JPH11169394A - 金属電極を表面に有する人工筋肉体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 柔軟性に優れ、かつ軽量で、応答が早く、変
位量の大きな人工筋肉体を提供する。 【解決手段】 細長い矩形平板状の固体電解質成形体２
と、該固体電解質成形体の表面に相互に絶縁状態で形成
されたポリアニリン膜体3a,3bと、ポリアニリン膜体上
に形成された金属電極4a,4bとから人工筋肉体を構成
し、この一対の金属電極4a,4bに電圧を印加することに
より、ポリアニリン膜体を変形させて、人工筋肉体を所
定方向に変形自在となるように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、人工筋肉体に関し、より
詳細には柔軟で、低い電圧で駆動でき、収縮力が大き
く、位置保持が可能なポリアニリン膜体を含む人工筋肉
体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、人工筋肉体としては、高分子ゲ
ル、導電性高分子などの高分子、強誘電体、シリコン、
形状記憶合金などを材料として、電気、熱、光などの刺
激により変形する静電引力型アクチュエータ、圧電型ア
クチュエータ、超音波式アクチュエータ、形状記憶合金
式アクチュエータ、イオン交換樹脂型アクチュエータな
どが知られている。

【０００３】たとえば、イオン交換樹脂型アクチュエー
タは、イオン交換樹脂膜とそのイオン交換樹脂膜の両面
に接合した電極とからなり、イオン交換樹脂膜の含水状
態においてイオン交換樹脂膜に電位差をかけてイオン交
換樹脂膜に湾曲および変形を生じさせるものである。
（特開平4-275078号公報参照）。

【０００４】ところで、直接人体に触れる医用機器で
は、組織を傷つけない柔らかい材料からなるアクチュエ
ータが要求され、とくに、義足、義手、人工器官などの
人工筋肉には、より軽量で、柔軟な動きをするアクチュ
エータが望まれている。

【０００５】このような軽量で、柔軟な動きをするアク
チュエータとして、導電性高分子であるポリアニリンを
用いる試みが提案されている（応用物理第６５巻第８号
第８０３〜８１０頁参照）。このポリアニリンを使用し
たアクチュエータは、たとえば２枚のポリアニリンフィ
ルムを粘着テープの両面に貼り合わせた３層構造であ
り、電解液中で、両側のフィルムに１.５Ｖの電圧をか
けると、正極側のフィルムが伸び、陰極側のフィルムが
収縮して、アクチュエータが湾曲するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなポリアニリンは導電性高分子であるものの、電極と
しての導電性が不充分であるという問題があった。この
ため、たとえばポリアニリンフィルムに白金リード線を
接合させて電位をかけると、ポリアニリンの電気抵抗に
より、先端部の電圧が降下して、応答性が低下し、変位
量が小さくなるという欠点があった。

【０００７】本発明は、上記のような従来技術に伴う問
題点を解決しようとするものであって、応答が早く、変
位量の大きな人工筋肉体を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述したよう
な従来技術における課題および目的を達成するために発
明されたものであって、本発明に係る人工筋肉体は、固
体電解質成形体と、該固体電解質成形体の表面に相互に
絶縁状態で形成されたポリアニリン膜体と、該ポリアニ
リン膜体上に形成された金属電極とから構成され、前記
金属電極間に電位差をかけることにより前記ポリアニリ
ン膜を変形させて、人工筋肉体を所定方向に変形自在と
なるように構成したことを特徴とするものである。この
ように構成することによって、ポリアニリン膜体全体に
等しい電位をかけることできるので、応答が早く、変位
量の大きな人工筋肉体を得ることができる。

【０００９】また、上記人工筋肉体においては、前記金
属電極が、金電極または白金電極であることが好まし
い。このように金電極または白金電極が形成されている
と、さらに変位量が大きく、応答性の大きい人工筋肉体
を得ることができる。

【００１０】さらに、上記人工筋肉体においては、ポリ
アニリン膜体がポリアニリンをビニルスルホンでグラフ
ト変性した変性ポリアニリン重合体を含んでいることが
好ましい。このようにポリアニリン膜が変性ポリアニリ
ン重合体を含むことによって、ポリアニリン膜への陰イ
オンの出し入れが円滑に進むため、さらに変位量が大き
く、応答性の速い人工筋肉体が得られる。

