研究者らは、砂漠に生息するサンドグラウスの羽毛を、これまでにない視点で捉えました。Futurityが報じています。
高解像度顕微鏡と3D技術を用いて、研究チームはサンドグラウスの羽毛特有の構造を示すことに成功しました。羽毛がこれほど多くの水を保持できる理由が、初めて明らかになりました。
研究チームは、制御された吸収、確実な保持、そして液体の容易な放出を必要とする将来の工学設計の基礎に、今回の知見がなると見込んでいます。
想定される用途には、水筒や、砂漠地域の霧や露から水を集めて保持するためのネットなどが含まれます。
飛行中に水を保持するという驚くべき能力を持つ鳥の羽毛を極限まで拡大した写真は、次世代の吸水性素材の開発に着想を与える可能性があります。
高解像度顕微鏡と3D技術を用いて、研究者らはこれまでにない視点で捉えました 羽毛を、砂漠に生息するサンドグラウスから。その特有の構造を示し、羽毛がこれほど多くの水を保持できる理由を初めて明らかにしました。
「自然が、水を取り込み保持するためにこれほど完璧に効率的な構造を作り上げてきたことは、非常に興味深いです」と、共著者でジョンズ・ホプキンス大学土木・システム工学科の助教授であり、スマート素材と設計を専門とするヨッヘン・ミューラー氏は述べています。「工学の観点からは、今回の知見が生体模倣型の新たな創造物につながる可能性があると考えています。」
アフリカの砂漠に生息するサンドグラウスは、捕食者から身を守るため、通常、水場から約20マイル（約32キロメートル）離れた場所に巣を作ります。乾いたひなに水を運ぶため、成鳥のオスは、自然界で最も優れた運搬行動の一つを行います。水を集めて巣へ持ち帰るのです。これは、サンドグラウスが体重の約15％にあたる水を抱え、時速約40マイル（約64キロメートル）で約30分かかる帰路の飛行中も、その大部分を安全に保持するという点で、さらに驚くべき偉業です。
オスのサンドグラウスは、このように水を保持することが知られている唯一の鳥です。その鍵となるのが、特殊に適応した腹部の羽毛です。
この驚くべき腹部の羽毛は、50年以上前に他の研究者によって初めて記録されました。しかし、現代の技術を用いることで、研究チームはようやく羽毛の仕組みを実証することができました。
ミューラー氏と、マサチューセッツ工科大学の技術者であるロルナ・J・ギブソン氏は、走査型電子顕微鏡、マイクロコンピュータ断層撮影、光学顕微鏡、3Dビデオ撮影を用いて、腹部の羽毛の微細構造に焦点を当てました。人間の髪の毛の幅のほんの一部しかない羽軸と、さらに微細な個々の小羽枝を詳しく調べました。
研究チームは羽毛を大きく拡大し、乾いた状態と濡れた状態の両方で観察しました。そして、非常に繊細かつ極めて重要な工程として、拡大観察中の乾いた羽毛を水に浸し、引き上げてから再び沈めました。まるで水場のサンドグラウスのように。
「この種の作業をするときは、息をすることさえできません。さもないと、羽毛が吹き飛んでしまいます」とミューラー氏は述べています。
ミューラー氏は、個々の羽毛の構造を「見事」と表現しました。羽毛は、曲がり方、濡れた際に小羽枝が保護的なテント状の房を形成する仕組み、そして各小羽枝内の管状構造が水を捕らえる仕組みなど、複数の方法で水を保持し、留めるよう最適化されています。
個々の羽毛は、羽軸付近の小羽枝の密な集まりを通じて水を保持します。先端付近の湾曲した小羽枝がほぼキャップのような役割を果たし、これと協働しています。
「私たちを興奮させたのは、そのレベルの細部を目にできたことです」とミューラー氏は述べています。「これらの原理を活用して新しい素材を作るためには、こうした仕組みを理解する必要があります。」
研究チームは、羽毛による水の取り込みを計算モデルでもシミュレーションしました。
ミューラー氏とギブソン氏は、制御された吸収、確実な保持、そして液体の容易な放出を必要とする将来の工学設計の基礎に、今回の知見がなると見込んでいます。
想定される用途には、砂漠地域で霧から水をや露を集めて保持するためのネットの設計、そして揺れやちゃぽちゃぽ音を防ぐよう設計された水筒が含まれます。
水筒やスポーツ用バックパックについて、ミューラー氏は、多くの液体を安全に保持しつつ、移動中に水が揺れ動くのを防ぐ内部の羽毛状構造を備えた設計を考えています。このような機能を持つハイドレーションパックや水分補給用ブラダーは、特にランナーに重宝されるだろうと同氏は考えています。
また、より使いやすく、「液体を効率的に吸収しつつ、放出がはるかに容易な」次世代の医療用綿棒も構想しています。パンデミック期間中、COVID-19の鼻腔検査サンプルの採取では、放出機能が課題だったと同氏は述べています。
次に、研究チームは同様の構造を3Dプリントで製作し、商業的な応用を追求する計画です。
本研究で使用された腹部の羽毛は、ハーバード大学比較動物学博物館のコレクションにある、成熟したオスのナマクアサンドグラウス（Pterocles namaqua）1羽から採取されたものです。
本研究は「Journal of the Royal Society Interface」に掲載されています。研究は全米科学財団の支援を受けました。
出典：ジョンズ・ホプキンス大学
