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〔編集部〕この記事の筆者はXponentialWorksのファウンダー、CEOのAvi Reichentalで、Dプリンティング・テクノロジーとその影響についてのエキスパート。

1983年に3Dプリンティングの父、Chuck Hallはきわめてシンプルでありながらきわめて革命的なものを作り出した。彼は世界で最初に目の洗浄用コップを3Dプリンターでプリントアウトした。

それは見たところごく平凡な小さい黒いカップに過ぎなかったが、このカップこそ来るべき革命を予告していた。今や3Dプリンターは医療とヘルスケアを根本的にディスラプトしつつある。

アメリカのヘルスケアのコストは天井知らずで高騰を続けている。政治による解決は望み薄だ。テクノロジーの革新以外に意味ある結果をもたらす可能性はない。ここでは3Dプリンティングがすでに起こしつつある革命の一端を紹介したい。

カスタム化補装具

私はよくAmanda Boxtelの例を話す。Amandaは下半身に麻痺があり、Ekso Bionicsのロボット・スーツを利用していた。Amandaは私に相談に来て「装着感が悪く困っている」と訴えた。このスーツは優れたデザインでAmandaにある程度の運動の自由を与えたものの、誰もが当然望むような自然な動作は不可能だった。

ソース：Scott Summit, Charles Engelbert Photography

通常の補装具は各種の現行デバイスと同様、大量生産品だ。これに対して3Dプリンティングによる補装具は個別のユーザーに合わせたカスタムメイドだ。われわれはAmandaの身体をデジタルスキャンし、カスタム化したロボットスーツの製作を目指した。これはテーラーメイドで背広を仕立てるのに似ている。これによりAmandの身体にミリ単位でフィットした軽量で装着感がいいロボットスーツを作ることができた。今ではAmandaはすっかりのスーツに慣れ、ハイヒールを履いて歩く練習をしている。

これと同様のテクノロジーが空気が流通し着用が快適な脊柱側彎用コルセットや義足、義手その他の補装具の製作に用いられている。

バイオプリンティング、ティシューエンジニアリング

外科医の Jason Chuenはオーストラリアの医学誌、Medical Journal of Australiaに掲載された記事で、再生医療においてブレークスルーが起きており、人から人への臓器移植を不要とする時代が近づいていると述べている。これがどのようなテクノロジーなのか簡単に説明しよう。

本質的にみれば、 3Dプリンティングはコンピューターによって薄膜を積層していくテクノロジーだ。現在プリンティングに用いられる素材はプラステイックや金属粉が多い。薄膜を積み重ねて最終的に、おもちゃ、サングラス、医療用コルセット等、所望の形状を得るわけだ。この3Dプリンティング・テクノロジーは医療プロパーの分野に応用されつつある。つまりプラステイックや金属粉の代わりに生体材料を用いることで「オーガノイド」と呼ぶ小さい臓器をプリントアウトできるようになってきた。これには幹細胞を用いて増殖された生体材料が用いられる。こうしたオーガノイドを人体に移植し、時間をかけて成長させることにより、たとえば本来の肝臓や腎臓の機能が失われたときに、その代替とすることができるようなるだろう。

3Dプリンティングによる火傷治療

メアリー・シェリーのSFの古典、『フランケンシュタイン』めいて聞こえるかもしれないが、皮膚の再生医療は、効果はもとより、コスト節約の面を考えてもきわめて大きなインパクトを与えるだろう。過去何世紀にもわたって、火傷によって損傷した皮膚に対する処置はきわめて限られた選択肢しかなかった。皮膚片移植は苦痛がひどく、審美的にも満足のいく結果は得られない。水治療法の効果は限定的だ。しかしスペインの研究者チームは3Dプリンティングによる治療法を開発している。コンピューターにより精密にコントロールして薄膜を積層していくテクノロジーは事実上あらゆる分野に適用可能だ。まだプロトタイプだが、3Dパイオプリンターは人間の皮膚を作出できると示されている。研究チームはヒト血漿と皮膚から抽出された各種物質を生体インクとしてわずか30分程度で100平方センチメートルの人工皮膚を作ることに成功した。このテクノロジーが患者にもたらす利益は計り知れない。

