合成剛毛

合成剛毛はヤモリの足指にある剛毛を模倣しており、この分野の科学的研究は乾燥接着剤の開発に向けて進められている。ヤモリは垂直の壁を難なく乗り越え、ほぼあらゆる表面に接着できるようである。ヤモリの5本指の足は剛毛と呼ばれる弾力のある毛で覆われており、これらの毛の先端はスパチュラと呼ばれるナノスケールの構造に分かれている（実際のスパチュラに似ているため）。これらのスパチュラが非常に多く、表面に近いため、ファンデルワールス力だけで必要な接着強度を得るのに十分である。^[2] 2002年にファンデルワールス力に基づくヤモリの接着メカニズムが発見されて以来、生体模倣接着剤が主要な研究対象となっている。これらの開発により、優れた特性を持つ新しい接着材料のファミリーが生み出される見込みであり、防衛、ナノテクノロジー、ヘルスケア、スポーツなどの業界での用途が見込まれる。

ヤモリは、垂直面や逆さまの面（テフロンを除く^[3] ）に張り付いて走る優れた能力で知られています。しかし、ヤモリの足指は化学接着剤のように粘着性があるわけではありません。その代わりに、表面から素早く剥がれ、グルーミングをしなくても日常的な汚染物質の周りを非常に清潔に保つことができます。

トッケイヤモリの前足2本は、 227 mm ²のパッド面積で表面と平行な方向に20.1 Nの力に耐えることができ、 ^[4]これはヤモリの体重の40倍もの力です。 科学者たちは19世紀以来ずっとこの並外れた接着力の秘密を調査しており、過去175年間で少なくとも7つのヤモリの接着メカニズムが議論されてきました。接着剤、摩擦、吸引、静電気、ミクロの絡み合い、分子間力の仮説がありました。ヤモリの接着研究の初期には、ヤモリの足指に腺組​​織がないため、粘着性の分泌物はまず除外されました。摩擦仮説も、摩擦力はせん断力にしか作用せず、逆さの表面でのヤモリの接着能力を説明できないため、すぐに却下されました。足指のパッドが吸盤のように機能するという仮説は、ヤモリの足指がくっついたままの真空状態で行われた実験によって1934年に否定されました。同様に、静電気仮説は、静電気の蓄積が不可能な場合でもヤモリが接着できることを示す実験によって反証されました (X 線の流れによってイオン化された空気中の金属表面など)。剛毛の湾曲した先端がマイクロスケールのフックとして機能する可能性があることを示唆するマイクロインターロッキングのメカニズムも、ヤモリが分子的に滑らかな表面でも大きな接着力を生成するという事実によって疑問視されました。

可能性は最終的に分子間力に絞り込まれ、1950年代の電子顕微鏡の発達によりヤモリの足の剛毛の微細構造が明らかになり、この仮説を裏付けるさらなる証拠がもたらされた。この問題は、2000年にオレゴン州ポートランドのルイス＆クラーク大学の生物学者ケラー・オータムとカリフォルニア大学バークレー校のロバート・フルが率いる研究チームによってようやく解決された。^[6]彼らは、ヤモリの足指の裏側には通常、一列に並んだ剛毛で覆われた一連の隆起があり、各剛毛はさらに数百の枝分かれした端部とへらと呼ばれる平らな先端に分かれていることを示した（右の図を参照）。トッケイヤモリの1本の剛毛は、長さ約110マイクロメートル、幅4.2マイクロメートル先端の長さは約 0.2 マイクロメートル、幅は約 0.2 マイクロメートルです。^{[5]ヤモリの足と表面の接着は、各剛毛と表面分子の間に働く}ファンデルワールス力の結果です。剛毛 1 本で最大 200 μN の力を発揮します。^[7]トッケイヤモリの足には 1 平方ミリメートルあたり約 14,400 本の剛毛があり、トッケイヤモリの前足 2 本には合計約 3,268,800 本の剛毛があります。分子間ポテンシャルの式から:

${\displaystyle \Phi (R,D)=-{\frac {\rho _{1}\rho _{2}\pi ^{2}\alpha R}{6D}}}$

ここで、およびは 2 つの表面の接触数、R は各接触の半径、D は 2 つの表面間の距離です。 ${\displaystyle \rho_{1}}$${\displaystyle \rho_{2}}$

