仿生肌肉发明领域
本发明涉及生物工程领域，且明确地说，涉及生物机械工程学。
发明背景
随着全球人口老龄化和社会结构变化，我们的弱者和残疾人将需要自动化援助来
独立地执行正常的每日活动，因为支持服务变得越来越不可用。
复制骨骼肌的所有当前方法均已设法用例如类似水力/气动柱塞的装置、具有齿
轮/滑轮的电动机、气动囊的机械装置来代替肌肉质量。因此，为了实现必要的性能，这些装
置是庞大的，需要相当大的电力供应器，且通常仅能够沿直线在两个锚定点之间提供力。
此外，当前方法通常需要复杂的控制系统来首先感测且接着控制施加所需力所需
要的移动量，以实现所要的结果。
最后，当前方法通常经受将最终阻止和降级其性能的环境因素。它们还要求定期
维护，使得其不适合在危险环境中使用，且不适合外科移植来代替有缺陷的骨骼肌。
本发明的一方面是克服或改进现有技术的问题，以提供在形状和功能两者上复制
骨骼肌的个人援助装置和系统。本发明的另一方面是提供动力学移动装置，其被配置来形
成构造或补充器官或人造移动系统的组件。另一方面是提供现有技术的有用替代。
本说明书中仅出于提供本发明的上下文的目的而包括文档、动作、材料、装置、文
章等的论述。这并不暗示或表示这些物质中的任何一者或全部形成了现有技术基础的一部
分，或是本发明相关领域中的公知常识，因为其在本申请的每一权利要求的优先权日期之
前就已存在。
发明概述
在第一方面中，本发明提供一种电磁装置，其包括：
电路；以及
接触引发的电磁体，其具有与所述电路可操作连接的电线圈，
其中所述电线圈的一端直接连接至所述电路，且另一端连接至电磁体的磁芯，使
得在使用中，磁芯执行以下双重目的：(i)使线圈所产生的电磁场集中，以及(ii)形成使电
磁体的磁芯通电的电路的一部分。
在第二方面中，本发明包括动力学装置，其包括如本文所描述的两个或多个电磁
装置。
在一个实施方案中，所述动力学装置被配置成使得在使用中，当第一电磁装置的
电磁体通电时，所产生的磁场在磁性上吸引邻近第二电磁装置的电磁体。
在一个实施方案中，所述动力学装置被配置成使得在使用中，当第二电子装置的
电磁体与第一电磁装置的电磁体电接触时，使用于第二电磁装置的电磁体的电路闭合，且
使第二电磁装置的电磁体通电以形成磁场。
在一个实施方案中，所述两个或多个电磁装置串联安置。
在一个实施方案中，所述两个或多个电磁装置并联电连接。
在一个实施方案中，所述动力学装置包括多个电磁装置。
在第三方面中，本发明提供一种用于模拟局部或完整的哺乳动物肌肉的功能的系
统，所述系统包括如本文所描述的一个或多个动力学装置，所述一个或多个动力学装置被
包围在生物相容材料中。
在一个实施方案中，所述生物相容材料是有弹性的。
在一个实施方案中，所述生物相容材料形成管状单元，管状单元含有多个动力学
装置。
在一个实施方案中，任何一个管状单元内的两个或多个电磁装置被配置成由电路
供电，其中所施加的电能的量至少部分地取决于系统正抵抗其操作的机械力。
在一个实施方案中，所述系统被配置成使得邻近的管状单元沿长轴形成一个或多
个接触点。
在一个实施方案中，所述管状单元被配置成使得两个邻近管状单元之间的接触面
积在邻近管的磁轴之间的角移位范围内最大化。
在一个实施方案中，管状单元内的电磁装置在其未通电状态下，沿其磁轴彼此分
开某一距离，所述距离在与管状单元的磁轴长度相比时，当邻近管状单元接触时，形成所述
系统的预定收缩比率。
在一个实施方案中，所述系统包括两个或多个管状单元，其被配置来在机械方面
一致工作。
在一个实施方案中，所述两个或多个管状单元被生物相容材料包围，以形成管状
单元分组。
在一个实施方案中，所述系统包括非导电铁磁流体，所述流体至少部分地环绕一
个、大多数或所有的动力学装置。
在一个实施方案中，所述生物相容材料是有弹性的。
在一个实施方案中，管状单元分组内的管状单元相对于彼此移位。
在第四方面中，本发明提供一种治疗动物体内的肌肉紊乱的方法，所述方法包括
