フィン

フィンとは、より大きな物体や構造物に取り付けられた薄い付属物または部品のことです。^{[ 1 ]}フィンは通常、揚力や推力を生み出す翼として機能したり、水、空気、その他の流体中を移動する際に操縦や運動の安定化を可能にする役割を果たします。フィンは、熱伝達のために表面積を増やす目的でも、あるいは単に装飾として使用されることもあります。 ^{[ 2 ] [ 3 ]}

魚類において、鰭は移動手段として最初に進化しました。魚の鰭は推進力を生み出し、その後の動きを制御するために使用されます。魚類やクジラ類などの他の水生動物は、胸鰭と尾鰭を使って能動的に推進し、方向転換します。泳ぐ際には、背鰭や臀鰭などの他の鰭を使って安定性を確保し、操縦性を向上させます。^{[ 4 ] [ 5 ]}

クジラ類、魚竜類、メトリオリンクス類、モササウルス類、プレシオサウルス類の尾にあるひれは、尾びれと呼ばれます。

翼型のヒレは動かすと推力を発生させ、ヒレの揚力によって水や空気が動き、ヒレが反対方向に押し出されます。水生動物は、ヒレを水中で前後に動かすことで大きな推力を得ます。多くの場合、尾びれが使われますが、一部の水生動物は胸びれから推力を発生させます。^{[ 4 ]}ヒレは、空気中や水中で回転させると推力を発生させることもできます。タービンやプロペラ（場合によってはファンやポンプ）は、翼、翼、アーム、ブレードとも呼ばれる多数の回転するヒレを使用します。プロペラはヒレを使ってトルクを横方向の推力に変換し、航空機や船舶を推進します。^{[ 6 ]}タービンは逆の動作をし、ブレードの揚力を使って、動く気体や水からトルクと動力を発生させます。^{[ 7 ]}

可動式のフィンは推力を生み出すことができる

魚は垂直に立てた尾びれを左右に動かすことで推進力を得る。

クジラ類は、水平に動く尾びれを上下に動かすことで推進力を得る。

アカエイは大きな胸びれで推進力を得る。

船舶用プロペラ

コンプレッサーのフィン（ブレード）

このプロペラにはキャビテーションによる損傷が見られる。

トニー・エイリング博士によるイラスト

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小鰭は、尾鰭周辺に渦が発生する仕組みに影響を与える可能性がある。

キャビテーションは高出力用途で問題となることがあり、プロペラやタービンの損傷、騒音、出力低下の原因となります。^{[ 8 ]}キャビテーションは、負圧によって液体中に気泡（空洞）が形成され、それが急激に激しく崩壊するときに発生します。重大な損傷や摩耗を引き起こす可能性があります。^{[ 8 ]}キャビテーションによる損傷は、イルカやマグロなどの力強い遊泳をする海洋動物の尾びれにも発生する可能性があります。キャビテーションは、周囲の水圧が比較的低い海面近くで発生しやすいです。イルカはより速く泳ぐ力があっても、尾びれでキャビテーションの気泡が崩壊すると痛みが強すぎるため、速度を制限しなければならない場合があります。^{[ 9 ]}キャビテーションはマグロの速度も低下させますが、理由は異なります。イルカとは異なり、マグロは神経終末のない骨質のヒレを持っているため、気泡を感じません。それでも、キャビテーションの気泡がヒレの周りに蒸気膜を作り、速度を制限するため、より速く泳ぐことはできません。マグロにはキャビテーション損傷と一致する病変が見つかっている。^{[ 9 ]}

サバ科の魚（マグロ、サバ、カツオ）は特に泳ぎが上手い。体の後縁に沿って、鰭条のない、格納できない小さな鰭が並んでおり、小鰭と呼ばれている。これらの小鰭の機能については多くの憶測がなされてきた。2000年と2001年にNauenとLauderが行った研究では、「小鰭は定常遊泳中の局所的な流れに流体力学的効果をもたらす」こと、そして「最も後方の小鰭は、流れを発達中の尾の渦に方向転換させるように配置されており、これにより泳ぐサバの尾によって生み出される推力が増加する可能性がある」ことが示された。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

