ＩＳＳＮ ２１８５-７３２６

2 0 2 1 年度

特別教育・研究報告集

は

じ

め

に

資源の乏しい日本が世界的な優位性を保持するためには、科学技術立国しかありません。
したがって、本学の建学の精神を現代に敷衍した「世界に学び世界に貢献するグローバル理工学人材育成」の実践はとても重要です。
こ の 視 点 に 立 ち 、「 教 育 ・ 研 究 ・ 社 会 貢 献 の 三 位 一 体 推 進 」を実現すべく、本学における研究活動及び教育活動の活性化を目的に、教育改革研究活動助成 及びプロジェクト研究助成の充実をはかって参りました。
これら研究助成による成果を、１９９１年度より研究報告集のかたちで特別教育・研究報告集として発刊してきました。
今年も２０２１年度版を発行する運びになりました。 本学が推進している教育・研究分野の成果が報じられております 。ぜひ多くの方にご覧いただきたいと思います。

芝２０２２年５月

浦

工

業

学長

山

田

大

学
純

２０２１年度 芝浦工業大学 特別教育研究 及び

目
１．

特

別

教

育

研

特別研究

次

究

（１） 教育改革研究活動助成
地域志向
ロボット技術による見守り・健康支援等スマートタウン構築（地域連携の強化）・・・・・・
2
工

学

部

機 械 機 能 工 学 科

松 日 楽

信 人

4
インバウンドビジネスを創出するグローバル・ローカリゼーション・・・・・・・・・・・・

工

学

部

電

子

工

学

科

村 上

嘉 代 子

コロナ禍を乗り切るためのシニア向け“オンライン型運動教室”の実
践・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
7
工

学

部

情

報

工

学

科

石

﨑

聡

之

9
豊洲スマートシティ構想との産学官民連携・
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・

工

学

部

先 進 国 際 過 程

坂

井

直

道

豊 洲 、 大 宮 地 区 の 車 載 セ ン サ を 応 用 し た 交 通 安 全 対 策 活
動・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・
12
システム理工学部
Connected

NASU

機械制御システム学科

伊

東

敏

夫

の 実 現 に 向 け た サ ー ビ ス ・ モ ビ リ テ ィ 創

生・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・
18
システム理工学部

機械制御システム学科

長 谷 川

浩 志

地域志向活動型アクティブ・ラーニングのカリキュラムマネジメントと SDGs 達成に向けての地域課題解決策の実践・
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・・
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・
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・
・
・
・
・・
・
・
20
システム理工学部

環境システム学科

増

田

幸

宏

22
内部河川・運河の活用とコミュニティ強化・
・
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・・
・

建

築

学

部

建

築

学

科

志

村

秀

明

芝浦アーバンデザイン・スクール 2-地域まちづくり組織への実装-・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
24
建

築

学

部

建

築

学

科

前

田

英

寿

東京臨海地域における安心安全健康のまちづくり・
・
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・
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・
・
・
・・
・
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・
・・
・
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・・
・
・
・
・・
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・
26
34
建

築

学

部

建

築

学

科

佐

藤

宏

亮

実践的教育
金属加工経験の乏しい学生へコンピュータ支援型加工方法を教授した際の教育
効果評価・
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28
工

学

部

機 械 機 能 工 学 科

青 木

孝 史 朗

「グローバルサイエンス&エンジニアリングカフェ」および「グローバルオープ
ンセミナー」
の開催・
・
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・
32
工

学

部

先 進 国 際 過 程

山

本

文

子

PBL における学生の学びの促進・プロセス可視化・アセスメントのための EdTech
システムの開発・
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・
36
システム理工学部

電子情報システム学科

間

野

一

則

40
学修者の学びを担保するカリキュラムマネジメント体制の構築・・・・・・・・・・・・・・
・

教育イノベーション推進センター

榊

原

暢

久

２．

特

別

研

究

（１）プロジェクト研究助成
着任時研究助成45
高密度水素貯蔵を目指す反応機構の解明・
・
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・
・・
・
・

工

学

Self-assembled部
and機 械 機 能 工 学 科
on-surface

structures

佐
of

藤

豊

人

Phenanthreneand49
Phenanthrolene-terminated Pyrazinacenes‥・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・

工

学

部

応

用

化

学

科

ゲイリー ジェイムス リチャーズ

53
磁気ギアを用いた EV 用モータシステムの開発・
・
・
・
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・
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・
・
・・
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・・
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・・
・

工

学

部

電

気

工

学

科

相

曽

浩

平

「ニューノーマル」な大学での学びの変容・
・
・
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・・
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・・
・
57
工

学

部

情 報 通 信 工 学 科

大 橋

裕 太 郎

61
スマートモニタリングによる ABW の革新･･･････････････････････････････････

工

学

部

情

報

工

学

科

新

熊

亮

一

Machine learning for the discovery of novel van der Waals heterostructure
65
for energy conversion applications・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・

工

学

部

先 進 国 際 過 程

フロンズイ

マルコ

Development of Framework for Individual-based Emotion Estimation・・・・・・・・・
・
68
工

学

部

先 進 国 際 過 程

ラオハカンワンウィット ティポーン

Paper-based disposable sensor for the detection of Antibacterial Drugs･････
72
工

学

部

先 進 国 際 過 程

アーリャシュリー

マイクロプラスチックの観察と微細化の解明・
・
・
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・・
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・
76
SIT 総 合 研 究 所

関

宏

範

説明可能な社会シミュレーション分析技術・
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・・
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・・
・
・
80
システム理工学部

電子情報システム学科

後

藤

裕

介

84
環境適応型システム開発方法論と実証研究・
・
・
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・・
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・
・

システム理工学部

電子情報システム学科

久

住

憲

嗣

都市景観を映し出す五輪のスポーツ工学への影響～ロンドン五輪における市内
88
仮設競技会場の事例～・
・
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・・
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・
・

システム理工学部

環境システム学科

山

嵜

一

也

92
益子町ランドスケープ計画に関する研究・
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・

建

築

学

部

建

築

学

科

小

塙

芳

秀

96
鋼構造制振架構における梁端接合部の設計法構築・
・
・
・
・
・
・
・
・・
・
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・
・・
・
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・
・・
・
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・・
・
・

建

築

学

部

建

築

学

科

浅

田

勇

人

100
工匠林兵庫の建築技術書に関する研究・
・
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・
・

建

築

学

部

建

築

学

科

小

柏

典

華

104
ムスリムの埋葬地に関する日仏比較・
・
・
・
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・
・

建

築

学

部

建

築

学

科

佐 藤

香 寿 実

科研費連動型108
誘電エラストマーアクチュエータによる果物の成熟度評価・
・
・
・
・
・・
・
・・・
・・
・・・
・
・・

工

学

部

機 械 機 能 工 学 科

細

矢

直

基

MEMS
6 6足ロボットの製造法と基本ミドルウェアの開発・
・ 112
MEMSプロセスによるマイクロプロセスによるマイクロ
足ロボットの製造法と基本ミドルウェアの開発
・
工

学

部

機 械 機 能 工 学 科

長

澤

純

人

Synthesis of novel high entropy oxides and search for their functionalities
as oxygen storage materials for oxygen generation・
・
・
・
・
・
・・
・
・
・
・・
・
・
・
・・
・
・
・・・
・・
117
工

学

部

機 械 機 能 工 学 科

アリチャ クリムコヴィッチ

123
金属触媒を利用した半導体結晶薄膜の低温形成・
・
・
・
・
・
・
・
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・
・
・・
・
・
・
・
・
・・
・
・
・
・
・・・
・・

工

学

部

材

料

工

学

科

弓 野

健 太 郎

新規触媒を利用した高性能 Li 空気電池の開発・
・
・
・
・
・
・
・
・
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・
・
・
・・
・
・
・
・
・
・・
・
・
・
・
・・
・・
127
工

学

部

材

料

工

学

科

石

﨑

貴

裕

Synergetic modulation thermoelectric performance and mechanism exploration
131
in metal doped Si1-xGex-based materials at near room temperature・・・・・・・・・
・・

工

学

部

材

料

工

学

科

苗

蕾

137
導電性を発現するカーボン／水酸化物ヘテロ構造皮膜の創製・
・
・
・
・
・・
・
・・
・・
・・
・
・・

工

学

部

材

料

工

学

科

芹

澤

愛

141
仮想結び目理論における不変量と局所変形の関係性の解明・
・
・
・
・
・・
・
・・・
・・
・・・
・
・・

工

学

部

材

料

工

学

科

櫻 井

み ぎ 和

分子インプリントプローブによる中枢神経内疾患モデル動物の伝達物質分泌可
視化・
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・
145
工

学

部

応

用

化

学

科

吉

見

靖

男

周波数の低い環境振動でも高効率に発電できる新規 AlN 系圧電薄膜の合成・・・
・・
149
工

学

部

応

用

化

学

科

大

口

裕

之

MRI
・・・153
MRI 騒音環境における骨伝導マイクを用いた機械学習による被験者音声の検出・
騒音環境における骨伝導マイクを用いた機械学習による被験者音声の検出
・
・
工

学

部

情 報 通 信 工 学 科

武

藤

憲

司

A novel approach to domain adaptive imitation learning・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・
157
工

学

部

情 報 通 信 工 学 科

ファン スアン タン

ドープと同時に触媒除去を行う低抵抗グラフェン形成プロセスによる高周波デバイス作製・
・
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・・
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・
161
工

学

部

電

子

工

学

科

上

野

和

良

ニューロマーケティングアプローチによる観光画像評価と訪日観光プロモーシ
ョンに関する研究・
・
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165
工

学

部

電

子

工

学

科

村 上

嘉 代 子

強度発現による不確実性がセメント改良地盤の全体性能に与える影響評価手法
の構築・
・
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・
・
169
工

学

部

土

木

工

学

科

並

河

努

昆虫標本の表面詳細形状および内部構造を含めたデジタルデータ化手173
法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・

工

学

部

情

報

工

学

科

井

尻

敬

超強力バルク超伝導磁石の表面磁場を利用したオープンエア・モバイル NMR の開
177
発・
・
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・

工

学

部

先 進 国 際 過 程

坂

井

直

道

181
Development of MgB2 cryo-magnets for the Bio-Medical Applications・・・・・・・・・・・
・・

工

学

部

先 進 国 際 過 程

ミリアラ

ムラリダ

Development of solvent sensitive actuator based on inorganic-organic hybrid
polymers・
・
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・
・
・
・
185
工

学

部

先 進 国 際 過 程

アハメッド クムクム

189
早期肝細胞癌の病理診断支援-細胞核による鑑別と特徴量分布可視化-・・・・・・・
・・

システム理工学部

電子情報システム学科

高

橋

正

信

自動運転への相互結合ニューラルネットワークによる倫理観モデルの実装・・・
・・
193
システム理工学部

機械制御システム学科

伊

東

敏

夫

仮想実体人体モデルを一体化した人工股関節手術支援・トレーニングシステム・・・・197
仮想実体人体モデルを一体化した人工股関節手術支援・トレーニングシステム
・・
システム理工学部

生

命

科

学

科

花

房

昭

彦

肥満由来の HSP60 を介したミトコンドリア機能不全とトコトリエノールによる
202
防御・
・
・
・
・
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・
・
・
・
・
・
・
・
・

システム理工学部

生

命

科

学

科

福

井

浩

二

206
脱細胞化技術を用いた人工腎臓の創製・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
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・
・
・
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・・
・
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・
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・
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・・
・・
・
・

システム理工学部

生

命

科

学

科

中 村

奈 緒 子

不確かな切替えシステムに対するサンプル値制御・
・
・
・
・
・
・
・
・・
・
・
・
・・
・
・
・
・・
・
・
・
・・
・・
210
システム理工学部

生

命

科

学

科

サ

イ

貴

生

表面波の伝播速度による超砥粒ホイール砥粒層の縦弾性係数導出と研削特性に214関する研究・
・
・
・
・
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・
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・
・
・
・
・
・・
・
・

デザイン工学部

デ ザ イ ン 工 学 科

澤

武

一

218
“Sense of Place”
観光のためのインタラクティブ展示とその未来・・・・・・・・・・・
・・

デザイン工学部

デ ザ イ ン 工 学 科

日

髙

杏

子

変動軸力を受けるパイルキャップの力学モデル構築と耐震性能評
222
価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・

建

築

学

部

建

築

学

科

岸

田

慎

司

226
近代日本における建築基礎教育の基礎的研究・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・・
・
・
・
・
・
・
・・
・
・
・・
・
・

理工学研究 科地域環境システム専攻

林

要

次

Human error prediction model using physiological signals in real time and230
its application to autonomous systems・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
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・
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・
・
・
・・
・
・
・・
・
・

理工学研究科

機能制御システム専攻
ムハンマド ヌル アディリン ビン モハマド アヌアルディ

234
超電導バルク磁石による開放空間をもつ超小型 NMR の研究・
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SIT 総 合 研 究 所

岡

徹

雄

Analysis on Effect of Stochastic Resonance on Postural Control Strategies
238
during Continuous Translation Perturbation・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・

SIT 総 合 研 究 所

ヌル ファティン ファティナ

ビンティ モハマド ラムリ

大学間連携
Application of Laser Biospeckles and Biospeckle Optical Coherence
Tomography (OCT) in speedy monitoring environmental effects on living
242
things・
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工

学

部

機

械

工

学

科

ウママヘスワリ ラジャゴパラン

248
異種元素含有カーボン系触媒材料の合成・
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工

学

部

材

料

工

学

科

石

﨑

貴

裕

252
宇宙デブリ捕獲用 MR ダンパの高速接触力制御・
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工

学

部

電

気

工

学

科

安 孫 子

聡 子

256
形状記憶合金を利用した折り紙スピーカー・
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工

学

部

電

気

工

学

科

重

宗

宏

毅

260
地盤環境のためのライフサイクル技術の開発・
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工

学

部

土

木

工

学

科

稲

積

真

哉

264
歯周病予測のための機械学習による力学的性質データ解析の検討・・・・・・・・・・・
・・

システム理工学部

生

命所属学科等名は、2021 年度中のものです。

科

学

科

中 村

奈 緒 子

特 別 教 育 研 究（１）教育改革研究活動助成― 1 ―TOPへ戻る2021年度
連携エリア［江東区、中央区、さいたま市など］

ᵮᵰᵭᵨᵣᵡᵲ ２００１

「ロボット技術による見守り・健康支援等スマートタウ
ン構築」プロジェクト
代表者

松日楽信人【教授】（工学部 機械機能工学科）

構成員

内村裕 (工学部 機械工学科)／安藤吉伸、吉見卓 (工学部 電気工学科)／菅谷みどり、新熊亮一 (工学部 情報工学科)／森野博章（工学部 情報通信工学科）／佐々木毅 (デザイン工学部 デザイン工学科)／
志村秀明 (建築学部 建築学科)／伊藤敏夫(システム)理工学部 機械制御システム学科）■プロジェクトの概要

ロボットネットワークでつながった 教育・研究・社会貢献！

江東区、中央区の下町地区では少子高齢化が進む一方で、人のつながりを大切にする地域でもある。このような地域では、
2015年度ＣＯＣ全体イベントの形態（たたき台）
災害対策やお年寄りの安否確認など健康管理、防犯などは深刻な課題であり、本学が研究を進めてきた共存型ロボット、
遠隔ロボット技術や移動ロボットの技術を活かして、災害対策やお年寄りの安否・健康管理などを実施できるロボットネット
ワークのシステムの構築を図り、地域のQOL（クオリティ・オブ・ライフ）の向上を図ることを目的とする。本課題は日本の課題でもあり、世界でも共通の課題であることから、新しい地域モデルの創出に繋がるものである。これまで地域の商店街、高齢者団地、資料館などでのロボット実証実験を通して、研究者ばかりでなく多くの学生がニーズと研究との繋がりの重要性を認識することができた。研究室連携、大学連携、企業連携、地域との連携のもと活動を進める。

■FDSD（地域志向）活動の成果

多くのニーズに応えるロボットネットワーク実証！！

【教育】 看護の現状にロボット技術は活かせるか？
今年度の創成ゼミナール（機械機能工学科3年必修）松日楽テーマでは、上尾看護専門学校と、ロボット技術の看護応用に関して、看護学校の学生約40人と交流授業を実施した。看護実習に基づく大変現実的な内容について、現場と技術の議論ができ、双方に取って大変有益であった。最終発表(11/12)では介護機器企業も興味を持って頂き、一部を聴講参加された。授業内容についても、年々、改善できている。
また、上尾看護専門学校で開催された防災訓練後（11/13）に遠隔ロボットのデモを実施。1時間で準備、豊洲から上尾のロボットを遠隔操作するデモなどを学生、職員に紹介でき、理解を深めて頂いた。
【研究】 コンテストでもアイデアの受賞
日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会（６月）や日本ロボット学会学術講演会（９月）、計測自動制御学会システムインテグレー
ション部門講演会（12月）などで、多数の研究発表を行った。システムインテグレーション部門講演会では、優秀講演5件、コンテストで奨励賞5件、特別賞1件など良い内容の発表が今年も続いた。
【社会貢献】 コロナ禍で注目される遠隔ロボットと活用
ロボット・サービス・イニシアチブ、ベイエリアおもてなしロボットコン
ソーシアムとの協力で毎年講演会を実施し、一般に広く成果を公開している。8回目となるベイエリアロボティクスフォーラム（1/25）では「知識の活用とその実装」をテーマに6トピックスについて紹介して頂いた。
コロナ禍でもあることからロボットの応用、とくに遠隔ロボットの利用は今
後、大変期待される。オンライン開催となったが学外を中心に約70人が参加した。
また、深川江戸資料館では8年目となるロボット展示および実験（8月）を行った。今回は東京都立大学、東芝、タケロボの協力のもと、入館からの館内でのロボットによる一連サービスを検証した。このほかにも、モビリティとの連携実験、大学生協での実証実験、海外からのロボット遠隔操作など、沢山の実証に対応した。今後は豊洲スマートシティへの展開を進めて行きたい。
対外的なデモも増えているが、学生たちが準備から説明、撤収までをスムーズに実施できるようになった。
― 2 ―【上尾看護専門学校内巡回】 看護学校での自律巡回・遠隔操作デモの様子。

【生協店舗内案内】
豊洲生協での案内デモの様子。どこからでも様子をみることができる。

【見守り追従移動】
ADAM秋の成果発表会で自動運転シニアカーを自動追尾し、シニアカー搭乗者の画像をアップし、見守る。

【キャンパスツアー実験】
オンラインインターンシップ、ｇ
PBLの参加学生との4ヶ国（仏、馬、印、泰）からの「キャンパスツアー実験。

TOPへ戻る主なトピックス■文科省ロボットショーケース（ユニバーサル未来社会推進協議会）で紹介●文科省ロボットショーケース（7/30）
にてオンラインでデモを行った。コロナ
禍でもあるので、ロボットを介した施設の遠隔見学を実施した。基本になっているのは、RSNP遠隔操作技術である。芝浦工大グループ、都産技研、会津大、産技大が実験に参加。芝浦工大は深川江戸資料館内の浮世絵展を、都産技研はロボット実験施設を、
会津大は先端ラボの見学、産技大は浄瑠璃ロボットの実演を行った。
RSNP: Robot Service Initiative【ロボットによる施設見学デモ】 深川―テレコムセンター会津ー相模原をインターネットで接続、ロボットの遠隔操作を実施した。

■ロボットとの共存を目指して●ロボットとの共存を実証するために、一連のサービスを実施した。新しい日常が求められているときこそ、ロボットをどう社会に活用するか、新しい展示の形を求め、深川江戸資料館の協力のもと、ロボット実験を実施した。この成果を街なかへ拡張する。
① 受付案内ロボットによる入退館時の挨拶、人数確認、人流把握② カメラマンロボットによる記念写真③ テレプレゼンスロボットによる遠隔からの見学④ ビーコンを使った展示案内タブレット(東京都立大学)⑤ 卓上コミュニケーションロボットによる指手消毒声掛け(東京都立大学)⑥ 小型移動ロボットによるパンフレット搬送（株式会社東芝）⑦ マスコットロボットによるアンケート調査（タケロボ株式会社）

写真撮影ロボット

挨拶ロボット

アンケートロボット

消毒声掛けロボット【アンケート結果（抜粋）】 スタッフ、来館者ともに評価が高かったのは写真撮影、挨拶、アンケート、消毒声掛けの４種。とくに、アン
ケートロボット、消毒声掛けロボットをはスタッフからも好評。

（下図参照）

④

)

モニタ①

ルータ子機①

ルータ親機＆
ネット接続ルータ 都立大タブレット案内

ロビー

%)

ロボコット
アンケート

レクホール

展示室入口
都立大
消毒案内ロボ

受付

入口① 案内ロボット

3RFR①

ロボコット
アンケート

企画展示室

ルータ子機②
カメラマン
ロボット

展示室出口

企画展示室案内ロボット⑤ 消毒声掛けロボット⑦ アンケート
ロボット

常設展示
スペース

③ 遠隔見学ロボット⑦ アンケートロボット② 写真撮影ロボット⑥ パンフ搬送ロボット【深川江戸資料館におけるロボットネットワーク実験】 ロボットによる一連のサービス：来館者、スタッフ、ボランティアとの共存― 3 ―TOPへ戻るᵮᵰᵭᵨᵣᵡᵲ ᵐᵏᵎᵔ

2021年度
連携エリア［さいたま市、臨海副都心エリアを中心とした関東中心部から北関東における各主要地域］「インバウンドビジネスを創出する
グローバル・ローカリゼーション」プロジェクト
代表者

村上嘉代子【教授】（工学部 電子工学科）

構成員

長谷川 浩志（機械制御システム学科）／間野 一則（電子情報システム学科）／市川 学 （環境システム学科)／渡邉 大（機械制御システム学科）／岡田 佳子（土木工学科）／中村 真吾（機械機能工学科）■プロジェクトの概要
本プロジェクトでは地域と連携したPBL型授業において、地域の観光促進のためのサービスシステムを開発した。一つ目は、さいたま市を対象地域としてアグリツーリズムとサイクルツーリズムを掛け合わせ、メタバース要素を取り入れたVR空間での2015年度ＣＯＣ全体イベントの形態（たたき台）
ピクニックとサイクリングの疑似体験による旅マエのプロモーションから実体験へ移行させるシステムと、二つ目は、那須塩原温泉地域の活性化を目的とし、一定層に人気のある温泉むすめのキャラクターのホログラムを活用したまちめぐりツアーを実現させるためのツールとアプリによるシステムである。さいたま市のヨーロッパ野菜を扱う「ヨロ研カフェ」によるピクニック用の新しい商品開発と家族層をターゲットとしシェアサイクルの利用者増を自然体験を通して実現させる提案は、地産地消を推進し、健康で環境に優しい移動手段を推進するSDGsの取り組みとなり、那須塩原温泉のキャラクターを活用してファン層を獲得する仕組みづくりにMR（Mixed Reality）技術を用いた提案は、地域の観光産業への理解や課題解決に貢献する技術開発を促進させる取り組みとなった。SDGsは自治体での観光振興にも広がっており、これらのプロジェクトを通してSDGsと観光の理解を深めることにもつながった。そのほか、学部・修士研究においてもニューロツーリズムの研究を行い、PRとして有効な写真の構図の比較分析のためのウェブサイト作成、観光人材の育成のためのVRトレーニングによる評価実験のためのプレ実験を行った。

■教育改革研究活動助成（地域志向）活動の成果【教育】
大学院理工学研究科のシステム理工学専攻必修科目 「 システム工学特別演習 」 において日本人学生22名 、 システム理工専攻演習科目 「 クロスイ
ノベーションプロジェクト （CIP）」 において 、 日本人学生 16名 、 工学部卒業
研究およびシステム理工専攻修士研究として6名、計 44名が本プロジェクトに参加した。前期のシステム工学特別演習では、シェアサイクリングを活用した観光活性化として①HELLO CYCLINGを利用した新システムの提案として、危険地帯の通知と回避システムの提案を行った。また、那須塩原温泉の活性化に向けて②ホログラムによるまち巡りツアーの提案を行った。後期のCIPでの提案の詳細は次ページからの主なトピックスで紹介している。

【研究】
卒業研究と修士研究としてニューロツーリズムの研究を行った。より有効なPR方法の検討について昨年度から発展させた形で、実験用ウェブサイトを作成した。また、観光人材育成のためのVRトレーニングコンテンツを作成し、プレ実験を行った。観光PRに携わる団体から協力をいただき、ウェブサイトやSNSにおける写真の掲載に関するヒアリングにより実験素材の検討を行った（さいたま市観光国際課、広報課、さいたま観光国際協会）。また、実験用ウェブサイ
ト用の素材の写真撮影やVRコンテンツの作成においては企業からの協力をいただいくことにより、実験を進めることができている（Modis株式会社、株式会社
casaliz、株式会社明徳）。これらの研究成果は修士研究の一環として2つの学会で6件の発表を行った（観光情報学会第1回かがのと観光情報学研究
会、IEEE ProComm Japan）。また査読論文1本の採録となった(Journal of
Global Tourism Research)。
【社会貢献】
那須町と本学の観光活性化に関する連携協定を7月に行った。またPBL授業
において那須塩原市、さいたま市自転車まちづくり推進課、さいたま市産業創造財団の方々より指導をいただきながら、課題解決に向けてフィールドワークを行い、提案を行った。これらの成果については3月のCOC学生成果報告会
で発表を行った。
― 4 ―音声案内により危険を回避するナビゲーショ
ンアプリの提案。過去3年間の事故発生地点
をアプリのマップ上に表示かつ音声案内で警告する。

日本料理を別の角度からとった写真の比較実験ウェブサイトの作成。SNS等に掲載する写真として魅力的な構図を脳血流量や心拍及び主観評価により分析を行う。

VRトレーニングコンテンツの開発。VR空間内で被験者は英語による接客トレーニングを行い、クレーム等による緊張がトレーニングにより緩和されるかを脳血流量などの生体情報により分析する。

TOPへ戻る主なトピックス 【さいたま市連携】
シェアサイクリングの活用とさいたま市ヨーロッパ野菜研究会【背景】 さいたま市の観光資源の活用
・ヨーロッパ野菜研究会(カフェジャルディーノ)：ヨーロッパ野
菜の地産地消・ヨロ研カフェを運営
・ハローサイクル：東京都を中心に全国でシェアできる電動自転車レンタサイクリングサービス【現状分析およびニーズと課題】

プロジェクト目的

幅広いターゲットに体験型の食事とシェアサイクルの
利用機会の提供

ピクニックとサイクリングの新規事業提案【新規事業提案】【背景および目的】
モノ消費からコト消費への変化

このお店に行くと楽しい、美味しい、元気になれる、胸を張れる、
くつろげる、など、情緒的価値が得られる事業提案

提案概要

物を所有するより、得られる体験にお金をかけたい」と思う割合が、69.2%を占める💡💡

サービス手順

メタバースを活用した新規事業の集客【背景および目的】【システム内容】

旅前のVR活用に注目💡💡【プロトタイプ】― 5 ―TOPへ戻る主なトピックス 【那須塩原市連携】
ホログラスを利用した新しいまちめぐりツアーの提案【提案するイベント：88Walk】
ホログラムを頭につけてホログラムに搭載された映像と音声に従ってまちめぐりを行う
システム内容【背景および目的】
塩原温泉街
開湯1200以上の長い歴史を持ち,箒
川の渓谷にそってできた温泉街

投影される映像

音声

R2

R1

H30

H29

H28

H27

H26

H25

H24

H23

H22

H21

H20

ホログラス

真っ直ぐ
進んで

真っ直ぐ進んでH19

廃墟ホテルの増加
衰退

宿泊者数の変化

H18

宿泊者数の減少

(万人)

100
90
80
70
60
50
40
30
H17

塩原温泉の現状⚫ 安全性と臨場感が期待できるホログラスを採用⚫ GPSでのアプリ制御により導入コストの削減と利便性の
向上

(年度)

プロジェクト目的

目的地まで200m

GPSの位置情報データを基に制御

・塩原温泉への来訪者を増加させるイベントの提案

まちめぐりツアーのルート作成について【塩原温泉の対策】⚫ ランダムにルート作成⚫ メイン目的地に温むスポットで紹介された場所を設
定：聖地巡礼効果→集客力UP⚫ サブ目的地に飲食店や地元の人しか知らない場所を設定：購買力UPとリピート率UP⚫ まちめぐりツアー
約２時間で塩原温泉街の名所を散策するツアー⚫ 温泉むすめ

初期位置

全国の温泉地を盛り上げるべく温泉地をモデルにした想像上の2次元キャラクター
提案するイベントの狙い

サブ目的地

メイン目的地Suzu cafe

むじなの湯

夏目漱石 文学碑

湯っぽの里

足湯スポット妙雲寺

もの語り会館• 塩原温泉の特色を活用• 集客力と購買力の高いオタク

新たな客層の獲得

安全性と臨場感を考慮したホログラムの開発【ホログラムとは】⚫ 映像を立体的に空中に浮かぶことが可能な映像手法⚫ 映像を投影機器と透明なフィルムのみで作成可能プロトタイプ2⚫ ゴーグル型を採用⚫ 小型ディスプレイを搭載⚫ 安全性は向上⚫ 映像が小さくて見づらい

ホログラスの狙い⚫ 2次元キャラクターと一緒に散策体験が可能⚫ 低コストでイベント開催が可能
プロトタイプ1

プロトタイプ3
スマートフォン

⚫ 腕時計型を採用⚫ スマートフォンを設置

ミラー⚫ 映像が小さく見づらい⚫ 利便性が悪い

透明ディスプレイ

― 6 ―

ゴーグル

⚫ ゴーグル型を採用⚫ スマートフォンを設置⚫ 安全性は向上⚫ 臨場感のある体験が可能

TOPへ戻る2021年度
連携エリア［さいたま市］

ᵮᵰᵭᵨᵣᵡᵲ ᵐᵏᵎᵖ

「コロナ禍を乗り切るためのシニア向け“オンライン型
運動教室”の実践」プロジェクト※ コロナ禍のため、申請時のタイトル 「地域活性化を目的とした多機能ᵉハイブリッド型
シニア向け運動教室の実践」 から変更しています。
代表者

石﨑聡之【教授】（工学部 情報工学科）

構成員

磐田朋子（システム理工学部 環境システム学科）／浜野学（工学部 電子工学科）■プロジェクトの概要
2014〜2019年まで本研究室では芝浦工業大学大宮キャンパスの体育施設を活用した対面型の運動教室を開催してき2015年度ＣＯＣ全体イベントの形態（たたき台）た．しかしながら、COVID-19影響により，感染リスクを伴う対面型の運動教室の実施は困難となっている．コロナ禍による外出制限は体力の低下のみならず，認知機能の低下も懸念されている．このことから2020年度は，オンライン型による運動教室を実施し，体力の維持向上については有効性を示すことができた．一方で，オンライン運動教室による参加者間の交流による効果については十分な知見が得られていない．
本PJでは，昨年に引き続きオンラインによる運動教室を実施し，併せて運動教室後に10分間の“トークタイム”を付加することで交流の有効性について検討した．その結果，オンライン運動教室は体力の維持・向上をもたらすだけでなく，トークタイ
ムを導入することで交友関係を広げることに有効であることが明らかとなった．

