1. 宇宙構造物の振動制御・ロケット轟音制御・打ち上げ衝撃制御

宇宙ステーション・月面基地・人工衛星などを含む宇宙構造物を対象にした振動制御・音響透過低減・衝撃制御に取り組んでいます。 宇宙空間では、豊富な電力供給を望むことが出来ません。 その為に宇宙空間では、自家発電を行いながら振動を効果的に抑制するセルフパワード（自家発電）型振動制御が必要です。 当研究室では、次世代宇宙ステーションの構成部材であるトラス構造物に着目しています。研究室にトラス構造物を設置し、実証実験を行っています。

次世代の宇宙ステーション

宇宙ステーションの一部を模擬した宇宙トラス構造物

参考文献

[2022] Semi-Active Switching Vibration Control with Tree-Based Prediction and Optimization Strategy
Abe, M., Hara, Y., Otsuka, K., Makihara, K.
Journal of Intelligent Material Systems and Structures Vol. XX, No. XX, pp. XX - XX

[2021] Comprehensive Predictive Control for Vibration Suppression Based on Piecewise Constant Input Formulation
Takamoto, I., Abe, M., Hara, Y., Otsuka, K., Makihara, K.
Journal of Intelligent Material Systems and Structures Vol. 33, No. 7, pp. 901 - 917

[2020] Predictive Switching Vibration Control Based on Harmonic Input Formulation
Takamoto, I., Abe, M., Hara, Y., Nakahara, T., Otsuka, K., Makihara, K.
Sensors & Actuators: A. Physical Vol. 315, Article No. 112271

2. スマート宇宙構造を用いたエネルギ回収機構

月面では夜が14日も続くので、電力を太陽発電だけに依存できません。 そこで、当研究室は、振動する構造物からエネルギを回収する機構の開発に取り組んでいます。 宇宙利用に限らず、航空機、自動車をはじめ、供給電線に接続できない移動体全般に活用される技術の構築にも取り組んでいます。

月面クレータを用いた月面観測基地

参考文献

[2023] Energy Harvesting Using Magnetostrictive Transducer Based on Switch Control
Li, A., Goto, K., Kobayashi, Y., Hara, Y., Jia, Y., Shi, Y., Soutis, C., Kurita, H., Narita, F., Otsuka, K., Makihara, K.
Sensors and Actuators: A. Physical, Vol. 355, Article No. 114303 (Open Access)

[2021] Adaptive and Robust Operation with Active Fuzzy Harvester under Nonstationary and Random Disturbance Conditions
Hara, Y., Otsuka, K., Makihara, K.
Sensors, Vol. 21, No. 11, p. 3913 (Open Access)

[2021] Piezoelectric Energy Enhancement Strategy for Active Fuzzy Harvester with Time-Varying and Intermittent Switching
Hara, Y., Zhou, M., Li, A., Otsuka, K., Makihara, K.
Smart Materials and Structures, Vol. 30, No. 1, Article No. 015038

[2020] Self-Sensing State Estimation of SSHI Energy Harvesters
Hara, Y., Yamamoto, Y., Makihara, K.
Journal of Intelligent Material Systems and Structures Vol. 31, No. 20, pp. 2326 - 2341

[2019] Compact, Digital and Self-Powered Piezoelectric Vibration Energy Harvester with Generation Control Using Voltage Measurement Circuit
Hara, Y., Saito, K., Makihara, K.
Sensors & Actuators: A. Physical 299 Article No. 111609

[2017] Analog Self-Powered Harvester Achieving Switching Pause Control to Increase Harvested Energy
Makihara, K., Asahina, K.
Smart Materials and Structures Vol. 26, No. 5, Article No. 055007

[2017] Strategy for Enhancing the Active Harvesting of Piezoelectric Energy
Yoshimizu, K., Yamamoto, Y., Asahina, K., Makihara, K.
Journal of Intelligent Material Systems and Structures Vol. 28, No. 8, pp. 1059 - 1070

3. スペースデブリの宇宙構造物への衝突対策

宇宙構造では、スペースデブリや隕石との衝突は大きな課題です。JAXA（宇宙航空研究開発機構）と協力しながらスペースデブリ衝突時の緊急対策法の確立を目指しています。デブリ除去手法として注目されている導電性テザーシステムの耐デブリ構造研究も行っています。宇宙構造として注目されているインフレータブル構造のスペースデブリ衝突や隕石衝突の耐久性について、大型衝突実験を用いた実験実証という観点から研究を進めています。

JAXAのデブリ実験装置

参考文献

[2021] Assessment of Space Debris Collisions Against Spacecraft with Deorbit Devices
Tomizaki, H., Kobayashi, R., Suzuki, M., Karasawa, N., Hasegawa, S., Makihara, K.
Advances in Space Research, Vol. 67, No. 5, pp. 1526-1534

