JPS6171683A - 電気刺激による形態変換およびエネルギ−変換法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 生体の巧妙な運動機能を工学システムの中に取り入れる
要請は近年高機能ロボットやシステム制御法の’（Ｉｔ
　’ｉｉ的発展に伴なって増々大きくなっている。しか
し生体における運動機能、力学エネルギー発生機構をシ
ュミレートする際従来の金属を主体とするいわゆる剛直
性素材を用いた場合にはその能力と応用範囲は、訃の）
°から限定されてしまう。

ここに生体筋肉（みられるような含水高分子ゲルを主体
とするアクティブな軟体機械や仕事をする軟体材料の開
発をしなければならないゆえんがある。ＩＩ縮機能を有
するアクティブな軟体機械はｆａｌえ←］゛より生物運
動に近い新しいタイプのロボノ）　用向カシステム、マ
ユビエレーシッンおよびアクチュエータになるばかシで
なく、バイオコンヒ、−ター素子、スイッチング、バイ
オメカノケミカル素子、バイオセンナ等、更には人工臓
器材料、運動中枢代替システム、義肢、介助機器。

感覚障害者用情報伝達、バイオフィードバック。

メカノナーマル、視覚代行システム等極めて幅広い用途
をもつ新機能材料になシうる。これらの軟体機械をシス
テム化し高度に制御された材料として用いる場合には電
気刺激やパルスを中心とするエレクトロニクス外部制御
機構と直結して作動する軟体機械の開発が従来から強く
嘱望されていた。

しかし今日に至るまでそのようなシステムは事実上皆無
であった。

本発明は高分子物質を媒体とした電気エネルギーの力学
エネルギーへの変換および形態変換方法に関し、詳しく
は高分子物質の媒体を、電位を印加するととくよって可
逆的に伸縮せしめて力学エネルギーに変換し、かつ形態
を変換する方法に関わるものである。

従来、この種の変換方法としては、ポリアクリル酸、リ
ン酸化ポリビニルアルコール等の高分子電解質膜を水に
浸漬し、これに酸、アルカリ物質を交互に加えることＫ
よつて、該電解質膜のイオン化状態を可逆的に変化させ
て該高分子電解質膜を伸縮せしめるというｐＨ変化によ
るエネルギー変換か既に知られている。しかし上記エネ
ルギー変換方法にあっては次のような欠点がある。

（１）　　ｐＨ変化による高分子電解質膜の伸縮はその
伸縮範囲が小さいため、エネルギー変換、形態変換効率
が低い。

（２）　　高分子電解ｌＪ！ｉ膜の伸縮はその電解質膜
に対する酸、アルカリ物質の拡散速度に依存するため該
電解質膜の伸縮応答が遅くエネルギー変換速度が緩慢と
なる。

（３）　　高分子電解質膜に酸、アルカリ物質を交互に
加えて伸縮させるため、この操作を繰り返し行なうと、
その浸漬液中に多量の塩が生成し、該電解質膜における
エネルギー変換能力が著しく阻害される。したがって上
記２漬液を頻繁に交替しなければならない。

この上うな含水高分子の化学反応を利用して力学エネル
ギーへ変換する高分子反応系は一般にメカノケミカル反
応あるいはメカノケミカルシステム、Ｌ−１，イ軸戯打
てい入−メカフケＳカル反広シして上記のｐＨ変化によ
る系の他 （１）　　イオン交換によるエネルギー変換系（２）　
　キレート形成　　　　　！ （３）　　酸化還元反応 （４）　　相転移　　　　　　　　１ （５）　高分子集合体形成　　　１ （６）　　立体異性化反応　　　　！ 等が知られておシ、例えば〔機能間分子〕（共立出版）
、〔高分子集合体〕（学会出版センター）Ｋ詳しく記載
されている。上記のメカノケミカルシステムはｐＨ変化
によるものと同様、いずれも変換効率が低い、応答速度
が小さい、反応生成物が蓄積する。再現性に乏しい、反
応制御が困難である等の欠点がある。

