人工筋肉における大きな進歩がサイエンス誌に掲載されました!複数の国の科学者が共同で新たな駆動メカニズムを実現

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2021年、ロボットは「賢く」なった。公然と喧嘩したり、集団で踊ったりするのは、もはや愚かな人間だけのものではなくなった。

しかし、多くの人々にとって、ロボットは依然として硬直的で機械的、さらには冷たいものなのです。

それでも、テクノロジーの急速な進歩と柔軟なロボットの急速な発展により、ロボットに関する固定観念を打ち破る時が来ています。

科学者が設計したソフトロボットには、次のようなさまざまな外観があります。

磁場によって駆動するソフトロボットは花びらのように見えます。

走ったり、泳いだり、重いものを持ち上げたりできる「小さなチーター」。

軍事作戦に使用できる高速トンネル掘削ロボット。

実際、ソフトロボットの設計は、スマートな素材、つまり人工筋肉と関係していることが多いです。

最近、この分野では、中国の科学者が米国、韓国、オーストラリアなどの国の学者と協力して新たな進歩を遂げました。

従来の人工筋肉と比較すると、今回研究者らが設計した人工筋肉は無毒で、駆動周波数が高く（10 Hz）、駆動電圧が低く（1 V）、比エネルギーが高く（0.73～3.5 J/g）、駆動歪みが高く（3.85～18.6％）、エネルギー密度が高い（最大8.17 W/g）という特徴がある。

カーボンナノチューブ糸とは何ですか？

2021年1月29日、「単極ストローク、電気浸透圧ポンプカーボンナノチューブ糸筋肉」と題する論文が、有名な学術誌「サイエンス」に掲載されました。

論文は、ハルビン工業大学（複合材料・構造研究所）、江蘇大学（インテリジェントフレキシブル電気機械研究所）、常州大学（江蘇省太陽光発電科学・工学共同イノベーションセンター）、テキサス大学ダラス校、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校、韓国の漢陽大学、ソウル国立大学、オーストラリアのウーロンゴン大学、ディーキン大学のチームによって発表されました。

論文のタイトルには、「カーボンナノチューブ糸」という、少し意味深な言葉があります。そこで、具体的な研究内容について話す前に、まずは「カーボンナノチューブ糸とは何か」という問題を解決しましょう。

カーボンナノチューブ糸は、特殊な構造を持つ1次元量子材料であるカーボンナノチューブから作られており、その半径サイズはナノメートルの範囲にあり、軸方向のサイズはマイクロメートルの範囲にあり、チューブの両端は基本的に密閉されています。外観は、炭素原子が六角形に配列した同軸の円管が数層積層された構造で、層間の一定距離は約0.34nm、円管の直径は一般に2～20nmです。

カーボンナノチューブは、一次元ナノ材料として軽量で、完全な結合構造を持ち、そのため独特の機械的、電気的、化学的特性を持つと考えられています。

この特異な存在をもとに、カーボンナノチューブ糸が誕生しました。

名前の通り、カーボン系ナノチューブ繊維を引っ張ったり緩めたりして強撚した糸です。

普通の糸とは異なり、カーボンナノチューブ糸は実は超伝導体であり、電池としても使えます。テキサス大学は早くも2011年にアメリカの企業と協力し、カーボンナノチューブ糸を市場に投入し始めました。

2017年、テキサス大学ダラス校はTwistronと呼ばれるカーボンナノチューブ糸を開発しました。

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当時、研究チームの李娜博士はインタビューでこう語った。

これらの糸は本質的にはスーパーキャパシタですが、充電に外部電源は必要ありません。カーボンナノチューブは電解質とは異なる化学ポテンシャルを持っているため、糸を電解質に浸すと、電荷の一部が糸に埋め込まれます。糸が伸びると体積が減少し、電荷が互いに近づきます。電荷によって発生する電圧が増加し、電気エネルギーが生成されます。

2014年から2016年にかけて、チュー・ヘタオという博士課程の学生がハルビン工業大学とテキサス大学ダラス校で共同研修を受けました。また、ハルビン工業大学のレン・ジンソン教授の研究グループとテキサス大学ダラス校のレイ・H・バウマン教授の研究グループがカーボンナノチューブ糸人工筋肉の研究を始めたのもこの頃からでした。

今回は、すでに博士号を取得しているChu Hetao氏が論文の共著者となっている。

人工筋肉の性能が新たなブレークスルーを達成

では、カーボンナノチューブ糸と人工筋肉の関係は何でしょうか?

