4D印刷: ちょっと待って、4D印刷と言いましたか？

By Fouad Sabry

4D印刷とは

アディティブマニュファクチャリングの一種である3D印刷は、現代の製造業で最も破壊的な発明の1つと見なされています。それは、業界におけるコンポーネントと機器の製造方法、およびそれらの設計と開発を根本的に変えました。 3D印刷により、メーカーや研究者は、従来の製造方法では作成できないと以前は考えられていた洗練された形状や構造を作成できます。過去30年間で、3D印刷技術は絶え間ない進歩を遂げ、劇的に変化しました。洗練されたバイオインスパイアードのマルチマテリアルデザインを生成する能力にもかかわらず、3Dプリントはまだ大量生産には適していません。

3D印刷技術に4次元を追加することは、「4D印刷」として知られています。この新しい次元により、3D印刷されたものは、光、熱、電気、磁場などの環境刺激とは無関係に形状を変えることができます。印刷物は、電気機械や可動部品を使わずに、時間の次元を取り入れることで、状況のニーズや要求に応じて動的に形を変えます。特定の刺激に反応して時間の経過とともに形状が変化する3D印刷物の能力は、特定の刺激に反応して時間の経過とともに変形する材料の能力に基づいており、プロセスを容易にするために人間の相互作用を必要としません。

自動折りたたみ式パッケージや適応型風力タービンなど、さまざまな用途での柔軟な製品に対する需要の高まりが、4D印刷の台頭に拍車をかけています。

どのようにメリットがありますか

（I）次のトピックに関する洞察と検証：

第1章：4Dプリント
第2章：4次元製品
第3章：レスポンシブアーキテクチャ
第4章：レスポンシブコンピューター支援設計
第5章：3Dプリンティング< br />第6章：3Dモデリング
第7章：3Dスキャン
第8章：3Dプリンティングマーケットプレイス
第9章：3Dバイオプリンティング
第10章：3Dフードプリンティング
第11章：3D製造フォーマット
第12章：3D印刷速度
第13章：3Dシステム

（II）4D印刷に関する一般のトップ質問への回答。
（III）多くの分野での4D印刷の使用に関する実際の例。
（IV）簡単に説明する17の付録266 4D印刷のテクノロジーを360度完全に理解するための各業界の新興テクノロジー。

この本の対象者

専門家、学部生、大学院生、愛好家、愛好家、およびあらゆる種類の4D印刷の基本的な知識や情報を超えたい人。

• Language: 日本語
• Publisher: 10億人の知識があります [Japanese]
• Release date: Nov 11, 2021
• ISBN: 6610000317325

Book preview

ちょっと待って、あなたは4Dプリンティングと言いましたか?

3Dプリンティングは、添加物製造の一種であり、現代の製造において最も破壊的な発明の一つと見なされています。これは、コンポーネントや機器の製造方法、および設計と開発を業界で根本的に変えました。3Dプリンティングにより、メーカーや研究者は、従来の製造方法では不可能と考えられていた洗練された形状や構造を作成できます。過去30年間で、3Dプリンティング技術は絶え間ないブレークスルーを見て、劇的に変化しました。洗練されたバイオ風のマルチマテリアルデザインを生成する能力にもかかわらず、3Dプリンティングはまだ大量生産には適していません。

3D印刷技術への第4次元の追加は「4Dプリンティング」と呼ばれています。この新しい次元では、光、熱、電気、磁場などの環境刺激とは無関係に、3Dプリントされた物の形を変えることができます。印刷物は、電気機械や可動部品を使用しない時間の次元を組み込むことによって、状況のニーズと要求に応じて動的に形状を変えます。特定の刺激に反応して時間の経過とともに形状を変化させる3Dプリント物の能力は、特定の刺激に応じて時間の経過とともに変化する材料の能力に基づいており、プロセスを容易にするために人間の相互作用を必要としません。

セルフフォールディング包装や適応可能な風力タービンなど、さまざまな用途でフレキシブルな製品に対する需要が高まっており、4Dプリンティングの台頭に拍車が掛かっています。