■教育改革研究活動助成（地域志向）活動の成果【教育】本PJ代表者が行ってきた運動教室では，参加者からの“学生との交流がしたい”という要望が非常に多い．そのため、PJ実施のために数名の学生サポートを導入した．
本PJでは2名の男子学生を責任者として，参加者への連絡・説明などの準備に加え，オンライン運動教室のサポート，体力測定の実施，データのフィードバックなどに関わってもらった．さらに，体力測定時にはさらに5名の学生を追加し，万全の体制で高齢者のサポートを行った．学生自身の責任が明確になったことで，自発的にPJに参加することができ，学生の成長に繋げることができた．

【キャプション】担当学生が参加者にPJ内容の説明している様子【研究】さいたま市内に在住の地域高齢者（84名，65-88歳）を対象に週2回の運動教室を全16回行った．本PJでは週2回のオンライン群（Z群），オンライン（週1回）+自宅での課題実施（週1回）群（ハイブリット群：Hy群）に加え、週2回自宅での課題実践グループ（H群）も募集した．各群の運動内容は，筋力，
持久力，柔軟性，バランス能力などを向上するための複合的な運動プログラムとした．運動介入期間の前後に体力測定等を行い，定期的な運動効果について検討した．
その結果，Z群，Hy群，H群とも定期的な運動により体力の向上を示し，運動方法の違いによる効果の差には大きな差が示されなかった．

【キャプション】脚進展筋力の測定【社会貢献】
さいたま市の高齢化率は23.12％（令和3年），65歳以上の高齢者 30万人を超えている．高齢者の割合は今後，益々増えていくことが予想されており，
医療費の大幅な増加が懸念される．これら支出を抑えるには健康寿命の延伸が不可欠である．その対策の1つに運動の実践が挙げられるが，コロナ禍においては高齢者が健康維持のためのノウハウを持ち合わせているわけではな
い．
本PJでは，非対面（非接触）であっても．オンラインでの運動や自宅での課題実施などの方法を活用することで高齢者の健康維持・増進が可能であることが明らかになった．さにらオンラインにより「会話」を付加することでコミュニ
ケーションの促進に有効であることを示すことが出来た．
― 7 ―【キャプション】サポート学生が関わってのロコモ測定の様子

TOPへ戻る主なトピックス■ オンラインの有効性を高める取り組み
オンライン運動教室の有効性を検討するため，幾つかの参加方法でトレーニング実験を行った．
①オンライン（Z群）：週2回オンライン運動②ハイブリット群（Hy群）：週1回 オンライン + 週1回 自宅での課題実施③課題実施群（H群）：週2回自宅での課題実施
運動は，オンライン・自宅にかかわらず，ストレッチング，筋
力トレーニング，ステップ運動から構成され，約60分で終了
した．H群には運動方法が記載されている冊子を渡し，それを見ながら実施して貰った．
その結果，どのグループにおいても約90％の参加率を得る
ことができ，運動効果にも大きな差がなかったことから，トレーニングの強度・頻度・時間が適切であれば，体力の維持向上が認められることが明らかになった．
また，Z群・Hy群には運動教室後にブレイクアウトルームを用いた10分間のトークタイムを導入し，交流の効果について検討を加えた．会話のテーマについては主催者側で設定した．

自由記述のアンケート結果をテキストマイニングを用いて分析した．左下図は「運動教室の感想」の共起ネットワーク
であるが，「運動」，「出来る」などが多い頻出語であった．
「個人ではなかなか運動は進まないが，運動教室があると進んで出来る」，「定期的に運動することが出来て良かった」などの回答例があり，運動方法を問わず“運動の機会がある”ことの重要性が明らかになった．
一方，Z群・Hy群を対象に，トークタイムによる交流の効果をみると，２ヶ月間の交流を行うことで交友関係が広がる結果が得られた．したがって，単に運動を実施するよりも会話や交流を付加することで運動教室の有効性がより高まることが明らかとなった．

【キャプション】zoom中での運動教室の様子（ストレッチング）【キャプション】オンライン参加者（Z群，Hy群）の交友関係
ネットワーク図（上：運動教室前，下：2ヶ月の運動教室語）

一緒

参加

楽しい

感謝

仲間

■オーダーメイドプログラムの必要性

大変実感
Subgraph:

動かす
体
変化

日常

生活
見る

筋肉
継続

意識
対面

身体
年

01

06

02

07

03

08

04

09

05

10

Frequency:
10

満足

普段
最初

出る

行う

定期

20
家

長い
自分

不安

宿題

続ける
指導
思う

運動

時間
先生

ありがとう

出来る
行える
教室

宿

30

本PJの実施により，コロナ禍下における新たな運動実施の方法を示すことができた．一方で，参加者の年齢，性別，体力レベル，運動歴等を考慮すると，全員が同じ運動プログラ
ムでは運動強度が十分でないことも考えられる．今回は，右脚・左脚それぞれの膝伸展筋力を測定したが，筋力に左右差がある高齢者が多いことが明らかになった．高齢者の自立歩行には，左右脚の片脚立位保持が必要不可欠とされているため，体力測定等で個々人のウィークポイントを見つけ，高齢者一人一人に適切なプログラムを作成していくことが今後の課題であると考えられる．

【キャプション】アンケートから得られた共起
ネットワーク― 8 ―TOPへ戻る2021年度
連携エリア［江東区など］

ᵮᵰᵭᵨᵣᵡᵲ ᵐᵏᵏᵎ

「豊洲スマートシティ構想との産学官民連携」プロジェクト
代表者

坂井 直道 （工学部 先進国際課程 教授）

構成員

武田 貞生（複合領域産学官民連携推進本部 副本部長）／志村 秀明（建築学部 建築学科 教授）／松日楽 信人（工学部 機械機能工学科 教授／新熊 亮一（工学部 情報工学科 教授）／大山 雄己（工学部 土木工学科 准教授）／伊東 敏夫 （システム理工学部 機械制御システム工学科 教授）／市川 学（システム理工学部 環境シス
テム学科 准教授）／佐藤 宏亮（建築学部 建築学科 教授）／花房 昭彦（システム理工学部 生命科学科 教授）／
青島 啓太（ＳＩＴ総研 客員准教授）／白石 美知子（研究推進室 次長）／杉野 博之（産学官連携コーディネーター）／髙島 もも（産学官連携コーディネーター）■プロジェクトの概要「豊洲スマートシティ」は、2019年に全国の牽引役となる先駆的な取り組みを行うプロジェクトとして国土交通省スマートシティモ
デル事業の先行モデルに採択、昨年度には「スマート東京」の実現に向けて先行的なモデルを構築する事業にも選定された。
多様なステークホルダーが存在し、成長途上にある豊洲で、先進的技術と都市OS活用により様々な分野のサービス・ソリュー
2015年度ＣＯＣ全体イベントの形態（たたき台）
ションを提供し、個々人のニーズ充足と満足度向上、まちの課題を解決するとともに、多様な施設・個人が共存・共栄する「ミクストユース型未来都市」の実現を目指す。地方公共団体（東京都・江東区）や豊洲関連企業（IHI、清水建設、東京ガス不動産、
三井不動産等）、技術提供企業と連携して豊洲の課題解決に取り組んでいる。最先端のまちづくりを目指すプロジェクトにおける、豊洲に所在する理工系総合大学として研究ポテンシャルを活用しながら連携・協働を行う産学官民連携事業である。

■今年度の動き
5月に昨年度の本学活動報告を豊洲スマートシティ推進協議会（以下、推進協議会）に向けて実施、このプレゼン以降、各プロ
ジェクトと推進協議会との意見交換会、研究室訪問など今年度は活発な動きがあった。昨年に引き続き、コロナの影響により、対面実験ができず困難な状況もあったが各テーマにおける研究を着実に進めると共に、9月には「スマートシティ」に繋がる技術
やアイデアを競うアイデアソン・ハッカソンを本学教員が中心となり、推進協議会後援のもと開催した。また、推進協議会主催の「豊洲VR観光体験コンテスト」で本学学生が特別賞を受賞、豊洲の街に対する分析と企画への落とし込みへの評価が高かった。
また、推進協議会による様々な実証実験も増えてきているので、今後の具体的な連携に繋げていきたい。

■主な活動の成果【社会貢献】
PJ-１ではコロナ禍で対面イベントが開催できない「豊洲地区運河ルネサンス協議会」と連携、オンラインで豊洲の運河をめぐる「豊洲オンラインクルーズ」の動画を制作、配信した。PJ-3
ではLiDAR(Light Detection and Ranging)を用いた3次元データ取得実験を行い、産学連携によりスマートモニタリングの社会実装を進めた。PJ-4では実現可能な高齢者・社会弱者の自動移動手段を既存のシニアカーに自動運転セットボックスを追加するだけで実現、社会受容性を実証した。PJ-5ではデジタルツイン、DX時代での社会課題解決に向け、センサやカメラを用いたハードウェアアプローチとコンピュータシミュレーションを用いたソフトウェアアプロー
PJ-1: 豊洲オンラインクルーズの動画チを検討。PJ-6では豊洲２・３丁目地区まちづくり協議会と連携、豊洲地区のエリア防災のを制作し、Youtubeで配信取り組みを進めるため、防災をテーマとした小冊子『まちつかいTOYOSU』を発行した。

【教育】
PJ-1では運河クルーズの動画制作により、学生達は実際に乗船して見どころのガイドを経験、豊洲の地域資源を実地で学ぶことができた。PJ-3ではLiDARで取得した3次元データを用いてアイデアソン、ハッカソンを開催、学生チームが入賞する等、学生の育成や有能な学生の発掘に貢献。PJ-4では学生の卒論・修論・博論テーマとして自動運転セットボックスの研究開発に取り組み、卒論４本、修論２本、博論１本をカバーした。PJ-5ではハードウェアを用いた実機実験及びシミュレーションによる仮想実験により、直面する課題の本質を見極める力 360度カメラを用いた空間把握技術の開発を養った。PJ-6では豊洲地区のエリア防災をテーマとした『まちつかいTOYOSU』の編集に院生、学部生が参画。研究成果を住民の方々にわかりやすく伝える工夫を議論しながら進めた。
【研究】
PJ-1では運河クルーズ動画の閲覧状況分析とアンケート調査結果から豊洲地域の情報プ
ラットフォーム形成のための知見を得ることができた。PJ-3では複数のLiDARを用いたスマー
トモニタリングのリアルタイム性を向上する独自方式を考案して有効性を示し、IEEE Sensors
Journalをはじめ4件の国際的な査読付論文の発表を行った。PJ-4では国内会議としては自動車技術会春季・秋季学術講演会、国際会議としてはFAST-zero、SEATUC、ICSJ（論文賞受賞）で発表。PJ-5では社会シミュレーションの技法によるシミュレーション研究の適応と、センサやカメラから得た機器情報を機械学習させる技術力を向上した。PJ-6では昨年度の研究を発展させて、被災後の建物の倒壊や火災の発生などによる遮蔽面積率を考慮した、
最適な避難先の検討を行う手法について研究した。
― 9 ―PJ-6: 防災まちづくり冊子『まちつかい
TOYOSU』発行

TOPへ戻る主なトピックス
PJ-1 「地元商店街と連動する賑わい創出のPJ-2 「ロボットネットワークを活用した異業種、異機種

プラットフォーム整備に関する研究」

志村 秀明

間連携プラットフォームによる地域活性」 松日楽 信人

ー 豊洲オンラインクルーズ ーYouTubeでオンデマンド配信した動画「豊洲オンライン
クルーズ」への参加を、情報発信媒体「とよすと（地域密着ウェブサイト）」「PIAZZA（地域SNS）」「Twitter」で呼びかけた。
そしてYouTubeチャンネルアナリティクスのデータを用いて、各情報発信媒体と動画閲覧数との関係を分析した。また
Google Formを用いたオンライン上でのアンケート調査を行
い、動画の評価などを明らかにした。
結果として、情報プラットフォーム形成のためには、情報発信力が極めて高い地域密着ウェブサイト「とよすと」や、
PIAZZA等での情報発信力が高いアカウントなどと連携すべきであることを明らかにした。

歩行者ナビとロボットとの連携に関して関連企業と意見交換を行い、APIを介した情報交換ができることを目標とした。前年度にナビを体験させて頂き、その後、11月には研究室のロボットを見学して頂くなど意見交換を行った。
また、実験環境の候補としてメブクス豊洲での豊洲場外マルシェを見学した。実験準備として、実験環境にすぐにロボットを持ち込み地図作成など一連の準備が短時間でできるように、遠隔操作ロボット環境（遠隔操作プラットフォーム）を整備した。これを確認するために、羽田イノベーションシティでのデモを11/27に実施した。ナビのAPIに対応できるようにすることで、移動地点での案内などが可能となる。

【遠隔操作プラットフォームによるロボットデモ】 オンラインイン
ターンシップ中のフランスの学生からも操作を実施した。

各情報発信媒体からの動画へのアクセス数の推移：「とよすと」が記事を投稿した8/12にアクセス数が急増加し、8/15までのアクセス数は、調査
期間内全アクセス数の８割を占めた。

PJ-3 「未来都市に向けたスマートモニタリング

PJ-4 「ラストワンマイルにおけるシニアカーのを実現するネットワークAI」

自動運転に関する研究」

新熊 亮一

半年以上にわたり、大学施設、公道の車道、交差点 (横断歩道含む)、駐車場など国内10地点において、LiDAR(Light Detection and Ranging) を用いて3次元データを取得する社会実験を行なった。
スマートモニタリングの社会実装のための計画立案とデー
タ利活用促進のため、取得した3次元イメージセンサを用いて2021年9月に「アイデアソン」「ハッカソン」を開催した (主催: 芝浦工業大学他、共催: エクサウィザーズ他、後援: 京
都大学桂図書館、豊洲スマートシティ推進協議会他、チーム数 (「アイデアソン」10チーム、「ハッカソン」7チーム)。
結果として、3次元イメージセンサを用いたスマートモニタリン
グの応用先となりえる多くの事業アイデアを得ることができた。
3次元データから車両などを検出する深層学習を用いた
エッジコンピューティングシステムを開発し、下図の例のような結果が得られた。

伊東 敏夫

シニアカーを完全自動運転化し、利用者の出発地点（最寄り駅を想定）から目的地点（駅からショッピングモール内の目的
店舗等）まで、自動で安全に利用者を搬送することを目指す。
2021年度実施事項は、●実証実験として９月中旬に１週間、さいたま市と関連企業の協力で、コクーンシティ・さいたま新都心駅での自動走行を一般公募者に試乗（２６人）いただき、社会受容性を評価(シニア
カー追加価格１０万円実証)●インフラセンサとの連携として、１１月中旬に豊洲キャンパス
内１階⇔４階教室まで、エレベータにも自動搭乗し、コンシェル
ジュ・ロボットとも協調作業するデモを実施し、一般希望者にも試乗いただいた。

ショッピングモール（コクーンシティ）内で一般試乗希望者を載せて自動走行する様子

データを取得した交差点と深層学習による検出結果の例― 10 ―

TOPへ戻る主なトピックス
PJ-5「豊洲におけるシステム理工学的課題解決」
市川 学
豊洲における課題を解決すべく、1.ハードウェアを活用したデータ分析 2.仮想豊洲シミュレーションモデルの構築を進めた。1.では、IoTとAIを活用したスマート保育園のアイデア実現に向け、試行実験として研究室を対象とした学習環境の可視化を行った。カメラを用いた人物検知と滞在時間推定、センサを用いた学習環境の分析を実施した。（次年度以降、行動推定を行うことで、実対象での利用に向けた提案を試みる。）2.
では、仮想豊洲シミュレーションの環境構築を進めた。仮想豊洲を作ることで、シミュレーション内でのログデータを取得できるため、都市OSと共に活用することでエビデンスベースの施策
やサービスの提案ができるようになる。本年度は住民の飲食モデルが反映できる土壌を整えた。

PJ-6 「ビッグデータを活用した避難者・帰宅困難者推計と災害時連携体制の構築」

佐藤 宏亮

災害時には江東デルタ地帯全体において多くの帰宅困難者が発生することが予想される。江東デルタ地帯では、地震時に建物倒壊や火災の発生の危険があり、木造密集市街地が広がっており、移動困難なルートが発生することが予想される。
そのため、最適な避難経路の検討が必要となる。
本研究では、帰宅困難者の一時滞在施設への移動経路を検討する上で、市街地の建物倒壊等による「遮蔽面積」を考慮した避難活動をシミュレーションすることで最適な避難先について検討を行った。

都市OSとシミュレーション
都市OSとエージェントベースシミュレーションで実現する仮想社会

遮蔽面積を考慮した避難活動
平日（左）、休日（右）PJ-7 「豊洲「都市型道の駅」の障がい者モビリティ評
価に関する研究」 志村秀明, 花房昭彦, 山口純, 青島啓太
障がい者による公共交通機関の移動経路及び課題を可視化・分析する手法を検証した。本年度は東京BRT：佐藤 宏亮（仮）ミチノテラス豊洲停留所～新交通ゆりかもめ：市場前駅間の経路で実験を行った。
車いす利用者、視覚障がい者を想定した移動経路を全方位カメラ等で撮影し、経路及び課題を可視化・分析した。また撮影した動画をYouTube等で共有・ライブ配信
することにより現場に直接参加しない障がい当事者からも意見を求められる仕組みの構築を図った。
実験で得た知見はミチノテラス豊洲事業主である清水建設に共有され、次年度以降の音声ナビゲーションシス
テム実装計画に反映される予定である。

豊洲MiCHiの駅停留所周辺の経路やバリアを検証した

研究協力：㈱ヤマグチ 山口 純 （元ＳＩＴ総研 客員研究員）― 11 ―

TOPへ戻る2021年度
連携エリア［埼玉県、さいたま市］

ᵮᵰᵭᵨᵣᵡᵲ ᵐᵏᵎᵕ

「豊洲、大宮地区の車載センサを応用した交通安全対策活動」プロジェクト
代表者

伊東 敏夫【教授】（システム理工学部 機械制御システム学科）

構成員

長谷川浩志，飯塚浩二郎，渡邉大（システム理工学部 機械制御システム学科）／
廣瀬敏也（工学部 機械機能工学科）／■プロジェクトの概要
近年，ACC(Adaptive Cruise Control)やLKA(Lane Keeping Aid)などの機能を搭載した自家用車が公道を走るようになり，
2015年度ＣＯＣ全体イベントの形態（たたき台）
自動運転技術用のレーダが普及し始めている．しかし，インフラを利用した交通安全技術は開発途中で実装はされていない．そこでインフラに車載用レーダを設置し交通安全システムとして、歩行者保護システムを開発する．芝浦工業大学
大宮キャンパス付近は狭い道路が多く，交通量も多いため交差点での歩行者事故の発生が多い．そこで，交差点での歩行者事故を減らすためレーダを用いた歩行者保護システムを企業と連携し,光る横断歩道を提案する．

■教育改革研究活動助成（地域志向）活動の成果【教育】
近年，高齢化社会の到来によりドライバの高齢化などが進み，安全運転に対する意識の高まりから，多くの運転支援システムが生み出され注目を集めている．そのような先進運転支援システムの中でレーダシステムは多く利用され，急速に普及している．学生がこれらレ－ダシステムの動作原理から応用にいたるまで、知識と理解を深めることができた．また，対象デバイスの知識だ
けでなく，それを必要とする社会背景や提案システムに必要な状況を調査して社会ニーズを解析できるようになった．そして，これらの調査研究をチームメ
ンバーと協力企業との調整も行い活動することによって，コミュニケーション能力やチームマネジメント能力も向上した．
【研究】
自動車それぞれに安全対策するのではなく，車載レーダを交通インフラに設置し，社会全体が活用できるような歩行者保護システムの開発という視点で研究活動を推進した．従来の開発事例として，インフラと自動車の協調によりドライバへ車両周辺の危険要因を知らせ，交通事故の削減をはかるDriving
Safety Support Systems (DSSS)がある．DSSSはインフラ設置の監視カメラに
より通行車両を検知し，ドライバの認知・判断の遅れや誤りによる車々の交通事故を未然に防止することを目的とするシステムであるが普及には至っていない．そこで，本プロジェクトではインフラ側にレーダに応用するという視点から，歩行者とドライバへと注意喚起を行う光る横断歩道を提案した．

【先進運転支援システムの将来像】【既存のドライバへの情報提供DSSS】【社会貢献】
大宮地区において，狭路で交通量が多い地域で起こる歩行者事故の特徴を分析し，インフラから警告することで事故を軽減する光る横断歩道を提案した．これらは，より地域の交通安全に貢献するものである．大宮地区では事故特性の分析のため，交通事故発生状況マップからの事故発生場所の実地の調査を行った．調査で分かった，大宮地区での交差点では見づらい交差点が多く存在しており，他車両の認識に遅れ事故につながるといったことが考えられる．さらに関連企業等と直接意見交換する場を設け，交差点における事故対策が有効であることを確認し．今後も意見をいただくこととした．
【光る横断歩道】― 12 ―

TOPへ戻る主なトピックス■交差点右折事故の内部モデル分析結果■ 実験概要交通事故を外部要素からではなく，ドライバーや歩行者の内部要素から分析を行った．人の行動は認知・判断・操作の3要素から成り立っている．交差点下ではドライバーの視覚による歩行者認識や，歩行者の聴覚による音声付信号
機の音認識となる．ドライバーはハンドルを右に切るべきか左に切るべきかを判断し，歩行者は横断歩道を素早く渡るべ
きか，停止すべきか判断する．ドライバーではステアリング操
作やアクセル，ブレーキの踏み込みとなり，歩行者においては脚を動かし歩行を行うこととなる．交差点の右折事故の場
合は左折と大部分が一致するため，右折事故内部モデルは右折特有の事柄のみを記述する．

被験者の状態を計測するため脳血流計，アイマークレコー
ダを装着し，ハンドル・ペダル操作を計測するためハンドコント
ローラーを実験車両に搭載した．実車走行に近い環境で効果検証を行うため，左ハンドル車の助手席に疑似ハンドルと疑似ペダルを取り付け, 右ハンドルを模した擬似コックピットで被験者は操作を行った.実験協力者は本学学生8名で，夜間，大宮キャンパス５号館裏手のT字路で行った．

【実験車両の内装（左が運転席，右が助手席）】■ 実験結果【右折特有の事故内部モデル】

提案システム概要
提案するシステムはドライバへの認知補助と交差点全体の監視システムに分けられる．交差点に設置したセンサが交差点全体を監視し，歩行者や車両などの総合的な情報から
横断歩道を赤く点滅させるかを判断する．交差点に進入するドライバはライトの点滅情報から周辺に危険が迫っているかの認知を得ることができ，安全な走行が可能となる．
このシステムが有用であると考える根拠として，人間が持つ「注意の捕捉」という習性と，色によるアフォーダンスが挙げられる．ドライバが歩行者を発見してから停止するまでの行動において3ステップの内部モデルが形成される．従来の流れではまず「認知」としてドライバが歩行者を発見し，その結果“止まるべき”という「判断」を行い，ブレーキを踏むという「操作」に移していた．一方提案システムでは，赤という色を通じてドライバに対して本能的に危険を認識させることで，判断を経由せずにドライバに停止のための操作を起こさせることが期待できる．赤色に点滅するライトを「認知」して，直ちにブレーキの「操作」をさせる狙いである．

注意監視システム無では交差点突入後の脳血流は下降傾向にあるのに対して，注意喚起システム有の方では交差
点進入後，システムが作動することで酸素化ヘモグロビンの量が増えていることが分かった．これは，ドライバが注意喚起
システムから危険であると警告されたことによる集中度の向上によって起こり，注意喚起システム作動後にドライバの集
中度が上がったことが確認された．
提案システムによって交差点内でのアクセル量が0.9倍,
ブレーキ量が3.8倍となった. アクセル量が減り, ブレーキ量が増えたことにより, 被験者が交差点内を慎重に走行を行っていることが分かった. 特にブレーキ量が大幅に増加, 提案
システムの有用性を確認できた.
システム無

システム有

【システム有無の脳血流の差】― 13 ―

TOPへ戻る豊洲、大宮地区の車載センサを応用した交通安全対策活動
機械制御システム学科

伊東 敏夫

共同研究者
機械制御システム学科
長谷川 浩志１．まえがき２．研究計画

日本の交通事故件数は年々減少傾向にある．

交差点での事故を防止するために，インフ

これはシートベルトの義務化や，安全システ

ラ型の注意喚起システムを提案する．本シスムの導入などが要因だと考えられる．現在あテムは図 1 に示すようにドライバへの認知補る車両の安全システムとして，追突被害を軽助と交差点全体の監視システムに分けられる．

減または回避することを目的とした衝突被害

交差点に設置したセンサが交差点全体を監視

軽減ブレーキや，エンジンの出力を抑え，数し，歩行者や車両などの総合的な情報から横秒間急発進を抑制するペダル踏み間違い時加断歩道を赤く点滅させるかを判断する．交差速抑制装置などがある．しかし，それでもい点に進入するドライバはライトの点滅情報か

まだ事故件数は多いのが現状となっており，ら周辺に危険が迫っているかの認知を得るこ2019 年には約 38 万件の事故が発生している．

とができ，安全な走行が可能となる．

このような背景から交通事故を減らすシステ
ムの提案が必要であると考える．
事故発生状況を場所別にみると，交差点で発生した事故は約 13 万件であり，事故全体の43%を 占 め る ． 交 差 点 付 近 も 含 め る と 全 体 のFig.1 Model of the proposed system

56%にもおよぶ. また，死者・重傷者割合にお本システムはライト点滅によってドライバ

いても，交差点での死者・重傷者割合は高くの認知にアプローチする．運転時には認知情なっている．以上から本研究では交差点での

報 の う ち 視 覚 か ら の 情 報 が 90％ を 占 め る こ

交通事故を減らすことを目的とする．

とが報告されている．そこで，本システムでまた，既存の事故防止システムとして，様々な安全システムが開発されている．これらのは，人の認知特性の中でも視覚に関する特性を利用する．

多くは車載システムであるが，車載システムは認識できる範囲に限界があり，情報量や死角の多い交差点では十分な安全を確保することが難しい．さらに，すべての車両に安全システムを搭載することは困難である．これらの観点から，本研究では交差点におけるインフラ型の事故防止システムを提案する．

Fig.2 Monitoring System Configuration― 14 ―

TOPへ戻る図 2 に監視システムの構成を示す．監視シ

LiDAR を採用した．これらのセンサを用いてス テ ム に 使 用 す る セ ン サ は LiDAR(Light

製作したセンサシステムの外観を図 3，セン

Detection and Ranging)と赤外線カメラであサの仕様を表 1, 2 に示す．

る ． セ ン サ デ ー タ の 取 得 に は Raspberry pi

LiDARを使用し，取得されたデータはクラウドを経
由 し て サ ー バ ー PC に 送 ら れ る ． サ ー バ ー PC
は，受け取ったセンサデータを元に交差点全体が危険であるかどうかを判断する．判断しInfrared camera

た結果は再び Raspberry pi に送られ，判断結Fig.3 Sensor system

果を元に Arduino が横断歩道のライト点滅を

Table 1 Specification of infrared camera
Model number

制御する．

ELP-USBFHD05M
T-DL36-J

監視システムのセンサには LiDAR と赤外線カメラを採用した．交差点では接近してくる

Image sensor‎1 /3"CMOS V2710

物体の歩行者，自転車，車両といった種類や，

Resolution

1280*720

その位置で状況が大きく変わる．つまり，危Frame rate

30fps

険の判断をするためには物体の種類と位置のInfrared wavelength

850nm

情報が必要となる．

Infrared effective distance

25m

カメラはパターン認識を得意とし，物体の種類の判別に適している．一方，LiDAR やレーダーなどは高い距離精度を持ち，物体の位
置情報の取得に適している．これらより，一般的に物体の種類の判別にはカメラが使用され，物体の位置の取得には LiDAR やレーダーなどの測距センサが使用される．
本システムのセンサを検討する上で重要となるのが夜間での使用の可否である．時間帯
別の交通事故の死者・重傷者割合では，夜間における死者・重傷者割合が高くなっている．
このことから，夜間でのセンサ性能の高さが不可欠であるといえる．しかし，通常のカメラは夜間での使用が難しく，物体の種類の判別が困難である．そこで，物体の種類を判別するためのセンサとして，赤外線カメラを採用する．赤外線カメラは夜間でも撮影が可能であるため，物体の種類の判別も可能になると考えられる．また，LiDAR や RADAR などのアクティブセンサは昼夜を問わず使用することができるため，物体の位置の取得は可能である．
以上より，本システムには赤外線カメラとTable 2 Specification of LiDAR
Model number

RS-LiDAR-16

Light wavelength

905nm

Accuracy±2cm

Distance range

0.2m to 150m

Vertical angular range+15°～-15°

Horizontal angular range

360°

Scan speed

10Hz

製作した監視システムが実環境において動作することを確認するため次の予備実験を行った．実際の交差点において交通状況のデー
タ収集を行い，収集データに対して監視シス
テムが正常に動作することを確認するためである．
埼玉県さいたま市見沼区東大宮 5 丁目出戸
橋通り交差点において歩道側から交差点に向けてデータ取得を行った．この交差点では過去 4 年間に 8 件の負傷事故が発生している．
データの収集は昼間と夜間の 2 回行い，昼間は通常カメラモード，夜間は赤外線カメラモードを使用した．また，安全に配慮し，赤外
線ライトなどの車への照射は禁止，車道や歩― 15 ―

TOPへ戻る道などへ固定する必要のある設置物などを禁て使用した．今回の実験で使用した実験車両止としてデータ収集を行った．

では左ハンドル車の助手席に疑似ハンドルと予備実験により監視システムが実際の交差

疑似ペダルを取り付け，右ハンドルを模した点においても動作することを確認した．この擬似コックピットを搭載した．この車両は，実験により, 下記課題を発見することが出来

実際に運転するのは左側の運転手であるため，た．

助手席に乗車すると擬似的な運転を体験する・交差点では，多くの車両と歩行者が同時にことが出来る．

往来するため，交差点の対面側にいる歩行者
はその前を通る車両によって隠れてしまい，
検出できなくなる．
・車両のライトによって逆光が発生し，車両・
Fig.4 Nac eyemark recorder and Steering

歩行者ともに検出が困難となるシーンあり．

controller
３．計画の進行状況(logicool: LPRC-15000d)

交差点右左折時に歩行者との事故が起きる

提案システム全体の有用性を検証するため要因として，交差点進入時までサッケードがに，実車を用いた被験者実験を行っている．

頻繁に発生するのに対し，進入時はサッカー

実験協力者は普通自動車免許を所持しているドが減少してしまうことが問題として挙げら

本学学生 13 名である．本実験は提案システム

れる．サッカードとは安全確認時に伴う眼球の夜間での効果の検証を目的としていたため，運動のことであり，眼球の移動量が多いこと

実験時間は日没後とした．実験では，大学構は安全確認を多く行い走行していることを意

内に疑似交差点を製作し，右折時のドライバ

味する．そこで，実験車両に搭乗した被験者の生体情報と運転操作量を取得した．また，の眼球の運動量を計測し，交差点でのライト

本疑似交差点においても監視システムが動作の有無によって眼球の運動量が変化するかどすることは事前に確認を行った．実験は注意

うかの解析を行った．

喚起システムの有無で 2 回実施した．実験で被験者はアイマークレコーダーを装着し，は，疑似交差点を右折してもらい，システム

カメラで眼球の映像を取得する．映像は一度の有無でドライバにどのような違いが生じるに片目しか撮影できないため，本実験では右かを検証した．

目の撮影を行った．そして撮影された映像はなお，本実験は芝浦工業大学生命工学研究

図 5 のようになる．運動量を取得するため図

倫理審査委員会の承認を受けている．実験協5 のように瞳孔をトラッキングし，被験者の力者に対して事前に実験内容や個人情報保護

単位時間に対する運動量を算出した．交差点等に関する説明を行い，すべての実験協力者のライトが存在するときとしないときの単位から同意を得た上で実験を行った．

時間に対する運動量の比較を行った．評価す

図 4 にアイマークレコーダーとハンドコンる動画は実験車両の交差点進入時からライト

トローラを示す．実験ではこれらの機材を使が見えなくなるまでの区間で行っている．ま用して眼球運動の生体情報と運転操作量のデた，データ取得は 13 名に対して行ったが，ノータを取得した．

