高速動作を実現するモーターフリーのアクチュエーター

KAIST で開発されたスマートな材料ベースのアクチュエーターは、モーターを使用せずに 1 秒未満で動作し、軽くて再現性のある動きを必要とするロボット工学や宇宙構造物に新しいオプションを提供します。従来のモーターベースのシステムは、重量と複雑な構造による限界に直面しています。

このアクチュエータは、可逆的な自己形状変化が可能な双方向形状記憶材料システムに基づいています。この材料は熱などの外部刺激にさらされると形状が変化し、追加の機械システムを必要とせずに元の形状に戻ります。

形状記憶合金 (SMA) と形状記憶ポリマー (SMP) を組み合わせて、両方の素材の長所を利用します。SMA は加熱すると元の形状に戻る金属ですが、SMP は熱やその他の外部入力に応答して形状を変化させるポリマーです。

以前の形状記憶素材には限界がありました。変形後に元の形状に戻れないものもあれば、回復が遅いものもありました。金属とポリマーの剛性の違いも、繰り返し使用すると精度を低下させます。

これらの問題に対処するために、チームは材料とその構造の両方を変更しました。SMPの組成を調整し、カーボン繊維で強化し剛性を向上させた。巻き取り式巻尺と同様のテープスプリング構造をアクチュエーターにも採用しました。

この構造により、変形中に蓄えられたエネルギーが素早く放出されるスナップスルー効果が可能になります。これにより、移動速度と精度の両方が向上します。

アクチュエータは完全な双方向作動を示します。加熱すると曲がりますが、温度が下がると平らな状態に戻ります。また、より高い変形範囲が示され、元の形状にほぼ完全に回復します。復帰速度が向上し、複雑な制御システムなしで繰り返し運転が可能になります。

この研究では、単一システムでの双方向の変形、1 秒未満の作動速度、正確な展開が実証されています。これは、ロボットグリッパーや展開可能な宇宙構造物などの用途における形状記憶材料ベースのアクチュエーターの実用化に向けた進歩を示しています。