4D プリントの仕組み

重要なポイント

パーティクルボードの本棚から集合住宅に至るまで、私たちが毎日使用する機械や構造物が自動的に組み立てられると想像してみてください。イケアの六角レンチやクレーンはもう必要ありません。タイムラプスビデオの中で成長する植物のように、折り、丸め、硬くする方法を「知っている」3D プリント素材だけです。

言い換えれば、4 次元のオブジェクトを印刷できたらどうなるでしょうか?

確かに、技術的にはすべてが 4 次元です(物理学者によれば、実際には 10次元以上です)。しかし、私たちは主に長さ、幅、高さの観点から構築された世界を考えます。四次元である時間は私たちにとって敵であり、その影響に全力で抵抗しようとします（五次元が「トワイライトゾーン」なのか、それとも「アクエリアスの時代」を歌ったバンドなのかについては専門家の意見が分かれています） 。

そのため、建設には時間、お金、労力がかかり、何度もやり直したくないため、私たちはできる限り丈夫な壁やパイプを作り、老朽化に合わせて修理し続けます。しかし、時間が敵ではなかったらどうなるでしょうか?折り紙のように、構造物が自動的に展開できると仮定します。荷重の変化に応じて壁が曲がったり硬くなったりする場合や、埋設されたパイプがさまざまな水流に対応するために形状を変える場合、または消化器系のように蠕動運動によって水を汲み上げることができる場合を想像してみてください。 4D プリントでは、あなたが希望しない限り、何も固まりません。

研究者や製造業者がそれを実用化できれば、4D プリンティングは私たちの製造の概念全体を変える可能性があります。企業は、避難所、機械、ツールを印刷し、平らに梱包して必要な場所 (おそらく災害地域) に発送したり、宇宙や海底などの過酷な環境に備えたりすることができます。そこでは、人間に有害な環境条件が実際に物体の形状や特性の変化に影響を与えている可能性があります。それは一度だけではなく、繰り返し行われます。

そのすべての中心には、最も日常的な自然プロセスの背後にある基本的な物理学、化学、幾何学があります。嵐が来ると髪の形がどのように変化するかを考えてみましょう。これは単純な問題ですが、空気中に浮遊する水によってケラチンタンパク質が異常に高い割合で水素結合を形成し、髪が伸びるのではなく折り畳まれます。または、空気を取り込むと、各セクションに異なる特性があるため、平らなインフレータブル椅子がどのように予測可能な形状になるかを考えてみましょう。

4 次元デバイスは人間が構築する必要はなく、動作するためにマイクロチップ、サーボ、アーマチュアを必要とするロボットでもありません。彼らの唯一の「プログラミング」には、その構造に埋め込まれた幾何学、物理学、化学が含まれます。

次元の追加

4D プリンティングの核心は、3D プリンティングともう 1 つの最先端分野である自己組織化を組み合わせたものです。

自己集合とは、まさにその名の通り、部分が自発的に順序付けられて、より大きな機能的な全体になることです。この分野がナノテクノロジー界で人気があるのには、2 つの非常に正当な理由があります。まず、自己組織化はすでにナノスケールで起こっており、タンパク質の折り畳みから結晶形成に至るまでのプロセスの背後に原動力を提供しています 。第二に、私たちは分子サイズの機械を構築できるほどのハンマー、レンチ、ドライバーを持っていません。自力で何とかする必要がある。

しかし、自己組織化を人間のサイズにスケールアップできれば、現在の製品をより安価かつ簡単に製造したり、そうでなければ不可能な新技術を生み出したりできる可能性があります。ただし、主に、作業に適したツールと材料が必要です。

3D プリントに参入します。新しいアプローチが次々と登場していますが、従来の 3D プリンティングでは、慎重に定義されたポリマー層をプリント ベッド上に繰り返し積層する必要がありました。新しい層がそれぞれ硬化して下の層と融合すると、三次元の形状が現れます。初期のモデルでは一度に 1 つの材料しか印刷できませんでしたが、新しい 3D プリンタでは、より幅広い印刷媒体に対応し、一度に複数の材料で印刷できます。これは 4D プリンティングにとって重要なブレークスルーです。開発者はさまざまな材料を使用して、硬化、屈曲、膨張する領域、または特定の方法で折り曲げたい領域を構築できるからです。スポンジのように水を吸収するゾーンや、光にさらされると電流を発生するゾーンが存在する場合があります。適切なジオメトリを組み込んでいる限り、限界はありません。

これは、MIT の自己組織化研究室がプログラマブル マターと呼んでいるものです。これは、エンコードして物質自体を再形成したり、その機能を変更したりできる物質に焦点を当てた、科学、工学、材料へのアプローチです。プログラマブル マターの応用例の 1 つは 4-D プリンティングです 。

