3Dプリントから4Dプリントへ: 南極クマがスマート材料の付加製造技術を深く分析

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スマート材料構造は感応構造とも呼ばれ、電磁場、温度場、湿度、光、pH値などの外部環境の刺激を受けて、スマート材料構造は感知、制御、駆動の3つの機能を1つに統合し、対応する応答を完了することができます。スマート材料構造は、生物を模倣した自己付加価値、自己修復、自己診断、自己学習、環境適応性を備えています。スマート材料を分類する方法は数多くありますが、その機能や成分によって、電気活性ポリマー、形状記憶材料、圧電材料、電磁抵抗材料、磁歪材料などに大別できます。スマート材料構造は、航空宇宙機、インテリジェントロボット、バイオメディカルデバイス、エネルギー回収、構造健全性監視、衝撃および騒音低減など、多くの分野で重要な用途があります。しかし、スマート材料の製造工程が複雑なため、従来のスマート材料の製造方法では単純な形状のスマート材料しか製造できず、複雑な形状のスマート材料構造を製造することは困難です。従来のスマート材料の製造方法は、スマート材料構造の開発と応用に重大な制限を与えています。

積層造形技術は、ラピッドプロトタイピング技術や3Dプリント技術とも呼ばれ、材料を点ごとに積み重ねて表面を形成し、表面を積み重ねて物体を形成するという製造原理です。積層造形技術は、任意の複雑な形状の3次元物体を生産することができます。最近開発されたスマート材料3D印刷技術は、任意の複雑な形状のスマート材料構造の製造を可能にしました。最新の4D印刷技術は、3D印刷技術とスマート材料構造を組み合わせたものです。スマート材料構造は、3D印刷に基づく外部環境の刺激を受けて、時間の経過とともに独自の構造変化を実現します。本稿では、まず国内外のスマート材料向け積層造形技術の開発状況と応用、および4D印刷技術の研究進捗状況を概説し、次に本研究グループによる3D印刷スマート材料構造と4D印刷技術に関する主な成果を紹介することに焦点を当てます。

1. 国内外における3Dプリントスマート材料の研究の進展

1.13D 印刷電気活性ポリマー材料 電気活性ポリマー（EAP）は、電界刺激によってサイズや形状に大きな変化を生み出すことができる新しいタイプの柔軟な機能性材料であり、スマート材料の重要な分野です。イオン性ポリマー金属複合材料 (IPMC)、バッキーゲル、誘電エラストマー (DE) は、EAP の代表的なものです。 3 次元の複雑な形状の電気活性ポリマー構造の製造は、この分野における重要な研究テーマです。

1.1.13DプリンティングIPMC IPMC材料はイオン交換膜マトリックスの両面に準備されます 電極によって形成された複合材料は、外部電圧の作用により、材料内部のイオンと水分子が電極の片側に集まり、質量と電荷の分布に不均衡が生じ、マクロスケールで曲げ変形が発生します。従来の方法で製造される IPMC 材料のほとんどはシート状です。従来の製造方法の制限により、複雑な形状の IPMC スマート材料を製造することは困難です。 2006 年、エヴァン・マローン氏とホッド・リプソン氏は、3 層および 5 層の IPMC スマートマテリアルの製造に 3D プリント技術の使用を初めて提案しました。研究グループは、ナフィオン溶液、アルコール、水の混合物をIPMCマトリックス印刷の前駆材料として使用し、Ag微粒子とナフィオン溶液の混合物をIPMC電極材料として使用しました。まず、シリコン材料を3Dプリントして立方体のシリコン容器を準備し、次にノズルを使用して、電極-ナフィオンマトリックス-電極の3層構造を点ごとに累積的に固めました。

3Dプリントで作製したシリコン容器は、その後のIPMCの3Dプリントのサポートとして機能し、ノズルから噴射された液体が固化する前に流れてIPMCの作製に影響を与えるのを防ぎます。溶液の揮発を減らし、IPMC スマート材料の耐用年数を延ばすために、マローン氏のチームは 3D プリントされた 3 層構造の IPMC をベースに改良を加えました。硬化した電極の外側に、Hydrin C 熱可塑性樹脂 (Zeon Chemicals L.P.) 材料でできた、水不浸透性の低導電性電極保護層の層をプリントして硬化させました。 3D プリントで製造された 5 層 IPMC は、IPMC 内部に溶液を密封できるため、耐用年数が効果的に長くなります。

