JP4433840B2 - 高分子アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、高分子アクチュエータに関するものである。

近年、介護支援、危険作業、エンタテインメント等の様々な方面からロボットが注目されている。これらの用途に適用されるロボットは、動物のように多くの関節（可動部）を有し、複雑な動作を可能とすることが求められる。

この可動部を駆動するアクチュエータとして、従来、磁気回転モーターが用いられてい
るが、構成材料が金属のためにアクチュエータ重量が大きくなってしまうという欠点を有している。
可動部にアクチュエータを組み込む場合、可動部を動作させる際に、アクチュエータ重量が負荷となるため、重量の大きいアクチュエータを用いるには大出力が求められるようになり、一方においては大出力のアクチュエータは、大型、大重量になってしまうという解決困難な矛盾が生じてしまう。
また、磁気回転モーターを用いる場合、必要な回転数、トルクに調整するための減速器が必要となり、この減速器に用いられるギヤは磨耗により徐々に性能低下するという欠点もある。
低速回転で高トルクが得られる超音波モーターは減速器が不要であるが、これも金属材料で構成されるため、重量が大きいため、上記と同様の問題を生じる。

このため、近年においては、軽量で、かつ柔軟性に富んだ高分子材料によって構成される高分子アクチュエータが注目されている。
この高分子アクチュエータとしては、例えばポリフッ化ビニリデン等を用いた高分子圧電素子、電子導電性高分子等を用いた導電性高分子アクチュエータ、高分子ゲル等を用いたゲルアクチュエータ等が知られている。

上記のゲルアクチュエータ、特に水膨潤高分子ゲルを用いる高分子ハイドロゲルアクチュエータは、高分子ハイドロゲルが、その周囲の温度やイオン強度や、ｐＨといった環境に応答して体積変化することを利用するものである。その変位量は３０〜５０％と大きく、発生力も０．２〜０．４ＭＰａであり、生体骨格筋に匹敵する性能を発揮する。

しかしながら、温度は、加熱、冷却ともに高速制御が困難なものであり、またイオン濃度を制御するためには、周囲電界液をポンプ等を用いて強制交換する等の作業が必要になり、これに用いる電解液を蓄えるタンクも必要となることから、小型軽量なシステムとして不向きである。

一方、ｐＨ応答性高分子ハイドロゲルを適用する場合においては、ｐＨは周囲溶液の交換で変化させる他、電気化学反応を用いて変化させることが可能とされている。
すなわち、周囲溶液を電解質水溶液とし、水溶液中に配設した電極間に電圧を印加すると、電極反応による水素イオンや水酸化物イオンの消費が起きたり、あるいは電極表面の電気二重層形成に伴う濃度勾配を生じさせたりすることができ、電極近傍のｐＨを変化させることが可能である。この現象を利用することにより、ｐＨ応答性ハイドロゲルを電気により制御、駆動することができる。

上記のようなｐＨ応答性高分子ハイドロゲルは、ゲルを構成する高分子内に酸性、あるいは塩基性の官能基を有しており、ゲル周囲における水溶液のｐＨによって膨潤度、ゲル体積が変化するようになされている。
例えば、酸性基を有するｐＨ応答性高分子ハイドロゲルを用いる場合には、ゲル周囲における水溶液のｐＨが高いときには、ゲル中の酸性基がプロトンを解離してアニオンとなり、親水性が増すと共に負電荷の分子内、あるいは分子間での反発が働き、ゲルは膨張する。逆に、ゲル周囲における水溶液のｐＨが低いときには、ゲル中の酸性基は解離せず、さらに酸性基同士で水素結合を形成するなどしてゲルは収縮する。

ここで、上記の酸性基を有するｐＨ応答性高分子ハイドロゲルに代えて、塩基性基を有するｐＨ応答性高分子ハイドロゲルを用いる場合には、上記の反応とは逆に、ゲル周囲における水溶液のｐＨが高いときには、ゲル中の塩基性基がプロトン化してカチオンとなり、親水性が増すと共に正電荷の分子内或いは分子間での反発が働き、ゲルは膨張する。

ｐＨ応答性高分子ハイドロゲルを用いる場合、具体的には、電解質水溶液中に電極を配設して１〜３Ｖ程度の電圧を印加すると、電解質水溶液中にイオン濃度勾配が形成され、電極近傍のｐＨを変化させることが可能であり、この現象を利用することにより、加熱冷却装置、ポンプ、タンク等を必要とせずに、ｐＨ応答性高分子ハイドロゲルの膨張／収縮を、電圧で制御することが可能となる。

