科学者たちがこの魚にインスピレーションを受けて作ったロボットの何が特別なのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 向洋洋 (中国科学院蘭州化学物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

「私たちの砂地では、潮が満ちる頃になると、たくさんの魚が跳ね回ります。その魚たちは皆、カエルのような二本の足を持っています...」これは、魯迅先生の随筆「故郷」の中で、若い閏土が言及している田舎では珍しいことです。

自然から学びましょう。魔法のような自然は常に人々にインスピレーションを与え、科学技術の進歩を促進します。想像できますか？宇宙船の客室内には小型のガス分析装置があり、客室内のガスの組成を検出するために使用されます。それは実は、あの気持ち悪いハエからインスピレーションを得たものなんです。コウモリの超音波探知機の原理に基づいて開発された「レーダー探知機」もあります。動物の爪を模倣したクレーンのフックなどがあります。これらの発明や創造はバイオニクスと切り離せないものです。

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今回、トビハゼは科学者にどのようなインスピレーションを与えたのでしょうか？科学者は何を生み出したのでしょうか?

1. トビハゼはどんな魚ですか？

魯迅氏が言及したカエルのような跳ねる魚は、実はトビハゼであり、体長50～90mmで香港、台湾、東南アジアに広く分布している。温暖な地域に生息する小型の沿岸魚です。河口、港、マングローブ地域、海岸沿いの浅瀬、シルトと砂の底の干潟などの汽水と淡水に生息することを好みます。巣穴に住むことを好み、跳躍的な性質から跳躍魚、泥牛、干潟虎などとも呼ばれます。

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トビハゼは頭の上に目が突き出ており、遠くから餌や捕食者を見つけることができる。水中で暮らす普通の魚類とは異なり、鰓呼吸をして水中で元気に泳ぐことができるだけでなく、皮膚の表面や口と鰓腔の内壁に分布する毛細血管網を通して酸素を吸収し、陸上で生存するために必要な条件を整えています。ムツゴロウが口を開けてぼんやりと見つめているのを見たら、おそらくこの「代替呼吸法」を使っているのでしょう。

毎年4月から9月はトビハゼが最も活発に活動する季節です。海岸沿いの都市では、浅瀬で楽しそうにジャンプしている姿がよく見られます。しかし、彼らが餌を探していないとは想像しにくいかもしれません。これらの「踊る」オスのトビハゼは、実は種の繁殖を完了するために異性の注意を引き付けているのです。

トビハゼの跳躍行動は、高度に発達した胸鰭と腹鰭の筋肉組織の完璧な協調によって可能になります。ジャンプするとき、ヒレを広げ、小さな「バショウカジキ」のように見事な姿をしています。もちろん、腹部のヒレを使って泥の中を柔軟かつ素早く「泳ぐ」ことで、天敵に捕食されるのを避けることもできます。

2. バイオニクスがもたらす技術革新

自然界の生物は、ミミズの這う動作、魚の泳ぐ動作や跳躍動作など、自律的なフィードバックと効果的な運動戦略を通じて独自の能力を発揮し、複雑で変化する生息環境に適応します。生物の動的な適応性に着想を得て、科学者は同様の移動戦略を模索し、生体模倣ロボットを開発するようになりました。しかし、ほとんどのドライバーは機能が単一で、適用シナリオが限られているため、さらなる開発や利用に重大な影響を与えます。したがって、マルチシナリオアプリケーションと多機能ドライブに適した応答性の高い運転装置を開発することは非常に重要です。

トビハゼは、陸上を這い、水中を泳ぎ、泥の中でジャンプするというユニークな特徴を持っています。彼らは、多様なシナリオへの適応性と多機能駆動型の行動を備えた魚の一種です。蘭州にある中国科学院化学物理研究所固体潤滑国家重点実験室の表面・界面研究チームは、トビハゼにヒントを得て、さまざまな環境に対応できるインテリジェントな光アクチュエーターを開発した。

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3. トビハゼのような作動膜が光の下で水面を泳ぐことができるのはなぜですか?

