未だに解明されていない昆虫の羽ばたき。 研究が進めば、一大産業が生れる可能性も 秘めているのです。

昆虫の飛行を解明する

千葉大学工学部電子機械工学科教授

劉 浩 氏

りゅう ひろし

りゅう　ひろし　1963年、中国遼寧省沈陽市生れ。85年、大連理工大学応用力学学科卒業、92年、横浜国立大学博士課程修了。名古屋工業大学、理化学研究所などを経て、現職に。計算力学やバイオメカニクスなどの研究に従事。昆虫の自由飛行を再現できるシミュレーターの開発等を行なっている。

2006年1月号掲載

羽ばたきの持つ高度な飛行技術

──先生は、昆虫の羽ばたきのメカニズムについて研究されていると伺っております。

現代では、科学によってあらゆるものが解明されてきているにも関わらず、意外にも「昆虫の羽ばたき」については、未だに謎が多いそうですね。

劉　そうなんです。昆虫特有の急旋回、急停止といった自由飛行は、実は非常に高度な動きをしています。

飛行機の設計とは違い、羽ばたきを人工的に造るのは、現状では不可能な状態です。

──昆虫の羽ばたきは、どんなところが優れているのですか？

劉　例えば、時速１０００kmで飛ぶ飛行機と、１００km以上で走るチーター、そして私達人間が、昆虫のミツバチと競争したら、どれが一番速いと思いますか？

──もちろん飛行機でしょう。

劉　そうです。しかし、飛行機、チーター、人間それぞれの体を、ミツバチの体長に縮小し、スピードを換算すると、なんと４つの中でミツバチが断トツに速いのです。

飛行機、ミツバチ、チーター、人間が競争（ミツバチの体長に縮小してスピードを換算）すると、圧倒的にミツバチが速い（資料提供：劉浩氏）

──それは意外です。

劉　時速50kmで飛ぶミツバチに対し、飛行機は０・２km、チーターは１・４km、人間は０・１６km。

──体は小さくてもスピードは圧倒的にミツバチが速い！

劉　しかも、もう一つ優れていることは、安定飛行の制御ができている、ということです。

──安定飛行とは、横風を受けたときなどに、バランスを崩さず、元の状態を保つことですよね。

劉　はい、ジャンボ飛行機のような人工飛行体も、時には墜落することがあります。これに対して昆虫は、強い横風を受けても落ちることはありません。

──なるほど。スピードが速く、なおかつ安定制御されている昆虫の羽ばたき飛行は、非常に高度な飛行技術というわけですね。

劉　しかも昆虫が行なう、縦横無尽なジグザグとした方向転換は、体の何十倍ものＧがかかる動きです。それにも関わらず、彼らは安定した飛行をしている。全くもって不思議な話です。

