Fra luftfart til HealthTech – LCEs er lige så alsidige som de er fascinerende

Lad os starte med at adressere kernen først! Hvad er LCEs? Nå, LCEs står for Liquid Crystalline Elastomers – krydsbundne polymernetværk, der kombinerer gummiets elastiske egenskaber med de anisotrope egenskaber fra flydende krystaller. Den primære faktor, der driver deres unikhed, er at multifunktionalitet og respons kan programmeres i LCEs ved at mønstre deres lokale orientering.

Det er en sjælden kvalitet – svær at opnå i andre monolitiske materialsystemer. Og som en Nature‑magasin anmeldelsesartikel fra 2021 påpeger, har fremskridt inden for syntese og justering af LCEs gjort det muligt at integrere dem funktionelt i forskellige felter, herunder robotteknik, optik, forbrugerprodukter, energi og sundhedspleje. 

I dag dykker vi dybere ned i denne alsidighed af LCEs for at se, hvordan de beviser deres værdi i en række felter, fra luftfart til HealthTech. 

3D‑printningstilgang for formskiftende materialer ved brug af LCE‑strukturer

Et team af forskere fra Oregon State University har hjulpet med at udvikle en ny 3D‑printningstilgang for formskiftende materialer. I virkeligheden kunne sådanne formskiftende materialer hjælpe med at forbedre robotapplikationer ved at give dem en robotlignende kvalitet. 

Mens han forklarede karakteren af LCEs i denne sammenhæng, sagde Devin Roach fra OSU College of Engineering:

“LCEs er bløde motorer. Da de er bløde, i modsætning til almindelige motorer, fungerer de fremragende med vores iboende bløde kroppe. Så de kan bruges som implantable medicinske enheder, for eksempel til at levere lægemidler på målrettede steder, som stents til procedurer i målområder, eller som uretrale implantater, der hjælper med inkontinens.”

Mere specifikt, forskningen, som blev offentliggjort i tidsskriftet Advanced Materials, beskriver fremstillingen af LCEs ved additive fremstilling (AM)‑teknikker, primært ved direkte blæknings‑printning. Forskerne dokumenterede fremstillingen af justerede, hovedkæde‑LCEs via DLP‑3D‑printning ved brug af et 100 mT magnetfelt.

Systematisk undersøgelse isolerede bidraget fra magnetfeltstyrke, justeringstid og lagtykkelse på orienteringsgraden i 3D‑printede LCEs. Forskerne konkluderede, at DLP‑printning af justerede LCEs kan åbne nye muligheder for at fremstille stimuli‑responsive materialer i formfaktorer optimeret til funktionel brug i blød robotteknik og energibeskyttelse.

Selvom alt dette kan lyde som jargon og højteknologiske implikationer, kan forståelsen af LCEs blive meget lettere, hvis vi ser på deres virkelige anvendelser. Grundlæggende kan LCEs ændre deres form som reaktion på visse stimuli, som varme. Ved at udnytte denne egenskab kan LCEs bruges til at overføre termisk energi til mekanisk energi, så den kan lagres og anvendes efter behov. 

Den muskel‑lignende fleksibilitet, som LCEs introducerer, kan hjælpe os med at gøre betydelige fremskridt inden for blød robotteknik. Disse fleksible robotter kan nå områder, der er usikre eller uegnede for mennesker. Ifølge Devin Roach:

“De har også vist løfter inden for luftfart som aktuatorer for automatiserede systemer såsom dem til dyb‑rum greb, radarudrulning eller udenjordisk udforskning.”

DLP, den centrale opnåelse i denne forskning, som blev udført af Roach og samarbejdspartnere ved Harvard University, University of Colorado og Sandia og Lawrence Livermore nationale laboratorier, viste os en måde at justere molekylerne ved hjælp af et magnetfelt under en type 3D‑printning kaldet digital light processing. Det var afgørende at udnytte LCEs til deres fulde potentiale, fordi de formskiftende egenskaber af de flydende krystallinske elastomerer var afhængige af molekylernes justering inden i materialet. Digital Light Processing udnytter lys til at hærde flydende harpiks til solide former med præcision.

Mens han fremhævede studiets resultater, sagde Roach, at justeringen af molekylerne kunne være nøglen til at låse LCEs fulde potentiale op og muliggøre deres brug i ‘avancerede, funktionelle applikationer.’ Roach fortsatte med at påstå, at deres arbejde åbnede “nye muligheder for at skabe avancerede materialer, der reagerer på stimuli på nyttige måder, potentielt førende til innovationer i flere felter.”

