(57)【要約】      （修正有）【課題】従来型の二次元（２Ｄ）屋外農法の代替として、限りない空間である三次元を、土壌を使わず、水を節約して、有利に活用する植物栽培システムを提供する。【解決手段】植物体と植物体に供給する栄養源とを有し、アレイ構造体が相互接続したストリングの非土壌的に植物体の成長を維持するための成長エレメントネットワークからなり、少なくとも１つの層が共有資源に対して透過性がある透過性三次元多層農法システム。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物体と、該植物体に供給する栄養源と、を有し、非土壌的に植物体の成長を維持するための非土壌成長エレメントと、
資源透過性を提供する少なくとも１つの手段と、を備えた、
透過性三次元多層農法システム。
【請求項２】
前記非土壌成長エレメントが、バイオマスの生命を維持するために、多機能な自給自足をする手段を含む、請求項１に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの非土壌成長エレメントが、第１、第２及び第３空間座標に配置する多層三次元アレイ構造体を形成するように相互接続され、また、システムが資源透過性の少なくとも１つの手段を含む、請求項１に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項４】
前記アレイ構造体が相互接続したストリングの非土壌成長エレメントネットワークからなり、前記少なくとも１つの層が共有資源に対して透過性がある、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項５】
前記共有資源が、照明、加熱、冷却、栄養素を含む、請求項３に記載の透過性三次元多層農業システム。
【請求項６】
前記アレイ構造体が少なくとも第１、第２の層、及びその間の空間からなり、前記第１層の植物の根が前記第２層の植物の茎の空間を共有する、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項７】
前記アレイ構造体が少なくとも第１、第２の層、及びその間の空間からなり、前記第２の植物の茎が前記第１層の植物の根と茎の空間を共有する、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項８】
前記アレイ構造体が少なくとも第１、第２の層、及びその間の垂直空間、垂直空間を圧縮する手段を含み、前記手段は、植物の根及び茎が第１、第２層で共有することが可能な層構造を含む、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項９】
前記アレイ構造体が少なくとも第１、第２の層からなり、前記構造が、少なくとも１つの供給源からの光に対して透過性がある持続的に透明な材料で構築される、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項１０】
前記アレイ構造体が少なくとも第１、第２の層からなり、前記層が、少なくとも１つの供給源からの流体に対して透過性がある、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項１１】
前記流体が、霧、ミスト、流れ、滴下の群から選ばれる少なくとも１つのサブシステムにより送達される、請求項９に記載の透過性三次元多層農法システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、農業、園芸、農学及び食糧の農業経済学、エネルギー、その他の有機体物質の分野に関する。具体的には、植物、収穫量、光合成エネルギー変換効率の最適化、並びに、時間、空間、水、栄養素を含めた他の資源の利用効率に関する。さらに具体的には、本発明は、太陽エネルギーまたは土壌に依存せずに実施する、屋内三次元（３Ｄ）環境制御農法、空間、垂直農法に関する。また、植物の成長を維持する複数の層から成る三次元農業システムに関する。より具体的には、各層が水、栄養素、光、隣接層からの芽と根を貫通させるという意味で、複数の層は透過性がある。
【背景技術】
【０００２】
同時係属中の特許出願「食糧及びエネルギー生産のためのサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）（非土壌：Ｓｏｉｌ−ｌｅｓｓ）屋内農法」の全体が、本明細書に参考として援用される。従来の土壌を主体とした農業の限界及び欠点について詳しく述べている、本出願は、以後、「最初のサンソイル出願（ｔｈｅ  Ｆｉｒｓｔ  ＳａｎＳＳｏｉｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）」または「ＦＳＡ」と言う。本出願では、農業の収益性を確保する法則（ＡｇｒｉＰＡＬ）、新規植物成長モデル（ＰＧＭ）に基づく代替的非土壌三次元多層農法に関する進歩的な教示を提示した。
【０００３】
総じて、ＡｇｒｉＰＡＬ及びＰＧＭは、科学的原則に基づく数学的分析基礎を初めて発表しているが、光合成の働きを示し、収穫量、エネルギー効率、農業収益性の予測式を提示した。これらは、今日まで植物科学者及び農学者が捉えることができず、困惑させていた謎を解明した。かつ、太陽利得、及び資源利用効率の評価手段で収集された極めて高い生理学的利得の概念を明らかにした。これらの利得により、収穫量と効率が１０倍以上も上昇し、アプローチの経路は１００倍になる。
【０００４】
ＦＳＡは、本出願及び後続関連の出願で提示されている多くの進歩的な発明に寄与している。したがって、本出願は、ＦＳＡの背景、数式、教示に大きく依拠している。
【０００５】
世界の人々に適切に食糧を供給することができる充分な食糧生産は可能であろうか。
栄養状態の改善と併せて、健康科学と技術の発展により、幼児死亡をほとんど根絶する道ができた一方で、平均寿命が８０才を超えようとしている。その結果として、世界人口が２０５０年までに、少なくとも９０億人になると予測されている。このように予測される人口規模は、我々の地球が抱える最大の課題として、長年、認識されているが、食糧、エネルギー、土地、水などの限られている資源を圧迫し、かつ、質の高い生活とライフスタイルを獲得し維持するために厳しい競争と対立を助長している。
【０００６】
