(57)【要約】【課題】成形加工性に優れ、汎用性の高い環境で動作可能な、自発的な運動を生じる構造物提供する。【解決手段】１）気液界面において、自発的な運動を生じるゲル。前記ゲルは、高分子化合物とイオン液体とを含ことが好ましい。前記イオン液体は、イミダゾリウム系カチオンを含むことが好ましい。前記高分子化合物は、フッ素系樹脂を含むことが好ましい。２）前記ゲルを動力源として備えるアクチュエータ。前記アクチュエータは、前記運動を制御可能なよう、前記ゲルが成形及び／又はパターン化加工されたものであることが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液界面において、自発的な運動を生じるゲル。
【請求項２】
高分子化合物とイオン液体とを含む、請求項１に記載のゲル。
【請求項３】
前記イオン液体が、イミダゾリウム系カチオンを含む、請求項２に記載のゲル。
【請求項４】
前記高分子化合物が、フッ素系樹脂を含む、請求項２又は３に記載のゲル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のゲルを動力源として備えるアクチュエータ。
【請求項６】
前記ゲルが成形及び／又はパターン化加工された、請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記ゲルと、その他の部材とを備える、請求項５又は６に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記ゲル及び／又は前記部材が成形及び／又はパターン化加工された、請求項７に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液界面において自発的な運動を生じるゲル、及び該ゲルを備えるアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
入力されたエネルギーを物理的運動や形態変化に変換する機械は、広く用いられている。例として、エンジンや電動モーターがあるが、それら以外に、一般にアクチュエータと呼ばれる一群がある。
アクチュエータは、動力を持続的に発生させるエンジンや電動モーターと異なり、駆動機構と制御機構とを併せ持つものとされる。例えば、ソレノイドアクチュエータや動力シリンダーなどが、ロボットの関節を動作させることなどに利用されている。アクチュエータを複数組み合わせた力の合成、及びセンサを組み込んだ多角制御により、複雑な運動を生じさせることも可能である。従来、アクチュエータには、主に金属等の固体物質からなるものが広く利用されている。
【０００３】
一方で近年、やわらかい材料を利用したアクチュエータが注目されている。それらはソフトアクチュエータと呼ばれ、ゴムや導電性ポリマーといった高分子材料から構成されるものが知られる。ソフトアクチュエータは、作業機械やロボット、パワード・スーツ（ロボット・スーツ）などの利用に加え、その柔軟性から生体に優しいデバイスや、人工筋肉、生体内埋め込み型の人工臓器などの利用が期待されている。
【０００４】
このように、アクチュエータは広範な応用範囲を有する。しかしながら、上述のいずれのアクチュエータも電気を動きに変える（電気化学アクチュエータ）、光を動きに変える（光電気化学アクチュエータ）というように、外部からエネルギーを与えることにより動作する。すなわち、外部からのエネルギー供給が必要であり、そのための機器が必要になる。
【０００５】
一方、最近では、動作するためのエネルギー源が材料自身に組み込まれたアクチュエータが開発されている。そこには、電源や光源を要することなく、力学的な仕事を発生する材料が用いられている。これらの材料を上述の外部からエネルギー供給が必要なアクチュエータやソフトアクチュエータと区別して、自己推進型アクチュエータと呼ぶ。自己推進型アクチュエータは、電源や光源なしで動作できる点で、前述のアクチュエータと明確に差異化される。自己推進型アクチュエータは、エネルギー発生の仕組みが材料自身に組み込まれている。このことは、アクチュエータがシステムとして化学電池や太陽電池を組み込んでいることとは明確に区別される。
【０００６】
自己推進の駆動力源として、これまでに以下に述べる材料が報告されている。
例えば、水中に置かれた液滴が、外部からのエネルギー供給なしに、水中に置かれたガラス表面を支持台として往復運動する系が報告されている（例えば、非特許文献１）。このときの自己推進力は、水中に溶けた界面活性剤が、ガラス表面に単分子膜を形成し、これを液滴が吸収することによって生じている。。
また、外部からのエネルギー供給なしに気水界面で推進力を得る方法として、古くからの玩具「しょうのう舟」に見られる機構がある。樟脳（しょうのう）は、水に少量溶け気液界面に単分子膜を形成する。このため、樟脳が溶けだした水面と溶けだしていない水面との間に表面張力の差異が生じ推進力が得られる（マランゴニ効果）。さらに樟脳は昇華性を有し、単分子膜が逐次気化していくことから、運動に継続性がある。
