動粘度である。
【0037】
本発明の別の目的は、上述したような推進および操舵装置を備える、可撓管またはマイクロロボットなどの微細構造体を推進および操舵するための方法であり、方法は、
－推進および操舵装置を備える微細構造体が、特に１０－５～１０－１の間に含まれる低いレイノルズ数を有する流体中に導入されるステップと、
－エネルギー源への接続の１つ以上を、制御ユニットを使用して選択的に制御することによって、主軸に沿って伸長／収縮する推進要素の変形可能部の変形と協調して、推進要素の主軸を横切る少なくとも１つの軸の周りの推進要素の回転が作動されるステップと
を含む。
－推進および操舵装置を備える微細構造体が、特に１０－５～１０－１の間に含まれる低いレイノルズ数を有する流体中に導入されるステップと、
－エネルギー源への接続の１つ以上を、制御ユニットを使用して選択的に制御することによって、主軸に沿って伸長／収縮する推進要素の変形可能部の変形と協調して、推進要素の主軸を横切る少なくとも１つの軸の周りの推進要素の回転が作動されるステップと
を含む。
【0038】
本発明の特徴および利点は、単なる例として提供され、添付図面を参照しながら行われる、本発明に係る微細構造体を推進および操舵するための装置および方法のいくつかの実施形態の以下の説明において明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】３つの可撓性脚を含む螺旋ばねの形態の推進要素を備え、各可撓性脚が、それぞれの電気的接続を設けた電気活性材料に基づくガイドセグメントを備える、本発明の第１の実施形態に係る推進および操舵装置を備えるマイクロロボットの概略断面図である。
【図4】３つの可撓性脚を含む螺旋ばねの形態の推進要素を備え、各可撓性脚が、それぞれの放射光を透過する光ファイバに関連付けられた光活性材料に基づくガイドセグメントを備える、本発明の第２の実施形態に係る推進および操舵装置を備えるマイクロロボットについての図２と同様の断面図である。
【図5】２つの可撓性脚を含む螺旋ばねの形態の推進要素を備え、各可撓性脚が、電気活性材料に基づく複数のガイドセグメントを備え、各可撓性脚の各ガイドセグメントに、電源によって独立して電力供給することができるようにそれぞれの電気的接続が設けられる、本発明の第３の実施形態に係る推進および操舵装置を備えるマイクロロボットについての図２と同様の断面図である。
【図6】電気活性材料に基づく複数のガイドセグメントを備える単一の可撓性脚を含む螺旋ばねの形態の推進要素を備え、可撓性脚の各ガイドセグメントに、電源によって独立して電力供給することができるようにそれぞれの電気的接続が設けられる、本発明の第４の実施形態に係る推進および操舵装置を備えるマイクロロボットについての図２と同様の断面図である。
【図7】縦に並んで配置された２つの推進要素を備え、制御ユニットが、微細構造体の非往復運動を発生させるように、所定の時間的順序に従って、それらの主軸に沿って伸長／収縮する推進要素の変形のサイクルを作動させるように構成される、本発明の第５の実施形態に係る推進および操舵装置を備えるマイクロロボットについての図２と同様の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0040】
図１～３に示される第１の実施形態では、マイクロロボット１０は、粘性または粘弾性物質中、例えば、マイクロロボット向けの低レイノルズ数の流動性物質である、脳脊髄液または被検体の脳の細胞外マトリックス中を移動するように構成される。
【0041】
マイクロロボット１０は、例えば、センサ、アクチュエータ、薬物を放出するように適合されたリザーバなどであり得るマイクロロボットの活性部１１が固定される、本発明に係る推進および操舵装置１を備える。
【0042】
図１および図２に明確に示されるように、推進および操舵装置１は、前部２１、後部２３、ならびに前部２１および後部２３を接続する変形可能部２０を含む推進要素２を備える。この第１の実施形態では、変形可能部２０は、推進要素２の主軸Ｘ２に沿って伸長／収縮変形可能な螺旋ばねである。推進要素２の主軸Ｘ２は、本明細書では、変形可能部２０が固定される後部２３の遠位プレート２３０の平面に実質的に垂直な、変形可能部２０の中心軸と定義される。
【0043】
