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

仿生准周期材料：其功能化和物理性能控制

基本信息

批准号：
19K03766
负责人：
島弘幸
金额：
$ 2.75万
依托单位：
University of Yamanashi
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

在今年的研究中，我们分析了树皮中常见的条纹裂纹图案。在银杏、松树等树木的树干表面，沿着树干的圆周可以观察到周期性的树皮开裂和剥落图案。这种树皮形态对于识别树种也很有用，例如可以猜测树种。通过观察冬天落叶的树皮来判断树的类型。导致树皮剥落的因素是树干内部的膨胀力和外部树皮的干燥收缩。认为是这样的。另一方面，对产生周期性裂纹模式的机械机制进行定量研究的例子很少。在本研究中，我们选择了几棵银杏树和黑松树，进行了树皮成型实验和各种数值分析（椭圆傅里叶分析、主成分分析等），旨在阐明这种裂纹图案周期性的机械起源。大学校园，并使用硅树脂和聚氨酯树脂创建了树木的水平横截面模型。通过对该模型轮廓的图像分析，获得了沿圆周方向的详细的树皮不均匀度数据。此外，通过将树皮裂纹视为“层压结构中的拉伸断裂现象”并应用剪切滞后理论，他们能够在理论上重现实际观察到的裂纹的周期长度。此外，今年我们还分析了网瓜表皮中出现的网状图案。一般来说，瓜网是由于个体生长阶段表皮出现裂纹而造成的。然而，其机制尚未完全阐明，局部化学反应过程和全局模式形成仍存在争论空间。因此，在今后的研究中，我们将通过网瓜果皮的图像分析和果皮标本的力学测试来推断覆盖整个果皮的全局图案的形成过程。结果发现，形成多个瓜种网络的多边形细胞的面积遵循普适概率分布。