Novel Principle Sound Device based on High-Speed Response Method of SMA Wire for Random Frequency Input

• Project/Area Number: 20K04340
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Harada Hiroyuki 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (90301936)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田島 悠介 北海道科学大学, 工学部, 助教 (00849375)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 形状記憶合金 / Shape memory alloy / SMA / アクチュエータ / 音響計測 / 強化学習 / 音声 / 機械学習

Outline of Research at the Start

柔軟で単純な構造で駆動が可能である形状記憶合金（SMA）アクチュエータを，音声周波数帯域で駆動させることによって，新たな音源として利用することを目的とした研究である．従来，SMA アクチュエータは高速に駆動させることが困難であるとされてきたが，申請者らが提案してきた高速駆動手法を発展させ，高周波数帯域におけるランダム周波数入力に対応させることによって，音源として利用する方法を検討する．取り組む内容は，SMA の復元力の獲得方法に対する実験的検討，および機械学習を用いた最適駆動条件の自動調整手法の開発である．

Outline of Final Research Achievements

An experimental investigation was conducted to examine sound generation by driving a shape memory alloy (SMA) wire, which has conventionally been considered difficult to drive at high speeds in the audio frequency range by maintaining the wire under the most responsive conditions. It was demonstrated that stable driving was possible at frequencies up to 7 kHz　by applying a constant power bias to the AC signal at the desired frequency through power control. Furthermore, the characteristics of the volume generated at each frequency were clarified. Additionally, the structure of the voice device was investigated, a method for adjusting the output for inputs containing random frequencies was explored, and the optimization of input waveforms using deep learning was examined.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

急速なAIの発展により，スマートフォンなどの通信デバイスとのコミュケーション手段として，音声の重要性が増している．そのような背景の中，本研究は新しい形式の音源の提案を行った．従来，高速に駆動させるのが難しいとされ，音源としては用いられてこなかったSMAアクチュエータを音声周波数帯域で高速駆動させる方法を開発し，音の生成が可能であることを示した． SMAアクチュエータは柔軟で細いワイヤであることから，装置の小型化や軽量化など，デバイス設計により大きな自由度を与える可能性がある．本研究をさらに発展させることで，ウェアラブル機器や医療・福祉機器への応用が期待できる．

Research Products

• [Presentation] SMAアクチュエータの音生成における入力波形の最適化 (2023)
  • Author(s): 田島悠介，原田宏幸，野澤勇人，和久井隆光
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス講演会2023（ROBOMECH2023）
• [Presentation] 拮抗配置したSMAアクチュエータによる音生成 (2023)
  • Author(s): 和久井隆光，原田宏幸，田島悠介，野澤勇人
  • Organizer: 第41回日本ロボット学会学術講演会（RSJ2023）
• [Presentation] SMAアクチュエータによる音生成における強化学習を用いた入力波形の最適化 (2023)
  • Author(s): 野澤勇人，原田宏幸，田島悠介，伊藤壮生，和久井隆光
  • Organizer: 第24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（SI2023）
• [Presentation] 応答特性を考慮したSMAアクチュエータによる音声周波数帯域の音生成 (2023)
  • Author(s): 秋山望実，原田宏幸，田島悠介，野澤勇人，和久井隆光
  • Organizer: IIP2023 情報・知能・精密機器部門（IIP部門）講演会
• [Presentation] SMAアクチュエータによって駆動される音響発生器の構造検討 (2022)
  • Author(s): 野澤勇人，原田宏幸，田島悠介，諏訪田幸一，秋山望実
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス講演会2022（ROBOMEH2022）
• [Presentation] Sound measurement-based study on SMA actuator characteristics for application of audio devices (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Harada, Nozomi Akiyama, Yusuke Tajima, Koichi Suwada, Yuto Nozawa
  • Organizer: 2022 JSME-IIP/ASME-ISPS Joint International Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment (MIPE2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 音声周波数帯域におけるSMAアクチュエータの応答特性 (2022)
  • Author(s): 原田宏幸, 田島悠介, 諏訪田幸一, 秋山望実, 野澤勇人
  • Organizer: IIP2022情報・知能・精密機器部門(IIP部門)講演会
• [Presentation] SMAアクチュエータの変位量に対する応答特性の変化 (2021)
  • Author(s): 諏訪田幸一, 原田宏幸, 田島悠介, 秋山望実
  • Organizer: M&M2021材料力学カンファレンス