Development of a polymer actuator using multi-materials

• Project/Area Number: 17K06264
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Intelligent mechanics/Mechanical systems
• Research Institution: Wakayama University
• Principal Investigator: KIKUCHI Kunitomo 和歌山大学, システム工学部, 助教 (20588058)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: ソフトロボティクス / マルチマテリアル / ソフトアクチュエータ / 3Dプリンティング / 機能性材料 / ソフトセンサ / 無電解めっき / 機能材料 / 無電解めっき法 / 高分子アクチュエータ

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this research is to develop a polymer actuator using multi-materials. A prototype of an ionic polymer-metal composite (IPMC) actuator incorporated with a shape memory polymer (SMP) and a kind of polymer heater was proposed to maintain its deformation after actuation. Fused deposition modeling (FDM) 3D printing technology was applied to form ionic conductive structures as a base material for IPMC. As an application of the proposed printing process, a novel fabrication process of IPMC without cutting was proposed by using a 3D printer with dual extruders.
The results of this study have possibilities to contribute to improvements of characteristics of polymer actuators in Soft Robotics.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究課題で実施したマルチマテリアル技術を活用する機能性高分子ソフトアクチュエータ作製のための要素技術の確立は、これまでに実現できなかった形状へ成形したり、新たな機能を付与する界面科学や材料工学という分野と、機械工学や電気電子工学、ロボット工学等との異分野融合型研究分野である。
このことは、従来技術の限界を超える可能性があるが、学問的、社会的に未踏の面も多く残されているソフトロボティクス分野において、異分野融合型研究として、これまで知られていない知見を得ることができる可能性を有しており、学術的意義がある。また、技術的にも新しい産業分野への貢献可能性を有しており、社会的意義があるものと認められる。

