バイオニクス

バイオニクスまたは生物学に着想を得た工学は、自然界に見られる生物学的方法とシステムを工学システムと現代技術の研究と設計に応用することです。^[1]

バイオニックという言葉は、1958年8月にジャック・E・スティールによって造られたもので、生物学と電子工学を組み合わせた造語である^[2] 。 1970年代の米国のテレビシリーズ『600万ドルの男』と『バイオニックウーマン』によって普及した。両作品ともマーティン・ケイディンの小説『サイボーグ』に基づいている。3つの物語すべてにおいて、人間は電気機械インプラントによってさまざまな超人的な力を与えられる。

バイオニック技術の支持者によると、生物と人工物の間で技術が移転されることは望ましいことであり、それは進化圧力によって生物（動物と植物）が最適化され、効率的になる傾向があるためである。例えば、汚れや水をはじく塗料（コーティング）は、蓮の花の疎水性（蓮の効果）にヒントを得たものである。^[3]

「バイオミメティック」という用語は、自然界では生物学的高分子（酵素や核酸など）が関与し、その化学的性質がはるかに小さな分子を使用して試験管内で再現できるような化学反応を指す場合に好んで使用されます。^[4]

工学におけるバイオニクスの例としては、イルカの厚い皮膚を模倣した船体や、動物のエコーロケーションを模倣したソナー、レーダー、医療用超音波画像化などが挙げられます。

コンピュータサイエンスの分野では、バイオニクスの研究により人工ニューロン、人工ニューラルネットワーク^[5]、群知能が生み出されました。バイオニクスは進化計算にも影響を与えましたが、進化をコンピュータ内でシミュレートし、自然界には現れなかった最適化されたソリューションを生み出すことで、そのアイデアをさらに推し進めました。

2006年の研究論文では、「現在、使用されているメカニズムに関して、生物学とテクノロジーの重複はわずか12％しかない」と推定されています。 ^{[6] [説明が必要]}

「バイオミメティクス」という名前は、1950年代にオットー・シュミットによって造られた。「バイオニクス」という用語は、1958年8月にオハイオ州デイトンのライト・パターソン空軍基地の航空学部門で働いていたジャック・E・スティールによって後に導入された。^[7]しかし、医学用語の「バイオニクス」との混同を避けるために、バイオミミクリーやバイオミメティクスなどの用語が好まれている。偶然にも、マーティン・ケイディンは1972年の小説「サイボーグ」でこの言葉を使用しており、これはテレビ映画とその後のシリーズ「600万ドルの男」に採用された。ケイディンは、フルタイムでフィクションを書くようになる前は、長年航空業界のライターとして活躍していた。

バイオニクスの研究では、生物学的構造を模倣するのではなく、自然界に見られる機能を実装することに重点が置かれることが多いです。たとえば、コンピュータ サイエンスでは、サイバネティクスは知的な動作に固有のフィードバックと制御のメカニズムをモデル化しますが、人工知能は、実現できる特定の方法に関係なく、知的な機能をモデル化します。

自然界の生物や生態系の例やメカニズムを意識的にコピーすることは、事例に基づく推論の応用形態であり、自然界自体をすでに機能している解決策のデータベースとして扱います。支持者は、すべての自然界の生命体にかけられた選択圧が失敗を最小限に抑え、排除すると主張しています。

ほぼすべての工学はバイオミミクリーの一形態であると言えますが、この分野の現代的な起源は、通常、バックミンスター・フラーに帰せられ、その後、家または研究分野として体系化されたのはジャニーン・ベニュスに帰せられます。

一般的に、動物相や植物相には、テクノロジーをモデル化できる 3 つの生物学的レベルがあります。

• 自然の製造方法を模倣
• 自然界に見られるメカニズムを模倣する（例：ベルクロ）
• 鳥の群れ行動、アリやハチの採餌の最適化、魚群の群知能（SI）に基づく行動など、生物の社会的行動から組織原理を研究します。

