MIT、水蒸気で駆動する高分子フィルムを開発、人工筋肉などに利用可能

マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究者らが、少量の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などやナノエレクトロニクスデバイスなどに利用できるとみられる。

本開発成果は、2013年1月11日付けの Science に論文が掲載された。

MITのポスドクで論文の筆頭著者であるMingming M氏は、「バッテリーで駆動するセンサーは、定期的に充電する必要があるが、本デバイスは、環境(水蒸気)からエネルギーをおこせるため、何度も充電する必要がない」と 語る。また、本研究を率いたMIT教授 Robert Langer 氏は、「もっと機械的運動を電気に変える効率をよくすれば、さらに応用範囲は広がる」と期待する。例えば大規模な水蒸気発電機、あるいは発汗を利用するウェアラブル電子機器向けの小型電源などの応用が考えられる。

今回開発されたフィルムは、2種類の高分子を結合させたネットワークでできている。1つはポリピロールという高分子で、強度が高く柔軟な母材であり、構造支持体として機能するもの。もう一方のポリオール-ホウ酸塩は、軟らかいゲルであり、水を吸うと膨張する性質を持っている。

これまでの開発で作製していた水応答性フィルムで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が、今回、ポリオール-ホウ酸塩と組み合わせることで、変形量が増大し、より強い力を出せるようになったという。

水応答性フィルムでは、乾燥した環境と水分を大量に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、フィルムの下の部分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の下層部が空気に曝されると、フィルムは水蒸気を急速に放出し、でんぐり返しして再び表面上に戻る。このサイクルが繰り返されると、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という仕組みだ。

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利用できる。アクチュエータ材料としては、素材的にも高い強度を誇る。今回、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。また、自重の10倍の重さの銀ワイヤを運ぶことも実証し、水をエネルギー源とする強力な「ミニトラクター」としても利用できることを示した。水だけを利用するだけで、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の代替となる可能性もある。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十分」とMa氏はいう。また、温度や酸性度に応答するアクチュエータと違い、環境条件の操作が必要ないことも、本フィルムの長所であるという。

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