材料科学
自然から学ぶ – �葉バッタの助けで光を操作する
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あるペンシルベニア州立大学の研究者が主導した新しい研究は、裏庭で一般的に見られる葉バッタが分泌する小さな粒子が次世代技術の構築に役立つことを発見しました。
最近、米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されたこの研究では、研究者たちは初めて、ブロコソームと呼ばれる神秘的な粒子の複雑な形状と光吸収の仕組みを正確に再現することに成功しました。
実は、多くの自然の機能性材料は階層的な微小・ナノ構造から成り立っており、これらは生物表面の不可欠な部分です。特に葉バッタはブロコソームを分泌し、体表面で展開可能な材料として利用しています。
ブロコソームは、葉バッタが生成する、内部に穴が開いたバッキー球状の球体で、空洞でナノスケール（1メートルの十億分の1）です。これらの疎水性粒子は葉バッタによって分泌され、体表面に存在します。
1950年代に最初に発見されたものの、ブロコソームの形状が持つ機能的意義は未だ解明されておらず、本研究はそれを変えることを目指しています。
ペンシルベニア州立大学の生体医工学・機械工学の教授であるTak-Sing Wongが主導したこの研究では、ブロコソームの通孔が光の反射を低減させることが判明しました。これは、短波長の低域通過型反射防止機能を示す初めての生物例であり、特定の短波長領域の反射を抑え、長波長は通過させる光学コーティングを指します。
研究によれば、ブロコソームの独特な形状は、生体模倣型光学材料（自然界の構造にインスパイアされた、微細に調整可能で応答性のある材料）の開発を可能にするかもしれません。
この開発は、蛾の目効果による反射防止とは異なります。蛾の目は表面の周期的なナノスケール構造により入射光をランダムに散乱させ、反射せずに眼に光が届くようにしています。この原理は、非常に効果的なコーティングとして、太陽光パネル、スマートフォン、タブレットなどに活用されています。
したがって、葉バッタのブロコソームは、コーティングや不可視クローク装置、より効率的な太陽エネルギー収集など、光学操作のための独自のアプローチを提供します。
ブロコソームの複雑な構造の再現
ブロコソームの独特な形状に関する理解が限られ、さまざまな葉バッタ種に共通して存在し、サイズや通孔は数百ナノメートルの範囲であるという不確実性がある中、ペンシルベニア州立大学の研究者はこの研究に取り組みました、これらの謎を解明し、種にとっての重要性を明らかにしようとしました。
チームは数年にわたりこの研究に取り組んできました。2017年には、ブロコソームの合成バージョンが初めて開発され、その機能をより深く理解しようとしました。
長年にわたり科学者がそれらを知っていたにもかかわらず、実験室でブロコソームを作ることは困難でした。これは粒子の幾何学的複雑さが原因であり、裏庭の昆虫がなぜこれほど複雑な構造の粒子を分泌するのかも不明でした。
数年前、ブロコソームの凹みや分布といった特徴は合成材料で模倣できましたが、正確なレプリカは作れませんでした。今回、チームは自然のブロコソームと同等の形状を、サイズが20,000ナノメートルのスケールで再現することに成功しました。
現在、実験室でこれらの複雑な構造を作成するために、研究チームはハイテクな3次元印刷法を利用しました。二光子重合（2PP）3Dプリンティングを用いて、ブロコソームの高忠実度合成版を製造しました。
研究では、最先端の3Dプリンターは200〜500nmの解像度でオブジェクトを作成できるものの、約300〜600nmの範囲にある自然のブロコソームのナノスケール形状を再現するには不十分であることが指摘されました。そのため、スケーリングモデル手法を用いて、顕微鏡レベルの合成ブロコソームをモデル系として製造しました。
合成ブロコソームとその通孔は、印刷された構造が3Dプリンターの解像度よりはるかに大きくなるよう、直径約20µmと5µmに設計されました。その結果、12個の五角形通孔と20個の六角形通孔が中空コアで接続された構造が得られました。殻の厚さは全径の7％で、通孔壁の厚さは20％で、自然のブロコソームを模倣しています。
