Avaruustekniikasta terveydenhuoltoon – LCE:t ovat yhtä monipuolisia kuin ne ovat kiehtovia

Aloitetaan käsittelemällä ydintä ensin! Mitä LCE:t ovat? No, LCE:t tarkoittavat Liquid Crystalline Elastomers – ristisidottuja polymeeriverkkoja, jotka yhdistävät kumin elastiset ominaisuudet nestekristallien anisotrooppisiin ominaisuuksiin. Keskeinen tekijä, joka tekee niistä ainutlaatuisia, on se, että monitoiminnallisuus ja reagointikyky voidaan ohjelmoida LCE:ihin paikallisen suuntautumisen mallintamisen avulla.

Se on harvinainen ominaisuus – vaikea saavuttaa muissa monoliittisissa materiaalijärjestelmissä. Ja kuten Nature-lehden katsausartikkeli vuodelta 2021 toteaa, LCE:iden synteesin ja suuntautumisen edistysaskeleet ovat mahdollistaneet niiden toiminnallisen integroinnin monilla aloilla, kuten robotiikassa, optiikassa, kuluttajatuotteissa, energiassa ja terveydenhuollossa.

Tänään syvennymme LCE:iden monipuolisuuteen nähdäksimme, miten ne osoittavat arvonsa eri aloilla, avaruustekniikasta terveydenhuoltoon. 

3D-tulostusmenetelmä muotoa muuttaville materiaaleille LCE-rakenteiden avulla

Oregon State Universityn tutkijaryhmä on auttanut kehittämään uuden 3D-tulostusmenetelmän muotoa muuttaville materiaaleille. Todellisessa elämässä tällaiset muotoa muuttavat materiaalit voisivat parantaa robotiikkasovelluksia auttamalla niitä saavuttamaan robotin kaltaisen laadun. 

Selittäessään LCE:iden luonnetta tässä yhteydessä, OSU:n tekniikan korkeakoulun Devin Roach sanoi:

“LCE:t ovat pehmeitä moottoreita. Koska ne ovat pehmeitä, toisin kuin tavalliset moottorit, ne toimivat erinomaisesti kehomme luonnollisesti pehmeiden rakenteiden kanssa. Niitä voidaan siis käyttää implantoitavina lääketieteellisinä laitteina, esimerkiksi lääkkeiden kohdennettuun toimitukseen, stenteinä kohdealueiden toimenpiteissä tai virtsaputken implantoina, jotka auttavat inkontinenssissä.”

Tarkemmin sanottuna tutkimus, joka on julkaistu Advanced Materials -lehdessä, kuvaa LCE:iden valmistusta lisävalmistustekniikoilla (AM), pääasiassa suoran musteen kirjoitus -tulostuksella. Tutkijat dokumentoivat kohdistettujen, pääketju-LCE:iden valmistuksen DLP 3D-tulostuksen avulla käyttäen 100 mT:n magneettikenttää.

Järjestelmällinen tarkastelu eristi magneettikentän voimakkuuden, kohdistusajan ja kerrospaksuuden vaikutuksen 3D-tulostettujen LCE:iden suuntautumisen asteeseen. Tutkijat päättelivät, että kohdistettujen LCE:iden DLP-tulostus voi avata uusia mahdollisuuksia valmistaa ärsykkeisiin reagoivia materiaaleja muotoja, jotka on optimoitu toiminnalliseen käyttöön pehmeässä robotikassa ja energian absorptiossa.

Vaikka kaikki tämä saattaa kuulostaa jargonia ja täyttyä korkean teknologian implikaatioista, LCE:iden ymmärtäminen olisi paljon helpompaa, jos tarkastelisimme niiden todellisia sovelluksia. Periaatteessa LCE:t voivat muuttaa muotoaan reagoidessaan tiettyihin ärsykkeisiin, kuten lämpöön. Hyödyntäen tätä ominaisuutta, LCE:itä voidaan käyttää lämmön energian muuntamiseen mekaaniseksi energiaksi, jotta se voidaan varastoida ja käyttää tarpeen mukaan. 

LCE:iden tuoma lihaksen kaltainen joustavuus voi auttaa meitä etenemään merkittävästi pehmeän robotikan alalla. Nämä joustavat robotit voisivat päästä alueille, jotka ovat ihmisille vaarallisia tai sopimattomia. Devin Roachin mukaan:

“Niiden on myös osoitettu lupaaviksi avaruustekniikassa toimilaitteina automatisoiduille järjestelmille, kuten syvän avaruuden kiinnitykseen, tutkasijoituksiin tai avaruusluonnon tutkimukseen.”

