ヴィーナスフラワーバスケットガラススポンジでエアロと流体力学を再構築する

ガラススポンジは、深海に一般的に見られ、 ヘキサシチネリダ目に属します。その名前は、シリカでできたガラスのような構造粒子からなる組織に由来しています。 

ガラススポンジの骨格は、さまざまな化学物質と自然に有機的に結合することで、深海の捕食者と戦う進化的なメカニズムです。 

疑いようのないほど高度なガラススポンジは、硬い表面に付着し、周囲の水から濾過した小さなバクテリアやプランクトンを摂取して生き延びています。 

いくつかの種は、融合して美しいパターンを作り出すことで、かなり大きなスピクルを生成し、ガラスの家を形成します。これらの骨格構造は、スポンジが死んだ後も残り続け、深海の動物が住処として利用するため、科学者たちをしばしば驚かせます！

最もよく知られているガラススポンジ

深海に生息するすべてのガラススポンジの中で、ユーペレクテラ属の種であるヴィーナスフラワーバスケットは特に有名です。その骨格は特定の甲殻類を生涯にわたって捕らえるほど進化しています。これらの甲殻類は繁殖し、子孫は自分たちの新しいフラワーバスケットを探します。通常、これらのスポンジはオスとメスの二匹の小さなエビに似たステノポディエダにとって一生の住処となります。 

この自然の住処として機能する特性は、常にヴィーナスフラワーバスケットガラススポンジへの関心を呼び起こしてきました。この好奇心が、研究者たちにこれらの動物のもう一つの顕著な特徴、すなわちポンプなしで濾過摂食できる能力を発見させました。

ヴィーナスフラワーバスケットスポンジによる自然な『ゼロエネルギー』流体制御

これらの古代動物が生まれつき持つ驚くべき能力の一つは、ポンプを使わずに濾過摂食できることで、海底の微弱な環流だけに依存しています。では、これはどう可能なのか？ローマ・トーヴェルガータ大学とNYUタンデン工学部の研究チームが調査しました。極めて高解像度のコンピュータシミュレーションを用いて、ヴィーナスフラワーバスケットスポンジの骨格構造を解析しました。 結果は、言うまでもなく衝撃的でした。さらに、これは多くの工学応用に驚異的な可能性を秘めていました。 

実験の画期的な性質を説明しながら、NYUタンデン研究所の教授でありセンター・フォー・アーバン・サイエンス＋プログレス（CUSP）のディレクターでもあるマウリツィオ・ポルフィリ氏は、共同研究を率い、研究を共同指導した際に次のように語った：

「私たちの研究は、近年浮上した議論を解決します：ヴィーナスフラワーバスケットスポンジは、能動的なポンプ機構なしに受動的に栄養を取り込むことができるかもしれません。これは、通常は懸濁摂食に適さない流れでもこの濾過摂食者が繁栄できる驚異的な適応です。」

本質的に、これらのガラススポンジは独自の骨格構造を利用して、深海の極めて遅い流れをそらし、流体を中心の体腔へ上向きに導きます。このメカニズムは海水中のプランクトンやその他の海洋デトリタスを濾過し、スポンジはそれを餌として利用します。螺旋状でリッジ状の外表面は、螺旋階段のように機能し、ポンプエネルギーを必要とせずに多孔質で格子状の骨格を通して水を上昇させます。

ガラススポンジの最も顕著な特性は、ほぼ静止した深海底で完全に機能する自然換気です。これが、これらの深海種が過酷な環境に適応し、極めて遅い流れで受動的に餌を取り込むように進化した方法です。 

ローマ・トーヴェルガータ大学のジャコモ・ファルチッチ氏によれば:

「スポンジは、完全に受動的なメカニズムだけで栄養供給を最大化するエレガントな解決策にたどり着きました。」

これらの驚くべき洞察に到達するのは容易ではありませんでした。研究者たちは現象を細部まで理解できる適切な施設を構築するのに数年を要しました。

研究目標達成に貢献した施設 

研究者は、イタリア最大のコンピューティングセンターであり、世界でも重要な施設の一つである非営利コンソーシアムCINECAのレオナルドスーパーコンピュータを利用しました。 

