폐기 원소 황(waste elemental sulfur)으로부터 유도된 형상-프로그램가능 폴리머 네트워크는 4D 프린팅 및 소프트 로보틱스와 같은 다양한 응용 분야에 대해 큰 잠재력을 지닌다. 그러나 이러한 네트워크의 가교화된 특성으로 인해 소프트 로봇용 복잡한 기하를 3D 프린팅하기가 어렵다. 본 연구에서는 폴리(페닐렌 폴리설파이드) 네트워크(poly(phenylene polysulfide) networks, PSNs) 및 이들의 자성 입자 복합체(magnetic particle composites, MPSNs)를 대상으로, 다기능 소프트 로봇을 제조하기 위한 프로그래머블 형상-변형 능력을 갖춘 폐루프(closed-loop) 4D 프린팅 전략을 보고한다. 느슨하게 가교화된 PSN 내부의 동적 S─S 결합은 전단-박화(shear-thinning) 거동을 부여하여, PSN과 MPSN 모두를 복잡한 구조로 핫멜트 압출(hot-melt extrusion)할 수 있게 한다. 형상-프로그래밍 이후, 3D 프린팅된 PSN 및 MPSN 구조는 열 또는 빛에 의해 유도되는 형상 복원 특성을 보이며, PSN 계열의 서로 다른 유리전이온도(glass transition temperatures)에 의해 좌우되는 공간 선택적 형상-변형을 위한 모듈형 조립을 가능하게 한다. 이러한 아키텍처는 새로운 형태로 손쉽게 재프린팅될 수 있어, 폐루프이면서도 지속가능한 4D 프린팅을 입증한다. PSN 복합체가 제공하는 다중 자극 반응성과 용매 내성 덕분에, MPSN 캡슐은 시약이 포함된 용액에서 필요할 때 사용할 수 있는 촉매 방출형 자성 교반 바(catalyst-releasing magnetic stirring bar) 역할을 수행한다. 즉, 설정된 온도에서 촉매를 자율적으로 방출하여 카바메이트 합성을 촉진한다. 4D 프린팅이 가능한 MPSN은 적응형 형상-변형 및 동적 구동뿐 아니라 차세대 소프트 로보틱스 응용에서의 자율적 작업 수행을 위한 지속가능한 플랫폼을 제공한다.

= 86 °C)로 UV 없이도 가능함을 보였다. 분자 동역학(MD) 시뮬레이션은 또한 UV 및 열 유도에 의한 동적 결합 교환의 기반 메커니즘을 규명한다. 자기 NdFeB 입자를 도입함으로써 CAN/NdFeB 마이크로어레이의 자석기계적 구동이 구현된다. 자기장을 제거한 뒤 구동된 형상을 유지하기 위해 바인더에 의존하는 기존의 접근법과 달리, 본 시스템은 상온에서 동적 결합 교환을 통해 작동 중(in-operando) UV 연료 기반 형상 재구성과 고정이 가능하며, 필요에 따라 원래의 구조로의 가역적 복구가 이루어진다. 또한 광응답성은 마스킹 기법을 통해 동적 결합 교환 및 그에 따른 마이크로구조물에 대해 비접촉식 시공간적 제어를 가능하게 한다. 이 전략은 외부 압력 없이 건조 조건에서 손쉬운 패터닝 가능한 3D 마이크로제조와 바인더 프리 동종(호모로그스) 형상 고정을 제공한다.

이전 SRP 기반 TENGs와 비교하여.

