JP4848681B2 - 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、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) and to perform complicated movements.
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や、圧電素子、油圧駆動シリンダ等が実用化されており、大半において電磁モーターが利用されていた。
しかし電磁モーターを利用した駆動機構においては、伝達機構・減速機構等の種々の機関が必要であることや、主な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 rotation motor, a piezoelectric element, a hydraulic drive cylinder, and the like have been put to practical use as actuators for driving the movable part, and electromagnetic motors have been used in most cases.
However, a drive mechanism using an electromagnetic motor has the disadvantages that various engines such as a transmission mechanism and a speed reduction mechanism are necessary, and that the main constituent material is made of metal and therefore its weight increases. 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、小型かつ軽量な高機能ロボットの実現を目指すべく、軽量かつ柔軟性に富んだ高分子材料で構成されるポリマーアクチュエータが注目され始めている。
例えば、電圧印加によりイオン交換膜中のイオンが移動してイオン交換膜が屈曲するICPFアクチュエータ(K.Oguro, Y.Kawakami, H.Takenaka, J. Micromachine Soc., 5,27(1992))や、電解液や固体電解質を用いてイオンをドープ/脱ドープすることによって体積変化する導電性高分子アクチュエータ(R.H.Baughman, Synth.Met., 78,339(1996))、電極間に電圧を印加することによって変形する高分子圧電素子(R.Pelrine, R.Kornbluh, Q.Pei, Science, 287,836(2000))等が、提案されている。
In view of the problems as described above, in recent years, a polymer actuator made of a polymer material that is light and flexible and has begun to attract attention in order to realize a small and lightweight high-performance robot.
For example, voltage applied to move the ions in the ion exchange membrane by ion-exchange membranes is bent ICPF actuator (K.Oguro, Y.Kawakami, H.Takenaka, J. Micromachine Soc., 5,27 (1992)) Or a conductive polymer actuator (RHBaughman, Synth. Met., 78,339 (1996)) that changes its volume by doping or dedoping ions using an electrolyte or solid electrolyte, and by applying a voltage between the electrodes. Deformable polymer piezoelectric elements (R. Pelrine, R. Kornbluh, Q. Pei, Science, 287, 836 (2000)) and the like have been proposed.
しかし、上記ICPFアクチュエータは、屈曲動作に限定されており、発生力が弱いという課題を有している。
また、導電性高分子アクチュエータは、変位が小さく、圧電素子は駆動するために非常に大きな電圧を加える必要があるという課題を有している。
However, the ICPF actuator is limited to a bending operation and has a problem that the generated force is weak.
Further, the conductive polymer actuator has a problem that the displacement is small and the piezoelectric element needs to be applied with a very large voltage in order to drive.
一方、近年においては、化学あるいは電気化学的刺激に反応して、大きな体積変化を伴うハイドロゲルアクチュエータ (例えばY.Osada, H.Okuzaki, H.Hori, Nature,355,242(1992))についての提案がなされている。
上記ハイドロゲルアクチュエータ、特に水膨張高分子ゲルを適用す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、例えば温度、イオン強度、pH等の変化に応答して体積変化することを利用したものである。
ハイドロゲルアクチュエータにおける変位量は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ことができる。
On the other hand, in recent years, there have been proposals for hydrogel actuators (for example, Y. Osada, H. Okuzaki, H. Hori, Nature, 355, 242 (1992)) with large volume changes in response to chemical or electrochemical stimuli. Has been made.
The above-mentioned hydrogel actuator, particularly a polymer hydrogel actuator to which a water-swelling polymer gel is applied, utilizes the fact that the polymer hydrogel changes in volume in response to changes in temperature, ionic strength, pH, etc. is there.
The displacement amount in the hydrogel actuator is as large as 30 to 50%, and the generated force is also 0.2 to 0.4 MPa, so that performance comparable to that of living skeletal muscle can be exhibited.