この変形を利用してアクチュエータとすることも可能であり、イオン性高分子ハイドロゲル膜の両面に電極を配置し、これら電極間に電圧を印加することで電気化学的に湾曲変位を得るアクチュエータも知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特公平７−９７９１２号公報

しかしながら、湾曲変位するアクチュエータは、生体骨格筋のように線方向に伸張／収縮するものに比べてロボットの関節等に利用することが難しく、近年においては、生体骨格筋の様に線方向に伸縮するアクチュエータが望まれていた。

これに関しては、例えば電極間隔を広げて、ゲルをいずれか一方の電極に近づけることで、もう一方の電極による影響を避け、ゲルを湾曲させずに膨張（伸張）／収縮させることも可能であるが、ゲルの膨張／収縮を妨げずにゲルを電極近傍に固定することは、技術的に非常に困難であるという問題を有している。

また、電極間に電圧を印加して電極近傍のｐＨを変化させる場合、水の電気分解反応が起こり、陽極近傍では酸化反応によりＯＨ⁻濃度が減少してｐＨが低下するとともに酸素ガスが発生し、陰極近傍では還元反応によりＨ^＋濃度が減少してｐＨが上昇するとともに水素ガスが発生する。この場合、電極間に流れる電流を大きくすることで電極から比較的離れた場所までｐＨ変化させることが可能であるが、酸素、水素といったガスが発生したり、電解液溶媒である水が消費したりすることは、密閉したアクチュエータ素子を設計する上において問題となる。

そこで、本発明においては、上述したような問題点を解決するべく、湾曲変位することなく、線方向に伸張／収縮することができ、軽量であり、低電圧動作が可能で、かつ、ガス発生や水消費がない、密閉可能な高分子アクチュエータを提供することとした。

本発明においては、酸性、若しくは塩基性の官能基の、少なくともいずれか一方を有する高分子を含有する高分子ゲルと、この高分子ゲルに内設された、電気化学的に水素の吸蔵及び放出が可能な材料を含む電極とから構成されてなる、ゲル／電極複合体の複数個が、電解質水溶液中に配設されてなり、この複数のゲル／電極複合体の前記電極間に電圧が印加されるに伴ってゲル／電極複合体における高分子ゲル内部のｐＨが変化し、このｐＨ変化に応じて複数のゲル／電極複合体が、それぞれ体積変化を起こすように構成されている高分子アクチュエータを提供する。

本発明の高分子アクチュエータによれば、複数のゲル／電極複合体が電解質水溶液中に配設され、複数のゲル／電極複合体の電極間に電圧が印加されるに伴ってゲル／電極複合体における高分子ゲル内部のｐＨが変化し、このｐＨ変化に応じて複数のゲル／電極複合体がそれぞれ体積変化を起こすように構成したので、従来の加熱冷却装置、ポンプ、タンク等を必要とせず、装置構成上、容易に軽量化を図ることができ、また、例えば１〜３Ｖといった低い電圧で制御することが可能となった。

また、ゲル／電極複合体に内設される電極が、電気化学的に水素の吸蔵及び放出が可能な材料を含む電極であるものとしたため、電気分解反応によるガス発生が起こったり、水を消費したりすることを回避でき、密閉したアクチュエータ素子を得ることができた。

さらに、複数のゲル／電極複合体が、酸性、若しくは塩基性の官能基の、少なくともいずれか一方を有する高分子を含有した高分子ゲルと、この高分子ゲルに内設された電極とから構成されているものとしたため、従来のように湾曲変位することなく、例えば生体骨格筋のように線方向の、伸張／収縮が可能となった。

従って、複数のゲル／電極複合体の体積変化によって得られる線方向の伸縮を、例えばロボットの関節（可動部）等に好適に利用することができた。

以下、本発明の高分子アクチュエータの具体的な実施形態について、図を参照して説明するが、本発明は、以下に示す例に限定されるものではない。

ここで、以下においては、本発明の高分子アクチュエータの好適な例として、酸性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなるゲル／電極複合体と、塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなるゲル／電極複合体とを各々一個ずつ有する構成のものについて図を参照して説明するが、本発明は、以下の例に限定されるものではない。図１に、本発明の高分子アクチュエータ１の概略構成図を示す。

図１の高分子アクチュエータ１は、酸性の官能基を有する高分子を含有した高分子ハイドロゲル２ａと、この高分子ハイドロゲル２ａに内設された電極３ａとからなる、ゲル／電極複合体（以下、酸性ゲル／電極複合体と称する場合がある。）４ａと、塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ハイドロゲル２ｂと、この高分子ハイドロゲル２ｂに内設された電極３ｂとからなる、ゲル／電極複合体（以下、塩基性ゲル／電極複合体と称する場合がある。）４ｂとを具備する構成を有している。

