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自然は、鳥の羽のデザインから花の受粉方法まで、3.8億年かけて進化し、生存プロセスを完璧にしてきました。対照的に、人類は地球の寿命のほんの一部しか存在していませんが、常に自然からインスピレーションを得ています。この間ずっと、自然は人類が従うべき一種の青写真を提供してきました。
自然は、その独自性、効率性、資源の節約、自立性において完璧です。自然が開発した設計とプロセスは、何百万年にもわたってテストされ、さまざまな環境でその有効性が証明されています。
たとえば、ミツバチが巣を作るために使用する六角形の構造。この形状は強度と安定性が高く、ミツバチにとって理想的であると同時に、材料の使用を最小限に抑えるという利点があります。今日、人間はこの構造を飛行機や宇宙船から建築や梱包まで、さまざまな分野に応用しています。バイオミミクリーとは、自然のデザインやプロセスを研究し、模倣して実用化することです。この記事では、自然が提供するデザインやプロセスのいくつかと、それらがどのように適応されてより持続可能な人工構造物を生み出してきたかを探ります。
飛行機
バイオミミクリーの最も有名かつ最も古い例は飛行機です。ライト兄弟はハトの飛行にヒントを得て、1903 年に最初の飛行機を製作したと考えられています。鳥の形状や翼の働き、鳥が空中を滑空する方法など、これらすべての要素が現代の航空機の設計図となりました。これらの特徴は綿密に研究され、科学者はそれを再現しようと努めています。
航空機の設計者は、翼を鳥の翼の曲面を模倣して形作り、翼の上下の気圧差を作り出して揚力を発生させます。飛行機の尾にある舵は鳥の尾羽を模倣したもので、バランスと方向制御を提供します。科学者は、自然設計の原理を適用することで、空気より重く、空を飛ぶことができる機械を作り上げました。民間航空機に加えて、ガチョウなどの鳥の V 字型の編隊も研究されています。
V 字型の編隊は、前方の鳥からの上昇気流を捉えてエネルギーを節約し、後方の鳥が空中に留まるために必要なエネルギー量を削減するのに役立ちます。軍の飛行隊はこの原理を応用してエネルギー効率を最大化しています。
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ベルクロ
スイスのエンジニア、ジョージ・デ・メストラルは、1941 年に森を散歩して帰ってきたときに、ゴボウのトゲが自分の服や飼い犬の毛にくっついていることに気付き、ベルクロを発明しました。顕微鏡で調べたところ、トゲの種に小さなフックが付いていて、それが服や毛に引っかかることをデ・メストラルは発見しました。
フックのデザインにヒントを得て、デ・メストラルは 2 つの部分から成るベルクロを開発しました。片側には小さなフックが付いており、もう片側には小さなループが付いています。両側を押すと、フックがループに引っ掛かり、強力な結合が形成されます。ただし、この結合は保持できるほど強力でありながら、十分な力を加えると簡単に外れるように設計されています。
今日、ベルクロは衣類やバッグから医療用包帯やケーブルオーガナイザーまで、幅広い製品に使用されています。実際、 NASA また、無重力状態で物体を固定するためにベルクロも使用されました。シンプルでありながら効果的な種子散布設計にヒントを得て、ベルクロは日常生活に欠かせない要素になりました。ボタンやジッパーの代わりとして機能し、使いやすさ、再利用性、効率性などの利点があります。
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シロアリ
シロアリ塚は、シロアリがコロニーの隠れ場所として、また生活環境を整えるために作る注目すべき構造物です。土、かみ砕いた木、土、唾液でできたこの塚は、中央に煙のような換気構造があり、地下のトンネルや部屋につながっています。この設計により、地下エリア内の環境を最適に保つことができます。
熱い空気は中央構造を通って上昇し、下部の開口部から冷たい空気が入ります。これにより、外部条件に関係なく、塚の中の環境が維持されます。この設計により、換気とガス交換も容易になります。これらの構造物は高さが最大 9 メートルに達し、何十年もの間立っていることから、その耐久性がうかがえます。
建築家たちはシロアリ塚にヒントを得て、この構造を模倣した建物を設計しました。最も有名な例の 1 つは、ジンバブエのイーストゲート センターです。マイク ピアースが設計したイーストゲート センターは、暑い気候の中で居住者のために制御された環境を維持しながら、冷房のエネルギー消費を削減することを目的としています。
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自動洗浄面
蓮は濁った水の中にいるにもかかわらず、葉の超疎水性のおかげできれいなままです。蓮の葉の表面はワックスで覆われた小さな突起で覆われているため、水滴は転がり落ち、汚れやゴミも一緒に落ちます。葉の表面にあるナノ構造 (これらの小さな突起) は水滴の付着力を低下させ、水滴がほこりの粒子を拾い上げます。この現象は「ロータス効果」として知られ、1977 年にバースロットとエーラーが蓮の葉の自浄作用を説明した際に初めて導入した用語です。
それ以来、科学者たちは蓮の葉にヒントを得た、自浄作用のあるコーティングを研究してきた。アメリカの会社、Sto Corp. は、蓮の効果にヒントを得た、汚れや垢をはじく塗料を開発した。
