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日本バーチャルリアリティ学会誌第 20 巻 1 号 2015 年 3 月

VR と 3D プリンタ

特集 ■ VR と 3D プリンタ

3D ゲルプリンタが加速する材料のデジタル化

齊藤 梓

古川英光

Saito Azusa

Furukawa Hidemitsu

山形大学

1．VR と 3D プリンタ
3D プリンタは，コンピュータ内の 3D データを現実空間に実体化させるツールであるため，VR の一つであると言われている．先日行われた「東京タワチカ・ラボ」というイベントでは，東京タワー地下のタワーホールでゲーム，音楽アプリ，Oculus，プラモデルなどと並び 3D プリンタの展示が行われ，3D プリンタはエンタテインメントの分野でも注目を集めている．エンタテインメント性の高い VR の使われ方と言えば，Oculus のようにヘッドマウントディスプレイに映し出す，アミッドスクリーンとプロジェクターを使って映し出すという映像表現が一般的である．それらに比べて，3D プリンタは，コンピュータ内のデータをモノとして作り出すことを可能にする装置である．つまり，Copyright 2014, 2015 Kyouyu Corp / i-Pairs Inc. All Rights Reserved.

3D プリンタがあれば，仮想世界にいるキャラクタを見

図 1 「東京タワチカ・ラボ」のイメージキャラクタ『透野千夏』(http://www.tohno-chika.com/) のCG( 左 ) と 3D プリンタで造形したフィギュア ( 右 )るだけ，声を聞くだけではなく，触れることができるのである（図 1）．
しかし，現在普及されている 3D プリンタは硬い材料を使用するものがほとんどである．我々が頭の中でイトワークと液体分子とが相互作用して引きつけ合ってメージしているキャラクタの触感をリアルに表現できるいるため，液体は外にこぼれず形を保っていることが3D プリンタが待望されている．

できる．人の体の約 60％が水分であるということは，よく知られている．この水が，こぼれでないのもタン

2．ゲルとはパク質という高分子との相互作用のためである．つま人の体の触感に近いものとして，どんなものが想像り，人の体もこんにゃくやゼリーと同じゲルという物されるだろうか．こんにゃくやゼリーは，かなり人肌質であると考えることができる．ゲルを自由造形できに近い触感を持っている．こんにゃくやゼリーは，ゲれば，触感もリアルなフィギュアが実現する．しかし，ルという変わった物質である．ゲルは，ぷるぷるとしゲルの自由造形は難しい．図 2 にシリコンの型と型にた独特な触感を持っている．これは，ゲルの主成分がよって造形したゲルフィギュアを示す．UV 光を当てる水などの液体だからである．普通の液体は，決まったことでゲル化するため，型は透明でなければならない．

形を持たないが，ゲルは形を持っている．ゲル内には，型からの剥離が難しいため，ディテールに至る精巧な高分子のネットワークが張り巡らされていて，このネッ表現はできなかった．

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VR と 3D プリンタJVRSJ Vol.20 No.1 March, 201531に入れ，光ファイバを通った UV 光を照射し，照射された部分のみをゲル化させる．光ファイバを 3 次元方向に走査することで，ゲルの自由造形を可能にする．
この装置の開発が進めば，触感がリアルなゲルフィギュアやゲル臓器モデル，新しいウェアラブル製品，柔らかいロボットなど様々なゲル製品が実現するだろう．
4．ゲル造形物の評価
3D ゲルプリンタで造形された物体は，どのように評価すれば良いのか．透明なゲルの場合は，図 4 に示す走査型顕微光散乱「SMILS( スマイルズ )」という装置を用いた非破壊評価が可能である [3]．図 5 に SMILS を用いたゲルの内部イメージングの概念を示す．SMILS は，動的光散乱の原理を用いており，散乱光の時間変化を分析する．ゲルの内部ではブラウン運動が起きており，こ図 2 シリコンの型と注型によるゲルフィギュアのブラウン運動の速さは，ゲルの網目サイズと直接関係している．したがって SMILS によって，ゲル内部の網3．ゲルの自由造形目サイズを定量的に決定することができる．ゲルの網目サイズは，直ちに弾性率に換算することができるので，触感がリアルなフィギュア以外にも，ゲルは生体と近硬さのマッピングも可能である．