将如本文所描述的动力学装置或如本文所描述的系统植入动物体内的步骤，其中所述动力
学装置或系统直接或间接地机械耦合至动物的骨骼组成部分。
在一个实施方案中，所述动力学装置或系统直接或间接地电耦合至动物的神经组
成部分。
还提供一种接触引发的电磁体，藉此电线圈/绕组的一端直接连接至电路，且另一
端直接连接至电磁体本身的芯，使得所述芯形成以下双重目的：使线圈/绕组所形成的电磁
场集中，以及形成使电磁体本身通电的电路的一部分。
还提供一种由上文所指定的包围在弹性管(其可统称为“仿生肌肉纤维”)中的多
个接触引发的电磁体(下文称为“仿生肌肉单元”)组成的仿生肌肉质量，其中任何一个管内
的仿生肌肉单元被并联供电，但串联引发，取决于所施加的电能的量，以及仿生肌肉正抵抗
其操作的抵抗力。
上文所指定的仿生肌肉质量可具有仿生肌肉单元，其形状被设计成使得两个邻近
仿生肌肉单元之间的接触面积在邻近仿生肌肉单元的磁轴之间的角移位范围内最大化。
如上文所指定的仿生肌肉质量可具有位于仿生肌肉纤维内的仿生肌肉单元，其在
其非通电状态下，沿其磁轴彼此分离某一距离，所述距离在与仿生肌肉单元的磁轴长度相
比时，当邻近单元接触时，形成仿生肌肉的所要收缩比率。
如上文所指定的仿生肌肉质量可具有其仿生肌肉纤维，所述仿生肌肉纤维被分组
成包围在另一弹性管中的三个或多个仿生肌肉纤维的群组(称为“仿生肌肉群组”)，且仿生
肌肉群组中的仿生肌肉纤维中的仿生肌肉单元相对于同一仿生肌肉群组中的其它仿生肌
肉纤维中的仿生肌肉单元，沿仿生肌肉纤维的长度移位。
附图简述
图1是形成本发明的建构块或仿生肌肉单元的接触引发的电磁体的实例的剖视透
视图。此实例采取简单的“哑铃”设计的形式，具有匹配的凸端和凹端，其中电路由沿肌肉纤
维外部向下铺设的电导体完成。
图2是示出在两个毗邻的仿生肌肉单元的轴对准时如何实现其间的电接触的剖视
透视图。
图3是示出在两个毗邻的仿生肌肉单元的轴未对准时如何实现其间的电接触的剖
视透视图。此特征给予仿生肌肉纤维灵活性，并使仿生肌肉纤维、群组和质量能够实现隅角
和复杂形状周围的收缩。
图4是当仿生肌肉单元中无一者已通电(即，仿生肌肉纤维处于其“松弛”状态)时，
使用图1中所示的电磁体单元的仿生肌肉纤维的剖视透视图。
图5是当仿生肌肉单元中的一些已通电(即，仿生肌肉纤维处于局部“收缩”状态)
时，使用图1中所示的电磁体单元的仿生肌肉纤维的剖视透视图。
图6是示出仿生肌肉单元的交错布置的处于其未通电或“松弛”状态的三纤维仿生
肌肉群组的透视图。所述交错布置优化了压缩效率。
图7是当三个仿生肌肉纤维中的每一者中的仿生肌肉单元中的一些已通电(即，仿
生肌肉群组处于局部“收缩”状态)时的三纤维仿生肌肉群组的透视图。
图8是示出如何布置纤维、群组质量和护套的三群组仿生肌肉质量的横截面。
图9是示出每一仿生肌肉单元如何被并联供电但串联通电的仿生肌肉激发的电示
意图。
图10是图1中以图解方式示出的类型的单个动力学装置的照片。
图11是图4和5中以图解方式示出的类型的多个动力学装置的照片。
图12是图6和7中以图解方式示出的类型的多个动力学装置的照片。
图13是具有外部护套的(图11中所示类型的)多个动力学装置的照片。
图14是如施加至哺乳动物的骨骼以便模拟肌肉的图13的带护套装置的表示。
发明详述
在考虑此描述之后，所属领域的技术人员明白如何在各种替代实施方案和替代应
用中实施本发明。然而，尽管本文描述本发明的各种实施方案，但应理解，这些实施方案仅
作为实例而非限制呈现。由此，各种替代实施方案的此描述不应被解释为限制本发明的范
围或广度。此外，优点或其它方面的陈述适用于特定示例性实施方案，且不一定适用于所附
权利要求书所涵盖的所有实施方案。
贯穿本说明书的描述和权利要求书，词语“包括(comprise)”以及所述词语的变
化，例如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”无意排除其它添加物、组件、整数或步
