数千メートルの深海で、3Dプリント製の深海探査用筐体を使用。

投稿者： FIT THAI on 2026年8月4日

地球の表面の70%以上を覆う海ですが、米国海洋大気庁（NOAA）の推定では、その20%も調査されていないと言われています。宇宙探査の規模や進歩と比較すると、海洋探査は依然として資金不足であり、評価も不十分です。しかし、一部の研究者たちは困難な状況にもかかわらず、たゆまぬ努力を続け、より深く潜る方法を見つけるために、アクセスしやすい3Dプリント技術に注目しています。

ロードアイランド大学ベイキャンパスにある水中ロボット・画像処理研究室では、ブレナン・フィリップス教授と学生たちが、海面下数千メートルを探索できる装置を開発しています。同研究室では、Form 3+とForm 3LのSLA（光造形）3Dプリンターを使用して、防水カメラハウジングやさまざまな研究用ツールをプリントしています。

圧力に耐える防水部品

海洋地図作成には、防水性だけでなく、海底の巨大な圧力に耐えられる装置が必要です。フィリップス教授と研究室の学生たちは、3Dプリントされたカメラハウジングの設計に着手しました。何十回もの反復と改良を経て、チームはClear ResinとForm 3+を使用して、この円筒形ハウジングを2つのパーツに分割してプリントすることにしました。ハウジング内部には回路基板が収められ、カメラレンズを浮遊状態で固定するためにエポキシ樹脂が充填されています。レンズの下のすべての部分はエポキシ樹脂で満たされ、ハウジングの一部として設計された開口部から注入されます。

「私たちの課題は、最小で最も安価な深海カメラは何かということです。現在、私たちはさまざまな形状のカメラを何十台もプリントしており、どんな形状でも作成できます。素早く設計し、電子回路を組み立て、適切なサイズに調整し、エポキシ樹脂を注入できるのです」とフィリップス教授は述べています。

3Dプリンターの利点により、研究室は予算超過を心配することなく、試作品を繰り返し作成して詳細に検証することができます。また、切削加工では作成できない形状の部品も製造できるため、設計の柔軟性が高まります。

DEEPiカメラの設計は、3DプリントされたモールドとOリングシールを組み合わせたハイブリッド方式を採用しており、回路基板コンポーネントを封止するためのエポキシ樹脂充填スペースと、透明ガラス製の外部視窓を備えています（米国特許番号16/920,577）。

研究室では、深海環境をシミュレートするために圧力タンクを使用しています。フィリップス教授と学生たちが、エポキシ樹脂を使用した2ピースの設計を採用すると決定した後、彼らはその部品を圧力タンクに入れ、深海環境を模倣するために圧力を上げました。

「それは本格的な実験でしたが、カメラを送り始めると、予想よりもはるかに深く、何千メートルも潜ることができました」とフィリップス教授は言います。

深海ロボットにSLAが最適である理由

フィリップス教授の研究室がさまざまな種類の3Dプリンターを評価する際、精度と材料特性が最優先事項とされました。

SLA技術でプリントされた部品の等方性特性は、これらの部品が多孔質な構造を持たず、FDM（熱溶解積層方式）でプリントされた部品のような水漏れの問題が発生しないことを意味します。

さらに、SLA部品の表面は非常に滑らかであるため、2つの部品から構成される円筒形ハウジングのような機能部品でも、粗い表面による隙間なく正確に組み立てることができます。

非常に狭い公差と微細な詳細を再現する能力により、ユーザーは材料に直接ねじをプリントすることができます。フィリップス教授の研究室では、この方法を2ピースのハウジングとネジに適用し、安全性をさらに高めています。

3Dプリントされた耐圧ハウジングアセンブリ。水深1,000メートルを超える海水から電子機器を保護できる完成品です。Oリングは部品に直接プリントされており、ハウジングは手でねじ込むベゼルリングで密閉されています。

フィリップス教授は、「FDMの場合、IPレベルの保護は可能でも、数メートルレベルの圧力には耐えられません。次に、2つの部品の間にOリングが完璧に密閉されるためには、高解像度が必要です。3Dプリンターから取り出した部品を少し研磨して重要な表面を滑らかにすれば、完璧なシールを作成できます」と述べています。

