JP2008532462A - 生体模倣紙作動器 - Google Patents

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Abstract

本発明は、超軽量で、かつ大変形、低電圧、低電力消耗、及び適切な応答速度を有する生体模倣紙作動器(Biomimetic electro-active paper actuators)に関するものであり、セルロースのマイクロファイバ(micro fibril)が一定の方向に配列された紙、紙の両面に設けられた電極、外部から電場を受信し、直流に変換させる薄膜のレクテナ(rectenna)、直流電源の信号を受信して動力を変換/制御するPAD(power allocation & distribution)論理回路、及び薄膜バッテリからなる生体模倣紙作動器である。

Description

本発明は、超軽量で、かつ大変形、低電圧、低電力消耗、及び適切な応答速度を有する生体模倣紙作動器(Biomimetic electro-active paper actuators)、及びこのための紙の製造方法に関する。
電気駆動型ポリマー(electro-active polymer(EAP))分野は、過去10余年間大きな変形ができる機能材料が出現することにより、人工筋肉を作られる可能性が提起され、多大な関心が寄せられている。EAPは、外部の刺激によって大きな変位を生成するばかりでなく、筋肉のような弾力性があるものであって、他の材料技術が作り出せない特性と性能を有している。EAPは、次世代マイクロロボット、娯楽産業または超小型飛行体の駆動のような人工筋肉作動器の応用分野を創出している。EAP作動器の応用性は、幅広く、多くの産業応用分野に利用可能性を提示している。しかし、これまで開発されたEAPは、制限された性能を有するので、新たなEAP材料の開発が現在としては非常に重要である。EAP研究において克服しなければならない点は、作動力の増加、速い応答、低い作動信号、そして耐久性などである。特に、超軽量のEAP作動器において電力の供給は、応用デバイスと連係して非常に重要な問題である。
一般にEAPは、作動原理によって次の通り電気EAP(electronic EAP)とイオンEAP(ionic EAP)に分ける；
(1)電気EAP：ペンシルバニア州立大学の張博士(Dr. Zhang)は、電子放射されたP(VDF-TrFE)共重合体で注目すべき電歪現象を発見した。低い周波数で150 V/μmの電圧を加えたとき、約4％の電歪変形率が得られ、1GPa以上の弾性係数を有している。しかし、電子を放射して製造するので、製作単価が高い短所がある。これは、医療探査装備、水中音響、ステレオスピーカなどに使われる音響変換器(transducer)を開発するのに用いられている。エスアールアイインターナショナル(SRI International)では、去る10年間柔軟電極で被覆された弾性重合体の電場印加による応答に起因したEAP作動器の技術を開発してきている。アクリルフィルムを用いて二重ボウ-タイ(double bow-tie)やロール(roll)形態の線形作動器を製作し、6軸歩行ロボット、超小型飛行体の上下回転式翼(flapping wing)のような生体摸写ロボットの人工筋肉に応用している。しかし、200V/μm程度の高い電圧を印加しなければならず、長手方向に予備変形(prestrain)を加えなければならない短所がある。ナサラングリ(NASA Langley)研究所では、140V/μmを加えたとき、約4％程度の変形を示しながら560MPaの高い機械的弾性係数を有するグラフトされた弾性重合体の電歪ポリマーを開発した。グラフトされた弾性重合体は、柔軟性を有するバックボーン(backbone)に結晶を構成するグラフトされたポリマーで構成されている。このような電気EAPの問題は、高い作動電圧が必要であるということであるが、これにより電圧破壊(voltage breakdown)の遮蔽、パッケージング(packaging)、小型化、デバイス構成及び具現に困難がある。
(2)イオンEAP：イオンポリマーゲル(Ionic Polymer Gel)は、生体筋肉と類似の力とエネルギー密度を見せる作動器を合成できる可能性がある。アリゾナ大学のカルバート(Calvert)は、架橋結合したポリアクリルアミドとポリアクリル酸ヒドロゲル(hydrogel)を重ねて電極の間に積層し、筋肉と類似の動作ができる作動器を作った。ヒドロゲルを2つの電極の間の水中に入れると、電場によって曲がるようになる。しかし、このような多重層イオンゲル構造物は、ゲル中にイオンが拡散するのに時間が必要であるので、応答が遅い。イオン性ポリマー-金属複合体(ionomeric polymer-metal composites(IPMC))は、電場を加えたとき、ポリマー網にプラスイオンの移動により曲げ変形を発生させる広く知られているイオンEAPである。日本大阪ナショナルリサーチインスティチュート(Osaka National Research Institute(ONRI))のオグロ(Oguro)、米国ニューメキシコ(New Mexico)大学のシャヒンプア(Shahinpoor)など多くの研究者がIPMCの作動原理及び性能について研究をしてきた。これを用いてダストワイパー(dust wiper)、グリッパ、無騒音水泳ロボット、能動カテーテル、珊瑚礁と類似の繊毛組立型ロボット、人工触感システムなどを試演した。導電性ポリマー(conducting polymer, CP)は、酸化還元(redox)サイクルの中に生じる可逆的な反対-イオン(counter-ion)の充填と放電により作動する。CPを用いた作動器は、米国、日本、豪州、イタリア、スペインなど複数の国で研究しているが、CPフィルムと体積変形のないフィルムの積層に応じて二重層(bilayer)構造、三重層(trilayer)構造が今まで開発されてきた。スウェーデンのリンシェーピン(Linkopings)大学では、導電性ポリマー作動器を用いて個別に制御できる肘、腕及び2〜4つの指を持つロボットアームを作り、0.1 mmのビー玉を0.25 mm程度移すことに成功した。単一壁の炭素ナノチューブ(single-walled carbon nanotube(SWNT))を用いた作動器は、自然筋肉より高い応力を生成し、高い弾性係数を有する強誘電体よりも高い変形を発生させる。自然筋肉のように巨視的なSWNT作動器は、数十億個の個別ナノチューブが組み合わせられた形態で、作動器の寿命を短縮させるイオン交換が不要であるので、長い寿命を維持することができ、かつ低い電圧でも動作する。このようなイオンEAPは、低い作動電圧の長所があるのに対し、作動速度が遅く、電解質や水分がなければならないという短所がある。
