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バイオミメティクスまたはバイオミミクリーは、複雑な人間の問題を解決するために、自然のモデル、システム、要素を複製することです。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]「バイオミメティクス」と「バイオミミクリー」という用語は、古代ギリシャ語のβίος ( bios )、生命、および μίμησις ( mīmēsis )、模倣、μιμεῖσθαι ( mīmeisthai )、模倣、μῖμος ( mimos )、俳優から派生しています。この単語を組み合わせて、生命を模倣するという意味になります。密接に関連する分野はバイオニクスです。[ 5 ]ナノバイオミメティクスは、ナノスケールにおけるナノバイオミメティクスの特殊化です。[ 6 ] [ 7 ]
進化論は、観察された生命出現推定によると、38億年以上も生物システムの特徴である。[ 8 ]一般的に見られる材料を使用して、高性能な種が理論的に進化している。固体の表面は他の表面や環境と相互作用し、材料の特性を導き出す。生物材料は、分子レベルからナノ、マイクロ、マクロスケールまで高度に組織化されており、多くの場合、複雑なナノ構造を持つ階層的な方法で、最終的に無数の異なる機能要素を構成する。[ 9 ]材料と表面の特性は、表面構造と形態、物理的および化学的特性の複雑な相互作用の結果である。多くの材料、表面、および一般的に物体は多機能性を提供する。
エンジニア、材料科学者、化学者、生物学者は商業的な利益のために、また芸術家や建築家は美しさ、構造、デザインのために、様々な材料、構造、装置を製造してきた。自然界は、自己修復能力、環境暴露耐性、疎水性、自己組織化、太陽エネルギーの利用といった工学的な課題を解決してきた。生物模倣材料や表面の経済的影響は大きく、世界全体で年間数千億ドル規模に達する。
生物模倣の初期の例の 1 つは、人間の飛行を可能にするために鳥やコウモリを研究したことでした。レオナルド・ダ・ヴィンチ(1452–1519)は「飛行機械」の製作には成功しませんでしたが、鳥類や哺乳類の解剖学的構造と飛行を鋭く観察し、観察に関する多数のメモやスケッチ、そして「飛行機械」のスケッチを残しました。[ 10 ] 1903 年に最初の重航空機の飛行に成功したライト兄弟は、飛行中のハトの観察からインスピレーションを得たとされています。[ 11 ]
1950年代、アメリカの生物物理学者で博学者のオットー・シュミットは「バイオミメティクス」の概念を発展させた。[ 3 ]博士課程の研究中に、彼はイカの神経を研究し、神経伝播の生物学的システムを再現する装置を設計しようと試み、シュミットトリガーを開発した。[ 12 ]彼は自然システムを模倣する装置に焦点を当て続け、1957年までに、当時の生物物理学の標準的な見解とは正反対の見解、つまり彼が後にバイオミメティクスと呼ぶことになる見解を認識した。[ 3 ]
生物物理学は、学問分野というよりはむしろ一つの視点と言える。それは、物理科学の理論と技術を用いて生物科学の問題に取り組むアプローチである。逆に言えば、生物物理学は生物学者が物理科学や工学の問題に取り組むアプローチでもあるのだが、この側面はこれまでほとんど顧みられてこなかった。
—オットー・ヘルベルト・シュミット、『感謝を込めて、生涯にわたるつながり』[ 13 ]
1960年、ジャック・E・スティールは、オットー・シュミットも勤務していたオハイオ州デイトンのライト・パターソン空軍基地で、バイオニクスという類似の用語を作り出した。スティールはバイオニクスを「自然から何らかの機能を模倣したシステム、あるいは自然システムまたはその類似物の特性を表すシステムの科学」と定義した。[ 5 ] [ 14 ] 1963年の後の会合で、シュミットは次のように述べた。
バイオニクスが実際にどのような意味を持つようになったのか、そして、この研究分野を専門とする、あるいはむしろ専門性を広げている科学者の技術スキルを有効活用するために、バイオニクス、あるいはそれに類する言葉（私はバイオミメティクスという表現を好みます）がどのような意味を持つべきなのかを考えてみましょう。
—オットー・ヘルベルト・シュミット著『感謝を込めて：生涯にわたる繋がり：オットー・ヘルベルト・シュミット、1913年 - 1998年』
1969年、シュミットは論文のタイトルに「バイオミメティック」という用語を使用し[ 15 ] 、1974年までにウェブスター辞典に掲載されるようになった。バイオニクスは、それより前の1960年に「生物システムの機能に関するデータを工学的問題の解決に応用することに関わる科学」として同じ辞典に掲載された。マーティン・ケイディンが小説『サイボーグ』でジャック・スティールとその研究に言及したことで、バイオニックという言葉は異なる意味合いを持つようになった。この小説は後に1974年のテレビシリーズ『600万ドルの男』とそのスピンオフにつながった。バイオニックという言葉はその後、「電子的に操作される人工身体部分の使用」や「そのような装置の助けによって、あるいは助けられたかのように、通常の人間の能力が増強されること」と関連付けられるようになった[ 16 ] 。バイオニックという言葉が超自然的な力の含意を持つようになったため、英語圏の科学界ではこの言葉はほとんど使われなくなった[ 14 ] 。
