(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部分が溶液に接触するインターカレーション物質を有し、
上記インターカレーション物質のホスト物質は少なくとも一種類の層状物質を含む物質であり、上記インターカレーション物質のゲスト物質は溶媒中に存在するイオンまたは分子であり、
上記ホスト物質の層間に上記ゲスト物質を上記溶媒の分子を付随して出し入れすることにより変位を生じさせるようにした
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
上記溶液中に上記インターカレーション物質が浸される
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
溶液交換または溶液濃度変化により上記ホスト物質の層間に上記ゲスト物質および上記溶媒の分子を可逆的に出し入れすることにより層間隔変化を生じさせて繰り返し駆動するようにした
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項４】
上記ゲスト物質を包み込むように上記溶媒の分子がクラスター化する
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項５】
上記アクチュエータは上記インターカレーション物質の伸縮方向を軸とする柱状または繊維状の形状を有する
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項６】
上記アクチュエータは上記インターカレーション物質の伸縮方向を軸とする柱状または繊維状の形状を有し、少なくともその側面の一部に溶液が通過可能な微細な孔を有する伸縮性の多孔質有機高分子がコーティングされている
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項７】
上記アクチュエータは、上記インターカレーション物質の伸縮方向を軸とする柱状または繊維状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものからなる
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項８】
上記アクチュエータは、上記インターカレーション物質の伸縮方向を軸とする柱状または繊維状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものが複数並列接続された構造を有する
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項９】
上記アクチュエータは上記インターカレーション物質の伸縮方向が主面に垂直な膜状または板状の形状を有する
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
上記アクチュエータは上記インターカレーション物質の伸縮方向が主面に垂直な膜状または板状の形状を有し、少なくともその表面の一部に溶液が通過可能な微細な孔を有する伸縮性の多孔質有機高分子がコーティングされている
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
上記アクチュエータは、上記インターカレーション物質の伸縮方向が主面に垂直な膜状または板状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものからなる
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
上記アクチュエータは、上記インターカレーション物質の伸縮方向が主面に垂直な膜状または板状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものが複数並列接続された構造を有する
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
上記アクチュエータは、溶液が通過可能な微細な孔を有する伸縮性の材料からなる管状の中空体の周囲にその軸の方向と上記インターカレーション物質の伸縮方向とがほぼ平行になるように上記インターカレーション物質が接着されたものからなる
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
上記アクチュエータは、第１のインターカレーション物質を用いた第１のアクチュエータと第２のインターカレーション物質を用いた第２のアクチュエータとが上記第１のインターカレーション物質および上記第２のインターカレーション物質の伸縮方向に対して垂直方向に接合されたバイモルフ構造を有する
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
上記アクチュエータは、上記インターカレーション物質と弾性体とが上記インターカレーション物質の伸縮方向に対して垂直方向に接合されたユニモルフ構造を有する
ことを特徴とする請求項１記載の駆動システム。
【請求項１６】
上記アクチュエータは第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータからなり、上記第１のアクチュエータおよび上記第２のアクチュエータが支柱を共有して拮抗した伸縮動作を行うように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
上記アクチュエータは人工筋肉を構成する
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１８】
上記ホスト物質は上記ゲスト物質を含む溶液中に浸されており、このゲスト物質を含む溶液をこのゲスト物質を含まない溶液へ交換することにより、上記ホスト物質の層間に対して上記ゲスト物質を上記溶媒の分子を付随して可逆的に出し入れすることにより層間隔変化を生じさせて駆動する
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１９】
上記ホスト物質は上記ゲスト物質を含む溶液中に浸されており、このゲスト物質を含む溶液の濃度を変化させることにより、上記ホスト物質の層間に対して上記ゲスト物質を可逆的に出し入れすることにより層間隔変化を生じさせて駆動する
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項２０】
上記層状物質が無機層状物質である
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項２１】
上記層状物質が有機層状物質である
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項２２】
上記ゲスト物質が有機物質である
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項２３】
上記ゲスト物質が無機物質である
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項２４】
上記ゲスト物質を含む溶媒が、水、アルコール、アセトン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ヘキサン、ベンゼン、四塩化炭素およびクロロフォルムからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む溶液である
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項２５】
上記ゲスト物質がアミンであり、上記溶媒が水であり、上記ホスト物質から上記ゲスト物質を脱離させるために塩酸溶液を用いる
ことを特徴とする請求項２０記載のアクチュエータ。
【請求項２６】
少なくとも一部分が溶液に接触するインターカレーション物質を有し、
上記インターカレーション物質のホスト物質は少なくとも一種類の層状物質を含む物質であり、上記インターカレーション物質のゲスト物質は溶媒中に存在するイオンまたは分子であるアクチュエータの駆動方法であって、
上記ホスト物質の層間に上記ゲスト物質を上記溶媒の分子を付随して出し入れすることにより変位を生じさせるようにした