図1は3Dプリントで作製したIPMCの構造模式図です。 3Dプリント技術で製造されたシート状IPMCと従来のプロセスで製造されたシート状IPMCの間には性能に大きな差がありますが、この新しいIPMCスマート材料3Dプリント技術は、複雑な形状のIPMC三次元構造を製造するための基礎を築き、将来的には任意の形状のIPMCスマート構造を直接積層製造することを可能にします。
1.1.23Dプリント BuckyGel アクチュエータ/センサー
BuckyGel は、新しく開発されたイオン性電気活性ポリマースマート材料です。BuckyGelの構成と駆動センシング原理は、IPMC と類似しています。 BuckyGel は 3 層構造になっています。中間のマトリックス材料はポリマーとイオン液体で構成された電解質層です。マトリックス材料の両側には、カーボンナノチューブ、ポリマー、イオン液体で構成された電極材料があります。両側の電極に電圧をかけると、イオン液体内の陰イオンと陽イオンが 2 つの電極に向かって移動し、BuckyGel が曲がります。 BuckyGel を製造する従来の方法は、電極と基板層を別々に層状に固める溶液キャスト法を採用することが多い。製造される BuckyGel はシート状になることがほとんどで、複雑な形状の BuckyGel を製造することは困難である。

2008年、N. Kamamichiは3Dプリンティング技術を用いてBuckyGelを製造することを提案しました。3Dプリンティング技術を使用して電極-マトリックス材料-電極を点ごとに固めることで、複雑な形状のBuckyGelを作製できます。研究グループは、3Dプリント技術を使用して、手の形をしたBuckyGelを作製しました（図2）。3Dプリント技術は、従来の調製方法の欠点を克服し、任意の形状のBuckyGelスマート材料構造を製造することができます。

1.1.3 3DプリントDE

従来の DE アクチュエータは、誘電弾性膜材料の上下面に柔軟な電極をコーティングして形成されたサンドイッチ構造です。電圧Uを印加すると、分極によりDE材料の上下面に正負の電荷±Qが蓄積されます。正負の電荷は互いに引き合い、静電クーロン力を発生させ、材料を厚さ方向に圧縮して厚さを減らし、平面面積を拡大します。従来の製造方法で製造された DE 材料は、ほとんどが薄膜の形をしており、任意の複雑さの DE 材料構造を製造することは困難です。

Rossiterらは2009年に初めて3DプリントDE材料を提案した。研究グループは、光硬化性ポリアクリル酸材料をDE材料の集合膜材料として使用し、UV硬化（ステレオリソグラフィー）3Dプリント技術とデュアルノズルUV硬化3Dプリンターを使用した。1つのノズルは硬化した支持構造を層ごとに印刷し、もう1つのノズルは液体ポリアクリル酸材料を点ごとに噴霧した。材料はUV光によって層ごとに硬化され、3次元のポリアクリル酸マトリックス材料を形成した（図3）。次に、サポートを取り除き、UV硬化ポリアクリル酸マトリックス材料の表面に柔軟な電極材料を塗布してDE材料を形成した。

2013年、Landgrafらはエアロゾルジェット印刷（スプレー印刷）3D印刷技術を使用してDE材料を製造することを提案しました。マトリックス材料はシリコーン材料で作られ、電極材料はシリコーンとカーボンナノチューブの混合物です。サンドイッチ構造のDE材料の3D印刷は、電極-マトリックス-電極を層ごとに硬化させることによって実現されます。研究チームは超音波や空気圧を利用してシリコーン液をスプレー状態に変換し、ノズルを通して作業台の表面にシリコーンスプレーを噴霧してシリコーン印刷を実現しました（図4）。選択したシリコーンは2成分混合凝固であるため、2成分シリコーンがノズル内で凝固してノズルが詰まるのを防ぐために、研究グループはデュアルノズル印刷装置を設計しました。シリコーンの2つの成分は、それぞれ2つのノズルからスプレーの形で印刷されます。2つの成分は接触後に凝固し、点ごとに累積的に凝固することで、3Dプリントと3次元構造のDE材料の製造を実現します。