バイオミミクリーという用語は、早くも1982年に登場しました。[ 17 ]バイオミミクリーは、科学者であり作家でもあるジャニーン・ベニュスが1997年に出版した著書『バイオミミクリー：自然に触発されたイノベーション』で広く知られるようになりました。この本では、バイオミミクリーは「自然のモデルを研究し、それらのデザインやプロセスを模倣したり、そこからインスピレーションを得て人間の問題を解決する新しい科学」と定義されています。ベニュスは、自然を「モデル、尺度、そしてメンター」として捉えることを提案し、バイオミミクリーの目的として持続可能性を強調しています。[ 18 ]
生物模倣の潜在的な長期的な影響は、サンディエゴ動物園が委託した 2013 年の Fermanian Business & Economic Institute レポートで定量化されました。調査結果は、生物模倣の潜在的な経済的および環境的利益を示しており、これは Johannes-Paul Fladerer と Ernst Kurzmann の「managemANT」アプローチでさらに確認できます。[ 19 ]この用語 (「management」と「ant」を組み合わせたもの) は、アリの行動戦略を経済および管理戦略で使用することを説明しています。[ 20 ] [ 21 ]
生体模倣は原理的には多くの分野に応用できる。生物システムの多様性と複雑さのため、模倣できる特徴の数は多い。生体模倣の応用は、商業的に利用可能になる可能性のある技術からプロトタイプまで、さまざまな開発段階にある。[ 4 ]従来の形では血管の最適直径を決定していたマレーの法則は、最小質量の工学システムとなるパイプまたはチューブの直径の単純な方程式を提供するために再導出されている。[ 22 ]
航空機の翼の設計[ 23 ]や飛行技術[ 24 ]は、鳥やコウモリから着想を得ている。改良された日本の高速鉄道、新幹線500系の流線型設計の空力特性は、カワセミのくちばしをモデルにしている[ 25 ]。
動物の生理機能と移動方法に基づいたバイオロボットには、カンガルーのように動き、1回のジャンプでエネルギーを節約して次のジャンプに伝えるバイオニックカンガルー[ 26 ] 、ゴキブリの移動を模倣して屋内と屋外の表面を素早く効率的に走る子供のおもちゃであるカミガミロボット[ 27 ] 、メタクロナルスイミングとこの推進歩行が環境に及ぼす生態学的影響を研究するエビにヒントを得たロボットであるプレオボット[ 28 ]などがあります。
BFRは、飛翔する哺乳類、鳥類、昆虫から着想を得ています。BFRは、揚力と推力を発生させる羽ばたき翼を持つか、プロペラ駆動にすることができます。羽ばたき翼を持つBFRは、プロペラ駆動のBFRと比較して、ストローク効率が高く、操縦性が高く、エネルギー消費量が少なくなります。[ 29 ]哺乳類と鳥類に着想を得たBFRは、飛行特性と設計上の考慮事項が似ています。たとえば、哺乳類と鳥類に着想を得たBFRはどちらも、翼縁と翼端の剛性を高めることで、縁のフラッターと圧力による翼端のカールを最小限に抑えます。哺乳類と昆虫に着想を得たBFRは耐衝撃性があり、混雑した環境で役立ちます。
哺乳類に着想を得たBFRは、一般的にコウモリから着想を得ていますが、モモンガもプロトタイプの着想源となっています。[ 30 ]コウモリに着想を得たBFRの例としては、Bat Bot [ 31 ]やDALER [ 32 ]などがあります。哺乳類に着想を得たBFRは、マルチモーダルに設計できるため、飛行と地上移動の両方が可能です。着陸時の衝撃を軽減するために、翼に沿ってショックアブソーバーを実装することができます。[ 32 ]あるいは、BFRは機首を上げて抗力を増やすことができます。[ 30 ]抗力を増やすことで、BFRは減速し、着地時の衝撃を最小限に抑えます。さまざまな地上歩行パターンを実装することもできます。[ 30 ]
鳥を模したBFRは、猛禽類、カモメ、その他あらゆる鳥類から着想を得ることができます。鳥を模したBFRは、プロトタイプが失速する前に動作できる迎角範囲を広げるために羽毛を付けることができます。[ 33 ]鳥を模したBFRの翼は平面内で変形することができ、飛行歩様に応じて飛行効率を最大化するように平面内の翼の変形を調整できます。[ 33 ]猛禽類を模したBFRの一例として、Savastanoらによるプロトタイプがあります。[ 34 ]このプロトタイプは完全に変形可能な羽ばたき翼を持ち、 放物線上昇、急降下、および急回復を実行しながら最大0.8kgのペイロードを運ぶことができます。Grantらによるカモメを模したプロトタイプは、カモメの肘と手首の回転を正確に模倣しており、肘と手首の変形が反対で等しい場合に揚力の発生が最大化されることを発見しました。[ 35 ]
