2019 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, 客員教授 (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 – 2021-03-31
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| Keywords | ソフトアクチュエータ / 導電性高分子 / 伸縮率 / 収縮力 / サイクル寿命 / バイオ燃料電池 / カーボンナノチューブ / 複合フィルム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ロボットが産業用から福祉、労働やサービスのサポートなど生活に身近な存在に成りつつある。現在のロボットは電動モータあるいは圧縮空気で駆動されており重く、また、電気的なノイズや騒音が問題となっている。そこで筋肉のように柔軟に動くソフトアクチュエータ（人工筋肉）が注目され、様々な材料で開発研究が進められている。しかし、いずれの材料も課題があり、実用化には至っていない。
導電性高分子は電気化学的な酸化・還元（電解伸縮）によって変形し、その伸縮率は最大30%と収縮力は20MPa以上で人体の筋肉に比べて高い機能を示すことが知られている。しかし、伸縮の応答速度、サイクル寿命などの課題が残されている。これらの課題を解決するために、電解伸縮のメカニズムを詳細に調べてきた。その結果、当該年度の実施計画を策定し、研究を行った。更に、人工筋肉をグルコースや尿素など体内のエネルギーを使って駆動するシステムを構築することを新たに加え、その研究に着手した。
導電性高分子アクチュエータの応答速度、サイクル寿命を解決するには、電気伝導度を還元状態でも損なわない工夫が必要で、そのためには伸縮可能で電導性の高い補強材が不可欠であることが判った。その補強材としてカーボンナノチューブ(SWCNT)に着目し、産業総合研究所からを提供を受けた。SWCNTシートに導電性高分子を電解重合し、複合フィルムを得る条件を探索した。また、グルコースや尿素を燃料とした燃料電池の開発に着手した。
SWCNTは密度1mg/cm2のシート上でポリピロールおよびポリアニリンが容易に電解重合でき、導電性が高い自立フィルムを得ることができた。この複合膜をアスコルビン酸燃料電池のアノード触媒に用いるこのによって高い出力が得られることが判った。この燃料電池の機能を最適化し、新規な応用について研究を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
導電性高分子ソフトアクチュエーの問題点である応答速度とサイクル寿命の向上については、SWCNTとの複合フィルムの作製を行いその電解伸縮について評価を行った。その結果、導電性高分子単独のフィルムに比べ伸縮率が期待通りに上がらなかった。その原因の究明は今後の課題として残した。
一方、導電性高分子とSWCNTの複合膜は、バイオ燃料電池の燃料極（アノード）触媒として、白金触媒に比べ数倍の触媒活性があることが判った。バイオ燃料電池は化石燃料や原子力資源が枯渇した後の太陽光や風力などの自然エネルギー源と同様に期待されている。更に、グルコースや尿素などもその燃料となり、体内埋め込み型の人工臓器用電源あるいは人工筋肉の駆動源としての高い利用価値が見込まれ、諸外国でもその関心が高まっている。
バイオ燃料電池の研究に重点を置いて研究を行い、次のような成果を得ることができた。Cu-Ni不織布に導電性高分子のPEDOT*PSSをコーティングした複合膜が、尿素燃料に高い触媒活性を示すことを明らかにし、実際に尿を燃料として発電できることも実証した。この成果はイノベーションジャパンに出展し、企業から多大な関心を集めた。
更に、アスコルビン酸（ビタミンＣ）燃料に対して、ナノカーボンと導電性高分子の複合膜が高い触媒活性を示すことから、ナノカーボンとして、Vulcan XC,グラフェン、フラーレン、ナノチューブなどとPEDOT*PSS,ポリアニリン、ポリピロールとの複合膜を作製し燃料電池のアノード触媒に用い、その出力特性を評価した。
バイオ燃料電池が普及しない理由として、従来、触媒に白金などの貴金属が使われ、またセパレータに高価なイオン交換膜が使われているためで、安価な材料でそれらを代替できることを実証した。これらの成果は、ソフトアクチュエータ駆動用の電源として体内外を問わず利用可能であることが判った。
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| Strategy for Future Research Activity |
燃料電池に関するこれまでの研究は、高い出力を出すために、触媒の開発やセルの構造改良に重点が置かれてきた。燃料電池は、燃料と酸素による電気化学的な酸化反応によるが、これらの機能を別の目的に利用できることが判った。例えば、酸素極の前段にバリアフィルムを配置することによって、フィルムの酸素の透過係数を評価できることを着想した。同様に、燃料極の前にフィルムを置くことによって、フィルムのバイオ材料の透過係数を評価できることも判った。更に、燃料電池に溶存酸素水を用いて発電可能かどうか、更に、脱酸素装置として利用できることも判った。
今後は、導電性高分子をアクチュエータとして利用するのみならず、電気化学的な特異な性質を利用したデバイスを開発する。
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| Causes of Carryover |
毎年、11月末から米国ボストンで開催されている米国材料学会で研究成果を発表してきたが、本年度は予算が不足する可能性があったため、海外での発表を取り止めた。その結果、予算を残すこととなった。その予算を有効に利用するために節約したことにより、残余予算が生じた。
2020年度には、バイオ燃料電池を用いた機能性デバイスおよび導電性高分子とナノカーボンとの複合膜によるソフトアクチュエーの高機能化に向けた研究費として利用する。また、研究成果発表の費用に充てる。
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