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
• Project/Area Number: 18H05485
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 杉山 淳司 京都大学, 農学研究科, 教授 (40183842)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 五十田 博 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (40242664)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥80,080,000 (Direct Cost: ¥61,600,000、Indirect Cost: ¥18,480,000); Fiscal Year 2022: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); 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)
• Keywords: 木質材料 / 人工知能 / 構造機能 / 自己形成 / 環境応答 / 細胞構造 / セル構造体 / 構造解析 / コンピュータービジョン / ハイグロナスティー / 植物組織構造 / セル構造 / 機械学習 / 異方性 / シミュレーション / 耐震設計 / 形態情報

Outline of Annual Research Achievements

過去４年間にわたり、メインテーマである「木質材料の構造力学的最適化による環境応答戦略の理解」に関連して、木質材料の構造を調べるための新しい手法の開発や、測定データの知能情報学的な取り扱いについて、いくつかの素材をとおして研究をおこなってきた。新しい手法としては、通常の偏光顕微鏡を改造し、複屈折現象によるレターデーション測定から細胞壁中のセルロースミクロフィブリルの傾角を算出する技術を立ち上げた。また、木口面顕微鏡写真から細胞毎に要素を自動抽出し、細胞壁の厚さや内径、面積などを自動抽出してデータ化する技術の開発も続けてきた。これらの技術の融合によって、木材の細胞が一年を通してどのように形成され、ナノ構造と組織構造がどのようにバランスをとっているか、解析するための情報基盤が整いつつある。素材としては、伝統工芸に用いられるサクラやカバの樹皮の脅威的な延伸特性をもたらす組織構造を明らかにしたこと、また、伝統的屋根工法の一つである「こけら葺」の板材の木取りと曲面形成に関する考察から、針葉樹材特有のセル構造が横方向の曲げ性能に大きく影響することを明らかにした。これらの研究は３編の原著論文として既に報告した。その他に取り組んできた、圧縮あて材内のセルロースの構造と機能や、木材の湿熱回復現象に関する細胞壁構造の影響などについても成果をとりまとめて公表する。
上記基礎研究課題に加えて、樹木の構造にヒントを得た木材を利用した新しい空間設計に関する応用研究も2年次半ばより継続して検討してきた。樹皮や落葉のように、建築部材が部分的に破壊・離落することで自重を減じることで、耐震性能をあげること、あるいは一般的には欠点と言われる木材の狂いを利用して、環境応答型の建築デザインを発案するなどに取り組んできた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

次の二つのテーマが進行中である
１）細胞毎変形挙動と力学特性との相関解析
伝統的屋根工法の一つである「こけら葺」の板材の木取りと曲面形成に関する考察を深める目的で、力学試験下における木材組織の微細構造を実体顕微鏡で観察しながら、応力ひずみ曲線を取得する治具並びに装置を試作した。また試験中のビデオ画像をデジタル画像処理し、細胞毎にセグメンテーションを行い、細胞毎の変形挙動を可視化する計算手法の開発に着手した。
２）木質材料の欠点ー樹木細胞としての機能ーを利用した自己形成素材の設計
湿度変化によって木材が変形することは、材料としての欠点ではあるものの、適切な素材は張り合わせたバイレイヤー構造を設計することによって、湿度制御可能なセンサー的な部材として利用が可能となる。居住空間における湿度変化を巧みに利用して、自己形成する材料の設計をを目標に、ヒノキとケヤキ、あるいはヒノキとカバノキによるバイレイヤー構造体の物性に関する予備実験をおこなった。

