韓国の研究者たちは最近、単一の材料で作られた柔軟なアクチュエーターが熱の影響を受けて伸縮する革新的な3Dプリント方法を開発しました。この研究は、釜山国立大学（PNU）の研究チームとアメリカのテネシー州オークリッジ国立研究所（ORNL）のパートナーとの共同で行われました。彼らは、印刷プロセス中に分子の配列を制御できる3Dプリント可能な液晶エラストマー（LCE）を創造しました。印刷速度や温度を変えることで、研究チームは材料の熱に対する反応を特定することができました。
チームによると、この材料は柔軟なロボット、人工筋肉、ウェアラブルデバイス、その他の形状変化する装置に応用可能です。
釜山国立大学の教授、安碩均（Suk-kyun Ahn）は、「私たちの研究は、単一の印刷可能な層状LCEインクを使用し、印刷速度と温度を調整することで、二つの直交方向間の分子配列を切り替えることを初めて示しました」と述べています。柔軟なアクチュエーターは、外部の刺激によって曲がったり、伸びたり、収縮したり、形を変えたりすることができる材料や装置です。液晶エラストマーは、熱などの刺激に対して分子構造を変化させることができるため、これらの応用に非常に有用です。しかし、従来の押出式3Dプリントでは、印刷されたフィラメントの内部の分子が同じ方向に配列されることが多いです。
そのため、各フィラメントの運動の種類は大部分が制限されます。
研究チームが成功裏にプログラム可能な柔軟なアクチュエーターを開発
この課題を克服するために、研究チームは印刷プロセス中に分子配列を切り替えることができる層状LCEインクを使用しました。これらの印刷条件を変更することで、分子が二つの垂直方向のいずれかに配列され、加熱時に製品材料が伸びるか収縮するかが決まります。重要なのは、これら二つの挙動が異なる材料を使用することなく、同じ印刷可能な材料で実現できることです。研究者たちは、「従来の液晶エラストマー印刷とは異なり、後者は分子配列を印刷方向に固定しますが、新しい方法は層状液晶インクの独特な挙動を利用しています」と報告しています。
研究チームはこのプロセスをよりよく理解するために、直接インク書き込み技術と多様な実験および計算方法を組み合わせました。彼らはインクの流動を研究するためにレオロジー測定を行い、広角X線散乱を利用してその分子構造を調べ、分子動力学シミュレーションを行いました。研究者たちはその後、この材料を使用してプログラム可能な動きを持つ2Dおよび3D構造を印刷しました。これらの構造には格子、曲面、地形を変えることができる表面が含まれています。印刷された材料は、繰り返し加熱および冷却サイクルの中でも信頼性のある性能を維持します。
潜在的な応用が4Dプリント技術の発展を進める
単一の材料に相反する動きをプログラムする能力は、より複雑な動作を実現するために柔軟なロボットの作成を簡素化する可能性があります。安碩均は、「潜在的な現実の応用には、柔軟なロボットアクチュエーターや人工筋肉、再構成可能な触覚表示面、空気抵抗を調整する適応テクスチャが含まれます」と付け加えました。チームによると、この方法は4Dプリントを進展させる可能性もあり、この印刷技術は3Dプリントされた物体が製作後に形状や性能を変えることを可能にします。安碩均は、今後5〜10年の間に、この研究が3Dプリントされた物体が固定された形状を保持するだけでなく、能動的に形状を変え、特定の機能を実行することを可能にするかもしれないと強調しています。
この研究成果は『Nature Communications』に発表されました。