この技術は、より効率的なドローンやエネルギーハーベスティング技術につながる可能性があるという。
- Advertisement -
1934年、フランスの昆虫学者アントワーヌ・マニャンは、マルハナバチは「飛ぶことができないはずだ」と書いた。なぜなら、彼らの小さな翼は理論的には十分な揚力を生み出すことができないはずだからだ。空飛ぶ昆虫がどのように飛行しているのかを解明するためには、最新のハイスピードカメラ技術が必要だった。その答えは、前縁渦（ぜんえんうず）と呼ばれる現象だった。この現象は、はばたく翼の前縁（先端部分）の周りの空気の流れが渦となって巻き上がり、揚力を高める低圧領域を作り出すことで発生する。
一方、柔軟な膜状の翼を持つコウモリは、昆虫と同じくらい、あるいはそれ以上に効率的に飛行できる。実際、一部のコウモリは、同サイズの蛾よりも最大40％少ないエネルギーしか消費しないことがわかっている。EPFL工学部の非定常流診断研究室の研究者は、シリコンベースのポリマーで作られた高度に変形可能な膜を使った実験プラットフォームを用いて、より柔軟な翼の空力ポテンシャルを研究することに着手した。そして、渦を作り出す代わりに、空気が湾曲した翼の上をスムーズに流れ、より多くの揚力を生み出し、同じサイズの硬い翼よりもさらに効率的になることを発見した。
ブラウン大学の研究者で、EPFLの元博士課程学生であるアレクサンダー・ゲールケ氏は、次のようにコメントしている。
- Advertisement -
ゲールケ氏：今回の研究の主な発見は、私たちが確認した揚力の増加は、前縁渦によるものではなく、膜状の翼の滑らかな湾曲に沿って流れる流れによるものだということです。
翼は湾曲していなければならないだけでなく、適切な量だけ湾曲していなければなりません。なぜなら、柔軟すぎる翼は再び性能が低下するからです。
ゲールケ氏は、米国科学アカデミー紀要に掲載された研究論文の第一著者である。
ドローンまたはエネルギーハーベスターの設計への洞察
研究者たちは、柔軟な膜を、軸を中心に回転するエッジを持つ剛性のフレームに取り付けた。翼の周りの流れを視覚化するために、彼らはポリスチレン製のトレーサー粒子と混合した水にデバイスを浸した。
非定常流診断研究室の責任者であるカレン・ムレナーズ氏は、次のようにコメントしている。
ムレナーズ氏：私たちの実験により、翼の前面と背面の角度を間接的に変更することができ、それらがどのように流れに沿っているかを観察することができました。膜の変形により、流れは渦に巻き込まれることを強制されませんでした。むしろ、分離することなく、翼の湾曲に自然に従い、より多くの揚力を生み出しました。
- Advertisement -
ゲールケ氏は、チームの結果は、生物学者だけでなくエンジニアにとっても重要な洞察を提供すると述べている。
ゲールケ氏：私たちは、コウモリがホバリングすること、そして変形可能な膜状の翼を持っていることを知っています。翼の変形がホバリング性能にどのように影響するかは重要な問題ですが、生きた動物で実験を行うことは容易ではありません。簡略化された生物にヒントを得た実験を使用することで、自然界の飛行者と、より効率的な航空機の構築方法について学ぶことができます。
同氏は、ドローンが小型化するにつれて、航空機のような大型の乗り物よりも、小さな空力擾乱や不安定な突風の影響をより強く受けるようになると説明する。標準的なクアッドロータードローンは非常に小さなスケールでは動作しなくなるため、解決策の1つは、動物と同じ羽ばたき運動を使用して、より効率的にホバリングしてペイロードを運ぶことができる改良版の飛行機を構築することだという。
チームの発見は、風力タービンなどの既存のエネルギー技術をアップグレードしたり、海洋の流れから受動的にエネルギーを収集する潮流ハーベスターのような新たなシステムを商業化したりするためにも使用できる可能性がある。
センサーと制御技術の進歩は、人工知能と組み合わせることで、柔軟な膜状の翼の変形を正確に制御し、そのような飛行機の性能をさまざまな気象条件や飛行ミッションに適応させるために必要なものとなる可能性があるとしている。
