Från flygindustrin till HealthTech – LCEs är lika mångsidiga som de är fascinerande

Låt oss börja med att ta itu med kärnan först! Vad är LCEs? Jo, LCEs står för Liquid Crystalline Elastomers – tvärbundna polymernätverk som kombinerar gummins elastiska egenskaper med de anisotropa egenskaperna hos flytande kristaller. Den primära faktorn som driver deras unikhet är att multifunktionalitet och responsivitet kan programmeras in i LCEs genom att mönstra deras lokala orientering.

Det är en sällsynt egenskap – svår att uppnå i andra monolitiska materialsystem. Och, som en översiktsartikel i Nature från 2021 påpekar, har framsteg inom syntes och inriktning av LCEs gjort det möjligt att funktionellt integrera dem i olika områden, inklusive robotik, optik, konsumentprodukter, energi och sjukvård. 

Idag fördjupar vi oss i denna mångsidighet hos LCEs för att se hur de bevisar sitt värde inom en rad områden, från flygindustrin till HealthTech. 

3D-utskriftsmetod för formförändrande material med LCE-strukturer

Ett team av forskare från Oregon State University har hjälpt till att utveckla en ny 3D-utskriftsmetod för formförändrande material. I verkligheten kan sådana formförändrande material hjälpa till att förbättra robotikapplikationer genom att hjälpa dem uppnå en robotliknande kvalitet. 

När han förklarade karaktären hos LCEs i detta sammanhang sade Devin Roach från OSU College of Engineering:

“LCEs är mjuka motorer. Eftersom de är mjuka, till skillnad från vanliga motorer, fungerar de utmärkt med våra i grunden mjuka kroppar. Så de kan användas som implanterbara medicinska enheter, till exempel för att leverera läkemedel till målområden, som stentar för procedurer i målområden, eller som uretrala implantat som hjälper mot inkontinens.”

Mer specifikt, forskningsresultaten, som publicerades i tidskriften Advanced Materials, beskriver framställningen av LCEs med additiv tillverkning (AM)-tekniker, främst med direktbläckskrivningsutskrift. Forskarna dokumenterade framställningen av inriktade, huvudkedje-LCEs via DLP 3D-utskrift med ett 100 mT magnetfält.

Systematiska undersökningar isolerade bidraget från magnetfältstyrka, inriktnings tid och bygglagertjocklek på graden av orientering i 3D-utskrivna LCEs. Forskarna drog slutsatsen att DLP-utskrift av inriktade LCEs kan öppna nya möjligheter att tillverka stimuli-responsiva material i formfaktorer optimerade för funktionell användning i mjuk robotik och energibildning.

Även om allt detta kan låta som fackspråk och full av högteknologiska implikationer, kan förståelsen av LCEs bli mycket enklare om vi ser på deras verkliga tillämpningar. I princip kan LCEs förändra sina former som svar på exponering för vissa stimuli, som värme. Genom att utnyttja denna egenskap kan LCEs användas för att omvandla termisk energi till mekanisk energi så att den kan lagras och användas på begäran. 

Den muskel-liknande flexibiliteten som LCEs introducerar kan hjälpa oss att göra betydande framsteg inom mjuk robotik. Dessa flexibla robotar kan nå områden som är osäkra eller olämpliga för människor. Enligt Devin Roach:

“De har också visat sig lovande inom flygindustrin som aktuatorer för automatiserade system såsom de för djuprymdsgrepp, radardistribution eller utomjordisk utforskning.”

DLP, den centrala prestationen i denna forskning, som utfördes av Roach och samarbetspartner vid Harvard University, University of Colorado och Sandia och Lawrence Livermore nationella laboratorier, visade oss ett sätt att inrikta molekylerna med ett magnetfält under en typ av 3D-utskrift som kallas digital light processing. Det var avgörande att utnyttja LCEs till deras fulla potential eftersom de formförändrande egenskaperna hos de flytande kristalliska elastomererna var beroende av molekylernas inriktning inom materialen. Digital Light Processing utnyttjar ljus för att härda flytande harts till solida former med precision.

