Development of pneumatic soft actuators with functional materials by 3D printing

Research Project

Project/Area Number	23K03644
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 18040:Machine elements and tribology-related
Research Institution	Okayama University
Principal Investigator	脇元修一岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (40452560)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2026: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords	ソフトアクチュエータ / ３Dプリント / 形状記憶ポリマー / 機能性材料 / ３Dプリンティング
Outline of Research at the Start	安全性、形状適応性などを特長するソフトロボットの開発が盛んに行われており、その駆動源となるソフトアクチュエータの機能向上への期待が高まっている。本研究では、柔軟材料と機能性材料を複合することでソフトアクチュエータの機能向上を目指す。複数材料を同時成型可能な３Dプリンタを用いることで、効率的で構造の自由度が高い、機能性材料を複合したソフトアクチュエータの製作手法を確立する。
Outline of Annual Research Achievements	柔軟な材料によって構成され、空気圧印加に伴う材料の膨張変形を出力として利用するアクチュエータは空気圧ソフトアクチュエータと呼ばれ、柔軟性に起因する安全性を特長とする。本研究では、3Dプリンタを用いて機能性材料を複合することで、空気圧ソフトアクチュエータの機能向上を目指す。加熱・冷却によって形状固定性や剛性可変性を発現する機能性材料である形状記憶ポリマー（SMP）を用い、これをアクチュエータの基盤となる柔軟材料に複合することで、初期形状可変機能や剛性可変機能をもつ空気圧ソフトアクチュエータが実現される。本年度は、３DプリンタによるSMPと柔軟材料の複合構造の製作手法と製作条件を明らかにした。これによって、SMPと柔軟材料を複合した構造体が１度の３Dプリンティングで実現可能となった。この３Dプリンティングプロセスを確立したことは、本研究のアクチュエータ開発を迅速に進めていくうえで重要な成果である。また、初期形状が可変なソフトアクチュエータ、剛性が可変なソフトアクチュエータをそれぞれ試作した。前者では、空気圧印加前のアクチュエータ形状を変更することで、アクチュエータの駆動領域が可変となることを確認した。後者は、導電性材料も同時に３Dプリンティングすることで製造しており、導電性材料が通電加熱可能であること、また、この熱によってSMPの温度を可変にすることができ、剛性変化が実現できていることを確認した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason SMPと柔軟材料の複合体の３Dプリンティングを実現したことに加え、導電性材料も同時造形が可能となっている。また、実際に２種類のソフトアクチュエータを製作できており、当初計画よりも進展している。
Strategy for Future Research Activity	SMP、導電性材料、柔軟材料を３Dプリンティングによって同時成型することでアクチュエータを試作しているものの特性評価は未実施である。今後、試作したアクチュエータの特性を調査するとともに、その結果を基にアクチュエータの設計を変更し、駆動特性の改善を図る。