VI. 研究および発表論文


1. 研究課題とその概要
海中工学研究センター

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第49号 2000年度
2001.8.23


1. 航行型海中ロボットの研究

教授 浦 環, 客員教授 高川 真一, 浅川 賢一

助手 能勢 義昭, 技術官 坂巻 隆

 深海の高い水圧環境は人類を容易に寄せつけない. そこで, 深海底の広範囲な調査を目的とした, 消費エネルギーの少ない小型の航行型ロボットの出現が望まれる. 自動操縦, 自動位置検出装置を備えた自律航行型潜水艇の研究開発を行い, そのプロトタイプとしてプテロア150, アルバック, およびアールワン・ロボット, またテストベッドとしてマンタ・チェルシアを製作し, 自律航行実験を行っている.

2. 長時間航行できる海中ロボットの研究

教授 浦 環, 客員教授 高川 真一

教授(東北大)藤本 博巳, 教授(北海道大)蒲生 俊敬

技術官 坂巻 隆, 受託研究員 小原 敬史, 大学院学生 川野 洋

 エネルギ源として閉鎖式ディーゼルエンジンを用い, 最大3ノットの速度で24時間航行できる海中ロボットの研究開発を行っている. 第一段階として400mの深度へ潜航できるプロトタイプ「アールワン・ロボット」を開発し, 1996年8月21日田辺市沖で連続4時間の潜航, 1998年6月16日には同海域で連続12時間37分の潜航に成功した. さらに2000年10月19日−22日に手石海丘の全自動観測に成功し, 鮮明なサイドスキャンソナーイメージを得た.

3. 海中ロボットの自律航行に関する基礎研究

教授 浦 環, 助教授 藤井 輝夫, 助手 能勢 義昭

技術官 坂巻 隆, 研究員 川口 勝義・黒田 洋司・石井 和男

大学院学生 Hassan Sayyaadi・近藤 逸人・川野 洋・金 岡秀・柳 善鉄

大学院学生 板井 伸幸・今井 拓水・野瀬 浩一, 研究生 瀬川 進

 海中ロボットのより高い自律性を確保するためには, 取り扱いやすいテストベッドが必要である. テストベッドは浅い海域やプールでの航行試験を通じて, ソフトウェアが開発される. 外環境に対する多くのセンサを持ち, 運動自由度の大きな推進器群を装備する海中ロボットを製作し, その上に分散型運動制御システムを構築して海中ロボットの自律性の研究を行っている. 自律性の一環として, 画像を利用した高度な行動機能の開発を行っている. また, 計算機上で複数ロボットの群行動や遠隔操縦をシュミレーションするシステムを実現し, ロボットの行動研究を行っている. また新型のテストベッドロボット「Tri-Dog 1」を製作した.

4. ニューラルネットによるシステム同定の研究

教授 浦 環, 研究員 石井 和男, 大学院学生 Hassan Sayyaadi

 複数入力複数出力で, 非線形性が強く, 相互干渉の大きいロボットシステムをニューラルネットによって実現する手法を開発している. 本システムを用いて航行型海中ロボットの定高度維持航行あるいは有索潜水機の運動の制御を行っている.

5. 画像を用いた海中での行動決定機構に関する研究

教授 浦 環, 助教授 藤井 輝夫, 大学院学生 柳 善鉄, 研究生 瀬川 進

 ロボットの視覚を用いた信頼できる行動決定機構を研究開発している. 画像情報は多くの情報を含むが, 水中では, マリンスノーの散乱や, 照明むらなど処理しなければならない外乱が多い. しかし, ケーブルのトラッキングや魚類の追跡など画像を用いなければできないミッションも多い. ここでは, 自律型海中ロボットのテストベッド「ツインバーガー」と「Tri-Dog 1」を使ってこうしたミッションを確実に遂行できるシステムを構築している.

