Morphing of flexible membrane wing using dielectric elastomer actuator/sensor

使用介电弹性体致动器/传感器实现柔性膜翼的变形

• 批准号: 22K14417
• 负责人: 藤田 昂志
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Kanazawa Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14417/
• 关键词: アクチュエータ; センサ; 高電圧; 空力; 空力制御デバイス; モーフィング

本研究は，外部環境をセンシングし最適な形状にモーフィングする柔軟膜翼の実現を目指す．本研究は，実現の鍵となるDEAによる柔軟膜形状のセンシング技術及び形状制御技術を構築・実証する．本研究により柔軟膜形状を自在に操ることで，将来的に図1に示すような，高空力特性・高制御性・高収納性のコウモリのような小型無人航空機の実現につなげる．このような特性の航空機は，地球での利用だけでなく火星探査飛行機としても有用である．本研究は，従来の剛体的な飛行機像を覆し，生物的な柔軟な飛行機の世界へと変革させる可能性を持ち，大きな波及効果が見込まれる．今年度は研究の1年目の活動として，主に実験環境の整備や，先行研究の再現実験，基礎データの取得などを実施した．また，誘電エラストマアクチュエータを翼に適用し，風洞試験を行った．ここでは，アクチュエータを駆動させながらその時の空気力や変形状態や流れ場を観察した．変形状態の計測には，ステレオ視の原理を利用したデジタル画像相関法を用いた．これにより，時々刻々の膜の変形状態を計測することができた．これらの活動を通して最終的に，本研究は従来のモーフィング技術では不可能だった「厚みがなく柔軟な膜翼」のモーフィングに挑む．一般的な厚翼のモーフィングでは，例えば翼内部をコルゲート構造にして変形させる研究等がある．しかし膜翼は翼に厚みがないため，そういった手法は適用できない．一方，薄翼のモーフィングでは，ピエゾ素子等の伸縮アクチュエータを薄板表面に貼って板をたわませる研究があるが，この手法も柔軟膜では機能しない．このように，これまでの翼モーフィング技術は柔軟膜翼には適用できない．対して本研究では，DEAを用いることで柔軟膜翼に対する独自の能動的モーフィング技術を提供する．

这项研究旨在实现一种可感知外部环境并变形为最佳形状的柔性膜翼。本研究将构建并演示利用DEA的柔性膜形状传感技术和形状控制技术，这是实现的关键。通过这项研究自由操纵柔性薄膜的形状，我们希望未来能够实现像蝙蝠一样具有高气动特性、高可控性和高存储容量的小型无人机，如图1所示。具有这些特性的飞机不仅可用于地球，还可用作火星探索飞机。这项研究有可能颠覆刚性飞机的传统形象，将世界转变为生物柔性飞机的世界，并有望产生巨大的连锁反应。今年作为研究的第一年，我们主要进行了实验环境的准备、前期研究的复制实验以及基础数据的获取。我们还在机翼上应用了介电弹性体致动器并进行了风洞测试。在这里，我们观察了驱动执行器时的气动力、变形状态和流场。为了测量变形状态，我们使用了利用立体视觉原理的数字图像相关方法。这使得可以不时地测量膜的变形状态。通过这些活动，这项研究最终将迎接变形“薄而灵活的膜翼”的挑战，这是传统变形技术不可能实现的。例如，在厚翼的一般变形中，有研究将翼的内部转变为波纹结构。然而，这种方法不能应用于膜翼，因为它们没有厚度。另一方面，在薄翼的变形中，有研究将压电元件等伸缩致动器附着在薄板的表面以使板弯曲，但这种方法也不适用于柔性膜。因此，传统的机翼变形技术不能应用于柔性膜机翼。相比之下，在这项研究中，我们使用 DEA 为柔性膜翼提供了一种独特的主动变形技术。