Uzaydan Sağlık Teknolojisine – LCE’ler Hem Çok Yönlü Hem de Çekici

İlk olarak temele odaklanalım! LCE’ler nedir? Şey, LCE’ler Liquid Crystalline Elastomers (Sıvı Kristalli Elastomerler) anlamına gelir – kauçuk elastikiyetini sıvı kristallerin anizotropik özellikleriyle birleştiren çapraz bağlı polimer ağlarıdır. Temel faktör, çok işlevlilik ve yanıt verebilirliğin programlanabilmesi yerel yönelimlerini desenleyerek LCE’lere.

Bu nadir bir niteliktir – diğer tek parça malzeme sistemlerinde elde edilmesi zordur. Ve 2021 tarihli Nature dergisinin bir inceleme makalesinin belirttiği gibi, LCE’lerin sentezi ve hizalanmasındaki ilerlemeler, onları robotik, optik, tüketici ürünleri, enerji ve sağlık gibi çeşitli alanlarda fonksiyonel olarak entegre etmeyi mümkün kılmıştır. 

Bugün, LCE’lerin bu çok yönlülüğüne daha derinlemesine bakacağız ve onların Uzaydan Sağlık Teknolojisine kadar çeşitli alanlarda nasıl değer sağladığını göreceğiz. 

LCE Yapılarını Kullanarak Şekil Değiştiren Malzemeler İçin 3D Baskı Yaklaşımı

Oregon State Üniversitesi’nden bir araştırmacı ekibi, şekil değiştiren malzemeler için yeni bir 3D baskı yaklaşımı geliştirmeye yardımcı oldu. Gerçek hayatta, bu tür şekil değiştiren malzemeler, robotik uygulamaları robotik gibi bir kalite kazandırarak iyileştirebilir. 

Bu bağlamda LCE’lerin karakterini açıklarken, OSU Mühendislik Fakültesi’nden Devin Roach şöyle dedi:

“LCE’ler yumuşak motorlardır. Yumuşak oldukları için, normal motorların aksine, doğal olarak yumuşak vücudumuzla çok iyi çalışırlar. Bu nedenle, örneğin hedeflenen bölgelere ilaç teslimi için, hedef alanlarda prosedürler için stent olarak veya idrar kaçırmayı önleyen üretral implantlar gibi implant edilebilir tıbbi cihazlar olarak kullanılabilirler.”

Daha spesifik olarak, araştırma, Advanced Materials dergisinde yayımlandığı gibi, LCE’lerin eklemeli imalat (AM) teknikleriyle, özellikle doğrudan mürekkep yazdırma (direct ink write) baskı kullanılarak hazırlanmasını detaylandırıyor. Araştırmacılar, 100 mT manyetik alan kullanarak DLP 3D baskı yoluyla hizalanmış, ana zincir LCE’lerin hazırlanmasını belgeledi.

Sistematik inceleme, manyetik alan şiddeti, hizalama süresi ve katman kalınlığının 3D baskılı LCE’lerde yönelim derecesine katkılarını izole etti. Araştırmacılar, hizalanmış LCE’lerin DLP baskısının, yumuşak robotik ve enerji emilimi için fonksiyonel kullanımda optimize edilmiş form faktörlerinde uyarana yanıt veren malzemeler üretmek için yeni fırsatlar yaratabileceği sonucuna vardılar.

Tüm bunlar jargon gibi ve yüksek teknoloji etkileri taşıyor gibi görünse de, LCE’leri anlamak gerçek yaşam uygulamalarına bakarsak çok daha kolay olabilir. Temelde, LCE’ler belirli uyarıcılara, örneğin ısıya maruz kaldıklarında şekillerini değiştirebilir. Bu özelliği kullanarak, LCE’lerkullanılabilir termal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürmek için, böylece depolanıp talep üzerine kullanılabilir. 

LCE’lerin sunduğu kas benzeri esneklik, yumuşak robotik alanında önemli ilerlemeler kaydetmemize yardımcı olabilir. Bu esnek robotlar, insanlar için güvensiz veya uygun olmayan bölgelere girebilir. Devin Roach’a göre:

“Derin uzay tutma, radar dağıtımı veya dış uzay keşfi gibi otomatik sistemler için aktüatörler olarak uzayda da umut vaat ettikleri gösterilmiştir.”

