この人工筋肉は自ら物を動かす

スーパーマーケットの青果売り場では、キュウリはありふれた植物です。しかし、ホームセンターの苗木売り場では、キュウリは驚異的な存在だとシャゼド・アジズさんは言います。

数年前、アジズはオーストラリアのホームセンター、バニングス・ウェアハウスを闊歩し、あるキュウリの苗に一目惚れした。前日、彼はその独特な巻きひげに気づいた。細い茎が様々な大きさの螺旋状に伸び、キュウリの蔓は地面に向かって伸び、より多くの日光を得るために自らを引き上げるのに使われる。初めて訪れた時、その巻きひげは長く、緩んでいた。「翌日店に戻った時には、縮んでいました」と、クイーンズランド大学で材料工学のポスドク研究員を務めるアジズは言う。

彼はスタッフを探し出し、なぜ植物がこれほど急速に、そして大きく変化したのか尋ねました。乾燥か、病気か、あるいは枯れかけているのでしょうか？いいえ。植物は単に湿気と暑い日に反応していただけで、ヒマワリが太陽を追うように回転するのと似ています。これは屈性と呼ばれる現象です。

エンジニアであるアジズは、環境応答性のある天然素材という発想に心を奪われました。彼は人工筋肉の研究で博士号を取得していました。人工筋肉とは、人間の筋肉のように刺激を動きに変換する装置を構成する新しいタイプのアクチュエーターで、電動衣類、多目的義肢、そして電気や加圧水、空気で駆動する移動装置などに活用できます。

これらのデバイスは、導電性ポリマーや「形状記憶合金」といった人工素材で作られることが多く、特定の形状に変形しますが、これらの概念を研究する研究者たちは、多用途に使えるタコの触手、力強いゾウの鼻、そして俊敏なハチドリといった自然界からインスピレーションを得ています。バニングス・ウェアハウスで見かけた形を変えるキュウリを見て、アジズさんはアイデアを思いつきました。植物の螺旋状の形状だけでなく、自律的な動きまでも模倣できるのではないか、と。

アジズは植物を引っ張りながら車で家まで行き、メンターにプロジェクトをどう売り込むかブレインストーミングした。それから彼はキュウリの巻きひげについて学術論文を読み漁り、その行動をリバースエンジニアリングで解析しようとした。巻きひげはどのように収縮し、どのように伸びるのか？重力に逆らってどのように登るのか？彼は、らせん状の植物が巻きひげよりも深いレベルでコイルを形成していることを発見した。ミクロフィブリルと呼ばれる微細なセルロース繊維の束が植物細胞内でねじれ、細胞束はさらに細胞束内でねじれ、さらに細胞束自体が巻きひげのコイル内でねじれるのだ。

彼は、植物のような動きを捉えようと、何層にもねじれたアクチュエーターを用いて、その微細構造を模倣しようと試みました。まず、必要な材料は糸だと分かっていました。糸は、既にしっかりとねじれた繊維の束です。植物のようなねじれは分子レベルで組み込まれており、糸は柔らかいので、より多次元的に巻き付けることも容易です。

6ヶ月後、アジズは試作品を完成させた。それは、水を吸収・保持する特殊なポリマー（ハイドロゲル）を染み込ませた巻き上げ綿糸だった。 5月にAdvanced Materials誌に発表された論文で、彼のチームはらせん状の植物の伸縮するコイルを微視的レベルまで模倣し、濡れたり寒くなったりすると自動的に収縮し、小さな物体を自力で動かすほどの力を発揮することを示した。

「植物の挙動を非常によく模倣しているようです」と、北アリゾナ大学の機械工学者ハイディ・ファイゲンバウム氏は言う。彼女は、ねじれた釣り糸や中空ポリマーを筋肉のように伸縮させるプロジェクトに関わってきたが、アジズ氏のチームには参加していない。彼女は、コイル状アクチュエータは柔軟性と強度に優れているため、この分野にとって大きなメリットになると考えている。

キュウリを模倣したこの実験は、アクチュエータにおける植物のような屈性を示す初めての実証であり、「ソフト」ロボティクスへの動きの一環です。ソフトロボティクスとは、布、紙、繊維、ポリマーなどの流動性のある素材で作られたアクチュエータを、硬い金属関節ではなく、多様な動きを優先するものです。柔らかさは、手術中など、柔軟性と薄型設計が重要な状況において、ロボットの性能を向上させるでしょう。また、自律型ソフトロボットは、電源がなく、人もいない場所でも動作することができます。

「私たちの研究の成功は、人工素材が自然界の生物、今回の場合は植物のように振る舞えることを証明することです」とアジズ氏は言う。「つまり、人工素材にある程度、自然の知能を与えたということです。」

もちろん、糸はそれ自体では動きません。反応性を持たせるには、別の素材を注入する必要があります。

アジズは撚り合わせた糸を3種類の溶液に通した。一つはアルギン酸ハイドロゲルで、デバイスに水分を吸収させる。もう一つはポリウレタン製のハイドロゲルで、デバイスの脆さを軽減する。最後の層は熱に反応するコーティングだ。そして、糸を金属棒に巻き付け、キュウリの巻きひげのようにコイル状にした。完成した糸は、長く濃いマゼンタ色のバネのように見える。滑らかなコイルが、幾重にも重なった繊維状の撚り糸を覆い隠しているが、それでもそこに糸は存在している。

彼のチームは、一連の実験でこの糸の「筋肉」の能力を検証した。まず、コイルの下端にペーパークリップを取り付けた。次に、コイルに水を数回吹きかけた。ハイドロゲルが膨張し、水を吸収した。コイルは収縮し、縮んでペーパークリップを上方に引っ張った。