【００１１】さらにまた上記人工筋肉体においては、固
体電解質成形体が、陰イオン交換樹脂成形体であること
が好ましい。このように固体電解質成形体が、陰イオン
交換樹脂成形体であると、人工筋肉体の変形の際、ポリ
アニリン膜の変形と同じ方向に陰イオン交換樹脂成形体
も変形するので、さらに変位量の大きな人工筋肉体が得
られる。

【００１２】また、上記人工筋肉体においては、前記ポ
リアニリン膜体が、複数対のポリアニリン膜体からなる
ことが好ましい。このように複数対のポリアニリン膜体
から構成されると、任意の方向に変形し、回転が可能な
人工筋肉体を得ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（実施
例）について図面に基づいてより詳細に説明する。

【００１４】図１および図２は、本発明に係る人工筋肉
体の最適な実施例を示す概略断面図である。この実施例
において、人工筋肉体１は、細長い矩形平板状の固体電
解質成形体２と、該固体電解質成形体２の両面に相互に
絶縁状態で形成された一対のポリアニリン膜体３ａ，３
ｂと、該ポリアニリン膜体上に形成された金属電極４
ａ，４ｂとから構成され、この一対の金属電極４ａ，４
ｂ間にに電圧を印加することにより、ポリアニリン膜体
が変形して人工筋肉体１が湾曲変形（屈曲）するように
なっている。

【００１５】この金属電極４ａ，４ｂには、一対のリー
ド線５ａ、５ｂの一端がそれぞれ電気的に接続されてい
るとともに、この各リード線５ａ、５ｂは、電源６に接
続されている。

【００１６】固体電解質成形体２としては、上記矩形平
板状に限定されるものではなく、例えば膜状、円柱状、
円筒状などであってもよい。このような固体電解質成形
体２を構成する固体電解質としては、陰イオン交換樹
脂、陽イオン交換樹脂、両イオン交換樹脂などが挙げら
れる。陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリ
スチレン、フッ素樹脂などの表面にスルホン酸基、カル
ボキシル基などの官能基が導入されたものが使用され
る。陰イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリス
チレン、フッ素樹脂などの表面にアミノ基などの官能基
が導入されたものが使用される。このうち、本発明で
は、陰イオン交換樹脂が好適に使用される。このような
陰イオン交換樹脂を使用すると、後述するような理由
で、人工筋肉体変形時にポリアニリン膜体に変形と同じ
方向に陰イオン交換樹脂が変形するため、人工筋肉体の
変位量および変位力を大きくすることができる。

【００１７】ポリアニリン膜体３ａ、３ｂは、下記一般
式［１］で表されるポリアニリンからなる。

【００１８】

【化１】

【００１９】このようなポリアニリンは、アニリンを塩
酸に溶解した水溶液にペルオキソ二硫酸アンモニウムを
添加し、アニリンを重合することによって得ることがで
きる。

【００２０】また、本発明に係るポリアニリン膜体は、
上記一般式［１］で表されるポリアニリンにビニルスル
ホン酸がグラフト共重合した変性ポリアニリン重合体で
あってもよい。なお、ビニルスルホン酸は、Ｎａ、Ｋな
どの塩化合物、エステル化合物などの誘導体であっても
よい。このようなグラフト共重合は、ポリアニリンに電
子線を照射したのち、該ポリアニリンをビニルスルホン
酸水溶液に浸漬することによって行うことができる。さ
らにまた、上記一般式［１］で表されるポリアニリンに
は、ビニルスルホン酸以外にポリアクリル酸がグラフト
共重合されていてもよい。

【００２１】さらにまた、ポリアニリン膜体３ａ、３ｂ
は、固体電解質が配合されたものであってもよい。固体
電解質としては、固体電解質成形体２を構成する固体電
解質と同様のものが例示され、このような固体電解質
は、固体電解質成形体２に使用されるものと同一のもの
であっても、異なるものであってもよい。

【００２２】ポリアニリン膜体中の固体電解質は、ポリ
アニリン１００重量部に対し、固体電解質が０．１〜２
０重量部、好ましくは０．５〜５重量部の量で含まれて
いることが望ましい。

