2019 Fiscal Year Annual Research Report
微細構造を活用した生物のやわらかい飛翔と遊泳の原理解明と実装
| Project Area | Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing |
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| Project/Area Number |
18H05468
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田中 博人 東京工業大学, 工学院, 准教授 (80624725)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中田 敏是 千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (80793190)
山崎 剛史 公益財団法人山階鳥類研究所, 自然誌研究室, 室長 (70390755)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 羽ばたき翼 / 流体構造連成 / 飛行ロボット / 遊泳ロボット / バイオミメティクス / バイオメカニクス / ハチドリ / ペンギン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
領域設定期間に明らかにすることは、羽ばたき飛行・遊泳生物のしなやかな飛行・遊泳を実現するE-kagenな流体構造連成メカニズム及び身体デザインである。そのために、次のA~Eの5項目に分類して研究を進める：A．生物とロボットの「しなやかな運動」と「しなやかな変形」の定量的な計測；B．生物の翼・筋骨格構造の機械特性の計測；C．数値計算と機械モデル実験による流体構造連成メカニズムの解明；D．サブミリ構造製作技術を用いたソフト構造の実装；E．ソフト飛行・遊泳ロボットによるロバスト性・効率性・俊敏性の構成論的検証（当初計画に追加）
今年度は、ペンギンの水中羽ばたき遊泳について3次元運動解析と準定常流体力計算によって詳細な前進遊泳メカニズムを明らかにした（国際論文投稿準備中）（項目A）。さらに3次元翼形状を解析マーカなしに再構成する画像解析方法を新たに考案し、ペンギンの翼が遊泳中の羽ばたきに応じて曲げ変形とねじれ変形することを発見した（項目A）。ペンギンの3次元翼運動を模倣できる電動羽ばたき機構を回流水槽で性能評価し、流体力の大きさと向きを翼運動によって大きく変えられることを明らかにした（国際論文投稿中）（項目A）。
ハチドリの風切羽の曲げ剛性計測を模倣した人工柔軟翼について、実際にロボットに実装しても実用に耐えるタフさを実現するために、衝突時等の大変形も許容できる構造的にロバストな人工柔軟翼の製作方法を考案した（項目D, E）。ハチドリを規範とした羽ばたき機構の駆動部に弾性構造を組み込み、機構の適切な弾性が効率性および流れの乱れに対するロバスト性を向上させることを明らかにし、本機構を用いて、外部からの電源供給が必要なものの、羽ばたき運動を調整しながら鉛直方向に飛行することに成功した（項目C, E）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまでに研究項目A~Eのすべてに着手し、研究計画が妥当であることが明らかになり、必要なコア技術の開発も進み、順調に進展している。
さらに、計画以上の進展があった。既存の回転翼型飛行ドローンへの応用に着手し、回転翼型飛行ドローンに、3Dプリンタを用いて製作した柔軟な翼を用いることで、定常回転時の揚力を一定に保ちながら、横から突風を与えたときに揚力が変動しない空力ロバスト性を実現できることを示した（項目C, E）。さらに、回転翼の前縁に、静穏滑空するフクロウの翼前縁のセレーションなどを規範とした構造を付与すると、必要な揚力に対して回転数を小さくすることができ、結果的に静穏化につながることを実験的に明らかにした（項目B, D, E）。さらに、滑空する鳥類の翼の雨覆いの可動性に着目し、滑空する翼に雨覆いを規範とした柔軟構造を付与すると、大迎角時に受動的に立ち上がり流れの剥離（失速）を防ぎ、また、外乱による力の変動を抑制する空力ロバスト性を実現できることを風洞実験と数値流体計算によって明らかにした（項目C）。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度以降は、流体構造連成メカニズムの解明と飛行・遊泳ソフトロボットに期待する敏捷性・ロバスト性・効率性の研究を深めていく。ペンギンについては、水族館で死体の翼の曲げ・ねじれ特性計測を行い、特性を模倣する柔軟翼を考案し、電動羽ばたき機構に取り付けて回流水槽にて流体力とPIVによる流れ場の計測を行う。また水族館で急加速や急旋回の様子を撮影し、敏捷性能とメカニズムを明らかにする。それらを統合して、敏捷性と効率性について柔軟翼の最適設計論を考案する。
ハチドリについても、開発したタフな柔軟翼の羽ばたき中の力計測とPIVによる流れ場計測を行い、ロバスト性と効率性について柔軟翼の最適設計論を考案する。さらに、駆動系の弾性の組み込んだ連成モデルを考案して、駆動機構と柔軟翼を最適化する。
これらの、水と空気という、密度と動粘度が大きく異なる流体に対する柔軟翼の設計論と流体構造連成メカニズムに基づき、流体中の羽ばたき翼の能動運動と受動変形に関するソフト身体設計論の一般化を目指す。
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