魚は複数の鰭を使用するため、特定の鰭が他の鰭と流体力学的に相互作用する可能性がある。特に、尾鰭のすぐ上流にある鰭は、尾鰭の流体力学に直接影響を与える近接鰭である可能性がある。2011年、体積イメージング技術を使用した研究者は、「自由に泳ぐ魚によって生成される航跡構造の最初の瞬間的な3次元ビュー」を生成することができた。彼らは、「連続的な尾の拍動によって連鎖した渦輪が形成される」こと、そして「背鰭と臀鰭の航跡は、次の尾の拍動の時間枠内で尾鰭の航跡に急速に巻き込まれる」ことを発見した。^{[ 13 ]}

いったん動きが確立されると、他のフィンを使って動き自体を制御できます。^{[ 4 ] [ 16 ] [ 17 ]}ボートはフィン状の舵で方向（ヨー）を制御し、安定板とキールフィンで横揺れを制御します。^{[ 16 ]}飛行機は翼と尾翼の形状を変える小型の特殊なフィンで同様の結果を得ます。^{[ 17 ]}

特殊なフィンを使用して動きを制御する

魚、ボート、飛行機は3つの回転自由度を制御する必要がある。^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

ホホジロザメの背びれには、「船のマストを安定させる索具のように」機能する真皮繊維が含まれており、サメが速く泳ぐと動的に硬くなり、横揺れや横揺れを制御します。 ^{[ 21 ]}

舵はヨーイングを修正する。

フィンキールは横揺れと横流れを抑制する。

船体の安定翼は横揺れを軽減する。

補助翼はロールを制御する。

エレベーターがピッチを制御する。

舵はヨーイングを制御する。

安定フィンは、矢やダーツの羽根として^{[ 22 ]}、爆弾、ミサイル、ロケット、自走魚雷の後部にも使用されています^{[ 23 ] [ 24 ]}。 これらは通常平面で小さな翼のような形をしていますが、格子状のフィンが使用されることもあります^{[ 25 ]。}静止フィンは、 GOCEという衛星にも使用されています。

静止尾翼は安定装置として使用される

矢の羽根

非対称の安定翼が、このソ連製砲弾に回転を与える。

RIM-7シー・スパローミサイルの従来型の「平面」フィン

エンジニアリングフィンは、ヒートシンクやフィンラジエーターの温度を調整するための熱伝達フィンとしても使用されます。^{[ 26 ] [ 27 ]}

ヒレは温度を調節できる

オートバイはエンジンを冷却するためにフィンを使用する。 ^{[ 28 ]}

オイルヒーターはフィンを使って対流させる。

カジキは背びれを上げて体を冷やしたり、群れをなす魚を誘導したりする。^{[ 29 ] [ 30 ]}

生物学では、鰭は性的装飾として適応的な意味を持つことがあります。求愛行動中、メスのシクリッド、Pelvicachromis taeniatusは、大きくて視覚的に目を引く紫色の腹鰭を見せます。「研究者たちは、オスは明らかに腹鰭の大きいメスを好み、腹鰭はメスの魚の他の鰭よりも不均衡に成長することを発見しました。」^{[ 31 ] [ 32 ]}

装飾

求愛行動中、メスのシクリッドであるペルヴィカクロミス・タエニアトゥスは、目を引く紫色の腹鰭を誇示する。

スピノサウルスは背びれ（帆）を求愛行動に用いていた可能性がある。 ^{[ 33 ]： 28}

1950年代の自動車のテールフィンは、主に装飾的なものであった。 ^{[ 34 ]}

魚の尾びれのように、水泳用フィンで人間の足の形を変えると、水泳者や水中ダイバーのキックに推進力と効率が加わります。 ^{[ 35 ] [ 36 ]}サーフボードのフィンは、サーファーがボードを操縦し、コントロールするための手段を提供します。現代のサーフボードには、中央のフィンと2つの湾曲したサイドフィンが付いていることがよくあります。^{[ 37 ]}

