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未来を動かすソフトアクチュエータ―高分子・生体材料を中心とした研究開発― (普及版)

  • Soft Actuators which Drive Future Technologies ―Recent R&D Activities Focused on Polymers and Biomaterials―(Popular Edition)
2010年刊「未来を動かすソフトアクチュエータ―高分子・生体材料を中心とした研究開発―」の普及版!ロボット、医療、福祉など様々な分野で実用化が進んでいる高分子アクチュエータに加え、期待されるバイオアクチュエータの材料や応用、制御、市場動向を解説!!

商品コード: B1186

  • 監修: 長田義仁・田口隆久
  • 発行日: 2016年12月8日
  • 価格(税込): 7,344 円
  • 体裁: B5判、339ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-1128-9

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  • 福祉 / 人工筋肉 / 磁場駆動 / 熱駆動 / 電磁波駆動

刊行にあたって

 人工筋肉や高分子アクチュエータに関する成書の出版は、まさに枚挙にいとまがないくらいである。このことはとりも直さず、この分野が高分子科学の中に確固たる学術領域を作り上げたことを示しているだけでなく、その枠を超えて、材料科学はもちろん、電気工学、ロボット工学、制御工学、生物物理など広く他分野にまたがる新しい融合学術領域を作りあげつつあることを示している。
 本書は第4回人工筋肉国際会議(4th Conference on Artificial Muscles,2009年11月25-27日,於大阪,5th World Congress on Biomimetics,Artificial Muscles and Nano-Bioとの合同開催)における講演内容に基づいて、各著者に書き下ろして頂いたものを編纂したものである。
(「はじめに」より一部抜粋)

平成22年12月
理化学研究所・基幹研究所副所長  長田義仁
産業技術総合研究所・関西センター所長 田口隆久

<普及版の刊行にあたって>

 本書は2010年に『未来を動かすソフトアクチュエータ―高分子・生体材料を中心とした研究開発―』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2016年12月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

長田義仁    (独)理化学研究所 
田口隆久   (独)産業技術総合研究所 
三俣哲   山形大学 
山内健   新潟大学 
須丸公雄   (独)産業技術総合研究所
高木俊之   (独)産業技術総合研究所 
杉浦慎治   (独)産業技術総合研究所  
金森敏幸   (独)産業技術総合研究所 
菊地邦友   和歌山大学 
安積欣志   (独)産業技術総合研究所 
土谷茂樹   和歌山大学 
金藤敬一   九州工業大学 
奥崎秀典   山梨大学 
杉野卓司   (独)産業技術総合研究所 
清原健司   (独)産業技術総合研究所 
石橋雅義   (株)日立製作所 
平井利博   信州大学 
千葉正毅   SRIインターナショナル 
田實佳郎   関西大学 
渡辺敏行   東京農工大学 
吉原直希   東京農工大学 
草野大地   東京農工大学 
甲斐昌一   九州大学大学院 
立間徹   東京大学 
山上達也   (株)コベルコ科研 
都井裕   東京大学 
高木賢太郎  名古屋大学 
釜道紀浩   東京電機大学 
佐野滋則   豊橋技術科学大学 
大武美保子  東京大学 
関谷毅   東京大学
加藤祐作   東京大学
福田憲二郎  東京大学
染谷隆夫   東京大学
向井利春   (独)理化学研究所 
郭書祥   香川大学 
伊原正   鈴鹿医療科学大学 
渕脇正樹   九州工業大学
昆陽雅司   東北大学 
和氣美紀夫  (株)HYPER DRIVE 
森島圭祐   東京農工大学 
藤里俊哉   大阪工業大学 
角五彰   北海道大学 
JianPing Gong  北海道大学 
佐野健一   (独)理化学研究所 
川村隆三   (独)理化学研究所 

執筆者の所属表記は、2010年当時のものを使用しております。

目次

【第1編 ソフトアクチュエータの開発状況と市場動向】

第1章 人工筋肉技術の開発状況と市場動向 
1 概要
2 研究開発の状況
2.1 高分子材料を利用するアクチュエータ
2.2 形状記憶材料を利用するアクチュエータ
2.3 空気圧を利用するアクチュエータ
2.4 静電力を利用するアクチュエータ
3 市場・企業動向

【第2編 高分子アクチュエータの材料】
第2章 磁場駆動による磁性ゲルアクチュエータ 
1 はじめに
2 伸縮運動
3 回転運動
4 可変弾性ゲル
5 おわりに

第3章 熱, 電磁波駆動によるゲルアクチュエータ
1 はじめに
2 発熱体としてのナノ・マイクロ材料
3 ナノ・マイクロ材料の複合化
4 おわりに

第4章 光駆動ゲルアクチュエータ
1 はじめに
2 光応答収縮ゲルの構造と物性
3 ロッド状ゲルアクチュエータの光屈曲制御
4 シート状ゲルアクチュエータへの微小パターン照射による表面形状制御
5 マイクロ流路の光制御への応用
6 おわりに

