2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of self-sensing polymer artificial muscle and its control-oriented modeling based on physics
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17H03204
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
高木 賢太郎 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (60392007)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
入澤 寿平 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (30737333)
田原 健二 九州大学, 工学研究院, 准教授 (80392033)
安積 欣志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (10184136)
井上 剛志 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70273258)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 高分子アクチュエータ / 高分子センサ / 機能材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の内容は，大きく分けて，釣糸人工筋アクチュエータのモデリング，イオン導電性高分子センサのモデリング，人工筋アクチュエータモジュールの開発の３つである．それぞれ分けて２０１９年度の研究内容を以下に述べる．
＜釣糸人工筋アクチュエータ＞：人工筋アクチュエータモジュールの設計のためには，アクチュエータの特性がわからなければならない（モデリング）．モデリングと，いまだ不明な点が多い動作原理の解明に向けて研究を進めている．前年度からの研究の結果，収縮型（TCPF）だけではなくねじり型（TPF）の動作の特性計測が重要であることがわかってきており，ねじり型（TPF）のトルク計測だけでなく，張力を計測したところ，増加すると予想されたところ逆に減少する場合や，増減することを実験的に発見した．未撚繊維は，単調に張力が増加するだけであるので，加撚繊維がそのような特性を示すことは非常に興味深く，物理原理に関係すると考えられる．発見した現象は複数の学会にて発表を行った．
＜イオン導電性高分子センサ＞：センサの物理モデルはすでに提案されているが，非線形連立偏微分方程式で表され非常に複雑であり，工学的な近似モデルが必要とされている．これまでに，得られたシンボリックな有限要素法によって，解析的に離散化モデルを導出していたが，次数が高い（200次など）という問題があった．そこで，今年度は，制御工学で用いるモデル低次元化の手法を用いると，1次から2次のシステムで十分に近似できることを明らかにできた．成果は複数の学会発表にて報告を行った．
＜モジュールの開発＞：前述のように，釣糸人工筋アクチュエータに関して，これまでに知られていない新しい特性である，TPFの張力減少とその変動を見出した．そのため，モジュール開発に先駆けて釣糸人工筋アクチュエータの特性計測とモデル化に重点をおくものとした．
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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
＜釣糸人工筋アクチュエータ＞：特性計測において前年度に引き続きて新たな発見があり，当初予定していたモデル化に研究のウェイトがおかれているが，研究は順調であると考えられる．
＜イオン導電性高分子センサ＞：モデル化ならびにシミュレーションにおいて，進捗は順調である．現在，解析的有限要素モデルとその低次元化に関する論文投稿をし，査読後，修正をしている．
＜モジュールの開発＞：前述のように，釣糸人工筋アクチュエータに関して，これまでに知られていない新しい特性（TPFの張力減少とその変動）を発見した．そのため，モジュール開発に先駆けて釣糸人工筋アクチュエータの特性計測とモデル化に重点をおくものとした．
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| Strategy for Future Research Activity |
＜釣糸人工筋アクチュエータ＞
これまでの研究の知見をもとに，熱・機械の相互変換特性の計測をさらに発展させるとともに，数理モデリングについて検討する．これまでの研究により，収縮型高分子繊維人工筋（TCPF）だけではなくねじり型高分子繊維人工筋（TPF）の動作が本質的でありその特性計測が重要であること，また，温度による履歴現象が存在することがわかってきている．これまでに，実験による特徴づけ（Characterization）の基礎となる本質的なデータを得られてきた．そこで，本年度はその数理モデル化の検討を行うとともに，モデルを用いた数値シミュレーションを試みる．
＜イオン導電性高分子センサ＞
これまで解析的な有限要素法により，電圧発生モデルならびに電流発生モデルと，その低次元化についての知見がえられてきている．一方で，線形近似したモデルについては，有限要素法を使うことなく，厳密な解析解が得られることがわかってきたため，その厳密な解析解モデルの検証と低次元化について研究を行う．なお，提案解析的近似モデルの数値計算にはMATLABを，直接数値シミュレーションにはCOMSOLを用いる．
＜モジュールの開発＞
モジュール化に適した釣糸アクチュエータを検討するとともに，ゴルジ腱器官を実現するイオン導電性高分子センサの検討を行う．イオン導電性高分子センサの候補として，空中でも動作可能なバッキーゲルセンサを用いるものとする．また，モジュールの設計については引き続き検討を行い，3Dプリンタなども活用して試作と評価を行う．
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Research Products
(19 results)
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[Presentation] ナイロンフィラメントの負の線膨張係数に関する研究2019
Author(s)
木村大輔,木村開,小林拓未,塩谷正俊,土井健太,入澤寿平,高木賢太郎,田中栄太郎,櫻井大地,渡邊晴彦,田原健二,舛屋賢
Organizer
2019年度繊維学会年次大会
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[Presentation] 高分子繊維アクチュエータの駆動モデルの検証2019
Author(s)
長谷川貴,土居玄太,田邊靖博,高木賢太郎,入澤寿平,田中栄太郎,櫻井大地,渡邊晴彦,塩谷正俊,舛屋賢,田原健二
Organizer
2019年度繊維学会年次大会
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[Presentation] 高分子フィラメントの大きな負の線膨張係数に関する研究2019
Author(s)
木村大輔,木村開,小林拓未,舛屋賢,塩谷正俊, 長谷川貴,土井玄太,入澤寿平,高木賢太郎,櫻井大地,渡邊晴彦,田中栄太郎,田原健二
Organizer
プラスチック成形加工学会
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