JP4682712B2 - Polymer actuator - Google Patents

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Description

本発明は、刺激応答性高強度ハイドロゲルを用いた高分子アクチュエータに関するものである。   The present invention relates to a polymer actuator using a stimulus-responsive high-strength hydrogel.

従来から、介護支援、危険作業、エンタテインメント等の様々な分野においてロボットの実用化が注目されている。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要求される。   Conventionally, practical application of robots has attracted attention in various fields such as care support, dangerous work, and entertainment. A robot applied to these uses is required to have a large number of joints (movable parts) like an animal and to enable complicated movement.

可動部を駆動するアクチュエータとして、従来においては磁気回転モーターが用いられていたが、構成材料が金属のために重量が大きくなるという欠点を有している。可動部を動作させる際には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と大出力が必要となり、一方において大出力のアクチュエータは、大型、大重量になるという問題も生じる。
また、磁気回転モーターを用いる場合には、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が低下してしまい、長期に亘って信頼性を確保することが困難であるという問題もある。
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くなり、上記と同様の問題を生じる。
Conventionally, a magnetic rotary motor has been used as an actuator for driving the movable part, but it has a disadvantage that the weight of the constituent material increases because of the metal. Since the actuator weight becomes a load when the movable part is operated, if a heavy actuator is used, a large output is required. On the other hand, a large output actuator is large and heavy.
In addition, when using a magnetic rotary motor, a speed reducer for adjusting to the required rotational speed and torque is required, and the performance of the gear used for this speed reducer is gradually deteriorated due to wear. Therefore, there is a problem that it is difficult to ensure reliability.
An ultrasonic motor capable of obtaining high torque at low speed does not require a speed reducer, but it is also made of a metal material, so that its weight increases and the same problem as described above occurs.

上述したような問題に鑑み、近年においては、軽量かつ柔軟性に富んだ高分子材料で構成される高分子アクチュエータが注目され始めている。
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、及び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。
In view of the problems as described above, in recent years, a polymer actuator made of a polymer material that is light and flexible is beginning to attract attention.
Known polymer actuators include, for example, polymer piezoelectric elements using polyvinylidene fluoride, conductive polymer actuators using electronically conductive polymers, gel actuators using polymer gels, and the like. .

上記ゲルアクチュエータのうち、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したものである。その変位量は30〜50%と大きく、生体骨格筋に匹敵する性能を発揮するものである。   Among the above gel actuators, polymer hydrogel actuators using water-swelling polymer gels in particular are based on the fact that the polymer hydrogel changes its volume in response to the surrounding temperature, ionic strength, pH and other environments. is there. The displacement amount is as large as 30 to 50%, and exhibits performance comparable to that of living skeletal muscle.

しかしながら、体積変化を温度に依存させる場合には、加熱、冷却ともに高速制御が困難である。
またイオン濃度に依存させる場合には、高分子ハイドロゲルの周囲に電界液を配置して、制御の際には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は不向きである。
However, when the volume change depends on the temperature, high-speed control is difficult for both heating and cooling.
In addition, when depending on the ion concentration, it is necessary to dispose an electric field solution around the polymer hydrogel, and for the control to forcibly replace it with a pump or the like. Is also not suitable for a small and lightweight system.

一方、pH応答性の高分子ハイドロゲルを適用する場合は、pHは周囲溶液の交換によって制御できる他、電気化学反応を用いて変化させることも可能である。
すなわち、周囲を電解質水溶液とし、かかる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生じたり、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。
特に、電極をハイドロゲル内部に埋め込み、用いるハイドロゲルを陽極に酸性高分子ゲル、陰極に塩基性高分子ゲル、というように対にすることで、電機制御、電機駆動で生体骨格筋同様の伸縮動作が得られることが知られている(例えば、下記特許文献1参照。)。
On the other hand, when a pH-responsive polymer hydrogel is applied, the pH can be controlled by exchanging the surrounding solution, and can also be changed using an electrochemical reaction.
In other words, when a voltage is applied between electrodes disposed in the aqueous solution around the electrolyte solution, hydrogen ions and hydroxide ions are consumed due to electrode reaction, or the concentration associated with the formation of an electric double layer on the electrode surface. A gradient can be generated, and the pH in the vicinity of the electrode can be changed. By utilizing this phenomenon, the pH-responsive hydrogel can be controlled and driven by electricity.
In particular, the electrode is embedded in the hydrogel, and the hydrogel used is paired with an acidic polymer gel on the anode and a basic polymer gel on the cathode, so that the same expansion and contraction as in living skeletal muscles can be achieved by electrical control and electrical drive. It is known that operation can be obtained (for example, refer to Patent Document 1 below).

特開2004−188523号公報JP 2004-188523 A

ところで、刺激応答性ハイドロゲルの膨張及び収縮を利用してアクチュエータを構成する場合、刺激応答性ハイドロゲルの膨張及び収縮から生じる力学的エネルギーを動作機械の力点へと効率的に受け渡すことが重要となる。   By the way, when constructing an actuator using the expansion and contraction of the stimulus-responsive hydrogel, it is important to efficiently transfer the mechanical energy resulting from the expansion and contraction of the stimulus-responsive hydrogel to the power point of the operating machine. It becomes.

