Analysis of the musculoskeletal system of dolphins during tail stand and development of an underwater propulsion mechanism based on the musculoskeletal structure

海豚尾立时肌肉骨骼系统分析及基于肌肉骨骼结构的水下推进机构研制

基本信息

批准号：
22K04026
负责人：
小林俊一
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Shinshu 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 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

水棲生物の中でもイルカの運動能力は高く、胴体を水上に持ち上げる立ち泳ぎができる。しかし、その立ち泳ぎの力学的な解析はまだ検討されておらず、どのようにしてイルカは立ち泳ぎを実現しているのかが十分に明らかにされていない。特に、解剖学的な視点からはない。そこで、本研究課題では、イルカの立ち泳ぎにおける筋骨格系のモデル化を行い、その逆動力学解析によって、イルカ筋骨格系の力学的状態を加えた、より総合的な立ち泳ぎのメカニズムを明らかにする。これにより、水族館など、イルカを飼育する環境でのトレーニングや健康管理に参考となる資料を提供する。さらに、解明した立ち泳ぎのメカニズムを、イルカの尾びれを規範としたフィンによる水中推進機構に技術的に移転させ、高推力化を実現させる。これにより生物規範型の水中推進機構に、単なる遊泳だけでなく、推力向上による水中における物体の保持、物体の水上へのリフトアップ技術などの実現といった、新たな動作タスクの創出につなげる。２０２２年度は、カマイルカがその場で立ち泳ぎをする「静止立ち泳ぎ」を名古屋港水族館において撮影、その映像から3次元動作解析を行い、立ち泳ぎ動作の時系列データを構築した。この結果、立ち泳ぎ時の上体高さ（リフトアップ量）が大きくなると、揺動振幅を少なくさせて揺動周期を短く（振動数を高く）することがわかった。次に、立ち泳ぎ動作の時系列データを用い、数値流体計算によってイルカの立ち泳ぎ時の尾びれにかかる流体力の解析を行なった。また、イルカの解剖学の研究報告からイルカの筋骨格系のモデル化を行い、今後の逆動力学解析に適用するための立ち泳ぎ動作時における筋骨格系の挙動を検討した。

在水生生物中，海豚具有出色的运动能力，可以一边游泳一边将身体举出水面。然而，目前尚未对跑步机游泳的力学分析进行研究，目前尚不完全清楚海豚是如何实现跑步机游泳的。尤其是从解剖学的角度来看。因此，在这个研究项目中，我们将对海豚游泳时的肌肉骨骼系统进行建模，并通过逆动力学分析，揭示包括海豚肌肉骨骼系统力学状态在内的更全面的游泳机制。这将为水族馆等饲养海豚的环境中的培训和健康管理提供参考资料。此外，我们还将从技术上将阐明的游泳机制转移到使用模仿海豚尾鳍的鳍的水下推进机制，以实现高推力。这将为生物规范水下推进机制创造新的运动任务，例如不仅是简单的游泳，还包括通过增加推力将物体固定在水下并将物体提升到水面的技术。 2022财年，我们在名古屋港水族馆拍摄了白尾海豚的“静态游泳”，对镜头进行了3D运动分析，并创建了游泳动作的时间序列数据。结果发现，当游泳时身体高度(抬起量)增加时，摆动幅度减小并且摆动周期缩短(振动频率增加)。接下来，利用游泳运动的时间序列数据，我们通过计算流体计算分析了游泳过程中施加在海豚尾鳍上的流体力。此外，我们根据海豚解剖学的研究报告创建了海豚的肌肉骨骼系统模型，并研究了游泳运动时肌肉骨骼系统的行为，以便将其应用于未来的逆动力学分析。