ライトは、制御可能かつ継続的な方法でワイヤレス作動とリモート操作を実現するという独自の利点を提供します。同時に、光アクチュエータは光化学、光熱効果、光電変換などのさまざまなメカニズムで動作できるため、光応答性材料の作成も非常に有望な研究分野となっています。

研究者らが開発した駆動フィルムには、光エネルギーを熱エネルギーに変換できる優れた光熱効果を持つ酸化グラフェン（GO）素材が使われている。水面に浮かぶ駆動フィルムに光が当たると、フィルムは一定の温度を生成し、それを周囲の液体に伝え、局所的な水温を上昇させ、水の表面張力に影響を与えます。

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さて、本題に戻りますが、皆さんは温度と水の表面張力の関係が何なのか知りたがっているのではないでしょうか。異なる温度における水の表面張力は異なることがわかります。水の温度が上昇すると表面張力は低下し、逆もまた同様です。

そのため、駆動フィルムの片面に光が照射されると、照射された部分の周囲の液体は加熱されて表面張力が低下しますが、光が照射されていない部分の液体の表面張力は変化しません。すると、表面張力の違いによりフィルムの両側に力が発生し、表面張力の大きい側に向かってフィルムが移動します。誰もが遊んだことがある綱引きと同じように、ロープはより強い力の側に向かって動きます。水のこの性質は、科学者によって「マランゴニ」効果とも呼ばれています。

4. トビハゼのような駆動膜の方向を制御するにはどうすればよいでしょうか?

膜の動きの方向を効率的かつ正確に制御するには、多くの実験的試みが必要です。ご存知のとおり、船は通常両端が尖っており、船体の水の抵抗を効果的に減らすことができます。私たちの水上遊泳装置は、人間が制御できる操作を実現するために合理的に設計される必要があります。

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実験的調査により、三角形の駆動フィルムは下端が光で照らされると速く泳ぐことができるが、方向性を制御できないという欠陥があることがわかりました。三角形のフィルムが液面上で直進、旋回、回転などの動作を完了するのは明らかに困難です。

フィルムの直線方向が制御できない理由は、ヘッド角度が鋭すぎるためです。台形にカットすると、速度が少し低下しますが、フィルムは直線的に走行するようになります。この方法では、フィルムの直線的な動きを実現するために、下端の中央に光を当てるだけで済みます。これを行うもう 1 つの利点は、台形の短い下端を照らすことで、フィルムを後方に移動させることもできることです。

前進と後退の問題を解決した後、曲線に遭遇したときにフィルムが回転する問題を考慮する必要があります。前進しながらフィルムの方向を変えるにはどうすればよいでしょうか?フィルムが回転するときの合力の方向を計算することで、構成力の位置を素早く設計しました。そして、台形を基準に台形領域を切り取った後、特定の部位に光を照射することで、さまざまな遊泳行動を実現できます。

5. トビハゼのような駆動膜は実際にジャンプできるのでしょうか?

光刺激を受けると、アクチュエータは極めて短い応答時間 (400 ミリ秒) で液体媒体から空気中にジャンプすることができ、最大速度は 2 m/s、高さは最大 14.3 cm です。

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光駆動デバイスのジャンプ動作の理由は、実は非常に単純です。前述したように、GO には光熱効果があります。フィルムが液体媒体中に存在すると、光によってフィルムが曲がったり変形したりし、グラフェン酸化物層の間に隠れていた空気が熱によってフィルムから溢れ出て小さな気泡を形成します。これらの小さな泡の数は徐々に増加し、大きな泡に統合されます。大きな泡の内側と外側の圧力差が一定値に達すると、泡が破裂して巨大な推進力が発生し、フィルムが液体から空気中に突然飛び出します。

研究者たちは、ムツゴロウにヒントを得て、ムツゴロウのように空気媒体で曲がり、空気/液体界面で泳ぎ、液体媒体でジャンプできる駆動フィルムを開発した。多機能な運転動作とマルチシナリオの応用特性の両方を備えたこのタイプのアクチュエータは、光応答性材料のシンプルなモジュール式の組み合わせにとって非常に重要であり、バイオニックアクチュエータのさらなる開発と、マイクロロボット、センサー、応答動作の分野におけるその応用にとって一定の参考と参考価値を持っています。

自然界の生物は発明の最大のインスピレーションを秘めており、科学技術の発展は人々の自然研究と切り離せないものです。知識の蓄積により、人間の自然を活用し、変革する能力はますます強くなっています。バイオニック技術は徐々に私たちの生活に入り込み、社会の進歩を促進しています。科学を愛する皆さんに、私と一緒に自然の中へ入り、香り豊かな森に立ち寄り、自然からインスピレーションを得て、自然の神秘を探り、新しいテクノロジーを創造してみませんか。

参考文献:

Yangyang Xiang、Bo Yu*、Feng Zhou*、他「さまざまな応用シナリオに対応する多機能光駆動型生体模倣マッドスキッパー型ロボットの開発に向けて」ACS Applied Materials & Interfaces、2022、14(17)、20291–20302。

オリジナルリンク: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c03852