2021 Fiscal Year Research-status Report
Experimental study on vortical propulsion mechanism of biology locomotion on water surface
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20K04257
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
李鹿 輝 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (00253906)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | アメンボ / 推進メカニズム / 渦 / 水面歩行 / 運動エネルギー / PIV |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではアメンボの移動において離水，着水，高速移動の3つの状態に着目し，定量的に評価することで推進メカニズムを解明することを目的とする．成虫と幼虫の水面移動のPIV解析を行い，解析から得られた結果をもとにエネルギーを算出することで流れ場の評価を行った．
PIV解析の結果からアメンボ成虫，幼虫ともに推進時は後ろ脚と中脚周りに渦度が生じた．後ろ脚と中脚の渦が形成される時間には差があり，後ろ脚周りの渦の方が短い時間で形成された．また，アメンボ成虫において中脚外側の渦度が推進開始から35ms後に拡散し，小さくなることが確認された．これは中脚のストロークの最終段階で中脚先端がメニスカスを突き抜けることに起因していると考えられる．エネルギー算出結果では中脚がメニスカスを突き抜けた後，大きく減少することが確認された．一方で，高速移動時，幼虫の離水時では脚が水面を離れる瞬間に最大エネルギーとなっており，メニスカスの破断は見られなかった．このことから，幼虫の通常移動，成虫の高速移動はメニスカスを破断させないことで渦の力を効率的に使うことで推進していると考えられる．アメンボの着水では成虫，幼虫ともに後ろ脚，前脚，中脚の順番に着水していた．成虫は前脚が着水時に沈み込むことによって，水面波を生み出しており，前脚が抵抗を発生させ，ブレーキの役割を果たしているといえる．解析結果から着水時，成虫は後ろ脚周りに主要な渦を形成し，幼虫は中脚周りに主要な渦を形成していることが確認された．幼虫が着水する際，成虫よりも流れのエネルギーが最大値を示すまでの時間が短いことが示された．このことから幼虫は体重が軽く，前脚で抵抗を生み出すことができないため，成虫よりも渦の力を利用して停止していると考えられる．
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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
今年にはアメンボの二次元PIV計測が順調であるため。
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| Strategy for Future Research Activity |
(１)４台ハイスピードビデオカメラを用いた三次元TomographicPIVにより、大中小三種類アメンボの脚は生み出す三次元流れ場を計測し、様々な三次元渦の運動
を抽出する。
(２) 三次元Tomographic PIV計測などの結果に基づいて、大中小三種類のアメンボの動きと生み出す三次元渦構造との関係を定量的に明らかにする。
(３) アメンボの推進力と推進効率を定量的に解明する。
(４)本研究で得た渦推進原理により、水面連続歩行の能力を備えた高効率の小型ロボットのダイナミクス構造を検討する。
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| Causes of Carryover |
今年度にも新型コロナウイルスの流行により、中国上海工程技術大学で行う予定の三次元トモグラフィックPIV実験を中止となったため，国際旅費と実験関連品物の購入費を使用してなかった。
次年度、中国上海工程技術大学で実験を行うため、その国際旅費と実験関連品物の購入費を計画している。
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