フアド・サブリーは、南ヨーロッパ、中東、アフリカ向けヒューレット・パッカード(HP)のアプリケーション開発担当地域責任者です。フアドは、オーストラリアのメルボルン大学 B.Sc(MoU)から、コンピュータシステムと自動制御の学士号、デュアル修士号、(1)経営管理修士号(MBA)、(2)情報技術管理修士号(MMIT)を取得しています。フアドは、情報通信技術(ICT)で25年以上の経験を持ち、ボーダフォンやインターナショナル・ビジネス・マシーン(IBM)などの地域、地域、国際的な企業で働いています。現在、フアドは起業家、作家、未来派であり、新興テクノロジーズとインダストリーソリューションズに焦点を当てており、10億人の知識を持つ(1BK)コミュニティの創設者です。

4D印刷

著者によるその他の本

1 – スマートマシン

2 – 脳のコンピュータのインターフェイス

3 – 群れの知能

4 – 自律走行車

5 – 自律ドローン

6 – 自律型ロボット工学

7 – 自律兵器

8 – 農業用ロボット工学

9 – クローズドエコロジカルシステム

10 – 培養肉

11 – 垂直農業

12 – プラズマ推進

13 – パルス爆発エンジン

14 – 考古学

15 – 4D印刷

著者によるシリーズ

情報技術の新技術

1 – スマートマシン

神経科学における新技術

1 – 脳のコンピュータインターフェイス

ロボット工学における新技術

1 – 群れの知能

自律的なものにおける新たな技術

1 – 自律走行車

2 – 自律ドローン

3 – 自律型ロボット工学

4 – 自律兵器

農業における新興技術

1 – 農業用ロボット工学

2 – クローズドエコロジカルシステム

3 – 培養肉

4 – 垂直農業

宇宙における新たな技術

1 – プラズマ推進

2 – パルスデトネーションエンジン

建設における新興技術

1 – 考古学

2 – 4D印刷

10億人の知識

4D印刷

ちょっと待って、あなたは4Dプリンティングと言いましたか?

フアド・サブリー

著作権

4D印刷著作権 2021 年 © フアド・サブリー。すべての権利予約。

すべての権利が予約されています。本書のいかなる部分も、著者の書面による許可なしに、情報保存および検索システムを含む電子的または機械的手段によって複製することはできません。唯一の例外は、レビューで短い抜粋を引用することができるレビュー担当者です。

フアド・サブリーがデザインしたカバー。

この本はフィクションの作品です。名前、文字、場所、およびインシデントは、著者の想像力の産物であるか、架空に使用されます。実際の人、生きているか死んでいるか、出来事、またはロケールに似ている場合は、まったく偶然です。

ボーナス

件名が「4D印刷:ちょっと待って、4Dプリントと言いましたか」という件名の [e-mail] に電子メールを送信すると、この本の最初のいくつかの章を含む電子メールが届きます。

フアド・サブリー

1BKのウェブサイトをご覧ください。

www.1BKOfficial.org

前書き

なぜ私はこの本を書いたのですか。

この本を書く物語は、私が中等学校の生徒だった1989年に始まりました。

それは、現在多くの先進国で利用可能になっているSTEM(科学、技術、工学、数学)の学校のようなものです。

STEMは、学際的かつ応用的なアプローチで、科学、技術、工学、数学の4つの分野で学生を教育するという考え方に基づくカリキュラムです。この用語は、通常、学校での教育方針やカリキュラムの選択に対処するために使用されます。これは、労働力開発、国家安全保障上の懸念、移民政策に影響を与えます。

図書館には毎週授業があり、各生徒は自由に本を選んで1時間読めます。授業の目的は、教育カリキュラム以外の科目を読むことを生徒に奨励することです。

図書館では、棚の本を見ている間に、5部に5,000ページの巨大な本に気づきました。本名は、私たちの周りのすべてを記述する「技術百科事典」で、半導体に絶対的なゼロをゼロ、ほぼすべての技術は、その時、カラフルなイラストと簡単な言葉で説明しました。百科事典を読み始めたのですが、もちろん週1時間の授業では終えることができなかった。

だから、私は父に百科事典を買うように説得しました。私の父は私の人生の初めに私のためにすべての技術ツールを買いました, 最初のコンピュータと最初の技術百科事典, そして両方が私と私のキャリアに大きな影響を与えます.

