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やわらかい物質の物理学（１）：いきものとの接点

九州大学大学院工学研究院機械工学部門

准教授 山口 哲生

静岡県立大学市民勉強会 2016年3月5日

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自己紹介

山口 哲生（やまぐち てつお） 4４歳 男

趣味：ランニング（市民マラソンでの優勝を目標に練習中）スノーボード

略歴1990年：熊本県立熊本高校卒業1994年：京都大学卒業（石油化学科）1996年：東京大学大学院修士課程終了（広域科学専攻）サラリーマンなどを経て，2007年：東京大学大学院博士課程修了（物理工学専攻）2007年：パリ市立工業物理化学専門学校 博士研究員2007年～2011年：東京大学 助教（物理工学科）2011年～：九州大学バイオメカニクス研究センター

現在，九州大学大学院工学研究院機械工学部門 准教授

専門

やわらかい物質（ソフトマター）の物理学（とくに接着・摩擦・破壊現象）に関する研究

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本日のおはなし

０．自己紹介１．やわらかい物質の物理学（１）：いきものとの接点• ソフトマターとは？• ゲルの体積相転移とBZゲル• 表面張力で動く液滴• 関節軟骨の極低摩擦とゲル人工軟骨• ヤモリ模擬粘着材料

休憩（30分）

２．やわらかい物質の物理学（２）：自然現象との接点• ソフトマターの摩擦メカニズム• 地震現象のアナログ実験• アナログ実験の意義• そのほかの現象（付加体形成，雪崩，柱状節理，火山噴火）のアナログ実験

３．まとめ４．参考図書

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ソフトマター ＝ ソフト（やわらかい）＋マター（物質）（cf. ダークマター ＝ ダーク（暗黒）＋マター（物質））

ソフトマターとは，高分子，コロイド，液晶，界面活性剤などからなる

“やわらかい”物質の総称．

フランスのPierre-Gilles de Gennes が彼のノーベル物理学賞 授賞

式（1991）で紹介したことから，広く名称が知られるようになった．

ソフトマターとは？

Pierre-Gilles de Gennes (1932-2007) 4

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物質による分類：高分子，コロイド，液晶，界面活性剤，…

形態による分類：ゴム，ゲル，オイル，粉体，泡，二重膜，関節軟骨，…

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ソフトマターとは？

Ａ．高分子(polymer)

モノマーと呼ばれる分子が共有結合によって

長く繋がってできた紐状の分子．モノマーの

数は数100から数万，ときには数千万になる

こともある．

高分子の例

ポリエチレン（ビニール袋の材料），ＤＮＡ，

タンパク質，ゴム，

(a)の直線（直鎖）状の高分子だけでなく，

(b)分岐高分子や(c)網目状高分子も存在する．

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ソフトマターとは？

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Ｂ．コロイド(colloid)固体（あるいは液体）の微小な粒子（または液滴）を（他の）液体中に分散させた物質．微粒子の大きさは数nmから１μｍ程度であり，それを構成する原子に比べてはるかに大きい．分散している粒子を分散質，それを取り囲んでいる液体を分散媒という．

コロイドの例牛乳，絵の具，化粧品

固体微粒子からなるコロイドは，低濃度 ⇒ 液状（ゾル）高濃度 ⇒ 固体状（ゲル）のように状態が変化する．

Ex. 絵の具が乾くとカチカチになる．牛乳に酢を入れると固形分が凝集する．

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ソフトマターとは？

Ｃ．液晶(liquid crystal)

「液体」と「結晶」の中間的な性質をもった

物質の状態．

例：棒状分子

(a) 結晶

配向も重心位置も規則的

(b) ネマティック液晶

配向は規則的，重心位置はランダム

(c) スメクティック液晶

配向は規則的，重心位置はｚ方向では規則的

(d) 等方性液体

配向も重心位置もランダム

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ソフトマターとは？

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Ｄ．界面活性剤(surfactant)水と油のどちらの液体にも溶ける物質．水と油との界面がある場合には，そこに集まることで界面を安定化することができる．また，水や油の中に存在するときには，ミセルと呼ばれる会合体（自分で集まってできた構造）を作る．

