スマート構造の 3D プリント: カテゴリ、課題、トレンド

近年、スマート構造は、制御可能な変形、自己修復、センシングなどの機能特性により幅広い注目を集めており、現代の学際研究において重要な役割を果たしています。バイオニクス、ソフトロボット、航空宇宙工学、フレキシブルセンシング、バイオメディカルなど、幅広い応用の見通しがあります。スマート構造の材料の多様化と構造の複雑化が進むにつれ、従来の製造方法では現在のニーズを満たすことが難しくなっています。3D プリント技術は、マルチマテリアルの互換性、パーソナライズされたカスタマイズ、統合された製造機能により、さまざまなスマート構造の製造に適しており、スマート構造の処理と製造に経済的で効率的な方法を提供します。

EFL チームは編集長から依頼を受け、Advanced Intelligent Systems 誌に「スマート構造の 3D プリントにおける最近の進歩: 分類、課題、傾向」と題するテーマ別レビュー記事を掲載しました。博士課程の学生 Ji Yuyang が第一著者で、Luan Congcong 博士と He Yong 教授が責任著者です。このレビューでは、主に、3D 印刷方法、使用される材料、およびさまざまなスマート構造 (刺激応答型スマート構造、自己修復型スマート構造、センシング型スマート構造) の応用分野における最新の進歩について包括的な概要を提供します。また、スマート構造向けの 3D 印刷技術のニーズ、現在のボトルネック、および将来の開発動向を体系的にまとめています。

図1 3つの一般的なインテリジェント構造機能と本レビューの主な焦点

1. スマート構造における主流の3Dプリント技術の紹介

3D プリンティングは、従来の製造方法に代わる多用途の製造方法として登場しました。 3D 印刷プロセスでは、CAD ソフトウェアを使用して、オブジェクトが複数のレイヤー、ブロック、またはブロブに仮想的にスライスされます。その後、プリンタを使用して印刷材料を層ごとまたはブロックごとに積み重ねて、目的のオブジェクトを取得します。図2に示すように、科学研究と自然生活は常に密接に関係しています。表面形成方法の違いにより、スマート構造付加製造でよく使用される3Dプリントの3つのプロセスは、比喩的に言えば、日常生活におけるジャガイモの3つの加工方法の逆プロセスと見なすことができます。（1）ジャガイモのスライスは、デジタル光処理（DLP）、投影型マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）、磁場支援投影型ステレオリソグラフィー（M-PSL）、マイクロスケール連続光学印刷（μCOP）などのフォトリソグラフィーに類似しています。（2）ジャガイモのシュレッディングは、直接インク書き込み（DIW）や熱溶解積層法（FDM）などの押し出し印刷に類似しています。（３）ジャガイモのダイシングは、ポリジェットやエアロゾルジェット印刷（AJP）などのインクジェット印刷に類似している。

図2 3Dプリントの原理と方法の類似性（ジャガイモを切る逆のプロセスに似ている）

2. インテリジェント構造の分類と概要

2.1 温度応答型スマート構造

温度応答型スマート構造は、温度変化に反応して所定の機能を実現します。このスマートな構造機能は、一般的に、(1) 異なる熱感度を持つ複数の層を積み重ねる。異なる熱感度を持つ層は、異なる材料を使用することも、同じ材料で異なる厚さを使用することで得ることもできます。(2) 形状記憶材料をより柔らかい基板に埋め込むこと。(3) 特定の形状の熱源で加熱すること。(4) 製造中または製造後にプレストレスを加えること。温度応答性スマート構造は、バイオニック変形構造、ソフトロボット、非バイナリアクチュエーターなど幅広い応用が期待されています。

DIW と FDM は、温度応答性スマート構造の付加製造において広く使用されている方法です。インクジェット印刷や DLP 方式による温度応答性スマート構造の製造も注目を集めています。 PμSL 法は、高解像度の微細構造を持つ温度応答性スマート構造の製造を可能にします。温度応答性スマート材料には主にハイドロゲルと形状記憶ポリマーが含まれますが、その中でもPNIPAAmが最も広く使用されているスマートハイドロゲルです。応答速度、駆動力、構造安定性、機械的特性などの制限は、温度応答型スマート構造の開発を制限する主な要因です。現在、3D プリントに使用できる高性能な温度感応スマート材料はまだほとんどありません。双方向アクチュエータに必要な材料と製造プロセスに関する研究は行われてきましたが、温度応答型スマート構造のほとんどは単方向の作動しか実現できません。変形挙動をさらに定量的に分析し、印刷パラメータを最適化するために、多くの理論的分析とシミュレーションが行われてきましたが、さらなる研究が必要です。

