Hiroki Shigemune

2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017

印刷法を用いたロボット作製法とその数理

早稲田大学総合機械工学科

菅野研究室博士1年

重宗宏毅

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１．研究背景

２．研究目的

３．提案手法

３．１ Design and development of printed paper robot H. Shigemune, S. Maeda, Y. Hara, N. Hosoya and S. Hashimoto, “Origami Robot: A Self-folding Paper Robot

with an Electrothermal Actuator Created by Printing,” in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics , vol. 21,

no. 6, pp. 2746-2754, Dec. 2016.

３．２ Development of printed robot using desktop printer and cutting plotter H. Shigemune, S. Maeda, Y. Hara, U. Koike and S. Hashimoto, “Kirigami robot: Making paper robot using

desktop cutting plotter and inkjet printer,”, 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and

Systems (IROS), Hamburg, 2015, pp. 1091-1096.

３．３ Development and actuation of self-folding wiring board H. Shigemune, S. Maeda, V. Cacucciolo, Y. Iwata, E. Iwase, S. Hashimoto and S. Sugano, “Printed paper robot

driven by electrostatic actuator,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 2, pp. 1001-1007, Apr.

2017.

４．全体のまとめ

印刷法折り紙

紙折り紙ロボット

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ペーパーメカトロニクス

シート材料に各要素を印刷することでロボットを作製

印刷法による自動作製の特徴

簡便・迅速な印刷法の特徴による生産性の向上ロボット作製時の特定の技術の自動化二次元印刷パターンとロボット機能というロボットの見方を提案

１．印刷２．組み上がり３．駆動

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印刷紙

折り紙ロボット


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印刷法の歴史

筆写だった文章を簡便に複製する手段として発明された

紙の発明

文献 http://www.timetw.com/40650.html

蔡倫が発明（105年）

印刷の発明

文献 http://www5b.biglobe.ne.jp/~tanzawa/matsu/photo/029.jpg

世界最古の印刷物（764年）

百万塔陀羅尼（日本）

参考文献早わかり印刷の知識: “版式の原理”から“デジタル技術”の基礎まで

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有版式印刷

利点大量生産性が高い様々なインクが印刷できる（粘度、表面張力、粒径など）欠点工数が多い異なるパターンを印刷するのに新たな版を作る必要がある

有版印刷の例（スクリーン印刷）

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無版式印刷

利点初期費用が小さい初期工数が小さい手軽欠点（特にインクジェット）

大量生産性に劣るインクの特性が極端に限られる

小ロット・多品種生産

無版印刷の例（インクジェットプリンタ）（カッティングプロッタ）

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必要な時に素早く作製

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2次元インクジェット印刷

産業用インクジェットプリンタ

利点ヘッドを調整・交換可能⇒インクを作りこむ必要なし⇒ヘッドを交換可能

欠点高価（～数百万）

家庭用インクジェットプリンタ

利点安価・簡便欠点ヘッドを調整・交換不可

⇒インクの作りこみが必要⇒ヘッドが壊れたら本体ごと交換

Dimatix DMP-2850, Fujifilm

PIXUS iP7230, Canon

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印刷紙



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メカトロニクスの構成要素

• 制御部アクチュエータへの動作指令を行う部分

• センサ機構の状態を計測し、制御部に受け渡す装置

• エネルギー源アクチュエータのパワー源

• 構造（メカニズム）アクチュエータによって操作される運動系

• アクチュエータ機構を動かす駆動装置

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印刷法を用いたメカトロニクスの構成要素の開発






プリンテッドエレクトロニクス

T. Takenobu et al., Applied Physics Express, (2009).

プリンテッドメカニクス

構造・動きを付与することによる更なる機能の向上

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印刷デバイスの紹介（制御部） T. Takenobu et al., Applied Physics Express, (2009).

印刷カーボンナノチューブトランジスタの駆動特性

トランジスタとしての性能を確認

• ゲート電圧• ドレイン電流• ON/OFF比• ヒステリシス

電極：金基板：シリコン

産業用インクジェットプリンタ⇒ CNTは低分散

印刷カーボンナノチューブトランジスタの例

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印刷デバイスの紹介（制御部） T. Takenobu et al., Applied Physics Express, (2009).

フレキシブル印刷CNTトランジスタの例

電極：金基板：シリコン

産業用インクジェットプリンタ⇒ CNTは低分散

ポリイミド基板上に形成することでフレキシブルな

トランジスタを開発

印刷カーボンナノチューブトランジスタの例

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印刷デバイスの紹介（センサ） T. Hashizume et al., UbiComp2016, (2016).