今年の同じ夏休みで百科事典全体を終え、宇宙の仕組みや日常の問題に対する知識の応用方法を見始めました。

技術に対する私の情熱は30年前より始まり、まだ旅は続いています。

この本は、私が高校生の時と同じ素晴らしい経験を読者に与えようとする「新興技術百科事典」の一部ですが、20世紀の技術の代わりに、21世紀の新興技術、応用、業界ソリューションにもっと興味を持っています。

「新興技術百科事典」は365冊の本で構成され、各書籍は1つの新興技術に焦点を当てます。本書の最後にある「近日公開」の一部で、新興技術とその業界別の分類のリストを読むことができます。

読者に1年の期間内に毎日1つの新興技術に関する知識を増やす機会を与えるために365冊の本。

紹介

どうやってこの本を書いたのですか。

「新興技術百科事典」の全ての本の中で、私は、新たな技術に関する彼らの質問に答えようと、人々の心から直接、即座に生の検索洞察を得ようとしています。

毎日30億件のGoogle検索があり、その20%がこれまでに見たことがありません。彼らは人々の考えに対する直接的な線のようなものです。

時にはそれは「紙詰まりを取り除く方法」です。他の時には、それは彼らがGoogleと共有するだけの痛烈な恐怖と秘密のハンカチです。

「4Dプリンティング」に関する未開拓のコンテンツアイデアの金鉱を発見するために、私はGoogleのような検索エンジンからのオートコンプリートデータを聞くために多くのツールを使用し、その後すぐにすべての有用なフレーズや質問をクランクアウトし、人々はキーワード「4Dプリンティング」の周りに尋ねています。

それは人々の洞察力の金鉱であり、私は新鮮な、超有用なコンテンツ、製品やサービスを作成するために使用することができます。親切な人々は、あなたのような、本当にしたいです。

人々の検索は、人間の精神で収集された最も重要なデータセットです。したがって、この本は、ライブ製品であり、常に「4D印刷」についての新しい質問のためのより多くの答えによって更新され、あなたと私のように、あなたと同じように、人々が尋ね、この新しい新しい技術について疑問に思い、それについてもっと知りたいと思います。

本書を書くアプローチは、人々が「4Dプリンティング」を探し回る方法を深く理解し、私が必ずしも頭の上から考えるとは限らない質問や質問を明らかにし、これらの質問に超簡単で消化しやすい言葉で答え、簡単な方法で本をナビゲートすることです。

だから、この本を書くことに関しては、私はそれが可能な限り最適化され、ターゲットにされていることを確認しました。本書の目的は、人々が「4Dプリンティング」についての知識をさらに理解し、成長させるのを助けることです。私は人々の質問にできるだけ密接に答え、より多くのことを示そうとしています。

人々が抱える質問や問題を探求し、それらに直接答え、本の内容に洞察力、検証、創造性を加え、ピッチや提案さえも提供する素晴らしい、そして美しい方法です。この本は、私がそうでなければ到達しない豊かで、混雑しておらず、時には驚くべき研究需要の領域を明らかにしています。このアプローチを使って本を読んだ後、潜在的な読者の心の知識を高めることが期待されているのは間違いありません。

私はこの本の内容を常に新鮮にするためにユニークなアプローチを適用しました。このアプローチは、検索リスニングツールを使用して、人々の心に耳を傾けることによって異なります。このアプローチは、私が助けになりました:

読者がどこにいるか正確に知ることができるので、和音を打ち、トピックをより理解できる関連コンテンツを作成できます。

脈拍にしっかりと指を置いておくので、人々がこの新しい技術について新しい方法で話すときに最新情報を入手し、時間の経過とともにトレンドを監視することができます。

疑問の隠された宝物を発見するコンテンツの関連性を高め、それに勝利の優位性を与える予期しない洞察と隠されたニッチを発見するために、新興の技術についての答えが必要です。

読者が望むコンテンツに関するガットフィールと推測に時間を無駄にするのをやめ、人々が必要とするもので本の内容を埋め、憶測に基づいて無限のコンテンツアイデアに別れを告げます。