図3 温度応答型スマート構造

2.2 電磁応答スマート構造

電気応答性スマート構造は、通常、誘電エラストマーアクチュエータ (DEA) や電気活性ハイドロゲル (EAH) などの電気活性ポリマーによって駆動されます。これは、それらのかなりのひずみ容量とエネルギー密度によるものです。電気応答性スマート構造は、通常、電気歪性材料と非電気活性材料を重ねたり巻いたりして組み合わせ、曲げやねじりなどの基本的な動作を実現します。複数の基本動作を組み合わせることで、複雑な動作を実現できます。

図4 電気応答型スマート構造

磁気応答型スマート構造は、応答が速く、非接触制御の特性があるため、広く使用されています。磁気応答機能は通常、ポリジメチルシロキサン (PDMS)、UV 樹脂、ハイドロゲルなどのポリマーマトリックスに強磁性粒子をドーピングすることによって実現されます。磁場内で複雑な変形を実現するために、各部分を異なる方向に磁化することで磁力の方向を調整したり、磁性粒子の濃度を調整することで磁力の大きさを変えたりすることができます。

図5 磁気応答型スマート構造

DIW は、電磁応答型スマート構造物の製造に最も広く使用されている積層造形方法です。磁気応答性スマート構造の場合、鉄粉、水酸化鉄粉、Fe3O4 粉が一般的な軟磁性粒子であり、NdFeB 粒子が一般的な硬磁性粒子です。注目すべきは、異なる磁化方向を持つ部品は通常、個別に磁化してから手作業で組み立てる必要があり、これが複雑な磁気応答スマート構造の小型化と製造効率の向上を妨げる重要な問題となっていることです。磁場支援型 3D 印刷法は、効果的な解決策を提供します。一方、血管のようなチューブ内でのマイクロロボットの動作制御は達成されているものの、外部の電磁制御デバイスの制御戦略と小型化についてはさらなる研究が必要です。

2.3 自己修復型スマート構造

自己修復型スマート構造は、自律的に、または光や熱などの外部刺激の影響を受けて、材料の損傷を修復できます。したがって、構造寿命を延ばすためのシンプルで低コストな方法を提供します。修復効率と成功した連続修復サイクルの数は、このようなスマート構造の自己修復性能を特徴付ける 2 つの主要なパラメータです。自己修復型スマート構造のモデリング方法には、主に可逆結合を含む自己修復材料の使用と、修復コンポーネントを含む中空の血管ネットワークまたはカプセルの内部挿入が含まれます。 3D プリント技術の導入により、複雑な自己修復構造 (複雑な形状や複雑な内部血管網など) の製造が可能になりました。

DIW は、自己修復型スマート構造を製造するために最も一般的に使用される方法です。可逆的な化学結合に基づく自己修復スマート構造の治癒率はほぼ 100% に達しますが、血管ネットワークに基づくほとんどの自己修復スマート構造の治癒率は比較的低いです。さらなる研究が必要な問題がいくつかあります。(1)既存の自己修復スマート構造の自己修復時間は一般的に長く、多くの修復プロセスは外部刺激によって開始する必要があります。さまざまな材料の自律的かつ迅速な治癒を実現するために、適切な修復剤を見つけることが特に重要です。（２）低作業強度条件下で自己修復を実現できるスマート構造の探索は、生産効率を向上させるために極めて重要である。（３）血管網の構造は自己治癒能力に大きく影響する。したがって、より科学的な構造を実現するために、より科学的かつ効果的な血管構造設計方法を模索することが特に重要です。この点に関して、マレーの法則に基づいたバイオニック血管ネットワーク設計法が提案されました。（４）現在の研究は主に機械的性質の自己修復特性に焦点を当てています。その他の特性（電気的特性など）の回復についても、さらなる研究が必要です。

図6 自己修復スマート構造

2.4 センサーインテリジェンス構造

センシングスマート構造は、変位、圧力、湿度などの外部物理パラメータの変化を感知できます。センシング機能は通常、電子部品または圧電導電性材料を絶縁マトリックスに埋め込むことによって実現されます。この構造は、ウェアラブル電子センシングデバイス、ソフトロボットのインテリジェント触覚モニタリング、主要コンポーネントのリアルタイムモニタリングなどの分野で幅広い応用の可能性を示しています。

