立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020

[ 研究助成 (A) ]形態変化によってユーザに行動変容を促す Robotic Clothing の開発
Robotic Clothing ; changing its shape to modify behavior of its user2191002

研究代表者

早稲田大学

創造理工学部准教授

石井裕

之[研 究 の 目 的][研究の内容，成果]

家電の自動化は，人間と機械が調和した便利

まず，Robotic Clothing の実現に必要不可欠で豊かな生活をわれわれに提供してくれた。今な要素技術の開発に取り組んだ。ここでは，テ後さらに，身の回りの様々なものが機械化・知キスタイル中に実装可能な軽量薄型のアクチュ能化されていくと予想されるが，申請者は衣服エータ・ユニット開発に取り組んだ。アクチュの可能性に注目している。衣服を機械化・知能

エータ・ユニットの動力源には，小型で軽量な化してユーザとインタラクションする機能を持

ワ イ ヤ 型 の 形 状 記 憶 合 金 (以 降 SMA) ア ク

たせたら，衣服とユーザの関係やユーザの行動チュエータを採用した。

はどのように変化するのだろうか。また，両者

SMA アクチュエータは極細の超合金ワイヤのインタラクションを適切にデザインすれば，で，通電によって収縮力および収縮変位を発ユーザに対して好ましい行動変容を促すことが生する。通電を解除すると，収縮変位が消失できるのではないか。

し，初 期 長 へ 戻 る。こ の よ う な 特 徴 を 持 つ

このような期待にもとづき，まったく新しいSMA を図 1 に示すように拮抗配置すること

人間調和型機械として，形態変化によってユーで，ヒンジを能動的に動作させる機構を考案

ザに行動変容を促す Robotic Clothing の開発をした。

こ こ に 提 案 す る。Robotic Clothing の ユ ー ス

この機構は次式に示すように，2 本の SMAケースとしては，ユーザがパニックを起こした際に自動的に衣服のフードが展開して視覚的・聴覚的にユーザを外界から隔離して鎮静を促す用途や，ユーザが過度に集中している際に自動的に衣服の各部が緩んでリラックスへの移行を促す用途などを想定している。
本研究では，Robotic Clothing の実現に必要な要素技術を開発し，それを実際の衣服に実装した Robotic Clothing の試作機の開発を目的とする。
図1― 1 ―SMA で駆動される能動ヒンジの幾何学モデル(上：屈曲前，下：屈曲後)立石科学技術振興財団助成研究成果集(第29号) 2020に Δd の変位を発生させることで，ヒンジ部に角度 θ の屈曲を発生させることが可能となっている。

d =

θ+Δd2
θ
1−sin22t p+t cosd =

2t p+t −Δdcostanθθ−cos22θ2

例えば，この機構ではd =14.6[mm], d =39.2[mm] となるよう SMA に変位を発生させれば，L=90[mm] で θ=120[°] の屈曲を生じさせる事が可能である。
Robotic Clothing は，ある形態から別の形態へ変化した後，その形態を長時間にわたって保持することが必要となると想定される。前述

図 3 ポリウレタンとニクロム線による屈曲保持機構の拮抗駆動機構において，長時間変形を維持する場合，SMA への継続的な通電が必要とな

表1

各部の材料の熱に対する特性るが，これは消費エネルギの観点からすると無ポリウレタンのガラス転移点℃

60

駄な通電と言える。そこで，SMA に通電せずニクロム線の発生温度℃

60

SMA 収縮力発生時の温度℃

120

ポリカーボネートのガラス転移点℃

150

PFA の連続最高使用温度℃

260に保持するために，図 2 に示すように熱可塑材料のポリウレタンによる変位保持機構を考案した。

への通電に先立ちポリウレタン中のニクロム線へ通電し，ニクロム線の発熱によりポリウレタンを軟化させる (図中①)。ポリウレタンが十分に軟化したら SMA に通電し，ヒンジに屈曲を発生させる (図中②)。ヒンジの屈曲が必要な角度に達したら，ニクロム線への通電をとめてヒンジを硬化させ，SMA への通電をとめる (図中③)。なおポリカーボネート製のリンク部には，SMA の発熱によるポリカーボネー
図2

