イオン交換膜が実現するソフトロボットのモーションコントロール

• Project Area: Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing
• Project/Area Number: 18H05470
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 鈴森 康一 東京工業大学, 工学院, 教授 (00333451)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 難波江 裕之 東京工業大学, 工学院, 助教 (90757171) ; 堀内 哲也 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (60738061) ; 宮川 祥子 慶應義塾大学, 看護医療学部(藤沢), 准教授 (00338203) ; 安積 欣志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (10184136)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥127,660,000 (Direct Cost: ¥98,200,000、Indirect Cost: ¥29,460,000); Fiscal Year 2022: ¥26,910,000 (Direct Cost: ¥20,700,000、Indirect Cost: ¥6,210,000); Fiscal Year 2021: ¥26,910,000 (Direct Cost: ¥20,700,000、Indirect Cost: ¥6,210,000); Fiscal Year 2020: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000); Fiscal Year 2019: ¥24,050,000 (Direct Cost: ¥18,500,000、Indirect Cost: ¥5,550,000); Fiscal Year 2018: ¥23,140,000 (Direct Cost: ¥17,800,000、Indirect Cost: ¥5,340,000)
• Keywords: ソフトロボット / 人工筋肉 / アクチュエータ / イオン高分子アクチュエータ / イオン交換膜

Outline of Annual Research Achievements

令和元年度は，イオン高分子アクチュエータに関しては，紙や布をベースとした３次元IPMCの製作方法の提案及び試作を行った．また，ECラバーアクチュエータに関しては，昨年度試作した柔軟かつ電気駆動可能な細径マッキベン型人工筋の改良を行った．
紙や布をベースとした３次元IPMCの実現においては，紙や布といった材料を構造を維持するための母材として使用し，それらにイオン交換樹脂の分散液を浸透させることで，液体だけでは難しかった複雑な３次元構造の実現を目指した．基礎実験として単純な短冊型のサンプルを複数の母材を用いて製作し，その基礎特性の測定を行った．さらには，基礎特性の測定から得られた知見を元に，鶴形及び飛行機型のIPMCを試作し，その駆動に成功した．また，複雑形状のIPMCの駆動に必要な要素となる電極パターニングについても，機械的な接触により，還元を阻害する手法を提案し，実証試験に成功している．
ECラバーアクチュエータに関して，昨年度は，還流による白金メッキ等により柔軟かつ電気駆動可能な細径マッキベン型人工筋の試作及び駆動に成功していたが，駆動性能に問題があった．解析の結果，イオン交換樹脂チューブの電極のダメージと配線の材質が問題であることが分かった．配線材質を変更するとともに，樹脂チューブのメッキに関しては金と白金の二層電極にすることにより，白金の触媒作用と金の延性によるひび割れの防止の２つの性質を同時に発揮することを狙った．本手法による試作機では昨年度の試作機を超える気体の発生・吸収性能を確認するとともに，人工筋の試作機においても性能の向上が確認できた．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

イオン高分子アクチュエータに関しては，紙や布をベースとした３次元IPMCの製作方法という画期的な手法の提案と試作機の作成，さらには駆動実験に成功している．また，電極に関しても簡易にパターニング可能な手法を提案し，実証試験に成功している．
ECラバーアクチュエータに関しても，金と白金の二層電極の実現により， 柔軟かつ電気駆動可能な細径マッキベン型人工筋の改良に成功している．
材料シミュレーションに関しては，成果が得られていないものの上記のような画期的な成果が得られており，全体として順調に進んでいる

Strategy for Future Research Activity

イオン高分子アクチュエータに関して，材料の面からは，引き続き特性の評価や電気化学プロセスとカップリングした材料シミュレーションを進めるとともに，材料特性の向上を目指す．アクチュエータの面からは，本年度提案した電極パターニング手法を元に最適な電極配置の検討を行う．また，紙や布を母材とする作製手法に関して応用を模索する．
ECラバーアクチュエータに関しては，引き続き材料及びアクチュエータ構造の両面から性能改善に努めていく．