DLP, tämän tutkimuksen keskeinen saavutus, jonka Roach ja yhteistyökumppanit Harvardin yliopistossa, Coloradon yliopistossa sekä Sandian ja Lawrence Livermoren kansallisissa laboratorioissa toteuttivat, esitteli tavan kohdistaa molekyylejä magneettikentän avulla 3D-tulostuksen aikana, jota kutsutaan digitaalisen valon prosessoinniksi (Digital Light Processing). Oli ratkaisevan tärkeää hyödyntää LCE:tä täysimääräisesti, koska nestekristallisten elastomeerien muodonmuutosominaisuudet riippuvat materiaalin sisäisten molekyylien kohdistuksesta. Digitaalinen valon prosessointi käyttää valoa nestemäisen hartsin kovettamiseen tarkkoina kiinteinä muotoina.

Korostaessaan tutkimuksen saavutuksia Roach totesi, että molekyylien kohdistaminen voisi olla avain LCE:n täyden potentiaalin vapauttamiseen ja niiden käytön mahdollistamiseen ‘edistyneissä, toiminnallisissa sovelluksissa’. Roach jatkoi väittäen, että heidän työnsä avasi ‘uusia mahdollisuuksia luoda edistyneitä materiaaleja, jotka reagoivat ärsykkeisiin hyödyllisillä tavoilla, mahdollisesti johtamalla innovaatioihin useilla aloilla’.

Roach ja hänen yhteistyökumppaninsa tutkivat useita parametreja. He vaihtelivat magneettikentän voimakkuutta ja tarkastelivat, miten se vaikuttaa molekyylien kohdistukseen yhdessä muiden tekijöiden, kuten tulostetun kerroksen paksuuden, kanssa. Tutkijat pystyivät tulostamaan monimutkaisia nestekristallisia elastomeerimuotoja, jotka muuttuvat tietyillä tavoilla lämpötilan noustessa.

Roach johti myös toista tutkijaryhmää tutkiakseen LCE:iden mekaanisen vaimennuksen potentiaalia. Tutkimus ja sen löydökset voivat olla hyödyllisiä kehittäessä huippuluokan automaattisia iskunvaimentimia, maanjäristysvaimentimia ja värähtelyvaimentimia siltojen rakenteissa. 

Vaikka tutkimus ja sen löydökset voivat auttaa LCE:itä tulemaan keskeisiksi monilla aloilla, nestekristallisten elastomeerirakenteiden tutkimus on jatkunut jo pitkään. Seuraavissa kappaleissa käsittelemme muutamia tällaisia tutkimuksia ja miten ne voivat vaikuttaa ympärillämme tapahtuvaan teknologiseen innovaatioon.

LCE ja 4D-tulostus

Kesäkuussa 2022 julkaistussa Materials Horizons -lehdessä ilmestyneessä tutkimusartikkelissa tutkijat osoittivat, että rakenteiden järjestyksen mallintamisen avulla LCE:t demonstroivat käänteistä, nopeaa ja suurikokoista toimilaitteistoa ulkoisten ärsykkeiden reaktiona, mahdollistaen tiiviin integroinnin 4D-tulostukseen ja digitaalisten laitteiden arkkitehtuureihin, mikä on harvoin havaittavissa homogeenisissa pehmeissä polymeeriverkoissa.

Tutkijat keräsivät tietoa viimeaikaisista edistysaskeleista LCE:iden 4D-tulostuksessa, painottaen synteesin ja prosessointimenetelmien avulla saavutettuja mikroskooppisia muutoksia molekyylien suuntautumisessa, jotka puolestaan aiheuttavat makroskooppisia muutoksia käyttöesineiden ominaisuuksissa. Tutkimus päätelti, että LCE- ja 4D-tulostuksen yhdistelmä voisi olla hyödyllinen pehmeän robotikan, optiikan ja biolääketieteellisten laitteiden aloilla.

LCE:iden suorituskyky biologisessa soluvasteessa

Toinen tutkimus, joka julkaistiin ACS Applied Polymer Materials -lehdessä tammikuussa 2023, tarkasteli LCE:iden rakenteita ja synteesimenetelmiä sekä niiden materiaalibiologiaa korostaen solujen biokemiallisia ja biomekaanisia ominaisuuksia molekyylinäkökulmasta. Tutkimus tutki keskeisesti tekijöitä, kuten solujen kvasi-nestekristallista käyttäytymistä, suuntautumisasteen määrää eri soluissa sekä nestekristallien aiheuttamia topografisia signaaleja solujen kasvua edistävinä tekijöinä. 