家庭用インクジェットプリンタを用いた配線印刷

家庭用インクジェットプリンタで圧力センサを印刷

可撓性が高く、安価な紙に印刷

⇒ IoT, ウェアラブルデバイスとの親和性が高いと考えられる

コイルを使って非接触で測定可能

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印刷デバイスの紹介（エネルギー源）

L. Hu et al., PNAS, (2009).

紙/CNT 電源

K. Sun et al., Advanced Materials, (2013).

3D printed Li-ion battery

正極用材料：LFP負極用材料：LTO

3Dプリンタ用インクを開発し~ 1mm のLiイオン電池を作製

電極：CNT基板：紙

紙面上に電源を作製プラスチック材料と比較してインクが基板に定着する

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印刷法を用いたメカトロニクスの構成要素の開発






プリンテッドエレクトロニクス

T. Takenobu et al., Applied Physics Express, (2009). [1]

プリンテッドメカニクス

構造・動きを付与することによる更なる機能の向上

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印刷デバイスの紹介（構造）

折り紙

3Dプリンタ

Personal 3Dprinter MakerBot

Y. Liu et al., Soft Matter., (2011).

H. Sugihara, “Ready to Crawl”

E. Hawkes, PNAS, (2009).

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印刷デバイスの紹介（アクチュエータ）

C. Wang et al., Mat. Res. Lett., (2012).

A. S. Chen et al., ICRA, (2014).

Paper zipper actuator

高分子フィルムの熱膨張によって駆動

2D Printed actuator

ロボットの駆動

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印刷デバイスの紹介（アクチュエータ）

3D printed composites

R. MacCurdy et al., ICRA, (2016).

S. Sundaram et al., Advanced Materials Technologies, (2017).

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印刷紙



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紙

紙の種類

新聞紙印刷紙包装紙衛生用紙

• トイレットペーパー

雑種紙• トレーシングペーパー• 書道の半紙• 和紙

紙の特徴

表裏厚み強度

• 引張• 圧縮• 破断

透明度紙目（縦目・横目）保存性印刷適性

参考：筑波大江前先生, “紙の基礎と印刷適性－構造・物性・加工・印刷品質評価－.”株式会社宗次 “紙の特性,” http://www.munetsugu.co.jp/tips/property.html

様々な特徴を持つ紙が大量生産されている

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紙デバイス

Memory Analysis sytem

Display Microscope

グルコース測定機器

従来： $ 50 + $ 0.30 * n

提案： $ 0.05 * n

大量生産に強いL. Hong et al.,

Low cost microfluidics in healthcare.

J. Cybulski et al., PLOS one, (2014) .

・最大50時間・頑丈・1 $/unit

様々なタイプの方式を適用可能（明暗視野、蛍光）

感染症の元となる寄生虫の観察・特定

D. Lien et al., ACS nano, (2014) .

可燃、裁断可

⇒使い捨て⇒高保守性

S. Olberbing., UIST2014, (2014) .

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印刷紙



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折り紙の歴史と産業応用

https://shikinobi.com/wp-content/uploads/2016/07/tsuru2.jpg

Robert Lang, https://www.youtube.com/watch?v=DJ4hDppP_SQ http://www.langorigami.com/article/crease-patterns-art

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折り紙の歴史と産業応用

ORIPA, 筑波大, 三谷先生, https://youtu.be/F89Qrp89q4U.

明治大, 萩原先生, http://www.meiji.net/magazine/knowledge/vol50_ichiro-hagiwara.

ナマコ折りを応用した血管ステント

北大,繁富先生http://www.nikkei.com/article/DGKKZO

82327920T20C15A1MZ9000/

東大, 舘先生, https://youtu.be/GAnW-KU2yn4.

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様々な折り方

http://www.athome-

academy.jp/archive/mathematics_physics/0000001014_all.html

三浦折り

吉村パターン

折ることで強度が増す

缶に応用

折り紙研究ノート（三谷純）, http://mitani.cs.tsukuba.ac.jp/origami/main.html https://www.youtube.com/watch?v=nw5RLvN7fYA

なまこ折り

http://mitani.cs.tsukuba.ac.jp/origami/main.html

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印刷紙



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Folding in robotics (2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems workshop)

Sam Felton, Mike Tolley, Robert Wood.

Harvard UniversityKyu-Jin Cho

Seoul National University

Jamie Paik

EPFL

Duncan Haldane

Florida State University

Daniela Rus

MIT

Self-assembly Deployable Rapid-prototyping

Scalable Light weight

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Folding in robotics

Sam Felton, Mike Tolley, Robert Wood.

