熱磁気プログラム可能な物質の複雑な選択的操作

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20767 (2022) この記事を引用

1816 アクセス

107 オルトメトリック

メトリクスの詳細

プログラム可能な物質は、コマンドに応じてその形状、剛性、またはその他の物理的特性を変更できます。これまでの研究では、非接触の光学制御物質や磁気作動が示されていましたが、前者は強度が制限され、後者は空間分解能が制限されていました。ここでは、光のパターンと磁場を組み合わせた前例のないレベルの制御を示します。熱可塑性粉末と強磁性粉末の混合物は、特定の場所で加熱されると可鍛性を持ち、磁場に引き寄せられます。これらの加熱された領域は冷却すると固化し、このプロセスを繰り返すことができます。触覚ディスプレイやオブジェクト操作への応用による 3D スラブ、2D シート、1D フィラメントの複雑な制御を示します。転移温度が低く、マイクロ波加熱が使用できるため、この化合物は空気中、水中、または生物組織内部で操作でき、生物医学機器、ロボット工学、またはディスプレイ技術に革命をもたらす可能性があります。

プログラム可能な物質は、プログラム的な方法で形状、密度、弾性率、またはその他の物理的特性を変更できます1。これらの変化は外部から制御されるか、材料に組み込まれたセンシングと処理によって引き起こされます2。プログラマブルマターの実装に向けた主な 2 つのアプローチは次のとおりです。モジュール式ロボット 3。より多くのインテリジェンスを提供します。外部作動4。これにより、より高い空間分解能とスケーラビリティが得られます。プログラマブルマターは工学や医療の分野で画期的な用途を持っていますが、その操作で達成できる粒度は依然として大幅に制限されています。

光は外部からの作動方法として使用されています。アゾベンセンと結合した材料5は、光が当たると作動します。たとえば、反射性または不透明なオブジェクトがマテリアルに近づいたときに動きをトリガーしたり 6、または動的な光のパターンで照らされたときにフィラメントやシリンダーの移動を可能にしたり 7 します。一方、光によって発生した熱は、温度勾配8により水面上の小さな物体を動かしたり、形状記憶合金の相を変化させたりする可能性があります9。光またはその熱効果による作動は、画像を投影する既存の技術を考慮すると高い空間分解能を持っていますが、作動強度は比較的弱く、作動後、材料全体が初期状態に戻るか、非可逆状態を保持します。さらに、光は不透明な物質を通過できません。

磁場は、物質を遠隔から制御するもう 1 つの方法です。磁性粉末を含むポリマーの柔軟な糸は、歪んだ環境をナビゲートするために遠隔操作できます10、強磁性または磁性粒子が埋め込まれた柔軟な材料のシートは、移動のために制御された方法で移動および屈曲できます11、12、磁性繊毛で作られたカーペットは作動できます上にあるオブジェクトを制御するため13、磁気スライムを磁気的に動かして他のオブジェクトを捕らえて輸送することができます14。磁気の作動は強力で、非金属材料を通過する可能性がありますが、磁場は離れたところに集中しないため、高い空間分解能を得ることができません。より適切に制御するには、光 15 または電磁誘導 16 を使用して材料をキュリー温度まで加熱することで、材料上の磁気引力または磁気反発を調整できますが、これらの方法は表面全体に適用されるため、微細な操作はできません。液体金属は外部磁場によって液滴 17 に変換され、磁気レオロジースラリー内で結合すると剛性も変化し 18、再構成可能な回路における動的電気接続として機能します。

ここでは、強磁性粉末 (鉄粒子) を混合した低温可逆性熱可塑性プラスチック (ポリカプロラクトン、PCL) のマトリックスで作られた複合材料上で、熱空間パターンと磁気作動の組み合わせを使用して物質を操作する前例のないレベルの制御を示します。「」を参照してください。方法」「化合物の混合」。

熱可塑性プラスチックは、熱伝導率 19、電気抵抗 20、または酸素吸収率 21 を調整するために、これまで鉄粉と混合されてきました。プログラム可能な物質の文脈では、この種の化合物に対して磁気と熱の作動の組み合わせが示されています 22,23 が、操作は 2D シートにのみ適用され、熱は材料全体に適用されるため、タイプと複雑さが大幅に制限されます。操作の。

