積層造形
航空宇宙からヘルステックへ – LCEは多才でありながら魅力的
Securities.io を Google の優先ソースに追加
まずは核心から始めましょう！LCEとは何でしょうか？さて、 LCEはLiquid Crystalline Elastomers（液晶エラストマー）の略です – ゴムの弾性特性と液晶の異方性特性を組み合わせた、架橋されたポリマー網です。その独自性を駆動する主な要因は、多機能性と応答性がプログラム可能であることです局所的な配向をパターン化することでLCEに組み込むことができます。
これは稀有な特性であり、他の単一材料システムでは実現が難しいです。また、2021年のNature誌のレビュー記事が指摘するように、LCEの合成と配向の進歩により、ロボティクス、光学、消費財、エネルギー、ヘルスケアなど多様な分野で機能的に統合できるようになりました。
今日は、LCEの多様性をさらに掘り下げ、航空宇宙からヘルステックまでのさまざまな分野でどのように価値を証明しているかを見ていきます。
LCE構造を用いた形状変化材料の3Dプリンティングアプローチ
オレゴン州立大学の研究チームが新しい3Dプリンティングアプローチを形状変化材料向けに開発しました。実際には、このような形状変化材料は、ロボットがロボットのような品質を獲得するのに役立つ可能性があります。
この文脈でLCEの特性を説明しながら、OSU工学部のDevin Roachは次のように述べました：
「LCEはソフトモーターです。柔らかいため、従来のモーターとは異なり、私たちの本質的に柔らかな体と相性が抜群です。したがって、例えば標的部位への薬剤投与用インプラントや、対象領域での手術用ステント、失禁を助ける尿道インプラントなど、植込み型医療デバイスとして使用できます。」
具体的には、研究は、ジャーナル『Advanced Materials』に掲載され、付加製造（AM）技術、主にダイレクトインクライティング印刷を用いたLCEの製造方法を詳細に示しています。研究者らは、100 mT の磁場を使用したDLP 3Dプリンティングにより、配向された主鎖LCEの作製を記録しました。
系統的な検証により、磁場強度、配向時間、ビルド層の厚さが3DプリントされたLCEの配向度に与える影響が分離されました。研究者は、配向されたLCEのDLP印刷が、ソフトロボティクスやエネルギー吸収の機能的使用に最適化された形状で刺激応答性材料を製造する新たな機会を開く可能性があると結論付けました。
これらは専門用語が多くハイテク的な示唆に満ちているように聞こえるかもしれませんが、LCEを理解するのは実際の応用例を見ることでずっと簡単になります。本質的に、LCEは熱など特定の刺激にさらされると形状を変えることができます。この特性を利用して、LCEは熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、必要に応じて蓄えて使用することができます。
LCEがもたらす筋肉のような柔軟性は、ソフトロボティクス分野で大きく前進する助けとなります。これらの柔軟なロボットは、人間にとって危険または不適切な領域に進入できる可能性があります。Devin Roachによれば：
「それらは、深宇宙の掴み取り、レーダー展開、または宇宙探査といった自動化システムのアクチュエータとして、航空宇宙分野でも有望であることが示されています。」
DLPは本研究の核心的成果であり、Roachらとハーバード大学、コロラド大学、サンディア国立研究所、ローレンス・リバモア国立研究所の共同研究者によって実施されました。この研究は、デジタルライトプロセッシング（DLP）と呼ばれる3Dプリンティング手法中に磁場を用いて分子を配向させる方法を示しました。液晶エラストマーの形状変化特性は材料内部の分子配向に依存するため、LCEを最大限に活用することが重要です。デジタルライトプロセッシングは光を利用して液体樹脂を精密に固体形状に硬化させます。
研究成果を強調しながら、Roachは分子の配向がLCEの可能性を最大限に引き出し、’先進的で機能的な応用’を可能にする鍵になると述べました。さらに、彼らの研究は「刺激に有用な形で応答する先進材料の新たな可能性」を開き、複数分野でのイノベーションにつながる可能性があると主張しました。
Roachと共同研究者はさまざまなパラメータを調査しました。磁場の強さを変え、分子配向への影響や、印刷層の厚さなど他の要因との関係を検討しました。研究者は、加熱時に特定の方法で変形する複雑な液晶エラストマー形状を印刷できました。
Roachは別の研究チームを率いて、LCEの機械的減衰ポテンシャルをさらに調査しました。この研究とその成果は、最高水準の自動ショックアブソーバー、地震減衰装置、橋梁の振動ダンパーの開発に役立つ可能性があります。
研究とその成果がLCEを多くの分野で重要な役割に導く可能性がある一方で、液晶エラストマー構造に関する研究はかなり前から続けられています。次のセグメントでは、いくつかの研究とそれらが技術革新に与える影響について議論します。
LCEと4Dプリンティング
2022年6月、ジャーナル『Materials Horizons』に掲載された研究論文で、科学者たちは構造に秩序をパターン化することで、LCEが外部刺激に対して可逆的な高速・大規模な作動を示し、4Dプリンティングやデジタルデバイスのアーキテクチャと密接に統合できることを示しました。これは均質なソフトポリマーネットワークではほとんど見られません。
