家電が驚くべき進化を遂げる！ シャープの「生物模倣技術」とは？
海を渡り数千キロも旅をする蝶「アサギマダラ」の、羽根の“くびれ”と羽ばたく時の“うねり”を応用。自然のそよ風のようなムラの少ないなめらかな風を届ける
「生物模倣技術」という言葉をご存知だろうか？ 自然界に生息する生き物の機能や仕組みを参考にして、新たな技術の開発や性能向上に結びつける技術のことだ。そしてここ数年、「生物模倣技術」を家電分野に積極的に取り入れているのがシャープである。
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シャープは、「イルカ」「アホウドリ」「トンボ」「ネコ」「アサギマダラ（蝶）」といった動物や昆虫を参考にした製品を送り出している。今回は、そのキーパーソンであるシャープ、ネイチャーテクノロジー推進プロジェクトチームのチーフ、大塚雅生氏に「生物模倣技術」を取り入れるきっかけから成果まで詳しく聞いた。
シャープの研究員である大塚雅生氏は、元々専門分野であった「航空工学」を使って、エアコンのファンの送風効率をそれまでの倍以上に引き上げた人物として、シャープ内でも一目置かれる存在であった。だが、そんな彼は2007年にロングパネルを採用し、空気の流れを効率化すると同時に大幅な省エネ化を実現したものの、一人もがき苦しんでいたという。大塚氏は、当時のことをこう振り返る。
「NASAの技術などを使った翼型の知識などを参考に、すでに最大限の成果を出した後だけに、もはや1％効率を高めることも困難というぐらい限界を感じていました。土日も休みなく、いくら考えても、どうにもならなかったですね」
そんな時、彼は現実逃避と癒しを求め、水族館のイルカを見に行こうとした。しかし、一応は勤務中。結局、足を向けたのは水生生物の学会だった。
「上司などにも“次はどうすんねん？” と迫られていましたけど、正直もうネタ切れでした。だから、とにかく発想の転換を図りたいと上司に伝え、今までさんざん空気について学んだので、これからは水だとか、これまで機械を研究したから、これからは生物だとか苦し紛れに言って。勤務中だけど、とにかく会社から逃げたかったので、インターネットで“イルカ 学会”とか検索して……」
ただ、わらをもつかむ思いで偶然出席した生物学会でのやりとりが、まさに目からウロコの連続だったと大塚氏。それはどういうことか？
「それまで航空工学で学んだ常識を覆されるような学説が、さまざまな学者から仮説として語られていたんです。例えば、イルカの表面のしわは水との摩擦抵抗を下げるために、水の流れに垂直に入っているとか。どう考えても水の流れと平行に入っているほうがいいって考えるのが普通じゃないですか。さらに、イルカは水のなかで瞬間的に時速50キロで泳げるのに、そこに必要なはずの筋力量の1/7しか持ってないこととか。この仕組みは未だに解明されておらず、『グレイのパラドックス』と呼ばれています」。
突破口を求めて、その翌年も同じ生物学会にも参加する。そこで語られていたのが、今度はアホウドリやトンボの生物だった。「ここでも完全に航空工学の常識を否定され、NASAの翼型よりも高効率な飛び方をするアホウドリのことが、まことしやかに語られていました。さらにトンボの翼断面がギザギザになることで、空気との摩擦抵抗が少ないことも知りました」。
ただ、これらの情報をいきなり上司に進言することはできなかった。なぜなら、その学会でも語られていた内容は、真実ではあるものの、まだ解明できてないものがほとんどだったからだ。学者たちが口々に「この仮説でないと、辻褄が合わない」とか「解明できていないけど、こうならないとおかしい」とか言い合っている状態である。
「上司にアホウドリを真似てプロペラを作ります！ なんて言ったら、『お前がアホやろっ！』みたいなこと言われそうな雰囲気でしたし」（笑）。