しかしながら、上記材料の中でも、特に温度反応型の材料は、小型ロボット等に用いる場合、放熱時の精密な動作制御が困難であるという実用面における課題を有している。
また、pH応答性ゲルを用いたアクチュエータにおいては、電極をハイドロゲル内部に埋め込んだ構成のゲル/電極複合体に関し、一方の電極側を酸性高分子ゲル、もう一方の電極側を塩基性高分子ゲルとした対の構成として、電気制御、電気駆動で生体骨格筋同様の線方向の伸縮動作が得られることが確かめられている。
更に、pHの変化を誘起させるための電極材料としては、例えば、パラジウム、水素吸蔵合金等が提案されているが、これらにおいても実用的に充分に大きなpH変化を誘起することは困難であり、また、電極表面で水素原子の再結合により水素ガスが発生し、水素吸蔵合金によって吸蔵した水素をすべて吐き出すことができず、長期に亘って繰り返して使用することが困難である等の課題を有している。
However, among the above materials, the temperature-responsive type material has a practical problem that it is difficult to precisely control the operation during heat dissipation when used for a small robot or the like.
In addition, in an actuator using a pH-responsive gel, the gel / electrode composite structure in which the electrode is embedded in the hydrogel, the acidic polymer gel on one electrode side and the basic polymer on the other electrode side As a pair of gels, it has been confirmed that a linear expansion and contraction operation similar to that of a living skeletal muscle can be obtained by electrical control and electrical drive.
Furthermore, as an electrode material for inducing a change in pH, for example, palladium, a hydrogen storage alloy, and the like have been proposed, but it is difficult to induce a sufficiently large pH change practically in these, In addition, hydrogen gas is generated by recombination of hydrogen atoms on the electrode surface, and all of the hydrogen occluded by the hydrogen occlusion alloy cannot be discharged, making it difficult to use it repeatedly over a long period of time. is doing.
ところで、従来においては、イオン濃度変化応答性のメカノケミカル材料の駆動方法に関し、一方の電極で銅イオンを酸化還元して、他方の電極で銅イオンの関与しない反応を生じさせることによって溶液中の銅イオンの濃度を変化させ、かかる銅イオンによって相互作用するハイドロゲルが膨張収縮する技術についての提案がなされている(例えば、特許文献1参照。)。
この技術は、水の電気分解が生じるよりも小さな電位により銅イオンの酸化還元を行うことができるため、ガスの発生を招来することなく、ハイドロゲルの膨張収縮が繰り返し行われるアクチュエータが得られるという利点を有している。
By the way, conventionally, regarding a driving method of a mechanochemical material responsive to ion concentration change, copper ions are oxidized and reduced at one electrode and a reaction not involving copper ions is generated at the other electrode. There has been proposed a technique for changing the concentration of copper ions so that the hydrogel that interacts with the copper ions expands and contracts (for example, see Patent Document 1).
This technology can perform oxidation / reduction of copper ions at a potential lower than that in which electrolysis of water occurs, so that an actuator can be obtained in which expansion and contraction of hydrogel is repeatedly performed without causing gas generation. Has advantages.
しかしながら、特許文献1に開示されているアクチュエータは、電解液全体の銅イオン濃度を変化させなければならないため、大きな電気量が必要であり、更には応答速度も遅いという問題点を有している。
また、電極近傍部と、電極から所定の距離離れた位置とでは、イオン濃度に大きな差が生じるため、ハイドロゲルの膨張収縮挙動が不均一となってしまう等の問題も有している。
However, the actuator disclosed in
In addition, since there is a large difference in the ion concentration between the vicinity of the electrode and a position away from the electrode by a predetermined distance, there is a problem that the expansion / contraction behavior of the hydrogel becomes non-uniform.
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、低電位で高速かつ安定した変位が得られる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, a polymer actuator capable of obtaining a high speed and stable displacement at a low potential is provided.
