研究者らは、このポリマーは人間の筋肉を模倣できると述べています

Feb 01, 2024

2023 年 7 月 17 日 ショーン・フーリー著

ジュール加熱によって駆動される強誘電性ポリマーの作動の図 [画像提供: Qing Wang/ペンシルベニア州立大学]

このようなポリマーは、医療機器、高度なロボット工学、精密位置決めシステムへの応用の可能性をもたらす可能性がある。 研究チームは、機械的ひずみはアクチュエータにとって重要な特性を表すと述べています。 従来、これらのアクチュエータ材料は硬いものでしたが、強誘電性ポリマーのような柔らかい材料は、より高い柔軟性と環境適応性を提供します。

PSUのウェブサイトへの投稿によると、この研究はこれらのポリマーが従来の圧電ポリマー複合材料の限界を克服する可能性を示したという。 これにより、歪み性能と機械エネルギー密度が向上したソフトアクチュエータが可能になる可能性があります。

「人工筋肉と呼ばれる一種のソフトロボティクスが実現できる可能性がある」と、ペンシルバニア州立大学材料科学工学教授であり、最近『Nature Materials』誌に掲載された研究の共同著者でもある Qing Wang 氏は言う。 「これにより、大きなひずみに加えて高い荷重にも耐えることができる柔らかい物質を得ることができるでしょう。 したがって、その素材は人間の筋肉をより模倣し、人間の筋肉に近いものになるでしょう。」

研究者らによると、今回の研究で使用された材料は外部電荷により自発分極を示すという。 物質内の正電荷と負電荷は異なる極に向かいます。 この相転移中にこれらの材料にひずみが生じると、形状などの特性が完全に変化する可能性があります。 これにより、ポリマーはアクチュエーターとして有用になります。

一般的な用途の 1 つはインクジェット プリンターです。 電荷はアクチュエーターの形をとり、紙にインクを塗布するノズルを制御します。

研究者らは、このポリマーは作動に必要な電界誘起の膨大な量のひずみを示すと述べている。 高レベルの柔軟性、軽量、コスト削減を組み合わせることで、ソフトロボティクスにおける潜在的なオプションを提供します。

「この研究では、ソフトマテリアル作動分野における 2 つの主要な課題に対する解決策を提案しました」と Wang 氏は述べています。 「一つは、柔らかい素材の力をいかに高めるかです。 ポリマーであるソフトアクチュエーション材料が最も大きな歪みを持っていることはわかっていますが、生成する力は圧電セラミックに比べてはるかに小さいです。」

研究チームは、強誘電性ポリマーの性能を向上させる解決策はナノ複合材料の形で得られると信じていました。 研究者らは、ナノ粒子を一種のポリマー（ポリフッ化ビニリデン）に組み込むことで、ポリマー内に相互接続された極のネットワークを作成した。 このネットワークにより、通常の要件に比べてはるかに低い電場での強誘電体相転移の誘発が可能になりました。

研究チームは、ジュール加熱を利用した電熱法を用いて、ナノ複合ポリマーの相転移を誘発した。 強誘電体の相変化に通常必要とされる電場の強度の 10% 未満しか必要としません。

「通常、強誘電体材料におけるこの歪みと力は、互いに逆相関関係にあります」とワン氏は述べた。 「現在、それらを 1 つの材料に統合できるようになり、ジュール加熱を使用して材料を駆動する新しいアプローチを開発しました。 駆動磁場は10%未満と大幅に低くなるため、この新しい材料は、医療機器、光学機器、ソフトロボットなど、効果を発揮するために低い駆動磁場を必要とする多くの用途に使用できるのです。」