模仿生物快速游泳技术创造，排球也是最好的球实现
~流体力学体育应用

伊藤──因为我一直喜欢数学。由于我在东京大学机械工学系学习，所以我选择了流体力学作为充分利用数学的领域。我的毕业研究也是在流体力学实验室。完成硕士学位后，我在日产汽车有限公司找到了工作，并被分配到座间工厂的涂装部门，但一年后我发现它不适合我，并重新进入了博士课程。当我完成博士课程时，我正在进行研究和开发，以提高螺杆效率2%至3%，但我觉得这项研究只是触及表面，我几乎对流体力学失去了兴趣。

伊藤──所以，当我回想起初中和高中的日子，再次尝试做自己喜欢的事情时，我意识到我喜欢生物，所以我决定尝试研究生物的流体动力学。那是1997年左右，我们开始学习企鹅和扇贝如何游泳。研究鸟儿如何飞翔、鱼如何游泳是一片蓝海，充满了我不明白的东西。我觉得这很有趣，并对生物流体力学着迷。

当我研究生物流体动力学时，我发现了很多志同道合的人，所以我成立了一个研究小组。此外，2013年，他创立了Aero Aqua Biomechanism Society并担任首任主席。这是一个研究生物如何游泳以及与生物相关的流体动力学的学术团体。

当我这么说时，似乎在我转向研究生物流体动力学后，我的前景突然开阔了，但事情一开始并没有按计划进行。在东京大学完成博士课程后，我成为防卫学院的一名教师，起初我研究企鹅和扇贝如何游泳，但我被告知这样的研究只是为了好玩。还有人要求我做潜艇研究，但我拒绝了，所以我就被孤立了。然而，我继续研究生物是如何游泳的。

伊藤──有一天，我接受了一个名为“Tokoro-san no Me Ten”的电视节目的制作人的采访，他让我告诉你甲鱼和海龟之间的区别。我谈到了它们游泳方式和形态上的差异，但自从我收到了甲鱼和乌龟后，我决定使用乌龟大小的循环水水族馆来研究它们是如何游泳的。虽然甲鱼和海龟的形态不同，但分析表明它们的游泳方式本质上是相同的。此外，虽然人类使用“走”和“跑”的动作，但甲鱼有两种不同的游泳方式：一种是步行，另一种是跑步。步行级别的游泳是最小能量的运动，跑步级别的游泳是最大速度的运动。这是通过使用数学公式分析甲鱼游泳方式发现的。

伊藤──后来，我通过内部委员会会议认识了国防学院的一位游泳老师，当我将在阐明甲鱼如何游泳时学到的公式应用到人类游泳形式时，我发现，就像甲鱼一样，有步行级别的游泳风格和跑步级别的游泳风格。而且，我认识到，人类迄今为止的游泳方式一直是步行的水平，而不是跑步的水平。他是唯一一位游泳风格与伊恩·索普接近的游泳运动员，后者在奥运会上赢得了五枚金牌，其中包括 2000 年悉尼奥运会。他的结果证明了我的理论的正确性，即有一种方法可以达到跑步水平。 2002年，我在四年一度的国际游泳会议上提出了这一理论，并成为第一个获得最高奖项的日本人。

伊藤──当我研究甲鱼和海龟时，没有人对此感兴趣，但当它适用于人类时，它引起了很多关注。当它在电视节目中介绍并以甲鱼游泳法命名后，日本游泳界开始采用我的理论，并在2004年和2008年北京奥运会上被日本运动员采用。这促使我研究运动中的流体动力学。

伊藤──过去，爬行是通过在水中呈 S 形挥动手臂来完成的。这是一种称为举重游泳的游泳方式。用手臂沿直线而不是 S 形扫水。这称为拖泳。过去，蛙泳运动员通常将手臂稍微向两侧展开，然后划水，但北岛康介则以直线划水，而不是向两侧展开手臂。最近，成长显着的渡边一平也开始使用变装游泳。

仰泳也是如此。确保沿着身体旁边的直线扫水。在《蝴蝶》中，水以一种称为“鸡洞”的关键形状被喷射，但我们将其改为直线状的水。如今，大多数运动员都采用拖泳方式游泳。

伊藤──目前，我的研究重点是排球、足球和网球等球类运动。其实我更想学习游泳，但是工学院大学没有游泳池，所以我现在正在研究球。这一切都始于我结识了排球和足球老师，他们开始研究运动中的流体动力学。当我聚集研究人员时，我于 2015 年成为日本机械工程师学会运动工程和人体动力学部门的第一任负责人。

目前，一家生产排球的公司 Molten 要求我开发一种新球。我设计了“Fristatic”品牌的球，目前由 Molten 提供。在这次开发中，我们的目标是打造一种可以连续交换对攻的球，但其背后的原因是，一发决定胜负的排球比赛很无聊。那么，什么样的发球是一击决定的呢？导致击球球员发生意外变化的发球。为了防止这种情况发生，我们需要一个能够准确到达玩家瞄准的位置的球。

排球有一种不旋转的发球，称为漂浮发球。漂浮发球具有当到达对手手中时会挥舞的特点。目前的Molten球是对这种飘浮发球有效的球，因此我们将开发一种避免这种情况的球。

