鳥の飛行の仕組みを理解しようとする科学者たちは、40 羽のハトの羽根 (および他のいくつかの部品) から作られたロボット、PigeonBot を製作しました。
飛行機が翼の要素を変化させることで機動するのに対し、鳥は翼全体の形状を変化させることで急降下、バンク、滑空飛行が可能になり、効率と敏捷性の両方が向上します。ハトの翼に関するこの新たな研究は、鳥の翼の仕組みをより簡潔にモデル化しただけでなく、その知識を機敏な飛行機械に統合することも可能にしました。研究者たちは、PigeonBotが飛行機械の開発や鳥類の研究に携わる人々にインスピレーションを与えることを期待しています。
「博物館にたくさんある鳥の死骸を使って、動物を傷つけずにロボットを開発し、飛行を研究することができます」と、研究の責任著者で機械工学助教授のデイビッド・レンティンク氏は米Gizmodoに語った。
「最初はただ一つの疑問から始まりました。個々の羽毛はどのように連携して機能するのか、と」と、スタンフォード大学大学院生のローラ・マトロフは語る。マトロフは子供の頃から野生動物病院でボランティア活動をしており、長年動物に興味を持っていた。そして、生物学の知識を工学に取り入れることに興味を持っていた。彼女は、モーションキャプチャシステムを用いて食用ハトの死骸を測定する研究の一つを主導し、羽毛が骨を操作しながらどのように動くかを測定した。
航空宇宙エンジニアたちはかつて、ハトの翼を模した航空機を構想し、パイロットが羽根一枚一枚を制御できるようにしました。しかし現実には、ハトの翼ははるかに単純な構造でした。研究チームは測定結果に基づき、翼全体の角度と翼の中間にある指関節の角度というたった2つの変数を操作するハトの飛行モデルを作成しました。ゴムバンドのように柔軟な腱が、すべての羽根の角度を連動して変化させます。
しかし、羽毛はどのようにして空気の流れの中でしっかりと固定されているのでしょうか？マイクロCTスキャナーと電子顕微鏡は、翼を広げた際に鳥類のマジックテープのように作動する、羽根とフックからなる精巧な微視的システムの機能について、より詳細な情報を与えました。研究チームは、この「方向性マジックテープ」と名付けたシステムが風洞内で強い力にどの程度耐えられるかを測定しました。研究結果はScience誌に発表されました。
スタンフォード大学の大学院生、エリック・チャンは、幼少期から鳥、コウモリ、昆虫といった空飛ぶ生き物に興味を持ち、学部生時代には競争の激しい小型飛行機の設計チームに参加しました。チャンは、マトロフの研究と、20年にわたる鳥にヒントを得たロボットに関する幅広い知識を基に、自身の知識を構築しました。チームは、ハトの羽根40本を人工骨格に取り付け、根元と指の関節の2箇所で動かし、輪ゴムで羽根の角度を制御することで、死体を使った研究で研究者が観察したものを再現しました。この骨格にプロペラ、人工の尾翼と舵、制御装置、センサーを組み合わせ、風洞内と屋外で遠隔操作によるテストを行いました。研究成果は、Science Robotics誌に掲載されました。
ロボットがついに飛行に成功したとき、チームは安堵感に包まれた。「初めて飛行した日のことを覚えています。無事に着陸し、無事に着陸した後、私はその場に崩れ落ちました」とチャン氏は語った。「『ああ、本当にうまくいった。これで息が楽になった』という気持ちでした」
PigeonBot は、飛行機械の各部品を精密に組み立てるという航空宇宙工学の本能を避け、簡単に飛行できるよりシンプルなモデルを採用しました。
レンティンク氏は、この研究の様々な応用を考えた。企業が測定結果を利用して新しいタイプのベルクロを開発したり、航空宇宙エンジニアがよりシンプルな飛行モデルを検討するための新たな方法を見つけたりするかもしれない。しかし、彼は応用よりも研究と教育に関心がある。彼は、博物館が既に所蔵している標本に基づいてロボットを製作することで、鳥の飛行をより深く研究できる世界を思い描いた。研究チームは、カワセミ、ハクトウワシ、絶滅危惧種のカリフォルニアコンドルなど、様々な鳥類において、羽根のベルクロが耐えられる力を比較した測定結果を盛り込んだ。
「コンドルをロボットで再現すれば、その飛行行動を理解し、その洞察を種を助けるために使うことができる」と彼は語った。
（また、鳥が政府のドローンではないかと心配している方々へ、この研究は、エンジニアたちが鳥がどのように飛ぶのかをまだ完全には解明していないことを示しています。しかし、今は心配してもいいかもしれません。）
研究者らは、ロボットの研究を継続し、方向性ベルクロ機能をさらに探究し、PigeonBot をさらに改良するためにさらに多くの測定を行う予定です。
