情報処理学会 インタラクション 2018
IPSJ Interaction 2018

2A092018/3/5

ハイグロモーフを用いた松かさアクチュエータ
田丸純太朗†1油井俊哉†1橋田朋子†1

概要：松かさは湿気により開閉する性質（ハイグロモーフ）があることが知られている. 本研究では特に松かさを 1 枚の鱗片に分解しても湿気により変態することに着目し，2 枚の鱗片を組み合わせて適切な水分の供給と乾燥を行うことで，所望の角度に開閉できる開閉アクチュエータを提案する. さらにこの 2 枚の鱗片による開閉アクチュエータを任意に組み合わせて鱗片の高さを任意に変えられる高さ変化アクチュエータと, 2 枚の鱗片による開閉アクチュエータと凹凸の接触面を組み合わせることで鱗片を移動できる移動アクチュエータを実現する. 本稿では鱗片の変態特性の計測実験の結果との知見に基づいた機構の詳細を示す.

Pine Cone Actuator Using Hygromorph
JUNTARO TAMARU†1TOSHIYA YUI†1TOMOKO HASHIDA†1Abstract: Pine cones open and close through a moisture driven process called hygromorph. In this study, focusing
on the fact that pine cones are composed of a lattice of scales that transform by moisture, we propose an opening /closing actuator that can be opened and closed at a desired angle by providing suitable moisture and aridity. Inaddition, the height of a scale can be arbitrarily changed by arbitrarily combining the opening / closing actuators.
We realize a moving actuator that can move a scale by combining a height change actuator, the contact surface ofan opening / closing actuator, and the unevenness of two scales. In this paper, a mechanism based on the findingsof the experimental measurement results of the transformation characteristics of scales is shown.

1. はじめに
松かさは湿度の多い環境ではかさを閉じ, 乾燥した環境
ではかさを開く性質があることはよく知られている. このアクチュエータの基本原理と高さ変化アクチュエータや移動アクチュエータの詳細について述べる．

2. 関連研究

性質はハイグロモーフと呼ばれる. 最近ではこのような松か開閉の機能をもったアクチュエータを用いて様々な機構さの湿度による変態の仕組みに着想を得た様々な仕組みがを提案した関連研究がある. その例としてペーパーメカト提案されている．例えば服を着た人の汗によって濡れるとロニクス[3]があり, 印刷した紙が自律的に折り曲がるこ開き, 乾燥すると自動的に閉じることで服の中の湿度を調とを利用してロボットの構造を組み立てる研究が挙げられ節するスマートファブリック（繊維）[1]や，雨が降ると天る. また, 電気回路と一体で印刷可能なアクチュエータに井が閉じ, 晴れると天井が開く屋根（建築物）[2]などが挙よる動的インターフェイス及びロボットの試作[4]では,げられる. しかし, 松かさそのものを使用して，湿度によ熱源によって駆動する印刷可能なアクチュエータを提案しる開閉の性質を生かし，新たなモノや機能を作り出す試みている. これらの研究に対し本研究は, 素材が自然物であは活発に行われていない.

る松かさであることや, 印刷技術を必要とせず水分のみを一方，筆者らは実験を重ねる中で，松かさを1枚の鱗片に分解しても湿気により変態（開閉）することに気が付い必要とすること, 開閉に可逆性を持たせることが可能である.

た．そこで本研究ではこのような鱗片の性質に着目し，2枚以上の鱗片を組み合わせて適切な水分の供給と乾燥を行うことで，所望の角度に開閉できる開閉アクチュエータを提案する（図１）．この鱗片による開閉アクチュエータは，積層させることで高さを変えられる高さ変化機構に展開することや, 凹凸の接触面を組み合わせることで鱗片そのものが移動していく移動機構に展開することも可能である．
図 1

本稿ではまず，1枚の鱗片の水分量と時間変化に応じた変開閉アクチュエータの動作.

