イヤーウィグの扇形の設計。バイオミメティックと進化生物学の応用

Earwig fan designing: Biomimetic and evolutionary biology applications.

• Kazuya Saito
• Ricardo Pérez-de la Fuente
• Kôichi Arimoto
• Young Ah Seong
• Hitoshi Aonuma
• Ryuma Niiyama
• Zhong You

抄録

構造物をコンパクトに折りたたむ技術は、さまざまな工学的応用が求められています。耳虫（Dermaptera）は、扇状の後翅を独自の高度な方法で折り畳むことで、昆虫の中で最もコンパクトな翅の収納を可能にしている。これまでに、耳虫の翼の構造・材料構成、飛行中の補強機構、双安定性の研究が行われてきましたが、このような構造・材料構成に必要な幾何学的規則は、これまでにも研究されてきました。しかし、その複雑な折り目のパターンを再現するために必要な幾何学的なルールは不明なままでした。ここでは、X線CT画像から得られた折り紙モデルの平面的な折り目を考慮して、穂先をモチーフにした扇子を設計する方法を示します。専用の設計ソフトウェアを用いることで、建築、航空宇宙、機械工学、日用品などの用途に合わせて、様々な大きさや形状の人工的な展開可能な構造物にカスタマイズすることができます。さらに、提案した手法は、2億8千万年前の古代ミミズナギの親類である2億8千万年前のミミズナギの翼折り畳み機構を再構築することができます。これにより、現存するミミズナギがどのようにして翼折り畳み機構を獲得したのかを説明する進化パターンを提案し、仮説的に絶滅した過渡的な形態を予測することができます。本研究で得られた知見は、耳虫の翼の優れた工学的特性を利用するためのバイオミメティック研究における基本的な設計指針として利用することができ、幾何学的設計法が形態機能的な進化の制約を明らかにし、深い時間の中で生物学的な格差を予測することができることを実証した。

Technologies to fold structures into compact shapes are required in multiple engineering applications. Earwigs (Dermaptera) fold their fanlike hind wings in a unique, highly sophisticated manner, granting them the most compact wing storage among all insects. The structural and material composition, in-flight reinforcement mechanisms, and bistable property of earwig wings have been previously studied. However, the geometrical rules required to reproduce their complex crease patterns have remained uncertain. Here we show the method to design an earwig-inspired fan by considering the flat foldability in the origami model, as informed by X-ray microcomputed tomography imaging. As our dedicated designing software shows, the earwig fan can be customized into artificial deployable structures of different sizes and configurations for use in architecture, aerospace, mechanical engineering, and daily use items. Moreover, the proposed method is able to reconstruct the wing-folding mechanism of an ancient earwig relative, the 280-million-year-old This allows us to propose evolutionary patterns that explain how extant earwigs acquired their wing-folding mechanism and to project hypothetical, extinct transitional forms. Our findings can be used as the basic design guidelines in biomimetic research for harnessing the excellent engineering properties of earwig wings, and demonstrate how a geometrical designing method can reveal morphofunctional evolutionary constraints and predict plausible biological disparity in deep time.

Copyright © 2020 the Author(s). Published by PNAS.