上記のように、これまで研究された電気EAPは、速い応答と比較的大きな変位ができるが、高い作動電圧が要求され、イオンEAPは、低い作動電圧で大きな変位ができ、筋肉のような弾力があるが、応答速度が遅く、かつ水分が常に維持されなければならない短所がある。
一方、超小型虫ロボット、超小型飛行体、エンタテインメント機構のように超軽量、大変位が要求される応用分野ではこのような要求が切実である。超軽量で、かつ大変位が要求される応用のためには、EAPが超軽量で、かつ大きな変位を示すばかりでなく、速い応答速度、低い消耗電力、そして耐久性が要求される。特に、超軽量のEAP応用デバイスは、消耗電源を搭載し難い難点があるので、消耗電力を最小化するばかりでなく、重量をさらに減らすために遠隔電源を用いることが好ましい。このように遠隔電源を用いれば、EAP応用デバイスをさらに軽量化し、消耗電力を減らし、デバイスの敏捷性を向上し、活動範囲を広めてEAPの応用分野をより拡張できるようになる。
本発明は、上述した従来の問題を解決するために案出したものであって、本発明の目的は、大気中で大変形、低エネルギー、速い応答性、耐久性を有し、遠隔駆動が可能な超軽量の生体模倣紙作動器を提供することにある。
本発明では、超軽量の生体模倣紙作動器を具現するためにマイクロ波を用いた遠隔駆動技術を結び付けた生体模倣紙作動器の作動方法を提供しようとする。
本発明の上述した目的と様々な長所は、この技術分野において熟練した者により添付された図面を参照して後述する発明の好ましい実施例からさらに明らかになるであろう。
本発明により用いられる生体模倣紙作動器は、セルロースを主成分とする紙で作られるところ、セルロースのマイクロフィブリル(micro fibril)が一定の方向に配列されるように紙を作り、この紙に電極を設置して電場を加えたときに変形が発生する作動器である。
このような機能材料において重要なのは、セルロースのマイクロフィブリルが一定の方向に並べられた紙を作ることである。これを具現するためには、強アルカリを用いたビスコース(viscos)方法などでセルロースパルプを溶かしてセルロース溶液を作った後、セルロース溶液をスピンコーティングして遠心力によりセルロースのマイクロフィブリル(micro fibril)が一定に配列されるようにするか、またはセルロース溶液を小さなスリットを通じて押出しながら若干の引張力を加え、マイクロフィブリルが一定に配列されるようにする。
製造されたセルロース紙に電極を設置する方法によって多様な変形が得られるが、これに関する例示を図1及び2に示した。図1は、製造されたセルロース紙の両面に薄い導電性電極を設置し、紙の一端を固定させた状態で電場を加えたとき、曲げ変形が発生する現象を説明したものであり、図2は、電極が設置された紙を2つの平面間に位置させて電場を加えたとき、長手方向の変形が発生する例を示したものである。このとき、プワッソン比により長さが変わると、厚さ方向の変形が発生するようになる。
具体的な作動原理は、セルロースファイバの結晶領域と非結晶領域が印加された電場により反応する圧電効果とイオン転移効果により変形が発生するようになる。マイクロファイバが一定方向に配列されると、結晶領域の結晶構造により圧電効果が発生する。木及びセルロースに圧電効果があることは既に知られている事実である。一方、紙は、イオン導電体(ionic conductor)として一般に知られている。紙の製造過程でパルプに様々な金属イオンが溶け込むことができ、水分が吸着水(adsorbed water)や自由水(free water)の状態で紙の内部に存在するようになる。このようなイオンや水分は、電場が印加されることにより正極または負極に引き寄せられるが、これにより変形が発生するようになる。紙作動器の作動原理を纏めれば、セルロースの結晶領域による圧電効果と非結晶領域のイオン転移効果により変形が発生する。
マイクロ波遠隔駆動の原理は、図3、4及び5に示した。マイクロ波が入射されれば、レクテナ(Rectenna)はこれを直流電源に変える。レクテナは、パッチ型と双極子(dipole)型があり、いずれも用いることができる。レクテナの大きさは、マイクロ波の周波数に応じて変わるため、高い周波数を用いればレクテナの大きさが非常に小さくなるので、一定の方向に配列化することができ、また、レクテナは、薄膜であるので、EAPap作動器に統合することができる。双極子レクテナでは、マイクロ波を直流電源に変え、この信号を電力割当て及び分配(power allocation & distribution(PAD))論理回路の動力変換/制御回路を通じてEAPap作動器に印加させる。PADは、デュアルゲート(dual gate)MOSFETを用いて水平、垂直の2方向の信号がいずれも与えられたときに電源が供給されるようにすることにより、その原理を具現する。このとき、電極は、EAPapの両面に区域を分けて設けられており、印加される電圧を地域的に調節することにより、紙作動器の変形を所望の形態で作り出す。このような方法は、既存の作動器技術が持つ制限を越える超軽量作動器技術であって、遠隔駆動EAPap作動器を超軽量化することができ、そのため、多様な分野に応用することができる。このような遠隔駆動が可能なのは、EAPapの消耗電力が人体に害を及ぼさない程度に低いからである。EAPapを無線のマイクロ波を用いて電力を供給すれば、作動に必要な電力バッテリを搭載しなくてもよいので、超軽量の遠隔駆動EAPap作動器を具現することができる。
本発明の好適実施例を説明の目的のために開示したが、当業者は、添付のクレームに開示された本発明の範囲および主旨を逸脱しない限り、種々の改良、追加、および、置換が可能であることを理解するであろう。
図１は、セルロース紙の両面に電極を設けたものであり、電場により曲げ変形が起こることを例示した概略図である。 図２は、平板にセルロース紙を設けたものであり、長手方向の変形を示す概略図である。 図３は、本発明による生体模倣紙作動器のブロック図である。 図４は、本発明による第１実施例を概略的に示す斜視図である。 図５は、本発明による第２実施例を概略的に示す斜視図である。
符号の説明
１ 紙
２ 電極
４ レクテナ
５ ＰＡＤ論理回路
６ バッテリ層

