室蘭工業大学

30

2020

―

目

次 ―

【平成 30 年度 プレ共同研究成果】(1) AI 利活用による地域特徴に対応する下水処理モデルの研究開発・・・・・・・・・・・・・・1
塩谷

浩之、佐藤

克行

(2) 太陽熱・地熱を利用した温度差発電システムの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3
関根

ちひろ、中村祐揮(3) 凍結防止剤散布車の洗浄作業の軽労力化に関する調査・・・・・・・・・・・・・・・・・・7
花島

直彦、長谷

隆功、喜多

俊平、小川

雅敏

(4) 木質系バイオマス燃焼灰の新規利用法に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・12
澤田

紋佳、山中

真也、成田

貢、佐々木

一

(5) 麻薬性のない新規ペプチド鎮痛薬の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・15
中野【表紙写真】
左上：平成 30 年度

地域共同研究開発センター研究協力会役員会総会(H30,7,10)

右上：北洋銀行ものづくりテクノフェア 2018(H30,7,26)
左下：第 30 回

フロンティア技術検討会(H30,10,25)

右下：ビジネス EXPO2018(H30,11,8)

博人、櫻田

忍

【平成 30 年度 プレ共同研究成果】

AI 利活用による地域特徴に対応する
下水処理モデルの研究開発
塩谷 浩之*，大澤 知弥*, 塚本 蔵人*, 萩原 翔太*, 柳本 光皓** , 大森 康弘**
*室蘭工業大学 **株式会社データベース
1 はじめに

2.2 項目間の関係性

電気等のエネルギーの自由化のなかで，官庁が管理本研究においては，データベース社が管理業務を行していた業務の民間管理化が進んでいる。下水処理施っている下水処理施設の日報データを利用する。各項

設では，民間に管理業務を委託して運営する形式とな目の関係性を調べるために，項目間の相関関係を用いっており，上水道の民間管理も進みつつある。

た。具体的には，一定期間におけるデータを確率頻度

本課題では，AI の利活用による地域特徴に対応すると見なし，2 項目となる２つの確率変数に関する相互

下水処理モデルの開発を目標としている。下水処理の情報量から計算する。試行として，図１に示すように

流れ行程については大体共通となるが，対応地域で処関係を有するとして項目を抽出した。

理する下水に特徴がある。情報技術による下水処理管理の効率化・完全自動化には，個別の特徴に対応でき
る研究開発が必要とされる。令和元年度のプレ研究においては，下水処理場がまとめている日報データに着目し，多数の項目間の関連性を AI 技術によって抽出し，その施設に起因する要因を，データ間の関係性を見出す方法について検討する。
2 日報データ
2.1 内容形式
下水処理では，活性汚泥モデルを基本としており，長く研究されてきている[2]。処理する施設では，日々の業務管理記録を日報データとしてまとめている。天気情報（気温・降水量）処理水量，電力量，消毒用の本研究では，先の述べた溶存酸素など管理における次亜塩素酸ナトリウム，動力用の重油，LP ガス，消元々重要性で選択するのではなく，データとして見た化ガス，最初沈殿池の沈殿時間等，爆気時間，溶存酸

ときの関係性に着目している。

素量，MLSS 濃度，BOD-SS 負荷，最終沈殿池沈殿
3 関係性と抽出と AI

時間等，200 以上の項目によって日報データは構成されている。

3.1 関係性構築のための数理モデル

例えば，溶存酸素量（Dissolved Oxygen）は，曝

最近 AI が再度隆盛して，シグモイドや ReLU を素

気風量を変更する指標として用いる。溶存酸素量が低い場合は，曝気風量を増やすなどの変更を加えて好気性処理が進むように調整する。これまでの過去子の活性化関数とする階層型を基本に，超多層であっの記録によるデータマイニングでは，この日報を基準れている。しかしながら学習によって得られた AI はとするが，今後の発展的なデータ収集法も検討が必要「ブラックボックス」であるので，データの関係性やとなる。

法則性などを求めることはできない。そこで本研究でても，深層学習によって各種問題へのアプローチがさ

は数法則ニューラルネットを用いる [1]。

1

入力素子数を I として入力を  x1 , , xI  とする。
入力層から中間層に素子同士が結合される。中間層の素子数を J 個とする。入力素子 xi と中間素子 h jの間の結合度合を表す重みを wij とする。通常の階層型ニューラルネットでは中間層への入力を線形和とする。数法則に対応するためのニューラルネットww
w
では，中間素子 h j への入力を x1 1 j x2 2 j
xI Ij とする。 w1 j log x1   wIj log xI とすると，線形和とも対応することがわかる。ここでは出力層が１つの素子として，中間層と出力層の間の結合重みを
c0 , c1 , , cJ とする。 c 0 は出力素子における閾値に相当する。出力を y とすると以下の式で表現される。
Jy  c0   c j i 1 xi ij
j 1

I

w



池沈殿時間に比例し，返送汚泥量には反比例の傾向にある。これはあくまで数値モデルによる結果である。
表１：学習によって得られたパラメータ

(1)

Year

H27

H28

H29

H30

4yearsc00.52 1030.68 103

0.16 102

0.54 103

0.20 104

c1

0.125

0.125

0.120

0.190

0.146

w1

0.45

0.52

0.43

w2
w3
w4
w5
w6

-0.22

0.53

0.41

-0.24

0.23 10

4

-0.22

0.30 106

0.22

0.24

0.27 104

0.22

0.40 106

-0.30

-0.17

-0.30

-0.30

-0.22

0.30

0.17

0.22

0.30

0.22

0.94

1.10

1.21

1.02

1.19

このような AI の活用によるデータ分析システムを
図 2 に示す。総合化された下水処理のデータウエア

数法則ニューラルネットワークにおいては，通常

は，地域特徴に対応した下水処理モデルのための研究の BP 法による損失の最小化が非常に困難なため，準開発の出発点に役立つものと考えている。

ニュートン法を枠組みとした学習アルゴリズム BPQ
を利用する。多変数関数の極値を求める方法であり，2 次微分の逆行列の近似値から，方程式の解となるパラメータを求める方法である。
3.2 数値実験
日報データにおける爆気時間に関係する項目を用
い，数法則ニューラルネットによって関係性を示す式を求める。データ項目間の相関に基づいて，処理水，塩素注入量，塩素注入率，返送汚泥量，返送汚泥率，, x6 とおく。

