広報活動

Print

2016年7月19日

理化学研究所
東京大学

環境の変化を感知し、半永久的に駆動するアクチュエーター

-わずかな湿度の揺らぎを動力源とする新技術-

水滴の周りに起こる湿度の揺らぎによって自律的に歩き続ける薄膜アクチュエーターの図

図 水滴の周りに起こる湿度の揺らぎによって自律的に歩き続ける薄膜アクチュエーター

いわゆる「持続可能な社会」を実現するには、埋蔵量に限りがある化石燃料に代わって、太陽光、風力、地熱、波力などの自然エネルギーを利用可能なエネルギーに変換・貯蔵する技術の開発が不可欠です。

一方で、私たちの身の周りにあるエネルギー源は、上述の自然エネルギーだけではありません。例えば、温度差時計は室内の温度変化をエネルギー源とし、1日に温度が数℃変化すれば半永久的に動き続けることができます。このような「環境の揺らぎ」から取り出せるエネルギー量は限られていますが、“その場で発電・利用できる”という長所があります。特に、モバイル機器やウェアラブルデバイスの進展が著しい昨今、コンセントなどに接続する必要のない、軽くて小さい動力源の開発は重要です。この動力源を実現するためには、私たちの身の周りのまだ利用されていないエネルギーを集めて、その場でエネルギーに変換する「エナージーハーベスティング技術」の開発が必要です。この技術は、手足を動かしたときの振動(運動エネルギー)や人間の体温(熱エネルギー)などといった微小なエネルギーを集めて、電気エネルギーへ変換しようというものです。

今回、理研の研究グループは、半永久的に動き続ける高分子薄膜のアクチュエーターを開発しました。アクチュエーターとは、外界から得たエネルギー(電力、磁力、圧力、温度など)を、伸縮、屈曲、回転などの運動に変換する装置・物質のことです。今回作製した薄膜は、非常にわずかな湿度変化に応答し、水分の吸着量に応じて屈伸運動をします。また、従来のものより少ない水分量で、大きくかつ高速に屈伸運動を行います。さらに、局所的な湿度変化を運動に高効率で変換できるため、普通の湿度計では感知できないほど微少な湿度変化にも応答します。例えば、一部だけ金属で薄膜をカバーすれば、水滴周りの揺らぎで一方向に歩くようなアクチュエーターを作成することも可能です(図参照)。さらに、薄膜への水分の吸着は熱や光にも影響を受けるため、さまざまな環境の揺らぎを薄膜の運動に変換できます。

なお、今回作製した薄膜は、2014年に同研究グループが薄膜化に成功した、「グラフィティック・カーボンナイトライド(g-C3N4)」と呼ばれる二次元状高分子を用いることで実現しました。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 超分子機能化学部門 創発ソフトマター機能研究グループ
グループディレクター 相田 卓三 (あいだ たくぞう)
(東京大学大学院工学系研究科教授)
基礎科学特別研究員 宮島 大吾 (みやじま だいご)