생체공학 혁명: 스마트 전자기계 소재 4D 프린팅

마드리드 카를로스 3세 대학교(UC3M), 스페인

새로운 스마트 프린터가 압출 파라미터를 지속적으로 조정하며 소프트 다기능 소재 제조를 가능하게 합니다. 실험적, 계산적 방법 결합으로 생체 조직 모방 기계적 특성을 가진 전도성 및 자기활성 소재를 프린팅합니다. (이미지: UC3M)

마드리드 카를로스 3세 대학교(UC3M) 연구진이 생체공학 분야 응용을 위한 4D 프린터 소프트웨어와 하드웨어를 개발했습니다. 3D 프린팅 외에도 이 기계는 추가 기능 제어가 가능합니다: 외부 자기장 하에서 형상 변화가 일어나도록 소재 반응 프로그래밍하거나, 기계적 변형 시 전기적 특성 변화가 발생하도록 할 수 있습니다.

생체 조직 모방 소프트 다기능 구조 개발

이 연구 라인은 뇌나 피부 같은 생체 조직 기계적 특성을 모방하는 소재로 구성된 소프트 다기능 구조 개발에 집중합니다. 또한 자기장이나 전류 같은 외부 자극으로 작동 시 형상이나 특성을 변경할 수 있습니다.

기존 형상 설계 및 지능형 반응 프로그래밍 한계 극복

지금까지 이 연구팀은 이러한 구조 설계와 제조에서 여러 진전을 이뤘지만, 형상 설계와 지능형 반응 프로그래밍 측면에서 매우 제한적이었습니다. 어드밴스드 머티리얼즈 테크놀로지스(Advanced Materials Technologies) 저널에 발표된 최신 연구에서 제시된 작업은 새로운 4D 프린팅 방법론 개발로 새로운 가능성을 열었습니다.

"이 기술로 3차원 구조 프린팅 방식뿐만 아니라 외부 자기장 작용에 반응해 특성이나 기하학을 변경하는 능력, 변형 시 전기적 특성을 수정하는 능력을 부여할 수 있습니다."라고 연구자 중 한 명인 다니엘 가르시아 곤잘레스(Daniel García González)가 설명했습니다. 그는 ERC 4D-BIOMAP(GA 947723) 프로젝트 책임자이자 UC3M 연속체 역학 및 구조 이론과 부교수입니다.

액체-고체 전이 소재 역학 이해로 공정 최적화

이 유형의 프린팅은 프린팅 과정에서 소재가 액체에서 고체로 전이되므로 복잡합니다. 따라서 프린터 노즐을 통과할 때 충분히 액체 상태면서 특정 형상을 유지할 만큼 충분히 단단한 소재를 얻기 위해 제조 공정을 적응시키려면 소재 역학을 이해해야 합니다.

이론-실험 결합 학제간 방법론으로 하드웨어·소프트웨어 자체 구축

이를 위해 이론적, 실험적 기법을 결합한 학제간 방법론을 개발해 하드웨어와 소프트웨어를 포함한 프린팅 장치를 처음부터 구축할 수 있게 했습니다.

외부 도움 없이 자율 자가 치유 가능한 새로운 소재 개념 개발

연구진은 외부 조치 없이 자율적으로 자가 치유 가능한 새로운 소재 개념도 개발했습니다. "이 소재는 잔류 자기장을 가진 자기 입자가 임베디드된 소프트 폴리머 매트릭스로 구성됩니다. 실용적으로는 소재에 작은 자석들이 분포된 것과 같아서, 부서졌을 때 결과 부분들을 다시 합치면 물리적으로 결합해 구조적 무결성을 회복합니다."라고 곤잘레스가 말했습니다.

세 가지 기능성 소재 프린팅 성공: 자기장 반응, 자가 치유, 변형 시 전기적 특성 변화

이러한 발전 덕분에 팀은 세 가지 기능성 소재를 프린팅할 수 있었습니다: 외부 자기장에 반응해 형상과 특성이 변하는 것, 자가 치유 능력 있는 것, 형상이나 변형에 따라 전기적 특성(전도도)이 변하는 것.

자가 치유 + 전도도 변화 조합으로 센서·소프트 로봇 개발 가능성 확대

자가 치유 능력과 변형에 따른 전기 전도 특성 변화 소재 조합은 센서와 소프트 로봇 개발에 엄청난 가능성을 엽니다.

자세한 정보는 프코. 하비에르 알론소(Fco. Javier Alonso)에게 문의하세요. 이메일: [보호된 이메일]; 전화: 916-249-035.