溶液ベースのデジタルファブリケーションによる高性能複合材料の創出

自然界は驚くほど強靭で、多用途かつ適応的な構造を築き上げます。環境に応じて成長し機能する木々、骨、キチンなどを思い浮かべてください。後者は甲殻類の硬い殻と柔軟な関節の両方を形成します。自然の構造物は廃棄物をほぼ出さず、ごく少量のエネルギーで作られ、機能寿命を終えるとリサイクルされます。対照的に、人工構造物は一般に規範的で、大量のエネルギーを消費し、有害廃棄物を生じ、ほとんどリサイクルされません。米国環境保護庁（EPA）の2018年データによれば、リサイクル率はプラスチックでわずか9%（2010年から変化なし）、ガラスで25%、金属で33%（いずれも2010年から低下）にとどまります。デジタル設計とファブリケーションが急速に進歩し、高度で多機能な構造物・部品の生産を可能にしているにもかかわらず、これらの技術はサステナビリティの面では同じほどの進展を遂げていません。

この現状への着想と目標から、マサチューセッツ工科大学（MIT、米国マサチューセッツ州ケンブリッジ）メディアラボのMediated Matter Groupによって、2013年から「水ベース・デジタルファブリケーション」プロジェクトが開始されました。このイニシアチブは、地球上で最も豊富な天然材料と、ロボット制御された多室押出システムを組み合わせた新規デジタル製造技術を開発しました。このシステムは、キチン（甲殻類の殻由来）と酢酸からなる最初の生体複合溶液を含め、濃度の異なる生体複合溶液を堆積させ、異方的特性を持つ構造物を創出します。ミリメートルからメートルスケールまで、力学的・化学的・光学的特性の勾配を生み出し、独自の幾何学形状と多機能性だけでなく、構造的な自己組み立ての可能性も実現します。例えば、湿潤堆積物を設計し、多層複合材内の方向性蒸発応力に応じて乾燥時に形状（円筒など）を形成させることができます。

この溶液ベースのデジタルファブリケーションは、生物学的環境と建築環境を橋渡しするものとして構想され、持続可能な建築パネル、リサイクル可能な包装・消費財、軽量生分解性自動車部品などへの応用が期待されています。MITはその後、セルロースマイクロファイバー、ペクチン、藻類、セラミックナノプレートレットを用いた複合材も探求しました。では、この水ベース・デジタル堆積技術を、今日急速に進化する連続・短繊維強化付加押出技術（3Dプリント複合材）と組み合わせたらどうなるでしょうか。

なぜキトサン溶液なのか

水ベース・デジタルファブリケーションプロジェクトの初期実験では、キチンから誘導されるキトサンを使用しました。セルロースに次いで地球上で二番目に豊富な天然高分子であるキチンは、セルロースと類似の化学構造を持ち、甲殻類や昆虫の高弾性・高靭性の殻だけでなく、強靭かつ柔軟な関節組織も構成します。ラアイア・モガス＝ソルデビラ氏（本プロジェクトの主要MIT研究者の一人）によれば、キチンやセルロースのような天然材料、特に高分子や多糖類は、人工合成高分子よりはるかに高い速度で生産される膨大な再生可能資源を提供します。多糖類誘導体は既存の石油化学ベース高分子に取って代わる可能性があり、新たな特性組み合わせとより持続可能な製造を可能にすると断言します。

モガス＝ソルデビラ氏は、2015年の論文「水ベース・デジタル設計とファブリケーション：キトサンとその複合材のプリントにおける材料、製品、建築的探求」で、MIT技術開発の優れた概要を示しています。同氏は、溶液ベース・デジタルファブリケーションの着想が、組織増殖用足場として軟質材料を製造するインクジェットおよびノズルベース・バイオファブリケーション手法の研究から得られたと説明しています。

キトサン粉末を、水溶液中の4% w/v酢酸を用いて重量/体積（w/v）濃度1〜12%のゲルへ加工し、ノズルベース3D堆積を試みることになりました。これらのハイドロゲルは、3%濃度では水飴のような粘度の半透明液体から、12%濃度では天然ゴムのような質感の不透明材料まで多様です（図1）。堆積・乾燥させたキトサンフィルムの初期結果では、引張強度40メガパスカルを示し、モガス＝ソルデビラ氏はこれを「繊維方向においてナイロンポリマーや木材に匹敵する」と表現しました。構造物は室温で製造・硬化されました。

新規デジタル製造プラットフォーム

MITが設計したキトサンゲル堆積用カスタムロボット付加製造プラットフォームは、KUKA（ドイツ・アウクスブルク）Agilus KR1100六軸ロボットアーム（54kgプラットフォーム、10kg可搬、±0.03mm繰り返し精度/精度）と、押出ベースのエンドエフェクタを組み合わせています。新規エンドエフェクタには、キトサンゲル用の6本のバレルが搭載され、コンピュータ制御空気圧システム（正圧：圧縮空気タンク、負圧：真空ポンプ）、デジタルPSIレギュレータ、ツインステッピングモーターによる押出制御が接続されています。

このエンドエフェクタの重量は、充填済みシリンジと堆積材料を含めて4キログラム。典型的な流量は、内径0.5〜8ミリメートルのノズルを用いて8〜4,000立方ミリメートル/秒。システムの直線運動速度は10〜50ミリメートル/秒。堆積エリアは長さ1,000mm × 幅500mmでしたが、スライド式プリントベッドにより長さ制限は後に撤廃されました。