変形可能部２０を形成する螺旋ばねは、推進要素の前部２１と後部２３との間で主軸Ｘ２の周りに螺旋状に配置された３つの可撓性脚２２、２４、２６を備える。各可撓性脚２２、２４、２６に、例えばイオン性電気活性ポリマーであるＰＥＤＯＴなどの電気活性材料に基づくそれぞれのガイドセグメント３、５、７が設けられる。３つのガイドセグメント３、５、７の各々は、電気エネルギー供給の影響下で可逆的に変形可能であり、それぞれの電気ケーブル８３、８５、８７によって電源８に接続される。
【0044】
各ガイドセグメント３、５、７は、電気エネルギーの供給時に、その変形によって、対応する可撓性脚の変形および推進要素２の回転を発生させるように適合される。各ガイドセグメント３、５、７について、ガイドセグメントの変形によって発生する回転の軸は、推進要素の主軸Ｘ２、および他の２つのガイドセグメントの各々の変形によって発生する回転の軸を横切る。図３の拡大図に明確に示されるように、ガイドセグメント３、５、７は、推進要素２の主軸Ｘ２の周りに等方的に分配され、これは、推進要素の方向操舵の最適化を可能とする。したがって、本発明では、ガイドセグメント３、５、７は、可撓性脚２２、２４、２６とともに、回転および推進の両方を確実に行う単一の多機能性群を形成する。本発明は、各々が別個の機能を確実に行う異なる要素の任意の結合を特徴としていない。
【0045】
推進および操舵装置１は、推進要素２の変形可能部２０の伸長／収縮サイクルを連続的に作動させるように構成された線形アクチュエータ４も備える。アクチュエータ４は、永久磁石４１および電磁コイル４２を備える電磁トランスデューサである。磁石４１が、変形可能部２０の前端で推進要素２の前部２１に固定される一方で、コイル４２は、後部２３に取り付けられ、したがって変形可能部２０の後端に固定される。コイル４２に印加される電流に応じて、磁石４１はコイル４２と近づくかまたは離れ、これは、変形可能部２０の収縮または伸長を引き起こす。
【0046】
図１および図２に示されるように、推進要素２の前部２１は、マイクロロボット１０が移動する物質と相互作用するように構成された複数の推進繊毛２８をその表面に備える。電磁トランスデューサ４によって作動される変形可能部２０の連続的な伸長／収縮サイクルは、物質中での推進繊毛２８の運動を引き起こし、推進力を生成し、マイクロロボット１０の移動を引き起こす。
【0047】
電磁トランスデューサ４によって作動される変形可能部２０の各伸長／収縮サイクルについて、各推進繊毛２８は、変形可能部２０の収縮相における粘性または粘弾性物質中での推進繊毛２８の自由端２９の経路が、変形可能部２０の伸長相における粘性または粘弾性物質中での自由端２９の経路と異なるように構成される。有利には、粘性または粘弾性物質中での推進繊毛２８の自由端２９の経路は、各伸長／収縮サイクルについて、楕円経路または円形経路とトポロジー的に同等である。このようにして、脳脊髄液または脳の細胞外マトリックスなどの低レイノルズ数の流動性物質中でのマイクロロボット１０の効率的な移動を可能とする、マイクロロボット１０の非往復運動が得られる。
【0048】
推進および操舵装置１は、電気的接続８３、８５、８７の１つ以上を選択的に制御することによって、主軸Ｘ２を横切る少なくとも１つの軸の周りに、推進要素２の回転を作動させるように構成された制御ユニット９も備える。制御ユニット９はまた、主軸Ｘ２に沿って伸長／収縮する変形可能部２０の変形を作動させるように構成される。したがって、移動する物質中でのマイクロロボット１０の所望の運動および軌道を得るために、推進要素２の回転の作動と主軸Ｘ２に沿った変形可能部２０の伸長／収縮変形の作動とを最適に協調させることが可能である。したがって、制御ユニット９は、単一要素である推進要素２を作動させ、この単一要素の作動によって装置１の推進および回転を発生させることを可能とする。
【0049】
特に１０－５～１０－１の間に含まれる低いレイノルズ数を有する流体中でマイクロロボット１０を推進および操舵するための方法は、主軸Ｘ２に沿って伸長／収縮する変形可能部２０の変形と同時か順次かにかかわらず協調して、主軸Ｘ２を横切る少なくとも１つの軸の周りの推進要素２の回転を作動させるための、制御ユニット９を使用した電気的接続８３、８５、８７の１つ以上の選択的制御を含む。
【0050】
非限定的な例として、以下の特徴を有するマイクロロボット１０は、低レイノルズ数の流動性物質中で良好な推進および誘導性能を有する：
－マイクロロボット１０の全長：２ｍｍ、
－マイクロロボット１０の直径：２ｍｍ、
