トンボの自由落下時自己復元メカニズムに学ぶ空力制御

細長い体、巨大な翼幅、虹色の輝きを持つトンボは独特の光景です。しかし、彼らの独自性は見た目で終わらない：地球上で最も古い昆虫種の一つとして、彼らは空中飛行の初期のイノベーターです。

今、コーネル大学工学部機械航空工学教授Jane Wang氏率いるグループが、トンボが落下中に自分を直立させることを可能にする複雑な物理学と神経制御を解明しました。

研究は、トンボの目──すべて5つ──から始まり、筋肉と翼のピッチを通じて続くメカニズムの連鎖を明らかにします。

チームの論文「トンボの自己復元反射における回復メカニズム」は5月12日にScience誌に掲載されました。Wang氏はJames Melfi博士と、バージニア州アッシュバーンのHoward Hughes医学研究所（HHMI）のAnthony Leonardo氏と共著しました。

20年にわたり、Wang氏は複雑な数学モデリングを用いて昆虫飛行の力学を理解してきました。Wang氏にとって、物理学は生物の進化を説明する上で遺伝学と同等に重要です。

「昆虫は最も豊富な種であり、空中飛行を発見した最初の種です。そしてトンボは最も古い昆虫の一部です」とWang氏。「彼らが空中でどう自分を直立させるかを見ることは、飛行の起源と、動物がいかに空中でのバランスと空間ナビゲーションのための神経回路を進化させたかについての洞察を与えてくれます。彼らの軌道は複雑で予測不可能。トンボは明確な方向性なしに常に機動します。神秘的です。」

これらの飛行力学とそれらを支配する内部アルゴリズムを研究するため、チームは制御された行動実験を設計しました。トンボを磁気テザーから逆さまに落とす──1800年代の有名なネコ落下実験（特定の「ハードワイヤード反射」がネコを足から着地させることを示した）に似た前提です。彼らは、足の接触なしで慎重にトンボを放すと、昆虫の不可解な機動が実際には同じ運動パターンに従うことを発見し、4,000フレーム/秒で撮影する3台のハイスピードビデオカメラで捉えることができました。トンボの翼と体にマーカーを付け、3Dトラッキングソフトウェアで動きを再構築しました。

研究者たちは多数の要因を考慮する必要がありました──翼と空気の相互作用の非定常空力から、トンボの身体が翼の羽ばたきにどう反応するかまで。また、すべての地球上の存在が最終的に直面しなければならない、あの厄介な力──重力もあります。

Wang氏とMelfi氏は、トンボのエアロバティクスをうまくシミュレートする計算モデルを作成しました。しかし一つの重要な疑問が残りました：トンボは自分が落下していることをどう知り、軌道を修正できるのでしょうか？

Wang氏は、人間が慣性感覚を持つのとは異なり、トンボは2つの視覚システム──一対の大きな複眼と、3つの単眼（側眼）──に頼って直立度を測定できることに気づきました。

彼女はトンボの目を塗料で塞いで実験を繰り返すことで理論を検証しました。今度はトンボが中空で復元するのがはるかに困難になりました。

「これらの実験は、視覚がトンボの自己復元反射を開始する最初かつ主要な経路であることを示唆しています」とWang氏。

その視覚キューは、トンボの4枚の翼を駆動する一組の直接筋に神経信号を送る一連の反射を引き起こし、左翼と右翼のピッチ非対称を適切に変調します。3〜4回の翼ストロークで、転落するトンボは180度回転し、正立飛行を再開します。プロセス全体は約200ミリ秒かかります。

「難しかったのは、実験データから主要な制御戦略を理解することでした」とWang氏。「わずかなピッチ非対称が観測された回転をどう導くかのメカニズムを理解するのに非常に長い時間がかかりました。主要な非対称性は多くの他の変化の中に隠れています。」

運動学的分析、物理モデリング、3D飛行シミュレーションの組み合わせにより、動物の観察された行動とそれらを制御する内部手順の間の重要な接続を非侵襲的に推測する方法が研究者たちに提供されます。これらの洞察は、小型飛行機械とロボットの性能向上を目指すエンジニアたちにも利用できます。

「数十〜数百ミリ秒のタイムスケールでの飛行制御は、エンジニアリングするのが難しいです」とWang氏。「小型羽ばたき機械は今や離陸と旋回はできますが、まだ空中に留まるのに苦労しています。傾いた時に修正するのは難しいです。動物たちがしなければならないことの一つは、まさにこの種の問題を正確に解くことです。」