Dari Dirgantara ke HealthTech – LCEs Sebagus Versatilitasnya, Begitu Menariknya

Mari kita mulai dengan membahas inti terlebih dahulu! Apa itu LCEs? Nah, LCEs stand for Liquid Crystalline Elastomers – jaringan polimer yang terhubung silang yang menggabungkan sifat elastis karet dengan sifat anisotropik kristal cair. Faktor utama yang membuatnya unik adalah bahwa multifungsi dan responsivitas dapat diprogram ke dalam LCEs dengan mempola orientasi lokal mereka.

Itu adalah kualitas yang langka – sulit dicapai dalam sistem material monolitik lainnya. Dan, seperti yang ditunjukkan oleh artikel ulasan majalah Nature tahun 2021, kemajuan dalam sintesis dan penyelarasan LCEs telah memungkinkan integrasi fungsional mereka dalam berbagai bidang, termasuk robotika, optik, produk konsumen, energi, dan perawatan kesehatan. 

Hari ini, kita menyelami lebih dalam versatilitas LCEs untuk melihat bagaimana mereka membuktikan nilai mereka dalam berbagai bidang, dari Dirgantara hingga HealthTech. 

Pendekatan Pencetakan 3D untuk Material Berubah Bentuk Menggunakan Struktur LCE

Sebuah tim peneliti dari Oregon State University telah membantu mengembangkan sebuah new 3D printing approach untuk material yang dapat berubah bentuk. Dalam kehidupan nyata, material yang dapat berubah bentuk tersebut dapat membantu meningkatkan aplikasi robotik dengan membantu mereka acquire a robot-like quality. 

Sambil menjelaskan karakter LCEs dalam konteks ini, Devin Roach dari OSU College of Engineering berkata:

“LCEs adalah motor lunak. Karena mereka lunak, tidak seperti motor biasa, mereka bekerja sangat baik dengan tubuh kami yang secara inheren lunak. Jadi mereka dapat digunakan sebagai perangkat medis yang dapat ditanamkan, misalnya, untuk mengirimkan obat ke lokasi target, sebagai stent untuk prosedur di area target, atau sebagai implan uretra yang membantu mengatasi inkontinensia.”

Lebih spesifik lagi, the research, as published in the journal Advanced Materials, details the preparation of LCEs by additive manufacturing (AM) techniques, predominantly using direct ink write printing. The researchers documented the preparation of aligned, main-chain LCEs via DLP 3D printing using a 100 mT magnetic field.

Pemeriksaan sistematis mengisolasi kontribusi kekuatan medan magnet, waktu penyelarasan, dan ketebalan lapisan cetakan terhadap tingkat orientasi pada LCE yang dicetak 3D. Para peneliti menyimpulkan bahwa pencetakan DLP LCE yang teralignasi dapat membuka peluang baru untuk memproduksi material responsif rangsangan dalam bentuk yang dioptimalkan untuk penggunaan fungsional dalam robotika lunak dan penyerapan energi.

Meskipun semua ini terdengar berbahasa teknis dan penuh implikasi teknologi tinggi, memahami LCEs bisa jauh lebih mudah jika kita melihat aplikasi dunia nyata mereka. Pada dasarnya, LCEs dapat mengubah bentuknya sebagai respons terhadap paparan rangsangan tertentu, seperti panas. Dengan memanfaatkan sifat ini, LCEs dapat digunakan untuk mengubah energi termal menjadi energi mekanik sehingga dapat disimpan dan digunakan sesuai permintaan. 

Fleksibilitas mirip otot yang diperkenalkan oleh LCEs dapat membantu kita maju secara signifikan di bidang robotika lunak. Robot fleksibel ini dapat memasuki area yang tidak aman atau tidak cocok untuk manusia. Menurut Devin Roach:

“Mereka juga telah menunjukkan potensi di bidang dirgantara sebagai aktuator untuk sistem otomatis seperti yang untuk penangkapan ruang dalam, penyebaran radar, atau eksplorasi luar angkasa.”

DLP, pencapaian inti dari penelitian ini, yang dilakukan oleh Roach dan kolaboratornya di Harvard University, University of Colorado, serta laboratorium nasional Sandia dan Lawrence Livermore, menunjukkan cara menyelaraskan molekul menggunakan medan magnet selama jenis pencetakan 3D yang disebut digital light processing. Hal ini penting untuk memanfaatkan LCEs secara maksimal karena sifat berubah bentuk elastomer kristal cair bergantung pada penyelarasan molekul di dalam material. Digital Light Processing memanfaatkan cahaya untuk mengeraskan resin cair menjadi bentuk padat dengan presisi.

