3Dプリンティングによるバイオミメティクス微細構造—— テントウムシ鞘翅の防水メカニズムおよび竹葉の防雪に関する微視的設計

自然界では、チョウやアメンボなどの昆虫が、防水性または撥水性を有する体表構造を進化させており、液体は球状の液滴として保持されます。一方、ナナホシテントウムシの鞘翅（elytra）は、接合部に隙間を有しており、理論的には液体が浸入しやすく、後翅の汚染や損傷リスクを高め、飛翔能力に悪影響を及ぼす可能性があります。

しかしながら、先行実験により、ナナホシテントウムシの鞘翅には独特なホゾ組構造（mortise and tenon structures） が存在し、高速（6 m/s）で液滴が隙間に正確に衝突した場合であっても、後翅は清浄な状態を維持できることが明らかになりました。一方、ホゾ構造を有しない対照群の鞘翅では、明確な汚染が観察されました（図2）。これらの結果は、ホゾ構造が防水性能を向上させている可能性を示唆していますが、その作用メカニズムはこれまで十分に定量的に解明されていませんでした。

そこで Jianing Wu らは、数値シミュレーションを用いてテントウムシ鞘翅の幾何学的パラメータを再現し、3Dプリンティング技術により鞘翅のホゾ構造モデルを作製することで、鞘翅の微視的ホゾ構造が防水性能に及ぼす影響を明らかにしました。本研究は、可動機械システムにおけるシール構造設計に対して、新たな設計指針を提供するものです。

本研究成果は、「Water-proofing mechanism of coupling structures observed in ladybird elytra and its bionic application」というタイトルで、学術誌 Droplet に掲載されました。

図2　水滴と鞘翅結合構造との衝突挙動

研究チームはまず、数値シミュレーション（計算流体力学：CFD）を用いて、水滴が鞘翅の隙間構造に衝突した際の圧力分布および構造変形挙動を解析しました。その結果、水滴の衝撃圧により、ミクロンサイズのホゾ構造同士が相互に押し合うことで、一時的に高い密閉性を持つシール空間が形成されることが明らかになりました。

この動的な変形挙動により、液体は鞘翅の隙間を通過することができず、後翅への浸入や汚染が効果的に防止されます。すなわち、ホゾ構造は単なる静的な接合構造ではなく、外部からの衝撃に応じて自律的に密閉性を高める防水機構として機能していることが示されました。

図3 3Dプリント生体模倣構造と潜在応用検証

シミュレーション結果を検証するため、研究者らはBMFのPμSL技術（3DプリンターmicroArch® S130） を用いて、鞘翅構造に基づく簡易鞘翅構造モデル及びほぞ構造付き鞘翅構造モデルを作製しました（図3a、b）。発色反応により、このほぞ構造が変形と応力調整を通じて効果的な密封を実現し、その自己適応型防水能力を実証しました。さらに研究チームは、この開閉機構に着想を得て、双安定（開／閉）状態を持つ防水展開装置を設計しました（図3）。モーター駆動によって開閉するバイオミメティク鞘翅構造を用い、太陽光パネル表面を保護することで、雨水と粉塵が混合して生じる汚染を抑制し、光電変換効率を向上させることに成功しました。

本研究は、テントウムシ鞘翅に存在する動的結合構造による防水メカニズムを初めて体系的に解明したものです。また、この機構を応用した太陽光パネル用防水展開装置は、エネルギー変換効率の向上に寄与するだけでなく、宇宙機のハッチ、精密機器の保護カバーなど、頻繁に開閉する機械システムの密封設計に新たな視点を提供します。

原文リンク：https://doi.org/10.1002/dro2.162↗

極寒地域や高標高地域においては、積雪が各種エネルギー機器やスマートデバイスの性能に深刻な影響を及ぼします。例えば、太陽光パネルの発電効率低下、風力発電ブレードの空力性能劣化、橋梁ケーブルの疲労増加、さらにはドローンや高速鉄道に搭載されたカメラおよびレーダーの機能不全などが挙げられます。これまでの研究は主に「防氷（anti-icing）」に焦点が当てられており、「防雪（anti-snow）」に関する体系的な研究は十分ではありませんでした。また、超撥水表面や自己潤滑表面は、湿雪条件下では逆に雪の付着を助長し、雪詰まり（snow clogging） を引き起こす場合があります。そのため、積雪の付着および脱離メカニズムを明らかにし、受動的に雪を除去できる材料設計を確立することは、寒冷環境下での機器安定運用にとって極めて重要です。