Roach og hans med‑forskere undersøgte en række parametre. De varierede styrken af magnetfeltet og så på, hvordan det kunne påvirke den molekylære justering sammen med andre faktorer, såsom lagtykkelsen. Forskerne kunne printe komplicerede flydende krystallinske elastomer‑former, der ændrer sig på specifikke måder, når de opvarmes.

Roach ledte også et andet team af forskere for yderligere at undersøge den mekaniske dæmpnings‑potentiale af LCEs. Forskningen og dens fund kan vise sig nyttige i udviklingen af førsteklasses automatiske støddæmpere, seismiske dæmpere og vibrationsdæmpere på broer. 

Mens forskningen og dens fund kan hjælpe LCEs med at blive instrumentelle i mange områder, har forskningen omkring flydende krystallinske elastomer‑strukturer fortsat i en længere periode. I de næste par segmenter vil vi diskutere nogle sådanne studier og hvordan de kan påvirke teknologiske innovationer omkring os.

LCE og 4D‑printning

I juni 2022 publicerede en forskningsartikel i tidsskriftet Materials Horizons, at ved at mønstre orden i strukturer demonstrerer LCEs reversibel høj‑hastigheds‑ og stor‑skala aktuation som reaktion på eksterne stimuli, hvilket muliggør tæt integration med 4D‑printning og arkitekturer af digitale enheder, som sjældent observeres i homogene bløde polymernetværk.

Forskerne samlede information om de seneste fremskridt inden for 4D‑printning af LCEs, med vægt på syntese‑ og forarbejdningsmetoder, der muliggør mikroskopiske ændringer i den molekylære orientering og dermed medførte makroskopiske ændringer i egenskaberne for slutprodukter. Undersøgelsen indikerede, at kombinationen af LCE‑4D‑printning kan være nyttig inden for blød robotteknik, optik og biomedicinske enheder.

Ydeevne af LCEs på biologisk celle‑respons

En anden forskning, offentliggjort i tidsskriftet ACS Applied Polymer Materials i januar 2023, undersøgte strukturer og syntesemetoder for LCEs samt deres materialbiologi med vægt på biokemiske og biomekaniske egenskaber af celler fra et molekylært perspektiv. Forskningen undersøgte blandt andet faktorer som cellers quasi‑flydende krystallinske adfærd, graden af orienteringsorden i forskellige celler og flydende‑krystallinsk inducerede topografiske signaler som vækstfremmende agenter for celler. 

Udover sådan forskning fra akademikere har anerkendte forskningslaboratorier verden over også vist interesse for LCEs og deres udvikling. Vi diskuterer et par sådanne laboratorier i de følgende segmenter og forsøger at forstå, hvorfor de betragter LCEs som afgørende. 

LCE‑evaluering af Nguyen‑labben: Johns Hopkins Whiting School of Engineering

Laboratoriet mener at de viskoelastiske egenskaber af LCEs kan udnyttes til at designe transformerende materialer og strukturer med ekstrem dissipationsadfærd. Laboratoriet udførte en undersøgelse for at udvikle en grundlæggende forståelse af afslapningsmekanismerne i hovedkæde‑LCEs for at muliggøre design af ekstraordinære dissipations‑egenskaber i LCE‑materialer og strukturer over flere længdeskalaer.

Forskerne antog, at den forbedrede dissipations‑adfærd af LCEs opstår fra koblingen mellem afslapningsdynamikken i mesogenerne og polymernetværket og afhænger af mesogen‑orden og kædejustering. Ifølge laboratoriet, kan den intrinsiske dissipations‑adfærd udnyttes i en arkitektureret design for at producere strukturer med ekstrem dæmpning og energibeskyttelse. 

Harvard Universitys Aizenberg‑laboratories arbejde med LCEs

Visionen i laboratoriet var at betragte LCEs som adaptive materialer med molekylær skala programmerbarhed, der kunne skabe muligheder for rationel design af næste generations responsive materialer og potentielt transformere områder fra kunstige muskler til selv‑rengørende overflader og homeostatiske systemer.

