ザリガニの嗅覚探索行動を模倣した高感度水中化学探査ロボットの開発

模仿小龙虾嗅觉搜索行为的高灵敏水下化学勘探机器人的研制

基本信息

批准号：
21650034
负责人：
石田寛
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2010
项目状态：
已结题

项目摘要

ザリガニは口元にある3対の顎脚を動かし、自ら水流を起こす。小触角にある嗅覚受容細胞に向けて周囲から匂いを集めることにより、水の流れが淀んだ環境でも高感度に餌の存在を検知する。昨年度は、顎脚を模倣したアームを2対備えた水中ロボットを作製し、水流で引き寄せた化学物質を辿って発生源の位置を突き止める実験に成功した。しかし、実際のザリガニの歩行速度に比べ、ロボットの移動速度を遅くしなければ、化学物質源の探知に成功しなかった。そこで今年度は、餌を探して歩き回っているザリガニが実際にどのような流れを作っているか、海外共同研究者であるハル大学(イギリス)のThomas Breithaupt講師と共に再調査した。餌を探すザリガニの行動をビデオカメラで撮影して観察した結果、ロボットに搭載したセンサに比べてザリガニの嗅覚の方が高感度であるだけでなく、ザリガニは状況に応じて顎脚の振り方を変えている可能性があり、その効果を検討する必要があるとの結論に至った。しかし、ザリガニの顎脚と同程度の大きさで、高い自由度を有するアームを作製するのは困難である。そこで、ポンプで生成した水流を様々な方向へ噴出し、ザリガニが作る水流を模倣することを目指した。数値流体力学シミュレーションを行って噴流の噴出方向を検討し、水平方向および斜め45度後方に噴流を生成できる装置を実際に作製した。噴流の向きを変えると、噴流に引き込まれて形成される流れ場が変化する。これにより、化学物質を引き寄せてくる方向や速さを制御できることが示された。さらに、流れがある環境でも化学物質源の探知が可能となるようにロボットを改良することを試みた。ザリガニは、流れがある環境で餌の匂いを検知すると、流れを遡る方向に向かい餌の所在を突き止める。この行動を模倣するため、化学物質を含む流れの方向を判定可能な電気化学センサを開発した。

小龙虾在他们的嘴附近移动三对下颌腿，并产生电流。通过从周围的环境中收集气味，即使在水流停滞的环境中，食物的存在也很敏感。去年，我们成功构建了一个水下机器人，其中有两对模仿下颌腿的臂，然后跟随水流吸引的化学物质，以确定源的位置。但是，如果机器人的运动速度不比小龙虾的实际步行速度慢，则不会成功检测到化学源。因此，今年，我们与海外合作者Thomas Breithaupt一起重新审查了小龙虾四处寻找食物的实际趋势。在拍摄和观察了用摄像机寻找食物的小龙虾的行为之后，我们得出结论，不仅小龙虾的气味比机器人中安装的传感器更敏感，而且小龙虾可能会根据情况改变下巴和腿部摇摆的方式，而且有必要考虑这些影响。但是，很难创建与小龙虾的下巴腿大小相同并且具有高度自由度的手臂。因此，目的是喷出泵朝各个方向产生的水流，模仿小龙虾产生的水流。进行了计算流体动力学模拟以检查喷气机的弹出方向，并实际上制造了一种能够在水平方向上产生喷气机的设备，并实际上制造了45度角。当射流重定向时，流场通过将射流变成射流而形成。这已被证明能够控制吸引化学物质的方向和速度。此外，我们试图改进机器人，以便即使在电流环境中也可以检测化学源。当小龙虾在当前环境中发现食物的气味时，它们会向后转动流动并找到食物的位置。为了模仿这种行为，我们开发了一种电化学传感器，该传感器可以确定包含化学物质的流动方向。