Dragonfly beautiful wings art

Each familiar insect has a mysterious ability. Among them, the flying ability of dragonflies is outstanding. Let's look at the beautiful structure of their wings. Below are the original photos by FoYo and their modified images.

a golden ringed dragonfly (Oni-yanma in Japanese) photo by FoYo

a golden ringed dragonfly (Oni-yanma in Japanese) photo by FoYo

a banded darter dragonfly (Miyama-akane in Japanese) photo by FoYo

It may not be an appropriate question in this beauty excitement, but ...
Is it possible to artificially generate such a delicate and beautiful wing structure?

For example, a research team at Harvard University has created a mathematical model that can reproduce the wing structure with few parameters based on a geometric analysis using a database of insect wings patterns [1]. They show the result of generating a pattern of spreading from a thick primary vein to a thin secondary vein. I think they are quite successful, but there are also subtle differences between real wings and simulated wings.

There are also reports of observing the structure of dragonfly wings precisely with a Scanning Electron Microscope (SEM) or Computed Tomography (CT). Reference [2] shows the observation result by SEM. Since SEM has a deep depth of focus, clear images can be obtained that are in focus throughout. We are impressed by the clear images deep in the wing structure. On the other hand, reference [3] provides precise 3D images by CT scan. You can rotate and zoom freely over 360 degrees to see in detail up to the back of the wings. You can clearly see that the wings are not flat but are intricately raised.

In addition, there is another related study. Beautiful shape and structure should lead to high functionality. There is a report that created a very small machine called BionicOpter (like a kind of drone) that looks exactly like a dragonfly [4]. The actual flight video is also available. Compared to a real dragonfly, although it is somewhat inferior in smoothness, the demonstration of flying with four wings resembling a dragonfly is extremely wonderful!

References

[1] Jordan Hoffmann, Seth Donoughe, Kathy Li, Mary K. Salcedo, and Chris H. Rycroft: A simple developmental model recapitulates complex insect wing venation patterns, PNAS October 2, 2018 115 (40) 9905-9910; first published September 17, 2018 

https://doi.org/10.1073/pnas.1721248115
[2] Dragonfly has a clever mechanism (in Japanese)
http://www.technex.co.jp/tinycafe/discovery67.html
[3] Golden ringed dragonfly (Oniyanma) CT scan images
https://ctseibutsu.jp/ex/sieboldsdragonfly.html
[4] BionicOpter Inspired by dragonfly flight
https://www.festo.com/group/en/cms/10224.htm

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ノスタルジックな響きのオニヤンマ

　オニヤンマというトンボ、多くの人は子供のころに出会ったことがあると思います。最近では都市部ではあまり見かけないようですが、この「オニヤンマ」という、どこかノスタルジックな響きがなんとも言えない雰囲気を醸し出す。

　ここひと月ほど、主に昆虫をスマホカメラなどで撮影して、その名前（種類）を一発で当てることにちょっと凝っていました。単に、Google LensというAIソフトを利用しているだけですが、ここにその記事があります。トンボも、赤トンボやシオカラトンボなど何種類か撮影して、それらの名前を得て楽しんでいたのですが、オニヤンマには出会えませんでした。

ところが、本日、予期せずに突然チャンスが訪れました。なんと、自宅のベランダの手すりに止まっているじゃありませんか！

　逃げないうちに、デジカメとスマホを取り出し、何枚も写真撮影です。Google Lensで写真を認識させてみると、やはりオニヤンマのようです。オスはメスよりも一回り小さいとのことなので、これはオスかも知れません。

　全体が美しいが、特に光の当たった翅は透明感が高く、先端付近の黒色の「縁紋」が際立つ。そして、翅の強度としなやかさを保持するためのボロノイ構造（フラクタルな構造と言えるかも知れない）がなんとも美しい。規則性と不規則性の融合に打たれる。

　だが、透明に見える美しい翅は、平坦な膜でなない。山と谷が微妙に織りなす平原のようになっている。折り紙のような構造になっているようだ。前述のように、これが飛行時に小さな渦を生じさせ、浮力（揚力）と関係しているとすれば、神秘性は増すばかりである。

