国立先进产业技术综合研究所[会长：石村和彦]（以下简称“AIST”）功能材料计算设计研究中心[研究中心主任：浅井义博]、先进材料快速开发技术研究会[会长：小冢国宏]（以下简称“ADMAT”）在超高速发展基础技术项目中超先进材料（以下简称“NEDO”）[项目负责人：Nobumitsu Murayama（AIST 材料和化学部门主任）]，我们开发了一种方法来加速材料的开发，这些材料可以发生大变形，而无需软执行器所需的阻力。
该方法应用于液晶弹性体，液晶弹性体作为软致动器材料正在进行积极的研发竞争。通过创建代表分子结构的众多参数及其材料变形的模拟结果的数据库，并使用机器学习对其进行分析，我们能够识别决定大变形特征的分子结构参数，并成功地将数量缩小到约1/10。这使得可以在很短的时间内提出具有“软弹性”的潜在候选分子结构，即无阻力大变形（输出损失），这是软致动器材料的主要特征，预计将显着缩短创新软致动器材料的开发周期。此外，该方法有望应用于各种具有大变形特征的材料的开发，例如弹性体和凝胶。
该方法的详细信息将于2020年9月16日至18日由高分子科学技术学会在线举办的第69届聚合物研讨会上介绍。
使用聚合物等软材料执行器（软执行器）具有体积小、重量轻、安静、防水等多种优点，还具有热、电、光等多种动力来源。此外，由于它可以处理像肌肉一样的弯曲和微妙的运动，因此有望应用于更接近日常生活的领域，特别是有望应用于用于工作辅助和康复和护理的动力辅助的可穿戴机器，以及用于医疗手术支持的远程控制机器。然而，到目前为止，材料开发过程需要基于工程师的“直觉和经验”进行反复试验，导致大量的成本和时间。作为解决这个问题的一种手段，基于计算科学的各种模拟技术已经被开发出来。随着最近计算机性能的提高和各种软件的开发，它已经发展到有望成为材料设计和探索的实用手段。
在此背景下，AIST和ADMAT在NEDO的“超先进材料超高速开发基础技术项目”（2016-2021年）中共同致力于通过计算、加工和测量三位一体加速有机和聚合功能材料的开发。液晶弹性体作为主要目标，我们正在进行基础技术的研究和开发，目标是实现从分子水平到视觉水平观察材料变形的多尺度模拟，旨在构建计算技术，从而开发创新的软执行器材料。
(1) 开发一种方法来识别影响软执行器材料大变形的分子结构
开发该方法的重点是通过模拟获得的分子结构与材料变形之间的关系。这是该项目开发的基本技术之一液晶弹性体粗粒分子动力学模拟器所以，聚合物主要结构的水平进行设计，可以表达液晶弹性体分子结构的各种图案。例如，通过对它们中的每一个进行单轴伸长模拟，可以获得反映微观材料变形的应力-应变曲线。即使是相同的液晶弹性体，如果其分子结构发生变化，材料变形的方式也会有很大差异。特别是，AIST和ADMAT进行的研究表明，作为液晶弹性体的特性，能否表现出大变形、无阻力（输出损失）的“软弹性”，也取决于分子结构的变化（图1）。
图1 主链型（左上）和侧链型（左下）液晶弹性体（LCE）的分子结构，以及单轴伸长模拟得到的应力应变曲线（右上）取向度-应变曲线（右下）
*主链类型LCE就足够了介晶基团虽然确认了取向和软弹性的表现（右上图中的着色区域），但在侧链型中，介晶基团没有充分取向并且没有表现出软弹性。
(2) 创建材料变形数据和确定分子结构的众多参数的数据库，并使用机器学习对其进行分析
11153_11306数据描述符这些被视为介晶基团取向的温度依赖性和材料变形的结果，例如应力-应变曲线响应变量结果表明，介晶基团取向的温度依赖性（表征变形前的材料）可以通过回归分析以非常高的精度进行分析（图 2）。
图2曲线显示介晶基团取向的温度依赖性（左）、每条曲线的数据库注册值与机器学习预测值之间的相关性（中）以及计算预测值时设计参数的重要性排序（右）
*您可以看到，每条曲线都可以使用机器学习进行高精度预测（回归分析），并且可以识别在预测中发挥重要作用的设计参数（右表中的排名）。
特别表明，主链中包含的Lennard-Jones (LJ)粒子（不参与取向的球形粒子）的数量、侧链中包含的LJ粒子的数量、交联的长度以及介晶基团之间的间距这四个描述符决定了该物理性质的大部分，其贡献率分别为30%、29%、15%和12%，分别。还表明，可以高精度地进行应力-应变曲线的回归分析，并且发现伸长前介晶基团的取向方向、聚合物链密度、交联密度和介晶基团之间的间距等四个描述符决定了物理性能，其贡献率分别为26%、18%、17%和9%（图3）。
图3 应力-应变曲线（左）、每条曲线的数据库注册值与机器学习预测值之间的相关性（中）以及设计参数在计算预测值时的重要性排序（右）
*与介晶基团取向的温度依赖性一样，可以使用机器学习高精度地预测每条曲线。您还可以识别在预测中发挥重要作用的设计参数（在右侧表中排名）。
这两项独立的机器学习研究中普遍强调的设计变量参数“介晶基团之间的间距”至少会影响由于温度变化而导致的介晶基团取向以及由于单轴伸长模拟而导致的应力和应变的变化。这意味着介晶基团之间的间距是一个对液晶弹性体大变形影响很大的设计参数。对于致动器材料的实际开发，可以通过首先关注介晶基团之间的间距来建立易于理解的分子设计指南，这是一个重要的线索。
在这个项目中，我们将通过扩展数据库和开发技术，基于现有材料的分子结构提出更先进的设计指南，建立用于开发创新软执行器的高速材料选择技术。我们还将通过广泛应用这次开发的方法，为国内工业的材料发展做出贡献。