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

• 研究領域: 植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成
• 研究課題/領域番号: 18H05485
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 杉山 淳司 京都大学, 農学研究科, 教授 (40183842)
• 研究分担者: 五十田 博 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (40242664)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 80,080千円 (直接経費: 61,600千円、間接経費: 18,480千円); 2022年度: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円); 2021年度: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2020年度: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2019年度: 16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円); 2018年度: 13,000千円 (直接経費: 10,000千円、間接経費: 3,000千円)
• キーワード: 木材組織 / 微細構造 / 構造解析 / 機械学習 / 力学特性 / コンピュータービジョン / 環境デザイン / 自己形成 / 環境応答型 / 力学的最適化 / セグメンテーション / 深層学習 / 木質材料 / 人工知能 / 構造機能 / 環境応答 / 細胞構造 / セル構造体 / ハイグロナスティー / 植物組織構造 / セル構造 / 異方性 / シミュレーション / 耐震設計 / 形態情報

研究成果の概要

天然素材の適材適所的な利用の背景には、植物固有の最適化構造が存在している。例えば、サクラやカバの樹皮の微細構造と物性との関係から、樹皮が乾燥によって外側から剥離するように設計されたという生理的な機能と同時に、弥生時代から紐として利用される理由の一端を明らかにすることができた。また、伝統的建造物における屋根工法の一つ、こけら葺に際して、隅板に追柾板を使うことが伝承されているが、これがまさに針葉樹に特有の、セル構造体としての特性を利用した先人の知恵であることを証明した。このような、木材の最適化構造に潜む幾つかの特徴から発想して、外部環境に応答する空間設計に活かす木質材料のデザインにも挑戦した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

木材の性質や特性についての科学的な知識を持つことは社会にとって非常に有益である。すなわち、木材の性質や特性を理解することで、より効率的な資源利用が可能となり、木材の種類や特性に合わせた適切な加工方法や設計を選択することで、無駄を減らし、資源の節約に寄与することも可能である。また、教育的な面では、優れた木質の特性をわかりやすく説明することで、持続可能な材料選択や環境への配慮を促進する一助となるだろう。最後に、科学的な点では、開発された生物画像に対する情報処理技術は、形態を観察の対象から解析の対象とする意味で、今後多面的な展開が期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Flexural behavior of wood in the transverse direction investigated using novel computer vision and machine learning approach (2022)
  • 著者名/発表者名: Chen Shuoye、Awano Tatsuya、Yoshinaga Arata、Sugiyama Junji
  • 雑誌名: Holzforschung 巻: 76 号: 10 ページ: 875-885
  • DOI: 10.1515/hf-2022-0096
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Examination of Cinnamomum camphora interlocked grain adopting X-ray computed tomography combined with particle image velocimetry (2022)
  • 著者名/発表者名: Cipta Hairi、Kobayashi Kayoko、Chen Shuoye、Sugiyama Junji
  • 雑誌名: Journal of Wood Science 巻: 68 号: 1 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1186/s10086-022-02064-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Intra-annual fluctuation in morphology and microfibril angle of tracheids revealed by novel microscopy-based imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Kita Yusuke、Awano Tatsuya、Yoshinaga Arata、Sugiyama Junji
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 17 号: 11 ページ: e0277616-e0277616
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0277616
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of the wood species in the wooden sheath of Indonesian kris by synchrotron Xray microtomography (2022)
  • 著者名/発表者名: Hairi Cipta; Widyanto Dwi Nugroho; Suyako Tazuru; Junji Sugiyama
  • 雑誌名: Journal of Wood Science 巻: 68 号: 1 ページ: 65-65
  • DOI: 10.1186/s10086-022-02072-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] New attempts with the keratin-metal/magnesium process for the conservation of archaeological waterlogged wood (2022)
  • 著者名/発表者名: Endo Rie、Sugiyama Junji
  • 雑誌名: Journal of Cultural Heritage 巻: 54 ページ: 53-58
  • DOI: 10.1016/j.culher.2022.01.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computer vision-based wood identification and its expansion and contribution potentials in wood science: A review (2021)
  • 著者名/発表者名: Hwang Sung-Wook、Sugiyama Junji
  • 雑誌名: Plant Methods 巻: 17 号: 1
  • DOI: 10.1186/s13007-021-00746-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Histochemical structure and tensile properties of birch cork cell walls (2021)
  • 著者名/発表者名: Kiyoto Shingo、Sugiyama Junji
  • 雑誌名: Cellulose 巻: 29 号: 5 ページ: 2817-2827
  • DOI: 10.1007/s10570-021-04036-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] New insights into Chinese traditional handmade paper: influence of growth age on morphology and cellulose structure of phloem fibers from Pteroceltis tatarinowii (2021)
