折りたたみ式携帯電話の改良の秘密はムール貝にあるかもしれない

折りたたみ式の携帯電話や、ニンテンドー 3DS のような携帯ゲーム機の機能は、ヒンジにかかっています。こうした機器を何度も開閉するとヒンジが壊れ始め、もっとしっかりしたジョイントが欲しいと思うようになるかもしれません。

偶然にも、動物界がその願いを叶えてくれたのかもしれません。インスピレーションの源は二枚貝です。ハマグリ、カキ、ザルガイ、ムール貝、その他多くの二枚貝の殻を持つ生物です。二枚貝は一生の間に何十万回も殻を開いたり閉じたりしますが、一見すると損傷を受けません。

現在、生物学者と材料科学者のチームが協力して、ある特定の二枚貝、ケイトウ真珠貝であるCristaria plicataの事例を調査している。本日Science誌に発表された論文では、研究者らは貝のヒンジをリバースエンジニアリングしただけでなく、ガラス繊維やその他の現代材料を使ってそれを再現した。

研究の主役である二枚貝のケイトウ貝は、北東アジアの淡水域に生息している。古代中国の職人たちは、この貝の殻の中に真珠を育てた。貝を開いてビーズや小さな仏像のような小さな物体を入れ、貝を閉じて1年間そのままにしておくと、後にその物体を取り出すことができた。その物体は虹色に輝く真珠層で覆われていた。

真珠層としても知られるマザーオブパールは、その美しさだけでなく、さまざまな点で材料科学者の注目を集めてきました。真珠層はアラゴナイトと呼ばれる脆い炭酸カルシウム鉱物からできていますが、その構造（アラゴナイトの「レンガ」がタンパク質の「モルタル」で接着されている）により、この物質は信じられないほどの強度と弾力性を備えています。

「多くの研究者がレンガとモルタルの構造のさまざまな側面を再現し、硬くて丈夫で強い材料を作ろうとしている」と、カリフォルニア大学デービス校の生体力学者で、今回の論文の著者ではないレイチェル・クレイン氏は言う。

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真珠層を研究する過程で、科学者の中には、ムール貝のヒンジに気づかずにはいられなかった者もいた。同じ脆いアラゴナイトでできているにもかかわらず、ヒンジは折れることなく曲がったり伸びたりする。「この並外れた性能に私たちは大いに感銘を受け、その根本的な理由を解明しようと決めた」と、論文の著者の一人であり、中国科学技術大学の材料科学者であるシュ・ホン・ユー氏は言う。

生物学者は、19世紀初頭から、二枚貝の種を分類するために、蝶番とその違いを研究してきた。しかし、生きた関節の内部構造を剥がす技術はなかった。しかし、ユウ氏とその同僚は蝶番を取り出し、一連の顕微鏡と分析装置で調べた。

二枚貝のヒンジは2つの重要な部分で構成されていることがわかった。1つ目はヒンジの中心部分で、扇子のような形をした折り畳み部分である。扇子の「リブ」は、柔らかいタンパク質のクッションに包まれた、小さなアラゴナイトのワイヤーの配列である。2つ目は靭帯で、扇子の外縁を覆う弾性層である。

ヒンジが閉じると、タンパク質マトリックスがワイヤーをまっすぐに保ち、曲がったり折れたりするのを防ぎます。一方、外側の靭帯はヒンジが開くときに生じる張力を吸収します。この構成により、ヒンジは特に丈夫になります。

著者らは、ムール貝から取り出した蝶番を機械に取り付け、繰り返し開閉を強制した。これは、長期間の繰り返しのストレスに対する蝶番の性能をテストするものである。150万サイクル後でも、著者らは損傷の兆候を発見しなかった。言い換えれば、ムール貝が3年間、毎分1回、殻を開閉しても、蝶番は完全に機能し続けるということである。

このため、二枚貝のヒンジは、エンジニアが「疲労」と呼ぶものに対して非常に耐性があります。ナットやボルトから橋の支柱まで、あらゆるものは繰り返しの使用により摩耗し、損耗します。ちょうどマラソンを走ったばかりのときに足が疲れるのと同じです。そして、疲れ切った足と同じように、疲労した部品は故障する可能性が高くなり、その結果、不自由な状態になります。「二枚貝のヒンジは、疲労耐性だけでなく、曲げる能力でも特に興味深いものです」とクレイン氏は言います。

疲れを知らない貝の蝶番の裏で開閉する奇妙なバイオパンクのドアを想像するのは確かに魅力的です。それはほぼ間違いなく非現実的ですが、著者はこれらの蝶番が、私たちの目的によく役立つ人間工学部品のインスピレーションになる可能性があると考えています。

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実際、発見した構造にヒントを得て、ユー氏と彼の同僚は、ポリマーマトリックスに扇状のリブのように埋め込まれたガラス繊維から独自のヒンジを作った。彼らは人工ヒンジをテストし、本物の有機製品のように持ちこたえることを発見した。一方、乱れたガラス繊維やガラス球を使った他のヒンジは、壊れてひび割れ始めた。

Yu 氏は、この初期の取り組みは人間が日常的に使用することを想定したものではないと語る。しかし、この取り組みは、必要であればムール貝のような曲げを実現できることを示している。たとえば、携帯電話の設計者が、ガラスのような脆い素材を必要とする折りたたみ式タッチスクリーン携帯電話を作ろうとしたらどうなるだろうか。

「扇形領域にヒントを得た設計戦略は、この課題に対処する有望な方法を提供します」とユー氏は言う。彼の研究グループは現在、ヒンジ内でこれらの柔らかいタンパク質がどのような働きをするのかを調べる予定である。

しかし、進化と工学は異なるルールに従います。何百万年もかけて進化してきた材料を模倣することは必ずしも容易ではありません。「生物構造の最も微細なパターンを再現するのは、多くの場合困難でコストがかかります」とクレイン氏は言います。