MIT、水蒸気で駆動する高分子フィルムを開発。人工筋肉や環境発電デバイスに利用

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マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究チームが、水蒸気を吸収することで形状が変化する高分子フィルムを開発した。フィルムの連続的運動を人工筋肉や環境発電デバイスとして利用できるとみられる。2013年1月11日付けの Science に論文が掲載されている。

周囲の水蒸気を吸って発電できるため、環境センサ用の自立電源として利用すればセンサの電池交換が不要になる。ロボットの手足を動かすための人工筋肉としても利用可能であるという。

研究リーダーのMIT教授 Robert Langer 氏は、「機械的運動を電気に変換する効率がより高くなれば、応用範囲はさらに広がる」と話す。システムの大規模化が実現すれば、川や湖などに設置する水蒸気発電機や、発汗を利用するウェアラブルエレクトロニクス用小型電源などにも応用できる可能性があるとする。

今回開発されたフィルムは、2種類の高分子(ポリピロールとポリオール-ホウ酸塩)を結合させたネットワークでできている。ポリピロールは強度がある柔軟な母材であり、構造支持体として機能する。ポリオール-ホウ酸塩は軟らかいゲルであり、水を吸うと膨張する。

先行研究で作られた水応答性フィルムはポリピロールだけを使っており、極めて弱い応答しか得られなかった。ポリオール-ホウ酸塩と組み合わせることで、変形量が飛躍的に増大し、より強い力を出せるようになった。

水応答性フィルムでは、乾燥した環境と水分を多く含む環境の間の水勾配から生じるエネルギーが利用される。膜厚20μmのフィルムを微量の湿気を含んだ表面上に置くと、フィルムの下層部が水蒸気を吸収することで変形し、表面からフィルムが巻き上がるような動きが生じる。巻き上がったフィルムが空気に曝されると、水蒸気は急速に放出される。フィルムはでんぐり返しして再び表面上にもどり、以下同様に繰り返す。この連続的な動きによって、水勾配の化学的エネルギーが力学的エネルギーに変換される。

このようなフィルムは、アクチュエータや発電デバイスとして働くことができる。アクチュエータ材料としては非常に大きな力を作り出せる。研究チームは、25ミリグラムのフィルムによって自重の380倍の重さのスライドガラスを持ち上げられることを実証した。自重の10倍の重さの銀ワイヤを運ぶこともできた。水だけをエネルギー源とするフィルムによって、現在小型ロボットの手足制御に使われている電気駆動のアクチュエータを代替できる可能性がある。その場合も大量の水は不要で、極めて少量の水蒸気があれば足りる。また、温度や酸性度に応答するアクチュエータと違って環境条件の操作が必要ないことも、今回のフィルムの長所であるという。

高分子フィルムと圧電材料を組み合わせることで、力学的エネルギーを電気に変換することもできる。今回のシステムでは周波数0.3Hz程度の交流電流、1.0V程度のピーク電圧が確認されており、平均5.6ナノワットの出力で発電が行える。これをキャパシタに蓄電して、温度センサや湿度センサなどの超低消費電力のマイクロデバイスの電源として利用することができるという。


発表資料

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