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微細構造を活用した生物のやわらかい飛翔と遊泳の原理解明と実装

Planned Research

Project AreaScience of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing
Project/Area Number 18H05468
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

田中 博人  東京工業大学, 工学院, 准教授 (80624725)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中田 敏是  千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80793190)
山崎 剛史  公益財団法人山階鳥類研究所, その他部局等, 研究員 (70390755)
Project Period (FY) 2018-06-29 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥97,370,000 (Direct Cost: ¥74,900,000、Indirect Cost: ¥22,470,000)
Fiscal Year 2022: ¥21,190,000 (Direct Cost: ¥16,300,000、Indirect Cost: ¥4,890,000)
Fiscal Year 2021: ¥21,190,000 (Direct Cost: ¥16,300,000、Indirect Cost: ¥4,890,000)
Fiscal Year 2020: ¥20,930,000 (Direct Cost: ¥16,100,000、Indirect Cost: ¥4,830,000)
Fiscal Year 2019: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2018: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000)
Keywordsバイオミメティクス / 羽ばたき翼 / 非定常流体力 / 流れ場可視化 / 流体構造連成 / 飛行ロボット / 遊泳ロボット / バイオメカニクス / ハチドリ / ペンギン
Outline of Annual Research Achievements

領域設定期間に明らかにすることは、羽ばたき飛行・遊泳生物のしなやかな飛行・遊泳を実現するE-kagenな流体構造連成メカニズム及び身体デザインである。そのために、次のA~Eの5項目に分類して研究を進めている:A.生物とロボットの「しなやかな運動」と「しなやかな変形」の定量的な計測;B.生物の翼・筋骨格構造の機械特性の計測;C.数値計算と機械モデル実験による流体構造連成メカニズムの解明;D.サブミリ構造製作技術を用いたソフト構造の実装;E.ソフト飛行・遊泳ロボットによるロバスト性・効率性・俊敏性の構成論的検証(当初計画に追加)。
本年度は、ペンギンの羽ばたき前進遊泳の運動解析と流体力学解析の結果をまとめ、翼の打ち上げ中に翼が曲げ変形すること、および曲げ変形によって無駄な流体力が減少して推進効率が向上することを明らかにし、国際論文を発表した(項目A)。本成果をプレスリリースし、招待講演を多数行い、広く社会に周知した。また、ペンギンの羽ばたきを再現するロボットを回流水槽中で動かし、力計測とPIVによる流れ場計測と行い、剛体翼においてストローハル数が大きい低速遊泳において大迎角時に大きな前縁渦が発生して剥離が遅れ、大きな推力が発生することが分かった(項目C)。翼膜を支持する羽軸をポリイミドフィルムの積層によって製作してタフなハチドリ模倣翼を実現し、電動羽ばたき機構で羽ばたかせてPIVによる流れ場計測と力計測を行い、羽軸本数と変形および効率の関係を明らかにした(項目C, D, E)。さらに、ペンギンの胴体の羽毛が形成する微小列状突起構造を紫外線レーザ加工でポリイミドフィルムに形成して、回流水槽での力計測実験によって、流体摩擦抵抗が低減することを明らかにし、その効果は流速方向が列状突起に平行でなくても維持されることを明らかにした(項目D, E)。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでに研究項目A~Eのすべてに着手し、翼面や翼駆動機構の柔軟性によって飛行と遊泳のロバスト性・効率性・俊敏性が向上することを明らかにしつつあり、おおむね順調に進展している。成果のまとめと論文発表も始まっている。領域活動から創発した新しい研究、すなわちA03班の身体変形をリザバーコンピュータとして捉える研究から着想を得て、ハチドリ模倣翼の羽ばたき中の歪から周囲環境の風速と風向を機械学習により分類するという、柔軟翼を感覚器としても利用する研究も進んでいる。さらに、生物を参考にしたソフトロボットと生物学との関係性をについて議論をすすめ、解説記事の発表や講演を行った。
一方、新型コロナウィルス感染拡大防止のため、実験ができない期間があったため、遅れが生じている面もある。翼面や翼駆動機構の研究は進んでいるが、実際に遊泳・飛行するロボットの開発には至っていない。水族館でのペンギン遊泳の撮影実験も停滞した。

Strategy for Future Research Activity

流体構造連成メカニズムの解明と飛行・遊泳ソフトロボットに期待する敏捷性・ロバスト性・効率性の研究を深めていき、成果を学会や論文誌に発表していく。
流体構造連成メカニズムの解明に向けて、流れ場可視化実験を強化し、分担者のCFD(数値流体力学)シミュレーションとの協同を図る。特にペンギンを模倣した柔軟な羽ばたき翼の製作と実験を進める。また、柔軟構造の設計指針を確立するために、パラメトリックに比較実験・計算を行う。
2020年度に創発した、機械学習によって翼変形から周囲の流体環境を認識するというアイディアをさらに進め、認識した流体環境を運動へフィードバックする制御の実現を目指す。
さらに、既存の固定翼や回転翼の飛行・遊泳ドローンへの柔軟構造の応用も進める。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(70 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 6 results) Presentation (57 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results,  Invited: 15 results) Book (1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Royal Veterinary College(英国)

