安定していて耐久性があり、驚くほど壊れにくい: 昆虫の羽の驚くべき機能の背後にあるものはテクノロジーに応用できる、と研究者は報告しています。これらは、柔軟なジョイント、機械的ストッパー、「ねじれ領域」の組み合わせによって、昆虫の羽がどのように強力で衝撃に強いのかを示しています。これらの要素を複製し、3D プリントした航空機モデルに転写することで、コンセプトの効率性を実証することができました。したがって、3 成分システムは技術システムの開発に新たな可能性を開く可能性がある、と研究者らは述べています。
トンボやミツバチなどは、驚くほど強力な「軽量構造技術」で空を飛び回ります。彼らの羽は通常、昆虫の総質量のわずか 2% しか占めませんが、その繊細な構造は重い荷重にも耐えることができます。ストレスに加えて、大きな衝撃にも耐えることができます。花、葉、枝などの障害物と頻繁に衝突しても、大きな損傷を受けることなく生き残ることができます。人間のテクノロジーはこれまで、高い耐久性と併せてそのようなパフォーマンスの組み合わせを保証できませんでした。しかし、どうやって昆虫の羽を作ることができるのでしょうか？キールのクリスチャン・アルブレヒト大学の「機能形態学と生体力学」作業グループは、この問題に取り組んでいます。トンボの比較的大きな羽に注目です。
科学者たちが説明しているように、技術的構造は通常、1 つの特性のみを効率的に確保できます。それは、建物内の安定した耐荷重コンポーネントのように大きな荷重に耐えられるか、またはその柔軟性により衝突時の破損に特に耐性があるかのいずれかです。両方の機能をより適切に組み合わせることができれば、成形性をそれぞれの要件に適合させることができる、より効率的な技術構造が開発される可能性があります。しかし、これまでのアプローチは複雑で高価なことが多く、そのため広範な使用にはほとんど適していないと科学者らは述べています。
洗練されたバイオメカニクス
「昆虫は、現在工学研究が行っていることをはるか昔に完成させました」と共著者のスタニスラフ・ゴーブは言う。現在の研究で、彼と同僚は、興味深い特徴の組み合わせの根底にある昆虫の翅の構造の特殊性を示している。彼らの報告によると、翼の構造における 3 つの要素とその組み合わせがその基礎を形成しています。それは、フレキシブル ジョイント、機械的ストッパー、および「よじれ領域」です。 「この特別な構造のおかげで、昆虫の羽は、それぞれの状況に必要なものに応じて、さまざまな程度の柔軟性を持たせることができます」とゴーブ氏は言います。
研究者らが説明しているように、昆虫の羽は静脈とその間に張られた膜で構成されています。マイクロジョイントが個々のワイヤーを接続し、低負荷でも翼が曲がることを可能にします。これらの要素は、構造の長期的な回復力も保証すると研究者らは説明します。しかし、より大きな負担がかかると、マイクロジョイントにある顕微鏡的に小さなスパイクによって動きが停止されます。これらの「ストッパー」が翼を重い荷重から支えていると研究者らは説明する。構造要素の 3 番目は、衝突に関与する翼内の特別な領域を形成します。
障害物との接触: 強い変形能力により、非破壊かつ可逆的な座屈が可能になり、構造物の破損を防ぎます。 「これら 3 つの要素のおかげで、昆虫は羽の特性を適応させることができ、同時に複数の機能を果たすことができます」と筆頭著者の Ali Khaheshi 氏は説明します。
コンセプトを航空機モデルに移す
研究の一環として、研究者らはこれらの生体力学要素を人工的に再現し、その効率と技術的可能性を実証することができました。彼らは要素を高さ約 8 センチメートル、重さ 3.8 グラムの航空機モデルに転写し、3D プリンティングを使用して作成しました。このプロセスにより、昆虫の羽のマイクロジョイント、ストッパー、屈曲部分の機能的なレプリカを羽に装備することが可能になりました（図を参照）。次に研究者らは、要素を含まないこれらのモデルとコントロールに対して、さまざまなストレス実験を実施しました。また、モデルを障害物や地面に衝突させることもできます。
生物学的要素を取り入れた翼は衝突でも生き残ったが、従来の方法で組み立てられた航空機モデルは壊れたことが判明した。さらに、科学者たちは、3 つの構造要素のうち 1 つを省略したさまざまな修正設計をテストしました。 「これらの実験により、機能を確実に組み合わせるには 3 つの要素がすべて一緒に必要であることが確認されました」とカヘシ氏は報告しています。
科学者たちが指摘しているように、生物学的概念を技術的概念に変換する実現可能性は、応用開発の可能性を浮き彫りにしています。生物学にヒントを得たこのシステムの特に興味深い点は、追加のエネルギーを必要とせずに自律的に機能する翼の構造要素に戦略が基づいていることです。 「生物学から得られたこのような発見は、極端な状況や予期せぬ状況、たとえば宇宙ミッションなど人間が積極的に介入できない環境に独自に適応する技術システムを設計するのに役立つ可能性がある」と共著者のハメド・ラジャビ氏は結論付けた。
出典: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel、専門記事: Adv. Sci.、doi: 10.1002/advs.202004338
