在空地上放一塊樹脂板，幾天後就能建起一座精美的房子。這種魔法般的技術在2030年代可能會出現。這是紙和樹脂在熱、光、風等的刺激下自動組裝成預先設計好的構造的「4D列印」所展示的未來場景。僅依靠自然的力量而變化的材料從削減能耗的角度來看也令人期待，目前全球都在加速開發之中。
印刷的紙自動組裝成足球的形狀
4D列印是2010年代上半出現的技術，該技術由列印立體物體的3D列印隊形變換而來，提出4D列印概念的是美國麻省理工學院的斯凱勒·蒂比斯（Skylar Tibbits）。
日本科學技術與學術政策研究所實施的「科學技術預測調查」中預測，自動組裝成期望的形狀的技術將在2030年前後實施實用化。
在芝浦工業大學的重宗宏毅助教的研究室裏，列印機列印出來的紙上有很多切口。仔細觀察就能發現，紙的一部分會捲起來，最後捲成足球的形狀。
在紙上印刷特殊的墨水後，紙會沿着墨水彎折。在此次實驗中，等候約5～15分鐘後，塗墨水的部分開始受力，紙張按設計的那樣形成了足球的形狀。只要是能透過摺紙形成的形狀，任何形狀都可以實施。除足球外，還試製了立方體和紙飛機等約20種形狀。能形成各種形狀的關鍵在於，紙的彎折方式會隨着墨水的量、印刷墨水的粗細度及紙的厚度而改變。
研究團隊的目標是應用於佩戴在手臂或腿上的可穿戴設備領域。在印有佈線基底層和感測器的紙上塗覆墨水，然後按壓到手臂或腿上，就能卷繞起來。可以製作出緊貼到身體上就能測量心率和呼吸頻率等體徵資訊的終端機。重宗宏毅助教表示，「由於是用紙製作的，可作爲一次性產品使用，還有助於預防新冠電腦病毒等傳染病」。
今後將設法實施用更短的時間完成組裝。據說已經有多家企業表示對該研究感興趣，計劃數年後實施實用化。
建築物牆壁上的幾何圖案會「呼吸」。製作出這種不可思議的「圖案」的是慶應大學的田中浩也教授等人。組成圖案的樹脂板的硬度會隨着溫度而變化，因此會根據溫度和風自動開關。圖案是利用3D列印機製作而成。
樹脂會記住從列印機中出來時的關閉狀態。溫度爲20度左右時，樹脂是硬的，但溫度升高到35～40度時則會變軟。圖案的切口會在風力的作用下開啟，沒有持續吹風時間就恢復到記憶的起始情況關閉。
這一產品可作爲窗戶應用於建築物的牆面等，在炎熱的夏季，窗戶會開啟，讓風進來，而秋冬季節，窗戶會關閉保暖。窗戶的開關溫度可以透過材料的混合比例來改變。
目前正嘗試組合多種形狀記憶樹脂來實施更復雜的動作。接下來計劃推進實證試驗，在2025年之前實施實用化。
● 雙向控制和強度存在課題
目前的4D列印技術在特定刺激的作用下發生的變化很多都是單向的。無法自動恢復到原來的狀態或者在發生變化後保持結構強度。例如芝浦工業大學開發的技術，紙雖然能自動組裝，但無法恢復到原來的狀態。慶應大學的技術也一樣，樹脂雖然會隨着溫度變軟，但會變形。可以作爲進風口使用，但不能用作支撐房屋的支柱和牆壁。
要想用於房屋建築或車輛組裝，這一點還需改進。重宗助教介紹說，目前，即使從全球來看，也「還沒有既能實施雙向變形和形狀變化，又能保持結構強度的研究」。
4D列印被認爲實施普及的話可以削減能耗，但如果採用目前的技術，拆卸製造的住宅或車輛時會消耗能源。
如果因爲容易組裝而更加大量地製造汽車的話，從整體來看反而可能會增加能源消耗。
關於4D列印技術，與慶應大學的田中教授共同開展研究的塑膠產品製造企業Kyoraku（東京中央區）的湯淺亮平表示：「加快形狀變化速度也是普及面臨的課題」。
日文：三隅勇氣，《日經產業新聞》，2020年9月28日
中文：JST客觀日本編輯部