本発明においては、多価カチオンと相互作用する官能基を一種類以上有する高分子を含有するハイドロゲルと当該ハイドロゲル中に存在する内部電極とにより構成されるゲル/電極複合体と、多価カチオンを含有する電解質水溶液とを具備し、ゲル/電極複合体と電解質水溶液との外部側には、対の外部電極が配置され、かつゲル/電極複合体と電解液との間にアニオン交換膜が設けられており、対の外部電極と、内部電極との間に電位を印加することにより、多価カチオンを還元、又は酸化して多価カチオン濃度に変化を生じさせ、ゲル/電極複合体を構成するハイドロゲルの体積変化を起こすようになされている高分子アクチュエータを提供する。 In the present invention, a gel / electrode complex composed of a hydrogel containing a polymer having one or more functional groups that interact with a polyvalent cation and an internal electrode present in the hydrogel , comprising an electrolyte solution containing a cationic, the external side of the gel / electrode complexes and conductive Kaishitsu solution, is disposed external electrode pairs, and between the gel / electrode complex and the electrolyte anion exchange membrane is provided, the external electrodes of the pair, by applying a potential between the internal electrode, reducing the multivalent cation, or cause a change in the multivalent cation concentration is oxidized, gate There is provided a polymer actuator adapted to cause a volume change of a hydrogel constituting a coil / electrode composite.
また、本発明においては、金属イオン濃度の変化に伴い体積変化を起こす刺激応答性のハイドロゲルと、当該ハイドロゲル中に分散している内部電極とにより構成されるゲル/電極複合体と、金属イオンを含有する電解質水溶液とを具備し、ゲル/電極複合体と電解質水溶液との外部側には、対の外部電極が配置され、かつゲル/電極複合体と電解液との間にアニオン交換膜が設けられており、対の外部電極と、内部電極との間に電位を印加することにより、金属イオンが還元されて金属イオン濃度が低下し、ゲル/電極複合体を構成するハイドロゲルの体積が変化し、かつ金属イオンが電極表面において還元された状態となって当該電極間を電気的に接続して導通するようになされている高分子アクチュエータを提供する。 Further, in the present invention, a gel / electrode composite composed of a stimuli-responsive hydrogel that causes a volume change with a change in metal ion concentration, and an internal electrode dispersed in the hydrogel , comprising an electrolyte aqueous solution containing genus ions, between the external side of the gel / electrode complexes and conductive Kaishitsu solution, it is disposed external electrode pairs, and the gel / electrode complex and the electrolyte the anion exchange membrane is provided, by applying the external electrodes of the pair, a potential between the internal electrode, metallic ions are reduced to reduced metals ion concentration, gel / electrode complex body volume of the hydrogel changes that constitute the, or the in which the polymer actuator is adapted to Tsukin genus ions conducts electrically connected to between the electrodes in a state of being reduced at electrodes surface provide.
本発明によれば、迅速かつ確実に刺激応答性ハイドロゲル全体に電解液のイオン濃度変化が伝わり、ハイドロゲル全体において、高速かつ均一な体積変化を生じさせることのできる高分子アクチュエータが得られた。 According to the present invention, a polymer actuator capable of rapidly and reliably transmitting a change in the ionic concentration of the electrolyte solution to the entire stimulus-responsive hydrogel and causing a high-speed and uniform volume change in the entire hydrogel was obtained. .
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.
〔第一の実施の形態〕
図1に、本発明の高分子アクチュエータの一例の概略構成図を示す。
高分子アクチュエータ10は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル3と、ハイドロゲル中に配置されたコイル状の内部電極2とにより構成されるゲル/電極複合体6と、多価カチオンを含有する電解液1とを具備し、ゲル/電極複合体6と電解液1との外部側には、対の外部電極4a、4bが配置されており、最外周には、電解液1の漏洩や揮発を防止するため、柔軟性樹脂5が配置されているものとする。
[First embodiment]
In FIG. 1, the schematic block diagram of an example of the polymer actuator of this invention is shown.
