4D プリントとは何ですか?

Jul 29, 2023

4D プリントは、空気、水、熱への曝露など、特定の刺激に基づいて時間の経過とともに変形する 3D プリント オブジェクトを作成するプロセスです。

4D プリントは、3D プリントされたオブジェクトが、熱や光などの環境刺激に応じて時間の経過とともに自律的に変形するようにプログラムされるプロセスです。

フラットパックで配送される自律型の自己組み立て家具を考えてみましょう。 自ら構築する建物。 再生式地下配管システム。 機能的ですぐに印刷できる臓器。

あるいは、興味を持って Google 検索をしているときに、湾曲した正弦波状の織物がブルータリスト時代のラウンジチェアに似たものにカールしたり、ゼラチン化粧品のエッフェル塔のミニチュアが弛んで熱にさらされると形状が回復するのを見たことがあるかもしれません。

いずれにせよ、これらの強力なモーフィング オブジェクトは 4D プリンティングのレンダリングであり、3D プリンティング プロセスに自己活性化プロパティを導入します。

4D プリンティングは、時間的に変形するように設計された自己集合性のプログラム可能な物質を作成し、一種のアクティブな折り紙を製造します。 4D または 4 次元という用語は本質的に時間を表し、印刷されたオブジェクトに対する時間の影響を詳しく説明します。

マイアミ大学の機械製造工学助教授シンイー・シャオ氏は、「4Dプリンティングを使えば、時間の経過とともに形状や機能を変化させる追加機能をオブジェクトに印刷できます」と述べた。 「これは、環境に適応したり、自己修復したりできるオブジェクトを作成するために使用できる可能性があります。」

4D プリント プロジェクトでは、3D プリント レンダリングは基本的に時間に依存するように作成されます。 これらのレンダリングは、完全に組み立てられると、相互作用する環境の刺激に応じて変形することができます。

4D プリントされたアイテムを構成する形状変化するスマート素材は、幾何学的コーディングに書き込まれた一連の指示に基づいて、熱、水、光、風、電気などの触媒に反応します。 活性化すると、伸びたり、曲がったり、しわが寄ったり、折りたたまれたり、ねじれたり、さらには崩壊したりすることがあります。 木材からゴムまで、あらゆるものを刺激に反応する材料で層化することができます。 この練習の目的は、新しい特性を発見し、人間や機械の介入なしにオブジェクトを操作することです。

それが要点のようなものです。 マサチューセッツ工科大学の自己組織化研究所の創設者兼研究ディレクターであるスカイラー・ティビッツ氏は、2013 年のテッド トークで 4D プリンティングという言葉を初めて作ったとき、モーターレス、ワイヤレス、電力を必要としないテクノロジーを作成するという 4D プリンティングの目的について説明しました。

「私たちが本当に作ろうとしているのは、ロボットのないロボットです」とティビッツ氏はファスト・カンパニーに語った。 「私たちは、エネルギーにさらされると自身を変化させることができるが、動作するために回路基板、電子機器、その他の可動部品を必ずしも必要としない材料を設計したいと考えています。」

「（四次元）印刷には潜在的に影響力のある応用分野がたくさんある」とシャオ氏は述べ、医療、フレキシブルエレクトロニクス、ソフトロボット、さらには家具をユースケースとして挙げた。

たとえば、導電性インクは電子デバイスの構築に使用できると彼女は述べた。 ただし、このプロセスは平面上に限定されます。 4D で利用可能な形状変化の動作を適応させることで、より複雑な電子コンポーネントを開発できます。

ニッチなニュース メディア 3Dprint.com によると、航空宇宙、自動車、衣料品、建設、軍事、医療、製造は 4D 空間を模索している最前線の産業です。

この技術の真の驚異は、その遠い地平線の可能性にあります。 シンプルな自動折りたたみ椅子の印刷に成功した今日、研究者や 4D 愛好家は、適応型医療インプラントや自己構築の建物を夢想しています。

「[4 次元] プリンティングはまだ初期段階にあります」とシャオ氏は述べました。シャオ氏の研究活動は現在、自己モーフィング構造とデザインの習得を含め、3D と 4D の両方に基づいた積層造形における品質管理に重点を置いています。 「しかし、これは私たちの物体の製造方法を変える可能性を秘めたエキサイティングなテクノロジーです。人々がデジタルから物理的な製造ラインを再考できるように、創造性を維持することが不可欠です。」

3D プリンティングの詳細3D プリンティングの未来

市販の 3D プリンターを備えた研究者は、メタマテリアルとしても知られるスマート マテリアルを入力することから始めます。 4D オブジェクトに特有の変形特性を保持するこれらのテキスタイルは、通常、ヒドロゲルまたは形状記憶ポリマーから作られます。 ヒドロゲルは湿気に反応しますが、形状記憶ポリマーは変形後に元の状態に戻る能力を持っています。