だが、大塚氏は「真実はここにある」と考え、とりあえず、見よう見まねでアホウドリの羽根の形を応用したプロペラファンを作ってみることにする。「どんなに鈍臭いプロトタイプになったとしても、もし本当に学会でいわれていることが真実であるなら、確実に1割～2割は風量がアップすると思いました」。
すると、驚くべき結果がすぐに出た。
いままでどれだけ「航空工学」を応用しても、風効率を1％上げるのに何カ月も掛かっていたものが、アホウドリの羽根を真似て作ったプロトタイプは、いきなり20％も効率を高めることに成功したのだ。
「最初は測定ミスかと思いました。しかし、何度測定しても結果は同じ。驚きました。周囲からは、『デビルウイングか？』とか『エイヒレっぽいと』か言われましたけど」
ここから、シャープの「生物模倣技術」の応用がスタートする。
まず最初に着手したのが、プロトタイプの羽根をさらに改良し、エアコンの室外機用の羽根を開発すること。鳥の翼の平面形を応用したプロペラファンだ。鳥の中でもっとも滑空力が高く、数万キロも飛び続け、高効率な翼を持つアホウドリと、陸上のきわめて強い乱気流のなかでも安定して飛ぶことができるイヌワシの羽根形状を応用した。
「アホウドリの細く鋭い翼平面形状とイヌワシの先端が分かれた翼平面形状を組み合わせ、さらにほとんどの鳥にある親指のなごり、小翼羽を作ることで、空気の渦を発生させます。従来の翼では剥離領域となっていた中心部まで剥離を抑え、効率を上げることに成功しました。結果、従来のファンより120～130％高効率化することに成功し、さらに1.5～2Bbの低騒音化、20～50％省資源化などに成功しました」
「生物模倣技術」により、非常に精度の高い室外機用の羽根が生み出された。さらにこれにより消費電力も20％ほどカットできたという。
このプロペラファンは、2008年発売のエアコンに初めて採用された。ただ、この時はまだ世間に「生物模倣技術」の存在は公表しなかったという。それが日の目をみたのは、2010年発表のエアコン室内機にトンボの羽根の断面形を応用した時だ。
「従来使っていた航空工学を応用したシンプルな曲線のファンブレードを、トンボの翼の断面形を応用した不規則にギザギザとなっているファンブレードに変更しました。これは航空機型のものに対し、トンボのギザギザの羽根の方が周りに渦のが形成され、翼面の摩擦抵抗が小さくなるというところからの応用になります」。
これによりエアコンの低騒音化と高効率化に成功。従来の室内機用シロッコファンと比較して、3～5dBの低騒音化、30％もの風の高効率化、さらに10％の省エネ化を実現する。
エアコンの成功により、弾みがついた。次はいよいよ、大塚氏が最初の学会で話を聴き、その「生物模倣技術」に取り組むきっかけとなったイルカの技術を応用することを決意する。イルカは水の生き物ということで、大塚氏が選んだ家電は洗濯機だった。
「縦型洗濯機の底で回転するパルセータの表面に、イルカの表皮を波長対振幅の数値に合わせて溝筋をつけました。イルカの表皮はしわとしわの間に渦が形成され、ベアリングの役割を果たし、摩擦抵抗を低減するといわれてますが、その仕組みを応用した形です。さらに、これを挟むように四つ葉のクローバー形状にも溝筋を作りつけました。ドルフィンスキャンパルセータと名付けたこの仕組みによって、水の摩擦抵抗を低減。モーターの負荷も軽減しています。また、パルセータの裏側には、イルカの尾びれのような三日月翼を4方向Ｘ状に配置することで、裏側に入り込んだ水を大幅に掻き出すことで洗浄力を向上しています。これを『ドルフィンクキック水流』と名付けました」。
これによってどう変わったか？ 従来方式の洗濯機と比較し、洗浄力で15％アップ、洗浄ムラを30％ダウン、さらに水量を15％、洗剤量を50％、消費電力量や時間短縮を18％それぞれ低減したという。
