袋状の体を穏やかに脈動させて海中を移動するクラゲには、人間の技術者が興味を持つような多くの秘密が隠されているようには見えないかもしれません。 しかし、クラゲは生き物としては単純ですが、周囲の水の流れを利用して制御することに巧みで、時には驚くほど効率的です。 そのため、エンジニア、数学者、その他の専門家が学ぶことができる流体力学の問題に対する洗練された解決策が具体化されています。 ジョン・ダビリこのエピソードでは、カリフォルニア工科大学の機械工学および航空宇宙工学の専門家であるスティーブン・ストロガッツが、クラゲや他の水生生物が潜水艦の設計、風力タービンの最適な配置、そして健康な人間の心臓について何を教えてくれるかについて話します。

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成績証明書（トランスクリプト）

スティーブンストロガッツ (00:03): 私はスティーブ・ストロガッツです。 なぜの喜び、からのポッドキャスト クォンタマガジンそれはあなたを今日の数学と科学における最大の未回答の質問のいくつかに連れて行きます。

(00:14) 生物学はエンジニアにとって素晴らしい教師だと人々は言います。 空を飛ぶワシが空気力学について私たちに教えてくれるすべてのことを考えてみてください。 今日の私のゲストは、クラゲはエンジニアリングの夏のインターンシップの勉強に役立つだろうと考えていました。 そして何年も経った今でも、彼はクラゲがこのエピソードの主題である流体力学に関して得られる豊富な情報を求めて研究を続けています。

(00:36) クラゲや魚の群れの動きは、空気、水、さらには血液の動きについて何を教えてくれるでしょうか? 今日のゲストは、魚の群れがどのように一斉に移動するかを数学的に研究することで、より効率的にクリーン エネルギーを生成するために風力タービンを配置する方法を理解することができました。 しかし、それだけではありません。 クラゲの泳ぎ方から人間の心臓の健康状態までわかることがわかった。 そして、クラゲは水中推進に関する新しいトリックを私たちに教えてくれました。それは新世代の潜水艦設計に役立つかもしれません。 しかし、ゲストのジョン・ダビリにもっと教えてもらいましょう。 彼はカリフォルニア工科大学の機械工学および航空宇宙工学の教授です。 彼は優勝した ウォーターマン賞 2020年には、初期のキャリアの科学者とエンジニアに対する国内最高の栄誉が与えられました。 彼はバイデン大統領のメンバーでもある 科学技術顧問会議。 ようこそ、ジョン・ダビリ教授。

ジョン・ダビリ (01:31): ありがとう、スティーブ。 ここにいて良かった。

ストロガッツ (01:33): ここにお集まりいただき、本当に嬉しく思います。 知り合って少し経ちますが、これまでお店について話す機会がなかったと思うので、とても楽しみです。 告白しなければなりませんが、これからクラゲについてたくさんお話しますが、私はクラゲを抱いたことも、クラゲに刺されたこともありません。

ダビリ (01:51): チャンスを逃しています。 両方ともやりました。

ストロガッツ (01:55): どうしてですか? 刺されるようなクラゲとの接近遭遇はどんな感じでしたか？

ダビリ (02:00): そうですね、実はそれは私が雑誌のために行っていた写真撮影で、写真家は私が被写体に近づいて個人的に接するのが良いだろうと考えたのです。 それで彼は私を水の中に入れて、ゼリーを掴むように言いました。 その間、その触手は私の足全体に滴り始めました。 ということで、とても苦しい撮影でしたが、無事に撮影することができました。

ストロガッツ (02:21): 写真の中で顔をしかめていますか?

ダビリ (02:23): ほら、かなり悲惨な状況だったにもかかわらず、どういうわけか彼らは私が笑顔ですべてを楽しんでいるように見せることができました。

ストロガッツ (02:29): 申し訳ありませんが、今日はそのようなことは一切行いません。

ダビリ (02:31): ありがとう、ありがとう。

ストロガッツ (02:33): それで、デビッド・アッテンボローのテレビ番組やその他の自然番組でクラゲが泳いでいるのを見ると、それらはほとんど袋のように見えます、水に押し流されているようなセロファンの袋のように見えます。 。 しかし、それが正しくないことはわかっています。 彼らはただ受動的に泳ぐだけではありません。 それで、少し教えてもらえますか？ 彼らはどのように動くのでしょうか？ 彼らには筋肉がありますか？

ダビリ (02:52): 実際、クラゲは私たちが知る限り海中を移動できる最初の動物です。 これらのドキュメンタリーで見るあの泳ぎは、単一の細胞層によって動かされています。 心臓の鼓動とほぼ同じリズムで収縮および拡張できる非常に薄い筋肉の層を考えてください。 そしてそれが彼らが海の中を進むことを可能にします。

ストロガッツ (03:13): それで、あなたがリズムについて話すとき、それは彼らも筋肉を制御する神経系を持っているに違いないと私に考えさせます。

ダビリ (03:20): 実際、クラゲには中枢神経系がまったくありません。 彼らには脳もありません。 彼らが持っているのは、体の周りにある小さな細胞の塊だけで、いつ筋肉を発火させ、いつ収縮するかを指示します。 そして、彼らはそれらの筋肉を使って、あなたや私が動き回る方法とはまったく異なる方法で泳ぎの動きを調整します。

ストロガッツ (03:39): うーん。 それで、それは…鐘がありますよね？ 彼らは鐘について話します。 鐘の意味は何でしょうか？

ダビリ (03:42): そうです。 ですから、水族館のクラゲを見ると、先ほど言ったように、傘かバッグのように見えます。 そして、その傘の下端の周りには、いくつかの塊があり、通常は約 XNUMX 個です。 そして、これらは体が泳ぎ、筋肉を収縮させる信号を送る場所です。 そして、これらの収縮信号を調整することで、その過程で消費されるエネルギーを非常に低く抑えながら水中を泳ぐことができるのです。

