〈一般研究課題〉 摩擦の能動的制御を実現する人間調和型
スマートサーフェスの開発
助 成 研 究 者

名古屋大学

村島基之

摩擦の能動的制御を実現する人間調和型
スマートサーフェスの開発
村島 基之（名古屋大学）

Development of human friendly smart surface withactive friction control system
Motoyuki Murashima(Nagoya University)

Abstract：
This research work shows novel surface controlling friction by its surface morphing. Friction
control can realize machines which can support human activities by adapting their abilities andenvironmental conditions. In this research, we developed smart surface system which can achieve
large scale morphing, more than 700 μm. In addition, we conducted friction test with the morphingsurface. In the test, friction control is achieved by smart surface system. It is clarified that thesystem controls friction coefficient from 0.3 to 1.0.
1. はじめに物体と物体の接触を制御することは，学問的には摩擦や付着の制御，実学的には省エネルギー機器の開発や物体の把持などに関わる重要な研究課題である．生物はどのような環境においてもその状況下で優れた性能を発揮する形状に能動的に形態を変化させることで，生存に有利な状況を作り出している．
現在の産業機器や人工物は，ある運転状態または全寿命を考えた場合に最適な設計となるように作られている．一方であらゆる状態において常に最適性能が発揮されるような設計となっているわ
けではない．これは，一般的な工業製品の形状が基本的には変形しないことが一因である．すなわ
ち表面形状が能動的に変化する表面の開発は，個々人の体格，環境の変化などに応じて最適な性能－ 41 －を発揮する人間調和型の機器の開発につながる重要な技術となる．
これまで，表面形状を変形させるシステムとしては可変形状ミラーやたわみを有するファイバーの伸縮を利用したシステムが開発されてきた[1]．一方で，これらの手法には，表面の形状変形が微小である，基材の変形が必要で汎用的な機械部品への応用が難しいなどの課題が存在していた．
これらの課題を解決し，かつ摩擦力を能動的に制御可能な変形表面システムとしてスマートサー
フェスシステムが開発された．この研究では，固体材料表面に初期凹凸と内部構造を形成することで数百μm以上の大変形および乾燥状態における摩擦係数を0.3から0.5まで能動的に変化させることに成功した [2]．
一方で，従来研究ではスマートサーフェス形状の最適化，内部に導入する圧力による表面変形および摩擦力への影響は解明されておらず，制御範囲が限られていた．本研究では，スマートサーフェスの変形量の違いが摩擦力へ与える影響を明らかにし，幅広い環境で最適性能を発揮することが可能な摩擦制御システムの開発を行う．
2. 試験片および実験方法
図1に本試験で使用したスマートサーフェス試験片を示す．試験片は円筒形状をしており，摩擦相手材である珪ホウ酸ガラスとの接触面にφ6の変形部が8個等配されている．図1(b), (c)に示した
ように変形部はダイヤフラム構造となっており，その下部の内部構造の圧力を制御することで凹および凸形状となる．本研究では，3Dプリンタによりこの試験片を製作した．また，試験片材料には紫外線硬化型アクリル樹脂を用いた．
光学顕微鏡と摩擦試験装置を組み合わせ新しく設計・開発した図2のスラスト型摩擦試験機を使用した．この装置は下部に配置された顕微鏡を用いて，ガラス面に接した摩擦材料の接触状態を観察することが可能である．この装置は摩擦係数と接触状態観察がその場で実施可能であるため，スマートサーフェスの摩擦変化メカニズムの解明に大いに貢献できる．試験では，摩擦試験中にスマートサーフェス内部構造内の空気圧を制御し，表面形状の変化が摩擦係数に与える影響を明らかにした．
Six-componentforce meter
6軸力覚センサ
Smartsurface
試験片specimen[固定部]
Rotation table
転テーブル可動部]

Glassガラスplate
Optical光学顕微鏡
microscope
図1. 試作したスマートサーフェス試験片(a)外観写真，(b)圧縮空気がない場合の変形部形状，(c)圧縮空気が導入された場合の変形部形状