最初沈殿池沈殿時間，それぞれを x1 ,図 2:下水処理モデルのためのデータウエア

利用する日報は，住宅地の有する人口が 2 万程
度の下水を扱う処理場のデータで，期間は平成 27
年 4 月から平成 31 年 3 月である。中間素子数については，データ数の少なさと試行実験でもあるので素子数を１とした。この場合の数法則モデルは以下の式となる。

y  c0  c1  i 1 xi
6

wi



4 おわりに脱ブラックボックス的な AI のひとつである数法則
手法によって，日報データにおける関係性の分析が可能であることが示された。今後の課題としては，複数の下水処理施設において同様な解析を行うことで，定(2)

数項を含めたパラメータに基づく地域特徴との対応の解析などがある。

このモデルを基準に数法則ニューラルネットワーク
を準ニュートン法により各年度のデータで学習を行っ文献た。その結果を表１に示す。4 か年度の全データによ[1] 斉藤和己，中野良平，“コネクショニストアプローチにって得られた結果においては， w2 および w3 が他とよる数法則発見，”情報処理学会論文誌，Vol. 37, No. 9,

比較して極端に小さな値となった。すなわち，6 項
目のうち，塩素注入量，塩素注入率は爆気時間へのpp. 1708-1716 (1996)[2] 味埜 俊，“活性汚泥モデル，”国際水協会・生物学的廃水処理の設計および運転を支援するための数学モデルに関するタスクグループ発行 (2005)

関与が非常に小さく，処理水，返送汚泥率，最初沈殿

2太陽熱・地熱を利用した温度差発電システムの開発

関根ちひろ*1，中村祐揮*2

ムとして，小型で可搬式の温度差発電システムを開発
1 はじめにすることを目的とした．

現在，再生可能エネルギーとして太陽光発電，風力2 温泉水を利用した温度差発電の実証実験

発電，バイオマス発電などが注目されているが，半導体材料を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに直接実証実験用に，フェローテック社製の熱電変換モジ変換する温度差発電（熱電発電）は，未利用熱エネルギ

ュール（サイズ：55 mm×55 mm×3.8 mm）12 枚を用

ーを有効利用できる有力な発電方法の一つである．熱

いて，温度差発電システムの試作機を作製した．図 1 に電発電は，蒸気でタービンを回す従来の発電方法に比作製した温度差発電システムの試作機の概念図と実際べて施設が小規模で済む上，二酸化炭素や放射性物質の装置の外観を示す．温泉水を入れるアルミ製のタンも排出しない安全・安心な発電技術である．原発の安クと空冷用のヒートシンクの間にモジュールを挟み込

全性への信頼が大きく揺らぐ中，このようなリスクのみ，モジュールの両面にはシリコングリスを塗り，ワ少ない環境に優しい発電方法は重要性を増している．

イヤーでタンクに固定した．

しかし，熱電発電は，火力，原子力発電の発電効率 30実証実験は，タイのチェンマイ大学の協力を得て，～60％などに比べて，５％と大幅に低いためコストがタイ北部メーホンソン県にある天然温泉「プークロン

高く，現在の用途は，惑星探査機の電源などの特殊分

マッドスパ（Phu Klon Mud Spa）」において行った．

野に限られ，コストが重視される一般社会での実用化

図 2 に実験の様子を示す．使用した温泉水の温度は 72には至っていない．このような状況の中，2018 年 9 月〜76℃，測定時の気温は 35℃であった．実験は温泉水

6 日の北海道胆振東部地震により起きた北海道全域のをタンクに注ぎ込み，モジュールの高温側および低温

停電“ブラックアウト”を契機に，このような事態に備え，緊急時のバックアップ電源システムの確保の必要性が高まっている．本研究では，他の再生エネルギーに比較し，効率は低いものの，天候に左右されず，温度差さえ与えることができれば安定して発電が可能であるなど，多くの利点がある熱電発電に着目し，現段階で最も高い性能を持つ実用材料（Bi-Te 系材料）を用いた熱電変換モジュールを使用し，1）温泉地や電力イン
フラの未整備地域において，太陽熱・地熱・温泉水等の未利用熱源を利用した温度差発電システムの実

モジュール*1：もの創造系領域電子デバイス計測ユニット

図 1 温泉水を用いた温度差発電システム試作機*2：株式会社フェローテックホールディングスの概念図と装置外観
用化に向け，小規模な発電システムの開発とその実証実験を行うこと，2）緊急時のバックアップ電源システ

3

を大きくし，発電量を増やすことが可能であると考えている．
3 薪ストーブ用温度差発電装置の開発
北海道全域で発生した大規模停電（ブラックアウト）
は，震源地に近い火力発電所が機器の損傷により停止したことに端を発し，電力の需給バランスが崩れ，安全装置の作動により，電力系統（電気のネットワーク）を構成する多くの発電所が連鎖的に停止したことが原因であった．火力発電所だけではなく，水力発電所，風力発電所も停止した．この経験を踏まえ，現在，経済産業省が開催する総合資源エネルギー調査会 電力・ガス
基本政策小委員会と産業構造審議会 電力安全小委員会の下に，新たに「電力レジリエンスワーキンググループ」が設置され，災害に強い電力の供給体制を構築するための課題や対策について，工学，法律，防災分野

図 2 温泉水を用いた実証実験の様子などの専門家が集い，議論されている(1)．電力レジリエ
ンス向上に寄与できる手段の一つとして，小規模な分散型電源の開発は不可欠であると考える．

側の温度を熱電対で，発電量をデジタルマルチメータ

北海道電力の迅速な復旧作業により，発生から 2 日後で測定した．タンクが温泉水で満水になるとタンクの切り欠き部分から外に排水するようになっている．図3 に温度差に対する電圧の測定値を示す．温度差 30℃
で 9 V 程度の値が得られている．発電量としては 10 W程度であることが確認できた．今回の実験では，モジ
ュールの冷却側を空冷としたが，近くに川が流れており，川の水を冷却側に使用することで，さらに温度差