[2020] Damage of Twisted Tape Tethers on Debris Collision
Uwamino, Y., Fujiwara, M., Tomizaki, H., Ohtani, K., Makihara, K.
International Journal of Impact Engineering Vol. 137, Article No. 103440

[2018] Structural Evaluation for Electrodynamic Tape Tethers Against Hypervelocity Space Debris Impacts
Makihara, K., Kondo, S.
AIAA, Journal of Spacecraft and Rockets Vol. 55, No. 2, pp. 462 - 472

[2017] Bayesian Cloud Extraction for Assessment of Space-Debris Impact Using Conditional Entropy
Makihara, K., Oki, Y.
AIAA, Journal of Spacecraft and Rockets Vol. 54, No. 6, pp. 1235 - 1245

[2016] Survival Probability of Hollow Cylindrical Mesh Tether Under Space-Debris Impact
Makihara, K., Norihiko Matsumoto
AIAA, Journal of Spacecraft and Rockets Vol. 53, No. 3, pp. 520 - 527

[2016] Survivability Evaluation of Electrodynamic Tethers Considering Dynamic Fracture in Space-Debris Impact
Makihara, K., Takahashi, R.
AIAA, Journal of Spacecraft and Rockets Vol. 53, No. 1, pp. 209 - 216

4. 火星月面基地テンセグリティ構造

棒と糸により構成される超軽量可変構造「テンセグリティ」を用いた新たな宇宙構造物の創成を行なっています。 テンセグリティは高強度、軽量性、耐衝撃性、高収納性を持つ次世代構造であり、月面基地や火星基地、惑星探査機としての運用が期待されています。 当研究室では実験と理論の両面からテンセグリティ宇宙構造の実現に取り組んでいます。

Tensegrity©NASA

5. 火星探査に向けた空力弾性振動発電

太陽からの距離が遠い火星では、太陽光発電以外の発電方法の確立が期待されます。 当研究室では、火星で頻発する突風や強風によって生じる振動から高出力発電を行う空力弾性発電の研究を始動しました。 研究室に実証用の風洞装置を建造し、実験と理論の両面から取り組んでいます。

IFS Wind Tunnel

6. 火星飛行機・衛星航空機の空力弾性制御

航空機による火星探査の時代に突入しました。空気の薄い火星では極薄の柔軟翼と翼形状を制御するモーフィング技術が必要になります。 当研究室は、空力、構造、制御の三者を融合した「空力弾性制御理論」の構築と風洞実験により火星飛行機研究を推進しています。 火星飛行機研究で培った成果を発展させ、365日高高度を継続飛行する「空の基地局：衛星航空機」の実現にも挑戦しています。

JAXAの火星飛行機©JAXA

NASAの衛星航空機©NASA

参考文献

[2022] Joint Parameters for Strain-Based Geometrically Nonlinear Beam Formulation: Multibody Analysis and Experiment
Otsuka, K., Dong, S., Fujita, K., Nagai, H., Makihara, K.
Journal of Sound and Vibration, Vol. 538, Article No. 117241 (Open Access)

[2022] Consistent Strain-Based Multifidelity Modeling for Geometrically Nonlinear Beam Structures
Otsuka, K., Wang, Y., Fujita, K., Nagai, H., Makihara, K.
ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 17, No. 11, Article No. 111003 (Open Access)

[2022] Nonlinear Aeroelastic Analysis of High-Aspect-Ratio Wings with a Low-Order Propeller Model
Otsuka, K., Del Carre, A., Palacios, R.
AIAA Journal of Aircraft, Vol. 59, No. 2, pp. 293-306 (Open Access)

[2021] Absolute Nodal Coordinate Formulation with Vector-Strain Transformation for High Aspect Ratio Wings
Otsuka, K., Wang, Y., Makihara, K.
ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 16, No. 1, Article No. 011007

[2021] Three-Dimensional Aeroelastic Model for Successive Analyses of High-Aspect-Ratio Wings
Otsuka, K., Wang, Y., Makihara, K.
ASME Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 143, No. 6, Article No. 061006

[2019] Versatile Absolute Nodal Coordinate Formulation Model for Dynamic Folding Wing Deployment and Flutter Analyses
Otsuka, K., Wang, Y., Makihara, K.
ASME Journal of Vibration and Acoustics Vol. 141, No. 1, Article No. 011014

[2019] Multifidelity Modeling of Deployable Wings: Multibody Dynamic Simulation and Wind Tunnel Experiment
Otsuka, K., Wang, Y., Fujita, K., Nagai, H., Makihara, K.
AIAA Journal Vol. 57, No. 10, pp. 4300 - 4311

[2017] Deployable wing Model Considering Structural Flexibility and Aerodynamic Unsteadiness for Deployment System Design
Otsuka, K., Wang, Y., Makihara, K.
Journal of Sound and Vibration Vol. 408, pp. 105 - 122

