2022 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of Liquid Crystal Actuators Based on Nanostructured Ionic Liquids
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21H02021
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
吉尾 正史 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (60345098)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 液晶 / イオン液体 / リチウムイオン / アクチュエータ / ナノ相分離 / イオン伝導 / 触覚 / ソフトロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、液晶とイオンの自己組織化を用いて、触覚デバイス等への応用を指向した高速変形と強靭さを両立した低電圧駆動のイオン伝導型高分子アクチュエータを構築することである。以下の新材料開発に成功した。
１）リチウムイオン伝導性低分子液晶を用いるアクチュエータの開発：双性イオン基を有する棒状化合物とリチウム塩との複合化により、室温で10-3 S/cmの高リチウムイオン伝導性を示す層状スメクチック液晶電解質を開発した。2枚の導電性高分子フィルムの間にこの液晶電解質を挟んだシンプルなアクチュエータ素子を作製し、2 V電圧で30 Hz高速振動を達成した。
２）低分子液晶／高分子コンポジットアクチュエータの構築：双性イオン基を有する棒状化合物と非プロトン性イオン液体との自己組織化により、三次元イオン伝導が可能なカラムナー液晶材料が得られた。この液晶電解質とポリビニルアルコールを複合化することにより、伸縮性を有するカラム構造を保持した革新的な高分子エラストマーを構築した。導電性高分子電極と液晶／高分子コンポジットエラストマーからなる三層構造のアクチュエータは、2 V電圧を印加することで高速振動（0.1秒で1 mm振幅）を示すことを明らかにした。さらに、鏡面アルミ蒸着フィルムとアクチュエータを積層することにより、光制御用フレキシブル鏡を世界に先駆けて構築した。
３）三次元伝導パスを有する光架橋液晶高分子アクチュエータの構築と触覚素子・ソフトロボット応用：光架橋性イオン液晶の設計により、高効率な三次元イオン伝導が可能な革新的フィルム電解質を開発した。これにより、超低電圧0.2 Vで駆動し、形状記憶機能を有する省エネルギー性アクチュエータの構築に成功した。電圧による精密な出力制御が可能な微小ピンセット、クラゲ運動を模倣したソフトロボット、プロトタイプの触覚素子を作製した。
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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
21年度に報告した一次元イオン伝導性を示す光架橋液晶高分子電解質を用いたアクチュエータに関する研究を発展させて、三次元イオン伝導性を示す光架橋液晶高分子電解質や新たな概念の低分子液晶／高分子コンポジット電解質を開発することに成功した。三次元的に連結したイオン性ドメインでの高効率イオン伝導を実現することにより、アクチュエータの低電圧駆動化、高速変位、高振幅、高出力化が達成できることを示した。さらに、アクチュエータの新しい応用として、フレキシブル鏡、微小ピンセット、ソフトロボット、触覚素子を作製し、ソフトな有機ポリマーアクチュエータの利点を生かした新機能を実証できた。また、低分子液晶を用いたシンプルなアクチュエータを構築することに成功し、その駆動メカニズムを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
液晶電解質の秩序構造に基づく機械的安定性とイオン伝導パス形成による高速イオン輸送を融合することにより、低電圧駆動のソフトアクチュエータが構築できることを明らかにしてきた。触覚デバイスやソフトロボットへの応用に向けて、アクチュエータの周波数応答性および出力をさらに高めることが鍵であり、100Hz応答、10mNを目標値として設定する。さらに環境に配慮した材料設計を行うことも極めて重要と考えられる。これらの実現のために、次年度は、高イオン伝導性と高弾性を兼ね備えた材料として、液晶と高分子がミクロ相分離した高速リチウムイオン伝導性液晶／高分子コンポジット、キュービック液晶光架橋高分子膜の構築とアクチュエータ機能の解明を行う。さらに、生分解性液晶高分子電解質に基づく革新的アクチュエータの開発を推進する予定である。
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Research Products
(12 results)