När han lyfte fram studiens framgångar sade Roach att inriktning av molekylerna kan vara nyckeln till att låsa upp LCEs fulla potential och möjliggöra deras användning i ‘avancerade, funktionella tillämpningar.’ Roach fortsatte med att hävda att deras arbete öppnade ‘nya möjligheter för att skapa avancerade material som svarar på stimuli på användbara sätt, vilket potentiellt kan leda till innovationer inom flera områden.’

Roach och hans medarbetare studerade en rad parametrar. De varierade styrkan på magnetfältet och undersökte hur det kunde påverka molekylinriktningen tillsammans med andra faktorer, såsom den utskrivna lagrets tjocklek. Forskarna kunde skriva ut komplicerade former av flytande kristalliska elastomerer som förändras på specifika sätt när de värms.

Roach ledde också ett annat team av forskare för att ytterligare undersöka den mekaniska dämpningspotentialen hos LCEs. Forskningen och dess resultat kan visa sig användbara för att utveckla förstklassiga automatiska stötdämpare, seismiska dämpare och vibrationsdämpare på broar. 

Medan forskningen och dess resultat kan hjälpa LCEs att bli instrumentella i många områden, har forskningen kring flytande kristalliska elastomerstrukturer pågått under en längre tid. I de kommande segmenten kommer vi att diskutera några sådana studier och hur de kan påverka tekniska innovationer omkring oss.

LCE och 4D-utskrift

I juni 2022 publicerade en forskningsartikel i tidskriften Materials Horizons, visade forskare att genom att mönstra ordning i strukturer, demonstrerar LCEs reversibel hög hastighet och storskalig aktuation som svar på externa stimuli, vilket möjliggör nära integration med 4D-utskrift och arkitekturer av digitala enheter, vilket sällan observeras i homogena mjuka polymernätverk.

Forskarna samlade information om de senaste framstegen inom 4D-utskrift av LCEs, med betoning på syntes- och bearbetningsmetoder som möjliggjorde mikroskopiska förändringar i den molekylära orienteringen och därmed medförde makroskopiska förändringar i egenskaperna hos slutprodukter. Forskningen drog slutsatsen att kombinationen LCE-4D-utskrift kan vara användbar inom områdena mjuk robotik, optik och biomedicinska enheter.

Prestanda hos LCEs på biologiskt cellrespons

En annan forskning, publicerad i tidskriften ACS Applied Polymer Materials i januari 2023, undersökte strukturerna och syntesmetoderna för LCEs samt deras materialbiologi med betoning på biokemiska och biomekaniska egenskaper hos celler ur ett molekylärt perspektiv. Forskningen undersökte kritiskt faktorer såsom cellers kvasi-flytande kristallina beteende, graden av orienteringsordning i olika celler, och flytande kristallinducerade topografiska signaler som tillväxtfrämjande faktorer för celler. 

Förutom sådan forskning av forskare inom området har ansedda forskningslaboratorier världen över också visat intresse för LCEs och deras utveckling. Vi diskuterar ett par sådana forskningslaboratorier i följande segment och försöker förstå varför de anser LCEs vara avgörande. 

LCE-utvärdering av Nguyen Lab: Johns Hopkins Whiting School of Engineering

Laboratoriet tror att de viskoelastiska egenskaperna hos LCEs kan utnyttjas för att designa transformerande material och strukturer med extrem dämpningsbeteende. Laboratoriet genomförde en studie för att utveckla en grundläggande förståelse av avslappningsmekanismerna hos huvudkedje-LCEs för att möjliggöra design av extraordinära dämpningsbeteenden hos LCE-material och strukturer över flera längdskalor.

Forskarna hypoteserade att det förbättrade dämpningsbeteendet hos LCEs uppstår från kopplingen mellan avslappningsdynamiken hos mesogenerna och polymernätverket och beror på mesogenordning och kedjeinriktning. Enligt laboratoriet kunde det inneboende dämpningsbeteendet utnyttjas i en arkitekturerad design för att producera strukturer med extrem dämpning och energiborttagning. 

Harvard Universitys Aizenberg-labors arbete med LCEs

Visionen för laboratoriet var att se på LCEs som adaptiva material med molekylär skala programmerbarhet som kan skapa möjligheter för rationell design av nästa generations responsiva material och potentiellt förändra områden som sträcker sig från artificiella muskler till självrengörande ytor och homeostatiska system.

