工学部学生自主研究奨励

航空機分野におけるバイオミメティクスの利用可能性についての調査研究
機械工学科

6BEM2111 小林拓真

はじめに（研究の目的）
1903 年にライト兄弟が世界初の有人飛行をしてから 100 年以上が経過し,現代に至るまでに航空機技術は大きな進歩を経た.現代となっては,航空機は長距離を高速で移動できる手段として欠かせない物となり,さらに近年登場した無人のマルチコプターでは,通常の航空機では撮ることのできないような高度で ,非常にダイナミックな映像も撮れるようにまでなった.このようにして,航空機技術は現在も大きな発展を遂げている.そこで,今後のさらなる発展をする上で,生物の構造を模倣するバイオミメティクス（生物模倣）技術の利用が有効ではないかと考える.生物は現代までに,環境にうまく適応し進化を遂げてきたものだけが生き残り,他は淘汰された.ゆえに,現代の生物には長年の進化を経て,優れた構造や能力を獲得したものがいる.それらの生物の構造を真似れば,航空機の性能の向上に役立つと考える.
本調査研究では,航空機で利用または利用可能と思われるバイオミメティクス技術を調査した.以下に得られた結果を述べていく.
方法
文献と Web によって調査を行った.その結果,生物の飛行の種類は滑空飛行（無パワー飛行）と羽ばたき飛行（パワー飛行）に分けられることが分かった.また,水中を遊泳する生物も参考になることが分かった.次に,バイオミメティクス技術において航空機の性能向上に利用できるものがあるか調べた.その結果,空力性能向上による燃費の向上と整備性向上にバイオミメティクス技術が利用 または利用可能だと分かった.よって生物の表面についての調査を行い,それらの向上に利用または利用可能なバイオミメティクス技術について調べた.
以下,航空機技術に利用可能と考えられる,鳥類,魚類,ハスの葉について述べる.
結果ならびに考察
まず鳥類について,鳥類の体表は羽毛に覆われており,高い飛翔能力を持つ.鳥類の飛翔に関わる羽は正羽という.正羽の特徴としては,羽軸が軽量で丈夫がある構造であることがあげられる.また,復元性が優れていることも特徴である.正羽の羽弁は容易に裂けるが,軽く撫でて流れを整えてやると簡単に元に戻る.これは,羽弁は羽肢というものがたくさん集まって出来ているが,羽肢間は小羽肢というフックの役割を持ち,簡単に隣の羽肢にくっつくことが出来るためである（図 1）.正羽の表面には V 字型の溝が縦に,それも多数連なった構造がなされている.これは,飛翔時に空気抵抗を軽減する効果がある.つまり,鳥は少ないエネルギーで遠くまで飛翔することができる.特に夜行性のフクロウ類は,捕食をする際に空気の乱れがあると上手く狩りを行えないことから ,フクロウ類の翼の前縁部にはセレーション（鋸歯状突起）というものがあり（図２）,空気の流れを上手くコントロールしている.それにより,音の軽減にもなっている.よって,航空機の機体表面に鳥類の翼の技術を利用すると,燃費の向上と騒音の軽減ができる可能性があるのではないかと考える.

工学部学生自主研究奨励

図１.スズメの羽毛の SEM（走査型電子顕微鏡画像） 2） .

