[論文レビュー] Bio-inspired underwater propulsors

Tyler Van Buren, Daniel Floryan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2018

Micro and Nano Robotics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、振動、波打つ運動、パルスジェット、およびドラッグベースの運動という4つの生物学的遊泳メカニズムを分析することで、生物にインspiredされた水中推進システムを提案している。特に、半シリンダーのようなインパルス的で高ドラッグな形状を用いて最適化されたドラッグベース推進は、高速かつ高効率を達成できることを示している。主な貢献は、スプリングで固定されたインパルス的に露出する半シリンダーをトラックに搭載した新規な両棲型車両の設計であり、高推力重量比を実現し、陸上および水中の両モードでの移動を可能としている。

ABSTRACT

Here we present a general overview of bio-inspired propulsion. We identify the major types of aquatic swimmers (oscillatory, undulatory, pulsatile, and drag-based) and break down their mechanisms for thrust production (drag-based, lift-based, added mass, and momentum injection). For each swimmer, we (1) discuss wake characteristics; (2) derive expressions for thrust and efficiency; and (3) design a specific bio-inspired aquatic vehicle concept. This document will be a book chapter, which at the moment is unpublished.

研究の動機と目的

• 高性能な生物学的遊泳技術の背後にある物理的メカニズムを特定・分析し、工学的インスピレーションを得ること。
• ドラッグベース推進が本質的に非効率であるという仮定に挑戦し、高速・高効率な水中車両におけるその可能性を示すこと。
• インパルス的で高ドラッグなプロペラを用いたドラッグベース推進を活用し、陸上および水中の両方で動作可能な新規な両棲型水中車両を設計すること。
• 追加質量、運動量注入、位相ロックされたピッチング・ヘービング運動を含む推力生成メカニズムの分析を通じて、推進効率を最適化すること。
• 厳密なバイオミミクリック制約なしに生物学的原則を統合できる次世代水中車両の設計フレームワークを提供すること。

提案手法

• 推進メカニズムに基づき、水中遊泳者を4種類に分類する：振動型（例：マグロ）、波打つ運動型（例：ナマズ）、パルスジェット型（例：クラゲ）、ドラッグベース型（例：カモガニ）。
• ドラッグベース、リフトベース、追加質量力、運動量注入の4つのメカニズムを用いて推力を生成するプロセスを分析し、定常状態のドラッグと推力のバランスを記述する方程式を導出する。
• ブレートボディからの力のモデル化に、ドラッグベース推進式方程式 $ F_d = \frac{1}{2} \rho U_\infty^2 A C_D $ を適用し、前面投影面積と抗力係数の役割を強調する。
• paddling システムの効率を定量化するための速度比効率 $ \eta_s = \frac{1}{1 + \sqrt{\xi}} $ を導出する。ここで $ \xi = \frac{C_{D_b} A_b}{C_{D_p} A_p} $ である。
• スプリングで固定されたインパルス的に露出する半シリンダーをトラックに搭載した概念的な両棲車両を設計し、流体中で短時間にわたり最大ドラッグを発揮させる。
• 約270°の位相差を持つ位相ロックされたピッチング・ヘービング運動を用いてリフトベース推力を強化し、振動系における効率向上のための柔軟性を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドラッグベース推進は、一般的に非効率であると見なされているが、どのように最適化すれば水中車両で高速かつ高効率を達成できるか？
• RQ2 インパルス的で高ドラッグなプロペラの最適な幾何学的・動的配置は何か？ これにより平均推力とシステム効率を最大化できるか？
• RQ3 位相ロックされたピッチング・ヘービング運動は、振動系遊泳者における推力と効率にどのように影響を与えるか？ また、理想的な位相差は何か？
• RQ4 柔軟性は、特に振動系および波打つ運動系において、生物にインスパイアされたプロペラの推力と効率を向上させる役割を果たすか？
• RQ5 同一の車両設計が、プロペラの露出を可変化させることで、ドラッグベースのメカニズムを統一的に用いて、陸上と水中の両方の推進を効果的に行えるか？

主な発見

• インパルス的に露出する高ドラッグ形状（例：半シリンダー）を用いたドラッグベース推進は、高推力と高効率を達成でき、従来のドラッグベースシステムが非効率であるという認識に反する。
• 理論的システム効率 $ \eta_s = \frac{1}{1 + \sqrt{\xi}} $ は、プロペラが高ドラッグで前面投影面積が小さい場合、かつ車両自体のドラッグが小さい場合に高い効率が達成されることを示している。
• 準2次元形状は、低スロープ比の3次元形状と比較してほぼ2倍のドラッグを発生させ、サイズが同一の場合に平面幾何形状がドラッグを最大にする。
• インパルス的開始に伴う流れの発達時間の短縮は、平均推力を増加させることを示しており、一定速度運動よりも短時間で高加速度を発揮する推力段階が優れていることを示している。
• ピッチングとヘービング運動の位相差が約270°のとき、ピークアタック角を最小限に抑えることで、振動系における推力と効率が最大に達する。
• 提案された両棲車両の設計により、二重モード運用が可能である：露出した半シリンダーを備えたトラックにより水中で高ドラッグ推進が可能であり、車両を反転させることで陸上移動が可能となる。さらに、沈没時における水力学的特性を向上させるためにシャッタリングを施す可能性もある。