トの溶解の防止と，摩擦による SMA の破断をSMA で駆動される能動ヒンジの設計防ぐために，PFA チューブが埋め込まれていこの機構では，図 3 に示す一連の動作によって，SMA によって生じるヒンジの屈曲を通電る。各部の材料の熱に対する各種特性を表 1 に示す。

無しに保持することを実現する。まず，SMA― 2 ―能動ヒンジ 3 個を，受動ヒンジを介して連結

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図4助成研究成果集(第29号) 2020

アクチュエータ・ユニット (図中の単位は mm)

して図 4 に示すアクチュエータ・ユニットを試作した。このユニットは，能動ヒンジの動作によって三角形 (拡張時) から 3 つの頂点を有する星形 (収縮時) に任意に形状を変化させることが可能となっている。なお，試作したアクチュエータ・ユニットの大きさは三角形時の一辺の長さが 115[mm] となっているが，リンク長を変更すれば大きさをさまざまに変更すること が 可 能 で あ る。そ れ ぞ れ の 能 動 ヒ ン ジ の
SMA への電力供給は，極細の被服電線を介して行われ，電力源は衣服のポケット等に収納することを想定している。
ポリエステル生地に対してアクチュエータ・ユニットを手縫い糸によって装着し，能動的に

図5能動的に変形するテキスタイルの動作の様子(上：拡張時，下：収縮時)

表2

能動的に変形するテキスタイルの仕様

寸 法mm

115×80×2

質 量
最大発生変位駆動電圧gmm
V

34010-12

駆動電流mA

340

変形するテキスタイルを製作した。その変形の様子を図 5 に示す。またその仕様を表 2 に示す。
写真より見てとれるように，能動ヒンジの動作に従ってテキスタイルに伸縮が発生している事がわかる。
続いて図 6 に示すように，Robotic Clothingの試作機として，アクチュエータ・ユニットが実装されたテキスタイルを用いたスヌード(ネックウォーマー) 型 Robotic Clothing を製作した。一般的なスヌードは環状となっているためユーザは着脱時に手などで環を押し広げる必要があるが，Robotic Clotihing スヌードはスヌード自体が変形することで，押し広げるなどの作業を必要とせずに着脱が可能となっている。
― 3 ―

図6

スヌード型 Robotic Clothing(上：拡張時，下：収縮時)

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助成研究成果集(第29号) 2020

被験者実験により，このような機能が実現でチュエータを制御する知能化技術の開発にも取きていることを確認した。なお写真では，ポリり 組 む。ま ず は，前 述 の ス ヌ ー ド 型 Robotic

エステル生地とアクチュエータユニットが露出Clothing に各種センサを実装し，温度や湿度なしているが，使用時は薄手のテキスタイルのカど周辺環境に応じて形状を変化させるスヌードバーを装着することを想定している。

を開発する。さらに今後は，コロナウィルス拡大にともなう生活様式の変化に注目しながら，より安全で豊かな生活を実現するための[今後の研究の方向，課題]

Robotic Clothing の開発にも取り組んでいく。
今後は，服飾デザイナーや服飾心理学者と共同で，さまざまな形態の衣服に開発したアクチ ュ エ ー タ・ユ ニ ッ ト を 適 用 し，RoboticClothing のバリエーションを増やしていく。

[成果の発表，論文等]
佐々木健，岡林誠士，石井裕之：形状記憶合金と熱可塑性樹脂を用いた変形する布の提案と開発，第 37

上記に加えて，環境の変化を検知してアク― 4 ―回日本ロボット学会学術講演会，2019 年 9 月．