• ロボット工学では、バイオニクスとバイオミメティクスを利用して、動物の動きをロボットの設計に応用しています。BionicKangarooは、カンガルーの動きと生理学に基づいています。
• バイオミメティクスの最も有名な例はベルクロです。1948 年、スイスのエンジニア、ジョージ・ド・メストラルが散歩中に飼い犬についたトゲを掃除していたとき、トゲのフックが犬の毛に張り付く仕組みに気付きました。
• 19 世紀初頭、まだ手作業で木を伐採していたころ、木こりが木を切るために使っていた角形の鋸歯状の刃のデザインは、木を掘る甲虫の観察に基づいて作られました。この刃ははるかに効率が良く、木材産業に革命をもたらしました。
• キャッツアイ反射板は、猫の目の仕組みを研究したパーシー・ショーが1935年に発明しました。彼は、猫にはタペタムと呼ばれる反射細胞のシステムがあり、ごくわずかな光も反射できることを発見しました。
• レオナルド・ダ・ヴィンチの飛行機や船は、工学において自然からヒントを得た初期の例です。
• レジリンは、節足動物にも含まれる物質を研究して作られたゴムの代替品です。
• ジュリアン・ヴィンセントは、2004 年に松ぼっくりの研究を参考にして、気温の変化に適応する「スマート」な衣服を開発した。「湿度の変化に応じて形を変える非生物的なシステムを作りたかったのです」と、彼は言う。「植物にはそのようなシステムがいくつかあるのですが、ほとんどは非常に小さいものです。松ぼっくりは最も大きく、そのため扱いやすいのです」。松ぼっくりは湿度が高くなると鱗片を開いて種子を散布する。「スマート」な生地も同じ働きをし、着用者が暖かく汗をかくと開き、寒いときにはきつく閉じる。
• 飛行速度と飛行時間に応じて形状が変化する「モーフィング エアクラフト ウィング」は、2004 年にペンシルバニア州立大学のバイオミメティクス科学者によって設計されました。モーフィング ウィングは、飛行速度に応じて翼の形状が異なるさまざまな鳥類からヒントを得ました。航空機の翼の形状と基礎構造を変更するには、翼の上にある外皮も変更できるようにする必要があります。研究者らの設計では、翼を魚にヒントを得た互いにスライドできる鱗で覆うことによってこれを実現しています。ある意味では、これはスイング ウィング設計の改良版です。

• いくつかの塗料や屋根瓦は、ハスの仕組みを模倣して自己洗浄するように設計されている。^[8]
• コレステリック液晶（CLC）は、温度変化によって色が変わる水槽用温度計やムードリングの製造によく使われる薄膜材料です。分子がらせん状またはキラルな配列になっているため色が変わり、温度によってらせん構造のピッチが変わり、異なる波長の光を反射します。Chiral Photonics, Inc. は、有機 CLC の自己組織化構造を抽象化し、非常に短い無機のねじれたガラス繊維を使用して類似の光学デバイスを製造しています。^[9]
• 蝶の羽の輝く色を生み出すナノ構造と物理的メカニズムは、サウサンプトン大学の電子工学およびコンピュータサイエンスの教授であるグレッグ・パーカーと、電子の代わりに光子を情報媒体として使用する電子工学であるフォトニクス分野の研究生ルカ・プラットナーによってコンピューター上で再現されました。^[10]
• ブルーモルフォ蝶の羽の構造を研究し、光の反射の仕方を模倣して、水や金属でも読み取れるRFIDタグを作成しました。 ^[11]
• 蝶の羽の構造は爆発物を検知するための新しいナノセンサーの開発にも影響を与えた。^[12]
• ニューロモル フィック チップとシリコン網膜には、実際のニューラル ネットワークをモデルにした配線が備わっています。
• テクノエコシステムまたは「エコサイボーグ」システムは、自然の生態学的プロセスと、生態学的機能を模倣した技術的なプロセスを組み合わせたものです。これにより、自己制御型ハイブリッドシステムが構築されます。^[13]この分野の研究は、エコシステムの構造とエネルギーダイナミクスが電気回路のコンポーネント間のエネルギーフローに類似していると認識したハワードT.オダム^{[14]によって開始されました。}
• ヤモリの足に見られる物理的構造に基づいて、接着剤と微細なナノ毛を含む医療用接着剤が開発されている。
• コンピュータウイルスも生物学的ウイルスとの類似点を示し、自己複製と拡散を目的としたプログラム指向の情報への攻撃を行います。
• ハラレのイーストゲート センタービルの冷却システムは、非常に効率的なパッシブ冷却を実現するためにシロアリ塚をモデルに設計されました。
• ムール貝が岩や桟橋、船体にくっつくことを可能にする接着剤は、血管用の生体接着ゲルにヒントを得た。^[15]
• バイオニクスの分野は、他の利点とともにより高い機敏性を提供する新しい航空機の設計に影響を与えてきました。これは、Journal of Experimental Biologyの記事で Geoff Spedding、Måns Rosen、Anders Hedenström によって説明されています。^[16]同様の発言は、John Videler と Eize Stamhuis の著書Avian Flight ^[17]と、 Scienceに発表したLEV に関する記事でもなされています。 ^[18]このバイオニクスの研究は、ScienceのHummingbirdsに関する記事で Bret Tobalske が述べているように、より効率的なヘリコプターや小型UAV の作成にも使用できます。^[19]カリフォルニア大学バークレー校とESAも同様の方向に取り組んでおり、Robofly ^[20] (小型 UAV) とEntomopter (歩行、這い回り、飛行が可能な UAV) を作成しました。^[21]
• 生物にヒントを得た機械装置は、形態学的に正確なエビの爪を利用してキャビテーションにより水中にプラズマを生成することができる。これは、 Science Advancesに掲載された論文でXin TangとDavid Staackによって詳細に説明されている。^[22]

