積層造形
エンジニアは自然からインスピレーションを得て、3Dプリント水浄化ソリューションの設計に取り組む
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自然は常にエンジニア、建築家、技術研究者、そして世界中の科学者にインスピレーションを与えてきました。鳥は私たちの飛行技術にインスピレーションを与えました。草原の生態系は人類がより持続可能で効率的な農業システムを開発することを促しました。花の渦巻き状の流れは効率的な水混合システムにインスピレーションを与えました。とげのある種子はベルクロにインスピレーションを与えました。リストは尽きません！
現在、MITのエンジニアが、モブラエイの独自の濾過摂食技術とその特殊な構造が、より効率的な産業用水フィルターにインスピレーションを与える可能性を示した科学報告が発表されました。
発見を深く掘り下げる前に、まずモブラエイについて簡単に見てみましょう。
モブラエイとは何ですか？
また、アクロバティックに跳ねる様子から「飛翔エイ」とも呼ばれ、モブラエイは大きく平らでダイヤモンド形の体を持つ生物ですで、長いひれにより水中—そして空中でも—滑空できます。これらの魚は定期的に群れを成して海面から跳び上がり、約2メートルほど空中に飛び上がってから水しぶきを上げて戻ります。
自然史博物館が指摘するように、モブラエイは濾過摂食を行い、口で水中のプランクトンを濾し取ります。また、彼らは大規模な群れを形成します。しかし、これらが3Dプリントされた水浄化ソリューションの設計にどのようにインスピレーションを与えるのでしょうか？次のセクションで議論します。
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水浄化のためにモブラエイに続く
モブラエイの濾過装置は産業用クロスフローフィルターに似ていますが、異なるパラメータ領域で動作します。産業用クロスフローとモブラ濾過のギャップを埋めるために、研究者は確立しました「漏れチャンネルにおける透過性と選択性のトレードオフに対する普遍的なフレームワーク」を。
研究者は、モブラエイの濾過装置の形状が呼吸と摂食のバランスを取るように進化し、従来の濾過領域を超える設計原則を導き出すことに成功したと主張しています。その結果、モブラにインスパイアされた濾過装置が作られました。
これらすべてが 複雑なバイオミミクリーの演習のように聞こえるかもしれませんが、 バイオミミクリーの分野における複雑な演習のように聞こえるかもしれませんが、モブラエイをもう少し詳しく見るとメカニズムはシンプルです。モブラエイは口を開けたままプランクトンが豊富な海域を泳ぎ、水が口に入りえらへびを通って流れ出す際にプランクトン粒子を咽頭に濾し取ります。
モブラエイの口底は両側に平行なコーム状構造（プレートと呼ばれる）で覆われており、水をエイのエラへと吸い上げます。このプレートこそが本研究の鍵となる要素です。
MITの研究チームは、これらのプレートの寸法が流入するプランクトンをプレート全体に跳ね返し、エイの腔内へと導くことができ、エラからは出て行かない可能性があることを示しました。さらに、モブラエイのエラは流出する水から酸素を吸収でき、摂食と同時に呼吸を行うことができます。
研究によると 著者のアネット・“ペコ”・ホソイ（MIT機械工学部パパラド教授）によれば：
「我々（研究者）は、モブラエイがこれらのプレートの形状を進化させ、摂食と呼吸のバランスを取るのに最適なサイズにしたことを示しています。」
研究者はモブラエイのプランクトン濾過機能に合わせた水フィルターを設計しました。その後、3Dプリントされたプレート状構造を装着した場合の水流を調査しました。これらの実験結果は、産業用クロスフローフィルターを最適化するための設計者向けブループリントにまとめられました。
MITのポストドクターで主著者の毛晓宇（Xinyu Mao）によれば：
「我々は、マンタエイから得た新たな知見で従来のクロスフローフィルターの設計空間を拡大したいと考えています。」
拡張の性質を説明しながら、研究者は次のように述べました：
「人々はモブラエイのパラメータ領域を選択することで、全体的なフィルタ性能を向上させる可能性があります。」
彼らはモブラエイにインスパイアされたフィルタ設計として、シンプルなフィルタを作成しました。この設計は「漏れチャンネル」と呼ばれ、側面に穴が開いたパイプに似ています。「チャンネル」の詳細を説明すると、二枚の平らなアクリル板の間に僅かな隙間があり、流体がその隙間を通って流れます。チャンネルの一端に、モブラエイの口内の溝状プレートを模した3Dプリント構造を配置しました。
彼らはチャンネルに水を様々な速度でポンプで流し、流れを可視化するために着色染料を加えてテストしました。流速が上がると、水は各溝の口で渦を生じさせ、粒子が通過するのを防ぎ、代わりに粒子をチャンネル内に押し下げました。
