Elastohydrodynamics of water-responsive materials ? deswelling and swelling = 수분 반응형 소재의 탄성-유체역학 — 건조 수축과 팽윤

국문 초록 (Abstract)

물은 자연계에서 가장 풍부한 자원 중 하나로, 연성 재료에서 구조 변형을 유도하는 효과적인 자극원이다. 많은 수분 반응성 재료는 모터나 외부 동력 없이도 수화와 탈수를 통해 변형을 일으킬 수 있으나, 제어 가능성이 제한적이라는 점에서 공학적 응용에는 한계가 존재한다. 본 논문은 건조 수축과 팽윤이 기계적 운동과 유체 수송을 어떻게 구동하고 제어하는지를 규명하기 위해, 제비꽃(\textit{Viola}) 종자 꼬투리와 미세다공성 poly(vinyl alcohol) (PVA) 스펀지를 모델 시스템으로 연구하였다. 돛단배 형태의 제비꽃 종자 꼬투리는 탈수 과정에서 지퍼처럼 닫히는 변형을 보이며, 이로 인해 씨앗을 한 번에 방출하는 방식이 아니라 순차적으로 발사하는 메커니즘이 구현된다. 2차원 해석을 통해 반원형 이중층 구조가 최적 강성비로 구성되어 있음을 확인하였으며, 이러한 기하학적 조건이 최대 오므림 동작을 가능하게 함을 밝혔다. 또한 3차원 수치해석을 통해, 종자 꼬투리 말단부에 형성된 볼록한 돛단배형 기하 구조가 오므림 동작의 순차적 진행을 유도하는 동시에, 가장 바깥쪽 씨앗으로 힘을 효과적으로 집중시켜 안정적인 산포를 가능하게 함을 확인하였다. 이러한 제비꽃의 기하학적 형상을 모사하여 시간에 따라 순차적인 오므림 동작을 구현하는 생체모사 액추에이터를 제작하였으며, 상처 봉합 및 자율적 조직 절제 실험을 통해 수분 유도형 연성 액추에이션의 응용 가능성을 입증하였다. 한편, 팽윤에 의해 구동되는 거동은 PVA 스펀지에서의 액체 침투 실험을 통해 분석하였다. 초기에는 좁은 공극 연결부가 모세관 밸브로 작용하여 액체의 유입을 억제하고, 이로 인해 계면이 일시적으로 고정된다. 이후 액체 확산에 따른 국소적 팽윤이 공극 연결부를 확장시키면서, 정지되었던 계면이 다시 전진하게 된다. 이러한 고정과 해제 과정의 반복은 고전적인 Darcy 법칙으로는 설명되지 않는 비정상적인 모세관 상승 거동을 유도함을 보였으며, 이러한 경향성은 이론적 모델을 통해 설명되었다. 종합적으로 본 연구는 건조 수축을 통한 힘 생성과 팽윤에 따른 유체 수송 기작 변화라는 두 가지 메커니즘을 통해 수분 반응성 소재가 물과 상호작용하는 방식을 통합적으로 규명하였다. 이러한 이해는 수분 반응형 액추에이터 및 액체 수송을 위한 다공 성 구조에 적용 가능한 물리적 설계 원리로 확장될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Water is one of the most abundant natural resources and an effective trigger for structural change in soft materials. Many water-responsive materials undergo deformation through hydration and dehydration without motors or external power, yet limited controllability restricts their direct use in engineered systems. This thesis investigates how deswelling and swelling drive mechanical motion and liquid transport, specifically through studies of Viola seed pods and poly(vinyl alcohol) (PVA) sponges. Viola seed pods, dehydration induces hygroscopic contraction that drives zippering of sailboat-like valves, enabling sequential seed release rather than a single explosive event. Two-dimensional analysis shows that the semicircular bilayer geometry operates near optimal stiffness ratios, allowing large contraction-driven closing motion. In three dimensions, numerical modeling reveals that the sailboat-like geometry near the distal tip, characterized by a convex basal arc, promotes sequential pinching that reliably transmits force to the outermost seeds during drying. Inspired by this mechanism, bioinspired actuators were fabricated to reproduce strong, time-programmed pinching motions. Demonstrations in wound closure and autonomous tissue resection illustrate the potential of moisture-triggered, circuit-free soft actuation. In contrast, hydration-driven behavior is examined through liquid imbibition in PVA sponges. Narrow pore throats initially impede liquid entry through a capillary-valve effect, pinning the advancing meniscus. While the meniscus remains pinned, liquid diffusion induces local swelling that enlarges the throats and enables further advance. Repetition of this pinning-and-release process produces anomalous transitions from initially linear rise to slower, diffusive imbibition, deviating from classical Darcy-type behavior. Experiments and modeling demonstrate how swelling-induced changes in pore geometry govern liquid transport. Together, these results show that dehydration and hydration provide distinct routes for controlling mechanical motion and fluid transport in water-responsive materials. Drying enables force generation through controlled contraction, while swelling regulates liquid advance through structural reconfiguration. These insights offer design principles for water-responsive soft actuators and porous materials in applications such as biomedical devices, absorbent systems, and fluid-handling technologies.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• Abstract i
• Contents iii
• List of Figures vi
• 1 Introduction 1
• 1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
• 1.2 Background and motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
• 2 Sequential pinch-coupled force augmentation reshapes seed dispersal strategies 7
• 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
• 2.2 Energy-efficient seed dispersal in Viola . . . . . . . . . . . . 10
• 2.2.1 Dispersal energy-efficiency of various species . . . . . 12
• 2.2.2 Dispersal energy-efficiency of Viola . . . . . . . . . . 14
• 2.3 Optimized design for pinching . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
• 2.3.1 Cellular basis of ray tissue contraction . . . . . . . . 25
• 2.3.2 Bending of a semicircular bilayer . . . . . . . . . . . 27
• 2.4 Sequential pinching and force augmentation . . . . . . . . . 33
• 2.4.1 Evaluating force distribution via COMSOL simulations 40
• 2.5 Strong and time-tuned zipping mechanism . . . . . . . . . . 43
• 2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
• 3 Capillary Rise in the PVA Sponge Modulated by ThroatScale Capillary Valves 47
• 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
• 4 Characteristics of the PVA sponge 51
• 4.1 Pore to pore liquid transport in a PVA sponge . . . . . . . 57
• 4.2 Transition of Power-law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
• 4.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
• 5 Conclusions 67
• 5.1 Summary of findings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
• 5.2 Future works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
• A Sequential pinch-coupled force augmentation reshapes seed dispersal strategies 71
• A.1 Measurement of Young’s moduli of Viola valves . . . . . . . 71
• A.2 Justification of the linear superposition of displacements . . 76
• A.3 Comsol simulation of sequential pinching . . . . . . . . . . . 78
• A.4 Membrane-stress-induced shell stiffening . . . . . . . . . . . 80
• A.5 Reorienting seed by sequential pinching . . . . . . . . . . . 81
• A.6 Young’s modulus variation of a PVA sponge with water content and its applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
• A.7 Another actuator design inspired by a Viola . . . . . . . . . 86
• A.8 Robustness of Viola-inspired actuators . . . . . . . . . . . . 89
• B Capillary rise in the PVA sponge modulated by throat-scale
• capillary valve effect 93
• B.1 Thin elastomer effect on a PVA sponge swelling . . . . . . . 93
• B.2 Experimental observations and underlying phenomena . . . 96
• B.3 Assumptions used in the theoretical model . . . . . . . . . . 97
• References 100
• C Abstract in Korean 109