図 3 モジュール 6 枚を直列に接続したものを2 組並列につないだ場合の温度差に対する発生電圧

図 4 モジュール 8 枚を直列に接続した試作機
を煙突に装着した様子
4

図 6 モジュール 8 枚を直列に接続した場合の温度差に対する発生電圧
ン，タブレット，ノート PC などの充電が可能な最小限の電力（5W〜20W）を供給できる熱電発電システムのプロトタイプの開発を目指した．土砂崩れや津波などにより地域が孤立する事態も想定し，そのような状況でも入手可能な物資を用いて発電するために，無煙薪ストーブを熱源とした 8 個の熱電変換モジュールを用いた実証実験用の温度差発電システムの試作機を開発した．無煙薪ストーブは，燃料として，木材を用いる
が，その種類を選ばず，災害時でも，廃材や流木でも利用できる利点がある．熱電発電システムは，ストーブの煙突部分に装着し，着脱可能なものとした．発電用のモジュールは，温泉水を利用した温度差発電システ
ムで使用したものと同様であり，冷却は放熱フィンを利用した空冷式とした．基本的な構造は，温泉水を利用した温度差発電システムと同じである．
図 4 に開発した温度差発電システムの試作機を無煙

図 5 試作機を用いた実証実験の様子

薪ストーブに装着した様子を示す．また，図 5 に実証実験の様子を示す．熱電対，デジタルマルチメータ等を用いて，発電能力を評価した．無煙薪ストーブの煙には，多くの世帯で電力が回復したが，北海道では今突部分の温度は最高 200℃程度まで上昇するが，今回用まで経験したことのない長時間にわたる停電で，多くいたモジュールは 180℃付近が耐熱限界であるため，
その人々が不安を抱えて過ごすこととなった．今回の経れ以下の温度となる煙突部分に発電システムを装着し験は，今日の私たちの生活の中で電気は，常に安定にた．今回の実験では，モジュールの高温側の温度を供給され，空気のようにあたりまえにある存在のよう

110℃程度までとした．低温側は，高温側からの熱の流に感じているが，自然災害等により，電気のある，あた

入により，時間経過とともに温度が上昇し，最大の温りまえの生活ができない事態が起こり得ることを再認

度差は，60℃程度に留まった．図 6 に，モジュール 8

識させた．

枚を直列に接続した場合の温度差に対する発生電圧

そこで，夜間の LED 照明と携帯電話・スマートフォ

5を示す．温度差 60℃で 18 V 程度の値が得られている．

分に整備されていない地域（タイなどの東南アジア地発電量としては 5 W 程度であることが確認できた．

域）でも，重要性が高く，これらの地域のエネルギー問

この発電システムは，2019 年 9 月 28 日に北海道庁

題解決に貢献できるものと考えている．

赤れんが庁舎前にて行われた「農業・農村ふれあいフ

さらに、本研究で開発する熱電発電システムは温度

ェスタ」および 2019 年 10 月 18 日に紋別市生涯学習セ差を与えるだけで、発電できるため、様々な熱源の利

ンターで行われた防災宿泊訓練において，LED 照明の用が可能である。例えば、北海道内の温泉地や電力イ

点灯，スマートフォンへの充電のデモンストレーショ

ンフラの未整備地域において，温泉水や太陽熱を利用ンに用い，市民から大きな関心を集めた．

した発電も可能である．さらに，高温熱源の利用ばか

今後，小型で軽量な，持ち運びが可能なモバイル発りではなく，液化天然ガス（LNG）のような極低温の電システムとして製品化を目指す．各自治体で，この熱源も利用可能である．つまり，LNG（-162℃）と海発電システムを保有することで，災害時の炊き出し用

水（数℃〜十数℃）の温度差で熱電発電が可能であの熱源と同時にバックアップ電源として活用できる．

り，今後，ベーパライザーへの搭載など，さらなる事

また，災害時ではなくても，野外でのバーベキューな業化へと発展する可能性を秘めている．

ど，アウトドアでの活用などレジャーの面での需要も
見込める．

文献
4 おわりに(1) 経済産業省 総合資源エネルギー調査会 電力・ガス事業分科会 電力・ガス基本政策小委員会/産業構造審議会 保安・

本研究開発では，タイにおいて温泉水を用いた熱電

消費生活用製品安全分科会 電力安全小委員会 合同 電力レ発電の実証実験および薪ストーブ用の熱電発電システ

ジリエンスワーキンググループ第 1 回議事録（2018.10.18）

ムの試作機を開発し，その性能を評価した．今後は，本(2) Y. Chen, Y. Kawamura, J. Hayashi and C. Sekine, Jpn. J. Appl.

研究で得られた基礎データを基に，システムの改良，

Phys. 55 (2016) 04EJ02.

最適化を行い，製品化に向けた研究開発を継続する．

(3) Y. Mona, J. Hayashi, Y. Kawamura, K. Kihou, H. Nishiate, C. H.

また，緊急時のバックアップ電源としての熱電発電シLee, C. Sekine, Jpn. J. Appl. Phys. 57 (2018) 125506.

ステムは，将来的には，我々が別途，研究開発を続けている新材料（高温高圧合成法で作製するスクッテルダ
イト系材料）(2,) (3) を用いた高性能モジュールに置き換えることにより，さらに高性能な発電システムの開発を進めることが可能となる．さらに，発電システムの高性能化により，分散型電源として電力レジリエンスの向上にも貢献できる．3.11 以降の原子力発電の停止にともない，化石燃料を利用する火力発電の比率が高まっており，地球温暖化ガス増加の加速化が懸念される．この対策として，今後，ますます太陽光，風力，地熱発電などの再生可能エネルギーの重要性が高まってくるものと考えられる．熱電変換材料を用いた温度差
発電は，単純な構造のモジュールを用いることで，二酸化炭素の排出もなく，温度差さえあれば発電が行える安全で環境にやさしい夢の発電技術であるといえる．
本研究開発で進める技術は，地域の地熱資源の有効活用にも応用可能であり，持続可能な社会の構築につながる．
また，高効率熱電変換システムの確立により，化石燃料を利用する発電の比率を低下させ，環境調和型社
会の実現，豊かな生活環境の構築に寄与できる．さらに，本研究で開発したシステムは，電力インフラが十6凍結防止剤散布車の洗浄作業の軽労力化に関する調査
花島 直彦*1，長谷 隆功*2，喜多俊平*3，小川雅敏*3

載し，その先に高圧洗浄機のノズルを取り付けた構成の装置である．そのような装置に必要な条件を明らかにするため，作業員あるいはノズルの３次元的な動作解析から，マニピュレータに必要な動作の自由度や可動範囲について考察する．

