汲取大自然的智慧

1、汲取大自然的智慧】(1)總論：仿生產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，納米技術(shù)成為助推劑【日經(jīng)BP社報(bào)道】動(dòng)植物在漫長的進(jìn)化過程中獲得了適合生存的能力，其中隱藏著我們想像不到的機(jī)制。從這些先進(jìn)的機(jī)制和構(gòu)造中獲得靈感的就是仿生技術(shù)。仿生技術(shù)作為環(huán)境對(duì)策如今重新獲得了關(guān)注，納米技術(shù)的進(jìn)步使得人工再現(xiàn)細(xì)微構(gòu)造成為可能，其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。 把生物和植物具有的構(gòu)造、機(jī)理和形狀等應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的仿生技術(shù)（Biomimetics *1）研發(fā)如今“突然發(fā)力”（東北大學(xué)研究生院環(huán)境科學(xué)研究科教授石田秀輝）。 *1也叫做Biomimicry。 例如，夏普從2008年開始向市場(chǎng)投放部分模擬生物形狀的產(chǎn)品，借此提高了效率和性能，現(xiàn)在

2、該公司則在加快行動(dòng)步伐。積水化學(xué)工業(yè)在2011年6月推出了模仿樹蔭的遮陽棚“AiryShade”（圖1）。這種遮陽棚采用了樹枝的分形構(gòu)造，能夠遮擋陽光，還能夠通風(fēng)散熱。 圖1：積水化學(xué)工業(yè)的遮陽棚“Airy Shade”以樹枝的分形構(gòu)造為靈感，模仿樹蔭開發(fā)而成（a）。（b）為東京都內(nèi)的采用實(shí)例。大自然中充滿了動(dòng)植物在漫長進(jìn)化過程中產(chǎn)生的智慧，比如以微少的能量有效發(fā)揮功能的構(gòu)造、在常溫常壓的低成本環(huán)境下形成復(fù)雜的微細(xì)構(gòu)造的機(jī)制，而且還不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來沉重的負(fù)擔(dān)。這其中就隱藏著有別于傳統(tǒng)工學(xué)方式的新型制造技術(shù)的靈感。某大型汽車廠商如今對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分解，正在從生物和植物中探尋實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的方法。 仿

3、生技術(shù)的應(yīng)用不僅限于產(chǎn)品。三菱麗陽的無反射薄膜生產(chǎn)技術(shù)、豐田正在開發(fā)的低摩擦材料的制造技術(shù)中都應(yīng)用了仿生技術(shù)。通過采用像具有拒水效果的荷葉、以及類似雪花結(jié)晶那樣無需大量能量即可形成規(guī)則構(gòu)造的“自我組織化”技術(shù)，就可以以低成本、低能耗實(shí)現(xiàn)所需的微細(xì)構(gòu)造。 “雖然具體行動(dòng)尚未展開，但很多企業(yè)都在考慮采用仿生技術(shù)?！边@番話出自日本東北大學(xué)原子分子材料科學(xué)高等研究機(jī)構(gòu)多元物質(zhì)科學(xué)研究所教授下村政嗣，下村教授經(jīng)常接到來自大企業(yè)經(jīng)營者有關(guān)“在自然和環(huán)境方面能做些什么”、“基于自然的技術(shù)應(yīng)該如何發(fā)展”的咨詢。 歐美發(fā)展仿生技術(shù)以振興產(chǎn)業(yè) 其實(shí)，歐美對(duì)于仿生技術(shù)的關(guān)注勝過日本，尤其是在環(huán)保意識(shí)突出的歐洲，德國

4、和英國最為積極。德國擁有大量的仿生技術(shù)研究人員，2011年還在德國政府的援助下舉辦了仿生技術(shù)國際展會(huì)。德國正在舉全國之力，將仿生技術(shù)打造成一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)。 與此同時(shí)，為了明確仿生技術(shù)的概念和定義，德國還在推動(dòng)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定。德國已經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)成立了Technical Committee（技術(shù)專業(yè)委員會(huì)），希望以此在未來潛力市場(chǎng)的主導(dǎo)權(quán)爭奪中占據(jù)有利位置。 美國方面，受圣地亞哥動(dòng)物園的委托，一份關(guān)于仿生技術(shù)未來經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的報(bào)告于2010年發(fā)表。該報(bào)告預(yù)測(cè)，到2025年，仿生技術(shù)將能夠創(chuàng)造3000億美元的國內(nèi)生產(chǎn)總值、160萬個(gè)就業(yè)崗位，很多企業(yè)對(duì)這一市場(chǎng)都充滿興趣。 除歐美之外，中國、韓國政府也開始致力于

5、仿生技術(shù)的研究。中國更是從德國聘請(qǐng)了專家，開設(shè)了仿生技術(shù)研究所。 源于蜻蜓翅膀的小型風(fēng)車源于蜻蜓翅膀的小型風(fēng)車 仿生技術(shù)本身其實(shí)并不稀奇，但最近忽然受到關(guān)注的原因主要有二點(diǎn)：一是以溫室氣體減排為代表的環(huán)保措施的推進(jìn)。隨著環(huán)保要求的逐年提高，人們開始向高性能、高效率而且環(huán)境負(fù)荷小的自然現(xiàn)象尋求“解答”。在經(jīng)歷了東日本大地震，以及福島第一核電站事故的日本，這種趨勢(shì)更是明顯。 使用仿生技術(shù)也確實(shí)可以制造出高效率的產(chǎn)品。其典型范例便是日本東北大學(xué)石田等人與日本文理大學(xué)合作研究的小型風(fēng)車“微環(huán)保風(fēng)車”（圖2）。該風(fēng)車的葉片就應(yīng)用了仿生技術(shù)，模仿的生物對(duì)象是蜻蜓。 圖2：從蜻蜓翅膀中獲得了靈感的小型風(fēng)車模

6、仿蜻蜓翅膀開發(fā)的小型風(fēng)車（a）。只需微風(fēng)即可發(fā)電。拆下葉片來看，葉面上設(shè)有像蜻蜓翅膀那樣的凹凸（b）。與鳥類的翅膀不同，蜻蜓的翅膀上存在凹凸。因此，蜻蜓飛行時(shí)，在空氣粘性的作用下，翅膀上表面前緣會(huì)發(fā)生渦流。渦流沿翅膀流動(dòng)，在排開翅膀周圍的空氣的同時(shí)，渦流外側(cè)會(huì)形成良好的空氣層流。蜻蜓的翅膀就是由此產(chǎn)生巨大的升力，遏制空氣阻力的*2。 *2蜻蜓體型小、飛行速度慢。從流體力學(xué)的角度來看，表示慣性力與粘性力之比的雷諾系數(shù)較小，也就是說，空氣的粘性力處于支配狀態(tài)。從蜻蜓的角度來看，就像是在粘稠的液體中飛行。 微環(huán)保風(fēng)車的葉片上排列著模仿蜻蜓翅膀的凹凸。借助這些凹凸，“只要風(fēng)速達(dá)到20cm/分左右即可發(fā)