しかしながら、動作機械の力点に、刺激応答性ハイドロゲルを直接、汎用エポキシ樹脂等の硬い接着剤を用いて接合した場合、接合箇所近傍の刺激応答性ハイドロゲルは、接合箇所から受ける抗力により、膨張及び収縮することができず、膨張及び収縮可能な部分との間に内部応力や内部歪が蓄積してしまい、最悪の場合には刺激応答性ハイドロゲルが破断してしまう。   However, when the stimulus-responsive hydrogel is directly joined to the operating machine's power point using a hard adhesive such as general-purpose epoxy resin, the stimulus-responsive hydrogel near the joint location expands due to the drag received from the joint location. In addition, the stress cannot be shrunk, and internal stress and strain are accumulated between the parts that can expand and contract, and in the worst case, the stimulus-responsive hydrogel is broken.

上述したような問題点に鑑みて、接着剤として弾力性を有する材料を適用し接合した場合、内部応力や内部歪の蓄積は低減化できるものの、接着剤部分の弾力性により、刺激応答性ハイドロゲルが発生する力学的エネルギーを動作機械の力点へと受け渡す際に損失や遅延を生じたりする他、接着剤側が破断してしまうおそれもある。   In view of the above-described problems, when a material having elasticity is applied as an adhesive and bonded, the accumulation of internal stress and internal strain can be reduced. In addition to causing loss and delay when transferring the mechanical energy generated by the gel to the power point of the operating machine, the adhesive side may be broken.

そこで、本発明においては、上述したような従来技術の課題に鑑み、刺激応答性ハイドロゲルや力点接合部の破断がなく、力学的エネルギーを効率よく取り出すことが可能な高分子アクチュエータを提供することとした。   Therefore, in the present invention, in view of the problems of the prior art as described above, there is provided a polymer actuator capable of efficiently taking out mechanical energy without causing breakage of a stimulus-responsive hydrogel or a force point joint. It was.

本発明においては、水分を吸収することにより膨潤してゲル化し、刺激により膨潤度及び体積が変化する刺激応答性ハイドロゲルを具備する高分子アクチュエータにおいて、刺激応答性ハイドロゲルの一部が、少なくとも二層以上が積層された構造を有する外殻に埋設接合されており、外殻を構成する層のうちの、刺激応答性ハイドロゲルと接合している内層を構成する材料のヤング率が、その他の層を構成する材料のヤング率よりも低く、かつ、刺激応答性ハイドロゲルのヤング率以下であるものとする。   In the present invention, in the polymer actuator including the stimulus-responsive hydrogel that swells and gels by absorbing moisture and changes the degree of swelling and volume by the stimulus, a part of the stimulus-responsive hydrogel is at least It is embedded and bonded to the outer shell having a structure in which two or more layers are laminated, and among the layers constituting the outer shell, the Young's modulus of the material constituting the inner layer bonded to the stimulus-responsive hydrogel is other than The Young's modulus of the material constituting the layer is lower than the Young's modulus of the stimulus-responsive hydrogel.

本発明によれば、刺激応答性ハイドロゲルの一部を複層構造を有する外殻に埋設接合し、ハイドロゲルと接合している外殻の内層のヤング率を、その他の層のヤング率よりも低いものとし、かつ刺激応答性ハイドロゲルのヤング率以下としたことにより、ハイドロゲルと接合している内層の材料が、弾性変形によって、接合部の刺激応答性ハイドロゲルの膨張/収縮を許容することとなり、外殻を構成するその他の層の材料が刺激応答性ハイドロゲルと接合している内層の材料の破断を抑制するように機能するため、刺激応答性ハイドロゲルや力点接合部の破断が回避でき、力学的エネルギーを効率よく取り出すことが可能となった。   According to the present invention, a part of the stimulus-responsive hydrogel is embedded and bonded to the outer shell having a multilayer structure, and the Young's modulus of the inner layer of the outer shell bonded to the hydrogel is determined from the Young's modulus of the other layers. And lower than the Young's modulus of the stimulus-responsive hydrogel, the material of the inner layer joined to the hydrogel allows expansion / contraction of the stimulus-responsive hydrogel at the joint due to elastic deformation. Because the other layers of the outer shell material function to suppress the breakage of the inner layer material joined to the stimulus responsive hydrogel, the stimulus responsive hydrogel and the force point joint break. Can be avoided, and mechanical energy can be extracted efficiently.

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。   Hereinafter, specific embodiments of the polymer actuator of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the examples shown below.

