科 学 技 術 動 向2010 年 5 月号

科学技術動向概

本文は p.9 へ要

生物の多様性に学ぶ
新世代バイオミメティック材料技術の新潮流
欧米では今世紀に入り、バイオミメティクス（biomimetics）と呼ばれる「自然に学ぶものつくり」に関する研究開発がクローズアップされ始めている。蓮の葉の超撥水性を真似たセルフクリーニング・コーティング用塗料、蛾の目を模倣した無反射フィルムなど、
昆虫や植物の表面が持つ特異なナノ・マイクロ構造と、それらが持つ様々な機能を模倣した「新世代バイオミメティック材料」とも呼ばれる新しい機能材料が注目を集めている。
現代社会が抱えているエネルギー、環境、資源などの諸問題に対応できる「生産技術の革新」を萌芽する新しい科学技術体系をもたらす潮流として世界的に期待されている。
特に欧州における新世代バイオミメティクス研究開発は、生物学からの問題提起をナノテクノロジーなどとの連携で強く推進されている。人材育成とネットワーク形成を推し進め、博物館や産業界を巻き込んで進んでいる。
一方、我が国のバイオミメティクス研究は「縦割り的」であり、異分野連携が積極的に推進されているとは言えない状況にあり、欧米の研究開発例をキャッチアップしフォローするだけであった。我が国に新世代バイオミメティクス研究の新しい科学技術体系を構築するためには、工学と生物学の強力な異分野連携、包括的な研究連携体の組織化、産学連携のプロジェクトが不可欠である。また異分野連携のバリアを低くするための人
材育成・教育の仕組み作りが急務である。
新世代バイオミメティクス研究の課題と展望

科学技術動向研究センターにて作成

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生物の多様性に学ぶ新世代
バイオミメティック材料技術の新潮流
下村 政嗣
客員研究官

1

はじめに

1─1

“bioinぶ」ことの重要性が指摘されてい あり、また、後述するようにる。 例 え ば、“Biomimicry：Inno- spired”には biomimetic の後継的な
vation Inspired by Nature”（「 自 然 意味合いを意識して使用される場
自然に学ぶものつくり と生体に学ぶバイオミミクリー」山 合もあるが、本稿ではそもそもの語
本 良 一、 吉 美 耶 子 訳、 オ ー ム 社 源でありかつ包括的な用語である
科学技術の各分野において、「自 （2006）
を使うことにする。
）の著者である Janine Beny- “biomimetic”
然に学ぶ」
ことの重要性は常識であ us が主催する NPO 法人 Biomimicる。欧米では今世紀に入り、バイ ry Institute は、2008 年に“Biomimオミメティクス（biomimetics）と呼 icry’s Climate-Change Solutions：
ばれる「自然に学ぶものつくり」に関 How Would Nature Do It?”と い う
する研究開発がクローズアップされ 会議を開催した。2008 年にドイツ
バイオミメティクスへの始めている。例えば、NATIONAL のボンで開催された「生物多様性条
関心の高まりGEOGRAPHIC 誌の 2008 年 4 月号 約 第 9 回 締 約 国 会 議 」（COP9）や
注 1）「自然に学ぶものつくり」に対しは「自然に学ぶデザイン」という特 2009 年の国連環境計画（UNEP）
集を組み、「自然の形に学ぶ設計思 においても、彼らが提唱している 関心が高まりつつある背景には、
s100Best”と銘打った「生 前世紀末から今世紀にかけて急速
想 バイオミメティクス」のもと “Nature’
で、流体力学的に燃料効率のよい 物模倣による技術革新」が紹介さ にそして新たに展開を遂げようと“Nature’s しているバイオミメティクス研究
車のデザインや、雨が降ると汚れが れ 注 目 を 集 め て い る。
注 2）
FOUN- のの詳細は ZERI“潮流の変化”がある。ISI Web of落ちる塗料の開発などが進行して 100Best”“Biomimetics”
いることを紹介している。さらに DATION（ゼロ・エミッション構 Knowledge によるとが運営するホームページで紹介 に関する世界の論文の数は今世紀にNATIONAL GEOGRAPHIC 誌に紹 想）入り急激に増加している（図表 1）。
介されている内容のいくつかは、 されている。
ちなみに“biomimicry”
や“bioin2006
年
に
は
専
門
誌「Bioinspira2005 年に出版された Peter Forbes、“bioinspired”と い う 用 tion & Biomimetics」が 発 刊 さ れ、の 著 作
“THE GECKO’S FOOT： spiration”“biomimetic”からの派生語で PNAS 注 3）や MRS 注 4）などの主要なBio-inspiration-Engineering new 語はmaterials from Nature ”（「ヤモリの
指 生きもののスゴい能力から生
注 1：UNEP：United Nations Environment Programme
まれたテクノロジー」
吉田三知世訳、
注 2：ZERI：Zero Emission Research and Initiative
早川書房（2007））に詳細に物語られ
注 3：PNAS：Proceedings of the National Academy of Sciencesている。
さらに最近では、エネルギー
注 4：MRS：Materials Research Society
や環境問題の観点からも
「自然に学

1─2

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Science & Technology Trends May 2010

科 学 技 術 動 向

図表 12010 年 5 月号

バイオミメティクス関連論文数の推移

論文数

引用数

科学技術動向研究センターにて作成

学術誌が「バイオミメティクス」に関する特集を組んでおり、またこ
こ数年、「バイオミメティクス」に関わる国際会議の開催数も増加す

2

る傾向にある。全米アカデミーズ
は 2008 年に“INSPIRED BY BIOLOGY FROM MOLECULES TO
MATERIALS TO MACHINES”とバイオミメティクス研究の歴史

長い歴史をもつバイオミメティ
クス研究が、今世紀に入って新しい潮流として再び注目されはじめたのは何故であろうか？ 図表 2
は、バイオミメティクス研究の歴史を研究対象のサイズと研究分野の観点から俯瞰したものである。

2─1
バイオミメティクス研究の黎明

ツアイ）
も生物模倣技術であるとい
われている。

2─2
第一世代バイオミメティクス
研究としての Biomimetic
Chemistry の登場と衰退
図表 2

1970 年代になりバイオミメティ
クス研究は、化学の分野において、酵素や生体膜などを分子レベルで
模 倣 し よ う と す る Biomimetic
Chemistry として登場した。このころ、Ｘ線構造解析によって生体触媒である酵素の反応部位の化学構造が明らかになったことで、有機化学の手法を用いて生体反応を分子論的に解明することができる

バイオミメティクス研究の歴史

我が国では「生物模倣」と訳されてい る biomimetics と い う 言 葉 は、1950 年代後半にドイツ系米国人の神経生理学者であるOtto Schmittによって提唱された 1）。Schmitt は、
神経システムにおける信号処理を模倣して、入力信号からノイズを除去し矩形波に変換する電気回路として知られている「シュミット・トリガー」を発明した。材料としての生物模倣はさらに古く、我が国では“マジックテープ”として知られる面状ファスナー（VELCRO®）が実用化の初期の例と考えられる。
また、道路の中央線などに埋め込まれた光の反射板（道路鋲：キャッ10

題する科学技術政策の提言書を出版し、そのなかで“Next-Generation
Bioinspired Materials”と し て、 蓮の葉を真似た超撥水表面材料やヤ
モリの指を模倣した接着材、モルフォ蝶に真似たフォトニクス材料などを紹介し、「バイオミメティクス」
を推進すべき課題のひとつとして取り上げている。さらに 2011 年
3 月にはドイツ政府の主催のもとで、産学連携および産業化を目指した本格的な国際コンベンション「International Industrial Convention on Biomimetics」の開催がベルリンで予定されている。

科学技術動向研究センターにて作成
メニューへ戻る生物の多様性に学ぶ新世代バイオミメティック材料技術の新潮流ようになった。生物学的事象を化 流体力学の分野でもバイオミメ
学的に解明し工学的な応用を図る ティクス研究が発展し、昆虫の飛上で、生物学と化学の連携は不可 翔や魚の泳ぎを真似たロボットや、欠であった。80 年代に盛んになっ コウモリの反響定位や昆虫の感覚
た人工光合成の研究は色素増感太 毛を模倣したソナーやレーダーな
陽電池の基礎となり、ゲルを用い どが開発された。機械系バイオミ
たアクチュエーターの研究は人工 メティクスの研究は衰退することなく現在まで継続し、主に軍事産
筋肉などの発明をもたらした。
しかしその後、分子生物学の展開 業、鉄道や船舶、航空機産業など
によって、遺伝子を中心として生命 の産業分野において展開され、マ現象を解明する研究が生物学の主流 イクロマシンや MEMS 注 5）などのになっていった。
「分子系バイオミメ 先端技術分野にも影響をあたえてティクス」とも言うべき Biomimetic いる。現在、我が国においては、
Chemistry 研究の主流は、1980 年代 「バイオミメティクス」はロボット
後半頃からの「分子エレクトロニク 研究の代名詞という認識が強いよス」
研究の台頭とも相俟って、生物 うに思われる。
学とは距離を置くようになり、分子集合体の化学や超分子化学といった方向に向かった。さらに 90 年代になると、化学や材料の分野において「生物に学ぶ」という考え方はす
材料系バイオミメティクスのでに常識化したと思われていたが、台頭
実際には生物学との連携の機会は
前述のように 2008 年、全米アカ
ほとんどなくなっていった。そして、
デミーズがその提言のなかで
分子ナノテクノロジーやナノバイオ
ロジーがクローズアップされること “Next-Generation Bioinspired
で Biomimetic Chemistry という学 Materials”として紹介したように、
術領域名はほとんど用いられなく 今世紀に入り材料研究の分野におなった。
「生物にヒントを得、生物 いてバイオミメティクス研究の新を超える」バイオインスパイアード 潮流が欧米を中心に注目を集めて（bioinspired）という考え方が主流 いる。すでにその実用化の動きもになり、ここにおいて第一世代バ 始まりつつある。
生物の表面は多くの場合、nm
イオミメティクスともいうべき
Biomimetic Chemistry は衰退した。 からμm にいたる領域において階層的な構造を有している。この大きさはナノテクノロジーの対象領域である。ナノテクノロジーが旧
来の科学技術と際だって異なる特機械系バイオミメティクスの 徴のひとつは、その対象物の大き発展 さが電子顕微鏡による観察や解析