Laboratoriet fandt LCEs lovende som materialer til at opnå ønsket programmerbarhed og deformationskapacitet, da de består af anisotrope molekyler kendt som mesogener, kovalent bundet til et polymerisk baggrundsmaterial (elastomeren).

Selvom der findes en række tilgange til at foreskrive justeringen af mesogenerne, anvendte Aizenberg‑gruppen typisk magnetfelter til at påtvinge den flydende krystal‑direktor. Denne metode kan anvendes på og programmeres inden i enhver 3D‑form, så forskerne kan kode makroskopiske deformations‑modi på molekylært niveau. 

Aizenberg‑gruppen, aktiv som et biomineraliserings‑ og biomimetik‑laboratorium under Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, har brugt magnetisk justerede LCEs til at skabe en række multi‑responsive mikrostukturer såsom mikroposter, mikropaneler, sammenkoblede cellulære strukturer og tæt placerede arrays.

Gruppen ser frem til at fortsætte deres forskning for at udvide vores grundlæggende forståelse af selvregulerende systemer samt udvide disse designs til applikationer såsom autonome multimodale aktuatorer i skiftbare klæbemidler, informationskryptering, autonome antenner, energihøstningssystemer, bløde robotter og smarte bygninger.

Mens individuel forskning og laboratoriebaseret arbejde med LCEs er i fuld gang, kan nogle virksomheder drage fordel af det. Vi vil nu se på et par sådanne virksomheder.

Klik her for en liste over top‑additiv‑fremstillings‑ og 3D‑printningsaktier.

1. 3D Systems Corp 

Den virksomhed, der kommer først på listen, når vi tænker på at udnytte forskning omkring LCEs på kommerciel skala, er 3D Systems Corp (DDD ) . Den dækker hele spektret af 3D‑printningsindustrien, fra 3D‑printere, materialer og software. Den har branchens mest omfattende sortiment af kommercielle 3D‑printere, som gør det muligt for virksomheder at printe plast‑ eller metaldele på stedet på en brøkdel af den tid, der kræves ved traditionelle fremstillingsprocesser.

Virksomhedens omfattende og alsidige portefølje af 3D‑printningsmaterialer omfatter plast, elastomer, komposit, voks, metal, biokompatible materialer og mere. Derudover tilføjer den værdi til hele systemet gennem sin AI‑drevne software, som er skræddersyet til præcision i additiv fremstilling og er ideel til industrielle og sundheds‑applikationer.

Virksomheden betjener det bredest mulige udvalg af kunder i industrier såsom luftfart og forsvar, bilindustri, bioprintning, CO₂‑opsamling, forbrugerteknologi og mange flere. 

Virksomheden har en bred vifte af produkter i elastomer‑kategorien, herunder DulaForm TPU Elastomer, som er et termoplastisk elastomermateriale med gummilignende fleksibilitet og funktionalitet. Det kan bruges til lav‑ til mellem‑volumen produktion af forbrugerprodukter, fremstilling af fleksible dele til industrielle anvendelser, skabelse af funktionelle prototyper af slanger og pakninger samt prototyping og produktion af fodtøjskomponenter. 

3D System Corp VisiJet® CE‑NT‑materialet leverer førsteklasses elastomerisk materiale‑ydelse for funktionel prototyping til at imødekomme en række ingeniør‑ og design‑applikationer. Det har fremragende trækstyrke, og dets gennemsigtige naturlige farve hjælper med at skabe livagtige modeller af menneskelig anatomi til medicinsk modellering.

3D Systems Corporation annoncerede sine finansielle resultater for tredje kvartal, der sluttede den 30. september 2024, den 26. november 2024. Selvom omsætningen på $112,9 millioner faldt med 9 % år‑over‑år, fortsatte kundernes interesse for 3D‑printningsapplikationer med at vokse, med indtægter i Application Innovation Group (AIG) der voksede med over 26 % år‑til‑dato sammenlignet med året før på tværs af industrielle markeder.

2. Teradyne, Inc.

Teradyne, Inc. (TER ) fremstiller udstyr, der tester halvledere, trådløse enheder og anden kompleks elektronik. Deres værktøjer bruges i industrier som bilindustri, luftfart, forsvar og forbrugerelektronik. De er en stor aktør inden for automatiseret testning og industriel automatisering.

For tredje kvartal 2024 rapporterede virksomheden $737 millioner i omsætning. Størstedelen – $543 millioner – kom fra Semiconductor Test, mens Robotics tilføjede $89 millioner. Mindre bidrag kom fra System Test og Wireless Test med henholdsvis $73 millioner og $33 millioner.

