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今自分の口から出た言葉が信じられません。確かに前に並んでいた女性を侮辱するつもりはなかったが、もう手遅れだ。彼女がチキンナゲットを何個注文するかは、あなたにとって何の用事ですか？彼女は怒ってあなたを見つめています。心拍数が上昇すると突然の衝撃を感じ、頬が温かく感じ始めます。私の友人であるあなたは恥ずかしくて、そのせいで顔を赤らめています。

赤面と恥ずかしさは表裏一体です。顔面紅潮は、突然の自意識に対するごく自然な反応であるため、感情的に麻痺するような経験の一部でなければ、ほとんど見逃される可能性があります。しかし、赤面症は独特であるため、科学者は赤面症についてもっと知りたいと考えています。赤面の心理はまだ解明されていませんが、それに伴う物理的なプロセスは理解されています。

赤面症の仕組み

恥ずかしさによる赤面は、闘争・逃走反応を活性化するのと同じシステム、つまり交感神経系によって支配されています。このシステムは非自発的です。つまり、プロセスを実行するために実際に考える必要はありません。

恥ずかしいと感じると、体からアドレナリンが分泌されます。このホルモンは自然な興奮剤として作用し、危険に備えるために呼吸と心拍数を速めます。瞳孔が大きくなり、できるだけ多くの視覚情報を取り込めるようになりますが、消化プロセスが遅くなり、エネルギーが筋肉に向けられるようになります。これらすべての影響が、自意識を感じたときに遭遇する衝撃の原因となります。

アドレナリンはまた、血流と酸素供給を改善するために血管を拡張させます (血管拡張と呼ばれます)。赤面症もこれに該当します。顔の静脈は、化学伝達物質であるアデニリルシクラーゼからの信号に反応し、アドレナリンが魔法を発揮できるように静脈に指示します。その結果、顔の静脈が拡張し、通常よりも多くの血液が流れるようになります。この赤くなった外観は、恥ずかしい状況や恥ずべき状況に身体が反応する様子です。

重度の赤面症は謎のまま

この闘争または逃走反応は十分合理的であるように思えますが、これは静脈からの異常な反応です。他の種類の血管はアドレナリンに反応しますが、静脈は一般に反応しません。体の他の領域では、アドレナリンが放出されても静脈はあまり機能しません。ホルモンはそれらにほとんど、またはまったく影響を与えません。

恥ずかしさによる赤面は独特の現象です。頬が赤くなる他の方法もあります。アルコールを飲んだり、 性的に興奮したりすると赤面することがありますが、アドレナリンによって引き起こされるタイプの赤面は、恥ずかしい場合にのみ引き起こされます。

赤面反応を抑えるために手術を受けることを選択する人もいます。赤面恐怖症は赤面することへの恐怖であり、赤面恐怖症は赤面を制御する背骨の小さな神経を切断する選択をする人につながる可能性があります。この手術は胸腔内交感神経切除術と呼ばれ、赤面症を抑えることが証明されている。

赤面することは強力な経験の一部ですが、なぜ私たちは恥ずかしいことに対するこのような反応を発達させたのでしょうか?科学はその質問に明確に答えることができていませんが、赤面の理由についてはいくつかの興味深い理論があります。

赤面症の理論

恥ずかしいと感じたときに頬からより多くの血液が流れるのには、どのような目的があるでしょうか?赤面症は人間に特有のものであるだけでなく、人間の間でも普遍的なものであると考えられています。なぜ私たちは、当惑を物理的に示す特定のプロセスを開発するのでしょうか?赤面症はどこから来たのでしょうか？これらは研究者が答えようとしている疑問です。

レイ・クロージャーは、英国のイースト・アングリア大学の心理学教授です。彼は、赤面は社会が友好的に機能するために私たち人間が遵守しなければならない社会規範を強制する手段として進化したと結論付けています。恥ずかしいときに顔を赤らめることで、私たちは社会的に間違ったことをしただけであり、その代償を払っていることを他の人に示していることになります。

興味深いことに、気まずい状況の後に私たちが赤面しているのを見た他の人は、それが自然な反応ではあるものの、その感情は不快なものであることを経験から理解しています。この点で、顔を赤らめることは、自分の間違いに対する非言語的、身体的な謝罪として機能する可能性があります。

クロジエ氏がBBCに語ったところによると、恥ずかしさは心の知性を表します。 「当惑するための前提条件は、他人がどのように感じているかを感じることができることです。共感力があり、社会的状況に対して賢くなければなりません。」。

赤面症はいつ始まりますか?

