フィンは通常、揚力や推進力を提供する翼として機能し、水中や空中での動きを操縦または安定させる機能を提供します。

フィンとは、より大きな物体または構造物に取り付けられた薄い付属物または部品です。[1]フィンは通常、揚力や推力を生み出す翼として機能し、水、空気、またはその他の流体中を移動する際に、運動を操縦または安定化させる能力を提供します。また、フィンは熱伝達のために表面積を増やすために、あるいは単に装飾として使用されます。[2] [3]

鰭は魚類において移動手段として初めて進化しました。魚類の鰭は推進力を生み出し、その後の動きを制御するために使用されます。魚類やクジラ類などの水生動物は、胸鰭と尾鰭を用いて積極的に推進力と舵を取ります。遊泳時には、背鰭や尻鰭といった他の鰭を用いて安定性を確保し、操縦性を向上させます。[4] [5]

鯨類、魚竜、メトリオリンクス類、モササウルス類、プレシオサウルスの尾のひれは尾ひれと呼ばれます。

推力発生

フォイル状の鰭は動かすと推力を生み出し、鰭の揚力によって水や空気が動き、鰭を反対方向に押します。水生動物は、水中で鰭を前後に動かすことで大きな推進力を得ます。多くの場合、尾鰭が使われますが、一部の水生動物は胸鰭で推力を生み出します。[4]鰭は空気中や水中で回転することでも推力を生み出します。タービンやプロペラ（場合によってはファンやポンプ）は、フォイル、翼、アーム、ブレードとも呼ばれる回転する鰭を多数使用します。プロペラは、鰭を使ってトルクを横方向の推力に変換し、航空機や船舶を推進します。[6]タービンは逆に、ブレードの揚力を使って移動するガスや水からトルクと動力を生み出します。[7]

動くフィンは推進力を生み出す

キャビテーションは高出力の用途では問題となる可能性があり、プロペラやタービンの損傷、騒音、出力損失につながります。[8]キャビテーションは、負圧によって液体内に気泡（空洞）が形成され、それが急激に崩壊するときに発生します。重大な損傷や摩耗を引き起こす可能性があります。[8]キャビテーションによる損傷は、イルカやマグロなど力強く泳ぐ海洋動物の尾びれにも発生する可能性があります。キャビテーションは、周囲の水圧が比較的低い海面近くで発生する可能性が高くなります。イルカは、より速く泳ぐ力があっても、尾に発生したキャビテーションの気泡が崩壊すると痛みが大きすぎるため、速度を制限しなければならない場合があります。[9]キャビテーションはマグロの速度も低下させますが、理由は異なります。イルカとは異なり、これらの魚は神経終末のない骨性のひれを持っているため、気泡を感じません。それでも、キャビテーションの気泡によってひれの周りに蒸気膜が生成され、速度が制限されるため、より速く泳ぐことはできません。マグロにはキャビテーションによる損傷と一致する病変が見つかっている。[9]

サバ科魚類（マグロ、サバ、カツオ）は、特に優れた遊泳能力を持つ。体後縁には、鰭条のない小さな鰭列が並んでおり、これは小鰭として知られる。これらの小鰭の機能については、多くの憶測がなされてきた。2000年と2001年にナウエンとローダーが行った研究では、「小鰭は定常遊泳中の局所的な流れに流体力学的影響を及ぼす」こと、そして「最も後方の小鰭は発達中の尾渦に流れを誘導するように配向されており、これにより遊泳中のサバの尾による推力が増大する可能性がある」ことが示唆されている。[10] [11] [12]

魚類は複数の鰭を用いるため、ある鰭が他の鰭と流体力学的相互作用を起こす可能性があります。特に、尾鰭のすぐ上流にある鰭は、尾鰭の流動力学に直接影響を与える近接鰭である可能性があります。2011年、研究者たちは体積画像技術を用いて、「自由に泳ぐ魚類が作り出す航跡構造の瞬間的な三次元画像」を初めて生成することに成功しました。彼らは、「連続的な尾の拍動によって、一連の渦輪が形成される」こと、「背鰭と臀鰭の航跡は、ほぼ次の尾の拍動の時間枠内で、尾鰭の航跡に急速に巻き込まれる」ことを発見しました。[13]

モーションコントロール

鰭は、このシャチのような水生動物が推進力を生み出し、その後の動きを制御するために使用されます。[14] [15]

一度動きが確立されると、他のフィンを使って動き自体を制御することができます。[4] [16] [17]ボートは、フィンのような舵で方向（ヨー）を制御し、スタビライザーフィンとキールフィンでロールを制御します。[16]飛行機は、翼と尾びれの形状を変える小さな特殊なフィンで同様の結果を実現します。[17]