い性質を持つことから，人工血管や人工軟骨などのインプラントや手術の練習用のリアルな臓器モデルとしても3D プリンタを活用する上で，造形物の評価が可能で応用が期待されている [1]．しかし，まだゲル製品がああることは決定的に重要である．SWIM-ER と SMILS のまり見られないのは，ゲルの精密加工が確立していないからである．ゲルの精密加工には，従来の切削加工，注型加工が適用できない．そこで，筆者らは，ゲルの 3Dプリンティングシステムを提案し，ゲルの精密加工が可能な 3D ゲルプリンタ「SWIM-ER( スイマー )」を開発している [2]．開発中の装置を図 3 に示す．
SWIM-ER は，バスタブ方式の 3D プリンティングシステムである．ゲルになる材料をバスタブという反応槽

図 4 走査型顕微光散乱「SMILS」

図 5 SMILS を用いたゲルの内部構造イメージングの概念図

図 3 3D ゲルプリンタ「SWIM-ER」

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 20 巻 1 号 2015 年 3 月

VR と 3D プリンタ

図 6 GelDup の概念図

組み合わせによって，様々な造形物を非破壊で評価し，望んでいるような内部構造ができているかを確認することができ，ゲル造形物の品質保証が可能になる．このような 3D 造形物のその場品質保証によって 3D プリンタによる微細加工の精度向上やデバイス開発がはじめて実図 7 デジタル化がもたらす 2 段階イノベーション用化されると考えている．
り，お金がクレジットカードに変わったりして「デジタ5．3D デジタルデータのもたらす意味ル化」した時，古いモノをエレクトロニクス技術や通信SMILS に 3 次元走査機構を取り付けることができれ技術によって，より便利で使いやすく，手間を短縮する

ば，3D ゲルスキャナができることになる．理論上，ような発展があった．ところが，その次の段階として，

この 3D ゲルスキャナは，ゲルの内部の 3 次元弾性率

インターネット技術と融合することにより，情報がインマッピングが可能である．そこで，3D ゲルスキャナとターネット上でやり取りされるようになり，そのモノの3D ゲルプリンタを組み合わせれば，図 6 に示すような扱いが完全に仮想空間に取り込まれ，仮想空間の中で加「GelDup( ゲル・デュープ )」というシステムを構成す工されたり，使われたりするようになっている．

ることが可能である [4]．

このような見方をゲルに適用すると，今はまだゲルの3D データがデジタル化されただけに過ぎないが，次のゲルのスキャンデータがあれば，見た目も中身も硬さ段階ではゲルが「電子ゲル」となって，仮想空間の中でも同じゲルを作ることができる．
例えば，この GelDup を使って，ソフトコンタクトレ微細加工されたり，デバイス開発の材料設計に使われたりするようになると予想される．

ンズに使用することを考える．ソフトコンタクトレンズを直接 3D ゲルスキャナで解析すれば，3D デジタルデー例えば，誰かがデザインしたゲルフィギュアのデータタに変換することができる．ひとたび 3D データになれをインターネット上で共有すれば，世界中の 3D ゲルプば，もしレンズに何らかの不具合が生じた場合，3D デーリンタで同じものをつくることができる．そのデータをタを 3D ゲルプリンタに電送することで，同じ硬さをそのままではなく，自分の好みに合わせて，弾性率や縮もったゲルレンズを造形できる．しかも 1 つではなく，尺を変えてから造形することも簡単にでき，理想的ないくつでも複製することができる．

形状，硬さを持ったフィギュアをつくることができるよ

ここで「デシタル化」することの質的転換について説うになる．ゲルのデジタル化がさらに進み，電子ゲルに明したい．ゲルの 3D データのデジタル化は技術開発のなると，データのやり取りだけが行われるようになり，段階としてどのように位置づけたら良いのだろうか．そ人々は理想的なデータさえ手に入れば満足するようになこで，図 7 に示すような進化とのアナロジーを考えたい．

るかもしれない．

電話が携帯電話になったり，郵便がファックスになった

ところで，ゲルのデジタル化の進展には，どうやって

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VR と 3D プリンタJVRSJ Vol.20 No.1 March, 201533