6. 自律型海中ロボットによる魚類・鯨類観測

教授 浦 環, 客員教授 浅川 賢一, 助手 能勢 義昭, 大学院学生 岩上 寛

 座頭鯨の鳴音を聞き, これを認識して位置を探査し, 自律型ロボットがこれを追跡するという総合システムの構築を行っている. 2000年3月および2001年3月に沖縄県座間味島沖にて観測実験を行った.

7. 湖沼環境調査ロボットの研究開発

教授 浦 環, 助手 能勢 義昭, 研究員 黒田 洋司, 大学院学生 近藤 逸人

 生活に密着する湖沼の環境調査を行うにあたっては, 移動ロボットをプラットフォームとして用いて自動的かつ定期的に調査を行えば空間的時間的な分解能が向上する. 本研究では湖沼調査を専用とする自律型潜水ロボットの研究開発を琵琶湖研究所他と共同して行っており, 2000年3月には琵琶湖専用ロボット「淡探」が完成した.

8. 深海調査ロボットの研究開発

教授 浦 環, 客員教授 浅川 賢一, 助教授 藤井 輝夫

 大深度海底に沈没した船舶や航空機を簡便に探査するロボットシステムを, 国立研究所や民間共同研究機関と共同で開発している. 当面のターゲットは2500m深度に沈没しているロシアのタンカー「ナホトカ号」の主船体部分である.

9. 粉粒体の輸送の研究

教授 浦 環, 協力研究員 太田 進

 微粉精鉱・微粉炭・粉炭などの輸送は穀類などのばら積み貨物輸送とは同等に扱えない. こうした粉粒体の動力学ならびに安全でかつ経済性を重視した輸送工学の研究を振動3軸試験などの基礎実験を基として実験的・解析的におこない, 1999年度にはニッケル鉱の安全輸送に関するガイドラインを作成した. また, 新しい貨物を液状化物質として扱うべきかどうかの簡易試験法を開発し, IMO(国際海事機関)で議論を進めている.

10. 海事の安全に関する研究

教授 浦 環

 海難事故は, 当事者のみならず, 第三者にも大きな影響を及ぼす. タンカーの衝突による原油の流出はその代表である. 流出するのは貨物のみならず, 燃料油も問題である. ハードウェアとしての船舶, 船具, 運行者, あるいはそれを取り巻く国際規則は, こうした海洋環境の維持に関係する. これらの大きなシステムを健全に維持するには, 旧態然とした考え方ではできることが限られる. 人的な要因の究明と除去や旗国の管理を含めた新たな海事の安全に関する思想が必要である. 具体的には英国でのシー・エンプレス号事故を対象として分析を進め, 啓蒙書を出版し, 安全思想の普及に努めている.

11. 船舶のライフサイクル・アセスメント

教授 浦 環, 大学院学生 加藤 陽一

 船舶は, NOxを大気中に放出する大きな要因である. 燃料消費も多大であり, 解徹は多くの産業廃棄物を生む地球環境のなかで, 船舶あるいは船舶輸送がどのように影響を与えているか, 他の輸送手段と比較すると優劣はどうか, あるいは, どう改良すべきかなどは, 船舶の一生を通じた評価が必要である. これをライフサイクル・アセスメントの手法により研究している. また, 2001年1月には, 世界の大型船舶の大多数を解徹しているインドのアラン地区の調査を行った.

12. 海底測地技術の開発研究

教授 浅田 昭

 海洋プレートの沈み込みにともなう, プレート境界から陸部にいたる広域の変動ベクトルの精密計測を可能にするため, 海底にGPSと音響により中継した音響基準ネットを展開し地殻変動を観測する手法の研究開発を行うものである. 海上GPS測位と音響測距とを組み合わせた海底地殻変動監視観測を実現するために, 観測機器の開発を行い, 観測手法を確立し, 海上保安庁と共同して熊野灘, 三宅島西方, 釜石沖に海底基準局を設置し, 5−10年の長期観測を実施している. また, そのデータ解析手法の開発を行い, 海底基準局の位置をセンチメートル精度で計測する解析手法を開発してきた.

