マジックテープから新幹線まで、自然は人間の革新の最も印象的な偉業の一部を刺激しました。 この夏、韓国の科学者によって開発されたカニのような水中ロボットが、黄海の古代の遺物を捜索します。 ドローンは鳥やミツバチの飛行運動を模倣しています。 そして、バイオミメティックの未来は明るいようです。
ほんの一握りの研究者が、新しい創造物、合成皮革のかかとに注目しています。
海洋動物は皮膚を使用して、環境をナビゲートし、生き残ります。 冷たい水に住んでいるイルカは、実際に体を隔離して暖かく保つために厚い皮膚を持っています。 タコの吸盤で覆われた皮膚には、獲物を感知して把握するのに役立つ何百万もの神経が含まれているだけでなく、捕食者に見えないようにするユニークな色変化細胞も埋め込まれています。 ザトウクジラの胸びれに並ぶ皮膚の隆起は、動物の浮力を増加させます。 そのため、科学者は可能性を認識しています。
研究者たちは、3Dプリンティングとコンピューターモデリング技術を使用して、抗菌性のドアハンドルから水中ロボットに至るまで、あらゆる用途に使用できる人工的だが現実的な海洋動物の皮膚を開発しています。 ボストンのハーバード大学の魚類学者であるジョージローダーと彼のチームは、トップエンドの3Dプリンターの助けを借りて、最初の真の人工サメの皮を開発しました。
これまでの試みにはゴム製の金型と織物が関係しており、研究者は柔らかい部品と硬い部品の両方を含む材料の製造に苦労しました。 サメの肌に触発された水着は2008年のオリンピックでスプラッシュを作りましたが、ローダーの研究チームは実際に、SpeedoのFastskin IIのようなスーツの素材は、歯根がないため、サメの皮を真似たり、抵抗を減らしたりしないことを発見しました。
サメは、絹のような皮膚を覆う小さな歯のような歯茎のおかげで、海水を高速で泳ぐことができます。 「それは水泳中のサメの皮膚のパフォーマンスの非常に重要な特徴であることが判明しました」とローダーは言います。 肌は滑らかであるほど速度が向上すると考えられます。 しかし、彼は、「流体環境、水、または空気を可能な限り効率的に移動したいときに、特定の種類の粗い表面を持つことは、実際には粗いのは良いことです」と付け加えます。
ローダーのチームは、マイクロCTスキャナーを使用して、実際のマコザメの皮膚をスキャンしました。 スキャンから、3Dモデルを作成し、そのモデルを3Dプリンターに送信しました。3Dプリンターはプラスチックポリマー材料を作成しました 硬い歯のような構造で覆われた柔らかいベースを持つ。 最終製品には、サメの皮のサンドペーパーのような感触があります。 研究室のタンクで、研究者は人工皮膚をテストし、歯のない滑らかなプラスチックフィンと比較して、速度が6.6％増加し、エネルギー消費が5.9％減少したことを発見しました。
マコザメの頭に見られる歯状パターンの高倍率画像。 （画像：Johannes Oeffner、Li Wen、James Weaver、George Lauder） 
サメの頭の歯。 （画像：Johannes Oeffner、Li Wen、James Weaver、George Lauder） フカヒレ歯（画像：Johannes Oeffner、Li Wen、James Weaver、George Lauder） 
マコザメのトランクの歯のパターン（画像：Johannes Oeffner、Li Wen、James Weaver、George Lauder） 「もしあなたが着ることのできる柔軟な表面にサメの皮膚の歯状突起または鱗の構造を持ち、比較的全身のウェットスーツのようであった水着を作ることができれば、それは本当にあなたの水泳パフォーマンスを向上させるでしょう」 しかし、この新しい素材はプライムタイムにはまだ準備ができていません。 「この種の構造をあらゆる種類のファブリックに組み込むことは、現時点では非常に困難です」と彼は付け加えます。 これは今後10年間の偉業です。
サメの皮のような素材は、生物付着や、船の底に藻やフジツボがたまることに対する防御線としても機能します。 ほとんどの防汚塗料は毒性があるため、人工のサメの皮は環境に優しい代替品を提供できます。 2005年、ドイツの研究者は、フジツボの定着を67％削減する、サメの皮に触発されたシリコン素材を開発しました。 その後、2008年にエンジニアのAnthony Brennanが同様のアプローチを採用し、歯茎のような質感を持ち、滑らかな表面への通常の藻類の付着を85％防ぐシャークレットと呼ばれる材料を作成しました。 Sharkletは、医療機器や病院の表面にも適用されています。 病院や公衆トイレでも、バクテリアは人から人へと容易に広がる可能性があるため、これらのドアノブと機器をバクテリアに耐性のある材料でコーティングすると、感染を減らすことができます。
ノースカロライナ州デューク大学の研究者は、刺激されたときに動物の皮のようにひくかしわになるこの防汚材料（この場合、ハエに触れるとひきつる馬が最良の例えかもしれません）を開発しました。 インペリアルカレッジロンドンの別のグループは、イルカの皮に触発された、水をはじく微細な隆起と化学物質が並ぶパイプ材料を作成しようとしています。
設計の観点から、サメの皮を使用して飛行機の翼のエネルギー効率を高めることもできます。ローダーは、将来的に有用であるとアプリケーションが考えています。 歯状の構造を平面に追加すると、抵抗を減らすことができます。 同様のラインに沿って、クジラの胸びれはすでにヘリコプターの翼のデザインに影響を与えています。
しかし、おそらくこれらの材料の最もエキサイティングな用途は、生物にヒントを得た水中ロボットの開発分野にあります。 「魚のように動く柔軟な屈曲体を備えた新しい種類の水中ロボットを開発する予定です」とローダーは言います。 いくつかのバッテリー駆動の魚ロボットが開発中であり、論理的には、偽のサメの皮を追加すると、速度とエネルギー効率が向上します。 ローダーと彼のチームは、フィラデルフィアのドレクセル大学の研究者と魚ロボットで協力しています。 それ以来、彼らは皮膚力学の研究を拡大して、さまざまな魚種を調べ、さまざまなスケールの形状とパターンが水泳にどのように影響するかを調べました。
3Dプリンティングにより、科学者は魚の歯状突起または鱗のパターンが水泳の力にどのように影響するかについてさらに学ぶことができます。 「（歯茎の）間隔を変更できます。 間隔を2倍にすることができます。 それらをずらし、重なり合い、重なり合わないようにし、多くの変更を加えて、サメの皮膚の主要な特徴を実際にいじり始めることができます」と、ローダーは言います。 これらの実験は、科学者が人工皮膚を完成させるのに役立ちます。
「現在、これは急速に成長している分野です」と、英国のレディング大学のエンジニアであるジョージ・ジェロニミディスは述べています。
ジェロニミディスの研究室は、人工のタコの皮を開発しました。 タコの皮には独自の複雑なセットがあります。柔らかく、柔軟で、数百万の感覚ニューロンで満たされ、生物が環境をナビゲートするのを助けます。 エンジニアの合成バージョンは、シリコンゴムに埋め込まれたナイロン繊維で構成されており、皮膚を柔軟にしますが、引き裂きに強いです。 吸盤もありますが、これらは受動的です。実際のタコは各吸盤を個別に操作できます。
まだやるべきことがたくさんありますが、将来的には、水中ロボットにサメの速度やタコの感覚的知性を与えることができるでしょう。 そして、洗練された人工皮膚で、彼らは人間ができない場所を冒険することができました-油流出の濁った水域を航海することから飛行機の残骸を捜すことまで、おそらく海の最も深い深さを探検することまで。
