2023 Fiscal Year Research-status Report
Analysis of the musculoskeletal system of dolphins during tail stand and development of an underwater propulsion mechanism based on the musculoskeletal structure
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22K04026
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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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡辺 昌俊 長野工業高等専門学校, 機械ロボティクス系, 教授 (00806242) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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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。しかし、その立ち泳ぎの力学的な解析はまだ検討されておらず、どのようにしてイルカは立ち泳ぎを実現しているのかが十分に明らかにされていない。特に、解剖学的な視点からはない。
そこで、本研究課題では、イルカの立ち泳ぎにおける筋骨格系のモデル化を行い、その逆動力学解析によって、イルカ筋骨格系の力学的状態を加えた、より総合的な立ち泳ぎのメカニズムを明らかにする。これにより、水族館など、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。さらに、解明した立ち泳ぎのメカニズムを、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させ、高推力化を実現させる。これにより生物規範型の水中推進機構に、単なる遊泳だけでなく、推力向上による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。
２０２３年度は、カマイルカが胴体を捻りながら回転して立ち泳ぎをする際の動作解析と、立ち泳ぎにおけるイルカの尾びれ周りの数値流体計算を行った。次に、イルカの解剖学の研究報告や骨格標本からイルカの筋骨格系のモデル化を行い、その筋骨格系の逆動力学解析を、筋骨格モデル機構解析システム（AnyBody）を用いて行った。その最初のアプローチとして、立ち泳ぎの前に比較的解析が容易なイルカの水平遊泳について行い、水平遊泳の動作解析結果と数値流体計算によるイルカにかかる流体力を用いて、筋骨格系の逆動力学解析を行った。これより、推力発生につながる筋肉の発生力や腱にかかる力を検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
イルカの尾びれ周りの数値流体計算に関して、カマイルカがその場で立ち泳ぎをする「静止立ち泳ぎ」におけるイルカの動きの時系列データを用い、3次元測定されたイルカ形状モデルで行う予定であった。しかし、その計算モデルの構築が困難であったために遅れてしまい、まずは簡便化した尾びれのモデルでの数値計算結果を得ることににとどまったことにある。それに伴い、イルカの「静止立ち泳ぎ」における筋骨格系の逆動力学解析を行うことができず、比較的解析が容易な「水平遊泳」における数値流体計算によるイルカにかかる流体力の結果を用い、筋骨格系の逆動力学解析を行った。ただし、水平遊泳での筋骨格系の逆動力学解析は重要であり、今後の静止立ち泳ぎにおける解析の基礎となったので、有意義な結果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．イルカの立ち泳ぎにおける流体力の解析： イルカの静止立ち泳ぎにおける動作解析データとイルカの3次元形状から数値流体計算を行い、イルカの尾びれにかかる流体力を解析する。この際、尾びれの変形の時系列データも含めて計算して解析し、変形の効果も評価する。
２．イルカの立ち泳ぎにおける筋骨格系の逆動力学解析： イルカの立ち泳ぎにおける動作解析データと、数値流体計算によって得られたイルカにかかる流体力を用いて、イルカ筋骨格系における逆動力学解析を行う。その際、筋肉を包み込む強靱な皮下結合組織鞘も弾性変形も考慮する。これらの結果から、イルカを飼育する環境においてトレーニングや健康管理のために寄与するデータを得る。
３．水中推進機構の開発： 逆動力学解析の結果から、イルカの筋肉骨格系を模した生物規範型の水中推進機構に移転できる構成を見出し、高推力化を実現する水中推進機構を設計、開発する。弾性エネルギの蓄積と解放を利用するためのアクチュエータと３次元プリンタで成形した骨格モデル、皮下結合組織鞘を再現する円錐ばね状の弾性体で構成させ、水中で動作させて推力の評価を行う。
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| Causes of Carryover |
成果報告に要する学会参加のための費用、論文投稿費用が予定を下回ったことが理由である。また、翌年度に実際に水中推進機構の開発に取り掛かる予定であるが、そのための費用が予定よりも高くなり、次年度配分額よりも上回ることが予想され、次年度使用額に充てることにした。
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