(57)【要約】【課題】生物の筋肉のように、化学エネルギーを、筋収縮のような力学エネルギーに、直接的に変換することができる装置であって、分子サイズに極小化できるエネルギー変換装置を提供する【解決手段】アデノシン三リン酸のような化学エネルギーを有する分子を、触媒作用によってその加水分解によって生じるアデノシン二リン酸と無機リン酸のような２つ以上の分子に分解し、分解された分子間に生じる電気的な斥力あるいは引力を用いて、可動体あるいは固定体の表面における電荷分布を変化させ、固定体あるいは可動体における表面電荷との相互作用によって、力学的な仕事を行わせる。【選択図】    図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学エネルギーを有する分子を、触媒作用によって２つ以上の分子に分解し、分解された分子間に生じる電気的な斥力あるいは引力を用いて、可動体あるいは固定体の表面における電荷分布を変化させ、固定体あるいは可動体における表面電荷との相互作用によって、力学的な仕事を行わせることを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
前記化学エネルギーを有する分子としてアデノシン三リン酸を用い、その加水分解によって生じるアデノシン二リン酸と無機リン酸の斥力を用いることを特徴とする請求項１記載のエネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の物質が持つ化学エネルギーを、力学的なエネルギーに効率よく変換する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば自動車エンジンは、ガソリンを酸化して爆発させ、ガソリンの持つ化学エネルギーを力学エネルギーに変換する装置である。その際には、爆発という高温状態を発生させるために、多くのエネルギーが熱となって損失され、エネルギー変換効率が低い。火力発電機は、同じく石炭や石油の持つエネルギーを電気エネルギーに変換するが、この場合には、まず熱エネルギーに変換してから、タービンの回転という機械エネルギーに変換する経路を取るために、同じくエネルギーの変換効率が低い。燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するが、これを電気自動車に用いる場合には、さらにモーターによって電気エネルギーを力学エネルギーに変換することになり、２重の変換装置が必要になる。このため、化学エネルギーを直接、力学エネルギーに変換する装置が望まれてきた。
【０００３】
特に近年はマイクロデバイスの研究が広く行われており、例えば生体内に注入して利用する医療機器のように、各種装置の超小型化が研究されており、その中でも各種装置を駆動するための装置の超小型化が望まれ、究極的には分子サイズの駆動装置の開発が望まれている。
【０００４】
なお、分子サイズのモータについてもいくか研究がなされており、分子モータについては下記の特許文献１にも記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３３３７７５号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明は、生物の筋肉などで見られるように、化学エネルギーを、筋収縮のような力学エネルギーに、直接的に変換することができる装置を提供し、また分子サイズに極小化できるエネルギー変換装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
生体内では、アデノシン三リン酸などの化学エネルギーを有する分子を、触媒作用によってアデノシン二リン酸と無機リン酸などに分解し、その際に放出されるエネルギーによって筋収縮などを行い、力学エネルギーに変換する。このようなエネルギー変換は、熱エネルギーへの変換を経由せずに、常温で行われるために、エネルギーの損失が少なく、効率が高い。そのため、このような生物の変換原理を利用すれば、高効率に、化学エネルギーから力学エネルギーに変換する装置を構成することができる。
【０００８】
正と負の電荷を持つ粒子は互いに引き合い、同じ電荷を持つ粒子は互いに反発する。正と負の電荷を持った物体を一定距離隔てて配置すると、それらは引き合って近づく。そして、近づく過程において、力学的な仕事を行わせることができる。すなわち、電気的なポテンシャルエネルギーが力学エネルギーに変換される。
【０００９】
一旦近づいた物体を引き離すためには、逆にエネルギーが必要になる。第１図に示すように、負（３）に帯電した物体Ａ（２）が天井１に固定され、正（５）に帯電した物体Ｂ（４）がバネ６を経由して床７に接続されているものとする。この時、物体Ａと物体Ｂは静電気力（クーロン力）によって互いに引き合い、第２図に示すように接近する。この際に、物体Ｂに負荷を接続すれば、力学的な仕事を行わせることができる。
【００１０】
この物体Ａと物体Ｂが接近した状態で、第３図に示すように、物体Ｂの電荷を消滅させる。そうすると、第４図のように、物体ＡとＢの間に働く引力は消失し、物体Ｂはバネの力によって元の位置まで引き寄せられる。ここで再び正の電荷が表れると、第５図のように、物体ＡとＢの間に再び引力が働くようになる。
