Research press release

【材料科学】磁気によって動的に変形する材料を3Dプリンターで作製する

Nature

Materials science: Printing magnetically morphing materials

磁場をかけると急速に精巧な可逆的変形を起こす軟質材料を作製できる3Dプリント法について報告する論文が、今週掲載される。この技術を用いて作製した材料は、回る、跳ぶ、物体をつかむといったさまざまな有用な動作をすることができる。

熱や光、磁場などの刺激に応答して形状が変化する軟質材料は、フレキシブルエレクトロニクスやソフトロボティクスから生物医学的課題(例えば、薬物送達、生体組織工学)に至るまで、数多くの用途に利用できる可能性を秘めている。また、材料を閉鎖空間で、遠隔操作して動かす必要のある医療用途では、材料を活性化させる刺激として磁場が有望視されている。ところが、現在の作製方法では、単純な形状変化しか起こせない。

今回、Xuanhe Zhaoたちの研究グループは、磁気によって活性化し、1秒とかからないうちに変形する軟質材料を印刷する技術を発表した。この作製方法では、強磁性微小粒子がシリコーンゴムマトリクスに埋め込まれる。Zhaoたちは、3Dプリンターのノズルを磁化して強磁性微小粒子の配列を制御することで、磁場中に置くと領域ごとに異なる変形をする材料を作製することに成功した。この材料は、例えば、ある形から別の形に変化させることもできるし、徐々に磁場を変えることで動的に変形させることもできる。この材料は、弾性材料であるため、磁場を消すと元の形状に戻る。

今回Zhaoたちは、6本足のソフトロボットを作製して彼らの技術を実証した。このロボットにかける磁場を変化させることで、ロボットは、這って進んだり、転がったり、錠剤の薬を運んだり、さらには落ちてくる物体を捕まえて再び放したりすることができた。また、別の設計による第2のロボットは、1つの方向に磁場をかけて折り畳んだ状態にしてから逆の方向に磁場をかけて一気に広げて、水平方向に12センチメートル跳躍することができた。

A 3D printing method that can create soft materials that undergo elaborate, rapid and reversible transformations when a magnetic field is applied is reported in Nature this week. The technique can program materials to perform various useful movements, including rolling, jumping and grasping objects.

Soft materials, which change shape in response to stimuli such as heat, light or magnetic fields, have potential in many applications from flexible electronics and soft robotics to biomedical challenges such as drug delivery and tissue engineering. For medical applications, where materials would operate in closed spaces and need to be controlled remotely, magnetic fields offer a promising activation stimulus. However, current fabrication methods permit only simple shape changes.

Xuanhe Zhao and colleagues present a technique for printing soft, magnetically activated materials that transform within a fraction of a second. The fabrication process embeds ferromagnetic microparticles within a silicone rubber matrix. By controlling the alignment of the microparticles by magnetizing the printer nozzle, the authors are able to program different regions of the printed materials to undergo specific transformations in a magnetic field. For example, the materials can switch between different, static shapes or morph dynamically in response to changing magnetic fields. Being elastic, the materials revert to their original pattern when the magnetic field is removed.

The authors demonstrate their technique by printing a six-legged soft robot. By applying different magnetic fields, the robot can be made to crawl along, roll over, carry medicines in the form of pills and even catch and release a falling object. A second design can be made to leap 12 centimetres horizontally by first applying a magnetic field in one direction to collapse the structure, then the other to release it.

Please note that there will be an accompanying Nature Video about this research, which is now on the Nature Research press site.

doi: 10.1038/s41586-018-0185-0

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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