サンゴ礁魚の体型は、外洋魚とは大きく異なることが多い。外洋魚は通常、水中を移動する際の摩擦を最小限に抑えるため、魚雷のように流線型で、スピードを重視した体型をしている。サンゴ礁魚は、サンゴ礁の比較的狭い空間と複雑な水中地形の中で活動する。そのため、直線速度よりも機動性が重要であり、サンゴ礁魚は素早く方向転換できるような体型を発達させている。サンゴ礁の割れ目に身を隠したり、サンゴの塊の周りでかくれんぼをしたりすることで、捕食者を出し抜く。^{[ 38 ]}

チョウチョウウオ、スズメダイ、ヤッコなどの多くのサンゴ礁魚の胸鰭と腹鰭は、ブレーキとして機能し、複雑な操縦を可能にするように進化しました。^{[ 39 ]}チョウチョウウオ、スズメダイ、ヤッコなどの多くのサンゴ礁魚は、パンケーキのように深く横に圧縮された体を進化させ、岩の割れ目に入り込むことができます。腹鰭と胸鰭は異なる設計になっており、平らな体と連携して操縦性を最適化するように機能します。^{[ 38 ]}フグ、カワハギ、ハコフグなどの一部の魚は、泳ぐのに胸鰭に頼り、尾鰭はほとんど使いません。^{[ 39 ]}

その他の用途

水泳用フィンは、人間の水泳選手のキックに推進力を加える。

サーフボードのフィンは、サーファーがボードを自在に操ることを可能にする。

アジア諸国の中には、フカヒレが珍味として食されているところもある。^{[ 40 ]}

近年、車のフィンは高度に機能的なスポイラーやウイングへと進化しました。^{[ 41 ]}

多くのサンゴ礁魚は、扁平な体型に最適化された胸鰭と腹鰭を持っている。^{[ 38 ]}

カエルアンコウは胸鰭と腹鰭を使って海底を歩く。^{[ 42 ]}

トビウオは、拡大した胸びれを使って水面を滑空する。^{[ 43 ]}

解剖学者カール・ゲーゲンバウアーが提唱した古い理論があり、科学の教科書ではしばしば無視されてきたが、「鰭と（後に）四肢は絶滅した脊椎動物の鰓から進化した」というものである。化石記録の空白により、決定的な結論は得られなかった。2009年、シカゴ大学の研究者らは、「鰓、鰭、四肢の遺伝的構造は同じである」こと、そして「動物の体から離れた付属肢の骨格は、サメの鰓の形成にまで遡って辿ってきた発生遺伝プログラムによってパターン化されている可能性が高い」という証拠を発見した。^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]}最近の研究では、鰓弓と対鰭は連続相同であり、したがって鰭は鰓組織から進化した可能性があるという考えが支持されている。^{[ 48 ]}

魚類は、すべての哺乳類、爬虫類、鳥類、両生類の祖先です。^{[ 49 ]}特に、陸生四足動物（四足動物）は魚類から進化し、4億年前に初めて陸上に進出しました。彼らは一対の胸鰭と腹鰭を使って移動しました。胸鰭は前脚（人間の場合は腕）に、腹鰭は後脚に発達しました。^{[ 50 ]}四足動物の歩行肢を作る遺伝的機構の多くは、すでに魚類の遊泳鰭に存在しています。^{[ 51 ] [ 52 ]}

2011年、オーストラリアのモナシュ大学の研究者たちは、原始的ではあるもののまだ生きている肺魚を使って「骨盤鰭筋の進化をたどり、四足動物の荷重を支える後肢がどのように進化してきたかを解明した」^{[ 53 ] [ 54 ]。}シカゴ大学でのさらなる研究では、海底を歩く肺魚がすでに陸生四足動物の歩行様式の特徴を進化させていたことがわかった^{[ 55 ] [ 56 ] 。}

収斂進化の典型的な例として、翼竜、鳥類、コウモリの胸鰭は、それぞれ独立した経路でさらに進化し、飛翔翼となった。飛翔翼になっても、歩行脚との類似点は多く、胸鰭の遺伝的設計図の中核的な側面は保持されている。^{[ 57 ] [ 58 ]}