本発明の高分子アクチュエータは、刺激により膨潤度及び体積が変化する刺激応答性ハイドロゲルを具備するものであり、前記刺激応答性ハイドロゲルの一部が、少なくとも二層以上の複数層が積層された構造を有する外殻に埋設接合されており、外殻を構成する層のうちの、刺激応答性ハイドロゲルと接合している内層を構成する材料のヤング率が、その他の層を構成する材料のヤング率よりも低く、かつ、刺激応答性ハイドロゲルのヤング率以下であるものとする。   The polymer actuator of the present invention is provided with a stimulus-responsive hydrogel whose degree of swelling and volume changes by stimulation, and a part of the stimulus-responsive hydrogel is laminated at least in two or more layers. The material that constitutes the other layer is the Young's modulus of the material that constitutes the inner layer that is joined to the stimuli-responsive hydrogel among the layers that constitute the outer shell and is embedded and joined to the outer shell having the above structure. The Young's modulus is lower than the Young's modulus of the stimulus-responsive hydrogel.

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。
In the following, preferred examples of the polymer actuator of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following examples.
In FIG. 1, the schematic block diagram of the polymer actuator 1 of this invention is shown.

図1の高分子アクチュエータ10においては、いわゆる長尺形状を有する刺激応答性ハイドロゲル1の両端部が、外殻2に埋設接合されている。
なお、高分子アクチュエータ10の形状は、棒状、柱状、短冊状等のいずれであってもよい。
この高分子アクチュエータ10の埋設接合部11に存する外殻2は、埋設接合部内層3と埋設接合部外層4より構成される二層の積層構造となっている。但し本発明においてはこの限りでなく、三層以上の多層構造であってもよい。
以下、高分子アクチュエータ10を構成する各部位について説明する。
In the polymer actuator 10 of FIG. 1, both end portions of a stimulus-responsive hydrogel 1 having a so-called long shape are embedded and joined to the outer shell 2.
The shape of the polymer actuator 10 may be any of a rod shape, a column shape, a strip shape, and the like.
The outer shell 2 existing in the buried joint 11 of the polymer actuator 10 has a two-layered structure composed of the buried joint inner layer 3 and the buried joint outer layer 4. However, the present invention is not limited to this, and a multilayer structure of three or more layers may be used.
Hereinafter, each part which comprises the polymer actuator 10 is demonstrated.

刺激応答性ハイドロゲル1は、温度、イオン濃度等の、周囲の環境に応答して膨潤度が変化する、いわゆる刺激応答性ハイドロゲル材料であるものとする。
特に、イオン濃度は、周囲に所定の溶液を配置し、これを交換したり、電気化学反応を用いて変化させたりすることにより容易に制御でき、具体的には、電源と制御回路を用いることにより高速制御も可能であることから好適である。
The stimulus-responsive hydrogel 1 is a so-called stimulus-responsive hydrogel material whose swelling degree changes in response to the surrounding environment such as temperature and ion concentration.
In particular, the ion concentration can be easily controlled by placing a predetermined solution around it and changing it or changing it using an electrochemical reaction. Specifically, it uses a power supply and a control circuit. This is preferable because high-speed control is possible.

イオン濃度に応答して膨潤度が変化する刺激応答性ハイドロゲルの材料としては、例えば、分子内にカルボン酸、リン酸、スルホン酸、1級アミン、2級アミン、3級アミン、4級アンモニウム等のイオン性官能基を有する高分子が挙げられる。
具体的には、アクリル酸、メタクリル酸、ビニル酢酸、マレイン酸、メタクリロイロキシエチルリン酸、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、ビニルピリジン、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、ジエチルアミノ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、アクリロイロキシエチルトリメチルアンモニウム塩等の重合体が挙げられる。
上記分子内、あるいは分子間には、必要に応じて架橋を形成してもよく、上記各種材料を単独で用いてもよく、複数種の共重合体、あるいは混合物としてもよい。
また、補強剤として非水溶性高分子を添加してもよい。
Examples of stimuli-responsive hydrogel materials whose swelling degree changes in response to ion concentration include carboxylic acid, phosphoric acid, sulfonic acid, primary amine, secondary amine, tertiary amine, and quaternary ammonium in the molecule. And polymers having an ionic functional group such as
Specifically, acrylic acid, methacrylic acid, vinyl acetic acid, maleic acid, methacryloyloxyethyl phosphoric acid, vinyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, vinyl pyridine, vinyl aniline, vinyl imidazole, aminoethyl acrylate, methylaminoethyl acrylate, Dimethylaminoethyl acrylate, ethylaminoethyl acrylate, ethylmethylaminoethyl acrylate, diethylaminoethyl acrylate, aminoethyl methacrylate, methylaminoethyl methacrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, ethylaminoethyl methacrylate, ethylmethylaminoethyl methacrylate, diethylaminoethyl methacrylate, amino Propyl acrylate, methylaminopropyl acrylate, dimethylaminopropyl Pyracrylate, ethylaminopropyl acrylate, ethylmethylaminopropyl acrylate, diethylaminopropyl acrylate, aminopropyl methacrylate, methylaminopropyl methacrylate, dimethylaminopropyl methacrylate, ethylaminopropyl methacrylate, ethylmethylaminopropyl methacrylate, diethylaminopropyl methacrylate, dimethylaminoethyl Polymers such as acrylamide, dimethylaminopropylacrylamide, acryloyloxyethyltrimethylammonium salt and the like can be mentioned.
In the molecule or between the molecules, a cross-link may be formed as needed, the various materials may be used alone, or a plurality of types of copolymers or a mixture may be used.
Further, a water-insoluble polymer may be added as a reinforcing agent.