Sambil menyoroti pencapaian studi tersebut, Roach mengatakan bahwa penyelarasan molekul dapat menjadi kunci untuk membuka potensi penuh LCE dan memungkinkan penggunaannya dalam ‘aplikasi fungsional tingkat lanjut.’ Roach melanjutkan dengan menegaskan bahwa pekerjaan mereka membuka ‘kemungkinan baru untuk menciptakan material canggih yang merespons rangsangan secara berguna, berpotensi menghasilkan inovasi di berbagai bidang.’

Roach dan kolaboratornya mempelajari berbagai parameter. Mereka memvariasikan kekuatan medan magnet dan meneliti bagaimana hal itu memengaruhi penyelarasan molekul bersama faktor lain, seperti ketebalan lapisan cetakan. Para peneliti dapat mencetak bentuk elastomer kristal cair yang rumit yang berubah dengan cara tertentu saat dipanaskan.

Roach juga memimpin tim peneliti lain untuk lebih meneliti potensi peredaman mekanik LCEs. Penelitian dan temuan tersebut dapat berguna dalam mengembangkan peredam kejut otomatis kelas teratas, peredam seismik, dan peredam getaran pada jembatan. 

Meskipun penelitian dan temuan tersebut dapat membantu LCEs menjadi instrumen penting di banyak bidang, penelitian tentang struktur Liquid Crystalline Elastomer telah berlanjut cukup lama. Dalam beberapa segmen berikutnya, kami akan membahas beberapa studi tersebut dan bagaimana mereka dapat memengaruhi inovasi teknologi di sekitar kita.

LCE dan Pencetakan 4D

Pada Juni 2022, sebuah research article yang dipublikasikan dalam jurnal Materials Horizons, para ilmuwan menunjukkan bahwa dengan mempola urutan pada struktur, LCEs memperlihatkan aksi berbalik berkecepatan tinggi dan skala besar sebagai respons terhadap rangsangan eksternal, memungkinkan integrasi erat dengan pencetakan 4D dan arsitektur perangkat digital, yang jarang terlihat pada jaringan polimer lunak yang homogen.

Para peneliti mengumpulkan informasi tentang kemajuan terbaru dalam pencetakan 4D LCEs, dengan penekanan pada metode sintesis dan pemrosesan yang memungkinkan perubahan mikroskopis pada orientasi molekuler dan dengan demikian menghasilkan perubahan makroskopis pada sifat objek akhir. Penelitian tersebut menyimpulkan bahwa kombinasi LCE-4D printing dapat berguna di bidang robotika lunak, optik, dan perangkat biomedis.

Kinerja LCEs terhadap Respons Sel Biologis

Penelitian lain, yang dipublikasikan dalam jurnal ACS Applied Polymer Materials pada Januari 2023, meneliti struktur dan metode sintesis LCEs serta biologi materialnya dengan penekanan pada fitur biokimia dan biomekanik sel dari perspektif molekuler. Penelitian tersebut, secara penting, menyelidiki faktor-faktor seperti perilaku kuasi-kristal cair sel, tingkat keteraturan orientasional pada sel yang berbeda, dan sinyal topografis yang diinduksi kristal cair sebagai agen peningkat pertumbuhan sel. 

Selain penelitian tersebut oleh para sarjana di bidang ini, laboratorium riset ternama di seluruh dunia juga menunjukkan minat pada LCEs dan perkembangannya. Kami membahas beberapa laboratorium riset tersebut dalam segmen berikut dan mencoba memahami mengapa mereka menganggap LCEs penting. 

Evaluasi LCE oleh Nguyen Lab: Johns Hopkins Whiting School of Engineering

Laboratorium percaya bahwa sifat viskoelastik LCEs dapat dimanfaatkan untuk merancang material dan struktur transformatif dengan perilaku disipasi ekstrem. Laboratorium melakukan studi untuk mengembangkan pemahaman fundamental tentang mekanisme relaksasi LCE rantai utama guna memungkinkan desain perilaku disipasi luar biasa pada material dan struktur LCE di berbagai skala panjang.

Para peneliti menghipotesiskan bahwa perilaku disipasi yang ditingkatkan pada LCEs berasal dari penggabungan dinamika relaksasi mesogen dan jaringan polimer serta bergantung pada keteraturan mesogen dan penyelarasan rantai. Menurut laboratorium, perilaku disipasi intrinsik dapat dimanfaatkan dalam desain arsitektural untuk menghasilkan struktur dengan peredaman ekstrem dan penyerapan energi. 

Pekerjaan Laboratorium Aizenberg Universitas Harvard pada LCEs

Visi laboratorium adalah melihat LCEs as adaptive materials dengan kemampuan pemrograman skala molekuler yang dapat menghasilkan peluang untuk desain rasional material responsif generasi berikutnya dan berpotensi mengubah area mulai dari otot buatan hingga permukaan self-cleaning dan sistem homeostatik.

