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技術 金属電極を表面に有する人工筋肉体

出願人 イーメックス株式会社
発明者 金藤敬一高嶋授瀬和信吾
出願日 1997年12月15日 (22年11ヶ月経過) 出願番号 1997-344818
公開日 1999年6月29日 (21年4ヶ月経過) 公開番号 1999-169394
状態 未査定
技術分野 補綴
主要キーワード ポリアニリン分子 誘導性能 ポリアニリンフィルム マニュピュレーター 両イオン交換樹脂 圧電型アクチュエータ 変位力 ポリアニリン膜
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この項目の情報は公開日時点(1999年6月29日)のものです。
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図面 (3)

課題

柔軟性に優れ、かつ軽量で、応答が早く、変位量の大きな人工筋肉体を提供する。

解決手段

細長矩形平板状固体電解質成形体2と、該固体電解質成形体の表面に相互に絶縁状態で形成されたポリアニリン膜体3a,3bと、ポリアニリン膜体上に形成された金属電極4a,4bとから人工筋肉体を構成し、この一対の金属電極4a,4bに電圧印加することにより、ポリアニリン膜体を変形させて、人工筋肉体を所定方向に変形自在となるように構成した。

概要

背景

従来、人工筋肉体としては、高分子ゲル導電性高分子などの高分子強誘電体シリコン形状記憶合金などを材料として、電気、熱、光などの刺激により変形す静電引力アクチュエータ圧電型アクチュエータ超音波式アクチュエータ、形状記憶合金式アクチュエータ、イオン交換樹脂型アクチュエータなどが知られている。

たとえば、イオン交換樹脂型アクチュエータは、イオン交換樹脂膜とそのイオン交換樹脂膜の両面に接合した電極とからなり、イオン交換樹脂膜の含水状態においてイオン交換樹脂膜に電位差をかけてイオン交換樹脂膜に湾曲および変形を生じさせるものである。(特開平4-275078号公報参照)。

ところで、直接人体に触れる医用機器では、組織を傷つけない柔らかい材料からなるアクチュエータが要求され、とくに、義足義手人工器官などの人工筋肉には、より軽量で、柔軟な動きをするアクチュエータが望まれている。

このような軽量で、柔軟な動きをするアクチュエータとして、導電性高分子であるポリアニリンを用いる試みが提案されている(応用物理第65巻第8号第803〜810頁参照)。このポリアニリンを使用したアクチュエータは、たとえば2枚のポリアニリンフィルム粘着テープの両面に貼り合わせた3層構造であり、電解液中で、両側のフィルムに1.5Vの電圧をかけると、正極側のフィルムが伸び陰極側のフィルムが収縮して、アクチュエータが湾曲するものである。

概要

柔軟性に優れ、かつ軽量で、応答が早く、変位量の大きな人工筋肉体を提供する。

細長矩形平板状固体電解質成形体2と、該固体電解質成形体の表面に相互に絶縁状態で形成されたポリアニリン膜体3a,3bと、ポリアニリン膜体上に形成された金属電極4a,4bとから人工筋肉体を構成し、この一対の金属電極4a,4bに電圧を印加することにより、ポリアニリン膜体を変形させて、人工筋肉体を所定方向に変形自在となるように構成した。

目的

本発明は、上記のような従来技術に伴う問題点を解決しようとするものであって、応答が早く、変位量の大きな人工筋肉体を提供することを目的としている。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
3件

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請求項1

固体電解質成形体と、該固体電解質成形体の表面に相互に絶縁状態で形成されたポリアニリン膜体と、ポリアニリン膜体上に形成された金属電極とから構成される人工筋肉体であって、前記金属電極間電位差をかけることにより前記ポリアニリン膜体を変形させて、人工筋肉体を所定方向に変形自在となるように構成したことを特徴とする人工筋肉体。

請求項2

前記金属電極が、金電極または白金電極であることを特徴とする請求項1に記載の人工筋肉体。

請求項3

前記ポリアニリン膜体が、ポリアニリンビニルスルホングラフト変性した変性ポリアニリン重合体を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の人工筋肉体。

請求項4

前記ポリアニリン膜体が固体電解質を含むポリアニリン膜体であることを特徴とする請求項1〜3のいずれに記載の人工筋肉体。

請求項5

前記固体電解質成形体が、陰イオン交換樹脂成形体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の人工筋肉体。

請求項6

前記ポリアニリン膜体が、複数対のポリアニリン膜体からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の人工筋肉体。

