2018 Fiscal Year Annual Research Report
Novel performance evaluation index and optimization system for swimming robot: leaning from natural fish
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17K17641
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
李 根 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 数理科学・先端技術研究分野, ポストドクトラル研究員 (00774035)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 遊泳エネルギー最適化 / 生物規範流体力学 / 遊泳ロボット / 計算流体力学 / 魚類遊泳 / 流体構造連成解析 / 波動的な遊泳 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は物理学、工学、生命科学などの学際的な研究である. 計算流体力学手法と工学実験を用いて、自然界の魚類と生物規範ロボットの遊泳性能の評価・最適化ができるシステムを構築した．
平成29年度では、磁場で制御する小型遊泳ロボットの開発と、「流体力学」、「構造力学」並びに「動力学」の統合解析計算流体力学モデルの開発を行った．平成30年度では、3Dプリント技術により、磁場制御ロボットの設計は徹底的に改良された. 高速度カメラによる磁場制御ロボットの運動撮影とMATLAB画像処理による変形・運動解析を行った．統合解析計算流体力学モデルにより、自由遊泳をするロボットの運動速度、胴体変形、及び流れ場の変化を計算し、得られた結果と実験で測定したデータとを比較し、計算流体力学モデルの信頼性を評価した．計算流体力学モデルを使用して、自然界の魚類が様々な周波数と振幅での遊泳パフォーマンスを計算して、魚類の波打ち遊泳は単位距離あたりのエネルギー消費量が最小化にするように、一定の尾鰭の振幅を維持し、周波数の調整による速度を調整する必要があることを発見した．魚類波動的な遊泳において、「推進効率の最大化」の場合、単位距離あたりのエネルギー消費が増加する可能性があることを示した．更に、その流体力学の原理を解明した．自然界の魚類の観測実験の統計を行い、自然界の魚類は「推進効率を最大化する」ことを目標としていないことを明らかにした．
本研究は今まで生物遊泳の評価に用いた「推進効率の最大化」の不適性を指摘し、より適切な評価体系「単位距離あたりのエネルギー消費が最小」を確立した．自然界の魚類が合理的な柔軟性を保って、簡単な周波数制御だけで遊泳性能の最適化が保証できる可能性を示した. 魚類規範遊泳ロボットに遊泳性能の最適化を実現するために、特定の尾部振幅を維持し、周波数により速度を調整する制御方法を確立した.
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