中央大学とJAXA、大腸の蠕動運動を応用して固体ロケット燃料を安価に混ぜて捏ねて運ぶ製造手法を開発 ソフトロボティクスと宇宙開発のコラボ


中央大学理工学部 精密機械工学科教授の中村太郎氏、同助教の山田泰之氏、国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構(JAXA)宇宙飛翔工学研究系 准教授の羽生宏人氏らは、2018年3月16日、ソフトアクチュエーション技術による大腸の蠕動運動を規範とした革新的固体ロケット燃料製造手法を開発したと発表し、共同記者発表会を開催した。

中央大学・中村研究室が開発した軸方向繊維強化型人工筋肉を用いたポンプを使い、人の大腸の蠕動運動を模擬した動きによって、材料を混合し搬送する技術。扱いが難しい固体ロケット燃料を、安全かつ効率的に扱うことで効率的・連続的に製造できる。

開発した固体ロケット燃料製造装置システムの模擬動作

既に大学研究室レベルではなく、協力会社の日本カーリット株式会社の工場内で本格的な製造評価試験を実施し、製造可能であることを実証した。今後、活用が期待されている小型の民間商業ロケット用としての展開・実現が期待されるとしている。


実際の推進薬での実験の様子


固体燃料ロケットのコストを下げる

国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構(JAXA)宇宙飛翔工学研究系 准教授 羽生宏人氏

固体ロケット燃料の研究開発に従事してきたJAXAの羽生氏は「ロボティクスとロケット燃料製造の世界が重なることは珍しい。今回、小規模ではあるが試作機による実証実験を通して、うまくいくことを示すことができた」と述べた。ニーズとシーズの異分野交流でうまく成果を出すことができたと考えているという。

市場競争力を持つためには信頼性と低コスト化が重要だ。小型のロケットに用いられることが多い固体燃料ロケットのコストを下げて、自在性を高めることが期待されている。


固体ロケットの課題は低コスト化

製造技術を変えてコストを下げるために原点に帰り、テレビの料理番組でビニール袋のなかに食材と調味料を入れてもみほぐして混ぜているのを見て興味を持ち、調査を行なっているなかで中央大学 中村研究室の研究を知り、基礎研究が始まった。


原点に立ち返って「混ぜる」について考えた

固体ロケット燃料は液状のゴムに粉末状の酸化剤フィラーを混ぜて、スラリー状に製造する。衝撃を与えてはいけないので、簡単に作れるものではないという。


固体ロケットは液体のゴムと粉を混ぜる

通常は釜のなかで撹拌羽根を使って混ぜて(混錬)、何度も繰り返しロケットのケースのなかに人手で充填(注型)していく必要がある。ここを連続的に、かつ小さな装置で行うことができれば、低コスト化につながると考えた。


連続式製造への転換

欧米でも連続製造手法は研究されている。だが金属のスクリューを回転することで機械摩擦によって、粉成分が崩れて品質が下がったり、火薬の誤発火の危険性がある。では今回の手法の利点はなんなのか。大腸の蠕動収縮運動を利用して混ぜるので、数値解析の研究者とも共同で研究を進めているという。


揉んで混ぜる


ソフトロボティクスと宇宙開発

中央大学理工学部 精密機械工学科教授 中村太郎氏

中村教授は「ソフトロボティクスは次世代のロボット技術として期待されている」と紹介。従来のロボットはかたく位置制御で動いているが、これからのロボットは人と近い場所で動くために、柔らかくしなやかな、ソフトロボティクスの成果が期待されている。従来のソフトロボティクスは生まれたばかりで多くの研究成果は「手作り感」が否めない。だが、今回の成果は、世界的に見ても実用化の魁となるものだと述べた。

模擬材料を使ったデモ

もともと中村教授はミミズの蠕動運動の研究を行っていた。そのなかで蠕動運動を使えばうまく搬送ができるのではないかと考えた。高粘度流体や固体と液体の混合体などは搬送が難しく、現状では大型の機材を使って高圧で搬送している。それを駆動力が分散している蠕動運動を使えば、低圧で搬送できるのではないかと考えた。


高粘度流体や固液混合体は搬送が難しい

腸の蠕動運動は輪走筋の収縮と弛緩を繰り返して、「食塊」を搬送している。その過程で固体と水を混ぜ合わせる。これを再現することを考えた。


輪走筋の収縮と弛緩による大腸の蠕動運動

蠕動運動に使っているのは高出力型ゴム人工筋肉(軸方向繊維強化型人工筋肉)。ゴム製の単純な二重円筒構造で、軸方向に収縮する。人が息を吹き込む程度の空気圧で動く


ユニットの構造

これを直列に連結して、横から空気を入れることで、収縮と膨張を繰り返させることで、原料の搬送と混練工程を実現する。固体と液体の混合や逆送も可能だ。分岐弁にもなるので、流量の制限もできる。水の2万倍くらいの粘度があるハチミツの搬送もできた。


複数の混合動作を組み合わせる

2010年ごろに、中村研でここまでやっていた段階で、JAXAの羽生氏から話が来たのだという。材料をいれたあと、方向選択が可能なのでうまく混ぜるまで中で動かしながら混ぜていき、ちょうどいい段階になったら次の工程へ移すことができる。


システム全体の構成

通常の方法でこねると、どうしても高せん断になってしまうが、低せん断で効率的な混合・搬送ができる点は他の産業応用の可能性も高いという。またゴムを使っているので、火花などが起こる可能性が高い。また配管型なので装置の配置自由度が高い。今まで混ざらなかった新材料を混合できる可能性もあると述べた。

固体ロケット燃料製造装置システムはオール空気圧駆動で、電磁弁は外部に設置。火薬が接する場所は非金属となっている。中の温度は水で制御する。


研究室での実験の様子

最初に学会発表したときには「混ざるわけがない」と批判されたが、実際に研究室で推進薬を混ぜる実験したところ、綺麗に混ざり、燃焼実験も行った。課題としては人工筋肉の耐久性、推進薬材料の接触部はゴム・樹脂で構成すること、パラメータ最適化などをあげた。燃焼実験の結果は、プラネタリーミキサーを用いた既存の方法と同等だったという。


地上燃焼試験の様子

今後は、作業工程の効率化、実用化をにらんだプラント化、2〜3年後を目処にした事業化の検討、さらなる効率化、大型化を狙う。他の地上技術として、粉体の搬送などにも応用を狙っていく。印刷会社と共同研究を進めており、他にも食品、セメント、原油、汚泥、土砂などの応用を想定する。


蠕動ポンプの応用

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森山 和道

フリーランスのサイエンスライター。1970年生。愛媛県宇和島市出身。1993年に広島大学理学部地質学科卒業。同年、NHKにディレクターとして入局。教育番組、芸能系生放送番組、ポップな科学番組等の制作に従事する。1997年8月末日退職。フリーライターになる。現在、科学技術分野全般を対象に取材執筆を行う。特に脳科学、ロボティクス、インターフェースデザイン分野。研究者インタビューを得意とする。WEB:http://moriyama.com/ Twitter:https://twitter.com/kmoriyama 著書:ロボットパークは大さわぎ! (学研まんが科学ふしぎクエスト)が好評発売中!