次に、上記刺激応答性ハイドロゲルが埋設接合される外殻2について説明する。
外殻2は、例えば所定の高分子、セラミック、金属等の従来公知の構造材料により形成することができる。
外殻2は、二層以上の複層構造であるものとし、外殻2を構成する複数層のうちの、内層側材料のヤング率が、その他の層の材料のヤング率よりも低く、かつ刺激応答性ハイドロゲル1のヤング率以下であるものとする。
例えば図1に示すように、外殻2が二層構造場合、刺激応答性ハイドロゲル1と接合している埋設接合部内層3のヤング率E1と、埋設接合部外層4のヤング率E2と、刺激応答性ハイドロゲルのヤング率E3との間には、E2>E1≦E3の関係が成立する。
Next, the outer shell 2 in which the stimulus-responsive hydrogel is embedded and bonded will be described.
The outer shell 2 can be formed of a conventionally known structural material such as a predetermined polymer, ceramic, or metal.
The outer shell 2 is assumed to have a multilayer structure of two or more layers, and among the multiple layers constituting the outer shell 2, the Young's modulus of the inner layer side material is lower than the Young's modulus of the material of the other layers, and It is assumed that the Young's modulus of the stimulus-responsive hydrogel 1 is equal to or lower than that.
For example, as shown in FIG. 1, when the outer shell 2 has a two-layer structure, the Young's modulus E 1 of the buried joint inner layer 3 joined to the stimuli-responsive hydrogel 1 and the Young's modulus E 2 of the buried joint outer layer 4. And the Young's modulus E 3 of the stimulus-responsive hydrogel, a relationship of E 2 > E 1 ≦ E 3 is established.

外殻2は、三層以上の複層構造としてもよく、かかる場合には、刺激応答性ハイドロゲル1と接合する最内層の埋設接合部内層3には刺激応答性ハイドロゲルよりも低いヤング率の材料を用い、それ以外の層は、外側に向かうほど高いヤング率となるように材料を選択する。   The outer shell 2 may have a multilayer structure of three or more layers. In such a case, the inner layer 3 of the innermost buried joint to be bonded to the stimulus-responsive hydrogel 1 has a lower Young's modulus than the stimulus-responsive hydrogel. The materials are selected so that the other layers have higher Young's modulus toward the outside.

刺激応答性ハイドロゲル1は、水、あるいは所定の溶質を溶解させた水溶液中において膨張/収縮動作を行うものであるから、刺激応答性ハイドロゲルの材料としては、水に対する機械的物性の安定性が高く、水溶性、吸水性、水膨潤性の低い材料が好適である。
また、刺激応答性ハイドロゲル1と、外殻2を構成する最内層の埋設接合部内層3との接合部に滑りが生じると、高分子アクチュエータ10として、充分な力や変位を取り出すことができなくなることから、少なくとも最内層は、接着性、粘着性の高い材料とすることが好適である。
Since the stimulus-responsive hydrogel 1 performs expansion / contraction operations in water or an aqueous solution in which a predetermined solute is dissolved, the material of the stimulus-responsive hydrogel is stable in mechanical properties against water. A material having a high water solubility, water absorption, and low water swellability is preferable.
In addition, when a slip occurs at the joint between the stimulus-responsive hydrogel 1 and the innermost buried joint inner layer 3 constituting the outer shell 2, sufficient force and displacement can be taken out as the polymer actuator 10. For this reason, at least the innermost layer is preferably made of a material having high adhesiveness and tackiness.

但し、埋設接合部内層3のヤング率E1が低すぎると、埋設接合部内層3が弾性変形することにより、刺激応答性ハイドロゲル1の膨順した際の力、及び変位が、吸収されてしまうため、埋設接合部内層3のヤング率E1は、刺激応答性ハイドロゲル1のヤング率に対して10〜100%の範囲とすることが好適である。 However, if the Young's modulus E 1 of the buried joint inner layer 3 is too low, the buried joint inner layer 3 is elastically deformed to absorb the force and displacement when the stimulus-responsive hydrogel 1 is expanded. Therefore, the Young's modulus E 1 of the buried joint inner layer 3 is preferably in the range of 10 to 100% with respect to the Young's modulus of the stimulus-responsive hydrogel 1.