2─4

2─3

一方、1970 年代には機械工学や3が必要不可欠なサイズであり、それゆえに、共通の観察・解析手法
を通して生物学と材料科学の新たな連携が生まれる可能性を内包する。電子顕微鏡は、生物が有する
ナノからマイクロに至る階層構造を明らかにした。ここ十年のナノテクノロジーの進展によって、形態学者や分類学者が明らかにした、生物の持つ表面階層構造をヒントにして、マテリアル研究者が類似の構造を人工的に製造し、その構造に起因した機能を人工的に発現させつつある。このような研究が欧州、とりわけドイツと英国から生み出された。
前述の「第一世代バイオミメティ
クス」
である“Biomimetic Chemistry”
が、Ｘ線構造解析を契機に分子レベルでの生物模倣を目指した「生物
学と有機化学の連携」
から生まれたのに対し、「新世代バイオミメティ
クス」
である材料系研究は、電子顕微鏡観察と微細加工技術を基盤とする「博物学・生物学と材料ナノテ
クノロジーの連携」
から生み出されたと言える。また、欧州のナノテ
クノロジーの特徴は、“Nano meets
Bio”というキャッチフレーズに象徴される。すなわち、異分野の融合や連携を目指している。たとえば、ドイツの大学のこの領域の研究においては、異分野連携が研究費獲得の前提になっている 2）。新世代バイオミメティック材料研究が欧州において胎動したことは、融合を重んじる文化的風土と積極的に融合を図ろうとする欧州の科
学技術政策によるものである。

注 5：MEMS：Micro Electro Mechanical Systems

新世代バイオミメティック材料の研究動向

この章では、バイオミメティッ
ク材料研究の成功例である、実用化を視野に入れた研究課題を、特に、いかにして生物学と材料ナノ
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テクノロジーの連携がなされたのかを中心に紹介する。
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科 学 技 術 動 向2010 年 5 月号

3─1

泌されるワックス状化合物の相乗 研究の最も有名な成功例のひとつ
効果によって超撥水性とセルフ・ と言える。これに触発されて、繊クリーニング効果を示すことを見 維用スプレー（BASF 社の Mincor®
蓮の葉に学んだ超撥水材料と 出した 4）。蓮の葉の表面は数μm TX TT）、コーティング剤（日華化
その発展である研究 のコブが配列した構造であり、さ 学 ）、 撥 水 性 樹 脂（GE の Lexan）、
らに個々のコブには葉から分泌さ プラズマ CVD 法による凸凹形成
固体表面の液体に対する濡れ性 れたワックスの微結晶が突起状に （名古屋大学）、高耐水性化粧品（カは、物質が持つ固有の親水性や疎 並んでいる。このような階層性を ネボウ）など、ボン大学の技術と類
水性の強さ（表面自由エネルギー） 持つフラクタル的な凸凹構造が、 似の効果をもたらす技術開発も行と表面形状によって決まる。一般 蓮の葉表面の超撥水性をもたらし われている。
に、シリコンやワックス、フッ素化 ている。
ロータス効果の発見は、水に関合物などは表面自由エネルギーが表面の微細構造に起因する撥水 わる生物表面構造に関する研究も低く、水との親和性が小さいので 性による清浄効果は、ロータス効 誘発した。バラやクンシラン、ヒ
疎水的な性質をしめす。疎水性で 果（Lotus-Effect® は ボ ン 大 学 の 商 マワリなどの花弁は、超撥水性でと呼ばれている。ボン大学は企 あるにもかかわらず花弁を逆さになおかつ凸凹形状の粗い表面では、 標）
実表面積が増え（Wenzel 状態）、凸 業との共同研究によって、疎水性 しても水滴が落ちないほど強い吸
凹構造によって形成される細かな シリカなどのナノ微粒子をバイン 着力を持っている。バラ花弁（Rose
空隙には水が入り込みにくい（Cassie- ダーに分散した Lotusan という塗 petal）の表面も蓮の葉と同様に階（旧 Degussa 層的な構造を有しているが、10 ～Baxter 状態）。
このため、表面はいっ 料を開発し、Evonik 社
社）など複数の企業が商品化した。 20μm のコブの表面は突起ではな
そう水に濡れにくくなる 3）。
ボン大学附属植物園の植物学者 ロータス効果の発見は、新世代バ く数百 nm の周期をもつ襞で覆わで あ る Wilhelm Barthlott 教 授 は、 イオミメティクス研究における生 れている。この襞が強い吸着性を蓮の葉の表面がその微細構造と分 物学と材料科学、産業界との共同 もたらしていると考えられ 5）、微図表 3