製造されたサンプルは、20×20の合成ブロコソームが六方最密充填（HCP）格子状に配列されたもので、約91％の充填密度を示しました。通孔構造を持たない対照サンプルも製造されました。
チームは次に、ブロコソームの光学的形態と機能の関係を調査し、階層的な幾何学が狭いサイズ範囲と通孔構造により光の反射を大幅に低減することを示しました。
ブロコソームが異なる波長の赤外光とどのように相互作用するかを調べるため、研究者はマイクロフーリエ変換赤外分光計（FTIR）を使用し、構造が光をどのように操作するかを解析しました。
実験室で作製された粒子は、光の反射を最大94％まで低減できることが判明しました。これは、自然界の種が空洞粒子を用いてこのように光を制御するのは初めての事例です。
この発見は、葉バッタが捕食者から身を守るためにブロコソームの装甲で自らを覆う可能性が高いことを示唆しています。以前の仮説では、汚染物や水分から解放されるためだとされていましたが、共同著者のWongはそうではないと述べています。
さらに、チームは中空でバッキー球状の外観と孔のサイズが、紫外線（UV）光の吸収と可視光の散乱という二重の機能を持つことを発見しました。
興味深いことに、サイズは葉バッタ種間で一貫しており、昆虫の体サイズに関係なく、ブロコソームは直径約600nm、孔は約200nmです。
この一貫性により、UV視覚を持つ鳥や爬虫類などの捕食者に対する可視性が低減されます。UV光は孔のサイズにより吸収され、可視光は散乱されて反射防止シールドを形成します。
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驚くべき潜在的応用
海軍研究局の支援を受けて、本研究は構造の複雑さに対する答えを見出し、広帯域光散乱を強化するように設計されていることを示しました。さらに、通孔は短波長のローパスフィルターとして機能し、光の反射をさらに低減しました。
これらの効果により、ブロコソームは広帯域波長範囲で鏡面反射を80〜94％低減することが可能です。本研究の主任著者で機械工学のポスドク研究者であるLin Wangは、これが「技術革新に非常に有用になる可能性がある」と述べています。
表面上の光の反射を制御する新たな方法は、機械や人間の熱サインを隠すことを可能にし、将来的には葉バッタの技術を利用した熱不可視クロークの実現が期待され、軍事や監視用途に有望です。
「私たちの研究は、自然を理解することで現代技術の開発に役立つことを示しています。」
– Wang
本研究の成果は、日焼け止めの高度化による紫外線からの保護や皮膚がんリスクの低減、光による劣化から医薬品を守るコーティングの開発、さらにはより効率的な太陽エネルギー収集システムの実現に応用できる可能性があります。
チームは自然のブロコソームの正確なレプリカを作製することに成功しましたが、研究はまだ続きます。次の段階では、合成ブロコソームの製造を自然のものにより近づけることに焦点を当てます。
チームはまた、合成ブロコソームを情報暗号化に利用する可能性も探ります。ブロコソームの複雑な構造は、特定の光波長下でのみデータが可視化される暗号システムに組み込むことができ、安全な通信を実現します。
Wangによれば、本研究は自然からインスピレーションを得る価値を示しており、「自然は科学者が新しい先進材料を開発するための優れた教師である」と述べています。
葉バッタは多くの昆虫種のうちの一例に過ぎず、これは始まりに過ぎません。「さらに多くの驚くべき昆虫が材料科学者の研究を待っている」とWangは予測し、こうした研究が「さまざまな工学的課題の解決に役立つ」ことを期待しています。
研究者は本研究に関して米国の暫定特許を出願しており、カーネギーメロン大学の機械工学博士課程学生Zhuo Liと同大学の機械工学教授Sheng Shenも貢献しています。
自然の逆エンジニアリングに成功した製品
本研究は自然から学ぶことの大きな意義を示していますが、これは新しい現象ではありません。人類は古代から自然にインスパイアされてきました。
歴史的に、古代ギリシャ人は建築物を黄金比に基づいて設計しました。19世紀には、コロラド州のスペイン系入植者がコロンビアリスの地上リスの巣穴の深さを利用して地上に家を建てました。最近では、ゴキブリなどの昆虫のバランスシステムを逆エンジニアリングし、より安定したロボットの設計に活かしています。