図1に示すような、長尺形状の刺激応答性ハイドロゲル1を適用し、長尺方向寸法変化を伸縮変位として利用する場合について説明する。
例えば、刺激応答性ハイドロゲル1内に所定の電極を内設する。
電極は所定の電源に接続されるが、これらを電気的に接続する導通部分は、外殻2内に埋設した構成としてもよい。また、かかる導通部分に金属線を用いるとき、金属線を絶縁被覆しなければ電極へと伝達すべき電流、電圧が損失してしまう恐れがあるが、金属線を外殻2内へ埋設することにより、別途絶縁被覆することが不要となる。
また更には、金属線を外殻2内へ埋設することにより、金属線が刺激応答性ハイドロゲル1が膨張や収縮をする際に、刺激応答性ハイドロゲル1と接触したり、まとわり付いたりすることを回避でき、相互の損傷を効果的に防止できる。
The case where the long stimulus-responsive hydrogel 1 as shown in FIG. 1 is applied and the dimensional change in the longitudinal direction is used as the expansion / contraction displacement will be described.
For example, a predetermined electrode is provided in the stimulus-responsive hydrogel 1.
The electrodes are connected to a predetermined power source, but the conductive portion that electrically connects them may be embedded in the outer shell 2. In addition, when a metal wire is used for such a conductive portion, current and voltage to be transmitted to the electrode may be lost unless the metal wire is insulated, but the metal wire is embedded in the outer shell 2. This eliminates the need for separate insulation coating.
Furthermore, by embedding a metal wire in the outer shell 2, when the stimulus-responsive hydrogel 1 expands or contracts, the metal wire contacts or clings to the stimulus-responsive hydrogel 1. Can be avoided, and mutual damage can be effectively prevented.

上述したように、長尺形状の刺激応答性ハイドロゲル1の端部に、二層以上の、ヤング率についての特定を行った外殻2を設置したことにより、刺激応答性ハイドロゲル1の長尺方向と垂直方向への膨張/収縮の力が、外殻2の最内層の材料で吸収され、更にはヤング率の高い材料よりなる埋設接合部外層4が、埋設接合部内層3の材料の変形を抑制するので、力点接合部の破断が効果的に抑制でき、伸縮変位を効率良く取り出すことができる。
また外殻2は、アクチュエータの伸縮時に体積変化しないため、生体骨格筋における腱のように、動作機械の力点へ直接接合することができる。
As described above, by installing the outer shell 2 having two or more layers that specify the Young's modulus at the end of the long stimulus-responsive hydrogel 1, the length of the stimulus-responsive hydrogel 1 is increased. The expansion / contraction force in the vertical direction and the vertical direction is absorbed by the material of the innermost layer of the outer shell 2, and the buried joint outer layer 4 made of a material having a high Young's modulus becomes the material of the buried joint inner layer 3. Since the deformation is suppressed, the breakage of the power point joint can be effectively suppressed, and the expansion / contraction displacement can be taken out efficiently.
Further, since the volume of the outer shell 2 does not change when the actuator expands and contracts, it can be directly joined to the power point of the operating machine like a tendon in a living skeletal muscle.

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。   An example in which a specific sample of the polymer actuator according to the present invention was prepared and operated will be described below.

〔実施例〕
この例においては、図2に示すような構成の高分子アクチュエータ20を作製した。
先ず、非水溶媒としてDMF(ジメチルホルムアミド)を用い、DMF5mlに、刺激応答性高分子の単量体として、アクリル酸(AA)1ml、架橋剤としてN,N’−メチレンビスアクリルアミド(BIS)0.1g、重合開始剤として2,2’−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)0.01g、非水溶性高分子として分子量27万のポリフッ化ビニリデン(PVdF)0.712gを溶解させ、オルガノゲル前駆体溶液を得た。
次に、上記のようにして得たオルガノゲル前駆体溶液を、内径1.5mmのガラス管内に注入し、ガラス管両端をゴム栓にて封じて60℃に加温することにより、前駆体溶液のゲル化を行った。
ゲル化後、ガラス管からゴム栓を取り外し、ガラス管ごとオルガノゲルを60℃加熱減圧乾燥してDMFを除去し、棒状乾燥ゲルを得た。
次に、硬化前の柔軟性エポキシ樹脂を満たした内経1.5mmで、片末端を熱融着で封じた低密度ポリエチレン(LDPE)管を用意する。
次に、上記のようにして得た棒状乾燥ゲルの両末端を、それぞれ上記管内に挿入して柔軟性エポキシ樹脂を硬化させた。
上記操作により、両末端にLDPE管が接合された棒状乾燥ゲルが得られ、これをイオン交換水中に浸漬して水膨潤させ、さらにイオン交換水を用いて繰り返し洗浄を行い、最終的に、埋設接合部内層として柔軟性エポキシ樹脂層23、埋設接合部外層としてLDPE層24の二層構造の外殻22を両末端に有する棒状のpH応答性ハイドロゲル21が得られた。
適用した材料のヤング率を測定したところ、pH応答性ハイドロゲル(E3):20MPa、柔軟性エポキシ樹脂(E1):15MPa、LDPE(E2):1GPaであった。
すなわち、E2>E1≦E3の関係が成立する。
〔Example〕
In this example, a polymer actuator 20 having a configuration as shown in FIG. 2 was produced.
First, DMF (dimethylformamide) is used as a non-aqueous solvent, 5 ml of DMF, 1 ml of acrylic acid (AA) as a monomer of stimuli-responsive polymer, N, N′-methylenebisacrylamide (BIS) 0 as a crosslinking agent .1 g, 0.01 g of 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN) as a polymerization initiator, and 0.712 g of polyvinylidene fluoride (PVdF) having a molecular weight of 270,000 as a water-insoluble polymer are dissolved to prepare an organogel precursor A body solution was obtained.
Next, the organogel precursor solution obtained as described above is poured into a glass tube having an inner diameter of 1.5 mm, both ends of the glass tube are sealed with rubber stoppers, and heated to 60 ° C. Gelation was performed.
After gelation, the rubber stopper was removed from the glass tube, and the organogel together with the glass tube was dried by heating at 60 ° C. under reduced pressure to remove DMF to obtain a rod-shaped dry gel.
Next, a low density polyethylene (LDPE) tube having an inner diameter of 1.5 mm filled with a flexible epoxy resin before curing and sealed at one end by heat fusion is prepared.
Next, both ends of the rod-shaped dry gel obtained as described above were inserted into the tube to cure the flexible epoxy resin.
By the above operation, a rod-shaped dry gel having LDPE tubes bonded to both ends is obtained. This is immersed in ion-exchanged water to swell, and further washed repeatedly using ion-exchanged water. A rod-like pH-responsive hydrogel 21 having a two-layer outer shell 22 of both ends at a flexible epoxy resin layer 23 as a joint inner layer and an LDPE layer 24 as an embedded joint outer layer was obtained.
When the Young's modulus of the applied material was measured, it was pH-responsive hydrogel (E 3 ): 20 MPa, flexible epoxy resin (E 1 ): 15 MPa, and LDPE (E 2 ): 1 GPa.
That is, the relationship E 2 > E 1 ≦ E 3 is established.

