TOP セミナー 書籍 社内研修 セミナーQ&A 書籍Q&A お問い合せ 会社概要


ご購入またはご試読は、画面下の「書籍購入」あるいは「書籍試読申込」ボタンから  
ソフトアクチュエータの材料・構成・応用技術  
[コードNo.16STA124]

■体裁/ A4判 ソフトカバー 375ページ
■発行/ 2016年11月 8日 S&T出版(株)
■定価/ 70,200円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-907002-61-9

監修

安積欣志産業技術総合研究所
奥崎秀典山梨大学
鈴森康一東京工業大学

執筆

奥崎秀典山梨大学
安積欣志産業技術総合研究所
鈴森康一東京工業大学
渡辺敏行東京農工大学
須丸公雄産業技術総合研究所
高木俊之産業技術総合研究所
杉浦慎治産業技術総合研究所
金森敏幸産業技術総合研究所
三俣哲新潟大学
金娟秀東京大学
秋元文東京大学
吉田亮東京大学
石田康博理化学研究所
竹岡敬和名古屋大学
平井利博信州大学
千葉正毅千葉科学研究所
田實佳郎関西大学
佐藤正樹山梨大学
浦山健治京都工芸繊維大学
伊原正鈴鹿医療科学大学
中村太郎鈴鹿医療科学大学
橋本稔信州大学
釜道紀浩東京電機大学
高木賢太郎名古屋大学
明愛国電気通信大学
山本晃生東京大学
和氣美紀夫(有)Wits
庄司英一福井大学
脇元修一岡山大学
桝田晃司東京農工大学
豊田晃央(株)ソフトメカ
三井和幸東京電機大学
谷口浩成大阪工業大学
小林宏東京理科大学 (株)イノフィス
西岡靖貴滋賀県立大学
中村太郎中央大学
竹村研治郎慶應義塾大学
木下晴之東京大学
藤井輝夫東京大学
塚越秀行東京工業大学
車谷駿一東京工業大学
木村仁東京工業大学
佐々木廉北海道大学
佐田和己北海道大学
角五彰北海道大学
藤里俊哉大阪工業大学
高木空大阪工業大学
中村友浩大阪工業大学
筒井博司大阪工業大学
佐野健一日本工業大学
川村隆三埼玉大学
長田義仁理化学研究所

趣旨

 ソフトアクチュエータとは、軽量で柔軟な材料が変形することによりアクチュエータとして機能する材料、素子、デバイスのことである。これらソフトアクチュエータは人工筋肉とも呼ばれ、小型軽量、様々な駆動源、無音、極限条件・水中や大気中で動くなどの特徴があり、近年、開発が求められているリハビリや介護あるいは作業補助用のパワーアシスト用ウエアラブルロボットや医療手術支援ロボットなどのアクチュエータとして大きな期待がかけられている。このことは、2015年1月に経産省から発表された「ロボット新戦略」の中にも「高分子型軽量人工筋肉やそうした非線形性の高いシステムをスムーズに制御する制御理論」の研究開発が求められていることからも伺える。
 現在、研究開発が進められているソフトアクチュエータは様々な材料、駆動原理からなるが、本書ではその中で最も実用化に近い「ポリマー材料によるソフトアクチュエータデバイス」(第1部)及び「流体制御によるソフトアクチュエータデバイス」(第2部)を中心に、将来のソフトアクチュエータ技術として大きな期待が寄せられている「バイオ材料によるソフトアクチュエータデバイス」(第3部)を取り上げ、今後用途が広がると考えられる材料やデバイス、及びそれらの応用の最新の研究開発事例について、本分野の第一線で活躍されている大学・研究機関や企業の研究者・技術者の方々に分担執筆していただいた。さらに、序章において監修者3名によるソフトアクチュエータ材料、デバイス開発、及び市場開発動向に関する総論を加え、ソフトアクチュエータ開発の現況をご理解いただける様にした。
 ソフトアクチュエータは本書の目次をご覧になるとお分かりいただける様に、学問的には高分子科学、材料科学、電気工学、機械工学、ロボット工学、制御工学、生物物理学などの広範な分野にまたがった学術領域を形成しつつあるとともに、応用分野としても、オートフォーカスや手術デバイス、バイオチップなどの医療デバイスから介護やリハビリ用ウエアラブルロボット、さらに自動車車両分野、ユーザーインターフェース、センサー、発電等、多岐にわたって実用化が期待されている。本書はその広範にわたるソフトアクチュエータの最新技術を1冊にまとめたもので、ソフトアクチュエータに関連した開発にご関心のある技術者、研究者の方には手に取っていただいて必ず役に立つと確信している。
(監修者 はじめに)


