自然界で最も粘強い吸着力

ヤツメウナギは海で最も魅力的な生き物ではありません。顎のないウナギのような魚であるヤツメウナギは、円形の口盤を使ってクジラ、サメ、その他の大型海洋動物に付着します。口盤には小さな歯の列と強力な吸盤機構がついています。一度吸着すると、ヤツメウナギは最も荒れた海の状況でも宿主にしっかり付着でき、従来の吸盤を引き離すような力に耐えます。

今、北京大学の科学者たちがこの優れた生物吸着システムを逆工学し、自重の850倍以上を持ち上げられる人工吸盤を開発しました。このデバイスは湿った、粗い、湾曲した表面で動作します——従来の吸盤が失敗する条件——水中ロボット、産業製造、手術器具への応用を開きます。

ヤツメウナギの秘密を解き明かす

研究チームは、ヤツメウナギの口盤の詳細なマイクロCTスキャンを行い、歯の正確な幾何学形状、周囲の軟組織、吸着を生成する筋肉構造をマッピングしました。彼らが見つけたのは、家庭用吸盤の単純な真空密閉とはまったく異なる原理で動作する、洗練された多スケール吸着システムでした。

従来の吸盤は、カップと表面の間に部分真空を作成することで動作します。押し込んでから空気を絞り出すと、大気圧がそれを所定位置に保持します。これはガラスやタイルなどの滑らかで清潔で乾燥した表面でうまく機能しますが、粗い、湿った、または湾曲した表面では失敗します。カップと不規則な表面の間の隙間から空気が漏れるためです。

ヤツメウナギの口盤は階層的な構造でこの問題を解決します。口盤の外輪が宿主の皮膚に対してマクロスケールの密閉を生成します。このリング内では、小さな歯の列が表面に押し込まれ、口盤が滑るのを防ぐマイクロスケールのロック点を作成します。歯の間の軟組織は変形して表面の不規則性を埋め、従来の密閉を破る空気隙間を排除します。そして筋肉収縮により、外力に応じて吸着圧を能動的に維持および調整されます。

人工版の工学設計

この生物学的設計をエンジニアリングデバイスに変換するには、材料科学とマイクロファブリケーションのイノベーションが必要でした。人工吸盤は、ヤツメウナギの変形可能な唇を模倣した柔らかいシリコンの外輪を使用して、初期マクロスケール密閉を作成します。このリング内には、高精度3D印刷で製造されたマイクロスケール高分子歯の配列があり、粗い表面でのスリップを防ぐロック吸着力を提供します。

歯の間のスペースは、水の存在下でわずかに膨潤するハイドロゲル材料で満たされており、実際には湿った状況でのシール性能を向上させます。これは、湿った場合に劣化する大多数の接着技術とは逆です。小型の内部ポンプはヤツメウナギの筋肉収縮に似ており、吸着圧力を能動的に維持し、リアルタイムで握力を調整できます。

結果は、わずか数センチの直径の吸盤で、自重の850倍を超える負荷に耐えることができます。実験室テストでは、デバイスは粗いコンクリート、湾曲したガラス瓶、湿った鋼、さらには生物組織に吸着を維持しました——市販の吸盤が役に立たなくなった表面です。

ロボット工学と産業への応用

最も直接的な応用は水中ロボット工学です。水中検査、保守、修理に使用される遠隔操作車両(ROV)は、船体、パイプライン壁、橋支柱などの表面にしばしば吸着する必要があります。これらの表面はバイオフィルム、腐食、海洋成長で覆われています。現在の吸着メカニズムはこれらの条件では頻繁に失敗し、ROVができることを制限しています。ヤツメウナギにインスピレーションを得た吸盤グリッパーにより、海中ロボットはほぼすべての水没表面に確実に吸着できるようになります。

産業製造は別の主要な機会をもたらします。工場のピック&プレースロボットは、組立ラインに沿ってコンポーネントを移動させるために真空グリッパーを使用しますが、これらのグリッパーは不規則な形状、多孔性、または湿ったオブジェクトに対処するのに苦労しています。バイオミメティック吸盤グリッパーは、より広い範囲の材料と形状に対応でき、各製品タイプのカスタム把握ソリューションの必要性を減らします。

医学では、この技術は湿った組織を傷つけずに把握および操作できる新しい手術器具を可能にする可能性があります。現在の手術グリッパーは機械的クランプに依存しており、繊細な組織を傷つけたり裂いたりする可能性があります。組織表面に適応する吸盤ベースのグリッパーは、はるかに少ない外傷で安全な取り扱いを提供できます。

スケーリングと今後の展望

研究チームは現在、異なるアプリケーション向けにテクノロジーをスケーリングしています。より大きなバージョンは水中建設機器のアンカリングシステムとして機能し、小型化されたバージョンはマイクロロボットが湿った壁を登るか、診断目的または治療目的で人体内を移動できるようにします。

ヤツメウナギ吸盤は、成長するバイオミメティックテクノロジーのポートフォリオに加わります——ヤモリにインスピレーションを得た接着剤、サメ皮にインスピレーションを得た表面、クモシルクにインスピレーションを得た繊維——これらは何百万年もの進化がいかに従来の設計を超えるエンジニアリングソリューションにインスピレーションを与えることができるかを示しています。この場合、海の最も魅力のない生き物の1つが、その最も有能な把握テクノロジーの青写真を提供しました。

この記事はNew Atlasのレポートに基づいています。元の記事を読む。