「最も単純な例はスポンジです。圧力が加わると形状が変化する素材です」と、MIT の材料エンジニア、ヴィニース ヴェヌゴパル氏は述べています。

より複雑な例としては、ニチノールなどの形状記憶合金が挙げられると同氏は述べた。 チタンとニッケルで作られており、いかなる変形後も元の形状に戻ることができます。

「これらの『アニメーション』素材は、私たちの世界を完全に変える可能性があります。」

これらのアニメーションの特徴は、マテリアルに事前にプログラムされた幾何学的コードに反映されます。 その指示に従って、印刷されたオブジェクトは、その環境で自然に発生する設定された刺激によってトリガーされると活性化します。

「これらはスマートマテリアルと呼ばれています。そして、（英国の独立科学アカデミー）王立協会からの最近の報告が信じられるのであれば、これらの『生き物』マテリアルは私たちの世界を完全に変える可能性があります。」とヴェヌゴパル氏は述べた。

能動性、適応性、自律性を備えた材料で建築することは、あらゆる分野で大きな変革をもたらすだろうと王立協会の報告書は指摘しており、特に建設業や運輸業、医療や繊維などの業界で顕著だという。

シャオ氏は、4次元印刷は「3D印刷の次のステップだ」と述べ、一方（4D）がなければもう一方（3D）が存在しないと指摘した。

両者の差別化は、両方のテクノロジーの基盤を確立することから始まります。 3 次元印刷は、一般に積層造形と呼ばれるラピッド プロトタイピング技術であり、材料を層ごとに堆積して 3 次元オブジェクトを製造します。

これと同じメカニズムが 4D プリントでパーツを作成するために使用されます。 ただし、一方を他方から区別するボーナス次元は、上で詳述したように、オブジェクトの幾何学的コーディングで決定され、印刷を押す前に追加の手順が実行されます。 ここで研究者は、角度、測定値、寸法に基づいて、物体の望ましい機能をコード化します。

したがって、3D プリンティングが 2D 構造の限界に奥行きを加えるのと同じように、4D は次元構成にもう 1 つの要素、つまり時間を追加することを目的としています。 具体的には、時間の経過とともに変化します。 4D プリントされたオブジェクトはある種のアクションに変形しますが、3D プリントされたレンダリングは静的で硬い形状を維持します。

「（4次元プリンティングは）印刷後に形状やサイズを変更できるオブジェクトを作成できますが、3Dプリンティングはより基本的な形式であり、固定された形状のオブジェクトしか作成できません」とシャオ氏は述べた。 アプリとは別の創作物です。

3D プリントの詳細3D プリントの長所と短所

まだ商品化されていないため、4D プリンティングのイノベーションは依然として研究や実験室での実験に限定されています。 がん患者の体内で健康な組織を成長させる乳房インプラントなど、現在行われている応用はいずれも高度に実験的な異常とみなされ、広く使用される前に実質的な試験と政府の承認が保留されている。

ただし、基礎はすでに築かれていることに注意することが重要です。 3D プリンティングの現実世界のユースケースは、4D プリンティングの今後、少なくとも近い将来に何が起こるかを予感させるでしょう。 研究者らは、数十年にわたる 3D プリントによる概念実証を基に、即時実験を行っていますが、自己活性化のひねりを加えています。

ここでは、4D プリンティングの開発をいくつか紹介します。

生分解性の 4D 乳房インプラントを特徴とする上記の例は、西安交通大学の国立研究所の研究者によって開拓された組織工学の一例です。 この特定の用途は、足場として知られる細胞接着剤、または新しい機能組織の形成における細胞の成長を促進するように設計された生体材料を使用して開発されました。 この場合、追加の構造シェルが足場から作成され、光熱によって誘発されて身体とともに移動し、非がん組織が再生するときに形状を維持します。

ジョージ ワシントン大学の研究者グループは、ゼラチン ベースのインクで作られた心臓パッチを構築するために組織工学を使用しています。 これらのバイオ絆創膏は心筋の損傷を修復することができ、接着剤は必要ありません。 架橋構造は、患者の鼓動する心臓の拡張と収縮に合わせて伸縮するように設計されています。

さらに、ジョージ ワシントン大学を拠点とする別のグループは、再生可能な大豆油を原料として、熱源と相互作用すると形状が変化し、温度が安定するとデフォルトの形状に戻る生体適合性樹脂を開発しました。 研究者らは、最終的には、この材料が骨髄を使った幹細胞の増殖に使用される可能性があると考えている。

寄生虫からインスピレーションを得たセラグリッパーは、形状変化するフィルムで作られた金属製の星型のマイクロデバイスで、あらゆる種類の薬物を体の標的部分に運び、ゆっくりと放出するように設計されています。 これらは熱に弱いパラフィンワックスでコーティングされており、患者の腸管にくっつきます。 埋め込まれると、薬物が宿主の体温と一致すると投与を開始します。 ジョンズ・ホプキンス大学の研究者によって開発されたこの技術は、塵粒ほどの大きさで、あらゆる種類の薬物を 1 回分の量で輸送できる可能性があります。