Liquid Crystalline Elastomers (LCEs) kunne spille en stor rolle i at forme Teradynes fremtid, især inden for robotteknik. LCEs er specielle, fordi de kan ændre form, når de udsættes for varme eller lys. Dette gør dem ideelle til blød robotteknik, som kræver fleksibilitet og præcision. Hvis Teradyne integrerer LCEs i deres robotter, kan de blive mere tilpasningsdygtige for industrier, der kræver avanceret automatisering.

3. Zebra Technologies Corporation

Zebra Technologies Corporation (ZBRA ) skiller sig ud inden for enterprise‑asset intelligens, med deres mobile computere, stregkodescannere, RFID‑læsere og specialprintere, som anvendes i industrier som detail, sundhedspleje, fremstilling og logistik.

I tredje kvartal 2024 rapporterede Zebra en omsætning på $1,26 milliard, en stigning på 31 % i forhold til året før. Justeret indtjening pr. aktie lå på $3,49, hvilket overgik forventningerne og viste stærk vækst.

Liquid Crystalline Elastomers kunne være en interessant tilføjelse til Zebras portefølje, da disse materialer ændrer form, når de udsættes for varme eller lys, hvilket gør dem ideelle til brug i blød robotteknik eller andre adaptive systemer. Hvis Zebra udforsker denne teknologi, kan det øge tilpasningsdygtigheden af deres løsninger – noget industrier, der kræver fleksibel automatisering, kunne finde værdifuldt. LCEs kunne lade Zebras systemer fungere i mere komplekse miljøer eller udføre opgaver, som traditionelle materialer ikke kan håndtere.

Fremtiden for LCEs

LCEs er unikke materialer i den forstand, at de forener den anisotrope adfærd fra flydende krystaller og gummiets elasticitet fra let krydsbundne polymerer. Traditionelle form‑hukommelsesmaterialer er ikke så effektive som LCEs til at bygge bløde aktuatorer. LCEs har ekstraordinære mekaniske egenskaber, god fleksibilitet, anisotrop adfærd og reversibel formrespons. 

Dog forskning omkring LCEs skal adressere flere huller for at realisere deres fulde potentiale. Forskere har fundet ud af, at for bløde materialer som LCEs er der ofte en afvejning mellem egenskaberne “høj aktuerings‑stress” og “stor aktuerings‑deformation”, som begge er nøglefaktorer for deres aktuerings‑præstationer. 

Forskerne har også identificeret, at da de fleste LCEs er termotropiske, er det vanskeligt at realisere deres multi‑stimulus‑respons og fjernbetjening, såsom lys‑drevne aktuatorer. En majoritet af den igangværende forskning fokuserer på fysisk indarbejdelse af forskellige funktionelle nanofyldstoffer (fototermiske, elektrotermiske nanomaterialer osv.) i LCE‑matricer for at løse disse problemer.

Der er dog tvivl blandt forskere om, at den dårlige dispersibilitet af de funktionelle fyldstoffer i LCE‑matricen og den svage fyldstof‑matrice‑interaktion kan føre til faseadskillelse i kompositter, hvilket resulterer i en dæmpet ydeevne af de resulterende aktuatorer. 

Selvom vores nuværende forskning er et velmenende skridt i den retning, er der tvivl om den grundlæggende forståelse af forholdet mellem molekylær arrangement og aktions‑egenskab for LCEs. Forskere ser det som en udfordring at præcist kontrollere deformationen eller bevægelsen af LCEs.

De nye 3D‑ og 4D‑printningsteknologier, der er blevet udviklet til at behandle LCEs til sofistikerede arkitekturer, er stadig rettet mod at bygge skræddersyet udstyr uden en god løsning til masseproduktion indtil videre.

På den positive side er interessen for LCEs i videnskabs‑ og teknologiverdenen tydelig. Der er en voksende implementering af LCEs i opbygning af smarte enheder.

Med stigende interesse for nye typer LCE‑materialer, avancerede 3D‑mikro/nanofabrikations‑teknologier, nye handlings‑skemaer og sofistikerede manipulationsstrategier, kan LCE‑baserede aktuatorer opnå hurtige fremskridt og snart finde flere banebrydende anvendelser.

Klik her for at lære alt om investering i 3D‑printning.