西安交通大学の王立チームによる Science Advances の表紙: 溶融電気流体 3D 印刷技術によるソフトスマートデバイス製造のブレークスルー

はじめに:液晶エラストマー (LCE) 材料は、熱、光、磁場などの外部刺激を受けて大きな可逆変形を起こし、大きな仕事を出力することができ、遠隔無線制御の利点があります。人工筋肉、ソフトロボット、フレキシブルウェアラブルエレクトロニクスなどの分野で広く注目されています。現在、ほとんどの研究は、マクロ構造または準周期的な単純なミクロ構造の形成と応用に焦点を当てています。マイクロナノスケールの 3D 印刷技術は比較的複雑な微細構造を製造できますが、製造された 3 次元微細構造が非接触刺激に反応し、複雑で制御可能な変形を実現することは依然として課題です。

2024年3月13日、南極熊は最近、西安交通大学の王立准教授のチームが、呂炳恒院士率いるチームが、マイクロメートルスケールからセンチメートルスケール以上の液晶エラストマーのソフトアクチュエーター用の溶融電気流体3Dプリント技術を開発したことを知りました（図1を参照）。研究者らは、熱刺激に反応するさまざまなマクロおよびマイクロスケールのソフトアクチュエーターを作製し、初めて LCE 材料を温度場検出の分野に適用して、マシンビジョンとディープラーニングモデルを統合した環境温度場センサーを開発しました。関連する研究結果は、「溶融電着書き込みによるクロススケールアクチュエーターおよび温度場センサー向け3D液晶エラストマー構造」というタイトルで、Science Advances誌の表紙記事として発表されました。西安交通大学のFeng Xueming博士が論文の第一著者であり、Wang Li准教授が共同第一著者および責任著者です。

図1. 溶融電気流体の3DプリントによるLCEマクロマイクロスケール構造の作製
溶融電気流体3D印刷によって印刷されたLCEマイクロファイバーの基本的な機械的特性

溶融電気流体 3D 印刷技術は、金属針の先端に印加された DC 高電圧電界の作用によって円錐状のジェットを形成し、それを基板上に堆積させます。 3 軸移動層単位のジェット成形と基板を組み合わせて、マクロ - マイクロクロススケール構造を形成します。テイラーコーンにおける強いせん断力により、メソ結晶は構造内でプログラム可能な配向調整を受けます。印刷された LCE マイクロファイバーの直径は、最小 4.5 μm から 70 μm まで制御可能であり、熱誘起歪みは 10% から 55% まで変化し、最大作業密度は 160 J/Kg にも達します。さらに、研究者らは、ファイバーアクチュエータを刺激するために最大 15 Hz の熱風を使用し、スライダーに自重の 3,500 倍以上の重りを載せました。ファイバーアクチュエータは、応答時間 33 ミリ秒未満で、重りを上下に持ち上げて作業を行うことができました。

図2 溶融電気流体3Dプリントで印刷されたファイバーアクチュエータの形態と熱作動性能テスト
勾配によって変化するサイズと熱誘起ひずみ特性を持つ単位セル微細構造の 3D プリント

溶融電気流体 3D プリンティングでは、指定された経路に沿って異なる直径の LCE マイクロファイバーを正確に堆積できるため、熱誘起ひずみ特性を持つ単位微細構造を実現できます。下の図に示すように、LCE マイクロファイバーは積み重ねられて、アスペクト比が大きく、高精度に制御可能な薄肉ユニット構造を形成し、内部の繊維層は明らかな段差効果なしにしっかりと結合されています。従来の電気流体 3D 印刷で印刷される薄壁構造のアスペクト比は通常 60 未満ですが、最大アスペクト比は 100 に達し、最大ひずみエネルギーは 50% に達します。これを基に研究者らはさまざまな薄壁ユニット構造を設計・印刷し、室温から120℃まで加熱する前後の熱誘起変形をテストした。

