Development of a fiber soft actuator based on textile engineering

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K18832
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 橋本 稔 信州大学, 繊維学部, 特任教授 (60156297)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 塚原 淳 信州大学, 学術研究院繊維学系, 助教 (70601128)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Keywords: PVCゲル / ソフトアクチュエータ / 人工筋肉 / 芯鞘構造 / 高分子 / 繊維工学 / ファイバー

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、芯鞘構造ゲルファイバーを用いたソフトアクチュエータの創製を目的として導電材とPVCゲルから成る高分子アクチュエータの開発を行った。ファイバー状のアクチュエータが実現すれば束ねたり織物として使用したりとその応用方法は多岐にわたり、様々な業界でのアプリケーションとなることが期待できる。本研究では導電性繊維をPVCゲルで内包した芯鞘構造ゲルファイバーを陰極とし、陽極となる導電性材料と撚り合わせることによって、ファイバー状の高分子アクチュエータを構成した。
第一段階として、芯材となる導電性繊維にPVCゲルをコーティングする工程の最適化を実施し、引上げ速度8mm/sが最も均一にコーティングできることが分かった。引上げ速度8mm/s以上では塗布部が不均一となり、以下では完全にコーティングできずに露出部が多発した。また、ディップ回数によって膜厚をコントロールすることが可能で、3回で約100μm、4回で約300μmのコーティング厚となることが分かった。第二段階では、撚糸構造のファイバー状ソフトアクチュエータを試作し、その特性を評価した。その結果、PVCゲルのコーティング厚が均一かつ薄膜であり、陰極と陽極を撚り合わせる際の撚り数が多いほどアクチュエータの伸展方向の変位量が大きくなることが分かった。しかし、撚り過ぎると伸展から収縮へと変形方向が逆転することも判明した。第三段階では、ファイバー状ソフトアクチュエータの特性向上を目的として、アクチュエータ構造の設計を行った。芯材である導電性繊維を編むことで伸縮性を持たせアクチュエータを試作したところ変位量は約1.8倍に増加した。
結果、本研究では芯鞘構造ゲルファイバーの作製方法を確立し、ゲルファイバーの芯材料に伸縮性を付与することでファイバー状ソフトアクチュエータの特性が向上することを確認した。