Bio-inspired quasi-periodic materials: their functionalization and physical property control

本年度の研究では、樹木の樹皮に多くみられる縞模様の亀裂パターンの解析を行った。イチョウやマツなどの樹木の幹の表面には、幹の周方向に沿った周期的な樹皮のひび割れ模様や剥離が観察される.このような樹皮の形態は樹種の同定にも役立っており、たとえば葉を落とした冬季の落葉樹でも、樹皮を見て樹木の種類を推測することができる.　樹皮が剥離する要因は、樹幹内部の膨張力や、樹皮外側の周皮が外部から乾燥収縮を受けることだと考えられている。その一方で，周期的なひび割れ模様が出来る力学的な仕組みを,定量的に考察した例は少ない。本研究では、このひび割れ模様の周期性の力学的起源を明らかにすることを目的として、樹皮の型取り実験と各種の数値分析(楕円フーリエ解析・主成分分析など)を行った.具体的には、大学構内にあるイチョウとクロマツを数本選定し、シリコン樹脂とウレタン樹脂を用いて、樹木の水平断面の模型を作成した。この模型の輪郭線を画像解析することで、周方向に沿った詳細な樹皮凹凸データを得た。さらに樹皮のひび割れを「積層構造の引張破断現象」とみなし、Shear-lag 理論を適用することで、現実に観測されるひび割れの周期長を理論的に再現できた。さらに本年度は、ネットメロン表皮で生じる網目パターンの解析も行った。一般にメロンの網目は、個体の生長段階で生じる表皮のひび割れに起因する。しかしその機序解明は十分ではなく、局所的な化学反応過程と大域的な模様形成の両者において、未だ議論の余地が残されている。そこで今後の研究では、ネットメロン果皮の画像解析および果皮供試体の力学試験から、果皮全体を覆う大域的パターンの形成過程を推察した。その結果、複数種のメロンについて、網目を構成する多角形状セルの面積が、普遍的な確率分布に従うことが判明した。

本年度の研究では、樹木の樹皮に多くみられる縞模様の亀裂パターンの解析を行った。イチョウやマツなどの樹木の幹の表面には、幹の周方向に沿った周期的な樹皮のひび割れ模様や剥離が観察される.このような樹皮の形態は樹種の同定にも役立っており、たとえば葉を落とした冬季の落葉樹でも、樹皮を見て樹木の種類を推測することができる.　樹皮が剥離する要因は、樹幹内部の膨張力や、樹皮外側の周皮が外部から乾燥収縮を受けることだと考えられている。その一方で，周期的なひび割れ模様が出来る力学的な仕組みを,定量的に考察した例は少ない。本研究では、このひび割れ模様の周期性の力学的起源を明らかにすることを目的として、樹皮の型取り実験と各種の数値分析(楕円フーリエ解析・主成分分析など)を行った.具体的には、大学構内にあるイチョウとクロマツを数本選定し、シリコン樹脂とウレタン樹脂を用いて、樹木の水平断面の模型を作成した。この模型の輪郭線を画像解析することで、周方向に沿った詳細な樹皮凹凸データを得た。さらに樹皮のひび割れを「積層構造の引張破断現象」とみなし、Shear-lag 理論を適用することで、現実に観測されるひび割れの周期長を理論的に再現できた。さらに本年度は、ネットメロン表皮で生じる網目パターンの解析も行った。一般にメロンの網目は、個体の生長段階で生じる表皮のひび割れに起因する。しかしその機序解明は十分ではなく、局所的な化学反応過程と大域的な模様形成の両者において、未だ議論の余地が残されている。そこで今後の研究では、ネットメロン果皮の画像解析および果皮供試体の力学試験から、果皮全体を覆う大域的パターンの形成過程を推察した。その結果、複数種のメロンについて、網目を構成する多角形状セルの面積が、普遍的な確率分布に従うことが判明した。