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タコから学べることはたくさんあります。ソフトロボティクスの分野で研究する科学者たちは、タコの動きからヒントを得て、斬新な動き方をするスマートマテリアル、スマートスキン、人工筋肉を開発してきました。タコをより深く理解することで、エンジニアは障がいのある人々が利用できるテクノロジーを変革できるかもしれません。
「私たちのスマートスキンの一部は、タコや頭足動物の皮膚をベースにしています」と、ブリストル・ロボティクス研究所のソフトロボティクスグループを率いるエンジニア、ジョナサン・ロシター氏は語る。これらのスマートスキンは、色や質感を変え、形を劇的に変化させることができる。「皮膚には筋肉が埋め込まれていて、その筋肉が引っ張ったり収縮したりすることで、小さな色の袋が変化し、それが膨張することで色が変わるのです」。人間が使う可変スキンは、例えば、放射する熱量を変化させることができるかもしれない。
タコは分散型神経系を持ち、脳は体全体に広がっています。これもまた、ロシター氏がインスピレーションを得ている点です。「自然界の書物からもう一つ学んでみましょう。『自然は材料の中でこれらすべてを頻繁に行っている』と言えるでしょう。制御機構を材料の中に埋め込んでいるのです。」そして今、ロシター氏をはじめとするソフトロボティクス研究者たちはさらに野心的な考えを抱き始めています。タコに着想を得た技術が、いつか車椅子に取って代わる日が来るのでしょうか？
「タコは、驚くほどの触手を持っていて、届く範囲が広く、実に興味深いことができます。もし脳の神経線維を使って触手のあらゆる部分を制御しようとするとしたら、まず巨大な脳と、巨大な神経の束が必要になります。しかし、タコはそうではありません」とロシター氏は言います。
これにより、それぞれの触手に知能を委譲し、それぞれの目的を達成することが可能になる。「素材にも同じことが可能です。制御機能を素材に組み込むのです」と彼は言う。触手は柔らかいため、より可動性が高く、通常の直線的で硬いロボットよりも制御できる範囲が広くなるのだ。
スマート素材が自らの行動を感知し、それに応じて適応するというアイデアです。重要なのは、素材内部に制御ループが閉じているため、タコの触手のように自ら方向を定めることができることです。「スマートパンツを履いて階段を上っているところを想像してみてください。パンツ自体が階段を上っていることを検知し、追加のパワーを与えます。」
事前にプログラムされた特定の状況に反応し、パンツはあなたの日常の活動をサポートします。状況に応じて複数の動作を行うことができ、例えば、異なる振動で硬直を引き起こしたり、特定の力で素材を緩めたりすることができます。
柔らかいものから硬いものへ
ロシター氏らの研究チームだけが、自然の成り行きに任せているわけではない。ハーバード大学ワイス研究所のソフトロボティクス研究チームも、世界初の完全ソフトロボット「オクトボット」を開発した。このロボットは、半分の強度のロケット燃料を触手に含まれるプラチナと反応させてガスに変換し、ロボットを動かす。
ヴィース研究所のソフトロボティクス博士課程の学生、ヤシュラジ・ナラン氏によると、数十年にわたり、人々は前後に動き、出し入れできる回転関節や直動関節といった機構を用いて、硬質素材でロボットを製造してきたという。この種のロボットの硬さは潜在的に危険を伴うものの、動きはより正確だ。
ソフトロボットは、電気モーターや油圧の代わりに、ガスや液体で駆動することができます。「ソフトロボットの大きな利点は、非常に順応性が高く、適応性に優れ、人間にとって非常に安全であることです」とナラン氏は言います。これらは全く異なる世界であり、それぞれ独立した工学原理に基づいていると彼は言います。
では、これは実際にどのように障害者の役に立つのでしょうか？ブリストル・ロボティクス・ラボと同様に、ナランも新たな機能を発明しており、この研究の実用化はまだ開発段階にあります。この研究の多くは、帯電物質を回避して電力を供給しようとする試みである層流ジャミングに焦点を当てています。
ラミナージャミングもタコからヒントを得ており、柔らかいロボットと硬いロボットの間の橋渡しをしています。タコの柔らかい触手は、例えば食事などの動作を行う際に一時的に回転関節を形成し、筋肉を収縮させて形状を決定します。「関節の有無を切り替えるデバイスは実現可能でしょうか？」とナラン氏は問いかけます。ゴムのように柔軟で、ほぼあらゆる表面に合わせて曲げられる素材を真空バッグに包めば、空気を吸い出して任意のタイミングで構造を硬くすることができます。
これは「アクチュエーション」、つまりユーザーのニーズに合わせて素材を特定の動作にさせるメカニズムです。この真空パックのような動作によって表面の硬度が飛躍的に向上するとナラン氏は言います。つまり、ある素材を32層重ねると、実に美しく、32倍の硬さになります。まだ実現には至っていませんが、理論的には、スイッチ一つで硬くしてサポート力を高めることができる外骨格、あるいは層流ジャミングパンツなどを装着できるようになるかもしれません。
適切なズボン