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      130007919838

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      第32回バイオエンジニアリング講演会
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  • [Presentation] ペンギンロボット - 小型で俊敏な水中ドローンを実現する電動羽ばたき翼運動機構2019

    • Author(s)
      田中博人
    • Organizer
      JST 東京工業大学 新技術説明会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 鳥類の小翼羽形態と生態の関係2019

    • Author(s)
      田谷昌仁, 山崎剛史
    • Organizer
      日本鳥学会2019年度大会
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  • [Presentation] Turning maneuver in wing-propelled penguins and its robotics application2019

    • Author(s)
      Hiroto Tanaka
    • Organizer
      Aquatic Bio-inspired and Soft Robotics 2019
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 飼育下におけるイルカ3種の呼吸姿勢に関する研究2019

    • Author(s)
      吉田瑞希, 森阪匡通, 安田健太, 藤原克則, 若林郁夫, 櫻井夏子, 田中博人, 大泉宏
    • Organizer
      第66回日本生態学会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 流体力学と動物行動学の間2019

    • Author(s)
      菊地デイル万次郎
    • Organizer
      第66回日本生態学会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 昆虫の筋骨格系を規範とした高効率な羽ばたき機構の設計と作製2019

    • Author(s)
      小泉咲人, 吉田直人, 中田敏是, 劉浩
    • Organizer
      日本機械学会関東支部 第25期総会・講演会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Measurement of Flexural Stiffness of Hummingbirds's feathers and its aerodynamic effect in hovering2019

    • Author(s)
      H. Tanaka, A. Kawahara, M. Aizawa, and T. Yamasaki
    • Organizer
      SICB Annual Meeting 2019
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Three-dimensional wing motions of a diving penguin2019

    • Author(s)
      T. Oura, M. Maeda, and H. Tanaka
    • Organizer
      SICB Annual Meeting 2019
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fluid dynamics function of the rhinoceros auklets' horn in flying and swimming2019

    • Author(s)
      D. M. Kikuchi, M. Maeda, K. Shiomi, and H. Tanaka
    • Organizer
      SICB Annual Meeting 2019
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ハチドリの風切羽の曲げ剛性分布を規範とした人工羽ばたき翼2018

    • Author(s)
      河原暁生, 田中博人, 山崎剛史
    • Organizer
      日本機械学会 2018 年度年次大会
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  • [Presentation] ペンギンの羽ばたき遊泳の3次元運動解析2018

    • Author(s)
      大浦琢真, 前田将輝, 田中博人
    • Organizer
      日本機械学会 2018 年度年次大会
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  • [Presentation] ペンギンの羽枝構造が持つ摩擦抗力低減効果2018

    • Author(s)
      岸根宏明, 前田将輝, 田中博人, 山崎剛史
    • Organizer
      日本機械学会 2018 年度年次大会
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  • [Presentation] ハチドリを模倣した小型羽ばたき飛翔体における高性能弾性翼の研究2018

    • Author(s)
      相澤誠浩, 田中博人, 山崎剛史
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      第29回バイオフロンティア講演会
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  • [Presentation] セレーションの進化―フクロウ風切羽の幾何学的形態測定学―2018

    • Author(s)
      山崎剛史,田中博人,中田敏是
    • Organizer
      日本鳥学会2018年度大会
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  • [Presentation] 生物の羽ばたき飛翔と遊泳のソフトロボット応用2018

    • Author(s)
      田中博人
    • Organizer
      第98回東京工業大学技術交流セミナー(第8回おおた研究・開発フェア併催)
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    • Invited
  • [Presentation] 飛行と遊泳のバイオミメティクス:ソフトロボットへの応用2018

    • Author(s)
      田中博人
    • Organizer
      プラスチック成形加工学会第166回講演会 バイオインスパイアード技術と成形加工~生物模倣から革新的技術へ~
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    • Invited
  • [Book] 動物学の百科事典2018

    • Author(s)
      公益社団法人日本動物学会(編集)
    • Total Pages
      800
    • Publisher
      丸善出版
    • ISBN
      9784621303092
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  • [Remarks] ソフトロボット学の創成

    • URL

      https://softrobot.jp/

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 羽ばたき動作機構及び羽ばたき動作機構の使用方法、並びに、羽ばたき動作機構を用いた推進装置2018

    • Inventor(s)
      田中博人, 栢菅宏規
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人東京工業大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2018-184512
    • Filing Date
      2018
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Published: 2018-07-20   Modified: 2022-12-28  

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