第 3 章 超弾性グローブの設計と製造
3.2 課題解決へのアプローチ
3.2 課題解決へのアプローチ
3.1.1で，グローブの要件からみたグローブ製作の課題をまとめた．そこで，これら
の解決へのアプローチを提案する．
アプローチ１：各要件を満たすグローブ材料の選定（3.2.1，3.2.2）
アプローチ２：ヒトの手の外観の復元のための採型法(3.2.3)
アプローチ３：義手の把持力向上を担保するハンドの把持形状に追従する 厚み及び指先の構造と粘弾性を考慮した指腹形状(3.2.4)
各要件を満たすグローブ材料
第2章で述べたように，これまで，グローブの材料は，塩化ビニルとシリコーンが 主流であった．ここで，㈱タナックより提供のあった新しい超弾性材料（熱可塑性エ ラストマー，商品名「クリスタルゲル」）を含め，3.1.2で明らかになった課題の解決 のため，それぞれの性質を比較した（表 3-3）．
表の作成にあたり，株式会社アイ・メーカーWeb サイト，アロン化成エラストマー 製品 Web サイトを参考にした． [株式会社アイ・メーカー i-maker.inc, 2019] [ア ロン化成株式会社, 2019]
本調査の結果，材料の特性について，すべての要素が優れている材料はなかった．
しかしながら，表 3-3 から読み取れることは，
・JIS 規格 1）と外観 2）の要件に即している材料は，塩化ビニルとシリコーン
・義手の把持性能 3）の要件に即している材料は，エラストマー，
・指先の把持安定性や粘弾性 4），質感 5），柔軟 6）性に関しては，エラストマー が優れているといえる．
表3-3．主なグローブ材料と材質特性 （(株)タナック提供資料より改変）
要件 課題
必要な 性質
ポリ塩化ビニル 樹脂
（塩化ビニル）
シリコーン 樹脂
熱可塑性 エラストマー (エラストマー)
1) 着⾊性
良い．着⾊後に透 明なものを被せる 2 重構造も可
⼤変良い．成型 後の着⾊や彩⾊
が可能
材料（ペレッ ト）を混ぜ合わ せて彩⾊する が，成型後の着
⾊は困難 1) 加飾性 ⼆次加⼯が容易に
可能
成型後の加飾が 可能
成型後は加飾は 困難
1) 反発性
・衝撃性
70℃以上で耐衝 撃性が低く，低温 度では耐衝撃性が
悪い
反発⼒は⾼くな く，衝撃に弱い
反発弾性率 51-73％
1) 2) 成形性 良い 良い 良い
1) 2) 接合性 専⽤の接着剤を使
⽤
シリコーン（液 体）同⼠で接着
可能
専⽤の接着剤が あるが，接合は
困難．
1) 3) 伸張性 △ 300-800% 1000％以上
2) 意匠性 ⾼い ⾮常に⾼い
成型後の加⼯が 不可なため⾼く
ない 2) 軽量性 ⽐重 1.35-1.45 ⽐重 1.06-1.10 ⽐重 0.86-0.89
3) 摩擦特性 有 有 有
4) 粘弾性 △ 〇 ⾮粘着・粘着あ
り 4) 5) 柔らかさ ―
JIS-A 50〜100°
JIS-E 10-20°
JIS-A 10-30°
JIS-Ｅ10-35°
―
6) 柔軟性 △ 〇 ◎
7) 耐摩耗性 〇 劣る △
3.2 課題解決へのアプローチ
7) 耐油性 酸・アルカリに強
い △ ×
7) 耐熱性 60-80℃
-100℃〜
250℃，
⾼い耐寒性と耐 熱性
-30℃〜80℃
7) 耐久性
機械的強度が⾼く 剛性があり耐久性
に富む
引っ張り強さや 引裂き強さなど
では劣る
⾼い衝撃吸収 性，強度，伸⻑
性がある．
7) 耐⽔性 耐⽔性に優れ⽔を 通さない
⽔をはじく．
⾼い撥⽔性
優れた耐吸⽔特 性
7) 刺激性
(弱） 〇
⽔，酸化，酸・
アルカリなど抵 抗性を持つ
対候性，耐オゾ ン性，耐薬品性
（酸，アルカ リ）に優れる
7) 衛⽣性 △ △ ◎
7) 粘着性
⾮粘着．
ガラスにはくっ つきやすい
⾮粘着，⾼粘着 どちらも存在す
る
―
経済性
（シリコー ンを 100 とした価格
⽐）
80 100 50
グローブ素材の選定
本節で明らかであるとおり，筋電義手用グローブの一つの大きな柱となる要件は，
