南極のクマの目録: ハーバード大学の 3D プリントにおけるブラックテクノロジー

米国マサチューセッツ州ケンブリッジにあるハーバード大学は、世界的に有名な私立研究大学であり、有名なアイビーリーグのメンバーです。ここからアメリカ大統領が8人輩出され、何百人ものノーベル賞受賞者がここで研究や研究を行っており、文学、医学、法律、ビジネスなど多くの分野で高い学術的地位と広範な影響力を誇り、現在では世界でもトップクラスの高等教育機関の一つとして認められています。ハーバード大学はさまざまな科学分野の研究に多大な貢献をしてきましたが、もちろん 3D プリントも例外ではありません。以下では、Antarctic Bear が 3D プリント技術におけるハーバード大学のブラックテクノロジーをいくつか紹介します。

1. ハーバード大学の 3D プリントリチウムイオン電池ハーバード大学の科学者は、2013 年 6 月に初めて 3D プリントバッテリーを導入しました。研究チームは3Dプリント技術を使って、砂粒ほどの大きさのリチウムイオンマイクロバッテリーを作成した。人間の髪の毛よりも細いこのバッテリーは、ロボット昆虫や医療用インプラントなど、研究室で長い間発明されてきたが、電力を供給するのに十分な大きさのバッテリーがない小型デバイスに電力を供給することができる。

さまざまなデザインの小さな部品を素早く印刷できます。これらの三次元リチウムイオンマイクロバッテリーは、サイズが 1 平方ミリメートルですが、市販のバッテリーと同等の特性を備えています。ルイスはより大きなバッテリー構造を参照し、レイアウトと構築に 100 ナノメートルの精度を使用できるからです。ルイス氏のグループは今後数年間で、この技術の商品化とライセンス供与を検討しており、愛好家向けの低価格プリンターも製造する予定だ。

2. ハーバード大学の科学者が微小血管を備えた層状組織を 3D プリント。ハーバード大学生物工学研究所の科学者は、複数のプリントヘッドとカスタマイズされた「インク」を使用して、完全な微小血管を備えた複雑で活発な組織構造を作成したことを 2014 年 2 月に発表しました。この方法は、人間の組織構造物を作成するための初期段階ではあるが非常に重要なステップであり、薬物の安全性と有効性をテストし、損傷または病変組織の完全で機能的な代替物を作成するための重要なステップとなります。

「組織エンジニアはこのような方法を待ち望んでいました」とハーバード・ウィス研究所の3Dプリント血管組織研究チームの責任者、ドン・イングバー博士は語った。「3D組織を移植する前に機能的な血管ネットワークを形成できるということは、より厚い組織を形成できるだけでなく、この人工血管ネットワークを外科的に体の自然な血管に接続して体液の流れを可能にし、移植組織の生存率を大幅に高めることも可能にします。」
3. ハーバード大学の科学者が3Dプリント技術を使って心臓にパッチを当てる
2014年3月18日、ハーバード大学の研究者らはアメリカ化学会（ACS）の第247回全国大会で研究結果を発表しました。アメリカ化学会は世界最大の科学団体である。この研究は、ハーバード大学医学部のアリ・カデムホセイニ氏とナシム・アナビ氏が、シドニー大学のアンソニー・ワイス氏が率いるチームと共同で実施した。

研究チームは当初、天然の心臓の機械的および生物学的特性を模倣するために、天然タンパク質を使用してゼラチンのような材料のハイドロゲルを形成しようと試みた。しかし、その材料は人間の組織に似ていないことが分かっています。また、初期のハイドロゲルは壊れやすいのですが、人間の心臓は弾力性があります。

心臓組織の弾力性は、心臓が鼓動するときの心筋の収縮に重要な役割を果たします。そこで研究者たちは、より弾力性のあるヒトトロポエラスチンを使った新しいゲルシリーズを開発した。研究者たちはトロポエラスチンを紫外線にさらし、より弾力性と回復力のある物質に変化させました。

4. ハーバード大学の科学者は、3D プリント可能な熱硬化性樹脂を開発しました。現在 3D プリントに使用されているプラスチック材料は、主に熱可塑性樹脂と UV 硬化樹脂です。しかし現在、ハーバード大学工学応用科学大学院の材料科学者らは、ワイス生物学インスパイアード工学研究所と共同で、3Dプリント可能なエポキシベースの熱硬化性材料を開発した。これらのエポキシ樹脂は、軽量建築に使用するために建築構造物に 3D プリントすることができます。これらの新しい 3D インクは、粘度を高めるためにエポキシ樹脂にナノクレイ小板とジメチルメチルホスホネート化合物を加えて作られています。この混合物には、コランダムとカーボンファイバーという 2 つの追加充填剤が加えられています。