目次

【序 ソフトアクチュエータ-総論】
第1節ソフトアクチュエータ材料の進歩と現状
1はじめに
2高分子ゲルアクチュエータ
3導電性高分子アクチュエータ
4エラストマーアクチュエータ
5カーボンナノチューブアクチュエータ
6ナノバイオマシン
7おわりに
第2節ソフトアクチュエータ材料の市場開発動向
1はじめに
2電気駆動高分子アクチュエータ材料とその特徴
3公開特許から見た分野
3.1家電分野
3.2医療・福祉・健康分野
3.3ロボット
3.4自動車
3.5センサ及び振動発電
3.6その他の応用
4今後の展望
第3節ソフトアクチュエータのロボット・デバイス開発の現状
1ソフトロボットの背景
2ソフトロボットで何ができるのか
2.1受動的力制御
2.2形状適応性
2.3柔らかければいいのか
3ソフトアクチュエータのロボット・デバイス開発の例
3.1細径人工筋肉を用いたソフトエグゾスケルトン
3.2ジャコメッティロボティクス
3.3色が変わるソフトロボット
3.4自立型空圧ソフトアクチュエータ
【第1部 ポリマー材料によるソフトアクチュエータデバイスとその応用】
第1章ポリマーゲルによるソフトアクチュエータデバイスの実用化とその課題
第1節光応答型高分子ゲルアクチュエータ
1はじめに
2光応答性部位の設計
3分子レベルの変形を如何にマクロな変形へとシンクロさせるか
4光応答性高分子ゲルの光応答挙動
4.1光応答性ポリアミド酸ゲルの合成
4.2ポリアミド酸ゲルの光照射による吸光度変化
4.36FDA/DAA棒状ポリアミド酸ゲルの屈曲挙動
4.4光照射によるゲルの網目サイズ変化の計測
4.5光応答速度の向上
4.6二官能性オリゴマーの分子量の光応答速度への影響
5おわりに
第2節光応答スピロピランゲルアクチュエータ
1緒言
2光応答の素過程
3微小パターン照射によるシート表面形状制御
4マイクロ流路の光オンデマンド制御
5ロッド状ゲルアクチュエータの光屈曲制御
6展望と課題
第3節磁場応答性ソフトアクチュエータ
1はじめに
2磁性ソフトアクチュエータ
3磁性ゲルの可変粘弾性
4磁性エラストマーの可変粘弾性
4.1単一粒子型磁性エラストマー
4.2粒子混合型磁性エラストマー
5おわりに
第4節自励振動ゲルアクチュエータ
1はじめに
2自励振動ゲルの設計とゲルの物理化学構造デザインによる自励振動挙動の制御
3高分子溶液および微粒子懸濁液の透過率振動および粘性振動
4生体模倣アクチュエータへの応用
4.1ゲルの自律的な蠕動運動
4.2自律的に一軸移動するソフトアクチュエータの設計
5自動物質輸送システムの構築
5.1ゲルの蠕動運動を利用した自動物質輸送
5.2自励振動ポリマーブラシ表面の創製
6細胞のような複雑な形状振動を示す自励振動架橋ベシクル・コロイドソーム
7アメーバ運動のようなゾル/ゲル転移を生起させるための自励振動高分子設計
8おわりに
第5節体積一定で駆動するヒドロゲルアクチュエータ:水の出入りを伴わない、高速かつ異方的な大変形
1はじめに
2着想の元となった研究:磁場配向した酸化チタンを内包するヒドロゲルの力学物性
3アクチュエータへの応用展開:磁場配向した酸化チタンを内包するヒドロゲルの変形特性
4おわりに
第6節ポリロタキサンを用いた架橋剤の開発と高分子ゲル・ソフトアクチュエータへの応用
1刺激応答性高分子ゲルを力学的に高機能化するために
2ポリロタキサンを架橋剤とする刺激応答性高分子ゲル
第2章電気駆動ポリマーによるソフトアクチュエータデバイスの実用化とその課題
第1節誘電ポリマーゲルアクチュエータ
1はじめに
2誘電ポリマーゲルとは
3誘電ポリマーゲルに電場を印加すると何が起こるか
4誘電ポリマーゲルの電場駆動材としての欠点とその対策は何か
