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2019 年度 実績報告書

微細構造を活用した生物のやわらかい飛翔と遊泳の原理解明と実装

計画研究

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 18H05468
研究機関東京工業大学

研究代表者

田中 博人  東京工業大学, 工学院, 准教授 (80624725)

研究分担者 中田 敏是  千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (80793190)
山崎 剛史  公益財団法人山階鳥類研究所, 自然誌研究室, 室長 (70390755)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2023-03-31
キーワード羽ばたき翼 / 流体構造連成 / 飛行ロボット / 遊泳ロボット / バイオミメティクス / バイオメカニクス / ハチドリ / ペンギン
研究実績の概要

領域設定期間に明らかにすることは、羽ばたき飛行・遊泳生物のしなやかな飛行・遊泳を実現するE-kagenな流体構造連成メカニズム及び身体デザインである。そのために、次のA~Eの5項目に分類して研究を進める:A.生物とロボットの「しなやかな運動」と「しなやかな変形」の定量的な計測;B.生物の翼・筋骨格構造の機械特性の計測;C.数値計算と機械モデル実験による流体構造連成メカニズムの解明;D.サブミリ構造製作技術を用いたソフト構造の実装;E.ソフト飛行・遊泳ロボットによるロバスト性・効率性・俊敏性の構成論的検証(当初計画に追加)
今年度は、ペンギンの水中羽ばたき遊泳について3次元運動解析と準定常流体力計算によって詳細な前進遊泳メカニズムを明らかにした(国際論文投稿準備中)(項目A)。さらに3次元翼形状を解析マーカなしに再構成する画像解析方法を新たに考案し、ペンギンの翼が遊泳中の羽ばたきに応じて曲げ変形とねじれ変形することを発見した(項目A)。ペンギンの3次元翼運動を模倣できる電動羽ばたき機構を回流水槽で性能評価し、流体力の大きさと向きを翼運動によって大きく変えられることを明らかにした(国際論文投稿中)(項目A)。
ハチドリの風切羽の曲げ剛性計測を模倣した人工柔軟翼について、実際にロボットに実装しても実用に耐えるタフさを実現するために、衝突時等の大変形も許容できる構造的にロバストな人工柔軟翼の製作方法を考案した(項目D, E)。ハチドリを規範とした羽ばたき機構の駆動部に弾性構造を組み込み、機構の適切な弾性が効率性および流れの乱れに対するロバスト性を向上させることを明らかにし、本機構を用いて、外部からの電源供給が必要なものの、羽ばたき運動を調整しながら鉛直方向に飛行することに成功した(項目C, E)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

これまでに研究項目A~Eのすべてに着手し、研究計画が妥当であることが明らかになり、必要なコア技術の開発も進み、順調に進展している。
さらに、計画以上の進展があった。既存の回転翼型飛行ドローンへの応用に着手し、回転翼型飛行ドローンに、3Dプリンタを用いて製作した柔軟な翼を用いることで、定常回転時の揚力を一定に保ちながら、横から突風を与えたときに揚力が変動しない空力ロバスト性を実現できることを示した(項目C, E)。さらに、回転翼の前縁に、静穏滑空するフクロウの翼前縁のセレーションなどを規範とした構造を付与すると、必要な揚力に対して回転数を小さくすることができ、結果的に静穏化につながることを実験的に明らかにした(項目B, D, E)。さらに、滑空する鳥類の翼の雨覆いの可動性に着目し、滑空する翼に雨覆いを規範とした柔軟構造を付与すると、大迎角時に受動的に立ち上がり流れの剥離(失速)を防ぎ、また、外乱による力の変動を抑制する空力ロバスト性を実現できることを風洞実験と数値流体計算によって明らかにした(項目C)。

今後の研究の推進方策

2020年度以降は、流体構造連成メカニズムの解明と飛行・遊泳ソフトロボットに期待する敏捷性・ロバスト性・効率性の研究を深めていく。ペンギンについては、水族館で死体の翼の曲げ・ねじれ特性計測を行い、特性を模倣する柔軟翼を考案し、電動羽ばたき機構に取り付けて回流水槽にて流体力とPIVによる流れ場の計測を行う。また水族館で急加速や急旋回の様子を撮影し、敏捷性能とメカニズムを明らかにする。それらを統合して、敏捷性と効率性について柔軟翼の最適設計論を考案する。
ハチドリについても、開発したタフな柔軟翼の羽ばたき中の力計測とPIVによる流れ場計測を行い、ロバスト性と効率性について柔軟翼の最適設計論を考案する。さらに、駆動系の弾性の組み込んだ連成モデルを考案して、駆動機構と柔軟翼を最適化する。
これらの、水と空気という、密度と動粘度が大きく異なる流体に対する柔軟翼の設計論と流体構造連成メカニズムに基づき、流体中の羽ばたき翼の能動運動と受動変形に関するソフト身体設計論の一般化を目指す。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] Royal Veterinary College(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      Royal Veterinary College
  • [雑誌論文] Recent Progress on the flight of dragonflies and damselflies2020

