| 研究課題/領域番号 |
23K26068
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| 補助金の研究課題番号 |
23H01373 (2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分20020:ロボティクスおよび知能機械システム関連
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| 研究機関 | 千葉大学 |
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研究代表者 |
劉 浩 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (40303698)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2025年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2024年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
2023年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
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| キーワード | 昆虫飛行 / 力学的統合知 / セインシング / アクチュエーション / 制御 / 統合知 / 柔軟翼筋骨格系 / 高速羽ばたき運動 / センシング / アクチェエーション |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、昆虫羽ばたき時の柔軟系・振動系である翼・筋骨格の高速振動特性、弾性変位及び時間遅延応答(感知系)の計測・解析、ダイナミクス・流体・構造の連成解析及び飛行安定性・姿勢制御解析を実施・統合することで、柔軟系と振動系の統合知(アクチュエーション)・感知系と振動系の統合知(センシング)・制御系と振動系の統合知(制御)を解明するとともに、従来飛行体の安定性・機動性のトレッドオフを解消可能な高速振動柔軟系安定化制御の新学理とそれに基づいたマイクロAIロボティクス設計指針の創出を目指す。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、昆虫羽ばたき時の柔軟系・振動系である翼・筋骨格の高速振動特性、弾性変位及び時間遅延応答(感知系)の計測・解析、ダイナミクス・流体・構造の連成解析及び飛行安定性・姿勢制御解析を実施・統合することで、柔軟系と振動系の統合知(アクチュエーション)・感知系と振動系の統合知(センシング)・制御系と振動系の統合知(制御)を解明するとともに、従来飛行体の安定性・機動性のトレッドオフを解消可能な高速振動柔軟系安定化制御の新学理とそれに基づいたマイクロAIロボティクス設計指針の創出を目指す。初年度では、飛翔昆虫の翼・筋骨格の柔軟構造系と羽ばたきに関わる高速振動系こそが能・受動型原理(PAM: Passive-Active Mechanism)を介して高性能かつロバストな羽ばたき飛行制御の力学的統合知を実現しているのではないかという「問い」に焦点を当て、主に下記のような研究が実施された。
（１）柔軟翼ヒンジを有する羽ばたき翼の能動的受動的な高速回転運動を解析するために、３自由度の筋骨格系連成モデル(WMFAM: Wing-Musculoskeletal FSI Actuation Model)を構築した。
（２）（１）に基づいた柔軟翼ヒンジを持つ昆虫翼胴体の3次元幾何学・運動学・空力モデルを構築し、静止飛行及び広範囲の前進飛行速度においても、高精度かつ高効率で柔軟系と振動系である翼筋骨格の高速振動力学特性：非定常流体力学及び飛行安定性に関する多力学系シミュレーションを実施した。
（３）昆虫規範型羽ばたきロボットを使った風導実験により、柔軟翼の高速羽ばたき運動（振動）が固定翼に比べると飛行安定性が向上されたことを示唆した。
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| 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
（１）飛翔昆虫の翼・筋骨格の柔軟構造系と羽ばたきに関わる高速振動系こそが能・受動型原理を介して高性能かつロバストな羽ばたき飛行制御の力学的統合知を実現しているのではないかという「問い」に答えるために、柔軟翼筋骨格を有する昆虫自由飛行に特化した多力学モデルが構築できた。さらに２種類の飛翔昆虫に対して、静止飛行及び広範囲の前進飛行速度においても、非定常流体力学及び飛行安定性を精度良く解析し評価できた。
（２）昆虫規範型羽ばたきロボットを製作し風導実験を行うことで、柔軟翼の羽ばたき運動が飛行安定性を向上させることができることを確認できた。
（３）研究成果の一部は、Annual Review of Fluid Mechanics 2024 (IF:28, RNK: 1/137 mechanics/physics)に掲載し、またPhysical Review Fluids (IF: 2.7)に投稿したことで、特筆すべき業績が得られた。
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| 今後の研究の推進方策 |
制御系と振動系の統合知 (control)】高速振動柔軟翼・筋骨格系の飛行安定性・姿勢制御の能・受動型原理がどのように働き、安定性・機動性トレードオフ解消できるのかという「問い」に答えるために,下記の研究計画を実施する。
（１）柔軟翼・筋骨格系連成モデル(WMFAM)にchronological calculusを導入して昆虫羽ばたき飛行を非線型高速振動系の受動的飛行安定性を評価可能な振動系安定性数理モデルを構築するとともに時間遅延有無の受動的安定性解析を行う。
（２）柔軟翼・筋骨格系の振動系安定性数理モデルとPID制御系を統合して昆虫羽ばたき飛行の能動的姿勢制御を評価可能な振動系・制御系統合数理モデルを構築するとともに時間遅延有無の能動的飛行安定化制御の最適化原理を検討する。
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