ヒトデが「見ることができる」素材を構築する方法

ヒトデが「見ることができる」素材を構築する方法 ニュース、研究 + イノベーション、研究とイノベーション / 2026年7月6日 共有：著者：Melissa Pappas エンジニアが包装や支持材のような保護材料について考えるとき、通常は強度、剛性、耐久性を考えます。しかし、それらの同じ材料が外部環境を感知することもできたらどうでしょうか？この問いは、材料科学工学の准教授であるLing Li氏が、彼の研究室と同僚がヒトデがいかに軽量でありながら弾力性のある骨格を構築しているかを調査していた際に、予期せず浮上しました。「私たちはヒトデを見て、自然がどのようにして強度と軽量性を兼ね備えた多孔質の骨格材料を作り出しているのかを理解しようとしていました」とLi氏は言います。「すると、ヒトデの腕の先端に埋め込まれたレンズのような構造を発見したのです。」 その驚きは、米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載された研究の焦点となりました。Li氏、博士課程の学生で筆頭著者のLiuni Chen氏、そしてPenn Engineering、バージニア工科大学、MIT、ボウディン大学、サウスカロライナ大学、Zuse Institute Berlinの共同研究者たちは、ヒトデProtoreaster nodosusの骨格が、光を導き、集束させる特殊な鉱物構造を含んでいることを明らかにしました。この発見は、自然界が機械的サポートと光学的センシングを同じ材料システム内に組み合わせる方法を進化させてきた可能性を示唆しています。 Protoreaster nodosusとして一般に知られるヒトデ、またはチョコレートチップヒトデは、インド太平洋地域の浅瀬で見られます（© Liuni Chen）。 自然界に見られる多機能材料 Li氏は、この発見が偶然であったことを認識していますが、ヒトデの骨格の多機能性は確かに意図的であり、予想されるものであると述べています。「自然の材料は、しばしば多くのことを同時に行う必要があります」とLi氏は言います。「それらは構造的サポート、保護、センシング、その他の機能を提供します。私たちはこれらのシステムがどのように設計されているかを研究し、軽量で耐衝撃性のある構造、損傷を感知できる自己監視材料、航空宇宙、輸送、保護用途向けの構造化材料など、将来のエンジニアリング材料を刺激する根本原理を抽出します。」 ウニやクモヒトデを含む他の棘皮動物と同様に、ヒトデは炭酸カルシウムから骨格を構築します。これはエンジニアによく知られた鉱物です。軽量で豊富に存在しますが、炭酸カルシウムは本質的に脆いです。多孔質にすることは、重量を減らすための一般的な戦略ですが、通常はさらに脆くします。しかし、ヒトデは何とかして逆の結果を達成しています。それらの骨格は非常に多孔質ですが、強く、弾力性があり、海の生活の要求に耐えることができます。 Li氏のグループは当初、この驚くべき骨格構造がどのように機能するかを理解しようとしており、Science誌の表紙記事として発表されたユニークなデュアルスケール構造化マイクロラティスの発見につながりました。しかし、ヒトデの腕の先端を調べたとき、彼らは何か異常なものに気づきました。鉱物骨格に埋め込まれた、数十個の滑らかでレンズのような突起です。 Li氏は、2つの異なるサイズのヒトデの骨格を持っています。どちらも炭酸カルシウム骨格を示しています。 ヒトデを理解するための分野横断的な協力 高解像度イメージングと光学実験を使用して、研究者たちは、光導波構造と呼ばれるこれらの構造が、小さな鉱物コーンのように骨格深くまで伸びていることを発見しました。それらは機械的な目的だけでなく、骨格要素内の内部空洞に、入射光を伝送し、集束させることができます。光学シミュレーションは、個々の構造が約70パーセントの入射光を導き、その基部で集束させることができることを示しました。アレイとして協力することで、これらの構造は広い視野にわたって光を集め、単一の構造よりも数倍強い信号を生成します。 この発見は、長年の謎を解くのに役立ちました。