2013年、R. ShepherdとS. Robinsonは、UV硬化性シリコーン3D印刷技術を使用してDE材料を製造することを提案しました。マトリックス材料にはUV硬化性シリコーン材料を使用し、電極材料にはカーボンブラックなどの導電性粒子を混合したハイドロゲルを使用します。シリコーンの粘度を変えることでシリコーンの印刷性を高め、3D印刷技術を使用して層ごとに固化することで、3次元構造のDE材料を実現します。 3D プリントで作製された DE 材料は事前に伸張されていないため、この方法で作製された DE 材料は変形が小さいですが、この方法により複雑な DE スマート材料構造を製造することができます。 2014年、A. CreeganとI. Andersonは、デュアルマテリアルUV硬化3D印刷技術を使用して、DEマトリックス材料とDE電極材料を同時に印刷することを提案しました。UV硬化3D印刷技術は、液体樹脂材料の表面にUVビームを移動させ、点ごとに硬化させることで、3次元の固体印刷を実現します。この研究グループは、2つの液体樹脂材料AとBを交互に硬化させることで、ABデュアルマテリアルUV硬化3D印刷技術を実現することを提案しました（図5）。
DE材料の3D印刷技術はまだ初期の研究開発段階にあります。3D印刷技術で製造されたDE材料の性能は、従来の方法で製造されたDE材料の性能とはまだ異なりますが、DE材料の3D印刷技術により、将来的には任意の複雑な3次元DEスマート材料構造を製造することが可能になり、従来の製造方法では複雑なDE材料を製造できないという問題が解決されます。

1.23D プリント形状記憶材料 形状記憶材料には、形状記憶合金（形状記憶合金、SMA）、形状記憶コロイド（形状記憶ゲル、SMG）、形状記憶ポリマー（形状記憶ポリマー、SMP）などがあります。形状記憶材料の最大の特徴は、形状記憶効果を持つことです。高温で成形され、低温または室温で塑性変形します。周囲温度が臨界温度まで上昇すると、変形は消え、形状の元の状態に戻ります。この加熱後の回復現象を形状記憶効果と呼びます。エフライン・カレーニョ・モレリらは2007年に、有機ポリマーを使用して金属粉末を結合し、点ごとに固めて3次元の形状記憶合金構造を形成する形状記憶合金の3Dプリント技術を提案しました。

印刷プロセス中、ノズルは NiTi 金属粉末と有機接着剤の混合物に溶剤を噴霧します。有機接着剤は溶剤と反応して NiTi 金属粉末を結合し、点ごとに固化して、必要な 3 次元の固体形状記憶合金構造を取得します。 3Dプリント技術を用いて製造された形状記憶合金構造の材料密度は理論上の材料密度の95％に達し、形状記憶効果を有します（図6）。古川秀樹、功俊傑らは、形状記憶コロイドの3Dプリント技術を提案した。3Dプリント技術を用いて点ごとに累積硬化させて得られる3次元形状記憶コロイド構造は、形状記憶効果を有しており、医療用スマート包帯、可変焦点レンズ、バイオニックロボットの製造に利用されている。 2013年、サミュエル・M・フェルトン、ロバート・J・ウッドらは、3Dプリント形状記憶ポリマー技術を使用して、自己組織化および自己折りたたみ機能を備えたスマート構造を製造することを提案しました。 3Dプリント技術を使用して、形状記憶ポリマーを硬質基板上に点ごとに固めます。印刷後、固まった形状記憶ポリマーは硬質基板としっかりと結合し、全体的な平面構造を形成します。光、温度、電流などの外部環境の刺激を受けて、形状記憶ポリマーの体積が膨張または収縮し、全体的な平面構造が3次元構造に変形します（図7）。

1.34D印刷技術
Skylar Tibbits は、2013 年に Stratasys Ltd. と共同で初めて 4D 印刷技術を提案しました。 4D印刷技術とは、スマート材料の印刷を指します。スマート材料構造は、3D印刷に基づいて独自の構造変化を実現します。つまり、3D印刷技術によって製造されたスマート材料構造は、外部環境の刺激を受けて、時間の経過とともに形状と構造を変えることができます。 3D 印刷技術と比較して、4D 印刷技術には時間という次元が追加されています。3D 印刷技術によって製造されるスマート材料構造は、時間の経過とともに変化します。4D 印刷によって製造される 3 次元の固体構造は、もはや静的で無生物ではなく、インテリジェントであり、外部環境に応じて変化することができます。 4D 印刷技術を利用して製造されるスマート構造は、1 次元または 2 次元構造から 3 次元構造に、または 1 つの 3 次元構造から別の 3 次元構造に変更できます。

