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昆虫の自由飛行と知能を包括したマルチフィジクス連成解析による真の計算Bio-Mimetics

研究課題

研究課題/領域番号 23H00475
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分60:情報科学、情報工学およびその関連分野
研究機関九州工業大学

研究代表者

石原 大輔  九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (80363399)

研究分担者 三目 直登  筑波大学, システム情報系, 助教 (10808083)
金子 栄樹  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40908802)
馬込 望  筑波大学, 理工情報生命学術院, 特別研究員(DC1) (81003796)
杉川 楓  九州工業大学, 大学院情報工学府, 特別研究員 (61020433)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
46,670千円 (直接経費: 35,900千円、間接経費: 10,770千円)
2025年度: 13,390千円 (直接経費: 10,300千円、間接経費: 3,090千円)
2024年度: 14,690千円 (直接経費: 11,300千円、間接経費: 3,390千円)
2023年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円)
キーワードバイオミメティクス / マルチフィジクス / 昆虫羽ばたき飛行 / 計算バイオミメティクス / 大規模連成解析 / 低次元モデリング / ポリマーMEMSマイクロマシニング / 操縦 / 昆虫飛行 / 知能 / 計算力学
研究開始時の研究の概要

昆虫のように自由飛行する微小飛行ロボットの社会実装を目指して,真の計算Bio-Mimetics分野を創成する.
薄く柔軟な翼を持つ昆虫と大域的流れとの流体構造連成を柔軟に解析する大規模計算手法によって,バーチャル自由飛行環境を構築する.
複雑現象の次元削減に基づくニューラルネットワーク制御系の機械学習によって,昆虫の知能を模倣する.
これらを統合することで,昆虫の知能をも含めたマルチフィジクス複雑現象をまるごと連成シミュレーションできるバーチャル空間を創成し,昆虫のように自由飛行する微小飛行ロボットを自動設計できる真の計算Bio-Mimeticsフレームワークを開発する.

研究実績の概要

昆虫のように自由飛行する微小飛行ロボットの社会実装を目指して,真のMimeticsと真のBioを新しい計算論的アプローチにより実現することで,真の計算Bio-Mimetics分野を創成する.本年度の研究実施計画に沿って,以下の研究成果を得た:
(A)バーチャル自由飛行環境の数値解析手法開発昆虫の構造を作製可能なように模倣する自動設計用のバーチャル自由飛行環境として,薄く柔軟な翼を有する昆虫 (飛行体) と周囲の空気との強連成解析を,固定メッシュによる大域的流れ解析と柔軟に連結させる「重合メッシュ法」を開発し,その大規模計算を実現した.
(A-1)シェル構造と流体との一体型強連成解析フレームワーク連成系全体方程式を流速場と非圧縮性条件を満たす圧力場に代数的に分割して解くことにより,従来の一体型解法の頑健性と分離型解法の効率性を併せ持つプロジェクション解法に基づき,薄く柔軟な翼を含む昆虫と周囲の空気との強連成を解析できるフレームワークを開発した.
(A-2)重合メッシュ法による自由飛行解析フレームワーク複数のメッシュを重ね合わせることを可能にする重合メッシュ法を,連成境界面の不連続性を取り扱うことのできる埋め込み境界法により,流体構造連成解析にまで拡張することで,昆虫周囲の連成解析と自由飛行領域の流体解析とを重合させた.これにより,未知の飛行経路を伴う昆虫の大移動に対しても解析が破綻せず,柔軟に解析できるフレームワークを開発した.
(A-3)幾何学的領域分割法による動的負荷分散並列化フレームワーク様々なケースの自由飛行解析を行えるようにするため,幾何学的領域分割法に基づく重合メッシュの動的負荷分散手法により,スーパーコンピュータに代表される分散メモリ型並列計算機の利用を可能とする並列化フレームワークを開発した.この結果,研究発表に示す研究成果を得た.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究実績の概要に示すように,本年度の研究実施計画に沿って,研究成果を十分得たから.

今後の研究の推進方策

昆虫のように自由飛行する微小飛行ロボットの社会実装を目指して,真のMimeticsと真のBioを新しい計算論的アプローチにより実現することで,真の計算Bio-Mimetics分野を創成する.(A)真のMimeticsのために,昆虫と周囲の空気との強連成解析を大域的流れ解析と柔軟に連結させる重合メッシュ法の大規模計算手法によって,昆虫の構造を作製可能なように模倣する自動設計のためのバーチャル自由飛行環境を構築する.(B)真のBioのために,複雑現象の低次元モデリングに基づくニューラルネットワーク制御系の機械学習によって,昆虫の知能を模倣する.(C)これらを統合することで,昆虫の知能をも含めたマルチフィジクス複雑現象をまるごと連成シミュレーションできるバーチャル空間を創成し,昆虫のように自由飛行する微小飛行ロボットを自動設計できる真の計算Bio-Mimeticsフレームワークを開発する.

