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

基本信息

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

项目摘要

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。

这项研究从工程角度探讨植物形态的结构力学合理性，旨在创造环保且与自然和谐的下一代结构设计，以及新材料的创造，目的是阐明“ ‘法律’”。为了实现这一目标，我们从植物对重力的抵抗机制的角度将植物分为三类（树木、花卉和藻类），阐明每一类的机械合理性，导出形状规则，最后我们计划提供概述和见解到这些问题。特别是今年，我专注于研究，主要目的是从理论上阐明树木和藻类的机械合理性。今年，为了将迄今为止阐明的树木的机械合理性范围扩大到具有中空圆柱形结构的草本植物，我们将利用我们在此积累的配方技术知识。种植“竹子”。乍一看，采用空心圆柱形结构似乎很合乎逻辑，因为它可以减轻机身本身的重量。然而，如果横截面简单地制成中空，则会失去抵抗其自重的弯曲刚度。考虑到两者之间的关系，我们制定了抗自重屈曲的最大高度，并阐明了采用中空截面的减重效果不仅仅是补偿弯曲刚度的降低。此外，基于这种空心植物配制技术，我们开始阐明轻质和柔软的草本植物的机械合理性。与木本植物不同，草本植物具有“几何刚性”，使它们能够通过内部水引起的膨胀压力产生的轴向张力来支撑自己的身体。对此，我们将草本植物建模为水平延伸的悬臂梁，并根据理论阐明了轴向拉力如何影响其自重引起的挠度。结果发现，乍一看可能被认为是机械弱点的“轻、薄、软”特性显着增强了抑制因张力引起的挠曲的效果。