動物界には恐るべき鎧が溢れています。硬い殻や骨の板をまとう生き物もいれば、より柔軟な鱗の層を好む生き物もいます。これらの盾はすべて、激しい波から捕食者の牙や爪まで、自然がもたらすあらゆる脅威に耐えられるように特化しています。
そして今、この膨大な兵器庫は、人々のための新たな防具のインスピレーションとなっています。科学者たちは、巻貝や魚の鱗がなぜそれほどまでに頑丈なのかを研究し、独自の防具を設計しています。さらに、クモの糸のような素材にも着目し、この超強力な粘液に新たな防護機能を持たせることも検討しています。数年後には、これらの新しい防具は防弾チョッキ、防護手袋、スポーツヘルメット、さらにはスポーツウェアにも採用されるかもしれません。
「自然は何百万年もの間、このゲームを続けてきました」と、モントリオールのマギル大学の機械工学者、フランソワ・バルテラ氏は言う。「まさにインスピレーションの宝庫と言えるでしょう。」
動物たちが私たちを守るために役立っている3つの方法をご紹介します。
スケールアップ
アリゲーターガーは仕留めるのが容易ではない魚です。ルイジアナ州やテキサス州といった南部の海域に生息し、ほぼ貫通不可能な鱗をしています。「骨が多く、まるで歯のような感触です」とバルテラ氏は言います。この鱗はほとんどの魚の鱗よりも重いため、アリゲーターガーは素早く動き回ることができません。また、非常に硬いため、普通のナイフでは切れません。バルテラ氏によると、アリゲーターガーの鱗を切るには、弓のこを使うのが最善だそうです。
これは、穿刺や裂傷に耐えられる柔軟な装甲の理想的なインスピレーションとなる。バルテラ氏と彼の同僚たちは、市場で死んだ魚を取り出し、細い針を皮膚に刺して鱗をテストした。彼らは、より一般的な魚であるシマスズキがかなり丈夫な鱗を持っていることを発見した。しかし、「同じテストをガーフィッシュで行ったところ、皮膚を貫通することができませんでした」とバルテラ氏は言う。「小さな針は、基本的に曲がって折れてしまうのです。」彼らはより大きな鋼鉄製の針に切り替えたが、それでもガーフィッシュの鱗を破ることはできなかった。
研究チームはこの研究に感銘を受け、現在ガーの厚い皮膚を模倣しようと試みている。今のところ、彼らは素材そのものではなく、鱗の配置方法に焦点を当てている。ゴムパッドの上にプラスチック製の「鱗」を3Dプリントし、サイズ、間隔、形状、厚さなどの特性を微調整することで、どれが最も優れた性能を発揮するかを検証している。
いくつかの異なる配置を試した後、バルテラ氏と彼のチームは、最も強力な装甲は本物のガーの鱗に最も近いものであることを発見しました。また、小さな鱗をたくさん重ねると、大きな鱗よりも壊れにくいことも観察しました。もう一つの成功の鍵は、ほとんどの本物の魚のように鱗が重なり合っていることです。これらの鱗は攻撃を受けた際に、衝撃の一部を隣接する鱗に分散させることができます。これは装甲にとって重要な特性です。捕食者の歯が鱗に強く食い込み、柔らかく傷つきやすい皮膚に食い込むと、たとえ鱗に穴が開いていなくても、動物は傷ついてしまうのです。
研究チームは現在、セラミック製の鱗片を作り、それをケブラー製手袋に接着する段階にまで進んでいます。ケブラー製手袋は、鋭利な物を扱う人がよく着用するものです。「ケブラー製手袋があれば、包丁の刃の部分を持っても、基本的に怪我をしません」とバルテラ氏は言います。しかし、この手袋を切るのは非常に難しいものの、小さな針がケブラー繊維の糸の間をすり抜けてしまう可能性があります。これは、リサイクル品の分別作業員や公園の清掃作業員にとって特に危険であり、針が手に刺さるまで気づかない可能性があります。
「現在テクノロジーが提供できる最高のものは、彼らが行っている仕事の種類に対して適切な保護を提供しないものだ」とバルテラ氏は言う。
彼の目標は、着用者を刺し傷から守りつつ、手の動きを妨げない柔軟性も備えた手袋を作ることだ。「手袋と指の生体に着想を得た設計の問題を解決できれば、身体のあらゆる部位に対応できるようになります」と彼は語る。
