Research on the property of the power generated by living plant tissue and the pneumatic tensile structure inspired by plant stem

植物活体组织发电特性及植物茎气动拉伸结构研究

• 批准号: 22KJ0787
• 负责人: 武藤 宝
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 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 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0787/
• 关键词: 植物組織; 伸長; 空気膜構造; 張力構造; 超軽量構造; テンセグリティ

本研究は(1)植物組織である茎の伸長を力学的に解明し、(2)植物組織のしくみを応用した空気膜構造を提案・検証することを目的としている。(1)では、実験結果を計算で再現するため、植物茎の伸長により障害物を押しのける力や蓄積された歪エネルギーを計算した。熱膨張は茎の生長で再現し、一方向に拡大する主茎を弾性体と仮定した。接触問題でも解が安定する陽解法を用いて伸長力を求めた。しかし、以下の問題により、現在のままでは得られた知見が意味をなさないと判断した：1.見通しが高い障害物との接触で茎に曲げが生じているため純粋な伸びとは言えず、伸長力の定義が明確でない。2.測定試験は1回のみ行ったのに対し、植物生理学ではふつう試験体数を10以上用意する等、分野における慣例の違いがある。上記により、計画にあったトラスモデルは未制作である。(2)では、ワイヤ配置およびエアチューブのアスペクト比を変化させた試験体を制作し、載荷試験を行った。試験では、ワイヤ配置により耐荷重が変化した。例えば、ワイヤがエアチューブと平行な配置(II型)と交差する配置(X型)を比べると、アスペクト比が３の場合にはII型の耐荷重はX型よりも小さかった。次に、実験結果を模擬するために有限要素計算を行った。偏心距離を唯一の初期不整量として与えて計算したが、実験に比べて初期不整量が過大であり、同時に軸力変動を模擬できなかったことから、形状不整を与える必要があると判断した。例えば長さの1%の辷り変形を不整として与えるとワイヤの軸力変動をよく再現できた。計画では空気プレストレス構造をシェル構造に応用するとしていたが、より実現しやすいアーチに変更した。アーチは柱型の空気プレストレス構造を４個つないだものであり、スパン4.7m、高さ1.7m、基礎を除いた自重30kgである。載荷試験を通して、この構造形式がアーチにおいても有効だと示した。

这项研究的目的是（1）机械阐明茎的延伸，即植物组织，（2）提出和验证应用植物组织机制的空气膜结构。在（1）中，为了通过计算重现实验结果，通过植物茎的伸长来计算推动障碍物和累积应变能的力。热膨胀是通过茎生长复制的，并且假定向一个方向扩展的主茎被认为是弹性体。使用明确的解决方案确定延伸力，即使在接触问题中也可以稳定解决方案。但是，由于存在以下问题，因此确定获得的知识现在并不恢复：1。由于茎弯曲是由于与具有较高前景的障碍物的接触而弯曲，因此不能称为纯伸长，并且伸长力的定义尚不清楚。 2。虽然仅进行了一次测量测试，但植物生理学在野外具有不同的实践，例如通常由10个或更多的标本数量进行的标本数量。由于上述情况，尚未产生计划的桁架模型。在（2）中，产生了一个测试样品，具有不同的导线排列和空气管的纵横比，并进行了装载测试。在测试中，由于电线布置而变化了负载能力。例如，当比较电线与空气管（II型）与纵横比为3的排列（X型）相交的排列（X类型）时，II型的负载容量小于X型的负载能力。接下来，执行有限元计算以模拟实验结果。尽管偏心距离是唯一的初始不一致性，但确定与实验相比，初始不一致量过高，并且无法模拟轴向力波动，因此确定有必要提供形状不一致。例如，如果将裂解变形的1％长度用于不规则，则可以很好地再现导线的轴向力波动。该计划是将空气预应力结构应用于壳结构，但拱门更改为更可行的拱门。拱门由四柱形的空气预应力结构组成，跨度为470万，高度为170万，重量为30公斤，不包括基础。通过加载测试，这种结构形式也被证明在拱门中也有效。

项目成果

Experimental research of axial elasticity and loading capacity of air-inflated tubes with low aspect ratio

小长径比充气管轴向弹性及承载能力试验研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Takara Muto;Ken'ichi Kawaguchi
• 通讯作者: Ken'ichi Kawaguchi

PRELIMINARY EXPERIMENTAL RESEARCH OF AXIAL MECHANICAL PROPERTY AND STABILITY OF TENSION COLUMN PRESTRESSED BY AIR TUBE

空气管预应力张拉柱轴向力学性能及稳定性初步试验研究

• DOI: 10.3130/aijt.28.1178
• 发表时间: 2022
• 期刊: AIJ Journal of Technology and Design
• 作者: 武藤 宝;川口 健一
• 通讯作者: 川口 健一