特殊なひれは動きを制御するために使われる
ホホジロザメの尾びれ

安定フィンは矢や一部のダーツの羽根飾りとして使用され、[22]一部の爆弾、ミサイル、ロケット、自走魚雷の後部にも使用されています。[23] [24] これらは通常平面で小さな翼のような形をしていますが、グリッドフィンが使用されることもあります。[25]静止フィンはGOCEという衛星にも使用されています。

固定尾びれはスタビライザーとして使用される

温度調節

エンジニアリングフィンは、ヒートシンクやフィンラジエーターの温度を調節するための熱伝達フィンとしても使用されます。[26] [27]

フィンは体温を調節できる

装飾やその他の用途

生物学において、鰭は性的装飾として適応的な意味を持つことがあります。求愛行動中、メスのシクリッド、ペルヴィカクロミス・タエニアトゥスは、大きくて目を引く紫色の腹鰭を誇示します。「研究者たちは、オスは明らかに大きな腹鰭を持つメスを好み、メスの腹鰭は他の鰭よりも不均衡に成長することを発見しました。」[31] [32]

装飾

人間の足に魚の尾びれのようなフィンを装着することで、水泳選手や水中ダイバーのキックに推進力と効率性を与えることができます。 [35] [36] サーフボードのフィンは、サーファーがボードを操作し、コントロールするための手段となります。現代のサーフボードは、センターフィンと2つの湾曲したサイドフィンを備えていることが多いです。 [37]

サンゴ礁に生息する魚類の体は、外洋に生息する魚類とは形状が異なっていることが多い。外洋に生息する魚類は通常、スピードを重視し、水中を移動する際、摩擦を最小限に抑えるために魚雷のような流線型になっている。サンゴ礁に生息する魚類は、サンゴ礁の比較的狭い空間と複雑な水中地形の中で活動する。そのため、直線速度よりも機動性が重要であり、サンゴ礁に生息する魚類は、素早く動き回り方向転換する能力を最適化する体を発達させてきた。彼らはサンゴ礁の割れ目に身を潜めたり、サンゴ礁の周囲で隠れんぼをしたりすることで、捕食者の裏をかく。[38]

チョウチョウウオ、スズメダイ、エンゼルフィッシュなど多くのサンゴ礁に生息する魚類の胸鰭と腹鰭は、ブレーキとして機能し、複雑な動きを可能にするように進化している。[39]チョウチョウウオ、スズメダイ、エンゼルフィッシュなど多くのサンゴ礁に生息する魚類の体は、パンケーキのように深く横方向に圧縮され、岩の割れ目に収まるように進化している。腹鰭と胸鰭は異なる設計になっており、扁平化した体と連携して動きを最適化する。[38]フグ、カワハギ、トランクフィッシュなど一部の魚類は、泳ぐのに胸鰭を頼りにし、尾鰭をほとんど使わない。[39]

その他の用途

進化

水生動物は、通常、移動
に（1）胸鰭（対）、（2）腹鰭（対）、（3）背鰭、（4）脂鰭、（5）臀鰭、および（6）尾鰭を使用します。

アリストテレスは、類似構造と相同構造の違いを認識し、次のような予言的な比較を行いました。 「鳥は、ある意味で魚に似ています。鳥は体の上部に翼があり、魚は体の前部に2つのひれがあります。鳥は体の下部に足があり、ほとんどの魚は体の下部と前びれの近くに2対のひれがあります。」

– アリストテレス、『De incessu Animalium』 [44]

解剖学者カール・ゲーゲンバウアーが提唱した古い説があるが、科学の教科書ではしばしば無視されてきた。「鰭と（後には）四肢は絶滅した脊椎動物の鰓から進化した」という説である。化石記録の空白のため、明確な結論は出ていなかった。2009年、シカゴ大学の研究者たちは、「鰓、鰭、四肢の遺伝的構造は同一である」こと、そして「動物の体から離れたあらゆる付属肢の骨格は、サメの鰓の形成にまで遡る発生遺伝プログラムによってパターン化されている可能性が高い」という証拠を発見した。[45] [46] [47]最近の研究では、鰓弓と対鰭は連続的に相同性があり、鰭は鰓組織から進化した可能性があるという考えが支持されている。[48]

魚類は、すべての哺乳類、爬虫類、鳥類、両生類の祖先です。[49]特に、陸生四肢動物（四足動物）は魚類から進化し、4億年前に初めて陸上に進出しました。彼らは一対の胸鰭と腹鰭を使って移動しました。胸鰭は前脚（人間の場合は腕）に、腹鰭は後脚に発達しました。[50]四肢動物の歩行肢を構成する遺伝子機構の多くは、魚類の遊泳鰭に既に存在しています。[51] [52]

A)肉鰭類の遊泳鰭とB)四肢動物の歩脚の比較。互いに対応すると考えられる骨は同じ色で示されている。
並行して、しかし独立した進化を遂げた古代爬虫類、イクチオサウルス・コムニスは、魚類（またはイルカ）に非常によく似たひれ（または足ひれ）を発達させました。