13. マルチビーム音響測深機に合成開口手法を適用し海底地形変動を計測する手法の開発研究

教授 浅田 昭

 海底地震や海域火山の多発するわが国においては, 時間的に変動する海底の地殻変動(地形変動)をマッピングする手法を研究開発することが自然防災研究として望まれている. このため, 船の位置をセンチメートル精度で捉えることを可能としたGPS技術を利用し, 船底装備のマルチビーム音響測深機の送受波器の移動を高精度で捉え, 計算機後処理により仮想的に長大な送波器を作り送波ビームの前後幅を極度に狭めて海底地形・画像を高分解能で計測する研究を行っている. 今までに, GPSと組み合わせたマルチビーム音響測深機の合成開口手法の開発を行い, 実際に海底地形を高分解で計測できる実証を行ってきた. 現在, 比較する2計測間から地形変動を検出する手法の研究を行っている.

14. 海底地形の計測技術の高度化, ビジュアル解析手法の開発研究

教授 浅田 昭

 浅海域から深海底までの海底地形を計測・解析する様々な手法の高度化の研究を行っている. 例えば, 浅海用マルチビーム音響測深の誤差要因を研究し精度評価手法の開発, 様々な種類の海底地形計測データを効果的にビジュアル編集するソフトウエアの開発, 静止画による地形・音響画像よりはるかに情報量が多く解析能力の高い音響画像と海底地形を重ね合わせた3次元のリアルアニメーション手法の開発, 日本全国周辺の詳細な海底地形アニメーション集の開発, 日本全国周辺海域の500m, 150mグリッドデータの開発などを行い様々な海洋計測活用に提供・利用されている.

15. 微小スケール反応・分析システムに関する基礎研究

助教授 藤井 輝夫, 助手 山本 貴富喜

研究機関研究員 Jong Wook Hong

 マイクロファブリケーションによって製作した微小な容器や流路内を化学反応や分析に利用すると, 試薬量や廃棄物の量が低減できるだけでなく, 従来の方法に比べて高速かつ高分解能の処理が可能となる. 本研究では, そうした処理を実現する反応分析用マイクロチップの製作方法の基礎研究を行うと同時に, 微小空間に特有の物理化学現象について基礎的な検討を行っている.

16. マイクロチップを用いた現場微生物分析システムの基礎研究

助教授 藤井 輝夫, 研究実習生 福場 辰洋, 助教授(広島大学)長沼 毅

研究副主幹(海洋科学技術センター)許 正憲

 海中あるいは海底面下に存在する微生物の性質を調べるためには, サンプリングした海底泥を地上で分析するだけでなく, 例えば現場での遺伝子の発現状態を把握することが重要である. 本研究では, マイクロチップによる分析技術を応用して, 海底大深度掘削孔内や自律海中ロボットなどの移動プラットフォームに搭載可能な小型の現場微生物分析システムの実現を目指している. 本年度は, 簡単なマイクロチップ試作システムを深海探査機「かいこう」に搭載して, 基礎的な実験を行った.

17. 生化学反応用マイクロリアクターの開発

助教授 藤井 輝夫, 助手 山本 貴富喜

 マイクロリアクターはデッドボリュームが小さいために微量のサンプルで反応が行えるだけでなく, その製法上, ヒータやセンサデバイスなどの集積化やリアクターそのものの並列化が容易であるという特徴を持つ. こうした特徴を活かして, ポストゲノムシーケンス時代に要求される大量の遺伝情報の効率的な翻訳を行うシステムとして, 無細胞系の蛋白質合成を行うマイクロリアクターの開発を進めている.

18. PDMSマイクロチップを用いた集積型遺伝子解析システムの開発

助教授 藤井 輝夫, 研究機関研究員 Jong Wook Hong

研究実習生 金田 祥平, 助教授(東京大)関 実

 PDMS(polydimethylsiloxane)マイクロチップは, 簡単なモールディングプロセスで製作できるだけでなく, フラットな平面に対する自己吸着性を有するため, 特殊な接合プロセスを経なくても, チップ上に形成した構造をシールすることができる. このPDMSマイクロチップ上で, 遺伝子増幅反応やDNAの電気泳動分離さらには, 蛋白質合成など, 必要な一連の操作を行うことが可能な, 集積型の遺伝子解析システムの開発を進めている.