フィリップス教授はさらに、「3つ目の理由は、SLA材料の特性が非常に優れていることです。降伏強度の点でSLAははるかに優れており、すべての弾性係数も他のどの材料よりも優れています」と付け加えています。

Formlabsプリンターの精度と材料の入手しやすさにより、研究室の主要な作業である深海防水ハウジングは、陸上でも海上でも開発・使用できます。2020年1月、フィリップス教授と学生たちは、「Form 2」の安定化ブラケットセットを使用した3Dプリントプロセスを発表しました。彼らは、陸上でプリントされたものと比較して測定可能な差がない同じハウジングをプリントできることを示しました。これは、これらの装置が世界中の船上で現地でプリントされ、展開できることを意味します。この研究は、深海科学をよりアクセスしやすいものにするという研究室の使命を推進し、これらの重要なツールが現場で低コストで製造できることを証明しました。

Form 3Lの導入

FormlabsがForm 3Lの発売を発表すると、フィリップス教授と研究室はすぐに導入しました。「私たちはForm 3Lを最初に導入したグループの一つでした。Form 3Lの大きなプリント領域は、より大きな水中設計の実験を可能にし、より革新的な研究ツールで研究室内の他の作業を向上させるのに役立ちました。」

これらのハウジングやその他の測定機器を水中に設置するために、研究室では、絡まりや結び目を避けるために、数千フィートの細い光ファイバーケーブルを使用し、維持する必要がありました。彼らは当初、自転車の車輪を再利用して、船の側面から光ファイバーケーブルを誘導するのに使用していました。Form 3Lを使用することで、このプロセスを小型化し、効率を高めるための設計プロトタイプを作成できるようになりました。

3Dプリントされた「スライド」により、光ファイバーケーブルが絡まったり切れたりすることなく、船の側面をスムーズに滑り降ります。

フィリップス教授は次のように述べています。「この種の細い線の場合、リールや車輪は必要ありません。スライドが必要です。そこで、このスライドを3〜4回繰り返しプリントしました。これは大きく、滑らかで、その滑らかさが非常に細い繊維に役立ちます。」Clear Resinで製造されたスライドは、ケーブルを慎重に回収して再利用するのにかかる時間を短縮し、装置の交換回数を減らすのに役立ちました。

光ファイバーの革新

釣り糸は巻き取るには手間がかかるものの、それほどデリケートな素材ではありません。しかし、光ファイバーケーブルは同じように扱うことはできず、破損した場合の費用ははるかに高くなります。フィリップス教授の研究室は、ロードアイランド州ポータケットにあるNautilus Defense LLCと協力して、FOFL（米国で特許出願中）と呼ばれる新しいタイプの光ファイバー釣り糸を開発しました。

フィリップス教授は次のように述べています。「光ファイバーを使えば、イーサネットやライブビデオなど、さまざまなことができます。銅線で長距離接続するのは非常に困難です。光ファイバー釣り糸はこれまで存在しませんでした。」

光ファイバーケーブルは、他の丈夫なロープのように結んだり扱ったりできないため、研究室はケーブルの端を固定する装置を考案する必要がありました。

Formlabsの高精度SLAプリンターで可能な、非常に狭い公差で3Dプリントされた部品を使用することで、釣り糸の負荷を支える外部のブレイドとデリケートな光ファイバーコアを分離することができます。光ファイバーは、エポキシ樹脂注入によって3Dプリントされた固定具に固定され、金属製のファーケーションチューブを通ってコンピュータに接続され、光ファイバーが送信するデータを受信します。

SLA技術でプリントされた部品は、米国で特許出願中の「光ファイバー釣り糸」またはFOFLの機械的な終端として使用され、負荷を支える外部のブレイドをデリケートな光ファイバーコアから分離します。

フィリップス教授は、「この種のコネクタは非常に強力で、少なくとも100ポンドの荷重に耐えることができます。私たちは特許を出願し、オープンアクセスで公開もしています」と述べています。

