3Dプリントされた新しいロボットコウモリ翼は、本物のコウモリの羽ばたき運動を模倣することができ、生物学者が哺乳類の飛行をシミュレーションするのに役立つほか、航空力学研究者が新しい羽ばたき翼を持つ航空機を研究するのにも役立ちます。ブラウン大学の研究者たちは、このロボット翼を製作・改良する過程で、コウモリの体が飛行のためにどのように進化してきたかについての洞察をもたらす構造上の修正点を偶然発見しました。
コウモリの翼は驚くほど複雑な機構で、揚力と推力を生み出し、飛翔する哺乳類が獲物の昆虫を素早く追跡し、長距離を飛行し、仲間の密集した雲の中を機敏に移動することを助けています。コウモリの翼はほぼ全身に広がり、2本の腕の骨と5本の指のような指で支えられています。指は弾性のある皮膚で覆われており、最大で元のサイズの400%まで伸びます。コウモリのデザインに基づいた小型航空機は、効率的な小型の羽ばたきドローンになる可能性がありますが、研究者はコウモリの飛行原理を理解する必要があります。
しかし、実際の動物を研究するのは少々難しいと、このプロジェクトを率いたブラウン大学の大学院生、ジョセフ・バールマン氏は説明する。「コウモリに8ヘルツの周波数で羽ばたくように指示してから、それを9ヘルツに上げて、それがどのような違いをもたらすかを調べることはできません」とバールマン氏は言う。「コウモリは実際にはそんな風には協力してくれないのですから」
研究者が「ロボット」のコウモリの翼を製作する（ブラウン大学より、Vimeo より）
代わりに、バールマン氏と彼のチームはプラスチック製のコウモリの骨を3Dプリントし、その上にシリコンエラストマー製の「翼膜」を張りました。骨は腱として機能するケーブルに接続され、内蔵サーボモーターによって駆動されます。チームはこの翼を風洞に入れ、羽ばたきの頻度、関連するエネルギー要件、揚力と抗力など、様々なパラメータをテストすることができます。この翼は、ヒメイヌオオコウモリの翼をモデルにしています。
羽ばたき翼を持つ航空機（および動物）は、羽ばたきと翼を少し後ろに折り畳むことで揚力を発生させます。肩を前後に曲げたり、手首を回したりする動作を想像してみてください。下降ストロークで得られた揚力の一部は、上昇ストロークで生じる抗力によって打ち消されてしまいます。これを避けるため、鳥やコウモリは上昇ストロークで翼を少し折り畳みます。バールマン氏らは、ロボットを用いて、翼を折り畳むことで正味揚力が約50%増加することを発見しました。これは、羽ばたき翼飛行の仕組みに関する有益な知見です。
しかし、この研究はコウモリの生物学的側面への洞察という点で、さらに興味深いものとなるかもしれない。例えば、翼のテスト中に、翼の「肘」にある溝状の関節が何度も破損した。バールマン氏は最終的に、実際の動物の関節を繋ぎ止める靭帯のように、この関節を鋼鉄製のケーブルで巻き付けて無傷の状態を保った。研究チームはまた、実際のコウモリは肘関節に大きな筋肉群を持っていることにも気付き、これは肘が折れるのを防ぐために進化した可能性があると研究者らは述べている。
その後のテストで、膜の先端部分が破れ始めました。バールマン氏は、その部分も伸縮性のある糸で補強しました。ブラウン大学のプレスリリースによると、この補強は最終的に、本物のコウモリの翼を補強する腱と筋肉に似た構造になったとのことです。
これは、これらの翼構造の重要性を浮き彫りにするものであり、コウモリが顔と翼を覆うジオミセス・デストラクタンスと呼ばれる衰弱性真菌によって深刻な被害を受ける理由を説明する一助となる可能性があります。この真菌は白鼻症候群と呼ばれる致命的な病気を引き起こし、その特徴的な症状の一つは翼膜の重度の感染と損傷で、コウモリは飛べなくなります。
ブラウン氏によると、ロボットコウモリの翼は、特にチームが構成の調整を開始した後、コウモリの飛行に関するさらなる疑問の解明に役立つだろうという。研究者たちは、骨の柔軟性、重量、その他の特性を研究するために、いくつかの材料を変更したいと考えている。現在、彼らの初期の研究は、Bioinspiration and Biomimetics誌に掲載されている。
