ソフトロボット学の全貌を理解する
ー体系的テキストの上梓ー
第3章

ソフトアクチュエータ
舛屋賢（宮崎大学）

RSJ20222022年9月９日

第128回ロボット工学セミナー（2020年9月10日開催）「ソフトロボットのこれまでとこれから」第3章の目次＆執筆者
3.1 ソフトアクチュエータ概論

鈴森先生（東京工業大学）
高木先生（豊橋技術科学大学）
新竹先生（電気通信大学）
前田先生（東京工業大学）

3.2 空圧ソフトアクチュエータ

鈴森先生（東京工業大学）

3.3 イオン導電性高分子アクチュエータ

高木先生（豊橋技術科学大学）

3.4 誘電エラストマアクチュエータ

新竹先生（電気通信大学）

3.5 熱応答性材料

舛屋（宮崎大学）

3.6 筋細胞アクチュエータ

清水先生（大阪大学）

3.1. ソフトアクチュエータ概論「ソフトアクチュエータ」の定義
次の3つの要件すべてを満たすアクチュエータを「ソフトアクチュエータ」と定義する
1. 出力側で弾性をもつこと

2. 高いバックドライバビリティ
3. 構造が柔らかいこと⚫ 代表的なソフトアクチュエータ
1. 流体の圧力を利用するアクチュエータ
2. 外部刺激に応答するスマート材料を用いたアクチュエータ

流体の圧力を利用するアクチュエータ
電場や磁場に応答する
液体材料
電場に応答する無機固体材料
低い電場や化学変化に応答する高分子材料
高い電場に応答する
高分子材料
磁場に応答する高分子材料
熱に応答する金属材料
熱に応答する高分子材料

ナノ炭素材料
バイオ材料

空気圧アクチュエータ
液圧アクチュエータ
ER流体
MR流体
誘電液体，HASEL
液体金属
圧電セラミクス
イオン導電性高分子
電子導電性高分子その他の高分子ゲル材料
誘電エラストマ
圧電高分子，電歪高分子
誘電ゲル，PVCゲル
液晶エラストマ
磁性エラストマ
形状記憶合金形状記憶ポリマー
釣糸人工筋肉CNTシートCNTエアロゲル
CNT繊維
筋細胞アクチュエータ

流体の圧力
〇
〇

電場

磁場熱光

化学変化

〇

〇

〇
〇

〇

〇

〇

〇
〇
〇

〇

〇

〇

〇

〇
〇

〇（高）

〇
〇（高）
〇（ジュール熱）
〇（高）
〇（低）
〇（低）
〇（低）
〇（高）
〇（高）
〇（高）
〇（高）

〇

〇

〇

〇

〇（ジュール熱）〇（ジュール熱）〇（ジュール熱）
〇（低）
〇（高）
〇
〇（低）

第3章の目次＆執筆者
3.1 ソフトアクチュエータ概論

鈴森先生（東京工業大学）
高木先生（豊橋技術科学大学）
新竹先生（電気通信大学）
前田先生（東京工業大学）

3.2 空圧ソフトアクチュエータ

鈴森先生（東京工業大学）

3.3 イオン導電性高分子アクチュエータ

高木先生（豊橋技術科学大学）

3.4 誘電エラストマアクチュエータ

新竹先生（電気通信大学）

3.5 熱応答性材料

舛屋（宮崎大学）

3.6 筋細胞アクチュエータ

清水先生（大阪大学）

3.2. 空圧ソフトアクチュエータ

http://opensoftmachines.com/?lang=ja

特徴https://www.youtube.com/channel/UCOz02yvsxufQ
Pe1vWmlANAA/videos①

構造自体の柔軟性による動作方向だけでなく動作方向外にも高いコンプライアンス②

0.5 MPa程度の空気圧を容易に利用できるのでソフトアクチュエータの中では大きな発生力③軽量④

摺動部をもたないため，なめらかな動きや力制御の実現が比較的容易⑤

電気を使わないことによる優れた耐水性や防爆性

3.2. 空圧ソフトアクチュエータ
繊維拘束による空圧人工筋肉

編組f

編み角により特性が変化⚫ 54.7o < θ0

圧力室

ゴムチューブ

(断面)

f(外観)

