メカノクロミズムを越えた、コレステリック液晶エラストマー中空繊維のプログラム可能な多モーダル作動

指示に応じて動く多彩な繊維

ムードリングのように色が変わるだけでなく、人工筋肉のように伸びたり縮んだりねじれたりする材料を想像してください。本研究は、やさしく膨らませると形と色を同時に変化させる繊維を紹介します。これにより、ソフトロボットやスマート繊維、運動と色で状態を伝える視覚センサーなどの新たな可能性が示されます。

スマートな液体から生物のような繊維へ

これらの繊維は、液晶の秩序構造とエラストマーのゴム状の柔軟性を併せ持つ「液晶エラストマー」と呼ばれる特殊な材料から作られています。コレステリック相では、これらの材料はナノスケールで螺旋状の周期構造を自然に形成し、甲虫の殻のような鮮やかな干渉色を反射します。従来、コレステリックエラストマーは主に引っ張ると色が変わる性質のために注目されてきました。しかしその螺旋構造は内部の配向を平均化してしまうため、普通のゴムと同様の変形をしがちで、形状制御の精度に限界がありました。著者らは、この「一芸しかない」色変化材料を、明確な運動を実行できるプログラム可能なアクチュエータへと変えることを目指しました。さらに、鮮やかな構造色も維持します。

方向を記憶する中空繊維の作製

そのために、まず均一な壁厚と強い反射色を持つ中空繊維を作るテンプレート法を開発しました。棒状の構成要素、螺旋を生むキラル添加剤、特殊な架橋剤を含む液体混合物を円筒型の型に引き込みます。溶媒がゆっくり蒸発するにつれて、液晶が自発的に周期的な螺旋構造を組織化しました。光での架橋により、この構造が柔軟な固体チューブとして固定されます。当初は内側の分子は長手方向にさまざまな方向を向いていたため、繊維は面内の方向に対してほぼ等方的に振る舞いました。キラル添加剤の量を調整することで、螺旋のピッチを精密に制御し、繊維の色を赤から緑、青へと変えることができました。

空気圧に応答する繊維を教える

重要な進展は、繊維作製後に内部の「粒状配向」をプログラムできるようにした点です。著者らは、中程度の温度で再配列できる動的ボロニックエステル結合を導入しました。繊維をわずかに加熱しながら伸ばしたりねじったり、膨らませたりすると、これらの結合が交換し新しい全体配向で固定されます。こうして、内部配向が主に長手方向に沿うもの、周方向に沿うもの、あるいは制御された傾きを持ってねじれたパターンを形成するものといった繊維を作製しました。中空コアに空気を送り込むと、これら異なる配向は顕著に異なる挙動を示しました。ある繊維は外側に膨らみながら短くなり、あるものは伸び、他は劇的にねじれ、いずれも色が可視光域を通って滑らかに変化しました。

形と色の背後にある隠れた力学

これらの複雑な運動を理解するために、研究者らは各繊維をプログラムされた内部方向場を持つ薄い弾性膜として扱う理論モデルを構築しました。膨張時、壁は長手方向よりも周方向に大きな応力を受けます。分子の初期配向によっては、この不均衡が固体内部での分子回転を駆動し、これは非常に小さなエネルギーで済むため、急激で直観に反する形状変化を引き起こすことがあります。たとえば長手方向に配向した繊維は「プラトー（停滞）からジャンプ」する応答を示しました：ある臨界圧までほとんど変化せず、臨界点を超えると直ちに約半分に収縮し、直径は二倍以上に増大しました。ねじれ配向の繊維はさらに複雑で、まず一方向にさらにねじれ、圧力増加とともに部分的にほどけてねじれ方向を逆転させることもありました。いずれの場合も、繊維の形を変える同じ内部再配向が螺旋パターンの間隔を変え、反射色をより短波長の青寄りへと移動させました。

将来のソフト機械にとっての意義

プログラム可能な内部配向、空気圧作動、構造色を組み合わせることで、これらの中空繊維は単一材料で筋肉と目の両方の役割を果たします。圧力に依存して膨張、収縮、伸長、ねじれが可能であり、同時に可視域全体にわたる鮮やかな色変化で状態を知らせることができます。本研究は、かつて主に色変化コーティングとして扱われていた材料が、形状と色の応答を一体的に設計したり、場合によっては別々に調整したりして、カスタマイズ性の高い応答型システム向けの多用途な構成要素になり得ることを示しています。

引用: Ma, J., Biggins, J.S., Feng, F. et al. Programmable multimodal actuation in cholesteric liquid crystal elastomer hollow fibers beyond mechanochromism. Nat Commun 17, 4510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71050-6

キーワード: 液晶エラストマー, コレステリック繊維, ソフトロボティクス, 空気圧アクチュエータ, メカノクロミック材料