確かな意思決定を行い、リスクを減らして、人々が読みたいこと、知りたいもの(リアルタイム)に最前列の座席を取得し、検索データを使用して大胆な意思決定を行い、どのトピックを含めるか、どのトピックを除外するかを決定します。

コンテンツ制作を合理化して、日々、数週間の時間を節約するために個々の意見を手動でふるいにかけずにコンテンツのアイデアを特定します。

質問に答えるだけで、人々が簡単な方法で知識を増やすのを助けるのは素晴らしいことです。

この本を書くアプローチは、照合し、検索エンジンで読者が尋ねている重要な質問を追跡するほどユニークだと思います。

確認

本を書くことは想像以上に難しく、想像以上にやりがいがあります。一流の研究者による作業がなければ、いずれも不可能であり、この新しい技術に関する国民の知識を高めるための彼らの努力を認めたいと思います。

献身

悟りを開いた人には、物事を異なる方法で見て、世界をより良くしたいと思う人は、現状や既存の状態が好きではありません。あなたは彼らにあまりにも多くの反対をすることができますし、あなたは彼らとさらに議論することができますが、あなたはそれらを無視することはできませんし、彼らは常に物事を変えるので、それらを過小評価することはできません.彼らは人類を前進させ、狂ったものやアマチュアと見なす人もいれば、世界を変えることができると思うほど啓発されている人は、人々を啓発に導くものなので、天才やイノベーターを見る人もいます。

エピグラフ

定義:4次元印刷は、コンピュータでプログラムされた連続した層の材料の堆積を通じて3D印刷の同じ技術を使用して、3次元オブジェクトを作成します。

重要度: 4D 印刷の最も明白な利点は、計算の折り畳みを通じて、プリンタより大きいオブジェクトを 1 つの部分として印刷できることです。4D プリントオブジェクトは形状を変更したり、縮小したり展開したりできるため、プリンタに合わせて大きすぎるオブジェクトを圧縮して、3D プリントをセカンダリ形式にできます。

素材:4D印刷技術は、熱機械特性やその他の材料特性のために、単一形状メモリポリマー、液晶エラストマー、複合ヒドロゲル、複合材料、多材料、およびその他の多機能材料などの材料を利用しています。

創設者:この新興技術の先祖は、マサチューセッツ工科大学(MIT)の自己組立ラボの創設者兼共同ディレクターであるコンピュータサイエンティストのSkylar Tibbitsです。4Dプリンティングの原点は、3Dプリントにタイムファクターを導入するにあります。

科学:4Dプリンティングは、本質的に3Dプリントされたオブジェクトが熱や水によって引き起こされる時間の経過とともに形状を変更する能力を指し、その可逆性の側面は元の形状に戻すことができます。

目次

4D印刷

著者によるその他の本

著者によるシリーズ

4D印刷

著作権

ボーナス

前書き

紹介

確認

献身

エピグラフ

目次

第1章: 4Dプリント

第2章 4次元製品

第 3 章: レスポンシブ アーキテクチャ

第 4 章: レスポンシブ コンピュータ支援設計

第 5 章: 3D 印刷

第 6 章: 3D モデリング

第 7 章: 3D スキャン

第 8 章: 3D 印刷市場

第9章 3Dバイオプリンティング

第10章:3D食品印刷

第11章:3D製造フォーマット

第 12 章: 3D 印刷速度

第13章:3Dシステム

エピローグ

著者について

もうすぐです

付録:各業界の新しい技術

第 1 章: 4D 印刷

次元印刷(4D印刷、4Dバイオプリンティング、アクティブ折り紙、または形状モーフィングシステムとも呼ばれる)は、3Dプリンティングと同じプロセスを採用し、連続した層内の材料のコンピュータプログラム堆積を通じて3次元オブジェクトを構築します。しかし、4D印刷では、最終的な3D形状は外部刺激に応じて異なる形状に変形することができ、4次元は印刷後の時間依存の形状変化です。製造後、印刷物が環境条件(湿度、温度、電圧など)と反応し、それに応じて形状が変化するプログラム可能な問題の一種です。

