植物の力学的最適化過程のセンシングのためのレーザー描画による機能性パターン形成

• Project Area: Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
• Project/Area Number: 19H05356
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: 渡辺 明 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (40182901)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000); Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 力学的最適化 / センシング / レーザー直接描画 / 機能性パターン / 植物

Outline of Research at the Start

外部刺激に応答した植物、植物由来材料および構造物の力学的最適化過程とサステナブル性の解明においては、その変異過程を追跡し解析するために特化されたセンシング技術が必要となる。本研究では、植物、植物由来材料および構造物の力学的動態解析に最適化した様々なサイズや形状の機能性パターンのレーザー描画法を開拓する。また、レーザー直接描画法で形成したフレキシブルセンサーを用いた力学的最適化過程における非破壊リアルタイムセンシング法の開拓を行う。さらに、ケミルミネッセンス解析等の手法用いて、外部刺激により歪やストレスを受けた組織の変化を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，植物の力学的最適化過程とサステナブル性の解明を目的として，レーザー直接描画法により形成した機能性パターンを用いた動的挙動の観察および数値計算によるシミュレーションや，種々手法を用いた非破壊・リアルタイムセンシングに関する検討を行った。エンドウ（Pisum sativum L）の芽生えである豆苗の重力屈性挙動を，レーザーマーキング法で茎に形成した微細なドットマトリックスパターンの各点の変位の時間変化から追跡したところ，植物は屈曲と伸長のバランスを制御しながら力学的な最適化構造へ向かっていくことを示す結果が得られた。また，　重力屈性―光屈性において，光屈性が顕著だった豆苗の茎の先端から重力屈性が観察された基部まで，茎の断面形状の変化の観察を行ったところ，多角形状の先端部から次第に楕円形となり，基部に向かってより円形に近い構造への変化が観察された。それぞれの部位の茎断面形状に対して3Dモデルを用いた屈曲のシミュレーションを有限要素法によって行ったところ，植物は自らの挙動に最適な形状を選択して，力学的な最適化構造へと変位していることが示唆された。また，植物の動的挙動には水により生じる膨圧の影響があると考えられることから，重力屈性-光屈性サイクルにおける植物組織内の水の移動現象の変化をヒートパルス法により調べたところ、屈曲挙動が顕著に起こると同時に、水流速に関わるパラメータであるヒートパルス速度も増加することが示された。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Laser micromarking technique in studying the negative gravitropism in pea stem (2020)
  • Author(s): Watanabe Akira、Rahman Ashiqur、Nishitani Kazuhiko、Yamada Rie、Takahashi Mariko、Tsugawa Satoru、Demura Taku
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 37 Issue: 4 Pages: 485-488
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.0923a
  • NAID: 130007960246
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2020-12-25
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Antenna Sensors Prepared by Laser Direct Writing Based on Graphene Hybrid Materials (2020)
  • Author(s): Akira Watanabe, Ashiqur Rahman, Jinguang Cai
  • Journal Title: Journal of Photopolymer Science and Technology Volume: 33 Issue: 2 Pages: 159-163
  • DOI: 10.2494/photopolymer.33.159
  • NAID: 130007867509
  • ISSN: 0914-9244, 1349-6336
  • Year and Date: 2020-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Laser Direct Writing of Conductive Carbon Microelectrodes and Micro-Supercapacitor Applications (2020)
  • Author(s): A. Waranabe, J, Cai,
  • Journal Title: Journal of Laser Micro/Nanoengineering Volume: 15 Pages: 92-96
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 植物の力学的最適化過程のリアルタイムセンシング法の開発 (2020)
  • Author(s): 渡辺明, 山田理恵
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集（関東） Volume: 32 Pages: 949-958
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of graphene hybrid structures by laser direct writing and sensor applications (2020)
  • Author(s): Watanabe, A., Rahman, A., Cai, J., Aminuzzaman, M.