：圧力増加に伴い伸長

θ0(編み角)口金

送気チューブ：収縮（Warsaw型人工筋肉）

𝜋12
𝑓 = 𝐷0 𝑝 24sin 𝜃0①②③④

3 1 − 𝜀 2 cos 2 𝜃0 − 1

人工筋肉が十分に長い
ゴムチューブの剛性は無視できる
ゴムチューブと編組間の摩擦は無視できる
繊維は伸びない𝐷0：空圧人工筋肉の外形 𝑝 ：内圧

𝜀 ：ひずみSchulteのモデルに基づく理論特性

収縮力

Schulteの仮定に基づくひずみ－力モデル

f/𝜋⚫ θ0 =0o𝐷02 𝑝⚫ 0< θ0 < 54.7o ：収縮（McKibben型人工筋肉）

実際の特性
0

収縮率ε※実際にはヒステリシスが生じることに注意3.2. 空圧ソフトアクチュエータ
フレキシブルマイクロアクチュエータ[鈴森(1989)]⚫ 伸長型の空圧ソフトアクチュエータ⚫ 3つのチャンバをもつゴムチューブ⚫ 各チャンバの圧力に差をつけることで湾曲と伸長の3自由度

https://www.youtube.com/channel/UC1-ZyZ_G4Z5R3KUsYNDZYLQ

3.2. 空圧ソフトアクチュエータ
構成要素
パワーソース

制御装置

経路

電気アクチュエータ

電源

トランジスタ電線

空圧アクチュエータ

圧力源

制御バルブ

送気ホース

空圧アクチュエータで構成要素が大型化しやすい

小型・軽量なガス圧力源の開発① 相変化を利用するもの② 化学反応を使用するもの③ 機能性流体を用いるもの④ 水素吸蔵合金を温度で制御するもの

https://www.youtube.com/watch?v=fdnL12aaszc

第3章の目次＆執筆者
3.1 ソフトアクチュエータ概論

鈴森先生（東京工業大学）
高木先生（豊橋技術科学大学）
新竹先生（電気通信大学）
前田先生（東京工業大学）

3.2 空圧ソフトアクチュエータ

鈴森先生（東京工業大学）

3.3 イオン導電性高分子アクチュエータ

高木先生（豊橋技術科学大学）

3.4 誘電エラストマアクチュエータ

新竹先生（電気通信大学）

3.5 熱応答性材料

舛屋（宮崎大学）

3.6 筋細胞アクチュエータ

清水先生（大阪大学）

3.3. イオン導電性高分子アクチュエータ⚫ イオン交換樹脂膜を用いたもの（代表例：IPMC）• 低電圧で屈曲• イオン交換樹脂膜に金属材料を接合（Nafionに金を接合など）• 溶媒としての水が必要→ 乾燥すると動かない[杉野(2020)より]

http://www.ac.ctrl.titech.ac.
jp/research/ipmc.html⚫ イオン交換樹脂膜を用いないもの（代表例：Bucky Gel）
• 低電圧で屈曲• イオン液体を含む高分子を電極で挟み込む構造• 空気中で持続して動作可能[杉野(2020)より]

3.3. イオン導電性高分子アクチュエータ
IPMCのモデリング⚫ グレーボックスモデリング [Newbury&Leo(2003)]
𝑍𝑝 𝑠−1
1 + 𝑅dc
𝑍𝑝 𝑠𝑉෨
=𝑁 𝑠 𝑍𝑚1 𝑠𝑓ሚ𝑑−11 + 𝑅dc
𝑍𝑝 𝑠𝑠𝑁 𝑠 𝑍𝑚1 𝑠−11 + 𝑅dc
𝑍𝑝 𝑠𝑠 𝑍𝑚1 𝑠 + 𝑍𝑚2 𝑠

𝑁 𝑠𝑖ǁ
𝑦෤

⚫ ホワイトボックスモデリング [Zhuら(2013)]• イオンと水の流束に関する輸送方程式• 電場に関するポアソン方程式• 連続の式

𝑉𝑖𝑓𝑑𝑦𝑅dc
𝑍𝑝
𝑍𝑚1
𝑍𝑚2

：アクチュエータ素子の電気機械結合を表す伝達関数：IPMCに加えた電圧：流れた電流：ある点に加わる外力を：ある点での変位：直流抵抗値：𝑅dc を除く電気インピーダンス：粘弾性を表す機械インピーダンス：慣性を表す機械インピーダンス