ことを特徴とするアクチュエータの駆動方法。
【請求項２７】
少なくとも一部分が溶液に接触するインターカレーション物質を有するアクチュエータと、
上記アクチュエータに駆動用の溶液を供給する溶液供給手段とを有する駆動システムであって、
上記インターカレーション物質のホスト物質は少なくとも一種類の層状物質を含む物質であり、上記インターカレーション物質のゲスト物質は溶媒中に存在するイオンまたは分子であり、
上記ホスト物質の層間に上記ゲスト物質を上記溶媒の分子を付随して出し入れすることにより変位を生じさせるようにした
ことを特徴とする駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インターカレーション物質を利用したアクチュエータおよびその駆動方法ならびに駆動システムに関する。より詳細には、この発明は、インターカレーション物質を用いて、供給される化学エネルギーを直接機械エネルギーに変換し、この機械エネルギーにより駆動されて外部に対して仕事を行うアクチュエータおよびその駆動方法ならびに駆動システムに関し、例えば、ロボティクス、マイクロメカトロニクス、医療などの分野に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在実用化されているアクチュエータは、電気駆動による電磁モータや電歪素子（圧電素子）、流体圧駆動による油圧アクチュエータや空気圧アクチュエータがほとんどである。実際、工場における種々の自動化機器や各種輸送機器などで用いられる限りは、これら既存のアクチュエータで実用上十分な特性が得られている。
【０００３】
しかしながら、例えば、現在開発が急がれている自律型ロボット用アクチュエータでは、複数のアクチュエータが協調して三次元的自由度を有した動作を行う必要があり、このような場合、一つのアクチュエータの発生力および自重が他のアクチュエータの負荷となるため、その自由度が増すにつれ制御困難性や総重量が飛躍的に増大する。このような用途においては、生体が有する筋肉が、バランスのよい優れたアクチュエータといえる。具体的な数値をあげると、生体が有する筋肉は、変位は収縮方向に５０％、応答時間は３０ｍｓ、発生張力は２〜１０ｋｇｆ／ｃｍ2 、発生出力は単位重量当たり最大で０．１〜０．３W ／ｇとなり、これら全てを満たすアクチュエータは現在のところ開発されていない（応用物理第６０巻第３号（１９９１）ｐ．２５８）。
【０００４】
この生体筋類似の人工筋肉として注目されているものに高分子ゲルがある。高分子ゲルは電場印加で駆動するものもあるが、温度、ｐＨ、溶液濃度など環境の変化に応じて膨潤・収縮を繰り返すものであり、化学反応エネルギーを直接機械エネルギーに変換する、いわゆるメカノケミカルシステム（あるいはケモメカニカルシステム）を採用している。メカノケミカルシステム自体は生物の筋肉も採用しており、人工物質における例は、高分子ゲル、ゴム、コラーゲンなど有機高分子材料以外にはない（高森年著、「アクチュエータ革命」工業調査会、１９８７）。メカノケミカルシステムは、軽く柔軟であり、無騒音、燃焼に伴う排気ガスを発生しないなどの多くの利点を有する。しかしながら、現在開発中の高分子材料の多くはアモルファス状態であり、その構造は異方性を持たないので、力学的強度や耐久性に劣るという欠点を有している。
【０００５】
一方、粘土鉱物に代表される無機層状物質の多くはインターカレーション物質と呼ばれ、電界印加や化学反応によって層間にイオンや分子を取り込むことができる。その際に格子定数が変化し、体積変化が生じるので、生体筋、高分子材料に次ぐ、第３のメカノケミカルシステムになる可能性がある。
【０００６】
本発明者の知る限り、現在のところ、インターカレーション物質を用いたアクチュエータとしては、
・特開平０２−１３１３７６号公報
・特開平０４−１２７８８５号公報
・特開平０５−１１０１５３号公報
・特開平０６−１２５１２０号公報
に開示されたものがある。これらのアクチュエータの概要を述べると、特開平０２−１３１３７６号公報に開示されたアクチュエータは電解質であるポリエチレンオキサイドを黒鉛層間化合物でサンドイッチした構造であり、その層間をＬｉが輸送されることにより屈曲が生じるものである。特開平０４−１２７８８５号公報に開示されたアクチュエータは、正／負極にＡｇ0.7 Ｖ2 Ｏ5 を用い、固体電解質に４ＡｇＩ−Ａｇ2 ＷＯ4 を用いた系である。これらのいずれのアクチュエータも、電界印加によってイオンをインターカレートさせ、その体積変化を駆動力としたものである。また、特開平０５−１１０１５３号公報および特開平０６−１２５１２０号公報に開示されたアクチュエータは、粘土鉱物などの無機層状物質へアミンなどの極性有機物質を挿入した化合物に外部から電界を印加して、無機層間に存在する有機物質の配向角度を変化させることによる変位が得られるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、インターカレーション物質を用いた従来のアクチュエータは、全て電界印加による駆動方式を採用しており、化学エネルギーを直接機械エネルギーに変換することを記述した報告例はない。
【０００８】
したがって、この発明が解決しようとする課題は、新たなメカノケミカルシステムであって、ゲスト物質の大きさに制限されない巨大な変位を得ることができる、インターカレーション物質を用いたアクチュエータおよびその駆動方法ならびに駆動システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術が有する上述の課題を解決すべく、鋭意検討を行った。
その概要について説明すると次のとおりである。
上述のように、従来のインターカレーション物質を用いたアクチュエータは、全て電界印加駆動方式であった。本発明者は、種々検討を行った結果、次世代のアクチュエータとして最も適当なものは、インターカレーション物質を用いて、溶液により供給される化学エネルギーを直接機械エネルギーに変換することにより駆動されるメカノケミカルシステムのアクチュエータであるという結論に至った。このアクチュエータは、化学的手法によって、より具体的には外部からの溶液の供給による化学反応によってホスト物質である無機層状物質の層間にゲスト物質が出入りすることによって駆動されるものであり、電気を用いない簡易なシステム構成で大きな変位を可逆的に創出することが可能である。このアクチュエータは、インターカレーション物質として単結晶あるいはｃ軸配向膜を用いて、それを伸縮方向であるｃ軸方向に積み重ねることで巨大変位を創出する筋肉状アクチュエータ（人工筋肉）とすることができる。特に、分子長の大きい有機分子をゲスト物質とすることで、より効果的に巨大変位を得ることができる。
【００１０】
しかしながら、このアクチュエータにおいては、従来のアクチュエータに比べれば大きな変位を得ることができるものの、得られる変位は層間を出入りするゲスト物質の大きさに制限されてしまう。
【００１１】
そこで、本発明者は、この欠点を解消すべく種々検討を行った結果、層間に単にゲスト物質を取り込むのではなく、ゲスト物質とともに、その周囲に多量に存在する溶媒分子を一体的に取り込むようにすることにより、ゲスト物質の大きさに制限されない大きな層間隔変化を得ることができ、巨大変位を効果的に得ることができることを見い出した。
このゲスト物質とともに溶媒分子を取り込むメカニズムについて説明する。
【００１２】
インターカレーション反応は、典型的には、ホスト物質をゲスト物質の水溶液に浸すことによって行われる。ゲスト物質が有機分子の場合、水溶液中の有機分子の周りには、親水性の官能基に起因する水和と炭化水素基に起因する疎水性水和とが生じている。上平恒・逢坂昭著「生体系の水」（講談社サイエンティフィック、１９８９年）の５４ページ以降には、ブチルアンモニウムイオンでは、その周りの水分子がクラスター化され、これが疎水性水和の効果であることが示されている。このように有機分子では、炭化水素基に起因する疎水性水和の効果が現れることが特徴的である。そこで、この疎水性水和について説明する。一般的に水分子は液体状態での最近接配置は四面体配位構造が基本となっており、この主要構造は相対的に隙間の多い構造である（「４℃の謎〜水の本質を探る〜」、荒川泓著、北海道大学図書刊行会、１９９１年）。疎水性水和とは、その隙間に炭化水素基を包みこむようにして、水分子が協同的に水素結合による構造形成を行うものである。したがって、炭化水素基の回りには水分子の大きなクラスターが存在することになる。図１にその一例を示す。