モブラエイが通常行うのは、適切な速度で泳ぎ、渦を生成して最小のプランクトン粒子さえも捕らえ、残りの水はエラから流れ出すようにすることです。この洞察は、産業用クロスフローフィルターを最適化するための理想的なブループリントの鍵となり、フィルタ設計の改善に実用的な指針を提供します。
1. Ford
世界で最も尊敬されている自動車ブランドの一つであるFordは、ミツバチからインスピレーションを得て、軽量でありながら強靭なハニカム貨物棚を設計しました全く新しいEcosport SUVのために。このFord EcoSportは、強度の高い100％リサイクル紙ハニカムで作られた調整可能な貨物フロアボードを備えており、コンパクトSUVの顧客が少ない資源でより多くを実現できるようにしています。
全て自然由来の紙と水性接着剤で作られたこのハニカムフロアボードは、約6ポンド（約2.7kg）と軽量でありながら、約700ポンド（約317kg）の荷重に耐えるほどの強度があります。もともとはミツバチから派生したこのバイオミミック技術は、50年前に家庭用ドア製造に初めて導入されました。
FordのEcoSportアシスタントチーフエンジニアであるMike Maxzzellaは、同社の車における自然インスパイアデザインについて次のように語っています：
「ハニカムの六角形デザインは自然の独創性の証です。強度があるだけでなく、非常に軽いです。顧客は棚をオーブンラックのように複数のスロットに差し込むことができ、シートの背面にも収納できます。これによりEcoSportは日常使用で超柔軟になります。」
EcoSportの棚はわずか6ポンド（約2.7kg）しかありませんが、38.5インチ×25.25インチ（約97.8cm×64.1cm）の面積で約700ポンド（約317kg）を支えるよう評価されています。言い換えれば、この棚はコンクリートミックス5袋（各94ポンド）、大きな土壌袋4袋（各40ポンド）、そして8ガロンの水（各約8ポンド）など、重いアイテムの組み合わせを無数に保持できます。
Fordは常に自然の機能に目を向け、製品をより良く、効率的で頑丈にする方法を模索してきました。約10年前の2015年に、同社は組織的にバイオミミクリーの探求を始めました。 Procter and Gambleと共同で新しい接着剤を開発する研究パートナーシップを発表しました、自然インスパイアソリューションの採用を推進する非営利団体です。
このようなパートナーシップの重要性について語ったBiomimicry Instituteのエグゼクティブディレクター、Beth Rattnerは次のように述べました：
「Fordのような企業が『これはより良く、持続可能なデザインだからだけでなく、人々がプロセスにおいて自然の有機体にもっと注意を払うようになるために取り組んでいる』と言うことは極めて重要だと思います。」
2015年に同社は、トカゲの足裏にあるトカゲの足裏の構造を研究し、新しい接着剤を開発しようとしました。この構造はトカゲが天井やガラス窓を走り回ることを可能にします。Fordは、このトカゲ足裏にインスパイアされた接着剤により、車が金属内部を取り除かれた後に残るプラスチックやフォームの混合物をより効果的に分離でき、リサイクル率を最大10％向上させる機会と見ました。
当時Fordのプラスチックと持続可能性研究のシニアテクニカルリーダーであったDebbie Mielewskiによれば：
「もしそれを分離でき、内部の異なるストリームを特定できれば、上位用途に活用できる可能性が格段に高まります。」
F 価格チャート
Fordが自然からインスピレーションを引き続き得ている間、財務的にも収益面でも同社は2024年9月30日で終了した四半期に462億ドルの収益を記録し、5.47％の成長を示しました。過去12か月の収益は1827億ドルで、前年同期比4.89％増です。2023年には、Ford Motor Company (F ) は1761億ドルの年間収益を上げ、11.47％の成長を記録しました。
2. The Procter and Gamble Company
自然から製品配合の原則を学ぶ最前線にいるもう一つの大手企業がProcter and Gambleです。2024年、Procter and Gambleは、AIベースのタンパク質設計のための遺伝的生物多様性マッピングを行うBasecamp Researchと提携し、低温条件での高性能洗浄酵素の開発を加速させました。
このパートナーシップは、低温環境に適応した生物から学び、AIを活用して冷水洗浄性能を向上させる新しい酵素を設計することを目指しました。
このパートナーシップの目的とP&Gが得ようとする価値について語った、P&Gのラウンドリ研究開発シニアディレクター、Philip Souter OBE博士は次のように述べました：
「Basecamp Researchとこのイニシアチブで提携できたことを嬉しく思います。自然に関する彼らの独自の視点とAIの能力を、当社の豊富なイノベーションの専門知識と組み合わせることで、優れた消費者体験を提供する新しいソリューションを共同で開発しています。」