分子間力、つまりこの場合 2 つの表面間のファンデルワールス力は、接触の数によって大きく左右されることがわかりました。これがまさに、ヤモリの足がさまざまな種類の表面に対して並外れた接着力を生み出せる理由です。何百万ものヘラの複合効果により、ヤモリが天井から 1 フィートぶら下がるのに必要な接着力の何倍もの接着力が得られます。

ヤモリの足指によって生み出される驚くほど大きな力^[8]は、測定可能な剥離力を持たずに、ヤモリがどのようにしてわずか 15 ミリ秒で足をすばやく持ち上げることができるのかという疑問を提起しました。ケラー・オータムと彼の研究グループは、ヤモリの足の「リフトオフ メカニズム」を発見しました。彼らの発見により、ヤモリの粘着剤は実際には「プログラム可能な」方法で機能することが明らかになりました。剛毛の軸と基質の間の角度を 30 度に増やすと、垂直方向の粘着力がどれだけ大きくても、ヤモリは粘着性を「オフ」にします。剛毛の後端での応力が増加すると、剛毛と基質の間の結合が切断されるためです。その後、剛毛は負荷のないデフォルトの状態に戻ります。一方、予荷重を加えて表面に沿って引きずると、ヤモリは調節された粘着性をオンにします。この「リフトオフ」メカニズムは、右の図に示されています。

従来の接着剤とは異なり、ヤモリの接着剤は繰り返し使用するほどきれいになり、砂、ほこり、落ち葉、花粉などの日常的な汚染物質の周りでも非常にきれいな状態を保ちます。さらに、飛沫による自浄作用を持つ一部の植物や昆虫とは異なり、ヤモリは接着性を保つために足をグルーミングすることは知られていません。垂直面に張り付く能力を回復するには、ほんの数歩歩くだけで十分です。

ケラー・オータムと彼の研究グループは、ヤモリのこの能力をテストし実証する実験を行った。^[9]彼らはまた、接触力学モデルを使用して、汚れの粒子を基質に引き付ける接着力と、同じ粒子を1つまたは複数のヘラに引き付ける接着力との間のエネルギー不均衡によって自己洗浄が発生することを示唆している。言い換えると、粒子-壁システムのファンデルワールス相互作用エネルギーは、十分に大きな数の粒子-ヘラシステムで相殺する必要があるが、実際には1つの粒子に付着できるヘラの数は比較的少ないため、この不均衡により、汚染粒子はヤモリのつま先ではなく基質表面に付着する傾向がある。右の図は、N個のヘラ、汚れの粒子、平面壁の相互作用モデルを示している。

この自己洗浄特性は剛毛ナノ構造に固有のものであるため、合成接着材料でも再現できるはずだということを知っておくことは重要です。実際、ケラー・オータムのグループは、使用したヤモリから分離した剛毛の配列で自己洗浄がまだ起こっている様子を観察しました。

ヤモリの足に関する発見から、これらの構造とメカニズムを新しい接着剤ファミリーに利用できるのではないかという考えが生まれ、現在、世界中の研究グループがこの概念を調査しています。また、ナノサイエンスとテクノロジーの発展により、ナノ構造を使用してヤモリの剛毛にヒントを得た生体模倣接着剤を作成できるようになりました。実際、このトピックに関する論文数の増加からもわかるように、ヤモリ型接着剤への関心と新しい発見は急増しています。^[10]しかし、合成剛毛はまだ非常に初期段階にあります。

ヤモリのような接着剤を効果的に設計するには、自然界で観察される特性の根底にある原理を深く理解する必要があります。ヤモリの接着システムのこれらの特性、原理、および関連パラメータは、次の表に示されています。^[11]この表は、科学者がヤモリの剛毛の優れた特性（最初の列に示されている）を、実際に制御および設計できるパラメータ（3番目の列に示されている）にどのように変換するかについても洞察を与えてくれます。

*JKRはジョンソン、ケンドール、ロバーツの接着モデルを指す^[12]

要約すると、合成ヤモリ接着剤の設計における重要なパラメータは次のとおりです。

• 合成剛毛のパターンと周期性
• 階層構造
• シャフトの長さ、直径、角度、剛性
• ヘラ（サタエの先端）の大きさ、形状、硬さ
• 基板の柔軟性

合成剛毛の有効性を評価するために使用できるベンチマーク特性のリストは増え続けています。接着係数は次のように定義されます。

${\displaystyle \mu ^{'}=F_{\text{接着力}}/F_{\text{予荷重}}}$

ここで、は適用される予荷重力、 は生成される接着力です。実際のヤモリの剛毛の接着係数は通常 8 ～ 16 です。 ${\displaystyle F_{\text{プリロード}}}$${\displaystyle F_{\text{接着}}}$

