生体せいたい工学こうがく

生体せいたい工学こうがく（せいたいこうがく、英えい: bionics）は、科学かがく的てき方法ほうほうや自然しぜん界さかいにあるシステムを応用おうようして工学こうがくシステムや最新さいしんテクノロジーの設計せっけいや研究けんきゅうを行おこなう学問がくもん領域りょういきである。アメリカ空軍くうぐんの医師いしジャック・E・スティールが1958年ねんに提唱ていしょうした。「bionics」の語源ごげんは、ギリシア語ごの βίον（生命せいめい体たい）に接尾せつび辞じ -ic（-的てき、-の方法ほうほうで）が付ついたもので、「生命せいめい体たい的てき」を意味いみする。近ちかい概念がいねんとして、生体せいたい模倣もほう（英えい: Biomimetics，Biomimicry）がある。

ロータス効果こうか。ハスの葉はの表面ひょうめんの顕微鏡けんびきょう画像がぞうを3DCGで表あらわしたもの。

生命せいめい体たいには進化しんか的てきな圧力あつりょくによる高度こうどな最適さいてき化かがあり、効率こうりつ的てきであるため、これを人工じんこう物ぶつの構築こうちくに応用おうようすることが考かんがえられた。古典こてん的てきな例れいとしてはハス科かの植物しょくぶつの表面ひょうめんを研究けんきゅうすることにより、撥ばち水すい加工かこう技術ぎじゅつが生うまれた（ロータス効果こうか）。他ほかにも、イルカの肌はだを模倣もほうした船ふね殻から、コウモリの反響はんきょう定位ていいを模倣もほうしたソナー、レーダー、医用いよう超ちょう音波おんぱ画像がぞうなどがある。

コンピュータの分野ぶんやでは、生体せいたい工学こうがくの研究けんきゅうから人工じんこう神経しんけい、ニューラルネットワーク、群ぐん知能ちのうなどが生うまれた。進化しんか的てき計算けいさんも生体せいたい工学こうがく的てきな考かんがえ方かたが根底こんていにあるが、In silico（コンピュータを用もちいて）進化しんかのシミュレーションを行おこなうことから生うまれた考かんがえ方かたであり、自然しぜん界かいにはなかった最適さいてき化かされた手法しゅほうが生うみ出だされている。

イギリスバス大学だいがくの生体せいたい模倣もほう技術ぎじゅつの専門せんもん家かジュリアン・ヴィンセントによれば、「現在げんざい、生物せいぶつ学がくとテクノロジーの間あいだでメカニズムが共有きょうゆうされている部分ぶぶんは10%にすぎない」とされている^{[要よう出典しゅってん]}。

手法しゅほう

生体せいたい工学こうがくでは、生物せいぶつの機能きのうを実装じっそうするのではなくその構造こうぞうを模倣もほうすることが強調きょうちょうされる。例たとえば、計算けいさん機き科学かがくやサイバネティックスでは人間にんげんを知性ちせいのある存在そんざいたらしめている生体せいたい的てき構造こうぞうをモデル化かしようとし、人工じんこう知能ちのうでは手段しゅだんを問とわずに知能ちのうをモデル化かしようとする。

自然しぜんの生体せいたいや生態せいたいから機構きこうを明示めいじ的てきにコピーすることは、自然しぜん界かいを「機能きのうすることが既すでに証明しょうめいされている解法かいほう群ぐん」のデータベースとして扱あつかい、そこから解法かいほうを引ひき出だして応用おうようしていると見みることができる（事例じれいベース推論すいろん）。進化しんかの圧あつ力りょくにより、生命せいめいは間違まちがいのない方法ほうほうを選えらび取とってきたとも言いわれる。

あらゆる工学こうがくは生体せいたい模倣もほう的てき側面そくめんを持もつが、このような考かんがえ方かたの起源きげんはバックミンスター・フラーであると言いわれ、それを学問がくもん分野ぶんやとして確立かくりつしたのがジャニン・ベニュス（英語えいご版ばん）である。

工学こうがくにおけるモデル化かという観点かんてんで、生物せいぶつ学がく的てきレベルを次つぎのように分わけることができる。

自然しぜんの生産せいさん手法しゅほうを模倣もほうし化学かがく的てきに合成ごうせいした物質ぶっしつを生うみ出だす。
自然しぜん界かいに見みられる機構きこう/構造こうぞうを模倣もほうする（ベルクロテープなど）。
生命せいめい体たいの社会しゃかい的てき行動こうどうの生体せいたい的てき原則げんそくを研究けんきゅうする。例たとえば、鳥とりの群むれ、ハチやアリの創発そうはつ的てき行動こうどうなど。