本課題は、近年、２００９年１０月１２〜１３日にローマで開催された「２０５０年の世界の食糧問題」と題するハイレベル・エクスパート・フォーラムの成果を発表した国際連合食糧農業機関（ＦＡＯ）により強調されている。さらに、二酸化炭素ならびに地球変動研究センターが発行しているＣＯ２−Ｓｃｉｅｎｃｅ（発行、２０１１年６月１５日）の「２０５０年の世界の食糧生産予測：世界の人々に適切に食糧を供給することができる充分な食糧生産は可能か。」と題する論文の中で、Ｃ．Ｄ．Ｉｄｓｏ博士は、本課題を強調した（非特許文献１）。
【０００７】
ＦＡＯもＩｄｓｏ博士も、次の憂慮すべき点で合意している。それは、１人当たりの世界の食糧生産、耕地、水資源、主食農作物の農産物の圃場収穫量の大幅な減少である。破滅的な結末を避けるために、両者は、食糧生産技術、システム、方法の急激なパラダイム・シフトの必要性を指摘している。現在の食糧の需給ギャップでは、世界の多くの地域で飢餓、栄養不良、餓死が起こる荒廃的な結果が継続する。ＦＡＯによると、２０１２年は１０億人が飢餓状態である。２０５０年の９０億人の人口では、このギャップがさらに拡大することが予想される。世界の多くの地域の飢餓に加えて、地政学的な不安定さによって、人類の福祉に計り知れないほどの悪影響を及ぼすだろう。
【０００８】
さらに、これらの課題は、以下の３つの矛盾に現れている。
矛盾  Ｎｏ．１：食糧  ｖｓ．  二酸化炭素低減
多くの人々は、二酸化炭素の排出が地球温暖化を引き起こしていると憂慮している。そのような人々は化石燃料の使用削減に取組み、ＣＯ２の削減を主張し、政府に要求している。人々は政府を動かす影響力を持っており、世界中でＣＯ２を増やす資源の使用を抑制する法律が施行されている。しかしながら、これは、第一優先順位である生命を維持し世界の人々に食糧を供給するニーズと直接的に矛盾するものである。現在、１０億人の飢餓が緊急の問題であり、２０５０年には３０〜４０億人に膨れ上がる。「地球温暖化」を心配するグループが、疑わしい光合成モデルを使用し、２１００年の人類の悲惨な結末を予想する一方、植物性食物効率が０．５％未満（表１）である理由を理解するのに同じモデルを使用できないのは矛盾である。完全で正確な理解があれば、ＣＯ２が多いほど熱をよく吸収すると同時に、食糧とバイオ燃料が緊急に必要な現状に対応できることがわかるだろう。要するに、ＣＯ２は食糧と生命の主要な成分である（生物には炭化水素が重要である）。
【０００９】
矛盾  Ｎｏ．２：食糧  ｖｓ．燃料
脱地球温暖化によって生じた直接的な結果は、バイオマス由来のＣＯ２排出ゼロの輸送用燃料、バイオ燃料を生産する、米国、ＥＵ、及び他の国が課した規制である。これにより、世界の人口を養うことを最優先にした場合、さらに、第２の矛盾が生じている。食糧生産に今まで向けられていた希少な資源、例えば、耕地、水、種子、肥料、除草剤、農機具を別の方向へ向けるバイオ燃料は、問題を悪化させるのではないかと多くの人々が心配する。その結果として起こる食糧及びエネルギー価格の圧力により、地球上の恵まれない多くの人々の栄養格差問題の解決がより難しくなるであろう。そのような人々の数は増えると心配されている。また、食糧とエネルギーの確保の両立にも矛盾が存在する。
【００１０】
矛盾  Ｎｏ．３：食糧  ｖｓ．森林
表１に示したように、植物科学者及び農学者は、効率測定値は０．５％未満であると同意するが、損失の発生源である、９９．５％未満の損失を充分に説明できていない。この損失を十分に説明することが、それを最小化する進歩的な方法の鍵である。
【００１１】
植物は、炭水化物、糖類、デンプン、セルロース、タンパク質類の分子結合エネルギーの形態で太陽エネルギーを蓄える。一般的に入手可能な主食農作物（砂糖類、穀物、豆類、葉物野菜、ポテト、ヤムイモ、キャッサバなどのイモ類）を経済的に生産するにあたり、従来の農法は、太陽エネルギーがゼロ・コスト（ＺＣＯＥ）であることに依存している。これにより、太陽の放射が単位面積（ヘクタール、エーカー、平方メートル）当たりワット単位で送達されるので、屋外での耕作、つまり、二次元的な土地での耕作を行うことになる。
【００１２】
ＺＣＯＥに依存する限り、従来の農業経営は０．１〜０．５％の効率を受け入れざるを得ない（表１）。効率がこのような低率になる要素の１つは、植物の成長を支える土壌ならびに容易に制御できない土壌由来の栄養素を使用する必要があるからである。制御が出来ない場合、土壌は不利益であり、利点ではない。新種を生産する場合の育種家の主な懸念事項は、特定の環境（地形）と土壌ミネラル組成物である。全て適合する１つの最適種を生産するよりも、市場のニーズに出来る限り対応するために、多くの成長品種生産をする必要が生じている。そうはいっても、生産コストの制約から妥協が必要である。これが、制御不可能な屋外での土壌を主体とした農業の現状である。
【００１３】
従って、ＺＣＯＥに依存すると、生産者、食物生産企業は制限され、制御を行うことができない。一方、このことにより、二次元の耕地、水、肥料、農薬等の充分に使用されていない膨大な資源が必要とされてきた。１８００年代の１０億人から現在の７０億人という人口増加に対応するために、急速な森林伐採が行われた。地球規模で、森林伐採による地球温暖化に悪影響を与えるのを恐れ、政府は法律と規則を制定して森林伐採による農地の増加を制限している。これが、世界の人々に食糧を供給することとエネルギー確保との両立における第３の矛盾である。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
農法の収益性及び経済的実行可能性、ＡｇｒｉＰＡＬ
同時係属中のＦＳＡにおいて、農業の収益性を確保する法則，ＡｇｒｉＰＡＬの公式を提示し、広範囲にわたって考察した。ここに数式（２）を記述する。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
ＡｇｒｉＰＡＬにより、企業は植物成長システムの収益性、価格を予測し、効率性のボトルネックを見極めることができる。
【００１８】
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【００１９】
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【００２０】