合成剛毛の初期開発では、柔軟性があり製造が容易なため、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリジメチルシロキサン(PDMS)などのポリマーが頻繁に使用されました。その後、ナノテクノロジーが急速に発展するにつれて、カーボンナノチューブ(CNT) がほとんどの研究グループに好まれ、最近のほとんどのプロジェクトで使用されています。CNT はポリマーよりも長さと直径の比率がはるかに大きく、並外れた強度と柔軟性、優れた電気特性を備えています。これらの新しい特性により、合成剛毛はより効果的になります。

合成剛毛の製造には、フォトリソグラフィー/電子ビームリソグラフィー、プラズマエッチング、ディープ反応性イオンエッチング(DRIE)、化学蒸着(CVD)、マイクロモールディングなど、 さまざまなMEMS / NEMS製造技術が適用されます。

このセクションでは、合成剛毛の設計と製造プロセスを示すためにいくつかの典型的な例を示します。また、これらの例から、過去数年間のこの生体模倣技術の発展についての洞察を得ることができます。

この例は、マンチェスター中科学・ナノテクノロジーセンターとロシアのマイクロエレクトロニクス技術研究所との共同研究から生まれた、合成剛毛の最初の開発例の一つです。研究は2001年に始まり、2年後にその結果がNature Materialsに掲載されました。^[13]

研究グループは 、電子ビームリソグラフィーと酸素プラズマでのドライエッチングを使用して、同じ材料の5μm厚のフィルムの表面に合成剛毛構造として柔軟なポリイミド繊維を作製しました。繊維は長さ2μm、直径約500nm、周期1.6μmで、およそ1cm ²の面積を覆いました（左の図を参照）。当初、研究チームは基板としてシリコンウェハーを使用していましたが、スコッチテープなどの柔らかい接着基板を使用すると、テープの接着力がほぼ1,000倍に増加することを発見しました。これは、柔軟な基板では、表面と接触している剛毛の数と総剛毛の数の比率が大幅に高くなるためです。

この「ヤモリテープ」の効果は、高さ15cm、重さ40gのプラスチック製スパイダーマン人形の手にサンプルを貼り付けることでテストされ、図に示すようにガラスの天井に貼り付けることができました。ガラスとの接触面積が約0.5cm2のテープは^、 100g以上の荷重を支えることができました。しかし、接着係数はわずか0.06で、本物のヤモリ（8～16）と比較すると低いものでした。

ナノサイエンスとナノテクノロジーが発展するにつれ、ナノテクノロジーの応用、特にカーボンナノチューブ（CNT）の利用に関するプロジェクトが増えています。2005年、米国のアクロン大学とレンセラー工科大学の研究者は、化学蒸着法によって石英とシリコン基板上に多層CNTを堆積させ、合成剛毛構造を作成しました^[15]

ナノチューブの直径は通常 10～20 nm、長さは約 65 μm です。研究チームは次に、垂直に整列したナノチューブを PMMA ポリマーでカプセル化し、その後ポリマーの一部をエッチングしてチューブの上部 25 μm を露出させました。エッチング後に溶媒乾燥プロセスを使用したため、ナノチューブは直径約 50 nm の絡み合った束を形成する傾向がありました (右の図を参照)。

結果は走査型プローブ顕微鏡で検査され、単位面積あたりの最小の力は1.6±0.5×10 ⁻²  nN/nm ²であることが示されました。これは、チームがヤモリの剛毛の典型的な接着力として推定した数値10 ⁻⁴  nN/nm ²よりもはるかに大きいものです。その後、スコッチテープ上に同じ構造物を置いて実験^[16]を行ったところ、この材料はヤモリの足のほぼ4倍である36 N/cm ^2のせん断応力に耐えられることが明らかになりました。これは、合成剛毛が天然のヤモリの足よりも優れた特性を示した初めてのケースでした。さらに、この新素材は、ガラスやテフロンなど、より幅広い種類の材料に接着できます。

しかし、この新素材にはいくつか問題がある。表面と平行に引っ張るとテープが剥がれるが、これはCNTが表面から接着力を失うからではなく、テープが破断するからであり、この場合テープは再利用できない。さらに、ヤモリの剛毛とは異なり、この素材は小さな面積（約1 cm ²）にしか機能しない。研究者らは現在、ナノチューブを強化するさまざまな方法に取り組んでおり、現在の数十回ではなく、テープを数千回再利用できるようにすることを目指している。