5誘電エラストマーの可能性
5.1ポリウレタンエラストマー(PUE)
5.2ブロックコポリマーエラストマー(TriBlockCPE)
6可塑化ポリマーと溶媒膨潤型ゲルの相違点
7誘電性の可塑化ポリマーゲルの性能と可能性
7.1可塑化PVCゲルの構造
7.2可塑化PVCゲルの電場方向の変形(電歪挙動)
7.3可塑化PVCゲルの電場によるアメーバ様のクリープ大変形と回復挙動
7.4可塑化PVCゲルのクリープ変形の応用例
7.5可塑化PVCゲルの電場による折りたたみ変形
7.6可塑化PVCゲルの折りたたみ変形の応用例
7.7可塑化PVCゲルの駆動機構
7.7.1非対称な空間電荷分布
7.7.2陽極へのタック
7.8可塑化PVCゲルの陽極へのタックを利用した伸縮型アクチュエータ
7.9可塑化PVCゲルの陽極へのタックを利用した直流電場誘起型振動子
7.10可塑化PVCゲルのコロッサル誘電率
7.11PVAゲルのコロッサル誘電率
7.12誘電率に由来する電気光学アクチュエータ機能と圧電機能
8まとめにかえて
第2節誘電エラストマーアクチュエータ
1はじめに
2誘電エラストマーとは
2.1DEの製作法に関して
2.2DEアクチュエータの数式モデル
2.3DE素材の性能
2.3.1漏れ電流の存在
2.3.2ヒステリシス
3DEの研究・開発状況
4DEセンサー
5DE発電(ロボットのバックアップ電源等)
5.1DEの発電理論
5.2ロボット、人や動物の動きで発電
6DEの未来
第3節圧電ポリマアクチュエータ
1はじめに
2圧電性
3アクチュエータ材料として観た圧電ポリマの特徴
4圧電ポリマアクチュエータの特徴ある開発事例
4.1複合体設計(Macro Fiber Composite)
4.2キラル圧電ポリマトランスデューサ
4.2.1圧電ポリマフィルムトランスデューサ
4.2.2積層型デバイス
5おわりに
第4節空中電場駆動型導電性高分子アクチュエータ
1はじめに
2実験
3フィルムの特性
3.1比表面積
3.2水蒸気吸着特性
4アクチュエータ特性
4.1電気収縮挙動
4.2収縮応力と体積仕事容量
4.3直動アクチュエータ(ポリマッスル)
4.4点字ディスプレイ
5おわりに
第5節ナノカーボン、金属、金属酸化物を電極材とする電気駆動ポリマーアクチュエータ
1はじめに
2デバイス構成
3材料と作製法
3.1高分子電解質ゲルをベースとしたソフトアクチュエータ
3.2イオンゲルをベースとしたソフトアクチュエータ
4駆動モデル
4.1イオンゲルの変形
4.2電極層の変形
5応用
5.1バイオミメティックロボット
5.2能動カテーテル
5.3触覚・点字ディスプレイ
5.4マイクロポンプへの応用
6まとめと今後の展望
第6節液晶エラストマー・液晶ゲルの電場駆動
1はじめに
2LCEの電場応答挙動
3LCゲルの電場駆動
4おわりに
第3章ロボットへの応用-医療分野
第1節高分子電解質膜を用いた医療用アクチュエータ
1はじめに
2高分子電解質膜の医療応用
3イオンポリマーメタル複合体による高分子電解質アクチュエータの生成方法
4IPMCの発生張力
5IPMCの医療応用モデル
5.1鳥撓骨駆動
5.2人工呼吸器痰除去
5.3人工声帯を用いた音声発生機構の構築
6高分子電解質膜アクチュエータの電気化学特性とセンサ応用
7まとめ:高分子電解質膜を用いた医療用アクチュエータ
第2節ソフトロボティックデバイス“PVCGEL”の開発と医療応用
1はじめに
2PVCゲルの電気刺激応答
3積層型“PVCGEL”の構造と特性
4フレキシブルシート型“PVCGEL”の構造と特性
5テキスタイル型“PVCGEL”の構造と特性
6医療福祉分野への応用
7おわりに
第4章ロボットへの応用-生物模倣