この共感力と社会的知性は、人間の幼い頃、つまり学校に入学し、他者との社会的状況に関わり始める頃から発達するようです。心理学者は、この社会的知性の発達を研究することにより、恥ずかしさによる赤面感が他者に対する意識とともに発達することを発見しました。これは、赤面症には純粋に社会的な根拠があることを示唆しています。

哲学者トーマス・ホッブズが初期の社会を「意地悪く、野蛮で、背が低い」と表現したのが正しければ、赤面は他人への侮辱に対する心からの後悔を示す手段として発達した可能性がある。私たち人間も動物であるため、侮辱が暴力につながる可能性があることを知っています。その結果、動物は、自分がしたことに対して申し訳ないと他の人に示すために、謝罪のサインを示す方法を開発しました。

庭で穴を掘っているのを見つけられて、犬が転がる様子を想像してみてください。お腹をあなたに見せることは、犬がその状況に対するあなたの怒りに異議を唱えているわけではないことを示しています。それは悔い改めの表れです。ほとんどの人にとって、一度寝返りを打った犬に対して怒りを感じ続けるのはかなり難しいことです。したがって、赤面することは、人間が悪い社会的形態に対する自らの悔い改めを示す方法である可能性があります。

代替理論

別の解釈では、赤面することは悔い改めの反対であると示唆されています。それは怒りの現れです。この説明では、赤面はあなたの性格の一面が攻撃を受けている結果であると仮定しています。

NPAの性格理論(ナルシシズム、完璧主義、攻撃性) では、3 つの要素がすべての性格の基礎を形成すると述べています。これらの要素はさまざまな程度で発生し、さまざまな異なる性格タイプを形成します。ナルシスト (N) の側面は、栄光と仲間内での評価の探求に基づいています。この探求が公の場で脱線すると、たとえば恥ずかしい状況によって、私たちはアドレナリンの急増とその後の赤面を経験します。

私たちが赤面する理由の最終的な説明が何であるかに関係なく、人々は恥ずかしさに対する身体的な反応とともに、許しの適性を発達させているようです。 （もしそうでなかったら、赤面する理由はないでしょう！）だから、次にあなたが自分のせいで気まずい状況に陥り、血の気が引くのを感じたときは、覚えておいてください。これもいつかは過ぎます。

1982 年のミュージカル コメディー「ビクター ヴィクトリア」では、ジュリー アンドリュースがパリのキャバレーでの役の終わりに高音を歌います。彼女はメモを持続し、部屋の周りのシャンパングラスが砕けました。これは、高音または高周波音がどのように材料を分解するかを見事に実証しました。

しかし、高周波音が材料を接着するために使用できることをご存知ですか?超音波溶接と呼ばれる技術は、医療機器から運動靴、自動車に至るまで、多くの産業の製品の組み立てに使用されています。

通常、釘、ネジ、糸などの留め具を使用して材料を接着できます。これは、金属、木材、布地、プラスチックに適しています。多くのプラスチックには接着剤が使用されます。接着剤は、接着剤自体と接着されたプラスチック材料の表面との間に化学結合を形成します。電気接続の鉛はんだなど、他の金属を結合剤として加熱することで金属を結合させることができます。あるいは、金属を直接溶かすこともできます (溶接)。溶けた金属の表面が冷えると、金属同士が結合します。溶接では通常、金属表面を溶かすのに必要な高温を達成するために直火またはトーチが必要です。そのため、製造作業によってはコストがかかるプロセスになる可能性があります。

よりコスト効率の高い新しい溶接技術が 1940 年代に導入されました。超音波溶接という技術は、超音波振動と圧力を使用して金属を接合するもので、従来の溶接よりも少ないエネルギーで済みます。

超音波金属溶接は、装置で使用される電子機器がより高度になり、 コンピューターでプロセスを制御できるようになったことで、1950 年代から 1990 年代にかけて開発されました。この時以来、この技術はプラスチックに適用され、実際に普及しました。

この記事では、超音波溶着の装置と物理的プロセス、ニューバランスがどのように超音波溶着を使用してスポーツシューズを製造したか、そしてこの技術の長所と短所について見ていきます。まず、音波が金属とプラスチックの両方の材料をどのように結合するかを詳しく見てみましょう。