－推進要素２の変形可能部２０の長さ：０．５ｍｍ、
－線形アクチュエータコイル４２の長さ：０．５ｍｍ、
－磁石４１の長さ：０．８ｍｍ、
－各推進繊毛２８の断面：２，５００μｍ２。
－マイクロロボット１０の全長：２ｍｍ、
－マイクロロボット１０の直径：２ｍｍ、
－推進要素２の変形可能部２０の長さ：０．５ｍｍ、
－線形アクチュエータコイル４２の長さ：０．５ｍｍ、
－磁石４１の長さ：０．８ｍｍ、
－各推進繊毛２８の断面：２，５００μｍ２。
【0051】
製造プロセス
前部２１、後部２３、および変形可能部２０を、フォトレジストとしてＵＶ硬化性無機－有機ハイブリッドポリマーであるＯＲＭＯＣＬＥＡＲを使用して、３Ｄレーザリソグラフィによって一体に製造した。フォトレジストをガラス基板上に塗布し、点レーザが３Ｄ ＣＡＤ計画に従ってフォトレジストを選択的に硬化させた。推進繊毛２８を、前部２１と一体に作製し、すなわち前部２１と同じ材料で製造した。ガイドセグメント３、５、７を、変形可能部２０の可撓性脚２２、２４、２６の各々に、イオン性電気活性ポリマーであるＰＥＤＯＴの層の堆積によって得た。線形作動コイル４２を、後部２３に銅線を巻き付けることによって得た。磁石４１は、前部２１にアクリル系接着剤で付けることによって固定されたネオジム永久磁石である。
前部２１、後部２３、および変形可能部２０を、フォトレジストとしてＵＶ硬化性無機－有機ハイブリッドポリマーであるＯＲＭＯＣＬＥＡＲを使用して、３Ｄレーザリソグラフィによって一体に製造した。フォトレジストをガラス基板上に塗布し、点レーザが３Ｄ ＣＡＤ計画に従ってフォトレジストを選択的に硬化させた。推進繊毛２８を、前部２１と一体に作製し、すなわち前部２１と同じ材料で製造した。ガイドセグメント３、５、７を、変形可能部２０の可撓性脚２２、２４、２６の各々に、イオン性電気活性ポリマーであるＰＥＤＯＴの層の堆積によって得た。線形作動コイル４２を、後部２３に銅線を巻き付けることによって得た。磁石４１は、前部２１にアクリル系接着剤で付けることによって固定されたネオジム永久磁石である。
【0052】
図４に示される第２の実施形態では、第１の実施形態の要素と同様の要素は、同一の参照符号を有する。第２の実施形態のマイクロロボット１０は、ガイドセグメント３、５、７が電気活性材料の代わりに光活性材料を含むという点で、第１の実施形態と異なる。推進および操舵装置１は、光活性材料に基づく各ガイドセグメント３、５、７のために、その変形を活性化するようにガイドセグメントに対向してその放射光が導かれる専用の放射源を備える。例として、この第２の実施形態では、各ガイドセグメント３、５、７の光活性材料は、アゾベンゼン分子を含む液晶のネットワークであり、各ガイドセグメント３、５、７のための放射源は、白色光源であり、異なる供給源が同じケース８’の中に収容される。
【0053】
この第２の実施形態では、全てのガイドセグメント３、５、７は、同じ光活性材料に基づき、専用の放射源に関連するもの以外にガイドセグメントの変形を活性化する可能性がある放射相互作用を避けるために、放射光は、ガイドセグメント３、５、７の光活性材料に対向して位置付けられた遠位端を有するそれぞれの光ファイバ８３’、８５’、８７’を使用して、各ガイドセグメント３、５、７の光活性材料まで透過される。一変形例によれば、ガイドセグメント３、５、７は、異なる波長の放射光によって活性化されるように適合された異なる光活性材料に基づいてもよい。この場合、各ガイドセグメント３、５、７は、それに固有の波長範囲で放射する放射源に関連付けられる。本明細書ではこの場合も、放射光を、ガイドセグメントの光活性材料に対向して位置付けられた遠位端を有する光ファイバを使用して、ガイドセグメント３、５、７の光活性材料まで透過することができる。
【0054】
図５に示される第３の実施形態では、第１の実施形態の要素と同様の要素は、同一の参照符号を有する。第３の実施形態のマイクロロボット１０は、推進要素２の変形可能部２０が、第１の実施形態のような３つの可撓性脚の代わりに２つの可撓性脚２２、２４を備える螺旋ばねであるという点で、第１の実施形態と異なる。２つの可撓性脚２２、２４は、推進要素の前部２１と後部２３との間で主軸Ｘ２の周りに螺旋状に配置され、各々に、電気活性材料に基づく３つのガイドセグメント、それぞれ３１、３２、３３および５１、５２、５３が設けられる。２つの可撓性脚２２、２４の各々について、ガイドセグメント３１、３２、３３または５１、５２、５３は、可撓性脚に沿って分配され、それぞれの電線によって電源８に接続され、可撓性脚２２または２４の異なるガイドセグメントの全ての電線は、ケーブル８３または８５の中を通る。
