2022 Fiscal Year Annual Research Report

構造最適化による形態形成原理の解明とその工学応用

Planned Research

Project Area	Material properties determine body shapes and their constructions
Project/Area Number	20H05949
Research Institution	Waseda University
Principal Investigator	山崎慎太郎早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 教授 (70581601)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	坂下美咲東京理科大学, 理工学部応用生物科学科, 助教 (70907394)
Project Period (FY)	2020-11-19 – 2025-03-31
Keywords	構造最適化 / トポロジー最適化 / 形態形成 / 適応進化 / 魚類椎骨
Outline of Annual Research Achievements	生物の形態は、長い年月をかけた適応進化の結果として得られた構造である。一方で、数学理論に基づいて、工業製品の最適な構造を計算機で導出する設計方法論として、構造最適化が研究されている。生物の適応進化を、環境への適応を目的としたある種の最適化と捉えれば、工学理論である構造最適化を用いて、生物の形態形成の謎に迫ることが可能であろう。本研究の目的は、構造最適化により様々な生物の形態形成の仕組みを解明し、この仮説について検証することにある。2022年度は、具体的研究テーマとして、①構造最適化による魚類椎骨の形態形成の仕組みの解明、②3Dスタックデータに基づくマクロスケールにおけるオタマボヤハウスの形態の理解、③生物の形態形成の仕組みに学ぶ工学応用の検討、に取り組んだ。 ①について、以前より、トポロジー最適化と呼ばれる構造最適化の一種を用いて魚類椎骨の形態形成を計算機上で再現する取り組みを行っていた。2022年度はその研究をさらに進展させ、意図的に魚類椎骨に作用する荷重を変化させる実験系を作成し、荷重の変化により魚類椎骨の形態が実際にも変化することを確認した。 ②では、実験系の共同研究者がオタマボヤハウスの3Dスタックデータを撮像する手法を確立したことを受け、そのデータに対して二値化処理、およびボクセル化処理を行うことで3Dプリンタ用造形データを作成する方法を確立し、3D模型の作成に成功した。これにより、従来、二次元画像と動画でしか視認することが出来なかったオタマボヤハウスのマクロ構造について、3D模型による全体的な理解が可能となった。 ③では、ある種の生物の形態形成が、外部刺激により展開を行うある種の4Dプリンティング構造であるとの理解のもと、4Dプリンティング研究のサーベイを行った。その結果として、外部刺激により平面から円筒型のテンセグリティ構造に展開されるステントの提案に至った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究は、工学分野で研究・開発されている構造最適化理論を用いて、生物の形態形成の仕組みの解明を試みるものである。現在は、魚類椎骨とオタマボヤハウスを具体的な対象として、その形態形成の仕組みを構造最適化の観点から解明することを目指して研究を推進している。さらに、生物の形態形成の仕組みにヒントを得た新たな機能構造物を考案し、その工学応用を実現するべく、研究に取り組んでいる。2022年度は、魚類椎骨の形態形成が椎骨に作用する荷重に依存して変化することを検証する実験系を構築し、椎骨に作用する荷重を変化させることで、椎骨の形態が変化することを確認した。これは、我々の「魚類椎骨の形態は椎骨に作用する外力に応じてある種の最適構造となるよう形成される」という仮説を裏付ける証拠となりえる。また、オタマボヤハウスのマクロ構造は極めて複雑であり、従来の２次元画像と動画のみでは、その理解が困難であった。2022年度は、オタマボヤハウスの３Ｄスタックデータの撮像方法の確立を受けて、それを３Ｄプリンタ用のデータとして忠実に再構築する方法の確立、さらにはオタマボヤハウスの忠実な３Ｄ構造における数値流体解析法の確立を行った。また、生物の形態形成の仕組みに学ぶ工学応用として、関連研究分野の広範なサーベイを行い、具体的かつ有望な応用対象の選定に至った。このように、本研究は順調に進展しているものと考える。
Strategy for Future Research Activity	2022年度までの研究の進展を受けて、2023年度は主に３つの研究テーマ：①構造最適化による魚類椎骨の形態形成の仕組みの解明、②マクロスケールにおけるオタマボヤハウスの形態の理解、③生物の形態形成の仕組みに学ぶ工学応用、について更に研究を進めていく。研究テーマ①では、2022年度に構築した実験系で得られた結果を理論面から検証する最適化モデルの構築を目指す。すなわち、実験系と同様の荷重を作用させる最適化モデルを構築し、実験結果と同様の椎骨形成を計算機上で再現することを目指す。この試みが成功すれば、我々の「魚類椎骨の形態は椎骨に作用する外力に応じてある種の最適構造となるよう形成される」という仮説はさらに有力なものとなる。研究テーマ②では、実験系の共同研究者とさらに緊密に連携をとり、オタマボヤハウスの3D構造データの精度向上を目指す。３D構造データがどれだけ精度よく取得できているかを検証する判断基準として、数値流体解析を活用する。すなわち、数値流体解析により海水の流入口から流出口まで、従来研究により分かっている経路で海水が流れれば、オタマボヤハウスの3D構造に求められる機能が十分な精度で表現できていることとなる。このように、2022年度に確立した数値流体解析技術に基づき、研究を更に進展させる。研究テーマ③では、2022年度に行ったサーベイの結果に基づき、外部刺激により平面から円筒型のテンセグリティ構造に展開されるステントを対象とした試作、および設計方法論の構築し、価値ある工学応用の可能性をさらに探求していく。