飛行機と昆虫の飛び方の違い

──ところで、同じ空を飛ぶのでも、飛行機と昆虫とでは、飛び方が異なると思いますが、それぞれの飛行のメカニズムについて教えてください。

劉　まず空を飛ぶには、体を宙に浮かせる上向きの力、つまり揚力と、前進する力、推進力、この２つの原理が働いています。

飛行機の場合、揚力は翼、推進力はエンジンで得ており、これに対し昆虫は、羽ばたきだけで両方の力を発生させているのです。

──具体的にはどういった仕組みなのですか？

劉　飛行機の翼の断面は、下面より上面の方が膨らんだ流線型で、空気が流れる速さは、上面の方が速くなっています。

すると、翼への圧力は、下面の方が大きくなるため、上向きの空気力が発生します。

──その力が揚力ですね。

劉　そうです。ただし、常に前進して空気流を作らなければ、揚力は発生しません。だからエンジンで推進力を得ているのです。

──何百人もの乗客を乗せたジャンボ機が飛べるのは、翼の上下の圧力の違いにより、自重を上回る大きな揚力を生み出しているからなのですね。

それでは、羽ばたきだけで揚力と推進力を同時に発生させる昆虫は、どのような飛び方なのですか？

劉　まだはっきりと解明されていないのですが、羽ばたきによって、翅の前縁にできる空気の渦が、非常に重要なことが分っています。

また、翅の横方向の動き「８の字回転」でも揚力を得ていると考えられています。

──昆虫は、羽ばたきながら、この空気の渦を上手く捉えて飛んでいるというわけですね。

劉　その通りです。飛行機の場合は逆で、乱気流は厳禁です。もし翼に空気の渦が発生すれば、揚力はなくなり墜落してしまいます。

（左）流線型をした飛行機の翼の断面。（右）昆虫の翅の断面。上向きの力が揚力、前進する力が推進力。空を飛ぶには、この2つの原理が働いている（資料提供：劉浩氏）

──やはり同じ飛行体でも、２つは全く違う飛行メカニズムだったのですね。

大きさに比例する羽ばたき飛行

劉　空気の流れを利用した飛び方は、飛行機のように大きな物の方が有効です。

ミリサイズの昆虫の世界では、空気流に乱れが生じ、うまく揚力が生れません。だから、体の小さい昆虫は、空気の渦を利用した飛び方をするのです。

──それでは、大きい物と小さい物で、飛び方が変る境目というのはあるのでしょうか？

劉　これもまだハッキリとは分っていません。ただ、だいたい15cm以下になると、羽ばたき飛行の方が、効率がいいと考えられています。

また、羽ばたきの回数と体の大きさにも、関係があることが分ってきました。

──それはどういうことでしょう？

劉　昆虫類の羽ばたきの回数を調べた結果、トンボやガなど、大型昆虫の羽ばたきは毎秒約20回、ミツバチでは約２５０回、体長１mm程の小さな昆虫にいたっては約１０００回。体が小さいほど、羽ばたきの回数は多くなるのです。

──瞬時にそれだけの回数、羽ばたいているとは驚きです。

劉　羽ばたき動作自体は、人工的な再現でも難しくはありません。しかし、安定飛行となると、話は別です。

羽ばたき模型では、無風状態で浮くことはできても、少しでも風を受けるとすぐに制御不能となり、墜落してしまいます。

昆虫のような、ホバリング、急旋回は、人工的にはとてもマネできない動きなのです。

昆虫の自由飛行のシミュレーション画像。 実際には、ガ・ハエ・ハチなど20種近い昆虫の翅モデルが使われている（資料提供：劉浩氏） 上は、スズメガの静止飛行。下はハエの静止飛行の様子。

──では、なぜ昆虫は安定制御しながら、自由飛行ができるのですか？

劉　それについては、未だに多くの謎が残っています。

一つの説として、もしかしたら、われわれが知らない、現代力学のさらに上の世界があるのかもしれません。

──とおっしゃると？

劉　いや、これは空想の世界の話で、今いえるのは、空気力だけでは、彼らの自由飛行は説明が付かないということです。

これを上手く利用できたら、瞬間移動も夢じゃない（笑）。

飛行シミュレーター誕生

──もしかすると、近い将来、昆虫サイズの小型飛行体が、誕生するかもしれませんね。

劉　はい。実は近年、他国でも、羽ばたき飛行の研究が注目されていて、例えば、アメリカでは、サイズ15cm以下の超小型飛行体「ＭＡＶ（Micro Air Vehicle）」の開発が盛んに行なわれています。

順調にいけば、原型モデルが４、５年後には完成する予定です。

──先生もこうした研究をされているのですか？

劉　私は、スーパーコンピュータを使い、実際に昆虫の静止・前進・旋回など、すべての自由飛行を再現できるコンピュータシステムを開発中です。

コンピュータを使えば、模型だけでは不可能な、空気力や慣性力も考慮でき、昆虫飛行の全体像を把握できるからです。

──コンピュータ上なら昆虫の自由飛行を再現できるのですね。

劉　このコンピュータシミュレーションの中では、昆虫ロボットのテスト飛行にも成功しています。

「MOTH-1」と名付けた羽ばたきロボット。風洞を使ってシミュレーターの実力を検証中（写真提供：劉浩氏）

──これを利用すれば、すべてを計算でき、本物の昆虫ロボットの改良点など、実際の設計にも役立てられるのですね。

劉　そうです。ロボットはもちろん、新しい力学現象の再現が可能となり、小型飛行体の開発にも、革新的な技術を提供できそうです。

──そうした研究はどの辺りまで進んでいるのですか？

劉　コンピュータシミュレーションで得られたデータをもとに、昆虫の実物の10倍の大きさの羽ばたきロボットを作り、風洞を用いてシミュレーターの実力を検証中です。

──これが進めば、昆虫ロボットの実現も近いものですね。

でも昆虫は小さいですから、実際のロボット作りは大変な作業ですね。

劉　日本は、細かい技術は秀でています。昆虫の羽ばたき研究についても、今後進展していけば、技術の裾野が広がると、期待が集まっています。

──将来的に、昆虫ロボットが完成すれば、どのような場面で応用できるのでしょうか？

劉　例えば、被災地やテロの現場などで、偵察機として飛ばせば、安全に情報収集することができます。

また、昆虫ロボットにＣＣＤカメラを積つめば、人間が立ち入ることのできない現場でも、ライブで中継することも可能です。

あっては欲しくないですが、もちろん軍事に用いれば、強力な武器となるでしょう。

──いろいろお話を伺いましたが、昆虫の羽ばたきを研究することが、われわれ人間の社会にとって、実にさまざまな可能性を秘めていることを感じました。

劉　私は小型飛行体や昆虫サイズのマイクロマシンが、今後絶対に一つの大きな産業になると考えているんです。

──夢のあるお話ですね。実用化に向け、研究が着実に進展していくのを楽しみにしています。

本日はありがとうございました。