--

0001

本発明は、人工筋肉体に関し、より詳細には柔軟で、低い電圧で駆動でき、収縮力が大きく、位置保持が可能なポリアニリン膜体を含む人工筋肉体に関する。

背景技術

0002

従来、人工筋肉体としては、高分子ゲル導電性高分子などの高分子強誘電体シリコン形状記憶合金などを材料として、電気、熱、光などの刺激により変形す静電引力アクチュエータ圧電型アクチュエータ超音波式アクチュエータ、形状記憶合金式アクチュエータ、イオン交換樹脂型アクチュエータなどが知られている。

0003

たとえば、イオン交換樹脂型アクチュエータは、イオン交換樹脂膜とそのイオン交換樹脂膜の両面に接合した電極とからなり、イオン交換樹脂膜の含水状態においてイオン交換樹脂膜に電位差をかけてイオン交換樹脂膜に湾曲および変形を生じさせるものである。(特開平4-275078号公報参照)。

0004

ところで、直接人体に触れる医用機器では、組織を傷つけない柔らかい材料からなるアクチュエータが要求され、とくに、義足義手人工器官などの人工筋肉には、より軽量で、柔軟な動きをするアクチュエータが望まれている。

0005

このような軽量で、柔軟な動きをするアクチュエータとして、導電性高分子であるポリアニリンを用いる試みが提案されている(応用物理第65巻第8号第803〜810頁参照)。このポリアニリンを使用したアクチュエータは、たとえば2枚のポリアニリンフィルム粘着テープの両面に貼り合わせた3層構造であり、電解液中で、両側のフィルムに1.5Vの電圧をかけると、正極側のフィルムが伸び陰極側のフィルムが収縮して、アクチュエータが湾曲するものである。

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、このようなポリアニリンは導電性高分子であるものの、電極としての導電性が不充分であるという問題があった。このため、たとえばポリアニリンフィルムに白金リード線を接合させて電位をかけると、ポリアニリンの電気抵抗により、先端部の電圧が降下して、応答性が低下し、変位量が小さくなるという欠点があった。

0007

本発明は、上記のような従来技術に伴う問題点を解決しようとするものであって、応答が早く、変位量の大きな人工筋肉体を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0008

本発明は、前述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明されたものであって、本発明に係る人工筋肉体は、固体電解質成形体と、該固体電解質成形体の表面に相互に絶縁状態で形成されたポリアニリン膜体と、該ポリアニリン膜体上に形成された金属電極とから構成され、前記金属電極間に電位差をかけることにより前記ポリアニリン膜を変形させて、人工筋肉体を所定方向に変形自在となるように構成したことを特徴とするものである。このように構成することによって、ポリアニリン膜体全体に等しい電位をかけることできるので、応答が早く、変位量の大きな人工筋肉体を得ることができる。

0009

また、上記人工筋肉体においては、前記金属電極が、金電極または白金電極であることが好ましい。このように金電極または白金電極が形成されていると、さらに変位量が大きく、応答性の大きい人工筋肉体を得ることができる。

0010

さらに、上記人工筋肉体においては、ポリアニリン膜体がポリアニリンをビニルスルホングラフト変性した変性ポリアニリン重合体を含んでいることが好ましい。このようにポリアニリン膜が変性ポリアニリン重合体を含むことによって、ポリアニリン膜への陰イオン出し入れが円滑に進むため、さらに変位量が大きく、応答性の速い人工筋肉体が得られる。

0011

さらにまた上記人工筋肉体においては、固体電解質成形体が、陰イオン交換樹脂成形体であることが好ましい。このように固体電解質成形体が、陰イオン交換樹脂成形体であると、人工筋肉体の変形の際、ポリアニリン膜の変形と同じ方向に陰イオン交換樹脂成形体も変形するので、さらに変位量の大きな人工筋肉体が得られる。

0012

また、上記人工筋肉体においては、前記ポリアニリン膜体が、複数対のポリアニリン膜体からなることが好ましい。このように複数対のポリアニリン膜体から構成されると、任意の方向に変形し、回転が可能な人工筋肉体を得ることができる。

発明を実施するための最良の形態

0013

以下、本発明の実施の形態(実施例)について図面に基づいてより詳細に説明する。

0014

図1および図2は、本発明に係る人工筋肉体の最適な実施例を示す概略断面図である。この実施例において、人工筋肉体1は、細長矩形平板状の固体電解質成形体2と、該固体電解質成形体2の両面に相互に絶縁状態で形成された一対のポリアニリン膜体3a,3bと、該ポリアニリン膜体上に形成された金属電極4a,4bとから構成され、この一対の金属電極4a,4b間にに電圧を印加することにより、ポリアニリン膜体が変形して人工筋肉体1が湾曲変形屈曲)するようになっている。