超音波溶着と摩擦

両手を素早くこすり合わせます。何か気づきましたか？温まりましたね？ハンマーを使って金属の表面を素早く何度も叩いてみると、ハンマーが金属を叩いている場所も温かくなることがわかります。これらの例では両方とも、熱は摩擦によるものです。ここで、手をこすったり、ハンマーを毎秒何千回も叩いたりすることを想像してください。

発生する摩擦熱により、非常に短時間で温度が大幅に上昇する可能性があります。基本的に、高周波音（超音波）は、溶接される材料内に急速な振動を引き起こします。振動により材料が互いにこすれ合い、摩擦により接触している表面の温度が上昇します。この急速な摩擦熱が、材料が結合する条件を設定します。

超音波溶着装置は 4 つの主要な部分から構成されます。電源は、低周波電力 (50 ～ 60 Hz) を高周波電力(20 ～ 40 kHz、1 kHz = 1000 Hz) に変換します。次に、トランスデューサーまたはコンバーターが高周波電気を高周波音（超音波）に変えます。ブースターは超音波の振動を大きくします。最後に、ホーンまたはソノトロードが超音波振動を集中させ、溶接する材料に伝達します。これらの部品の他に、溶接材料を積み重ねて保持するアンビルがあります。溶接中に材料を保持するために力（通常は空気圧ピストンによって供給される空気圧）を加える方法もあります。

それでは、どのような材料や産業がこの巧妙なプロセスを利用しているのでしょうか?プラスチックの超音波溶着は、電子機器、医療機器、自動車部品の製造に広く使用されています。たとえば、超音波プラスチック溶接は、コンピュータの回路基板に電気接続を作成したり、変圧器、電気モーター、コンデンサなどの電気部品を組み立てたりするために使用されます。

カテーテル、バルブ、フィルター、フェイスマスクなどの医療機器は、超音波溶着プロセスに依存しています。包装業界では、この技術を使用してフィルムを作成し、チューブやブリスターパックを組み立てます。フォード モーター カンパニーでさえ、自動車のアルミニウム シャーシを製造するために超音波溶接を使用することを検討しています。

超音波溶接の基本を理解したところで、溶接プロセス自体を見てみましょう。

超音波溶接のステップバイステップ

超音波溶接の基本プロセスは次の手順で説明できます。

溶接時間、加えられる圧力、および温度は、溶接装置内のコンピュータまたはマイクロプロセッサによって制御されます。そして、溶接プロセス中に実際に何が起こるかは、材料の性質によって異なります。金属では、超音波振動は材料の面と平行に伝わります。

摩擦熱により金属表面の温度は溶解温度の約 3 分の 1 まで上昇しますが、金属は溶解しません。代わりに、熱により表面から金属酸化物やフィルムが除去されます。これにより、金属原子が 2 つの表面間を移動し、金属を保持する結合を形成できるようになります。

プラスチックの場合、振動は材料の平面に対して垂直であり、摩擦熱により温度が上昇し、プラスチックが溶けます。プラスチックの分子が混ざり合って結合を形成します。冷却すると、プラスチックの表面が溶接されます。溶接時間はさまざまですが、わずか 0.25 秒で溶接が完了します。

超音波溶接で変化する要因は、音波の周波数 (通常は 20、30、または 40 kHz)、材料を保持するために加えられる圧力、および超音波が適用される時間 (数分の 1 から 200 kHz 以上) です。 1秒）。

ここで説明した超音波溶接技術は、類似した材料 (金属、プラスチック) に適しています。しかし、類似していない材料についてはどうでしょうか。ニューバランスがどのように超音波溶接を使用してスポーツシューズを組み立てたかを見て、この質問に答えてみましょう。

超音波溶接の様子

運動靴を見てください。従来の靴はキャンバスやスエード レザーなどの単一の素材で作られていますが、多くの運動靴は軽量のプラスチック ポリマー、スエードまたは合成スエード、メッシュの組み合わせなど、複数の素材で作られています。これらの複合材料により、シューズは軽量、柔軟性、耐久性、通気性に優れています。たとえば、ニューバランスの運動靴の 1 つのスタイルには、3 つの部分からなる上部があります。

しかし、これらの材料をどうやって組み合わせるのでしょうか?最も一般的には、靴会社が材料を縫い合わせます。しかし、ニューバランスは2～3年ほど前から、シューズのアッパー部分を無縫製で作ることに着手した。ポリマー接着フィルムとアイロンを試した後、彼らは超音波溶着を使用して靴のこの部分を作る方法を思いつきました。

