NASAとスタートレックが協力して次世代のメーカーを育成

オリジナルのスタートレックのテレビシリーズは50年前の1966年に初放送されましたが、現代社会は今でも、エンタープライズ号の乗組員を人類未踏の地へ大胆に連れて行くことができるテクノロジーに刺激を受けています。番組で使用された通信機は2000年代初頭の折りたたみ式携帯電話に影響を与え、PADD（パーソナルアクセスデータデバイス）はタブレットコンピュータの開発に影響を与えました。オリジナルシリーズのテクノロジーがエンジニアや科学者の想像力をかき立てたのと同じように、スタートレック：ザ・ネクストジェネレーションのデバイスも同様でした。「スタートレックの会話型コンピュータを今ならSiriと呼べるかもしれません」と、CBSコンシューマープロダクツのエグゼクティブバイスプレジデント兼ゼネラルマネージャー、リズ・カロドナー氏はポピュラーサイエンス誌に語っています。（著者注：CBSはスタートレックのテレビフランチャイズの権利を所有しています。）「万能翻訳機はGoogle翻訳に影響を与え、ジョーディ・ラフォージのバイザーはGoogle Glassに影響を与えました。今日のバーチャルリアリティについて言えば、それはまさにホロデッキが実現したようなものです。サイエンスフィクションは科学の現実になった。」

しかし、まだ再現されていない技術が 1 つあります。それは、おそらくシリーズで最も有名なレプリケーターです。レプリケーターは、物質をリサイクルして、データベースにプログラムされているあらゆるオブジェクトを作成する機械です。レプリケーターは、1987 年に「スタートレック: ネクストジェネレーション」が初公開された当時は、せいぜい非現実的で、不可能と思われていました。しかし、消費者向けおよび商用の 3D プリンターがはるかに一般的になり、レプリケーターのようなデバイスの概念はもはやそれほど不可能ではありません。

今年2月、若手発明家向けのコンテストを開催するオンラインプラットフォームであるFuture Engineersは、NASA、アメリカ機械学会（ASME）財団、およびStar Trekと提携して、 Star Trek Replicatorチャレンジを発行しました。次世代のメーカーを刺激することを目指すこのコンテストでは、K-12の生徒（大学生以上の指導者の助けを借りて）が、2050年に国際宇宙ステーションなどで3Dプリントされる非食用食品のデジタル3Dモデルを設計します。将来の宇宙飛行士のためのソリューションを考え出すには、作物の栽培と貯蔵から食品廃棄物の処分まで、食に関するあらゆる側面と、それらを持続可能な方法で実現する方法を考える必要があります。「3Dプリントは、夢見ることができれば、実現できるという全体的な考え方を学生に理解させる方法でもあります」と、Future Engineersの共同創設者でASME財団のメンバーであるディアン・ベル氏はPopular Scienceに語っています。 「それを学生に早くから紹介すればするほど、彼らはより大きな夢を持ち、より大きなものを築くでしょう。」

こうしたメーカーは、数学や科学が得意だと考えている学生ではないかもしれない。フューチャー エンジニアズの共同設立者で NASA の宇宙製造プロジェクト マネージャーのニキ ワークハイザー氏は、このコンテストは芸術志向の子供や十代の若者に、エンジニアリングは学位ではなく考え方だと教えるのが目的だとポピュラー サイエンス誌に語った。「私たちには、その創造性、既成概念にとらわれない考え方ができる人、そしてデザイン プロセスが非常にクリエイティブである人が必要です」と彼女は言う。「多くの場合、人々はエンジニアリングについて考えるとき、そのことを思い浮かべません。そうしたアーティストの中には、最高のデザイナーもいます」

スタートレックレプリケータ チャレンジに参加したい人は、ルールを読んで、2016 年 5 月 1 日までに Future Engineers の Web サイトでデザインを提出してください。ジュニア (5 ～ 12 歳) とティーン (13 ～ 19 歳) の両カテゴリーのすべての応募作品は、スタートレックレプリケータ チャレンジ ギャラリーで紹介されます。コンテストの各カテゴリーの優勝者には、宇宙飛行士と一緒にスペース シャトル エンタープライズ号を見学できるニューヨーク シティへの旅行、イントレピッド海上航空宇宙博物館での宇宙艦隊アカデミー体験、および「スタートレックミステリー賞品パック」が贈られます。