【００１３】
以上より、ゲスト物質としての有機分子を水溶液中でインターカレートした場合には、疎水性水和による水分子の大きなクラスターが有機分子とともに挿入されるために、有機分子だけが挿入される場合に比べて、層間隔が大きく変化するのである。
この現象は、ゲスト物質が有機分子で、溶媒が水の場合に限られるものではなく、ゲスト物質の周りに溶媒和により溶媒分子が大きなクラスターを形成し、これが層間に挿入される場合全般に起こり得るものである。
【００１４】
この発明は、以上の検討に基づいて案出されたものである。
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
少なくとも一部分が溶液に接触するインターカレーション物質を有し、
インターカレーション物質のホスト物質は少なくとも一種類の層状物質を含む物質であり、インターカレーション物質のゲスト物質は溶媒中に存在するイオンまたは分子であり、
ホスト物質の層間にゲスト物質を溶媒の分子を付随して出し入れすることにより変位を生じさせるようにした
ことを特徴とするアクチュエータである。
【００１５】
この発明は、
少なくとも一部分が溶液に接触するインターカレーション物質を有し、
インターカレーション物質のホスト物質は少なくとも一種類の層状物質を含む物質であり、インターカレーション物質のゲスト物質は溶媒中に存在するイオンまたは分子であるアクチュエータの駆動方法であって、
ホスト物質の層間にゲスト物質を溶媒の分子を付随して出し入れすることにより変位を生じさせるようにした
ことを特徴とするアクチュエータの駆動方法である。
【００１６】
また、この発明は、
少なくとも一部分が溶液に接触するインターカレーション物質を有するアクチュエータと、
アクチュエータに駆動用の溶液を供給する溶液供給手段とを有する駆動システムであって、
インターカレーション物質のホスト物質は少なくとも一種類の層状物質を含む物質であり、インターカレーション物質のゲスト物質は溶媒中に存在するイオンまたは分子であり、
ホスト物質の層間にゲスト物質を溶媒の分子を付随して出し入れすることにより変位を生じさせるようにした
ことを特徴とする駆動システムである。
【００１７】
この発明において、アクチュエータのインターカレーション物質は、典型的には、溶液供給手段から供給される溶液中に浸され、その全部が溶液に接触する。
また、典型的には、アクチュエータは、溶液交換または溶液濃度変化によりホスト物質の層間にゲスト物質および溶媒の分子を可逆的に出し入れすることにより層間隔変化を生じさせて繰り返し駆動する。また、典型的には、ゲスト物質を包み込むように溶媒の分子がクラスター化し、これが層間に取り込まれる。
【００１８】
アクチュエータは、一つの要素部（モジュールあるいはユニット）により構成されることも、所望の大きさにするために複数の要素部の組み合わせにより構成されることもある。
【００１９】
アクチュエータの形状は基本的にはどのような形状であってもよく、使用目的などに応じて設計される。具体的には、アクチュエータは、例えば、インターカレーション物質の伸縮方向を軸とする柱状（円柱状、角柱状など）または繊維状の形状を有し、好適には、インターカレーション反応に伴う層間隔変化時にその形状を保つために、少なくともその側面の一部、典型的には表面全体に溶液が通過可能な微細な孔を有する伸縮性の多孔質有機高分子がコーティングされるが、コーティングを省略してもよい。アクチュエータは、典型的には、柱状または繊維状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものであり、あるいはこの柱状または繊維状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものが複数並列接続された（あるいは束ねられた）構造を有する。伸縮運動に支障を生じないようにするために、これらの要素部相互間は接着などにより一体的に結合される。
【００２０】
アクチュエータは、インターカレーション物質の伸縮方向が主面に垂直な膜状または板状の形状を有することもあり、好適には、インターカレーション反応に伴う層間隔変化時にその形状を保つために、少なくともその表面の一部、典型的には表面全体に溶液が通過可能な微細な孔を有する伸縮性の多孔質有機高分子がコーティングされるが、コーティングを省略してもよい。アクチュエータは、典型的には、膜状または板状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものであり、あるいはこの膜状または板状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものが複数並列接続された（あるいは束ねられた）構造を有する。伸縮運動に支障を生じないようにするために、これらの要素部相互間は接着などにより一体的に結合される。
【００２１】
アクチュエータは、粉末状のインターカレーション物質を所望の形状に成型したものからなることもあり、好適には、インターカレーション反応に伴う層間隔変化時にその形状を保つために、少なくともその面の一部、典型的には表面全体に溶液が通過可能な微細な孔を有する伸縮性の多孔質有機高分子がコーティングされるが、コーティングを省略してもよい。アクチュエータは、典型的には、粉末状のインターカレーション物質を成型したものからなる要素部が複数直列接続されたものであり、あるいはこの粉末状のインターカレーション物質を成型したものからなる要素部が複数直列接続されたものが複数並列接続された（あるいは束ねられた）構造を有する。伸縮運動に支障を生じないようにするために、これらの要素部相互間は接着などにより一体的に結合される。
【００２２】
アクチュエータはまた、溶液が通過可能な微細な孔を有する伸縮性の材料からなる管状の中空体の周囲にその軸の方向とインターカレーション物質の伸縮方向とがほぼ平行になるようにインターカレーション物質が接着されたものであってもよい。この場合、中空体の内部に溶液供給手段から溶液が供給される。用途にもよるが、この中空体としては、例えば中空糸を用いることができる。
【００２３】
アクチュエータはさらに、上記のような種々の形状のものを使用目的などに応じて適宜に組み合わせることにより構成してもよい。
【００２４】
アクチュエータは、第１のインターカレーション物質を用いた第１のアクチュエータと第２のインターカレーション物質を用いた第２のアクチュエータとが上記第１のインターカレーション物質および上記第２のインターカレーション物質の伸縮方向に対して垂直方向に接合されたバイモルフ構造を有することもあり、インターカレーション物質と弾性体とがインターカレーション物質の伸縮方向に対して垂直方向に接合されたユニモルフ構造を有することもある。前者の場合、第１および第２のインターカレーション物質は互いに同一であっても互いに異なってもよい。また、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとの間には、必要に応じて、例えば弾性体（例えば、フッ素系樹脂などの有機高分子材料、Ｐｔなどの金属など）を介在させてもよい。後者の場合の弾性体としてもこれらのものを用いることができる。
【００２５】
溶液供給手段は、好適には、アクチュエータに溶液を供給するとともに、この溶液を回収して再利用するように構成される。言い換えれば、溶液を還流させるように構成される。あるいは、溶液供給手段は、アクチュエータに溶液を供給するとともに、この溶液の少なくとも一部を廃棄し、廃棄分を新鮮な溶液と入れ替えて利用するように構成されることもある。
【００２６】
典型的には、アクチュエータは容器に収納され、溶液供給手段はこの容器の一端および他端にこの容器を通る閉流路が形成されるように接続された少なくとも一本の溶液供給管を含む。この溶液供給管は通常、異なる溶液を供給することができるようにするために、複数本設けられる。また、好適には、これらの溶液供給管の途中に容器に溶液を送出するポンプおよび容器から排出される溶液を精製する排液処理部（排液精製部）が設けられる。この排液処理部は、例えば、イオン交換により溶液を精製するものである。