ストロガッツ (04:12): そうですね、自分の水泳のことを考えると、絶対にそれに共感できません。水泳はとてもぎこちなく、多くのエネルギーを費やし、多くのエネルギーを浪費します。 それで、ここで何を言っているのですか？ 彼らは非常に効率的に泳ぐと言いますか？ どういう意味ですか？

ダビリ (04:27): クラゲは 200 億年以上前に泳いだ最初の動物の一部であったことがわかっています。 彼らは大量絶滅イベントを生き延びてきました。 そのため、長い間、彼らが海でこれほど長く生き延び、イルカやサメなどのよりエキゾチックな泳ぎ者に直面しても生き残ることを可能にした効率的な移動能力には何かがあるに違いないと考えられてきました。優れた水泳選手について考えるとき、それを思い浮かべるかもしれません。

(04:53) さて、これらのゼリーの非常に単純な形状、単純な傘が、いわゆるものを作り出していることがわかりました。 渦輪。 渦巻く水のドーナツを思い浮かべてください。 したがって、動物が筋肉を収縮するたびに、このドーナツ状の水が生成されます。 そして、その過程で多くのエネルギーを消費することなく、渦巻く水のドーナツをほとんど押しのけて水中を移動します。 したがって、これはあなたや私が海で達成しようとするものとはまったく異なる水泳ストロークですが、非常に効果的です。

ストロガッツ (05:25): 突然、あるイメージが頭に浮かびました。 私がこれに関して間違った方向に進んでいるかどうか教えてください。 しかし、子供の頃、サマーキャンプでカヌーをしたことを覚えています。 そして彼らは私たちにパドルを水の中に入れさせました。 そして、パドルで押し返してからカールを戻すJストロークをするように言われました。 そこから小さな渦、小さな水の渦が発生しているのが見えました。

ダビリ (05:46): そうです。

ストロガッツ: そのストローク、それはあなたが渦について話していることに関連していますか?

ダビリ (05:50): そうです。 ですから、海全体で、そして実際、私があなたと話している今でも、私の口は私の周りの空気を押し、渦と呼ばれる渦巻き流を作り出しています。 つまり、泳いでいるとき、その渦を作り出しているのです。 そのカヌーのパドルがこの渦を生み出します。 渦巻きのクラゲが違うのは、ほぼ完璧な円形をしていることです。 そして、その円形のおかげで、あなたや私が腕やカヌーのパドルを撫でることによって生み出すことができる効率よりも優れた効率で泳ぐことができます。 つまり、実際には、それらの渦の形状、つまり渦巻く流れが、彼らの非常に効率的な泳ぎの鍵となるのです。 そしてそれが、私たちが長い間、これらの動物がどのようにして長い間海の中で生き延びてきたのかという謎を解明しようとしていたものです。 本当に鍵となるのは、この円形の渦リングです。

ストロガッツ (06:41): それでは、頭の中に正しいイメージがあるかどうか見てみましょう。 円形の渦リングについて話すとき、今頭に浮かぶもう一つのイメージはそれらです…そうではありません…人々は以前ほど喫煙しなくなりましたが、私がどこへ行くか知っていますよね？ 葉巻を吸う奴とか、煙の輪を吹く奴とか。

ダビリ （06:57）：その通りです。

ストロガッツ：それは、誰かの丸い唇から出てくる円のようなものを想像する必要があるのでしょうか？

ダビリ (07:02): もちろんです。 私がかつて教えていたとき、これは私が古典的に使用した例です（しかし現在、私たちは喫煙や電子タバコの使用を阻止しようとしています）。 しかし、その例の毒性のないバージョンを想像してみると、まさにその通りです。 人々が吹く煙の輪は空気のドーナツのように見え、渦を巻いており、吹いた人から遠く離れた場所でもその円形を保ちます。

(07:23) これの別のバージョンかもしれませんが、イルカが海で同じような形をしたバブルリングで遊んでいるのが時々見られるかもしれません。 中心に空気が入った水のドーナツです。 その場合にイルカが輪を維持できるのは、その特定の種類の渦流が安定しているためです。 これは流体力学において非常にユニークです。

ストロガッツ (07:47): わかりました。クラゲについて話すのは楽しいのですが、確かにクラゲは非常にクールで効率的です。 しかし、聞いているそこにいる人々は、なぜ私たちは彼らにこれほど多くの労力を費やしているのかと疑問に思っているかもしれません。 より幅広い理解を助けてください。 流体力学とは何ですか? それは残りの科学やテクノロジーのどこに適用されますか?

ダビリ (08:09): そうですね、流体力学は私たちの周りにあふれています。 実際、意欲的な機械エンジニアとして育った私にとって、本当にエキサイティングな応用分野の XNUMX つは、より効果的なロケットやヘリコプター、つまり推進システム全般について考えることでした。 さて、流体力学のこの分野、つまり空気や水がどのように動くかを研究する分野は、水や空気が作る動きという点で非常に複雑であることがわかります。 それをどのように説明しようとするか 物理学を使って。 それで、今から数十年前に、「効率的に泳ぐ方法や効率的に飛ぶ方法をすでに理解しているいくつかの動物システムを研究してはどうだろうか？」という運動が生まれました。 実際、レオナルド・ダ・ヴィンチは何世紀も遡り、鳥を観察して人力飛行を開発する方法を理解しようと試みていました。 したがって、実際には、より効果的なテクノロジーを開発する方法についてのインスピレーションを得るために、自然システムを研究する長い伝統があります。 そんな感じでこの分野に入りました。

(08:29) クラゲのような非常に単純な動物であっても、水と非常にエレガントな方法でやり取りするため、私たちに多くのことを教えてくれることがわかりました。 そしてそれが、私たちを、バイオミメティクス、またはバイオインスピレーションを受けたエンジニアリングと呼ばれることもあるこの広範な分野で、特にクラゲの研究に駆り立てた本当の理由なのです。 生物学に目を向けると、 解決策を見つける for エンジニアリングの課題.

