空間周期性の構造安定論的解釈と合理化社会・構造システム設計思想のパラダイムシフト

• 研究課題/領域番号: 18H03818
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分25:社会システム工学、安全工学、防災工学およびその関連分野
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 佐藤 太裕 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00344482)
• 研究分担者: 島 弘幸 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (40312392) ; 梅野 宜崇 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (40314231) ; 井上 昭夫 近畿大学, 農学部, 教授 (80304202)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 40,040千円 (直接経費: 30,800千円、間接経費: 9,240千円); 2022年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円); 2021年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円); 2020年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円); 2019年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円); 2018年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
• キーワード: 空間周期性 / 構造安定論 / 座屈強さ / 座屈変形

研究実績の概要

本研究は植物や自然の形態にみられる「空間周期性」について、その構造安定論的解釈から、社会および構造システム設計において発想転換をもたらす知見を獲得することを目的としたものである。最終年度は主に直立植物に対する構造安定論的学理を開拓し、以下の知見を獲得した。
・自重座屈の観点から樹木の最大高さ式を理論的に導出するとともに、初期曲がりや支える地盤のゆるさといった要因が樹木高さにどのような影響を与えるかについて、理論式から導出することに成功した。
・草本植物の体勢支持機構を、膨圧により生じる張力として理論式に取り込み、これにより、力学的な観点から木と草を分ける新しい考え方を提示した。
・タワーが直立する際の、テーパー形状と中空構造について、最大高さの観点から両者の優位性の比較を行った。
これら一連の成果は、複数の海外学術雑誌に投稿、掲載に至っている。また、植物形態を構造力学的視点から紐解いた本研究の集大成として、これらの知見をまとめ、2023年7月に岩波書店より岩波科学ライブラリー「竹取工学物語　土木工学者、植物にものづくりを学ぶ」を発刊した。今後これらの成果は植物の炭素貯蔵量の正確な推定や、プラントミメティクス的な観点から新しいものづくりに活きる知見として更なる展開が可能であると考えている。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Self-buckling with initial imperfections: Application to trees (2024)
  • 著者名/発表者名: Tohya Kanahama, Motohiro Sato
  • 雑誌名: International Journal of Engineering Science 巻: 194 ページ: 1-18
  • DOI: 10.1016/j.ijengsci.2023.103972
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rigidity control mechanism by turgor pressure in plants (2023)
  • 著者名/発表者名: Kanahama Tohya、Tsugawa Satoru、Sato Motohiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 2063-2063
  • DOI: 10.1038/s41598-023-29294-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bamboo: A Mechanically Optimum Design in Nature (2023)
  • 著者名/発表者名: Shima Hiroyuki、Inoue Akio、Sato Motohiro
  • 雑誌名: Bamboo Science and Technology 巻: - ページ: 1-29
  • DOI: 10.1007/978-981-99-0015-2_1
  • ISBN: 9789819900145, 9789819900152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation of bamboo-derived structured cellulose and its evaluation as resin composite materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishimaru Hiroya、Matsumoto Misuzu、Yoshikawa Takuya、Sato Motohiro、Nakasaka Yuta、Masuda Takao
  • 雑誌名: Biomass and Bioenergy 巻: 173 ページ: 106778-106778
  • DOI: 10.1016/j.biombioe.2023.106778
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanics-based classification rule for plants (2023)
  • 著者名/発表者名: Tohya Kanahama, Motohiro Sato
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 120 号: 41 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1073/pnas.2308319120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact of Land-Use Differences on Block-Size Distribution in Tokyo (2023)
  • 著者名/発表者名: Akiba Yuri、Wang Siyu、Sato Motohiro、Shima Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 号: 10 ページ: 104801-104801
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.104801
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Plant strategies for greatest height: tapering or hollowing (2023)
  • 著者名/発表者名: Tohya Kanahama, Motohiro Sato
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1038/s41598-023-45468-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanical instability of heavy column with rotational spring (2023)
  • 著者名/発表者名: Tohya Kanahama, Carol Lee Chalermsin, Motohiro Sato
  • 雑誌名: Journal of Mechanics 巻: 39 ページ: 480-490
  • DOI: 10.1093/jom/ufad035
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mathematical modelling to determine the greatest height of trees (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanahama Tohya、Sato Motohiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06041-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural rationalities of tapered hollow cylindrical beams and their use in Japanese traditional bamboo fishing rods (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama Ryo、Sato Motohiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06426-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A new taper index based on form-factor: application to three bamboo species (Phyllostachys spp.) (2021)
  • 著者名/発表者名: Inoue Akio、Sato Motohiro、Shima Hiroyuki
  • 雑誌名: European Journal of Forest Research 巻: 140 号: 6 ページ: 1533-1542
  • DOI: 10.1007/s10342-021-01416-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Geometric Attributes of Polygonal Crack Patterns in Columnar Joints (2021)
  • 著者名/発表者名: Akiba Y.、Takashima A.、Inoue A.、Ishidaira H.、Shima H.
