Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators with muscle-like performance

Science 2018, 359, 61.
E. Acome, S. K. Mitchell, T. G. Morrissey, M. B. Emmett, C. Benjamin, M. King, M. Radakovitz, C. Keplinger

人工筋肉を目指すソフトロボット

ロボットというと、全てが金属製の硬いイメージがある。しかしよくできたロボットといえる生物は、骨こそ硬いが動力を生み出す筋肉は柔らかい。
柔らかいのに力を生めるというのはよくよく考えると不思議だ。
こうした柔らかい動力を人工的に作ろう、というのがソフトロボットの一分野である。

ソフトロボットのアプローチの一つに誘電エラストマーアクチュエータと呼ばれるものがある。誘電体のエラストマーの上下に電極を貼り、電場をかけると電極が引き合いエラストマーの形が変わることを利用する。
高い歪みも実現でき、効率も良くなりうるが、高電場をかけると絶縁破壊*によって部分的に壊れてしまう。これは深刻な問題で、電極を大きくすると絶縁破壊の起こる確率が上がるので、アクチュエータのスケールアップが難しい原因になる。

*絶縁破壊絶縁性の物質も電場を一定以上強くすると電気が流れる現象。身近な例は雷

自己修復静電アクチュエータ

著者らは絶縁破壊が起きても自己修復すればいいじゃん、というアプローチでこの問題を解決している。

エラストマーの中に誘電性のシリコーンオイルを入れる。
その上下に電極を貼りつける。
電場をかけると電極が互いに引き付けられ、液体が押し出され形が大きく変形する。

図1. 自己修復静電アクチュエータの設計 (論文より引用)

例えば上図のようにドーナツ型に設計したアクチュエータに電場をかけると、端が高さ方向に伸びる。

絶縁破壊を自己修復

このとき重要なのは絶縁破壊が起きた時の挙動だ。普通の誘電アクチュエータなら絶縁破壊が起きると、固体なのでダメージが残り、サイクルを経るとダメージが蓄積していく。
今回の自己修復静電アクチュエータは中身が液体なので絶縁破壊が起きても、損傷がすぐ埋められる！その結果、絶縁破壊が起きても修復する！！

図2. 絶縁破壊の自己修復 (論文より引用)