蚊が開いた窓に向かってブーンという音を立てて飛んでいます。無防備な犠牲者がベッドで安らかに眠っています。突然、蚊の約50倍の重さの雨粒が蚊に向かって真っ直ぐ落ちてきます。落下は人間の上を走るバスのような衝撃を与え、重力の最大 300 倍の力で蚊を下方に追いやる必要があります。
蚊の次の犠牲者にとって悲しいことに、蚊はこの衝突を生き延びるでしょう。
これは、アトランタにあるジョージア工科大学のエンジニアと生物学者のチームの結論であり、リアルタイムのビデオと洗練された数学の組み合わせを使用して、軽い昆虫の頑丈な構造により蚊が猛攻撃をかわすことができることを実証しました.最大の雨粒。この調査結果は害虫の駆除にはほとんど役に立ちませんが、エンジニアが小型飛行ロボットの設計を改善するのに役立つ可能性があります。
航空技術者は、雨が飛行機の飛行をどのように損なうかについてよく知っています。大雨は抗力を増加させ、揚力を減少させ、失速のリスクを高めます。しかし、空を飛ぶ動物に対する水の影響に関する研究はまばらです。ベルリンにあるライプニッツ動物園野生生物研究所の生物学者クリスチャン フォークトが率いるコウモリに関する最近の研究では、これらの毛むくじゃらの飛ぶコウモリは、乾燥した状態と比較して、雨の中を移動するのに約 2 倍のエネルギーを必要とすることがわかりました。それでも、一部の研究者はさまざまな条件下での昆虫の飛行のダイナミクスを研究していますが、科学者は雨の影響についてほとんど知りません.
この知識のギャップを埋めるために、ジョージア工科大学の機械技師のデイビッド・フーと彼の同僚は、ハマダラカを対象とすることにしました。 人々にマラリアを感染させる主な昆虫である蚊を、人工的な雨の状態にします。 Hu のチームは、水と動物の相互作用の研究ですでによく知られています。これには、濡れた犬が水を振り払って体を乾かす方法の物理学が含まれます。チームは「フライト アリーナ」と呼ばれるものを作りました。これは高さ 20 cm のアクリル製のケージで、上部はメッシュで覆われており、水は入りますが、蚊は逃げません。実験の最初のラウンドで、研究者はケージに水を噴射して、最大速度に達する高さである 10 メートルの雨滴をシミュレートしました。次に、ケージに入れられた6匹の蚊が、毎秒4000フレームをキャプチャする高速ビデオカメラで撮影されました。
昆虫ピンボールのようなゲームでした。 6匹の蚊はすべて、ケージの底に衝突することなく、落下の衝撃から回復することができました.典型的な例の 1 つとして、水滴が当たった蚊は体長の 13 分の 1 の距離を転がり落ちた後、水滴から離れて横方向に飛んで競技場の側面に着地しました。何が起こっているのかをよりよく理解するために、研究チームは 20 匹の蚊にゆっくりと落ちる水滴を当てました。ビデオは、衝突のほとんどが昆虫の体ではなく、翼と脚へのかすかな打撃であることを示しました.衝撃により、蚊は当たった場所に応じて縦揺れ、横揺れ、または回転を起こしました。
しかし、蚊が直撃した場合でも、約 20 体の長さを超えずに落ちただけで回復しました。フー氏と彼の同僚は、昆虫の質量が約 2 ミリグラムであるのに対し、雨滴は最大 100 ミリグラムであるために、雨滴は蚊に遭遇しても速度と運動量をほとんど失わず、蚊に実際の力をほとんど与えないという仮説を立てました。それ。この仮説を検証するために、チームは蚊と同じ重さと大きさの小さな発泡スチロール球で作られた昆虫の「模倣物」を作りました。研究者が球体をアリーナに放つと、上から水滴が球体に衝突したため、球体は一時的に空中に浮かびました。
実験では、ミミックの重量の 1 倍から 300 倍の範囲の水滴が、衝突時に 2% から 17% しか減速しないことが示されました。チームは、雨滴が変形し、蚊のはるかに小さな体を大部分迂回すると結論付けました。 Hu と彼の共著者は、National Academy of Sciences の議事録で今週オンラインで公開されたレポートで提案しています。 、この驚くべき効果は、蚊の存在の軽さだけでなく、外骨格、つまり内臓を保護する硬い外殻によるものである.
彼らの調査結果を裏付けるために、チームは蚊に最後のストレステストを行い、昆虫の体を圧縮して、実際にどのような力に耐えられるかを明らかにしました.チームは、雨滴の影響が 200 から 600 ダインに達すると計算しました。これは、加えられた力の標準的な尺度です。約 3000 ダインから 4000 ダインの圧縮にさらされた後、蚊は雨滴の衝撃の何倍もかかりましたが、解放された蚊はまだ飛ぶことができました。
カリフォルニア大学バークレー校の昆虫飛行の専門家である Robert Dudley は、この論文は「蚊が生き残り、比較的大きな水滴の単一の衝撃を機械的に補償することを説得力を持って示しています。これは主に、蚊の質量が小さいことと柔軟な外骨格のためです。 ." Voigt 氏は、この研究は、空を飛ぶ動物がさまざまな気象条件下でどのように行動するかを理解する上での「素晴らしい貢献」であると付け加えています。 Voigt 氏は、昆虫が受ける重力の最大 300 倍という非常に高い G 力に「蚊のように本当に打たれた」と述べています。 (人間は約 25 G しか耐えられません。)
フー氏は、彼のチームの結果は、いわゆる超小型空挺車両 (MAV) の設計に影響を与える可能性があると述べています。MAV の一部はトンボと同じくらい小さく、戦闘地域での監視や捜索のために軍によってますます使用されています。救助活動。しかし、Voigt は懐疑的です。 「蚊ほどの大きさの空中ロボットを作るにはほど遠い」と彼は言う。