Weizheng Yuanらは、矢竹の葉から着想を得て、ファンデルワールス力と毛細管力を効果的に弱めるバイオミメティック微細溝構造を開発した。これにより、外力介入なしに積雪の低付着と自己脱落を実現しました。この研究は、防雪＝防氷という従来の考え方を打破し、極限気象下におけるエネルギーシステムや橋梁施設に新たな防護戦略を提供しました。

本研究成果は、「A Bioinspired Micro-Grooved Structure for Low Snow Adhesion and Effective Snow-Shedding」というタイトルで、学術誌 Advanced Materials に掲載されました。

図4　矢竹葉における低雪付着特性

研究者らは、矢竹葉表面に存在する周期的な微細溝構造を模倣し、BMFのPμSL 技術（3DプリンターmicroArch® S130）を用いて、溝の間隔および高さが異なる複数の微細溝構造サンプルを作製しました。図5に示す実験結果より、溝高さが30 μm未満の場合には雪付着抑制効果がほとんど見られませんでしたが、100 μm以上になると付着力が急激に低下し、最小で約30 Pa（平滑面のおよそ1/10）に達しました。また、溝の幅と高さの比（S/H）が付着力に大きく影響することが明らかとなり、幅が狭く、深さのある溝構造ほど、実接触面積が減少し、雪付着抑制効果が高まることが示されました。さらに、V字型溝構造は「導水および貯水」機能を有し、雪中に存在する自由水が固体表面ではなく雪粒を包み込むことで、重力により水分が溝底へ戻り、固液界面が物理的に分離され、毛細管力が大幅に低減されます。

図5　バイオミメティック微細溝構造上における雪の付着挙動

超撥水表面は雪の付着力を低下させることができ（約30 Pa）、一見すると防雪に有効であるように見えますが、表面の粗さ構造と雪粒子との間に生じる「機械的インターロッキング（mechanical interlocking）」により、雪は自然に脱離しにくくなることが明らかになりました（図6a）。

これに対して、バイオミメティック微細溝構造では、45°の傾斜条件下において、雪が3分以内に自発的に滑落し、明らかに優れた脱離性能を示しました（図6b–c）。さらに本研究では、表面粗さを系統的に調整することで、輪郭平均間隔（RSM：Roughness Spacing Mean） と雪粒子直径との関係が雪の付着・脱離挙動に大きな影響を及ぼすことを明らかにしました。

RSMが雪粒径と一致する条件では、粗さ突起と雪粒子との間に最も強い機械的インターロッキングが形成され、雪は自重のみでは滑落できず、外力によって内部凝集力を破壊しない限り脱離しない状態となります（図6e–f）。

理論解析による推定では、粗さ突起のわずか5%がインターロッキング状態にあるだけでも、抵抗応力は最大23.7 kPaに達することが示されました。

これは積雪の自重では克服できないレベルであり、結果として雪の滞留や二次凍結のリスクを引き起こす可能性があります。したがって、単に「低付着力」を追求する超撥水表面設計と比較して、バイオミメティック微細溝構造は、「低付着」＋「高い自発的脱離性」を同時に実現でき、防雪工学分野において、より実用性の高い表面設計戦略であることが示されました。

図6　バイオミメティック微細溝構造における雪の脱離挙動

本研究は、「雪」と「氷」における付着メカニズムの違いを初めて体系的に区別し、ファンデルワールス力・毛細管力・機械的インターロッキングの相互作用に基づく雪—固体界面における付着・脱離挙動メカニズムを提案しました。さらに、3Dプリンティング技術を活用することで、防氷・防雪・防水機能を一体化した多機能表面構造の構築に成功し、複雑な気象条件下における設備表面への着雪問題に対して、理論的根拠と実用的な解決手法の両面を提示しています。

原文リンク：https://doi.org/10.1002/adma.202500839↗