3Dプリンターで、場所によって透明度や硬さの違うゲルを作り出す技術
山形大学
学術研究院（大学院理⼯学研究科主担当）
機械システム⼯学専攻教授 古川 ヒデミツ
2022年8月2日
1ソフトでウェットな材料「ゲル」
液体のようで固体の状態を保つゲル例）⾖腐、エコーゼリー、臓器
⾼強度ダブルネットワークゲルの網目構造

2背景︓ ⾼強度ゲル
従来のゲル

ダブルネットワークゲル（DNゲル）

含⽔率:90-95%
破断応⼒:0.1-1MPa

含⽔率:90%
破断応⼒:10-40MPa

大量の溶媒を含みながらもゴムや生体軟骨に匹敵する強度をもつゲルの創製に初めて成功 !
⾼強度ゲルを活かした、新しい機能性材料の研究がブームになった。

Gong, J. P.; Katsuyama, Y.; Kurokawa, T.; Osada, Y. Adv. Mater.
2003, 15, 1155.

3

Research Background

⾼強度ゲル研究は⽇本が圧倒的にリード
2001

2002

2003

環動ゲル

ナノコンポジットゲル

ダブルネットワークゲル

Okumura and ItoHaraguchi

Kurokawa, Gong, et al.

原口和敏教授

グン教授, ⻑⽥義仁教授

伊藤耕三教授(内閣府ImPACT)

2008

2010

2011

2012

テトラPEGゲル

アクアマテリアル

相互架橋ゲル

透明形状記憶ゲル(山形大学)(山形大学)

Sakai, et al.
酒井崇匡教授Aida, et al.
相⽥卓三教授Takada, Furukawa, et al.

古川英光

Yokoo, Furukawa, et al.

古川英光

ソフトマター・ゲルのノーベル賞を日本から出す。キーは実用化！

4優れた柔軟材料 - ハイドロゲル
ハイドロゲル は内部に三次元網目構造を持つ⾼強度かつ柔らかい材料
 ⾼含⽔率Material advantages

 親水性と疎水性の調整で制御可能
 液体駆動に適用可能

 生体適合性 人体に適用可能 (毒性が低いゲル) 人工臓器として医学分野への応用

 人体に近い感触
 ソフトロボットや生物模倣に使用可能

Network structure
increases gel strength!

53Dゲルプリンターは新参者①

ゲル1980③

温度, ph, イオン,電場, 特定の光

1990

2000

2010

②2020

④

渡邉洋輔氏作成。
吹き出しはhttps://mangadown.netlify.app/のアプリを利用6

世界初! 3Dゲルプリンターで造形

⾼強度ゲル

3D-CADデータ

先進的ゲル材料の自由造形が可能な
世界初の3Dプリンタ

3Dゲルプリンター
⾰新的ブレークスルー技術︕

UV照射部分のみゲル化︕•造形モデルは3D-CADソフトで作製
化学×機械•型では作れない複雑・中空構造を迅速造形
7•⼭形⼤学で開発された先進的ゲル材料の3D自由造形が可能
R. Hidema, K. Sugita, H. Furukwa, Trans. J. Soc. Mech. Eng. (A), 77, 1002-1006 (2011)
H. Muroi, J. Gong, H. Furukawa, J. Solid Mech. Mater. Eng., 2013.

7科学技術への顕著な貢献 2013（ナイスステップな研究者）
ふるかわ ひでみつ○古川 英光

⼭形⼤学⼤学院 理工学研究科 機械システム工学分野 教授

産学連携で世界最先端のゲル材3Dプリンタの開発

88バスタブ方式3Dゲルプリンター開発
GelPiPer™
装置本体の⼤きさ・重さ
横幅︓380mm
奥⾏き︓355mm
⾼さ︓430mm
重さ︓約22kg
紫外線光源
3Dゲル造形プラットフォーム
ゲル化前の溶液
バスタブ

造形⽅法︓低出⼒レーザーによる光硬化・バスタブ⽅式
そのほか︓AC100V

知財化済み
9

バスタブ方式で、場所によって柔らかさを変える
バスタブには、１つの材料を充填→複数の材料を使用せずに場所によって特性を変えたい
例えば、 耳たぶだけ 、 クラゲの足だけ を柔らかくしたい10新機能を追加する新技術
光が多く照射されると、⽩く、硬くなる材料