このようなことから、本発明はかかる欠点を解決するた
めに化学反応試薬を一切使わずに力学エネルギーおよび
変形を生みだすことのできる高分子反応を長年にわたり
研究している過程において、後述のようＫＮ、位を荷電
をもつ高分子物質に刃口えることＫよって可逆的に高分
子の伸縮応答を実現し、かつ力学エネルギーを発生せし
めることを見出した。これによって水のみの存在下でも
電気エネルギーを化学反応の駆動力とし迅速かつ効率的
に高分子物質の形態を可逆的に変換できることを見出し
た。また上記電荷を含有する高分子物質が含水状態ない
し溶媒和した状態である場合には変形収縮に伴って脱水
現象をいしは脱溶媒和を伴うことも見出した。

以下この発明の詳細な説明する。

伸縮を行なうメカノケミカル高分子としては荷電を有し
ていることが必要である。その電荷は例えば、ポリアク
リル酸、ポリメタクリル酸、ポリリン酸、ポリ２−アク
リルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、ポリグル
タミン酸のようなイオン化して負の電荷を有する合成高
分子、ポリビニルピリジン、ポリビニルベンジルトリメ
チルアンモニウム塩、ポリキシリルビオローゲンなどの
ポリアイオネン、ポリリシン等、正の電荷を有する合成
高分子のようなものを挙げることができる。

また上記の高分子電解質を一成分として含む非イオン性
七ノ１−例えばメタクリル酸メチル、イソグレン、塩化
ビニル、アクリロニトリル、スチレン等との共重合体で
もよい、更に電荷をもつことができる天然および生体高
分子として寒天、硫酸セルロース、カラギーｆン、コ？
−ケン、カゼイン、上２テン等の糖類や蛋白質ないしは
それ゛らの訪導体でもよい。更には、これら合成ないし
天然高分子が銅、クロム、コバルト、カルシウムなど多
価金馬塩と錯形成したジナトリウム、カリウム。

ルビジウム等１価の金属イオンと塩結合したシ、反対符
号を有する高分子との塩、所謂ポリイオンコンプレック
スや高分子間錯体でも艮い。更にはポリアクリルアミド
、ヒドロやシルエテルメタクリラート、グングン、セル
ロース等電荷を有しない高分子でも上記の各種金属塩と
何らかの方法によって混合せしめて電荷を有する高分子
物質を作成してもよい。要は高分子物質を含む装置その
多少にかかわらず常にあるいは条件によって電荷が存在
するような物質であることが必要である。

これらの高分子物質は、それ自身形態保持能力があるな
らばその一！マ、必要に応じてゲル化剤。

架橋剤ないしは適当な不溶化処理を行なうことによって
ゲルやフィルム、積層膜、繊維等の固形物として使用す
ることができる。これらの物質が電荷を生じるためＫは
、場合によって含水状態あるいはアルコール、アセトン
など適当な溶媒に膨潤せしめて使用することもできる。

さらに電荷状態を制御する意味で塩化ナトリウム、塩化
カルシウム、硫酸カリウム等の塩、硫酸、酢酸、水酸化
ナトリウム、アンモニア水等の電解質や種々の有機溶媒
を混在せしめることも可能である。その含水状態溶媒和
状態、１！荷密度等によってメカノケミカル高分子の膨
潤状、態は影響を受け、従って、変形応答や変換され乙
力学エネルギーは影響を受ける。

本発明にンい−Ｃ１高分子メカノケミカル物質に印加す
る屯位ｌ−ｉイｊに限定されないが一般的には数ミリボ
ルトから１ｏｏｏボルトｉｍ度であり、その値はメカノ
クミカル伸扁高分子の大きさや物理化学的状、・□１、
荷０密度等によって定まる。電位は直流で本文、′皇で
本よいが、一般的にはｒｕ流の方が効率が良い。電位は
適当な電極を通じてゲルに印加すればよい。電極の例と
して例えば一対の白金（板ないしワイヤー）、カーボン
、透明電極（ＩＴＯＩＮＥＳ人）を挙げることができる
。もちろん適当な銅板やアルミニウム薄膜、金等の金属
蒸着膜でもよい。

