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自然は、鳥の翼の構造から花の受粉方法に至るまで、完璧な生存プロセスを確立するために 3,8 億年の進化を遂げてきました。対照的に、人間は地球の寿命のほんの一部しか存在していませんが、インスピレーションを自然に求めています。常に自然は人間に一種の計画を提供し、それに従って人間が働くことができます。
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自然はその独創性において完璧で、効率的で、資源を倹約し、自給自足しています。開発された設計とプロセスは何百万年にもわたってテストされ、さまざまな環境で効果的であること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ハニカム構造。高い強度と安定した形状により、ミツバチにとって理想的です。同時に、最小限の素材を効果的に使用します。今日、人々は飛行機や宇宙船から建築や梱包に至るまで、さまざまな分野でこの構造を使用しています。バイオミミクリとは、人間が自然の構造やプロセスを研究し、模倣して利用することを意味します。今日は、自然が提供する設計とプロセスのいくつかと、それらがより持続可能な人工構造物を作成するためにどのように適応されてきたかを見ていきます。
生体模倣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触発されて飛行機を作成し、1903 年に打ち上げたと考えられています。鳥の形や翼の仕組み、鳥が空を滑空する方法に至るまで、これらはすべて現代の飛行機の青写真です。これらの特徴は注意深く研究されており、科学者はそれらを再現しようとしています。
設計者は鳥の翼の曲面を模倣するように飛行機の翼を成形し、翼の上下に気圧の差を生み出して揚力を生み出します。航空機の尾部にある舵は鳥の尾羽を模倣し、バランスと方向制御を提供します。科学者たちは自然の設計を利用して、空を移動できる空気より重い機械を作成しました。民間航空機以外にも、ガチョウなどの鳥類のV字型も研究されています。
V ラインは、前方の鳥の上昇気流を捉えてエネルギーを節約し、後方の鳥が滞空するために必要なエネルギー量を削減します。軍事飛行隊は、エネルギー効率を最大化するためにこの原理を使用します。
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スイスの技術者ジョルジュ・デ・メストラルは 1941 年に森の散歩から戻ったとき、ゴボウのバリが服や犬の毛皮に付着していることに気づき、ベルクロを発明しました。それらを顕微鏡で観察したところ、メストラル氏は、これらのバリが種子に小さなフックを持っていることに気づきました。その結果、衣服や毛皮に付着するようになりました。
フックのデザインにインスピレーションを得て、メストラルは 2 つの部分からなるシステムであるベルクロを作成しました。ベルクロの片面は小さなフックで構成され、もう一方の面は小さなループで構成されているため、それらを結合すると、フックがループに引っかかり、強力な結合が形成されます。しかし、それを打ち破るには十分な努力が必要になるでしょう。
現在、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に至るまで、さまざまなものに使用されています。それだけではなく、 NASA 無重力状態で物を固定するためにベルクロも使用しました。種子散布のシンプルかつ効果的なデザインからインスピレーションを得たベルクロは、今ではどこでも使用されるおなじみのアイテムです。これはボタンやジッパーの代替品であり、使いやすさ、再利用性、効率性という利点があります。
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シロアリ塚は、コロニーに避難所を提供し、生息地を調整するためにシロアリによって作られた独創的な構造物です。土、噛んだ木、土、唾液でできたこれらの塚は、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。この構造は、地下領域の最適な環境を維持するのに役立ちます。
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流入します。これにより、外部環境にもかかわらずマウンド内の環境が維持されることが保証されます。この設計により、換気とガス交換も容易になります。これらの構造物は最大 9 メートルに達し、何十年も耐えることができ、その耐久性が実証されています。
建築家はシロアリ塚にインスピレーションを得て、この構造を模倣した建物を設計します。最も有名な例は、ジンバブエのイーストゲート センターです。ミック ピアースは、暑い気候の住民のために制御された気候を維持し、冷房のためのエネルギー使用を削減するためにイーストゲート センターを設計しました。
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蓮は泥水の中でも生育しますが、葉の超疎水性のおかげで常にきれいな状態を保ちます。ワックスで覆われた小さな突起が蓮の葉の表面を覆い、水滴が汚れや破片とともに転がり落ちます。葉の表面のナノ構造 (これらの小さな隆起) により、水滴が塵の粒子を拾い上げ、葉の表面への水滴の付着が減少します。この現象は「ロータス効果」として知られており、この用語自体は 1977 年にバートロットとエラーによって提案され、ハスの葉の自浄作用について説明しました。
