【目次】
- 1. アマガエルの足指パッドにヒントを得たウェアラブル柔軟電極
- 2. 魚の皮にヒントを得た抗力低減のためのヤヌスハイドロゲルコーティング
- 3. 直接静止画像と超高速動き検出のための人工複眼
自然進化は、最適なマクロ・ミクロ構造、自己適応性、自己治癒能力、優れた機械的特性、濡れ性、接着性、その他多くの特性を持つ生体材料を作り出しました。 天然材料に関する詳細な研究を通じて、天然生体材料の様々な特性に従って、その構造法則を模倣し、様々な特性を持つ生体模倣材料を設計・製造することができ、これには、生体模倣高強度材料、生体模倣超親水性/超疎水性材料、生体模倣高接着材料、生体模倣スマートフィルム材料、生体模倣ロボットなどが含まれています。
現在、伝統的な製造技術では、自然界に存在する複雑な微細構造を再現することが困難です。超高精度3Dプリント技術は、まさにこのような複雑な微細構造の加工を可能にするものです。BMF超高精度3Dプリント装置は、高解像度（解像度2μm）、多スケール加工、高い加工効率、低コストなど多くの特徴を備えており、マイクロメートルスケールの複雑な3次元構造の製造に非常に適しています。 以下は、BMF精密3Dプリント技術（PμSL）をバイオミメティクス分野における応用研究の例です。
図1 流体の自律的な流動方向選択を可能にするナンヨウスギ模倣3D鋸歯構造、BMF microArch® S140装置でプリント
1. アマガエルの足指パッドにヒントを得たウェアラブル柔軟電極
ウェアラブル柔軟電極の応用における困難は、主に、いかにして高品質な信号取得を実現するか、いかにして異なる皮膚条件下で長期間安定した接着を実現するか、いかにして長時間装着時の快適性を向上させるかにあります。 現在、フレキシブル電極の接着性と透過性に影響を与える微細構造に関する多くの関連研究が行われているが、安定した接着性、低界面インピーダンス（low interface impedance）、高透過性の有機的統一を達成することはまだ困難です。
そこで、Jinyou Shaoらは、アマガエルの足指のフリッパーをモデルに、高透水性、高透気性、安定した接着性、高耐久性を備えたウェアラブルフレキシブル電極を設計し、生理的電気信号の長期連続モニタリングに応用しました。
関連研究成果は「Treefrog-Inspired Flexible Electrode with High Permeability, Stable Adhesion, and Robust Durability」と題し、『Advanced Materials』誌に掲載されています。
図2 設計の着想と構造
フレキシブル電極のデザインは、アカハラアマガエルのヒレにある分散した六角形の柱状構造と、深層にある粘液腺（mucous gland）から着想を得ています。 六角形の分散柱状構造は、大きな液橋を複数の小さな液橋に分散させることができるため、ヒレと様々な表面との密着性を大幅に向上させることが可能です。また、六角柱状構造の間隙に分布する粘液腺は、粘液をヒレの間で均一に分散させることができ、これら2つの構造を組み合わせることで、様々な表面に対するカエルの安定した密着性を実現することができます（図2）。
図3 3Dプリンターで作製した金型（A, B）と、テーパー穴のあいたアマガエルのヒレを模倣した電極（C, D）の表面顕微鏡形態
上層は鳥のくちばしと粘膜腺を参考にデザインされた改良円錐孔構造で、下層は分散柱状構造です（図3）。この電極は、BMFの高精度3Dプリンティング装置（microArch® S130）で型を加工した後、導電性複合材料を転写して作製されました。
本論文のアマガエルのヒレをベースとしたバイオニック電極は、乾燥／湿潤皮膚表面への安定した接着を実現でき、高い透水性、高い通気性、長時間の装着快適性、安定した低接触インピーダンスなどの利点を有しており、生理的電気信号の長時間連続検出への幅広い応用促進が期待されます。
2. 魚の皮にヒントを得た抗力低減のためのヤヌスハイドロゲルコーティング
パイプライン輸送、マイクロ流体工学、海運など、多くの工学分野で抗力低減表面の必要性が高まっています。 自然界では、魚の表面にある鱗構造と粘液が優れた流体力学的特性と防汚性を与え、摂餌や捕食者の回避を容易にしています。
これにヒントを得て、Longjian Xueらは魚の鱗構造を持つ抗力低減ヤヌス・ハイドロゲルコーティング（JHC）を設計・開発しました。 この研究成果は、Chinese Journal of Chemistry誌に「Fish Skin-inspired Janus Hydrogel Coating for Drag Reduction」というタイトルで掲載されました。