スカイラー・ティビッツ氏が提唱する4Dプリンティング技術の核心は、スマート材料とマルチ材料3Dプリンティング技術である。研究チームは、水と接触すると膨張・変形（150％）できる親水性スマート材料を開発した。硬質有機ポリマーと親水性スマート材料を3Dプリンティング技術で同時に印刷し、2つを硬化させて組み合わせることで、インテリジェント構造を形成する。 3Dプリントされたスマート構造が水と接触すると、親水性スマート材料が膨張し、硬質有機ポリマーが曲がって変形します。硬質有機ポリマーが隣接する硬質有機ポリマーの障害物に遭遇すると、曲げ変形が完了し、スマート構造は新しい定常形状に到達します。研究グループは、この4Dプリント技術で作られた一連のプロトタイプを準備しました。例えば、4Dで印刷された細い線構造は、水と接触するとMITの形状に変形することができ、4Dプリント技術で作られた平板は、水と接触すると立方体の箱に変形することができます（図8）。
2013年、Q.Geらは、マルチマテリアル3Dプリント技術を使用して4Dプリント技術を実現することを提案しました。形状記憶ポリマー（SMP）繊維と有機ポリマーマトリックスを同時に3Dプリントすることで、形状ポリマー繊維が有機ポリマーマトリックスに結合され、生成されたスマート材料構造は時間の経過とともに形状と構造を変えることができます。 4D印刷技術は、まずマルチマテリアル3D印刷技術を使用し、ノズルを使用して作業プラットフォームにポリマー液滴を噴霧し、スクレーパーを使用して噴霧された液滴を平らにしてから、紫外線を使用して硬化させます。点ごとに構造の層が形成された後、作業プラットフォームが層ごとに下に移動し、層ごとに固化して3次元構造の製造を実現します。3D印刷で製造されたインテリジェント構造は、形状記憶ポリマー繊維と有機ポリマーマトリックスで構成されています（図9）。

この 4D 印刷技術は、SMP 繊維と有機ポリマーマトリックス材料の同時 3D 印刷を使用し、印刷されたスマート構造には形状記憶効果があります。スマート構造を別の有機ポリマー材料層と組み合わせて二重構造を形成すると、温度変化によって曲げ変形と初期形状間の変換を実現できます。また、SMP繊維の方向角度を変更することでスマート構造の曲げ変形振幅を変更し、スマート構造の変形を制御できます（図10）。

2. 3Dプリントされたスマートマテリアル構造の応用 スマート材料構造の3Dプリント技術は、複雑な形状のスマート材料構造を作製することが難しいという従来のスマート材料作製方法の欠点を克服し、任意の複雑な形状の3次元スマート材料構造を作製することを可能にします。現在、3D プリントされたインテリジェント材料は、環境適応メカニズム、構造健全性モニタリング、フレキシブル機械、自己作動システムの分野で予備的に応用されています。

2.1 環境適応メカニズムと構造健全性モニタリング

多くのスマート材料には、駆動機能と感知機能の両方が備わっています。たとえば、形状記憶合金 (SMA) は、さまざまな温度刺激を受けて変形する駆動装置として使用でき、部品内部の歪み、温度、亀裂をリアルタイムで測定して、疲労や損傷を検出することもできます。 M.Dapinoらは、さまざまな環境での形状構造の変更と構造モニタリングの機能を備えた超音波積層造形（UAM）を通じて、さまざまな金属材料とスマート材料をスマート構造に組み合わせることを提案しました。 UAM とは、常温で金属板を超音波で組み合わせ、層ごとに固めて 3 次元の固体構造を実現することを指します。

M.Dapinoらは、UAM技術を使用して、形状記憶合金（SMA）などのスマート材料を金属マトリックスに組み合わせました。結果として得られるスマート構造は、需要に応じて形状を変更でき（図11）、スマート構造の健全性監視と寿命予測も実現できます。スマート構造は、スマートカーやスマート宇宙船の設計と製造に使用できます。

2.2 フレキシブルロボット
3Dプリントされたインテリジェント材料構造は、フレキシブルロボットの分野で広く使用されています。金属、セラミック、プラスチックなどの硬質材料で作られた従来の機械と比較して、フレキシブルロボットは、医療ロボットやバイオニックロボットなどの分野で大きな応用価値と将来性を持っています。 M. Landgrafらは、DE材料の3Dプリント技術を使用してDE積層構造フレキシブル機械を製造することを提案した。DE積層構造は、複数のDE薄膜ドライバを積み重ね、同時に電圧を負荷することで、各DEスマート材料の厚さ方向の収縮変形が重なり合って大きな収縮変形となる。積層構造DEの従来の作製方法は、手動または半自動製造方法を使用して、作製したDE薄膜スマート材料を1つずつ積み重ねることである。この方法は製造プロセスが複雑で、多層DE積層構造スマート機械を製造することが困難である。