  • 雑誌名: Earth and Space Science 巻: 8 号: 5
  • DOI: 10.1029/2020ea001457
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] テーパーを有する樹木の自重座屈に対する限界高さの導出 (2021)
  • 著者名/発表者名: KANAHAMA Tohya、FUJIMURA Takanori、SATO Motohiro
  • 雑誌名: 土木学会論文集Ａ２（応用力学） 巻: 77 号: 1 ページ: 62-71
  • DOI: 10.2208/jscejam.77.1_62
  • NAID: 130008066226
  • ISSN: 2185-4661
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cross-Sectional Performance of Hollow Square Prisms with Rounded Edges (2020)
  • 著者名/発表者名: Shima Hiroyuki、Furukawa Nao、Kameyama Yuhei、Inoue Akio、Sato Motohiro
  • 雑誌名: Symmetry 巻: 12 号: 6 ページ: 996-996
  • DOI: 10.3390/sym12060996
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Corrugation of an unpaved road surface under vehicle weight (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuyama C.、Tanaka Y.、Sato M.、Shima H.
  • 雑誌名: Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 巻: 476 号: 2241 ページ: 20200323-20200323
  • DOI: 10.1098/rspa.2020.0323
  • 査読あり
• [雑誌論文] Scaling law for the onset of the surface wrinkling of multilayer tubes (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Motohiro、Ishigami Kazusa、Kato Hiroyuki、Umeno Yoshitaka、Shima Hiroyuki
  • 雑誌名: Extreme Mechanics Letters 巻: 40 ページ: 100970-100970
  • DOI: 10.1016/j.eml.2020.100970
  • 査読あり
• [雑誌論文] Marked difference of rainfall partitioning in an unmanaged coniferous plantation with high stand density (2019)
  • 著者名/発表者名: Jeong Seonghun、Otsuki Kyoichi、Inoue Akio、Shinohara Yoshinori
  • 雑誌名: Journal of Forest Research 巻: 24 号: 2 ページ: 107-114
  • DOI: 10.1080/13416979.2018.1551116
  • 査読あり
• [雑誌論文] Buckling-induced band-gap modulation in zigzag carbon nanotubes (2019)
  • 著者名/発表者名: Umeno Yoshitaka、Sato Masanobu、Sato Motohiro、Shima Hiroyuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 15 ページ: 155116-155116
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.155116
  • 査読あり
• [雑誌論文] On the atomistic energetics of carbon nanotube collapse from AIREBO potential (2019)
  • 著者名/発表者名: Umeno Yoshitaka、Yachi Yu、Sato Motohiro、Shima Hiroyuki
  • 雑誌名: Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 巻: 106 ページ: 319-325
  • DOI: 10.1016/j.physe.2018.08.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Flow-Velocity-Dependent Transition of Anisotropic Crack Patterns in CaCO3 Paste (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Akiba and H. Shima
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 号: 2 ページ: 024001-024001
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.024001
  • NAID: 210000135085
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimation of culm volume reduction factors in five bamboo species (Phyllostachys spp.) (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue Akio、Shimada Miyuki、Sato Motohiro、Shima Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Forestry Research 巻: - 号: 6 ページ: 2069-2078
  • DOI: 10.1007/s11676-018-0767-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Allometric equations for predicting culm surface area of three bamboo species (Phyllostachys spp.) (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue, A., Miyazawa, Y., Sato, M. and Shima, H.
  • 雑誌名: Forests 巻: 9 号: 6 ページ: 295-295
  • DOI: 10.3390/f9060295
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Maximum size-density relationship in bamboo forests: case study of Phyllostachys pubescens forests in Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue, A., Sato, M. and Shima, H.