山と谷らしき境界に線を描いて見たが、微妙に織り込まれているため、間違っているかも知れません。

生物の不思議は尽きないが、トンボの翅の巧みなしくみ

　生物の不思議は尽きません。本記事は一例に過ぎませんが、Google Lensによる昆虫調べをやっていて（記事はここです）、トンボの翅（羽）の先端の少し手前に、小さな模様があることに気がつきました。下図のとおり、シオカラトンボであれば黒色、ミヤマアカネであればピンクですが、いずれも同じ位置（４枚の翅とも）にあります。これは何か意味がありそう、と思って調べたら、その通りでした！

（一昔前のOlympus XZ-1で撮影。光学４倍ズームゆえこれ以上は無理。）

　下記の参考資料[1]にかなり詳しく解説されていました。結論から言いますと、それは「縁紋」と呼ばれていて、トンボの飛行を安定させるための特別の膜だそうです。縁紋の断面を顕微鏡写真で調べた結果、それは羽の他の部分よりも厚く造られており、三層構造の硬質な膜であることが分かったとのことです。翅脈は、縁紋を支える構造になっているようです。さらに、翅の膜全体は、フラットな１枚ものではなく、微妙に波打つ形状になっており、それによって生ずる渦が揚力を与え、安定飛行に寄与しているとのこと。

　飛行機の翼にかかる不規則震動を抑えて、安定飛行させる装置は、この縁紋のある位置に取り付けるようになっているそうです。トンボは、太古の昔から、現代の航空力学、流体力学を先取りしていたのか！トンボの飛行は、セミや蝶などと比べると確かに安定していて、長い時間滞空できる。ホバリングさえしています。

　トンボの翅や飛行に関する研究や観察は、他にも多数見受けられます。それだけ魅力があるのですね。例えば、参考文献[2]には、「トンボの翅の先端付近の形状は、懸垂線（カテナリー曲線）になっており、これが、飛行時の空気抵抗を軽減させる。」旨の記述もあります。改めて翅を見てみると下図のように、確かに懸垂線に近いようです。

　また、翅の翅脈が下図のように、ボロノイ構造のようである。それによって、翅に強度としなやかさを兼ね備えるらしい。そればかりか、この構造が翅に栄養を効率的に送り込むとの説もある。これらに関する研究の一つとして、高校３年生による興味深い報告（参考資料[3]）がある。

参考資料：

[1] タイニー・カフェテラス [トンボの巧みなしくみ]

http://www.technex.co.jp/tinycafe/discovery67.html
（このWebページの管理者の方は、電子顕微鏡のプロのようです。電子顕微鏡の素晴らしい写真も多数公開されています。）
[2] http://roroyako.com/index.php?飛翔メカとサイエンス
[3] 中河友里、濱野彩音、山田瑞季：トンボの翅脈にはなぜボロノイ構造が現れるのか
https://www.musashino-u.ac.jp/albums/abm.php?f=abm00004627.pdf&n=最優秀賞_広島大附属高等学校.pdf

台風接近通過をスマホの気圧センサで観測する（その ２）

　本件（その１）でご紹介した、Android向け気圧取得アプリを使って、台風通過時のデータを取得できました。それで、どんな意味があるの？という声も聞こえそうです。しかし、世の中そういったもの。「台風は低気圧である」 ことを実感できます。それで良いのです。実データで体験できる場面は少ないですから、価値があります。

　観測地点は厚木市です。下図のとおり、台風進路からは少し外れていますが、それでもかなり近いですから、その影響は観察できます。

　作成したスマホアプリを、21:30ころから翌日06:30まで、連続稼働させて１分毎に気圧データを取得して、グラフにしたものが下図です。 台風接近に伴い、気圧が緩やかに低下しています。最接近の午前３時近くを下限として、台風が通り過ぎるのにともなって今度は上昇に転じています。これぞ、 「実感する台風」と言えるかも。台風の規模、勢力も実感できます。

　上図では、約５時間で20hPaほど低下しています。通常のビルでは１階あたり0.4hPa〜0.5hPaの気圧差が生じますから、台風接近時には、40階〜50階のビルの１階と最上階の気圧差に相当する変動があると言えそうです。（素人計算なので信憑性に欠ける？）