(左)乾燥時, (右)⽔分供給時

態特性を明らかにする実験の結果を報告した上で，松かさ
Figure 1

Operation of opening / closing actuator. When left isdry, when right is moisture supply

†1

早稲田大学
Waseda University© 2018 Information Processing Society of Japan557

情報処理学会 インタラクション 2018
IPSJ Interaction 2018

2A09
2018/3/5

3. 松かさのハイグロモーフの原理
松かさがハイグロモーフにより開閉する原理を以下に示す（図２）. 松かさの鱗片は内側と外側で異なる繊維で構成されている. 外側の繊維は吸水性の維管束が厚いため,乾燥すると維管束が縮み強く引っ張る力を生じ, 鱗片を開図 3かせる. 反対に, 水分を得ることで外側の繊維の引っ張る力が緩み鱗片を閉じさせるような仕組みである. 湿度変化

Figure 3

松かさの鱗⽚の開閉⾓度θ

The opening and closing angle θ of the scales of thepine cone

により開閉するこの原理は, 乾燥時に松かさの内側にある種子を遠くに飛ばせるようにするためである.

4. 鱗片の変態特性に関する基礎実験
ここでは 1 枚の鱗⽚の変態特性を明らかにするため，松かさの鱗⽚が起こすハイグロモーフを研究した E. Reyssat
ら[5]の実験を参考に，鱗⽚に与える⽔分量を変えた時の変態の⾓度や，開閉の時間特性などを検討する. 図 3 に⽰す
ように, 松かさの鱗⽚が⽔分を吸収する前の開いている時の⾓度と⽔分を得て閉じる⾓度のなす⾓をθとする.
4.1 実験１：水分量に対する鱗片の角度図 4

実験 1 では，1 枚の鱗⽚に与える⽔分量を変えた時の得られる⾓度の関係を明らかにする. 本実験では松かさの鱗Figure 4

⽔分量と松かさ鱗⽚の開閉⾓度θの関係
he opening / closing angle θ of the pine cones to the

⽚の外側に⽔分を 0〜1400mg まで 200mg ごとに増やしな

moisture content

がら与え, 松かさの鱗⽚の開閉⾓度θの計測をした. 計測は 3 回⾏った. 図 4 に⽔分量と松かさの鱗⽚の開閉⾓度θの平均値の関係を⽰す. このグラフより, 松かさの鱗⽚の外側に約 1000mg の⽔分を与えることで鱗⽚は最⼤⾓度を⽰すことが読み取れ, その⾓度はおよそ 50°であった.
4.2 実験 2：経過時間における開閉角度
実験 2 では, ⼀枚の鱗⽚における⼀定の⽔分を与えてからの経過時間における開閉⾓度の関係を明らかにする. 本
実験では実験 1 の結果に基づき, 最⼤⾓度を⽰すことのできる 1000mg の⽔分を松かさの鱗⽚の外側に与え, 経過時間に伴う⾓度θの測定を⾏った. 図 5 に⽔分吸収時から乾燥時までの⾓度をまとめて⽰す. このグラフより, ⽔分を完全に吸収する時間は 70 分かかり, 乾燥する時間は 350 分かかることが⾒て取れる. つまり, 乾燥にかかる時間は⽔分を吸収する時間の約 5 倍かかることがわかった.

図 5

水分供給より経過時間と鱗片の開閉角度θの関係

Figure 5

Relation between elapsed time and angle

5. 松かさアクチュエータ
松かさの鱗片を組み合わせ接合することによってアクチュエータを提案する. 作成したアクチュエータは開閉アクチュエータ, 高さ変化アクチュエータ, 移動アクチュエー
タの 3 種である. これらのアクチェータの鱗片の接合の手法としてはグルーガンを利用した. ここで，基礎実験では1 枚の鱗片の変態特性を計測したが，本アクチュエータでは 2 枚以上の鱗片を組み合わせて用いる．アクチュエータの実装に先立ち２枚の鱗片を接合し，十分な水分を与えて開閉角度を計測したところ 108°であった． 基礎実験時で求めた鱗片１枚当たりの同条件の開閉角度から得られる角度を２倍にして算出した予測角度は 100°であるが, 鱗片 1

図 2
Figure 2

松かさのハイグロモーフの原理
Principle of opening and closing© 2018 Information Processing Society of Japan枚の場合でも開閉角度の誤差は 5°程度生じることから接合による開閉角度への影響は少ないと考えている.

