〈日本知財学会誌〉Vol. 13 No. 2― 2016 : 35 38【事例報告】-フナムシを活用したポンプの実例
石井大佑（名古屋工業大学大学院工学研究科准教授）
Biomimetic Pump Learning from Wharf RoachDaisuke Ishii

Associate Professor, Graduate School of Engineering, Nagoya Institute of Technology【要旨】 フナムシの後脚には，水を効率よくエラまで輸送する毛状の微小構造で形成されたオープン流路がある．
このメカニズムを解明するために，表面濡れ性を人為的に制御したフナムシの脚サンプルの物理化学的測定を試みた結果，流路を形成している微細構造の濡れダイナミクスの違いを巧みに利用し，吸引等のエネルギーを使用せずに液体を輸送している事を明らかにした．さらに，フナムシの流路構造を模倣した微細表面をトップダウン法で作製した後に表面濡れ性を制御すると，フナムシと同様に微細構造を利用した水輸送を実現できた．その水輸送能力は，表面の微細構造を系統的に変化させることで最適化ができる．本稿では，生物模倣により作製したフナムシのオープン流路の開発プロセスおよび実用化するための特許戦略についても報告する．
【キーワード】 液体輸送

オープン流路毛管力

マイクロフルイディクス

表面張力【Abstract】 A coastal animal Ligia exotica commonly called “wharf roach” has pairs of legs on which microstructurechannels uptake water spontaneously with its surface free energy. SEM images revealed the water channels arecomposed of micron-sized blades oriented in several parallel lines. Unlike conventional closed capillary channels suchas micro tubes, this open-air capillary channel has a great potential of low-energy long distance liquid transport andinter-channel liquid transport. We fabricated a series of microstructure channels on silicon wafer by photolithography
inspired from those on legs of Ligia exotica. The channels irradiated by excimer lump acquire similar water transportability with their high surface free energy.
【Keywords】 Liquid Transport
Energy1.

Open Channel

Capillary ForceMicrofluidics

Surface Free

して空気中のわずかな水分や雨水を集めて飲料水とフナムシのもつ流路する装置が開発されている．流路を用いて水のような低粘性液体を輸送する際には，さほど圧力を要しバイオミメティクス（生体模倣）を実現するためないが，多糖類等の高濃度溶液となると粘性抵抗がには，生物のもつ優れた構造や機能を解明する必要顕著に現れ，流路内を流れることが困難になる．自がある．例えば，砂漠地帯に生息しているモロクト

然界に目を向けると，生物や植物は生存のために多カゲの体表面には円錐状のトゲがあり，そのトゲは様な手法で，水分のみならず粘性の高い養分や油分放射線状の溝構造がある．その溝が体表の至る所かを省エネルギーで取り込んでいる（Kim and Bush,

ら口へと繋がっており，砂漠地帯で朝晩に発生する2012）．その実態は，輸送流路内部に微細構造や組霧を体表全面で補水し，毛管現象により口まで輸送成の違いを生み出す表面があり，そのポテンシャルしている（Bentley and Blumer, 1962）．地球上にはエネルギーのみで高粘性液体の高効率輸送を実現し水不足の地域も多くあり，この毛管現象をヒントにている．このようなポテンシャルエネルギー駆動のISSN 1349-421X© 2016IPAJ

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〈日本知財学会誌〉 Vol.13 No.2― 2016

液体操作は国際的な一流誌に掲載されており（Park-

ラ呼吸のために多くの水分が必要であり，口から補er and Lawrence, 2001），省エネルギーで高効率に高水するのみならず，自発的に脚からエラまで海水を粘性液体を操作可能なシステムは世界的に重要な研輸送する微細毛で形成された流路構造があることがわかっている（Horiguchi, Hironaka, Meyer-Rochow,

究対象である．
さらに現在の社会では，多くの場面で液体を自在and Hariyama, 2007）．このフナムシのもつ液体輸送に操ることが求められている．例えば，水とオイル機構を物理化学的解析により解明した結果，流路をの分離問題が挙げられる．水とオイルは相溶性が無構築している微細構造と液体との界面張力の相関くほとんど混じり合わないため，混在するという問が，高効率な液体輸送に重要な役割を担うことを見題が生じている．例えば，船舶からの海水へのオイいだした（Ishii, Horiguchi, Hirai, Yabu, Matsuo, Ijiro,

