[논문 리뷰] Magnetic Dynamic Polymers for Modular Assembling and Reconfigurable Morphing Architectures

Xiao Kuang, Shuai Wu외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 16.

Advanced Materials and Mechanics참고 문헌 57인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 열가소성 동적 폴리머 네트워크 내에 경자성 마이크로입자를 포함한 자기 동적 폴리머 복합체를 소개하며, 이는 목표 지향적 용접, 자화 재프로그래밍 및 2차원 테셀레이션의 복잡한 3차원 형태로의 원격 재구성 가능성을 제공한다. 이 시스템은 네트워크의 플라스티시티와 자기 작동을 결합하여 요구 시점에서의 가역적이고 재구성 가능한 형태 변화를 실현하며, 프로그래밍 가능한 功能을 가진 소프트 아키텍처의 모듈식 조립을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Shape morphing magnetic soft materials, composed of magnetic particles in a soft polymer matrix, can transform shapes reversibly, remotely, and rapidly, finding diverse applications in actuators, soft robotics, and biomedical devices. To achieve on-demand and sophisticated shape morphing, the manufacturing of structures with complex geometry and magnetization distribution is highly desired. Here, we report a magnetic dynamic polymer composite composed of hard-magnetic microparticles in a dynamic polymer network with thermal-responsive reversible linkages, which permit functionalities including targeted welding, magnetization reprogramming, and structural reconfiguration. These functions not only provide highly desirable structural and material programmability and reprogrammability but also enable the manufacturing of structures with complex geometry and magnetization distribution. The targeted welding is exploited for modular assembling of fundamental building modules with specific logics for complex actuation. The magnetization reprogramming enables altering the morphing mode of the manufactured structures. The shape reconfiguration under magnetic actuation is coupled with network plasticity to remotely transform two-dimensional tessellations into complex three-dimensional architectures, providing a new strategy of manufacturing functional soft architected materials such as three-dimensional kirigami. We anticipate that the reported magnetic dynamic polymer provides a new paradigm for the design and manufacturing of future multifunctional assemblies and reconfigurable morphing architectures and devices.

연구 동기 및 목표

• 요구 시점에서의 가역적이고 재구성 가능한 형태 변화가 가능한 고도의 소프트 로봇 기술 및 생물의학 기기용 소프트 재료 시스템을 개발하기 위해.
• 원격 자기 작동과 구조적 재구성에 의해 2차원 테셀레이션에서 복잡한 3차원 아키텍처를 생성하기 위해.
• 단일 복합체 플랫폼 내에서 목표 지향적 용접과 자화 재프로그래밍을 통해 프로그래밍 가능한 재료 및 구조적 특성을 달성하기 위해.
• 동적 공유 결합을 통해 재구성 가능성과 모듈성을 도입함으로써 전통적인 자기 소프트 재료의 한계를 극복하기 위해.
• 기능적, 다기능적, 재구성 가능한 소프트 아키텍처 재료 제조의 새로운 범주를 제시하기 위해.

제안 방법

• 열역학적으로 가역적인 공유 결합을 포함한 동적 폴리머 네트워크를 사용하여 네트워크의 플라스티시티와 구조적 재구성을 가능하게 한다.
• 경자성 마이크로입자를 매트릭스에 삽입하여 영구 자화를 제공하고 원격 자기 작동을 가능하게 한다.
• 지역적으로 가열하여 공유 결합을 재형성함으로써 목표 지향적 용접을 실현하며, 사전 제작된 빌딩 블록의 모듈식 조립을 가능하게 한다.
• 고온에서 자기장을 적용하여 자화 재프로그래밍을 수행함으로써 작동 방식의 재구성을 가능하게 한다.
• 네트워크의 플라스티시티와 결합된 자기 작동을 통해 2차원 테셀레이션 구조를 복잡한 3차원 아키텍처로 변형한다.
• 열 반응성과 자기 반응성의 상호보완적 작용을 활용하여 원격, 가역적, 프로그래밍 가능한 형태 변화를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 결합과 자기 작동을 통해 단일 소프트 재료 시스템이 모듈식 조립과 재구성 가능한 형태 변화를 동시에 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 소프트 폴리머 복합체에서 자화 분포를 어떻게 재프로그래밍하여 작동 특성을 변경할 수 있는가?
• RQ3 자기력과 네트워크의 플라스티시티를 활용해 2차원 테셀레이션 구조가 얼마나 복잡한 3차원 아키텍처로 재구성될 수 있는가?
• RQ4 소프트 자기 복합체에서 사전 제작된 모듈의 목표 지향적 용접을 공간적 및 열 제어로 달성할 수 있는가?
• RQ5 동적 공유 결합이 소프트 형태 변화 아키텍처의 재구성 가능성과 재프로그래밍 가능성 구현에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 자기 동적 폴리머 복합체는 局부 가열을 통한 국소적 열 활성화를 통해 모듈식 빌딩 블록의 목표 지향적 용접을 실현하며, 특정 기능 논리가 내장된 복잡한 조립을 가능하게 한다.
• 고온에서 외부 자기장을 적용하여 재료 내 자화 이중극의 재정렬을 성공적으로 수행함으로써 형태 변화 반응이 변경됨을 입증하였다.
• 원격 자기 작동과 네트워크의 플라스티시티를 통해 2차원 테셀레이션 구조가 카리기마 유사 형태 등 복잡한 3차원 아키텍처로 재구성됨을 확인하였다.
• 시스템은 빠른 반응 시간과 높은 구조 정밀도를 보이며, 영구 변형 없이 가역적인 형태 변화를 실현하여 동적 재구성을 가능하게 한다.
• 동적 공유 결합과 자기 입자를 조합함으로써 단일 재료 플랫폼 내에서 구조적 재구성과 기능적 재프로그래밍이 동시에 가능하다.
• 이 접근법은 기하학적 형태와 작동 방식을 프로그래밍 가능한 다기능적, 재구성 가능한 소프트 아키텍처 설계를 가능하게 한다.