研究者は、LCEの4Dプリンティングにおける最近の進展、特に分子配向の微視的変化を可能にした合成・加工方法に関する情報を収集しました。その結果、LCE-4Dプリンティングの組み合わせは、ソフトロボティクス、光学、医療機器の分野で有用であると推測されます。
LCEの生物細胞応答に対する性能
別の研究は、2023年1月にジャーナル『ACS Applied Polymer Materials』に掲載され、LCEの構造と合成方法、そして分子レベルから見た細胞の生化学的・生体力学的特性に焦点を当てた材料生物学を調査しました。この研究は、細胞の準液晶的挙動、異なる細胞における配向秩序の程度、液晶誘起のトポグラフィカルシグナルを細胞成長促進因子として調べました。
この分野の学者による研究に加えて、世界中の著名な研究所もLCEとその進化に関心を示しています。以下のセグメントでいくつかの研究所を取り上げ、なぜ彼らがLCEを重要視しているのかを理解します。
Nguyen研究室によるLCE評価：ジョンズ・ホプキンス大学 Whiting School of Engineering
研究室は信じています that the viscoelastic properties of LCEs can be exploited to design transformative materials and structures with extreme dissipation behavior. The lab carried out a study to develop a fundamental understanding of the relaxation mechanisms of main-chain LCEs to enable the design of extraordinary dissipation behaviors of LCE materials and structures over multiple length scales.
研究者は、LCEの散逸挙動の向上は、メソゲンとポリマーネットワークの緩和動力学の結合に起因し、メソゲンの配向と鎖の配向に依存すると仮定しました。研究室によれば、intrinsic dissipation behavior could be exploited in an architected design to produce structures with extreme damping and energy absorption.
ハーバード大学 Aizenberg研究室のLCEに関する研究
研究室のビジョンは、LCEを分子スケールでプログラム可能な適応材料として捉え、次世代の応答性材料の合理的設計の機会を創出し、人工筋肉から自己洗浄表面、ホメオスタシスシステムに至るまでの領域を変革することでした。
研究室は、LCEが望ましいプログラマビリティと変形能力を実現する有望な材料であることを発見しました。これらは、メソゲンと呼ばれる異方性分子がポリマー背景材料（エラストマー）に共有結合して構成されています。
さまざまなアプローチがメソゲンの配向を指示するために存在しましたが、Aizenbergグループは通常、磁場を使用して液晶ディレクタを課す方法を採用しました。この方法は任意の3D形状に適用でき、分子レベルでマクロ変形モードをエンコードすることが可能です。
Aizenbergグループは、ハーバード大学 John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences のバイオミネラリゼーション・バイオミメティクス研究室として活動しており、磁気配向LCEを用いて、マイクロポスト、マイクロプレート、相互接続されたセル構造、密に配置されたアレイなど、多様なマルチレスポンシブ微構造を作製しました。
グループは、自己調整システムの基礎理解を深め、これらの設計を自律的なマルチモーダルアクチュエータ、切替可能接着剤、情報暗号化、自律アンテナ、エネルギーハーベスティングシステム、ソフトロボット、スマートビルディングなどの応用へ拡大することを目指しています。
個別の研究やラボベースの研究が活発に行われている一方で、いくつかの企業はそれから利益を得ることができます。ここで、いくつかの企業を見てみましょう。
上位のアディティブ・マニュファクチャリングおよび3Dプリンティング株式のリストはこちらをご覧ください。
1. 3D Systems Corp (DDD )
LCE研究を商業規模で活用することを考えると、リストのトップに来る企業は3D Systems Corp. 同社は3Dプリンティング業界全体をカバーしており、3Dプリンター、材料、ソフトウェアに至るまで網羅しています。業界で最も包括的な商用3Dプリンターのラインナップを持ち、従来の製造プロセスに比べてはるかに短時間でプラスチックや金属部品を現場で印刷できるようにしています。
同社の広範かつ多用途な3Dプリンティング材料ポートフォリオには、プラスチック、エラストマー、複合材、ワックス、金属、生体適合性材料などが含まれます。さらに、AI搭載ソフトウェアによりシステム全体に価値を提供し、付加製造の精度に特化し、産業およびヘルスケア用途に最適です。
同社は航空宇宙・防衛、自動車、バイオプリンティング、炭素回収、コンシューマーテクノロジーなど、幅広い業界の顧客にサービスを提供しています。