Harvard University

Felton, S., Tolley, M., Demaine, E., Rus, D., & Wood, R. (2014). A method for building self-folding machines. Science, 345(6197), 644-646.

マイクロコントローラで折り順序を制御

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Folding in robotics

B. An et al. An End-to-End Approach to Making Self-Folded 3D Surface Shapes by Uniform Heating., ICRA2014, pp. 1466-1473, (2014).

2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017

Folding in robotics

B. An et al. An End-to-End Approach to Making Self-Folded 3D Surface Shapes by Uniform Heating., ICRA2014, pp. 1466-1473, (2014).

屈曲する原理

ギャップと角度の関係

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Folding in robotics (2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems workshop)

Daniela Rus Group

MIT

障害物も踏破可能S. Miyashita et al. An untethered miniature origami robot that self-folds, walks, swims, and Degrades., ICRA2015, pp. 1490-1496, (2015).

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印刷紙



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シート材料に各要素を印刷することでロボットを作製

印刷法による自動作製の特徴

簡便・迅速な印刷法の特徴による生産性の向上ロボット作製時の特定の技術の自動化二次元印刷パターンとロボット機能というロボットの見方を提案

１．印刷２．組み上がり３．駆動

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研究の構成

Chapter 1

Chapter 2

構造

自動立体構造形成法の確立

自動切断した紙の構造形成

配線

ペン・ヘラを用いた直接塗布

インクジェットプリンタを用いた配線形成

アクチュエータ

印刷法を用いた紙電気熱アクチュエータの開発

高応答・大変形する紙電気熱アクチュエータ

Chapter 3１枚の紙面上での

構造と配線の同時設計静電接着を利用した静電アクチュエータ

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Chapter. 1

Design and development of printed paper robot

H. Shigemune, S. Maeda, Y. Hara and S. Hashimoto, “Design of paper mechatronics:

Towards a fully printed robot,” 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent

Robots and Systems (IROS), Chicago, IL, 2014, pp. 536-541.

H. Shigemune, S. Maeda, Y. Hara, N. Hosoya and S. Hashimoto, “Origami Robot: A Self-

folding Paper Robot with an Electrothermal Actuator Created by Printing,” in IEEE/ASME

Transactions on Mechatronics , vol. 21, no. 6, pp. 2746-2754, Dec. 2016.

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紙面上に印刷法を用いて、構造形成とアクチュエータの搭載を行う

高揮発性インクによる紙の構造形成

インクとの相互作用による紙の自動立体構造形成

印刷法を用いた機構とアクチュエータの開発と統合

紙を基板とする電気熱アクチュエータ

紙面上で駆動する印刷アクチュエータ

印刷紙ロボットの駆動

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インクジェットプリンタを用いた構造形成

紙の自動立体構造形成

5 cm

×64

Size of paper：148×105 mm

Hydro-foldby Christophe Guberan

C.Guberan, dezeen magazine, 2012,

http://www.dezeen.com/2012/04/13/hydro-fold-by-christophe-guberan/.

H. Shigemune et al., “Design of paper mechatronics: Towards a fully printed robot,” IROS2014, pp. 536-541, (2014).

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印刷線幅紙の厚さ湿度紙目

結果

制御パラメータ

解析手法

画像解析ソフトを用いて

上手の角度を３回測定し平均を取る

折れ角度の制御についての実験

角度の測定法

H. Shigemune et al., “Origami Robot: A Self-folding Paper Robot with an Electrothermal Actuator Created by Printing,” in IEEE/ASME

Transactions on Mechatronics , vol. 21, no. 6, pp. 2746-2754, (2016).

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アクチュエータの構成

電気熱アクチュエータの原理

カーボンアクチュエータカーボンアクチュエータ

導電層（印刷法）カーボン

（スパチュラで塗布）

導電率[𝐦−𝟏 𝛀−𝟏] 4.0 × 102

熱膨張層（印刷法）エポキシ

（メイヤーロッド法）

熱膨張係数[℃−𝟏] 8.7 × 10−5概念図

断面図H. Shigemune et al., “Design of paper mechatronics: Towards a fully printed robot,” IROS2014, pp. 536-541, (2014).