骤。
贯穿本说明书对“一个实施方案”或“一实施方案”的参考意味着结合所述实施方
案所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，短语“在一
个实施方案中”或“在一实施方案中”在本说明书各处的出现不一定但可以全部指代同一实
施方案。
不是用单个装置来代替肌肉质量，本发明用一起工作的种类繁多的极小装置来代
替单个肌肉质量，从而复制骨骼肌的灵活性和性能，本质上，本发明的一个实施方案中的方
法是用机电等效物来代替每一肌肉单元，而不是整个肌肉质量。
仿生肌肉质量的行程类似地模仿生物学骨骼肌的元件。就是说：呈微型接触引发
电磁体形式的仿生肌肉单元形成仿生肌肉的最小建构块；呈一系列线性隔开的仿生肌肉单
元的形式的仿生肌肉纤维包括在柔性套管内；仿生肌肉群组由包围在另一柔性套管中的三
个或多个仿生肌肉纤维组成。每一纤维内的单元布置成使得其处于彼此交错的位置中；且
仿生肌肉质量本身由若干肌肉群组组成。组成仿生肌肉质量的仿生肌肉群组的数目将与仿
生肌肉群组将施加的力的量成比例。
在一些实施方案中，仿生肌肉质量包括非导电铁磁流体，其增强磁场产生，且还将
废热带走。
以下是本发明的一个、一些或所有实施方案的优点。
生物反馈：仿生肌肉具有通过“放任”来积极且本能地响应较大的反作用力的能
力。这是通过使用磁场来实现的，其中当外力超过磁场的选定强度时，磁场不降级或自毁
(不同于柱塞、电动机、蜗轮传动等)。此“放任”属性提供对生物或人造控制器的瞬时反馈，
从而使交互过程能够简单并实时。
可用性：仿生肌肉具有复制人体内的肌肉的能力，从而允许人类通过自然接口来
控制人造移动装置。可通过形成模仿人类肌肉至骨架的放置和交互的外骨骼来实现全范围
的自然人类移动。将此与简单化的感觉反馈机构(见生物反馈)耦合就形成了自然可用的解
决方案。可通过将自然人类接口耦合至其它自然非人类形式(例如用于航空控制的鸟类、用
于航海控制的鱼类、用于地球化控制的专门挖掘动物，以及用于运输的敏捷移动动物)来扩
大此可用性。
适应性：本肌肉发明通过其被密封和加固的能力而具有增加的在多种环境内操作
的能力。蜂窝式设计促进了各种各样的构造材料的使用，从而适应对给定环境(例如，在人
体内、极端温度、极端压力、过量发射等)的安全、功能和操作需求。
可伸缩性：通过各种构造材料(见适应性)的使用，本肌肉发明具有增加的伸缩能
力，从而增加使用应用的数目。
灵活性：每一肌肉组件由许多独立的单元组成，从而允许肌肉将力扩展至其它物
体周围，或宽大地遵从外力(例如，在被按压时弯曲)。
冗余度：每一肌肉组件由形成功能性路径网络的许多独立的单元组成，从而形成
能够承受某一程度的损坏的系统。
敏捷性：每一肌肉组件由许多独立的单元组成，从而允许单元维持在高频率，以快
速适应变化的需求。
可维护性：每一肌肉组件由许多独立的单元组成，从而允许更换或加强选定的单
元，而无对其它单元或组件的限制。
稳健性：每一肌肉组件由形成功能性路径网络的许多独立单元组成，从而允许肌
肉通过更改不活动功能性路径上的单元(见可维护性)，来减少操作需求期间的不可操作周
期。
能力：每一肌肉组件具有承受给定水平的连续操作的能力，包括不可承受操作
(即，工作循环)的受控浪涌。如果某一肌肉组件的能力被认为是次佳的，那么其可被独立地
更改(见可维护性和稳健性)，来与及时周期(见敏捷性)内的强加操作需求匹配。
可用性：本肌肉发明通过其增加的承受故障公差的能力(见可接近性和冗余度)、
其增加的适应能力(见敏捷性)，以及其增加的在扩大的时间周期内功能上操作的水平(见
可维护性、稳健性和能力)而具有增加的可用性水平。
现在将借助于以下非限制优选实施方案来进一步描述本发明。
本发明的优选实施方案
仿生肌肉单元
仿生肌肉的本发明的关键是接触引发的电磁体的开发。