同社はエラストマーカテゴリで製品群を有しており、DulaForm TPU Elastomerは、ゴムのような柔軟性と機能性を持つ熱可塑性エラストマー材料です。低から中ロットの消費財製造、産業用途の柔軟部品製造、ホースやシールの機能的プロトタイプ作成、フットウェア部品の試作・生産に使用できます。
3D Systems Corp の VisiJet® CE-NT 材料は、機能的プロトタイピングにおいて最高クラスのエラストマー性能を提供し、さまざまなエンジニアリングおよびデザイン用途に対応します。優れた引張特性を持ち、半透明の自然色は医療モデリング用途で人間解剖のリアルなモデル作成に役立ちます。
DDD 価格チャート
3D Systems Corporation は、2024年9月30日で終了した第3四半期の財務結果を2024年11月26日に発表しました。売上高112.9百万ドルは前年同期比で9%減少しましたが、3Dプリンティングアプリケーションへの顧客関心は引き続き高まり、Application Innovation Group (AIG) の売上は前年同期比で26%以上増加しました。
2. Teradyne, Inc.(TER )
Teradyne, Inc. は半導体、無線デバイス、その他の複雑なエレクトロニクスをテストする装置を製造しています。同社のツールは自動車、航空宇宙、防衛、コンシューマーエレクトロニクスなどの業界で使用されており、自動テストと産業オートメーションの分野で主要なプレーヤーです。
TER 価格チャート
2024年第3四半期の売上高は7億3700万ドルで、その大部分（5億4300万ドル）は半導体テスト部門から、ロボティクス部門が8900万ドルを占めました。システムテストと無線テストはそれぞれ7300万ドルと3300万ドルの小規模な貢献でした。
液晶エラストマー（LCE）は、特にロボティクス分野でTeradyneの将来を形作る上で大きな役割を果たす可能性があります。LCEは熱や光にさらされると形状を変える特性があり、柔軟性と精度が求められるソフトロボティクスに最適です。TeradyneがロボットにLCEを統合すれば、先進的な自動化を求める産業向けにロボットの適応性が向上するでしょう。
3. Zebra Technologies Corporation (ZBRA )
Zebra Technologies Corporation は、モバイルコンピュータ、バーコードスキャナ、RFIDリーダー、特殊プリンタなどを提供し、小売、ヘルスケア、製造、物流などの業界でエンタープライズ資産インテリジェンスにおいて際立っています。
ZBRA 価格チャート
2024年第3四半期におけるZebraの売上高は12億6000万ドルで、前年同期比31%増加しました。調整後の1株当たり利益は3.49ドルで、予想を上回り強い成長を示しました。
液晶エラストマーは、熱や光にさらされると形状が変わるため、ソフトロボティクスやその他の適応システムに最適であり、Zebraのポートフォリオに興味深い追加となり得ます。Zebraがこの技術を探求すれば、柔軟な自動化を必要とする産業にとって価値のある、システムの適応性を高めることができるでしょう。LCEはZebraのシステムがより複雑な環境で動作したり、従来の材料では対応できないタスクを処理したりすることを可能にします。
LCEの未来
LCEは、液晶の異方性挙動と軽度に架橋されたポリマーのゴム弾性を融合した独特の材料です。従来の形状記憶材料は、ソフトアクチュエータの構築においてLCEほど効果的ではありません。LCEは卓越した機械的特性、優れた柔軟性、異方性挙動、可逆的な形状応答を備えています。
しかし、LCEに関する研究はその潜在能力を最大限に実現するために複数の課題に対処する必要があります。研究者は、ソフト材料であるLCEにおいて「高い作動応力」と「大きな作動ひずみ」という、作動性能を決定する重要な要素の間にトレードオフ関係があることを発見しました。
研究者はまた、ほとんどのLCEが熱変性であるため、光駆動アクチュエータのような多刺激応答や遠隔制御を実現することが難しいことも指摘しています。現在進行中の研究の大半は、機能性ナノフィラー（光熱、電熱ナノ材料など）をLCEマトリックスに物理的に導入し、これらの課題に対処することに焦点を当てています。
しかし、研究者の間では、機能性フィラーの分散性が低く、フィラーとマトリックスの相互作用が弱いため、複合材料で相分離が起こり、結果としてアクチュエータの性能が低下する可能性があるという懸念があります。
我々の現在の研究はその方向への善意の一歩ですが、分子配列とLCEの作動特性との関係に関する基本的な理解に疑問が残ります。研究者は、LCEの変形や動作を正確に制御することが課題であると見ています。
LCEを高度なアーキテクチャに加工するために開発された新しい3Dおよび4Dプリンティング技術は、現在のところ大量生産に適した解決策がなく、カスタマイズされた装置の構築を目的としています。
しかし、ポジティブな面として、科学技術界でのLCEへの関心が高まっていることが見受けられます。LCEはスマートデバイスの構築においてますます導入が進んでいます。
新しいタイプのLCE材料、先進的な3D微細/ナノファブリケーション技術、斬新な作動スキーム、洗練された操作戦略への関心が高まるにつれ、LCEベースのアクチュエータは急速な進歩を遂げ、近い将来、より最先端の応用分野を見つける可能性があります。