靴の上部を組み立てるために、労働者は合成スエード素材から始めます。アイロンプレスを使用して、ホットメルトフィルムの薄いシートを素材の裏側に接着します。次に、超音波溶接アセンブリでパターン バンプをスエード素材に押し込みます。同様に、同様の超音波溶接機を使用して、別の合成スエードからサドルアイ列をプレスします。ヴァンプの形状はスエードから切り出されます。サドルのアイ列とメッシュ素材がバンプに超音波溶着されます。その際、超音波溶着機の摩擦熱によりホットメルトフィルムが溶け、サドルアイ列とメッシュ素材がバンプに接着されます。完成したヴァンプは成形され、水性溶剤を使用してソールとヒール部分に接着されます。

New Balance のシニア製品開発者である Kenneth Straka 氏によると、超音波溶着方法により時間が節約され、生産性が向上しました。超音波ウェルダーはアイロンプレスよりも熱を均一に分散するだけでなく、加熱と冷却がより速くなります。そのため、組み立てプロセスに必要な手順は従来の縫製方法よりも少なく、迅速です。

超音波溶接を使用してさまざまな材料を接合する方法を説明しました。次に、この技術の長所と短所を見てみましょう。

超音波溶接法を使用する理由

超音波溶接には、従来の方法に比べて多くの利点があります。まず、溶接は他の方法に比べて低温で行われます。そのため、メーカーは高温に達するために大量の燃料やその他のエネルギーを消費する必要がありません。これにより、プロセスが安価になります。また、より速く、より安全です。

このプロセスは数秒から数秒で行われます。そのため、他の方法よりも早く実行できます。実際、接着剤よりもプラスチックをより効果的に、より速く接着できます。たとえば、車の新しいスマートキーにはトランスポンダーチップが組み込まれています。車はチップを感知した場合にのみ始動できます。キーを作成するには、金属キーの一方の端をブランクにし、チップをプラスチックの上部の半分に配置します。残りの半分をその上に置き、ベース半分に接着します。この接着は通常接着剤で行われるため、硬化するのに時間がかかります。超音波溶接を使用すると、同じ作業を 1 秒以内に実行できます。

超音波溶接は可燃性燃料や裸火を必要としないため、他の溶接方法と比較して安全なプロセスです。労働者は可燃性ガスや有害な溶剤にさらされません。エレクトロニクスでは、通常、銅線ははんだを使用して回路基板の電気接点に接着されます。超音波溶接を使用すると、同じ作業を短時間で行うことができ、作業者を鉛はんだのくすぶりから出る煙にさらすことなく行うことができます。高周波音にさらされると作業者の聴覚が損傷を受ける可能性がありますが、超音波溶接機を安全ボックスやケージに入れたり、耳の保護具を使用したりすることで、この潜在的な危険を簡単に軽減できます。

最後に、超音波溶接は、同じ材料の従来の溶接と同じくらい強力で耐久性があります。これが、この方法が自動車製造に使用されている理由の 1 つにすぎません。自動車を軽量化し、燃費を向上させるために、自動車メーカーは車体の主要な金属としてアルミニウムに注目しています。超音波溶接を使用すると、従来の溶接よりも短時間かつ低温で金属を接合できます。

ただし、超音波溶接には限界があります。まず、溶接の深さが 1 ミリメートル未満であるため、このプロセスはプラスチック、ワイヤー、薄い金属シートなどの薄い材料に最適です。建物の鋼桁を超音波溶接することは現実的ではありません。第二に、同様のプラスチックや同様の金属などの同様の材料を溶接する場合に最も効果的です。ニューバランスのシューズで見たように、異種素材を超音波溶接するには追加の素材が必要です。ニューバランスのシューズの場合、それは合成スエードとメッシュの間に接着できるフィルムです。

これらの制限にもかかわらず、超音波溶接の人気と可能性は成長し続けています。

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。

重要なポイント

時は紀元前60年 ギリシャ美術品を積んだ巨大な ローマの穀物船が、現在のトルコ沖の島であるロードスの主要港に入港した。その最も著名な乗客である王女は、有名な天文学者ヒッパルコスに会うために上陸します。二人はすぐに意気投合しました。それは良いことです。なぜなら、王女は本土の目的地に運ぶために彼から信じられないほど貴重なものを集めるためにそこにいるからです。

