2020 Fiscal Year Annual Research Report
Technological enhancement of force generation of composite-based supercapacitor-type soft actuator
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19H02094
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
佐々木 実 岐阜大学, 工学部, 教授 (20183379)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
新田 高洋 岐阜大学, 工学部, 准教授 (20402216)
内藤 圭史 岐阜大学, 工学部, 助教 (50759339)
玉川 浩久 岐阜大学, 工学部, 准教授 (60324282)
永井 学志 岐阜大学, 工学部, 准教授 (90334359)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ソフトアクチュエータ / 誘電エラストマーアクチュエータ / コンポジット / スーパーキャパシタ / チタン酸バリウム / ナノクレイ / カーボンナノチューブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，ソフトアクチュエータの一種である誘電エラストマーアクチュエータ（DEA）の実用化を阻む本質的問題点（低発生力）を解決することを目的に，「高剛性化」，「低起動電界化」，「高絶縁耐力化」に基づく入力電界範囲拡張を目指すものであり，「①高誘電粉体のマイクロコンポジットによる高剛性化・低起動電界化」および「②ナノクレイのナノコンポジットによる変形層の高絶縁耐力化」，「③電極層のスーパーキャパシタ化による低起動電界化」の3つのテーマから成る．
第2年度は，主に上記の②を実施する計画になっており，計画通り，これに取り組んだ．具体的には，誘電エラストマー（本研究ではポリウレタン（PU）を使用）にナノクレイを充填することにより，電場印加時の電気トリー進展の抑制，ひいては，高絶縁耐力化を試みた．残念ながら，現状では，ナノクレイを3vol%程度まで段階的に充填したが，高絶縁耐力化の兆候は見られていない．
また，前年に引き続き，上記①にも取り組んだ．その結果，PUに誘電粉体（本研究ではチタン酸バリウム粒子を使用）を充填することにより，誘電率（この値が高い方がDEAは高発生力化）および駆動量指標（規格化誘電率を規格化ヤング率で除した値，この値が高い方がDEAの駆動ひずみが大きい）が，ともに上昇することが明らかとなった．また，誘電粉体の充填率が30vol%程度までは，DEAのひずみ（実測値）が予測値よりも高くなることも明らかとなった．さらには，PUに誘電粉体を充填する際に，分散剤を添加することにより，絶縁耐力が低下する一方，最大ひずみが高まることを見出した．
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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
上記②に関しては，高絶縁耐力化のためにナノクレイを充填したPU（誘電エラストマー）を作製し，その絶縁破壊電場を調べた．現状では残念ながら，ナノクレイを3vol%程度まで段階的に充填したが，高絶縁耐力化の兆候は見られていない．但し，使用するナノクレイの極性の大小がDEAの絶縁破壊に影響を与えている可能性を見出した．また，顕微鏡観察により，ナノクレイの分散性に問題がある可能性が浮上したため，最終年度はこれらの点の改善，ひいては，高絶縁耐力化にも取り組む．
上記①に関しては，PUにチタン酸バリウム粒子（誘電粉体）を充填することにより，DEAの誘電率（この値が高い方がDEAは高発生力化）および駆動量指標（規格化誘電率を規格化ヤング率で除した値，この値が高い方がDEAの駆動ひずみが大きい）が，ともに上昇することが明らかとなった．また，チタン酸バリウム粒子の充填率が30vol%程度までは，DEAのひずみ（実測値）が予測値よりも高くなることも明らかとなった．さらには，PUにチタン酸バリウム粒子を充填する際に，分散剤（一種の界面活性剤）を添加することにより，絶縁耐力が低下する一方，最大ひずみが高まることを見出した．これに関しては，分散剤により誘電粉体の分散性が向上しDEAの誘電率が向上した可能性と，分散剤が可塑剤の様に働きDEAのヤング率が低下した可能性の2つが考えられる．最終年度はこの点に関しても検証し，DEAの高発生力化に繋げる．
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| Strategy for Future Research Activity |
エラストマー表面にスーパーキャパシタを取り付けてDEAの低起動電界化を達成したうえで，電極の表面積と誘起電荷ひいてはDEAの発生力との関係を明らかとする．その際，スーパーキャパシタは化学気相成長（CVD）により基板に垂直配向させたカーボンナノチューブ（CNTフォレスト）を，エラストマーに転写する方法により作製する．つまり，前年までの研究成果であるマイクロ・ナノコンポジット変形層の表面にCNTフォレストを取り付け，目的のDEAを完成させる．さらに作成したアクチュエータのモデル化を行い，コントローラを設計し，その有効性について検討をおこなう．さらに電流制御回路の設計と実装化を行い，制御実験をおこない，その有効性について検討を行う．その研究成果について，学会発表と論文投稿をおこない，一連の成果を報告書にまとめ，HP等で公表・広報活動を積極的に行う．
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