製薬産業

最後に3Dプリンティングは製薬産業にもディスラプトをもたらす可能性があることに触れておきたい。多種類の薬を処方されれば多数の錠剤、カプセルを毎日飲まなければならない。われわれの多くは毎日、毎週、何十錠もの薬を飲んでいる。しかも薬を飲む時間、回数はそれぞれ異なる。赤い錠剤を朝食後に2錠、夕食前に白いカプセルを1つ、といった具合だ。しかも薬を指示どおりにきちんと服用しているかどうかもチェックしなければならない。これらは非常に手間がかかり、患者に負担をかけるだけなく医療機関側のコストも膨大だ。

しかし3Dプリンティングで製造されるカプセルなら、その患者に合わせた複数の薬剤を含有するだけでなく、溶解して身体に吸収される時間も自由にコントロールできる。この「ポリピル」というコンセプトはすでに糖尿病患者に対して治験段階を迎えており、大きな成果が期待されている。

結論

The 医療産業における治療法、用いられるデバイス、作出される臓器は全体として3Dプリンティングの応用による革命前夜にあるといっていい。正確性、柔軟性、信頼性のアップに加えてコストの大幅削減が機体できる。われわれの健康を守り、回復するテクノロジーはまったく新しい段階へと進歩しつつある。これは万人にとって歓迎すべきトレンドだろう。

画像：belekekin / Getty Images

〔日本版〕Amanda BoxtelのTED講演。9分あたりからロボットスーツを着用してデモ。

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（翻訳：滑川海彦@Facebook Google+）

3Dプリンタはいろいろな意味で有用なデバイスだが、その多くは重大な問題を抱えている。とにかく何を作るのにも長い時間がかかるということだ。これは、主に顕微鏡レベルの薄い層を少しずつ積み重ねていく、追加型の加工方式のせいだ。しかし、新しいホログラフィ印刷技術を使用することで、一遍に全体を作り上げることが可能になる。しかも所要時間はわずか1、2秒だ。

一般に光ベースの3D印刷技術は、樹脂の層をパターンに沿って硬化させるためにレーザーを使用しているので、フィラメント射出型のプリンタと同様に、一層一層作り上げて行く必要がある。レーザーが液状の樹脂を貫通することで、貫通した光の道筋に沿って硬化した構造が出現する。

しかし、もし単体では硬化を行えないほど弱い複数のレーザーを使い、それらの光がすべて交差する場所で、初めて樹脂が硬化するようにしたらどうなるだろうか？それこそが、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者たちが率いるチームによって、開発された技術である。

この基本的な考え方は、既に多くの他の領域で使われてきたものだ。光、音、または放射線などの弱いビームを慎重に重ね合わせることによって、他の領域にほとんど影響を及ぼすこと無く、選択した領域内に臨界量を超えるエネルギー照射を行うことが可能になるのだ。

今回の場合は、3つのビームが、硬化が必要な正確な地点だけでお互いに重なって、形を作り出すように、注意深くパターンが調整されなければならない。そして1度そのパターンが設定されれば、樹脂を硬化させ、取り出して使える状態にするプロセスを実際に完了するのに必要な時間は、ほんの数秒となる。このような試みを行ったものは、他にもあるが、今回のような完全な3D構造を作ることに成功したものはなかった。

この手法には沢山の利点がある。例えば、ギアボックスの中のギアのように、他の構造物の中で自由に動く構造物を作り出すことが可能だ。オーバーハング（せり出す部分）の下に支えるためのサポート材も不要である。そのため、下から上、あるいは上から下に向かってプリントしていくのが非常に難しい、あるいは不可能な形状をプリントとすることが可能だ。また、複数の構造物を同時に素早く印刷することもでできる。例えば沢山のサイコロを一度に作ったりすることもできる。

現段階では、ほとんどの市販の3Dプリンタから出力されるものと比べて、仕上がりはやや粗雑なものに留まっているが、これは計画通りだ。まずは実験室内での概念的実証実験が行われたということだ。

リード研究者のMaxim ShusteffはTechCrunchに対して「今回の実験では、とにかく3Dを一度に成形できることを、まずはきちんと示すことを優先しました」とメールで返信してきた。「したがって、ビルドパフォーマンスを評価するための様々な指標（速度、構築サイズ、解像度、複雑さ）のいずれも、今回は追求の対象になっていません」。

結局のところ「解像度」は、確実に硬化できる最小樹脂サイズによって決定されることになるが、これには多数の化学的および光学的要因が関わる。それがどれ位の解像度になるのかを予測するのは、時期尚早だが、少なくとも現段階で得られている結果から言えることは、既存の3Dプリンターが実現できている複雑度に到達できることは、確実だろうということだ。

