Energy savings and wake dynamics are conducive to position and flapping phase adaptation in bird formation flight
自律型羽ばたき飛行体の高忠実度シミュレーションを通じて、本研究は、鳥類がリーダーの翼のダウンストロークにおける上昇気流を利用するために、自身の位置を約1翼幅分下流に配置し、かつ翼の打ち動作をリーダーの航跡と同期させることで、編隊飛行において最大13.7%のエネルギー節約を実現していることを示し、これらの利点が複雑な多体ダイナミクスではなく、主にペア間の相互作用によって駆動されていることを明らかにしている。
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繁殖や採餌のために何千マイルもの距離を旅する鳥たちは、絶え間ない身体的課題に直面している。それは、自分たちの速度を落とす空気抵抗と、それを克服するために必要なエネルギーである。これらの長い旅を生き抜くために、多くの種は組織化されたグループを作り、列やV字型に並んで飛ぶ。数十年前から、この編隊飛行がエネルギーを節約することを科学者たちは知っていたが、その仕組みの正確なメカニズムは、ある種謎に包まれたままだった。その恩恵は、前方の鳥によって残される気流からもたらされる。鳥が翼を羽ばたかせると、自らを浮かび上がらせるために空気を押し下げ、この動作によって、鳥の後方に続く「渦（ボルテックス）」と呼ばれる、渦巻く空気の管が形成される。これら渦巻く管の側面では、空気が上昇している。後続の鳥はこの上昇気流の中に位置取ることができる。これにより、実質的に「無料のリフト（揚力）」を得ることができ、自らの翼を羽ばたかせるための努力を軽減できるのである。しかし、羽ばたきは安定した流れではなく、絶えず変化する波打つような空気の流れを作り出すため、上昇する空気を捉えるために、正確にどこを、いつ羽ばたくべきかを突き止めることは困難であった。
ベルギーのルーヴァン・カトリック大学（UCLouvain）の研究チームは、高度なコンピュータ・シミュレーションを用いて、これらの目に見えない気流をマッピングし、鳥がエネルギー節約を最大化するために従っている正確なルールを特定した。心拍モニターやGPSトラッカーのようにエネルギー使用量を推測するのではなく、チームは大型の渡り鳥であるシロハラトキの精緻なデジタルモデルを構築した。彼らは、鳥の骨格、羽毛、そして翼の周囲で渦巻く空気の複雑な物理現象をシミュレートした。数千回のシミュレーションを実行することで、仮想の「後続」の鳥が、「リーダー」となる鳥に対して異なる位置や羽ばたきのリズムを試行し、空気の流れがどのように変化し、後続の鳥がどれだけのエネルギーを節約できるかを観察させた。
研究によれば、エネルギー節約の秘訣は、非常に特定のタイミングと位置の「ダンス」にある（ただし、研究者たちはこれをダンスとは呼ばないことを避けている）。後続の鳥は、リーダーの約1翼幅後ろ、かつ、リーダーの翼幅の約0.9倍程度の横方向に位置するときに、最大のエネルギー節約（最大13.7パーセント）を実現できることが分かった。極めて重要なのは、後続の鳥が、リーダーの翼が上昇気流を生み出した特定の瞬間に合わせて、自身の羽ばたきを同期させなければならない点である。シミュレーションの結果、後続の鳥は、リーダーのダウンストローク（打ち下ろし）による渦が通過する瞬間に、自身のダウンストローク（最も揚力を生み出す部分）を合わせる必要があることが示された。後続の鳥が、空気を最も強く押し返す瞬間に、最も強い上昇の押しを受け取ると、揚力のベクトルが前方に傾き、小さな推進力のブーストとして作用する。この整列により、鳥はより少ない労力でより多くの揚力を得ることができるのである。
しかし、研究者たちは、なぜ鳥が飛行機のように長く引き延ばされた列で飛ぶことがないのかについても発見した。羽ばたく鳥によって残される渦巻く気流は安定しておらず、鳥から離れるにつれてねじれ、変形し、拡散していく。シミュレーションによれば、鳥同士の距離が大きくなるにつれて、これらの気流は鋭い構造を失う。後続の鳥を助ける上昇気流は弱まり、秩序を失い、後続の鳥がその恩恵を受けられる時間の窓も縮まってしまう。固定翼の航空機は非常に長い距離にわたって気流を利用できるが、羽ばたきによる不安定な性質のため、エネルギーの恩恵は急速に減衰する。この研究は、鳥がタイトな編隊で飛ぶ必要があるのは、助けとなる気流が十分に遠くまで持続しないためであることを示唆している。
研究者がシミュレーションをより大きな鳥のグループへと拡張したところ、恩恵は主に、目の前の鳥との関係によって決定されることが判明した。大きな群れの中の鳥は、あらゆる方向から助けとなる気流に囲まれているように見えるかもしれないが、遠くの鳥からの空気は相殺されるか、あるいは影響を与えるには弱くなりすぎる傾向がある。最も重要な節約は、直前の個体からもたらされる。興味深いことに、編隊の最前列にいる鳥も、背後の鳥たちが前方へ向かってわずかな上昇気流を作り出すため、小さな利点を得ている。これは、V字編隊におけるリーダーであっても、全く恩恵を受けないわけではない理由を説明している。研究は、鳥の群れで見られる正確な間隔とタイミングは、ランダムな社会的行動ではなく、精緻に調整された物理的戦略であると結論づけている。隣接する個体が作り出す上昇気流の特定の、刹那的な瞬間に対して翼を合わせることで、鳥たちは羽ばたき飛行に伴う混沌とした乱気流を、長距離移動のための極めて効率的なシステムへと変えているのである。
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