1 はじめに高速道路における交通の安全を確保するためには，日頃の維持管理を欠かすことができない．特に，冬場の道路の凍結はスリップ事故を誘発する可能性が高く，除雪作業や凍結防止などの対策がとられている．
凍結防止のためには水が凝固する凝固点を下げる凍結防止剤の散布が有効である(1)．北海道の高速道路では凍結防止剤として塩化ナトリウムを用い，散布車を使って路面に散布している．塩分により車体が錆びるのを防ぐため，散布車が出動するたびに洗車を行なっている．洗車作業は路面凍結がおこる厳寒期に屋外で行われるため，作業員への負担が大きい．塩化ナトリ

図１ 凍結防止剤散布車の洗車のようす

ウムを投入するバケット内も洗浄するため，高所作業車の上で，防寒具を着込んだ状態で，高圧洗浄ノズルを

3 洗車作業の３次元動作解析操る必要があり，安全面でも課題のある作業である．
このことから，洗車作業にかかる労力を軽減し安全性

3.1 ３次元動作データ取得装置の選定を高めることに要求がある．

図１のとおり，洗車作業は屋外で行われ，高圧洗浄ノ
ズルからの水が車体に跳ね返り大量の水しぶきが生じ

2 調査研究の概要

る．このような環境下で作業員あるいはノズルの動き
を３次元的に計測する装置の選定をした．

凍結防止剤散布車の洗浄作業は，高所からの転落や，
高圧洗浄ノズルからの反力による転倒などのリスクがある．

作業が屋外で高所であることや予算面などの制約か

このため，作業の安全性を確保しつつ，洗浄作業の労力

ら，大掛かりで高価なモーショントラッキングシステを軽減する要求がある．本研究がプレ共同研究であること

ムは選定の候補には含めないことにした．また，安価を鑑み，本格的な共同研究の準備を進めるため，軽労力なカメラを複数設置して多視点画像を取得し，画像処化のための方向性を検討することを目的とした．

理により３次元座標を取得する方法もあるが，ソフトウエアの開発に時間を要すため，プレ共同研究の期間

洗浄作業を支援する装置の開発を最終的なゴールとし，そのような装置に求められる機能を調査し，技術的な仕様

内に動作解析を終了することが難しいと判断した．一を明らかにする．プレ共同研究開始時に想定していたの方で，VR 技術を利用したゲームソフトが市販され，そは，クローラ式電動リフトにマニピュレータを搭の入力装置として，３次元位置を取得する装置が，安価に入手できるようになっている．このような観点から，次の３つの入力装置を候補として検討した．

*1：もの創造系領域ロボティクスユニット*2：大学院生産システム工学系専攻博士前期課程*3：株式会社ネクスコ・メンテナンス北海道

3.1.1 POZYX （Pozyx Labs 社製）
超広帯域無線通信技術(UWB)により，cm 単位の精度7で三次元位置測定が可能な位置測定デバイスである．

58 度となっており，今回想定する動作範囲を十分カバ

公式には室内用とされているが，電波が遮られなけれーできる．RealSense を用いて骨格推定を行う SDK とば屋外で使用できる．アンカーと呼ばれる装置を，測して 3DiVi 社の Nuitrack を使用した．ソフトウエア開定領域を取り囲むように４隅に配置して，その範囲内

発環境には Unity (Unity technologies) を採用し，Unityにあるタグと呼ばれる装置の３次元位置を計測する．

用のアセットである Nuitrack Skeleton Tracking を利用最小構成でも，20m 四方の広さをカバーでき，装置をして，Windows 上でプログラムを作成した．これによ数を増やして拡張すれば，理論的には無制限の広さをり，関節の三次元位置をデータとして取得できる．

カバーできる．

以上の構成で，実験室内にて骨格推定を試行した．

今回は最小構成の機材を用意して，実験室内で位置

その結果，うまく骨格推定ができているときもあれば，測定を試みた．
アンカーを約 2m 四方の４隅に配置し，全く骨格とは異なる位置を算出することもあった．大Pozyx Creator Controller という公式のアプリケーショ

まかに骨格データを取得できれば良いという用途であンを用いて，アンカーのキャリブレーションを行った．

れば問題ない精度と考えられるが，本研究では，限ら

そのあと，タグの電源を投入し，タグの位置を固定しれた時間内に確実にデータ取得をする必要があったたてその位置情報を取得した．そのようすを Pozyx

め，信頼性の観点から，RGB-D センサの使用は見送る

Creator Controller に表示した結果を図２に示す．４つことにした．

の×印がそれぞれアンカーであり，中央付近にある軌跡がタグの位置である．タグを固定したにもかかわらず，数 10cm の範囲で動いている．このように，表示される座標の値が安定せず，ばらつきが生じるという結果になった．後日，POZYX を使用している研究者に
図 3 RealSense D435i [2]確認したところ，今回設定した測定範囲が狭すぎて計測がうまくいっていないのではないかとのことだった．

3.1.3 VIVE Tracker (HTC Corporation 社製)

また，Pozyx Creator Controller の実行にはインターネッ

VIVE はヘッドマウントディスプレーとモーション

ト環境が必要であること，アンカーにそれぞれ電源がトラッキング機器 VIVE Tracker を組み合わせた，コン必要となることなど，実際に屋外で使用するときの懸シューマー向けの VR ユーザーインターフェース装置

念もあったため，POZYX の採用は見送ることにした．

である．VIVE Tracker のみでも入手可能であり，これとパソコンをドングルにて無線接続することで，VIVE
Tracker の３次元位置データが取得できる．データを取得できる範囲は 6m 四方と，POZYX に比べれば小さいが，今回の洗車作業はこの範囲に収まる．静止時の位
置の計測精度は 1mm 以下との報告もあり，本研究の目的には十分な性能であると判断できる (3) ．VIVE のモーショントラッキングには赤外線を使用しており，直射日光は誤動作の要因となるはずであるが，事前の検証では屋外においても３次元位置情報が取得できた．

