超高速運動の進化から探る外骨格ばねと筋肉のやわらかい統合機構

• Project Area: Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing
• Project/Area Number: 19H05330
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo (2020); Kyoto University (2019)
• Principal Investigator: 加賀谷 勝史 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 特任研究員 (00580177)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2020: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 人工筋肉 / ばね駆動運動 / 拮抗駆動 / 超高速運動 / 外骨格 / 情報理論 / 移動エントロピー / モデリング / 身体性 / 形態計算 / 生物多様性

Outline of Research at the Start

生物進化の成果から学び技術転化することで、人間が何か機能的なものをデザインしようとするとき必要な試行錯誤の過程を省略できるかもしれない。その学問を一般にはバイオミメティクスと言う。本研究は、異なる型のシャコの超高速運動に注目して、その仕組み解明を目指す生物学への貢献と、ソフトロボット技術を目指すバイオミメティクスへの貢献を目指すものである。

Outline of Annual Research Achievements

シャコの外骨格ばね駆動の超高速運動を対象として筋肉と外骨格ばねの情報理論的因果関係を移動エントロピーによって定量することが当初の目的であったが、動物の入手が困難となりこれとは別の構成論的アプローチをとることにした。すなわち、シャコの機構を規範としてロボットをつくりそのパフォーマンスを評価するアプローチである。
シャコをはじめ節足動物の外骨格体制で、(1)筋肉羽状配置による並列化、(2)外骨格をばね、(3)肥厚硬化したラッチ、(4)柔軟な骨格変形を含むリンク機構、などの「統合」による機械効率と仕事率(パワー)の増幅がサイズあたりの効率という意味で人工物を凌駕するパフォーマンスを実現している。これらの物理シミュレーションとその実機構成によって仮説構成、その検証を行うアプローチへと方向転換した。
具体的には、これまでの他のグループの研究でシャコの運動を模した回転運動では回転中心が固定されたものが構成されていた。打撃を行うスマッシャーシャコでは回転中心が動くことが観察される。そこで我々は、人工筋肉とばね、偏心カムを利用した回転並進運動でより実物に近い運動を構成してそのパフォーマンスを評価した。人工筋肉の内径が大きく長さに対する径の比が小さい場合、収縮時の人工筋肉の膨張率が小さくなり応答性が改善されることが確認された。さらに、水との相互作用(抵抗、キャビテーション)を含む実環境での動作についての研究への展望が開けた。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Georgia State University(米国)
• [Int'l Joint Research] Georgia State University(米国)
• [Journal Article] Skeletonizing the Dynamics of Soft Continuum Body from Video (2021)
  • Author(s): Inoue Katsuma、Kuniyoshi Yasuo、Kagaya Katsushi、Nakajima Kohei
  • Journal Title: Soft Robotics Volume: - Issue: 2 Pages: 201-211
  • DOI: 10.1089/soro.2020.0110
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Individual behavioral type captured by a Bayesian model comparison of cap making by sponge crabs (2020)
  • Author(s): Harada Keita、Hayashi Naoki、Kagaya Katsushi
  • Journal Title: PeerJ Volume: 8 Pages: e9036-e9036
  • DOI: 10.7717/peerj.9036
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of the Wet Market on the Coronavirus Disease (COVID-19) Transmission Dynamics in China, 2019-2020 (2020)
  • Author(s): Mizumoto K, Kagaya K, Chowell G.
  • Journal Title: Int J Infect Dis Volume: NA Pages: 96-101
  • DOI: 10.1016/j.ijid.2020.05.091
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Early epidemiological assessment of the transmission potential and virulence of coronavirus disease 2019 (COVID-19) in Wuhan City, China, January?February, 2020 (2020)
  • Author(s): Mizumoto Kenji、Kagaya Katsushi、Chowell Gerardo
  • Journal Title: BMC Medicine Volume: 18 Issue: 1 Pages: 217-217
  • DOI: 10.1186/s12916-020-01691-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chromosome instability induced by a single defined sister chromatid fusion (2020)
  • Author(s): Kagaya Katsushi、Noma-Takayasu Naoto、Yamamoto Io、Tashiro Sanki、Ishikawa Fuyuki、Hayashi Makoto T
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 3 Issue: 12 Pages: e202000911-e202000911
  • DOI: 10.26508/lsa.202000911
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A general model of locomotion of brittle stars with a variable number of arms (2020)
  • Author(s): Wakita D., Kagaya K., Aonuma H.
  • Journal Title: Journal of the Royal Society Interface Volume: 17 Issue: 162 Pages: 162-162
  • DOI: 10.1098/rsif.2019.0374
  • NAID: 120006786437
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Individual behavioral type captured by a Bayesian model comparison of cap making by sponge crabs (2020)
  • Author(s): Harada K., Hayashi N., Kagaya K.
  • Journal Title: PeerJ (in press) Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Early epidemiological assessment of the transmission potential and virulence of 2019 Novel Coronavirus in Wuhan City: China, 2019-2020 (2020)
  • Author(s): Mizumoto K., Kagaya K., Chowell G.
  • Journal Title: BMC Medicine (in press) Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Estimating the asymptomatic proportion of coronavirus disease 2019 (COVID-19) cases on board the Diamond Princess cruise ship, Yokohama, Japan, 2020 (2020)
  • Author(s): Mizumoto K., Kagaya K., Chowell G.
  • Journal Title: Euro Surveillance Volume: - Issue: 10
  • DOI: 10.2807/1560-7917.es.2020.25.10.2000180
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Antagonistic Drive Mechanisms to Increase Impulsive Force Inspired by Exoskeleton Spring System of Mantis Shrimp (2020)
  • Author(s): Shunichi Kurumaya , Fumio Ito , Riki Ono , Katsushi Kagaya , Taro Nakamura
  • Organizer: CLAWAR
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ばね駆動の超高速運動における神経、筋肉、外骨格、水の相互作用 (2020)
  • Author(s): 加賀谷勝史
  • Organizer: 進化学会、進化の流体力学的側面：バクテリアから恐竜まで
  • Invited
• [Presentation] Individualities in ultrafast movement and camouflaging behavior in crustaceans (2019)
  • Author(s): Kagaya K.
  • Organizer: The 9th International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Double-latch-mediated ultrafast movement in mantis shrimp (2019)
  • Author(s): Kagaya K.
  • Organizer: Annual Meeting of Japanese Society for Comparative Physiology and Biochemistry