4Dプリンティング：適応型ソリューションへの積層造形革命

パイプがひび割れや破損を自動的に自己修復し、服が天候やユーザーの活動に合わせて変化し、家具が自動組み立てし、義肢が成長に適応する——これらは4Dプリンティング技術が実現を目指す、ほんの一部の応用例です。

画像1：形状を変化させる4Dプリント爪。出典：Sculpteo。

3Dプリンティングは約30年の歴史があり、新材料・新用途の研究が続く中、4Dプリンティングのような新技術が出現しました。

MIT自己組立ラボでは、4Dプリンティングを含むプロジェクトを開発し、テクノロジーとデザインを融合してプログラマブル材料と自己組立技術を発明し、建設、製造、製品組立、性能の再定義を目指しています。一方、Wyss研究所（ハーバード大学の一部）の研究では、水と接触すると形状が変化し、先端が花開くように変形するオブジェクトの造形に成功しました。植物などの自然構造に基づいた材料を開発し、プリント工程でセルロース繊維を注入することで実現しました。

動画1：形状変化する建築。出典：Harvard University。

4Dプリンティングとは

自己組立の原理に着想を得た4Dプリンティングとは、3Dプリントされたオブジェクトが、温度、光、その他の環境刺激といった外部エネルギー入力の影響を受けて、異なる構造へと変形するプロセスです。つまり、3D技術で造形されたオブジェクトが、その材料特性により、環境刺激を受けると自律的に変化するものを指します。

これがまさに3Dと4D技術の違いです：人間の介入なしに、オブジェクトが時間経過とともに変形する能力。

使用材料

4Dプリンティングの鍵は、馴染みの3Dプリンターをベースとしたプロセスそのものではなく、材料にあります。まだ比較的新しい技術であるため、標準的な3Dプリンティングほど材料のバリエーションは豊富ではありませんが、非常に興味深いものが存在します。

SMP（形状記憶ポリマー）

常温では剛性を保ち、ガラス転移点に達すると特殊な性質を発揮するポリマーです。例として、ConvenaのTPU SMPがあります。これはTPU（熱可塑性ポリウレタン）ベースの4Dフィラメントで、3Dプリントパーツの後処理による形状変更を可能にします。特殊な組成と形状記憶ポリマー技術により、このフィラメントで造形されたパーツは手動で形状を変え、それを長期間維持できます。

SMP TPUフィラメントで造形したパーツの形状変更プロセスは、パーツを熱湯に浸し、ガラス転移温度まで加熱することから始まります。この時点でパーツが軟化し、ユーザーが容易に形状を変更できます。冷却後、獲得した形状を安定して保持します。さらに、SMP TPUフィラメントで造形されたパーツは、再びガラス転移温度に達することで元の形状に復元可能です。つまり、プロセスを逆転させることで元の形状に戻せます。

LCE（液晶エラストマー）

液晶を含み、熱に敏感です。その配向を制御することで、望む形状をプログラミングできます：温度の影響で材料が緩み、プログラムされたコードに従って変形します。

ハイドロゲル

主に水で構成されるポリマー鎖で、特に光硬化プロセスで使用されます。生体適合性が高いため、医療分野に注力されています。

さらに、一部の4Dプリンティングプロセスでは、木材や炭素などの複合材料をSMPやハイドロゲルに添加できます。これにより、剛性領域と可動領域を併せ持つオブジェクトが作れます。

応用分野

このような知的材料の多くの利点を考慮すると、4Dプリンティングの応用は無数にあります。

建設

気候適応型構造物（橋、シェルター、その他施設）の建設は、この分野での大きな前進となるでしょう。環境に合わせて壁や屋根を変形させる4Dブロックにより、室内環境の調整・改善が可能になります。

動画2：プログラマブルウッド。出典：Self-Assembly Lab, MIT。

医療

ここで4Dプリンティングは、患者個別の、知的で進化するデバイスの作成を可能にします。例えば、インプラントを4Dプリントすれば、患者体内への統合後の状態と生存性をより容易にモニタリングできます。

この概念は再生医療全般と細胞構造の製造に適用可能です。4Dプリンティングにより、細胞が人体の温度などに応じて適応できるようになります。医薬品の分野では、患者の体温に応じて必要な投与量を放出するデバイスをプリントすることも可能になるでしょう。

輸送

数ヶ月前、BMWとMITが、空気パルスの影響で形状とサイズが変化する膨張材料を発表しました。応用は非常に興味深く、将来的にはパンク時に自己修復するタイヤや、地形・気象条件に適応するタイヤが実現するかもしれません。

航空機産業では、4Dプリントコンポーネントが大気圧や温度変化に反応して機能を変化させる可能性があります。エアバスは現在、こうした開発に取り組んでおり、これらのコンポーネントがヒンジや油圧アクチュエーターに取って代わることで、装置を大幅に軽量化できるとしています。また、航空機エンジン冷却用の熱反応性材料の開発も進めています。

スペイン人エンジニアのラウール・プリド・カシージャス氏は、NASA向けに4Dプリントされたスマートファブリックを開発しました。銀のピースを接合した金属メッシュには、プリント時に熱調節機能がプログラミングされています。つまり、形状だけでなく材料の機能までプリントされています。外側の熱を反射し、内側の熱を保持できるため、宇宙飛行士のスーツや宇宙船の覆い材として理想的です。

ファッション

繊維産業でも4Dプリンティングが浸透しつつあります。動き、衝撃、温度、大気圧に適応する靴のプリントが可能です。米軍はすでにこの分野に参入し、環境に合わせて色が変わる制服、兵士の脈拍や周囲の温度に応じて発汗を調節する制服をテストしています。

まだ初期段階ですが、4D技術が今後数年で製造とモノの本質に革命をもたらすことは確実です。かつて3Dプリンティングがそうであったように。