イズや撮影位置のズレなどの要因により解析

実車走行に近い環境でタスク効果検証を行を行ったのは 11 名となる．

う た め ,運 転 支 援 シ ス テ ム 研 究 室 で 製 作 し た

図 6 に一人の被験者の交差点内での眼球移

擬似自動運転体験車を今回の検証用に改良し動量を示す．注意喚起システムがないときで― 16 ―

TOPへ戻るは，目線は固定され右折時の大きな目線移動認された（図 9）．

Fig.5 Eye image and pupil detection
のみが目立つが，注意喚起システムがあるこ
Fig.8 Braking in intersection about one subjectとで常に周囲に目線を向けているのが分かる．
さらに，解析の行えた被験者 11 名の眼球移動量において t 検定をおこなったところ注意喚
起 の 有 無 で 5%水 準 で の 有 意 差 が 確 認 さ れ た（図 7）．

Fig.9 Amount of braking in intersection
眼球運動では，注意喚起システムによって眼球移動量が増加することが確認された．交差点にライトを用いることによって被験者の交差点
周辺の確認がより入念に行われ，安全に走行しFig.6 Eye movement example in intersection

たと言える．また，注意喚起システム有りの場
合は無 しの 場合 と比 べ てブレ ーキ 量が 増加 し た．
このことより，提案システムによって被験者が交差点内をより慎重に走行を行ったと言える．
注意喚起システムを使用しなかった場合にブレーキを踏まなかった被験者が，提案システムがあった場合にブレーキを踏んでいる例もあり，
提案システムによってドライバが交差点内でよFig.7 Eye movement with/without warning

り安全に走行することが示唆された．以上の結果から提案システムによって，ドライバがより

被験 者は 疑 似コ ック ピ ット で運 転 操作 を行 っ 安全な走行を行う傾向が見られた．したがって，た． 注意 喚起 シス テム によ って より 安全 に運 転 提案システムによって交差点での交通事故防止を行 った かど うか をブ レー キ量 から 確認 する ． が期待される．
ブレ ーキ 量の 解析 には , 交差 点内 での 各数 値 の積分値を用いた．図 8 に一人の被験者の交差点 ４．今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状況
内で のブ レー キ量 を示 す． 被験 者は ，注 意喚 起

今後の予定としては，被験者数の増加や，脳シス テム があ ると きは ，な いと きと 比較 し， ブ 波や脳血流などの他の生体情報を行う．また，
レー キを 多く 踏ん でい るの がわ かる ．ま た， 被 より実 環境 に近 い環 境 での実 験を 検討 中で あ る．
験者 13 名のブレーキ量において t 検定を行った 学会発表予定としては，自動車技術会 2022 年度
ところ注意喚起の有無で 5%水準での有意差が確 学術講演会春季大会で発表予定である．

― 17 ―

TOPへ戻る2021年度
連携エリア［埼玉県川口市、栃木県那須町］

ᵮᵰᵭᵨᵣᵡᵲ ᵐᵏᵎᵒ「ᵡᶍᶌᶌᶃᶁᶒᶃᶂᴾᵬᵟᵱᵳの実現に向けたサービス・モビリティ
創生」プロジェクト
代表者

長谷川浩志 （システム理工学部 機械制御システム学科）

構成員

渡邉大 （システム理工学部 機械制御システム学科）／田中みなみ （システム理工学部 機械制御システム学科）／後藤裕介 （システム理工学部 電子情報システム学科）／市川学 （システム理工学部 環境システム学科）／村上嘉代子 （大学院 システム理工学専攻）■プロジェクトの概要
地域課題：Connected NASUの構想実現に向けた取り組みを，地域と連携して学部総合研究とプロジェクト演習（システム工学特別演習，システム工学演習C，クロスイノベーションプロジェクト，CIP）で実施した．また，CIPの拡大版，CIPeXを那須町とキングモンクット工科大学トンブリー校をつなげ，ハッカソン&アイデアソンをサイバーフィジカルPBLとして実施した．さらに，
実学指向のアントレプレナー教育を本学OBと連携してシステム工学特論で実施した．
地域課題の解決を地域企業，自治体，協議会と一緒になって進めた結果，「芝浦工業大学と那須町で観光活性化の協定を締結する」に至った．産官学の課題に対するアイデアをかたちにすること
で，社会に積極的に参加し，自己の生活とキャリアの両輪をうまく回し，社会
価値創造のために率先して前進できる能力（アントレプレナーシップ）を育成できたと考える．

■教育改革研究活動助成（地域志向）活動の成果

メタバース環境下でのサイバーフィジカルPBL空間【教育】
システム工学特別演習，同演習C，CIP，CIPeX，CEP@FCT/UNL，創生設計，同演習，総合研究にてConnected NASUに関連する様々なプロジェクトを総合的に実施．創生設計では，魅力的なキックスケータを企画，総合研究では，マイクロモビリティRinGoの2次試作を地域と協働で実施．CIPeXにて，モビリティ
サービスを那須町関係者に披露．システム工学特論では，起業家，コンサル
ティング分野のOBと連携して，「共感：構想を熱く語る」といったアントレプレナー
シップのコンピテンシーをマインドチェンジのステップとして実施．PBLにアントレ
創生設計，同演習での新たな組合せによるキックスクータ
プレナーシップ教育を組合わせた新教育プログラムを試行できた．
CIP: Cross-Innovation Project, CEP: Cross-cultural Engineering Project【研究】
ラストマイルの移動手段であるマイクロモビリティ，RinGoを川口市の中小企業と連携し2次試作．那須町関係者に公開．また，このRinGoのビジネスモデ
ル（コスト積算含む）を産学連携ビジネスコンペティション2021を通じて実施．
MaaSベースのサービス実装のために，オンデマンドバス運行経路シミュレー
タ，RinGoのためのMaaSアプリケーションのプロトタイプを，Mapboxを利用して作成．また，ワンウェイ型カーシェアリングのダイナミックプライシングの可視化，
自動運転車を利用したカーシェアリングについても研究を実施した．これらの研究を統合することで，Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ NASUのステークホルダーに対する便益配分シミュレータを産学官連携で構築可能になると考える．
【社会貢献】
那須町と連携して実施してきた活動の成果として，芝浦工業大学と那須町間で観光活性化の協定を締結した（2021.7.8）．
この協定締結では，課題解決型教育を活用した課題抽出とその解決，研究・社会実装のための産学官連携，知的創造の担い手となる人材育成・活用，未来の職業人材育成のための
STEAM教育などを連携していくことになった．
研究活動助成のプロジェクト，Connected NASUとRinGoの成果物をCIPeXで公開した（ホテルサンバレー那須，2021.12.16）．
また，ＣＩＰeXで実施したハッカソン＆アイデアソンの発表会は，
下野新聞（2022.1.5）で取り上げられた．那須町開催の第4回
プレゼンフェスティバルin那須（2022.2.5）でDXを発表した．
― 18 ―

Connected NASU & RinGoを製作，那須町関係者に披露

実学志向のアントレプレナー教育

TOPへ戻る主なトピックス■Connected NASU & RinGo■ オンデマンドバス運行経路シミュレータ⚫ オンデマンドバス，幹線バス（公共交通機関），ラストマイルを担当するRinGoを，シームレスに接続⚫ ポートレスで普及が簡単．観光地，那須に溶け込み易い⚫ 持ち運びによりオンデマンドバス，他の公共交通機関とのハイブリッドが実現．オンデマンドバス内でのレンタル可．
⚫ 必要なときに，必要な場所からラストマイルの横方向移動がらくらく．
⚫ 充電で飲食店と連携することで，周辺の観光施設にも利益を配分⚫ 公共サービススマート化，
スマートタウンへ

Connected NASUを構築するシステムであるMaaS研究の取り組み．デジタル地図作成ツール(Mapbox)で可視化．シ
ステムのアプリケーション化．那須町の関係者，被験者でも目に見える形でシステムの妥当性を確認できるように環境構築．オンデマンドバス運行経路シミュレータでは，出発地，目的地，需要地をシミュレータ上で操作し，乗り継ぎにおける
走行距離，待ち時間短縮の最適化結果をマップ上に表示．
これにより，利用者視点からの運行見積が可能になる．

オンデマンドバス4台の運行経路：予約数19カ所，ダイユー那須高原
店，那須町湯本支所，ザ・ビック那須店，那須ハイランドパーク，那須
湯本温泉菅間記念病院などへ移動．

Conncted NASUアプリで提携先を検索．提携旅館やホテルでRinGoをレンタ
ル．折り畳んで観光．お昼の次いでに充電．充電先でポイントGet．オンデマン
ドバスに乗って今日の宿泊先のグランピング施設へ．周辺のコンビニで返却

産学連携ビジネスコンペティション2021で，マイクロモビリ
ティRinGoを利用したMaaSのビジネスモデルを提案．那須町の横方向の移動手段を増やすことを目的とした観光地周遊型のラストワンマイルモビリティ．那須町内での観光施設，
RinGoを充電する観光施設，出発地，目的地などの要素を想定し，最適な経路で案内するモデルとなっている．2D，
3Dマップに対応することで，現在位置や返却場所をより分かり易く可視化．既存の公共交通機関への導線も目に見える形で表現，つながりやすく，利用しやすくなっている．
MaaS: Mobility as a Service■ マイクロモビリティ RinGo
ポートに依存しない輪行可能なキックスケータの開発として，電動アシスト付き折りたたみキックスケータRinGoの設計，実機製作を行った．2次試作では，リュックに収納できる大きさまで折りたたむことができ，ノータパソコン２台分の重量まで軽量化を実現．輪行に適したキックスケータとなった．また，構造体のたわみ，耐久性の妥当性確認．小型化による不安定性の改善（ハンドル部等）が必要．那須町関係者による試乗を通じて，利用者視点からのフィードバックを受けた．これらを反映し，那須町内での実証実験を目指す．

Connected NASUシステムでのRinGo利用イメージ．ホテルサンバレー
那須から旅館清水屋へ．RinGoを利用，返却可能台数5台― 19 ―

バッテリー搭載．ステアリングを外側へ．駆動輪として後輪にインホイールモーターを搭載．軽量化・車体強化のため，構成部品及び節の削減

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2021年度
連携エリア［墨田区、上尾市、さいたま市、岡山県、滋賀県、宮城県、福島県など］「地域志向活動型アクティブ・ラーニングのカリキュラム
マネジメントとᵱᵢᵥᶑ達成に向けての地域課題解決策の実践」プロジェクト
代表者

増田幸宏【教授】（システム理工学部 環境システム学科）

構成員

中口毅博 作山康 鈴木俊治 石川裕次 市川学 磐田朋子 小山友介 澤田英行 真保晶子 袖野玲子
田口博之 中村仁 松下希和 山嵜一也 Yasmin Bhattacharya（システム理工学部 環境システム学科）／
君島真仁（システム理工学部 機械制御システム学科）■プロジェクトの概要
これまで環境システム学科で取り組んできた以下4つのCOCプロジェクトの成果を踏まえ、学科カリキュラムにおける「地域志2015年度ＣＯＣ全体イベントの形態（たたき台）
向活動型アクティブ・ラーニング」の確立と、全教員の参画と地域関係者の協力のもと、学科の総力を挙げて「国連と学科
独自のSDGs達成に向けての地域課題解決策の実践」に取り組むものである。
１)社会人基礎力向上を目指す地域志向活動型アクティブ・ラーニングのカリキュラムマネジメントと教育アセスメント（代表：澤田英行） ２)公民学連携による高齢化社会対応まちづくり研究-サテライトラボ上尾の全世代型サードプレイスと地域教育研究拠点（代表：作山康） ３)学生主体のSDGs協働プロジェクトによる地域課題の解決策の実践（代表：中口毅博）
４)気候変動と地震災害に適応したレジリエントな地域環境システム（代表：増田幸宏）■教育改革研究活動助成（地域志向）活動の成果【教育】 環境システム学科は、ディプロマ・ポリシーとして国連の掲げるSDGsの達成を2017年の段階で明記し、カリキュラムの大幅改訂を行った。カリキュラ
ム・ポリシーにおいては、学科独自のSDGs（S：サービスラーニング、D:デザイン
思考、G：グリーンインフラエンジニアリング、s:システム思考）を定義し、SDGsの達成を核とした教育方針を掲げて教育研究と学生活動の基盤を整備してきた。
本事業は正課教育や課外活動における学生主体の多様な地域貢献活動と国連SDGsの達成活動を実施し、その効果を社会人基礎力や社会貢献度によって評価・測定することで、新しい教育プログラム構築を目指すものである。特に、自治体、地域住民、事業者と連携したアクティブ・ラーニングを積極的に推進する。また、学生の大学院進学の動機付けとなるエンゲージメント向上への取組みも図るものである。
【研究】 墨田区では学官連携拠点施設である「すみだテクノプラザ」、上尾市
ではまちづくり拠点「サテライトラボ上尾」を積極的に活用して地域連携の研究活動を展開した。両拠点では地域課題に対応する実証的な研究と実践的な教育の実施を積み重ねてきており、地域との深い関係性が構築されている。その基盤をさらに発展させ、地域と連携してサービスラーニングを体現することを目指している。2017年以来、学科として特色ある問題解決型PBLやアクティブラーニ
ングを実践してきたが、これを「協働実践型」「複数課題同時解決型」「地域横断型」へと進化させる。また、「1年：体験→2年：主体的参加→3年：提案・実践→4年：総合研究・実証→大学院」の段階的サイクルを確立することを目指しており、本事業では特徴ある段階的研究活動の範例を示すことを目的としている。
地域課題を解決し、生活者の視点に立った地域環境システムを構築するプロセスは学術的にも先導的な取り組みである。
【社会貢献】 高度な専門性と学生の行動力を活かすことのできる地元の大学が地域の発展のために果たす役割は大きい。特に地域特性に応じた課題や活用可能な資源を丁寧に評価し、地域の関係者と共有することが重要である。地
域協働プロジェクトは、その活動成果が地域や自治体に採用され、社会に役立つことを多くの学生が実感できる貴重な機会でもある。今年度は、学生が研究成果を基に、東大宮地域の関係者や自治体の市長等とも独自のネットワークで交流を拡げ、自発的に意見交換の機会を持つなど、社会のニーズに実際に応え具体の課題解決に繋がる学生主体の充実した成果をあげることができた。また「環境システム応用演習A/B（3年）」においては、現地のSDGs達成にどの程度貢献したかを、ヒアリング調査や外部ゲストの講評を通じて明らかにしている。
― 20 ―

各地域の関係者の方々を交え、学科全教員が参加しての環境システム応用演習A/Bの最終発表会の様子（ハイブリッド形式での開催）
災害時の公衆衛生の向上

低炭素化
スマートシティの実現

エネルギー供給の安定化

エネルギー需給ギャップの平準化

地域の低炭素・
脱炭素化

ごみの
焼却処理

地域産業の発展
地域経済の活性化

環境啓発スペースの市民への開放

緊急時対応
システム

災害用
井戸設備

外観デザイン

体験工房・
修理工房

地域景観との調和

武蔵野クリーンセンターの取組・それによる成果

武蔵野クリーンセンターが地域にもたらす価値

環境関連情報の浸透
環境意識の向上

環境への関心創出
見学者通路・
ホール

学習・活動
スペース

地域教育の
充実

交流の場の
創出
多様な環境体験
プログラムの実施
多世代の学びの場の創出

啓発展示・
体験型設備
屋上空間

蒸気量の安定確保
売電量のピークカット

地域景観の
向上

防災拠点の
支援

コージェネレーション
設備

焼却処理
設備

熱供給
設備

近隣公共施設への熱・電力供給避難所機能を持つ公共施設への熱・電力供給武蔵野クリーンセンターが有する資源
環境啓発施設蒸気タービン
発電機

*+*
排出抑制

公共サービスの
充実

蓄電池
システム
%(06・
&(06

エネルギーの
地産地消

平常時の公衆衛生の確保

災害に強い安全・
安心なくらしの実現

災害時における
安定したごみの
焼却処理
エネルギー地産地消
プロジェクトの実施

旧施設のリノベーション

歴史の継承

住民団体への屋上空間の開放

地域コミュニティの活性化

地域の文化的・
歴史的価値の向上

地域住民・企業等の活動機会の拡大

SDGs達成の視点を盛り込んだ、地域への多面的価値創出に向けたごみ焼却施設の計画プロセスに関する実証的調査研究の事例

アーバンデザインセンターの協力の下、コロナ
禍で重要性が高まっている屋外空間の熱中症リスクに関する課題解決型調査研究を実施

TOPへ戻る主なトピックス■SDGsスタディツアーとボランティア活動■環境システム応用演習A/B

1年生対象の「環境フィールド体験」、2年生対象「環境フィールド実習」の両授業において、岡山県西粟倉村や宮城県気仙沼市・南三陸町や福島県浪江町・田村市といった農山村や東日本大震災の被災地を訪問し、SDGs達成や震災復興の活動現場や遺構を見学・取材したり、ボランティア
活動を行った。また、静岡県三島市においては、グランドワーク三島による水辺再生現場を見学するとともに、河畔林の維持管理のための竹林伐採活動を行った。

「環境システム応用演習A/B（3年）」は本キャンパスがある
さいたま市内2地区、さいたま市以外の県内3地区、東京都
内1地区、それ以外の首都圏3地区、計9地区を対象として9チームを編成して実施した。本演習では各地域において現地調査や関係者ヒアリングを実施のうえ、建築・都市・環境の視点から地域課題を解決する提案作成を行った。中間及び最終発表には各地区の関係者に出席いただき（オンライン）意見交換するなど、地域志向活動型アクティブ・ラーニ
ングを実践するものとなっている。また履修学生へのアン
ケートを授業前・後に実施し、目標の達成度、および現地のSDGs達成にどの程度貢献できたかを把握した。

宮城県震災復興ツアー
牡蠣養殖見学(気仙沼市)

福島原発周辺ツアー
原子力災害伝承館見学

宮城県震災復興ツアー
ぶどう畑の草引き(南三陸町)

建築設計、プランニング、環境シス 環境システム学科の全教員が参加
テムの各専門分野に分かれた分野 し、各専門分野の非常勤講師の先融合型協働によるグループワークを 生方と共に、ハイブリッド形式にて各
ハイブリッド形式で行い、地域関係者 グループへのエスキスと地域密着への提案について議論を行っている 型問題解決に関する指導を行っている様子
様子

静岡県三島市 水辺再生の現地見学(源兵衛川）■「サテライトラボ上尾」を拠点とした活動■ 「すみだテクノプラザ」を拠点とした活動

コロナ化の影響で約2年 間休止してい た 実
証実験を再開し、2021年10月から12月にかけて、原市カ
フェや電動アシスト三輪車等によるシェアサ
イクルなど、「サテライトラボ上尾」を拠点とした地域課題解決に関 健康増進と買い物不便地域におけるバスのする研究と実践を、地 代替モビリティとしての電動アシスト自転車の域住民、行政、UR な シェアサイクル可能性調査
どと連携して実施した。

「すみだテクノプラザ」を拠点として、地域福祉や産業活性化と連携した防災まちづくり（地震火災、水害対策）などに関する研究と実践を、地域住民、事業者、福祉系・建築系専門家、墨田区防災まちづくり課、防災課、UR都市機構などと連携して実施した。研究面では、墨田区北部地域を対象として大規模市街地火災に対する避難場所の安全性と新規指定可能性の検討を行い、学生の修士論文として成果をまとめた。実践面では、コロナ禍による制約があったが、墨田区鳩の街通り商店街沿道地区の防災まちづくりの検討、学生プロジェクトと連携した地域活動、UR都市再生機構との新たな地域連携活動の検討、などを実施した。

学生が新た に 提案した小図書館の可能性や男性高齢者をターゲットとした麻雀カフェなど、その可能性のアンケートやヒアリングなどに多くの参加者が協力して総合研究として
コロナ禍によってサードプレイスの重要性が都市まとめた。
再認識された。

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墨田区北部地域における大規
模市街地火災に対する避難場所（候補）の安全性の検討

曳舟駅周辺エリアは、大規模市街地火災発生時の新たな避難場所の候補となり得る

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2021年度
連携エリア［東京都江東区・中央区・港区、福島県南会津町など］「内部河川・運河の活用とコミュニティ強化」
プロジェクト代表者

志村秀明【教授】（建築学部 建築学科）

構成員

郷田修身、原田真宏、篠崎道彦、桑田仁、佐藤宏亮、前田英寿（建築学部 建築学科）／岩倉成志（工学部
土木工学科）／松日楽信人（工学部 機械機能工学科）■プロジェクトの概要
東京湾岸地域の地域課題である河川や運河の活用やコミュニティ強化をテーマとして、学生が市民やNPO、民間事業者、
2015年度ＣＯＣ全体イベントの形態（たたき台）
自治体と協働しながら、課題発見から解決方法の提示まで行い、教育効果を高め、先進的な研究を促進し、更に社会貢献まで同時に実現しようとするものである。
各学科の基礎的な講義科目から、発展的な演習科目、更にゼミナール科目や卒業研究までを相互に関係させつつ連続的に展開させることで、教育・研究・社会貢献の質を段階的に高めようとしている。単なる教育や研究に終わらず、実際のまちづくりを向上させること、また国際的な交流を推進することで、教育・研究・社会貢献の新しい展開も狙っている。

■教育改革研究活動助成（地域志向）活動の成果【教育】
学生は、講義科目で地域課題を理解し、PBLの形式をとるゼミナールや演習で地域課題の解決に取り組んでいる。建築学科では、「都市地域計画」や「地域設計論」で地域課題を理解し、「プロジェクトゼミ」や「空間地域デザイン
演習」で地域課題の解決に取り組んだ。また大学院では、「まちづくり特論」「都市計画総論」「Urban and Community Design」で地域課題の理解と解決に取り組んだ。
特に「プロジェクトゼミ」では、月島の歴史的街区と再開発街区の違いを実地調査と分析により可視化して明らかにした。また「空間地域デザイン演習」では、地区住民を対象として成果発表を行った。
【研究】アクション・リサーチの手法に基づき、中央区月島では「月島長屋学校」を拠点として、インターネットによるまちづくり情報発信に関する研究、江東区ではパークマネジメントに関する研究や歩行者が中心となる街路空間計画手法に関する研究、子どもの来訪に着目した商店街の再生に関する研究に取り組んだ。
卒業研究では、東京湾岸地域に関する研究が４本あり、修士研究では中央区に関する研究が１本あった。日本建築学会大会で、東京湾岸地域に関する研究が３本発表され、国際会議Pacific Rim Community Design Networkで、
東京湾岸地域に関する研究が１本が発表された。
【社会貢献】
中央区月島では、学部４年生が地域雑誌「佃・月島」の表紙イラストを描いた。またその地域雑誌で、「プロジェクトゼミ」の成果を発表し、得られた知見を社会に還元した。卒業研究「インターネットによるまちづくり情報発信の相互連携に関する研究」では、「月島長屋学校ウェブサイト」や「佃島・月島百景ウェ
ブサイト」などをハイパーリンクで繋ぎ、それぞれの情報発信力を高める社会実験を行った。
福島県南会津町舘岩地区では、２年ぶりにたのせ集落の住民と交流会を行い、ウィズコロナにおける集落再生の取り組みについて意見交換を行い、また舘岩総合支所振興課と、地域再生の方法について意見交換を行った。
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プロジェクトゼミの成果は、月島長屋学校で、地区住民に対して発表した。

空間地域デザイン演習では、10名以上の住民にインタビュー調査を行った。

南会津町たのせ集落では、集会所で住民との意見交換会を開催した。

TOPへ戻る主なトピックス
プロジェクトゼミ 脱・近代都市を構想するin月島
建築学科３年生「プロジェクトゼミ」では、「脱・近代都市を構想する」をテーマとして、再開発が進みタワーマンションが林立しつつある一方で、戦前の歴史的な市街地が残る月島を対象として調査・分析を行った。脱・近代都市を持続可能な都市と捉え、①人口・人口密度、②建物状況、③建物
ファサード、④植栽量と植種、⑤交通量、⑥歩行者状況の６点から調査し、２番街の再開発街区と３番街の既存街区（歴史的な街区）を比較して分析した。

左： ①人口・人口密度
月島は、世界的大都市のニューヨーク主要地区よりも人口密度が高い。

上：④植栽量と植種 植栽量（面積）は既存街区の方が大きい。植種も、住民がそれぞれ育てているので、既存街区の方が圧倒的に多い。

下：③建物ファサード
同じ系列店を比較した。ファサードに使用されている素材は全く異なり、個性的なのは既存
街区の店舗である。

下：⑥歩行者状況 ３番街（既存街区）の歩行者は、店舗に立ち寄りながら移動する。魚屋や酒屋には、のぞき込んだり、店主と話すなどして購入するとは限らない。そのため、歩行者の平均通過時間は、３番街の方が20秒長かった。

空間地域デザイン演習 地域資源を活用するコミュニティ・デザインin佃島
建築学科３年生「空間地域デザイン演習」では、歴史的な街並みとコミュニティが残る佃島を対象として、地域資源に関する調査と分析をもとにして、未来に向けたコミュニティ・
デザインを提案した。
調査・分析の結果から、佃島の魅力を「佃図鑑」としてまとめ、それをもとにして、「かけわたす 〜過去から未来へ〜」を提案した。
右：提案の全体像 佃島の魅力を地物との人々だけではなく、周辺住民にまで発信できるような４つのプロジェクトを提案した。これによって、昔から住んでいる
人々も、移り住んだ人々も、佃島に誇りをもって過ごすようになることを狙っている。
下：空き家や空き地を活用した２つのプロジェクト。左側が「おすそわけ食堂」で、土日などはレンタルキッチンになる。右側が「100年ながいきプロジェクト」で、高齢者の居場所になる。運営は町会が認定する運営委員会によることを想定している。

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2021年度
連携エリア［静岡県静岡市清水区、千葉県柏市、埼玉県さいたま市浦和美園］「芝浦アーバンデザイン・スクール２- 地域まちづくり組織への実装 -」プロジェクト
代表者

前田英寿【教授】（建築学部 建築学科）

構成員■プロジェクトの概要
このプロジェクトは、年度から大学&2&事業の一環で行った「芝浦アーバンデザイン・スクール」を、実2015年度ＣＯＣ全体イベントの形態（たたき台）
際のまちづくり組織に実装し、地域が抱える課題に取り組みながら、建築都市計画の教育、研究、社会貢献の量質を高めることを目的とする。芝浦アーバンデザイン・スクールは学びを通して建築、都市、地域の未来を探ることを理念に掲げ、行政、市民、企業、海外と関わりながら、①教育：地域の建築物や都市空間を題材とする建築都市計画演習、②研究：地域の課題に応じるゼミナール、③社会貢献：地域行事等における情報発信、以上を融合的に実施してきた。この教育・研究・社会貢献のパッケージを、まちづくりの現場で用いて身につけるのが、このプロジェクトのねらいであり、年度はその年目である。

■教育改革研究活動助成（地域志向）活動の成果
３つの連携エリアで上記概要の①教育、②研究、③社会貢献を行った。

清水港（静岡県静岡市清水区）
プロジェクト代表者とその研究室学生が「清水みなとまちづくり公民連携協議会」に参加した。 KWWSVVKLPL]XSRUWFLW\MS【教育】①地域の建築物や都市空間を題材とする建築都市計画演習：建築学科年名が都市デザインの基本理論を用いて東京都内または近県の地域を分析し、同じ手法を清水港のフィールドワークに用いた（※１）。
【社会貢献】③地域行事等における情報発信：プロジェクト代表者が清水港のみなとまちづくりについて講演した。前田英寿「清水の未来ひら
清水港の現地調査
くみなとまち」年月日第回静岡まちみがきセミナー※１ 学会発表：前田英寿「大学建築学科都市デザイン分野卒業設計における理論書と事例集の活用」日本建築学会年度大会学術発表会
柏駅中心市街地（千葉県柏市）
プロジェクト代表者とその研究室学生が「柏アーバンデザインセン
ター」に参加した。 KWWSVZZZXGFMS
【研究】②地域の課題に応じるゼミナール：修士年名が「都市デザイン研究特別演習」の一環として、柏駅中心市街地を題材に「パブリックライフとパブリックスペースの観察的計画」を行った。
【社会貢献】③地域行事等における情報発信：プロジェクト代表者が柏アーバンデザインセンターと協力し、前記の研究成果を同センター策定『柏セントラル・パブリックライフガイド』に盛り込んだ。

柏アーバンデザインセンターの訪問浦和美園（埼玉県さいたま市）
プロジェクト代表者とその研究室学生が「アーバンデザインセンター
みその」に参加した。KWWSVZZZPLVRQRWPRUJXGFPL
【教育】①地域の建築物や都市空間を題材とする建築都市計画演習：修士年名が「都市デザイン研究特別演習」の一環として、アーバンデ
ザインセンターみそのから出題された都市デザインスタジオ「美園スタジアムタウンビジョンを実現する保留地活用計画」を行った。
浦和美園スタジアムタウンの現地調査― 24 ―

TOPへ戻る主なトピックス■ 静岡県清水港のフィールドワーク「ひらく みなとまち１０の視点」
建築学科都市デザイン研究室年名が、清水みなと
まちづくりグランドデザイン（年月清水みなと
まちづくり公民連携協議会）「ひらくみなとまち１０の視点」に即して清水港（静岡県静岡市）を分析した。
①清水みなとまちづくりグランドデザインのパネルを
清水みなとまちテラス（静岡市清水区）に展示した。
②予備調査（４〜５月）東京都または近県を題材に都市デザインの理論書を用いて地域分析を行った。
③現地調査（１０月１１日）清水港及び周辺を訪れ、貸し自転車と水上バスで調査した。
④図上分析（１０月１２日〜２９日）現地調査の結果
を都市デザインの理論書を参照してシートにまとめた。
⑤プロジェクト代表者を通じて、分析結果を清水みなとまちづくり公民連携協議会に書面と口頭で報告した。
清水みなとまちテラスにおける展示→

分析シート（視点１海洋経済）分析シート（視点３海洋研究）■柏駅中心市街地と浦和美園スタジアムタウンを題材とした都市デザイン研究特別演習
建築学専攻都市デザイン研究室修士年名が「都市デザイン研究特別演習１」の中で、アーバンデザインセンターと交流し、柏駅中心市街地（千葉県柏市）と浦和美園スタジアムタウン（埼玉県さいたま市）を研究した。

柏駅中心市街地パブリックライフ・パブリックスペースの観察的計画 美園スタジアムタウンビジョンを実現する保留地活用計画― 25 ―

TOPへ戻る2021年度
連携エリア［江東区、墨田区、川崎市など］

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「東京臨海地域における安心安全健康のまちづくり」
プロジェクト代表者