Strategy for Future Research Activity

次の二つのテーマを進化させる。
１）細胞毎変形挙動と力学特性との相関解析
木材の全て物性の根底には「組織」あり、という基本的な考えに基づき、コンピュータービジョンと実験を巧みにデザインし、物性に影響する「かたち」を人工知能によって自動抽出し、物理実験と相関させて両者の関係を詳しく調べる実験系を立ち上げる。例えば乾燥収縮におけるマクロな変形を、組織レベルあるいは細胞壁レベルの変化と合わせて定量的に解釈する、あるいは曲げや引っ張り試験下の細胞形状を実時間で記録して応力ひずみ曲線との対応を見る。針葉樹２種類（ヒノキとスギ）、広葉樹２種類（サクラとポプラ）を細胞毎の変形挙動の解析実験に供し、樹種固有の構造特性を読み取ることで、木質材料の構造力学的最適化による環境応答戦略の理解」に迫る。研究成果は国際誌に投稿し、コンピュータビジョンに関するデータならびにソフトウエア関係は積極的に公開する。
２）木質材料の欠点ー樹木細胞としての機能ーを利用した自己形成素材の設計
本研究では、特に植物固有の構造や、その環境応答のメカニズムを直接活用し、かつデザインとしても利用したプロトタイプの提案を目指す。木質のバイレイヤー構造体を巧みに利用した、相対湿度に反応する環境応答材料として利用する。実験室における材料試験ならびにシミュレーションと並行して、ヒートアイランド現象による都市の温暖化が問題となっている、大阪のオフィス空間に新たなクールスポットを創出するため、ローテクで気候に対応する自己開閉型「アンブレラ」（日傘）の提案と、社会実装を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Computer vision-based wood identification and its expansion and contribution potentials in wood science: A review (2021)
  • Author(s): Hwang Sung-Wook、Sugiyama Junji
  • Journal Title: Plant Methods Volume: 17
  • DOI: 10.1186/s13007-021-00746-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Histochemical structure and tensile properties of birch cork cell walls (2021)
  • Author(s): Kiyoto Shingo、Sugiyama Junji
  • Journal Title: Cellulose Volume: 29 Pages: 2817-2827
  • DOI: 10.1007/s10570-021-04036-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New insights into Chinese traditional handmade paper: influence of growth age on morphology and cellulose structure of phloem fibers from Pteroceltis tatarinowii (2021)
  • Author(s): Chen Bingwei、Zhai Shengcheng、Kan Yu’na、Fan Xiaodong、Wang Xinzhou、Pan Biao、Mei Changtong、Sugiyama Junji
  • Journal Title: Cellulose Volume: 28 Pages: 9943-9957
  • DOI: 10.1007/s10570-021-04150-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-dimensional microfibril angle mapping via polarization microscopy for wood classification (2020)
  • Author(s): Yusuke Kita, Suyako Tazuru, Junji Sugiyama
  • Journal Title: IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science Volume: 415 Pages: 012028-012028
  • DOI: 10.1088/1755-1315/415/1/012028
  • NAID: 120006799261
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluation of a model using local features and a codebook for wood identification (2020)
  • Author(s): SW Hwang, Kobayashi K, Sugiyama J
  • Journal Title: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science Volume: 415 Pages: 012029-012029
  • DOI: 10.1088/1755-1315/415/1/012029
  • NAID: 120006799262
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anatomical traits of Cryptomeria japonica tree rings studied by wavelet convolutional neural network (2020)
  • Author(s): T Nakajima, Kobayashi K, Sugiyama J
  • Journal Title: IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science Volume: 415 Pages: 012027-012027
  • DOI: 10.1088/1755-1315/415/1/012027
  • NAID: 120006799263
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Detection and visualization of encoded local features as anatomical predictors in cross-sectional images of Lauraceae (2020)
  • Author(s): Sung Wook Hwang, Kayoko Kobayashi, Junji Sugiyama
  • Journal Title: Journal of Wood Science Volume: 66 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1186/s10086-020-01864-5
  • NAID: 120006898177
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-destructive method for wood identification using conventional X-ray computed tomography data (2019)
  • Author(s): Kayoko Kobayashi, Sung-Wook Hwang, Junji Sugiyama
  • Journal Title: Journal of Cultural Heritage Volume: 38 Pages: 88-93
  • DOI: 10.1016/j.culher.2019.02.001
  • NAID: 120006645308
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anatomical features of Fagaceae wood statistically extracted by computer vision approaches: Some relationships with evolution. (2019)
  • Author(s): Kobayashi K, Kegasa T, Hwang S-W, Sugiyama J
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 14, 8 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0220762
  • NAID: 120006712776
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neural Network for Classification of Chinese Zither Panel Wood via Near-infrared Spectroscop (2019)
  • Author(s): Huang Yinglai, Meng Shiyu, Hwang Sung-Wook, Kobayashi Kayoko, Sugiyama Junji
  • Journal Title: BioResources Volume: 15 Pages: 130-141