昆虫に着想を得た BFR は、一般的にカブトムシやトンボから着想を得ています。カブトムシに着想を得た BFR の例としては、Phan と Park によるプロトタイプ[ 36 ]があり、トンボに着想を得た BFR の例としては、Hu らによるプロトタイプ[ 37 ]があります。昆虫に着想を得た BFR の羽ばたき周波数は、他の BFR のそれよりもはるかに高く、これは昆虫の飛行の空気力学によるものです[ 38 ]。昆虫に着想を得た BFR は、哺乳類や鳥類に着想を得たものよりもはるかに小さいため、密集した環境に適しています。Phan と Park によるプロトタイプはカブトムシから着想を得ており、後翅を変形させることで衝突後も飛行を継続することができます。
生物は進化の過程で突然変異、組み換え、選択を通して絶えず変化する環境に適応してきた。[ 39 ]バイオミメティック哲学の核心は、動物、植物、微生物を含む自然界の住人は問題解決において最も経験豊富であり、地球上で生き残るための最も適切な方法を既に見つけているという考え方である。[ 40 ]同様に、バイオミメティック建築は、自然界に存在する持続可能性を構築するための解決策を模索している。自然はモデルとして機能するが、自然にプラスとなることを目指すバイオミメティック建築の例は少ない。[ 41 ]
21世紀には、建物のライフサイクルの運用段階におけるエネルギーの過剰利用に加え、非効率な建築設計によるエネルギーの浪費が至る所で見られるようになった。[ 42 ]同時に、製造技術、コンピュータ画像処理、シミュレーションツールの最近の進歩により、さまざまな建築スケールで自然を模倣する新たな可能性が開かれた。[ 39 ]その結果、エネルギー問題に対処するための革新的な設計アプローチとソリューションの考案が急速に増加している。バイオミメティック建築は、持続可能な設計に対する学際的なアプローチの1つであり、様式的なコードではなく一連の原則に従い、建築形態の美的要素のインスピレーションとして自然を使用するだけでなく、建物の機能とエネルギー節約の問題を解決するために自然を使用しようとしている。
バイオミメティック建築という用語は、自然環境や生物種に見られる建築原理の研究と応用を指し、持続可能な建築ソリューションの設計に反映されます。[ 39 ]バイオミメティック建築は、自然をモデル、尺度、メンターとして使用し、自然界で同様の問題を解決した自然生物からインスピレーションを得て、さまざまなスケールの建築ソリューションを提供します。自然を尺度として使用するとは、持続可能性と人工イノベーションの効率を測定する生態学的基準を使用することを指し、メンターという用語は、自然の原理から学び、生物学をインスピレーションの源として使用することを指します。[ 18 ]
一方、バイオモルフィック建築（バイオデコレーションとも呼ばれる）[ 39 ]は、自然界に見られる形式的および幾何学的要素を、設計された建築における美的特性のインスピレーション源として使用することを指し、必ずしも非物理的または経済的な機能を持つとは限りません。バイオモルフィック建築の歴史的な例は、エジプト、ギリシャ、ローマ文化に遡り、構造柱の装飾に樹木や植物の形を使用しています。 [ 43 ]
バイオミメティック建築には、ボトムアップアプローチ（生物学主導）とトップダウンアプローチ（技術主導）という2つの基本的な手順が特定できます。[ 44 ] 2つのアプローチの境界は曖昧で、個々のケースに応じて両者の間を移行する可能性があります。バイオミメティック建築は通常、生物学者やその他の自然科学者がエンジニア、材料科学者、建築家、デザイナー、数学者、コンピュータ科学者と協力して作業する学際的なチームで行われます。
ボトムアップアプローチでは、出発点は、生体模倣の実現に有望な基礎生物学研究からの新たな成果である。例えば、生物システムの機械的、物理的、化学的特性を定量的に分析した後、生体模倣材料システムを開発するといった場合が挙げられる。
トップダウン型アプローチでは、既に市場で成功を収めている既存製品に対して、生体模倣技術を用いた革新が求められます。この協力関係は、既存製品の改良またはさらなる開発に重点を置いています。
研究者たちは、外気温が1.5 ～ 40 °C (34.7 ～ 104.0 °F)と変化するにもかかわらず、アフリカのシロアリ塚内でシロアリがほぼ一定の温度と湿度を維持する能力を研究した。研究者たちは最初にシロアリ塚をスキャンし、塚の構造の 3D 画像を作成し、人間の建築設計に影響を与える可能性のある構造を明らかにした。ジンバブエのハラレにある中層オフィス複合施設であるイーストゲート センター[ 45 ]は、同じサイズの従来の建物のエネルギーの 10% しか使用しないパッシブ冷却建築によって涼しさを保っている。
ローマ・サピエンツァ大学の研究者たちは、シロアリ塚の自然換気に着想を得て、建物内の過剰照明領域を大幅に削減する二重ファサードを設計した。科学者たちは、塚の壁の多孔質性を模倣し、2枚のパネル間の空洞で放射による熱の獲得を減らし、対流による熱の損失を増やすことができる二重パネルのファサードを設計した。建物のエネルギー消費に対する全体的な冷房負荷は15%削減された。[ 46 ]