数十年前にヒトデやクモヒトデで同様のレンズ状の特徴が観察されていましたが、その機能は不明なままでした。「別のグループはすでにクモヒトデで関連するレンズ構造を特定していました」とLi氏は言います。「ヒトデで同様の特徴を発見したとき、私たちはそれらを関連付け、体系的に調査することができました。」 材料科学、光学、生物学、結晶学、計算モデリングの専門知識を組み合わせ、研究チームは、構造がどのように見えるかだけでなく、動物の日常生活でどのように機能する可能性があるかを理解することを目指しました。光感知は、海洋生物が捕食者を検知し、避難場所を見つけ、食料を見つけ、環境をナビゲートするのに役立ちます。これらの構造の正確な生物学的役割は調査中ですが、この研究は、ヒトデの骨格がサポートと保護を提供する以上のことを行っていることを示しています。 エンジニアにとって、その多機能性は発見の最もエキサイティングな側面かもしれません。「自然界では、材料は生物にとって作るのが高価なので、一つの構造が多くの目的を果たします」とLi氏は言います。「進化は同じ材料システムを複数の機能に使用する傾向があるため、そのアプローチを材料製造と設計に採用することは、エンジニアリング構造のパフォーマンスを向上させ、コストを削減するのに役立つだけです。」 Li氏の研究室グループ（左から右へ）：（前列）Yuri Kurihara（博士課程学生）、Liuni Chen（博士課程学生）、Charlotte Chen（博士課程学生）；（後列）Yanbin Li（ポスドク）、Xingchen Zhao（ポスドク）、Yang Geng（博士課程学生）、Chenhao Hu（博士課程学生）、Khue Luu-Dang（修士課程学生）。 ヒトデ骨格の教訓をエンジニアリング材料に適用する 多機能設計はエンジニアリングにおいて新しい概念ではありませんが、材料に機能を追加すると、しばしばトレードオフが生じます。例えば、センサーを追加すると、強度、重量、または耐久性が損なわれる可能性があります。Li氏の研究室がこのエンジニアリングアプローチに加えているのは、自然から解決策を探す方法です。ヒトデのアプローチは、貴重な教訓となる可能性があります。「保護構造にセンサーコンポーネントを取り付ける代わりに、動物は光学機能を骨格構造に直接埋め込んでいます」とLi氏は言います。「サポートを提供する多孔質の鉱物フレームワーク自体に、組み込みの光導波要素が含まれており、これらの生物は何百万年もの進化を経てこれらの機能を完成させてきました。」 ヒトデの腕の骨格の走査型電子顕微鏡（SEM）画像。軟組織は除去されています。腕の先端にある終板には、多数の隆起したような光導波構造が含まれています。画像は約5mm幅です（© Liuni Chen）。 なぜこの特定の多機能性の組み合わせがエンジニアリングにおいて重要なのか？ 自然界からのこの例は、軽量フォーム、包装材料、宇宙船の構造部品など、周囲を保護し監視する能力を両方持つ将来のエンジニアリング材料を刺激する可能性があります。軽量のセルラー材料やフォームは、包装、輸送、構造サポート用途で広く使用されていますが、通常は機械的な役割のみを果たします。ヒトデに触発されたエンジニアは、構造的性能を犠牲にすることなく、センシング能力を組み込んだ将来の材料を想像できるかもしれません。「衝撃を吸収するだけでなく、環境条件を監視し、損傷を検出し、周囲に関するフィードバックを提供する保護パネルを想像してみてください」とLi氏は言います。「ヒトデは、そのような組み合わせが可能であることを示しています。」 Li氏はヒトデの骨格（左）を持っています。これは、多数のミリメートルサイズの骨格要素である骨片から構成されています。これらの生体鉱化された骨片は、主に炭酸カルシウムでできており、これは比較のために右に示す地質学的方解石結晶と同じ化学組成です。 強度を高めるための多孔性 この研究は、自然からのもう一つの教訓、すなわち形状が重要であることを強調しています。ヒトデの骨格は、機械的性能を維持しながら材料の使用量を最小限に抑える複雑な毛穴のネットワークで構成されています。コンベン