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1. 一様な電流に伴う均一な温度分布2. 断面積の増加に伴う抵抗値の減少

低温かつ低電圧での駆動が可能

導電率の高い銀ペーストを長辺に塗布

カーボンアクチュエータの構成

アクチュエータ温度測定

完成図赤外線サーモグラフィ使用


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カーボンアクチュエータの特性解析

実験条件

紙厚[mm]

樹脂厚[mm]

樹脂

A 0.064 0.047 エポキシ薄い

B 0.082 0.086 エポキシ厚い

C 0.064 0.046 ポリウレタン膨張率の高い樹脂

紙厚・印刷厚・樹脂を調整異なる特徴を持つアクチュエータを作製

解析方法

• 実験

• 有限要素法解析

• 解析解1

R∞−

1

𝑅0=

6𝛼𝑇

𝐸1′ℎ1

2 − 𝐸2′ℎ2

2 2

𝐸1′𝐸2

′ℎ1ℎ2 ℎ1 + ℎ2+ 4 ℎ1 + ℎ2

Autodesk

Simulation MultiPhysics

静解析

• 紙厚は従来技術で調整可能• 樹脂厚は印刷法で調整可能

オーブンに投入平衡状態画像解析で変位を測定

H. Shigemune et al., “Origami Robot: A Self-folding Paper Robot with an Electrothermal Actuator Created by Printing,” in IEEE/ASME

Transactions on Mechatronics , vol. 21, no. 6, pp. 2746-2754, (2016).

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カーボンアクチュエータの特性解析

実験条件

紙厚[mm]

樹脂厚[mm]

樹脂

A 0.064 0.047 エポキシ薄い

B 0.082 0.086 エポキシ厚い

C 0.064 0.046 ポリウレタン膨張率の高い樹脂

紙厚・印刷厚・樹脂を調整異なる特徴を持つアクチュエータを作製

解析方法

• 実験• 有限要素法解析• 解析解

H. Shigemune et. al.,

IEEE Transactions on Mechatronics

物性値を内挿することで3つの結果をフィッティング

材料熱膨張係数 [℃−1]

紙 5.6 × 10−5

ポリウレタン 1.1 × 10−4

実験結果

推定した物性値

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0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400 500D

isp

lace

men

t (m

m)

Time (s)

1ステップ 6.7 mm （80秒）

紙ロボット前足部の変位の時間変化

×64

2 cm

印刷パターン

駆動の様子

印刷したアクチュエータを用いて印刷した構造から運動を生成

電圧：8.3 -8.8 V 電流： 0.80 A


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Chapter. 2

Development of printed robot using

desktop printer and cutting plotter

H. Shigemune, S. Maeda, Y. Hara, U. Koike and S. Hashimoto, “Kirigami

robot: Making paper robot using desktop cutting plotter and inkjet printer,”,

2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems

(IROS), Hamburg, 2015, pp. 1091-1096.

2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017

簡便・迅速・安価にロボットの構造・アクチュエータ・配線を作製


カッティングプロッタを用いた紙の自動立体構造形成

インクジェットとカッティングプロッタを用いたロボットの作製

銀ナノ粒子を用いた電気熱アクチュエータ

高応答・大変位の印刷アクチュエータ開発

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切断した紙の自動構造形成

4 cm

×64

約15分で紙の構造形成が完了

紙のサイズ：297×210 mm

カッティングプロッタを用いた構造形成

カッティングプロッタを応用することで多様な立体構造に対応可能に

切断印刷

H. Shigemune et al., IROS2015, (2015).

H. Shigemune et al., “Kirigami robot: Making paper robot using desktop cutting plotter and inkjet printer,” IROS 2015, pp. 1091-1096, (2015).

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アクチュエータの構成

電気熱アクチュエータの原理

銀インクアクチュエータの特性

カーボンアクチュエータ銀インクアクチュエータ

カーボン（スパチュラで塗布）

導電層（印刷法）銀

（インクジェット印刷）

4.0 × 102 導電率[𝐦−𝟏 𝛀−𝟏] 1.1 × 106

エポキシ（メイヤーロッド法）

熱膨張層（印刷法）ポリウレタン

（メイヤーロッド法）

8.7 × 10−5 熱膨張係数[℃−𝟏] 1.1 × 10−4


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カーボンアクチュエータ銀インクアクチュエータ

断面図断面図上部からの写真上部からの写真

電圧 [V] 電流 [A]スイッチング時間 [s]

7.3 0.80 50/50

電圧 [V] 電流 [A]スイッチング時間 [s]

3.1 0.21 15/15

2 cm

最大変位量7.5 mm

最大変位量3.9 mm

×64 ×16


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×16

5 cm

印刷・切断パターン

駆動の様子

構造形成用

配線・アクチュエータ用

構造形成法

構造形成用紙の構造形成を利用して異なる性質を持つシートの構造形成に利用

印刷適用範囲配線アクチュエータの

導電層構造形成

配線の構成

を同一のインクジェットプリンタ

で設計可能


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Chapter. 3

Development and actuation of self-folding wiring board

H. Shigemune, S. Maeda, V. Cacucciolo, Y. Iwata, E. Iwase, S. Hashimoto and

S. Sugano, “Printed paper robot driven by electrostatic actuator,” IEEE

Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 2, pp. 1001-1007, Apr. 2017.

