バトモルフの移動
動物の移動

アカエイ類は軟骨魚類の一門で、アカエイ、エイ類、その他の魚類から構成され、いずれも背腹方向に扁平した体と頭部に癒合した大きな胸鰭を特徴とする。この特徴的な形態により、いくつかの独特な移動形態が生み出されている。アカエイ類のほとんどは、拡大した胸鰭を用いて中等度対鰭遊泳を行う。中等度対鰭遊泳を行うアカエイ類は、鰭に同時に存在する波の数に基づき、動形遊泳からラジ形遊泳までの範囲の遊泳様式に分類される。現存するアカエイ類の目の中で、このことはMyliobatiformes（エイ類）とRajiformes （アカエイ類）に最も当てはまる。他の2つの目、RhinopristiformesとTorpediniformesは、より高度な体尾鰭遊泳を行う。[1] [2]

運動性遊泳

マンタは様々なターンをします。ヒレの形を非対称に変化させることで、その体格と硬さから見て非常に機動性が高いです

運動性遊泳は、マンタなどの外洋性Myliobatiformes種によく見られ、胸鰭を羽ばたかせる動きが特徴です。これは鳥類の飛翔に非常によく似ています。運動性遊泳を行うコウモリ目魚類は、高いアスペクト比、先端に向かって細くなる厚い胸鰭、そして水中翼船に似た側面形状によって識別できます。彼らは非常に効率的な外洋遊泳者であり、長距離を高速で移動することができます。[2]

運動性エイ類の胸鰭は、先端部で最も大きく、背腹方向に幅方向に変形し、弦方向に進行波を生じる。[3]運動学的には、運動性エイ類の遊泳は、低周波・高振幅の鰭の羽ばたきで構成され、鰭上に一度に現れる波形は1つ未満である。外洋性エイ類は速度を上げるために、胸鰭の羽ばたきの頻度を増加させる。[4]

エイは他の魚類に比べて操縦性において不利な立場にある。硬い体のために慣性モーメントが高く、背腹方向に扁平した体型では、滑りを防ぐのに必要な横方向の力が出せず、旋回を維持するのが困難である。[5]旋回中のバンクは、中等度の両対鰭遊泳で見られ、バンクなしで旋回する場合に比べて操縦面が狭いことを補っている。旋回するメカニズムが異なるにもかかわらず、移動型遊泳者はラジ型遊泳者と同等の操縦性を示す傾向がある。前者は滑空旋回で移動するのに対し、後者は鰭の非対称な 波動によって移動する。 [6]しかし、ペラジック・スティングレイのような一部の種は、鰭に沿って波を反転させたり、後進したりできるため、操縦性に優れている。[7]

外洋環境では、エイは表面波に遭遇します。コウノトリエイを用いた入射波との相互作用実験では、エイは遊泳を中止し、胸鰭を正の二面角に曲げることで水柱内での位置を維持することが示されています。波と同じ方向に移動する際には、鰭の振幅を小さくしながら速度を上げることが示されており、これはエイが進行波を利用して遊泳効率を高めている可能性を示唆しています。[8]

ラジフォーム遊泳

ラジフォーム型のコウモリ類の例。運動は移動型遊泳とは異なり、鰭の末端部に限定されていることに注目してください

ラジフォーム型遊泳動物は、胸鰭の末端部を波打たせることで移動します。胸鰭には複数の波形が同時に存在します。この遊泳様式は、ガンギエイや一部のエイを含む底生のコウモリ類が利用しています。これらの動物は、低いアスペクト比と薄い腹鰭という共通の形態を有しています。ラジフォーム型遊泳動物よりも速度は遅いですが、低速域では最も代謝効率の高い軟骨魚類の一つです。[9]

ガンギエイ類と底生エイ類のラジフォーム遊泳には違いがある。ラジフォーム遊泳は必ずしもそうではない。ガンギエイ類は尾の付け根近くの腹側に、脚と呼ばれる2組目の腹鰭を持ち、ディスクが静止している間、これらを連動させて水底を押し進める。この移動様式はパンティング（punting）と呼ばれ、地面との直接接触から力を生み出しているように見えるため、歩行に非常に似ている。ガンギエイ類は脚を非同期的に動かして旋回できるため、旋回中に体を傾ける必要がなく、水流の減少に加えてステルス性も向上する可能性がある。筋繊維の分析から、一部のガンギエイ類では低速（1秒あたり体長の約1/3）においてパンティングが主要な移動手段である可能性があり、特定の状況下ではラジフォーム遊泳が用いられる可能性がある。[10]底生エイ類は完全にラジフォーム遊泳に依存している。両者のもう一つの違いは、尾の役割です。エイ類はより大きく、ひれの付いた尾を持っており、方向転換の際にそれを使用します。[6]エイ類の尾は泳ぐ際に何の機能も果たしていないように見えます。アカエイと呼ばれる一部のエイ類は、尾に毒のある棘があり、それを振り回して身を守ります。

