熱磁気プログラム可能な物質の複雑な選択的操作

Jan 24, 2024

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

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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」。