プログラマブルマター: 幾何学は運命である

4D プリンティングに取り組んでいるのは MIT の研究者だけではありませんが、同校の自己組織化ラボは、所長で 建築家のスカイラー ティビッツ氏の TED での講演のおかげで、最も早くから注目を集めました。

研究室の研究者たちは、シンプルで大規模な自己構築ロボットを作成することで、最初に自己組織化の世界に足を踏み入れました。労力と費用が無理だと判断した彼らは、ロジックを組み込んだ形や素材を作ることに目を向けました。

2010 年に、彼らは、幾何学形状のみを使用して計算問題を解決できる、連動する形状のセットである Logic Matter を作成しました。

最も基本的なものに戻ると、コンピューターは 1 と 0 を組み合わせて真または偽の答えを返す電子ゲートを使用して動作します。これらのゲートはブール代数を使用し、「入力は両方とも 1 ですか?」などの質問をします。または「どちらかの入力は 1 ですか?」 Tibbits の研究室でも同じ質問をしましたが、1 と 0 を表す通常の電気的なオン/オフ状態の代わりに、複雑な多面体を使用しました。入力では、図形をクリックして所定の位置に配置します。これにより、次の形状 (出力) を上向き (true) または下向き (false) の方向でのみ接続できる新しい構成が作成され、答えが得られました。

Logic Matter は自己集合のレベルまでには至りませんでした。各部分をパチッと組み立てるには人間の手が必要でした。しかし、物質に命令を組み込むことができることを示すことで、その方向への重要な第一歩を構成しました 。その後何年にもわたって、自己組織化研究所の研究者は、容器の中で転がしたり振ったりすると結合する幾何学的形状、振ると特定の形状になるチェーンなど、その名前にふさわしいアイテムにますます移行していきました。

これは次の重要なステップを示しました。それは、組み込まれた幾何学的な傾向とエネルギー (またはその他の環境要因) の入力を組み合わせて、ギアを始動させることです。

しかし、この幾何学的な傾向は何でしょうか？さて、段ボール (または木材、金属) で何かを作ろうとしたことがあるなら、最初に切り目を入れたほうが簡単に折りたためることをご存知でしょう。したがって、スコアリングは一種のプログラミングであり、マテリアルが希望どおりに動作する可能性が高くなります。ここで、ボール紙の代わりに、水を吸収して成長する素材もあれば、硬いままの素材もある、という組み合わせを想像してみてください。水に放り込むと、その形が変わっていく様子を観察できます。フォールディングとスコアリングを十分に賢く使えば、気づかないうちに本当に特別なものを手に入れることができます。

しかしその前に、使用する材料と、機械が材料を配置するパターンを正確に制御する必要があります。そして、このアプローチは、エネルギー入力や材料の違いがより大きな影響を与える可能性がある小規模なスケールでより効果的に機能します。マルチマテリアル 3D プリンティングは、研究者が必要とする制御を提供するのに役立ちましたが、適切な材料も必要でした。

自動で折りたためる折り紙

ティビッツ氏がミネソタ州に本拠を置く 3D プリンティング会社、ストラタシスの人々に自分のアイデアを話したとき、彼らは彼に、水に浸すと 150% 成長する素材を見せました。自然は水分に反応して形状を変える物体の実用モデルを数多く提供するため、水は 4D 物体を操作するための有望な手段となります。私たちはそれらを植物と呼びます。

植物は向性、つまり太陽光（屈光性）、水（屈水性）、重力（重力屈性）、化学物質（化学屈性）、さらには物理的接触（屈性）などの環境要因に基づいて特定の方法で成長する傾向を示します。たとえば、太陽光は成長を促すオーキシンと呼ばれるホルモンを殺すため、植物は太陽光に向かって曲がる傾向があります。その結果、植物の太陽の反対側の面は太陽に面している側よりも早く成長し、植物は光に向かって曲がります。少し想像力を働かせれば、材料、環境、エネルギーを結びつける物理学を同じように曲げて、私たちの要求を実現できるかどうかは簡単にわかります。

植物が 4D プリンティングの研究者たちにインスピレーションを与えてきたことを考えると、2016 年にハーバード大学のチームが、水に入れるとその名の由来の形になる 4D プリントの「蘭」を作成してニュースになったのは、おそらく驚くべきことではないでしょう。花はヒドロゲル複合材料を使用して印刷され、絞り袋からアイシングするように、パイプで何層も重ねてプリントベッド上に配置されました 。

印刷プロセスの 2 つの側面から花の挙動が説明されます。 1つ目は、大量の水を吸収できるハイドロゲルの使用です。 2つ目は、複合材料には植物の構造に不可欠な小さくて強い繊維であるセルロースフィブリルも含まれているという事実です。セルロースは常に既知の方向に流れるため、研究チームはセルロースを慎重にパターン化して、花のどの部分が膨らみ、どの部分が水にさらされても硬いままかを制御することができました 。

