EPFL の研究者は、次世代のソフトアクチュエータとロボットを目指して、機械的なジョイントのない柔軟なデバイスを 3D プリントしています。

EPFL の研究者は、次世代のソフトアクチュエータとロボットを目指して、機械的なジョイントのない柔軟なデバイスを 3D プリントしています。
2024年4月22日、アンタークティックベアは、EPFLの研究者がエラストマーベースのインクを使用して、局所的に機械的特性を変えた物体を3Dプリントするための新世代のソフトアクチュエーターとロボットを開発し、複雑な機械的ジョイントの必要性を排除する計画であることを知りました。

ソフトロボットやウェアラブルデバイスに取り組んでいるエンジニアにとって、デバイスの軽量化は継続的な課題です。重い素材は移動に多くのエネルギーを必要とし、ウェアラブルデバイスや義肢に不快感を与える可能性があります。エラストマーは、剛性から弾性までさまざまな機械的特性を持つように製造できる合成ポリマーであり、このような用途で人気のある材料です。しかし、これまでは、硬質からゴム状まで複雑な 3D 構造に成形できるエラストマーの製造は実現不可能でした。
「エラストマーは通常鋳造されるため、その組成は短い長さスケールでは3次元すべてで変化しません」と、EPFL工学部ソフトマテリアル研究所所長のエスター・アムスタッド氏は言う。「この問題を克服するために、私たちはDNGEを開発しました。これは、3Dプリント可能なデュアルネットワーク粒状エラストマーで、その機械的特性を前例のない程度に変更できます。」
出典: EPFL の Amstar Lab の博士課程学生である Eva Baur 氏は、DNGE を使用して、柔軟な「肉」に囲まれた硬い「骨」であるプロトタイプの「指」を印刷しました。指はあらかじめ決められた方法で変形するように印刷されており、曲げたり伸ばしたりできるほど柔らかいデバイスでありながら、物体を操作できるほどの強度も保つことができるこの技術の可能性を実証している。
研究者たちは、これらの利点により、DNGE はかさばる機械ジョイントを必要とせずに、ソフトアクチュエータ、センサー、ウェアラブルデバイスの設計を容易にできると考えています。この研究は、「局所的に変化する機械的特性を持つ二重ネットワーク粒状エラストマーの 3D 印刷」というタイトルの論文として、Advanced Materials 誌に掲載されました。

関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313189
汎用性が2倍
DNGE の多用途性の鍵は、2 つのエラストマー ネットワークの設計にあります。まず、水中油型エマルジョン液滴からエラストマー微粒子が生成されます。微粒子は前駆体溶液に入れられ、そこでエラストマー化合物を吸収して膨張します。膨張した微粒子は 3D 印刷インクの作成に使用され、バイオプリンターに装填されて目的の構造が作成されます。前駆体は 3D プリントされた構造内で重合し、物体全体を剛性にする第 2 のエラストマー ネットワークを形成します。
出典: EPFL 最初のネットワークの構成によって構造の剛性が決まり、2 番目のネットワークによって破壊靭性が決まります。つまり、2 つのネットワークを個別に微調整して、剛性、靭性、疲労耐性の組み合わせを実現できるということです。ハイドロゲル(最先端のアプローチで使用される材料)と比較して、エラストマーを使用すると、水を含まない構造を作成し、時間の経過とともにより安定するという利点が追加されます。 DNGE は市販の 3D プリンターを使用して印刷することもできます。
「私たちのアプローチの素晴らしい点は、標準的なバイオプリンターを持っている人なら誰でも使用できることだ」とアムスタッド氏は語った。
DNGE の魅力的な潜在的応用の 1 つは、動作誘導リハビリテーション デバイスです。このデバイスでは、一方向の動作をサポートしながら、別の方向の動作を制限する機能が非常に役立ちます。 DNGE 技術のさらなる開発により、外科医を支援する義肢や動作ガイドの開発につながる可能性があります。ロボット支援による農作物の収穫や水中探査などの遠隔動作の感知も、別の応用分野です。
アムスタッド氏は、ソフトマテリアル研究所ではすでに、応答性材料や電気接続などの能動要素をDNGE構造に統合することで、こうしたアプリケーションの開発に取り組んでいると述べた。
フレキシブルデバイス、ソフトロボット

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