夏の大ヒット映画の裏にある科学

人はどこまで強くなれるのか？

マン・オブ・スティールにインスパイアされた

あらすじ: 75 年の歴史を持つコミック シリーズの最新リメイクでは、無邪気な農家の息子であるスーパーマンが自分の力を発見し、破壊を企ててクリプトンからやってきた 2 人の狂った悪党、ゾッド将軍とその手下ファオラから地球を救います。

答え:スーパーマンはバスや石油プラットフォームを持ち上げることができるかもしれないが、人間の力にはかなり厳しい限界があり、その第一は筋肉の性質である。人間が生み出す最大の力は、筋肉繊維の働きによって決まる。長年にわたり、科学者はさまざまな脊椎動物から筋肉を抽出し、その能力をテストしてきた。その結果、気の利いた経験則が浮かび上がった。筋肉は断面積1平方センチメートルあたり約30ニュートン（6.75ポンド）の力を生み出すことができる。「進化は保守的なプロセスであるため、これらすべての筋肉の構成要素は基本的に同じです」と、ダラスのサザンメソジスト大学の応用生理学者ピーター・ウェイアンド氏は言う。

では、なぜ筋肉を増やさないのでしょうか。ある程度、人類は昔からそうしてきました。私たちは 500 年前よりも身体的に発達しています。しかし、スポーツアナリストのジェフロワ・ベルテロ氏は、「骨が筋肉の強さを支えられなくなるため、筋肉の質量をある限度以上に増やすことはできません」と述べています。腱は非常に頑丈ですが、限界があります。1 平方インチあたり 15,000 ポンドの引張力です。ベルテロ氏は、人類は運動能力の上限に近づいている可能性があると述べています。

筋肉の構成も人間のパフォーマンスを制限します。速筋繊維は遅筋繊維よりも多くのパワーを生み出します。トレーニングによってアスリートは遅筋と速筋の比率を変えることができるかもしれませんが、研究によると、それは主に遺伝的に決まっているようです。

人間の力の限界を引き上げる方法の 1 つは、人間を超えたアスリートを設計することです。異なる骨格により、特定の動作のてこ比を増大させることができます。たとえば、デューク大学の進化人類学者スティーブン チャーチルによると、男性のネアンデルタール人は、肘を曲げるときに、おそらく現代の平均的な男性よりも 3 分の 1 強かったそうです。したがって、スーパーマンについて考えるときは、彼がクリプトンに起源を持つことを思い出す価値があります。ネアンデルタール人と同様に、彼は厳密には人間ではなくヒューマノイドであるため、異なるルールが適用されます。

健全な懐疑論:スーパーマンのスーツは鋼鉄の男と同じくらい壊れにくい。漫画家の著者は、その強さは力場やクリプトン人の繊維によるものだと言っているが、それはいつも空虚に聞こえる。防弾のボディスーツを作る唯一の方法は、柔軟で極薄、鋼鉄の 50 倍の強度を持つグラフェンで補強することだろう。

なぜロボットを心で制御する必要があるのでしょうか?

パシフィック・リムにインスパイアされた作品

あらすじ:太平洋の深海から怪獣と呼ばれる巨大な怪物が出現すると、人類は神経インターフェースにリンクされたパイロットが操縦する巨大な戦闘ロボットで怪獣を撃退しようとします。

答え:ええ、もちろんです。ドローンのパイロットのように、実績のあるインターフェースを使用することもできます。しかし、脳制御インターフェース (BCI) の方がはるかにクールです。そして、原理的に優れています。ゲーマーなら誰でも知っているように、脳信号が筋肉に伝わる速度には生化学的限界があり、怪獣と戦うときは 1 ミリ秒も無駄にできません。

とはいえ、科学者たちはその段階にはまだ程遠い。BCIは存在し、科学者たちはロボットの制御にそれを使用しているが、かなり扱いにくい。脳波パターンから明確な信号を得るのは難しく、それがエラーにつながり、反応が遅くなる可能性がある。「BCIについて話すときは非常に慎重になっています」と、20年間神経インターフェースに取り組んできたイギリスのエセックス大学の生物工学者、フランシスコ・セプルベダ氏は言う。「特定のケースを除いて、それは独立したソリューションにはならないでしょう。」

たとえば、より優れた BCI があれば、四肢麻痺の患者が移動したり、高重力で動けなくなったパイロットを助けたりできるようになる日が来るかもしれません。しかし、そのような能力があっても、BCI の有用性は限られる可能性があります。科学者は、音声コマンドや目の動きに反応するインターフェイスをより簡単に作成できるかもしれませんし、インターフェイスがまったく必要なくなるかもしれません。飛行機や車 (または 2,700 トンのロボット) に関しては、自律制御の方がおそらくより良い選択肢です。