P&Gは、Basecamp Researchの能力を活用し、低温環境に生息する何百万もの生物の遺伝的多様性を理解し、低温洗浄温度での効果を高め、熱水の使用を減らすことで環境と光熱費に優しい取り組みを進める計画を持っていました。
Procter and Gambleは、Biomimicry 3.8の研究で、ヘビとヒルからインスピレーションを得て洗剤を改良したことにも触発されました。Biomimicry 3.8は、自然に配慮したデザインとイノベーションに焦点を当てた世界有数のコンサルティング・プロフェッショナルトレーニング会社です。
Biomimicry 3.8の研究の一つは、洗濯製品のシミ除去効果の向上に焦点を当てました。生物界の深層パターンに注目することで、Biomimicry 3.8は血液シミ除去に挑む30の独自の生物戦略を特定しました。この研究は、ヘビとヒルが血液を消化できる多くの生物の中で、最も頑強なシミメーカーであることに注目しました。
これらの生物は、他にも多数あり、塩素や廃水、エネルギー使用を削減しながらシミ除去に役立つ設計教訓を提供しました。この研究のおかげで、P&GのR&D部門は研究全体を転換しました。主任科学者のYousef Aouadは、血液シミを除去するための概念的なステップを示す血液シミモデルをチームに提供したと述べました。
「しかし最も重要なのは、このモデルが後から次のことを説明できるようになったことです：なぜ現在の酵素は血液シミに対して十分に機能しないのか？」
– Yousef Aouad
PG 価格チャート
自然から学び、継続的にインスピレーションを得ることで、同社の製品提供と製品ラインナップの多様性はますます成長しました。 同社の収益は安定した成長を示し、純売上高は2020年の710億ドルから2024年には840億ドルへと増加しました。営業利益も157億ドルから185億ドルへと上昇しました。
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自然インスパイアデザインの未来
企業は、デザインが持続可能で環境に優しく、利用可能な資源を最適化し、多様な気候条件に適応できる柔軟性を持つため、自然からインスピレーションを得ることにますます関心を寄せています。
最近で最も注目されている自然模倣デザインの一例は、Mercedes Benzがボックスフィッシュの優れた構造強度と低質量からインスピレーションを得て開発したバイオニックカーです。この車は、従来の車に比べて空気抵抗を低減し、剛性が高く、軽量で、燃料消費も大幅に低減すると報告されています。
日本では、弾丸列車のデザインはカワセミにインスパイアされました。空と水の間をほとんど水しぶきなしで移動するマスターであるカワセミは、新幹線弾丸列車の長いくちばし形状のノーズデザインに影響を与えました。このデザインは列車の騒音を大幅に削減し、電力消費を15％削減、速度を10％向上させました。
約20年前、別のMIT研究グループは、微小な水量を捕捉・制御できる新素材を開発しました。そのデザインは、直径数ミリの甲虫にインスパイアされています。この素材は、超疎水性（撥水）表面と超親水性（吸水）突起を組み合わせ、液滴を捕捉し水流を制御します。
この新素材の潜在的な応用例としては、雨水の収集、ラボオンチップ（診断やDNAスクリーニング用）、マイクロ流体デバイスや冷却装置の作成が挙げられます。
バイオミミクリーの歴史は人類文明と同じくらい古く、工学だけでなく建築にも例が見られます。建築においてバイオミミクリーは、自然と調和したより持続可能で効率的な建物の設計として表れます。バイオミティック建築と呼ばれるこれらの建物は、エネルギー効率が高く、生態気候的で持続可能、適応性があり、レジリエントであることを目指しています。
しかし、バイオミミクリーをより効率的なプロセスにするためには、ツールがより効果的になる必要があります。デザイナーによれば、選択肢が不足しているわけではなく、ほとんどのバイオミティックツールは概念を生成し、バイオミミクリー分野から潜在的な応用へとマッピングするのに役立ちます、しかし、これらのツールは、生物学的概念を製造可能なプロトタイプに変換するための実践的なアドバイスをほとんど提供しません。
しかし、自然に基づくデザインを日常の応用に取り入れる技術への投資が顕著に増加しています。推定によれば、世界のバイオミティック技術市場は2017年の68億米ドルから2028年の185億米ドルへ。
かつては、技術や機械の目的は、繰り返しの作業や単調な作業を自動化して生活をシンプルにすることでした。現在では、技術は持続可能性を重視し、利用可能な資源を賢く使用し、炭素排出に対する地球への影響を最小限に抑える必要があります。
自然インスパイアデザインは、技術をより効率的にする優れた方法となり得ます。この特徴は、今後の注目と投資を呼び込むでしょう。