ル漏れや，野菜やイカ等の水分の多い食材を炒めた

Tsujii, Shimozawa, Hariyama, and Shimomura, 2013）．

時の水の飛散など，環境問題から日常生活まで多岐

一般的に，微細構造は流路抵抗になるため，流路内にわたる．しかし，水とオイルの分離は非常に手間に形成させることは不適とされてきたが，フナムシがかかる．そのため，高効率な水とオイルの分離プの脚の微細構造は流路抵抗にはならずに流路を促進ロセスが切望されている．現状の分離技術は，吸着さ せ る 働 き を し て い た（Tani, Ishii, Ito, Hariyama,材に染みこませる方法や水のみ透過できる膜を利用

Shimomura, and Okumura, 2014）．

する方法など，吸着材や膜材を用いることが主である．これは，水とオイルはともに液体であり，液─2.

フナムシ模倣流路液分離をしなければならないためである．近年では，通過する液体の表面張力による分離が可能なフィル

フナムシ模倣流路は，フォトリソグラフィーによターを用いた分離技術が報告されているが（Kwon,り作製した．作製した流路のエキシマ光照射による

Kota, Sohani, Mabry, and Tuteja, 2012），重力を利用表面親水化処理を行なうことで，実際のフナムシのした分離のために容器の移し替えが必要である．

脚にある流路と同様に効率よく水を輸送できた．まそこで本稿では，この問題を解決するための水とた，エキシマ光が照射される場所と照射されない場

オイルの省エネルギー分離プロセスを，フナムシが所のパターンを有した流路を作製することもでき微細構造で液体を自発輸送していることに倣い，微る．フナムシの脚の流路構造と，それを模倣して作細構造や組成の違いにより高効率な液体輸送により製した突起構造が林立しているフナムシ模倣流路構実現した結果を紹介する．微小流路では粘性抵抗が造の電子顕微鏡像を図 1 に示す．フナムシ模倣流路流路の阻害因子となるが，フナムシの流路構造を模は，毛管現象を利用してポンプ不要で液体を上昇で倣することで，流路阻害にはならずにむしろ流速をきる．毛管現象とは毛管内の表面張力，液体と毛管促進できる省エネルギー輸送プロセスを構築でき，壁との間の付着力，重力のつり合いにより液体が上流路のパターニングにより新規な水─オイル分離シ昇していくという現象である．閉鎖型の毛管と比較ステムを開発した．規範生物であるフナムシは，エし，フナムシ模倣流路のような開放型の溝構造（オー

図136

フナムシの脚の流路構造（左図）とフナムシ模倣流路構造（右図）の電子顕微鏡像

フナムシを活用したポンプの実例

図2

フナムシ模倣流路の液体上昇挙動

液体上昇パターン
水図3

パターニングしたフナムシ模倣流路による液体輸送デバイス
スライドガラスパターン

プン流路）の利点は，閉鎖型の微細毛管ではポンプ路表面に沿って下降してくる．この現象を利用し，による減圧や加圧が必要になるのに対し，オープン混合液の上昇距離による混合比のセンシングや濃流路では構造由来の界面張力を利用しているため，縮・分収への応用が期待できる．また，作製したフポンプ等での圧力操作は不要になる．すなわち，フナムシ模倣流路では，濡れ性の高い方が効率的に液ナムシ模倣流路の界面張力を制御することで，液体体輸送できるため，親水化処理や表面処理のパター選択性や環境応答性などの新規液体輸送デバイスへニングをした流路での液体上昇を利用することで，の応用に繋がる．図 2 に示す作製したフナムシ模倣選択した液体をパターンのみに上昇させることがで流路の界面張力のみで重力に抗って液体が上昇してきる（図 3）．この仕組みを利用し，水とオイルのいく動画から，上昇距離および上昇時間を計測した．

混合溶液から選択的に水あるいはオイルのみが上昇林立している構造の配列状態を系統的に変化させたする流路設計が可能である．

流路で比較した結果，構造高さが高い方，短軸方向の間隔が短い方，長軸方向の間隔が短い方，さらに4.