BCI を追求する人々にとって、パシフィック・リムのパイロットは確かに役立つアイデアを提示している。彼らは 2 人で戦闘ロボットを操縦し、脳は「神経ブリッジ」でつながっている。セプルベーダのグループはこの概念に関する実験を終えたばかりだ。参加者は 2 人 1 組のチームに分けられ、宇宙船シミュレーターを操作しようとする両チーム メンバーの脳信号をソフトウェアが読み取った。神経信号を統合することで、BCI はノイズを平均化し、より正確に飛行した。2 つの頭脳は 1 つの頭脳よりも優れていることがわかった。

** 健全な懐疑論:** 制作写真によると、怪獣の血は青い。これは奇妙だが、前代未聞ではない。カブトガニは他の節足動物の中でも青みがかった血を持っている。その血球は鉄ではなく銅から作られたタンパク質を使って酸素を運ぶ。また、その血液は凝固しやすいため、カニ、そしておそらく怪獣は傷から素早く回復できる。

完全に殺傷力のある銃を派手なフェイザーピストルに置き換える日は来るのでしょうか?

スター・トレック イントゥ・ダークネスにインスパイアされた作品

あらすじ: 2009 年の JJ エイブラムス監督作品の続編。ロンドンで起きた爆破テロをきっかけに、裏切り者の連邦エージェントを追って惑星を飛び回って捜索が始まり、裏切り者の船と USSエンタープライズの間でクライマックスの宇宙戦闘が繰り広げられる。

答え: 1966 年に登場して以来、スター トレックのフェイザーはハリウッドの小道具部門やトレッキー コンベンションの定番アイテムであり続けています。しかし、指向性エネルギー兵器が間もなく戦場に登場するかもしれません。たとえば、ボーイングはトラックに搭載された 10 キロワットの HEL MD (高エネルギー レーザー移動式デモ機) を開発しており、大量のドローン、ミサイル、迫撃砲弾の攻撃から身を守ります。脅威ごとに 100 万ドル以上のミサイルを発射する代わりに、防衛専門家はレーザーを使用して複数のターゲットを正確に破壊することができます。煙はビームの強度を弱めますが、レーザーは風速や距離を考慮する必要がなく、跳ね返らないため、巻き添え被害も最小限に抑えられます。

ボーイング社は、戦術レーザーシステムと呼ばれる小型ユニットの試験も行っている。ホルスターサイズには程遠いが、Mk 38機関銃とともに海軍艦艇に搭載できる。その目的は、ドローンの群れや小型船団を即座に破壊するか、低強度のビームを使ってセンサー（または眼球）を盲目にしたり焼き尽くしたりすることで、これらを防御することだ。

レーザー銃が機能しなくなるのは、より小規模な場合です。たとえば、ボーイング社は、不特定のターゲットを破壊できるポータブル 2kw レーザーを開発中です (同社は詳細を明らかにしていません)。しかし、この武器でさえ、信頼できるアサルトライフルに代わるほど小さくはなく、2 人の兵士が運ぶ必要があります。レーザーは、光と音を最小限に抑えて所定の場所に設置して遠隔から発射できるため、ステルス ミッションに最も役立ちます。

携帯型指向性エネルギー兵器の製造における最大の課題は、エネルギーそのものである。100kw レーザーは、4 秒間の交戦でディーゼル 2 カップを消費する。これはミサイル発射に比べれば安いものだ。しかし、歩兵規模の汎用殺人光線には、今日の研究者が夢見ることしかできないエネルギー密度の燃料が必要になる。「まだ実現にはほど遠い」と、米陸軍研究局の材料エンジニア、スビーン マサウドゥ氏は言う。それを実現するには、「核融合技術レベルでの、非常に大きな進歩が必要になる」と同氏は言う。

健全な懐疑論：映画の中で、スポックは超大型の氷のようなもので火山を消火しようとする場面がある。しかし、噴火を鎮めるには、マグマを一気に固める必要があると、デニソン大学の火山学者エリック・クレメッティ氏は言う。それには、大規模な瞬間冷却が必要だ。それ以下では大量の蒸気が発生するだけで、噴火が激化するだけだ。

外骨格はいつか飛ぶようになるのでしょうか?

