芝浦工業大学の前田真吾准教授らの国際研究グループは、化学エネルギーのみで駆動する人工心臓のようなゲルが、電子部品を必要としない自律型ポンプとして機能することを実験的に証明した。

 メカトロニクス機器はどれも、ウェアラブルデバイスなどの進化に複雑さと小型化が進み、機器に必要な部品点数も増加。研究では、これらの機器における複雑さの根本的解消のため、機器の動力源を電力から化学反応に代替し、電源、アクチュエータ、電子部品などの要素をベローゾフ・ジャボチンスキー(BZ)反応※で動く刺激応答性高分子ゲル(BZゲル)に集約し、シンプル化することを提案している。

 しかし、これまでBZゲルの力学的エネルギーは変化量が小さく、またゲル自体を化学液中に浸す必要があり、応用に限界があった。そこで今回、実用可能な形を提案できるよう実証実験を行った。

 まず、BZゲルの膨張・収縮で生じる力学的エネルギーを増幅させる手法を確立。事前にBZゲルを収縮させた状態で化学液とともにカプセルに閉じ込めてBZゲルの膨張量を最大化し、化学液の扱いづらさを軽減させる。そして、BZ反応による動きが伸縮性の膜の変形を介して外部の油を加圧する。このことで、加圧された油が力学的エネルギーを媒介し、人工心臓のように液体を前後に動かすエネルギーとなり、ゲルと膜による単一構成物でできたポンプを実現した。

 このポンプは生体との親和性が高く、自動的に薬を服用するドラッグデリバリーなどの医療分野への応用が考えられる。また、化学反応を力学的エネルギーへ変換し利用を考える多くの研究分野で活用が期待される。

※セリウムイオン触媒を用いた、臭素酸によるマロン酸の酸化反応で、化学振動の典型例。

論文情報:【Scientific Reports】Autonomous oil flow generated by self-oscillating polymer gels

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大学ジャーナルオンライン編集部

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