報 道 関 係 者 各 位 平 成 25 年 6 月 19 日 国 立 大 学 法 人 筑 波 大 学 国 立 大 学 法 人 東 京 工 業 大 学 水 泳 におけるヒトの 推 進 メカニズムを 水 泳 ロボットを 用 いて 世 界 で 初 めて 多 角 的 に 解 明 研 究 成 果 のポイント 1. 北 島 康 介 選 手 をはじめ 世 界 で 活 躍 するトップスイマーは 効 率 よく 水 中 で 高 い 推 進 力 を 生 み 出 しているはずだが その 推 進 メカニズムはこれまで 明 らかにされてこなかった 2. ヒト 型 水 泳 ロボットを 用 い 流 体 力 圧 力 分 布 計 測 流 れの 可 視 化 を 世 界 で 初 めて 同 時 に 実 施 し ヒトの 推 進 メカニズムを 多 角 的 に 解 明 した 3. 高 い 推 進 力 発 揮 には 昆 虫 の 飛 翔 などと 同 様 に 渦 の 発 生 が 関 与 しており 非 定 常 な 力 が 作 用 することにより 通 常 より 大 きな 力 が 発 生 することが 確 認 され 今 後 トップスイマーの 泳 技 術 改 善 への 応 用 が 期 待 される 国 立 大 学 法 人 筑 波 大 学 学 長 永 田 恭 介 ( 以 下 筑 波 大 学 という) 体 育 系 系 長 中 川 昭 高 木 英 樹 教 授 らの 研 究 グループは 水 泳 におけるヒトの 推 進 メカニズムを 世 界 で 初 めて 多 角 的 に 解 明 しま した 北 島 康 介 選 手 をはじめ 世 界 で 活 躍 するトップスイマーは 効 率 よく 水 中 で 高 い 推 進 力 を 発 揮 して いると 思 われますが その 推 進 メカニズムはこれまで 明 らかにされて 来 ませんでした その 理 由 は ヒトが 泳 いでいる 時 に 手 や 足 が 生 み 出 している 推 進 力 を 正 確 に 測 る 方 法 がなかったからです 加 え て 推 進 メカニズムを 解 明 するためには 生 み 出 された 力 だけでなく その 発 生 源 となる 手 や 足 に 作 用 する 圧 力 の 分 布 や 周 りの 水 の 流 れの 状 態 を 精 緻 に 把 握 すること 必 要 ですが ヒトを 対 象 とした 実 験 では 再 現 性 のある 正 確 なデータを 得 ることは 困 難 でした そこで 本 研 究 では ヒト 型 水 泳 ロボットを 用 い 回 流 水 槽 でヒトの 水 泳 動 作 を 再 現 させ 流 体 力 圧 力 分 布 計 測 流 れの 可 視 化 を 同 時 に 実 施 することによって 水 泳 におけるヒトの 推 進 メカニズムを 明 らかにしようとしました 分 析 の 結 果 手 部 の 角 度 や 速 度 を 適 切 に 変 化 させることで 手 部 周 りに 一 対 の 渦 が 発 生 し その 渦 の 効 果 により 非 定 常 な 力 が 惹 起 され 通 常 よりも 大 きな 推 進 力 が 生 じる 過 程 が 明 らかにされました この 知 見 は トップスイマーの 泳 技 術 のさらなる 改 善 に 向 けて 応 用 され ることが 期 待 されます 本 研 究 は 東 京 工 業 大 学 の 中 島 求 准 教 授 および 筑 波 大 学 システム 情 報 工 学 系 松 内 研 究 室 との 共 同 研 究 で イギリスのエルゼビア グループが 発 行 する 学 術 研 究 誌 Journal of Biomechanics 213 年 6 月 12 日 号 に 掲 載 されました 1
研 究 の 背 景 ロンドンオリンピックにおける 日 本 競 泳 陣 の 活 躍 は 記 憶 に 新 しいところですが 日 本 人 トップスイ マーは 体 格 で 劣 るハンディキャップを 泳 ぎの 技 術 で 克 服 し 世 界 と 戦 ってきました 水 中 での 推 進 技 術 を 高 めることは 大 変 重 要 なことですが 実 はトップスイマーがどうやって 高 い 推 進 力 を 生 み 出 し ているのか?