2021 Fiscal Year Annual Research Report
吸引領域に着目した身体力学系と神経制御系に起因する歩行のフラクタル形成メカニズム
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21J23164
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
岡本 耕太 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 歩行 / ヒト / フラクタル / コンパスモデル / 吸引領域 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒトの歩行は必ずしも定常なものではなく，特徴的なゆらぎを持つ．このゆらぎは歩行リズムに顕著に見られ，フラクタル性を持つ．このフラクタル性は，加齢や疾患によって変化することが知られており，運動機能の健常性を調べる指標（バイオマーカー）となりうる重要な性質である．しかし，なぜヒトの歩行にフラクタル性が見られ，その性質が変化するか，メカニズムは未解明である．
申請者はこれまでの研究で，制御なしに傾斜を下る受動歩行において，コンパス型のシンプルな数理モデルを用いて，歩行のフラクタル性がどのように形成されるかを明らかにしてきた．当該年度は，このコンパスモデルに中枢パターン生成器と呼ばれる神経制御器に位相リセットを組み込んだ神経制御モデルを統合し，身体力学系によって形成された歩行におけるフラクタル性が，神経制御系によってどのように変化するのかを明らかにした．特に，位相リセットの有無に応じたフラクタル性の変化を定量的に解析し，その考察を行った．
また，申請者はこれまでの研究で，制御なしに傾斜を下る受動歩行において，フラクタルな吸引領域が形成されるメカニズムを明らかにしたが，こちらも依然未解明の点が多かった．そこで，当該年度は，これまで明らかにしてきた吸引領域の形成過程の解析を発展させ，力学系理論に基づいた解析を行うことで，吸引領域の大きさが変化するメカニズムや，無数の周期解の出現と消滅を明らかにした．
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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
研究計画で示した解析を進め，仮説通りの結果を出せたから．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでシンプルモデルで明らかにしたメカニズムが，実際にヒトの歩行で成立するかを検証する．ただし，吸引領域は歩行と転倒の境界を意味するため，ヒトの運動計測からこれを明らかにすることは困難である．そこで，申請者の所属する研究室でこれまでに開発された，解剖学的に詳細な7リンク18筋からなる筋骨格モデルに，中枢パターン生成器と位相リセットが導入された神経筋骨格モデルを用いて動力学シミュレーションを行う．具体的には，コンパスモデルに対応する支持脚と遊脚の状態量を抜き出し，この状態量に基づいて吸引領域を求め，位相リセットの有無に応じたフラクタル性や両足支持期の変化が，明らかにしたメカニズムに則した形で見られることを確認する．更に，歩行リズムのゆらぎを調べ，吸引領域に見られるフラクタル性との関係を明らかにすることで，ヒトの歩行に見られるフラクタル性を明らかにする．
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