人工筋肉

人工筋肉は、自然の筋肉を模倣し、外部刺激(電圧、電流、圧力または温度など)に起因して1つの構成要素内で可逆的に収縮、拡張、または回転することができるアクチュエータ、材料またはデバイスに用いられる総称的な用語である。 3つの基本的な作動応答(収縮、伸長、および回転)は、単一の構成要素内で一緒に組み合わせて、他のタイプの動作を生成することができる(例えば、屈曲、一方の側を収縮させて他方の側を伸ばす)。 従来のモータおよび空気圧リニアアクチュエータまたはロータリアクチュエータは、作動に関与する複数の構成要素が存在するため、人工筋肉としては適格ではない。

従来の剛性アクチュエータと比較して高い柔軟性、多用途性、パワー対重量比のため、人工筋肉は非常に破壊的な新興技術である可能性があります。 現在のところ、限られた用途ではありますが、このテクノロジーは、産業、医学、ロボット工学および他の多くの分野で幅広い将来の用途を有する可能性があります。

概要
これらはバイオテクノロジーによる実際の動物的な筋肉の構造を模したものだけではなく、電気的・磁気的ないし化学エネルギーを消費して状態変化して動力を発生させるアクチュエータも含まれる。

人工筋肉には、圧電式、形状記憶合金、静電式、圧空式など様々なタイプが存在するが、最近では合成樹脂など高分子を用いたものが注目を集めている。利用される素材が柔らかいことや、動作が柔軟で外部からの力にも対応することなどから、ソフトアクチュエータともいわれている。

機械装置では入力されたエネルギーに対して所定の運動量を出力する傾向があるが、これは何らかの制限が物理的に存在した場合に、その障壁ないし機械装置自身を破損することにも繋がる。人工筋肉では入力されたエネルギーに対して一定の幅で運動を行うものの、同時に外部より力が入力されたり所定の運動量が発揮できない場合には、この動力装置自身が歪みの形で余剰な運動量を吸収、装置の破壊や対象の損傷を防ぐ機能を持つと考えられる。

こういった「柔らかい」動力源は、機械的なトルクが機構内外の摩擦により余剰に消費されていたエネルギーを、弾性の形で動力内に仮置くことが出来るため、より効率の良い装置の開発に役立つと考えられるほか、また機械要素や構造が動力を生むのではなく、素材自体が動力源であるため、装置の小型化にも役立つといえよう。

但し2010年現在において、人工筋肉として使われる素材でも圧電素子や高分子材料などには開発・研究段階のものが多く、安価に量産できない・されていないことや、入力されたエネルギーから運動量への変換効率が低いことや、耐圧・耐久性の問題等もあり、一般に使用できる製品として販売される製品への応用例は限られ、普及には時間を要すると見られる。なおアクチュエーターとしての機能は市販の小型モーターやリニアモーター(ボイスコイルモーターを含む)などの原理を応用すれば可能であり、こちらの方がモジュールとして提供されている既存製品を利用でき安価にそろえることができるため、これらを使う製品が主流である。

自然な筋肉との比較
アクチュエータを比較できる一般的な理論はありませんが、人工筋肉技術のための「力基準」があり、自然の筋肉特性と比較して新しいアクチュエータ技術の仕様を可能にしています。 要約すると、基準には、応力、歪み、歪み速度、サイクル寿命、および弾性率が含まれる。 いくつかの著者は、アクチュエータ密度および歪み分解能などの他の基準(Huberら、1997)を考慮している。 2014年現在、存在する最も強力な人工筋繊維は、同等の長さの天然筋繊維に比べて、倍のパワーを提供することができます。

研究者は、人工筋肉の速度、エネルギー密度、パワー、効率を測定する。 どのタイプの人工筋肉も全領域で最高です。

タイプ
人工筋肉は、その作動メカニズムに基づいて3つの主要なグループに分けることができる。

電界作動
電気活性ポリマー(EAP)は、電場の印加によって作動させることができるポリマーである。 現在、最も顕著なEAPには、圧電ポリマー、誘電アクチュエータ(DEA)、電歪グラフトエラストマー、液晶エラストマー(LCE)および強誘電性ポリマーが含まれる。 これらのEAPは屈曲させることができるが、トルク運動の能力が低いため、人工筋肉としての有用性が制限されている。 さらに、EAPデバイスを作成するための標準的な標準材料がなければ、商品化は実用的ではありませんでした。 しかし、1990年代以降、EAP技術の大きな進歩があった。