第5章 イオン導電性高分子アクチュエータ
1 はじめに
2 イオン導電性高分子アクチュエータの作製・加工, 評価法
2.1 作製・加工法
2.2 評価法
3 水系イオン導電性高分子アクチュエータの特性,モデル
4 イオン液体系イオン導電性高分子アクチュエータの特性,モデル
5 まとめ

第6章 導電性高分子ソフトアクチュエータ 
1 はじめに
2 導電性高分子の電解伸縮
3 電解伸縮の増大化
4 電解伸縮による伸縮率-応力曲線
5 ポリアニリンの過荷重下での電解伸縮の学習効果
6 電解伸縮のトレーニング効果と形状記憶
7 おわりに

第7章 空気中で電場駆動する導電性高分子アクチュエータ
1 緒言
2 実験
3 結果と考察
3.1 フィルムの比表面積
3.2 水蒸気吸着特性
3.3 電気収縮挙動
3.4 収縮応力と体積仕事容量
3.5 直動アクチュエータとポリマッスル

第8章 カーボンナノチューブ・イオン液体複合電極の伸縮現象を利用した高分子アクチュエータ 
1 はじめに
2 アクチュエータの作成法と駆動メカニズム
3 アクチュエータの評価と性能改善
3.1 イオン液体の選択
3.2 電極膜への添加物の導入
3.3 ナノカーボン材料の影響
4 今後の展望

第9章 炭素ナノ微粒子(CNP)コンポジットアクチュエータ 
1 はじめに
2 溶液中動作CNPコンポジットアクチュエータ
3 大気中動作CNPコンポジットアクチュエータ

第10章 誘電性ポリマーアクチュエータ―膨潤ゲルから結晶性ポリマーフィルムまで― 
1 はじめに
2 電場で駆動する誘電性ポリマー柔軟材料の分類
3 誘電性ポリマーゲルの変形
3.1 誘電ポリマーゲルの電場駆動
4 低誘電率ポリマー柔軟材料の電場駆動
4.1 可塑化PVCの電場による可逆的なクリープ変形
4.2 ポリウレタン(PU)の電場による屈曲変形特性
4.3 ポリエチレンテレフタレート(PET)の振動運動など
5 まとめ

第11章 誘電エラストマートランスデューサー 
1 はじめに
2 開発背景
3 EPAMアクチュエーターの原理
4 EPAMアクチュエーターの素材, 性能および開発動向
5 EPAMアクチュエーターの応用展開
6 EPAM発電の原理
7 革新的直流発電システムへの展開
8 EPAMアクチュエーターの将来

第12章 圧電ポリマーアクチュエータ 
1 はじめに
2 圧電ポリマーの圧電性基礎
2.1 結晶の圧電性
2.2 圧電ポリマーフィルム
2.3 配向制御の実際
3 アクチュエータとしての圧電ポリマーの基本性能
4 実用化に近づけるアクチュエータ材料の開発例
4.1 Macro Fiber Composite
4.2 キラル圧電ポリマー繊維素子
4.3 セルフセンシングアクチュエータ
4.4 多孔性エレクトレット
4.5 配向制御
4.6 蒸着重合
4.7 分子制御
5 おわりに

第13章 光駆動高分子ゲルアクチュエータ 
1 はじめに
2 光応答性部位の設計
3 高分子ゲルとは
4 分子レベルの変形を如何にマクロな変形へとシンクロさせるか
5 光応答性高分子ゲルの光応答挙動
5.1 光応答性ポリアミド酸ゲルの合成
5.2 ポリアミド酸ゲルの光照射による吸光度変化
5.3 6FDA/DAA棒状ポリアミド酸ゲルの屈曲挙動
5.4 ゲルの調整時濃度依存性の測定
5.5 光応答速度の向上
6 おわりに

第14章 電界駆動型液晶エラストマーアクチュエータの物性と応用 
1 はじめに
2 電界応答する液晶エラストマーの構造
2.1 基本構造
2.2 ポリドメインとモノドメイン
2.3 液晶エラストマーの熱物性
3 液晶エラストマーの電気力学効果
3.1 ネマチック液晶エラストマーの電界応答
3.2 膨潤した液晶エラストマーの電気光学効果
3.3 液晶エラストマーの磁気効果
4 膨潤液晶エラストマーの物性的特徴のまとめ
5 電界駆動型液晶エラストマーの応用
6 おわりに