第1節イオン導電性高分子センサ/アクチュエータ統合システムとヘビ型推進ロボットへの応用
1センサ/アクチュエータ機能を有する高分子材料v
2Ionic polymer-metal composite(IPMC)
2.1センサ応答と応用事例
2.2センサ・アクチュエータ統合
2.3セルフセンシングアクチュエーション
3ヘビ型推進ロボットへの応用
3.1IPMCを用いたヘビ型推進ロボット
3.2IPMCのセンサ機能を利用した自律推進
第2節イオン導電性高分子アクチュエータ水中生物模倣ロボット
1はじめに
2IPMCを用いた水中ロボット
3ヘビ型ロボットの振幅増大現象について:ヘビや魚は効率的な推進のために筋肉の弾性を利用しているか?
4歩行ロボットやその他の生物模倣ロボット
5おわりに
第3節圧電繊維複合材料を用いた生物模倣型ソフト水中ロボットの研究開発
1はじめに
2圧電繊維複合材料
2.1概要
2.2構造
2.3d 31MFCとd 33MFC
2.4駆動システム
2.5駆動原理
3生物模倣型ソフト水中ロボットへの応用
3.1基本構成
3.2設計と試作
3.3性能評価
3.3.1遊泳形状
3.3.2遊泳速度
3.3.3遊泳効率
4おわりに
第5章ロボットへの応用-デバイス・その他
第1節可撓性を有する静電フィルムアクチュエータとその応用
1はじめに
2静電フィルムモータ
2.1概要
2.2駆動原理
2.3電極フィルム
2.4屈曲状態での動作特性
3静電吸着機構との統合
3.1静電吸着機構
3.2静電吸着機構と静電アクチュエータの統合事例
4おわりに
第2節誘電エラストマートランデューサーの応用
1はじめに
2開発背景
3アクチュエータ・センサーへの応用例
3.1医療用への展開
3.1.1医療センサー等への応用例
3.2産業ロボットへのチャレンジ
3.2.1モーターへの挑戦
3.2.2透明アクチュエータへのチャレンジ
3.2.3飛行機・宇宙船等へのチャレンジ
4発電デバイスへの応用
5最後に
第3節高分子アクチュエータのパルス幅変調制御による運動性の制御
1はじめに
2高分子アクチュエータの作製
3計測装置と制御装置について
4PWMによる高分子アクチュエータの制御原理
5おわりに
【第2部 流体制御によるソフトアクチュエータデバイスとその応用】
第6章ロボットへの応用-医療分野
第1節空気圧ソフトアクチュエータの医療検査機器への応用
1はじめに
2大腸内視鏡挿入支援アクチュエータ
2.1背景と目的
2.2推進原理とアクチュエータ形状
2.3解析
2.4製作と基礎実験
2.5大腸ファントムへの挿入実験
3胃X線検査用腹部圧迫ソフトメカニズム
3.1背景と目的
3.2圧迫量可変装置
3.3圧迫位置可変装置
4おわりに
第2節空気圧アクチュエータを用いた超音波プローブ走査機構の開発と撮像断面の位置制御
1はじめに
2空気圧アクチュエータと駆動システム
2.1空気圧アクチュエータと駆動原理
2.2アクチュエータの変位・発生力特性
3プローブ走査機構の構成
3.1アクチュエータの配置
3.2フレーム部
3.3プローブ把持部
4プローブ走査機構の制御系
4.1座標系とプローブ制御の逆運動学
4.2プローブ先端の位置フィードバック制御
5プローブの位置決め精度検証
6本機構の応用
6.1断層像上に描出された治療器具の自動追従実験
6.2超音波プローブの走査によるボリュームデータの構築
7まとめ
第3節ラバーアクチュエータを用いた心臓補助装置
1はじめに
2心臓補助装置への応用
2.1心臓移植と最新医療技術の現状
2.2CMPの応用研究
2.3RAを利用した心臓補助装置
2.4シミュレーション
2.5実証実験
2.6RAの効果および特長
3ミルキングアクションアシスト装置への展開