Laboratorium menemukan bahwa LCEs merupakan material yang menjanjikan dalam mencapai pemrograman dan kemampuan deformasi yang diinginkan karena mereka terdiri dari molekul anisotropik yang dikenal sebagai mesogen, terikat secara kovalen ke latar belakang polimerik (elastomer).

Meskipun terdapat berbagai pendekatan untuk menentukan penyelarasan mesogen, grup Aizenberg biasanya menggunakan medan magnet untuk menetapkan arah kristal cair. Metode ini dapat diterapkan dan diprogram dalam bentuk 3D apa pun, memungkinkan peneliti mengkodekan mode deformasi makroskopik pada tingkat molekuler. 

Grup Aizenberg, yang aktif sebagai laboratorium biomineralisasi dan biomimetik di bawah naungan Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, telah menggunakan LCEs yang diselaraskan secara magnetik untuk menciptakan berbagai mikrostruktur multi-respons seperti mikro-post, mikroplak, struktur seluler yang saling terhubung, dan susunan rapat.

Grup ini menantikan untuk melanjutkan penelitian mereka guna memperluas pemahaman fundamental tentang sistem yang mengatur diri sendiri, serta memperluas desain ini ke aplikasi seperti aktuator multimodal otonom dalam perekat yang dapat diubah, enkripsi informasi, antena otonom, sistem penangkapan energi, robot lunak, dan bangunan pintar.

Sementara penelitian individu dan laboratorium tentang LCEs sedang berlangsung, beberapa perusahaan dapat memanfaatkan hal tersebut. Kami akan melihat beberapa perusahaan tersebut.

Klik di sini untuk daftar saham manufaktur aditif dan pencetakan 3D teratas.

1. 3D Systems Corp 

Perusahaan yang berada di puncak daftar ketika kita memikirkan pemanfaatan riset LCEs pada skala komersial adalah 3D Systems Corp (DDD ) . Mereka mencakup seluruh spektrum industri pencetakan 3D, mulai dari printer 3D, material, dan perangkat lunak. Mereka memiliki rangkaian printer 3D komersial paling lengkap, memungkinkan perusahaan mencetak bagian plastik atau logam di tempat kebutuhan dalam sebagian kecil waktu dibandingkan proses manufaktur tradisional.

Portofolio material pencetakan 3D perusahaan yang luas dan serbaguna mencakup plastik, elastomer, komposit, lilin, logam, bio-kompatibel, dan lainnya. Selain itu, mereka menambah nilai pada seluruh sistem melalui perangkat lunak berbasis AI, yang disesuaikan untuk presisi dalam manufaktur aditif dan ideal untuk aplikasi industri dan perawatan kesehatan.

Perusahaan melayani beragam klien di industri seperti dirgantara dan pertahanan, otomotif, bioprinting, penangkapan karbon, teknologi konsumen, dan banyak lagi. 

Perusahaan memiliki bouquet of products dalam kategori elastomer, termasuk DulaForm TPU Elastomer, yang merupakan material elastomer termoplastik dengan fleksibilitas dan fungsi mirip karet. Produk ini dapat digunakan untuk produksi dalam jumlah rendah hingga menengah barang konsumen, pembuatan bagian fleksibel untuk aplikasi industri, pembuatan prototipe fungsional selang dan segel, serta prototipe dan produksi komponen alas kaki. 

Material 3D System Corp VisiJet® CE-NT memberikan kinerja material elastomerik kelas terbaik untuk prototipe fungsional guna memenuhi berbagai aplikasi teknik dan desain. Material ini memiliki sifat tarik yang baik, dan warna transparan alaminya membantu menciptakan model anatomi manusia yang realistis untuk aplikasi pemodelan medis.

3D Systems Corporation mengumumkan financial results untuk kuartal ketiga yang berakhir pada 30 September 2024, pada 26 November 2024. Meskipun pendapatannya sebesar $112.9 juta mengalami penurunan 9% year-over-year, minat pelanggan terhadap aplikasi pencetakan 3D terus meningkat, dengan pendapatan di Application Innovation Group (AIG) tumbuh lebih dari 26% tahun-ke-tahun di pasar industri.

2. Teradyne, Inc.

Teradyne, Inc. (TER ) memproduksi peralatan yang menguji semikonduktor, perangkat nirkabel, dan elektronik kompleks lainnya. Alat mereka digunakan di industri seperti otomotif, dirgantara, pertahanan, dan elektronik konsumen. Mereka merupakan pemain utama dalam dunia pengujian otomatis dan otomasi industri.

