Matter の最初の論文集がオンラインに: 3D プリントが「針の穴に糸を通す」ことで電子織物を実現

出典: セルプレス

「ウェアラブルデバイス」というと、スマートウォッチやGoogleグラスなどを思い浮かべると思いますが、私たちが着る服が「ウェアラブルデバイス」になる日が来ると想像できますか？清華大学化学部の張英英准教授のチームが、このSFのような光景を現実のものに変えつつあることが分かっている。独自に設計した同軸紡糸口金を3Dプリンターに組み込むことで、機能性スキンコア構造繊維を布地に直接印刷することが可能になり、さまざまなパーソナライズされた機能パターンを柔軟に生成できるほか、これらのスマートパターンを通じてエネルギーを収集・蓄えることもできる。研究結果は、Cell Press が発行する新しい主要材料ジャーナル「Matter」に 3 月 27 日に掲載されました。

（QRコードを長押しすると論文全文をダウンロードできます）Cell Pressは張英英准教授を招き、論文の主なハイライトについてインタビューを行いました。

「私たちは直接書き込み式3Dプリンターを改良し、同軸紡糸口金を使用して同軸スキンコア導電性繊維を布地に直接印刷し、印刷されたパターンをエネルギー管理に応用できることを実証しました」と清華大学化学部の張英英准教授は述べています。「一般的な3Dプリンターの単軸紡糸口金では、一度に1つのインクしか印刷できないため、印刷されるコンポーネントの多様性と印刷パターン機能の設計が大きく制限されます。」

この概念を証明するために、張英英准教授のチームは、次の2つのインクを使用して電子織物の3Dプリントを実演しました。カーボンナノチューブ溶液（CNTインク）を使用して繊維の導電性コア層を作成し、シルクフィブロイン溶液（シルクフィブロインインク）を使用して繊維の誘電皮質を作成しました（もちろん、柔軟性、生体適合性、耐水性などの要件に応じて、他のインクの組み合わせも柔軟に選択できます）。シルクタンパク質とカーボンナノチューブのインクは、注入ポンプを介して同軸紡糸口金を備えた 3D プリンターに接続されます。2 つの印刷インクが同時に押し出され、スキンコア構造繊維で構成されたさまざまなパーソナライズされたカスタマイズされたパターンが布地の基材上に直接形成されます。こうして、漢字の「print」と英語の「silk」という文字、そして美しい平和の鳩が印刷されました。

この印刷方法は、生産された電子繊維を織物に織り込む一般的な方法とは異なり、織物を準備しながら電子繊維の織物への統合を完了するため、電子織物の生産効率が大幅に向上します。この印刷技術は、さまざまなインクの組み合わせ（カラープリンターのさまざまな色のインクに似ています）を選択することで、さまざまな機能ユニットを一度に布地に統合できるため、ウェアラブルエレクトロニクスの統合に便利でスケーラブルなアプローチを提供します。もちろん、この方法で印刷する場合の解像度は、3D プリンターの機械的な動作精度とノズルのサイズによって制限されます。

「将来的には、3Dプリンターに多軸紡糸口金や他の新機能を備えた紡糸口金を追加することで、3Dプリント構造にさらに柔軟で豊富なコンポーネントマッチングの可能性と構造設計をもたらし、多機能電子ファブリックの効率的な製造を実現することもできます」と張英英准教授は述べています。

張英英准教授について

張英英准教授は、2002年に山東大学化学・化学工学学院で学士号を取得し、2007年に北京大学化学・分子工学学院で博士号を取得しました。 2007年から2008年までジョンソン・エンド・ジョンソングローバルイノベーションリサーチセンター（上海）に勤務し、2008年から2011年まで米国ロスアラモス国立研究所で博士研究員として研究に従事した。彼は2011年に清華大学に着任し、現在は化学部の准教授および博士課程の指導者を務めています。彼の研究分野には、ナノカーボン材料の制御可能な製造とその柔軟なウェアラブルアプリケーション、機能性シルクの設計と製造、およびその柔軟なウェアラブルデバイスの研究が含まれます。
インタビュー

衣服を「ウェアラブルデバイス」に変えるというのは創造的なアイデアです。あなたのチームが関連する研究を実施しようと思ったきっかけは何ですか?
張英英准教授：フレキシブルウェアラブルの分野は、新興の学際的な分野です。フレキシブルウェアラブルテクノロジーに対する私の興味は、10 年前に米国で博士研究員をしていたときに始まりました。その後、私は独立した科学研究を開始し、私の研究グループはフレキシブルウェアラブル材料とデバイスの研究に専念しました。「ウェアラブル」電子機器に関しては、衣類が最も理想的なキャリアです。そのため、衣類をウェアラブルデバイスにすることは、当然ながら当社の同僚研究チームの関心を惹きつけました。

3D プリント技術を使用して電子テキスタイルを「印刷」する際の主な困難は何だと思いますか?あなたのチームはどのようにそれを克服しましたか?
張英英准教授：初期段階で最も重要なステップは、3Dプリントに適した材料を設計して、電子繊維の直接印刷を実現することです。要求される機能を実現することを前提として、インクの組成、印刷性、安全性、安定性などの基本的な問題も考慮する必要があります。この研究では、同軸紡糸口金を設計し、それを 3D プリンターに統合して、機能性スキンコア構造繊維とスマート電子デバイスを布地に直接印刷することを実現しました。化学成分の設計とレオロジー特性の制御により、3Dプリントに使用できるシルクフィブロインとカーボンナノチューブの2つのインクを調製し、シルクフィブロイン-カーボンナノチューブの鞘芯構造繊維を布地に直接プリントすることを実現しました。

この研究の最も画期的な成果は何だと思いますか?
張英英准教授：この研究では、スキンコア構造の繊維を布地に直接印刷することに初めて成功し、シルクエネルギーマネジメント布地を作製することでそれを実証しました。

人々が衣服に求めるものは、快適さ、美しさ、機能性などです。3D プリント技術を使用して作られた電子繊維は、人々のこれらすべてのニーズを同時に満たすことができると思いますか?
張英英准教授：はい。本研究で生産されたシルクスマートファブリックは、上記のニーズを満たすことができます。

この技術の商業的見通しについてどう思われますか?どれくらい経済的ですか?
張英英准教授：材料費と設備費の低さを考えると、この技術は特にパーソナライズされたウェアラブル電子機器の製造において商業的に有望です。

あなたのチームの次の研究計画について教えていただけますか？
張英英准教授：私たちは、特にシルクやナノカーボン材料に関連した、新しい柔軟なウェアラブル材料、デバイス、および調製技術の研究に引き続き注力していきます。今後は、より多様なウェアラブルセンシング機能の開発や、便利なウェアラブル電子統合技術の開発を進めていく予定です。

出典: セルプレス

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