気液可逆化学反応を利用したチューブフリーマッキベン型人工筋の実現

ゴム風船に空気を入れるとその量に従って内部の圧力が上昇し、風船の体積が膨張していく。この現象を利用したのが空気圧アクチュエータである。その構成と原理によりこのアクチュエータは柔らかく軽量である。これまでにこの空気圧アクチュエータを利用したロボットが開発されてきたが、空気圧を制御するシステムが大型・大重量になるため利用場面が限られていた。本研究ではこの問題を解決するために、小型・軽量なガス圧制御システムを提案し、その制御方法の実現性を検証した。これまでの空気圧生成方法は、金属剛体で構成された密閉容器の容積圧縮であった。しかしながら、この方法は装置の小型・軽量化が難しい。申請者らが提案してきた方法は密閉容器内部でのガス発生である。利用した反応は「プロトン交換膜を用いた水の電気分解」である。プロトン交換膜の表裏にメッシュ状の白金電極を配置したデバイスに電気エネルギを供給／放出することで内部のガス発生／吸収を行い、圧力を制御することが可能である。このガス制御デバイスをアクチュエータと一体化にする際には、アクチュエータの応答はプロトン交換膜の表面積が広いほど気体吐出量が多くなり速くなるため、アクチュエータ内部にプロトン交換膜を可能な限り敷き詰めた方がよい。また、酸素と水素の二つのガスが発生するため、これらのガスが混ざり合わない設計にする。これら2つの制約条件を満たしたアクチュエータを開発した。課題となったのは従来のプロトン交換膜を用いた電極が硬いことであり、これを空気圧アクチュエータに敷き詰めるとアクチュエータが柔軟ではなくなる。以上の理由から、柔軟性を高めた電極の設計・開発を行った。基本の平面型アクチュエータやMcKibben型人工筋肉に対応した設計を提案し、実際に製作を行い駆動させることに成功した。

ゴム風船に空気を入れるとその量に従って内部の圧力が上昇し、風船の体積が膨張していく。この現象を利用したのが空気圧アクチュエータである。その構成と原理によりこのアクチュエータは柔らかく軽量である。これまでにこの空気圧アクチュエータを利用したロボットが開発されてきたが、空気圧を制御するシステムが大型・大重量になるため利用場面が限られていた。本研究ではこの問題を解決するために、小型・軽量なガス圧制御システムを提案し、その制御方法の実現性を検証した。これまでの空気圧生成方法は、金属剛体で構成された密閉容器の容積圧縮であった。しかしながら、この方法は装置の小型・軽量化が難しい。申請者らが提案してきた方法は密閉容器内部でのガス発生である。利用した反応は「プロトン交換膜を用いた水の電気分解」である。プロトン交換膜の表裏にメッシュ状の白金電極を配置したデバイスに電気エネルギを供給／放出することで内部のガス発生／吸収を行い、圧力を制御することが可能である。このガス制御デバイスをアクチュエータと一体化にする際には、アクチュエータの応答はプロトン交換膜の表面積が広いほど気体吐出量が多くなり速くなるため、アクチュエータ内部にプロトン交換膜を可能な限り敷き詰めた方がよい。また、酸素と水素の二つのガスが発生するため、これらのガスが混ざり合わない設計にする。これら2つの制約条件を満たしたアクチュエータを開発した。課題となったのは従来のプロトン交換膜を用いた電極が硬いことであり、これを空気圧アクチュエータに敷き詰めるとアクチュエータが柔軟ではなくなる。以上の理由から、柔軟性を高めた電極の設計・開発を行った。基本の平面型アクチュエータやMcKibben型人工筋肉に対応した設計を提案し、実際に製作を行い駆動させることに成功した。