図 2 Pozyx Creator Controller の画面

VIVE Tracker の利用イメージは，3.1.1 で検討した

3.1.2 RGB-D センサ

POZYX と類似している．図４に VIVE Tracker の機材

マーカーを使用せずにカラーカメラと深度カメラをと計測範囲の関係を示す．２台一組の Base station は計

併用して３次元計測を行える装置に RGB-D センサが測範囲を挟むように対向して設置される．Base station

ある．これを用いて骨格推定し，作業員の動作を計測

からは平面状の赤外レーザー光が左右あるいは上下にすることを考える．

スイープ照射される．VIVE Tracker に内蔵された複数

RGB-D センサにはいくつか製品があるが，ここではの光センサがこれを受光すると，２台の Base station か

横 99mm，縦 25mm，高さ 25mm と非常にコンパクト

らみたヨー角とピッチング角がそれぞれ計測できる．

であり，USB 給電ができる RealSense D435i (Intel 社製)

これにより位置座標と姿勢角度が計算される．それぞの使用を検討した（図 3）．このセンサの計測範囲は奥

れの機器はパソコンと無線通信で結ばれ，パソコン上

行き方向に 0.2m から 10m，視野角が水平 87 度，垂直のアプリケーションでそれぞれの接続状態などを確認

8

できる．VIVE Tracker はバッテリー駆動されるので，車両上面の計測後，車両側面の洗車作業のデータも計測対象に電源ケーブルなどを配線する必要はない．

取得した．図６のように Base station を固定し，放水

このトラッカーを作業員ではなく，高圧洗浄ノズルに取をせずに洗車作業を再現してもらった．

り付けることで，作業員がそれをどのように動かしているのかを記録できる．
以上のことから，本研究の動作取得装置として VIVE
Tracker を採用することにした．

図 6 側面における動作計測のようす
3.2 ３次元動作解析
計測した２つの VIVE Tracker の位置データを直線

図 4 VIVE Tracker の計測範囲
3.2 動作計測実験

で結ぶことで，高圧洗浄ノズルの位置と向きを表示す

実際に凍結防止剤散布車の洗車作業を VIVE Tracker

ることができる．図７はこのようにして描いた，車両を用いて計測する実験を行なった．

上面を洗浄したときの，高圧洗浄ノズルの軌跡である．

図 5 車両上面における動作計測のようす
図５に VIVE Tracker と Base station の配置を示す．
高圧洗浄ノズルの位置と姿勢がわかるように２台の
図 7 上面洗浄時のノズルの動作軌跡

VIVE Tracker をノズルの手元側と先端側にそれぞれクランプで固定した．凍結防止剤を導入するバケットの黄色いラインはバケット部，青い枠は高所作業リフ

縁に，２台の Base station をお互いに対向させてクラン

ト，赤い枠は作業者が乗るカゴ，黒い領域がノズルのプで固定した．Base station 間の距離は 3360mm であり，軌跡を表している．それぞれ，正面図（右下），平面図

装置の有効計測範囲内となっている．
Base station は AC

（右上）
，側面図（左下）を示している．正面図よりバアダプタから給電をする必要があったため，水しぶき

ケットの中を洗浄するために，ノズルは基本的に下向対策として正面以外をビニールで囲った．なお，正面きであることがわかる．平面図より高所作業リフトはをビニールで覆った場合は誤動作を起こした．

高所作業時には移動ができないので，１箇所から左右

計測実験は，まず高圧洗浄ノズルから水を放水してにノズル先端を動かしているようすもわかる．しかし行なった．計測を開始する前はデータを取得できたが，ながら，ノズルの動作軌跡は単純な扇型になっている

計測を開始して間も無くするとデータが途切れる現象

わけでなく，手元の位置も前後上下左右に動いている．

が発生した．パソコンのアプリケーションや装置自体

図８に手元位置のみをプロットしたグラフを示す．左を再起動しても状況が改善しなかったため，水の放水

右前後に 1m 程度，縦方向には 0.5m 程度の動作範囲を止めて，洗車の動作のみを作業員に再現してもらっがあることがわかる．これらのことから，ノズルの位

た．そうすると，データは途切れることなく測定する

置と姿勢の自由度はそれぞれ３自由度と２自由度，合ことができた．水は赤外線を吸収する性質を保つため，計で５自由度である．よってノズルを動かすマニピュ

霧状の少量の水分でも，計測に影響したようだった．

レータには５自由度以上のものを用いるのが望ましい．

9

図 8 上面洗浄時の手元位置の軌跡

図 10 側部洗浄時の手元位置の軌跡

同様に，側面を洗浄したときのノズルの動作軌跡を

4 ノズルを操作するマニピュレータの候補

図９に示す．このとき作業員は，地上に立って左右に移動しながら洗車した．側面図より，洗車位置はバケ

前節の結果を受けて，高圧洗浄ノズルを操作するたット側面である上段と，車体の足回りである下段に，めのマニピュレータの候補をあげる．図７より必要な

大きく分かれている．上段については高圧洗浄ノズル

水平方向リーチはおよそ 0.8m，垂直方向リーチはおよを上下に動かしながら横移動しており，下段について

そ 1.5m が必要であると判断できる．ノズルの動作軌

はノズルをタイヤハウスの中で動かしている．正面図

跡が扇状であることから，ベースの関節が水平に旋回をみると，上段についてはノズルを基本的に上向きに，する垂直多関節型ロボットが望ましい．例えば，ヤマ

下段については横向きに使用しているようすもわかる．

ハ発動機のマニピュレータであれば，表１の右から２

特にタイヤハウスの中ではノズル先端を奥に差し入れ機種が適当と考えられる．このロボットの軸数は６でていることもわかる．

あり，５自由度以上の条件を満たす．この他には，塗装用のマニピュレータは，塗装用のスプレーを自在に操るのに特化した構造を持っており，高圧洗浄ノズルのハンドリングに通じるところもある．例えば表２のような機種が候補となる．なお，表２の最大リーチは
表１の水平リーチと同じものである．
車両上面の洗浄については，地上高 3m ほどの昇降が必要であるので，第２節で述べたようにクローラ式
電動リフトの使用が望ましい．移動可能なリフトを用いることで，図９側面図のように左右方向の大きな移動も実現できる．例えば，表３のアイチコーポレーシ
ョンのスカイタワー RM05C1NS などが候補となる．