자연의 상어가죽은 리블렛(riblet) 질감의 비등방성 미세치돌기(riblet-textured anisotropic microdenticles)가 비스듬히 겹쳐진( staggered-overlapped ) 다층 구조를 가지며, 항력 감소를 나타내면서 유연하면서도 견고한 방호구를 제공한다. 그러나 이러한 고유한 기능성과 기계적 건전성을 갖는 3차원(3D) 상어가죽의 인공 제작은 기존의 공정으로는 어려운 과제이다. 본 연구에서는 폴리머 복합재의 자기 작동(magnetic actuation)을 이용한 다층 3D 상어가죽의 손쉬운 미세제작과, 얇은 폴리머 박막의 캐스팅(casting)에 의한 후속 화학적 형상 고정(chemical shape fixation)에 대해 보고한다. 제작된 소수성 상어가죽은 기하학적 대칭성 깨짐(geometric symmetry breaking)을 통해, 리블렛 질감의 미세치돌기에 대하여 정면 및 후방 흐름 방향에서 비등방성 항력 감소를 달성한다. 기계적 건전성을 위해, 폴리머 상어가죽에 산화아연(zinc oxide)과 백금(platinum)의 얇은 층을 코팅하여 폴리머보다 경도와 회복(recovery) 거동이 더 높은 하드온소프트(hard-on-soft) 다층 기계적 특성을 구현한다. 이 다층 하드온소프트 상어가죽은 마찰 비등방성, 기계적 강인성, 그리고 구조적 회복성을 나타낸다. 또한 MXene 나노시트를 코팅하면 제작된 상어가죽의 전기 저항이 약 ≈5.3 Ω로 낮아져, 높은 줄열(Joule heating)을 유도하며 2.75 V에서 약 ≈229.9 °C에 이른다. 제안된 자기기계적 작동(magnetomechanical actuation) 보조 미세제작 전략은 다기능 마이크로텍스처(microtextures)를 필요로 하는 장치의 개발을 촉진할 것으로 기대된다.

폐기 원소 황(waste elemental sulfur)으로부터 유도된 형상-프로그램가능 폴리머 네트워크는 4D 프린팅 및 소프트 로보틱스와 같은 다양한 응용 분야에 대해 큰 잠재력을 지닌다. 그러나 이러한 네트워크의 가교화된 특성으로 인해 소프트 로봇용 복잡한 기하를 3D 프린팅하기가 어렵다. 본 연구에서는 폴리(페닐렌 폴리설파이드) 네트워크(poly(phenylene polysulfide) networks, PSNs) 및 이들의 자성 입자 복합체(magnetic particle composites, MPSNs)를 대상으로, 다기능 소프트 로봇을 제조하기 위한 프로그래머블 형상-변형 능력을 갖춘 폐루프(closed-loop) 4D 프린팅 전략을 보고한다. 느슨하게 가교화된 PSN 내부의 동적 S─S 결합은 전단-박화(shear-thinning) 거동을 부여하여, PSN과 MPSN 모두를 복잡한 구조로 핫멜트 압출(hot-melt extrusion)할 수 있게 한다. 형상-프로그래밍 이후, 3D 프린팅된 PSN 및 MPSN 구조는 열 또는 빛에 의해 유도되는 형상 복원 특성을 보이며, PSN 계열의 서로 다른 유리전이온도(glass transition temperatures)에 의해 좌우되는 공간 선택적 형상-변형을 위한 모듈형 조립을 가능하게 한다. 이러한 아키텍처는 새로운 형태로 손쉽게 재프린팅될 수 있어, 폐루프이면서도 지속가능한 4D 프린팅을 입증한다. PSN 복합체가 제공하는 다중 자극 반응성과 용매 내성 덕분에, MPSN 캡슐은 시약이 포함된 용액에서 필요할 때 사용할 수 있는 촉매 방출형 자성 교반 바(catalyst-releasing magnetic stirring bar) 역할을 수행한다. 즉, 설정된 온도에서 촉매를 자율적으로 방출하여 카바메이트 합성을 촉진한다. 4D 프린팅이 가능한 MPSN은 적응형 형상-변형 및 동적 구동뿐 아니라 차세대 소프트 로보틱스 응용에서의 자율적 작업 수행을 위한 지속가능한 플랫폼을 제공한다.