イオンベースの作動
イオン性EAPは、(電界の印加に加えて)電解質溶液中でのイオンの拡散によって作動することができるポリマーである。 イオン性電気活性ポリマーの現在の例は、ポリ電極ゲル、アイオノマーポリマー金属複合材(IPMC)、導電性ポリマーおよび電気流動性流体(ERF)を含む。 2011年には、電界を印加することによってねじれたカーボンナノチューブを作動させることも可能であることが示された。

電力作動
スーパーコイルポリマー(SCP)としても知られているねじりコイルド(TCP)筋肉は、電力によって作動することができるコイル状ポリマーである。 TCP筋肉は、らせん状の春のように見えます。 TCP筋肉は、通常、銀被覆ナイロン製である。 TCP筋肉は、金のような他の導電性被覆からも作ることができる。 TCP筋肉は、筋肉を伸ばすために負荷の下にあるべきです。 電気エネルギーは、ジュール加熱、オーム加熱、および抵抗加熱としても知られている電気抵抗による熱エネルギーに変換される。 ジュール加熱によってTCP筋肉の温度が上昇すると、ポリマーが収縮して筋収縮を引き起こします。

空気圧作動
空気圧人工筋肉(PAM)は、空気圧ブラダーに加圧空気を充填することによって作動する。 膀胱にガス圧を加えると、等方的な体積膨張が起こるが、膀胱を囲む編組ワイヤによって閉じ込められ、体積膨張をアクチュエータの軸に沿った線形収縮に変換する。 PAMはその操作と設計によって分類することができます。 すなわち、PAMは、空気圧または水圧操作、過圧または不足圧力操作、編組/網状または包埋膜および延伸膜または膜の再編成を特徴とする。 今日最も一般的に使用されているPAMの中には、1950年代にJL McKibbenによって最初に開発されたMcKibben Muscleとして知られている円筒編組筋があります。

熱作動

釣り糸
普通の釣り糸と縫い糸で作られた人工筋肉は、同じ長さと重さの人間の筋肉に比べて100倍の重量を持ち上げ、100倍の力を発揮することができます。

釣り糸に基づく人工筋肉は、形状記憶合金またはカーボンナノチューブ糸よりも既に(1ポンドあたり)桁少ない。 現在のところ効率が比較的低い。

個々の巨大分子は、市販のポリマー繊維中の繊維と整列している。 研究者らは、それらをコイルに巻くことによって、人間の筋肉と同様の速度で収縮する人工筋肉を作製する。

殆どの材料とは異なり、ポリエチレンテレピン釣糸やナイロン縫糸などの(撚り合わせされていない)ポリマー繊維は、250Kの温度上昇に対して約4%まで加熱すると短くなります。 ファイバをねじり、ツイストファイバをコイルに巻くことによって、加熱によりコイルが締め付けられ、最大49%まで短縮される。 研究者らは、加熱によってコイルが69%長くなるようにコイルを巻く別の方法を見出した。

熱活性化人工筋肉の1つの用途は、電力を使用せずに温度に応答して窓を自動的に開閉することである。

パラフィンで満たされたねじれたカーボンナノチューブからなる小さな人工筋肉は、人間の筋肉より200倍強力です。

形状記憶合金
形状記憶合金(SMA)、液晶エラストマー、変形して熱にさらされると元の形状に戻る金属合金は人工筋肉として機能することができます。 熱アクチュエータベースの人工筋肉は、形状変化の間、耐熱性、耐衝撃性、低密度、高疲労強度および大きな力発生を提供する。 2012年には、筋肉の導電性ねじれ構造内の二次材料の熱膨張に基づいて、「撚糸アクチュエータ」と呼ばれる電界活性化され電解質を含まない新しい人工筋肉が実証されました。 コイル状の二酸化バナジウムリボンは、200,000rpmのピーク捩れ速度で捩じれ、捩れを解くことができることも実証されている。