(09:08) しかし、クラゲは、実際には、便利な夏のプロジェクトを考え出したいという私の願望から生まれました。 私は夏の研究プロジェクトのためにカリフォルニア工科大学に来ていましたが、ここの指導教官は、私が大学時代にヘリコプターやロケットを研究していたときと同じように、「水族館に行って、研究する動物系を探してみよう」と言いました。 正直に言うと、私はそれについて興奮していませんでした。 当時、私はロケットと推進力を研究するためにカリフォルニア工科大学に来たのだと思っていました。 カリフォルニア工科大学にはジェット推進研究所があることで有名です。 でも、水族館に着いて、こう思いました。「ここで 10 週間のプロジェクトがあるんだ。」 私が見つけた中で最も単純な動物を選んでみましょう。 シンプルなモデルを考え出す方が簡単です。」 それで、クラゲは簡単に逃げられるように思えました。 そしてもちろん、20 年後の現在、私はまだそれらがどのように機能するかを理解しようとしています。

ストロガッツ (10:17): 数学者として、私は常に流体力学に惹かれていたと言わざるを得ません。 それは本当に難しいね。 私が興味を持っている分野である微分方程式で直面した最も難しい数学の問題のいくつかは、最初は流体力学の問題に関連して生じました。 それであなたは言いました — OK、それでロケット、ジェット推進 — 飛行機について考えることができます、そして医療応用もあります —

ダビリ (10:42): もちろんです。 私たちは新型コロナウイルス感染症（Covid-19）から抜け出したばかりです。 つまり、非常に具体的な例を挙げます。 新型コロナウイルスの感染 まさに流体力学の質問でした。 エアロゾルはどのようにして形成されるのでしょうか? それらはどのようにして伝わるのでしょうか？ それらはどのようにして他の人に集められるのでしょうか？ マスクをデザインしたい場合、効果的な方法は何ですか? 気候変動において、地球の気候をモデル化することは主に流体力学の問題です。 流体力学は私たちの生活のあらゆる側面に現れます。

(11:11) この動物システムの研究で本当に興味深いと思うのは、私の観点からすると、飛行機を作っているのは、コンピューターの前に座って非常に複雑な方程式を解こうとするのは人間であるということです。翼の理想的な形状は何か、航空機の残りの部分の理想的な形状は何かを理解するために説明しました。 ある意味、クラゲは水の中を泳ぎながら毎日偏微分方程式を解いているのです。

(11:35) したがって、私たちは、彼らの水泳の何が原因で、微分方程式の特定の解を導き出すことができるのかを正確に理解する必要があります。 そして希望は、クラゲが進化の過程で持っていたのと同じ制約を持たない私たち自身の設計問題にそれを適用できることです。 私たちには脳、中枢神経系、そして機能する複数の細胞層の筋肉があります。 私たちは加工可能な材料を加工しました。 今では、AI を活用できるようになりました。 したがって、クラゲについて私たちが知っていることと、エンジニアとして自由に使えるすべてのツールを組み合わせると、私たちが開発できるものには本当に限界があります。

ストロガッツ (12:09): さて、それでは、クラゲがどのようにしているかという質問に入りましょう。 彼らが鐘を縮めたときに発生する渦の輪をどのように利用しているのかを知るために、どのような種類の実験を行いましたか?

ダビリ (12:21): したがって、取り組むべき最初の課題は、水と空気が透明であるという事実です。 ですから、私たちがここに座ってお互いに話しているときでも、私たちの周りの空気は私たちの呼吸によって常に動いています。 私たちはそれを実際には認識できません。 水中でも同じことが言えます。 水族館に行くなら、あなたにとって一番の魅力はおそらく動物ですが、私にとってそれは動物を囲む水です。 問題は、水槽を見つめているだけでは水の動きを簡単に確認できないことです。 そこで私たちが行ったのは、動物の周囲の水を測定するのに役立ついくつかの新しい技術を開発することでした。

(12:53) 最初にできることは、食品着色料のような染料を水の中に入れることを考えることです。そうすることで、水が局所的にどのように運ばれているかを示すことができるからです。 定性的なイメージですね。 これは、ある種の一般的な説明を提供しますが、水がこの方向にこれほど速く動いているということを簡単に数字で表すことができるものではありません。

(13:11) しかし、私たちにできることは、エンジニアリングで一般的ないくつかのテクニックを使用することです。 たとえばレーザーを使用します。 したがって、水中には小さな浮遊粒子が存在します。水中に浮遊している砂やシルトを考えてください。 それをレーザーシートで照らすことができます。 家にあるレーザー ポインターをガラス棒を通して照らすと、そのビームが薄い光のシートに広がります。 そこで、その光のシートを水の中に入れました。 それは水中に浮遊する粒子すべてから反射します。 そして今、私たちはそれらの小さな粒子のひとつひとつを、まるで動く星空のように追跡できるようになりました。 動画を見るとそんな感じです。 そして、それらの星々、水中の堆積物の粒子は、水が動物の周りで局所的にどのように動いているかについて何かを教えてくれます。

(13:56) そこで私たちは研究室でこれらの技術を開発しました。 大きな課題は、野外でクラゲを見つけて実際に測定することです。 幸運なことに、クラゲと一緒に泳ぎに行ったり、レーザーを持って行ったりするのが好きな生徒たちを見つけることができました。

ストロガッツ (14:10): でも、それで — これを教えてください… レーザー ポインターやその他のものを水中に持っていっても問題ありません。

ダビリ (14:15): そうですね、それは学生の一部でした。 カカニ[カティヤ] 彼女の名前だった。 彼女の博士号テーマは、これを可能にするテクノロジーを開発することでした。 スキューバ ダイバーが海に入るには、これらのクラゲの隣に非常に慎重に近づき、レーザーをオンにして周囲の水を測定できるようにする必要があります。 そして結局のところ、彼女は渦巻く海流を非常に詳細に捉えることに初めて成功したことが分かりました。

ストロガッツ (14:42): ビデオ カメラのセットアップもありますか?