例：洗剤水の中に油汚れがあると，それらの界面に入り込んで界面を安定化（面積を広げようと）する．その結果，油が微細化して水の中に分散し，油汚れが落ちる．

例２：細胞膜水の中に脂質でできた二重膜を形成することで，細胞内部を外的環境から隔てることができる．

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ソフトマターとは？

E．粉体(granular matter)

粉，粒などの集まったもの（集合体）．粉

（粒）の間の空間（空隙）を占める媒質も含め

て一つの集合体と考える．個々の粉，粒は固体

であるが，集合体としては流体（液体）のよう

に振る舞う場合がある．砂の振る舞いは一つの

例と言える．

例

砂，セメント，小麦粉，コロイド，磁性流体，

磁気テープなどに塗布する磁性の（超）微粉末，

コピー機のトナー，土星の輪

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ソフトマターとは？

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F．交通流(traffic flow)，群れ

車や人の集団も（アクティブな）粉体とみな

せるという意味で，ソフトマターである．

アクティブソフトマターと呼ばれる．

例

車の流れ，群集，鳥の群れ，渋滞

渋滞に関する研究分野は「渋滞学」と呼ばれ，

様々な分野から関心をもたれている．

西成著「渋滞学」11

ソフトマターとは？

身の回りにあるソフトマターをいくつか挙げてみましょう．

少し考えてみてください

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たとえば，いま： 自分の体（高分子，界面活性剤），衣服，靴，消しゴム，液晶，…朝： 布団，歯磨き粉，洗顔フォーム，牛乳，パン，コンタクトレンズ，…通学時： タイヤ，椅子，ゴムブッシュ，植物，…大学： 野菜，うどん，ゼリー，ソフトクリーム，果物，…夜： こんにゃく，ちくわ，シャンプー，ボディーソープ，…

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やわらかさ（かたさ）はどうやって知るの？

対象となる系（物体）にある大きさの変形（伸び）

を与え，それにかかる力を測定する，または，

ある大きさの力を加え，変形の大きさを測定する．

例：バネの硬さ（バネ定数 k）の測定

𝑘 = 𝐹

𝑋（フックの法則）

X : バネの変形の大きさ（入力）

F : バネに加わる力の大きさ（出力）

バネ定数は，バネの太さや長さによって変化してし

まうため，物質のやわらかさを表現するのに適して

いない．

⇒ 弾性率という量を用いる．

やわらかさの指標

X

F

図：バネの力と伸びの関係

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傾き k= バネ定数

硬い やわらかい

弾性率（ヤング率）E [Pa]

𝜎 =𝐹

𝐴: 物体に加わる応力

𝜀 =𝑋

𝐿：物体に加わるひずみ

とすると，

𝐸 = 𝜎

𝜀と定義される．

バネ定数kと弾性率Eとの関係は，

𝑘 = 𝐹

𝑋=

𝜎𝐴

𝜀𝐿= 𝐸

𝐴

𝐿

(バネ定数は，面積に比例し長さに反比例)

ゲルの弾性率は，金属と比べて

6～8桁も小さい！

やわらかさの指標

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F

断面積 A

もともとLの長さの柱がX伸びる

弾性率 [Pa]金属 E ～ 1011

岩石 1010

プラスチック 109

ゴム 106

ゲル 103 - 105

水（液体） 0 ※

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やわらかいことで何が起こるか？

弱い力で大きく変形する．

弱い力とは：外力，重力，表面張力，化学力など※素粒子の間に働く4種類の力（重力，電磁力，弱い力，強い力）の

ひとつではない！

ソフトマターの物理学は，物性物理学の主役である金属や半導体とは

異なり，さまざまな弱い力によってうまれる物質の構造や運動，機能

を研究する学問分野である．

ソフトマター物理学を研究するメリット：

一見分かっているようでいて，実は未解明な現象が多い！

目で見ていて面白い！

ソフトマターの特徴

• ソフトマターとは，高分子，コロイド，液晶，界面活性剤などからなる“やわらかい”物質の総称．

• 最近では，交通流や動物の群れなどもソフトマターの研究対象として扱われている．

• ソフトマターは，構成要素が大きいだけでなく，構成要素が小さくても自己組織的に大きな集団を形成することにより，全体としてやわらかさを示すことになる．

ここまでのまとめ

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ゲルとは？

• 網目状の高分子

• 多量の溶媒を含む

• やわらかい (ヤング率 = KPa – MPa)

