Mechanical optimization of wood in response to the environmental stimuli
| Project Area | Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system |
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| Project/Area Number |
18H05485
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
杉山 淳司 京都大学, 農学研究科, 教授 (40183842)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
五十田 博 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (40242664)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥80,080,000 (Direct Cost: ¥61,600,000、Indirect Cost: ¥18,480,000)
Fiscal Year 2021: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Fiscal Year 2020: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Fiscal Year 2019: ¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000)
Fiscal Year 2018: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000)
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| Keywords | 植物組織構造 / セル構造 / 機械学習 / 異方性 / 木質材料 / 細胞構造 / セル構造体 / 構造解析 / シミュレーション / 耐震設計 / 形態情報 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）ミクロフィブリル傾角の木材組織内マッピング法の開発と樹種特性解析
セルロースミクロフィブリルが木材繊維細胞壁中でなす傾角をミクロフィブリル傾角と呼ぶが、通常X線回折法などにより測定し、組織全体の平均値を指標として用いるのが普通である。それに対して、光学顕微鏡用の10マイクロメータの木口面切片を作成し、波長ごとに画像を分割する分光素子を装着した偏光顕微鏡を用いて、ミクロフィブリル計画を２次元的に計測する新しい方法を開発した。開発した方法論を、目視や観察では識別が困難とされる、伝統的な建造物に利用されるヒノキ科のヒノキとアスナロ材を見分ける課題に応用したところ、ミクロフィブリル傾角の２次元マップを深層学習させることで、両者の差を検出するモデルが構築できることが明らかとなった。
２）圧縮あて材内のセルロースの構造と機能
含水率の変化によるセルロースミクロフィブリルの傾角の変化と木材組織の寸法変化を正確に測定し、仮道管の長さ方向の寸法が吸水、脱水により大きく変化することを見出した。また圧縮あて材仮道管内部においては吸水によりマトリックスが膨潤することでミクロフィブリル傾角が上昇することを実時間SAX実験により明らかにした。
３）樹木の構造にヒントを得た木構造の耐震性能の向上
樹木は樹皮を地上に落下させることにより栄養分をリサイクルすると同時に自重も軽くしている。また光合成に利用する葉を落葉させることで風雪によるダメージを軽減させていると言える。このような現象を参考に、建築部材が部分的に破壊・離落するような仕組みを考案し、耐震性能についてシミュレーションにより検討した。
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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
２次元的なミクロフィブリル傾角マップを偏光顕微鏡により作成する方法論を確立した。今回は測定と機械学習を組み合わせて、ヒノキ科木材の「識別・判別」を行ったが、ミクロフィブリル傾角が物性を左右する重要因子であることを考えると、今後、様々な樹種特性の「予測」に用いることが可能となるであろう。その意味で、方法論の確立の意義は大きく、その点で研究に大きな弾みをつけるものである。
カバ樹皮に関する実験は、サクラ樹皮とは異なり、乾燥によっても急激な物性劣化がみられないという、予想外の結果であった。しかし、カバ樹皮の微細構造が、サクラと違って明確な２層構造（スベリン層と木化壁層）を持たないことから、両者の応力伝播の形式が異なることが予想された。そのことが、より寒冷かつ乾燥地においてもカバ属が優先的に生育するための要因の一つとも考えられ、今後のシーズとして、新しい視座を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度はサクラ属と同様の引張特性を有する、カバノキ科の樹皮の組織構造と物性の関係について研究をすすめた。サクラ属との共通点・並びに相違点を微細構造観察、化学成分の分析、力学物性から詳細に調べたところ、脱水によってもサクラ属にみられたような急激な力学性能の劣化は認められず、微細構造的には細胞壁がより均一で壁層構成を示さず、スベリンとリグニン、セルロースという充填物質と骨格成分の複合がより緊密であるとの知見を得た。この構造こそ、カバ属がより寒冷地においても生育する理由であるのか、さらに検討するとともに、これまでの成果を論文に取りまとめて公開する。
次に、新しい課題として伝統建築に用いられる素材の解析から、その物理的な意味や、新しい素材開発の可能性を探索する。具体的には、柿（こけら）の物性に着目する。柿は飛雲閣等の著名な歴史的建造物においても知られる屋根材として使われるヒノキ、サワラ、スギの割剥ぎ材である。通常柾目板を鉈で剥いで作成するが、屋根の装飾的な造形がみられる湾曲部においては追柾板が利用される。その理由は追柾板が曲がりやすいためであり、宮大工にとっては常識であるが、その理由は詳しく解明されていない。
そこで、針葉樹２種類、広葉樹４種類、細胞構造の配列やタイプの異なる代表的な木材から、年輪方向の異なる柾目板から板目板まで、木理の異なるサンプルを系統的に作成し、年輪傾斜角と物性値（弾性率と強度など）について調べると同時に、組織構造の変化挙動の定量的な解析する。同時に、理論的解析としてセル複合体モデルに基づいて、物性を説明する数理モデルを構築する。
最後に、構築したモデルに基づき、実際の壁材としての住空間設計に応用し、従来の壁材に対して大変形に対して破壊しにくい壁材の設計や、音響空間の設計などについて研究展開する。
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Report
(2 results)
Research Products
(20 results)