不同于导电线圈的两端直接连接至电路的其它电磁体，本发明的电磁体仅使导电
线圈的一端直接连接至电路。线圈的另一端在电磁体本身的芯上电终止。因此，电磁体的芯
执行以下双重功能：(i)使导电线圈所产生的电磁场集中，以及(ii)形成所述的电路用于电
磁体的部分。
当电磁体的芯与电路的另一元件电接触时，本发明的接触引发的电磁体形成其一
部分的电路完整，且电磁体通电来产生磁场。
作为仿生肌肉的本发明的关键的接触引发的电磁体本身具有多种应用。然而，当
一系列这些接触引发的电磁体在弹性构造内串联布置且并联供电时，它们形成正常生物学
肌肉的电磁等效物。
一旦所述系列中的第一电磁体通电，其所产生的磁场就在磁性上吸引所述系列中
的下一电磁体。一旦所述系列中的第二电磁体与第一电磁体电接触，用于第二电磁体的电
路就闭合，且第二电磁体变为通电，并产生其自己的磁场。现在通电的第二电磁体所产生的
电磁场现在磁性上吸引所述系列中的第三磁体，以此类推。
图1是示出绕组12和芯14的此类仿生肌肉单元10的形状的仅一个实例。不同于现
有的电磁体，电磁体的磁芯用于磁性以及导电功能两者。此创新特征的重要性在仿生肌肉
纤维的以下描述中将变得明显。
仿生肌肉单元的其它创新特征是其形状，具有凸的第一端16和凹的第二端18。不
同于正常的电磁体，仿生肌肉单元的形状被设计成使得接触面积在接触的电磁体(见图3)
之间的角移位范围内最大化。此特征确保了电阻在角移位范围内最小化。
仿生肌肉单元哑铃是由具有高导磁率且导电的一整块磁性软材料构造。磁性线圈
填充所述哑铃的内部，其中磁性线圈的一端与哑铃状电磁体芯形成永久电连接。线圈的另
一端与单个肌肉内的所有其它肌肉单元并联永久连接至电源。当不活动的肌肉单元与已经
通电且因此电连接的仿生肌肉单元电连接时，电路闭合。
仿生肌肉纤维
虽然仿生肌肉单元是仿生肌肉质量的建构块，但仿生肌肉纤维是其工作引擎。
仿生肌肉纤维由被固持在弹性非导电护套20内的合适位置中的若干仿生单元10
组成。在其未通电或“松弛”状态下(即，无电压施加)(见图4)，每一单元与所述系列中的下
一单元分开所要的收缩比率。此分离假定当完全通电时，肌肉纤维将收缩所要的收缩比率。
当将电压施加至纤维中的第一单元时，其产生吸引串联的下一单元的磁场，且经
由包围它们全部的护套相关地吸引所述系列中的所有磁性单元。
一旦第二单元与第一单元接触，用于第二单元的电路就完整，且其也产生吸引所
述系列中的下一(第三)单元的磁场(见图5)。同时，由于所述单元是并联供电的(见图9)，因
此可用的电压电位现在分开在两个通电单元之间。第二单元所产生的磁场的强度因此比第
一单元单独所产生的磁场稍弱。
此依序吸引单元并使单元通电的过程继续，直至肌肉纤维对其作用的物体的组合
抵抗力大于通电的肌肉单元所产生的组合磁力为止。以此方式，电磁仿生肌肉纤维模仿骨
骼肌的操作，骨骼肌通过电化学和化学机械操作的组合来操作。
此新颖方法消除了对复杂的感觉和控制系统的需要，因为移动是结果驱动的而不
是输入驱动的。就是说，操作者施加越来越多的电压，且因此施加越来越多的力，直至实现
结果为止，而不是首先确定所需的移动，并控制伺服器或电动机实现此移动。
仿生肌肉群组
仿生肌肉群组是同一中间弹性非导电护套(见图6和7)内的三个或多个肌肉纤维
22的集合。
弹性非导电护套用来将仿生肌肉纤维保持在一起，并在同一群组中的纤维之间传
递收缩力。
到仿生肌肉群组的仿生肌肉纤维的数目将由单个仿生肌肉单元可产生的磁力以
及所要的收缩比率决定。所要的收缩比率越大，纤维的数目越大和/或单个单元需要产生的
磁力越大。
仿生肌肉群组的重要特征是形成仿生肌肉群组的部分的一个仿生肌肉纤维中的
仿生肌肉单元沿着仿生肌肉群组的长度偏移至同一仿生肌肉群组中的另一纤维的仿生肌
肉单元。
此特征意味着在仿生肌肉群组收缩期间的任何一个时间，将在一个仿生肌肉纤维
中接触的下一仿生肌肉单元可处于完全收缩定量分离，仿生肌肉群组中的其它仿生肌肉纤
