イカやその他の頭足類は、その皮膚のユニークな構造のおかげで、皮膚の色を急速に変化させることができる。トロント大学の研究者らは、このイカの皮膚にヒントを得て、窓を透過する光の波長、強度、分布を変化させ、エネルギーコストを大幅に節約できる「液体窓」のプロトタイプを作成した。

窓というのは、建物の開口部の大部分を占めるもので、それ故に外部との熱のやりとりが多く発生する部分でもある。そうなると、建物の温度制御に関わるエネルギー消費を抑えるためには、窓から入る太陽光を制御する事が戦略的には大いに有効になる。夏の暑い日は西日を抑えて温度上昇を抑制し、冬の寒い日には陽光を招き入れて部屋を暖かく保てば、光熱費を抑えられる事は自明だろう。

従来も、ガラスの不透明度を調整することで、窓から入る太陽光を制御し、夏の暑い日に日差しが入りすぎて暑くならないようにしたり、明るさを制御してまぶしくなりすぎないようにする、「スマートウィンドウ」は存在した。しかし、夏や冬で、窓から入る熱量を最適化しつつ、明るさを確保することが出来ないだろうかと科学者らは考えた。それを実現したのが、今回『PNAS誌』に発表された「Multilayered optofluidics for sustainable buildings」と題された論文の中で提案されている「液体窓」だ。

本研究の筆頭著者である、トロント大学のRaphael Kay氏は、「夏の真昼間には、可視光だけを取り込み、熱は取り込まないようにしたいと思うでしょう。現在のシステムでは、このようなことはできません。両方を遮るか、どちらも遮らないかのどちらかです。また、光を有益に誘導したり散乱させたりする機能もありません。」と、プレスリリースの中で語っている。

Kay氏とBen Hatton准教授率いるチームは、自然界にインスピレーションを求めた。研究チームは、オキアミ、カニ、ティラピアなどの海洋節足動物にヒントを得て、光流動性セルをアレイ状に並べたシステムを構築した。その試作細胞は、2枚の透明なプラスチックの間に薄い鉱物油の層がある構造になっていた。細胞の中心に接続されたチューブから、顔料や染料を含んだ水を少しずつ注入すると、色のブルームが発生する。ブルームの形は、デジタルポンプで制御できる流量と連動している。流量が少ないと円形の花が咲き、流量が多いと複雑な枝分かれのパターンができる。

イカの皮膚は半透明で、外層には光の吸収をコントロールする色素細胞「色素胞」がある。色素細胞は皮膚表面に並ぶ筋繊維に付着しており、その筋繊維は神経繊維とつながっている。その神経を電気パルスで刺激することで、簡単に筋肉を収縮させることができるのだ。そして、筋肉がさまざまな方向に引っ張られるため、色素の部分と一緒に細胞も膨張し、色が変化する。細胞が縮むと、色素の部分も縮むようになっている。

色素胞の下には、虹彩胞という別の層がある。色素胞とは異なり、虹彩胞は構造的な色の一例で、蝶の羽の結晶に似ているが、イカの虹彩は静的ではなく動的なもので、異なる波長の光を反射するように調整することができる。この2つの層が連動して、イカの皮膚に特有の光学特性を生み出しているのだ。

このイカの色彩変化のスピードは素晴らしく、まさに“一瞬”で切り替わる。実際の色彩変化の様子は以下の動画をご覧頂ければ理解しやすいだろう。

Kay氏と彼の同僚は、イカの皮の構造が、ダイナミックで調整可能な建物のファサードを作る鍵を握っているかもしれないと考えた。彼らは、プラスチック製の平らなシートに、流体を送り込むための細いチャンネルを配列したマイクロ流体システムのプロトタイプを作製した。この流体に、カスタマイズした顔料や粒子を加えると、透過する光の波長や光の方向が変化する。このシートを積層して、波長のフィルタリング、室内への散乱の調整、光の強度の制御など、異なる種類の光学機能を各層で実現し、すべてデジタル制御の小型ポンプで管理することができるのだ。

Kay氏によれば、このシンプルで低コストのアプローチにより、光学特性を調整できる「液体状態の動的な建物の外壁」を設計し、冷暖房や照明のエネルギーを節約することが可能になるという。研究チームは、このプロトタイプを概念実証として、変化する環境条件に対応する動的なビルディングファサードとしての性能をコンピューターシミュレーションで検証した。その結果、近赤外線の透過を制御する層を1層設けると、25%の削減が見込まれることが判明した。さらに、可視光線の透過を制御する2層目を追加すれば、50%近いエネルギーコストの削減を達成できることが分かったのだ。

共著者のBen Hatton氏は、「学習する建物、つまり、季節や日々の太陽条件の変化に応じて最適化するために、この動的配列を自ら調整することができるという考えは、私たちにとって非常にエキサイティングなことです。また、建物全体をカバーできるような効果的なスケールアップの方法にも取り組んでいます。しかし、シンプルで無害、かつ低コストの材料で実現できるのですから、この課題は解決できるはずです。世界的に見ると、建物が消費するエネルギーは膨大で、製造や輸送に使うエネルギーよりも大きいのです。建物のためのスマートな材料を作ることは、もっと注目されるべき課題だと考えています。」と、述べている。

論文

• PNAS: Multilayered optofluidics for sustainable buildings

参考文献

• University of Toronto: ‘Liquid windows’ inspired by squid skin could help buildings save energy

研究の要旨

室内温度調節は、人間が行う活動の中で最もエネルギーを消費するものの一つです。独立した多機能な光学的再構成により、多様な気候制御を直接実現できる建築ファサードは、このエネルギーフットプリントを大幅に削減することができ、その開発は地球規模の持続可能性に向けた適切な課題である。我々は、生物の光学的適応性を持つ多層膜からヒントを得て、建物内で独立した一連の光学的応答を実現するための多層膜流体インタフェースを報告する。我々は、ミリスケールの狭い流路内で水溶液の流れをデジタル的に制御し、全透過光強度（250～2500nmの間で95％変調）、近赤外線選択的吸収（740～2500nmの間で70％変調）、分散（散乱）を独立して制御することを実証している。この組み合わせによる光学的調整機能により、建物内の日射量、波長、位置の経時的最適化が可能となり、年間モデルで既存技術比43%以上のエネルギー削減を実現します。この拡張性のある「光流体」プラットフォームは、多様な水性化学物質を活用することで、建物の空調制御のための一般的なソリューションとなる可能性がある。