  • Journal Title: Proc. SPIE 11268, Laser-based Micro- and Nanoprocessing XIV Volume: 1126817 Pages: 543768-543768
  • DOI: 10.1117/12.2543768
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 植物の力学的最適化過程のリアルタイムセンシング法の開発 (2020)
  • Author(s): 渡辺明，山田理恵
  • Journal Title: 日本建築学会大会学術講演梗概集 Volume: 2020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Antenna sensors prepared by laser direct writing based on graphene hybrid materials (2020)
  • Author(s): Watanabe, A., Rahman, A., Cai, J., Aminuzzaman，M.
  • Journal Title: J. Photopolym. Sci. Technol. Volume: 33
  • NAID: 130007867509
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] General Strategy for Preparation of Porous Nickel Phosphide Nanosheets on Arbitrary Substrates toward Efficient Hydrogen Generation (2020)
  • Author(s): Hu, C., Cai,J., Liu, S., Lv, C., Luo, J., Duan, M., Chen, C., Shi, Y., Song, J., Zhang, Z., Watanabe, A., Aoyagi, A., Ito, S.
  • Journal Title: ACS Appl. Energy Mater. Volume: 3 Issue: 1 Pages: 1036-1045
  • DOI: 10.1021/acsaem.9b02067
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Oxygen Vacancies-Rich Amorphous Porous NiFe(OH)x Derived from Ni(OH)x/Prussian Blue as Highly Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysts (2020)
  • Author(s): Wang,S., Xingbo Ge,X., Lv, C.,Hu, C.,Hongtai Guan, H., Wu,J., Wang, Z., Yang,X., Shi, Y., Song,J., Zhang, Z., Watanabe, Cai, J.
  • Journal Title: Nanoscale Volume: - Issue: 17 Pages: 9557-9568
  • DOI: 10.1039/d0nr00607f
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Laser Direct Writing of Microstructure on Graphene Oxide/Metal Oxide Hybrid Film (2019)
  • Author(s): Watanabe, A. Aminuzzaman, M., Ca, J., Md. Akhtaruzzaman, M., Ogawa, S., Aoyagi, E., Ito, Sun
  • Journal Title: Journal of Photopolymer Science and Technology Volume: 32 Issue: 2 Pages: 223-226
  • DOI: 10.2494/photopolymer.32.223
  • NAID: 130007744365
  • ISSN: 0914-9244, 1349-6336
  • Year and Date: 2019-06-24
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Laser Direct Writing of Heteroatom-Doped Porous Carbon for High-Performance Micro-Supercapacitors (2019)
  • Author(s): Cai, J., LV, C., Hu, C., Luo, J., Liu,S., Song,J., Shi, Y., Chen, C., Zhang,Z., Sayaka Ogawa, S., Aoyagi, E., Watanabe, A.
  • Journal Title: Energy Storage Materials Volume: 25 Pages: 404-415
  • DOI: 10.1016/j.ensm.2019.10.001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Value-adding to dragon fruit (Hylocereuspolyrhizus) peel biowaste: green synthesis of ZnO nanoparticles and their characterization. Inorganic and Nano-Metal Chemistry (2019)
  • Author(s): Aminuzzaman, M., Ng, P. S., Goh,W.-S., Ogawa S., Watanabe A.
  • Journal Title: Inorganic and Nano-Metal Chemistry Volume: 41 Issue: 11 Pages: 401-411
  • DOI: 10.1080/24701556.2019.1661464
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Laser Direct writing of Conductive Carbon Microelectrodes and Device Applications (2019)
  • Author(s): Watanabe, A., Cai.,J.
  • Journal Title: Proceedings of LAMP 2019 Volume: #19-025 Pages: 1-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Facile Preparation of Holey Carbon Nanotubes Assisted by Ag Nanoparticle Catalysts for High-performance Micro-supercapacitor (2019)
  • Author(s): Gan, L., Xu,C., Yang, J., Yunfeng Ma, Y., Cai, J., Watanabe, A.
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 48 Issue: 8 Pages: 795-798
  • DOI: 10.1246/cl.190094
  • NAID: 130007687665
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recent Advances in Graphene-Based Humidity Sensors (2019)
  • Author(s): Lv, C., Hu，C., Luo，J., Liu, S., Qiao, Y., Zhang, Z., Song,J., Shi, Y., Cai , J., Watanabe, A.