胸鰭の薄い厚みの分布は、ラジフォームスイマーが水面と鰭の間の流体力学的相互作用から受動的に恩恵を受けるような構造となっている。 [11]そのため、長時間にわたって水面から離れて泳ぐことは持続不可能である。[9]腹鰭の厚さは、鰭の前部で最も厚く、鰭の先端部と後鰭で最も薄く、通常1ミリメートル未満である。これらの薄い部分は通常の速度では受動的に変形し、高速では硬く保たれる必要があるため、ラジフォームスイマーの持続可能な最高速度が制限される。[12]

体尾鰭遊泳

ヒメエイ目

太平洋ヒメエイ（Torpedo californica）

デンキエイの大部分は、水中を周期的に上昇し、その後滑空しながら下降するという特徴的な低速遊泳スタイルを持っています。ラジフォーム類やミリオバティフォーム類とは異なり、デンキエイの推進力は尾鰭の動きのみによって得られます。尾鰭はエイ類やガンギエイよりもはるかに発達しています。体の円盤部分は、滑空時の効率を高めるために使われます。[13]

ニシキヘビ目

ニシキヘビ目の一種であるサカタザメは、尾びれの波状運動によって推進力を得ます

ニシキエイ目はサメとエイの中間のグループに属します。その遊泳特性についてはほとんど研究されていませんが、サメとの形態学的類似性から、主に尾鰭を使って泳ぎ、胸鰭は推進力を生み出していないと考えられます。

バトモルフにインスパイアされたデザイン

バトモルフは、水中無人機に望ましい特性を持っています。その動きの性質上、ペイロードを運ぶための安定したプラットフォームとなります。彼らは非常に効率的に遊泳する傾向があり、多くの外洋性エイ種、さらには一部の底生種でさえ、毎年非常に長い回遊を行います。外洋性種は高速遊泳に効率的である傾向がありますが、底生性エイは低速で効率的です。多くの底生エイは非常にステルス性に適応しており、体高が低く、移動時にほとんど乱れを引き起こしません。彼らは大きな推力を生み出す可能性があり、これが巨大なマンタが水面を完全にクリアすることを可能にするのです。[14] 各種の性能の違いは、さまざまな生体模倣型自動水中車両（BAUV）の開発につながっています外洋性および底生性のアカエイ類をベースにした設計は数多く存在し、ヒガシエイの泳ぎのあまり知られていない側面をベースにしたものさえあります。例えば、ヒガシエイの尾びれによる独特な推進力や、ガンギエイのパンティング動作を利用したものなどです。生物版と人工版の性能を本当に区別する1つの点は、ディスクの微妙な柔軟性と作動です。ディスクの各部分は他の部分よりもかなり柔軟で、一部の部分は受動的に変形するように設計されています。アカエイのディスクと地面との受動的および能動的な相互作用の組み合わせを模倣するのは特に困難です。翼の複雑な作動は、テンセグリティ構造、電気活性ポリマー、流体筋肉など、さまざまな手段を通じてうまく模倣されてきました。しかし、これらの技術は実際の筋肉を完全に模倣できるところまでには開発されていません。この目的で、直径20 mm未満の組織工学によるエイに実際の筋肉が使用されています。これは、パターン化された筋接合部を利用してラジフォームスイマーのパターンを模倣したラット 心筋細胞を使用して作製されました。 [15]