そのメカニズムはよく 分 かっていませんでした その 理 由 としては そもそもヒトが 四 肢 を 動 かして 泳 いでいる 時 の 推 進 力 を 正 確 に 測 定 する 方 法 が 確 定 していない 事 が 挙 げられます 加 えて 仮 に 推 進 力 が 推 定 できても その 推 進 力 がどうやって 生 まれるのかを 解 明 するには 推 進 力 の 発 生 源 となる 手 や 足 に 作 用 する 圧 力 や 周 りの 水 の 流 れの 状 態 を 正 確 に 把 握 する 必 要 があるわ けですが ヒトを 用 いた 実 験 では 再 現 性 のある 正 確 なデータを 得 ることは 困 難 でした 推 進 メカニ ズムを 解 明 するためには 泳 動 作 中 の 推 進 力 圧 力 分 布 流 れの 可 視 化 を 正 確 かつ 同 時 に 計 測 で きるシステムを 構 築 する 必 要 がありました 研 究 内 容 と 成 果 本 研 究 では 東 京 工 業 大 学 の 中 島 研 究 室 筑 波 大 学 システム 情 報 工 学 系 の 松 内 研 究 室 筑 波 大 学 体 育 系 の 高 木 研 究 室 の 三 者 が 協 力 し 独 自 の 技 術 を 持 ち 寄 ることで 水 泳 運 動 における 推 進 メカニズムを 解 明 するための 新 たな 計 測 システムを 構 築 しました 具 体 的 には 中 島 研 究 室 の 開 発 したロボット( 図 1) 1 を 用 い 筑 波 大 学 の 回 流 水 槽 においてヒトの 泳 ぎを 再 現 させ 手 部 で 生 み 出 さ れた 推 進 力 を 測 定 しました また 松 内 研 究 室 が 培 った 粒 子 画 像 流 速 計 測 技 術 2 を 導 入 し 泳 動 作 中 の 手 部 周 りの 流 れ 場 を 解 析 し 流 速 分 布 や 渦 の 発 生 状 況 を 可 視 化 しました さらに 高 木 研 究 室 が 開 発 した 圧 力 分 布 計 測 技 術 3 を 利 用 して 推 進 力 の 発 生 源 となる 手 部 周 りの 圧 力 分 布 を 計 測 しま した 3つの 技 術 それぞれに 高 いオリジナリティーを 持 つわけですが 本 研 究 ではこれらの 技 術 を 三 位 一 体 とし 世 界 で 初 めて 水 泳 におけるヒトの 推 進 メカニズムを 多 角 的 に 解 明 することに 取 り 組 みました 実 験 の 結 果 大 きな 推 進 力 が 発 揮 される 局 面 において 手 部 の 周 りに 一 対 の 渦 発 生 が 確 認 され ました( 図 2) その 渦 の 作 用 によって 手 の 甲 側 にジェット 流 が 生 まれ その 流 れが 手 の 甲 側 の 圧 力 低 下 を 引 き 起 こすと 要 因 となっていると 考 えられます( 図 3) このように 手 の 甲 側 の 圧 力 が 低 下 する と 手 のひら 側 との 圧 力 差 が 拡 大 し 結 果 的 に 物 体 に 作 用 する 力 が 大 きくなるのです このような 渦 による 非 定 常 な 流 体 力 の 発 揮 は 昆 虫 などでは 確 認 されていましたが 本 研 究 により ヒトの 水 泳 運 動 においても 起 こる 事 が 明 らかとなりました 今 後 の 展 開 今 後 は 水 泳 ロボットの 動 作 を 様 々に 変 化 させ どのような 動 きをさせた 時 に 推 進 力 がより 大 きく なり その 時 どんな 流 体 力 学 的 現 象 が 起 きているのかの 解 明 を 進 め 泳 技 術 のさらなる 改 善 へ 応 用 していきます 最 終 的 には 世 界 最 速 の 泳 ぎを 実 現 させるための 究 極 の 泳 技 術 の 確 立 を 目 指 し ています 本 研 究 は 日 本 学 術 振 興 会 の 科 学 研 究 費 補 助 金 の 支 援 により 実 施 しました 2
参 考 図 図 1 水 泳 ロボット 5つの 自 由 度 を 持 ち 内 蔵 されたモータをコンピューターで 制 御 することで ヒトの 水 泳 運 動 を 再 現 す ることができます 各 関 節 には 歪 計 が 取 り 付 けられており 力 およびモーメントが 計 測 可 能 です ( 東 京 工 業 大 学 中 島 研 究 室 作 製 ) 3