フィリップス教授はさらに、「従来の製造プロセスでは、1回あたり3,000ドルから4,000ドルの費用がかかります。そして、3Dプリンターがなければ、何度もテストと検証を行うのは困難です。私は、誰もこれを行ったことがないと思います。製造に至るまでの道のりが高価すぎたからです。Formlabsのプリンターのような迅速なプロトタイピング方法と新しい光ファイバーケーブルの組み合わせにより、このような新しいアイデアが実現可能になります」と付け加えています。

低コストでOリングシールを3Dプリントする

3Dプリンティングが導入される以前は、これらのツールの開発は高価でした。研究者は必要に応じて設計を変更することができず、資金不足のプロジェクトは全く開発を進めることができませんでした。

水中ロボットおよび画像処理研究室は、「Deep and Cheap」と呼ばれる世界的な運動の一環です。これは、科学へのアクセスを平等にし、人々がこれらの技術にアクセスできるようにし、私たちの周りの海洋をより深く理解できるようにする取り組みです。

フィリップス教授は、「Oリングシールを内蔵したエンドキャップを3Dプリンターでプリントし始め、成功しました。この部品を機械加工で製造する場合、数百ドルから数千ドルの費用がかかり、図面で非常に詳細な指定をする必要があります。しかし、このプリンターを使えば、3～4個プリントして、ぴったり合うものを作り出すことができ、材料費は約50ドルしかかかりません」と述べています。

研究チームは、機能部品の製造にとどまらず、Clear Resinで金型をプリントするワークフローも確立しました。最終的に、3Dプリントされた金型を使用することは、水中ケーブルを迅速に接続する最も費用対効果の高い方法であることが判明しました。

多岐にわたる用途例

フィリップス教授の研究室では、Formlabsプリンターがプロトタイピング、最終製品の製造、ラピッドツーリング、ジグとフィクスチャの作成、さらには医療機器の製造にまで利用されています。

小さな研究室ではありますが、フィリップス教授と学生たちの革新的な発想により、用途と新たな可能性の範囲は絶えず拡大しています。

COVID-19パンデミック中、フィリップス教授と学生たちは、ロードアイランド州のパンデミック対応に真に貢献できる能力があることに気づきました。

広範なテストと徹底的な研究を経て、研究室は、3Dプリントされた人工呼吸器部品に使用されるFormlabs Surgical Guide Resinの化学物質放出に関する検証結果を公開することができました。

科学的なデータ公開に加え、彼らは米国食品医薬品局（FDA）への申請と緊急使用許可（EUA）の申請にも成功しました。

フィリップス教授は、「パンデミックの間、多くの大手メーカーから努力がありましたが、私たちは最も効果的な方法で支援したいと考えていました。このプリンターの品質とSurgical Guide Resinの存在により、私たちはより高いレベルで貢献し、支援することができました」と述べています。

ブラウン大学とロードアイランド病院の研究者と共同で設計された人工呼吸器用「Y字型スプリッター」部品は、COVID-19パンデミックの初期にSurgical Guide Resinを使用して3Dプリントされました。

深海探査を平等に

これらの部品の製造コストが低いことは、研究室の予算にとって有利であるだけでなく、学生が学習のためにこれらの機械にアクセスしたり、失敗しても許される新しいアイデアを実験したりすることを制限されないことを意味します。

初めて部品を設計する学部生も、貴重な資源を無駄にすることなく、この技術にアクセスし、3Dプリントを学ぶことができます。

毎年、URIの2年生は、3Dプリントされた耐圧容器を設計・プリントする機会を与えられ、研究に参加しながら、CADと3Dプリントに関する貴重な新しいスキルを習得しています。

フィリップス教授は、「この3Dプリンターが導入される前は、学生が自分で水中ハウジングを設計・製作することは、大学院に進学するか、業界に入ってすべてのトレーニングを受けるまでできませんでした。しかし、このプリンターは彼らにとって扉を開きました。私は高校生にも耐圧容器を作ってもらったことがあります」と述べています。

フィリップス教授は、世界中の開発途上にある沿岸諸国における深海探査ツールのアクセスを改善し、コストを削減することを目的とした国際コミュニティの一員でもあります。

フィリップス教授は、「私たちは、自力で深海探査を行いたい国々の能力開発に取り組んでいます。これらの方法は、深海探査をよりアクセスしやすいものにする可能性を秘めています」と述べています。