ヤムイモの曲がりくねった成長メカニズムにヒントを得て、科学者たちは新しいバイオニック手首装具を4Dプリントした。

ヤムイモの曲がりくねった成長メカニズムにヒントを得て、科学者たちは新しいバイオニック手首装具を4Dプリントした。
この投稿は warrior bear によって 2021-8-7 22:23 に最後に編集されました。

はじめに:2021年8月7日、Antarctic Bearは、フライブルク大学とシュトゥットガルト大学の研究者が、患者の解剖学的構造に応じて自動調整できるウェアラブル医療機器を4Dプリントする新しい方法を開発したことを知りました。研究チームは、ヤムイモ(Dioscorea bulbifera、絡みつくつる草本植物)の生殖メカニズムにヒントを得て、印刷されたシステムを水にさらされると複雑な動きをするように事前にプログラムできるというアイデアを思いついた。彼らはこの方法を使って、患者の腕に巻き付ける自動締め付け式手首矯正装具を 4D プリントしました。
「生物学の機能的・構造的原理を技術的な材料システムにどのように転用できるかを示した」と、この研究の共著者であるティファニー・チェン氏は『Materials Today』誌に掲載された論文で説明した。「この研究は、生体模倣ソリューションの設計空間と調整可能な機能の拡大に向けた重要な一歩でもある。」
△4Dプリントされた手首の添え木。画像提供:フライブルク大学
生物にヒントを得た 4D プリンティング<br /> 3D プリントされた構造物の形状が時間の経過とともに変形するように設計されている場合、それは 4D プリントと呼ばれます。これらの幾何学的変化はさまざまな手段によって誘発されますが、最も一般的なものは電気刺激、熱、湿気です。多くの 4D プリント オブジェクトは、インテリジェントに配置されたレイヤーと折り目を使用して変形し、縮小および拡大して目的の効果を実現するように事前にプログラムされています。
ちなみに、自然からインスピレーションを得ることで、4D プリント システムについて多くのことを学ぶことができます。結局のところ、今日まで進化してきた生物は、現実には最高のデザイナーの一部です。
この場合、フライブルクのチームは、宿主の幹に巻き付いて木に登ることができる蔓性植物、Dioscorea zingiberensis に注目しました。ヤマノイモは、托葉と呼ばれる外植片を生成し、絡み合った茎を引き締め、宿主植物に圧縮圧力をかけるのに役立ちます。これにより、ヤムイモは宿主に働きかけることができ、成長に必要な日光に近づくことができます。
△ヤマノイモの特徴は、茎が絡み合って托葉が独立しており、托葉が広がって茎と支柱の間に隙間ができ、茎が緊張した状態を保つことです。
4D プリントされたセルフロック式手首固定具<br /> ヤムイモの運動メカニズムを模倣するために、研究者らは、添え木自体の形状に「曲げ線」を選択的に印刷する計算設計戦略を使用しました。これらの曲げ線は、紙の折り目のように、湿気にさらされたときに合板がどのように、どこで、どの程度曲がるかを決定するように設計されています。
湿気に反応する材料だけが添え木を活性化させる可能性があるため、ここでは材料の選択も重要です。これを実現するために、研究チームは水を容易に吸収・放出できる木材ポリマー複合材を使用する必要がありました。
印刷された構造には、複数の拡張層と安定化層も含まれており、曲げワイヤーと連動してらせんに似たコイル状の形状を実現します。さらに、研究チームはスプリントの表面にポケットを印刷しました。このポケットはらせんを外側に押し出す働きをし、装置に張力を生み出し、最終的にはスプリント全体の収縮につながります。これにより、デバイスは装着者の腕にしっかりと密着し、個人に合わせたぴったりとしたフィット感が得られ、手首をサポートできます。
この研究は次のように結論づけている。「一般的な装具の実用的なプロトタイプで概念実証を行うことで、この設計プロセスにより、医療専門家がデジタルモデリングの専門知識がなくても、自己調整型装具を物理的に設計、プロトタイプ化し、カスタムフィットできるようになると考えています。」
この研究の詳細は、「バイオインスパイアされた動作メカニズム:自己調整型 4D プリント ウェアラブル システムの計算設計と材料プログラミング」と題された論文に記載されています。ティファニー・チェン、マーク・ティーレンらが共著した。
関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202100411
手首固定具は装着者の手首を適応的に締め付けることができます。画像提供:フライブルク大学
4D プリンティングの応用範囲は医療分野をはるかに超えており、この新興技術はソフトロボットやエレクトロニクスにも応用できます。たとえば、スウェーデンのリンショーピング大学の研究チームは以前、カスタム押し出しベースの 3D プリンターを使用して、ソフトマイクロロボット用のマイクロアクチュエータのセットを 4D プリントしました。 4Dプリントされたソフトロボットは通常、センチメートルまたはナノメートルのスケールに制限されていますが、チームはプリントされたデバイスをマイクロメートルの領域まで縮小し、約20ミクロンの厚さを実現しました。
最近、ドイツのエレクトロニクス 3D プリンティング企業 NeotechAMT は、多機能 4D メカトロニクス システムの生産のための信頼性が高くスケーラブルなハイブリッド積層製造プロセスの開発を目指した、EU 支援の新しい Penta プロジェクト AMPERE を発表しました。このプロジェクトは、照明、信号、電力エレクトロニクスなどのインテリジェントシステムの信頼性の高い生産をスピードアップするために、4D製造を加速することに重点を置きます。
4Dプリンティング、巻き上げ成長、バイオニクス、ウェアラブルデバイス

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