参考文献

  1. ^ Schaefer, Justin T. (2005). 「バトイド翼の骨格構造：新たな形態、機械的意味合い、そして系統学的パターン」. Journal of Morphology . 264 (3): 298– 313. Bibcode :2005JMorp.264..298S. doi :10.1002/jmor.10331. PMID  15838841. S2CID  17133102.
  2. ^ ab Rosenberger, JL (2001). 「バトイド類の胸鰭運動：波動と振動」. Journal of Experimental Biology . 204 (2): 379– 392. Bibcode :2001JExpB.204..379R. doi :10.1242/jeb.204.2.379. PMID  11136623.
  3. ^ E. フィッシュ, フランク; シュライバー, クリスチャン; ムーアード, キース; リウ, ゲン; ドン, ハイボ;バート＝スミス, ヒラリー(2016). 「水中羽ばたきの流体力学的性能：マンタの水中飛行効率」. Aerospace . 3 (3): 20. Bibcode :2016Aeros...3...20F. doi : 10.3390/aerospace3030020 .
  4. ^ フィッシュ, フランク E.; ドン, ハイボ; チュー, ジョセフ J.; バート＝スミス, ヒラリー (2017). 「モブリフォーム遊泳の運動学と流体力学：大型外洋性バトイドによる振動翼推進」.海洋技術協会誌. 51 (5): 35– 47.書誌コード:2017MTSJ...51e..35F. doi : 10.4031/mtsj.51.5.5 .
  5. ^ Walker, JA (2000). 「剛体は機動性を制限するか？」. Journal of Experimental Biology . 203 (22): 3391– 3396. Bibcode :2000JExpB.203.3391W. doi :10.1242/jeb.203.22.3391. PMID  11044378.
  6. ^ ab Parsons, Jana M; Fish, Frank E.; Nicastro, Anthony J. (2011). 「バトイドの旋回性能：剛体の限界」. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology . 402 (1): 12– 18. Bibcode :2011JEMBE.402...12P. doi :10.1016/j.jembe.2011.03.010.
  7. ^ Jordan, Laura K. (2008年7月24日). 「アカエイの側線管と電気感覚システムの比較形態学」.カナダ化学工学ジャーナル. 269 (11): 1325–1339 . Bibcode :2008JMorp.269.1325J. doi :10.1002/jmor.10660. PMID:  18655157. S2CID:  33886896.
  8. ^ フィッシュ, フランク・E.; ホフマン, ジェシカ・L. (2015年1月). 「バトイドの安定性設計と波への応答」.統合比較生物学. 55 (4): 648– 661. doi : 10.1093/icb/icv059 . PMID  26060212.
  9. ^ ab Santa, Valentina Di; Kelaney, Christopher P. (2016). 「スケートによる：バトイド魚類における低い遊泳エネルギーコスト」. The Journal of Experimental Biology . 219 (12): 1804– 1807. doi : 10.1242/jeb.136358 . PMID  27080535.
  10. ^ デビッド M. ケスター;スピリト、カール P. (2003)。 「パンティング: リトルスケート、Leucoraja erinacea (軟骨魚類: ラジダ科) の珍しい移動モード」。コペイア。2003 (3): 553–561 .土井:10.1643/CG-02-153R1。S2CID  51943405。
  11. ^ ブレビンズ、エリン；ローダー、ジョージ・V. (2013). 「基質付近での遊泳：アカエイの運動を再現するシンプルなロボットモデル」.バイオインスピレーション＆バイオミメティクス. 8 (1) 016005. Bibcode :2013BiBi....8a6005B. doi :10.1088/1748-3182/8/1/016005. PMID  23318215. S2CID  4979644.
  12. ^ Di Santo, Valentina; Blevins, Erin L.; Lauder, George V. (2016). 「ベイトイド運動：速度がリトルエイ（Leucoraja erinacea）の胸鰭変形に及ぼす影響」. The Journal of Experimental Biology . 220 (4): 705– 712. doi : 10.1242/jeb.148767 . PMID  27965272.
  13. ^ Rosenblum, Hannah G.; Long, John H.; Porter, Marianne E. (2011). 「沈没と遊泳：負浮力のヒグマNarcine brasiliensisにおける揚力体メカニズムの運動学的証拠」 . Journal of Experimental Biology . 214 (Pt 17): 2935–48 . Bibcode :2011JExpB.214.2935R. doi : 10.1242/jeb.053108 . PMID  21832137. 2018年11月22日閲覧。
  14. ^ Moored, Keith W.; Fish, Frank E.; Kemp, Trevor H. (2011). 「Batoid Fishes: Inspiration for the Next Generation of Underwater Robots」. Marine Technology Society Journal . 45 (4): 99– 109. Bibcode :2011MTSJ...45d..99M. doi : 10.4031/MTSJ.45.4.10 .
  15. ^ Park, Sung-Jin; Gazzola, Mattia; Park, Shirley; Di Santo, Valentina; Blevins, Erin L.; Lind, Johan U.; Campbell, Patrick H.; Dauth, Stephanie (2016). 「組織工学的に作製されたソフトロボットエイの光走性誘導」. Science . 353 (6295): 158– 62. Bibcode :2016Sci...353..158P. doi :10.1126/science.aaf4292. PMC 5526330. PMID 27387948  . 
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Batomorph_locomotion&oldid=1314237962」より取得