生物の神秘を技術へ。5分で分かるバイオミメティクスとは

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本記事のまとめ

バイオミメティクスとは:生物の構造などを真似て、技術に活かすこと

具体的な技術例:汚れにくい便器、人工光合成、発色繊維

結言:自然への素朴な問いから、新しい改革が生まれていく分野

古来から人々は「電気」としてエネルギーを利用してきました。自然由来の火や動力と比べて取り回しの良さや保存のしやすさに優れています。一方で未だに自然に勝てない技術も多く存在します。

どうすれば自然の神秘を技術に活用できるか? バイオミメティクスという技術が注目されています。

バイオミメティクスとは?

バイオミメティクス(biomimetics)とは生物の構造や機能を応用し、人工的に活かそうと試みる学問です。日本語ではそのまま「生物模倣技術」と訳されています。

この言葉は1950年代にオットー・シュミットによって作られた造語ですが、古来より人々が使ってきた技術でもありました。

  • シールド工法:フナクイムシに由来するトンネル掘りの手法
  • 合成繊維:カイコガの絹糸づくりを参考にした

1970年代に生物の微小な構造が分かるようになったことで徐々に発展していきます。

バイオミメティクスの3つの分類

見ている大きさによって、バイオミメティクスは3つに分けられます。

分子系バイオミメティクス

3つの中で最も小さなスケールのバイオミメティクスです。

1970年代、電子顕微鏡の発展に伴って分子単位で解析ができるようになりました。研究者らは酵素や生体膜といった構造を人工的に再現しようとしています。

大きさは100 nm以下とウイルスに匹敵します

  • 人工酵素
  • 人工光合成

機械系バイオミメティクス

分子系バイオミメティクスが発達した1970年代、機械工学や流体工学でも生物の技術を真似することに注目が集まりました。

どうやって抵抗を軽減するか、危険な状況でも動けるか。軍事や先端技術から世間になじみのある分野まで、幅広く使われています。

他2つと違って1 cm以上と目で分かりやすい技術です。

  • 新幹線の先頭車両:カワセミのくちばしが由来
  • 災害現場用ロボット:蛇のようにうごめいたりヤモリのように壁を伝ったり

材料系バイオミメティクス

上2つと比べて少し後、材料表面の凹凸や積層に注目が集まりました。機械系バイオミメティクスが特定の部位を再現するのに対し、材料系バイオミメティクスは表面の特性に注目している点が異なっています。

大きさはnmからμm単位と中間に位置しています。

  • 粘着テープ:くっつく種を利用することで接着物質がいらなくなった
  • 船底の防泥材料:甲殻類の特性を利用することでスズ化合物を取り除いた
  • 発色繊維:構造職によって染料を使わず色を付けれるように

バイオミメティクスの活用例

「タマムシの構造色」「フジツボの取り除き」「臓器保存への期待」といった、近未来的な3つの具体例を紹介してきます。

構造色:何故タマムシは光るのか?

(写真:ヤマトタマムシ)

タマムシはなぜカラフルなのでしょうか。

推測1:メラニンやカロチノイドといった色素によって着色している
推測2:空模様と一緒でレイリー散乱によって着色している。

答えはどちらでもありませんでした。

電子顕微鏡の進歩によって表皮を画像化することに成功しました。見えた結果は屈折率の異なる2層が折り重なった膜だったのです。互いに反射した光が干渉しあうことで、エネルギーの強い短波長側が強められていました。

ブルーライトこと青色や金属光沢があるように見える理由が、光の現象によって解明されました。

もっと知りたい方向けの専門用語 「多膜層干渉」「回折格子」

この現象は何に使えるでしょうか? 1つの例が着色技術です。

着色剤は複雑な構造かつ、処理するときにも大きな苦労を伴います。たった10 ppmで水の透明感が損なわれるといった報告もあります。対してこの技術を活かせば表面の一部だけを酸化させるだけで色を付けられ、金属を溶かすだけでリサイクルができるようになるのです。