印刷技術

ステレオリソグラフィは、光重合を使用して基板の層をリンクしてポリマーネットワークを形成する3Dプリンティングプロセスです。押し出し材料が層を形成するために即座に硬化する融合堆積モデルとは対照的に、4Dプリンティングは主に、印刷プロセスが完了した後に積層材料を硬化させるために紫外線が使用されるステレオリソグラフィーに基づいています。異方性は、エンドプリントが方向性を埋め込むような方法でマイクロ材料を組織することによって、特定の状況下での変換の方向と量をエンジニアリングする上で不可欠です。

ファイバーアーキテクチャ

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Tibbitsらは水中に沈んだときに反応する複合ポリマーを印刷した。

4D印刷技術の大半は、サイズや素材の品質が異なるファイバーのネットワークに依存しています。4Dプリント部品は、マクロとマイクロスケールの両方で設計することができます。サンプルに使用されるすべての材料の凝集材料特性を近似する複雑な分子/繊維シミュレーションは、マイクロスケール設計を達成するために使用されます。刺激を活性化したときの変形形状は、これらの材料建築片の大きさ、形状、弾性率、および接続パターンに直接関係しています。

ハイドロ反応性ポリマー/ハイドロゲル

MITの自己組立ラボの責任者であるSkylar Tibbitsは、ストラタシス材料グループと協力して、非常に親水性の高い部品と非アクティブで硬質でない材料で構成された複合ポリマーを作成しました。これら2つの異なる材料の明確な資質は、水中の印刷されたチェーンの一部の領域の最大150%の膨張を可能にし、硬い要素は、変更されたチェーンの構造的および角度の制限を確立しました。彼らは、水に浸漬したときにワイヤーフレームキューブにモーフィングするチェーンと、水に沈んだときに「MIT」と綴る別のチェーンを作成しました。

セルロース複合材料

Thieleらは、湿度応答性のセルロース系材料の可能性を調査した。彼らは、両側に置換の程度が異なるセルロースステラロイルエステルを採用することによって二重層フィルムを作成しました。一方のエステルは、置換度0.3で非常に親水性であったが、他方は3の置換度で疎水性が高かった。疎水性側は収縮し、試料を50°Cから22°Cに冷却すると親水性側が膨張し、相対湿度は5.9%から35%に上昇し、サンプルがしっかりとロールアップしました。温度と湿度の調整を逆転させると、サンプルが再び展開され、プロセスが可逆的であることを証明しました。

A. シドニー・グラッドマンらは、異方性の腫れを理解し、印刷されたフィブリルのアライメントをマッピングすることによって、植物の新生活動をエミュレートすることができました。枝、茎、ブラクト、および花は、湿度、光、およびタッチなどの外部刺激に応答して、細胞壁および組織組成の内部ターゴを変化させる。これをモデルとして、従来の細胞壁の構造に似た局所的な異方性の腫脹挙動を持つ複合ヒドロゲルアーキテクチャを作成した。印刷プロセスの間、セルロースフィブリルは結合して、高いアスペクト比(100)と弾性率を100GPaの順にマイクロフィブリルを形成する。構造に関しては、これらのマイクロフィブリルは、軟アクリルアミドマトリックスに埋め込まれる。

N,N-ジメチルアクリルアミド、ナノクレイ、グルコースオキシダーゼ、グルコース、ナノフィブリル化セルロースの水溶液を利用して、このヒドロゲル複合材料の粘弾性インクを印刷した。材料が紫外線で硬化すると、ナノクレーはレオロジーの助剤として機能し、液体の流れを改善し、グルコースは酸素阻害を阻害する。このインクを用いて、セルロースフィブリルの向きを指定する印刷ルートの理論モデルを開発し、印刷の底層がX軸に平行で、印刷の最上層が反時計回りに角度で回転する。サンプルの曲率は、弾性率、膨潤比、層厚み、二重層厚さ比によって決定されます。その結果、平均曲率とガウス曲率の更新モデルは、それぞれ、

そして

グラッドマンらは、0度に近づくと、曲率が伝統的なティモシェンコ方程式に近づき、バイメタルストリップと同様に動作することを発見した。しかし、角度が90°に近づくと、曲率はサドル形状に変わります。この知識を活用して、チームは異方性と対称性の破断線の効果を正確に管理して、ヘリコイド、フリルプロファイル、その他の形状を形成することができました。