図２.アメリカフクロウ初列風切羽のセレーション 2） .
つぎに魚類について,魚類の中ではサメは高い遊泳能力を持つ.サメの体表には楯鱗（図３）という硬い鱗があり,流れ方向と一定に並んでいる.これがいわゆるサメ肌と呼ばれるものとなる.この溝構造はリブレットと呼ばれていて,「 溝の方向は泳ぐ向きに揃っていて,間隔は数 10 から数 100 μm 程度」 １ ） となっている.これは速く泳ぐ際に,体表に乱流の渦が発生するのを抑える効果があり,抵抗を減らす働きがある（図４）.また,「リブレットは,乱流境界層における摩擦抵抗を最大で 8%小さくすることができる」２ ） .乱流境界層の中では複雑な流れが生じており,平板だと表面付近の速度分布が大きくなるため摩擦が増える .
一方,物体に適したリブレット配置したものでは,「縦渦がリブレットによって物体表面に近づけず,リブレットの溝の表面均傍が層流に近い状態になり ,流速分布の傾きが小さくなる.摩擦力は流速分布の傾きに比例するので,リブレットの溝底面部分の摩擦抵抗は減少する.ただしリブレットの凹凸により表面積は増加しており ,それだけ摩擦抵抗は増加する .
溝部の摩擦抵抗減少の効果が,表面積増加による摩擦抵抗増加の効果よりも大きい時 ,全体的に摩擦抵抗は減少する」 2） となっている.リブレットが効果的な場合は,リブレットの高さ,及び間隔によって対象となる流体の条件がそれぞれ異なるため ,万能のリブレットはない.ゆえに,航空機にリブレットを適用するとなると,リブレットを安価に広い面積を作る事ができることや,流体に対する（航空機の場合は空気）リブレットの適切な配置というものがまだ開発されていないことから,今後はこのような課題をクリアしていく必要がある .
最後にハスの葉について,ハスの葉の表面には「5～15 μm の突起物がそれぞれ 20～30μm の間隔をもって空間配置されており」3） ,また分泌されるワックス成分による効果によって超撥水性を示す.この効果は「蓮の葉効果」といい,Lotus-Effect Ⓡ は Bonn 大学の商標となっていて,すでに実用化されている.例として,森永乳業のヨーグルトの蓋にこのハスの葉の技術が利用され,ヨーグルトが蓋に着きにくくなっている .航空機は,安全運行するためには定期的な洗浄が欠かせない.しかし,航空機は表面積が大きいため,洗浄には大量の洗剤が必要となり,多量の排水が出る４）.このことは環境に良くない.そこ
で,Lotus-Effect Ⓡ を航空機表面に使用すれば洗浄回数と排水の量を減らすことができ ,洗浄のコスト削減と環境問題に対して有効だと考える .すでに他の分野で利用されているこ

工学部学生自主研究奨励とから,航空機に対しても利用される日が来るのではないかと思う .

図３.アオザメの楯鱗 ５ ） .

図４.乱流の様子.平板表面に V=3 m·ｓ -1 の流れ(a),平板表面に V=5 m·ｓ -1 の流れ(b),リブ
レット表面に V=3 m·ｓ -1 の流れ(c),リブレット表面に V=5 m·ｓ -1 の流れ(d) 6)-7) .
まとめ
航空機分野におけるバイオミメティクス技術の利用の可能性を調査した結果 ,魚類,鳥類,ハスの葉のバイオミメティクス技術を利用すれば,航空機の燃費の向上,整備性の向上に利用できる可能性があることが分かった.
参考資料（文献）
1. 下村政嗣, “今日から モノ知りシリーズ ト コトンやさしいバイオ ミメティクスの本”, 日刊工業新聞社（２０１６）p.48.
2. 篠原現人・野村周平, “国立博物館蔵書－⑯ 生物の形や能力を利用する学問バイオミメティクス”, 東海大学出版（２０１６）p.79-81.
3. 下村政嗣, “次世代バイオミメティクス研究の最前線 －生物多様性に学ぶ－”,
株式会社シーエムシー出版（２０１１）p.185.
4. 近藤五郎・中井貞康, 環境技術, 15, 63-68 (1986).
5. NATIONAL GEOGRAFIC, https://natgeo.nikkeibp.co.jp/atcl/news/18/020900062/?P=1(2018.11.16).
6. Lee, S. J. and S. H. Lee, Experiments In Fluids , 30(2), 153–166(2001).
7. Brian Dean・Bharat Bhushan, PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS OF THE ROYAL SOCIETY A ,368, 4779(2010).