ほとんどの開発は乾いた状態での接着に関するものですが、研究者グループは、軟体動物由来の天然接着化合物の誘導体をヤモリ型構造と組み合わせて、乾いた状態と湿った状態の両方で機能する接着剤を生み出す方法を研究しました。^[17]

結果として得られた接着剤は「ゲッケル」と名付けられ、電子ビームリソグラフィーで製造され、ムール貝に自然に存在するアミノ酸の合成形態であるムール貝模倣ポリマーでコーティングされた、ヤモリを模倣した幅 400 nm のシリコン柱の配列であると説明されました(左)。^{[説明が必要]}。

本物のヤモリ接着剤とは異なり、この素材はファンデルワールス力と、表面とイガイのタンパク質のヒドロキシル基との化学反応によって接着特性を得ています。この素材は、コーティングされていないピラーアレイと比較して、湿潤接着を 15 倍向上させます。いわゆる「ゲッケル」テープは、1,000 回の接触と剥離のサイクルを経ても接着し、湿潤環境と乾燥環境の両方で強力に接着します。

これまでのところ、この材料はシリコン窒化物、酸化チタン、金でテストされており、これらはすべて電子産業で使用されています。しかし、重要な潜在的用途である包帯や医療用テープに使用するには、人間の皮膚に付着できなければなりません。研究者は、同様の化学基を持つ他のムール貝にヒントを得た合成タンパク質をテストし、それらが生体組織に付着することを発見しました。^[17]

ゲッケルは、濡れた表面と乾いた表面の両方に接着できる接着剤です。その強さは、「ヤモリの足に似た構造の繊維状シリコンを、ムール貝が使用する「接着剤」を模倣したポリマーでコーティングすることから生まれます。」^[18]

研究チームは、自分の体重の数百倍を支えることができるヤモリからヒントを得た。ヤモリは、剛毛と呼ばれる何十億もの毛のような構造物に接着する。研究者たちは、この能力とムール貝の粘着力を組み合わせた。テストでは、「この素材は、水中で使用しても、1,000回以上くっついたり剥がれたりすることができ」、粘着力の85％を維持できることが示された。^{[19] [20] [21]}

この製品を開発したチームの主任研究者であるフィリップ・メッサースミス氏は、この接着剤は傷口を閉じるための縫合糸の代わりになるテープや、包帯や薬剤送達パッチ用の耐水性接着剤など、多くの医療用途に使用できると考えています。 ^[18]

これらの接着剤を商業的に生産するには、自動化された大量生産技術が必要であり、いくつかの研究グループによって研究されていました。カーネギーメロン大学のメティン・シッティが率いるグループは、^{[いつ? ]}マッシュルーム型のポリマー繊維アレイの製造に成功している深層反応性イオンエッチング (DRIE)、マイクロ成形プロセス、直接自己組織化、フォトリソグラフィーなど、さまざまな技術を研究しました。^[要出典]

2006 年、英国ブリストルの BAE Systems Advanced Technology Centre の研究者らは、フォトリソグラフィーによって直径最大 100 μm の「合成ヤモリ」サンプル (キノコ型のポリイミド毛の配列) を製造したと発表した。これらは、汚れで覆われた表面を含むほぼすべての表面に付着し、3,000 kg/m^2 の引張強度が測定された。^[要出典] 最近では、同社は同じ技術を使用してパターン化されたシリコン型を作成し、この材料を製造し、ポリイミドをポリジメチルシロキサン (PDMS) に置き換えた。この最新の材料は 220 kPa の強度を示した。フォトリソグラフィーの利点は、広く使用されており、よく理解されており、安価で簡単に非常に大きな領域に拡張できるという点であるが、これはプロトタイプ材料の製造に使用される他の方法には当てはまらない。^[要出典]

2019年、アクロン大学テクノロジー部門からスピンアウトしたアクロン・アセント・イノベーションズLLCの研究者らは、「ShearGrip」ブランドの乾燥接着剤の市販化を発表しました。^[22]研究者らは、フォトリソグラフィーやその他の微細加工戦略に頼るのではなく、ヤモリが利用する接触分割の原理に基づいて、電界紡糸法を用いて小径繊維を製造しました。この製品は、1平方インチあたり80ポンドを超えるせん断強度が報告されており、多くの表面できれいに除去して再利用でき、片面または両面構造でさまざまな表面ストックに材料をラミネートすることができます。^[23]このアプローチは、合成剛毛を製造する他の戦略よりも拡張性が高いとされており、Pinlessというブランド名で消費者市場向けの製品を製造するために使用されています。

