Fra romfart til HealthTech – LCE-er er like allsidige som de er fascinerende

La oss begynne med å adressere kjernen først! Hva er LCE-er? Vel, LCE-er står for flytende krystallinske elastomerer – kryssbundne polymernettverk som kombinerer gummiens elastiske egenskaper med de anisotrope egenskapene til flytende krystaller. Den primære faktoren som driver deres unikhet er at multifunksjonalitet og respons kan programmeres inn i LCE-er ved å mønstre deres lokale orientering.

Det er en sjelden egenskap – vanskelig å oppnå i andre monolittiske materialsystemer. Og, som en gjennomgangsartikkel i Nature fra 2021 påpeker, har fremskritt innen syntese og justering av LCE-er gjort det mulig å funksjonelt integrere dem i ulike felt, inkludert robotikk, optikk, forbrukerprodukter, energi og helsevesen. 

I dag går vi dypere inn i denne allsidigheten til LCE-er for å se hvordan de viser sin verdi i en rekke felt, fra romfart til HealthTech. 

3D‑printetilnærming for formskiftende materialer ved bruk av LCE‑strukturer

Et team av forskere fra Oregon State University har bidratt til å utvikle enny 3D‑printetilnærming for formskiftende materialer. I virkeligheten kan slike formskiftende materialer bidra til å forbedre robotapplikasjoner ved å hjelpe dem oppnå en robotlignende kvalitet. 

Mens han forklarte karakteren til LCE-er i denne sammenhengen, sa Devin Roach fra OSU College of Engineering:

“LCE-er er myke motorer. Siden de er myke, i motsetning til vanlige motorer, fungerer de utmerket med våre iboende myke kropper. Så de kan brukes som implanterbare medisinske enheter, for eksempel for å levere legemidler til målrettede steder, som stenter for prosedyrer i målområder, eller som uretrale implantater som hjelper med inkontinens.”

Mer spesifikt, forskningen, som publisert i tidsskriftet Advanced Materials, beskriver fremstillingen av LCE-er ved additive fremstilling (AM)-teknikker, hovedsakelig ved bruk av direkte blekkskriving. Forskerne dokumenterte fremstillingen av justerte, hovedkjede‑LCE-er via DLP‑3D‑printing ved bruk av et 100 mT magnetfelt.

Systematisk undersøkelse isolerte bidraget fra magnetfeltstyrke, justeringstid og lagtykkelse på graden av orientering i 3D‑printede LCE-er. Forskerne konkluderte med at DLP‑printing av justerte LCE-er kan åpne nye muligheter for å fremstille stimuli‑responsive materialer i formfaktorer optimalisert for funksjonell bruk i myk robotikk og energiinntak.

Selv om alt dette kan høres teknisk og fullt av høyteknologiske implikasjoner, kan forståelsen av LCE-er bli mye enklere hvis vi ser på deres virkelige anvendelser. I hovedsak kan LCE-er endre formen som respons på eksponering for visse stimuli, som varme. Ved å utnytte denne egenskapen kan LCE-er brukes til å overføre termisk energi til mekanisk energi slik at den kan lagres og brukes på etterspørsel. 

Den muskel‑lignende fleksibiliteten som LCE-er introduserer kan hjelpe oss å gå betydelig fremover innen myk robotikk. Disse fleksible robotene kan komme inn i områder som er usikre eller uegnede for mennesker. Ifølge Devin Roach:

“De har også vist seg lovende innen romfart som aktuatorer for automatiserte systemer som dypromgrip, radardistribusjon eller utenomjordisk utforskning.”

DLP, kjernen i denne forskningen, som ble utført av Roach og samarbeidspartnere ved Harvard University, University of Colorado, og Sandia og Lawrence Livermore nasjonale laboratorier, viste oss en måte å justere molekylene ved hjelp av et magnetfelt under en type 3D‑printing kalt digital light processing. Det var avgjørende å utnytte LCE-er til sitt fulle potensial fordi de formskiftende egenskapene til de flytende krystallinske elastomerene var avhengige av justeringen av molekylene innen materialet. Digital Light Processing utnytter lys til å herde flytende harpiks til solide former med presisjon.

Mens han fremhevet forskningsresultatene, sa Roach at justering av molekylene kan være nøkkelen til å låse opp LCE-ens fulle potensial og muliggjøre deres bruk i ‘avanserte, funksjonelle applikasjoner.’ Roach fortsatte med å hevde at deres arbeid åpnet opp ‘nye muligheter for å skape avanserte materialer som responderer på stimuli på nyttige måter, potensielt ledende til innovasjoner i flere felt.’