このコーティングは、魚の鱗のような構造を持つ抗力低減上面（slippery hydrogel, SLH）と、強力な粘着性を持つ粘着性ハイドロゲル（sticky hydrogel, STH）から構成されています。 BMFのmicroArch® S230精密3Dプリンティング装置を用いて、イボダイの鱗を基にした生体模倣構造テンプレートを作製し、テンプレート法と光重合を組み合わせてJHCを合成しました。 テンプレート法と光重合法を組み合わせてJHCを合成しました（図4）。
図4 イボダイの皮膚を模倣したヤヌスハイドロゲルコーティングの調製と顕微鏡像
さらに、STHハイドロゲル系とSLHハイドロゲル系におけるモノマー、架橋剤、第二のネットワークポリマーの含有量を調節することで、2つのハイドロゲル層の架橋度を変えることができ、コーティングの粘着滑り特性をさらに制御することができました。 また、P(AA-co-AM)の分子鎖には、アミノ基（amino groups）やカルボキシレート基（carboxylate groups）などの極性基（polar groups）が豊富に存在します。 分子鎖中にアミノ基やカルボキシレート基などの極性基が豊富に存在することにより、STHと様々な表面との間に水素結合（hydrogen bond）や静電的相互作用が形成され、STHの接着能力が向上します。 STHのせん断接着強度（shear adhesive strength）は103.3±17.5kPaに達し、金属、セラミックス、ポリマーなど様々な表面を強固に接着することが可能です。
魚の鱗の表面構造と粘液にヒントを得て調製したJHCハイドロゲル・コーティングは、優れた機械的特性、抗膨潤特性、抗汚染特性、抵抗低減特性を有しており、バイオエンジニアリングや船舶などの分野での応用が期待されます。
3. 直接静止画像と超高速動き検出のための人工複眼
自然界に生息する節足動物（昆虫や甲殻類など）の多くは、複眼（compound eyes）というユニークな視覚構造を持っています。 複眼は複数の小さな目から構成され、広い視野と高速な動き検出を実現します。 しかし、既存の人工複眼（artificial compound eyes, ACEs）の性能は、静的な撮像や動的な動きの検出にはまだ限界があり、天然複眼（natural compound eyes, NCEs）との比較は難しいです。
従来の人工複眼の多くは平面マイクロレンズアレイを使用しており、作製は比較的簡単であるが、視野（field of view, FOV）、撮像品質、動的応答（dynamic response）において多くの欠陥があります。 この点に関して、香港理工大学のXuming Zhangらは、より高い動的応答と広い視野を実現するために、271本のレンズ-ポリマー光ファイバーを統合し、自然の複眼の構造を模倣した新しい人工複眼を提案しました。
この研究成果は、Light: Science & Applications誌に「Optical fibre based artificial compound eyes for direct static imaging and ultrafast motion detection」というタイトルで掲載されました。
人工複眼カメラ（ACEcam）コンポーネントとPDMS転写用の円錐形スロットモールドは、BMFの3Dプリンティングマシン（microArch® S140）を使って作製され（図5）、その後、電気メッキとモールディングプロセスによってファイバーが作製されました。 その後、先細りのマイクロレンズを備えた271本の光ファイバー端が、自然の複眼の配置を模倣して3Dプリントされたドーム構造に組み込まれ、ACEcamが180度のパノラマ視野とリアルタイムの高解像度撮像のために、様々な角度から光を集めることができるようになりました。
図5 サンドフライの複眼と様々な人工複眼のイメージングとACEcamの組み立てに使用された3Dプリント部品の比較
さらに、ACEcamの動的応答性能は約100倍向上しており、自然の複眼の応答周波数が通常205Hzであるのに対し、ACEcamは31.3kHzの応答周波数を達成することができ、複雑な環境において静的・動的情報をより迅速かつ正確に捉えることが可能です。 それだけでなく、ACE camは視覚信号の平行移動と回転に基づいてオプティカルフローを決定することができ、データ処理のためのルーカス-カナード法と組み合わせることで、高速な動きを安定かつ確実に検出することができるため、監視、UAV、バーチャルリアリティの分野で幅広い応用が期待されています。
図6 ACEcamの動作原理とテーパーマイクロレンズ光ファイバーの作製フロー
この論文では、高精度3Dプリンティング技術を使って光ファイバーベースの人工複眼を作製し、天然の複眼の広い視野と高解像度の撮像能力、さらに動的な動き検出における超高速応答を模倣することに成功し、天然の複眼の構造と機能を模倣する上で大きな可能性を示しました。
原文リンク：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01580-5
