Active embracement enables autonomous tweezing in active star polymers
この研究は、活性スターポリマーが「アクティブ・エンブレイスメント（能動的抱擁）」と呼ばれる非平衡現象を示すことを明らかにしており、そこでは自己駆動する腕が立体反発を克服して自律的に崩壊し、周囲の粒子を捕捉することで、標的となるカーゴの操作に向けた微小なピンセットとして効果的に機能する。
原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。 免責事項の全文を読む
生命体は、自律的に形や機能を変化させる驚くべき能力を備えています。細胞は内部の骨格を再編成して移動することができ、タンパク質は外部からの手助けなしに、特定のタスクを実行するために精密な形状へと自ら折り畳まれることができます。科学者たちは、このような自己主導的な振る舞いを合成材料で再現しようと長く試みてきました。自らの内部エネルギーだけで、折り畳んだり、巻き付いたり、物体を掴んだりできるソフトマシンの構築を目指しているのです。研究者たちは、エネルギーを与えられると膨張したり、伸びたり、揺動したりする材料の作成には成功していますが、隣接するものを包み込んで掴むといった、特定の機械的なタスクを実行させることは依然として困難な課題となっています。ほとんどの能動的（アクティブ）な材料は、単に周囲を動き回ったり全体のサイズを変えたりするだけであり、環境に対して標的を持った相互作用を行うために必要な、協調的な制御力を欠いています。
研究チームは、特殊な星型の構造を用いることで、この種の自律的な把握を実現する新しい方法を発見しました。彼らは「アクティブ・スターポリマー（能動的な星型高分子）」を構築し、研究を行いました。これは微小な分子ではなく、肉眼で見ることができるセンチメートルサイズの粒子で構成されています。これらの構造はそれぞれ、中心となる受動的なコアと、そこから外側へ広がるいくつかの腕で構成されています。腕の部分は、振動する表面の上に置かれると自律的に動くように設計された小さな粒子で作られています。物理的な実験とコンピュータ・シロミュレーションを組み合わせることで、研究者たちは、これらのアクティブな腕が中心のコアや互いの腕の周りに自然に巻き付き、構造をきつく丸いボール状に抱きしめる（ハグする）現象を発見しました。彼らが「アクティブ・エンブレイスメント（能動的な抱擁）」と呼ぶこの現象により、スターポリマーはコンパクトな形状へと崩壊させたり、他のスターと集まって塊になったり、あるいは近くに漂う浮遊粒子を捕らえたりすることが可能になり、まるで自律的なピンセットのような機能を果たします。
研究者たちは、カスタム粒子を製作するために3Dプリンティングを用いてこれらのスターポリマーを構築しました。中心のコアは、水中の塵のようにランダムに動く受動的なシリンダーです。このコアには、一連のアクティブな粒子からなる複数の腕が取り付けられています。これらのアクティブな粒子には、特定の角度に傾いた7本の小さな脚が備わっています。システム全体が毎秒100ヘルツの垂直振動を行うプレートの上に置かれると、傾いた脚によってアクティブな粒子が跳ね、特定の方向に移動し、持続的な自己推進運動を生み出します。腕は、粒子間の距離を一定に保ちつつも自由に回転できるように、剛性のあるリンクによってコアおよび互いの腕と接続されています。研究者たちは円形のアリーナ内でこれらの構造をテストし、腕の数や腕の長さを変えてその挙動を観察しました。
この自己推進運動がない場合、スターポリマーの腕は、粒子同士が同じ空間を占有できないという性質によって、単に押し広げられてしまいます。しかし、腕がアクティブになると、その挙動は劇的に変化します。腕の絶え間ない運動によって、腕同士が衝突するようになります。粒子が接触した際に摩擦を生じる素材で作られているため、これらの衝突は単に跳ね返されるだけでなく、摩擦が動きを遅らせ、互いにくっつく原因となります。これにより、腕が中央のコアや互いの周囲に巻き付き、構造全体がタイトな球状へと崩壊する状態が導かれます。研究者たちは、この自己崩壊的な振る舞いを物理実験とコンピュータモデルの両方で観察し、それがスターの腕の数や長さに関わらず発生することを確認しました。
この巻き付きと付着のメカニズムは、単一のスターポリマーが自身と相互作用することに限定されません。複数のアクティブ・スターポリマーが一緒に配置されると、それらは受動的な物体のように互いに反発することはありません。代わりに、彼らのアクティブな腕が隣接するスターの腕へと手を伸ばし、抱きつきます。これらの接触による摩擦が異なるスター間の相対的な運動を遅らせ、それらをクラスター化させ、長い時間密接に接触した状態に保ちます。コンピュータ・シロミュレーションは、このクラスター化がアクティブな運動と粒子間の摩擦の直接的な結果であることを裏付けました。摩擦がなければ、スター同士は単に跳ね返り合い、分離したままとなります。
この挙動の最も顕著な実証は、アクティブ・スターポリマーが受動的な物体を捕らえ、運搬する能力です。研究者がアリーナ内に動かない自由な粒子を配置すると、スターの腕は自発的にそれらの粒子の周りに巻き付き、崩壊した構造の中に閉じ込めました。アクティブなスターは、受動的な粒子を効果的に「掴み」、移動しながらそれらを運びました。対照的に、自己推進運動を持たない受動的なスターポリマーは、何も捕らえることができず、その腕は単に自由な粒子を押し退けてしまいます。研究者は、粒子の密度を変えて捕捉数を測定し、アクティブなスターが受動的なものよりも大幅に多く、時にはアリーナ内の利用可能な粒子の半分近くを捕獲することを発見しました。
この研究は、この振る舞いの鍵が、自己推進と摩擦の組み合わせにあることを強調しています。アクティブな運動は腕が周囲を探索し衝突することを促し、一方で摩擦は、一度接触した際に粒子が跳ね返ることなく、共に留まることを保証します。これにより、構造は絶えず動いているものの、安定した崩壊した形状を維持するという、独特の物質の状態が作り出されます。研究者たちは、この「アクティブ・エンブレイスメント」が、外部制御なしに機械的なタスクを実行できるスマート材料を設計するための設計図（ブループリント）になり得ると示唆しています。これらの構造のアーキテクチャを調整することで、貨物を自律的に集めたり、自己組み立てを行ったり、複雑な環境をナビゲートしたりできるソフトロボットや材料を、物理的な原理のみに基づいて、生命に見られる適応能力を模倣しながら創り出すことが可能になるかもしれません。
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