Shusteffと、そのLLNL、MIT、バークレー、ロチェスター大学の仲間たちは、このとても有望な技術の開発を続けたいと考えている。商用への応用はまだまだ先だが、物体を（数分や、しばしばみられる数時間ではなく）数秒で生み出す3Dプリンターに、興味を持つ人びとが出てくることは間違いない。

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（翻訳：sako）

ワシントン大学の研究者が、3Dプリントしたプラスチック製のWiFi通信可能なオブジェクトを作りました。WiFi通信をするのにバッテリーや電子回路をまったく使用しない、本当に3Dプリントしただけのオブジェクトです。

研究者は「3Dプリンタさえあれば誰でも作れて、他のデバイスに何らかの情報を伝えられるものを作りたい」という発想から研究に着手したとしています。ただ、当然ながら問題として立ちはだかったのは、どうやってプラスチックの部品だけでWiFi通信をすればよいのかということ。今まで誰もそんなことを考えもしなかったはずです。

これを解決する方法として、研究チームは3Dプリントしたゼンマイやギア、スイッチを組み合わせて、動きを情報としてアンテナ送信する方法を考案しました。たとえば、3Dプリンタで風速計を作り、その回転でギアを回転させると、ギアの歯がアンテナ部品に接触することでそのアンテナ部品は周囲にあるWiFi電波を反射します。そして、その反射した先に配置したWiFiレシーバーで、その電波を信号として読み取ることができました。

別の方式では、流量計と同様の構造を3Dプリンタで再現し、水の流速に応じてギアが回転し…以下同文。要するにギアとアンテナ部品の組み合わせがあれば(厳密に言えばWiFi通信ではないものの)、その動作をWiFiの電波を通じてPCなどに伝えられるようになったということです。

チームは構造を工夫し、ボタン、ノブ、スライダーといった日常的に使う物理的な操作UIをも、ギアとアンテナ部品の構成に落とし込みました。また流量計の方式をアレンジして洗剤容器の口の部分に装着した例では、その洗剤の流量から残量を自動的に推し量る”機能”も付け加えました。そして、誰でも3Dプリンタさえあればそれを試せるよう、情報を公開しています。

この技術は、11月末にタイ・バンコクで開かれた米コンピューター学会の国際展覧会SIGGRAPH ASIA 2017で発表されました

番外編として、チームはプラスチックを3Dプリントする際に、その中に指定したパターンで鉄を漉き込む方法も生み出しました。予め文字などの情報をパターン化してプラスチック内に配置することで、スマートフォンなどが備える磁気センサーを使ってパターンから情報を読み取ることができます。

Engadget 日本版からの転載。

脳に問題がある場合には、精密であることが役に立つ。1ミリ単位で腫瘍や梗塞の可能性があるからだ。しかし、これらのものの正確な形や大きさを知ることは非常に難しく、このため診断や治療も難しいものになっている。だが、成長や損傷している場所のレプリカを3Dプリントすることで、医師の診断や治療をより良いものにすることが可能だ。

これは、多発性硬化症（MS）患者の脳病変の診断と理解に対する、3Dプリンティング手法の有効性を示す論文を発表した、Darin Okuda博士（トップの写真）からの提案である。

Okudaのチームは、MSに冒された脳のMRIスキャンを分析し、その中に検出された病変や損傷した領域の、正確なコピーをプリントした。その出力結果は、こうしたものの診断や観察のために、通常は2Dのイメージや画面上の3D映像だけを見ている人たちに手渡された。

「普通の2次元ビューで見るものは、病変そのものの正しい形状に対する、明瞭な理解を与えてはくれません」とOkudaは語った。「3Dで病変を研究することによって、私たちはそれらを全く違うやり方で見ていますし、その形状や表面の特徴を評価しています」。

彼らは、例えば非対称性および複雑な表面構造を持つ他のタイプの脳損傷から、MS病変を区別する多くの特徴を特定した。これらは単なる平面的なスキャン映像からは常に明らかというものではなく、3Dへの変換によって、より容易に認識できるようになった。

「以前の研究における私たちの多発性硬化症の病変の記述は、不正確なものでした」とOkuda。「MSの病変は、『卵形』であり『ぴっちりと外接している』と記載していました。しかし3Dを用いた研究によって、私たちはこれが正しくないことがわかりました。私たちは、MS病変の複雑さに驚いて、これまで私たちの分野で使われていた用語が、物理的な3D形式のレビューの後では正確なものではなくなるかもしれない、という議論をしました」。

