by Pam Frost Gorder
High hopes may help move a rubber tree plant (as old song goes) but real secret to the legendally strength is located in their tiny neck joint.Why did you think the best?
『Journal of Biomechanics』において、研究者たちは、一般的なアメリカ野蟻の首関節が、蟻の体重の5,000倍もの圧力に耐えられることを報告しています。
オハイオ州立大学の機械・航空宇宙工学の准教授カルロス カストロは、「アリは素晴らしい機械システムで、本当に驚異的です」と述べています。 「私たちが始める前に、私たちは、彼らがその重量の1,000倍に耐えるかもしれないという、やや控えめな見積もりをしました、そして、それははるかに多いことが判明しました。
技術者たちは、同様のジョイントによって、将来のロボットが地上や宇宙でアリの重量挙げ能力を模倣することができるかどうかを研究しています。
他の研究者は長い間、野外でアリを観察し、彼らが運ぶ葉や餌のペイロードから判断して、体重の100倍かそれ以上をつり上げられると推測してきました。
彼らはアリを分解しました。「どんな工学システムでもそうですが、何かがどのように機能するかを理解したければ、それを分解するのです」と彼は言います。 「この場合、ちょっと残酷に聞こえるかもしれませんが、最初に麻酔をかけました」
エンジニアたちは、アレゲニーマウンド アリ (Formica exsectoides) を、まるでリバース エンジニアリングしたい装置のように調べました：その動く部分や作られる材料をテストしたのです。
彼らはアリを電子顕微鏡で画像化し、マイクロCT（コンピュータ断層撮影）装置でX線撮影を行いました。 彼らはアリを冷蔵庫に入れて麻酔をかけ、特別に設計された遠心分離機に顔を下にして接着し、首を変形させ、最終的に頭を体から破裂させるのに必要な力を測定しました。
この遠心分離機は、「ローター」という一般的なカーニバルの乗り物と同じ原理で機能しました。 ローターでは、遠心力で人が壁に固定され、床が抜け落ちるまで円形の部屋が回転する。
遠心分離機は1秒間に数百回転し、回転数が上がるごとに蟻に外向きの力がかかる。 蟻の体重の350倍に相当する力がかかると、首の関節が伸び始め、胴体が長くなった。
マイクロCTスキャンにより、首の軟組織構造と、頭部と胴体の硬い外骨格との接続が明らかになりました。 電子顕微鏡の画像から、頭部-首-胸部の関節の各部分が異なる質感で覆われており、異なる場所から瘤や毛のような構造が伸びていることがわかりました。
「他の昆虫にも同様のマイクロスケール構造があり、それが何らかの力学的役割を果たすのではないかと考えられます」とカストロは述べています。 「これは、軟組織と硬い外骨格が一緒になる方法を制御し、ストレスを最小限に抑え、機械的機能を最適化するためかもしれません。 それらは、摩擦を作り出すかもしれないし、1つの可動部分を他の部分に対して支えるかもしれません。
デザインのもう一つの重要な特徴は、首の柔らかい素材と頭の硬い素材の間のインターフェースにあるようです。 このような移行は通常、大きな応力集中を生み出しますが、アリは材料間の移行を段階的かつ緩やかにすることで性能を向上させており、これもまた、人工設計に役立つと思われる設計特徴です。 どのように頭を持つのでしょうか。
この研究が、アリの体のように柔らかい部分と硬い部分を組み合わせたマイクロサイズのロボットにつながる日が来るかもしれません。 しかし、研究者たちが同じ設計に基づいて大きなロボットを作ろうとすると、難しい問題が出てくると、カストロ氏は説明します。 硬い外骨格の中では、筋肉はあまり支える必要がないため、他の物体を持ち上げることに力を自由に使うことができるのです。 一方、人間は体重があるため、比較的重いものを運ぶことができます。
しかし、人間の大きさでは、アリは基本的な物理学に打ち勝つことができます。 体重は全体の体積（3乗）に比例して増加するが、筋力は表面積（2乗）に比例して増加するだけである。 そのため、人間サイズのアリがホラー映画の外に存在するとしたら、人間のスケールで極端な負荷を運ぶことにはあまり成功しないでしょう。
その設計に基づく大型ロボットは、微小重力下で貨物を運搬および牽引できる可能性があります。 コンピュータ シミュレーションも、同様の構造をどのようにスケールアップするかという問題に答えるのに役立ちます。
Blaine Lilly（機械・航空宇宙工学准教授）は、元学生の Vienny Nguyen とともにこの研究を開始しました。 Nguyen はこのプロジェクトで修士号を取得し、現在はジョンソン宇宙センターでロボット工学エンジニアとして、DARPA Robotics Challenge に向けた NASA の Valkyrie ロボットの設計に携わっています。 オハイオ州立大学の学部生、津田裕美は最近カストロのチームに加わり、アリの表面の質感をより詳細に分析している。 また、Castro と Lilly は、機械工学および航空宇宙工学の教授で、生体材料の機械的モデリングの専門家である勝部典子氏との共同研究を開始しました。
この研究の資金は、オハイオ州立材料研究所と Nguyen の国立科学財団大学院研究奨学金から得ています。 計算資源はオハイオ州スーパーコンピューターセンターから、構造モデリングソフトウェアはSimpleware Ltd.から、マイクロCTはオハイオ州バイオメディカル工学科の教授兼学科長であるRichard Hart氏の研究室から提供されました
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