蝴蝶教夏普做電風扇

--本文由日經BP社提供

「研究產品所需要的功能時，考察了在相同領域具有出色功能的生物，並融入了關鍵要素。」夏普健康環境系統業務本部核心技術開發中心第二開發室主任研究員大塚雅生如此說道。

該公司連續推出了模仿信天翁、山鷹、小貓及蝴蝶等生物特點來提高功能的白色家電。從2008年上市的空調到2012年4月發佈的風扇，採用仿生技術的實例已達到5個，共推出了9款商品。

祕密在凹入部分

夏普的最新仿生產品是以均勻舒適的送風為賣點的風扇（2012年5月上市）。一般來說，要產生均勻柔和的風，需要增加葉片數量，但這會導致送風效率及靜音性降低的問題。新產品需要解決的難題是，消除這種此消彼長的關係，實現舒適、安靜以及較高的效率。據說同在第二開發室的公文結從大塚那裏聽說這一要求後，立即想到了大絹斑蝶。

大絹斑蝶
具備很高的滑翔能力，能以很少的振翅次數進行長距離飛行。其翅膀外周部分有凹入部分。

大絹斑蝶是生活在日本的蝴蝶中唯一遷徙的蝶種。要在本州和台灣之間飛翔2000多公里，每天的飛行距離超過200km。而且，這種蝴蝶很少拍打翅膀，總是在空中滑翔。新型風扇就是從這裡獲得了啟發。如果將不搧動翅膀便可長距離飛行的原理用於風扇葉片，即便壓力變動很小，也可充分送風。

一般來說，蝴蝶的翅膀基本呈平面，長寬比接近一，形狀與鳥類及蜻蜓等的細長翅膀完全不同。其中，大絹斑蝶的翅膀呈現出外沿中部附近凹入的獨特形狀。而且，還具有搧動翅膀時會在翅膀上產生起伏的特點。

於是，大塚與公文等人為風扇的葉片設計了凹入部分，並在葉片上再現了起伏形態。具體為葉片中央部大幅彎曲，並改變了根部和外周部的角度，同時還像大絹斑蝶的翅膀形狀一樣，在外周部設置了凹入部分。

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從大絹斑蝶獲得啟發的風扇葉片
新開發的7葉風扇的葉片（a）。模仿了大絹斑蝶拍打翅膀時的彎曲與外周部分的凹入（b）

很喜歡動物的公文，不僅了解大絹斑蝶遷徙的習性，還知道這種蝴蝶振翅次數少、可滑翔進行長距離飛行。這些知識為產品帶來了新的附加值。

可吹送強勁而集中的風

將大絹斑蝶的特點應用到風扇葉片後，在不降低送風效率的情況下，壓力變化減少了65％，半徑方向的風速分佈不均降低到了原來的1/40。由於葉片彎曲，中心部附近相對於送風面大幅傾斜，中心部附近的送風能力提高，從而改善了徑向風速不均。而外周部分因傾斜較小，送風十分柔和。

新風扇還減小了壓力變動。凹入設計使單張葉片旋轉方向的後半部分送風減弱。隨後因為與下一葉片之間產生了多餘空間，所以壓力會呈階梯型變化，「7枚葉片可產生相當於14枚葉片的柔和風」。

不僅如此。據夏普介紹，風會在直接吹向人體的低速旋轉時（弱運轉）擴散，而不會在需要作為迴圈風機發揮作用的高速旋轉時（強運轉）擴散，從而可吹向遠處。弱運轉時，從葉片背面到前面的渦流會在凹陷部分分離擴散，強運轉時則不會分離，而會進入更內側部位，因此能使風集中。

模仿信天翁

夏普之所以能夠不斷實現生物仿生技術的實用化，大塚的功勞不小。專業原本為航空力學的大塚，一直運用專業知識開發旨在實現空調節能化的氣流控制技術。2006年還參與開發了達到業界最高節能水準的產品。大塚說「2007年前後，自己發現運用航空力學所能做到的事情已全部實現」。

作為一名技術人員為下一步該做什麼而愁眉不展時，大塚為了尋找與此前學習的機械原理的不同視角，抱著學習的態度參加了一個生物學會議。「全是些將魚類及海豚等的習性應用於機器人的研究讓人茅塞頓開」。或許認為會獲得與此前的知識完全不同的啟發，從那之後大塚便連續參加各種生物學會。一天，大塚聽了一場航空力學無法解釋的蜻蜓及鳥類高效飛行的演講，並由此想到將這一原理運用到自己公司的白色家電上。