こうした成果により、大塚氏にとって「生物模倣技術」を取り入れることが、自信から確信へと変わったという。その後、サイクロン掃除機用のゴミ圧縮ブレードにネコ科動物のザラついた舌構造を応用したりするなど、大きな成果を出し続けた大塚氏。
だが、失敗は発明の母とでもいうべきか。それまでの成功体験を応用したことで、とんでもない失敗作（プロトタイプ）を作ったこともある。
「実は扇風機です。回転する羽根ということで、すでにエアコンの室外機用にアホウドリで成功していた自分は、それをそのまま扇風機に応用しようとしました。それで省エネ性が高く、回転効率の良いプロトタイプを作って意気揚々と商品開発の会議に持ち込んだところ、まさに総スカン状態。理由は明白でした。エアコンの室外機の風は人に直接当てるものではありません。その風は雑なもので、快適性とはほど遠い風を吹かせていたのです」（大塚氏）。
この経験をもとに、まさに原点に戻ったという大塚氏。あらためて優しい風を生み出す蝶であるアサギマダラを見つけ、その羽根の仕組みを応用する。
「アサギマダラって聞き慣れない蝶の名前だと思いますが、この蝶はあまり細かく羽ばたかずに、ひらひらと滑空するだけで、海を渡って2000キロも飛んでしまうといわれています。この飛翔能力のメカニズムは、例によって解明されていないのですが、この“あまり羽ばたかずひらひら”という飛翔方法を、圧力変動や風速ムラを生じないところから、快適性の高い扇風機のファンブレードに応用しました。翼1枚1枚を蝶の羽根の形に似せて、翼を中央で大きくねじって折り曲げ、翼の根元と外周部の角度をわざと食い違わせ、風にうねりを与えました。また、蝶の羽根特有の“中央のくびれ”を採用することで、7枚でありながら14枚分の圧力変動を生み出し、それを7枚連ねて回転させることで、風速ムラを完全除去、これによりムラのない滑らかな風を生み出すことに成功しました」。
ここまで大自然に学べ！ を合い言葉に「生物模倣技術」を応用し続ける大塚氏だが、1つ疑問が残る。なぜ「航空工学」で達成できずに、「生物模倣技術」の応用でこれらを達成できたのだろうか？ それについて大塚氏はこう答える。
「これは流体力学において、粘性をもつ流体のふるまいを特徴づけるレイノルズ数（下記）に関係があります。簡単に言えば、このレイノルズ数により、航空工学で導き出されるさまざまな数字は、航空機や宇宙ロケットなど大きな物体を動かすのに使われるものには有効でしたが、小さい家電などに応用する場合、あるレベルを超えると、その効果が出にくくなっています。逆に『生物模倣技術』で登場するような生物などの仕組みは、航空機などに比べて家電にサイズ感が近いため、効果が出やすかったということでしょう」。
2014年1月現在、22品目をに17種類の動植物の技術を応用し、「生物模倣技術」製品を出し続けるシャープと大塚氏。だが、その勢いはまだまだ止まらない。この春、さらに新たな“隠し動物”を引っさげ、今までにないジャンルの製品を出す予定ということだ。
「これからも“大自然に学べ”で、あっと驚く生き物の技術を応用して、どんどんいい製品を作っていければと思います。自然は無限の可能性を秘めてますから」（大塚氏）。
●レイノルズ数とは？
典型的な流速U、流体中の物体の大きさL、粘性率η、密度ρを用いると、無次元量の数R＝ρUL/ηが導かれる。このRをレイノルズ数といい、Rを同じくする流体は物体周囲で同じような（相似関係にある）流れとなる。これをレイノルズの相似則、または流れの相似則といい、飛行機や自動車の小さな模型を用いた風洞実験などに利用されるものだという。
ITmedia LifeStyle 2月19日(水)18時14分配信