佐藤宏亮【教授】（建築学部 建築学科）

構成員

村上公哉（建築学部 建築学科）／秋元孝之（建築学部 建築学科）／清水郁朗（建築学部 建築学科）／桑田仁（建築学部 建築学科）■プロジェクトの概要
江東区、墨田区、川崎市などを含む東京臨海地域は土地利用の転換が進み、インフラの整備や新産業の拠点形成などが2015年度ＣＯＣ全体イベントの形態（たたき台）
進められている。海外からのビジネスマンや観光客の増加も見込まれ、多様性に富む地域となりつつある。しかし、新しい都市づくりが進められる一方で、高密度居住に起因する災害時のLCP（Life continuity planning）の確保、子供の安全な遊び
場環境の創出、高齢者が安心して外出できる環境の充実、多様な主体によるコミュニティ形成など、新都市ならではの課題が山積している。本プロジェクトは、地域の防災力や災害対応能力の育成、安心して暮らすことのできる生活環境のマネ
ジメントの方法などを検討し、地域と大学とが協力しながら安心安全健康のまちづくりを推進していくことを目的としている。

■FDSD（地域志向）活動の成果【教育】
本プロジェクトには都市計画や建築計画を専攻している学部学生、大学院学生が参加している。東京臨海地域は災害対応や安心して住まい続けることのできる環境づくりなど、最先端の都市計画や建築計画が進められている地域であり、生きた学びの環境を提供してくれる。
本年度は、墨田区の木造密集市街地を対象とした防災まちづくりの提案、江東区臨海部の新産業拠点形成にともなう土地利用更新の提案など、現代都市が抱える重要な課題をテーマに研究、教育に取り組んだ。著しく変化する
都市の変化や戦略的な都市計画など最先端のまちづくりに触れながら、都市
防災や多文化共生への取り組みなど多様な側面から都市を眺める視座を養うことができた。

京島地区の都市分析【研究】
健康のまちづくりを進めていくために、豊洲地区を対象として、ランニングや
ウォーキンぐなどの健康につながるアクティビティ調査を実施した。運動を行なっている人へのヒアリング調査によりデータを収集し、豊洲地区で行われている運動に関わる行動を把握した。そして、より快適に運動を行えるような都
市空間の整備や改善方法について提案につなげた。また、快適な都市空間という視点から、豊洲地区において人々が滞在する空間の環境分析を実施した。五感をテーマとして、人々の五感を刺激する都市空間が備える要素を抽出し、アクティビティとの関係について分析を行った。
江東区職員よりレクチュアを受ける【社会貢献】
豊洲地区における防災対策の課題を共有するために、豊洲２・３丁目まちづく
り協議会と連携して、防災をテーマとした小冊子『まちつかいTOYOSU』を発行した。冊子は豊洲２・３丁目まちづくり協議会のホームページ上で広く公開しているほか、地域のイベント等の際に無料で配布していく予定である。また、この冊子を活用して、大学の生涯学習講座を開講し、地域の方々への情報発信を行った。１００名を超える聴講があり、豊洲地区の防災まちづくりに向けた社
会貢献につながった。また、豊洲の防災上の課題に対応したエリアマネジメン
トの具体化を目標に、オフィスビルの管理者の相互の連絡体制の構築と、災害時の連携体制について継続して検討を行なっている。
豊洲地区の環境分析― 26 ―

TOPへ戻る主なトピックス■防災をテーマにした小冊子の発行■ 健康促進に関わるアクティビティ調査

豊洲地区は比較的災害に対しては強いと考えられていいるが、タワーマンションが並ぶことによる避難生活上の課題や、帰宅困難者の発生など拠点的市街地ならではの課題も存在する。周囲には災害に対して脆弱な江東デルタ地帯が広がっており、災害時の避難者の受け入れなども検討しておく必要がある。
このような豊洲地区の防災に関する情報について、研究成果をもとにした冊子『まちつかいTOYOSU』を発行した。広く地域の方々やオフィスワーカーに情報を発信していくとともに豊洲地区の防災上の課題を共有し、エリア防災の取り組みにつなげていく予定である。

豊洲地区を含む東京臨海地域はオリンピック関連施設をはじめ、体育館やスタジアムなどの施設が充実し、健康のまちづくりを進めていくことが期待されている。本研究では、このよ
うな充実した施設を活用するのみならず、日常的な運動を支える都市空間をテーマとして、人々の運動などのアクティ
ビティ調査を実施した。
ウォーキングやランニングなどのアクティビティをヒアリング調
査をもとに把握し、豊洲地区の運動に資する空間や、連続性が失われているなど課題のある場所を把握し、提案につなげた。

防災まちづくり冊子の編集と発行

豊洲地区でのアクティビティ調査■ 木造密集市街地の集合住宅の提案■ 土地利用転換にともなう都市更新提案

学部３年生の授業として、江東デルタ地区に位置する墨田区の木造密集市街地を対象に、災害に強いまちづくりや建築計画の提案を行った。木造密集市街地は地震時には家屋の倒壊や火災の発生により被害が拡大する可能性があり、地震に強い建物への更新が求められる一方で、昔ながらの街並みやコミュニティが残るため、開発と保全のバランスのとれたまちづくりが必要になっている。この授業では、フィールド
ワークを通して密集市街地の都市分析を行うとともに、防災
まちづくりの体制づくりや空間づくりについても検討を行いながら、災害に強い集合住宅の設計提案を行なった。

江東区臨海部は、海の森や新木場などの広大なエリアが広がり、物流施設や木材産業などの拠点となっている。しかし、産業構造の転換による土地利用の変化への対応や、オリン
ピック競技施設の活用など、将来に向けたまちづくりの検討が進められている。
本研究では、新しい土地利用として新産業拠点の形成に着目し、海外における先端産業拠点としの都市デザイン事例の分析、産業転換に伴う都市更新の方法の検討などを行った。また、外国人居住者の増加、新しいライフスタイルの形
成などを念頭におき、多様な人々が共生する都市デザインの提案をとりまとめた。

木造密集市街地に建つ集合住宅の提案

東京臨海部の土地更新の分析― 27 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１

金属加工経験の乏しい学生へコンピュータ支援型加工方法を教授した際の教育効果評価
  機械機能工学科  青木 孝史朗  
１．はじめに

２．２０２１年度の実施内容

 今日的なものづくりは，' プリンタの様な

２－１ 実践方針と対象となる学生達の状況

も の を 除 け ば ， 設 計 時 に &RPSXWHU $LGHG

実践の対象とした科目は創成ゼミナール２'UDZLQJ&$' を，製造をコンピュータ制御さ（ 年生対象，4 開講（ コマ×6 週）必修科

れた 1XPHULFDO&RQWURO1& 装置により実施目）である。この科目は， 人程度の専任教するのが一般的である。故に &$' データを 1&員が担当しており，学生は事前に決められた装置用の製造データに変換する仕組みを理解

教員の元で教員ごとに異なった内容を受講すすることは，工作機械によるものづくりを理ることになっている。

解するのと同義である。

当初予定していた，CAD→&RPSXWHU$LGHG

機械機能工学科では  年及び  年時に汎用

Manufacturing; CAM→ 1& 工作機械という一工作機械を用いたものづくり教育を実践して連の工程が諸事情により実施できなくなった

いたが，ものづくりセンターの運営方針変更ため，履修者を  つのグループに分け，以下や授業数削減化のため，これらの実習は行わのように実施内容を変更した。

れなくなった。しかし，ものを設計し具現化

100×100 ㎜ の 平 面 を 持 つ ア ル ミ ニ ウ ム ブ

するには加工の知識・経験は必要であり，技ロックを共通課題の供試材とし，外周  辺を術者教育として欠く事はできない。

 ㎜切り込み，80×80 ㎜の表面に深さ PP 金属加工経験の乏しい機械系学生のみならの任意形状をマシニングセンタ；0& で製作すず，設計したものを造りたいと望む全ての学る。その形状に合わせて黄銅の部品を  ㎜厚

生を対象に，比較的安全に運用できるコンピの板材からワイヤ放電加工機；:('0 で切り

ュータ支援を用いた金属加工法を教授し，ど出して， つの部品を嵌め合わせる，と云うの程度の習熟が可能かと云う情報を把握してものである。

おくことは，ものづくり教育の具体的な教授 種類の 1& 工作機械を利用して * コード

法や課題の設定などを考えるうえで重要な知（1& 用の加工プログラム）を見比べることが見となる。また将来的に学内にてファブラボ

できる，:('0 に &$0 が内蔵されているのでを開設した場合に，利用希望者へどの程度の別途 &$0 ソフトウエアの説明を丁寧にする必予備知識を教授すればよいかと云う判断を行要がない，色の異なるアルミニウムと黄銅とう際にも有益な知見となる。本研究の目的は云う２つの金属から自身の設計した部品同士

上述した内容の情報を収集し，現状に即したを嵌め合わせると云うパズルに似た感覚を学教授方法を考案することを目的としている。

生達にイメージさせることができる。以上の

メリットを想定して，上記の実施内容とした。

― 28 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
アルミニウムブロックの外周を削る際，

自身が最初に作成した * コードの解説，グル

つの角は  つが直角， つが面取り， つが円ープで採用した図面と実際の製作物に対する弧となる様にした。この外周加工までの工程

詳細な考察を行ったレポートを提出させた。

は， グループ全てで共通とし，* コードも提２－３ 教育効果などの測定方法

供することで，具体的な切削工程を理解してもらうヒントとした。

成績評価はグループ評価と個人評価に分けた。グループ評価は  つの部品の嵌合状態や今回担当したのは  名であった。これら学
生達の加工関係の受講履歴としては，， 年

最終レポートの考察内容，個人評価はレポー
トの内容とした。

生で設計や加工に関する講義およびドラフタ

授業における教育効果は上記の評価とは別ーを用いた製図（&$' は教えていない）であに，第  回目の最初と第  回の最後に同一設り，前述の様に加工実習など実際にものを製

問のテスト（ 点満点）を記名式で実施し，作する科目はなく，ほとんどの学生が趣味や受講前後での得点状況で測定した。各問には，サークル活動での ',< 経験程度である。

用語の理解，* コードへの理解，システムと&$' については，知っている人が  名，他しての理解，1& 機械の具体的な機能，と云っは知らない学生もいると云う状況で，グルーた項目を確認する意味を持たせた。このテス

プ決めを行う際は，この  人は同一のグルートの結果は成績評価には組み込んでおらず，

プにならない様に分けた。

このことは学生達にも周知している。設問は２－２ 具体的な実施方法

以下の通りである。

 回の授業を以下の構成とした。

問  >配点  点@「&$'」，「&$0」，「&$(」，「1&・第  回（講義）：&$'&$0 システムおよび 1&

工作機械」についてそれぞれ説明してくださ

工作機械との連携の説明と班分け。

い。
（どのようなものであり，役割は何である・第  回（実習）：100×100 ㎜のアルミニウか等）

ムブロック表面へ作製する模様のデザインお問  >配点  点@設問１で示した４つの用語

よび形状に応じた * コードの作成，1&9LHZHU

を用いてものづくりの基本的な流れを説明し（* コードによる加工シミュレーションソフてください。
（ 図やフローチャートを使用してトウエア）を用いた形状確認，各グループ内もよい）

で実際に加工する形状（ つ）の選択。

問  >配点  点@製造データ（* コード）で・第  回（実習）：（スタッフによる * コード

知っているコードや指令をできるだけ書いての確認・修正後）アルミニウムブロックへ 0&ください。
（ 例 *：インクリメンタル指示，による深さ  ㎜のフライス加工（粗加工のみ）

0 主軸停止など）

・第  回（実習）：ブロック平面上に作製した

問  > 配 点  点 ］ も の づ く り の 現 場 に形状の寸法測定と当初図面との差異確認およ&$'&$01& 工 作 機 械 シ ス テ ム を 導 入 す る こび :('0 用の図面作成。

とのメリットを挙げてください。

・第  回（実習）：:('0 の実演と作製物同士

問  >配点  点@1& 加工を想定し，&$'&$0の嵌め合い確認。

でモデリングを行う際，どのようなことに気・第  回（学生による成果発表）：自身のグルを付けなければならないか挙げてください。

ープの作製物に対する図面・実寸法・Ｇコー

問  >配点  点@1& 工作機械である「ワイヤドの対応関係に関する考察のプレゼンテーシ

放電加工機」と「マシニングセンタ」は，そョンおよび教員による講評。

れぞれどのようなものを製作する際に用いる

プレゼンテーション終了から  週間後に，べきか説明してください。 どんな材料をどの― 29 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
ような形状に加工するのか等 

す形状を選択した。各グループに &$' を扱え

２－４ 授業評価アンケート

る人を配したが， つのグループが &$' を使

また第  回の授業後に授業評価アンケートを実施した。質問項目は以下の通りである。

える人が描いた対象を採用した。0& 加工までは大きな問題は生じなかった。

①講義についてお聞きします。講義に参加し0& 加工終了後，:('0 用の図面を修正させて全体的に満足していますか。

る際，黄銅板から同一形状をダイモード（空②講義に使用したテキストは理解しやすかっ

いた穴に寸法を合わせる）
・パンチモード（抜たですか。

いた部品に寸法を合わせる）で切り出したサ③講義に使用したテキストは必要十分な内容

ンプルを提示し，工具オフセットや公差の考でしたか。

え方を説明したが，よく理解してもらえなか④講義で学んだことはものづくりの理解に役った様で，0& 加工後の状態を正確に測らずに立ちますか。

('0 用の座標を誤った値で指定してくるグル⑤本ゼミは楽しかったですか。

ープが多数いた。加工可能な程度に修正する⑥講師についてお聞きします。講師の説明は作業には時間を要したが，丁度第  回目終了

理解しやすかったですか。

後に冬期休業となり，時間的猶予はあった。

⑦講師は適切な時間管理の下，効果的に講義

結局，0&・:('0 双方で作成した部品が嵌を運営していましたか。

ったのは３グループに留まった。最終的な学⑧講師は受講者の求めに適切な対応をしてい生達の製作物の写真を図  に示す。

ましたか。



⑨グループワークについてお聞きします。班

の分け方に問題はありませんでしたか。



⑩班に課せられた内容の量は適当でしたか。



⑪班活動は概ね全員が協力して活動できたと

言えますか。



⑫加工学や創成設計など，今までの授業内容

を本ゼミで生かすことができましたか。

⑬（問  で回答したものに対して）そう思っ

た理由を教えてください。



①～⑫番までは，そう思う・ややそう思う・

図  学生達が設計・製作した製品の外観

あまりそう思わない・そう思わない，の  択とし，良い評価から ・・・ 点として数値

３－２ テスト結果による客観的な教育効果化した。⑬番のみ自由記述とした。

の測定



２－３で示したテストの  人平均点は以３．実施結果

下の様になった。

３－１ 授業実施の状況

授 業 開 始 時 ：      

 つのグループにおいて，実際に製作する     合計 。正答率

対象物に関しては， グループはアルファベは          

ットの組み合わせやピクトグラムなど比較的 。

単純形状の溝を掘る対象を選択した。 つの

授 業 終 了 時 ：      グループのみ対象を浮かせ，周りを削り落と     合計 。正答率― 30 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
は          

の開講科目で加工らしいことを殆ど行ってこ 。

なかった事を鑑みれば当然の結果と言えよう。

正答率の差は      

⑫は質問の意図を間違えて自己評価を書い     。全ての設問で上てしまう学生が何人かいた。
「 考察がうまくい

昇し，総合点は値として倍になった。

かなかった」「 つの部品が嵌らなかった」と設問間のばらつきは以下の様に考えられる。
専門用語の理解については， 問  ある程度云う理由で低い点を付けており，これが平均点で低い値として現れた。

聞いたことはあるが， 問  それぞれがどの⑬で回答されたコメントの一部を示す。コ様に連携しているのかは知らなかった。* コ

メントからは今回の授業計画の意図は達成でードについては， 問  これまでに学んだこきたことが伺える。

とがなかった。1& 等の加工システムについて

・&$' の使い方，分かりやすいプレゼン，自は， 問  便利と云う事は薄々分かっていたら課題を設定してグループで話し合い解決すが， 問  システムを使いこなすためにはるサイクル，を学べたから。

様々な知識や工夫が必要であることまでには・ワイヤ放電加工の特徴や利点は加工学で学考えが及んでいなかった。実際の 1& 工作機械んでいたため。実物を初めて見た時に理解しについては， 問  自身が直接触って操作しやすかったため。

ている訳ではないので，理解が深まらなかっ・加工学や創成設計で &$' を学べていたら生たと考えられる。

かせたと思う。

これらの結果から，&$' がある程度使える・&$' をもう少し深く学ぶことができていた状況を前提として &$0 と連携させ，自身で作ら，この授業をもっと発展的にできたのでは成した * コードを使って 1& を稼働させると，ないかと思った。

より理解度が上がると推測される。当初予定

 不満に感じた箇所が改善点となるが，テスしていた，&$'&$0＋1& 工作機械の一連の流ト結果により想定した内容とほぼ同じである

れを教授した場合と比較すると興味深い結果

ことが分かった。

が得られるであろう。

４．おわりに（今年度の総括と来年度の展望）

装置の操作に関して言えば，今回使用した

金属加工経験の乏しい学生へ簡単な

0& や :('0 においては操作方法の講習だけで&$'&$0 の解説・* コードによる 1& 加工など

数時間を要するので，授業中に行うのは現実を教授し，どの程度の教育効果が得られるの的ではない。今回の授業に組み込むと云うよか調査した。

り，別の時間（授業）枠を用意する方が現実

実際にものに触れる経験は教育効果に有効的な対応かと考えられる。

であることを確認した。一方で事前に &$' 等

３－３ アンケート結果による学生の主観的の知識があれば，同じ時間内でももう少し高感想

度な内容が可能であり，装置などへの理解もアンケートを集計し結果を換算すると，以深まったであろう。

下 の 通 り と な っ た 。 ①  ②3.5, ③3.7,

来年度は，当初予定していた &$'&$0＋1&④4.0,⑤3.7,⑥3.9,⑦3.9,⑧3.9,⑨3.8,

工作機械の一連の流れを教授して，今年度得⑩3.9,⑪3.9,⑫3.1。

られた結果と比較し，どの様な内容であれば，⑫以外は  以上を示し，学生たちにとっ学生のレベルに応じて効率よくものづくり教ては満足度の高い内容であったことが伺える。

育が可能なのか，更に検討を続けたいと考え の満点であった④は，これまでの本学科

ている。



― 31 ―

TOPへ戻る「グローバルサイエンス＆エンジニアリングカフェ」
および「グローバルオープンセミナー」の開催
  工学部先進国際課程  山本文子  
共同研究者
工学部先進国際課程 ,*3） イザベラジェズニチカ、ミリアラムラリダ、パオロメレ、
マルコ フロンジ、ディタサリー、ニコデムスラディニアン
工学部機械工学科 石井康之
お茶の水女子大学サイエンス＆エデュケーションセンター  大崎章弘
１．はじめに

員とその研究室の学部生大学院生 の運用とす

グローバルな視点をもった研究紹介や異分るが、学内の興味ある人は誰でも企画に参加

野間交流事業として学内及び学外向けに、「グできるとする。このような縦横斜めの学内横

ローバルサイエンス＆エンジニアリングカフ

断はまさに教育改革研究活動の一環であり、ェ（以下、*6( カフェ）」を実施する。この *6(

さらに留学生や外国人教員 に参加してもらう

カフェを通して、学内の学生や教員が広い視ことでグローバル教育を推進する。特に、表野と興味が持てる様な環境を整える。学部生

現の方法や受け取り方には国や文化によりから大学院生に加え教員から職員までを対象様々であるので、なるべく先入観を持たず、とし、その専門にかかわらず最先端の科学技

いろいろな形式や手法に挑戦してみたい。*6(術や長年継承されてきた技術を専門家（教員

カフェが軌道に乗れば、女性限定や地域向けや院生）が直接、わかりやすく生き生きと伝へサイエンスカフェへと発展できる可能性もえることで、幅広い学習のモチベーショ ンを広がり、将来のリカレント教育への足がかり得る機会を提供する。 また、本学の入学希望ともなる。

者にも研究の魅力を伝える。今回、レクチャ
ーやセミナーと言った形式ではなく、サイエ
２．研究計画

ンスカフェといった双方向コミュニケーショ

本事業 *6( カフェはまずは３年続ける予定

ンの手法を用いることでより理解度や満足度

で企画を進めている。 年度は、初年度との高い事業を目指す。

なるため、事業のテーマ設定、ニーズ、集客、 年度ならびに  年度は、国際理工運営なども含めて、事前調査や予行演習を行学専攻の教員（ 年度は工学部先進国際課

った。当初は、前期１回、後期２回の計３回行

程 ,*3 に異動）を中心として、大学院共通科

いたいと考えていたが、実際は大宮ならびに目「科学コニュニケーション学」の講師であ豊洲のオープンキャンパス、日本科学未来館

るお茶の水大学の大崎先生（サイエンスコミを借りての実施などを７月、８月に計６回行ュニケーターとしての経験豊富）とも共同でった。日本人、外国人教員、日本人学生留学生

企画運営した。主としては、科学コニュニケなど予想より多くの履修者、協力者があり、ーション学の履修学生 と国際理工学専攻の教科学コミュニケーション学を学ぶ学生にもふ― 32 ―

TOPへ戻る「らくらくかがく」のおしゃべりかい

さわしい内容となった。
２年目は初年度の経験を参考に 改善、同様のサイエンスカフェを拡充させていく予定だった。しかしながら、 コロナ感染症予防の影
響で人が直接対話する形でのサイエンスカフ
ェを実施することができなくなってしまった。
これを、逆に、オンラインによるサイエンス
コミニュケーション方法の開発の好機ととらえ、 年はオンライン形式で実施した。
年度についても、感染状況や大学の方針を鑑
み、オンラインを利用したサイエンスカフェ、
これに加え、 年度に実施し、大変評判の良かったグローバル オープンセミナーを計画した。

１班 ４名でテーマごとにルームを作った。
◇A ルーム「今後の生活を支える技術展」自動車をオーダーメイド？ 橋の骨折・健康診
断？橋などのインフラから、自動車などの身近なものまで！みなさんの生活を支えている
モノづくり技術をご紹介します◇B ルーム「ダルい」普段の生活の上で皆さんはどんな不便を感じていますか？ このルームではそれぞれの分野での「面倒なことを楽にする」ための研究をご紹介します。
◇C ルーム「カジュアルサイエンス」さまざ

まな分野の科学者が集う %$5多国籍なメン

３．計画の進行状況
本年度は、=RRP を用いたオンライン *6( カフェを  回実施した。これに加え、インドネ

バーが自分の研究をわかりやすく説明してくれます。

シアの進学高校２校とオンラインで結び、グ◇D ルーム「将来役立つサイエンス見本市」

ロバルオープンセミナーを実施した。

将来役立つ研究を一挙にご紹介します。ここ*6( カフェ＠=RRP

では、現在最前線でやってる研究内容をわかグロ ー バル オ ー プン レ クチ ャ ーオ ン ラ イ

りやすくお伝えするグループとなっていま

ン＠=RRP大宮からライブ 

す。

 以下にそれぞれの詳細を報告する◇E ルーム「人事必見 6'*V 貢献技術フェ*6( カフェ＠=RRP

ア」私達は、今話題の 6'*ｓに貢献する技(1)場所：=RRP、ブレイクルーム機能使用

術に日々挑戦しています。ここでは、それら

各自、大学または自宅からアクセスの技術に関する話を分かり易く紹介していま(2)実施者：山本、大崎、大学院共通科目科学す。

コミュニケーション学履修生  名 ブラジ
院生が自分の研究内容を参加者に伝える。たル、中国、韓国の留学生６名含む (3)対象者： 受講生１８名、受講生以外 名（履修生の家族、友人、知人、学内の院生 受講生１８名、受講生以外  名（履
修生の家族、友人、知人、学内の院生他、アン(4) プログラム：
第1 回 サイエンスカフェ 「6FLHQF(DV\」

第２回サイエンスカフェ

属性を持つ人に対して一方的に伝えるのではなく、一般の人（一定の対象を設定）に理解し他、アンケート回答  名）

ケート回答  名）

だし、学会発表のように 専門的な内容を同じてもらって、質問や議論など双方向のコミュ
ニケーションが持てることを目指した。
工夫したところ：班内にファシリテータを置き場を盛り上げ、発表者を盛り立てる役割を果たすようした。また、6FRPE を通じて全学的にも広報した。

― 33 ―

TOPへ戻る
苦労したところ：オンラインで顔が見えないため、対象者：インドネシアスラバヤの進学校高校話がどの程度理解されているかを判断できな

２校（理系クラス生徒  名、高校教員（校長い。そのため質問を引き出しにくかった。

含む） 名実施の様子：

内容：山本が「圧力と温度：物質の三態」、「 様々な高圧氷」、「天然と人工のダイヤモンド」の 
つのテーマでオンライン講義を行った。各講
義の後には、山本研究室の学生によるライブ
実験や演習が行われた。その後、生徒は  つのグループ（$～(）に分かれ、ポイントを決めてグループディスカッションを行い、その後全体で発表した。



また、大学のキャンパスやテクノプラザの紹介をライブで行った。さらに、学生の研究

紹介や ,*3 のインドネシアからの留学生によ
図１科学コミュニケーション学の履修学生 
図１グローバルサイエンスカフェの様子
によるオンライン*6( カフェの様子

る本学への入学と日本での学生生活の紹介があった。約４時間の一日プログラムであった。

工夫したところ：海外対象の講座であったため、参加者には、外国人（留学生の母国の家族や高校の先生方との事前打ち合わ せを行った。

友人）や発表者の家族や知人、本学学生など

ライブ実験で、もしもうまくいかなかった時

多様な人が集うサイエンスカフェとなった。

に備えて、リハーサルを行った際のビデオを

外部参加者の感想：

撮影するなどバックアップ教材を準備した。

愛着心の例で「ヘッドホン」を使用しておまた、受講者には現地校長と本学山本の連名

り、理解しやすく、自分の場合に置き換えてでリアルな受講修了証を印刷、捺印し、国際考えることができた。知識のない私であって郵便で送るなど実感を持てるように工夫した。

も、理解しやすい表現で説明していた点が良かった。

I was impressed by his ability to talkabout his research in a way that is easy
to understand. I'm not particularly familiar
with membrane technology, but
understood everything he explained about
the subject.
 グローバルオープンセミナーオンライン
＠=RRP大宮からライブ （英語実施）
場所：大宮キャンパス先端工学研究機構棟

    号室（時差２時間）

図２グローバルオンラインセミナーチラシ

実施者：教員４名山本、石井、ディタ、マルコ、院生学部生  名（山本研、イザベラ研）


苦労したところ：ブレイクアウトルームの議論で― 34 ―

TOPへ戻る

go to study abroad. The experiment was
なるべく皆に発言してもらうのが難しかった。 amazing and i like the lesson very much.
i can study more in this event and i love
実施の様子：図３参照
how the connection between japan and
今回、ディタ先生と博士学生のアンナさん
indonesia. i hope i can join at the sameの出身校の生徒対象ということもあり、先方
event like this! thank you Shibura
Institute of Technology, Japanが非常に協力的で雰囲気が良かった。 また、は、積極的な生徒とそうでない生徒がおり、すべて英語で行ったものの、インドネシアからの教員や留学生（博士課程） 名がチューター役に入ってくれたので、参加者も安心して取り組めたようだった。

（２） This program is so interesting. The
explanation of every experiment gave me a lotof new informations. And also the experiments
are great because i've never seen before. This
program also made me speak English, so my
English improved now.


