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昆虫の高高度飛行メカニズム:大気密度変化が起因する運動の変化と揚力補償機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K22668
補助金の研究課題番号 22H01397 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分19010:流体工学関連
研究機関信州大学

研究代表者

青野 光  信州大学, 学術研究院繊維学系, 准教授 (10623712)

研究分担者 野々村 拓  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60547967)
安藤 規泰  前橋工科大学, 工学部, 准教授 (70436591)
安養寺 正之  九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (70611680)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2024年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2023年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 9,490千円 (直接経費: 7,300千円、間接経費: 2,190千円)
キーワード羽ばたき飛行 / 高高度飛行 / 高高度飛行環境 / 昆虫 / 羽ばたきロボット / 羽ばたき運動 / 空気力学 / 飛翔生物 / 昆虫羽ばたき飛行
研究開始時の研究の概要

本研究は高地での昆虫の飛行に注目をしています。高地では空気が薄くなるため、一般的には飛行中の空気力も減少しますが、昆虫は高地でも飛行しています。つまり、昆虫は自重を支えるための追加の揚力生成機構が存在する可能性が示唆されます。そこで本研究では、その飛行機構を理解するために不可欠な翼の運動や翼面形状の変化、そしてその流れ場を詳細に調査し、揚力の発生原理を解明します。また、その揚力の発生原理を飛行ロボットに応用し、減圧環境下での揚力補償の実証とそのメカニズムを解明します。これらの成果は、希薄な大気中での揚力の発生や高高度に生息する生物の生存戦略など、工学と生理学の両面での応用が期待されます。

研究実績の概要

本年度は、本研究の目的の一つである高高度飛行時の昆虫の揚力補償機構の現象理解に不可欠な、翼の運動と翼面形状の時系列変化の計測を実施した。代表者の所属機関の近隣で捕獲した野生の昆虫と、分担者が育てているエビガラスズメ蛾を用いて計測を行い、チャンバー内を減圧して高高度飛行環境を模擬した。2台の高速度カメラを用いた撮影範囲は限られていましたが、約0.6大気圧下で飛行する昆虫の撮影に成功し、初期解析の結果から昆虫の翼の羽ばたき振幅の増加を確認した。

並行して、研究代表者らが開発中の羽ばたきロボットと東北大学流体科学研究所所有の火星大気風洞のバッファータンクを利用した高高度模擬環境下での翼面運動の計測および離昇実験を実施した。この実験では、目標とする大気圧の3分の1の条件下で、羽ばたき飛行ロボットが自重を支えるための翼面の運動データの取得および離昇に成功した。さらに、羽ばたきロボットが減圧下で揚力を増加させるためには、振幅を増加させつつ、地上の昆虫と同様の翼面回転角の時系列変化および力学的相似則を満たすことが重要であることが明らかになった。

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

概ね研究計画通りに進めることができ、外部発表もできたため、「(2)おおむね順調に進展している」と判断した。

今後の研究の推進方策

(1)密度変化に起因する羽ばたき運動計測データの取得:
デシケーター内部の気圧を、最大飛行高度である10000mに相当する約3分の1の気圧まで減圧できる。この特性を利用し、デシケーター内の大気密度をさまざまに変えた条件下で昆虫の翼の羽ばたき運動を計測し、データベースを構築する。また、標準大気圧下での運動計測結果を基準として、減圧が翼の動きに与える影響を明らかにする。さらに、ロボットの胴体を固定した状態で空気力と運動を同時に計測し、同様の条件下で比較検討を行う。なお、自由飛行中の昆虫の羽ばたき一周期を十分に計測出来ていない点が課題になっているのでその点についてはソフトとハードの両面からアプローチし改善する。
(2) 大型風洞での減圧計測および流れの可視化: デシケーターで行ったロボット実験の計測結果の妥当性を確認し、異なる気流条件下でも計測を行うため、名古屋大学の火星風洞で実験を行う。また、数値解析の妥当性を確認し現象理解を深めるため、大気圧下でロボットの翼周りの流れの可視化計測も実施する。
(3) 数値解析: 羽ばたき運動中の前縁剥離渦の生成など、非定常流体現象を詳細に解明するため、昆虫とロボットの翼の計算格子を用いた数値シミュレーションを実施する。得られた結果を解析し、実験データとの比較を通じてシミュレーションの妥当性を確認する。
(4)外部発表: (1)から(3)までの結果について、外部に向けて発表を行う。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] アラバマ大学ハンツビル校(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] The University of Alabama in Huntsville(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] An Experimental Study on Response and Control of a Flapping-Wing Aerial Robot Under Wind Gusts2023