Bu araştırmanın temel başarısı olan DLP, Roach ve Harvard Üniversitesi, Colorado Üniversitesi, Sandia ve Lawrence Livermore ulusal laboratuvarlarındaki işbirlikçileri tarafından yürütülmüş bir manyetik alan kullanarak, dijital ışık işleme (digital light processing) adı verilen bir 3D baskı türü sırasında molekülleri hizalamanın bir yolunu gösterdi. Sıvı kristalli elastomerlerin şekil değiştirme özellikleri, malzeme içindeki moleküllerin hizalanmasına bağlı olduğundan, LCE’lerin tam potansiyelini kullanmak kritikti. Dijital Işık İşleme, sıvı reçineyi hassas bir şekilde katı şekillere sertleştirmek için ışığı kullanır.

Araştırmanın başarılarını vurgularken, Roach moleküllerin hizalanmasının LCE’nin tam potansiyelini ortaya çıkarmanın ve onları ‘gelişmiş, fonksiyonel uygulamalarda’ kullanılabilir kılmanın anahtarı olabileceğini söyledi. Roach ayrıca çalışmalarının, ‘uyarıcılara faydalı şekillerde yanıt veren gelişmiş malzemeler yaratmak için yeni olasılıklar’ sunduğunu ve bunun birden fazla alanda yeniliklere yol açabileceğini belirtti.

Roach ve işbirlikçileri bir dizi parametreyi incelediler. Manyetik alanın şiddetini değiştirerek, bunun moleküler hizalamayı ve baskı katmanının kalınlığı gibi diğer faktörleri nasıl etkilediğini araştırdılar. Araştırmacılar, ısıtıldıklarında belirli şekillerde değişen karmaşık sıvı kristalli elastomer şekilleri basabildiler.

Roach ayrıca LCE’lerin mekanik sönüm potansiyelini daha derinlemesine incelemek için farklı bir araştırma ekibi yönetti. Araştırma ve bulguları, köprülerde en üst düzey otomatik sarsıntı emiciler, sismik sönümleyiciler ve titreşim sönümleyicileri geliştirmek için faydalı olabilir. 

Araştırma ve bulgular LCE’lerin birçok alanda etkili olmasına yardımcı olabilecekken, Sıvı Kristalli Elastomer yapıları üzerindeki araştırmalar bir süredir devam ediyor. Önümüzdeki bölümlerde, bu tür birkaç çalışmayı ve bunların çevremizdeki teknolojik yeniliklere nasıl etki edebileceğini tartışacağız.

LCE ve 4D Baskı

Haziran 2022’de, Materials Horizons dergisinde yayımlanan bir araştırma makalesi bilim insanları, yapıya düzen desenleyerek, LCE’lerin dış uyarıcılara yanıt olarak tersinir yüksek hızlı ve büyük ölçekli aktüasyon gösterdiğini, bu sayede 4D baskı ve dijital cihaz mimarileriyle yakın entegrasyon sağladığını gösterdi; bu durum homojen yumuşak polimer ağlarında nadir görülür.

Araştırmacılar, LCE’lerin 4D baskısındaki son gelişmeler hakkında, moleküler yönelimde mikroskobik değişiklikler sağlayan ve böylece son kullanım nesnelerinin özelliklerinde makroskobik değişiklikler getiren sentez ve işleme yöntemlerine odaklanarak bilgi topladılar. Araştırma, LCE-4D baskı kombinasyonunun yumuşak robotik, optik ve biyomedikal cihazlar alanlarında faydalı olabileceğini öne sürdü.

LCE’lerin Biyolojik Hücre Tepkisi Üzerindeki Performansı

Başka bir araştırma, ACS Applied Polymer Materials dergisinde Ocak 2023’te yayımlanmış, LCE’lerin yapılarını ve sentez yöntemlerini, ayrıca malzeme biyolojisini moleküler bakış açısından biyokimyasal ve biyomekanik hücre özelliklerine odaklanarak inceledi. Araştırma, hücrelerin yarı-sıvı kristalli davranışı, farklı hücrelerdeki yönelim derecesi ve sıvı kristalli kaynaklı topografik sinyallerin hücre büyümesini artırıcı ajanlar olarak rolü gibi faktörleri kritik bir şekilde araştırdı. 