M. Landgraf らは、エアロゾルジェット印刷技術を使用して、DE マトリックス材料と電極材料を層ごとに印刷して固め、電極材料と DE マトリックス材料が交互に配置された DE 積層型インテリジェントフレキシブルマシンを形成しました。 DE材料3Dプリント技術を使用して積層フレキシブルマシンを製造すると、製造プロセスと製造時間の複雑さが軽減されるだけでなく、製造精度も向上します。任意の層数と任意の形状構造を持つ多層DE積層構造フレキシブルインテリジェントマシンを製造できます。 3D プリントされたインテリジェント材料構造は、柔軟なロボットの急速な発展を確実に促進するでしょう。

2.3 自己実行システム
S.Felton、M.Tolleyらは、形状記憶ポリマー（SMP）3Dプリント技術を使用して自己展開型システムを製造した[14-15]。研究チームは3Dプリント技術を用いて、形状記憶ポリマーと硬質マトリックス材料を組み合わせてインテリジェント構造を作製した。外部環境の刺激を受けて、3Dプリント技術で製造されたインテリジェント構造は自己組織化と自己折り畳みが可能であり、この自己実行システムは検出器や物流など多くの分野に応用できる[20]。研究グループは、SMP 3D 印刷技術を使用して、SMP と硬質有機ポリマーマトリックスを組み合わせて、自己実行型インテリジェント構造であるワームロボット (Inch⁃wormRobot) を作成しました。ワームロボットを繰り返し曲げたり、折り畳んだり、変形させたりするように制御することで、前進することができます (図 12)。

同様に、SMPの3Dプリント技術は物流分野にも応用でき、3次元の立体構造を2次元構造にプリントできるため、物流プロセスにおける保管と輸送のスペースを節約できます。必要に応じて、外部環境刺激によって3次元構造に変形し、その機能を実現できます。図11 UAMを使用してSMAとアルミニウムマトリックスを組み合わせることで、形状と構造の変更が可能になります（a）（b）図12 SMP積層造形技術によるワームロボットの製造

3.4 中国における3Dプリント技術の予備研究の進捗

西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室は、4Dプリント技術に関する予備研究を実施しました。私たちの研究グループは、熱溶解積層法 (FDM) 3D 印刷技術を使用して IPMC スマート材料を製造する方法を研究しています。従来の熱溶解積層法で使用される材料は、一般的にワックス、ABS、PC、ナイロンなどの熱可塑性材料であり、フィラメントの形で供給されます。ノズル内で材料が加熱・溶融され、ノズルが部品の断面輪郭と充填軌道に沿って移動しながら溶融材料を押し出します。材料は急速に凝固し、周囲の材料と結合して点ごとに凝固し、3次元の固体構造を形成します。

私たちの研究グループは、熱間押し出し技術を使用して、ナフィオン粒状材料からナフィオンフィラメントを製造しました。ナフィオンフィラメントは、ノズルの温度を調整することで溶融して押し出され、その後、必要な3次元固体構造に従って点ごとに固化されました。次に、作製したナフィオンの三次元固体構造を用いて、浸漬還元めっき、化学めっき、電気めっきなどの方法により、ナフィオン材料の表面に金属電極を作製する。現在、私たちの研究グループでは、導電性ポリマーやハイドロゲルと導電性粒子の混合物をIPMC電極材料として使用する研究も行っています。これら2つの材料は、弾性係数の強度がナフィオン材料に近いため、IPMCの耐用年数を効果的に向上できるだけでなく、これら2つの材料の流動性を調整することで押し出し成形も可能です。このように、IPMCの電極材料も3Dプリント技術で製造することができます。熱溶解積層法3Dプリンティング技術により、導電性ポリマー/導電性ハイドロゲル電極材料、ナフィオンマトリックス材料、導電性ポリマー/導電性ハイドロゲル電極材料を層ごとに固化し、任意の複雑な形状のIPMC構造の直接3Dプリンティング製造を実現します。 3Dプリント技術で製造されたIPMCは、IPMCの両側の電極に電圧を印加すると曲がったり変形したりし、良好な動作安定性と長い動作寿命を実現します。