The polymer actuator 10 comprises a gel / electrode complex 6 composed of a hydrogel 3 responsive to changes in ion concentration, a coiled internal electrode 2 arranged in the hydrogel, and a polyvalent cation. And a pair of external electrodes 4a and 4b are arranged on the outer side of the gel / electrode complex 6 and the
電解液1は、多価カチオンを含有する溶液であるものとし、本発明の高分子アクチュエータ10においては、ゲル/電極複合体6と電解液とは共存しているものとする。
多価カチオンが金属イオンである場合、通電により内部電極2の表面において金属イオンが還元すると、内部電極2近傍のイオン濃度が減少する。一方、還元した金属が酸化することにより内部電極2近傍のイオン濃度が増大する。このような金属イオン濃度の変化によってハイドロゲルが膨張/収縮する。
The
When the polyvalent cation is a metal ion, when the metal ion is reduced on the surface of the internal electrode 2 by energization, the ion concentration in the vicinity of the internal electrode 2 decreases. On the other hand, when the reduced metal is oxidized, the ion concentration near the internal electrode 2 increases. Such a change in the metal ion concentration causes the hydrogel to expand / contract.
なお、水溶液中で金属を酸化還元する場合、その金属の酸化還元電位が水の電気分解の生じる電位より小さくなければならない。
このような特性を有する金属イオンとしては、例えば、銅、鉄、鉛、錫、ニッケル、亜鉛、アルミニウム等のイオンが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、混合物であってもよい。これらの中でも、酸化還元電位の小さい銅が特に好適である。
更に、電解液1中には、内部電極2の表面で酸化還元する金属イオン種以外に、アクチュエータの駆動時に酸化還元されない酸化還元電位を有する一価のカチオンを含む塩が混合されていることが好ましい。更には、このカチオンの対アニオンが一価であることが望ましい。
In addition, when redoxing a metal in an aqueous solution, the redox potential of the metal must be smaller than the potential at which electrolysis of water occurs.
Examples of metal ions having such characteristics include ions of copper, iron, lead, tin, nickel, zinc, aluminum, and the like. These may be used alone or in a mixture. Among these, copper having a small redox potential is particularly suitable.
Furthermore, in addition to the metal ion species that are oxidized and reduced on the surface of the internal electrode 2, a salt containing a monovalent cation having a redox potential that is not oxidized or reduced when the actuator is driven is mixed in the
次に、内部電極2について説明する。
内部電極2は、対の外部電極との間で電位を印加することによって電極表面で電解液1中のイオンが酸化還元されるので、電解液1中のイオン濃度を変化させる機能を有しているものである。
内部電極2は、電解液1中に含有されている、上記イオン種、例えば銅イオンよりも高い酸化還元電位の材料より構成されている。
また、水溶液中で用いる場合は、酸素過電圧が大きいものが好ましく、具体的な材料としては、金、白金、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ−1,6−ヘプタジイン、ポリ-p-フェニレン、ポリフェニレンビニレン等が挙げられ、これらを単独で用いてもよく、これらの材料を含有する混合物であっても良い。
なお、内部電極2の形状は、図1の高分子アクチュエータ10においては、コイル状であるが、後述するように、例えば、粒子状、フィラー状等であってもよい。
Next, the internal electrode 2 will be described.
The internal electrode 2 has a function of changing the ion concentration in the
The internal electrode 2 is made of a material having a higher redox potential than that of the ionic species, for example, copper ions, contained in the
Moreover, when using in aqueous solution, a thing with a large oxygen overvoltage is preferable, and specific materials are gold, platinum, carbon black, ketjen black, carbon nanotube, fullerene, polyacetylene, polypyrrole, polythiophene, poly-1, Examples thereof include 6-heptadiyne, poly-p-phenylene, polyphenylene vinylene, and the like. These may be used alone, or may be a mixture containing these materials.
In addition, although the shape of the internal electrode 2 is a coil shape in the polymer actuator 10 of FIG. 1, as described later, for example, it may be a particle shape, a filler shape, or the like.
次に、ハイドロゲル3について説明する。
刺激応答性のハイドロゲル3は、電解液1中に含有しており、かつ内部電極2の表面で酸化還元されるイオンと配位結合、イオン結合等を形成する官能基を分子中に有しているものとする。
具体的には、例えば、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基等を有するハイドロゲルが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、二種以上の混合物や、共重合体であってもよい。
Next, the hydrogel 3 will be described.
