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流体で動くロボットやデバイスにおいて、ポンプはそれらの駆動を担う重要な要素です。通常のポンプは内部にモーターやエンジンを持っているので固く、構造全体の柔らかさを求めるソフトロボットには不向きな場合があります。柔らかいポンプはこの問題解決の鍵となります。
Pumps play an important role in driving soft robots and devices that work with fluids. Normally, pumps are rigid because they have an electromagnetic motor or a combustion engine inside, and may be not suitable for soft robots that require compliance in their overall structure.
多機能ファイバーポンプ
多機能ファイバーポンプ
Multifunctional fiber pumps
Multifunctional fiber pumps
電気流体力学（EHD）ポンプは、ソフトロボットなどへの応用が期待されますが、従来のファイバー型には伸縮性が低く製造が複雑という課題がありました。本研究では、柔軟なシリコーンエラストマーと単純な「浸漬プロセス」を用いることで、この課題を解決する新しいファイバー型EHDポンプを開発しました。開発したポンプは、最大40%という高い伸縮性を持ちながら、流量や圧力においても従来品と同等以上の高性能を達成しました。2000回の伸縮・曲げサイクルにも耐える耐久性に加え、ポンプ機能と、「ひずみ」や「流体の種類」を検出するセンサー機能を両立させた点に、本研究の新規性があります。
While electrohydrodynamic (EHD) pumps show promise for applications like soft robots, conventional fiber-type designs suffer from low stretchability and complex fabrication processes. This study addresses these challenges by developing a novel fiber-type EHD pump using a highly compliant silicone elastomer and a simple "dipping process." The resulting pump exhibits high stretchability (up to 40% strain) while achieving flow rates and pressures comparable or even superior to those of previously reported EHD pumps. Beyond its durability, confirmed over 2000 strain and bending cycles, the novelty of this work lies in its dual functionality: the device operates as both a pump and as a sensor capable of detecting strain and fluid types.
PVCゲルポンプ
PVCゲルポンプ
PVC gel pump
PVC gel pump
本研究では、ポンプ用のスマートマテリアルとしてPVCゲルに着目し、それを用いた蠕動式のマイクロポンプを開発しました。PVCゲルの表面に微細加工を施すことで、電圧印加による変形を垂直方向（厚さ方向）のみに発生させる工夫を施しました。その結果、他のスマートマテリアルによるポンプと遜色ない性能を持つポンプが実現可能であることを示しました。
In this study, we focused on PVC gel as a smart material for pumps and developed a peristaltic micropump using PVC gel, which is deformed only in the vertical direction (thickness direction) under application of voltage thanks to the micro patterning on the gel surface. As a result, we have shown that it is possible to realize a pump with performance comparable to that of other smart material pumps.
T. Motohashi, N. Ogawa, H. Akai, J. Shintake, Peristaltic micropump using polyvinyl chloride gels with micropatterned surface, Scientific Reports, vol. 12, no. 1, p. 22608, 2022.
ソフトポンプ用作動流体の調査
ソフトポンプ用作動流体の調査
Investigation of working fluid for soft pumps
Investigation of working fluid for soft pumps
ソフトポンプの性能は、内部を走る流体の特性に左右されます。本研究では、アジピン酸ジブチルにポリ塩化ビニルを添加することで、従来用いられていた作動流体よりも5倍以上高い性能が発揮できることを発見しました。
The performance of soft pumps depend on the characteristics of the fluid running inside. In this study, we found that the addition of polyvinyl chloride to dibutyl adipate can achieve a performance five times higher than that of a conventionally used working fluid.
K. Shimizu, K. Murakami, N. Ogawa, H. Akai, J. Shintake, Polyvinyl chloride-added dibutyl adipate for high-performance electrohydrodynamic pumps, Frontiers in Robotics and AI, vol. 10, p. 1109563, 2023.
ソフトポンプ
ソフトポンプ
Soft pumps
Soft pumps
このデバイスは櫛型の電極と、絶縁性流体が満たされた流路からなります。電圧の印加によって、流体分子がイオン化され、電極に引き寄せられます。この動きが全体としての流れを生み出し、デバイスはポンプとして機能します。ソフトポンプは、曲げたり伸ばしたりした状態でも流れを生み出すことができます。
The device shown on the right consists of interdigitated electrodes and a channel filled with a dielectric fluid. In response to the applied voltage, the fluid molecules are ionized and attracted to the electrodes. This phenomenon generates a unidirectional flow, which makes the device function as a pump. Our soft pump is capable of generating flow even under bent and stretched states.
Cacucciolo, Vito, Jun Shintake, Yu Kuwajima, Shingo Maeda, Dario Floreano, and Herbert Shea. "Stretchable pumps for soft machines." Nature 572, no. 7770 (2019): 516-519.
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