Research press release

【動物学】動物のひれと翅や翼による推進を支配する普遍法則

Nature Communications

Zoology: Universal laws rule animal fin and wing propulsion

遊泳や飛翔のできる動物は、どのような種であろうと、どのような運動様式を用いる場合であっても、普遍的な共通のパターンに従って、ひれと翅や翼を曲げていることが明らかになった。今回の研究では、飛翔中のオオカバマダラの翅が定常運動する際に、例えば、遊泳中のハンドウイルカの尾びれと比例的に類似した位置と最大角で翅が屈曲することが偶然でないことが示唆された。この結果を報告する論文が、このたび掲載される。

動物がひれと翅や翼を曲げるやり方は、運動の効率性に寄与していると考えられており、そのやり方を人工的に再現できれば、理論的には、動物界以外で遊泳と飛翔の能力を向上できるという考え方が示されていた。しかし、動物の運動パターンを人工デバイスで再現することで、運動の効率を現実に高められるのかどうかは、明確になっていない。その主な原因は、曲げパターンに関して意見の一致が得られていないことにある。

今回、Kelsey Lucas、Jack Costelloたちは、飛翔中の動物や遊泳中の動物の動画像列の解析を行って、運動中にひれと翅や翼を曲げるやり方に共通のパターンがあるのかどうかを調べた。その結果、ひれと翅や翼の屈曲は、普遍的に、非常に限られた屈曲率と屈曲角度の範囲内で起こっており、動物の大きさと流体媒質(空気か水か)、動物の種類は、屈曲パターンにさほど影響を及ぼさないことが明らかになった。Lucas、Costelloたちは、屈曲率と屈曲角度が、それぞれの種で進化を通じて独自に選択された可能性の非常に高い変数だが、その結果として最終的に選ばれた屈曲率と屈曲角度は動物界全体を通じて類似していると考えている。

今回の研究結果は、フレキシブルな機械デバイスを解明し、設計するための新たな枠組みをもたらした。

All animals that have the ability to swim or fly, regardless of their species or the mode of movement that they use, bend their fins and wings following a universal common pattern, reports research published in Nature Communications. This work suggests that it is not a coincidence that, during steady motion, the wings of an airborne monarch butterfly bend in a proportionately similar location and to a similar maximum angle as, for example, the tail of a swimming bottlenose dolphin.

The way in which animals bend their fins and wings is believed to contribute to the efficiency of movements. It has been suggested that recreating this artificially could, in theory, improve proficiency of swimming and flight outside of the animal kingdom. However, whether recreating animal motion patterns in manmade devices would in reality increase motion efficiency remains inconclusive, mostly due to the lack of consensus regarding bending patterns.

By analysing video sequences of animals flying or swimming, Kelsey Lucas, Jack Costello and colleagues investigated whether a common pattern can be seen in relation to the way that wings and fins bend during motion. They find that, universally, fins and wings bend within very constrained ranges of flexion ratio and angle and the size of the animal, fluid medium (air or water) and type of animal does not significantly influence this bending pattern. They suggest that flexion ratio and angle are variables that were most likely selected independently in each species through evolution, despite a similar final outcome across the animal kingdom.

These results provide a new framework from which to understand and design flexible mechanical devices.

doi: 10.1038/ncomms4293

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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