熱反応性ポリマー/ヒドロゲル

ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)は、しばしばpNIPAMとして知られており、一般的な熱応答性材料である。32°Cの水溶液中では、その低臨界溶液温度、pNIPAMヒドロゲルが親水性となり、膨化する。この点を超える温度はヒドロゲルを乾燥させ始め、それが収縮し、形状変化をもたらす。 pNIPAMと4-ヒドロキシブチルアクリレート(4HBA)などの他のポリマーで作られたヒドロゲルは、形状変化の10サイクル後も形状の歪みのない高い可逆性を有する。また、Shannon E. Bakarichたちの研究グループは、通常の二重ネットワークハイドロゲルに匹敵する構造を有するイオン性共有結合ヒドロゲルで作られた新しいタイプの4Dプリンティングインクを開発した。第1のポリマーネットワークは金属カチオンで結合され、第2のポリマーは共有結合によって結合される。このヒドロゲルは、その後、pNIPAMネットワークによって強化され、熱的に作動します。実験室試験では、温度を20~60°C(68~140°F)まで上昇させ、20°Cに戻すと、このゲルは41%~49%の形状回復を示しました。 この材料で作られた流体制御スマートバルブは、温水に接触したときに閉じ、冷たい水に接触したときに開くように開発されました。弁は、温水流量を99%削減しながら、冷たい水の中で効果的に開いたままにした。この新しいタイプの4Dプリントヒドロゲルは、従来の熱作動ハイドロゲルよりも機械的に強く、自己組み立て構造、医療技術、ソフトロボティクス、センサー技術に応用されています。

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連動するSMPコンポーネントの概略。

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USPS メールボックスの折りたたみ手順を模倣したインターロックと自己折りたたみ SMP。

デジタル形状記憶ポリマー

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オブジェクトをつかんで解放するために Qi Ge らによって作成された SMP グリッパーのタイムラプス。

特定の条件下では、一定期間温度に曝露された場合など、形状記憶ポリマー(SMP)は変形形状から元の形状を取り戻すことができます。ポリマーに応じて、材料は、様々な温度設定で様々な構成を取ることがあります。デジタルSMPでは、3Dプリンティング技術を使用して、ガラス転移や結晶融解温度などの異なる特性を持つSMPの位置、形状、混合・硬化比を正確に設計します。 Yiqi Maoらは、柔軟性のない非アクティブな材料に移植される様々な定義済みの熱機械および形状記憶特性を持つ様々なデジタルSMPヒンジを開発するためにこれを使用した。その結果、研究者たちは、自分自身を妨げずに折り畳むことができ、さらにはインターロックしてより耐久性のある構造を形成できる自己折りたたみサンプルを生成することができました。プロジェクトの1つは、USPSメールボックスのような自己折りたたみボックスです。

Qi Geら.は、可変ゴム弾性率およびガラス転移温度を有する構成成分からデジタルSMPを作成し、非常に高い故障株は従来の印刷可能な材料よりも最大300%高い。これにより、温度に基づいてオブジェクトを取得して放出できるマルチマテリアル グリッパーを開発することができました。厚い関節は強度のためにSMPで形成され、マイクログリッパーの先端はトランジットオブジェクトのための安全な接触を収容するように独立して設計されるかもしれない。

ストレス緩和

4D印刷では、応力緩和は、材料の中に「格納」される張力の下で材料アセンブリが生成されるプロセスです。この応力は後で解放され、材料の全体的な形態に変化が生じます。

熱光反応性ポリマー

このタイプの高分子作動は、光誘発応力緩和と表現することができる。

望ましい曲げシームを明るい光の焦点を合わせるストリップに露出させることによって、この方法は温度駆動ポリマー曲げの利点を利用する。これらの曲げ継ぎ目は、ストレス下で印刷されますが、光にさらされるまで変形しません。明るい光によって伝えられる熱は材料の屈曲を作り出す活性剤である。物質は化学的に光反応性ポリマーで構成される。光始子と混合したポリマー混合物は、これらの化合物中にアモルファス、共有結合性ポリマーを形成するために使用される。この材料はシートに形作られ、テンションの所望の曲げ折りに垂直に荷を積まれる。

