| 研究課題/領域番号 |
20K04224
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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, 設計製造技術研究所, 教授 (20205769)
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| 研究分担者 |
北山 哲士 金沢大学, 設計製造技術研究所, 教授 (90339698)
茅原 崇徳 金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (00582967)
伊藤 誠 金沢大学, 機械工学系, 助教 (30845160) [辞退]
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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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 |
本研究では，外骨格を持つ生物の外骨格形態に基づいて機械の筐体や板殻構造の設計を創出する方法の開発する.そのため，①外骨格構造の力学的最適性や頑健性の解明，②その特徴を反映した機械構造設計手法の開発，③機械構造への応用と有効性の検証を研究目的としている.
令和２年度までの研究においては，外骨格としてユニークな形態を有するカニのハサミを対象として，撮影したCT画像から力学解析用の三次元有限要素モデルを作成し，スケーリング則を用いた同等な荷重条件下で力学解析を行い全体剛性や最大応力を比較して，それらの形状に力学的な適応が存在する可能性を明らかにした．令和３年度の研究では，異なる形状を持つ複数のカニのハサミの有限要素モデルに対して，同じメッシュパターンの要素分割を与えるメッシュマッチングを行った．メッシュマッチングができれば，ベーシスベクトル法を用いた最適設計が可能になる．動物の骨を対象に開発した既存のメッシュマッチング法が外骨格構造であるカニのハサミに適合しなかったため，市販のメッシュ作成ソフトを利用してマッシュマッチングを試みたが，得られたメッシュの歪みが大きく解析精度上の課題が残った．一方，カニのハサミ以外の外骨格構造としては，クワガタムシの外骨格を対象にCT画像から三次元モデルを作成し，特にオスの大顎に注目して有限要素解析を行った．クワガタの大顎には，オス同士や他の甲虫を挟んで持ち上げる負荷への力学的最適性が予想される．比較のため同等の長さと体積を持つ単純形状のパイプモデルを作成し，クワガタ大顎モデルと同じ荷重を与えたときの応力を比較した．先端に挟む方向の荷重を与えた場合，パイプモデルでは高い応力が狭い範囲に集中するのに対し，クワガタ大顎モデルでは低い応力が広範囲に分布し，曲げ荷重への強度の高さから，片持ちの曲がりばり構造のデザインに適していることが明らかとなった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究では以下の計画で研究を進めることとしている．①外骨格構造の力学的な最適性や頑健性の分析をR2Q1からR4Q2で，①外骨格を用いた設計手法の開発をR2Q4からR3Q4で，③外骨格の形状最適化と機械設計への応用をR3Q3からR4Q4で実施する．（ここで，R2 - R4は年度を，Q1 - Q4は各年度の四半期を示す．）令和3年度までに，①については①-1:生物の外骨格を入手してCT画像の撮影を行い，その画像に基づき力学解析用の三次元有限要素モデルを作成し，①-2:これに仮定した境界条件やその境界条件の変動を与えて有限要素解析を行い，外骨格の強度や応力分布とその変動から力学的な最適性や頑健性を分析する計画であった．これに対し現状では，カニのハサミとクワガタの大顎を対象として①-1の内容を完了し，①-2の内容についても，応力解析を実施して力学的最適性が存在する可能性を得ており，概ね順調に進んでいる．特にカニのハサミだけでなく甲虫類のクワガタ大顎も対象とした分析が概ね完了しており，複数種の外骨格構造において力学解析のデータが得られたことは一つの成果と言える．一方，②については，最も困難な点が，異なる形状を持つ複数の外骨格構造に同じメッシュパターンの要素分割を与えるメッシュマッチングの過程である．様々な形状の構造にメッシュマッチングを行うことができれば，ベーシスベクトル法を用いて，それらの形状を合成して設計変更することが可能になる．しかし，動物の骨形状を対象に開発した既存のメッシュマッチング法が外骨格構造には適合しなかったため，市販のメッシュ作成ソフトウェアを利用したマッシュマッチングも試みたが，得られたメッシュの歪みが大きく解析精度上の課題を残している．そのため，③の外骨格の形状最適化と機械設計への応用には，まだ取り掛かることができておらず，実施状況としてはやや遅れている．
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| 今後の研究の推進方策 |
令和4年度は当初の計画通り，①外骨格構造の力学的な最適性や頑健性の分析を継続し，②外骨格を用いた設計手法の開発を行い，③外骨格の形状最適化と機械設計への応用を実施する.
①の項目に関連し，カニのハサミとクワガタの大顎における力学的な最適性を定量的に明らかにする点では概ね順調に進んでいる．一昨年度までの研究で，CT 画像から外骨格形状に忠実な三次元有限要素モデルを作成する方法は確立しており，力学的な頑健性を定量的に比較する方法についても目処がついていることから，これらの作業を進める上での困難は少なく，今後も順調に進められると考えている．②の外骨格を用いた設計手法については，異なる形状を持つ複数の外骨格構造に同じメッシュパターンの要素分割を与えるメッシュマッチング法の確立が不十分で，得られたメッシュの歪みが大きくなる問題点を解決できていない．これに対しては，形状変形を含んだ非剛体レジストレーションの手法を応用することで解決できる可能性があり，その実行にはOpen3Dの標準的なレジストレーションライブラリーが利用可能であるとの情報を得た．具体的にはこのライブラリを用いたプログラムを作成して，異なる形状を持つカニのハサミのメッシュマッチングを行い，手法を確立する．メッシュの歪みを最小限に抑えたメッシュマッチングが実現すれば，ベーシスベクトル法を用いて形状最適化を行うことも難しくはない．令和4年度中には③の具体的設計として，カニのハサミの形状に基づいた軽量高強度なグリップ構造の設計を目指す．カニのハサミは指節と掌節で構成されるが，その全体構造に対して同時に最適化が困難な場合は，まずは指節もしくは掌節のみを対象にして，それぞれの形状を最適化する設計を実施する．それぞれ最適化された指節と掌節を組み合わせて，グリップ状態での力学解析を行い，グリップ構造としての最適性を検証する．
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