リュウグウノツカイのヒレが静かな水中ロボットの着想源に
ロボット工学者のロブ・シェパードが、海の生物を驚かせないよう静かに泳ぐ大型水中ロボットの開発に着手したとき、彼は意外な場所に設計のヒントを求めました。それがリュウグウノツカイです。人間が遭遇することはまれなこの全長数メートルの魚は、リボンのような背ビレを波打たせながら水中を進みます。シェパードは、この波によって駆動される推進システムが、暴れるように進むのではなく滑るように進む機械のための工学原理に応用できるのではないかと考えました。
魚をより深く理解するため、シェパードは引退したコーネル大学の魚類学者ウィリー・ベミスに連絡を取りました。農業生命科学部の生態学・進化生物学の名誉教授であるベミスは、シェパードからリュウグウノツカイに関心があるという電話を受けたことを思い出し、自分も同じ関心を持っていると伝えました。その短いやり取りが、リュウグウノツカイの珍しい背ビレの鰭条を調査する共同研究の始まりとなりました。
波による推進のために構築された解剖学的構造
リュウグウノツカイはリボン状の体を持ち、世界中の海に分布する印象的な動物です。確認されているのは2種のみで、水深約1,000フィート（305メートル）までの世界中の海に生息しています。その大きさは膨大で、最大の個体は約8メートル（約26フィート）に達すると推定されており、これによりリュウグウノツカイは現存する最長の硬骨魚となっています。それでも、これらの巨大な魚は大型の獲物ではなく、微小な甲殻類を食べています。
彼らの背ビレは際立っています。背中から突き出た鰭条と呼ばれる骨のような骨格構造を数百本含んでいます。これらの鰭条は単にヒレを硬くするだけでなく、協調した順序で動き、それらをつなぐ膜に沿って波を生み出します。進行波が魚を前進させます。その結果、他の多くの魚が使う尾の振動や付属肢の羽ばたきとはまったく異なる、滑らかで連続的な推進形態が生まれます。
- 確認されている2種のリュウグウノツカイが世界中の海に分布している。
- 水深約305メートル（1,000フィート）まで生息できる。
- リュウグウノツカイは全長約8メートルに達し、最長の硬骨魚となっている。
- 食性は小型甲殻類で構成されている。
- 数百本の背ビレの鰭条が協調して推進波を生み出す。
ジョイスティックのような鰭条の初の観察
9月30日に学術誌「Ichthyology and Herpetology」に発表された新しい研究は、リュウグウノツカイの各鰭条が完全な円を描いて独立して回転することを可能にする解剖学と一連の筋肉について初めて記述しています。その動きはジョイスティックに例えられ、魚に個々の鰭条に対する精密で多方向の制御を与えています。この能力は、ヒレがどのようにしてこれほど複雑な波を生成できるのかを説明するのに役立ちます。
ベミスはこの論文の上級著者です。コーネル大学ダッフィールド工学部のジョン・F・カー機械工学教授であるシェパードは共著者です。ベミスの研究室の元客員研究員で、現在はバージニア海洋科学研究所の博士課程学生であるガブリエル・アフォンソが筆頭著者です。
単一の鰭条レベルでの独立した制御
各鰭条が完全な円を描いて旋回できるということは、ヒレが受動的なシートではないことを意味します。むしろ、数百の可動要素からなる能動的に制御された配列です。個々の鰭条の向きを調整することで、魚はヒレの膜に沿って伝わる波を形成し、生成される推力を調整できます。工学者にとって、この種の分散型できめ細かな制御は魅力的です。大型で騒音の多い可動部品なしに変調できる推進システムを示唆しているからです。
リュウグウノツカイの研究が難しい理由
リュウグウノツカイについては依然として謎が多く、その研究の難しさが大きな理由です。魚が死ぬと、その体は断片に分解される傾向があるため、無傷の標本はまれです。そのため解剖学的研究は困難で、鰭条に関する基本的な疑問が長い間未解決だった理由を説明するのに役立ちます。したがって、新しい論文による鰭条の筋肉に関する詳細な記述は、注目すべき空白を埋めるものです。
動物の深い生息環境も別の障害となります。水面下数百フィートに生息しているため、生きている姿が観察されることはほとんどなく、その大きさと壊れやすさが採集や検査の取り組みを複雑にしています。ロボット工学者と魚類学者の協力は前進する道を提供しました。推進に関する工学的な疑問が、十分に記述されていなかった解剖学的特徴を浮き彫りにし、魚の生物学がロボットの自然なモデルを提供したのです。
深海魚から工学設計へ
ロボット工学にとってのリュウグウノツカイの魅力は、その静かさにあります。柔軟なヒレに沿って進行波で動く大型水中ロボットは、急激で高エネルギーの動きが少なく運用でき、生み出す擾乱を減らすことができます。これは、海洋生物の行動を変えずに観察することを目的とするミッションにとって重要です。連続的な波のような動きで水中を滑る乗り物は、プロペラや振動翼で駆動されるものよりも環境に溶け込むことができるかもしれません。
リュウグウノツカイはまた、そのようなシステムが大規模に機能できることを示しています。魚の体は数メートルに達することがあり、それでもそのヒレは数百本の鰭条の協調作用を通じて効果的な推進力を生み出します。これは、基礎となる原理がスケールアップ可能であることを示唆しており、「大型」と表現されるロボットに関連しています。
この研究が海洋ロボット工学に意味する可能性
この研究は完成したロボットを提示しているのではなく、ロボットに情報を与える可能性のある解剖学的基础を確立しています。各鰭条がどのように筋肉で動かされ制御されているかを記録することで、研究者は工学者が参考にできるテンプレートを提供しています。将来の乗り物は、進行波を生成するために回転する個別に作動する要素で鰭条を模倣するかもしれません。そのような設計は、ステルス性と機動性の両方を提供し、ロボットがプロペラの速度を変えるのではなく波を再構成することで、ホバリング、旋回、加速することを可能にするかもしれません。
まだ対処すべき実用的な問題があります。数百の独立して回転する要素を海洋乗り物に組み込むには、堅牢でコンパクトなアクチュエータとそれらを協調させることができる制御システムが必要です。海洋環境は腐食性で予測不可能であり、柔軟なヒレの膜は繰り返しの曲げに耐えなければなりません。しかし、生物学的システムはこれらの課題が原理的に解決可能であることを示しています。リュウグウノツカイは何百万年もの間それをやってきたのです。
静音推進のモデル生物
この研究は学際的な取り組みの価値も強調しています。シェパードは大規模で静かに泳ぐ方法という工学的問題をベミスに持ち込み、ベミスは数十年の魚類学の専門知識を持ち込みました。アフォンソを筆頭著者とする彼らの共同作業は、欠けていた鰭条の解剖学の記述を生み出しました。最も有用な設計アイデアの中には、めったに見られず採集が難しい生物の中に隠れているものがあるということを思い起こさせます。
今のところ、リュウグウノツカイのヒレは生物学的な謎であり、工学的なインスピレーションでもあります。ロボット工学者が海洋を最小限の擾乱で探査する方法を模索する中で、この魚のリボンのようなヒレとその数百本のジョイスティックのような鰭条は、説得力のあるモデルを提供しています。それは最終的に、観察するために作られた動物と同じくらい静かに泳ぐ大型水中ロボットの助けとなるかもしれません。
この記事はPhys.orgの報道に基づいています。元の記事を読む。
Originally published on phys.org
