2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of lightweight artificial muscle with polymer threads and carbon nanotube yarn towards true human support
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19K21946
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
林 靖彦 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (50314084)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松本 英俊 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (40345393)
西川 亘 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (80243492)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2021-03-31
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| Keywords | 人工筋肉 / カーボンナノチューブ紡績糸 / ポリマー糸 / エントロピー弾性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
乾式で作製するカーボンナノチューブ（CNT）紡績糸と細いポリマー糸からなるCNT紡績糸/ポリマー糸複合コイル構造を作製し，CNT紡績糸に電流を印加し発生するジュール熱を外部熱刺激源とする，金属フリー軽量人工筋肉の実現に向けて，以下の研究を実施した．
【研究1：大変位・高出力を実現する低電流駆動結晶性ポリマー材料・糸の開発】昨年度作製した，ガラス転移温度を低く抑えつつ，少ない熱量で非晶質部の延伸方向へ短時間に高配向させたポリマー糸のＸ線散乱法による，配向性評価を実施した．そして，配向性とCNT紡績糸/ポリマー糸コイル構造人工筋肉の変位と出力の関係を明らかにした．ポリマー糸の分子配向は，特に延伸方向の変位に大きく影響することが分かった．
【研究2：ポリマー糸/CNT紡績糸コイル構造人工筋肉の開発】低消費電力で大変位・高出力を実現するため，熱の散逸を防ぐCNT紡績糸/ポリマー糸複合コイル構造の概念を確立した．ここでは，熱源であるCNT紡績を複合コイル構造内部に閉じ込め，ジュール熱を効率的にポリマー糸に伝熱する最適なコイル構造を，シミュレーションも併用することで実現した．
【研究3：熱源一体ポリマー糸/CNT膜コイル構造人工筋肉の開発】研究2では，熱源であるCNT紡績糸と筋肉部分のポリマー糸を複合化させた人工筋肉の開発であった．ここでは，ポリマー糸/CNT膜（CNT分散液を用いる）/絶縁層からなる3層コアシース構造糸をコイル状にする，熱源一体人工筋肉を簡便に低コストで実現する究極的な構造を提案した．この構造は溶液プロセスで作製し，3層コアシース構造糸を実現するため，シリンジノズルを独自に開発した．この構造で，電流を印加することでジュール熱が発生することを確認した．しかし，大きな変位を観測することができていないため，引き続き最適な構造を実現するプロセスの開発が必要である．
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