2022 Fiscal Year Annual Research Report
Research on self-propelling and jumping aquatic animals near water surface by deformation considering muscle force
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17K06148
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
白崎 実 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (50302584)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 計算流体力学 / 固気液3相流れ / 自由界面 / 生物流体 / 魚の遊泳 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，水面近くにおける魚の遊泳，急加速，そして跳躍に至る一連の運動について，魚が持つ筋力やエネルギーを考慮した自身の変形による自律推進の解析を計算流体力学により実施し，次のような結果を得た．
消費するエネルギーに着目し，跳躍を伴う遊泳は水平遊泳と比べ一定の距離を遊泳するのに必要なエネルギーが小さくなり得ることから，現実の魚はエネルギー消費を小さくし，効率的な遊泳をするために跳躍を伴う遊泳を行っている可能性があることを示した．
魚モデルにおいて頭の先端から尾の先端までに背骨の骨格を与え，この背骨を動かし魚モデル全体の表面点群データを移動させることで背骨の動きを考慮した変形を実現した．
従来の研究では数式等により魚の変形を強制的に与えることが多いが，魚や魚型ロボットのように，背骨に筋力（動力）が作用し，流体から受ける力との相互作用によって全身の変形が決まって流体中を推進する計算モデルを導入した．背骨を模した連結された剛体から構成されるモデルに対して，筋力として連結部にトルクを与え，復元力，拘束力を考慮して，魚型モデルが筋力によって流体力と相互作用しつつ変形し，推進する現象を再現した．実施した計算条件では，各関節に筋力を分布させる場合には魚モデルの頭側に偏った分布が推進速度は大きく，筋力を一つの関節にのみ与える場合には連結数によらず魚モデルの中央から1つ後方の関節に筋力を与えた場合に最も推進力が大きくなることがわかった．さらに，魚モデル前方の復元力を後方に比べて大きくすることで大きな推進力が得られることがあり，筋力や復元力の分布によって，遊泳の挙動が大きく異なることが明らかになった．
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