液体輸送デバイスの展望

は，構造の濡れ性がより親水性である方が効率よく液体を輸送できる（石井，2015）．

3.

流路による液体輸送

上述した自然界で観察される表面構造由来のポテンシャルエネルギーで駆動する液体輸送システムに倣い，工業材料への展開を視野に入れた高粘性オイルの高効率輸送プロセスを実現した．さらには，水このフナムシ模倣流路を用いて，水─エタノールを強力にはじく撥水性をもち，かつ，オイル輸送に混合溶液からのエタノール分収を試みた．混合溶液適した化合物で微細構造表面を修飾し，水─オイルのエタノール濃度が高くなると，液体の表面張力は混合溶液からどちらかの液体のみを選択分離可能な低下し，界面張力も低下する．すなわち，エタノーシステムを実現できている．これは，水やオイルとル濃度が高い混合溶液ほど高くまで上昇する．また，流路間に働く界面張力差を利用した水─油分離技術

液体上昇中に水よりも先にエタノールが蒸発するこである．本手法により，棒やホースなどの支持体表とで混合液のエタノール濃度が低下し，流路系外に面に作製した微細構造の表面修飾だけで分離可能と混合液があふれ出る．上方からあふれ出た液体は流なり，吸着材の消費や膜材の目詰まりによる機能損37

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失を回避できる．今後は，水─油分離への応用のみして言えることは，いかにエネルギーの消費を少なならず，高圧オイル輸送管やポンプシステムへの応く機能を生みだしているかである．

用展開が考えられる．本研究成果は，物理化学分野における表面濡れ特性制御に関する学術的知見が得られるだけでなく，エネルギー高効率化社会の実現を目指す現在の産業界および学術界における界面・表面技術開発に大きく貢献できると考えられる．このような，重力に抗した自発液体上昇現象を利用した液─液分離に関する研究例は未だ無く，新規性が高いことから，既に特許を取得している（石井・針山・下村・奥村・谷，2015）．
これまでの水─油分離技術は，ろ過膜や吸着・膨潤材を使用した使い捨てシステムが多く，今後のエコ社会に対応しているとは言い難い．しかし，自動車のエンジンや油圧ポンプなど，多くの産業・工業プロセスでは油を使用しており，その廃液や効率維持には水─油分離技術は必須である．開発したフナムシ模倣流路は，エコプロセスのモデルとして生物や植物のもつ液体操作システムを利用している．生物や植物は環境に応じて多様に進化や退化を繰り返し，生存に必要な多様な機能を創生している．共通38

参考文献
Bentley, P. J., and Blumer, W. F. C.（1962）“Uptake of Waterby the Lizard, Moloch horridus,”Nature, Vol. 194, pp. 699700.
Horiguchi, H., Hironaka, M., Meyer-Rochow, V. B., and Hariyama,T.（2007）“Water Uptake via Two Pairs of Specialized Legs
in Ligia exotica（Crustacea, Isopoda）,”Biol. Bul., Vol. 213,
No. 2, pp. 196-203.
石井大佑（2015）「フナムシの脚を模倣した微小流路の開発」『機能材料』
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石井大佑・針山孝彦・下村政嗣・奥村剛・谷茉莉（2015）「ブレード複合型開放流路装置およびその接合体」国際出願番号 PCT/JP2015/62233，平成 27 年 4 月 22 日．
Ishii, D., Horiguchi, H., Hirai, Y., Yabu, H., Matsuo, Y., Ijiro, K.,
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Kim, W., and Bush, J. W. M.（2012）“Natural Drinking Strategies,”J. Fluid Mech., Vol. 705, pp. 1-19.
Kwon, G., Kota, A. K., Li, Y., Sohani, A., Mabry, J. M., and Tuteja,A.（2012）“On-Demand Separation of Oil-Water Mixtures,”Adv. Mater., Vol. 24, pp. 3666-3671.
Parker, A. R., and Lawrence, C. R.（2001）“Water Capture by aDesert Beetle,”Nature, Vol. 414, pp. 33-34.
Tani, M., Ishii, D., Ito, S., Hariyama, T., Shimomura, M., and Okumura, K.（2014）“Capillary Rise on Legs of a Small Animaland on Artificially Textured Surfaces Mimicking Them,”PLoS
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