ソフトロボット開発のためのシリコーン材料基礎：特性と選び方
ソフトロボットの研究開発を進める上で、適切な材料の選定は非常に重要なステップです。中でもシリコーンは、その柔軟性、耐久性、加工の容易さから、多くのソフトロボットにおいて主要な材料として利用されています。このガイドでは、ソフトロボット開発をこれから始める方を対象に、シリコーンの基本的な特性、主な種類、そして目的に合わせた材料選びのポイントについて解説します。
シリコーンがソフトロボットに適している理由
シリコーンは、ケイ素（Si）と酸素（O）を主骨格とし、側鎖に有機基を持つポリマー材料です。この独特の化学構造により、ソフトロボットに求められる多くの特性を備えています。
- 高い柔軟性と伸縮性: 硬化後もゴムのような柔軟性を保ち、大きな変形や伸縮が可能です。空気圧などで膨張させるアクチュエータや、ソフトグリッパーの指部分などに適しています。
- 耐久性: 機械的な繰り返し負荷や、温度変化、紫外線などに対して比較的高い耐久性を持っています。
- 化学的安定性: 多くの化学物質に対して安定しており、様々な環境下での使用が考えられます。
- 生体適合性: 医療分野でも使用されるグレードのものは、人体に対して安全性が高く、ヒューマン・ロボットインタラクションを考慮する上で有利です。
- 加工の容易さ: 液状の材料を型に流し込み、比較的低温で硬化させることができます。これにより、複雑な形状の構造物も比較的容易に作製可能です。
これらの特性は、従来の硬い材料で作られたロボットでは実現が難しかった、柔軟で安全なインタラクションや、環境への適応性を備えたロボットの実現に貢献しています。
ソフトロボットでよく使われるシリコーンの種類
シリコーンは硬化機構によっていくつかの種類に分けられますが、ソフトロボット開発で主に使用されるのは以下の2種類です。
付加型シリコーンゴム (Addition-Cure Silicone)
- 特徴: 白金触媒（プラチナ触媒）を用いて硬化するタイプです。硬化時に副生成物をほとんど発生しないため、収縮が非常に少なく、精密な型取りや積層造形に適しています。硬化速度は触媒量や温度で調整可能です。
- 利点: 硬化収縮が小さい、物理的特性（引裂き強度など）に優れる、硬化速度の制御が容易、長期安定性が高い。
- 欠点: 一部の物質（硫黄化合物、アミン、特定の金属塩など）によって硬化が阻害（触媒毒）される可能性があります。
- 用途例: 精密な空気圧アクチュエータ、マイクロ流体デバイス、生体模倣ロボットなど、寸法精度や物性が重視される用途で広く利用されています。
縮合型シリコーンゴム (Condensation-Cure Silicone)
- 特徴: 空気中の水分と反応して硬化するタイプ（Room Temperature Vulcanizing, RTV）や、金属塩触媒（錫触媒など）を用いて硬化するタイプがあります。硬化時にアルコールなどの副生成物を発生します。
- 利点: 比較的安価、幅広い硬度範囲の製品がある、硬化阻害を受けにくい製品も多い。
- 欠点: 硬化時に収縮が発生する、副生成物による臭気や影響がある場合がある、付加型に比べて物理的特性が劣る場合がある。
- 用途例: ソフトグリッパーの簡易な指先、型取り材、コーティングなど、コストや加工性が優先される用途で利用されることがあります。ただし、近年では性能面から付加型が主流となる傾向にあります。
シリコーン材料の選び方
ソフトロボット開発の目的に合わせて適切なシリコーンを選ぶためには、いくつかの要素を考慮する必要があります。
- 硬度 (Hardness): 硬化後の材料の硬さを表す指標です。ソフトロボットでは、Shore AスケールやShore 00スケールで表現される非常に柔らかい材料（例: Shore 00 10〜50）から、比較的硬い材料（例: Shore A 0〜60）まで幅広く使用されます。アクチュエータの応答性、グリッパーの把持力、ロボット全体の柔軟性などに直接影響するため、要求される機能に応じて慎重に選びます。
- 粘度 (Viscosity): 硬化前の液状材料の粘り気を表します。粘度が低いほど細かい形状の型に流れ込みやすく、脱泡もしやすくなります。複雑な構造や微細な流路を持つアクチュエータを作成する場合は、低粘度の材料が有利です。
- 物理的特性: 引裂き強度、引張強度、伸び率などの物性値も重要です。これらの値が高いほど、繰り返し使用による破損に強く、より大きな変形に耐えることができます。特にアクチュエータでは、繰り返し膨張・収縮による疲労破壊が問題となるため、これらの特性を考慮する必要があります。
- 加工性: 混合比、硬化時間、推奨される脱泡方法などを確認します。特に付加型シリコーンの場合、正確な混合が物性発現に不可欠です。また、硬化阻害の可能性についても事前に確認しておくことが重要です。
- コスト: 材料の価格は種類やメーカーによって大きく異なります。研究開発の初期段階や小規模な実験であれば少量高価な高性能材料を試すことも可能ですが、大量に使う場合やコストを抑えたい場合は、より安価な選択肢も検討する必要があります。
- 安全性: 生体との接触が想定される場合や、研究室での取り扱いを考慮して、安全性の高い材料（例えば、食品グレードや医療グレードに準拠した製品）を選択することが望ましいです。
これらの要素を総合的に判断し、実験の目的や最終的に目指すロボットの性能に最適なシリコーン材料を選択することが、効率的な開発につながります。多くのメーカーから多様な特性を持つシリコーン材料が提供されていますので、まずは少量のサンプルから試してみることを推奨いたします。
まとめ
シリコーンは、その優れた柔軟性、耐久性、加工性からソフトロボット開発に不可欠な材料です。付加型と縮合型があり、それぞれに特徴と適切な用途があります。材料選定においては、硬度、粘度、物理的特性、加工性、コスト、安全性を総合的に考慮することが重要です。
この情報が、これからソフトロボット開発を始める皆さんが、材料選びの第一歩を踏み出すための一助となれば幸いです。具体的な実験や研究を進める際には、使用する材料の製品情報を詳しく確認し、安全に注意して取り扱うようにしてください。