計測自動制御学会東北支部 第 329 回研究集会 (2020.10.30)
資料番号 329-6

熱可塑性エラストマを用いた修復可能な人工筋肉の成型方法の確立
Establishing a method for producing repairable artiﬁcial muscles○藤田寧 ∗ ，戸森央貴 ∗∗○ Nei Fujita∗ ,Hiroki Tomori∗∗*山形大学,**山形大学大学院*Yamagata University, **Yamagata University Graduate School
キーワード : 人工筋肉 (artiﬁcial muscles)，熱可塑性エラストマ (thermoplastic elastomer)，アラミド繊
維 (aramid ﬁber)，軸方向繊維強化型人工筋肉（straight ﬁbers type artiﬁcial muscles），

連絡先 : 〒 992-8510 山形県米沢市城南 4-3-16 山形大学工学部機械システム工学科 戸森研究室
藤田寧，Tel.: (0238)26-3217，E-mail: tca56073@st.yamagata-u.ac.jp1.

緒言を使用することにより繰り返し耐久性を向上さ

近年，人と協調するロボットとしてソフトロボットが注目されている．1〜4) 人と協調するロボットでは，人と接触した際の安全性やロボッ
ト周辺の環境に適応する柔軟性が重要になってくる．5) 一方でロボットは多くのアクチュエータから構成されており，アクチュエータの性能の影響を受けやすい．6) そのため，ロボットに用いられるアクチュエータから見直す必要があり，構造的な柔軟性を持ち，軽量であるソフトアクチュエータに注目が集まっている．7) その中でも出力密度の高い軸方向繊維強化型人工筋肉に着目した．
本人工筋肉は空気圧ゴム人工筋肉の中で主流である McKibben 型人工筋肉と比較して 5 倍以上の収縮力を発揮することがわかっている．8)

せることに成功したが，次に径方向への大きな膨張によるゴムチューブの破損が問題となった．
そこで人工筋肉のゴムチューブの破損を防ぐため，目視できない微細な傷の修復効果の付加を目指すこととし, 熱可塑性エラストマ（以下，TPE）に着目した．TPE に加熱処理を行うことで内部の応力の低下と共に寿命の向上が見られた為，人工筋肉のゴムチューブに使用することで修復機能を付加が見込めると考えた．
しかし TPE を用いたチューブの形成方法が確立していない．本稿では TPE の修復効果の確認と TPE をもちいた人工筋肉の成型方法について述べる．

2.

これまでの研究では軸方向繊維強化型人工筋肉の長寿命化を目指し、靭性の高いアラミド繊維

TPE を採用する根拠の確認 9)
本実験では TPE のなかでも最も需要量が多く，ほかの TPE と比べて柔らかく伸びやす–1–

いスチレン系 TPE（以下，SEPS）を採用する

今後の研究では炭素含有量１％の SEPS シートこととする．先行研究の実験結果をもとにしたで試験を行っていくこととした．
最後に SEPS シートに混ぜ込む炭素量を１％結論を示す．
まず TPE の修復効果の確認をするために，熱に決定し、マイクロ波による熱処理を行い修復処理の有無による TPE シートの引張回数を比効果の確認を行った．マイクロ波による熱処理無較した．試験は試験片に繰り返し一定伸長を加しで定伸長疲労試験を破断するまで行った SEPS

えてどの程度の回数で破断するかを見る定伸長シートと，3000 回引張るごとにマイクロ波を照疲労試験を起こなった．この際の熱処理はホッ射し熱処理を行った SEPS シートを比較した．

トプレートで行なった．実験結果は熱処理を行結果，マイクロ波による熱処理無しに比べて熱うことで引張回数が増加していた．実験結果よ処理ありの SEPS シートが平均引張回数がおより熱処理による修復効果を確認することが出来

そ 2.54 倍平均引張回数が増加していた．

たが，ホットプレートという接触する熱処理でこのことから炭素含有量１％の SEPS シートは複雑な形状に対応不可，熱処理のムラ・変形はマイクロ波による熱処理を行うことによって寿などの問題点が挙げられた．本研究では目視で命が延びることが分かったため，本実験で SEPSきない微細な傷の修復を目指すため，人工筋肉を採用することとした．

全体をムラなくに熱する方法が必須である．
次に非接触での熱処理の方法について考えた．
非接触での熱処理にはオーブンやマイクロ波に3.