• 生体組織，食品，コンタクトレンズなど，身のまわりにあふれている

• ゴムとの違いは？

ゲル：高分子溶液を架橋したもの

ゴム：高分子融液（メルト）を架橋したもの

※ただしそれらの区別は曖昧

食品（ゼラチンゲル）

ソフトコンタクトレンズ(support.bausch.co.jp)生体（関節軟骨）

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化学ゲルと物理ゲル

化学ゲル

化学結合（共有結合）によって架橋点を形成している．

結合は強固であるが付加逆．

例：アクリルアミドゲル，HEMAゲル，Double Network

ゲル，スライドリングゲル，Tetra-PEGゲル，シリコーンゲル

物理ゲル

水素結合やイオン結合，疎水性相互作用などの分子間相互作用や，高分子鎖の物理的絡み合いによって架橋を形成している．

結合はそれほど強くない．

温度や溶媒組成，ｐHなど変化によって，ゾル‐ゲルの

2状態を可逆的にとることができる．

天然高分子からなるゲルの多くは物理ゲル．

例：ゼラチンゲル，寒天，こんにゃく，豆腐，PVAゲル

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会合

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ゲルにおける興味深い現象

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環境の変化による膨潤・収縮

高分子鎖の状態が変化し，ゲルの体積が増加したり（膨潤）減少したり（収縮）する現象

例：化学ゲル

体積相転移

膨潤・収縮挙動の一種．温度やpHなどのパラメータを連続的に変化させると，あるところで体積が不連続に変化する現象．

Cf. 気液相転移

気液相転移：流体で起こる．界面エネルギーは比較的小さい．

ゲルの体積相転移：弾性体で起こる．異なる相間の界面エネルギーはかなり大きい．相転移温度や形状に大きな影響を与える． www.nature.com体積 V

温度 T

アクリルアミドゲル（水・アセトン混合溶媒中）

アセトン多

アセトン少

膨潤収縮

共存

臨界点

Ilmain et al. Nature (1991)

ナメクジに塩をかけるとナメクジが縮む

その他の現象

ゲル表面のしわ生成

田中豊一(1946-2000)

ゲルの物理学，生物物理学に関する先駆的な研究を数多く行なった．

ゲルの体積相転移によって表面にしわが寄ることを発見，そのメカニズムを詳しく調べた．

現在，デバイスへの応用を目指してさまざまな研究が行なわれている．

ゲルアクチュエータ

電場，ｐH，濃度場などの外的刺激を与えることによって，ゲルに変形（伸張/屈曲，曲げ）を誘起．

Okuzaki et al., Nature (1992)20

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ロシアの生化学者B. P. Belousovによって発見された反応．のちに，Zhabotinskiiが詳細な機構解明に取り組んだ．

クエン酸サイクルと呼ばれる生体の代謝回路にヒントを得た．

化学反応

BZ反応

BZ（Belousov-Zhabotinsky） 反応

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2011年に水戸第二高校数理科学同好会の女子学生5名が，ある条件で振動の停止と再開が起こることを発見，アメリカの専門誌に論文発表． 2011年11月17日読売新聞夕刊

吉田（東大）・原（産総研），MITグループ

自励振動を行なう化学反応として知られているBZ反応をゲル中に組み込んだBZゲルは，心筋のような動きを示したり，歩行したりする．

自律的に振動するゲル

BZ（Belousov-Zhabotinsky） 反応

歩行するBZゲル

脈動するゲル22

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アメーバのように水中を自発的に動くロボットを作りたい！

アメーバの場合には，モータータンパクによって駆動される原形質流動が運動を支配．

ここでは，ソフトマターにおいてしばしば重要となる，表面張力の効果によって物体を動かすこともできる例を示す．

表面張力とは？

なるべく表面積を小さくするために表面が縮こまろうとして，相手を引っ張り込もうとする力

表面張力によって動く液滴

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水滴

基板

体積V

体積V

表面積大 表面積小

住野氏（東京理科大）の卒業研究．

水中の油滴が，前後にできる表面（界面）張力の差を利用して動くことを発見．

油滴がランダム（無秩序）に動き回る．

自発的に動く液滴

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ソフトマターと生体規範

生体規範（生体模倣）

自然界には，優れた機能がいくつも存在している．

その優れた機能を理解して，工業製品の開発に役立て

ようという流れがある．

Bio-mimetics（生体模倣）←こちらの呼び方が一般的

Bio-inspiration（生体規範）←個人的にはこちらのほうが

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ピーター・フォーブス著・吉田三知世訳：ヤモリの指‐生き物のスゴい能力から生まれたテクノロジー，早川書房，東京（2007）