間違いなく、時間が経つにつれて、フレキシブルでダイナミックな電気回路用の導体など、他のさまざまな材料を使用したさらに多くの実験が行われることになるでしょう。しかし、多くの流行語と同様に、4D プリンティングという用語も独り歩きし、より幅広いトピックを構成するよう拡大することになるでしょう。たとえば、ある企業である Nervous System は、衣服を 3D プリントする新しい技術 (接合部で接続された巧みに配置されたナイロンの花びらから衣服を作成する) を「4-D プリント」と説明しています 。

他に考えられる 4 次元の未来をいくつか見てみましょう。

展開する 4-D の未来

ナノマシンの世界は、自己組織化への道をいち早くスタートできています。その理由の 1 つは、ナノマシンが自己組織化し、めったに間違いを犯さず、必要に応じて自己修復する効率的で複雑な設計の例を自然から引き出すことができるためです。これらの原則を人間のスケールに移すのは困難であることが証明されているが、それがうまくいけば、その可能性は印象的である。米陸軍もこの事実を忘れていない。米陸軍はすでにハーバード大学、ピッツバーグ大学、イリノイ大学に85万5000ドルを資金提供している。自己構築の橋やシェルターなどの軍事用途に関する研究 。

ファッションや家具が新しいテクノロジーを導入する楽しく有益な方法をどのように提供できるかについてはすでに述べましたが、単一のサイズがすべてに適合するわけではないことは明らかであるという事実を考慮すると、この分野はそのようなアプリケーションに適した分野です。指令に応じて変化するパターン、つまり裾のラインがすぐに見られるようになるでしょう。

重要なのは、3D および 4D プリンティングの魅力の多くはその柔軟性にあるということです。 3D コンピューター モデリングを使用すると、企業は、カットや縫製を一切せずに、すぐにどんな体にもフィットするようにドレスや靴をカスタマイズし、それを 1 回限りのものとして印刷することができます 。 4D 素材と形状を使用することで、衣服は伸びや歪みの力に応じて自動調整できます。たとえば、ランニング シューズは、テニスの試合のストレスを感知しながら、横方向のサポートと安定性を提供するために硬化する可能性があります。

BMWはすでに、「アライブ・ジオメトリー」と呼ぶ4Dデザインを組み込んだコンセプトカーを披露している。変化する運転条件に対応して形状を変える可能性のある内装または外装コンポーネントを想像してください。車の外側では、4D パネルが温度、気流、ステアリング、センサー入力に合わせて調整され、空力効率を最大化できます。タイヤとブレーキも道路状況に応じて変化する可能性があります 。

将来的には、バイオミメティクスと 4D プリンティングが組み合わされることで、私たちの身体に合わせて調整された医療機器や、環境に反応する身体拡張さえも実現される可能性があります 。それが今では個別化医療と呼ばれています。

もちろん、4D プリンティングがその可能性を最大限に発揮するには、多くの制限を克服する必要があります。まず、プロセスは今のところ、とにかく非常に遅いままです。また、ジオメトリへの依存により、実行できることがある程度制限されますが、それはおそらく一時的な障害です。より深刻になる可能性があるのは、強制的に曲げられる材料に作用する応力、またはそのような形状によって発生する可能性のある破損点です。さらに、場合によっては、4-D マテリアルが変化しないという問題が発生します。つまり、古い形状に戻らずに新しい形状のままになったり、設計どおりに状態を切り替えられなかったりすることがあります 。

4D プリンティングが流行なのか、好奇心なのか、それとも次の大きなものなのかについては、時間がたてばわかります。

著者のメモ: 4D プリンティングのしくみ

4D プリンティングはまだ初期段階にありますが、実用化できるかどうかはおろか、関連するアイデアのコレクションを販売するための賢い方法以上のものであるかどうかを知るには、確かに時期尚早です。しかし、この種のことに賭けている少数の人々はそれに賭けています、そしてなぜ賭けないのでしょうか？できると宣伝されているもののほんの一部でも実行できるのであれば、それは成功するでしょう。わずか数十年で 3D プリントがどれほど進歩したかを見てください。

それでも、これらのマクロスケールの自己組織化技術が動作できる速度に制限がないのではないかと疑問に思う必要があります。根本的な方法で素材を変更することなく、素材が成長したり、カールしたり、曲がったり、単にぶつかったりできる速度には限界があります。しかし、材料が応力に耐えられると仮定すると、おそらく、特定のシステムに十分なエネルギーが詰め込まれていれば、そのような問題は克服できるでしょう。