7、電”（石田）。而且，因?yàn)椴牧喜捎玫氖侨彳浀木郾≒P），所以葉片還能夠耐受強(qiáng)風(fēng)。由此有望制造出價(jià)格低且不易損壞的小型風(fēng)車。 拆卸的靈感來自落葉樹木拆卸的靈感來自落葉樹木 下面來介紹從高性能、高效率而且環(huán)境負(fù)荷小的自然現(xiàn)象中尋求“解答”的另一個(gè)例子。那就是日本物質(zhì)及材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）環(huán)境能源材料部門混合動(dòng)力材料部互聯(lián)設(shè)計(jì)組組長細(xì)田奈麻繪研究的效仿植物和昆蟲的可逆焊接產(chǎn)品。細(xì)田關(guān)注的是落葉樹的樹葉。 落葉樹的樹葉會(huì)隨著氣溫變化和果實(shí)成熟時(shí)產(chǎn)生的乙烯濃度的變化而掉落。此時(shí)，樹枝與樹葉之間被稱為“離層”的中間層會(huì)擴(kuò)大，從而促進(jìn)樹葉脫離樹枝。如果將其應(yīng)用于金屬的焊接，就能夠使焊接在基板上的電子部

8、件容易分離，方便回收利用（圖3）。 圖3：從落葉樹獲得靈感的分離技術(shù)把周圍環(huán)境變化、離層增長、葉片脫離的三步式思路引入到了工業(yè)產(chǎn)品的分離和分解技術(shù)之中。在部件之間設(shè)置離層，通過外部的某些刺激和信號(hào)使離層起效。模仿的是功能的表現(xiàn)模式，而并非生物的構(gòu)造或形狀。有望應(yīng)用于電子部件的回收利用等方面。日經(jīng)制造根據(jù)細(xì)田的資料制作。因此，細(xì)田想到了利用液態(tài)金屬脆化實(shí)現(xiàn)落葉樹樹葉的“離層模式”。液體金屬脆化現(xiàn)象是指固態(tài)金屬在接觸到液態(tài)金屬時(shí)強(qiáng)度顯著下降，出現(xiàn)脆化的現(xiàn)象。例如，把焊錫作為離層，將電子部件焊接到基板上，在回收利用時(shí)，在離層涂上低熔點(diǎn)的鎵。這樣一來，焊錫離層就會(huì)變脆，使電子部件容易與基板分離。 通過

9、使用這種方法，完全無需加熱等多余的能量即可完成解體。細(xì)田認(rèn)為，“在未來的循環(huán)型社會(huì)中，低環(huán)境負(fù)荷的焊接技術(shù)將愈發(fā)重要”。 納米技術(shù)加速材料研究納米技術(shù)加速材料研究 仿生技術(shù)如今受到關(guān)注的另一個(gè)原因是納米技術(shù)的進(jìn)步。隨著電子掃描顯微鏡等觀察手段的高性能化，人們了解到了更多的生物微細(xì)構(gòu)造，但在工業(yè)產(chǎn)品中對(duì)其進(jìn)行人工再現(xiàn)卻并非易事。但是，隨著近來納米技術(shù)的發(fā)展，這成為了可能。從壁虎的腳獲得靈感的膠帶、模仿藍(lán)色大閃蝶閃光翅膀機(jī)制的纖維就都屬于此類產(chǎn)品。 模仿能夠在墻壁和天花板上自由爬行的壁虎的膠帶是全球粘合材料研究人員爭相開發(fā)的對(duì)象。其粘合力強(qiáng)、而且易揭開。 靈感來源于壁虎的腳底。壁虎的腳底密布著非常

10、纖細(xì)的毛，毛的尖端還有1001000條分叉。在過去，模仿這種微細(xì)的構(gòu)造并非易事，但日東電工成功利用直徑為數(shù)nm數(shù)十nm的碳納米管（CNT）成功地對(duì)其進(jìn)行了再現(xiàn)。2012年2月，該公司在世界上率先宣布商業(yè)化生產(chǎn)“壁虎膠帶”。 NIMS的細(xì)田調(diào)查了與壁虎腳的粘合機(jī)制、荷葉的拒水效果、藍(lán)色大閃蝶翅膀閃光機(jī)制的論文發(fā)表情況，發(fā)現(xiàn)在生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)并查明原理大約57年后，利用該機(jī)制和原理的應(yīng)用論文開始激增。而且，其中利用生物微細(xì)構(gòu)造的材料類論文居多（圖4）*3。 *3細(xì)田于2008年成立了日本仿生技術(shù)材料研究會(huì)“Learningfrom Nature Cluster”?，F(xiàn)在共有成員14人，以昆蟲、植物、土壤

11、等自然界的各種機(jī)構(gòu)為模型進(jìn)行著材料開發(fā)。在此之前，關(guān)注仿生技術(shù)的研究者沒有討論的場(chǎng)所，研究會(huì)會(huì)舉辦兼具學(xué)習(xí)會(huì)性質(zhì)的研討會(huì)，為研究者提供相互探討的場(chǎng)所，其網(wǎng)站正在建設(shè)中。 圖4：仿生技術(shù)相關(guān)論文發(fā)表情況生物功能的基本原理和機(jī)制被發(fā)現(xiàn)并查明的57年后，相關(guān)論文將會(huì)激增。第一行為壁虎腳的粘合機(jī)制，第二行為荷葉的拒水效果。分析論文主題可知，其中大多數(shù)是材料科學(xué)類。日經(jīng)制造根據(jù)細(xì)田資料制作。其實(shí)，NIMS也打算在納米級(jí)別上利用仿生技術(shù)。其中包括模仿鮑魚殼構(gòu)造的高韌性陶瓷，以及模仿能夠在腐蝕材料的表面同時(shí)生根的苔蘚以及骨骼生長過程的人工骨骼成形等。 其中，高韌性陶瓷的研究把著眼點(diǎn)放在了陶瓷質(zhì)地的鮑魚殼不容

12、易碎裂這一點(diǎn)上。通過微細(xì)陶瓷層與蛋白質(zhì)層的多層重疊，鮑魚殼把受到的外力從陶瓷層分散到蛋白質(zhì)層，確保了高韌性。如果能夠在納米級(jí)別人工合成這種構(gòu)造，“能夠塑性變形的陶瓷將不再是夢(mèng)想”（細(xì)田）。從仿生到“生物規(guī)范工程學(xué)”從仿生到“生物規(guī)范工程學(xué)” 日本東北大學(xué)的石田和下村為了讓仿生技術(shù)能夠從日本走向世界，正在探索自主的發(fā)展形態(tài)。二人的目標(biāo)是在描繪無損舒適性，并且環(huán)境負(fù)荷小的新生活方式的同時(shí)，在生物和植物等自然界之中，尋找實(shí)現(xiàn)這種新生活的技術(shù)，這屬于社會(huì)工程學(xué)的范疇。仿生技術(shù)在其中的定位是實(shí)現(xiàn)新生活方式的重要基礎(chǔ)技術(shù)（圖5）。 圖5：生物規(guī)范工程學(xué)的形態(tài)通過思考未來的生活方式，從自然中尋找需要的技術(shù)，

13、通過將其作為模型或是進(jìn)行模仿，開發(fā)不破壞環(huán)境的工業(yè)技術(shù)。圖為日經(jīng)制造根據(jù)石田的資料制作下村將其稱為“生物規(guī)范工程學(xué)”，按照下村的說法，“生物規(guī)范工程學(xué)”必須具備以下三點(diǎn)：1形成生物和植物擁有的特殊動(dòng)作原理和自組裝等構(gòu)造的機(jī)制；2生物學(xué)、博物學(xué)與工程學(xué)的融合；3社會(huì)接受性。其中最為重要的是3社會(huì)接受性。無論環(huán)境負(fù)荷多么低、多么節(jié)能，如果人類在使用時(shí)會(huì)感覺到不便，就無法實(shí)現(xiàn)普及。如何在提高生活質(zhì)量的同時(shí)，把自然的智慧帶到工業(yè)產(chǎn)品之中這是生物規(guī)范工程學(xué)必須要考慮的問題。 石田等人認(rèn)為日本在該領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)是有其理由的。因?yàn)榕c信仰“人類應(yīng)該控制自然”的西方觀點(diǎn)相比，東方的“人類屬于自然”的社會(huì)觀與生物規(guī)