生体規範の具体例

生体規範材料の具体例（括弧内は応用先）

-ヤモリ（粘着テープ）

-関節軟骨（人工関節）

-貝殻真珠層（複合材料）

-ハスの葉（撥水・防汚表面）

-クモの糸（繊維）

-ゴボウの実（マジックテープ）

-ムール貝（水中接着）

-蝶・昆虫の羽（構造色）

-セイヨウシデの葉（宇宙構造物）

Etc.…

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ハスの葉 ヤモリの足

貝殻真珠層 クモの巣

セイヨウシデ 蝶・昆虫ゴボウの実マジックテープ（面ファスナー）

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関節軟骨の超低摩擦と人工軟骨

関節軟骨とは？

• 関節の表面に存在するやわらかい組織（ヤング率 E ～ MPa）

• 生体高分子（タイプⅡコラーゲン，コンドロイチン硫酸，ケラタン硫酸，ヒアルロン酸など）がネットワーク状に結合してできた巨大分子

• 水を大量に含有（水分量＞70 wt%）

• タンパク質や脂質を含む潤滑液で潤滑．

• 一種のハイドロゲル（寒天，ゼリーの仲間）

ハイドロゲルの例（ゼラチンゲル）

関節軟骨の模式図

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１．表面における効果

電解質高分子ゲルの摩擦における超低摩擦化

関節軟骨表面への脂質・タンパク分子吸着

脂質・タンパク質が自己組織構造を形成

→ 低摩擦状態の実現

Kaneko et al., Adv. Mat. (2005)

Nakashima et al., JSME Int. J. (2005)

高摩擦

低摩擦

関節軟骨の超低摩擦機構

− − − − − − −

−

−−−

−

−− −

− −−

− −++

++

+

+ + +

+

+

++

+

+

+

+ +

+

+−

−−

−

−−

−

−− −− −

−+

+

+

++ +

+

++

++

潤滑層

Glass plate

ゲル

J. P. Gong, Soft Matter (2006)

表面での反対電荷の濃縮によって高い浸透圧が発生→ 潤滑層形成，低摩擦状態の実現

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摩擦係数 𝜇 =摩擦力荷重

μ = 10-4

のとき，荷重100kgに対して摩擦力はわずか10g！

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N. Sakai et al., Tribol. Int. (2012)

Cylinder P(x)：pressure

x

Flow field

Articular cartilage(gel)

Compression Shear

Compression

Elastic stress

Hydrostatic pressure

Gel

Cylinder

３．内部流体による荷重支持機構

接触によって接触圧は上昇するが，成分の

大部分を占める流体によって荷重を支持．

→ 軟骨中の弾性体成分は

わずかな垂直抗力の負担で済む．

→ 発生するせん断力が小さくなる．

→ 摩擦係数も小さな値を取る．

しかしながら，このメカニズムは流体が抜けてしまうと働かなくなる，過渡的なものである．

→実際には，立ったり座ったり，歩行時・走行時には脚を入れ替えたりしているので，その都度（除荷時に）回復することができる．

関節軟骨の超低摩擦機構

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PVAハイドロゲルを用いた人工関節軟骨

人工関節軟骨の実現に向けて

生体関節のすぐれた潤滑メカニズムを解明しつつ，

これまで人工関節として用いられてきた人工関節

‐超高分子量ポリエチレン‐メタル

‐超高分子量ポリエチレン‐セラミクス

に代替するようなハイドロゲル人工軟骨（関節）を作る！

⇒PVA（ポリビニールアルコール）ハイドロゲル

PVA水溶液から，凍結解凍法（凍結と解凍を繰り返す）やキャストドライ法（乾燥させる）によって右写真のようなハイドロゲルを作製．

その結果，極めて摩擦が小さくなる（μ ～ 0.01）ことを確認．

これまでの人工関節置換術（人工股関節）

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PVA ハイドロゲル

Murakami et al. (2015).

