2018 Fiscal Year Annual Research Report
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
| Project Area | Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing |
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| Project/Area Number |
18H05468
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田中 博人 東京工業大学, 工学院, 准教授 (80624725)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中田 敏是 千葉大学, 大学院工学研究院, 特任助教 (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)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究計画は以下の4項目から構成される：A．各種運動・形態測定システムの開発による、生物とロボットの「しなやかな運動」と「しなやかな変形」の定量的計測；B．生物標本を用いた翼・筋骨格構造の形態と機械特性の計測；C．数値計算と機械モデル実験による流体構造連成理論の構築と身体設計最適化手法の開発；D．レーザ加工、折り紙立体構造、自己組織化などのセンチ-サブミリ構造製作技術を用いた、高効率・高適応性の生物的流体構造・機構連成メカニズムのソフトロボットへの実装。
2018年度は、各項目で計画以上の進展があった。項目Aではペンギンとイルカの遊泳の運動や変形を解析し、流体力学解析を行った。さらにSCM（Space Curving Method）によるペンギンの3次元形状モデリングも試行中である。項目Bでは、アマツバメ目の鳥やフクロウについて羽根の形態計測や剛性計測を実施し、形態・生態・力学メカニズムの研究を実施している。項目Cではハチドリを模した羽ばたき機構に弾性構造を導入して実験を開始した。項目Dでは、紫外線レーザ加工機を用いてハチドリ模倣弾性翼の製作を行っている。
研究成果は、総合系国際論文誌に1報、生物系国際学会に3報、機械系国内学会に5報、生物系国内学会に3報発表した。未発表の研究内容もあり、それは今年度に発表予定である。特許は、ペンギンを模倣した電動羽ばたき機構に関して1件出願した。また、解説記事（書籍の章を含む）は5報、招待講演は2報あり、幅広い分野に向けて情報発信している。さらに新聞報道も1報あり、一般に向けた情報発信も行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2018年度は、本研究計画を構成する4つの項目で計画以上の進展があった。項目Aでは、水族館で12台の水中ビデオカメラで撮影したペンギンの羽ばたき遊泳の画像をDLT（Direct Linear Translation）法で解析し、翼と胴体の3次元運動および翼の曲げ変形を定量的に明らかにし、旋回機動中の翼運動の左右差を明らかにした。また水族館で2台の高速ビデオカメラで撮影したカマイルカの高速遊泳を運動解析し、さらに体の詳細な3次元形状計測に基づく数値流体計算を行い、打ち下ろしの方が打ち上げよりも推力が大きいことを明らかにした。
項目Bでは、アマツバメ目のチャムネエメラルドハチドリとアマツバメの羽軸の曲げ剛性計測を行い、羽ばたきホバリングを行うハチドリの方が固定翼滑空を行うアマツバメよりも、翼幅方向外側と内側の曲げ剛性の違いが大きく翼面が捩れやすいことを明らかにした。またペンギンについて、水族館で採取した胴体の羽毛の形態計測を行い、羽枝間隔に基づくリブレットモデルを作成して数値流体計算を行い、羽枝が摩擦抗力を減少しうることを明らかにした。さらに様々なフクロウの前縁セレーションの形態計測と生物学的な種間比較を行い、食性とセレーション面積に相関があることを発見した。
項目Cでは、回転DCモータの回転軸に捻りバネを介して翼を取り付けた機械モデルを製作し、捻りバネの共振によって羽ばたき振幅を増大できることを明らかにした。
項目Dでは、紫外線レーザでCFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）板を切り出して製作した人工羽軸とポリイミドフィルムで模した翼膜により、ハチドリの羽軸の曲げ剛性を再現した模倣翼を製作した。電動羽ばたき機構で試験した結果、曲げ剛性分布の存在によって翼面の捩れが誘起され揚力と効率がともに向上することを明らかした。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度以降は、飛行・遊泳ソフトロボットに期待する敏捷性やロバスト性に関する研究を深めていく。項目Aでは、水族館で遊泳するペンギンに対してエサの投入などの刺激を与え、激しい敏捷な遊泳機動を誘起して、その際の遊泳運動や体と翼の変形を明らかにし、力学的メカニズムを調べる。さらに現在試行中の SCM（Space Curving Method）による3次元形状モデリング方法を適用して胴体の３次元形状を計測し、首や尾部の変形と流体力への寄与を調べる。項目Bでは、ペンギンの死体を用いて翼の形態計測および剛性計測を行い、水中羽ばたき翼における弾性変形の効果を調べる。流体力学実験は、昨年度に試作した電動3自由度羽ばたき機構を用いて回流水槽で力計測と流れ場可視化計測を行う。特に大きな流体力を発生する際の流体構造連成に着目する。また、ペンギンおよびサメの胴体表面の羽根および楯鱗が形成する微小な３次元溝パターンを形態計測する。流体摩擦に及ぼす影響だけでなく、遊泳運動に応じた流速変化や３次元胴体形状に起因する境界層剥離に対する影響について重点的に調べる。項目Cでは、リアルタイム画像処理運動計測システムを導入し、気流に外乱を与えた際の弾性構造の効果を調べる。項目Dでは、ハチドリ模倣翼について、さらなる複合材料化を進めて耐久性のある壊れない実用的な翼を実現する。これを試作中の電動ハチドリ型飛行ロボットに実装して飛行試験を行う。また、ペンギンおよびサメの胴体表面の微小構造をフィルムの紫外線レーザ加工で模倣し、回流水槽実験に用いる。特に、羽根や楯鱗の可動性の再現を重視する。
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