　もうすでに誰かがやっているかも知れませんが、SNS台風というのに繋がりそうです。厚木、横浜、東京、千葉等々で、こんな風に気圧グラフを持ち寄れば、思わぬことが見えてくる３Dマップになりそう。これもIoTだろう。

台風接近通過をスマホの気圧センサで観測する（その１）

[本稿末尾のソースプログラムの改訂あり。 2019-9-9]

　台風15号（2019年）が関東地方へ接近しています。そんな時は、スマートフォンに内蔵されている気圧センサの活躍です。過去にも（2014年10月に）同じようなことをやりました。それは以下のとおりです。５年前のことですが、まず、以下をご覧下さい。

「接近する台風18号をスマートフォンでリアルタイム観測」
http://blog.cs.kanagawa-it.ac.jp/2014/10/18.html

2014年台風18号通過の観測

　今回は、誰でも、手軽に台風の接近、通過を気圧で確認できる簡単なアプリを作成しました。例えば、５分毎に気圧を取得してスマホのテキストファイルに格納します。それをメールでどこかへ送って取り出し、Excelなどで　上図のようなグラフを描いてみよう、というものです。リアルタイムではありませんが、「台風は低気圧」というのがよく分かると思います。以下のアプリです。

　下記においてありますので、よろしければお使い下さい。
https://www.dropbox.com/s/x3trcqao78jgu1d/typhoon.apk?dl=0
（Androidで、.apkはプレビューできません、となっても、下辺中央のボタンを押してパッケージインストーラを起動すればインストールできるはずです。）

【注】通常、Android端末は、最大で30分でスリープします。そうすると気圧観測が停止していますので、必要に応じてスリープを止める必要があります。Android OSバージョンによって異なると思いますが、以下のようにできるはずです。
[設定]→[システム]→[開発者向けオプション]→[充電中スリープにしない]

【このアプリのソースコード１】以下のブロック図がその全てです。
　気圧取得にTaifun_extensionを利用しています。また、メールで添付ファイルを送るために、標準装備のsharingブロックを使っています。（ただし、このプログラムは、気圧センサ用のextensionとユーザタイマーの干渉が起こり得るようであり、不要の気圧値が採取される可能性があります。）

【別方式のソースコード２】以下のブロック図がその全てです。

　ソースコード１とは異なり、ユーザのタイマーで気圧検出間隔を決めるのではなく、気圧センサ用のextensionが提供する、気圧変動イベントリスナーに基づいて、（スレッシュホールドを指定して）気圧を取得します。（この場合は、気圧取得時間が不等間隔になりますので、グラフを描く場合は注意が必要です。）

蚊の不快な"ぶうーん"音をスマホで再現（その２）

　前回（その１）では、蚊の両羽の羽ばたき周波数に差をつけて、その合成音を聞くアプリを作成しました。その結果、うねり音も生じて、実物の蚊の羽音に近い音が聞けたような気がしました。しかし、自然界（生物現象）は、そんなに簡単なものではなかろう。
　
　ならば、実際の蚊の羽音と比較すればよい。そう思ってWebを探したらありました。蚊の羽音を録音したmp3ファイルが！それを借用して、合成音と比較してみました。周波数解析ツールを使った比較も試みましたが、私には捕まえどころがありませんでした。それよりも、音の波形そのものを見比べて、ほとんど同じなのか、だいぶ違いそうかで主観的に判断することにしました。

　そこで、本アプリにも、下図のとおり、｢蚊の羽音の実例と合成音の比較例（一例のみ）｣を、参考資料として載せることにしました。前バージョンと比較して、内容は同一なのですが、自然界への目の向け方を少し前面に出すことができて、自分としては落ち着きました。

　この改訂版アプリは、以下に置いてあります。（Android用）

https://www.dropbox.com/s/7a4r8ikjktf2ko7/mosquitoY.apk?dl=0

（Androidで、.apkはプレビューできません、となっても、下辺中央のボタンを押してパッケージインストーラを起動すればインストールできるはずです。）