研究内容

MONOZUKURI LABにようこそ!

(内容は随時更新しております)

ご訪問いただきありがとうございます。当研究室では研究開発のことを以下、『創造力への挑戦』と表現しております。基礎と応用の創造力への挑戦から、夢をかたちにする研究室です。

創造力への挑戦より、おおわくとして、『人とロボットが共生する工学技術』の実現を目指しています。材料(マテリアル)を軸としたナノスケールからメートルスケールの創造的ものづくり研究室です。『材料を軸としたものづくり』とは、先端材料も創造するし、創造した材料を実際に使って、試作品を提案するという思いがあります。

『材料を軸としたものづくり』をもう少し具体的に表現すれば、それは分子レベルでの材料合成技術ができるとして『分子ナノスケール』のものづくりとして、また、それを使った試作品は『メートルスケールまで』のものづくりという表現から、『ナノスケールからメートルスケールの創造的ものづくり』です。これらの思いを集約して『先端マテリアル創造ものづくり研究室』としています。

創造力への挑戦は、『新しい分子機能の開拓のための先端材料の開発と応用、制御技術、AI技術などから、工学的アプローチによる世の中を豊かにする革新技術の創造』です。世の中が求めている夢を考え、研究室として出来る事は何か、研究室を運営する庄司が実際的に展開できる内容は何かを以下列記しますと、先端機能性材料の創造(耐熱、耐放射線、耐薬品性、機械強度、電子機能)、化学系アクチュエータ(『人工筋肉』として高分子アクチュエータ)、複合電極材料の創造、機能性・導電性ナノファイバーの創造、機能性セルロースナノファイバーの創造、ウエアラブル機器の創造、IoT機器の創造、エネルギ源となるエナジーハーベスティング機器の創造、防災支援機器の創造、電気化学的なにおい物質の認識による電子ノーズの創造、3Dプリンタ機器の創造、障がい者支援機器の創造、高齢者支援機器の創造、楽器や演奏するための先端材料の創造、楽器演奏ロボットの創造、音楽における人とロボットの共生技術の創造、楽器や自動演奏の演奏制御技術の創造、ドローン機器の創造、となります。先端材料レベルの創造から音楽芸術分野までの幅広い工学的な創造力への挑戦となります。

何事も、千里の道も一歩から、好きこそものの上手なれ、だと思います。そこには妥協なしの工学技術への追求の思いがあります。分野横断による『創造力への挑戦』がモットーです。

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創造力への挑戦:

    1. 高分子アクチュエータ(人工筋肉)の開発

      現在のモータの動きでは実現し得ない『動きの原理』の開発と応用
      Keywords: 高分子アクチュエータ、人工筋肉、生物的メカトロニクス、スマートマテリアル、バイオミメティック

      生物的な動きを実現する工学的な新しい『動きの原理』として高分子アクチュエータ、ソフトアクチュエータが注目されています。これは現在のモータによる方法では実現し得ない動きの原理となるものです。この動きの特徴として、①作動電圧が数ボルト程度と低く安全であること、②膜の変形度(屈曲度)が大きいこと、さらに③自重の数百倍程度の力が発生出来ること、④大気中で作動できること、⑤作動音が無いことなどが挙げられるので、各方面での大きな波及効果が期待されています。当研究室では、高分子アクチュエータの材料の創製、電極材の創製、電極接合法の検討、運動性能(パフォーマンス)の評価計測装置の開発、運動性の評価法の新提案、制御方法の新提案、制御装置の開発、計測や制御ソフトウエアの開発、応用と試作品開発などから総合的に研究を進めています。材料創製については、高分子合成か ら新素材の開発として行うので、従来材料の性能を向上させた、耐熱性、耐放射線性、耐薬品性、強靭性、可撓性などに優れるアクチュエータの開発を行っています。この研究において研究室が持つ強みは、材料創製技術、計測技術、評価技術、制御技術、活用技術に全てに実績があるということです。ここまで出来る研究室は他に見たことがありません。

      各種アクチュータの創製(独自の高分子合成技術を含む)

      導電性・機能性電極材の開発(独自の材料創製技術を含む)

      高分子アクチュエータの制御方法 (パルス駆動の提案、PWMによる駆動方法)

       

