新しい3Dプリンティングアプローチにより生物医学、エネルギー、ロボットデバイス

January, 14, 2025, Corvalis--オレゴン州立大学(OSU)の研究者は、筋肉に例えられる形状変化材料のための新しい 3D プリンティング アプローチの作成を支援し、ロボット工学、生物医学、エネルギー デバイスにおけるアプリケーションの改善への扉を開いた。

OSUカレッジオブエンジニアリングのDevin Roachと共同研究者によってプリントされた液晶エラストマ構造は、プリント後すぐに這ったり、折り畳んだり、スナップしたりできる。

「LCEsは基本的にソフトモーターである」と、機械工学のRoach助教授は話している。「通常のモーターとは異なり、柔らかいため、本質的に柔らかい体とうまく機能する。そのため、例えば、標的部位に薬剤を送達するための埋め込み型医療機器として、標的部位での処置のためのステントとして、または失禁を助ける尿道インプラントとして使用することができる。」

液晶エラストマは、軽く架橋されたポリマネットワークであり、熱などの特定の刺激にさらされると形状が大幅に変化する。これらは、太陽や交流などの熱エネルギーを機械的エネルギーに変換し、オンデマンドで保存および使用するために使用できる。Roachによると、LCEsは、ソフトロボティクスの分野でも大きな役割を果たすことができる。

「LCEsを組み込んだ柔軟なロボットは、安全でない、または人間が行くのに適さない領域を探索できる。また、深宇宙グラップリング、レーダー展開、地球外探査などの自動化システムのアクチュエータとして、航空宇宙分野で有望であることも示されている」(Roach)。

Roachによると、液晶エラストマの機能的有用性を支えているのは、異方性と粘弾性のブレンドである。

異方性とは、木材が木目と交差してよりも木目に沿って強いなど、方向に依存する性質を指し、粘弾性材料は、流れに抵抗し、応力下でゆっくりと変形する蜂蜜のように粘性があり、ゴムのように応力が取り除かれると元の形状に戻る弾性がある。粘性材料はゆっくりと変形し、徐々に回復する。

液晶エラストマの形状変化特性は、材料内の分子の配列に依存する。Roachとハーバード大学、コロラド大学、サンディア&ローレンス・リバモア国立研究所の共同研究者は、デジタル光処理と呼ばれる3Dプリンティングの一種で磁場を使用して分子を整列させる方法を発見した。

アディティブ・マニュファクチャリング(AM)、3Dプリンティングでは、一度に1つのレイヤーでオブジェクトを作成することができる。デジタル光加工では、光を使って液体樹脂を精密に固体状に固める。しかし、エラストマの分子を整列させるのは難しい場合がある。

「分子を整列させることは、LCEsの可能性を最大限に引き出し、高度で機能的なアプリケーションでの使用を可能にするための鍵である」(Roach)。

Roachと他の研究者たちは、磁場の強さを変化させ、磁場と、プリントされた各層の厚さなどの他の要因が分子の整列にどのように影響するかを研究した。これにより、加熱すると特定の方法で変化する複雑な液晶エラストマの形状をプリントできるようになった。

「われわれの研究は、刺激に有用な方法で応答する先端材料を作成するための新しい可能性を開き、複数の分野でのイノベーションにつながる可能性がある」(Roach)。

に掲載された研究の支援アドバンスド 料(外部リンクです)は、全米科学財団と空軍科学研究局でした。

研究チームは、液晶エラストマーの機械的減衰の可能性を調査した。

機械式減衰とは、自動車のショックアブソーバ、建物を地震から保護する耐震ダンパー、風や自動車による振動を最小限に抑える橋梁の振動ダンパーなど、機械システムの振動や振動のエネルギーを低減または放散することを指す。

OSUの学生であるAdam Bischoff、Carter Bawcutt、Maksim Sorkin、その他の研究者は、ダイレクトインクライト3Dプリンティングとして知られる製造方法が、幅広い負荷速度でエネルギーを効果的に消費する機械的な減衰装置を製造できることを実証した。