図 9 側面洗浄時のノズルの動作軌跡

5 おわりに

図 10 に手元位置のみをプロットしたグラフを示す．
側面図より左右方向に４m 程度移動している．前後方本研究では，洗浄作業を支援する装置の開発を最終的向の動きは図８と同様に 1m 程度であるが，縦方向になゴールとし，そのような装置に求められる機能を調査しは 3 倍の 1.5m 程度動いていることがわかる．ノズル

た．クローラ式電動リフトにマニピュレータを搭載し，の位置と姿勢の自由度は図７のときと同様であるので，その先に高圧洗浄機のノズルを取り付けた構成の装置

ノズルを動かすマニピュレータには５自由度以上のもを想定し，高圧洗浄ノズルの３次元的な動作解析から，のを用いるのが望ましい．さらに，左右方向の大きないくつかマニピュレータの候補をあげた．今後は，高可動域は移動台車の利用が適当である．

圧洗浄ノズルの反力などについても検討し，より具体10

的な提案をすることが望まれる．

外観文献(1) 木村恵子，曽根真理，並河良治，桑原正明，角湯克典，
凍結防止剤散布と沿道環境，国総研資料第 412 号，2007，
pp.13-18(2) 持田圭祐，小型 RGB-D センサを用いた可搬型運動機能

表 3 アイチコーポレーション スカイタワー

評価システムの開発，令和元年度室蘭工業大学卒業論文（写真はホームページより転載）

型番
可搬質量
最大地上高
最低地上高
昇降方式
架装対象車
駆動方式
ﾊﾞｯﾃﾘｰ電圧ﾊﾞｯﾃﾘｰ容量
車両質量(3) M. Borges, A. Symington, B. Coltin, T. Smith, and R. Ventura,
HTC Vive: Analysis and Accuracy Improvement, 2018 IEEE/RSJ
Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2018

表 1 ヤマハ発動機 YA シリーズ
（写真はカタログより転載）

型番
軸数
可搬質量
垂直ﾘｰﾁ
水平ﾘｰﾁ
旋回範囲
本体質量
電源容量

YA-R5LF
65kg
1560mm
895mm−170°〜170°
29kg
1.0kVA

YA-R6F
66kg
2486mm
1422mm−170°〜170°
130kg
1.0kVA

外観
外観

表 2 安川電機 MOTOMAN-MPX シリーズ
（写真はホームページより転載）

型番
軸数
可搬質量
可搬質量
最大ﾘｰﾁ
旋回範囲
本体質量
電源容量

YR-MPX1150
65kg（手首部）1kg（ｱｰﾑ部）
727mm−170°〜170°
57kg
1.0kVA

YR-MPX1950
67kg（手首部）3kg（ｱｰﾑ部）
1450mm−170°〜170°
265kg
2.5kVA11

RM05C1NS
200kg
4.8m
0.57m
直伸５段マスト式
クローラ
AC 電動モーター
DC24V
90Ah
800kg

木質系バイオマス燃焼灰の新規利用法に関する研究

澤田紋佳*1，山中真也*1，成田貢*2，佐々木一*2

1 はじめに平成 29 年度の 1 年間にエネルギーとして利用された
木質系バイオマスの量は，全国で年間 1000 万トンを超える（H30・12 月公表「農林水産省木質バイオマスエ
ネルギー利用動向調査」より）．数万トン発生する燃焼
灰について，その主たる処理方法は「産業廃棄物として処理する」となっており，これは恐らく，原料バイオマスに含まれる重金属類が灰に濃縮されてるためと考えられる．もし，農業用資材などの新規活用法を見出せれば，処分に困っている現状を打破できると考えた．
本研究では，木質系バイオマス燃焼灰の新規活用法の探索として，ゼオライトの再合成材料への適用と待ち受け消毒用資材としての利用について検討した．

2 ゼオライト再合成材料への適用

2.1 背景ゼオライトは結晶性のアルミノシリケートであり，細孔構造を有することから比表面積が大きい．ゼオラ
イトはこの性質を使用し，吸着剤や触媒材料として広*1：しくみ解明系領域物質化学ユニット*2：ナラサキスタックス株式会社

12

く利用されている．ゼオライトの合成には，一般に構造の骨格になるシリカ源およびアルミナ源と鉱化剤としてアルカリ金属の水酸化物が使用される．木質バイ
オマス燃焼灰にはカリウムが多く含まれており，ゼオ
ライト合成のアルカリ源として使用できる可能性がある．また，天然ゼオライトは全国各地で産出されており，北海道でも仁木町をはじめ採掘が盛んであるが，用途の拡大が課題となっている．天然ゼオライトの構
造は塩基性溶液中で溶解し，シリカ源およびアルミナ源として使用できることが報告されており，再合成の検討が行われている(1)，(2)．
そこで，本研究では北海道産天然ゼオライトと木質系バイオマス燃焼灰を用いて，ゼオライトの溶出および再合成条件の検討を行った．
2.2 実験方法
原料には，北海道産天然ゼオライト（NZ）および木
質系バイオマス燃焼灰を使用した．ゼオライト溶出用
分散液には，ゼオライト：アルカリ源（燃焼灰）：水 =(2)
1：5：50（重量比）を基準 に調製し，水熱処理後にろ過し，ろ液（ゼオライト溶出液）を得た．また，再合成(2)には，アルミナ源として硫酸アルミニウムを用いて，Al 水溶液は NaCl：Al2(SO4)3：H2O = 1：5.4：10（重量比）の組成で調製し，Al 水溶液：ゼオライト溶出液 =1：5.6（重量比）で混合し水熱処理を行った．溶出および再合成の水熱処理は，耐圧ポータブルリアクターを用いて 90 ℃で 1 – 24 h 保持を行った．ゼオライト溶出後に得られたろ紙上残留物および再合成生成物は X 線
回折（XRD）パターンを測定し，結晶状態の確認を行った．
2.3 実験結果および考察
まず，ゼオライト水熱処理に対する燃焼灰の添加効
果について検討した．図１に燃焼灰の添加量を 3 - 8 g
で変化させたときに得られたろ紙上残留物の XRD パ
ターンを示す．ろ紙上の残留物に含まれる天然ゼオラ

(4)

(5)

(4) 24 hIntensity [a.u.]

