最新のNatureの結果：カリフォルニア大学の新しい電荷プログラミングマルチマテリアル3Dプリントプラットフォームにより、高性能アンテナの製造が可能に

2025年1月9日、アンタークティックベアは、カリフォルニア大学バークレー校の材料科学および工学の准教授であり、バークレーセンサー＆アクチュエータセンター（BSAC）およびジェイコブスデザインイノベーション研究所の共同ディレクターであるシャオユ（レイン）ジェン氏が率いるチームが、新しい3Dプリントプラットフォームを開発したことを知りました。チームは、新しいプラットフォームはアンテナ設計において比類のない柔軟性を提供し、複雑なアンテナ構造を迅速に印刷する能力を備えていると主張している。
△電荷プログラム型マルチマテリアル3Dプリンティング（CPD）を使用して製造された3Dフラクタルツリーアンテナ。出典: カリフォルニア大学バークレー校。
関連研究は、Nature Communications誌の最新号に「電荷プログラム堆積積層造形による超軽量アンテナ」と題する論文として掲載されました。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-024-53513-w
チャージプログラム型マルチマテリアル 3D プリンティング (CPD) と呼ばれるこの新しいプラットフォームは、ほぼあらゆる 3D アンテナシステムを迅速に製造できる汎用システムです。導電性の高い金属やさまざまな誘電体材料を 3D レイアウトにパターン化できます。
鄭氏は、新しいプラットフォームは高価な金属3Dプリンターではなく、高価な金属粉末や高エネルギーレーザーを必要としないことを強調した。この技術は、デスクトップレベルの使いやすい光硬化プリンターに適用できる。
CPD 方式では、デスクトップデジタルライト 3D プリンターと触媒ベースの技術を組み合わせて、金属めっきを引き付けるさまざまな場所にさまざまなポリマーをパターン化します。自己触媒または選択的めっき技術により、ポリマーは、望ましいアンテナ設計結果によって定義された所定の場所に金属イオンを選択的に吸収することができます。
△CPDは、高度に指向性のある放射を生成する傾斜位相伝送アレイを製造しています。アンテナは3層の緩やかな傾斜Sリングユニット構造を採用しています。画像提供: カリフォルニア大学バークレー校の研究者。
CPD は、さまざまなマルチマテリアル 3D 印刷方法と幅広く統合できます。「複雑な格子を含む、本質的にあらゆる複雑な3D構造を実現でき、ほぼ純粋な導電性を持つ銅のほか、磁性材料、半導体、ナノ材料、およびこれらの材料の組み合わせの堆積を実証しました」と鄭氏は述べた。
鄭教授は、チームが初めてこのコンセプトを提案した2019年以来、CPDプラットフォームに取り組んできました。 2020年に、彼のチームはこの技術に関する最初の論文をNature Electronics（https://www.nature.com/articles/s41928-020-0391-2）に発表し、続いて2022年にScience（https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abn0090）に、この新しい技術を使用してマイクロロボットを作成する方法を説明した論文を発表しました。
この最新の論文では、特にアンテナのアプリケーションに焦点を当てています。「CPD はアンテナに最適です。なぜなら、ほぼすべてのアンテナには、導体である金属相と非導電性の誘電体相という 2 つのコンポーネントが必要であり、これまで、導体と誘電体材料を直接パターン化または合成できる技術は存在しなかったからです」と Zheng 氏は言います。
研究チームは、積層造形分野を専門とする同僚とこの技術について話し合った結果、この技術がアンテナの印刷方法に革命をもたらし、多くの新しい設計の可能性を切り開く可能性があることに気づきました。
導体（金属）と誘電体材料の印刷は、過酷な環境で使用されるアンテナにとって特に重要です。「宇宙では、普通のポリマーは使えません」と鄭氏は例を挙げて語った。「カプトンのような高温ポリマーが必要です。カプトンは非常に高温でも低温でも安定しており、航空宇宙に適した素材です。現在では、カプトンと金属ワイヤパターンを3Dで織り合わせることができます。」
△相互貫通するアルキメデスの螺旋とヒルベルト曲線を備えた 3D 折りたたみ式埋め込み型小型アンテナ。画像提供: カリフォルニア大学バークレー校の研究者。
研究チームはまた、適切な3D設計により、これらのアンテナをかさばる基板上に配置する必要がなくなり、現在のアンテナに比べて重量を大幅に軽減できることも示した。
共著者で UCLA の電気およびコンピュータ工学教授である Yahya Rahmat-Samii 氏は、CPD プラットフォームによって新しいアンテナ技術の可能性が大きく広がり、データ駆動型設計が可能になり、さまざまなアプリケーションですぐに使用できるアンテナ設計が可能になると考えています。「検討しているアプリケーションに応じて、おそらくさまざまなアンテナ構造があるでしょう」と彼は言いました。
Zheng 氏と Rahmat-Sammi 氏は次に、新しい 3D プリントアンテナ技術によって可能になったアンテナ設計の複雑さを完全に探求したいと考えています。アンテナの複雑さを制御することで、画家が筆で絵の具の塗り方を制御するのと同じように、電磁波を形成する能力を制御できるようになります。この技術を進化させるため、カリフォルニア大学バークレー校のチームは、例えば手の形にフィットする柔軟な医療用センサーに焦点を当てたスタートアップ企業を設立した。
最後に、鄭氏はこの技術の将来の応用シナリオについて新たな疑問を提起した。「調整可能なアンテナを実現できます。では、この技術はどのような面で最大の助けになるのか、というのが今の疑問です。」

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