よる熱処理がある．オーブンによる熱処理では、メリットとして複雑な形状にも対応可能でき、対象物に特別な加工をする必要がないが、デメ

SEPS をもちいた人工筋肉の成型方法の確立
修復可能な人工筋肉の成型方法の確立に向けた研究の現在までの研究結果を示す．

リットとして表面と内部にムラが生じる．対して、マイクロ波による熱処理ではマイクロ波を3.1

繊維を張った型での成型吸収するための加工が必要ではあるが、複雑な型にアラミド繊維を軸方向に張り粒状の SEPS形状に対応でき、かつ内部から全体に熱処理を行うことができるためムラなくできる。これらの点を踏まえ、マイクロ波による熱処理を検討を入れ加熱し，十分に溶けたところに芯棒を挿すアプローチ方法をとった．成型の作製手順を以下に示す.

していく．
マイクロ波を吸収するための加工には TPE

1) アラミド繊維を型の中に張り巡らせ，SEPSに炭素粒子を混ぜ込むこととした．炭素粒子をを入れ 250 ℃のジェットオーブンで 60 分混ぜ込むことによって、マイクロ波を吸収し炭加熱する (Fig.1-1)

素粒子を発熱させることで熱処理を行う．しかし、炭素粒子を混ぜ込むにあたって，炭素含有量によって引張回数が変化することが予想できる．
そこで、炭素含有量による TPE シートの引張回数の変化を確認することにした．異なる炭素含有量の SEPS シートで定伸長疲労試験を行った
結果，含有量が多いほど柔軟性が失われ引張回数が少なくなっていることが分かった．よって，–2–2) 取り出して芯棒を差し込み空冷ののち，型から取り外す (Fig.1-2)

4) 直径 18mm の円柱状の穴の開いた型にはめて 210 ℃のジェットオーブンで加熱する
空冷後，型から取り外す (Fig.3)

Fig. 1

繊維を張った型での成型.

Fig.2 に示した作製結果をみるとアラミド繊維が露出していることがわかる．このことから
芯棒を加熱後に挿すことで，外側へ繊維が流れ動いてしまったことがわかる．また均等な厚みの人工筋肉ができていないこともわかる．

Fig. 3Fig. 2 繊維を張った型での成型物 (左）側面（右）断面.

シートを芯棒に巻いての成型.

Fig.4 に示した作製結果を見ると１周巻いたシートが繋がっていないことがわかる．このことからシート 1 枚が厚く１周しか巻いていない

3.2

シートを芯棒に巻いての成型ことで空隙が大きいことが問題点として挙げら粒状の SEPS ではなくシート状にした SEPSれる.

を芯棒に１周巻き付け, 型で筒状に成型するアプローチ方法をとった．成型方法の制作手順を以下に示す.

1) 粒状 SEPS をプレス加工を行い，0.6mmの SEPS シートを４枚作製する (Fig.3-1)

2) 金枠にアラミド繊維を巻き付け，SEPS シー

Fig. 4 シートを芯棒に巻いての成型物（左）側面（右）断面.

トを 2 枚用いて挟み込み，プレス加工し，包含シートを作製する (Fig.3-2)

3.3

前節では SEPS シートを 1 周にしたことに

3) 芯棒に SEPS シート 1 周，包含シート，SEPSシート 1 周の順に巻き付ける (Fig.3-3)

薄いシートを用いた成型

よって空隙が生まれていたので，本節では SEPS–3–

シートを薄くし芯棒に２周巻き付け，つなぎ目の空隙を少なく成型するアプローチ方法をとった．成型方法を以下に示す．

1) 粒状 SEPS をプレス加工を行い，SEPS シー
トを 0.6mm を 2 枚，0.3mm を 2 枚作製する (Fig.5-1)

2) 金枠にアラミド繊維を巻き付け，0.6mm のFig. 6 薄いシートを用いた成型物（左）側面（右）断面.

