(57)【要約】【課題】  ゲルやゴムを代表とするソフトアクチュエータの駆動変位を、その弾性率をほとんど低下させずに簡便に増幅させる方法、及び該方法により、弾性率を下げずに駆動変位を増幅させたソフトアクチュエータを提供する。【解決手段】  ソフトアクチュエータの表面に微細な切り込みを入れることにより、弾性率を下げず駆動変位を増幅させるものであって、好ましくは、ソフトアクチュエータとして、化学反応を直接的に力学的なエネルギーに変換して駆動する自励振動ゲルを用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソフトアクチュエータの表面に微細な切り込みを入れることで、ソフトアクチュエータの駆動変位を増幅させる方法。
【請求項２】
ソフトアクチュエータの表面に微細な切り込みを入れることで、ゲルの膨潤収縮速度を高速化させる方法。
【請求項３】
前記ソフトアクチュエータが、化学反応を直接的に力学的なエネルギーに変換して駆動する自励振動ゲルからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
ソフトアクチュエータの表面に微細な切り込みを入れることで、駆動変位を増幅させたことを特徴とするソフトアクチュエータ。
【請求項５】
ソフトアクチュエータの表面に微細な切り込みを入れることで、ゲルの膨潤収縮速度を高速化させたことを特徴とするソフトアクチュエータ。
【請求項６】
前記ソフトアクチュエータが、化学反応を直接的に力学的なエネルギーに変換して駆動する自励振動ゲルからなることを特徴とする請求項４又は５に記載のソフトアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソフトアクチュエータの駆動変位を簡便に増幅する方法および該方法により駆動変位が増幅されたソフトアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
生命体は生体内部で起こる多段かつ並行的な多数の生化学反応を巧みに利用することで、外部からの刺激によって何らコントロールされることなく自励的に駆動する非平衡開放系のシステムである。このような動的で周期秩序を有する生命体のようなシステムをテイラーメイドで構築することができれば、外部からコントロールされることなく生命体のようなシステムが構築できると考えられる（非特許文献１、２）。このような生命体のようなシステムの開発を目指して、自らリズムを発することで知られるBelousov-Zhabotinsky（BZ）（非特許文献３，４）反応を駆動源とする自励振動ゲルが開発されている。自励振動ゲルは、心筋細胞のように外部刺激によらず自励駆動するソフトマテリアルである。このような機能は、Belousov-Zhabotinsky（BZ）反応によって高分子鎖の水和状態が周期的に変化することによって発現している。化学反応を直接的に力学的なエネルギーに変換して駆動する自励振動ゲルは、外部電源および外部制御装置を必要としなくとも自励的に駆動することを、一般的な刺激応答性高分子と異なる特徴として有している。
【０００３】
BZ反応を駆動源としてポリマー鎖を駆動させる研究として、1982年にまず石渡（信州大）（非特許文献５）らがリニアポリマーで自励駆動を達成した。1996年には吉田（東大）らが自励振動する高分子ゲル（非特許文献６）の合成に成功している。これら自励振動高分子は、BZ反応触媒であるRu(bpy)3を高分子鎖に内包させることによって達成している。ポリマー鎖内に導入されたRu(bpy)3部位は、酸化状態（Ru(III）と還元状態（Ru(II)）で水和構造が変化する。BZ反応場におけるRu(bpy)3部位の周期的な酸化還元状態の変化によって、ポリマー鎖の水和構造が周期的に変化するため、ゲルでは膨潤収縮挙動が、またリニアポリマーでは凝集と解離の振動を観察することができる。自励振動ゲルの体積変化の振動を利用すれば、ソフトアクチュエータとして利用することが可能である。このようなソフトアクチュエータは、化学反応を駆動源としているため、外部電源を必要としない点で優れており、特に単位重量あたりの出力が他の機械的アクチュエータと比較して非常に高いことを特徴としている。
【０００４】
自励振動ゲルはロボットやアクチュエータへ多数応用されてきた（非特許文献７〜１２）。しかしながらこれまで多数報告されている自励振動ゲルの駆動変位は大きくても１０％程度と非常に小さいことが現状の問題点であった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】前田真吾、原雄介、吉田亮、橋本周司（2008）化学ロボットの実現を目指した自励振動ゲルアクチュエーターの創製, 高分子論文集, 10(65), pp.634-640.
