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» 2020年06月15日 10時00分 公開

研究開発の最前線:ハエの脚裏を模倣して接着と分離を繰り返せる構造を開発、作り方もハエに学ぶ

NIMS(物質・材料研究機構)は、北海道教育大学、浜松医科大学と共同で、ハエを参考に「接着と分離を繰り返せる接着構造」を単純かつ低コストで製作できる新しい製造プロセスの開発に成功した。バイオミメティクス(生物模倣技術)を基に、接着構造だけでなく、作り方もハエの「生きたサナギの中での成長」を模倣することで実現した。

[朴尚洙,MONOist]

 NIMS(物質・材料研究機構)は2020年6月11日、北海道教育大学、浜松医科大学と共同で、ハエを参考に「接着と分離を繰り返せる接着構造」を単純かつ低コストで製作できる新しい製造プロセスの開発に成功したと発表した。バイオミメティクス(生物模倣技術)を基に、ハエの脚裏にあるヘラ状接着性剛毛の構造を参考にするだけでなく、作り方もハエの「生きたサナギの中での成長」を観察して模倣することで実現した。この接着構造を持つナイロン繊維1本で、直径20cmのシリコンウエハーを持ち上げられたという。今後は、産業用ロボットのアームや屋外用ロボットの脚部への適用を目指した開発を進める。

 丈夫な製品を作る場合、接着剤などによる「強力な接着」を用いることが多い。しかし近年では、この「強力な接着」がリサイクル時の製品の分解や分別を妨げることが問題になっており、製造時から分解や繰り返し使用を考慮した設計が必要になる。そして、その実現のために「接着と分離を繰り返せる新しい接合構造」の開発が進められている。

 この繰り返し接着の開発のモデルとして有力視されているのが、ハエやハムシなどの昆虫の脚裏の構造だ。さまざまなモノの表面上を垂直にも逆さまにも歩くことができるこれらの昆虫の脚裏は接着に優れた毛が生えており、これを迅速にくっつけたり剥がしたりして歩く。今回の研究開発では、シンプルな形状の「ハエ型」(脚裏のヘラ状接着性剛毛)の接着構造が対象になった。

ハエの脚裏の接着構造 赤丸で示したキイロショウジョウバエの脚先(左側)を電子顕微鏡で拡大すると、水色のヘラ状接着性剛毛があることが分かる(右側)。この毛の先端は、迅速にくっつけたり剥がしたりできる(クリックで拡大) 出典:NIMS

 また、バイオミメティクスに基づいて模倣した構造の作り方で課題になっているのが、半導体製品製造に用いられるMEMS技術などが複雑かつ高コストを用いていることだ。今回の研究開発では、ハエの脚裏の接着構造の形成が、サナギの中という「少ないエネルギー消費」かつ「室温」で行われることに着目し、構造だけでなく作り方についても生物を模倣する手法を採用した点で独創性がある。

 この作り方を模倣するために、キイロショウジョウバエを免疫組織化学染色及び細胞骨格性アクチンを蛍光標識することで、変態過程のサナギの中で脚裏の接着構造が形成される様子を観察した。当初のサナギの中では見られなかった接着構造が発生、成長し、完成するまでの形成過程を観察した結果、脚裏のヘラ状接着性剛毛は、人間の髪の毛のように「伸びる」のではなく、細胞の先端が固定され、細胞が内側に引き伸ばされるように伸びて形成されていたという。具体的には、剛毛形成細胞の伸長と細胞骨格性アクチン繊維によってへら状の骨組みを形成し、クチクラの分泌で固化するという2ステップで形成プロセスが完了することを確認した。

脚裏のヘラ状接着性剛毛の形成プロセス キイロショウジョウバエのサナギ中で脚裏のヘラ状接着性剛毛の形成プロセスを観察した。緑色は剛毛形成細胞における細胞性アクチン繊維で、マゼンタは剛毛形成細胞の核、灰色は附節細胞。時間は蛹化後の経過時間。左から、(a)毛の発生前、(b)毛の発生、(c)毛の成長、(d)毛の完成となっている(クリックで拡大) 出典:NIMS
「ハエ型」の接着構造の形成メカニズム 「ハエ型」の接着構造の形成メカニズム。剛毛形成細胞が伸長し、細胞骨格性アクチン繊維により「へら状」の骨組みを形成し(上)、クチクラの分泌により「固化」して形成が完了する 出典:NIMS

 これを基に人工的な接着構造の製作プロセスを設計。ナイロン繊維の引き上げ(へら構造の形成)と、樹脂のアルギン酸カルシウムの固化という2ステップだけで、室温での接着構造の製作に成功した。

「ハエ型」の接着構造の人工的な製作プロセスの概略図 「ハエ型」の接着構造の人工的な製作プロセスの概略図。左から、(a)骨組みをナイロン繊維で作成した後、(b)片方を固定したナイロン繊維を樹脂に浸し、引き上げるとヘラ状の形に自己組織化する。(c)その後、固化して製作プロセスが完了する 出典:NIMS

 そして、製作した接着構造が、ハエの脚裏と同様に、被着表面に対して平行に引っ張ると強く接着し、垂直に引っ張ると簡単に分離する機能を持つことを確認した。接着構造を持つナイロン繊維1本だけで、シリコンウエハー(重量52.8g、直径20.3cm)を持ち上げられたという。

人工的に製作した「ハエ型」の接着構造 人工的に製作した「ハエ型」の接着構造。左から、(a)ガラス板に接着させた様子と、(b)接着構造を持つナイロン繊維1本だけで直径20cmのシリコンウエハーを持ち上げた状態(クリックで拡大) 出典:NIMS

 今回開発した接着構造は、産業用ロボットのアームに装着すれば、滑りやすい製品や持ちにくい製品でも組み立て時に保持させることができる(脱着機能の応用)。また、屋外用ロボット(災害対応ロボットやドローンなど)の脚部に装着することにより、虫のように垂直の壁を登らせるなど今までは困難だった場所での移動や固定が可能になる。

 また、社会実装に向けて、開発した製造プロセスを用いることで生産コスト、製造エネルギーの低減が図れるので、持続可能社会を実現するための環境低負荷技術としての普及も期待できるとしている。

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