新世代バイオミメティック材料研究の成功例
ロータス効果：超撥水

塗装、セルフクリーニング

サメ肌リブレット：流体抵抗

水泳着、防汚コーティング、船底塗装

蓮の葉の表面の模式図
数ミクロンの凸凹と数百ナノメータの凸凹の階層的構造
蓮の葉：水をはじく

サメ肌の拡大模式図
蝶やタマムシの色：構造色

繊維、塗装、
フォトニクス材料
2 〜 3 ミクロン

およそ 100 ミクロン
蝶の鱗粉表面の構造（模式図）
ヤモリの指：粘着毛

ヤモリの指の拡大模式図

粘着材

直径約 200nm の微細毛光の波長と同程度の周期構造
モスアイ：無反射構造

無反射フィルム、
フォトニクス材料

蟻の眼の表面
数百ナノメータの凸凹が配列した構造科学技術動向研究センターにて作成
12

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細構造表面の van der Waals（ファンデアワールス）
力が吸着性の起源だとされている。撥水性と吸着性を 併 せ た 効 果 は Rose petal effectと呼ばれ、この効果を示す材料として中空構造を有するポリスチレ
ンナノファイバーが開発されている 6）。
一方、撥水性と親水性の相異なる表面を併せもつ材料も、生物学者と材料研究者の共同研究によって開発された。ロンドン自然史博
物館の動物学者 Andrew Parker 教
授は、ナミブ砂漠に生息する甲虫（ゴ ミ ム シ ダ マ シ、Stenocara gracilipes）が朝霧に含まれる微小水滴を捕集し飲用する機構を明らかにした。海に近い砂漠に生息するこの甲虫は、朝と夕方に逆立ちのような姿勢で砂丘に佇む。甲虫の体表は、μm スケールの親水性の微小なコブとその 1／10 程度のスケー
ルの凹凸構造をもつ疎水面とがパッチワーク状になっている。親水面に吸着した露の水滴は成長す
ると自重で撥水面をころがり落ち、逆立ちした昆虫の体表を伝わってその口に集められる 7）。マサチュー
セッツ工科大学の M. Rubner 教授と R. Cohen 教授は、このような甲虫の表皮を模倣した集水材料を開発 し た。 彼 ら は、Layer by Layer
法と呼ばれる薄膜作製技術によって、高分子をバインダーとして固体基板上に親水性のコブに相当す
るシリカ微粒子を配列させ、その周囲をフッ素系化合物で撥水性にした。親水性吸着点であるシリカ
粒子表面に付着し成長した水滴は、周囲を囲む撥水性の平滑面を流路 造と機能の相関を見いだそうとしとして捕集され、1 カ所に集める ている 10）。
ことができた 8）。彼らは、このよ
うな表面を大面積化することができれば、乾燥地帯や河川のない地域における霧収集装置など水資源確保の材料への応用が可能である
鮫肌リブレットに学んだと考えている。
材料の発展
4 ― 6 節で後述するが、バイオミ
2008 年の北京オリンピックを目
メティック材料では作製法も重要「水着騒動」は一な研究課題であり、その中でも自 前にした競泳界の己組織化技術は注目されている。 部では High-tech doping という非自己組織化現象と簡単な無電解 難もなされたが、材料開発というメッキによって、撥水性表面に積 視点から見れば Speedo 社のバイオ
極的に吸着点を導入して超撥水か ミメティクス戦略がすぐれていた。
つ強吸着表面の材料を作製する試 Speedo 社の LZR Racer® とそのプロ
みもなされている。湿式製膜過程 トタイプである FASTSKIN FSII®
における結露現象を利用して形成 は、中空繊維を用い、さらに超撥したハニカム様多孔質高分子フィ 水加工による軽量化で高速化を達
ルムの細孔に部分メッキを施し、 成している。撥水性表面が層流に物理的な剥離操作を施して作製し 対して抵抗軽減効果があることはた高分子スパイク・金属マイクロ すでに実証されており、乱流におドーム複合体が作製された。この いても効果があることは理論的に材料は、高分子スパイクの超撥水 予測されていた。しかし、Speedo
性と強い親水性を併せもつために、 社の競泳着が特に注目されたのは、大きな接触角をもち、接した水滴 その表面に鮫肌リブレットと呼ばが強く吸着される 9）。つまり、こ れる構造が付与されていたことにの材料は、バイオミメティックな ある。リブレット構造とは、数十
材料設計と自己組織化による新し μm からサブ mm 間隔の周期的ない作製技術の組み合わせによって 溝構造であり、リブレット構造を創られ、さらに金属を導入するこ 導入することで流体の抵抗摩擦がとで新たな機能が追加されたハイ 低減されることは古くより知られブリッド材料になっている。
ていた。3M 社が開発したリブレッ
近年のバイオミメティック超撥 ト・フィルムがアメリカズカップ
水材料の研究開発では、中国の成 （America’s Cup）な ど の レ ー ス 用
果が目覚ましい。魚の鱗の発油性、 ヨットの船体やエアバス社の航空
蜘蛛の糸を模倣した集水材料、蚊 機の機体に貼られ、数パーセントの眼、蝶の翅 やアメンボウの脚の の速度向上や燃費節減効果が報告
撥水性など、様々な生物表面の構 されている。
最近では、防汚効果（anti-fouling
図表 4 自己組織化も取り入れたバイオミメティック材料の作製例
effect）の観点からもリブレット構造に注目が集まっている。従来、
᠘㩷 ᳓㩷
㜞ಽሶ
船底や発電所の冷却水用導管への
㊄ዻ㩷
䊜䉾䉨㩷
海洋生物
（フジツボや藻類など）の付着を防止するために用いられて೸㔌㩷ᒝ 䈒 ๆ ⌕
きた TBT（トリブチルすず）
は、「環㜞ಽሶ䊊䊆䉦䊛䊐䉞䊦䊛㩷㜞ಽሶ䊶㊄ዻ㩷᠘᳓ᕈ㩷䊊䉟䊑䊥䉾䊄ᯏ⢻㩷
境ホルモン」と呼ばれる内分泌攪乱᠘᳓ᕈ䈫ᒝๆ⌕㩷
物質であることから、国際海事機
科学技術動向研究センターにて作成
構が 2008 年までにその全面使用禁

3─2

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Science & Technology Trends May 201013

科 学 技 術 動 向2010 年 5 月号

止を決定した。そこで表面構造を を象徴的に表していると思われる。 博 物 館 で 故 John Huxley 博 士 に利用した TBT フリーの防汚対策
よって撮影された未発表の電子顕が検討されている。25～30mN ／ m
微鏡写真を多様性と進化のデータの表面張力を有する固体の表面が、ベースとしてこの総説をまとめた。
物理的に生物付着抑制する効果が博物館が収蔵する膨大なインベンあることが知られている。ブレー
蝶やタマムシに学んだ トリー（ある地域に生息する生物
メン（Hochschule Bremen）の 研 究
構造色材料とデータベース化 の総種数の目録、あるいは目録を
グループは、76μm 周期のソフト製作するための調査）
を解剖学的な
タマムシやモルフォ蝶の翅が示 知見と機能に関するデータベース
シリコン製リブレット構造を持つへのフジ す金属光沢を持つ色彩を構造色 として整理し公表することは、新表面（表面張力 25mN ／ m）
ツボの付着が、平滑面に対して 7 （Structural Color）と呼ぶ。構造色 世代バイオミメティクス研究にお割近く抑えられると報告している。 は、光の波長あるいはそれ以下の いてはたいへん有意義である。
また、欧州では 2010 年 1 月から、 微細構造による発色現象であり、欧州フレームワークプログラム 色素や顔料の光吸収に基づく発色（FP7）の 中 で Surface Engineering ではないことから退色や劣化の問
for Antifouling - Coordinated 題がない。構造色発色の機構としAdvanced Training（SEACOAT） ては、薄膜干渉、多層膜干渉、微ヤモリの足に学んだ接着材料をスタートさせている。この一環 細な溝・突起などによる干渉、微ヤモリの指のバイオミメティク
として、ナノ・マイクロ構造がも 粒子配列などによる散乱や回折、たらす防汚効果を示す材料の開発 などが知られている。生物の構造 スは、ロータス効果とともに生物において、英国、ドイツ、スイス 色の発現を利用した材料開発は盛 学と材料の連携におけるもうひとなど 17 の組織からなる研究チーム んになされており、例えば英国で つの成功例である。2003 年 6 月の（on line 版 ）は、による産学連携研究が始まった 11）。 は Exeter 大 学 物 理 学 科 の Pete BBC ニ ュ ー ス
また最近、リブレット構造は、海 Vukusic 博士が、また我が国では “Gecko inspires sticky tape”と題し
洋防汚以外の用途でも注目がされ 大阪大学の木下修一教授が主催す て、Manchester 大学の Andre Geimている。フロリダ大学の Anthony る構造色研究会が定期的に情報を 教授のグループがヤモリの指の微Brennan 教授らは、リブレット構 発信している。構造色は生物表面 細構造を真似た粘着材フリーの接造がもたらす抗菌特性に着目した。 以外では、オパールなどの鉱物、 着テープの開発に成功したことを医用フィルム Sharklet ™を開発し、 コロイド結晶などでも発現する。 報じた。ヤモリが垂直な壁を登り医療機関の壁材やカテーテルなど その応用は、塗装、化粧品、宝石、 天井を這うことは、その指先からの医療デバイス用の材料を目指し 繊維、フォトニック結晶などとし 粘着性の物質を分泌していないこている。
て多岐の産業にわたる。とりわけ、 とを考えると不思議である。ヤモ
英 国 の The National Museum 日産自動車（株）、帝人ファイバー リの指先にはラメラと呼ばれるひ
Directors’Conference のホームペー （株）、田中貴金属工業（株）の 3 社に び割れ構造があり、その内部には「モルフォテック 数十万本の剛毛
ジには、2008 年オリンピックに向 よって開発された（seta）が密生してという発色繊維は世界的にも有 い る。 さ ら に 長 さ 100μm 直 径
けた博物館との共同研究の成果と ス」
して、鮫肌リブレットが開発され、 名である。さらに最近の研究では、 5μm 程度の剛毛の先端は数百の枝
流体抵抗が 3％減少したと述べら 高い屈折率を示す有機材料の可能 毛に分裂し、個々の枝毛の先端はれている。また、Speedo 社の“Bio- 性も指摘されている 12）。
スパチュラ
（spatula）
と呼ばれる
“皿
®
ロ ン ド ン 自 然 史 博 物 館 の A. 状”
mimetician”
であり FASTSKIN のの構造になっている。スパチュ開発者である Fiona Fairhurst は、 Parker 教授らは、英国王立協会誌 ラ の 直 径 は 200nm 程 度 で あ る。
European Inventor of the Year に「John Huxley の成果も含む、蝶 Kellar Autumn らの生物学的な仮Award in 2009 に 推 薦 さ れ た。 彼 のフォトニック構造の多様性と進 説 14）によれば、ヤモリの指の接着
女は、Oliver Crimmen をはじめと 化に関する総説」という論文を発表 力は、その指先に密集した階層構
13）するロンドン自然史博物館のメン した 。彼らは、蝶の翅のフォト 造を持つ微細な剛毛表面と壁に働バーの協力に対して謝意を表して ニック構造の解剖学的かつ網羅的 くファンデアワールス力に起因すいる。これらは、新世代バイオミメ な記述が、バイオミメティクスの るとされている。UC Berkeley の
ティクスの研究開発で「博物学とナ 潜在的アプリケーションに大きく Ronald Fearing15） や Andre Geim
ノテクの連携」が不可欠であること 寄与すると考え、ロンドン自然史 ら 16）の グ ル ー プ は、 そ れ ぞ れ、

3─3

3─4

14

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AFM（原子間力顕微鏡）チップを用いた微細加工技術や、陽極酸化
アルミナのナノ細孔を鋳型として、剛毛が密集した表面を人工的に再現した。彼らはヤモリの指の吸着機構を明らかにするとともに、“GeckoTape”（ゲッコテープ）と呼ばれる粘着材フリーの吸着材料の開発に成功した。その後、カーボンナノ
チューブを密集した剛毛とする構造を有する固体表面が、強い吸着力を有することも報告された 17）。
また、リサイクル可能な建築材料
用の吸着剤など、実用化のための研究開発も始まっている。また、ゲッコテープを用いて垂直な壁面を移動することができるヤモリ型ロボットが開発され、軍事や災害救助などの民生面での応用が期待されている 18）。現在では、特に米国でその実用化に力が入れられている。

