近年では柔軟性のある材質をもつ材料を使った電子デバイスや、バイオメディカルデバイスのためのメタマテリアルのように、幅広い範囲で人工材料が注目を集めています。
今回はその中で、特殊形状をした部品を製作した研究事例に触れながら、3Dプリンターを使った人工材料の発展の過程をご紹介していきたいと思います。
メタマテリアル（人工材料）とは
自然には観測できない、全く新しい構成と配置設計を持った、特殊な性質を持つ材料になります。基本的には、もっとからあるものに手を加えて、新たな性質を引き出します。これにより、従来では不可能だった問題点に関して解決できる場合もあります。主にこれらは原子レベルと非常に小さい規模で設計されることが特徴です。通常では複数材料である金属やプラスチックなどから作られた、複数の要素の組み立てから生み出していきます。主に、これらに影響を及ぼす波長よりも小さなサイズで、繰り返してパターンを作ります。
主に重点を置く場所としては、正確な形状、幾何学（サイズ、方向、配置）です。
人工材料の応用
人工材料の特異な性質を活かして、現代社会で応用されている事例は以下の通りになります。
医療デバイス
磁気共鳴画像（MRI）などの医療デバイスに使われています。
センサー
センサーの性能を向上させるために使われています。
アンテナ
アンテナの利得（電波の増幅率）を向上させたり、ビームを制御するために使われています。
光学フィルター
特定の波長の光を選択的に透過したり、反射するためのフィルターとして使われます。
リモート航空宇宙への応用
航空宇宙技術における、リモートセンシングや通信に使わています。
インフラストラクチャ監視
建築物や橋などのインフラストラクチャの健康状態を監視するためのセンサーとしても使います。
特殊形状（アーチ形）部品の応用事例
建築業界
構造的な強度と、美しさを実現するために用いられます。
自動車産業
自動車のフレームや、シャーシ（車の枠組み）の一部、または内部の機械部品として使われます。
航空宇宙産業
航空機や宇宙船の構造体、エンジン部分に使われます。
製造業
機械や装置の製造に使われます。
ロボット工学
ロボットの関節やフレームワークに使われることがあります。
特殊形状部品の市場価値
部品の正確な市場価値については情報は公開されていませんが、「2020年版経済産業省グローバルニッチトップ企業100選」によると、掲載企業のほとんどが工業や医療機器の開発社、もしくは製造業であり、特殊な形状やスケールを必要とする業界であることが分かります。これらの企業は、BtoB取引が主力であり、一般顧客へのサービスを提供する各社を支える一員となっているため、実質的に私たちの生活を支える一部になっていることは間違えありません。特に年々話題になっている医療や航空宇宙産業は、あらゆる場所での情報の参照を実現したり、従来の手法では解決できなかった新たな手術法などが確立されることも考えられるため、それは人々から必要とされ 市場規模は必然的に大きくなることは予想がつきます。これらの技術を支えるのは、プログラムだけではなく、物質として存在する基礎部品から成るので、特注の部品製造は今後も需要が増えると考えられます。
microArchを使った人工材料開発
弊社が販売しているmicroArchという3Dプリンターは、今まで数々の先進医療技術や宇宙開発に活用されてきましたが、単に最終製品をプリントするだけではなく、材料を新たに生み出すために使うという方法もあります。この研究はユアン・チンとシン・リーという2人の研究者によるもので、天然の生体組織がＪ字型の応力ひずみ挙動を示すことを解決する手段として使われています。
この応力ひずみ挙動により、デバイスの故障を誘発する危険性を孕んでいるため、３Ｄプリンターを活用して、多孔性補助メタマテリアルを設計し、ポアソン比（材料を引っ張ったときに伸びると細くなる挙動）と応力ひずみ曲線を調節することが目的です。結果的に設計できたメタマテリアルは、組織工学、生体医療機器、伸縮可能なエレクトロニクスと生体組織との快適な統合への応用の可能性が認められました。
人工材料の重要性と市場価値
人工材料は、その特異な性質からさまざまな産業で幅広い応用が可能であり、市場価値も非常に高いです。たとえば、ナノ材料の市場規模は2022年には108億ドルと評価され、2023年から2030年までの年間複合成長率（CAGR）は14.8％と予想されています。これらの材料は、エレクトロニクス、医療、航空宇宙などさまざまな産業で使用されています。
また、人工知能（AI）の進歩により、新しい材料の開発が大幅に加速されています。AIは、探索と理解、実験の方向性、モデリングとシミュレーションを助け、人間の創造性と知識と並行して新しい材料を見つけて洗練するために使用されています。
これらの事例からもわかるように、人工材料はその特異な性質と広範な応用可能性から非常に高い市場価値を持っており、その価値は今後も増大すると予想されます。
まとめ
人工材料は、その特異な性質と広範な応用可能性から非常に高い市場価値を持つことがわかりました。特に、メタマテリアルのような新しい構成と配置を持つ人工材料は、医療デバイス、センサー、アンテナ、光学フィルター、航空宇宙産業などさまざまな分野で活用されています。
特殊形状部品も、建築業界、自動車産業、航空宇宙産業などで使用され、構造的な強度や美しさを実現する重要な役割を果たしているため、これらに人工材料を適応して、従来の課題を解決することも考えられます。
これらの人工材料の市場規模は急速に成長しており、ナノ材料市場の拡大や人工知能の進歩により、新たな材料の開発が加速されています。今後も需要が増え、市場価値がさらに高まると予想されます。人工材料の研究や開発には、microArchのような３Dプリンターなどの先端技術が活用されています。人工材料の重要性はますます高まり、その市場価値は今後も成長し続けるでしょう。