Laboratoriet fann att LCEs är lovande material för att uppnå önskad programmerbarhet och deformationskapacitet eftersom de består av anisotropa molekyler kända som mesogener, kovalent bundna till en polymerbakgrund (elastomeren).

Medan en mängd olika metoder existerade för att föreskriva inriktning av mesogenerna, använde Aizenberg-gruppen vanligtvis magnetfält för att påtvinga den flytande kristallens direktor. Denna metod kan tillämpas på och programmeras inom vilken 3D-form som helst, vilket möjliggör för forskarna att koda makroskopiska deformationslägen på molekylär nivå. 

Aizenberg-gruppen, aktiv som ett biomineraliserings- och biomimetiklab under flaggskeppet Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, har använt magnetiskt inriktade LCEs för att skapa en mängd multifunktionella mikrostrukturer såsom mikroposter, mikroluckor, sammankopplade cellulära strukturer och tätt placerade matriser.

Gruppen ser fram emot att fortsätta sin forskning för att utöka vår grundläggande förståelse av självreglerande system, samt expandera dessa designer till tillämpningar såsom autonoma multimodala aktuatorer i växlingsbara lim, informationskryptering, autonoma antenner, energihöjningssystem, mjuka robotar och smarta byggnader.

Medan individuell forskning och labbaserad forskning kring LCEs pågår i full fart, kan vissa företag dra nytta av den. Vi kommer nu att titta på ett par sådana företag.

Klicka här för en lista över de bästa aktierna inom additiv tillverkning och 3D-utskrift.

1. 3D Systems Corp 

Företaget som hamnar högst på listan när vi tänker på att utnyttja forskning kring LCEs i kommersiell skala är 3D Systems Corp (DDD ) . Det täcker hela spektrumet av 3D-utskriftsindustrin, från 3D-skrivare, material och mjukvara. Det har branschens mest omfattande sortiment av kommersiella 3D-skrivare, vilket möjliggör för företag att skriva ut plast- eller metalldelar på plats på en bråkdel av tiden jämfört med traditionella tillverkningsprocesser.

Företagets omfattande och mångsidiga portfölj av 3D-utskriftsmaterial inkluderar plast, elastomer, komposit, vax, metall, biokompatibla och mer. Dessutom tillför det värde till hela systemet genom sin AI-drivna mjukvara, som är skräddarsydd för precision i additiv tillverkning och är idealisk för industriella och sjukvårdsapplikationer.

Företaget betjänar det bredaste möjliga spektrumet av kunder inom branscher som flyg och försvar, bilindustri, bioprinting, koldioxidinfångning, konsumentteknik och många fler. 

Företaget har ett sortiment av produkter i elastomerkategorin, inklusive DulaForm TPU Elastomer, som är ett termoplastiskt elastomermaterial med gummiliknande flexibilitet och funktionalitet. Det kan användas för låg till medelstors produktionsvolym av konsumentvaror, tillverkning av flexibla delar för industriella tillämpningar, skapa funktionella prototyper av slangar och tätningar, samt prototypframtagning och produktion av skokomponenter. 

3D System Corp VisiJet® CE-NT-material levererar bästa klassens elastomeriska materialprestanda för funktionell prototypframtagning för att möta en rad ingenjörs- och designapplikationer. Det har utmärkta dragsegenskaper, och dess genomskinliga naturliga färg hjälper till att skapa livslika modeller av mänsklig anatomi för medicinsk modellering.

3D Systems Corporation tillkännagav sina finansiella resultat för tredje kvartalet som avslutades den 30 september 2024, den 26 november 2024. Trots att dess intäkter på 112,9 miljoner dollar minskade med 9 % år‑över‑år, fortsatte kundintresset för 3D-utskriftsapplikationer att öka, med intäkter i Application Innovation Group (AIG) som växte med över 26 % hittills i år jämfört med föregående år över industriella marknader.

2. Teradyne, Inc.

Teradyne, Inc. (TER ) tillverkar utrustning som testar halvledare, trådlösa enheter och annan komplex elektronik. Deras verktyg används i industrier som bil, flyg, försvar och konsumentelektronik. De är en stor aktör i världen av automatiserad testning och industriell automation.

För tredje kvartalet 2024 rapporterade företaget 737 miljoner dollar i intäkter. Största delen—543 miljoner dollar—kom från Semiconductor Test, med Robotics som bidrog med 89 miljoner. Mindre bidrag kom från System Test och Wireless Test med 73 miljoner respektive 33 miljoner.