= 86 °C)로 UV 없이도 가능함을 보였다. 분자 동역학(MD) 시뮬레이션은 또한 UV 및 열 유도에 의한 동적 결합 교환의 기반 메커니즘을 규명한다. 자기 NdFeB 입자를 도입함으로써 CAN/NdFeB 마이크로어레이의 자석기계적 구동이 구현된다. 자기장을 제거한 뒤 구동된 형상을 유지하기 위해 바인더에 의존하는 기존의 접근법과 달리, 본 시스템은 상온에서 동적 결합 교환을 통해 작동 중(in-operando) UV 연료 기반 형상 재구성과 고정이 가능하며, 필요에 따라 원래의 구조로의 가역적 복구가 이루어진다. 또한 광응답성은 마스킹 기법을 통해 동적 결합 교환 및 그에 따른 마이크로구조물에 대해 비접촉식 시공간적 제어를 가능하게 한다. 이 전략은 외부 압력 없이 건조 조건에서 손쉬운 패터닝 가능한 3D 마이크로제조와 바인더 프리 동종(호모로그스) 형상 고정을 제공한다.

이전 SRP 기반 TENGs와 비교하여.

자연의 상어가죽은 리블렛(riblet) 질감의 비등방성 미세치돌기(riblet-textured anisotropic microdenticles)가 비스듬히 겹쳐진( staggered-overlapped ) 다층 구조를 가지며, 항력 감소를 나타내면서 유연하면서도 견고한 방호구를 제공한다. 그러나 이러한 고유한 기능성과 기계적 건전성을 갖는 3차원(3D) 상어가죽의 인공 제작은 기존의 공정으로는 어려운 과제이다. 본 연구에서는 폴리머 복합재의 자기 작동(magnetic actuation)을 이용한 다층 3D 상어가죽의 손쉬운 미세제작과, 얇은 폴리머 박막의 캐스팅(casting)에 의한 후속 화학적 형상 고정(chemical shape fixation)에 대해 보고한다. 제작된 소수성 상어가죽은 기하학적 대칭성 깨짐(geometric symmetry breaking)을 통해, 리블렛 질감의 미세치돌기에 대하여 정면 및 후방 흐름 방향에서 비등방성 항력 감소를 달성한다. 기계적 건전성을 위해, 폴리머 상어가죽에 산화아연(zinc oxide)과 백금(platinum)의 얇은 층을 코팅하여 폴리머보다 경도와 회복(recovery) 거동이 더 높은 하드온소프트(hard-on-soft) 다층 기계적 특성을 구현한다. 이 다층 하드온소프트 상어가죽은 마찰 비등방성, 기계적 강인성, 그리고 구조적 회복성을 나타낸다. 또한 MXene 나노시트를 코팅하면 제작된 상어가죽의 전기 저항이 약 ≈5.3 Ω로 낮아져, 높은 줄열(Joule heating)을 유도하며 2.75 V에서 약 ≈229.9 °C에 이른다. 제안된 자기기계적 작동(magnetomechanical actuation) 보조 미세제작 전략은 다기능 마이크로텍스처(microtextures)를 필요로 하는 장치의 개발을 촉진할 것으로 기대된다.

스페이서 두께가 각각 90, 338, 572 nm일 때 4 µm에서이다. 고감도이면서도 비용 효율적인 SM-편광기의 이러한 시연은 적외선 편광계측 영상과 편광 조작을 위한 응용 분야에서 흥미로운 새로운 가능성을 연다.

