| 研究課題/領域番号 |
24K00845
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 |
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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 | 東京科学大学 |
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研究代表者 |
田中 博人 東京科学大学, 工学院, 准教授 (80624725)
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| 研究分担者 |
加古川 篤 立命館大学, 理工学部, 准教授 (50755486)
菊地 デイル万次郎 東京農業大学, 農学部, 助教 (30793343)
青木 尊之 東京科学大学, 学術国際情報センター, 教授 (00184036)
中島 求 東京科学大学, 工学院, 教授 (20272669)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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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 |
18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)
2026年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
2025年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2024年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
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| キーワード | バイオメカニクス / バイオミメティクス / 水中ロボット / 羽ばたき翼 / ペンギン |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ペンギン等の羽ばたき遊泳動物は、自在に動く翼や足等を駆使して敏捷な機動と高速巡航の両方を実現できるが、その運動制御メカニズムは生物学的にも工学的にも未知である。そこで本研究は、ペンギン等の詳細な運動解析、準定常流体力計算に基づく動力学シミュレーション、模倣ロボットによる遊泳実証を通して、多様な急機動と高速巡航を実現する最適な翼・足運動を導出し、いかに動物が敏捷性と効率性という相反する性能を両立させるのかを解明する。さらに羽ばたき翼の力計測と流れ場可視化実験および流体数値シミュレーションを行い、流体力学メカニズムを明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
2024年度の研究実績において、ペンギン型羽ばたき遊泳ロボットについては、潜水遊泳の運動計測実験を水泳プールで実施し、加速、減速、ロール、ヨー、ピッチの機動を、両翼のフェザリング制御で実現した。静止状態からの加速度は 1.0 m/s2、最高速度は 1.8 m/s に達した。また、翼と胴体の流体力を準定常計算して遊泳の並進運動をシミュレーションするプログラムを作成し、実験結果と概ね一致することを確認した。この成果は、世界最高峰の査読付き国際ロボット学会であるIROSに採択されて発表し、他にも国際学会1件、国内学会1件を発表した。さらに、柔軟な翼構造として、３Dプリントしたスパー・リブ構造をシリコーン樹脂に埋め込んで成形する製作方法を考案して試作し、スパーの設計により曲げ剛性をねじれ剛性を調節できることを示した。この成果は国際学会で発表した。
羽ばたき翼の流体力学については、AMR 法を導入したキュムラント型格子ボルツマン法によるペンギン羽ばたき翼まわりの非定常流体シミュレーションを実現した。その結果、ストローク初期に前縁渦が発生するが崩壊し、それでも失速（流れの翼からの剥離）はしないことが分かった。これは、国内学会で発表予定である。また、回流水槽中でペンギン翼の縮小模型を羽ばたかせて、推進性能が向上する翼運動を模索した。その結果、羽ばたき角速度を減速しながらストロークし、さらにフェザリングの位相遅れを小さくすることで、推力と推進効率を向上できる可能性を示した。これは国内学会で発表した。
ペンギンの運動解析については、2023年に葛西臨海水族園で撮影したフンボルトペンギンの遊泳の解析を進め、翼の曲げとねじれの変形および足の動きの解析が可能であることを確認した。現在は解析データの収集中である。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
計画した全ての研究項目が進展し、すでに査読付き国際学会1件、査読無し国際学会４件、国内学会3件が発表済みであり、当初の計画以上に成果が出ている。また、国際招待講演を2件、国内招待講演を1件発表し、成果発信も計画以上に進んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
推進性能が向上する翼運動の回流水槽実験による模索を継続し、得られた最適翼運動について流体シミュレーションを行い、流体力学メカニズムを明らかにする。また、その翼運動をペンギン型遊泳ロボットに適用し、実際の遊泳性能を検証する。さらに、柔軟翼の設計を確立し、推力とエネルギー節約を両立する柔軟性を、回流水槽実験と流体シミュレーションで明らかにする。
ペンギンの遊泳運動解析を継続し、羽ばたき翼と足を駆使した機動メカニズムを明らかにする。また、ペンギン型遊泳ロボットに、足に相当する可動尾翼を実装し、羽ばたき翼と尾翼を駆使した機動を実証する。さらに、ペンギン型遊泳ロボットの開発を進めて遠隔操縦を実現し、機動遊泳実験を推し進める。
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