４．まとめと今後の計画 年度も、コロナ禍により、オンライン
中心のグローバルサイエンスカフェであったが、これにより、オンラインでのサイエンス
カフェのノウハウが昨年に増して習得できた 。
オンライン特にオープンセミナーは、 準備に大変時間はかかるが、直接大学に来てもらう
ことのできない国内海外の多く人たちに、本学やその研究内容を知ってもらうことができる、ということがわかったことは大きな収穫であった。
当初計画した以下の *6( カフェの教育効果

図３グローバルオンラインセミナー実



施の様子

実施者の感想：生徒のレベルは、物理に関する知識、英語力（聴講、議論とも）ともに高く、何より好奇心旺盛で積極的に学ぶ姿勢が印象 は十分に達成できた。  は一部

は達成できたが、十分でないところもあるので引き続き活動していきたい。
（１）実施する学生の企画力、コミュニケーション能力の向上、（２）教員のコミュニケーション能力指導
力の向上、（３）参加者が最先端科学技術を知的だった。

ることによる学習意欲の向上、（４）普段研究

内容に踏み込む機会の少ない職員への意識付

参加者の感想：
事後アンケートでは ％が非常に面白かった、
が面白かったと答え、また、がまた同け、（５）学内外の教員の異分野交流が始まる
きっかけ作り
来年度以降、*6( カフェとグローバルセミ

様のプログラムに参加したい、ということで満足度は非常に高かった。以下は感想である。

ナーで得た経験を生かして、この発展形として、リカレント教育を目指して、一般市民に（１）this is one of my favorite event in mylife and also this event makes me want to

向けたサイエンスカフェを企画していきた。
を継続していきたい。

― 35 ―

TOPへ戻る

ＰＢＬにおける学生の学びの促進・プロセス可視化・アセスメントのためのＥｄＴｅｃｈシステムの開発
電子情報システム学科  間野 一則

共同研究者
機械制御システム学科  長谷川 浩志
電子工学科       村上 嘉代子情報工学科       中島 毅
１．はじめに

少ない．本研究では，3%/ 遂行中の各学生の行本研究では， 年度からの大学院の国際動（音声・映像等）データを取得し，学びの促

3%/，及び，～ 年度に実施した地域

進，プロセスの可視化システムを開発し，行

&2& を対象とする 3%/ 授業の経験を踏まえて，動と従来のアセスメントとの関連性，さらに 年度より 3%/ 活動そのものの高度化を目

は，行動分析から学生へのフィードバックを指した (G7HFK 技術に 目標を定めて研究 を進行う (G7HFK システムの開発をめざす．

めている．本研究の概要は以下のとおり．

対象となる授業

２．研究計画

大学院システム理工学専攻システム工学特実施計画

別演習 必修学部システム工学演習 & 選択

本研究の全体計画としては， 対象授業にお合同），同専攻クロスイノベーション ・プロ

ける学生自身のデータをもとに，以下の機能

ジェクト &,3 選択  同専攻クロスカルチをもつ，(G7HFK システムの設計・開発・評価ャー・エンジニアリングプロジェクト &(3選を行う．

択大宮グローバル 3%/ を含む），電子情報シ

 3%/ に お け る 各 学 生 の 行 動 デ ー タ の 取 得

ステム学科テクニカルセミナー 選択 ，総合

（音声を主として映像情報の利用も考慮）

研究 ,・,,．

 行動データに対して，属性を付与した非構目的

造化データベースの構築

3%/ 教育は，学生主体の学びであり，各人の・話者ダイアライゼーション（いつ，だれが，専門知識をもとに，社会における問題の発見

どのように活動 発声 しているか）．

と課題解決のための科学的リテラシー，プロ・クラウド上でのデータ ベース化，行動記述

ジェクト遂行・リーダシップ等の総合的能力（アノテーション）．

の育成が期待されている．しかしながら，各

 3%/ 時のリアルタイム活動予測

人のプロジェクトへの貢献度，プロジェクト

 3%/ 時の活動から，事前・事後，成果物，促進については，これまで，事前・事後の振返

352* スコアの予測（可能性の検討）

りと成果物の評価，352* テストが主であり，

 (G7HFK システムに よる学生へのフィ ード

実際のプロジェクト活動中のデータの反映は

バック技術（プロジェクトの学びの促進技術）．

― 36 ―

TOPへ戻る学科・学部・専攻等の )'・6' 活動との関データベース化を実施した．

連，教育改革への貢献3%/ 参加者の活動の可視化 (G7HFK 関連技術は，$,,R7データサイエ

3%/ 活動のオントロジーによる記述を試み

ンスに関連しており，システム理工学専攻，

た．構築すべきオントロジーとしては，次の 

電子情報システム学科の専門技術でもある．

種類を考慮している．

一方 3%/ では，個々の多様な専門技術の知識 3%/ 活動の様子を表現するオントロジー：

をもった学生らが 3%/ を実施することにより，3%/ 自体の定義，あるいは，3%/ に共通する概問題を発見し，課題解決を図る科学リテラシ

念を定義したもの．例えば，3%/ を構成する，

ーの向上が期待される．

人間，ロール（参加者の役割・担当：生徒，先)'・6' 活動として，3%/ の指導法やアセス

生，），場所・日付，成果物・レポート，評価，

メントについては，今後もその有効性の検証，

発表といった行動表現がある． また，ディス

新たな 3%/ 活動手法，3%/ における学生へのカッション表現として，誰が・いつ・誰に・発

リアルタイムのフィードバックなど，高度化言したか，及び，発話時間・発話回数といったによる貢献が期待されている．とくに，リア

情報の記述．さらに，聴取者に関しては相槌セックの 352* スコア との関連性を明らかに

情報の記述も含める．

できないか，注目している．

 ディスカッションの内容（話題）を表現す

教育において期待される効果

るオントロジー：議論対象の内容そのものを「学生が何を学んだか」には，学んだ知識

記述するための語彙体系．例えば， 防災シスと，それを活用するための科学的リテラ シー

テムとか，95 による実験システムといった開＆コンピテンシー（課題を設定し，解決して発システムの内容，具体的な名称・用語等．

いく能力）の２つがある．前者は，試験や成果

我々は，構築したオントロジーを用いて，物でその教育効果を評価できるが，後者は，3%/ 活動へのアノテーション付与し，その 3%/

評価が難しい．この研究では，3%/ 中の学生のオントロジー系列による活動の分析を提案し行動データから，3%/ の事前・事後の振返り，ている．3%/ オントロジー系列全体，あるい

成果物評価，352* スコアとの関係を予測し，は，注目すべきオントロジーによる部分的な学修を支援する (G7HFK システムの提案をめ

オントロジー系列を抽出することに よるプロ

ざす．また，3%/ 活動のリアルタイムでのフィ

ジェクト活動の可視化を試みた．図  に，発ードバック，3%/ 活動と成果物との関係の定

言者の発言内容，聴取者の相槌情報を含めた量的な関係づけができるとよい．

オントロジー系列の例を示す．


３．計画の進行状況
  年度は，以下のシステム提案・研究を実施した．
 音声（映像を含む）データのデータベース
化，95 ツールの利用： &29,' によるオンライン化・ハイブリッド化の推進もあり， シ
ステム工学特別演習をはじめとして，3%/ の機会において 95 ツール（]RRP も含む）を利用


図 ．相槌可視化を示すオントロジー系列

して収集した音声記録データベースに， (/$1

これにより，誰が誰に何を話しているのかを（アノテーションツール） による行動記述の明確に記述できる．

― 37 ―

TOPへ戻る
また，今年度は，可視化に関して，従来の人

図  に参加者（聴取者）の注視時間と注視回間によるディスカッションのグラフィックレ数を示す．参加者 ( は，発言回数も多く，他

コーディング表現に対応するものとして， 行者からの注視回数も多く，その発言が他のメ

動のテキスト情報を あらかじめ準備した ピク

ンバーにも興味を持って もらえたと考えられトグラムの対応付けによる画像出力手法を検る．一方，話者 & は，発言回数では  番目で討した．図  にピクトグラムによる可視化のあったが，注視回数は  番目であり，発言の例を示す．

内容については必ずしも他のメンバーに受け

活動テキスト

内容の
ピクトグラム

状況の
ピクトグラム

入れられていないといえる のではないだろう
か．







図 ．ピクトグラムによる可視化
今後，3%/ オントロジー系列やピクトグラ
ムによるグラフィックレコーディング技術の図 (/$1 による映像音声アノテーション

自動化が進めば，会議の内容を グラフィック

でわかりやすく可視化が可能になり，ディス
カッションがより活発になることが期待できる．
 映像と音声による 3%/ 行動の可視化
これまで，3%/ ディスカッションでの発言
音声に注目して，参加者の活動に注目してきた．しかしながら，ディスカッションにおいては，発言者と聴取者がおり，音声の記録で図  参加者（発言者）の発言時間，

は，聴取者の行動がわかりにくい．
そこで，音声とともに，各人の頭部に小型

発言回数，相槌の回数

ビデオカメラを取り付けて，発話者と聴取者

の両者の活動データを取得した．このデータにより，発話者の発言と，聴取者の視線情報を組み合わせることで，単に発話量の大小ではなく，聞き手側の反応も合わせて活動評価することが可能となり，より詳細な 3%/ 活動の評価ができることが期待できる>@．
図  に，映像・音声データの (/$1 によるア
ノテーション付与の例を示す．また，3%/ 参加者 $～) の各人の行動として，図  に参加者

図  参加者（聴取者）の注視時間と（発言者）の発言時間・発言回数・相槌回数，

注視回数



― 38 ―

TOPへ戻る 3%/ のアイデア出し支援のための合意形

ションの開始，アイデアの発言の飽和といっ成支援

た状態の管理を考えている．

従来の 3%/ の運営において，活動手順を形式化し，必要事項の確認や精緻化を促すこと

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

で，合意形成の効率化が期待できる．そこで， 年度は，これまでの技術の評価，よりグループメンバーにシステムからの誘導によ

上位レベルでのデータ処理技術を構築する．

る議論を行い，その発言内容をシステムに入  スマートホンを複数利用した，3%/ 音声

力することで，議論の可視化，円滑な合意形

画像）のマルチストリームデータのクラウド成を支援するシステムを提案した．このシス集約，ダイアライゼーションの効率化・リア

テムの表示画面を図  に示す．'MDQJR によりルタイム化．

プロトタイプ実装し， ユーザーの入力内容デ  3%/ オントロジー付与の 半 自動化と音ータを 64/LWH データベースに保存する．グル

声及び 3%/ オントロジー系列列情報から，よープメンバーは進捗状況に合わせ，ステップり上位レベルの対話の意図（意味）推定法 のを画面上部のナビゲーションバーから選択し，検討．

表示されたページの表に議論した内容を入力

  3%/ 活動予測のモデル化によるリアルタ

していく．この手順を繰り返して，議論を「精イムフィードバックの可能性や，対話の進行

緻化」し，より効率的なアイデア発想・合意形

からチームとしての活動の可視化，すなわち，成ができる．

協同学修という点に注目した評価の検討．
 3%/ 活動と，3%/ 評価（スコア，コンピテンシー）との対応関係の仮説提案．3%/ オント
ロジー系列による学生の時々刻々の行動特性
を コ ン ピ テ ン シ ー の 細 か い 出 現 ＝ マ イ ク ロ
プロダクトとして捉え，その累積を $, 学習によるプロジェクトの評価や学生の行動評価，


支援する技術の検討など．

図 合意形成支援システムの画面

学会，論文等投稿・発表状況>@間野，松本”音声と映像による 3%/ メン

3%/ リアルタイム活動予測・振返り支援

バーの行動可視化”日本工学教育協会・年次

 3%/ ディスカッションの各時点でのアイデ大会講演（ 年度発表予定）．

ア創出，発言について，リアルタイムでデー>@ . 0DWVXKLVD < 0X 0 ,QRXH 7

タ処理をする活動予測・振返り支援について

Yokemura, K. Mano,” 'LVFXVVLRQ YLVXDO

も検討している．現在，クラウドシステムを

L]DWLRQ DQG UHIOHFWLRQ V\VWHP WR IDFLO

利用して以下のシステム構築した>@．

LWDWH WHDPbased learning,”Proc. SEFI グループでの発言音声の抽出 WK DQQXDO FRQIHUHQFH SS

 音声の同時テ キスト 化（ VSHHFKWRWH[W）



 発言分析 .+FRGHU$QDO\]HU 
謝辞：本研究に関連して間野研究室の修士研
究・総合研究の一部として実験協力をいただ
いた，ムエイ，豊岡カイト，高根沢玲伽，松本光太郎，岩佐直樹各氏に感謝する．

 分析結果の可視化（9LVXDOL]HU）
 3%/ 活動状況のレビューメンバーへのフィードバック 今後発言分析により 3%/ 活動のディスカッ

以上― 39 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１

学修者の学びを担保する
カリキュラムマネジメント体制の構築
教育イノベーション推進センター
共同研究者
システム理工学部電子情報システム学科
工学部機械工学科
教育イノベーション推進センター
工学部機械機能工学科
システム理工学部生命科学科
建築学部
豊洲学事部
大宮学事部・学生課
情報システム課
豊洲学事部大学企画課
豊洲学事部学生課
大宮学事部
教育イノベーション推進センター事務課

榊原 暢久

渡部 英二
角田 和巳
相原 総一郎
山本 創太
奥田 宏志
恒安 眞佐
久保 ひとみ
荻田 忠伸
星野 励
小倉 佑介
茂木 亜貴子鈴木 洋
星 由華・山本 郷子・逸見信子を担保するカリキュラムマネジメント実現の１．はじめに本学・教育イノベーション推進センターでため、入学年度ごとに、これまで開発・実施してきた新任教職員研修
プログラムや理工学教育共同利用拠点プログ（１） 学修・教育到達目標の設定

ラムは、教員個人の授業改善における PDCA

（２） 目 標 達 成 の た め の 合 理 的 な 教 育 課
程の編成

サイクルの実質化や、研究・管理運営にまで
FD を広くとらえた支援という意図をもった（３） 目 標 達 成 を 可 視 化 す る た め の 主 要

ミクロレベルの FD プログラムが主であった科目の設定（図 1 参照）。一方、中教審・教学マネジメ（４） 主 要 科 目 に お け る 学 修 成 果 の 特 定

ント指針（図 2 参照）にある教学マネジメンと可視化（５） 可 視 化 さ れ た 情 報 を ふ ま え て の 検トを支える基盤としての「三つの方針を通じ討と改善

た学修目標の具体化」「授業科目・教育課程の編成・実施」「学修成果・教育成果の把握・可視化」が定常的かつ適切に実施されるためにを各学科等が継続的に実施することが必要では、カリキュラムマネジメント体制の構築がある。この活動の目的は、（１）～（５）を継急務である。

続的に実施できるようなラインの明確化と支

第 4 期認証評価を見据えた、学修者の学び

援体制を構築することにある。また、それら― 40 ―

TOPへ戻る

の実現のために、カリキュラムマネジメント【別添２】様式１
育到達目標について、対応する科目単位に関わる教職員に必要な資質向上の機会を主を 1 単位以上取得して卒業する設定にな導する教職員を充実させる。

っていることの確認


各学科の学修・教育到達目標と開講全科

２．準備段階及び研究計画

目の対応表で、すべての学修・教育到達準備段階：本学ではこれまで、DP を詳細化

目標について、目標到達の根拠づけ科目

した学修・教育到達目標を学科ごとに設定、（主要科目）の確認

WEB シラバスの充実、学生ごとの e ポート



各学科のカリキュラムツリーにおいて、フォリオが稼働している。ここに至る過程で、主要科目が適切に表示されているかの確

榊原、山本、奥田、久保、荻田、星野、鈴木、認星、他４名が日本高等教育開発協会主催のカ
リキュラムコーディネーター養成講座を、榊を行った。また、下記イメージのような、「学

原、鈴木、星、他６名が愛媛大学主催の SD

修・教育到達目標ごとの取得科目 GPA」に関コーディネーター研修を既に受講し、この課するグラフを、2021 年度入学生から、e ポー

題を実施する際の素地が出来ている。理工学

トフォリオ上で可視化することとした。

教育共同利用拠点として既に５年間の活動実績があり、目的に掲げた（１）（２）の設定および整合性の確認を実施しており、学生スタ
ッフの１つである SCOT プログラムも既に構築されている。
2021 年度：各学科等において、目的に掲げた（３）以降の継続的実施ができるようなラインの明確化と支援体制を構築する。また、カリキュラムマネジメントに関わる教職員に必要な資質向上の機会を主導する教職員を、本申請の分担者を中心に増やす。これらを実施する過程では、国内外の FDer 集団と情報交

この取り組みは、現行カリキュラムについ換を行い、最新の状況変化に備えるとともに、て実施されるだけでなく、現在検討中の課程

適切な助言を得る。

制カリキュラム設計支援としても行った。具
体的には、工学部の課程制カリキュラム設計

３．計画の進行状況

に関し、年度当初に、各学科の学修・教育到達目標と開講全科目の対応表を整備し、学修成果を可視化するための主要科目の設定を行った。
この過程で、全 17 学科と必要に応じて懇談

各課程・コースの 3 ポリシーと学修・教育到達目標の整合性確認



各コースの学修・教育到達目標について、を行い、整合性整備の支援を行った。具体的対応する科目単位を 1 単位以上取得してには、2021 年度入学生のカリキュラムに関し、卒業する設定になっていることの確認

各コースのカリキュラムツリー確認

各学科の学修・教育到達目標と開講全科
目の対応表をもとに、すべての学修・教を、課程制設置準備室と協働で実施した。ま― 41 ―

TOPへ戻るた、全学共通科目や学部間共同科目を新たな【別添２】様式１
可視化された情報の分析・議論

枠組みで実施するための制度設計、類似科目



組織とし て、各学科・ 課程で分析 ・議論した結果を共有する機会の設定

を共通開講するための調整を実施した。
ここまで実施したことを進める中で、学

組織 とし て、 定常 的 な 教育 改 革 や教 育 改 善
サイクルにつなげる

修・教育到達目標の見直し、カリキュラムの整合性確認、学修成果の可視化等を継続的に実施する体制、および教育イノベーション推５．学会等発表状況

進センター・カリキュラムマネジメント部門

榊原暢久：芝浦工業大学における COVID19
対応 と遠 隔授 業の 組 織 的対 応 、 中国 ・ 四 国としての支援体制が概ね整った。

工学教育協会大学教育部会研究会、2021 年

カリキュラムマネジメントに関わる教職員

12 月.

の能力開発を進めることは、カリキュラムマ
ネジメントを持続的に進めるために必須であ榊原 暢久 ：芝 浦工 業 大 学に お け る教 学 マ ネる。このため、愛媛大学と本学主催のカリキ

ジメ ント の取 組、 高 等 教育 国 際 シン ポ ジ ウュラムコーディネーター養成講座初級編に渡ム「 ウィ ズコ ロナ 時 代 に高 等 教 育は 何 を 保部が、日本高等教育開発協会主催のカリキュ証するのか」、2022 年 2 月.

ラムコーディネーター養成研修会評価編に角

榊原暢久・角田和巳・鈴木洋・相原総一郎：

田が出席した。また、（株）ビズアップ総研主

芝浦 工業 大学 にお け る カリ キ ュ ラム の 整 合

催の教学マネジメント推進者養成講座を、ミ

性整 備に 関す る取 り 組 みの 現 状 と課 題 、 第ドルマネジメント層の 24 名の学内教職員に

28 回大学教育研究フォーラム、2022 年 3 月.

受講頂き、これらの受講費用の一部を、本助成により支出した。
６．参考情報４．今後の計画と課題

ント指針、2020．

ここまでの取組で、学修成果の可視化に必要な仕組みの整備を終えることができた。学中央 教育 審議 会大 学 分 科会 ： 教 学マ ネ ジ メ

愛媛大学教育・学生支援機構教育企画室（教修・教育到達目標と全授業科目が科目コード

職員能力開発拠点）、芝浦工業大学教育イノ

で関連付けられたことにより、学修・教育到

ベー ショ ン推 進セ ン タ ー（ 理 工 学教 育 共 同達目標ごとにその達成度を学生個人レベ

利用拠点）：カリキュラムコーディネーター

ル・学科レベルで可視化することが可能にな

養成講座初級編、2021．

った。学生個人レベルでいえば、可視化情報

https://web.opar.ehime-u.ac.jp/info/cc2021

をもとにディプロマサプリメントを提供す/ることが可能である。学科レベルでいえば、



日本 高等 教育 開発 協 会 ：カ リ キ ュラ ム コ ー

可視化情報をもとにカリキュラム評価・改善

ディネーター養成研修会評価編、2021．

につなげることができる。

https://www.jaedweb.org/cc1

今後は、教育イノベーション推進センタ中井 俊樹 ：教 学マ ネ ジ メン ト 推 進者 養 成 講

ー・IR 部門および IR 担当者と連携をしなが座、2021．

ら、以下の点を進めていく。

https://www.bmc-net.jp/univ_fd_sd/

学修・教 育到達目標ご とのキーに なる
学修成果の特定と可視化― 42 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１【図 1】「理工学教育共同利用拠点」2021年度実施 ３０プログラム
教育能力開発（ED：Educational Development）プログラム（１） プレFD、入職から3年以内の教員を主たる対象とした教育能力開発
・大学教育開発論（プレFD） ・詳細シラバスの書き方WS ・授業デザインWS
・学生主体の授業運営手法WS、実践編
・ティーチングポートフォリオ（TP）作成・完成WS（２） 理工系教育に関わる教員の基礎的・共通的な能力開発・ルーブリック評価入門WS ・理系科目の評価について考えるWS ・英語による授業のためのWS
・英語による授業のためのスキルアップ研修 ・LMS使用法入門（学内） ・障がい学生への対応（学内）（３） 理工系教育に関わる教員のさらなる能力開発・研究室指導に必要なコーチング技能入門WS ・実験・実習の授業設計入門WS ・反転授業入門WS
・PBLに活かすプロジェクトマネジメント入門講座 ・デザイン能力を育成する授業設計入門
・グローバルPBL参加 ・SCOT研修見学

研究能力開発（RD：Research Development）プログラム

・研究内容を分かりやすい言葉で伝えるためのWS ・教育成果を可視化するための統計手法入門
・高等教育開発セミナー
・外部資金獲得支援（学内のみ） ・研究者倫理について理解する研修（学内のみ）

マネジメント能力開発（MD：Management Development）プログラム

・大学組織論入門
・産学連携の知的財産マネジメント研修
・大学におけるダイバーシティについて理解する研修・アカデミックポートフォリオ作成・完成WS・ファカルティデベロッパー養成講座
・カリキュラムコーディネーター養成講座
・安全衛生・危機管理に関する研修（学内のみ）

1

【図２】

― 43 ―

TOPへ戻る

特

別

研

究

（１）プロジェクト研究助成― 44 ―

TOPへ戻る

高密度水素貯蔵を目指す反応機構の解明  機械機能工学科  佐藤 豊人  
共同研究者
芝浦工業大学工学部機械機能工学科 伊藤純也
量子科学技術研究開発機構  齋藤 寛之
東北大学材料科学高等研究所 折茂 慎一
東北大学金属材料研究所  高木 成幸
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

そこで、本研究では、実用化されている水

水素貯蔵技術は、再生可能エネルギーから

素貯蔵材料 /D1L  に着目し、その質量水素密製造された水素の保管用や効率的な輸送手段度改善のための知見取得と幅広い圧力領域でへの展開が期待される。これまでに高圧で気の水素吸蔵反応の解明を目的に汎用的な水素体水素が圧縮された高圧水素ガス、低温で気圧力領域から水素の化学ポテンシャルが向上

体水素が液化された液体水素、水素を原子とする圧力領域までの水素吸蔵反応を観測する。

して貯蔵する水素貯蔵材料（水素化物）等が

水素貯蔵方法として提案されている。これら

の水素貯蔵方法の中でも、水素を原子状態で

物質内に含有する水素化物は、高圧水素ガス、

又は液体水素のような水素を分子状態で貯蔵する方法では到達不可能な高い体積水素密度

（単位体積当たりに占める水素重量）が実現

される（図 ）>@。そのため、様々な水素

化物が水素貯蔵材料として報告されている。



一方、水素貯蔵材料は、質量当たりの低い水

素量（質量水素密度）の改善が課題であり、

図 （黒）高圧水素ガス、（赤）液体水素、

水素吸蔵反応の機構解明や高い質量水素密度（ 青 ） 代 表 的 な 水 素 化 物 の 体 積 ・ 質 量 水 素 を有する新規水素化物の探索が不可欠である。

密度>@

水素貯蔵材料研究では、数十 03D 未満の水

高圧水素ガスの線上の数字は圧力、液体水素

素加圧で水素吸蔵・放出反応が評価されるが、は .のときの体積水素密度を示す

物質中に水素が吸蔵される反応（ 水素化反応）は、*3D 以上で水素の化学ポテンシャ

２．研究計画

ルが急激に向上する>@。即ち、この圧力領域

２‐１ 試料
本研究では、塊状の /D1L  （日本重化学工の水素化実験は、一般的な水素吸蔵反応では潜在化されている反応の解明や新規水素化物

業製）が用いられた。


の探索に有効な方法となっている。

― 45 ―

TOPへ戻る
２－２．03D 以下での水素貯蔵特性評価

３．計画の進行状況

塊状の /D1L （ J）が $U 雰囲気中（酸３‐１．03D 以下での水素貯蔵特性

素濃度：SSP 以下）でステンレス製の耐熱図  に . で評価された /D1L  の水素吸耐圧容器に封入され、水素貯蔵特性評価装置

蔵・放出反応曲線を示す。この結果から約 （3&7 装置 日本重化学工業製 $-）に

PDVVの水素が可逆的に吸蔵・放出されること取り付けられた。

が明らかになった。. と . でも同様

水素貯蔵特性評価前の活性化処理として、の評価を行い、各温度での水素吸蔵・放出反真空下で . の熱処理を  時間行った後、応の平衡状態の圧力を表  に示す。

室温で水素吸蔵・放出反応を  サイクル行っ

た。サイクルにおける水素吸蔵反応は、03D

の水素ガス加圧を  時間保持され、水素放出



反応は、ロータリーポンプによる真空下で 

時間保持された。



活性化処理後、03D 以下で /D1L  の水素貯

蔵 特 性 が 評 価 さ れ た 。 水 素 貯 蔵 特 性 は 、 3&7



装置を用い、... で保持さ

れた時の水素圧力と水素吸蔵量が評価された。







２‐３．*3D 以上での水素吸蔵反応の観測

*3D 以上での水素吸蔵反応の観測には、



63ULQJ%/% に設置された高圧プレスと図 /D1L  の . における水素吸蔵・放出

放射光 ; 線回折が利用された>@。

反応曲線

試料は、03D 以下での水素貯蔵特性評価



と同様に水素貯蔵特性評価前の活性化処理と表 各温度の水素吸蔵・放出反応におけるして、真空下で . の熱処理を  時間行っ

平衡水素圧

た後、室温で水素吸蔵・放出反応を  サイク.

.

.

ル行った。活性化処理後の試料は、水素供給

水素吸蔵 03D 03D 03D

源となる内部水素源（%+  1+  ）と共に 1D&O カ

水素放出 03D 03D 03D

プセルに同封され、高圧実験用セルに挿入後、%/% に 設 置 さ れ た 高 圧 プ レ ス に セ ッ ト さ

平 衡 水 素 圧 と 測 定 温 度 の 関 係 か ら 、 /D1L れた。水素源から水素を放出させるために高の水素吸蔵・放出反応におけるエンタルピー

圧 実 験 用 セ ル は 、 *3D ま で 加 圧 後 、 .

変 化 は 、  N-PRO +  （ 吸 蔵 ）、 

まで昇温され、 分保持された。その後、加N-PRO+  （放出）であった。これらの値は、

圧 状 態 で 室 温 ま で 冷 却 し 、 室 温 下 で *3D

既存の結果>@と一致し、/D1L  は、下記の（）まで加圧された。

式と図  に示すように結晶構造内に水素が原

上記の一連の流れに関して、その場での放射光 ; 線回折を行い、得られた ; 線回折パタ子状態で吸蔵され、水素ガスとして放出された。

ーンの変化（結晶構造の変化）が観測された。

/D1L  +  (g) ↔ LaNi  +  











 



― 46 ―

TOPへ戻る

含 有 し な い 場 合 の /D1L  の 格 子 体 積 の 変 化（図  上の黒）を示す。/D1L  と /D1L  +  の格

子体積の差は、$  であり、水素原子 個分の体積に相当する（ 水素原子当たり$  ）。そのため、予想される /D1L  +  は（図中の青）、/D1L  （水素源無）の昇圧過程の結

果に $  を加えた値が図中にプロットさ

図  D /D1L  >@、及び E /D1L  +  >@のれた。

結晶構造（黒丸：/D、灰丸：1L、青：+）



水素は、/D と 1L で形成される四面体、又は



八面体内に存在する。







３‐２．*3D 以上での水素吸蔵反応の観測

図  に *3D の加圧下で室温から . ま

で昇温した時の放射光 ; 線回折パターンを示す。. に到達後、 分後のブラッグピーク

は、面間隔 d が大きな方向へシフトした。この結果は /D1L  が水素源から放出された水素を吸蔵し、格子が膨張したことを示す。












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



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



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

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













図 室温で /D1L  を *3D まで加圧した時

の（上）格子体積変化と（下）水素吸蔵量 x

図 /D1L  を水素源と共に *3D の加圧下で上図において、黒：水素源無、赤：水素源有、室温から . まで昇温した時の放射光 ; 線

青：予想される /D1L  +  の格子体積を示す。


回折パターン

一方、/D1L （水素源有）の体積変化は、予図  は、室温に冷却後、昇圧過程での /D1L 

想される /D1L  +  の体積と一致しない。これの格子体積の変化（図  上の赤）と水素源をは、高圧下で /D1L （水素源有）が /D1L  +  よ― 47 ―

TOPへ戻る
りも過剰な水素を含有していることを示唆す潜在化されている水素占有サイトを低圧下でる。この結果、*3D において、最大の水素も利用可能な反応機構を解明することを検討

吸蔵量（/D1L  +  ）に達し（ 式）、その値は、している。また、関連した試料を用いて、*3D/D1L  の水素吸蔵量の  倍に達した（

以上の高圧下での水素吸蔵反応の観測も検討

PDVV）。

している。


/D1L  +  (g) ↔ LaNi  +  
 

４‐２．論文等投稿・発表状況

本 研 究で得 られた結 果 は、関 連する研 究を遂

高圧下で水素吸蔵された /D1L  の結晶構造

行して、数年以内に成果発表を検討している。

は、格子膨張で説明ができることから、/D1L 
において、汎用的な圧力下での水素吸蔵・放謝辞

出反応では、水素が占有可能なサイトの約 高温高圧下での放射光 ; 線回折は、文部科

の み に 水 素 が 占 有 さ れ る こ と が 明 ら か に

学省ナノテクノロジープラットフォーム事業なった。即ち、水素占有率を向上させることのもと、国立研究開発法人量子科学技術研究で /D1L  の水素貯蔵量の増加が可能であるこ開 発 機 構 の 齋 藤 寛 之 博 士 と 内 海 伶 那 氏 と 共とが示唆された。

同で 63ULQJ%/% に設置されたマルチア



ンビル型高圧プレスを用いて実施された（課４ ． 今 後 の 計 画 及 び 学 会  論 文 等 投 稿 ・  題番号：-30;3$46）。
発表状況



４‐１．今後の計画

参考文献

 本研究では実用化されている水素貯蔵材料>@/6FKODSEDFK$=üWWHO1DWXUH

/D1L  に着目し、その水素貯蔵量を改善させる–  

ための知見取得と反応機構の解明を目的に、>@ $ ZüWWHO 0DWHU 7RGD\  –

汎用的な圧力下と水素との反応が促進される 

*3D 以上での /D1L  の水素吸蔵反応が評価さ>@ 佐 藤 豊 人  折 茂 慎 一  応 用 物 理  れた。その結果、汎用的な圧力下では（03D

–  以下）、/D1L  は約 PRO 分の水素吸蔵量（>@

PDVV）であったが、高圧下では PRO 分の

0HWDOOXUJLFD  

水素吸蔵反応を示した（PDVV）。高圧下>@ + 6DLWRK 6 7DNDJL . $RNL 6での水素吸蔵反応は、汎用的な圧力下で観測

2ULPR 日 本 放 射 光 学 会 誌   

される格子膨張と同様であった。そのため、

 

高圧下での水素は、03D 以下での反応と同>@(+.LVL&(%XFNOH\(0$*UD\

じ位置に存在しているが、水素の占有サイト-$OOR\V&RPSG  における占有率が向上したことが示唆された。

>@ 3 )LVFKHU $ )XUUHU * %XVFK /

高圧下での水素吸蔵量は、汎用的な圧力下の6FKODSEDFK+HOY&KLP$FWD

約 倍であることから、汎用的な圧力領域 +

6XJLPRWR<)XNDL

$FWD

では、水素が占有されるサイトの内、約 の占有に留まっている。今回の高圧下での実験によって、/D1L  は、既存の  倍まで水素吸蔵量の増加が期待される。そのため、今後、― 48 ―

TOPへ戻る

6HOIDVVHPEOHGDQGRQVXUIDFHVWUXFWXUHVRI
3KHQDQWKUHQHDQG3KHQDQWKUROHQHWHUPLQDWHG
3\UD]LQDFHQHV  応用化学科 5,&+$5'6*DU\-DPHV
5HVHDUFKFROOHDJXHV
○ 応用化学科'U7$0%2/,0DMLGDQG3URIHVVRU+25,$NLNR
○ 物質・材料研究機構国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 0$1$ ナノマテリアル分野光機
能分子材料グループ'U+,//-RQDWKDQ3
１．3DSHULQWURGXFWLRQ

compounds terminated with phenanthreneunits.

The aim of the proposed research was toappendingpreparepyrazinacene 1hydrophobic C 12 H 25 O (C12O) or hydrophilicterminatedwithmolecules

phenanthrene

and

The

phenanthrenewithalkoxyunits

chainstriethyleneglycol-monomethylether

were(either(TEG)

phenanthroline units and to investigate

chains to impart solubility as well as

their photophysical (UV/Vis absorption,

possibilities

fluorescence, fluorescence quantum yields.)

through

Their self-assembling properties, including

through aggregation in solution.

any liquid-crystalline and solution selfassemblies
investigated.

were

also

plannedtobeeitherachieveself-assembly

liquid-crystallinityor
２．5HVHDUFKSURJUDPPhenanthrolene-terminatedmolecules were expected to bind to various

toSynthesis of the compounds is shown inscheme 1.

metal cations to form 2D or 3D metalorganic

frameworks.

However,duetodifficulties encountered in the synthesis of
the phenanthrolene-terminated derivatives,
we instead focused on the synthesis andcharacterizationofafamilyofphenanthrene-appended compounds. Basedon our previous findings, we chose to
explore pyrazinacenes containing either
four or five consecutively fused pyrazine
rings as these are known to be REDOX
activecompounds. 2 We

have

prepared

several four and five-pyrazine containing
Scheme 1. Synthesis of compounds.