図3 勾配サイズと熱誘起ひずみ特性を持つ3Dプリント単位微細構造
3Dプリントされたハエトリグサにヒントを得たマイクログリッパーと大面積の格子構造

ハエトリグサは刺激を受けると自動的に2枚の葉を閉じ、数秒以内に昆虫を捕らえることができます。これにヒントを得て、研究者らは、図 3 に示すように、ゼロ点で交差する 2 つの正弦波薄壁構造からなるマイクログリッパーを設計し、製造しました。ゼロ点の正弦波薄肉構造は、熱により収縮しても力のバランスが保たれ、位置が変化しないため、物体を挟む・離す開閉を実現できます。この論文では、マイクログリッパーの自重の33倍の重さのチップインダクタを負荷として使用し、その把持能力をテストしています。結果は、印刷されたマイクログリッパーが周期的な加熱/冷却刺激下でマイクロインダクタデバイスを容易に掴んだり放したりできることを示しています。

図 4 ハエトリグサにヒントを得たマイクログリッパーと大面積 3D 格子アレイ溶融電気流体 3D 印刷によって形成される構造のサイズは、製造ベースの移動振幅に依存し、これにより、高解像度の微細構造の大規模かつ低コストの製造が可能になります。図 4I に示すように、研究者らは溶融電気流体を使用して、正方形、三角形、正弦波の形状の 3 つの大面積格子配列を 3D プリントし、熱誘起収縮変形をテストしました。研究者たちは、このグリッドの熱誘起収縮の結果にヒントを得て、図 5 に示すように、これを利用して周囲温度場センシング検出を実現しました。

図5 電気流体印刷グリッド構造と統合ディープラーニングモデルに基づく周囲温度場センサー
ディープラーニングモデルを統合した 3D プリント温度場センサー

研究者らは溶融電気流体3Dプリントを使用してLCEグリッドを製造した。周囲の温度場が変化すると、高温領域のLCEグリッドは熱により収縮し、低温領域のグリッドは伸びて大きくなる。マシンビジョンとディープラーニングモデルトレーニングを組み合わせることで、周囲温度場の高精度かつリアルタイムの監視が可能になります。検出範囲は25℃～110℃、平均精度は94.79%、応答時間は43ms未満です。従来の熱電対や光ファイバー分散センサーに代わるものとして期待されています。

まとめ

プログラム可能な液晶エラストマーの 3 次元微細構造の高精度製造は、常に困難な問題でした。溶融電気流体 3D 印刷技術は、この目的のために低コスト、大規模、高解像度の製造プロセスを提供します。西安交通大学の王立准教授のチームは長年にわたり電気流体3Dプリントの研究に携わり、成熟した電気流体3Dプリント装置、プロセス、材料システムを形成してきました。彼は、せん断配向マイクロナノスケール一次元材料（銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、液晶ポリマー鎖などを含む）の電気流体印刷に関する長期の研究経験を持っています（ACS Appl. Mater. Interfaces、Doi.org/10.1021/acsami.2c09672）。このプロジェクトの研究は、マイクロ電気機械システム、半導体、バイオテクノロジーなどの分野におけるマイクロスケールの動作シナリオで高い応用可能性を持つ LCE マイクロスケールソフトアクチュエータの実現可能な製造方法を提供する可能性があります。電気流体 3D プリンティングに関する初期の研究では、電界設計によって液滴の堆積を誘導する新しい電気霧化水エッチング法が開発され、これを使用してマイクロナノスケールの準周期的細孔構造をパターン化することができます (Nano Energy、DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104974)。

オリジナルリンク
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3854

王立教授の研究グループは、中国の 3D プリントの父である呂炳恒院士の指導の下、西安交通大学先進製造研究所で活動しています。彼らの研究は、付加製造とマイクロ流体挙動制御の応用に焦点を当てています。関連する 3D プリントプロセスには、マイクロジェット 3D プリント、EHD プリント、高速非層状露光プリントなどがあります。研究範囲には、ディープラーニングに基づく3Dプリント、マイクロナノ製造、ソフトロボット、フレキシブルなウェアラブル電子および光電子デバイスの製造、3Dプリントの構造機能革新設計などが含まれます。国立自然科学基金、国家重点科学技術プロジェクト、国家重点研究開発プログラム、主要な省および省庁プロジェクトなどのプロジェクトに取り組んできました。あらゆる分野からの協力と交流を歓迎します。ホームページ: https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/wanglime

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