軒先や壁を飛び越えてみたいと思いませんか？君には私の足が必要だ。

すべての若者は、剣を持ち、竹の帽子をかぶり、壁を登り、軒先を飛び越えて正義を貫くという武術の夢を持っています。現実の世界には、並外れた武術のスキルを持ち、数分で「壁を自由に登る」ことができるような「ヒーロー」が本当に存在するのです。

今日の主役はヤモリです。

ヤモリの散歩のヒント

オオヤモリ（ゲッコーゲッコー）は、垂直面、天井、岩の割れ目などを自由に移動できます。あらゆる空間での動きのエキスパートともいえます。これは主にヤモリの足に接着能力があり、ヤモリは比較的体重が大きい大型の接着動物であるためです。

飼育されている巨大なヤモリの写真

科学者たちはすでにその接着メカニズムについて比較的成熟した研究を行っています。ヤモリの運動接着器官は典型的な多段階の分散型システムで、各足には 5 本の指が独立して分散しており、各指には数百万本のマイクロナノスケールの剛毛で覆われた 10 ～ 15 本の弓形の皮膚片があります。足裏の接着力は主に、足裏の極小の毛とベース表面によって発生する分子間力によって生じます。この毛の直径は約5μmで、人間の髪の毛の直径のわずか50分の1です。本当に髪の毛ほども強くないんです！この接着力の発生は、多段階の接着システム（足裏、つま先、フラップ、毛を含む）と、この接着システムの効率的かつ正確な調節に依存します。

ヤモリの多層接着器官

ヤモリが「くっつく」自由をどのように達成するかをご覧ください

オオヤモリは、すべての粘着性種の中で最大です。接着能力の制御は、階層的な接着構造の恩恵を受けるだけでなく、接着構造の効率的かつ微細な制御にも依存します。足の裏はヤモリの接着器官であり、剛性と柔軟性の結合という構造的特徴を持っています。足の接着・剥離サイクル中の運動行動の研究は、接着運動の幅広い適応性を理解する上で基礎となります。足裏の癒着・剥離運動サイクルは支持期と遊脚期に分かれており、そのうち支持期は主に接触、癒着、解放の3段階に分かれています。

ヤモリの前足と後ろ足の接着・剥離プロセスのさまざまな段階

既存の研究では、接着段階におけるヤモリの足の動きの姿勢と配置が接着力（方向と大きさ）に関係していることが示されています。例えば、ヤモリは、異なる角度や重力負荷方向の傾斜面を向くように5本の足指の配置を変えたり、支持段階で足指の支持姿勢を変えて、異なる形状の基質に対応したりします。さらに、ヤモリは歩き方を調整することで、さまざまな環境の動きの要件に適応することができます。例えば、垂直面上で異なる方向に移動するときに足裏の接着時間が調整され、異なる斜め角度のベース上での移動速度が大幅に変化します。しかし、研究により、1本の足指が完全に癒着するまでにかかる時間は変わらないことが判明しました。

科学者がヤモリの足を秘密裏に撮影

接着運動における足の運動行動の調節に関する研究はまだ完了していない。癒着剥離運動のさまざまな段階における足の運動行動は何ですか?各段階の動きは足裏の接着効果に影響しますか？これらの問題はまだ不明です。

接着-剥離サイクル中の足の運動行動に関する体系的な研究を実施し、さまざまな運動環境におけるヤモリの足の接着-剥離行動パターンが採用する適応制御戦略を理解するために、研究者はさまざまな傾斜面（水平面、45°傾斜、垂直面）およびさまざまな運動方向（上向きと下向き）でのヤモリの接着-剥離運動行動を研究しました。まさに「足元への直撃」と言えるでしょう。

研究者らは研究室で巨大ヤモリの実験を行っている

研究では、大きな柔軟な器官を持つ小動物の運動行動を正確に測定するためのモーションキャプチャシステムが構築されました。ヤモリの胴体、手足、足の裏、その他の器官にあるマーキングポイントは、木登りの動きの中で正確に捉えられました。

そこで、ヤモリの運動行動を記録して定量化し、足裏の動きを定量的に特徴付ける一連の運動パラメータを定義し、前足裏と後足裏の接着・剥離運動の行動パターンを分析・まとめ、前足裏と後足裏の接着・剥離運動パターンの相違点と類似点を比較し、足裏と四肢の協調関係をまとめた。

南京航空航天大学バイオニクス研究所が構築した動作挙動反力同期精密試験システム

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ヤモリの前足と後ろ足の接着・分離運動サイクルは、接触段階における接触時間の割合（前足：7.42%、後ろ足：7.44%）や曲げ角度（前足 41°、後ろ足 51°）、前足の可動範囲（ヨー 163°、ピッチ 309°）、後ろ足のピッチ範囲（164°）など、さまざまな環境でも驚くほど類似しています。

傾斜の異なる土台を登ったり降りたりするときのヤモリの前足と後ろ足の動きの角度

また、接着足底の運動姿勢は変化せず、これは主に、一回の接着・剥離サイクルにおいて前足底と後足底の運動角度（ヨー角とピッチ角を含む）が一定に保たれ、前足底と後足底のヨー角が最初は減少し、その後増加する傾向があることに表れている。

さらに、前足部と後足部の運動姿勢には明らかな違いがあり、前足部のピッチ角の変化傾向は後足部のそれと逆になっています。前足部のピッチ角度は最初に減少し、その後増加しますが、後足部のピッチ角度は最初に増加し、その後減少します。前足部の可動角度範囲は後足部の可動角度範囲よりも大きい。この違いは主に、前足部と後足部の解剖学的構造と機能要件の違いによるものです。

研究結果によると、ヤモリの前足と後ろ足の接着・剥離サイクルにおける運動行動は一貫しており、これは足の接着・剥離運動サイクルのリズムを反映しています。この運動パターンにより、さまざまな環境に反応する際の粘着足の運動制御の複雑さが軽減されます。

接着・剥離サイクルのさまざまな段階におけるヤモリの前足と後ろ足の姿勢

ヤモリの柔軟な接着足裏は、空気中での足裏の揺れる姿勢や、基板に接触する際の曲がり具合など、さまざまな環境で同じ接着・剥離運動サイクルを示します。これは主に、靴底が剛性と柔軟性の結合という構造特性と特定の接着機能要件を備えているためです。環境の変化に直面しても、ヤモリは多自由度で手足の動きを調整し、足の接着と分離の動きを調整することで、さまざまな環境で高速かつ安定した登山を実現し、壁登りや階段登りの専門家になります。

「グレート・ゲッコー」は、柔軟性の高い足の構造と自由度の高い手足を備えたバイオニック接着ロボットの場合、足の動作制御は普遍的であることが多い一方で、手足は環境の変化に応じて適応的に調整する必要があることを私たちに教えてくれます。同様に、他の魔法の動物からインスピレーションを得て、興味深く便利な発明品を設計することはできるでしょうか?これが科学の魅力なのかもしれません。

この記事の写真はすべて、南京航空航天大学機械電気工学部バイオニクス研究所運動力学グループから提供されたものです。

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制作 |科学普及中国

著者: 宗衛佳、王周易南京航空航天大学