3─5
無反射性を持つモスアイ構造材料
1960 年 代 に Karolinska Institute
生理学科の C. G. Bernhard らは、蛾の複眼の表面に約 100nm の大きさの突起構造が配列していることを報告した 19）。さらに 80 年代初めには英国 National Physical Laboratoryの 光 学 部 門 の S. J. Wilson と M. C.
Hutley らが、周期的に配列した凸
凹構造（モスアイ構造）によって表
面厚み方向の屈折率を徐々に変化させることで無反射性が発現することを明らかにした 20）。入射する光に対して明確な反射面
（屈折率の
変化）
が存在しないことになり、反射が起こらないのである。このような複眼により、蛾は夜でも空を飛ぶことができ、大きな眼からの反射が抑えられることで鳥などの外敵から発見されにくくなると言われている。

に生息する有鱗目スキンク科のトカゲ（Scincus scincus）
は、砂の中に潜り泳ぐように移動することからサンドフィッシュ（Sandfish）と呼ばれている。15cm ほどの大きさのサンドフィッシュは、“砂の海”
を深さ数 cm まで潜り毎秒 10 〜 30cmの速度で“泳ぐ”ことができる 22）。
ベルリン工科大学の Ingo Rechenberg 教授は、鱗で覆われたサンド
フィッシュの皮膚が、磨かれたス
チールや平滑なガラス、テフロンや高密度ナイロンなどの表面よりも低い摩擦係数を示し、砂でこす
れてもほとんど摩耗しないことを見いだした。サンドフィッシュの鱗には珪酸塩などの無機物は存在せず、硫黄含量の多いグルコシル
化ケラチンから形成されている。
ケラチンを主成分とする鱗の表面にはミクロな微細構造があり、この構造が特異なトライボロジーを発現している。W. Baumgartner 教
授らは、鱗から抽出したケラチンでコートした高分子フィルムの表面が鱗と同様の性質を示すことを見いだした。また彼らは原子間力顕微鏡計測において、鱗の表面とシリコンチップの間に引力がほとんど生じないことを示した。Rechenberg らは、サンドフィッシュの皮膚に対する砂粒の転落角が、ガラス、ナイロンやテフロン、さらには鋼の表面よりも低いこと、つまり摩擦抵抗が極めて低いことを実証した。一方、サンドフィッシュの皮膚は、鋼やガラス表面よりも高い耐摩耗性を持っている。サンドフィッシュの鱗には、数μm の間隔で並んだサブマイクロメータの高さの長い尾根状の“敷居”（nanothresholds）が あ る。Rechenberg らは、この“敷居”と砂粒間の摩擦帯電で発生した静電気が、鱗と砂粒の間の斥力を生み出すこと
サンドフィッシュに学んだ によって摩擦が低減される可能性
低摩擦材料 を示唆している。ちなみに、サンドフィッシュの捕食者である蛇の北アフリカや南西アジアの砂漠 表皮も低摩擦表面であり、バイオモスアイ構造の反射防止膜は、光学材料の研究開発で早くから注目された。ドイツの Holotools 社は、
干渉リソグラフィー（Interference
lithography）に よ っ て 100nm ～100μm のパターンを固体基板上に形成する技術を用いて、表面にモスアイ構造を有する透明な高分子
フィルムを作製し、ディスプレー
等の大面積の無反射フィルムとして供給している。最近では、三菱
レイヨン（株）が 2008 年、ナノスケー
ルの細孔が規則的にかつ自己組織化的に形成される陽極酸化アルミ
ナを型として、透明な高分子フィルムの表面にモスアイ構造（開発品の反射率は 0.1％以下、全光線透過率は 99.6％）を作製することに成功した。また王子製紙（株）は 2009 年に、直径 25 ～ 1000nm の粒子を精度よく単層に配列した状態で物体の表面にコーティングする技術を確立し、ドット型周期微細構造の作製に成功した。
モスアイ構造は太陽電池の高効率化の観点からも注目を集めている 21）。オランダのInstitute for Atomic
and Molecular Physics（AMOLF）の J.G.Rivas らは、GaP 基板表面上にモスアイ構造のロッドを作製することで可視から近赤外における幅広い波長域で反射を著しく低減
できることを見いだしている。我が国でも、三菱電機（株）はレーザー
パターニングと湿式エッチングの技術を用いて、多結晶シリコン太陽電池セル表面に、ハニカム状の凸凹構造を導入して表面反射率を低減することで、18.6％の光電気変換効率を達成し 2010 年度の実用化を目指している。

3─6

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Science & Technology Trends May 201015

科 学 技 術 動 向2010 年 5 月号

ミメティクスの研究対象になって らすかもしれない。
いる 23）。
ドイツの BIONIC Graduate24）という博士課程の研究・教育プログラ
ムにおける、アーヘン工科大学のW. Baumgartner 教 授 が 指 導 す る
昆虫と植物の攻防に学ぶ“Abrasion resistant surface coating
トライボロジーの研究
mimicking the sandfish’s epidermis”
Kiel 大 学 動 物 学 科 の Stanislavというプロジェクトでは、サンドフィッシュ表皮の化学的および物 Gorb 教授らは昆虫や植物の表面ト
理的な分析と、サンドフィッシュ ライボロジーについて系統的な研の表皮成分を用いた金属、ガラス、 究を展開している。たとえば、キ（Tettigonia viridissima）のおよびポリマーの表面コーティン リギリス
グプロセスの研究開発を行ってい 足先には 4 〜 5μm の 6 角形のパる。 彼 ら の 最 終 目 的 は、 サ ン ド ターンがタイル状に配列している。マイクロ加工技術でシフィッシュの表皮構造が持つトラ （図表 5）
イボロジー特性に学んだ低コスト リコンゴム表面に類似の微細パ
耐摩耗性表面コーティング技術を ターンを作製し摩擦特性を測定し開発することである。傷のつかな たところ、表面が乾いた状態にあいフロントガラスや潤滑剤フリー るときにはスティック・スリップの低摩擦ボールベアリングなどが 運動を完全に排除したスムーズな運動ができ、ぬれた状態にあると期待される。
（hydroplaning）を 防
最近、流動的な“砂の海”の中で き に は 横 滑 り
サンドフィッシュが四肢を使わずに ぎ、結果として安定な運動性が保蛇のように体を波状にくねらせて 証されていることが示唆された 25）。
“泳ぐ”
様子が X 線により映像化さ 一方、植物も、昆虫とともに進化れた。固体の微粒子からなる“流動 適応してきた結果として、興味深的媒体”の中で泳ぐサンドフィッ い表面微細構造を有するものがあ
シュの流体力学（Fluid Dynamics） る。植物学者である Elena Gorb 博
的挙動に、鱗表面の微細構造によっ 士は、食虫植物であるウツボカズて特徴づけられるトライボロジー ラの外部ならびに内部表面にはがどのような影響を及ぼすかが明 様々なマイクロ構造があり 26）、昆らかになりつつある。サンドフィッ 虫にとってはツルツルとすべりやシュの“遊泳”の研究は、材料系バ すい表面を作っていることを明ら
イオミメティクスと機械系バイオ かにした。とりわけスリッピーゾー
ミメティクスの新たな融合をもた ンと呼ばれる昆虫を捕捉する内部

3─7

図表 5

表面には、サイジング剤
（紙の表面
改質剤）
であるアルキルケテンダイ
マー結晶の表面に形成される超撥
水性のフラクタル構造 27）に類似した構造が観察されており、材料科
学的な視点から見ても興味深い。
進化の攻防は昆虫の脚に多様な機能を与えている。Pameridea roridulae という甲虫は、粘着性の樹脂を表面に分泌する植物 Roridula
gorgonias の表面に捕捉されたミバ
エを、自らは粘着物に捕捉されることなく捕食することができる。
甲 虫 の 脚 か ら は、
“sloughing-off”
layer として作用する断片的に剥離するグリース状のクチクラ表皮があり、これによって植物が出す粘着物からのがれることができると考えられている 28）。この研究はドイツ政府のプライオリティー研究
プログラムである“Biomimetic
Materials Research：Functionality
by Hierarchical Structuring ofMaterials（SPP 1420 priority program）”
で推進されている。

3─8
昆虫のセンシングに学んだセンサー材料
最近、欧州では生物学者を中心に、新たなバイオミメティック材料を用いたセンサーの研究が進められている。ナガヒラタタマムシ

昆虫の足に見られるトライボロジー
200

平滑面

160
摩擦力

120

80
（mN）
40
0

微細パターン化面
0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

移動距離（mm）

科学技術動向研究センターにて作成
16

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図表 6

ナガヒラタタマムシの赤外受容細胞アレイとそれをまねた赤外線センサーの模式図᳓䉪䉼䉪䊤䈱ᄖო

䉮䊮䊂䊮䉰䊷

⿒ᄖ✢

䉦䊅䊦᭴ㅧ

ᗵⷡᲫ
科学技術動向研究センターにて作成（Melanophila）は、山火事の跡地に産卵することが知られている。これは、火事の跡地には捕食者がいないためと考えられている。ナガ
ヒラタタマムシは数十キロ先の山
火事を感知できる高感度赤外線センサーを有しており、ボン大学動物学科の H. Schmitz 博士らはこれらが一種のメカノセンサーである
ことを明らかにした 29）。Sensillumと呼ばれる球状の感覚細胞が複眼の後方に複数配列しており、個々の細胞では神経細胞につながった感覚毛が硬いクチクラの外壁で覆われている（図表 6）。細胞の内部は細いカナル構造になっておりカナルは液体で満たされている。波長3μm の赤外線の照射によりカナル
内部の液体は効率よく熱膨張し、その結果、感覚毛が圧迫され力学的な刺激に変換されて神経に伝達する。
この結果をもとに、ボン大学で
図表 7