Tämän alan tutkijoiden tutkimusten lisäksi myös arvostetut tutkimuslaboratoriot ympäri maailmaa ovat osoittaneet kiinnostusta LCE:itä ja niiden kehitystä kohtaan. Keskustelemme muutamasta tällaisesta laboratoriosta seuraavissa osioissa ja pyrimme ymmärtämään, miksi ne pitävät LCE:itä keskeisinä. 

LCE-arviointi Nguyen-laboratoriossa: Johns Hopkins Whiting School of Engineering

Laboratorio uskoo, että LCE:iden viskoelastisia ominaisuuksia voidaan hyödyntää mullistavien materiaalien ja rakenteiden suunnittelussa, joilla on äärimmäinen dissipointikäyttäytyminen. Laboratorio suoritti tutkimuksen kehittääkseen perustavanlaatuista ymmärrystä pääketju-LCE:iden rentoutumismekanismeista, jotta voidaan mahdollistaa poikkeuksellisten dissipointikäyttäytymisten suunnittelu LCE-materiaaleissa ja -rakenteissa eri mittakaavoissa.

Tutkijat olettivat, että LCE:iden parantunut dissipointikäyttäytyminen johtuu mesogeenien ja polymeeriverkon rentoutumisdynamiikan kytkeytymisestä ja riippuu mesogeenien järjestyksestä sekä ketjujen kohdistuksesta. Laboratorion mukaan sisäistä dissipointikäyttäytymistä voitaisiin hyödyntää arkkitehtuurisessa suunnittelussa äärimmäisen vaimennuksen ja energian absorptio-ominaisuuksien omaavien rakenteiden tuottamiseksi. 

Harvardin yliopiston Aizenberg-laboratorion työ LCE:iden parissa

Laboratorion visio oli tarkastella LCE:itä adaptiivisina materiaaleina, joilla on molekyylitason ohjelmoitavuus, ja jotka voisivat luoda mahdollisuuksia seuraavan sukupolven reagoivien materiaalien järkevään suunnitteluun sekä mahdollisesti muuttaa aloja, jotka vaihtelevat keinotekoisista lihaksista itsepuhtautuvien pintojen ja homeostaattisten järjestelmien välillä.

Laboratorio havaitsi, että LCE:t ovat lupaavia materiaaleja halutun ohjelmoitavuuden ja muodonmuutoskykyjen saavuttamisessa, koska ne koostuvat anisotrooppisista molekyyleistä, joita kutsutaan mesogeeniksi, ja jotka ovat kovalenttisesti sidottuja polymeeritaustamateriaaliin (elastomeeri).

Vaikka mesogeenien kohdistamiseen oli olemassa useita lähestymistapoja, Aizenberg-ryhmä käytti tyypillisesti magneettikenttiä nestekristallin suuntaajan asettamiseen. Tämä menetelmä voidaan soveltaa ja ohjelmoida mihin tahansa 3D-muotoon, jolloin tutkijat voivat koodata makroskooppisia muodonmuutosmoodia molekyylitasolla. 

Aizenberg-ryhmä, joka toimii biomineralisaatio- ja biomimetisena laboratoriossa Harvardin John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences -yksikön alaisuudessa, on käyttänyt magneettisesti kohdistettuja LCE:itä luodakseen erilaisia monitoimisia mikrorakenteita, kuten mikropylväitä, mikrolautoja, toisiinsa kytkettyjä solurakenteita ja tiiviisti sijoitettuja matriiseja.

Ryhmän tavoitteena on edetä tutkimuksessaan laajentaakseen perusymmärrystämme itseohjautuvista järjestelmistä sekä viedä nämä suunnitelmat sovelluksiin, kuten autonomisiin monimodaalisiin toimilaitteisiin vaihtuvissa liimoissa, tiedon salaukseen, autonomisiin antenneihin, energian keräysjärjestelmiin, pehmeisiin robotteihin ja älykkäisiin rakennuksiin.

Vaikka yksittäinen tutkimus ja laboratorioperustainen työ LCE:iden parissa ovat täydessä vauhdissa, jotkut yritykset voivat hyötyä siitä. Tarkastelemme nyt muutamaa tällaista yritystä.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista lisävalmistus- ja 3D-tulostusosakkeista.