さらに、ある種の化学物質を含んだゲルは、ゲル内部で化学振動反応（ベローソフ・ジャボチンスキー反応）が引き起こされる（例えば、非特許文献２）。この反応においては周期的に生成物が変化し、これによってゲルの周期的な体積変化が引き起こされる。この体積変化は、力学的な振動運動に変換される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“Self-Running Droplet: Emergence of Regular Motion from Nonequilibrium Noise”, Y. Sumino, N. Magome, T. Hamada, K. Yoshikawa, Physical Review Letters, 94(6), 068301/1-4 (2005)
【非特許文献２】“Self-oscillating gel”, R. Yoshida, T. Takahashi, T. Yamaguchi, H. Ichijo: J. Am. Chem. Soc. 118 (21), 5134-5135 (1996).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、運動を発生する物質が樟脳や、非特許文献１のように液滴である場合は、それらは成形加工性に乏しく、工業的な応用は限定的である。非特許文献２のゲルでは、ゲルが一方向への運動を実現するためには、ゲルとは異なる部品、すなわち微細加工が施された基板が必要である。
【０００９】
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、成形加工性に優れ、汎用性の高い環境で動作可能な、自発的な運動を生じる構造物を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、気液界面において、自発的な運動を生じることを特徴とするゲルである。
【００１１】
本発明の一態様は、上記ゲルであって、高分子化合物とイオン液体とを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明の一態様は、上記ゲルであって、前記イオン液体が、イミダゾリウム系カチオンを含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の一態様は、上記ゲルであって、前記高分子化合物が、フッ素系樹脂を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の一態様は、上記ゲルを動力源として備えることを特徴とするアクチュエータである。
【００１５】
本発明の一態様は、上記アクチュエータであって、前記運動を制御可能なよう、前記ゲルが成形及び／又はパターン化加工されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の一態様は、上記アクチュエータであって、前記ゲルと、その他の部材とを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明の一態様は、上記アクチュエータであって、前記運動を制御可能なよう、前記ゲル及び／又は前記部材が成形及び／又はパターン化加工されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、成形加工性に優れ、気液界面という汎用性の高い環境で動作可能な、自発的な運動を生じるゲルを提供できる。
また、本発明によれば、前記ゲルを動力源として備えるアクチュエータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態のゲルの作製過程を説明する工程図である。
【図２】本発明の一実施形態のゲルの２次元構造の一例である。
【図３】本発明の一実施形態のゲルの３次元構造の一例である。
【図４】本発明の一実施形態のアクチュエータの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態のアクチュエータの製造過程と構成を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態のアクチュエータの構成を示す模式図である。
【図７】実施例１のゲルの作製過程を説明する工程図である。
【図８】実施例１の実験内容を説明する図である。
【図９】実施例１のゲルの運動の様子を示す高速カメラ撮影画像、その模式図、及びその解析図である。
【図１０】実施例２のゲルの作製過程と、その実験内容を説明する模式図である。
【図１１】実施例３のアクチュエータの運動の様子を示す模式図である。
【図１２】実施例６のアクチュエータのパリレンによる部分的な被覆による運動方向性制御の様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明のゲル、及びアクチュエータの実施形態を説明する。
【００２１】
≪ゲル≫
実施形態のゲルは、気液界面において自発的な運動を生じるものである。「気液界面において自発的な運動を生じる」とは、実施形態のゲルが気液界面に配置されると、それによりゲル自身が移動する、又はゲルが生み出したエネルギーによりその他の物体が移動することをいう。ここで、前記ゲルの少なくとも一部は、前記気液界面の液に接するよう配置される。
前記ゲルの運動は、一方向のみへの運動であってよい。前記ゲルの運動は、気液界面と平行な方向であって、気液界面との接触面内を自由に運動できる。
【００２２】
このような性質を有する実施形態のゲルの一例として、高分子化合物とイオン液体とを含むものが挙げられる。
以下、高分子化合物とイオン液体とを含む実施形態のゲルについて説明する。
【００２３】
＜高分子化合物＞