The stimulus-responsive hydrogel 3 is contained in the
Specifically, hydrogel which has a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group etc. is mentioned, for example. These may be used alone, or may be a mixture of two or more or a copolymer.
図1の構成の高分子アクチュエータ10は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル3中に内部電極2が配置されており、かかる内部電極2と、対の外部電極4a、4bとの間に電位差を生じさせることにより、この内部電極2の近傍においてイオン濃度が変化し、ハイドロゲル3全体にイオン濃度変化が均一かつ確実に伝わり、ハイドロゲル3が迅速で正確に膨張/収縮する。 The polymer actuator 10 having the configuration shown in FIG. 1 has an internal electrode 2 disposed in a hydrogel 3 that is responsive to changes in ion concentration. Between the internal electrode 2 and a pair of external electrodes 4a and 4b. By causing a potential difference to occur, the ion concentration changes in the vicinity of the internal electrode 2, and the change in ion concentration is uniformly and reliably transmitted to the entire hydrogel 3, and the hydrogel 3 expands / contracts quickly and accurately.
〔第二の実施の形態〕
次に、本発明の高分子アクチュエータの他の一例について、図2に概略構成図を示して説明する。
図2に示す高分子アクチュエータ20は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル3と、その内部に分散配置された粒子状の内部電極12とにより構成されるゲル/電極複合体16と、多価カチオン、例えば二価の銅イオンを含有する電解液1とを具備し、ゲル/電極複合体16と電解液1との外部側には、対の外部電極4a、4bが配置されており、最外周には、電解液1の漏洩や揮発を防止するため、柔軟性樹脂5が配置されているものとする。
[Second Embodiment]
Next, another example of the polymer actuator of the present invention will be described with reference to FIG.
A polymer actuator 20 shown in FIG. 2 includes a gel / electrode complex 16 composed of a hydrogel 3 that is responsive to changes in ion concentration, and particulate internal electrodes 12 dispersed therein. It comprises an
なお、電解液1およびハイドロゲル3については、図1に示して説明した高分子アクチュエータと同様のものを適用できる。
In addition, about the
高分子アクチュエータ20は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル3中に粒子形状の内部電極12が配置されており、かかる内部電極12と、対の外部電極4a、4bとの間に電位差を生じさせることにより、この内部電極12の近傍においてイオン濃度が変化し、ハイドロゲル3全体にイオン濃度変化が伝わり、ハイドロゲル3が均一に膨張収縮するようになされている。 In the polymer actuator 20, a particle-shaped internal electrode 12 is disposed in a hydrogel 3 that is responsive to changes in ion concentration, and a potential difference is generated between the internal electrode 12 and the pair of external electrodes 4a and 4b. As a result, the ion concentration changes in the vicinity of the internal electrode 12, the change in ion concentration is transmitted to the entire hydrogel 3, and the hydrogel 3 expands and contracts uniformly.
図2に示す高分子アクチュエータ20の構成によると、ハイドロゲル3が膨張する際に、粒子形状の内部電極12の相互間の距離が拡大するが、同時に、内部電極表面において、電解液1中の金属イオン、例えば銅イオンが還元され、内部電極12の粒子間に入り込み、膨張段階においても導通を確保されるようになされる。
内部電極12は、ナノ粒子であることが好ましく、ハイドロゲル3の内部に分散させる場合、図1のように内部電極をコイル状とする場合に比して、表面積を増大化させることが可能となる。従って、ハイドロゲル内部のイオン濃度を均一に、かつすばやく変化させることができるため、高速で、均一な膨張収縮を行うハイドロゲルアクチュエータが得られる。
According to the structure of the polymer actuator 20 shown in FIG. 2, when the hydrogel 3 expands, the distance between the particle-shaped internal electrodes 12 increases. Metal ions such as copper ions are reduced and enter between the particles of the internal electrode 12 so that conduction is ensured even in the expansion stage.
