【工学】スパイダーマンがなぜ壁をうまくよじ登ることができるのかを分析する方程式

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壁にくっつく動物、工学者にデザインのヒントを与える

　昆虫やトカゲのような動物は、バッタの平らな足の裏から、ヤモリの足の微小な毛に至
るまで、様々な構造を利用して表面に留まったりよじ登ったりしている。しかしこれまで、
科学者がこれら様々な構造がどれくらいうまく機能しているかを計算によって評価したこ
とはなかった。今回、様々な構造を比較し、自然界に存在するものよりもよく壁面にくっ
つくことのできる人口表面を設計するのに用いることのできる新しい方程式が発表された。

　ハエやカナブンを含む何種類かの動物は粘着性の分泌物を分泌して彼ら自身を垂直な表
面にくっつけている。一方、トカゲなどは同じことに乾燥した器官系を使っている。粘着
性のとても高い接着剤は表面から引きはがすのが難しいので、剥がすのを容易にするため
に乾燥した系を使うということを選択する動物も多々見られる。しかし、それらの乾燥し
たシステムがどうしてうまくいくのかということについては、ファン・デル・ワールス力
という分子間に働く力を使ってヤモリが壁をよじ登っているということが証明された2年ほ
ど前までは正確にはわかっていなかった。

　トカゲは足と壁の間の表面積を最大にすることにより、通常は弱い力をうまく利用して
よじ登っている。足の裏は数百万の微小な毛で覆われており、その先端部はナノメーター
サイズの幅を持つ数百の突起にさらにわかれている。増加した接触面積は、ヤモリを表面
にとどまらせるに十分な分子間引力を毛と壁の間に働かせる。

　これまではすべての表面接触は球状であると考えて数学モデルが考案されてきた。「自
然界を見渡してみれば、これは実際とは違っていることがわかる。」と物質科学者Ralph
Spolenakは言う。

　そこで彼とStuttgartのMax Planck Institute for Metals Researchのグループは、毛や
平らな足裏、棒状構造、吸盤など、様々な動物で使われている構造を考慮にいれて方程式
を作り直した。その結果、接触面の構造を微調整することで、接着性を10倍以上増加でき
ることがわかった、と現在ZurichのFederal Institute of Technologyに移ったSpolenakは
述べた。

　完全に平らな表面であると仮定すると、平らな接触面を持つものが接触面が最大になる
ため、もっとも相互作用が強くなるということは想像に難くない。完全に平らな表面は自
然界には極くまれにしか現れないが、比較的平らな接触表面を足裏に持つバッタでは、足
裏にやや柔軟性を持たせることで平らでない表面での問題を回避している。

　しかしこの研究を発表した人たちは、人口被覆のデザインをしている工学者にはドーナ
ツ型の構造を検討するようにアドバイスしている。接着性を上げるには、接触部位をより
小さい構造に分割していく必要がある。彼らのモデルによると、ドーナツ型の構造が微小
な世界ではもっとも効率良く接触することができることがわかった。これらの結果はthe
Proceedings of the Royal Society A誌に報告された。

　「これは重要な理論的進展です。この発見によりトカゲの小さな毛や突起がどのように
表面からはがれるのかといったことや、動物たちがどのように足を汚れの付着から守って
いるのかといったことをうまく説明できるかもしれない。」と、オレゴン州Portlandの
Lewis and Clark Collegeの生物学者で、なぜヤモリは滑らかな表面を駆け登ることができ
るのかという研究発表を以前行ったKellar Autumn。

　Spolenakは、このモデリングは工学者が地球上や宇宙空間での特殊な環境でも接着する
ような材料を設計する手助けになると考えている。場面に応じた適切な大きさと構造をう
まく選ぶことで、地球外惑星でロッククライミングをするロボットや、壁に掛けたり外し
たりが思うようにできる写真の接着性裏打ちといったものの設計の手助けになるだろう。

記事オリジナル、スパイダーマン等の写真はこちらです。
News@Nature.com 05 November 2004; | doi:10.1038/news041101-17
Stickiness takes on new shapes
Roxanne Khamsi
http://www.nature.com/news/2004/041101/full/041101-17.html

>>2あたりにつづく