      形状と動きの関係に関する研究

    2. マイクロアクチュエータ内蔵のμTASの開発

      難病診断、健康診断、細胞観察・培養支援、ES/iPS支援、カードサイズの使い捨て化学分析プラットフォーム
      Keywords: 生化学分析デバイス、微小流体工学、血液検査、DNA分析、バイオセンサ、バイオチップ

      μTAS((Micro-Total Analysis Systems)は、微小な流路や反応室、混合室を設け、一つのチップもしくはデバイスで血液やDNAをはじめさまざまな液体や気体を分析する生化学分析デバイスです。例えば蚊に吸われた程度の血液で血液検査ができたり、一括して大量のDNAを分析できたりします。手のひらにのるほど小型に、あるいは名刺サイズ程度に作製することができるので、エネルギー消費も少ない機器となります。蚊に吸われた程度の微少の血液量での血液検査が可能となります。また、一括して大量のDNAを分析できる特徴があります。当研究室では、名刺サイズで、必要なら使い捨てとする、化学分析プラットフォームとして、難病診断、健康診断、細胞観察・培養支援、ES/iPS支援を可能とするライフイノベーション機器としての開発をめざしています。制御する部分にマイクロアクチュエータを内蔵させたものを開発しています。マイクロアクチュエータを使用することで性能向上が期待できます。

      高分子アクチュエータを使ったマイクロポンプの具体化(試作品)

    3. ハイパフォーマンス高分子電解質の創製と応用

      耐熱性、耐薬品性、耐放射線性、強靱性、可撓性に優れる高性能高分子電解の創製と応用
      Keywords: 高分子電解質、芳香族系高分子、高分子合成、縮合反応、アイオノマー、エンジニアリングプラスチック

      高分子電解質は基礎研究から、エネルギー変換材料、エネルギー貯蔵材料、高分子アクチュエータなどの応用研究にまで広く利用されており、現在の最先端科学技術の開発には欠かせないマテリアルです。従来の高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性、耐薬品性、強靭性などに大きな問題がありました。当研究室では高分子合成として、構造新規なものを含め、耐熱性、耐薬品性、 耐放射線性、強靱性、可撓性などに優れる高性能高分子電解の創製を行っています。開発した高分子電解質の成膜も検討しています。通常、溶媒膨潤性の問題から、高分子電解質の成膜は、膜にシワが入ったり破損したりするので、成膜にはそれなりのノウハウが必要です。当研究室では均一な高分子電解質膜を得る方法も開発しています。成膜したものを利用してエネルギー関係の分野への応用をめざしています。

      芳香族系高分子電解質ポリイミド誘導体の新合成と機能・応用
       

    4. 機能性ナノファイバーの創製と応用

      導電性セルロースナノファイバー、ハイパフォーマンスナノファイバー(高強度・耐熱性・耐薬品性)、細胞培地への新素材
      Keywords: エレクトロスピニング、導電性ナノファイバー、スマートナノファイバー、機能性ナノファイバー、芯鞘ナノファイバー、セルロースナノファイバー

      ナノファイバーはそのディメンジョンから、触媒作用や表面積効果を利用して、機能性デバイスやバイオ関係での培地などでの最先端マテリアルとして注目されています。当研究室では、エレクトロスピニングによりナノファイバーを製造する方法から、機能性ナノファイバーの創製をめざしています。エレクトロスピニングの対象となるマテリアルも、当研究室の高分子合成</font>により行っています。高分子を自在に合成できる利点を生かして、構造新規で新しい機能を有する機能性ナノファイバーの創製をめざしています。導電性ナノワイヤ、ハイパフォーマンスナノファイバー(高強度・耐熱性・耐薬品性)、さらに、マルチウオールの芯鞘ナノファイバー、機能性ナノファイバーの創製についても開発を進めています。高感度センサ、高性能アクチュエータの開発を検討しています。

    5. 分子認識センシングエレメントと電子ノーズの開発

      外部刺激(電場、光、濃度、温度)に応答する応答性高分子の創製と、アクティブセンシングエレメントなどへの応用
      Keywords: 導電性高分子、レッドクス反応、イオン相互作用、分子認識、基質認識、超分子、相分離

      外部刺激(電場、光、濃度、温度)に応答する応答性高分子を設計し、それを高分子合成として創製をめざしています。得られた高分子マテリアルは、電気化学や物理化学計測により、外部刺激に対する応答性について調べています。マテリアル合成だけでなく、得られたものをデバイス化する工夫から、例えばアクティブセンシングエレメントなどとしてセンサー、さらに高分子アクチュエータとしての応用を進めてしています。