「人間の手にそっくり」 [梶谷, 2001]であることである．人間の手にそっくりである グローブの製作を実現するには，色や形など外観を人間の手に近づけることが可能で あり，柔軟性，粘弾性といった質感が人間の手であるように感じられる素材を選定す る必要がある．
3.2.1で，筋電義手用グローブの製作の要件を満たす材料の検討を行い，候補となる
塩化ビニル，シリコーン，熱可塑性（スチレン系）エラストマー（以下「エラストマー」）
の材料の特性を比較した．
その比較結果に基づき，シリコーンと熱可塑性スチレン系エラストマー素材の有意 性に注目し，当該素材を用いて新しい超弾性グローブを試作することにした．
本研究で，グローブの製作や既存のグローブの改良に協力いただく企業は，国内唯 一の塩化ビニル製グローブの製作を行う株式会社佐藤技研と，医療用模擬臓器等，ヒ ト体内の臓器の忠実な再現を追求する技術を持つ株式会社タナックである．
㈱佐藤技研のグローブは，塩化ビニル製のものも，シリコーンを原料としたものも，
既に製品として流通しているため，新しいグローブの製作のための材料や製作方法は，
㈱タナックが保有している熱可塑性スチレン系エラストマー材料とシリコーン材料の 製品からそれぞれ選定し，それらの材料に適した製作法を検討することとした．
㈱タナックが持つ，色や形などの外観を人間の手に近づける技術は，手術練習用の 血管や胃袋など医療用模擬臓器の製造・販売で実証済みである．そのため，人間の手 にそっくりな質感を持つ材料の選定を目的に，音叉の原理でやわらかさを測定し数値 化する機器（新光電子㈱，SOFTGRAM）を用いてヒトの手背及び指先の柔らかさを測 定した．そしてそれに近い測定値を持つ材料を，新しいグローブの材料として選定す ることにした．
SOFTGRAM（SG0305，新光電子）は，Heinrich Rudolf Hertz の弾性接触理論に基づ
き，圧子の反力を測定，圧子径及び押込み量からヤング率を算出し，測定値を表示す る機器である．化粧品業界で肌の柔らかさの測定や成分のはたらきの分析，食品業界 での食感や触感の数値化や標準化の決定の基準，または，スポーツ医学の分野で触診 の数値化，さらに医療業界での皮膚の柔らかさの測定などで利用が期待されている．
3.2 課題解決へのアプローチ
以下に，計測したSOFTGRMの実測値（3回平均）を示す（表3-4）．
表3-4 ヒトの手とグローブ材料の柔らかさの値
部位又は素材 製品品番 硬度（企業物性 データ）
ヤング率測定値
（単位：kPa）
ヒト手背 59.8
ヒト手指 146.4
エラストマー
（クリスタルゲル）
CRG-NTM15 15±5（JIS-E） 248
CRG-NTM20 20±5（JIS-E） 324.3
CRG-NTM25 25±5（JIS-E） 372.5
シリコーン
（タフシロンゲル）
TSG-E10 10（E型） 134.3
TSG-E30 15（E型） 178
TSG-E50 20（E型） 197.5
TSG-A10 33（E型） 503.7
TSG-A30 51（E型） 1242.6
熱可塑性エラストマー樹脂には，スチレン系のほか，オルフィン系，アクリル系の エラストマー材料があるが，それらの材料の中で最も柔らかく伸張率が高いものが，
スチレン系エラストマーである．筋電義手用グローブには，柔軟性が必要であるため，
熱可塑性スチレン系エラストマー素材（クリスタルゲル）を選定した．また，クリス タルゲルには，硬さが一段階低いCRG-NTM10という製品もあるが，べたつきが高す ぎたため，選択から外した．
こうして，柔らかさの計測値から示されたヒトの手指に近い材料の製品から，新し い超弾性素材，エラストマーグローブの材料として，CRG-NTM15を選定した．
また，シリコーン材料については，先行研究 [福永秀之, 2004]から，柔らかいことが 引裂きに弱いことに直結するため，TSG-E30ではなくTSG-E50を新しく開発するシリ コーングローブの材料として選定した．
※㈱タナックでは，医療現場での手術練習用の用途として，模擬臓器を開発して いる．臓器にメスを入れたときの皮が破ける「プチッ」という触感を再現するため，