열화학적 전환을 통한 바이오연료 생산의 바이오 기반 부산물인 바이오차(biochar)는 비용을 낮추고 열-기계적 특성을 향상시키며 환경 정화에 기여하기 위한 중합체 복합재의 충전재로서의 잠재력을 지닌다. 3D 프린팅된 바이오차 복합재는 최근 몇 년간 점차 관심을 받아 왔으나, 층간 접착 불량과 노즐 막힘과 같은 어려움을 겪어 왔다. 현재까지는 3D 프린팅된 바이오차 복합재와 관련 바이오차 특성을 심층적으로 고찰한 문헌 고찰이 없다. 본 연구는 3D 프린팅 폴리머 및 바이오차 복합재에 관한 최근 연구들을 요약하고 논의하며, 각 연구에서 도출된 기계적, 열적 및 추가 특성을 검토한다. 또한 입자 크기와 바이오차 응집으로 인한 노즐 막힘 등 인쇄성(printability)의 기술적 과제도 함께 논의한다. 더 나아가, 본 연구는 잠재적인 3D 프린팅 결과와 관련하여 열분해 조건 및 원료 선택으로 인해 나타나는 바이오차 특성의 변동성을 논의한다. 특히 여러 연구에서는 고(高) 리그닌(lignin) 원료가 3D 프린팅의 후보가 될 수 있다고 보고하였다. 물리적 및 화학적 방법을 통한 바이오차의 후처리 접근법도 소개한다. 볼 밀링(ball milling)은 입자 크기, 표면적, 기능기(functional groups)를 조절할 수 있어 물리적 처리에 가장 큰 가능성을 지니는 것으로 보이며, 산 또는 알칼리를 이용한 화학적 처리는 바이오차의 기공도와 친화성(wettability)을 맞추기 위해 사용된다. 전반적으로, 연구 수가 제한되어 있으므로 향후 연구에서는 바이오차의 생산 및 후처리 방법을 그 결과로 나타나는 3D 프린팅 매개변수와 연계해 수행할 필요가 있는 것으로 확인되었다.

박막 액추에이터에서 대변형(large-strain) 역학을 정확히 예측하는 것은 접이식, 말이 감는(롤러블), 신축성 디스플레이 모듈과 같은 형상 변형(shape-morphing) 전자기기를 설계하는 데에 핵심적이다. 본 연구에서는 갱신된 라그랑주(updated Lagrangian) 정식에 기반한 유한요소 해석 프레임워크를 제시하며, 각 시뮬레이션 단계마다 변형된 구성(deformed configuration)에서 응력과 변형률을 평가한다. 탄성계수(elastic modulus), 포아송비(Poisson’s ratio), 밀도(density) 등 온도 의존적인 재료 물성을 실험적으로 측정한 값을 연속적으로 재사상(remapping)하고, 키리기라미(kirigami) 절단으로부터 발생하는 경계 조건의 변화(evolving boundary conditions)를 수용함으로써, 응력의 시공간적(spatio-temporal) 진화를 포착하며, 응력을 유발하는 인접한 국소 액추에이팅 영역들 사이의 상호작용이 전체 3차원 형상 변환에 어떻게 영향을 주는지 보여준다. 시뮬레이션은 동시성(synclastic) 및 반동시성(anticlastic) 곡률, 사전 변형(pre-strain) 불일치로 인한 비대칭 비틀림, 그리고 이중 및 다중 힌지(double- and multi-hinge) 구성에서의 응력 결합(stress coupling)과 같은 주요 현상을 재현하며, 실험과의 일치도가 높다. 시간분해된 응력 분포와 중간 형상 구성은 복잡한 변형 거동을 뒷받침하는 메커니즘에 대한 유용한 통찰을 제공한다. 본 정식은 특정 액추에이팅 자극(stimulus)에 구애되지 않으므로, 다중 자극(multi-stimulus) 모폴링(morphing) 시스템으로 손쉽게 확장될 수 있다. 전반적으로, 본 프레임워크는 액추에이터 배치와 재료 물성의 시공간적 재분배(spatio-temporal redistribution)를 결과적인 3차원 형태(3D morphology)와 연결하는 일반적인 예측 도구를 제공함으로써, 적응형 디스플레이 구조 및 기타 변형 가능한 박막 소자의 가상 프로토타이핑을 가능하게 한다.