また、ゲル／電極複合体４ａ及び４ｂは、密閉容器５内に配設されており、ゲル／電極複合体４ａ及び４ｂの、それぞれの両端から電極３ａ、３ｂが取り出されるようになされており、また、容器５内には電解質水溶液６が充填されている。
なお、ゲル／電極複合体４ａ及び４ｂは、ほぼ平行に配設されている。ここで、容器５は、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの体積変化に追随して伸縮する機能を有している材料よりなるものとすることが望ましい。

ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの電極３ａ、３ｂ間に電圧が印加されるに伴い、高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂの内部のｐＨが変化し、このｐＨ変化に応じてゲル／電極複合体４ａ、４ｂの体積変化が起こる。

電極３ａ、３ｂを構成する材料は、電気化学的に水素の吸蔵及び放出が可能な材料を含んでいるものとする。
このように、電極構成材料として、電気化学的に水素の吸蔵及び放出が可能な材料を含んでいるものを適用することにより、陽極においては、水素放出が行われることにより、電極近傍のＨ^＋濃度が上昇してｐＨが低下し、陰極においては、Ｈ^＋の還元吸蔵が行われて電極近傍のＨ^＋濃度が低下してｐＨが上昇する、というように、水の電気分解反応による酸素、水素といったガスの発生や水を消費することなしに、高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂ内部のｐＨを変化させることが可能となるのである。

上述したような構成の高分子アクチュエータを用いた、膨張、収縮運動について図２を参照して説明する。
酸性ゲル／電極複合体４ａにおける電極３ａを陽極とし、塩基性ゲル／電極複合体４ｂにおける電極３ｂを陰極として、１〜３Ｖの電圧を印加すると、高分子ハイドロゲル２ａの内部、すなわち陽極３ａ周辺のｐＨは低下する。このようにｐＨが低下した場合、酸性ゲル／電極複合体４ａ中の酸性基は解離せず、さらに酸性基同士で水素結合を形成するなどして、酸性ゲル／電極複合体４ａは収縮する。一方、１〜３Ｖの電圧を印加すると、高分子ハイドロゲル２ｂの内部、すなわち陰極３ｂ周辺のｐＨは上昇する。このようにｐＨが上昇した場合、塩基性ゲル／電極複合体４ｂ中の塩基性基はプロトン化せず、さらに塩基性基同士で水素結合を形成するなどして、塩基性ゲル／電極複合体４ｂは収縮する（図２（ａ））。

また、電圧印加をやめるか、あるいは、上記とは逆向きの電圧を印加すれば、酸性ゲル／電極複合体４ａ内部のｐＨは上昇し、この場合、酸性ゲル／電極複合体４ａ中の酸性基がプロトンを解離してアニオンとなり、親水性が増すと共に、負電荷の分子内あるいは分子間での反発が働き、酸性ゲル／電極複合体４ａは膨張する。一方、塩基性ゲル／電極複合体４ｂ内部のｐＨは低下し、この場合、塩基性ゲル／電極複合体４ｂ中の塩基性基がプロトン化してカチオンとなり、親水性が増すと共に、正電荷の分子内或いは分子間での反発が働き、塩基性ゲル／電極複合体４ｂは膨張する（図２（ｂ））。

上述したように、本発明の高分子アクチュエータ１によれば、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂが、電解質水溶液６中に配設されてなり、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの電極３ａ、３ｂ間に電圧が印加されるに伴って、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂがそれぞれ体積変化を起こすように構成されているので、従来の、温度やイオン強度に応答して体積変化するアクチュエータのように加熱冷却装置、ポンプ、タンク等を必要とせず、装置構成を簡易かつ軽量にすることができ、また、例えば１〜３Ｖ程度の低電圧で動作制御をすることが可能となる。

また、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂが、酸性若しくは塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂと、この高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂに内設された電極３ａ、３ｂとから構成されるので、どちらのゲル／電極複合体４ａ、４ｂも電圧に対して同方向に膨張／収縮させることができ、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの形状が図示するように棒状であっても、従来のように湾曲変位することなく、長さ方向の伸張／収縮変位（線方向変位）を両方のゲル／電極複合体４ａ、４ｂにおいて行うことができる。

さらに、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂが体積変化を起こしても、高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂが電極３ａ、３ｂから離れることがないので、効率的にｐＨ変化を高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂに伝えることができ、より一層効果的に伸張／収縮を行うことができる。

