独立行政机构产业技术综合研究所[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）卫生工程研究部[研究本部部长吉田浩一]人工细胞研究组研究组组长朝香健士、首席研究员杉野贵志、阿尔卑斯电气株式会社[代表董事兼社长栗山敏博]（以下简称“阿尔卑斯电气”）仙台开发中心德地尚之技术总部材料技术部组长 高桥功 总工程师与 AIST 合作开发的纳米管应用研究中心和其他超生长碳纳米管(SG-CNT)用于制造具有重复耐久性的高性能纳米碳聚合物，即使驱动10万次，位移量也仅减少10%，并且位移保持性可以使位移状态在3小时内保持几乎恒定执行器该成果是新能源和产业技术综合开发机构（NEDO）“实现低碳社会的创新碳纳米管复合材料开发项目”的一部分。
该执行器是 SG-CNT，离子液体、聚合物粘合剂由离子液体和基础树脂组成，位于由基础树脂制成的两个电极之间凝胶电解质的结构，并且在3V以下的电压下显着变形。利用其轻薄、超薄、低功耗的特点，我们将上下输入开关、盲文显示器，照明，微型泵
该技术的详细信息将于 2013 年 8 月 26 日至 30 日在韩国济州岛举行的 BAMN2013（第七届世界仿生学、人工肌肉和纳米生物大会）上公布。
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新开发的纳米碳聚合物执行器由25V电压驱动
（左）施加电压之前的情况（右）施加电压驱动期间的情况 |
随着手机的普及以及家庭医疗检查设备、康复设备等轻量化、小型化、廉价的医疗福利设备的需求不断增加，轻量化、薄型化的致动器元件受到关注，全球范围内正在积极进行高分子致动器的研究开发。虽然正在对使用各种聚合物材料的致动器进行研究和开发，但使用由碳纳米管和离子液体制成的凝胶状物质开发的纳米碳聚合物致动器由于可以用低电压驱动而备受期待于实际应用。然而，到目前为止，耐久性和维持连续位移的能力仍存在重大问题。
AIST和阿尔卑斯电气一直在进行纳米碳聚合物致动器的材料开发，具体如下。
- AIST 和日本科学技术振兴机构战略创意研究促进项目 Aida 纳米空间项目开发基础技术
- AIST 获得 NEDO 的“创新促进项目/纳米技术和先进材料实际应用的研究与开发”的研究经费
- AIST 和阿尔卑斯电气开始纳米碳聚合物执行器的联合研究
- AIST、阿尔卑斯电气、庆应义塾大学和东京大学开发了一种使用纳米碳聚合物致动器的轻薄盲文显示器 (2010 年 3 月 23 日 AIST 主要研究成果）
为了进一步提高纳米碳聚合物执行器的性能，阿尔卑斯电气自2012年起，在NEDO资助项目“实现低碳社会的创新碳纳米管复合材料开发项目”下进行研究，产业技术研究院健康工程研究部负责CNT分散方法和离子液体改进等基础材料开发。
纳米碳聚合物致动器的结构是，由离子液体和基础树脂制成的凝胶电解质夹在由碳纳米管、离子液体和作为聚合物粘合剂的基础树脂制成的两个电极之间（图1）。
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| 图1 纳米碳聚合物执行器的结构及其驱动原理 |
然而，这种结构的致动器在连续操作时的耐用性和维持连续位移的能力方面存在问题。换句话说，当进行重复的变形操作时，在约10,000次变形后，位移量逐渐减小至初始量的约一半，或者当对静态操作施加恒定电压时，位移开始沿相反方向，并且在约30分钟后位移方向反转。
在寻找碳纳米管和纳米碳的组合时，我们决定使用由产业技术研究院纳米管应用研究中心开发的SG-CNT，它对SG-CNT的损伤也较小，也很有效分散我们开发了一种新的离子液体和聚合物的最佳分散方法，并且还通过与其他类型的纳米碳混合找到了最佳组合物。通过这些努力，我们提高了AIST和阿尔卑斯电气开发的传统纳米碳聚合物执行器在连续操作期间的耐用性以及在不损害位移和响应特性的情况下保持连续位移的能力。
另外，对该执行器（尺寸：长5mm、宽5mm×有效长度4mm）在温度20℃、湿度40%、表面无涂层的环境下施加±2V、01Hz的交流电压（正常驱动电压）（图2），根据一侧的最大位移值的变化来评价其连续工作时的耐久性。
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图2 纳米碳聚合物致动器的位移测量（1平方：1毫米）
向固定执行器的上电极两侧施加交流电压，使其变形，并评估位移量 |
结果，使用传统的纳米碳聚合物致动器，在10,000次操作后，一侧的位移量从初始值减少了一半，但使用新开发的致动器，在100,000次操作后，一侧的位移量减少了10%，展示了实用水平的耐久性（图3）。这比传统产品的耐用性大约高 100 倍。
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| 图3 当交流电压施加到新开发的执行器时最大单侧位移的变化 |
我们还评估了施加恒定电压时致动器（尺寸：长度5毫米，宽度5毫米*有效长度4毫米）的位移保持特性。在温度23℃、湿度50%的环境下，施加2V的恒定电压，在致动器变形后，研究一侧位移（连续保持）的时间变化。如图4所示，采用无表面涂层结构的传统产品，在施加电压几分钟后，位移突然衰减，甚至位移量向与原始位移方向相反的方向变化，但采用新开发的执行器，在施加电压后三个多小时内位移状态几乎保持恒定，与传统产品相比，连续保持性能得到显着提高。这比传统产品的连续性高出数十倍。此外，在此期间的漏电流仅为几百μA或更小，证实了执行器具有低功耗。
这些结果表明 SG-CNT 是超高纯度碳纳米管，金属催化剂是啊表面官能团非常小。
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| 图4 向致动器连续施加恒定电压时单侧位移的变化 |
此外，为了支持需要更高耐用性的产品，我们正在开发一种密封技术，在执行器的表面涂上一层薄薄的高度防潮材料。与该密封技术相结合，可以抑制与大气中水分的反应，从而大大提高重复耐久性和连续位移保持率，并且还可以在高温、高湿环境下运行。
未来，着眼于将开发的聚合物执行器商业化，我们将继续选择适用的应用程序并调查可以与应用程序开发合作的制造商。作为可以利用新开发的纳米碳聚合物致动器薄、轻、低功耗特性的应用，除了我们迄今为止一直在开发的垂直输入开关和盲文显示器之外，我们还正在考虑在广泛的领域中应用，包括各种照明领域和微型泵等医疗保健领域。