高速マイクロファイバーアクチュエーターが人間の筋肉を見事に模倣
ロボット工学、義肢、その他の工学分野では、動物の筋肉の収縮を模倣するアクチュエーターが一般的に使われています。しかし、天然の筋線維の速度と効率こそが求められる基準です。アクチュエーター技術の新たな開発があるものの、これまでの人工筋肉は大きすぎるか、遅すぎるか、弱すぎるかのいずれかでした。
カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）のエンジニアチームは、人間の筋肉の引張強度、高速応答、高い出力密度を再現する新しい液晶エラストマー（LCE）製の人工マイクロファイバーについて発表しました。
「軸方向の圧縮を引き起こす繊維は、自然界や工学応用で一般的に見られます。繊維アクチュエーターは広く使われているものの、変形量、高速応答、高い比出力を兼ね備えた光ファイバーアクチュエーターを作製することは依然として非常に困難です」と研究者による論文には記されています。
「ポリマー（LCE）は柔らかく、非常に伸縮性の高い素材です。光や熱などの外部刺激を加えると、この素材は一方向に収縮します」
LCEを用いたソフトアクチュエーターは一般的で、50～80％という優れた作動歪みを生み出せるものの、応答時間は通常非常に遅いのが難点です。繊維を応答性と高速性の両方を備えたものにする最も簡単な方法は、その直径を小さくすることです。このためにUCSDの研究者たちは、高電圧をかけた注射器またはノズルからポリマー溶液を押し出し、極細の繊維を得る電界紡糸法を用いました。
電界紡糸法は小規模材料の製造に使われ、直径10～100マイクロメートルのマイクロファイバーを作製します。さまざまな形態構造の繊維を作ることができることで知られ、研究用途や商業用途で一般的に利用されています。
UCSDの研究者が作製したマイクロファイバーの直径は40～50マイクロメートルで、ほぼ人間の髪の毛の太さに相当します。既存のLCE繊維よりはるかに細く、中には0.3mmを超える太さのものもあります。この手法を用いてLCE繊維を作製したのは研究者が初めてではありませんが、この繊維をさらに発展させたのは彼らが初めてです。研究者たちは、繊維の作動を制御し、その作動特性を測定する方法を示しています。
概念実証として、研究チームは電界紡糸したLCE繊維を用いて、マイクロピンセット、マイクロロボット、光で駆動するマイクロ流体ポンプの3種類の微小ロボット装置を製作しました。これらのアクチュエーターは、熱電的な方法または近赤外レーザーで制御することができます。
LCE材料は室温ではネマチック相にあり、この状態では液晶分子がランダムに配列しつつ、その長軸はほぼ同じ方向を向いています。温度が上がると、材料はいわゆる等方相に移行し、あらゆる方向で性質が同じになるため、繊維が収縮します。
結果として、作動時の変形率は最大60％に達し、これは長さ10cmの繊維が4cmまで縮むことを意味します。応答時間は0.2秒未満で、比出力は1kgあたり400Wです。これは人間の筋線維に匹敵します。
研究者たちは、電気制御のソフトアクチュエーターは安価な電子機器と容易に統合できるため、マイクロロボットシステムや機器にとって利点になると指摘しています。電界紡糸法は製造効率も非常に高いとされています。研究者によれば、15分で10,000本の繊維を得ることができます。ただし、まだ解決すべき課題がいくつか残されています。
「この研究における唯一の制約は、LCEマイクロファイバーに熱や光を加えた際のエネルギー利用効率が非常に低く、1%未満であることです。そのため今後の研究では、よりエネルギー効率の高い方法で作動させる方法を検討する予定です」
もう一つの制約は、電界紡糸法で得られたLCE材料のネマチック-等方相転移が90℃を超える非常に高温で起こることです。そのため、体温35℃の人体に直接繊維を挿入することはできません。この問題の解決策の一つとして、別の種類の液晶を使用することが考えられます。
研究者たちは液晶としてRM 257を使用しましたが、相転移温度を下げるために別の種類に変更することも可能です。研究チームは、電界紡糸LCEマイクロファイバーアクチュエーターの研究をさらに広げる可能性に期待を寄せています。
「また、複数のLCE繊維を平行に配置し、同時に作動させることで出力を高められることも実証しました。今後は、これらの筋線維の束を生体医療用組織へと組み合わせられるかどうかを検討する予定です」
