自然界で最も見事な顎の持ち主はクマでもサメでもない。それはアリの一種である「Odontomachus bauri」という昆虫だ。英語では一般に「トラップ・ジョー・アント」として知られる。
アギトアリの仲間であるこのアリの下顎は、加速度が100万メートル毎秒毎秒（m/s2）という高速で閉じられる。この顎を使ってすばやく獲物を捕らえたり、自らの体を弾き飛ばして危険から逃れたりするのだ。
上下の顎が生み出す力は、体重の300倍を超える。この力がアリの体を虫としては極めて高い8cmもの高さまで押し上げ、40cm近く離れたところまで弾き飛ばす。
この顎の秘密は、スプリング（ばね）とラッチ（開閉機構）を組み合わせた構造にある。この構造のおかげで、蓄えてあった大量のエネルギーを、ほぼ瞬時に解放できるのだ。こうしたシステムは、小さな生物ではごくありふれたものである。
例えば、ボクサーのようなパンチを繰り出すことで悪名高いシャコなどの生物や、食肉植物として恐れられるハエトリグサのような植物でも見られる。ほかに、キノコ類にもこういった仕組みをもつものもいる。その多くは、驚異的な瞬発力で胞子をまき散らす。
だが、すべての生物のスプリングラッチ・システムが同じように機能するわけではない。
筋肉では生み出せない力をつくる
「小さな生物が筋肉だけでは生み出せない力を出せるのは、昔から知られていました。スプリングとラッチが関係しているのもわかっていました。実際に観察できますからね」と語るのは、デューク大学で進化生物力学を研究するシーラ・パテクだ。「よくわかっていないのは、生物がどのようにそのシステムを実現しているのかということです」
生物学者がこのメカニズムを理解しなければ、技術者はロボットのような人工的なシステムには変換できない。
多分野の研究者から構成されるパテクの研究チームは、高速で動く小さな顎などを統制している機械的な原理を理解するのに、5年の歳月を費やしてきた。そしてこれまで標準化されていなかった、100を超える生物的システムと人工的なシステム（例えば、ハエトリグサと、ハエトリグサに着想を得たロボットなど）の質量、速度、加速度の測定値を標準化し、微小なスプリングやラッチ、発射体、モーターの相互作用をモデル化した。
『サイエンス』に4月27日付で発表されたこの成果は、小さな高速の機械を支える一般原則を明らかにするものだ。これによって生物学者は、バイオメカニクス研究のために体系化された情報源を入手できる。こうして技術者は、人工的な設計でいずれどんなことを実現できるのか、その展望を明確に描けるようになったのだ。
モーターやスプリング、ラッチをどのように調整すれば出力を最適化できるのか。研究チームが説明しているのは、こうした基本的な原理だ。アギトアリの顎の機械的な構造を完璧に模倣するのも、ひとつの手といえる。
しかし、そうした機構の根底にある原理を理解するほうがはるかに素晴らしく、役に立つ。進化がどのような微調整によって個々の問題を解決したのかを理解すれば、あらゆる問題の解決策につながる法則を応用できるのだ。
研究チームの最大の貢献のひとつは、小さなスプリングをベースとした仕掛けのシステムが、筋肉だけを動力とするものの効率を「どの時点で上回るのか」を詳細に説明していることだ。例えば、筋肉は速く動かそうと思えば動かせる。しかし動きが速くなればなるほど、出せる力は小さくなる。筋肉の出力には限界があり、力と速度にはトレードオフの関係があるのだ。
目的により「限界が異なる」
スプリングラッチ・システムという方法なら、筋肉に見られるような力と速度のトレードオフを回避できる。また、サイズが一定の限度に達するとスプリングの効果がなくなるのは、科学者の間で一般的な原則として理解されていた。
例えば、弓で矢を射ることはできるが、重い岩を飛ばそうとは思わないだろう。パテクの研究チームは、こうした小さなシステムを構成する個々の要素をあれこれと操作し、その限度を特定するという面倒な仕事をやってのけたのだ。
こうして明らかになったのは、システムで何を達成したいかによって「その限度は大きく異なる」ということだ。
可能な限り大きくしたいのは、発射体に伝わる出力なのか？ 射出に要する時間をできるだけ短くしたいのか？ それとも、発射体が飛び出す速度なのか？ それぞれのケースによって、筋肉の駆動システムがスプリング駆動システムよりも得策になる質量は異なるのだ。
ここで少し、例を挙げて説明しよう。バッタとシャコのケースを考えてほしい。どちらの生物も、スプリングの駆動システムを利用している。バッタは跳躍するために、シャコは爪楊枝サイズのハンマーで巻貝の殻を壊すために、この機構を使っている。そして両者の機構は、それぞれまったく異なる問題に対応しているのだ。
バッタのケースでは、肢が地面と接触している間に、跳躍に必要な力と運動量をつくり出す必要がある。そのため、バッタのスプリングラッチ・システムは、肢が折れてしまわないように、比較的遅い加速度を生み出す方向に進化した。
これに対してシャコの場合は獲物を仕留める必要があるため、できる限り素早く、かつ多くのエネルギーをハンマーを通じて放出しなければならない。従って、シャコのスプリングラッチ・システムは最大の加速度を生み出し、ほぼ瞬時に衝撃を与えられるように進化した。
VIDEO COURTESY OF DUKE UNIVERSITY（字幕は英語のみ。画面右下の「CC」ボタンで字幕のオン/オフが可能）
バッタとシャコの例が示しているのは、これらのシステムがまったく異なる機械的なタスクを成し遂げるように調整し、タイミングを合わせられるということだ。この研究において、モデル化の作業を監督した研究者で、マサチューセッツ大学アマースト校でソフトマター物理学を研究するマーク・イルトンは、「それぞれの生物は特定の問題に対応するために固有の解決策を発達させてきました」と説明する。
トレードオフの相乗効果を理解するということ
イルトンらが示した一連の数理シミュレーションでは、スプリングの材料特性、ラッチの形状や外れる速度といった個々の構成要素にごく小さな調整を加えるだけで、小さな高速システムの性能に驚くほどの違いが生じることが明らかになった。
「わたしたちが理解しているよりも、もっと多くの要素が絡んでいます」と、デューク大学のパテクは言う。力と速度のトレードオフを経験しているのは筋肉だけではない。モーター・スプリング・ラッチからなる、システムのあらゆる構成要素がこの影響を受けている。
こうしたトレードオフの相乗効果を理解すれば、生物学者は種の進化の経緯をより深く知り、技術者はより小型で高速、より堅牢な人工のシステムを開発できるようになるはずだ。
「ある一定のレヴェルでは極めて基本的なものでしょう。しかしある意味では、これでようやくこうしたモデルに調整を加えて、奇妙な電磁モーターやぐにゃぐにゃとした粘弾性ラッチを実験できるようになったのです」と、パテクは語る。「われわれは挑戦状をたたきつけました。あとは楽しみながら研究するだけです」
TEXT BY ROBBIE GONZALEZ
TRANSLATION BY CHISEI UMEDA/GALILEO