The internal electrode 12 is preferably a nanoparticle. When the internal electrode 12 is dispersed inside the hydrogel 3, the surface area can be increased as compared with the case where the internal electrode is coiled as shown in FIG. Become. Therefore, since the ion concentration inside the hydrogel can be changed uniformly and quickly, a hydrogel actuator that performs uniform expansion and contraction at high speed can be obtained.
〔第三の実施の形態〕
次に、本発明の高分子アクチュエータの他の一例について、図3に概略構成図を示して説明する。
図3に示す高分子アクチュエータ30は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル3と、その内部に分散配置された粒子状の内部電極12とにより構成されるゲル/電極複合体16と、多価カチオン、例えば二価の銅イオンを含有する電解液1とを具備し、ゲル/電極複合体16と電解液1との外部側には、対の外部電極4a、4bが配置されており、最外周には、電解液1の漏洩や揮発を防止するため、柔軟性樹脂5が配置されているものとする。
また、ゲル/電極複合体16と電解液1との間には、アニオン交換膜8が配置されているものとする。
[Third embodiment]
Next, another example of the polymer actuator of the present invention will be described with reference to FIG.
The polymer actuator 30 shown in FIG. 3 includes a gel / electrode composite 16 composed of a hydrogel 3 that is responsive to changes in ion concentration, and particulate internal electrodes 12 that are dispersed and arranged therein. It comprises an
Further, it is assumed that an
なお、電解液1およびハイドロゲル3については、図1に示して説明した高分子アクチュエータと同様のものを適用できる。
In addition, about the
高分子アクチュエータ30は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル3中に粒子形状の内部電極12が配置されており、かかる内部電極12と、対の外部電極4a、4bとの間に電位差を生じさせることにより、この内部電極12の近傍において、イオン濃度、例えば銅イオン濃度が変化し、ハイドロゲル3全体にイオン濃度変化が伝わり、ハイドロゲル3が均一に膨張/収縮する。 In the polymer actuator 30, a particle-shaped internal electrode 12 is arranged in a hydrogel 3 that is responsive to changes in ion concentration, and a potential difference is generated between the internal electrode 12 and the pair of external electrodes 4a and 4b. As a result, the ion concentration, for example, the copper ion concentration, changes in the vicinity of the internal electrode 12, the change in the ion concentration is transmitted to the entire hydrogel 3, and the hydrogel 3 expands / contracts uniformly.
図3の高分子アクチュエータ30の場合においても、ハイドロゲル3が膨張する際に、粒子形状の内部電極12の相互間の距離が拡大するが、同時に内部電極表面において、電解液1中の金属イオンが還元され、金属原子の状態となって内部電極12の粒子間に入り込み、膨張段階においても導通を確保されるようになされている。 Also in the case of the polymer actuator 30 in FIG. 3, when the hydrogel 3 expands, the distance between the particle-shaped internal electrodes 12 increases. Is reduced and enters a state of a metal atom and enters between the particles of the internal electrode 12, and conduction is ensured even in the expansion stage.
一方において、ハイドロゲル3の外部との濃度勾配によって、内部電極12近傍のイオン濃度変化は徐々に打ち消されてしまうという現象を生じる。
そこで、この例においては、ハイドロゲル3の表面に接するように、アニオン交換膜8を配置した。これにより、金属イオンの、ハイドロゲル3の外部と内部との間での通過が抑制され、ハイドロゲル内部のイオン濃度変化が維持される。すなわち、低消費電力で駆動するアクチュエータが得られるという利点を有する。
On the other hand, due to the concentration gradient with the outside of the hydrogel 3, a phenomenon occurs in which the ion concentration change in the vicinity of the internal electrode 12 is gradually canceled.
Therefore, in this example, the
次に、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説明する。 Next, an example in which a specific sample of the polymer actuator according to the present invention was prepared and operated will be described.