3Dプリント技術で製造されたIPMCインテリジェント材料構造は、負荷電圧下で時間の経過とともに形状と構造を変えることができ、これはIPMC材料の4Dプリント技術です。 4Dプリンティング技術で作製したIPMCは、従来の方法で作製したIPMCと比較して性能に差があるものの、この方法では任意の複雑な形状のIPMC三次元構造を作製することができ、従来の作製方法ではシート状のIPMCしか作製できないという難点を克服しています。私たちの研究グループでは、DE材料の3Dプリント技術に関する研究も行っています。

DEマトリックス材料は熱硬化性シリコーンを使用しています。液状シリコーンをノズルから作業台に噴霧した後、作業台の温度を調整することで液状シリコーンの硬化速度を加速します。電極材料は熱硬化性シリコーン材料と導電性粒子の混合物を使用しています。電極材料-マトリックス材料-電極材料をポイントごとに硬化させることで、DE材料の3Dプリント製造を実現します。 3Dプリント技術を用いて製造されたDE材料の両面の電極に電圧を印加すると、時間の経過とともに厚さ方向に収縮し、平面領域で膨張することができ、DE材料の4Dプリント技術を実現します。 DE 材料の 4D 印刷技術は、将来、DE インテリジェント材料構造や任意の複雑な形状を持つ柔軟なロボットの開発を促進する上で重要な役割を果たすでしょう。私たちの研究グループは、形状記憶ポリマー（SMP）の3Dプリント技術をさらに研究しました。

熱溶解積層法（FDM）3Dプリント技術を使用して、SMP材料をノズル内で加熱して溶かし、ノズルから溶融材料を押し出します。材料は点ごとに冷却して固化し、任意の形状のSMP 3次元ソリッド構造を形成します。 3Dプリント技術を用いて製造されたSMPスマート材料構造は形状記憶機能を有し、周囲温度を調整することで、SMPスマート構造は時間の経過とともに形状と構造を変化させることができ、SMP材料の4Dプリント技術を実現します。当研究グループでは、独自に開発したIPMC、DE、SMP材料の4Dプリンティング技術を、低侵襲手術器具用多自由度マニピュレーターアームの製造研究に応用しました。多自由度マニピュレータは、低侵襲技術の将来の発展にとっての研究課題です。現在、マニピュレータに関する研究のほとんどは、機械的な伝達と駆動の伝達方法を中心に展開されています。主な特徴は、直線アームと関節を組み合わせて、セグメント化された曲げと操作機能を実現することです。スマート材料構造に基づく柔軟なマニピュレータは、セグメント化された電極を使用して設計することができ、変形を制御し、機械関節の機能を実現します。

電極はスマート材料に電圧を印加し、操作アームの多自由度の曲げと操縦を実現します。この方法は、従来の機械的なジョイントを電界によるスマートな材料特性の制御に置き換え、剛性と柔軟性の両方を兼ね備えたマニピュレータアームの柔軟な制御方法となる可能性があります。私たちの研究グループは現在、IPMC と SMP 4D 印刷技術を使用して柔軟な外科用マニピュレーターを直接製造する方法について研究しています。円柱状のIPMCとSMPチューブを4D印刷技術と組み合わせて、柔軟な操作アームを形成します（図13）。操作アームの多自由度の曲げは、4D印刷技術で製造されたIPMCの曲げを制御することによって駆動され、4D印刷技術で製造されたSMPは、操作アームの制御可能な剛性を実現します。図13のIPMCは、IPMCとSMPを組み合わせて柔軟な操作アーム構造を形成する4D印刷技術であり、柱状IPMCはポイントバイポイントの累積硬化によって製造されます（図14）。柱状IPMCには4つの電極があり、異なる電極の電圧負荷方法を制御することで、柱状IPMCを8方向に複数の自由度で曲げることができます。

SMPチューブは、SMP 4D印刷技術を使用して層ごとに固化して製造されます。SMPチューブには4つの正方形の穴が設計されており、4D印刷で製造されたIPMC円柱ドライバーと組み合わせて、図14に示すように柔軟なロボットアーム構造を形成できます。フレキシブルマニピュレータアームの剛性制御は、SMPチューブの剛性制御機能を応用しています。4Dプリントで製造されたSMPチューブは、ガラス転移温度以上では剛性が非常に低くなっています。フレキシブルロボットアームの曲げは、複数の柱状IPMCの曲げを制御することで実現されています。曲げ変形が指定された作業位置に達すると、SMPチューブの温度がガラス転移温度以下に低下します。このとき、SMPチューブの剛性が大幅に増加し、フレキシブルロボットアームを指定された位置に固定し、マニピュレータアーム内の医療器具を使用した外科手術をサポートします。

