3Dプリンタの技術は飛躍的に進歩しています。

以前は使用する樹脂や色が限定されていましたが、インクジェットのように1,600色フルカラーで出力できます。

その3Dプリンタに時間軸をプラスしたのが4Dプリンタ。

気になったので調べてみました。

 

3Dプリンターから生まれる4Dプリンターの可能性!時間軸を持つ物体とは?

 

もはや何でも作れそうなほど進化している3Dプリンター
その3Dプリンターを使って、時間軸による変化をプラスした物体を造形する技術の研究が進んでいる。
「4Dプリンター」と呼ばれるその技術の原理はどのようなものだろうか。
そして、4Dプリンターは今後どのようなことに活用されるのだろうか。

なぜ4Dプリンターが必要とされるのか?

 
 
3Dプリンターの普及によってものづくりのあり方が劇的に変わった。
3Dプリンターとは、立体的な物体を造形する機械を指し、一般的には光を当てると固形化する樹脂を空間に噴射して積層する方式をとる。
かつては使用できる樹脂や色が限られていたが、今では金属を積層する3Dプリンターや、インクジェット技術を融合し1,600万色のフルカラーを実現した3Dプリンターも登場している。

このように原料が多彩になると造形できる範囲も広がる。サンフランシスコのスタートアップ企業はなんと家まで作ってしまった。
3Dプリンターでコンクリートを積層し、24時間以内に人が1~2人で住める家を造形する。コストはたったの100万円ほどである。

もはや作れないものはないほどの3Dプリンターなのだが、それに対して4Dプリンターは「立体的な物体に時間軸を加えたもの」という説明がされることが多い。
複数の構造や形状を、一つの素材で3Dプリンターで造形することで、時間の経過によって自律的に形を変化させていく技術だ。

形が変化するという性質は、物を運搬する場合に便利になる。
例えば大きなベッドを運搬する場合にはスペースが限られているため、小さい部品に分解して運搬し、設置する場所で組み立てる。だが、ベッドがコンパクトに折りたためて、運搬先で形状が戻るとしたら組み立てる手間がなくなる。

こと宇宙においては、地球から持ちこむ物体の重量と占めるスペースがそのままコストに反映される。
そのコストは1ポンド(約454g)あたり、1万ドル(2018年1月24日現在、日本円にして約110万円)と極めてシビアだ。NASAジェット推進研究所のシステムエンジニアであるラウル・ポリット・カシージャス氏がいうように「1kgあたりで実現できる科学を増やすこと」は宇宙では最重要課題となるのだ。

それでは4Dプリンターはどのような研究がされているのだろうか。

ジョージア工科大学が開く「宇宙建築への道」

アメリカ・ジョージア工科大学のチームの研究は、張力によってバランスが保たれる「テンセグリティ構造」を利用しているのが特徴だ。

テンセグリティ構造は、棒の両端に結び付けられたひもの引っ張る力によって固形の棒が宙に浮いているかのようにバランスを保つ構造となっている。
コンパクトに折りたたむことができ、摂氏65度のお湯に浸すと展開を開始する。
ジョージア工科大学のチームは棒を造形する過程で、このきっかけと展開の速さを組み込む技法の開発に成功した。

動画を見ると、棒はビニール状になっているが、温度が上がるにつれて膨張する。膨張することで張力が生まれる。
展開を始めるまでは棒はしぼんだ風船なのでコンパクトに折りたためる。

テンセグリティ構造は、もともと建築の概念から来た用語で、1960年代にバックミンスター・フラーが提唱し、スタジアムや橋などに利用されている。
建築においてポピュラーな構造ではないが、最小限の材料で高い強度を実現できると評価されている。

研究が進めば火星に建材を運んで、構造物を建築することができる日が来るだろう。

デルフト工科大学の次世代骨インプラント技術

ジョージア工科大学の研究は造形したものを「拡張」する機能だが、オランダ・デルフト工科大学は造形したものを自律的に「折り曲げる」機能を持たせる研究だ。

チューリップの開ききった花びらが一枚ずつ閉じてつぼみの形になるように、温度を上げることでシート状の平らな形から折りたたまれて立体的な形に変形する。この技術を2Dから3Dへの「Shape-shifting」と呼んでいる。

さらにこの研究で特徴的なのは、チューリップの花びらがシーケンシャルな動きをするということだ。
つまりチューリップの中心からより外側にある花びらは、内側の花びらがたたまれるまで待つように熱の伝わり方をコントロールする素材を設計している。こうすることで外側の花びらが内側の花びらを包み、支える役割を果たす。

このシーケンシャルな動きは人体内に細胞を支えるために埋め込む素材として活用できる。この支える性質によって幹細胞に働きかけ、骨の細胞を再生することができると期待されている。
たとえば骨腫瘍の場合、腫瘍の骨を切り取ってその代わりにナノパターンの素材で骨を補完する。
そしてその素材が今ある骨に働きかけて切り取った部分の骨を再生させるよう導くことが可能だとしている。

作るのにコストがそれほどかからないというのも魅力だ。
この素材を3Dプリンターで作るために必要な費用は1キロあたり約17ユーロ(2018年1月24日現在、日本円にして2,300円)ほど。他の研究の追随を許さない複雑な構造を持っているにもかかわらず、驚くほど安価で出来る

研究チームを率いるAmir Zadpoor教授は「とてもリスクが高い研究なので5年後どうなっているかわからない」とコメントしているように、実用化への道のりは長いが、成功すればいままでにない画期的な医療技術となる。

実用化までの道のりは?

このようにみていくと、宇宙開発、医療分野での活用が期待されていることがわかる。
コンパクトな素材が思うような形に拡張できるのであれば、大きなものの持ち運びなど生活面でも役立ちそうだ。

課題は、プリントした素材が思う通りに動くか?という材質の調整だろう。
ロケットの中でいきなり膨張しはじめたら危険も伴う。もとの姿に戻ることも再利用するには必要だが、それも今後乗り越えるべきハードルとされている。とはいえ、想定される使い方は無限大。

気が付いたら4Dプリンティングなしでは生活が成りたたない時代となっているかもしれない。(ネット調べ)

 
 
どうですか?
 
色々な可能性を感じさせる技術ですよね。
 
4Dプリンタが今後どのような進歩を遂げるか注目です。
 
 
 
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今日も1日しあわせでありますように!