実例じつれい

ベルクロテープは生体せいたい模倣もほう技術ぎじゅつの有名ゆうめいな一いち例れいである。1948年ねん、スイスの技術ぎじゅつ者しゃジョルジュ・デ・メストラルが犬いぬの毛皮けがわにくっついたゴボウの実みのフック状じょうの棘とげを見みて思おもいついた。
レオナルド・ダ・ヴィンチの飛行ひこう機械きかいや船ふねの設計せっけいは自然しぜん界かいにあるものを工学こうがくに取とり入いれた例れいである。
ジュリアン・ヴィンセントは松まつかさの研究けんきゅうから2004年ねんに温度おんど調節ちょうせつが可能かのうな服ふく（smart clothing）を開発かいはつした。
2004年ねん、ペンシルベニア州立しゅうりつ大学だいがくの生体せいたい模倣もほう技術ぎじゅつの研究けんきゅうチームは形状けいじょうを変化へんかさせる翼つばさを持もつ飛行機ひこうきを開発かいはつした。これは、鳥とりの翼つばさの形状けいじょうがその鳥とりの種たねによって異ことなり、同時どうじにそれぞれ飛行ひこう速度そくどが異ことなることから発想はっそうされた。また、翼つばさの内部ないぶ構造こうぞうを変化へんかさせたときにそれに合あわせて表面ひょうめんを変形へんけいするため、魚さかなのウロコから発想はっそうし、ウロコ同士どうしを若干じゃっかん重かさなるよう配置はいちすることで変形へんけい可能かのうな表面ひょうめんを作つくった。これは可変かへん翼つばさ設計せっけいの進化しんかしたものと見みることも出来できる。
ニューラルネットワークに基もとづいた、シリコン網膜もうまく、シリコン蝸牛かぎゅう。
植生しょくせいの保護ほごと復元ふくげんのために、その機能きのうを人工じんこう的てきに模擬もぎした人工じんこう植生しょくせい^[1]。
2006年ねん11月、イスラエルの副ふく首相しゅしょうシモン・ペレスは、軍事ぐんじ・諜報ちょうほう活動かつどうに使つかうスズメバチ大だいの飛行ひこうするロボットを開発かいはつする計画けいかくを発表はっぴょうした。
ハスの葉はの自浄じじょう効果こうか（ロータス効果こうか）から撥ばち水すいする繊維せんいや塗料とりょうなど。
サメの肌はだを模擬もぎした特殊とくしゅな模様もようの入はいった競泳きょうえい用よう水着みずぎ^[2]。
ヤモリの指ゆびの微細びさい構造こうぞうを真似まねた、粘着ねんちゃく剤ざいのない粘着ねんちゃくテープ^[3]^[4]。
蛾がの目めの構造こうぞうを模もした無む反射はんしゃフィルム^[5]。
コオロギの感覚かんかく毛げやナガヒラタタマムシの触角しょっかくから手掛てがかりを得えた高こう感度かんどセンサー。
フクロウの羽はねの構造こうぞうから手掛てがかりを得えた騒音そうおんを軽減けいげんする新幹線しんかんせんのパンタグラフ^[6]。
カワセミのくちばしの形状けいじょうを模もしてトンネルに入はいる際さいの騒音そうおんを軽減けいげんした新幹線しんかんせんの先端せんたん部分ぶぶん^[6]。
カタツムリの殻からの構造こうぞうから手掛てがかりを得えた防ぼう汚けがれ製品せいひん。^[7]
蚊かの口くちの構造こうぞうを模もした無痛むつう注射ちゅうしゃ針はり^[8]。
トンボ・イヌワシ・アホウドリを参考さんこうにした高こう効率こうりつで静しずか音おんなエアコンシステム^[9]。
トンボを参考さんこうにした軽量けいりょうドローン^[10]。
蜘蛛くもの糸いとの強度きょうどに近ちかづいた繊維せんい（スパイバー）^[11]^[12]。より強力きょうりょくなミノムシの糸いと^[13]。
ザゼンソウの発熱はつねつ制御せいぎょアルゴリズムが省しょうエネルギーに繋つながることが見出みいだされた^[14]。
昆虫こんちゅうを参考さんこうに、包摂ほうせつアーキテクチャが開発かいはつされ、自律じりつ行動こうどうするロボットに応用おうようされている。

各かく分野ぶんやでの用法ようほう

医学いがく

生体せいたい工学こうがくという用語ようごは、生物せいぶつ学がくの考かんがえ方かたを工学こうがくに持もち込こむことを示しめすと同時どうじに、逆ぎゃくの流ながれも指さす。従したがって、そこには2つの若干じゃっかん異ことなる意味いみが存在そんざいする。

