バージニア工科大学、水中接着が可能な3Dプリントバイオニックタコ吸盤を開発

2022年7月14日、アンタークティックベアは、バージニア工科大学が率いる研究チームがタコの吸盤の構造にヒントを得て、3Dプリント技術を使ってバイオニック粘着吸盤を作成したことを知りました。
△天然のタコの吸盤（左）と、感知粘着剤を塗布した合成生体模倣吸盤（右）。タコは他の頭足動物と同様に、制御可能な粘着剤と埋め込まれた感知の組み合わせを利用して、水中の物体に付着して操作します。今日の合成接着剤ベースの操作システムの多くは、統合されたセンサーなしで人間によって操作されることが多く、その結果、接着システムの起動と信号の放出が比較的遅くなる可能性があります。
上記の問題を解決するために、バージニア工科大学の研究チームはタコの吸盤にヒントを得て、数ミリ秒以内に物体を検知し、自動的に接着反応を活性化できる新しいバイオニック神経システムを開発しました。科学者たちは、この3Dプリントされた粘着性皮膚をウェアラブルハンドグリッパーに適用することで、水中環境で物体を操作する新しい方法を生み出しました。
△ 3Dプリントに対応した吸盤グローブの接着機構。画像はバージニア工科大学より。
自然からインスピレーションを得る<br /> 現在まで、水中表面への効率的かつ可逆的な接着は依然として大きな課題となっています。乾燥した環境では、ファンデルワールス力、静電気力、水素結合による接着に頼ることができますが、濡れた表面ではこれらの現象の有効性が大幅に低下します。
しかし、進化の過程で動物界は、水中を含む最も湿った環境でも強力な接着力を生み出すいくつかの方法を獲得しました。例えば、ムール貝は特殊なタンパク質を分泌して粘着性のパッチを作成し、ほぼあらゆる表面にくっつくことができます。同様に、カエルは足指の肉球から液体を排出することで流体力学を活性化することができます。
タコの生物学的システムは、その吸盤が水中での接着と吸引を非常に速く、完全に可逆的に生成できることから、科学者の注目を集めています。この吸盤に取り付けられた感知および制御システムは、流体の流れ、圧力、表面接触を検出する機械センサーに適用できることは注目に値します。この吸盤機能の組み合わせにより、周囲の生物への付着と近接性に関する包括的な情報が得られます。これは、現代の合成グリッパーでは得るのが難しい機能です。
△電気機械部品を使用してタコの神経系を模倣します。画像はバージニア工科大学より。
タコの神経系を模倣する<br /> バージニア工科大学のタコをモチーフにしたグリッパーは、グリッパーの役割を果たす空気圧膜を備えたシリコン製のハンドルのセットを備えています。ハンドルは 3D プリントされた型を使用して作られ、その中にシリコンエラストマーが注入され、鋳造され、カスタムグリッパーの形状に硬化されます。
各粘着性吸盤には、光検出および測距 (LIDAR) 光学近接センサーアレイが組み込まれています。このグローブには、リアルタイムの物体検出と吸盤制御のためのマイクロコントローラーも搭載されています。研究チームは、この機械装置と電子機器の組み合わせがタコの神経系の内部の働きを正確に模倣していると主張している。
研究者たちは、この手袋を一連の水中テストにかけた後、この装置が60kPaを超える接着応力を達成できることを発見した。手袋の接着力は 50 ミリ秒未満で 450 回以上オン/オフを切り替えることができ、優れた可逆性と実際のタコよりも速いサイクル時間を実証しました。
研究論文は次のように結論づけている。「今回の研究は光学センサーに焦点を当てたものだが、将来的にはさまざまな感知方式も使用される可能性がある。化学センサーや機械センサーは相乗効果を発揮する可能性があり、タコは操作中に多様な視覚、化学、機械感知を示すことが知られているため、特に興味深い。また、将来的にはこのシステムに触覚フィードバックを組み込んで、粘着剤が活性化されたときにユーザーに警告する機会もある。」
△バイオニックグリッパーは、さまざまな水中物体の表面に適合し、接着します。画像はバージニア工科大学より。
この研究の詳細については、「インテリジェントで素早く切り替え可能な水中接着のためのタコにヒントを得た粘着スキン」と題された論文をご覧ください。

関連論文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1905
バイオニクスは付加製造研究における共通のテーマであり、それには十分な理由があります。今年初め、ETHチューリッヒの研究者たちは蝶の羽からヒントを得て、人工のカラフルなナノ構造物を3Dプリントした。熱帯アフリカ原産の Cynandra opis 種の羽は、鮮やかな色が特徴です。しかし、これらの色は色素に基づくものではなく構造に基づくものであり、つまり翼表面の複雑なナノ構造によって生成されることを意味します。
一方、フライブルク大学とシュトゥットガルト大学の研究者らは、患者の体型に合わせて自動調整できるウェアラブル医療機器を4Dプリントする新しい手法を開発した。空中ジャガイモ植物（Dioscorea bulbifera）の生殖メカニズムにヒントを得たこれらの印刷システムは、湿気にさらされたときに複雑な動きをするように事前にプログラムできます。上記の事例はすべて、自然にヒントを得たバイオニックアプリケーションであり、探索し、学び、教訓を引き出す価値のある魔法のようなものが自然界にまだたくさんあることを示しています。

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