身体障害、障がい、あるいは老齢の影響を受けた人々を支援するために開発されている素材の多くは、層流ジャミングのように圧力で駆動するのではなく、電気を用いた駆動を必要とします。例えば、人工筋肉や新素材は、電気を流すことで追加の動力を得られることがよくあります。
これらすべてにおいて真の課題となるのは、適切なレベルの補助を実現するために高度な制御が求められることです。そこで、状況を感知できる「スマート」な素材が非常に役立ちます。ナラン氏によると、ラミナージャミングでは、異なる自己完結層を設けることで、真空をかける際に異なる硬さを実現できるとのことです。
これらには驚くべき能力が数多くあります。例えば、ロシター氏の人工筋肉の一つは、このように機能します。薄いゴムシートの両側に導電性の伸縮性コーティングを施し、ゴムと一緒に曲がるようにします。電極（導電性材料）が電気エネルギーを伝達し、人のパワーを増強します。バイオニックパンツのようなものだと考えてください。
「この丘を登りたいと思っていて、少し年をとってきて、少し力がなくなってきたとしたら、スマート トラウザーズを履きます」。ロシター氏によると、彼らはこれを「適切なトラウザーズ」と呼んでおり、ウォレス氏の電動トラウザーズに敬意を表している。「すると、そのトラウザーズが山頂まで登るのを助け、力を与えてくれます」と彼は説明する。そして反対側を下りてくると、その時点でトラウザーズのサポートは必要なくなるため、トラウザーズの電源をオフにする。「しかし、筋肉はまだ動いています。山を下りているときも筋肉が動いているので、電気を生成します」。このようにして、筋肉は再充電することができ、機械エネルギーを電気エネルギーに再変換し、その逆も行います。
ロシター氏によると、将来的には、ズボンをはじめとするロボットデバイスが、有機物（食品など）や人間の排泄物さえも消費して自ら電力を供給できるようになる可能性が非常に高く、失禁パッドに全く新しい意味と可能性がもたらされるという。ロシター氏の研究室では、パンで電力を供給し、自ら排泄物を処理できるエコロボットを設計している。また、ゼリーやバイオポリマーなどで作られ、皮膚に塗布できる「食べられるロボット」も登場するだろうと彼は言う。
研究チームは、脳卒中患者と協力し、ウェアラブルロボット衣料に関する彼らの懸念を研究の初期段階から取り入れてきました。特に注目すべきは、ロシター氏と彼のチームが話を聞いた人々は、最終製品が洗濯可能であることを強く主張したことです。「私たちはユーザーに、『私たちの技術は非常に清潔で自己洗浄性があるので、洗濯機に入れる必要さえありません』と言いました。すると、ユーザー全員が『いやいや、洗濯機で洗いたいんです！』と答えました。」
そして、これらのテクノロジーを「衣服」として感じたいという願望が、彼らの研究を導いている。ロシター氏は、人々を支援するだけでなく、マークされたくないという人々の希望に応えるアイテムをデザインする上で、この精神が重要だと考えている。同様の哲学は、博士課程の学生マーク・ランズリー氏が取り組んでいる研究にも影響を与えている。彼のウェアラブル補助素材に関するプロジェクトは、スマート化のためにはるかに古風な素材、つまり鎖かたびらにたどり着いた。
クロスボウ離れが進む中で、ランズリー氏とチームは特に興味深い繊維として鎧に何度も戻ってきました。この連結された素材は、特定の部分には硬さを与え、他の部分には柔らかさを与えることができます。例えば、股関節置換術を受けた患者にとって、一定の範囲内で動きながらもサポートを受けられることが理想的な回復につながるからです。この鎖かたびらは、粉末状のナイロンを印刷できる3Dレーザー焼結プリンターで印刷でき、他の導電性材料を混ぜることができます。
ロシター氏によると、このアプローチを衣服に応用すれば、人間の皮膚と同じ素材で衣服を作ることが自然な流れになるという。こうした素材は、より薄く、透明で、柔軟性が高く、ゲル状またはメッシュ状で、着用者は衣服を通して肌を触ることができるようになる。「これはまだ遠い未来の話ですが、いつか人々は『第二の皮膚を引っ張ったり、スプレーしたりして』同じ効果を得ることができるようになるでしょう」と彼は言う。
移動に困難を抱える人々のための技術は、過去1世紀にわたってほとんど進歩していません。ほとんどの車椅子は、100年前とほとんど見た目が同じです（1901年を舞台にした『秘密の花園』のコリンを思い出してください）。車椅子利用者は、水ぶくれ、擦り傷、裂傷を頻繁に経験します。利用者の54.7%が、1年間の使用中に少なくとも1回の事故や怪我を経験しています。また、上腕を使って移動する必要があるため、肩の回旋筋腱板手術を必要とする車椅子利用者も多くいます。
ランズリー、ロシター、ナランとそのチームが考案したソフトロボティクスは、ユーザーにとってはまだ少し先の話です。ロシターは現在、これらの技術を最も必要とする人々に届けることを目指すEPSRCプロジェクトに資金提供を受けており、今後5～10年以内に「スマートパンツ」が店舗や病院に並ぶようになると予想しています。一方、剥がせるスマートスキンの実現はもう少し先の話で、人々がこれらによって力を得るには10～20年かかると予想しています。
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この記事はWIRED UKで最初に公開されました。