【0055】
図６に示される第４の実施形態では、第１の実施形態の要素と同様の要素は、同一の参照符号を有する。第４の実施形態のマイクロロボット１０は、推進要素２の変形可能部２０が、推進要素の前部２１と後部２３との間で主軸Ｘ２の周りに螺旋状に配置された単一の可撓性脚２２を備える螺旋ばねであるという点で、第１の実施形態と異なる。可撓性脚２２は、電気活性材料に基づく４つのガイドセグメント３１、３２、３３、３４を含み、それらは、可撓性脚２２に沿って分配され、それぞれの電線によって電源８に各々接続され、可撓性脚２２の異なるガイドセグメントの全ての電線は、ケーブル８３の中を通る。ガイドセグメント３１、３２、３３、３４は、それらの変形によって、互いおよび推進要素の主軸Ｘ２を横切る第１の回転軸および第２の回転軸それぞれの周りに、推進要素２の回転を発生させるように構成される。
【0056】
図７に示される第５の実施形態では、第１の実施形態の要素と同様の要素は、同一の参照符号を有する。第５の実施形態のマイクロロボット１０は、推進および操舵装置１が、縦に並んで配置された２つの推進要素２１および２２を備え、制御ユニット９が、マイクロロボット１０の非往復運動を発生させるように、所定の時間的順序に従って、２つの推進要素の変形可能部２０１および２０２の伸長／収縮変形サイクルを作動させるように構成されるという点で、第１の実施形態と異なる。そのような構成は、低レイノルズ数の流体中での効率的な移動を可能とするマイクロロボット１０の非往復運動を達成するための、推進繊毛以外の手段である。
【0057】
この第５の実施形態では、２つの推進要素２１および２２の各々について、変形可能部２０１または２０２は、第１の実施形態の変形可能部２０と同一であり、すなわち、推進要素の主軸Ｘ２１またはＸ２２の周りに螺旋状に配置された３つの可撓性脚２２１、２４１、２６１、または２２２、２４２、２６２を備える。各可撓性脚２２１、２４１、２６１、または２２２、２４２、２６２に、電気エネルギー供給の影響下で可逆的に変形可能であり、それぞれの電気ケーブル８３１、８５１、８７１または８３２、８５２、８７２によって電源８１または８２に接続される、電気活性材料に基づくそれぞれのガイドセグメント３１、５１、７１または３２、５２、７２が設けられる。
【0058】
この第５の実施形態の推進および操舵装置１は、推進要素の変形可能部２０１または２０２の伸長／収縮サイクルを連続的に作動させる、前述の実施形態の電磁トランスデューサ４と同様の線形アクチュエータを備えていない。実際、この第５の実施形態では、２つの推進要素２１および２２の各々について、電気活性材料に基づくガイドセグメント３１、５１、７１または３２、５２、７２は、それらが同時に変形する場合、主軸Ｘ２１またはＸ２２に沿って伸長／収縮する変形可能部２０１または２０２の変形を作動させ、それらが選択的に変形する場合、主軸Ｘ２１またはＸ２２を横切る回転軸の周りに推進要素２１または２２の回転を作動させるように構成される。ガイドセグメント３１、５１、７１、３２、５２、７２に選択的に電気エネルギーを供給することによって、各推進要素２１、２２の回転および／または伸長／収縮変形を作動させることが可能であり、これは、マイクロロボット１０の方向操舵および推進の両方を確実に行うことを可能とする。
【0059】
図８～１０に示される第６の実施形態では、第１の実施形態の要素と同様の要素は、同一の参照符号を有する。第６の実施形態のマイクロロボット１０は、ガイド要素が、活性材料に基づくガイドセグメントの代わりに２つの電磁ガイドコイル４３および４５を備えるという点で、第１の実施形態と異なる。ガイドコイル４３および４５の各々は、電気エネルギー源６へのそれぞれの接続６３、６５が設けられ、推進要素２の前部２１に固定された永久磁石４１とともに電磁トランスデューサを形成する。磁石４１は、静止位置において推進要素の主軸Ｘ２に実質的に平行である。２つのガイドコイル４３、４５の各々は、電気エネルギー供給の影響下で、磁石４１のその静止位置に対する回転を発生させるように適合され、これが、主軸Ｘ２を横切る回転軸の周りに推進要素２の回転を引き起こす。
【0060】