バイオニクスとは、生物学から工学へ、そしてその逆の概念の流れを指します。したがって、この言葉の意味に関して、わずかに異なる 2 つの観点があります。

医学において、バイオニクスとは、臓器やその他の身体部位を機械的なバージョンで置き換えたり強化したりすることを意味します。バイオニックインプラントは、単なる人工装具とは異なり、元の機能を非常に忠実に模倣し、場合によってはそれを上回ります。

バイオニクスのドイツ語版であるBionik は、常により広い意味に忠実であり、生物学的モデルから工学的ソリューションを開発しようとします。このアプローチは、生物学的ソリューションは通常、進化の力によって最適化されるという事実に基づいています。

バイオニックインプラントを可能にする技術は徐々に発展していますが、すでにいくつかの成功したバイオニックデバイスが存在しています。よく知られているものとしては、オーストラリアで発明された聴覚障害者用のデバイスであるマルチチャンネル人工内耳（バイオニックイヤー）があります。バイオニックイヤー以来、多くのバイオニックデバイスが登場し、他の感覚障害（視覚やバランスなど）に対するバイオニクスソリューションの研究が進んでいます。バイオニック研究は最近、パーキンソン病やてんかんなどの神経疾患や精神疾患などの医学的問題に対する治療法を提供しています。^[23]

1997年、コロンビアの研究者アルバロ・リオス・ポベダは、感覚フィードバック機能を備えた上肢および手の義肢を開発しました。この技術により、切断患者はより自然な方法で義手システムを扱うことができます。^[24]

2004 年までに、完全に機能する人工心臓が開発されました。ナノテクノロジーの出現により、大きな進歩が期待されています。提案されているナノデバイスのよく知られた例は、ロバート・フレイタスが設計した (まだ構築されていませんが) 人工赤血球である呼吸細胞です。

ペンシルバニア大学の生物工学科に在籍していた8年間で、クワベナ・ボアヘンは、生きた網膜と同じように画像を処理できるシリコン 網膜を開発した。彼は、2つの網膜が同じ画像を見ているときに、シリコン網膜からの電気信号とサンショウウオの目が発する電気信号を比較することで、結果を確認した。

2015年7月21日、BBCの医療担当記者ファーガス・ウォルシュは、「マンチェスターの外科医が、先進国で最も一般的な視力喪失の原因を持つ患者に、初のバイオニック眼球インプラント手術を行った。80歳のレイ・フリンは、乾性加齢性黄斑変性症を患っており、中心視力を完全に失っている。彼は、眼鏡に装着した小型ビデオカメラからのビデオ画像を変換する網膜インプラントを使用している。彼は現在、網膜インプラントを使用して、コンピューター画面上の白線の方向を判別できる」と報じた。Argus IIとして知られるこのインプラントは、米国のSecond Sight Medical Products社によって製造されており、まれな遺伝性変性眼疾患である網膜色素変性症の結果、失明した患者に以前に使用されていた。^[25]

