近赤外線に反応する 4D プリントソフトロボット用の 3D プリント液体金属ポリマー複合材料

出典: ポリマーテクノロジー

4D プリンティングは 3D プリンティングの拡張技術です。時間の第 4 次元を統合し、3D プリントされたオブジェクトが環境刺激を受けて別の構造や形状に変化することを可能にします。この高度な 4D 印刷技術は、特にソフトロボティクスの分野において、材料設計と製造に革命をもたらしました。しかし、従来の 3D プリントポリマーは一般的に環境刺激に反応する能力が欠けており、さまざまな環境やシナリオにおけるソフトロボットの相互作用と適応性が制限されます。硬いナノ粒子をソフトロボットに組み込むと、電気伝導性、光熱特性、磁性などの優れた物理的特性により、ソフトロボットの刺激応答性を向上させる実用的なソリューションが提供される可能性があります。しかし、ナノ粒子を添加した硬いソフトロボットは、柔軟性の低下や材料の機械的剛性の必然的な増加など、いくつかの障害に直面しており、その結果、形状回復能力や変形能力が制限されます。

ガリウムベースの液体金属は室温で液体のままであり、変形可能、低融点、自己修復機能を備えています。特に、その顕著な光熱効果は近赤外線照射に反応し、それによって機能的可能性が拡大します。これに触発されて、この研究は、3D プリントおよび 4D プリントのソフトロボットにおける液体金属ナノ粒子の応用可能性を探ることに焦点を当てています。

最近、クイーンズランド大学の喬瑞瑞教授とトーマス・P・デイビス氏のチームの張立文博士が、「3Dプリントされた液体金属ポリマー複合材によるNIR応答性4Dプリントソフトロボット」と題する研究論文をNature Communications誌に発表しました。本研究では、研究チームは液体金属ナノ粒子の積層造形と4Dプリンティングへの利用について詳細な研究を行い、ソフトロボティクスへの応用の可能性について詳しく説明しました。まず、研究チームは液体金属ナノ粒子の調製を研究しました。この研究では、RAFT連鎖移動剤を統合することで、単分散で安定した液体金属ナノ粒子を調製できることが示されました。中でも、液体金属ナノ粒子は優れた分散性と安定性を示し、3D プリントプロセス中に均一な分散を保証します。この均一性は 3D プリントの効率に影響を与えないだけでなく、3D プリントされた複合材料の解像度も向上します。予想外ではありますが当然のことながら、3D プリントされた物体は液体金属の柔らかい性質の影響を受け、その機械的特性 (ガラス転移温度、貯蔵弾性率、引張応力、ヤング率など) がさらに低下し、ソフトロボット用途に適したものになりました。さらに研究チームは、調製方法の普遍性をさらに広げ、液体金属ナノ粒子を添加した3Dプリント樹脂の簡単かつ効率的な調製を実現しました。その後、この研究では、4D プリントされたソフトロボットにおける液体金属ナノ粒子の応用可能性についてさらに詳しく説明しました。ソフトロボティクスは、ますます複雑化するアプリケーションのニーズを満たすために、自然界に見られる柔らかい物体の動作メカニズムを模倣することで、スムーズで複雑な動作を実現しようとする成長分野です。 3D プリント技術に基づくソフトロボットの開発は、特に 3D プリント材料の実現という点で、常に科学者を困惑させてきました。液体金属ナノ粒子の光熱効果により、3D プリントされた複合材料は近赤外光刺激下で 80°C まで加熱され、材料温度がガラス転移温度を超え、形状記憶能力を発揮します。これらの複合材料は、光トリガー 4D プリンティングにおいて優れた効率を示し、近赤外光 (lmax = 808 nm、0.3 W/cm2) の照射後 60 秒以内に事前にプログラムされた形状を迅速かつ完全に回復します。最後に、3D プリントされた液体金属ポリマー複合材料の近赤外線応答性ソフトロボットとしての応用可能性をさらに評価しました。液体金属ポリマー複合材料は、物体を単純に掴んで放す能力だけでなく、回転双安定構造を制御する追加能力も示しました。

したがって、本研究では、液体金属ナノ粒子を 3D プリント樹脂に統合し、機械的強度が低く、光熱特性に優れ、形状記憶機能を備えた高解像度の液体金属ポリマー複合材料を製造する多目的な方法の開発に成功しました。優れた再現性、強力な重量持ち上げ能力、高度なソフトロボット機能を実証し、ロボット、医療ツール、アクチュエーターの大きな可能性を予感させました。

図 1. 付加製造に革命をもたらす液体金属ナノ粒子。 (a) 超音波によるエタノール溶液中の RAFT 連鎖移動剤支援液体金属ナノ粒子の調製。(b) 光開始剤としてジフェニル (2,4,6-トリメチルベンゾイル) ホスフィンオキシド、モノマーとして tert-ブチルアクリレート、架橋剤としてポリエチレングリコールジアクリレートを使用した 3D プリントオブジェクトの製造プロセス。 d、t、l、w はそれぞれ液体金属ポリマー複合材の直径、厚さ、長さ、幅を表します。(c) シドニーオペラハウスに似たモデルがステレオリソグラフィー 3D 印刷技術を使用して製造されました。(d) 液体金属ポリマー複合材の機械的特性。
図 2. 4D プリントされたソフトロボットへの液体金属ナノ粒子の応用。 (a) 近赤外線に反応してソフトロボットが物体を放す図と (b) デモンストレーション。(c) 近赤外線を使用してソフトロボットを制御し、物体をつかんで放す図と (d) デモンストレーション。(e) 近赤外線刺激後に回転構造 (状態 B) が元の形状 (状態 A) に変形する図と (f) デモンストレーション。
クイーンズランド大学のポスドク研究員である張立文氏が論文の第一著者であり、英国サウサンプトン大学の唐世洋准教授、トーマス・P・デイビス教授、クイーンズランド大学の喬瑞瑞上級研究員が共同著者である。

記事リンク
Liwen Zhang、Xumin Huang、Tim Cole、Hongda Lu、Jiangyu Hang、Weihua Li、Shi-Yang Tang*、Cyrille Boyer、Thomas P. Davis*、Ruirui Qiao*。NIR応答性4Dプリントソフトロボットとしての3Dプリント液体金属ポリマー複合材料。Nat Commun 14、7815（2023）。

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43667-4

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