[論文レビュー] Exquisitely sensitive seal whisker-like sensors detect wakes at large distances

Heather R. Beem, Michael S. Triantafyllou|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2015

Fluid Dynamics and Vibration Analysis被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、マーモセットザメのひげに類似した独自の幾何学的形状を持つ人工センサーが、非常に高い感度で遠く離れた流れの乱れを検出できることを示している。このメカニズムは、上流の渦のストロハール周波数にひげがロックインする、エネルギーを効率的に抽出する受動的共鳴に依存しており、低速流れ（1 mm/s まで）でも、流れの特徴や物体の性質を検出可能である。大振幅の振動は、流れの乱れがある場合にのみ発生し、開水では発生しない。

ABSTRACT

Blindfolded harbor seals are able to use their uniquely shaped whiskers to track vortex wakes left by moving animals and objects that passed by up to 30 seconds earlier; this is an impressive feat as the flow features they detect may have velocity as low as 1 mm/s, and the seals have some capacity to identify the shape of the object as well. They do so while swimming forward at high speed, hence their whiskers are sensitive enough to detect small-scale changes in the external flow field, while rejecting self-generated flow noise. Here we identify and illustrate a novel flow mechanism that allows artificial whiskers with the identical unique geometry as those of the harbor seal to detect the features of minute flow fluctuations in wakes produced by objects far away. This is shown through the study of a model problem, consisting of a harbor seal whisker model interacting with the wake of an upstream circular cylinder. We show that whereas in open water the whisker geometry results in very low vibration, once it enters a wake it oscillates with large amplitude and, remarkably, its response frequency coincides with the Strouhal frequency of the upstream cylinder, thus making the detection of an upstream wake as well as an estimation of the size and shape of the wake-generating body possible. An energy flow extraction mechanism causes the large amplitude whisker oscillations to lock in to the frequency of the oncoming wake, characterized by a slaloming motion among the oncoming wake vortices. This passive mechanism has some similarities with the flow mechanisms observed in actively controlled propulsive foils within upstream wakes and trout swimming behind bluff cylinders in a stream, but also differences due to the remarkable whisker morphology which causes it to operate passively and within a much wider parametric range.

研究の動機と目的

• マーモットザメが、物体が通過してから最大30秒後までに発生する渦の流れを検出し追跡するメカニズムを理解すること。
• 極めて低速な流れの揺らぎ（1 mm/s まで）に高い感度を示す物理的メカニズムを解明すること。
• マーモットザメのひげと同じ形状を持つ人工センサー系を構築し、その検証を行うこと。
• マーモットザメのひげが、アクティブ制御を用いずに、受動的かつ周波数ロックされた振動を生じさせることで、流れの検出を可能にすることを示すこと。
• 人工ひげの感度および周波数応答を、開水状態と比較して定量すること。

提案手法

• 実際のマーモットザメのひげの幾何学的パrameter（非対称性、曲率、すそぎり）を用いて、流体動力学的シミュレーションでモデル化すること。
• さまざまなレイノルズ数で、人工ひげと上流の円形シリンダーの流れの間の相互作用をシミュレートすること。
• 計算流体力学（CFD）およびモード解析を用いて、得られたひげの動的挙動を分析し、振幅および周波数を同定すること。
• 非定常な流れの乱れからひげへのエネルギー移動メカニズムを同定し、大振幅で位相ロックされた振動を引き起こす仕組みを特定すること。
• 開水（低振動）と流れの乱れ（高振動）におけるひげの応答を比較することで、流れの乱れ検出メカニズムを明確にすること。
• ストロハール数（St = fD/U）を用いて、ひげの共鳴周波数とシリンダーの渦剥離周波数の相関関係を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マーモットザメのひげが、特異な幾何学的形状を有することで、遠く離れた流れの乱れを検出できる仕組みは何か？
• RQ2 なぜ、流れの乱れがある場合にのみ大振幅の振動を示し、開水では発生しないのか、その物理的メカニズムは何か？
• RQ3 同じ形状を持つ人工センサーが、流れを発生させる物体のサイズや形状を検出し、推定できるか？
• RQ4 ストロハール周波数がひげの応答に果たす役割は何か？また、どのようにして流れの周波数にロックインするのか？
• RQ5 ひげにおけるエネルギー抽出メカニズムは、他の生物学的または工学的システムのアクティブ制御メカニズムとどのように異なるか？

主な発見

• 人工ひげは、開水では最小限の振動を示すが、上流の円形シリンダーの流れの乱れにさらされると、大振幅の振動を示す。
• ひげの振動周波数は、シリンダーの渦剥離のストロハール周波数に正確にロックインしており、流れの乱れの検出が信頼性高く可能である。
• このメカニズムは受動的であり、微小な流れの揺らぎを増幅する特異なエネルギー移動プロセスに依存しており、1 mm/s までの低速流れの検出が可能である。
• ひげの形状が、接近する渦をかわしながら通過する能力を高め、感度および周波数選択性を向上させている。
• 広いパrameter範囲で動作可能であり、弱く遠く離れた流れ信号の検出において、従来のセンサーを上回る性能を示している。
• 応答は非常に選択性が高く、大振幅の振動は流れの乱れが存在する場合にのみ発生し、一様な流れでは発生しないため、効果的な受動的流れの乱れセンサーとして有効である。