千歳科学技術大学 バイオミメティクス研究センター高分子学会バイオミメティクス研究会

バイオミメティクス推進協議会ISO TC266 biomimetics 国内審議委員会

文部科学省科学研究費新学術領域「生物規範工学」北海道大学名誉教授・東北大学名誉教授

下村 政嗣

自己組織化プロセスが拓くバイオミメティクス機能材料

監修者 ：国武 豊喜編集幹事 ：下村 政嗣

山口 智彦NTS出版 2009年

監修者 ：国武 豊喜編集幹事 ：下村 政嗣

山口 智彦フロンティア出版 2007年

二分子膜

銀河系

チューリングパターン

オルガネラ

Wine Legs

寒気吹き出し

ベナール対流

自己組織化：物質、スケールに依存しない構造形成

フィンガリング不安定性

Coffee stain

100 mm

ベナール対流 マランゴニ対流 スティック・スリップ現象

蛍光顕微鏡

スライドグラス

高分子溶液

Dissipative structures formed in casting proces日常生活に見られる自己組織化パターン

３相界面における脱濡れ現象（dewetting）

湿式成膜（キャスト）による高分子のパターン化

1 mm

100 mm

フィンガリング不安定性からストライプが形成される様子（おおよそ３秒間隔で撮影）

液晶性ポリアセチレンから形成されるストライプパターン

シリカ微粒子（粒径100nm）が形成するストライプパターン

シリカストライプのＳＥＭ像

自己組織化による高分子のパターン化

Polymer solution

Continuous Sliding of Receding Meniscus

自己組織化による高分子のパターン化

呼気像（Breath Figure）結露 (dewing)

自己組織化による高分子のパターン化

結露現象を使った“ハニカム構造フィルム”の作製

自己組織化による高分子のパターン化

陽極酸化ポーラスアルミナ

モスアイフィルム

鋳型

ベナール対流

益田「ナノホールアレー」プロジェクト

三菱レイヨン

T. Kunitake te.al, "A totally synthetic bilayer membrane",

J . Am. Chem. Soc., Volume 99, pp. 3860–3861 (1977).

二分子膜の高分子化・材料化

Membrane Mimetics我が国発の生体膜模倣化学

平成２６年度 文化勲章2015年 京都賞

分子組織化学によるバイオミメティクス

1940 20001960 1970 1980 19901950 年

m

mm

mm

nm

面状ファスナー（VERCRO)シュミット・トリガー

BiomimeticChemistry

黎明期

分子系バイオミメティクス

機械系バイオミメティクス

材料系バイオミメティクス

2010

超分子化学人工光合成

ナノテクノロジー

“ｎiche”（未開拓）だった”サブセルラー・サイズ構造“

のSEM観察

コウモリ模倣ソナー

人工酵素人工生体膜分子認識

1935年ナイロン

繊維・高分子

新幹線の空力デザインパンタグラフのデザイン

総合的工学体系としての生物規範工学

昆虫型ロボット

新潮流

博物学とナノテクノロジー

の連携

自然史学分類学

蓮の葉→超撥水 蛾の眼→無反射ヤモリの指→接着 モルフォ蝶→構造色

数十nm

数mm

サブセルラー・サイズ

ゲル・人工筋肉

kmバイオミメティック・アーキテクチャーバイオミメティック・スマートシティ

生態系バイオミメティクスバイオミメティクスの歴史

107° 153°

Honeycomb structure Pillared structure

20mm

Lotus leaf effect

自己組織化材料によるバイオミメティクス

Cassie-Baxter state

自己組織化材料によるバイオミメティクス

Moth-eye

複眼

モスアイ構造

モスマイト

三菱レイヨン

モスアイ構造なし モスアイ構造あり

モスアイ構造：無反射表面

生物表面ナノ・マイクロ構造の多機能性

モスアイ構造

無反射性 撥水性

防汚性 低摩擦性

モスアイ構造なし モスアイ構造あり

Anti-fogging

E.Ivanova, et.al, Small (2012)

＊

下澤、比較生理生化学（2016）

自己組織化：“好い加減さ“とロバストネス

バイオミメティック・バイオフィルムとしてのナノスーツ

自己組織化：分泌系バイオミメティクス

防汚・保護膜としてのバイオフィルム

自己組織化：分泌系バイオミメティクス

SLUG処理未処理

千歳科学技術大学キャンパス

氷点以下ナメクジ効果分泌液による防汚付着力低下

常温モスアイ効果表面構造による超撥水性・光散乱防止

NEDO エネルギー・環境新技術先導プログラム

なめくじ：バイオフィルムSLUG：Self-Lubricating organoGel

離漿A.Hozumi, J. Mater. Chem. A, 3 (2015) 12626.