Intensity [a.u.](5) Ash 8 g(4)(4) Ash 5 g(3)(3) Ash 3 g

20

30 40 502θ [degree]

60

(2)

(1) Ash(1)

10(3) 6 h(2) 3 h(2) NZ

(2)

0

(3)

(1) 1 h

(1)

70

0

10

20

30

40

50

60

70

2θ [degree]

図１ 燃焼灰添加量の異なる天然ゼオライト水
熱処理で得られたろ紙上残留物のXRD パターン〇：クリノプチロライト由来，■：燃焼灰由来

図２ 処理時間の異なる燃焼灰添加天然ゼオラ
イト水熱処理で得られた残留物のXRD パターン
（燃焼灰 5 g）

イトの主成分（クリノプチロライト，CLI）のピーク強度が低下すれば，ろ液に含まれるゼオライト溶出量が多いと推測できる．燃焼灰を添加することで CLI（〇）のピークは著しく低下した．また，燃焼灰の添加量を増やすことで CLI の溶出促進を試みたが効果は得られず，5 g 以上で同等のピーク強度を示した．したがって，
CLI 成分の溶出には燃焼灰 5 g が最適であることが明らかとなった．さらに，燃焼灰添加後の水熱処理時間の最適化を行ったところ（図２），1 h 以上処理をしてもピークに変化はなかった．したがって，ゼオライト
再合成処理には溶出処理を 1 h 行ったろ液を使用した．
図３に，ゼオライト再合成（水熱処理 24 h）で得られた生成物の XRD パターンを示す．処理時間は 2 - 24
h で変化させたが，いずれも硫酸カルシウムおよび炭酸カルシウム（カルサイト）や硫酸アルミニウムの生成を確認したが，ゼオライトの生成は確認できなかった．
ケイ素が含まれる化合物が生成していないことから，
ゼオライト溶出液中のケイ素成分が少ないこと，および再合成が進行するのに適した pH 条件になっていな

いことなどが原因として考えられる．燃焼灰を用いた
ゼオライトの溶出と再合成では濃度管理が難しく，より詳細な条件検討が必要であると言える．

Intensity

Ca CO3 (Ca lsite)
Ca SO4
Al 2(SO4)3

0

10

20

30
40
2θ [degree]

50

60

70

図３ ゼオライト再合成処理で得られた生成物の XRD パターン
13

3 待ち受け消毒用資材への利用可能性

3.1 背景2018 年 9 月，国内では 26 年ぶりに CSF（豚コレラ）が発生し，今なお終息に向けた努力が続いている．過去にも，口蹄疫や高病原性鳥インフルエンザが発生し，そのたびに甚大な被害をもたらしてきた．
家畜伝染病対策は喫緊の課題である．現在，家畜伝染病防疫のため液状の消毒薬に加え固体の消石灰が併用されているが，消毒効力低下を判断できない，飛散するなど，使用に際し幾つかの課題があった．我々はこれを解決するため，撹拌造粒法により多機能性を付
与した粒状消石灰の開発に取り組んできた．
「多機能粒状消石灰」が普及すれば，視覚化により散布の過不足を防ぎ，緩効性の向上により散布間隔を延ばし，場所・場面等の用途に応じた効率的かつ効果的な散布を実現
し，散布と管理が容易になる．これらは粉砕を製造原理とする既存の粉末，および粒状消石灰にはない特徴
である．その結果，これまで以上に市場が拡大し，製造事業者にとってのメリットも大きいと考えている．
木質系バイオマス燃焼灰は，強アルカリを示すことから，消石灰を代替できる可能性がある．そこで，本研
究項目では，pH とその持続性について評価するととも

に，実用に向けた課題を検討した．
3.2 実験方法
家畜伝染病の原因となるウイルスや病原菌は，酸や塩基に弱く消毒に有効とされている．そこで，燃焼灰を懸濁した溶液の pH を消毒効力の指標として，消毒効力の評価を行った．北海道の年間降水量と等しくなるように毎日水を散布し，pH の変動を計測した．pH の測定は，土壌の一般化学性の pH 測定法に従って分析
した[3]。具体的には，燃焼灰を 1 g 採取し，蒸留水を2.5 mL 添加した．懸濁液を 1 時間静置し，上澄み液のpH を測定した．測定は 3 点行い，平均値を消毒効力の指標とした．
比較対象として，消石灰粉体を用いて同様に評価した．
3.3 実験結果および考察
pH の測定結果を表 1 と 2 に示す．燃焼灰の初期 pH（経過日数 0 日）は 12.78 であり，消石灰の 13.06 と同等であった．一般に，消毒効果の目安となる pH はアルカリ側で pH>9～10 と言われている．燃焼灰の pH は強アルカリ性を示したことから，消毒効果を有すると思われるが，これについては生化学的な検証が必要である．

さらに，燃焼灰は初期 pH から減少する速度も大きい．
これは，燃焼灰中に含まれるアルカリ物質の含有量に起因すると推測される．今後，配合を工夫した粒状化により，緩効性を付与することが必要と考えられる．
重金属類を含むことから産業廃棄物として処理されていることを鑑みると，それらの溶出試験や，不溶化処理を検討することで，当初の目的を達成できると考える．

4 おわりに

本研究では，廃棄処分されているバイオマス燃焼灰の有効活用を目的に，吸着剤としての応用を志向する
ゼオライトの合成と，畜産用資材への利用可能性を検討した．その結果，いずれも前述した課題は残っているものの，解決に向けた対応策を提案した．

文献

表 1 燃焼灰の pH 変化
No. of days [day]pH [-]

0
7
14
21
25
35
42

12.78
10.47
10.15
10.03
9.91
9.77
9.91

(1) A. Ates, Powder Technology, 344, p199-207.
(2) M. Kamali et al., Powder Technology, 189, p52-56.
(3) 北海道立総合研究機構農業研究本部, 土壌・作物栄養診断のための分析法 2012 (2012)

表 2 燃焼灰消石灰の pH 変化
No. of days [day]pH [-]