维中的仿生肌肉单元彼此较靠近。因此，下一仿生肌肉单元在群组中的纤维的任一者中接
触所需的力的量小于在单独一个纤维内所需的力。
此外，收缩的增量等于收缩比率除以仿生肌肉群组中的仿生肌肉纤维的数目。因
此，与如果所有单元均对准的情况下将出现的情况相比，收缩要平滑得多。
事实是，群组中存在一个以上纤维还提供本发明的另一特征：即冗余度。
在无多个肌肉纤维的情况下，单个仿生肌肉单元的失效将意味着整个肌肉将不工
作。这是因为虽然失效的单元将仍被吸引至所述系列中的前一单元，但其将不被激活来吸
引所述系列中下一单元。
然而，因为群组中还有其它纤维，因此具有失效纤维的纤维将被迫通过群组中的
其它纤维来收缩。因此，虽然失效单元将不被激活，但所述纤维中的下一单元将被迫与所述
失效单元接触。
因此，所述纤维中的下一单元可被激活，且具有失效单元的纤维的其余部分将无
顾虑地继续工作。
在此构造中，甚至具有失效单元，肌肉群组也将继续工作，但收缩中具有轻微暂停
或“停滞”点。
仿生肌肉质量
在仿生肌肉单元是建构块且仿生肌肉纤维是工作引擎的情况下，仿生肌肉质量是
发电室。
仿生肌肉质量是包括在整个弹性非导电护套26内的三个或多个仿生肌肉群组24
的分组(见图8)。使用此护套来在肌肉群组之间传递收缩力，并将肌肉组件从外部环境封
闭。肌肉质量的每一端处的护套的延伸形成了仿生肌肉质量的锚定构件(或腱)。
每仿生肌肉质量的仿生肌肉群组的数目由所需的收缩力的量决定。
通过添加基于油的非导电铁磁流体(即，在存在磁场的情况下可磁化的铁磁液
体)，仿生肌肉质量的性能可增强。不希望以任何方式受理论限制，提出铁磁流体显著增强
单元、纤维、群组和肌肉质量水平下产生的电磁场的电磁效率。
当结合用于使铁磁流体循环通过肌肉质量的构件使用时，铁磁流体还用于带走仿
生肌肉单元的电阻力和磁场阻力所产生的任何废热。
另外，铁磁流体可(i)抑制肌肉单元并到一起的效应，从而产生较平滑且较自然的
收缩操作；(ii)阻止肌肉质量内的金属材料的氧化，从而延长肌肉质量的寿命；(iii)充当
肌肉单元周围的磁场防护件，从而最小化来自外部磁场的磁场干扰。
虽然可利用仿生肌肉质量来形成人造骨骼肌，但本发明是普适线性移动装置，且
可用来取代需要线性刚性移动路径的任何当前移动装置，并且创造支持复杂移动系统的开
发的产业。
应了解，在本发明的示例性实施方案的以上描述中，出于精简本公开且辅助理解
各种发明性方面中的一个或多个的目的，本发明的各种特征有时在单个实施方案、图或其
描述中分组在一起。然而，本公开的此方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比每
一权利要求中明确陈述的特征多的特征的意图。相反，如所附权利要求书所反映，发明性方
面在于比单个前文所公开的实施方案的所有特征少。因此，在详述之后的权利要求书特此
明确地并入到此详述中，其中每一权利要求依靠其本身作为本发明的单独实施方案。
此外，虽然本文所描述的一些实施方案包括包含在其它实施方案中的一些而不是
其它特征，但如本领域的技术人员将理解，不同实施方案的特征的组合意在属于本发明的
范围内，且形成不同的实施方案。举例来说，在所附权利要求书中，所要求保护的实施方案
中的任何一个可以任何组合来使用。
在本文所提供的描述中，陈述大量的具体细节。然而，应理解，可在没有这些具体
细节的情况下，实践本发明的实施方案。在其它例子中，未具体示出众所周知的方法、结构
和技术，以便不模糊对本描述的理解。
因此，虽然已描述了相信是本发明优选实施方案的实施方案，但所属领域的技术
人员将认识到在不脱离本发明的精神的情况下，可对其进行其它和进一步修改，且意在要
求属于本发明的范围内的所有此类改变和修改。举例来说，可将组件和功能性添加到图式
或将其从图式中删除，且操作可在功能块之间互换。在本发明的范围内，可将步骤添加到所
描述的方法或将其从所描述的方法删除。