1. 3D Systems Corp 

Yritys, joka nousee listan kärkeen, kun ajattelemme LCE-tutkimuksen hyödyntämistä kaupallisessa mittakaavassa, on 3D Systems Corp (DDD ) . Se kattaa koko 3D-tulostusteollisuuden spektrin, alkaen 3D-tulostimista, materiaaleista ja ohjelmistosta. Sillä on alan laajin valikoima kaupallisia 3D-tulostimia, mikä mahdollistaa yrityksille muovin tai metalliosien tulostamisen juuri siellä, missä niitä tarvitaan, murto-osassa perinteisten valmistusprosessien ajasta.

Yrityksen laaja ja monipuolinen 3D-tulostusmateriaalien portfolio sisältää muovia, elastomeerejä, komposiitteja, vahaa, metallia, bioyhteensopivia materiaaleja ja paljon muuta. Lisäksi se lisää arvoa koko järjestelmään AI-pohjaisen ohjelmistonsa kautta, joka on räätälöity tarkkuuteen lisävalmistuksessa ja sopii erinomaisesti teollisuus- ja terveydenhuollon sovelluksiin.

Yritys palvelee mahdollisimman laajaa asiakaskuntaa aloilla, kuten avaruus- ja puolustusteollisuus, autoteollisuus, biotulostus, hiilidioksidin talteenotto, kulutusteknologia ja monia muita. 

Yrityksellä on valikoima tuotteita elastomeerikategoriassa, mukaan lukien DulaForm TPU Elastomer, joka on termoplastinen elastomeerimateriaali, jolla on kumin kaltainen joustavuus ja toiminnallisuus. Sitä voidaan käyttää pien- ja keskikokoiseen kulutustavaroiden tuotantoon, joustavien osien valmistukseen teollisissa sovelluksissa, toiminnallisten letku- ja tiivisteprototyyppien luomiseen sekä jalkinekomponenttien prototyyppien ja tuotannon valmistamiseen. 

3D System Corp VisiJet® CE-NT -materiaali tarjoaa huippuluokan elastomeerisen materiaalisuorituksen toiminnalliseen prototyyppiin, jotta voidaan täyttää erilaiset insinööri- ja suunnittelusovellukset. Siinä on erinomaiset vetolujuusominaisuudet, ja sen läpinäkyvä luonnollinen väri auttaa luomaan elävän näköisiä ihmisanatomian malleja lääketieteellisiin mallinnussovelluksiin.

3D Systems Corporation ilmoitti taloudellisista tuloksistaan kolmannelle neljännekselle, joka päättyi 30. syyskuuta 2024, 26. marraskuuta 2024. Vaikka sen liikevaihto 112,9 miljoonaa dollaria laski 9 % vuodesta toiseen, asiakkaiden kiinnostus 3D-tulostussovelluksiin jatkoi kasvua, ja Application Innovation Group (AIG) -ryhmän liikevaihto kasvoi yli 26 % kuluvan vuoden alusta verrattuna edelliseen vuoteen teollisuusmarkkinoilla.

2. Teradyne, Inc.

Teradyne, Inc. (TER ) valmistaa laitteita, jotka testaavat puolijohteita, langattomia laitteita ja muita monimutkaisia elektroniikkatuotteita. Heidän välineitään käytetään aloilla, kuten autoteollisuus, avaruustekniikka, puolustus ja kulutuselektroniikka. He ovat merkittävä toimija automaattisen testauksen ja teollisuusautomaation alalla.

Vuoden 2024 kolmannelle neljännekselle yritys raportoi 737 miljoonan dollarin liikevaihdon. Suurin osa siitä – 543 miljoonaa dollaria – tuli puolijohdetestauksesta, ja robotiikka lisäsi 89 miljoonaa dollaria. Pienemmät panokset tulivat System Test – ja Wireless Test -toiminnoista, 73 miljoonaa dollaria ja 33 miljoonaa dollaria vastaavasti.

Nestekristalliset elastomeerit (LCE:t) voivat näytellä suurta roolia Teradynen tulevaisuuden muokkaamisessa, erityisesti robotisaatossa. LCE:t ovat erityisiä, koska ne voivat muuttaa muotoaan altistuessaan lämmölle tai valolle. Tämä tekee niistä ihanteellisia pehmeään robotikkaan, joka tarvitsee joustavuutta ja tarkkuutta. Jos Teradyne integroi LCE:t robotteihinsa, ne voivat tulla entistä sopeutuvammiksi aloille, jotka vaativat kehittynyttä automaatiota.

3. Zebra Technologies Corporation

Zebra Technologies Corporation (ZBRA ) erottuu yritysomaisuuden älykkyydessä mobiililaitteidensa, viivakoodiskanneriensä, RFID-lukijoidensa ja erikoistulostimiensa ansiosta, joita käytetään aloilla kuten vähittäiskauppa, terveydenhuolto, valmistus ja logistiikka.