3.3. イオン導電性高分子アクチュエータ
IPMCの制御⚫ 線形最適制御に基づく位置のFB制御 [Mallavarapu&Leo(2003)]⚫ ブラックボックスモデリングに基づく積分制御 [Kothera&Leo(2005)]⚫ IPMCの周波数応答に基づくFF制御器 [Shan&Leang(2009)]⚫ ロバスト制御 [Kang(2007)]など

第3章の目次＆執筆者
3.1 ソフトアクチュエータ概論

鈴森先生（東京工業大学）
高木先生（豊橋技術科学大学）
新竹先生（電気通信大学）
前田先生（東京工業大学）

3.2 空圧ソフトアクチュエータ

鈴森先生（東京工業大学）

3.3 イオン導電性高分子アクチュエータ

高木先生（豊橋技術科学大学）

3.4 誘電エラストマアクチュエータ

新竹先生（電気通信大学）

3.5 熱応答性材料

舛屋（宮崎大学）

3.6 筋細胞アクチュエータ

清水先生（大阪大学）

3.4. 誘電エラストマアクチュエータ（DEA）⚫ 構造
エラストマ薄膜の両面をやわらかい電極で挟み込んだ構造⚫ 動作原理の概略
電極間に高電圧→各電極に正・負の電荷がそれぞれ励起→電荷間に静電気力が発生→エラストマ膜が圧縮＆平面方向に拡大⚫ 特徴〇 高い応答性〇 大変形可能〇 高効率
× 高電圧が必要

https://www.youtube.com/watch?v=eUdcBjo19oU

3.4. 誘電エラストマアクチュエータ（DEA）
動作モデル• 電極間に働く応力（マクスウェル応力）
𝜎M = 𝜂0 𝜂𝑟𝑉ℎ2= 𝜂0 𝜂 𝑟 𝐸 2• 圧縮方向における応力-ひずみの関係
𝜎M𝜀𝑧 = −𝑌• エラストマの変形（体積一定）
𝜀𝑥 + 1 𝜀𝑦 + 1 𝜀𝑧 + 1 = 1

平面方向のひずみ 𝜀𝑥 = 𝜀𝑦 =1𝜀𝑧 + 1−1𝜂0：真空の誘電率
𝜂𝑟 ：エラストマの比誘電率ℎ ：エラストマの膜厚
𝑉 ：電圧
𝐸 ：電極間の電場
𝑌 ：エラストマのヤング率

3.4. 誘電エラストマアクチュエータ（DEA）
材料と入手方法⚫ エラストマ膜• 材料
・アクリル系（〇大きな出力 ×低い応答性）

・シリコーン系（〇高い応答性 ×相対的に小さな出力）• 入手方法・市販品の購入
・液体状の材料から製作（ブレードキャスティングやスピンコーティングで成形）⚫ 電極• 炭素系の電極（カーボンブラック，グラファイト，CNT，など）• 金属系の電極（金，チタン，銀ナノワイヤ，など）• 導電性エラストマ

第3章の目次＆執筆者
3.1 ソフトアクチュエータ概論

鈴森先生（東京工業大学）
高木先生（豊橋技術科学大学）
新竹先生（電気通信大学）
前田先生（東京工業大学）

3.2 空圧ソフトアクチュエータ

鈴森先生（東京工業大学）

3.3 イオン導電性高分子アクチュエータ

高木先生（豊橋技術科学大学）

3.4 誘電エラストマアクチュエータ

新竹先生（電気通信大学）

3.5 熱応答性材料

舛屋（宮崎大学）

3.6 筋細胞アクチュエータ

清水先生（大阪大学）

3.5. 熱応答性材料
熱応答性材料＝「温度変化により特性が変化し，アクチュエータとして機械的な反応を行う材料」⚫ 固体材料• 形状記憶合金 (Ni-Tiなど)• 形状記憶ポリマー (釣糸人工筋肉など)⚫ 液体材料特徴• 静音駆動• 応答性低https://www.youtube.com/watch?v=iqnRaVhBcjQ

