同時に霧の収集と電力供給を行う新しい生体模倣統合システム

霧を役立つ資源に変える

多くの乾燥地域では、清潔な水が不足していることと安定した電力が得られないことという二つの問題が同時に存在します。本研究は、霧から水を取り出す一方で、落ちる滴を小さな電力パルスに変える新しい装置を検討します。砂漠の植物や昆虫に着想を得たこのシステムは、離れたオフグリッド地域での使用を想定して設計されており、わずかな水や電力でも食料生産に大きな違いをもたらします。

砂漠の生物から学ぶ

薄い空気から水を捕える問題は、自然がすでに解決しています。ナミブ砂漠の甲虫、サボテンの刺、ウツボカズラの縁などは、微小な水滴を効率よく集めて誘導します。研究チームはこれらの生物の重要な特徴を模倣して、枝分かれした溝を持つ金属面を作りました。これらの溝は一部が水を好み、他が水をはじくように精密に調整されています。霧が流れると、微小な水滴が着地し、合体し、葉脈を流れる水のように詰まることなくこれらの経路に沿って引かれていきます。

霧収集表面の動作原理

水収集部分の核心は、協奏的な生体模倣樹状構造表面と呼ばれるパターン化されたチタン板です。これはレーザーエッチングと光処理で微小な稜線と領域ごとの濡れ性の穏やかな変化を作り出して作られます。霧がこの表面に当たると、水滴はまず超親水性の側枝に形成され、そこから主幹に引かれて収集点へと落ちていきます。溝の形状、枝の傾斜、濡れ性の漸進的な変化が組み合わさって、水滴を一方向に押し出します。試験では、最良設計が平坦なチタン板の4倍以上に当たる、1平方センチメートルあたりほぼ10グラム／時間の水を集めることが示されました。

落下する滴を電気に変える

システムの第2の重要部分は、滴の運動を電気信号に変換する滴ベースのトライボエレクトリックナノジェネレーターです。霧水が集まってコレクターから滴り落ちると、それはMXeneという導電性化合物を混ぜた柔らかいゴム状材料でコーティングされた傾斜したプレートに落ちます。各滴がこの被覆プレートに当たり広がると、表面で電荷が再配列され、隠された金属層間に小さな電流パルスが流れます。適切な滴の大きさ、落下高さ、傾斜角を選ぶことで、チームは電流と電圧の両方を高めつつ、滴が粘着性フィルムを作らずに転がり去るような高い撥水性を保ちました。

水と電力を植物に活用する

霧収集器と発電器を組み合わせて実用性を示すため、研究者たちはパターン化された金属ユニット25個を内張りした小さなチャンバーを作りました。霧に似た条件下で、このモジュールは1/3平方メートル当たり一晩で約1.6リットルの水を回収し、乾燥気候で一人分の日常的な飲水需要の大半を満たすのに十分でした。貯めた水は重力で電力を生むプレートに滴下し、最終的に大麦の種子が入った土壌へ流れ込みました。小さな電力パルスは植物育成用の照明に見立てた小灯を点灯するのに使われ、収集された水が種子に灌漑されました。数日間にわたり、霧で水やりされた大麦は無灌漑の対照よりも背丈が高く健康に育ちました。

乾燥だが湿度のある場所のための新しい道具

完成したシステムは、霧が同時に水源と穏やかなエネルギー源として利用できることを示しています。特別な表面は水滴を極めて効率的に捕らえて誘導し、滴で駆動されるプレートはセンサーや小型灯などに適した低レベルの電力を安定して生み出します。このアプローチは局所的な湿度と重力だけに依存するため、沿岸砂漠や空気は湿っているが液体水や送電線が乏しい地域に適しています。完全な水質浄化や金属部品の長期保護を加えるにはさらなる作業が必要ですが、この生体模倣設計は、資源の限られた地域で農業や日常生活を支える小規模で自立したユニットへの実用的な道筋を示します。

引用: Gao, H., Li, L., Hu, Y. et al. A novel bioinspired integrated system for simultaneous fog harvesting and energy supply. Microsyst Nanoeng 12, 174 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01240-1

キーワード: フォグハーベスティング, 水とエネルギー, 生体模倣表面, トライボエレクトリックナノジェネレーター, オフグリッド農業