$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

소프트 로봇용 4D 프린팅 소재
4D Printing Materials for Soft Robots 원문보기

Fashion & textile research journal = 한국의류산업학회지, v.24 no.6, 2022년, pp.667 - 685  

이선희 (동아대학교 패션디자인학과)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

본 원고는 소프트 로봇용 4D 프린팅 소재와 어그제틱 구조체에 대한 연구 동향을 정리한 것이다. 먼저 4D 프린팅 소재의 형상 변화 거동을 형상 변화와 형상기억 소재, 이중, 삼중, 다중 형상기억 효과, 접힘과 굽힘, 표면지형별로 구분하여 알아보았다. 형상 변화와 형상기억 소재 등 열이나 수분의 자극에 가역적/비가역적 혹은 규칙적/불규칙적 형상 변형이 가능할 수 있다. 다음으로, 차원별 형상이동 유형에 따른 특성과 물성에 대해 알아본 바, 1차원에서 다차원으로의 형상이동을 1D-1D 팽창/수축, 1D-2D 접힘/굽힘, 1D-3D 접힘 (1D-to-3D folding)으로 구분할 수 있다. 2차원에서 형상이동은 2D-2D 굽힙, 2D3D 굽힘/접힘/꼬임/표면말림/표면지형변화/굽힘과 꼬임, 3차원에서 다차원으로의 형상이동은 3D-3D 굽힙과 3D-3D 선형/비선형 거동으로 구분할 수 있다. 마지막으로 4D 프린팅 메타구조체 중 힌지 구조체를 적용한 KinetiX는 단일단위 터셀레이션과 다중단위 터셀레이션으로 모델링할 수 있고, 평면 및 공간 변환이 용이하고, 컨포머블 헬멧에 적용할 수 있다. 키리가미 구조체를 기본으로 한 공압형 어그제틱 구조체는 역설계 기반 구조체로써 굽힘각도를 제어하는 알고리즘으로 설계할 수 있다. 설계 후 3D 프린팅하여 TPU 멤브레인으로 프로토 타입을 제조하였고, 압력을 낮추면서 원하는 3차원 형상으로 완성될 수 있음을 확인하였다. 온도나 습도 등의 외부자극요소에 따라 형상이나 물성을 변화할 수 있는 재료를 사용하여 변형가능한 3차원 구조체로 성형한 4D 프린팅 소재를 이용하여 상지, 하지, 손, 발 등 소프트 로봇의 외골격(exoskeleton) 소재에 적용할 수 있을 것이다. 즉 자세제어, 상황인식, 동작신호 생성 등 다양한 환경에 대응하여 착용자의 움직임에 고하중, 고기동성, 운동지속성을 지원하는 기능을 갖는 소프트 로봇용 4D 프린팅 소재는 헬스케어 웨어러블 의류 제품화 개발로의 용도 전개가 가능할 것이다. 특히 4D 프린팅 소프트 소재 및 공정개발 분야는 일상 생할 보조용이나 재활치료용 의류를 개발하기 위한 3D 프린팅 소재 및 공정의 원천 기술에 해당하므로 이와 관련한 연구의 기초 자료로서 활용되기를 기대한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper aims to investigate 4D printing materials for soft robots. 4D printing is a targeted evolution of the 3D printed structure in shape, property, and functionality. It is capable of self-assembly, multi-functionality, and self-repair. In addition, it is time-dependent, printer-independent, a...

주제어

참고문헌 (52)

  1. Bakarich, S. E., Gorkin III, R., Panhuis, M. I. H., & Spinks, G. M.?(2015). 4D printing with mechanically robust, thermally actuating?hydrogels. Macromolecular Rapid Communications, 36(12), 1211-1217. doi:10.1002/marc.201500079 

  2. Bertoldi, K., Vitelli, V., Christensen, J., & Van Hecke, M. (2017).?Flexible mechanical metamaterials. Nature Reviews Materials,?2(11), 1-11. doi:10.1038/natrevmats.2017.66 

  3. Chen, C. P., & Lakes, R. S. (1996). Micromechanical analysis of?dynamic behavior of conventional and negative Poisson's ratio?foams. 118(3), 285-288 doi:10.1115/1.2806807 

