(57)【要約】【課題】低電圧で迅速かつ確実な膨張／収縮の動作を行う高分子アクチュエータを提供する。【解決手段】多価カチオンと相互作用する官能基を一種類以上有する高分子を含有するハイドロゲル３、若しくは金属イオンの濃度によって体積変化が起こるハイドロゲル３中に内部電極２，１２が配置されて構成されるゲル／電極複合体６，１６と、多価カチオン若しくは金属イオンを含有する電解液１とを具備し、前記ゲル／電極複合体と前記電解液１との外部側には、対の外部電極４ａ，４ｂが配置されており、内部電極２，１２と、対の外部電極４ａ，４ｂとの間に電位を印加することにより、前記多価カチオン、あるいは金属イオンの濃度を変化させて、ハイドロゲル３に体積変化を起こす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多価カチオンと相互作用する官能基を一種類以上有する高分子を含有するハイドロゲルと当該ハイドロゲル中に存在する内部電極とにより構成されるゲル／電極複合体と、
前記多価カチオンを含有する電解液とを具備し、
前記ゲル／電極複合体と前記電解液との外部側には、対の外部電極が配置されており、
前記対の外部電極と、前記内部電極との間に電位を印加することにより、前記多価カチオンを還元、又は酸化して前記多価カチオン濃度に変化を生じさせ、前記ゲル／電極複合体を構成するハイドロゲルの体積変化を起こすようになされていることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
金属イオン濃度の変化に伴い体積変化を起こす刺激応答性のハイドロゲルと、当該ハイドロゲル中に分散している内部電極とにより構成されるゲル／電極複合体と、
前記金属イオンを含有する電解液とを具備し、
前記ゲル／電極複合体と前記電解液との外部側には、対の外部電極が配置されており、
前記対の外部電極と、前記内部電極との間に電位を印加することにより、前記金属イオンが還元されて前記金属イオン濃度が低下し、前記ゲル／電極複合体を構成するハイドロゲルの体積が変化し、かつ前記金属イオンが前記電極表面において還元された状態となって当該電極間を電気的に接続して導通するようになされていることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記ゲル／電極複合体の表面に、アニオン交換膜が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記ゲル／電極複合体を構成するハイドロゲル中の多価カチオンの濃度変化に応じて、当該ハイドロゲルの体積変化を起こすようになされていることを特徴とする請求項３に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記多価カチオンが二価の銅イオンであることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
前記金属イオンが二価の銅イオンであることを特徴とする請求項２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記内部電極の材料が、白金、金、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ−１，６−ヘプタジイン、ポリ−ｐ−フェニレン、ポリフェニレンビニレンの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項８】
前記内部電極が、ナノ粒子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、刺激応答性高強度ハイドロゲルを用いた高分子アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、介護支援、危険作業、エンタテインメント等の様々な分野においてロボットの実用化が注目されている。これらの用途に適用されるロボットは、多くの関節（可動部）を有し、複雑な動作を可能とすることが要求される。
【０００３】
可動部を駆動するアクチュエータとして、従来においては磁気回転モーターや、圧電素子、油圧駆動シリンダ等が実用化されており、大半において電磁モーターが利用されていた。
しかし電磁モーターを利用した駆動機構においては、伝達機構・減速機構等の種々の機関が必要であることや、主な構成材料が金属のために重量が大きくなるという欠点を有している。可動部を動作させる際にはアクチュエータ重量が負荷となるため、重量の大きいアクチュエータを用いると大出力が必要となり、一方において大出力のアクチュエータは、大型、大重量になるという問題も生じる。