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (14件) (うち査読あり 10件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] グラフ構造に基づく B-spline 重合メッシュ法の領域分割型並列解析2024

    • 著者名/発表者名
      馬込 望、森田 直樹、三目 直登
    • 雑誌名

      日本計算工学会論文集

      巻: 2024 号: 1 ページ: 20241001-20241001

    • DOI

      10.11421/jsces.2024.20241001

    • ISSN
      1344-9443, 1347-8826
    • 年月日
      2024-03-12
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Novel Computational Design of Polymer Micromachined Insect-Mimetic Wings for Flapping-Wing Nano Air Vehicles2024

    • 著者名/発表者名
      Shankar Vinay、Shirakawa Nagi、Ishihara Daisuke
    • 雑誌名

      Biomimetics

      巻: 9 号: 3 ページ: 133-133

    • DOI

      10.3390/biomimetics9030133

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Algorithm Selection Method Based on Coupling Strength for Partitioned Analysis of Structure-Piezoelectric-Circuit Coupling2024

    • 著者名/発表者名
      Ishihara Daisuke、Takayama Naoto
    • 雑誌名

      Computer Modeling in Engineering & Sciences

      巻: 138 号: 2 ページ: 1237-1258

    • DOI

      10.32604/cmes.2023.030211

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Higher-continuity s-version of finite element method with B-spline functions2024

    • 著者名/発表者名
      Magome Nozomi、Morita Naoki、Kaneko Shigeki、Mitsume Naoto
    • 雑誌名

      Journal of Computational Physics

      巻: 497 ページ: 112593-112593

    • DOI

      10.1016/j.jcp.2023.112593

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Computational fluid-structure interaction framework for passive feathering and cambering in flapping insect wings2023

    • 著者名/発表者名
      Ishihara Daisuke、Onishi Minato
    • 雑誌名

      International Journal for Numerical Methods in Fluids

      巻: 96 号: 4 ページ: 435-481

    • DOI

      10.1002/fld.5251

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Accurate finite element modeling of multilayered flexible piezoelectric energy harvesting devices with strong coupling of structure, piezoelectricity, and circuit2023

    • 著者名/発表者名
      Ramegowda Prakasha Chigahalli、Ishihara Daisuke
    • 雑誌名

      International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics

      巻: 25 号: 3 ページ: 137-151

    • DOI

      10.1080/15502287.2023.2291013

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Vein-Membrane Interaction in Cambering of Flapping Insect Wings2023

    • 著者名/発表者名
      Ishihara Daisuke、Onishi Minato、Sugikawa Kaede
    • 雑誌名

      Biomimetics

      巻: 8 号: 8 ページ: 571-571

    • DOI

      10.3390/biomimetics8080571

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Computational evaluation of flight performance of flapping-wing nano air vehicles using hierarchical coupling of nonlinear dynamic and fluid-structure interaction analyses2023

    • 著者名/発表者名
      Rashmikant、Onishi M.、Sugikawa K.、Ishihara D.
    • 雑誌名

      Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics

      巻: 17 号: 1 ページ: 2271053-2271053

    • DOI

      10.1080/19942060.2023.2271053

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] ポリマーマイクロマシニングによる昆虫規範型マイクロ弾性翼の作製可能解2023

    • 著者名/発表者名
      白川 和, ヴィナイ シャンカー, 木村 元宣, 石原 大輔
    • 雑誌名

      日本機械学会 第34回バイオフロンティア講演会〔2023.12.16-17,山口大学〕予稿集

      巻: No. 23-17

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] 共振駆動される昆虫規範型微小飛行体の羽ばたき飛行性能評価2023

    • 著者名/発表者名
      白川和, 石破和弥, 木村元宣, 石原大輔
    • 雑誌名

      日本機械学会第14回マイクロ・ナノ工学シンポジウム予稿集

      巻: No.23-49

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] 圧電-逆圧電-構造連成現象の動解析における分離反復 型解法の収束特性2023

    • 著者名/発表者名
      日浦巧稀, 岩丸直樹, 相川昇壱, 石原大輔
    • 雑誌名

      日本機械学会第 36 回計算力学講演会(CMD2023)講演論文集

      巻: No.23-24

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Numerical Analysis of Insect Flight Maneuverability Using Feedback Control Model2023