地球上の3Dプリント

3D プリンティング、または積層造形法としても知られるこの技術は、チャールズ・「チャック」・ハルによって発明され、1986 年 3 月 11 日に特許を取得しました。コンピューターの初期の頃と同様、初期の 3D プリンターは、現在家庭や学校で見られるものよりもはるかに大きかったのです。

「コンピューターの始まりは、まず学校や大学のコンピューターラボにやってきたことです。3D プリンターでも同じことが起こっています」と、3D プリンター製造会社 Makerbot の広報担当ディレクター、ヨハン・ティル・ブロアー氏は語ります。「コンピューターは家庭に普及し、そこからノートパソコンやスマートフォンへと広がりました。3D プリンターでも同じような傾向が見られ、現在の 3D プリンターは 80 年代のコンピューターと非常に似た段階にあります。」

ワークハイザー氏は、現代の 3D プリンターを 1980 年代のコンピューターと比較し、その使いやすさのなさについても言及しています。「コンピューターが初めて登場したときは、コンピューターを実際に操作するには『コンピューターの達人』でなければなりませんでした」と彼女は言います。「現在、コンピューターは非常にユーザーフレンドリーで、私たちがやりたいことのすべてを実行するためのメカニズムになっています。3D プリンターもその方向に向かっています。彼らは、地球上で日常的に使用するあらゆる有意義なアプリケーションに 3D プリンターを接続および使用する方法を研究しています。」

2009 年にプラスチック フィラメント (3D プリンターのインクに相当) を使用する 3D プリンターの特許が切れ始めると、より使いやすいデスクトップ 3D プリンターの製造に注力する Makerbot などの企業が次々に現れ始めました。しかし、5 年以上経った現在、これらのデスクトップ 3D プリンターはほとんどの家庭では当たり前のものではなく、Broer 氏もそのことは承知しています。「3D プリンターが家庭に導入され、消費者がそれを採用するという話題は大々的に取り上げられました」と同氏は打ち明けます。「現在でも 3D プリンターを使用している消費者はいますが、まだごく少数です。」

しかし、3D プリンターを購入し、それに伴って教育者がカリキュラムに積層造形法を取り入れる学校が増えています。実際、ニュージャージー州モンクレアのモンクレア公立学校区など、一部の学区では多額の投資を行い、それぞれの学区内のすべての学校に 3D プリンターを購入しています。

ブロアー氏は、モンクレアの生徒が小学校で 3D プリントのスキルを学び始め、中学校、高校でそのスキルを磨き、ペンシルベニア州立大学やモンクレア州立大学などの大学に進学したら起業家とチームを組んで実際の製品を作る姿を思い描いています。両大学は最近、Makerbot イノベーション ラボ (Makerbot から購入した 30 台以上のネットワーク化された 3D プリンターを備えたラボ) を購入しました。「そのように考え、非常に早い時期にスタートした学生の旅路を見て、その学生がいつか労働力に入ると、(幼少期に学んだスキルが人の人生に与える) 影響が本当にわかります。」

3D プリンティングや、科学、技術、工学、数学 (STEM) カリキュラム内の他の科目を教えることは、その科目だけに限りません。「その中心にあるのは、問題解決の側面です」とブロアー氏は言います。「生徒同士の協力、そして失敗から学ぶことです。これらが、生徒の成功に役立つ中核的なスキルです。」

学生たちは3Dプリントを使って成功している。今年のホワイトハウス科学フェアの参加者のうち、3人の個人発明家と2つのチームを含む5人が、プロジェクトのプロトタイプまたは最終版を3Dプリントした。参加者の中で最年少の9歳のジェイコブ・レゲット君は、当時8歳だった自分にとってどれほど使いやすいかというフィードバックと引き換えに、プリンター会社からプリンターを寄付してもらった。3Dプリンターが地球、国際宇宙ステーション、そしてそれ以外の場所でより一般的になるにつれ、あらゆる年齢の製作者にとって使いやすいものでなければならない。