また、磁気回転モーターを用いる場合には、必要な回転数、トルクに調整するための減速器が必要となり、この減速器に用いられるギヤは磨耗により徐々に性能が低下してしまい、長期に亘って信頼性を確保することが困難であるという問題もある。
低速回転で高トルクが得られる超音波モーターは減速器が不要であるが、これも金属材料で構成されるため重量が大きくなり、上記と同様の問題を生じる。
【０００４】
上述したような問題に鑑み、近年においては、小型かつ軽量な高機能ロボットの実現を目指すべく、軽量かつ柔軟性に富んだ高分子材料で構成されるポリマーアクチュエータが注目され始めている。
例えば、例えば、電圧印加によりイオン交換膜中のイオンが移動してイオン交換膜が屈曲するICPFアクチュエータ(K.Oguro, Y.Kawakami, H.Takenaka, J. Micromachine Soc., 5,27(1992))や、電解液や固体電解質を用いてイオンをドープ／脱ドープすることによって体積変化する導電性高分子アクチュエータ(R.H.Baughman, Synth.Met., 78,339(1996))、電極間に電圧を印加することによって変形する高分子圧電素子(R.Pelrine, R.Kornbluh, Q.Pei, Science, 287,836(2000))等が、提案されている。
【０００５】
しかし、上記ICPFアクチュエータは、屈曲動作に限定されており、発生力が弱いという課題を有している。
また、導電性高分子アクチュエータは、変位が小さく、圧電素子は駆動するために非常に大きな電圧を加える必要があるという課題を有している。
【０００６】
一方、近年においては、化学あるいは電気化学的刺激に反応して、大きな体積変化を伴うハイドロゲルアクチュエータ (例えばY.Osada, H.Okuzaki, H.Hori, Nature,355,242(1992))についての提案がなされている。
上記ハイドロゲルアクチュエータ、特に水膨張高分子ゲルを適用する高分子ハイドロゲルアクチュエータは、高分子ハイドロゲルが、例えば温度、イオン強度、ｐＨ等の変化に応答して体積変化することを利用したものである。
ハイドロゲルアクチュエータにおける変位量は３０〜５０％と大きく、発生力も０．２〜０．４ＭＰａであり、生体骨格筋に匹敵する性能を発揮することができる。
【０００７】
しかしながら、上記材料の中でも、特に温度反応型の材料は、小型ロボット等に用いる場合、放熱時の精密な動作制御が困難であるという実用面における課題を有している。
また、ｐＨ応答性ゲルを用いたアクチュエータにおいては、電極をハイドロゲル内部に埋め込んだ構成のゲル／電極複合体に関し、一方の電極側を酸性高分子ゲル、もう一方の電極側を塩基性高分子ゲルとした対の構成として、電気制御、電気駆動で生体骨格筋同様の線方向の伸縮動作が得られることが確かめられている。
更に、ｐＨの変化を誘起させるための電極材料としては、例えば、パラジウム、水素吸蔵合金等が提案されているが、これらにおいても実用的に充分に大きなｐＨ変化を誘起することは困難であり、また、電極表面で水素原子の再結合により水素ガスが発生し、水素吸蔵合金によって吸蔵した水素をすべて吐き出すことができず、長期に亘って繰り返して使用することが困難である等の課題を有している。
【０００８】
ところで、従来においては、イオン濃度変化応答性のメカノケミカル材料の駆動方法に関し、一方の電極で銅イオンを酸化還元して、他方の電極で銅イオンの関与しない反応を生じさせることによって溶液中の銅イオンの濃度を変化させ、かかる銅イオンによって相互作用するハイドロゲルが膨張収縮する技術についての提案がなされている（例えば、特許文献１参照。）。
この技術は、水の電気分解が生じるよりも小さな電位により銅イオンの酸化還元を行うことができるため、ガスの発生を招来することなく、ハイドロゲルの膨張収縮が繰り返し行われるアクチュエータが得られるという利点を有している。
【０００９】
【特許文献１】特開平１−４１６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示されているアクチュエータは、電解液全体の銅イオン濃度を変化させなければならないため、大きな電気量が必要であり、更には応答速度も遅いという問題点を有している。
また、電極近傍部と、電極から所定の距離離れた位置とでは、イオン濃度に大きな差が生じるため、ハイドロゲルの膨張収縮挙動が不均一となってしまう等の問題も有している。
【００１１】