シロアリ塚の多孔質の壁から同様の着想を得て、小さな換気口を備えた自然換気式のファサードが設計されました。このファサード設計は、ベンチュリ効果により空気の流れを誘発し、換気スロット内の上昇気流を継続的に循環させることができます。建物の外壁表面とそこを流れる空気との間で大きな熱伝達が観察されました。[ 47 ]この設計は、ファサードの緑化と組み合わされています。緑の壁は、植物の蒸発、呼吸、蒸散によって追加の自然冷却を促進します。湿った植物基質は、冷却効果をさらにサポートします。[ 48 ]
上海大学の科学者たちは、塚の粘土製の導管ネットワークの複雑な微細構造を再現し、塚の優れた湿度制御を模倣することに成功しました。彼らは、セピオライトと塩化カルシウムを用いた多孔質湿度制御材料（HCM）を提案し、その水蒸気吸着・脱着含有量は1平方メートルあたり550グラムでした。塩化カルシウムは乾燥剤であり、バイオHCMの水蒸気吸着・脱着特性を向上させます。提案されたバイオHCMは、ミニ貯水槽として機能する繊維間メソポア構造を有しています。提案された材料の曲げ強度は、計算シミュレーションにより10.3 MPaと推定されました。[ 49 ] [ 50 ]
構造工学の分野では、スイス連邦工科大学（EPFL）が、適応型展開式「テンセグリティ」橋に生体模倣特性を組み込んでいる。この橋は自己診断と自己修復を行うことができる。[ 51 ]植物の葉の配置は、太陽光発電の収集効率を高めるために改良されている。[ 52 ]
ストレリチア・レギナエ（極楽鳥花として知られる）の花の鞘状の止まり木部分に受粉媒介者が着地した際に発生する弾性変形の分析は、フライブルク大学とシュトゥットガルト大学の建築家や科学者に、環境に反応できるヒンジレス遮光システムを開発するインスピレーションを与えた。これらの生物に着想を得た製品は、Flectofin という名前で販売されている。[ 53 ] [ 54 ]
他のヒンジのない生体模倣システムには、Flectofold がある。[ 55 ] Flectofold は、食虫植物Aldrovanda vesiculosaが開発した捕獲システムから着想を得ている。
軽量でありながら、剛性、強度、靭性といった優れた特性を兼ね備えた新しい構造材料に対するニーズは非常に高い。
このような材料は、複雑な形状のバルク材料として大量かつ低コストで製造する必要があり、建設、輸送、エネルギー貯蔵および変換などのさまざまな分野に役立つでしょう。[ 56 ]古典的な設計問題では、強度と靭性は相互に排他的である可能性が高く、つまり、強い材料は脆く、靭性のある材料は弱いです。しかし、ナノスケールからマクロスケールに及ぶ複雑で階層的な材料勾配を持つ天然材料は、強度と靭性の両方を備えています。一般的に、ほとんどの天然材料は限られた化学成分を利用していますが、優れた機械的特性を生み出す複雑な材料構造を持っています。非常に多様で多機能な生物材料を理解し、そのような構造を再現するアプローチを発見することで、より高度で効率的な技術につながります。骨、真珠層（アワビの殻）、歯、シャコ類の指節、竹は、損傷耐性のある材料の優れた例です。[ 57 ]骨の骨折に対する並外れた抵抗力は、タンパク質分子のナノスケール構造からマクロスケールの生理学的スケールまで、さまざまなサイズスケールにわたって作用する複雑な変形および強化メカニズムによるものである。 [ 58 ]
真珠層は、構造はより単純であるものの、同様の機械的特性を示します。真珠層は、 密に詰まったアラゴナイト構造の厚い鉱物層（0.2～0.9 μm）と薄い有機マトリックス（約20 nm）からなる、レンガとモルタルのような構造を示します。 [ 59 ]これらの構造を模倣した薄膜やマイクロメートルサイズのサンプルは既に製造されていますが、生体模倣構造材料のバルク製造はまだ実現されていません。しかし、真珠層のような材料を製造するための多くの加工技術が提案されています。 [ 57 ] 植物の葉や花弁の表面にある表皮細胞である舗装細胞は、ジグソーパズルのピースに似た波状の相互連結パターンを形成することが多く、植物の生存に重要な葉の破壊靭性を高めることが示されています。[ 60 ]レーザー彫刻されたポリ（メタクリル酸メチル）サンプルで再現されたそのパターンは、破壊靭性の増加につながることも実証されています。細胞の配置とパターンは、組織内の亀裂伝播を制御する役割を果たしていると考えられます。[ 60 ]
生物形態鉱化は、生物構造を鉱化のテンプレートとして使用することにより、自然の生物の形態や構造に似た材料を生成する技術です。他の材料製造方法と比較して、生物形態鉱化は容易で、環境に優しく、経済的です。[ 61 ]
自然の層状構造を模倣する安価な方法である凍結鋳造（氷鋳型法）は、ローレンス・バークレー国立研究所の研究者によって、骨と同等の鉱物/有機物含有量で機械的特性に一致するアルミナ-Al-SiおよびIT HAP-エポキシ層状複合材料を作成するために使用されました。[ 62 ]さらにさまざまな研究[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]でも、さまざまな構成相を含む高強度で高靭性の複合材料を製造するために同様の方法が使用されました。
