ホテルの庭でぼーっとトンビを眺めてたら、羽ばたきもせずにゆっくり高度を上げていくのを目撃して、ちょっと気になって調べたのでメモ。
そもそもサーマルってなに？
トンビが利用してる上昇気流、正式には サーマル（熱上昇流） っていうんだけど、しくみはシンプル。
晴れた日に太陽が地面を照らすと、地面の素材によって温まりやすさが全然ちがう。アスファルトや岩肌、南向きの斜面なんかは特に温まりやすくて、その上の空気が暖められてふわ〜っと軽くなる。軽くなった空気の塊はある程度の大きさになると「プチッ」と地面から離れて上昇しはじめる。これがサーマル。
上昇速度は条件によって 毎秒1〜10m/s くらいとのこと。強い日差しの日ほど強烈なサーマルが発生するし、逆転層（ある高度より上に暖かい空気が乗っかった状態）にぶつかるまで上がり続ける。日本の山林環境だと大体3000m前後が上限らしい。
ちなみに同じ「羽ばたかずに飛ぶ」にも種類があって、
- サーマルソアリング（旋回帆翔）：熱上昇流で円を描きながら上昇 → コンドル、ワシ、トビなど
- ダイナミックソアリング：海上の風速勾配を使って滑空 → アホウドリ、ミズナギドリなど
- リッジソアリング（地形性）：山の斜面に風が当たってできる上昇風を使う
トンビが使ってるのは主にサーマルソアリングと地形性の組み合わせだよ。
トンビはどうやってサーマルを「見つける」の？
ここが一番気になるところ！「ただの感覚？」って聞かれると…正解でもあり、でも「感覚器官のフル活用」という意味でもある、という感じ。
🪶 翼端の初列風切羽がセンサーになってる
トンビの翼先端には初列風切羽がすきまスリット状に並んでいて、これが上昇気流に対して非常に敏感に反応する。わずかな気流の変化で羽が揺れ、それを感知することで「あ、ここ上昇気流ある！」と判断してるとされている。感覚として「翼全体で風を読む」感じ。
🦻 気圧センサー器官「傍鼓膜器官」
鳥類には鼓膜のそばに 傍鼓膜器官（ぼうこまくきかん） という、液体で満たされた袋状の感覚器があって、気圧のごく微小な変化を検知できる。気圧変化 → 鼓膜の動き → 液体の揺れ → 有毛細胞が検知 → 脳へ、というルートで情報が伝わる仕組み。
この器官の進化的な起源については、理化学研究所が2012年に「サメなどの軟骨魚類にある呼吸孔器官に由来する」ことを突き止めている。サメの感覚器官が鳥に進化的に受け継がれたって、なんかロマンがあるね！
👁️ 視覚でも読む
上昇気流の先端では積雲（モコモコした白い雲）が発生することが多い。あの雲の直下にはサーマルがある、というのは人間のグライダーパイロットも使う読み方で、トンビも視覚でそれを読んでいると考えられている。さらに「他のトンビが旋回してる＝そこにサーマルがある」という情報も使ってる。これちょっと頭いい（´∀`*）
つまり「ただの感覚」というよりは、機械的感覚・気圧感覚・視覚を複合的に使った、超精密なマルチセンサーシステム、という表現が正確。
トンビの飛び方、ソアリング以外にも色々ある
基本はソアリング（上昇気流で円を描いて上昇）＋滑空（稼いだ高度を使ってまっすぐ移動）の組み合わせ。でもそれだけじゃない。
| 飛び方 | 説明 | トンビは？ |
|---|---|---|
| 帆翔（ソアリング） | 上昇気流に乗って旋回上昇 | ✅ メイン |
| 滑翔（グライディング） | 高度を使って羽ばたかず前進 | ✅ メイン |
| 波状飛行 | 羽ばたきと滑空を繰り返す | 一部 |
| ホバリング | 空中の一点で停止 | 🔺 短時間可能 |
| 通常の羽ばたき飛行 | 飛び立ち・着地・獲物への急降下 | ✅ 必要時のみ |
飛び立つときはもちろん羽ばたくし、獲物を狙うときは滑降→急降下もする。あと「バチ形の尾羽」もトンビの特徴で、他の猛禽類と違って尾羽が少し凹んだ形をしてる（これが名前の由来という説も）。この独特の尾羽が細かい方向転換や旋回の補助をしてる。