ヒッパルコスは助手たちの助けを借りて、古代世界で最も貴重な物の一つを建造しました。それは当時のどのデバイスよりも洗練されたメカニズムです。物体を船室に安全に積み込んだ後、王女は出航する船の甲板からヒッパルコスに手を振って別れを告げます。

船がエーゲ海に入ると天候が悪化。風が強くなり、船員たちは巨大な船の帆を整えます。小屋に閉じ込められた王女は、その仕掛けを暴いて遊んでしまいます。現代人の目には、大きくて精巧な時計のように見えます。姫が木製ケースの側面にあるダイヤルをぼんやりと回すと、表と裏の複雑な歯車が回転します。突然、船が横に傾き、仕掛けがテーブルから滑り落ち、お姫さまは床に落ちました。彼女は飛び起きて舷窓に急いで行き、ボートが高い岬のふもとのギザギザの岩に激突するのを見ました。

お姫様が逃げたとしましょう。もしかしたら乗組員全員が無事に避難できたかもしれない。何が起こったのか正確には誰も知りません。

実際、上記は完全に架空のアカウントです。船には王女がいたかもしれないし、いなかったかもしれない。ヒッパルコスに関しては、彼は歴史的に重要な天文学者であり、研究者らはおそらくこの装置を作成した可能性があると考えています。確かに知られているのは、紀元前60年頃、アンティキティラと呼ばれるエーゲ海の島の沖合で巨大な穀物船が沈没したということだけだ。そして、その残骸の中で、世界初のアナログコンピューターと呼ばれる人もいるメカニズムが、ほぼ2000年にわたって失われました。

発見

謎のメカニズムの回復をもたらしたのは、またしても嵐だった。 1900 年の春、エーゲ海東部の島から海綿ダイバーを満載した小型ボートが北アフリカの海岸に向かっていたところ、突然の嵐によりコースを外れてしまいました。嵐が治まると、ダイバーたちはクレタ島とギリシャ本土の間にある島、アンティキティラ島の港にいることに気づきました。

ギリシャ人は何千年もの間、 海綿動物を求めてダイビングをしてきました。彼らはそれをオリンピック競技にも採用しました。キャプテンのディミトリオス・コントスはチャンスを無駄にするつもりはなかった。彼とチームは島の周りを旋回して、岬のふもとにありそうな場所を目指した。

昔、プロは必要に応じてスポンジを求めてフリーダイビングをしていました。しかし 1900 年までに、最近の技術革新が業界に革命をもたらしました。コントスのチームの一人、エリアス・スタディアティスは、新型のダイビングヘルメットと呼吸ホースを備えたキャンバススーツを着用し、水中に沈んだ。ほぼ瞬時に彼は立ち上がったが、明らかに動揺していた。ヘルメットを脱ぎながら、彼は海底で腐乱した死体の山や人間や馬についてしゃべった。

コントス船長は懐疑的ではありましたが、興味があり、自ら潜ることを決意しました。彼が発見したのは、（人間と馬の）古代の彫刻が散りばめられた広大な残骸でした。彼は等身大の青銅の腕を持って戻ってきた。船員たちはその場所に気づき、スポンジダイビングの目的地へ向かいました。結局のところ、彼らにはやるべき仕事があったのです。しかし、彼らが戻ってきたとき、コントスさんは発見を当局に報告し、青銅を引き渡した。

数年前、ギリシャ・トルコ戦争の末にギリシャは屈辱的な軍事的敗北を喫していた。国家の誇りを取り戻すことを願って、政府は難破船の救出にコントスとその乗組員を雇った。 10か月にわたる引き揚げ作業中に、ダイバーのうち2人がカーブで麻痺し、1人が死亡した。彼らの研究により、これまで難破船から発掘された中で最も驚異的な古遺物のコレクションが生み出されることになる。多くの注目に値する彫刻の中で、とりわけ 1 つの物体が、これまでに発見された最も重要な考古学的遺物の 1 つであることが判明します 。

また沈んだ

アイテム 15087 は遅れて名声を博しました。これは、アンティキティラの海から引き揚げられた宝物の調査と目録作成を担当するギリシャの考古学の専門家によってこの機構に与えられたファイル名です。当初、それらの専門家は誰もそれをどう判断すればよいのか本当に知りませんでしたし、実際に試みようとする人もいませんでした。結局のところ、それは大したものではなく、ある種の木枠のようなものに入った靴箱ほどの大きさの青銅の塊でした。それは、回収された並外れた青銅と大理石の彫刻の宝庫という観点からは、明らかに魅力的ではありませんでした難破船から。