0
7
14
21
28
34
46
49

13.06
12.85
12.97
11.28
9.77
9.29
9.30
9.29

pH=10 を上回る期間は，消石灰で 3 週間程度，燃焼
灰で 2 週間程度となり，燃焼灰の方がわずかに短い．

14

麻薬性のない新規ペプチド鎮痛薬の開発

中野博人*1，櫻田 忍 2

1 はじめに

害性疼痛にも有効な化合物として，オピオイドペプ

がん性疼痛に代表される重度の疼痛には現在モルチド構造とイソキヌクリジンかご型構造を融合したヒネが汎用されている. モルヒネは強力な鎮痛作用

新規かご型 tetrapeptide 1 を分子設計し，その合成を有しているが, 麻薬性などの副作用を有する. さを検討した (Fig. 2)．

らにがん性疼痛は, その性質が侵害性疼痛から神経
因性疼痛へと変化する可能性が示唆されており, この神経因性疼痛はモルヒネに対する抵抗性を有する.
Dermorphin は脳室内投与においてモルヒネの約1000 倍の鎮痛活性を示し，N 末端側のテトラペプ
チド部位がその活性に大きく関与することが明らかになっている (Fig. 1).1) また dermorphin は，自然界において細菌類以外にほぼ存在していない D-異Figure 2. 新規かご型 tetrapeptide 1 の構造性体アミノ酸残基 (D-アラニン) を有していることから，生体内における酵素分解に抵抗性をもつ.1) さ

化合物 1 は, 鎮痛活性の発現に有効な N 末端のらに，dermorphin の構造活性相関に関する研究に

イミノエチル基, チロシン残基と D-メチオニンス

よるとこの 2 位の D-アラニンを L-アラニンへとルホキシド残基を有する. また, C 末端にも活性の置換すると鎮痛活性がほとんど消失してしまうこと発現に有効なβ-アミノ酸構造を含有し, 立体的に嵩から，2 位の位置に D-異性体アミノ酸残基が存在

高く剛直で，良好な体内吸収が期待されるかご型構することが dermorphin の鎮痛活性の発現に重要で造を有する. 化合物 1 のこれら構造特性がオピオあると考えられている.1)

イド受容体との結合に大きく影響を与え，
dermorphin の鎮痛活性を凌ぐ麻薬性の軽減された
新規オピオイド鎮痛薬の開発に繋がることが期待される.
2 結果と考察
創製した鎮痛活性化合物 1 の鎮痛活性を詳細に明らFigure 1. Dermorphin の構造かにするためには，化合物 1 を効率的に好収率で合成し供給できる合成法の開発が必要不可欠である．目的

以上のような背景から本研究では，鎮痛作用の発とするかご型テトラペプチド 1 の合成を以下の方法

現が期待され，モルヒネの副作用を軽減し，神経障により検討した (Chart 1). 化合物 1 の合成は，ペプチ
ド部位とカゴ型部位に別けてそれぞれ合成した．L-フ*1：くらし環境系ユニット

ェニルアラニンメチルエステル塩酸塩 2 と D-メチオ*2：(株) 櫻田オピオイド研究所

ニンスルホキシド 3 との縮合反応を行い N-Boc-ジ

15ペプチドメチルエステル 4 を合成した. 続いて, 化

イミノエチル基，チロシン残基と D-メチオニンスル

合物 4 の脱保護により生成したジペプチドメチルエ

ホキシド残基を有し，さらに C 末端にも活性の発ステル塩酸塩 5 と N-Boc-L-チロシン 6 との反応を現に有効なβ-アミノ酸構造を含有する立体的に嵩行い N-Boc-トリペプチドメチルエステル 7 を得た.

高く剛直なイソキヌクリジンかご型構造を有するペさらに, 化合物 7 のエステルの加水分解反応によりプチド化合物 1 の合成を検討した．本研究結果は，

N-Boc- ト リ ペ プ チ ド 8 へ と 誘 導 し た . ま た ,特許出願された.2)

N-Cbz-1,2-ジヒドロピリジン 9 とアクリル酸メチル

かご型テトラペプチド化合物の合成, および得られ10 との Diels-Alder 反応により, N-Cbz-イソキヌクリ

た化合物の鎮痛活性試験を実施中である．

現在，化合物 1 を含む様々なジン誘導体 11 を合成し, 続く化合物 11 の水素添加た. 最後に, 化合物 8 と化合物 12 との縮合反応によ文献り, N-Boc-テトラペプチド 13 を得, 続くチロシン残基の水酸基のアセチル化, N 末端のイミノエチル化,(1) a) S. Salvadori, M. Marastoni, G. Balboni, G. P. Sarto, R.
Tomatis, J. Med. Chem., 1986, 29, 889-894.
b) T. Ogawa, M. Araki, T. Miyamae, T. Okayama, M.
Hagiwara, S. Sakurada, T. Morikawa, Chem. Pharm. Bull.,
2003, 51(7), 759-771.
(2) 発明名称：オピオイドペプチド誘導体及びこれを含む医薬 組 成 物 ， 出 願 番 号 ： 特 願 2019-193339 ， 出 願 日2019 年 10 月 24 日

そしてエステルの加水分解を行うことにより目的とするかご型テトラペプチド 1 の合成を行った.
Boc
•HCl

HO

OH
S

O

O

H 2N

O

H
N

Boc

3
HOBt
Et 3N
EDC•HCl

O
2

O

H
N

N
H

H 2N

4N-HCl

O

O

N
H

S

O

O
4

N
H O
6

OH

HOBt
Et 3N
EDC•HCl

•HCl

S

O

5

HO

HO

Boc

N
H

O

H
N

N
H

O
O

O

Boc
2N-NaOH

O

H
N

N
H

S

O

9

OH

N
H

O

S

8

Cbz
N

O
+

O

O

7

N
Cbz

Boc

O

O

H2
10% Pd-C

CO2Me

O
10

H
N
CO2Me

11

12

HO

8

+

12

HOBt
Et 3N
EDC•HCl

Boc

H
N

N
H

O
N
H

O

N

CO2Me

O

S

O

13

O
O
1. acetylation
2. iminoethylation
3. hydrolysis

NH
N
H

H
N

O
N
H

O

N

COOH

O

S
O
1

Chart 1. 新規かご型 tetrapeptide 1 の合成

3 おわりに鎮痛作用の発現が期待され，モルヒネの有する依存性などの副作用を軽減し，神経障害性疼痛にも有効なペプチド化合物の合成を目的として本研究を行った．すなわち，鎮痛活性の発現に有効な N 末端の16

国立大学法人 室蘭工業大学
地方創生研究開発センター〒050-8585 室蘭市水元町27番1号
URL http://www.muroran-it.ac.jp/crd/
E-mail crd@mmm.muroran-it.ac.jp
T E L (0143)46-5860
F A X (0143)46-5879