彼の試作品には、約2ミリの大きさの酸化アルミニウムの鱗片がちりばめられているが、指の関節周辺にはもっと小さな鱗片を作る予定だ。チームはレーザー彫刻機を使って鱗片を切り出し、手袋に接着する。彼らは、オンタリオ州に拠点を置く作業用手袋メーカー、スーペリア・グローブ社と共同で、試作品のテストを行っている。バルテラ氏によると、同社が標準的なテスト方法では、バルテラ氏のチームが送った手袋に穴を開けることができなかったという。
それでも、ガーアーマーにも限界はある。魚の鱗は刺し傷を弾くのに優れているが、高速の銃弾に耐えられるようには作られていない。そのため、防弾チョッキの裏地としては理想的ではない。しかし、刺し傷から身を守るためのアーマーには、鱗が役立つかもしれない。胴体を守るためにアーマーを着用することはできるが、首は露出していることが多い。魚の鱗に着想を得た柔軟なアーマーは、この脆弱な部分を守ることができるかもしれないと、バルテラ氏は言う。
シェルパワー
自然界で最も強固な防御構造の多くは、いくつかのシンプルな材料から作られています。「材料そのものは重要ではありません。重要なのは、それらの材料がどのように組み合わさってこれらの構造を形成するかです」と、MITの材料科学者であるマーカス・ビューラー氏は言います。
まさにホラ貝の殻がそうです。ホラ貝は、その殻が自然界で最も強固な鎧の一つであるため、鎧の優れたインスピレーション源となります。これらの動物は、真珠層（マザーオブパール）の10倍も頑丈な、耐衝撃性のある家を作ります。しかし、その家は、ゼリーのような粘稠度のタンパク質と、脆く白亜質の鉱物という、弱い素材でできています。「ホラ貝は、エンジニアが触れることさえしないような、非常に単純な構成要素を活用できます」とビューラー氏は言います。「私たちは、タンパク質や白亜で飛行機を作ることはありません。」
エンジニアとは異なり、巻貝は手持ちの材料で満足できない限り、鋼鉄を買いに行くことができません。そのため、これらの原材料は、目に見えないほど小さな三層構造で複雑に配置されています。「ゼリーはとても不安定で、チョークはハンマーで叩くと粉々に砕けてしまいます」とビューラー氏は言います。「しかし、これらを適切な方法で混ぜ合わせれば…人工装甲材に匹敵する、実に頑丈な物質を作り出すことができるのです。」
3Dプリント技術が登場する前は、研究者がこれらの微細で複雑な構造を物理的に再現することは不可能だったとビューラー氏は言う。しかし、彼と同僚たちは、硬いポリマーと、より柔らかいポリマーを組み合わせたシート状の材料を印刷することで、貝殻の独特な構造を模倣することに成功した。
彼は実物よりも単純な素材のシートを印刷した。「自然が作り出したディテールの一部を削ぎ落としました」とビューラー氏は言う。「そして、それが非常に重要であることが分かりました。」魚の鱗と同様に、構造物が自然の鎧に近いほど、性能が向上した。巻貝のようなポリマー片は、弾丸などの物体の貫通をシミュレートする落下塔試験において、破壊されにくいことが示された。この設計は、ひび割れに強く、衝撃エネルギーを分散させるという点で有望である。
実際の装甲を作るには、研究者たちはポリマーをセラミックや炭素繊維に置き換えるかもしれない。それらを巻貝のような構造に配置すれば、私たちが既に頼りにしている材料を改良できるかもしれない。
これらは防弾チョッキやスポーツヘルメットに使用できる可能性があります。ビューラー氏によると、現在のヘルメットは発泡スチロールとハードシェルという非常にシンプルな構造です。しかし、この巻き貝のようなデザインにより、ヘルメットはこれまでと同じ頑丈さを保ちながら、より薄く軽く作れるようになるかもしれません。あるいは、同じ重量のまま、より高性能になる可能性もあるとビューラー氏は言います。
この鎧は、個人の体型に合わせてカスタマイズできます。ビューラー氏によると、将来的には、頭蓋骨をスキャンすれば、コンピューターがあなたにぴったりの形をした巻貝製の鎧やヘルメットを設計してくれるようになるかもしれません。
