1. 火星飛行機・成層圏プラットフォームの研究
航空機による火星探査の時代に突入しました。空気の薄い火星で飛行するには大きな翼が必要ですが、地球から火星まで航空機を運ぶ宇宙機に大きな収納スペースはありません。そこで翼を折り畳んだ状態で宇宙機に収納し、火星到着後に飛行しながら翼を展開するという極めて高度なテクノロジーが必要になります。当研究室では火星飛行機の実現に向けて、構造と流体を連成させた翼展開シミュレーション技術を開発しています。さらに、世界最大級の磁力支持風洞装置による実験実証も行っています。近年ではこれら火星飛行機研究で培った成果を発展させ、365日成層圏を継続飛行する成層圏プラットフォームの実現に挑戦しています。
参考文献
[Under Review] Investigation of Geometrical Nonlinearity in a Vibrating Flexible Beam Integrated with Piezoelectric Film
Shimura, K., Shi, Y., Jia, Y., Soutis, C., Wang, Z., Narita, F., Hara, Y., Makihara, K., Otsuka, K.
Journal of Evolving Space Activities, Vol. XX, Article No. XX (Open Access)
[2025] Nonlinear Dynamic Analysis Framework for Slender Structures Using the Modal Rotation Method
Shizuno, Y., Dong, S., Kuzuno, R., Okada, T., Kawashima, S., Makihara, K., Otsuka, K.
ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 20, No. 2, Article No. 021002 (Open Access)
[2025] Dynamic Modal Rotation Method with Inertial Nonlinearity for Large Deformation Analysis of Slender Structures
Shizuno, Y., Kuzuno, R., Nagai, N., Kawai, M., Kawashima, S., Kodama, Y., Makihara, K., Otsuka, K.
Journal of Sound and Vibration, Vol. 619, Article No. 118427 (Open Access)
[2025] Piezoelectric Flutter Energy Harvesting: Absolute Nodal Coordinate Formulation Model and Wind Tunnel Experiment
Mukogawa, T., Shimura, K., Dong, S., Fujita, K., Nagai, H., Kameyama, M., Shi, Y., Jia, Y., Soutis, C., Kurita, H., Narita, F., Hara, Y., Makihara, K., Otsuka, K.
Mechanics Research Communications, Vol. 143, Article No. 104351 (Open Access)
[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)
2. 大型宇宙構造物の柔軟マルチボディダイナミクス
ソーラーセイルや宇宙テザー輸送システムといった大型宇宙構造物は膜や紐といった柔軟パーツからなる「柔軟マルチボディシステム」です。 当研究室では「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。マルチボディダイナミクス解析技術の適用先は宇宙構造物に留まりません。航空機・ロボット・自動車・鉄道・エレベータ・風車、そして人体にも有用であり、あらゆるエンジニアリング領域で活用できます。
参考文献
[Under Review] High-Fidelity Rotational Inertia Consideration and Eccentric Constraint Expression Using Bishop Frame for Flexible Slender Structures in Space
Kuzuno, R., Makihara, K., Otsuka, K.
Journal of Mechanical Systems and Technology, Vol. XX, Article No. XX (Open Access)
[2026] High-Fidelity Arbitrary Lagrangian–Eulerian Absolute Nodal Coordinate Formulation Considering Rotational Inertia in Deployment and Retrieval of Slender Structures
Kuzuno, R., Otsuka, K.
Journal of Sound and Vibration, Vol. 634, Article No. 119769 (Open Access)
[2025] Deep Learning for Constructing Ordinary Differential Equations in Hamiltonian Formulation of Multibody Systems
Dong, S., Kuzuno, R., Makihara, K., Otsuka, K.
Mechanics Research Communications, Vol. 148, Article No. 104485 (Open Access)
[2024] Numerical Study Using Nonlinear Finite-Element Methods Based on Green-Lagrange Strain for Dynamics and Statics of Nonequatorial Space Elevator
Kuzuno, R., Dong, S., Takahashi, Y., Okada, T., Shizuno, Y., Otsuka, K., Makihara, K.
Journal of Evolving Space Activities, Vol. 2, Article No. 197 (Open Access)
[2024] High-Fidelity Flexible Multibody Model Considering Torsional Deformation for Nonequatorial Space Elevator
Kuzuno, R., Dong, S., Takahashi, Y., Okada, T., Xue, C., Otsuka, K., Makihara, K.
Acta Astronautica, Vol. 220, pp. 504-515 (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] 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] 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)
3. 宇宙基地のトポロジー構造最適化の研究
強度と軽量性を両立する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。現在、 3Dプリンターを用いて、月面や火星で基地を建設する計画が進行しています。 しかし、最適化技術で自動算出された部品同士は「組立できない」あるいは「現地で3Dプリントするので強度にバラつきがある」といった問題が発生します。本研究室では構造最適化に「組立可能性」や「バラつき（不確かさ）」の概念を組み込むことで、宇宙基地への実応用を目指しています。学内の3Dプリンターを用いて、部品の試作も行えます。
構造部材の寸法・配置の同時最適化
参考文献
[Under Review] Winding Number-Based Topology Description Function for Moving Morphable Components in Topology Optimization
Kawai, M., Yaji, K., Eguchi, S., Kawashima, S., Otsuka, K.
Applied Mathematical Modeling, Vol. XX, p. XX (Open Access)
[2025] Data-Driven Real-Time Topology Optimization Using Consistent Rotation-Based Moving Morphable Components
Hirotani, S., Yaji, K., Makihara, K., Otsuka, K.
AIAA Journal, Vol. 63, No. 10, pp. 4491-4497 (Open Access)
[2024] Moving Morphable Components Using Strain-Based Beam Geometry Description for Topology Optimization
Otsuka, K., Yamashita, H., Sugiyama, H., Dong, S., Kuzuno, R., Makihara, K.
AIAA Journal, Vol. 62, No. 12, pp. 4846-4854 (Open Access)
[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. 61, No. 4, pp. 1720-1734 (Open Access)