2011年、オーストラリアのモナッシュ大学の研究者たちは、原始的だがまだ生きている肺魚を用いて「四肢動物の荷重を支える後肢がどのように進化したかを知るために、腹鰭の筋肉の進化を追跡した。」[53] [54]。シカゴ大学でのさらなる研究では、底生歩行する肺魚がすでに陸生四肢動物の歩行様式の特徴を進化させていることが明らかになった。[55] [56]

収斂進化の典型的な例として、翼竜、鳥類、コウモリの胸鰭はそれぞれ独自の進化経路を辿り、飛翔翼へと進化しました。飛翔翼においても、歩脚との類似点は多く、胸鰭の遺伝的設計図の中核部分は保持されています。[57] [58]

約2億年前、最初の哺乳類が出現した。これらの哺乳類の一団は約5200万年前から海へ戻り始め、循環が完成した。これが鯨類（クジラ、イルカ、ネズミイルカ）である。最近のDNA分析によると、鯨類は偶蹄目動物の中から進化し、カバと共通の祖先を持っていることが示唆されている。[59] [60] 約2300万年前、別のクマのような陸生哺乳類の一団が海へ戻り始めた。これが鰭脚類（アザラシ）である。[61]鯨類とアザラシの歩行肢となったものは、収斂進化の逆形式で独立してさらに進化し、新しい形態の遊泳鰭へと戻った。前肢は鰭脚類では鰭脚類の後肢が尾となり、その先端は2つの鰭に分かれた（一方、クジラ目の尾びれは全く新しい器官である）。[62]魚の尾びれは通常垂直で左右に動く。クジラ目の尾びれは水平で上下に動く。これはクジラ目の棘が他の哺乳類と同じように曲がるためである。[63] [64]

魚竜はイルカに似た古代の爬虫類です。約2億4500万年前に出現し、約9000万年前に絶滅しました。

陸生爬虫類の祖先を持つこの海棲爬虫類は、魚類との融合が著しく、背びれと尾を適切な位置に、そして適切な水文学的構造で進化させた。これらの構造は、何もないところから進化したという点で、さらに注目に値する。祖先の陸生爬虫類には、その前身となる背中のこぶや尾の刃のような構造は存在しなかったのだ。[65]

生物学者のスティーブン・ジェイ・グールドは、魚竜が収斂進化の最も好きな例であると述べた。[66]

ロボット工学

1990年代、CIAは無人水中車両の実現可能性をテストするために「チャーリー」と呼ばれるロボットナマズを製作した。

水生動物の推進力として鰭を用いることは、驚くほど効果的です。一部の魚は90%を超える推進効率を達成できると計算されています。 [4]魚はボートや潜水艦よりもはるかに効率的に加速・操縦でき、水中の乱れや騒音も少なくなります。このことから、水生動物の移動を模倣しようとする水中ロボットのバイオミメティクス研究が進められています。 [67]一例として、フィールドロボティクス研究所が開発した「ロボット・ツナ」が挙げられます。これは、ツナの運動を解析し、数学的にモデル化するために開発されました。[68] 2005年、シーライフ・ロンドン水族館は、エセックス大学のコンピュータサイエンス学部が開発した3体のロボット魚を展示しました。これらの魚は自律的に泳ぎ回り、本物の魚のように障害物を避けて泳ぐように設計されています。開発者は、「マグロのスピード、カワカマスの加速、ウナギの航行能力」を組み合わせようとしたと述べています。[69] [70] [71]

ドイツのフェスト社が開発したアクアペンギンは、ペンギンの流線型の形状と前ひれによる推​​進力を模倣している。[72] [73]フェスト社はまた、マンタ、クラゲ、バラクーダの移動を模倣した アクアレイ[74]、アクアジェリー[75]、エアクーダ[ 76]も開発している。

2004年、MITのヒュー・ヘアは、カエルの脚から筋肉をロボットに外科的に移植し、筋肉繊維に電気を流してロボットを泳がせることで、生きたアクチュエーターを備えたバイオメカトロニクスロボット魚のプロトタイプを製作した。[77] [78]

ロボット魚には、魚のデザインの一部を他の部分から分離して観察したり、柔軟性や方向といった単一のパラメータの変動を観察できるなど、研究上の利点がいくつかあります。研究者は生きた魚よりも容易に力を直接測定できます。「ロボット装置は、運動面の位置を正確に把握できるため、3次元運動学的研究や相関流体力学的解析を容易にします。また、自然な運動の個々の要素（例えば、羽ばたく付属肢の伸展と収縮）を個別にプログラムできます。これは生きた動物では実現が難しいことです。」[79]

参照

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さらに読む

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  • 計算流体力学のチュートリアル。ロボット魚への参照を含む、多数の例と画像。
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  • フィン調整されたデザインThe Economist、2008 年 11 月 19 日。