Research Products

• [Presentation] 微細加工技術を用いたイオン導電性高分子アクチュエータ作製プロセスの開発 (2019)
  • Author(s): 菊地邦友
  • Organizer: 日本MRS研究会「ソフトアクチュエータ産業化研究会」シンポジウム 『ソフトアクチュエータ、ソフトセンサとプロセス技術』
  • Invited
• [Presentation] Improvement of Driving Characteristics of Ionic Polymer-Metal Composite Applying Voltages Controlled by Using a Single Board Computer (2018)
  • Author(s): Ryuichi Fukui, Kunitomo Kikuchi
  • Organizer: The SICE Annual Conference 2018 (SICE 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of Fabrication Conditions on Driving Characteristics of a Novel Coiled Thermoplastic Polymer Actuator Driven by a Conductive Polymer Heater (2018)
  • Author(s): Hiroto Ikoma, Kutnitomo Kikuchi, Ryuichi Fukui, Hidenori Okuzaki
  • Organizer: The SICE Annual Conference 2018 (SICE 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Finite Element Analysis on Driving Characteristics of a Thermoplastic Polymer Actuator (2018)
  • Author(s): Ryuto Kakitsuka, Kunitomo Kikuchi, Satoshi Tanaka
  • Organizer: The SICE Annual Conference 2018 (SICE 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a fabrication process incorporated with fused deposition molding 3D printing technique for Ionic polymer-metal composite (2018)
  • Author(s): Taisuke Norioka, Syusake Uchida, Ryuto Kakitsuka, Kunitomo Kikuchi
  • Organizer: Japan-China Joint Workshop on Recent Advances on Active Soft Materials 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a stiffness-controllable ionic polymer-metal composite incorporated with a shape memory polymer (2018)
  • Author(s): Satoshi Tanaka, Ryuto Kakitsuka, Kunitomo Kikuchi
  • Organizer: Japan-China Joint Workshop on Recent Advances on Active Soft Materials 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a thermoplastic polymer actuator with PEDOT:PSS as a conductive polymer heater (2018)
  • Author(s): Ryuto Kakitsuka, Kunitomo Kikuchi, Hidenori Okuzaki
  • Organizer: Japan-China Joint Workshop on Recent Advances on Active Soft Materials 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 導電性高分子ヒータにより駆動するコイル型熱可塑性高分子アクチュエータの駆動特性評価 (2018)
  • Author(s): 生駒 啓人, 菊地 邦友, 奥崎秀典
  • Organizer: 第28回日本MRS年次大会
• [Presentation] 熱溶解積層法を用いたイオン導電性高分子アクチュエータの作製時におけるマスク材料の影響 (2018)
  • Author(s): 内田 周作, 菊地 邦友
  • Organizer: 第19回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会 (SI2018)
• [Presentation] マルチマテリアル技術を用いた絶縁処理が不要なイオン導電性高分子アクチュエータの提案 (2018)
  • Author(s): 福井 龍一, 則岡 泰典, 内田 周作, 菊地 邦友
  • Organizer: 第36回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2018)
• [Presentation] 形状記憶ポリマーを用いた変形形状維持が可能なイオン導電性高分子アクチュエータの開発 (2018)
  • Author(s): 硴塚 龍望, 菊地 邦友, 田中 聡志, 福井 龍一
  • Organizer: 第36回日本ロボット学会学術講演会 (RSJ2018)
• [Presentation] PWM駆動させたイオン導電性高分子金属接合体の動作特性評価 (2018)
  • Author(s): 福井 龍一, 菊地 邦友
  • Organizer: 日本機械学会 2018年度年次大会
• [Presentation] 電極パターンを変化させたイオン導電性高分子セ ルフセンシングアクチュエータの動作特性評価 (2018)
  • Author(s): 内田 周作, 菊地 邦友
  • Organizer: 日本機械学会 2018年度年次大会
• [Presentation] 導電性高分子電極を用いた誘電エラストマーアクチュエータの開発 (2018)
  • Author(s): 福井龍一, 菊地邦友, 岡田明浩, 生駒啓人, 硴塚龍望, 奥崎秀典
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス講演会2018 in Kitakyushu (ROBOMECH2018 in Kitakyushu)
• [Presentation] 表面がパターニングされたイオン導電性高分子センサの出力特性評価 (2018)
  • Author(s): 内田 周作, 菊地 邦友
  • Organizer: 日本機械学会 関西学生会2017年度学生員卒業研究発表講演会
• [Presentation] シングルボードコンピュータを用いた印加電圧制御によるイオン導電性高分子金属接合体の揺れ戻り軽減 (2018)
  • Author(s): 福井 龍一, 硴塚 龍望, 田中 聡志, 則岡 泰典, 松波 恭平, 菊地 邦友
  • Organizer: 日本機械学会 関西学生会2017年度学生員卒業研究発表講演会
• [Presentation] 印加電圧波形の制御により揺れ戻り軽減させたイオン導電性高分子金属接合体の動作特性評価 (2017)
  • Author(s): 福井 龍一, 菊地 邦友
  • Organizer: 第18回 計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会 (SI2017)
• [Book] 自己修復材料、自己組織化、形状記憶材料の開発と応用事例 (第６章 形状記憶を利用したマテリアルの開発とその特性 第6節 形状記憶ポリマーを用いたイオン導電性高分子アクチュエータの開発) (2020)
  • Author(s): 菊地邦友
  • Total Pages: 446
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861047817
• [Book] Soft Actuators - Materials, Modeling, Applications and Future Perspectives - (Chapter 7 Ionic Conductive Polymers) (2019)
  • Author(s): Kunitomo Kikuchi, Shigeki Tsuchitani, (Eds. Kinji Asaka, Hidenori Okuzaki)
  • Total Pages: 740
  • Publisher: Springer Singapore
  • ISBN: 9789811368509
• [Book] 電気化学・インピーダンス測定の データ解析手法と事例集 ～測定のテクニックを事例ごとにわかりやすく解説！～ (2018)
  • Author(s): 立間 徹, 堺 英樹, 小野田 雅重, 岩村 振一郎, 青木 幸一, 西原 洋知, 菊地 邦友 他 (60名)
  • Total Pages: 522
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861047305
• [Remarks] 和歌山大学研究者総覧: 菊地邦友
  • URL: http://wakarid.center.wakayama-u.ac.jp/ProfileRefMain_2102.html
• [Remarks] 和歌山大学システム工学部生体医工学研究室
  • URL: https://web.wakayama-u.ac.jp/sys/major/ee/bme/
• [Remarks] 研究者総覧: 菊地 邦友
  • URL: http://wakarid.center.wakayama-u.ac.jp/ProfileRefMain_2102.html
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: https://portal.sys.wakayama-u.ac.jp/major/em/melab/
• [Remarks] 個人ホームページ
  • URL: http://www.wakayama-u.ac.jp/~kikuchi/
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.wakayama-u.ac.jp/~kikuchi/Lab/