2020 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 | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
高木 賢太郎 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 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, 教授 (80392033)
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２０２０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）．これまでの研究の結果，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）のアクチュエーション張力が初期ねじり回数が増えると逆に減少することを実験により発見した．今年度は，この現象をモデルから明らかにすることに成功した．提案する物理モデルと実験結果は国際学術雑誌に投稿した．
＜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，シンボリックな（パラメータを文字記号として残した）有限要素モデルとその数値的なモデル低次元化について成果をまとめ，国際学術雑誌に投稿し掲載された．
また，イオン導電性高分子センサに加えて，誘電エラストマー材料をセンサの候補として初期的な検討を始めている．誘電エラストマー材料は近年研究が盛んであり，イオン導電性高分子センサと比較するとイオン液体や溶媒が不要であるというメリットがある．誘電エラストマーの基礎的な物理特性について計測を行い，基礎物性を計測する手法を開発し，成果は学会発表するとともに学術雑誌に掲載された．
＜モジュールの開発＞：モジュール化に向けて3Dプリンタを用いて屈曲型モジュールの試作を行い，動作の検証をすることに成功した．研究成果の発表に向けて準備を進めている．
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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＞：ねじり型（TPF）のアクチュエーション張力が初期ねじり回数が増えると逆に減少することを実験により発見するとともに，この現象をモデルから明らかにすることに成功した．この研究成果の意義は，釣糸人工筋アクチュエータの動作原理は，繊維の熱収縮というよりも，むしろ，線維の径方向の熱膨張のほうが，アクチュエータの動作により大きく寄与していることを示している．成果は，国際学術雑誌への投稿も行った．物理的な原理の一端が明らかになりつつあり，この項目に関する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＞：有限要素法に基づく解析的なモデルとモデル低次元化に関する統一的な手法を構築し，国際学術雑誌に投稿したところ，物理的な内容についての多くのコメントがあり，その結果を反映して論文掲載された．以上の内容から，モデル化に関して順調であると考えられる．異なる材料ではあるが今後センサとして期待される，誘電エラストマー材料の特性評価についての成果も学術雑誌に掲載された．イオン導電性高分子だけでなく，誘電エラストマー材料もモジュールのための力センサとして有用である．この項目に関する研究は順調であると考えられる．
＜モジュールの開発＞：これまでモデル化にウェイトを置いておりモジュール開発の進展が少なかったが，今年度は3Dプリンタを活用して屈曲型モジュールの試作を行った．今後，アクチュエータとセンサを組み合わせて特性評価を進める予定であり，この項目の進展はおおむね順調であると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
＜釣糸アクチュエータ＞
これまでの研究で得られてきた，特徴づけ（Characterization）の結果と数理モデリングの知見を融合し，本年度は静的な数理モデルの基礎を完成させる．収縮するコイル型高分子繊維人工筋（TCPF）に対して，ねじり型高分子繊維人工筋（TPF）の特性計測がより本質的であり，TPFの計測から繊維の熱収縮（負の熱膨張）と（正の）熱膨張が同時に生じ，それがトルクや変形にどのように影響するかがわかってきた．特性計測をもとにTPFの静的なモデルを構築し，静的なシミュレーションを行う．一方で，実用上は無視できないクリープや履歴などがあるため，今年度はそのような動的な現象や，TCPFの数値シミュレーションができるようにモデルを拡張することを目指す．
＜イオン導電性高分子センサ＞
これまでに，解析的な手法を用いパラメータを記号として残した（シンボリックな）有限要素法によるIPMCセンサのシミュレーションが可能となっており，モデルの数値低次元化についての知見がえられた．一方で，厳密解が求められるはずの線形近似した電圧発生モデルについては式展開の検証が途上であるため，前年度に続いて，直接数値シミュレーションとの比較も用いて検証を進める．また，実際のイオン導電性高分子サンプルを用いた特性計測についても引き続き進めるとともに，IPMCセンサとバッキーゲルセンサの比較を目指す．
＜モジュールの開発＞
3Dプリンタを用いて屈曲型モジュールの試作を行い，動作の検証をすることに成功した．その結果，モジュール化の際，センサとの取り付け方法の検討が必要であることがわかってきたため，取付方法について検討する．予備検討によって，イオン導電性高分子が力センサとして適しているかどうかの再検討の必要性が出てきた．さらに，センサの候補として誘電エラストマーセンサについても検討を試みる．
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