ステッピングモーター、空気圧システム、ロボットアームはデジタル制御され、フィード/速度比の調整、可変混合比と押出速度の実現、目標押出幾何形状と材料特性に基づく堆積圧力と速度のリアルタイム調整を協調させます。ロボット移動と押出は明示的にリンクされていません（両機能は互いに独立）。これにより、各モーター駆動シリンジとロボットアームエンドエフェクタの変位を独立制御できます。このシステムは金型なしで大型3D形状の製造に成功し、多様な幾何学形状と構造特性の幅広い実現を達成しました。

デジタル設計から堆積へ

初期製造試験は、葉やトンボの羽といった生物学的構造に基づいて行われました。主要な縦方向構造が全体形状を与え、より太い径の堆積と高濃度材料で剛性を確保。二次構造は、より細い径と低濃度材料の堆積ネットワークで形成されました。製造システムは以下の技術を用いてこれらの構造を構築しました：特定経路への異なる濃度溶液の適用、堆積時の圧力デジタル制御による材料幅と高さの制御、積層の繰り返し。これらの戦略は、位置、速度、圧力、材料指令としてエンコードされ、KUKAロボット（位置決め）と押出エンドエフェクタ（堆積）へリアルタイム送信されました。

まず、構造物をCADプログラムでモデリングし、カスタムスライシングソフトウェアでプリント層へ変換。デジタル制御システムが堆積パスをテスト・最適化。押出システムの制御・操作を与える幾何学ツールパスは、Rhino3Dモデリングソフトウェア（Robert McNeel and Associates、米国）とそのスクリプティングプラグインGrasshopperで設計されました。

システムは、デジタル設計に関連する独立パラメータの配列と、基本的な力学的・化学的材料特性をエンコード。また、粘度、せん断速度、バレルタイプ、ハードウェア応答時間、エンベロープサイズなど、製造システムによるプラットフォーム依存制約も調整。これらすべてのパラメータを、ノズルタイプ、材料組成、時間依存圧力マップといった設計固有の変動と組み合わせ、必要な流量、バレル補充パターン、位置決め速度を算出。最終的にカスタム製造指令を生成し、位置決めシステムと堆積システムへそれぞれ動作と押出コマンドを送信しました。

新規構造の探求

モガス＝ソルデビラ氏が記述する製造試験には、トンボの羽に着想を得た50cm長の構造物があります。構造的な「脈」は、天然アルギン酸ナトリウム粉末で増粘したキトサンゲルで作られ、その上に3%キトサンゲルの透明な耐張力メンブレンが重ねられました。材料の自己修復特性により、メンブレンは堆積時に脈へ接合されました。この概念は、最大3メートル長の様々な葉のような構造物でさらに探求されました。別の例では、2%キトサンゲル中のセルロースマイクロファイバー溶液を用いて5×15ミリメートルのグリッドを平面堆積。乾燥時に方向性蒸発応力の設計能力を利用し、50cm長の円筒を形成しました。

この技術は、建築家・エンジニアでMIT Mediated Matter Groupのリード研究者であるホルヘ・デュロ＝ロヨ氏によって開拓され、ネル・オックスマン教授の下でAguahojaプロジェクトへと発展しました。そこでは「agua（水ベース溶液）」で「hojas（皮膚のような構造）」が創造・成形されました。Aguahoja Iには5メートル高の建築パビリオン（図2）と材料実験ライブラリが含まれ、2018年に展示された後、サンフランシスコ近代美術館（SFMOMA、米国カリフォルニア州）の永久収蔵品となりました。Aguahoja IIは、2019年の展示でCube Design Museum（オランダ・ケルクラーデ）とCooper Hewitt, Smithsonian Design Museum（米国ニューヨーク州ニューヨーク）が共同主催しました。

Aguahojaプロジェクトでのロボットファブリケーションプラットフォームは、ロボットベースとガントリーベースの両システムを含むよう進化しました。パビリオンは95個の個別3Dプリントセグメントで構成されます。白い脊柱は市販のF900 FDM（熱溶解積層）システムとアクリロニトリル・スチレン・アクリレート（ASA）熱可塑性樹脂でプリント。複数の生体複合パネルは、剛性・柔軟性・不透明度を変化させて設計され、構造体、窓、環境フィルターとしての領域を創出。Aguahoja Iの一部材料は湿度と熱に応じて変化し、他は季節に応じて色調変化。材料は脆く透明なものから柔軟で革のようなものまで多様ですが、すべて水（雨など）で分解するようプログラム可能で、構成要素を自然生態系へ還元できます。

モガス＝ソルデビラ氏はその後、タフツ大学生物医工学部The Silklab（米国マサチューセッツ州メドフォード）で博士号を取得し、MITで扱ったものを含むシルクやその他の天然繊維・材料の活用法を研究。現在はペンシルベニア大学スチュアート・ワイツマン・スクール・オブ・デザインの建築学助教授として、サステナビリティと最先端生命科学の交差点における材料駆動型デザインを教え、研究しています。最近の仕事の一部はdumolab.comで見られます。「これらは自然由来の材料で、非常に容易に機能化できます。混ぜたり、ドープしたり、変換したりできます。実際に特定の製造能力に合わせて調整可能です。私たちは明日の次を見据えています。」