続·生物に学ぶデザイン：水棲生物に学ぶ水中推進メカニズムのデザイン

摘要

水中に棲む生物の泳ぎ方を観察していると，実に様々な泳ぎ方をしており，長い進化の過程で多様な環境下での水中移動に優れた泳動方法を獲得していることが分る．このため，これまでに多くの研究者により，水棲生物の優れた泳動方法とその推進メカニズムを解明し，得られた知見を工学的に利用するための研究が行われてきた（例えば，文献1）～10））．米国の動物学者ブリーダー(Breder, 1926)は，魚の泳ぎ方を，細長い体または細長いヒレ全体をくねらせて泳ぐ「ウナギ型(Anguiliform)」，尾ヒレと体の後半部を動かして泳ぐ「アジ型(Carangiform)」，体をほとんど動かさず尾ヒレの運動だけを用いて泳ぐ「ハコフグ型(Ostraciiform)」の3つに泳法に分類している．高速で泳ぐマグロやイルカなどは，尾ヒレを三日月形に進化させた「アジ型」に分類される．その中でも，イルカの高速遊泳のメカニズムは，古くから多くの研究者の研究対象となってきた．このような泳動方法は，高効率で高速推進が得られることから，ヒレの往復運動を利用した水中推進機構や，それを搭載したイルカ型ロボットやマグロ型ロボットの開発が報告されている（例えば，文献3），7），10））．一方，細長い体やヒレ全体を彼のようにくねらせて泳ぐ「ウナギ型」の水棲生物を良く観察すると，泳ぐ速さは遅いものの，動きが滑らかで，水中での狭い空間や障害物の間を巧みに移動していることに気がつく．例えば，体全体を波のようにくねらせて泳ぐウナギなどの細長い魚は，ヒレに発生する波の運動の方向を変化させることで，前進と後進の滑らかな移動と切換えが可能であり，狭い空間でも自由に移動することが出来る．イカなどの軟体動物においても，このようなヒレの波動運動により滑らかな泳動を行っているものもいる．また，側部のヒレをくねらせて泳ぐヒラメやエイなどの扁平な魚は，左右のヒレの彼の運動をうまく制御することで，滑らかな旋回運動を行っている．特に，このような泳動方法は，海底や壁面近くにおいて高い運動性能を発揮すると思われる．このように，細長い体やヒレ全体を波のようにくねらせて泳ぐ方法では，イルカなどの「アジ型」の泳ぎ方では実現が難しい前進と後進の滑らかな切り換えや，左右の滑らかな旋回運動が可能となる．つまり，このような泳動方法は，水中での細かな位置制御や姿勢制御に適した方法であり，特に狭い空間や壁面近くで高い運動性能を発揮することが出来る．以下では，この細長い体やヒレ全体を彼のようにくねらせて泳ぐ方法を波動運動による水中推進と呼ぶことにする．本稿では，著者らがこれまでに研究·開発してきた水棲生物の泳動方法をモデルにした水中推進機構とその推進性能を解説する．特に，上述した位置制御や姿勢制御において高い運動性能が期待できる細長いヒレの波動運動による水中推進を実現するために，これまでに開発してきた水中推進機構を紹介し，その推進性能を説明する．