MITの研究者が開発した新しい手法では、標準的な3Dプリンターを用いて、電子部品を内部に埋め込んだ機能性機器を作製できる。これらの機器は、複数の相互接続された素材を含むファイバーで作られており、発光、周囲の感知、エネルギーの蓄積、その他の動作が可能だ。
この新しい3Dプリント手法は、学術誌『Nature Communications』に掲載された。論文の著者は、MIT博士課程学生のGabriel Loke、John Joannopoulos教授とYoel Fink教授、そしてMITおよびその他の機関に所属する4名の研究者である。
この手法では、従来型の3Dプリンターに特殊なノズルと新しい種類のフィラメントを組み合わせて用いる。従来の単一素材のポリマーフィラメントは、通常、プリンターのノズルから押し出される前に完全に溶融されるが、研究チームの新しいフィラメントは、精密な配置で異なる素材を組み合わせた複雑な内部構造を持ち、外側はポリマーの被覆で囲まれている。
新しいプリンターでは、ノズルは従来のプリンターよりも低い温度で動作し、フィラメントをより速く引き出す。そのため、外層のみが部分的に溶融する。内部は冷たく固体のままであり、埋め込まれた電子機能は影響を受けない。このようにして、表面は隣接するフィラメントにしっかりと接着するのに十分な程度だけ溶融され、印刷工程で頑丈な3D構造物を作製する。
フィラメント内部の構成要素には、導体として機能する金属線、能動的機能の制御に用いることができる半導体、そして線同士の接触を防ぐポリマー絶縁体が含まれる。実証として、研究チームは、発光および光検出の電子部品を含むフィラメントを用いて模型飛行機の翼を印刷した。これらの部品は、発生しうる微細な亀裂の形成を検出できる可能性がある。
模型の翼に用いたフィラメントには8種類の異なる素材が含まれていたが、Loke氏によれば、原理的にはさらに多くの素材を含めることも可能だという。Loke氏は、「金属、半導体、ポリマーを単一のプラットフォームで堆積できるプリンターは、これまで存在しなかった。それぞれの素材の印刷には異なる装置や技術が必要だからだ」と述べている。
Loke氏によると、この手法は、3Dデバイスを製造する現在の他の手法と比べて最大3倍速く、また、すべての3Dプリンターと同様に、従来の製造方法と比べて、製造できる形状の自由度がはるかに高い。Loke氏は、「3Dプリントならではの特徴として、この手法は、これまでのどの手法でも実現できなかった任意の自由曲面形状のデバイスを製造することが可能だ」と述べている。
この手法では、内部に様々な異なる素材が埋め込まれた熱延伸ファイバーを用いる。この工程は、Fink氏と共同研究者らが20年にわたって改良を重ねてきたものだ。彼らは、内部に電子部品を備えたファイバー群を開発し、様々な機能を果たせるようにした。例えば、通信用途では、点滅する光によってデータを送信し、光センサーを含む他のファイバーがそれを受信することができる。このアプローチによって、これらの機能を内蔵したファイバーおよびそれらで織られた布地が初めて実現した。
今回の新しい工程により、このファイバー群全体が、感知、通信、エネルギー蓄積などの動作が可能な機能性3Dデバイスを製造するための原材料として利用できるようになった。
ファイバー自体を製造するには、まず異なる素材を、プレフォームと呼ばれる大型版に組み上げる。その後、これを炉で加熱して延伸し、すべての素材を同じ相対位置を保ったまま、大幅に縮小した非常に細いファイバーを作製する。
この手法は、特に各デバイスを精密にカスタマイズすることが不可欠な用途において、様々な種類のデバイスを製造するためにさらに発展させられる可能性がある。その一例が生体医療機器の分野であり、デバイスを患者自身の身体に適合させることが重要となりうる、とFink氏は述べている。Fink氏は、材料科学ならびに電気工学・コンピュータ科学の教授であり、非営利団体Advanced Functional Fabrics of America（AFFOA）のCEOを務めるとともに、電子研究所（Research Laboratory of Electronics）の副所長でもある。
例えば、将来的には、この手法を用いて義肢を印刷できるようになるかもしれない。その義肢は、患者の手足の正確な寸法と輪郭に適合するだけでなく、義肢を監視・制御するための電子部品もあらかじめ内部に埋め込まれているという。
研究グループはこれまで、様々な素材と機能を備えた幅広いファイバーを開発してきた。Loke氏によると、そのほぼすべてを新しい3Dプリント技術に適用でき、多様な素材と機能の組み合わせによる物体の印刷が可能になるという。この機器は、熔融堆積造形法（FDM）プリンターとして知られる標準的な3Dプリンターを用いており、このタイプのプリンターは既に多くの研究室、オフィス、さらには家庭にも普及している。
将来的に実現可能となりうる用途の一つは、損傷した臓器を置き換えるために新しい細胞を成長させる足場を提供する生体医療インプラントの材料を印刷することであり、その内部には、その成長の進行を監視するセンサーを組み込むことも可能になるだろう。
この新しい手法は、デバイスの試作にも役立つ可能性がある。3Dプリントは既に主要な用途となっているが、今回の手法では、試作品が単なる静的な模型ではなく、実際の機能を備えたものとなる。
研究チームには、MIT大学院生のRodger Yuan氏、現在は AFFOA に所属する元MIT大学院生のMichael Rein氏、ポスドクのTural Khudiyev氏、そしてニューヨーク州のStony Brook大学の学部生Yash Jain氏が参加した。本研究は、米国国立科学財団、米国陸軍研究所、米国陸軍研究局が、Institute for Soldier Nanotechnologiesを通じて一部支援を受けた。