ダビリ (14:45): あります。 実際、その画像技術は主にビデオベースです。 つまり、移動する水と、レーザー光を反射する堆積物の粒子のビデオを取得していることになります。 したがって、時間の経過とともに動物の周囲の水がどのように動くかを観察すると、場合によっては、動物が移動するためにそれほど多くのエネルギーを水に投入していないことがわかります。 それを効率的な動きと呼びます。 周囲の水を大量に巻き上げなくても前に進むことができるとき。

(15:12) 興味深いことに、クラゲの一部の種はめったに泳ぎませんが、泳ぐときはサバイバルモードになり、捕食者から逃げるか獲物を捕まえるためです。 そのような場合、彼らは実際に多くのエネルギーを水に投入することになります。 それに対する私たちの考えは、それは生き残りの問題だということです。 殺すか殺されるかのどちらかである場合、効率についてはそれほど心配しません。 そのような場合、動物の周囲の水の違いも確認でき、すべてこのレーザー技術で捉えられます。

ストロガッツ (15:41): OK、たぶん私のセロファンバッグの写真全体がとても間違っているので、それを頭から追い出す必要がありますが、それがたとえ素晴らしいものであったとしても、それはとても大きな抵抗に遭遇するだろうと私には感じます、協調的な動き。 動きをできるだけ効率的にするには、これらの渦リングの動作に何らかのトリックがあるに違いありません。 測定結果から、クラゲの行動に驚くべきことや注意を要することが判明しましたか?

ダビリ (16:05): はい、素晴らしい質問ですね。 そして、これについてはいくつかの考え方があります。 まず最初に、クラゲの行動に関して補足しておきますが、クラゲの自然の行動と私たちが考えている潜水艦内での行動の違いの XNUMX つは、クラゲは同じ流れを利用して餌を食べているということです。 したがって、彼らがこれらの渦の輪を作り出すとき、その渦巻き流は実際に獲物を触手に向かって引き込み、そこで捕らえられて食べられるのです。

(16:30) したがって、実際に私たちが見ている動き、つまり点 A から点 B に移動している動きは、実際には望ましい結果ではないということは、非常にもっともらしいことです。 それはニュートンの作用と反作用の法則の必然的な結果にすぎません。 場合によっては、動物が獲物を引き寄せるためだけにこのような渦の輪を作っていることもあります。 しかし、彼らはその水を押し出しているので、その過程で反応して彼らは動きます。 したがって、彼らにとって、その効率的な動きは必ずしも急いでどこかに行こうとするものではありません。

(16:59) ここで私たちができることは、「同じアイデア、つまり渦のリングの形成を考えてみましょう。 私たちの潜水艦はクラゲと同じ方法で餌を食べる必要はありません。」 そのため、たとえば、本物の動物自体はそうでなくても、同じ推進技術を使用して、より速く進むことができます。 これは、生物学を丸暗記することと、人間が翼を一生懸命羽ばたかせて人力飛行を達成しようとしていた時代に遡るのとの違いです。 最終的に、固定翼を使用し、ジェットエンジンを物体に取り付けることで成功しました。 それがトリックだった。 したがって、ここで注意したいのは、クラゲの行動をただ盲目的にコピーするのではなく、クラゲの行動のどの側面が効率的な推進につながるのかを問うことです。 そして、高速かつ効率的な潜水艦を設計したい場合、動物たちが与えてくれた青写真から逸脱する可能性があります。

ストロガッツ (17:50): では、未来の潜水艦のデザインに関して、クラゲから導き出された、ある種のクレイジーな新しいデザインを示唆する可能性のある原理や観察はあるのでしょうか?

ダビリ (18:02): この質問について検討しました。 そして、ここでも鍵となるのは、これらの渦リング、つまり渦巻く円形のドーナツ型の流れです。 これらを作り出すことができ、しかも天然のクラゲのような非常に柔軟な動きを必要としない潜水艦の設計を思いつくことができれば、それが実際に現在の潜水艦の設計に重要な付加価値をもたらす可能性があることがわかりました。 私たちはこれを研究室でテストしました。 そこでできることは、従来のプロペラ駆動の潜水艦を後部に機械式アタッチメントを追加して、後部で滑らかな連続ジェット流を推進させる代わりに、より途切れ途切れの流れを作り出すことです。 そこで、車両の後ろの流れの脈動を考えてみましょう。 私たちは、その車両は、流れに脈動がなければ、同じタイプの車両よりもエネルギー効率が 30%、さらには 40% 高い可能性があることを示すことができました。

(18:55) さて、ここで難しいのは、あまり複雑ではない機械設計を考え出すことです。 その部分を複雑にしすぎると、それらのコンポーネントを置き換えることになります。 そして実際、それらの機械コンポーネント自体が車両からエネルギーを吸い取る可能性があります。 そのため、過度に複雑な機械コンポーネントを使用せずに、クラゲからインスピレーションを得た流体力学を実現する設計を思いつくことができませんでした。 そしてそれが未解決の謎でした。

ストロガッツ (19:23): さて、クラゲとその推進力について離れる前に、風力タービンについてはすぐに説明したいと思いますが、動物界全体の渦輪についてもう少しお話したいと思います。 昆虫の飛行やハチドリの飛行、あるいはトンボやタカなど、渦をさまざまな方法で利用する生き物がたくさんいると聞いたので、私の同僚から聞いたことがあります。 先ほど挙げた例はすべて水中ではなく、空中にありますが。 空気中の生き物と、水中の生き物の違いや類似点について少し教えていただけますか。 私の言っていることが分かるよね？ もし私が水の中や空気の中にいるとしたら。

ダビリ (20:02): そうですね、水生生物です。 はい、そしてそれをさらに一歩進めて、血まみれにすることができます。 なぜなら、人間の心臓では、酸素を含んだ血液が左心房から左心室に流れるときに、同じ種類の渦が左心室で形成されることになるからです。 これは体の他の部分を通過する前の状態です。 それがバルブを通過するポイントがあり、クラゲやイカが作り出すものと驚くほど似た渦の輪が得られます。 まさにその通りです。この渦巻きのループやリングのモチーフ、場合によってはより複雑な鎖構造です。 しかし、これらのさまざまな動物系のそれぞれで、これが再発していることがわかります。