本実施例においては、図2に示す構成の高分子アクチュエータを作製した。
電解液1中に含有させた金属イオンを酸化還元するための内部電極12として、白金の微粒子を適用した。
イオン濃度の変化に応答するハイドロゲル3としては、架橋剤を混合して作製したポリ(2−アクリルアミド−2−プロパンスルホン酸)ゲル(AMPSゲル)を適用した。
電解液1は、1mol/lの硫酸銅(II)水溶液に硫酸ナトリウムを加えて0.05mol/lとなるように調製した溶液を適用した。
上記ポリ(2−アクリルアミド−2−プロパンスルホン酸)ゲルのモノマー:1.6527g、n,n−メチレンビスアクリルミド:0.118g、蒸留水:6ml、及び過硫酸アンモニウムを混合し、前駆体溶液を作製した。
内部電極12としては、直径0.1μmの白金微粒子を適用した。この白金微粒子を、上記ゲル前駆体溶液に対して100vol%の割合で添加し混合液を作製した。
In this example, a polymer actuator having the configuration shown in FIG. 2 was produced.
Platinum fine particles were applied as the internal electrode 12 for oxidizing and reducing the metal ions contained in the
As the hydrogel 3 that responds to changes in the ion concentration, a poly (2-acrylamide-2-propanesulfonic acid) gel (AMPS gel) prepared by mixing a crosslinking agent was applied.
As the
Monomer of the poly (2-acrylamido-2-propanesulfonic acid) gel: 1.6527 g, n, n-methylenebisacrylimide: 0.118 g, distilled water: 6 ml, and ammonium persulfate are mixed together to prepare a precursor solution. Produced.
As the internal electrode 12, platinum fine particles having a diameter of 0.1 μm were applied. The platinum fine particles were added at a rate of 100 vol% with respect to the gel precursor solution to prepare a mixed solution.
上記ゲル前駆体溶液と白金微粒子との混合液を、直径0.5mmのPTFE製のチューブ内に注入し、チューブの両端をシリコン栓で密閉し、60℃に設定したオーブン中で、12時間放置した。これにより、白金微粒子の内部電極12を具備する、棒状のハイドロゲル3(ゲル/電極複合体16)が得られた。このゲル/電極複合体16の長さ(L1)は、無負荷の状態で20mmであった。
上述のようにして作製した棒状のゲル/電極複合体16の片端を金箔で固定し、電極端子を取り付けた。
このゲル/電極複合体16と、銅板で作製した対の外部電極4a、4bとを上記電解液1中に浸漬した。
ゲル/電極複合体16に固定された電極端子と、対の外部電極4a、4bとの間に、3.0Vの電圧を印加したところ、電解液1中の銅イオン濃度が変化し、ハイドロゲル3が収縮した。
電圧印加後の長さ(L2)は、無負荷の状態で18mmであり、収縮が確認された。
アクチュエータの変位{1−(L2)/(L1)}は0.10であり、この変位に要した時間は10秒であった。
The mixed solution of the gel precursor solution and the platinum fine particles is poured into a PTFE tube having a diameter of 0.5 mm, both ends of the tube are sealed with silicon stoppers, and left in an oven set at 60 ° C. for 12 hours. did. As a result, a rod-shaped hydrogel 3 (gel / electrode composite 16) having an internal electrode 12 of platinum fine particles was obtained. The gel / electrode composite 16 had a length (L1) of 20 mm in an unloaded state.
One end of the rod-like gel / electrode composite 16 produced as described above was fixed with gold foil, and an electrode terminal was attached.
This gel / electrode composite 16 and a pair of external electrodes 4a, 4b made of a copper plate were immersed in the
When a voltage of 3.0 V is applied between the electrode terminal fixed to the gel / electrode composite 16 and the pair of external electrodes 4a and 4b, the copper ion concentration in the
The length (L2) after voltage application was 18 mm in an unloaded state, and contraction was confirmed.
The displacement {1- (L2) / (L1)} of the actuator was 0.10, and the time required for this displacement was 10 seconds.
