トンボの優れた機動飛行の流体力学メカニズムを解明　高性能な羽ばたき型飛行ロボットの創出に期待

2023年7月24日掲出

東京工科大学(東京都八王子市、学長:香川豊)工学部の野田龍介講師らの研究グループは、トンボが素早く逃げる様に飛行する機動飛行時の流体力学メカニズムを世界で初めて明らかにしました。トンボ固有の優れた機動飛行メカニズムの解明は、次世代の羽ばたき型飛行ロボット開発への応用も期待されます。

本研究論文は、流体力学分野におけるトップジャーナルである「Journal of Fluid Mechanics」オンライン版（現地時間 2023年7月20日）に掲載されました。

【ポイント】
●逃走的機動飛行時における翅の周りの流体力学メカニズムを世界で初めて解明
●現在主流の回転翼型ドローンに代わる次世代の羽ばたき型ロボットの創出に期待

研究背景
研究成果
社会的・学術的なポイント
論文情報
用語解説

【研究背景】

　自然界に見られる飛翔能力を有する多くの昆虫は、羽ばたき運動、サイズなどの特性から低レイノルズ数(注1)領域での優れた飛行性能を有し、新たな小型飛行ロボットの設計指針としても注目されています。中でもトンボは、地球上で最も成功した空中での捕食者の１つとして、古来より生存し進化を遂げてきました。トンボの飛行の特徴は、多くの昆虫が前翅と後翅を1つのペアとして羽ばたき運動を行っていることに対し、これらの翅を独立して制御できる点にあります（図1）。
本研究では、トンボの通常飛行時における翅の運動と、世界で初めて計測された逃走的機動飛行（以下、逃走飛行）時における翅の運動を用いて、それぞれの羽ばたき運動がどの様な空気力を生み出すかを数値シミュレーションにより検証しました。

図1　前翅と後翅が異なるタイミングで羽ばたくトンボ(左)と前翅と後翅をペアとして羽ばたくスズメガ(右)の飛行。黒点は翅表面上の変形量計測のため付与されたもの。

【研究成果】

数値シミュレーションの結果、逃走飛行では通常飛行に比べて後翅が大きな迎角(注2)を取ることで、飛行効率を犠牲にして局所的な空気力の増加を生み出していることが世界で初めて明らかになりました（図2）。
また、この空気力の増加は、トンボが前翅と後翅の羽ばたくタイミング(位相)を上手く変更することで、前翅の羽ばたきにより生じる空気の流れを利用し、後翅の翅表面に生じる空気力生成に大きく寄与する渦の安定化を促して実現していることが示唆されました（図3）。
これは、従来の研究で示されてきたトンボの機動飛行時における前翅と後翅の羽ばたくタイミングとは異なり、新たな流体力学メカニズムにより逃走のための局所的な空気力の増加を実現している可能性を示しています。

図2　羽ばたく運動中に翅に生じる空気力の大きさ。黒線が通常飛行、赤線が逃走飛行を示す。逃走飛行においては、上向きの力が局所的に大幅に増加している。

図3　通常飛行(左)と逃走飛行(右)における翅の周りの空気の流れ。赤色は左回り、青色は右回りの回転の流れの強さを濃淡で表す。逃走飛行時は後翅の迎角が大きく、右回りの渦（濃い青色の領域）が翅表面に広がっている。通常飛行時は、前翅と後翅が大きく離れており、後翅は前翅が作り出した流れの影響が少ない。一方逃走飛行時は、前翅と後翅が近づき、後翅は前翅の流れの影響を受けている。

【社会的・学術的なポイント】

　近年、回転翼型のドローンが物資の輸送や農薬の散布、インフラ設備の点検など様々な分野で社会実装に成功しており、今後より人間に近い環境での調和と共存が求められると考えられます。古来より人類の生活圏で共生してきたトンボなどの生物の飛翔を模した羽ばたき型の飛行ロボットは、これを実現するための安全性や騒音といった問題を解決した上での社会実装が期待されます。本研究成果は、その設計指針となり得る重要な要素となります。

【論文情報】

論文名：The Interplay of Kinematics and Aerodynamics in Multiple Flight Modes of a Dragonfly
著者名：R. Noda, X. Liu, C. Hefler, W. Shyy, H. H. Qiu
掲載ＵＲＬ：https://doi.org/10.1017/jfm.2023.471

【用語解説】

（注1）　レイノルズ数: 慣性力と粘性力の比で表される無次元数で流体現象の特性を表す。昆虫は飛行機などの一般的な人工飛行体と比べ、粘性力が支配的な低いレイノルズ数領域での飛行を行う。
（注2）　迎角：流体の中にある物体が、流れに対してどれだけ傾いているかを表す。飛翔する昆虫は上述のレイノルズ数の特性により、飛行機やドローンなどと比べて大きな迎角で羽ばたき運動を行う。

■東京工科大学工学部機械工学科　野田龍介（生物流体）研究室
古来より空中での生活を謳歌してきた昆虫や鳥などの羽ばたき翼を有する飛翔生物を対象として、数値流体解析、高速度カメラを用いた運動計測、流れ場の可視化計測など様々な手法を用いて包括的な飛翔メカニズムの解明を目指します。また、生物の多様な特徴的構造に見られる機能性を工学的に応用するため、生物規範型構造をプロペラ、風車、ファンなどの回転翼を有する流体機械に付与し、効率の向上と騒音の低下を目指します。

[研究室ウェブサイトURL] https://www.teu.ac.jp/info/lab/project/es/dep.html?id=31