0015

この金属電極4a,4bには、一対のリード線5a、5bの一端がそれぞれ電気的に接続されているとともに、この各リード線5a、5bは、電源6に接続されている。

0016

固体電解質成形体2としては、上記矩形平板状に限定されるものではなく、例えば膜状、円柱状、円筒状などであってもよい。このような固体電解質成形体2を構成する固体電解質としては、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換樹脂両イオン交換樹脂などが挙げられる。陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレンポリスチレンフッ素樹脂などの表面にスルホン酸基カルボキシル基などの官能基が導入されたものが使用される。陰イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などの表面にアミノ基などの官能基が導入されたものが使用される。このうち、本発明では、陰イオン交換樹脂が好適に使用される。このような陰イオン交換樹脂を使用すると、後述するような理由で、人工筋肉体変形時にポリアニリン膜体に変形と同じ方向に陰イオン交換樹脂が変形するため、人工筋肉体の変位量および変位力を大きくすることができる。

0017

ポリアニリン膜体3a、3bは、下記一般式[1]で表されるポリアニリンからなる。

0018

0019

このようなポリアニリンは、アニリンを塩酸に溶解した水溶液ペルオキソ二硫酸アンモニウムを添加し、アニリンを重合することによって得ることができる。

0020

また、本発明に係るポリアニリン膜体は、上記一般式[1]で表されるポリアニリンにビニルスルホン酸グラフト共重合した変性ポリアニリン重合体であってもよい。なお、ビニルスルホン酸は、Na、Kなどの塩化合物エステル化合物などの誘導体であってもよい。このようなグラフト共重合は、ポリアニリンに電子線を照射したのち、該ポリアニリンをビニルスルホン酸水溶液に浸漬することによって行うことができる。さらにまた、上記一般式[1]で表されるポリアニリンには、ビニルスルホン酸以外にポリアクリル酸がグラフト共重合されていてもよい。

0021

さらにまた、ポリアニリン膜体3a、3bは、固体電解質が配合されたものであってもよい。固体電解質としては、固体電解質成形体2を構成する固体電解質と同様のものが例示され、このような固体電解質は、固体電解質成形体2に使用されるものと同一のものであっても、異なるものであってもよい。

0022

ポリアニリン膜体中の固体電解質は、ポリアニリン100重量部に対し、固体電解質が0.1〜20重量部、好ましくは0.5〜5重量部の量で含まれていることが望ましい。

0023

このような固体電解質のポリアニリンへの配合は、ポリアニリンの溶解液に、固体電解質の溶解液を添加し、混合したのち、乾燥して、溶剤を除去することによって行うことができる。なお、ポリアニリンを溶解する溶剤としては、通常、n-メチルピロリドンなどが使用される。また、固体電解質を溶解する溶剤としては、アルコールが使用される。

0024

固体電解質は、ポリアニリン中に均一に分散していることが人工筋肉体の変位量を大きくすることができるので望ましく、また、このようにポリアニリン中に固体電解質が配合されていると、剛性が低く、柔軟性に優れた人工筋肉体を得ることができる。

0025

このようなポリアニリン膜体3a、3bは、固体電解質成形体2表面に固体電解質をアルコールなどの溶剤に溶解したものを塗布し、該塗布面にポリアニリン膜体を貼着させることによって接合される。また、固体電解質をアルコールなどの溶剤に溶解したものを塗布して形成した固体電解質層を有する固体電解質成形体2を、ポリアニリンが溶解した液に浸漬したのち、取り出し、乾燥することによって、ポリアニリン膜体を固体電解質成形体2に接合することもできる。

0026

ポリアニリン膜体3a、3b上に形成される金属電極4a,4bとしては、金電極または白金電極が好ましい。このような金属電極は、化学めっき、電気めっき、真空蒸着スパッタリング、塗布、圧着溶着など従来公知に方法によって形成することができる。

0027

リード線5a,5bの材質としては、銅、鉄、アルミニウム、金、白金などの一般的に導電性の材料を利用することが可能であり、必要に応じて、めっきまたは絶縁被覆を施すことができる。

0028

この実施例においては、固体電解質成形体2として、厚さ0.15mm、幅2mm、長さ30mmの固体電解質成形体を使用し、この両面に厚さ5〜25μmのポリアニリン膜体が接合された人工筋肉体を構成するとともに、電源6として1.5Vの直流電源を使用している。

