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3次元動的植物体-地盤連成解析手法の開発ー植物に学ぶレジリエント農業水利施設へー

Research Project

Project/Area Number 22K14964
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 41030:Rural environmental engineering and planning-related
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

友部 遼  東京工業大学, 環境・社会理工学院, 助教 (90880005)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Keywords植物-地盤相互作用 / 有限要素法 / 数値計算 / 農業水理施設 / 根-土接触面
Outline of Research at the Start

植物の茎葉や根系 は,その一部を損失しても全体としての機能低下が生じにくく,また構造を低コストかつ迅速に逐次増強することが容易な極めてレジリエントな構造を有している.他方で,農業水利施設 はその機能に対して極めてシビアな要求があるにもかかわらず,農村に点在することから地震災害や気象災害により度々その一部が損壊し,その機能低下が問題となる.そこで,本研究では, 植物が獲得してきた力学的最適化メカニズムを農業水利施設設計に利活用するための,物理数値シミュレーション基盤を創出することを目的とする

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は,植物が獲得してきた力学的最適化メカニズムを農業水利施設設計に利活用するための,物理数値シミュレーション基盤を創出することにある.
より具体的に,本研究は,(1)動力学に基づく植物-地盤系の数理モデルの構築,(2)有限要素法による物理数値シミュレータの開発,および(3)シミュレータを用いた,植物構造の減衰機構の探究,の3点を行う.
(1) 多数の節からなる植物構造とその基礎地盤を一体として扱える数理モデルとして,既存のNodeTo-Segment法を拡張した Overset-Mesh Schemeを開発し,解析解の求められる動的問題についてその精度検証を行う.(2) (1) に基づく物理数値シミュレータを開発し,並列計算環境を用いてその高速化と,中規模問題に対する精度検証を行う.(3) 実際の植物体/植物根系 3D データを用いて,植物構造の動的応答をシミュレーし,その固有振動数,周波数応答特性,減衰特性を明らかにする.2023年度は,(1)~(3)の全てにおいて著しい進捗が得られた.

(1)に関連して,植物-地盤系の数理モデルとして,根の生長を組み込んだ新規モデルを開発し,根が地盤を貫通できずに浮き上がる「根上がり」現象の解析に援用した成果が査読付き国際学術雑誌「Scientific Reports」(IF:4.996,Q1)に2023年5月付でオンライン掲載された.
(2,3)については,研究の主眼が静的変形解析から動的応答解析へと移行し,時間積分スキームの高精度化が求められる中で,行列指数関数とデジタルフィルタを用いた新たな時間積分スキームを開発した.その成果は,査読付き国際会議ICEGEに採択され,現在査読付き国際学術雑誌への投稿を準備している.その他にも複数の関連業績を得ている.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の研究計画を前倒しして達成しているのみならず,国際的に成果を発信することにも成功したため.

Strategy for Future Research Activity

今後は,引き続き成果を国内外に発信するとともに,地盤工学・地震工学・植物力学の幅広い領域に波及効果を与えるため,応用研究にも注力する予定である.

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] Cornell University(米国)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] Bringham Young University(米国)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] National Central University, Taiwan(その他の国・地域)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] Cornell University(米国)

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Journal Article] A mechanical theory of competition between plant root growth and soil pressure reveals a potential mechanism of root penetration2023

    • Author(s)
      Tomobe Haruka、Tsugawa Satoru、Yoshida Yuki、Arita Tetsuya、Tsai Allen Yi-Lun、Kubo Minoru、Demura Taku、Sawa Shinichiro
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7473-7473

    • DOI

      10.1038/s41598-023-34025-x

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Non-destructive high-throughput measurement of elastic-viscous properties of maize using a novel ultra-micro sensor array and numerical validation2023

    • Author(s)
      Taiken Nakashima, Haruka Tomobe, Takumi Morigaki, Mengfan Yang, Hiroto Yamaguchi, Yoichiro Kato, Wei Guo, Vikas Sharma, Harusato Kimura, Hitoshi Morikawa
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 4914-4914

    • DOI

      10.1038/s41598-023-32130-5

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] An Energy-based Overset Finite Element Method for Pseudo-static Structural Analysis2023

    • Author(s)
      Tomobe Haruka、Sharma Vikas、Kimura Harusato、Morikawa Hitoshi
    • Journal Title

      Journal of Scientific Computing

      Volume: 94 Issue: 3 Pages: 55-55

    • DOI

      10.1007/s10915-023-02113-9

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Non-Destructive High-Throughput Measurement of Elastic Properties of Maize using a Novel Ultra-Micro Sensor Array and Finite Element Analysis2023

    • Author(s)
      Haruka Tomobe, Taiken Nakashima, Takumi Morigaki, Mengfan Yang, Hiroto Yamaguchi, Yoichiro Kato, Vikas Sharma, Harusato, Kimura, Hitoshi Morikawa
    • Organizer
      ASABE-AIM2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Energy-based overset finite element method for 3-D deformation simulation for plants2022

    • Author(s)
      Haruka Tomobe, Vikas Sharma, Harusato Kimura, Hitoshi Morikawa
    • Organizer
      The 10th Plant Biomechanics Conference
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical simulations of photosynthesis for 3-D soybean canopy based on Farquhar model2022

    • Author(s)
      Haruka Tomobe , Yu Tanaka
    • Organizer
      JpGU
    • Related Report
      2022 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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