新材料：変形織物ドライバに注目する研究が進展

インテリジェントアクティブ変形織物は新興の機能材料であり、着用可能織物に応用の将来性があり、例えば自発的に形状を調整して着用快適度を高めることができたり、助力装置として人間がより簡単に重量物を持ち上げるのを助けることができる。インテリジェント変形織物の動きは、様々な方法でトリガすることができる。その中で、電気化学イオンによって触発された変形織物は制御性が良く、変形程度が大きく、電圧が低く、応答が速く、熱効果が明らかでないなどの特徴を備え、ウェアラブル設備に応用可能性がある。しかし、電気化学的に駆動される変形織物の開発は、液体の動作環境に制約されている。

最近、中国科学院蘇州ナノテクノロジーとナノ生体模倣研究所の館江濤研究員らは、電気化学を用いて生体模倣筋繊維を駆動して編んだ能動的な変形織物を報道した。この織物は駆動電圧が低く、応答速度が速いという特徴があり、液体環境から離れて空気中で安定して動作することができる。研究により、織物中の異なる領域の繊維収縮を制御することは、織物の全体及び局所的な能動的変形を実現することができることが分かった。研究はこの電気化学駆動能動変形織物のウェアラブル助力織物における応用潜在力を初歩的に示した。

本研究はカーボンナノチューブ（CNT）複合繊維を生体筋肉繊維の原材料とし、生体筋肉繊維の連続製造技術を発展させ、異なる段階における糸の供給、撚り、巻き取りなどの部分間の相対速度を制御することによって、連続的にメートル級長さのコア−シース複合体を得るCNT@nylon螺旋繊維この繊維構造は均一で、優れた柔軟性と編組性を持ち、編組中に螺旋構造が破壊されない。

この作業はコア−シース複合繊維構造を構築した。このうち、駆動活性作用を果たすCNTはシース層に分布し、繊維コア部にある不活性高分子繊維は高価なCNT使用量を低減する役割を果たす。研究により、コア−シース構造を有するCNT@nylon複合繊維は電気化学イオンにより大きな比表面積とより短い移動経路を提供し、これによりイオンの繊維内部へのより多くの注入とより速い移動を容易にし、CNT@nylon複合生体筋肉繊維の駆動量は26.4%に達することができる。

生体筋肉繊維に基づいて、この研究は空気環境で安定して動作する能動的変形織物を設計した。研究によると、生体筋肉繊維は補助繊維と平行にフレキシブルファブリック上に編み込まれ、それぞれ作業電極と対極として作用する。織物の変形中に両電極間の短絡を防止するために、両繊維電極は上下に交錯する編組方式を採用した。布地中の繊維内及び繊維間の微細孔チャネル構造は、電解液を吸着し安定化する役割を果たす。研究により、作業電極と対向電極の間に電圧が印加され、織物中の電解液のイオンが作業電極のCNT層に移行し、さらにCNT@nylon繊維に収縮駆動が生じる。研究者は織物の中で複数組の繊維電極対を編組し、各組の電極対は単独で制御することも、異なる電極対の動作を協調的に制御することもできることを発見した。そのため、この織物は全体の収縮と局所的な変形を同時に発生することができ、高い変形自由度を有する。

さらに、本研究はこの電気化学駆動能動変形織物をパッケージ化し、ウェアラブル助力織物としての応用の将来性を評価した。透明な可撓性フィルムをカプセル化した変形織物は高い可撓性を持ち、電解液の漏れが発生せず、ボランティアの腕で作業中に電圧の印加に伴って明らかに収縮し、作業中に織物と腕の間にほとんど温度差がない。これは、この電気化学的変形織物が空気中で働くことができ、構造が柔軟で、運動モードがプログラム可能で、熱を発生しないなどの特性を持っており、次世代のウェアラブルデバイスの候補材料になることが期待されていることを示している。

関連研究成果を補足表紙記事として、Knittable Electrochemical Yarn Muscle for MorphingTextilesというタイトルがACS Nanoに発表された。研究活動は国家自然科学基金、国家重点研究開発計画、中国ポストドクター科学基金などの支持を得ている。

コア−シース複合体CNT@nylon生体筋肉繊維の優れた駆動性能