理研、半永久的に駆動するアクチュエータ―を開発：わずかな湿度の揺らぎで

理化学研究所は、環境に存在する湿度の揺らぎをエネルギー源として半永久的に駆動する薄膜アクチュエーターを開発したと発表した。身の回りに存在する非常に小さな湿度の揺らぎから、運動エネルギーを取り出せることを意味する。人工筋肉などの分野に応用できる可能性があるという。

[庄司智昭，EE Times Japan]

構造の一部だけ水を吸着する材料を採用

　理化学研究所（理研）の相田卓三氏と宮島大吾氏、東京大学大学院工学系研究科の荒添弘樹氏らによる研究グループは2016年7月、環境に存在する湿度の揺らぎをエネルギー源として、半永久的に駆動する薄膜アクチュエーターを開発したと発表した。

　同研究グループが開発した薄膜は、少ない水分量で、大きく、高速に屈伸運動を行う。従来も湿度に応答して屈伸する材料は報告されていたが、その応答は遅く、高い湿度条件を必要とするため、通常の環境からエネルギーを取り出すことができなかった。

　従来の薄膜は、水を吸収しやすい高分子材料を用いている。同研究グループは逆の発想で、水をほとんど吸収しないが、構造の一部にだけ水を吸着する高分子材料を用いた。薄膜を形成する際に、この高分子の向きを適切にそろえることで、極少量の水分子の吸収で、大きな屈伸運動を行う薄膜の開発に成功したという。

同研究グループが開発した薄周辺環境の湿度変化に応答した薄膜の屈伸運動。湿度が高くなると、薄膜（高分子膜）は伸び、湿度が低くなると丸まっていく （クリックで拡大） 出典：理研

　この薄膜の開発に成功したことにより、汎用の湿度計では感知できない小さな湿度変化にも応答、屈伸することが可能になったとする。つまり、身の回りに存在する湿度のわずかな揺らぎからも運動エネルギーを取り出せることを意味する。

強い光を照射すると、ジャンプも可能！

　また、同研究グループは薄膜の一部に金を蒸着（じょうちゃく）することで、水滴の周りに起こる湿度の揺らぎを駆動力とし、一方向に歩き続けるアクチュエータ―の開発にも成功した。環境の変化に高速で応答することが可能なため^＊）、薄膜に強い光を照射すると、薄膜が高速で屈伸し、ジャンプすることもできるという。

＊）理研のリリースによると、伸びていた薄膜に強い光を照射後、丸くなるまでの時間は50ミリ秒。光照射を止めて、最初の伸びた状態に戻るまでには計3000ミリ秒（3秒間）の時間を要したという。

光照射に応答した薄膜アクチュエーターがジャンプする様子 （クリックで拡大） 出典：理研

人工筋肉などの分野へ発展する可能性

　開発した薄膜には、グラフィティック・カーボンナイトライド（Graphitic Carbon Nitride：g-C₃N₄)と呼ぶ2次元状高分子を用いている。同研究クループは「独自に開発した手法により、原料として安価なグアニジン炭酸塩を用いて、加熱するだけというシンプルな手法で作製できる」と語る。

理研が公開している、今回発表した薄膜アクチュエータ―の動画

　今回の研究成果は、高速で高効率にエネルギーを変換する基板技術となるため、人工筋肉などの分野に応用できる可能性がある。デバイスなどで利用するには、薄膜の運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換する技術を開発する必要があるとした。