今日の3Dプリンターは、インクジェットプリンターのノズルに似た装置が材料を層状に積み重ねて立体物を作り上げる仕組みで、試作品を作るデザイナーや、少量生産を行う小規模企業にとって優れたツールだ。
しかし、高さが数センチを超える物体の製造には長い時間がかかる。また、多くの研究者は、パターンを施した材料のシートを作り、それが自動的に変形して、より大きく複雑な形状になるようになって初めて、3Dプリンターの潜在能力が十分に発揮されると考えている。
学術誌『Scientific Reports』の最新号で、MITとAutodesk、Stratasysの研究者チームは、こうした「プログラム可能な物質」をより多用途にする、新たな設計・製造プロセスを紹介している。MIT内外で行われてきた従来の研究の多くが自己折り畳み材料に注目していたのに対し、新たな手法では自己伸長もする材料が得られる。
「構造が変化し、曲率が現れるとき――平面領域から、山のように実効的な曲率を持つ形状へ移る場合など――面積も変化します」と、新論文の筆頭著者で、MITメディアラボのポスドク研究員であるダン・ラヴィヴは言う。「伸長が起こるのです。これまで人々が考慮していたのは、面積や長さを変えない曲げだけでした。あるいは、多少伸長させることはあっても、それを制御したり、あらかじめプログラムしたりすることはできませんでした。今後は、その両方を実現する新たな一連のツールを開発する必要があります。」
ラヴィヴは、メディア芸術・科学准教授のラメシュ・ラスカーが率いるメディアラボのCamera Cultureグループに所属し、計算写真を専門としている。一見すると自己折り畳み材料とはかけ離れているように思えるが、ラヴィヴによれば、彼の研究は視覚データの幾何学的な解釈に焦点を当てていた。画像内の色の点を、元の場面を表す複数の仮想3Dモデルに対応付ける数学的枠組みは、自己変形材料の表面上の点を最終的な位置に対応付ける枠組みと非常によく似ている。
実物を形にする
ラヴィヴ、ラスカー、大学院生のアチュタ・カダンビ、そしてラスカーのグループに所属するもう一人のポスドク研究員、ボーシン・シーは昨年、MIT建築学科の研究者でMIT Self-Assembly Labを率いるスカイラー・ティブビッツの発表の場で、自己組み立て式の印刷可能な材料の課題に協力するよう依頼された。ティブビッツは、研究室での取り組みを「4Dプリンティング」と呼ぶことを好む。ここでの第4の次元とは、装置が自己組み立てするのにかかる時間を指す。
Camera Cultureの研究者たちは、任意の3D物体の一部が、別の形状へ変形するためにどれだけ伸長する必要があるかを算出するアルゴリズムを開発した。しかし、その変形を物理的に実現する方法を考案したのは、ティブビッツのグループだった。
自己折り畳み材料に関する従来の研究の多くでは、積層材料が使われてきた。3Dプリンターやレーザーカッターで、異なる材料からなるパターン付きのシートを作り、研究者がそれらを手作業で貼り合わせる。材料の一方は加熱または水に浸すと曲がり、もう一方はシートの一部を硬い状態に保つ。
しかしティブビッツは、プリンターから出てきた時点ですぐに使える、真に印刷可能な材料という考えにこだわっていた。彼は、3Dプリンターを製造するStratasysの研究者たちと協力していた。彼らは、水を吸収すると膨張するポリマーを開発していた。Stratasysのプリンターは、3Dプリントする物体の各層に複数のポリマーを配置できる。ティブビッツのグループは、複数のポリマーを組み合わせ、浸水すると自己折り畳みする材料を作る設計を考案していた。
伸びる仕組み
大学院生のキャリー・マッケネリーと研究専門員のアティナ・パパドプル――ともに建築学科所属――とともに、ティブビッツは、印刷材料の一部を伸長させる「リニアアクチュエーター」、つまり部品のシンプルでありながら洗練された設計を考案した。この部品では、2枚のポリマーディスクが、複合ポリマー製の弓なりの帯2本でつながれている。横から見ると、この部品はコミックのスーパーヒーロー、グリーンランタンの紋章のように見える。
弓なりの帯の内側の縁は膨張性ポリマーでできており、水を吸収すると帯がまっすぐになる。
ティブビッツのグループは、弓なりの帯が作る楕円の直径と膨張の度合いの関係が分かるまで、膨張性層と硬質層の相対的な厚さを調整した。また、材料の膨張する部分の曲率に合わせてディスクが適切な方向に曲がるよう、帯の両端にあるディスクにくぼみや膨張性ポリマーの層を設け、溝状に加工する方法も明らかにした。
部品の性能特性を確立した後、MITの研究者たちは、コンピューター支援設計ソフトウェアを製造するAutodeskの同僚と協力し、設計仕様に基づいて作った装置が想定どおりに自己組み立てするかどうかを判定するシミュレーションプログラムを開発した。Stratasysの研究者と同様、Autodeskの研究者も新論文の共著者である。
「3Dプリントの後に水へ浸すという方法が、応答性のある構造物を作るための技術的に実現可能な道筋かどうかは不明です」と、ハーバード大学工学・応用科学大学院のジェニファー・ルイス教授は言う。「それでも、これは4Dプリンティングの洗練された例です。」
この記事は MITとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：ラリー・ハーデスティはMITの寄稿者。
画像：2014年6月3日、台北のTWTC南港展示ホールで開催された2014年Computex展示会で、Auroraの3DプリンターF1がフィギュアを印刷している。ロイター。
