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年6月15日 13:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇大学院工学研究科航空宇宙工学専攻
准教授　野々村　拓

【発表のポイント】

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(O(10²)-O(10⁴))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?鸟?コウモリなどの飞翔生物は、巧みな翼の羽ばたき运动と时には胴体や尾翼の动きを利用し优れた飞行を行います。なかでも、翼面上に形成される前縁涡が地上の飞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标高の高い场所に生息する飞翔生物は、飞行の际、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、この扬力の补偿メカニズムを含む高高度での生物飞翔のメカニズムの详细は现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)、前桥工科大学工学部の安藤规泰　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、东北大学流体科学研究所所有の火星大気风洞の减圧チャンバーを用いて高高度飞行を模拟した低密度环境を构筑し、その环境下においてハチドリ规范型羽ばたき翼型飞行ロボット（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时计测を行いました。

　本计测により、飞行ロボットの翼の面积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飞翔生物の翼の回転角変化に近い受动的な回転角変化を得られることを示しました。この结果、大気密度が地上と比べて约3分の１の低大気密度环境下においても地上での空気力発生机构による大きな扬力の発生を実现させ、羽ばたき翼型飞行ロボットの世界初のリフトオフ実験に成功しました。本结果は、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?高高度环境下での飞行の実现可能性を示すものとなり、生物の高高度飞行メカニズムの理解と更に低密度となる火星大気环境などでの羽ばたき翼型飞行ロボットの飞行実现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Scientific　Reports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飞翔筋からインスピレーションを受け、左右の翼は个别のモーターによって駆动される。机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。バッテリー未搭载モデルであり、电力は外部电源より供给される。

【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

详细（プレスリリース本文）