実施形態に係る高分子化合物は、ゲルを構成する分散質の少なくとも一部として、実施形態のゲルに含有される。
【００２４】
実施形態に係る高分子化合物は、実施形態のゲルの分散質の少なくとも一部を構成可能なものであれば特に制限されるものではなく、合成高分子、生体高分子等であってもよい。合成高分子としては、例えば、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリアクリルアミド、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ）、ポリピロール系高分子、ポリアニリン系高分子などを挙げることができる。生体高分子としては、例えば、多糖類；ゼラチン、シルクフィブロインなどのタンパク質；キトサン、コラーゲンなどの細胞外マトリクス、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）などの核酸などが挙げられる。
【００２５】
実施形態に係る高分子化合物は、前記気液界面の液相を構成する液体（以下「液体Ｘ」という）に対して難溶性であるものが好ましい。
高分子化合物が前記液体Ｘに溶解し難いことで、ゲルを気液界面に配置させた際に、ゲルの形状が維持され易い。
【００２６】
実施形態に係る高分子化合物が、液体Ｘに対して難溶性であることの具体的な指標としては、例えば、２５℃の液体Ｘと前記高分子化合物とを１：１で混合し、１時間あたりで、高分子化合物が液体Ｘに溶出した率［高分子化合物の液体Ｘへの溶出量（ｇ）／混合前の高分子化合物量（ｇ）×１００］が、５０質量％以下であってもよく、１０質量％以下であってもよく、５質量％以下であってもよく、３質量％以下であってもよく、１質量％以下であってもよい。
【００２７】
前記気液界面の液相は、汎用性が高いことから、水又は水を含む液体であることが好ましい。水を含む液体としては、水溶液が挙げられ、食塩水（海水）等であってもよい。水を含む液における水の割合は、５０質量％以上であってよく、８０質量％以上であってよく、９０質量％以上であってよく、９９質量％以上であってよい。
前記液体Ｘは水であることが好ましく、実施形態に係る高分子化合物は、水に対して難溶性であるものが好ましい。
【００２８】
高分子化合物の重量平均分子量（Ｍｗ）は、１００００〜４００００００であることが好ましく、１０００００〜２００００００であることがより好ましく、２０００００〜１００００００であることがさらに好ましい。
高分子化合物の重量平均分子量が上記範囲内であることで、形状安定性により優れたゲルとすることができる。
なお、重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）法により測定したポリスチレン換算の値である。
【００２９】
高分子化合物のガラス転移温度（Ｔｇ）は、ゲルの使用用途によって適当なものを採用すればよく、一例として、−５０〜２００℃が挙げられる。
【００３０】
また、実施形態に係る高分子化合物は、前記イオン液体との親和性をある程度有することが、ゲルの安定性の観点から好ましい。高分子化合物とイオン液体の極性が異なりすぎないことでゲルが形成されやすくなる。イオン液体との親和性を有するものとして、極性高分子化合物が挙げられる。このような観点から、実施形態に係る高分子化合物は、化合物内にハロゲン原子を含む含ハロゲン樹脂を含むことが好ましく、化合物内にフッ素原子を含むフッ素系樹脂を含むことがより好ましい。
【００３１】
フッ素系樹脂としては、特に制限されるものではないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）・ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフロオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、またそれらの共重合体、又は混合物等が挙げられる。
【００３２】
フッ素系樹脂としては、フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体が好ましく、下記式（Ｐ１）で表される構成単位を有するフッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体がより好ましい。
【００３３】
【化１】
2018141097.tif 000002
【００３４】
実施形態のゲルが含有する高分子化合物は、１種のみでもよいし、２種以上でもよい。
【００３５】
＜イオン液体＞
実施形態に係るイオン液体は、ゲルを構成する分散媒の少なくとも一部として、実施形態のゲルに含有される。
【００３６】
実施形態に係るイオン液体は、前記気液界面の液相を構成する液体（「液体Ｘ」）とは異なるものであり、前記気液界面の液相を構成する液体（「液体Ｘ」）と混合可能であるものが好ましい。
イオン液体が前記液体Ｘと混合可能であることで、ゲルは優れた運動性を有する。
また、実施形態に係るイオン液体は、液体Ｘとの表面張力差を有するものが好ましい。
上記性質が好ましい理由としては、ゲルの自発的な運動は、ゲルが液体Ｘと気体との気液界面に配置されると、ゲルに含まれるイオン液体と液体Ｘとの表面張力差によって生じる、と考えられるからである。
【００３７】
実施形態に係るイオン液体が、液体Ｘに対して混合可能であることの具体的な指標としては、例えば、２５℃の液体Ｘと前記イオン液体とを混合したときに、液体Ｘと前記イオン液体とが少なくとも一部混合可能であってよい。
