本研究室では高出力で高寿命な人工筋肉の開発を目指し、軸方向繊維強化型空気圧ゴム人工筋肉を開発しています(図1)。本人工筋肉はゴムチューブに軸方向にひきそろえた補強繊維を内包させた構造になっています。このゴムチューブに空気圧を印加すると、半径方向には膨張しますが、軸方向には補強繊維の拘束により膨張することができません。その結果半径方向に膨張した分だけ、軸方向には収縮します。その際の収縮力をアクチュエータの出力として利用することができます。

従来も同様に軸方向に繊維を挿入したアクチュエータは存在しましたが(ワルシャワ型等)、撚り繊維を分散的に挿入したに過ぎませんでした。この方法では、高圧印加時などに応力集中が起き破壊しやすくなるとともに大きな収縮力を得ることが難しくなります。

本研究室では、「マイクロ繊維」を「層状」に配置することでワルシャワ型の応力集中の問題を解決した軸方向繊維強化型人工筋肉を開発しています。図2に従来型と提案型の人工筋肉の断面図を示します。マイクロ繊維を層状に配置することで、応力集中が発生せずチューブ全面にわたって均等に圧力が分散されます。それにより人工筋肉は美しい 円形形状を取りながら半径方向に均等に膨張します。これまでワルシャワ型人工筋肉のボトルネックとなっていた半径方向の大きな膨張や軸方向からの外力に対してゴムや繊維の負担が著しく軽減されました。この効果は、アクチュエータとしての安定した動作や高出力化、長寿命化に寄与するのみでなく、後述の膨張変形機能を積極的に利用した蠕動運動機構への応用の可能性を広げました。

軸方向繊維強化型人工筋肉は，自然長における形状(長さと直径の比)が同じ場合、大半の形状において同圧印加時のMcKibben型人工筋肉よりも高い収縮力および収縮量が得られることが、理論，実験の双方の観点から検証されています。

一例として、図3にそれぞれのゴム人工筋肉の形状（太さ：10mm、厚さ2mm、長さ180ｍｍ）を一致させた場合の圧力－収縮率特性および自然長時の圧力－収縮力特性ついての実験的な比較を示します。なお，膨張時は膨張径がおおよそ同等となるよう軸方向繊維強化型人工筋にはリングが挿入されています。この図より軸方向繊維強化型人工筋肉が収縮率および収縮力において優れていることが示されています。

また、本人工筋肉は目標の仕様(収縮力・収縮量等)に基づき形状や材質(太さ、長さ、厚さ、ゴム材料)を自由に設計することができるとともに、その正確な位置や力・剛性も容易に制御することが可能です。さらに、本人工筋肉の「半径方向への膨張及び軸方向への収縮」を生かすことにより従来のアクチュエータでは実現困難であった運動を引き出すことが可能となり、ソフトロボティクスの可能性を広げることができます。具体的には、ミミズや大腸の蠕動運動を模倣したロボットの研究開発などを行っています。

収縮特性に優れた軸方向繊維強化型人工筋肉ですが、原理的にゴムの大変形を利用しているため疲労寿命が短いという欠点がありました。そのため、当研究室では人工筋肉の長寿命化に取り組んでいます。