プログラム可能な生体模倣メタマテリアルエレクトロニクスのためのマイクロキャスティング3Dプリント方法の投資

出典: Cell Press Cell Science

メタマテリアルは、さまざまな構造ユニットの特定の組み合わせを通じて、バイオニック電子デバイスのマルチモーダル統合と分離への道を提供します。しかし、製造プロセスと機能材料の不一致により、電子機器の材料と製造方法の選択範囲が大幅に制限されます。 2000年前の春秋時代にはすでに、ロストワックス法という技法が使われ、複雑な構造と多様な比率を持つ青銅器が鋳造されていました。マイクロスケール3Dプリンティングにより可溶性の「ワックス型」を作製し、中空の「型スケルトン」を得て機能性材料を注入することができれば、複雑な構造や多様なタイプのメタマテリアル電子デバイスの製造が可能となり、多種多様で高性能、成形が難しいデバイスの製造に大きな意義があります。

これを基に、西安交通大学の陳暁明教授と邵金有教授のチームが「プログラム可能なマルチモーダル生体模倣エレクトロニクスのためのマイクロ鋳造3Dプリントマルチメタマテリアルの投資」と題する論文をDevice誌に発表した。

本論文では、さまざまな機能性材料の複雑かつ高精度な構造成形を実現するためのブール論理ベースのインベストメントマイクロキャスティングμ-3Dプリンティング（BμSL）技術を提案します。次に、触覚の強さの知覚を模倣することで、ニューロンのようなメタマテリアルデバイスが製造され、ロボットの把持の自律実行とマルチモーダル認識機能が向上します。この研究は、プログラム可能なメタマテリアル電子機器の設計と製造のための一般的な戦略を提供します。

古代青銅器のロストワックス鋳造プロセスにヒントを得て、マルチマテリアル、難成形、クロススケール、プログラム可能なメタマテリアルエレクトロニクス向けの 3D 印刷方法が提案されています。

20 を超える複雑なメタマテリアルデバイスの成形を実現するために、エレクトロウェッティング効果に基づくマイクロ射出成形法が提案されました。

ニューロンのような効果を持つ圧電メタマテリアル電子機器を設計・製造し、バイオニック把持、マルチモーダル機能分離、自己感知認識、強化学習アプリケーションを実現します。

メタマテリアル電子皮膚は、皮膚の複数の機能を模倣することで触覚認識を実現する複合デバイスであり、ロボットが器用な操作と正確な識別（柔らかさや質感など）を実現するのに役立ちます。優れた機能指向性を持つ人工構造を 3D プリントすることで、デバイスはマルチモーダルセンシングの統合と分離を実現できます。しかし、メタマテリアルは機能が高度に統合されているため、製造には次のような課題があります。

印刷中の機能性材料の相変化は制御が容易ではありません（レーザー、熱、光子の影響など）。

印刷物の機能負荷が低い（内容や均一性など）。

機能性材料は印刷パラメータに大きく依存し、性能開発の範囲は限られています。

クロススケール、カンチレバー、トポロジカル構造の印刷は難しく、マイクロスケールのエラー制御は困難です。

印刷プロセスがデバイス性能に与える影響を最小限に抑え、メタマテリアルデバイスの「材料-構造-プロセス」の不一致問題を解決するために、著者らは古代の青銅のロストワックス鋳造プロセスに着想を得て、ブール論理ベースのインベストメントマイクロ鋳造3D印刷法（BμSL）を提案しました。取り外し可能な3Dマイクロ鋳造型を準備することで、複雑な構造と多様な材料を備えた電子デバイスの製造が可能になります。

1.BμSLの製造方法と特徴 図1は、インベストメントマイクロキャスティング3Dプリント法の概略図であり、高固形分含有鉄系電磁気材料やチタン酸バリウム系圧電機能材料をはじめ、Ga-In金属やアルギン酸ナトリウムハイドロゲルなど、成形が難しい各種機能性材料のメタマテリアル構造を示しています。この方法は、極小曲面格子や八角形トラスなど、複数の材料や種類の複雑な微細構造の製造にも使用できます。複数の機能性材料と複雑な 3 次元微細構造のランダムな組み合わせにより、製造可能なデバイスの範囲が大幅に広がりました。さらに、著者らは、皮膚ニューロンの分布特性を模倣することで「材料-構造-機能」統合の製造上の利点を強調する、勾配構造を備えた3次元圧電メタマテリアル電子機器を提案しました。