この論文では、浸透するイオン（正と負の両方）が長さと直径の変化に影響を与えるため、カーボンナノチューブ糸を電気化学アクチュエーターとして使用できると紹介しています。

カーボンナノチューブ糸人工筋肉は代表的なインテリジェント材料であり、主に熱的および電気化学的方法によって駆動され、2つの駆動方法には違いがあると報告されています。

熱力学の法則によれば、熱駆動はKanoの循環効率によって制約され、高温熱源温度T1と低温熱源温度T2の単純なサイクルです。これに比べて、電気化学駆動はエネルギー変換効率が高く、応用範囲が広いです。

これを基に研究チームは全固体筋肉を構築した。糸に帯電ポリマーを浸透させることで、繊維は部分的に膨張し始め、イオンが失われるにつれて長さが増し、筋肉の総ストロークが増加します。

ハルビン工業大学の関係者は、研究者らが初めて、高分子電解質の機能化戦略を通じて、人工筋肉のスマート材料の「双極」駆動を「単極」駆動に変換できることを発見したと述べた（下図参照）。同時に、静電容量が減少するにつれて人工筋肉の駆動性能が向上するという異常現象（スキャン速度向上ストローク、SRES）を発見した。

具体的には、研究者らは次のような結果を得ました。

• 単一イオンの埋め込みと抽出の「モノポーラ」効果を実現し、「バイポーラ」効果の逆イオンの埋め込みと抽出によって発生する性能低下の問題を解決し、作業効率やエネルギー密度などの性能を向上させます。

• 人工筋肉の駆動性能はスキャン速度の増加とともに向上し、従来の人工筋肉の駆動性能の静電容量依存性の問題を解決します。

ハルビン工業大学は次のように考えています。

この重要な進歩により、人工筋肉の駆動性能の静電容量依存性の問題が解決され、無毒で駆動電圧が低い高性能アクチュエータのその後の設計に新たな理論的基礎が提供されます。

この画期的な技術は、宇宙展開構造、バイオニック羽ばたき翼航空機、変形可能な航空機、水中ロボット、フレキシブルロボット、ウェアラブル外骨格、医療用ロボットなどの分野で大きな応用の可能性を秘めていることは特筆に値します。

著者について

ハルビン工業大学複合材料・構造研究所は、1990 年代初頭から、インテリジェント材料と構造の研究方向を確立していました。

実際、ハルビン工業大学のこの分野における探求は、冷金松という名前と切り離せないものです。

ハルビン工業大学で複合材料の博士号を取得したLeng Jinsong教授は、2004年よりハルビン工業大学航空宇宙工学学院複合材料・構造研究所の教授および博士課程の指導者を務めています。

1992 年以来、Leng Jinsong 教授はインテリジェント材料システムと構造に関する研究を開始しました。主な研究分野には、インテリジェント材料システムと構造システム、光ファイバー センサー、構造ヘルス モニタリング、複合材料構造設計とプロセス技術、可変翼航空機、構造振動のアクティブ制御、光ファイバー通信とマイクロ波光電子デバイス、マイクロ電気機械システムなどがあります。

さらに、Leng Jinsong教授は、International Journal of Smart & Nano Materialsの編集長であり、Smart Materials & StructuresやJournal of Intelligent Material Systems and Structuresなどの国際ジャーナルの副編集長でもあります。 2006年に教育部新世紀優秀人材計画に選ばれ、2007年に長江学者優秀教授に選ばれ、2018年にヨーロッパ科学アカデミー物理工学部門外国人院士（Academia Europaea会員）に選出された。

この論文の責任著者の一人がLeng Jinsong教授であることは言及する価値がある。

2020年3月4日、メリーランド大学のLeng Jinsong教授チームとNorman M. Wereley教授チームの共同研究成果が、国際的に有名な学術誌Soft Roboticsに掲載され、象の鼻にヒントを得て伸縮性/収縮性空気圧人工筋肉をベースに設計された、新しいタイプの湾曲した螺旋状の伸縮性/収縮性空気圧人工筋肉（HE-PAMs / HC-PAMs）が実証されました。

この研究により、研究チームは人工筋肉のより深い研究を行うことができました。Leifeng.com は今後もこの分野におけるあらゆる進歩に注目し続けます。