バイオメカニクス：カブトムシの翅のメカニズムがロボットデザインにインスピレーションを与える
Nature
カブトムシがどのように後翅（こうし）を展開と収納するのかを分析したところ、そのプロセスは受動的であり、筋肉活動を必要としないことがわかった。今週のNatureに報告されるこの発見は、飛行するマイクロマシンの設計改善に役立つ可能性がある。
空を飛ぶ昆虫の中で、カブトムシは最も複雑な翅（はね）の仕組みを持っており、エリトラと呼ばれる一対の硬い前翅（ぜんし）と、繊細な膜状の後翅という2組の翅を持つ。翅の折り紙のようなひだについては広範な研究があるが、後翅をどのように展開および収納するかについてはほとんど知られていない。これまでの研究では、甲虫の後翅の付け根の動きは胸部の筋肉によって駆動されると理論づけられているが、この理論を裏づける実験的証拠は不足している。
Hoang-Vu Phanらは、高速カメラと動的に類似した飛行ロボットを組み合わせて、これまで解明されていなかったこの研究領域に取り組んだ。著者らは、カブトムシが翅を展開したり収納したりする際に、エリトラを含む受動的なメカニズムを用いることを観察した。翅の展開は2段階のプロセスで、エリトラを上げるとバネのように後翅が部分的に解放され、次に羽ばたき運動によって後翅を上げた飛行姿勢にする。著者らはまた、カブトムシがエリトラを使うことで受動的に後翅を静止時の姿勢まで下げることも発見している。
この観察からヒントを得た著者らは、カブトムシの翅の受動的な展開と収納を模倣したマイクロロボットを作った。このマイクロロボットは、離陸と飛行の維持に成功している。この発見は、甲虫の受動的な後翅のプロセスを羽ばたきするロボットの設計に応用することで、限られたスペースや散らかったスペースで動作する必要がある小型ロボットの能力を向上させることができることを示唆している。
Phan, HV., Park, H.C. & Floreano, D. Passive wing deployment and retraction in beetles and flapping microrobots. Nature (2024).
An analysis of how rhinoceros beetles deploy and retract their hindwings shows that the process is passive, requiring no muscular activity. The findings, reported in Nature this week, could help improve the design of flying micromachines.
Among all flying insects, beetles demonstrate the most complex wing mechanisms, involving two sets of wings: a pair of hardened forewings called elytra and a set of delicate membranous hindwings. Although extensive research exists on the origami-like folds of their wings, little is known about how they deploy and retract their hindwings. Previous research theorizes that thoracic muscles drive a beetle’s hindwing base movement, but experimental evidence to support this theory is lacking.
Hoang-Vu Phan and colleagues combine the use of high-speed cameras and a dynamically similar flying robot to address this research gap. The authors observe that rhinoceros beetles use passive mechanisms, including their elytra, when deploying and retracting their wings. Deployment is a two-phase process in which elevation of the elytra partially releases their hindwings in a spring-like fashion, then a flapping motion brings the hindwings into a raised flight position. They also find the beetles use their elytra to lower their hindwings into a resting position passively.
Inspired by their observations, the authors make microrobots that mimic beetle wings' passive deployment and retraction. They find the bots successfully take off and maintain flight. Their findings suggest that transferring the beetle’s passive hindwing processes to a flapping robot design could help to improve the capabilities of small robots that need to operate in limited or cluttered spaces.
doi: 10.1038/s41586-024-07755-9
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