【００３８】
イオン液体はカチオン部とアニオン部とが１：１で混合された物質で、約１００℃以下で液体を示す塩である。イオン液体は、カチオン部が有機カチオンであってもよく、アニオン部が有機アニオンであってもよく、カチオン部及びアニオン部がともに有機イオンであってもよい。
【００３９】
イオン液体は、蒸気圧が極めて低く、化学的にも安定であるので、実施形態のゲルがイオン液体を含むことで、安定性が高いものとなり、ゲルの長期保存等も容易となる。
【００４０】
前記イオン液体のうち、カチオン部としては、特に制限されるものではないが、例えば、イミダゾリウムカチオン（Imidazolium cation）、ピロリジニウムカチオン（Pyrrolidinium cation）、ピペリジニウムカチオン（Piperidinium cation）、ピリジニウムアンモニウムカチオン（Pyridinium Ammonium cation）、ホスホニウムカチオン（Phosphonium cation）等が挙げられる。
【００４１】
前記イオン液体の、具体的な例としては、
１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド
（1‐Butyl‐3‐methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）、
１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム ジシアナミド
（1‐Butyl‐3‐methylimidazolium dicyanamide）、
１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボラート
（1‐Butyl‐3‐methylimidazolium tetrafluoroborate）、
１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホナート
（1‐Butyl‐3‐methylimidazolium trifluoromethanesulfonate）、
１−ブチル−１−メチルピペリジニウム テトラフルオロボラート
（1‐Butyl‐1‐methylpiperidinium tetrafluoroborate）、
１−ブチル−１−メチルピロリジニウム テトラフルオロボラート
（1‐Butyl‐1‐methylpyrrolidinium tetrafluoroborate）、
１−ブチルピリジニウム テトラフルオロボラート
（1‐Butylpyridinium tetrafluoroborate (1=N)）、
コリン ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド
（Choline bis(trifluoromethylsulfonyl)imide）、
コリン 二水素ホスファート
（Choline dihydrogen phosphate）、
Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−（２−メトキシエチル）アンモニウム ビス（トリ
フルオロメタンスルホナート）
（N,N‐Diethyl‐N‐methyl‐N‐(2‐methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonate）、
Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−（２−メトキシエチル）アンモニウム テトラフル
オロボラート
（N,N‐Diethyl‐N‐methyl‐N‐(2‐methoxyethyl)ammonium tetrafluoroborate）、
１−エチル−３−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボラート
（1‐Ethyl‐3‐methylimidazolium tetrafluoroborate）、
１−エチル−３−メチルイミダゾリウム アセテート
（1‐Ethyl‐3‐methylimidazolium acetate）、
１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド
（1‐Ethyl‐3‐methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide）、
１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ジシアナミド
（1‐Ethyl‐3‐methylimidazolium dicyanamide）、
１−エチル−１−メチルピロリジニウム テトラフルオロボラート
（1‐Ethyl‐1‐methylpyrrolidinium tetrafluoroborate）、
１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボラート
（1‐Hexyl‐3‐methylimidazolium tetrafluoroborate）、
１−ブチル−１−メチルピロリジニウム テトラシアノボラート
（1-Butyl-1-methyl-pyrrolidinium tetracyanoborate）、
