4Dプリンティングはより「インテリジェント」であり、単なる「D」以上のものを追加します

出典: 解放軍日報

2022年、西安交通大学の研究チームが新たな4Dプリント材料を開発した。この材料は優れた自己修復性とリモデリング特性を備えており、ロボット、スマートアラーム、生体インプラントなどの製品の設計と製造に使用できます。

4Dプリンティングによって作成されたコンポーネントは、インテリジェントな自己適応、自己組み立て、さらには自己修復機能を発揮し、バイオメディカル、製造、航空宇宙などの分野で大きな可能性を示しており、ますます注目を集めています。

3D プリンティングはまだ初期段階ですが、4D プリンティングはすでに始まっています。

4D プリントは単なる「D」以上のものを追加します

北京ユニバーサルスタジオの「イメージ大使」であるメガトロンは、SF映画の中の仮想キャラクターに過ぎないかもしれないが、必要に応じて変形できるこのロボットは、世代の子供時代の思い出を呼び起こし、発売以来数え切れないほどのファンを魅了してきた。多くの子どもたちが、雨が降ると杖が自動的に傘に変わる、ソファーは持つ人の身長、体重、体格に合わせて自動的に形を変える、環境条件が変わると服の色が変わる、といった空想を抱いたことがあると思います。4Dプリントの登場により、こうした空想が現実になるかもしれません。

2013 年の TED (テクノロジー、エンターテイメント、デザイン) カンファレンスで、MIT の研究者 Skylar Tibbits 氏が魔法のような実験を披露しました。 3Dプリントで作ったロープ状のPVC複合材料を複数本水に浸すと、材料が自動的に形を変えてマサチューセッツ工科大学の略称「MIT」を形成した。研究者たちは実験を通じて、4D プリンティングを最も直感的な方法で人々に紹介しました。

4D プリンティングの初期の頃は、4D プリンティングによって 3D プリンティングに時間という次元が追加されたと一般に信じられていました。つまり、印刷されたオブジェクトは時間の経過とともに形状と構造が調整され、最終的には事前設計の要件を自動的に満たすことができます。

ただし、4D プリンティングは、3D プリンティングに「D」(次元) を追加するだけではありません。

研究が進むにつれて、科学者たちは、4Dプリンティングの概念には少なくとも2つの側面が含まれるべきだと考えています。1つ目は、3Dプリンティングに基づいて新しい時間次元を追加し、空間次元をさらに拡張して、印刷されたコンポーネントが時間と空間とともに変化する能力を高めることです。2つ目は、特定の外部環境条件の刺激下で、4Dプリンティングは形状の変化を制御できるコンポーネントを製造できるだけでなく、性能と機能の変化を制御できるコンポーネントも製造できます。

4D プリントがこの魔法のような効果を実現できる主な理由は、主な原材料としてスマートマテリアルを使用していることです。 4Dプリンティングで生成される製品は、特定の環境（水、熱、電気、光、磁気など）とインタラクティブなメカニズムの下でインテリジェントな動的構造特性を備えた製品を形成できます。これは、一般的な材料を原材料として使用して静的な構造製品を出力する3Dプリンティングとは大きく異なります。したがって、4D プリントはスマートマテリアルを使用した 3D プリントとも考えられます。

4D プリントによって生成される製品のバリエーションはランダムではなく、研究者によって事前に「プログラム」された制御下にあります。「プログラミング」を通じてデザインをスマートマテリアルに統合することで、デザインと製造の統合が実現し、デザインコンセプトから物理的なオブジェクトまでの作成プロセスが簡素化されます。 4D プリントは「プログラムされた」創造方法を現実のものにしたため、3D プリント製品は「死んでいる」が、4D プリント製品は「生きている」と言う人もいます。

出航するのに最適な時期です

人類社会がインテリジェント時代へと歩みを進める中、4Dプリント技術は絶好のタイミングで登場し、スマート材料とともに推進・発展し、多くの分野で優れた応用開発の見通しを示しています。

バイオメディカル分野では、4D プリント技術がスマートインプラントステント、薬物送達デバイス、臓器置換において重要な進歩を遂げています。

2021年末、中国科学院蘭州化学物理研究所の研究チームは、新型ハイドロゲル材料を設計・開発し、血管ステントの4Dプリントに成功しました。これにより、血管ステントが体内に植え込まれた後に変形しにくいという問題が解決されると期待されています。中国科学院瀋陽オートメーション研究所の研究チームは、4Dプリント技術を使用して、人体に送り込んで薬物の輸送と放出を制御できるナノスケールのソフトロボットを作成しました。青島大学の研究チームは、幹細胞を「貼り付ける」ために使用できる4Dプリント幹細胞キャリアを開発し、傷ついた皮膚の迅速な再生と修復を実現しました...

