[論文レビュー] Magnetic Dynamic Polymers for Modular Assembling and Reconfigurable Morphing Architectures

Xiao Kuang, Shuai Wu+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Advanced Materials and Mechanics参考文献 57被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、熱応答性の動的重合体ネットワーク中に埋め込まれた硬磁性マイクロ粒子からなる磁気的動的ポリマー複合材料を紹介しており、標的的な溶接、磁化再プログラミング、および2次元のタイル状構造を複雑な3次元形状に遠隔で再構成可能である。このシステムは、ネットワークの塑性と磁気駆動が連携することで、要求に応じて可逆的かつ再構成可能な形状変化を実現し、プログラマブルな機能を有するソフトなアーキテクチャのモジュラー構築を可能にする。

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.

研究の動機と目的

• 要求に応じて可逆的かつ再構成可能な形状変化が可能な、高度なソフトロボティクスおよび医療デバイスに適したソフト材料システムの開発。
• 遠隔磁気駆動と構造的再構成を通じて、2次元のタイル状構造から複雑な3次元アーキテクチャを構築すること。
• 1つの複合材料プラットフォーム上で、標的的な溶接と磁化再プログラミングにより、プログラマブルな材料的および構造的特性を実現すること。
• 動的共有結合を用いることで、従来の磁気的ソフト材料の限界を克服し、再構成可能性とモジュラリティを導入すること。
• 機能的で多機能的かつ再構成可能なソフトアーキテクチャド材料を製造するための新しいパラダイムを提示すること。

提案手法

• 熱的に可逆的な共有結合を有する動的重合体ネットワークを用いることで、ネットワークの塑性と構造的再構成を可能にする。
• マトリックスに硬磁性マイクロ粒子を埋め込むことで、永久的な磁化を付与し、遠隔磁気駆動を可能にする。
• 局所的な加熱により共有結合を再形成することで、標的的な溶接を実現し、事前に加工されたモジュールのモジュラー構築を可能にする。
• 高温状態で外部磁場を印加することで磁化再プログラミングを実施し、駆動モードの再構成を可能にする。
• 磁気駆動とネットワークの塑性を組み合わせることで、2次元のタイル状構造を複雑な3次元アーキテクチャに変換する。
• 熱応答性と磁気応答性の相乗効果を活用することで、遠隔的かつ可逆的・プログラマブルな形状変化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのソフト材料システムが、動的結合と磁気駆動を通じて、モジュラー構築と再構成可能な形状変化を両立できるか。
• RQ2 ソフト重合体複合材料における磁化分布をどのように再プログラミングすることで、駆動特性を変更できるか。
• RQ3 磁気力とネットワークの塑性を用いて、2次元のタイル状構造をどれほど複雑な3次元アーキテクチャに再構成できるか。
• RQ4 ソフト磁性複合材料において、空間的および熱的制御を用いて事前に加工されたモジュールの標的的溶接を達成できるか。
• RQ5 動的共有結合が、ソフト形状変化アーキテクチャの再構成可能性と再プログラミング性をどのように実現するか。

主な発見

• 磁気的動的ポリマーは、局所的な熱活性化によりモジュラー構築ブロックの標的的溶接を可能にし、特定の機能論理を持つ複雑なアセンブリの構築を可能にする。
• 高温状態で外部磁場を用いて磁化デューポールを再配置することで、磁化再プログラミングが成功裏に実証され、形状変化応答が変更された。
• 2次元のタイル状構造が、遠隔磁気駆動とネットワークの塑性を組み合わせることで、キリガミ風の形状など複雑な3次元アーキテクチャに再構成された。
• システムは高速応答時間と高い構造的忠実性を示し、永久的変形を伴わずに可逆的な形状変化と動的再構成が可能である。
• 動的共有結合と磁性粒子の組み合わせにより、1つの材料プラットフォーム上で構造的再構成と機能的再プログラミングの両方が実現された。
• 本アプローチにより、プログラマブルな幾何学的形状と駆動モードを有する多機能的かつ再構成可能なソフトアーキテクチャの設計が可能になった。