5. ハーバード大学教授が、複数の材料の融合を完璧に実現できる新しい3Dプリントヘッドを開発
異なる材料の 2 つの液体ストリームが 1 つのチャネルに統合され、その後分散して統合されます。この研究には、アクティブミキシング技術を使用する新しい 3D プリントヘッドが使用されました。プリントヘッドには、一定速度で回転するインペラが装備されており、一連の複雑な材料液体をうまく混合することで、柔軟な材料、硬い材料、導電性材料、抵抗インクなど、さまざまなまったく異なる材料を 1 つの 3D プリントオブジェクトに融合することができます。この研究が成功すれば、3Dプリントされたウェアラブルデバイス、フレキシブルロボット、電子機器の新たな可能性が拓かれる可能性がある。

6. ハーバード大学、水にさらされると自動的に変形する新しいハイドロゲル4Dプリント構造を開発
4D プリンティングは革命的な新技術です。このコンセプトは、特定の要因（光、熱、電気、磁気、振動など）によって刺激される限り、電気機械装置を必要とせずに、事前に設定された形状に自動的に変形できる自己変形可能な材料です。この技術は、その大きな応用可能性により、3D プリントに劣らないスピードで急速に発展しています。最近、この分野の世界的リーダーであるハーバード大学ポールソン工学応用科学大学院は、ヴィース生物学インスパイアードエンジニアリング研究所と共同で、新しいタイプの微細4Dプリント構造を開発しました。
この新しい 4D 構造は、研究者らが 3D 印刷技術を通じて「ハイドロゲルインク」を使用して作成したものです。インクは、木質繊維を含む特殊なハイドロゲル複合材料から抽出されます。特殊な材料予測モデルを使用することで、構造は水と接触すると徐々に膨張して硬化し、事前にプログラムされた形状に完全に変形します。

7. ハーバード大学チームは、細胞の成長を促進するために太い血管ネットワークを3Dプリントします。生物学的3Dプリントは多くの分野で非常に高い潜在的応用価値を持っているため、現在、世界中のトップ研究機関と高効率機関が関連研究を積極的に行っています。ハーバード大学工学応用科学大学院は、ヴィース生物学インスパイアードエンジニアリング研究所と共同で、この点で新たなブレークスルーを達成しました。十分な厚さの血管網組織構造を3Dプリントできる新しい方法を発明したのです。これにより、液体、栄養素、細胞成長因子がスムーズに進入し、移植された細胞の生存を確保して成長を促進し、最終的に完全な機能組織を形成できます。

「この画期的な進歩により、マルチマテリアル3Dバイオプリンティングプラットフォームを使用して厚い人間の組織を作成する能力が向上し、組織の修復と再生のための構造の作成に近づくでしょう」と、ワイス研究所の生物工学教授でこの研究の主著者であるジェニファー・A・ルイス氏は述べた。現在、ほとんどの 3D バイオプリンティング技術では、組織の成長を維持できる大きく厚い血管ネットワークを作成することはできませんが、ハーバード大学のプロジェクトにより、この問題点が解消されると期待されています。

8. 金と生きた細胞で3Dプリントされた魚は、光刺激を受けて自律的に動くことができる
ハーバード大学のキット・ケビン・パーカー教授率いるチームは、生物学的3Dプリントの新たな画期的な進歩を遂げた。マウスの心筋細胞と3Dプリントした金の骨を使って、ミニエイを作ったのだ。この小さな物体が光の刺激を受けて自律的に動くことができるのは、主にこのミニエイの外側に巻かれた2層の弾性ポリマーのおかげである。遺伝子組み換えされたマウスの心筋細胞が20万個含まれており、光刺激によって収縮・弛緩し、全身を動かすことができる。
この技術は、科学者がアカエイの動きについてより深く理解するのに役立つだけでなく、ロボット工学、人工知能、バイオエンジニアリングなどの多くの分野にも役立つでしょう。たとえば、高性能な人工心臓を開発するために心筋細胞をより深く研究したり、生物組織を電子センサーと統合する方法を研究したりするのに役立ちます。
9. ハーバード大学が世界初の自律走行型フレキシブルタコロボットの3Dプリントをリード
米国のハーバード大学が率いる研究チームは、3Dプリント技術を使って、柔軟性のある自走式タコ型ロボットを開発した。完全に開発されれば、これらのソフトロボットは、硬い材料で作られた従来のロボットでは実行できない多くのタスクを実行できるようになります。

この3Dプリントタコロボットはシリコンゴムで作られており、8本の触手を持っています。高さは2cm未満ですが、小さいながらも完成度が高く、制御システムと燃料タンクを備えており、ある程度の自律走行を実現できます。仕組みは次の通りです。まず、燃料として過酸化水素水が注入され、次に触媒プラチナと反応して水と酸素が生成されます。次に、制御システムの調整下で酸素が特定の領域に供給され、空気圧でタコの触手が駆動されます。最後に、ガスが排気口からロボットから放出されます。

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