3D プリント技術の応用により、ウェアラブルフレキシブルセンサーやロボット触覚センシングシステムを製造するためのシンプルで効果的な方法が提供されます。しかし、現在のほとんどのインテリジェントセンシング構造は定性分析しか実行できず、高精度の定量測定を実現することは困難であり、直線性も低いです。したがって、さらなる研究が必要です。

図7 センサーインテリジェンス構造

2.5 その他のインテリジェント構造

前回の分類で触れられなかったいくつかのスマート構造について補足し、簡単にレビューします。刺激応答型スマート構造（刺激の種類は pH、光、音波、イオン濃度など）のほか、膨潤原理に基づくスマート構造、選択的透過性を備えたスマート構造、色変化機能を備えたスマート構造などがあります。これらのスマート構造のほとんどの 3D 印刷方法の研究はまだ初期段階にあります。

図8 その他のインテリジェント構造

3. スマート構造の3Dプリントにおける課題

3D プリンティングは、マルチマテリアル互換性、パーソナライズされたカスタマイズ、統合製造機能を備えているため、さまざまなインテリジェント構造の製造に適しています。スマート構造の種類によって、必要な 3D プリント方法が異なります。検討したすべてのスマート構造の中で、DIW、DLP、およびPμSL印刷方法が一般的に採用されました。 AJP 法と μCOP 法のサイズ制限と高コスト、および M-PSL 法の磁気応答機能の特殊性により、これらの方法の一般的な適用が制限されます。 3D プリンティングでは、常に速度、解像度、コストの間でトレードオフが行われてきました。したがって、適切な 3D プリント方法を選択するための鍵は、これら 3 つの間の微妙なバランスを見つけることです。

図9 さまざまなスマート構造で使用される3Dプリント方法の概要

4. スマート構造のための3Dプリント技術の今後の開発動向

（１）材料面では、新しい印刷可能な高性能スマート材料を見つけるか、既存の印刷可能な材料の性能を向上させることが重要です。機能因子またはレオロジー改質剤をドーピングすることは、従来のマトリックス材料に新しい特性を付与する優れた方法です。たとえば、カーボンナノチューブを PLA と混合すると優れた電気伝導性が得られます。また、ヒドロキシ鉄粉をハイドロゲルに組み込むと優れた磁気応答特性が得られます。さらに、PLA に動的ディールス・アルダー機能を含むポリマーをドープすると、優れた層間接着特性が得られます。

（２）インテリジェント構造機能の面では、多機能構造の探究が一般的な傾向となることが予想される。現在、ほとんどのスマート構造は単一の機能しか実行できません。多機能スマート構造の開発により、その性能が向上し、応用範囲が拡大します。例えば、自己修復機能と刺激変形機能を備えたスマート構造、刺激応答変形機能と伝導機能を統合したスマート構造、自己監視機能と自己修復機能を統合した構造などが提案されています。さらに、複数の刺激に反応できるインテリジェント構造が提案されており、同じインテリジェント構造を複数のシナリオに適用することが可能になっています。

（３）製造の観点からは、新たな３Ｄプリント方法や装置の開発はさらなる研究に値する。新しい高性能スマート材料に適した製造方法は、スマート構造の研究を大きく前進させるでしょう。特に、作業現場で直接物体を印刷できる現場製造用の3Dプリント方法が提案されており、これにより製造効率が向上し、月のような過酷な環境でも現場で直接製造することが可能になります。さらに、新しい 3D プリント装置を開発する際に、品質監視装置を設置することで、印刷プロセス中にリアルタイムで監視および修正を行うことができ、印刷精度が向上し、不良が削減されます。

（４）応用面では、既存のインテリジェント構造は、形式は似ているが精神は似ていないという問題を抱えていることが多い。したがって、関連するコンセプトを提案した後、実際の生活の中で実用的な適用シナリオを見つける必要があります。そのためには、インテリジェント構造の駆動力と変位能力を高め、応答速度をさらに向上させる必要があります。さらに、スマート構造の耐久性についてはさらなる研究が必要です。現在、温度応答性材料のほとんどは高温に耐えることができず、ハイドロゲルなどスマート構造で一般的に使用される一部の材料は過酷な条件下では効果的に機能することができません。さらに、さまざまなインテリジェント構造物のインテリジェントな動作を高精度に定量的に解析するための理論モデルを確立する必要があります。スマート構造に関するクロススケールの研究も実施する必要があり、スマート構造の微細構造がその機能に与える影響に焦点を当てるだけでなく、マクロスケールの大規模なスマート構造を印刷する能力も備えている必要があります。

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