よって、上述したような、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの体積変化によって得られる線方向の伸縮を、例えばロボットの関節（可動部）等に好適に利用することが可能となる。

なお、本発明の高分子アクチュエータ１においては、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂを構成する電極３ａ、３ｂは、高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂの体積変化を阻害せず追従する形状であることが望ましく、例えば図１〜図３に示すような、コイル形状が好適な例として挙げられる。この場合、コイルの弾性変形によってゲル／電極複合体４ａ、４ｂの前記体積変化に追従することができる。ここで、前記体積変化を阻害しないためには、前記コイルを形成する線は細く、しなやかであるものがより好適である。

また、本発明の高分子アクチュエータにおいては、特に、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂに内設される電極３ａ、３ｂが、電気化学的に水素の吸蔵及び放出が可能な材料を含む電極であるものとする。これにより、ガス発生や水消費なく高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂ内部のｐＨを変化させることができ、密閉したアクチュエータ素子が得られる。

電気化学的に水素の吸蔵及び放出が可能な材料としては、特に金属、無機化合物、有機高分子化合物というように制約されるものではなく、従来公知の材料を適用できる。例えば、金属水素化物や、ニッケル水素二次電池の負極材料としても知られている水素吸蔵合金は、水素吸蔵量が多く好適である。これらの材料は、単体で用いる他、必要に応じて、他の材料との混合物、合金としても適用できる。

特に、金属水素化物を形成するパラジウム（Ｐｄ）は、電気化学的な水素の吸蔵及び放出が可能な上、他の金属水素化物や水素吸蔵合金に比べて電圧を印加した際に、酸化あるいは還元されて溶出や不動体化をしにくく、好適な材料となる。また、溶出や不動体化をしやすい水素吸蔵合金を、パラジウム等の、溶出や不動体化に対する耐性に優れ、かつ水素透過性を有する材料で被覆した材料も好適なものとなる。

電解質水溶液６としては、公知の水溶性電解質を溶解した水溶液を適用できる。
電解質濃度が高ければイオン導電率が高くなり、高速にｐＨ変化を誘起できるが、浸透圧差によって高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂから電解質水溶液６へと水が奪われることがあるため、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの膨張が阻害されることがある。一方、電解質濃度が低ければゲル／電極複合体４ａ、４ｂの膨張は阻害されないが、高速な応答が得られなくなるおそれがある。このようなことに鑑みて、電解質水溶液６の電解質濃度は０．０１〜０．５ｍｏｌ／ｄｍ³が好適であることが確かめられた。

容器５は、電解質水溶液６を蓄える容器であり、またゲル／電極複合体４ａ、４ｂの変位を力学的仕事として取り出す端子として機能するものである。
容器５の形状、材料は、場合に応じて適宜選定することができるが、電解質水溶液６を密閉することができ、かつゲル／電極複合体４ａ、４ｂの変位を阻害しない柔軟性を有しているものであることが必要である。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、フッ素樹脂等の高分子材料フィルムからなる袋状容器が好適な例として挙げられる。

ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの電極３ａ、３ｂは、電極端子７と電気的に接合されてなり、この電極端子７は、容器５の密閉性を損なわない状態で容器５の外部に露呈している。
容器５が、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの前記体積変化に追随する伸縮性を有する場合、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの端部を容器５に固定することにより、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの変位に伴って容器５も変形させることができるようになる。
従って、例えば容器の端部５’を動作させたい機器可動部（図示省略）に取り付けると、力学的仕事を行うことができるようになる。
また、このゲル／電極複合体４ａ、４ｂの容器５への固定する端部を、電極端子７としてもよい。

さらに、容器５が上述したような伸縮性を有する材料ではなくても、例えば容器端部５’を容器本体５には固定せず、容器本体５の壁面に沿ってスライドするような構造とすれば、容器５によってゲル／電極複合体４ａ、４ｂの前記体積変化を阻害されるようなことが回避できる。

本発明の高分子アクチュエータにおいては、上述した複数のゲル／電極複合体を構成する高分子ゲルが、酸性の官能基と塩基性の官能基とを有する高分子を含有するものとしてもよい。
この場合、前記ゲル／電極複合体における前記高分子ゲル内部のｐＨが低いときには塩基性基のカチオン化によって膨張し、ｐＨが高いときにも酸性基のアニオン化によって膨張するが、中性付近ではイオン化した両官能基がイオン結合により錯体（イオンコンプレックス）形成するため、収縮する。

この現象は、前記複数のゲル／電極複合体を構成する前記高分子ゲルが、酸性の官能基を有する高分子と、塩基性の官能基を有する高分子との混合物を含有するものとした場合においても、同様に確認された。