Synthesis of the compounds is achieved― 49 ―

TOPへ戻るthrough a double nucleophilic substitution

be achieved using stronger bases such as

of

TBAF or tetramethylguanidine.

theelectron

deficienttetraazanaphthalenedicyano-derivatives

using

Figure

3

(a)

shows

changesinvarious aromatic diamines. 3 Using thisfluorescence spectra upon deprotonation of 4

strategy, we were able to synthesize a wideusing TBAF in CHCl 3 . All species show veryvarietyhigh photoluminescence quantum yields (Φ)

ofcompounds

based

on

an

octaazatetracene or decaazapentacene core.

withdoubledeprotonation

resultingin

The as-prepared reduced compounds can be

efficient fluorescence in the deep-red to NIR

oxidized using lead (IV) oxide or othercommonly

available

oxidants.

Allcompounds have been fully characterized by
1 H NMR, 13 C NMR, FTIR and MALDI-TOF

mass spectroscopic analysis.

３．6WDWHRISURJUHVV
LiquidCrystalline

and

other

found

to

Self

Assembling Properties
Compoundmesophase

1
upon

was

cooling at

form

170

a

° C.

Polarised optical microscopy is consistent
with a columnar phase and powder X-ray
diffraction

measurements

indicatearectangular columnar ordering. Compounds
3, 3-ox, 4 and 4-ox can form organogels fromsome solvents as well as fibrillar selfassemblies from others.

region. (b) shows changes in absorption upon
deprotonation of 4 – these changes are
typical of pyrazinacenes – a bathochromic
shift is observed with maintenance of thetypical acene vibronic structure.
Photophysical Properties - Oxidation
Reduced pyrazinacenes exhibit similar
UV-vis absorption spectra to conventional
aceneswithcharacteristic

vibronic

structure. Upon oxidation, a significant
bathochromic shift is observed, and thevibronic

structure

becomes

less

well-

defined. Reduced derivatives are highly
fluorescent with solution PLQYs typically

Photophysical Properties – Deprotonation
Reducedpyrazinacenes

featureadihydropyrazine ring that can be easily
deprotonated using mild bases such as
triethylamine. Here, because of the electrondonating alkoxy-substituted phenanthrene
units, deprotonation can be more readily>50%.

Conversely,

fluorescencefromoxidized species is significantly attenuated,typically <2%. Compound 3 can be photooxidized to 3-ox using 254 nm UV light.
Compounds

1

and

2

undergophoto-

oxidation, although further reactions also― 50 ―

TOPへ戻る



occur

such

that

clean

photo-chemicalsolution which can approach the NIR region

isolation of 1-ox and 2-ox is challenging.

on deprotonation.

Efforts to understand the effect of REDOX

４．)XWXUH SURJUDP SDSHU VXEPLVVLRQ DQGprocesses on solution or liquid-crystalline

UHVXOWVEULHILQJ

self-assembling properties are currently

Furtherunder investigation.

investigate the self-assembling properties of

In conclusion, a series of pyrazinacenes withthese compounds along the relationship ofcore octaazatetracene or decaazapentacene

the compounds REDOX properties to theirunits terminated with phenanthrene units

self-assembling

have been prepared. To impart solubility,

results from this project have already beenliquid-crystalline and other self-assembling

presented at the Pacifichem conference 4 andproperties,

furtherat the Chemical Society of Japan Annual

functionalized with alkoxy groups on the

Meeting. 5 Amphiphilic compounds 3 and 4

phenanthrene units.

will be studied for potential self-assembling

The reduced compounds 1-3 are readilyproperties at the air-water interface, inoxidized using standard chemical oxidants

collaborationsuch as PbO 2 or DDQ and can also undergo

ACHARYA at the Indian Association for thephotooxidation

light.

Cultivation of Science in India. This project

Reverse reduction reaction can be achieved

has allowed us to continue our fruitfulby adding weak reducing agents such as

research collaboration with Dr Jonathan

ammonia or sodium dithionite. Reduced

HILL at the National Institute for Materials

compounds show efficient fluorescence inScience,themolecules

using

are

ultraviolet

work

is

now

behaviours.

with

NIMS,

under

in

way

to

Preliminary

Professor

Tsukuba,

Somobrata

including― 51 ―

TOPへ戻るseveral visits their to perform various
experiments including MALDI-TOF mass
spectroscopy

andScanning

Tunnelling

Microscopic analysis (SEM).
We hope to publish these works in an academic
journal with IF>2 later in 2022, or early 2023.
References
1. G. J. Richards, The Pyrazinacenes, Acc.

Chem. Res. , 2021, 54, 16, 3228-3240.
2. D. Miklik, et al. Pyrazinacenes exhibit onsurface

oxidation-state-

dependent

conformational and self-assembly behaviours,

Commun. Chem. , 2021, 4, 29.
3. G. J. Richards, et.al. Pyrazinacenes: Aza
Analogues of Acenes, J. Org. Chem., 2009, 74,
23, 8914–8923.
Publications at Conferences
4.

Photophysical

Properties,

LiquidCrystalline Behaviour and Photoredox Activityof Phenanthrene-Terminated Pyrazinacenes, G.
J. Richards, J. P. Hill, and A. Hori, Pacifichem

2020 , December 2021, Online.
5. Decaazapentacenes appended with electronrich triphenylamine and phenanthrene units their redox-coupled photophysical and selfassembling properties., G. J. Richards, M.
Tamboli, K. Aoki, J. P. Hill and A. Hori. 102nd

CSJ Annual Meeting , March 2022, Online [K23pm-02].

― 52 ―

TOPへ戻る

磁気ギアを用いた (9 用モータシステムの開発  電気工学科  相曽 浩平  
共同研究者
横浜国立大学 大学院工学研究院 知的構造の創生部門  赤津 観
日立製作所 青山 康明
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

けた課題に着眼し, 高 速領域で駆動可能な磁自動車業界ではモータシステムの小型軽量

気ギアを提案するこ と により, 高速モータと化が要求されており, 高速モータとギアを組磁気ギアを一体化したモータシステムを構築み合わせた駆動システムの開発が進められてすることで小型軽量 化 かつ高効率化, さらにいる。モータを高速化することで高出力密度

はギアの摩擦を無くすことによる高付加価値を満たし, 所望のトル クと回転速度はギアを化の実現を目的とする。本研究で提案する用いて得ることでシステム全体を小型軽量化

Magnetic Multiple Spur  Gear (MMSG)と 複できる。しかしなが ら, 現在多く用いられて数の小型・高速モータの駆動システムを図 2いる機械式ギアは歯同士の接触により動力をに示す。提案する MMSG は, 一つの出力ロー伝達するため高速回転時には歯の機械的疲労

タと複数の入力ロータから構成されており,や磨耗から伝達効率 の 低下, 振動及び騒音の全ての入力ロータに小型・高速モータが取り増大といった問題が生じる。これらの問題に付けられている。MMSG は下記の利点を有し対し, 磁気ギアは永久 磁石の磁力を利用するている。 ①入力ロータを複数に分散すること

ことで入力ロータと出力ロータの磁石極対数で一つあたりの入力ロータ径を小さく設計での比でギア比を得る こ とができ, 非接触の動きるのでロータに生じる遠心力が低減され,力伝達を可能とする た め低振動・低騒音, 潤

高速回転に有利な構造となる。②固定鉄片を滑油が不要であることから保守性が高い特徴

用いずに, 入力ロータ の磁束が直接的に出力を有している。一方で国内外において磁気ギロータに伝達されるため高調波磁束の発生がアの研究は数多く報 告 されているが , 適用す少なく, 高速回転時の損失を低減できる。

るモータの回転速度が 低速（3000 回転/分以

最終的には上記の駆動システムを図 3 のよ下）である場合がほ と んどであり, 自動車のうに電気自動車のホイール内にモータとギアように高速（10000 回転/分以上）を要するモを配置したインホイールモータシステムに適ータに磁気ギアを適用した例は存在しない。

用することで, 車内空 間拡大による快適性向

これはモータの高速 化 に伴い, 従来の磁気ギ

上と走行距離拡大を目指す。

アでは固定鉄片を用いた磁束伝達原理に起因して磁束高調波による磁石渦電流損失の増大に加え, 入力ロータの 機械的強度の低さが欠点となるためである（図 1）。
そこで本研究 では, 磁気ギアの高速 化に向― 53 ―

TOPへ戻る
従来の磁気ギアモータ

ロー タ 位置 ず れ,ギ アの 入力 ロ ータ 間 の磁 極出力ロータ入力ロータ
固定鉄片
永久磁石

ずれ ） の明 確 化・ス ムー ズ に始 動 する ため の 制御 法 と駆 動 シ
ステ ム の提 案 およ び 実 機実 験 によ る 検証

ギア比・走 行時 の 負荷 に 応じ て複 数 台の モ ータ 台

（出力ロータの磁石極対数  入力ロータの磁石極対数数を切り替える高効率制御法の提案と実機

図 1 従来の磁気ギア
複数の小型・高速モータ

実験 に よる 検 証 

出力ロータ
入力ロータ
永久磁石

006*

③ 機電一体構造のモータシステムの冷却方法と性能評価・ 機 電 一 体 構 造 に 向 け た ギ ア ,複 数 台 モ ー タ ,インバータを同時に冷却するための配置と冷却器構造の設計と実機評価

ギア比 （出力ロータの磁石極対数  入力ロータの磁石極対数

・機電一体構造のモータシステムの性能評価

図 2 提案する磁気ギア(MMSG)
（最大出力 25.5kW,最高回転速度 50000 回転/

分までの駆動範囲における損失および効率

特性）

磁気ギアと複数台の小型・高速モータを用いた電気自動車用インホイールモータシステム



電気自動車 (9

⚫
⚫
⚫




小型軽量
高効率
メンテナンスフリー

３．計画の進行状況
本年度は研究計画①の内容について検討を進めた。下記に検討結果を報告する。

   提案する006*のモータシステム

006* の再設計と試作 

図 1 磁気ギアを用いた EV 用モータシステム
入力ロータ
複数台の
高速モータ

磁気ギア
出力ロータ
（006*）

永久磁石

MMSG の実験機において最高出力 25.5kW,
最高回転速度 50000 回転/分における特性評
価を行うために, 高速 ロータの補強構造を 検 討した。MMSG を複数台のモータにより入力• 磁気ギアによる非接触の動力伝達！
• 一般的な自動車用モータシステムに対して約倍の小型軽量化！

回転速度 50000 回転/分で駆動した場合, 遠心

図 3 磁気ギアを用いた EV 用モータシステム

力による入力ロータ磁石の破損が懸念されるため, 安全率を考慮し, 磁石に生じるミーゼ
ス応力が 10MPa 以下になることを目標値と２．研究計画
提案する磁気ギアを用いた EV 用インホイして再設計を行った。設計した構造を図 4 にールモータシステムを構築するために下記①示し, 応力低減効果を図 5 に示す。図 4, 図 5②③の研究を計画している。

より前回モデルからロータ外径を 1mm 減少① 出力25.5kWのMMSGの実機評価

し, ロータの外周 を保 持スリーブで補強する

25.5kWのMMSG実 験 機 と駆 動 用モ ー タ15台

ことで 50000 回転/分における応力を 8MPa まを用 い た実 験 によ る ギ ア効 率 と損 失 の取 得で下げられることを遠心力解析により確認し（目 標 性能 ： 最大 出 力25.5kW,最高 回 転速 度た。以上の検討を基に入力ロータ再試作し,50000回 転 /分,伝達 効 率95%）

高速試験を実施して 80000 回転/分まで機械② 複数台の高速モータの制御方法及び駆動

強度的に耐えられることを明らかとした。

システムの確立・複数 台 モー タ の始 動 時の 課 題（各 モ ータ の

― 54 ―

TOPへ戻るOutput rotor
Input rotor

MagnetShaft
Retaining sleeve(a) MMSG の 1/15 モデル (b) 入力ロータの構造

図 4 設計した MMSG の入力ロータ

図 6 MMSG の実験システム

20.0


18MPa

105

12.0
8.0
4.0
0.0

100



90

95

75

60

(a) 前回までの構造 (b) 補強した構造

45300

図 5 最高回転速度 50000rpm 時の入力ロータのミーゼス応力分布600 900 1200 1500 1800 2100
Speed of low speed rotor [min-1 ]Gear efficiency [%]

16.0

120

8MPa
140MPaTorque [Nm]Mises
Stress [MPa]
24.0

90

3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
Speed of high speed rotor [min-1]

図 7 ギア効率

250

図 6 に示す出力 25.5kW の MMSG 試作機に

105

200

ついてギア効率, ギア損失, システム効率の測定を行った。測定条件として MMSG をモー

Torque [Nm]120

タ 15 台により駆動し, 最高回転速度 21000 回

90

150

75

100

60

50

45

転/分, 負荷 120Nm の駆動範囲においてギア
効率, ギア損失, システム効率のマップを取Gear loss [W] 006* の実機実験による性能評価 

0300

600 900 1200 1500 1800 2100
Speed of low peed rotor [min-1 ]3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
Speed of high speed rotor [min-1 ]得した。モータには市販のラジコン飛行機用

図 8 ギア損失

ブラシレスモータを使用した。

100

結果を示す。図 7, 図 8 より, 高速領域におい

105

90

て も 損 失 増 加 の 影 響 は 小 さ く , 95%以 上 の 高
効率が得られた。これまでの従来の固定鉄片を用いた磁気ギアに お いて 21000 回転/分以上の駆動が可能であり, かつ 90%以上の高効率が得られるものは 存 在せず , 今回の実験結果は磁気ギアの高速化に向けた重要な成果と言える。また, MMSG では負荷が大きくなる

Torque [Nm]

120

90

80

75

70

60

60

45
300

50

System efficiency [%]図 7, 図 8 にギア効率及びギア損失の測定

600 900 1200 1500 1800 2100
Speed of low speed rotor [min-1]

3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
Speed of high speed rotor [min-1 ]図 9 システム効率

ほど高出力が得られ る ため, 高効率となる傾向を明らかとした。システム効率を図 9 に示す。図 9 より, モータとギアを含めたシステ― 55 ―

TOPへ戻る
ム効率は中負荷, 中速度域において 80%-90%の効率が得られた。 一 方で高負荷, 低速域で

はモータ効率が低下 す ることから, システム



効率も低下する結果となった。 また, 最高出

力 25.5kW （ 回 転 速 度 42000 回 転 /分 , 負 荷60Nm）の点でのギア効率は 95%, システム効

率は 87%が得られた。今回は市販のブラシレ

スモータを使用した が, 今後モータ効率を改

善できれば更なるシステム効率向上が可能と考えている。



４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況
今 後 の 研 究 計 画 は ２ 研 究 計 画 で 示 し た② ③ に つ い て の 研 究 を 進 め 電 気 自 動 車 に 駆動システムを搭載し実車試験による性能評価を行う予定である。

本研究における  年度の論文・発表業績を下記に示す。
[1] K. Aiso, K. Akatsu, Y.Aoyama, “Characteristics
Evaluation of Magnetic Multiple Spur Gear forHigh Speed Motor Drive System”, 2021 IEEE
EnergyConversion

CongressandExposition(ECCE), October 2021.
[2] K. Aiso, K. Akatsu, Y. Aoyama, “A Novel
In-Wheel

Motor

Drive

SystemofMultiple

High-Speed Motors Integrated with Magnetic Gear
for Electric Vehicle”, IPEC-2022, May 2022.
[3] 相 曽 浩 平 , 赤 津 観 , 青 山 康 明 , “磁 気 ギ ア と複数台の高速モータを用いた EV 用インホイー
ルモータシステム”, 2021 年春季大会-自動車技術会[4] TECHNO-FRONTIER 2022 第 42 回モータ
技術シンポジウム  （発表予定） 









― 56 ―

TOPへ戻る「ニューノーマル」な大学での学びの変容  情報通信工学科  大橋 裕太郎



１．序論

く、一人暮らしの学生の方が、心身ともにスコロナ禍をきっかけに日本の大学の多くがトレスを感じていることが報告された  。橋

遠隔授業を導入した。文部科学省が  年 

本らは、コロナ禍における大学生のストレス

月から  月にかけて全国の  の国公立大学、について独自に開発した尺度を使って調査を短期大学、高等専門学校に対しておこなった

おこなった。その結果、コロナ禍に伴うあら調査によれば、回答した大学の約  割が授業

ゆる出来事や制約がストレスの原因となってを全面的に対面で実施し、 割が対面授業といたことを報告している。一方で、活動中止

遠隔授業を併用していた ）。 年には、授などのようなライフイベントよりも、日々の業の半分以上を対面で実施する予定とした大学業や生活で生じている日々のストレス（例学等は、 校中  校（約 ％）とな

えば不規則な生活や規則を守ることなど）のった。授業形態はコロナ前に戻りつつあるが、方が、抑うつと関連していたことを明らかに

遠隔授業を取り入れている大学等は  年

している  。

時点で依然として  割を超え、今後も「ニュこのように、大学生はコロナ禍による複合

ーノーマルな学び」としてある程度日本の大的な要因から経済的、精神的、身体的なスト学教育に引き続き定着すると考えられる。しレスを受けていることが数多くの報告から明かしながら約  年の遠隔授業への移行期間をらかになっている。一方、先行研究には以下

経て、教育・学習方法の急激な移行による遠のような課題も見受けられた。

隔授業の負担感、メンタルヘルスの不調や孤① 学生を取り巻く様々なストレス要因につ独感といった具体的な問題が指摘されている。

いて検討されているものの、遠隔授業など

たとえば飯田らの研究は、経済的に困っていの「ニューノーマルな学び」との関連性や、る学生がコロナ発生以前の  倍に増加し、遠隔授業に対する学生の評価とその要因

学生の半数以上がストレスを抱え、そのうちが明確でない

約 ％は強いストレスによる気分・不安障害② 遠隔授業に焦点が当てられていても、そを伴っている可能性があることを報告していれ以外の要素（学生のデジタル読解力や学る

。全国大学生活協同組合がおこなった調

習習慣や生活習慣など）に十分目が向けら

査には、アルバイト収入減少やアルバイト先での感染への不安、経済的な悩み、オンライれていない
③ 調査対象が特定の大学や地域に限定されン授業による課題の多さや心身への影響に対ている事例が多い。また、伊藤ら

本研究では、上記の①から③の課題に対しの調査では新入生は大学生活への不安感が強て、以下のような差別化をはかっている。

する不満の声が寄せられた

― 57 ―

TOPへ戻る①に対しては、学生が抱えていると考えられるストレスと、遠隔授業に対する学生の評

主な要因は何か② 大学生は遠隔授業をどのように評価し、価と評価の要因を同時に調査することとした。
②に関して、遠隔授業では学生は多くの場

評価に何が影響を与えているのか③ デジタルメディアの日頃の利用は遠隔授合、家などの場所から学習する。通常であれ業への評価に関連性があるかば教室で得られるはずの支援が容易には得ら分析については、総計を算出し、場合によれないことから、基礎的なデジタルリテラシっては属性ごとに比較を行った。本調査で利ーやデジタル読解力、自律的に学習する態度

用した質問項目を表  に示す。ストレスの測といった様々な能力や態度が求められる。そ定に関しては、心理的ストレス反応尺度

こで本調査では遠隔授業を、大学の授業がそ656 を使用した  。656 は日常的に経験のままオンライン化・デジタル化したものとする心理的ストレス反応を測定することがでしてではなく、上記の様々な能力や態度が求きる  つの因子（抑うつ・不安、不機嫌・怒められる「ニューノーマルな学び」という包り、無気力、各  問）計  問で構成される。

括的な概念としてとらえ直す。その上で、大選択肢は「全くちがう」、「いくらかそうだ」

学生が「ニューノーマルな学び」に対してど、「まあそうだ」、「その通りだ」 の  種のような意識を抱きどのような評価をしてい類で、値の合計をストレスの指標とする。するのか、ストレスにどのような関連性がある

でに信頼性と妥当性が検証されており、質問のか（またはないのか）、デジタルメディアの数と回答のしやすさからも本調査に適当であ

利用実態と合わせて調査することとした。

ると判断した。
③に対しては、全国規模のオンライン質問
紙調査を実施し、サンプル数  以上を目標

３．結果
結果の一部を報告する。

にすることとした。
今後、対面とオンラインを合わせたハイブ① 大学生のコロナ禍におけるストレス要因

リッド型の教育がある程度定着していくこと

656 の平均値が回答者全体、男女ともにが予想される。本調査で「ニューノーマルな「普通」となり特に高い値を示していたわけ

学び」という、遠隔授業よりも広い視点からではなかった。しかし、先行研究と比較した調査をおこなうことで、これまで見えなかっところ、全体・男子では第 , 因子「抑うつ・た課題を明確化させ、教員だけでなく学生が不安」と第 ,,, 因子「無気力」が、女性では遠隔授業あるいはハイブリッド型教育へのレ

すべての因子が高い結果となった。全体としディネスを高める足がかりとなることが期待て、「抑うつ・無気力型」のストレスを感じてされる。

いるものと考えられる。
具体的なストレスの要因として、選択式の

設問（4）では就職や進路などの将来が見通２．計画の進行状況
インターネット調査会社の協力を得てせないという回答が最も多かった。遠隔授業 年  月に大学生・大学院生を対象としたがストレスの主な要因と回答したのは ％インターネット上での質問紙調査をおこなっにとどまった。一方、自由記述式の設問（4）た。リサーチクエスチョンは以下の通りであでは若干結果が異なった。生活面では「対面る。

機会の減少・孤独・対人ストレス」、「精神的・① 大学生はコロナ禍においてどのようなス

身体的不調」、「 将来や進路への不安・戸惑い」、

トレスを抱えているのか、そのストレスの「充実・楽しい」、「活動制限・自粛・新たな― 58 ―

TOPへ戻る
規則への不満や戸惑い」、「経済的困窮・学費 大橋裕太郎「コロナ禍での大学生のストに対する不安・不満」、「コロナウイルスへのレスと遠隔授業」3& カンファレンス，感染、感染蔓延が不安」、「生活の乱れ」、学業 年  月，筑波大学．

に関する事柄では、「学習や研究への支障・不

安、授業が大変」、「対面授業への支持・遠隔参考文献

授業への不満」、「遠隔授業への支持・対面授“大学等における後期等の授業
  文部科学省：

業への不満」、「通学や対面授業、大学の対応の 実 施 方 針 等 に 関 す る 調 査 ” ，への不安・不満」がストレス要因や回答者のKWWSVZZZPH[WJRMSFRQWHQWBP

関心ごととして挙げられた。選択式と自由記[WBNRXKRXBSGI（）．

述式の設問を併用したことで、大学生が抱え 飯田昭人，水野君平，入江智也，西村貴之，

る問題の全体としての傾向と個別具体的な事

川崎直樹，斉藤美香：“新型コロナウイルス感例を検討することができた。

染拡大が大学生に及ぼす影響（第  報）～北② 大学生の遠隔授業に対する評価

海道内の大学への調査結果から～”，北翔大学

約  割が何らかの形で遠隔授業を受講して生涯スポーツ学部研究紀要，，SS

いた。遠隔授業に対して肯定的な評価をした（）．

人（）は否定的な評価をした人（） 全国大学 生活 協同 組合連 合会広 報調査を大きく上回った。肯定的に評価する人は、

部：“「緊急！大学生・院生向けアンケート」

移動時間や移動費の削減といった効率性や合大学生結果報告”，

理性を挙げた人が多かった。一方で遠隔授業

KWWSVZZZXQLYFRRSRUMSFRYLGUHFUXを否定的に評価する人は、教育の質の低下、

LWPHQWBWKUSGIOLQNBSGISGI（）．

教員からのサポートの欠如、学生間のコミュ 伊藤美奈子，栗本美百合，白水倫生：“コニケーション機会の欠如、課題が多すぎるこ

ロナ禍による大学生のストレスと大学生活へと、学費に見合った教育が得られていないとの意識”，人間文化総合科学研究科年報，，感じていることなどを挙げた人が多かった。

SS（）．

③ デジタルメディア利用との関連性 橋本剛：“コロナ禍初期における大学生のデジタルの教材が分かりやすいと回答した

心 理 社 会 的 ス ト レ ス に 関 す る 探 索 的 検 討 人 （  ％ ） は 分 か り に く い と 回 答 し た 人

社会規範としての援助要請スタイルの効果も（％）の約  倍であった。このことから、含めて”，人文論集，  ，SS（）．

デジタルリテラシーやデジタル読解力がそれ）鈴木伸一，嶋田洋徳，三浦正江，片柳弘司，

ほどの問題にはなっていないと考えられる。

右馬埜力也，坂野雄二：“新しい心理的ストレ
ス反応尺度 656 の開発と信頼性・妥当

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況 性 の 検 討 ”， 行 動 医 学 研 究 ，   ， SS
以下の論文誌や学会にて発表を予定してい（）．

る。
  2KDVKL < “6WUHVV IURP &29,''LVDVWHUDQG$ZDUHQHVVRI/HDUQLQJ$&DVH
6WXG\ RI -DSDQHVH 8QLYHUVLW\ 6WXGHQWV”
,),3 :&&(  :RUOG &RQIHUHQFH RQ
&RPSXWHUVLQ(GXFDWLRQ$XJLQ
+LURVKLPD― 59 ―

TOPへ戻る
表 本調査で利用した質問項目
番号4 学校種と学年
4 居住地
（該当するものを選択）

選択肢
私立・国公立と学年（大学院含む）を選択
・ もともと実家に住んでいる
・ 一人暮らしをしていたが、新型コロナウイルスの影響で今は実家に住んでいる・ アパートやマンションなどで一人暮らしをしている
・ 学生寮、学生会館、学生マンションなどに住んでいる
・ シェアハウス、親戚宅などに住んでいる・ 上記以外・ 怒りっぽくなる       ・ いらいらする4 ストレスチェック（ここ１ヶ月の感情や行動の状態 ・ 悲しい気分だ        ・ いろいろなことに自信がない
に最もあてはまる数字を１つだけ ・ 何となく心配だ       ・ なにもかもいやだと思う
選択。選択肢は「全くちがう」、 ・ 怒りを感じる        ・ よくないことを考える
「いくらかそうだ」
、「まあそうだ」 ・ 泣きたい気持ちだ      ・ 話や行動がまとまらない・ 感情を抑えられない     ・ なぐさめて欲しい
、「その通りだ」）
・ くやしい思いがする     ・ 根気がない
・ 不愉快だ          ・ ひとりでいたい気分だ・ 気持ちが沈んでいる     ・ なにかに集中できない4 4 の理由・ 新型コロナウイルスの感染蔓延や感染することが不安だ（4 の回答の理由を１つだけ選 ・ 家族のことが心配、家族と会ったり話したりできない択）
・ 友人のことが心配、友達と会ったり話したりできない・ 好きなことややりたいことができない
・ 就職や進路などの将来が見通せず将来が不安だ
・ 大学の授業が分からない、難しい、意義が見いだせない
・ 人と話したり交流したりできず孤独を感じている
・ 経済的に困っている
・ 人と会ったり話したりするのが不安だ、いやだ
・ 分からない・ その他（          ）4 遠隔授業の割合
・ すべて遠隔授業       ・ 大半が遠隔授業
（講義の形態として最も近いもの ・ 大半が対面授業       ・ すべて対面授業
を１つだけ選択）
・ 遠隔授業と対面授業が同じくらいの割合
4 遠隔授業での困り度・ 遠隔授業で使うデジタルの資料や教材は利用しやすい・分かりやすい（回答者の考えにあてはまるもの ・ 遠隔授業で使うデジタルの資料や教材は利用しにくい・分かりにくい
をすべて選択）
・ 遠隔授業は対面授業と比較して全体的に分かりやすい・ 遠隔授業は対面授業と比較して全体的に分かりにくい
・ 遠隔授業は対面授業と比較して先生や友達に質問しやすい
・ 遠隔授業は対面授業と比較して先生や友達に質問しにくい
・ 遠隔授業は通学の必要がないので良い
・ 遠隔授業は通学の必要がないので良くない（大学に行った方が良い、大学に行きたい）
・ 遠隔授業は家など自由な場所で学習できるので良い
・ 遠隔授業は家など自由な場所で学習できるが誘惑が多く学習に集中できない
・ 遠隔授業は自分のペースで学習できるので良い
・ 遠隔授業は自分のペースで学習できるが、ペースが遅れたりついて行けなくなったりすることがある
・ 遠隔授業は一人で学習できるので良い
・ 遠隔授業は孤独である
・ 遠隔学習は自主的に学習できるので良い
・ 遠隔授業は自主性・自律性が求められるので大変だ
・ 遠隔授業は学費に見合う内容だと感じている
・ 遠隔授業は学費に対して損をしている感じがする
・ 遠隔学習では教員は学生に気を配って教えていると感じる
・ 遠隔学習では教員は学生に気を配って教えていると感じられない4 遠隔授業への評価（ つ選択） ・良い   ・やや良い   ・どちらでもない   ・やや悪い   ・悪い4 スマートフォンの利用時間
4 ゲームの利用時間
4 勉強や進路について考える上で最も信頼している人やもの4 最近感じていること

・利用しない、持っていない
・「 時間未満」から「 時間以上」まで  時間ごとの選択肢から選択
・利用しない、ゲーム機等を持っていない
・「 時間未満」から「 時間以上」まで  時間ごとの選択肢から選択
・大学の先生や授業       ・通っている大学以外の先生や授業
・家族・親戚          ・友達
・主にテレビや新聞などで発言や活動をする有名人・芸能人
・会社社長などの経営者     ・主にネットで発言や活動をする有名人やインフルエンサー
・上記以外のネットの情報    ・あてはまるものはない
自由記述



― 60 ―

TOPへ戻るスマートモニタリングによる $%: の革新  情報工学科  新熊 亮一
共同研究者  株式会社良品計画
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

しい概念を創造する研究である。

これまで取り組んできたスマートモニタリ

図  に 6RRG らが提案した従来の作業スポッ

ングのための ' イメージセンサネットワー

ト推薦システム 6SDFHPDWFK を示す。温度、照クシステムの研究成果を活かし、屋内でのオ

明といった環境に対する快適性について作業

フィス環境を対象とした $%: $FWLYLW\%DVHG

スポットごとに入力することで、個人個人に:RUNSODFH に関する研究を行う。' イメージ

適したスポットをシステムが推薦できるよう

セ ン サ で あ る /,'$5 /LJKW 'HWHFWLRQ DQGになる。図  が本研究で提案するシステムで

5DQJLQJ のユニットを  台以上用いて、オフある。個人個人の属性情報と作業目的ごとのィス環境で作業を行う人々をリアルタイムに作業スポットの嗜好をあらかじめ取得し、機検知する。個々人の属性や、習慣、その日の械学習のモデルを生成し、特徴選択により作作業の目的と、オフィス環境での作業スポッ

業スポットの選択に大きく寄与する属性情報

トや、滞在時間、アクティビティを紐付け、を抽出する。これにより、入室時に作業目的

機械学習のモデルを構築する。構築した機械を入力するだけで、最適な作業スポットを推学習のモデルを用いることで、個々人とその薦できる。

目的に応じて、適した作業スポットを予測できるようになる。本成果を芝浦工業大学全体の研究室に共有し、生産性向上につなげる。
' イ メ ー ジ セ ン サ で 取 得 さ れ る 点 群 デ ー
タから、人や車両を検知するためのディープ
ラーニングの研究が 盛んに行われている