しかし、木枠が屋外でゆっくりと乾燥すると、ばらばらになってしまいました。ギリシャの考古学者スピリドン・ステイスは、1902 年に開口部に気づき、内部を調べました。そこで彼は、小さな碑文が刻まれた青銅の部品を見つけました。さらなる研究により、機械式時計の精密な歯車のようなものが判明しました。しかし、もちろん、それは不可能でした。 1902 年に理解されていた技術の歴史によれば、精密歯車装置は 14 世紀以前には登場しませんでした。 1,400年前に沈没したアイテム15087にゼンマイ仕掛けの歯車が含まれていたと言うなら、リンゴの荷車は完全にひっくり返るだろう。

ほとんどの研究者は、この装置は時間を知るために使用された古代の天文道具であるアストロラーベであるに違いないと判断しました。アイテム15087はそれよりもはるかに複雑だと感じた人もいたが、彼らの理論を証明するのに十分な証拠を腐食した金属から収集するのは難しすぎた。

その結果、何十年もの間、このメカニズムは再び不明瞭になりました。それ以来、ある学者はその運命を一種の二度目の溺死であると特徴付けています。

1950 年代後半、デレク デ ソラ プライスという名前の研究者は、いわゆるアンティキティラの機械に魅了されました。長年にわたる執拗な研究により、彼はこの装置が実際には天文現象を予測するために考案された古風なコンピューターであると確信しました。彼はギリシャの放射線技師である C. カラカロス博士とともにこの機構の最初の X 線写真を撮影し、1974 年に「ギリシャ人の歯車」というタイトルの発見結果を発表しました。

プライスは、それぞれの歯車が異なる天体の動きを表していると理論づけた。歯車間の数学的関係を計算することにより、彼は歯車が具体化する天文周期を推定することができました。その後の証拠によって彼の理論が正しいことが証明されることになる。

彼は自分の論文が学術的な爆弾になるだろうと思っていたが、そうではなかった。確立された学者たちは技術の歴史を完全に書き換えることに消極的であることが判明した。とにかく、古代世界に関して言えば、ほとんどの研究者は文学者であり、腐食した歯車よりも叙事詩に興味を持っていました。ほとんどの場合、この論文は無視されました。

問題の一部は、1974 年までに、アンティキティラの機械が、エーリッヒ フォン デニケンというスイスの作家による、明らかに非科学的であるにもかかわらず非常に人気のある本との関連で汚染されていることです。デニケンは 1968 年の著作『神々の戦車』の中で、エイリアンが地球にテクノロジーをもたらしたという理論を提唱していた。彼は、アンティキティラ島の機械は彼らの贈り物の 1 つであると主張しました 。

しかし、アイテム 15087 には常に少なくとも 1 人か 2 人の科学的傾向のあるチャンピオンが存在しました。そして、アンティキティラ島の機械を UFO の世界から救い出すのに何年もかかりましたが、最終的には成功しました。

インサイドアウト

マントルピースの上にある時計をご存知ですか。誰かが時計を巻き忘れたために、いつも 2 時半で止まっている時計です。全盛期には、アンティキティラ島の機械はそれらの 1 つとほぼ同じくらいのスペースを占めていました。もうない。それは一連の断片の中で存続します。それぞれの破片は青銅の塊で、非常に腐食しており、非常に高度な技術がなければ内部に何が入っているかを見ることはできません。

2005 年、学者たちはアテネの国立考古学博物館に SUV サイズの装置を持ち込み、最先端のコンピューター断層撮影 (CT) スキャンを実施しました。その結果は驚くべきものでした。 CT スキャンを使用して、研究者はメカニズムの構造を内部から外挿することができました。

側面のノブで機構を前後に巻き上げます。時間を伝える代わりに、天の動きを描写しました。ノブを回すと一連の歯車が噛み合い、最低 7 つの異なる針が回転し、それぞれが別々のペースで動きます。太陽の手、月の手、水星の手の３番目、金星の手の４番目、火星の手の５番目、木星の手の６番目、土星の手の７番目がありました。もちろん、これらはすべて肉眼で見ることができる天体です。