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【００２１】
当該分野では公知であるように、農業は、食糧生産の不可欠な要素：ｉ）太陽、ｉｉ）二次元の田畑、つまり、植物の成長を力学的に生理学的に支持する土壌によって覆われたエリア、ｉｉｉ）灌漑用の水資源、ならびに栄養素を含む、図１Ａに示すような形で一般的に行われる。これを、一般にゼロコストで得られる適度の量の太陽、水、栄養素を備えた耕地という。補完的な栄養素または肥料を加えたとしても、相対的に低コストである。ＦＳＡ記載のＡｇｒｉＰＡＬで示したように、この形態の農法は、主要な栄養素が低コストまたはゼロコストであったので収益が上がっていた。
【００２２】
近年、屋内の制御環境での農業（ＣＥＡ）の導入が増えてきている。例示的な従来の技術として参考になるのは、米国特許第３，９３１，６９５号であり、ＣＥＡについての説明がなされている（特許文献１）。ＣＥＡでは、成長エリアは保護されているので、多くの成長パラメータの制御を可能にし、これにより、高収穫量で高い資源利用効率を達成している。土壌を使用しない水耕または空中成長での栄養素送達農法が増え、多くの植物栽培の経済的実行可能性を高めた。図１Ｂは、温室と呼ばれる、ＣＥＡの要素を示す。直射日光の照度を使用した場合、ＣＥＡは、天候、及び農薬、栄養素、水の管理から保護という付加的利益を有する従来の保護された農法と同じである。温度を調節する場合は、収穫量を上げて、一年を通して繰り返して栽培できる。人工照明を使用する場合は、栽培時間を一日あたり２４時間まで延ばすことが可能となる。
【００２３】
本農法の受け入れが進むにつれ、特定の高付加価値の植物にも経済的実行可能性があることをＡｇｒｉＰＡＬが示した。暖房または冷房の付加的なエネルギー消費、さらには、付加的なインフラのコストが発生するため、屋内農法では、節約して（有利に）、主食農作物またはバイオ燃料を生産することはできない。ＦＳＡの目的及び本発明は、主食農作物についても屋内農法が実行可能性を示すことが進歩的な態様である。
【００２４】
最近では、Ｖａｎ  Ｇｅｍｅｒｅｔらが、米国特許第２０１１／０２５２７０５号、２０１１年１０月２０日において、図１Ｃに示した三次元農法システムを教示した（特許文献２）。本システムは垂直に多くの棚を積み上げ、図１Ｂの温室に似ているが、層が何層にもなっている。本垂直農法の概念の顕著な特徴は、ｉ）単位面積当たりの高い生産性；ｉｉ）各層の植物は隣接層の植物と独立；ｉｉｉ）各層の資源（光、栄養素）は直接的に共有しない；ｉｖ）人工の光照明だけの使用に限定；ｖ）各層の天井高  ｈ  により、システムの単位高さ当たりの生産性が低効率である。経済的実行可能性は、チューリップ、切り花などの高付加価値商品に限定される。後に詳しく示すように、本発明は、光と栄養素を共有するように結合したネットワークストリングがある栽培層を使用することで、これらの制限に対処することで、栽培に必要な垂直高さを５から５０の係数だけ圧縮する。
【００２５】
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【００２６】
図１Ｄ〜図１Ｈは、太陽５１で植物５３が照射される、個別の環境、（要素）５０ａ〜５０ｅを有する従来の技術に基づく植物栽培方法を示す。それらを区別しているのは、栽培培地のタイプ、機械的支持に対する植物、植物に栄養素を送達する方法である。要素５０ａ、５０ｂ、５０ｅの場合、土壌が植物を支持し、栄養素を直接、土壌に送達し、それを植物の根が吸収している。
【００２７】
要素５０ｃの場合、１つ以上の植物を栽培するのに、機械的構造体５４（容器）を含めて、当技術分野において周知の水耕栽培が使用されている。容器には、間欠的に（または、連続的に）栄養素５５を満たし、多孔質の根部支持構造体５２ａを通して植物は栄養素を吸収する。この根部支持構造体は土壌に代わるものである。
【００２８】
また、当技術分野において周知の空中栽培５０ｄでは、植物支持構造体５６を貫通して根が底部空間５７ｃに到達し、根はノズル５７により直接、スプレーされる。本方法では、根が周囲酸素と直接接触するので、土壌、及び、水耕システムでの収穫量よりも高い結果を出すことが知られている。本方法は、垂直方向空間利用効率の低さ及びノズルの目詰まりなど大きな欠点がある。全ての従来技術では、根部は複数の異なる物理的に分離したコンポーネント（統合コンポーネントではなく、個別のコンポーネント）により栄養が与えられる。また、これらの要素の全てが、底部から間接的に根部に栄養を与える。
【００２９】
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【００３０】
さらに、多層三次元システムを形成する、ストリングのネットワークは、多層における進歩的な透過性の特徴によって従来の技術と区別される。層透過性は、他の隣接層から受けた光（透明性）、及び栄養素を隣接層に送る能力であると定義できる。加えて、１つの層にある芽と根は、隣接層を貫通してもよい。これにより、１つの層にある根は、下方向にある隣接層の芽の空間を共有することができる。結果的に、垂直空間の利用効率が高くなる。光透明性の特徴により、人工照明の数、ならびにエネルギー消費量が減少する。
【００３１】
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【００３２】
さらには、多少の収穫増が有ったとしても、１人当たりの需要増で相殺されている。屋外における、太陽と土壌を主体とする農法は効率が低く、制御が欠如しているため、二次元の耕地、水、肥料、農薬に対するとどまることのない需要などの、非効率に使用されている膨大な資源が必要である。
【００３３】
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同時係属中のＦＳＡのセクションＩＩにおいて、主食農作物の屋内栽培に伴う課題を強調した多くの例を提示し、限定的な従来技術に依存する人が効率
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を理解すれば、なぜ、それが不可能であるかを提示し、結論として、現状では、屋外での土壌を主体とした農法だけが、世界の人々に食糧を供給するための主食農作物、輸送用エネルギーのバイオ燃料を栽培する際の実行可能な選択肢であることを提示している。