１−エチル−３−メチル−イミダゾリウム テトラシアノボラート
（1-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetracyanoborate）、
１−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム トリシアノメチド
（1-Butyl-3-methyl-imidazolium tricyanomethide）、
Ｎ−ブチル−３−メチル−イミダゾリウム ジシアナミド
（N-Butyl-3-methyl-imidazolium dicyanamide）、
１−エチル−３−メチルイミダゾリウム アミノ酸塩
（1‐Ethyl‐3‐methylimidazolium amino acids）
等が挙げられる。
【００４２】
イオン液体としては、下記式（Ｃ１）で表される１−エチル−３−メチルイミダゾリウムカチオンと、下記式（Ａ１）で表されるビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドアニオンと、を含むイオン液体が好ましい。
【００４３】
【化２】
2018141097.tif 000003
【００４４】
【化３】
2018141097.tif 000004
【００４５】
実施形態のゲルが含有するイオン液体は、１種のみでもよいし、２種以上でもよい。
【００４６】
イオン液体の生体毒性については多くは調べられていないが、上記に例示したようなイオン液体を含むゲルが、直接人間の皮膚に触れても大きな影響はないと考えられる（例えば、特許第０５７２３４７５号公報。）。
【００４７】
＜組成＞
実施形態のゲルは、前記高分子化合物としてフッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体を含み、前記イオン液体として１−エチル−３−メチルイミダゾリウム  ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドを含むものが好ましい。
【００４８】
実施形態のゲルにおいて、ゲルの総質量１００質量％に対する前記高分子化合物の含有量は、高分子化合物の種類等によって適宜定めることができるが、例えば、１〜８０質量％が好ましく、３〜５０質量％がより好ましく、５〜４０質量％がさらに好ましい。
【００４９】
実施形態のゲルにおいて、ゲルの総質量１００質量％に対する前記イオン液体の含有量は、イオン液体の種類等によって適宜定めることができるが、例えば、２０〜９９質量％が好ましく、５０〜９７質量％がより好ましく、６０〜９５質量％がさらに好ましい。
【００５０】
実施形態のゲルに含まれる、高分子化合物とイオン液体との質量比率（高分子化合物：イオン液体）は、５：１〜１：５０が好ましく、２：１〜１：３０がより好ましく、１：１〜１：２０がさらに好ましい。
【００５１】
実施形態のゲルに含まれる高分子化合物及びイオン液体の量が、上記範囲内にあることで、成形加工性及び運動性の点で、より優れたゲルとすることができる。
【００５２】
実施形態のゲルは、上記の高分子化合物およびイオン液体の他に、本発明の効果を損なわない範囲内において、高分子化合物およびイオン液体に該当しないその他の添加剤を含有していてもよい。
その他の添加剤としては、例えば、防腐剤、着色剤、増粘剤、架橋剤、溶媒等が挙げられる。
【００５３】
実施形態のゲルに含有されるその他の添加剤は、１種のみでもよいし、２種以上でもよい。
【００５４】
実施形態のゲルにおいて、高分子化合物、イオン液体及びその他の添加剤の含有量（質量％）の和は１００質量％となる。
ゲルの総質量１００質量％に対する、高分子化合物およびイオン液体の総質量は、５０〜１００質量％が好ましく、８０〜１００質量％がより好ましく、９０〜１００質量％がさらに好ましい。
【００５５】
実施形態のゲルは、成形加工性に優れ、気液界面において自発的な運動を生じる。この運動は、ゲルが液体Ｘと気体との気液界面に配置されると、ゲルに含まれるイオン液体と液体Ｘとの表面張力差によって生じるものと考えられる。
【００５６】
従来の自己推進型アクチュエータは、
（１）複雑な化学反応を用いるため、含有する化学物質が不安定である、
（２）方向性のある運動を発現させるために、複雑な補助構造を持つ支持台が必要である、
（３）動力源が揮発性を持つために長期間の保存に適さない、
などの問題を有していた。
【００５７】
一方、実施形態のゲルに使用されるイオン液体は、一般に蒸気圧が極めて低く、高温でも燃焼せず、化学的に安定な物質である。すなわち、一般的な気圧・温度環境下で揮発することもなく、酸素による酸化や温度による変質のおそれが少ない。そのため、実施形態のゲルは、成形加工が容易であり、汎用性の高い環境で動作可能で、安定性に優れ、長期間の保存も容易である。
【００５８】
≪ゲルの製造方法≫
実施形態のゲルの製造方法は、例えば、高分子化合物と、イオン液体とを含む組成物を調製し、ゲル化させることで製造できる。
【００５９】
実施形態のゲルの製造方法は、
（ｉ）高分子化合物を溶媒に溶解させ、高分子化合物溶液を得る工程と、
（ｉｉ）イオン液体と前記高分子化合物溶液とを混合し、得られた混合物からゲルを得る工程と、を有する。
【００６０】
図１は、実施形態のゲルの製造方法を示す工程図である。
まず、高分子化合物を溶媒に溶解させ、高分子化合物溶液を得る。
