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コーネル大学の高速カメラを使用した分析によると、世界最速の水泳昆虫であるアメンボは、これまでの物理的説明を書き換えるような、速泳ぎの海洋哺乳類や水鳥と共通の戦略を用いて驚くべき速度を達成していることがわかった

数センチメートルほどの長さのこの昆虫は、ピーク加速度100メートル毎秒、最大速度は体長の100倍（つまり1秒間に1メートル）に達する。

この結果は、アメンボのオリンピック級の速度を説明するだけでなく、水面近くで動作するロボットや無人ボートのバイオインスパイアデザインに貴重な洞察を提供する。

これまで研究者たちは、アメンボがドラッグベースの推進システムを使用してその驚異的な速度を達成していると信じていたという。このタイプの推進力は、昆虫の脚が泳ぐ速度よりも速く動く必要があり、脚が推進力を発生させるためには、水に対して非現実的な速度で押す必要がある。

同大農業生命科学部の生物環境工学の助教授であるクリス・ロウ氏は、次のようにコメントしている。

ロウ氏：それはよくある質問かもしれません。最速の水泳者とドラッグベースの推進力は通常、同じ文脈に語られることはありません。

実際、速泳ぎの海洋哺乳類や水鳥は、ドラッグベースの推進力を放棄し、リフトベースの推進力という別の推進システムを採用する傾向がある。この発見は、「アメンボはリフトベースの推進力を使用して最速の昆虫水泳を実現する」という研究で説明され、2024年1月8日に「カレント・バイオロジー」誌に掲載された。ロウ教授の研究室の博士課程の学生であるユークン・サン氏がこの論文の第一著者だ。

異なる角度で同期された2台の高速カメラを使用して、研究者たちはアメンボの泳ぎを撮影し、リフトベースの推進メカニズムが働いていることを観察した。リフトベースの推進力はプロペラのように機能し、推進運動が水面に対して垂直に働くため、ドラッグを排除し、より効率的な運動量を実現して高速を可能にする。

ロウ氏：生物学では、物を回転させるのは難しいです。私たちは収縮に基づく機械です。だから、アメンボの脚は部分的に回転するプロペラのようなもので、再セットする前に角度を回転させ、部分的にまた回転します。

2台の同期カメラの観察から得られた脚と体の速度とともに、サンは空気力学の公式を使用して、リフトベースの推進力がアメンボの高速推進に必要な力の大部分を占めていることを計算した。

ロウ氏：それは、飛行機の翼が少し傾いているのとそれほど変わらりません。その攻撃角度が実際にリフトを生成するのを可能にします。

リフトベースの推進力は、以前にはクジラ、イルカ、アシカなどの大規模な生物で確認されていた。

サン氏：この研究では、1センチメートルまでスケールを縮小しました。つまり、アメンボはリフトベースの推進力を使って泳ぐ最も小さい生物です。

ロウ氏：私たちは、これがバイオインスパイアロボティクスや他の工学コミュニティに対して、まず適切な物理を特定し、その物理を維持してロボティクスを作成することを促すことを期待しています。

アメリカ海軍は無人ボートを開発しており、従来の船のデザインは乗組員に快適な環境を提供する必要があるために制約を受けている。乗組員を排除することで、ボートははるかに小型で柔軟になる。ロウ氏は、アメンボの小型のサイズ、船のような形状、リフトを生成する推進メカニズムが、ロボット船のデザインにうまく応用できると考えている。

共同著者のジェナ・シールズ氏は、ロウ氏の研究室の博士課程の学生で、カメラの同期と方法論の開発を支援した。

この研究は、米国国立科学財団によって資金を受けて行われた。

コーネル大学