私たちが提示した操作では、材料は室温 (25 \({^\circ }\)C) では固体ですが、特定の場所に熱を加えると 50 \({^\circ }\)C を超えると展性が生じます。 IR ランプを使用すると、熱を全体に加えることができます。熱風銃を使用して局所的な領域で。空間パターンでは、平行光にマスクを使用します。焦点を絞ったハロゲンランプまたはレーザーを使用して、焦点で。不透明な材料の内部ではマイクロ波放射が行われます (「方法」の「熱源」を参照)。次に、磁場がマトリックス内に埋め込まれた Fe 粒子を引き付け、PCL の可鍛性部分を引きずります。材料は室温で冷えると固化し、このプロセスは繰り返し可能です。 1D フィラメント、2D シート、または 3D ブロックに適用される空間的に複雑な熱パターンを使用して、点字コードの形成から図形の彫刻に至るまでのさまざまなアプリケーションが可能になります (補足ムービー 1 を参照)。基本原理を図1に示します。

熱パターンと磁場を使用した強磁性熱可塑性プラスチックの操作。 (a) 熱風がフィラメントの中心を可鍛性にし、磁場がフィラメントの片側を引っ張って加熱領域に沿って曲がり、冷却するとフィラメントが固化します。 (b) レーザーがシート上の特定の点を加熱し、磁場がそれらの点を上方に引き寄せ、冷却すると隆起した点が固定され、変形することなくプレスできます。 (c) 2D パターンが材料シートに照射され、磁場が適用されると、加熱された領域が隆起し、固化するとエンボス加工が施されます。 (d) 材料の塊がカラム内に上昇し、カラム上の点が加熱され、そこから二次分岐が引き出されます。 (e) マイクロ波は、光学的に不透明な材料の内部にある材料を加熱して、たとえば容器を拡張したり、作動させたりする可能性があります。

動作原理の定性的モデルは、補足ムービー 2 に示されています。次の方程式は、論文に示されている実験の情報を提供するために、接続された粒子の時間領域シミュレーションで結合されました。磁石によって生成される H 場は、双極子として近似されます 24: \(\textbf{H}(\textbf{r}) = \frac{1}{4\pi }\left( \frac{3 \hat{\textbf{r}}(\textbf{m} \cdot \ hat{\textbf{r}})-\textbf{m}}{r^{3}}\right)\) ここで \(\textbf{r}\) は双極子から場の点までのベクトルです、 \(\textbf{m}\) は双極子の磁気モーメントです。 H 磁場が鉄粒子に及ぼす磁力は次のように計算されます25: \({\rm{F}}_{\rm{m}}=\mu _{0} {\rm {~V}}_ {\rm{p}} {\textbf{M}}_{\rm{p}} \nabla \left( {\textbf{H}}_{\rm{p}}\right)\) ここで \( \mu _{0}\) は真空の透磁率、\({\rm {~V}}_{\rm{p}}\) は粒子の体積、\({\textbf{M}}_{ \rm{p}}\) は 25 として計算された粒子の磁化です。材料内部の熱の分布は、一般的な熱方程式 \(\frac{\partial u}{\partial t}=\alpha \Delta u\) を使用してモデル化されます。ここで \(\alpha\) は熱伝導率です。材料の粘度は、与えられた力に対するせん断変位を決定します \(F=\mu A \frac{u}{y}\) ここで、\(\mu\) は粘度、A は面積、\(\ frac{u}{y}\) はせん断変形率です。熱可塑性プラスチックの場合、その粘度 (\(\mu\)) は温度とともに対数的に減少します26。

異なる割合の鉄粒子を含む複数のサンプルを作成し、円筒形に成形し (「方法」:「化合物の混合」を参照)、機械的および磁気的特性を測定しました。サンプルには S10 (鉄の体積の 10%) から S50 (鉄の体積の 50%) までのラベルが付けられ、体積の 50% を超えて鉄粉を添加するとサンプルが脆くなり、その構造を維持できなくなりました。

