月の岩石片を収めた結婚指輪。望みどおりの形に仕立てられる水耕栽培用の庭園構造物。 ジェットエンジンの燃料ノズル。アストンマーティンの型。これらは、過去2年間に着実にテクノロジー関連の見出しを飾ってきた、増え続ける3Dプリント構造物のほんの一例にすぎない。家庭用3Dプリンターが現在500ドル未満で販売され、市場規模は2018年までに 162億米ドルに達すると予測されるなか、3Dプリンティング（3DP）は今後も定着していくだろう。
ギターから携帯電話、さらには 人工股関節部品 まで、あらゆるものを3DPするという発想が文化的な時代精神に入り始めているものの、この技術の能力はまだ十分に発揮されていない。ハーバード大学のジェニファー・ルイス氏らの研究者が示すように、その能力はいつの日か、大きな尺度（建物、宇宙）にも小さな尺度（ナノおよび原子レベル）にも及ぶ可能性がある。
ルイス氏と研究グループは、1マイクロメートルほどの精密な構造物を層ごとに作り出すことに注力し、必要な化学、材料、ソフトウェア、機械を開発している。3DPによってさまざまな物体を、たいていの人がまさに「本当に小さい」と考えるレベルで作るためだ。たとえば2013年、同氏の研究室は銀ナノ粒子を用い、小型リチウムイオン電池向けの微小電極の印刷に成功した。
同グループの最も有望な研究の一部は、生物細胞の3DPに関するもので、最終製品は再生医療に利用できる可能性がある。この方向を追究しているのは彼らだけではない。プリンストン大学の研究室はすでに、電子部品と生体組織を組み合わせた バイオニック耳 を印刷しており、ケンブリッジ大学のチームは網膜細胞の印刷に成功した。同様に、3DPの世界の外でも、シンガポールとケンブリッジの研究者たちは、幹細胞を自己組織化させ、最終的に肝臓や脳の一部になりうる構造を作り出している。
しかし、ルイス氏の研究室は、血管用の中空管が網目状につながった複雑で厚みのある生体組織を3DPする方法を初めて開発した。マイクロスケールでこうした複雑な構造を実現するには、印刷ノズル内で圧力を受ける際に生じる材料の熱的または構造的な脆弱性など、いくつもの障害を乗り越える必要がある。
半導体などの製品では、従来材料を微細な炭素繊維で補強することで解決できる場合がある。脆弱な血管細胞については、研究室でコロイドゲルの保護特性と粘弾性を活用したインクを開発している。そのインクの一部は、ゼラチン材料とマウスまたはヒトの皮膚細胞を正確な比率で含む。圧力がかかると、インクは形を保ちながら連続的にノズルから流れ出し、組織の印刷を可能にする。
血管細胞用の中空管となる層には、室温では固体状のゼラチンとして押し出される一方、冷却すると液化するインクが含まれている。このインクの層を含む複雑な組織を印刷した後、研究者たちは組織を冷やし、液化したインクを吸引して取り除く。すると、構造内に中空管が残る。そこに、通常は血管を構成する細胞を満たすことができる。
このように複雑で微小なものを作る能力は、バイオプリンティングを用いた医療用3DP市場の中核となる可能性がある。市場調査会社IDTechExによると、この市場は10年後に30億～50億ドルの規模に達する可能性がある。
しかし、3DPの長期的な実用性にとっては、大型化も同じく重要となる。規模拡大の鍵は、軽量で、強く、柔軟かつ動的な材料のさらなる開発だ。高性能ポリマーはすでに、3Dプリントされた ジェットエンジン部品などに使用されている。しかし大規模化するには、生きた荷重、積載荷重、地震荷重、風荷重に関する建築性能基準に加え、断熱や防火など、厳格な基準も満たす材料が必要となる。また、建築物を膨張、収縮、侵食させる可能性のある湿気、熱、その他の環境要因にも耐えなければならない。
こうした点を念頭に、アムステルダムの3Dプリント・カナルハウス・プロジェクトを手がける建築家たちは、170℃で溶ける、植物油を80％含むバイオプラスチックを使って印刷を行っている。このプラスチックが、研究プロジェクトを目的としない住宅にも適しているかどうかは、まだ明らかでない。住宅やオフィスビルを印刷する際には、施工後に配線を変更したり、構造上の予期せぬ問題を修正したりできるようにすることも必要となる。たとえば、電気、給排水、空調の配管・ダクトを考慮しなければならない。壁にセンサーを組み込む可能性も同様だ。将来、モノのインターネットに対応した3DP建築によって、回路を埋め込んだインタラクティブな壁、温度を調節する放射床、光学機能を高めた窓が実現する可能性がある。
実用的な大規模積層造形を可能にするため、克服すべきもう一つの障害は生産速度だ。現在、ワックス製の結婚指輪を1個印刷するのに、最大4時間かかることがある。フォード・ヨーロッパなどの自動車メーカーも、大量生産に積層造形を導入するには、この技術はまだ遅すぎ、費用もかかりすぎると公言している。（ただし業界では、試作部品の製造に3DPを採用しており、4か月ではなく4日で、50万ドルではなく3,000ドルで印刷できる。）
建築の分野で大規模な速度を実現するには、南カリフォルニア大学のベフロク・ホシュネヴィス教授が示した例にならい、巨大なプリンターを作ればよいだけかもしれない。同教授はこの10年以上にわたり、400平方フィートの構造物を印刷するシステムを開発し、コンクリート製の2,500平方フィート、複数階建ての住宅を24時間で建てることを目指して巨大3Dプリンターを開発している。中国企業のWin Sunはすでに、長さ150メートル、幅10メートル、高さ6.6メートルのプリンター4台を使い、200平方メートルのコンクリート住宅を10棟印刷したと主張している。
ただし、大型化を阻む最大の要因は費用かもしれず、ここではリサイクルが一役買う可能性がある。中国のWin Sunプロジェクトは、建設廃材と材料廃棄物を使い、3DPで650平方フィートの住宅を5,000ドル未満で造れる速乾性コンクリートを開発したと主張している。今年初め、同社は蘇州工業園区で初の3Dプリントによる6階建て住宅を披露した。ロンドンを拠点とするStudio Swineはさらに進み、海洋に浮遊するプラスチックを3DP材料へリサイクルする方法を開発している。誰かのごみが、近いうちに皆の宝物になるかもしれない。
この記事は、 GE Look Ahead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：Holly HickmanはGE Look Aheadに寄稿している。
画像：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。REUTERS/Pichi Chuang
