1.居住環境のシミュレーション

1.1 閉鎖生態系生命維持システムの物質循環解析
 人間が宇宙で生活するために必要な酸素、食料などを人間が使用した後の廃棄物からリサイクルする閉鎖生態系生命維持システムの物質循環のダイナミックシミュレーションを大林組の協力の下、日本で初めて行った。ここで確立したモデル化法は、その後の物質循環解析や物質循環制御の研究へとつながっている。
 また、長期に宇宙に滞在する場合のテストベッドとして最先端の実験施設であった閉鎖型生態系実験施設(CEEF)のシミュレーションによる物資循環解析で15年以上にわたり貢献した。
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閉鎖型生態系実験施設(環境科学技術研究所ホームページより)

1.2 火星砂漠研究基地での居住実験
 この項目については、こちらのポスターをご覧ください。
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1.3 閉鎖空間の熱流体解析
 数値流体力学(CFD)を用いてシリンダー型スペースコロニーの大気循環(円筒座標系の熱流体解析)における窓風(窓と陸地の温度差から発生する風)の発生を解析した。これに人間による二酸化炭素の発生、植物による二酸化炭素の消費、資源の再生による二酸化炭素の発生の3つのモデルを、空間分布を考慮して組み合わせ、二酸化炭素の濃度分布を解析した。
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スペースコロニー内の二酸化炭素濃度分布

 最近では熱流体解析にOpenFoamを利用しています。詳細についてはOpenFoamの項目をご覧ください。

2.居住環境の設計と制御

2.1 閉鎖生態系生命維持システムの概念設計支援ツールの開発
 設計事例が少ない再生型生命維持システムの機能分析、シンセシス、アナリシスの一連の概念設計過程を支援する設計支援ツールを開発した。特に、概念設計の初期段階における設計者による概念構造の構築とその後のシステム合成・分析を一貫して支援する設計法の研究成果は私の学位論文となっている。現在、この研究を基に設計者と設計支援ツールのインタラクションによる設計知識の創発を促す設計支援ツールSICLE(Simulator of Material Circulation Control System)を宇宙システム開発株式会社と共同開発した。
 2014年に米国ユタ州の火星砂漠研究基地で実施した食料生産、食料供給、水・気体・廃棄物のリサイクルと再利用について、このツールを用い解析した。
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設計支援ツールSICLE (宇宙システム開発株式会社)

2.2 閉鎖生態系生命維持システムの運用スケジューリング法の開発
 閉鎖生態系生命維持システムの物質循環制御のために、ファジイ線形計画法に新しいmオペレータを導入し、従来あった最小オペレータと和オペレータの性能の欠点を改善した。
 また、閉鎖型生態系実験施設(CEEF)物質循環システムの運用スケジュール自動生成システムを開発した。制御アルゴリズムにはマルチエージェント強化学習、およびラグランジュ分解調整法を適用し、その一部は宇宙システム開発株式会社により環境科学技術研究所に納入された。ラグランジュ分解調整法では、大規模なスケジューリング問題の計算量を抑えるために分解法を採用し、さらに経験的知識を数学的解法に実装することで、計算量を抑えながらオペレータにとって自然な解を実用的な時間内で得ることに成功した。

3.惑星表面探査

3.1 人の作業を支援する惑星表面移動探査システム
 惑星表面移動探査における経路探索アルゴリズムを開発した。地理情報作成には宇宙航空研究開発機構(JAXA)の月周回衛星かぐやのレーザ高度計データを用いた。この時の成果をもとに2013年~2014年には米国火星協会のユタ州にある火星砂漠研究基地での2週間の実験に2回参加し、船外活動に関わるパラメータと制約の特定に関する調査・実験を行った。この時の経験から、移動探査にはその場での低空からの情報取集が重要であることを発見し、そのために必要な探査システムの開発を進めている。同様の研究には、宇宙航空研究開発機構(JAXA)の火星航空機やアメリカ航空宇宙局(NASA)の火星航空機や火星ヘリコプターなどの構想がある。低空からの偵察にいずれの方法を採用するかは今後の検討課題であるが、最終的にはローバの運用と低空からの偵察を含めた一体型の移動探査システムの開発を目指している。
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ダイクストラ法によって求めた探査経路
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火星砂漠研究基地でのATVを利用したEVA遠征実験
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探査経路および移動時の高度と速度の変化
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