ペンシルベニア州立大学の研究者たちはソフトロボティクス、皮膚統合型エレクトロニクス、および生物医療機器の進歩のために、柔らかく伸縮性があり、自己組織化する3Dプリント素材を開発しました。この特性は、組織や臓器の特性に合致するために必要です。研究チームは、このアプローチが以前の製造方法の多くの欠点、例えば導電性の低下やデバイスの故障を排除することができると述べています。
「人々は、ほぼ10年間、柔らかく伸縮性のある導電体を開発してきましたが、導電性は通常あまり高くありません」と語るのは、ペンシルベニア州立大学工学および機械工学、バイオメディカルエンジニアリングの助教授であり、材料科学と地球鉱物科学のカレッジにも所属するTao Zhou氏が語りました。「液体金属ベースの導電体で高い導電性を達成できることが分かっていましたが、それには二次的な方法で材料を活性化する必要があるという大きな制約がありました。」液体金属ベースの伸縮性導電体は、製造後の活性化プロセスによる複雑さと挑戦を抱えています。二次的な活性化方法には、伸縮、圧縮、剪断摩擦、機械焼結、レーザー活性化などが含まれますが、これらは製造上の課題を引き起こし、液体金属の漏出につながり、デバイスが故障する可能性があります。「私たちの方法では、材料を導電性にするための二次的な活性化は必要ありません」と、ライフサイエンスのハック研究所および材料研究所にも所属するZhou氏は述べています。「この材料は自己組織化し、下層を非常に導電性にし、上層を自己絶縁化します。」この新しい方法では、研究者たちは液体金属、導電性ポリマー混合物PEDOT:PSS、および親水性ポリウレタンを組み合わせ、液体金属を粒子に変換させます。この複合軟質素材がプリントされ加熱されると、底面の液体金属粒子が自己組織化して導電経路を形成します。一方、上層の粒子は酸素の豊富な環境にさらされて酸化し、絶縁された上層を形成します。導電層は、筋肉活動の記録や体上のひずみ感知など、センサーへの情報伝達に不可欠であり、絶縁層は信号漏れを防ぎ、データ収集の精度を向上させます。通常、液体金属とポリマーが混ざると導電性がなく、導電性を得るためには二次的な活性化が必要ですが、これらの3つの要素が自己組織化を可能にし、二次的な活性化なしで高い導電性を持つ柔らかく伸縮性のある材料を生成するのです。
この材料は3Dプリントも可能であり、ウェアラブルデバイスの製造が容易になります。研究者たちは、障害者向けの支援技術に焦点を当てながら、さらなる応用可能性を探求し続けています。
この研究には、ペンシルバニア大学工学科学および機械工学部の博士課程学生であるSalahuddin Ahmed氏、Marzia Momin氏、Jiashu Ren氏、および生物医学工学部の博士課程学生であるHyunjin Lee氏が参加しました。この研究は、National Taipei University of Technology-Penn State Collaborative Seed Grant Program、工学科学部、材料研究所、ハック研究所の支援を受けています。