Alandaki akademisyenlerin bu tür araştırmalarının yanı sıra, dünya çapındaki saygın araştırma laboratuvarları da LCE’lere ve evrimlerine ilgi gösterdi. Aşağıdaki bölümlerde bu laboratuvarlardan birkaçını tartışacağız ve neden LCE’leri kritik gördüklerini anlamaya çalışacağız. 

Nguyen Laboratuvarı Tarafından LCE Değerlendirmesi: Johns Hopkins Whiting Mühendislik Okulu

Laboratuvar inanıyor ki LCE’lerin viskoelastik özellikleri aşırı sönüm davranışıyla dönüştürücü malzemeler ve yapılar tasarlamak için kullanılabilir. Laboratuvar, ana zincir LCE’lerin gevşeme mekanizmalarına temel bir anlayış geliştirmek için bir çalışma yürüttü; bu sayede LCE malzemeleri ve yapılarının çoklu ölçeklerde olağanüstü sönüm davranışları tasarlanabilir.

Araştırmacılar, LCE’lerin artırılmış sönüm davranışının, mezogenlerin ve polimer ağının gevşeme dinamiklerinin birbiriyle etkileşmesinden kaynaklandığını ve mezogen düzeni ve zincir hizalanmasına bağlı olduğunu varsaydılar. Laboratuvara göre, özgün sönüm davranışı mimari bir tasarımda kullanılabilir ve bu sayede aşırı sönüm ve enerji emilimi sağlayan yapılar üretilebilir. 

Harvard Üniversitesi Aizenberg Laboratuvarı’nın LCE’ler Üzerindeki Çalışması

Laboratuvarın vizyonu, LCE’leri adaptif malzemeler olarak görmekti; moleküler ölçekli programlanabilirlikleriyle, bir sonraki nesil yanıt veren malzemelerin rasyonel tasarımı için fırsatlar yaratabilir ve yapay kaslardan kendini temizleyen yüzeylere ve homeostatik sistemlere kadar geniş bir yelpazeyi dönüştürebilirler.

Laboratuvar, LCE’lerin istenen programlanabilirlik ve deformasyon yeteneklerini elde etmede umut verici malzemeler olduğunu buldu; çünkü bunlar, mezogen olarak bilinen anizotropik moleküllerden oluşur ve polimerik bir arka plan malzemesine (elastomer) kovalent bağlanmıştır.

Mezogen hizalamasını belirlemek için çeşitli yaklaşımlar mevcutken, Aizenberg grubu genellikle sıvı kristal yönünü belirlemek için manyetik alanlar kullandı. Bu yöntem, herhangi bir 3D şekle uygulanabilir ve programlanabilir, böylece araştırmacıların makroskobik deformasyon modlarını moleküler seviyede kodlamalarına olanak tanır. 

Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’nun öncülüğünde biyomineralizasyon ve biyomimetik laboratuvarı olarak aktif olan Aizenberg grubu, manyetik olarak hizalanmış LCE’leri mikro-postlar, mikro plakalar, birbirine bağlı hücresel yapılar ve yakından yerleştirilmiş diziler gibi çeşitli çoklu yanıt veren mikro yapıların oluşturulmasında kullandı.

Grup, araştırmalarını ilerletmeyi ve kendi kendini düzenleyen sistemler konusundaki temel anlayışımızı genişletmeyi, ayrıca bu tasarımları anahtarlanabilir yapıştırıcılar, bilgi şifreleme, otonom antenler, enerji toplama sistemleri, yumuşak robotlar ve akıllı binalar gibi uygulamalara dönüştürmeyi hedefliyor.

Bireysel araştırmalar ve laboratuvar temelli LCE çalışmaları tam hız devam ederken, bazı şirketler bundan faydalanabilir. Şimdi bu şirketlerden birkaçına bakacağız.

Üst düzey eklemeli imalat ve 3d baskı hisseleri listesi için buraya tıklayın.