この第６の実施形態の推進および操舵装置１は、電気エネルギー源６へのそれぞれの接続６２が設けられ、また、磁石４１とともに電磁トランスデューサを形成する、前述の実施形態のコイル４２と同様の線形作動電磁コイル４２も備える。線形作動コイル４２は、電気エネルギー供給の影響下で、主軸Ｘ２に平行な磁石４１の移動を発生させるように適合され、これが、主軸Ｘ２に沿って伸長／収縮する変形可能部２０の変形を引き起こす。ガイドコイル４３、４５および線形作動コイル４２に選択的に電力供給することによって、推進要素２の回転および伸長／収縮変形を作動させることが可能であり、これは、マイクロロボット１０の方向操舵および推進を確実に行うことを可能とする。
【0061】
線形作動コイル４２およびガイドコイル４３、４５の相対的な配置が、図１０の拡大図に示される。この図は、コイル４２、４３、４５を受け入れるためのそれぞれの溝２３２、２３３、２３５を示す。溝２３２に受け入れられる線形作動コイル４２の中心軸は、推進要素２の主軸Ｘ２と位置合わせされる。溝２３３に受け入れられるガイドコイル４３の中心軸は、推進要素２の主軸Ｘ２に対して、上方向および図１０のシートの平面の中に伸びる方向に沿ってオフセットされる。最後に、溝２３５に受け入れられるガイドコイル４５の中心軸は、推進要素２の主軸Ｘ２に対して、下方向および図１０のシートの平面から出る方向に沿ってオフセットされる。
【0062】
図１１に示される第７の実施形態では、第６の実施形態の要素と同様の要素は、同一の参照符号を有する。この第７の実施形態では、推進および操舵装置１は、電気エネルギー源へのそれぞれの接続を各々設け、推進要素２の前部に固定された永久磁石４１とともに電磁トランスデューサを形成するように構成された、３つのガイドコイル４３、４５、４７（図示せず）を備える。図１１に、ガイドコイル４３、４５、４７を受け入れるためのそれぞれの溝２３３、２３５、２３７が示される。３つのガイドコイル４３、４５、４７は、推進要素２の主軸Ｘ２の方向に沿って縦に並んで配置され、それらの中心軸は、主軸Ｘ２と一致せず、主軸Ｘ２に実質的に平行である。
【0063】
具体的には、図１１に示される例では、溝２３３に受け入れられるガイドコイル４３の中心軸は、推進要素２の主軸Ｘ２に対して、下方向および図１１のシートの平面の中に伸びる方向に沿ってオフセットされる。溝２３５に受け入れられるガイドコイル４５の中心軸は、推進要素２の主軸Ｘ２に対して、上方向および図１１のシートの平面の中に伸びる方向に沿ってオフセットされる。最後に、溝２３７に受け入れられるガイドコイル４７の中心軸は、推進要素２の主軸Ｘ２に対して、下方向および図１１のシートの平面から出る方向に沿ってオフセットされる。３つのガイドコイル４３、４５、４７は、それらが電気エネルギーを同時に供給される場合、主軸Ｘ２に沿って伸長／収縮する推進要素２の変形可能部２０の変形を作動させ、それらが選択的に電力供給される場合、磁石４１のその静止位置に対する回転を発生させて、主軸Ｘ２を横切る回転軸の周りに推進要素２の回転を引き起こすように構成される。
【0064】
図１２に示される第８の実施形態では、第６の実施形態の要素と同様の要素は、同一の参照符号を有する。この第８の実施形態では、推進および操舵装置１は、電気エネルギー源へのそれぞれの接続を各々設け、推進要素２の前部に固定された永久磁石４１とともに電磁トランスデューサを形成するように構成された、線形作動コイル４２および３つのガイドコイル４３、４５、４７（図示せず）を備える。図１２に、コイル４２、４３、４５、４７を受け入れるためのそれぞれの溝２３２、２３３、２３５、２３７が示される。線形作動コイル４２は推進要素２の後部に配置され、その中心軸は推進要素２の主軸Ｘ２に実質的に平行である一方で、３つのガイドコイル４３、４５、４７は、線形作動コイル４２の周りに分配されていると同時に互いから等距離であり、それらの中心軸は主軸Ｘ２に実質的に垂直である。
【0065】
この第８の実施形態では、主軸Ｘ２に沿って伸長／収縮する変形可能部２０の変形の作動は、線形作動コイル４２に電力供給することによって得られる一方で、主軸Ｘ２を横切る回転軸の周りに推進要素２の回転を引き起こす、磁石４１のその静止位置に対する回転の作動は、ガイドコイル４３、４５、４７に選択的に電力供給することによって得られる。
【0066】