>4L@。しかし、複数の /,'$5 ユニットの図 6SDFHPDWFK

データをリアルタイムに統合し、リアルタイ

ムに検出を行うネットワークシステムは、申請代表者独自のものである。一方、$%: は 
年頃にオランダの民間企業が提唱したと言われているが、機械学習による予測を導入した
研究は国内外でほとんどなく、' イメージセ
ンサを用いた検出については全く行われていない。本研究は単に $%: と、機械学習、' イ図 提案システム

メージセンサを組み合わせたものではなく、オフィス環境の概念を革新する、あるいは新― 61 ―

TOPへ戻る オフィススペースでの目的ごとに、カフェ風オープンオフィス環境 RU従来のオ
フィス環境を選び、さらに作業したいス
ポットも選ばせる 機械学習の入力を個人の属性、習慣、目的とし、出力をオフィス、スポットとして学習を行う
図 研究室の内装

 データの を学習、をテストに用いて、推定を行い精度評価を行う
 特徴選択により属性、習慣、目的の重要度をスコアリングする
結果、 名の参加が得られた。アンケー
トで得られたデータによる機械学習モデルの構築と並行して、実空間の実験環境でのネッD アンケートフォーム

トワークシステムの構築を進める。具体的には、/,'$5 ユニット  台、小型デバイス、エッジサーバを無線ネットワークで相互接続する。
後期は、実験参加者に入室時にタブレットに情報を入力させ、当該実験参加者が席に座E アンケート受付

るまでの移動をセンサネットワークシステム
によりトラッキングし、座った作業スポット、
滞在時間などの情報を記録する。入力情報と、
センサネットワークシステムにより得られた情報を用いて機械学習のモデルを構成し、その予測可能性を評価するとともに、特徴選択により寄与度の大きい情報を抽出した。


F 実験告知

図 ：実験実施状況
２．研究計画 年  月、研究室を実際のオフィス環境
として実験を行う準備が整った（図 ）。実空
間での実験に向けた仮説を立てるため、図 のとおり、数百人規模のアンケートを実施し
機械学習モデルを構築した。前期は以下の手順で研究を実施した。
 大学生〜社会人の参加者を募集した
 個人ごとに属性や習慣の情報を取得する オフィススペースは ' イメージで見せD カフェ風オープンオフィス環境る― 62 ―

TOPへ戻る
年齢であり、興味深い結果となった。
表 特徴として重要な属性上位  位
E 従来のオフィス環境
図 アンケートで用いた ' の &* 次に、オフィス環境を以下のとおり（図 参照）変化させ、実験参加者に快適性など

３．計画の進行状況
 図  に機械学習の作業スポット推薦の精についてのアンケートを実施した。

度評価の結果を示す。図 、 は作業目的がそ第１週目（〜〜）：水

れぞれ資料作成、ブレイクのときの作業スポ

第２週目（〜）：コーヒー＋おかしット推薦の精度結果である。$8& で適度な精第３週目（〜）：音楽

度  を達成できたのは図  E の場合のみで第４週目（〜）：アロマ

あった。

第５週目（〜）：照明
第６週目（〜）：観葉植物D 学生 E 社会人D 水のサーバーとお菓子、コーヒー図 作業目的 資料作成




E 間接照明

D 学生 E 社会人図 作業目的 ブレイク
また、今回取得した属性は、年齢、性別、血液型、出身地、居住地、学部、職業、最終学歴、好きな食べ物、好きなスポーツ、好き

な観光地であった。表  に、機械学習モデル

F 観葉植物において、特徴として重要な属性上位  位を図 オフィス環境の変化

作業目的ごとに示す。
いずれの作業目的に対しても上位  位は、
好きなスポーツ、食べ物、観光地、出身地、
― 63 ―

TOPへ戻る
に基づいた機械学習による適切な作業
ス ポ ッ ト の 推 定 電 子 情 報 通 信 学 会
6H0, 研究会0D\
 .XRQ$NL\DPDDQG5\RLFKL6KLQNXPDCC5HDOWLPHDGDSWLYHGDWDILOWHULQJZLWK PXOWLSOH VHQVRUV IRU LQGRRUPRQLWRULQJ ,(((,),3 1206 


図 環境ごとの快適性などの回答

$SULO

図  に結果を示す。普段の環境よりもすべ

報道発表など ての項目について高いスコアが得られた。

 芝浦工業大学プレスリリース「テレワ

ーク定着後の｢オフィス空間｣を革新す

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

る研究を開始」

 年 度 以 降 も 研 究 室 を 対 象 と し た 実 験

KWWSVZZZVKLEDXUDLWDFMSQHZ

を継続し、デザイン工学科橋田研究室との共VQLGKWPO 

同研究を開始する。

 日刊工業新聞  年  月  日「芝浦工また、 株 良品計画との連携を強化し、良業大学働き方多様化へ技術提案」

品計画のオフィス環境や店舗を対象とした実

験を行う計画の検討を進めている。具体的には、無印良品有明店のオフィスならびに店舗での実験を予定している。
また、本研究は、オフィス環境にとどまる
ものではなく、将来の未来都市を背景とし、教育や、医療・健康に関わる環境への応用を視野に入れ、研究を発展させる予定である。


そのため、生活に溶け込む ,R7[$, 環境の研究

図 L3DG の /,'$5 を用いて取得した研究を進めている。最新の L3KRQH など今後のスマホは ' センサ /,'$5 を標準装備している。

室の ' イメージ

これを用いることで、オフィス利用者の姿勢など作業に取り組む状態のデータを取得し、作業スポットや内容の変更を促すシステムも実現できると考えられる。

学会発表  <1DNDPXUD56KLQNXPDCC0DFKLQH
OHDUQLQJIUDPHZRUNIRUDFWLYLW\EDVHGZRUNSODFHLQRIILFH
HQYLURQPHQW,(,&(6RFLHW\&RQIHUHQFH%6HSW
 阿部真帆・菅野竜聖・中村 陽・新熊亮一CCオフィス環境における関係性― 64 ―

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)

Machine learning for the discovery of novel van der
Waals heterostructure for energy conversion
applications
先進国際課程 Fronzi Marco
Innovative Global Program, College of Engineering,

１．Paper

applications

Layered 2D crystals are unique in theirchemical and electronic diversity, withover 6000 known individual crystals. This
diversity enables rare examples of unique
combinationsofproperties

that

have

profound implications in the future ofenergy harvesting and conversion. Notable

simultaneously.

My

work

focuses on the exploitation of different
possibleenergyconversion

mechanisms

from heterostructures. Eventually, also
simultaneousenergyconversion

devicescan be achieved and provides a vision
towards the future of highly efficientenergy conversion devices.

developments in catalysis, generation ofsolar-fuels,

thermoelectric

andpiezoelectric devices hint at the broadcommercial uptake of devices exploiting
2D

crystalsinthecomingyears

anddecades. However, the unique propertiesof layered 2D crystals are not limited to
one

of

these

individual

applications,rather it is the fact that a single 2D
crystalcanachieve

exceptional

performance in multiple energy conversion

２．Research program

Application of state-of-the-art density
functional theory calculations on novel
2D van der Waals hetero-structures tocalculategap,

fundamental

piezoelectric

mobility,

densitycoefficient,properties:
tensor,ofelectronband

electronstates,Seeback

and

phono

contribution to the thermal conductivity.
After― 65 ―

collecting

a

set

of

DFT

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)
calculations,

machinelearning

modelsthe bandgap of a very large number ofwill be trained to extend the predcitions

novel

to

possible

approach, a database of around 20 million

heterostructures (in principle up to 20

bandgap values for various novel 2D vanmillions).

der Waals heterostructures is produced.

a

very

large

set

of

2D

heterostructures.

Using

this

This work created the basis for solid
future research on novel materials forenergy conversion applications.
[M.Fronzi

Adv.

Intell.

Syst.

2021,

2100080] [P.Sherrel and M. Fronzi (cofirstauthro)

Chem

Soc

Rev,

DOI:

10.1039/D1CS00844G (2022)]

３．State of progress

The bandgap is one of the most fundamental
properties of condensed matter. However,an accurate calculation of its value,
which

could

potentiallyexperimentalists

toidentifyallowmaterials

suitable for device applications, is very
computationally
recentwork,

expensive.
activeInmachinemymostlearning

algorithms are used to leverage a limited
numberofaccurate

densityfunctional

４．

Futureprogram,paper

theory calculations to robustly predict― 66 ―

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)
structures with a desired piezo tensor
will

be

screenedandfabricatedforexperimental

submission and results briefing

Next step of the work will be thecalculations of piezoelectric tensor fora set of around 400 novel structures using
perturbation

theory,

which

will

be

followed by a training of a Bayesian
Neural Network. Once the model will reacha 0.9 R 2 with a relative error below 15%,
the

model

will

be

appliedfortheprediction of piezoelectric tenson over
2.2

millionstructures.

Selected― 67 ―

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)

Development of Framework for Individual-based Emotion Estimation
先進国際課程 Tipporn Laohakangvalvit
Research colleagues
College of Engineering, Shibaura Institute of Technology
Innovative Global Program, Shibaura Institute of Technology

１．Paper introduction

AccordingtoMidori Sugaya
Peeraya Sripian

based on Russell’s Circumplex Model ofthetechnological

Affect[4]

using

biologicalindexesadvancement, many systems in daily life

obtained from brainwave and pulse signals.

haveadvanced

However, they did not consider the mainfunctionality such as autonomous vehicle

issue in emotion estimation that is theand social robot. However, they still

individual differences. In addition, thelacksmethod has not yet been confirmed to be

been

the

responddevelopedtocapability
to

have

to

capturepeople’sandemotions

useful for different applications.

appropriately, which is a big issue that

Therefore, the goal of this research is

may affect human performance. Cai et al.

toreported that different emotional states

estimation using biological signals andaffected different driving performance;

considering individual differences using

the anger and excitement state of thesubjective evaluation. In addition, we

drivers

control

employed our framework for two different

capability than neutral states [1]. Ben

applications: (1) autonomous driving andRobins et al. reported the effect of(2) empathy robot.

showedpoorerlane

developaframeworkforemotionrobot’s appearance on facilitating andencouraging interaction with human [2].

２．Research program

The

Since emotion estimation has an importantresearch

programwasconducted

role in various applications in dailyusing similar experiments as follows.

life, it is necessary to establish a

2.1 Experiment method

method that can be integrated into the2.1.1 Emotional stimuli

Wesystems to estimate emotions effectively.
Ikeda

et

estimating
biologicalunderstand
that

are

explicitlyal.

proposedemotionsausing

informationtrue

emotions

methodvisualinformation

as

our

emotional stimuli for both applications.

involuntaryForaimingtoused a 5-min driving video (Fig.1). For

emotions

empathy robot experiment, we used robot

expressedfacialandsometimes

not

[3].

proposed

The

of

used

methodclassified emotions into two dimensions

autonomous

driving

expressions

experiment,alongside

a

we

happy

arousing video selected by participant
with at least 5-min long (Fig.2).

― 68 ―

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)
out of the 9 pictorial items that has
closest expression to their emotions [5].

Fig.1: Video stimulus for driving experimentFig.4: Self-assessment manikin (SAM) scale forvalence (upper) and arousal (lower) evaluation

2.1.3 Experimental setup and procedure

Due

to

the

experiment

COVID-19

waspandemic,

performed

the

at

each

Fig.2: Video stimulus and robot facial expression

participant’s residence. We asked themfor robot experimentto make sure that the room is quiet during

2.1.2 Evaluation method

1) Biologicalthesignalmeasurementon

previoustominimizetheenvironmental effect on the emotions.

(Objective evaluation)Basedexperiment

The experiment procedure is as follows:
study

[3],

we

employed the following biological signals.

1) Wear biological sensors
2) Start

sensorrecording

and

sit

• Data from pulse sensor (Switch Science;

resting condition (baseline)

Fig.3a) attached to index finger was3) Watch video as emotional stimulus

used to calculate “pNN50”

4) Answer

as HRV

index to estimate valence/comfort.
• Datafrombrainwave/EEG

usedbetweentocalculateAttention

andquestionnaireduringorafter watching the video

sensor5) Stop sensor recording(NeuroSky MindWave Mobile 2; Fig.3b)
was

SAM

in

For the autonomous driving study, the“Difference

experimentwasMeditation

conditions:awakening

performed
and

under

two

drowsiness(Attention-Meditation)” as EEG index

states. These conditions were judged byto estimate arousal.

theparticipants

themselves

beforedeciding to start the experiment.
Similarly, for the empathy robot study,
the experiment was performed under two
conditions:synchronized

and

non-

synchronized states between robot facial

Fig.3. Biological sensors used in the experiment:

expressions(a) pulse sensor (b) brainwave sensor

andemotions.

The2) Questionnaire (Subjective evaluation)synchronization was done using estimatedWe employed a self-assessment manikin

emotions from the biological indexes. The(SAM) scale (Fig.4) for the subjective

non-synchronization

evaluation of emotions. It allows thefacial expressions every 5 seconds. A

evaluation

total of 16 robot facial expressions fromofarousalandvalenceinregardless of languages by selecting one

displayedrandomprevious study [6] were used.

― 69 ―

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)
2.2 Experimental result and analysis

The

2.2.1 Result of autonomous driving study

We performed experiment with 3 malemean Attention-Meditation values

increased

from

-27.2

(difference=21.5)

to

-5.7

duringnon-participants in their 20s. The analysis

synchronized condition, and from -29.1 tosection for biological data is divided

7.7 (difference=36.8) during synchronized

into 7 sections: pre-resting, the first,

condition (Fig.5). The mean pNN50 value

second, third, fourth, and fifth minutes

increasedof(difference=0.4) during non-synchronizedthevideo,

andpost-resting.

Each

from

analysis interval used the data the 30

condition

seconds(difference=0.4)

beforeanswering

the

SAM

and

0.5
from

to
0.6

during

0.9

to

1.0

synchronizedquestionnaire. The EEG index (arousal)

condition (Fig.6). These results indicate

was

of

an increase in both arousal and valence,

Attention-Meditation during each interval.

especially in the synchronized condition.

The HRV index (comfort) was obtained from

In addition, the SAM results show thatobtained

from

the

mean

value

the 30th pNN50 value.
Next,

correlation

the video stimulus were rated 7 points
analysis

betweenfor arousal, and 8 points for valence,

biological indexes and SAM results wasindicating

similarresults

performed. We obtained significant strong

biologicalindexesthat

correlations from some participants forstimulus

selected

bothinterestwas

indexesresultsare(Tablestill

1).

However,inconsistenttheacrosstolarge

individual

differences.
Table 1: Correlation coefficient between biologicalindexes and SAM results (driving experiment)onindividual

effective

to

evoke

Baseline 2

Sync

high

10
0
-10
-20
-30

Drowsiness state

ArousalArousalValence

0.449

0.249

0.845

-0.495

Fig.5: Mean Attention-Meditation values from robot

0.533-0.013experiment

ValenceP01-0.105**P02-0.567*P03-0.0951.000-0.796
0.037

*

-40
-50

2.2.2 Result of empathy robot study

performed

experiment

with

3

participants (2 females, 1 male) whoseages are in the range of 13-18 years old.
Both EEG index (Attention-Meditation) andindex (pNN50) were obtained from themean value of the whole experiment period.

― 70 ―

Mean pNN50

Note: ** : p<0.01, * : p<0.05.

HRV

based

Awakening stateParticipant

We

video

20
Mean Attention-Meditation

due

the

the

arousal and valence.

participants as well as the conditions
possibly

to

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

Baseline 1

Baseline 1

Non Sync

Non Sync

Baseline 2

Sync

Fig.6: Mean pNN50 values from robot experiment

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)

3) Raja, K., Laohakangvalvit, T., Sripian, P.,

３．State of progress

From the results of both studies, weSugaya,M.: "EffectofEmotionRobot

Facialobtained certain relationship between the

Synchronization

biological indexes using EEG and HRV andExpressions", In: International Conference

the subjective evaluation using SAM scale.

on Human-Computer Interaction, pp. 181-188

Therefore, we confirmed that biological(2021).

inindexes have potential to be used as aframework for emotion estimation.
However,theinconsistent

results

acrossthewere

In conclusion, we achieved our goal tostilldevelop a framework for emotion estimation

participants.

using biological signals to some extent

Therefore, we need to improve subjective

throughevaluation methods that consider factors

driving and empathy robot. Future work will

influencing

continue to solve the issue on individual

individual

difference.

By

integrating individual data to analyze

twoapplications:autonomous

differences to generalize the framework.

biological indexes, we expect to clarify
suitable emotion estimation method for

References

different groups of individuals.

1. Cai, H., Lin, Y., Mourant, R.: Study on Driver
Emotionin

Driver-Vehicle-Environment

Systems

４ ． Future program, paper submission andUsing Multiple Networked Driving Simulators. In:

results briefing

Driving Simulation Conference. pp.1-9 (2007).

For the future program, we plan toemployevaluation

Robots as Assistive Technology - Does Appearance

methods such as BIGFIVE personality test.

Matter? In: IEEE Int Workshop on Robot & Human

Also, we will employ multiple EEG and HRVInteractive Communication, pp. 277–282 (2004).

indexes to construct model as a framework

3. Ikeda, Y., Horie, R., Sugaya, M.: Estimating

for

other

emotionsubjective

2. Robins, B., Dautenhahn, K., Te Boekhorst, R.:estimation

that

is

emotion with Biological Information for Robot

generalizable for various applications.

Interaction. Procedia Computer Science, 112, 1589-

Our paper submission is as follows:

1600 (2016).

1) Jadram, N., Anuardi, M., Laohakangvalvit,

4. Russell, J. A.: A circumplex model of affect.

T., Sugaya, M.: "Preliminary Experiment for

Journal of personality and social psychology 39(6),Driver’s Comfortable State Using EEG and

1161–1178 (1980).

HRV During Semi-autonomous Driving", In:

5. Bradley, M.M., Lang, P.J.: Measuring emotion: theInternational Conference on Applied Humanself-assessment

Factors and Ergonomics, pp. 373-381 (2021).

differential. Journal of behavior therapy and2) Ueno, S., Zhang, R., Laohakangvalvit, T.,

manikinandthesemantic

experimental psychiatry 25(1), 49–59 (1994).

Sugaya, M.: "Evaluating Comfort in Fully

6. Kajihara, Y., Sripian, P., Feng C., Sugaya, M.:

Autonomous Vehicle Using Biological Emotion

Emotion Synchronization Method for Robot Facial

Map",

Expression. In: HCII 2020, pp. 644–653, (2020).

In:International

ConferenceonApplied Human Factors and Ergonomics, pp.
323-330 (2021).

― 71 ―

TOPへ戻る



3DSHUEDVHGGLVSRVDEOHVHQVRUIRUWKHGHWHFWLRQRI$QWLEDFWHULDO'UXJV  先進国際課程 $DU\DVKUHH$DU\DVKUHH,QQRYDWLYH*OREDO3URJUDP6KLEDXUD,QVWLWXWHRI7HFKQRORJ\7R\RVX&DPSXV.RWR7RN\R
１．3DSHULQWURGXFWLRQE'LVSRVDEOH SDSHUEDVHG VHQVRU IRU$QWLPLFURELDOUHVLVWDQW $05 LQIHFWLRQVEHGVLGH PRQLWRULQJ RI GUXJ OHYHODUHOLNHO\WRFDXVHPRUHWKDQPLOOLRQ WKLV ZLOO UHGXFH WKH EXUGHQ RQ

GHDWKVHYHU\\HDUE\,WFDQEHPRUH

WKH SRFNHWV DQG SURYLGH LQIHFWLRQVHYHUHIUHH WHVWLQJ DV LW ZLOO EH GLVSR

DQG

OHWKDO

WKDQ

&29,'

7KHUDSHXWLF GUXJ PRQLWRULQJ 7'0  RI DQ

VHGRI 

DQWLEDFWHULDO GUXJ LV HIIHFWLYH LQ WKH

GHWHUPLQDWLRQ RI WKH WLPLQJ DQG WKH

２．5HVHDUFKSURJUDPDPRXQW E\ SK\VLFLDQV 'HYHORSPHQW RI

2XU PDLQ DLP ZDV WR GHVLJQ DQG V\QWKHVLHFRQRPLFDO VHQVRUV IRU DQWLEDFWHULDO

]H PROHFXODUO\ LPSULQWHG SRO\PHUV 0,3

HJ YDQFRP\FLQ PHURSHQHP FROLVWLQ 

V  IRU KLJKO\ VHQVLWLYH 9&0 VHQVLQJ ZK

LQ WKH EORRG ZKLFK FDQ EH XVHG LQ

LFK ZRXOG SULPDULO\ IRFXV RQ LQFUHDVLQJGHYHORSLQJVWURQJO\VHQVLWLYLW\ DQG VHOHFWLYLW\ WR 9&0 ,Q

UHTXLUHG WR RYHUFRPH VXFK SDUDGR[LFDOWKLV UHJDUG WKH EHORZ VWHSV ZHUH IROOVWDWXV ,Q GHYHORSHG FRXQWULHV 7'0 LV

RZHG

PDQGDWRU\ IRU FKHPRWKHUDS\ YDQFRP\FLQ

D

6\QWKHVLVRIGHVLJQHG0,3

9&0  WKH ILUVWOLQH DQWLEDFWHULDO IRUE

0,3HOHFWURGHIRUPDWLRQFKLSVHQVRUPHWKLFLOOLQUHVLVWDQWF,QYLWURHYDOXDWLRQG

5HDOWLPHVHQVLQJDXUHXVFRXQWULHV

056$ LV

6WDSK\ORFRFFXVLQIHFWLRQ+RZHYHUKRVSLWDOV HYHQ LQ GHYHORSHG FRXQWULHVRXWVRXUFHWKHDQDO\VLVRIWKHEORRGOHYHO

３．6WDWHRISURJUHVV

RI9&0

7KH GHWDLOHG UHVXOWV DQG GLVFXVVLRQV

7KLV UHVHDUFK IRFXVHG RQ WKH GHYHORSPHQ

EDVHGRQWKHSODQQHGUHVHDUFKSURJUDPDUH

WRI

GHVFULEHGEHORZ

D/RZ FRVW DQG KLJKO\ VWDEOH VHQVLQ$ 0HWKRGRORJ\

J PDWHULDO XVLQJ PROHFXODUO\ LPS

0DWHULDOV0HWKDFU\OLFDFLG 0$$ 11ULQWHG SRO\PHUV ZKLFK DUH PROHFXODUUHFRJQLWLRQPDWHULDOV ― 72 ―

TOPへ戻る)LJXUH7KHSURFHVVRIPDNLQJ0,3E\SKRWRSRO\PHUL]DWLRQRIYDULRXVPRQRPHUV PHWK\OHQHELVDFU\ODPLGH

DQG J  WKH FURVVOLQNLQJ UHJXODWRU $$P

JO\FRO PPRO  J  UHGR[ PRQRPHU $&3)

YDQFRP\FLQ PPRO  J  DQG WKH WHPSODWHK\GURFKORULGH ZHUH ERXJKW IURP :DNR

YDQFRP\FLQK\GURFKORULGH PPRO

3XUH &KHPLFDO ,QGXVWU\ 2VDND -DSDQ 

J ZHUHGLVVROYHGLQDPL[HGVROYHQWRI(WKDQRODQG11GLPHWK\OIRUPDPLGH '0) 

P/ GLVWLOOHG ZDWHU DQG  P/ '0) 7KHZHUHSXUFKDVHGIURP.DQWR&KHPLFDO&R

VROXWLRQ DQG  J ,* ZHUH SODFHG LQ D

/WG 7RN\R -DSDQ  $OO\ODPLQRFDUER[\TXDUW] FU\VWDO WHVW WXEH DQG EXEEOHGSURSLRQLFIHUURFHQHZDVYLJRURXVO\IRUPLQZLWKQLWURJHQZKLFKSUHSDUHG E\ 3URI $NLKLNR +DWDQR IURPSDVVHG WKURXJK D PL[WXUH RI GLVWLOOHG

'HSW RI &KHPLVWU\ 6,7 %RYLQH EORRGZDWHU DQG '0)  LQ YROXPHWULF UDWLR 

IRU WHVWLQJ ZDV ERXJKW IURP WKH 7RN\RWR

6KLEDXUD=RNL&RUSRUDWLRQ 7RN\R-DSDQ 

FRQWLQXLQJ WKH EXEEOLQJ WKH IOXLG ZDV0$$

DIWHULUUDGLDWHGZLWKOLJKWIURPDPHUFXU\ODPSUHGXFHGSUHVVXUH

SODFHGDWFPIURPWKHWXEH7KHWUHDWHG

DFU\ODPLGH$$P 

GLPHWKDFU\ODWH

DQG

0%$$ HWK\OHQH

('0$ 

('0$

$&3) 

ZHUH

XVHG

SXULILFDWLRQE\

GLVWLOODWLRQ

6SKHULFDOUHPRYHGLVVROYHG

R[\JHQ:LWKJUDSKLWHSDUWLFOHVZHUHZDVKHGZLWKGLVWLOOHGZDWHU

particles 8 µm in diameter (SG%+ ZHUH

DQG01D&ODQGWKHQGLVWLOOHGZDWHUDJDLQGRQDWHG E\ ,WR *UDSKLWH &R /WG

WKUHH WLPHV HDFK UHVSHFWLYHO\ WR UHPRYH.XZDQD-DSDQ 

WKH WHPSODWH IURP WKH 0,3 OD\HU 7KH

FOHDQHG 0,3 ZDV GULHG XQGHU D YDFXXP

3UHSDUDWLRQ RI 0,3 ,QLWLDWRU JUDSKLWH

RYHUQLJKW,*  ZDV SUHSDUHG IROORZLQJ D SUHYLRXVO\UHSRUWHGPHWKRGE\<RVKLPLHWDO>@7KH

0DNLQJ WKH &KLS 7KH ZLULQJ ILOP ZDVIXQFWLRQDOPRQRPHU0$$ PPROJ 

SUHSDUHG E\ SULQWLQJ VLOYHU LQN XVLQJ

WKHFURVVOLQNLQJPRQRPHU0%$$ PPROWKH

LQNMHWSULQWHU-(7

&LUFXLW― 73 ―

TOPへ戻る
VSHFLILHGIRUFRQGXFWLYHLQNRQDSKRWR

LQ WKH RYHQ DW  & 7KH XQJUDIWHG

SDSHUEDVH

FDUERQ ZDV SDFNHG LQ WKH FRXQWHUHOHFWURGHV HOHFWURGH KROHV UHIHUHQFH

HOHFWURGHKROHXVLQJDVSDWXOD/DVWO\DQG FRXQWHU  DQG UHVHUYRLU ZHUH DOO

WKH SUHSDUHG 0,3 ZDV SDFNHG LQ WKH

PDGH XVLQJ $GREH ,OOXVWUDWRU && ZRUNLQJ HOHFWURGH KROH XVLQJ D JODVVLQVWLWXWLRQDO OLFHQVH  7KH FLUFXODUWXEHKROHV IRU WKH UHVHUYRLU



7KH

GHVLJQ

IRU

WKH

 PP LQ

GLDPHWHU  ZHUH PDGH E\ FXWWLQJ WKH6DPSOH3UHSDUDWLRQ$OOWKHWULDOVZHUH

WKHUPDOO\ DGKHVLYH 3(7 ILOPV XVLQJ WKHSHUIRUPHGXVLQJSKRVSKDWHEXIIHUVDOLQH

&2  ODVHUFXWWHU7KHFRXQWHUHOHFWURGHV

FRQWDLQLQJ  0 1D&O DQG D  0

PPLQGLDPHWHU UHIHUHQFHHOHFWURGHV

PL[WXUH PP LQ GLDPHWHU  DQG ZRUNLQJSKRVSKDWH

DQG

HOHFWURGHV PPLQGLDPHWHU ZHUHWKHQSKRVSKDWH

6DPSOHVSXQFKHGXVLQJDPHWDOSXQFK1H[WXVLQJ

FRQFHQWUDWLRQV

D ODPLQDWRU )HOORZHV-XSLWHU 3OXV WKHSKRVSKDWH EXIIHU VDOLQH RI S+  DQG

3(7 ILOP ZLWK WKH HOHFWURGH KROHV ZDVZLWKZKROHERYLQHEORRG

DWWDFKHGWRWKHSDSHUSULQWHGHOHFWURGHV

DQGWKH3(7ILOPZLWKWKHUHVHUYRLUKROH(OHFWURFKHPLFDO&RQGLWLRQV,QWKLVVWXG\ZDV6LOYHUVLOYHUGLIIHUHQWLDO SXOVH YROWDPPHWU\ '39  ZDVFKORULGH $J$J&O  LQN $/6 &R /WG

VHOHFWHG IRU WKH GHWHUPLQDWLRQ RI WKH

7RN\R  ZDV SDFNHG LQ WKH UHIHUHQFH

UHVSRQVHRIWKHGUXJVLQWKHVDOLQHEXIIHU

HOHFWURGHKROHDQGOHIWWRGU\RYHUQLJKWDQGEORRGDVWKLVHOHFWURFKHPLFDOWHFKQLTXHDOVR

ODPLQDWHGRISRWDVVLXPGLVRGLXP
RI

ZHUH

GLK\GURJHQK\GURJHQGLIIHUHQWSUHSDUHGLQ

)LJXUH5HVSRQVHRIWKHVHQVRU$ VHOHFWLYLW\RIWKHVHQVRUWRZDUGV9&0% UHVSRQVHRI0,3LQEXIIHU
DQGLQZKROHERYLQHEORRG& LPSULQWHGYVQRQLPSULQWHGSRO\PHU' FKURQRDPSHURPHWULFDQDO\VLVRIWKH
VHQVRUDQG( &OLQLFDOWULDODW6DLWDPD0HGLFDO8QLYHUVLW\ ― 74 ―

TOPへ戻る
LV NQRZQ WR SURYLGH KLJK VHQVLWLYLW\ 7KHWHVWHG DW 6DLWDPD 0HGLFDO 8QLYHUVLW\ DQGHOHFWURFKHPLFDO VHQVLQJ ZDV GRQH XVLQJUHSRUWVDUHDZDLWHG&RPSDFWVWDWK

SRWHQWLRVWDWE\,YLXP

7HFKQRORJLHVDORQJZLWK,YLXP6RIWYHUVLRQ

４． )XWXUH SURJUDP SDSHU VXEPLVVLRQ DQG>@

UHVXOWVEULHILQJ% 5HVXOWVDQG'LVFXVVLRQV

,Q)<,SODQWR

7KHGHYHORSHGYDQFRP\FLQVHQVRUZDVKLJKO\VHQVLWLYHWRYDQFRP\FLQ:HWHVWHGWKH0,3

'HYHORS GLVSRVDEOH VHQVRUV IRU RW
KHUGUXJVVHQVRU WREH PRUH VHQVLWLYHWKDQ WKH QRQLPSULQWHG VHQVRU 6HQVLWLYLW\ RI WKH 0,3

&RQWLQXH WR GHYHORS D FRPSOHWHO\

7HVWWKHVHVHQVRUVLQ,QGLDZDV WHVWHG LQ ERWK EXIIHU VDOLQH DQG LQ

SRUWDEOHZKROH ERYLQH EORRG DQG ZDV )RXQG WR EH

PRQLWRULQJ VLPLODU WR WKH SUHVHQWDOPRVW VDPH +RZHYHU LQ ZKROH EORRG WKHJOXFRVHVHQVRUVHQVRUIRU

WKHUDSHXWLF

LQWHUFHSW YDOXH ZDV VRPHZKDW VPDOOHU WKDQ3XEOLFDWLRQDQGFRQIHUHQFHV

WKDW LQ EXIIHU VDOLQH ,W PD\ EH SRVVLEOH

7KH ZRUN RI WKLV SURMHFW LV ZHOOFRPPXQLFDWHGWKURXJKFRQIHUHQFHVWKDWEORRGSURWHLQDQGOLSLGVFRPELQHZLWK
9&0DQGVHHPWRLQWHUIHUHZLWKWKHUHVSRQVH