(20:26) したがって、実際、私たちの研究の多くは、これらの渦のリングの設計について学ぶことができるいくつかの基礎的な原理があるかどうかを理解しようとしてきました。 そして、あることが判明しました。 したがって、先ほど話したクラゲの例のように、効率的な推進に最適な特定の渦輪があるという意味では、すべての渦輪が同じように作成されるわけではありません。 しかし、単に大きな力を発生させようとする場合には、さまざまな種類の渦輪が作成されます。 たとえば、非常に速く移動したいだけの場合、捕食者から逃げたいクラゲは、先ほど話した非常に効率的な渦の輪とは異なる渦の輪を作成します。

(21:15) そこで私たちが考えたのは、おそらくこれは数十年前のことですが、その洞察を利用して、人間の心臓というまったく異なるシステムの渦リングを理解できるのではないかということでした。 先ほども言いましたが、左心室が満たされている間に、渦輪が形成されます。 健康な患者と、拡張型心筋症と呼ばれる心臓肥大などの特定の疾患を患っている患者では、渦輪が健康な患者に形成された渦輪とは大きく異なって見えることが判明しました。 私たちが発見したのは、健康な患者とこれらの病状を患う一部の患者の間に見られる変化が、効率的に泳ぐクラゲと、捕食者から逃げたり獲物を捕まえようとするクラゲとの間の違いに非常に似ているという興味深い相関関係であることがわかりました。

(22:05) したがって、効率と機能不全の流体力学的な特徴を観察することの重要な利点の XNUMX つは、これらの変化が、心臓の構造変化よりも前に、または、次のような全身的な身体全体の変化よりも前に発生する場合があるということです。何か問題があります。 そこで私たちは、これをより高感度で早期の診断、あるいは人体の病気や機能不全の兆候を示す機会とみなしました。 その後、心臓内の流れのこうした変化が人間の病気の効果的なマーカーとなり得ることを示す他の研究室もありました。

ストロガッツ (22:45): わあ、ジョン、それは楽しみですね。

ダビリ (22:47): そうですね、とても素敵で予想外のつながりですね。 しかし、スティーブ、流体力学におけるこの渦輪のモチーフの繰り返しについてのあなたの先ほどの指摘に戻ります。それが空気であれ、水であれ、血液であれ、水泳であれ、飛行する生物であれ、あるいはここに座って私たち人間と互いに話し合っているかどうかに関係なく、心臓が血液を送り出す。

ストロガッツ (23:06): そうですね、これは素晴らしいですね。 この最後の医学的な例には本当に驚かされました。 なぜなら、特にそれが早期警告システムと早期診断になる可能性があるからです。 でも、私が疑問に思っているのは、心臓に澱を入れないことを可能にする画像技術とは何なのかということです。 私たちは何をしているのでしょうか？ それはすべてですか？それは超音波やMRIに現れますか？ どう見えますか？

ダビリ (23:26): その通りです。 うん。 したがって、初期の研究は MRI で行われました。 最近では超音波技術も使われています。 現在の研究室が取り組んでいるのは、音響検出の可能性であり、特定のタイプの渦形成における血流が、事実上電子聴診器で検出可能な音を持つことになる。 ここでの目標は、これを検出できる最も単純なテクノロジーを考え出すことです。誰もが自由に使える MRI 装置や超音波装置を持っているわけではないからです。 しかし、ウォルマートで購入できる、この種の変化を検出できる 10 ～ 20 ドルの音響測定装置が自宅にあると想像することもできます。

(24:10) それが目標です。 決してそこにはまだ達していません。 しかし、クラゲが行ったことは、健康な患者と病気の患者で起こった流れの変化という観点から、何を探すべきかという最初の目標を私たちに与えてくれます。

ストロガッツ (24:24): そうですね、それでは水から上がりましょう。 そして、カリフォルニアやアラスカの風力タービンの効率を高めるために同僚と行った取り組みについて少し話し始めましょう。 まず、風力タービンと言ったら、私の頭に最初に浮かぶイメージは、どこかの野原にそびえ立つ巨大な白いプロペラの XNUMX つです。 それは正しいイメージですか? それとも、頭の中に別のイメージを持ったほうがいいでしょうか?

ダビリ (24:54): つまり、これらのタービンは別のタイプのタービンです。 私たちの仕事は主に、これらの大型タービンに関するいくつかの課題によって動機づけられました。 最大の課題は、個々のタービンが風の動きを電気にどれだけうまく変換できるかという点で非常に効率的であることです。 課題は、これらの各タービンの風下で、大量の途切れ途切れの空気や乱気流が発生することです。 その途切れ途切れの空気は、最初のタービンの風下にあるタービンの性能を低下させます。

(25:24) だからこそ、これらの風力発電所の XNUMX つを見ると、タービンがすべて非常に離れて配置されているのです。 タービン間の途切れ途切れの空気がグループのパフォーマンスを低下させないよう努めているからだ。

(25:36) 自然界を見て、海の中で魚が群がっていることを想像してみると、彼らは尾をバタバタさせ、私たちが呼ぶところの独自の航跡を作り出しているということは、ある種の皮肉であるといつも私は思いました。 そのため、風力タービンの後ろの途切れ途切れの空気を私たちは航跡と呼んでいます。 魚も同様にこの航跡を作り出します。 彼らは群れで泳ぎ、できるだけ離れないようにしてください。 しかし、その代わりに、彼らはお互いの立場を調整します。 実際、作成された流れを利用することができます。 全体が部分の合計よりも大きくなるように。 つまり、魚の群れは互いに離れているよりも一緒に泳ぐ方が効率的に泳ぐことができます。 これは自転車競技、ツール・ド・フランスでも見られます。 サイクリストが隣の自転車の空気力学を利用しているのがわかります。

