特別講義・話題提供

  講義概要

この度は講師として呼んでいただき，光栄でありつつとても緊張しています．皆様に少しでも興味を持ってもらえるお話ができよう頑張ります．

私は，学生時代は航空宇宙工学専攻に所属し，数値流体力学，特に格子ボルツマン法[1]による移動境界流れの数値計算について研究をしていました．その応用例の一つとして，蝶の羽ばたき飛翔解析を始めました．従って，いわゆる「数値計算屋さん」で，生物にはあまり興味はなく，蝶を単なる「航空機」として見なして研究をしていました．しかし，研究を進めるにつれて，生物の知識の必要性をひしひしと感じ，またその奥深さに面白いと思うようになってきました．最近，何とか観察実験（上記左図）もできるようになって，より分かることが増えてきてうれしく思っています．

講義は２部構成で，第１部では，流体力学的観点から，昆虫の羽ばたき飛翔研究の発展，その中での蝶の研究の位置づけを解説します．ここ１０年くらいで蝶の研究が増えてきましたが，他の研究に対する当方の研究の立ち位置も紹介する予定です．第２部では話題を大きく変えて，数値計算法（特に格子ボルツマン法）の解説をして，蝶の数値モデル化とその羽ばたき飛翔解析の結果（上記右図，文献[2]や[3]の内容など）についてお話しする予定です．

参考文献

[1] 稲室隆二, 吉野正人, 鈴木康祐, ”格子ボルツマン法入門,” 丸善出版, (2020).

[2] K. Suzuki, K. Minami, and T. Inamuro, Journal of Fluid Mechanics, 767, pp.659-695, (2015).

[3] K. Suzuki, M. Nakamura, M. Kouji, and M. Yoshino, Biology Open, 11, bio059136, (2022).

所属

信州大学工学部 機械システム工学科 准教授

略歴

2019年 現職

2014年 信州大学工学部 機械システム工学科 助教

2014年 博士(工学)取得 京都大学

2013年 京都大学大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻 日本学術振興会特別研究員(DC2)

受賞

2018年 2017年度 竜門賞(日本流体力学会)

2016年 第29回計算力学講演会 優秀講演賞(日本機械学会)

講義概要

ペンギンは、かつて空を飛行していた鳥が水中遊泳に再適応した鳥類で、数千年前に現れた。ペンギンの流体力学研究は、Hui [1] や Bannasch [2] が1980年代から1990年代にかけて開拓したが、その後は長らく停滞が続いた。その理由には、水中計測の難しさや、生物学者にとっての流体力学の敷居の高さなどが考えられる。もとより、流体力学者にとっても、動物の非定常な泳ぎは容易な対象ではない。

ペンギン遊泳の主な流体力学トピックは、羽ばたき翼による効率的な推力発生と、胴体による抗力である。また、左右の翼の動きを変えて旋回などの俊敏な機動を行うメカニズムも興味深い。近年の計測・実験機器の高度化と低価格化は、ペンギン遊泳の流体力学研究への再挑戦を可能にした。筆者の研究室では、水族館で遊泳を水中撮影し、羽ばたき翼の詳細な3次元運動解析と準定常流体力計算を行い、推進メカニズムや旋回メカニズムの一端を明らかにした [3, 4]。また、胴体表面の「毛並み」をリブレットと見なして、その抗力低減効果を実験的に検証した [5]。さらに、遊泳の総合的な理解のために、ペンギン型の羽ばたき遊泳ロボットの開発も行っている [6, 7]。

本講義では、上記の筆者の研究を題材に、羽ばたき翼の非定常力学とリブレットの抗力低減効果を説明する。さらに、流体力学・生物学の基礎研究とロボットの応用研究の関係について議論する。

参考文献

[1] C. A. Hui, "Penguin swimming .1. Hydrodynamics," Physiological Zoology, vol. 61, no. 4, pp. 333-343, 1988. 

[2] R. Bannasch, "Functional anatomy of the ‘flight’ apparatus in penguins," in The Mechanics and Physiology of Animal Swimming, J. M. V. Rayner, L. Maddock, and Q. Bone Eds. Cambridge: Cambridge University Press, 1994, pp. 163-192.

[3] N. Harada and H. Tanaka, "Kinematic and hydrodynamic analyses of turning manoeuvres in penguins: body banking and wing upstroke generate centripetal force," J. Exp. Biol., vol. 225, no. 24, jeb244124, 2022.

[4] N. Harada, T. Oura, M. Maeda, Y. Shen, D. M. Kikuchi, and H. Tanaka, "Kinematics and hydrodynamics analyses of swimming penguins: wing bending improves propulsion performance," J. Exp. Biol., vol. 224, no. 21, jeb242140, 2021.

[5] R. Saito, T. Yamasaki, and H. Tanaka, "Fluid drag reduction by penguin-mimetic laser-ablated riblets with yaw angles," Bioinspiration & Biomimetics, vol. 17, no. 5, 056010, 2022.

[6] Y. Shen and H. Tanaka, "Experimental analysis of the sweepback angle effect on the thrust generation of a robotic penguin wing," Bioinspiration & Biomimetics, vol. 18, no. 2, 026007, 2023.

[7] Y. Shen, N. Harada, S. Katagiri, and H. Tanaka, "Biomimetic Realization of a Robotic Penguin Wing: Design and Thrust Characteristics," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 26, no. 5, pp. 2350-2361, 2021.

所属

東京工業大学 工学院機械系 准教授

略歴

2016年 現職

2015年 東京工業大学　大学院理工学研究科機械制御システム専攻　准教授

2011年 千葉大学　特任助教

2009年 ハーバード大学　ポスドク研究員

2008年 東京大学　大学院情報理工学系研究科　知能機械情報学専攻　博士課程修了（情報理工学）

2006年 東京大学　日本学術振興会特別研究員DC１

2005年 東京大学　産学官連携研究員

受賞

2018年 工学院若手奨励賞(東京工業大学工学院)

2017年 Reviewer of the Year for Bioinspiration & Biomimetics in 2016 (IOP Publishing)

2013年 General Biomechanics Best Poster 3rd Prize (Society for Experimental Biology Annual Main Meeting 2013)

2008年 Young Scientist Award 2nd Prize (Society for Experimental Biology Annual Main Meeting 2008)

2008年 学生プレゼンテーション賞 (第40回流体力学講演会/航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2008)