しかし、なぜハイドロゲルの膨張によってコイルは膨張するのではなく収縮したのでしょうか？それは、そのらせん状の微細構造によるものです。膨張した水素がらせん構造を押し広げ、コイルの幅を広げ、それを補うために糸の筋肉が縦方向に収縮したのです。

次に、研究者たちはホットプレートで温めた空気を当てた。すると、逆の効果が現れた。コイルが弛緩し、ペーパークリップが下がったのだ。これは、温かい空気がハイドロゲルから水分子を放出させ、筋肉の膨張を促すためだ。（冷たい空気は水分子を再吸収させ、再び筋肉を収縮させる。）

次に彼らはこう問いかけた。「これで窓を閉められるのか？」（奇妙な挑戦に思えるかもしれないが、彼らはこの小さな筋肉が単体で、電源も空気を送るチューブも配線も必要なく、実用的な仕事をこなせることを証明するデモが欲しかったのだ。）もちろん、糸は薄すぎて、どんなにねじっても実物大のガラス窓を動かすことはできない。そこでアジズのチームは、手のひらサイズのプラスチック製のものを独自に開発した。この窓には2枚のガラスが付いており、シャッターのように閉じることができる。彼らはマゼンタ色の小さな筋肉を両方のガラスに編み込んだ。水を吹きかけると糸が収縮し、シャッターが閉じて窓が完全に閉まるまで続いた。

アジズ氏にとって、この微細構造の美しさは、こうした形状変化が可逆的であることだ。形状記憶材料などの他の人工筋肉材料は、不可逆的に変形することが多く、繰り返し使用が制限される。しかし、このコイルは大気の状態に応じて無限に収縮したり弛緩したりすることができる。「雨が降れば窓を閉めることができます。そして雨が止めば、再び窓を開けることができます」と彼は言う。

これは現実世界でどのように役立つのだろうか？アジズ氏は、環境が過酷であったり変化しやすい遠隔地で、かつアクチュエーターが有効な、環境データや科学データを収集できる安価なデバイスを思い描いている。「砂漠や、南極のような極地など、機械や電気機器がない場所」だと彼は言う。砂漠にある望遠鏡が、夜間に気温の大きな変化に応じて視野を変える様子を想像してみてほしい。あるいは、遠隔地の温室に自動開閉する窓など。南極や火星でサンプルを採取する調査ロボットにも役立つかもしれない。

ファイゲンバウム氏によると、加圧空気や電池を使わずに動くアクチュエーターは有用かもしれないが、綿やハイドロゲルに水分の吸収や熱伝導を頼りにするには時間がかかる。糸が完全に変形するには数分かかることもある。「人間の筋肉というより、植物の巻きひげを模倣しているようなものです。その場合、動作ははるかに遅くなります」と彼女は言う。対照的に、彼女が開発した中空のポリマーでねじった筋肉は、高圧の空気や水に一瞬で反応する。

現時点では、これらの植物型アクチュエーターよりも「はるかに高速な性能」が期待できると、MITの材料科学者で神経工学者のポリーナ・アニケエワ氏（今回の論文には関わっていない）も同意する。「とはいえ、これは異なる材料系です」。2019年、アニケエワ氏のチームは、張力下でらせん構造を形成する「バイモルフ」ポリマー繊維製のアクチュエーターを開発し、強力な義肢への応用が期待されている。彼らは、このアクチュエーターを加熱すると1秒未満で収縮させ、自重の600倍以上を持ち上げることに成功した。6月には、彼女のチームがらせん状の筋肉を小型の磁気駆動ロボットへと変換した。

しかし、アジズ氏のようなハイドロゲルベースの筋肉が役立つケースも想像できる。「ハイドロゲルはバイオメディカルの分野で真価を発揮します」とアニケエワ氏は言う。彼女は、ハイドロゲルが人工筋肉として機能し、実際の人体組織に移植して修復を補助できるのではないかと考えている。ハイドロゲルベースの筋肉は、人体のメカニズムに適合する可能性がある。特に、エンジニアがアクチュエーターを水や熱だけでなく、実際の神経や筋肉のように生物学的刺激に反応させることができれば、その可能性はさらに高まるだろう。「ハイドロゲルはイオン濃度を吸収できるため、様々なイオン濃度に反応する可能性があります」と彼女は言う。「将来的には、導電性ハイドロゲルを組み込むこともできるかもしれません」と彼女は言い、小さな電気パルスに反応して変形できる。

ファイゲンバウム氏はまた、柔らかいロボット筋肉がロボット工学においてより創造的で自然な動きに使われることも思い描いている。肩が上腕に、肘を介して前腕に、といった具合に連結された古典的なロボットアームを想像してみてほしい。「あれはすべて、こうした硬い連結部と関節でできているだけです」と彼女は言う。しかし、ロボット工学者たちが外骨格や歩行補助装置などの移動ツールを再発明しようとすると、かさばるハードウェアが文字通り邪魔になる。その代わりに、より柔らかい素材はより広い可動範囲と柔軟性を提供し、硬い関節ではできないより多くの方向とより多くの点で動く。ヘビの動きをドアの蝶番の動きと比較することを想像してみてほしい。「こうした柔らかいロボット技術の多くは、連結部のようには見えないロボット工学へと私たちを導いてくれるでしょう」と彼女は言う。

アジズ氏は、筋肉の積載量と反応性を向上させたいと考えており、熱可塑性プラスチックと呼ばれるポリマーを使った同様のモデルを開発する計画がある。これにより、アクチュエーターが反応する温度をより細かく制御できるようになる。研究チームはまだ植物のようなアクチュエーターをロボットに組み込んではいないが、一度試してみると、どんな新しい扉（あるいは窓）が開けるかは分からない。