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 9 Issue: 3 Pages: 1-42
  • DOI: 10.3390/nano9030422
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 植物の動態観察のためのレーザーマーキング法の開発 (2020)
  • Author(s): 渡辺 明, Rahman Ashiqur, 西谷 和彦, 山田 理恵, 高橋 真理子, 出村 拓,津川 暁
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] レーザー直接描画によるアンテナ型センサーの形成とアグリセンシングへの応用 (2020)
  • Author(s): 渡辺 明, Rahman Ashiqur
  • Organizer: 第69回会高分子討論会
• [Presentation] アグリセンシングを目指したアンテナ型センサーデバイス (2020)
  • Author(s): 渡辺 明, Rahman Ashiqur
  • Organizer: 第69回高分子学会年次大会
• [Presentation] レーザー直接描画法によるグラフェンハイブリッド構造 の形成とセンサー応用 (2020)
  • Author(s): 渡辺 明, Rahman Ashiqur, Cai Jinguang, Aminuzzaman Mohammod
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] アグリセンシング技術を目指したアンテナ型センサー (2020)
  • Author(s): 渡辺明, Rahman Ashiqur
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Formation of graphene hybrid structures by laser direct writing and sensor applications (2020)
  • Author(s): Akira Watanabe, Ashiqur Rahman, Jinguang Cai, Mohammod Aminuzzaman
  • Organizer: SPIE, PHOTONICS WEST 2020, Laser-based Micro- and Nanoprocessing XIV
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Antenna Sensors Prepared by Laser Direct Writing Based on Graphene Hybrid Materials (2020)
  • Author(s): Akira Watanabe, Ashiqur Rahman, Jinguang Cai, Mohammod Aminuzzaman
  • Organizer: The 37th International Conference of Photopolymer Science and Technology (ICPST-37) On Demand
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 植物の力学的最適化過程のリアルタイムセンシング法の開発 (2020)
  • Author(s): 渡辺明, 山田理恵
  • Organizer: 日本建築学会2020年度大会
• [Presentation] Formation of graphene hybrid structures by laser direct writing and sensor applications (2020)
  • Author(s): Akira Watanabe, Ashiqur Rahman, Jinguang Cai, Jinguang, Mohammod Aminuzzaman
  • Organizer: SPIE Photonics West 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー直接描画法によるグラフェンハイブリッド構造 の形成とセンサー応用 (2020)
  • Author(s): 渡辺 明，Rahman Ashiqur , Cai Jinguang , Aminuzzaman Mohammod
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] アグリセンシング技術を目指したアンテナ型センサー (2020)
  • Author(s): 渡辺 明，Rahman Ashiqur
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] アグリセンシングを目指したアンテナ型センサーデバイス (2020)
  • Author(s): 渡辺 明，Rahman Ashiqur
  • Organizer: 第69回高分子学会年次大会
• [Presentation] Laser direct writing of conductive carbon microelectrodes and device applications (2019)
  • Author(s): Akira Watanabe, Jinguang Cai
  • Organizer: The 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Laser Direct Writing of Microstructure on Graphene Oxide/Metal Oxide Hybrid Film (2019)
  • Author(s): Akira Watanabe, Mohammod Aminuzzaman, Jinguang Cai , Md. Akhtaruzzaman, Sayaka Ogawa, Eiji Aoyagi, Shun Ito
  • Organizer: The 36th International Conference of Photopolymer Science and Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 金属酸化物ナノ粒子および酸化グラフェンを元素ブロックとして用いたレーザー直接描画法によるデバイス形成 (2019)
  • Author(s): 渡辺 明, 蔡 金光, 小川 沙也加, 青柳 英二, 伊藤 俊
  • Organizer: 第68回高分子討論会
• [Presentation] レーザー直接描画法で形成したグラフェンハイブリッド構造のセンサー応用 (2019)
  • Author(s): 渡辺 明, 蔡 金光, Mohammod Aminuzzam, 小川 沙也加, 青柳 英二, 伊藤 俊
  • Organizer: 第38回無機高分子研究討論会