【００２３】このような固体電解質のポリアニリンへの
配合は、ポリアニリンの溶解液に、固体電解質の溶解液
を添加し、混合したのち、乾燥して、溶剤を除去するこ
とによって行うことができる。なお、ポリアニリンを溶
解する溶剤としては、通常、n-メチルピロリドンなどが
使用される。また、固体電解質を溶解する溶剤として
は、アルコールが使用される。

【００２４】固体電解質は、ポリアニリン中に均一に分
散していることが人工筋肉体の変位量を大きくすること
ができるので望ましく、また、このようにポリアニリン
中に固体電解質が配合されていると、剛性が低く、柔軟
性に優れた人工筋肉体を得ることができる。

【００２５】このようなポリアニリン膜体３ａ、３ｂ
は、固体電解質成形体２表面に固体電解質をアルコール
などの溶剤に溶解したものを塗布し、該塗布面にポリア
ニリン膜体を貼着させることによって接合される。ま
た、固体電解質をアルコールなどの溶剤に溶解したもの
を塗布して形成した固体電解質層を有する固体電解質成
形体２を、ポリアニリンが溶解した液に浸漬したのち、
取り出し、乾燥することによって、ポリアニリン膜体を
固体電解質成形体２に接合することもできる。

【００２６】ポリアニリン膜体３ａ、３ｂ上に形成され
る金属電極４ａ，４ｂとしては、金電極または白金電極
が好ましい。このような金属電極は、化学めっき、電気
めっき、真空蒸着、スパッタリング、塗布、圧着、溶着
など従来公知に方法によって形成することができる。

【００２７】リード線５ａ，５ｂの材質としては、銅、
鉄、アルミニウム、金、白金などの一般的に導電性の材
料を利用することが可能であり、必要に応じて、めっき
または絶縁被覆を施すことができる。

【００２８】この実施例においては、固体電解質成形体
２として、厚さ０.１５mm、幅２mm、長さ３０mmの固体
電解質成形体を使用し、この両面に厚さ５〜２５μｍの
ポリアニリン膜体が接合された人工筋肉体を構成すると
ともに、電源６として１.５Ｖの直流電源を使用してい
る。

【００２９】このような人工筋肉体の作動原理は明確で
はないが、金属電極４ａ，４ｂに電位差がかかること
で、図２に示すように固体電解質成形体２中の陰イオン
が、陰極側ポリアニリン膜体３ｂから陽極側ポリアニリ
ン膜体３ａに移動して、陽極側ポリアニリンの高分子鎖
に陰イオンが挿入され、陽極側ポリアニリンは高分子鎖
の嵩が増大しているものと推定される。また、陽極側ポ
リアニリンの高分子鎖に陰イオンが挿入されることによ
って、陽極側ポリアニリン分子内の静電反発力が増大
し、さらにπ電子の非局在化によって屈曲した高分子鎖
を剛直にする構造変化が起きているものと推定される。
このような原理により、陽極側のポリアニリンが伸長
し、陰極側のポリアニリンが縮小して、人工筋肉体が湾
曲していると考えられる（応用物理 第６５巻 第８号
第８０３〜８１０頁参照）。

【００３０】また、ポリアニリンにビニルスルホン酸で
グラフトされていると、グラフト鎖によって陰イオンの
出し入れが円滑に進み、かつグラフト変性によって重合
体分子が嵩高くなるため、人工筋肉体の変位力が大き
く、応答性が速くなると推定される。

【００３１】また、固体電解質成形体２として、陰イオ
ン交換樹脂成形体が使用されている場合、陰イオン交換
樹脂中の陰イオンが陽極側に移動し、かつ、この陰イオ
ンに伴われて水分子が陰イオン交換樹脂内で移動するた
め、陰イオン交換樹脂の陽極側と陰極側との間に水分量
の差が生じ、含水率の高い陽極側が膨潤し、含水率に低
い陰極側が収縮することによって、陰イオン交換樹脂も
湾曲しているものと考えられる。このため、固体電解質
成形体２として、陰イオン交換樹脂を使用すると、ポリ
アニリン膜体３ａ，３ｂの変形方向と陰イオン交換樹脂
の変形方向とが同じ方向となるので、両作用が相乗して
変形が促進され、高い変位力の誘導体が得られる。

