ひずみや応力を電荷に変換できる圧電材料は、19世紀に発見された長い歴史を持っており、今では携帯電話からメロディ付グリーティングカードに至るまで、様々な用途に使われている。しかし、一般的に脆性結晶かセラミックから造られているため、複雑な形状に製造することが難しく、その製造にはクリーンルームと複雑な工程が必要とされる。このため、材料の持つ可能性が最大限に活用されているとは言い難い。

そこで研究チームは、圧電デバイスを形状やサイズに制限なく3Dプリントする技術に挑戦し、非常に高感度かつ紫外光によって複雑な3次元形状を造形できる圧電インクを合成した。このインクは、ペロブスカイト系圧電性ナノ結晶をUV感応ゲル中に高濃度に分散させており、溶融結晶のような混合溶液を構成する。これを、高分解能デジタル光3Dプリンターを用いて、積層しながら複雑な形状に造形する。重要なのは積層造形の過程で、各部の圧電定数を任意に設計制御でき、発生電荷の方向や大きさをプログラム制御できることだ。「3Dプリント可能な形状の組み合わせを通して、圧電材料の感度および動作モードを自由にカスタム設計できる。どの方向からの力や振動にも反応し、発生電圧をどの方向にも拡大、反転、抑制できる」と、機械工学科のXiaoyu Rayne Zheng助教授は説明する。

研究チームは、毛髪の直径の数分の1ほどのサイズの内部微細構造を有し、曲面状に巻かれたデバイスを造形し、手や指に装着して運動を電気エネルギーに変換できることを実証した。また、小さなスマート橋梁をプリントし、錘の落下位置と大きさを感知する一方、頑丈で衝撃にも充分耐えることを確認した。試作した材料は、従来の圧電高分子よりも5倍も高い感度を持つことも示された。

Zheng助教授は、「触角センシングやロボット技術だけでなく、エネルギーハーベスティング、スマートセンサーなどへの革新的な応用が期待できる。例えば靴の中敷きにして負荷を記録すれば、ユーザーの健康状態のモニターも可能だ。インフラ分野では、構造全体が圧電材料で構成され、衝撃や振動、運動を感知するとともに、圧力が加わった位置まで特定できるようになるだろう」と、その将来性に期待している。

（fabcross for エンジニアより転載）