| 研究課題/領域番号 |
16K05972
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
坂本 二郎 金沢大学, 新学術創成研究機構, 教授 (20205769)
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| 研究分担者 |
北山 哲士 金沢大学, 機械工学系, 教授 (90339698)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 生体力学 / バイオ材料力学 / 最適設計 / 計算力学 / データベース |
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| 研究実績の概要 |
平成28年度は，(1) 生物形態データベースの構築の基礎づくりと，(2) それに基づく構造設計のためのモデル作成法の検討を行った．(1)(2)の詳細を下記に示す．
(1) 生物形態データベースの構築：設計技術者の新しい発想を促進するため多種多様な生物の構造データを提示する仕組みとして，それらの三次元形状や内部構造等を視覚的に捉えることができ，即座に設計者のツールであるCADやCAEに読み込むことができるモデルデータベース構築の基礎作りを行った．具体的には，動物の骨の構造を主たる対象として，多種多様な動物の骨の形状・形態資料を石川県自然史資料館の協力を仰ぎながら医療用CTスキャンを用いてそれらのCT画像を蓄積した．また，市販の骨強度解析ソフトウェアMechanical Finder（RCCM社製）を利用して，得られたCT画像から3次元形態モデルを構築し，その幾つかの力学的特性を有限要素解析により求めた．この作業により，大量の生物骨形態モデルを作成できる体制を確立し，現在までに約100種類のモデルを作成してデータベースの基盤を構築した．
(2) 生物形態データに基づく構造設計のためのモデル作成法の検討：生物形状を規範とした構造設計を行うためには，異なるサイズや形状を有するモデルを標準化して比較や合成を可能とする仕組みが必要である．ここでは，そのような有限要素モデルの作成法として，異なる３次元形状を有する物体であっても，同じ有限要素メッシュパターンでモデル化を可能とするメッシュマッチング法を導入した．メッシュパターンを統一することで，異なる物体であっても変位や応力を評価する節点や要素が１対１の対応となるため，同じ荷重条件を与えて両者を比較したり，形状を合成して新たなモデルを作成することが可能となる．メッシュマッチング法のプログラムを作成して，例題によりその有効性を確認した．
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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
当初の計画では，平成28年度に，(1) 生物形態データベースの構築の基礎づくりと，(2) 生物構造の荷重条件・境界条件の同定手法の検討を行う予定であった．
(1)については，計画通り多種多様な動物の骨資料を石川県自然史資料館の協力を仰ぎ医療用CTスキャンでCT画像を蓄積して3次元形態モデルを構築し，この作業を通じて大量の生物骨形態モデルを作成できる体制を確立した．目標では今年度中に動物の骨格系で50種類程度の三次元形態モデルを作成する予定であったが，現在までに約100種類のモデルを既に作成している．また，それらのデータからデータベースの基盤を構築し，インターネットを通じて3D PDFにより三次元的な形状を確認できるようにした．以上のことから，(1)については計画以上の成果が得られている．
一方(2)については，本来の内部構造を含む骨形態モデルと，構造設計用に中空構造に単純化したモデルとでは適合する荷重条件・境界条件が異なるため，構造設計のためのモデル作成法の検討を先行させるように計画を変更した．適合する荷重条件・境界条件の同定手法については，構造設計用のモデルに対して改めて検討することとした．構造設計のためのモデル作成法では，メッシュマッチング法により異なる形状の骨に対しても同じメッシュパターンで有限要素モデルの要素分割を行う方法を採用した．この手法を用いれば，異なる形の骨でも変位や応力を評価する節点や要素が１対１対応となり，同じ荷重条件での比較や，形状を合成による新たなモデルの作成が可能となる．メッシュマッチング法のプログラムを作成して，データベースの骨モデルに適用し，その有効性を確認した．(2)については，計画変更があったものの成果は上がりつつある．
(1)(2)を総合的に判断すれば，研究全体としては，おおむね順調に進展していると評価できる．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成29年度は，前年度の研究を承け，(1) 生物形態データベースの構築の継続と，(2) 生物構造の荷重条件の同定手法の開発を行う．(1)(2)の詳細を下記に示す．
(1) 生物形態データベースの構築：平成28年度に続き，多種多様な生物の構造データを効果的に提示できる生物形態データベースの構築を継続する．既に確立した骨モデルを作成する体制を利用して，脊椎動物の骨を対象としたデータ蓄積をさらに進める．それと同時に，昆虫や甲殻類の外骨格を対象としてその形態モデルを作成し，データベースに新たに追加する．動物資料については，昆虫や甲殻類についても平成28年度と同様に石川県自然史資料館の協力を得て，そのサイズに応じ医療用CTもしくはμCT装置を用いてCT画像を蓄積する．骨と外骨格の両方とも，骨強度解析ソフトウェアMechanical Finder（RCCM社製）を利用し，得られたCT画像から3次元形態モデルを構築し，有限要素解析により力学的強度等を求める．
(2) 生物構造の荷重条件・境界条件の同定：平成28年度はメッシュマッチング法を用いて構造設計のためのモデル作成法の開発を実施したが，平成29年度は，それにより作成された骨の有限要素モデルを対象として，荷重条件の同定手法の検討を行う．具体的には，軸圧縮・引張，曲げ，ねじりの各荷重を重み付きで与え，応力分布の偏りが最小になるような重みを最適化法により求める方法を開発し，その有効性を検討する．この方法により，各骨の形状が適応していると予想される荷重条件を定量的に明らかにし，データベースの全ての骨に対してデータとして加えることができれば，逆にデータベースを用いて与えた荷重条件に適した骨形状を導出することが可能になる．データベーストして既に登録された骨モデルに対してメッシュマッチングを実施しながら，荷重条件の同定についても進める．
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