【００３４】
この実行可能な選択肢は、ゼロコストの太陽エネルギーへの継続的な依存であり、欠点を伴い、効率的に使用されていない膨大な資源を必要とする。加えて、屋外農法の制約は、農業生産者が、環境及び経済的リスク、病原体による予期せぬ作物被害、雑草、干害、洪水、異常な温度変化などに曝されることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】米国特許第３，９３１，６９５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１／０２５２７０５号明細書
【非特許文献】
【００３６】
【非特許文献１】Ｃ．Ｄ．Ｉｄｓｏ，“Ｅｓｔｉｍａｔｅｓ  ｏｆ  Ｇｌｏｂａｌ  Ｆｏｏｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｙｅａｒ  ２０５０：Ｗｉｌｌ  Ｗｅ  Ｐｒｏｄｕｃｅ  Ｅｎｏｕｇｈ  ｔｏ  Ａｄｅｑｕａｔｅｌｙ  Ｆｅｅｄ  ｔｈｅ   Ｗｏｒｌｄ？”，Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  ａｎｄ  Ｇｌｏｂａｌ  Ｃｈａｎｇｅ，Ｊｕｎｅ  １５，２０１１．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
本発明の目的は、従来型の二次元（２Ｄ）屋外農法の代替として、限りない空間である三次元を、土壌を使わず、水を節約して、有利に活用する手段及び方法を教示することである。本発明による三次元農業は、食糧生産に必要な垂直空間を圧縮する道具、システム、方法を教示することで、三次元効率の活用に焦点を当てる。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明は、植物体と、該植物体に供給する栄養源と、を有し、非土壌的に植物体の成長を維持するための非土壌成長エレメントと、資源透過性を提供する少なくとも１つの手段と、を備えた、透過性三次元多層農法システムを提供するものである。
【００３９】
三次元農法の本発明による教示は、三次元を複数の層（多層）に分割し、各層に栄養素及び栽培に必要な光を供給することができる。前記複数の層は、サブシステムを含むマスター・システムから成る三次元構造で支持され、ここで、サブシステムは特定の植物生物種に対して、水、光、栄養素、ＣＯ２、Ｏ２を最適に供給し、最適な温度調節を行う。
【００４０】
前記複数の層は、相互に連結した非土壌（サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ））成長エレメント（ＳＧＥ）のストリングから成り、それぞれが、種の発芽、植物の成長、植物への物理的構造的支持及び、水、栄養素、光などの供給、植物環境を感知する機能などの多機能性を有するよう一体的に製造されている。
【００４１】
ＳＧＥのストリングは、第１、第２及び第３空間座標に配置される。これらは、多層構造に支持された一次元ネットワーク、二次元ネットワークまたは三次元ネットワークの形態である。
【００４２】
本発明の一態様は、主食農作物及びバイオ・エネルギーが有利に生産されるような資源利用効率であり、食糧とエネルギーについて、「食糧か、または燃料か」という競争がない。このことは、ストリングネットワークの各ＳＧＥの植物が、光、栄養素、内部の層空間などの資源を共有するという、本明細書に記載されている進歩的な特徴により達成される。これが、本発明の教示する多層透過性である。
【００４３】
本発明の別の態様は、各ＳＧＥとストリングを相互接続し、ストリングの間の空間を光学的に透過性、透明性をもたせ、光が複数の層を貫通して、光を共有し、節約し、効果的に使用することにある。これにより、多くの光源を持つ必要が無くなり、コスト削減になる。
【００４４】
本発明の別の態様は、コストを削減するために、従来の栽培技術の限界を避けることで、主食農作物の生産を経済的に行うことができる。
【００４５】
本発明の別の態様は、植物の根部と茎が空間を共有し、垂直な内部の層空間を節約することにある。これは、１つの層にある植物の根部が、下に位置する層の茎（葉）の空間に進入（共有）する、と言う意味である。
【００４６】
本発明の別の態様は、利用効率最大化とコスト削減を目的とし、水と栄養資源を循環させ、本発明の密封性の特徴とメカニズムを含む、食糧及びエネルギー用植物栽培を行う全密封型システムを提供することにある。例えば、自然に蒸発した水も捕捉し、再利用される。植物栽培環境は、最大の栽培成果を出すために所望の温度と相対湿度で維持される。この結果、水は、従来の屋外農業で浪費されていた水の１００〜１０００倍を再利用して節約される。
【００４７】
本発明の別の態様は、気候による食糧生産の損失を生じさせる予測不可能な気象条件を避けることができる密封型三次元成長システムの恩恵である。密封型三次元成長システムでは、無菌で、病原体が無いので収益性が保証される。
【００４８】
本発明の別の態様は、密封型三次元成長システムでは、外部環境から隔離されるので、上記の環境を保護できることである。これは、実験及び生産用に遺伝子組み換え植物種（ＧＭＯ）を栽培する際には特に有益である。
【００４９】
本発明のさらに他の態様は、灌漑する１つの層、及び該層のＳＧＥストリングから下に位置する複数の層のＳＧＥストリングへ栄養素を移す能力である。この点は、周知の従来技術の水耕、空中栽培と際立った違いを示すユニークな供給メカニズムである。
【００５０】
本発明のさらに他の態様は、太陽光の代わりに人工照明、好ましくは、ＬＥＤを使用することである。具体的には、３０Ｈｚから３００Ｈｚの周波数で、０．１ｍｓから２．５ｍｓの短時間パルス光を植物に照射するＬＥＤ照明である。光の時間的制御により植物生理の酵素反応速度が４〜１０倍高まることを発明者は発見している。
【００５１】
本発明のさらに他の態様は、栽培される植物が均一な照明を受けるための、三次元成長システム内におけるＬＥＤ照明の空間配置の制御である。
【発明の効果】
【００５２】
