4Dプリンティングは現実のものとなりつつあり、まず以下の分野に適用される可能性がある。

出典: 3Dプリンティングビジネス情報

テクノロジーに関するニュースをフォローしていると、時々 4D プリンティングに関する新しいニュースに出会うでしょう。概念自体は理解するのが難しくありません。 3D プリントがオブジェクトを層ごとに製造するものであるならば、4D プリントは 4 番目の次元である時間を追加します。 4D プリントされたオブジェクトは、作成されると環境に反応し、時間の経過とともに変化します。このように、4D プリントされたオブジェクトはプログラム可能な物質です。

さらに取り組むのが困難なのは、この新興技術の実用化です。 4D プリントの利点は何ですか?この質問に答えるために、私たちはこのユニークで魅力的な技術の将来に目を向けながら、医療研究からファッションまで、4D プリントのさまざまな用途を探ります。

生物学的洗浄<br /> おそらく「4D プリンティング」の最も先進的な形態はバイオプリンティングです。なぜなら、幹細胞は印刷されると、成熟するまで培養され、つまり時間の経過とともに変化するからです。現在存在するバイオプリンティング企業の数を考えると、4D プリンティングが最も大きな影響を与えているのはおそらくこの分野でしょう。

ポエティス氏の4Dプリント皮膚は、医療や化粧品の研究に利用できる可能性がある。（写真提供：ポエティス）
現在、自社のプロセスを 4D プリンティングの一種と呼んでいる唯一の企業は、フランスの Poietis 社です。同社がこの用語を使用するのは、印刷すると「組織成分（細胞と細胞外マトリックス）は…」と主張しているためです。特定の生物学的機能が出現するまで制御された方法で進化します。「

熟成プロセスを制御する機能は、カスタマイズされた CAD ツールの使用によって部分的に実現されます。このツールにより、オルガノイドの小さな液滴を一つ一つ正確に配置することが可能となり、細胞の成長のダイナミクスに基づいて予測可能な方法で成長させることができます。ハードウェア側では、バイオプリンターはレーザーを使用して、CAD ツールで設計された所定の位置にバイオインクを噴射します。これは現在市場で入手可能な他のバイオレンタルマシンとは異なります。

全体として、このプロセスは毎秒10,000滴で20μmの解像度を達成することができ、最大1億細胞/mLの細胞濃度と、100%の細胞生存率を実現できると同社は主張している。

これまでのところ、これによりポエティスは、完全に 3D バイオプリンティングで製造された、人間の皮膚の全層モデルから構築された生体組織皮膚である Poieskin を開発することができました。 Poieskin は、I 型コラーゲンマトリックス内の真皮初代ヒト線維芽細胞で構成され、初代ヒト角化細胞から進化した重層表皮を覆っています。これを作成するには、まず線維芽細胞とコラーゲンを、細胞間の距離、コラーゲン層、および液滴あたりの細胞数が最適化されるように印刷します。真皮が成熟すると、皮膚が空気にさらされる前にケラチノサイトが真皮の表面に刻印され、表皮の層構造が形成されます。

Poieskin は薬理学や化粧品の研究に使用できます。前者の場合、これは、人間の皮膚に相当する部位で薬の効果をテストした後、より早く市場に出すことを意味します。後者の場合、スキンケア製品や美容製品を動物でテストすることを意味します。

メタマテリアル
4D プリントされたオブジェクトの典型的なイメージは、環境や用途に応じて形状やその他の物理的特性が変化する材料であるメタマテリアルに関連しています。ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）や同様の政府研究機関は、軍用の高度な装甲の開発を目指しており、この分野で重要な役割を果たしてきた。

最近では、LLNL は磁場を受けると硬化する「磁場応答型機械メタマテリアル」を開発しました。材料（強磁性粒子で満たされている）自体は印刷できませんが、中空の 3D プリントされた格子構造に注入することができ、磁場にさらされると構造が硬くなります。力が除去されると、構造は緩和された状態に戻ります。磁力の強さを変えることで、物体の硬さを変えることができます。

電磁波にさらされる前に、強磁性ナノ粒子が 3D プリントされた構造物に注入されました。（写真提供：ジュール・マンシーニ LNL）

このプロセスは、ヘルメット、ネックブレース、光学機器、ソフトロボットの製造に利用できる可能性がある。研究者たちは、これを車の座席に組み込めば、センサーが衝突を感知すると座席が硬くなりむち打ち症を予防できるとも考えている。

4D 印刷によって可能になったメタマテリアルの他の例としては、ラトガース大学とニューブランズウィックの研究者によるスマートゲルがあります。この研究では、チームがマイクロステレオリソグラフィーと独自のフォトポリマーを使用して、環境の温度に基づいて形状が変化する 3D オブジェクトを作成することができました。 32°C を超える温度では、ハイドロゲルは水分を放出し、収縮します。この温度以下では、物質は水を吸収して膨張します。この材料の可能性は、ソフトロボットやフレキシブルアクチュエータからバイオメディカルデバイスまで多岐にわたります。

温度が異なると、この水で満たされた物体の形状が変わります。（写真提供：ラトガース大学）

同様に、香港城市大学（CityU）の研究者もこの形状をセラミック材料に変換しました。研究チームはセラミック前駆体の弾性を利用して、印刷して弾性状態から解放すると所定の形状に変形するセラミックポリマーハイブリッドを作成した。

ビデオでは、セラミック前駆体と基板の印刷を示します。次に、基質を引き伸ばし、前駆体を結合するためのリンカーを追加します。基板が伸張された位置から解放されると、前駆体は新しい形状に折り畳まれます。前駆体を基板上に直接印刷して同じ効果を生み出すこともできます。作品が窯で焼かれると、新しい形が永久に残ります。大きな可能性を秘めた応用分野の 1 つは、航空宇宙産業向けの電子部品や推進部品を印刷する能力です。

これらのセラミックオブジェクトを伸ばしたり放したりすることで、プログラムされた形状に折りたたむことができます。（写真提供：シティ大学）

自己組織化<br /> メタマテリアルの概念に密接に関連しているのは、自己組織化オブジェクトです。 MIT のセルフアセンブリラボなどのこの分野の研究者は、特定の結果を達成するために、環境に対して異なる反応を示す材料からオブジェクトを作成するために、Stratasys の PolyJet システムなどのマルチマテリアル 3D プリンターに頼ることがあります。

ETH チューリッヒのチームの場合、Stratasys Objet 3 Conext 5 プリンターを使用して、形状記憶ポリマー、耐高温性硬質ポリマー、エラストマーのようなポリマーで作られたオブジェクトを作成しました。これらの物体は平らな二次元構造として印刷され、温水に置くと、耐荷重性のある三次元形状に展開し、特に熱が加わると形状変化が活発になります。

4D プリントされた衣類<br /> 4D プリントのほとんどは研究室で行われていますが、デザインスタジオ Nervous System は、4D プリントされたスカートを数点制作したことで有名になり、そのうちの 1 つはニューヨーク近代美術館 (MoMA) に収蔵されました。これらのドレスは、プリンターから取り出すと展開して完全に着用可能な衣服になる、接続されたタイルの混合物から作られているため、4D プリントされたオブジェクトの定義を満たしています。これにより、プリンターのビルドプラットフォームを削除した場合よりも大きなオブジェクトを作成できます。

出典: 3Dプリンティングビジネス情報

4Dプリンティングは現実のものとなりつつあり、まず以下の分野に適用される可能性がある。

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