私たちの研究グループは現在、DE 材料と SMP 4D 印刷技術を使用して層ごとに組み合わせて固め、柔軟なロボットアームの構造を実現する方法について研究しています。新しいインテリジェント材料を使用して低侵襲手術マニピュレータを製造することは、従来の機械構造の体積を減らし、インテリジェント材料と複雑なメカニズムの結合を実現する応用ポイントであり、製造技術の発展における新たな挑戦です。従来の機械製造は、主に機械構造部品の加工と組み立てが中心でした。新しいインテリジェント駆動材料と可変剛性材料は、従来の剛性構造部品の設計方法を変えます。柔らかい機能材料を主体として、多自由度と制御可能な剛性を備えた柔軟な構造を設計・製造します。スマートマテリアルの4D印刷技術は、スマートマテリアル構造の製造、過去の低侵襲手術器具の単一の材料と剛性構造を突破し、表面の柔軟性、構造的剛性、物理的特性、抗菌特性を備えた新世代の低侵襲手術器具のニーズを満たすために使用されます。この研究グループは、過去の「機械的伝送 +モータードライブ」モードを変更し、機械的構造の移動の自由度によって制約され、継続的な自由と剛性の制御可能な機能を達成することができます。インテリジェントな材料構造の4D印刷技術は、柔軟な機械の研究開発を促進する上で重要な役割を果たします。

4。4D印刷技術の開発動向

4D印刷技術とスマートマテリアル構造におけるそのアプリケーションに関する研究は、まだ初期段階にあります。ただし、その研究、開発、用途は、従来の機械構造の設計と製造に大きな影響を与えます。この開発動向は、次の側面に反映されています。

（1）4D印刷スマートマテリアルは、過去の「機械伝送 +モータードライブ」モデルを変更します。現在の機械的構造システムは、主に将来的には、官能的な材料の駆動モードに向かって移動します。

（2）4D印刷技術は、運転とセンシングを統合するインテリジェントな材料構造を製造し、インテリジェント素材の運転性とセンシングのパフォーマンスの融合を実現するために使用されます。 EAP材料には、優れた駆動および検知特性があります。つまり、電界と出力電圧、および変形時の電流信号の作用下で変形する可能性があります。この研究グループは、EAP材料の運転とセンシングの特性を組み合わせて、4D印刷技術を使用して、運転とセンシングを統合する最小限の侵襲的手術のために柔軟なマニピュレーターアームを製造しました。マニピュレーターアームは、スマート材料の電界駆動型変形を通じて曲げを達成するだけでなく、従来のマニピュレーターのマイナスアームを介してマニピュレーターの正確な材料を介して、従来の材料を介してマニピュレーターを介して正確な材料を介して、操作をするための適切な材料を介して、操作の正確な材料を介して、操作を行うことができます。同盟国の侵襲的手術器具は、検知機能の欠如による変形中に人体に損傷を引き起こします。

（3）さまざまな外部環境刺激に対応し、より多様な反応変形を持つ4D印刷技術に適したさまざまなスマート材料を研究および開発します。現在、4D印刷されたスマートマテリアルの励起方法と変形は比較的限られています。

結論と展望 この記事では、エレクトロアクティブポリマーとシェイプメモリマテリアルに代表されるスマートマテリアル3D印刷技術の国内および国際的な研究の進捗状況をレビューします。次に、環境適応メカニズム、構造的健康監視、柔軟なロボット、および自己実施型の材料を紹介する材料を紹介します。柔軟な手術のために柔軟な手術を製造するための印刷技術。 4D印刷技術は、製造技術のアプリケーション範囲を確実に拡大し、製造技術の新しい開発の見通しを示し、関連する分野と産業の開発のための製造技術サポートを提供します。

編集者：南極熊の著者：Li Dichen、Liu Jiayu、Wang Yanjie、Wang Yongquan（Xi'an Jiaotong Universityの機械製造システム工学の国立主要研究所）Wang Shuxin（メカニズム理論と機器の設計、教育省、ティアンジン大学）

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