ACS Nano: ハイドロゲル 3D プリントにより生体模倣ソフトロボットの設計が可能に

出典: 国際バイオニック工学協会

ハイドロゲル材料は、本質的に機械的な柔らかさを持っています。さらに、その豊富な多様性により、伸張性、生体適合性、透過性、外部刺激への応答性など、生物に似た多くのユニークな特性ももたらします。これらの優れた総合特性により、ハイドロゲル材料はバイオニックソフトロボットの設計に人気の原料となり、一連の進歩を遂げてきました。ハイドロゲルベースのソフトロボットの現在の研究では、克服する必要がある制限要因がまだ 2 つあります。1 つは、ハイドロゲル材料の機械的強度が一般的に低いため、実際のアプリケーションでの信頼性が制限されることです。もう 1 つは、ハイドロゲルソフトロボットが金型の設計と準備に依存しているため、複雑な 3D 構成を実現するのが面倒で難しいことです。したがって、構造の複雑さと機械的な信頼性を備えたバイオニックソフトロボットを実現するために、シンプルで普遍的な設計戦略を開発することは非常に重要です。

上記の研究背景に基づいて、シンガポール国立大学のギム・ウェイ・ホー教授の研究グループは、ハイドロゲル 3D プリントに基づくバイオニックソフトロボットの設計戦略を開発しました。生体適合性に優れたアルギン酸ナトリウムを効率的なレオロジー特性調整剤として使用すると、化学的に架橋された一連のハイドロゲル材料と物理的に架橋されたハイドロゲル材料を直接 3D プリントして設計できます。アルギン酸ナトリウムの固有の親水性ネットワークにより、メインハイドロゲルは優れた特性を保持できます。同時に、二重ネットワーク構造により、印刷後のソフトロボットの機械的靭性も大幅に向上します。この方法を使用して、研究グループは、さまざまな特性を持つハイドロゲル材料をベースにしたバイオニックソフトロボットの設計を実現しました。この研究の設計コンセプトを図 1 に示します。

図 1. ハイドロゲル 3D プリントに基づくバイオニックソフトロボットの設計コンセプト。 a. 選択された物理的に架橋された、または化学的に架橋されたハイドロゲルモノマー溶液とそのレオロジー特性。 b. 印刷可能なハイドロゲル材料とアルギン酸ナトリウム調整後のレオロジー特性。 c. 直接押し出し 3D プリントにより、ハイドロゲル材料の複雑な 3D 構成を実現します。 d. ハイドロゲルの構造と特性を組み合わせてバイオニックソフトロボットの設計を実現します。
研究グループは、コンセプトを検証し、開発された設計戦略を実証するために、ポリアクリルアミド（PAM）をベースにした3次元回転触手、ポリビニルアルコール（PVA）をベースにした鼓動と物質輸送を行うバイオニック心臓、ポリイソプロピルアクリルアミド（PNIPAM）をベースにした光屈性バイオニック植物のつるなど、異なるハイドロゲル材料をベースにした3種類のバイオニックソフトロボットを設計しました。バイオニック触手は、PAM の機械的伸縮性を活用し、図 2 に示すように対称的な 4 チャネルを設計することで、油圧制御の 3 次元自由回転運動を実現します。

図2. PAMベースの油圧制御式3次元回転触手バイオニック心臓は、PVAの機械的柔軟性、溶質透過性、生体適合性を活用しています。内蔵空洞と外表面血管構造のマイクロチャネルを設計することで、図3と図4に示すように、空気圧心拍動作とバイオマス（グルコースと塩化物イオン）の交換と伝達を実現します。

図 3. PVA ベースの空気圧バイオニック心臓の鼓動図 4. PVA ベースのバイオニック心臓のバイオマス交換と伝達。 a. 3D プリントされた血管のようなマイクロチャネルにおけるバイオマス交換および輸送テストの概略図。 b. 血管マイクロチャネルを流れる際のバイオマス（グルコースおよび塩化物イオン）と外部液体環境との間の拡散濃度交換。バイオニック植物のつるは、PNIPAM の延性と熱応答特性を活用し、3D プリントによって対称および非対称のセグメント化された繊維構造を設計し、図 5 と 6 に示すように、植物のつると同様の光応答回転運動と曲げおよび固定運動を実現します。

図5. PNIPAMベースのバイオニックつる植物の光屈性回転

図 6. PNIPAM ベースのバイオニックつる植物の光屈性曲げおよび固定動作。上記の研究は、「バイオミメティックソフトロボットへのハイドロゲルの直接インク書き込み 3D 印刷」というタイトルで、総合ジャーナル ACS NANO にオンラインで公開されました。論文の第一著者はCheng Yin博士、責任著者はGhim Wei Ho教授、責任機関はシンガポール国立大学です。
全文リンク:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06144

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