豚の8か所の表皮をレオメータで数値化し，クリスタルゲルに添加剤を混入させ貯蔵 弾性率等を同定した．その研究の一環について付録に示すが，グローブの開発とは異 なるアプローチであるため，本論文では説明を割愛する．
ヒトの手の外観の復元のための採型法
失われた身体の一部を，外見，質感などを本物と見分けがつかない様に復元する ことをエピテーゼという．近年，色や形状をよりリアルに再現する技術自然な手の 形態特徴を有する義肢や装飾用義手のグローブの開発には，義肢装具の企業をはじ めとした数多くのメーカーが取り組んできており，美しく見える手姿勢や色，テク スチャを再現する方法が明らかになってきている（表3-5）．
表3-5 各メーカ－における外観の再現の方法
メーカー 材質 種類・名称 特徴 採型方法
佐藤技研 塩化ビニル ノーマルグローブ
カラーグローブ
厚みや硬さを変 更可
２層構造で着色
型取り剤で採型
佐藤技研 シリコーン シルグローブ 汚れが付きにく く，変質，変色も 少ない
型取り剤で採型
愛和義肢 製作所
シリコーン樹 脂
エピテーゼ 薄 膜 加 工
（0.1mm），透明 色の移行部，可 動式関節部品
健指の反転技術
ア ヘ ッ ド ラ ボ ラ ト リ ー ズ
シリコーン エピテーゼ義手「コ ンビニハンド」
生活道具装着ア タッチメント付 のエピテーゼ義 手
歯科の印象剤で採 型，WAX復元彫刻，
3D造形モデル製作
人 体 ア ー ト 研究所
特殊シリコー ン
エピテーゼ 義肢裝具ではカ バーしていない 身体の各部分に 対応
採型方法に関して 明記無し
中 村 ブ レ イ ス株式会社
シリコーンゴ ム
シリコーンゴム製人 工 補 正 具 「 ス キ ル ナー」
手指，マニキュ ア 用 爪 付 き 手 指，耳，鼻，手部
採型方法に関して 明記無し
ト ー ヨ ー ポ リ マ ー 株 式 会社
ル ビ ー セ ル
（微細連続気 孔を持つウレ タン）
ルビラー製義肢 シリコーンの約 1/2の軽さ
採型方法に関して 明記無し
3.2 課題解決へのアプローチ
表の通り，採型方法で明記されているものは，型取り剤を使う方法や歯科の印象 剤を用いる方法などがあるが，テクスチャまで写し取るためには，型取り材を用い て，鮮明な皺や指紋の様相とともに，手指の姿勢を複製することができる（図 3-7）
図 3-7 型取り剤「かたとって」を利用した手形の採型
また，3Dスキャナを用いて，残存手の特徴を写し取り，デジタルデータを反転さ せたのちに，機械加工で義手側を再現する方法の提案も行われており，この技術は ここ数年で目覚ましく進歩している．今後，スキャナの精度と撮影速度の改善が待 たれる [大西健吾, 2004]．
このように，手指の形態的特徴を転写する技術は，十分に成熟し，利用者の期待 に応えているが，ロボットハンドに装着して自由な関節運動を実現するためには十 分な伸縮率を得られていない．また，皺の部分を薄く成形し，肉厚を十分にとる技 術も未だ確立されていない．
そこで，ヒトの手の外観の復元というコスメティックの課題に対しては，指紋や 皺のテクスチャの再現を設計目標・仕様とし，仕様を満たすためのアプローチとし て，型取り剤を利用したヒトの手の石膏モデルから指紋と皺のテクスチャの再現を 試みた（図 3-8）．結果として，掌紋や指紋の模様のもとになっている皮膚隆線も，
手背側の血管や毛穴の再現にも成功した．
筋電義手用のグローブの製作を目的とした手形の採型であるため，採型時の手の 形は，下向きで，ハンドが駆動したときに不自然な皺が寄ったり引きつれたりしな いよう，母指が自然に対向位置になる姿勢とした．
製作を予定するグローブのサイズは，成人男性用，成人女性用，小児用の3種類 とし，小児用のグローブを作製するためのモデルとしての手の型取りは，倫理委員 会で認められる範囲内において，本人及び保護者の同意を得た小学校の約100名の 生徒を対象に行い，これらのうちから小児用グローブの型モデルを選定した（図