2021 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, 准教授 (80793190)
山崎 剛史 公益財団法人山階鳥類研究所, 自然誌研究室, 研究員 (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 |
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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ている：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）。
本年度は、ペンギンの羽ばたき前進遊泳の運動解析と流体力学解析の結果をまとめ、翼の打ち上げ中に翼が曲げ変形すること、および曲げ変形によって無駄な流体力が減少して推進効率が向上することを明らかにし、国際論文を発表した（項目A）。本成果をプレスリリースし、招待講演を多数行い、広く社会に周知した。また、ペンギンの羽ばたきを再現するロボットを回流水槽中で動かし、力計測とPIVによる流れ場計測と行い、剛体翼においてストローハル数が大きい低速遊泳において大迎角時に大きな前縁渦が発生して剥離が遅れ、大きな推力が発生することが分かった（項目C）。翼膜を支持する羽軸をポリイミドフィルムの積層によって製作してタフなハチドリ模倣翼を実現し、電動羽ばたき機構で羽ばたかせてPIVによる流れ場計測と力計測を行い、羽軸本数と変形および効率の関係を明らかにした（項目C, D, E）。さらに、ペンギンの胴体の羽毛が形成する微小列状突起構造を紫外線レーザ加工でポリイミドフィルムに形成して、回流水槽での力計測実験によって、流体摩擦抵抗が低減することを明らかにし、その効果は流速方向が列状突起に平行でなくても維持されることを明らかにした（項目D, E）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole 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、翼面や翼駆動機構の柔軟性によって飛行と遊泳のロバスト性・効率性・俊敏性が向上することを明らかにしつつあり、おおむね順調に進展している。成果のまとめと論文発表も始まっている。領域活動から創発した新しい研究、すなわちA03班の身体変形をリザバーコンピュータとして捉える研究から着想を得て、ハチドリ模倣翼の羽ばたき中の歪から周囲環境の風速と風向を機械学習により分類するという、柔軟翼を感覚器としても利用する研究も進んでいる。さらに、生物を参考にしたソフトロボットと生物学との関係性をについて議論をすすめ、解説記事の発表や講演を行った。
一方、新型コロナウィルス感染拡大防止のため、実験ができない期間があったため、遅れが生じている面もある。翼面や翼駆動機構の研究は進んでいるが、実際に遊泳・飛行するロボットの開発には至っていない。水族館でのペンギン遊泳の撮影実験も停滞した。
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| Strategy for Future Research Activity |
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き、成果を学会や論文誌に発表していく。
流体構造連成メカニズムの解明に向けて、流れ場可視化実験を強化し、分担者のCFD（数値流体力学）シミュレーションとの協同を図る。特にペンギンを模倣した柔軟な羽ばたき翼の製作と実験を進める。また、柔軟構造の設計指針を確立するために、パラメトリックに比較実験・計算を行う。
2020年度に創発した、機械学習によって翼変形から周囲の流体環境を認識するというアイディアをさらに進め、認識した流体環境を運動へフィードバックする制御の実現を目指す。
さらに、既存の固定翼や回転翼の飛行・遊泳ドローンへの柔軟構造の応用も進める。
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