【００１１】
実際には、電荷を消滅させることは困難であるが、第６図に示すように、電荷の分極を制御することにより、同等の作用を容易に実現できる。第６図に示すように分極した状態では、物体ＡとＢは引き合う。その結果、第７図のように、物体Ａと物体Ｂは接近し、この間に力学的な仕事を行わせることができる。接近した後に、第８図のように、物体Ｂの分極を取り除けば、物体Ａと物体Ｂの間に働く引力は消失し、第９図に示すようにバネの力により元の位置に戻る。この後、第１０図のように、物体Ｂの内部に再び分極を生じさせれば、第６図に示す初期状態に戻り、仕事を繰り返すことができる。この過程において、物体Ａと物体Ｂが接近した状態で、分極した電荷の分極を無くすためにはエネルギーが必要である。ここで化学エネルギーを使用することにより、エネルギー変換を行う。
【００１２】
このようにして化学エネルギーを力学エネルギーに変換するためには、第１図から第１０図に示すように、接近と解離を繰り返すだけでなく、モーターのように、固定子と回転子の表面の電荷分布を変化させる方式でも可能である。
【００１３】
分極や表面電荷の分布を変化させるためには、アデノシン三リン酸などの分子が持つ化学エネルギーを、物体Ｂ内で放出させ、それによって分極や電荷分布が変化するような物体Ｂの変形を導く。
【００１４】
本発明によるエネルギー変換装置は上記の基本思想を元に、化学エネルギーを有する分子を、触媒作用によって２つ以上の分子に分解し、分解された分子間に生じる電気的な斥力あるいは引力を用いて、可動体あるいは固定体の表面における電荷分布を変化させ、固定体あるいは可動体における表面電荷との相互作用によって、力学的な仕事を行わせるようにしたものである。
【００１５】
また、より具体的には、前記化学エネルギーを有する分子としてアデノシン三リン酸を用い、その加水分解によって生じるアデノシン二リン酸と無機リン酸の斥力を用いるものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
第１１図においては、化学エネルギーを線形な滑り運動に変換する方式の模式図を示す。２１と２９は固定された台である。上面の台２１から支持具２２を介してレール２３を設置する。レール２３には車輪２４を介して移動体２５が左右に移動可能になるように接続する。移動体２５には一定間隔で帯電した窪みを設置する。一方、下面の台２９には、接続棒２８を介して連結部２７が接続され、その先に可動体２６が接続される。連結部には柔軟性があり、曲げに伴って弾性エネルギーを蓄積することができる。
【００１７】
移動体２５と可動体２６とを、それらの接触面部分において拡大して第１２図に示す。移動体の窪みの表面は負（３０）および正に帯電しているものとする。可動体は、回転部３１と胴体部３７から構成され、回転部３１は、回転中心３８の周りで回転可能に胴体部３７に接続されている。回転部の表面は一部が正（３２）に、他が負に帯電している。胴体部と回転部の境界面の胴体部側には、アデノシン三リン酸などのエネルギー分子を収容し分解する触媒部３６があり、それに対面する回転部側には、分解によって生じた無機リン酸を保持する保持穴３３がある。回転部３１と胴体部３７の間には、バネ３９が接続されており、バネ３９は伸張する力を発生させ、触媒部３６側を狭めるように働く。
【００１８】
以上の構成に基づいて、化学エネルギーを力学エネルギーに変換する過程を説明する。まず、第１３図に示すような配置に、移動体と可動体が位置するものとする。この時に、触媒部には分解されたアデノシン二リン酸が付着している。この状態で、可動体の回転部表面の正負の電荷が、移動体の窪みにある逆符号の電荷と引き合い、回転部を時計回りに回転させる。この結果、第１４図のように、回転部は、可動体の胴体部を押すことにより、胴体部も時計回りに回転する。また、この際に、触媒部を圧迫する力を発生し、触媒部に保持されていたアデノシン二リン酸が放出される。なお、バネ３９の作用は、この圧迫力に比べれば小さく、単独ではアデノシン二リン酸を放出する力を持たないので、第１３図の状態では、アデノシン二リン酸は放出されない。
【００１９】
胴体部の回転という力学的な仕事をした後、第１５図に示すように、触媒部にアデノシン三リン酸が進入する。回転部や胴体部は分子サイズの大きさであり、常に熱運動により揺らいでいるので、たまたま触媒部が広がったときにアデノシン三リン酸が進入できる。アデノシン三リン酸が進入すると、触媒部の触媒作用により加水分解されて、アデノシン二リン酸と無機リン酸に分解される。分解されて生じた無機リン酸は、触媒部に対面する回転部の保持穴に保持される。アデノシン二リン酸と無機リン酸は共に負に帯電しているので、これらの間には大きな斥力が働く。この斥力は可動体と移動体間の引力より大きいため、触媒部のある境界面を押し広げる働きをする。その結果、回転部は反時計回りに回転する。そして回転部表面の正電荷を持つ部分が移動体と可動体の境界面から押し出され、回転部表面の負電荷を持つ部分が、移動体と可動体の境界面に進入する。
【００２０】