【非特許文献２】原雄介（2009）生体環境下で駆動する新規自励振動型高分子の創製と自励粘性振動の解析, 66(8), pp. 289-297.
【非特許文献３】Zaikin, A.N.; Zhabotinsky, A.M. (1970). Concentration Wave propagation in two-dimensional liquid-phase self-oscillating system, Nature, 225, pp. 535-537.
【非特許文献４】Field, R.J.; Burger, M. (1985). Oscillations and Traveling Waves in Chemical Systems; John Wiley & Sons: New York, NY, USA.
【非特許文献５】Ishiwatari, T.; Kawaguchi, M.; Mitsuishi, M. (1984). Oscillatry reactions in polymer systems, Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 22, pp. 2699-2704
【非特許文献６】Yoshida, R.; Takahashi, T.; Yamaguchi, T.; Ichijo, H. (1996). Self-oscillating gel, Journal of the American Chemical Society, 118, pp. 5134-5135.
【非特許文献７】Y. Hara:“Molecular Design and Functional Control of a Novel Self-oscillating Polymer Chain and Analysis of Viscosity Self-oscillation” Kobunshi Ronbunshu, 66(8), pp. 289-297 (2009).
【非特許文献８】R. Yoshida, T. Sakai, Y. Hara, S. Maeda, S. Hashimoto, D. Suzuki, Y. Murase: “Self-oscillating gel as novel biomimetic materials” Journal of Controlled Release, 140(3), pp.186-193 (2009).
【非特許文献９】S. Maeda, Y. Hara, S. Nakamaru, S. Hashimoto: “Design of autonomous gel actuators” Polymers, 3(1), pp.299-313 (2011).
【非特許文献１０】S. Maeda, Y. Hara, R. Yoshida and S. Hashimoto: “Peristaltic Motion of Polymer Gels”, Angew. Chem. Int. Ed., 47, pp.6690-6693 (2008).
【非特許文献１１】S. Maeda, Y. Hara, R. Yoshida, S. Hashimoto: “Control of the dynamic motion of a gel actuator driven by the Belousov-Zhabotinsky reaction”, Marcomol. Rapid Commun., 29(5), pp.401-405 (2008).
【非特許文献１２】S. Maeda, Y. Hara, T. Sakai, R. Yoshida, S. Hashimoto: “Self-walking gel”, Adv. Mater., 21(19), pp.3480-3484 (2007).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のとおり、自励振動ゲルは、その他のゲルやゴムと同様に、医療、福祉、ロボット産業などの様々な分野において、小型で軽量、かつ柔らかな動きが可能なアクチュエータ、いわゆるソフトアクチュエータに応用可能なマテリアルとして期待されている。
しかしながら、これまで多数報告されている自励振動ゲルの駆動変位は大きくても１０％程度と非常に小さかった。自励振動ゲルをポンプの動力源やアクチュエータ、ロボット、人工筋肉等へと応用していくためには駆動変位をより大きくする必要性があった。しかしながら駆動変位を増幅させようとするとゲル全体の弾性率を下げる必要性があるため、ゲルの強度が小さくなり、アクチュエータやロボットとして応用することができなくなるといった問題を抱えていた。つまり、ゲルアクチュエータの強度と変位は、一方の性能を上げると、その一方の性能が下がるといったトレードオフ関係が成り立ち、アクチュエータ等に利用するためには致命的な性質を原理的に持ち合わせており、これを簡便に解決する方法論が望まれていた。
