シャコがバクテリアで作る新素材のインスピレーション

人間にとってシャコは「親指割り」の異名を持つ。これは、不運な漁師の指を殴り倒す習性からである。海底の獲物にとっては「死の化身」とも呼ばれる。この甲殻類は、ハンマーのような2本の付属肢を顔の下に構え、自然界で最も硬い素材の一つであるハマグリの殻を粉々に砕くほどの力でそれらを放つ。シャコはカニ相手にはさらに面白く、獲物が身を守れないように、戦略的に先に爪を吹き飛ばす。

こうした激しい打撃は、ハンマー自体に大きな負担をかけます。そのため、絶え間ない打撃に耐えるため、進化の過程でこれらの武器の素材は「ブーリガンド」形状へと進化しました。素材の層が整然と積み重なるのではなく、DNAのらせん構造のようにねじれています。そのため、シャコのハンマーが親指や貝、カニの顔にぶつかると、構造に生じた亀裂はねじれながら広がり、エネルギーは素材全体に分散されます。その結果、ハンマーは真っ二つに折れることはありません。

「素晴らしい」と、南カリフォルニア大学とカリフォルニア大学アーバイン校のエンジニアたちは言う。彼らはシャコの「棒状体」（正式な用語で言えば「ダクティル」）をモチーフにした巧妙な素材を発明したのだ。これはまさに新機軸だ。彼らはなんと、3Dプリントされたシャコにヒントを得たブーリガンド構造の中に、バクテリアの力を借りて鉱物を成長させることに成功したのだ。

研究者たちはまず、ポリマーからシンプルな格子構造、つまりグリッドを3Dプリントしました。上の画像でわかるように、この足場は内部に十分な空間を持っていました。建物を支える梁のようなものだと考えてください。次に、この構造全体を細菌溶液に浸し、12～24時間放置しました。すると、溶液中のSporosarcina pasteurii細菌がポリマー格子に付着し、ウレアーゼと呼ばれる酵素を分泌し始めました。

研究者たちがこの構造体を尿素とカルシウムイオンの溶液に浸すと、ウレアーゼが化学反応を起こし、炭酸カルシウムが生成されました。これは、ハマグリの殻だけでなく、人間の骨や歯にも強度を与える物質と同じものです。シャコのハンマーの構成要素でもあります。研究室では、研究者たちがこの溶液に足場を浸けておくと、炭酸カルシウムが蓄積し続け、10日以内に格子を完全に埋め尽くし、ポリマー骨格と鉱物内部からなる超強靭な材料が完成しました。上の画像で、この構造体の形成過程を見ることができます。

研究者たちは、上の画像に示すように、波模様から十字形まで、様々な内部形状を持つ格子を3Dプリントすることに成功しました。C列は、鉱物がポリマー骨格の隙間を埋めている様子を示しています。D列のカラフルな画像では、炭酸カルシウム鉱床の剛性（赤で表示）が高いのに対し、格子は剛性が低い（青と緑で表示）ことがわかります。

しかし、研究者たちが真に求めていたのは、シャコのハンマーに弾力性を与えるブーリガン構造でした。下の画像には、4種類の格子が示されています。画像Aは3Dプリントされた構造の様子を示しています。タイプIは単なる直線状の材料の積み重ねですが、タイプIVはブーリガン構造で、各層が45度ずつずれ、一種の渦巻き模様を形成しています。列Cの画像は、白い炭酸カルシウムで満たされたポリマーの暗い帯を示しています。タイプIは食料品店の通路のように並んでいますが、タイプIVはより無秩序に見えます。

偶然にも、これは良い種類のカオスだ。研究者らが各格子の強度をテストしたところ、タイプIVのブーリガンド構造はタイプIの20倍のエネルギーを吸収した。「この種のミクロ構造により、この種の複合材は非常に強靭になります」と、南カリフォルニア大学のエンジニアで、Advanced Materials誌に研究結果をまとめた新しい論文の共著者であるQiming Wang氏は言う。「亀裂が生じると、その亀裂はねじれパターンに沿って広がり、材料内部のエネルギーを消散させます」。実際、この素材は、一部の貝殻に強度を与える天然の真珠層（真珠層）よりも多くのエネルギーを吸収し、既存の人工素材よりも優れているとWang氏らは言う。

シャコのハンマーがパンチのエネルギーを吸収しながらも折れないように、この新しい方法で開発された材料も同様の効果があるかもしれない。潜在的な用途としては、弾丸のエネルギーを分散させる必要がある防弾チョッキなどを思い浮かべるとワン氏は言う。炭酸カルシウムはかなり軽量なので、科学者たちは航空機用のより強靭なパネルや、ロボットの外皮さえも開発できるかもしれないとワン氏は言う。

「私にとって、これは未来の製造業の一つの方法です。そう思っているのは私だけではありません」と、この研究には関わっていないパデュー大学の土木技術者、パブロ・ザヴァティエリ氏は語る。従来の製造工程では、欠陥が入り込む可能性がある。一方、自然は数百万年をかけて、シャコのハンマーに見られる驚異的なブーリガン構造を発達させてきた。この構造は、単純な格子とバクテリア槽で再現できる。「そういう意味で、自然は完璧です」とザヴァティエリ氏は言う。「自然は3Dプリンターなのです」

このバクテリアが構築した素材のもう一つの特別な点は、再生能力です。例えば、道路を建設する代わりに、道路を育てたらどうなるでしょうか？「もし損傷があれば、内部にバクテリアを導入するだけで、再生することができます」とワン氏は言います。「これらの構造は非常に頑丈で、非常に強く、自己修復する可能性があります。」

研究者たちはまだそこまでには至っていない。実験室で制御された条件下でバクテリアに鉱物を成長させたが、それでもまだ少量だった。道路建設向けにスケールアップするには、支持足場と硬化材の適切な比率の確保など、新たな技術的課題が伴うだろう。しかし、ザヴァッティエリ氏は既にコンクリートの3Dプリントに取り組んでいる。「とんでもなく突飛な話だとは思いません」と彼は言う。「ロボットに従来の足場をプリントさせ、そこにバクテリアを置いて10日間かけて材料を成長させるという方法も十分に考えられます」

だから、もしかしたらいつの日か、シャコを臆面もなく叩くことが、親指を折るだけでなく、アメリカの壊れたインフラを修復するのに役立つかもしれない。

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