1. 3D Systems Corp 

LCE araştırmalarını ticari ölçekte kullanmayı düşündüğümüzde listenin en üstüne çıkan şirket 3D Systems Corp (DDD ) . 3D baskı endüstrisinin tüm spektrumunu kapsar; 3D yazıcılar, malzemeler ve yazılımlardan başlar. Endüstrinin en kapsamlı ticari 3D yazıcı yelpazesine sahiptir ve şirketlerin geleneksel üretim süreçlerine kıyasla çok daha kısa sürede plastik veya metal parçaları ihtiyaç anında basmalarını sağlar.

Şirketin geniş ve çok yönlü 3D baskı malzemeleri portföyü plastik, elastomer, kompozit, balmumu, metal, biyouyumlu ve daha fazlasını içerir. Ayrıca, eklemeli imalatta hassasiyet için tasarlanmış AI destekli yazılımı sayesinde tüm sisteme değer katar ve endüstriyel ve sağlık hizmetleri uygulamaları için idealdir.

Şirket, uzay ve savunma, otomotiv, biyobaskı, karbon yakalama, tüketici teknolojisi ve daha birçok sektörde mümkün olan en geniş müşteri yelpazesine hizmet vermektedir. 

Şirketin elastomer kategorisinde bir ürün yelpazesi bulunmaktadır; bu yelpazede DulaForm TPU Elastomer yer alır, ki bu, kauçuk benzeri esneklik ve işlevselliğe sahip bir termoplastik elastomer malzemedir. Düşük ila orta ölçekli tüketici ürünleri üretimi, endüstriyel uygulamalar için esnek parçalar üretimi, hortum ve conta fonksiyonel prototipleri oluşturma ve ayakkabı bileşenlerinin prototiplenmesi ve üretiminde kullanılabilir. 

3D System Corp VisiJet® CE-NT malzemesi, fonksiyonel prototipleme için sınıfının en iyisi elastomerik performans sunar ve çeşitli mühendislik ve tasarım uygulamalarına uygundur. Mükemmel çekme özelliklerine sahiptir ve yarı saydam doğal rengi, tıbbi modelleme uygulamaları için insan anatomisinin gerçekçi modellerini oluşturmayı kolaylaştırır.

3D Systems Corporation, 30 Eylül 2024’te sona eren üçüncü çeyrek için finansal sonuçlarını 26 Kasım 2024’te açıkladı. 112,9 milyon dolarlık geliri yıllık %9 azalsa da, 3D baskı uygulamalarına olan müşteri ilgisi artmaya devam etti; Application Innovation Group (AIG) gelirleri, endüstriyel pazarlarda bir önceki yıla göre yılbaşından bu yana %26’dan fazla büyüdü.

2. Teradyne, Inc.

Teradyne, Inc. (TER ) yarı iletkenler, kablosuz cihazlar ve diğer karmaşık elektronikleri test eden ekipmanlar üretir. Araçları kullanılır otomotiv, uzay, savunma ve tüketici elektroniği gibi sektörlerde. Otomatik test ve endüstriyel otomasyon dünyasında büyük bir oyuncudur.

2024’ün üçüncü çeyreği için şirket, 737 milyon dolar gelir bildirdi. Bunun büyük kısmı—543 milyon dolar—Yarı İletken Testinden geldi, Robotik ise 89 milyon dolar ekledi. Sistem Testi ve Kablosuz Testten sırasıyla 73 milyon ve 33 milyon dolar daha küçük katkılar sağladı.

Sıvı Kristalli Elastomerler (LCE’ler), özellikle robotikte, Teradyne’in geleceğini şekillendirmede büyük bir rol oynayabilir. LCE’ler, ısıya veya ışığa maruz kaldıklarında şekil değiştirebildikleri için özeldir. Bu onları esneklik ve hassasiyet gerektiren yumuşak robotik için ideal kılar. Teradyne, LCE’leri robotlarına entegre ederse, gelişmiş otomasyon talep eden sektörler için daha uyumlu hale getirebilir.

3. Zebra Technologies Corporation

Zebra Technologies Corporation (ZBRA ), kurumsal varlık akıllılığı konusunda öne çıkar; mobil bilgisayarları, barkod tarayıcıları, RFID okuyucuları ve özel yazıcıları perakende, sağlık, üretim ve lojistik gibi sektörlerde kullanılır.