    • 著者名/発表者名
      Shimura Kazuki、Aono Hikaru、Kang Chang-kwon
    • 雑誌名

      Journal of Bionic Engineering

      巻: 21 号: 1 ページ: 209-223

    • DOI

      10.1007/s42235-023-00426-x

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] First lift-off and flight performance of a tailless flapping-wing aerial robot in high-altitude environments2023

    • 著者名/発表者名
      Tsuchiya Shu、Aono Hikaru、Asai Keisuke、Nonomura Taku、Ozawa Yuta、Anyoji Masayuki、Ando Noriyasu、Kang Chang-kwon、Pohly Jeremy
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-023-36174-5

    • 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 / 国際共著
  • [雑誌論文] チョウ・カブトムシ・ハチドリ規範の羽ばたき飛行ロボット2023

    • 著者名/発表者名
      青野光
    • 雑誌名

      昆虫と自然(特集 飛翔生物に学び、理解を深化するロボット)

      巻: 58 ページ: 6-10

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Experimental analyses of aerodynamic force generation and wing motion associated with a single-motor-driven butterfly-inspired flapping-wing robot2023

    • 著者名/発表者名
      Shogo Miyasaka, Hikaru Aono, Chang-kwon Kang
    • 雑誌名

      Sensors and Materials

      巻: 0 ページ: 1-11

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Vortex dynamics of two-dimensional robotic flapping wing motion under high-altitude condition2023

    • 著者名/発表者名
      4.Hikaru Aono,Kaijyu Shimizu,Shu Tsuchiya,Taku Nonomura,Yuta Ozawa,Chang-kwon Kang,Jeremy Pohly
    • 学会等名
      ASME-JSME-KSME Fluids Engineering Division
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高高度飛行模擬環境下でのデュアルモータ駆動羽ばたき翼型飛行ロボットの揚力補償に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      土屋脩,青野光,浅井圭介,小澤雄太,野々村拓,安養寺正之,安藤規泰,Chang-kwon Kang,Jeremy Pohly
    • 学会等名
      日本ロボット学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 弾性体バンドとシングルモータを利用した蝶を規範とした飛行ロボットの翼の運動と空気力の計測と解析2022

    • 著者名/発表者名
      宮坂章吾、青野光、Chang-kwon Kang
    • 学会等名
      第40回日本ロボット学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] シングルモーター駆動の小型羽ばたき翼型飛行ロボットのロール方向の姿勢制御2022

    • 著者名/発表者名
      志村一樹、青野光、Chang-kwon Kang
    • 学会等名
      第40回日本ロボット学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 減圧環境下でのデュアルモーター駆動羽ばたき翼飛行ロボットの翼運動と空気力の計測と解析2022

    • 著者名/発表者名
      土屋脩、青野光、浅井圭介、野々村拓、小澤雄太、安養寺正之、Chang-kwon Kang
    • 学会等名
      第40回日本ロボット学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 標高9000m相当の低大気密度を模擬した環境下で羽ばたき翼型飛行ロボットのリフトオフに成功

    • URL

      https://www.shinshu-u.ac.jp/faculty/textiles//news/2023/06/175475.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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