複雑な形状と制御可能な変形を備えたハイドロゲル構造の3Dプリント

複雑な形状と制御可能な変形を備えたハイドロゲル構造の3Dプリント
寄稿者: Meng Jiali Lian Qin

2019年、中国科学院大学のBo Yu教授のチームは、3Dプリントと光硬化を利用して、複雑な形状と制御可能な変形を備えたハイドロゲル構造を製造することを提案しました。図1は、この研究の実験セットアップと、自己曲げと自己ねじれ変形の概略図を示しています。熱応答性ハイドロゲルに溝微細構造を導入することにより、すなわちハイドロゲル構造の側面に二次微細構造を導入することにより、構造の非対称膨張を引き起こし、変形、曲げ、ねじれ、さらには植物の巻き、花びら、タコを模倣するなどの複雑な変形を形成できます。この方法の最も重要な点は、刺激に反応する材料と 3D プリントを組み合わせることで、温度制御によって物体をつかんだり放したりできる熱反応グリッパーなど、刺激に反応する形状変形を実現できることです。材料の多様性、構造設計の柔軟性、3D プリントの容易さにより、この研究は、ソフトロボット、組織工学などのための複雑な形状変形アーキテクチャを作成するための新しい道を開きました。


図1 a実験セットアップ、b自己曲げおよび自己ねじれ変形の模式図。この研究では、暴露時間、ハイドロゲル構造に導入された溝の特徴が最終構造の曲げ角度とねじれ角度に与える影響、および構造が元の状態に戻るまでの時間に対する温度の影響を調査しました。(1)暴露時間が短いほど、ハイドロゲル構造の曲げ角度が小さくなることが分かりました。原理としては、硬化時間が長いほど反応変換率が高くなり、変換率が高いほど弾性率が高くなり、架橋構造がより密になるため、曲げ角度が小さくなり、非対称力が低くなります。実験的調査の結果、適切な露出時間は 8 秒であることがわかりました。 (2)構造層と基層の厚さの比が一定に保たれている場合、傾斜角が小さく幅が狭く薄いストリップほど、ある角度までねじるのに要する時間が短くなる。つまり、溝の厚さと幅が小さくなると、ねじりトルクは減少し、ねじり速度は増加します。溝の厚さと幅が小さいほど、傾斜方向は小さくなり、ねじり角度は大きくなります。(3)水温が高いほど、構造が元の状態に戻るまでの時間は短くなります。室温の水での回復時間は、60°C の水での回復時間の約 8 倍です。

研究者たちはこの方法を使って、熱に反応するグリッパーを作成しました。掴んで放すプロセスを図 2 に示します。グリッパー構造は冷水中で収縮し、0.15gの中空ボールを掴むことができます。冷水から離れる際、グリッパーのボールに対するグリップがボールの重力とボールと水との相互作用力を克服し、グリッパーはボールを温水にうまく移すことができます。グリッパーを熱湯で膨張させ、0.15 g の中空球を放出しました。この事例は、3D プリントと熱応答性材料の組み合わせがソフトロボットの開発に新たなアイデアをもたらすことを示しています。


図2 グリッパーが球体を掴んで放す概略図 参考文献:
Ji Z、Yan C、Yu B、他「複雑かつ制御可能な形状変形を備えたハイドロゲル構造の3Dプリント[J]」。先端材料技術、2019:1800713。

寄稿者: 孟家利 連秦 寄稿者: 機械製造システム工学国家重点研究室

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