Roach og hans medforskere studerte en rekke parametere. De varierte styrken på magnetfeltet og undersøkte hvordan dette kunne påvirke molekylær justering sammen med andre faktorer, som lagtykkelsen på utskriften. Forskerne kunne skrive ut kompliserte former av flytende krystallinske elastomerer som endrer seg på spesifikke måter når de varmes opp.

Roach ledet også et annet team av forskere for å undersøke det mekaniske dempingspotensialet til LCE-er. Forskningen og funnene kan vise seg nyttige i utviklingen av førsteklasses automatiske støtdempere, seismiske dempere og vibrasjonsdempere på broer. 

Mens forskningen og funnene kan hjelpe LCE-er å bli sentrale i mange områder, har forskningen rundt strukturer av flytende krystallinske elastomerer pågått i en god stund nå. I de neste segmentene skal vi diskutere noen slike studier og hvordan de kan påvirke teknologiske innovasjoner rundt oss.

LCE og 4D‑printing

I juni 2022 publiserte en forskningsartikkel i tidsskriftet Materials Horizons, at forskere viste at ved å mønstre orden i strukturer, demonstrerer LCE-er reversibel høyhastighets‑ og stor‑skala aktuasjon som respons på eksterne stimuli, noe som tillater tett integrasjon med 4D‑printing og arkitekturer av digitale enheter, noe som er sjelden observert i homogene myke polymernettverk.

Forskerne samlet informasjon om nylige fremskritt innen 4D‑printing av LCE-er, med vekt på syntese‑ og prosesseringsmetoder som muliggjorde mikroskopiske endringer i molekylær orientering og dermed medførte makroskopiske endringer i egenskapene til sluttproduktene. Forskningen konkluderte med at kombinasjonen av LCE‑4D‑printing kan være nyttig innen felt som myk robotikk, optikk og biomedisinske enheter.

Ytelse av LCE-er på biologisk celle‑respons

En annen forskning, publisert i tidsskriftet ACS Applied Polymer Materials i januar 2023, undersøkte strukturer og syntesemetoder for LCE-er samt deres materialbiologi med vekt på biokjemiske og biomekaniske egenskaper ved celler fra et molekylært perspektiv. Forskningen undersøkte blant annet faktorer som den kvasi‑flytende krystallinske oppførselen til celler, graden av orienteringsorden i ulike celler, og flytende‑krystallindusert topografisk signal som vekstfremmende agenter for celler. 

Bortsett fra slik forskning fra akademikere i feltet, har anerkjente forskningslabber over hele verden også vist interesse for LCE-er og deres utvikling. Vi diskuterer et par slike forskningslabber i de følgende segmentene og prøver å forstå hvorfor de anser LCE-er som avgjørende. 

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

Labben mener at de viskoelastiske egenskapene til LCE-er kan utnyttes til å designe transformative materialer og strukturer med ekstrem dempingsatferd. Labben gjennomførte en studie for å utvikle en grunnleggende forståelse av avslappingsmekanismene til hovedkjede‑LCE-er for å muliggjøre design av ekstraordinære dempings‑ og energiinntaksatferder i LCE‑materialer og strukturer over flere lengdeskalaer.

Forskerne antok at den forbedrede dempingsatferden til LCE-er oppstår fra koblingen mellom avslappingsdynamikken til mesogenene og polymernettet, og avhenger av mesogenorden og kjedeutjevning. Ifølge labben kan den iboende dempingsatferden utnyttes i en arkitekturell design for å produsere strukturer med ekstrem demping og energiinntak. 

Harvard Universitys Aizenberg‑laboratoriums arbeid med LCE-er

Visjonen til laboratoriet var å se på LCE-er som adaptive materialer med molekylær skala programmerbarhet som kunne skape muligheter for rasjonell design av neste generasjons responsive materialer og potensielt transformere områder fra kunstige muskler til selv‑rengjørende overflater og homeostatiske systemer.

Labben fant at LCE-er er lovende materialer for å oppnå ønsket programmerbarhet og deformasjonsevner, da de består av anisotrope molekyler kjent som mesogener, kovalent bundet til en polymerisk bakgrunn (elastomer).

