2019 Fiscal Year Research-status Report
Clarification of the mechanism of dolphin tail walk and its application for the development of high-thrust underwater propulsion mechanism
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18K04047
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
小林 俊一 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (50225512)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | バイオメカニクス / バイオミメティクス / イルカ / 生物規範型ロボット / 水中推進 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水棲生物の中でもイルカの運動能力は高く，胴体を水上に持ち上げる立ち泳ぎができる。本研究ではイルカの立ち泳ぎのメカニズムを，その運動挙動から力学的な解析によるアプローチで解明し，イルカを飼育する環境でのトレーニングや健康管理に参考となる資料を提供するものである。また，これらの結果をイルカの尾びれを規範としたフィンによる水中推進機構に技術的に移転，高推力化を実現させ，水中推進機構に単なる遊泳だけでなく，水中における物体の保持，物体の水上へのリフトアップ技術などの実現といった，新たな動作タスクの創出につなげる。
２０１９年度は前年度からの継続として，名古屋港水族館におけるカマイルカの立ち泳ぎの撮影と動作解析を行った。撮影においては，立ち泳ぎするカマイルカの水上と水中の映像についてそれぞれ複数の高速度ビデオカメラを設置して撮影した。これらの撮影映像から３次元動作解析ソフトウェアを用いて，立ち泳ぎ時の運動（尾びれの平均的な振幅や振動数等）について解析・検討した。その結果，立ち泳ぎは普段の水平遊泳と比べて高い振動数でコンパクトに尾びれを揺動させること，また，尾びれの変形は大きく，その揺動位相に対する変形挙動の関係がリフトアップのための推力増加に大きく寄与していることを確認した。さらに，高推力水中推進機構開発への技術移転のための基礎研究として，前年度から開発を開始した変形速度が大きくなると剛性が高まる繊維複合粘弾性フィンについて，そのフィンの構成を詳細に検討して改良し，立ち泳ぎ動作に有効な静止流体中での推力を向上させた。
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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
２０１８年度のイルカの立ち泳ぎの動作解析を行った結果を踏まえて撮影の改善を行うことができた。まず，３次元解析のためのキャリブレーション用フレームを用いた位置精度の検証から，キャリブレーション用フレームの大型化による位置精度の向上を行い，また，高速度カメラの撮影速度とシャッター速度の検証を行って，カメラの撮影設定の最適化を行った。さらに水上における胴体の撮影と他の遊泳方法（水平遊泳やジャンプ）の撮影も行った。これらは名古屋港水族館において，同館の研究協力者との綿密な撮影の打ち合わせの上で実施されたものである。その解析として，イルカの立ち泳ぎの特徴と胴体リフトアップにつながる推力増加機序を幾つか明らかにした。また，複数の個体による水上の前進移動と後退移動の違い，水上の胴体の動きとの関わりについて検討するデータも集まり，２０２０年度に取り組む数値解析による力学的な推力の解明にむけてのベースも整った。
イルカの尾びれを規範としたフィンによる水中推進機構に技術的に移転するための研究として，静止流体中で揺動運動をするフィンの材料について検討し，変形速度が大きくなると剛性が高まる繊維複合粘弾性フィンを開発してきた。今年度はその改善としてフィンの構成について詳細に検討し，流体力で大きく変形する部分に繊維複合粘弾性体を配置するようにして，推力向上を図ることができた。このフィンを，立ち泳ぎを模擬したリフトアップが可能な水中推進機構に用いるための基礎資料を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
立ち泳ぎ時の運動解析について残された項目として，水上における前進移動と後退移動のそれぞれについて，喫水位置・移動速度・水中での尾びれの動作（変形）と水上の胴体の動きとの関連を，個体別に検討を行う。また，ハイジャンプ前の高速遊泳における尾びれの挙動との比較・検討を行う。さらに，立ち泳ぎにおける進行方向転換時の撮影を行い，その動作解析によって方向転換の機序についても検討する。
立ち泳ぎの力学的解明として，動作解析によって得られた尾びれの動きから3次元非定常の数値流体解析を行い，尾びれ周りの流れ場や発生推力を求め，理論的に大きな推力が発生する要因を解明する。また，数値流体解析の結果から尾びれや尾柄にかかる力も求め，イルカの健康状態やトレーニングに参考となる資料を提供する。これらの結果をもとに，その次のステップの力学的解析となる，尾びれの構造解析と流体解析を連成させた解析につなげていく。
尾びれに相当する繊維複合粘弾性フィンについては，その基礎的な推進特性が明らかになったので，実際に立ち泳ぎを模擬できるリフトアップが可能な水中推進機構のフィンとして用いる。そのため，水中推進機構の基礎設計を行い，フィンの挙動や変形，機構本体の喫水や胴体の揺れなどを計測するシステムの構築も行う。
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| Causes of Carryover |
初年度購入予定であった高速度ビデオカメラが低価格のもので使用でき，また，短期間のレンタルでも使用できることがわかったため。
また，新型コロナウイルスによって，撮影旅費や学会発表（登録費や旅費）がキャンセルになったため。
次年度使用額は令和2年度請求額と合わせて設備備品費（サーボモータ），消耗品費（製作用材料費，機械部品費，電子部品費），旅費，論文校正・投稿料として使用する予定である。
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Research Products
(1 results)
