ジェネレーティブデザインとトポロジ最適化を応用した小型水中ロボットの設計最適化

• 研究課題/領域番号: 21K14358
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分24020:船舶海洋工学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山縣 広和 東京大学, 生産技術研究所, 特任研究員 (90826265)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 水中ロボット / ジェネレーティブデザイン / トポロジ最適化

研究開始時の研究の概要

小型自律型水中ロボットは機体のサイズに対して搭載センサの占める割合が一般的な水中ロボットと比べて大きい．よって，設計時には配置上の制約を強く受けてしまう．
これは，もともと形状の決まっているセンサ類と，制作上形状に制約が強い耐圧殻がバッティングすることが主な理由である．
現状で，センサは形状を変えることが難しいが，耐圧殻は3Dプリントによって制作上の制約を外すことが可能になると思われる．
そこで，本研究は耐圧設計にジェネレーティブデザインとトポロジ最適化を適応する．これにより機体のフレームや耐圧殻を変形して，この配置制約を回避できること，3Dプリンタによってその設計解が実現可能であることを実証する．

研究成果の概要

標準的な円筒耐圧殻に対して，GDとトポロジ最適化を実施することで，リブ様構造等が発現することを確認し，背景で示した「“単純円筒ないし球構造をベースとした”耐圧性を確保する構造から選択する」という設計制約を回避することが可能になることが示された．
次に，耐圧試験に向けた複数形状で，試験モデルの作成し，耐圧構造が作れることを確認した．また，センサ搭載等を実施して，圧力によるひずみの状況が確認可能な状況を作った．これにより，3Dプリンタを用いてある程度自由な形状で耐圧殻を生成することが可能になる可能性が見いだせた．

研究成果の学術的意義や社会的意義

現在の水中ロボットのニーズとして小型機による沿岸域調査（南極外を含む）があり小型化と高集積化の要望は多く，アダプティブマニュファクチャリングを用い低エネルギで製造可能としてくことへの有用性は高い．よって本研究においてその可能性の一端を示したことには社会的意義が有る．
また，そのための手段として，ジェネレーティブデザインとトポロジ最適化が資することを示唆したことは今後手法を般化していくうえでの学術的価値が有ると考える．