約 2 億年前に最初の哺乳類が現れました。これらの哺乳類のグループが約 52 0 万年前に海に戻り始め、こうして循環が完成しました。これらはクジラ類(クジラ、イルカ、ネズミイルカ) です。最近の DNA 分析によると、クジラ類は偶蹄類の中から進化し、カバと共通の祖先を持つことが示唆されています。^{[ 59 ] [ 60 ]} 約 23 0 万年前に、クマのような陸生哺乳類の別のグループが海に戻り始めました。これらは鰭脚類(アザラシ) です。^{[ 61 ]}クジラ類とアザラシの歩行肢となったものは、収斂進化の逆の形で独立してさらに進化し、泳ぐための新しい形の鰭に戻りました。前肢はひれになり、鰭脚類では後肢が2つの鰭で終わる尾になった（逆に、クジラ類の尾びれは全く新しい器官である）。 ^{[ 62 ]}魚の尾は通常垂直で左右に動く。クジラ類の尾びれは水平で上下に動く。これは、クジラ類の脊椎が他の哺乳類と同じように曲がるためである。^{[ 63 ] [ 64 ]}

魚竜はイルカに似た古代の爬虫類である。約2億4500万年前に初めて出現し、約9000万年前に絶滅した。

「陸生の祖先を持つこの海生爬虫類は、魚類に非常に強く収斂進化し、まさに適切な場所に、そしてまさに適切な水力学的設計で背びれと尾を進化させた。これらの構造は、何もないところから進化したという点で、なおさら注目に値する。祖先の陸生爬虫類には、背中にこぶも尾に刃もなかったため、前駆となるものは何もなかった。」^{[ 65 ]}

生物学者のスティーブン・ジェイ・グールドは、イクチオサウルスが収斂進化の最も好きな例だと述べた。^{[ 66 ]}

水生動物の推進にヒレを使用することは、非常に効果的です。一部の魚は、90%を超える推進効率を達成できると計算されています。 ^{[ 4 ]}魚は、ボートや潜水艦よりもはるかに効果的に加速および操縦でき、水の乱れや騒音も少なくなります。このことから、水生動物の移動を模倣しようとする水中ロボットのバイオミメティクス研究が進められています。 ^{[ 67 ]}一例として、フィールドロボティクス研究所がマグロの動きを分析し、数学的にモデル化するために作ったロボットマグロがあります。^{[ 68 ]} 2005年、シーライフ・ロンドン水族館は、エセックス大学のコンピュータサイエンス学部が作成した3匹のロボット魚を展示しました。これらの魚は、本物の魚のように泳ぎ回り、障害物を避けるように自律的に設計されていました。その作成者は、「マグロのスピード、パイクの加速、ウナギの航行能力」を組み合わせようとしたと主張しました。^{[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]}

ドイツのフェスト社が開発したアクアペンギンは、ペンギンの流線型の形状と前肢による推進力を模倣している。^{[ 72 ] [ 73 ]}フェスト社はまた、^それぞれマンタ、クラゲ、バラクーダの移動を模倣したアクアレイ^{[ 74 ]}、アクアジェリー^{[ 75 ]}、アイラクーダ[ ^{76 ]も開発した。}

2004年、MITのヒュー・ヘールは、カエルの脚から筋肉を外科的にロボットに移植し、筋繊維に電気パルスを流すことでロボットを泳がせる、生体アクチュエータを備えたバイオメカトロニクスロボット魚のプロトタイプを製作した。^{[ 77 ] [ 78 ]}

ロボット魚は、魚の設計の一部を他の部分から切り離して調べることができることや、柔軟性や方向などの単一のパラメータの変動を調べることができることなど、いくつかの研究上の利点を提供します。研究者は、生きた魚よりも簡単に力を直接測定できます。「ロボット装置は、運動面の位置を正確に知ることができるため、3 次元運動学研究と相関流体力学解析も容易にします。また、自然な動きの個々の要素 (羽ばたき付属肢のアウトストロークとインストロークなど) を個別にプログラムできますが、これは生きた動物を扱う場合には確かに困難です。」^{[ 79 ]}

• 水生移動
• ヒレとひれによる移動
• 魚の移動
• ロボットの移動
• ロボツナ
• 帆船（潜水艦）
• サーフボードのフィン

• 魚類の地球生活における運動。
• 計算流体力学チュートリアル。ロボット魚に関する例や画像が多数掲載されています。
• ブリティッシュコロンビア大学における魚類皮膚研究。
• 微調整されたデザイン エコノミスト誌、2008年11月19日。