14、范工程學(xué)更加契合。 石田已經(jīng)計(jì)劃于2012年內(nèi)開展“家庭農(nóng)場(chǎng)”試驗(yàn)。在城市的家庭中，以輕量、多孔質(zhì)的二氧化硅為培養(yǎng)基種植蔬菜。這種培養(yǎng)基的原型是土壤。鑒于在家中難以使用土壤，石田把目光對(duì)準(zhǔn)了含有養(yǎng)分、微生物和水等物質(zhì)，重量輕便于處理的多孔質(zhì)二氧化硅（圖6）。二氧化硅的密度是0.01g/cm3。因?yàn)楸Ｋ?，微生物也能夠在其中生存?圖6：利用多孔質(zhì)的二氧化硅制造的培養(yǎng)基保濕性優(yōu)良，蔬菜栽培需要的微生物也容易棲息。密度為水的1%左右，質(zhì)地非常輕，因此便于搬運(yùn)?，F(xiàn)在，石田正準(zhǔn)備將其應(yīng)用于東日本大地震的重建。如果能夠利用臨時(shí)住宅的集會(huì)場(chǎng)所的墻壁種植蔬菜，人們自然就會(huì)集中到一起，具有很好的宣傳效果。以

15、提高生活質(zhì)量為宗旨的生物規(guī)范工程學(xué)的真諦就在于此。 不可或缺的多領(lǐng)域合作 今后，要想擴(kuò)大仿生技術(shù)和生物規(guī)范工程學(xué)的研究范圍，推動(dòng)實(shí)用化的發(fā)展，材料和工學(xué)研究者與生物學(xué)和農(nóng)學(xué)等領(lǐng)域的研究者的合作必不可少。在此之前，關(guān)注仿生技術(shù)的部分工學(xué)研究者和技術(shù)人員把著眼點(diǎn)放在特定的生物功能之上，推動(dòng)了這些功能在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用。但這種方式得到的信息十分有限，因此必須建立把生物學(xué)信息更廣泛地應(yīng)用于工學(xué)的機(jī)制。 關(guān)于與其他領(lǐng)域的合作，日本東北大學(xué)的下村等人正在建設(shè)新的框架。已經(jīng)開展的具體行動(dòng)包括申請(qǐng)2012年度日本學(xué)術(shù)振興會(huì)的科學(xué)研究費(fèi)（科研費(fèi)），構(gòu)建機(jī)械和材料領(lǐng)域的工學(xué)研究者和技術(shù)人員與生物學(xué)、農(nóng)學(xué)、博物學(xué)研

16、究者交換信息的場(chǎng)所，并構(gòu)建關(guān)于生物功能的參考數(shù)據(jù)庫。 將研究與產(chǎn)業(yè)化掛鉤的過程中，企業(yè)與大學(xué)的合作必不可少。積水化學(xué)工業(yè)的集團(tuán)公司Sekisui Integrated Research（總部：京都市）首席研究員佐野健三表示：“仿生技術(shù)雖然是一項(xiàng)有趣的研究，但其是否擁有經(jīng)濟(jì)合理性則不進(jìn)行開發(fā)就無法確定。重要的是播下研究的種子，并長期培養(yǎng)?！?日本要想發(fā)展仿生技術(shù)使其與產(chǎn)業(yè)掛鉤，不落后于歐洲，產(chǎn)官學(xué)研究機(jī)構(gòu)交流信息的場(chǎng)所、參與研究的企業(yè)群組成的團(tuán)體將愈發(fā)重要。（記者：吉田 勝） 日文原文：生物模倣実用例続登場(chǎng)，環(huán)境対応後押【汲取大自然的智慧】(2)蝴蝶與風(fēng)扇：夏普積極利用生物功能，尋求與機(jī)械不同的

17、解決方案【日經(jīng)BP社報(bào)道】“研究產(chǎn)品所需要的功能時(shí)，考察了在相同領(lǐng)域具有出色功能的生物，并融入了關(guān)鍵要素”。 夏普健康環(huán)境系統(tǒng)業(yè)務(wù)本部核心技術(shù)開發(fā)中心第二開發(fā)室主任研究員大塚雅生如此說道。該公司連續(xù)推出了模仿信天翁、山鷹、小貓及蝴蝶等生物特點(diǎn)來提高功能的白色家電。從2008年上市的空調(diào)到2012年4月發(fā)布的風(fēng)扇，采用仿生技術(shù)的實(shí)例已達(dá)到5個(gè)，共推出了9款商品（表）。 秘密在凹入部分 夏普的最新仿生產(chǎn)品是以均勻舒適的送風(fēng)為賣點(diǎn)的風(fēng)扇（2012年5月上市）。一般來說，要產(chǎn)生均勻柔和的風(fēng)，需要增加葉片數(shù)量。但存在會(huì)導(dǎo)致送風(fēng)效率及靜音性降低的問題。新產(chǎn)品需要解決的難題是，消除這種此消彼長（Trade-

18、off）的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)舒適、安靜以及較高的效率。據(jù)說同在第二開發(fā)室的公文結(jié)從大塚那里聽說這一要求后，立即想到了大絹斑蝶（圖1）。 圖1：大絹斑蝶具備很高的滑翔能力，能以很少的振翅次數(shù)進(jìn)行長距離飛行。其翅膀外周部分有凹入部分。大絹斑蝶是生活在日本的蝴蝶中唯一遷徙的蝶種。要在本州和臺(tái)灣之間飛翔2000多公里，每天的飛行距離超過200km。而且，這種蝴蝶很少拍打翅膀，總是在空中滑翔。新型風(fēng)扇就是從這里獲得了啟發(fā)。如果將不扇動(dòng)翅膀便可長距離飛行的原理用于風(fēng)扇葉片，即便壓力變動(dòng)很小，也可充分送風(fēng)。 一般來說，蝴蝶的翅膀基本呈平面，長寬比接近于1，形狀與鳥類及蜻蜓等的細(xì)長翅膀完全不同。其中，大絹斑蝶的翅膀呈

19、現(xiàn)出外沿中部附近凹入的獨(dú)特形狀。而且，還具有扇動(dòng)翅膀時(shí)會(huì)在翅膀上產(chǎn)生起伏的特點(diǎn)。 于是，大塚與公文等人為風(fēng)扇的葉片設(shè)計(jì)了凹入部分，并在葉片上再現(xiàn)了起伏形態(tài)。具體為葉片中央部大幅彎曲，并改變了根部和外周部的角度，同時(shí)還像大絹斑蝶的翅膀形狀一樣，在外周部設(shè)置了凹入部分（圖2）。 圖2：從大絹斑蝶獲得啟發(fā)的風(fēng)扇葉片新開發(fā)的7葉風(fēng)扇的葉片（a）。模仿了大絹斑蝶拍打翅膀時(shí)的彎曲與外周部分的凹入（b）。很喜歡動(dòng)物的公文，不僅了解大絹斑蝶遷徙的習(xí)性，還知道這種蝴蝶振翅次數(shù)少、可滑翔進(jìn)行長距離飛行。這些知識(shí)為產(chǎn)品帶來了新的附加值。 可吹送強(qiáng)勁而集中的風(fēng) 可吹送強(qiáng)勁而集中的風(fēng)將大絹斑蝶的特點(diǎn)應(yīng)用到風(fēng)扇葉片后，在

