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⼤腸の動きに着⽬した「蠕動運動」でロケット燃料を作る―中央⼤学発ベンチャー企業「Solaris」：事業化への挑戦―
中村 太郎／中央⼤学理⼯学部教授
専⾨分野 ロボティクス・メカトロニクス、機械システム、知能機械学
中村太郎【略歴】

はじめに中央⼤学とJAXAが、世界で初めてとなる固体ロケット推進薬（燃料）を連続的に⽣成する装置を開発し、⽣成された推進薬の燃焼実験に成功した。２０１８年３⽉１６⽇にその開発内容について記者会⾒を⾏った。この装置は、⼤腸の蠕動（ぜんどう）運動の動きを⼈⼯筋⾁によるソフトアクチュエーションによって再現した「蠕動ポンプ」という独創的な技術を⽤いることで実現した。本装置により固体ロケットの⽣産コストが劇的に抑えられる可能性があり、⽇本における宇宙産業のプレゼンスの向上につながることが期待されている。
さらにこの装置は中央⼤学で初めてとなる公式のスタートアップ系⼤学発ベンチャー「Solaris（ソラリス） 」にて事業化される予定である。本報では、これらの詳細な内容について述べていく。

なぜ⼤腸の運動なのか？

―基本原理の発想は、トイレの中で思いついた！―

現在、⼟砂やセメント、⾷品や薬品の⽣成や搬送など、様々な現場における最終製品・中間材料として、固液混合流体（固体と液体がごちゃ混ぜになった流体）や⾼粘度流体（ハチミツのようなねっとりとした流体）の混合搬送技術が求められている。しなしながら現在、これらの搬送・混合技術は以下のような⼤きな問題を含んでいる。
・搬送に⼤きなエネルギが必要となり、装置が⼤型化する。
・被搬送物と搬送物の間に⼤きな⼒（摩擦・せん断⼒）がかかり、発熱や衝撃によりその組織や構造が崩壊してしまう。
・しばしば混合と搬送技術は別途の装置が⽤いられており、その⼀連の⼯程がバッチプロセスとなる。（⼈件費や⼯程に時間がかかる。⼈が介在することも多く、危険物の場合は扱いが難しい）
実は以上のような問題を解決するため、著者は⻑い間悩み続けて⼤腸の蠕動運動という発想にたどり着いた。
思いついたきっかけは、著者らが開発しているミミズロボットの運動原理を使って何かを搬送することができないか？と考えていた時に、ちょうどおなかを壊したことがあった。トイレの中でおなかを抑えながら、⾃分のおなかの⼤腸の動きに思いを馳せた時、この⼤腸の運動はミミズと同じ蠕動運動であり、内側に同じような運動を起こせば搬送・混合・脱⽔等の多機能なポンプとして使えるのではないか？と思いついた。トイレから出た後⾃分で整理して考えたところ、この蠕動運動により、⼩さいエネルギでの搬送・混合が可能となり、そのせん断⼒も⼩さい。また搬送と混合の連続化も可能となり、上述の３点の問題を解決できる可能性があると思った。この時はまだどのような構造で具現化するかは全く想像もつかなかったが、これはうまくいく！と直感的に思った。と同時にその当時はこれほどたくさんの応⽤分野に発展し、⼤きなプロジェクトになるとは思ってもみなかった。

⼤腸の運搬と混合のしくみ

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⼤腸の動きに着⽬した「蠕動運動」でロケ
ット燃料を作る―中央⼤学発ベンチャー企業「Solaris」：事業化への挑戦―（中村太郎）
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２００９ロンドン紀⾏〜ミドル・テンプルを訪ねて〜（動画）みなさんは⼤腸がどのようにして⼈間がたべた⾷塊を運搬しているかご存じだろうか？－ 図１のように、⼤腸は半径⽅向に収縮する環状筋と⻑軸⽅向に収縮する縦⾛筋という２つの筋⾁で構成されている。これら筋⾁によって内側⽅向へ閉じる⼒と⻑軸⽅向への収縮⼒がうまれ、その動きを連動させることにより図２のような収縮波をともなった「蠕動運動」や「分散運動」という独特の動きを発⽣させる。この動きは⾷塊を搬送したり液体と⾷塊を混合しながら搬送する機能を持っている。
“感覚的”には、袋に⼊れた液体を外側から⼿で握りつぶしながら搬送したり混ぜたりする動作と似ている。
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図１

⼤腸の筋⾁構造

蠕動ポンプの開発

図２

⼤腸の蠕動運動と分散運動-蠕動ポンプのしくみについて-

著者らは２００８年ごろに、上述のような「蠕動運動」をはじめとした⼤腸の運動に着⽬した図３のような蠕動ポンプを開発した。このポンプの⼤きな特徴は「⼤きい⾯積で」「柔らかく」「揉むように」押し出す動作を実現することである。しかしながら従来のモータのような回転運動を中⼼とした駆動装置（アクチュエータ）ではこのような運動の実現は⾮常に難しかった。おそらく現在まで⼤腸のようなポンプが発想段階においても提案されてこなかったのは、そもそもこのモータの動きに限界があったからであると考えている。
⼀⽅、著者らがこの蠕動運動を実現するために注⽬したのは「空気圧⼈⼯筋⾁」である。この⼈⼯筋⾁は著者らによって開発された柔らかくて⼒が強いソフトアクチュエータである。この技術を取り⼊れることで、今までにない全く新しい構造を発想することができた。
図４にポンプを構成している１ユニット断⾯図を⽰す。このユニットの外側に⼈⼯筋⾁を配置し、内側にゴム円筒チューブを配置することで、⼤腸管の環状筋と縦⾛筋に⾒⽴てた機構を提案している。内部に空気圧を加圧することで、ユニットは⻑軸⽅向に収縮するとともに、円筒チューブは内側に膨張し、ユニット内部を閉鎖することができる。
図５に固液体混合流体の垂直搬送の様⼦を⽰す。なお、本作動流体として固体含有率３０％のときの固液体混合流体を⽤いている。この図より、固液体の垂直搬送が可能であることが確認できる。なお２００００[mPa･s](⽔あめぐらいの粘度)の⾼粘度流体を垂直搬送にも成功している。

