顕微鏡で見ると、それぞれが砂粒よりも小さいロリポップのような構造の花束が、液体の入ったペトリ皿の中で優しくはためいています。科学者が皿の上で小さな磁石を振ると、突然、ハエトリグサの顎のようにそれらがパチンとくっつきます。かつては小さな受動的構造の集合体であったものが、即座に能動的なロボットグリッパーになりました。
このスティックホルダーは、MITの技術者と、スイスのエコール・ポリテクニック・フェデラーレ・ド・ローザンヌ（EPFL）およびシンシナティ大学の共同研究者によって開発された、新しいタイプの軟磁性ヒドロゲルのデモンストレーションの1つです。今日のジャーナルに掲載された研究では 材料MITチームは、ゲルを印刷して製造する新しい方法を報告し、ゲルを磁気的に作動する複雑な三次元構造に変えることができる。
この新しいゲルは、ロボットや、柔らかく、微細な磁気応答性材料の基礎となる可能性がある。このようなマグノボットは、外部磁石の指示により薬物を放出したり、生検材料を採取したりするなど、医療に使用できる可能性があります。
磁石を使って物体を動かすことは、少なくともマクロスケールでは新しいことではありません。たとえば、冷蔵庫の磁石をペーパー クリップの束の上で振ると、磁石がそれに反応して追従します。そして、マイクロスケールでは、科学者たちはさまざまな磁性「マイクロスイマー」を設計しました。これは、磁石によって遠隔から方向を変えて狭い空間を通過できる、ミリメートル未満のコンポーネントです。ほとんどの場合、これらのデザインは、磁性粒子を印刷可能な樹脂に混合し、スイマー全体を外部磁石に向かって引き寄せることによって機能します。
対照的に、MIT チームの新しい材料は、ミクロンスケールの精度でさらに複雑で変形可能な構造を作ることができます。これらの機能により、磁気ミリボットは個々の機能を移動し、より複雑な操作を実行できるようになります。
「同じ微細構造内で複雑な方法で移動および変形できるコンポーネントを備えた、柔らかく複雑な 3D アーキテクチャを作成できるようになりました」と研究著者であり、MIT 機械工学担当ロバート N. ノイズのカルロス・ポルテラ氏は述べています。 「柔らかい顕微鏡ロボットや刺激に反応する材料にとって、これは革新的な機能となる可能性があります。」
MITの研究の共著者には、大学院生のレイチェル・サン氏とアンドリュー・チェン氏に加え、EPFLのイーミン・ジー氏とダリル・イー氏、シンシナティ大学のエリック・スチュワート氏も含まれる。
あっという間に
MIT では、ポーテラ氏のグループが新しいメタマテリアル、つまり通常を超えた材料特性をもたらすユニークな微細構造で設計された材料の開発を行っています。 Portal は、音を操作し、激しい衝撃に耐えることができる、非常に丈夫で伸縮性のあるアーキテクチャやデザインなど、さまざまなメタマテリアルを作成してきました。
最近では、特定の化学物質、光、電場や磁場などの刺激に応じて特性を変えるように設計できる「プログラム可能な」材料の研究を拡大しています。
スタッフの視点から見ると、磁気刺激は他よりも際立っています。
「磁性反応物質を使用すると、遠隔制御が可能になり、応答が即座に得られます」と筆頭著者のアンドリュー・チェン氏は言います。 「遅い化学反応や物理的プロセスを待つ必要がなく、材料に触れずに操作することができます。」
新しい研究では、チームは 1 ミリメートルより小さい構造を作ることができる応答性のメタマテリアルを作成することを目指しました。研究者は通常、2 光子リソグラフィー (小さな樹脂プールにレーザーを照射する高解像度 3D プリンティング技術) を使用して微細構造を作成します。フラッシュを繰り返すことで、レーザーが樹脂に微細なパターンを描き、樹脂がそのパターンに固まり、最終的に小さな三次元構造が層ごとに形成されます。