間違えて飲み込んだ際、塗料よりも安全な所も強みでしょう。

レイリー散乱とは

入射光が波長より十分小さい微小粒子に衝突したとき光が散乱する。散乱した光を遠くから見ることによって生じる着色現象をレイリー散乱と呼ぶ。
可視光の波長はおおよそ400~700 nmであり数nmより小さな微小粒子によって発生する。
空気中では0.3 nmくらいの気体によって散乱し、青空や夕焼けが生まれる。

付着基質:フジツボを避けるために

不思議な見た目とネタに詰まった甲殻類フジツボ。しかし船底に付いていると抵抗が増え、燃費効率が悪くなってしまいます。最悪の場合パイプが塞がれてしまうケースもありました。

過去には防泥も兼ねて有機スズ化合物が塗られていましたが、海洋生物への毒性が発覚し禁止されました。

では、どうやって被害を防げばいいのでしょうか?

フジツボのいる場所。同じ海底にいるのに海藻やタコには付きません

フジツボの雑学ネタ

  • 一応甲殻類で幼体は遊泳している
  • 陸にいるが餌は水中にしかいない植物プランクトン
  • 大型種のミネフジツボは養殖されている
  • 青森県の特産品で4000円/kgの高級品
  • 可食部は10%もない

研究者らはフジツボの付着基質に注目し、ヒドロゲルに目を付けます。度重なる実験の末、どうやらヒドロキシ基-OHなどが付着を強く妨げることが分かってきました。

実はどうしてフジツボが嫌っているのか解明されていません。そのうえ力学的強度や塗装方法に問題が山積みです。とはいえ生物の特性を活かして対策する具体例としてはふさわしいと考えます。

ヒドロゲルとは

体積の60%以上が水分のゲル。非常に柔らかい。寒天や豆腐といった具体例を挙げるととたんに身近になる。

保持:臓器の常温保存へ

夢の技術の1つであるコールドスリープ。この項目では全身冷凍ではなく、臓器の保存に着目していきます。

歯の冷凍保存など一部は実用化されていました。しかし冷凍保存にかかるエネルギーから、できれば常温で保存したい意見が強まっています。

注目された生物はネムリユスリカというアフリカに住む昆虫の幼虫でした。8か月の乾季に幼虫は水溜りの底で乾燥しています。驚くことにこのとき心臓や脳が止まっています。さらに水を与えてわずか1時間で復活します。

17年後に水を与えて復活した事例や2年半宇宙空間にいても復活した事例が報告されました。

 

人で実施しようとすると倫理以前にいくつか問題が挙げられます。

  1. 保護しているトレハロースを人は造れない
  2. 活性酸素の発生を抑えられず長持ちしない
  3. 解凍するときユスリカは破壊に逐一修復できるが、人は即死する

とはいえ想像できる以上、いつかは実現しているのかもしれません。

まとめ

バイオミメティクスとは:生物の構造などを真似て、技術に活かすこと

具体的な技術例:汚れにくい便器、人工光合成、発色繊維

結言:自然への素朴な問いから、新しい改革が生まれていく分野

バイオミメティクスとは、生物の特長や特性を応用して活用していく技術です。それは不思議な特性を利用することもあれば、常識的過ぎて忘れ去られたものが使われることもあります。

「カブトムシの角は何故固い?」
「とあるシロアリの巣はどうして土が盛り上がっている?」
「アリクイの舌はどうやってシロアリを捕獲する?」
「カタツムリの殻はどうして汚れが付いていないのか」

自然への素朴な問いがきっかけとなる学問でした。

参考文献

篠原現人、野村周平、「生物の形や能力を利用する学問 バイオミメティクス」、東海大学出版部(2016)

「シーベルトー通信用語の基礎知識」、http://www.wdic.org/w/SCI/%E3%82%B7%E3%83%BC%E3%83%99%E3%83%AB%E3%83%88

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