この強力なスーパーコンピュータにより、研究者はスポンジの実物に近い3Dレプリカを作成できました。1,000億個の個別ポイントがスポンジの複雑な螺旋リッジ構造を再現しています。レオナルドの膨大な計算能力により、1秒あたり数千万兆回の計算が可能となり、さまざまな水流速度と条件をシミュレートしました。

関与した研究者によれば、今回の研究結果は多くの革新的な工学ソリューションにつながる可能性があります。以下に、いくつかの革新的なアイデアを要約します。 

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研究の実生活への応用可能性

本研究の前身は、同じチームが実施した2021年の研究です。その研究では、チームはヴィーナスフラワーバスケットスポンジが人工構造物をどのように改善できるかに特に焦点を当てました。チームは、スポンジの形状が流体流に応答する役割の調査が、高層ビルや機械構造物の設計に多くの示唆をもたらすと考えました。これには超高層ビル、低抵抗の新型船体、さらには航空機の機体胴体も含まれます。 

ローマ・トーヴェルガータ大学のジャコモ・ファルチッチ氏によれば、2021年のガラススポンジ実験は次のような疑問に答えるのに役立ちました:

「同様のリッジと穴の格子構造で建てられた高層ビルは、空気抵抗が減少するでしょうか？力の分布が最適化されるでしょうか？」

現在の研究は、ガラススポンジのバイオメトリック工学的側面をさらに深く掘り下げており、最適化された流れパターンと外部抵抗の最小化により、より効率的なリアクター設計に役立つ可能性があります。 

ガラススポンジのリッジ状で多孔質な表面の内部工学原理に従うことで、超高層ビルやその他の構造物における空気濾過と換気システムを向上させることができます。非対称の螺旋リッジは、例えば低抵抗の船体や機体胴体をインスパイアし、内部の空気流を促進しながら流線形を保つことができるでしょう。 

2021年から2024年にかけて、ヴィーナスフラワーバスケットスポンジに関する研究は継続され、このバイオエンジニアリングの驚異がさらに多くの実生活応用をインスパイアできることが次々と明らかになりました。 

自然をデザインのインスピレーションとして活用することで、多くの企業が効率を向上させ、最適化を導入することに成功しています。 

#1. メルセデス・ベンツのバイオニックカー

2024年3月、メルセデス・ベンツは、デザイン哲学を説明しながら、最新モデルの一つであるVision EQXXについて、次のように述べました:

「軽量構造に関しては、自然が依然として最高のロールモデルです：箱魚から北極ツバメまで、多くの動物が最小限のエネルギーで渡航できるよう最適な体形やその他の能力を進化させてきました。最大効率は、VISION EQXXを生み出した技術プログラムの指針でもあり、は自然の形状とバイオニックデザイン原則に基づいています。

同社は、生体模倣素材使用哲学を「バイオニカスト」プロセスと名付けました。このアプローチは、荷重経路が必要な箇所にのみ素材を使用することを推奨します。その結果、バイオニック要素は壁厚が常に変化し、骨格に似た開口部を持ちます。 

同社は、生体模倣デザイン哲学により、機能性が高くコンパクトで、重量が大幅に削減された製品が実現したと考えています。例えば、車のリアフロアに施されたバイオニックデザインだけで、重量と素材が15〜20％削減されました。ワイパーモーターブラケットも20％の重量優位性があります。

メルセデス・ベンツのバイオニックカーは、優れた空力性能で知られ、2005年6月にワシントンDCでデビューしました。それ以来、進化を続け、自動車業界での関連性と重要性を保っています。BIONICASTの革新的な開発プロセスは、2022年のMaterial Design + Technology Awardの「Best of Process」部門で受賞しました。2039年までに、Bionicastの資源消費削減原則と軽量構造の可能性に支えられ、メルセデス・ベンツは新車フリート全体のバリューチェーンでネットカーボンニュートラリティという包括的目標を達成することを目指しています。

2023年、売上高を報告しました 1,532億ユーロで、2022年の1,500億ユーロから32億ユーロ増加しました。会社はEBITが197億ユーロ、EPSが13.46ユーロであると記録しました。 