  • 著者名/発表者名: Chen Bingwei、Zhai Shengcheng、Kan Yu’na、Fan Xiaodong、Wang Xinzhou、Pan Biao、Mei Changtong、Sugiyama Junji
  • 雑誌名: Cellulose 巻: 28 号: 15 ページ: 9943-9957
  • DOI: 10.1007/s10570-021-04150-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two-dimensional microfibril angle mapping via polarization microscopy for wood classification (2020)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Kita, Suyako Tazuru, Junji Sugiyama
  • 雑誌名: IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 012028, 巻: 415 号: 1 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1088/1755-1315/415/1/012028
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evaluation of a model using local features and a codebook for wood identification (2020)
  • 著者名/発表者名: SW Hwang, Kobayashi K, Sugiyama J
  • 雑誌名: IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 巻: 415 号: 1 ページ: 012029-012029
  • DOI: 10.1088/1755-1315/415/1/012029
  • NAID: 120006799262
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Anatomical traits of Cryptomeria japonica tree rings studied by wavelet convolutional neural network (2020)
  • 著者名/発表者名: T Nakajima, Kobayashi K, Sugiyama J
  • 雑誌名: IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 巻: 415 号: 1 ページ: 012027-012027
  • DOI: 10.1088/1755-1315/415/1/012027
  • NAID: 120006799263
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection and visualization of encoded local features as anatomical predictors in cross-sectional images of Lauraceae (2020)
  • 著者名/発表者名: Sung Wook Hwang, Kayoko Kobayashi, Junji Sugiyama
  • 雑誌名: Journal of Wood Science 巻: 66 号: 1 ページ: 16-16
  • DOI: 10.1186/s10086-020-01864-5
  • NAID: 120006898177
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Non-destructive method for wood identification using conventional X-ray computed tomography data (2019)
  • 著者名/発表者名: Kayoko Kobayashi, Sung-Wook Hwang, Junji Sugiyama
  • 雑誌名: Journal of Cultural Heritage 巻: 38 ページ: 88-93
  • DOI: 10.1016/j.culher.2019.02.001
  • NAID: 120006645308
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Anatomical features of Fagaceae wood statistically extracted by computer vision approaches: Some relationships with evolution. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi K, Kegasa T, Hwang S-W, Sugiyama J
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 14, 8 号: 8 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0220762
  • NAID: 120006712776
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neural Network for Classification of Chinese Zither Panel Wood via Near-infrared Spectroscop (2019)
  • 著者名/発表者名: Huang Yinglai, Meng Shiyu, Hwang Sung-Wook, Kobayashi Kayoko, Sugiyama Junji
  • 雑誌名: BioResources 巻: 15 ページ: 130-141
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Classification of Japanese Fagaceae Wood Based on Microscopic Image Analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Salma、Gunawan P. H.、Prakasa Esa、Damayanti Ratih、Sugiyama Junji
  • 雑誌名: 2019 7th International Conference on Information and Communication Technology (ICoICT) 巻: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/icoict.2019.8835270
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 主茎切断後に生じるユーカリ側枝の屈曲と引張あて材の形成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中田未友希、勝田亮紀、須河 勇輝、吉川 実玖、粟野 達也、吉永 新、杉山淳司、出村 拓
  • 学会等名: 日本建築学会大会学術講演（近畿）
• [学会発表] 植物の特性をいかした実物大プロトタイプの設計・製作・実験 (2023)
  • 著者名/発表者名: ユジェル メラル, 杉山淳司, 五十田博, 松尾美幸, 陳碩也, ルイ リ
  • 学会等名: 日本建築学会大会学術講演（近畿）
• [学会発表] 木材の吸湿変形性能による自己形成特性に着目した形態デザインとその性能実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: Meral YUCEL・杉山淳司・五十田博・中川貴文・松尾美幸・陳碩也・李瑞
  • 学会等名: 日本建築学会大会学術講演（北海道）
• [学会発表] コンピュータービションおよび機械学習による木材細胞壁変形の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 陳碩也・杉山淳司
  • 学会等名: 日本建築学会大会学術講演（北海道）
• [学会発表] 隣接細胞グラフにみるクスノキ科木口面断面画像の特徴 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中川侑樹、小川芳樹、陳碩也、粟野達也、吉永新、杉山淳司
  • 学会等名: 第73回日本木材学会大会（福岡）3月14ー16日