そこで本発明においては、上述したような従来技術の課題に鑑み、低電位で高速かつ安定した変位が得られる高分子アクチュエータを提供することとした。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明においては、多価カチオンと相互作用する官能基を一種類以上有する高分子を含有するハイドロゲルと当該ハイドロゲル中に存在する内部電極とにより構成されるゲル／電極複合体と、前記多価カチオンを含有する電解質水溶液とを具備し、前記ゲル／電極複合体と前記電解質水溶液との外部側には、対の外部電極が配置されており、前記対の外部電極と、前記内部電極との間に電位を印加することにより、前記多価カチオンを還元、又は酸化して前記多価カチオン濃度に変化を生じさせ、前記ゲル／電極複合体を構成するハイドロゲルの体積変化を起こすようになされている高分子アクチュエータを提供する。
【００１３】
また、本発明においては、金属イオン濃度の変化に伴い体積変化を起こす刺激応答性のハイドロゲルと、当該ハイドロゲル中に分散している内部電極とにより構成されるゲル／電極複合体と、前記金属イオンを含有する電解質水溶液とを具備し、前記ゲル／電極複合体と前記電解質水溶液との外部側には、対の外部電極が配置されており、前記対の外部電極と、前記内部電極との間に電位を印加することにより、前記金属イオンが還元されて前記金属イオン濃度が低下し、前記ゲル／電極複合体を構成するハイドロゲルの体積が変化し、かつ前記金属イオンが前記電極表面において還元された状態となって当該電極間を電気的に接続して導通するようになされている高分子アクチュエータを提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、迅速かつ確実に刺激応答性ハイドロゲル全体に電解液のイオン濃度変化が伝わり、ハイドロゲル全体において、高速かつ均一な体積変化を生じさせることのできる高分子アクチュエータが得られた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の高分子アクチュエータの具体的な実施形態について、図を参照して説明するが、本発明は、以下に示す例に限定されるものではない。
【００１６】
〔第一の実施の形態〕
図１に、本発明の高分子アクチュエータの一例の概略構成図を示す。
高分子アクチュエータ１０は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル３と、ハイドロゲル中に配置されたコイル状の内部電極２とにより構成されるゲル／電極複合体６と、多価カチオンを含有する電解液１とを具備し、ゲル／電極複合体６と電解液１との外部側には、対の外部電極４ａ、４ｂが配置されており、最外周には、電解液１の漏洩や揮発を防止するため、柔軟性樹脂５が配置されているものとする。
【００１７】
電解液１は、多価カチオンを含有する溶液であるものとし、本発明の高分子アクチュエータ１０においては、ゲル／電極複合体６と電解液とは共存しているものとする。
多価カチオンが金属イオンである場合、通電により内部電極２の表面において金属イオンが還元すると、内部電極２近傍のイオン濃度が減少する。一方、還元した金属が酸化することにより内部電極２近傍のイオン濃度が増大する。このような金属イオン濃度の変化によってハイドロゲルが膨張／収縮する。
【００１８】
なお、水溶液中で金属を酸化還元する場合、その金属の酸化還元電位が水の電気分解の生じる電位より小さくなければならない。
このような特性を有する金属イオンとしては、例えば、銅、鉄、鉛、錫、ニッケル、亜鉛、アルミニウム等のイオンが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、混合物であってもよい。これらの中でも、酸化還元電位の小さい銅が特に好適である。
更に、電解液１中には、内部電極２の表面で酸化還元する金属イオン種以外に、アクチュエータの駆動時に酸化還元されない酸化還元電位を有する一価のカチオンを含む塩が混合されていることが好ましい。更には、このカチオンの対アニオンが一価であることが望ましい。
【００１９】
次に、内部電極２について説明する。
内部電極２は、対の外部電極との間で電位を印加することによって電極表面で電解液１中のイオンが酸化還元されるので、電解液１中のイオン濃度を変化させる機能を有しているものである。
内部電極２は、電解液１中に含有されている、上記イオン種、例えば銅イオンよりも高い酸化還元電位の材料より構成されている。
また、水溶液中で用いる場合は、酸素過電圧が大きいものが好ましく、具体的な材料としては、金、白金、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ−１，６−ヘプタジイン、ポリ-p-フェニレン、ポリフェニレンビニレン等が挙げられ、これらを単独で用いてもよく、これらの材料を含有する混合物であっても良い。