図1. ブール論理に基づくマイクロ鋳造3Dプリント法
2. 可溶性感光性樹脂の合成とマイクロスケール印刷 まず、著者らは、BμSL法（図2）における主要なプロセスステップである可溶性感光性樹脂の合成とマイクロスケール構造の印刷を研究しました。樹脂の組成と露光成形ルールを研究・調整することで、常温常圧で明らかな膨潤のない光硬化型「ワックス型」の製造を実現し、最小成形サイズは10μmに達します。 LIGA エッチングやその他の可溶性で印刷可能なポリマーシステムと比較すると、この樹脂システムは塩に分解され、固体残留物なしで水に溶解することができ、破壊率と最小成形サイズにおいて明らかな利点があります。その中で本研究では、MMF高精度nanoArch®P140（精度：10μm）3Dプリントシステムを用いて、複雑な構造を持つ可溶性感光性樹脂3Dプリントプレモールド（PM）を作製した。

図2 クロススケール2D/3D可溶性樹脂合成とマイクロスケール構造印刷
3. クロススケール機能メタマテリアル 著者らはさらに、超疎水性で安定して除去可能な「モールドボーン」の製造について研究しました（図3）。「ワックスモデル」と「骨モデル」間の構造変換を実現することが、BμSL法における難しい点です。著者らは、エレクトロウェッティング効果に基づくマイクロ流体異種材料置換法を提案し、微細3次元構造を持つゴム系メタマテリアルやマイクロナノ二次構造を持つエアロゲルメタマテリアルなど、クロススケールかつマルチタイプ（PVDF/CNT、PVA/BNNS）の圧電メタマテリアルを実現した。類似の製造方法と比較すると、BμSL は、形成構造のアスペクト比 (>20)、材料選択タイプ (>20)、および形成サイズ (50μm) の点で他の方法よりも優れています。
図3 クロススケール機能メタマテリアルの製造と総合的な性能比較
4. バイオニックメタマテリアル圧電デバイスとプログラム可能な性能設計 さらに、図4に示すように、構造機能統合デバイスにおけるBμSL法の応用を示すために、著者らは勾配構造を持つ柔軟な圧電メタマテリアル（FMG）を設計・製造した。シミュレーション計算と実験検証を通じて、調整可能な性能と可変構造を備えた圧電モノマーデバイス (FMPx) の複数のグループが得られました。結果から、FMPx の小荷重応答は非構造化デバイスの約 20 倍であることが示されました。これを勾配方式で組み立てることで、小荷重下での敏感な応答性と大荷重下での安定した保守性の両方を備えた勾配構造メタマテリアルデバイス FMG が得られます。これは、BμSL 方式により、柔軟な圧電メタマテリアルエレクトロニクスの制御可能な応答が改善され、その適用範囲が拡大されることを示しています。

図4 バイオニック圧電メタマテリアルとその調整可能な性能設計
5. マルチモーダル知覚システムと自律的インタラクション 著者らは、圧電メタマテリアルデバイスとロボットアームの自律制御のためのインタラクティブシステムを確立しました（図5）。マニピュレータの先端と関節にそれぞれ複数のFMG-T/Jデバイスを設置することで、バイオニックマルチモーダルアレイ知覚システム（BASS）の軟質・硬質知覚に対する傾斜特性（kx）と把持状態（U(θ)）の応答特性を試験し取得する。研究では、このシステムにより、壊れやすい物体や変形しやすい物体を含む15種類の物体に対するロボットの認識能力が向上したことが判明した。著者らは、知覚データと強化学習モデルのトレーニングを組み合わせることで、硬さ認識の精度を大幅に向上させました。 BASS は、ロボットにさまざまな柔らかい物体と硬い物体 (0.72-13.15 kg/cm2) に対する動的な把持フィードバックとマルチモーダル (接触、曲げ、摩擦、剛性) 認識機能を提供します。

図5 バイオニックマルチモーダルアレイ知覚システム
概要 要約すると、本論文の研究結果は、バイオニックメタマテリアルエレクトロニクスの「材料-構造-機能」の統合製造と性能制御のためのソリューションを提供します。 BμSL メソッドは、バイオニックメタマテリアルの電子特性の設計に新しいアイデアをもたらし、マルチモーダルデバイスのセンシング統合の難しさを軽減します。本研究で得られた知覚・相互作用システムは、マニピュレータの自律操作とフィードバックに大量のデータを提供する。将来的には、柔らかい電子デバイス、ロボットの自律判断と認識、柔軟な触手と制御など、さまざまな具現化された知能アプリケーションに柔軟に適用できる。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100658

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