図１３および図１４にそれぞれ示される第９および第１０の実施形態では、第６の実施形態の要素と同様の要素は、同一の参照符号を有する。これらの第９および第１０の実施形態では、第９および第１０の実施形態に係る推進要素２は、図３に示される実施形態の推進要素のように、前部２１、後部２３、ならびに前部２１および後部２３を接続する変形可能部２０を含む。これらの第９および第１０の実施形態では、変形可能部２０は、推進要素２の主軸Ｘ２に沿って伸長／収縮変形可能な螺旋ばねである。軸Ｘ２は、前と同じように、変形可能部２０が固定される後部２３の遠位プレート２３０の平面に実質的に垂直な、変形可能部２０の中心軸と定義される。変形可能部２０を形成する螺旋ばねは、推進要素２の前部２１と後部２３との間で主軸Ｘ２の周りに螺旋状に配置された３つの可撓性脚２２、２４、２６を備える。
【0067】
これらの第９および第１０の実施形態では、変形可能部２０を形成する螺旋ばねは、推進要素２の前部２１と後部２３との間に各々伸びる少なくとも１つのガイド要素３、５、７と連動する。示されていない実施形態では、ガイド要素は、螺旋ばねの周りに伸びる。第９および第１０の実施形態では、螺旋ばねは、少なくとも１つのガイド要素３、４、５の周りに伸びる。より具体的には、第９および第１０の実施形態では、装置１は、推進要素の前部２１と後部２３との間で主軸Ｘ２の周りに螺旋状に配置された、変形可能な足またはセグメントを各々形成する３つのガイド要素３、５、７を含む。図１３に示される第９の実施形態では、変形可能セグメント３、５、７および可撓性脚２２、２４、２６は、推進要素２の周囲にわたって均等に分配され、その結果、推進要素２は、可撓性脚２２、２４、２６および変形可能セグメント３、５、７の円形の交互配置を有する。図１４に示される第１０の実施形態では、各変形可能セグメント３、５、７は、螺旋ばねの可撓性脚２２、２４、２６と半径方向に位置合わせされる。したがって、各可撓性脚２２、２４、２６は、図１３、１４の実施形態の各々において、ガイド要素３、５、７と連動する。
【0068】
前述の実施形態のように、各変形可能セグメント３、５、７は、例えば電気活性材料、例えばイオン性電気活性ポリマーであるＰＥＤＯＴを含む。したがって、３つのガイド要素３、５、７の各々は、電気エネルギー供給の影響下で可逆的に変形可能である。各ガイド要素３、５、７は、電気エネルギーの供給時に、その変形によって、対応する可撓性脚２２、２４、２６の変形および推進要素２の回転を発生させるように適合される。各ガイドセグメント３、５、７について、ガイドセグメントの変形によって発生する回転の軸は、推進要素２の主軸Ｘ２、および他の２つのガイド要素の各々の変形によって発生する回転の軸を横切る。推進要素２の主軸Ｘ２の周りのガイドセグメント３、５、７の等方的な分配は、第１の実施形態のように、推進要素２の方向操舵の最適化を可能とする。したがって、実施形態を問わず、本発明では、ガイドセグメント３、５、７は、可撓性脚２２、２４、２６とともに、回転および推進の両方を確実に行う単一の多機能性群を形成することに留意すべきである。本発明は、各々が別個の機能を確実に行う異なる要素の任意の結合を特徴としていない。
【0069】
図１５および図１６に示される第１１の実施形態では、第１の実施形態の要素と同様の要素は、同一の参照符号を有する。この第１１の実施形態では、マイクロロボット１０を推進および操舵するための装置１は、前述の実施形態のように、粘性または粘弾性物質中、例えば、低レイノルズ数の流動性物質である、脳脊髄液または被検体の脳の細胞外マトリックス中を移動するように構成される。
【0070】
図１５および図１６に、推進要素２の代替実施形態が示される。この第１１の実施形態では、推進要素２は、前部２１、後部２３、ならびに前部２１および後部２３を接続する変形可能部２０を含む。変形可能部２０は、前部サブ部分２０Ａおよび後部サブ部分２０Ｂに分割され、２つのサブ部分は２０Ａ、２０Ｂは、揺動ディスク３０によってともに接続される。揺動ディスク３０は、前部２１と後部２３との間に、これらの各々から等距離に位置する。図１５および図１６に示される例では、揺動ディスク３０は、遠位プレート２３０と同様の直径を有する。しかし、示されていない実施形態では、揺動ディスク３０の直径は、遠位プレート２３０の直径より大きくてもよい。
【0071】