물리적으로 지능화된 소재는 탑재 에너지 원이나 정교한 제어 알고리즘과 무관하게 무선 동력 구동의 기동성을 제공하므로, 소형화된 로봇 시스템에 매우 적합하다. 액정 고분자(LCP)는 이방성 액정 분자의 질서–무질서 전이(order–disorder transition)에 의해 온도 변화 시 형상을 변형할 수 있다. 메소겐 단위(mesogenic units)로 형성된 액정(LC)은 다양한 메조페이즈(mesophases)를 나타내며, 특히 장거리 배향 질서(long-range orientational order)를 특징으로 하는 네마틱(nematic) 상이 대표적이다. 이러한 LC의 배향 질서는 메소겐 단위의 이방성 기하학이 유도하는 단거리 반발력과, 정렬된 상태를 안정화하는 π–π stacking 및 분산력(dispersion forces)과 같은 장거리 분자 간 상호작용의 상호작용에서 기인한다. LCP는 열변성(thermotropic) LC 분자를 네트워크 구조에 공고유(covalent) 결합으로 편입하여 합성된다. 가열 시 LC 분자는 배향 질서를 부분적으로 상실하며, 그 결과 분자 정렬 방향을 따라 이방성 수축이 발생한다. 구속되지 않은(untethered) 형상 제어를 달성하기 위해, LCP는 분자 수준에서 설계되거나 다양한 외부 자극에 반응하도록 기능성 소재와 통합된다. 이러한 자극은 열(전도, 광열, 전기열), 전기장, 자기장, 빛 자극으로 분류할 수 있으며, 각각 서로 다른 구동(actuation) 경로를 제공한다. 그중 빛은 두 가지 주요 메커니즘을 통해 LCP 형태 변형을 유도한다: 광화학적(photochemical) 작용과 광열적(photothermal) 작용이다. 광화학적 효과는 내재된 포토스위치(예: 아조벤젠)의 광이성질화(photoisomerization)에 기반하며, 피부–벌크(skin-bulk) 효과를 통해 거시적 변화를 유발한다. 반대로 광열적 효과는 기능성 소재(예: 광열 입자 또는 염료)를 삽입하거나 이를 이중층(bilayer) 구조에 통합함으로써 달성할 수 있다. 즉, 흡수된 광자를 열로 전환하여 LCP의 질서–무질서 전이를 유도한다. LCP 시스템은 고정된 변형을 수행하는 수준에서 출발하여, 육상·수중·공중 환경에서의 자율 이동을 포함하는 정교한 동적 보행(locomotion)으로 점진적으로 진화해 왔다. 이러한 고차원 LCP 보행 구동체(locomotor)의 구현은 로봇–환경 상호작용에 대한 전반적인 이해와 정교한 공학 전략의 통합에 달려 있다. 이에 본 스포트라이트는 LCP 기반 구동기의 성능을 향상시키기 위한 분자 공학(molecular engineering), 기하학적 맞춤(geometric tailoring), 자극 조절(stimuli modulation) 전략을 개관한다. 우리는 LCP 기반 소프트 로보틱스 및 형상 재구성(shape-reconfigurable) 장치에서 광자 또는 열 에너지를 기계적 에너지로 전환하는 근본 원리를 논의한다. 또한, LCP의 자연 모사(nature-inspired) 보행에 관한 최근의 성과를 소개하며, 구름(rolling), 등반(climbing), 점프(jumping)를 포함한 다양한 동적 거동을 가능하게 하기 위한 분자 기하학 설계에 중점을 둔다. 마지막으로, 유연 전자(flexible electronics) 및 이동 구동 전원(locomotive power sources)과 같은 기능성 시스템으로서 LCP 복합재의 설계 전략을 강조하여 실제 응용에 대한 통찰을 제공한다.