三笠在奥运会上使用的官方用球在高速时会晃动，但到达对手手中时不会晃动。然而，即使在低速下，Molten 的球也会晃动，导致球在对手手中发生变化。

Mikasa 球用于职业联赛，Molten 和 Mikasa 球用于妈妈联赛以及初中和高中比赛。目前，每场比赛使用的球都是分开的。因此，Molten希望开发一种可以在奥运会上使用的球，因此通过改变球的表面图案和形状，他们正在致力于开发一种不会像三笠那样晃动的球。我正在考虑利用我的流体力学知识来创造所需的球。

伊藤──在球的表面涂一层彩色油膜并观察其流动，或通过让烟雾流动来进行观察。图 1 显示了应用油膜并观察气流的实验。通过建立运动方程来分析该流动的观测结果。

伊藤──我曾尝试研究跳跃比赛的姿势。当我计算出V字飞行跳跃时什么样的姿势最好时，我发现如果我采取比现在水平姿势更靠前的姿势，我可以飞得更远。然而，身体前倾对于运动员来说是很可怕的，所以我认为他们应该尽力保持水平。

花样滑冰有很多条件，因此很难分析。跳跃的方式有很多种，包括趾环跳、轴跳和salchows。根据您如何使用冰鞋边缘，旋转方式会有所不同，并且根据您是在边缘内侧还是在边缘外侧踢，以及是在边缘前面还是后面踢，溜冰鞋旋转的方式也会有所不同。飞行方式至少有四种，而且根据跳跃类型的不同，都有关于飞行角度的说明，因此条件多种多样，很难上手。

伊藤──是的。花样滑冰动作的分析是用机械动力学来表达的。另一方面，对于速度滑冰很重要的气流可以使用流体力学进行分析。速度滑冰最重要的就是服装。所以我也研究了服装。最后我得出的结论是，穿着Speedo的Laser Racer我会获得最好的记录。现在大多数运动员都穿着这种类型的衣服，但一旦比赛结束，每个人都会拉下拉链并打开前面。这是因为你的身体收紧得太多了。

我发现了一种很好的服装面料，所以我联系了一家日本公司，询问我们是否可以一起开发它，但我还没有收到积极的回应。

伊藤──我还研究了体育用品公司生产的硬网球。经过一些研究，我发现不同制造商之间存在很多差异，例如磨损的难易程度。磨损后，球的旋转往往会发生变化。职业网球运动员的球是一次性的，但业余爱好者希望尽可能长时间地使用他们的球，因此他们希望球在磨损后也尽可能不改变其旋转。

我也在研究 Molten 的足球。过去，足球有黑白五边形图案，但现在每四年的世界杯上都会推出一种新图案。旧的黑白图案已经不复存在。表面的粗糙度也不同，以前是牛皮的，现在是合成革的。

就像排球一样，击球曾经在足球中很流行，但在职业联赛中却受到人们的憎恨。球是故意瞄准守门员的。我觉得如果我能得到什么，我就应该接受，但其中蕴含着太多的机会。年轻球员也开始练习投篮，并开始怀疑足球是否应该这样踢。我想到我应该磨练我真正的足球技巧而不是依靠机会，于是我开始在守门员不在的地方射门。因此，对不摇晃的球的需求发生了变化。

伊藤──候鸟和涡虫等生物^*1的运动它们比蛞蝓移动得更快，因此我们正在研究它们与蛞蝓的不同之处以及它们如何高速游泳。

伊藤──如果有什么不同的话，我更像是一个实验人员，而不是 3D-CAD 人员，所以我有时会使用名为 Star-CCM 的 CFD（计算流体动力学）软件来计算游泳的起始、转弯和潜水条件，但我仍然使用风洞实验进行验证。

伊藤──将移动的事物转换为数据是很困难的。描述运动的物体需要非稳态流体力学，但由于形状每时每刻都在变化，计算变得困难，所以我认为很少有人使用CFD进行计算。

伊藤──如果您能够使用像 Fugaku 这样的超级计算机，这是可能的，但它会很昂贵，所以您必须使用自己的研究材料。最快的方法是进行实验。

风洞测试后的分析工具包括 Dartfish 软件。这是用于分析实际视频的软件。我不是求解微分方程（例如纳维-斯托克斯）并执行数值计算，而是创建动态模型并求解可以解析求解的方程。这是因为它需要的计算量较小并且更容易求解。这是我的方法。我觉得这个比较容易理解。

伊藤──目前，我们正在寻求提高球的性能，但随着新球的问世，新的知识也在不断涌现。我们还收到有关体育以外研究主题的询问，例如如何让无人机机翼飞得更好。

伊藤──我告诉你要自己思考并去做。今天的学生在理解某件事的 70% 左右时就会感到满意。知道70%就满意的人，和知道100%就不满意的人，未来会有很大的区别。所以我说不要满足于70%。我们在这里给出严格的指示。

此外，我总是告诉我的学生要有长远的梦想。如果你的跨度很短，你就会很快实现你的梦想，也会很快失去你的梦想。如果你对自己40岁或50岁时会过什么样的生活有一个长期的梦想，那么你将能够在不迷失自己的情况下提高自己。