オリジナルの『スタートレック』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と大胆に導く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の誕生に、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ー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掻き立てたように、『スタートレック：ザ・ネクスト・ジェネレーション』のデバイスもまた、人々の想像力を掻き立てました。「『スタートレック』の会話型コンピューターは、今やSiriと呼ぶことができるかもしれません」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であるリズ・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』シリーズのテレビシリー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のインスピレーションとなりました。今日のバーチャルリアリティは、まさにホロデッキが現実になったようなものです。SFが科学的現実になったのです。」
しかし、いまだに再現されていない技術が一つあります。それは、おそらくシリーズの中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たあらゆる物体を作り出す機械です。1987年に『スタートレック：新世代』が放送された当時、レプリケーターはせいぜい突飛な構想で、実現不可能と思われていました。しかし、一般向けおよび業務用の3Dプリンターがはるかに普及した今、レプリケーターのような装置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、米国機械学会（ASME）財団、およびStar Trekと提携して、 Star Trek Replicatorコンテストを発行しました。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モデルを設計することを競います。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理まで、食のあらゆる側面と、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、構築できるという全体的な考え方を学生に力づける方法でもあります」と、Future Engineersの共同設立者でASME財団のメンバーであるディアン・ベル氏はPopular Scienceに語りました。 「学生にそれを早く紹介すればするほど、彼らの夢は大きくなり、より大きなものを築くことができるようになります。」
これらのメーカーは、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ません。Future Engineersの共同創設者であり、NASAの宇宙製造プロジェクトマネージャーであるニキ・ワークハイザー氏は、 Popular Science誌に対し、このコンテストは芸術志向の子供や十代の若者たちに、エンジニアリングは学位ではなく考え方だと教えることを目的としていると語りました。「私たちには創造性、既成概念にとらわれない発想ができる人材、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材が必要です」と彼女は言います。「多くの人はエンジニアリングについて考えるとき、こうした点をあまり考えません。こうしたアーティストの中には、私たちの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・チャレンジへの参加を希望される方は、ルールをよくお読みの上、2016年5月1日までにFuture Engineersウェブサイトからデザインをご提出ください。ジュニア部門（5～12歳）とティーン部門（13～19歳）の両方にご応募いただいた作品はすべて、スター・トレック・レプリケータ・チャレンジのギャラリーに掲載されます。各部門の優勝者には、宇宙飛行士同行のスペースシャトル・エンタープライズ号見学ツアー、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、そして「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、あるい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。コンピューターの黎明期と同様、初期の3Dプリンターは、今日の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。
「コンピューターの誕生は、まず学校や大学のコンピューターラボで始まりました。3Dプリンターでも同じことが起こっています」と、3DプリンターメーカーMakerbotの広報ディレクター、ヨハン＝ティル・ブロアー氏は述べています。「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進化しました。3Dプリンターにも同様の傾向が見られ、今日の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、その使い勝手の悪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頃は、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。「今では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無数を実現するためのメカニズムとなっています。そして、3Dプリンターもまさに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用途に3Dプリンターを接続・活用する方法を模索しています。」
2009年にプラスチックフィラメント（3Dプリンターにおけるインクのようなもの）を使用する3Dプリンターの特許が切れ始めると、Makerbotのような、より使いやすいデスクトップ3Dプリンターの開発に注力する企業が次々と登場しました。しかし、5年以上経った今でも、これらのデスクトップ3Dプリンターは一般家庭には普及していません。ブロアー氏もその事実を認識しています。「3Dプリンターが家庭に普及し、消費者がそれを受け入れるという大騒ぎがありました」と彼は打ち明けます。「現在でも3Dプリンターを使っている消費者はいますが、まだごく少数です。」
しかし、3Dプリンターを導入する学校が増えており、教育現場では3Dプリンターをカリキュラムに取り入れる動きが広がっています。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のように、多額の投資を行い、各学区内のすべての学校に3Dプリンターを導入している学校もあります。
ブロアー氏は、モントクレアの生徒が小学校で3Dプリンター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トクレア州立大学のような大学に進学したら、起業家とチームを組んで実際の製品を作り出す姿を思い描いています。これらの大学は最近、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。「このように考え、幼い頃から学び始めた生徒が将来就職するまでの道のりを目の当たりにすると、幼少期に身につけたスキルが人生にどれほど大きな影響を与えるかが分かります。」
3Dプリンティング、あるいはSTEM（科学、技術、工学、数学）カリキュラム内の他の科目の指導は、個々の科目の指導だけにとどまりません。「その核となるのは、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。これらが、生徒たちの成功を支える核となるスキルなのです。」
学生たちは3Dプリンターを活用して成功を収めています。今年のホワイトハウス科学フェアでは、個人発明家3名とチーム2名を含む5名が、プロジェクトのプロトタイプまたは最終版を3Dプリンターで作成しました。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かった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いました。地球、国際宇宙ステーション、そしてそれ以外の場所で3Dプリンターが普及するにつれて、あらゆる年齢層のクリエイターにとって使いやすいプリンターが求められるでしょう。
