2018 Fiscal Year Annual Research Report
Gel Robotics with Machine Learning - Development of Autonomous 3D Printing and Scanning System
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17H01224
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
古川 英光 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50282827)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 機械学習 / ゲル / 3Dプリンタ / 3Dスキャナ / 高分子構造・物性 / 機械材料・材料力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者は平成25-27年度の基盤研究（B）「高強度・形状記憶ソフト＆ウェット材料の超高精度自由造形法の確立」において、３Dゲルプリンティング技術の確立とその応用可能性を示すことに成功し、その成果は３Dゲルプリンターの実用化や大学発ベンチャーの設立に至っている。本研究は、デジタル制御で高機能性３Dゲル材料の合成と構造物性解析の両方ができるシステムを試作し、機械学習によって造形する材料の成分や反応条件の最適化や新規機能性材料を自律的に探索するゲル材料研究ロボットの開発を目的とする。従来のコンビナトリアル・ケミストリーのアプローチを刷新し、デジタル活用でゲル研究の超加速化の可能性を探り、最終的には深層学習と材料研究の広範な融合を目指す。３Dプリンター分野での日本の遅れを挽回し一気に先頭に踊り出ることを目指す。平成30年度は下記を実施した。
【テーマ1．診ながら合成するゲルロボ1号の開発】
(4) 3Dゲルプリンター×3Dゲルスキャナーシステム「ゲルロボ1号」の構築
H29年度の成果を組み合わせて、実験者が作りたいゲルの組成とゲルの3D形状をデータ入力するだけで、自動的にゲルを3D合成してくれる装置を組み上げている。また、顕微光散乱の測定における音響的なノイズを取り除く方法について検討を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(4) 3Dゲルプリンター×3Dゲルスキャナーシステム「ゲルロボ1号」の構築
光ファイバーに3Dプリンティングに用いるゲル合成用のUV光（365nm）と走査型顕微光散乱用のレーザー光（532mn）を入れる検討を進めた。
3Dプリンティング可能な相互架橋網目(ICN)ゲルを、モノマーであるジメチルアクリルアミド（DMAAm）と架橋剤であるメチレンビスアクリルアミド(MBAA)の溶液に浸漬させたところ、UV照射による白濁化を確認できた。MBAA濃度を調整することで照射感度が可変であることが確認された。このゲルを用いることで、任意に照射感度が違うゲル試料を用いて、光ファイバーを用いた3Dプリンティングに適したゲルを探索することが可能になる。またこのゲルは乾燥によって透明化することを偶然発見した。白濁の程度により、透明になる乾燥度が異なることから、最も光が照射した部分がどこだったかを、透明化の過程で確認できるという使い方が可能である。
また、3Dゲルスキャナーシステムの試作を行なった。この装置は生物顕微鏡に組み込まれ、散乱光情報と画像情報を同時に取り込み、簡単なイメージング処理をすることができる。主となる機器は、レーザ、レンズ、光検出器、カメラ、および計算機で構成した。ゲル試料は、生物顕微鏡によって画像情報として記録されるが、同時に、レーザー光を入射しレーザー光の散乱光を光検出器で検出する。単体のレーザーを用いて、レーザエキスパンダで拡大後、レンズによって集光を行い、スポット径約20μmとして測定が可能であることを確認した。今後は光ファイバー光源に変更するとともに顕微光散乱の測定における音響的なノイズを取り除く方法について検討を進める。
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| Strategy for Future Research Activity |
(5) ゲルの透明度・色の測定: 3光源による吸光度・散乱;色の表現は顔料の比率だけでは決まらず、ゲル中の顔料の分散具合で見え方は大きく変わる。これを評価するために色を検出できる装置を開発する。具体的には現有設備の３波長のRGBレーザー光源を同軸光ファイバに入射し、反射光の強度と散乱光の強度のそれぞれを同時に検出することを試みる。
(6) 柔らかさ・滑らかさの測定: マイクロプローブ測定;3Dゲルプリンターには、場所によって硬さ（弾性率）や滑らかさ（表面摩擦）を局所的に変えて作ることが期待されている。ゲルロボの光ファイバーを保護するためのスリーブ部分を光ファイバー部分と力学的に分離し、強制振動させる。先端がゲルの表面と相互作用することで、プローブの振幅と位相の変化が生じるのをレーザー変位計によって測定し、表面付近のゲルの粘弾性や摩擦挙動を検出できるかに挑戦する。
(7)レーザー後加工の検討: レーザーカッター適用;ゲルロボシステムにもレーザー加工のアドインを検討する。レーザーカッターには炭酸ガスレーザーが光源として用いられることが多く、最近安価にもなっている。しかし最近安価で安全な光源として可視光のレーザーダイオードも注目されている。場合によって両者を選択する。
(8)ゲルロボ1号を用いた探索研究手法の確立;ユーザーが入力したゲル成分から要求される硬さや形を得るために、ゲルロボ1号が自動的に、照射光強度、照射光走査速度、走査回数、走査線密度、などのパラメーターを細かく変える。機械が自動的で最適条件を探索することを試みる。
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[Presentation] 3D Printing of Smart Gels2018
Author(s)
M. N. I. Shiblee, K. Ahmed, A. Saito, K. Takamatsu, K. Yoshida, A. Khosla, M. Kawakami, and H. Furukawa
Organizer
First International Conference on 4D Materials and Systems
Int'l Joint Research
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