第155回 ヤブガラシに学ぶ植物型スマート構造の開発
植物の情報処理のメカニズムをロボットに活かす
ヤブガラシ
ブドウ科のつる植物の１種で、草木や樹木、フェンスなどの人工物に巻き付き上へ上へと伸びて行く繁殖力の強い雑草。巻きひげで接触して最適なパターンで対象物に巻き付く。全方向に巻き付くことができるのが特徴で、自身の葉っぱに巻き付くことはない。全周巻きパターンとクリップ型で、対象に応じた最適パターンを生み出している。
人工構造物に生体の脳、神経、筋肉などと同じように、知覚や判断、応答という機能を持たせて状況に応じた自律的な動きを可能にするスマート構造。これまでは、センサで感知して神経系で情報処理を行い、モーターに情報をフィードバックして作動する、いわば動物型のメカニズム開発が主流でした。そこに、視覚や神経系をもたないのに環境に適応して生育する植物規範を取り入れたユニークな研究が行われています。
研究対象となったのは、つる植物の１種であるヤブガラシという雑草です。他の植物や柵などの人工物に巻き付き、自身のからだを支えて上へ伸びて行きますが、つかむ相手に対して巻きひげを変形させて最適なパターンで巻き付くという非常に複雑な動きをしているのです。これまで、巻きひげの動きを詳細に観察したところ、巻き付く相手の直径が細い場合はつるを全周に巻く（通常巻き）、直径が太く巻きひげが長い場合は途中でＵターンしてクリップ状になる、直径が太くて巻きひげが短い場合は巻き付くのをあきらめて離れて行く（先端のみ接触・離脱）という３つのパターンに分類できることがわかりました。非常に合理的な巻き方をしていることが明らかになったのです。
さらに、巻きひげへのマーキングと画像データ解析により３Ｄ座標データ化を進め、パターンの違いがどのように生じてくるのか、そのメカニズムの解明を進めています。植物は神経系を持っていませんが複雑な動きを可能にしているのは、巻きひげ自身がセンサとして、同時にモーターとしての役割りを担い、独立的に判断して最適なパターンを生じさせているためだと考えられるのです。
この情報処理と動きのメカニズムをスマート構造に利用できれば、複雑なセンサネットワークや情報処理系統のない、植物規範のシンプルな機械ができるのではないかと考えられています。将来的に、たとえば内視鏡手術用のガイドワイヤーなど、アクセスが難しい場所で自在に動く植物型ロボットが生まれるかも知れないのです。
斉藤一哉 助教 東京大学 生産技術研究所
深野祐也 助教 東京大学大学院 農学生命科学研究科
植物規範で従来にない機械をつくりたい
斉藤の専門は、機械工学・航空宇宙工学です。コンパクトに収納して宇宙で展開する構造物など、形状可変構造物をつくっています。そこで、生物の変形に興味をもち、昆虫の翅（はね）の折り畳みの研究なども行ってきました。今回は、植物をターゲットに共同研究を進めることになりました。 深野の専門は進化生態学という分野で、生物がどのように環境に適応して生き残ってきたのかを研究しています。もともとは、植物が周りの個体とか、植物を食べる昆虫の情報をどう手に入れて、どう生き延びているのか研究していました。現在は、植物がどのように他の植物を認識しているかを化学的に解明しようということで、ヤブガラシに注目しました。 アプローチが異なるので、共同研究は新鮮ですね。植物に学ぶことで、これまでとは全く違うシステムの機械ができると考えています。
つる植物の巻きひげは、植物における運動や接触王統のモデルとして、ダーウィンの時代から研究されてきたそうです。ところが、今回の研究を通じて新発見がありました。それは、ヤブガラシが接触によって葉っぱを識別し、自分の仲間たちには巻き付かないということです。仲間の葉と他の植物の葉に同時に接触したときには多種の葉を選択して巻き付き、多種の葉に巻き付いている途中で仲間の葉に接触した場合は巻き戻る能力を持っているというのです。そして、研究の結果、ヤブガラシは葉の中に含まれるシュウ酸化合物によって仲間と多種を区別していることが明らかにされました。つる植物は巻き付くことで成長していきますが、巻き付かれた植物は実は成長が抑制されてしまいます。生き残るために身につけた高度な知恵だと言えるのです。
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