(26:17) そこで問題は、風力タービンの設置に使用される魚の群れに例えることができるかどうかということでした。 さて、ここがほぼ偶然の場所です。私はカリフォルニア工科大学で水泳と飛行の流体力学のクラスを教えています。 そして、魚の群れに関する私の講義では、風力タービン間の有益な相互作用をどのように予測するかの方程式を黒板に書きます。 これらのモデルの重要な特徴の XNUMX つは、これまで説明してきた渦です。 魚が作り出す渦巻き流。 これらの渦の XNUMX つの数学的モデルは、いわゆる垂直軸風力タービンを表す方法とほぼ同じです。

(27:01) そこで、ここで少し立ち止まって、お話ししたように、皆さんが見慣れているプロペラ型の風力タービンは、水平軸風力タービンと呼ばれます。 ブレードは水平な軸を中心に回転するためです。 垂直軸風力タービンは、地面から垂直に突き出た軸を中心にブレードが回転します。 したがって、たとえばメリーゴーランドなどは垂直軸型システムの例になります。 これらのシステムは数学的には魚群とほぼ同じように表現できます。

(27:31) そこで私は、魚群のような方向性を持つ風力発電所の設計を考えてみましょう、と言いました。 そこで私は、研究室のプロジェクトの XNUMX つで数人の学生に、特定の土地で生産できるエネルギーの観点から、風力発電所のパフォーマンスがどのように向上するかについての裏話をしてもらいました。

(27:52) スティーブ、あなたに 10 エーカーの土地を与え、従来の風力タービンを使ってできるだけ多くの電力を発電してほしいと言ったとしましょう。 プロペラ式のものの場合、その土地にタービンを 10 つしか設置できないでしょう。 これらの小型の垂直軸風力タービンの場合、紙と鉛筆で計算すると、これらの効果を利用することで、同じ土地から XNUMX 倍のエネルギーを得ることができることがわかります。

(28:15) これは、「これは素晴らしい理論的アイデアだ」と言えるまでは、紙と鉛筆での計算です。 しかし、私たちがここカリフォルニア工科大学に来られたのは幸運で、そこで私はその学部に行き、「土地を買ってこれを試してみたいと思っています」と言いました。 そしてこれは 08 年から 09 年の市場暴落の頃でした。 それでかなり安く土地を手に入れることができました。 そこで私たちはここLA郡北部に数エーカーの土地を、たしか10,000ドルか15,000ドルだったと思います。 そして私たちは、これらの垂直軸風力タービンを製造する企業の XNUMX 社と、データと引き換えにタービンを無料で提供するという契約を結びました。 なぜなら、スタートアップの場合、新しいタービンをテストするには非常に高価だからです。

(28:54) そこで私たちはこれらのタービンのセットをその野原に設置しました。 実際、私たちの現場では最大約10匹の個体が捕獲されました。 そして、実際に、この魚にインスピレーションを得たタイプのデザインを使用すると、土地から XNUMX 倍以上のエネルギーを取り出せることを現実の世界で示すことができました。 したがって、これは本当にエキサイティングな発見であり、私たちは今日も追求し続けています。

ストロガッツ (29:14): とても、とても、とても刺激的です。 こんなことは聞いたことがありませんでした。 つまり、あなたが魚群にインスピレーションを受けて風力タービンを配置することに取り組んできたという漠然とした考えはありましたが、土地購入の話を聞いただけでは、わかりません。 これは単なる個人的な余談です。つまり、私は数学者であり、自分のアイデアをテストするために土地を購入することはありません。 大きくて背の高いプロペラのように見える風力タービンに対する通常の批判を思い浮かべるとき、私は疑問に思っています。 この種のことは、美的により魅力的だと思いますか、それともそれほど魅力的ではないと思いますか? それほど背が高くなくても、人の視界を遮る必要もないように思えるのではないかと思います。

ダビリ (30:00): その通りです。 実際、私はスタンフォード大学で研究していたときにこれを科学的に研究しました。 ブルース・ケイン、社会科学者。 私たちはカリフォルニアで、これらのさまざまな種類のタービンに対する考え方を学ぶことができました。 そして、まさにその通りです。 重要な機能としては、視覚的なインパクトが低いことです。

(30:17) しかし、さらに重要なのは、鳥やコウモリへの影響が潜在的に少ないことです。これは、大型タービンにとって継続的な課題であり、鳥がブレードやコウモリ、その他の領域に衝突する可能性があります。 これらの垂直軸風力タービンは、あなたが地面に対して言ったように、より低いところにありますが、視覚的にも異なる特徴を持っています。 したがって、率直に言って、大型タービンの場合、鳥は手遅れになる前にブレードを見ることができません。 これらの垂直軸風力タービンの場合、ブレードは大型タービンよりもゆっくりと動くため、視覚的な特徴がより明白になります。

(30:54) さて、私が今お話したことを踏まえると、現在どこでもそれらを見かけない理由は、それらの信頼性を向上させるためにはまだやるべきことが残っているからです。ロケット科学ではありません、ここキャンパスには火星に探査機を設置している人々がいます。 したがって、たとえばアラスカの冬の間も耐えられる風力タービンを設計できるはずであることは明らかです。 しかし、私たちは実際にはまだそこまで到達していません。新しいエネルギーハードウェアの開発には非常に費用がかかるため、これらの新しいタイプのテクノロジーへの投資があまり行われていないだけです。 それで、それは進行中です。

ストロガッツ (31:25): アイデアの一部は数学から来ているとおっしゃっていましたね。 同様に、魚の群れに関連した数学があり、それを風力タービンの場合に適用することができました。

ダビリ (31:36): そうです。

ストロガッツ: 私はその数学を想像しようとしています。 もう少し言っていただけますか？ それにはどのような計算が必要ですか?

