Development of Biomimetic Soft Underwater Robot Mimicking Three-dimensional Fish Muscle Structure

本研究は魚の高性能な筋構造を規範とした高性能駆動モジュールの開発、および開発した駆動モジュールを用いて魚の柔軟な構造と推進メカニズムを規範とした高性能な立体魚型ソフト水中ロボットの実現を目的とした。魚の胴体の効率的な曲げ収縮を行う左右一対の「体側筋」を構成する筋節の、円錐が連結した様な構造（以下、連結円錐構造）には変位を力に、力を変位に変換するギヤの様な効果があるとされている。そこで、この効果と腱に対し角度がついた筋繊維の配向性から羽状筋と類似したメカニズムであると仮説を立て、羽状筋のモデルを元に魚の体側筋の筋節構造を簡略化したモデルを構築した。また、駆動モジュールに用いる人工筋肉として、生体筋相当の大ひずみと加工性を利点とする誘電エラストマーアクチュエータ(以下、DEA)を採用し、魚類の体側筋の左右一対の拮抗配置を「チューブ型DEAモジュール」により模倣した胴体屈曲推進ロボットを開発した。本ロボットは汎用的な構造で魚と共通の推進メカニズムの推進を実現した。連結円錐構造を簡略化したモデルに基づいて円錐型DEAを組み合わせた「連結円錐型DEA駆動モジュール」を開発した。円錐を入子状に配置しDEAの変形を背骨に対して並列接続・直列接続する２タイプを開発した。並列接続タイプは各円錐型DEAの頂部パーツに穴とワイヤを設け、ワイヤを隣の円錐型DEAの先端パーツの穴を通して並列接続した駆動モジュールであり、生体筋肉に匹敵する大ひずみ・高エネルギー密度を実験で確認した。直列接続タイプでは各円錐型DEAの底部パーツを隣の頂部パーツと接続しDEA同士が直列に接続された駆動モジュールである。連結した直列接続タイプの「連結円錐型DEA並列アレイ」を拮抗配置にして胴体屈曲運動を行う設計をした魚型水中ロボットを制作し、絶縁流体中で推進実験を行い魚のような推進（推進速度52mm/s）に成功した。

本研究は魚の高性能な筋構造を規範とした高性能駆動モジュールの開発、および開発した駆動モジュールを用いて魚の柔軟な構造と推進メカニズムを規範とした高性能な立体魚型ソフト水中ロボットの実現を目的とした。魚の胴体の効率的な曲げ収縮を行う左右一対の「体側筋」を構成する筋節の、円錐が連結した様な構造（以下、連結円錐構造）には変位を力に、力を変位に変換するギヤの様な効果があるとされている。そこで、この効果と腱に対し角度がついた筋繊維の配向性から羽状筋と類似したメカニズムであると仮説を立て、羽状筋のモデルを元に魚の体側筋の筋節構造を簡略化したモデルを構築した。また、駆動モジュールに用いる人工筋肉として、生体筋相当の大ひずみと加工性を利点とする誘電エラストマーアクチュエータ(以下、DEA)を採用し、魚類の体側筋の左右一対の拮抗配置を「チューブ型DEAモジュール」により模倣した胴体屈曲推進ロボットを開発した。本ロボットは汎用的な構造で魚と共通の推進メカニズムの推進を実現した。連結円錐構造を簡略化したモデルに基づいて円錐型DEAを組み合わせた「連結円錐型DEA駆動モジュール」を開発した。円錐を入子状に配置しDEAの変形を背骨に対して並列接続・直列接続する２タイプを開発した。並列接続タイプは各円錐型DEAの頂部パーツに穴とワイヤを設け、ワイヤを隣の円錐型DEAの先端パーツの穴を通して並列接続した駆動モジュールであり、生体筋肉に匹敵する大ひずみ・高エネルギー密度を実験で確認した。直列接続タイプでは各円錐型DEAの底部パーツを隣の頂部パーツと接続しDEA同士が直列に接続された駆動モジュールである。連結した直列接続タイプの「連結円錐型DEA並列アレイ」を拮抗配置にして胴体屈曲運動を行う設計をした魚型水中ロボットを制作し、絶縁流体中で推進実験を行い魚のような推進（推進速度52mm/s）に成功した。