Research Products

• [Journal Article] Electrically-Driven Soft Fluidic Actuators Combining Stretchable Pumps With Thin McKibben Muscles (2020)
  • Author(s): Vito Cacucciolo, Hiroyuki Nabae, Koichi Suzumori, Herbert Shea
  • Journal Title: Frontiers in Robotics and AI Volume: 6 Pages: 146-146
  • DOI: 10.3389/frobt.2019.00146
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 245mm-length IPMC catheter with an ellipse-like cross-section (2019)
  • Author(s): T. Horiuchi, K. Asaka
  • Journal Title: Smart Materials and Structures Volume: 29-9 Pages: 85022-85022
  • DOI: 10.1088/1361-665x/ab2a28
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] IPMC Monolithic Thin Film Robots Fabricated Using a Multi-Layer Casting Process (2019)
  • Author(s): Akio Kodaira, Kinji Asaka, Tetsuya Horiuchi, Gen Endo, Hiroyuki Nabae, Koichi Suzumori
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: Vol.4, No.2 Pages: 1335-1342
  • DOI: 10.1109/lra.2019.2895398
  • Peer Reviewed
• [Presentation] IPMC Monolithic Thin Film Robots Fabricated through a Multi-Layer Casting Process (2019)
  • Author(s): Akio Kodaira, Kinji Asaka, Tetsuya Horiuchi, Gen Endo, Hiroyuki Nabae, Koichi Suzumori
  • Organizer: the 2019 International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Soft Polymer-Electrolyte-Fuel-Cell Tube Realizing Air-Hose-Free Thin McKibben Muscles (2019)
  • Author(s): Hiroyuki Nabae, Akio Kodaira, Tetsuya Horiuchi, Kinji Asaka, Gen Endo, Koichi Suzumori
  • Organizer: 2019 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Frequency Response of Honeycomb Structured IPMC Actuator Fabricated through 3D Printing with Dispersion Liquid (2019)
  • Author(s): Hiroyuki Nabae, Asuka Ishiki, Tetsuya Horiuchi, Kinji Asaka, Gen Endo, Koichi Suzumori
  • Organizer: 30th International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 柔軟PEFCチューブを用いた気液変換細径マッキベン型人工筋肉 (2019)
  • Author(s): 小平暁雄，安積欣志，堀内哲也，難波江裕之，遠藤玄，鈴森康一
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス講演会2019
• [Presentation] 積層キャスト法を用いた水中移動IPMC薄膜ソフトロボット (2019)
  • Author(s): 小平暁雄，安積欣志，堀内哲也，難波江裕之，遠藤玄，鈴森康一
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス講演会2019
• [Presentation] イオン交換樹脂分散液の3DプリンティングによるIPMCソフトマイクロロボットの成形  (2019)
  • Author(s): 石木明日翔,鈴森康一,難波江裕之,遠藤玄,安積欣志, 堀内哲也
  • Organizer: 第37回日本ロボット学会学術講演会論文集
• [Presentation] 解剖学知見に基づくキリン首模擬機構の試作 (2019)
  • Author(s): 新倉敦彦, 難波江裕之, 遠藤玄, 郡司芽久, 森健人, 新山龍馬, 鈴森康一.
  • Organizer: 第37回日本ロボット学会学術講演会論文集
• [Presentation] Toward practical application of soft robots (2019)
  • Author(s): Koichi Suzumori
  • Organizer: 2019 IEEE International Conference on Soft Robotics (Robosoft 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] MEXT KAKENHI Project on Soft Robots in Japan (2019)
  • Author(s): Koichi Suzumori
  • Organizer: 2019 IEEE International Conference on Soft Robotics (Robosoft 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Soft Robotics as E-kagen Science (2019)
  • Author(s): Koichi Suzumori
  • Organizer: Robotics: Science and Systems (RSS 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Soft Robotics as E-kagen Science (2019)
  • Author(s): Koichi Suzumori
  • Organizer: The IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ソフトロボットによる人間支援 (2019)
  • Author(s): 鈴森康一
  • Organizer: 北九州学園研究都市フォーラム
  • Invited
• [Presentation] ソフトロボット学 (2019)
  • Author(s): 鈴森康一
  • Organizer: 日本機械学会2019年次大会基調講演
  • Invited
• [Presentation] IPMC立体成膜法によるアノマロカリス型ロボットの試作 (2018)
  • Author(s): 小平暁雄, 安積欣志, 堀内哲也, 遠藤玄, 難波江裕之, 鈴森康一
  • Organizer: 第36回日本ロボット学会学術講演会
• [Presentation] 3次元任意形状IPMCアクチュエータの成膜の試み (2018)
  • Author(s): 小平暁雄, 安積欣志, 堀内哲也, 難波江裕之, 遠藤玄, 鈴森康一
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2018
• [Presentation] 立体形状IPMC成膜プロセスによる蝶型ロボットの試作 (2018)
  • Author(s): 小平暁雄, 安積欣志, 堀内哲也, 難波江裕之, 遠藤玄, 鈴森康一
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2018
• [Remarks] A02-2：イオン交換膜が実現するソフトロボットのモーションコントロール
  • URL: http://softrobot.jp/research-groups/a02-2/
• [Remarks] 東京工業大学 鈴森・遠藤研究室
  • URL: http://www.robotics.mech.e.titech.ac.jp/home.html
• [Remarks] 東京工業大学 鈴森・遠藤研究室
  • URL: http://www.robotics.mech.e.titech.ac.jp/research/pamsoftrobo.html
• [Remarks] ソフトロボット学ホームページ
  • URL: http://softrobot.jp/research-groups/a02-2/