0029

このような人工筋肉体の作動原理は明確ではないが、金属電極4a,4bに電位差がかかることで、図2に示すように固体電解質成形体2中の陰イオンが、陰極側ポリアニリン膜体3bから陽極側ポリアニリン膜体3aに移動して、陽極側ポリアニリンの高分子鎖に陰イオンが挿入され、陽極側ポリアニリンは高分子鎖の嵩が増大しているものと推定される。また、陽極側ポリアニリンの高分子鎖に陰イオンが挿入されることによって、陽極側ポリアニリン分子内の静電反発力が増大し、さらにπ電子非局在化によって屈曲した高分子鎖を剛直にする構造変化が起きているものと推定される。このような原理により、陽極側のポリアニリンが伸長し、陰極側のポリアニリンが縮小して、人工筋肉体が湾曲していると考えられる(応用物理第65巻 第8号 第803〜810頁参照)。

0030

また、ポリアニリンにビニルスルホン酸でグラフトされていると、グラフト鎖によって陰イオンの出し入れが円滑に進み、かつグラフト変性によって重合体分子が嵩高くなるため、人工筋肉体の変位力が大きく、応答性が速くなると推定される。

0031

また、固体電解質成形体2として、陰イオン交換樹脂成形体が使用されている場合、陰イオン交換樹脂中の陰イオンが陽極側に移動し、かつ、この陰イオンに伴われて水分子が陰イオン交換樹脂内で移動するため、陰イオン交換樹脂の陽極側と陰極側との間に水分量の差が生じ、含水率の高い陽極側が膨潤し、含水率に低い陰極側が収縮することによって、陰イオン交換樹脂も湾曲しているものと考えられる。このため、固体電解質成形体2として、陰イオン交換樹脂を使用すると、ポリアニリン膜体3a,3bの変形方向と陰イオン交換樹脂の変形方向とが同じ方向となるので、両作用が相乗して変形が促進され、高い変位力の誘導体が得られる。

0032

以上のような本発明に係る人工筋肉体は、通常、固体電解質成形体が含水している状態で使用される。このとき、水中にはNaClなどの電解質が存在していてもよい。このような電解質を存在させることにより、人工筋肉体の変位特性を安定化することができる。また、固体電解質が含水状態にあれば、電解質がポリアニリン膜体の回りに存在していない純水中、空気中であっても、人工筋肉体を作動することができる。

0033

また、このような本発明に係る人工筋肉体は、一定の電圧をかけている間はポリアニリンが伸縮しているので、変位を固定することができる。

発明の効果

0034

本発明は上記のような構成であるので、均一にポリアニリン膜体全体に等しい電位をかけることが可能であり、このため応答が早く、変位量の大きな人工筋肉体を得ることができる。

0035

したがって、本発明に係る人工筋肉体をマイクロデバイス案内部材本体の先端部に接合すると、操作制御部による操作によって、任意かつ積極的に湾曲(変形)させることができるので、案内部材本体の先端部に接続した、ハサミ鉗子スネアレーザメススパチュラなどのマイクロサージェリー医療器具、各種センサー、工具などのマイクロデバイスの誘導性能を向上することができ、これによって、目的部位へ任意の方向に向けることができ、その操作が熟練を要することなく、迅速かつ容易に行うことができる。

0036

従って、このようなマイクロデバイスおよびそれを備えたマイクロマシンを、例えば、眼球手術腹腔鏡下手術、微少血管縫合手術などのマイクロサージェリー技術においてピンセット、ハサミ、鉗子、スネア、レーザメス、スパチュラ、クリップなどの医療器具に適用すれば、検査治療時における患者に与える苦痛を極力和らげ、患者に対する肉体的、精神的負担を低減することができる。

0037

また、このようなマイクロデバイスおよびそれを備えたマイクロマシンを、発電設備等のプラント航空機エンジン等の機械ステム配管系統エンジン内部等の検査、補修等を行う各種センサーや、補修用工具などに適用すれば、補修作業に手間や時間を要せず、確実に行うことが可能となる。

0038

また、本発明に係る人工筋肉体は、上記以外に、高周波振動によるマイクロポンプリハビリ補助動力マッサージ器などの健康器具湿度計、湿度計コントロール装置、ソフトマニュピュレーター、水中バルブ、ソフト運搬装置などの工業用機器金魚および海草などの水中モービル、動く釣り餌および推進ヒレなどのホビー用品などにも好適に使用することができる。

図面の簡単な説明

0039

図1本発明の人工筋肉体の電圧無印加状態の概略断面図である。
図2本発明の人工筋肉体の電圧印加状態の概略断面図である。

--

0040

1・・・・人工筋肉体
2・・・・固体電解質成形体
3a、3b・・・・ポリアニリン膜体
4a、4b・・・・金属電極
5a、5b・・・・リード線
6・・・・電源

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