この結果、移動体と可動体の間の引力と斥力がうち消し合い、可動体は、第１６図に示すように、移動体の窪みから離れる。可動体が窪みから離れた後、保持穴にあった無機リン酸は放出される。これは、可動体の回転部が窪みに吸引されている状態では、回転部が時計回りに回転する力を移動体から受け、触媒部の隙間が完全に開くことができないが、可動体が移動体から完全に離れることにより、触媒部の隙間が完全に開き、無機リン酸が放出される。逆に、無機リン酸が放出されたことは可動体が移動体から分離したことを保証するので、可動体が再び移動体の同じ窪みに付着することはない。また、アデノシン二リン酸は触媒部に保持されており、別のアデノシン三リン酸が触媒部に進入して、無駄にエネルギーを消費することもない。無機リン酸を放出すると、回転部を反時計回りに回す力がなくなる。従って、回転部はバネの反発力により時計回りに回転し、触媒部の隙間を狭め、第１３図における回転部と胴体部の関係に戻る。
【００２１】
以上の過程を第１１図の構成に当てはめて、力学エネルギーへの変換過程を説明する。まず、第１７図に示すような配置に、移動体と可動体があるものとする。これは、境界面では第１３図の状態に対応する。この後、第１４図に示したように、可動体は、移動体との接触面を回転中心として、全体が時計回りに回転する。その結果、第１８図に示すように、可動体は、移動体に対して、これを右側に押す力を発生する。この時、移動体に負荷が接続されていれば力学的な仕事を行わせることができる。また、この過程で、連結部が曲げられ、エネルギーの一部は連結部の弾性エネルギーに変換される。
【００２２】
この後、アデノシン三リン酸の加水分解によって得られたエネルギーにより、移動体と可動体の引力が無くなると、第１６図に示したように可動体は移動体の窪みから離れる。このとき、連結部には曲げによる弾性エネルギーが蓄積されているので、このエネルギーによって、第１９図に示すように、可動体は連結部を中心にして反時計回りに回転する。そして、第２０図に示すように、連結部が伸展した状態で、移動体の次の窪みの近傍に可動体が位置するようになる。これによって、第１７図の状態に戻り、エネルギー変換プロセスが繰り返される。
【００２３】
なお、力学エネルギーへの変換には、必ずしも第１１図のように移動体と可動体を配置する必要はないのであって、第２１図に示すように、可動体４２を負荷４３に接続して、台４４上の摩擦面を滑らせることにより、可動体によって力学的仕事をさせることも可能である。また、第２２図に示すように、移動体をレバー状の物体４５として、一端を壁に対して回転可能に取り付け、その根本近傍で可動体４２を接続して、レバー４５を振るような運動に変換することもできるし、さらには、第２３図に示すように、移動体と可動体を円周上に配置して円形固定体４７とし、回転体４６の回転運動に変換することもできる。
【００２４】
他の実施例として、可動体が自立して、固定体の上を移動し、物質を運搬する例を説明する。この場合には、第２４図から第２８図に示すように、２つの可動体５４が連結部５３を介して対称的に接続し、接続部５２において運搬物質５１と接続しているとする。そして、可動体は連結部の軸の周りに回転可能であるとする。また、可動体５４は、自然な状態では、半分が正に（第２４から２８図の灰色部、ただし、第２６図の左側の可動体は除く）、他の半分は負に（第２４から２８図の白色部、ただし、第２６図の左側の可動体は除く）帯電しているものとする。さらに固定体５５の窪みも、可動体の帯電に対応するように半分が負に、残り半分が正に帯電しているものとする。その結果、第２４図中の左側の可動体が示すような方向の接続のみが可能とする。可動体の構成は第１２図と同様であり、アデノシン三リン酸の加水分解によって生じるエネルギーにより、上記の可動体の電荷分布が変化する。
【００２５】
第２４図の配置から始めると、まず、右側の可動体が固定体の窪みに接近する。この時、可動体全体の対称性から、右側の可動体の右半分は正に帯電している。これは、固定体の窪みにある帯電と一致しないので、第２５図に示すように、右側の可動体は、連結部の長軸周りに１８０度回転した後に、固定体に吸着する。この時に連結部にはねじれが生じ、ねじれの弾性エネルギーとして蓄積される。
【００２６】
次に、第２６図に示すように、左側の可動体にアデノシン三リン酸が作用して、先の実施例で示したものと同様の原理により、回転部表面の電荷分布を変化させ、固定体と接する回転部表面がすべて負電荷となり、固定体との引力を消失させるものとする。その結果、左側の可動体は固定体から解離し、自由に移動できるようになる。この時に、右側の可動体の連結部にはねじれの弾性エネルギーが蓄積されているので、その力によって、可動体並びに運搬物質は、第２７図に示すように、右側の可動体を中心にして１８０度回転する。
【００２７】
回転が終了した時点で、第２８図に示すように、元に左側にあった可動体が、固定体の次の窪みに接近し、再び、第２４図に示した初期状態に戻る。そして、エネルギー変換の過程が繰り返される。
【００２８】