次いで、得られた高分子化合物溶液と、イオン液体とを混合し、得られた混合物から溶媒を蒸発させて取り除く。
【００６１】
溶媒を高効率に除去するためには、真空下において適切な時間放置すればよい。高分子化合物もイオン液体も蒸気圧は極めて低く、真空下でも蒸発し難いため、溶媒のみを効率的に除去できる。
【００６２】
前記混合物の総質量１００質量％に対する、前記溶媒の含有量は、溶媒等の種類により適宜定めることができるが、例えば、５〜９９質量％が好ましく、１０〜９０質量％がより好ましく、２０〜８０質量％がさらに好ましい。
前記混合物に含まれる溶媒の量が、上記範囲内にあることで、より効率的にゲルを製造可能となる。
【００６３】
イオン液体と高分子化合物とが相溶関係に乏しい場合にも、高分子化合物を溶媒に溶かし、これをイオン液体と混合することにより、イオン液体と高分子化合物とを含むゲルを、容易に製造可能となる。
【００６４】
溶媒は、有機溶媒であることが好ましい。また、上記の製造過程における溶媒除去の観点から、揮発性の高い有機溶媒を用いることが好ましい。有機溶媒としては、例えば、メチルエチルケトン、アセトン等のケトンの他、エステル、エーテル、アルコール等が挙げられる。
【００６５】
実施形態のゲルの製造方法は、
（ｉｉｉ）前記ゲルを成形及び／又はパターン化加工する工程、
を有していてもよい。
例えば、溶媒を蒸発させる前の混合物を、ガラス容器の底などの平面上に静置すれば、フィルム状に成形されたゲルが得られる。また、所望の型のモールド内に充填すれば、その型どおりの形に成形及び／又はパターン化加工されたゲルが得られる。すなわち、上記工程（ｉｉ）と工程（ｉｉｉ）は同時に行われてもよい。
【００６６】
上記工程（ｉｉｉ）は上記（ｉｉ）の後に行われてもよい。例えば、作製したゲルを、刃や抜型で切断し、所望の形状・大きさに成形及び／又はパターン化加工できる。また、所望の形状に作成した型を用いてゲルを成形及び／又はパターン化加工してもよい。
実施形態のゲルは、上述のように安定性が高いため、電子ビームやイオンビームを用いた、真空中での成形及び／又はパターン化加工を行ってもよい。
【００６７】
実施形態のゲルの製造方法によれば、高分子化合物とイオン液体とを含む本発明のゲルを製造可能である。なお、本発明のゲルは、上記実施形態のゲルの製造方法で製造されたものに限定されるものではない。
【００６８】
≪アクチュエータ≫
実施形態のアクチュエータは、本発明のゲルを動力源として備えるものである。
本発明のアクチュエータは、前記動力源が前記ゲルのみから構成されてもよく、アクチュエータそのものが前記ゲルのみから構成されてもよい。
実施形態のアクチュエータにおいて、前記ゲルの少なくとも一部は、前記気液界面の液に接するよう配置される。すなわち、前記ゲルは気液界面の液に接するようアクチュエータ表面に露出していることが好ましい。
以下、本発明のアクチュエータの実施形態を、適宜、図面を参照しながら説明する。
【００６９】
＜ゲルのみからなるアクチュエータ＞
図２は、ゲルのみからなる実施形態のアクチュエータの形状を説明する模式図である。図２に示す実施形態のアクチュエータは、フィルム状であり、図２の平面形状に示すような種々の形状を有することができる。
ゲルが各種形状に成形及び／又はパターン化加工されていることで、アクチュエータの運動の方向性や速度等を制御可能である。
【００７０】
ゲルの形状としては、図２に示すように、三角形、正方形、五角形などの多角形；円形、ドーナツ型などのＣ∞軸を有する形；二等辺三角形、長方形、矢じり型、楕円、三日月形、Ｃ字型などの鏡映面を持つ形；Ｓ字などのＣ２回転軸を持つ形；さらに対称性の低い形（不図示）などが挙げられる。
【００７１】
フィルム状のゲルの厚みは、例えば、０．１〜５ｍｍ程度が挙げられる。
【００７２】
三次元の形状では、例えば、図３に示すような円錐形であってよく、底面の半径と高さの比が異なる種々の円錐や、楕円錐、角錐、角柱、これら形状の一部が欠損又は変形した」形状等が挙げられる。
【００７３】
ゲルのパターン化加工の例としては、フィルム状のゲルの表面に凹凸や模様が形成されているものが挙げられる。
【００７４】
以上に説明したゲルの複雑な形態も、成形加工性と柔軟性をあわせもつゲルの特徴から、容易に形成できる。
【００７５】
ゲルは、気液界面で動作可能なよう、気液界面に静置した際に浮力と表面張力により水中に沈下しない程度の大きさに成形されていることが好ましい。
【００７６】
＜ゲル及びその他の部材を備えたアクチュエータ＞
実施形態のアクチュエータは、ゲルと、該ゲルに該当しないその他の部材とを備えたものであってよい。
実施形態のアクチュエータは、前記運動を制御可能なよう、前記ゲルとその他の部材とが一体化されていることが好ましい。
その他の部材の材質としては、特に制限されず、金属、樹脂、セラミック、プラスチック、木材、布、紙、ガラス等が挙げられる。
ゲル及び／又は部材は、成形及び／又はパターン化加工されていてもよい。ゲル及び／又は部材が、成形及び／又はパターン化加工されていることで、アクチュエータの運動の方向性や速度等を制御可能である。
【００７７】
図４は、ゲルと、その他の部材と、を備えたアクチュエータの一実施形態の形状を説明する模式図である。
【００７８】
