蠕動運動による柔らかい駆動に適応した生物的創発性の高い分散型制御系の確立

• 研究領域: ソフトロボット学の創成：機電・物質・生体情報の有機的融合
• 研究課題/領域番号: 19H05334
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 中央大学
• 研究代表者: 中村 太郎 中央大学, 理工学部, 教授 (50315644)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円); 2020年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2019年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: ソフトロボット / 蠕動運動 / 腸管神経 / 機械学習 / 高粘度流体 / 混合と搬送 / 人工筋肉 / 空気圧システム / 分散制御系 / 固液混合 / 腸管神経系 / ソフトロボティクス / 自律分散 / ポンプ

研究開始時の研究の概要

蠕動運動は構造的柔軟性が高いゆえに「外部環境や外部刺激の変化に影響を受けやすいソフトロ ボット機構」である．本研究では蠕動運動型駆動システムに対して，外部環境の変化に柔軟に適応 できる制御系設計の確立を目的とする．
特に本申請では，大腸の柔らかい運動機能を規範とした「蠕動運動型ポンプ」に着目し，高粘度・固液流体の連続的な混合・搬送プロセスに生物的創発性の高い制御系を適用する．
特に本申請では，期間内に「大腸の蠕動運動による搬送・混合プロセスの解明」と「蠕動ポンプのさら なる効率的な搬送・混合」について明らかにしていくために以下の2点について検討を進めていく．

研究実績の概要

本研究では環境からの外的刺激に対する適応性を考慮に入れた、蠕動運動型駆動システムに適した制御系設計の確立を目的とする。特に本申請では、大腸の柔らかい運動機能を規範とした「蠕動運動型ポンプ」を例にとり、高粘度・固液流体の連続的な混合・搬送プロセスの最適化に着目した生物的創発性の高い制御系を適用する。具体的には、本システムにセンサを搭載し各ユニット内の被搬送物の混合状態を判別することと、混合状態の判別に基づいた混合と搬送の各制御系を構築することの2点について検討している。
まず、混合状態の判別については、本装置の制御対象が圧縮空気であることから，空圧因子センサを利用したセンシングシステムを開発した．このシステムによるセンサの時系列情報から機械学習を用いた混合度の推定に成功した．
さらに、混合状態の判別に基づいた各制御系の構築については、上記センシングの判定機能に基づき、分節運動による混合制御と蠕動運動による搬送制御を自動的に切り替えるシステムを開発した。実験による検証の結果、本システムの有効性が示された。
本研究の成果は、特に機械学習により、センシングシステムにおける混合過程の特徴量を見出すことができたことから、「蠕動運動による搬送・混合プロセスの解明」の一端を明らかにすることができた。これらの成果は、蠕動運動の実用化へのプロセスとして重要な混合状態の汎化性や精度を高めるための重要な基盤になると考える。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Packaging of Mixed Materials in Peristaltic Mixer for Solid Propellant Production (2021)
  • 著者名/発表者名: Kota WAKAMATSU, Daiki HAGIWARA, Haruka ADACHI, Kyota ASHIGAKI, Akihiro IWASAKI, Yasuyuki YAMADA, Hiroto HABU, and Taro NAKAMURAKota WAKAMATSU, Daiki HAGIWARA, Haruka ADACHI, Kyota ASHIGAKI, Akihiro IWASAKI, Yasuyuki YAMADA, Hiroto HABU, and Taro NAKAMURA
  • 雑誌名: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN 巻: 19 ページ: 205-210
  • NAID: 130007994893
  • 査読あり
• [学会発表] Mixing State Estimation of Peristaltic Continuous Mixing Conveyor with Distributed Sensing System Based on Soft Intestine Motion (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Wakamatsu, K. Inoue, D. Hagiwara, H. Adachi, D. Matsui, S. Kurumaya, R. Nishihama, M. Okui, K. Nakajima, Y. Kuniyoshi, and T. Nakamura
  • 学会等名: Proc. of The 2020 3rd IEEE International Conference on Soft Robotics
  • 国際学会
• [学会発表] Mixing State Estimation of Peristaltic Continuous Mixing Conveyor (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Wakamatsu, H. Adachi, D. Matsui, H. Kumamoto, K. Nakajima, T. Nakamura
  • 学会等名: The 17th IEEE Transdisciplinary-Oriented Workshop for Emerging Researchers (TOWERS 2020)
• [学会発表] Content Detection for Continuous and Efficient Production of Solid Rocket Fuel by Peristaltic Mixer) (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Wakamatsu, D. Hagiwara, H. Adachi, K. Ashigaki, A. Iwasaki, Y. Yamada, H. Habu, T. Nakamura
  • 学会等名: ", Proc. of The 2020 IEEE/SICE International Symposium on system integration (SII2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Packaging of Mixed Materials in Peristaltic Mixer for Solid Propellant Production) (2019)
  • 著者名/発表者名: Kota Wakamatsu, Daiki Hagiwara, Haruka Adachi, Kyota Ashigaki, Akihiro Iwasaki, Yasuyuki Yamada, Hiroto Habu, Taro Nakamura
  • 学会等名: ”, 32nd International Symposium on Space Technology and Sience (32nd ISTS)
  • 国際学会
• [学会発表] 蠕動運動型捏和装置を用いた固体推進薬連続製造に向けた検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 若松康太，萩原大輝，足立遼，松井大育，山田泰之，奥井学，中村太郎
  • 学会等名: 第20回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
• [学会発表] 蠕動運動型混合搬送装置における内部状態把握に向けたセンシングの検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 若松 康太，萩原 大輝，足立 遼，芦垣 恭太，山田 泰之，中村 太郎
  • 学会等名: ロボティクス・メカトロニクス講演会2019
• [学会発表] Bio-inspired Soft Robotics: Application of Pneumatic Artificial muscle into practical uses (2019)
  • 著者名/発表者名: Taro Nakamura
  • 学会等名: IEEE International symposium on Soft Robotics 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 中央大学 中村研究室 HP
  • URL: http://www.mech.chuo-u.ac.jp/~nakalab/index.html
• [備考] 蠕動運動ポンプに関するHP
  • URL: http://www.mech.chuo-u.ac.jp/~nakalab/study/pump/rocket.html