19. 微量液体ハンドリングシステムの研究

助教授 藤井 輝夫, 研究実習生 金田 祥平

 微小スケール反応分析システムを実現するためには, リアクターや分析チップなどの構成要素間において, 微量の液体を自由に運んだり, 混ぜ合わせたりする手段を用意しなければならない. 本研究では, 従来の連続流動式の液体操作方式とは異なる, 液滴ベースの液体ハンドリング手法を提案すると同時に, これを実現するための基本構造であるHMCV(Hydrophobic MicroCapillary Vent)を有する液滴操作デバイスを製作し, nLからpLスケールの液体操作について検討を進めている.

20. マイクロ構造を用いた真正粘菌変形体における振動現象の観察と解析

助教授 藤井 輝夫, 協力研究員 高松 敦子

 真性粘菌変形体には, その固有の性質として原形質流動に由来する変形体厚みの振動現象が見られる. マイクロ構造内において粘菌変形体を培養し, その形状をパターニングすることによって, 複数の変形体間の結合強度や情報伝達の時間遅れのパラメータを調節することができる. 本研究では, それらのパラメータを変化させることによって, 複数の変形体間の振動の相互引き込み現象を観察すると同時に, 高次の非線形振動子結合系のモデルとして, その解析を進めている.

21. モジュール型ロボットの研究開発

助教授 藤井 輝夫, 研究実習生 宿谷 光司, 副主任研究員(理化学研究所)淺間 一

 多数の均質なモジュールによって構成されるロボットシステムでは, 各モジュールがそれぞれ自律分散的に動作することによって, モジュール間の相対位置を変化させることができるので, システム全体として目的に応じた形状を柔軟に実現できる. また, 生物における細胞などと同様に, 特定のモジュールが故障した際にも, 他のモジュールで置き換えることが可能である. バッテリ, マイクロプロセッサ, センサ及び赤外線通信ユニットを搭載した自律モジュールを製作して, 環境の地形変化に対応して柔軟に形状を変化させる動作を実現すると同時に, 地形そのものを認識する機能について検討を進めている.

22. センサ情報に基づく移動ロボットの自己診断システムの開発

助教授 藤井 輝夫, 研究員(理化学研究所)川端 邦明, 副主任研究員(理化学研究所)淺間 一

 移動ロボットが長時間安定して動作するためには, ロボットを構成する各サブシステムやサブシステム間の接続が正常に行われているか否かを, 自律的に判断し, 不具合のある場合には, その程度に応じて適切な処理を行う機能が必須である. 本研究では, ロボットに一般に搭載されるセンサ系とは別に, 各サブシステムおよびそれらの間の配線部分に多数のセンサを配置し, その出力に基づいて, 自動的に不具合を検出, 診断するシステムの開発を進めている.

23. 脳の計算理論に基づく‘移動’機能の構築

助教授 藤井 輝夫, 研究員(理化学研究所)川端 邦明, 副主任研究員(理化学研究所)淺間 一

 移動ロボットや自動車, 船などの移動体のナビゲーションは, 一般にGPSや慣性航法装置などによって得られる‘座標’ならびに‘時間’に基づいて行われる. そのため, 座標を得るためのポジショニングシステムやマップのデータのない環境で, それらの移動体を自律的に走行させることはきわめて困難である. これに対して本研究では, 座標や時間などの値を明示的に使用せずに, ‘移動’機能を構築することを目指して, 生き物の脳で行われている情報処理をモデルとした新しいナビゲーション機構の開発を進めている.

24. 衛星計測による海洋環境情報の解明に関する情報

助教授 林 昌奎, 教授 前田 久明・木下 健

 衛星によるリモートセンシング技術の発達と共に, 地球規模の計測が可能になり, 衛星計測データを用いた様々な方面からの地球環境に関する研究が行われている. 衛星計測の利点は, 言うまでもなく, 広領域の情報を持続かつ安定的に取得できることであろう. 本研究では, 衛星計測による持続かつ安定的な波浪, 海氷などの海洋環境情報の取得ための解析法開発を目指して研究を進めている.