透明

特定の位置で、光を多く照射するように造形すると⽩く、硬くできる11

新技術の特徴・従来技術との比較
バスタブ⽅式で、場所によって透過率や硬さが異なるゲルの造形に成功

12想定される用途
 手術練習用モデル
腫瘍やターゲット組織のマーカー表示
場所による触感の再現
 屈折率差を利用した光路誘導ゲル
透明ゲル腎臓モデル

白色ゲル腎臓モデル

 導電率・誘電率・磁束密度の差を利用した電磁波収束体13GelPiPerアンバサダープログラム
GelPiper

GelPiper
共創チーム

クローズドSNS

インク

造形データ

基礎研究・知財化

材料提供

材料メーカー

未来の ユーザー／
ステークホルダー／
共同販売者

貸し出し

装置設計

装置メーカー

製造・貸出・保守

フィード
バック

展示

フィードバック

共同研究機関⼤学
研究所

ユーザーのニーズ、造形データ、使用感、…

公開

フィードバック

ゲルパイパーアンバサダー
主にコンソーシアム・技術

ゲルパイパーアンバサダー
主に未来館・SNS14

やわらか3D共創コンソーシアム
 対象
特に３Dゲル活用⽅法を検討されたい企業様 実施していること
出⼝戦略の共創、勉強会、3Dゲルプリンターの貸出
https://soft3d-c.jp/

15やわらか3D共創コンソーシアムのご紹介
材料 “30年” を、材料 “3ヶ月” に
新材料とものづくりをシームレスにつなげたい
3D造形技術を活用し、みなさまのアイデアづくりとそれを実際に形にするための“場”をご提供いたします。
・多様な材料 × 多様な3Dプリンター ＝新たなものづくり
・新たな産業の創出、ものづくり産業活性のためのオープンな場

16材料30年から材料3ヵ月へ（プラットフォーム構築）
コンソーシアムでの共創

デジタルファブリケーション

材料

ものづくり×

材料系メーカー

機械・装置系メーカー

古川研究室

機械

シームレス

最終製品メーカー
テストユーザーオープンイノベーション／共創

デザイナブルゲル／3Dプリンター
新材料ラピッドプロトタイピング

材料創製
材料系
研究開発

新材料

製品
コンセプト

加工・造形
製品試作

機械系
新技術
技術開発

テストユーザーインタビュー

検証販売

マスプロダクション＆マスカスタマイゼーション

顧客開発モデル

設計データ、試作データ、評価検証データ、顧客データなどを蓄積・連携・活⽤することで、加速度的・相乗的に製品を⾰新できる17

オープンイノベーションを加速する
やわらかコンソ部会活動

食品部会（未来食WG）

医療部会（やわらか医工ネットやわらか3D共創準備委員会）
コンソーシアムソフトマシン部会（DOJO）※イメージです。

ソフト&ウェットマター
工学研究室
SWEL

ゲル部会

（GelPiPer）

モビリティ（構造）部会（⾼校生コンテスト）※イメージです。

産業分野

食 品

医 療

ゲ ル

モビリティ・建築ロボット18

やわらかコンソでの徹底した議論@合同部会

Spiber社⾒学

19

やわらかものづくり の2050年ごろのあるべき姿
円形で360度どこからもアクセスできるコンビニが⽥んぼの真ん中に出現する。その中に設置されたUFOキャッチャーのような装置が3Dプリンターである。
個々人に対応した真のロングテール産業が、地⽅のコンビニで実現する。地
産地消、輸送コスト削減などが同時に実現する。

20

やわらかコンソ「ソフトマシン部会」では「ソフトマシンDOJO」 活動報告ページを開設
https://soft3d-c.jp/softmachinedojo

21

やわらかものづくりハンドブック22

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ︓ゲル造形⽅法• 出願番号 ︓特願2022-033365
• 出願人
︓⼭形⼤学
• 発明者
︓⼭崎裕太、渡邉洋輔、川上勝、南後淳、古川英光
23主な産学連携の経歴
 2013年-2021年 JST COI慶応拠点の⼭形⼤サテライトとして参加
三菱ケミカル社と共同研究実施
 2016年-2020年 JST OPERA事業に参加
 2016年-

⼤学発ベンチャー株式会社ディライトマター共同設⽴

 2018年-2022年 JST OI連携型OPERAに採択（領域統括として） 2018年-

やわらか3D共創コンソーシアムを設⽴

 2019年-2020年 エヌデーソフトウェア社と共同研究実施
 2019年-2021年 サポイン事業に採択（研究代表として）
サンアロー社と共同研究実施
24

お問い合わせ先
⼭形⼤学
知的財産本部
ＴＥＬ 0238-26-3024
ＦＡＸ 0238-26-3633
e-mail yu-yuchizai@jm.kj.yamagata-u.ac.jp25