2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017

変形の曲率が制限される

従来研究：二種の紙の貼り合わせ

従来研究：電気熱アクチュエータ

熱拡散現象に起因する熱アクチュエータの応答性

2 cm

これまでの研究の欠点１枚の紙に構造・配線を印刷

Scratch Drive Actuator

MEMSで利用されている原理で静電接着を用いて駆動

剥離

接着

H. Shigemune et al., “Printed paper robot driven by electrostatic actuator,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 2, pp. 1001-1007, 2017.

2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017 64

目的：インクジェット印刷で作製される立体紙回路基板の開発

・簡便・迅速な立体回路基板作製法の提案・印刷ロボット（ペーパーメカトロニクス）の基盤となる技術

A. Islam et. al., J. Manuf. Technol., (2009).

Voxel8, Harvard University. S. Felton et. al., Science, (2014).

Molded interconnect device

Multi-material 3D printer Self-folding robot

・射出成型・複数の工程

・ 3Dプリンタの開発・ 3次元実装

立体回路

・構造形成に熱を利用・構造形成用の配線

形状と電子回路の一体化（軽量・コンパクト）

PCB origami

・折れるプリント基板・手で構造形成

Y. Sterman et. al., J. Mech. Design, (2013).

構造ベース回路ベース

従来の平面加工技術を応用可能

H. Shigemune et al., “Printed paper robot driven by electrostatic actuator,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 2, pp. 1001-1007, 2017.

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１枚の紙に対して構造と配線を印刷、静電アクチュエータによって駆動

自動構造形成する立体紙回路基板の開発

１枚の紙の上に構造と配線を印刷

立体紙回路基板の開発と駆動

静電アクチュエータによる印刷ロボットの駆動

静電接着・剥離による従来より高速な駆動

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変形の曲率が制限される

自発的に手首に巻きつくコイルパターン

立体紙回路基板⇒低コスト、軽量、フレキシブル⇒ウェアラブルデバイスへの展開

従来研究：二種の紙の貼り合わせ

印刷順序

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立体紙基板を利用した静電印刷ロボット

従来研究：電気熱アクチュエータ

熱拡散現象に起因する熱アクチュエータの応答性

2 cm

最大速度: 8.94 mm/s

印刷順序印刷物

5 mm

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振動で駆動するロボットの解析Scratch Drive Actuator

MEMSで利用されている原理で静電接着を用いて駆動

１ステップの変位量

駆動に必要な電圧

早川他, T.IEE Japan, Vol.118-E, No. 3, (1998).

𝛿𝑥 ≈ 27𝜖0𝜖𝑟 ,𝑖ℎ

6

4𝐸𝑑𝑡3

14

𝑉

𝑉𝑝 ≈ π

4

2

𝐸

𝜖0𝜖𝑟 ,𝑖

∙𝛿0

3𝑡3

12𝐿4

SDAの模式図

𝜖0:真空の誘電率, 𝜖𝑟,𝑖:絶縁膜の比誘電率ℎ:ロボットの高さ, 𝐸:紙のヤング率

𝑑:絶縁膜の厚み, 𝑡:紙の厚み, 𝑉:印可電圧

𝜖0:真空の誘電率, 𝜖𝑟,𝑖:絶縁膜の比誘電率𝛿0:ロボットの高さ, 𝐸:紙のヤング率𝐿:ロボット後部長さ, 𝑡:紙の厚み

変位

電圧

引き込むために必要な電圧

𝑉𝑝

M. Brenner et. al., NSTI conference, (2004).

Zipper actuatorのモデルを利用して引き込み電圧を計算

𝑉𝑝 ≈ 3950

駆動電圧： 4 kV

𝛿𝑥 ≈ 9.5 mmWhen ℎ = 10 mm

𝛿𝑥 = 36 μmExperimental value

𝛿𝑥 ≈ 39 μmWhen ℎ = 4.1 mm

2017/3/29 数理人 Ⓒ SHALAB 2017

研究の構成

Chapter 1

Chapter 2

構造

自動立体構造形成法の確立


配線

ペン・ヘラを用いた直接塗布

インクジェットプリンタを用いた配線形成

アクチュエータ

印刷法を用いた紙電気熱アクチュエータの開発

高応答・大変形する紙電気熱アクチュエータ

Chapter 3１枚の紙面上での

構造と配線の同時設計静電接着を利用した静電アクチュエータ

Hiroki Shigemune

Science

Transcript of Hiroki Shigemune