  4. Choi, J. B., & Lakes, R. S. (1992). Non-linear properties of metallic?cellular materials with a negative Poisson's ratio. Journal of?Materials Science, 27(19), 5375-5381. doi:10.1007/BF02403846 

  5. Choi, J. B., & Lakes, R. S. (1996). Fracture toughness of re-entrant?foam materials with a negative Poisson's ratio - Experiment and?analysis. International Journal of Fracture, 80(1), 73-83. doi:10.1007/BF00036481 

  6. Dorsey, K. L., Roberts, S. F., Forman, J., & Ishii, H. (2022). Analysis?of DefeXtiles - A 3D printed textile towards garments and accessories.?Journal of Micromechanics and Microengineering, 32(3), 034005.?doi:10.1088/1361-6439/ac4fad 

  7. Eguchi, S., Okabe, C., Ohira, M., & Tanaka, H. (2022, April).?Pneumatic Auxetics - Inverse design and 3D printing of auxetic?pattern for pneumatic morphing. In CHI Conference on Human?Factors in Computing Systems Extended Abstracts, pp. 1-7. doi:0.1145/3491101.3519801 

  8. Ge, Q., Qi, H. J., & Dunn, M. L. (2013). Active materials by fourdimension printing. Applied Physics Letters, 103(13), 131901. doi:10.1063/1.4819837 

  9. Ge, Q., Dunn, C. K., Qi, H. J., & Dunn, M. L. (2014). Active origami?by 4D printing. Smart Materials and Structures, 23(9), 094007.?doi:10.1088/0964-1726/23/9/094007 

  10. Hager, M. D., Bode, S., Weber, C., & Schubert, U. S. (2015). Shape?memory polymers - Past, present and future developments. Progress?in Polymer Science, 49, 3-33. doi:10.1016/j.progpolymsci.2015.04.002 

  11. Hao, Y., Zhang, S., Fang, B., Sun, F., Liu, H., & Li, H. (2022). A?review of smart materials for the boost of soft actuators, soft?sensors, and robotics applications. Chinese Journal of Mechanical?Engineering, 35(1), 1-16. doi:10.1186/s10033-022-00707-2 

  12. Jamal, M., Kadam, S. S., Xiao, R., Jivan, F., Onn, T. M., Fernandes,?R., ... & Gracias, D. H. (2013). Bio?origami hydrogel scaffolds?composed of photocrosslinked PEG bilayers. Advanced Healthcare?Materials, 2(8), 1142-1150. doi:10.1002/adhm.201200458 

  13. Kim, H. S., Koo, D. S., Nam, Y. J., Cho, K. J., & Kim, S. (2019).?Research on technology status and development direction of?wearable robot. Fashion & Textile Research Journal, 21(5), 640-655. doi:10.5805/SFTI.2019.21.5.640 

  14. Kim, H., Ahn, S. K., Mackie, D. M., Kwon, J., Kim, S. H., Choi, C.,?... & Ko, S. H. (2020). Shape morphing smart 3D actuator?materials for micro soft robot. Materials Today, 41, 243-269.?doi:10.1016/j.mattod.2020.06.005 

  15. Kokkinis, D., Schaffner, M., & Studart, A. R. (2015). Multimaterial?magnetically assisted 3D printing of composite materials. Nature?communications, 6(1), 1-10. doi:10.1038/ncomms9643 

  16. Kolken, H. M., & Zadpoor, A. A. (2017). Auxetic mechanical?metamaterials. RSC advances, 7(9), 5111-5129. doi:10.1039/C6RA27333E 

  17. Kuang, X., Roach, D. J., Wu, J., Hamel, C. M., Ding, Z., Wang, T., ...?& Qi, H. J. (2019). Advances in 4D printing - Materials and?applications. Advanced Functional Materials, 29(2), 1805290.?doi:10.1002/adfm.201805290 

  18. Kuksenok, O., & Balazs, A. C. (2016). Stimuli-responsive behavior of?composites integrating thermo-responsive gels with photo-responsive?fibers. Materials Horizons, 3(1), 53-62. doi:10.1039/C5MH00212E 

  19. Lakes, R. S., & Elms, K. (1993). Indentability of conventional and?negative Poisson's ratio foams. Journal of Composite Materials,?27(12), 1193-1202. doi:10.1177/002199839302701203 

