薄く時間変化する生体建築部材の流体構造連成解析ーからだ建築のCAEの方法

• Project Area: Material properties determine body shapes and their constructions
• Project/Area Number: 21H05785
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 今井 陽介 神戸大学, 工学研究科, 教授 (60431524)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2022: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 生体組織形成 / 流体構造連成解析 / アイソジオメトリック解析 / バイオメカニクス / CAE / ＣＡＥ

Outline of Research at the Start

生体の組織を構成する建築部材は，多くの場合，繊維と膜と液体であり，例えば，上皮組織の管腔構造などが作られる．これらの建築部材に共通する特徴は，薄い構造であること，部材の数や形が時間変化すること，流体の中で建築作業が進行することである．本研究では，このような生体建築部材から作られる生体組織の computer-aided engineering (CAE) の手法を開発し，「からだ工務店」で研究される「からだ」と「建築部材」の関係を力学的に予測，検証し，工学的に応用するための枠組みを提供することを目指す．

Outline of Annual Research Achievements

生体の組織を構成する建築部材は，多くの場合，繊維と膜と液体であり，例えば，上皮組織の管腔構造などが作られる．これらの建築部材に共通する特徴は，薄い構造であること，部材の数や形が時間変化すること，流体の中で建築作業が進行することである．本研究の目的は，生体建築部材から作られる生体組織のコンピュータ支援エンジニアリング（ＣＡＥ）の手法を開発することである．具体的には，建築部材の変形，成長，結合の変化を考慮して生体構造力学を数理モデル化し，Ｔ－スプライン曲面理論に基づくアイソジオメトリック解析を応用する流体構造連成計算手法を開発する．これを用いて，イン・ビボ実験で得られている螺旋形状の血管形成の再現を試みる．
２０２２年度は，生体組織の成長理論と構造力学を合わせた生体構造力学の計算手法を精密化し，螺旋形状の管腔構造の形成メカニズムを検討した．生体内の他の臓器（腸の回転）や工学製品（特殊な構造のホース）との共通点や相違点を整理し，螺旋形状の管腔構造の形成には周囲環境による抵抗が必要であることが示唆された．次に，周囲環境の粘性抵抗を考慮した数値解析を実施するため，生体構造力学と流体力学を連成する流体構造連成解析の手法を開発した．これを用いた数値実験の結果，円管の長さが増加するような塑性変形（成長）の問題では，成長速度，粘性，壁厚さなどの条件によって，様々な座屈変形パターンが現れることが示唆された．また，輪状軟骨パターンの形成など，研究領域内の共同研究を実施した．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Effects of peristaltic amplitude and frequency on gastric emptying and mixing: a simulation study (2023)
  • Author(s): Ebara, R., Ishida, S., Miyagawa, T., Imai, Y.
  • Journal Title: Journal of The Royal Society Interface Volume: 20 Issue: 198 Pages: 20220780-20220780
  • DOI: 10.1098/rsif.2022.0780
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Peristaltic transport of a power-law fluid induced by a single wave: A numerical analysis using the cumulant lattice Boltzmann method (2022)
  • Author(s): Maeyama, K., Ishida, S., Imai, Y.
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 34 Issue: 11 Pages: 111911-111911
  • DOI: 10.1063/5.0122182
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Computational fluid dynamics modeling and simulation of gastric mixing and emptying in the human stomach (2022)
  • Author(s): Imai, Y.
  • Organizer: Microrheology and Transport in Complex Biological Media
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Relationship between peristaltic frequency and gastric emptying: a computational fluid dynamics analysis (2022)
  • Author(s): Ishida, S., Ebara, R., Imai, Y.
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Peristaltic pumping of a power-law fluid: a lattice Boltzmann study (2022)
  • Author(s): Maeyama, K., Ishida, S., Imai, Y.
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of deep learning framework for videofluoroscopy (2022)
  • Author(s): Kaneoka, T., Ishida, S., Ohta, J., Kawase, T., Katori, Y., Imai, Y.
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coupling isogeometric analysis with lattice Boltzmann method for simulating red blood cells in flows (2021)
  • Author(s): Asai, Y., Ishida, S., Terahara, T., Takizawa, K., and Imai, Y.
  • Organizer: 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
  • Int'l Joint Research