高分子を使った人工筋肉
電場応答性高分子 (Electroactive Polymers:EAP)
イオン導電性高分子ゲル (ICPF:Ionic Conducting Polymer Film)
1991年に小黒啓介(旧通産省工業技術院大阪工業技術研究所、現産総研)らにより発明される。
パー・フルオロ・スルホン酸 (PFS) 膜の両側に貴金属(金、白金)を無電解メッキしたもので両側の電極に電圧を印加すると高速に屈曲する。

特徴
電気分解がおきにくい
長寿命(10万回の屈曲を確認)
応答時間0.1[s]以下,100[Hz]程度の正弦電圧で駆動
小型化が容易(mmオーダー)
誘電エラストマー (dielectric elastomer)
誘電エラストマーに強い電場を加えると電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向には膨張する(マクスウェル応力)。
2枚の電極板の間にゴム状の誘電体を挟み電圧をかけると、帯電し電極間に引力が生じ、誘電体が押しつぶされて面方向に膨張する。

空気圧を使った人工筋肉
空気圧人工筋肉 (Pneumatic artificial muscles:PAMs)
McKibben(マッキベン)型人工筋肉
1961年、Joseph McKibbenによって開発された。
ゴムチューブの周りをナイロン繊維で覆った形状で、圧縮空気を内部に加えることで収縮する。
Origami Robot – MITコンピュータ科学・人工知能研究所(CSAIL)が開発した。折り紙の構造と真空パックを組み合わせた人工筋肉。真空パック内の空気を抜くことで、内部の折り紙も連動変形し骨格となる。

電気・磁気を使った人工筋肉
電気粘性流体 (electrorheological fluid) を使用したもの
磁性粘性流体 (magnetorheological fluid) を使用したもの
静電引力を利用したもの
東京大学 樋口・山本研究室が研究開発中の「高出力静電モーター」などのように静電力を利用したアクチュエータも人工筋肉として応用可能であると考えられる。 Videos of Electroactive Polymers in Action

CNT筋繊維
カーボンナノチューブを加工したものに5kV程度の電圧を加えることで収縮する仕組みの人工筋肉がテキサス大学ダラス校ナノテクノロジー研究所で開発された。この人工筋肉は空気よりわずかに重い程度の密度しかなく、収縮速度が速く、生体筋肉と比べて面積あたり出力が30倍であるという。(なお、生体筋肉の30倍というのは他の人工筋肉に比べて特別強いわけではない。)

制御システム
3つのタイプの人工筋肉は、作動に必要な制御システムのタイプに影響する異なる制約を有する。 しかしながら、制御システムは、しばしば、与えられた実験の仕様を満たすように設計されており、様々な異なるアクチュエータまたはハイブリッド制御スキーマの組み合わせ使用を必要とするいくつかの実験があることに留意することが重要である。 このように、以下の実施例は、所定の人工筋肉を作動させるために使用され得る様々な制御システムの網羅的なリストとして扱われるべきではない。

電圧制御
ツイストおよびコイル状ポリマー(TCP)筋肉は、入力が電圧である場合、85%以上の精度で一次線形時間不変状態空間によってモデル化することができる。 したがって、TCP筋肉は、デジタルPIDコントローラによって容易に制御することができる。 ファジィコントローラを使用して、PIDコントローラの速度を上げることができます。

EAP制御
EAPは、従来のアクチュエータに比べて軽量、高速応答、高出力密度、静音動作を提供します。 電気EAPおよびイオンEAPの両方が、閉ループ制御システムとしてよりよく知られているフィードバック制御ループを使用して主に作動される。

空気圧制御
現在、空気圧人工筋肉(PAM)には2つのタイプがある。 第1のタイプは編組スリーブによって囲まれた単一のブラダーを有し、第2のタイプは2重ブラダーを有する。