最近の研究では、ソフトウェアで定義された 3D ミリメートル スケールの形状で数万個の異種ピコリットル液滴を印刷することにより、生体組織を模倣した凝集性と自己支持性を備えたマクロ組織構造の製造が実証されています。 [ 67 ]また、溶融堆積モデリングを使用して人工複合材料で真珠層のデザインを模倣する試み[ 68 ]や、高性能炭素繊維エポキシ複合材料の製造でシャコの棍棒のらせん構造を模倣する試みも行われています。[ 69 ]
ポリジェット印刷、ダイレクトインクライティング、3D磁気印刷、マルチマテリアル磁気アシスト3D印刷、磁気アシストスリップキャスティングなどのさまざまな確立された新しい積層造形技術も、天然材料の複雑な微細構造を模倣するために利用されており、将来の研究に大きな可能性を提供しています。[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]
クモの糸は防弾チョッキに使われるケブラーよりも丈夫です。[ 73 ]エンジニアは、十分な寿命を持つように再設計できれば、原理的には、パラシュートのライン、吊り橋のケーブル、医療用の人工靭帯、その他の用途にそのような材料を使用できるでしょう。[ 18 ]多くの動物の自己研磨歯は、より優れた切削工具を作るために模倣されています。[ 74 ]
巨大なエレクトレットヒステリシスを示す新しいセラミックスも実現されている。[ 75 ]
ニューロモルフィックコンピュータとセンサーは、計算を行うために生物学的ニューロンの構造と機能を模倣する電気デバイスです。その一例としてイベントカメラがあり、新しい信号を受信したピクセルのみが新しい状態に更新されます。他のすべてのピクセルは、信号を受信するまで更新されません。[ 76 ]
生物システムの中には、骨折部位での化学物質の放出によって自己修復が起こるものがあり、これにより修復剤を骨折部位に輸送する全身反応が開始されます。これは自律的な治癒を促進します。 [ 77 ]自律的な治癒に微小血管ネットワークを使用することを実証するために、研究者らは人間の皮膚を模倣した微小血管コーティングと基質の構造を開発しました。[ 78 ]逆オパール構造の安定性と、それによって生じる構造色の安定性を維持する、生物にヒントを得た自己修復構造色ハイドロゲルが開発されました。[ 79 ]ゴムボートやテンセアリティ構造などの膨張式軽量構造物用に、植物の迅速な自己修復プロセスにヒントを得た自己修復膜が開発されました。研究者らは、布製基質の内側に薄く柔らかいセルラーポリウレタンフォームコーティングを施し、膜がスパイクで穴が開けられた場合に亀裂を閉じます。[ 80 ]亀裂を修復できる自己修復材料、ポリマー、複合材料が生物材料に基づいて製造されています。[ 81 ]
自己修復特性は、材料の周期的な応力による水素結合の切断と再形成によっても達成される可能性がある。[ 82 ]
サメの皮膚の特性を再現した表面は、水中でのより効率的な動きを可能にすることを目的としている。サメの皮膚を模倣した布地を作る努力がなされてきた。[ 22 ] [ 83 ]
表面張力バイオミメティクスは、疎水性または親水性コーティングやマイクロアクチュエータなどの技術のために研究されています。[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]
樹上性カエルや渓流性カエル、樹上性サンショウウオなどの両生類の中には、濡れた環境や水浸しの環境でも落下せずに付着して移動できるものもいる。このような生物は、表皮細胞間の通路に開口する腺から分泌される粘液によって常に湿っている趾パッドを持っている。湿潤接着によって交尾面に付着し、水が表面を流れている場合でも濡れた岩を登ることができる。[ 4 ]タイヤのトレッドも樹上性カエルの趾パッドから着想を得ている。[ 89 ]樹上性カエルや渓流性カエルの趾パッドのデザインから着想を得た3Dプリントされた階層構造の表面モデルは、従来のタイヤデザインよりも優れた湿潤トラクションを生み出すことが観察されている。[ 90 ]
海洋ムール貝は、海の厳しい環境下でも水中の表面に容易かつ効率的に付着することができます。ムール貝は、波に洗われる海岸の潮間帯にある岩に付着するために強力な糸状体を使用し、強い海流で流されるのを防いでいます。ムール貝の足のタンパク質は、糸状体を岩、ボート、そして他のムール貝を含む自然界のほぼすべての表面に付着させます。これらのタンパク質は、接着目的に特化して適応したアミノ酸残基の混合物を含んでいます。カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者は、ムール貝の足が湿潤接着という工学的課題を克服するために使用する化学反応を借用し、簡略化して、ナノファブリケーションプロトコルでの利用が可能な共重合両性電解質[ 91 ]および一成分接着システム[ 92 ]を作成しました。他の研究では、ムール貝由来の接着剤が提案されています。
