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3Dプリントの充填のすき間を血管に。タルトゥ大学とIITの蛾型ロボット、UVを浴びた部分にセンサーを合成

エストニアのタルトゥ大学とイタリア技術研究所（IIT）のチームが、ロボットの体内を巡る液体から、紫外線（UV）を当てた部分に導電性ポリマーのUVセンサーをその場で合成する「レセプトジェネシス」をAdvanced Scienceに発表した。透明PETGをBambu Lab A1などの市販FFFプリンターで造形し、充填パターンのすき間を毛細血管のような流路に使う。生まれたセンサーの信号で、蛾型ロボットが形状記憶合金で羽を動かした。

HuRoC 編集部
編集部 · HuRoC
7分

血管を流れる液体が、日を浴びた皮膚の一部だけを変えていく。そんな仕組みを3Dプリントした体で再現したのが、エストニアのタルトゥ大学とイタリア技術研究所（IIT）のチームだ。ロボットの体内に流した液体から、紫外線（UV）を当てた部分にだけ導電性ポリマーのUVセンサーを合成し、そのセンサーの信号で蛾の形をしたロボットが羽を動かした。

論文「Receptogenesis in a Vascularized Robotic Embodiment」は2026年8月7日にAdvanced Scienceでオンライン公開され、10月の13巻59号に収録された。ライセンスはCC BY 4.0で、Europe PMCでも全文を読める。3月にはarXivにプレプリントが出ていた。筆頭著者はタルトゥ大学技術研究所のKadri-Ann Pankratov氏で、同氏と同研究所のIndrek Must氏、IITのEdoardo Sinibaldi氏の3人が責任著者を務める。研究費はエストニア研究評議会（PRG1498、TEM-TA56）が出した。

充填のすき間を毛細血管に、太い流路を静脈に

この研究で、造形の手法は化学と同じくらいの役割を担う。体は市販の透明PETGフィラメント（Bambu PETG Translucent Clear）で、Bambu Lab A1（0.2mmノズル）またはPrusa XL（0.25mmノズル）で造形した。設計はAutodesk Fusion、スライスはOrca Slicer。プリンターごとの造形設定は論文の補足資料として公開されている。

流路は2段構えだ。断面が幅1mm・高さ1.4mmの流路を「静脈」として明示的に設計し、液体を体じゅうへ運ぶ。その下に25%の直線（rectilinear）充填を3層重ね、充填の線と線のあいだに残るすき間を微細な流路として使う。著者はこれを「分散した透過構造」と呼ぶ。外殻は下面2層・上面5層で、厚みは全体で1mm。液が漏れないよう、外殻の各層にアイロニングをかけた。ふつうのFFF造形では強度と材料の節約のために選ぶ充填率が、ここでは流体の通り道の設計値になっている。

すき間を液体が流れると、PETGとの接触面積が大きくなる。前駆体の液は約20秒でPETGに約10µm染み込み、印刷線の太さ（半径50µm）の約2割に当たる層をつくった。数十cmの体を巡る輸送と、µm単位の染み込みを、1つの造形手法でまかなったことになる。PETGを選んだのは、市販品で手に入り、波長310nmより長いUVを通すからだという。

センサーの電極には、太さ30µmの金線2本を約130µm間隔で埋め込んだ。造形を2層目で一時停止し、手作業で置く。埋め込みに使った道具は、CNC Kitchenの熱圧入インサート用アダプターをはんだごて「Pinecil V2」に付け、銀の刃とガラス毛細管を組み合わせた自作品だ。

液から生まれるUVセンサー

体内に流す液は、ピロール（モノマー兼溶媒）、ヨードニウム塩の光開始剤、酢酸プロピオン酸セルロースを重量比15:30:1で混ぜたもの。PETGに染み込んだ状態で365nmのUV LEDを1.6W、距離43mmで60秒当てると、当たった部分のピロールが重合して黒いポリピロールに変わる。UVはポリピロールと前駆体自身に吸収されるので、反応は照射面に限られる。マスクを使った描画では解像度0.3mmを確かめた。

できたポリピロールは、UVを受けると（バイ）ポーラロン（電荷を帯びた状態）が生じて電気を通しやすい状態に移り、インピーダンスが一時的に下がる。下がり幅はLEDに投入したエネルギーに比例した。照射をやめると、約300秒かけて元の状態へ戻っていく。合成前の状態では、0.9WのLEDを20mmの距離から当ててもUVを感じなかった。合成後は0.9Wの試験用LEDにも、1.6Wの合成用LEDにも反応した。著者は、合成のきっかけと検知の対象がどちらもUVなのは「たまたま」で、刺激と信号の組み合わせはほかにも広げられると書く。