編組スリーブで囲まれた単袋
空気圧人工筋肉は、軽量で安価ではあるが、それらが非常に非線形であり、時間の経過と共に著しく変動する温度のような特性を有するので、制御が困難である。 PAMは、一般に、ゴムとプラスチックの成分からなる。 これらの部分が作動中に互いに接触すると、PAMの温度が上昇し、最終的に時間の経過とともに人工筋肉の構造が恒久的に変化する。 この問題は、様々な実験的アプローチを導いた。 (Ahnらによって提供された)要約すると、実行可能な実験制御システムは、PID制御、適応制御(Lilly、2003)、非線形最適予測制御(Reynoldsら、2003)、可変構造制御(Repperger et al。 (Hesselroth et al。、1994)、ニューラルネットワーク/非線形PID制御(Hesselroth et al。、1994)などの様々なソフトコンピューティングアプローチAhn and Thanh、2005)、ニューロファジィ/遺伝子制御(Chan et al。、2003; Lilly et al。、2003)。

高度に非線形なシステムに関する制御問題は、システムの動作能力の「ファジィモデル」(Chan et al。、2003)が(特定のシステムの実験結果から暴走させることができる)試行錯誤のアプローチによって一般的に対処されてきた知識豊富な人間の専門家によってテストされています)。 しかし、ある種の研究では、与えられたファジィモデルの精度を訓練すると同時に、以前のモデルの数学的な複雑さを回避するために、「実データ」(Nelles O.、2000)を採用している。 Ahnらの実験は、PAMロボットアームからの実験的な入出力データを使用してファジィモデルを訓練するために改良遺伝子アルゴリズム(MGA)を使用する最近の実験の単なる一例に過ぎない。

二重膀胱
このアクチュエータは、筋肉の内部を2つの部分に分割する内部可撓性膜を有する外部膜からなる。 腱は膜に固定され、腱が筋肉に収縮できるようにスリーブを介して筋肉を出る。 チューブは、内部膀胱に空気を入れ、外部膀胱に巻き上げます。 この種の空気圧式筋肉の主な利点は、膀胱の外スリーブに対する摩擦的な動きがないことである。

熱制御
SMA人工筋肉は、軽量で、大きな力と変位を必要とする用途にも有用であるが、特定の制御課題を提示する。 すなわち、SMA人工筋肉は、そのヒステリシスの入出力関係および帯域幅の制限によって制限される。 Wenら 議論しているように、SMA相変態現象は、得られる出力SMA鎖がその熱入力の履歴に依存するという点で「ヒステリシス」である。 帯域幅の限界に関しては、ヒステリシス相変換中のSMAアクチュエータの動的応答は、熱がSMA人工筋肉に伝達するのに要する時間のために非常に遅い。 静的デバイスとしてのSMAアプリケーションを前提としているため、SMAコントロールに関してはほとんど研究が行われていません。 それにもかかわらず、ヒステリシス非線形性の制御問題に対処するために、様々な制御アプローチがテストされてきた。

一般に、この問題は、開ループ補償または閉ループフィードバック制御のいずれかの適用を必要とする。 開ループ制御に関して、Preisachモデルは、シンプルな構造と簡単なシミュレーションと制御のために使用されてきました(Hughes and Wen、1995)。 閉ループ制御に関しては、SMA閉ループ安定性を解析する受動性ベースの手法が用いられている(Madill and Wen、1994)。 Wenらの研究は、閉ループフィードバック制御の別の例を提供し、力フィードバック制御と位置制御の組み合わせを、SMAによって作動される柔軟なアルミニウムビームに適用することによって、SMAアプリケーションにおける閉ループ制御の安定性を実証しているニチノール。

アプリケーション
人工筋肉技術は、ロボット、産業用アクチュエータ、および動力外骨格を含む生体模倣機械において幅広い潜在的用途を有する。 EAPベースの人工筋肉は、軽量で低消費電力の要件、回復力および運動性と操作性の組み合わせを提供します。 将来のEAPデバイスは、航空宇宙産業、自動車産業、医学、ロボット工学、関節運動機構、娯楽、アニメーション、玩具、衣服、触覚と触覚インタフェース、騒音制御、トランスデューサ、発電機、スマート構造などに応用されます。

空気圧人工筋肉は、従来の空気圧シリンダと比較して、より大きな柔軟性、制御性および軽さも提供する。 ほとんどのPAMアプリケーションには、McKibbenのような筋肉の利用が含まれます。 SMAのような熱アクチュエータは、様々な軍事、医療、安全、およびロボット用途を有し、機械的形状変化によってエネルギーを生成するためにさらに使用することができる。