マイクロメカニカル共振器における内部共振メカニズムの研究とその周波数安定化への応用 背景紹介 マイクロメカニカル共振器（micromechanical resonators）は、高周波数、高品質因数、高感度を特徴とする現代の時間計測およびセンシングデバイスにおいて重要な役割を果たしています。しかし、これらの共振器の極めて低い減衰特性は、さまざまな非線形現象を引き起こし、周波数安定性に影響を与える可能性があります。その中でも、ダフィング硬化効果（Duffing hardening effect）は主要な制限要因であり、振幅変化による周波数ドリフト、すなわち振幅-周波数効果（amplitude-frequency effect）を引き起こします。近年、内部共振（internal resonanc...

非線形システムの確率応答スペクトル研究：分数次導関数要素の導入と分析方法 学術的背景 工学および物理学の分野では、非線形動的システムが複雑な現象をモデル化するために広く使用されています。しかし、これらのシステムが確率的な励振を受ける場合、その応答を予測することは非常に困難であり、特に分数次導関数（fractional derivative）要素が導入されるとさらに複雑になります。分数次導関数は、記憶効果や遺伝現象をより正確に記述することができますが、その導入は追加的な解析および計算の困難をもたらします。従来の線形システムの解析手法は、非線形システムに直接適用することができません。特に、システムに分数次導関数が含まれる場合、その応答のパワースペクトル密度（PSD, Power Spectral...

学術的背景 工学や材料科学の分野において、ロボットマニピュレータの変位と力を正確に制御することは、特に非線形粘弾性変形を示す物体の力学特性を研究する上で重要です。例えば、繊維、航空宇宙、医療、エネルギー生産などの分野では、テキスタイルの力学特性が設計や性能に重要な影響を与えます。従来の引張/圧縮機械は通常、変形速度を制御することで力を測定しますが、この方法では物体の弾性限界、塑性変形、破断点などの重要な変形点を直接観察することができません。この制限を克服するため、近年ではロボットシステムが位置/変形制御による物体の特性評価に使用されています。しかし、微小な力と変形を扱う場合、産業用ロボットには限界があり、高分解能と高帯域幅を備えた圧電ロボットマニピュレータが理想的な選択肢となっています。ただ...

学術的背景 航空産業において高速化および軽量化設計の需要が高まるにつれ、超臨界設計（supercritical design）を採用した航空伝動軸システムが増えています。超臨界設計とは、伝動軸がその第一臨界速度を超えることを意味しますが、臨界速度を超える際に軸系は不均衡によって激しい振動を引き起こし、システムの安全な運転に深刻な影響を及ぼします。ドライフリクションダンパー（dry friction damper）は、軸とダンパー間の接触摩擦（rub-impact）によって振動振幅を制限し、臨界速度下での振動を効果的に制御します。しかし、軸系は実際の運転中に加工、製造、組立てなどの誤差によってベアリングの設置不整（bearing installation misalignment）が生じること...

背景紹介 航空宇宙工学において、薄層複合材料構造（例えば翼）は高速気流の影響で振動を起こしやすく、この振動はフラッター（flutter）やダイバージェンス（divergence）などの不安定現象を引き起こし、航空機の安全性と性能に影響を与える可能性があります。特に複合材料構造にデラミネーション（delamination）（層間の接着不良）が存在する場合、その力学応答は大きく変化し、振動問題の複雑さをさらに増します。そのため、デラミネーションを有する複合材料板の超音速気流中の非線形振動挙動を研究することは、工学的に重要な意義を持ちます。 しかし、既存の研究は主に無欠陥構造の振動分析に焦点を当てており、デラミネーションの影響については十分に研究されていません。さらに、従来の数値シミュレーション手...

