光を感知すると作動する人工材料

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光を感知すると作動する人工材料

ピッツバーグ大学の研究のチームは、光を受け取ってアクションを起こす人工材料を設計しました。
人工材料は、電気と空気圧システムと競合できるようにする方法を備えています。

“We wanted to create machines where light is the only source of energy and direction,” explained M. Ravi Shankar, professor of industrial engineering and senior author of the paper. “The challenge is that while we could get some movement and actuation with light-driven polymers, it was too slow of a response to be practical.” 

参照元:https://www.engineering.pitt.edu/News/2021/Shankar-Soft-Matter-Actuator/
– ピッツバーグ大学 University of Pittsburgh. 2/10/2021 –

概要:

  • ピッツバーグ大学の研究
    • 光を受け取ってアクションを起こす人工材料を設計
    • 結果、その機能を持つ人工材料が電気と空気圧システムと競合できるようにする方法を発見
  • 人工材料の特徴
    • 平らな場合、光でゆっくりとアニメーション化し、時間の経過とともに湾曲またはカールする
    • シェルのように湾曲した形状に形成した場合、曲げ作用がはるかに迅速に発生し、より多くのトルクを生成
  • 人工材料の機能
    • この形状に光を当てると、自発的に核形成する折り目でシェルが折りたたまれる
    • 折り畳みは数十ミリ秒以内に発生し、1キログラムあたり最大10ニュートンメートル(10Nm / kg)のトルク密度を生成する
    • 光駆動の応答は、平らな材料と比較して約3桁拡大される
  • 人工材料の展望
    • 電気アクチュエーターと競争力のある軽量アクチュエーターを作成できる
    • 多くの技術的応用を備えた完全に繋がれていないソフトロボットの設計を再発明する可能性がある

植物の葉をじっくりと見ていると、日中、葉がずれて日光に向いているのが見えるかもしれません。

それはゆっくりですが、確実に起こります。

一部の人工材料は、通常はレーザーまたは集束された周囲光によってトリガーされる、光エネルギーに対するこのゆっくりではあるが着実な反応を模倣することができます。

ピッツバーグ大学とカーネギーメロン大学の新しい研究により、この効果を十分に加速して、その性能が電気および空気圧システムと競合できるようにする方法が発見されました。

インダストリアルエンジニアリングの教授で論文の筆頭著者であるM. RaviShankar氏は説明します。

「私たちは、光が唯一のエネルギーと方向の源である機械を作りたかったのです。課題は、光駆動ポリマーである程度の動きと作動を得ることができたが、応答が遅すぎて実用的ではなかったことです。」

ポリマーシートが平らな場合、光はゆっくりとアニメーション化し、時間の経過とともに湾曲またはカールします。

研究者は、ポリマーをシェルのように湾曲した形状に形成することにより、曲げ作用がはるかに迅速に発生し、より多くのトルクを生成することを発見しました。

機械工学と材料科学の副任を務めるシャンカー氏は話します。

「スイッチを入れたり、レバーを動かしたりするなど、何かを動かしたい場合は、すばやく十分な力で反応するものが必要です。材料をエッジに沿って閉じ込め、慎重に考え抜かれた分子の配置を埋め込むことで、材料に機械的制約を適用することで、遅い応答をより衝動的なものにアップコンバートできることがわかりました。」

研究者らは、厚さ50マイクロメートル、幅と長さが数ミリメートルの光応答性アゾベンゼン官能化液晶ポリマー(ALCP)フィルムを使用しました。

シェルのようなジオメトリは、このマテリアルをエッジに沿って閉じ込めて曲線を作成することによって作成されました。

この形状に光を当てると、自発的に核形成する折り目でシェルが折りたたまれます。

この折り畳みは数十ミリ秒以内に発生し、1キログラムあたり最大10ニュートンメートル(10Nm / kg)のトルク密度を生成します。

光駆動の応答は、平らな材料と比較して約3桁拡大されます。

CMUの共著者で土木環境工学の教授であるKaushikDayal氏は話します。

「プロジェクトの成果は非常にエキサイティングです。それは、電気アクチュエーターと競争力のある軽量アクチュエーターを作成できることを意味します。」

ポスドク研究者は補足します。

「光駆動ポリマーの性能をスケールアップするための私たちのアプローチは、多くの技術的応用を備えた完全に繋がれていないソフトロボットの設計を再発明する可能性があります。」

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