ゆっくりと、しかし確実に、子供の頃に未来に待ち受けているであろうガジェットが現実のものとなりつつあります。 『ガジェット警部』のペニー・ブラウンのビデオウォッチ？正解です。 『スタートレック』の宇宙艦隊トリコーダー？もうすぐ実現です。でも、ウェブの射撃？ ウェブスリング？ まさかクロスオーバー作品になるとは思っていませんでした。そして、強力で粘着性のある空気紡糸ウェブを現実のものにしたのは、タフツ大学シルクラボの科学者、マルコ・ロ・プレスティ氏です。
2020年当時、生物医学工学の研究助教授であるロ・プレスティ氏は、水中接着剤という課題に取り組んでいました。彼が最初に選んだ材料は、シルクとドーパミンを組み合わせたものでした。これは、ムール貝が水中の岩の表面にしっかりと付着する様子を模倣しているため、人気の高い組み合わせであり、他の用途でも有用です。
「アセトンを使ってガラス器具からシルクとドーパミンの物質を洗い流していた時、それが固体状になり、網目状の物質になり、そして繊維のようなものに変化していることに気づきました。その小瓶をフィオに見せたところ、私たちはすぐに、それを使って遠隔接着材（遠くから物体にくっつく物質）を作る方法を考え始めました。」
フィオとは、タフツ大学工学部の教授であり、シルクラボの「操り人形師」でもあるフィオレンゾ・オメネットのこと。「すべての実験は方程式を駆使し、綿密に計画されていると言いたいところですが、実際には繋がりが重要なのです」と彼は言う。「探検し、遊び、点と点を繋いでいくのです。遊びの中で非常に過小評価されているのは、『ちょっと待って、これってスパイダーマンみたいなもの？』と思う瞬間です。最初は気に留めないかもしれませんが、スーパーパワーを模倣した素材というのは、いつだって素晴らしいものなのです。」
しかし、ロ・プレスティ氏がこれらの偶然にできた巣に注目する前に、彼は生体分子を使った水中の接着剤に関する論文を完成させる必要があった。そして、それは2021年に完成した。シルクラボの研究の多くは、クモやカイコ、ムール貝やフジツボ、ベルベットワームの粘液、さらには熱帯の蘭などから「生物学的にヒントを得た」ものであるため、この粘着性の巣が何か役に立つものになるかどうかを解明することは、チームにとって簡単な迂回策のように思えるかもしれない。
しかし、ロ・プレスティ氏は、この新素材は確かにクモの糸を模倣しているものの、「溶液の流れを噴射して繊維に変え、遠くの物体を遠隔で捕らえるようなクモは存在しない」と指摘する。これは、少なくとも現実世界では新しい試みだった。
しかし、『Advanced Functional Materials』誌の研究論文が指摘するように、架空のキャラクターが登場する。スタン・リーとスティーブ・ディッコによる1960年代のオリジナルコミック、 『アメイジング・ファンタジー』第15号から始まる物語では、ピーター・パーカーは両手首に1つずつ装着し、指の圧力で作動する「小さな装置」を作り、射出可能な「蜘蛛の巣」を作り出す。2000年代半ばのサム・ライミ監督の『スパイダーマン』シリーズでは、蜘蛛の巣の射出は手首に装着する紡糸口金の装置から、スーパーヒーローへの変身における有機的な要素へと変化した。
ビデオ: Marco Lo Presti、タフツ大学 Silklab
SFから現実へ
マサチューセッツ州メドフォードの実在する研究所で、真のウェブスリングの進化は、ロ・プレスティと彼の同僚たちが、絹フィブロイン（日本のカイコガの繭を煮詰めてタンパク質に分解したもの）とドーパミンの混合物を針を通して細い流れで噴射したときに始まった。当初、この液体はアセトンの「浴槽」に直接噴射され、物質がハイドロゲルへと固化するきっかけとなっていた。
そこで研究チームは、この極めて重要なアセトンを共軸針の外層に添加し、絹糸とドーパミンを内層に取り囲ませることで、液体が空中に直接噴射されるようにすることにしました。アセトンが空中で蒸発すると、ドーパミンが物質の凝固プロセスを加速させ、絹糸から水を引き離すことで、粘着性があり強固な紡糸繊維を作り出します。通常、このプロセスには数時間かかります。
ポップカルチャーからインスピレーションを得たこのプロジェクトは、チームが懸命に取り組んだ成果です。「空気中で何かできないかと考えていました」とロ・プレスティは言います。「空気中で何かできないかと。そこで、工学装置を改良・開発し、流れを研究し、同軸針を使ってファイバーを空気中に噴射する。そこから私たちは本当にワクワクし始めたんです。」
研究チームはその強度を実験し始め、繭、2グラムのステンレス鋼のボルト、5グラムの木片など、12センチ離れた場所から繊維を発射して捕獲・持ち上げました。そして、キトサンというバイオポリマーを加えることで繊維の引張強度を最大200倍、ホウ酸緩衝液を加えることで物体への接着力を18倍に高めるなど、少しずつ材料を追加してソリューションを微調整し、その性能を向上させました。
「今では、最大30～35センチ離れた物体をキャッチし、15～20グラム程度の物体を持ち上げることができます」とロ・プレスティ氏は語る。シルク繊維は、段ボールと木材に対して、瞬時および10分後ともに最高の性能を示したが、プラスチック、ガラス、金属などの素材にも適用できる。研究者たちは、実世界の環境下でのテストとして、空気紡糸されたシルク繊維を用いて、水に浮かぶ小さなプラスチック製の実験用チューブと、砂に部分的に埋まったステンレス製のメスを遠隔操作で持ち上げた。
では、スパイダーマンのような能力はいつ実現するのでしょうか？「ビルから飛び降りられるようになるのか、みんな知りたがっています」とオメネット氏は苦笑いしながら言います。しかし、まだそこまでには至っていません。Silklabチーム自身も、この素材の潜在的な用途についていくつか推測しています。例えば、水中に沈んだ物体の回収や、遠隔地にある何かを撮影するドローンなどです。
「原理的には、出発材料があり、パラメータを制御できれば、基本的な材料特性は驚くべきことを可能にするほどです」とオメネット氏は説明する。「おそらく非常に重いものを持ち上げることはできるでしょうが、それは大きな疑問の一つです。一体何を持ち上げられるのか？遠隔操作で何かを引きずることができるのか？絹は非常に強く、非常に丈夫で、信じられないほどの重量を持ち上げることができますが、これはクモ由来であれカイコ由来であれ、天然の絹なのです。こうした方向性には根本的な限界はありません。」
ロ・プレスティ氏は、自身の論文を読んで、網を張れる絹繊維が必要かもしれないと考えている人からの連絡を心待ちにしている。水中接着剤に関する研究を発表してから数か月後、ある非営利団体から、サメの標識に使えるかどうかという問い合わせのメールが届いた。「最初の答えは絶対にだめでした」と彼は言う。「接着剤が硬すぎるし、サメは動くからです。でも、その後、何か作ってみようと思い立ち、今も彼らと共同研究を続けています。」
ロ・プレスティ氏は、このプロジェクトでも同じことが起こる可能性は低くないと示唆し、チームのより献身的な取り組みによって、物体捕捉繊維の速度、距離、強度も向上させることが可能だとしています。これらの最初の「小さな」例は、この材料の可能性を示すためのものですが、特定の用途に合わせて改良し、調整していくことが、その真の可能性を引き出す鍵となるかもしれません。