第15章 高分子ゲルを用いた電気化学および光電気化学アクチュエータ 
1 はじめに
2 高分子ゲルを用いた電気化学アクチュエータ
3 光触媒反応に基づくアクチュエータ
4 部分的な形状変化
5 プラズモン光電気化学反応の利用
6 Ag+を利用する光電気化学アクチュエータ
7 おわりに

【第3編 高分子アクチュエータのモデリング・制御】
第16章 高分子アクチュエータの分子論的メカニズム 
1 序
2 現象論
3 分子論
4 まとめ

第17章 連続体的手法によるアクチュエータモデリング 
1 はじめに
2 電気的な応力拡散結合モデル
2.1 基礎方程式
2.2 電気的な応力拡散結合モデル
3 高分子電解質ゲルのオンザガー係数
3.1 イオンサイズの効果
3.2 流動電位の実測値との比較
4 ゲルの曲げと緩和のメカニズム
4.1 基礎方程式
4.2 初期の曲げ
4.3 緩和時間
5 実験との比較
6 結論

第18章 高分子アクチュエータの材料モデリング 
1 イオン導電性高分子アクチュエータ
2 イオン導電性高分子アクチュエータの電気化学応答の計算モデリング
2.1 前方運動
2.2 後方運動
3 イオン導電性高分子アクチュエータの三次元変形応答解析
4 導電性高分子アクチュエータ
5 導電性高分子アクチュエータの電気化学・多孔質弾性応答の計算モデリング
5.1 多孔質弾性体の剛性方程式
5.2 圧力に対するポアソン方程式
5.3 体積ひずみ速度の発展方程式
5.4 イオン輸送方程式
5.5 計算手順
6 固体電解質ポリピロールアクチュエータの電気化学・多孔質弾性応答解析

第19章 イオン導電性高分子アクチュエータの制御モデル 
1 はじめに
2 高分子アクチュエータのモデリング
2.1 モデリングの手法
2.2 IPMCアクチュエータのモデリング
3 力制御のための伝達関数モデル
3.1 IPMCアクチュエータの力計測
3.2 電気系モデルおよび電気機械変換系モデル
3.3 力計測系全体のモデル 
4 物理原理(電場応力拡散結合)に基づく状態方程式モデル
4.1 状態方程式とは
4.2 電場応力拡散結合モデルとその状態空間表現について
4.3 電気系
4.4 電気機械変換系
4.5 機械系
4.6 全体の系の状態方程式
4.7 シミュレーション
5 まとめ

第20章 イオン導電性高分子アクチュエータの制御手法 
1 はじめに
2 変形量の制御
2.1 ハードウェア構成例
2.2 PID制御
2.3 ブラックボックスモデルを用いた2自由度制御系
3 IPMCセンサ統合系を用いたフィードバック制御
4 力制御のためのロバストなPIDフィードバック
4.1 IPMCアクチュエータの不確かさの表現と制御系設計手法
4.2 実験
5 まとめ

第21章 高分子ゲルアクチュエータの電場による制御 
1 はじめに
2 イオン性高分子ゲルの変形モデル
2.1 高分子ゲルの基本モデル
2.2 吸着解離方程式に基づくイオン性高分子ゲルの変形モデル
3 一様電場によるイオン性ゲルの形状制御
3.1 一様電場におけるイオン性高分子ゲルの波形状パタン形成
3.2 極性反転によるイオン性高分子ゲルの形状制御
4 空間分布電場によるイオン性高分子ゲルの変形運動制御
4.1 一列に配置した電極により生成される電場によるイオン性高分子ゲルの屈曲反転運動制御
4.2 二次元配列状に配置した電極により生成される電場によるヒトデ型ゲルロボットの起き直り運動制御
5 まとめ

【第4編 高分子アクチュエータの応用】
第22章 有機アクチュエータと有機トランジスタを用いた点字ディスプレイの開発 
1 はじめに
2 研究背景
2.1 有機トランジスタとエレクトロニクス
2.2 点字ディスプレイ
3 デバイス構造および作製プロセス
3.1 デバイス構造と動作原理
3.2 有機トランジスタの作製プロセス
3.3 イオン導電性高分子アクチュエータ
3.4 アクチュエータシートとトランジスタシートの集積化
4 電気特性
4.1 トランジスタ
4.2 イオン導電性高分子アクチュエータ
4.3 有機トランジスタと高分子アクチュエータを集積化しての素子特性
5 点字ディスプレイのデモンストレーション
6 課題
7 低電圧駆動の点字ディスプレイの開発状況
7.1 デバイス構成
7.2 3V駆動可能なドライバー用有機トランジスタおよび有機SRAMの作製プロセス
7.3 ドライバー有機トランジスタの電気特性と集積化
7.4 有機SRAMの特性
7.5 考察
8 今後の展望