困難な食糧・エネルギー問題及び人類が直面し、矛盾した課題を解決するためには、従来の農業からの革新的な離脱が求められる。従来の農業は、屋外での田畑という環境に制約されている。本制約は、食糧及びエネルギー用のバイオマスを生産する光合成を、ゼロコストである太陽エネルギー、ＣＯ２、水で行っていることによるものである。上述した問題の解決への道は、多くの耕地と水資源を必要とする屋外での土壌を主体とした農業を放棄することである。この新たな手法により、制御不能な栄養素の克服、１，０００倍の水の節約、栽培に不利な条件及び土壌中の病原体の克服など、大きな利益が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
以下の図面は、好ましい実施例及び動作原理を示す。ここにおいて、大きさ、スケール、形、簡潔さのために示していない特定の必要コンポーネントの有無に関しては当業者に周知であり、限定的または制限的であることを意図したものではない。
【００５４】
図１Ａ〜図１Ｃは、屋外土壌主体の農法、屋内ＣＥＡ（温室）農法、三次元垂直農法などの従来の農法を示す。図１Ｄ〜１Ｈは、植物が栽培される種々の環境を示し、特に栄養素がどの様に植物の根部に送達されるかを示す。
【００５５】
図２Ａは、植物栽培を維持する保護された環境、ならびに、栽培を制御するプログラムで運転する制御サブシステムを含む、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）屋内農法システムを示す。
【００５６】
図２Ｂ及び図２Ｃは、各層がサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）成長エレメント（ＳＧＥ）のストリングのネットワークを含む多層から成る、システム１のより詳しい説明である。グラフは、三次元空間、第１、第２及び第３空間座標での各エレメントの定位を示し、また、ｐｘ、ｐｙ、ｐｚの周期で定期的に繰りかえす方法を示す。
【００５７】
図２Ｄ及び図２Ｅは、ＳＧＥの構成、構造、機能を詳しく示す。
【００５８】
図２Ｆ〜図２Ｋは、ＳＧＥのストリングの相互接続、層の形成、複数のストリングによるネットワーク、三次元成長システム１の形成を示す。
【００５９】
図３Ａ〜図３Ｈは、一体的に製造された単一のＳＧＥを示し、栽培を支える光、栄養素などの資源を共有する隣接との繋がりを示す。
【００６０】
図３Ｉ〜図３Ｍは、色々な角度で植物栽培を行う、一体的に製造されたＳＧＥ及びＳＧＥストリングを示す。
【００６１】
図３Ｎは、ＳＧＥのストリングが、資源供給源と連通した直列及び並列のネットワークの組合せに相互接続する可能性を示す。
【００６２】
図３Ｐは、ＳＧＥを供給源に、及び、隣接するＳＧＥに取り付ける例示的な複数の構造を示す。
【００６３】
図４Ａは、層が共通の光源からの光を共有することができる、光の多層透過性を示す。
【００６４】
図４Ｂ及び図４Ｃは、茎及び根部が隣接層の空間を共有する、多層透過性を示す。
【００６５】
図４Ｄは、共通の供給源から流体で栄養素を植物に送達する、多層透過性を示す。流体は、霧、ミスト、スプレー、流れなどの形態である。
【００６６】
図５は、本発明の透過性三次元多層農法システムに使用されるストリングとしての栽培トレイ４００の一態様を示す図である。
【００６７】
図６は、図５に示す栽培トレイ４００の開口部４０３に、ウレタン苗床４１０と共に植物体４０８が土壌なしに（つまり非土壌的に）定植された状態を示す図である。
【００６８】
図７は、栽培トレイ４００を使用して本発明の実施形態に係る透過性三次元多層農法システムで植物体を栽培している様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６９】
同時係属中のＦＳＡにおいて、人類が直面する問題を解決し、かつ、食糧と植物を主体としたエネルギーの確保を達成する、農業に関する革新的な新パラダイムが実現すると述べた。新パラダイムの重要な特徴は、農法の収支状況の理解にある。これは、農業の収益性を確保する法則（ＡｇｒｉＰＡＬ）の公式で達成された。数式（２）を再び記述する。
【００７０】
【数２】
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【００７１】
ＡｇｒｉＰＡＬにより、企業は植物成長システムの収益性、価格を予測し、効率性のボトルネックを見極めることができる。
【００７２】
2015164404.tif 000014
【００７３】
2015164404.tif 000015
【００７４】
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【００７５】
本発明において、好ましい実施例は、無限の三次元空間での植物栽培に対応する。具体的には、１０メートルから１００メートルの高さの三次元の棚、構造体、またはタワー、さらに好ましくは、１００メートルを超え５００メートルに、さらには、１，０００メートルに達する高さのタワーである。５００メートルを超える高さのビルはすでに存在している。高さが１５０メートル風力発電タワーの建設は経済的に実行可能であることが知られている。
【００７６】
図２Ａに、本発明の実施形態に係る、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の保護された制御環境１０１、及び、制御サブシステム１０２を含む、屋内サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）農法システム１００の概要を例示的に示す。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の保護された制御環境１０１は、害虫、望ましくない気体、液体、粒子、その他の異物に対して実質的に、不浸透性であるように設計される。好ましくは、前記保護された環境は、栽培に最も適し、かつ、生産性を最大にする所望の温度を維持するために外部温度の変化から充分に隔離され、保護される。
【００７７】
特定の状況では、太陽の放射は、光合成栽培での人工光を補強することがある。このような状況では、紫外線、赤外線、特定の可視波長を含めて、望ましくない太陽の波長を取り除くフィルターをサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境１０１に取付ける。
【００７８】
