吉林大学の張志輝教授のチーム - インテリジェントバイオニック構造：付加製造を通じて自然とテクノロジーを結びつける

出典: 中国機械工学ジャーナル

我が国では、30年以上にわたって積層造形（ラピッドプロトタイピング）技術が開発されてきました。中国の研究成果を世界の学者に紹介するため、積層造形最前線（AMF）編集長の李迪塵教授のリーダーシップのもと、「中国積層造形30年の発展」特集号が企画・構成されました。中国の積層造形分野の代表的チーム10数チームによる質の高い論文を通じて、我が国の積層造形技術の過去30年間の発展の歴史、主な研究成果、今後の発展動向を皆様に紹介します。

1 研究状況<br /> 生物は、高性能な材料、複雑な構造、自己調節メカニズムを通じて、厳しい自然淘汰と生存の課題に適応してきました。これにより、インテリジェントなバイオニック構造の構築に理想的なさまざまなモデルが提供されます。付加製造技術を通じて生物学的構造的特徴とスマート材料を組み合わせることで、外部環境の変化に適応的に対応できるインテリジェントなバイオニック構造を作成できます。現在、中国はインテリジェントバイオニック構造の付加製造の分野で大きな進歩を遂げており、影響力を増大させています。

図 1 スマートバイオニック構造の AM: 設計から応用まで。
図2 細胞の収縮と拡張により植物が変形する：(a) 敏感な植物の葉枕の解剖学、(b) 葉枕の二重構造、(c) アイスプラントの蒴果の吸湿性竜骨組織。
2 研究上の困難またはボトルネック<br /> インテリジェントバイオニック構造の研究には多くの課題があります。たとえば、現在の積層造形技術では、複数の材料と複数の刺激応答を必要とする構造を効率的に準備することはまだできず、クロススケール製造の精度と速度も向上させる必要があります。技術的な制限は、インテリジェントなバイオニック構造の機械的特性と耐用年数にさらに影響を及ぼします。さらに、スマートバイオニック構造の適応動作を正確に予測するための成熟した理論モデルが不足しています。

3 展望（開発動向）
学際的な統合と革新により、インテリジェントなバイオニック構造は多様化したアプローチに向けて発展しています。材料科学における継続的な進歩により、新世代のスマート材料が生まれ、バイオニック構造の設計と準備に幅広い可能性をもたらしています。同時に、高度な積層造形技術は、バイオニック構造フレームワークの構築に必要な技術的サポートを提供しています。バイオニック構造設計の革新は、スマート材料の応答性、形状変換効率、耐久性の向上も目的としています。今後の進化において、インテリジェントなバイオニック構造は、自然構造の適応メカニズムをさらにシミュレートし、生物に匹敵するか、あるいはそれを超える機能と性能を実現します。これには、より高いレベルの適応能力と自己組織化能力、より速い応答速度と精度、より複雑な形状変化と動作、材料の長期耐久性と安定性の向上など、多くの側面が含まれ、バイオニック構造が長期使用中に高い効率を維持し、人類社会の発展にさらなる価値をもたらすことを保証します。

著者について

張志輝（チームリーダー）は、吉林大学バイオニック科学工学学院/生物農業工学学院/教育部バイオニック工学重点実験室の教授および博士課程の指導教員であり、国家レベルのハイレベルの人材です。彼は現在、国際バイオニクス工学協会（ISBE）の事務局長、吉林大学バイオニクス科学工学学院/生物農業工学学院の副学部長、および ISO バイオニクス標準化国際技術委員会の委員長を務めています。彼は、2つの国家重点研究開発計画プロジェクト、5つの国家自然科学基金プロジェクト、吉林省イノベーションチームと重点研究プロジェクトなどを主宰してきました。表面・界面科学、積層造形（3Dプリンティング）、レーザー製造、材料科学の分野で、国際的に権威のあるジャーナル（「Adv. Funct. Mater.」、「Addit. Manuf.」、「Chem. Eng. J.」、「Virtual Phys. Prototy.」、「Appl. Mater. Today」など）に200本以上の論文を発表しており、米国、中国など各国で50件以上の発明特許を取得（うち7件は特許転換済み）、国家技術発明賞で2等賞を1回受賞しています。