伸縮挙動は一般に前記メカノケミカル物質を一対の電標
に接触せしめた状態で電極から電位を加えることによっ
て観測することができる。電位を加えることによってこ
れ６の物質は一般に収縮をおこす、その際メカノケミカ
ル物質が含水（溶媒和）状態にある場合には収縮に伴っ
て脱水（脱溶媒）を伴う、収縮現象は印加する電位およ
び物質中を流れる電流の大きさに比例して顕著になり、
かつ迅速になる。収縮率は一般にもとの体積の数分の−
から百分の−という程大きくこの間の所要時間も数秒か
ら数時間と様々である。電位を除くと収縮はすみやかに
停止するが再び電位をかければ収縮現象は再開する。電
位を一定時間加えて収縮させた後、そのメカノケミカル
物質をもとの溶媒たとえば水に接触させれば収縮してい
たメカノケミカル物質は吸水し再ひもとの体積に回復す
るので何回でも縁り返し伸縮を繰り返すことができる。

収縮率や収縮速度は電流値に比例するので物質中に多量
のイオンが存在する程大きくかつアルコール等有機溶媒
中では小さくなる。

伸縮挙動を行なう温度、ｐＨは特に限定されない。伸縮
物質の分子量も任意である。荷電を有する高分子物質の
ほか水の存在だけで伸縮し、水のほかに、いわゆる相転
移現象をおこすための有機溶媒等は必ずしも必要としな
い。

このような電気エネルギーによる可逆的形態変換および
力学エネルギー発生システムの用途の一例として次のよ
うなものを挙げることができる。

（１）液体、気体が流通する管に設けた膜や弁に設置し
、電位をこの膜や弁に印加せしめることによって該膜や
皺伸を伸縮作動させて液体、気体の流量を制御する。

更に流通液中の溶質を退択的に分離する。

（２）　　メカノケミカル物質成型品をアクチェエータ
−ないしモーターとして用いて電気刺激で制御する人工
筋肉として応用する。

（３）　　圧電材料としての電気振動板あるいは音波発
生板。

（４）　　スイッチング素子、リレー装置、振動子。

シーソー。

（５）　　湿度や金属イオンに感応するセンサー。

（６）を気的に焦点を調節できるレンズ、しぼり、水晶
体、虹彩等の人工眼球９人工フィンガーや人工Ｍ、電気
的に屈曲するバイメタル状変形物。

岩盤の破壊。

（７）　　漏水の防止。

（８）　　除湿、脱水剤。

（９）＜シ返し作動する吸水材料。

αＧ　塩除去ゲル、電気透析ゲル。

以下この発明の実施例を示す。

実施例１゜ ０．１モルチの　メチレンビスアクリルアミドの存在下
、５０モル　チの２−アクリルアミド−２−メチル　　
プロパンスルホン酸（人ＭＰ’ｌ　）水溶液を重合して
ポリ（ＡＭＰＳ　）ゲルを調製した。このゲルは乾燥重
量に対し、含水時に２００倍の膨潤率を示し、た。この
膨潤ゲルを１０Ｘ１０Ｘ４０＋ｏ＋重さ４．１２の直方
体に切り、この両端をカーボン電極と接絶させて７０ボ
ルトの直流電圧を加えたところ、ポリ（ＡＭｐｓ　）ゲ
ルは水滴を放出しながら収縮した。収縮率（重−πおよ
び長さ）と時間の関係は表１のようになった。収縮後、
このゲルを水中に３０分間浸漬したところほぼもとの長
さおよび重量を回復した。このゲルを再び繰り返し同様
の条件で行なったところ表１の結果となった。

実施例２゜ 実施例１．で用いたポリ（ＡＭＰ８　）ゲルを実施例１
、と同様の装置を用い印加する電圧を変えて収縮実験を
行なったところ、表２の結果を得た。これよシゲルの収
縮率は印加電圧に比例することがわかる。いずれの場合
も収縮抜水に浸漬するともとの長さを回復し繰シ返し収
縮を行なうことができた。