直径5cm、厚さ3cmのシリンダーを50 \({^\circ }\)Cの閉ループ加熱ベッド上に置いたときの熱伝導率をモニタリングしました（図2a）（図2b、c）。。鉄の含有量が多いほど、材料を通る熱伝導率が大きくなり、シリンダーの上面で温度が測定されました。表面導電率も監視されました（図2d〜f）。鉄の含有量が低いほど、到達する温度が高くなり、冷却に時間がかかりました。これは、熱が材料全体に分散できないために発生する可能性があります。詳細については、「方法」の「熱測定」を参照してください。光の強度を調整して、材料の温度をさまざまな速度で上昇させることができます (補足画像 7 を参照)。

磁気吸引力をさまざまなサンプルで測定し、図2gに示します。鉄の含有量が多いほど磁力は強くなります。最大磁気吸引距離は、すべてのサンプルで同様でした (\(\約\) 6 cm)。これは、鉄の体積が多いサンプルほど強く吸引されるだけでなく、重量もより大きいためです。詳細については、「方法」の「磁気測定」を参照してください。追加の特性評価（硬度ショア試験および引張試験、顕微鏡画像、共焦点画像およびSEM画像）は、補足図で利用できます。それぞれ8、9、10、11、12、13です。

この材料は、準備および作動後、色が均一であった。さらに、補足画像 6 に示すように、さまざまな部分の密度は非常に小さな偏差 (SD \(=\) 0.006 g/ml) を示しました。これは、作動後も粉末が均一に分布しており、粉末の凝集がないことを示しています。磁場作動後に発生しました。

(a) 50 \({^\circ }\)C の加熱ベッド上に置いたときのサンプル上部の温度の経時変化。熱は 60 分後に取り除かれます。カラー (b、c) 熱画像付き。 (d) 中心に焦点を当てたときのサンプル側面の温度の経時変化。熱は 20 分後に除去されます。カラー (e、f) 熱画像付き。 (g) サンプルに対する磁気吸引力。

材料に対する基本的な操作は、特定の領域を加熱し、その領域を磁場で引き付け、その後、受動的放散または冷気ジェットによる能動的冷却によって実行されます。この材料は、1D フィラメント、2D シート、3D スラブなど、さまざまな次元で使用できます。

基本的な操作。 (a) 曲げる場合と曲げない場合。 b) 伸びたり縮んだりする。 (c) 分割。 (d) 合併。 (e) 上昇中。スケールバーは3cmです。

材料が固体の場合、磁場は通常の磁気引力操作を使用して表面に沿って材料を移動させることができます。強磁性のFe粒子を使用しているため、化合物は常に磁石に引き寄せられます。正確かつ選択的な制御が可能です。 2 つの磁石を使用して、細長い材料片の回転が実現されました。下から引っ張る磁力または重力の作用によって熱を加えると、材料の特定の部分または全体が溶けて平らになります。これらの基本的な操作を補足図 5 に示します。

細長い部品の曲げは、目的のピボットポイントに集中的に熱を加え、次にピボットの上に磁場を適用することで、ターゲットの位置で実現できます。もう一方の部分は、十分に大きい場合は自重で、別の磁石で、または熱で貼り付けることで、所定の位置に保持できます。曲げ戻し操作は逆のプロセスで実行されます (図 3a)。両方の部分 (加熱領域の上と下) をそれぞれ離すか近づけることによって、伸縮と伸縮が行われます (図 3b)。固体部分がさらに分離されると、加熱された可鍛性部分が破壊され、材料が 2 つの部分に分割されます (図 3c)。分離した部品の接合は、接合対象領域で加熱し、これらの領域を押し合わせることで実行できます (図 3d)。部品の上昇は、サンプル全体を加熱し、上から磁場を印加することで実現できます (図 3e)。