[2016] Aeroelastic Deployable wing Simulation Considering Rotation Hinge Joint based on Flexible Multibody Dynamics
Otsuka, K., Makihara, K.
Journal of Sound and Vibration Vol. 369, pp. 147 - 167

7. 大型宇宙構造のマルチボディダイナミクス

大変形・展開挙動を伴う大型宇宙構造物の実現には、既存の枠組みにとらわれない革新的な構造解析理論が必要とされます。 当研究室では次世代宇宙構造の実現に向けて、「柔軟マルチボディダイナミクス解析法」の創出と実験実証を行っています。 近年では特に回転宇宙構造を対象に研究を加速しています。

火星ヘリコプター Credits: NASA/JPL-Caltech

参考文献

[2023] Hamiltonian Formulation with Reduced Variables for Flexible Multibody Systems Under Linear Constraints: Theory and Experiment
Dong, S., Otsuka, K., Makihara, K.
Journal of Sound and Vibration, Vol. 547, Article No. 117535

[2022] Strain-Based Geometrically Nonlinear Beam Formulation for Rigid-Flexible Multibody Dynamic Analysis
Otsuka, K., Wang, Y., Palacios, R., Makihara, K.
AIAA Journal Vol. 60, No. 8, pp. 4954 - 4968 (Open Access)

[2022] Dynamics and Energy Analysis of Nonequatorial Space Elevator Using Three-Dimensional Nonlinear Finite Element Method Extended to Noninertial Coordinate System
Kuzuno, R., Dong, S., Okada, T., Otsuka, K., Makihara, K.
IEEE Access Vol. 10, pp. 43964 - 43980 (Open Access)

[2022] Recent Advances in the Absolute Nodal Coordinate Formulation: Literature Review from 2012 to 2020
Otsuka, K., Makihara, K., Sugiyama, H.
ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 17, No. 8, Article No. 080803 (Open Access)

[2019] Absolute Nodal Coordinate Beam Element for Modeling Flexible and Deployable Aerospace Structures
Otsuka, K., Makihara, K.
AIAA Journal Vol. 57, No. 3, pp. 1343 - 1346

[2018] Deployment Simulation Using Absolute Nodal Coordinate Plate Element for Next-Generation Aerospace Structures
Otsuka, K., Makihara, K.
AIAA Journal Vol. 56, No. 3, pp. 1266 - 1276

8. 大型航空宇宙構造物のトポロジー構造最適化

強度と軽量性を両立する航空宇宙構造を自動で算出するトポロジー構造最適化技術の創出を行っています。 3Dプリンターの発展により、部品レベルでは複雑なトポロジー構造の製造も可能になりつつあります。 しかし、膨大な部品から成る航空宇宙構造物においては、最適化技術で自動算出された部品同士が「組立」できない問題を引き起こします。 また、3Dプリンターをもってしても「製造」できない構造が自動算出される場合もあります。 本研究室では自動構造算出プロセスに「組立」と「製造」を可能とするための設計者の意図を介在させる新手法MMMC (Moving Morphable Multi Components)を提唱し、実際に作れる大型航空宇宙構造の完全な自動算出に挑戦しています。

参考文献

[2023] Moving Morphable Multi Components Introducing Intent of Designer in Topology Optimization
Otsuka, K., Dong, S., Kuzuno, R., Sugiyama, H., Makihara, K.
AIAA Journal, Vol. XX, No. XX, pp. XX-XX (Open Access)

9. 宇宙構造物の振動に基づく構造ヘルスモニタリング

宇宙や空中にいる運用中の航空宇宙機の健康状態を監視する挑戦をしています。 振動に基づく構造ヘルスモニタリングは人の手に頼らず、データ解析に基づく検査方法の一つです。 検査のために基地に戻ったり、宇宙飛行士や技術者の手に頼ったりする必要がなく、経済的な方法です。 しかし、航空宇宙機に振動センサの配線敷設やセンサを動かすための電源確保は非常に困難です。 本研究室では、機能性材料（スマート材料）を用いて、センサ要らず、電源要らずの構造ヘルスモニタリング手法を提案しています。

参考文献

[2023] Low-Energy-Consumption Structural Identification with Switching Piezoelectric Semi-Active Input
Hara, Y., Otsuka, K., Makihara, K.
Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 187, Article No. 109914 (Open Access)

[2023] Strategy for Performance Improvement in Piezoelectric Semi-Active Structural System Identification by Excluding Switching Failures using Pseudo-State Feedback
Hara, Y., Tang, T., Otsuka, K., Makihara, K.
Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 187, Article No. 109906

[2022] Self-Sensing Method for Semi-Active Structural Identification by Removing Piecewise Bias from Piezoelectric Voltage
Hara, Y., Tang, T., Otsuka, K., Makihara, K.
Sensors & Actuators: A. Physical, Vol. 347, Article No. 113907