魚ロボットによって「魚が群れで泳ぐ理由」がやっと解明される!

魚ロボットが群れを作る利点を解明。エネルギー節約説がついに実証される
魚ロボットが群れを作る利点を解明。エネルギー節約説がついに実証される / Credirt:Nature communications
reference: sciencetimes

常識だと思われていた説でも、実は実験的な証明が存在せず、ただ人から人に語り継がれているだけ。

そんな状態にまたひとつ、終止符が打たれました。

10月26日に『Nature communications』に掲載された論文によって、魚が群れで動くことは、エネルギーの節約になると、実験的に初めて証明されました

しかし、なぜ今まで証明されていなかったのでしょうか?

エネルギー節約説の実験的証明は困難だった

物体を一定の高さまで持ち上げる仕事量とは異なり、魚の消費エネルギーを測定するのは難しかった
物体を一定の高さまで持ち上げる仕事量とは異なり、魚の消費エネルギーを測定するのは難しかった / Credirt:Nature communications

魚が群れる理由として、絵本『スイミー』でもお馴染みの「捕食者に対する防御」と共に「エネルギー節約説」が、常に語られてきました。

エネルギー節約説とは、群れの内部にいる魚は前を行く魚のお陰で水の抵抗が少なくなり、同じ移動距離でも必要なエネルギーを節約できるとする説です。

マラソンにおいて古くから知られている「前の人の後ろにぴったり張り付く」と空気抵抗が少なくなって有利になる…とする戦術の水中版とも言えるでしょう。

しかしながら、現在に至るまで、そのエネルギー節約説を実験的に証明した研究はほぼありませんでした。

先行する既存の研究は、どれもシミュレーションや紙面での演算ばかりだったのです。

その主な原因は、測定方法の難しさでした。

水中を移動する魚の消費カロリーを計算するには、本物ソックリの魚の動きを再現する装置を作って仕事量を求めるだけでなく、後続する魚に与える力学的な影響を調べなければなりません。

つまり非常に精巧な魚ロボットと水の動きの可視化…この2つが現実世界でそろうことが絶対条件だったのです。

この2つはシミュレーション世界ならば簡単に実現できる条件ですが、現実では非常に困難でした。

ハイテクとローテクの融合で謎に挑む

最先端の技術で作られた魚ロボットの尾からイングが放出されている
最先端の技術で作られた魚ロボットの尾からイングが放出されている / Credirt:Nature communications

しかし今回、ドイツマックス・プランク研究所の研究者たちは見事、この難関を突破しました。

研究者たちは現実の魚の動きを模倣するために、モーターにあたる駆動装置に「中枢パターン発生器」と呼ばれる、神経回路を模倣したバイオ風の機構を取り入れ、魚の自然な体のうねりを再現しました。

一方で、水の可視化にはインクが用いられました。

インクは魚ロボットの後方から少しずつ放出され、ロボットの動きが作り出す水の動きに乗って移動します。

ロボットとインクという組み合わせは、ハイテクとローテクが結びついた、見事な実験モデルと言えるでしょう。

魚ロボットをペアで運用することで後方の魚がどれだけエネルギーを節約できるか調べられる
魚ロボットをペアで運用することで後方の魚がどれだけエネルギーを節約できるか調べられる / Credirt:Nature communications

研究者たちはこの魚ロボットを様々な条件の元で1万回にわたって、単独とペアの両方で泳がせデータの収集を行いました。

すると、単独でおよいだロボットとペアの後方で泳いだロボットの電力消費量に、明らかに違いがみえてきました。

ペアの後方の魚ロボットはより少ない消費電力で、より多く動くことができることができていたのです。

またインクによる水の動きの可視化は、その原因も明らかにしました。

渦を介したエネルギーリサイクル

渦の運動エネルギーを尾ヒレで受け止め推進力にする。上の図以外にも複数の有効なパターンが存在する
渦の運動エネルギーを尾ヒレで受け止め推進力にする。上の図以外にも複数の有効なパターンが存在する / Credirt:Nature communications

エネルギー節約の鍵となったのは、魚の尾がうみだす水の渦です。

水の渦は先頭の魚の動きによって生じた残余エネルギーの塊であり、後方の魚はこの渦に対して上の図のように、尾ひれを適切な位置に配置することによって、渦の運動エネルギーを推進方向に向けたエネルギーへと変換(リサイクル)していたのです。

また先頭の魚が残した渦から継続的に推力を取り出すには、先頭の魚と後方の魚の間に、尾の動きの同期があると有利であることがわかりました。

しかしこれだけではエネルギー節約説を証明することはできません。

渦のエネルギーをリサイクルする節約モデルは非常に優秀ですが、本当の証明を行うには、現実の魚でも同じ渦のリサイクル現象がみられなければなりません。

現実の魚の映像。現実の魚も動きを同期させ渦を推進力に変えていた
現実の魚の映像。現実の魚も動きを同期させ渦を推進力に変えていた / Credirt:Nature communications

そこで研究者たちはペアで動く金魚の動きをAIで分析し、渦の利用モデルが現実世界の金魚たちの間で実際に発生しているかを調べました。

結果、現実の金魚たちの挙動も、渦をリサイクル可能な動きだったことが判明します。

仮説から常識へ

本物の魚のようにみえるが3体とも魚型ロボットである
本物の魚のようにみえるが3体とも魚型ロボットである / Credirt:Nature communications

今回の研究により、魚が群れる理由がエネルギー節約のためであることが実験的に証明されました。

魚たちは周囲の魚の動きによって生じた渦の運動エネルギーを尾で受け止めることで、前方への推進力にリサイクルしていたのです。

また効率的な渦の利用には、先頭の魚との動きの同期が重要であることが判明します。

この同期の重要性は、シミュレーションによる実験では十分に理解されておらず、今回ロボットを使った実測によってはじめて明らかになりました

「渦位相マッチング」と新たに名付けられたこの省エネ方法は、人間が群れで活動する水中ドローンを開発するにあたっても、重要な技術となるでしょう。

人間が自然から学ぶことはまだまだ多そうです。

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