その後、物質は指定された波長の光を受け、 光導入剤 が消費されると、残りの混合物が重合し、写真誘発応力緩和をもたらす。特定の曲げパターンを作成するには、光に露出した材料の部分をステンシルでコントロールできます。また、この手順の多数のサイクルを実行することも可能であり、それぞれが異なる材料サンプルとさまざまな荷重状況またはステンシル マスクを使用します。最終的なフォームは、各イテレーションの順序と結果によって決定されます。

現在のアプリケーション

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Miaoたちは、Part A、B、Cが大豆足場と他の材料の細胞増殖を示す。D部は、大豆足場内の異なる濃度の注入に対する細胞増殖を示す。

生物 医学

リジエ・グレース・ザン博士のジョージ・ワシントン大学の研究チームは、4Dプリント可能な写真硬化性液体樹脂の新しい形を開発しました。この樹脂は、生体適合性の持続可能な大豆油エポキシ化アクリレート分子で構成されています。この樹脂は、生体適合性3Dプリント可能ポリマーの選択グループに結合します。この材料のレーザー3Dプリントサンプルは、-18°Cから37°Cまでの温度変化を受け、元の形状を完全に回収しました。この材料の印刷された足場は、ヒト骨髄間葉系幹細胞(hMSC)の成長に有効な基盤であることが証明された。この材料の偉大な形状記憶効果と生体適合性は、それが大幅に生物医学足場の作成を強化することを仮定する研究者をリード.これは、植物油ポリマーを生物医学用途における立体撮影製造用の液体樹脂として使用することを検討した最初の研究の1つです。

レオニード・イオノフ(バイロイト大学)の研究チームは、生細胞と形状モーフィング生体適合性/生分解性ヒドロゲルを印刷するための革命的な方法を発見しました。この方法により、幅とトポロジーを比類のない制御で、中空のセルフフォールディングチューブを高解像度で製造できます。このアプローチの適応性は、2つの異なるバイオポリマー(アルギン酸およびヒアルロン酸)およびマウス骨髄間質細胞の使用によって示される。印刷条件とポストプリンティング条件を使用すると、最小の血液動脈の直径に匹敵し、既知のバイオプリンティング技術では不可能な平均20mの内部管径を可能にします。提案された4Dバイオプリンティング技術は、プリントされた細胞の生存性に悪影響を及ぼさず、自己折ったヒドロゲルベースのチューブは、生命力を失うことなく、少なくとも7日間細胞の生存をサポートする。その結果、現在の4Dバイオプリンティング技術は、適切な材料と細胞の選択によって導かれる調整可能な機能性と応答性を持つ動的再構成可能な設計の作成を可能にする。

可能なアプリケーション

既存の技術/技術は、4Dプリンティングに採用され、適応される可能性があります。

セル牽引力

細胞牽引力(CTF)は、生きている細胞が必要な形状に微細構造を折り畳んで移動することを可能にする技術です。これは、アクチン重合とアクトミオシン相互作用によって生じる収縮によって実現可能である。CTFは 、自然なプロセスにおける創傷治癒、血管新生、転移および炎症を調節する。竹内ら2つのマイクロプレートの間に細胞を埋め込み、ガラス構造を取り除くと、細胞はギャップを埋め、自己折りたたみを開始した。この技術を用いて、研究者は容器のような幾何学と高い効率の十二面体を製造することができた。この細胞折り紙アプローチを使用すると、印刷プロセスが完了した後に非合成の対応を複製できる細胞を含む構造の設計と印刷が生じると推測されています。

電気・磁気スマート材料

今日の電気的に敏感な材料は、外部電界の強度および/または方向に応じてサイズと形状を変化させます。ポリアニリンとポリピロール(PPy)は、電気刺激に応じて収縮し、拡大するために四フッ化物をドープすることができる優れた伝導材料です。これらの材料で構成されたロボットは、3Vの電気パルスを5秒間適用して移動するようにプログラムされ、片方の脚が伸び、刺激を10秒間取り除き、もう一方の脚が前進する原因となった。生体適合性で極めて導電性のカーボンナノチューブの研究によると、カーボンナノチューブと形状記憶試料から構成される複合材料は、いずれの標本よりも電気伝導性と電気活性反応速度が強い。磁気応答性フェローゲルは、高磁場にさらされると収縮し、投薬や細胞送達に有用である。カーボンナノチューブと磁気応答性粒子の組み合わせは、高い導電性を保ちながら細胞の成長と接着を促進するために使用するためにバイオプリントされています。