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【００７９】
また、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境は、種子／苗の搬入１０５、収穫物の搬出１０４に対応する構造から成る。好ましくは、前記構造は、無菌、または、ほぼ無菌の状態を維持するために、ロードロックなどの適切なシール構造を組込むように設計される。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）棚の不浸透性及び無菌性を達成する手段は、当業者に周知である。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境１０１は、内部に三次元空間に配置された複数のサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）植物培養層を収容する。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）植物層１０３は、光学的に透明な構造及び材料からできている。これにより、植物層１０３が吸収されていない光を共有し、再利用することを可能にするので、光エネルギー利用効率を向上させる。
【００８０】
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【００８１】
１つ以上の相互作用パラメータから成る群は、調整と最適化が同時にされても良い状況がある。例えば、二酸化炭素を、暗反応酵素密度により制限される最適値に調整するには、明反応酵素密度により制限されるまで、光のレベルを調整することが必要となる。最適化の手順は、調整が必要なコントローラ値と繋がれている適切なセンサーにより支援される。
【００８２】
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【００８３】
各ＳＧＥ１は、非土壌的に植物２、茎２ｓ、根部２ｒを収容し、かつ、栄養源３、３ａに接続されている一体的に製造された構造体１ａ、１ｂから成る。栄養素は、カップの形の部分構造体の中の根部に向かって、下方に流れることによって供給されるか、霧状にスプレーされることによって供給される。本発明における１つの重要な態様は、根からの吸収を迂回して、植物２の葉から直接吸収されるミクロン大の流体粒子（ドロプレット）を供給する噴霧サブシステム（またはミスト）による、当該分野において周知の葉面施肥と本発明の施肥の組合せである。図３Ｄに示すように、各ＳＧＥ１は、任意に、かつ、一体的に光源４、及びセンサー５を含んでいてもよい。
【００８４】
また、第１種が植物２の根部２ｒに１セットの栄養素を供給し、第２種が、異なる栄養素を葉に供給する２種類の噴霧システムも可能である。１種類以上の供給源に加えて、特定の状況では、供給源については順次、または、調整可能な周期と期間で、時間的にパルス状で供給しても良い、と考えられる。
【００８５】
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【００８６】
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【００８７】
照明１ｈ、１ｊ及び補助センサー１ｇ、または他の資源は、３空間座標に対して如何なる方向にでも配置しうる（図２Ｃ〜図２Ｅ）。
【００８８】
図２Ｆに示すように、複数のＳＧＥ１は、線状のストリング１１１ａのように接続され、そして供給源３に接続される。接続構造は、各ＳＧＥ１サイトへ高い伝導性で栄養素を送達するように設計される。好ましくは、本構造は、ＳＧＥ１への簡易接続ができるように設計されるが、長いストリングを形成できるよう、高速で、安価である、自動手段を備えている。また、本構造は、ストリング１１１ａにおいて、植物の重さを支えることができる程度の剛性を備える。図２Ｇは、このストリングの断面図である。
【００８９】
図２Ｈにおいて、ストリング１１１ａ、１１１ｂが層１０３に平行に配置されている。そして、ストリング１１１ａ及びストリング１１１ｂは、ＳＧＥ１が重ならないような位置にそれぞれ設置されている。図２Ｉの断面図は、図２Ｈの断面を左側面から見た図である。ストリング１１１ａ、１１１ｂ及び１１１ｃは、所定の間隔ｐｙを以って設置されており、本発明の重要な特徴を示す。これにより、各ストリングの間、及び層の間を貫通する栄養素や光を共有することができる。
【００９０】
さらに、図２Ｊ及び図２Ｋで示すように、２つの植物層１０３ａ、１０３ｂを近接させることにより、下部の植物層１０３ｂの植物が、上部の植物層１０３ａの空間の一部を共有できるようになり、図２Ｋの断面図に示すように、空間の節約状況を、直ちに認識できる。２つの植物層の間の空間はｐｚで示す。手動または自動で、周期ｐｚが植物の成長に応じて変化する異なる実施例を後で示す。
【００９１】
サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）成長エレメント（ＳＧＥ）の構造をより具体的に図３Ａ〜図３Ｐで示す。統合多機能という用語は、少なくとも２つの機能を実行するよう一体的に製造され、実質的に永久に取付けられた、少なくとも２つの部分構造体から成る構造と定義する。前記機能の好ましい実施例は、例えば、機械的支持、栽培維持、発芽、自給栄養素、自給光、感知環境、最近接との栄養の連通などを挙げることができる。
【００９２】
図３ＡのＳＧＥ１は、成熟するまで機械的にかつ生理学的に根部２ｒ及び茎２ｓの成長を支持する、栽培区画または部分構造体１ａから成る。部分構造体１ａは、開口１ｃを貫通して、栽培部分構造体１ａと連通する流体の中の、結合導管１ｂに一体的に取付けられている。該開口部１ｃを流れる流体１ｄは、流れ１ｆを根部に供給する。導管１ｂの断面図は、図３Ｂに示すように、どの様な形でもよい。
【００９３】
導管１ｂは、着脱自在に少なくとも１つの供給源３に取付けられる。好ましくは、前記アタッチメントは、漏洩を防止するシール機能を有する即時着脱タイプである。供給源３は、最適に植物栽培を維持するために欠かせない資源を提供する。該資源は、少なくとも水と栄養素から成るが、さらに、光ファイバー分野で周知の全内部反射メカニズムや液晶表示分野で周知のバックライト光源により光を伝導し送達する。導管は、センサーから導管１ｂに直接的に統合された局在するＬＥＤに、電気信号または電気を伝導してもよい。