上述したようなゲル／電極複合体を適用することにより、中性電解液中で電極電位を卑、貴のどちらに動かしても、ゲルは膨張し、平衡電位に戻すことで収縮する。
従って、陰極用、陽極用の二種類のゲルを用いる必要がなくなり、同一構成のゲル／電極複合体の電極間に電圧を印加することで、線方向変位を前記複数のゲル／電極複合体から取り出すことが可能となる。

図１〜図３においては、複数のゲル／電極複合体を構成する電極として、コイル状の形状物を例示したが、本発明の高分子アクチュエータを構成する電極は、この例に限定されることなく、高分子ゲルの体積変化を阻害せず、これに追従する形状であればよく、例えば図４に示すような網状の形状物であってもよい。図４に示すように網状の形状物を用いた場合もコイル状の形状物と同様に、弾性変形によって高分子ゲルの体積変化に追従することができるが、網を形成する線が細くしなやかであるほど、より一層好適である。

また、複数のゲル／電極複合体を構成する電極は、上記のように、コイル状や網状の形状物に限定されるものではなく、例えば、高分子ゲル内に、混合、分散される粒子状、又は繊維状の形状物であってもよい。この場合も、上述した例と同様に、高分子ゲルの体積変化を妨げることなく、ｐＨ変化を誘起することができる。

さらに、複数のゲル／電極複合体を構成する電極として、コイル状又は網状の形状物と、粒子状又は繊維状の形状物とを併用すれば、複数のゲル／電極複合体全体に、より一層効果的にｐＨ変化を誘起することができる。

ゲル／電極複合体を構成する高分子ゲルに適用する、酸性若しくは塩基性の官能基を有する高分子としては、酸性ではカルボン酸、スルホン酸等の官能基、塩基性では１級アミン、２級アミン、３級アミン等の官能基を有する高分子を挙げることができる。

具体的に、酸性の官能基を有する高分子としては、アクリル酸、メタクリル酸、ビニル酢酸、マレイン酸、イタコン酸、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸等の重合体を挙げることができる。
また、塩基性の官能基を有する高分子としては、エチレンイミン、アリルアミン、ビニルピリジン、リジン、ビニルアニリン、ビニルイミダゾール、アミノエチルアクリレート、メチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート、エチルアミノエチルアクリレート、エチルメチルアミノエチルアクリレート、ジエチルアミノエチルアクリレート、アミノエチルメタクリレート、メチルアミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、エチルアミノエチルメタクリレート、エチルメチルアミノエチルメタクリレート、ジエチルアミノエチルメタクリレート、アミノプロピルアクリレート、メチルアミノプロピルアクリレート、ジメチルアミノプロピルアクリレート、エチルアミノプロピルアクリレート、エチルメチルアミノプロピルアクリレート、ジエチルアミンプロピルアクリレート、アミノプロピルメタクリレート、メチルアミノプロピルメタクリレート、ジメチルアミノプロピルメタクリレート、エチルアミノプロピルメタクリレート、エチルメチルアミノプロピルメタクリレート、ジエチルアミノプロピルメタクリレート、ジメチルアミノエチルアクリルアミド、ジメチルアミノプロピルアクリルアミド等の重合体を挙げることができる。

また、必要に応じて、これらに分子内、あるいは分子間で架橋を施した高分子、これらの単量体と他の単量体との共重合体、他の高分子との混合物を使用することができる。

また、本発明の高分子アクチュエータにおいては、ゲル／電極複合体は、２個以上の複数個であればその個数に制約なく使用することができる。但し、複数のゲル／電極複合体として、酸性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなるゲル／電極複合体と、塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなるゲル／電極複合体とを用いる場合には、酸性ゲル／電極複合体を陽極、塩基性ゲル／電極複合体を陰極として電圧を印加するため、両者が同数であることがより好ましい。

また、複数のゲル／電極複合体を構成する高分子ゲルが、酸性の官能基と塩基性の官能基とを有する高分子を含有ものとする場合、及びゲル／電極複合体を構成する高分子ゲルが、酸性の官能基を有する高分子と、塩基性の官能基を有する高分子との混合物を含有するものとした場合にも、上記と同様にして半数の電極を陽極、残り半数の電極を陰極として電圧を印加するため、複数のゲル／電極複合体の総数は偶数個であることがより好ましい。