3.5. 熱応答性材料
形状記憶合金⚫ 温度変化などにより3つの結晶構造間を変態• オーステナイト相• 双晶マルテンサイト相• 非双晶マルテンサイト相⚫ 構造間の変態におけるループ• 一方向性形状記憶効果 (①→②→③→④→①)• 二方向性形状記憶効果 (①→④→①)• 超弾性 (①→⑤→①)[Lagoudas, 2008]

3.5. 熱応答性材料
形状記憶合金のモデリング⚫ 温度変化モデル

𝐶𝑣 𝑇ሶ = −𝛼 𝑇 − 𝑇env + 𝑃⚫ 機械モデル𝜎ሶ = 𝑌𝜀 ሶ + 𝐶𝜎 𝑇ሶ + Ωξሶ𝜉 = 𝜉 𝜎, 𝑇
ヒステリシスの原因

𝜉のモデル化によるヒステリシス補償
・Fermi-Dirac分布関数 [Jayenderら(2008)]
・Preisachモデル[Majimaら(2011)] など

𝑇 ：SMA温度
𝑇env ：環境温度
𝐶𝑣 ：熱容量𝛼 ：熱伝達率𝑃 ：Joule熱𝜎𝜀𝑌𝐶𝜎𝜉Ω

：応力：ひずみ：弾性係数：温度係数：マルテンサイト体積分率：マルテンサイト体積分率係数

3.5. 熱応答性材料
形状記憶ポリマー
ある温度（ガラス転移温度）を超えると弾性が大きく変化

釣糸人工筋肉 [Hainesら(2014)]⚫ 高分子繊維（釣糸など）をねじってコイル化⚫ 特徴• 安価に製作可能• SMAに比べてヒステリシスが小さい

第3章の目次＆執筆者
3.1 ソフトアクチュエータ概論

鈴森先生（東京工業大学）
高木先生（豊橋技術科学大学）
新竹先生（電気通信大学）
前田先生（東京工業大学）

3.2 空圧ソフトアクチュエータ

鈴森先生（東京工業大学）

3.3 イオン導電性高分子アクチュエータ

高木先生（豊橋技術科学大学）

3.4 誘電エラストマアクチュエータ

新竹先生（電気通信大学）

3.5 熱応答性材料

舛屋（宮崎大学）

3.6 筋細胞アクチュエータ

清水先生（大阪大学）

3.6. 筋細胞アクチュエータ
生体の駆動源となる筋細胞を工学的に応用したデバイス

特徴⚫ やわらかい⚫ 質量あたりの発生力が大きい

動作原理① 運動神経から放出されたアセチルコリンが受容体に結合② 活動電位が発生することで，カルシウムイオンが筋小胞体から放出③ カルシウムイオンが鎖状のサルコメア構造に結合することで各フィラメントが互いに滑走

2 / 12

3.6. 筋細胞アクチュエータ
製作方法１：細胞単位で構成する方法⚫ 細胞バンクから凍結保存された細胞を購入して培養⚫ ミリメートルスケール⚫ 比較的長期間（数週間～1か月程度）利用可能

3.6. 筋細胞アクチュエータ
製作方法２：組織単位で構成する方法⚫ 動物個体を解剖して筋組織単位で取得（倫理規定などへの十分配慮）⚫ センチメートルスケール⚫ 短期間（数時間～1日程度）の利用に限定

第3章のまとめ
3.1 ソフトアクチュエータ概論

鈴森先生（東京工業大学）
高木先生（豊橋技術科学大学）
新竹先生（電気通信大学）
前田先生（東京工業大学）

3.2 空圧ソフトアクチュエータ

鈴森先生（東京工業大学）

3.3 イオン導電性高分子アクチュエータ

高木先生（豊橋技術科学大学）

3.4 誘電エラストマアクチュエータ

新竹先生（電気通信大学）

3.5 熱応答性材料

舛屋（宮崎大学）

3.6 筋細胞アクチュエータ

清水先生（大阪大学）