このクラゲのような海の生き物が、未来の水中車両について何を教えてくれるのか

海の生き物は、水中の世界を移動するためにさまざまな独創的な方法を編み出してきました。泳ぐための尾を持つもの、滑空するためのひれを持つもの、ジェットを使って推進するものもあります。ジェットを使って推進する最後の移動手段は、イカ、タコ、クラゲによく見られます。研究者たちは何年もの間、この種の動きをソフトロボットに応用することに興味を抱いてきましたが、それは困難を極めました。(さらにいくつかの例を挙げます。)

オレゴン大学の研究者が率いるチームは、将来の水中乗り物の設計についてより良い方法をブレインストーミングするために、これらのゼラチン状の生物が水中領域でどのように自らを操縦しているかをより深く理解しようと努めた。彼らの研究結果は今週、 PNAS誌に発表された。彼らが注目した生物は、クラゲの近縁種であるナノミア・ビジュガで、端にリボンがいくつか付いた2列のプチプチのような外見をしている。

このプチプチの体はネクトソームと呼ばれ、個々の泡はネクトフォアと呼ばれます。ネクトフォアはすべて、伸縮する開口部を通して海水の流れを誘導するために膨張したり収縮したりすることで、独立して水のジェットを発生させることができます。技術的に言えば、各ネクトフォアはそれ自体が生物であり、それらが集まってコロニーを形成します。モントレー湾水族館研究所は、これらの動物を「生きた通勤電車」と表現しています。

バブルユニットは、一体となって一緒に泳ぐように調整したり、順番にジェットを噴射したり、必要に応じて独自の行動をとったりすることができます。重要なのは、ジェットを噴射するいくつかのパターンが主要な動きを生み出すことです。先端からリボン状の尾までネクトフォアのペアを順番に噴射すると、ナノミアは前進または後進できます。片側のネクトフォアをすべて噴射するか、いくつかのネクトフォアを個別に噴射すると、体が向きを変えたり回転したりします。複数のジェットにこれらのコマンドを使用すると、ナモニアは1日に2回、数百ヤードを移動して、2,300フィートの深さ（薄明帯を含む）まで移動できます。

ナモニアの場合、ネクトフォアの数は動物によって異なる。そこで研究チームは、この調査をさらに進めるために、この違いが遊泳速度や効率に影響を与えるかどうかを調べたいと考えた。効率と速度はネクトフォアの数が増えるにつれて増加するようだが、12個程度で頭打ちになるようだ。

この推進システムにより、ナモニアは多くの魚類と同程度の速度（体長に対する速度で判断）で海中を移動できるが、神経筋系を作動させるのに高い代謝コストはかからない。

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では、この海の生き物は、波の下を移動する乗り物の設計にどのように役立つのでしょうか。論文の著者の一人であるカリフォルニア工科大学のジョン・ダビリ氏は、クラゲなどの生き物の流体力学からヒントを得て水中船を設計することを長年提唱してきました。また、この論文の研究者たちは、水中乗り物の推進システムの具体的な設計を提案してはいませんが、これらの動物の行動は、複数のジェットで動作するエンジンに役立つガイドラインになる可能性があると指摘しています。「[ナモニア]ビジュガと同様に、複数の推進装置を備えた単一の水中乗り物は、さまざまなモードを使用して状況に適応できます」と研究者は論文に書いています。

ジェットの噴射方法や、どのジェットを同時に噴射するかのタイミングを少し変えるだけで、車両のエネルギー効率や速度に大きな影響を与えることができます。たとえば、エンジニアがあまり電力を必要としないシステムを作りたい場合、独立して制御できるジェットがあると便利です。車両を高速化する必要がある場合、すべてのエンジンを片側から同時に操作できる機能が必要です。

「推進装置の少ない水中車両の場合、推進装置を追加するとパフォーマンス上の大きなメリットが得られる可能性がある」と研究者らは指摘し、「しかし、推進装置の数が多い場合、推進装置の追加による複雑さの増加がパフォーマンスの増分的向上を上回る可能性がある」と述べた。

Nanomiaについて詳しく知り、フリースタイルで視聴するには以下をご覧ください。