本発明に基づく高分子アクチュエータの具体的なサンプルを作製し、動作させた実施例について、以下説明する。

〔実施例１〕
下記において、ゲル／電極複合体に適用する高分子ハイドロゲルは、単量体、架橋剤、及び開始剤を水溶混合し、これをラジカル重合することによって作製するものとした。

酸性の官能基を有する高分子の単量体としてアクリル酸ナトリウム、架橋剤としてＮ、Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、開始剤として過硫酸アンモニウムをそれぞれ用意し、ｍｏｌ比で単量体：架橋剤：開始剤を１００：３：１として水溶混合してゲル前駆体溶液を作製した。

電極には、直径１０μｍのパラジウム線からなる直径１ｍｍのコイルを用い、これを内径１．５ｍｍ、長さ３０ｍｍのガラス管内に挿入し、コイルの軸とガラス管の軸とが一致するように固定した。

このガラス管に、上述したゲル前駆体溶液を注入し、ガラス管両端をゴム栓にて封じて５０℃に加温することにより、ゲル前駆体溶液のゲル化を行った。ゲル化後、ガラス管の一端を加圧して他端から取り出して水洗することにより、酸性ゲル／電極複合体（酸性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなるゲル／電極複合体）を得た。
この酸性ゲル／電極複合体を、０．０１ｍｏｌ／ｄｍ³の硝酸水溶液中に浸漬し、酸性ゲル／電極複合体を収縮させた。次に、この酸性ゲル／電極複合体を０．０５ｍｏｌ／ｄｍ³の硝酸ナトリウム水溶液中に浸漬し、白金対極、銀／塩化銀参照極を用いた３極式にて、酸性ゲル／電極複合体の電極に−１．０Ｖの電位を印加して、酸性ゲル／電極複合体を膨張させた。

また、塩基性の官能基を有する高分子の単量体としてジメチルアミノエチルメタクリレート、架橋剤としてＮ、Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、開始剤として過硫酸アンモニムを用意し、ｍｏｌ比で単量体：架橋剤：開始剤を１００：３：１として水溶混合してゲル前駆体溶液を作製した。このゲル前駆体溶液を用い、上記の酸性ゲル／電極複合体と同様の方法によって塩基性ゲル／電極複合体（塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなるゲル／電極複合体）を得た。
この塩基性ゲル／電極複合体を、０．０１ｍｏｌ／ｄｍ³の硝酸水溶液中に浸漬し、塩基性ゲル／電極複合体を膨張させた。

上述のようにして作製した酸性ゲル／電極複合体、及び塩基性ゲル／電極複合体を、長さ５０ｍｍ、直径６ｍｍの円筒状ポリエチレンフィルムに収納し、円筒状ポリエチレンフィルムの片側開口部を熱融着により封じた。
もう一方の開口部からは、０．０５ｍｏｌ／ｄｍ³の硝酸ナトリウム水溶液を注入し、熱融着にて封じた。なお、この熱融着の際には、ゲル／電極複合体の両端から露呈したコイルを挟み込んで熱融着して固定し、これを電極端子とした。
上述のようにして、図１、図２に示すような構成の高分子アクチュエータを作製した。

上述のようにして作製した高分子アクチュエータにおいて、酸性ゲル／電極複合体の電極端子を陽極、塩基性ゲル／電極複合体の電極端子を陰極として、２Ｖの電圧を印加したところ、両極のゲル／電極複合体が共に収縮し、これに伴って高分子アクチュエータ両端の熱融着部間距離が４５ｍｍから３５ｍｍへと変化した。
また、この際に両極のゲル／電極複合体からのガス発生は見られなかった。

〔実施例２〕
この例においても、ゲル／電極複合体に用いる高分子ハイドロゲルは、単量体、架橋剤及び開始剤を水溶混合し、ラジカル重合することによって作製した。

酸性の官能基を有する高分子の単量体としてアクリル酸ナトリウム、塩基性を示す官能基を有する高分子の単量体としてジメチルアミノエチルメタクリレート、架橋剤としてＮ、Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、開始剤として過硫酸アンモニムを用い、ｍｏｌ比で酸性単量体：塩基性単量体：架橋剤：開始剤を５０：５０：３：１として水溶混合してゲル前駆体溶液とした。

電極には直径１０μｍのパラジウム線からなる直径１ｍｍのコイルを用い、これを内径１．５ｍｍ、長さ３０ｍｍのガラス管内に挿入し、コイルの軸とガラス管の軸とが一致するように固定した。

