2016 Fiscal Year Annual Research Report
昆虫の飛翔における創成流場を用いた適応的運動能力のシステムバイオロジーによる解明
| Project/Area Number |
16H04303
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
泉田 啓 京都大学, 工学研究科, 教授 (60206662)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平井 規央 大阪府立大学, 生命環境科学研究科, 准教授 (70305655)
安藤 規泰 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任講師 (70436591)
飯間 信 広島大学, 理学研究科, 准教授 (90312412)
横山 直人 京都大学, 工学研究科, 助教 (80512730)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 昆虫 / 流体 / 生物・生体工学 / 知能機械 / 航空宇宙工学 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
羽ばたきにより創成される流場環境を用いてマヌーバという適応的運動を実現するという観点から，蝶が適応的運動能力（運動知能）を発現するメカニズムの解明を目的とする．具体的には (1) 蝶が創成環境との非線形相互作用を如何に利用するか，(2) 生体の蝶の感覚器と身体機構とその入出力関係の解明について，生体の蝶の実験観測による生物学的な解析と様々なモデルの構成をとおした工学的な実現による，システムバイオロジーにより調査している．
生物学的な解析： 材料としてアサギマダラの飼育系統を確立し，常時生体を実験に供する状態を維持した．CT画像，外骨格の実体顕微鏡画像，外骨格を脱色した個体の観察等により，飛翔に関わる筋肉や骨格の同定と計測を行った．
自由飛翔する蝶の生体情報計測を試みた．体重が約300 mgのため有線計測を採用し，オペアンプを胸部に搭載することでワイヤの機械的ノイズを解決した．これにより主な5つの飛翔筋の活動計測に成功した．また，40 mgの超小型慣性センサを搭載することにより胸部運動を125 Hzで計測できた．
工学的なモデル解析： はばたき運動の大変化が引き起こす飛翔挙動の変化(マヌーバ)を解析する基礎研究を行った．はばたき翼からの剥離渦が構成する渦構造変化を調べるため，剥離渦の形成過程を2次元モデルの単一渦近似法により解析し，翼形状による剥離渦の吸引点の有無や位置，形成された剥離渦の切り離し前後における剥離渦運動の変化を研究した．
2次元蝶モデルを用いて，スライディングモード制御による姿勢制御を数値的に行った．胸部姿勢に大きな擾乱が加わっても，腹部角のみを動的に動かすことで，短時間で胸部姿勢を適切な状態へ復帰できることがわかった．このことは，突風などの外乱に対して，腹部を用いた安定化が可能であることを示している．今後，腹部運動を用いたマヌーバーの機構解明に取り組む．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
生物学的な解析に関連して，アサギマダラの飼育系統を確立し，飛翔に関わる筋肉や骨格の同定と計測を行うことができた．また，自由飛行での生体情報計測のための実験系を構築することができた．
工学的なモデル解析に関連して，マヌーバ制御・解析に必要な流体力学的解析・数学解析の基礎研究が進展した．他方，スライディングモード制御では，腹部運動のみによる姿勢制御と翼も同時に用いる協調制御の適用範囲の同定に時間がかかり，やや遅れ気味である．
|
| Strategy for Future Research Activity |
生物学的な解析に関連して，筋肉のサイズや容量について，複数の計測法を検討し，客観的で安定したデータが得られる手法を見出す．また，自由飛行の計測を踏まえ，テザード飛行との実験データの整合性について検証を行い，身体機構を含めた感覚運動系のシステム同定のために必要な実験系を構築を目指す．
工学的なモデル解析に関連して，直接数値計算により単一渦近似との比較を行い，具体的なマヌーバ制御をデザインするための手法を研究する．また，腹部運動を用いた安定化が可能となったので，今後「研究の目的」であるマヌーバーに取り組む．現在までの研究によって，腹部運動のみを用いた制御は短時間であれば非常に有効であることがわかったので，これをマヌーバーに用いることにする．
|