′、″、Ｘム（，１１：’、。

実１８「］１．で用いたポリ（Ａム什Ｓ）ゲルを太さ０
．４慨蒐、長さ２０雇の白金ワイヤー電葎甲芋ヰ、およ
び３０Ｘ３０頭の透明電極（Ｉｎ−８ｎＯ□蒸着）を用
いて７０ボルトの電位をかけて収縮実験を行なったとこ
ろ賽３の結果を得た。

表３ 実施例４゜ 実施例１６で用いたポリ（ＡＭＰ３　）ゲルを１．０゜
２．０　、４．０　、６．Ｏｆｉ重量パーセント塩化ナ
トリウム水溶液に長時間浸漬しておいたところ膨潤率は
それぞれ１２０．８０．５０．４０パーセントになった
。これら塩化ナトリウムを含んだゲルに実施例１．と同
様の条件で収縮実験を行なったところ表４の結果を得た
。これよシ塩化ナトリウムを存在させてゲル中の電流を
増加させると収縮率も増加することがわかった。またゲ
ルから除去された水中の塩濃度はそれぞれ０．６　、１
．４　、２．８　、４．６重量パーセントに減少してい
た。

表４ 実施例５ 実施ψ］１．のゲルおよび実験装置を用い５０　Ｈｚ３
０Ｖの電圧をかけ−Ｃ収縮実験をおこなったところ表５
の結果を得た。

表５ 実施例６゜ 実施例１．と同様の装置を用いＡＭＰ８−アクリルアミ
ド共重合体ゲル（ＡＭＰ８−ＡＡＭ　）　、ＡＡＭ−ア
クリル酸共重合体ゲル（ＡＡＭ−ＡＡ　）およびポリメ
タクリル酸ゲル（ＰＭ人人）、ポリリン酸ゲル（ｐｐ　
）、６０パ一セント臭化ブチル四級化ポリ４−ビニルピ
リジン（ｑｐｖｐ　）を用いて実施例１．と同じ条件で
収縮実験を行なったところ表６の結果を得た。

これらのゲットはいずれもＩＱり返し伸縮実験を行なう
ことかできた。

表６ 一方、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミドおよ
び２−ヒドロキ７エテルメタクリ２−トなどの非電解質
高分子はおなしく々注でｔｌとんどｌＩ又縮しなかった
が１，１化ナトリウム、体酸力・νシウム等の塩を共存
させると実施［す６と同線に収７５した。

実施例７゜ 実施例ユと同様の装置を用い寒天、ゼラチン。

コラーゲンのゲルを用いて実施例１．と同じ条件で収縮
実験を行なったところ表７の結果を得た。電荷をもつ天
然高分子や生体高分子も合成高分子電解質と同様収縮す
ることがわかる。

表７ 実施例８゜ 実施例１．で用いた膨潤ゲルを直径０．５　ｍ長さ２０
門の円柱状に切り、これを底部に白金線を挿入した直径
０．８■長さ２５閣のガラス管に入れた。ガラス管にゲ
ルの長さの中はどになるまで水を加えた後、ゲルの上部
に接触させる位置にもう一方の白金線を設置した。ガラ
ス管の底部白金線を陽極、ゲル上部の白金線を陰極とし
これらの間に増巾器を経て豆電球を接続し５．０ボルト
の電位を加えたところ、豆電球は０．１秒〜２４０秒の
間隔で点滅をくシ返した。これよυこのゲルはｏｎ　−
ｏｆｆを繰り返すスイッチ機能を有することがわかった
。表８に印加電圧を変えた時の電流ｏｎ　−ｏｆｆ時間
の関係の例を示す。

表８ 実施例９゜ 部分アセタール化したポリビニルアルコール製シーｈｌ
希硫酸中で４８時間死理するととによって部分：ｔ、ル
ホン化したポリビニルアルコールシートをｒｒ型した。

