1

形状記憶合金と各種センサを組み合わせたアクチュエータ

電気通信大学

大学院情報理工学研究科情報学専攻

准教授野嶋琢也

2

概要本技術は，形状記憶合金とセンサ・駆動回路を一体化し，人工物で毛をモチーフにした柔らかい毛状インターフェースであることを特徴とする，細線状柔軟アクチュエータ技術である．

毛のように細く，環境からの刺激に対して知的な動作が可能であることにちなみ，Smart Hairと命名した．

SmartHairは人工物でありながら，生き物を連想させる独特の屈曲動作が可能である

3

従来技術とその問題点①~SMAと既存アクチュエータ~

既存アクチュエータ：DCモータや空気圧アクチュ

エータが広く利用．

主な問題点

– 動作音が発生→音響メディア・環境への干渉

– 基本動作が機械的(特にDCモータ)

– コンプレッサ・タンク等非電気系設備必要(空気圧アクチュエータ)

⇒高品位な動作表現には，形状記憶合金ワイヤー（SMA）の静音性，遮蔽性(髪の毛程度の太さのため隠しやすい)などの特性が有利

4

従来技術とその問題点②~SMAの過去未来~

SMAは

– 原理的に動作音発生しない

– 基本動作が生物的

という特性から高い表現能力が期待される。

一方で、主に次の問題点がある。

i. 加工技術：ハンダがのりづらい。加工の熟練が必要。

ii. 消費電力：大きい(7cm程度の長さで1本1W)

iii. 出力：小さい(7cm程度の長さで6gf程度)

⇒従来SMAの利用は医療用グリッパなど限られた領域のみ

5

新技術の特徴・従来技術との比較

• i）加工技術 ユニット化による利便性の向上．実際にVR，エンタテインメント，ファッション，ウェアラブル，教育等多様な領域で応用できることを実践的に示す．

• i i ）消費電力 抵抗値制御方式により、20%の電力削減に成功．

• iii）出力 目的に応じた出力を得るため，SMA素材選定を容易にするシミュレータ開発．

6

Smart Hair の構造形状記憶合金ワイヤー（SMA:Shape Memory Alloy）

超弾性合金ワイヤー（SEA: Super Elastic Alloy）:

＊バネの役割を果たす

熱によりSMA収縮引っ張られてSmart Hairが屈曲

SMA~SEAに通電すると，

SMAが持つ電気抵抗により，

発熱

駆動回路

SMA~SEAへの通電を停止すると，自然放熱によりSMAが冷却，元の長さにもどり，Smart Hairが伸展する

各種センサ(アプリケーション依存)

7

Smart Hair の特長①

• 軽量で高い静音性・遮蔽性

静寂環境(博物館等)でも防音設備不要で利用可能

・電気のみで利用可能(空気・油圧源不要)

・軽い(1本約3g)ため身体へ装着しても負荷小さい．

モバイル用途でも利用可能．

・細い(直径2-3mm)ためどこに搭載しても遮蔽容易

全長30cm程の恐竜モデル内部に複数本搭載．

リモコンで尾部動作・口開閉

Smart Hair を4本使った這いずりまわるロボット．

リモコンで操作．

約20本を襟部羽根飾りの芯材として搭載．呼吸に合わせて動作

1本に毛皮装飾をしてスマホ搭載．画面なでると尻尾を振る

8

• 簡単制御で高い動作表現

複雑な制御なしに， ON/OFFだけで，生き生きとした生物感の高い動作表現が可能である

Smart Hair の特長②

恐竜モデル尾部に搭載されたSmart Hair

による生物らしい尾部動作の実現

犬耳をイメージしたSmart Hair．餌をあげると喜ぶ，怒ると悲しむといった感情を物理的動きで表現

ぬいぐるみ尻尾をイメージしたSmart Hair．にんじんをあげると尻尾を動かし喜び表現．キノコをあげると尻尾が止まり悲しみ表現

9

Smart Hair の特長③

• 多彩なインタラクション設計

センサとの組み合わせによる多彩なインタラクション設計が可能

目の動き 心拍 明るさ 音

接触検出 筋肉の変化(筋電) 他多数

10

Smart Hair の特長④

• 動作制御

(特に光センサの場合)制御用映像さえ用意すれば何千本あっても，一つ一つ個別に動作制御可能

Smart Hair 約20本使用．一つ一つを毛皮装飾して密植

Smart Hair 約90本使用．iPad(初代)画面に敷き詰める

11

その他の特性

• 重量:約3g/本

• 出力:約6gf/本

• 長さ:数cm~20cm程度の範囲で製造可能．

– 20cmを超えると動作形態が大きく変わる

• 屈曲方向:1方向

– 3方向(全方位)屈曲版も製造可能

• 応答性:5-10Hz程度での繰り返し動作可能

• 消費電力:1本1W程度

• 耐久性:構造・使用環境に依存

– 1万回以上の連続屈曲試験に耐えうる

12

Smart Hair 応用例

先端ファッション・装飾品

ロボット・玩具

スマホ連携アクセサリ

教育ツールVR触覚提示

16

実用化に向けた課題

• 動作のばらつき

– 製造時個体差により，動き方が均一でない問題がある．

• 高い消費電力

– SMAを発熱させるために，1本あたり1W程度の電力供給が必要とされる．

• SMAは収縮量に応じて抵抗値が微小変動する．この特徴を利用し，屈曲量を判定する技術を開発．抵抗値を制御する，屈曲量を制御することが可能となる．（動作均一化のための基盤技術）．

• 屈曲量制御に伴い，「ある屈曲量を実現する最低限必要な電力印可」が可能になる．余計な消費電力を抑えることに成功(消費電力およそ20%減)

17

実用化に向けた課題

• 利用の難しさ

– 使用するSMA材料によって，屈曲特性が変化する

– 幅広い利用が可能であるが，利用シーンに応じた回路設計が必要であり，一定の技術レベルが必要

– Smart Hairの動き方，屈曲量を事前にはイメージしづらい

• SMA素材組合せに応じたシミュレーションソフト開発済

• 特に先端ファッション分野での利用を想定して，ツールキット開発中

• Smart Hairの配置や動かし方のデザインを支援するソフト開発中

18

企業への期待

・基盤技術の共同開発

駆動回路の小型化や知能化，あるいはSmart Hair

量産可能な企業との共同開発を希望

・想定する応用分野の共同開発

-医療・ヘルスケア，セキュリティー，エンタ

テイメント（スポーツ．コンサート等），教育

上記領域にご興味ある企業との共同研究を希望．

19

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：毛状で柔軟なユーザインタ

フェース

• 特許番号 ：特許第6218221号

• 出願人 ：国立大学法人電気通信大学

• 発明者 ：野嶋琢也、大出慶晴、川口紘樹

20

お問い合わせ先

電気通信大学

産学連携コーディネーター 今田 智勝

ＴＥＬ ０４２－４４３－５８７１

ＦＡＸ ０４２－４４３－５７２６

e-mail imada＠sangaku.uec.ac.jp