それ以来、科学者たちは蓮の葉からインスピレーションを得た自己洗浄コーティングの研究を続けてきました。アメリカの会社Sto Corp.は、汚れや汚れをはじくロータス効果からインスピレーションを得たペイントを開発しました。
自己洗浄性の塗料、布地、コーティングに加えて、太陽熱収集器、交通管制センサー、日よけなどの材料の開発にもこの方法が使用されています。
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カワセミは非常に機敏で速い鳥で、獲物に急降下して捕まえます。彼らは、特に水域の近くで、獲物を怖がらせないように、それほど大きな音を立てずに急襲します。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与えています。細くて長く尖ったくちばしがあり、先端から頭に向かって直径が大きくなります。この設計により、着水時に発生する圧力をスムーズに分散させることができ、水しぶき音を軽減し、効率的で静かで安定したダイビングを実現します。
新幹線の高速列車を設計した日本の技術者は当初、列車の前部に発生する大気圧によって列車がトンネル内で大きな騒音を発するという問題に直面しました。
この問題を解決するために、エンジニアはカワセミのくちばしのデザインに注目しました。エンジニアは列車の前面をカワセミのくちばしを模倣して再設計し、トンネルブームを排除しました。さらに、この設計により、列車は 10% 速く移動し、消費電力は 15% 削減されました。
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サメは水中を泳ぐスピードとスキルで知られています。したがって、科学者が水着や抗菌コーティングなどのさまざまな用途にサメ肌を再現しようと試みてきたことは驚くべきことではありません。サメの皮膚は、真皮歯状と呼ばれる小さな歯のような構造で構成されており、触るとある方向は滑らかで、別の方向はギザギザしています。真皮歯状には 9 つの役割があります。保護鎧としての役割と、水中での動きの改善です。
真皮歯という用語は「皮膚の歯」と訳され、サメにとって強力な道具であることが判明しました。皮膚歯状のギザギザの縁で水の流れを分断することで、サメが水中を移動するときに受ける抵抗を軽減し、サメが素早く、効率的に、そして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。皮膚の表面に沿った小さな隆起は、望ま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にインスピレーションを得た科学者は、パフォーマンスを向上させるために水着用にそれを再現しました。これらの水着はオリンピックで大成功を収め、Speedo の水着の 1 つは LZR R と呼ばれるようになりました。acer 国際水泳連盟から禁止された。
しかし、一部の研究者は、サメ革の水着は実際には抵抗を減らすのではなく、増加させると主張しています。サメの体は人間よりもはるかに柔軟であるため、皮膚の鋸歯が抵抗を軽減します。研究者たちはサメの皮膚を観察してこれらの水着を開発しましたが、その成功は試行錯誤の過程の副産物かもしれません。
サメの皮膚は、病院の壁に貼られるプラスチックシートなど、医療技術の開発のためにも研究されています。これにより、細菌やその他の危険な微生物が壁に付着することがなくなるため、その蔓延を防ぎます。
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冒頭で述べたように、ミツバチが使用する細胞構造は非常に効率的な幾何学的形状です。ミツバチが特に六角形の形状を選択した理由は、チャールズ ダーウィンの時代から科学的好奇心であり、ダーウィンはこの形状がワックスの製造プロセスを節約するために適応されたという仮説を立てました。この形状により、ワックスの使用量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、最小限の材料を使用して、六角形が周囲の面積を最小化し、空間を最大化することを証明しました。これは「ハニカム仮説」として知られています。ワックスを保管することに加えて、六角形のセルは幼虫を保管して保持するため、暑い気候でもワックスが溶けることはありません。
科学者はミツバチからインスピレーションを得て、飛行機のミラー、建材、風力タービンのブレードに幾何学を使用しています。設計は資源効率を重視し、重量と材料コストを削減します。
特に、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の鏡は、ハニカムの形に配置された 18 個の六角形のセグメントで構成されています。この形状により、光を取り込むための表面積が最大化されると同時に、構造の完全性が維持され、宇宙ミッションに必要な重量が最小限に抑えられます。
これらは、生体模倣の例と、自然がどのように効果的な開発と革新を引き起こすかという例でした。このリストは決して網羅的なものではなく、自然がその設計とプロセスにおいて行った改善点のみに触れています。今日、既存の技術を改善するために科学者が注目している自然のシステムやプロセスが数多くあります。
自然は進化とそのシステムの最適化を続け、自然界を助けるだけでなく、人々がそこからインスピレーションを得て革新するよう促しています。
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