20、不降低送風(fēng)效率的情況下，壓力變化減少了65，半徑方向的風(fēng)速分布不均降低到了原來的1/40。由于葉片彎曲，中心部附近相對(duì)于送風(fēng)面大幅傾斜，中心部附近的送風(fēng)能力提高，從而改善了徑向風(fēng)速不均。而外周部分因傾斜較小，送風(fēng)十分柔和。 新風(fēng)扇還減小了壓力變動(dòng)。凹入設(shè)計(jì)使單張葉片旋轉(zhuǎn)方向的后半部分送風(fēng)減弱。隨后因?yàn)榕c下一葉片之間產(chǎn)生了多余空間，所以壓力會(huì)呈階梯型變化，“7枚葉片可產(chǎn)生相當(dāng)于14枚葉片的柔和風(fēng)”（公文）。 不僅如此。據(jù)夏普介紹，風(fēng)會(huì)在直接吹向人體的低速旋轉(zhuǎn)時(shí)（弱運(yùn)轉(zhuǎn)）擴(kuò)散，而不會(huì)在需要作為循環(huán)風(fēng)機(jī)發(fā)揮作用的高速旋轉(zhuǎn)時(shí)（強(qiáng)運(yùn)轉(zhuǎn)）擴(kuò)散，從而可吹向遠(yuǎn)處。弱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，從葉片背面到前面的渦流會(huì)在凹陷部分分

21、離擴(kuò)散，強(qiáng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)則不會(huì)分離，而會(huì)進(jìn)入更內(nèi)側(cè)部位，因此能使風(fēng)集中。 模仿信天翁 夏普之所以能夠不斷實(shí)現(xiàn)生物仿生技術(shù)的實(shí)用化，大塚的功勞不小。專業(yè)原本為航空力學(xué)的大塚，一直運(yùn)用專業(yè)知識(shí)開發(fā)旨在實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能化的氣流控制技術(shù)。2006年還參與開發(fā)了達(dá)到業(yè)界最高節(jié)能水平的產(chǎn)品?！?007年前后，自己發(fā)現(xiàn)運(yùn)用航空力學(xué)所能做到的事情已全部實(shí)現(xiàn)”（大塚）。 作為一名技術(shù)人員為下一步該做什么而愁眉不展時(shí)，大塚為了尋找與此前學(xué)習(xí)的機(jī)械原理的不同視角，抱著學(xué)習(xí)的態(tài)度參加了一個(gè)生物學(xué)會(huì)議?！叭切Ⅳ~類及海豚等的習(xí)性應(yīng)用于機(jī)器人的研究讓人茅塞頓開”（大塚）?；蛟S認(rèn)為會(huì)獲得與此前的知識(shí)完全不同的啟發(fā)，從那之后大塚便連續(xù)

22、參加各種生物學(xué)會(huì)。一天，大塚聽了一場(chǎng)航空力學(xué)無法解釋的蜻蜓及鳥類高效飛行的演講，并由此想到將這一原理運(yùn)用到自己公司的白色家電上。 最初開發(fā)的是模仿信天翁與山鷹的翅膀而設(shè)計(jì)的空調(diào)室外機(jī)用軸流風(fēng)扇。大塚認(rèn)為，可模仿?lián)碛谐夯枘芰烷L時(shí)間飛行能力的信天翁翅膀進(jìn)行高效送風(fēng)，模仿能在較強(qiáng)上升氣流中穩(wěn)定飛行的山鷹翅膀來降低噪聲。 于是，大塚等人開發(fā)出了這樣的葉片：模仿信天翁的翅膀，沿外周部分的旋轉(zhuǎn)方向設(shè)計(jì)成了尖細(xì)的形狀，并在相反的一端設(shè)置了從山鷹最長的羽毛獲得啟發(fā)的凸部（圖3）*1。由此，使空調(diào)的送風(fēng)效率最多提高到了1.4倍，噪聲最多可降低10db*2。 圖3：從鳥翅膀的形狀獲得啟發(fā)的空調(diào)室外機(jī)用風(fēng)扇葉

23、片外周部采用了與信天翁尖細(xì)形狀與山鷹頂端分開的翅膀形狀（第一列最長的羽毛）。中央附近模仿了鳥類的小翼羽（相當(dāng)于拇指的彎曲處）的形狀。*1 此外，旋轉(zhuǎn)軸附近還采用了絕大多數(shù)鳥類具有的“小翼羽”形狀。具有可抑制中心部渦流剝離的效果，能夠省去原來為防止剝離產(chǎn)生的逆流而設(shè)置的中央套筒（圓筒部分）。 *2 后來還開發(fā)出了從蜻蜓的翅膀獲得啟發(fā)的具有鰭片的橫流風(fēng)扇。蜻蜓的翅膀不是平面，而是呈之字形狀。凹入部分會(huì)產(chǎn)生渦流，其外側(cè)可產(chǎn)生穩(wěn)定的層流。因此，夏普在彎曲的葉片單面（凹面）設(shè)置了像蜻蜓翅膀一樣的凹凸。由此使效率提高到了原來的1.3倍，噪聲減小了10db。該技術(shù)還被應(yīng)用在了2011年上市的空氣加濕凈化器的

24、多葉片式風(fēng)扇上。利用貓舌特性壓縮垃圾利用貓舌特性壓縮垃圾 大塚及公文開發(fā)的并不僅僅是風(fēng)扇和空調(diào)。除了開發(fā)出了模仿海豚尾鰭和表皮的洗衣機(jī)波輪之外，還在旋風(fēng)吸塵器中運(yùn)用了貓的智慧。 旋風(fēng)吸塵器的課題是必須頻繁除去塵杯（Dust Cup）中積存的垃圾，這項(xiàng)工作非常麻煩。雖然垃圾已在內(nèi)部壓縮，但因?yàn)闀?huì)重新膨脹，幾天后塵杯就會(huì)滿。一般用戶希望至少10天兩周內(nèi)不必清除垃圾。 “那么，利用貓舌的原理怎么樣？”貓會(huì)用舌頭整理毛發(fā)，定期將胃中積存的毛發(fā)揉成團(tuán)吐出。公文立即想到，可以模仿貓的粗糙舌頭來解決吸塵器的問題。 在用來壓縮垃圾的螺桿的最下層葉片表面，公文設(shè)置了很多模仿貓舌的細(xì)小三角形突起（圖4）。這些突起

25、在壓縮垃圾時(shí)，不會(huì)造成阻力，而壓縮的垃圾要膨脹時(shí)，突起則會(huì)抑制垃圾以防止其重新膨張。由此，可將吸入的垃圾壓縮至1/10左右。因減輕了清除垃圾的麻煩，新型旋風(fēng)吸塵器成了熱銷產(chǎn)品。 圖4：從貓舌獲得啟發(fā)的旋風(fēng)吸塵器的垃圾壓縮用葉片表面設(shè)有三角形突起。壓縮時(shí)（旋轉(zhuǎn)時(shí)）不會(huì)對(duì)垃圾造成阻力，但壓縮的垃圾要膨脹時(shí)，就會(huì)掛住以防止其重新膨張。還可通過產(chǎn)生小渦流來獲得捕集細(xì)小灰塵的效果。從生物身上獲得了很多啟發(fā) “最初，當(dāng)我們提出模仿鳥的翅膀及海豚的背鰭形狀的方案時(shí)，曾被視為奇思怪想”（大塚）。一開始夏普公司內(nèi)部也曾將生物仿生技術(shù)視為異端，但旋風(fēng)吸塵器獲得成功后，仿生技術(shù)在公司內(nèi)部的認(rèn)知度獲得提高，現(xiàn)在業(yè)務(wù)部