図３

蠕動ポンプの概要【 ⽬次へ 】

図４

蠕動ポンプのユニットとその挙動

図５

固液混合流体４の垂直搬送実験の様⼦蠕動ポンプで固体燃料ロケット燃料を作る！

-ロケット製造の概念を変える！-

電⼦製品の急激な発達により⼈⼯衛星が⼩型化してきている。これに伴い打ち上げるロケットも⼩型化しており、⼩型化に適している固体燃料ロケットの需要が⾼まってきている。⽇本での固体燃料ロケットは、⽷川英夫博⼠による１９５５年のペンシルロケットの⾶翔実験から最近ではイプシロンロケットまで⻑い歴史と実績があり、⽇本のロケットの完成度と打ち上げ技術は世界トップレベルと⾔われている。⼀⽅、⼈件費をはじめとしたコストが他国よりも⾼く、国際的な競争を鑑みた場合、⼤きな障壁となっている。
固体燃料ロケットの推進薬は固体の燃料と酸化剤を混練することで⽣成される。これまで⽣成⽅法は、⾦属のブレードを⾦属ボールの中で回転させて攪拌するプラネタリミキサで混合して、別途⼈⼒で搬送するバッチ式で製造されている。そのため、現在の製造⼿法は、製造装置の維持管理、⼯程管理の観点でコスト低減へのハードルが⾼く、安全⾯に配慮しつつ新たな製造⼿法の検討を進めることが難しい状況であった。これらの⼿法は５０年以上変わっておらず、NASAをはじめとした欧⽶各国でも新⽅式の開発に挑戦したが、うまくいかなかった。
そこで著者らはJAXAとともに、図５の蠕動ポンプの原理を使えばこれらの問題か解決できるのではないかと考えた。図６に開発された蠕動運動型混合搬送装置を⽰す。本装置は固体推進薬の混合や搬送を安全かつ連続的に実現することで、その製造プロセス全体を⾒直して、コストの抜本的な低下を⽬指している。⼤腸の蠕動運動を模した「⼤きい⾯積で」「柔らかく」「揉むように」押し出す動作を実現しているので、攪拌ブレードの必要なしに固体燃料を安全かつ連続的に図７のように混合し、ロケット本体まで搬送することが期待できる。
２０１８年２⽉にJAXAや⽇本カーリット株式会社の協⼒を得て、世界で初めての蠕動運動型混合搬送装置をつかった本格的な固体推進薬の燃焼試験を⾏った。その様⼦を図８に⽰す。実験は⾒事成功し従来⽅法で製造した⽅法と同じ出⼒特性を得られた。

図６

固体推進薬製造のための蠕動運動型混合搬送装置

図７ 固体推進薬混合の様⼦

図８

蠕動運動型混合搬送装置による固体ロケット⽤推進剤の燃焼試験の様⼦

中央⼤学発ベンチャー「ソラリス」での事業化を⽬指す！

２０１７年９⽉、中央⼤学で得られた研究成果に基づいて事業化を⽬指す、中⼤で初めてのスタートアップ系ベンチャー企業「Solaris（株式会社ソラリス）」が発⾜した。主な創設メンバーは著者と著者が運営する研究室に所属する⼭⽥泰之助教である。
本来は研究室で開発された⼈⼯筋⾁等のソフトアクチュエーションやソフトロボティクスに基づいた⾰新的な技術システムの開発事業を⽬指しているが、当⾯はこの技術がコア技術として含まれている固体燃料ロケット⽤の蠕動運動型搬送装置の事業化に注⼒する。今後の中央⼤学とソラリスの活躍にぜひ注⽬してもらいたいと思う。

中村 太郎（なかむら・たろう）／中央⼤学理⼯学部教授
専⾨分野 ロボティクス・メカトロニクス、機械システム、知能機械学
１９７５年⽣まれ。信州⼤学⼤学院⼯学系研究科博⼠後期課程修了。１９９９年、秋⽥県⽴⼤学助⼿。２００４年、中央⼤学理⼯学部専任講師, ２００６年、同⼤学准教授をへて、２０１３年より同⼤学教授。２０１７年
株式会社ソラリスCEO、現在に⾄る。２０１２－２０１３年までスイス連邦⼯科⼤学ローザンヌ校VisitingProfessor。博⼠(⼯学)。⼈⼯筋⾁を⽤いたスソフトロボティクスの開発と制御、および⽣物を規範としたバイオロボティクスの開発と応⽤に従事。２０１１年、⽂部科学⼤⾂表彰若⼿科学者賞などを受賞. 単著に「図解⼈⼯筋⾁」等がある。

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