は MPI 注 6）の CAESAR 注 7）と の 共同研究によって安価でかつ堅固な冷却不要赤外線センサーのプロトタイプを開発している。センサーの作動原理は簡単で、狭い空間に閉じ込められた液体（水）の熱膨張をコンデンサーで検出する。
また、コオロギは気流変化によって捕食者の存在を感知することが知られている。尾部にある気流感
覚毛は、広い周波数範囲をカバーするため大きさの異なる感覚毛を並べた感覚子アレイを構成しており 30）、雑音のなかから有効に信号を取り出すことができる（図表 7）。
コオロギの気流感覚細胞のエネル
ギー閾値は、ブラウン運動エネル

ギー kT 程度であり感覚器としての究極の効率をもつと言われている 31）。コオロギの感覚毛を真似た
MEMS センサーが、Tours 大学昆虫学教室の J. Casas 教授グループとTwente 大学の Transducers Scienceand Technology Group（“MicMec”）の G. Krijnen 教授グループの共同研究によって開発されている 32）。
注 8）と呼これらの成果は“CILIA”
ばれる欧州・コンソーシアムによって 2009 年にドレスデンで開催された第一回“Natural and Biomimetic
Mechanosensing”
に関する国際会議で報告された。国際会議では、コ
オロギの鼓膜に学んだ高分子セン
サーフィルムなども紹介された 33）。

注 6：MPI：Max Planck Institute
注 7：CAESAR：Center of Advanced European Studies And Research
注 8：CILIA：Customized Intelligent Life-Inspired Arrays

コオロギの気流センサーに学んだ MEMS センサー

コオロギ尾葉
気流感覚毛
感覚毛

気流

神経パルス列
感覚細胞

ボリ
シリコン
コンデンサー

シリコン基板100μm

科学技術動向研究センターにて作成
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Science & Technology Trends May 201017

科 学 技 術 動 向42010 年 5 月号

新世代バイオミメティック研究のポイント

この章では欧州などの成功例か
ら、新世代バイオミメティック研
究のポイントをまとめる。

4─2造とそれらがもたらす機能発現との相関に関する知見を収集することは、生物学とくに形態学や発生意味その 2： 学における大きな研究課題のひと
生物資源インベントリーの つである。さらに、生物学の発見
データベース化が鍵になる を材料学が原理を確認し再現し、さらにそれだけではなく再度生物
分類学（Taxonomy）的な観点か 学にフィードバックすることが重意味その 1：生物の進化と適応は材料設計 ら生物の構造・機能相関のデータ 要で、欧州におけるバイオミメティの良い手本であり、生物の ベースを作成することによって、 クス研究の成功例に見て取ること
多様性は材料設計の多様性を 様々な応用に対応できるバイオミ ができる。基礎科学と応用科学ともたらす メティック材料の設計指針が得ら の橋渡しと異分野連携により、自れる。生物インベントリーの多様 然史（博物学）的な資源である生物
34）「バイオ・トライボロジー」 の 性を有効に利用することが、材料 標本に工学的な価値をもたらすこ
リーダーの一人であり博物学者で 研究に多様性をもたらすと言って とができるとともに、生物学的なあ る Kiel 大 学 の S. Gorb 教 授 は、 もよい。前述のロンドン自然史博 機能発現の機構解明に工学的な知
その著書“Attachment devices of 物 館 の A.Parker 教 授 ら に よ る 見をフィードバックすることがで
insect cuticle”において、進化的分 「フォトニクス材料の設計指針作成 きる。このような win-win の関係類にしたがって昆虫の足の接着機 におけるデータベース化」の試みに に基づく異分野連携においては、
構を系統的かつ網羅的に著してい 見られるように、博物学における 数理科学的手法に抵抗感を持たなる。その結果、ヤモリと同様に粘 系統的な構造・機能相関の集積と い生物学者の素養と、生物学に対着物質を分泌しないもの（ファンデ その公表が重要である。S. Gorb 教 する材料科学者の旺盛な好奇心が、
アワールス型）、粘着物質を分泌す 授もその著作“Attachment devices その成否のキーポイントになるとるもの、爪のような鈎状の構造体 of insect cuticle”の序論において、 考えられる。
をもつもの、などに分類できるこ 「走査型電子顕微鏡 SEM による生と、さらには、昆虫がどの接着機 物の表面構造観察がポピュラーに構を採用するかは、進化の系統に なったことが、この分野の飛躍的よる分類とは相関が無くむしろ環 な展開をもたらしている」と述べて
境適応によって選択されることを いる。系統的かつ網羅的に生物表
意味その 4：
明らかにした。これは、長い進化 面の顕微鏡観察を行う研究機関の省エネルギー型材料の設計は、と適応の過程で、昆虫の接着機構 存在は、今後のバイオミメティク
生物の多機能性やに多様性がもたらされたことを意 ス研究において、極めて重要なポ
環境適応性に学べ味している。この考え方にしたがっ イントになるに違いない。米国で新世代バイオミメティック材料て、材料に要求される機能発現機 も“Nature’s100Best”や“Biomimicry
構と構造の相関を系統的に分類す Taxonomy”などのデータベース化 の特徴は、nm からμm ケールにおける階層的な構造とそれらが発ることができれば、適材適所的な が図られようとしている。
現する機能を生物に模倣したとこ
材料設計が可能になると考えられ
ろ に あ る。 例 え ば、nm か らμmる。前節でも紹介した植物と昆虫に至る階層的な構造は、ある側面の進化の攻防を学ぶことによって、では撥水性を示し、ある側面では多様な材料設計が期待される。
意味その 3： 無 反 射 性 を 示 す こ と に あ る。
生物学・自然史学と材料科学 Barthlott 教授らは、このような生との win-win 連携が不可欠である 物が持つ階層的表面の多機能性について言及している 35）。
生物が有するナノ・マイクロ構
たとえば、モスアイ構造は蛾だ

4─1

4─4

4─3

18

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けではなく多くの昆虫に見られており、蚊のように小さな昆虫では複眼が示す撥水性によって「雨に濡れて溺れる危険」
から身を守っていると考えられている。また、モルフォ蝶の翅の表面（鱗粉）はその特徴的な構造色を生み出す階層構造を有しており、その構造は同時に
撥水性も付与している。中国科学院の Lei Jiang 教授らは、翅の中心から外側に向かう方向には水滴が撥水されるのに対し、内側に向かう方向には吸着性があることを見出した。翅に付着した水滴が撥水される方向は、“羽ばたき”によって形成される空気の流れる方向とパラレルであり、付着した水滴が羽ばたきとともに移動して翅の汚れを除去する、セルフ・クリーニ
ング（self-cleaning）機能を持つのかも知れない。
表面ナノ・マイクロ構造がもた
らす撥水性は、セミの翅にも見られるが、セミの翅は透明である。
透明であることは目立たないことを意味する。また、アサギマダラと呼ばれる長距離飛行をする蝶は部分的には透明な翅を持っている。
一方、長距離飛行をしないウスバ
シロチョウも透明な翅を持っている。両者の翅の微細構造を比較したところ、アサギマダラの透明部
分には、低密度ではあるものの鱗
粉は整列しており、その結果高い
撥水性を示す。それに対し、ウス
バシロチョウでは整列した鱗粉はなく撥水性が弱い。このように、
撥水性と光学特性の発現に見られ図表 8

ディクスと呼ばれる新興領域において液滴の操作とそれを可能とするデバイスが求められている。液滴 の 操 作 は、 主 と し て 電 気 湿 潤electrowetting-on-dielectric（EWD）と呼ばれる現象を使って行われている。これは、疎水性基板上の水滴の接触角が電場をかけることによって小さくなることを利用している。液滴を安定に操作する方法
を蟻と共生するアリマキが心得ていることも、バイオミメティクス・
デバイス設計のヒントになりそうである。アリマキは液体分泌物を安定な液滴（liquid marble と呼ばれる）とすることで、巣に満ちた液体で自らが溺れないようにしている 37）。
一方、非 EWD 駆動の液滴操作の研究も始まっている。ヒレアシシ
意味その 5： ギが、水の表面張力とくちばしの材料系と機械系の連携も 開閉運動を利用して重力に反して望まれる 水を口まで登るように移動させることが明らかになり、パイプ内で材料系バイオミメティクスと機 液体輸送の抗力減少などに応用で械系バイオミメティクスのコラボ きる可能性が指摘されている 38）。
レーションも重要である。現状で 新しい作動原理による流路を持つは、これらが分かれてしまってい MEMS チップの開発が期待されることに問題がある。鮫肌リブレッ る。また、ナミブ砂漠の甲虫がミトの研究は、防汚材料の観点から スト状の水滴を捕集しているのに微生物学者との連携が不可欠で 対し、砂漠に住むゴキブリの仲間あった。また、摩擦低減の観点で は、飽和蒸気よりも低い湿度条件
は流体力学との連携が要求された。 下からでさえもその口の周りに水撥水材料を使った水滴のマニ 滴を吸着させることができるといピュレーションも、MEMS やコン われており 39）、エネルギーを使う
ビナトリアル化学など様々な分野 ことなく結露や蒸発などの水滴操で 利 用 可 能 な 研 究 課 題 で あ る。 作を可能とするデバイス設計のヒと り わ け、lab-on-a-chip の 分 野 で ントが隠されているかもしれない。
はディジタル・マイクロ・フルイ

