科学サブジャーナル：FDM 3Dプリント弾性バイオゲルはソフトロボットに使用可能

アンタークティックベアは、2022年2月にオーストリアのリンツにあるヨハネス・ケプラー大学のソフトマテリアル研究所の研究者が、FDM/FFF熱溶解積層法3Dプリンティングを使用して、完全に生分解性のゼラチンハイドロゲル（バイオゲル）インクを安定した寸法の複雑な物体に印刷し、ソフトロボティクスの分野で使用できることを知りました。この研究は、サイエンス・ロボティクス誌（インパクトファクター：23.748）に掲載されました。

ソフトロボットは、さまざまな非構造化環境に適応し、より安全に人間と対話できる新しいタイプのソフトロボットです。しかし、ソフトロボットの製造に使用される材料は、生分解性でなかったり、再生不可能な資源から作られていることが多く、ある程度、生態環境にダメージを与えます。さらに、鋳型鋳造などの伝統的な製造方法は、自然の複雑さを再現するのに適していません。したがって、新しい製造プロセスを開発する際には、持続可能な開発の概念を考慮する必要があります。

この研究では、完全に生分解性のゼラチンハイドロゲル（バイオゲル）インクを寸法的に安定した複雑な物体に印刷できる、熱溶解積層法に基づく 3D 印刷プロセスについて報告しています。このプロセスにより、伸縮性のあるソフトロボットの迅速でコスト効率が高く効率的な試作が可能になり、ゲルは元の長さの6倍まで伸び、この技術は廃棄物ゼロのリサイクルシステムを特徴としています。本研究では、固有受容覚と外部感知が可能な3Dプリントされた引き込み式導波管（導波管：電磁波を方向性を持って導くための構造）を用いて、素早く（1秒未満）反応して全方向の動きが可能な空気圧アクチュエータを製作しました。これらのソフトウェアデバイスは、動的なリアルタイム制御を通じて、障害物を自動的に検出して除去することができます。繰り返し印刷したり、無害に扱ったりすることができるため、ソフトロボットの持続的な発展にとって大きな意義があります。

△導波路センサーを備えた3Dプリントソフトアクチュエータ。 (A) 生分解性コンポーネントにより、ソフトロボットのクレードル・トゥ・クレードル（持続可能な）設計が可能になります。 (B) 繊維強化材と統合型光センサーを備えた 3 チャンバー空気圧アクチュエータ。センサーはアクチュエータの経路上の障害物を検出し、物体の移動を可能にします。 (C) ゼラチンアクチュエータと導波管は水に浸すと膨張して溶解します。

△ソフトロボット用バイオゲルの3Dプリントの模式図
バイオゲルの3Dプリント

ソフトロボティクスでは、材料は柔らかく、伸縮性が高くなければなりません。ポリジメチルシロキサンなどのシリコーンエラストマーは普及していますが、生分解性がなく、一度架橋すると再成形や再利用ができません。資源の持続可能性と廃棄物の削減を考慮すると、バイオポリマー（ゼラチンなど）、アルギン酸塩、セルロース、合成ポリエステル（ポリセバシン酸など）から得られるエラストマーは、多くの応用分野において生分解性、再生可能、またはリサイクル可能なソリューションの選択肢となる材料となっています。

この研究では、研究者らは、弾性係数（0.3〜3 MPa）を調整でき、伸縮性（> 300％）の高い、弾性がありながら完全に分解可能なゼラチンハイドロゲルを使用しました。 3D 印刷プロセス中にこれらのバイオゲルを押し出すために、研究者らは既存の押し出し装置を使用し、それをバイオゲル印刷のニーズに合わせて改造しました。通常、ビルドプレートの加熱を必要とする従来の FDM 製造とは異なり、この実験で最も重要なことは、印刷された製品を冷却して押し出されたバイオゲルの形状を安定させることにより、ゲル製造プロセスを加速することです。研究者らは冷却のためにプリントチャンバーに空調システムを接続し、プリントチャンバーの温度を約10～15℃まで下げることができました。印刷直後、サンプルは柔らかく（ヤング率 0.27 MPa）、極限ひずみ約 507% まで伸縮可能でしたが、その後サンプルは硬化し、延性がわずかに変化しました。 24時間後、最終ひずみは470％になり、黒竹バイオゲルのひずみ性能（約140％）を依然として上回っています。常温で12日間保管した後でも、バイオゲルは430％を超える極限ひずみまで伸び、約2.2MPaの極限応力に耐えることができます。研究者らは、印刷されたバイオゲルと成形されたバイオゲルを比較したところ、 3D 印刷されたサンプルの方が特性が優れており、伸びと極限応力が高くなっていることを発見しました。

