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 2008/03/25
昆虫の羽ばたき機構解明に一歩
下山研究室、ピエゾ効果を使う
翼のまわりの空気流を直接計測

 昆虫は翅を羽ばたかせて飛翔するが、そのメカニズムはまだわかっていない。知能機械情報学専攻の下山研究室(下山勲教授)は、MEMS風速センサーを用いて、羽ばたきによって生じる翼のまわりの空気の流れを直接計測することに成功した。応答性、指向性に優れたピエゾ抵抗の伸び縮み効果を利用したものだ。

製作した風速センサー 風速センサーのコンセプト(微小なピエゾ抵抗型カンチレバーを試作)
製作した風速センサー 風速センサーのコンセプト
(微小なピエゾ抵抗型カンチレバーを試作)

 この研究は、修士課程の高橋英俊さんが行っている。風速センサーはピエゾ抵抗型カンチレバータイプで、大きさは翅のおよそ200分の1。カンチレバー根元部の表面に100nm程度の薄さでピエゾ抵抗を形成した。カンチレバーに上側から風が当たると、カンチレバーは下側に押され曲がる。このとき、表面部のピエゾ抵抗が伸びて抵抗値が増える。逆に下側から風を受けると、ピエゾ抵抗が縮んで抵抗値が小さくなる。カンチレバーが風を受けて上下にたわむ動きを、ピエゾ抵抗の抵抗値の変化として捉える仕組み。

羽ばたき運動中に翼まわりの風速などを計測する羽ばたき機構の外観
羽ばたき運動中に翼まわりの風速などを計測する羽ばたき機構の外観

 風速センサーで空気の流れを捉えるのは、コンセプト(図)に示したように、トンボ型の羽ばたき機の翅の前縁部に取り付けて、翼のまわりの流速を計測するイメージ。実験では、センサーを羽ばたき機構(写真)にセットし、羽ばたき運動中に翼に流入する風速・風向を計測した。羽ばたき周波数は5Hz程度、羽ばたき機構をリニアアクチュエーターに取り付け、前進速度1.0m/sで動かした。その結果、運動から算出した値とほぼ一致した風速・風向が得られた。

 昆虫は翅を羽ばたかせることで飛翔し、ホバリングや急旋回など自在な動きができる。この飛翔のメカニズムは、羽ばたき運動によって生じる非定常な空気力のために捉えることが難しく、完全には解明されていない。解明の切り口として、高橋さんは翅のまわりの流れ計測に焦点を当てた。これまでは、風洞中の煙による流れの可視化という間接的な計測にとどまっていたが、局所的な点における流れをMEMS風速センサーを使って直接計測する手法を開発した。



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