積層造形、つまり 3Dプリンティング は今年で30年になります。現在では、3Dプリンターの価格が1,000米ドルを下回ったことで、産業分野だけでなく家庭にも普及しています。紙に印を付けるだけでなく、ほとんど何でも印刷できるとわかれば、リビングルームでおもちゃや家電製品、道具を作る機会は無限に広がります。
しかし、3Dプリント材料をさらに柔軟で有用なものにする方法があります。刺激に応じて、あらかじめプログラムされた形で変形する構造です。最近、「4Dプリンティング」という一般向けの科学用語が付けられましたが、より適切には、物体が時間の経過とともに変形すると考えるとよいでしょう。
この種の構造変形は新しいものではありません。研究者たちはすでに「記憶」や「スマート材料」の特性を実証しています。最もよく知られた技術の一つは、 形状記憶合金として知られ、温度変化によって形状が変わります。ほかにも、 電活性ポリマー、加圧した液体や気体、化学的刺激、さらには光への反応を利用した手法が成果を上げています。
『Nature Scientific Reports』に掲載された 論文 では、複数の材料からプリントした物体を特定の形状にカスタマイズする方法として、複雑な自己変形を実現する設計を検討しました。
単純な紙のような形状を 曲げる方法を実証した多くの研究者とは異なり、私たちは複雑な三次元表面に沿って伸縮し、自ら変形する二次元格子構造を構築しました。
平らで伸縮性のある布を、形が不規則な物体の上に落とすと、布がその下の形に沿って覆う様子を想像してください。幾何学的に言えば、物体に合うよう布の曲率が変わると、距離や面積も変化します。私たちはこの点を考慮し、曲げだけでなくサイズの拡大にも対応する解決策を提示し、それが可能であることを示す複数の設計を考案しました。
水中での変形
MITの Self-Assembly Laboratoryの責任者Skylar Tibbitsは、数年前に膨張する材料と単純な変形を用いて この研究を始めました 。MITの Camera Cultureグループ とSelf-Assembly Laboratoryの研究者、ならびに Stratasys および Autodesk Inc との共同研究により、この研究はさらに発展しました。
私たちの手法では、異なる特性を持つ材料を用いて3D構造をプリントしました。一方は剛性を保ち、もう一方は元の体積の最大200％まで膨張します。膨張する材料を主構造上に戦略的に配置し、水によって作動すると、曲がるストローのように伸びたり折れ曲がったりする接合部を形成して、多様な形状を作り出しました。たとえば、「MIT」の頭文字に似た3Dプリント形状が、「SAL」の頭文字に見える別の形へと変化する様子が示されました。
今後は？
快適性の向上や機能の追加を目的に、熱や湿気に適応できる家電製品や製品など、幅広い用途が考えられます。たとえば、湿度や温度に反応する育児用品や、環境の変化に反応して形状や機能を最適化する衣類や履物です。
医療分野にも、あらかじめプログラムされた自己変形材料の用途があります。研究者たちは、人体に埋め込める 生体適合性部品 をプリントしています。外科医が外部から介入しなくても形状や機能を変えるよう製造できれば、さらに多くの用途が生まれます。個別設計の 心臓用チューブ は、その好例です。
これは、自己変形材料の概念実証であり、簡便な製造工程と、工程をカスタマイズ・分析するための利用可能なツール一式を備えていました。それでも、これはまだ表面をなぞったにすぎません。将来的には、より複雑な変形に対応できる大型構造に加え、体内で使用できる小型化モデルの製造を目指しています。変形を繰り返し適用して元に戻せることは確認できましたが、材料はしばらくすると劣化したため、長期耐久性を向上させる必要があります。
4Dプリンティングには、試してみる余地がたくさんあります。3Dプリンティングが私たちの想像力を捉えた今、時間という要素を加えれば何ができるか、考えてみてください。
この記事は、 The Conversation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：Danは、マサチューセッツ工科大学（MIT）のMITメディアラボ、Camera Cultureグループのポスドク研究員です。
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がフィギュアをプリントしている。ロイター。
