2022 Fiscal Year Annual Research Report
A study of the fast phase transformation of Shape-memory alloy wires and its application to tactile display and bidirectional tactile communication
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20H04214
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
澤田 秀之 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00308206)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
重宗 宏毅 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (40822466)
ハルトノ ピトヨ 中京大学, 工学部, 教授 (90339747)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 形状記憶合金 / 高速相変態 / 触覚計測 / 触覚提示 / 触覚センシング / ソフトアクチュエータ / 触覚通信 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
形状記憶合金(SMA)の相変態は熱の移動によって引き起こされるため、これまでは高速動作が要求されるようなアクチュエーションとその制御には不向きであると考えられていた。申請者らは、SMAの微細ワイヤにパルス電流を流すと、その周波数に同期して300Hzを超える周波数まで、十分に触知覚が可能な振動が発生することを見出した。本申請研究では、SMAワイヤの高速伸縮動作と時間応答を精密に測定して、物性的特性を解明することを目的とする。更に、SMAの変態動作のダイナミクスならびに変態量を正確に制御する手法を確立し、ソフトアクチュエータ、フレキシブルセンサへの応用展開を図る。
研究3年目となる本年度は、まずSMAワイヤの変位量の精密計測とFEM解析に基づき、変態ダイナミクスに関する考察を行った。Ti-Ni-Cu系SMAワイヤについて、引張り応力と温度ならびにその際の変位量の計測値をもとに、微小振動の物理モデルの有限要素法による変態解析と比較を行った結果、その特性が幾つかの特徴的なクラスタに分類できることが解った。これは、SMAの高速変態の非線形性に基づくものであると考え、機械学習を適用した数学モデルの構築を進めた。
更に応力と温度により高速変態を起こすことを利用し、SMAワイヤのソフトセンサ・アクチュエータへの応用展開を進めた。特に、人間が指で素材をなぞった際に知覚する触覚感覚を、同様のなぞり動作によって計測できる触覚センサを開発した。本年度は3×3個のマトリクス状にSMAを並べた触覚センサを構築し、人間と同様の触知動作によって異なる素材についてテクスチャの特徴が得られることを示した。次にSMAワイヤを柔軟なアクチュエータとして応用した魚ロボットおよびイモムシロボットを開発した。SMAアクチュエータの制御には機械学習を導入し、環境に適応して様々な移動動作を自律的に獲得できることを示した。
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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
形状記憶合金の相変態は熱の移動によって引き起こされるため、これまでは高速動作が要求されるようなアクチュエーションとその制御には不向きであると考えられていた。これまでのSMAアクチュエータの応用としては、速度が要求されない小型ロボットの人工筋肉、内視鏡カテーテルや、体温に反応して形状が復元する歯科矯正具や肌着などに留まっている。申請者らは、微細ワイヤに加工したTi-Ni-Cu系SMAワイヤにパルス電流を流すことによって、長さ方向にその周波数と同期した伸縮を起こす現象を発見した。本申請研究では、1 kHzを超えるパルス電流にSMAが応答して微小振動を起こす現象について考察をおこない、新しいソフトアクチュエータを構築することを目的とする。またSMAワイヤに与える外部応力によってその電気抵抗値が変化することを利用し、新しい微小力センサと、触覚センサを実現する。これにより、遠隔地同士で触覚感覚を計測し、これを伝送して再現する双方向触覚コミュニケーションが可能となる。
本年度は、SMAワイヤの変位量の精密計測とFEM解析に基づき、変態ダイナミクスに関する考察を行った。高速変態の特性が幾つかの特徴的なクラスタに分類できることを見出し、機械学習を適用した数学モデルの構築を進めた。またSMAワイヤのソフトアクチュエータ、センサへの応用展開を進めた。特に3×3=9個のSMAをマトリクス状に配置した新しい触覚センサならびに、5×5=25個のSMAアクチュエータを配置した触覚ディスプレイを構築し、センサで計測した触覚感覚のデータを触覚ディスプレイで提示する手法について検討を進めた。更にSMAをロボット用アクチュエータとして展開するため、魚ロボットおよびイモムシロボットを構築した。
以上の成果は、当初の研究計画に沿ったものとなっており、これまでの研究成果については複数の論文に掲載された。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、Ti-Ni-Cu系SMAワイヤを中心とし、パルス電流によってその周波数に同期して起こる高速伸縮動作と時間応答を精密に測定し、その物理特性を解明することを目的としている。研究最終年度となる次年度は、SMAの高速変位の精密測定と、FEM解析による物理シミュレーション結果と併せて、高速変態現象の数理モデルを構築する。これらの成果を基に、SMAワイヤの高速変態を精密に制御する手法を確立し、新しいソフトアクチュエータの実現に繋げていく。またSMAの変態に伴いワイヤの内部抵抗が変化する応力誘起変態を利用した、新しい触覚センサを実現する。この現象を利用することで、SMAの高速変態を制御して触覚を提示しながら、ワイヤに作用する応力や触覚感覚も同時に計測が可能であり、人間の触覚を再現した人工指の実現につながる。人の触覚受容器の構造と機能を踏まえ、触覚感覚を計測してこれを遠隔地において再現・提示するセンサ・ディスプレイの構築を進めて行く。また、SMAワイヤを応用した双方向触覚コミュニケーションシステムを構築する。
更に、本SMAデバイスは、これまでの振動アクチュエータ、微小応力センサには無い、高い柔軟性や応答性を持つ。ソフトアクチュエータ、ソフトセンサとして、新しいロボットやインタフェースへの実装を進め、本デバイスの有効性を示していく。
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