バトイド運動

バトイド類は、背腹方向に扁平した体と頭部に癒着した大きな胸鰭を特徴とするガンギエイ類、エイ類、その他の魚類からなる軟骨魚類の上目である。この独特な形態により、いくつかの独特な移動形態が生み出されている。ほとんどのバトイド類は、拡大した胸鰭を利用して、中等度の対鰭遊泳を行う。中等度の対鰭遊泳を行うバトイド類は、鰭に一度に存在する波の数に基づいて、移動形態からラジ形態までの遊泳様式の範囲のどこかに分類される。バトイド科の4つの目のうち、これはMyliobatiformes （エイ類）とRajiformes（ガンギエイ類）に最も当てはまる。他の2つの目、RhinopristiformesとTorpediniformesは、より高度に体尾鰭遊泳を行う。^{[1] [2]}

運動性遊泳はマンタなどの遠洋性Myliobatiformes種によく見られ、胸鰭を羽ばたかせる動きが特徴です。外見は鳥の飛行に非常に似ています。運動性遊泳を行うコウモリ類は、高いアスペクト比、先細りの厚い胸鰭、水中翼船に似た側面形状で識別できます。コウモリ類は、非常に効率の良いオープンウォータースイマーであり、長距離を高速で移動することができます。^[2]

運動性エイの胸鰭は、先端で最も大きく、翼幅方向に背腹方向に変形し、弦方向に進行波を生じる。^[3]運動学的には、運動性エイの遊泳は、低周波、高振幅の鰭の羽ばたきで構成され、一度に鰭に存在する波形は1つ未満である。速度を上げるために、遠洋エイは胸鰭の羽ばたきの頻度を上げる。^[4]

エイは機動性に関しては他の魚類に比べて不利な立場にある。体は硬いため慣性モーメントが大きく、背腹方向に扁平な形状のため、滑り止めに必要な横方向の力を発揮できず、旋回を維持するのが困難である。^[5]旋回中の傾斜は、中等度の両対鰭の泳ぎ方で見られ、傾斜のない旋回で生じる操縦面の不足を補うことができる。旋回する仕組みは異なるが、移動型は滑走旋回で移動するのに対し、ラジ型は鰭の非対称な 波動で移動する。 ^[6]しかし、ペラギック・スティングレイなどの一部の種は、鰭に沿って波を反転させたり、後ろ向きに泳いだりできるため、より機動性が高い。^[7]

遠洋環境では、エイは表面波に遭遇します。コウノトリエイの入射波との相互作用実験では、エイは泳ぐのをやめ、胸鰭で正の二面角を形成し、水柱内での位置を維持することが示されています。波と同じ方向に移動すると、鰭の振幅を減らしながら速度を上げることが示されており、これはエイが移動波を利用して遊泳効率を高めている可能性があることを示唆しています。^[8]

ラジフォーム型遊泳者は、胸鰭の末端部を波打たせて移動します。この波は一度に複数の波形を鰭に持っています。この遊泳法は、ガンギエイや一部のエイを含む底生のコウテイペンギン類によって利用されています。これらの魚類は、低いアスペクト比と薄い腹鰭という共通の形態を持っています。ラジフォーム型遊泳者よりも遅いですが、低速では最も代謝効率の高い軟骨魚類の遊泳者です。 ^[9]

ガンギエイと底生エイのラジフォーム遊泳法には違いがある。ラジフォームは必ずしもラジフォーム遊泳法を使うわけではない。ガンギエイは尾の付け根近くの腹側に、腹鰭脚と呼ばれる2組目の腹鰭を持っており、ディスクが動かない間に、これを使って連動して底質を押していく。この移動スタイルはパンティングと呼ばれ、地面との直接接触から力を生み出しているように見えることから、歩行に非常に似ている。ガンギエイは非同期の動きで方向転換できるため、方向転換中に体を傾ける必要がなく、水の動きが減ることに加えてステルス性も向上する可能性がある。筋繊維分析から、一部のガンギエイでは低速（体長の約1/3/秒）ではパンティングが主な移動手段である可能性があり、ラジフォーム移動は特定の状況で使われる可能性があると見られる。^[10]底生エイはラジフォーム移動に完全に依存している。両者のもう一つの違いは、尾の役割です。ガンギエイはヒレの付いた大きな尾を持っており、方向転換をするときにそれを使います。^[6]エイの尾は泳ぐときに何の役にも立たないようです。アカエイと呼ばれるエイの中には、尾に毒のあるトゲがあり、それを振り回して身を守ります。

胸鰭の薄い厚みの分布は、ラジフォームスイマーが基質と鰭の間の流体力学的相互作用から受動的に恩恵を受けるようなものである。 ^[11]そのため、長期間基質から離れて泳ぐことは持続不可能である。^[9]腹鰭の厚さは鰭の前部で最も高く、鰭の末端部と後部鰭で最も低く、通常1ミリメートル未満である。これらの薄い領域は通常の速度では受動的に変形し、より高速では硬く保たれる必要があり、ラジフォームスイマーの最大持続速度を制限するのに役立つ。^[12]

デンキエイの大半は、水中を定期的に上昇し、再び滑空して戻るという特徴的な低速泳ぎ方をする。RajiformesやMyliobatiformesとは異なり、その推進力はエイやガンギエイよりもはるかに発達した尾びれの動きのみから得られる。体の円盤部分は、泳ぐ際の滑空部分の効率を高めるために使われている。^[13]

ナマズ目はサメとエイの中間のグループです。ナマズ類の遊泳特性についてはほとんど研究されていませんが、サメとの形態的類似性から、ナマズ類は主に尾びれを使って泳ぎ、胸びれは推進力を生み出していないと考えられます。

バトイドエイには、水中無人車両に望ましい特性がいくつかある。その動きの性質上、ペイロードを運ぶための安定したプラットフォームとなる。彼らは非常に効率的に泳ぐ傾向があり、多くの外洋性エイ種、さらには一部の底生種は、毎年非常に長い距離を回遊する。外洋性種はより効率的に高速で泳ぐ傾向があるのに対し、底生性エイは低速で効率的に泳ぐ傾向がある。多くの底生エイは非常にステルス性に適応しており、体も低く、移動時にほとんど乱れを生じない。彼らは大きな推力を生み出す可能性があり、これが巨大なマンタが水面を完全にクリアできる理由である。^[14] それぞれの種の性能能力の違いにより、さまざまな異なる生体模倣自動水中車両（BAUV）が開発されている。外洋性および底生性のエイ類をベースにした設計は数多くあり、電気エイの独特な尾びれの推進力や、ガンギエイのパンティング動作を利用したものなど、エイ類の泳ぎのあまり知られていない側面をベースにした設計もあります。生物学的バージョンと人工バージョンの性能を本当に際立たせているのは、ディスクの微妙な柔軟性と作動です。ディスクのさまざまな部分は他の部分よりもかなり柔軟で、いくつかの部分は受動的に変形するように設計されています。ラジフォームのディスクと地面との受動的および能動的な相互作用の組み合わせを模倣することは特に困難です。翼の複雑な作動は、テンセグリティ構造、電気活性ポリマー、流体筋肉など、さまざまな手段を通じてうまく模倣されてきました。ただし、これらの技術は、実際の筋肉を完全に模倣できるところまでには開発されていません。この目的で、直径20 mm未満の組織工学によるエイに実際の筋肉が使用されています。これは、パターン化された筋肉接合部を使用してラジフォームスイマーのパターンを模倣したラット 心筋細胞を使用して生成されました。 ^[15]