多くの昆虫（例えば、甲虫やハエ）、クモ、トカゲ（例えば、ヤモリ）など、いくつかの動物の脚の付着パッドは、さまざまな表面に付着することができ、垂直の壁や天井を横切って移動するのにも使用されます。これらの生物の付着システムは、接触する末端要素に同様の構造を持ち、剛毛として知られています。このような生物学的例は、クライミングロボット[ 93 ] [ 94 ] 、ブーツ、テープ[ 95 ] の製造にインスピレーションを与えてきました。合成剛毛は、乾燥接着剤の製造にも開発されています。
超撥液性とは、固体表面が液体に対して極めて強い嫌悪感を示し、接触すると液滴が玉状になってほぼ瞬時に転がり落ちるという、注目すべき表面特性を指します。この挙動は、ナノスケールでの複雑な表面テクスチャと相互作用から生じ、液体が表面に濡れたり付着したりするのを効果的に防ぎます。「超撥液性」という用語は、「超疎水性」に由来し、水に対して非常に抵抗力のある表面を表します。超撥液性表面は撥水性を超え、表面張力が非常に低い液体や界面活性剤を含む液体など、幅広い液体に対して撥水性を示します。[ 2 ] [ 96 ]
超撥液性は、固体表面に微細な粗さが生じ、濡れによって液滴との界面を形成し、接触角が変化するときに現れます。この挙動は、固体と液体の面積とその投影の比率を定義する粗さ係数 (R f ) に依存し、接触角に影響を与えます。粗い表面では、濡れない液体は複合固体-液体-空気界面を生じ、その接触角は濡れた領域と空気ポケットの分布によって決定されます。超撥液性を実現するには、平面幾何学的面積の割合 (f LA ) と R fを増加させる必要があり、これにより液体を積極的にはじく表面が得られます。[ 97 ] [ 98 ]
このような表面を作製するインスピレーションは、「ハス効果」に代表される自然の創意工夫から得られます。ハスのような撥水性植物の葉は、ナノスケールのワックスコーティング構造を特徴とする固有の階層構造を示します。[ 99 ] [ 100 ]このような機能を持つ他の自然表面には、甲虫の甲羅[ 101 ]やサボテンの棘[ 102 ]などがあり、これらは複数のサイズスケールで粗い特徴を示す場合があります。これらの構造は超疎水性をもたらし、水滴は閉じ込められた気泡の上に留まり、高い接触角と最小限の接触角ヒステリシスをもたらします。この自然の例は、低表面張力の液体をはじき、ほぼゼロの接触角を達成できる凹面形状を利用した超撥液性表面の開発を導きます。[ 103 ]
超撥液性表面の作製には、凹型形状とフッ素化物質や液体状シリコンなどの低表面エネルギー材料を組み合わせることが必要です。[ 102 ]これらの形状には、表面の下で広がるオーバーハングが含まれており、最小限の接触角でも撥水性を発揮します。これらの表面は、自己洗浄、防氷、防曇、防汚、凝縮促進[ 102 ]などに利用され、生物医学、脱塩、大気水採取、エネルギー変換における課題に対する革新的なソリューションを提供します。
本質的に、ハスの葉などの自然界のモデルから着想を得た超撥液性は、凹状の形状と表面特性を利用して、液体を積極的にはじく界面を作り出します。これらの表面は、幅広い用途において大きな可能性を秘めており、様々な技術的・産業的分野において、機能性と性能の向上を約束します。
生体模倣材料は、光学およびフォトニクスの分野でますます注目を集めている。植物や動物の光学的特性を利用した、生体に着想を得た、あるいは生体模倣的な製品はまだほとんど知られていない。しかし、自然が生物資源からどのようにしてそのような光学材料を設計したのかを理解することは、現在進行中の研究分野である。
バイオミメティクスのインスピレーション源の一つは植物です。植物は、反応結合、自己適応性、自己修復、エネルギー自律性といった機能の概念生成に役立ってきました。植物には中央集権的な意思決定ユニット（つまり脳）がないため、ほとんどの植物は植物のさまざまな器官や組織に分散型の自律システムを持っています。そのため、光、熱、湿度などの複数の刺激に反応します。[ 104 ]
一例として、食虫植物のハエトリソウ（Dionaea muscipula）が挙げられます。過去25年間、この植物の運動原理に着目した研究が行われ、AVFT（人工ハエトリソウロボット）の開発が進められてきました。獲物を捕らえる際のこの植物の動きは、ソフトロボットの運動システムにインスピレーションを与えました。獲物が一定時間内（20秒以内に2回）に植物の毛に触れると、トラップを閉じる動きが100 ～ 300 ミリ秒以内に素早くスナップバックリングします 。トラップを閉じる動きは、磁力、電気、加圧空気、温度変化によって作動するAVFTシステムが存在します。[ 104 ]