【００２７】
典型的な一つの例では、溶液供給管は、インターカレーション物質を伸長させる第１の溶液を供給する第１の溶液供給管と伸長した上記インターカレーション物質を収縮させる第２の溶液を供給する第２の溶液供給管とを含む。この場合、容器に供給する溶液の切り替えを可能とするために、これらの第１の溶液供給管および第２の溶液供給管は通常、アクチュエータの伸縮に応じて開閉が制御される制御弁を介して容器の一端および他端に接続される。
【００２８】
アクチュエータは、用途に応じて複数組み合わせて使用されることもある。例えば、アクチュエータとして第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを用い、これらの第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータが支柱を共有して拮抗した伸縮動作を行うように構成してもよい。
【００２９】
この発明において、アクチュエータは、伸縮運動を用いるものであれば基本的にはどのような用途にも適用可能であるが、柔軟性や運動のしなやかさなどの観点より、人工筋肉に使用して好適なものである。特に、上述のように第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータが支柱を共有して拮抗した伸縮動作を行うようにすれば、生体筋に近い動作を行わせることが可能である。
【００３０】
この発明において、典型的には、インターカレーション物質のホスト物質は少なくとも一種類の無機層状物質を含む物質であり、インターカレーション物質のゲスト物質はイオンまたは分子であり、ホスト物質の無機層状物質の層間に対してゲスト物質の出し入れを行うことにより層間隔変化を生じさせてアクチュエータを駆動する。ホスト物質は無機層状物質を基本とし、その層間に少なくとも一種類の有機物質をインターカレートした無機有機複合物質をホスト物質としてもよく、このホスト物質に他のゲスト物質を溶媒の分子を付随して出し入れすることにより層間隔変化を生じさせて上記アクチュエータを駆動する。典型的には、ホスト物質はゲスト物質を含む溶液中に浸されており、このゲスト物質を含む溶液をこのゲスト物質を含まない溶液へ交換することにより、あるいは、このゲスト物質を含む溶液の濃度を変化させることにより、ホスト物質の層間に対してゲスト物質を溶媒の分子を付随して可逆的に出し入れすることにより層間隔変化を生じさせてアクチュエータを駆動する。ゲスト物質は、典型的には有機物質であり、特に、その炭素位置の少なくとも一箇所に極性官能基が少なくとも一個あるものである。これらの物質の具体例を挙げると、アンモニア、アミン、アニリン、アミノ酸、尿素、アルコール、ヒドラジン、アルデヒド、アセトン、アクリロニトリル、糖、ピリジン、ホスフィン、エチレンオキサイドなどである。
【００３１】
ホスト物質の無機層状物質は、例えば、層状ペロブスカイト・ニオブ系物質、層状ペロブスカイト銅系物質、層状チタン・ニオブ酸塩、層状岩塩酸化物、遷移金属酸化物ブロンズ系物質、遷移金属オキソ塩化物、層状ポリケイ酸塩、層状粘土鉱物、ハイドロタルサイト、遷移金属カルコゲナイド、リン酸ジルコニウム塩およびグラファイトからなる群より選ばれた少なくとも一種類の物質である。これらの物質の具体例を下記に示す。
【００３２】
（１）層状ペロブスカイト・ニオブ系物質
ＫＬａＮｂ2 Ｏ7 、ＫＣａ2 Ｎｂ3 Ｏ10、ＲｂＣａ2 Ｎｂ3 Ｏ10、
ＣｓＣａ2 Ｎｂ3 Ｏ10、ＫＮａＣａ2 Ｎｂ4 Ｏ13
（２）層状ペロブスカイト銅系物質
Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10
（３）層状チタン・ニオブ酸塩
ＫＴｉＮｂＯ5 、Ｋ2 Ｔｉ4 Ｏ9 、Ｋ4 Ｎｂ6 Ｏ17
（４）層状岩塩酸化物
ＬｉＣｏＯ2 、ＬｉＮｉＯ2
（５）遷移金属酸化物ブロンズ系物質
ＭｏＯ3 、Ｖ2 Ｏ5 、ＷＯ3 、ＲｅＯ3
（６）遷移金属オキソ塩化物
ＦｅＯＣｌ、ＶＯＣｌまたはＣｒＯＣｌ
（７）層状ポリケイ酸塩
Ｎａ2 Ｏ−４ＳｉＯ2 −７Ｈ2 Ｏ
（８）層状粘土鉱物
スメクタイト、バーミキュライト、マイカ（雲母）
（９）ハイドロタルサイト
Ｍｇ6 Ａｌ2 （ＯＨ）16ＣＯ3 −Ｈ2 Ｏ
（10）遷移金属カルコゲナイド
ＴａＳｅ2 、ＴａＳ2 、ＭｏＳ2 、ＶＳｅ2
（11）リン酸ジルコニウム塩
Ｚｒ（ＨＰＯ4 ）2 ｎＨ2 Ｏ
（12）グラファイト
Ｃ
【００３３】
この発明において、典型的には、ホスト物質からゲスト物質を脱離させるために酸性溶液および／またはアルカリ金属水酸化物溶液を用いる。ここで、酸性溶液としては、塩酸、フッ酸、臭酸、硝酸、硫酸などを用いることができ、アルカリ金属水酸化物溶液としては、ＫＯＨ溶液などを用いることができる。特に、層状物質が無機層状物質で、ゲスト物質がアミンである場合、ホスト物質からゲスト物質を脱離させるために塩酸を用いるのが有効である。
【００３４】
この発明において、インターカレーション物質のホスト物質を構成する層状物質は無機層状物質に限られず、有機層状物質であってもよい。一例を挙げると、ムコン酸やソルビン酸誘導体のトポケミカル重合によるポリマー結晶がホスト物質となることが見い出されている（松本章一「有機インターカレーション〜新しいトポケミカル重合の発見と応用〜」化学Vol.55、No.12 、2000年、p.22）。この報告で作製されたポリムコン酸結晶は層状構造を有し、その層間にはアルキルアミンを出し入れすることができる。これはまさに、ホスト物質、ゲスト物質ともに有機物からなるインターカレーション化合物である。
インターカレーション物質のゲスト物質についても、有機物質に限られず、無機物質（無機イオンなど）であってもよい。
【００３５】
この発明において、溶媒は、水やアルコールが代表的であるが、アセトン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ヘキサン、ベンゼン、四塩化炭素、クロロフォルムなどが利用可能である。
【００３６】
上述のように構成されたこの発明によれば、ゲスト物質が溶媒の分子を付随することにより、その分だけゲスト物質の大きさが見掛け上大きくなる。したがって、これをホスト物質の層間に出し入れすることにより、ゲスト物質の実際の大きさに比べて、はるかに大きな変位を得ることができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
この実施形態によるアクチュエータおよびこれを用いた駆動システムを説明する前に、このアクチュエータに用いることができるインターカレーション物質の具体例について説明する。
【００３８】
図２にＫＴｉＮｂＯ5 系インターカレーション化合物の結晶構造を示す。母体物質であるＫＴｉＮｂＯ5 は、Ｔｉ−Ｎｂ−Ｏからなる酸化物層の層間にＫイオン（Ｋ+ ）が挟まれた層状構造をしており、単位格子のｃ軸長はｃ＝１．８２ｎｍである（図２Ａ）。酸化物層間のＫ+ は他のイオンに交換が可能である。例えば、ＫＴｉＮｂＯ5 を塩酸に浸すと、Ｋ+ がＨイオン（Ｈ+ ）に交換され、ＨＴｉＮｂＯ5 ができる。このとき、ｃ＝１．７５ｎｍである（図２Ｂ）。さらに、このＨＴｉＮｂＯ5 は固体酸としての性質を有するために塩基性の強いアミンなどの有機分子を容易にインターカレーションすることができ、このとき層間隔の変化に伴い、ｃ≧２ｎｍと大きく変化する（図２Ｃ）。
【００３９】
図３に直鎖アルキルアミンをインターカレートしたＨＴｉＮｂＯ5 における、アミンに含まれる炭素数とｃ軸格子定数との関係を示す。格子定数は、インターカレーション反応後に十分乾燥させた粉末サンプルを用いてＸ線回折により測定した。炭素数１６のアミンを導入した場合のｃ軸長＝８．２ｎｍはＨＴｉＮｂＯ5 のｃ軸長＝１．７ｎｍの約４．８倍であり、ｃ軸方向に大きく伸長した。ａ軸長およびｂ軸長はほとんど変化しなかった。ｃ軸格子定数ｃと炭素数ｎとの関係式はきれいな線形近似が可能で、
ｃ＝１．８４７＋０．４０７４１ｎ
となる。この直線の傾きと、アミン分子が無機層間に２層入っていることを仮定すると、無機層に対するアミンの傾斜角度は約５４°となる。
【００４０】
