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形状記憶合金と各種センサを組み合わ せたアクチュ …1...
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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
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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
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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
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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
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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.
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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)
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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
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• 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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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.
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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
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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