558

情報処理学会 インタラクション 2018
IPSJ Interaction 2018

2A09
2018/3/5

5.1 開閉アクチュエータ
２枚以上の松かさの鱗片の末端を接合することにより,松かさ開閉アクチュエータを提案する. 開閉のパターンと動作の様子を図 6 に示す. 開閉パターンは図 6（a）の鱗片の内側同士を接合した場合, 図 6（b）の外側同士を接合し(a)insideた場合の２パターン作成した. 内側同士を接合した場合は,水分を吸収すると閉じる仕様に, 外側同士を接合した場合は, 水分を吸収すると開く仕様になっている. このように,開閉の動作を鱗片の組み合わせ方によって変えることが可能である.

(b) outside
図 6

5.2 高さ変化アクチュエータ

Figure 6

開閉パターンとその動作

Opening and closing pattern and its behavior

３枚以上の松かさの鱗片を接合することにより, 高さ変化アクチュエータを提案する. さらに, 各鱗片の末端に鱗片を連ねて接合していくことで, より高い高さを作り出すことができる. 床面に安定して立たせるため, 鱗片を３枚接合したものを高さアクチュエータの基本型（1 段）とする．図 7 に 1 段・2 段 (6 枚)，3 段 (9 枚)と連ねて接合したものの例を示す. 図 7(a)が各アクチュエータの乾燥時，図７(b)が水分吸収後の形である. さらに, 参考として表 7 に(a) dry

示した高さ変化アクチュエータの高さの変化を２度計測し,その平均の値を表 1 に示す. 段数に応じて高さがおよそ 2倍, 3 倍と変化することがわかる．なお, 計測の結果, 組み合わせた鱗片の枚数に関係なく, 図５の経過時間に従い,水分吸収と乾燥が行われることがわかった.
5.3 移動アクチュエータ(b) wet

開閉アクチュエータの応用として, 開閉アクチュエータ

図 7に凸凹の接触面を加えることにより移動を可能とする移動

Figure 7

高さ変化アクチュエータ（1 段・2 段・3 段）Height actuator of each pattern： basic form , 2アクチュータを提案する. 本稿で使用した開閉アクチュエsteps, 3 steps

ータは図 6（a）の開閉アクチュエータの原理を用いており,２枚の鱗片を連ねたものと, アクチュエータを支え安定させるために２枚の鱗片が一枚ずつ横付けにされている. な表 1Table 1

高さアクチュエータの段数とその高さ

Number of stages of the height actuator and its height

お，２枚の支えには防水加工がされており, 水分供給によ基本

２段３段る開閉は見られず, 鱗片を２枚連ねた部分のみが, 水分供15mm

32mm

49mm給時に閉じ, 乾燥時に閉じる仕組みになっている. また,床面は緩やかな面と直角な面が交互に連なって出来ており,3D プリンターを用いて作成した. これらの仕組みにより,移動アクチュエータは水分供給された時に緩やかな面を滑るように閉じ, 乾燥した時には, 直角の面を押し出すことを繰り返すことによって移動する仕組みである. 本稿では

図 8

移動アクチュエータの動作（左から乾燥 1 回目, 水2mm 間隔の凹凸の床面を使用した（図８） . この床面において一回あたりの水分供給, 乾燥の一連の動作で進んだ
移動アクチュエータの距離は 4mm であった.