26、門已開始向大塚等人征求多方面的建議了。 采用仿生技術(shù)時(shí)，產(chǎn)品化時(shí)間只有幾個(gè)月到半年左右。首先確定模仿的生物，然后試制并反復(fù)實(shí)驗(yàn)。由此，可更加迅速地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化 實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的基礎(chǔ)當(dāng)然是大塚及公文二人對(duì)生物的深刻認(rèn)識(shí)、見解以及出色的信息收集能力。據(jù)夏普介紹，兩人一直通過參加生物學(xué)相關(guān)學(xué)會(huì)等，時(shí)刻收集信息，隨時(shí)為滿足業(yè)務(wù)部門提出的要求做好準(zhǔn)備。尤其是公文，“獲得的啟發(fā)很多，不斷會(huì)提出創(chuàng)意”，大塚也對(duì)其寄托了無限的信賴。 夏普表示，今后不僅限于動(dòng)植物，還會(huì)在太陽及風(fēng)等更加廣泛的領(lǐng)域運(yùn)用大自然的智慧。 【汲取大自然的智慧】(3)金槍魚與輪船涂料：靈感源于高速游泳，只需涂布燃效即可提高4【日經(jīng)BP社報(bào)道】據(jù)

27、說大型金槍魚在海洋中的游速能夠達(dá)到80km/h（圖1）。金槍魚的體型的確屬于游速快的流線形，但除此之外，應(yīng)該還有其他能減少水的摩擦阻力的訣竅。有一款產(chǎn)品的問世正是源于這一思路。那就是日本立邦船舶涂料（總部：神戶市）開發(fā)的防污船底涂料“LF-Sea”。 圖1：在大海中暢游的金槍魚金槍魚的速度據(jù)說高達(dá)80km/h。而且身體表面沒有魚鱗，而是覆蓋著粘膜。秘密在于表面的粘膜 不停高速游動(dòng)的金槍魚身上沒有魚鱗，其身體表面覆蓋著黏滑的粘膜。雖然詳情還不得而知，但有看法認(rèn)為，在這種粘膜的作用下，處于湍流狀態(tài)的邊界層的摩擦阻力會(huì)減弱。其實(shí)，已經(jīng)有研究表明，在液體中添加極少量的高分子之后，湍流的液體摩擦阻力將會(huì)

28、減弱（湯姆斯效應(yīng)），在金槍魚的身體表面或許也屬于同樣的現(xiàn)象。 “因?yàn)閺氖碌氖谴淄苛祥_發(fā)，我經(jīng)常思考能不能從魚和海洋生物中獲得開發(fā)產(chǎn)品的靈感”，日本立邦船舶涂料技術(shù)本部執(zhí)行董事山盛直樹把目光瞄準(zhǔn)了金槍魚。船舶在航行時(shí)，接觸海水的船底表面摩擦占了全部阻力的5080。按照山盛的想法，船舶如果能實(shí)現(xiàn)粘膜與海水的液液接觸，而不是固體（船底）與海水直接接觸，應(yīng)該能減小阻力。 為此，山盛采用了在船底涂料中摻入親水性高而且具有粘性的水凝膠，由此降低與水的摩擦的方法。水凝膠中橋聯(lián)的高分子能夠形成三維網(wǎng)眼構(gòu)造，在網(wǎng)眼中存水。在日常生活之中，海帶濃湯和瓊脂也屬于這一類。 如此一來，既不損害船底涂料防止藤壺等水生生

29、物附著的根本目的，又能夠減弱海水摩擦阻力的LF-Sea便應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)確認(rèn)，采用該涂料的輪渡能夠節(jié)約燃耗3.4左右（圖2）。雖然只有區(qū)區(qū)3.4，換算成燃料成本也能夠節(jié)約1000萬2000萬日元左右。因此，自從2008年投產(chǎn)以來，已經(jīng)獲得了600余艘船只的采用*1。 圖2：噴涂了LF-Sea的汽車運(yùn)輸船和樣品鋼板紅色部分涂布了船底涂料（a）。從噴涂樣品上可以看到表面上存在凹凸（b）。反復(fù)嘗試開發(fā)材料 在開發(fā)初期，在涂料中摻入水凝膠能夠降低摩擦阻力的效果很快得到了確認(rèn)。但防止水生物附著船底的涂料原本的功能卻未能得到實(shí)現(xiàn)。船底涂料是通過緩慢溶出生物厭惡的防污劑防止水生生物附著的*2。但摻入水凝膠后，防

30、污劑將與水凝膠一同溶出到了海水中，無法充分維持仿制水生物附著的效果。結(jié)果反而本末倒置。 *2現(xiàn)在的防污劑主要是亞氧化銅。 于是，山盛通過反復(fù)嘗試，對(duì)水凝膠的成分和配比進(jìn)行了調(diào)整。通過與大阪大學(xué)名譽(yù)教授鈴木敏夫、該校研究生院工學(xué)研究科地球綜合工學(xué)專業(yè)教授戶田保幸、神戶大學(xué)研究生院海事化學(xué)研究科副教授矢野吉治合作研究，在著手開發(fā)大約3年后，發(fā)現(xiàn)了LF-Sea的關(guān)鍵材料水凝膠。 因?yàn)樯婕捌髽I(yè)機(jī)密，水凝膠的具體成分沒有透露，從已知的信息推測(cè)，新開發(fā)的水凝膠粘性比當(dāng)初使用的以藻酸為主體的水凝膠要低，吸收水分后不易膨脹，而且親水性高*3。涂膜的厚度約為100m，與過去的船底涂料一樣具有半年左右的防污效果。

31、 *3為了取的穩(wěn)定的效果，還降低了溫度依賴性。 其實(shí)，LF-Sea的減阻原理并不完全清楚。按照最初的設(shè)想，其原理是像金槍魚一樣，由水凝膠層覆蓋整個(gè)涂膜表面，借此減弱水流的阻力，但實(shí)際情況似乎并非如此?，F(xiàn)在，山盛等人推測(cè)的原理如下。 船底的鋼板表面原本就非常粗糙，再加上高壓噴涂高粘度涂料，涂膜上存在著微細(xì)的凹凸。在航行時(shí)，表面凹部發(fā)生的微小漩渦是形成阻力的原因之一。 LF-Sea在浸泡海水后，涂膜中的水凝膠會(huì)吸收表面的海水，形成邊界層（分水層）。在航行時(shí)，受到水流的作用，凸部的邊界層會(huì)被削掉，但凹部會(huì)留下吸收的海水。這些海水填平了凹部，使得船體表面變得光滑，從而減弱了水流的阻力（圖3）。 圖3：

32、LF-Sea的減阻效果涂膜中的水凝膠在涂膜的凹部存水，使涂膜表面變得光滑。水流因此得以穩(wěn)定，使阻力減弱。過去也曾經(jīng)有過減弱摩擦阻力的船底涂料“SPC”。這種涂料是利用水流沖刷掉涂膜的凸部，使涂膜變得光滑，從而減弱阻力的，LF-Sea也同樣如此。LFSea在SPC的基礎(chǔ)之上，讓凹部還擁有分水層，因此表面粗糙度更小，能夠得到更大的減阻效果。 目標(biāo)是減少10的燃耗 遠(yuǎn)洋船的二氧化碳（CO2）減排要求越來越嚴(yán)格。為此，日本政府正在開展技術(shù)開發(fā)事業(yè)“船舶CO2減排技術(shù)開發(fā)支援事業(yè)”*4。目標(biāo)是把遠(yuǎn)洋船的二氧化碳排放量減少30。也就是說，燃效必須提高30。船底涂料是重要的手段之一，為了使燃效提高10，目前