.4 s2 x = -.34.4 s2 x = -.34.3 Maximal vorticity Little finger.3 Thumb Minimal vorticity -.5 -.4 -.3 - - -.5 -.4 -.3 - -.4 s2 x= -.313.4 s2 x = -.313.3.3 -.5 -.4 -.3 - - -.5 -.4 -.3 - -.4 s2 x = -79.4 s2 x = -79.3.3 -.5 -.4 -.3 - - -.5 -.4 -.3 - - 図 2 泳 運 動 中 に 最 大 の 推 進 力 が 発 揮 された 局 面 における 流 れ 場 の 様 子 6つの 図 の 内 右 の 列 は 手 部 周 りの 水 の 流 れの 速 度 分 布 を 示 しており 左 の 列 は 渦 度 を 示 してい る 青 色 は 右 回 り 赤 色 は 左 回 りの 渦 を 示 し その 濃 さは 渦 の 強 さを 表 している また 上 段 から 中 段 下 段 へと.7 秒 ごとの 変 化 を 示 し 中 段 から 下 段 にかけて 推 進 力 が 最 大 となった 4
.4.3 V Γ Shedding vortex Drag -Γ Induced flow Lift Attached vortex -.5 -.4 -.3 - - 図 3 推 進 力 が 最 大 となった 局 面 での 流 れ 場 の 詳 細 手 部 から 放 出 された 渦 ( 赤 色 :Shedding vortex)と 手 の 甲 側 に 付 着 した 渦 ( 青 色 :Attached vortex) が 対 を 成 して 存 在 していることがわかる この 渦 対 は 互 いに 反 対 方 向 に 回 転 しているので 渦 の 間 にジェット 流 が 発 生 し 青 色 の 右 回 りの 渦 は 手 の 甲 側 に 回 り 込 みながら 回 転 をしている その 渦 流 れによって 手 の 甲 側 の 圧 力 は 大 きく 低 下 し 通 常 の 状 態 より 大 きな 流 体 力 (Drag Lift)が 発 生 して いると 推 察 される これらの 力 を 非 定 常 流 体 力 と 呼 ぶ 5
用 語 解 説 注 1 ヒト 型 の 水 泳 ロボットを 開 発 した Nakashima, M., Takahashi, A., Year Measurement of Unsteady Fluid Force Acting on Limbs in Swimming Using a Robot Arm. In International Society of Biomechanics XXI. Taipei International Convention Center, Taiwan. 2 ヒトの 水 泳 時 における 推 進 局 面 を 初 めて 可 視 化 した Matsuuchi, K., Miwa, T., Nomura, T., Sakakibara, J., Shintani, H., Ungerechts, B.E., 29. Unsteady flow field around a human hand and propulsive force in swimming. Journal of Biomechanics 42, 42-47. 3 ヒトの 水 泳 時 における 手 部 の 圧 力 分 布 を 初 めて 計 測 した Takagi, H., Wilson, B., 1999. Calculating hydrodynamic force by using pressure differences in swimming, in: Keskinen, K.L., Komi, P.V., Hollander, A.P. (Eds.), Biomechanics and Medicine in Swimming VIII. Gummerus Printing, Jyväskylä, pp. 11-16. 掲 載 論 文 題 名 : Unsteady hydrodynamic forces acting on a robotic hand and its flow field 日 本 語 訳 : ロボットの 手 部 に 発 生 する 非 定 常 流 体 力 とその 流 れ 場 著 者 : 高 木 英 樹 中 島 求 尾 崎 尚 松 内 一 雄 ジャーナル 名 : Journal of Biomechanics 発 行 日 : 213 年 6 月 12 日 問 合 わせ 先 高 木 英 樹 (たかぎ ひでき) 筑 波 大 学 体 育 系 教 授 中 島 求 (なかしま もとむ) 東 京 工 業 大 学 大 学 院 理 工 学 研 究 科 機 械 制 御 システム 専 攻 准 教 授 6