【００９４】
図３Ｃ及び図３Ｄによる導管１ｂは、上述した図２Ｊ及び図２Ｋのストリングを形成するように２つのＳＧＥ１、１…を接続し、栄養源３ａを一方のＳＧＥ１から他方のＳＧＥ１に送る。栄養源３ａは、流体を含むが、センサー５、５ａから信号を伝導し、ＬＥＤ４にエネルギーを与え、局在する植物２に照明４ｂによる光を供給する。
【００９５】
図３Ｅ〜図３Ｈに示すように、好ましい実施例でのＳＧＥ１は、種子２を機械的に支持し、かつ、高い発芽率のために最適の環境を作る機能を有する、種支持構造体１ｍを含む。図３Ｅ〜図３Ｈの順で、茎２ａと根部２ｂが伸びはじめ、苗に成長し、最終的に成熟した植物までを示す。これにより、好ましい本実施例に従って、種子２と成熟した植物２ａの機械的支持、発芽、栄養素の局所的な送達、光の局所的な送達、環境センサー、成熟までの栽培などの多機能性に焦点を当て、ＳＧＥ１の統合構築の意義が強調される（図３Ｄ）。
【００９６】
また、ＳＧＥ１の多機能統合構築は、三次元空間利用効率の最大化という重要な役割を担い、各ＳＧＥ１の局所的な自給自足を強調している。また、図１Ａ〜図１Ｈに関連する、上述した従来の技術での植物栽培法との違いを明白にする。
【００９７】
図３Ｉに示すように、植物は光の方向に向く性質があるので、成長軸６は層軸１ｊに対して角度６ａをなし、如何なる所望の方向に植物を向けても、この性質を有利に利用することができる。また、図３Ｊに示すように、他の実施例において、全体のストリング及び平面１０は、水平方向１ｖに対して角度６ｂの方向でもよい。
【００９８】
また、図３Ｋ〜図３Ｍに示すように、他の実施例において、光により決定される所望の方向にＳＧＥ１を向け、上から下方に、つり下がったストリング１１、１２を形成することも好ましい。
【００９９】
加えて、図３Ｎに示すように、マスター送達システム（図示せず）から栄養源１６、１７を受け取る供給構造体１４、１５に取付けられたストリングの直列及び並列の組み合せであるネットワーク１３に形成したＳＧＥストリングの相互接続にはシステムを最適化する利益をもたらす。このような配置の利点は、システム構築の速さと柔軟性の促進、インフラストラクチャーの費用低減、消費可能な利用効率の最大化などである。
【０１００】
図３Ｐに示すように、一体的に製造された多機能的な自給自足型ＳＧＥ１は、植物の種類及びシステム設計上の要求にしたがって、複数の所望の構成２０ａ〜２０ｅで、供給構造体、または、ストリング相互接続構造体３に取付けられてもよい。当業者であれば、本発明のＳＧＥネットワークの相互接続性から乖離することなく、他の構造の製造も可能である。
【０１０１】
多層透過性
完全任意の三次元多層農法を実現するために、好ましい実施例は、資源利用効率を最大化する手段を含む。これは、照明、栄養素送達サブシステム、支持構造、空間などの資源を共有することにより達成される。図４Ａ〜図４Ｄに示した共有手段は、システム固定費（ｆ）、変動材料費（ｖ）の低減に寄与し、上記ＡｇｒｉＰＡＬの数式（２）に関わる最大利益を確保する。
【０１０２】
本発明の透過性の定義は、隣接する透過層の第１群から隣接する透過層の第２群へ資源を貫通させる、少なくとも１つのＳＧＥのストリングから成る、層の能力である。第１及び／または第２群は、資源送達供給源を含む。垂直に配置された層の総数は２から１０であり、より好ましくは、１０から１００であり、さらに好ましくは、１００層を超える。
【０１０３】
本発明の透過性の特徴により、水、栄養素、照明、冷却および加熱、その他の共有可能な資源を含む、資源の共有が可能になる。前記資源の共有により、効率的な使用が可能になり、それにより、最終商品のコストが最小化される。三次元収穫量または三次元生産性は、重量を体積で割った単位及び時間単位で測定される。従って、資源共有透過手段は、最短の時間内に、最もコンパクトな三次元空間で、最大の商品重量を生産するように設計される。本手段は、図４Ａ〜図４Ｄに示される。
【０１０４】
図４Ａに関して、複数のＳＧＥ１をストリングで繋いだ、少なくとも層３０１、３０２を含む例示的な多層システム３００は、図２Ｇ〜図２Ｋに詳しく示される。層３０１、３０２、接続構造３０１ａ〜３０１ｃ、３０２ａ〜３０２ｃ、並びにＳＧＥ構造は、光源（図示せず）からの光線３０５ａ〜３０５ｄが層３０１、３０２を貫通して隣接層の茎３０３ｓ、３０４ｓを照らし、実質的に、光学的に透明である。層構造の光学的透明性は、少なくともガラス、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンから選択される透明な材料で作ることが可能である。
【０１０５】
光透過性を達成する手段により、植物を成長させる少なくとも１つの光原の共有が多層で可能になり、光源の最大効率を実現する。理解されるように、苗は小さく、広い、水平及び垂直空間で分けられている。これらの間の空間が満たされるには数カ月かかる。それまでの間、１つの層で吸収されなかった光は、貫通して、隣接層によって吸収される。結果的に、多くの層を照明するのに少しの光源を使えば済むことになる。これにより、直ちに、光源の初期資本投資を削減することができる。例えば、システムの上部に位置する、ほんの１つの平面型光源で１００層（透過性）のシステムをまかなうことができる。壁に反射システムを付けることで、光の損失は最小化する。
【０１０６】
反対に、図１Ｃの従来技術の三次元農法システムでは、各層ごとに１セットの光源を使用することが想定されているので、いかに従来技術が無駄であるかを示唆している。さらに、これにより、本発明の進歩的な透過性の特徴の重要性が確認される。
【０１０７】
また、光源の初期固定費の最小化に加えて、透過層は、消費可能な光エネルギーを効率的に使用するので、生産変動費を低減させる。透過層で吸収されなかった光は、貫通して隣接層に向かい、これらの層の植物により消費される。従来技術の教示では、植物が吸収しなかった光エネルギーは、浪費された資源として回復できない損失であった。
【０１０８】
