茨城大学大学院理工学研究科（工学野）の上杉 薫 助教、旭川医科大学化学の眞山 博幸 准教授、大阪大学大学院工学研究科の森島 圭祐 教授の研究グループは、アメンボが水面を移動する際の脚力を、直接測定と画像解析によって明らかにしました。
水面を滑らかに移動するアメンボをめぐっては、その表面微細機能を真似た高い撥水機能をもつ産業?工業製品の提案や水面移動型超小型ロボットの開発、撥水機能獲得に関する進化のメカニズム解明が進められています。こうした研究を進める上で、アメンボがどの程度の力で脚を漕いで水面を叩いているかは重要な情報となりますが、従来のように画像解析や推進力から算出する手法では移動時のエネルギーロスが十分に考慮されていなかったり、計算による誤差が存在するなど、正確な脚力が測定できているとは言えませんでした。また、アメンボの身体全体の推進力からの脚力の導出も報告されていますが、脚一本の力を直接測定しているわけではないのでこの方法も正確ではない可能性がありました。
そこで本研究グループでは、アメンボの脚一本の脚力を直接計測できるシステムを構築しました。高い撥水機能が求められるセンサ接続用のプローブ（探針）は、アメンボの脚の一部を切り取って流用することで、水面に捕らわれることを防ぐことができました。また、高速度カメラと画像解析を用いて加速度から脚力を導出する間接測定も併せて行いました。
その結果、中脚の中央部（腿節-脛節間）における脚力は2.17ミリニュートン程度で、モーメントの原理からアメンボ脚先端（?節＋前?節）での脚力を計算すると0.96ミリニュートンでした。一方、画像解析から得られたアメンボ中脚の脚力は約0.49ミリニュートンであり、画像解析ではエネルギーロス等による過小評価が生じる可能性が示唆されました。
今後は、本研究グループが提案してきたアメンボ撥水モデルに今回の測定値を導入し、より詳しい撥水理論の展開を試みるとともに、高性能の応用製品の開発への貢献を目指します。この成果は、2023年11月17日、Cyborg and Bionic Systems（オンライン版）に掲載されました。
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研究の背景
自然界には表面にナノ?マイクロメートルスケールの微小構造を持つ生物が多数存在します。中でも?アメンボは体表面に直径数マイクロメートル?長さ数十マイクロメートルの毛を無数に持ち（図１）?毛の隙間に空気の層を作って撥水機能を獲得することで?水面で長期間?溺れることなく生活できます。また?強い撥水性を持った脚で水面を叩き?跳ねることで?自由に水面を高速移動することができます。
アメンボの持つこうした撥水機能については?生物学的?工学的観点から多くの研究が報告されています。例えば?アメンボは昆虫の中では比較的新しい種ですが?アメンボの進化の過程を探る上で撥水機能の獲得は大きな鍵になります。また?近年ではバイオミメティクス的観点から?アメンボの持つ表面微細機能を真似た高い撥水機能を持つ産業?工業製品の提案や?撥水機能を有した水面移動型超小型ロボットの開発も進められており?本研究グループでもアメンボの撥水機構に関して研究を進めてきました。
これらの開発を進める上で?アメンボがどの程度の力で脚を漕いで水面を叩いていているかは重要な情報となります。アメンボが水面を蹴った際?脚と水面の間に発生する水圧が大きすぎると?水が毛の隙間に入り込み?撥水性能が失われてしまいます。また?水面を蹴る力が強いと脚の先端が水面を突き破ってしまい?十分な推進力が得られず?水面を突き破らなかったとしても?水面の持つ粘弾性特性や脚-水面間での摩擦?波の発生?空気抵抗などの様々な要因によるエネルギーロスが発生します。こうしたエネルギーロスの影響を受けず?純粋かつ正確な脚力の情報が求められているのです。
アメンボの脚力評価はこれまでも行われてきました。例えば?アメンボの移動の様子を高速度カメラで撮影し?水面波の形状やアメンボの加速度情報から脚力を割り出すような?画像解析による間接的な力測定が報告されています。しかしこの方法では脚力を直接的に測っていない上に?上述したようなエネルギーロスも力情報に混入しており?正確な脚力が測れているとは言えません。他方?直接的な力測定方法として?アメンボの身体に力センサを取り付け?水面移動した力を測定して脚力を割り出す方法も報告されていますが?この方法でも?身体全体の推進力から計算値で脚力を導出しているため?正確な脚力が測定できているとは言えません。
そこで本研究グループでは?アメンボの脚一本の脚力を直接計測するシステムを構築し?より正確な脚力測定を試みました。更に?その計測結果と画像解析による間接測定の結果から?それぞれの測定の差異や特徴を比較しました。
図１ アメンボ中脚表面のSEMイメージ。脚の表面は無数の微細毛に覆われている。
研究手法
本研究グループでは?アメンボの脚一本の脚力を直接計測できるシステムを構築しました。
生育環境に近い状態でのアメンボの挙動を得