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模倣材料作製による魚類吸盤の吸脱着機構解明

研究課題

研究課題/領域番号 20K05634
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分35020:高分子材料関連
研究機関公立千歳科学技術大学

研究代表者

下村 政嗣  公立千歳科学技術大学, 理工学部, 教授 (10136525)

研究分担者 平井 悠司  公立千歳科学技術大学, 理工学部, 准教授 (30598272)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2020年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワードバイオミメティクス / ウバウオ / 吸盤 / 吸着 / 接着 / ナノフィラメント / 微細構造 / 水中接着
研究開始時の研究の概要

本研究では、水中でも迅速に吸脱着が可能なウバウオの吸盤に着目し、その吸盤の階層的微細構造を模倣したモデル材料を作製することで可逆的な吸脱着のメカニズムを解明する。また生存状態に近い湿潤状態で高分解能電子顕微鏡観察が可能なナノスーツ法を用いて、他の魚類や頭足類、水棲昆虫など可逆的吸脱着機能を有する様々な水棲生物の吸盤のナノ・マイクロ構造を観察することで、水中における可逆的吸脱着の方法を比較体系化し様々な分野に適用可能な接着材料の多様化・最適化を図り、人工的に水中でも利用可能な吸脱着材料を作製する。

研究成果の概要

本申請研究では水中でも可逆的かつ素早く吸脱着可能なウバウオの吸盤に着目、人工的に模倣材料を作製することでその吸脱着メカニズムを材料科学的に解明し、水中でも可逆的に吸脱着可能なウバウオ模倣接着材料を開発することを目的とした。模倣材料の作製と接着力測定の結果、柔らかい粘液用物質の中に存在している硬い繊維状構造体が接着力を増強していることを確認され、柔らかさによる接触面積増加と硬さによる脱着時の変形応力分散が強い接着力を生み出していることが明らかとなった。さらに大気下および水中でも接着力は変化しないことから、多様な環境で応用可能な接着材料開発の指針を得ることができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は生物の優れた機能から学んで新規機能性材料を創り出すバイオミメティクス研究の一環であり、模倣構造の作製を通して得られたウバウオの接着機構は材料科学的な応用のみならず、生物学へフィードバックすることができる研究成果であった。すなわち、柔らかい材料によって接触面積を増やし、内部に埋め込まれた硬い材料によって剥離時の変形応力を分散させることで強い接着力を生み出すという接着機構は、生分解性高分子やエンジニアリングプラスチック、金属などの様々な材料で達成可能な条件であり、用途に合わせた材料設計により優れた吸脱着材料を開発することが可能な知見となった。

報告書

(4件)
  • 2022 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] A New Concept for an Adhesive Material Inspired by Clingfish Sucker Nanofilaments2022

    • 著者名/発表者名
      Tsujioka Kazuma、Matsuo Yasutaka、Shimomura Masatsugu、Hirai Yuji
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 38 号: 3 ページ: 1215-1222

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.1c02972

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ウバウオの吸盤に学ぶ接着材料2021

    • 著者名/発表者名
      平井悠司, 辻岡一眞
    • 雑誌名

      高分子

      巻: 70

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 周期的な金属微小溝構造における摩擦挙動の解明2023

    • 著者名/発表者名
      島田 陽平, 平井 悠司, 下村 政嗣
    • 学会等名
      第57回 高分子学会北海道支部研究発表会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 生物の有する機能性水中接着表面2023

    • 著者名/発表者名
      平井悠司
    • 学会等名
      粘着研究会 第186回例会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 生物に学ぶ微細構造による高機能化2023

    • 著者名/発表者名
      平井悠司
    • 学会等名
      2023年第1回ナノインプリント技術研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Investigation of the friction on Necrophila japonica surface microstructure2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuma Tsujioka, Yuji Hirai, Masatsugu Shimomura, Yasutaka Matsuo
    • 学会等名
      35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Friction force measurements of the anisotropic metal microgroove structures2022

    • 著者名/発表者名
      Yohei Shimada, Yuji Hirai, Masatsugu Shimomura
    • 学会等名
      35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of resistance against deformation stress of nanofilaments inside clingfish mimicked tape by using FEM simulation2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuma Tsujioka, Yasutaka Matsuo, Yuji Hirai, Masatsugu Shimomura
    • 学会等名
      The 22nd International Conference on Nanoimprint and Nanoprint Technology(NNT2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 微小溝構造を有する金属表面の摺動方向における摩擦力異方性2022

    • 著者名/発表者名
      島田 陽平, 平井 悠司, 下村 政嗣
    • 学会等名
      第71回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ウバウオ吸盤の微細毛状構造による接着力増強メカニズム2022

    • 著者名/発表者名
      平井悠司, 辻岡一眞, 松尾保孝, 下村政嗣
    • 学会等名
      第71回高分子学会討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] オオヒラタシデムシの表面微細構造における濡れ・摩擦特性の調査2022

    • 著者名/発表者名
      辻岡 一眞, 平井 悠司, 下村 政嗣, 松尾 保孝
    • 学会等名
      第71回高分子学会討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 周期的な金属微小溝構造の構造パラメータが摩擦力に与える影響2022

    • 著者名/発表者名
      島田 陽平, 平井 悠司, 下村 政嗣
    • 学会等名
      第71回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] A new adhesive mechanism learning from the nanofilaments and mucus of a clingfish sucker2021

    • 著者名/発表者名
      Kazuma Tsujioka, Yasutaka Matsuo, Yuji Hirai, Masatsugu Shimomura
    • 学会等名
      34th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The effect of the deformation stress dispersion to the nanofilaments for strong adhesion in clingfish2021

    • 著者名/発表者名
      Kazuma Tsujioka, Yasutaka Matsuo, Yuji Hirai, Masatsugu Shimomura
    • 学会等名
      21st Chitose International Forum on Science & Technology
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of the influence of the clingfish sucker nanofilament on adhesion2021

    • 著者名/発表者名
      Kazuma Tsujioka, Yuji Hirai, Masatsugu Shimomura
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 有限要素法シミュレーションを用いたウバウオ接着メカニズムの解明2021

    • 著者名/発表者名
      辻岡一眞, 松尾 保孝, 平井悠司, 下村政嗣
    • 学会等名
      第70回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] ウバウオから着想を得た新規接着メカニズムの解明2021

    • 著者名/発表者名
      辻岡一眞、平井悠司、下村政嗣
    • 学会等名
      2020年度 第55回北海道支部研究発表会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-01-30  

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