  20. Lauff, C. Simpson, T.W. Frecker, M. Ounaies, Z. Ahmed, S. von?Lockette, P. Strzelec, R. Sheridan, R., & Lien, J. M. (2014).?Differentiating bending from folding in origami engineering using?active materials. ASME 2014 International Design Engineering?Technical Conferences and Computers and Information in?Engineering Conference, American Society of Mechanical?Engineers, pp. V05BT08A040-V005BT008A040. doi:10.1115/DETC2014-34702 

  21. Lee, S. (2022). A review of 3D printing soft materials - 2022 additive?manufacturing of soft materials conference. Fiber Technology &?Industry, 26(3), 112-122. 

  22. Li, H., Gao, X., & Luo, Y. (2016). Multi-shape memory polymers?achieved by the spatio-assembly of 3D printable thermoplastic?building blocks, Soft Matter 12, 3226-3233. doi:10.1039/C6SM00185H 

  23. Liu, Y., Genzer, J., & Dickey, M. D. (2016). "2D or not 2D" - Shapeprogramming polymer sheets. Progress in Polymer Science, 52,?79-106. doi:10.1016/j.progpolymsci.2015.09.001 

  24. Mao, Y., Yu, K., Isakov, M. S., Wu, J., Dunn, M. L., & Jerry Qi, H.?(2015). Sequential self-folding structures by 3D printed digital?shape memory polymers. Scientific Reports, 5(1), 1-12. doi:10.1038/srep13616 

  25. Momeni, F., Liu, X., & Ni, J. (2017). A review of 4D printing. Materials?& Design, 122, 42-79. doi:10.1016/j.matdes.2017.02.068 

  26. Mutlu, R., Alici, G., in het Panhuis, M., Spinks, G. (2015). Effect of?flexure hinge type on a 3D printed fully compliant prosthetic?finger, 2015 IEEE International Conference on Advanced?Intelligent Mechatronics (AIM)IEEE, pp. 790-795. doi:10.1109/AIM.2015.7222634 

  27. Ou, J., Ma, Z., Peters, J., Dai, S., Vlavianos, N., & Ishii, H. (2018).?KinetiX-designing auxetic-inspired deformable material structures.?Computers & Graphics, 75, 72-81. doi:10.1016/j.cag.2018.06.003 

  28. Papadopoulou, A., Laucks, J., & Tibbits, S. (2017). Auxetic materials?in design and architecture. Nature Reviews Materials, 2(12), 1-3.?doi:10.1038/natrevmats.2017.78 

  29. Peraza-Hernandez, E. A., Hartl, D. J., Malak Jr, R. J., & Lago udas, D.?C. (2014). Origami-inspired active structures - A synthesis and?review. Smart Materials and Structures, 23(9), 094001. doi:10.1088/0964-1726/23/9/094001 

  30. Pinskier, J., & Howard, D. (2022). From bioinspiration to computer?generation - Developments in autonomous soft robot design. Advanced?Intelligent Systems, 4(1), 2100086. doi:10.1002/aisy.202100086 

  31. Raviv, D., Zhao, W., McKnelly, C., Papadopoulou, A., Kadambi, A.,?Shi, B., ... & Tibbits, S. (2014). Active printed materials for?complex self-evolving deformations. Scientific Reports, 4(1), 1-8.?doi:10.1038/srep07422 

  32. Ren, X., Das, R., Tran, P., Ngo, T. D., & Xie, Y. M. (2018). Auxetic?metamaterials and structures - A review. Smart materials and?structures, 27(2), 023001. doi:10.1088/1361-665X/aaa61c 

  33. Ryan, K. R., Down, M. P., & Banks, C. E. (2021). Future of additive?manufacturing - Overview of 4D and 3D printed smart and?advanced materials and their applications. Chemical Engineering?Journal, 403, 126162. doi:10.1016/j.cej.2020.126162 

  34. Ryu, J., D'Amato, M., Cui, X., Long, K. N., Jerry Qi, H., & Dunn, M.?L. (2012). Photo-origami-Bending and folding polymers with?light. Applied Physics Letters, 100(16), 161908. doi:10.1063/1.3700719 

