鰭の柔らかさと動きのしなやかさがもたらす移動能力と機動性向上の解明

阐明鳍片的柔软性带来的运动和灵活性的改善

• 批准号: 22K03977
• 负责人: 高木 力
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03977/
• 关键词: バイオメカニクス; 魚類; 遊泳; 鰭; ヒレ; 柔軟

魚類の遊泳運動時における推力などの流体力学的解析は，CFDやPTV解析といった流体解析技術の登場により，より現実的で細緻な解析が可能となってきている。しかしながらCFD解析では実際の魚類の柔軟な動きを解析に取り込むことは困難であり，PTV解析でも渦などの立体構造を計測することは難しい。本研究では魚類の尾鰭に焦点を当て，この柔軟な性状が推力創出の機能性向上をどのように実現しているのか，尾鰭を対象とした高速度撮影と周辺流れ場のPTV解析を通して明らかにする。さらに，尾鰭運動そのものにも着目し，単純な調和振動だけでなく，尾鰭運動の柔軟な変化が個体移動の機動性能向上にどのように役立っているのか分析する。本年度得られた成果は以下の通りである。一般的な魚類は尾鰭振動により魚体後方域に渦輪を形成し，そこから生成されるジェットの反作用で推力を得ている。そのため，後流域の渦度の状態を詳しく分析することは個体の推力発生メカニズムを知る上で重要だが，従来の一般的なPTV解析（粒子移動追跡法）では単層のシート光上の流れ場だけしか捉えることができないため，渦輪の立体構造までを調べるためには十分でなかった。そこで，本研究では，波長の異なる2層のレーザーシート光を照射することによって，渦輪形成の空間的状態を調べることにより，渦度の空間構造が評価できるか試みた。実験供試魚はマアジで，複層のシート光で計測された流れ場から導出された循環は，尾鰭振動の周期と振幅に同調して変化することが確認された。また，計測面に対する尾鰭の位置の変化が循環の値にどのように影響するか分析したところ，尾叉から離れるに従って循環の値が小さくなる様子が確認され，複層シート光による計測が有効であることが確認された。

The analysis of fluid dynamics in the swimming movement of fish is based on CFD and PTV analysis. CFD analysis is difficult to analyze in real time the soft motion of fish, PTV analysis is difficult to measure the three-dimensional structure of vortices In this study, the focus of fish caudal fin, the flexibility traits, thrust creation and functional upward movement are realized, and the caudal fin image, high velocity image and PTV analysis of circumferential flow field are communicated. In addition, tail fin movement and hand contact, pure harmonic vibration, tail fin movement flexibility and individual mobility upward and downward mobility analysis. This year's achievements are as follows: General fish tail fin vibration, fish body rear region turbine formation, and so on to generate a reaction force. The state of vorticity in the rear basin is analyzed in detail, and the thrust generation of the individual is analyzed in detail. The general PTV analysis (particle movement tracing method) is used to analyze the flow field in the light of the single layer. The three-dimensional structure of the turbine is adjusted. In this study, two layers of light with different wavelengths are irradiated, and the spatial state of turbine formation is modulated. The spatial structure of vorticity is evaluated. For the test fish, the period and amplitude of the tail fin vibration are determined by the measurement of the multi-layer flow field. The position of the tail fin in the measurement plane is changed to the value of the tail fin. The analysis shows that the position of the tail fin in the measurement plane is changed to the value of the tail fin in the measurement plane.