© 2018 Information Processing Society of Japan

分供給 1 回目, 乾燥 2 回目）
Figure 8

Operation of the moving actuator (1st drying fromthe left, 1st moisture supply, 2nd drying)559

情報処理学会 インタラクション 2018
IPSJ Interaction 2018

2A09
2018/3/5

6. 松かさアクチュエータの応用例
6.1 高さ変化アクチュエータを用いた花壇の水やりの提示
高さ変化アクチュエータの応用例として, 花壇の水やりのタイミングを提示する仕組みが考えられる. 高さ変化アクチュエータをそのまま花壇の横に設置することにより,水やりが足りている時には高くなり, 水やりが足りていない時には低くなることで水やりのタイミングをその高さで提示することができる. また, 松かさ自体が自然物であるのでより自然に溶け込むことが可能である（図９）.
6.2 移動アクチュエータを用いた雨による累積移動

図 9

高さ変化アクチュエータの水やりタイミングの提示

Figure 9

Present the timing of watering according to height.

移動アクチュエータの応用例として，雨の降った回数に応じて累積移動する仕組みが考えられる. 屋外や, 湿度変化の大きい場所に置くことによって, 雨が降り湿度変化した際に前へ進む. 末端とメモリの重なったところを読み取ることによって設置した日から雨が何回降ったのかをさりげなく提示することが可能である（図 10）.

7. おわりに
本稿では, 湿気により開閉する松かさのハイグロモーフを用いたアクチュエータを提案した．また基礎実験より松かさの鱗片に供給する水分量 1000mg で鱗片の最大角度になること, その時の最大角度が 50°であることが分かった．

図 10Figure 10

進んだ距離による雨の降った回数を累積
Accumulate the number of times the rain has fallen
due to the distance

これらの結果を踏まえ，今回開閉アクチュエータ，高さ変化アクチュエータ，移動アクチュエータの 3 種を作成し そ参考文献

れらの有用性を示した.

[1] 加藤康平. スマートファブリックヒータの開発.

今後の課題としては，より多くの種類の松かさを用いたアクチュエータの考案と検討が挙げられる．本稿では同じ

トヨタ紡織, 7, 25-28. 2013. （2017/12/18 参照）[2] Water-Reacting Architectural Surface.

大きさで同じ種類から取れる松かさの鱗片を使用して各ア

https://www.gizmodo.jp/2015/07/post_17554.html

クチュエータを作成したが, 松かさには多数の品種があり,（2017/12/12 参照）

一つの種の中でも部位によって取れる鱗片大きさや形は異[3]重宗宏毅. 有機アクチュエータを用いた印刷方によるなる. そのため, 本稿で紹介したもの以外にも, 品種, 部

髪ロボットの製作：ペーパーメカトロニクスの提案.

位, 組み合わせを変えることによって無数の種類の松かさ

Proceedings of JSME annual Conference on Robotics

アクチュエータを作成することができる. 一方で, 一様でand Mechatronics, 2A2-V05_1-2A2-V05_4.

ないため, より正確なデータをとっていくことが必要であ（2017/12/18参照）

る. より正確なデータを算出し, 与える水分量によって制[4]中原健一, 鳴海絋也, 河原圭博. 電気回路と一体で印御すること, より多くの組み合わせを見つけ出し, 機械と刷可能なアクチュエータによる動的インターフェイスして組み込めるようにすること, また, 移動アクチュエー

及びロボットの試作. 情報処理学会第 79 回全国大会

タで鱗片の一部を３D プリンターで作った人工物にするこ

4-327-4-328. (2017). （2017/12/18 参照）とで, 水分の与え方をかえなくても移動する仕組みを作ることを今後の課題とする.

[5] E. Reyssat, L, Mahadevan. Hygromorphs:from pineconese to biomitic bilayers, J. R.Soc. interface 6,951-957.(2009), （2017/12/18 参照）© 2018 Information Processing Society of Japan560