  35. Sun, L., & Huang, W. M. (2010). Mechanisms of the multi-shape?memory effect and temperature memory effect in shape memory?polymers. Soft Matter 6, 4403-4406. doi:10.1039/C0SM00236D 

  36. Sydney Gladman, A., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L.,?& Lewis, J. A. (2016). Biomimetic 4D printing. Nature Materials,?15(4), 413-418. doi:10.1038/nmat4544 

  37. Therien-Aubin, H., Wu, Z. L., Nie, Z., & Kumacheva, E. (2013).?Multiple shape transformations of composite hydrogel sheets.?Journal of the American Chemical Society, 135(12), 4834-4839.?doi:10.1021/ja400518c 

  38. Tibbits, S. (2014). 4D printing - Multi-material shape change. Architectural?Design, 84(1), 116-121. doi:10.1002/ad.1710 

  39. Tibbits, S., Mcknelly, C., Olguin, C., Dikovsky, D., & Hirsch, S.?(2014). 4D Printing and universal transformation. Proceedings of?the 34th Annual Conference of the Association for Computer?Aided Design in Architecture (ACADIA). 

  40. Villar, G., Graham, A.D., & Bayley, H. (2013). A tissue-like printed?material. Science, 340, 48-52. doi:10.1126/science.1229495 

  41. Wagner, M., Chen, T., & Shea, K. (2017). Large shape transforming?4D auxetic structures. 3D printing and Additive Manufacturing,?4(3), 133-142. doi:10.1089/3dp.2017.0027 

  42. Wang, J., & Chortos, A. (2022). Control strategies for soft robot?systems. Advanced Intelligent Systems, 4(5), 2100165. doi:10.1002/aisy.202100165 

  43. Wang, P., Casadei, F., Shan, S., Weaver, J. C., & Bertoldi, K. (2014).?Harnessing buckling to design tunable locally resonant acoustic?metamaterials. Physical Review Letters, 113(1), 014301. doi:10.1103/PhysRevLett.113.014301 

  44. Wang, Q., & Zhao, X. (2014). Phase diagrams of instabilities in?compressed film-substrate systems. Journal of Applied Mechanics,?81(5). 051004. doi:10.1115/1.4025828 

  45. Wu, J., Yuan, C., Ding, Z., Isakov, M., Mao, Y., Wang, T., ... & Qi, H.?J. (2016). Multi-shape active composites by 3D printing of digital?shape memory polymers. Scientific Reports, 6(1), 1-11. doi:10.1038/srep24224 

  46. Xie, T. (2010). Tunable polymer multi-shape memory effect. Nature,?464, 267-270. doi:10.1038/nature08863 

  47. Xing, L., Wang, M., Zhang, J., Chen, X., & Ye, X. (2020). A survey?on flexible exoskeleton robot. 2020 IEEE 4th Information?Technology, Networking, Electronic and Automation Control?Conference (ITNEC), pp. 170-174. doi:10.1109/ITNEC48623.2020.9084920 

  48. Yu, K., Dunn, M. L., & Qi, H. J. (2015). Digital manufacture of shape?changing components. Extreme Mechanics Letters, 4, 9-17. doi:10.1016/j.eml.2015.07.005 

  49. Yu, K., Xie, T., Leng, J., Ding, Y., Qi, & H. J. (2012). Mechanisms of?multi-shape memory effects and associated energy release in?shape memory polymers. Soft Matter 8, 5687-5695. doi:10.1039/C2SM25292A 

  50. Zhang, Q., Zhang, K., & Hu, G. (2016). Smart three-dimensional?lightweight structure triggered from a thin composite sheet via 3D?printing technique. Scientific Reports, 6(1), 1-8. doi:10.1038/srep22431 

  51. Zhou, J., & Sheiko, S. S. (2016). Reversible shape-shifting in?polymeric materials. Journal of Polymer Science Part B - Polymer?Physics, 54(14), 1365-1380. doi:10.1002/polb.24014 

  52. Zhou, Y., Huang, W. M., Kang, S. F., Wu, X. L., Lu, H. B., Fu, J., &?Cui, H. (2015). From 3D to 4D printing - Approaches and typical?applications. Journal of Mechanical Science and Technology,?29(10), 4281-4288. doi:10.1007/s12206-015-0925-0 

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

GOLD

오픈액세스 학술지에 출판된 논문

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로