植物との力学的アナロジーに学ぶ巨大建築構造システム設計

• Project Area: Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
• Project/Area Number: 18H05486
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 川口 健一 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (40234041)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 張 天昊 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (90845728) ; 中楚 洋介 東京大学, 生産技術研究所, 特任講師 (70756361)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥61,880,000 (Direct Cost: ¥47,600,000、Indirect Cost: ¥14,280,000); Fiscal Year 2022: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000); Fiscal Year 2021: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000); Fiscal Year 2020: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000); Fiscal Year 2019: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000); Fiscal Year 2018: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
• Keywords: 建築構造 / 細胞 / biomimetics / tensegrity / 重力屈性 / 植物構造オプト / 生長 / 屈性 / 癒合 / 飲み込み / 樹木 / 膨圧

Outline of Annual Research Achievements

2021年度までに、コロナ禍の制約はあったが、以下の研究を行った。1.基礎構造への根系の応用では、1.1軸力密度法による根系の形態解析：トラス構造の軸力密度を根に沿った摩擦力とした形態解析の実施。1.2地下の根系のネットワークの観察と栄養屈性による制御の探索：根系の成長を栄養屈性により制御。2.建築構造のユニット、モジュールへの応用では、2.1葉の表皮細胞のジグソーパターンの木造継手への応用(熊本大檜垣班)：ジグソーパターンと鎌継ぎ蟻継ぎを厚紙試験体とし引張試験実施。2.2癒合,呑み込み現象を利用したハイブリッド建築への応用の探索と挑戦：圃場で異種の工業材料に対しユーカリの呑み込み現象を観察。癒合による構造の構築。3.成長する建築構造の探求では、3.1豆苗の重力屈性挙動の力学的観察(上田班・渡辺班)：豆苗の重力屈性力を計測。2.3.2 ユーカリの成長力に関する観察(上田班・渡辺班・藤原班)：ユーカリの伸長力を測定観察。3.3細胞壁と膨圧による材料定数の解明と数値シミュレーション(細川・津川班)：AFM 計測と数値計算より具体的な膨圧と細胞壁の剛性を調査。3.4成長建築の数値シミュレーション(KKE)：単純なルールのみで植物の断面の形成を模擬。3.5成長する構造の提案：空気膜構造と張力材の成長構造モデルを考案し基礎的な実験。3.6接ぎ木・癒合技術の建築構造への応用(野田口班)：圃場で癒合や自己修復実験実施。3.7癒合・呑み込み現象の数値シミュレーション：L システムやエネルギー法則等を応用した数値シミュレーションの提案。2.4. 若手育成では、若手の会におけるメンタリングを実施。
日本建築学会大会において構造系部門初となるオーガナイズドセッション「植物構造オプト」を開催、26編の選抜梗概が集まった。建築構造研究者と植物生理学者との有意義な研究情報交流を実践することができた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

コロナ禍により、研究所訪問や圃場などでの植物生理学者との交流の機会が大きく奪われてしまった。オンラインによる交流は数名のミーティングには向いており、研究分担のはっきりした研究交流は比較的予定通りに進んだが、実地の実験や植物の生育状況の観察などを通して行う発見的な側面の多い研究交流においては、当初の計画ほどの交流が得られなかったことが響いていると考えている。