宇宙での3Dプリント

スタートレックレプリケータ チャレンジが終わりに近づく中、NASA は [2014 年の] 第 1 回 Future Engineers チャレンジで優勝したデザイン、当時高校 3 年生だったロバート ヒラン氏の多目的精密メンテナンス ツールを 3D プリントする準備を進めています。「できるだけ便利なものにしたかったし、NASA がスペースと重量をできるだけ節約することに力を入れていることも知っていたので、マルチツールを思いついたのです」と、現在アラバマ大学ハンツビル校で航空宇宙工学と機械工学を学んでいるヒラン氏はPopular Scienceに語っています。彼のツールは、国際宇宙ステーション (NASA の職員は「宇宙ステーション」または単に「ステーション」と呼んでいます) 内で 3D プリントされる初の学生設計製品となり、年末までに印刷された後出荷される予定です。

宇宙ステーション内で 3D プリントする能力は、NASA にとってますます重要になっています。Werkheiser 氏は、ミッション中に使用される部品と材料の 40 パーセントが、ある時点で故障すると控えめに見積もっています。しかし、NASA はどの部品を交換する必要があるか分からないため、すべての部品のバックアップを用意する必要があります。「宇宙ステーションでは、乗組員が文字通り地球から数時間離れた場所にいるため、その運用と計画は依然として地球に大きく依存していると考えています」と Werkheiser 氏は言います。

宇宙で作られた

かつては、ロケットに積み込まれるすべての物品は、宇宙ステーションに打ち上げられる前にNASAの安全委員会による検査を受ける必要があった。国際宇宙ステーションでは、NASAの宇宙飛行士はフォークを持ち込むことさえ許されていない。フォークで目を突いてしまう恐れがあるからだ。その代わり、宇宙飛行士には食事用の細長いスプーンが1本ずつ与えられ、それを失くしても代わりのスプーンはもらえない。そのため、当然のことながら、宇宙飛行士がNASAに設計・印刷を依頼する物品のリストの上位にスプーンがあった。「スプーンは快適な生活のためのものですが、現実世界のものです」とワークハイザー氏は言う。「食べなければならず、それはかなり重要なことのようです」。現在、安全委員会には物品の印刷版が渡され、同じモデルから作られているため、宇宙ステーションで印刷される物品が検査する物品と同一であることを信頼しなければならない。ワークハイザー氏はまた、ステーション滞在中にバリー・「ブッチ」・ウィルモア司令官がリクエストしたもう 1 つのアイテムについても言及しました。それは、組み立て式 (3D プリントされたオブジェクトで、プリンターの容積よりも大きいため、複数のパーツで作成する必要があります) の背中かきです。ステーションの乾燥した環境により、彼の肌は乾燥してかゆくなりました。「もちろん、彼が最初にリクエストしたのは、体を掻くための長くて尖った物でした」と彼女は冗談を言いました。

人類が火星や小​​惑星に行くような、より長期的な探査ミッションは、より大きな問題を引き起こします。NASA の火星探査ミッションは完了までにおよそ 3 年かかります。乗組員が赤い惑星に到着するまでに 9 か月かかり、表面で 12 か月から 18 か月過ごし、その後地球に戻るまでにさらに 9 か月かかります。部品が輸送中または表面で故障した場合、宇宙飛行士は NASA に交換品を頼ることはできません。しかし、積層造形は NASA の運営方法を変えつつあります。

各ミッションには、ロケットに搭載できる物体の体積と質量に関する非常に厳しい制約がある。Werkheiser 氏によると、3 年間の探査ミッションでは、ビニール袋、発泡スチロール、食品容器など、約 700 キログラム (1,500 ポンド以上) のゴミが発生するという。このゴミは船内の貴重なスペースを占有し、ロケットの質量を克服して軌道に乗せるために NASA が追加の燃料を購入しなければならない。NASA は、3 年分の予備品という追加の質量を船に積む代わりに、統計的に故障する部品の 40 % を置き換えるのに十分な量のフィラメントを積むことで、送る物質の質量と体積の両方を削減できる。

3D プリンターは、NASA が予測できなかった問題が発生するという、アポロ 13 号のようなシナリオを再び防ぐこともできます。その場合、NASA のエンジニアは必要な部品を設計し、宇宙船内または乗組員用の地上居住施設で遠隔的に印刷することができます。