上述のようにして作製した、棒状pH応答性ハイドロゲルの両末端に柔軟性エポキシ樹脂層23と、LDPE層24の二層構造の外殻22を具備する高分子アクチュエータ20を、50mN−NaOH水溶液に浸漬して膨張させ、次に50mN−HClに浸漬して収縮させる操作を繰り返したところ、pH応答性ハイドロゲル、柔軟性エポキシ樹脂、LDPEのいずれも破断することなく、二層外殻との接合を保ってpH応答性ハイドロゲルが、良好な状態で伸縮動作を行うことが確かめられた。   A polymer actuator 20 having a double-layered outer shell 22 of a flexible epoxy resin layer 23 and an LDPE layer 24 at both ends of a rod-like pH-responsive hydrogel produced as described above is prepared by using a 50 mN-NaOH aqueous solution. After repeating the operation of immersing and expanding in 50 mN-HCl and then shrinking, the pH-responsive hydrogel, flexible epoxy resin, and LDPE were not broken, and the two-layer outer shell It was confirmed that the pH-responsive hydrogel was kept stretched and stretched in a good state.

〔比較例1〕
この例においては、図3に示すような構成の高分子アクチュエータ30を作製した。
上記実施例と同様の工程により、棒状のpH応答性ハイドロゲル21を得た。
次に、硬化前の柔軟性エポキシ樹脂を満たした内経1.5mmで、片末端を熱融着で封じた低密度ポリエチレン(LDPE)管を用意した。
次に、上記のようにして得た棒状乾燥ゲルの両末端を、それぞれ上記管内に挿入して柔軟性エポキシ樹脂を硬化させた。
柔軟性エポキシ樹脂硬化後、LDPE管のみを切除して両末端に柔軟性エポキシ樹脂が接合された棒状乾燥ゲルとした。
これをイオン交換水中に浸漬して水膨潤させ、さらにイオン交換水で繰り返し洗浄することにより、柔軟性エポキシ樹脂層23の単層構成の外殻22を両端に具備する棒状pH応答性ハイドロゲル21が得られた。
適用した材料のヤング率を測定したところ、pH応答性ハイドロゲル:20MPa、柔軟性エポキシ樹脂層:15MPaであった。
[Comparative Example 1]
In this example, a polymer actuator 30 configured as shown in FIG. 3 was produced.
A rod-like pH-responsive hydrogel 21 was obtained by the same process as in the above example.
Next, a low density polyethylene (LDPE) tube having an inner diameter of 1.5 mm filled with a flexible epoxy resin before curing and sealed at one end by heat fusion was prepared.
Next, both ends of the rod-shaped dry gel obtained as described above were inserted into the tube to cure the flexible epoxy resin.
After the flexible epoxy resin was cured, only the LDPE tube was excised to obtain a rod-shaped dry gel in which the flexible epoxy resin was bonded to both ends.
This is immersed in ion-exchanged water to swell, and further washed repeatedly with ion-exchanged water, whereby a rod-like pH-responsive hydrogel 21 having outer shells 22 of a single layer structure of a flexible epoxy resin layer 23 at both ends. was gotten.
When the Young's modulus of the applied material was measured, the pH-responsive hydrogel was 20 MPa, and the flexible epoxy resin layer was 15 MPa.