Strategy for Future Research Activity

Withコロナの環境における往来がある程度可能となってきたため、これまでの遅れを挽回したいと考えている。

Research Products

• [Journal Article] 植物の力学的最適化戦略に基づく構造システムの探索の基礎的考察：植物構造オプト (2021)
  • Author(s): 川口 健一，中楚 洋介，張 天昊，出村 拓
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 構造Ⅰ Pages: 785-788
• [Journal Article] Parametric L-systemを用いた樹木表面のポリゴンメッシュ生成に関する基礎的研究 (2021)
  • Author(s): 中楚 洋介，川口 健一
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 構造Ⅰ Pages: 825-828
• [Journal Article] 植物主茎伸長の力学的観察と成長原理に着目したエアチューブ構造に関する基礎的研究 (2021)
  • Author(s): 武藤 宝，川口 健一，中楚 洋介，張 天昊
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 構造Ⅰ Pages: 877-880
• [Journal Article] AFM(原子間力顕微鏡)探針で載荷された植物細胞の力学的応答と有限要素法による数値計算の比較に関する基礎的研究 (2021)
  • Author(s): 堀口 翔太，川口 健一，張 天昊，中楚 洋介，津川 暁, 細川 陽一郎
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 構造Ⅰ Pages: 853-856
• [Journal Article] Mechanical measurement of gravitropic bending force in pea sprouts (2020)
  • Author(s): Nakaso Yosuke、Arimoto Sayaka、Kawaguchi Ken’ichi、Muto Takara、Ueda Haruko
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 37 Issue: 4 Pages: 475-480
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.1201b
  • NAID: 130007960257
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2020-12-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a dynamic imaging method for gravitropism in pea sprouts using clinical magnetic resonance imaging system (2020)
  • Author(s): Nakai R, Azuma T, Nakaso Y, Sawa S, Demura T
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 37 Issue: 4 Pages: 437-442
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.1020a
  • NAID: 130007960240
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2020-12-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 植物構造オプト：植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成と力学的アナロジーに学ぶ巨大建築構造システム設計に関する基礎的考察 (2020)
  • Author(s): 川口 健一，中楚 洋介，出村 拓
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 構造I Pages: 657-660
• [Journal Article] 植物の重力屈性挙動の観察と力学的特性に関する基礎的考察 その2：豆苗の重力屈性挙動における力学的特性 (2020)
  • Author(s): 有本 清香，川口 健一，中楚 洋介，出村 拓
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 構造I Pages: 685-688
• [Journal Article] 植物の力学的最適化戦略に学ぶサステナブル建築構造システムにおける巨大建築設計手法の導出と数値解析 その 2 分裂する細胞とプリミティブな成長ルールが生成する成長パターンの簡単な解析 (2020)
  • Author(s): 小御門 真伍，川口 健一，中楚 洋介，細見 亮太，石塚 広一，張 天昊，出村 拓
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 構造I Pages: 693-696
• [Journal Article] 栄養屈性を利用した根系構造の形態創生に関する基礎的研究 その1：2次元におけるイネ根の栄養屈性挙動の観察と生長シミュレーション (2020)
  • Author(s): 中楚 洋介，川口 健一，藤原 徹，山崎 清志，Marcel Beier
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 構造I Pages: 701-704
• [Journal Article] ユーカリが伸長時に発揮する力の測定と建築構造への利用法の提案に関する基礎的研究 (2020)