図４Ｂ及び図４Ｃでは、別のタイプの進歩的な透過性の特徴が示される。これは、隣接層３０６、３０７にある植物の根部や茎の空間に侵入（共有）している、１つの層にある植物の根部３０３ｒ、３０４ｒ、及び茎３０３ｓ、３０４ｓ（茎、枝、葉）に関する。この空間共有により、これまでにない垂直方向の空間の圧縮を達成し、垂直高さ（ｄ）（３０８、３０８ａ）を何分の一かに低減することができる。この空間共有がなければ、茎の最大高さに加えて、根部の最大高さが必要となり、システムが垂直方向にコンパクトで無くなる。
【０１０９】
図４Ｄは、吸収されなかった栄養素を隣接層に吸収させるための、他の形態を説明する図である。植物の最適な栽培を維持するのに欠かせない栄養素は、少なくとも多層３０１、３０２が占める、空間３０９にある供給源（図示せず）により提供される。間欠的に空間３０９を栄養素で満たす供給源としては、例えば、噴霧システム、スプレイ・システム、滴下システムなどが挙げられる。栄養素は、葉面施肥または根部への供給により植物に送達される。図２Ｆ〜２Ｋは、各層のＳＧＥのストリングが空き空間分だけ空間的に分離されているので、栄養素が１つの層から次の層へ移送されることを示している。これにより、供給源の数と、その初期コストとを最小化することができる。
【０１１０】
図５及び図６に、本発明の透過性三次元多層農法システムに使用されるストリングとしての栽培トレイ４００の一態様を示す。なお、図５及び図６は栽培トレイ４００を上面から見た様子を示している。
【０１１１】
図５に示すように、栽培トレイ４００は、中心部に開口部４０３が形成され、かつ、開口部４０３の少なくとも一部に切欠部４０２を備えた略ロ字形状の本体部４０１と、本体部４０１の両脇に連通する接続部４０４を１ユニット（ＳＧＥ）として、これが複数連接された構造になっている。また、栽培トレイ４００の一方の端部（図面左側）は幅広端部４０５が形成され、他方の端部（図面右側）は接続部４０４が延長した幅狭端部４０６が形成されている。
【０１１２】
栽培トレイ４００の材質はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で形成され、断面は流路が形成されるように、断面略凹状となっている。また、材質がＰＥＴであるため、光の透過性が高い。
【０１１３】
図６は、図５に示す栽培トレイ４００の開口部４０３に、ウレタン苗床４１０と共に植物体４０８が土壌なしに（つまり非土壌的に）定植された状態を示す図である。実際には図２Ａに示すサンソイル環境１０１に並べられ、植物体４０８の成長を維持するための栄養素が流路に流される。
【０１１４】
栄養素の流れは特に限定されないが、好ましくは、幅広端部４０５側から栄養素が供給され、幅狭端部４０６の方向に向かって流れていくように設計することが好ましい。幅狭端部４０６に到達した栄養素は、幅狭端部４０６の先端からあふれ出し、下段の栽培トレイ（図示せず）の幅広端部で受け止められた後、上記と同様に栽培トレイを移動していく。栄養素の一部は、切欠部４０２を伝って植物体４０８に供給されると共に、そのまま開口部４０３又は植物体４０８の根を伝って下段の栽培トレイ（図示せず）に供給される。なお、栄養素は液体に限らず、霧状のミストでもよい。
【０１１５】
栽培トレイ４００の接続部４０４は、本体部４０１の幅よりも狭く形成されることが好ましい。これにより隣り合う本体部４０１と本体部４０１との間に一定のスペースが形成されるため、図４Ｃに示すように、下段の栽培トレイとの間の垂直高さ（ｄ）を短くすることが可能となり、空間をより有効に利用することができる。
【０１１６】
図７は上述した栽培トレイ４００を使用して本発明の実施形態に係る透過性三次元多層農法システムで植物体を栽培している様子を示す図である。栽培トレイ４００は光透過性を有しているため、上層部から照射された光を下層部まで透過させ、光を効率的に利用することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2015164404.tif 000023
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
2015164404.tif 000025
【図１Ｅ】
2015164404.tif 000026
【図１Ｆ】
2015164404.tif 000027
【図１Ｇ】
2015164404.tif 000028
【図１Ｈ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2015164404.tif 000031
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2015164404.tif 000033
【図２Ｅ】
2015164404.tif 000034
【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
2015164404.tif 000036
【図２Ｈ】
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【図２Ｉ】
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【図２Ｊ】
2015164404.tif 000039
【図２Ｋ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
2015164404.tif 000045
【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
2015164404.tif 000048
【図３Ｉ】
2015164404.tif 000049
【図３Ｊ】
2015164404.tif 000050
【図３Ｋ】
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【図３Ｌ】
2015164404.tif 000052
【図３Ｍ】
2015164404.tif 000053
【図３Ｎ】
2015164404.tif 000054
【図３Ｐ】
2015164404.tif 000055
【図４Ａ】
2015164404.tif 000056
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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