2017 Fiscal Year Annual Research Report
Computer simulation of bipedal locomotion in early hominids
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17H01452
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
荻原 直道 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70324605)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中務 真人 京都大学, 理学研究科, 教授 (00227828)
諏訪 元 東京大学, 総合研究博物館, 教授 (50206596)
平崎 鋭矢 京都大学, 霊長類研究所, 准教授 (70252567)
名倉 武雄 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (90306746)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 生体機構 / シミュレーション / 筋骨格モデル / 猿人 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、初期人類の解剖学的筋骨格モデルの構築を開始した。また、それに必要な関節可動特性計測の実験装置を作成し、ニホンザルを対象に定量化の方法を検討した。さらに、単純力学モデルによる歩行のダイナミクス解析を開始した。
第一に、アウストラロピテクス・アファレンシスのキャストの 3 次元形状データに基づいて、初期人類の解剖学的に精密な 3 次元全身筋骨格を復元することを試みた。具体的には、「ルーシー」と名付けられたアファレンシス四肢骨のキャストをベースに、身体を構成する各骨の復元とくみ上げを行った。欠損部分は、他の化石標本、もしくは現生人類の対応する部位の形状を参考に推定した。これらの要素モデルをくみ上げることにより，骨格系は関節で節分けした直鎖型剛体リンクとしてモデル化することで、筋骨格構造の力学特性を詳細に記述した筋骨格系構造の解剖学的数理モデルを構築することが可能となる。
第二に、初期人類の関節受動弾性特性を推定するために、ニホンザルとヒトについて各筋の受動弾性特性を同定する方法論を検討した。具体的には、各関節軸まわりにトルクセンサを介してモーメントを他動的に作用させ、そのときの関節角度とモーメントを同時計測する装置を開発した。そのときの筋線維や腱の状態を、超音波診断装置で観察すれば、どの筋が関節可動特性の制約条件になっているかを確認することが可能となる。また、ヒトとアフリカ大型類人猿の足部の、荷重位における可動特性を計測し、ヒト足部と環境との力学的相互作用の特徴の一端を明らかにした。
第三に、初期人類の二足歩行・走行中の重心・体幹運動のマクロ挙動のパターンを網羅的に推定するための、歩行の単純力学モデルの構築を行い、歩行のダイナミクス解析をスタートさせた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
筋受動弾性特性装置（特注品）の仕様・設計検討の過程で、当初の予測に反し、アクチュエーターの定格とサイズを大きくする必要があったため、要求仕様を満たす間接可動部の装置機構の設計が困難であることが明らかとなった。そのため、根本的に機構の設計を見直す必要が生じ、それに伴い筋受動弾性特性装置の納品に遅れが生じたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き、初期人類の解剖学的筋骨格モデルの構築を継続する。また、それに必要な関節可動特性計測の実験系を確立させる。さらに、単純力学モデルによる歩行のダイナミクス解析を行う。
具体的には、アウストラロピテクス・アファレンシスのキャストの 3 次元形状データに基づいて、初期人類の解剖学的に精密な 3 次元全身筋骨格モデルを完成させる。第二に、初期人類の関節受動弾性特性を推定するために、ニホンザルとヒトについて各筋の受動弾性特性の同定を行う。第三に、歩行の単純力学モデルに基づいて、初期人類の二足歩行・走行中の重心・体幹運動のマクロ挙動のパターンを網羅的に推定する。特に、ヒトは通常行わないが霊長類二足歩行で広く観察されるgrounded running(両脚支持期があるが力学的には走行となる移動様式)を初期人類が行っていた可能性について精査する。
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| Remarks |
（アウトリーチ）荻原直道：機械工学を基盤とした人類進化研究、科研費NEWS, Vol.1, pp11, (2017)
荻原直道：直立二足歩行が人類にもたらしたもの、NHK文化センター(2017)、荻原直道：ヒトの二足歩行と身体構造の進化 ―機械工学から探る、朝日カルチャーセンター(2017)、荻原直道：なぜヒトは「走る」のか？、第26回慶應義塾大学理工学部市民講座(2017)
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[Journal Article] Three-dimensional innate mobility of the human foot bones under axial loading using biplane X-ray fluoroscopy2017
Author(s)
Ito, K., Hosoda, K., Shimizu, M., Ikemoto, S,. Nagura, T., Seki, H., Kitashiro, M., Imanishi, N., Aiso, S., Jinzaki, M., Ogihara, N.
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Journal Title
Royal Society Open Science
Volume: 4
Pages: 1-12
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Effect of tibial coronal inclination on hindfoot kinematics: A biomechanical simulation study2017
Author(s)
Seki, H., Nagura, T., Suda, Y., Ogihara, N., Ito, K., Matsumoto, M., Nakamura, M.
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Journal Title
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine
Volume: 231
Pages: 952-958
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Three-dimensional measurement of the human cadaver foot bone kinematics under axial loading condition using biplane X-ray fluoroscopy2017
Author(s)
Ito, K., Hosoda, K., Shimizu, M., Ikemoto, S, Nagura, T, Seki, H., Kitashiro, M., Jinzaki, M., Imanishi, N., Aiso, S., Ogihara, N.
Organizer
13th Footwear Biomechanics Symposium
Int'l Joint Research
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[Presentation] Morphofunctional analysis of the human foot using three dimensional finite element model2017
Author(s)
Ito, K., Suzuki, R., Hosoda, K., Nagura, T., Seki, H., Kitashiro, M., Imanishi, N., Aiso, S, Jinzaki, M., Ogihara, N.
Organizer
The 26th Congress of the International Society of Biomechanics
Int'l Joint Research
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