Li Xingran (第一著者) は、吉林大学教育部バイオニクス工学重点実験室の博士課程の学生です。彼は主にバイオニック積層造形と異種金属材料の積層造形に関する研究に従事しています。彼は、「International Journal of Extreme Manufacturing」、「J Mater Sci Technol」、「Virtual Phys Prototy」、「J Mater Res Technol」などの国際学術誌にSCI論文を発表し、4件の発明特許を申請しています。

張爽（共同筆頭著者）は、吉林大学教育部バイオニクス工学重点実験室の博士課程の学生です。彼の主な研究分野は、3Dプリントバイオニックハイドロゲルの設計と製造、およびエネルギーと環境の分野への応用です。彼は筆頭著者として「Advanced Science」と「Science China Materials」という2つのハイレベルな学術論文を発表しており、3つの発明特許を取得しています。

チーム研究の方向性
1. バイオニック積層造形（3D/4Dプリンティング）：航空宇宙、バイオメディカルなどの重点分野をターゲットに、高価値部品やインテリジェントデバイスのバイオニック構造設計、積層造形/3Dプリンティング技術の研究開発に取り組んでおり、エネルギー吸収と振動低減、変形駆動、形状記憶、インテリジェント応答などの高度な機能の応用に取り組んでいます。

2. インテリジェントバイオニック摩擦面：特殊機能面の構築と寿命と効率の延長に特化し、インテリジェント応答バイオニック摩擦面/インターフェースの理論と技術を研究し、摩擦を制御し、摩耗を減らし、潤滑を改善します。

3. バイオニック表面保護およびデジタル復元工学：機器表面の摩耗、疲労、腐食などの工学的故障問題に焦点を当て、バイオニック機能構造設計を実施し、バイオニック保護表面を構築し、新しいバイオニック付加デジタル復元技術を開発します。

チームが最近公開した記事
[1] Shuang Zhang、Meng Li、Chaorui Jiang、Dandan Zhu、Zhihui Zhang*、安定した太陽熱淡水化のための費用対効果の高い3Dプリントバイオニックハイドロゲル蒸発器、Advanced Science、2024、2308665。

[2] Li Xingran; Li Qiang; Nie Minghao; Kong Deyin; Liu Zhenglin; Zhang Zhihui*; バイオニック交差ラメラ構造による鋼-ニッケルヘテロ構造材料の強度と延性のトレードオフのジレンマの回避、Virtual and Physical Prototyping、2023、18、2266640。
[3] Kong Deyin、Wang Qing、Huang Jiangeng、Zhang Zhihui*、Wang Xiebin、Han Qing、Shi Yanbin、「骨組織工学のための調整可能な機械的特性を備えた生体模倣構造材料」、Advanced Functional Materials、2023年、受理。
[4] Jiang Pengfei、Nie Minghao、Zong Xuemei、Wang Xiebin、Chen Zhikai、Liu Chaozong、Teng Jinze、Zhang Zhihui*、マルチワイヤアーク積層造形法で作製したTC4/NiTiバイオニック勾配異種合金の微細構造と機械的特性、Materials Science & Engineering A、2023、866、144678。
[5] Lin Zhibin、Zhang Ke、Ye Jiaxin、Gao Bingzhao*、Tao Peng、Zhang Zhihui*、個々の影響を排除することによりポリマー複合材料の超低摩耗に対するランニングフィルムの重要性を明らかに、Tribology International、2023、180、108201。
[6] Shao Yanlong、Du Wenbo、Fan Yong、Zhao Jie*、Zhang Zhihui*、Ren Luquan、近赤外光で水の付着から反発まで正確に制御可能な超疎水性表面、化学工学ジャーナル、2022、427、131718。

引用論文
Xingran Li、Shuang Zhang、Pengfei Jiang、Minghao Nie、Deyin Kong、Zhongxiong Kang、Mengqi Liu、Dandan Zhu、Chaorui Jiang、Qingquan Zhang、Shuo Zu、Zhihui Zhang。「スマートバイオニック構造：付加製造による自然とテクノロジーの結合」。付加製造の最前線、第3巻、第2号、2024年、200137。

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200137.

記事リンク:
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2950431724000285

吉林大学の張志輝教授のチーム - インテリジェントバイオニック構造：付加製造を通じて自然とテクノロジーを結びつける

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