ダビリ (31:42): はい、確かに。 たとえば、渦について考えるときに私たちが考え出そうとするのは、渦が周囲の流れにどのような影響を与えるかを単純に数学的に説明することです。 そして、私たちの分野には、ポテンシャルフロー理論と呼ばれるものがあります。 これは、これまで説明してきたより複雑な流体の流れを簡略化して表現したものです。 利点は、特定の場所に渦がある場合、その渦の周りのすべての空気または水がどのように作用するかを示す方程式を紙に書き留めることができることです。 これは XNUMX 行の数学で書くことができます。

(32:19) したがって、このポテンシャル流理論の利点は、たとえば、左側に渦があり、右側に渦がある場合、これら XNUMX つの効果を加算するだけで、それらが互いにどのような影響を与えるかをすぐに計算できることです。 これを線形重ね合わせと呼びますが、これら XNUMX つの効果を互いに重ね合わせているだけです。

(32:38) 魚群を研究するときに意味するのは、方程式を 20 回書くだけで、20 匹の魚の影響を知りたければ、答えを実際に 1,000 倍することができるということです。より複雑な計算をたくさん行います。 風力タービンの場合、最適な風力発電所を設計するために、それらの風力タービンの 10,000 つを数学的に表現できれば、開発することなく、XNUMX 台の風力タービン全体、または XNUMX 台の風力タービンが必要な場合は発電所全体を最適化できます。本当に、新しい数学です。 したがって、これはこれらのシステムを表現するのに非常に便利な方法です。

(33:13) 魚が流す渦の基本的な数学的表現は、前置因数の違いはあるものの、垂直軸風力タービンの数学的表現とほぼ同じであることがわかりました。 そして、魚群の問題を風力タービンの問題に XNUMX 対 XNUMX でマッピングする利便性により、最適な魚群構成を考え出すために行われたのと同じ数学的最適化を多く借用し、それをほぼ直接的に最適化するために使用することができました。風力発電所。

(33:45) 唯一の違いは目的です。 魚群の場合、最適化は、その魚のグループが水中を移動する際に受ける抵抗を最小限に抑えること、またはそれらの魚すべてが泳ぐときに消費するエネルギーを最小限に抑えることを試みていると言えるでしょう。 風力発電所の場合、私の目的は、「風から集められるエネルギーの量を最大化しよう」、または「特定の方向から吹く風に対して、職場の地域の地形に応じて最大の風が吹くはずです。」 したがって、基礎となる数学的仕組みは同じです。 最適化する目的は異なる場合があります。

ストロガッツ (34:25): これを聞いている人は誰でも、私と同じように、あなたのやっている仕事をするのにどのような精神が必要なのかに衝撃を受けるだろうと考えざるを得ません。 風力発電所の工学、心臓の渦の医学的側面、それを理解するために必要な数学の間を自由に行き来する、あなたの関心の広さはご存知のとおりです。 おそらくコンピューターサイエンスについてはまだ言及されていないと思いますが、おそらくそれも入ってくると思います。

ダビリ (34:50): もちろんです。 とても楽しいです。 うん。

ストロガッツ： 立派な態度。

ダビリ (34:55): いいえ、そうです。 ただ言っておきたいのは、高校生や大学生の学生は、人生において何か一つを選択しなければならないという印象をよく受けると思います。 私は生物学を勉強するつもりです、あるいは化学を勉強するつもりです、物理学を勉強するつもりです。 それが問題なのです。 実際、最も興味深い研究のいくつかは、これらの異なる分野の交差点にあります。 したがって、これらの異なる分野に慣れるまでの道のりが簡単だったというわけではありません。 ここカリフォルニア工科大学では、大学院生として XNUMX 年目に生物学の授業を受講しました。 フランシス・アーノルド、ノーベル賞受賞者。 XNUMX 回目ではピンとこなかったので、クラスを XNUMX 回受講したとしましょう。 同時に、これらの異なる分野を学ぶために苦労することは価値があると思います。そうすることで、新しい視点から問題を見ることができると思います。

ストロガッツ (35:45): とても感動的ですね。 それでは、最近あなたが忙しい仕事にシフトしましょう。風力タービンについてバイデン政権に助言することです。 あなたが政府と協力して取り組んでいることについて何かお話しいただけますか?

ダビリ (36:01): はい、もちろんです。 この役職に就くことができて光栄でした。 言っておきますが、これは私たちの特定の研究目的とは直接には関係がありません。 大統領評議会のグループの皆さんは、この国の科学とその発展に広く関心を持っていると思います。 私が情熱を注いでいる特定の分野の XNUMX つは、私たちの研究インフラストラクチャが、高校から大学、大学院研究プログラムに至るまで、人々が私たちが行ってきたような型破りな研究分野を追求できるようにしているということです。について話していました。

(36:39) それで、振り返ってみると、これらのアイデアに対する皆さんの肯定的な反応を聞いて本当に感謝しています。 言っておきますが、私が最初にこの研究に資金を提供しようと企画書を書いたとき、少し奇妙に聞こえるという理由で、次々と却下されました。 ご存知のように、クラゲの泳ぎに関するあらゆることが心臓の診断に役立つだろう、あるいは魚の群れの観察で風力タービンに関するあらゆることがわかるだろうという考えです。 これは少し異質すぎるように感じますし、これが必ず成功すると言うには、例を挙げることができませんでした。 したがって、レビュー担当者は通常、「それで、うまくいかなかったらどうするの?」という最初の反応を示すでしょう。 私がいつも思うのは、「それでうまくいったらどうだろう？」ということです。 それはどれほど素晴らしいでしょうか？ それによって何がロックが解除されるのでしょうか？」 そして残念なことに、現在私たちは通常、「うまくいった場合はどうなるか」という基準に基づいて研究に資金を提供することはありません。 大抵は「そうでなかったらどうしよう？」 そして、これは私が大統領評議会内で取り組むことができると期待している政策項目の XNUMX つであると思います。

ストロガッツ (37:40): そうですね、あなたはカリフォルニアにいるのですね。 カリフォルニアでは誰もが知っているように、大きな問題は山火事です。 そして、それは流体力学に興味がある人なら考えたことがあるはずだと思います。 それについて何か報告することはありますか？

ダビリ (37:55): そうです。 バイデン大統領の学術会議で、私は山火事にうまく対処するために科学とテクノロジーをどのように活用できるかを考えるグループの共同議長を務める特権に恵まれました。 近年、特にここカリフォルニアでは、それらの症状がより頻繁になり、場合によってはより深刻になっていることはわかっています。 しかし、私たちが現在使用していないテクノロジーもあります。たとえば、消防士のためのコミュニケーション、山火事の進行を予測するのに役立つ AI (人工知能)、さらには火災が発生する前に火災の進行を妨害するのに役立つロボット工学やドローンのようなテクノロジーさえあります。最初の対応者が到着する可能性があります。 私たちの研究により、これらの山火事による悪影響を食い止めるのに役立つと考えられる多数の新技術が特定されました。 したがって、私たちはこれらの勧告に基づいて連邦レベル、州レベル、地方レベルでの行動を期待しています。

ストロガッツ (38:48): ということは、流体力学が何らかの形でこれらすべてに関与しているということでしょうか?