植物を模倣したもう 1 つの例は、マーブル ベリーとしても知られるポリア コンデンサータです。ポリア コンデンサータの果実からヒントを得たセルロースのキラル自己組織化は、光学活性フィルムを作るために利用されています。[ 105 ] [ 106 ]このようなフィルムは、木材や綿から得られる生分解性でバイオベースの資源であるセルロースから作られています。構造色は、潜在的に永続的で、光の化学吸収から得られる色よりも鮮やかな色を持つことができます。ポリア コンデンサータは、構造色の皮を示す唯一の果物ではありません。虹色は、マルガリタリア ノビリスなどの他の種のベリーにも見られます。[ 107 ]これらの果物は、可視スペクトルの青緑色領域で虹色を示し、果物に強い金属光沢と光沢のある外観を与えます。 [ 108 ]構造色は、果皮の一部である果皮のセルロース鎖の組織化に由来します。 [ 108 ]果皮の各細胞は、ブラッグ反射器のように振る舞う多層構造の被膜でできている。しかし、これらの果実の皮から反射される光は、セルロースナノ結晶がらせん状に自己組織化して得られる人工複製物から生じる光とは異なり、偏光していない。人工複製物は左円偏光のみを反射する。[ 109 ]
Elaeocarpus angustifoliusの果実には、層状構造を持つイリドソームと呼ばれる特殊な細胞の存在に起因する構造色も現れます。[ 108 ]同様のイリドソームは、 Delarbrea michieana の果実にも見られます。[ 108 ]
植物では、多層構造は、イワヒバ（Selaginella willdenowii ） [ 108 ]のように葉の表面（表皮の上）に見られる場合と、上表皮の細胞内に位置する虹色素体と呼ばれる特殊な細胞内小器官内に見られる場合がある。 [ 108 ]例えば、熱帯雨林の植物であるベゴニア・パボニナ（Begonia pavonina）は、表皮細胞内に虹色素体を持っている。[ 108 ]
構造色は、紅藻類のコンドラス・クリスプス（アイリッシュモス）など、いくつかの藻類でも発見されている。 [ 110 ]
構造発色は、シャボン玉、蝶の羽、多くの甲虫の鱗粉の虹色を生み出します。[ 111 ] [ 112 ] [ 113 ]相分離は、甲虫Cyphochilusを模倣したポリメチルメタクリレートから超白色散乱膜を製造するために使用されています。[ 114 ] LEDライトは、ホタルの腹部の鱗粉のパターンを模倣するように設計でき、効率が向上します。[ 115 ]
モルフォ蝶の翅は構造色によって、角度によって変化しない鮮やかな青色を呈します。 [ 116 ]この効果はさまざまな技術で模倣できます。 [ 117 ]ロータス・カーズは、モルフォ蝶の構造青色を模倣した塗料を開発したと主張しています。 [ 118 ] 2007年、クアルコムは、モルフォ蝶のような光学的干渉を利用した干渉変調器ディスプレイ技術「ミラソル」を商品化しました。 [ 119 ] 2010年、ドレスメーカーのドナ・スグロは、モルフォ蝶の翅の鱗粉の微細構造を模倣した、構造色繊維から織られた染色されていない生地である帝人ファイバーズのモルフォテックスでドレスを作りました。 [ 120 ] [ 121 ] [ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]
キヤノン株式会社のサブ波長構造コーティングは、可視光の波長と同じ大きさのくさび形構造を使用しています。このくさび形構造により、光がコーティングを通過する際に屈折率が連続的に変化し、レンズフレアが大幅に低減されます。これは蛾の目の構造を模倣したものです。[ 125 ]ライト兄弟やレオナルド・ダ・ヴィンチなどの著名人は、鳥に見られる飛行を再現しようと試みました。[ 126 ]航空機の騒音を低減するために、研究者たちはフクロウの羽の先端に着目しました。この羽の先端には、空気力学的圧力を分散させ、鳥にほぼ無音の飛行を提供するように適応した小さなフィンレットまたは羽軸の配列があります。 [ 127 ]
フェンスや牧畜民を利用した総合的な計画放牧は、自然界に見られる広大な群れを模倣するように家畜の大群の移動を慎重に計画することで、草原の再生を目指します。模倣され、テンプレートとして使用されている自然システムは、群れで行動する捕食動物によって集中的に放牧される動物たちです。これらの捕食動物は、ある地域を食べ、踏みつけ、糞をした後、移動し、完全に回復した後にのみ戻ってきます。創始者のアラン・サヴォリー氏らは、土壌改良[ 128 ]、生物多様性の増加、砂漠化の逆転[ 129 ]の可能性を主張しています。しかし、多くの研究者がサヴォリー氏の主張に異議を唱えています。研究では、この方法が砂漠化を抑制するどころか、むしろ増加させることがしばしば判明しています[ 130 ] [ 131 ] 。
バイオミメティクスは、昆虫がどのように知覚し、ナビゲートするかを再現することも意味します。多くの昆虫は、天空の偏光パターンを使用して北を推定し、位置を特定します。オープンソースプロジェクトでは、偏光パターンの測定をシミュレートして、それを使用する位置情報システムの開発を支援することが示されています。[ 132 ]このプロジェクトは、特に遠隔地において、 GNSSなどの従来のGPSシステムに代わる将来の可能性のある代替手段であると主張しており、偏光パターンを認識するようにニューラルネットワークをトレーニングするのにも役立つ可能性があります。 [ 132 ]
エアコンの中には、ファンにバイオミミクリーを採用して、電力消費を抑えながら風量を増やしているものがある。[ 133 ] [ 134 ]
