テッポウエビが発する「プラズマ衝撃波」を再現するロボットハサミ、米研究者らが開発［04/18］

しじみ ★

テッポウエビは想像を絶する生きものだ。体長わずか数センチメートル。片方のハサミは分相応の大きさだが、もう片方のハサミは巨大で、それをすさまじい力で閉じることによって衝撃波を発生させ、獲物を気絶させる。

ハサミの2つの刃が噛み合う瞬間に気泡が発生し、すぐさま破裂する。これによってプラズマの閃光と、4,400℃もの高温が生じる。信じられない話だが、手のひらに乗るくらい小さな水生生物が、はさみをパチンと鳴らすことで、超高温の気泡を兵器に変えるのだ。

研究者たちがいま、この恐るべき力の応用方法を模索している。学術誌『Science Advances』に3月15日付で掲載された論文で、ある研究チームがテッポウエビのプラズマ銃を真似たロボットハサミを製作し、プラズマを発生させることに成功したと報告した。生物進化が産んだこの奇抜な能力をうまく改良できれば、さまざまな水中での用途が考えられる。

テッポウエビは、プラズマの衝撃を生み出す武器をさまざまな用途に使っている。狩りに使うのはもちろんのこと、スナップ音でコミュニケーションもとっていて、その音量は210デシベルにも達する（本物のピストルは150デシベル程度だ）。プラズマ衝撃波を使ってサンゴ礁に巣穴を掘る種もいる。おかげで海底は実に騒々しく、ソナーに干渉を起こすほどだ。
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■脱皮後の殻を使ってハサミを3Dプリント

テキサスA＆M大学の機械工学者デイヴィッド・スタークは、テッポウエビの多機能ハサミは人間にも役立つのではないかと考えた。彼のチームは、まずは何匹かの生きたテッポウエビを入手した。

ほかの節足動物と同じく、テッポウエビも定期的に脱皮する。成長するにつれて小さくなった外骨格を脱ぎ捨てるのだ。

この脱皮後の殻を使ってスタークはハサミの型をとり、それをさらにスキャンして詳細な3Dモデルをつくった。その後、彼はモデルデータを3DプリントサーヴィスのShapewaysに送り、テッポウエビのプラズマ銃のプラスティック版が完成した。

■ネズミ捕りの仕組みを応用した実験

スタークは、この独特の構造の付属肢を使って実験を行なった。ハサミの上半分は、普段は引き金を引いた状態でロックされている。その一部（プランジャー）を下半分の受け口（ソケット）に叩きつける構造になっている。

これによって水が急速に押し出され、気泡ができる。この原理はキャヴィテーション（液体の流れで圧力差によって短時間に泡の発生と消滅が起きる物理現象）と呼ばれている。

「バネを使うネズミ捕りのようだと思いました」と、スタークは言う。「そこで、実際にネズミ捕りをいくつか水に沈めてみて、トリガーを外したときにアームがどのくらい速く回転するか試しました。そしてネズミ捕りのアイデアを、ハサミを閉じる仕掛けとして応用したのです」

スタークがつくったハサミは、バネ仕掛けの軸を中心に上半分のパーツが高速で回転して力を生み出し、プランジャーをソケットに叩きつける。この動作でできた高速の水流が、キャヴィテーション気泡を生む。気泡は最初は低圧で比較的大きいが、すぐに破裂に向かう。

「周囲の水に押され続けることで、圧力と温度が極めて高くなるのです」と、彼は言う。気泡はとてつもない高温になり、プラズマ発光が生じるほどだ。
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■既存の方法よりも10倍以上も効率的

これと同じ現象は、テッポウエビがハサミを閉じたときにも観察される。「水が外側に押し出されることで衝撃波が出現します」。野生のテッポウエビは、こうして獲物をノックアウトしているのだ。

研究チームはラボでハイスピードカメラを使用し、ハサミの隙間から排出されるジェット水流を観察した。また、その後に生じる衝撃波についても、プラズマ発生時の閃光というかたちで撮影することに成功した。

水中でプラズマを生み出すのは、テッポウエビの専売特許ではない。水中での溶接作業では、プラズマを利用したプラズマアーク溶接という方法が用いられ、こちらも超高熱を生み出す。また、レーザーを使って水中でプラズマをつくりだす方法も確立されている。

しかし問題は、プラズマアーク溶接やレーザーを用いた手法が非効率的であることだ。ハサミを使ったプラズマ生成なら、既知の手法の10倍以上も効率的だとスタークは言う。ただし、スケールアップするにはさらなる研究開発が必要になる。

続きはソースで

https://wired.jp/2019/04/18/shrimp-plasma/