有限要素解析を用いた接地シミュレーションによる足部内部で生じる力学現象の解明

• 研究課題/領域番号: 19K11532
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分59020:スポーツ科学関連
• 研究機関: 立教大学
• 研究代表者: 石井 秀幸 立教大学, スポーツウエルネス学部, 准教授 (40534730)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: バイオメカニクス / 有限要素解析 / 接地 / 足部内挙動 / 医用画像 / 形状抽出 / シミュレーション

研究開始時の研究の概要

本研究では，医用画像から抽出した3次元形状データを用い，着地および走行動作における接地中の足部内部で生じる力学現象を再現できる有限要素モデルを構築する．妥当性を検証した有限要素モデルを用いて，腱の牽引，腱などの材料特性を変化させて着地および走行動作における接地のシミュレーションを行うことにより，これらの要因が足部の骨の挙動とそこで生じる力学現象に及ぼす影響を明らかにする．

研究実績の概要

本研究では，衝撃力が足部に作用する着地やスポーツ動作における接地中の足部内部で生じる力学現象を解明することを目的とした．
内部構造を考慮した足部の有限要素モデルを作成するために，医用画像から抽出した足部表面，骨，アキレス腱の3次元形状データを有限要素解析ソフトウェアにインポートした．これらの形状を用いて軟骨と軟組織の形状を作成し，さらに靱帯，腱，足底腱膜，皮膚をモデル化した．有限要素モデルの各部位には個別の材料特性を割り当てるとともに，摩擦の定義，荷重の定義などを行った．最終年度には，接地局面の有限要素解析を行い，有限要素モデルの妥当性を検討して，実現象を表現するように合理的な理由に基づいて有限要素モデルの修正に取り組んだ．具体的には，下腿部の境界条件，骨と軟組織の間の相互作用，初期条件の定義，靱帯，軟骨，軟組織，皮膚の材料特性などを変更した．軟組織と皮膚の材料特性は最終年度末においても検討の途中であるが，最終年度に実施したこれらの変更によって有限要素モデルが大幅に改善された．
足部の有限要素モデルの作成は難易度が高く困難の連続であったため，申請時の研究計画より遅れたが，研究期間全体を通して研究を着実に進展させることができたと考える．
今後は，最終年度末において未完了であった有限要素モデルの妥当性確認および有限要素モデルの修正を進める．その後，材料特性などを変化させて着地および走行動作における接地のシミュレーションを行う．
本研究を推進することで，着地および走行動作における接地中の足部内部で生じる力学現象を明らかにできる可能性がある．さらにシミュレーションによって，材料特性などの変化が，着地衝撃応答や走行動作に影響を及ぼすメカニズムを検討することも可能である．これらの結果は，障害発生予防，パフォーマンス向上，製品開発に寄与する可能性があるという点で意義のあるものと考える．