2023 Fiscal Year Research-status Report
植物形態の構造力学的学理を基盤とする次世代の環境調和型構造デザイン
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22KJ0125
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
金浜 瞳也 北海道大学, 大学院工学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2025-03-31
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| Keywords | 植物形態模倣 / 張力構造 / 自重座屈 / 最大高さ / スケーリング則 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，植物形態の構造力学的合理性を工学的見地から探求し，環境に優しい自然と調和する次世代の構造デザインや，新材料の創成を実現するための「植物形態を支配する自然法則」を解明することを目的とするものである．この目的を達成するために，植物を重力への抵抗メカニズムの観点から3つのグループ（樹木・草花・藻類）に分類し，それぞれの力学的合理性の解明および形状則の導出を行い，最終的にこれらを俯瞰して洞察することを予定している．
前述した目的を達成するために，本年度は植物の力学的合理性の解明・形状則の導出に取り組んでおり，特に草本類（草花・藻類）について注目してきた．草本植物の身体支持機構には，「内部水分による膨圧」が大きく関連していることが知られている．十分な水分を得られていれば，内部に膨圧が生じ，これが軸方向張力をもたらす．この軸方向張力によって発現する「幾何剛性」が，草本植物における身体支持機構の中核を担っていると考えた．そこで，端部に張力が作用した中空断面を持つ片持ち梁として草本植物をモデル化し，草本植物の力学的合理性の解明と形状則の導出を力学理論に基づき行った．その結果として，膨圧による張力が自重による体積力を上回るとき，重力に起因して生じる不安定現象である「自重座屈」の発生を回避できることが分かった．さらに，実際の草本植物における計測データを用いて体積力と張力のバランスを調べた結果，草本植物では張力が自重を上回る形態を選択しており，細く柔らかいながらも自重座屈の発生を巧みに回避していることを明らかにした．この張力と自重のバランスに基づく自重座屈の発生規準は，これまで分類が曖昧であった竹のような種類も含め，曲げ剛性で体を支持する木本植物と幾何剛性で体を支持する草本植物を明快かつ簡単に分類できる法則として適用可能である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，研究実績の概要に示した目的を達成すべく，植物を重力への抵抗メカニズムの観点から3つのグループ（樹木・草花・藻類）に分類し，それぞれの力学的合理性の解明および形状則の導出を行い，最終的にこれらを俯瞰して洞察することを予定している．
特に本年度は，水分により発現する幾何剛性によって身体を支持しているであろう草花の力学的合理性を理論的に解明することを当初の計画としており，これに関しては概ね順調に進展している．その詳細は以下のとおりである．
細く柔らかい草本植物は，木本に比べて曲げ剛性が極めて小さい．このような形態的特徴を有する草本植物は，内部水分がもたらす膨圧によって軸方向張力に起因して発現する幾何剛性により，体を支えているものと考えられる．特に本年度では，張力と自重のバランスが自重座屈に対する最大高さに与える影響を理論的に解明し，膨圧による張力が自重による体積力を上回るとき，重力に起因して生じる不安定現象である「自重座屈」の発生を回避できることが分かった．さらに，実際の草本植物における計測データを用いて体積力と張力のバランスを調べた結果，草本植物では張力が自重を上回る形態を選択しており，自重座屈の発生を巧みに回避していることを明らかにした．
これに加えて，樹木をはじめとする木本植物についても大きな進展が見られた．形状の歪みである初期不整の問題や，地盤－根系の相互作用に起因する接地部での固定力の不完全性を考慮した自重座屈問題の定式化を行い，それぞれのケースにおける最大高さを導出した．また，実際の樹木が有している高さは，自重座屈特性を低下させるこれらの要素を念頭に置いた上で巧みに決定されていることを明らかにした．
このように，本年度は予定していた内容に関して，概ね順調な進展が見られた．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，前述した目的を達成するために，これまで導出してきた植物の形状則の木本・草本を問わず横断的に洞察するフェーズに移行する．
ここまでの成果により，主として曲げ剛性で体を支持する木本植物の場合には，幹の先細り形状（テーパー）や枝葉重量および分布の影響，竹のような断面の中空化，形状の歪みである初期不整，根系－地盤の相互作用に起因する固定力の不完全性など，いずれの影響を考慮しても，自重座屈に対する最大高さが直径の2/3乗に比例することが明らかとなっている．このことは，樹木をはじめとする木本植物の形態は，一見すると極めて多様であるかのように見えていても，その根底で重力によって支配されていることを強く裏付けるものである．
しかしながら，重力に起因して生じる不安定問題を回避している草本植物の場合には，前述した形状則は適用できない．また，草本植物の高さと直径にはおよそ正比例の関係が存在することが統計的に示されているものの，その背景に潜む力学的意味は未だ明らかではない．本年度は，草本植物における形態形成の支配法則を解明するとともに，これを木本植物において解明してきた知見と統合して俯瞰的に洞察することにより，植物全般における形態形成の支配法則を解明することを目指す．
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