2016年、ティリー・ロッキー（2005年10月7日生まれ）は、英国のバイオニクス企業であるオープンバイオニクス社が製造したバイオニック「ヒーローアーム」を装着した。ヒーローアームは、肘から下を切断した成人および8歳以上の子供のための軽量の筋電義肢である。髄膜炎菌性敗血症B株と診断され、生後15か月で両腕を切断したティリー・ロッキーは、ヒーローアームを「本当にリアルで、そのリアルさに不気味なほどだった」と表現している。^[26]

2020年2月17日、退役軍人のダレン・フラー氏は、公的医療制度下で義手を受け取った最初の人物となった。^{[27]フラー氏は2008年に}アフガニスタンで服役中に迫撃砲弾による事件に巻き込まれ 、右腕の下部を失った。

ビジネスバイオミメティクスは、バイオミメティクスの応用における最新の開発です。具体的には、生物システムの原理と実践をビジネス戦略、プロセス、組織設計、戦略的思考に適用します。FMCG、防衛、中央政府、包装、ビジネスサービスなど、さまざまな業界で効果的に活用されています。バース大学のフィル・リチャードソンの研究^[28]に基づいて、このアプローチは2009年5月に 貴族院で発表されました。

一般的に、バイオメトリクスは、生物学的プロトタイプを研究してエンジニアリングソリューションのアイデアを得る 創造性技術として使用されます。

化学において、生体模倣合成とは、生化学プロセス にヒントを得た化学合成です。

バイオニクスという用語のもう 1 つの最近の意味は、生物と機械の融合を指します。このアプローチにより、生物と工学の部分を融合したハイブリッド システムが生まれ、サイバネティック生物 (サイボーグ) とも呼ばれます。この実用的な実現は、ケビン ワーウィックのインプラント実験で実証され、彼自身の神経系を介して超音波入力が実現されました。

• バイオミミクリー：自然に触発されたイノベーション。1997年。ジャニーン・ベニュス。
• 最適化、制御、自動化のためのバイオミミクリー、Springer-Verlag、ロンドン、2005年、Kevin M. Passino
• 「自然から盗んだアイデア」（Wired）
• バイオニクスとエンジニアリング：生物学とエンジニアリングの関連性、女性技術者協会大会、シアトル、ワシントン州、1983年、ジル・E・スティール
• バイオニクス: モデルとしての自然。 1993. PRO FUTURA Verlag GmbH、WWF ドイツ環境都市ミュンヘン
• Lipov AN「現代バイオニクスの起源。人工環境における生体形態形成」Polygnosis。第1～2号。2010年。第1～2章。pp. 126～136。
• Lipov AN「現代バイオニクスの起源。人工環境における生体形態形成。」Polygnosis。第3号。2010年。第3部。pр.80–91。

ウィキメディア・コモンズには、バイオニクスに関連するメディアがあります。

• バイオニクス クイーンズランド
• UCL（ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン）の自然に触発された工学センター
• タルサ大学の生物ロボット工学 2018年12月20日アーカイブウェイバックマシン
• ヴィース生物学工学研究所
• バイオミミクリー研究所
• 生物学的にインスパイアされたデザインセンター
• ジョージア工科大学デザイン・インテリジェンス研究所の生物学的にインスパイアされたデザイングループ
• 生物学的に刺激を受けた材料と材料システムセンター
• メリーランド大学における生物学的にヒントを得た製品開発
• 生物学的にヒントを得た材料研究所
• ケース・ウェスタン・リザーブ大学生物に着想を得たロボット研究センター
• 生物学的にヒントを得た材料研究所
• オーストリア、クーフシュタイン応用大学のバイオインスパイアードエンジニアリング 2018年12月20日アーカイブ、Wayback Machine
• ペンシルベニア州立大学の自然に触発された工学の研究所