人工筋肉が初めて屈曲: ロボット工学における強誘電体ポリマーのイノベーション

ペンシルベニア州立大学2023年7月8日

ジュール加熱による強誘電性ポリマーの作動。 クレジット: 王清

電気エネルギーを機械的ひずみに効率的に変換する新しい強誘電性ポリマーが、ペンシルバニア州立大学の研究者によって開発されました。 この材料は、医療機器やロボット工学での使用の可能性を示しており、従来の圧電の限界を克服します。 研究者らはポリマーナノ複合材料を作成することで性能を向上させ、必要な駆動電界強度を大幅に軽減し、潜在的な用途を拡大しました。

ある研究者によると、電気エネルギーを機械的ひずみに変換することに非常に優れた新しいタイプの強誘電性ポリマーは、医療機器、高度なロボット工学、精密位置決めシステムなどでの応用に大きな可能性を秘めた高性能モーションコントローラーまたは「アクチュエーター」として期待されているという。ペンシルバニア州立大学が率いる国際研究者チーム。

機械的ひずみ、つまり力が加えられたときに材料の形状がどのように変化するかは、電気エネルギーなどの外力が加えられたときに変化または変形する材料であるアクチュエータにとって重要な特性です。 従来、これらのアクチュエータ材料は硬いものでしたが、強誘電性ポリマーなどのソフトアクチュエータは、より高い柔軟性と環境適応性を示します。

この研究は、強誘電性ポリマーナノ複合材料が従来の圧電ポリマー複合材料の限界を克服する可能性を実証し、ひずみ性能と機械エネルギー密度が向上したソフトアクチュエータの開発に有望な道を提供するものです。 ソフト アクチュエータは、その強度、パワー、柔軟性により、ロボット研究者にとって特に興味深いものです。

「人工筋肉と呼ばれる一種のソフトロボットが実現できる可能性がある」と、ペンシルベニア州立大学材料科学工学教授であり、ネイチャー・マテリアルズ誌に最近掲載された研究の共同著者であるチン・ワン氏は語った。 「これにより、大きなひずみに加えて高い荷重にも耐えることができる柔らかい物質を得ることができるでしょう。 したがって、その素材は人間の筋肉をより模倣し、人間の筋肉に近いものになるでしょう。」

ただし、これらの材料がその期待を達成する前に克服すべきいくつかの障害があり、これらの障害に対する潜在的な解決策が研究で提案されました。 強誘電体は、外部電荷が印加されると自発分極を示す材料の一種であり、材料内の正電荷と負電荷が異なる極に向かうことになります。 相転移中、この場合は電気エネルギーから機械エネルギーへの変換中のこれらの材料のひずみは、その形状などの特性を完全に変化させ、アクチュエータとして有用にすることができます。

「おそらく、人工筋肉と呼ばれる一種のソフトロボットが実現できるでしょう。」

— Qing Wang、材料科学工学教授

強誘電体アクチュエータの一般的な用途はインクジェット プリンタで、電荷によってアクチュエータの形状が変化し、紙にインクを塗布してテキストや画像を形成する小さなノズルを正確に制御します。

While many ferroelectric materials are ceramics, they also can be polymers, a class of natural and synthetic materials made of many similar units bonded together. For example, DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"DNA is a polymer, as is nylon. An advantage of ferroelectric polymers is they exhibit a tremendous amount of the electric-field-induced strain needed for actuation. This strain is much higher than what is generated by other ferroelectric materials used for actuators, such as ceramics./p>

Along with Wang, other researchers in the study include from Penn State Yao Zhou, postdoctoral scholar in materials science and engineering; Tiannan Yang, assistant research professor with the Materials Research Institute; Xin Chen, postdoctoral researcher in materials science and engineering; Li Li, research assistant in materials science and engineering; Zhubing Han, graduate research assistant in materials science and engineering; Ke Wang, associate research professor with the Materials Research Institute; and Long-Qing Chen, Hamer Professor of Materials Science and Engineering. From North Carolina State UniversityFounded in 1887 and part of the University of North Carolina system, North Carolina State University (also referred to as NCSU, NC State, or just State) is a public land-grant research university in Raleigh, North Carolina. NC State offers a wide range of academic programs and disciplines, including the humanities, social sciences, natural sciences, engineering, business, and education. It is known for its strong programs in engineering, science, and technology and is a leader in research and innovation. It forms one of the corners of the Research Triangle together with Duke University in Durham and The University of North Carolina at Chapel Hill. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"North Carolina State University, other researchers in the study include Hancheng Qin, graduate research assistant in physics; Bing Zhang, graduate student in physics; Wenchang Lu, research professor in physics; and Jerry Bernholc, Drexel Professor in Physics. From Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China, other researchers in the study include co-corresponding author Yang Liu, a former postdoctoral scholar in materials science and engineering at Penn State, now a professor of materials science and engineering./p>