さらに実用的な「4次元」変形プリントが登場！

出典: 江蘇レーザー連盟

必要に応じて自らを再構成するソフトロボットや生体医療用インプラントは、新しいタイプの印刷可能な形状変化材料のおかげで現実のものになりつつあります。ライス大学ブラウン工学部のエンジニア、ラファエル・ベルドゥスコ氏と大学院生のモーガン・バーンズは、温度、電流、圧力の変化に応じて形状を変える材料を印刷する新しい方法を開発した。
図 1: ライス大学が 3D プリンターを使用して製造した形状変化材料は、温度、電流、圧力の変化によって形態変化を実現します。この例では、印刷物の変形を実現する方法を示します。画像提供：Verduzco Laboratory/ライス大学
研究者らは、アメリカの化学雑誌「アプライド・マテリアルズ・アンド・インターフェース」でこの技術を「反応性四次元印刷」と呼んだ。 2018年、彼らは初めて型の中に形を変える構造物を作り出した。しかし、同じ化学物質を使用した 3D プリントは、同じ平面上の形状に限定されます。つまり、隆起を形成したり、その他の複雑な曲げを実現することは困難です。ベルドゥスコ氏は、この制限を克服し、材料の有用性を高めるには、印刷プロセスを形状から「切り離す」ことが重要だと述べています。「これらの材料は、一度作られると自動的に形状が変わります」とベルドゥスコ氏は言う。「この形状変化を制御する方法が必要です。私たちのシンプルなアイデアは、複数の化学反応を連続して使用して材料を印刷し、それがどのように形状を変えるかを指定することです。これにより、初期形状と最終形状を制御する際の柔軟性と操作の余地が広がり、複雑な構造の印刷が可能になります。」

図 2: エンジニアの Rafael Verduzco 氏と大学院生の Morgan Barnes 氏は、温度、電流、圧力の変化に応じて形状が変化する材料を印刷する新しい方法を開発しました。
2つの大きな課題:
研究室が直面した課題の 1 つは、相互に排他的な 2 組の分子リンクを実現する液晶ポリマー「インク」をどのように作成するかでした。1 つは元々印刷された形状で、もう 1 つは材料を手作業で印刷して乾燥させることで作成されます。実験者は、元の形状を維持しながら触媒浴で印刷できるポリマー混合物を作成する必要がありました。これを達成すると、材料は、例えば加熱または冷却されたときに前後に変形できるようになります。

「インクが十分に早く硬化して、望ましい最終形状を阻害することなく印刷できるように、使用する溶剤や触媒、膨潤度、インクの配合など、多くのパラメータを最適化する必要がありました」とバーンズ氏は語った。

図 3: ライス大学の研究室では、3D プリントを使用して、ソフトロボットの作成や生体医学的インプラントとして役立つ可能性のある形状変化材料を作成しています。
研究室が直面している 2 番目の課題は、列を印刷できないなど、印刷でサポートできる構造が限られていることです。この制限を克服し、より複雑な形状の組み合わせを印刷するには、印刷プロセス中に十分に強力なゲル化能力を備えたソリューションが必要です。この能力を獲得することで、研究者は

今後の研究について、バーンズ氏は次のように述べた。「印刷方式をさらに最適化し、足場支援印刷技術を使用して、2つの異なる複雑な形状間を遷移するアクチュエータを作成します。画期的な進歩を遂げれば、クラゲのような柔らかいロボットを作成したり、身体に適応して自由に形状を変更できる医療用インプラントを作成したりすることもできます。」

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