「ヤモリテープ」としても知られる合成剛毛は、ナノテクノロジーや軍事用途からヘルスケアやスポーツまで、幅広い用途に使用されています。

「ナノテープ」（別名「ヤモリテープ」）は、両面粘着テープとして市販されていることが多い。壁に穴を開けることなく、写真や装飾品などの軽量アイテムを滑らかな壁に掛けることができる。カーボンナノチューブアレイは剥がした後も跡が残らず、極端な温度でも粘着性を保つことができる。 ^[24]

「スキャンソリアル」モードで操縦できるマシン、つまり、平地での操作能力を失うことなく、一般的な垂直地形環境で機敏に動作できるマシンはまだ存在しません。スキャンソリアル ロボットの開発には、2 つの大きな研究課題があります。1 つ目は、登攀のダイナミクス (壁の反力、四肢の軌道、表面の相互作用など) を理解し、特徴付け、実装することです。2 つ目は、必要な表面の相互作用を促進するために適切な接着性と摩擦特性を生み出す接着パッチ技術を設計、製造、展開することです。

脚付きロボットの進歩が続くにつれ、研究は頑丈な登山者の開発に重点を置くようになりました。吸引力、磁石、小さな棘の配列を使用して足を表面に取り付け、平らな垂直面を登るさまざまなロボットが開発されています。

RiSE プラットフォームは、スタンフォード大学のバイオミメティクスおよび器用な操作研究所で開発されました。このプラットフォームは 12 の自由度 (DOF) を持ち、6 つの同一の 2 DOF メカニズムが、ボディの長さに沿って等間隔でペアで配置されています。各ヒップの 2 つのアクチュエータが 4 本のバー メカニズムを駆動し、これが所定の軌道に沿った足の動きに変換され、プラットフォームに対して 4 本のバー メカニズムの平面の角度が調整されます。RiSE ロボットが自然環境と人工環境の両方で登攀を成功させるには、複数の接着メカニズムを使用する必要があることが証明されています。RiSE ロボットは複数の接着メカニズムを使用しませんが、乾式接着とスパインを組み合わせて使用​​します。^[25]

最近では、ガラスなどの滑らかな表面を登るために合成接着材料を利用するロボットが開発されています。

これらのクローラー ロボットとクライミング ロボットは、軍事分野で航空機の表面の欠陥を検査するために使用でき、手動の検査方法に取って代わり始めています。現在のクローラーは真空ポンプと強力な吸引パッドを使用していますが、この素材で置き換えることができます。

スタンフォード大学の研究者らは、ヤモリのように非常に滑らかな垂直面でも登れるよう人工剛毛を使用したスティッキーボットと呼ばれるロボットも開発した。^{[26] [27]}

Stickybot は、乾式接着を使用した垂直面上での移動要件に関する仮説を具体化したものです。重要な点は、制御可能な接着が必要であるということです。必須の要素は次のとおりです。

• センチメートル、ミリメートル、マイクロメートルスケールでの適合のための階層的コンプライアンス、
• 異方性乾燥接着材料と構造により、せん断を制御することで接着を制御できます。
• コンプライアンスと異方性を利用して安定性を実現する分散型アクティブフォースコントロール。

同様の例としては、カーネギーメロン大学で開発された「Geckobot」があり、^[28]最大60°の角度で登ることができます。

合成剛毛をベースにした接着剤は、超小型回路、ナノファイバーやナノ粒子、マイクロセンサー、マイクロモーターなどの繊細な部品を拾い上げ、移動させ、位置合わせする手段として提案されている。マクロスケールの環境では、製品の表面に直接塗布して、製造品のネジ、リベット、従来の接着剤、連結タブをベースにした接合部を置き換えることができる。このようにして、組み立てと分解の両方のプロセスが簡素化される。また、従来の接着剤の液体成分は簡単に蒸発して接続が失敗するため、真空環境（宇宙など）では従来の接着剤を合成ヤモリ接着剤に置き換えることも有益である。^[要出典]

• ルイス＆クラーク大学のケラー・オータム教授の秋の研究室
• RiSE プロジェクト Web