ゲルの情報を記述するのかという問題にぶつかる．たぶ参考文献

んここが次を考える起点になりうると考える．例えば，［1］ 齊 藤 梓， 古 川 英 光 日 本 機 械 学 会 2014 年 次 大 会

文章や画像がインターネットでやり取りできるようにな【F04100】機械材料・材料加工分野，マイクロ・るまでには，通信の形式，文字情報の扱い方，画像の圧

ナノ工学部門，設計工学・システム部門企画 次世

縮など，数え上げれば切りがない程の技術の開発がなさ

代 3D プリンティングと関連技術「有機 3D ゲルプれている．これらは全て情報科学の分野で研究が進めらリンタから始まるソフトマター・イノベーション」れたと想像される．もし，ゲルを本当にデジタル化しよ［2］H. Muroi, R. Hidema, J. Gong, H. Furukawa Journal

うとした時には，そのデータにはどのようなパラメータof Solid Mechanics and Materials Engineering Vol. 7,が必要になるだろうか．これまで，分かりやすくするた

No. 2（2013）

めに，3 次元形状と弾性率マッピングと書いてきたが，［3］日出間るり , 古川英光 , 走査型顕微光散乱（スマイ

ゲルの表面の触感を表現するためには，付着性や凝集性ルズ）による微量ゲル状試料の構造解析システムのというような数値も必要になるだろう．このようなデー

実用化 , 工業材料 , 59(4), 69（2011）.

タベースを作成できるのは，ゲル材料の専門家以外にあ［4］渡邉洋輔 , 古川英光 , ゲル材料の 3D プリンタ・3D

りえない．一度データベースが作成されれば，ゲルを始スキャナの開発 , 日本機械学会誌 116(2013 年 9 月

めとする様々な有機材料をデジタル的に取り扱う化学系号） 659（2013）.

デジタルファブ・プラットフォームの構築が急速に進［5］http://www.fms.meiji.ac.jp/create/

み，3D プリンタで扱うことのできる材料の多様化が飛［6］http://www.y-makers.net/

躍的に拡大すると考えられる．

［7］https://www.facebook.com/echefcom

今，情報系に関わっている研究者や工学者には，ぜひ［8］http://ekifab.com/

材料系の専門家と協力することで，このような必然的な［9］古川英光 , 3D プリンターによる化学材料のデジタ波を乗りこなしていただき，日本が材料のデジタル化でルメディア化 −− やがて化学製品の「もの」はデジ世界をリードするという新しい夢の実現にご参加いただ

タルコンテンツ化する , 化学経済 , 62(1), 21（2015

きたい．また，様々な材料がデジタル化することによ

年 1 月号）

り，仮想現実の世界でもモノの質感を表現しやすくなる【略歴】のではないだろうか．

齊藤6．材料のデジタル化：その社会実装へのアプローチ

梓 (SAITO Azusa)

山形大学大学院理工学研究科博士研究員

しかし，この化学系デジタルファブ・プラットフォー

2009 年青山学院大学理工学部卒業，2011 年青山学院大

ムが利活用されるには，研究や教育分野以外にも，生活学大学院理工学研究科博士前期課程修了．2014 年青山やビジネスの分野でのアプリケーション開発が不可欠で学院大学大学院理工学研究科博士後期課程修了，2014ある．筆者らは，明治大学・関西学院大学・慶応義塾大

年より現職．専門は物理学．

学と連携したセンター・オブ・イノベーション（COI）
英光 (FURUKAWA Hidemitsu)

拠点「感性に基づく個別化循環型社会の創造」[5] にお古川

いて，3D ゲルプリンタを活用した市民参加型のものづ

山形大学大学院理工学研究科

くり共創プラットフォームの開発に取り組んでいる．ま1991 年埼玉大学理学部卒業，1996 年東京工業大学理工

た，山形においては，樹脂系 3D プリンタ普及を進める

学研究科物理学専攻博士課程修了．1996 年東京工業大「やまがたメイカーズネットワーク」プロジェクト [6]，

学工学部助手，2002 年東京農工大学工学部助手，北海

3D ゲルプリンタを活用したゲル食品開発に挑戦する「米道大学大学院理工学研究科助教授，2009 年より現職．

沢いただきます研究会」[7]，米沢駅にオープンした日

専門は高分子・繊維材料，機械材料・材料力学．著書『エ本で初めての駅舎内ファブ施設「駅ファブ」[8] の運営

コマテリアルハンドブック』，『若手研究者のための有などの地方におけるデジタル化された材料技術のアプリ機・高分子測定ラボガイド』．

ケーション開発を始めている．この先には更に，化学材料のメディア化と化学製品のコンテンツ化などの未来を考えているが，他所に書いたので参考にされたい [9]．

33教授