北京大学は 3D プリンティング手法を使用して、柔軟な圧電セラミック複合材料の研究に新たな進歩をもたらしました

圧電材料は、機械力を電荷に、あるいはその逆に変換する優れた能力を持っています。チタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛 - チタン酸鉛などの圧電セラミックスは、センサー、アクチュエーター、トランスデューサー、エネルギーハーベスターに広く使用されています。ただし、 圧電セラミックス材料 自体は脆いです。従来のセラミック材料の場合、機械的柔軟性と圧電性は相反する 2 つの特性です。一方のパフォーマンスを向上させると、通常、もう一方のパフォーマンスが損なわれます。たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛ベースのセラミックはより高い圧電特性を持っていますが、その固有の脆さのため、チタン酸ジルコン酸鉛ベースのセラミックはフレキシブル電子デバイスへの直接の組み込みには適していません。フレキシブルセンシングなどの分野で圧電材料の応用を広げるためには、機械的柔軟性と環境機械振動や外部刺激への応答性を併せ持つフレキシブル圧電セラミック複合材料を開発する必要がある。

またはヘテロ接合構造、分極の圧電電圧係数 圧電複合材料 も大幅に改良され、400×10-3 V m N-1 に達することがあります。さらなる研究により、分極された 3D プリントされた圧電複合材料は、指のわずかなタップに対して高い感度があり、自由落下する物体の衝撃に対して大きな電圧応答を示すことがわかりました。電気機械結合により、入力された機械エネルギーが電気エネルギーに変換され、電荷蓄積ユニットを使用せずに市販の赤色 LED 照明 20 個を点灯できます。この研究の結果は、将来のフレキシブルウェアラブル電子デバイス、ロボットによるフレキシブルセンシングと生体信号認識、および機械的エネルギー回収において重要な応用可能性を秘めていると期待されています。

医療機器で威力を発揮する超音波モーター

医療用マイクロマシン電源-USM

 

生物医学的マイクロメカニカルシステムの分野における現在の研究の主な課題は、小型で長期的な電源を見つけ、薬をカプセルまたはパッケージに詰めて検証と監視を実行することです。現在、マイクロ製造技術によって製造された薬物送達デバイスおよびシステムには、特にマイクロプローブを介した薬物の送達および人体に注射された薬物の放出において、多くの高度な技術が組み込まれています。

薬物送達用のジェット マイクロ システムには、マイクロ超音波モーターまたはマイクロ圧電ポンプ、電気泳動プラスター、スマート ピルが含まれます。超音波モーターは、牽引医療装置を人体内に誘導したり、薬剤を人体に送達したりするための超小型医療装置の動力として使用されます。

 

USMは医療機器に大きな力を発揮します

遺伝子移植や人工授精では、小さなピペットを細胞質に挿入する作業が欠かせません。いつ 圧電セラミックストランスデューサは 従来の油圧アクチュエータで動作しますが、細胞膜の弾性により細胞全体が大きく変形し、この過度の変形により細胞核が損傷します。当研究室では、衝撃リニア超音波モーターを使用し、細胞膜を大きく変形させずに滑らかな動きを実現する細胞操作マイクロ処理システムを開発しました。

 

多自由度超音波モーターは外科手術にも使用されます。開発した円筒形多自由度超音波モータを外科用鉗子に適用し、鉗子の回転角度を精密に制御するニューラルネットワーク法を提案する。

カプセル内視鏡では、レンズの回転と焦点をどのように制御するかが難しい問題となる。新しい圧電チューブ型超音波マイクロモーターの使用により、この問題が解決されました。重要な改善点は中空の使用にあります。 圧電セラミック管 超音波モーターと集束面付きプリズム。光ファイバーは中空の超音波モーターに挿入され、光は自己焦点レンズによってコリメートされ、プリズムによって反射され、出射されるまで非球面によって集束されます。モーターが作動すると、自己焦点レンズとプリズムを同時に駆動して回転させ、円形スキャンを実現します。これにより、光学システムの作動距離を大幅に短縮し、横方向の解像度を向上させることができます。同時に、光ファイバーとモーターが同じ側にあるため、プローブの長さが短くなり、モーターワイヤーが撮像を妨げるなどの問題が回避されます。

 

USMはNMRに非常に適しています

 

超音波モーターは自ら磁場を発生せず、磁場干渉を受けないため、核磁気共鳴に非常に実用的です。 MRI検査を受ける際には薬液を注入する必要がありますが、その注入には一定の速度が必要です。モーターを一定速度で駆動するのが最善の方法ですが、従来の電磁モーター自体が磁場を発生させてしまい、画像化の妨げになってしまいます。超音波モーターは使用できません。