33、正在開發(fā)新的低阻型船底涂料“A-LFSea”。 *4始于2009年度的4年計(jì)劃，由日本海事協(xié)會(huì)、日本造船技術(shù)中心、日本財(cái)團(tuán)以及民營企業(yè)合作推動(dòng)。 現(xiàn)在使用的水凝膠源于生物，而A-LF-Sea將采用化學(xué)合成的高保水材料。“水凝膠層更厚的話，阻力應(yīng)該更小”（山盛）。按照計(jì)劃，開發(fā)將爭取在2012年度內(nèi)結(jié)束，在今后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（記者：吉田 勝，日經(jīng)制造） 【汲取大自然的智慧】(4)壁虎與膠帶：強(qiáng)大吸附力在于壁虎腳掌絨毛，日東電工使用碳納米管仿造【日經(jīng)BP社報(bào)道】2012年2月日東電工宣布，從壁虎腳掌獲得啟發(fā)的“壁虎膠帶”已開始用于商業(yè)用途?？稍趬Ρ诩疤旎ò宓茸杂膳佬械谋诨⒌哪_掌，不僅具備可用一根腳趾支

34、撐自身體重的強(qiáng)大吸附力，還可在爬行時(shí)輕松離開物體表面。而且不會(huì)留下粘液等痕跡。如果能夠人工制造具備這種黏附特性的膠帶產(chǎn)品，使用起來會(huì)很方便。懷著這種期待，世界各地的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)等紛紛著手開發(fā)壁虎膠帶，而日東電工領(lǐng)先于其他國家的企業(yè)率先實(shí)現(xiàn)了這種膠帶的產(chǎn)品化。 日東電工開發(fā)的壁虎膠帶以100億根/cm2的密度密集地排列了直徑數(shù)n數(shù)十nm的碳納米管（CNT）。剪切方向的粘合力出色，面積僅1cm2左右的膠帶可保持500g的粘合力（圖1）。揭下時(shí)可輕松剝離，還能反復(fù)使用。不會(huì)像傳統(tǒng)膠帶一樣留下粘合劑。而且，可在-150500的大溫度范圍內(nèi)使用。利用這一特性，該公司的關(guān)聯(lián)公司已開始將其用作分析試

35、料的固定膠帶。據(jù)日東電工介紹，目標(biāo)是2015年開始對(duì)外銷售*1。 *1據(jù)該公司介紹，目前壁虎膠帶的剪切粘接強(qiáng)度為45N/cm2，雖然比壁虎的55N/cm2、普通膠帶的60N/cm2稍遜一籌，但作為實(shí)用膠帶使用已經(jīng)足夠。 圖1：壁虎膠帶終于實(shí)現(xiàn)1cm2左右的膠帶可支撐500g的重量（a）。還可制造沒有基板的雙面膠（b）。解開長期未解之謎 其實(shí)，“最近100年來，人們對(duì)壁虎具有強(qiáng)大吸附力的原理一直眾說紛紜，是一個(gè)長期未解之謎”（日東電工研究開發(fā)本部新計(jì)劃探索部主任研究員前野洋平）。直到2000年前后謎底才被揭開。在電子顯微鏡下觀察壁虎的腳尖，發(fā)現(xiàn)腳掌上以10萬100萬根/cm2的密度生長著極細(xì)的絨

36、毛，而每根絨毛頂端又生有1001000根左右的分支。頂端分出的細(xì)毛密度達(dá)到了10億根/cm2以上。因?yàn)槊扛?xì)毛都可以緊貼在對(duì)象物上，因此二者之間可產(chǎn)生范德華力*2，從而能夠粘在一起（圖2）。 *2范德華力：原子及分子之間等的相互吸引力。與距離的6次方成反比。 圖2：壁虎腳尖的構(gòu)造壁虎爪乍看上去好像只有細(xì)褶（a）。在電子顯微鏡下放大，發(fā)現(xiàn)密集地生長著非常細(xì)的絨毛（b）。進(jìn)一步放大，可以看到頂端有更細(xì)的分支（c）一般的膠帶也是利用范德華力粘合的，與壁虎膠帶的原理相同。但范德華力必須在分子之間靠得極近時(shí)才能發(fā)揮作用，普通物體之間因表面粗糙造成的妨礙而無法緊貼在一起。 因此，普通膠帶需要在粘合對(duì)象物與

37、膠帶之間填充彈性模量較低的粘合劑。也就是說，通過浸潤的方法，使范德華力發(fā)揮作用。但使用這種粘合劑的膠帶存在很難剝離、剝離時(shí)會(huì)留下粘合劑以及高溫下特性降低等問題。壁虎膠帶作為可解決這些問題的產(chǎn)品而備受期待。 壁虎腳底的絨毛由名為角質(zhì)的物質(zhì)構(gòu)成，其楊氏模量為109Pa，比普通膠帶（104105 Pa）還要高。但其微細(xì)構(gòu)造會(huì)使表面彈性模量降低，因此可嵌入物質(zhì)表面的凹凸部分發(fā)揮粘合力。 “發(fā)現(xiàn)壁虎腳底的構(gòu)造非常關(guān)鍵”（前野）。壁虎膠帶就是模仿這種微細(xì)構(gòu)造開發(fā)的。也就是說，并未采用以原來的粘合劑彈性模量來控制粘合力的方法，而是采用了通過改進(jìn)構(gòu)造來控制粘合力的新方法。 具有重要意義的分支構(gòu)造具有重要意義的

38、分支構(gòu)造 將膠帶作為主營業(yè)務(wù)的日東電工開發(fā)壁虎膠帶，可以說是一個(gè)非常自然的過程。該公司將前野派往當(dāng)時(shí)走在研究最前沿的美國加州大學(xué)伯克利分校。前野在那里學(xué)習(xí)了粘合理論。 其實(shí)，前野最初曾在該校以聚酰亞胺纖維仿造了壁虎絨毛頂端部細(xì)毛密集的構(gòu)造。但研究的進(jìn)展并不順利。纖維之間因存在范德華力而凝聚，無法實(shí)現(xiàn)粘合功能。壁虎腳尖的絨毛之所以光是頂端部生有細(xì)小的分支，就是為了防止凝聚。 那么形成膠帶時(shí)如何解決這個(gè)問題？防止絨毛凝聚的方法大致有兩種。一種是仿造與壁虎一樣的層次分支構(gòu)造。另一種是使用高剛性材料代替分支構(gòu)造來防止凝聚。 日東電工采用了構(gòu)造簡單的后者，與大阪大學(xué)研究生院工學(xué)研究系機(jī)械工學(xué)專業(yè)教授中山