製造分野では、4D 印刷技術は、より小さな物体を印刷し、それを最終製品に組み立てるという、別の開発方向を示しています。

カーネギーメロン大学の研究チームが特別な4Dプリントコードを開発した。このコードにより、加熱後に完成品を事前に設定されたパターンに従って折り畳むことができます。印刷された製品は一見普通のプラスチックのように見えますが、加熱すると花や椅子などさまざまな形に変化します。この技術は製造業に可能性を提供します。4Dプリント技術を使用してプロトタイプ設計用のソフトウェアを作成します。印刷後、実際のニーズに応じて、特定の時間または特定の環境で製品を元の設定形状に自動的に組み立てることができるため、製品の製造、保管、輸送コストが大幅に削減されます。

航空宇宙分野では、4D プリント技術の応用により、部品構造の複雑さが軽減され、コストが削減され、航空宇宙機の性能が向上します。

例えば、4Dプリントされた折り畳み式衛星アンテナは、打ち上げ前にまず一定温度以上に加熱され、ボール状に練られて打ち上げ装置に配置され、その後冷却されて形状が固定されます。運用軌道に入った後、アンテナは太陽エネルギーによって加熱され、元の形状に戻り、正常に動作します。このタイプの衛星アンテナは、複雑な宇宙構造を実現すると同時に、衛星スペースを合理的に利用し、打ち上げコストを大幅に削減することができます。

さらに、4Dプリントされたスマート材料は、宇宙の過酷な環境にうまく適応できます。わが国の火星探査車「珠栄」が掲げた中国の国旗は、ハルビン工業大学が独自に開発した形状記憶ポリマー材料で作られています。火星の低温・高放射線の厳しい環境下でも自律的に展開し、安定した状態を維持できます。

軍事用途は特に有望である

4Dプリンティング技術の軍事分野への応用は特に注目に値します。 2022年8月、アライド・マーケット・リサーチは、世界の軍事用4Dプリンティング産業は2040年までに6億7,340万米ドルに達すると予測していると報告しました。米国のマーケットウォッチのウェブサイトも、軍事用の3Dおよび4Dプリンティング市場は2022年から2031年の間に年平均成長率10％以上で成長すると予想されていると報じている。このことから、4D プリント技術が国家防衛戦略にとって重要であることがわかります。

適応型迷彩戦闘服は、軍事分野において積層造形技術の応用を模索する最も初期のプロジェクトの 1 つです。カメレオンのように環境の変化に応じて自動的に色を調整し、カモフラージュ効果を高めます。 4Dプリント技術の登場とスマート材料の開発により、この戦闘服の迷彩機能は更に向上しており、秘密戦の面で将来の戦場に革命的な影響を与える可能性があります。

4D プリント技術を使用して設計および製造された武器および装備のコンポーネントは、急速に変化する戦場の状況に応じて構造と機能を変更できるため、環境適応性が向上し、パフォーマンスが最適化され、コストが削減されます。 NASAは、4Dプリント技術をベースにした将来のインテリジェント変種航空機の設計コンセプトを提案した。航空機の形状は、スパンの変更、揚抗比の最適化による航続距離と飛行時間の延長、翼の曲率の変更による航空機の操縦性の向上など、外部環境に合わせて適応的に変化し、より優れた戦闘性能を獲得することができる。カナダの研究者らは4Dプリンティングを利用して、ドローン用の新しいタイプの適応型フレキシブル翼も開発しており、これにより翼の製造効率が向上し、コストも削減される予定だ。

4D プリンティングの自己組織化機能は、軍事分野でも幅広く応用できます。キャンプ用テント、個人用救命ボート、戦場救助スタンドなどの装備は、印刷後、簡単に保管できるように圧縮または折りたたむことができ、使用時には事前に設計された形状に自動的に展開されます。これにより、組み立て手順とプロセスが大幅に簡素化され、部品の組み立てコストが削減され、持ち運びや輸送が容易になります。

4Dプリンティングは、急速に成長している新たな付加製造技術として、新材料、新プロセス、新メカニズムの組み合わせによる革新的な応用を実現し、「材料-構造-機能」の統合された動的設計と製造を促進し、製造方法のインテリジェント化に向けた変革を推進しています。スマート材料の種類と特性、印刷プロセスと装置、スマートコンポーネントの評価と検査の面ではまだ多くの課題に直面していますが、4Dプリンティングの明るい未来は依然として有望です。（鄭長興、趙慧、ヤンミン）

4Dプリンティングはより「インテリジェント」であり、単なる「D」以上のものを追加します

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