Claims (5)

  1. セルロース紙を含んでいる生体模倣紙作動器において、セルロースのマイクロフィブリル(micro fibril)が一定の方向に配列されるようにした紙(1)、該紙の両面に設けられる電極(2)、外部から電場を受信して直流に変換させる薄膜のレクテナ(rectenna)(4)、及び直流電源の信号を受信して動力を変換/制御するPAD論理回路(5)を有する生体模倣紙作動器。
  2. 請求項１において、さらに、超薄膜型バッテリ層(6)を結合させ、マイクロ波が伝達されないときにバッテリ電源が用いられるようにした生体模倣紙作動器。
  3. 生体模倣紙の作動方法において、セルロース紙の両面に薄い導電性電極を設け、紙の一端を固定させ、電場が加えられると曲げ変形が発生するようにし、紙を2つの平面間に位置させ、電場を加えて長手方向の変形が発生するようにする生体模倣紙の作動方法。
  4. 請求項３において、マイクロ波を送信することにより遠隔的に駆動する生体模倣紙の作動方法。
  5. セルロースのマイクロフィブリル(micro fibril)が一定の方向に並べられた紙を製造する方法において、セルロースパルプを溶かしてセルロース溶液を作った後、セルロース溶液をスピンコーティングして遠心力によりセルロースのマイクロフィブリルが一定の方向に配列されるようにするか、またはセルロース溶液を微細なスリットを通じて押出しながら若干の引張力を加えることにより、マイクロフィブリルが一定の方向に配列されるように紙を製造する方法。
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