3D 樹脂プリントでは複雑な微細構造が生成されますが、同じプロセスを使用して磁気構造をプリントするのは困難でした。研究者らは、混合物を印刷する前に、樹脂と磁性ナノ粒子を組み合わせることを試みた。しかし、磁性粒子は実際には、本質的に光を散乱させたり、意図せずに凝集して堆積したりする金属片です。科学者らは、樹脂内の各磁性粒子が特定の場所でのレーザーの出力を低下させ、結果として得られる構造を弱めたり、完全に印刷できなくなったりする可能性があることを発見しました。
「大部分の磁性粒子を含むミクロンスケールの変形可能な構造の直接 3D プリンティングは非常に困難であり、多くの場合、磁気機能と構造的完全性の間のトレードオフが伴います」と、この研究の共同筆頭著者である Sun 氏は述べています。
ダブルディップ印刷
研究者らは、3D 樹脂印刷と二重浸漬プロセスを組み合わせて、磁性微細構造を製造する新しい方法を開発しました。研究者らは初めて、磁性粒子を添加せずに、従来の樹脂印刷を適用して、典型的なポリマーゲルを使用して微細構造を作成しました。次に、印刷されたゲルを、ゲルが吸収できる鉄イオンを含む溶液に浸しました。次いで、鉄を含浸させた構造を、水酸化物イオンの第２の溶液に再度浸漬する。ゲル内の鉄イオンは水酸化物イオンと結合し、本質的に磁性を有する酸化鉄ナノ粒子を形成します。
この新しいプロセスを使用すると、チームは 1 ミリメートル未満の複雑な構造を印刷し、印刷後に構造に磁気特性を追加することができます。さらに、構造の個々の特性がどの程度磁性を帯びるかを制御することもできます。彼らは、特定の形状を印刷する際にレーザーの出力を調整することで、印刷時のゲルの粘着性、または「緊密さ」を決定できることを発見しました。ゲルが緻密であればあるほど、生成できる磁性粒子は少なくなります。このようにして、研究者は、それぞれの小さな特徴がどの程度磁性を帯びるかを判断できます。
「これにより、多機能のマイクロスケール構造および材料を印刷するための前例のない設計の自由度が提供されます」とサン氏は言います。
デモンストレーションとして、チームは小さなキャンディーに似たボールとスティックの構造を作成しました。構造物の高さは 1 ミリメートル未満で、球体は砂粒よりも小さかった。研究者らはポリマーゲルからキャンディーを印刷し、各ボールに異なる量の磁性粒子を注入して、異なる程度の磁性を与えました。顕微鏡下で、彼らは構造上で通常の冷蔵庫の磁石を動かすと、ループ状の指を模倣した形状で、キャンディーがさまざまな程度で磁石に向かって引き寄せられることに気づきました。
「このような磁性構造は、外部磁石で体内を誘導できる小型ロボットとして使用でき、何かにくっついて、たとえば生検を行うことができると想像できます」とポーテラ氏は言う。 「それは他の人がこの作品から得ることができるビジョンです。」
研究チームはまた、磁性の「双安定」スイッチも開発した。まず、彼らはポリマーゲルの小さなミリメートル長の長方形を印刷し、4つの小さなパドル状の磁性構造を両側に取り付けました。各パドルの厚さは約 8 ミクロンで、赤血球とほぼ同じ大きさでした。研究チームが長方形の一端に磁石を当てると、パドルが磁石に向かって反転し、長方形を同じ方向に引っ張ってその位置に固定した。磁石を反対側に回すと、パドルが再び反転し、スイッチのように長方形を反対方向に引っ張りました。
「これは、例えばマイクロ流体デバイスにおいて、ある種の流れを開閉するための磁気バルブとして使用できる、新しいタイプの双安定機構であると考えています」とポーテラ氏は言う。 「今のところ、私たちは磁性の複雑なアーキテクチャをマイクロスケールで製造し、その特性を空間的に調整する方法を発見しました。これにより、将来の小型ソフトロボットに多くの興味深いアイデアが開かれます。」
この研究は、米国科学財団と MathWorks シード助成プログラムによって部分的に支援されました。
この研究の一部は、MIT.nano 製造および特性評価施設で行われました。
