獰猛なエビからヒントを得たプラズマを発射するロボットの爪

ピストルシュリンプ、別名スナップシュリンプは、奇妙な矛盾を抱えている。体長わずか数インチのこのエビは、体長に比例する大きさの爪と、もう1本の巨大な爪を巧みに操り、その衝撃波で獲物をノックアウトする。2つの爪が合わさると泡が発生し、急速に崩壊してプラズマ弾が発射され、閃光と華氏8,000度の高温を生み出す。そう、手のひらサイズのこの海中生物は、爪を軽く動かすだけで、とてつもなく熱い泡を発射できるのだ。

今、科学者たちはこの恐るべき力を自ら操る方法を研究している。本日、科学誌「サイエンス・アドバンシズ」に、テッポウエビのプラズマガンをモデルにしたロボットの爪を作製し、自らプラズマを発生させる方法を詳細に報告した。進化の過程で生まれた最も奇妙な発明の一つを科学者たちが改良すれば、この技術は水中で様々な用途に活用できる可能性がある。

テッポウエビがプラズマを発射するハンマーしか持っていないとしたら、世界全体が釘に見えるのは当然だ。この爪は狩りにはもちろん、210デシベルという途方もない音量で短い音を出してコミュニケーションをとるためにも使われる。（実際のピストルの発砲音は約150デシベルだ。）中には、プラズマを発射してサンゴ礁を削り取り、隠れ場所を作る種もいる。その結果、海底は非常に騒々しくなり、ソナーの妨害になることもある。

テキサスA&M大学の機械工学者デビッド・スタークは、この汎用性が人間にも役立つかもしれないと考えました。彼のチームはまず、生きたテッポウエビを入手しました。他の節足動物と同様に、テッポウエビは定期的に脱皮し、成長するにつれて外骨格を脱ぎ捨てます。スタークはこれらの外骨格から爪の型を取り、それをスキャンして精巧な3Dモデルを作成しました。そして、このモデルを商用3DプリントサービスのShapewaysに送り、テッポウエビのプラズマガンのプラスチック版を作製しました。

これにより、スタック氏はこの肢の独特な構造を実験することができました。エビが後ろに反らせて固定するハサミの上半分には「プランジャー」が内蔵されており、これがハサミの下半分にある「ソケット」にぶつかります。これにより高速の水流が生まれ、泡が発生します。この現象はキャビテーションとも呼ばれます。

「ネズミ捕りを思い出しました」と彼は言います。「それで実際に実験をして、ネズミ捕りを水中に沈めて、トリガーを引いた時に小さなアームがどれくらいの速さで回転するかを確かめました。ネズミ捕りのアイデアを応用して、爪を閉じる仕組みを作りました。」

スタークのクローでは、上半分がバネ仕掛けのロッド上で高速回転し、プランジャーをソケットに押し込むのに十分な力を生み出します。この動作によって高速の水流が発生し、キャビテーション気泡が発生します。キャビテーション気泡は最初は低圧で比較的大きくなりますが、その後崩壊し始めます。

「水が押し込み、押し込み、そして押し込み続けることで、非常に高い圧力と温度が発生します」と彼は付け加える。実際、温度は非常に高いため、発光プラズマが発生し、テッポウエビが自分のハサミを折る時にもそれが見える。「水を押し戻そうとするときに衝撃波が放出されます」。野生では、この甲殻類はこのようにして獲物をノックアウトする。

研究室では、研究者たちは高速度カメラを用いて、ハサミから噴き出す水流を観察した。また、その結果生じる衝撃波を画像化し、プラズマが形成される際の閃光を捉えた。

水中プラズマ生成はテッポウエビの独占ではない。人間はプラズマアーク溶接と呼ばれるプラズマを用いた水中溶接を行っており、この溶接は高熱を発生する。また、研究者はレーザーを用いて水中でプラズマを生成することも可能だ。問題は、これらの方法が効率が悪いことだ。スタック氏によると、ハサミを使ってプラズマを生成する方法は、これまで研究されてきた方法よりも10倍も効率的だという。しかし、大規模化にはさらなる開発が必要となるだろう。

研究者たちはテッポウエビの生物学的特性を忠実に再現する必要がないため、このロボットはより効率的になる可能性があります。実際、スターク氏は、ハサミの上部部分を小さくできることに気付きました。実際のテッポウエビでは、ハサミの上部は球根状になっていますが、これは肢を動かすのに必要な筋肉がそこに配置されているためです。しかし、このロボット版は、その生物学的特性に制約されていません。

「動物が行ったことを再現することが最初のステップです」と、スタンフォード大学の生物学者レイチェル・クレインは語る。彼女は、シャコの攻撃を再現する装置「ニンジャボット」の開発に携わった。ニンジャボットは、シャコも同様にキャビテーション泡を発生させる。「それを見て、『そうだ、巨大な筋肉は必要ない。だからこの部分を削ればいい』と判断できる。そうすれば、より優れたシステムを設計できるのです」

研究者たちは、このシステムを微調整する方法を見つけるために、自然界に目を向ける必要があるかもしれません。何百種ものテッポウエビが、それぞれ独自の適応した爪を持って海中で活発に活動しています。さらに、同じ種の中でも個体によって形態が異なります。

「進化の基盤、つまり今日、これほど多様な種類のテッポウエビが存在する唯一の理由は、個体差です」と、シャコの攻撃行動を研究しているデューク大学の生物学者シーラ・パテックは述べています。研究者たちは、このハサミロボットに独自の改良を加えるだけでなく、テッポウエビの固有の多様性からヒントを得て、当初3Dプリントしたものとは異なるハサミの形態を模索することもできます。

この多様性により、テッポウエビに着想を得たデバイスが、将来、様々な分野で利用されるようになるかもしれません。一つのアプローチとしては、野生の甲殻類がサンゴ礁に巣を作る際に行うように、爪から発生するプラズマを使って岩を掘削するというものがあります。あるいは、水を成分に分解して過酸化物を生成することで、このシステムを浄水に利用することも可能です。「この過酸化物は、水中の有機汚染物質を攻撃します」とスタック氏は言います。「水道水や廃水の浄化を考える場合、効率性が非常に重要になります。」

そして、テッポウエビはさらに数本の釘を見つけます。

WIREDのその他の素晴らしい記事