Jas Johlのような技術者は、液胞細胞の機能を利用して高度に適応可能なセキュリティ システムを設計できるのではないかと推測している。[ 135 ]「成長を保護し促進する生物学的構造である液胞の機能は、セキュリティの指針となる原則としての適応性の価値を明らかにしている。」液胞の機能と重要性はフラクタル的性質を持ち、この細胞小器官には基本的な形状やサイズはなく、その構造は細胞の要求に応じて変化する。液胞は脅威を隔離し、必要なものを収容し、老廃物を排出し、圧力を維持するだけでなく、細胞の拡大と成長も助ける。Johl は、これらの機能はあらゆるセキュリティ システムの設計に必要であると主張している。[ 135 ] 500系新幹線は、乗客の快適性を向上させながらエネルギー消費と騒音レベルを削減するためにバイオミミクリーを使用している。[ 136 ]宇宙旅行に関して言えば、NASAや他の企業は、ミツバチの行動パターンにヒントを得た群れ型の宇宙ドローンや、砂漠のクモを参考に設計された牛脚型の地上ドローンを開発しようとしてきた。[ 137 ]
タンパク質の折り畳みは、自己組織化機能性ナノ構造の材料形成を制御するために使用されてきました。[ 138 ]ホッキョクグマの毛皮は、熱収集器や衣服のデザインにインスピレーションを与えてきました。[ 139 ]蛾の目の光の屈折特性は、ソーラーパネルの反射率を下げるために研究されてきました。[ 140 ]
ミイデラゴミムシの強力な忌避スプレーに着想を得て、スウェーデンの企業が「マイクロミスト」スプレー技術を開発しました。この技術は（エアゾールスプレーと比較して）炭素排出量が少ないとされています。ミイデラゴミムシは化学物質を混合し、腹部の先端にある操縦可能なノズルからスプレーを噴射し、獲物を刺して混乱させます。[ 141 ]
ほとんどのウイルスは 直径20 ～ 300 nm の外殻を持つ。ウイルスのカプセルは非常に頑丈で、60 °C という高温にも耐えることができ、 pH 2 ～ 10 の範囲で安定している。[ 61 ]ウイルスのカプセルは、ナノワイヤー、ナノチューブ、量子ドットなどのナノデバイス部品の作成に使用できる。タバコモザイクウイルス(TMV) のような管状ウイルス粒子は、ウイルスの内層と外層の両方が結晶成長の核形成を誘発できる帯電表面であるため、ナノファイバーやナノチューブを作成するためのテンプレートとして使用できる。これは、TMV をテンプレートとして使用してプラチナおよび金ナノチューブを製造することによって実証された。 [ 142 ]シリコン、 PbS、CdSなどのさまざまな材料でウイルスを鉱化することにより、鉱化ウイルス粒子はさまざまな pH 値に耐えることが示されており、したがって有用な材料キャリアとして機能する可能性がある。[ 143 ]ササゲ黄斑斑ウイルス（CCMV）と呼ばれる球状の植物ウイルスは、pH 6.5 を超える環境に曝されると興味深い膨張特性を示します。この pH を超えると、直径約 2 nm の 60 個の独立した孔が環境と物質交換を開始します。ウイルスのカプシドの構造変化は、溶液の pH を制御することによって、鉱物の選択的取り込みと沈着のためのバイオモルフィック鉱化作用に利用できます。考えられる応用例としては、一連の pH 洗浄によって、ウイルスのケージを使用して均一な形状とサイズの量子ドット半導体ナノ粒子を製造することが挙げられます。これは、均一な CdSe ナノ粒子を合成するために現在使用されているアポフェリチンケージ技術の代替手段です。 [ 144 ]このような材料は、粒子が特定の pH レベルに曝されると内容物を放出するため、標的薬物送達にも使用できます。
2025年、研究者のヤシール・トゥルキとキルザール・アリアンは、バイオミミクリーに触発された拡張フレームワークとして、*マルチミミクリー再生モデル（MRM）*を提案した。このモデルは、バイオミミクリー、ケモミミクリー、フィジコミクリー、ジオミミクリー、コスモミミクリー、セミオミミクリーという6つの相互に関連する領域を統合し、再生プロセスが生物学的、化学的、物理的、地質学的、宇宙論的、記号論的システム全体でどのように機能するかを説明する。MRMは、再生イノベーションのための統一的な科学的および設計的アプローチを提供することを目指している。[ 145 ]
彼と彼の兄弟はある日、ハトの飛行を観察しているときに、鳥の横方向の制御方法を発見したという。[...]「私たちは鳥から何かを学ぼうと熱心に鳥の飛行を観察しましたが」と[オービル]は1941年に書いています。「最初にその方法で学んだことは何も思いつきません。」
彼はイカの神経を研究し、イカの神経が伝わる自然なシステムを再現する装置を設計しようとすることで、トリガーを開発した。
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: DOIは2025年7月現在非アクティブです（リンク）世界初の構造発色ファイバーであるMORPHOTEXは、屈折率の異なるポリエステルとナイロンの繊維を数十ナノオーダーの層状に積み重ねた構造を特徴としており、光コヒーレンストモグラフィーを使用して色を制御することが容易です。構造制御により、1本のファイバーは位置に関係なく常に同じ色を示します。