羽ばたき飛行シミュレーション

Keywords: 生物メカニズム, 羽ばたき飛行, MAV, 有限要素法, ALE, 流体力学, 多目的設計

鳥や昆虫の羽ばたき飛行は彼らの生きるスケールにおいて非常に優れた飛行方法です。近年ではMAVと呼ばれる小型の飛行ロボットに応用すべく彼らの飛行メカニズムに注目が集まっています。

図1 生物の羽ばたき飛行 (ハチドリのホバリング)

私たちの研究室ではMAVへの応用を目指し、シミュレーションによる羽ばたき飛行の分析を行なっています。また、2次元シミュレーションと3次元シミュレーションを併用して効率的に最適な羽ばたき方の設計を行なう手法を開発しています。

図2 羽ばたき翼モデルと渦度分布

シミュレーション (数値実験) を用いる利点
- 動きのパラメータや実験条件を変えての再実験が容易
- 実験では計測が難しい流れのようすや力の分布を詳細に観測可能
多目的設計
- 生物の羽ばたき方は必ずしもMAVに適したものとは言えない
- 様々な羽ばたき方の飛行性能をシミュレーションで評価し、最適化のアプローチを用いて設計
- 単純に一つの目的関数 (速度・エネルギー効率等) を最適化するだけではなく、複数の目的関数が適切にバランスする点を最適点としたい。

図3 飛行性能の分析: ホバリング時を想定して消費エネルギーと胴体のゆれ幅 (上下左右方向と傾き) を目的関数とし、様々な羽ばたき方をした場合の目的関数値をプロットしています。

図4 翼の動きの例: 各目的関数単独を最適化する翼断面の動かし方を図3の各点から抽出しました。

シミュレーションで得られた流れのようすや力の分布をより直感的に解釈できるよう、AR (拡張現実感) 技術を用いた可視化ツールを開発しました。

図5 AR技術を用いた羽ばたき翼周りの可視化: 翼とその周りの流れの様子を画面内の仮想空間に映し、見たい方向や距離を操作者が視点を変えることで直感的にコントロールすることができます。動画のダウンロードはこちら。

藤井研究室