【０００７】
本発明は、こうした現状を鑑みてなされたものであって、自励振動ゲル等のソフトアクチュエータにおいて、その駆動変位を、弾性率を落とすことなく簡便に増幅させる方法、及び該方法により弾性率を落とすことなく簡便に駆動変位を増幅させたソフトアクチュエータを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ゲルやゴムなどのソフトアクチュエータ表面に切り込みを入れることにより簡便に駆動変位を増幅させたアクチュエータを提供できるという知見を得た。
【０００９】
本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］  ソフトアクチュエータの表面に微細な切り込みを入れることで、ソフトアクチュエータの駆動変位を増幅させる方法。
［２］  ソフトアクチュエータの表面に微細な切り込みを入れることで、ゲルの膨潤収縮速度を高速化させる方法。
［３］  前記ソフトアクチュエータが、化学反応を直接的に力学的なエネルギーに変換して駆動する自励振動ゲルからなることを特徴とする［１］又は［２］に記載の方法。
［４］  ソフトアクチュエータの表面に微細な切り込みを入れることで、駆動変位を増幅させたことを特徴とするソフトアクチュエータ。
［５］  ソフトアクチュエータの表面に微細な切り込みを入れることで、ゲルの膨潤収縮速度を高速化させたことを特徴とするソフトアクチュエータ。
［６］  前記ソフトアクチュエータが、化学反応を直接的に力学的なエネルギーに変換して駆動する自励振動ゲルからなることを特徴とする［４］又は［５］に記載のソフトアクチュエータ。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ゲルやゴムなどのソフトアクチュエータの表面に微細な切り込みをいれるだけで、全体の弾性率を落とすことなく、またその種類に依存せず、その駆動変位を増幅させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の、表面にメス等で微細な切り込みを入れた自励振動ゲルを模式的に示す図。
【図２】表面に小さな切り込みを入れた自励振動ゲルの時空間プロットを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、自励振動ゲルの表面の微細な切り込みを入れることにより、駆動変位を弾性率を下げずに増幅させること、あるいはゲルの膨潤収縮速度を高速化することを特徴とする。
図１は、自励振動ゲルの表面にメスを用いて微細な切り込みを入れた例を模式的に示す図である。
本発明において入れる切り込みは、ゲルの表面であれば特に限定されない。また、部分的に入れることも可能で、切り込みを入れる面積や場所を任意に選択することで、アクチュエータの駆動様式をデザインすることも可能である。また、切り込みの深さは、ゲルの弾性力に影響しない範囲であれば限定されず、例えばゲルが長さ５ｍｍ程度、高さ３ｍｍ程度である場合、切り込みの深さは０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度がよい。あまり深く切り込みを入れすぎると、ゲルの弾性力が弱くなってしまい、ゲルの弾性力を維持することが難しい。
また、切り込みのピッチは、０．１ｍｍ〜１ｍｍがよく、好ましくは０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍある。
【００１３】
本発明に用いる自励振動ゲルは、特に限定されないが、一例として、下記の構造を有するものがあげられる。
【化１】
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（式中、ｘ＝約９５．７、ｙ＝約１．２、ｚ＝約１．８、ｑ＝約１．３）
【００１４】
また、本発明においては、上記のような、ネットワークがシングルの通常のゲルに加え、切り込みを入れる自励振動ゲルの弾性率を高くするため、ゲルの内部にゲルネットワークが存在するIPN構造（ダブルネットワーク構造）（J. P. Gong, Y. Katsuyama, T. Kurokawa, Y. Osada“Double Network Hydrogels with Extremely High Mechanical Strength”  Advanced Materials, 15(14), 1155-1158(2003).参照）、またゲルの内部にリニアポリマーが存在するSemi-IPN構造を持つ自励振動ゲルを用いてもよい。
