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自然に学ぶ研究事例

第35回生物の羽に学ぶ膜面構造物
材料・デバイス開発
昆虫資源
“羽”に隠された知恵を活かす宇宙構造物
サナギからかえり、折り畳まれた羽を精一杯に広て地上から大空へと飛び立つ昆虫。巨大な翼を瞬時に畳み、瞬時に開くコウモリ。さまざまな知恵と工夫が隠された、生物の“羽”に学ぶ宇宙構造物とは?
ギンヤンマの羽化
ギンヤンマの羽化

トンボの羽化には、腹でぶらさがる倒垂(とうすい)型と、頭を持ち上げる直立型の2種類がある。倒垂型のギンヤンマの終齢幼虫は、支柱に登って羽化をはじめ、最初頭を下にぶら下がるが、途中で向きをかえて羽を下(重力方向)に向ける。

人工衛星のアンテナ、太陽電池パネル、宇宙帆船「ソーラーセイル」。宇宙用の大型構造物は、ロケットに搭載して打ち上げるため、できるだけ軽く、コンパクトに収納する必要があります。そのため、小さく折り畳んでおいた薄膜をガスで膨らませたり、支柱を伸ばしたり、遠心力を利用したりとさまざまな工夫によって、宇宙で数倍から十数倍という大きさに展開させる研究が、世界的に行われています。

 

しかし、膜面にシワやよれがあったり、形にゆがみができたりすると本来の役割をきちんと果たせません。たとえば反射面が鏡のように均一でキレイに張った表面でなければ、遠くの天体を見る望遠鏡や、大容量の情報を送受信するアンテナはできません。また、一度展開した膜面を宇宙でうまく収納する技術はまだありません。そうした問題を解決するヒントが、実は、生物の“羽”にあったのです。

 

トンボやチョウなどの昆虫は、羽の翅脈に流れる体液と重力を利用して羽化します。また、コウモリは自分の翼をキレイに畳んでマントのように身にまとい、飛ぶたびに開いたり閉じたりしますが、それは格子状の繊維と皮膚でできた伸縮性の高い翼膜が可能にしています。このような生物の“羽”の構造と変身のテクニックを、宇宙構造物の収納と展開に活かせないかと考えたのです。

 

現在、そうした“羽”の知恵を取り入れた、新発想の構造物の試作も進んでいます。その1つが、ロールアップカーテンのような薄膜太陽電池パネル。支柱となる薄膜プラスチックチューブを羽の翅脈にみたて、収納したチューブを膨らませて少しずつ押し出して、紫外線で硬化させていく仕組みです。

 

こうした研究が進展し、再収納できるようになれば、宇宙空間で閉じたものをまた展開させて再使用も可能になります。そして、役目が終わった後は宇宙空間に放置し宇宙のゴミとせざるを得なかったものを回収でき、環境的にも貢献することになるのです。

樋口 健 助教授  岸本 直子 招聘開発員

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部

宇宙と対極の生物に新しいアイデアを探る
幼虫からサナギ、そして成虫となって羽を広げる昆虫の変態は、発射されたロケットが切り離しを行い、最後に展開する形態変化に通じるものがありますね。昆虫の羽化は、収納してあった成虫という膜構造物を展開し、硬化して形をきちんと保持するところまでが、完璧な仕組みになっています。また、コウモリの翼のような伸縮膜は構造物の枠が動いてもフィットする、畳んでもくしゃくしゃにならないなど、多くの利点が考えられます。
真空である宇宙空間では、生物は暮らすことができません。いわば対極にある環境に適合している生物を飼い、観察を続けています。本業以外のことに興味を持つことも、研究では大切なことですね。意外な組み合わせが、新しいアイデアに結びつくのです。

トピックス
コウモリは動物分類で翼手目に属し、鳥類ではなく、唯一飛翔するホ乳類です。その翼は人の腕のように肩から伸びた骨には肘もあり、5本の指がついています。第2指から第5指までが長く、その間に飛膜と呼ばれる伸縮性の膜があり、膜は足までつながっています。腕と指を伸ばせば翼が広がり、曲げれば折り畳まれる、まさに、こうもり傘のようです。飛膜は赤い血管が浮いて見えるほど薄く、穴があいても自然にふさがるといいます。 1996年1月13日、スペースシャトルに搭乗した若田光一さんがロボットアームを操縦して、日本の人工衛星を回収しました。実はそのとき、薄い太陽電池パネルを折り畳んで衛星内に格納し、一緒に回収することになっていたのが、うまく収納できずに泣く泣く切り離したのです。このように、宇宙空間で膜面を収納することはとても難しいことなのです。コウモリの飛膜のような薄膜をつくることができれば、画期的な新技術となることでしょう。
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