39、喜萬等人合作，開發(fā)出了CNT像壁虎絨毛一樣排列的膠帶（圖3）。CNT的直徑極小，可實(shí)現(xiàn)較高的深寬比及高剛性，是一種非常適合第二種方法的材料。在經(jīng)過微細(xì)加工的基板上控制CNT的生成條件，便可使其朝著一個(gè)方向生長。該公司將其嵌入熔融狀態(tài)的聚丙烯（pp）基板，形成了膠帶狀。 圖3：壁虎膠帶的電子顯微鏡圖片細(xì)毛狀物體是CNT。仿造了壁虎的腳掌。盡管詳情未予公開，但日東電工稱采用了長度為1mm左右的單壁或多層CNT。目前，還能制造沒有PP基板的雙面膠，有望用于固定載玻片等用途。 課題是量產(chǎn)與價(jià)格 但因這種膠帶使用CNT，所以存在價(jià)格高且很難大量供應(yīng)的難點(diǎn)。目前只能作為分析試料的固定膠帶使用也是因?yàn)檫@個(gè)原

40、因。日東電工認(rèn)為，該產(chǎn)品可發(fā)揮能在高溫及真空等嚴(yán)酷環(huán)境下反復(fù)使用、不會(huì)弄臟粘合對(duì)象的特性*3。今后，將打算在提高量產(chǎn)技術(shù)并降低成本后，對(duì)外銷售。汲取大自然的智慧】(5)飛蛾與防反射膜：模仿不反光蛾眼中的微細(xì)凹凸，利用自組織化制造壓輥模具【日經(jīng)BP社報(bào)道】三菱麗陽最近開始全面銷售防反射膜“蛾眼薄膜”。以往防反射膜的光透射率只有92，而蛾眼薄膜則達(dá)到了99以上。除可用作顯示器等的防反射膜之外，貼到太陽能電池面板上時(shí)，還有望減少太陽光的反射光，提高轉(zhuǎn)換效率。 蛾眼薄膜在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜表面用光硬化性樹脂（光聚合物）規(guī)則地形成高約200nm、底面直徑約100nm的微小圓錐狀突起。由于

41、構(gòu)造與飛蛾的眼睛相似，因此稱為蛾眼（圖1）。 圖1：蛾眼薄膜的效果（a）為有無蛾眼的樣品比較。左側(cè)樣品有周圍光的反射，而有蛾眼的右側(cè)樣品則幾乎沒有反射。（b ）為蛾眼薄膜表面的電子顯微鏡照片。排列有小的突起。突起使光學(xué)界面模糊 一般說來，動(dòng)物的眼睛都容易反射光。貓的眼睛之所以會(huì)在黑暗環(huán)境中發(fā)光，就是因?yàn)楣饩奂谘鄣追瓷淞顺鋈?。但飛蛾的眼睛不同，它是由數(shù)十m左右的微細(xì)六角形構(gòu)成的集合體，而且這些六角形的表面還帶有直徑為100n200nm左右的微細(xì)凹凸，因此不易反射光1。夜行性的飛蛾擁有這種“無反射”特點(diǎn)的原因一是為了防止眼底的反射使天敵及獵物發(fā)現(xiàn)自己，二是為了高效聚集夜晚中較少的光線。 1 19

42、80年代的研究查明了這一功能和基本原理。 反射被抑制的秘密就隱藏在上述圓錐構(gòu)造中。光的反射通常發(fā)生在折射率不同的物質(zhì)之間的界面上，而如果像蛾眼這樣豎有圓錐狀聚合物，就會(huì)像梯度材料一樣，在其高度中，空氣與光聚合物的比例會(huì)逐漸變化。也就是說，不存在光學(xué)界面，所以不會(huì)發(fā)生反射（圖2）2。 2 研究表明，從理論上說，用光的波長除以折射率得到的值大于凹凸的間距時(shí)就會(huì)形成無反射效果。 圖2：蛾眼模具的形成實(shí)施陽極氧化處理時(shí)，隨著自組織化，鋁表面就會(huì)出現(xiàn)中央帶細(xì)孔的6角形晶胞的排列，從而形成氧化皮膜（a）。通過反復(fù)利用陽極氧化和蝕刻實(shí)施擴(kuò)大孔徑的處理，便可形成接近圓錐形狀的孔（b）。自然形成的精細(xì)圖案自然形

43、成的精細(xì)圖案 隨著蛾眼構(gòu)造及其特性被查明，有大量企業(yè)及研究人員展開了將蛾眼構(gòu)造應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)3。其課題在于如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)性量產(chǎn)。 3 其實(shí)，三菱麗陽并非一開始就想到要制造蛾眼薄膜，而是在考慮投放低反射膜，打算將其作為主力商品即棱鏡膜的新一代主力商品的過程中，蛾眼薄膜才逐漸浮出水面的。 蛾眼薄膜只要準(zhǔn)備具有微細(xì)凹凸構(gòu)造的模具，并使用向樹脂薄膜等轉(zhuǎn)印的納米壓印技術(shù)即可制造。不過，要想形成nm級(jí)的微細(xì)凹凸構(gòu)造，必須利用電子束來加工。這樣一來，不但需要很長時(shí)間，而且僅數(shù)mm見方的模具，其價(jià)格也要高達(dá)數(shù)百萬日元，因此很難以工業(yè)方式實(shí)現(xiàn)。另外，在曲面上加工時(shí)也有很大難度4。 4盡管還有研究通過利用

44、藍(lán)色激光的干渉曝光法來成型，但凹凸的間距只能減小至300n350nm左右，無法充分抑制反射。 為了解決這些課題，三菱麗陽研究企劃推進(jìn)部研究員魚津吉弘將目光放在了被稱為自組織化的仿生技術(shù)上。自組織化是指雪的結(jié)晶生長及心臟的跳動(dòng)等有序的規(guī)則幾何學(xué)形狀或機(jī)理自然形成的現(xiàn)象。 魚津從一開始就打算開發(fā)能夠?qū)?m左右的薄膜實(shí)施量產(chǎn)的大型壓輥模具?！耙氲统杀镜氐癯鰣D案，就必須利用自組織化現(xiàn)象”（魚津）。其實(shí)，魚津過去曾開發(fā)過一種叫做“水蒸汽鑄造法”的自組織化技術(shù)，這種技術(shù)可形成具有蜂窩微細(xì)構(gòu)造的薄膜。因此，他平時(shí)總是在考慮自組織化技術(shù)能夠應(yīng)用之處。利用已有技術(shù) 魚津與神奈川科學(xué)技術(shù)研究院教授益田秀樹等共

45、同開發(fā)了利用經(jīng)陽極氧化而成的鋁納米孔陣列來制造模具的技術(shù)。鋁納米孔陣列是指向浸在稀硝酸及草酸等電解液中的鋁（陽極）和碳棒（陰極）流過電流時(shí)鋁表面上形成的氧化皮膜。該皮膜是一層由6角形的氧化鋁（Alumina）晶胞排列而成的薄膜，各晶胞的中央有細(xì)孔（納米孔）（圖2）。晶胞的大小可通過改變電壓等手段控制在20n200nm之間。 陽極氧化之前曾廣泛應(yīng)用于鋁門窗框的表面硬化處理等用途。不過，形成的細(xì)孔當(dāng)時(shí)并未引起重視。而益田等開發(fā)的方法，其特點(diǎn)就在于將這些細(xì)孔用作了鑄造模具。 陽極氧化所形成的細(xì)孔如不加干預(yù)的話，只會(huì)形成長孔。因此，通過蝕刻擴(kuò)大了這些細(xì)孔。然后再經(jīng)過陽極氧化處理使孔的尖端析出拌有細(xì)孔的