しかし、これらの装甲を大量生産するにはかなりの費用がかかるだろうとビューラー氏は言う。もう一つの可能性は、実際の巻貝に含まれるようなシンプルな材料を使って装甲を作ることだ。これはコストを削減し、より環境に優しいかもしれないが、それらの材料から作られた「インク」を実際に操作できる特別な3Dプリンターが必要になるとビューラー氏は言う。あるいは、微生物を遺伝子操作して殻の材料を分泌させることもできる。もしかしたら、3Dプリンターよりも本物に近い構造を作れるかもしれない。
シルクロード
クモは重装甲で知られているわけではありません。しかし、獲物を捕らえたり、天井からぶら下げたり、空中を飛翔したりするには、クモの糸は十分に頑丈でなければなりません。一本のクモの糸は、自身の重量の何万倍もの重さの昆虫を捕らえるほどの強度があります。
絹のような繊維は非常に強靭で弾力性も高いため、大きなエネルギーを吸収できます。これは、レーヨンやナイロンといった伸びは大きいものの強度が劣る合成繊維、あるいはケブラーのように非常に強度は高いものの伸縮性があまりない合成繊維に比べて優れていると、ミシガン州アナーバーにあるクレイグ・バイオクラフト・ラボラトリーズのCOO、ジョン・ライス氏は言います。
世界中の研究者たちが、人工クモ糸を製造し、防弾チョッキに応用する方法を模索しています。米陸軍は、鋼鉄よりも強度の高い遺伝子組み換えクモ糸を開発しているクレイグ社に契約を授与しました。
同社はカイコに少量のクモのDNAを組み込むことで、カイコが自身の糸の代わりにクモ糸タンパク質を生成できるようにしています。クレイグ氏は、ペンシルベニア州に拠点を置くワーウィック・ミルズなどの企業と協力し、この糸を防護布に織り込む研究を進めています。
「クモの養殖場なんて誰も作りたくないでしょう。まず不気味だし、何より非効率ですから」とライス氏は言う。クモは共食いをするので、狭い場所で飼育することはできない。それに、私たちは何千年も前からカイコから絹を採取しており、カイコが小さな絹を作るのに献身的な存在であることは周知の事実だ。実際、カイコの体の40%は絹糸腺に使われている。
クレイグの「ドラゴンシルク」の単糸の幅はわずか4～10ミクロンで、人間の髪の毛よりも細い。また、ライス氏によると、ケブラー繊維の約3分の2の強度と10倍の伸縮性を持つ。この「クモの糸」で作られた衣服は、通気性、生分解性、そして人間の肌に優しいものになるだろう。さらにライス氏によると、現在使用されている防具よりも軽量で密度が低いため、着用者の負担も軽減されるという。
今日の防弾チョッキには、硬いセラミックプレートが組み込まれていることが多い。クレイグのクモの糸を使った防弾チョッキは、エネルギーを吸収するだけでなく、着用者が自由に動き回れるように伸縮性も備えている。同社は今年後半、ドラゴンシルクのサンプルパックを米陸軍に納入する予定だ。陸軍は、爆発の際に人を守るための防弾チョッキや防弾ブランケットの製造にドラゴンシルクを活用できるかどうかの試験を行う。このシルクは、耐注射器手袋や高級スポーツウェアにも利用できる可能性がある。「幸いなことに、防弾チョッキを必要とする人はごくわずかですが、ランニングや運動をする人はたくさんいます」とライス氏は言う。ドラゴンシルクは医療の分野にも進出する可能性がある。古代ローマ人は、クモの糸を使って傷口を塞ぐことに成功していたとライス氏は指摘する。
ドラゴンシルクは最終的には他の防護素材と同程度の価格で生産できるようになるだろうと彼は言う。同社は人工クモ糸のデザインもいくつか開発しており、改良を加えることで弾力性を高めたり、強度を高めたりできるとライス氏は言う。つまり、天然クモ糸よりもさらに強度の高い素材を作れる可能性があるということだ。「自然を出発点として使うからといって、必ずしも最終的な目標が決まるわけではありません」とライス氏は言う。