【００１５】
従来、自励振動ゲルを屈曲運動させるためには、バイメタルのように硬さの異なるゲルを張り合わせたり、重合時にゲルの硬さを裏と表で変えるなどの工夫をして屈曲運動を起こさせていたが、本発明によれば、ゲルの表面に微細な切り込みを入れることによって、表面の弾性率つまり硬さを変えることが可能になるので、ゲルを張り合わせたり、重合方法を工夫するなどの煩雑な操作をすることなく、ゲルの硬さを例えば裏と表で変えることが可能になる。また、切り込みを入れる部分は任意に決められるため、ある部分だけ弾性率を落としたりと、屈曲させるところを任意にデザインできるようになる。
したがって、本発明の方法によれば、より複雑な動きを作り出すことが可能となり、アクチュエータの駆動デザインをするための強力な技術となりうる。
【００１６】
また、本発明の方法によれば、これまで開発および公開されてきた自励振動ゲルの駆動変位を、弾性率をほとんど落とすことなく安易に増幅させることが可能である。このような技術は当然、自励振動ゲル以外の通常のゲルやゴム、エラストマーといったいわゆるソフトアクチュエータ全般にも応用可能である。
【００１７】
また、ゲルの表層に切り込みを入れることにより、ゲルの膨潤収縮速度を遅らせる原因となるスキン層の形成を阻害する働きがある。その効果により、ゲルの膨潤収縮速度が大きくなる役割も同時に果たす。また、切り込みを部分的に入れれば、その部分のみの膨潤収縮速度を高速化することも可能である。
【実施例】
【００１８】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
なお、以下の実施例における測定は、ゲルを横からマイクロスコープにて撮影し、画像処理ソフトにて解析を行ったものである。
【００１９】
開始剤として、2,2’-azobisisobutyronitrile(AIBN)、モノマーとして、N-イソプロピルアクリルアミド(NIPAAm)、ルテニウム錯体モノマー(Ru(bpy)3)、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、メチレンビスアクリルアミドを、それぞれエタノールと水の混合溶媒に溶解させ、６０℃で２０時間加熱することで、上記［化１］の構造を有する自励振動ゲルを合成し、合成後、エタノールおよびエタノールと水の混合溶媒、続いて水に浸すことによって、残存するモノマーを抜いた。
【００２０】
得られた自励振動ゲルを切り出し表面に切り込みを入れた。切り込みは１ｍｍ程度の深さで、約０．５ｍｍピッチで入れた。切り込みを入れた自励振動ゲルと、比較用の切り込みを入れないゲルを用意した。ゲルの膨潤収縮は、温度条件によって大きく影響を受けるため、ゲルの測定容器は18℃一定条件で行った。用いたゲルは温度応答性を有するNIPAAｍ鎖を含有するため、高い温度領域においては十分な変位を得ることができない。また、BZ反応組成の影響も大きく受けるため、これまでの知見で大きな駆動変位が得られることが明らかとなっているBZ基質組成で行った。具体的には、マロン酸０．０５Ｍ、臭素酸ナトリウム０．１Ｍ、硝酸０．９Ｍを含有した溶液を準備し、ゲルを浸してマイクロスコープによって駆動変位の観察を行った。
【００２１】
切り込みを入れたゲルを３つのＢＺ反応基質（マロン酸０．０５Ｍ、臭素酸ナトリウム０．１Ｍ、硝酸０．９Ｍ）を含有する溶液に浸したところ、ケミカルウェーブが流れる様子が見られた（図２）。ケミカルウェーブとは、ゲルのRu(bpy)3が還元状態から酸化状態に変わる状態が順次横に伝搬していく反応である。ゲルが酸化状態になるとRu(bpy)3部位が親水化するため、酸化状態のRu(bpy)3部位に起因する緑色の部分が膨潤する様子が捉えられた。得られたマイクロスコープの画像から時空間プロットを作成し、膨潤前と膨潤後の長さを計測して膨潤率を割り出した。その結果、切り込みを入れたゲルの膨潤率は、約１．５倍程度大きくなることが明らかになった。ゲルの膨潤率が大きくなる要因として、ゲルに切り込みを入れることにより、膨潤収縮時にゲルの表層に形成されるスキン層が形成されにくいことが主原因として考えられた。ゲルのスキン層はゲルの膨潤収縮速度を遅らせる原因となるため、ゲルの膨潤率の向上とともにゲルの膨潤収縮速度も向上した結果、ゲルの膨潤がケミカルウェーブに追随しやすい状況が生まれ、ゲルの膨潤率が組成を変更することなく大きくなったと考えられる。
【図１】
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【図２】
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