骨を除けば、私たちの体はほぼ完全に柔らかい生体組織で構成されています。また、医療用インプラントやウェアラブル電子機器などの製品には、ほとんどの場合、少なくともいくつかの硬いコンポーネントが含まれています。私たちの身体上または体内で使用するためのデバイスがますます開発されていますが、これらのデバイスはあまり「身体に似ていない」傾向があります。
これらのデバイスには、より柔らかい合成素材が含まれている場合でも、柔らかい素材と硬い素材が互いに接続されている部分には常に明確な境界線があります。これらの境界は、ストレスがかかると不快感、機能の低下、機械的故障を引き起こす可能性があります。
自然界では、生体組織は、ある点から別の点に伸びるにつれて低剛性から高剛性に徐々に移行することで、このような急激な境界を回避することがよくあります。たとえば、腱は、比較的柔らかい筋肉組織から硬い骨へのスムーズな移行を可能にします。
新しいタイプの 3D プリント樹脂は、個々のオブジェクトにさまざまな硬度を与えることで、この状況を変える可能性があります。
ローレンス リバモア国立研究所 (LLNL) とメタコープの科学者たちは、この特性を「ワンポット」チオール-エン-エポキシ 3D 印刷樹脂で再現しました。他の感光性樹脂と同様に、この樹脂は光にさらされると粘稠な状態から固体の状態に変化します。これらのパターンを樹脂の透明な側面のキャビティに投影することによって、オブジェクトが作成されます。
ただしこの場合、光の強さが固体の硬さを決定します。したがって、作成プロセス全体を通じて光の強度を戦略的に変更することで、単一のオブジェクトをある領域の柔らかさから別の領域の硬さに徐々に移行させることができます。材料の靭性も、勾配全体にわたって最大 10 倍増加します。
この技術のデモンストレーションでは、科学者たちはそれを使用して、テキストメッセージを点字に変換できるオールインワンの指に取り付けるデバイスを印刷しました。ウェアラブル デバイスをエア ポンプに取り付けると、ユーザーの指先を押すパッドに空気が押し込まれ、パッドから空気が押し出され、盛り上がった点字に触れている感覚が再現されます。
「この研究は、単一の樹脂系で柔らかいものから硬いものまでの連続的な機械的勾配を設計できるかどうかを調査したものです」とLLNLの主任研究員であるSijia Huang博士は述べた。 「ここでは、光線量を使用して弾性率を制御するだけで、目に見えるものすべてを印刷しています。」
この研究に関する論文は最近、雑誌「Matter」に掲載されました。