第23章 高分子アクチュエータのソフトロボットへの応用 
1 これからのロボットに求められる柔らかさ
2 表面電極分割によるIPMCの多自由度化
3 ソフトなヘビ型水中ロボット
4 双安定アクチュエータ構造
5 IPMCアクチュエータとセンサの同時使用

第24章 高分子アクチュエータのマイクロロボットへの応用 
1 研究の背景
1.1 背景
1.2 開発目標
2 首振り型水中マイクロロボット
2.1 首振り型水中マイクロロボットの動作原理
2.2 首振り型水中マイクロロボットの特性評価
3 2PDLを用いた多自由度水中歩行ロボット
3.1 2PDLを用いた多自由度水中歩行ロボットの動作原理
3.2 2PDLを用いた多自由度水中歩行ロボットの特性評価
4 八足水中マイクロロボット
4.1 八足水中マイクロロボットの動作原理
4.2 八足水中マイクロロボットの特性評価
5 多機能水中ロボット
5.1 多機能水中ロボットの動作原理
5.2 多機能水中ロボットの特性評価
6 赤外線制御による水中マイクロロボット
6.1 赤外線制御による水中マイクロロボットの動作原理
6.2 赤外線制御による水中マイクロロボットの特性評価
7 まとめと今後の展望 

第25章 高分子アクチュエータ/センサの医療応用
1 はじめに
2 アクチュエータ
2.1 カテーテル関連駆動機構としての高分子電解質膜
2.2 ポンプ駆動機構としての高分子電解質膜
2.3 運動機能補助・器具操作補助機能としての高分子電解質膜
2.4 その他の導電性高分子のアクチュエータ応用
3 センサ
3.1 動作用センサ
3.2 pHセンサ
3.3 SMITスマート生地
3.4 ガスセンサ
4 導電性媒体としての高分子電解質膜の医療応用
4.1 植込型生体用電極コーティング
5 生体適合性

第26章 高分子アクチュエータのマイクロポンプへの応用 
1 緒言
2 実験装置および方法
3 結果および考察
3.1 開閉運動する導電性高分子ソフトアクチュエータ
3.2 導電性高分子ソフトアクチュエータを駆動源とするマイクロポンプ
4 マイクロポンプの基礎性能
5 まとめ

第27章 高分子アクチュエータの触覚ディスプレイへの応用
1 はじめに
2 イオン導電性高分子アクチュエータ
3 IPMCアクチュエータの触覚ディスプレイへの適用
4 布のような手触りを呈示する触感ディスプレイ
5 局所滑り覚呈示による把持力調整反射の誘発
6 おわりに

第28章 誘電エラストマートランスデューサーの様々な応用
1 はじめに
2 開発背景
3 アクチュエーター,センサーとしての誘電エラストマー
3.1 ロボット, 介護, リハビリ用アクチュエーター, センサー
3.2 音響機器等への応用
3.3 その他のアプリケーション
4 EPAM発電デバイスへの応用
4.1 EPAM波力発電
4.2 EPAM水車発電
4.3 持ち運び可能な小型発電機の開発
4.4 ウエアラブル発電
4.5 人工筋肉発電の将来
5 今後の展開

【第5編 次世代のソフトアクチュエータ―バイオアクチュータ―】
第29章 3次元細胞ビルドアップ型バイオアクチュエータの創製
1 はじめに
2 細胞外基質を用いた心筋細胞の3次元培養方法の確立
3 心筋細胞ゲルのマイクロ化
4 マイクロ心筋細胞ゲルの性能評価
4.1 変位,周波数測定
4.2 収縮力測定
4.3 寿命評価
4.4 ゲル組織切片の構造観察
4.5 まとめ
5 マイクロ心筋細胞ゲルの制御方法の検討
5.1 電気パルス刺激に対する応答性の評価
5.2 化学刺激に対する応答性の評価
6 バイオアクチュエータへの応用
6.1 マイクロピラーアクチュエータ
6.2 チューブ型マイクロポンプ
7 結言と今後の展望

第30章 組織工学技術を用いたバイオアクチュエータの開発
1 はじめに
2 筋細胞を用いたバイオアクチュエータ
3 我々の骨格筋細胞を用いたバイオアクチュエータ
4 組織学および分子生物学的評価
5 収縮力
6 バイオアクチュエータによる物体の駆動
7 おわりに

第31章 ATP駆動型ソフトバイオマシンの創製 
1 はじめに
2 分子モーターの受動的自己組織化
3 分子モーターの能動的自己組織化
4 自己組織化の時空間制御
5 分子モーター集合体における自発的秩序構造形成
6 おわりに

第32章 バイオアクチュエータとしての細胞骨格トレッドミルマシン
1 はじめに
2 トレッドミルとは?
3 トレッドミルマシン研究の現状
4 細胞骨格タンパク質で創る超高分子階層性ゲルとトレッドミルアクチュエータの可能性
5 おわりに
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