| 研究課題/領域番号 |
21H04537
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分18:材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
井上 忠信 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, グループリーダー (90354274)
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| 研究分担者 |
岡 慎一郎 一般財団法人沖縄美ら島財団(総合研究センター), 総合研究センター 動物研究室, 上席研究員 (00721747)
原 徹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, グループリーダー (70238161)
中里 浩二 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, NIMSエンジニア職 (10469778)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円)
2024年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
2023年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円)
2022年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
2021年度: 16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円)
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| キーワード | 生物機械工学 / 甲殻類 / 三次元組織解析 / 強靭化組織設計 / 生物模倣技術 / 複合構造 / 異方性 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究の概要は，甲殻類最強の把持力を持つヤシガニなどの外骨格を対象に，材料工学の最先端の手法を活用して，①組織や構造および主要成分を観察・分析し，②機械的特性試験（硬度，剛性，曲げ強度，靭性）を行い，③3次元有限要素法によるヤシガニが挟む際の数値解析を通じて，堅牢なハサミの組織構造を解明し，生物機械工学の観点で“材料力学および機械材料関連”分野をより発展させることを目的にした研究であり，材料工学者と生物工学者が融合した超異分野連携研究である．
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| 研究実績の概要 |
本研究は，甲殻類最強の把持力を持つヤシガニなどの外骨格を対象に，材料工学の最先端の手法を活用して，①組織や構造および主要成分を観察・分析し，②機械的特性試験（硬度，剛性，曲げ強度，靭性）を行い，③3次元有限要素法によるヤシガニが挟む際の数値解析を通じて，堅牢なハサミの組織構造を解明し，生物機械工学の観点で“材料力学および機械材料関連”分野をより発展させることを目的にした研究である．
本年は，ヤシガニの捕獲・調査を継続して実施し，ヤシガニの部位，体重，表面硬度（デュロメータ硬度計で実施）の関係を取得し，ヤシガニ体重と把持力の関係を含めデータを蓄積した．他の生物への展開の一つとして，ヤシガニのハサミの大きさを上回るアミメノコギリガザミを検体として，ハサミなどの外骨格内部の組織および破面を光学顕微鏡および走査電子顕微鏡SEMで観察し，成分はエネルギー分散型X線分析装置EDSで検出，分析を行った．検体の組織観察をする中で，外骨格表面に微細な凹凸があることを発見し，レーザー顕微鏡による表面解析も実施した．特性試験では，外骨格内部のビッカース硬さおよびナノインデンテーション試験（P=5 mN）を実施した．ノコギリガザミの巨大なハサミの網目状の褐色外骨格内部は，硬い部分と軟らかい部分で構成された見た目は魚の鱗のような魚鱗（ぎょりん）組織，その内側には螺旋組織が積層した複合構造となっており，これらの組織は表面上の微細な凹凸と深い関係があった．一番硬いハサミ先端の白色外骨格は、“密で硬い螺旋組織”が中間域を経て“疎で軟らかい螺旋組織”に変化した積層構造を有し、攻撃と防御の機能を併せ持つ重要箇所だった。干潟の最強生物であるガザミの巨大なハサミは，単にデカいだけでなく，過酷な環境で生き抜くための適材適所の組織・構造戦略を持っていた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
初年度にヤシガニの外骨格を対象にした組織観察や特性試験のノウハウがあったことで，巨大なハサミを持つアミメノコギリガザミの組織観察，表面解析，特性試験をスムーズに実施することができた．特に，ガザミの外骨格表面には，ヤシガニにはない微細な凹凸があり，この凹凸は外部からの力を分散するだけでなく，固着生物などを付着させず，かつ光を反射させない機能を有している可能性が高い．甲殻類の持つ外骨格の強靭化設計だけでなく，新たな機能も含めて研究を展開することも視野に入れる．また，これまで外部委託で実施していたナノインデンテーション試験に相当する微小硬度試験を2022年度の研究予算で購入したため，研究を加速できる環境となった．また，ガザミの外骨格から小型引張試験片を抽出する目途がたった．ヤシガニの外骨格のバルク特性試験を実施するため，大型のヤシガニの探索を継続して実施している．
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| 今後の研究の推進方策 |
ヤシガニの捕獲・調査を継続して実施し，ヤシガニの部位，体重，表面硬度（デュロメータ硬度計で実施）の関係を取得し，事前検討結果を含めたデータの蓄積を図る．特に，2kg以上の大きなヤシガニの調査を継続し，かつヤシガニ，ノコギリガザミ以外の堅牢な外骨格を有する生物の探索を行う．特に，これまでの生物の組織観察や特性試験の経験を活かし，カニ類，貝類，エビ類などに範囲を拡大し，組織と硬度・剛性を取得することで，生物素材の系統的なデータをまとめる．また，継続して，ナノインデンテーション試験で得られる荷重―変位曲線から，局所的なヤング率の情報を取得し，有限要素解析の材料データの蓄積を図る．大きなハサミを持つノコギリガザミの外骨格から小型の引張試験片を抽出できたため，その試験を開始する．
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