| 研究課題/領域番号 |
19K04288
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| 研究機関 | 宇都宮大学 |
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研究代表者 |
中林 正隆 宇都宮大学, 工学部, 助教 (50638799)
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| 研究分担者 |
嶋脇 聡 宇都宮大学, 工学部, 教授 (10344904)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | バイオミメティクス / バイオメカニクス / ソフトロボット / SMA / 人工筋肉 / 流体内推進機構 |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題は複合繊維嚢にリニアソフトアクチュエータを格子状に配置した構造を用いることで，高自由度の変形性能を実現，任意の遊泳形態で遊泳する流体内推進機構を開発することを目的としている．今年度の実施内容を次に示す．
1.アクチュエータの制御回路の製作: 本実験装置の原動力として用いるアクチュエータは，高度な応答性と変形性能を同時に実現しようと考案された冷却構造を備えた形状記憶合金(SMA)繊維束から成る人工筋肉である．この性能を検証するため，推奨された駆動信号であるPFM波形を発信する制御回路を製作した．この回路は当初外注予定であったが，メーカーとの技術共有により自作可能であったため，本研究室で試作・動作確認から基板作成まで行い，安定した信号を人工筋肉に送信することを可能にした．
2.アクチュエータの協調運動を用いた弾性駆動機構の製作：上記の複数の人工筋肉を協調動作させるための基礎的な実験として，SMA繊維単体に冷却機能を持たせた人工筋を2本用いてポリカーボネート製0.3mm厚の弾性フィンを運動周波数0.25Hz, 振幅約4mmで揺動運動させる制御を行った．安定化した制御信号により，これらの協調駆動が揺動運動を実現させることを可能にしたが，想定されたSMAの個体毎の性能差は著しく，出力調整が困難であった．更に研究を続けることで，この要因はSMA自体の雰囲気処理に原因があることが分かり，本研究開発における要求仕様を満たすには熱処理など改良が必要なことが分かった．
3.複合繊維嚢と内包用高分子製粒子による流体内推進機構の外装試作： 高度に柔軟な変形を実現するためには外装も柔軟な機能を有さなくてはならない．初期構想においては繊維嚢の外壁にあたるシートに直接人工筋肉を結びつけることを想定していたが，試作したところ結合部において応力集中が起こり充分な固定能力を維持出来ないのではないかと懸念が示された．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本年度の実績報告にも記載したが，本実験装置に搭載するリニアソフトアクチュエータであるSMA型人工筋に対し，安定した制御信号を送るための電子回路を作成し，複数チャンネルの同期動作実験にも成功した．更には，これを主動力とする弾性駆動機構を製作することで流体内推進機構への適用可能性も示した．
しかし，当該人工筋の性能に関する検証実験を繰り返すことによって，その個体差によって生じる性能の不安定さが明白となった．この原因は，実験による試行錯誤によりSMA自体の熱処理が問題だと突き止めることに成功した．従って，この人工筋の代替となるアクチュエータまたは同等の性能を有する技術を新たに導入する必要がある．
また，これとは別に繊維嚢はシートのみでは充分な保持能力を維持することは困難であった．これは当初の対策通り，弾性ワイヤを用いた外骨格を内部に導入することで対応する．しかし骨格構造については試作による多くの検討が必要である．
これらのことから当初の計画であった制御系及び流体内推進機構本体の構築までには至っておらず，検証しなくては成らない技術が存在するため，研究の進捗はやや遅れていると考えられる．
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| 今後の研究の推進方策 |
主動力として採用したリニアソフトアクチュエータである冷却構造を備えたSMA型人工筋であるが生産技術は現段階では十分に確立されておらず，本研究の主題である高度な変形能力を有する流体推進機構に利用することは困難だと考えられる．この点について個体差の問題に対しセンサによるフィードバック制御も対策案として考えられるが，個体によっては繰り返し動作によって駆動量が減少するものもあり，交換するにしても頻繁に交換する必要があるため導入することは困難と言える．また，根本となる問題を解決するにはSMAの熱処理から検討しなくてはならず，このままSMA型人工筋を採用するためには生産技術の研究開発から始めなくてはならない．そうなると本研究課題の主題と異なる方向に研究が進むことになってしまう．
そのため代替となる技術の導入が必要だと考えられる．一つの方法はこれまで開発してきたSMA人工筋の制御技術を応用することができる熱駆動系の高分子アクチュエータを採用する方法である．SMA型人工筋肉は電圧を加えることによって生じる温度変化を金属の相変化に利用し，駆動させるものであった．この制御技術は確立しているため，ナイロン糸など比較的安価な材料を用いた人工筋は代替技術としての利用可能性は充分に期待できる．もう一つの方法は，これまでの研究によって開発された弾性収縮機構を小型化し，疑似人工筋として導入する方法である．確立された技術であるため，代替技術としては信用性が高いと思われる．前者の技術から試作実験を行い，他に代替技術がなく対応が困難な場合は後者の技術で対応する．
外装部については単純な格子構造を採用し繊維嚢に内装する形で成形する予定である．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
（理由）
当初の支出計画で購入品目として，大きな予算を占めていたのはSMA型人工筋肉とその制御ユニットであった．SMA型人工筋肉はその性能を検証するために，全てサンプルの試供品を試験に利用しており購入してはいない．従って制御回路を作成するための電子素子が支出の主立ったものであった．研究を推進するに当たって，当該人工筋の性能が未知数であることが分かり，高価であるにも関わらず，これを購入することは非常にリスクが高いと判断した．そのため当該人工筋の購入は見送ることとした．その分の予算が次年度使用額となって計上されたことが主な理由である．
（使用計画）
今後の研究の推進方策にも述べたが，代替技術となる熱駆動系のリニアソフトアクチュエータの制御系の試作または先行研究で確立した弾性伸縮機構を利用した流体内推進機構の開発のための部材に利用する予定である．
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