このガラス管に上記のゲル前駆体溶液を注入し、ガラス管両端をゴム栓にて封じて５０℃に加温することにより、ゲル前駆体溶液のゲル化を行った。ゲル化後、ガラス管の一端を加圧して他端から取り出して水洗することにより、両性ゲル／電極複合体（酸性の官能基と塩基性の官能基とを有する高分子を含有する高分子ゲルからなるゲル／電極複合体）を得た。
この両性ゲル／電極複合体を、０．０１ｍｏｌ／ｄｍ³の硝酸水溶液中に浸漬し、両性ゲル／電極複合体を膨張させた。次に、この両性ゲル／電極複合体を０．０５ｍｏｌ／ｄｍ³の硝酸ナトリウム水溶液中に浸漬し、白金対極、銀／塩化銀参照極を用いた３極式にて、両性ゲル／電極複合体の電極に−１．０Ｖの電位を印加して、両性ゲル／電極複合体を収縮させた。

上述のようにして作製した両性ゲル／電極複合体２本を、長さ５０ｍｍ、直径６ｍｍの円筒状ポリエチレンフィルムに収納し、円筒状ポリエチレンフィルムの片側開口部を熱融着により封じた。
もう一方の開口部からは０．０５ｍｏｌ／ｄｍ³の硝酸ナトリウム水溶液を注入し、熱融着にて封じた。この熱融着の際に、ゲル／電極複合体の両端から露呈したコイルを挟み込んで熱融着して固定し、これを電極端子とした。
上述のようにして、図１及び図２に示すような構成の高分子アクチュエータを作製した。

上述のようにして作製した高分子アクチュエータにおいて、一方のゲル／電極複合体の電極端子を陽極、他方のゲル／電極複合体の電極端子を陰極として、２Ｖの電圧を印加したところ、両極のゲル／電極複合体が共に膨張し、これに伴って高分子アクチュエータ両端の熱融着部間距離が３５ｍｍから４３ｍｍへと変化した。
また、この際に両極のゲル／電極複合体からのガス発生は見られなかった。

〔実施例３〕
単量体（モノマー）の重量の１０重量％に相当するＰｄ粒子をゲル前駆体溶液に加えた。
その他の条件は、実施例１と同様として高分子アクチュエータを作製した。

酸性ゲル／電極複合体の電極端子を陽極、塩基性ゲル／電極複合体の電極端子を陰極として、２Ｖの電圧を印加したところ、両極のゲル／電極複合体が共に収縮し、これに伴って高分子アクチュエータ両端の熱融着部間距離が４５ｍｍから３１ｍｍへと変化した。
また、この際に両極のゲル／電極複合体からのガス発生は見られなかった。

〔比較例〕
この例においても、ゲル／電極複合体に用いる高分子ハイドロゲルは、単量体、架橋剤及び開始剤を水溶混合し、ラジカル重合することによって作製した。

酸性の官能基を有する高分子の単量体としてアクリル酸ナトリウム、架橋剤としてＮ、Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、開始剤として過硫酸アンモニウムを用意し、これらを、ｍｏｌ比で単量体：架橋剤：開始剤を１００：３：１として水溶混合してゲル前駆体溶液を作製した。

電極には直径１０μｍの白金線からなる直径１ｍｍのコイルを用い、これを内径１．５ｍｍ、長さ３０ｍｍのガラス管内に挿入し、コイルの軸とガラス管の軸とが一致するように固定した。

このガラス管に上記のゲル前駆体溶液を注入し、ガラス管両端をゴム栓にて封じて５０℃に加温することにより、ゲル前駆体溶液のゲル化を行った。ゲル化後、ガラス管の一端を加圧して他端から取り出して水洗することにより、酸性ゲル／電極複合体（酸性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなるゲル／電極複合体）を得た。

また、塩基性の官能基を有する高分子の単量体としてジメチルアミノエチルメタクリレート、架橋剤としてＮ、Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、開始剤として過硫酸アンモニムを用い、ｍｏｌ比で単量体：架橋剤：開始剤を１００：３：１として水溶混合してゲル前駆体溶液とした。
このゲル前駆体溶液を用い、上記の酸性ゲル／電極複合体と同様の方法によって塩基性ゲル／電極複合体（塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなるゲル／電極複合体）を作製した。
この塩基性ゲル／電極複合体を、０．０１ｍｏｌ／ｄｍ³の硝酸水溶液中に浸漬し、塩基性ゲル／電極複合体を膨張させた。

上述のようにして作製した酸性ゲル／電極複合体及び塩基性ゲル／電極複合体を、長さ５０ｍｍ、直径６ｍｍの円筒状ポリエチレンフィルムに収納し、円筒状ポリエチレンフィルムの片側開口部を熱融着により封じた。
もう一方の開口部からは０．０５ｍｏｌ／ｄｍ³の硝酸ナトリウム水溶液を注入し、熱融着にて封じた。この熱融着の際に、ゲル／電極複合体の両端から露呈したコイルを挟み込んで熱融着して固定し、これを電極端子とした。
上述のようにして、図１及び図２に示すような高分子アクチュエータを作製した。

