「創新日本走訪」系列為大家介紹實際應用於社會一線而進行的研發項目。本文為該系列的第9回，將介紹岡山大學環境生命自然科學學域的比江島慎二教授，他通過利用物體在水和風力的作用下產生的物體振動——「流體激振（fluid-induced vibration）」進行水流發電的技術，開發出了一種可監測洪水前兆的中小河流氾濫情況的流速計。
具有強大力量的流體激振
改控制為利用的思考轉變
岡山縣擁有連接本州和四國的世界最長公路鐵路兩用橋——「瀨戶大橋」。在岡山縣首府岡山市的市中心位置，坐落著岡山大學的津島校區。雖然位於市區，但該校區的佔地面積達到約64萬平方公尺，相當於13個東京巨蛋。該大學環境生命自然科學學域的比江島慎二教授，就在津島校區從事著橋樑和靈感來自瀨戶內海潮汐的獨特研究。
比江島教授出生于山口縣岩國市，是看著日本代表性木橋「錦帶橋」長大的。這座美麗的五連拱橋全長約200米，橋拱散發出的力學美感深深吸引了他。談及自己開始研究的契機，比江島教授表示：「我大學的時候，剛好是瀨戶大橋等本州四國橫跨結構梁開通的時期。在研究生階段，我進入了橋樑工學研究室，並在那裏學習到了與目前研究課題相關的‘流體激振’知識。」
圖1 流體激振示意圖
由氣流、水流、潮流等產生的渦流力量導致構造物振動，這種振動具有能通過增強渦流而進一步增強振動的自我增強機制。1940年的美國塔科馬海峽大橋坍塌事故和1995年的快速中介子滋生反應堆實驗堆「文殊」的鈉洩漏事故等，原因之一就被認為是由於流體激振導致的疲乏破裂引發的。
所謂流體激振，是指橋樑等構造物在風、水、潮流等流體作用下產生的「渦流」致使構造物本身振動的現象。這種振動具有在流體作用下不斷增強的特徵，甚至擁有足以使橋樑彎曲坍塌的強大力量（圖1）。比江島教授多年來一直致力於流體激振的控制方法領域的研究。然而據說有一次，他突然靈光閃現，產生了「利用」振動產生的能量的逆向思考。「當時我想，通過利用水流產生振動的潮差發電等技術，或許可以高效地獲得可再生能源。」
不易損壞的擺錘形狀
在狹窄和低水深的水流中也能工作
從這次靈光乍現中誕生的，就是本文將要介紹的關鍵技術——「Hydro-VENUS（擺錘流體激振發電系統）」。Hydro-VENUS採用圓柱或半圓柱狀的擺錘放置在水流中，利用擺錘左右交替釋放出來的渦流的力量使擺錘振動並發電。一般利用水流的潮差發電以螺旋槳旋轉產生電力類型為主，但螺旋槳的葉片容易被捲入的落葉等漂浮物損壞，還有可能傷害水中的動植物。
相比之下，採用擺錘形狀的Hydro-VENUS由於是做往復運動，消除了上述問題的困擾也不易損壞。而且，其簡單的形狀不會阻礙水流，即使在狹窄和低水深的水流中也能工作。無論是河流還是海洋，甚至是水渠和上下水道，它都可以應用（圖2）。為了推廣將水流轉化為能源的Hydro-VENUS，比江島教授於2015年創立了岡山大學校辦初創公司「Hydro-VENUS」株式會社。
圖2 Hydro-VENUS
由於用擺錘振動代替了螺旋槳旋轉來發電，漂浮物捲入而導致的停機和葉片破損等風險較低。另外，作為不需要電源、不受天氣影響的發電機，Hydro-VENUS可以產生穩定的能源。
創辦Hydro-VENUS公司的關鍵人物，是現任該公司代表董事的上田剛慈先生。作為產學合作的顧問，一直在能源領域尋求發展的上田先生通過岡山大學環境生命自然科學學域的池田直教授的介紹結識了比江島教授。上田先生回憶道：「池田教授向我介紹說，如果要從事與能源相關的業務，我們就應該幫助比江島教授。在比江島教授的實驗室裏，我親眼見到了Hydro-VENUS，深感這是一項非常有趣的技術。」
