表面張力バイオミメティクス

表面張力は、バイオミメティクス研究における関心領域の 1 つです。表面張力の力は、流体の毛細管長(水の場合約 2 ミリメートル) 程度の長さスケール以下でのみ、重力より優位になります。このスケールのため、表面張力を利用するバイオミメティクス デバイスは一般に非常に小型になりますが、このようなデバイスの使用方法は多数あります。

蓮の葉は、水をはじき、自浄作用があることでよく知られています。Yuan氏^[1]と彼の同僚は、蓮の葉のネガ型をポリジメチルシロキサン（PDMS）で作製し、蓮の効果として知られる葉の水をはじく能力に不可欠な微細な階層構造を再現しました。次に、塩化鉄と圧力を利用して銅板をネガ型に流し込み、蓮の葉の表面を複製しました。その結果、銅板に蓮の葉のような表面が生まれました。生体模倣表面の静的水接触角の測定値は、銅をエッチングした後は132°、蓮の葉のワックス状のコーティングを模倣するステアリン酸表面処理後は153°でした。蓮の葉を模倣した表面は、撥水性のアウトドア用品を提供することで、さまざまな用途に使用できます。

浮遊性シダのさまざまな種は、水に浸かったときにシダと周囲の水の間に空気の液体-固体バリアを維持することができます。蓮の葉のように、浮遊性シダの種は、水が植物の表面を濡らすのを防ぐ小さな階層構造を持っています。メイザーとバルスロット^[2]は、圧力容器内の水に浮遊性シダサルビニアのさまざまな種を沈め、葉と周囲の水の間の空気バリアが船の船体が経験するものと同様の圧力変化にどのように反応するかを研究することで、この能力を実証しました。粘性抵抗効果 を減らすために船体のコーティングにこれらの階層構造を使用する他の多くの研究が進行中です。

肺は、肺胞と呼ばれる多数の小さな袋で構成されており、血液がこれらの肺胞を取り囲む小さな毛細血管を通過する際に、酸素と二酸化炭素がそれぞれ血液に出入りできるようにします。肺胞は表面張力を利用します。表面張力は、細胞の1つによって生成され、放出される界面活性剤によって肺胞の内側を覆う液体の表面張力を下げ、これらの袋がつぶれないようにします。Huh ^{[3]と彼の同僚の研究者は、天然の}肺胞細胞の機能を再現した肺の模倣物を作製しました。ゲルの細胞外マトリックス、ヒト肺胞上皮細胞、およびヒト肺微小血管内皮細胞を、柔軟な真空ダイヤフラムに結合されたポリジメチルシロキサン膜上で培養しました。呼吸をシミュレートする真空ダイヤフラムの加圧サイクルは、実際の肺と同様の形状と機能を示しました。タイプII細胞はまた、肺の模倣物を覆う液体の表面張力を下げたのと同じ界面活性剤を放出することが示されました。この研究は、将来的には、移植や修復を必要とする患者のために培養できる肺の作成につながることが期待されます。

ミクロヴェリアは表面張力を利用して表面張力勾配を作り出し、舌のような突起から界面活性剤を背後に放出することで前進します。バイオミメティックエンジニアリングは創造的で楽しい方法で使用され、マランゴニ効果と呼ばれる現象によって水面上で推進するミクロヴェリアの能力を模倣した食べられるカクテルボートが作られました。バートン^[4]と彼女の同僚は3Dプリントを使用して小さなプラスチックボートを製造し、ボートの後ろにさまざまな種類のアルコールを放出して表面張力を下げ、各ボートを推進する表面張力勾配を作成しました。このタイプの推進力は、将来、船舶の効率を高めるために使用される可能性があります。

シダの胞子嚢は、植物の一部にある棘から突き出た吸湿性の肋骨で構成され、胞子を袋の中に包み込んでいます（図）。これらの棘の表面に水が凝縮すると、毛細管橋が形成されます。この水が蒸発すると、各肋骨間の表面張力によって棘が引っ込んで袋が破れ、胞子がこぼれます。ボルノ氏^[5]と彼女の研究チームは、標準的なフォトリソグラフィー技術を使用して、ポリジメチルシロキサンから生体模倣デバイスを作製しました。このデバイスは、シダの胞子嚢に似た同じ吸湿性の肋骨と棘を使用しました。研究者たちは、デバイスの機能の寸法と間隔を変えて、デバイス全体の動きを微調整および予測することができました。これにより、同様のデバイスを、湿った大気からの自由エネルギーを使用して機能を実行できるマイクロアクチュエーターとして使用できるようになりました。

ハムシは、足にある小さな毛のような剛毛の間に多数の毛細管橋を作り、乾いた表面に付着するという驚くべき能力を持っています。VogelとSteen ^[6]はこれに注目し、この能力を模倣した切り替え可能な湿潤付着機構を設計・構築しました。彼らは標準的なフォトリソグラフィー技術を使用して、電気浸透圧駆動のポンプを使用してほぼすべての表面に付着できる多数の毛細管橋を作成する切り替え可能な付着グリッパーを製造しました。ハムシは、剛毛の間に気泡を閉じ込めることでこの効果を逆転させ、濡れた表面や水中を歩くこともできます。この効果は、水中の表面に物体を付着させることができる生体模倣表面を構築したHosodaとGorb ^[7]によって実証されました。この技術を使用すると、通常は探索するには危険すぎる危険な地形を探索できる自律型ロボットの作成に役立ちます。

自然界にはさまざまな生命体がさまざまな方法で表面張力を利用しています。Hu氏^[8]と彼の同僚は、いくつかの例を参考にして、水の上を歩いたり、液体の界面から飛び降りたり、水面をよじ登ったりする自然界の生物の能力を模倣した装置を作成しました。そのような装置のうち2つはアメンボを模倣したものでした。両方の装置は、装置を推進するために一対の脚を漕ぐ動作を取り入れることでアメンボの形状と機能を模倣しましたが、一方は弾性エネルギーで駆動し、もう一方は電気エネルギーで駆動していました。この研究では、多くの物理的および無次元パラメータの違いを示すことにより、さまざまな生体模倣装置を自然界の装置と比較しました。この研究は将来、水路の流出物を清掃するために使用できる小型でエネルギー効率の高い水上歩行ロボットにつながる可能性があります。

ナミブ砂漠原産のステノカラカミキリは、湿気の多い大気から水分を捕らえることができるユニークな構造を体に持っています。ナミブ砂漠では雨が降ることはあまりありませんが、朝になると濃い霧が砂漠を覆うことがあります。ステノカラカミキリは疎水性の体にある小さな隆起した親水性の斑点を利用して霧から水滴を集めます。これらの水滴が十分に大きくなると、これらの斑点から離れ、カミキリの背中を転がり落ちて口の中に入ることができます。ギャロッドら^[9]は、標準的なフォトリソグラフィーとプラズマエッチングを使用して疎水性基板上に水を集めるための親水性の斑点を作成するバイオミメティック表面を実証しました。最も多くの水を集めることを可能にするこれらの斑点の最適なサイズと間隔は、ステノカラカミキリの体の斑点の間隔と同様でした。現在、この表面技術は、水筒の内側のコーティングとして実装するために研究されており、湿気の多い環境で水筒を開けたままにしておくと水筒が自動的に満たされ、水が不足している場所での援助に役立つ可能性があります。