小さな蜘蛛の巣、大きな効果！ 3Dプリントされたクモの巣はウイルスが隠れることを不可能にし、感染症を予測する早期警報システムを構築します

はじめに: 技術革新を追求する過程で、人間は答えが自然の設計の中にあることにほとんど気づきません。自然界では、きらきらと光る露が垂れ下がった蜘蛛の巣は、その絶妙な美しさでよく賞賛されます。しかし、それが空気中のウイルスを検出するための非常に高度なツールになる可能性があると想像できますか?答えはイエスです。

2023年11月3日、アンタークティックベアは、米国イスラエル科学財団（BSF）の資金提供を受けて、バイオニックイノベーションの専門家であり、バージニア工科大学機械工学部の教授であるジャンタオ・チェン准教授とそのチームが、クモの巣を新型コロナウイルスやその他の潜在的な病原体などの有害な空中粒子の早期警報システムに変えるバイオニックテクノロジーを開発していることを知りました。さらに、このネット構造を作成するために 3D プリントが使用されています。
水滴からデータへ<br /> チェン教授の専門分野は、マイクロスケールおよびナノスケールの流体とレーザーなどの光学技術を組み合わせて、微量の流体が光とどのように相互作用するかを研究することです。研究では、水滴の独特な形状と特性により、周囲の空気中の粒子を捕捉できることがわかった。これらの粒子は、ほこりから有害な細菌やウイルスまで、あらゆるものである可能性があります。
これらの小さな粒子が飛沫に付着したり飛沫内部に入り込んだりすると、研究チームはレーザーを使用してそれらを識別します。レーザー光が液滴に当たると、液滴内部で跳ね返り、その粒子に関するデータを取得します。このデータは指紋のような役割を果たし、チームに液滴の中に何が入っているかをリアルタイムで把握する情報を提供します。
△チェン・ジャンタオ、バージニア工科大学准教授
小さな蜘蛛の巣、大きな効果<br /> しかし、個々の水滴をスキャンするのは現実的ではありません。ここで蜘蛛の巣が登場します。露に覆われた蜘蛛の巣は、複数の水滴を自然に運ぶものであり、蜘蛛の巣自体の糸は光線を導くのに最適です。本質的には、蜘蛛の巣は、糸と水滴が連携して機能する組み込みのセンサーシステムになります。
しかし、チェン氏のチームは障害にぶつかった。ウイルスを効果的に検出するには、各液滴にさらに多くの粒子が必要です。彼らは、近くの電極を使用してより多くの粒子を帯電させ、メッシュに引き寄せることで、検出効率を向上させることでこの問題を解決しました。
完璧なネットワーク早期警報システム<br /> 研究チームは、ビジョンを現実のものにするために 3D プリントを採用しました。彼らは天然素材と合成素材を組み合わせて、柔らかくて耐久性のあるバイオニッククモの巣を作りました。ネットワークは柔軟な素材で作られており、内部に特殊な液体が含まれています。この素材は、繊維ネットワークの形状を維持し、小さな水滴を捕らえるのに役立ちます。ウェブを良好な状態に保つために、内部の液体を硬化させるために紫外線を使用します。
印刷プロセスでは、まず中空の格子シェルを作成し、次にその中に液体を注入し、最後に安定性を確保するために硬化させます。これらの人工メッシュ構造は、水滴を効果的に封じ込めるだけでなく、レーザー光が構造を通過することも保証します。

合成メッシュを作成した後、次のステップは、それがキャプチャした粒子を分析することです。研究チームは、バージニア州ハンプトン大学の准教授であるQiang Le氏と協力して、これらの結果を提供するスマートフォンアプリを開発している。これにより、空中からの脅威に関する即時警報が可能になる可能性がある。
チェン氏は、この技術が環境保護から感染症の監視、そして世界の安全の確保まで、幅広い分野で応用されると期待している。バージニア工科大学流体物理学研究所の主任研究員でもあるこの専門家は、「このネットワークは持ち運び可能で、家庭や周囲の環境に配備できるため、環境保護、感染症の監視、科学捜査、世界安全保障などに応用できます。配備された各クモの巣型センサーは、すべての人の健康と安全に関する情報をリアルタイムで提供できます。配備後、どれだけうまく機能するかを見るのが楽しみです」と述べている。
△変異したウイルス。画像提供：オックスフォード大学。
「チェン教授のチームは、空気中の病原菌を検知できるクモの巣を作るための助成金を受けた」とバージニア工科大学機械工学部は述べた。「クモが怖い人は、クモにはすでにたくさんの厄介な細菌が付着していると言うかもしれないが、心配はいらない。研究者らが合成したのはクモの巣だけで、8本足のクモではない」
空中の脅威を迅速に検出することがこれまで以上に重要になっています。世界保健機関（WHO）は、パンデミックの可能性がある優先疾患のリストを示し、将来の空気感染病原体の深刻さを強調した。世界的な注目を集めている最新の病気は、壊滅的なパンデミックを引き起こす可能性のある未知の病原体である「X病」です。世界保健機関は、新型コロナウイルス感染症の発生前の2018年にこの用語を作り出した。しかし、英国のワクチンタスクフォースの元議長、ケイト・ビンガム氏の最近のコメントは、潜在的な脅威の深刻さを浮き彫りにしている。専門家は、疾病Xの潜在的影響を1918年の壊滅的なスペイン風邪と比較し、その死者数は第一次世界大戦の死者数に匹敵する可能性があると示唆した。世界保健機関によれば、病気Xは新しいウイルス、細菌、または真菌である可能性があり、まだ治療法は見つかっていない。

エボラ出血熱、SARS、ジカ熱などの他の病原体も、次の致命的なパンデミックの潜在的な原因として世界保健機関の「優先疾病ブループリントリスト」に含まれているため、チェン教授の研究の重要性は無視できない。自然にヒントを得た解決策と先進技術を組み合わせた彼の革新的なアプローチは、将来このようなウイルスの脅威に対する重要な防御線となる可能性がある。

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