Liquid Crystalline Elastomers (LCEs) kan spela en stor roll i att forma Teradynes framtid, särskilt inom robotik. LCEs är speciella eftersom de kan förändra form när de utsätts för värme eller ljus. Detta gör dem idealiska för mjuk robotik, som kräver flexibilitet och precision. Om Teradyne integrerar LCEs i sina robotar, kan de bli mer anpassningsbara för industrier som kräver avancerad automation.

3. Zebra Technologies Corporation

Zebra Technologies Corporation (ZBRA ) utmärker sig inom företags tillgångsintelligens, med sina mobila datorer, streckkodsläsare, RFID-läsare och specialskrivare, som används i branscher som detaljhandel, sjukvård, tillverkning och logistik.

Under tredje kvartalet 2024 rapporterade Zebra intäkter på 1,26 miljarder dollar, en ökning med 31 % jämfört med föregående år. Justerade vinst per aktie uppgick till 3,49 dollar, vilket överträffade förväntningarna och visar stark tillväxt.

Liquid Crystalline Elastomers kan vara ett intressant tillskott till Zebras portfölj, eftersom dessa material förändrar form när de utsätts för värme eller ljus, vilket gör dem idealiska för användning i mjuk robotik eller andra adaptiva system. Om Zebra utforskar denna teknik, kan den förbättra anpassningsförmågan i deras lösningar—något industrier som kräver flexibel automation kan finna värdefullt. LCEs kan låta Zebras system fungera i mer komplexa miljöer eller hantera uppgifter som traditionella material inte kan.

Framtiden för LCEs

LCEs är unika material i den bemärkelse att de förenar den anisotropa beteendet hos flytande kristaller och gummielasticiteten hos lätt tvärbundna polymerer. Traditionella formminnesmaterial är inte lika effektiva som LCEs för att bygga mjuka aktuatorer. LCEs har extraordinära mekaniska egenskaper, god flexibilitet, anisotropiskt beteende och reversibla formrespons. 

Dock, forskning kring LCEs behöver ta itu med flera brister för att realisera deras fulla potential. Forskare har funnit att för mjuka material, såsom LCEs, finns ofta ett avvägningförhållande mellan egenskaperna “hög aktueringsstress” och “stor aktueringsdeformation”, vilka båda är nyckelfaktorer som bestämmer deras aktueringsprestanda. 

Forskarna har också identifierat att eftersom de flesta LCEs är termotropiska, är det svårt att realisera deras multipla stimuli-responser och fjärrstyrning, såsom ljusdrivna aktuatorer. En majoritet av den pågående forskningen fokuserar på att fysiskt införa en mängd funktionella nanofyllmedel (fototermiska, elektrotekniska nanomaterial, etc.) i LCE-matriser för att lösa dessa problem.

Det finns dock tvivel bland forskare att den dåliga dispersibiliteten av de funktionella fyllmedlen i LCE-matrisen och den svaga interaktionen mellan fyllmedel och matris kan leda till fasseparation i kompositer, vilket resulterar i dämpad prestanda hos de resulterande aktuatorerna. 

Medan vår nuvarande forskning är ett välmenande steg i den riktningen, finns det tvivel kring den grundläggande förståelsen av sambandet mellan molekylär arrangemang och aktionsegenskaper hos LCEs. Forskare ser det som en utmaning att exakt kontrollera deformationen eller rörelsen hos LCEs.

Den nya 3D- och 4D-utskriftsteknologin som har utvecklats för att bearbeta LCEs till sofistikerade arkitekturer är fortfarande inriktad på att bygga skräddarsydd utrustning utan en bra lösning för massproduktion hittills.

På den positiva sidan är intresset för LCEs i vetenskaps- och teknikvärlden tydligt. Det sker en växande implementering av LCEs i utvecklingen av smarta enheter.

Med ett växande intresse för nya typer av LCE-material, avancerade 3D mikro/nanofabrikeringsteknologier, nya aktionsscheman och sofistikerade manipulationsstrategier, kan LCE-baserade aktuatorer uppnå snabba framsteg och snart hitta fler banbrytande tillämpningar.

Klicka här för att lära dig allt om investeringar i 3D-utskrift.