改良した繊維包含シートを用いた成型

3.4

SEPS シートを 2 枚用いて挟み込み，プレス加工し，包含シートを作製する (Fig.5-2)

3) 芯棒に 0.3mm の SEPS シート 2 周，包含シート，0.3mm の SEPS シート 2 周の順に巻き付ける (Fig.5-3)

3.4.1

繊維包含シートの改良

薄いシートを用いた成型を行った人工筋肉を実際に加圧して動かしてみたところ，Fig.7 のように数十回で破壊してしまった．破壊した部分を観察すると破裂時に繊維が表面に飛び出し

4) 直径 18mm の円柱状の穴の開いた型にはていることがわかる．このことから繊維に SEPSめて 210 ℃のジェットオーブンで 30 分加が浸透しておらず空隙が多いことが分かった．本

熱する

研究では目視できない微細な傷の修復を目指し空冷後，型から取り外す (Fig.5-4)ているため，破壊時に大きな穴が出来る人工筋肉は問題がある．そこで繊維と繊維の間にもＳＥＰＳが浸透したシートの制作を試みた．

Fig. 7

破裂した箇所.

これまでは加圧をしながら 210 ℃で繊維包含シートを作製していたが，加圧せず 300 ℃での作製を試みた．比較すると 300 ℃で作製した包含シートは十分に繊維にＳＥＰＳが浸透していることがわかる．表面に穴やクレーターが出来ているが，人工筋肉成型時の加熱でふさがると考え，300 ℃で作製した包含シートを今後採用することとした．

Fig. 5薄いシートを用いた成型.

Fig.6 に示した作製結果を見ると表面のクレーターも断面の隙間もなく表面上の問題はない．

–4–

Fig. 8 繊維包含シート比較（左）210 ℃加圧あり（右）300 ℃加圧なし.

3.4.2

改良した繊維包含シートを用いた成型

Fig. 10 加熱温度を変更した成型物（左）側面（右）内面.

4.

300 ℃で作製した繊維包含シートに変え 3.4と同様の方法で作製した．Fig.10 に示した作製結果を見ると，表面にはクレーターがあり断面には空洞が出来ていることがわかる．これは加熱が足りなかったために包含シートのクレーターや穴が残ってしまった考えた．

現在での課題現在の修復可能な人工筋肉の成型方法の課

題は，ＳＥＰＳの浸透した繊維包含シートの制作方法である．300 ℃で作製するとクレーターや穴ができてしまう一つの推測として，300 ℃の高温でＳＥＰＳを熱するとＳＥＰＳの添加物が熱により気化し, シートの表面に気泡が出来るのではないかと考えた．現在，熱重量分析（ＴＧＡ）でＳＥＰＳの温度及び時間での変化を調査している．

Fig. 9 改良した繊維包含シートを用いた成型物（左）側面（右）断面.

5.

結言
本稿では熱可塑性エラストマは加熱することで修復効果が見込まれる材料であること，熱3.5

加熱温度を変更した成型

可塑性エラストマを用いた繊維強化型人工筋肉

電気炉での加熱温度を 300 ℃に変更し加熱の成型方法を確立させるための課題を述べた．

時間も 30 分に変更し作製した．Fig.11 に示し

今後は，ＳＥＰＳがアラミド繊維に浸透表面にた制作結果を見ると，表面が加熱により流動性

クレーター・穴のないアラミド繊維包含シートが上がったために繊維が押し出されていた．さの作製方法を検討していく．

らに人工筋肉を切り開いてみると内側にクレーターが出来ていた．300 ℃の加熱により十分な

参考文献

流動性があったのにもかかわらずクレーターが内側にあるということは，クレーターが出来る1)

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学会（2003）

4)

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理由に 300 ℃の温度に原因がある可能性がある．

–5–5)

櫻井良：ソフトロボット学への産業界からの期待，第 122 巻，第 1205，10-11，特集ソフトロボット学（2019）6)川村貞夫：今後の製造業ロボット研究に期待．
第 33 巻，第 5，298-299，日本ロボット学会誌（2015）

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向繊維強化型空気圧式ゴム人工筋肉の長寿命効率化のための形状検討，第 54 巻，第 6，557-563，
計測自動制御学会論文集（2018）9) HirokiTomori,TakumaSasama,ShingoAndo:Recovery
from fatigue of pneumatic artiﬁcial muscle
using a thermoplastic elastomer,Adovanced
Robotics(2020)–6–