映画提供：デイヴィッド・レンティンク
幅60センチほどのロボットハエ、油槽、そして煙とレーザーを使ったトリックを駆使し、航空宇宙エンジニアは、母なる自然が遥か昔に最も効率的な飛行方法を見つけ出していたことを発見した。少なくとも、本当に小さい人間であれば。
これは、翼の前縁上に小さな横向きの竜巻のような渦を作り出し、翼面上の圧力を下げるというものです。この低圧によって翼は実質的に吸い上げられ、通常の揚力の2倍になります。
オランダのワーゲニンゲン大学教授でカリフォルニア工科大学の研究者でもあるデイビッド・レンティンク氏が先週、サイエンス誌で発表したように、カエデの種子もこの働きをする。昆虫、ハチドリ、コウモリも、羽を前後に動かすことでこの働きをする。カエデの種子は地面に向かって旋回しながら落下する際に渦を発生させ、落下速度を大幅に低下させ、木からはるかに離れた場所に着地する。
木の種子が、それを食べる飛行動物とはまったく異なる進化の過程で先端渦を発達させたという事実は、それが最も効率的な飛行メカニズムの 1 つであることを示唆しています。
「驚くべきことです。この研究は、空気力学が進化の過程で翼の形状形成に非常に重要であり、非常に多様な生物が揚力を高めるために同じメカニズムを進化させてきたことを示しています」とレンティンク氏は述べ、木の種子は、揚力を生み出すための脳や筋肉を持たずにこの特性を進化させたと付け加えた。「これにより、前縁渦の発生は自明の理となり、非常に興味深いのです。」
種子がこれほど効率的に飛翔する仕組みを解明するため、レンティンク氏は種子の行動を観察する必要がありました。幸いなことに、カリフォルニア工科大学のマイケル・ディキンソン動物生理学研究所の研究者たちは、ロボフライとロボフライの花嫁を用いて昆虫の空気力学を測定する豊富な経験を持っています。
翼幅23インチ（約60cm）のロボットショウジョウバエ「ロボフライ」は、1秒間に5回羽ばたき、2トンの鉱油に浸されています。これは、本物のショウジョウバエが空中で羽ばたく際に感じる抗力を再現するものです。ロボフライのパートナーは、羽ばたきながら前進飛行を再現できる、似たような生き物です。
レンティンク氏は、地面に向かって回転するカエデの種子の回転運動をテストしたかったので、本物の種子の約5倍の大きさである5インチのカエデの種子を作り、それをロボフライのモーターに接続した。
多数の小さなガラスビーズが油に加えられ、レンティンク氏はそれらに強力なレーザーを照射して、「落下する」種子によって生じる渦巻きを撮影した。
「種子は回転しながらレーザー光線シートを通過し、翼の断面とその周りの流れにうまく当たります。翼の周りを動くガラス球のおかげで、流れが見えるのです」と彼は語った。
彼はまた、自分の発見を本物で検証するために、垂直風洞で32個の実際のカエデの種子をテストしました。
「昆虫やカエデの葉がこれほどの揚力を生み出すのは、色々な意味で驚くべきことです」と彼は言った。「なぜ異なる動きが進化したのかを理解するのも興味深いでしょう。それは進化の過程で受け継いだもの、例えば羽ばたきはできても連続回転はできない筋肉などによって決まります。カエデの場合、連続回転する羽で非常によく飛ぶのは生物学的に非常に理にかなっています。カエデの種子は重力と乱気流によって推進されます。このことについては、まだ分かっていないことがたくさんあります。」
では、ヘリコプターを再設計すべきなのでしょうか？レンティンク氏は、人間サイズのメープルコプターはおそらく望ましくないだろうと述べています。翼を大きくし、速度を上げると、非常に不安定な前縁渦が発生し、その持続時間はわずか数秒に過ぎません。さらに、飛行中にメープルの実のように360度回転し続けることに耐えられる乗客はほとんどいないでしょう。
しかし、小さなカエデのようなヘリコプターならそれが可能であり、監視から交通監視、他の惑星の大気圏における探査機の減速まで、あらゆる用途に活用できる。国防総省は、小型のカエデカメラの開発にさえ取り組んでいる。
「将来は、カエデの種のような翼を持つ小型ヘリコプターが登場するでしょう」とレンティンク氏は述べた。「非常に効果的で効率的なマイクロスケールまたはナノスケールの航空機を設計したいのであれば、昆虫が作り出す渦よりも、カエデの種が作り出す渦を目指す方が良いでしょう。」