この方法は、セルフクリーニング塗料、布地、コーティングに加えて、太陽熱集熱器、交通管制センサー、日よけ用の材料の開発にも使用されます。
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日本の高速鉄道
カワセミは、獲物に急降下して捕らえる、驚くほど機敏で素早い鳥です。獲物を驚かせないように、特に水辺では静かに近づきます。カワセミのくちばしのユニークなデザインが、この利点を生み出しています。くちばしは細く長く尖っており、先端から根元にかけて直径が大きくなっています。このデザインにより、水面にぶつかったときに生じる圧力が分散され、水しぶきの音が減り、効率的で静かで安定した潜水が可能になります。
新幹線を開発した日本の技術者たちは当初、列車の前方に生じる気圧によってトンネル内で大きな騒音が発生するという問題に直面した。
この問題を解決するために、エンジニアたちはカワセミのくちばしのデザインに着目しました。彼らは列車の前面をくちばしの形に似せて再設計し、トンネルブームをなくしました。この設計により、列車の移動速度は 10% 向上し、消費電力は 15% 削減されました。
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サメ皮からインスピレーションを得たイノベーション
サメは水中でのスピードと泳ぎの巧みさで知られています。科学者が水着や抗菌コーティングなど、さまざまな用途でサメの皮膚を再現しようとしてきたのも不思議ではありません。サメの皮膚は、真皮歯状突起と呼ばれる小さな歯のような構造でできており、一方向は滑らかで、もう一方向は鋸歯状になっています。これらの真皮歯状突起には、防護装具として機能し、水中での動きを良くするという 2 つの機能があります。
用語 真皮小歯 サメにとって、真皮歯状突起は強力なツールであることが証明されています。鋸歯状の縁で水の流れを乱すことで、サメが水中を移動する際に受ける抵抗を減らし、サメが素早く、効率的に、静かに泳ぐことを可能にします。これらの構造は、微生物がサメの皮膚に付着するのを防ぎます。皮膚の表面にある小さな隆起は、望ましくないヒッチハイカーがただ乗りするのを防ぎます。
このユニークな表面からヒントを得た科学者たちは、水着のパフォーマンスを向上させるために、この表面を再現しました。この水着はオリンピックで大成功を収めたため、そのうちの 1 つである Speedo LZR Racer は国際水泳連盟によって禁止されました。
しかし、サメの皮からヒントを得た水着は、実際には抵抗を減らすどころか、むしろ増やしてしまうと主張する研究者もいる。サメの体は人間の体よりもはるかに柔軟で、そのため皮膚の歯状突起が抵抗を減らすのに役立つ。水着はサメの皮を観察して開発されたが、その成功はサメの流体力学的利点を直接再現したものではなく、試行錯誤のプロセスの副産物なのかもしれない。
サメの皮膚は、病院の壁に貼るプラスチックシートなどの医療技術の開発にも研究されてきました。これらのシートは、細菌やその他の有害な微生物が壁に付着できないため、それらの拡散を防ぐのに役立ちます。
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ハニカム構造
冒頭で述べたように、ミツバチが使用するハニカム構造は、非常に効率的な幾何学的形状です。ミツバチが六角形を選んだ理由は、チャールズ・ダーウィンの時代から科学的な関心の対象となってきました。ダーウィンは、この形状はワックスの生産プロセスを最適化するために適応したという仮説を立てました。この形状は、ワックスの使用を最小限に抑えながら、利用可能な保管スペースを最大化します。
1999 年、アメリカの数学者トーマス・ヘイルズは、六角形は周囲の面積を最小限に抑え、材料の使用を最小限に抑えながら空間を最大化することを証明しました。これは「ハニカム予想」として知られています。六角形のセルにはワックスを保管するだけでなく、幼虫を保護して保持し、暑い気候でもワックスが溶けないようにします。
科学者たちは、ミツバチにヒントを得て、飛行機のミラー、建築材料、風力タービンのブレードに幾何学を応用しています。このデザインは、資源効率を重視し、重量と材料コストを削減します。
具体的には、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の鏡は、ハニカム パターンで配置された 18 個の六角形セグメントで構成されています。この形状により、光を取り込む表面積が最大化されると同時に、構造の完全性を維持し、重量を最小限に抑えることができます。これは宇宙ミッションにとって非常に重要です。
これらは、バイオミミクリーと、自然が効率的なデザインやイノベーションにどのような影響を与えているかを示すほんの一例です。このリストは、決して網羅的なものではなく、自然がその構造やプロセスにもたらした改善点について触れただけです。今日、科学者が既存の技術を強化するために研究している自然のシステムやプロセスは数多くあります。
自然は進化を続け、そのシステムを最適化し、自然界に利益をもたらすだけでなく、人々がインスピレーションを得て革新を生み出すきっかけにもなります。
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