400
300

Six-component
force meter
6軸力覚センサ
Smartsurface
試験片Normal load

Height h, µm

200－ 42 －

1000-100-200

Normal load

Pressurized
圧縮空気
airContact
摩擦面surface

図2. 摩擦状態その場観察装置概略
0.3 MPa
0.2 MPa
0.1 MPa
0 MPa
Diameter Φ, 6.0 mm
Radius R, 25 mm
Thickness t, 0.2 mm
Shape : Circle

Pressurized
圧縮空気
air

Rotation table
転テーブル可動部]

3. 摩擦試験結果および考察

Glassガラス
plateContact
摩擦面surface
Optical光学顕微鏡
microscope
図3にスマートサーフェス内部構造内の圧力と表面形状を示す．本結果より，今回作成されたス
Normal load
Six-component
マートサーフェスは0.1MPaの圧力を印加した時点で凸形状に変形することが明らかとなった．ま400force meter
0.3 MPa
6軸力覚センサ
3000.2MPaを導入することで600MPa
た，圧力を上昇させるに従い凸形状の大きさは増加し，0.3μmの変形
Smartsurface
試験片
0.1 MPa
specimen200[固定部]
0 MPaを達成することができることが明らかとなった．
Height h, µm

3.1 スマートサーフェスの表面形状変形

Pressurized
圧縮空気
air

Rotation table
転テーブル
3.2 能動的摩擦制御
可動部]

100Diameter Φ, 6.0 mm
Radius R, 25 mm
Thickness t, 0.2 mm
Shape : Circle

0-100-200
図4にスマートサーフェス表面を変形させた際の摩擦係数の変化を示す．この結果より，表面形-300

Φ 6.0状が変化することにより摩擦係数が0.3から1.0まで約3倍の幅を持って変化することが明らかと-400

02468なった．また，凸状態であっても凸の大きさの程度により摩擦係数を制御可能であることが明らか
Glassガラス
plate
Positionl,mm
Contact
摩擦面surfaceとなった．
光学顕微鏡
Opticalmicroscope

200100Diameter Φ, 6.0 mm
Radius R, 25 mm
Thickness t, 0.2 mm
Shape : Circle

0-100-200-300-400Friction coefficient μ300

Height h, µm

1.200.3 MPa
0.2 MPa
0.1 MPa
0 MPa

21.000.80

4Position l, mm

60.250.200.150.60

0.100.40

0.050.20

Φ 6.00Acrylic resin vs. Borosilicate glass
Rotational speed : 60 rpm
Temperature : 23 oC
Normal load : 3.0 N
Atmosphere : Air

8Φ6Internal pressure P, MPa

4000801234560Time t, min

図3. 圧縮空気圧力の違いによるスマートサーフェス変形量

図4. スマートサーフェスの形状変形と摩擦係数の関係

４. まとめ1.200.25

Acrylic resin vs. Borosilicate glass
摩擦係数の制御を可能とするスマートサーフェスシステムの開発を実施した．0.3
MPaの圧縮空8Φ6Internal pressure P, MPa

Friction coefficient μ

Rotational speed : 60 rpm
1.00Temperature: 23 oC 0.20
気を用いることで最大変形量600μmを達成することが明らかとなった．また，変形量を制御する
Normal load : 3.0 N
Atmosphere : Air
0.80
ことで摩擦係数を0.3から1.0と3倍の幅で制御可能であることを明らかにした．本研究の成果によ
0.150.60
り，表面形状変形により摩擦係数の大幅な制御が達成され，個々人の能力や環境に合わせて最適な0.10

0.40
性能を発現する人間調和型機器開発の実現可能性が示された．
0.05

0.200
参考文献
01234560（1）Suzuki, K., andTime
Ohzono,T.,“Wrinkles on a textile-embedded elastomer surface with highlyt, minvariable friction”, Soft Matter, Vol. 12 (2016), pp. 6176-6183.
（2）村島基之，吉野笙太，梅原徳次，“3Dプリンタを用いた変形表面の創製と能動的摩擦制御手法の開発-スマートサーフェスへの挑戦-”，トライボロジー学会秋 2017高松講演予稿集(2017)，E39．

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