       

    6. 三次元曲面変形型アクチュエータ(人工筋肉)の創製と応用

      静電的相互作用を利用する無電解めっき法の開発と応用
      Keywords: 無電解めっき、高分子電解質、電極、レッドクス反応、イオン交換反応、イオンビーム

      金属錯体、高分子錯体の特異吸着、静電的相互作用を利用する方法から、無電解めっきを自在にパターン化できる方法を検討しています。この方法は、めっきの食い込みが悪い樹脂の表面にも、かなり良好に無電解めっきを施せる方法となります。さらに、イオンビームを照射する方法から、高分子薄膜に無電解めっきにより電極パターンを形成することが可能となりました。この方法を活用して、より複雑な変形運動を実現する高分子アクチュエータの創製を行っています。

       

    7. ウエアラブル機器・IoTの開発と活用に関する研究

      機能性繊維の創製、織編物への電子回路の実装、スマートテキスタイル、服飾インターフェースの開発
      Keywords: スマートファブリック、スマートテキスタイル、ウエアラブルコンピュータ、ウエアラブル端末、e-テキスタイル

      電子回路を布、織物、不織布の上など上に実装したe-テキスタイルを開発しています。これは、スマートテキスタイル、スマートファブリック、ウエラブルデバイスなどとも呼ばれ、アパレル関係から医療福祉関係となるライフイノベーションへの応用として期待されています。当研究室では、各種センサーを埋め込んだウエアラブル生体情報モニタリング、ウエアラブルコンピューティング、服飾エレクトロニクス、ウエアラブルインターフェース、服飾インターフェース、IoT、ビッグデータハンドリング</font>などの内容を研究しています。この検討では、電子回路を布、織物、不織布の上などに実装する独自の方法を考案しています。また、電子部品の実装に関する新しい方法論も検討しています。また、市販の導電糸には満足できるものが無いので、機能性繊維の創製として高性能導電糸の開発も検討しています。

      パソコンやスマホを使わない格安な小型マイコンを使った防災情報表示システム

      織物への電子部品の実装
       

      電源・電池を使わないAMラジオを組込んだベスト。ウエアラブル衣類の基本として丸洗いが可能です(試作品)。

       

       

       

    8. 高速3Dプリンタ・超大型プリンタの開発とフィラメント創製

      造形(印刷)速度を格段に向上させる3Dプリンタの設計とフィラメントの開発、機能性フィラメント新素材の開発
      Keywords: 3Dプリンター、先端制御、ファームウエア開発、機能性フィラメント、エクストルーダー、ノズル、Arduino
      3Dプリンタは簡便に造形物を印刷として得られる方法として注目されている技術です。問題点は造形物を印刷するのに時間がかかりすぎること、造形サイズが小さいことです。当研究室では、造形速度を向上させた3Dプリンタ、また、超大型プリンタの開発として、3Dプリンター本体の設計、ファームウエアの開発、制御ソフトウエアの開発を行っています。こうしたハードウエアの検討だけでは無理で、使用するフィラメント素材も高速化に対応できるものを検討しています。フィラメント素材の検討では、既存の素材、既存のペレット、高分子合成による機能性高分子の合成から検討しています。また、ポリマーアロイとして、また、構造新規な機能性フィラメント素材の開発についても検討しています。この機能性フィラメントを用いれば、これまでになかった機能を持つ造形物が製作可能になるものをめざしています。プリンタの大きさが高さ3mを超えるような大型のものになると、フィラメントの形状と素材の設計が重要になります。FDM方式の3Dプリンターの可能性を広げる内容です。

    9. 視覚障がい者支援システムの開発

      マテリアルの特長を活かしたスマートインターフェースの開発、形状理解を支援する3D造形システム
      Keywords: スマートインターフェース、点字、3Dプリンタ高速化、形状認識、ウエアラブル技術とアプリ開発
      障がい者の支援として、視覚や聴覚障がい者の学習や生活の支援として、マテリアルの特長を活かしたスマートインターフェースの開発、3D造形システムの開発などについて検討しています。この開発においては、当研究室で開発を進めているウエラブル電子回路の実装技術や、高速3Dプリンタ技術とも関連するものです。織編物上にウエアラブル技術を用いて、スマホなどをリモート制御できる機器や、紛失物や迷子を探索できる機器とアプリなどを開発しています。

