3Dプリントの先へ。トランスフォーマーも夢じゃない「4Dプリント」技術が開発

4Dプリントとは、「時間によって変形する素材」を3Dプリントで作る技術です。

従来の４Dプリント技術では、形状記憶素材のような複雑な変化は困難でしたが、今回人の顔のような複雑な起伏に変形できる方法が開発されました。

この技術が進展すれば、陸上では球の形、水中では魚の形、空中ではグライダーの形をとるトランスフォーマーのような変形ロボットへの道がひらけるだけでなく、元の形状がシート状なため、輸送コストも軽減できるでしょう。

時間を遡るマテリアルプログラミング技術

研究を行ったMITの機械技術者Wim van Rees氏は、熱によって膨張する樹脂のメッシュの密度を、調節しながら重ね、特定温度で自動変形するシートを作りました。

この3Dプリントで作られたシートは、熱的な条件に応じて自律的な変形を時間軸の中でサイクルとして繰り返します。その定形パターンは時間軸上を進んでも、光の波長のように繰り返されるのです。

この条件の復元により、あたかも物理現象のように、一定スパンで同じサイクル運動が3次元空間で繰り返されることから、研究者たちはこのプリント技術に通常の3次元に時間の1次元を足した、4次元（4D）プリントと呼ぶようになりました。

今回の複雑な4Dプリントを可能にした核心技術は、マテリアルプログラミング（素材プラグラム）と言われる、シミュレーションを用いた設計法です。

通常の設計シミュレーションが行われる場合、初期状態から完成形に向かうのが一般的です。しかし今回の研究では、先に完成形の予測データを作成し、そのあと最適な初期状態を知るため時間を逆行するシミュレーションが行われました。

結果は成功で、逆設計により3Dプリントに必要な樹脂の密度の初期情報が算出されました。

逆設計は、コンピューターの演算能力が飛躍的に伸びた現代だからこそ可能となった手段といえます。