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電気や流体の入力によって動作する既存のアクチュエータ技術に基づいて、新しいタイプのソフトアクチュエータやロボットの研究開発を行っています。
We are investigating new type of soft actuators by applying existing actuation principles that work with electrical and fluidic inputs.
アクリル系エラストマーとシリコーンエラストマーの接合
アクリル系エラストマーとシリコーンエラストマーの接合
Bonding of Acrylic Pressure-Sensitive Adhesives and Silicone Elastomers
Bonding of Acrylic Pressure-Sensitive Adhesives and Silicone Elastomers
ソフトロボティクスは、異なる柔軟材料を組み合わせることで、多様な機能を持つデバイスを構成できる側面があります。一方で、この分野で主流のアクリル系粘着剤とシリコーンエラストマーのような異種材料を、柔軟性を損なわずに強固に接合することに難しさがありました。本研究では、酸素プラズマ処理と界面活性剤を組み合わせた接合手法を確立し、プライマーや接着剤を用いずに、これらの材料を強く接合できることを示しました。また、この接合技術を応用することにより、水中で動作するクラゲ型ロボットを実証しました。
Soft robots can be constructed by combining different soft materials to realize diverse functions. However, robustly bonding dissimilar materials such as acrylic pressure-sensitive adhesives and silicone elastomers without compromising their compliance remains challenging. In this study, we developed a bonding method that combines oxygen plasma treatment with surfactant-assisted interfacial activation, enabling strong bonding without primers or stiff intermediate layers. We also applied this bonding technique to soft robotic devices and demonstrated an electrically driven jellyfish-like robot operating underwater.
電気接着機能を備えたソフト静電流体駆動アクチュエータ
電気接着機能を備えたソフト静電流体駆動アクチュエータ
Soft Electrohydraulic Actuators with Intrinsic Electroadhesion
Soft Electrohydraulic Actuators with Intrinsic Electroadhesion
静電吸着機能を備えたソフト電気流体駆動アクチュエータは、物体を変形によって把持するだけでなく、電気的な引力によって保持力を高められることが期待されます。本研究では、電極の一部を櫛形構造にすることで、駆動と同時に物体への静電引力を発生できるソフトアクチュエータを開発しました。また、パウチ形状を非矩形にすることで、駆動変形の安定化を図りました。さらに、アクチュエータをグリッパーに応用することにより、内在的な静電吸着機能による保持力の向上を実証しました。
Soft electrohydraulic actuators with electroadhesion are expected to enhance holding force not only through deformation-based grasping but also through electrically generated attractive forces. In this study, we developed a soft electrohydraulic actuator that can generate electrostatic attractive forces toward objects simultaneously with actuation by patterning a portion of the electrode into an interdigitated structure. We also stabilized the actuated deformation by modifying the pouch geometry into a non-rectangular shape. Furthermore, by applying the actuator to a gripper, we demonstrated improved holding force enabled by its intrinsic electroadhesion.
静電吸着機能を備えた電気流体力学ポンプソフトアクチュエータ
静電吸着機能を備えた電気流体力学ポンプソフトアクチュエータ
Soft Actuators with Integrated Electrohydrodynamic Pump and Intrinsic Electroadhesion
Soft Actuators with Integrated Electrohydrodynamic Pump and Intrinsic Electroadhesion
本研究室では、電場の力で流体を駆動する電気流体力学（EHD）ポンプの研究に取り組んでいます。本研究では、このEHDポンプを応用し、流体駆動式のソフトアクチュエータを開発しました。さらに、このアクチュエータはEHDポンプの駆動時に発生する電場を利用し、静電吸着機能も発現します。実験により、印加電圧によってアクチュエータの出力を制御できることを実証しました。また、グリッパーとして応用することで、静電吸着により保持力が向上することを確認しました。
We are researching the electrohydrodynamic (EHD) pump, a pump based on the novel principle of using an electric field to move fluid. We applied this EHD pump to develop a fluid-driven soft actuator. This actuator also provides an electroadhesion function that utilizes the electric field generated during EHD pumping. Through experiments, we demonstrated that the actuator's output can be controlled by the applied voltage. In addition, we confirmed that, when applied as a gripper, its holding force is enhanced by electroadhesion.
EHDポンプソフトアクチュエータの駆動
Operation of EHD pump-driven soft actuator
発電とアクチュエーションを統合したソフトロボット複合材
発電とアクチュエーションを統合したソフトロボット複合材
Soft Robotic Composites Integrating Energy Harvesting and Actuation
Soft Robotic Composites Integrating Energy Harvesting and Actuation
ソフトロボットの実用化に向けて、駆動に必要なエネルギーをどのように供給するかは重要な課題です。本研究では、柔軟な有機太陽電池と誘電エラストマーアクチュエータを一体化した、機能性ソフトロボット複合体を開発しました。この複合体は、外部の光からエネルギーを回収しながら、電圧制御による曲げ変形を発生できます。実験により、発電機能とアクチュエーション機能を同一の柔軟構造に統合できることを示し、さらにこの複合体を搭載した水泳ロボットの動作を実証しました。
Supplying energy to soft robots is an important challenge for their practical use. In this study, we developed a functional soft robotic composite that integrates a flexible organic photovoltaic device with a dielectric elastomer actuator. This composite can harvest energy from external light while generating voltage-controlled bending actuation. Experiments demonstrated that energy harvesting and actuation can be integrated into a single flexible structure. We further demonstrated the operation of a swimming robot equipped with the developed soft robotic composites.
