“创新日本走访”系列为大家介绍实际应用于社会一线而进行的研发项目。本文为该系列的第9回，将介绍冈山大学环境生命自然科学学域的比江岛慎二教授，他通过利用物体在水和风力的作用下产生的物体振动——“流体激振（fluid-induced vibration）”进行水流发电的技术，开发出了一种可监测洪水前兆的中小河流泛滥情况的流速计。
具有强大力量的流体激振
改控制为利用的思考转变
冈山县拥有连接本州和四国的世界最长公路铁路两用桥——“濑户大桥”。在冈山县首府冈山市的市中心位置，坐落着冈山大学的津岛校区。虽然位于市区，但该校区的占地面积达到约64万平方米，相当于13个东京巨蛋。该大学环境生命自然科学学域的比江岛慎二教授，就在津岛校区从事着桥梁和灵感来自濑户内海潮汐的独特研究。
比江岛教授出生于山口县岩国市，是看着日本代表性木桥“锦带桥”长大的。这座美丽的五连拱桥全长约200米，桥拱散发出的力学美感深深吸引了他。谈及自己开始研究的契机，比江岛教授表示：“我大学的时候，刚好是濑户大桥等本州四国连接桥梁开通的时期。在研究生阶段，我进入了桥梁工学研究室，并在那里学习到了与目前研究课题相关的‘流体激振’知识。”
图1 流体激振原理图
由气流、水流、潮流等产生的旋涡力量导致构造物振动，这种振动具有能通过增强旋涡而进一步增强振动的自我增强机制。1940年的美国塔科马海峡大桥坍塌事故和1995年的快速中子增殖反应堆实验堆“文殊”的钠泄漏事故等，原因之一就被认为是由于流体激振导致的疲劳断裂引发的。
所谓流体激振，是指桥梁等构造物在风、水、潮流等流体作用下产生的“旋涡”致使构造物本身振动的现象。这种振动具有在流体作用下不断增强的特征，甚至拥有足以使桥梁弯曲坍塌的强大力量（图1）。比江岛教授多年来一直致力于流体激振的控制方法领域的研究。然而据说有一次，他突然灵光闪现，产生了“利用”振动产生的能量的逆向思考。“当时我想，通过利用水流产生振动的潮流发电等技术，或许可以高效地获得可再生能源。”
不易损坏的摆锤形状
在狭窄和低水深的水流中也能工作
从这次灵光乍现中诞生的，就是本文将要介绍的关键技术——“Hydro-VENUS（摆锤流体激振发电系统）”。Hydro-VENUS采用圆柱或半圆柱状的摆锤放置在水流中，利用摆锤左右交替释放出来的旋涡的力量使摆锤振动并发电。一般利用水流的潮流发电以螺旋桨旋转产生电力类型为主，但螺旋桨的叶片容易被卷入的落叶等漂浮物损坏，还有可能伤害水中的动植物。
相比之下，采用摆锤形状的Hydro-VENUS由于是做往复运动，消除了上述问题的困扰也不易损坏。而且，其简单的形状不会阻碍水流，即使在狭窄和低水深的水流中也能工作。无论是河流还是海洋，甚至是水渠和上下水道，它都可以应用（图2）。为了推广将水流转化为能源的Hydro-VENUS，比江岛教授于2015年创立了冈山大学校办初创公司“Hydro-VENUS”株式会社。
图2 Hydro-VENUS
由于用摆锤振动代替了螺旋桨旋转来发电，漂浮物卷入而导致的停机和叶片破损等风险较低。另外，作为不需要电源、不受天气影响的发电机，Hydro-VENUS可以产生稳定的能源。
创办Hydro-VENUS公司的关键人物，是现任该公司代表董事的上田刚慈先生。作为产学合作的顾问，一直在能源领域寻求发展的上田先生通过冈山大学环境生命自然科学学域的池田直教授的介绍结识了比江岛教授。上田先生回忆道：“池田教授向我介绍说，如果要从事与能源相关的业务，我们就应该帮助比江岛教授。在比江岛教授的实验室里，我亲眼见到了Hydro-VENUS，深感这是一项非常有趣的技术。”
当时，比江岛教授在与多家企业合作过程中，感到企业对实际应用这项技术缺乏热情，正是心情沮丧的时候。把Hydro-VENUS从冈山县推广到全世界——两人的想法一拍即合，第二年便创办了“HydroVenus”公司。2023年10月，该公司入选了由日本“中国经济产业局”和“四国经济产业局”推进的，旨在表彰那些有意愿解决社区和社会问题、业务内容先进的初创公司“J-Startup WEST”名单。
在中国四国地区和富山县进行实证实验
担负起“治水DX”的一份责任
比江岛教授等人于2021年入选了日本科学技术振兴机构（JST）的A-STEP项目“用于构建水灾预测传感网的低成本无外部电源流速计的开发”并开始了Hydro-VENUS流速计的开发。研究背景是近年来已成为日本一大问题的各地暴雨灾害。在2018年的西日本暴雨灾害中，冈山县仓敷市真备町全域被水淹没，受灾严重。受灾扩大的一个原因是，一级河流高梁川支流中的小河决口，以及农业水渠内涝泛滥，通常用于监测涨水等异常情况的水位计和流速计由于成本原因并未配备在许多中小河流上。
比江岛教授回顾当时的决心时说道：“由于灾害背景，我们应用了可以通过水流发电的Hydro-VENUS，尝试开发无需电源且低成本的新型流速计。”在A-STEP项目中，研究人员着眼于在河流和水渠上的用途，尝试提高能源获取性能和抗漂流物的坚固性。为了实现这两种性能，研究人员尝试了各种截面形状的摆锤后，发现半椭圆形截面的摆锤能够产生最强的流体激振。此外，通过延长摆锤的长度，增大倾斜角，不仅能提高能源获取性能，还能减少漂流物的缠绕。
图3 治水DX实证实验
作为外水和内水泛滥以及山洪和泥石流等灾害的防治措施，研究人员在日本各地河流的上下游利用Hydro-VENUS发电并测量流速和水位的实证实验（左）。在香川县正在与水资源机构香川用水管理所与Hydro-VENUS公司、冈山大学合作，研究联合利用Hydro-VENUS和AI的闸门控制技术，以提高水渠管理技术（右）。
目前，基于A-STEP项目成果的实证实验已经启动。岡山市的内水泛滥对策、爱媛县西条市的涨水风险对策，以及富山县富山市的农业用水管理等项目作为解决各地问题的关键，Hydro-VENUS的有效性都在应用得到了验证（图3）。与各地方政府和相关机构的交涉主要由上田先生负责。他表示：“尽管在解决地区特有问题方面，以及与各关系方协调方面花费了不少心血，但由于这项技术潜力巨大，所以感觉受到了高度关注。希望Hydro-VENUS今后能作为一项实现水害预测和传感的技术，承担起‘治水DX’的一份责任。”治水DX是指运用AI技术提高流域防灾能力的各种尝试。
比江岛教授和上田先生正在探索作为濑户内海特有产业的海洋能源利用之路。日本沿海被称为“里海”，孕育着丰富的水产资源和美丽的岛屿风光。特别是濑户内海拥有诸多海峡，是世界上屈指可数的潮流能源宝库。“我正在设想在濑户内海海底，能否建立一个排列着Hydro-VENUS的新型潮流发电系统。运用HydroVENUS，就能使‘里海能源’自产自销，为提高能源自给率做出贡献。”怀揣着从桥梁诞生出的创新项目，比江岛教授正在放眼于创建可持续发展社会。（TEXT：横井Manami，PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2024年2月号
翻译编辑：JST客观日本编辑部