る多様性は進化と適応の結果であると考えられる 36）。
最近、バイオミメティック表面構造が有する多機能性（撥水性、セルフ・クリーニング性、無反射性、透明性など）を利用した太陽電池の提案も報告されている。生物表面の多機能性の背景には、1 つの構造が 2 つ以上の機能を果たすという「省エネ設計」とも思える設計思
想が隠れているかも知れない。新
規材料の設計においては、環境適応や省エネルギーの観点から、生物の構造や機能や行動を見直す必
要がある。

4─5

4─6

生物表面の多機能性
శቇ․ᕈ㩷

ㅘㆊ㓚ო㩷

Ứ䉏ᕈ㩷

ᾲ㩿᡼ᢔ㪀․ᕈ㒐ᳪ䊶䉶䊦䊐䉪䊥䊷䊆䊮䉫㩷ᯏ᪾․ᕈ㩷

科学技術動向研究センターにて作成
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意味その 6：
生物の自己組織化的階層構造
形成は生産技術革新のヒントになる
新世代バイオミメティクス研究は、生産技術にも革新をもたらす
可能性がある。英国におけるバイ
Science & Technology Trends May 201019

科 学 技 術 動 向2010 年 5 月号

オミメティクス研究のリーダーで 異な構造を生みだし、多様な機能あるバース大学の J. Vincent 教授 を発現しているのである。Vincent（生物学者）は、TRIZ と呼ばれる 教授の解析は、エネルギーや物質問題解決策を用いて、生物学的に に多くを依存しない新しい生産技形成されるものと人間が工業的に 術の可能性を示唆しているのであ作るものが、それぞれどのような る。
要因から成るのかを解析した。彼
新世代バイオミメティック材料
は、生物はその構造を形成するた の開発は多くの場合、まず、電子
めに
「情報」
「空間」
「構造」を有効 線描画やリソグラフィーなどナノに利用しているのに対し、現行の テクノロジーによって作製された工業技術による構造形成は「エネル “初期モデル”によって原理確認がギー」「物質」に多くを依存してい 行われる。次に実用化に向けたス
ると結論した 40）。生物はありきた テージでは、効率よくかつ安価にりの元素である炭素、酸素、窒素 製造することが求められることにを使って DNA やタンパクのよう なる。ナノインプリントなどの金に情報を持つ分子を作り、それら 型技術、インクジェットなどのパは膜やオルガネラなどの構造を形 ターン化技術、結晶成長技術、ブ成し、さらに階層的に構造化して ロ ッ ク コ ポ リ マ ー・ リ ソ グ ラ
細胞、組織、機関を作り上げている。 フィーやマイクロ・コンタクト・
一方、工業製品、たとえば高速電 プリンティングなどの自己集合現子回路などは、ガリウムやヒ素な 象の利用、散逸構造などの自己組織
どの希少な元素をも使って、リソ 化現象の利用など、ナノテクノロ
グラフィーなどの手法によって多 ジーで使用されている様々な製造量のエネルギーを使って原材料を 技術を総合的に検討し、生物型の生切り刻んで形成している。
産技術を模索する必要がある 41）。
生物の構造形成は、その基にな 化学反応プロセスだけで構造化材る過程は遺伝子によってプログラ 料を作製することは困難であるが、ムされた複雑な化学反応プロセス 将来的には自己集合や、自己組織の組み合わせによるものであり、 化のような物理プロセスを組み合
さらには分子の自己集合や分子集 わせることで、高次に階層化され合体の自己組織化などを有効に利 た材料を創ることは可能であろう。
用 し て い る。 生 物 は、 リ ソ グ ラ
以上をまとめると、バイオミメ
フィーも石油も使わずに、その特ティクスは産業技術にパラダイム
シフトをもたらす可能性を持つものと結論つけることができる。超撥水表面を得るために、工業的にはフッ素コートをすることが多い。
一方、蓮の葉は、有機物であるワックス状分泌物と表面のマイクロ・
ナノ構造を利用して超撥水表面を実現している。高感度赤外線センサーのために人間は化合物半導体を用いるが、タマムシは液体の体積膨張を利用して遠方の火事を察知する。人間が作ったものとは全く違う機構を用いながら、生物は同じあるいはそれ以上の機能を発現している。また Vincent 教授も示唆するように、リソグラフィーを使わなくても生物はナノ・マイクロ構造を創っている。生物は、産業革命以来人間が培ってきた産業技術とは全く異なる生産技術とシステムデザインの体系を有していることは明確である。バイオミ
メティクス研究の新潮流は、マテ
リアルやシステムのデザインと生
産技術におけるパラダイムシフトを内包し、そして欧米ではすでに、環境やエネルギー、資源問題を解決し持続可能な社会の実現に向けた政策課題として位置付けられているように思われる。

図表 9 「生物」と「工学」のモノ作り比較。BioTRIZ による解析

問題解決因子

1.0

情報

1.0

0.8

エネルギー

0.8

0.6

時間

0.6

0.4

空間

0.4

構造

0.2
0
nm

0.2

物質
μm

mm

m

km

nm

μm

mm

サイズ

サイズ

生

工

物

m

km

0

学

科学技術動向研究センターにて作成

20

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5

海外の取り組み

5─1
英国の認識と英国内の取り組み
2007 年 1 月に当時の英国貿易産業省（DTI）は“Biomimetics：strategies for product design inspired bynature. A mission to the Netherlands and Germany”と題する報告書を作成した。これは、DTI Global
Watch Mission によるものであり、英国の産業界におよぼすバイオミ
メティクスの潜在的な寄与が述べられている。この報告によれば、バイオミメティクス研究は、英国・ドイツ・オランダおよび米国においてさかんになされており、中でもドイツは基礎研究と産業応用を統合的にとりまとめることで一歩先んじている。一方、オランダは
いくつかの先導的な研究機関と企業がバイオミメティクスの概念を製品開発と設計に展開しているものの、個々の研究・開発グループの間には連携がないとされている。
英国では 2002 年に、英国の企業
および大学を中心メンバーとする
BIONIS 注 9）というネットワークが設立された。ニュースレターの発行によって、バイオミメティクス
に関するトピックスや会議開催などを国際的に発信している。しかし、英国では基礎研究とプロトタイプの製造との間にはよい連携があるにもかかわらず、実用化にむけての展開は必ずしも進んではいないのが現状のようである。ちな
み に、2006 年 に DTI の Material
Innovation & Growth Team が行った“Multifunctional Materials”に 関する報告においては、英国においては複合材料やコーティング材、
ナノ構造材料などとともにバイオ
ミメティクス材料が、将来的に重要であるとされている。

5─2
ドイツの取り組み
英国からネットワーク形成が充実していると評価されたドイツにおいては、新世代バイオミメティク
ス研究における生物学の役割が明らかに大きい。ドイツ政府の生物多様性条約戦略（National Strategy on
Biological Diversity, 2007）においては、“Biological diversity and its
innovation potential”と題した項が設けられ、ロータス効果やゲッコ
テープ、タマムシの赤外線センサーなどが技術革新をもたらすものとして紹介されている。また、2008
年にボンで開催された生物多様性条約第 9 回締約国会議（COP9）においてドイツ政府は、生物多様性が原材料の調達や生産工程などの企業活動に大きな影響を及ぼすことから、「ビジネスと生物多様性イニ
シアティブ」
を発足し民間企業に生物多様性条約への関与を求めている。
ドイツでは、BIOKON 注 10）が市
場開拓、組織化および知識転移で大きな実績を持っている。BIOKON
は、28 の研究組織の産官学連携からなる連邦政府によって資金援助されたネットワークであり、2001
年に設立された。BIOKON の特徴
は、バイオミメティクスの重要な意義である「3 つの連携」、すなわ
ち「生物学と工学の連携」、「工学における異分野連携」、「産学連携」
を可能とする組織化が意図されている点にある。さらに 2009 年からはドイツ政府教育研究省から 30 億ユーロ以上の資金援助を受けてBIOKON International となり、今後は国際ネットワーク化を図っていく。8 人のボードメンバーのう
ち半数をフランス、スウェーデン、
オランダ、英国から迎えている。
2012 年からは政府から独立した活動を目指しており、本稿の冒頭でも紹介したように 2011 年には、世界でも初めての「International Industrial
Convention on Biomimetics」を主催する。このようにドイツ政府は省庁を超えたバイオミメティクス振興を図っており、ドイツ経済産業
省はその白書 42）においても大きく取り上げている。

