2020 Fiscal Year Annual Research Report
Performance improvement of thermally-driven walking mechanisms
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18K03903
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
山本 晃生 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40313035)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 二足歩行 / 車輪機構 / バイメタル / 熱エネルギ / エナジーハーベスト / 自励振動 / シミュレーション / 受動歩行 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
環境熱で動作する熱歩行機構の設計には，動力源となるバイメタルシート自励振動に関する特性理解が重要であるが，従来，その特性は十分には理解できていなかった．そこで，バイメタル自励振動のシミュレーションモデルを構築し，バイメタルシートの形状等が自励振動の特性に与える影響を検討した．湾曲したバイメタルシートを高温水平面上に配置したモデルについて，シート内の熱伝導からシートの形状変形を求め，それに伴う重心位置の移動から運動をシミュレーションしたところ，シート厚みが薄いほど振動振幅が増大することなどが確認できた．一方，機構の製作に関して，これまで自励振動による歩行のみを検討してきたが，より効率的な運動実現のために，円筒型バイメタルシートを用いた回転自走機構を提案した．円筒面状のバイメタルが熱で転がり動作をすることは報告されているが，これまで負荷を取り付けることは考慮されてこなかった．今回，複数の構造を比較検討し，円筒バイメタルシートの中にわずかに半径の小さな剛体円板を入れることで安定に負荷を駆動できることを見出した．この結果に基づき二輪自走機構を試作し，自重と同等の負荷をかけた状態で熱エネルギのみで走行できることを確認した．
本研究全体を通じて，バイメタルの熱自励振動を活用した複数な自走機構を提案し，その性能を検証した．二足歩行機構については，スロープの登坂や，従来より高速な歩行が実現されるとともに，バイメタルシートの薄型化と足底形状の工夫により，さらなる高速化や動作温度低減などが期待できることが確認された．新たに提案した車輪型自走機構については，荷重をかけた状態で走行可能な二輪機構を実現し，荷物の運搬などの実作業への利用可能性を示した．いずれの機構においても，今後，さらなる効率化と，既存機構とのハイブリッド構成の検討などを行い，より実用性を高めていくことが期待される．
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