誘電エラストマアクチュエータ/センサの活用による柔軟膜翼モーフィングの実現

• 研究課題/領域番号: 22K14417
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分24010:航空宇宙工学関連
• 研究機関: 金沢工業大学
• 研究代表者: 藤田 昂志 金沢工業大学, 工学部, 講師 (80774471)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2025年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022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: アクチュエータ / センサ / 高電圧 / 空力 / 空力制御デバイス / モーフィング

研究開始時の研究の概要

本研究はスマート材料分野の高機能新材料「誘電エラストマアクチュエータ」(Dielectric Elastomer Actuator: DEA)を航空分野と融合し，従来の翼モーフィング技術では不可能だった，外部環境をセンシングし最適な形状にモーフィングする柔軟膜翼の実現を目指す．本研究は，実現の鍵となるDEAによる柔軟膜形状のセンシング技術及び形状制御技術を構築・実証する．

研究実績の概要

本研究は，外部環境をセンシングし最適な形状にモーフィングする柔軟膜翼の実現を目指す．本研究は，実現の鍵となるDEAによる柔軟膜形状のセンシング技術及び形状制御技術を構築・実証する．
本研究により柔軟膜形状を自在に操ることで，将来的に図1に示すような，高空力特性・高制御性・高収納性のコウモリのような小型無人航空機の実現につなげる．このような特性の航空機は，地球での利用だけでなく火星探査飛行機としても有用である．本研究は，従来の剛体的な飛行機像を覆し，生物的な柔軟な飛行機の世界へと変革させる可能性を持ち，大きな波及効果が見込まれる．
今年度は研究の1年目の活動として，主に実験環境の整備や，先行研究の再現実験，基礎データの取得などを実施した．また，誘電エラストマアクチュエータを翼に適用し，風洞試験を行った．ここでは，アクチュエータを駆動させながらその時の空気力や変形状態や流れ場を観察した．変形状態の計測には，ステレオ視の原理を利用したデジタル画像相関法を用いた．これにより，時々刻々の膜の変形状態を計測することができた．
これらの活動を通して最終的に，本研究は従来のモーフィング技術では不可能だった「厚みがなく柔軟な膜翼」のモーフィングに挑む．一般的な厚翼のモーフィングでは，例えば翼内部をコルゲート構造にして変形させる研究等がある．しかし膜翼は翼に厚みがないため，そういった手法は適用できない．一方，薄翼のモーフィングでは，ピエゾ素子等の伸縮アクチュエータを薄板表面に貼って板をたわませる研究があるが，この手法も柔軟膜では機能しない．このように，これまでの翼モーフィング技術は柔軟膜翼には適用できない．対して本研究では，DEAを用いることで柔軟膜翼に対する独自の能動的モーフィング技術を提供する．

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

遅れている理由は，採択後に申請者の転職が決まり，研究環境が大きく変わったためである．転職後の部署の意向や，研究室自体の立ち上げ作業，利用する予定だった機器の有無，学生の有無など，諸々の影響を受けて進捗は残念ながら遅れている．2023年度には環境が少しずつ整ってきており，徐々に研究を本格化できるようになる見込みである．

今後の研究の推進方策

今後は，研究室に配属された学部生・院生らとともに研究を進めていく．
2023年度は特に，要素試験として，(i)センサに適した入出力電圧の設定や，(ii)時間経過や変形の繰り返しに対する出力電圧の再現性の確認，(iii)絶縁方法の確立，(iv)膜上のセンサ位置の評価，などを行い，DEAセンサ単独での効果的な動作方法を確立する．その後，風洞試験により失速などの各種流れ場条件での実際のセンサ出力を確認し，センサ構成を改良する．