深海で発見された奇妙な海綿動物が、研究者の関心を一挙に集めた。その理由は、エネルギーを消費せずに体内の水の流れをコントロールするその優れた能力にある。研究者たちは、海綿動物のゼロエネルギーの流れコントロールが、エネルギー効率の高い設計につながる可能性があることを発見した。
ローマ・トル・ヴェルガータ大学とニューヨーク大学タンドン工学部は最近、興味深い研究に着手しました。この研究は、極めて高解像度のコンピュータシミュレーションを用いて、ヴィーナスフラワーバスケットスポンジ（Euplectella aspergillum）の骨格構造がどのように海流エネルギーを利用しているかを明らかにしました。このシミュレーションは、深海でゆっくりと下降する海流をどのように捉えているかを示しています。また、これらのスポンジが下降する海流を体の中心腔に取り込み、そこに浮遊するプランクトンやその他の食物粒子を摂取する方法も明らかにしています。
この研究は、ローマ・トル・ヴェルガータ大学のジャコモ・ファルクッチ博士と、ニューヨーク大学タンドン研究所のマウリツィオ・ポルフィリ教授が共同で主導した。
ファルクッチ博士は、「工学的な観点から見ると、海綿の骨格系は、構造的な観点だけでなく、流体力学的性能に関しても、その環境への驚くべき適応を示している」と述べている。
「スポンジは、完全に受動的なメカニズムによって機能しながら、栄養供給を最大化する洗練された解決策に到達した」とファルクッチ博士は付け加えた。
研究方法と使用したツール
イタリアのスーパーコンピューティングセンターCINECAは、証拠に基づいた計算機「レオナルド」を提供している。これは100億個の点からなる3Dコンピュータモデルで、精緻な螺旋状の骨格構造を表現している。
1 秒あたり天文学的な計算が可能です。チームは、デジタル スポンジの周囲と内部に現実的な水の流れを組み込みました。これは、さまざまな電流の大きさと条件で発生しました。
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新たなエネルギー効率の高い設計の実現
研究者たちは、スポンジの複合構造におけるバイオミミクリーの原理を強調している。彼らは、この原理が化学反応器の最適化など、新たな設計にも応用できると考えている。換気システムの一部としてこのような細胞構造を構築することで、酸素流量を増加させることが可能になる。また、建物内の空気ろ過性能も向上させることができる。
湾曲した不均一な隆起は、低抵抗で必要な内部気流を確保する空力設計の特徴である可能性さえある。ここでもまた、自然は技術革新のための独創的なモデルを提供してくれた。
バイオセメントについて知ることは興味深い。バイオセメントは、通常のセメントに代わる環境に優しい代替品となる可能性がある。
自然な動作原理
スポンジは、螺旋状の階段のような役割を果たす螺旋状の隆起面を利用して水を吸い上げます。多孔質の骨組み状の構造を通して水を上方に引き上げるには、物理法則の単純な原理が用いられています。そのため、ポンプによる揚水に必要なエネルギーを節約できます。
このような格子構造は、流れの高速化に伴う抵抗を最小限に抑えることでエネルギーの節約に役立ちます。深海底の自然換気は驚くほど効果的です。これは、スポンジがこの過酷な環境でいかに重要な役割を果たしているかを示しています。調査の結果、スポンジの受動的な食物濾過は、非常に遅い流速でのみ機能することが判明しました。それは、その環境の毎秒数センチメートルです。