このことを知ることが、正しい診断と誤った診断の分かれ道になるかも知れない。そして3Dプリンティングは、安価でどちらかと言えば迅速な手段なのだ。その形状についてよりよく理解するために、それを実際のものよりも大きくプリントするこさえ可能だ。これらの出力結果は、患者の損傷部分の理解や、どのように治療を行なうことができるかを考える手助けとなり、はっきりしない視覚化画像の中から、治療の結果を取り出して見ることに役立つ。

しかし、私にとってもそうだったが、読者も脳の中の3D構造を3Dで視覚化することは当たり前のような気がするかもしれない。しかしテクノロジーが医療分野に到着することはとても遅くなることがあり、この種の医療現場での3D視覚化も例外ではなかったのだ。

3Dの視覚化はすでにある程度普及しているのでは？という私の問いかけに対し、Okudaは「あなたが考えているほど広まってはいません」と答えた。「あなたが見た、他の脳病変イメージング作業は、おそらく手術前計画に用いられる（表面と形状に対して限られた解像度を持つ）CTスキャンやCT/MRIを組み合わせたものでしょう。直感的に思えるかもしれませんが、実は私たちは悪性脳腫瘍の診断と管理に3Dイメージングを使用していないのです」。

ならば技法を広げる余地がある。おそらく。

Okudaとそのチームの次のフェーズは、3Dプリンティングが現実的でない場合に、患者のために使用するVRプラットフォームを開発することだ。またこれは機械学習に最適なユースケースなので、深層学習システムの開発も同時に進められている。特定の形状または特徴で、患者の転帰や予後を予測できるようになるかも知れない。

Okudaらの研究成果は、最新のJournal of Neuroimaging（神経画像処理学会誌）に掲載されている。

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（翻訳：Sako）

3Dプリンタがよりスマートになり、製造および製品作成工程に組み込まれ続けるならば、他のすべてのデバイスやネットワークと同様に、オンラインの悪用者に対して晒されることになる。セキュリティ研究者たちは、ハッカーたちが3Dプリンタの出力を妨害することを防ぐ方法を提案している：注意深く耳を澄ませよう。

現在、もし3Dプリンターに対してハッキングを行う誰かが、特にひどい脅威を与えていないなら、まだ許容範囲だ。しかし、実際に3Dプリンターは趣味やプロトタイピングの目的以上のものに使われ始めている。例えば人工装具はありふれた用途の1つだ。そして材料の改良に伴い自動車や航空宇宙への適用も可能になってきている。

一部のセキュリティ研究者がすでに実証しているように、この問題の深刻な点は、ハッカーがマシンを乗っ取り単にシャットダウンさせるというだけではなく、出力される対象に欠陥を忍び込ませることができるかも知れないということなのだ。そのために必要なのは、小さな空洞、内部の支柱のずれ、あるいはその種の微妙な調整だけだ。そうされることで例えば、本来75ポンドを支えるものとして考えられていた部品が、20ポンドを支えることしかできなくなる。これは多くの状況で、致命的なものになる可能性がある。

そしてもちろん、妨害されたパーツは、肉眼では普通のものと全く同じように見えるかも知れない。ではどうすべきだろうか？

ラトガース大学ならびにジョージア工科大学のチームは3つの方法を提案している。そのうちの1つは、幅広く統合することが、簡単かつ賢明な方法だ。ある意味3DプリントのためのShazam*と言えるかも知れない（他の2つも同様にクールな手法だが）。

これまで読者が動作しているプリンターの側にいたことがあるかどうかは知らないが、それは大変な騒音を発している。なぜなら、多くの3Dプリンタでは、移動するプリントヘッドやさまざまな機械部品が使用されていて、それらの部品は、通常キンキン、カチカチ、その他のノイズを発生させるものだからだ。

研究者たちは、レファレンスプリントが作成されている間にそうしたノイズを録音し、そのノイズをあるアルゴリズムに投入して分類し、後からもう一度認識できるようにした。

新しい印刷が行われる際には、サウンドが再度録音され、アルゴリズムによる検査が行われる。もしそのサウンドが全て一致するようなものであるならば、印刷物は改ざんされていない可能性が高い。オリジナルのサウンドからの大きな乖離、例えばある動作が早く終わりすぎたとか、普通の平坦な場所の途中に異常なピークが存在したといった状況はシステムによって検知され、フラグが立てられる。