2024’ün üçüncü çeyreğinde Zebra, bir önceki yıla göre %31 artışla 1,26 milyar dolar gelir bildirdi. Düzeltilmiş hisse başına kazanç 3,49 dolar olarak gerçekleşti, beklentileri aştı ve güçlü bir büyüme gösterdi.

Sıvı Kristalli Elastomerler, bu malzemeler ısıya veya ışığa maruz kaldıklarında şekil değiştirdiği için Zebra’nın portföyüne ilginç bir ek olabilir; bu da yumuşak robotik veya diğer uyumlu sistemlerde kullanılmalarını ideal kılar. Zebra bu teknolojiyi keşfederse, çözümlerinin uyarlanabilirliğini artırabilir—esnek otomasyon gerektiren endüstriler için değerli olabilir. LCE’ler, Zebra’nın sistemlerinin daha karmaşık ortamlarda çalışmasını veya geleneksel malzemelerin yapamadığı görevleri yerine getirmesini sağlayabilir.

LCE’lerin Geleceği

LCE’ler, sıvı kristallerin anizotropik davranışı ile hafif çapraz bağlı polimerlerin kauçuk elastikiyetini birleştiren benzersiz malzemelerdir. Geleneksel şekil hafıza malzemeleri, yumuşak aktüatörler inşa etmede LCE’ler kadar etkili değildir. LCE’ler olağanüstü mekanik özelliklere, iyi esnekliğe, anizotropik davranışa ve tersinir şekil yanıtlarına sahiptir. 

Ancak, LCE’ler üzerine araştırma tam potansiyellerini ortaya koymak için birden fazla eksikliği ele alması gerekiyor. Araştırmacılar, LCE gibi yumuşak malzemeler için genellikle “yüksek aktüasyon gerilmesi“ ve “büyük aktüasyon deformasyonu,“ her ikisinin de aktüasyon performanslarını belirleyen ana faktörler olduğunu bulmuşlardır. 

Araştırmacılar ayrıca, çoğu LCE’nin termotropik olması nedeniyle, çoklu uyarıcı yanıtlarını ve uzaktan kontrolü, örneğin ışıkla çalışan aktüatörleri gerçekleştirmekte zorlandığını belirlemişlerdir. Alandaki mevcut araştırmaların çoğu, bu sorunları çözmek için LCE matrislerine çeşitli fonksiyonel nano-doldurucular (fototermal, elektrotarmal nano-maddeler vb.) eklemeye odaklanmaktadır.

Bununla birlikte, araştırmacılar arasında, fonksiyonel doldurucuların LCE matrisindeki düşük dağılımı ve zayıf doldurucu-matris etkileşiminin kompozitlerde faz ayrışmasına yol açabileceği ve bu durumun ortaya çıkan aktüatörlerin performansını azaltabileceği konusunda şüpheler bulunmaktadır. 

Bu yönde mevcut araştırmamız iyi niyetli bir adım olsa da, LCE’lerin moleküler düzeni ile eylem özelliği arasındaki ilişki konusunda temel anlayışta şüpheler vardır. Araştırmacılar bunu LCE’lerin deformasyonunu veya hareketini kesin olarak kontrol etmek bir zorluk olarak görüyorlar.

LCE’leri karmaşık mimarilere işlemek için geliştirilen yeni 3D ve 4D baskı teknolojileri geliştirildi ve henüz özelleştirilmiş ekipman üretmeye odaklanıyor, ancak şu ana kadar kitlesel üretim için iyi bir çözüm sunmuyor.

Bunun olumlu tarafı ise, bilim ve teknoloji dünyasında LCE’lere olan ilgi açıkça görülüyor. LCE’lerin akıllı cihazların inşasında kullanımı giderek artıyor.

Yeni LCE malzeme tiplerine artan ilgi, gelişmiş 3D mikro/nano imalat teknolojileri, yeni eylem şemaları ve sofistike manipülasyon stratejileriyle, LCE tabanlı aktüatörler hızlı ilerlemeler kaydedebilir ve yakında daha keskin uygulamalara ulaşabilir.

3D baskıya yatırım hakkında her şeyi öğrenmek için buraya tıklayın.