コウモリのハネでホバリング効果を高める

February, 10, 2025, Lausanne--EPFLの研究者は、揚力を高め、飛行性能を向上させる柔軟なコウモリのような翼を設計した。このイノベーションは、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。

1934年、フランスの昆虫学者Antoine Magnanは、マルハナバチは「飛ぶことができないはずだ」と書いた。と言うのは、その小さな翼は理論的に十分な揚力を生み出すことができないはずだからだ。現代のハイスピードカメラ技術により、空気中の昆虫が飛べるようにするもの、つまり最先端の渦が明らかになった。この現象は、羽ばたく翼の前縁である前部の周りの空気の流れが渦に巻き上げられ、揚力を高める低圧領域が作られるときに発生する。

一方、コウモリは、柔軟な膜の翼を持つため、昆虫と同じくらい、またはより効率的に飛ぶことができる。実際、一部のコウモリは、同様のサイズの蛾よりもエネルギーを40%も消費しないことがわかっている。EPFLの工学部にある非定常流診断研究所の研究者は、シリコーンベースのポリマから作られた高度に変形可能な膜を備えた実験プラットフォームを使用して、より柔軟な翼の空力の可能性の研究に着手した。研究チームは、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。

「この研究の主な発見は、われわれが見る揚力の増加は、前縁の渦からではなく、膜翼の滑らかな湾曲に続く流れから来ているということである」と、元EPFL博士課程の学生で現在はブラウン大学の研究者、Alexander Gehrkeは説明している。「翼は湾曲していならないだけでなく、適度に湾曲している必要がある。柔軟性が高すぎる翼は再び性能が低下するからである。」

Gehrkeは、米国科学アカデミープロシーディングに掲載された研究を説明する論文の筆頭著者。

ドローンやエネルギーハーベスタの設計に関する洞察
研究チームは、柔軟なメンブレンを、軸を中心に回転するエッジを持つ剛性のある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、チームはポリスチレントレーサ粒子を混合した水にデバイスを浸した。

「われわれの実験により、翼の前後の角度を間接的に変更することができ、翼が流れとどのように整列するかを観察することができた。膜の変形により、流れは強制的に渦に巻き上げられることはなかった。むしろ、翼の湾曲に自然に追従し、分離することなく、より多くの揚力を生み出した」と、Unsteady Flow Diagnostics Labの責任者であるKaren Mullenersは説明している。

Gehrkeによると、チームの結果は生物学者だけでなくエンジニアにも重要な洞察を提供する。

「コウモリがホバリングし、変形可能な膜の翼を持っていることはわかっている。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だが、生きた動物で実験を行うことは簡単ではない。簡略化されたバイオインスパイアード実験を使用することで、自然の飛行士について学び、より効率的な航空機を作る方法を学ぶことができる」

Gehrkeの説明によると、ドローンが小型化されるにつれて、飛行機のような大型の乗り物よりも小さな空力摂動や不安定な突風の影響をより強く受ける。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動作を停止するため、1つの解決策は、動物と同じ羽ばたき翼の動きを使用して、これらのフライヤーの改良版を作成し、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ようにすることである。

また、この研究成果は、風力タービンなどの既存のエネルギー技術のアップグレードや、海流からのエネルギーを受動的に利用する潮汐採取機などの新しいシステムの商業化にも活用できる可能性がある。センサと制御技術の進歩は、人工知能と組み合わされる可能性があり、柔軟な膜翼の変形を調整し、そのようなフライヤーの性能を様々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正確な制御ができるようにする可能性がある。