Selv om en rekke tilnærminger eksisterte for å bestemme justeringen av mesogenene, benyttet Aizenberg‑gruppen vanligvis magnetfelt for å pålegge den flytende krystall‑direktoren. Denne metoden kan anvendes på og programmeres innen enhver 3D‑form, slik at forskerne kan kode makroskopiske deformasjonsmoduser på molekylært nivå. 

Aizenberg‑gruppen, aktiv som et biomineraliserings‑ og biomimetisk laboratorium under Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, har brukt magnetisk justerte LCE-er til å lage en rekke multi‑responsive mikrostrukturer som mikroposter, mikroskiver, sammenkoblede cellulære strukturer og tettspente matriser.

Gruppen ser frem til å fortsette forskningen for å utvide vår grunnleggende forståelse av selvregulerende systemer, samt å utvide disse designene til applikasjoner som autonome multimodale aktuatorer i byttbare klebemidler, informasjonskryptering, autonome antenner, energihøsting‑systemer, myke roboter og smarte bygninger.

Mens individuell forskning og laboratoriebasert arbeid med LCE-er er i full gang, kan noen selskaper dra nytte av dette. Vi vil nå se på et par slike selskaper.

Klikk her for en liste over topp‑aksjer innen additiv produksjon og 3D‑printing.

1. 3D Systems Corp 

Selskapet som kommer øverst på listen når vi tenker på å utnytte forskning rundt LCE-er i kommersiell skala er 3D Systems Corp (DDD ) . Det dekker hele spekteret av 3D‑printindustrien, fra 3D‑skrivere, materialer og programvare. Det har bransjens mest omfattende utvalg av kommersielle 3D‑skrivere, som gjør det mulig for selskaper å skrive ut plast- eller metalldeler på stedet på en brøkdel av tiden sammenlignet med tradisjonelle produksjonsprosesser.

Selskapets omfattende og allsidige portefølje av 3D‑printmaterialer inkluderer plast, elastomer, kompositt, voks, metall, biokompatible materialer og mer. Videre tilfører det verdi til hele systemet gjennom sin AI‑drevne programvare, som er skreddersydd for presisjon i additiv produksjon og er ideell for industrielle og helserelaterte applikasjoner.

Selskapet betjener det bredest mulige spekteret av kunder i industrier som romfart og forsvar, bilindustri, bioprinting, karbonfangst, forbrukerteknologi og mange flere. 

Selskapet har en et sortiment av produkter i elastomer‑kategorien, inkludert DulaForm TPU Elastomer, som er et termoplastisk elastomermateriale med gummilignende fleksibilitet og funksjonalitet. Det kan brukes til lav‑ til mellomstor produksjon av forbrukerprodukter, produksjon av fleksible deler for industrielle applikasjoner, lage funksjonelle prototyper av slanger og pakninger, samt prototyping og produksjon av fottøykomponenter. 

3D System Corp VisiJet® CE-NT‑materialet leverer best‑i‑klassen elastomerisk materialytelse for funksjonell prototyping for å møte et bredt spekter av ingeniør‑ og designapplikasjoner. Det har gode strekkegenskaper, og den gjennomskinnelige naturlige fargen hjelper til med å lage livaktige modeller av menneskelig anatomi for medisinsk modellering.

3D Systems Corporation kunngjorde sine financial results for tredje kvartal som avsluttet 30. september 2024, den 26. november 2024. Selv om inntektene på 112,9 millioner dollar opplevde en nedgang på 9 % år‑over‑år, fortsatte kundens interesse for 3D‑printapplikasjoner å øke, med inntekter i Application Innovation Group (AIG) som vokste med over 26 % år‑til‑dato sammenlignet med året før på tvers av industrielle markeder.

2. Teradyne, Inc.

Teradyne, Inc. (TER ) produserer utstyr som tester halvledere, trådløse enheter og annen kompleks elektronikk. Deres verktøy brukes i industrier som bil, romfart, forsvar og forbrukerelektronikk. De er en stor aktør innen automatisert testing og industriell automatisering.

For tredje kvartal 2024 rapporterte selskapet 737 millioner dollar i inntekter. Størstedelen – 543 millioner dollar – kom fra Semiconductor Test, med Robotics som bidro med 89 millioner dollar. Mindre bidrag kom fra System Test og Wireless Test med henholdsvis 73 millioner og 33 millioner dollar.

