3Dプリントバイオニック「Maimang」は調整可能な異方性摩擦と方向性駆動を実現

野生の小麦はどのようにして土壌に穴を掘り、野生での適応播種を実現するのでしょうか?咳をすると喉に詰まったマイマンが深くなるのはなぜですか？これらの一見取るに足らない現象の背後には、まだ認識されていない科学的メカニズム、つまり摩擦異方性が存在します。最近、中国科学院蘭州化学物理研究所の材料表面界面および工学応用研究グループが「小型および先進材料界面」で発表した研究論文では、摩擦異方性現象の科学的メカニズムが体系的に明らかにされました。

研究者らは、現場で採取した小麦の芒のサンプルを観察し、小麦の芒には配向した硬い棘が多数分布していることを発見しました（図 1a）。また、その摩擦性能試験では、典型的な摩擦異方性特性が示されました（図 1b）。その後、研究者たちは非常に興味深い実験を行いました。小麦の芒をゴムチューブに入れ、ゴムチューブを伸ばすと、小麦の芒がチューブ内で方向性を持って動くこと、そして伸ばす頻度が増えるにつれて移動速度が速くなることを発見したのです。これにヒントを得て、研究者たちは光硬化型3Dプリント技術を使って小麦の芒のようなモデルを作成することに成功した。天然の小麦の芒と比較して、人工の小麦の芒の芒の大きさ、配列密度、傾斜角度は自由に制御でき（図1c）、接触する基質表面とうまく相互作用して摩擦異方性を最大化できます（図1d）。これは、方向性駆動や貨物輸送への応用の基礎となります。質量がわずか 0.01 g の 3D プリントされた小麦の芒モデルは、水平摩擦を克服した条件下で最大 120 g の質量の貨物を駆動し、方向性のある動きを生み出すことができます (図 1e)。

蘭州化学物理研究所とロンドン大学インペリアル・カレッジの研究者らは、模造小麦芒の方向性移動メカニズムをより深く理解するために、ラチェットモデルを用いて界面接触力学とトライボロジーの観点から実験結果の背後にある科学的メカニズムを体系的に解釈し、対応する数学モデルを確立した。実験結果と理論シミュレーション結果はよく一致している。この研究成果は最近 Small 誌に掲載されました (DOI: 10.1002/smll.201802931)。Ma Shuanhong 博士が論文の筆頭著者であり、中国科学院蘭州化学物理研究所の Wang Xiaolong 氏と Zhou Feng 研究員、およびインペリアル・カレッジ・ロンドンの Daniele Dini 教授が共同著者です。

図 1. (a) 天然小麦芒の顕微鏡写真と SEM 写真、(b) 天然小麦芒の前方および後方滑り摩擦曲線、(c) 3D プリント技術で作成された人工小麦芒構造の顕微鏡写真、(d) 人工小麦芒の前方および後方滑り摩擦曲線、(e) 商品を輸送するためのゴムチューブ内での人工小麦芒の方向性運動

マイマンのバイオニック製造は達成されましたが、受動的なものから能動的なものに移行し、摩擦異方性の動的制御を実現する方法が常に研究者を悩ませてきました。バイオニック小麦の穂の穂先は傾斜角が固定されており、自由に動くことができないため、方向移動は不可逆である。準備された装置は前進は容易だが後退は困難という問題に直面している。この問題を解決するために、研究者らは材料係数の制御と組み合わせ、動的に調整可能な基質強度と表面穂先配向角度を持つ異方性バイオニック表面インターフェース材料を設計・構築し、バイオニック配向構造表面インターフェースの異方性摩擦挙動のインテリジェント制御を初めて実現した。図2に示すように、研究者らは転写複製法を用いて、3Dプリントで得られた配向バーブ構造を、光熱Fe3O4ナノ粒子を添加したPLA基板に埋め込みました。NIR照射下で、光熱Fe3O4ナノ粒子が熱を発生し、基板材料を軟化させます。表面の配向バーブの角度は、荷重の動的作用下でその場で変化し、それによって正負方向の摩擦力の差に大きな変化を引き起こし、バイオニック表面の異方性摩擦挙動の動的制御を実現します。

図2. バーブ角度に対する光熱応答制御特性を備えた摩擦異方性配向表面の構築

この光熱応答性摩擦異方性材料は、傾斜面または垂直方向への物体の制御可能な放出を実現するためのスマートスイッチとして使用できます。この研究成果は最近、Advanced Materials Interfaces (DOI: 10.1002/admi.201801460) に掲載されました。論文の第一著者は博士課程の学生 Ji Zhongying 氏、責任著者は研究員 Wang Xiaolong 氏です。研究者らは上記の研究結果に基づき、一連の異方性摩擦装置の開発に取り組んでおり、将来的には工学および生物医学分野での応用を積極的に模索する予定です。

出典: MaterialsViews

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