USTC、強磁性液晶エラストマーの二重異方性プログラム可能3Dプリントを実現

出典: USTC

外部刺激に応じて変形できるスマート材料は、ソフトロボットなどの分野で幅広い応用が期待されています。中でも、強磁性液晶エラストマーは、多刺激応答、多モード、多機能の特性により研究者の注目を集めています。しかし、2 つの機能ドメインを独立してプログラムできる方法がないため、製造能力は大きく制限されています。

中国科学技術大学工学部ロボット・知能設備研究所の李牧軍准教授の研究グループは、現代機械学部の王劉教授、南方科技大学の劉季准教授と共同で、強磁性液晶エラストマーの二重異方性プログラム可能3Dプリント法を提案し、液晶配向と磁化強度の独立プログラミングと、異なる外部場刺激（熱、光、磁気）下での製品の制御可能なマルチモード変形に成功しました。この論文は、「プログラムされた二重異方性と多重応答性を備えた3Dプリント強磁性液晶エラストマー」というタイトルで国際学術誌「Advanced Materials」に掲載されました。

▲強磁性液晶エラストマーのプログラム可能な双異方性3Dプリントとそのマルチモード変形。この論文では、インク直接書き込み印刷プロセス中の外部磁場と流動せん断を通じて、強磁性ドメインの磁化強度と強磁性液晶エラストマー内の液晶要素の配向を実現します。磁場の方向と大きさ、印刷速度を制御することで、磁化強度と液晶配向をそれぞれ自由にプログラミングできます。結果は、強磁性液晶エラストマーは加熱され変形されても依然として磁気変形能力を持ち、現在の 3D プリントされたスマート材料の中で最も高いエネルギー密度と応答速度を示すことを示しています。これを基に、研究者らは、異なる外部磁場シーケンス下でマルチモード変形が可能な一連の強磁性液晶エラストマーアクチュエータを作製し、液晶エラストマーマトリックスの変形温度を調節することで連続変形を実現しました。

この技術に基づいて、本研究では、さまざまな地形、温度、磁場環境下でさまざまなモードで移動でき、強力な環境適応性を示す 3D プリントされた強磁性液晶エラストマーリボンロボットを実証しました。さらに、研究者らは強磁性液晶エラストマーをベースにした多安定機械的メタマテリアルを実証した。磁場と近赤外線レーザーを介して強磁性液晶エラストマーの変形を制御することにより、メタマテリアルはさまざまな安定状態を切り替えることができ、圧縮中に高度に調整可能な機械的特性を発揮します。

▲多様な変形能力と環境適応性を備えた3Dプリントされた強磁性液晶エラストマーリボンロボット。この研究の結果は、物理場支援3Dプリントが強磁性液晶エラストマーに代表される多機能ドメイン材料の製造およびプログラミング機能を大幅に拡大し、異なる外部場刺激下で制御可能なマルチモード応答を実現し、ソフトロボット、フレキシブルエレクトロニクス、メタマテリアルなどの分野の発展を促進することを示しています。

▲強磁性液晶エラストマーに基づく多安定機械メタマテリアル上記の研究は、中国国家自然科学基金、科学技術部の国家重点研究開発計画、および安徽省自然科学基金によって支援されました。中国科学技術大学精密機械・精密機器学部の孫玉軒博士が論文の第一著者であり、中国科学技術大学の李牧軍准教授、王劉特別教授、張世武教授、南方科技大学の劉季准教授が共同著者である。論文の著者には中国科学技術大学の彭晨輝特別教授も含まれている。

論文リンク: https://doi.org/10.1002/adma.202302824

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