光による素材表面の加熱は1分、全体の加熱は10分で完了します。曲げは 5\(^\circ\)/s で実行され、伸縮操作には 10 秒かかり、所要時間は分割の場合と同様でした。 2 つの部分に完全に分離するには、最小距離は 5 cm です。が必要でした。上昇速度は 5 mm/s で、これ以上速くすることも可能ですが、材料が磁石に入り込まないように正確な制御が必要です。最大高さは 10 cm で、より長い枝も得られますが、倒壊を避けるために外部から冷却する必要がありました。

一本のフィラメントから基本的な操作を組み合わせることで、さまざまな文字を作り出すことができます。フィラメントは、各文字を形成するさまざまなセグメントに分割されます。分離した部品を目的の位置で特定の角度で曲げます。次に、いくつかのセグメントが結合されました。各文字は、後で全体の立体として移動できます。 S、M、A、R、T の文字は、このプロセスを使用して作成されました (図 4a)。

複雑な操作。 (a) 1D フィラメントによる文字の形成。 (b) シート上のリバーシブル点字パターン。 (c) シート上のエンボス文字 M。 (d) 分岐。 (e) 3D でのスカルプティング。スケールバーは3cmです。

光のパターンを適用することでシートに任意のパターンを浮き上がらせ、特定の位置に展性を持たせることができます。次に、上からの磁場が展性領域を上昇させます。点字パターン (図 4b) と文字 M の輪郭 (図 4c) がシートにエンボス加工されています。このプロセスは、表面全体に熱を加えて平らにすることで可逆的に行うことができます。

有機的な樹形は、主幹に材料の塊を立ち上げて作成し、その後副枝を押し出します (図 4d)。海の生き物の彫刻が素材の塊から作られました。まず、溶かして平らにします。次に、尾、首、ヒレの全体的な形状が引き伸ばされました。第二に、尻尾に沿ってスパイクが立っています。第三に、首の低い部分を加熱し、上から引っ張って持ち上げます。最後に、首の端部分を下に曲げて 2 つの小さなアンテナを上げることによって頭の形に成形しました (図 4e)。これらすべてのステップが離れたところから行われたことがわかります。

磁性粉末をドープした柔軟なフィラメントを使用して、歪んだ環境を移動することができます10。ここでは、加熱することでフィラメントのどの部分が柔軟になるか硬くなるかを制御することもできます。これにより、フィラメントをフックとして使用して空中の物体をつかむことができます（図） .5a、b) または水 (図 5c)。

使用例。 (a) 小さな物体をつかむためのフック。 (b) より重い物体を引きずるための大きなフックは、最大 20 kg まで引っ張ることができます。 (c) 水中での操作。 (d) 支持構造としての持ち上げられた柱。 (e) 離れた場所にフィラメントを貼り付けて接続する。 (f) 選択的フィルタリングのために異なる距離で積み重ねられたフィラメント。 (g) マイクロ波を使用して容器内の材料を加熱すると、容器内の材料を動的に膨張および収縮させることができ、固化後も容器の膨張を維持します。スケールバーは3cmです。

熱可塑性プラスチックの機械的特性により、この材料は構造の支持体として機能することができます (図 5d)。材料が 80 \({^\circ }\)C を超えて加熱され、その後冷却されると、材料はさまざまな表面にくっつきます。これを使用して、分離された領域を接続したり (図 5e)、通過する物体をフィルタリングしたり (図 5f) することができます。。

材料が光学的に不透明な媒体内にある場合でも、マイクロ波を使用して加熱できます。 2.45 GHz のマグネトロンが材料を加熱し、肺シミュレーターのバルーン内にある間に可鍛性を高めました。次に、磁場を使用すると、制御された方法で膨張および収縮することができ、材料が固化するとバルーンが膨張した状態に保たれます（図5g）。

磁場の到達距離は \(\約\) 6 cm に制限されていますが、使用された磁石は通常のネオジムシリンダーでした。特殊な装置からのより強力な磁場により、より広い範囲が得られるでしょう。