なお、内部電極２の形状は、図１の高分子アクチュエータ１０においては、コイル状であるが、後述するように、例えば、粒子状、フィラー状等であってもよい。
【００２０】
次に、ハイドロゲル３について説明する。
刺激応答性のハイドロゲル３は、電解液１中に含有しており、かつ内部電極２の表面で酸化還元されるイオンと配位結合、イオン結合等を形成する官能基を分子中に有しているものとする。
具体的には、例えば、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基等を有するハイドロゲルが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、二種以上の混合物や、共重合体であってもよい。
【００２１】
図１の構成の高分子アクチュエータ１０は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル３中に内部電極２が配置されており、かかる内部電極２と、対の外部電極４ａ、４ｂとの間に電位差を生じさせることにより、この内部電極２の近傍においてイオン濃度が変化し、ハイドロゲル３全体にイオン濃度変化が均一かつ確実に伝わり、ハイドロゲル３が迅速で正確に膨張／収縮する。
【００２２】
〔第二の実施の形態〕
次に、本発明の高分子アクチュエータの他の一例について、図２に概略構成図を示して説明する。
図２に示す高分子アクチュエータ２０は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル３と、その内部に分散配置された粒子状の内部電極１２とにより構成されるゲル／電極複合体１６と、多価カチオン、例えば二価の銅イオンを含有する電解液１とを具備し、ゲル／電極複合体１６と電解液１との外部側には、対の外部電極４ａ、４ｂが配置されており、最外周には、電解液１の漏洩や揮発を防止するため、柔軟性樹脂５が配置されているものとする。
【００２３】
なお、電解液１およびハイドロゲル３については、図１に示して説明した高分子アクチュエータと同様のものを適用できる。
【００２４】
高分子アクチュエータ２０は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル３中に粒子形状の内部電極１２が配置されており、かかる内部電極１２と、対の外部電極４ａ、４ｂとの間に電位差を生じさせることにより、この内部電極１２の近傍においてイオン濃度が変化し、ハイドロゲル３全体にイオン濃度変化が伝わり、ハイドロゲル３が均一に膨張収縮するようになされている。
【００２５】
図２に示す高分子アクチュエータ２０の構成によると、ハイドロゲル３が膨張する際に、粒子形状の内部電極１２の相互間の距離が拡大するが、同時に、内部電極表面において、電解液１中の金属イオン、例えば銅イオンが還元され、内部電極１２の粒子間に入り込み、膨張段階においても導通を確保されるようになされる。
内部電極１２は、ナノ粒子であることが好ましく、ハイドロゲル３の内部に分散させる場合、図１のように内部電極をコイル状とする場合に比して、表面積を増大化させることが可能となる。従って、ハイドロゲル内部のイオン濃度を均一に、かつすばやく変化させることができるため、高速で、均一な膨張収縮を行うハイドロゲルアクチュエータが得られる。
【００２６】
〔第三の実施の形態〕
次に、本発明の高分子アクチュエータの他の一例について、図３に概略構成図を示して説明する。
図３に示す高分子アクチュエータ３０は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル３と、その内部に分散配置された粒子状の内部電極１２とにより構成されるゲル／電極複合体１６と、多価カチオン、例えば二価の銅イオンを含有する電解液１とを具備し、ゲル／電極複合体１６と電解液１との外部側には、対の外部電極４ａ、４ｂが配置されており、最外周には、電解液１の漏洩や揮発を防止するため、柔軟性樹脂５が配置されているものとする。
また、ゲル／電極複合体１６と電解液１との間には、アニオン交換膜８が配置されているものとする。
【００２７】
なお、電解液１およびハイドロゲル３については、図１に示して説明した高分子アクチュエータと同様のものを適用できる。
【００２８】
高分子アクチュエータ３０は、イオン濃度の変化に応答性を有するハイドロゲル３中に粒子形状の内部電極１２が配置されており、かかる内部電極１２と、対の外部電極４ａ、４ｂとの間に電位差を生じさせることにより、この内部電極１２の近傍において、イオン濃度、例えば銅イオン濃度が変化し、ハイドロゲル３全体にイオン濃度変化が伝わり、ハイドロゲル３が均一に膨張／収縮する。
