汚染をロボットに変える
毎年、石油精製は副産物として数千万トンの元素硫黄を生成します。この硫黄の大部分は製油所近くの巨大なブロックに貯蔵されるか、肥料生産などの限定的な工業用途に使用されます。これは石油業界で最も顕著な廃棄物管理問題の1つです。
韓国の研究チームは、この産業廃棄物ストリームを自動移動する完全にリサイクル可能なソフトロボットに変える方法を見つけました。初めて実証された4Dプリント方法を使用して、Korea Research Institute of Chemical TechnologyのDr. Dong-Gyun Kim、Hanyang UniversityのProfessor Jeong Jae Wie、およびSejong UniversityのProfessor Yong Seok Kim主導のチームは、持続可能性と最先端ロボット工学を予想外の方法で結合する新しいクラスの材料を開発しました。
4Dプリントとは?
標準的な3Dプリントは静的なオブジェクトを生成します — プリントプロセス後に固定された形状です。4Dプリントは4番目の次元を追加します: 時間です。4Dプリントを通じて作成されたオブジェクトは、特定の環境トリガーに露出したときに製造後に形状、構造、または特性を変えるように設計されています。その結果は、完成品ではなく、環境に対して動的に動作するプログラムされた材料である印刷されたオブジェクトです。
韓国のチームは、poly(phenylene polysulfide)ネットワーク(PSN)と呼ばれる硫黄が豊富な新しいクラスのポリマーを設計することでこれを可能にしました。これらのポリマーは、逆硫化と呼ばれる反応を通じて元素硫黄と小さな芳香族分子から合成されます — 硫黄の不安定で結晶性の形をプログラム可能な機械的特性を持つ安定した非晶質ポリマーに変換するプロセスです。
ロボットがどのように動くか
PSN材料は刺激応答性です — 外部トリガーに露出したときに物理的寸法または機械的動作を変えます。チームは3つの異なる刺激への応答を実証しました: 熱、光(photothermal conversionを通じて)、および磁性ナノ粒子と混合したときの磁場です。
4Dプリントされたpsn構造の幾何学を設計し、これらの構造内に異なる材料組成を配置する場所を選択することにより、研究者は特定の変形シーケンスをプログラムできます — ロボットは加熱されると丸まり、冷却されると真っすぐになり、磁場に向かって曲がります。これらのプログラムされた機械的動作は、材料の大規模で可逆的な変形の能力と組み合わされて、ロボットが適切な環境に配置されたときに自律的な移動を生成します。
リサイクル可能性の利点
PSNベースのソフトロボットの最も商業的かつ環境的に重要な特性の1つはそのリサイクル可能性です。ソフトロボット工学で使用される従来のelastomersとは異なり、psnネットワークは適切な条件下で切断および再形成できる動的共有硫黄-硫黄結合を含みます。損傷した、または寿命の終わりのpsnロボットは、溶解、再処理、および印刷し直すことができます — 真に循環的な材料ライフサイクルです。
廃棄物由来のフィードストックと再利用可能な材料ライフサイクルの組み合わせは、PSNプラットフォームに先進的な材料研究では珍しい持続可能性プロファイルを与えます。ほとんどの高性能材料は稀またはリサイクルが困難な成分を伴います。psnアプローチは豊富な廃棄物ストリームからパフォーマンスを構築し、製品ライフサイクル全体を通じてその材料を回復可能な形式で保持します。
潜在的な応用
ソフトロボット工学 — 硬い構造ではなく、順応性のある変形可能な材料から構築されたロボット — は従来のロボットが不適切な場所で応用があります。身体腔を移動する最小限に侵襲的な医療デバイス、損傷なく繊細なオブジェクトを処理するグリッパー、不規則な限定的なスペースを通過する検査ロボット、および瓦礫を通して適合するために変形する捜索救出ロボットはすべてアクティブなソフトロボット開発エリアです。PSNプラットフォームの環境刺激への自律的な応答性は、そのリサイクル可能性と廃棄物由来のフィードストックと組み合わされて、このフィールドへの潜在的に重要な貢献として位置付けられています。
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