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

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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。