    • 著者名/発表者名
      T. Nakata, P. Henningsson, H.-T. Lin, R.J. Bomphrey
    • 雑誌名

      International Journal of Odonatology

      巻: 23 ページ: 41-49

    • DOI

      10.1080/13887890.2019.1688502

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] ペンギンの低速直進遊泳時の翼の曲げ変形と迎角への影響2020

    • 著者名/発表者名
      原田夏輝, 大浦琢真, 前田将輝, 菊地デイル万次郎, 田中博人
    • 学会等名
      日本機械学会第33回バイオエンジニアリング講演会
  • [学会発表] タフで柔軟なハチドリ規範型羽ばたき翼の製作2020

    • 著者名/発表者名
      上村英隆, 田中博人
    • 学会等名
      第41回エアロ・アクアバイオメカニズム学会講演会
  • [学会発表] ペンギン規範型羽ばたき推進機構の推力を最大化する迎角振幅と遊泳速度の関係2020

    • 著者名/発表者名
      片桐翔, 沈雅怡, 田中博人
    • 学会等名
      第41回エアロ・アクアバイオメカニズム学会講演会
  • [学会発表] Development of flexible flapping mechanism inspired by insect musculoskeletal system2019

    • 著者名/発表者名
      Sakito Koizumi, Toshiyuki Nakata, Hao Liu
    • 学会等名
      Robosoft2019 Workshop
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of flexible wings inspired by avian feathers2019

    • 著者名/発表者名
      Yuta Murayama, Tosihyuki Nakata, Hao Liu
    • 学会等名
      Robosoft2019 Workshop
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of a Hummingbird-mimetic Flexible Flapping Wings2019

    • 著者名/発表者名
      Akio Kawahara, Masahiro Aizawa, Takeshi Yamasaki, Hiroto Tanaka
    • 学会等名
      International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] ペンギン規範型羽ばたき推進機構の翼運動による推力の制御2019

    • 著者名/発表者名
      片桐翔, 栢菅宏規, 田中博人
    • 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] Design, fabrication, and test of a new control mechanism for a tailless flapping-wing aerial robot2019

    • 著者名/発表者名
      Jinqiang Dang, Akio Kawahara, Hiroto Tanaka
    • 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] 昆虫の筋骨格系を規範とした飛行ロボット用小型柔軟羽ばたき機構の創製2019

    • 著者名/発表者名
      小泉咲人,吉田直人,中田敏是,劉浩
    • 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] 生物の形態・構造を規範とした高性能なドローン用回転翼の創製2019

    • 著者名/発表者名
      石橋健太,廣瀬将輝,野田龍介,中田敏是,劉浩
    • 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] ドローンの高ロバスト化のための鳥規範型柔軟翼の創製2019

    • 著者名/発表者名
      村山友太,中田敏是,劉浩
    • 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] Study on a hummingbird-sized tailless flapping-wing aerial robot capable of pitch, roll, and yaw control2019

    • 著者名/発表者名
      Jinqiang Dang, Hiroto Tanaka
    • 学会等名
      第37回日本ロボット学会学術講演会
  • [学会発表] ペンギンの胴体の羽を模倣した微小表面構造の抗力低減効果の実験的研究2019

    • 著者名/発表者名
      岸根宏明, 山崎剛史, 田中博人
    • 学会等名
      日本機械学会第97期流体工学部門講演会
  • [学会発表] 昆虫の筋骨格系を規範とした柔軟羽ばたき飛行ロボットの創製2019

    • 著者名/発表者名
      小泉咲人,中田敏是,劉浩
    • 学会等名
      第37回日本ロボット学会学術講演会
  • [学会発表] 鳥の羽根を規範とした柔軟構造が翼の外乱応答特性に及ぼす影響2019

    • 著者名/発表者名
      村山友太,中田敏是,劉浩
    • 学会等名
      日本流体力学会 年会2019
  • [学会発表] 生物を規範とした次世代型ドローンの創製2019

    • 著者名/発表者名
      中田敏是
    • 学会等名
      日本ドローンコンソーシアム・フォーラム2019
  • [学会発表] ペンギンの羽ばたき遊泳中の 3 次元翼変形の SCM による計測2019

    • 著者名/発表者名
      早川義哉, 田中博人
    • 学会等名
      第32回バイオエンジニアリング講演会
  • [学会発表] ペンギンロボット - 小型で俊敏な水中ドローンを実現する電動羽ばたき翼運動機構2019

    • 著者名/発表者名
      田中博人
    • 学会等名
      JST 東京工業大学 新技術説明会
  • [学会発表] 鳥類の小翼羽形態と生態の関係2019

    • 著者名/発表者名
      田谷昌仁, 山崎剛史
    • 学会等名
      日本鳥学会2019年度大会
  • [学会発表] Turning maneuver in wing-propelled penguins and its robotics application2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroto Tanaka
    • 学会等名
      Aquatic Bio-inspired and Soft Robotics 2019
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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