静止時、揺動ディスク３０は、遠位プレート２３０に実質的に平行である。この実施形態では、推進要素２の揺動ディスク３０は、マイクロロボット１０が移動する物質と相互作用するように構成された複数の推進繊毛２８をその表面に備える。変形可能部２０の連続的な伸長／収縮サイクルは、物質中での推進繊毛２８の運動を引き起こし、推進力を生成し、マイクロロボット１０の移動を引き起こす。したがって、揺動ディスク３０は、そこへの推進繊毛２８の取り付けを容易にするように、遠位プレート２３０より大きい直径を有することが有利であり得る。
【0072】
この第１１の実施形態では、変形可能部２０の前部サブ部分２０Ａは、推進要素２の主軸Ｘ２に沿って伸長／収縮変形可能な螺旋ばねである。推進要素２の主軸Ｘ２は、本明細書では、前述の実施形態と同様に、変形可能部２０が固定される後部２３の遠位プレート２３０の平面に実質的に垂直な、変形可能部２０の中心軸と定義される。変形可能部２０の前部サブ部分２０Ａを形成する螺旋ばねは、推進要素の前部２１と揺動ディスク３０との間で主軸Ｘ２の周りに螺旋状に配置された３つの可撓性脚２２、２４、２６を備える。
【0073】
この第１１の実施形態では、変形可能部２の後部サブ部分２０Ｂは、例えばイオン性電気活性ポリマーであるＰＥＤＯＴなどの電気活性材料に基づく少なくとも１つのガイド要素３、５、７を含む。より具体的には、本発明の第１１の実施形態では、変形可能部２は、ガイドセグメント３、５、７を形成する３つのガイド要素３、５、７を含む。３つのガイドセグメント３、５、７の各々は、電気エネルギー供給の影響によって可逆的に変形可能であり、電源に接続される。静止時、３つのガイドセグメント３、５、７は、同じ長さを有する。図１５に明確に示されるように、ガイドセグメント３、５、７は、推進要素２の主軸Ｘ２の周りに等方的に分配され、これは、推進要素の方向操舵の最適化を可能とする。３つのガイドセグメント３、５、７の各々は、変形可能部２の後部２３と揺動ディスク３０との間に伸びる脚を形成する。より具体的には、３つのガイドセグメントは、推進要素２の後部サブ部分２３と揺動ディスク３０との間で主軸Ｘ２の周りに螺旋状に配置される。すでに述べたように、各ガイドセグメント３、５、７は、電気エネルギーの供給時に、その変形によって、揺動ディスク３０の傾斜を発生させるように適合される。これは、図１６に示される。３つのガイドセグメント３、５、７の各々が活性化されると、揺動ディスク３０は異なる方向に傾き、したがって回転揺動運動を発生させる。この回転揺動運動は、推進要素２の回転を引き起こす。各ガイドセグメント３、５、７について、ガイドセグメントの変形によって発生する回転の軸は、推進要素の主軸Ｘ２、および他の２つのガイドセグメントの各々の変形によって発生する回転の軸を横切る。したがって、この実施形態ではまた、揺動ディスク３０が存在しているにもかかわらず、ガイドセグメント３、５、７は、可撓性脚２２、２４、２６と直接連動し、これらとともに、回転および推進の両方を確実に行う単一の多機能性群を形成する。本発明は、各々が別個の機能を確実に行う異なる要素の任意の結合を特徴としていない。
【0074】
前述の例から生じるように、本発明に係る推進および操舵装置は、一方では、互いおよび主軸を横切る少なくとも２つの回転軸の周りの推進要素の回転、ならびに他方では、微細構造体の推進を発生させる推進要素の変形可能部の変形を、協調して作動させることによって、微細構造体を３Ｄ空間内で確実かつ正確に移動させることを可能とする。有利には、各ガイド要素について、かつ存在する場合は線形アクチュエータについて、エネルギー供給を独立して活性化する能力により、推進要素の変形可能部の回転および変形を作動させるためのあらゆる空間的および時間的組み合わせを考慮することができる。具体的には、回転および変形を、所望のとおりに同時に作動させるかまたは順次作動させることができ、これは、その環境中で所望の軌道に従って微細構造体を移動させることを可能とする。
【0075】
ミリメートルスケールでは、低レイノルズ環境中で移動する最小の要素が多くのエネルギーを必要とすることに留意すべきである。関与する摩擦力は、相当なものである。摩擦のタイプ（乾燥、粘性など）およびロボットのサイズに依存するが、それでも、一般に、低いレイノルズ数は、表面力が体積力と比較して支配的であることを意味することが知られている。この場合、例えばその重量よりもロボットの全体的なサイズを最適化することが、したがってより適切である。
【0076】
したがって、装置が小さくなるほど、かつそれに含まれる機能要素が少なくなるほど、前述の装置を移動させるのに費やすエネルギーは低くなる。その小さいサイズおよび機能要素の数の削減（削減は、異なる要素の多機能的態様、具体的にはガイドセグメントによって可能とされる）により、本発明は、所与の移動について著しいエネルギー節約を可能とする。