3.1現代社会の課題
3.2圧受容器刺激デバイス
3.3血流バランスコントローラー
3.4ミルキングアクションアシスト装置
3.5カウンターパルセーション治療への応用
4まとめ
第4節ソフトロボットへの応用を目指したEHD現象を応用したアクチュエータ
1はじめに
2EHD現象と数元効果
2.1EHD現象とは
2.2数元効果
3数元効果を応用したEHDリニアアクチュエータ
3.1EHDリニアアクチェータの構造
3.2EHDリニアアクチェータの特性評価実験
3.2.1実験方法
3.2.2実験結果
3.3EHDリニアアクチュエータの応用
3.3.1製作したアクチュエータの構造
3.3.23次元型EHDアクチュエータの動作
4アクチュエータの駆動源のためのEHDポンプの開発
4.1EHDポンプ
4.1.1EHDポンプ開発のための電極構成の検討
4.1.2試作した基本構造検討用EHDポンプ
4.1.3EHDポンプユニット
4.1.4EHDポンプの構造
4.1.5試作EHDポンプの性能測定
4.2EHDポンプによるシリンダの駆動
4.2.1シリンダ駆動結果
5EHDポンプを駆動源とするアクチュエータ
5.1EHDポンプを内蔵した揺動運動型アクチュエータ
5.1.1揺動運動型アクチュエータの構造
5.1.2揺動運動型アクチュエータが内蔵するEHDポンプ
5.2EHDポンプ駆動型人工筋アーム
5.2.1人工筋アーム
5.2.2人工筋駆動用小型EHDポンプ
5.2.3人工筋およびアームの動作試験結果
6まとめ
第7章ロボットへの応用-福祉分野
第1節ソフトアクチュエータのリハビリ応用
1はじめに
2手指関節の拘縮予防リハビリ装置の検討
3手指関節の拘縮予防リハビリ装置の試作
3.1空気圧ソフトアクチュエータ
3.2筋ストレッチング運動とROM運動の方法
3.3リハビリ装置の構造
4動作確認試験
4.1試験方法
4.2筋ストレッチング運動動作試験
4.3屈曲動作試験
4.4伸展動作試験
5おわりに
第2節空気圧ゴムアクチュエータを用いたマッスルスーツ(R)
1はじめに
2McKibben型人工筋肉
3腰補助用マッスルスーツ
4機能回復訓練(リハビリ)での利用
5スタンドアローンモデル
6おわりに
第3節プリーツアクチュエータとその応用
1はじめに
2プリーツアクチュエータ
2.1構造・原理
2.2様々な動作の生成
2.3基本屈曲動作例
3プリーツアクチュエータの応用例
3.1軽量なソフトロボットハンド
3.2前腕支援装具
3.3対向配置構造
3.4血圧測定用ソフトグリッパ
4おわりに
第8章ロボットへの応用-公共分野
第1節軸方向繊維強化型空気圧ゴム人工筋肉の開発とロボットシステムへの応用
1はじめに
2空気圧ゴム人工筋肉とは?
3空気圧ゴム人工筋肉の特徴と種類
3.1空気圧人工筋肉の特徴
3.2軸方向繊維強化型人工筋肉の特徴
4軸方向繊維強化型人工筋肉の基本特性
4.1人工筋肉単体の特性とモデル化
4.1.1圧力?収縮量?収縮力特性
4.1.2空気圧人工筋肉の力学的平衡モデル
4.1.3空気圧人工筋肉のコンプライアンス特性
4.2空気圧人工筋肉の関節系モデル
4.2.1人工筋肉の関節系への適用
4.2.2剛性特性を含んだ関節系モデル
4.2.3関節剛性制御手法
5空気圧ゴム人工筋肉のマニピュレータへの応用
5.1人工筋肉マニピュレータ
5.2可変粘弾性関節マニピュレータ
5.3空気圧ゴム人工筋肉の生物型ロボットへの応用
5.3.1蠕動運動による移動機構(ミミズ型ロボット)
5.3.2蠕動運動型ポンプ・ミキシングシステム
第2節空圧ソフトラバーアクチュエータを用いたマイクロロボット
1はじめに
2フレキシブルマイクロアクチュエータ
2.1ロボットアーム
2.2ロボットハンド
