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小方 聡 准教授

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都市教養学部 理工学系 機械工学コース 
小方 聡 准教授

キーワード:
抵抗, 省エネルギー, 構造

マイクロメートル単位の小さな工夫が、大きな省エネ効果を生み出す!

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ハスの葉が濡れにくい仕組み

池や沼に浮かんでいるハスの葉は、水を非常によくはじくことが知られています。泥などの汚れもつきにくく、たとえ汚れても、雨などですぐに流れ落ちてしまいます。ハスの葉の表面は一見平らに見えますが、拡大してみると、数マイクロメートル(1000分の1ミリ)ほどの凹凸があり、それぞれにさらに小さい突起が出ている構造になっています。これらの非常に小さな凹凸によって固体表面と水滴が接触する角度が大きくなるため、ハスの葉は水をはじきやすく、濡れにくい特性を発揮できるのです。

微細な構造が液体の抵抗を減らす

ハスの葉の表面のような微細な構造を応用して、水などの液体が流れる時の抵抗を減らせないか、という研究が進められています。例えば、液体が流れる流路を作る時、流路の表面に10マイクロメートルほどの小さなクボミを並べて空けておくと、液体が流路を流れる時、そのクボミの部分に気泡が取り残されます。すると、その気泡の表面を液体が通過する時の抵抗が減るため、流路全体での抵抗を減らすことができるのです。こうした表面の微細な構造による抵抗の減少の仕組みについては、クボミが規則的に並んでいた方がいいのか、どのくらいの大きさが一番いいのか、どのような形状がいいのかなど、まだよくわかっていない部分も多く残されています。また、液体の種類によっても大きく左右されるため、どうやって気泡をクボミに閉じ込めて抵抗の減少につなげるか、さらなる研究の成果が待たれています。

船や水道管の抵抗も減らせるかも

このような分野の研究が進めば、医療分野などへの応用が期待できるほか、例えば船が水上を進む時の水の抵抗を小さくしたり、水道管を流れる水の抵抗を減らしたりできるようになるでしょう。マイクロメートル単位で作られたごく小さな構造を、身の回りのさまざまな場所に応用することは、大きな省エネ効果につながる可能性を秘めているのです。

プラズマの力で、空気の流れを制御する新技術

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流体を制御する研究

流線形をした新幹線の先頭車両など、飛行機や電車、自動車などの設計をする上で、空気など流体の流れについて研究する「流体工学」の知識はとても重要です。空気から受ける抵抗を減らす設計や材質を採用できれば、燃費を抑えることができるので省エネにつながりますし、空気の流れをより的確に制御できれば、騒音の低減や安全性の向上にもつながります。

プラズマが空気の流れを生み出す

流れの制御に含まれるさまざまな研究テーマの中で最近注目を集めているのが、「プラズマアクチュエータ」と呼ばれる装置の開発です。これは、コンデンサーに用いられる誘電体という直流の電気を通さない物質の薄いシートの表と裏に、非対称に銅などの薄い電極を貼ったものです。誘電体の材質はポリイミドやテフロンなどです。このプラズマアクチュエータの表と裏の電極に高い電圧を高い周期で印加すると、電極付近にプラズマが発生します。そのプラズマにより、表側の電極から裏側の電極がある方向に向かって、空気の流れが生まれます。
 プラズマアクチュエータには「応答性が高いこと」「柔らかい材質で作れるために、曲面などにも取り付けられること」「非常に薄い構造で作れること」、そして「材料費が安価なこと」などさまざまなメリットがあります。動かすのに高電圧が必要なことや、プラズマアクチュエータ自体の耐久性などの課題はありますが、実用化に向けた研究が進んでいます。さらに、アクチュエーター自身の高性能化や安全性の研究も進みつつあります。

さまざまな分野への応用に期待

例えば、飛行機の翼の表面にプラズマアクチュエータを搭載すると、翼の表面を流れる気流をコントロールする装置として活用できると考えられています。また、飛行機のほかにも、新幹線、自動車、高層ビルの壁面などに利用すると、気流による騒音を軽減するのに役立つ可能性もあります。今までにない新しい種類の気流制御装置として、プラズマアクチュエータは今、大きな期待を集めているのです。

高校生・受験生の皆さんへのメッセージ

大学が高校までと違うのは、研究を行うところであるという点です。その研究には、高校までに学んだ知識が必要になってきます。大学はとても楽しく自由な場所で、いろいろな人との出会いや、講義を通じてそれまで考えることのなかった新しい目的や進路を見つけることができます。今はテストの点数だけで進路を決めようとしている人もいるかもしれませんが、好きなことややりたいことで決めてほしいと思います。好きなことの方が、絶対長続きするからです。あなたが大学で大きく成長するのを楽しみにしています。

夢ナビ編集部監修

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