上記柔軟性エポキシ樹脂層23の単層構成の外殻22を両末端に具備する棒状pH応答性ハイドロゲルを、50mN−NaOH水溶液に浸漬して膨張させ、次に50mN−HClに浸漬して収縮させる操作を繰り返したところ、pH応答性ハイドロゲル膨張時に、柔軟性エポキシ樹脂層23が亀裂破断してしまい、pH応答性ハイドロゲルから分離してしまった。   A rod-like pH-responsive hydrogel having a single-layered outer shell 22 of the flexible epoxy resin layer 23 at both ends is immersed in a 50 mN-NaOH aqueous solution to expand, and then immersed in 50 mN-HCl to shrink. When the operation was repeated, the flexible epoxy resin layer 23 was cracked and fractured during the pH-responsive hydrogel expansion, and was separated from the pH-responsive hydrogel.

〔比較例2〕
この例においては、図4に示すような構成の高分子アクチュエータ40を作製した。
上記実施例と同様の工程により、棒状のpH応答性ハイドロゲル21を得た。
次に、硬化前のエポキシ樹脂を満たした内経1.5mmで、片末端を熱融着で封じた低密度ポリエチレン(LDPE)管を用意した。
次に、上記のようにして得た棒状乾燥ゲルの両末端を、それぞれ上記管内に挿入してエポキシ樹脂を硬化させた。
エポキシ樹脂硬化後、LDPE管のみを切除して両末端にエポキシ樹脂が接合された棒状乾燥ゲルとした。
これをイオン交換水中に浸漬して水膨潤させ、さらにイオン交換水で繰り返し洗浄することにより、エポキシ樹脂層25の単層構成の外殻22を両端に具備する棒状pH応答性ハイドロゲル21が得られた。
適用した材料のヤング率を測定したところ、pH応答性ハイドロゲル:20MPa、エポキシ樹脂層:2GPaであった。
[Comparative Example 2]
In this example, a polymer actuator 40 configured as shown in FIG. 4 was produced.
A rod-like pH-responsive hydrogel 21 was obtained by the same process as in the above example.
Next, a low density polyethylene (LDPE) tube having an inner diameter of 1.5 mm filled with an epoxy resin before curing and sealed at one end by heat fusion was prepared.
Next, both ends of the rod-shaped dry gel obtained as described above were inserted into the tube to cure the epoxy resin.
After curing the epoxy resin, only the LDPE tube was excised to obtain a rod-shaped dry gel having an epoxy resin bonded to both ends.
This is immersed in ion-exchanged water to swell, and further washed repeatedly with ion-exchanged water, whereby a rod-like pH-responsive hydrogel 21 having an outer shell 22 of a single layer structure of the epoxy resin layer 25 at both ends is obtained. It was.
When the Young's modulus of the applied material was measured, it was pH-responsive hydrogel: 20 MPa and epoxy resin layer: 2 GPa.

上記エポキシ樹脂層25の単層構成の外殻22を両端に具備する棒状pH応答性ハイドロゲルを、50mN−NaOH水溶液に浸漬して膨張させ、次に50mN−HClに浸漬して収縮させる操作を繰り返したところ、pH応答性ハイドロゲル膨張時に、エポキシ樹脂との埋設境界部付近のpH応答性ハイドロゲル21が亀裂破断してしまった。   The rod-like pH-responsive hydrogel having the single-layered outer shell 22 of the epoxy resin layer 25 at both ends is immersed in a 50 mN-NaOH aqueous solution to be expanded, and then immersed in 50 mN-HCl to be contracted. When repeated, the pH responsive hydrogel 21 near the embedded boundary with the epoxy resin was cracked and fractured during expansion of the pH responsive hydrogel.