以上のように、直鎖アルキルアミンをインターカレーションした結晶は、アミンに含まれる炭素数が多い（すなわち分子長が大きい）ほどインターカレーション反応で得られる変位が大きくなることがわかる。一方でこのことは、層間隔変化が分子の大きさに制限されていることを示している。さらに上記データは、乾燥状態のサンプルから得られたものであって、溶液中での変位を直接測定して得られたものではない。
【００４１】
そこで、本発明者は、溶液中でのマクロな変位を直接観察することとした。インターカレーション反応によるc 軸長の伸縮をマクロな現象として効率的に取り出すために理想的なＨＴｉＮｂＯ5 単結晶試料を用い、ゲストにｎ−ブチルアミンを用いた。ゲスト分子を脱離する際には塩酸を用い、ブチルアミン溶液と塩酸の交互供給によって単結晶試料を伸縮させ、これをビデオマイクロスコープによって直接観察した。
【００４２】
試料の作製は以下のようにして行った。
まず、市販の原料粉Ｋ2 ＣＯ3 、ＴｉＯ2 、Ｎｂ2 Ｏ5 をそれぞれＫ：Ｔｉ：Ｎｂ＝１：１：１のモル比で採取し、十分混合後、９００℃で２４時間仮焼し、これを粉砕する。混合→仮焼→粉砕の工程を計３回繰り返して、ＫＴｉＮｂＯ5 の単相粉末試料を得た。
【００４３】
次に、このＫＴｉＮｂＯ5 粉末を白金るつぼに入れ、大気中にて１４００℃で５時間保持後、１１５０℃まで１０℃／ｈの冷却速度で徐冷した。得られた溶融凝固体を白金るつぼから取り出し、きれいな透明性の単結晶片を機械的操作により取り出すと、最大（２〜３）ｍｍ×（２〜３）ｍｍ×（１〜２）ｍｍ程度の大きさのものが得られた。Ｘ線回折パターンを図４（ａ）に示す。この図４（ａ）の（００２）ピークより計算したｃ軸の格子定数は１．８０ｎｍであった。ＥＤＸにより組成の定量分析をしたところ、金属組成比がＫ：Ｔｉ：Ｎｂ＝０．９７：１：０．９８であった。
【００４４】
ＫＴｉＮｂＯ5 結晶を、室温で１規定のＨＣｌ中に入れ、２週間静置した。この処理によりＫＴｉＮｂＯ5 結晶中のＫイオンがＨイオンに交換され、ＨＴｉＮｂＯ5 結晶ができた。Ｘ線回折パターンを図４（ｂ）に示す。この図４（ｂ）の（００２）回折から計算したｃ軸の格子定数は１．７０ｎｍとなり、ＫＴｉＮｂＯ5 より少し小さい値となっている。ＥＤＸによる組成の定量分析結果は、Ｋ：Ｔｉ：Ｎｂ＝０．０３：１：０．９８となり、Ｋ成分がほとんど脱離していることがわかった。
【００４５】
以上のアミン−ＫＴｉＮｂＯ5 系インターカレーション物質の可逆性をまとめると図５に示すようになる。図５より、アミンをインターカレートした結晶は、塩酸を用いればＨＴｉＮｂＯ5 へ戻すことができ、ＫＯＨ溶液を用いればＫＴｉＮｂＯ5 へ戻すことができる。ＫＴｉＮｂＯ5 とＨＴｉＮｂＯ5 との間のイオン交換の可逆性はKikkawa らが報告している（S.Kikkawa,M.Koizumi,Physica,105B(1981)234-237)。また、amine-ＨＴｉＮｂＯ5 とＨＴｉＮｂＯ5 との間の可逆性については、ジアルキルアミンの場合についてGrandin らが報告している（A.Grandin,M.N.Borel,B.Raveau:J.Solid State Chemistry,60(1985)366-375) 。amine-ＨＴｉＮｂＯ5 とＫＴｉＮｂＯ5 との間の可逆性については、本発明者の知る限りこれまで報告されておらず、本発明者によって初めて見い出された新規なものである。
【００４６】
以上のようにして得られたＨＴｉＮｂＯ5 結晶を、溶液中伸縮運動の直接観察用サンプルとして用いた。この観察には図６に示すようなその場観察装置を用いた。観察を行うサンプルはサンプルホルダー１１に入れられ、ステージ１２上に載せられる。顕微鏡としては、（株）キーエンス製ディジタルＨＤ（High Definition)マイクロスコープＶＨ−７０００を用いた。符号１３はレンズ、１４はＣＣＤカメラ、１５は画像信号処理装置を示す。ディジタルＨＤマイクロスコープにより観察された画像はアナログＲＧＢ信号としてディジタルスキャンコンバータ１６（（株）ソニー製ＤＳＣ−１４２０Ｄ）に送られてＮＴＳＣ信号に変換され、モニター１７上で観察されるとともに、ディジタルビデオ装置１８へ取り込まれる。
【００４７】
溶液を貯めるタンク１９は、容量５０ｍｌのシリンジを用いた。溶液用の配管２０にはすべてテフロン（登録商標）製チューブ（外径３ｍｍ、内径１ｍｍ）を用い、流量制御用のバルブ２１にはテフロン（登録商標）製ニードルバルブを用いた。タンク１９は常にサンプルホルダー１１よりも高い位置に置かれ、位置エネルギー差による圧力を利用して溶液を流した。
【００４８】
図７にサンプルホルダー１１を示す。ここで、図７Ａは斜視図、図７Ｂは断面図である。図７Ａおよび図７Ｂに示すように、サンプルホルダー１１は、テフロン（登録商標）製Ｏ−リング２２を２枚の石英ガラス板２３、２４で挟んだ構造を基本としており、溶液はその内部に流される。上面に位置する石英ガラス板２３には、溶液の導入および排出のための２つの穴２３ａ、２３ｂが開けられている。インターカレーション物質としてのＨＴｉＮｂＯ5 単結晶２５は石英ガラスの小片２６に接着剤で固定され、これがテフロン（登録商標）製Ｏ−リング２２の中央付近の石英ガラス板２４上に置かれる。テフロン（登録商標）製Ｏ−リング２２とサンプルを挟んだ２枚の石英ガラス板２３、２４はステンレス鋼（ＳＵＳ）製の容器２７に入れられ、観察用窓２８ａの開いた上蓋２８をのせて、石英ガラス板２３、２４が破損しない程度の圧力で、ねじ２９により容器２７にねじ止めされる。石英ガラス板２４と容器２７との間には、光の乱反射を起こさせることにより、光の反射による画像の映り込みを防止し、画像を鮮明にするための乱反射板３０が設けられている。
【００４９】
使用した溶液は、０．１ｍｏｌ／ｌのｎ−ブチルアミン溶液と１ｍｏｌ／ｌの塩酸溶液である。スポイトにより必要量の各溶液をタンク１９、すなわちシリンジに導入し、ニードルバルブ２１を手動により制御し、流速約１ｃｃ／ｍｉｎとなるように制御した。サンプルホルダー１１内に入れられたＨＴｉＮｂＯ5 単結晶２４は最初塩酸に浸され、その後アミン溶液と塩酸が交互に供給される。溶液切り替えのタイミングは、モニター１７上で結晶の挙動を観察しながら行った。
利用後の溶液は廃液用ビーカーに溜められる。
【００５０】
結晶の駆動を行う上で考慮したことは
（１）同じ変位量を繰り返し再現すること
（２）最大変位量を求めること
の二つであり、上記目的を満たすよう、モニター１７を観察しながら溶液を交換した。ここで、変位量とは、もとの結晶の厚みに対する倍率で定義するものとする。
【００５１】
以下に結晶の運動を直接観察した結果について述べる。
同じ変位量を繰り返し再現することができたサンプルをサンプルＡ、最大の変位量が得られたサンプルをサンプルＢとする。
【００５２】
サンプルＡのビデオ映像をキャプチャーした画像を図８に示す。また、ビデオ映像をもとに算出した結晶の厚みの時間変化を図９に示す。図９の右側の縦軸はもとの結晶の厚みの何倍かを示している。サンプルＡの伸縮前の大きさは０．６１ｍｍ×０．６１ｍｍ×０．０４ｍｍで、厚み（０．０４ｍｍ）方向が結晶軸のｃ軸方向である。図８（ａ）に最初の結晶の状態を示す。１回目のｎ−ブチルアミン導入から約２０分後にサンプルの厚みは約０．３７ｍｍとなり、ここで塩酸を導入した。塩酸導入時にはアミン導入時の伸張速度よりも速やかに収縮した。しかしながら、結晶はもとの厚みまでは戻らず、図８（ｂ）に示す厚み（約０．２６ｍｍ）で収縮がほぼ止まった。そこで、再びアミン溶液を導入したところ、１回目のアミン導入時よりも高速度で伸張した。これは、すでに結晶が一度膨張を経験しており、層間隔が容易に大きくなるためと考えられる。２回目のアミン導入開始から約３分後には１回目の伸張とほぼ同じ厚みに達した。以上の溶液交換作業を繰り返し、溶液がなくなるまで１１回の伸縮を可逆的に繰り返すことができた。
【００５３】
サンプルＢの静止画像を図１０に、結晶の厚みの時間変化を図１１に示す。サンプルＢの伸縮前のサイズは、図１０（ａ）に示すように、０．３３ｍｍ×０．３３ｍｍ×０．０７ｍｍであった。1 回目のアミン導入から約２０分後にサンプルの厚みは約０．４８ｍｍとなり、ここで塩酸を導入した。サンプルＡと比較して、結晶の伸びが飽和傾向にあることがわかる。塩酸導入によって急速に縮みはじめ、もとの結晶の厚みに達する前に収縮がストップすることはサンプルＡと同様であった（図１０（ｃ））。ところが、２回目のアミン導入時には、１回目よりも大きく伸張し、約０．７９ｍｍ程度の厚みとなった。以上の溶液交換作業を繰り返した結果、最大約１．００ｍｍまで伸びた（図１０（ｄ））。これはもとの結晶の厚みの約１４倍に相当する。結晶は伸びるに従い彎曲したが、結晶の厚みとして計測したのは、結晶をマウントした面に対する垂直方向距離であるので、彎曲を考慮した実際の伸びは１４倍以上である。
