蛾で、飛行機で、そして…スメリコプター。蛾の触角を搭載し、匂いを感知する小型ドローンです。冗談抜きで、これは科学者たちが開発したこのシステムの正式名称です。本物の蛾の触角から発信される電気信号をモニターし、ドローンが匂いの源を捉えて、そこへ向かって飛行するシステムです。そして、真面目な話、このシステムには長期的な目的があります。いつか、蛾の触角を搭載したドローンで、爆弾のような物体を嗅ぎ分けることです。
これはすべて、他の蛾と同様に非常に敏感な嗅覚を持つスズメガ（Manduca sexta）の犠牲のおかげです。スズメガが花や交尾相手の匂いを嗅ぐと、匂いは触角内のタンパク質に結合し、これらのタンパク質が特定の化学物質を感知するニューロンを活性化します。つまり、触角は研究者が利用できる電気信号を発しているのです。
写真：マーク・ストーン／ワシントン大学
ワシントン大学の機械工学者メラニー・アンダーソン氏は、蛾型ドローンのようなサイボーグを作るため、スズメガを冷凍庫で冷麻酔し、触角を取り除いた。そして、一本の触角の両端を切り落とし、それぞれを電気回路に接続された極細のワイヤーに取り付けた。「心臓が鼓動する際に発生する電圧を測定する心電図モニターとよく似ています。私たちは、触角が匂いを嗅いだ際に発生する電気信号を測定します」と、この研究について解説したバイオインスピレーション・アンド・バイオミメティクス誌に最近掲載された論文の筆頭著者であるアンダーソン氏は述べている。「そして、触角は匂いの塊に反応して、スパイク状のパルスを発するのです。」
ワシントン大学提供
このリグを小型オープンソースのCrazyflieクアドローターに取り付ければ、ハイブリッドな動物型ロボットの完成です。取り外した蛾の触角は最大4時間動作し続けるため、ドローンは匂いを嗅ぎ分けるのに十分な時間を確保できます。
アンダーソン氏と同僚たちはさらに一歩進んで、スメリコプターを本物の蛾と同じように匂いを探すようにプログラムした。匂いを嗅ぐことができれば、その発生源は風上にある可能性が高い。蛾などの昆虫も同様で、横風キャスティングと呼ばれる行動をとる。これは、風上にあると思われる発生源にロックオンしてそこに向かって飛行し、その後、匂いに狙いを定め続けるために必要に応じて体を左右に動かすというものだ。アンダーソン氏のチームはスメリコプターにこれと同じことをするように訓練した。「風向きが変わったり、飛行コースを少しでも外れたりすると、匂いを見失ってしまいます」とアンダーソン氏は言う。「ですから、横風にキャスティングして、その軌跡をたどろうとします。こうして、スメリコプターは匂いの発生源にどんどん近づいていくのです。」
研究者たちはこれを「キャスト・アンド・サージ」アルゴリズムと呼んでいる。ドローンは香り（研究室では花の化合物の混合物を使用）に向かって飛行し、香りが消えると左または右に進路を変え、再びロックオンすると前方に急接近する。また、ドローンにはレーザーセンサーが搭載されており、周囲を嗅ぎ回っている間に障害物を検知・回避することができる。
そして、なんと、その効果は素晴らしい。研究者たちは、スメリコプターが100%の確率で匂いの発生源に到達できることを発見した。これは主に、蛾の触角の極めて高い感度によるもので、百万分率や十億分率ではなく、兆分率のレベルで微量の匂いを検知できる。蛾は物理的な手法でさらに効率を高めている。羽ばたくことで触角上の空気を循環させ、より多くの匂いを採取するのだ。ここでも、研究者たちは自然界からヒントを得て、クアドローターの回転ブレードを利用して、借り物の触角上の空気をより多く循環させた。
ワシントン大学提供
確かに、現時点では人類は花の匂いを嗅ぎ分ける蛾のドローンをあまり役に立たないかもしれない。そこで研究者たちは現在、遺伝子編集を用いて爆弾のような匂いを感知する触角を持つ蛾を作り出す方法を模索している。しかし、これらのフランケンモスは、普通の蛾が交尾相手のフェロモンや花の匂いに敏感であるのと同じように、人工物の匂いに敏感になるのだろうか？つまり、研究者たちは何億年もの進化の過程で蛾が完成させた嗅覚を再調整できるのだろうか？
「理論的には、もっと感度を高めることができます」とアンダーソン氏は言う。「蛾の触角は様々な化学物質を感知できるからです。私たちが様々な匂いを嗅ぎ分けるのとよく似ています」。彼女の研究室のアイデアは、蛾の触角を遺伝子操作し、特定の化学物質を感知する特定のタンパク質をぎっしり詰め込むことです。そうすれば、触角の能力は複数の匂いではなく、一つの匂いに集中することになります。
しかし、スメリコプターの現状の限界の一つは、最大4時間の使用が可能である一方、体から切り離された蛾の触角は平均2時間しか持たないことです。ドローンの稼働時間はそれよりも短く、1回の充電で最長10分しか持たないため、バッテリー寿命の方がむしろ問題となります。保管に関しては、研究者たちは触角を冷蔵保存すれば1週間、あるいはそれ以上もつことを発見しています。これはそれほど長い時間ではありませんが、「コロナウイルスワクチンよりも配布や輸送が容易です」と、ワシントン大学の生物学者で神経科学者のトーマス・ダニエル氏（新論文の共著者）は述べています。
未来の機械は、人間工学と進化工学の両方の長所を活かすことになるかもしれない。結局のところ、人間は蛾の感度に匹敵する嗅覚センサーをまだ発明していないのだ（ただし、研究者たちは犬のように嗅覚に優れ、癌を検出できるロボットの開発に取り組んできた）。「これは強力なコンセプトだと思います」と、チューリッヒ大学のロボット工学者アントニオ・ロケルシオ氏は語る。ロケルシオ氏はドローンのナビゲーションを研究しているが、今回の研究には関わっていない。「自然界には、この能力に生命を依存している生物の例が数多くあります。これは、ドローンだけでなく、例えば地震後の生存者を匂いで探したり、人工環境におけるガス漏れを特定したりできる自律型機械にも大きな影響を与える可能性があります。」
それに、探知犬は間違いなく最高の仕事犬ですが、限界もあります。地震の生存者を探すために瓦礫の上をよじ登るのは、犬にとっても人間にとっても危険な作業です。蛾型ドローンなら、危険な捜索状況でもより安全に航行できます。「さらに」とアンダーソン氏は言います。「ドローンは垂直方向の空域も探索できるので、犬だけでは航行が難しい、あるいは手持ちのセンサーを持った人間でも届きにくいような、大規模な工業施設内のガス漏れも探知できるでしょう。」
勇敢な蛾たちよ、犠牲に感謝します。永遠にスメリコプターとして生き続けますように。
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