ヴィーナスの花籠スポンジの構造的な組成は、世界中の構造物に対する先進的な設計につながる可能性がある。
その独特の形状と構造により、空気や水の力に応じた形状をとることができる。
このスポンジの構造は抗力の低減に寄与するとともに、体腔内に低速の渦が生じることも促す。
この設計は機械工学、さらには航空機にも応用できると予測されている。
ヴィーナスの花籠スポンジ（E. aspergillum）は、人間が設計した構造物からは遠く隔たっているように見えるかもしれない。しかし、この生物の穴や隆起からなる格子状構造が周囲の海水の流体力学にどのように影響するかについての知見は、建物、橋、海洋船舶、航空機の先進的な設計につながる可能性がある。
これまでの研究ではこのスポンジの構造が調べられてきたが、生物を取り囲み貫通する流体場を調べた研究はほとんどなく、機械的特性の向上に加えて、骨格のモチーフが体腔の内外の流れの物理特性の最適化の基盤になっているかどうかは明らかになっていない。E. aspergillumを基盤としている可能性があるかどうかは明らかになっていない。
ニューヨーク大学タンドン工学部のマウリツィオ・ポルフィリ氏が共同で研究を主導した。研究成果は学術誌『Nature』に掲載された。この論文は、スポンジの構造と機能の間に深い関連があることを明らかにしており、周囲の海洋の動的な力に耐える籠状スポンジの能力と、「籠」の体腔内に栄養分に富んだ渦を生み出す能力の双方に光を当てている。
「この生物は、脆くガラス質の構造にもかかわらず著しく変形できるという驚くべき能力があるため、力学的な観点から多くの研究が行われてきました」と筆頭著者のジャコモ・ファルクッチ氏は述べる（ローマ・トルヴェルガータ大学、ハーバード大学所属）。「私たちは流体力学の側面を調べ、スポンジの幾何学が流体に対してどのような機能的応答を示すのかを理解し、水との相互作用においてどのように特別なものを生み出すのかを解明することができました。」
「スポンジの体腔の内外の流体の流れを調べることで、環境への適応が予想どおりに起こっていることを突き止めました。スポンジの構造は抗力の低減に寄与するだけでなく、摂食や繁殖に用いられる低速の渦を体腔内に生じさせることも促しています」と、本研究の共著者であるポルフィリ氏は付け加える。
このE. aspergillumの構造は、イタリアのトゥシア大学の共著者ピエルルイジ・ファネッリ氏によって再現されたもので、大きな中央の空洞を持つ薄壁の円筒状の管という形で、繊細なガラスの花瓶に似ている。ケイ質の骨片を持つことから、一般的に「ガラス海綿」とも呼ばれている。骨片は互いに直交する3本の軸から構成され、6つの先端を持つ。微細な骨片が「織り合わさって」非常に細かい網目を形成し、これによりスポンジの体は他の海綿類には見られない剛性を獲得し、水柱の非常に深い場所でも生存することができる。
ヴィーナスの花籠スポンジがこのような仕組みを持つことを理解するため、研究チームはイタリアのCINECA高性能計算センターにあるエクサスケール級コンピューター「Marconi100」を大いに活用した。このコンピューターは、3次元における数十億の動的な時空間データ点を用いて、包括的なシミュレーションを行うことができる。
研究者らはまた、粒子の集合として流体を表現し、それぞれの粒子の挙動を追跡する、複雑系のための計算流体力学手法の一種である格子ボルツマン法に基づく超計算シミュレーションを可能にする特別なソフトウェアも活用した。
約1000億個の仮想粒子を用いたインシリコ実験により、E. aspergillumが生息する深海底の流体力学的条件を再現した。その結果、研究チームは、スポンジ内の穴や隆起の配置が、移動する海水によって加えられる力を低減する能力をどのように高めているか、また、その構造が体腔内の流れの動態にどのように影響し、選択的な濾過摂食と有性生殖のための配偶子の出会いを最適化しているかを検討することができた。
「この研究は、離散流体力学全般、特に格子ボルツマン法の模範的な応用例です」と、格子ボルツマン法の創始者の一人であるイタリア工科大学およびハーバード大学のサウロ・スッチ氏は述べる。「手法の精度と、世界有数のスーパーコンピューターの一つを利用できたことにより、これまで試みられたことのない規模の計算を実施することが可能になり、深海における生物の適応における流体の流れの役割に光を当てることができました。」
「流体の流れに対するスポンジの幾何の役割に関する我々の調査は、超高層ビルから船舶向けの低抗力の新しい構造物、あるいは航空機の胴体に至るまでの設計に多くの示唆を与えます」とファルクッチ氏は述べる。「例えば、同様の隆起と穴の格子構造で建てられた超高層ビルには、空気抵抗が少なくなるのでしょうか。加えられる力の分布は最適化されるのでしょうか。こうした問いへの取り組みは、チームの重要な目標です。」
本研究は、CINECA計算助成金、PRINプロジェクト、Forrest Research Foundation、米国国立科学財団、そしてHorizon 2020プログラムの下での欧州研究会議の支援を受けた。