  • 雑誌名: Forest Ecology and Management 巻: 425 ページ: 138-144
  • DOI: 10.1016/j.foreco.2018.05.044
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ocean tide-induced secular variation in the Earth-Moon dynamics (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Uchida and H. Shima
  • 雑誌名: Coupled Systems Mechanics 巻: 7 ページ: 611-626
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stone-Wales欠陥がカーボンナノチューブの断面座屈挙動に及ぼす影響について (2018)
  • 著者名/発表者名: 鎌田弥成，谷内 湧，佐藤太裕，島 弘幸，梅野宜崇
  • 雑誌名: 計算工学講演会論文集 巻: 23
• [学会発表] 植物の不思議な形態に学ぶ（マルチスケール）材料力学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 太裕
  • 学会等名: 第8回マルチスケール材料力学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 直立植物のかたちに潜む材料力学的合理性：樹木、竹（など）を例に (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤太裕
  • 学会等名: 日本材料学会 北海道・東北支部合同材料フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] 樹幹形の効率的かつ安定的な定量化指標 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上昭夫
  • 学会等名: 第77回九州森林学会大会
• [学会発表] 「植物」がエンジニアに教えてくれること －植物のかたちの力学的合理性から見えてくるもの－ (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤太裕
  • 学会等名: 北海道技術者育成プラットフォームシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 賢い「竹」がもつ構造・材料力学的戦略 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤太裕
  • 学会等名: 日本塑性加工学会 ポーラス材料分科会 2021年研究討論会「自然界のポーラス構造」
  • 招待講演
• [学会発表] 針葉樹における樹幹の発達にともなう細りの変化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上昭夫
  • 学会等名: 第133回日本森林学会大会
• [学会発表] 樹木のテーパー形状が限界高さに与える影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金浜瞳也
  • 学会等名: 第24回応用力学シンポジウム
• [学会発表] Growing rule in tapered trees under self-weight loading (2021)
  • 著者名/発表者名: Tohya Kanahama
  • 学会等名: The 2021 World Congress on Advances in Structural Engineering and Mechanics
• [学会発表] 樹木の幹形状と樹冠重量および位置が自重座屈耐性に与える影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金浜瞳也
  • 学会等名: 令和三年度土木学会全国大会
• [学会発表] 樹木の重量分布が自重座屈耐性に与える影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金浜瞳也
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2021 材料力学カンファレンス
• [学会発表] メロンの網目に学ぶ球面での破断パターン形成機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 秋葉 祐里
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2021 材料力学カンファレンス
• [学会発表] 非円形断面を有する竹の維管束配列および断面形状評価法に関する考察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 堀内 晶裕
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2021 材料力学カンファレンス
• [学会発表] 維管束植物の断面支持機構に関する有限要素解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山﨑 雅也
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2021 材料力学カンファレンス
• [学会発表] 竹に学ぶ中空円筒構造の最適補剛設計 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西山 諒
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2021 材料力学カンファレンス
• [学会発表] 竹の維管束配列による曲げ特性向上効果に関する理論および数値解析的検証 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 重也
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2021 材料力学カンファレンス
• [学会発表] 工学の視点で植物を見る －賢い「竹」が軽さと丈夫さを併せもつ秘密－ (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐藤太裕
  • 学会等名: ナイスステップな研究者2019講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 竹の種別による形状の違いと共通性に関する考察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柳井駿斗・亀山侑平・島 弘幸・井上昭夫・佐藤太裕
  • 学会等名: 第23回応用力学シンポジウム
• [学会発表] 竹の種別比較による特徴的な形状および構造力学的特性の抽出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柳井駿斗・亀山侑平・島 弘幸・井上昭夫・佐藤太裕
  • 学会等名: 2020年度土木学会全国大会
• [学会発表] 竹の種別による形状の違いとその力学特性に関する考察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柳井駿斗
  • 学会等名: 土木学会北海道支部論文報告集
• [学会発表] 竹の維管束配列と曲げ特性の関係に関する理論的考察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大谷祐貴
  • 学会等名: 材料力学カンファレンス 2019
• [学会発表] Learning from bamboo: New mechnical concept of "Plant"-mimetics (2019)
  • 著者名/発表者名: Motohiro Sato
  • 学会等名: The 9th East Asia Mechanical and Aerospace Engineering Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 最外層に欠陥を有する多層カーボンナノチューブの断面変形挙動について (2019)
  • 著者名/発表者名: 小澤 健吾
  • 学会等名: 第24回計算工学講演会
• [学会発表] 賢い「竹」が生み出す巧みな材料力学的機能の秘密 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤太裕
  • 学会等名: 第51回溶融塩化学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 竹の維管束配列と曲げ応力の関係に関する理論的考察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大谷祐貴
  • 学会等名: 土木学会北海道支部平成30年度年次技術研究発表会
• [学会発表] 竹の維管束分布が円周方向曲げ剛性に与える影響について (2018)
  • 著者名/発表者名: 亀山侑平
  • 学会等名: 第21回応用力学シンポジウム
• [学会発表] Stone-Wales欠陥がカーボンナノチューブの断面座屈挙動に及ぼす影響について (2018)
  • 著者名/発表者名: 鎌田弥成
  • 学会等名: 第23回計算工学講演会
• [学会発表] 竹の自然美と機能美 (2018)
  • 著者名/発表者名: 島弘幸
  • 学会等名: 第85回形の科学シンポジウム
• [学会発表] Geometry and order in drying shrinkage cracks of granular paste (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Akiba
  • 学会等名: Water on Materials Surface 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Role of rotating tidal waves on coupled dynamics of the Earth-Moon system (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Uchida
  • 学会等名: The 2018 World Congress on Advances in Civil, Environmental & Materials Research
  • 国際学会
• [学会発表] Shaking induces ordered fragmentation of drying paste (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Akiba
  • 学会等名: Statistical Mechanics of Soft Matter
  • 国際学会
• [図書] 竹取工学物語 土木工学者、植物にものづくりを学ぶ (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 太裕
  • 総ページ数: 118
  • 出版者: 岩波書店
  • ISBN: 9784000297202