【００２９】
図３の高分子アクチュエータ３０の場合においても、ハイドロゲル３が膨張する際に、粒子形状の内部電極１２の相互間の距離が拡大するが、同時に内部電極表面において、電解液１中の金属イオンが還元され、金属原子の状態となって内部電極１２の粒子間に入り込み、膨張段階においても導通を確保されるようになされている。
【００３０】
一方において、ハイドロゲル３の外部との濃度勾配によって、内部電極１２近傍のイオン濃度変化は徐々に打ち消されてしまうという現象を生じる。
そこで、この例においては、ハイドロゲル３の表面に接するように、アニオン交換膜８を配置した。これにより、金属イオンの、ハイドロゲル３の外部と内部との間での通過が抑制され、ハイドロゲル内部のイオン濃度変化が維持される。すなわち、低消費電力で駆動するアクチュエータが得られるという利点を有する。
【実施例】
【００３１】
次に、本発明に基づく高分子アクチュエータの具体的なサンプルを作製し動作させた実施例について説明する。
【００３２】
本実施例においては、図２に示す構成の高分子アクチュエータを作製した。
電解液１中に含有させた金属イオンを酸化還元するための内部電極１２として、白金の微粒子を適用した。
イオン濃度の変化に応答するハイドロゲル３としては、架橋剤を混合して作製したポリ(２−アクリルアミド−２−プロパンスルホン酸)ゲル(ＡＭＰＳゲル)を適用した。
電解液１は、１ｍｏｌ／ｌの硫酸銅(II)水溶液に硫酸ナトリウムを加えて０．０５ｍｏｌ／ｌとなるように調製した溶液を適用した。
上記ポリ(２−アクリルアミド−２−プロパンスルホン酸)ゲルのモノマー：１．６５２７ｇ、ｎ，ｎ−メチレンビスアクリルミド：０．１１８ｇ、蒸留水：６ｍｌ、及び過硫酸アンモニウムを混合し、前駆体溶液を作製した。
内部電極１２としては、直径０．１μｍの白金微粒子を適用した。この白金微粒子を、上記ゲル前駆体溶液に対して１００ｖｏｌ％の割合で添加し混合液を作製した。
【００３３】
上記ゲル前駆体溶液と白金微粒子との混合液を、直径０．５ｍｍのＰＴＦＥ製のチューブ内に注入し、チューブの両端をシリコン栓で密閉し、６０℃に設定したオーブン中で、１２時間放置した。これにより、白金微粒子の内部電極１２を具備する、棒状のハイドロゲル３（ゲル／電極複合体１６）が得られた。このゲル／電極複合体１６の長さ（Ｌ1）は、無負荷の状態で２０ｍｍであった。
上述のようにして作製した棒状のゲル／電極複合体１６の片端を金箔で固定し、電極端子を取り付けた。
このゲル／電極複合体１６と、銅板で作製した対の外部電極４ａ、４ｂとを上記電解液１中に浸漬した。
ゲル／電極複合体１６に固定された電極端子と、対の外部電極４ａ、４ｂとの間に、３．０Ｖの電圧を印加したところ、電解液１中の銅イオン濃度が変化し、ハイドロゲル３が収縮した。
電圧印加後の長さ（Ｌ2）は、無負荷の状態で１８ｍｍであり、収縮が確認された。
アクチュエータの変位｛１−（Ｌ2）／（Ｌ1）｝は０．１０であり、この変位に要した時間は１０秒であった。
【００３４】
上述した実施例から、本発明の高分子アクチュエータによれば、簡易な電気的操作によって、材料の迅速かつ確実な駆動を行うことが可能であることを確かめられた。
また、電解液中のイオン濃度を容易に制御可能な電極を用いることによって、極めて少ない使用電流によって効果的なアクチュエータの駆動が可能となった。
また、内部電極を白金の微粒子としたため、ハイドロゲル３中の電極表面積が極めて大きくなり、ハイドロゲル内部のイオン濃度を均一に、かつすばやく変化させることができ、高速かつ均一な膨張収縮を行うことができた。
また、ハイドロゲルが膨張した状態であっても、内部電極表面において、電解液１中の銅イオンが還元され、金属原子の状態となって白金微粒子間に入り込み、導通を確保されたことが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の高分子アクチュエータの一構成例の概略図を示す。
【図２】本発明の高分子アクチュエータの他の一例の概略図を示す。
【図３】本発明の高分子アクチュエータの他の一例の概略図を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１……電解液、２，１２……内部電極、３……ハイドロゲル、４ａ，４ｂ……外部電極、５……柔軟性樹脂、６，１６……ゲル／電極複合体、１０，２０，３０……高分子アクチュエータ
【図１】
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【図２】
2006353034.tif 000004
【図３】
2006353034.tif 000005