ちなみに、コンドルは飛行時間のうち たった1%しか羽ばたかない という研究結果もある。サーマルソアリングがどれだけ省エネかがわかる数字！
🤖 ここからが本番：サーマルを自律検知するドローン、実在するの？
する！！ しかも研究がめちゃくちゃ盛ん。
人類が鳥の飛び方を「学習」で再現した：2018年のNature論文
まずキャッチーなやつから。2018年、カリフォルニア大学サンディエゴ校の Gautam Reddy, Massimo Vergassola らのチームが、翼幅2mのグライダーに強化学習（Reinforcement Learning）を搭載し、フィールドで自律的にサーマルを探して上昇することに成功 した研究をNatureに発表した。
このグライダーが使ったナビゲーションの手がかりはふたつ：
- 鉛直風加速度（az）：グライダーが上昇気流に入ったかどうか
- 翼にかかるロール方向のトルク（ω）：上昇気流の中心に向けて機体を誘導する手がかり
重要なのは、これって鳥の翼にかかる力学的刺激（mechanosensory cues）と完全に対応してるってこと。さっき説明した「翼端で気流を感じる」という話がここに繋がってくる。グライダーに埋め込んだセンサーが、ある意味トンビの羽端感覚器と同じ役割を果たしてた、ってこと。
論文著者のひとり Terry Sejnowski（ソーク研究所）は「比較的少ない学習量でエキスパートレベルの性能を達成できたことに驚いた」とコメントしてる。
NASAも独自にやってた
実はそれより前、NASAのドライデン飛行研究センターでも自律ソアリングUAVの研究が行われていた。翼幅4.27m・重量6.8kgの電動モーターグライダー「Cloud Swift」を使い、23回のサーマル遭遇で平均172mの上昇を記録。1回のフライトでは自律ソアリングだけで飛行時間を60分延長することにも成功している。
最近はもっとすごくなってる
2018年以降、自律ソアリングUAVの研究は深層強化学習（Deep RL）の進歩と共に爆速で発展中。
- 2022年〜2023年にかけて、クロスカントリーソアリング（サーマルを次々と乗り継いで長距離移動する）の自律制御を深層RLで解く研究が続々発表されている
- 2024年、ハゲワシの飛行データにインスパイアされた深層強化学習モデルが、サーマルソアリングの学習プロセスを解析し、「安定飛行の確立」→「サーマル中心への到達」という二段階の学習ボトルネックがあることを明らかにした（Nature Communications, 2024）
また、arxivに上がってる総説論文 "Thermal soaring flight of birds and UAVs" では、「航続時間2時間のUAVがサーマルを使うことで最大14時間の飛行が可能になる」という試算も紹介されている。2時間が14時間って、7倍じゃん…すごすぎ（´・ω・`）
まとめると
| トピック | ポイント |
|---|---|
| サーマルとは | 日射で温まった地面から生じる熱上昇気流（1〜10m/s） |
| トンビのサーマル感知 | 翼端羽の機械感覚・傍鼓膜器官の気圧感知・視覚の複合 |
| トンビの飛び方 | ソアリング＆滑空がメイン。短時間ホバリングや羽ばたきも |
| 人類の応用（有人） | グライダー・ハンググライダー・パラグライダー |
| 人類の応用（無人自律） | NASAのCloud Swift（2000年代〜）、強化学習グライダー（2018 Nature〜）、深層RL研究（現在進行形） |
ホテルの庭でぼーっとトンビ眺めてたら、こんなに深い世界に繋がってたとは思わなかったな〜！
鳥の感覚器系って調べれば調べるほど「えっ、そんな繊細なセンサー持ってたの…？」ってなるし、それを強化学習で再現しようとしてる人類もわりとすごい。トンビのことを掃除屋だとかパンくれ泥棒だとかよく言うけど、実はめちゃくちゃ洗練された飛行技術の持ち主なんだよね（・∀・）
☆ この日記へのコメント ☆
コメントは 掲示板 からお願いします♪