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Classification of Japanese Fagaceae Wood Based on Microscopic Image Analysis (2019)
  • Author(s): Salma、Gunawan P. H.、Prakasa Esa、Damayanti Ratih、Sugiyama Junji
  • Journal Title: 2019 7th International Conference on Information and Communication Technology (ICoICT) Volume: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1109/icoict.2019.8835270
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] スプルース響板材の物性への木取りの影響および機械学習によるその予測 (2021)
  • Author(s): 椎名 令、陳 碩也、仲井 一志、粟野 達也、吉永 新、杉山 淳司
  • Organizer: 第72回日本木材学会大会
• [Presentation] 木口面光顕画像の機械学習によるセグメンテーションと細胞毎の形態指標の定量化 (2021)
  • Author(s): 小川 芳樹、陳 碩也、粟野 達也、吉永 新、杉山 淳司
  • Organizer: 第72回日本木材学会大会
• [Presentation] 針葉樹材木口断面の顕微イメージングによるMFA・仮道管形態パラメーター新規同時評価手法の開発 (2021)
  • Author(s): 喜多 祐介、粟野 達也、吉永 新、杉山 淳司
  • Organizer: 第72回日本木材学会大会
• [Presentation] Deformation of wood cell wall during three-point bending test studied by computer vision and machine learning (2021)
  • Author(s): Shuoye Chen, Tatsuya Awano, Arata Yoshinaga, Junji Sugiyama
  • Organizer: 第72回日本木材学会大会
• [Presentation] 伝統建築こけら葺屋根の材料選択に学ぶ 木取りによるこけら板の曲げ異方性 (2021)
  • Author(s): 杉山淳司, 五十田博, 中川貴文
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] 伝統建築こけら葺屋根の材料選択に学ぶ 木取りによるこけら板の曲げ異方性 (2021)
  • Author(s): 杉山淳司, 五十田博, 中川貴文
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] Machine learning approaches to analyze the annual growth pattern of Cryptomeria japonica. (2019)
  • Author(s): Takeshi Nakajima, Junji Sugiyama
  • Organizer: The 4th Asia Research Node Symposium on Humanosphere Science.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two dimensional MFA mapping and its potential for wood classification. (2019)
  • Author(s): Yusuke Kita, Junji Sugiyama
  • Organizer: The 4th Asia Research Node Symposium on Humanosphere Science.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tree ring anatomical traits of Cryptomeria japonica studied by wavelet convolutional neural network (2019)
  • Author(s): Junji Sugiyama
  • Organizer: 5th Indonesia Forestry Researchers (INAFOR ) Expo on "Enforcing Forest Restoration and Waste Management for Better Environment and Socio Economic Benefits”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Two-dimensional MFA mapping by polarization optical microscopy - A potential for wood classification using CNN model. (2019)
  • Author(s): Yusuke Kita, Junji Sugiyama
  • Organizer: 5th Indonesia Forestry Researchers (INAFOR ) Expo on "Enforcing Forest Restoration and Waste Management for Better Environment and Socio Economic Benefits”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anatomical features represented by visual words and their quantification (2019)
  • Author(s): Sung-Wook HWANG, Kayoko KOBAYASHI, Junji SUGIYAMA
  • Organizer: 5th Indonesia Forestry Researchers (INAFOR ) Expo on "Enforcing Forest Restoration and Waste Management for Better Environment and Socio Economic Benefits”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data mining in annual growth pattern of Cryptomeria Japonica using wavelet convolutional neural network (2019)
  • Author(s): Takeshi Nakajima, Kayoko Kobayashi, Junji Sugiyama
  • Organizer: 韓国木材工学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Visualizing MFA distribution from cross-section of wood cell wall (2019)
  • Author(s): Yusuke Kita, Junji Sugiyama
  • Organizer: 韓国木材工学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Seismic Behavior of a Two-Story Cross-Laminated Timber Structure without Tensile Anchor (2019)
  • Author(s): Hiroshi Isoda
  • Organizer: 5th Pacific Timber Engineering Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent developments and testing in Japan (2019)
  • Author(s): Hiroshi Isoda
  • Organizer: Symposium on NEESWood Capstone Project a Decade Later
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 木造住宅のロッキング挙動による地震時入力低減に関する解析的検討 (2019)
  • Author(s): 瀧 裕、中川貴文、五十田博
  • Organizer: 日本木材学会大会
• [Presentation] 木造住宅の耐震性能の見える化 (2019)
  • Author(s): 五十田 博
  • Organizer: 第14回京都大学附置研究所・センターシンポジウム 京都大学浜松講演会「京都からの挑戦-地球社会の調和ある共存に向けて」
  • Invited
• [Presentation] 木材解剖学におけるコンピュータビジョンと機械学習 ー自動分類や特性予測の可能性ー (2018)
  • Author(s): 杉山淳司
  • Organizer: 画像関連学会連合会 印刷学会第140回研究発表会
  • Invited