実施例の結果から明らかなように、刺激応答性ハイドロゲルと接合している外殻22の埋設接合部内層23のヤング率E1と、埋設接合部外層24のヤング率E2と、刺激応答性ハイドロゲルのヤング率E3との間において、E2>E1≦E3の関係が成立するものとすることにより、刺激応答性ハイドロゲル21と接合している内層23の材料が弾性変形により、接合部の刺激応答性ハイドロゲル21の膨張/収縮を許容し、かつ外層24が、刺激応答性ハイドロゲル21と接合している内層23の材料の破断を抑制するため、刺激応答性ハイドロゲル21や力点接合部において破断が生じず、力学的エネルギーを効率良く取り出すことが可能となった。
他方、比較例1においては、刺激応答性ハイドロゲル21と接合している柔軟性エポキシ樹脂層23の弾性変形により、接合部の刺激応答性ハイドロゲル21の膨張/収縮が許容されるが、かかる柔軟性エポキシ樹脂23の変形を抑制する外層が存在しないので、柔軟性エポキシ樹脂層23が亀裂破断してしまった。
また、比較例2においては、刺激応答性ハイドロゲル21と接合しているエポキシ樹脂層25のヤング率が高いため、接合部の刺激応答性ハイドロゲル21の膨張/収縮が許容されず、pH応答性ハイドロゲル21が膨張する際に亀裂破断してしまった。
As apparent from the results of Examples, the Young's modulus E 1 of the embedded joint portion inside layer 23 of the outer shell 22 bonded to the stimuli-responsive hydrogels, and the Young's modulus E 2 of the buried junction portion outside layer 24, stimulus response When the relationship of E 2 > E 1 ≦ E 3 is established between the Young's modulus E 3 of the heat-sensitive hydrogel, the material of the inner layer 23 joined to the stimulus-responsive hydrogel 21 is elastically deformed. Thus, the stimulation-responsive hydrogel 21 at the joint is allowed to expand / contract, and the outer layer 24 suppresses the breakage of the material of the inner layer 23 joined to the stimulus-responsive hydrogel 21. Breakage did not occur in the gel 21 or the power point joint, and the mechanical energy could be taken out efficiently.
On the other hand, in Comparative Example 1, the elastic deformation of the flexible epoxy resin layer 23 bonded to the stimulus responsive hydrogel 21 allows expansion / contraction of the stimulus responsive hydrogel 21 in the bonded portion. Since there is no outer layer that suppresses deformation of the flexible epoxy resin 23, the flexible epoxy resin layer 23 has been cracked and broken.
In Comparative Example 2, since the Young's modulus of the epoxy resin layer 25 bonded to the stimulus-responsive hydrogel 21 is high, the expansion / contraction of the stimulus-responsive hydrogel 21 at the bonded portion is not allowed, and the pH response When the functional hydrogel 21 expands, it cracks and breaks.

本発明の高分子アクチュエータの概略構成図を示す。The schematic block diagram of the polymer actuator of this invention is shown. 実施例の高分子アクチュエータの概略構成図を示す。The schematic block diagram of the polymer actuator of an Example is shown. 比較例1の高分子アクチュエータの概略構成図を示す。The schematic block diagram of the polymer actuator of the comparative example 1 is shown. 比較例2の高分子アクチュエータの概略構成図を示す。The schematic block diagram of the polymer actuator of the comparative example 2 is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1……刺激応答性ハイドロゲル、2,22……外殻、3……埋設接合部内層、4……埋設接合部外層、10……高分子アクチュエータ、11……埋設接合部、20,30,40……高分子アクチュエータ、21……pH応答性ハイドロゲル、23……柔軟性エポキシ樹脂層、24……低密度ポリエチレン(LDPE)層、25……エポキシ樹脂層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Stimulus responsive hydrogel, 2, 22 ... Outer shell, 3 ... Embedded joint inner layer, 4 ... Embedded joint outer layer, 10 ... Polymer actuator, 11 ... Embedded joint, 20, 30 , 40 …… Polymer actuator, 21 …… pH responsive hydrogel, 23 …… Flexible epoxy resin layer, 24 …… Low density polyethylene (LDPE) layer, 25 …… Epoxy resin layer

Claims (3)

水分を吸収することにより膨潤してゲル化し、刺激により膨潤度及び体積が変化する刺激応答性ハイドロゲルを具備する高分子アクチュエータであって、
前記刺激応答性ハイドロゲルの一部が、少なくとも二層以上が積層された構造を有する外殻に埋設接合されており、
前記外殻を構成する層のうちの、前記刺激応答性ハイドロゲルと接合している内層を構成する材料のヤング率が、その他の層を構成する材料のヤング率よりも低く、かつ、前記刺激応答性ハイドロゲルのヤング率以下であることを特徴とする高分子アクチュエータ。
A polymer actuator comprising a stimulus-responsive hydrogel that swells and gels by absorbing moisture, and that changes in swelling and volume upon stimulation,
A part of the stimuli-responsive hydrogel is embedded and bonded to an outer shell having a structure in which at least two layers are laminated,
Of the layers constituting the outer shell, the Young's modulus of the material constituting the inner layer bonded to the stimulus-responsive hydrogel is lower than the Young's modulus of the material constituting the other layer, and the stimulus A polymer actuator having a Young's modulus lower than that of a responsive hydrogel.
前記刺激応答性ハイドロゲルが、長尺形状であるものとし、
前記刺激応答性ハイドロゲルの長尺方向における両端部が、前記外殻に埋設接合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。
The stimulus-responsive hydrogel is assumed to have a long shape,
2. The polymer actuator according to claim 1, wherein both ends of the stimulus-responsive hydrogel in the longitudinal direction are embedded and joined to the outer shell.
前記刺激応答性ハイドロゲル内に、当該刺激応答性ハイドロゲルに対して刺激を発生する電極が内設されており、
前記電極と、当該電極に電機を送る電源とを電気的接続する導通部分が、前記外殻に埋設されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の高分子アクチュエータ。
In the stimulus-responsive hydrogel, an electrode for generating stimulus for the stimulus-responsive hydrogel is provided,
3. The polymer actuator according to claim 1, wherein a conductive portion that electrically connects the electrode and a power source that sends an electric machine to the electrode is embedded in the outer shell.
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