열자기 프로그래밍 가능 물질의 복잡한 선택적 조작

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20767(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

프로그래밍 가능한 물질은 명령에 따라 모양, 강성 또는 기타 물리적 특성을 변경할 수 있습니다. 이전 연구에서는 비접촉 광학 제어 물질 또는 자기 작동을 보여 주었지만 전자는 강도가 제한되고 후자는 공간 분해능이 제한됩니다. 여기서 우리는 빛 패턴과 자기장을 결합한 전례 없는 수준의 제어를 보여줍니다. 열가소성 물질과 강자성 분말의 혼합물은 가단성이 있고 자기장에 의해 끌리는 특정 위치에서 가열됩니다. 이러한 가열된 부분은 냉각되면서 굳어지며 이 과정은 반복될 수 있습니다. 촉각 디스플레이 및 개체 조작에 응용 프로그램을 사용하여 3D 슬래브, 2D 시트 및 1D 필라멘트의 복잡한 제어를 보여줍니다. 낮은 전이 온도와 마이크로파 가열 사용 가능성으로 인해 화합물은 공기, 물 또는 생체 조직 내부에서 조작될 수 있으며 생체 의학 장치, 로봇 공학 또는 디스플레이 기술에 혁명을 일으킬 가능성이 있습니다.

프로그래밍 가능한 물질은 프로그래밍 방식으로 모양, 밀도, 계수 또는 기타 물리적 특성을 변경할 수 있습니다1. 이러한 변화는 외부적으로 제어되거나 재료에 내장된 감지 및 처리에 의해 트리거됩니다2. 프로그래밍 가능한 물질을 구현하는 데 대한 주요 두 가지 접근 방식은 다음과 같습니다. 더 많은 지능을 제공하는 모듈형 로봇3; 외부 작동4은 더 높은 공간 해상도와 확장성을 제공합니다. 프로그래밍 가능한 물질은 엔지니어링 및 의료 분야에서 획기적인 응용 분야를 보유하고 있지만 조작에서 달성할 수 있는 세분성은 여전히 ​​상당히 제한되어 있습니다.

외부 작동 방법으로는 빛이 사용되었습니다. 아조벤센5과 결합된 재료는 조명을 받으면 작동됩니다. 예를 들어 반사 또는 불투명 물체가 재료에 접근할 때 움직임을 트리거하거나6 동적 조명 패턴으로 조명을 받으면 필라멘트 및 원통에서 이동을 활성화합니다7. 반면, 빛에 의해 생성된 열은 온도 구배로 인해 수면 위의 작은 물체를 움직이거나8 형상 기억 합금9의 상 변화를 일으킬 수 있습니다. 빛이나 빛에 의한 열효과에 의한 작동은 기존 영상 투사 기술에 비해 공간 분해능은 높으나 작동 강도가 상대적으로 약해 작동 후 물질 전체가 초기 상태로 돌아가거나 비가역적인 상태를 유지한다. 게다가 빛은 불투명한 물질을 통과할 수 없습니다.

자기장은 멀리서 물질을 제어하는 ​​또 다른 방법입니다. 자성 분말을 함유한 유연한 폴리머 실을 원격으로 조종하여 뒤틀린 환경을 탐색할 수 있고10 강자성 또는 자성 입자가 내장된 유연한 재료 시트를 이동을 위해 제어된 방식으로 변환하고 구부릴 수 있으며11,12 자성 섬모로 만든 카펫을 작동할 수 있습니다. 그 위에 있는 물체를 제어하고13 자성 점액을 자기적으로 움직여 다른 물체를 가두어 운반할 수 있습니다14. 자기 구동은 강력하고 비금속 물질을 통과할 수 있지만 자기장은 먼 거리에서 집중되지 않기 때문에 높은 공간 분해능을 가질 수 없습니다. 더 나은 제어를 위해 빛15 또는 전자기 유도16를 사용하여 재료를 퀴리 온도까지 가열하여 재료의 자기 인력 또는 반발력을 조절할 수 있지만 이러한 방법은 전체 표면에 적용되어 미세한 조작이 불가능합니다. 액체 금속은 외부 자기장에 의해 물방울17로 변환될 수 있으며, 자기유변학적 슬러리에 결합되면 강성을 변경하여 재구성 가능한 회로에서 동적 전기 연결 역할을 할 수도 있습니다.

여기에서 우리는 강자성 분말(철 입자)과 혼합된 저온 가역성 열가소성 수지(폴리카프로락톤, PCL) 매트릭스로 만들어진 복합 재료에 대한 열 공간 패턴과 자기 작동의 조합을 사용하여 물질을 조작하는 전례 없는 수준의 제어를 보여줍니다. 방법” “화합물 혼합”.