• [学会発表] 木口面光顕画像の自動化さ れた 細胞 種判別 のSVMによる 精度 向上 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小川 芳樹 、 陳 碩也、 粟野 達也 、 吉永 新 、 杉山 淳司
  • 学会等名: 第73回日本木材学会大会（福岡）3月14ー16日
• [学会発表] 偏光顕微鏡によるMFAイメージング ・ X 線 回折 法 を 用いた日本産広葉樹 材 の M FA 測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 喜多 祐介 、 T itis Setiyobudi 、 粟野 達也 、 吉永 新 、 杉山 淳司
  • 学会等名: 第73回日本木材学会大会（福岡）3月14ー16日
• [学会発表] 機械学習によるスプルース材横方向の物性予測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 陳碩也、椎名令、仲井一志、粟野達也、吉永新、杉山淳司
  • 学会等名: 第73回日本木材学会大会（福岡）3月14ー16日
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 椎名 令、陳 碩也、仲井 一志、粟野 達也、吉永 新、杉山 淳司
  • 学会等名: 第72回日本木材学会大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 小川 芳樹、陳 碩也、粟野 達也、吉永 新、杉山 淳司
  • 学会等名: 第72回日本木材学会大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 喜多 祐介、粟野 達也、吉永 新、杉山 淳司
  • 学会等名: 第72回日本木材学会大会
• [学会発表] Deformation of wood cell wall during three-point bending test studied by computer vision and machine learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Shuoye Chen, Tatsuya Awano, Arata Yoshinaga, Junji Sugiyama
  • 学会等名: 第72回日本木材学会大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 杉山淳司, 五十田博, 中川貴文
  • 学会等名: 日本建築学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 杉山淳司, 五十田博, 中川貴文
  • 学会等名: 日本建築学会
• [学会発表] Machine learning approaches to analyze the annual growth pattern of Cryptomeria japonica. (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Nakajima, Junji Sugiyama
  • 学会等名: The 4th Asia Research Node Symposium on Humanosphere Science.
  • 国際学会
• [学会発表] Two dimensional MFA mapping and its potential for wood classification. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Kita, Junji Sugiyama
  • 学会等名: The 4th Asia Research Node Symposium on Humanosphere Science.
  • 国際学会
• [学会発表] Tree ring anatomical traits of Cryptomeria japonica studied by wavelet convolutional neural network (2019)
  • 著者名/発表者名: Junji Sugiyama
  • 学会等名: 5th Indonesia Forestry Researchers (INAFOR ) Expo on "Enforcing Forest Restoration and Waste Management for Better Environment and Socio Economic Benefits”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Two-dimensional MFA mapping by polarization optical microscopy - A potential for wood classification using CNN model. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Kita, Junji Sugiyama
  • 学会等名: 5th Indonesia Forestry Researchers (INAFOR ) Expo on "Enforcing Forest Restoration and Waste Management for Better Environment and Socio Economic Benefits”
  • 国際学会
• [学会発表] Anatomical features represented by visual words and their quantification (2019)
  • 著者名/発表者名: Sung-Wook HWANG, Kayoko KOBAYASHI, Junji SUGIYAMA
  • 学会等名: 5th Indonesia Forestry Researchers (INAFOR ) Expo on "Enforcing Forest Restoration and Waste Management for Better Environment and Socio Economic Benefits”
  • 国際学会
• [学会発表] Data mining in annual growth pattern of Cryptomeria Japonica using wavelet convolutional neural network (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Nakajima, Kayoko Kobayashi, Junji Sugiyama
  • 学会等名: 韓国木材工学会
  • 国際学会
• [学会発表] Visualizing MFA distribution from cross-section of wood cell wall (2019)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Kita, Junji Sugiyama
  • 学会等名: 韓国木材工学会
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental Seismic Behavior of a Two-Story Cross-Laminated Timber Structure without Tensile Anchor (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Isoda
  • 学会等名: 5th Pacific Timber Engineering Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Recent developments and testing in Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Isoda
  • 学会等名: Symposium on NEESWood Capstone Project a Decade Later
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 瀧 裕、中川貴文、五十田博
  • 学会等名: 日本木材学会大会
• [学会発表] 木造住宅の耐震性能の見える化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 五十田 博
  • 学会等名: 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」
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 杉山淳司
  • 学会等名: 画像関連学会連合会 印刷学会第140回研究発表会
  • 招待講演