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自然界には，ヤモリのように接着・剥離を巧みに利用する生物が存在する．

すぐれている点• 壁や天井を難なく歩ける

（しっかり接着し，しかも簡単に剥離する）• ほとんどの表面に粘着できる

（粗い表面，濡れた表面など）• 粘着するにもかかわらず汚染されにくい

ヤモリの優れた接着・剥離機構

生物の粘着・剥離メカニズムを理解することは

高機能粘着テープを開発する上でも重要！

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ヤモリ手足に見られる階層構造

Figure: Hierarchy structure in Gecko.（Ａ）Gecko（Ｂ）Foot（Ｃ）Setae（Ｄ）one seta（Ｅ）Spatulae（K. Autumn, 2007）

ヤモリの手足には，微細な毛が複数のスケールにわたって生えている．

Seta

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他の動物における類似の構造

ヤモリ以外の動物にも，類似の微細構造が見られる．

Seta

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ヤモリ手足微細構造の構造と機能

基本的な性質

分子間力のみで接着，高剛性（ヤング率～GPa），しかししなやかに変形．

易接着・易剥離

接着したいとき：押し付けながら横方向に引っ張る．

剥がしたいとき：接着するときとは逆に押し込む．

セルフ－クリーニング性能

ヤモリ手足は，良く接着するにもかかわらず汚染されにくい．

階層構造と安定性

大きさの異なるsetaeとspatulaeが接着面の表面粗さに追従し，安定した接着を確保．

B. Zhao et al., J. Phys. Chem. (2009)

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ヤモリ擬似粘着テープ（Gecko inspired adhesive）

ファイバ状・ブロック状・マッシュルーム構造

• 粘着・剥離のスイッチングができない（弱粘着 or 強粘着）

• 負の垂直荷重が実現しにくい（負の荷重になると，どんどん剥離が進行してしまう）

ヤモリ模擬粘着剤の研究開発事例

ポリプロピレンファイバー

（Madiji et al. PRL 2006）人工ヤモリ粘着剤（図中C ～ H）

（Ge et al. PNAS 2009）

マッシュルーム構造

ファイバー状構造

応力集中

マッシュルーム構造

引張圧縮 引張圧縮 圧縮

簡単にはがれる

はがれにくい曲がり梁＋パッド構造

我々の研究

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・スパチュラを円弧＋直線という単純な形にモデリングする

・材料にはシリコーンゴムを使用．

・寸法はR=40mm, l=20mm,θ1=30°, θ2=60°

・金属の型に流し込み，真空装置にかけて中の空気を抜いた後，加熱して固めた．

l

R

θ1

θ2

人工スパチュラの作成

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・押しつけ，スライド，剥離の３つで１サイクルとし，次の３パターンにおける垂直荷重を測定した．

①圧縮1mm/sで15ｓ押し付け

②水平方向の移動Ａ. テーブルを左にスライドB. テーブルを右にスライドC. スライドなし

③その後引張速度1mm/sで剥離

① 押しつけ スライド 剥離

実験手法

② ③37

(a) d// = - 10 [mm]

(b) d// = ±0 [mm]

(c) d// = + 10 [mm]

5 mm

実験結果の一例

-600

-400

-200

0

200

400

600

0 5 10 15 20 25

Ve

rtic

al f

orc

e [

mN

]

Time [s]

L

R

keep

Compression Lateral motion

Debonding

A

B

C

A B C

・押しつけ・引き離しの動きの他に，横方向へのスライドを加えることで，接着・剥離の切り替えができることを確認した．

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米スタンフォード大学やマサチューセッツ大学の研究者が開発

ヤモリ模擬ロボット・ヤモリ模擬粘着パッド

Stickybot （Stanford university）

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Geckskin （UMASS・Amherst）

https://geckskin.umass.edu/

垂直な壁はOK天井は？？？

前半のまとめ

• ソフトマターとは？

• ソフトマターの特徴

• ゲル，自律的に振動するゲル

• 表面張力によって駆動される液滴

• ソフトマターと生体規範

• 人工関節軟骨

• ヤモリ模擬粘着テープ

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ポイント：ソフトマターは，そのやわらかさゆえ，生体に近いしなやかな動きを実現するとともに，弱い力に敏感に応答することで，さまざまな機能を発現することができる．さらに，非常に簡単な実験によって，誰でも生物のメカニズムや新材料開発に簡単にアクセスすることができる．