非線形垂直軸回転機械のパラメータ同定研究：降次モデリングとデータ同化に基づく革新的手法 学術的背景 現代工学において、非線形動力学システムのモデリングは重要な研究分野です。しかし、このようなシステムには直接測定や推定が難しいパラメータが含まれることが多く、すべての関連する物理現象を数学モデルに取り入れると計算コストが大幅に増加します。この問題を解決するため、ハイブリッドツインモデル（Hybrid Twin）が登場しました。ハイブリッドツインモデルは、システムの物理的数学モデルと実際のシステムから収集した経験データを組み合わせ、データ同化技術を用いてパラメータ推定とシステム挙動予測の精度と信頼性を向上させます。さらに、降次モデル（Reduced Order Model, ROM）の使用により、...

二腕宇宙ロボットの有限時間適応ロバスト軌道追従制御研究 研究背景と問題 宇宙技術の急速な発展に伴い、宇宙ロボットは軌道上サービス、衛星組立、宇宙機燃料補給などの任務においてますます重要な役割を果たしています。しかし、宇宙ロボットシステムは任務を実行する際に多くの課題に直面しており、特にベースアクチュエータの摩擦非線形特性と外部時変擾乱の不確実性は、システムの軌道追従性能に深刻な影響を与えます。従来の制御方法ではこれらの問題を十分に処理することが難しく、特に高精度かつ高ダイナミック性能が要求される任務においてはその限界が顕著です。したがって、これらの非線形摩擦と外部擾乱を効果的に補償し、宇宙ロボットの軌道追従能力を向上させる方法が現在の研究の焦点となっています。 本研究では、二腕宇宙ロボット（...

学術的背景 ウェアラブル電子デバイスの急速な発展に伴い、高性能で柔軟性と耐久性を備えた材料に対する需要が高まっています。グラフェン（graphene）は、優れた導電性、機械的強度、柔軟性を備えた二次元材料として、近年ウェアラブルデバイスへの応用が注目されています。しかし、グラフェンをウェアラブルデバイスに適した機能性繊維材料に変換する方法は、依然として解決すべき課題の一つです。グラフェン繊維（graphene fiber, GF）は、グラフェンの優れた特性を継承するだけでなく、繊維製品の柔軟性と編み込み性も備えており、ウェアラブルセンシング、柔軟なエネルギー貯蔵デバイス、およびスマートテキスタイルにおいて大きな応用可能性を示しています。本論文は、グラフェン繊維の製造技術とそのウェアラブルデバ...

学術的背景 地球温暖化ガスの排出が増え続けるにつれ、環境温度が上昇し、人間は極端な気候による健康と生産性への潜在的な脅威に直面しています。特に夏場、エアコンや扇風機などの冷房機器の広範な使用により、エネルギー消費が急増し、温暖化ガスの排出がさらに悪化しています。統計によると、夏の冷房設備は現在、世界の二酸化炭素排出量の40％を占めており、2050年までに50％に上昇すると予測されています。また、寒い環境も人間の生命を脅かします。例えば、2021年の甘粛省白銀マラソン事件では、極端な天候により多数の死者が出ました。そのため、外部エネルギーを必要とせずに人体の熱と湿度のバランスを調整できる持続可能でゼロエネルギー、ゼロエミッションのスマートテキスタイルの開発が、現在の研究の焦点となっています。 ...

四足ロボット応用のための柔軟な歩態センサー研究 背景紹介 ロボットが日常生活や産業生産において広く応用される中、特に標準化、持続性、重負荷操作が必要なシナリオでは、インテリジェントロボットの開発がトレンドとなっています。しかし、複雑な環境でのロボット操作には多くの課題があり、例えば救助任務、自動化物流、自律輸送、スマートホームなどの分野で特に顕著です。これらのロボットは作業環境を理解し、自律的に動作する必要があり、その中で機械運動の安定性が重要な要素となっています。従来の安定性を確保する方法としては、正確なセンサーを使用して姿勢や環境を監視し、複雑な制御システムを組み合わせて運動を調整することが挙げられます。しかし、応用シナリオが複雑化するにつれ、既存のセンサー技術ではニーズを満たすことが難...