図４（ａ）に示すアクチュエータ１０ａは、ゲル１と、その他の部材２と、を備える。ゲル１は、矩形のフィルム状のゲルであり、部材２は矩形のプラスチックフィルムである。部材２の一方の端部の近傍の表面には、部材２の厚み方向に部材２を貫通する貫通孔２ａが形成され、他方の端部の近傍の表面にはゲル１が配置されている。ゲル１は、前記表面において、部材２の幅方向の一方の側にのみ、露出して配置されている。
【００７９】
図４（ｂ）に示すアクチュエータ１０ｂは、ゲル１と、その他の部材２と、を備える。部材２の中央部には、部材２の厚み方向に部材２を貫通する貫通孔２ａが形成され、両端部の近傍の表面にはゲル１が配置されているゲル１は、前記表面において、部材２の幅方向の一方の側にのみ、露出して配置され、複数あるゲル１の露出面は、貫通孔２ａを中心として１８０℃の回転対称となる位置に配置されている。ゲル１の配置を上記配置とすることで、アクチュエータ１０ａ，１０ｂは、ゲルを備えた部位が回転時に回転方向の後ろを向く方向に回転運動可能となる。
【００８０】
図５は、ゲルと、その他の部材と、を備えたアクチュエータの一実施形態の形状を説明する模式図である。
図５に示すアクチュエータ１０ｃは、ゲル１１と、ゲル１１を部分的に被覆する部材２１と、を備える。ゲル１１は、直方体の形状のゲルであり、部材２１はゲル１１の６面のうち５面を被覆しており、ゲル１１を部分的に被覆している。
アクチュエータ１０ｃの製造例を以下に説明する。まず、図５に示すように、直方体の形状に成形したゲル１１の全面を、部材２１でコーティングする（図５（ａ））。次いで、ゲルの中央部を破線に示す位置にて切断する（図５（ｂ））。すると、切断面にゲル１１が露出し（図５（ｃ））、ゲル１が部材２１で部分的に被覆されたアクチュエータ１０ｃが得られる。
【００８１】
また、図６に示すようにゲル及びその他の部材を備えたアクチュエータの別例として、円錐形のゲル１２に、軸２２を組み込んだアクチュエータ１０ｄ，１０ｅなどが挙げられる。軸２２は、棒状部材２２ａの一方の端部に、四角形状の羽根２２ｂを備えて構成されている。羽根２２ｂは、その表面が棒状部材２２ａと並行となるように、且つ、棒状部材２２ａで貫かれるように配置されている。アクチュエータ１０ｄ，１０ｅにおいては、軸２２は、その棒状部材２２ａが円錐状のゲル１２の中心軸と一致する位置を貫いて設けられている。
【００８２】
以上に説明したアクチュエータのゲルの複雑な形態も、成形加工性と柔軟性をあわせもつゲルの特徴から、容易に形成できる。
【００８３】
従来の自己推進型アクチュエータは、方向性のある運動を発現させるために、複雑な補助構造を持つ支持台が必要であるという問題があった。
【００８４】
一方、実施形態のアクチュエータによれば、運動の方向性の規定は、ゲル自体の成形及び／又は加工で実現できるし、ゲルと他の素材とを組み合わせることでも実現できる。また、簡単な補助構造を用いることもできる。
例えば、本発明のゲル自体の構造をＳ字状にすれば、液面上で回転方向を規定できるし、円錐形状にすれば、高速でトルクの強い回転子などを実現できる。こうした成形加工性の高さは、ゲル材料に備わる優位点である。
【００８５】
≪アクチュエータの作動方法≫
本発明の一実施形態として、本発明のアクチュエータを、気液界面に配置する、アクチュエータの作動方法を提供する。
本発明の一実施形態として、本発明のアクチュエータを、気液界面に配置し、該液の組成を変えて前記アクチュエータの運動を制御する、アクチュエータの作動方法を提供する。
【００８６】
実施形態のアクチュエータは、実施形態のアクチュエータのゲルを気液界面に配置すると、自発的な運動を生じさせることができる。
また、実施形態のアクチュエータは、該液の組成を変えることで、前記アクチュエータの運動を変えることができる。例えば、界面活性剤等の気液界面の表面張力を低下させる性質を有する成分を液体Ｘに添加することで、当該運動を停止させることができる。
運動を制御するとは、運動を開始させる、運動を停止させる、運動の速度を変化させる、運動の方向を変化させること等を含む。
【００８７】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【実施例】
【００８８】
次に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００８９】
［実施例１］
・ゲルの調製
図７は、実施例１のゲルの調製方法を示す工程図である。フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ポリ（ビニリデンフルオリド−コ−ヘキサフルオロプロピレン）、シグマアルドリッチ、数平均分子量１３００００、重量平均分子量４０００００］１ｇをアセトン７ｇに溶解した。次にこの溶液を、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム  ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド４ｇと混合した。この混合物０．８ｇを円筒ガラス容器にとり、これを密封することなく室温に放置し、アセトンを蒸発させ、この容器を真空下に一晩置き、残存するアセトンを除去し、円筒ガラス容器の底面に、円形状のゲルフィルム（重量０．３２ｇ、厚さ約０．４ｍｍ）を得た。
作製したゲルフィルムをガラス板上にとり、ナイフで切断することにより２ｍｍ×８ｍｍの短冊状に加工した。短冊状のゲルの両端に、黒インクで点を描き、解析用のマーカーとした（図８（ａ））。