    • 著者名/発表者名
      Kaede Sugikawa, Minato Onishi, Daisuke Ishihara
    • 雑誌名

      Proceedings of the 42th JSST Annual International Conference on Simulation Technology

      巻: - ページ: 155-158

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 流体中で振動する圧電バイモルフにおける流体-構造-圧電- 電気回路連成現象のハイブリッド型強連成解法2023

    • 著者名/発表者名
      三笘征弘, 野崎隼之介, 石原大輔
    • 雑誌名

      計算工学講演会論文集

      巻: -

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] POD-Galerkin FSI Analysis for Flapping Motion2023

    • 著者名/発表者名
      Kaneko Shigeki、Yoshimura Shinobu
    • 雑誌名

      Biomimetics

      巻: 8 号: 7 ページ: 523-523

    • DOI

      10.3390/biomimetics8070523

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ポリマーマイクロマシニングによる昆虫規範型マイクロ弾性翼の作製可能解2023

    • 著者名/発表者名
      白川 和, ヴィナイ シャンカー, 木村 元宣, 石原 大輔
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回バイオフロンティア講演会,山口,2023年12月
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 共振駆動される昆虫規範型微小飛行体の羽ばたき飛行性能評価2023

    • 著者名/発表者名
      白川和, 石破和弥, 木村元宣, 石原大輔
    • 学会等名
      日本機械学会第14回マイクロ・ナノ工学シンポジウム,熊本,2023年11月
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 圧電-逆圧電-構造連成現象の動解析における分離反復 型解法の収束特性2023

    • 著者名/発表者名
      日浦巧稀, 岩丸直樹, 相川昇壱, 石原大輔
    • 学会等名
      日本機械学会第 36 回計算力学講演会(CMD2023),豊橋,2023年10月
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Numerical Analysis of Insect Flight Maneuverability Using Feedback Control Model2023

    • 著者名/発表者名
      Kaede Sugikawa, Minato Onishi, Daisuke Ishihara
    • 学会等名
      The 42th JSST Annual International Conference on Simulation Technology, 新潟,2023年08月
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 流体中で振動する圧電バイモルフにおける流体-構造-圧電- 電気回路連成現象のハイブリッド型強連成解法2023

    • 著者名/発表者名
      三笘征弘, 野崎隼之介, 石原大輔
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会,茨城,2023年6月
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Large-Scale Parallel Fluid Analysis Based on Domain Decomposition Using B-spline S-Version of Finite Element Method2023

    • 著者名/発表者名
      N. Magome, N. Morita, N. Mitsume
    • 学会等名
      22nd Computational Fluids Conference CFC2023, International Association for Computational Mechanics (IACM), Cannes, France, April 25-28, 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fluid-structure interaction model for passive motions in flapping insect wing2023

    • 著者名/発表者名
      Minato Onishi, Daisuke Ishihara
    • 学会等名
      22nd Computational Fluids Conference CFC2023, International Association for Computational Mechanics (IACM), Cannes, France, April 25-28, 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Thorough Verification of B-spline Based S-Version of Finite Element Method2023

    • 著者名/発表者名
      N. Magome, N. Morita, N. Mitsume
    • 学会等名
      USNCCM2023, Albuquerque, New Mexico, USA, July 23-27, 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Geometric domain decomposition based versatile parallel framework for coupled problems on disaster mitigations2023

    • 著者名/発表者名
      N. Mitsume, N. Morita, N. Magome, K. Tanaka
    • 学会等名
      ACM2023, Austin, US, October 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] B-spline関数を導入した重合メッシュ法の開発と検証2023

    • 著者名/発表者名
      馬込望,森田直樹,三目直登
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会,茨城,2023年6月
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] B-spline 重合メッシュ法を用いた領域分割型並列流体解析2023

    • 著者名/発表者名
      馬込望,森田直樹,金子栄樹,三目直登
    • 学会等名
      第36回計算力学講演会,愛知・豊橋, 2023年10月
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] educed-order modeling in aeroelasticity of flapping motion2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kaneko, S. Yoshimura
    • 学会等名
      22nd Computational Fluids Conference CFC2023, International Association for Computational Mechanics (IACM), Cannes, France, April 25-28, 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] POD-Galerkin法を用いた流体構造連成解析2023

    • 著者名/発表者名
      金子栄樹
    • 学会等名
      JSCES 夏季学生講演会 2023,茨城・つくば,2023年9月
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] POD基底を用いた低次元化モデルによる解析の並列化2023

    • 著者名/発表者名
      金子栄樹, 吉村忍
    • 学会等名
      第36回計算力学講演会,愛知・豊橋,2023年10月
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-06-20  

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