打ち上げ時の重量を最終的に削減するもう 1 つの技術は、現在 Tethers Unlimited が構築しているフィラメント リサイクラーです。3D プリントされたオブジェクトを必要とするジョブが完了すると、そのオブジェクトを溶かしてまったく別のものに再プリントできるため、ミッションごとに必要なフィラメントが少なくなります。リサイクラーは 2017 年末に完成し、ステーションに打ち上げられる予定です。

NASA は、これはすべて未来的であり、積層造形が NASA の業務に完全に統合されるまでには、さらに多くの作業が必要であることを認識しています。微小重力が印刷中および印刷後にフィラメントに影響を及ぼすかどうか、またその場合どのように影響するかを確認するためのテストを実行する必要があります。ただし、予備的な結果は有望に見え、地球の重力によるたわみがないため、エンジニアは地上では不可能な新しい方法で設計できる可能性があります。「スタートレックの話をしているようです」と Werkheiser 氏は認めています。「しかし、これは実際に現実のものになっています。なぜなら、これらは現在地上で開発されている技術だからです。」

2050 年の 3D プリント

3D プリンターが消費者向けテクノロジーの主流になるための最大の課題の 1 つは、アクセシビリティです。3D プリンターはすべての家庭にあるわけではなく、使用するには CAD (コンピューター支援設計) 3D モデリング ソフトウェアの知識が必要です。しかし、2050 年までにその知識は必要なくなるかもしれません。

「オンデマンド メディアやアプリの台頭を見てください」とベル氏は言います。「人々が、好きなものを、欲しいときに、手頃な価格で欲しいと思っているのは明らかです。世の中の誰もがユニークな製品を望んでいるとは思いませんし、誰もがそのようなユニークな製品を個人的に設計するのに必要な時間を費やしたいとも思いません。しかし、私たちが好きなものを、欲しいときに、望む品質とコストで 3D プリントできるようになれば、オンデマンド ハードウェアはオンデマンド メディアと同じくらい一般的なものになるでしょう。」

ヒラン氏も、この技術をもっと普及させるための第一歩は、現在利用可能なソフトウェアを使って全員にデザインを教えるのではなく、誰もがデザイナーになれるようなアプリを作ることだと同意しています。「そのハードルを乗り越えるのに役立つ最大のものは、コンピューターに何が欲しいかを伝え、デザインに必要な寸法や特徴を与えると、コンピューターがオブジェクトのデザインを独自に生成する AutoCAD ソフトウェアです。私たちが目指すべきは、コンピューターにオブジェクトをデザインさせる方向に進むことだと私は思います。」

設計がメーカーにどう伝わったとしても、3D プリントする必要があるものすべてがフィラメントで作れるわけではない。2015 年 8 月、MIT のコンピューター サイエンスおよび人工知能研究所は、一度に最大 10 種類の材料を同時にプリントできる 3D プリンターを開発した。このプリンターでは、回路やセンサーなどの電子機器を物体に埋め込むことも可能で、これは火星への NASA のロードマップにとって非常に重要だと Werkheiser 氏は言う。「ステーションでの故障の約 30% は電子的な性質によるものだとわかっています」と Werkheiser 氏は言う。「そのため、その機能が必要になるでしょう」

積層造形の人気が高まるにつれ、物体のカスタマイズもさらに進むようになる。アディダス、ナイキ、ニューバランスはいずれも、靴や靴の部品を 3D プリントする実験を行っている。ブロアー氏は、誰もが靴屋に行って足のサイズを測り、自分の足にぴったり合うようにカスタムプリントされた製品を持って店を出られるような未来には、より大きな可能性があると考えている。

靴だけではありません。レンチ、家具、さらにはスーパーカーや銃までもがすでに 3D プリントされています。消費者やメーカーが、より多くの材料を使用できる、より新しくて使いやすい機械を利用できるようになると、作成できるものの可能性は無限に広がります。「積層造形技術が進歩し、材料が改善されるにつれて、より多くのエンジニアが 3D プリントの長所、つまりより複雑なもの、より迅速な設計反復、従来の製造方法では不可能だった内部機能などを活用して設計するようになると思います」とベル氏は言います。