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。