【００５４】
ここで、ＨＴｉＮｂＯ5 系のインターカレーション反応において従来知られていなかった１０倍以上もの変位が得られた理由について述べる。粉末試料を用いた本発明者の実験結果では、ＨＴｉＮｂＯ5 にｎ−ブチルアミンを挿入した場合の層間距離は挿入前の２．１倍であった。既報においても、Kikkawa ら（S. Kikkawa, M. Koizumi, "Organic Intercalation on Layered Compound KTiNbO5", Physica, 105B (1981) 234.）によると２．１倍、Raveauら（B. Raveau, "Ion exchange and intercalation properties for some oxides with a layer and anintersecting tunnel structure", Revue de Chimie minerale, 21 (1984) 391.）によると２．２倍と計算され、本発明者らの粉末試料を用いた実験結果とほぼ一致する。これら従来の研究に共通することは、
（１）粉末試料を用いたこと
（２）Ｘ線回折により層間隔を測定していること
（３）測定前に十分乾燥させていること
であり、単結晶を用いてマクロな変位量を直接観察および測定するのとは大きく異なる。本実験で得られたマクロ変位はインターカレーション前の１０倍以上であり、予想外に大きいものであったが、この巨大変位が生じる原因として考えられることは、アミン分子に付随して溶媒である水分子が挿入されることである。アミン分子に水分子が付随するのは、前述したように疎水性水和によると考えられる。
【００５５】
次に、巨大変位時に予想されるクラスターサイズを見積もった。この際、変位量がインターカレーション前の１０倍であり、１つの無機層間に２層のクラスター層が挿入されることを仮定した。その結果、クラスターサイズは７．９ｎｍと計算された。
【００５６】
以上のようにして無機層状物質の層間にゲスト有機分子とともに溶媒である水が挿入されることにより巨大変位が生じることを見い出した。このときの変位は有機分子の大きさに制限されず、有機分子のみが挿入されていたときと比較してはるかに大きな変位を創出する。
【００５７】
以下、この発明の実施形態によるアクチュエータおよび駆動システムについて説明する。
インターカレーション物質を用いたアクチュエータを実際に作製するときには、十分な変位が得られるように、インターカレーション物質の単結晶あるいは配向フィルムを伸縮方向であるｃ軸方向に積み重ねるのが望ましい。
【００５８】
上述したような単結晶にインターカレートする以外に、ｃ軸方向に配向したフィルムを用いても大きい変位が得られる。配向フィルムの作り方であるが、ＨＴｉＮｂＯ5 粉末をアミン溶液に入れ、懸濁液をキャストすることによって作製可能である。Lambert らによるとこの方法で炭素数が３までのアミンは容易に配向膜が得られる（J.-F.Lambert,Z.Dend,J.-B.D'espinose and J.J.Fripiat,J.Colloid and Interface Science,132(1989)337-351) 。
【００５９】
図１２はこの発明の第１の実施形態によるアクチュエータを示す。図１２に示すように、このアクチュエータは、中心軸がｃ軸方向と一致した円柱状のインターカレーション物質１０１の周面および両端面、すなわち表面全体に、多孔質有機高分子１０２がコーティングされたものである。ここでは、インターカレーション物質１０１は円柱であるが、インターカレーション物質１０１のｃ軸方向がアクチュエータの伸縮方向と一致していることが重要であって、形状は直方体など他の形状でもよい。インターカレーション物質ではイオンや分子の出入りが層と平行な方向で生じるため、応答速度を大きくするためには、円柱状のインターカレーション物質１０１の直径を小さくすることが必要である。しかしながら、あまりにインターカレーション物質１０１の直径を小さくし過ぎると、層の剥離や崩れが起きやすくなるため、形状保持のためにインターカレーション物質１０１の表面に多孔質有機高分子１０２がコーティングされている。この多孔質有機高分子１０２は、ホスト物質を保持しつつゲスト物質を通過させる微小な孔を有し、なおかつインターカレーション物質１０１の伸縮時に負担とならないように伸縮性を有しているものである。この多孔質有機高分子１０２としては、具体的には例えば、耐薬品性に優れるフッ素ゴムなどを用いることができる。
【００６０】
図１３はこの発明の第２の実施形態によるアクチュエータを示す。このアクチュエータは、図１２に示すようなアクチュエータ１１１をその軸を共有して複数直列接続した繊維状の形状を有する。両端のアクチュエータ１１１には、外部に駆動力を伝達するための伝達棒１１２が取り付けられている。ここで、図１３においては４個のアクチュエータ１１１が接続された例が示されているが、これは一例であって、アクチュエータ１１１の個数は任意に選ぶことができる。また、アクチュエータ１１１同士の結合には、その系に適した接着剤（例えば、多孔質有機高分子１０２にフッ素ゴムを用いる場合にはエポキシ系接着剤など）を用いてもよいし、インターカレーション物質１０１の両端面にコーティングされた多孔質有機高分子１０２を接着剤として用いてもよい。
【００６１】
図１４はこの発明の第３の実施形態による駆動システムを示す。この駆動システムにおいては、図１３に示す繊維状のアクチュエータを複数本束ねて生物の筋肉に似た形状としたアクチュエータを用いる。すなわち、図１４に示すように、この第３の実施形態による駆動システムにおいては、図１３に示す繊維状のアクチュエータを複数本（ここでは一例として４本の例を示す）束ね、さらに各繊維状のアクチュエータの両端の伝達棒１１２を一体化したものによりアクチュエータ１１３が構成されている。このアクチュエータ１１３は容器１１４内に収納され、その両端の伝達棒１１２は容器１１４外に引き出されて、駆動力を伝達すべき外部の支柱（図示せず）に接続される。この容器１１４の一端および他端には溶液取り入れ口１１４ａおよび溶液排出口１１４ｂが設けられており、溶液供給源（図示せず）から供給される駆動用の溶液が溶液取り入れ口１１４ａから容器１１４内に取り入れられるとともに、溶液排出口１１４ｂから容器１１４内に溶液が排出されるようになっている。使用する溶液は、アクチュエータ１１３の伸縮動作に応じて変更する。具体的には、例えば、先に述べたアミン−ＫＴｉＮｂＯ5 系インターカレーション物質を用いる場合、アクチュエータ１１３の伸長を行わせるときにはアミンを供給し、アクチュエータ１１３の収縮を行わせるときには塩酸を供給する。
【００６２】
この第３の実施形態によれば、アクチュエータ１１３がインターカレーション物質を用いたもので溶液変化により駆動されるものであるため、電界印加を必要とせず、化学反応のみによって駆動されるメカノケミカルシステムのアクチュエータを用いた駆動システムを得ることができる。この駆動システムは、生物の筋肉に似た人工筋肉などに使用して好適なものである。
【００６３】
図１５はこの発明の第４の実施形態による駆動システムを示す。
アクチュエータの駆動用の溶液を効率的に利用するためには、その供給方法に工夫が必要である。すなわち、アクチュエータが微細になればなるほど溶液供給のための流路も微細になるので、その流路に適した素材の選定が重要である。そこで、この第３の実施形態においては、流路の素材として中空糸に着目し、その中空糸とインターカレーション物質との複合化を考えた。すなわち、図１５に示すように、この第４の実施形態による駆動システムにおいては、中空糸１２１の外側にこの中空糸１２１を取り巻くようにインターカレーション物質１２２が接着されてアクチュエータが構成されている。インターカレーション物質１２２のｃ軸方向は中空糸１２１の中心軸と一致している。中空糸１２１の内部には溶液供給源（図示せず）からの駆動用の溶液が流されるようになっている。この中空糸１２１はインターカレーション物質１２２とともに伸縮するものであり、この中空糸１２１とインターカレーション物質１２２との接着部から溶液がインターカレーション物質１２２に流入する仕組みになっている。この中空糸１２１の素材としては、具体的には例えば、ポリビニルアルコール系やポリアクリロニトリル系などを用いることができる。