医学いがくにおいて、生体せいたい工学こうがくとは器官きかんや他たの人体じんたい部品ぶひんを機械きかい的てきなものに置おき換かえ、改良かいりょうすることを意味いみする。人工じんこう臓器ぞうきなどの生体せいたい工学こうがく的てきインプラントは本来ほんらいの器官きかんの機能きのうを模倣もほうし、場合ばあいによってはそれをしのぐこともある。従したがって、単たんなる義肢ぎしとは異ことなる。

ドイツ語ごでは "Bionik" という用語ようごが相当そうとうするが、こちらはより広範囲こうはんいに自然しぜんをモデルとして技術ぎじゅつ的てき解法かいほうを開発かいはつすることを指さす。これは、生物せいぶつの解法かいほうは常つねに進化しんかの圧あつ力りょくによって最適さいてき化かさせられているという事実じじつに基もとづいた考かんがえ方かたである。

生体せいたい工学こうがく技術ぎじゅつによるインプラントはまだ初期しょきの段階だんかいだが、既すでにいくつかの実例じつれいがある。最もっともよく知しられているのは人工じんこう内耳ないじであろう。これはろう者しゃのための機器ききである。2004年ねんまでに完全かんぜんに機能きのうする人工じんこう心臓しんぞうが開発かいはつされている^{[要よう出典しゅってん]}。今後こんご、ナノテクノロジーの進歩しんぽによってさらなる発展はってんが見込みこまれている。

ペンシルベニア大学だいがくの Kwabena Boahen は、生物せいぶつの眼め（網膜もうまく）と同おなじ方式ほうしきで動作どうさするシリコン網膜もうまくを開発かいはつした。彼かれはシリコン網膜もうまくとサンショウウオの目めから発はっする電気でんき信号しんごうを比較ひかくし、同どうじ画像がぞう情報じょうほうを伝つたえていることを検証けんしょうした。

その他た

あまり一般いっぱん的てきでない用法ようほうとして、生体せいたいと機械きかいの結合けつごうを指さして生体せいたい工学こうがく（バイオニクス）と呼よぶことがある。これは、サイボーグとほぼ同義どうぎである。

脚注きゃくちゅう

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]

参考さんこう文献ぶんけん

"Warum Fliegen sich im Kino langweilen" ('why flies get bored in the cinema') by Helga Kleisny. ISBN 3-8311-0155-8. ドイツ語ご
European Space Agency - Advanced Concepts Team Biomimetics Website
BioMimicry
Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. 1997. Janine Benyus.
Biomimicry for Optimization, Control, and Automation, Springer-Verlag, London, UK, 2005, Kevin M. Passino
Ideas Stolen Right From Nature (Wired Magazine)
Bionics and Engineering: The Relevance of Biology to Engineering, presented at Society of Women Engineers Convention, Seattle, WA, 1983, Jill E. Steele

外部がいぶリンク

[1] Woodley, M. A. (2005). "Synthetic Vegetation: An Ecosystem Prosthesis", Int. J. Environ. Sci. Tech, 2:4, 395-398.

[2] この生いき物ものからこんなことが！

[3] 「ヤモリの足あし」から生うまれた最先端さいせんたんのテープ

[4] ヤモリに学まなび、ガをまねる　未来みらい型がたモノ作づくりの胎動たいどう

[5] モスアイ型がたの無む反射はんしゃフィルム製造せいぞうプロセスの開発かいはつについて

[500kei-6] 世界一せかいいちのスピードと斬新ざんしんなデザインで人気にんきを博はくした新幹線しんかんせん５００系けい。

[7] カタツムリの防ぼう汚けがれメカニズムを生いかしたタイルがあるのです。

[8] ttp://www.jsps.go.jp/j-grantsinaid/22_letter/data/news_2012_vol2/p25.pdf

[9] 家電かでんが驚おどろくべき進化しんかを遂とげる！　シャープの「生物せいぶつ模倣もほう技術ぎじゅつ」とは？

[10] 優雅ゆうがに空そらを飛とぶ、スマホ制御せいぎょの人工じんこうトンボ

[11] 実験じっけんでクモから地球ちきゅう上じょう最強さいきょうの繊維せんいが誕生たんじょう夢ゆめの装置そうちに活用かつようされる可能かのう性せいも

[12] 「クモの糸いと」を人工じんこう合成ごうせい　世界せかいが注目ちゅうもくするバイオベンチャー

[13] クモ糸いとを超こえるミノムシの糸いと、強つよさの秘密ひみつを科学かがく的てきに解明かいめい

[14] ザゼンソウ温度おんど制御せいぎょアルゴリズム

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