2.3歩行ロボット
2.4マンタ型遊泳ロボット
2.5管内移動ロボット
2.6集積型FMA
3バブラアクチュエータ
3.1平面型バブラ
3.2円筒型バブラ
3.3チューブ巻きつけ型アクチュエータ
4ジャバラ型マイクロロボットハンド
第9章ロボットへの応用-生物模倣
第1節電界共役流体を用いたアクチュエータとソフトロボットへの応用
1電界共役流体
2人工筋アクチュエータ
3フレキシブルハンド
4シャクトリムシ型ロボット
5まとめ
第2節マイクロハイドローリックアクチュエータによるソフトロボット
1はじめに
2マイクロハイドローリクスとは
3基本動作
4埋め込み型電気浸透流ポンプ
5電源制御回路
6圧力源一体型アクチュエータ
7自立動作の実証
第3節Wound Tube Actuator
1はじめに
2構造と動作原理
2.1偏平チューブ
2.2構造と動作原理
2.3特徴
2.4多様な動作の生成
3特性
4応用
4.13条の組み合わせによる全方向の湾曲
4.2可変拘束による全方向の湾曲
4.3屈曲・伸展の双方向動作
4.4曲面構造の湾曲
5おわりに
第4節細径人工筋を用いた筋骨格ロボット
1はじめに
2細径人工筋
3多繊維構造人工筋
4細径人工筋を用いた筋骨格ロボット
4.1ヒトの筋骨格構造
4.2細径人工筋の筋骨格ロボット下肢への適用
4.2.1股関節の筋骨格ロボット機構
4.2.2膝関節の筋骨格ロボット機構
4.2.3足関節の筋骨格ロボット機構
5おわりに
第5節水力学的骨格を利用した柔軟なアクチュエータと狭隘地形移動ロボット
1はじめに
2柔軟袋状構造の強度と発生力
3周期的動作に特化した多分岐型小型機械式弁「MACS-VALVE」
4密閉二重ループ構造の柔軟移動ロボット「MOLOOP」
5柔軟繊毛アクチュエータを用いた移動ロボット
6まとめ
【第3部 バイオ材料によるソフトアクチュエータデバイスとその応用】
第1節生体分子モーターを用いた群ロボット
1はじめに
2生体外における生体分子モーターの運動発現手法
3アクチン/ミオシン系
3.1ミオシンゲル上におけるアクチンゲルの運動発現
3.2カチオン性ポリマーの種類に依存したアクチンゲルの運動特性
3.3アクチンの受動的自己組織化
4微小管/キネシン系
4.1微小管の能動的自己組織化
4.2リング状微小管集合体の構造制御
4.2.1リング状微小管集合体のサイズ制御
4.2.2リング状微小管集合体の逐次成長
4.2.3リング状微小管集合体の回転方向の優位性制御
4.3微小管の集団運動
5おわりに
第2節組織工学技術を用いたバイオアクチュエータ
1はじめに
2骨格筋とアクチュエータ
3筋細胞を用いたバイオアクチュエータ
4我々の培養骨格筋
5培養骨格筋の収縮力
6バイオアクチュエータ
7今後の課題
8おわりに
第3節トレッドミルバイオアクチュエータ
1はじめに
2細胞運動とトレッドミル
3トレッドミルバイオアクチュエータ研究
4超高分子階層性ゲルによるトレッドミルアクチュエータへの応用の試み
5リニアモータタンパク質による超高分子階層性ゲルの駆動
6おわりに



SSL グローバルサインのサイトシール
FAXでもお申し込みいただけます。FAXお申し込み用紙(PDF)を印刷いただき、必要事項をご記入のうえ
 弊社までご送信ください。(FAX番号は、お申込用紙に印刷されています)
※PDF形式のファイルをご覧頂くための Adobe Reader は、アドビ システムズ社から無償提供されています。
                Adobe Reader 最新版ダウンロードはこちらから
■ お問い合わせの前に『よくあるご質問(書籍)』をご一読下さいませ ■
■ セミナー・講習会のご案内はこちらでございます ■