46、氧化鋁。通過反復(fù)實(shí)施這一操作，便可形成圓錐狀的孔，成為制造蛾眼薄膜的壓輥模具（圖3）。 圖3：蛾眼薄膜使用的模具（a）為壓輥模具。模具表面排列著經(jīng)陽極氧化形成的圓錐狀的孔（b）。允許存在些許不完善之處 作為自然現(xiàn)象的自組織化無需高溫及高壓等特殊條件，因此是一種高效、節(jié)能的制造技術(shù)。 不過，利用自組織化的構(gòu)造來成型，其規(guī)則性多少會(huì)存在不完善之處。不過，即便存在些許不完善的部分，動(dòng)植物擁有的微細(xì)構(gòu)造也會(huì)充分發(fā)揮功能。蛾眼薄膜也是如此，雖然構(gòu)造上還存在不完善之處，比如局部突起排列不齊等，但對(duì)整體特性幾乎沒有影響?？梢哉f，正是對(duì)大自然創(chuàng)造的自組織化加以工業(yè)化利用，才獲得了不反光的蛾眼薄膜。 日文原文：

47、光目実現(xiàn)微細(xì)凹凸,金型製造自己組織化利用【汲取大自然的智慧】（6）楓樹與小型風(fēng)車：從飄舞的楓樹種子獲啟發(fā)，小型風(fēng)車發(fā)電量提高4倍【日經(jīng)BP社報(bào)道】日本福島大學(xué)理工學(xué)院共生系統(tǒng)理工學(xué)類產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)工學(xué)專業(yè)教授島田邦雄正在開發(fā)的小型發(fā)電風(fēng)車，因發(fā)電量大幅高于傳統(tǒng)風(fēng)車而備受關(guān)注。 乍看上去，這種風(fēng)車與傳統(tǒng)風(fēng)車的不同之處在于風(fēng)葉的形狀。雖然是朝著外徑方向逐漸變寬的扇形平板，但靠近旋轉(zhuǎn)軸一側(cè)的半徑的三分之二處朝著下風(fēng)方向傾斜了約45 ，靠近外周一側(cè)的其余三分之一則呈現(xiàn)彎曲，正交于旋轉(zhuǎn)軸。其實(shí)，這些都是受到楓樹種子的啟發(fā)而設(shè)計(jì)出的形狀（圖1）。“此前的大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品都與自然無關(guān)，而是按照科學(xué)公式反復(fù)推敲制造出

48、來的。但自然界中肯定存在著最佳方案。如果一開始就從生物及植物等自然界中尋找啟發(fā)，肯定會(huì)提高開發(fā)效率”（島田）。 圖1：福島大學(xué)的島田正在開發(fā)的小型風(fēng)車由楓樹種子的葉片狀形狀獲得啟發(fā)開發(fā)而成。只需彎曲外周部較寬的平板葉片。但要相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸稍微傾斜一些角度安裝。雖然因?qū)＠形垂_，無法透露詳細(xì)數(shù)據(jù)，但據(jù)說這些島田命名為“風(fēng)友”的風(fēng)車，與直徑和風(fēng)葉面積相同的傳統(tǒng)型風(fēng)車相比，轉(zhuǎn)速達(dá)到了后者的5倍以上，發(fā)電量也有望達(dá)到5倍以上。盡管理論方面的驗(yàn)證才剛剛開始，但有望在微風(fēng)時(shí)獲得實(shí)用的發(fā)電量。得益于興趣愛好 楓樹種子帶有類似于扇形平板彎曲后形成的小葉片狀部分，其頂端是種子（圖2）。雖然乍看上去呈現(xiàn)出左右非對(duì)

49、稱的不平衡形狀，但因?yàn)閹в腥~片狀部分，所以從果實(shí)上脫落時(shí)會(huì)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)時(shí)的渦流會(huì)產(chǎn)生升力，與單純落下時(shí)相比，停留在空中的時(shí)間變長，種子容易隨風(fēng)飄向遠(yuǎn)方。這種形狀是為了擴(kuò)大傳播種子的范圍、提高留下后代的概率而進(jìn)化來的。 圖2：楓樹及其種子種子帶有葉片狀部分，離開楓樹時(shí)會(huì)旋轉(zhuǎn)落下。由此產(chǎn)生升力，隨風(fēng)飄向遠(yuǎn)方。島田本來就很喜歡紅葉和楓樹，2011年秋季的一天，他看著落下時(shí)旋轉(zhuǎn)的楓樹種子突然產(chǎn)生了靈感?！斑@種用來傳播種子的構(gòu)造可以應(yīng)用到風(fēng)車上”。島田的專業(yè)是流體力學(xué)，此前并未接觸過風(fēng)力發(fā)電。但這種來源于興趣愛好的靈感對(duì)風(fēng)友的開發(fā)起到了有益作用。 聯(lián)想到兒童玩具 不過，楓樹種子的葉片狀部分稍微有些彎

50、曲，很難直接仿造。于是島田想到了兒童玩具。這種玩具是將兩張長方形紙重疊在一起，然后以夾子固定其中的一端制作而成。在夾子的相反一側(cè)彎折，使兩張紙相互分離，然后將其固定，使兩張紙縱長方向的中心線在夾子處交差（圖3）。將這種玩具從高處拋下，便可像楓樹種子一樣旋轉(zhuǎn)落下。島田由旋轉(zhuǎn)降落的共性想到，這種紙玩具可用于風(fēng)車，并決定將其應(yīng)用在小型風(fēng)車上。 圖3：以夾子固定兩張紙的玩具以作為重物的夾子固定長方形紙的一端，并稍微傾斜一些角度。由楓樹種子聯(lián)想到這種玩具，并應(yīng)用在了小型風(fēng)車的風(fēng)葉上。由于沒有理論根據(jù)，為了在風(fēng)葉變寬的程度以及向后彎曲的角度等方面找出最佳方案，島田反復(fù)研究嘗試了多種類型的風(fēng)葉形狀和數(shù)量。最

51、后調(diào)整為現(xiàn)在使用的3片風(fēng)葉形狀。 可輕松制造 這種風(fēng)車并非只是發(fā)電量大。“風(fēng)友”的另一大特點(diǎn)是制造方法簡單。 普通風(fēng)車的風(fēng)葉采用像飛機(jī)翅膀一樣鼓起的截面形狀。而風(fēng)友的風(fēng)葉只需彎曲扇形平板，非常簡單。因此，只需相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸傾斜一定角度來安裝風(fēng)葉即可，所以有望非常容易地量產(chǎn)。 現(xiàn)已制造出了直徑6070cm左右的測(cè)試用風(fēng)車，目前正獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。今后將面向家庭用途制造直徑1米左右的大型試制品并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。屆時(shí)將探索發(fā)電量及強(qiáng)度等實(shí)用化之前所面臨的課題。同時(shí)，還計(jì)劃從流體力學(xué)角度解釋風(fēng)友具有較高效率的原因。 雖然研究剛剛就緒，但據(jù)介紹因?yàn)橛型@得遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原來的發(fā)電量，所以已有很多企業(yè)來咨詢這種風(fēng)車。災(zāi)后重建也是這種風(fēng)車實(shí)用化的一股東風(fēng)。福島縣啟動(dòng)了利用重建預(yù)算的可再生能源項(xiàng)目，風(fēng)友被列為候選項(xiàng)之一。島田充滿信心地表示，就算為了災(zāi)后重建，也要盡快實(shí)用化。 汲取大自然的智慧】(完)蟈蟈與低摩擦材料：彈跳力的秘密藏在腳底，模仿微細(xì)構(gòu)造防止發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕豐田開發(fā)出了有類似蟈蟈腳底構(gòu)造的規(guī)則排列小圓坑的“微小