生物のナノヘア構造に学ぶ把持・脱離機構の破壊クライテリオン

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K06458
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 高橋 邦夫 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (70226827)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): ヘムタビー パソムポーン 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (00401539) ; 齋藤 滋規 東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (30313349)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 生物模倣 / 凝着 / 毛構造 / 弾性はり理論 / せん断力

Outline of Annual Research Achievements

熱力学的に厳密に可逆な接合プロセスへ役立てるため，ヤモリや虫等，自然界の生物が用いる多毛構造による把持と脱離機構を物理的に明らかにする．毛構造をモデル化し理論的な検討をおこなうとともに，実験による検討を行っている．今年度は特に，毛構造の凝着界面における摩擦力が把持力に及ぼす影響に注目した．
毛構造を弾性片持ちはりに近似し，その側面が対象に凝着する弾性凝着モデルを用いた．従来のモデルと異なり，凝着面は摩擦に起因するせん断力が作用するとした．この近似ははりの傾斜角が３０度程度までであればよい近似になることを明らかにしている．それ以上の角度の場合は大変形を考慮したはりの変形モデルを用いる必要があるが，それを用いると解析解が得られなくなるので，まずは，解析解を得られるモデルを用いることとした．モデルにより，はり１本に対するフォースカーブがえられ，把持力となる最大凝着力のせん断力依存性がえられた．
実験的な検討は，弾性傾斜はりの凝着理論が良い近似となる条件で行った．ＰＤＭＳのはりを自作し，それを斜めに固定，対象平面に対し，垂直に押し付けた後，斜め情報に引き上げ，その間の力を計測する実験をおこなった．引き上げ角は，はりを伸ばす方向から縮める方向まで±45度へんかさせた．引き上げ角が－２０度～１５度程度の範囲をこえると，凝着面のすべりが発生し，モデルで用いた仮定が満足されなくなることがわかった．その範囲内では，最大凝着力のせん断力依存性が観測され，モデルで予測した依存性と同様な傾向を呈することが分かった．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

理論で予測された把持力（最大凝着力）のせん断力依存性を実験的に確認することができた．定性的には良い結果がえられた点では順調といえる．しかし，定量的にはまだ正確に見積もれていない点には注意が必要だと考えている．なぜなら，デバイス設計のツールとするには，定量的な見積もりができることが理想的だからである．結果を急ぐあまり，科学的な視点を見失うことは，結果的に遠回りとなることが多いので，次のステップに進む前に定量的な差の原因を物理的にクリアにしておく必要を感じている．この観点より，やや遅れていると判断した．

Strategy for Future Research Activity

把持力（最大凝着力）のせん断力依存性の支配的なメカニズムについて，理論的および実験的に十分に検討した上で，次のステップに進むことを計画している．