最初開發的是模仿信天翁與山鷹的翅膀而設計的空調室外機用軸流風扇。大塚認為，可模仿擁有超群滑翔能力和長時間飛行能力的信天翁翅膀進行高效送風，模仿能在較強上升氣流中穩定飛行的山鷹翅膀來降低噪音。

於是，大塚等人開發出了這樣的葉片：模仿信天翁的翅膀，沿外周部分的旋轉方向設計成了尖細的形狀，並在相反的一端設置了從山鷹最長的羽毛獲得啟發的凸部*1。由此，使空調的送風效率最多提高到了1.4倍，噪音最多可降低10db*2。

從鳥翅膀的形狀獲得啟發的空調室外機用風扇葉片
外周部採用了與信天翁尖細形狀與山鷹頂端分開的翅膀形狀（第一列最長的羽毛）。中央附近模仿了鳥類的小翼羽（相當於拇指的彎曲處）的形狀。

*1 此外，旋轉軸附近還採用了絕大多數鳥類具有的「小翼羽」形狀。具有可抑制中心部渦流剝離的效果，能夠省去原來為防止剝離產生的逆流而設置的中央套筒（圓筒部分）。

*2 後來還開發出了從蜻蜓的翅膀獲得啟發的具有鰭片的橫流風扇。蜻蜓的翅膀不是平面，而是呈之字形狀。凹入部分會產生渦流，其外側可產生穩定的層流。因此，夏普在彎曲的葉片單面（凹面）設置了像蜻蜓翅膀一樣的凹凸。由此使效率提高到了原來的1.3倍，噪音減小了10db。該技術還被應用在了2011年上市的空氣加濕凈化器的多葉片式風扇上。 

利用貓舌特性壓縮垃圾

 大塚及公文開發的並不僅僅是風扇和空調。除了開發出了模仿海豚尾鰭和表皮的洗衣機波輪之外，還在旋風吸塵器中運用了貓的智慧。 

旋風吸塵器的課題是必須頻繁除去塵杯中積存的垃圾，這項工作非常麻煩。雖然垃圾已在內部壓縮，但因為會重新膨脹，幾天後塵杯就會滿。一般用戶希望至少10天～兩周內不必清除垃圾。 

「那麼，利用貓舌的原理怎麼樣？」貓會用舌頭整理毛髮，定期將胃中積存的毛髮揉成團吐出。公文立即想到，可以模仿貓的粗糙舌頭來解決吸塵器的問題。 

在用來壓縮垃圾的螺桿的最下層葉片表面，公文設置了很多模仿貓舌的細小三角形突起。這些突起在壓縮垃圾時，不會造成阻力，而壓縮的垃圾要膨脹時，突起則會抑制垃圾以防止其重新膨張。由此，可將吸入的垃圾壓縮至1/10左右。因減輕了清除垃圾的麻煩，新型旋風吸塵器成了熱銷產品。

從貓舌獲得啟發的旋風吸塵器的垃圾壓縮用葉片
表面設有三角形突起。壓縮時（旋轉時）不會對垃圾造成阻力，但壓縮的垃圾要膨脹時，就會掛住以防止其重新膨脹。還可通過產生小渦流來獲得捕集細小灰塵的效果。

從生物身上獲得了很多啟發

 「最初，當我們提出模仿鳥的翅膀及海豚的背鰭形狀的方案時，曾被視為奇思怪想」大塚說道。一開始夏普公司內部也曾將生物仿生技術視為異端，但旋風吸塵器獲得成功後，仿生技術在公司內部的認知度獲得提高，現在業務部門已開始向大塚等人徵求多方面的建議了。

採用仿生技術時，產品化時間只有幾個月到半年左右。首先確定模仿的生物，然後試製並反覆實驗。由此，可更加迅速地實現產品化。

實現這一點的基礎當然是大塚及公文二人對生物的深刻認識、見解以及出色的資訊收集能力。據夏普介紹，兩人一直通過參加生物學相關學會等，時刻收集資訊，隨時為滿足業務部門提出的要求做好準備。尤其是公文，「獲得的啟發很多，不斷會提出創意」，大塚也對其寄託了無限的信賴。 

夏普表示，今後不僅限於動植物，還會在太陽及風等更加廣泛的領域運用大自然的智慧。