#2. Biohm

Biohmは、数々の賞を受賞した研究開発企業であり、「自然がイノベーションを導くことを許す」という哲学を信じています。そのミッションは、画期的でスケーラブルなバイオテクノロジーを責任あるライセンスで提供することにより、文化的・自然的システムを調和させることです。

Biohmの旗艦技術の一つは、キノコの菌糸体（マイセリウム）という植物性のフィラメント根構造を活用することです。同社はこの技術を利用して、粒子複合材、繊維強化複合材、単一材料、ポリマー様単一材料などの高度で高性能なソリューションを開発しています。これらは建設、消費財・小売製品、特殊包装、インテリア、家具、ファッション分野での使用に適しています。

Biohmは「Orb」技術を通じて、最も成長が早い「廃棄物流」の一つである食品や農業の「廃棄物」を価値ある高性能製品に変換します。これらの製品はシート状に成形したり、複雑な3次元形状や3Dプリント製品に成形することができます。

さらに、Biohmは永久的な結合剤やファスナーを必要としないプレハブ建築システムを提供し、堅牢で高品質な構造を実現します。炭素の分子結合の数学的幾何学にインスパイアされたこのシステムは、建物の環境影響、コスト、建設時間をそれぞれ120％、70％、95％削減できる可能性があります。  

画期的なバイオレメディエーションの取り組みの一つとして、BiohmはWaitrose & PartnersおよびPower To Changeと協力し、プラスチック（ポリウレタン（PU）、ポリエチレン（PE）、ポリスチレン（PS）、ポリエステル（PET））を分解できる4つの菌糸体株を開発しました。この菌糸体中心の技術を活用し、プラスチックは糖、無害な炭化水素、二酸化炭素に分解されます。菌糸体は糖と炭化水素を消費し、二酸化炭素は光合成生物によって酸素に変換されます。

業界の推定によれば、同社は資金調達に成功しています US$1.73 millionの資金をこれまでに調達しました。  (MBG.DE )

バイオインスパイアド・エアロおよび流体力学の未来

自然からインスピレーションを得てエアロと流体力学を再構築することは、世界中の研究者に刺激を与えています。ブリストル大学のバイオインスパイアド・フライトラボ（Dr. Shane Windsor率いる）では、研究者は、動物の飛行に関するさまざまなセンシングと制御の側面を調査し、エンジニアリング技術の改善にどのように役立つか、特に小型無人航空機（UAV）の機能に焦点を当てました。

世界最大級のブランドの一つであるロッキード・マーティンは、スカンクワークスのために熱帯中南米のヘラクレスカブトムシからインスピレーションを得て、周囲の熱帯雨林の日々変化する色合いに合わせて有機的に暗くしたり明るくしたりしています。スカンクワークスの研究者は、この特性を模倣することで、複合航空機部品の製造を改善できると考えており、複雑な構造が次の製造工程に進む適切な湿度レベルに達したことを技術者に通知できるセンサーを開発しています。

スカンクワークスの革命的技術ポートフォリオを担当するトーマス・クーンスによれば、「色変化センサーは、製造条件が適切かどうかを判断するための迅速で低コスト、信頼性の高い方法です。」クーンスはこれを「低コスト・低人員のソリューション」と位置付けています。

オハイオ州にあるNASAのグレン研究センターでは、港アザラシのひげが研究者ヴィクラム・シャムにインスピレーションを与え、固定翼航空機の画期的なエネルギー効率を追求するAdvanced Air Transport Technology Projectのために低抵抗タービンブレードの設計を行いました。 

同様に、オハイオ州のNASAグレン研究センターのシニアテクノロジストであるイザイア・ブランクソンは、泳ぐペンギンのアクロバティックな精度にインスピレーションを受け、空力形状でソニックブームを低減しようとするLow-Boom Flight Demonstrationプログラムを開発しています。

自然からインスピレーションを得ることは、人類がエアロと流体力学のソリューションを大幅に改善するのに大きく貢献しています。何十万年にもわたる進化的実践と生存戦術で磨かれた自然界と動物界の知恵は、効率的で低コスト、持続可能な優れたエンジニアリングソリューションのための豊富な知見を提供します。

ロボティクスが自然からヒントを得ている方法を学ぶには、ここをクリックしてください。