4Dプリントにより物体の「自己組織化」が可能に

4Dプリントにより物体の「自己組織化」が可能に
出典: 制御エンジニアリングネットワーク

製品モデル、建築モデル、模型臓器から航空部品、おいしい食べ物まで、工業用印刷からデスクトップ印刷まで、3D印刷が家庭用途のシナリオに入ると誰もがまだ話している一方で、より魔法のような印刷技術である4D印刷が登場しています。

3Dプリントの「長さ、幅、高さ」の3次元空間に加え、4Dプリントでは「時間」という新たな次元が加わり、4Dプリントされた物は固定された形で存在することに限定されず、設定された時間や一定​​の条件に応じて自動的に形状を変えることができるようになりました。

現在私たちが知っている 4D プリント技術の最も直感的な理解は、4D プリントの創始者であり、マサチューセッツ工科大学建築学部の講師である Skylar Tibbits 氏による TED カンファレンスでのプレゼンテーションです。ヒンジ付きの 4D プリントされたシリンダー 2 つを水中に置くと、驚くべき変化が起こります。

もちろん、印刷された円筒状の棒の表面だけを観察すると、特別なことは何もなく、ごく普通の印刷物に過ぎません。材料を水に入れると、魔法のような変化が起こりました。材料が自動的に丸まってゆっくりと変形し、自動的に「MIT」(マサチューセッツ工科大学)の文字を形成したのです。


別の実験でも、薄くて丸い素材が使われました。水の中に置くと、その素材はまるで命を与えられたかのように立ち上がりました。それだけでなく、この素材は水中で進化と折り畳みを続け、最終的には自動的に立方体へと組み立てられました。注目すべきは、変形プロセス全体に人間が関与していないため、材料が自己認識を持っているように見えることです。これが 4D プリントの魔法です。

もちろん、4D 自己組織化を実現するための鍵は印刷そのものではなく、より重要な核となるのは材料です。 MIT の 4D プリント実験では 2 種類の材料が使用されています。1 つは水中で元の長さの 2 倍に伸びる高分子ポリマーで、もう 1 つは水中で固定されたままになる材料です。

事前に印刷されたモデル設計には、時間トリガー媒体が設定されています。つまり、材料が水に遭遇するとトリガーされ、延性部分が自動的に変形し、固定部分と一緒に、事前に設計された形状に自動的に組み立てられます。もちろん、トリガーとなる物質は水に限定されません。

したがって、4D プリントの魔法をより直感的に理解できます。つまり、オリジナルの 3D プリント技術に基づいた自動変形材料を使用します。ユーザーはソフトウェアを使用してモデリングを完了し、必要な組み立て特性を材料に入力できます。その後、トリガー媒体を介して、変形可能な材料が事前に設定された設定に従って自己組み立てを完了します。おそらく、将来的にはトリガー媒体は外部からではなく、印刷プロセス中に材料の内部で直接トリガーされるようになるでしょう。

4D プリンティングの重要性は広範囲に及び、製造エコシステムだけでなくビジネスエコシステムにも影響を与えます。つまり、後続の組み立てや成形の結果を初期モデルで事前に設定しておき、印刷されたオブジェクトを外部メディアによってトリガーして、必要な時間範囲内で自己組み立てします。

もちろん、将来は自己組立だけでなく、自己製造に近い形にも進化していくでしょう。あるいは、いわゆる 4D プリンティングは、ある種の記憶の知恵を材料に埋め込み、その記憶を呼び起こし、媒体の作用によって組み立てを実現するものであると理解することもできます。

最近、中国では天津大学の馮偉氏のチームも4Dプリントソフトロボットで大きな進歩を遂げ、自走し刺激に反応できるインテリジェントなソフトロボットを生み出した。 https://www.nanjixiong.com/forum ... 9887&fromuid=309382


このソフトロボットは、160℃に加熱されると、長方形から螺旋状のチューブに自律的に変化し、「ロープなしで」自動的に転がり去ることができます。従来のソフトロボットは、動力を得るために電源に接続するための「テザー」を必要とします。スマート材料のサポートにより、Feng Wei 氏のチームのソフトロボットは、外力なしで自律走行を実現し、「テザー」の制約から解放されます。

図:加熱後に螺旋状のチューブに巻かれたソフトロボット
4Dプリント、産業用プリント、セルフアセンブリ

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