水中ロボットは、さまざまなすごいことをやってのける。海中火山の写真を撮影し、ドチザメを追跡し、難破船を探検する。それでも、水中ロボットにはまだ、魚から学ぶことがある。なかでもいいお手本は、超高速で水中を進み、驚くほどの敏捷性をもつマグロだ。

マグロは、大洋を泳ぎ続けるようにできている。普段は時速約3.2kmで回遊しているが、獲物を見つけたときは時速72kmまで加速できる（ちなみに、最強のスイマー、マイケル・フェルプスは時速8～10kmだ［日本語版記事］）。しかもマグロは、小回りの利くイカやイワシをやすやすと追尾する。

このほど、マグロの敏捷性の理由のひとつが新たに発見された。7月20日付けで『サイエンス』誌に掲載された研究で、マグロには泳ぎのために特化したヒレがあり、その上下運動に「水力学システム」が使われていることがわかったのだ。体の上下にあるこの鎌状のヒレは、推進力を生むものではない。最大限に広げることで、高速遊泳中も体勢を安定させている。ヒレを閉じると、マグロは即座に方向転換できる。

筋肉だけでなく、ヒレの水力学システムの力も借りて泳ぎを制御するマグロは、水中ロボット［日本語版記事］の高速化に多くのヒントをもたらすかもしれない。

生物模倣ロボット工学の黎明期から、エンジニアたちはロボットマグロをつくりだしてきた。お手本となる本物の魚と同じくらい効率的に泳ぐマシンを目指してきたのだ。ロボットの遊泳能力は向上を続けているが、動力に関しては、いまでも魚のほうが優れている。なにしろ魚は電池切れにならないし、光ファイバーケーブルに接続する必要もない。

まったく新しいマグロの解剖学的構造

野生のマグロは、その優れた特性のおかげで、10年以上も生きて泳ぎ続ける。だが、ロボット工学者にも勝機があるかもしれない。生物学者たちが、魚の泳ぎの新たなメカニズムを発見し続けているからだ。

今回の発見は、スタンフォード大学ホプキンス海洋研究所で長年魚類の研究を続けるバーバラ・ブロックの研究室に所属するバイオミメティクス（生物模倣工学）研究者、ヴァディム・パヴロフによってもたらされた。ブロックは、まったく新しいマグロの解剖学的構造に、大いに興味を惹かれたという。

パヴロフは、この構造を発見したとき、追跡タグの開発のため、マグロのヒレを解剖して精査していた。「わたしたちが見つけたのは、導管、筋肉、骨が一体となった奇妙なシステムでした。すごく変わっていて、まるで大きなパズルの断片でした。それが何のための器官なのか、見当もつきませんでした」

優秀な解剖学者なら誰でもそうするように、彼は染色したシリコンゲルを網目状の導管に注射し、明るい青色でマッピングした。これにより、鎌状の正中鰭（せいちゅうき）の基部に大きな液室があることがわかり、また魚の背面の筋肉とヒレも青く染まった。

染料はヒレの内部にまで広がり、ヒレをテントのポールのように支える「棘条」の周囲には、細い導管が通っていることがわかった。どうやらマグロは、液室の基部の筋肉を収縮させて液室内の圧力を高め、液体を細い導管に流すことで、ヒレを直立させているようだった。

これを検証する方法はひとつしかない。パヴロフはヒレのすぐ後ろの（真下にある液室に直接力をかけられそうな）場所に狙いをつけて、注射器で生理食塩水を注入し、人為的に液室に圧力をかけた。すると思った通り、ヒレが瞬時に直立した。

わくわくするような発見だ。だが、この水力学システムが実際にマグロの機敏な動きをどのように補助しているのかに関しては、まだ多くの謎が残っていた。死んだ魚で実験しても、わかることは限られている。

そこでブロックら研究チームは、容量7万5,000リットルという大型研究用水槽のなかを泳ぐマグロの群れをハイスピードカメラで撮影し、映像を解析した。遊泳中のマグロが実際に動かすヒレの角度が、パヴロフの実験結果と一致するかどうかを検証したのだ。パヴロフは、計測結果を流体力学のコンピューターモデルにあてはめた。120通りの遊泳のシミュレーションで魚体にかかる揚力と抵抗を計算したところ、正中鰭は直立時、ヨットのキールのようにマグロの体を安定させ、横転を防ぐことがわかった。クイックターンの際は、安定性を犠牲にすることで、高速の方向転換を実現していた。

リンパを使うことでエネルギー効率が上がる？

圧力によって導管内を流れる液体の正体は、最初はわからなかった。生物がもつ水力学システムというと、血液が思い浮かぶが、この場合は違うようだった。「この液体は赤ではなく、淡いピンク色をしていますし、血液のように濃くはありません」と語るのは、パヴロフの依頼で研究に協力したスタンフォード大学の免疫学者、ベニヤミン・ローゼンタールだ。

ピンク色はおそらく、赤血球よりも白血球が多いことを意味しており、ローゼンタールはこの液体がリンパ系に由来すると考えた。リンパは通常、免疫や循環に関わるもので、生体力学とは無縁だ。だが、ローゼンタールがこの水力学システムのなかの液体を成分分析にかけたところ、そこから見つかった細胞の種類は、やはりリンパ系と共通していた。

この水力学システムと筋肉が同時に働く理由はまだはっきりしないが、リンパを使うことでエネルギー効率が上がるのかもしれない。なんといっても、エネルギーの費用対効果は生物学の要だ。「筋肉は、つくるのにも、維持するのにも、使うのにも、エネルギーの面で高いコストを伴います」と、ラトガース大学ニューアーク校の生体力学研究者、ブルック・フラマングは言う。これに対して液体は、小さな投資で同等の力学的効果を得ることができる。

また、リンパを使うことで、ヒレをより正確に制御できる可能性もある。エンジニアが水力学装置を利用するのは、大きな力を精密にコントロールする必要がある場面だ。獲物をつかまえられるかがかかっているのだから、マグロに緻密な運動制御が必要なのもうなずける。

自律型水中ロボットがイカを食べることはないが、エネルギー面の制約があるのはマグロと同じだ。推進力や操舵性の向上のために、効率的な水力学システムを導入できれば、電力消費を抑えられるはずだ。マグロを追って水力学という新たなステージに挑むことで、より優れたロボットが誕生するかもしれない。