上述した実施例から、本発明の高分子アクチュエータによれば、簡易な電気的操作によって、材料の迅速かつ確実な駆動を行うことが可能であることを確かめられた。
また、電解液中のイオン濃度を容易に制御可能な電極を用いることによって、極めて少ない使用電流によって効果的なアクチュエータの駆動が可能となった。
また、内部電極を白金の微粒子としたため、ハイドロゲル3中の電極表面積が極めて大きくなり、ハイドロゲル内部のイオン濃度を均一に、かつすばやく変化させることができ、高速かつ均一な膨張収縮を行うことができた。
また、ハイドロゲルが膨張した状態であっても、内部電極表面において、電解液1中の銅イオンが還元され、金属原子の状態となって白金微粒子間に入り込み、導通を確保されたことが確かめられた。
From the above-described embodiments, it was confirmed that the polymer actuator of the present invention can drive the material quickly and reliably by a simple electrical operation.
In addition, by using an electrode that can easily control the ion concentration in the electrolytic solution, it is possible to drive the actuator effectively with a very small operating current.
Moreover, since the internal electrode is made of platinum fine particles, the electrode surface area in the hydrogel 3 becomes extremely large, the ion concentration inside the hydrogel can be changed uniformly and quickly, and high-speed and uniform expansion and contraction can be performed. I was able to.
In addition, even when the hydrogel is in an expanded state, it is confirmed that the copper ions in the
1……電解液、2,12……内部電極、3……ハイドロゲル、4a,4b……外部電極、5……柔軟性樹脂、6,16……ゲル/電極複合体、10,20,30……高分子アクチュエータ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記多価カチオンを含有する電解液とを具備し、
前記ゲル/電極複合体と前記電解液との外部側には、対の外部電極が配置され、かつ前記ゲル/電極複合体と電解液との間にアニオン交換膜が設けられており、
前記対の外部電極と、前記内部電極との間に電位を印加することにより、前記多価カチオンを還元、又は酸化して前記多価カチオン濃度に変化を生じさせ、前記ゲル/電極複合体を構成するハイドロゲルの体積変化を起こすようになされている高分子アクチュエータ。 A gel / electrode composite composed of a hydrogel containing a polymer having one or more functional groups that interact with a polyvalent cation, and an internal electrode present in the hydrogel;
An electrolyte solution containing the polyvalent cation,
A pair of external electrodes is disposed on the outside of the gel / electrode complex and the electrolyte solution, and an anion exchange membrane is provided between the gel / electrode complex and the electrolyte solution ,
By applying a potential between the pair of external electrodes and the internal electrode, the polyvalent cation is reduced or oxidized to cause a change in the polyvalent cation concentration, and the gel / electrode complex is high molecular actuators that have been made to undergo volume change of the hydrogel constituting.
前記金属イオンを含有する電解液とを具備し、
前記ゲル/電極複合体と前記電解液との外部側には、対の外部電極が配置され、かつ前記ゲル/電極複合体と電解液との間にアニオン交換膜が設けられており、
前記対の外部電極と、前記内部電極との間に電位を印加することにより、前記金属イオンが還元されて前記金属イオン濃度が低下し、前記ゲル/電極複合体を構成するハイドロゲルの体積が変化し、かつ前記金属イオンが前記電極表面において還元された状態となって当該電極間を電気的に接続して導通するようになされている高分子アクチュエータ。 A gel / electrode composite comprising a stimuli-responsive hydrogel that undergoes a volume change with a change in metal ion concentration, and an internal electrode dispersed in the hydrogel;
An electrolyte solution containing the metal ions,
A pair of external electrodes is disposed on the outside of the gel / electrode complex and the electrolyte solution, and an anion exchange membrane is provided between the gel / electrode complex and the electrolyte solution ,
By applying a potential between the pair of external electrodes and the internal electrode, the metal ions are reduced and the concentration of the metal ions is reduced, and the volume of the hydrogel constituting the gel / electrode composite is reduced. altered, and high molecular actuator wherein the metal ion is that have been made to conduct electrically connected between the electrodes in a state of being reduced at the electrode surface.
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