特にヤモリはロボティクス産業において大きなインスピレーション源です。ウォーターロ大学の研究者は、ヤモリとイモムシの把持能力を研究しました、将来的に医師が手術を行う際に役立つ小型ロボットの開発を目指しています。
マックス・プランク研究グループは、ヤモリのハードランディングから得られた洞察を活用し、ロボット航空機がより安定した止まり方を実現できるように目指しています。NASAも爬虫類からインスピレーションを得ており、ヤモリ接着剤は国際宇宙ステーションでテストされています。一方、Boston DynamicsのRiSEロボットはヤモリにインスパイアされた足を持ち、自然の卓越性が驚くべき発明や製品にどのように活かせるかを示しています。
それでは、自然にインスパイアされた製品を設計・開発した企業をいくつか見てみましょう：
#1. Velcro Industries
1941年、スイスの技術者で実業家のジョージ・ド・メストラルは、自己と犬の毛に付着したトゲウオからインスピレーションを得て、ベルクロを発明しました。顕微鏡でトゲウオを観察すると、シンプルで巧妙な仕組み―小さなフックと布のループ―がトゲウオを表面にしっかりと付着させていることが分かりました。
VelcroのブランドであるALFA-LOKファスナーも同様の例で、キノコの独特な構造からインスピレーションを受けています。ファスナーはキノコの傘のような小さなフックを備えており、各フックの先端にキャップがあり、確実な閉鎖を実現します。
Velcroが語るように、自然からのインスピレーションは赤ちゃん用おむつを確保し、月へと私たちを導き、2,000件以上の特許を生み出しました。現在、Velcroは汎用語となり、コンピューティング、ヘルスケア、自動車産業など幅広い分野で使用されています。
#2. Sharklet Technologies
細菌の拡散を防ぐために、この企業は細菌や微生物の増殖を抑制する表面を開発しており、医療現場での応用が期待されています。化学薬品や抗生物質に頼らず、これらの表面はその構造自体が抗菌性を持ちます。
これらの表面は、サメの皮膚のテクスチャにインスパイアされた微細なパターンで覆われています。高さ約3ミクロン、幅約2ミクロンのパターンは肉眼でも指で触れても感じられません。Sharkletは、表面から突き出た正のパターンと、材料表面に凹んだ逆パターンの複数のバリエーションを開発しています。
このパターンは、2002年に材料科学・工学の教授であるAnthony Brennan博士が、船舶や潜水艦の船体に藻が付着する問題の解決策を探していたときに生まれました。走査型電子顕微鏡でサメの皮膚の凹凸を観察すると、微小なリブレットがダイヤモンド状のパターンで配置されており、微生物の付着を防いでいることが分かりました。
#3. BioMASON
インフラ分野で、この企業はバイオミミクリーを活用し、世界の二酸化炭素排出量の8％を占めるセメントの製造に取り組んでいます。セメント需要が増大する中、建設の気候影響を低減するため、BioMASONはセメントの製造方法を変革しました。
同社は自社技術を他社に提供しており、自然界で最も頑丈で長寿命な構造であるサンゴ礁からインスピレーションを得ました。貝殻やサンゴ礁で自然に形成される炭酸カルシウムの生成プロセスを模倣し、石灰石を加熱して炭素を抽出する代わりに、バイオセメントの製造に同様のプロセスを採用しています。
現在、同社はバイオミミクリーを活用して、建築物向けの強靭で持続可能な材料を創出することを目指しています。鉱山廃棄物からの骨材を取り入れ、微生物を結合剤として使用し、乾燥工程は太陽熱で行います。同社は防衛高等研究計画局（DARPA）から資金を獲得し、エンジニアド・リビング・マリン・セメントの開発を進めています。さらに、Project MEDUSAが進行中で、微生物を利用して遠隔地に軍事用の滑走路や構造物を構築することを目指しています。
結論
Wangが述べたように、葉バッタや他の昆虫は「バグではなく、インスピレーションである」と言います。長年にわたり科学者は自然を研究し、上記のように製品設計に活かしてきました。継続的な研究と有望な結果、そしてマルチスペクトルカモフラージュ、光学暗号化、全方向反射防止コーティングなどへの応用により、葉バッタのブロコソームに関する反射防止研究は多くの技術的進歩をもたらし、さまざまな産業に大きな変化をもたらす可能性があります。
