エンジニアは問題を解決するのが仕事です。特定の結果を達成する方法を見つけるのが彼らの仕事です。問題には、ハリケーン級の風に耐えられる超高層ビルを建設する方法を見つけることが含まれるかもしれない。あるいは、人体の単一細胞に特定の用量の薬物を送達する方法を発見することかもしれません。
エンジニアは、現在直面している問題に対する解決策がすでに存在するかどうかを確認するために自然に目を向けることがよくあります。彼らはソリューションを認識するだけでなく、私たちがそれを活用できるように、そのソリューションを研究し、模倣し、強化することができなければなりません。このアプローチには特別な言葉があります: 。最終的に、エンジニアの創造物は生物学的実体の構造または機能を模倣します。
その結果は、畏敬の念を抱かせるものになる場合もあれば、人々が日常的に当然のことと考えるものになる場合もあります。しかし、エンジニアが自然界での物事の仕組みに細心の注意を払っていなかったら、基本的な発明でさえも不可能だったでしょう。自然が私たちが依存しているテクノロジーに影響を与えた 5 つの方法を順不同で見ていきます。
5: 人工知能の開発
人工知能は、何十年もの間使われてきた用語です。かつて、コンピューターは膨大な数を処理できる強力な機械に過ぎず、自分で考えることはできませんでした。コンピュータは明示的な指示にのみ従うことができます。
今日、エンジニアやコンピューター科学者は、計算から思考への飛躍を図ろうとしています。彼らはある程度の進歩を遂げた。 2008 年、科学者たちは BlueGene L スーパーコンピューターを使用してマウスの脳をシミュレートしました。単純そうに聞こえるかもしれませんが、脳は、たとえ仮想マウスに属しているものであっても、信じられないほど複雑です。実際、非常に複雑なので、強力なコンピュータではシミュレーションを 10 秒間でしか実行できません 。
2009 年、コーネル大学の研究者は、振り子の動きを分析することで基本的な運動法則を導き出すことができるコンピューター プログラムを作成しました。このプログラムは一連の測定を行い、遺伝的アルゴリズムを使用して物理学の基本法則を推定しました。
将来的には、複雑な工学的問題を解決できる機械が登場するかもしれません。コンピュータがさらに強力なマシンを設計する段階にまで到達するかもしれません。深く考えるにはどうですか？
4: がん細胞の侵入
がんやその他の病気を細胞ごとに治療する方法を研究しているエンジニア、コンピューター科学者、医師のチームがあります。彼らが取り組んでいるソリューションの 1 つは、ナノスケールでの配信テクノロジーの設計です。彼らは医療用ナノ粒子、つまり直径 100 ナノメートル未満の物体を構築しています。ナノメートルは 10 億分の 1 メートルです。実際、ナノスケールは非常に小さいため、光学顕微鏡を使ってもナノ粒子を観察することは不可能です。
このアイデアは洗練されています。がん細胞を見つけて浸潤し、必要な場所に正確に薬剤を届けることができる薬物送達粒子を作成します。医師らは、がん細胞だけを標的にすることで、副作用を最小限に抑えながら病気を根治したいと考えている。健康な細胞は影響を受けません。
これは思っているよりも難しいことです。しかし、これらのチームは、ナノ粒子を作成するために研究できる自然モデル、つまりウイルスを持っています。ウイルスの長さはわずか数ナノメートルで、複製する前に何らかの方法で特定の種類の細胞を探すことができます。医師たちは、この能力を模倣するナノ粒子を作成したいと考えています。
3: 壁にくっつく
太古の昔から、人間は何かを何かに貼り付ける理想的な方法を探してきました。古代には、洞窟住居のすきま風を少しでも軽減するために、マンモスの皮に大きなスパイクを打ち込む作業が行われていた可能性があります。最近のエンジニアは、バリのある植物やヤモリのような生き物にインスピレーションを求めています。
1941年に遡ると、スイスの技術者ジョルジュ・ド・メストラルは、衣服や愛犬の毛に引っかかったバリを拾っていました。彼はバリを顕微鏡の下に置いたところ、そこに小さなとげがあり、通り過ぎる生き物に付着できることに気づきました。エンジニアは素晴らしい計画を思いつきました。これらの小さな返しを固定装置として使用する材料を作成するというものです。その素材は現在ベルクロと呼ばれるものです 。
次に、Gecko Tape という、ナノスケールの毛を使って薄い表面に張り付く素材があります。毛はヤモリの足にあるものを模倣しています。いつの日か、科学者たちはこの素材を使ってスーツ全体を作ることができるかもしれません。このスーツを着用すると、壁をよじ登ることができ、おそらく天井を歩いて渡ることもできるだろう。近いうちに、私たちは友好的な近所のスパイダーマンに電話をかけることができるかもしれません。
2: 自律的にナビゲートする
将来的にはロボットも登場するでしょう。彼らが私たちのあらゆるニーズに応えるのか、それとも群れで私たちを追い詰めるのか。それはまだ分からない。いずれにせよ、ロボットが真の可能性を発揮するために必要な機能の 1 つは自律ナビゲーションです。
ほとんどのロボットは、事前にプログラムされたルートを必要とするか、障害物に遭遇するたびに単純に環境に反応します。ある地点から別の地点まで自力で移動できる人はほとんどいません。技術者の中には、アリを研究することでこの問題を克服しようとしている人もいます。
カタグリフィスはサハラ砂漠で見られるアリです。他のアリとは異なり、カタグリフィスは環境内を移動するためにフェロモンの痕跡に依存しません。科学者たちは、アリは視覚的な操縦、経路統合、体系的な探索を組み合わせて使用していると考えています 。技術者らは、カタグリフィスのような生き物がどのように移動するかをより深く理解することで、同様の機能を備えたロボットを構築できると期待している。
1: 飛び立つ
2000年、ウォルト・ディズニー・ピクチャーズは「ファンタジア」の新編集版を公開した。更新された映画にはいくつかの新しいシーケンスが含まれており、そのうちの 1 つは、オットリーノ・レスピーギの「ローマの松」の系統に向かって飛び立つザトウクジラの群れをフィーチャーしていました。ザトウクジラが空に飛び立つ様子を見ることはできそうにありませんが、この空想的なシーケンスは実際の科学的発見を予感させました。
2004 年 5 月、科学者とエンジニアのグループが科学論文を Physics of Fluids ジャーナルに発表しました。研究チームはザトウクジラの胸びれのモデルを構築していた。あるモデルには、実際のクジラの足ひれに見られる隆起である結節が含まれていました。別のモデルでは、滑らかな表面が使用されていました。
彼らは両方のモデルを海軍兵学校の風洞でテストしました。彼らのテストでは、結節を備えた足ひれでは揚力が 8% 改善されたことがわかりました。さらに、フリッパーは急な風角で失速する可能性が低くなり、空気抵抗が最大 32% 減少しました。
でこぼこした翼を持つ飛行機がすぐに見られるでしょうか?それは十分に可能です。研究チームの発見は、自然が流体環境を移動するための効率的な装置を作り出したことを示唆している。これらの発見を活用しないのは愚かかもしれません。
人類の歴史を通して、自然がどのように技術開発を導いてきたのかを示す例は他にも何百もあります。したがって、次回複雑な技術的問題を解決する必要があるときは、まず自分の裏庭を見てみるとよいでしょう。
次のページでテクノロジーと自然について詳しく学びましょう。
