2017 Fiscal Year Research-status Report
導電性高分子を用いたソフトアクチュエータの高機能化
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16K06280
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
金藤 敬一 大阪工業大学, 工学部, 教授 (70124766)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宇戸 禎仁 大阪工業大学, 工学部, 教授 (20298798)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ソフトアクチュエータ / 導電性高分子 / 電解伸縮 / 人工筋肉 / 伸縮率 / 収縮力 / ポリピロール / バイオ燃料電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
導電性高分子を電気化学的に酸化・還元することによって電解液中のイオンが導電性高分子内に注入され、そのイオンの全体積に相当する大きさで、導電性高分子が膨潤および収縮する（電解伸縮）。この原理によって柔軟に伸縮するソフトアクチュエータを作製し、条件を最適化することによって、伸縮率、収縮力、応答速度、サイクル安定性などを向上させ実用的なアクチュエータとして高機能化を行うことが本研究の目的である。
これまでポリピロールのフィルムと各種塩の電解質水溶液を用いて電解伸縮の測定を行い、イオンの種類と伸縮率の関係を詳細に調べた。即ち、サイクリックボルタモグラムの電流値を積分することによって注入された電荷量からイオン数を見積もり、また、フィルムの長さの変化から等方的な体積増加を仮定して、イオンの大きさを計算した。その結果、ポリピロールフィルム中に挿入されるイオンは水和しており、水和の大きさは負イオンでは結晶イオン半径が大きいほど大きく、一方、正イオンでは結晶イオン半径が小さい程大きいことが判った。一般的に知られている水和のモデルに近い結果である。
電解伸縮における収縮力の起源について、酸性水溶液中のポリアニリンフィルムに張力荷重を印加して張力と電解伸縮率の関係を調べた。荷重の増加に対し、伸縮率は直線的に減少し、張力と収縮力が釣り合う抗力から電気化学応力を求め、いわゆる応力－歪曲線から求められるヤング率と比較検討した。また、ポリアニリンは酸性水溶液中では、プロトネーションによって電導度が金属並みに上昇することから、各種負イオンと電導度、電気化学応力、ヤング率を比較することによって、伸縮力との関連性を明らかにした。その結果、大きい負イオンでは、電導度は小さく、ヤング率は小さく、電気化学応力も小さいことが判った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
申請書記載の平成29年度の研究実施計画において、当該年度の実施項目に張力荷重下での電解伸縮によって生じる電気化学クリープの解明とその対策を掲げていた。本課題を昨年度の成果を基に更に展開するために、アクチュエータの収縮力の起源を探る研究を行った。
化学重合によって得られたポリアニリンフィルムを用いて荷重印加による電解伸縮率の減少とクリープ現象を同時に測定した。その結果、フィルムの静的応力－歪曲線から求めたヤング率は0.1～0.5MPaで、電気化学応力は10～100MPaで、ヤング率に対して電気化学応力はその約10分の1であることが判った。一方、過去にポリピロールフィルムについて調べた結果では、ヤング率と電気化学応力はほぼ等しい、0.3～0.4MPaであった。
ヤング率はポリマーの弾性を表す指標で、その起源は高分子の原子間結合エネルギーに熱振動による摂動である。電気化学応力もドープされたイオンが還元により抜かれ、その空隙が高分子の熱振動によって収縮するメカニズムで説明される。従って、ヤング率と電気化学応力はほぼ対応すると考えられる。今回、ポリアニリンで得られた結果は、このモデルだけでは説明できないメカニズムが働いていると考えられる。この成果は、日本材料学会MRS-J年会で発表し、Transaction of MRS-Jに論文として採択された。
昨年度の研究成果として、ポリピロール薄膜の電解伸縮率の電解質依存性について、アニオン駆動、カチオン駆動について詳細に測定し、水和した負イオンおよび正イオンの大きさを評価した結果を米国MRS Fall Meeting で発表し、多大な評価を得ると共に、MRS Advancesに論文として掲載され、価値のある研究として認められた。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画に沿って、張力荷重下での電気化学応力および電気化学クリープ現象について、更に詳細について調べる。電気化学応力が導電性高分子の種類によって異なるメカニズムについて検討する。更に、電気化学クリープはアクチュエータとして利用する上で、位置制御を難しくするので、電気化学クリープを抑制する方法を探る。また、電気化学クリープを積極的に利用するデバイスを提案する。
これまでの研究から、大きい荷重下での電解伸縮がアクチュエータの劣化を早めることが判っている。この劣化の原因を明らかにし、この劣化を抑える方法を提案する。筋肉に化学エネルギーから運動エネルギーへの変換効率は50％に近いと言われている。一方導電性高分子の電解伸縮では、電気的エネルギーの変換効率は1%以下と見積もられている。この変換効率を高めるメカニズムを提案する。
これまでの研究から、導電性高分子はバイオ燃料電池の触媒として有効であることを明らかにしてきた。本研究では、バイオ燃料として、例えばアスコルビン酸(ビタミンC）グルコース、更には尿素などを用いて発電し、その電力を、例えば、ペースメーカ或は人工網膜、人工中耳の電源として用いる。あるいは、バイオ燃料の酸化によって生じる電子とイオンを直接導電性高分子の酸化・還元に利用し、体内埋め込み型人工臓器の駆動源とする。
導電性高分子の電解伸縮を用いたソフトアクチュエータについて、材料の開拓、電解伸縮に用いるイオンの多様化、メカニズムの解明により、高伸縮率、強収縮力、高速応答、サイクル安定性などにより高機能化を目指して研究を行う。
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| Causes of Carryover |
論文の掲載と支払いを当該年度に見込んでいたが、請求が次年度に繰り越されたのが主な理由である。また、購入物品および支出計画を立て支払いを実行したが、廉価品により節約できたことによる。
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