なお、実施例については、以上の２例に限られるものではなく、要は、アデノシン三リン酸などの分子が持つ化学エネルギーを、可動体の変形に導き、それを基に可動体の一部の電荷分布を変化させて、固定体との相互作用を変化させ、それによって力学エネルギーに変化することである。この際に、アデノシン二リン酸と無機リン酸の反発力をそのまま力学エネルギーとして利用しないのは、これらの反発力が極めて短い距離でしか作用しないために、一旦可動体の変形を経由して、変化を拡大するためである。
【００２９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、分子の持つ化学的エネルギーを、熱エネルギーを発生することなく、力学エネルギーに変換することができる。従って、従来の自動車エンジンや発電機に比較して、格段の省エネルギーを達成することができる。また、分子サイズの装置によってエネルギー変換装置を構成することができるので、超小型の駆動機構を持つ機器や、生体内に注入して利用する医療機器の駆動部分にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す第１の模式図における第１の過程を示す図である。
【図２】本発明の原理を示す第１の模式図における第２の過程を示す図である。
【図３】本発明の原理を示す第１の模式図における第３の過程を示す図である。
【図４】本発明の原理を示す第１の模式図における第４の過程を示す図である。
【図５】本発明の原理を示す第１の模式図における第５の過程を示す図である。
【図６】本発明の原理を示す第２の模式図における第１の過程を示す図である。
【図７】本発明の原理を示す第２の模式図における第２の過程を示す図である。
【図８】本発明の原理を示す第２の模式図における第３の過程を示す図である。
【図９】本発明の原理を示す第２の模式図における第４の過程を示す図である。
【図１０】本発明の原理を示す第２の模式図における第５の過程を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施例の構成図である。
【図１２】同第１実施例における移動体と可動体の境界面の拡大図である。
【図１３】同第１実施例における移動体と可動体の相互作用の過程を示す説明図における第１の過程を示す図である。
【図１４】同第１実施例における移動体と可動体の相互作用の過程を示す説明図における第２の過程を示す図である。
【図１５】同第１実施例における移動体と可動体の相互作用の過程を示す説明図における第３の過程を示す図である。
【図１６】同第１実施例における移動体と可動体の相互作用の過程を示す説明図における第４の過程を示す図である。
【図１７】同第１実施例における移動体と可動体の相互作用によって化学エネルギーを力学エネルギーに変換する過程を示す説明図における第１の過程を示す図である。
【図１８】同第１実施例における移動体と可動体の相互作用によって化学エネルギーを力学エネルギーに変換する過程を示す説明図における第２の過程を示す図である。
【図１９】同第１実施例における移動体と可動体の相互作用によって化学エネルギーを力学エネルギーに変換する過程を示す説明図における第３の過程を示す図である。
【図２０】同第１実施例における移動体と可動体の相互作用によって化学エネルギーを力学エネルギーに変換する過程を示す説明図における第４の過程を示す図である。
【図２１】同第１実施例における移動体と可動体の接続形式の他の例を示す図である。
【図２２】同第１実施例における移動体と可動体の接続形式の更に他の例を示す図である。
【図２３】同第１実施例における移動体と可動体の接続形式の更に他の例を示す図である。
【図２４】同第２実施例における固定体と可動体の相互作用の過程を示す説明図における第１の過程を示す図である。
【図２５】同第２実施例における固定体と可動体の相互作用の過程を示す説明図における第２の過程を示す図である。
【図２６】同第２実施例における固定体と可動体の相互作用の過程を示す説明図における第３の過程を示す図である。
【図２７】同第２実施例における固定体と可動体の相互作用の過程を示す説明図における第４の過程を示す図である。
【図２８】同第２実施例における固定体と可動体の相互作用の過程を示す説明図における第５の過程を示す図である。
【符号の説明】
１  天井
２  天井に固定された物体Ａ
３  負の電荷
４  移動可能な物体Ｂ
５  正の電荷
６  バネ
７  床
２１、２９  固定された台
２２  支持具
２３  レール
２４  車輪
２５  移動体
２６  可動体
２７  連結部
２８  接続棒
３０  負の電荷
３１  可動体の回転部
３２  正の電荷
３３  無機リン酸を保持する保持穴
３４  無機リン酸
３５  アデノシン二リン酸
３６  アデノシン三リン酸を分解しアデノシン二リン酸を保持する触媒部、
３７  可動体の胴体部
３８  回転部の回転中心
３９  バネ
４１  固定体
４２  可動体
４３  負荷
４４  台
４５  レバー
４６  回転体
４７  円形固定体
５１  運搬物質
５２  接続部
５３  連結部
５４  可動体
５５  固定体
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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