【００６４】
この第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることもできる。すなわち、第３の実施形態による駆動システムでは、繊維状のアクチュエータが束ねられたものによりアクチュエータが構成されているので、太く束ねられるほど、中心部に溶液が行き渡りにくい構造となっている。これに対して、この第４の実施形態においては、中空糸１２１の外側にインターカレーション物質１２２が接着され、中空糸１２１の内部に供給される溶液が接着部からインターカレーション物質１２２に流入するため、アクチュエータの直径が大きくても、その深部まで十分に溶液を供給可能である。そして、このように溶液がアクチュエータを構成するインターカレーション物質１２２の全体に素早く行き渡ることにより、応答速度が向上し、さらには、中空糸１２１との複合化により強度などの構造的安定性が向上する。
【００６５】
図１６はこの発明の第５の実施形態による駆動システムを示す。
図１６に示すように、この駆動システムは、互いに同一または異なるインターカレーション物質を用いた二つの膜状または板状のアクチュエータ１２５、１２６がそれらのインターカレーション物質の伸縮方向であるｃ軸方向に対して垂直方向に接合されたバイモルフ構造を有する。これらのアクチュエータ１２５、１２６は、それらの伸縮方向と平行な方向に延びた中空糸（図示せず）がそれらの面内に例えば等間隔で互いに平行に複数配列されたものが、全体として膜状または板状のインターカレーション物質中に埋設されたものである。中空糸の内部には溶液供給源（図示せず）からの駆動用の溶液が流されるようになっている。この中空糸はインターカレーション物質とともに伸縮するものであり、この中空糸とインターカレーション物質との接着部から溶液がインターカレーション物質に流入する仕組みになっている。この中空糸の素材としては、具体的には例えば、ポリビニルアルコール系やポリアクリロニトリル系などを用いることができる。アクチュエータ１２５、１２６間は、それらの接合部において、これらのアクチュエータ１２５、１２６の中空糸にそれぞれ供給される溶液が互いに混じり合わないように、例えば接着剤などにより完全に分離されている。
【００６６】
この駆動システムの駆動方法について説明する。一例として、アクチュエータ１２５、１２６を構成するインターカレーション物質がいずれもアミン−ＫＴｉＮｂＯ5 系インターカレーション物質であるとする。例えば、アクチュエータ１２５、１２６の一方にその中空糸を通して塩酸を供給し、他方にその中空糸からアミン溶液を供給するか、あるいはアクチュエータ１２５、１２６に供給される溶液の濃度を変化させたりするなどの操作によって、大きな屈曲を生じさせることができる。一例として、アクチュエータ１２５に塩酸を供給し、アクチュエータ２６にアミン溶液を供給した場合の屈曲の様子を図１７に示す。
【００６７】
この第５の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、上記のような屈曲により、インターカレーション物質の層間隔拡大に伴う変位量をさらに拡大することができるという利点を得ることができる。
【００６８】
図１８はこの発明の第６の実施形態による駆動システムを示す。この駆動システムは人工筋肉の駆動システムである。
図１８に示すように、この駆動システムは、人工筋肉１３１とこの人工筋肉１３１の駆動用の溶液供給系とからなる。人工筋肉１３１としては、例えば、第３の実施形態または第４の実施形態と同様なアクチュエータを用いることができる。人工筋肉１３１は容器１３２内に収納されており、人工筋肉１３１の両端の伝達棒１３３は容器１３２の外部に引き出されている。容器１３２の一端には二叉に分かれた溶液取り入れ口１３２ａ、１３２ｂが設けられ、他端には同じく二叉に分かれた溶液排出口１３２ｃ、１３２ｄが設けられている。そして、溶液取り入れ口１３２ａと溶液排出口１３２ｃとの間および溶液取り入れ口１３２ｂと溶液排出口１３２ｄとの間にそれぞれ溶液供給管１３３、１３４が接続されている。容器１３２への溶液の供給および容器１３２からの溶液の排出は、溶液取り入れ口１３２ａ、１３２ｂおよび溶液排出口１３２ｃ、１３２ｄにそれぞれ取り付けられた弁１３５、１３６、１３７、１３８により制御されるようになっている。溶液供給管１３３、１３４の途中にはそれぞれポンプ１３９、１４０が取り付けられており、これらのポンプ１３９、１４０により溶液の送出が行われるようになっている。また、溶液供給管１３３、１３４の途中には排液処理部１４１が取り付けられている。これは、人工筋肉１３１の駆動に用いる溶液が互いに混じり合うことは避けられないため、この排液処理部１４１により溶液を精製処理し、再利用するためである。
【００６９】
人工筋肉１３１の駆動に用いる溶液の具体例を挙げると、先に述べたアミン−ＫＴｉＮｂＯ5 系インターカレーション物質を用いる場合、溶液供給管１３３には人工筋肉１３１の伸長を行わせる溶液としてアミン溶液を流し、溶液供給管１３４には人工筋肉１３１の収縮を行わせる溶液として塩酸を供給する。より具体的には、この場合、例えば、溶液供給管１３３には１ｍｏｌ／ｌのアミン溶液が満たされ、溶液供給管１３４には１規定の塩酸が満たされ、これらの溶液供給管１３３、１３４の内壁にはポンプ１３９、１４０により常に１気圧より大きい圧力がかけられている。そして、弁１３５、１３６、１３７、１３８の開閉によって、これらのアミン溶液および塩酸が交互に人工筋肉１３１に供給される。
【００７０】
排液処理部１４１における溶液の精製は、具体的には例えばイオン交換膜を用いて行われる。すなわち、人工筋肉１３１で利用され、容器１３２から排出された溶液は排液処理部１４１においてイオン交換膜を通されて精製され、再度ポンプ１３９、１４０で容器１３２に供給される。このイオン交換膜としては、過フッ素樹脂やスチレン系重合ポリマーなどを基材とし、それに極性基としてイオン交換基を導入したものを用いることができ、具体的には例えばナフィオン膜などを用いることができる。極性基としてスルホン基（−ＳＯ3 - ）を有する陽イオン交換膜を用いた場合、この膜を通じて溶液を流せば、アミン成分がアルキルアンモニウムイオンとなってスルホン基にトラップされる。したがって、陽イオン交換膜を通った排液は塩酸溶液となって再利用可能である。この場合、アミン成分は陽イオン交換膜で消費されることになるため、新たに補給する必要がある。一方、極性基として４級アンモニウム基（−ＮＲ3 + ）（Ｒは例えばメチル基−ＣＨ3 ）を有する陰イオン交換膜を用いた場合には、塩素イオンが取り除かれ、アミン溶液が再利用可能となる。この場合、塩酸を新たに補給する必要がある。
【００７１】
アミンあるいは塩酸の補給を必要としない洗練されたシステムとして、陽イオン交換膜および陰イオン交換膜を共に用いた排液処理部１４１の一例を図１９に示す。図１９に示すように、アミンと塩酸とが混じり合った溶液が入ってくる入り口側から二叉に分かれた出口側に至る排液流路１５１において、二叉に分かれる部分にそれぞれ陽イオン交換膜１５２および陰イオン交換膜１５３が設けられ、さらにこれらの陽イオン交換膜１５２および陰イオン交換膜１５３に対向して電極１５４、１５５が排液流路１５１の内壁に設けられている。陽イオン交換膜１５２側の電極１５４にマイナス電圧、陰イオン交換膜１５３側の電極１５５にプラス電圧を印加すると、溶液中の陽イオン（アルキルアンモニウムイオン）が陽イオン交換膜１５２を通過、陰イオン（塩素イオン）が陰イオン交換膜１５３を通過することにより、陰極、すなわち電極１５４側にはアルキルアンモニウムイオン溶液、すなわちアミン溶液が精製物として得られ、陽極、すなわち電極１５５側には塩酸が精製物として得られる。
【００７２】
