| 研究課題/領域番号 |
26420010
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
樋口 理宏 金沢大学, 機械工学系, 准教授 (50455185)
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| 研究分担者 |
宮崎 祐介 東京工業大学, 情報理工学(系)研究科, 准教授 (70432135)
立矢 宏 金沢大学, 機械工学系, 教授 (10216989)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 衝撃工学 / 生体工学 / 高分子材料 |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では，高速変形時のみ樹脂材料の粘弾性特性を利用して高速変形時のみ外殻が硬化するスポーツ用柔軟プロテクターを開発する．多くの競技では，ボール，ヒト同士の衝突による受傷を軽減するため硬質なプロテクターを着用する．しかし，競技者の動きを妨げないように，その装着箇所は限定されている．低速変形時（通常動作時）には柔軟で，衝突負荷時のみ硬化する外殻材料を用いれば，競技者の動きを妨げず，また衝突による被害を防ぐプロテクターを実現できる．本年度に実施した研究内容および成果は以下の通りである．
外殻材料として，アミン硬化ビスフェノールA型エポキシ樹脂を選定し，主剤と硬化剤の重量配合比が，同エポキシ樹脂の粘弾性特性におよぼす影響を動的粘弾性試験により調査した．まず，主剤・硬化剤の配合比を変更することで，ガラス転移温度を操作可能であり，硬化剤過多とすることで室温かつ低速変形下でゴム状となることがわかった．また，複素弾性率から緩和弾性率に換算し，同エポキシ樹脂の緩和弾性率の時間依存性を評価し，主剤・硬化剤の配合比を変更することで，緩和時間を広範囲で操作可能であることを示した．さらに，万能試験機，カムプラスとメータおよびスプリット・ホプキンソン棒法による低ひずみ速度，中ひずみ速度および高ひずみ速度における圧縮試験を行い，硬化剤過多とすることで，低ひずみ速度下でゴム状に高ひずみ速度下でガラス状となった．
また，走る，ボールを蹴るなどの各種スポーツ動作の時間スケールを文献調査し，同エポキシ樹脂の緩和弾性率の時間依存性を照らし合わせ，通常運動時には柔軟であるが，衝突時は硬質とすることが可能であることを明らかとした．すなわち，同エポキシ樹脂を外殻材料として用いることで，高速変形時のみ外殻が硬化するスポーツ用柔軟プロテクターを実現可能であることがわかった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当該年度は，当初の研究実施計画に従い，スポーツ用柔軟プロテクターを構成するための外殻材料の選定および材料特性評価を重点的に行った．また，同プロテクターを設計するにあたり，ひずみ速度依存評価に代わる方法として，緩和弾性率の時間依存性を評価指標として用い，ヒトの各種動作の時間スケールについての既存データから所望の機能を発現するための樹脂特性を見出すことが可能であることがわかった．
本研究で選定したアミン硬化ビスフェノールA型エポキシ樹脂を外殻材料として用いることで，高速変形時のみ外殻が硬化するスポーツ用柔軟プロテクターを実現可能であることを明らかにし，次年度の研究実施計画に向けて順調に研究を推進できているといえる．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成27年度にまとめた外殻材料の材料特性を基に，通常動作時は柔軟で，スポーツに伴う衝突による衝撃力低減を最大限に発揮する柔軟プロテクターを，人体の衝撃・生体力学的特性を考慮して設計する．
まず，プロテクター装着時の人体への衝撃力を評価するために，人体を骨部と皮質部により構成される単純な形状に近似し，それぞれの密度および等価弾性係数について文献調査を行い，人体に近い音響インピーダンスをもつダミー体を設計する．さらに，各種スポーツにおける衝撃現象を，動的有限要素法により解析し，プロテクターを装着したダミー体に負荷される衝撃力およびプロテクターの変形挙動を評価する．得られた解析結果を基に，衝突時の衝撃力低減効果を最大限に発揮する柔軟プロテクターの積層構造（内外殻材料の密度，材料特性およびそれらの厚さ等）を設計する．また同時に，生体衝撃を模擬した衝撃試験を実施するために，衝撃試験法を確立する．
さらに，ダミー体に，開発した柔軟プロテクターを装着し，生体衝撃を模擬した衝撃試験を実施する．ボール等を衝突させダミー体に生じる衝撃力，圧力分布を測定し，ダミー体の損傷を評価する．ここでは，野球の硬式球・軟式球の高速衝突やドッヂボールや木材等の中低速衝突により，幅広い衝突速度範囲における衝撃力低減効果を確認する．さらに硬質樹脂やダイラタンシー現象を用いた衝撃吸収材D3Oから構成される市販プロテクターに対しても同様の試験を行い，本研究で提案する柔軟プロテクターの優位性を示す．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
消耗品の購入量が当初予定より少なく済んだため．
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| 次年度使用額の使用計画 |
次年度の消耗品費として利用する．
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