Flytende krystallinske elastomerer (LCE-er) kan spille en stor rolle i å forme Teradynes fremtid, spesielt innen robotikk. LCE-er er spesielle fordi de kan endre form når de utsettes for varme eller lys. Dette gjør dem ideelle for myk robotikk, som krever fleksibilitet og presisjon. Hvis Teradyne integrerer LCE-er i sine roboter, kan de bli mer tilpasningsdyktige for industrier som krever avansert automatisering.

3. Zebra Technologies Corporation

Zebra Technologies Corporation (ZBRA ) skiller seg ut innen bedrifts‑eiendomsintelligens, med sine mobile datamaskiner, strekkodelesere, RFID‑lesere og spesialprintere, som brukes i industrier som detaljhandel, helsevesen, produksjon og logistikk.

I tredje kvartal 2024 rapporterte Zebra en inntekt på 1,26 milliarder dollar, en økning på 31 % fra året før. Justert resultat per aksje kom inn på 3,49 dollar, og overgikk forventningene og viste sterk vekst.

Flytende krystallinske elastomerer kan være et interessant tillegg til Zebras portefølje, da disse materialene endrer form når de utsettes for varme eller lys, noe som gjør dem ideelle for bruk i myk robotikk eller andre adaptive systemer. Hvis Zebra utforsker denne teknologien, kan det forbedre tilpasningsdyktigheten til deres løsninger – noe industrier som krever fleksibel automatisering kan finne verdifullt. LCE-er kan la Zebras systemer fungere i mer komplekse miljøer eller håndtere oppgaver som tradisjonelle materialer ikke kan.

Fremtiden for LCE-er

LCE-er er unike materialer i den forstand at de forener den anisotrope oppførselen til flytende krystaller og gummielastisiteten til lett kryssbundne polymerer. Tradisjonelle formminne‑materialer er ikke like effektive som LCE-er for å bygge myke aktuatorer. LCE-er har ekstraordinære mekaniske egenskaper, god fleksibilitet, anisotrop oppførsel og reversibel formrespons. 

Imidlertid må forskningen rundt LCE-er adressere flere mangler for å realisere deres fulle potensial. Forskere har funnet at for myke materialer, som LCE-er, er det ofte et avveiningforhold mellom egenskapene «høy aktuasjonsstress» og «stor aktuasjonsdeformasjon», som begge er nøkkelfaktorer som bestemmer deres aktuasjonsytelse. research around LCEs needs to address multiple loopholes to realize their potential to the fullest. Researchers have found that for soft materials, such as LCEs, there is often a trade-off relationship between the features of “high actuation stress” and “large actuation strain,” both of which are key factors determining their actuating performances.

Forskerne har også identifisert at siden de fleste LCE-er er termotropiske, er det vanskelig å realisere deres multi‑stimulus‑respons og fjernkontroll, som lys‑drevne aktuatorer. Majoriteten av den pågående forskningen i feltet fokuserer på fysisk innlemming av ulike funksjonelle nanofylere (fototermiske, elektrotekniske nanomaterialer osv.) i LCE‑matriser for å løse disse problemene. 

Det er imidlertid tvil blant forskere om at den dårlige dispersibiliteten til de funksjonelle fyllstoffene i LCE‑matrisen og den svake fyllstoff‑matrise‑interaksjonen kan føre til fase‑separasjon i kompositter, noe som resulterer i dempet ytelse av de resulterende aktuatorene. 

Selv om vår nåværende forskning er et velvillig steg i den retningen, er det tvil om den grunnleggende forståelsen av forholdet mellom molekylær arrangement og aktuasjonsegenskapene til LCE-er. Forskerne ser det som en utfordring å nøyaktig kontrollere deformasjonen eller bevegelsen til LCE-er. 

De nye 3D‑ og 4D‑printteknologiene som har blitt utviklet for å bearbeide LCE-er til sofistikerte arkitekturer, er fortsatt rettet mot å bygge tilpasset utstyr uten en god løsning for masseproduksjon så langt.

På den positive siden er interessen for LCE-er i vitenskaps‑ og teknologiverdenen tydelig. Det er en økende implementering av LCE-er i utviklingen av smarte enheter. 

Med økende interesse for nye typer LCE‑materialer, avanserte 3D‑mikro/nanofabrikasjonsteknologier, nye handlingsskjemaer og sofistikerte manipulasjonsstrategier, kan LCE‑baserte aktuatorer oppnå raske fremskritt og snart finne flere banebrytende anvendelser.

Klikk her for å lære alt om investering i 3D‑printing.