直径１０ｃｍのガラスシャーレに純水１００ｍＬを入れ、その表面に短冊状に加工したゲルを静かに浮かべた（図８（ｂ））。その直後より、ゲルは回転運動を始めた。
この様子を、高速カメラ（毎秒１０００フレーム）で撮影した（図９（ａ））。
短冊状のゲルは、短冊の一方の端を中心とする回転運動を行っており（図９（ｂ））、この回転運動を解析した。結果を図９（ｃ）に示す。ゲルの回転はおよそ１秒間に８回転であった。回転運動とともに、重心の並進運動が認められた。回転運動は一方の端を中心にしており、他端の回転速度を図９（ｃ）に示す結果から見積もった。図９（ｃ）に示すグラフの横軸から、回転の周波数が８Ｈｚであること、縦軸から振幅が１４ｍｍであることとし、速度を算出すると１６ｍｍ×π×８Ｈｚ＝４００ｍｍ/ｓと算出された。すなわち、ゲルの回転速度はおよそ４００ｍｍ／ｓ程度であった。またゲルの運動中に、純水に界面活性剤を添加することによって、運動を即座に停止することが可能であった。その後界面活性剤を含まない純水表面に再度ゲルを静置することにより、運動が再開するため開始と停止の制御が可能であった。
【００９０】
［実施例２］
・ゲル形状
図１０（ａ）に示すように、あらかじめＳ字状にかたどったモールドを作製し、その中に実施例１で調製した混合物を流しいれた。これを密封することなく室温で放置し、アセトンを蒸発させ、この容器を真空下に１晩置き、残存するアセトンを除去し、Ｓ字状のゲルを得た（図１０（ｂ））。
およそ３０ｃｍ×２０ｃｍの底面積を持つ水槽に純水３Ｌを入れ、その表面に作製したＳ字状ゲルを静かに浮かべた（図１０（ｃ））。その直後よりＳ字状ゲルは、Ｓ字の中心を軸とした回転運動を始めた。
【００９１】
［実施例３］
・複合体
図４に示すアクチュエータ１０ａの構造を有するアクチュエータを作製した。
プラスチックフィルムを加工し、回転の中心となる貫通孔および実施例１のゲルフィルムを固定する領域を作製した。続いて実施例１のゲルフィルムを切り取り、プラスチックフィルムの端部の近傍の固定領域に固定した。
図１１に示すように、回転軸となる鉛直の心棒を備えた水槽に水を加えた。ここに上記で作製したプラスチックフィルムを、貫通孔に鉛直の心棒を通すようにして水面に浮かべた。アクチュエータ１０ａは、貫通孔を中心とする回転運動を開始した。回転の方向は、ゲルを備えた部位が回転時に回転方向の後ろを向く方向である。プラスチックフィルムに作製した貫通孔とゲルの固定位置との距離、あるいはゲルの固定量、あるいはプラスチックフィルムの重量、によって回転速度を制御することができる。また、ゲルの固定位置を変えることで、回転方向を制御できる。
【００９２】
［実施例４］
・組成の違い
実施例１のフッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体のアセトン溶液１ｇを、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム  ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド２ｇと混合した。この混合物０．４ｇを円筒ガラス容器にとり、これを密封することなく室温で放置し、アセトンを蒸発させ、この容器を真空下に１晩置き、残存するアセトンを除去し、円筒ガラス容器の底面に、円形状のゲルフィルム（重量０．２８ｇ、厚さ約０．４ｍｍ）を得た。
得られたゲルフィルムを２ｍｍ×８ｍｍの短冊状に加工した。直径１０ｃｍのガラスシャーレに純水１００ｍＬを入れ、その表面に短冊状に加工したゲルを静かに浮かべた。その直後より、ゲルは、短冊の重心付近を中心とする回転運動を行い、その回転速度はおよそ１秒間に１０回転であった。回転運動とともに、重心の並進運動が認められた。
【００９３】
［実施例５］
・液の違い
実施例１と同様の短冊状のゲル試料を準備した。濃度１％の食塩水を用意し、これを直径１０ｃｍのガラスシャーレに１００ｍＬ注ぎ、その表面に短冊状に加工したゲルを静かに乗せた。その直後よりゲルは速やかに回転を始めた。回転速度はおよそ１秒間に１０回転であった。
【００９４】
［実施例６］
・パリレンコーティングによる被覆を利用した形状形成
最終的に図５に示すアクチュエータ１０ｃの構造を有するアクチュエータを作製した。
まず、実施例１と同様の方法で、２ｍｍ×２ｍｍ×２０ｍｍのゲル試料を準備した。これを真空チャンバー内に導入し、表面にパリレン（ポリ−ｐ−キシレン）を蒸着した。この結果、ゲルの表面をパリレンで一様にコーティングした試料を得た。
直径１０ｃｍのガラスシャーレに純水１００ｍＬを入れ、その表面に得られた試料を静かに浮かべた。このとき、パリレンコートされたゲルは水面で静止したままであった（図１２（ａ））。
水面から試料を取り出し、乾燥後、その中心部で切断して２ｍｍ×２ｍｍ×１０ｍｍのアクチュエータ１０ｃを得た。これを再び上記のガラスシャーレ内の水面に静かに浮かべた。アクチュエータ１０ｃは、切断面を後部にして水面上を推進した（図１２（ｂ））。
【符号の説明】
【００９５】
１，１１，１２…ゲル、２，２１，２２…部材、２ａ…貫通孔、２２ａ…棒状部材、２２ｂ…羽根、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ…アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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