熱拡散は、光が材料を照らす表面を越えて材料を展性化するために必要です。ただし、拡散により熱パターンの鮮明度が低下し、達成可能な表面変形の急峻性が制限されます。鉄の濃度が低い材料は、材料中の伝導性が低く、表面が熱くなるため、点字コードなどの表面操作に適しています。鉄を多く含むコンパウンドは、バルクの操作 (曲げ、分割、隆起、溶解など) に適しています。マイクロ波加熱は、熱伝導率が低くても材料に浸透するため、バルク加熱に使用できますが、光ベースの方法または空気は表面加熱に適しています。

熱可塑性ポリマーと鉄粒子を混合することにより、均質な化合物が得られました。粒子のサイズと材料の粘度を考慮すると、同じ部品上で複数の操作（つまり、粒子がプラスチックを引きずった）を行った後でも、コンパウンドは均一性を保持しました。鉄粒子の酸化や色の変化は、水に浸したサンプルであっても、実験全体を通じて材料に観察されませんでした。

磁場は、材料反応の視覚的観察に従って磁石を移動および回転させることによって閉ループ方式で制御される。ただし、加熱は開ループで適用され、サーマルカメラを使用して閉ループで加熱を適用すると、熱パターンをより詳細に制御できます。

採用されている熱可塑性プラスチック (PCL) は生体適合性があり、鉄粒子 (またはその酸化物) は医療用途で一般的に使用されています。さらに、マイクロ波放射は、周囲の生体組織を大幅に加熱することなく、鉄粒子を加熱することができます27。これにより、この化合物は、例えば消化管や上気道に沿って、外部から操作する人体の内部での操作が可能になります。

この論文では、熱磁気作動によってのみ可能となり、材料にさまざまな機能を追加できる機械的操作に焦点を当てました。たとえば、銀化合物を追加して導電性を高め、再構成可能な回路で機能させることや、材料が分割されるときに放出される中心部の抗生物質のマイクロカプセルなどです。

熱パターンと磁場を使用して強磁性熱可塑性プラスチックを制御する、前例のない複雑な遠隔操作が示されています。この作品により、触覚ディスプレイやオブジェクト操作における応用が可能になります。我々は、マイクロ波と磁場が光学的に不透明な材料を通過する能力を強調し、これらの操作が生物組織やプラスチック容器内での操作に適していることを強調します。

サンプルは、ポリカプロラクトン (PCL、Polydoh Materialsix) と純度 98% の 100\(\μ\)m の鉄粒子 (Alquera) の混合物を溶液キャスティングすることによって調製されました。良好な混合を確実にするために、ジクロロメタン (DCM) およびヘキサン (Sigma Aldrich) 溶媒が使用されました。

このプロセスでは、体積の鉄含有量が異なる 5 つのサンプル (S10、S20、S30、S40、S50) を、換気フード付きのキュービクル内で、室温の通常の条件下で調製しました。１Ｌ容量のビーカーを、温度コントローラＩＫＡＥＴＳ−Ｄ５およびミキサーパドルを備えたデジタルスターラーＬａｂｏＬａｎＯＳ４０−Ｓを備えたホットプレートＩＫＡＣ−ＭＡＧＨＳ７上に置いた。まず、ビーカー内の DCM 溶媒の温度は 30 \(^{\circ }\)C に設定されます。溶媒の量は、溶解すべきポリマーの質量の１０倍の体積であり、例えば、２２ｇのＰＣＬに対して２００ｍｌの溶媒であった。次いで、ポリマーを添加した。反応は \(30{\pm }2 \,^{\circ }\)C で行われ、300 rpm の速度で 2 時間撹拌されました。ポリマーが完全に溶解したら、鉄粉を溶液に加え、機械的撹拌速度を 500 rpm まで上げて 1 時間混合しました。鉄粒子が完全に分散した後、複合体の沈殿を促進するためにヘキサン 100 mL を加え、両方の溶媒を蒸発させるために溶液の温度を \(50{\pm }2 \, ^{\circ }\)C に上げました。。

