鳥の肺内の流れとガス交換に関するバイオメカニクスとその工学応用

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本研究では鳥の肺内における流れとガス交換機序を明らかにしてその工学応用の可能性について検討することを目的とし,空力的バルビングといわれる流体力学的作用による一方向流れの発生メカニズムについて検討を行った.鳥の肺気道をモデル化した直角分岐管流路内に呼吸流れとして振動流を発生させ,分岐/合流時における本管内及び支管内の流量変化をレーザードップラ流速計を用いて測定した.また得られた流量分配の非対称性を,流れの可視化および差圧測定により検討した.さらに,鳥の肺にみられる気道分岐直前の収縮部が分岐部での流量分配特性に及ぼす影響を明らかにするため,分岐部上流にオリフィスを挿入した場合についても実験を行った.その結果,分岐流れの期間に支管入り口にはく離渦が形成されると,本管と支管に圧力差が生じ,支管から本管へ向かう定常循環流が発生することを明らかにした.また,分岐部上流に設置したオリフィスの影響により定常循環流の大きさが増加し,本管内で流れ方向の反転を伴わない一方向流れが得られることを示した.これはオリフィス後流に形成される圧力の低いはく離領域が分岐部を覆うことによって支管内の圧力が低下し,一方向流れ成分の駆動力となる本管と支管の平均圧力の差が増大することによるものと考えられた.これらの結果から,特に逆止弁のような機械的作用をもたらす機構を用いることなく,分岐管と分岐部上流の収縮部を組み合わせた単純な構造のみによって振動流から一方向流れを発生させることが可能であり,従来にない新しいポンプの機構としての可能性を明らかにした.