| Project/Area Number |
21H04537
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
井上 忠信 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, グループリーダー (90354274)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡 慎一郎 一般財団法人沖縄美ら島財団(総合研究センター), 総合研究センター 動物研究室, 上席研究員 (00721747)
原 徹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, グループリーダー (70238161)
中里 浩二 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, NIMSエンジニア職 (10469778)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
Fiscal Year 2021: ¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000)
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| Keywords | 生物機械工学 / 甲殻類 / 三次元組織解析 / 強靭化組織設計 / 生物模倣技術 / 複合構造 / 異方性 / ナノインデンテーション |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の概要は，甲殻類最強の把持力を持つヤシガニなどの外骨格を対象に，材料工学の最先端の手法を活用して，①組織や構造および主要成分を観察・分析し，②機械的特性試験（硬度，剛性，曲げ強度，靭性）を行い，③3次元有限要素法によるヤシガニが挟む際の数値解析を通じて，堅牢なハサミの組織構造を解明し，生物機械工学の観点で“材料力学および機械材料関連”分野をより発展させることを目的にした研究であり，材料工学者と生物工学者が融合した超異分野連携研究である．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，甲殻類最強の把持力を持つヤシガニなどの外骨格を対象に，材料工学の最先端の手法を活用して，①組織や構造および主要成分を観察・分析し，②機械的特性試験（硬度，剛性）を行い，③3次元有限要素法FEMによるヤシガニが挟む際の数値解析を通じて，堅牢なハサミの組織構造を解明し，生物機械工学の観点で“材料力学および機械材料関連”分野をより発展させることを目的にした研究である．
本年は，ヤシガニやノコギリガザミの捕獲・調査を継続して実施し，体重やサイズ，各部位の表面硬度および体重と把持力の関係を含めデータを蓄積した．アミメノコギリガザミを対象とし，ハサミの挟む側に一列に並んでいる白い突起（denticle）内部の微視組織および破面を走査電子顕微鏡で観察し，主要成分はエネルギー分散型X線分析装置で検出，分析を行った．特性試験では，ビッカース硬さおよびナノインデンテーション試験を実施した．ガザミは，ハサミの根元で主食となる二枚貝などを挟むことで破壊し中身を食べるが，根元に存在する大きなdenticlesの表層は，ハサミ外骨格の中で一番優れた耐摩耗性（硬度―剛性バランス）を持っていた．このバランスは，これまで調べられた生物界（ヨーロッパ蟹・ロブスター・サソリのハサミ，チロルの顎，クモの牙，亀の甲羅など）の中でトップクラスだった．また，denticlesは表面に平行な螺旋組織が積層した構造を有し，き裂がdenticle内部に進展しない組織構造となっていた．この組織的特徴は，本研究で明らかにしたヤシガニや他の研究者によって示されたアオガニ・ズワイガニのdenticlesのそれとは異なることが明らかにされた．
外骨格のバルク特性の把握するため，2kgクラスの大きなノコギリガザミを入手し，ハサミ外骨格を対象に，ダンベル型の引張試験片を抽出し，外骨格バルク体の引張試験を実施することに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでビッカース試験やナノインデンテーション試験による局所的な特性結果だけだったが，運よく体重2kgクラスの大きなノコギリガザミを入手することができ，ハサミ外骨格から小型試験を抽出し，引張試験の実施に成功した．今後，ｎ数を増やしてバラツキを含めた形でバルク体としての特性データを取得できる目途が立った．
有限要素法によるヤシガニが挟む際の数値解析をするためには，ハサミ外形の３次元デジタル情報やクチクラの内部情報が必要だったが，これらの情報をX線―CT撮影から取得することができた．撮影データをFEMモデルに反映させるために，2023年度予算で三次元可視化ソフトウエアVGSTUDIO MAXを購入したことで，研究を加速できる環境となった．
ヤシガニの外骨格のバルク特性試験を実施するため，大型のヤシガニの探索を継続して実施している．また，ヤシガニやノコギリガザミだけでなく，生物機械工学を発展させることができる生物の探索を共同研究者らと継続して実施している．
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| Strategy for Future Research Activity |
ヤシガニ，ガザミなどの捕獲・調査を継続して実施し，ヤシガニの部位，体重，表面硬度の関係を取得し，データの蓄積を図る．また，ヤシガニ，ノコギリガザミ以外の堅牢な外骨格を有する生物の探索を継続して行う．特に，これまでの生物の組織観察や特性試験の経験を活かし，カニ類だけでなく，貝類，エビ類などに範囲を拡大し，組織と硬度・剛性を取得することで，生物素材としての系統的データをまとめる．
外骨格の3次元形状および内部情報（外クチクラと内クチクラ）を把握するため，ガザミなどのハサミを含めた外骨格のX線―CT撮影を実施する．この結果を，2023年度に当該予算で購入した三次元可視化ソフトウエアVGSTUDIO MAXを活用することで，有限要素法のモデルに展開する．そして，これまで実施してきたハサミ外骨格のナノインデンテーション結果（ヤング率）を活用することで，FEMによるヤシガニなどが挟む際の数値解析を実施し，ヤシガニが体重の90倍以上の把持力を発現する際のハサミ側に生じる応力を定量的に明らかにする．
ノコギリガザミのハサミを対象に，これまで得られた局所的なヤング率の情報と外骨格から抽出したバルク体としての小型引張試験のヤング率を比較・検討する．
以上の計画を通して，得られた結果を逐次発表し，最終年度としてまとめを行い，今後の課題の抽出を行う．
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