超音波筋肉：ソフトロボティクスの未来

音で制御された筋肉の構築

歴史の大部分において、機械エネルギーは人間や動物の筋肉によって供給されてきました。産業革命の到来により、風（風車）、水（水車やダム）、燃焼（蒸気機関、内燃機関）からのエネルギーが初めて利用可能になりました。

しかし、これらの機械システムは常に自然な動きに比べてやや劣っており、比較的制限された自由度を実現するために複雑なシステムとメンテナンスが必要でした。

これはロボットにとって依然として課題であり、ロボットは立ち上がり続けるために非常に複雑な電動モーターの配列と高度なソフトウェアを必要とします。問題は、完全に制御可能で十分に柔軟な動きを実現することです。

したがって、筋肉は動きを生成する極めて優れた手段であるため、科学者たちは電力で駆動できる人工的な変種の作成に取り組んできました。これまで、提案された材料は性能、コスト、または製造方法のいずれかで常に不足していました。

この状況は変わる可能性があります。スイスのETHチューリッヒ、ドイツのミュンスター大学、米国のネブラスカ大学リンカーン校の研究者らが提案した新しい人工筋肉の設計のおかげです。

彼らは権威ある学術誌 Nature¹に、タイトル「Ultrasound-driven programmable artificial muscles」で掲載しました。

超音波駆動筋肉の仕組み

筋肉は筋肉の長さを伸縮させ、付着している骨を引っ張ることで機能します。

これまでの人工筋肉は、さまざまな材料でこの概念を再現しようとしてきました。

• カーボンナノチューブ
• 形状記憶合金
• 空気圧（エア）または油圧システム

これらのシステムは、信頼性の欠如、微細な制御、エネルギー消費、またはコストが高すぎるという問題に直面していました。

“化学的手法はしばしば有毒になる可能性のある燃料を必要とし、光ベースのシステムは組織への浸透が限られ熱損傷のリスクがあり、磁気システムは大型のハードウェアを必要とし、ジュール加熱の危険性があります。”

本研究の研究者は、人工筋肉を制御する新たな方向として「音」に着目しました。

超音波の利点

ロボティクスや医療用インプラントへの応用において、超音波は簡単に作成でき、完全に非破壊的な制御手段という利点があります。

超音波はワイヤレスで遠隔操作が可能で、外部層（有機組織を含む）を無害に通過し、高い空間選択性（照準）を持ちます。

また、臨床現場でも低コストで広く利用されている技術です。

総合的に見て、超音波は生体医療や体内応用に最適であり、特にいわゆるソフトロボティクスなど他の分野でも活用可能です。

研究者の間で超音波の人気が高まっており、医療インプラントをワイヤレスで電力供給、生体組織のバイオプリント、そしてバイオモニタリングに利用されています。

人工筋肉におけるマイクロバブル材料

本研究では、研究者は正確に製造されたマイクロバブルの配列を含む材料を作成し、適切な超音波共鳴にさらされると材料が曲がるようにしました。

出典: Nature

マイクロバブル配列のサイズを変えることで、材料の特定部位が反応する超音波周波数を変えることができます。

出典: Nature

これまで、人工筋肉における超音波によって生成される力は実用的な応用には弱すぎました。しかし、この新しい設計ははるかに強力で（7.6 μN/mm²）、この概念を人工筋肉材料の有望な最前線に押し上げました。

高解像度の金型は、ソフトリソグラフィーを用いてシリコンウェハ上にマイクロピラー配列をパターン化し、円柱形マイクロ空洞のネガティブ金型として作成されました。

その後、ポリジメチルシロキサン（PDMS）の薄層をウェハにスピンコートし、目的のマイクロバブル材料を形成しました。

最終的な材料は人工筋肉（3 cm × 0.5 cm × 80 μm）を形成し、空洞内に10,000個以上の均一なマイクロバブル（直径40 μm、深さ50 μm）を含んでいます。

超音波で制御された動きの創出

材料の異なる部位が異なる周波数に反応するため、超音波を変調することで、例えば正確に制御された波状運動を作り出すことができます。研究者は、魚の稚魚を捕獲したり、アーモンドを回転させたり、草の葉を動かしたりするなど、実世界での材料との相互作用もテストしました。また、この方法は超音波による加熱や有害な影響がなく、生体に対して無害であることも示しました。

研究者は次に、材料が有機組織に付着し移動させることができるかをテストしました。そのために、豚の心臓で実験しました。超音波制御アクチュエータは付着したまま動き続け、組織に力を伝達しました。

出典: Nature

彼らはまた、超音波をトリガーとしてマイクロバブルパッチから材料を放出させることで、薬物送達への潜在的利用もテストしました。

体内ロボットの移動

最後に、研究チームは液体環境での動きを制御できる波動を持つ「ミニエイロボット」を作成しました。

出典: Nature

その後、エイロボットを豚の胃と腸内に投入し、動作を成功裏にテストしました。

放出時、エイロボットは約0.8体長/秒の初速で前進し、システムが動物の内部臓器内を移動できることを示しました。

出典: Nature

総合的に、これらの実験は材料が体内でのワイヤレスおよびウェアラブルデバイスに利用できる可能性を確認しました。

応用

本研究はこの技術の最も直接的な応用となり得る生体医療への利用に焦点を当てました。ソフトロボティクスは医療で使用される材料の統合にますます利用されており、例えば適切な臓器へ抗がん薬やその他の治療を届けることが可能です。

この方法は、少なくともセンチメートルスケールまでの大きな部品や、多自由度の動きにも拡張可能です。

したがって、将来的にはこのような人工筋肉はロボティクス、フレキシブルエレクトロニクス、ウェアラブル技術、義肢、生体医療機器などに利用できるでしょう。

• 収束する台形状空洞は、拡散する形状に比べて約3倍強い流速を生み出すようです。そのため、形状と密度の最適化により、変形プロファイルを調整したアクチュエータを作成できる可能性があります。
• 共焦点音源を使用すれば、より強い変形と人工筋肉の特定部位へのより正確なターゲティングが可能になります。
• ハイドロゲルや生分解性ポリマーも、より多くの生体医療応用に使用できるでしょう。

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出典: Philips

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参照された研究

^{1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Ultrasound-driven programmable artificial muscles. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3}