ミシガン工科大学の研究者によって開拓された別のアプローチでは、微粒子を注入した磁気 3D プリント インクを使用します。 微粒子の磁気特性を遠隔操作して、胃腸管内の閉塞を除去し、組織サンプルを回収し、患者の体内の標的部位に治療を施すことができます。

形状記憶を応用した 2 種類の 4D プリント血管ステント (多くの場合金属メッシュで作られ、血流を促進するために血管に縫い付けられる一時的な管状サポート) が研究されています。 遺伝的アルゴリズムがオブジェクトにコード化されており、狭くなった経路を急速に拡張することで健康な血管をシミュレートすることを、中国のハルビン工業大学の研究者が発見した。

3D プリント + ヘルステックの詳細電子タトゥーとは何ですか?

ソフト ロボットは、過酷なハードウェアをより生きている有機体に似せた準拠した素材と交換する、生体模倣の作品です。 科学誌「Polymer」に掲載された研究結果によると、同社のハイドロゲル構造はサイズや形状が変化する柔軟な構造を提供し、よりソフトなタッチが必要なユースケースにより適しているという。

これらの 4D プロトタイプが提供するやさしさと汎用性は、医療やバイオニクス分野などの分野に価値を提供します。

ライス大学の2人の研究者は、4Dプリンティングによる形状変化の生物医学的インプラントの実現はそう遠くないと述べている。 ヘルスケア技術出版物 Tectales が報じているように、彼らのアプローチは、液晶ポリマーインクの助けを借りて、造形制御を最適化し、より複雑な構造を印刷するために、印刷プロセスをオブジェクトの自律的変換から切り離します。

MIT の自己組織化研究所は、プログラム可能なカーボンファイバーからモーフィング ジェット エンジンの空気取り入れ口のプロトタイプを開発しました。 航空大学の研究者らによると、機械式モデルとは異なり、このモデルは軽量で、事故が起こりやすい機構が最小限に抑えられ、電子機器、センサー、アクチュエーターから独立して動作するという。

自己組み立て型マイクロドローンは、現在使用されているカスタマイズ可能な本格的な 3D プリント クアッドコプターの次の進化形であると考えられています。 その他の用途には、自己修復橋 (亀裂が生じた場合) や自己組み立てシェルターなどがあります。

MIT の自己組織化ラボが進行中のプロジェクトの 1 つであるアクティブ テキスタイル テーラリングは、自動調整可能な衣服を修復するスマート ファイバーの実験に手を出しました。 これらのウェアラブルは、熱や湿気に反応して体の形状や動きに適応できます。

戦闘用途に特化した開発中のテストには、リアルタイムで移動する環境に合わせて色パターンを反映するカメレオンのような迷彩や、有毒ガスから兵士を守るスマートな素材で装甲された制服が含まれます。

箱がいっぱいの倉庫を想像してみてください。 今度は、標準的なボール紙を、形状記憶と、自己折り畳みおよび自己集合するようにコード化された光活性化ポリマーを染み込ませたスマートな素材に置き換えます。 イメージするのが難しいですか？ それはおそらく、まったく新しい段階の自動化が開発中であるためです。

ジョージア工科大学による 2015 年の実現可能性研究では、熱応答性の形状記憶ポリマーを使用してこれを実証しました。 研究によれば、この技術により、「低コスト、迅速、大量生産のための即時工学的応用を前進させることを約束する」製造手順が可能になったという。

この技術の用途としては、牛乳パック、ショッピングバッグ、車のエアバッグなどが考えられます。

航空機技術の詳細ドローンとは何ですか?

NASA の宇宙建築家、ラウル・プリド・カシージャス氏は、宇宙飛行士のスーツや宇宙船のカバーに組み込まれた温度調節機能を備えた銀の金属メッシュで作られたスマートな生地を 4D プリントしました。 反射ミラーブロックは外側で熱を反射し、内側で断熱します。

星に書かれた一致である 4D プリンティングは、過酷な条件に耐えたり、変化する環境に合わせて調整したり変更したりできるようにプログラムできる、航空宇宙プロジェクト向けの安価で耐久性のある製造ソリューションを提供します。 ポリマーの研究では、衛星、工具、宇宙船の部品の修理に使用される軽量の熱可塑性 4D 材料が、従来の製造部品の質量を最大 80% 削減できることがわかりました。

ヨーロッパの航空宇宙企業エアバスは、エンジンの温度調節を改善するための熱反応性材料の開発に加えて、ヒンジと油圧アクチュエーターを、反応性メタマテリアルでプログラムされたレゴのような 4D プリント コンポーネントに交換することを検討しています。 これにより、機能が追加されながら、各車両の負荷が大幅に軽減されます。