商業と交通

Skylar Tibbitsは、特定の環境に適応し、体温、湿度、圧力、音などの側面に対応できるプログラム可能なアイテムとして4Dプリント材料の潜在的な用途について詳しく説明します。Tibbitsはまた、出荷アプリケーションのための4Dプリンティングの利点を強調し、物事を平らに包装し、単純な刺激によって指定された形状を現場で活性化させることを述べています。また、輸送力に反応して荷物を公平に分配する4Dプリント貨物コンテナの見通しもあります。4Dプリント材料は故障後に自己修復が可能になることは非常に考えられます。これらの材料は自己組み立てが可能になり、構成部分をリサイクルすることが容易になります。

{章 1} の終了

See also

Four-dimensional product

Responsive architecture

References

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Ge, Qi; Dunn, Conner K.; Qi, H. Jerry; Dunn, Martin L. (2014-01-01). Active origami by 4D printing. Smart Materials and Structures. 23 (9): 094007. Bibcode:2014SMaS...23i4007G. doi:10.1088/0964-1726/23/9/094007. ISSN 0964-1726.

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第2章 4次元製品

4次元製品(4D製品)は、物理的な製品を、時間の経過とともに形や物理的な属性を自ら変えることができる生物と見なしています。これは、材料スケール(プログラマブルマターと4次元印刷)で同様の概念にリンクされている製品設計実践と研究の発展分野ですが、通常、センサーとアクチュエータを使用して環境や人間の状況に対応し、製品の形状、色、性格、その他の物理的特性を変化させます。アイテムに関連する人間的なスケールでは、4D製品はレスポンシブアーキテクチャと共通点を共有しています。

歴史

同様の実物そっくりの特性を持つオブジェクトを吹き込む研究分野は、同様にアカデミアや産業界での研究の成長分野となっています。しかし、研究者は、変革製品、形状変化、運動、そしてより広い意味で、スマート、コネクテッド、ロボット、または人工知能のレベルを持つなど、この研究を説明するために様々なラベルを使用してきました。

適応性のある製品の商業的な例は、業界内でいくつかの注目を集めています。アディダスは2005年にアディダス1シューズをリリースし、各ステップでヒールの圧縮特性を変更し、ウォーキングやランニングなどのさまざまな活動中に足の様々なニーズに対応することが可能でした。2016年、ナイキはHyperAdapt 1.0シューズをリリースしました。手動制御を使用して追加のマイクロ変更を実現しましたが、デザイナーはそのようなアイテムが生き生きとし、長期的には消費者のニーズにリアルタイムで対応することを想定しています。

BMWは2008年にGINAコンセプトカーを発表し、可動アルミニウムワイヤーとカーボンファイバー構造の上に伸びたファブリックボディを搭載し、ドア開口などの詳細を明らかにしたり、車の空力特性をリアルタイムで変更したりするために、選択したスポットで曲げることができる。2016年にデビューしたBMW Vision Next 100コンセプトカーは、前輪が回転すると拡大できるより高度なフレキシブルスキンを備えた同様の機能を採用し、コーナリング中に車のドラッグ係数を低下させます。製品フォームの変更を利用して、製品のパフォーマンスを向上させることができます。このようなダイナミックな車体は大衆市場ではまだ実現されていませんが、この移行の構成要素は現在のF1レーシングカーで見つけることができます。これらの車両には、レースの特定の段階でドラッグを減らすために使用できる調整可能なリアウイングフラップがあります(これはドラッグリダクションシステムまたはDRSとして知られています)。アウディTTなどの消費者レベルの車両は、トラクションと安全性を向上させるために、高速でリアスポイラー角度を自動的に増加させることができます。これは、これらの実物そっくりの動きが徐々に主流に入りつつあることを示しています。

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See also

Actuator

Autonomous robot

Evolutionary robotics

Fourth Industrial Revolution

Industrial design

Industry 4.0

Responsive computer-aided design

Sensor