當時，比江島教授在與多家企業合作過程中，感到企業對實際應用這項技術缺乏熱情，正是心情沮喪的時候。把Hydro-VENUS從岡山縣推廣到全世界——兩人的想法一拍即合，第二年便創辦了「HydroVenus」公司。2023年10月，該公司入選了由日本「中國經濟產業局」和「四國經濟產業局」推進的，旨在表彰那些有意願解決社區和社會問題、業務内容先進的初創公司「J-Startup WEST」名單。
在中國四國地區和富山縣進行實證實驗
擔負起「治水DX」的一份責任
比江島教授等人於2021年入選了日本科學技術振興機構（JST）的A-STEP項目「用於構建水災預測感測網的低成本無外部電源流速計的開發」並開始了Hydro-VENUS流速計的開發。研究背景是近年來已成為日本一大問題的各地暴雨災害。在2018年的西日本暴雨災害中，岡山縣倉敷市真備町全域被水淹沒，受災嚴重。受災擴大的一個原因是，一級河流高梁川支流中的小河決口，以及農業水渠內水積淹氾濫，通常用於監測漲水等異常情況的水位計和流速計由於成本原因並未配備在許多中小河流上。
比江島教授回顧當時的決心時說道：「由於災害背景，我們應用了可以通過水流發電的Hydro-VENUS，嘗試開發無需電源且低成本的新型流速計。」在A-STEP項目中，研究人員著眼於在河流和水渠上的用途，嘗試提高能源獲取性能和抗漂流物的堅固性。為了實現這兩種性能，研究人員嘗試了各種截面形狀的擺錘後，發現半橢圓形截面的擺錘能夠產生最強的流體激振。此外，通過延長擺錘的長度，增大傾斜角，不僅能提高能源獲取性能，還能減少漂流物的纏繞。
圖3 治水DX實證實驗
作為外快和內水氾濫以及山洪和土石流等災害的防治措施，研究人員在日本各地河流的上下游利用Hydro-VENUS發電並測量流速和水位的實證實驗（左）。在香川縣正在與水資源機構香川用水管理所與Hydro-VENUS公司、岡山大學合作，研究聯合利用Hydro-VENUS和AI的閘門控制技術，以提高水渠管理技術（右）。
目前，基於A-STEP項目成果的實證實驗已經啟動。岡山市的內水氾濫對策、愛媛縣西條市的漲水風險對策，以及富山縣富山市的農業用水管理等項目作為解決各地問題的關鍵，Hydro-VENUS的有效性都在應用得到了驗證（圖3）。與各地方政府和相關機構的交涉主要由上田先生負責。他表示：「儘管在解決地區特有問題方面，以及與各關係方協調方面花費了不少心血，但由於這項技術潛力巨大，所以感覺受到了高度關注。希望Hydro-VENUS今後能作為一項實現水害預測和感測的技術，承擔起‘治水DX’的一份責任。」治水DX是指運用AI技術提高流域防災能力的各種嘗試。
比江島教授和上田先生正在探索作為瀨戶內海特有產業的海洋能源利用之路。日本沿海被稱為「裏海」，孕育著豐富的水產資源和美麗的島嶼風光。特別是瀨戶內海擁有諸多海峽，是世界上屈指可數的潮流能量源寶庫。「我正在設想在瀨戶內海海床，能否建立一個排列著Hydro-VENUS的新型潮差發電系統。運用HydroVENUS，就能使‘裏海能源’自產自銷，為提高能源自給率做出貢獻。」懷揣著從橋樑誕生出的創新項目，比江島教授正在放眼於建立永續發展社會。（TEXT：橫井Manami，PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2024年2月號
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