このシートを１１０Ｘ３０の大きさに切り長さ方向の百
ｉＫ白金電極を接続し水中で彬収千千′ゴさせた。つい
で白金電極を通じて６．０ｖの１立を１０分間加えたと
ころ、このシートは約０．５−収６した。電位の印加を
やめると再ひもとの長さに回復した。この操作をくりか
えすことによってシートは再現性良く繰り返し伸縮した
。

実施例１０゜ 太さ０．５　；ｉ　、長さ５０＋ｍのアクリル酸−イソ
プレン共重合体繊維の両端を白金ワイヤーに接続した後
、水中で膨潤平衡させた。次に繊維両端の電極を通じて
４．５ｖの電位を加えたところ繊維は４圏収縮した。電
位の印加をやめると繊維は再ひもとの長さを回復した。

電位を断続的に印加することによってこの繊維はくりか
えし伸縮することがわかった。

実施例１１゜ ０１モルチの過硫酸カリウムを含む２−ヒドロキシエテ
ルメタクリラ−）　（ＨＥＭＡ　）の２０チ水溶液を内
径１０　ｍ　、長さ８０簡の水平にしたガラス管にその
容量の中介が満たされるまで注入した。ガラス管を水平
に保ったまま６０℃に保ったオーブン中に１０時間入れ
重合せしめた。次にガラス管の上部に０１モル乃の過硫
酸カリウムと０，０１モルチのメチレンビスアクリルア
ミドを含むアクリルアミド−２−メｆルプロパンスルホ
ン酸（ＡＭＰＳ　）　３０％ルチ水溶液をガラス管上部
が満たされるまで注入し同様にして６０℃で２０時間重
合させた。得られたＨＢＭＡ　−ＡＭＰ８積１ｇ重合体
を多量の水中で洗條膨潤後、長さ５Ｃｍ直径１２鮨の大
きさに切断した。

ＡＭＰＳ　２合体の両端よシ長さ３０団のカーボン繊維
を挿入し７．ＯＶＯ電位をかけたところこの積層体は１
０分後に２０’になるまで屈曲した。を位を切って水中
に戻すと該積層体はもとの状態に戻った電位を繰シ返す
ことによってこの人工フィンガーあるいはバイメタルは
繰シ返し屈曲伸長を行なった。なおポリ（Ｈ）’：ＭＡ
　）側に適当な間隔で切れ目を入れるとこの屈曲はよシ
すみやかになった。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解質を含む高分子物体に電位を印加することに
   よって該物質の変形伸縮をもたらし、力学エネルギーを
   発生せしめることを特徴とする伸縮物質の作成法。
2. （２）特許請求の範囲１において直流電位を印加するこ
   とを特徴とする伸縮物質の作成法および力学エネルギー
   発生法。
3. （３）特許請求の範囲１において膨潤状態にある高分子
   電解質を用いて収縮をもたらすことを特徴とする伸縮物
   質の作成法および力学エネルギー発生法。
4. （４）特許請求の範囲１において水と高分子電解性物質
   のみを用いる事を特徴とする伸縮物質の作成法および力
   学エネルギー発生法。
5. （５）特許請求の範囲１において該物質を透過膜として
   用いることを特徴とする伸縮物質の作成法および力学エ
   ネルギー発生法。
6. （６）特許請求の範囲１において該物質を繊維として用
   いることを特徴とする伸縮物質の作成法および力学エネ
   ルギー発生法。
7. （７）特許請求の範囲１において非収縮性物質と該物質
   を多層化して用いる事を特徴とする屈曲性伸縮物質の作
   成法および力学エネルギー発生法。
8. （８）特許請求の範囲１において該物質を振動子として
   用いる事を特徴とする伸縮物質の作成法および力学エネ
   ルギー発生法。
9. （９）特許請求の範囲１において収縮によって水を含め
   、溶媒を除去することを目的とする伸縮物質の作成法お
   よび力学エネルギー発生法。
10. （１０）特許請求の範囲１において金属塩を共存させて
    収縮をもたらす事を特徴とする伸縮物質の作成法および
    力学エネルギー発生法。
11. （１１）特許請求の範囲８において収縮によって塩を除
    去することを目的とする伸縮物質の作成法および力学エ
    ネルギー発生法。