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1880 年から今日まで: 電気活性ポリマーの驚くべき進化とは?
電気活性ポリマー (EAP) は、電界刺激に応じてサイズや形状を変えることができるポリマーです。このタイプの材料の最も一般的な用途は、アクチュエーターとセンサーです。 EAP の注目すべき特性は、大きな力が加わっても大きな変形に耐えられることです。これまで、アクチュエータは主にセラミック圧電材料で作られていましたが、大きな力に耐えることはできても、1000分の1未満しか変形しないことがよくありました。 1990 年代後半までに、一部の EAP は、あらゆるセラミック アクチュエータをはるかに上回る 380% ものひずみを達成できることが研究で示されました。ロボット工学における EAP の重要な応用は人工筋肉の開発であり、そのため電気活性ポリマーは人工筋肉と呼ばれることがよくあります。
歴史的に、電気活性ポリマーの研究は、ヴィルヘルム・レントゲンが静電場が天然ゴムの機械的特性に与える影響を調べる実験を設計した 1880 年に始まりました。
片方の端を固定した輪ゴムに空気中から電荷を加え、輪ゴムの長さの変化を観察します。 1925 年に最初の圧電ポリマー (誘電体) が発見され、この研究が EAP の将来の基礎を築きました。この材料は、カルナバワックス、樹脂、蜜蝋を混合し、直流電圧をかけて冷却することによって作られます。時間の経過とともに、環境条件に対するポリマーの反応もこの研究分野の焦点になってきました。 1949 年、カチャルスキーらは、コラーゲン繊維が酸性またはアルカリ性溶液中で体積変化を示すことを実証し、これが他の刺激に関する研究のきっかけにもなりました。
1969年、河合はポリフッ化ビニリデン（PVDF）が強力な圧電効果を持つことを確認し、同様の効果を持つ他のポリマーの開発に対する研究者の関心が高まりました。
1977年、塩川秀樹らによって最初の導電性ポリマーが発見されました。ポリアセチレンの導電性は、ヨウ素蒸気をドーピングすることで8桁も向上します。 1990 年代初頭のイオン性金属複合材料 (IPMC) の発明により、EAP の開発は新たな段階に入りました。この材料は、変形を起こすのに 1 ～ 2 ボルトの電圧しか必要としません。この特性は、EAP の応用可能性がより大きいことを示しています。
1999年、ユーセフ・バーコーハン氏はEAPロボットアームが人間と競争するというアイデアを提案し、2005年に会議で最初の競争が開催されました。 2002年、日本のイーメックス社が、自力で泳ぐことができる魚を模した初の商用EAP人工筋肉装置を製造し、EAPの実用化に向けた開発を加速させた。しかしながら、関連技術の実際の進歩は未だ不十分です。 1990年代にDARPAが資金提供した研究により、2003年に人工筋肉会社が設立され、2008年には工業生産が開始されました。
電気活性ポリマーの種類
EAP は、その構造に基づいて、誘電性とイオン性の 2 つのカテゴリに簡単に分類できます。
誘電体 EAP
誘電体 EAP では、電極間の静電気力によって作動が起こります。誘電エラストマーは非常に高い歪みに耐えることができ、電圧が加えられると静電容量が変化するコンデンサのように動作します。
圧電ポリマー
このクラスのポリマーは、圧電効果を利用して音響センサーやモーターアクチュエーターを作成し、固有の圧電応答により幅広い用途に使用されています。
液晶ポリマー
主鎖液晶ポリマーは鎖構造を持ち、熱変化下で独特の機械的特性を発揮することができ、機械駆動用途への応用が期待されています。
イオン EAP
このタイプのポリマーは、ポリマー内のイオンの変位によって駆動されます。必要な電圧はわずか数ボルトですが、比較的高い電力が必要です。
今後の開発の方向性
EAP 分野はまだ発展途上であり、解決すべき課題が数多く残っています。一方では、EAP の性能と長期安定性を向上させ、水分の蒸発を防ぐ防水表面を設計することで、さまざまな環境での信頼性が効果的に向上します。一方、より高い電圧で連続的に動作する能力を向上させるために熱的に安定した EAP を開発することも、将来の研究の焦点の 1 つです。
このような継続的な進歩を背景に、EAP テクノロジーは、特に人間と機械のインターフェースにおいて、将来的にさらに多くのアプリケーション領域に統合される機会を得ることになります。材料科学技術の進歩とバイオミミクリー技術の発展により、電気活性ポリマーが将来どのような驚くべき変化をもたらすのか、私たちは考えずにはいられません。