    10. 楽器演奏ロボットの開発と人とロボットの共生技術、演奏インターフェースの開発

      インタラクティブな演奏、楽器演奏インターフェースの開発、人とロボットが共生する演奏技術
      Keywords: 楽器演奏ロボット、分散処理、打楽器、MIDIコントローラ、自律演奏、協調演奏、音楽療法

      人と機械の調和技術を考えるために、音楽芸術における研究として、楽器演奏ロボットの開発と活用を研究しています。前例に一切にとらわれない発想から、楽器演奏インターフェース部の設計、MIDIコントローラの設計、協調演奏ソフト ウエアなどについて研究しています。人と機械の調和から、楽器演奏ロボットと人をメンバーとした再現芸術への応用、インタラクティブな演奏、演奏主導権の交代などについて検討しています。どうすれば機械が演奏したものに価値(感動)を見いだせるのか、人とのインタラクティブな演奏(共演)をどこまで実現出来るのか、また、人と楽器の対話から音楽療法への応用、などもテーマとして探求しています。

       

      人の楽器演奏(緩急、強弱)に合わせてロボットが楽器演奏で共演できるシステム

      人の楽器演奏を支援する機器の開発

      生演奏と映像(画像、動画、プロジェクションマッピングなど)を同期させる技術開発

    11. 無電源携帯ラジオの開発

      素材開発による高性能インダクターの創製、電源不要な防災エコラジオ、高感度アンテナの開発
      Keywords: ラジオ、Q値、コイル、インダクター、アンテナ、防災ラジオ、エコラジオ、車載アンテナ

      素材開発による線材の開発やコイル形状の検討による高性能インダクターの創製、また、回路や実装方法の検討などから、電源が不要なラジオの開発を行っています。このラジオは防災ラジオとして、また、エコなラジオとして利用できます。高性能インダクターおよび感度を上げる工夫を検討しています。電波によるエネルギーハーベスティング用のアンテナの開発とその応用研究にも繋がります。

       

      電源・電池を使わないラジオの組込品の試作研究

      パネルラジオ(越前和紙の風合いを活かしたラジオとして)

      ウエアラブルベストラジオ

      菅笠ラジオ

      タスキラジオ

      クリップファイルラジオ

      パラソルハンガーラジオ

      参考: http://hoopradio.com/

  1. エネルギーハーベスティングシステムの開発

    身の回りに存在するエネルギー(熱、振動、電波)から発電、デバイス・センサーの開発、電源不要システムの開発
    Keywords: 環境発電、電波、電磁波、ユビキタス発電、エネルギー貯蔵、エネルギー変換素子、導電性素材、超低消費電力

    エネルギーハーベスティングとは、周りの環境から微小なエネルギーを収穫(ハーベスト)して、電力に変換する技術です。当研究室では電力変換部分のための新材料の創製、電子回路の設計、計測制御技術、機械加工技術、ソフトウエア開発などから検討しています。ユビキタス発電として、ユビキタス社会の実現には必須の技術です。電源のありかたの発想を根本的に変えます。電波によるエネルギーハーベスティング、蓄電、無電源センサネットワーク、IoTについて研究を進めています。

  2. 機能性マルチコプター・ドローンの開発と活用研究

    防災・災害救助支援ドローンの開発、耐放射線材料や機能性材料の創製から高性能ドローンの開発
    Keywords: GPS・G空間情報処理、遠隔操作、自律制御、フライトコントローラ

    ドローンに出来ること、その特徴を活かす方法考えてユニークなドローンの開発を行っています。研究室では実際に、ドローンを製作する技術と、材料を創製する技術を持っているので、例えば、耐放射線材料、高性能材料の創製により実現する、機能性ドローンの開発を検討しています。IoT技術や、GPSやG情報処理技術を活用して、迷子探査ドローンや、防災・災害救助支援ドローン、放射線計測ドローンの開発なども検討しています。


    推敲:2018年7月7日 @ 14:00 Ver. 2

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庄司英一 (Eiichi Shoji, MONOZUKURI LAB)
人とロボットが共生する工学技術をめざして、先端マテリアル創造ものづくり研究室として福井大学で活動しています。日頃の研究活動から、研究に関わることや出来事、おもしろそうな話題などを発信します。

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