上述のようにして作製した高分子アクチュエータにおいて、酸性ゲル／電極複合体の電極端子を陽極とし、塩基性ゲル／電極複合体の電極端子を陰極として、２Ｖの電圧を印加したところ、両極のゲル／電極複合体が共に収縮し、これに伴って高分子アクチュエータ両端の熱融着部間距離が４５ｍｍから４１ｍｍへと変化した。
この際に、両極のゲル／電極複合体からガス発生が確認された。
さらに、３Ｖの電圧を印加したところ、高分子アクチュエータ両端の熱融着部間距離は３５ｍｍへと変化したが、同時により多くのガス発生が確認された。

上記実施例１〜３、及び比較例から明らかなように、電気化学的に水素の吸蔵及び放出が可能な材料を含む電極を用いたことにより、ガスが発生したり、あるいは水を消費したりすることなく、ゲル／電極複合体における高分子ゲル内部のｐＨを変化させることができ、密閉したアクチュエータ素子において、安定した線方向における伸張／収縮状態を得ることができた。

本発明の高分子アクチュエータの一構成例の概略図を示す。 （ａ）本発明の高分子アクチュエータの収縮状態における概略断面図を示す。（ｂ）本発明の高分子アクチュエータの伸張状態における概略断面図を示す。 （ａ）本発明の高分子アクチュエータを構成するゲル／電極複合体の一例の膨張（伸張）状態における概略斜視図を示す。（ｂ）本発明の高分子アクチュエータを構成するゲル／電極複合体の一例の収縮状態における概略斜視図を示す。 （ａ）本発明の高分子アクチュエータを構成するゲル／電極複合体の他の一例の膨張（伸張）状態における概略斜視図を示す。（ｂ）本発明の高分子アクチュエータを構成するゲル／電極複合体の他の一例の収縮状態における概略斜視図を示す。

符号の説明

１……高分子アクチュエータ、２ａ，２ｂ……高分子ハイドロゲル、３……コイル状電極、３ａ，３ｂ……電極、４，４ａ，４ｂ……ゲル／電極複合体、５…容器、５’……容器の端部、６…電解質水溶液、７…電極端子、１３……網状電極

Claims (10)

1. 酸性、若しくは塩基性の官能基の、少なくともいずれか一方を有する高分子を含有する高分子ゲルと、当該高分子ゲルに内設された、電気化学的に水素の吸蔵及び放出が可能な材料を含む電極とから構成されてなる、ゲル／電極複合体の複数個が、電解質水溶液中に配設されてなり、
   前記複数のゲル／電極複合体の前記電極間に電圧が印加されるに伴って前記ゲル／電極複合体における前記高分子ゲル内部のｐＨが変化し、当該ｐＨ変化に応じて前記複数のゲル／電極複合体が、それぞれ体積変化を起こすように構成されていることを特徴とする高分子アクチュエータ。
2. 前記ゲル／電極複合体を構成する前記電極の材料が、パラジウム、あるいはパラジウムを含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
3. 前記ゲル／電極複合体を構成する前記電極の材料が、パラジウムで被覆された水素吸蔵合金であることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
4. 前記ゲル／電極複合体を構成する前記電極が、コイル状、又は網状の形状物であることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
5. 前記ゲル／電極複合体を構成する前記電極が、粒子状又は繊維状の形状物であり、前記高分子ゲル内に混合、分散されていることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
6. 前記ゲル／電極複合体を構成する前記電極が、コイル状、又は網状の形状物と、粒子状又は繊維状の形状物とからなることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
7. 酸性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなる前記ゲル／電極複合体と、
   塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなる前記ゲル／電極複合体とを、各々一以上具備することを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
8. 前記ゲル／電極複合体を構成する前記高分子ゲルが、酸性の官能基を有する高分子と、塩基性の官能基を有する高分子との混合物を含有するものであることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
9. 前記複数のゲル／電極複合体が、容器内に配設されてなり、当該容器の両端から、前記電極が取り出されるようになされ、
   前記容器内の、前記ゲル／電極複合体の周囲には、前記電解質水溶液が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
10. 前記容器が、前記複数のゲル／電極複合体の体積変化に追随する伸縮性を有していることを特徴とする請求項９に記載の高分子アクチュエータ。
    
    
    

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