柔剛可変可能なダイラタント流体を用いた流体静力学的骨格

• 研究課題/領域番号: 21K12001
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分61020:ヒューマンインタフェースおよびインタラクション関連
• 研究機関: 法政大学
• 研究代表者: 山田 泰之 法政大学, デザイン工学部, 准教授 (10770844)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2021年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2025年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: ソフトロボット / 装着型アシスト / 空圧 / ダイラタンシー / サイバーフィジカル / ソフトアクチュエータ

研究開始時の研究の概要

テクノロジの進歩が，人と機械のインタラクション，特に力の相互伝達を加速させている．装着型デバイスにおいては，人間の内骨格を利用する内骨格式装着型デバイスや，昆虫等の外骨格を規範とした外骨格式装着型アシストデバイスが活用されている．しかし，前者は，小さな力の相互伝達に限定され，後者は大きな力の相互伝達は可能であるが，動作範囲や他の動作への制限が発生する．そこで，本研究では，軟体動物の流体静力学的骨格を活用する装着型アシストデバイスの骨格構造の可能性検討を行う．人間には本来ない，軟体動物の特徴である流体静力学的骨格を付与することで，人間の身体能力の補助・拡大の可能性を見出す．

研究実績の概要

本研究では，身体補助や拡張を目的とした身体装着型デバイスの身体固定方法として，内部圧力が高まった場合のみに骨格構造を形成できる流体静力学的骨格の応用を試みる．この柔剛可変骨格を実現して，装着型アシストデバイスの骨格構造により発生するトレードオフを改善することで身体機能補助・拡張に寄与できるか検討する．具体的には，流体静力学的骨格構造を瞬時に形成させる方法を検証している．本年度は，流体静力学的骨格構造を瞬時に形成するために利用を検討しているダイラタンシー流体の特性把握方法の検討と，特性の実験的検討を行った．ダイラタンシー流体として片栗粉と水の混合液が有名であるが，剪断速度の増加に対し，剪断応力(抗力)が加速度的に増加し，一時的に疑似固体化する．この現象を簡便に実験観察および計測する機器を製作した．また，それを用いて，片栗粉と水を主剤に，それらの分量の調整と，オイルや高分子ポリマ，ガラスビーズなどの他の混合物を加えた場合の特性を実験的に検討した．実験の結果，薄いシート形状でこの，ダイラタンシー流体の特性を利用するためには，粉体成分（片栗粉など）が流動性を持ちつつ沈殿しないようにする溶媒の比重調整が重要であることを見出した．また，システム全体の軽量化のために，ダイラタンシー流体を薄いシート形状とすることと柔剛可変特性のトレードオフがあることも分かった．また，片栗粉を主原料としたダイラタンシー流体は時間が経過すると性能が劣化することも分かり，その抑制の必要性も課題であることを見出した．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

2021年度の研究活動は当初予定より遅れている．社会一般の共通事項であるが，コロナ感染症対策により，大学の授業や研究活動に支障がでていた．特に，新宿区にある都市型キャンパスであるため，大学設備の利用可能時間の短縮の中，十分な感染対策と，物理的な実験を必要とする本研究の実施の両立に苦労した．また，大学事務作業もオンライン化による混乱・遅延しており，多くの設備や物品の購入・導入手続き，通常以上に時間を要しており，研究が実施できる状況に至るまでに時間がかかった．

今後の研究の推進方策

2021年度の研究進捗の遅れを取り戻すため，感染対策を実施しつつ研究を行えるように，2022年度はより広い居室に研究環境を移動した．これにより，研究室内の密集を軽減して，より円滑な活動を実現できる．また，申請時の計画では，圧力抽出，ダイラタンシー特性の把握等の要素検討の後に，それを用いた流体力学的骨格構造の検討を開始する予定となっていたが，先に並行して　流体力学的骨格構造の身体補助への応用の検討を開始することで，予定全体のスピードアップを計画している．