5─3
そのほかの欧州諸国の取り組み
欧州連合は、FP7 において、防汚効果 11）のほかにも情報通信、エネルギー、メディカルなど多くの分野でバイオミメティクス関連のプ
ログラムを進めている 43）。GENNESYS 注 11）Initiative（Grand European
Initiative on Nanoscience and Nanotechnology using Neutron-and Synchrotron Radiation Sources）の 白 書の三章でも Biomimetic nanomaterials について大きく採り上げている。
オーストリアの Federal Ministry
for Transport, Innovation and

注 9：BIONIS：The Biomimetics Network for Industrial Sustainability
注 10：BIOKON：Bionics Competence Network
注 11：GENNESYS：Grand European Initiative on Nanoscience and Nanotechnology using
Neutron and Synchrotron Radiation Sources
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Science & Technology Trends May 201021

科 学 技 術 動 向2010 年 5 月号

Technology は、機械・材料・生物学など多様な分野における大学・企業のネットワーク形成に力を入れている 44）。また、スウェーデンには Swedish Biomimetics 3000® というバイオミメティクスの実用化への橋渡しを目的とした融資会社が設立されている 45）。

65─4
米国の取り組み
冒頭で紹介した全米アカデミーズ の 白 書 で は、
“Next-Generation
Bioinspired Materials”に 関 す る 提言のひとつとして、「先端材料の新しい設計へのインスピレーションをもたらす生物学的多機能システ
ムを幅広く選択」
することが科学的理解への挑戦であると述べられている。Biomimicry の主唱者である
J.Benyus は、Biomimicry Instituteと い う NPO 法 人 と Biomimicry
Guild というコンサルティング会社を設立し、フリーアクセスできる
AskNature と い う サ イ ト に Biomimicry Taxonomy というデータベースを開設して生物の多様性を
様々な科学技術分野に応用するヒ
ントをリストアップしている。また、“Biomimicry and Design Workshop”
を定期的に主催し情報発信をしている。

我が国の取り組み―課題と提言

6─1
我が国の取り組み
図表 10 に示すように、今世紀になってから「ネーチャー・テクノロジー」
や「バイオミメティクス」に関する著作や論文誌が我が国でも出版され、経済産業省を中心にバイ
オミメティクスに関する政策的な調査が行われている。また文部科
学省は 21 世紀 COE において、生図表 10

物模倣型モノつくり（工学分野）や生物資源の新しい利用（農学分野）
に関する大学院教育プログラムを採択している。また、我が国の研究者が主催する国際会議も開催されている。また、撥水材料や塗料、
構造色繊維、モスアイ構造をもつ
光学フィルムなどは、我が国においてもすでに実用化されており、新しい材料デザインや生産技術の革新などの観点からも生物模倣技術への企業の関心はますます高まっている。

6─2
新世代バイオミメティクス
研究・開発における日欧比較
バイオミメティクスの新潮流は、
現代社会が抱えているエネルギー、
環境、資源などの諸問題に対応できる「生産技術の革新」を萌芽する
新しい科学技術体系をもたらすものとして世界的にも期待されている。そしてその実現には、工学と我が国におけるバイオミメティクス関係の調査、研究プロジェクト、著作など

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科学技術動向研究センターにて作成
22

メニューへ戻る生物の多様性に学ぶ新世代バイオミメティック材料技術の新潮流

生物学の強力な異分野連携が不可
欠であることが、本報告で紹介した欧米の成功例からも読み取ることができる。バイオミメティクス
研究・開発における欧米の高いア
クティビティーとオリジナリ
ティーの背景には、科学技術を縦割りに分割しない文化的な要因があるように思われる。ドイツでは、
異分野連携をさらに推進するために、異分野連携研究にしか予算を配分しない行政的な指導を行っている。新世代バイオミメティクス
材料研究における我が国の課題を抽出する上でも、欧州との比較を
行 う こ と は 意 味 が あ る だ ろ う。
図表 11 に、異分野連携・産学連
携・教育プログラム・予算配分・
政策的な調査などにおける日欧比較をまとめた。欧州では、生物学からの問題提起をナノテクノロ
ジーなどとの異分野連携で強く推進してきた結果として、人材育成とネットワーク形成を政策的にも推し進め、さらには博物館や産業界を巻き込んで進んできた様子が見て取れる。一方、欧州とは対照的に、我が国では縦割り的な取り組みに限られ、残念ながら異分野

ル研究者が医学に対する知識と医療現場の課題と問題点を十分に理解していたことがあり、学会組織
や教育体制の充実がそれらを可能としたものと考えられる。一方で、分子系バイオミメティクス研究の後継領域のでもある超分子科学は、原子や分子、分子集合体を対象とするボトムアップ・ナノテクノロ
ジーの中心的研究領域となるものの、異分野連携の相手は同じ大きさを対象とする研究領域に限られた。nm か らμm、 さ ら に は mm
我が国の問題点と にいたるより大きな構造を対象とその背景にあるもの した研究領域、すなわち、欧州において次世代バイオミメティクス
生物学とナノテクノロジーの異 台頭の契機となった分類学や形態分野連携の成果ともいえる新世代 学が対象とする大きさは、我が国
バイオミメティクス研究が、何故、 の超分子科学のテリトリーではな
我が国では台頭しにくいのであろ く、結果として昆虫学や動物学、う。我が国でも、分子系バイオミメ 植物学との異分野連携はほとんど
ティクスとも言うべき Biomimetic なされなかった。その結果、我がChemistry の伝統と成果があり、そ 国における材料系バイオミメティの一部はバイオマテリアル研究の クス研究は、新規材料のバイオミ潮流を生みだし、そして現在では、 メティック・デザインを欧州の論
医療応用の領域において材料科学 文から輸入するところから始まると医学の連携を成功裏にもたらし ことになる。その段階であれば、てきた。我が国における医工連携 生物学者の知識も連携も必要とは
成功の背景には、バイオマテリア しないのである。材料科学側の問連携が積極的に推進されているとはいえない状況にある。新規な異分野連携・融合領域形成を苦手とする我が国にとっては、バイオミ
メティクスの成功例である欧米における研究開発例を 1 つの分野がキャッチアップしフォローするだ
けでは、科学的にも技術的にも遅れをとることは明白である。

6─3

図表 11 新世代バイオミメティクス研究における日欧比較（○良好、△改善点あり、× 不十分）

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Science & Technology Trends May 201023

科 学 技 術 動 向2010 年 5 月号

題は、生物の有する構造や機能から新規材料設計のヒントを自らが生物学者との連携の中で探し出すことに価値を見いださなかったことであり、欧米のキャッチアップに甘んじた点にある。これは、我が国の材料科学者が、生物学に対する知識を持たず人材交流をしなかったことに起因する。バイオマ
テリアル研究者が知識を医学に求め、学会を組織して人材を育成し医工連携に成功したこととは対照的である。
一方、生物学側では、極端に縦割りともいえる学問体系と学術組
織のありかたを問題点として挙げることができるであろう。まず、学問領域の細分化が工学系に比べて著しく、例えば同じ昆虫を研究対象としていても、分類学、農学（害虫としての研究対象）、生理学、発生生物学など、多くの視点からのアプローチがあり、必ずしも研究者間での交流がなされている訳ではない。バイオミメティクスの領域においては、生物が有するナノ・
マイクロ構造とそれらが有する生物学的機能を解明することが生物学の主たる役割である。欧州においては分類学者、形態学者が次世代バイオミメティクス研究の先導的役割を果たしているのに対し、我が国においては、分類学や形態学、さらには発生学の分野におけるバイオミメティクス関連の研究は皆無であった。一方、農業における昆虫学は、蚕と害虫を研究対象とした経緯もあり、応用昆虫学として展開してきた。図表 10 に掲載した京都大学農学部の 21 世紀
COE では、「昆虫から学ぶ科学」としての「エントモミメティクス（エ
ントモロジー＝昆虫学）」を提唱しており、昆虫型ロボットの開発な
どでは機械系バイオミメティクスとの連携も試みられている。代表者である藤崎憲治教授が、ドイツにおける次世代バイオミメティク
ス研究のリーダーである Kiel 大学
24の S. Gorb 教授と交流を始めたこ 機械工学などの工学と生物学・自（博物学）の連携、②生物学とで、応用昆虫学においても材料 然史学系バイオミメティクスへの関心が や工学のそれぞれの領域内部での異分野連携、③産学連携、を早急もたらされた。
2008 年に出版された「昆虫ミメ に行うことにあり、そのためには
ティックス」
は、動物生理学者を中 ④異分野連携のバリアを低くする
心に編集された我が国では最初の ための人材育成・教育の仕組み作
本格的なハンドブックであり、こ りが急務である。早急に異分野連「バの中では J.Vincent 教授をはじめと 携を推進するためには、例えばする欧州の昆虫学者、動物学者の イオミメティック・イニシアティ「府省連携型研究が数多く紹介されている。編 ブ」として機能すべき集代表の下澤楯夫北大名誉教授は、 バイオミメティック・センター（仮」というような機関を設置し、電子工学のバックグラウンドを持 称）
つ生理学者であり、昆虫の感覚毛 （独）物質・材料研究機構、（独）産業の研究に工学的な手法を取り入れ 技術総合研究所、（独）農学生物資源
た研究は欧米でも高く評価されて 研究所、（独）理化学研究所、（独）国（独）国立科学博物館、おり、その研究成果は 3 ― 8 節で紹 立環境研究所、介した J.Casas 教授らのプロジェク 地方自治体が運営する自然史系博トのきっかけにもなっている。欧 物館、大学など省庁をまたがる包
米に遅れはとったものの生物模倣 括的な研究連携体を組織するととの発想は、工学や農学といった応 もに、産学連携プロジェクトや学用の視点を持った生物学者の中で 術連携融合研究プログラムなどをは萌芽していると言える。しかし、 政策課題として設定することが有農学系で提唱されている「エントモ 効である。さらに、異なる学術領
ミメティクス」と生理学系の「昆虫 域の複数の学会が連携した人材育
ミメティックス」とは、共通の課題 成プログラムや、科学博物館と大や問題意識を持ち、さらには材料 学、学会の連携による理科教育プ
科学や機械工学との接点を持ちな ログラムや科学技術啓蒙活動、科がらも、縦割りとも思える我が国 学技術者のリカレントなどを同時の学問体系と学術組織のなかでそ に推進するべきであろう。
れぞれに独立して展開している。
その結果、次世代バイオミメティ 6-4-1 博物館の役割
膨大な生物資源情報とも言える
クス研究を生物学主導で展開する素地と可能性を孕んではいたもの 生物標本を保存している博物館のの、欧州にみられる新潮流への展 役割は特に不可欠である。データ「知の構造化」などの開にはいたらなかったと考えられ マイニングやデータベース化法を利用して、博る。
物館の所蔵物であるインベント
リーを整理・集約化することでバ
イオミメティック・データベースを網羅的に作成することが急務で課題と提言 ある。また、分類学、形態学にとっても、これまでに収集した標本に「生物機能に学ぶ材料・システム 工学的な価値を見いだされることの設計」と「生物プロセスに学ぶ生 は学術的にも意味のあることであ産技術」を特徴とする「バイオミメ り、事実、欧州の博物館では、電ティック・エンジニアリング」
とも 子顕微鏡写真なども含むデータ言うべき新しい技術体系を我が国 ベースを基に材料やデバイスの研に構築するためには、①材料科学・ 究者との連携、産学連携を積極的