Untuk kuartal ketiga 2024, perusahaan melaporkan pendapatan $737 juta. Sebagian besar, $543 juta, berasal dari Semiconductor Test, dengan Robotics menambah $89 juta. Kontribusi lebih kecil berasal dari System Test dan Wireless Test masing-masing $73 juta dan $33 juta.

Liquid Crystalline Elastomers (LCEs) dapat memainkan peran besar dalam membentuk masa depan Teradyne, terutama dalam robotika. LCEs istimewa karena dapat mengubah bentuk ketika terpapar panas atau cahaya. Hal ini membuatnya ideal untuk robotika lunak, yang membutuhkan fleksibilitas dan presisi. Jika Teradyne mengintegrasikan LCEs ke dalam robot mereka, hal itu dapat membuat robot lebih adaptif untuk industri yang menuntut otomasi canggih.

3. Zebra Technologies Corporation

Zebra Technologies Corporation (ZBRA ) menonjol dalam intelijen aset perusahaan, dengan komputer seluler, pemindai barcode, pembaca RFID, dan printer khusus mereka, yang digunakan di industri seperti ritel, perawatan kesehatan, manufaktur, dan logistik.

Pada kuartal ketiga 2024, Zebra melaporkan pendapatan $1.26 miliar, meningkat 31% dibandingkan tahun sebelumnya. Laba per saham yang disesuaikan mencapai $3.49, melampaui ekspektasi dan menunjukkan pertumbuhan kuat.

Liquid Crystalline Elastomers dapat menjadi tambahan menarik bagi portofolio Zebra, karena material ini mengubah bentuk ketika terpapar panas atau cahaya, menjadikannya ideal untuk digunakan dalam robotika lunak atau sistem adaptif lainnya. Jika Zebra mengeksplorasi teknologi ini, hal itu dapat meningkatkan adaptabilitas solusi mereka—sesuatu yang berharga bagi industri yang membutuhkan otomasi fleksibel. LCEs dapat memungkinkan sistem Zebra bekerja di lingkungan yang lebih kompleks atau menangani tugas yang tidak dapat dilakukan material tradisional.

Masa Depan LCEs

LCEs adalah material unik karena menggabungkan perilaku anisotropik kristal cair dan elastisitas karet dari polimer yang sedikit terhubung silang. Material memori bentuk tradisional tidak seefektif LCEs dalam membangun aktuator lunak. LCEs memiliki sifat mekanik luar biasa, fleksibilitas yang baik, perilaku anisotropik, dan respons bentuk yang dapat dibalik. 

Namun, penelitian tentang LCEs perlu mengatasi berbagai celah untuk mewujudkan potensi mereka secara maksimal. Peneliti menemukan bahwa untuk material lunak seperti LCEs, sering terdapat hubungan trade-off antara fitur “tegangan aksi tinggi” dan “regangan aksi besar”, keduanya merupakan faktor kunci yang menentukan kinerja aktuasi mereka. 

Para peneliti juga mengidentifikasi bahwa karena sebagian besar LCEs bersifat termotropik, sulit mewujudkan respons multi-rangsangan dan kontrol jarak jauh, seperti aktuator yang digerakkan cahaya. Sebagian besar penelitian yang sedang berlangsung berfokus pada penambahan berbagai nano-filler fungsional (fototermal, elektrotermal, dll.) ke dalam matriks LCE untuk mengatasi masalah ini.

Namun, ada keraguan di antara peneliti bahwa dispersibilitas yang buruk dari filler fungsional dalam matriks LCE dan interaksi filler–matriks yang lemah dapat menyebabkan pemisahan fase dalam komposit, yang mengakibatkan penurunan kinerja aktuator yang dihasilkan. 

Meskipun penelitian kami saat ini merupakan langkah baik ke arah itu, ada keraguan tentang pemahaman dasar hubungan antara susunan molekuler dan sifat aksi LCEs. Peneliti melihatnya sebagai tantangan untuk mengontrol secara akurat deformasi atau gerakan LCEs.

Teknologi pencetakan 3D dan 4D baru yang telah dikembangkan untuk memproses LCEs menjadi arsitektur canggih masih ditujukan untuk membangun peralatan khusus tanpa solusi yang baik untuk produksi massal sejauh ini.

Namun, di sisi positif, minat terhadap LCEs di dunia ilmu dan teknologi terlihat. Ada peningkatan penerapan LCEs dalam membangun perangkat pintar.

Dengan meningkatnya minat pada jenis material LCE baru, teknologi fabrikasi mikro/nano 3D yang canggih, skema aksi baru, dan strategi manipulasi yang sofistic, aktuator berbasis LCE dapat mencapai kemajuan cepat dan menemukan lebih banyak aplikasi mutakhir dalam waktu dekat.

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang berinvestasi dalam pencetakan 3D.