ファンキーな素材がシャコに強力なパンチ力を与える

ちょっと想像してみてください。あなたがカニで、同じ甲殻類のシャコがあなたを昼食にしようと決めたと。正直に言うと、抵抗しても無駄です。シャコは筋肉を使って顔の下にある2本のハンマーのような付属肢を後ろに反らせ、四肢にある鞍のような窪みにエネルギーを蓄えます。ラッチを放すと、ハンマーは猛スピードで加速し、あなたの甲羅に激しく打ち付けます。水中にキャビテーション気泡が発生し、それが崩壊して二次的な衝撃波が放出され、あなたは意識を失います。（もし抵抗しようと決めたら、シャコは戦略的にまずあなたの爪を吹き飛ばし、次に顔面を殴り倒して死ぬまで追い詰めたでしょう。）

解明すべき点は山ほどあるが、科学者以上にその苦労を熟知している人はいない。彼らは長年、高速撮影技術を用いて、小さな甲殻類が動物界で恐らく最も強力な重量当たりのパンチを、しかも水の抵抗という大きな負荷の中で、どうやってこなせるのかを解明してきた。研究者たちは本日、iScience誌に発表した論文で、その大きな鍵は、エネルギーを蓄えるサドルの形状だけでなく、巧妙な素材構成にあると報告している。今、シャコを海で最も獰猛な殺人者の一つにした技術が、ロボットに応用されるかもしれない。理想的には、獰猛な殺人者ではないロボットに。

研究者たちはまず、ナノインデンテーションと呼ばれる手法を用いてシャコ（ちなみに、シャコは実際にはエビではなく、口足動物の一種です）の鞍部を調査することから始めました。「基本的に、非常に小さなスケールで力学を調べることができます」と、シンガポールの南洋理工大学で生物模倣工学を研究するアリ・ミセレス教授（共著者）は述べています。「ダイヤモンドの先端を使って材料に圧力をかけるのです。」

ミセレス氏とその同僚たちが発見したのは、奇妙であると同時に進化論的に素晴らしいものでした。このサドルは上層と下層という明確な層から構成されており、上層はコーヒーカップに使われているようなバイオセラミックで、下層はバイオポリマーと呼ばれる伸縮性のある素材でできています。

叩く仕事に携わっていると、丈夫な素材としてセラミックを思い浮かべる人は少ないかもしれません。「セラミックは脆いという印象を誰もが持っています」とミセレス氏は言います。「コーヒーカップを床に落としたら、おそらく割れてしまうでしょう。しかし実際には、セラミックは主に引っ張られる力、つまり張力に対して脆くなります。しかし、圧縮するとかなり強くなります。」

シャコがサドルにエネルギーを注入すると、構造は一種の折り畳み構造となり、セラミックの最上層を圧縮してその材料特性を活用します。同時に、バイオポリマーの最下層が伸び、その材料特有の特性を活用します。「ポリマーは、例えばシルクのように引張には強いのですが、圧縮には弱いのです」とミセレス氏は言います。つまり、サドル上のそれぞれの位置に応じて、それぞれの材料が独自に強度を発揮し、ハンマーが折れないようにするのです。

これを実験的に検証するため、研究者たちはレーザーを取り出した。高速に発射するピコ秒レーザーを用いて、シャコの鞍部素材の細片を精密に切り出した。「このサンプルを曲げる際、実際に衝突する時の鞍部のように、上層を圧縮し、下層を引張るようにすれば、はるかに高い強度を得ることができます」とミセレス氏は言う。サンプルをひっくり返して再び曲げると、破断した。「これが、この空間配置がまさに重要であるという実験的証明でした。」

これは、シャコの衝突という複雑なパズルの大きなピースです。「弾性エネルギー貯蔵を利用して超高速運動を実現する仕組みは、まだ十分に理解されておらず、ほとんど研究されていません」と、デューク大学の生物学者でシャコの専門家であるシーラ・パテックは言います。「これはシャコに見られる非常に興味深い現象ですが、物質を用いて運動を駆動する多くの小型生物にも共通する基本的な原理です。」

例えば、トラップジョーアントは顎を後ろに引いて時速220キロの速度で発射し、敵を粉砕するだけでなく、顔を地面に向けて自爆することで危険から逃れることもできます。テッポウエビもまた、ラッチ機構を用いて爪から泡の弾丸を発射します。これらは視覚的に非常に印象的ですが、その構造、形状、素材を見なければ、その仕組みを理解するのは困難です。

この研究は、生物学上の興味深い謎を解明するだけでなく、ロボット工学への応用も期待されます。一般的なロボットはセラミックではなく金属で作られています。しかし、セラミックは金属よりも硬くて軽いため、その脆さを補うことができれば、応用が期待できます。「二重層構造にすれば、原理的にはこの脆さを克服できます」とミセレス氏は言います。「より軽量で、より多くのエネルギーを貯蔵できるでしょう。」