【0077】
本発明は、説明され、図示されている例に限定されない。
【0078】
特に、前述の例では、推進要素の変形可能部は、１つ、２つ、または３つの可撓性脚を含む螺旋ばねである。あるいは、推進要素の変形可能部は、任意の数の可撓性脚を有する螺旋状または螺旋状でないばね、そうでなければ、ばね以外の変形可能構造、例えばベローズを備えてもよい。推進要素の変形可能部はまた、ばねおよびベローズの組み合わせを含んでもよく、ベローズの各ひだは、例えば、ばねの巻きに位置付けられ、ベローズの外被は、ばねの連続する巻きの間の空間を充填する。
【0079】
加えて、推進および操舵装置が、伸長／収縮する推進要素の変形可能部の変形を作動させるための専用の線形アクチュエータを備える場合、線形アクチュエータは、電磁コイルおよび永久磁石を含む前述のような電磁トランスデューサ以外のアクチュエータを備えてもよい。特に、例えばベローズを備える場合のように、変形可能部が密封外被を有する場合、伸長／収縮する変形可能部の変形を作動させるためのアクチュエータはポンプであってもよく、変形可能部の伸長／収縮を、ポンプによって作動される変形可能部の内部容積への流体の流入／流出の交互変化によって得ることができる。
【0080】
さらに、活性材料を含むガイドセグメントを実装する前述の例では、異なるガイドセグメントの活性材料は全て同じ性質のものである。あるいは、本発明に係る推進および操舵装置は、異なる組成または性質の活性材料を有するいくつかのガイドセグメントを含んでもよい。例えば、電気活性材料を含むガイドセグメントは、バイメタル要素を含むガイドセグメントと組み合わされてもよく、または光活性材料を含むガイドセグメントは、電気活性材料もしくはバイメタル要素を含むガイドセグメントと組み合わされてもよく、ガイドセグメントを活性化するための異なるエネルギー供給接続がそれに応じて適合される。活性材料に基づくガイドセグメントはまた、図８～１２の実施形態のコイルのタイプのガイドコイルと組み合わされてもよい。
【0081】
推進および操舵装置が、推進要素の回転を発生させるためのガイド要素としてのガイドコイルを備える場合、図８～１２の実施形態のコイル以外のガイドコイルの配置も、もちろん考慮することができる。具体的には、ガイドコイルの数は、２つ以上の任意の数であり、ガイドコイルは、線形作動コイルと組み合わされているかまたは組み合わされていない状態で、場合により縦に並んで、互いに隣り合って、またはさらには同心円状に配置される。
【0082】
図に示されていない有利な配置は、例えば、推進要素の主軸の周りに分配され、それらの中心軸が主軸に実質的に平行であり、互いから等距離に配置されている状態の３つのガイドコイル；推進要素の主軸の周りに分配され、それらの中心軸が主軸に実質的に平行であり、互いから等距離に配置されている状態の６つのガイドコイルを備える。これらの２つの場合では、ガイドコイルは、所望により、推進要素の後部に線形作動コイルなしで配置され、主軸に沿って伸長／収縮する変形可能部の変形の作動は、全てのガイドコイルに電気エネルギーを同時に供給することによって得られる一方で、主軸を横切る回転軸の周りに推進要素の回転を引き起こす、磁石のその静止位置に対する回転の作動は、ガイドコイルに選択的に電力供給することによって得られ、または線形作動コイルと組み合わされている状態で推進要素の後部に配置され、主軸に沿って伸長／収縮する変形可能部の変形の作動は、線形作動コイルに電力供給することによって得られる一方で、主軸を横切る回転軸の周りに推進要素の回転を引き起こす、磁石のその静止位置に対する回転の作動は、ガイドコイルに選択的に電力供給することによって得られる。
【0083】
最後に、粘性または粘弾性物質中、例えば、脳脊髄液または被検体の脳の細胞外マトリックス中を移動することを意図されたマイクロロボットの推進および操舵のための発明が説明された。あるいは、本発明に係る推進および操舵装置は、もちろん、医療分野または他の分野における他のタイプの微細構造体を移動させるように実装され得、特に、本発明に係る装置は、ステントまたはカテーテルなどの可動性可撓管の推進および操舵のために使用され得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【国際調査報告】