昆虫サイボーグ研究第2幕! 自動飛行制御、燃料電池の研究へ

無線通信の電力確保に向け、バイオ燃料電池の開発へ

3つ目の体液を利用したバイオ燃料電池の開発は、長時間の制御を実現するうえで不可欠な研究である。

「昆虫の制御は、電極となる金属の細線、マイコンそしてPCが必要です。まず昆虫の筋肉に金属細線の末端を埋め込みます。もう片側の末端をマイコンの出力端子へ接続し、マイコンを昆虫に背負わせます。使用者はPCからマイコンに無線でコマンド送り金属細線を通じて筋肉へ電気信号を送ります。ただ、携帯電話を思い浮かべればわかるとおり、無線通信には大きな電力が必要です。昆虫に大きな電池を背負わすことはできませんし、どんな大きさの電池を使うにしても電力量に限りがあります。研究室なら使用者が電池を充電すればいいですが、災害地の屋外利用で同じことを行うことはできません。何かしらの発電機能をサイボーグ昆虫に付加して、電池を充電するシステムが必要です」(佐藤氏)

現在の実験では、連続してコマンドを行える通信モード(携帯電話の通話状態に相当)で約30分、スリープモード(携帯電話の待機・無通話状態に相当)にした場合でも1晩程度で電池を使い果たしてしまう。実験を効率的に行うため、佐藤氏の研究室では、任天堂Wiiのリモコンをサイボーグ昆虫の制御に用いることにした。Wiiのリモコンには持ち手の動作を検知するセンサーが備わっており、これをうまく利用している。飛行実験中は実験者がリモコンを手にしており、この状態をWiiリモコンが検知して自動的に通信モードが起動する。

一方で、実験者が飛行実験を中断してリモコンを置くと、その状態が検知され、自動的にマイコンがスリープモードに切り替わるというものだ。このように電力量を節約して効率的に実験が行える工夫をしているが、災害地での捜索活動などを考えると、連続して利用できる時間を延ばさなければならない。「理想は、現在実験に"協力"してもらっている昆虫ウガンデンシスの寿命と同じ3ヶ月程度まで電力を維持できること」(佐藤氏)と言い、そのために昆虫の生体反応を利用した発電機構を検討している。

「昆虫の体液を利用したバイオ燃料電池に関しては、いくつかの大学で研究が進んでいます。一般に、燃料電池には二つの電極が必要で、バイオ燃料電池では、一つの電極には酵素を固定し、昆虫の体内にある糖分のトレハロースやグルコースを酵素の力で分解して電子を得ます。その電子がもう片側の電極で酸素を還元します。酵素の固定や活性を維持するための工夫や、酸素還元用のナノ粒子触媒の開発が必要です。化学を専攻していた学生当時の知識や経験が活きています」(佐藤氏)

燃料電池用の触媒開発の研究に取り掛かった佐藤氏は、自身の所属学科が現在は機械航空工学科であることから、化学を専攻していない学生でも簡単にナノ粒子の合成を行える方法を考えていた。そして着想したのが、電極を水溶液に漬かすだけ、という非常にシンプルな方法であった。

「白金や他の金属の合金をベースにしたナノ粒子が日々開発されており、組成や構造を変化させた多種多様な触媒が提案されています。とても高い活性の触媒が開発されていますが、合成に当たって、高温・高真空が必要であったり、合成のステップが多く複雑、もしくは合成に時間がかるなどの問題があり、多くは実用化が難しいです。私の研究室でもナノ粒子触媒を手掛けたい。けれども、大学院生ならともなく、機械航空工学科の大学生が複雑な化学合成を扱うのはハードルが高い。何かシンプルに合成する方法を見つけて、化学初心者でも楽しめる実験にしようと考えていました。方法がシンプルであれば工業的に実用化し易いですしね。考えの末に着想したのが『Stepwise Electroless Deposition』です。大層なものに聞こえますが、何のことはない、電極を10秒程度、二つの溶液(還元剤・金属イオン)に交互に浸けるという作業を数回繰り返すだけ。高温も真空も必要ありません。5分～10分で終ります。合成法は至極シンプルですが、溶液の種類や濃度を変えるだけで劇的にナノ粒子の形や触媒活性が変わるのでとても面白いです。あまりにシンプルな方法なので、合成用の簡単なロボットも作ってみました。機械専攻の学生なら比較的簡単に設計して製作できるだろうということでやってみました。このロボットのおかげで人為的エラーの少ない実験ができます」(佐藤氏)

このように佐藤氏は、化学実験を行うに当たってデメリットであった機械学科の所属という状況を悲観せず、そのことを動機として、工業的な実用化にも通じるシンプルな合成法を着想するなど、ポジティブな思考の持ち主といえる。一方で、機械学科であるメリットを巧みに利用して、合成ロボットを手掛け、化学実験の効率化と高精度化を図っており、その発想力と行動力は目を見張るばかりである。

合成したナノ粒子触媒は燃料電池として優れた性能を示している。実際に昆虫で試すのはこれからの段階だが、触媒活性の値を見る限り、十分に期待できる結果だという。