25. 衛星海氷データを用いた海氷移動・分布の数値予測システムの構築に関する研究

助教授 林 昌奎, 教授 前田 久明

 北極海のような氷海域を開発・利用するためには, 海氷の分布・移動に関する正確な情報が必要になる. 海氷の移動距離は1日で, 50 kmを越える場合もあり, 氷海域を航行する船舶ならびに海洋構造物には脅威的な存在である. 本研究では, 氷海域の氷の分布及び移動を, 衛星によるリモートセンシングデータから得られた海氷の状況に関する情報と気象情報を用いて, 数値的に予測し, ネットワークなどを通して得られた情報を提供する総合システムの開発を行っている. 本年度は, 開発した海氷運動シミュレーションモデルを用い, オホーツク海及び北極海など実海域での氷況変動予測を行った.

26. 能動型マイクロはセンサーによる波浪情報開明に関する研究

助教授 林 昌奎, 技術官 岡田 和三, 大学院学生 深井 英五

 海洋の波浪現象は時空間的変動が激しく, 計測方法も限られているため, 広範囲にわたる海洋の波浪情報を得るのは極めて困難である. この研究では, 能動型マイクロはセンサーであるマイクロは散乱計または合成開口レーダーを用いたリモートセンシングによる海洋波浪計測方法の開発を行っている. 今年度は, 実験水槽にて発生させた波浪水面のマイクロ波散乱計測の基礎となる, 近距離及び室内でのマイクロ波散乱計測の特性について調べを行った.

27. 海洋波の方向スペクトルならびにその中での海洋構造物の挙動に関する研究

教授 前田 久明, 研究員 増田 光一, 助教授 林 昌奎

助手 居駒 知樹, 大学院学生 藤田 尚毅

 海洋波の方向スペクトルならびにその中での海洋構造物の挙動の計測法, 解析法, 試験水槽での実験法の確立を目的とする. 今年度は, 実験開始時に所定の海洋波スペクトルを有する不規則波となる造波信号の作成法を開発し, 2方向不規則波中での長時間実験に可能性を開いた. また2方向不規則波中での超大型浮体の理論計算を検証するための実験法を開発した.

28. 浮体・ライザー管付・係留索の相互干渉を考慮した全体システムの挙動解析法の開発

教授 前田 久明, 研究員 増田 光一, 助教授 林 昌奎

大学院学生 加納 裕三, 大学生 山田 秀一郎

 大水深域で使用されるフレキシブルライザー管の付いた係留浮体の浮体・ライザー管・係留索の相互干渉を考慮した全体システムの風, 波, 潮流中での挙動を時間領域で解析する計算プログラムを開発することを目的とする. 今年度は, ライザー管の2次元断面に作用する剥離流れに基づく流体力学の時間領域計算プログラムを用いて, ライザー管を強制振動させた場合の挙動を解析し, 実験結果と比較することにより, 本プログラムの有効性と検討課題を明らかにした.

29. メガフロートの安全性に関する研究

教授 前田 久明, 研究員 増田 光一, 助教授 林 昌奎

助手 居駒 知樹, 大学院学生 藤田 尚毅, 大学生 西尾 元宏

24時間開港の国際空港やごみ処理施設等は海上に建設せざるを得ないのが現状である. これら海洋空間利用施設を超大型浮体式構造物(メガフロート)で実現させることを目的に本研究を開始した. メガフロートは長さ数kmに及ぶこれまでにない超大型浮体であり, 平面的サイズに比べ高さが相対的に小さいため超柔軟構造物となる. そこに社会基盤としてのコンセンサスを得るためには, その挙動推定はもちろん, 安全性についても十分検討する必要がある. 本年度は, 防波堤無しで沖合いに設置できるように, 超大型浮体の動揺を軽減し, 漂流力もあわせて軽減する装置の開発を行った.


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