CTスキャンによって明らかになった碑文によると、それぞれの文字盤には、そのオーブを表す色分けされたミニチュアボールが保持されていたと考えられます。

ケースの裏側にはさらに 2 つのダイヤル システムがありました。 1 つは月食と日食のカレンダーで、もう 1 つはオリンピックなどの重要な運動イベントのタイミングを示していました。文字盤は、太陰暦と太陽暦を調和させた洗練された 19 年 12 か月のカレンダーであるメトニック サイクルに基づいています。バビロニア人がメトン周期を考案しましたが、ギリシャ人がそれを改良し、カリピック周期と呼ばれるものを作成しました。これは、太陽時と月時の超正確な噛み合わせに到達するために、4 つのメトン周期を必要とし、1 日を減算します。バビロニア人は優れた天文学者でしたが、ギリシャ人はすべてを理解するために幾何学を使用しました。それによって、天体の動きを歯車として視覚化できるようになったのです。

そしてその機構は、天の動きを古代ギリシャの社会生活と結びつけることで、その文明の世界観を高度に表現したものでもありました。それは、論理的かつ機械的な宇宙の仕組みをミニチュアで示しました。おそらく、ある意味では、この装置を構築し、それが非常に正確に動作するのを確認することは、当時の知恵を肯定しただけでなく、それを豊かにしたのかもしれません。既知の宇宙の機械的表現を構築できる場合、その宇宙は本質的に機械的であるに違いありません 。

アンティキティラの行方

古代ギリシャ人は天文学について何を知っていましたか?彼らの学問は書面で残されたものはほとんどありません。私たちは、アレクサンドリアのプトレマイオスのような後世の作家に、先人たちから伝えられたことについての説明を頼っています。

しかし、アンティキティラの機械の詳細な CT スキャンは、欠けていた情報の一部を埋めるのに役立ちました。かつてこの装置は特別な考古学的遺物とみなされていましたが、現在ではそれが単なる機構ではないことが判明しています。それは文書でもあります。研究者たちは、金属加工物に刻まれたこれまで見たことのない大量の文字を確認することができました。碑文はこの機構についての一種のユーザーガイドに相当し、そのガイドには、研究者たちが長い間ギリシャ人を疑っていたが確認できなかった、ある程度の天文学的知識が含まれている。今では、 ができるようになりました。

天球の動きを熟考し、予測するためのメカニズムを作成するのは非常に素晴らしいことですが、古代人が非常に多くのことを知っていて、そのような非常に洗練された装置を構築できたのであれば、なぜ彼らはもっと便利なものを発明し続けなかったのでしょうか?たとえば、実際の時計でしょうか？それとも望遠鏡？

おそらく答えは、古代ギリシャ人にとって、便利な道具を作ることは私たちほど重要ではなかったということです。おそらく彼らは、物事を成し遂げるためよりも、知識のための知識に興味を持っていたのでしょう。

最新のダイビング技術を備えた海洋考古学者らが、再びアンティキティラ島沖の難破船を調査している。彼らが何を見つけるか誰にも分かりません。一方、アンティキティラの機械自体については多くのことが謎のままです。誰が、誰のために、そしてなぜそれを建てたのか、私たちはまだ知りません。ハイテク CT スキャンが刺激的な新しい結果をもたらしたのと同様に、将来的にはさらに高度な捜査手法が開発されるでしょう。彼らはアンティキティラの機械について何を明らかにするのでしょうか？デバイスをモデル化する現在の試みは、入手可能な情報で可能な限り正確ですが、おそらく将来の研究によって、この古代テクノロジーのこれまで想像できなかった新しい側面が明らかにされるでしょう 。

著者のメモ: アンティキティラ島の機械はどのように機能したか

歴史は直線的ではなく、進歩は誤った概念であることをどれだけ思い出そうと努めても、私は常に、ある発見が全体的な改善の方向に向かって別の発見の上に築かれるというデフォルトの思い込みに陥ってしまいます。アンティキティラ島の機械のようなクレイジーで小さな人工物は、私たちがここに至るまでの過程に避けられないものなど何もないことを思い出させてくれるのは良いことです。技術的には、古代ギリシャ人は産業時代の入り口にいた可能性があります。彼らはそれができなかったので、私たちが進んでいる道を歩まなかったのだと私たちは思います。おそらく本当の理由は、彼らが興味を持っていなかったことです。