これは単にコンセプトの実証に過ぎないので、改善の余地がまだ大きい、誤検知を減らし、周囲のノイズへの耐性も必要となる。

もしくは音響による検証を、チームが提案している他の尺度と組み合わせることも可能だ。もう1つの方法は、プリントヘッドにすべての動きを記録するセンサーを装備する必要がある。これらの記録が基準モーションパスと異なる場合には、大当たり！フラグを立てよう。

第3の方法は、非常に特異的な分光特性を与えるナノ粒子を、成形材料に浸み込ませるという方法だ。もし他の材料が利用されたり、出力の中に空洞が残されていたりした場合には、特性が変化し、オブジェクトには問題があるのではないかと推測することができる。

DNAに仕込まれたマルウェアベクターの話題と同様に、ここで予測されているハックや対策は今のところ理論的なものだが、それについて考え始めるのに早すぎることはない。

ラトガースのニュースリリースで研究（PDF）の共同執筆者であるSaman Aliari Zonouzは次のように述べている「3D印刷業界では、約5年以内には、さらに多くの種類の攻撃が発見され、防御法も提案されることでしょう」。

そしてDNA研究同様に、この論文はUSENIXセキュリティシンポジウムで発表された。

*訳注：文中出てくるShazamというのは、音楽を聞かせるとそれが何の曲かを教えてくれるアプリのこと。

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（翻訳：Sako）

たとえNASAの手にかかろうとも、宇宙に物体を打ち上げるには多額の資金が必要だ。そのコストは、1ポンドあたり約9000ドルから4万ドル以上に及ぶ。こうした価格帯の下では、重量とスペースがシャトルミッションの中で大きなプレミアム価値となる。よってNASAは、よりコンパクトな搭載物を生み出す革新的な新しい手法を探すことになる。ジョージア工科大学のチームは、この問題をいつか解決しようと、熱に晒されたときに拡張する小さな構造の作成を、3Dプリンタを利用して探求している。

この方法は、科学コミュニティの中で4Dプリンティングと呼ばれるものの1形態である。4Dプリンティングというのは3Dプリンティングされた構造が、プリントされた後にその形状を変えることだ。ここで言う第4の次元とは時間である。それは最近聞かれるようになった業界のバズワードのようなものだが、この問題にはかなりうまく適合する。MITのような他の学校で行われている同等の研究のように、ジョージア工科大学のチームの研究も、変形のきっかけが温度によって与えられる。この研究が類似の研究から差別化されている点は、テンセグリティ構造（日本語Wikipedia）を利用する点だ。これは浮き上がった固形の棒（ロッド）たちが紐（ワイヤー）によって結び合わされた構造になっているものだ。システムは軽く、強く、簡単に折りたたむことが可能なため、宇宙旅行のためには理想的な構造だ。

チームによる構造は、完全に3Dプリンタによって生み出される。プリント後の段階では、オブジェクトは平らに横たわっている。摂氏65度（華氏149度）の水に浸すと、それらは展開を開始する。それが進行する速度は、試行錯誤を通して、研究者たちがプリント対象に直接焼きこんでいる。もし、大きな構造をあまりにも速く展開してしまうと、ワイヤーとロッドが絡まった混乱した構造が残されることになる。

Glaucio Paulino教授はこのためのプログラミングを「メモリー」と呼んでいる。これはワイヤーによってつながれたポリマーロッドに組み込まれているものだ。「メモリーはロッドに埋め込まれています。ワイヤーにはメモリーはありません」と彼はTechCrunchに語った。「これらは柔軟な素材です。すべてのメモリはロッドの上のみにプリントされています。私たちはこのメモリーをプリントする技法を見出したのです」。

このメモリーはまた、構造物が元の状態に戻ることもできることも意味しているが、現時点では材料による制約でうまく実現できていないとPaulinoは語る。複数回の変形を行なうことで、崩壊が始まってしまうのだ。チームはそれを修正する手法にも取り組んでいる。

Paulinoは、これらのシステムの規模拡張にも取り組んでいるという。現時点ではそれが展開されたとしても、人間を収容できる程の大きな構造物を建てるための道のりは遠い。とはいえテンセグリティ構造自体はかなり大きなスケールで使用されている。この用語は1960年代にBuckminster Fullerによって提唱された概念であり、スタジアムや橋を含む多くの種類の大規模構造物に利用されてきた。建築業界では特に一般的というわけではないが、最小限の材料から生み出される強度は高く評価されている。

すべてがうまくいけば、この技術は最終的には、宇宙構造物やロボットそして生物医学的なニーズに至る幅広いデバイスに利用することができるだろう。

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（翻訳：Sako）