華中科技大学研究チーム：自己発電で液滴の衝撃を感知できる3Dプリントの超疎水性磁気デバイス

出典: エンジニアリング

3 次元 (3D) 印刷は、新たな付加製造技術として、多機能で複雑な構造のプロトタイプの製造を容易にし、航空宇宙、組織工学、宝飾品、フレキシブルエレクトロニクスなどの分野で大きな可能性を示しています。磁性粒子と印刷可能なポリマーで構成された 3D プリントされた磁気構造は、制御可能なマニピュレーターや変形可能なソフトロボットなどに大きな可能性を秘めていることから、幅広い注目を集めています。

エンジニアリング 2022年8月号裏表紙

華中科技大学の蘇斌研究チームは、中国工程院の学術誌「工学」2022年8月号に「自己エネルギーと液滴衝撃感知機能を備えた3Dプリント超疎水性磁気デバイス」と題する研究論文を発表した。2つの3Dプリント手法を統合することで、柔軟な超疎水性・磁気デバイスを製造した。 3Dプリント磁気デバイス（3DMD）は、水を連続的に滴下した際に長期にわたって安定した電気機械変換能力を示し、出力電流は既存の文献に記録されているものよりも高かった。本論文では、マクスウェル数値シミュレーションと組み合わせて、3DMD の力から電気への変換メカニズムを研究し、さまざまなパラメータの調整をガイドします。さらに、継続的に雨水を集め、統合された 3 つの 3DMD が市販の発光ダイオード (LED) を点灯します。記事では、エネルギー変換と組み合わせたこの設計により、3D プリンティングの発展が促進されると期待されていると説明しています。

図 3 DMD は、落下する水滴を感知するための自己発電センシング機能を備えています。 (a) 水滴下時の 3DMD の機械電気変換能力の模式図。 (b) 落下する水滴によって変形する前 (左) と変形後 (右) の 3DMD の光学画像。高速カメラシステムで撮影。 3Dシミュレーション計算により得られた図（c）と（d）は、それぞれ3DMDの磁気誘導強度分布の2Dビューと、水滴が落ちる前と滴下した後のコイルの1周後の磁気誘導強度です。 (c) 黒と紫の破線はそれぞれ弾性要素とコイルの位置を示しています。対応する電気特性: (e) 電圧出力、(f) 電流出力、(g) 転送された電荷と時間の曲線。この場合、水滴（各液滴の体積は55μL）が40cmの高さで放出され、3DMDの表面に落下しました。最上層の磁性粉含有量は40％、厚さは2mmです。 Φ1、Φ2：それぞれ水滴衝突前後の底部コイルを通過する磁束を表します。B：磁気誘導強度。

この記事の 3DMD 構造は、市販の 3ds Max ソフトウェアを使用して設計されました。 FDM 3Dプリント技術を使用して、異なる厚さ（1〜3 mm）と突起サイズ（半径1.0 mmまたは1.5 mm）の複数の磁気トップを製造しました。上部の磁性粒子は、磁化装置（Jiu Ju Industrial Equipment Co., Ltd.、香港、中国）によって 1900 V を超える高電圧で生成されたパルス磁場によって垂直に磁化されました。 10% (質量分率) の疎水性シリカナノ粒子を超音波処理後にエタノールに分散させ、その後、シリカベースの溶液を 3D プリントされた磁気トップにスプレーして疎水処理を行いました。 Agilus30 フォトポリマーを使用して、Polyjet 3D 印刷技術で長さ 2 ～ 8 mm の弾性ロッドを製造しました。最後に、3DMD は、磁性体の上部、弾性棒状の下部、導電性銅コイルの 3 つのコンポーネントを組み立てるだけで製造されます。

論文では、上部の磁気コイルと下部の磁気コイル間の距離が約 1 mm 変化すると、コイルを通る磁束が変化することが判明しました。同じパラメータの下で一連の水滴を落とすと、規則的な上向きと下向きの応答ピークが見つかります。最初の電圧ピークと電流ピークの平均出力は、それぞれ 1.6 mV と 12.9 μA に達しました。変形/回復プロセス中に移動する対応する電荷は 5.2 μC です。これまでの研究では、3D プリントされた触覚センサーは外部電源で駆動する必要がありました。その後、研究者らは、水滴や小さな振動の機械的エネルギーを収集するために圧電材料または摩擦電気材料を使用した自己駆動の概念を提案しました。既存の文献と比較すると、3DMD の出力電流は、電磁気的な動作メカニズムにより、公開された記録よりも高くなります。この場合、3DMD は水滴の重力位置エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、自己発電型のセンシング機能を発揮します。結論として、本論文は、将来の振動モニタリングに拡張できる、雨滴の柔軟な電気機械変換戦略のための新しいアプローチを提供します。

引用: Xuan Zhang、Qi Wang、Ruiping Zou、Bo Song、Chunze Yan、Yusheng Shi、Bin Su。小さな液滴の衝撃を自己発電で感知できる3Dプリントの超疎水性および磁気デバイス[J]。エンジニアリング、2022、15(8):197-206。

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