2018 Fiscal Year Research-status Report

Clarification of the mechanism of dolphin tail walk and its application for the development of high-thrust underwater propulsion mechanism

Research Project

Project/Area Number	18K04047
Research Institution	Shinshu University
Principal Investigator	小林俊一信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (50225512)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords	バイオメカニクス / バイオミメティクス / イルカ / 生物規範型ロボット / 水中推進
Outline of Annual Research Achievements	水棲生物の中でもイルカの運動能力は高く，胴体を水上に持ち上げる立ち泳ぎができる。本研究ではイルカの立ち泳ぎのメカニズムを，その運動挙動から力学的な解析によるアプローチで解明し，イルカを飼育する環境でのトレーニングや健康管理に参考となる資料を提供する。また，これらの結果をイルカの尾びれを規範としたフィンによる水中推進機構に技術的に移転，高推力化を実現させ，水中推進機構に単なる遊泳だけでなく，水中における物体の保持，物体の水上へのリフトアップ技術などの実現といった，新たな動作タスクの創出につなげる。２０１８年度はイルカの立ち泳ぎの挙動の把握として，名古屋港水族館において，同館の研究協力者の支援を受けながらカマイルカの立ち泳ぎの撮影を行った。撮影においては，大型水槽において，立ち泳ぎするイルカを見上げるような位置に複数の高速度ビデオカメラを設置，同期させて撮影，３次元解析用の映像を得た。また，イルカの３次元形状も把握するため，陸上において静止したイルカの撮影を行った。これらの撮影された映像から３次元動作解析ソフトウェアを用いて，立ち泳ぎ時の尾びれの運動（平均的な振幅や振動数）について解析・検討した。さらに，高推力水中推進機構開発への移転技術のための基礎研究として，変形速度が大きくなると剛性が高まる繊維複合粘弾性フィンを開発，静止流体中で揺動運動を変化させて推力を計測し，立ち泳ぎ動作に有効なフィン材料の検討も行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason まず，イルカの立ち泳ぎの撮影をするための撮影準備として，名古屋港水族館との綿密な撮影の打ち合わせ，複数の高速度カメラの設定，複数の映像からの同期方法の確立，３次元解析のためのキャリブレーション用フレームの製作，空中におけるシミュレーション実験を行った後に撮影に臨んだ。撮影では大型水槽において，水槽外からイルカを見上げる位置に複数の高速度カメラを設置して撮影した。イルカはカマイルカを選定して撮影した。キャリブレーション用フレームの撮影映像から誤差を評価した上で，尾びれの動作解析(平均的な振幅や振動数)を行った。イルカの尾びれを規範としたフィンによる水中推進機構に技術的に移転するための研究として，フィンの材料について検討し，変形速度が大きくなると剛性が高まる繊維複合粘弾性フィンを開発，静止流体中で揺動運動を変化させて推力を測定した。今後行う予定である尾びれの運動による流体解析と連成した構造解析の結果と合わせて，高推力化を実現するための基礎資料を得ることができた。
Strategy for Future Research Activity	立ち泳ぎ時の尾びれの運動解析についてはまだ基本的な項目であったので，今後はより詳細な解析を行っていく。そのためには撮影映像からの解析精度を高めることが必要であり，これまでの撮影・解析結果を踏まえて，撮影方法を改善させて，再度，名古屋港水族館においてイルカの立ち泳ぎの撮影を行う。解析事項としては，尾びれの運動振幅と振動数だけでなく，その変形，喫水位置、水上における胴体の動き、立ち泳ぎ時間と移動距離（前進移動と後進移動）などを予定している。また，撮影・解析回数を増やし，個体別，種別毎に検討を行い，さらにハイジャンプ前の高速遊泳における尾びれの挙動も撮影，解析して，立ち泳ぎ時の尾びれの挙動と比較・検討を行う。これらの結果をもとに，立ち泳ぎ時の尾びれ周りの流れ場，発生推力，尾びれの変形量を，マルチフィジックス（連成）解析コードを用いた数値計算によってシミュレーションを行う。これらの結果により，イルカの尾びれによる推力の発生メカニズムと，イルカの立ち泳ぎ時における尾柄から尾びれにかかる負荷を検討する。
Causes of Carryover	購入予定であった高速度ビデオカメラが低価格のもので使用できることがわかったため。