【００３２】以上のような本発明に係る人工筋肉体は、
通常、固体電解質成形体が含水している状態で使用され
る。このとき、水中にはＮａＣｌなどの電解質が存在し
ていてもよい。このような電解質を存在させることによ
り、人工筋肉体の変位特性を安定化することができる。
また、固体電解質が含水状態にあれば、電解質がポリア
ニリン膜体の回りに存在していない純水中、空気中であ
っても、人工筋肉体を作動することができる。

【００３３】また、このような本発明に係る人工筋肉体
は、一定の電圧をかけている間はポリアニリンが伸縮し
ているので、変位を固定することができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明は上記のような構成であるので、
均一にポリアニリン膜体全体に等しい電位をかけること
が可能であり、このため応答が早く、変位量の大きな人
工筋肉体を得ることができる。

【００３５】したがって、本発明に係る人工筋肉体をマ
イクロデバイスの案内部材本体の先端部に接合すると、
操作制御部による操作によって、任意かつ積極的に湾曲
（変形）させることができるので、案内部材本体の先端
部に接続した、ハサミ、鉗子、スネア、レーザメス、ス
パチュラなどのマイクロサージェリーの医療器具、各種
センサー、工具などのマイクロデバイスの誘導性能を向
上することができ、これによって、目的部位へ任意の方
向に向けることができ、その操作が熟練を要することな
く、迅速かつ容易に行うことができる。

【００３６】従って、このようなマイクロデバイスおよ
びそれを備えたマイクロマシンを、例えば、眼球手術、
腹腔鏡下手術、微少血管縫合手術などのマイクロサージ
ェリー技術においてピンセット、ハサミ、鉗子、スネ
ア、レーザメス、スパチュラ、クリップなどの医療器具
に適用すれば、検査や治療時における患者に与える苦痛
を極力和らげ、患者に対する肉体的、精神的負担を低減
することができる。

【００３７】また、このようなマイクロデバイスおよび
それを備えたマイクロマシンを、発電設備等のプラン
ト、航空機エンジン等の機械システムの配管系統やエン
ジン内部等の検査、補修等を行う各種センサーや、補修
用工具などに適用すれば、補修作業に手間や時間を要せ
ず、確実に行うことが可能となる。

【００３８】また、本発明に係る人工筋肉体は、上記以
外に、高周波振動によるマイクロポンプ、リハビリ用補
助動力マッサージ器などの健康器具、湿度計、湿度計コ
ントロール装置、ソフトマニュピュレーター、水中バル
ブ、ソフト運搬装置などの工業用機器、金魚および海草
などの水中モービル、動く釣り餌および推進ヒレなどの
ホビー用品などにも好適に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の人工筋肉体の電圧無印加状態の概略断
面図である。

【図２】本発明の人工筋肉体の電圧印加状態の概略断面
図である。

【符号の説明】

１・・・・人工筋肉体 ２・・・・固体電解質成形体 ３ａ、３ｂ・・・・ポリアニリン膜体 ４ａ、４ｂ・・・・金属電極 ５ａ、５ｂ・・・・リード線 ６・・・・電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高 嶋 授 福岡県飯塚市川津680−４ (72)発明者 瀬 和 信 吾 神奈川県足柄上郡中井町井ノ口2806−４

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体電解質成形体と、該固体電解質成形体
   の表面に相互に絶縁状態で形成されたポリアニリン膜体
   と、ポリアニリン膜体上に形成された金属電極とから構
   成される人工筋肉体であって、 前記金属電極間に電位差をかけることにより前記ポリア
   ニリン膜体を変形させて、人工筋肉体を所定方向に変形
   自在となるように構成したことを特徴とする人工筋肉
   体。
2. 【請求項２】前記金属電極が、金電極または白金電極で
   あることを特徴とする請求項１に記載の人工筋肉体。
3. 【請求項３】前記ポリアニリン膜体が、ポリアニリンを
   ビニルスルホンでグラフト変性した変性ポリアニリン重
   合体を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の
   人工筋肉体。
4. 【請求項４】前記ポリアニリン膜体が固体電解質を含む
   ポリアニリン膜体であることを特徴とする請求項１〜３
   のいずれに記載の人工筋肉体。
5. 【請求項５】前記固体電解質成形体が、陰イオン交換樹
   脂成形体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
   かに記載の人工筋肉体。
6. 【請求項６】前記ポリアニリン膜体が、複数対のポリア
   ニリン膜体からなることを特徴とする請求項１〜５のい
   ずれかに記載の人工筋肉体。