混合物が均一になり、溶媒がなくなったら、混合物を取り出して型に入れます。実験内の差異を最小限に抑えるために、金型の能力と材料密度を考慮して各サンプルの体積を約 21.34 cm\(^{3}\) に設定しました: PCL (\(\rho =\) 1145 g/cm\(^ 3\)) と鉄 (\(\rho =\) 7874 g/cm\(^3\))。これらのシリコンモールドは、3D 円筒形状サンプルの作成に使用されました。 2D シートも同じ方法で作成しましたが、型に入れる代わりに、シリコンマットの上でステンレス鋼の麺棒を使って平らにしました。 1D フィラメントの場合、コンパウンドをペレットに細断し、60 \(^{\circ }\)C および 6 mm/s の速度で押出機 (1.75 mm の円形断面ノズルを備えた FelFil Evo) に導入しました。サンプルは補足図1に、体積比率の結果として得られる重量は表1に示されています。

実験中には、集束ハロゲンランプ、熱風ガン、IR ランプ、アセテートマスクプロジェクター、レーザー、マイクロ波などのさまざまな熱源が使用されました。それらを図6に示します。

(a) 平凸非球面レンズ LAF6075 で光を集束させ、12.8 V および 30 W の GE 4405 PAR36 ランプで加熱。 (b) MMOBIEL Yihua 858D 熱風はんだ付けステーションで加熱します。 (c) Beurer IL21 赤外線ランプによる加熱。 (d) 3M 9000 AHKS オーバーヘッドプロジェクターによる加熱: マスクと、90 mm \(\varnothing\) および F \(=\) 20 mm の集束平凸非球面アクリルレンズを使用します。 (e) Taurus W750MG 電子レンジによる加熱。 (f) Vevor 3B 450 nm および 2500 mW 青色レーザーによる加熱。 (g) 60 秒にわたるさまざまな熱源を使用した温度変化。

サーマルカメラ RS PRO T-10 (RS Components) を使用して、サンプルのさまざまな点の温度を測定しました。バルク熱伝導率の実験では、閉ループで 50 \({^\circ }\)C に設定された (Ender 3 PRO 3D プリンター) のホットベッド上でサンプルを加熱しました。点広がり熱実験では、集束ハロゲンランプ (GE 4405 PAR36 30 W) を使用して各サンプルの表面の中点を加熱しました。焦点光は、非球面アクリルレンズ (Knight Optical LAF6075) の先端から 5 cm の距離に設定されました。ランプは公称電力で動作していました。

補足図3に見られるサンプルを操作する磁場を生成するために、さまざまな磁石が使用されました。それらの磁場はテスラメータ（WT10A）で測定されました。磁石は、三脚またはリニアステージを使用して手動で移動されました。

磁力測定では、各サンプルを磁石 (Wukong 304 M8 ネオジム N52) に取り付け、サンプルが磁石から外れるまで下向きの力を増加させました。図 6g に示すように、磁石をデジタルダイナモメーター (GPISEN 50 kg、誤差 5 g) に吊り下げました。この力は、磁石を取り外すのに必要な最大の力として記録されました。

この研究のために生成または分析されたデータは、公開された論文およびその補足情報ファイルに含まれています。

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この研究は、助成契約番号 101017746 TOUCHLESS に基づく EU Horizon 2020 研究およびイノベーションプログラムによって資金提供されています。

UPNA ISC、UpnaLab、31006、パンプローナ、スペイン

ジョス・イリサッリ、イニーゴ・エスクルディア、アシエル・マルソ

物理学科、UPNA、31006、パンプローナ、スペイン

ザビエル・サンドゥア

科学部、APPLICATIONS 2、31006、パンプローナ、スペイン

イッツィアル・ガラレッタ＝ロドリゲス & ホセ・イグナシオ・ペレス＝ランダサバル

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JI、IE、XS、IGが実験を実施しました。 JI と AM が論文を書きました。 JI と IE は補足ビデオを録画および編集しました。 JI と IE が図を作成しました。 JI と IG がサンプルを作成しました。 AM は研究を発案し、シミュレーションを行いました。著者全員が原稿の編集に協力してくれました。

アシエ・マルツォへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足ビデオ1.

補足ビデオ2.

補足ビデオ3.

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転載と許可

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受信日: 2022 年 9 月 10 日

受理日: 2022 年 11 月 16 日

公開日: 2022 年 12 月 13 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24543-5

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