新しいモデリング手法で明らかになった小鳥の力学 The small bird’s mechanics revealed through a novel modeling method
2022-12-09 ペンシルベニア州立大学(PennState)
この研究成果は、今週発行された『Proceedings of Royal Society B』に掲載されました。
研究者たちは、筋肉解剖学の文献、数値流体力学シミュレーションデータ、マイクロCTやX線法で捉えた翼骨格の動きなどの情報を使って、モデルに情報を与えました。また、遺伝的アルゴリズムと呼ばれる進化的戦略に基づく最適化アルゴリズムを用いて、モデルのパラメータを較正した。研究者らによると、今回のアプローチは、生物の飛翔体について、これらの異質な部分を統合した初めてのものだという。
“私たちは、ハチドリの翼の再構成された動き全体をシミュレーションし、次に、翼に作用するすべての圧力を含む、羽ばたきによって発生するすべての流れと力をシミュレーションすることができます “とChengは述べています。「そこから、羽ばたきに必要な総筋肉トルクを逆算することができるのです。そして、このトルクは、私たちのモデルを校正するために使うものなのです。
このモデルによって、研究者たちは、これまで知られていなかったハチドリの翼の作動原理を明らかにしました。
Cheng教授によれば、最初の発見は、ハチドリの主筋、つまり飛行エンジンは、単純な往復運動で羽ばたくのではなく、上下、前後、そして翼のねじれ（ピッチング）の3方向に翼を引っ張ることであったという。また、ハチドリは、上下方向とピッチ方向の両方で、複数の小さな筋肉を使って肩の関節を締めていることがわかった。
＜関連情報＞
- https://www.psu.edu/news/engineering/story/hummingbird-flight-could-provide-insights-biomimicry-aerial-vehicles/
- https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2022.2076
ハチドリの筋骨格系翼動作モデルによるホバリング飛行における一次飛翔筋の多様な作用の予測 Musculoskeletal wing-actuation model of hummingbirds predicts diverse effects of primary flight muscles in hovering flight
Suyash Agrawal,Bret W. Tobalske,Zafar Anwar,Haoxiang Luo,Tyson L. Hedrick and Bo Cheng
Proceedings of Royal Society B Published:07 December 2022
DOI:https://doi.org/10.1098/rspb.2022.2076
Abstract
Hummingbirds have evolved to hover and manoeuvre with exceptional flight control. This is enabled by their musculoskeletal system that successfully exploits the agile motion of flapping wings. Here, we synthesize existing empirical and modelling data to generate novel hypotheses for principles of hummingbird wing actuation. These may help guide future experimental work and provide insights into the evolution and robotic emulation of hummingbird flight. We develop a functional model of the hummingbird musculoskeletal system, which predicts instantaneous, three-dimensional torque produced by primary (pectoralis and supracoracoideus) and combined secondary muscles. The model also predicts primary muscle contractile behaviour, including stress, strain, elasticity and work. Results suggest that the primary muscles (i.e. the flight ‘engine’) function as diverse effectors, as they do not simply power the stroke, but also actively deviate and pitch the wing with comparable actuation torque. The results also suggest that the secondary muscles produce controlled-tightening effects by acting against primary muscles in deviation and pitching. The diverse effects of the pectoralis are associated with the evolution of a comparatively enormous bicipital crest on the humerus.