静電流体駆動の水中ソフトアクチュエータ
静電流体駆動の水中ソフトアクチュエータ
Electro-Hydraulic Soft Underwater Actuators
Electro-Hydraulic Soft Underwater Actuators
電気的に動作する静電流体ソフトアクチュエータは様々な特長を併せ持つ有望なアクチュエータ技術ですが、高電圧駆動であることにより、水中での利用が制限されていました。本研究では、電極をシリコーンで絶縁処理することによって、水中での動作が可能な静電流体ソフトアクチュエータを開発しました。また、アクチュエータを生物模倣ロボットやグリッパーに応用することにより、それらの動作を実証しました。
Electro-hydraulic soft actuators are a promising actuator technology with various features. However, their use in aquatic environments was limited due to the need of high-voltage actuation. In this study, we developed electro-hydraulic soft actuators capable of working underwater by insulating the electrodes with silicone. Additionally, we demonstrated the operation of these actuators by applying them to bio-inspired robots and grippers.
誘電エラストマーファイバーアクチュエータ
誘電エラストマーファイバーアクチュエータ
Dielectric Elastomer Fiber Actuators
Dielectric Elastomer Fiber Actuators
ファイバー状の誘電エラストマーアクチュエータは、構造の単純さから様々なタイプのロボットに応用できると考えられ、高い汎用性を持つことが期待されます。本研究では、アクチュエータ内外の水を電極として利用することで、より単純な誘電エラストマーファイバーアクチュエータが構成できることを示しました。また、アクチュエータを応用することにより、クラゲ型ロボットの遊泳を実証しました。
Fiber-shaped dielectric elastomer actuators are expected to be highly versatile, as they can be applied to various types of robots thanks to their simple structure. In this study, we showed that a simpler dielectric elastomer fiber actuator can be constructed by using water inside and outside the actuator as an electrode. We also demonstrated swimming of a jellyfish-like robot by applying the actuator.
積層型誘電エラストマーアクチュエータの一体成形
積層型誘電エラストマーアクチュエータの一体成形
Monolithic Stacked Dielectric Elastomer Actuators
Monolithic Stacked Dielectric Elastomer Actuators
積層型の誘電エラストマーアクチュエータは筋肉のように収縮できるため、ソフトロボティクスの技術として有望です。積層型の誘電エラストマーアクチュエータの製作には、通常はエラストマー膜と電極を交互に積み重ねることが必要で、手間がかかります。本研究では、エラストマー構造体の内部に液体金属を注入する手法によって、積層型アクチュエータを簡単な工程で一体成形できる技術の実証を行いました。本手法によって、例えば魚型のソフトロボットなど、高い形状自由度を持つ積層型アクチュエータを作製することができます。
Stacked dielectric elastomer actuators are a promising technology for soft robotics given their behavior exhibiting muscle-like contraction. The fabrication of stacked dielectric elastomer actuators usually requires alternating stacks of dielectric membranes and electrodes, which is laborious. In this study, we have demonstrated a method to monolithically fabricate stacked DEAs without alternately stacking the dielectrics and electrodes in a simple process by injecting liquid metal into the elastomeric structure. This method can be used to fabricate stacked actuators with 3D free forms, such as a fish-shaped soft robot.
誘電エラストマーアクチュエータ
誘電エラストマーアクチュエータ
Dielectric Elastomer Actuators (DEAs)
Dielectric Elastomer Actuators (DEAs)
誘電エラストマーアクチュエータは、柔らかい2枚の電極に挟まれたエラストマー膜から構成されます（右図）。電極に高電圧を印加すると、電極間の静電引力によってエラストマー膜は厚さ方向に縮み、平面方向に広がります。この変形を電気的に制御できるアクチュエーションとして、ロボットやデバイスの動きに利用することができます。誘電エラストマーアクチュエータを用いたロボットはこちら。
DEAs consist of an elastomer membrane sandwiched between two compliant electrodes (see figure on the right). When a high voltage is applied to the electrodes, the membrane shrinks in the thickness direction and expands in the planar direction due to the electrostatic attractive force generated between the electrodes. This deformation can be used as an electrically-controlled actuation for soft robots and stretchable devices. Robots based on DEAs are shown on this page.
誘電エラストマアクチュエータの動作原理
Working principle of dielectric elastomer actuators (DEAs)
流体駆動型ソフトアクチュエータ
流体駆動型ソフトアクチュエータ
Fluidic Elastomer Actuators (FEAs)
Fluidic Elastomer Actuators (FEAs)
空気あるいは液体といった流体の入力によって、柔らかい構造体は膨張し、これをアクチュエーションとして利用できます。右図のアクチュエータは柔らかいゼラチンで構成されており、空気を送り込むことで変形します。ゼラチンを用いることによって、土に還ることができる特性、言い換えると生分解性を持つアクチュエータを作ることができます。また、私たちが食べることができる特性、可食性も備えます。
Soft structures inflate in response to the input of fluids such as air and liquid, which can be exploited as an actuation principle. The actuator displayed on the right is made of gelatin, which deforms when pressurized by injecting air. The use of gelatin enables biodegradability, a function being able to return to the soil, in soft actuators. This also makes them edible.
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