6─4

メニューへ戻る生物の多様性に学ぶ新世代バイオミメティック材料技術の新潮流に行っている。生物資源インベン
トリーを工学的な視点からデータベースにする作業は、工学者と生物学者がお互いを知る場を提供することであり、さらには、「標本」
を「宝物」に換えることであり、そしてそこから共同研究の課題を見いだすことでもある。生物多様性
は、生物を模倣し着想を得て新たに設計される材料の多様性に反映される。

6-4-2 異分野連携による新学
術研究領域の創成
生物は、ナノからマイクロ、そしてマクロにいたる階層的な構造を自発的に形成している。新世代
バイオミメティクス研究は、ナノからマイクロにいたる領域で形成される構造とそれらがもつ機能、ならびに機能発現の機構解明を対象とする。これは、分子生物学的手法とは異なるアプローチであり、またナノテクノロジーの発展に
よっても行われなかった。バイオミメティクス研究は、ナノとミクロの狭間を埋めることであり、分子ナノテクノロジーと生物のマイクロ構造を結びつけることは、生命科学と工学の融合をもたらす。
さらにその成果は、発生生物学や形態学にフィードバックされる。
これこそが、新世代バイオミメティ
クス研究が新しい学術領域たる本質である。

6-4-3 実用研究に向けた産学連携のプロジェクト化
ロータス効果の発見は、ドイツにおけるバイオミメティクス研究開発の象徴的な成功例であり、ドイツ政府は産学連携ネットワーク
形成（BIKON）を政策的な課題として援助を行っている。欧州におい は、工学教育に生物学を取り入れても、この分野における産学連携 ることが不可欠である。また、バの推進には政府の支援が必要であ イオミメティクス研究を通じて、ることを意味している。このよう 博物館が持つ啓蒙機能を利用したなネットワーク形成の形で政策的 初等中等教育における理科教育や、なてこ入れがあれば、周回遅れ的 企業研究者のリカレント教育などな状況にある我が国においても起 も積極的に考えるべきであろう。
死回生の機会は十分にあると考え日本が、新世代バイオミメティられる。
クスの潮流に乗り遅れたのには、生物学と工学分野におけるアカ 「物理や数学が苦手な生物学者」やデミアの連携を図るとともに、エ 「暗記物が嫌いな工学者」、さらに
ネルギーや環境、資源問題に対応 は「高校で生物学を履修しないままできる企業連携体との共同研究コ に医学部に進学する学生」
を生み出
ンソーシアムとしての産学連携体 したこの国の教育と文化的な背景を政策的に組織し、産学連携課題 があるように思われる。大学の学の設定とプロジェクト化を行う。 部構成には、明治維新から続いて
例えば、太陽光発電へのモスアイ いる縦割りの教育制度を未だに引構造の導入は効率的なエネルギー きずった感があり、初等中等教育、の創造を可能とし、昆虫の脚に学 とりわけ理科教育のありかたにもぶ低摩擦材料を自動車に導入する 影響している。さらに、均一性のことで効率的なエネルギーの利用 高い学会などの組織のあり方も異を達成し、自己組織化や自己集合 分野連携に消極的な文化の一因かに基づくボトムアップ・ナノテク もしれない。我が国が欧米のキャッノロジーの開発と生産技術化は、 チアップから脱却し、科学技術先大量のエネルギーを使わない生産 進国として脱近代化するためには、工程を実現する。これらの課題は、 大学・大学院における「課題をつく
持続可能な社会実現にむけたより りだす問題設定能力」を持つ人材の46）
大きな政策的な課題でもある。
育成が重要になる 。特にこれからは、「物理が解る分類学者」、「昆
6-4-4 教育・人材育成
虫に詳しいエンジニア」
が求められ生物学に対する興味と理解を持 る。
つ工学の研究者を育成することは、
バイオミメティクス研究の将来展 謝辞
本稿の執筆にあたり、（独）国立科
開にとって不可欠である。3 ― 6 節
でも紹介したように、ドイツでは 学博物館・友国雅章動物部長、京
昆虫の感覚毛模倣のコンソーシア 都大学農学部・藤崎憲治教授、下ムと連携した BIONIC Graduate と 澤楯夫北海道大学名誉教授、道立
いう大学院博士課程の COE プログ 北海道開拓記念館・堀繁久課長、ラムがあり、複数の大学の専門分 浜松医科大学・針山孝彦教授、九野のことなる教員が大学院学生の 州大学先導物質化学研究所・高原
指導（Cross-Border Training）を行っ 淳教授に貴重なご意見を頂きましている。生物の有する構造や機能 た。ここに感謝いたします。
に工学的な価値を見いだすためにメニューへ戻る

Science & Technology Trends May 201025

科 学 技 術 動 向2010 年 5 月号

参考文献
1） http://www.otto-schmitt.org/
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http://www.dfg.de/en/research_funding/programmes/excellence_initiative/clusters_excellence/index.html
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TRIZ とは、Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch の頭字語（英語では Theory of solving inventive problems）
である41） S J Abbott, P H Gaskell“Mass production of bio-inspired structured surfaces Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers”, Part C：Journal of Mechanical Engineering Science, 221（10）；1181 ─ 1191
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42） www.photonicnet.de/download/jahresbericht_kompetenznetze-de.pdf43） http://cordis.europa.eu/fp7/ict/fet-proactive/bioict_en.html#what、
http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=FP7_PROJ_EN&ACTION=D&RCN=85749、http://nanoma.zenon.gr/、
http://cordis.europa.eu/fp7/ict/micro-nanosystems/projects_en.html#Micro-Nano-Bio%20Convergence44） 2008 年のオーストリア政府出版物“Bionik und Verkehrstechnologie”（http://www.bmvit.gv.at/innovation/aktuell/
downloadsaktuell/bionik_handout.pdf）に引き続き 2010 年には”
BIONIK Innovation & Qualifikation”も出版された。
45） http://www.swedishbiomimetics.com/index.htm
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Science & Technology Trends May 201027

科 学 技 術 動 向2010 年 5 月号

46） 松井彰彦：「西洋化」の終わりと日本経済 日経新聞 2010 年 3 月 28 日 経済論壇から執筆者プロフィール

下村

政嗣

科学技術動向研究センター 客員研究官
東北大学原子分子材料科学高等研究機構・多元物質科学研究所
http://poly.tagen.tohoku.ac.jp/Site/Top.html

教授

九州大学工学部をかわきりに、東京農工大学、北海道大学電子科学研究所、理化学研究所（兼任）、そして東北大学へと転々とし、日本の大学・研究所を体験的に比較し、異分野連携、産学連携のありかたを模索している。専門は、高分子科学、ナノテクノロ
ジー。

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