衝撃自壊材料による落下しても安全な小型無人機設計への挑戦

研究課題

研究課題/領域番号	23K17797
研究種目	挑戦的研究(萌芽)
配分区分	基金
審査区分	中区分24:航空宇宙工学、船舶海洋工学およびその関連分野
研究機関	防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群)
研究代表者	山田浩之防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 准教授 (80582907)
研究分担者	小笠原永久防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 教授 (60262408) 立山耕平室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (70837096) 樋口理宏金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (50455185) 原田正範防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 教授 (70546142)
研究期間 (年度)	2023-06-30 – 2026-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円) 2025年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円) 2024年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円) 2023年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
キーワード	衝撃自壊材料 / 衝撃軟化材料 / メチルセルロースゲル / ドローン / 衝撃 / ひずみ速度 / ひずみ速度依存性 / 破壊
研究開始時の研究の概要	小型無人機は空の産業革命と呼ばれるほど国内外で期待される技術であり，その発展と普及は目覚ましい。しかし，小型無人機の増加に伴い人身事故は顕在化しており，人に対する衝突安全性が求められている。そこで本研究では，衝突しても人に対して安全な小型無人機の開発を目指す。そこで，これまでにない「衝撃自壊材料」を提案する。衝撃自壊材料は，普段は構造材料として強度を保ちつつ，衝撃負荷を受けた際に自ら崩壊する二律背反の材料である。衝撃負荷時のみ発泡構造化が発現する衝撃エネルギー吸収の利用と，衝撃負荷時のみ内部応力集中が発現する衝撃エネルギー分散の利用の2つのアプローチを通じて，衝撃自壊材料を開発を目指す。
研究実績の概要	小型無人機は空の産業革命と呼ばれるほど国内外で期待される技術であり，その発展と普及は目覚ましい。しかし，小型無人機の増加に伴い人身事故は顕在化しており，人に対する衝突安全性が求められている。そこで本研究では，衝突しても人に対して安全な小型無人機の開発を目指す。そこで，これまでにない「衝撃自壊材料」を提案する。衝撃自壊材料は，普段は構造材料として強度を保ちつつ，衝撃負荷を受けた際に自ら崩壊する二律背反の材料である。衝撃負荷時のみ発泡構造化が発現する衝撃エネルギー吸収の利用と，衝撃負荷時のみ内部応力集中が発現する衝撃エネルギー分散の利用の2つのアプローチを通じて，衝撃自壊材料を開発を目指す。 1年目として，下記の成果を得た。（1）衝撃エネルギー吸収の利用の一案として，衝撃軟化材料に注目した。そこで，メチルセルロースゲルの圧縮特性の評価を行った。メチルセルロースゲルは，水に溶解させると，常温では流動性のあるゾル状態であるが，加熱によりゲル化する特徴を有している。実験の結果，溶媒をサラダ油としたメチルセルロースゲルにおいて，圧縮速度の増加にともない圧縮荷重が低下し，チキソトロピーが確認された。よって，衝撃軟化材料として使用できる可能性が示唆された。（2）国内外のドローンを調査し，研究予算ないで実行できる可能性のある製品を選定中である。（3）ドローンの構成材料であるCFRPの衝撃強度に関する調査を行った。
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本研究の大目標である衝撃自壊材料の開発として，メチルセルロースゲルのような候補材料の特性を調査できた。まだ強度の問題があるが，基礎研究としては，おおむね順調なスタートと考えられる。
今後の研究の推進方策	R6年度は，主に以下の研究推進方策で進める。（1）衝撃軟化材料であるメチルセルロースゲル以外の材料を模索する。また，メチルセルロースゲルを混入した発泡高分子材料を作製し，衝撃付加による「衝撃自壊材料」の検討を行う。（2）ドローンの選定を完了し，ドローン墜落に関する力学情報の取得を行う。モーションキャプチャを活用し，ドローンの落下挙動と力学情報を取得する。ネットと保護部材内でドローンを意図的に墜落させて，機体の速度や角度などの状態計測を行う。これにより落下衝突時の速度や角度の情報を抽出する。