アイアンマン3にインスパイアされた作品

あらすじ:放蕩者の億万長者、発明家、そしてスーパーヒーローであるトニー・スタークは、マンダリンと名乗る国際テロリストによる一連の攻撃に直面する。その攻撃には、自宅への空爆やナノテクで強化された悪党たちとの格闘試合などが含まれる。

答え：アイアンマンでトニー・スタークのスーツは信じられないほど強力で、車を投げ飛ばし、ジェット戦闘機を出し抜くことができる着用型兵器システムです。実際には、これはジェットパックと外骨格という2つの技術の統合であり、この2つのうちより将来性があるのは外骨格です。外骨格に関しては、すぐにビュイックをベンチプレスで持ち上げる人はいないでしょうが、補助またはリハビリテーション用の医療機器としてすでにいくつかのシステムが存在します。Argo Medical TechnologiesやEkso Bionicsなどの企業は、障害者を対象に、基本的に着用者の代わりに歩くことができる電動デバイスを提供しており、ユーザーは車椅子に代わるより多目的な手段を利用できるようになります。外骨格には他の用途もあるかもしれません。NASAでは、研究者が宇宙服に組み込むことに取り組んでいます。彼らは、最終的には宇宙飛行士が装備を背負って火星を長距離歩いてもほとんどエネルギーを消費しないような宇宙服を開発しました。

一方、ロケットベルト（ジェットパックの専門用語）の開発は、比較的停滞している。過去10年間にジェットパックインターナショナルのH202やTAMのロケットベルトなど、いくつかのモデルがデビューしたが、どれもPR目的以上の成果は出ていない。このシステムは、有効な時間空中に留まるのに苦労し、1分も経たないうちに燃料タンクが空になる。外骨格の追加重量は、問題をさらに悪化させるだけだ。

外骨格の将来について、NASA のエンジニアであるクリス・ベック氏は、自身が開発中の X1 などの今日のシステムが、明日の超人システムにつながるだろうと述べている。「ただ空想しているわけではありません。私たちの外骨格、またはその改良版は、筋力増強に使用できる可能性があります」と同氏は述べている。外骨格は空を飛ぶこともできるかもしれないが、ジェットパックは使えない。「超軽量飛行機と当社の自動バランス調整技術を組み合わせたらどうなるでしょうか」と、ヨーロッパとイスラエルで個人使用向けに ReWalk 外骨格を販売している Argo 社の CEO、ラリー・ジャシンスキー氏は述べている。パイロット席と従来の操縦レイアウトの代わりに、搭乗者は飛行機の一体型スーツに身を潜めるだけでよい。「文字通り左右に体を傾けると、外骨格のコンポーネントが操縦してくれるのです」

健全な懐疑論:アイアンマンのジェットブーツは水中で作動するが、これは燃焼ベースのジェットは水中に沈むという事実を無視している。DARPA は 2008 年に潜水機の提案を募集したが、そのプロジェクトは行き詰まっているようだ。

人類は恒久的な軌道コロニーで生き残ることができるか？

エリジウムに触発されて

あらすじ: 2154年、最も裕福な人々はエリジウムと呼ばれる豪華な軌道ステーションに住んでいます。一人の男が、上流階級の生命を救う技術を利用して、まだ地球上にいる貧しく病気に苦しむ大衆を救おうとします。まずは自分自身から始めます。

答え:素晴らしい景色はともかく、宇宙での生活は困難です。微小重力は私たちの肉体と骨から質量を奪い、地球の磁気圏によって通常遮断される放射線は寿命を縮める可能性があります。そこで、エリジウムの前提は難問を提示します。地球上で最も甘やかされている居住者が、身体を弱らせ、癌を引き起こす軌道上の居住地になぜお金を払うのでしょうか?

映画では、お金で何でも治せるというのが答えだ。宇宙ステーションの医療は地球上のどの施設よりも優れており、ガンを含むほぼすべての身体疾患を治す装置を備えている。低重力に伴う危険については、エリジウムはスタンフォード・トーラスで、1970年代に初めて提案された設計で、住人は巨大な回転する車輪の内部で生活し、遠心力によって地球と同等の重力を受ける。

理論上、トーラスは科学的に正しいが、建造は不可能かもしれない。何百万トンもの物質を軌道上に運ぶ必要があるからだ。「このスタンフォード トーラスを建造するより、月を植民地化する方が文字通り簡単かもしれない」と、NASA の人間研究プログラムの責任者、ジョン B. チャールズは言う。地球の磁気圏の端に住むことに伴う健康上の脅威を革新的に取り除くのも難しいかもしれない。現在の宇宙飛行士は、地上に留まる前に、国際宇宙ステーションに複数回滞在し、2 ～ 3 年分の放射線を浴びる可能性がある。チャールズによると、より永続的な居住地では、廃水などの利用可能な物質を使用して放射線をそらす可能性が高いという。結局、消耗を防ぐだけでも多大な労力が必要になるだろう。その景色が価値があることを願う。

健全な懐疑論:マット・デイモンのライフルサイズのレールガンは、眉をひそめる人もいるだろう。電磁推進式発射ごとに約 10 万アンペアを供給する利点は、射程距離が長いことだ。これは、米海軍が構想しているような艦載兵器には理にかなっているかもしれない。しかし、数マイルに及ばない銃撃戦には、火薬の方が実用的だ。

この記事はもともと、Popular Science 誌の 2013 年 7 月号に掲載されました。雑誌の残りの部分はこちらでご覧ください。