3Dプリント「埋め込みロジック」スマート構造

寄稿者: マギー・チャン、ティエン・シャオヨン

自然界では、松ぼっくりが熟すと種子を放出する、ハエトリグサが餌を捕まえるときに素早く閉じる、刺激を受けるとミモザが動くなどの行動はすべて、環境刺激または一連の刺激に応じて自然が形や機能を変える例です。電子部品やセンサーを使用する従来の電気機械システムとは異なり、自然システムでは、刺激の感知、刺激の伝達、アクションの実行などの動作が材料の構成と構造特性に組み込まれています。

ペンシルバニア大学工学応用科学学部の研究チームは、自然界のそのようなシステムからインスピレーションを得て、刺激に反応する材料の幾何学的原理を利用して、「埋め込みロジック」を備えたスマート構造を設計・製造した。研究チームは 3D プリントを使用して、マルチマテリアル双安定システムを印刷しました。マルチマテリアル双安定システムに関する一連の実験を通じて、システムの幾何学的パラメータと材料応答時間を調査し、ロジックが組み込まれた一連のインテリジェント構造を設計しました。

図1、a双安定構造とそのパラメータの概略図、b双安定変位-ひずみエネルギーの有限要素曲線、c双安定構造の自動励起の原理、d直接書き込み3D印刷コンポーネントプロセス、e複数の材料の3D印刷と内部繊維配置[1]研究チームは、双安定性が弾性梁（図1aに示す梁）の角度とアスペクト比に依存することを実験的に調査しました。双安定構造が圧縮状態にあるとき、弾性エネルギーは材料に蓄えられます。環境が変化すると、梁のアスペクト比が変化し、双安定性が急上昇し、エネルギーが放出されます。現実には、多くの材料は水を吸収すると膨張します。しかし、材料の等方性により、膨張はあらゆる方向に発生し、ビームのアスペクト比は双安定遷移の目的を達成できません。そのため、研究チームは3Dプリント材料（シリコーンとハイドロゲル）にガラスマイクロファイバーまたはナノセルロースを追加しました。印刷プロセス中、マイクロファイバーはノズルを通して長さ方向に沿って配置されます。材料が水または油性液体と接触すると（シリコーンは油性液体に遭遇すると膨張し、ハイドロゲルは水に遭遇すると膨張します）、繊維の制御により長さ方向の膨張が制限されます。そのため、双安定構造のアスペクト比が変化し、構造が遷移します。

図 2 は、複雑なロジック構造を持つ、チームが設計したハエトリグサのようなデバイスを示しています。図 2a ユニット 1 と 2 の材料は、ゴムとマイクロファイバーグラスで構成された双安定構造ですが、繊維含有量が異なり、トラップとロックは 3D プリントされたコンポーネントです。トルエンが追加されると、ユニット 1 が最初に動作してロックを開き (図 2b)、オブジェクトをトラップに追加し (図 2c)、トラップが閉じてオブジェクトを捕捉します (図 2d)。時間 t2 以降、ユニット 2 が動作し、ロックが再びロックされ (図 2e)、オブジェクトが追加され、トラップはまだ開いたままです (図 2f)。

図2 埋め込みロジックベースのハエトリグサのようなインテリジェント構造 [1] 研究チームは、双安定ユニットの特性はビームのサイズとは無関係で、アスペクト比と角度のみに依存すると結論付けました。したがって、システムは、ソフトロボット、医療機器、または展開可能な構造物などの実際のアプリケーションに応じて、必要に応じて拡張できます。

参考文献:
Yijie Jiang. Lucia M. Korpas. Jordan R. Raney、「分岐ベースの具現化ロジックと自律アクチュエーション」[J]。Nature Communications、2019
Liu, K., Wu, J., Paulino, GH & Qi, H. 刺激応答性ポリマーによるテンセグリティ構造のプログラム可能な展開。Sci. Rep. 7, 3511 (2017)。

寄稿者: マギー・チャン、ティエン・シャオヨン

出典：機械製造システム工学国家重点実験室

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