  • Author(s): 武藤 宝，川口 健一，中楚 洋介，張 天昊
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 構造I Pages: 689-692
• [Journal Article] 植物の葉細胞にみられるジグソーパターンの継ぎ手への直接的応用と在来継ぎ手形状との比較 (2020)
  • Author(s): 堀口 翔太，川口 健一，有本 清香，中楚 洋介，桧垣 匠，出村 拓
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 構造I Pages: 715-716
• [Presentation] 植物の力学的最適化戦略に基づく構造システムの探索の基礎的考察：植物構造オプト (2021)
  • Author(s): 川口 健一
  • Organizer: 日本建築学会大会学術講演
• [Presentation] Parametric L-systemを用いた樹木表面のポリゴンメッシュ生成に関する基礎的研究 (2021)
  • Author(s): 中楚 洋介
  • Organizer: 日本建築学会大会学術講演
• [Presentation] 植物主茎伸長の力学的観察と成長原理に着目したエアチューブ構造に関する基礎的研究 (2021)
  • Author(s): 武藤 宝
  • Organizer: 日本建築学会大会学術講演
• [Presentation] AFM(原子間力顕微鏡)探針で載荷された植物細胞の力学的応答と有限要素法による数値計算の比較に関する基礎的研究 (2021)
  • Author(s): 堀口 翔太
  • Organizer: 日本建築学会大会学術講演
• [Presentation] 植物構造オプト：植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成と力学的アナロジーに学ぶ巨大建築構造システム設計に関する基礎的考察 (2020)
  • Author(s): 川口 健一
  • Organizer: 「シェル・空間構造」セミナー2020『植物の力学的最適化戦略に基づく構造システムの探索： 植物構造オプト』
  • Invited
• [Presentation] 植物の重力屈性挙動の観察と力学的特性に関する基礎的考察 その2：豆苗の重力屈性挙動における力学的特性 (2020)
  • Author(s): 有本 清香
  • Organizer: 「シェル・空間構造」セミナー2020『植物の力学的最適化戦略に基づく構造システムの探索： 植物構造オプト』
  • Invited
• [Presentation] 植物の力学的最適化戦略に学ぶサステナブル建築構造システムにおける巨大建築設計手法の導出と数値解析 その 2 分裂する細胞とプリミティブな成長ルールが生成する成長パターンの簡単な解析 (2020)
  • Author(s): 小御門 真伍
  • Organizer: 「シェル・空間構造」セミナー2020『植物の力学的最適化戦略に基づく構造システムの探索： 植物構造オプト』
  • Invited
• [Presentation] 栄養屈性を利用した根系構造の形態創生に関する基礎的研究 その1：2次元におけるイネ根の栄養屈性挙動の観察と生長シミュレーション (2020)
  • Author(s): 中楚 洋介
  • Organizer: 「シェル・空間構造」セミナー2020『植物の力学的最適化戦略に基づく構造システムの探索： 植物構造オプト』
  • Invited
• [Presentation] ユーカリが伸長時に発揮する力の測定と建築構造への利用法の提案に関する基礎的研究 (2020)
  • Author(s): 武藤 宝
  • Organizer: 「シェル・空間構造」セミナー2020『植物の力学的最適化戦略に基づく構造システムの探索： 植物構造オプト』
  • Invited
• [Presentation] 植物の葉細胞にみられるジグソーパターンの継ぎ手への直接的応用と在来継ぎ手形状との比較 (2020)
  • Author(s): 堀口 翔太
  • Organizer: 日本建築学会(シェル・空間構造関連部門)発表会
• [Presentation] 植物の重力屈性挙動の観察と力学的特性に関する基礎的考察 その1：豆苗の重力屈性挙動の観察と測定 (2019)
  • Author(s): 有本清香, 川口健一, 中楚洋介, 出村拓
  • Organizer: 2019年度日本建築学会大会学術講演梗概集（構造I）
• [Presentation] 植物の力学的最適化戦略に学ぶサステナブル建築構造システムにおける巨大建築設計手法の導出と数値解析 その1 研究概要． (2019)
  • Author(s): 細見亮太, 川口健一, 中楚洋介, 石塚広一, 外川文雄, 岡山信男, 有本清香, 出村拓
  • Organizer: 2019年度日本建築学会大会学術講演梗概集（構造I）
• [Presentation] 植物と建築構造の関わり (2019)
  • Author(s): 中楚洋介
  • Organizer: 異分野融合ワークショップ「植物の複雑な構造とその形状や動態を解析するための技術基盤」
  • Invited
• [Presentation] 植物生理学と構造工学 (2019)
  • Author(s): 川口健一
  • Organizer: 植物生理学会「植物構造オプト」シンポジウム「S04 植物の力学的最適化戦略をよみとく」
  • Invited
• [Presentation] 応力密度法の根系形態への適用と支持構造物への応用に関する基礎的考察 (2018)
  • Author(s): 有本 清香 , 川口 健一
  • Organizer: 2018年度日本建築学会大会学術講演梗概集（構造I）
• [Presentation] 植物との力学的アナロジーに学ぶ巨大建築構造システム設計 (2018)
  • Author(s): 川口健一
  • Organizer: 新学術領域「植物構造オプト」キックオフシンポジウム
  • Invited