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 チャレンジの優勝作品である、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を知っていたので、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および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 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、今年末までにプリントされる予定です。
ステーション内での3Dプリント能力は、NASAにとってますます重要になっています。ワークハイザー氏は、ミッション中に使用される部品と材料の40%がいずれかの時点で故障すると控えめに見積もっています。しかし、NASAはどの部品が交換が必要にな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。「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、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」とワークハイザー氏は言います。
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、ステーションへの打ち上げ前にNASAの安全委員会による検査を受ける必要があった。NASAの宇宙飛行士は、国際宇宙ステーションではフォークの持ち込みさえ許可されていない。フォークで目を突いてしまう恐れがあるからだ。その代わりに、各自に食事用の細長いスプーンが1本ずつ支給され、それを失くしても交換品はもらえない。そのため、当然のことながら、スプーンは宇宙飛行士がNASAに設計・印刷を依頼する物品リストの上位にあった。「スプーンは快適な生活のためのものですが、現実世界のものなのです」とWerkheiser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バージョンが渡され、ステーションで印刷される物品と検査する物品は同じモデルから作られているため、同一であると信頼しなければならない。ワークハイザーは、バリー・“ブッチ”・ウィルモア司令官がステーション滞在中にリクエストしたもう一つのアイテムについても言及した。組み立て式の背中かき棒（3Dプリンターで製造した物体で、プリンターの容積よりも大きいため、複数の部品に分けて作らなければならない）だ。ステーションの乾燥した環境は彼の肌を乾燥させ、かゆみを生じさせた。「もちろん、彼が最初に頼んだのは」と彼女は冗談めかして言った。「体を掻くための長くて尖った物でした」
人類が火星や小惑星に赴くような、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約3年かかります。乗組員が赤い惑星に到着するまでに9ヶ月、表面で12～18ヶ月過ごし、そして地球に帰還するまでにさらに9ヶ月かかります。輸送中または表面で部品が故障した場合、宇宙飛行士はNASAに交換部品を頼ることはできません。しかし、積層造形はNASAの運用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非常に厳しい制約があります。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（1500ポンド以上）のゴミが発生するとのことです。これらのゴミは宇宙船の貴重なスペースを占有し、NASAはロケットの質量を吸収して軌道に乗せるために追加の燃料を購入する必要があります。NASAは、3年間分の予備部品という追加の質量を宇宙船に搭載する代わりに、統計的に故障する部品の40%を交換できる量のフィラメントを搭載することで、搭載する物質の質量と体積の両方を削減できる可能性があります。
3Dプリンターは、NASAが予測できなかったアポロ13号のような事態を防ぐことも可能にします。もしそうなった場合、NASAのエンジニアは必要な部品を設計し、宇宙船内や乗組員用の地上居住施設内で遠隔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一つの技術は、現在Tethers Unlimited社が開発中の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全く異なるものに再プリントできるため、ミッションごとのフィラメント使用量を削減できます。このリサイクラーは2017年末に完成し、宇宙ステーションに向けて打ち上げられる予定です。
NASAは、これら全てが未来の構想に思えることを認識しており、積層造形がNASAの業務に完全に統合されるまでには、まだ多くの作業が必要だ。微小重力がプリント中およびプリント後にフィラメントにどのような影響を与えるか、またどのように影響を与えるかを確認するためのテストを実施する必要がある。しかしながら、予備的な結果は有望であり、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設計方法を実現できる可能性がある。「まるで『スタートレック』の話をしているようですが」とワークハイザー氏は認める。「しかし、これらは現在地上で開発されている技術であり、まさに現実のものとなっているのです。」
2050年の3Dプリンティング
3Dプリンターが一般消費者にとって主流の技術となる上での最大の課題の一つは、そのアクセシビリティです。3Dプリンターはすべての家庭に普及しているわけではなく、使用するにはCAD（コンピュータ支援設計）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、その知識は不要に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、欲しい時に、手頃な価格で手に入れたいのは明らかです。誰もが唯一無二の製品を求めているわけではありませんし、誰もがそのようなユニークな製品を自らデザインするために必要な時間をかけたいとも思っていません。しかし、好きなものを、欲しい時に、望む品質と価格で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当たり前のものになるでしょう。」
ヒラン氏も、この技術をより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誰もがデザインを学べるようにするのではなく、誰もがデザイナーになれるようなアプリを開発することだと同意しています。「このハードルを乗り越える上で最も役立つのは…AutoCADソフトウェアです。このソフトウェアを使えば、コンピューターに自分が望むもの、デザインに必要な寸法や特徴を伝えるだけで、コンピューターがオブジェクトのデザインを自動的に生成してくれます。コンピューターがオブジェクトをデザインする時代こそ、私たちが目指すべき方向だと私は考えています。」
設計図がどのようにして製作者に届けられたとしても、3Dプリントに必要なすべてのものがフィラメントで作れるわけではありません。2015年8月、MITのコンピュータサイエンス・人工知能研究所は、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ました。このプリンターは、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、ワークハイザー氏によると、これはNASAの火星探査ロードマップにとって非常に重要とのことです。「宇宙ステーションでの故障の約30%は電子部品に起因することが分かっています」と彼女は言います。「ですから、この能力が必要になるのです。」
積層造形技術の普及に伴い、物体のカスタマイズ性も向上するでしょう。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ます。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ち帰ることができるような未来には、より大きな可能性があると考えています。
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既に3Dプリントされています。消費者やメーカーが、より新しく、より使いやすく、より多くの材料を使用できる機械を利用できるようになるにつれ、創造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プリントの強み、つまりより複雑な形状、より迅速な設計反復、そして従来の製造方法では実現できなかった内部構造などを活かした設計に取り組むようになるでしょう」とベル氏は言います。