ゼラチンベースのバイオゲルの 3D プリント。 (A) 2段階加熱システムの押し出し方式。押し出し後、冷気流によってゲル化が促進されます。 (B) ソリッドキャリブレーションキューブの印刷。 (C) 壁厚0.8mmのねじれボトルの印刷。 (D) 柔らかい構造と低いヤング率により可逆的な変形が可能になります。 (E) 解像度テスト、(F) 印刷された部品は材料を加熱して再印刷することでリサイクルできます。 (G) 常温での乾燥により機械的性質が変化する。 (H) サンプルのヤング率の経時変化。(J) 連続加熱によるゼラチンの劣化による機械的特性の相対的変化。 (K) 最初の 2 サイクル中の 100% ひずみにおけるバイオゲルサンプルのヒステリシス。 (L) さまざまな基板上に直接印刷されたバイオゲルの剥離エネルギー。

伸縮性導波路センサーの印刷

デバイスの機能に対する人々の需要が高まり続けるにつれて、ソフトロボットは、制御されたナビゲーションと環境との相互作用を実現するために、自己認識と外部認識の両方の問題に対処する必要があります。上記の問題を解決するために、伸縮性導波管を使用できます。特に、損失のある導波路（クラッドの有無にかかわらず）は、伸張時の長さの変化に対して高い感度を示します。シリコーンエラストマー、紫外線硬化樹脂、ハイドロゲルなど、さまざまな材料で実現できます。ゼラチン基板は熱可塑性であり、溶融押し出しによる導波管の大規模な製造や、3D プリントによる導波管の迅速な製造を可能にする特性があります。この研究では、研究者らは被覆なしでバイオゲルインクから直接導波管を印刷しました。
3D プリントされた全方向アクチュエーター<br /> これまで、ソフトアクチュエータは、外科用器具、リハビリテーション機器、グリッパー、歩行および水泳ロボットなどのツールやデバイスに使用されてきました。この研究では、研究者らは3D印刷技術を使用して、生分解性の空気圧駆動式3チャンバーアクチュエータ（直径16.6mm、高さ60mm）を印刷しました。個々の膨張式チャンバーを並列に配置することで、単一の圧力源と3つの電空圧式圧力レギュレータを使用してフルレンジの作動が可能になります。

多方向自己検知アクチュエータの性能。 (A) 導波路センサーはアクチュエータ上に配置され、上部で交差して曲げ状態とタッチ入力を検出します。 (B) 3つのチャンバーのうちの1つが加圧されたときのアクチュエータの曲げ角度におけるステップ応答。 (C) 3つのチャンバーすべてにおける曲げ角度と圧力の特性。 (D) アクチュエータの曲げ方向は導波管の強度マップから推測されます。空洞が加圧されると、最も近い導波管で強度の低下が最大になります。 (E) アクチュエータの先端に触れると（図の灰色の領域）、3つの導波路すべての強度が低下します。

まとめ：
研究者らは、持続可能なバイオマテリアルから作られた、3Dプリントされたソフト光導波路を介した多方向センシング機能を備えた、3Dプリントされた全方向ソフトアクチュエータを提案した。多用途で高精度なセンサーは、アクチュエータとその周囲の物体の曲げ状態に関する情報を感知することができます。これにより、ソフトロボットは周囲の障害物を自律的に検出し、除去できるようになります。研究者らはまた、導波管からの信号出力が変化する可能性があることにも注目している。操作に応じて、異なる刺激を区別する必要があります (例: 曲げとタッチ)。

この研究におけるロボットの主要構造は完全に生分解性である。さらに、バイオゲルは水溶性であるため、ロボットは非生分解性の制御部分から簡単に分離でき、ゲルを再利用することができます。研究者らはまた、バイオゲルは最大5回まで再印刷でき、初期のパフォーマンス指標の70％以上を維持できることも発見した。バイオゲルを再水和して印刷性を回復し、印刷速度を上げて印刷温度を下げるか加熱期間を短縮することで、より多くの繰り返し印刷サイクルを実現できます。要約すると、この研究はソフトロボットの持続的な発展にとって非常に重要な意味を持っています。

注：この記事の内容は若干調整されています。必要に応じて原文をご覧ください。出典：Heiden A、Preninger D、Lehner L、他「全方向性および外受容性ソフトアクチュエータのための弾力性のあるバイオゲルの3Dプリント[J]」。Science Robotics、2022、7(63): eabk2119.DOI:10.1126/scirobotics.abk2119

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