Vuoden 2024 kolmannella neljänneksellä Zebra raportoi 1,26 miljardin dollarin liikevaihdon, mikä on 31 % kasvu edellisvuoteen verrattuna. Säädetyt osakekohtaiset tulokset olivat 3,49 dollaria, ylittäen odotukset ja osoittaen vahvaa kasvua.

Nestekristalliset elastomeerit voisivat olla mielenkiintoinen lisäys Zebralla portfoliolle, koska nämä materiaalit muuttavat muotoaan altistuessaan lämmölle tai valolle, mikä tekee niistä ihanteellisia pehmeän robotikan tai muiden adaptiivisten järjestelmien käyttöön. Jos Zebra tutkii tätä teknologiaa, se saattaa parantaa ratkaisujensa sopeutumiskykyä – jotain, mitä joustavaa automaatiota vaativat teollisuudenalat arvostaisivat. LCE:t voisivat mahdollistaa Zebralla järjestelmien toiminnan monimutkaisemmissa ympäristöissä tai tehtävissä, joita perinteiset materiaalit eivät pysty hoitamaan.

LCE:iden tulevaisuus

LCE:t ovat ainutlaatuisia materiaaleja siinä mielessä, että ne yhdistävät nestekristallien anisotrooppisen käyttäytymisen ja kevyesti ristisidottujen polymeerien kumin elastisuuden. Perinteiset muodonmuistimateriaalit eivät ole yhtä tehokkaita kuin LCE:t pehmeiden toimilaitteiden rakentamisessa. LCE:illä on poikkeukselliset mekaaniset ominaisuudet, hyvä joustavuus, anisotrooppinen käyttäytyminen ja käänteiset muotosiirrot. 

Kuitenkin LCE:itä koskeva tutkimus tarvitsee ratkaista useita puutteita, jotta niiden potentiaali voidaan toteuttaa täysimääräisesti. Tutkijat ovat havainneet, että pehmeissä materiaaleissa, kuten LCE:issä, on usein kompromissisuhde ominaisuuksien “korkea toimilatausvoima” ja “suuri toimijännitys” välillä, jotka molemmat ovat keskeisiä tekijöitä niiden toimilaitteiden suorituskyvyssä. 

Tutkijat ovat myös todenneet, että koska suurin osa LCE:istä on termotrooppisia, niiden moniärsykevastauksien ja etäohjauksen, kuten valolla ohjattujen toimilaitteiden, toteuttaminen on vaikeaa. Suurin osa alalla käynnissä olevasta tutkimuksesta keskittyy toiminnallisten nano-täyteaineiden (fototermaaliset, elektotermaaliset nanomateriaalit ym.) fyysiseen lisäämiseen LCE-matriiseihin näiden ongelmien ratkaisemiseksi.

Kuitenkin tutkijoiden keskuudessa on epäilyksiä siitä, että toiminnallisten täyteaineiden huono dispersio LCE-matriisissa ja heikko täyteaine-matriisi -vuorovaikutus voivat johtaa faasierotteluun komposiiteissa, mikä heikentää syntyvien toimilaitteiden suorituskykyä. 

Vaikka nykyinen tutkimuksemme on hyväntahtoinen askel tähän suuntaan, on epäilyksiä perusymmärryksestä molekyylijärjestelyn ja LCE:iden toiminnallisuuden välisestä suhteesta. Tutkijat pitävät sitä haasteena hallita tarkasti LCE:iden muodonmuutosta tai liikettä.

Uudet 3D- ja 4D-tulostusteknologiat, jotka on kehitetty LCE:iden prosessointiin hienostuneiksi arkkitehtuureiksi, on toistaiseksi suunnattu räätälöidyn laitteiston rakentamiseen, eikä niillä ole vielä toimivaa ratkaisua massatuotantoon.

Kuitenkin positiivisella puolella LCE:iden kiinnostus tiede- ja teknologiamaailmassa on havaittavissa. LCE:iden käyttö älylaitteiden rakentamisessa kasvaa.

Kasvavan kiinnostuksen myötä uusiin LCE-materiaaleihin, kehittyneisiin 3D-mikro-/nanoteknologiaan, uusiin toimintamalleihin ja hienostuneisiin manipulointistrategioihin, LCE-pohjaiset toimilaitteet voivat saavuttaa nopeita edistysaskeleita ja löytää pian lisää huipputason sovelluksia.

Klikkaa tästä saadaksesi kaikki tiedot 3D-tulostukseen sijoittamisesta.