二段階UV硬化性液晶エラストマーのバット光重合による4Dプリンティング

形を記憶するスマート材料

細い血管を通り抜けられ、体内で優しく広がり—必要に応じて再び縮む医療用ステントを想像してみてください。あるいは、モーターやギアを使わず温度変化だけで這い、物をつかむソフトロボット。今回の研究は、こうした「スマート」な物体を3Dプリントし、立体的に複雑な形を保持するだけでなく、時間経過に伴って制御可能かつ再現性のある形状変化を与えられる方法を示します。

3Dオブジェクトから時間を備えた形状変化へ

従来の3Dプリントは固定された物体を作りますが、4Dプリントは時間を新たな次元として加えます。印刷部品は熱・光・その他の刺激で形を変えます。中でも有望なのが液晶エラストマーです—棒状のユニットが配列し協調的に動くゴム状固体で、温度変化によりこれらのユニットが並び替わって素材全体が曲がったり伸びたり収縮したりします。しかし、これまでの多くの研究はこれをノズル押出で成形する手法に依存しており、細部の精度が限られ、開放格子や精巧な建築モデルのような繊細で自立した構造を作るのが困難でした。

印刷と運動をプログラムする新手法

著者らは液晶エラストマーを、高解像度プリンタで一般的に使われる別の3D印刷法であるバット光重合と組み合わせます。この方法では、光プロジェクタで薄い樹脂層を硬化させ、数百ミリだけの特徴を持つ固体を積層します。チームは二段階で反応する特殊な樹脂を設計しました。第一段階では紫外線がアクリレート成分を架橋させ、複雑な形状に印刷できる柔らかいゴム状ネットワークを形成します。重要なのは、同時に配合されている別の基—エポキシ基—がこの時点では反応せず、後で使われる予備の結合点のようになっていることです。

熱で形を固定する

印刷後、研究者らは別の「プログラミング」工程を行います。印刷した部品を伸ばしたり圧縮したり曲げたりして目的の形状に機械的に変形させます。この大規模な変形により内部の液晶ユニットは局所的な応力方向に沿って配向します。変形状態を保持したまま穏やかに加熱すると、エポキシ基が反応して追加の永久的な架橋を形成します。これらの新しい結合は内部配列と全体形状を事実上固定します。冷却して解放すると、構造は室温でプログラムされた形状を維持しますが、ある遷移温度以上に加熱すると印刷時の元の形状に向かってばねのように戻り、再び冷やすとプログラムされた構成に戻ります。この往復的な変化は繰り返し可能で、直接的な機械的リセットを必要としない真の可逆的な「形状記憶」を与えます。

強度、柔らかさ、動きを調整する

アクリレートとエポキシ成分の比率を調整することで、素材の剛性、強度、応答性を細かく調整できます。わずかなエポキシ量でも、エラストマーは柔らかく伸縮性を保ちつつ、プログラムした形状を確実に保持し、加熱時にほぼ100％の精度で回復するのに十分な追加架橋を得られます。エポキシ含量が多いとより剛性が高く荷重に耐えられますが、動きは小さくなる場合があります。最適化された配合を用いて、研究者らは温度応答する多様な構造を実証しました：加熱で剛性が三倍になる格子、引っ張ると狭まらず横方向に広がるオーセティック（負のポアソン比）パターン、熱で二つの安定形状を往復できるビステイブル要素などです。

形を変えるデバイスとソフトロボット

実用性を示すため、著者らは可逆的に変形するいくつかの複雑な物体を印刷しました。展開式アンテナ、ミニチュアのエッフェル塔、挿入時に収縮しその後再開する医療用ステント、加熱で開花する花のような構造などです。さらに、ジェスチャーを作ったり物を掴んだりするソフトロボットハンド、印刷された「筋肉」ストリップで曲がって持ち上げる義手モデル、温冷サイクルで前進するイモムシに着想を得たロボットなどを構築しました。これらの例はいずれも同じ核心的な考えに依拠しています：物体はまず一つの形で印刷され、次に機械的に別の形にプログラムされ、温度が二つの形を切り替える単純な遠隔操作として使われます。

将来のデバイスへの意義

専門外の読者にとって重要なのは、複雑で可動するデバイスが、広く利用可能な化学系と高解像度プリンタを使って一体で印刷できるようになったことです。設計者は印刷時に運動を制御するために微視的な内部パターンを精密に設計する必要がなくなり、代わりに後から全体の変形を彫塑し、素材自身に内部再配列させることができます。本研究は、医療用インプラントや適応型建材から軽量航空宇宙デバイス、ケーブル不要のソフトロボットに至るまで、手頃で細部まで精密、かつ完全に可逆的な形状変化システムへの門戸を開きます。

引用: Jiang, H., Chung, C., Gracego, A.X. et al. 4D printing through vat photopolymerization of two-stage UV-curable liquid crystal elastomers. Nat Commun 17, 1671 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68370-y

キーワード: 4Dプリンティング, 液晶エラストマー, ソフトロボティクス, 形状記憶材料, スマート構造