Research Results 研究成果
标高9000尘相当の低大気密度を模拟した环境下で羽ばたき翼型飞行ロボット（ロボハチドリ信州）のリフトオフに成功！
2023.06.15研究成果Technology
ポイント
- これまでにマルハナバチやオオカバマダラの高高度での飞行が确认されており、マルハナバチは翼を大きな振幅で羽ばたきながら飞翔し、オオカバマダラは体の姿势と飞行速度を调整して飞んでいることが観察されていましたが、羽ばたき翼型飞行ロボットでの飞行は実现されていませんでした。
- 飞翔体まわりの流れ场の特性は、レイノルズ数*1によって特徴付けられます。もし、翼の大きさと运动速度が一定の场合、大気密度が减少するとレイノルズ数も减少します。このレイノルズ数が低い飞行环境下では、固定翼や回転翼によって生成される空気力は流れの剥离と涡の放出により低下する可能性が高くなります。しかしながら、昆虫や鸟は通常その低レイノルズ数领域(翱(10?)–翱(10?))で飞行しており、この低レイノルズ数の流れ特有の空気力学的メカニズムを効果的に利用し、大きな空気力を生成していることが分かっていました。
- 本研究の実験の结果から羽ばたき翼型飞行ロボットが同じ大きさの飞翔生物と比べて重量が大きいながらも、机体と翼の重量比、翼のアスペクト比*2、レイノルズ数、无次元周波数＊3などの无次元数と翼の羽ばたき运动を类似させることで、地上でも高高度でも生物羽ばたき飞行メカニズムを利用して大きな空気力を得ることができ、大気密度が地上と比较して约3分の1と低くなってもリフトオフが可能であることを示しました。
概要
昆虫?鳥?コウモリなどの飛翔生物は、巧みな翼の羽ばたき運動と時には胴体や尾翼の動きを利用し優れた飛行を行います。なかでも、翼面上に形成される前縁渦が地上の飛翔生物の自重を支える空気力発生の共通メカニズムとして理解されています。地上より空気密度の低くなる高度数千メートル以上の標高の高い场所に生息する飛翔生物は、飛行の際、自重を支えるために地上より大きな空気力が必要になると言えます。しかし、この揚力の補償メカニズムを含む高高度での生物飛翔のメカニズムの詳細は現在も明らかになっていません。
さらに、これまで生物を规范とした様々なタイプの羽ばたき翼型飞行ロボットが开発されてきました。しかし、地上での飞行に注力されており、空気密度の低下に伴う扬力低下が起こる过酷な环境下の高高度での羽ばたき翼型飞行ロボットの开発は行われていませんでした。空気中（海面）や水中と比べて流体の密度が低い状态での実験は难しく、高高度飞行を理解するために不可欠な密度の低い中で飞行する生物とロボットの动きを精度良く観察することができませんでした。
そこで、信州大学繊維学部の青野光 准教授、東北大学大学院工学研究科の浅井圭介 名誉教授、野々村拓 准教授、小澤雄太 特任助教（現 青山学院大学理工学部 機械創造工学科 助教）、九州大学大学院総合理工学研究院の安養寺正之 准教授(現 株式会社DigitalBlast所属)、前橋工科大学工学部の安藤規泰 准教授、米国アラバマ大学ハンツビル校のKang准教授らの研究グループは、東北大学流体科学研究所所有の火星大気風洞の減圧チャンバーを用いて高高度飛行を模擬した低密度環境を構築し、その環境下においてハチドリ規範型羽ばたき翼型飛行ロボット（ロボハチドリ信州）の翼が発生する空気力と翼面形状の同時計測を行いました。
本計測により、飛行ロボットの翼の面積を地上のモデルに比べて大きくしゆっくり羽ばたくことにより、大きな羽ばたき振幅と飛翔生物の翼の回転角変化に近い受動的な回転角変化を得られることを示しました。この結果、大気密度が地上と比べて約3分の１の 低大気密度環境下においても地上での空気力発生機構による大きな揚力の発生を実現させ、羽ばたき翼型飛行ロボットの世界初のリフトオフ実験に成功しました。本結果は、羽ばたき翼特有の空気力学的メカニズムの活用による低密度?高高度環境下での飛行の実現可能性を示すものとなり、生物の高高度飛行メカニズムの理解と更に低密度となる火星大気環境などでの羽ばたき翼型飛行ロボットの飛行実現に繋がる重要な研究成果と言えます。
なお、本成果は6月2日付（イギリス现地时间）で厂肠颈别苍迟颈蹿颈肠 搁别辫辞谤迟蝉电子版に掲载されました。
図1 ロボハチドリ信州の写真：地上モデル（左）、高高度モデル（右）。ロボハチドリ信州はハチドリの肩の飛翔筋からインスピレーションを受け、左右の翼は個別のモーターによって駆動される。機体重量は地上モデルが12.39 g、高高度モデルが12.95 gである。バッテリー未搭載モデルであり、電力は外部電源より供給される。
図2 ロボハチドリ信州の高高度飛行環境模擬下のリフトオフ実験の高速度カメラ撮影画像。東北大学流体科学研究所所有の火星大気風洞の減圧チャンバーを利用した。チャンバー内の大気密度は飛行高度9000 mに相当する0.360 kg/m3である。ロボットの羽ばたき周波数は10.9 Hz、カメラのサンプリング周波数は2000 fpsである。ロボットは羽ばたき開始後0.864 秒後にはリフトオフし、1.440 秒後には初期位置から約167.4 mm上昇した。地上モデルは羽ばたき周波数22.7 Hzでリフトオフすることが可能である。
用语解説
1. レイノルズ数
流体の惯性力と粘性力の比を示す流体力学的な无次元数
2. アスペクト比
翼の縦横比
3. 無次元周波数
翼の角速度と翼の代表翼弦度の积と翼の先端速度もしくは前进速度の比を示す无次元数
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论文情报
掲載誌：Scientific Reports
タイトル：First lift-off and flight performance of a tailless flapping-wing aerial robot in high-altitude environments
著者：Shu Tsuchiya, Hikaru Aono, Keisuke Asai, Taku Nonomura, Yuta Ozawa, Masayuki Anyoji, Noriyasu Ando, Chang-kwon Kang, and Jeremy Pohly
顿翱滨：10.1038/蝉41598-023-36174-5
掲载日：2023年6月2日付（イギリス现地时间）
【発表者】
土屋脩（信州大学 大学院総合理工学研究科）
青野光（信州大学 繊维学部）
浅井圭介（东北大学 大学院工学研究科、流体科学研究所）
野々村拓（东北大学 大学院工学研究科、流体科学研究所）
小泽雄太（东北大学 大学院工学研究科）
安养寺正之（九州大学 大学院総合理工学研究院、现株式会社顿颈驳颈迟补濒叠濒补蝉迟所属）
安藤规泰（前桥工科大学 工学部 生命工学领域）
Chang-kwon Kang（アラバマ大学ハンツビル校）
Jeremy Pohly（アラバマ大学ハンツビル校）
本学研究者
総合理工学研究院 安養寺 正之 准教授（現株式会社DigitalBlast所属）