内部の静電反発力のオンオフだけで動くヒドロゲル

速く、大きく、一方向性の運動を繰り返す、夢の人工筋肉の実現へ

2015.08.11

理化学研究所
物質・材料研究機構
東京大学

理研とNIMSの共同研究グループは、互いに静電反発する無機ナノシートを平行に配向させ、これらをヒドロゲルの中に閉じ込めることにより、筋肉のように速く、大きく、方向性のある動きを繰り返すヒドロゲルの開発に成功しました。

概要

理化学研究所 (理研) 創発物性科学研究センター創発ソフトマター研究グループの相田卓三グループディレクター (東京大学大学院工学系研究科教授) 、創発生体関連ソフトマター研究チームの石田康博チームリーダーと物質・材料研究機構 (NIMS) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の佐々木高義フェローらの共同研究グループは、互いに静電反発する無機ナノシートを平行に配向させ、これらをヒドロゲル (三次元のナノ網目構造を水で膨潤させたゼリー状物質) の中に閉じ込めることにより、筋肉のように速く、大きく、方向性のある動きを繰り返すヒドロゲルの開発に成功しました。

ある種のヒドロゲルは、温度などの外部刺激に応答し、可逆的に収縮・膨潤することが知られています。このようなヒドロゲルは、生体に似た、軟らかく、軽く、ウェットなアクチュエータとして注目されており、人工筋肉などとしての応用が期待されています。しかしながら、単純な収縮・膨潤に基づく従来のヒドロゲルアクチュエータは、外界との水の受授を伴う体積変化を動力源としているため動作速度が遅く、動きに方向性がありません。また、水中での利用に限られ、運動を繰り返すうちに容易に劣化するといった問題も抱えています。

理研とNIMSの共同研究グループは、互いに静電反発する無機ナノシートを平行に配向させ、これらを刺激応答性のポリマーでできたヒドロゲルの中に埋め込むことにより、従来とは全く異なる原理に基づくヒドロゲルアクチュエータを開発しました。このヒドロゲルアクチュエータは、収縮・膨潤による体積変化ではなく、ナノシート間の静電反発力の増減を動力源としています。外界との水の受授を一切伴わないため、その動作は極めて速く、環境を選ばず、何度でも繰り返すことができます。さらに、ナノシートの配列方向を工夫することにより、決まった方向に歩行し続ける生物のような運動を作り出すことも可能です。

本研究は、総合科学技術・イノベーション会議の革新的研究開発推進プログラム (ImPACT) により、科学技術振興機構を通して委託されたものです。成果は、英国の科学雑誌『Nature Materials』に掲載されるのに先立ち、オンライン版 (8月10日付け : 日本時間8月11日) に掲載されます。

プレスリリースの図1 : ヒドロゲルアクチュエータの動作原理
従来のヒドロゲルアクチュエータ (左) および今回開発したヒドロゲルアクチュエータ (右) 。どちらも、温度に応答して可逆的に脱水和・水和するポリマーの網目により構成されているが、動作原理は全く異なる。従来のものは、個々のポリマー鎖が脱水和・水和した後に網目全体が収縮・膨潤し、体積変化を起こすことにより動作する。一方、今回開発したものは、ポリマーの脱水和・水和と同時に系内の誘電率が変化し、ナノシート間の静電反発力が増減することにより動作する。