2018 Fiscal Year Annual Research Report
スケールアップモデルで探る細菌のメカニカルデザイン
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18H01192
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
和田 浩史 立命館大学, 理工学部, 教授 (50456753)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 弾性シェル / 幾何学的な剛性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細菌のサイズとかたちはいかにして決まるのか。その鍵を握るのは、細胞壁と膨圧の力学バランスである。この力学均衡は、細菌の形態だけでなく、成長、分裂、輸送、調整といった中心的な生物学的プロセスにも深く関与する。さらに、細菌の細胞骨格はこれらの過程を化学的に維持・調整する力学的足場の役割を果たす。では、弾性シェル（＝細胞壁）、弾性リボン（＝細胞骨格）、圧力（＝膨圧）が協調すると、一体どのような構造力学が実現するのか？本研究計画では、この問題をマクロ模型による精密計測実験と有限要素法による数値実験を組み合わせて調べる。
研究計画の初年度にあたる今年度は「微小変形に対する力学応答：実効的な剛性率と幾何学的な効果の検証」をおもな研究計画として掲げていた。それにあわせて、円筒形弾性シェルの線形特性を、理論、数値シミュレーション、計測実験を組みあわせて詳細に調べた。具体的には、我々は円筒シェルの一端をピンチし、誘起した変形が軸に沿って減衰し、シェルが元の形状に戻るまでの長さを調べた。我々はこの特徴的長さを回復長と呼ぶ。我々はまず、浅い半円筒シェルに対して回復長の新しいスケーリング則を理論的に導出した。次に、有限要素法による数値シミュレーションと実際の模型をもちいた精度の高い測定実験を実施し、このスケーリング則を確立した。加えて、これらの実験結果から、浅いシェルに対して導いたスケーリング則が、任意の深さのシェルに対して正当であることを発見した。以上の成果を１編の論文にまとめてEPLに出版した。
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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
研究計画の初年度にあたる昨年度は「微小変形に対する力学応答：実効的な剛性率と幾何学的な効果の検証」をおもな研究計画として掲げていた。これにしたがって、昨年度は円筒形弾性シェルに内在する幾何学的な剛性について調べ、理論、有限要素シミュレーション、マクロ模型を使った実験によって説得力のある研究を達成することができた。一方で、円筒シェルに内圧をもたせ、かつこれをいかにコントロールするか、という点にテクニカルな問題を抱えているため、これについては今年度に取り組まなければならない。成果の出ている部分もあり、壁にぶつかっている部分もあるので、全体としてみるとおおむね順調という判断になる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、円筒シェルに内圧を印加し、これを制御できる実験モデルを作成することに取り組む。同時に、座屈における内圧の効果を有限要素解析によって調べ、先行研究との比較も行う。同時に、円筒シェル内部にらせん構造やその他の構造（多孔質構造）などをもつ場合に、Blazier局所座屈のようすがどのように変化するか、おもにシミュレーションをもちいて調べ、実験モデルの作成の足がかりとする。この力学現象は、茎の安定性など、植物のメカニクスにも関係が深い。当初提案したバクテリア細胞との関係性のみならず、力学現象の普遍性という観点から、より広いスケールでのバイオメカニクス現象も対象とし、本研究の主目的である「弾性シェル＋骨格構造＋内圧、の組み合わせから生まれる機能性の解明」という課題を推進していく。
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