この第６の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、人工筋肉１３１の駆動に必要な溶液をリサイクルすることができるため、省資源で環境にもやさしい人工筋肉駆動システムを実現することができる。
【００７３】
図２０はこの発明の第７の実施形態による駆動システムを示す。この駆動システムは人工拮抗筋の駆動システムである。
図２０に示すように、この駆動システムは、二つの人工筋肉１６１、１６２を組み合わせたものである。これらの人工筋肉１６１、１６２としては、例えば、第３の実施形態または第４の実施形態と同様なアクチュエータを用いることができる。人工筋肉１６１は容器１６３内に収納されており、人工筋肉１６１の両端の伝達棒１６４は容器１６３の外部に引き出されている。同様に、人工筋肉１６２は容器１６５内に収納されており、人工筋肉１６２の両端の伝達棒１６６は容器１６５の外部に引き出されている。人工筋肉１６１、１６２の一端の伝達棒１６４、１６６は支柱１６７と接続されている。同様に、人工筋肉１６１、１６２の他端の伝達棒１６４、１６６は支柱１６８と接続されている。これらの支柱１６７、１６８は関節１６９を介して相互に結合されており、この関節１６９を中心として回転することができるようになっている。
【００７４】
図示は省略するが、容器１６３、１５の両端には溶液取り入れ口および溶液排出口が設けられ、それらに溶液供給管が接続され、これらの溶液供給管に溶液送出用のポンプおよび排液処理部などが取り付けられているが、これらは第６の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００７５】
この第７の実施形態においては、生物の骨に当たる支柱１６７、１６８に対して人工筋肉１６１、１６２が拮抗した動作を行う。すなわち、人工筋肉１６１、１６２の協調動作により、拮抗筋と類似の動作を行うことができる。例えば、図２０に示した状態では、人工筋肉１６１は収縮しているのに対し、人工筋肉１６２はこれと逆に伸長している。これらの人工筋肉１６１、１６２の駆動に用いる溶液の具体例を挙げると、先に述べたアミン−ＫＴｉＮｂＯ5 系インターカレーション物質を用いる場合、これらの人工筋肉１６１、１６２のうち伸長を行わせる方にアミン溶液、収縮を行わせる方に塩酸を供給する。
【００７６】
この第７の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、二つの人工筋肉１６１、１６２を組み合わせて拮抗筋を構成しているので、人工筋肉を単独で駆動させるよりもバランスの取れた動きが可能となるという利点を得ることができる。
【００７７】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００７８】
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、材料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、材料、プロセスなどを用いても良い。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、インターカレーション物質のホスト物質の層間にゲスト物質を溶媒の分子を付随して出し入れすることにより、ゲスト物質の大きさに制限されない巨大変位を効果的に得ることができるアクチュエータおよび駆動システムを実現することができる。そして、これによって次のような効果を得ることができる。
【００８０】
すなわち、このアクチュエータは、化学エネルギーを直接機械エネルギーに変換可能なメカノケミカルシステムであるので、その一般的な利点として以下のものが得られる。
（１）化学反応を駆動力としているため、電極や配線などの複雑な周辺装置が不要である。
（２）駆動が無騒音に行われ、燃焼に伴う排気ガスなどを発生しない。
（３）アクチュエータを液体に浸した環境で用いるため、しなやかな運動機能が得られる。
【００８１】
また、アクチュエータにインターカレーション材料を用いる効果として以下の点が上げられる。
（１）ホスト物質に無機骨格を用いることにより、強度耐久性に優れる。
（２）ゲスト物質に分子長の大きい有機物を使用することにより、さらに巨大な変位を創出することができる。
（３）無機有機複合化が分子レベルで可能であり、それにより無機物の強靱性と有機物の柔軟性を兼ね備えた複合材料となり、高性能のアクチュエータを得ることができる。
（４）強い異方性を利用してより迅速な応答とエネルギー変換効率の向上を期待することができる。
【００８２】
このようにインターカレーション物質は従来からある高分子材料を凌ぐメカノケミカル材料となり得る。特に、高分子ゲルとの比較においては、無機物を骨格とするインターカレーション物質を用いることにより、強度耐久性に優れ、また層状構造を有するので、その異方性を利用することにより応答速度やエネルギー変換効率が向上する。このようにして、無機物の強靱性と有機物の柔軟性を兼ね備えた生体筋に近い複合材料による新たなアクチュエータを実現することができる。これにより、ロボティクス、マイクロメカトロニクス、医療などの分野に大きな進展がもたらされるものである。
【００８３】
また、アクチュエータそのものは化学的エネルギーによって駆動することができるのに対し、少なくとも弁やポンプに制御信号を送るための電気システムが必要であると考えられるが、アクチュエータとして電磁モータも用いる従来の一般的な駆動システムよりは消費電力がはるかに少なくて済む。このようにして、消費電力が少なく柔軟であり静かに駆動する人工筋肉のシステムを実現することができ、これによって自律型ロボットなどの開発に大きな進展がもたらされるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】疎水性効果を説明するための略線図である。
【図２】ＫＴｉＮｂＯ5 、ＨＴｉＮｂＯ5 およびＲＮＨ2 −ＨＴｉＮｂＯ5 の結晶構造を示す略線図である。
【図３】直鎖アルキルアミン（ＲＮＨ2 ）に含まれる炭素数とＲＮＨ2 −ＨＴｉＮｂＯ5 のｃ軸格子定数との関係を示す略線図である。
【図４】ＫＴｉＮｂＯ5 単結晶およびＨＴｉＮｂＯ5 単結晶のＸ線回折パターンを示す略線図である。
【図５】アミン−ＫＴｉＮｂＯ5 系インターカレーション物質の可逆性を示す略線図である。
【図６】インターカレーション物質の伸縮運動のその場観察装置を示す略線図である。
【図７】図６に示すその場観察装置におけるサンプルホルダーを示す略線図である。
【図８】サンプルＡのインターカレーション物質の伸縮運動の様子を示す図面代用写真である。
【図９】サンプルＡの溶液交換法によるインターカレーション物質の厚さの時間変化を示す略線図である。
【図１０】サンプルＢのインターカレーション物質の伸縮運動の様子を示す図面代用写真である。
【図１１】サンプルＢの溶液交換法によるインターカレーション物質の厚さの時間変化を示す略線図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態によるアクチュエータを示す断面図である。
【図１３】この発明の第２の実施形態によるアクチュエータを示す斜視図および断面図である。
【図１４】この発明の第３の実施形態による駆動システムを示す略線図である。
【図１５】この発明の第４の実施形態による駆動システムを示す略線図である。
【図１６】この発明の第５の実施形態による駆動システムを示す略線図である。
【図１７】この発明の第５の実施形態による駆動システムの動作を説明するための略線図である。
【図１８】この発明の第６の実施形態による駆動システムを示す略線図である。
【図１９】この発明の第６の実施形態による駆動システムにおける排液処理部の具体例を説明するための略線図である。
【図２０】この発明の第７の実施形態による駆動システムを示す略線図である。
【符号の説明】
１０１、１２２・・・インターカレーション物質、１０２・・・多孔質有機高分子、１１１、１１３、１２５、１２６・・・アクチュエータ、１２１・・・中空糸、１３１、１６１、１６２・・・人工筋肉
【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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