ダビリ (38:52): はい、流体力学は実際、山火事の進行の最も重要な要因の 70 つです。 燃え残りを運ぶ風のことを考えてみてください。風が最終的に防火帯を通過するかどうかを左右する可能性があります。 風によって火災の移動速度が決まります。 ですから、本当に壊滅的な山火事が起きたとき、場合によっては風が時速80マイルかXNUMXマイルだったからということもあります。 これらの山火事と戦うための重要な課題の XNUMX つは、流体力学モデルを使用して将来の火災の進行を予測できるようにすることです。 上空のデータを補完するには、地上近くの風に関する新しいタイプのデータが必要です。

(39:31) しかし、さまざまな場所をシミュレートする際に私たちができることは、脆弱なコミュニティが山火事に事前に備えるのを支援することです。つまり、地形や植生に基づいて、これらの流体力学モデルを使用して、どの部分がどの部分であるかを認識できるようにすることです。コミュニティの人々が最初にその火の正面を見る可能性が高いです。 たとえば、それは避難計画に影響を与える可能性があります。

ストロガッツ (39:54): そうですね、乱流について触れずに流体力学の議論を終えることはできないと思います。 これは古典物理学における最大の未解決問題と呼ばれることがよくあります。 ご存知のとおり、私が望んでいるのは、ほんのちょっとしたチュートリアルです。つまり、そもそも何なのかということです。 乱気流の問題? 人々が理解したいことは何でしょうか？

ダビリ (40:12): そうですね。 私が時々説明する簡単な方法は、流体力学には、飛行機を設計するのに十分な方法で流体の動きを説明する一連の方程式があるが、その飛行機がいつ乱気流に遭遇するかを伝えるには十分ではないということです。 。 したがって、私たちの流体力学方程式は、流体の流れでよく見られる現象のいくつかを予測できませんでした。 家の蛇口を思い出して、少しひねると、本当にガラスのような外観になります。 蛇口を少し高くすると、自然に水がさらに荒くなります。 乱流への移行が得られます。 これはあらゆる種類の実験室実験で観察されていますが、その種の乱流への移行がいつ起こるかについての明確な理論的説明はまだありません。

ストロガッツ (41:01): とても興味深いです。 偶然ですが、昨夜、偶然ではないのかもしれません。おそらく私は無意識のうちに今後の話し合いのことを考えていたのかもしれません。 でも、たまたま考えたのが リチャード·ファインマン物理学に関する彼の有名な講義の中で、カリフォルニア工科大学のまさにそこ、おそらくあなたが座っている場所からそれほど遠くない場所で、彼は水の流れと乱流の永遠の謎について話しています。 そして彼は、屋根裏部屋か何かで扇風機の羽根を見ると、常に薄い埃の層、つまり非常に小さな塵の粒子が見つかるとさえ述べています。 ファインマン氏は、ファンのブレードが空中を猛スピードで移動するため、不思議に思えると指摘する。 それでも、小さな塵の粒子を吹き飛ばすことはできません。 それで、ここで終わりにする必要があるような気がします。私が言いたかったのは、あなたは現代のレオナルド・ダ・ヴィンチのような存在だということです。 でも今、私はあなたももしかしたら現代のリチャード・ファインマンかもしれないと思い始めました。

ダビリ (41:03): いつか実際に乱流の問題を解決できれば、そのようなアイデアを実現できるかもしれません。 でも今のところ、そう、私はクラゲが大好きなトレド出身のただの子供です。

ストロガッツ (42:06): 完璧です。 ジョン・ダビリさん、本日はご参加いただきまして誠にありがとうございます。

ダビリ （42:10）：ありがとうございます。

アナウンサー (42:14): 宇宙旅行は賢い数学にかかっています。 未踏の太陽系を見つける クォンタマガジンの新しい毎日の数学ゲーム、Hyperjumps。 ハイパージャンプでは、ロケットをある系外惑星から別の系外惑星に運ぶための単純な数字の組み合わせを見つけることが求められます。 ネタバレ注意: 勝つ方法は常に複数あります。 アストラル算術を次の場所でテストしてください ハイパージャンプ.quantamagazine.org.

ストロガッツ （42：40）： なぜの喜び からのポッドキャストです クォンタマガジン、シモンズ財団が支援する編集的に独立した出版物。 シモンズ財団による資金提供の決定は、このポッドキャストまたは クォンタマガジン. なぜの喜び スーザン・ヴァロットとポリー・ストライカーによってプロデュースされています。 私たちの編集者は John Rennie と Thomas Lin で、Matt Carlstrom、Annie Melchor、Zach Savitsky がサポートしています [ノナ・マッケンナとサウガット・ボラケも同様]。 私たちのテーマ音楽はリッチー・ジョンソンによって作曲されました。 ポッドキャストの名前は Julian Lin が考えました。 エピソードのアートは Peter Greenwood によるもので、ロゴは Jaki King によるものです。 コーネル放送スタジオのバート・オドム・リード氏に心より感謝いたします。 私はあなたのホスト、スティーブ・ストロガッツです。 ご質問やご意見がございましたら、下記までメールでお問い合わせください。 [メール保護] 聞いてくれてありがとう。