蛾型ロボットの胸部の流路は投影面積3.4cm²、左右の羽は各86cm²（胸部の約25倍）で、流路の総容積は約3mL。弁を使わず、ポンプ1台で全体に液を回した。胸部のセンサーは、10mAhのリチウムポリマー電池で動くマイコン「ATtiny43U」が1.4秒ごとに読む。インピーダンスの低下を5回続けて検知すると65秒の「反応モード」に入り、直径0.5mmのニチノール（形状記憶合金）線を胸部と羽のあいだに14回通した羽の機構を動かす。6.6Wで5秒通電すると羽が閉じ、60秒の自然冷却とばね、輪ゴムで開いた状態へ戻る。

まだできないこと

論文はこれを概念実証（proof-of-concept）と位置づけ、限界も書いている。

  • 合成は不可逆: UVを当てた部分は不可逆に黒くなり、論文は光を通しにくくなる変化を「恒久的」と書く。センサーを消して作り直す方法は示していない
  • 化学経路は1つ: 示したのは結果があらかじめ決まった1つの経路で、著者自身が「真の進化的・多結果の適応システムではない」と書く
  • 判断と環境は人が担った: 前駆体を流すかどうかは人が決めた。実際に使う場面では体の姿勢や影、周囲の光の勾配が反応の場所を決めるという想定で、実験ではそれを物理的なマスクで代用した。前駆体をどう調達・補充するかも研究の範囲外とされる
  • ばらつきと遅さ: センサーの絶対抵抗は試料ごとに200〜2000kΩとばらつくため、絶対値ではなく変化率で読む。UVを当ててから元に戻るまで約300秒かかり、繰り返すと感度もベースの抵抗も上がっていく。著者はこれを経験を刻む「材料の記憶」とみなし、一般的な分析用センサーでは望ましくない性質だとも認めている
  • 羽ばたきは飛ぶ動きではない: 1回の動きは5秒の通電と60秒の冷却で、羽のニチノールは外部の電源装置（Rigol DP832）から給電した。論文は飛行を扱っていない

外殻の小さな欠陥はUV硬化接着剤で補修し、電極は手で置いた。データは責任著者への請求で提供するとしている。

「すき間」に意味を持たせる造形

ロボットの体を後から変える研究はこれまでもあった。IITのBarbara Mazzolai氏らは、先端で体を3Dプリントしながら土に潜る根型ロボットなど、根に学ぶロボットを作ってきた。2024年には液体の3Dプリントでソフトロボットに部品を足す研究がScience Roboticsに載った。論文は、根型ロボットは体の外側の成長点で材料を足し、その場の3Dプリントは本体と切り離された「後付け」の部品を加えるものだと整理し、自らの手法は本体の内側で、本体と地続きの機能を合成する点が違うとする。体内に液体を巡らせるロボットとしては、2019年にNatureに載った、循環する液で動力と駆動をまかなうミノカサゴ型ロボットも先行例に挙げている。同じ研究室は2025年、クモの糸に学んでロボットがその場で網を紡ぐ研究をnpj Roboticsに発表している。

造形の面から見ると、この論文の面白さは「すき間」の扱いにある。FFFの充填は、材料と時間を節約するために中を埋めきらない、いわば妥協の構造として使われてきた。それをこの論文は流路として設計した。造形と同時にセンサーを刷り込むMITと天津大学のX-Hingesが「作る時点で感じる体」を目指すのに対し、こちらは「作った後で感じる場所が決まる体」を目指している。

体を刷るのはBambu Lab A1のような家庭でも使われるプリンターで、スライサー設定も公開されている。流路を通した透明PETGの板なら、メイカースペースでも試せそうだ。一方、ピロールは減圧蒸留してアルゴン下で保管し、評価にはインピーダンスアナライザーや分光器を使っている。センサーの合成まで含めて再現できるのは、化学の設備がある研究室に限られる。

20年あまり前、ヒューマノイド「morph」をデザインしていた頃、光造形は3Dデータを硬い外装へ引き出す道具だった。この研究の3Dプリンターは、液体が流れる経路を体に仕込み、どこに何が育つかを後の環境に委ねる。設計者が決めるのは流路と液の中身までで、センサーの位置は光が決める。デザインの役割が、形を決めることから、育つ条件を整えることへ広がっていく。

出典