植物形態の構造力学的学理を基盤とする次世代の環境調和型構造デザイン

基于植物形态结构力学的新一代环保结构设计

• 批准号: 22KJ0125
• 负责人: 金浜 瞳也
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0125/
• 关键词: 生物形態模倣; 力学的合理性; 最大高さ; 張力構造; 幾何剛性

本研究は、植物形態の構造力学的合理性を工学的見地から探求し、環境に優しい自然と調和する次世代の構造デザインや、新材料の創成を実現するための「植物形態を支配する自然法則」を解明することを目的とするものである。この目的を達成するために、植物を重力への抵抗メカニズムの観点から3つのグループ（樹木・草花・藻類）に分類し、それぞれの力学的合理性の解明および形状則の導出を行い、最終的にこれらを俯瞰して洞察することを予定している。特に本年度は、樹木・藻類の力学的合理性を理論的に解明することを主たる目的として研究に取り組んだ。本年度は，これまでに解明した樹木の力学的合理性について，ここで蓄積した定式化のノウハウを用いて、中空断面を有する草本植物へと対象を拡張すべく、まず中空円筒構造を有する木本植物の「竹」に着目した。中空円筒構造を採用することは、自身の体を軽量化することに繋がるため、一見すると合理的であるように見える。しかしながら、ただ断面を中空にすると、自重に抵抗する曲げ剛性が失われる。この両者の関係を考慮した自重座屈に対する最大高さの定式化を行い、中空断面の採用による軽量化の効果が、曲げ剛性の低減を補って余りある効果を発揮することを解明した。また、この中空植物の定式化ノウハウを土台に、軽く柔らかい草本植物の力学的合理性の解明に着手した。草本植物は木本植物とは異なり、内部水分による膨圧がもたらす軸方向張力によって、はじめて自身の体を支えられる「幾何剛性」が発現する。これについて、草本植物を水平方向へと伸長した片持ち梁としてモデル化し、自重によって生じるたわみに対して、軸方向張力がどのような影響を与えるかを理論に基づき解明した。その結果、一見すると力学的に弱点と考えられる「軽い・細い・柔らかい」といった特性が、張力によるたわみ抑制効果を著しく高めることが分かった。

This study aims to explore the rationality of plant morphology and the natural harmony of the next generation of structure and the creation of new materials. To achieve this goal, plant gravity resistance is determined by classification, mechanical rationality, shape derivation, and final insight. In particular, this year, the rationality of the mechanics of trees and algae is explained in detail. This year, the rationality of the mechanics of trees has been clarified, and the accumulation of trees has been formalized, the use of hollow sections, the presence of herbaceous plants, the presence of hollow tube structures, and the presence of woody plants "bamboo" have been highlighted. The hollow cylinder structure is adopted, and its own body is quantified. The rigidity of the curved surface is lost due to its own weight. The relationship between the two factors is considered. The maximum height of the cross section is determined. The effect of the hollow cross section is determined. The effect of the bending rigidity is reduced. The effect of the hollow cross section is determined. A study on the rationality of the mechanics of herbaceous plants Herbaceous plants are different from woody plants, and their internal water content expands, resulting in "geometric rigidity" due to axial tension and support. This is a theoretical explanation of the horizontal elongation of herbaceous plants. The result is that the strength of the body is weak.

项目成果

テーパー形状と中空断面が自重座屈耐性に与える影響

锥形和空心截面对自重屈曲抗力的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: Kanahama Tohya;Tsugawa Satoru;Sato Motohiro;Tohya Kanahama and Motohiro Sato;善端佑太，小川景太朗，金浜瞳也，加藤博之，佐藤太裕;三島佑太，金浜瞳也，蜂谷啓人，加藤博之，佐藤太裕;金浜瞳也，佐藤太裕
• 通讯作者: 金浜瞳也，佐藤太裕

Summation rules in critical self-buckling states of cylinders

• DOI: 10.1016/j.mechrescom.2022.103905
• 发表时间: 2022-05-24
• 期刊: MECHANICS RESEARCH COMMUNICATIONS
• 影响因子: 2.4
• 作者: Kanahama, Tohya;Sato, Motohiro
• 通讯作者: Sato, Motohiro

中空断面を有する植物の自重座屈に対する最大高さ

空心截面植物自重屈曲最大高度

• 发表时间: 2022
• 作者: Kanahama Tohya;Tsugawa Satoru;Sato Motohiro;Tohya Kanahama and Motohiro Sato;善端佑太，小川景太朗，金浜瞳也，加藤博之，佐藤太裕;三島佑太，金浜瞳也，蜂谷啓人，加藤博之，佐藤太裕;金浜瞳也，佐藤太裕;金浜瞳也，佐藤太裕
• 通讯作者: 金浜瞳也，佐藤太裕

Gielis曲線を用いた非円形断面の表現とその力学特性の評価

使用吉利斯曲线表示非圆形横截面并评估其机械性能

• 发表时间: 2023
• 作者: Kanahama Tohya;Tsugawa Satoru;Sato Motohiro;Tohya Kanahama and Motohiro Sato;善端佑太，小川景太朗，金浜瞳也，加藤博之，佐藤太裕
• 通讯作者: 善端佑太，小川景太朗，金浜瞳也，加藤博之，佐藤太裕

非円形断面がもたらす膨圧によるたわみ抑制効果と円形断面とのアナロジー

非圆形截面与圆形截面对膨胀压力产生的挠曲抑制效果的类比

• 发表时间: 2023
• 作者: Kanahama Tohya;Tsugawa Satoru;Sato Motohiro;Tohya Kanahama and Motohiro Sato;善端佑太，小川景太朗，金浜瞳也，加藤博之，佐藤太裕;三島佑太，金浜瞳也，蜂谷啓人，加藤博之，佐藤太裕
• 通讯作者: 三島佑太，金浜瞳也，蜂谷啓人，加藤博之，佐藤太裕