冷却

昇温

生物表面模倣による難付着・低抵抗表面の開発

ガラパゴスザメ ネムリブカ ノコギリザメ ネコザメ

全体図

鱗一つ拡大図

名称

遊泳性 高 中 中 低

2mm 2mm 2mm 2mm

40

500μm

2mm

50μm

1mm1mm

500μm300μm

1mm

ナノスーツ法による鮫体表のSEM観察

NEDOエネルギー・環境新技術先導プログラム

上昇流 200μm

サメの体表構造の３D解析 流体シミュレーション流体機器の流れ制御に適用

日立製作所

人類の叡智

無着氷雪 防汚低摩擦 無反射 抗菌

低流体抵抗

耐熱

放熱

計測技術

観察技術

ナノ

生物多様性ビッグデータ“壮大なるコンビナトリアル・ケミストリー（進化適応）”

発想支援型画像検索システム

有機、無機、高分子、金属、ハイブリッド、コンポジット

ロバストネスと自己組織化非厳密性、フェイルセーフ柔軟性、強靱性、階層性自己修復性ボトムアッププロセス常温・常圧プロセスユビキタス元素

情報科学が繋ぐ生物学と工学

熱(放散)特性

機械特性

光学特性透過障壁 濡れ性防汚・セルフクリーニング

生物表面の多機能性

最適化：プロセス・マテリアル

ミクロン ミリ センチ自己組織化

ナノインプリント 3Dプリント

最適な構造・機能デザイン

計算科学による材料・構造設計支援/最適化

材料設計

解決すべき課題(耐久性、ロバストネス、ライフサイクル・アセスメント)

ANTIX Surface 機能材料

生物シーズからの着想 工学ニーズからの開発

情報学による生物から工学への技術移転

サイバー空間フィジカル空間 フィジカル空間

生物多様性インベントリー

材料・構造・物性データベース

バイオミメティクスインフォマティクス

材料、デバイス、機械、建築、都市設計のためのシミュレーションと最適化技術

情報学オントロジー強化型シソーラス類似画像検索システム

BioTRIZ

データジャーナル自然史博物館

水族館・動物園・植物園

バイオミメティクス

生物学 工学

自然史学 インフォマティクス 産業技術

マテリアルズインフォマティクス

生物規範工学規範生物学

高温高圧

リソグラフィー

化石燃料原子力

Fe, Al, Si希少元素

人間の技術体系生物の技術体系

常温・常圧自己組織化階層的構造化

太陽エネルギー化学エネルギー

CHOPiNS

持続可能

進化適応と生物多様性は壮大なるコンビナトリアル・ケミストリーによる

“物理・化学の法則・原理の組み合わせ最適化“

何億年にも亘る試作と評価の結果

完全なる炭素循環社会 ？＝ ＝

機能発現のパラダイム

蓮（表面構造） vs テフロン（物質）

技術とは

自然界に働きかけ生き残る“術”

生産プロセスのパラダイム

バイオミネラリゼーション vs 焼結（自己組織化） （高温過程）

“ヒト社会の技術体系”健全化の指導原理としての

規範生物学

パラダイム変換

20

第１章 生物の形や仕組みはテクノロジーにいかせる

第２章 生物表面の多機能性や高機能性に学ぶ

第３章 情報の受信と発信の仕組みに学ぶ

第４章 生物の構造とメカニズムに学ぶ

第５章 生物の設計とものつくりに学ぶ

第６章 生物の相互作用やシステム、生態系から学ぶ

第７章 様々な分野や学問が融合するバイオミメティクス

第８章 バイオミメティクスとこれからの社会

書籍名：トコトンやさしいバイオミメティクスの本(今日からモノ知りシリーズ)

著者：下村 政嗣 (編著),高分子学会 バイオミメティクス研究会文部科学省科学研究費「生物規範工学」編集

出版社：日刊工業新聞書店価格：1,620円単行本: 160ページ

高分子学会 会員割引！！！２０１６年３月