 $DU\DVKUHH $NLKLNR +DWDQR 7RPRMLFXUUHQW

Oishi,

7KH VHQVLWLYLW\ DQG FRHIILFLHQW RI

VHQVRUOLQHDULW\ 5 YDOXHVDUHJLYHQLQWKHEHORZLPSULQWHG FDUERQ SDVWH RQ D SODVWLF

WDEOH

base’,3DFLILFKHP

and

Yasuo

FKLS

Yoshimi,XVLQJ‘Drug

PROHFXODUO\

2QOLQH

3UHVHQWDWLRQ

ElectrodeSensitivity [A‧mL/g]

R2

MIP [VCM]

18.78

0.98

 $DU\DVKUHH +DUXNL (ELVDZD 6D\DND

MIP [TEICO]

2.43

0.08

$]XPD $NLKLNR +DWDQR DQG <DVXRMIP [Blood]

24.72

0.99

<RVhimi,‘$

NIP

8.06

0.26



'LVSRVDEOH

9DQFRP\FLQ

6HQVRU 8VLQJ 0ROHFXODUO\ ,PSULQWHG

,WLVFOHDUIURPWKHDERYHYDOXHVWKDWWKH

&DUERQSDSHU FKLS VHQVRU ZDV KLJKO\ VHQVLWLYH WR

Chip’,(OHFWURFKHPLFDO

6RFLHW\

9&0 ERWK LQ EXIIHU VDOLQH DQG LQ ZKROH-DSDQ

2QOLQH

ERYLQHEORRGZLWK5YDOXHJUHDWHUWKDQ

3UHVHQWDWLRQ

3DVWH

)DOO

RQ

PHHWLQJ

D

3DSHURI

WKHVHQVLWLYLW\LQ1,3LVYHU\VKRZLQJWKDW $DU\DVKUHH <XL 1DNDQH 0DVDNL $EH

WKH DEVHQFH RI LPSULQWHG VLWHV LQ 1,3

<XXWR7DNHGD7RPRML2LVKLDQG<DVXRUHQGHUV QR LQWHUDFWLRQ RU UHELQGLQJ RI

<RVKLPLWHPSODWHWRFDYLWLHVUHGXFLQJWKHFXUUHQW&DUERQ3DVWHIRU7KHRSK\OOLQH6HQVLQJYDOHVDQGWKXVWKHVHQVLWLYLW\)XUWKHUWR

2Q $ 'LVSRVDEOH 3DSHU &KLS 6HQVRUUHGXFH WKH WLPH WDNHQ E\ WKH VHQVRU ZH

,QWHUQDWLRQDO 0HHWLQJ RI &KHPLFDO

WULHG WR LPSOHPHQW FKURQRDPSHURPHWULF

6HQVRUV2QOLQHSUHVHQWDWLRQ‘Molecularly

Imprinted

DQDO\VLVDQGIRXQGWKDWWKHVHQVRUFDQJHWUHVXOWV LQ VHFRQG7KH VHQVRU ZDV WKHQ― 75 ―

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マイクロプラスチックの観察と微細化の解明
  SIT 総合研究所  関宏範 

１．序論（はじめに，まえがき，目的）

以下のナノプラスチック(NP)は、捕集と検出

近年、海洋や河川等の水環境において人類に技術的課題がある。

の活動の際に生じたマイクロプラスチック

以上のように、SMP および NP の発生機構(MP)が生態系の循環の中で濃縮され、最終的の解明は喫緊の課題であるにもかかわらず、には摂取した人体に蓄積し健康に害を及ぼす

その動態は明らかとなっていない。マイクロことが危惧されている。東京海洋大学の荒川ナノスケールでの形態観察と分析により、水教授らによって MP の場所ごとにおける量や環境中でどのような過程を経て、どのように種類や分布が明らかとなっている

(1)

。図

1(a),(b)に示すように MP 表面には、Ag 等の金形態変化するのかというという学術的な問いに取り組むべく、本研究を申請した。

属、および SiO 2 や TiO 2 などの酸化物無機ナ
ノ粒子が付着、蓄積することで生態系への更なる悪影響が懸念される(2) 。
MP は水環境中へ（参考文献）(1) H. Nakano, H. Arakawa, T.
Tokai,

MarinePollution

Bulletin,Vol.162,(2021) 111887, (2) Lars Hildebrandt et al., PLOSの放出後、環境紫外線による光化学的な酸化ONE (2020) https://doi.org/10.1371/

劣化と共に、海中での力学的作用で微細化す

journal.pone.0236120, (3)環境省令和 2 年度海る（図 1(c),(d)）。既に 350 m 以下のスーパー

洋プラスチックごみ学術シンポジウム

マイクロプラスチック（SMP）に関する研究

http://www.env.go.jp/water/post_85.htmlが報告され (3) 、更にその影響が未知の 100 nm
(a)

(b)

マイクロプラスチック表面にAg、TiO2などの無機ナノ粒子が付着（スーパーマイクロプラスチック、SMPの前駆体）

マイクロプラスチック（MP、350μm以上）

(e)

(d)

(c)

拡大

UV

波
紫外線による劣化や波よる粉砕

電子線

電子線、AFMなど

切断
研磨等

時間の経過に伴い微細化が進行する

２次電子等

特性X線等

離脱

Ga＋

ナノ分析

分析
駆使

経年によりMPからSMP、NPに微細化の進行（分散したものは数10nm~数100μm）

分析により複合化の予兆が確認できたら、イオンビーム加工や低速切断、研磨・琢磨などのナノ観察技術を駆使

経年による複合化、新しい発見

図 1 (a)海中の MP における(b)表面への無機粒子の付着、その(c)紫外線等による劣化および(d)微細化の流れ。(e)電子線をプローブとする表面のナノスケール形態観察と分析。

― 76 ―

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２．研究計画研究協力者の電気工学科の西川宏之教授を

本研究では未だ解明されていない海洋マイ

はじめ、機械工学科の二井信行教授、機械機

ク ロ プ ラ ス チ ッ ク (MP) の 表 面 形 態 観 察 と 分

能工学科の長澤純人教授、電子工学科の小池析によるナノ粒子化の機構解明を行うことを義和教授の協力の下、研究活動をスタートさ目的とする。具体的には、図 1(c),(d)に示すよせた。

うに MP を前駆体として、剥離と微細化のサ（１）回収

イクルを繰り返し NP に変化するという仮説

東京海洋大学の荒川久幸先生から、東京湾の下、応募者がこれまで培った材料科学者との各海域で船上よりニューストンネットをしての微視的かつ分析的なアプローチにより、用いて採取されたマイクロプラスチックを

NP の発生機構に迫る研究を行った。

含む海水 3 サンプルのご提供を頂いた。

（１）回収

また、ポータブル電源、耐海水用水中ポン

すでに東京海洋大学の荒川久幸先生にプ、水量計、散水用継手、各メッシュ付きス

は実際に海洋にて回収された MP の試料提トレイナーを組み合わせて MP 回収システム

供依頼を進めた。また、自ら MP を回収すの作製を行った。大学付近の豊洲運河にかかるために、水循環システムを構築している。

る桟橋より本システムの水中ポンプを投下し、これを活用し、豊洲の河川に対して水中ポMP 回収を行うことに成功した(図 2)。

ンプとストレイナー、流量計などの部材を利用して連続的に MP の回収実験を行った。
（２）前処理海洋や河川で得られたサンプルには、トa
第1フィルター40メッシュ
400μmb
第2フィルター120メッシュ130μm

イレットペーパー由来のセルロースや、ア
第3フィルター
10μm

オコ・アオミドロなどの藻類、プランクト
ンなどの微生物が多く含まれる。MP 分析

cの妨げになるため、前処理を行う。前処理には 2 パターンを準備した。一つは、有機

水中ポンプ

物の分解に有利なアルカリ処理である。もう 一 つ は 過 酸 化 水 素 に 硫 酸 鉄 (Ⅱ)を 混 合 したフェントン試薬である。残された MP をフィルタと減圧吸引法によってフィルタ上

図 2 自作したスーパーマイクロプラスチッに回収し、乾燥後サンプルとした。

ク回収システム。
（a）システム外観（b）豊洲
運河桟橋にて投下の様子（c）（３）観察および元素分析
前項の前処理によって得られたサンプル（２）前処理に対して高解像度観察のできる JSM-7610F

MP の分析には海水中に大量に存在するプ(JEOL) と エ ネ ル ギ ー 分 散 型 元 素 分 析 装 置

ランクトンやセルロースといった生物由来の

EDS を用いて表面、サイズや形状の観察、有機物を分解する必要がある。このため、水組成分析を行った。

酸化ナトリウム 1 Mol/L を準備し、これに採取した MP を含む海水を添加し、ホットプレートで 50 ℃に加熱した。

３．計画の進行状況

その他の有機物分解の手法としてフェント

前項の実験計画で示した３項目について進
行状況を示す。

ン反応を実施した。塩酸にて pH: 3 より高い

― 77 ―

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酸性にしたあとに、硫酸鉄(II)7 水和物を加え、の用途はアルミ建材やピストン治具であるこ

2 Mol/L のオキシドールを加えた。その後、とから風化等の現象により人々の活動域から

日光に 1 日間当て有機物分解を試みた。

水環境中に流れ出たと考えられる。

得られた溶液に対してメンブレンフィルターa

および減圧法を用いて残った物質を濾した。

Si

（図 3）
a

b
Si

b

c

図 3 減圧法による濾過。(a)減圧濾過装置と(b)得られた SEM サンプル。
（３）観察および元素分析
フィルター上に残った物質に対して乾燥処

図 5 電子顕微鏡による観察と元素分析。（a）

理を行った後、JSM-7610F (JEOL)を用いて観表面観察。
（b）Si のマッピング。
（c）Al のマ

察および EDS による元素分析を行った。

ッピング。
第 2 の薬品処理としてアルカリ処理のあと、

図 4 にアルカリ処理やフェントン反応を行う
前の観察結果を示す。様々なプランクトン類

フェントン反応を行った。ほとんどの粒子をを観察することができた。

観察することが困難であるほど液中に目視にて粒子の存在を確認できなかった（図 6）。フェントン反応では塩酸といった酸を用いるた
め、Al や Si は観察されるがイオン化傾向の高い Fe や Mg などは溶解してしまう可能性がある。フェントン反応では、マイクロプラス
チックの確認には有益であるが、金属ナノ粒子の観察には不向きではないかと考えている。

図 4 薬品処理を行わない場合の観察結果。

a

b

c

d

薬品処理を行わない場合、プランクトンにより観察に不向きであるため、アルカリ処理を行った。溶解したあとのプランクトンの残骸により一様な膜を形成しているため、マイク
ロプラスチックを含む粒子の観察は困難であった。図 5 に元素分析を行った結果を示す。
この結果、Al や Si、Mg、Fe といった種々の金属や半導体の元素を確認することができた。
一部では Au 粒子の存在をも確認することができた。Al と Si は同一の場所に観察するこ

図 6 フェントン反応後の溶液と元素分析結とができることから合金化していることがわ果。
（a）透明な液となる。
（b）表面観察。
（c）

かる。Al-Si 合金はアルミ 4000 系であり、そSi のマッピング。（d）Al のマッピング。

― 78 ―

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この他、誘電泳動技術を用いたマイクロプラ

４．今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状況

スチックの捕集の実験を進めた。共通機器セプラスチックの分析にはラマン分光装置やンターに有る陽子線描画装置を用いてマイク

FT-IR などを用いて測定されることが多い。

ロプラスチック捕集用ピットを形成したフィ

これらの装置を利用し、Carbonyl Index 値（CI

ルムに対して交流電流を流し、誘電泳動力に値）を測定することにより目標の物質の同定

よる粒子の捕集を行うものである。実験の結や酸化劣化具合を知ることができる。拡散反果、1 m の粒子サイズを有するポリスチレン

射測定ユニットを準備し共通機器センターに粒子に対して捕集を行うことに成功した（図有る FT-IR を用いて採取したマイクロプラス

7）。

チックに対して CI 値を測定し物質の同定を行う予定である。
この他、前項で示した誘電泳動現象を利用したマイクロプラスチックの捕集については（１）関宏範 (芝浦工業大学)、林秀臣(NPO
エコデ ザイ ン推 進機 構 )、内田 諭(東京 都立大学)、西川宏之(芝浦工業大学)“水環境中のポリスチレン微粒子の捕集に及ぼす誘電泳動用ピットの影響”

100 m2021 年 9 月 2 日電気学会 A 部門大会

図 7 誘電泳動現象を用いたポリスチレン粒
子の捕集の様子。

として口頭発表を行った。ドライフィルム
レジストに対する陽子線描画装置の適用につまた、この捕集デバイスの大容量化のため

いては、（２）H. Seki, K. Kawamura, H Hayashi, Y.

にはドライフィルムレジストを用いた捕集ピットの作製を行う必要がある。陽子線描画装

Ishii, N. Puttaraksa, H. Nishikawa

置を用いてドライフィルムレジストを、指定した図形パターンに感光させることに成功し“Utilizing a photosensitive dry film resist in
proton beam writing”

た(図 8)。これにより、マイクロプラスチックの捕集デバイスの大容量化の目処ができた。

MNC2021 online and on-demand conference,
October 26, 2021
その論文発表については、（ ３ ） Hironori Seki, Keiya Kawamura,
Hidetaka

Hayashi,Yasuyuki

Ishii,

NitiponPuttaraksa, Hiroyuki Nishikawa“Utilizing a photosensitive dry film resist in
proton beam writing”
JAPANESEJOURNALOF

APPLIEDPHYSICS 61(SD) 2022 年 6 月
として 6 月に掲載予定である。
図 8 陽子線描画装置を用いてドライレジ

さらに、誘電泳動法を用いたスーパーマイ

ストフィルムに対して照射後に現像したあとクロプラスチックの捕集についても今後、論の様子。

文発表を行う予定である。

― 79 ―

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説明可能な社会シミュレーション分析技術  電子情報システム学科  後藤 裕介  
共同研究者
岩手県立大学ソフトウェア情報学部ソフトウェア情報学科  市川 尚
大東文化大学経営学部経営学科  白井 康之
大阪府立大学現代システム科学域知識情報システム学類  森田 裕之
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

ーションにおける説明可能性のためのホワイ

新型コロナ感染症に代表される複雑・不確

トボックス化の研究に取り組むこととした．

実な現象を対象とする社会シミュレーション

具体的には，以下を研究目的とした．

は，現実の政策意思決定において活用され始1)めているが，AI がその実用化において直面したように，説明可能性が課題となっている．

質整理
2)

説明可能性への取組みとして，社会シミュ

多目的最適化社会シミュ レーション事例としての経済政策分析シミュレータの開レーションの結果（現象）がどのような原因により生じたのかを明らかにする原因分析に

多目的最適化社会シミュレーション の性

発
3)

説明可能性のための 多目的最適化社会シ

ついて，いくつかの研究が行われており，一ミュレーションにおける解集合に基づい定の成果がある．後藤（2020）は，社会シミた状況分類手法の開発

ュレーションのマクロレベル現象をクラドグ
ラムという図形式で分類可視化し，その原因（参考文献）

をミクロレベルの挙動の異なりから説明する

菊地剛正，國上真章，高橋大志，鳥山正博,

方法を開発している．倉橋ら（1999）は，は

寺野隆雄，“ ビジネスケース記述言語を用じめに関心のある現象を定義して，進化計算

いたエージェントシミュレーションログ

手法によりその現象を生成する原因を分析すの分析手法，”シミュレーション&ゲーミ

る逆シミュレーション手法を開発している．

ング, Vol.29, No.1, pp.36-48 (2019)

菊地ら（2019）はクラスタリング手法等機械

倉橋節也，南潮，寺野隆雄，“逆シミュレーシ

学習手法を用いてシミュレーションログからョン手法による人工社会の分析,”計測自有効な原因分析を可能とする手法を開発して

動 制 御 学 会 論 文 集 , Vol.35, No.11,

いる．

pp.1454-1461 (1999)

社会シミュレーションでは，複数のステー

後藤裕介，“ 複数の分析関心に基づく社会シミ

クホルダーが異なる関心を抱いていることかュレーション・ログの階層的分類と可視

ら，状況を多目的最適化問題としてとらえる

化 手 法 ，” 計 測 自 動 制 御 学 会 論 文 集 ,ことができる．このような背景から，本研究

Vol.56, No.10, pp.463-474 (2020)

では多目的最適化問題としての社会シミュレ― 80 ―

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２．研究計画３１多目的最適化社会シミュレーションの前述の研究目的  〜 について，それぞれ

性質整理

次のような計画を立てた．

関連論文のサーベイとレビューを行い，社

会シミュレーションではデータ，状況シナリ

２１多目的最適化社会シミュレーションのオ，モデルの 3 要因について，不確実性が存性質整理

在しうると整理した．また，進化計算では，通常の多目的最適化の問題とは異なり，社

目的関数にノイズがある，設計変数や環境パ

会シミュレーションでは，その不確実性の取ラメータ変化する，目的関数地が近似されて扱が問題となると考えられる．このことから，

いる，目的関数が時間変化するという形で不社会シミュレーションにおける不確実性の概確実性が表現されていることがわかった（Jin

念整理と進化計算における不確実性の概念整& Branke, 2005）．そして，両者を比較したと理を行い，社会シミュレーションにおける多ころ，一部には素直ではない対応も含まれる

目的最適化技術についての考察を行うこととが，概ね対応関係があることがわかった．

した．

これらをふまえて，以下の技術が重要であると考察し，この成果を[3]にて発表した．
1.

２２経済政策分析シミュレータの開発
技術の評価のためには，適切な事例を準備する必要がある．本研究では，社会シミュレ

解の実行結果が不確実性を持つことの意
味付けを行う技術

2.

ーションの多目的最適化事例として，例えばパレートフロントの近似解から，意思決定に際しての考察を促す技術

目的間にトレードオフが存在しうる経済支援

なお，1 に関連して，[6]の発表を行った．

施策の設計を対象としたシミュレータを開発



し，事例として利用することとした．

３２経済政策分析シミュレータの開発



技術の評価のため，経済政策分析シミュレ

２３説明可能性のための多目的最適化社会

ー タ の 関 連 研 究 で あ る Goto (2018)を 参 考 に

シミュレーションにおける解集合に基づいた

して，新規に開発した．図 1 はシミュレータ

状況分類手法の開発

の概要を整理したものである．シミュレータ

開発した経済政策分析シミュレータを事例

は，自治体における新型コロナウイルス感染として，ホワイトボックス化の研究に取り組症による経済ショックに対する給付金施策設

む．具体的には多目的最適化社会シミュレー

計の最適化問題を分析するためのものである．

ションにおいて入力する状況間の類似度を定

入力には仮想合成人口個票データ，経済ショ

義する手法を開発することとする．開発したック，経済支援施策を設定する．このとき，

手法を用いることで，施策の期待効果に基づ経済支援施策の予算は限りあるため，対象といて状況の類似性を根拠に基づいて評価する

金額を最適化する必要がある．シミュレータ

ことを可能にするとともに，状況や施策の効はこれらの入力に基づいて，経済ショック規果に関する理解を深めることも可能になると模を決定し，対象となる住民の失業や給与変考えられる

動を行う．そして，定義した経済支援施策か

ら定まる給付対象に指定した金額を支給し，収入を変化させる．この結果を出力し，デー

３．計画の進行状況
上述の 2.1〜2.3 の研究計画について，それタから目的関数値を計算する．
目的関数は 2 つ設定した．1 つ目は，相対ぞれ次のように進行している．
― 81 ―

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的貧困に該当する世帯を減らすことを目的とームが解を提出し，多目的部門では 10 チーム

している．2 つ目は失業や収入減少があったから解の提出があった．コンペティションの世帯の収入を減少分だけ補償することを目的

解法は結果発表時に各チームから報告がなさとしている．これらの目的関数間にはトレーれ，その一部は本研究の開発技術の着想の参ドオフが存在する．

考となった．なお，関連する成果として，[4][5]にて発表を行った．
・仮想合成人口個票データ
・経済ショック
・経済支援施策３３説明可能性のための多目的最適化社会
シミュレーションにおける解集合に基づいた

入力

状況分類手法の開発
本研究では，多目的最適化社会シミュレー

シミュレータションの結果として得られた決定変数空間お経済ショック規模決定

よび目的関数空間における解集合を類似性の定義に用いることを着想した．このように考失業・給与変動（属性値更新えると，同様の施策が最適であることや同様の施策効果が見込めるという観点で状況の分類を行うことができ，ホワイトボックス化に給付金の支給貢献すると考えられる．
図 2 は提案手法の概要を整理したものである．提案手法は「多目的最適化社会シミュレ

結果の出力

ーションによる解集合の獲得」と「解集合に

図 1：経済政策分析シミュレータの概要[2]基づく類似性評価」の 2 段階から構成される.

また，開発したシミュレータは進化計算学会 実世界ベンチマーク問題分科会が開催する進化計算コンペティション 2021 1 において，最適化問題として提供を行った．なお，コン
ペティションのスケジュールは以下の通りである．
⚫

Web サイト公開：2021 年 10 月 21 日（木）
12:00

⚫

チュートリアル問題公開：2021 年 10 月
26 日（火）21:00⚫

競技開始：2021 年 10 月 26 日（火）21:00⚫

競技終了：2021 年 12 月 18 日（土）23:59⚫

結果発表：2021 年 12 月 25 日（土）午前
コンペティションには単目的部門で 12 チ

多目的最適化社会シミュレーションによる解集合の獲得段階では，対象状況群について，
各状況における施策の多目的最適化を行い，最適な解を獲得する．第 2 段階では，状況間の類似性評価を行う．決定変数空間における解集合と目的関数空間における解集合のそれ
ぞれの特徴をふまえた類似性を定義する．
（参考文献）
Y. Jin and J. Branke, “Evolutionary Optimizationin Uncertain Environments − A Survey,”
IEEE

Transactions

Computation,

Vol.9,

on

Evolutionary

No.3,

pp.303-317(2005)Y.

Goto,“Stylized

Fact

AnalysisofCash-For-Work Programs in the Disasterコンペティション Web サイト：
（https://ec-comp.jpnsec.org/ja/competitions/e
ccomp2021）



Reconstruction Process,” Proc. of the 2018
IEEE SMC, pp.1140–1145 (2018)― 82 ―

TOPへ戻る
多⽬的最適化施策

決定変数空間における解集合
,

( )
=

( ,
状
況

⽬的関数空間における解集合

( ,

)

)

⼊⼒

出⼒

 類似性の定義 クラスター分析

シミュレーションモデル

多⽬的最適化社会シミュレーション

解集合に基づく類似性評価

図 ：解集合に基づいた状況分類手法の概要>@
SSI2021，pp.268-269，オンライン，2021

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

年 11 月．

今後の計画として，進化計算コンペティシ
ョン 2021 の内容をまとめた論文を投稿予定[4] Y. Goto, H. Ichikawa, H. Morita, and Y.

である．また，本研究を発展させた分析技術

Shirai, “Toward Simulation Analysis ofに関して科学研究費補助金 基盤研究(C)にてSubsidy Payment Policies Amid COVID-19

採択がされた[7]．この他，関連した研究課題

Pandemic: Multi-Objective Optimization in

で JST 等研究費申請の準備を進めている．

Agent-Based Simulation,” IEEE CYBCONF
2021, p.127, online, 2021(June)

研究の成果としての投稿・発表状況は以下の通りである．関連して，合計 6 件の研究発[5] 高橋耕平，市川尚，後藤裕介，“COVID-19

表を行い，1 件の受賞があった．

感染対策による経済影響分析シミュレー[1] 後藤裕介，“社会システムを対象とした予タの開発，”経営情報学会 2021 年度年次

測と感性，”第 17 回日本感性工学会春季大会，pp.60-61，オンライン，2021 年 6大会，1 page，ハイブリッド，2022 年 3月．一般社団法人経営情報学会 2021 年

月．

度年次大会 優秀萌芽研究賞[2] 後藤裕介，白井康之，森田裕之，市川尚，[6] 工藤大輝，市川尚，後藤裕介，“政策議論“多 目 的 最 適 化 社 会 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン にを促す多目的最適化社会シミュレーショ

おける解集合に基づく状況分類手法の検ン手法の開発，”経営情報学会 2021 年度

討，” 計測自動制御学会 システム・情報

年 次 大 会 ， pp.56-57， オ ン ラ イ ン ， 2021

部門 第 27 回社会システム部会研究会，

年 6 月．

pp.1-9，ハイブリッド，2022 年 3 月．

[7] 後藤裕介，“因果内包クラスタリングによ[3] 後藤裕介，市川尚，白井康之，森田裕之，る社会シミュレーションの説明可能化，”“経 済 支 援 政 策 分 析 の た め の 社 会 シ ミ ュ

科学研究費補助金 基盤研究(C)，2022 年

レーション基盤に むけ て，” 計測自動制〜2024 年度．

御学会 システム・情報部門学術講演会



― 83 ―

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環境適応型システム開発方法論と実証研究  電子情報システム学科  久住 憲嗣  
共同研究者
福岡大学工学部電子情報工学科  中西 恒夫
福岡大学工学部電子情報工学科  藤永 拓矢
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

組込みシステムにおける実証実験がなされて近年の組込みシステムは、,R7 やインダス

おらず、&23 の考え方を適用したときの定量

トリー に代表されるとおり、時々刻々と的な効果が不明である。そこで本研究では開変化する外部環境に応じて 、システムの振舞

発プロセス論，組込み／オートモーティブシ

いを変えるシステムを実現する技術が求めら

ステム，ロボティクスの研究者らを共同研究れている。

者として招き、方法論をまとめ、ケーススタ

コンテキ スト指 向 プログラ ミング

ディの実施を通してその効果を計る。

&RQWH[W2ULHQWHG3URJUDPPLQJ&23 は、コンテキストに依存したソフトウェアを開発す

２．研究計画るためのソフトウェア構成手法である。前述

本年度は上流を中心に開発方法論の整備、おシステムを実現するための技術として注目さよび、実アプリケーションによるケーススタれている。コンテキストとはシステムを取りディを実施する。

巻く状況や文脈のことであり、システムから

コ ン テ キ ス ト 指 向 プ ロ グ ラ ミ ン グ &23 の パ

観測可能なものである 。コンテキストの例とラダイムを取り入れた開発方法論の提案 

してはシステムを取り巻く外部環境、システ

既存手法に不足している要求分析、レイヤ

ムの内部状態、あるいはそれらの変化の順序設計を中心に &23 の考え方を取り入れた開発が挙げられる。&23 はコンテキストに依存し方法論を提案する。具体的には、要求分析にた振舞いをレイヤとしてモジュール化し 、そおいてソフトウェアプロダクトライン工学

れらを実行時のコンテキストの変化に応じてで使用される共通性、相違性分析手法を導入

切り替える。これにより &23 はコンテキスト

し、いつ、どの部品が可変するかの分析を行に応じて全体の振舞いを変えるようなソフト

う手法を提案する。また、要求分析結果に基ウェアの開発を容易にする。また、&23 では従づいて &23 部品であるレイヤを設計する手法

来のプログラミング言語では取り扱いにくかを提案する。

った横断的関心事を部品化して管理できるた実アプリケーションによるケーススタディ め、テスト容易性、再利用性の向上が見込め

研究分担者が構築している実験車両を対る。

象に，&23 を用いて実装した運転者支援シス

しかしながら、&23 を使用するための適切テムを構築し、ケーススタディを行う。当該な要求分析、設計手法についての検 討がなさ

実験車両には、車載ネットワーク、ならびにれていない。また、効果は期待されるものの、

インターネットに接続する /LQX[、及び 526

― 84 ―

TOPへ戻るの動作する 3& が搭載されている。当該 3& にル化の特徴はレイヤにあるため、モデル上では、'/L'$5、深度カメラ、運転者の身体計&23 の振る舞いを表現するにはレイヤの表現

測システム等が接続できる。 この実験車両をが重要である。既存のステートマシン図を用対象に  で提案した手法に加え実装評価をいる場合、レイヤはガード条件の中にしか表実施する。

現できず、メモによって文脈とレイヤを記述

して、活性化の条件だけをガード条件に記述

３．計画の進行状況

することになる。

３．１コン テ キ ス ト 指 向 プ ロ グ ラ ミ ン グ

提案手法を用いてモデル化した例を図  に&23 の パ ラ ダ イ ム を 取 り 入 れ た 開 発 方 法 論示す。ベースと書かれているモデルは、基準の提案となる振る舞いだけをモデル化する。そして、

本節では、コンテキスト指向プログラミン

ベースの差分として晴れレイヤと雨レイヤのグ &23 の パ ラ ダ イ ム を 取 り 入 れ た 開 発 方 法

ステートマシン図を作成する。右上の表は、論を提案する。従来手法ではソフトウェア開レイヤが活性化する為の条件を並べたもので発の上流において構造に関する分析や設計をあり、詳しくは後述する。また、ベースとなる支援する方法論は提案されてきた。しかしな振る舞いとレイヤで完全に分離しているわけ

がら、&23 の考え方を導入した振る舞いに関ではなく、ベースに透明な紙を上から重ねるする分析、設計手法の検討は不十分であった。

ようにレイヤで振る舞いのモデルを表現する。

そこで、本研究では振る舞いを検討するため提案手法を用いた場合、視認性の向上と誤読に、80/ ステートマシン図を拡張して &23 対の低下が期待できる。また、&23 では元の振る応する。

舞いと違う振る舞いをする場合や複数のクラ提案手法では，基本となる振る舞いを表す

スが  つのレイヤ内にある為、複数のステー

ベースのモデルに対して，&23 の機能である

トマシン図に同じレイヤが拡散することもあ

レイヤの振る舞いを断片的なモデルの情報をり、この図だけではレイヤの活性化の条件と持った差分のモデルを重 ねて書き換えることの両立は既存のステートマシン図では困難ででレイヤのモデルを表現 する。画用紙に描いある。実現する際には、内部的にはすべてのた絵に透明な紙を重ねて書き加えるようにモ振る舞いを統合した図を持っており、ユーザ

デルの差分を作る。また、複数のレイヤが同側は提案手法のような 8, により表示する必時に活性化した合成レイヤの振る舞いは 、ど要がある。

ちらのレイヤが上位なのかを設定し 、振る舞いをモデル化する。透明な紙の上にさらに別の透明な紙を重ねるようにしてモデル上で表現している。これらのレイヤの活性化する条件を整理するために決定表を使用する手法を提案する．
レ イ ヤ 階 層 型 ス テ ー ト マ シ ン 図 /D\HU+LHUDUFK\6WDWH0DFKLQH'LDJUDP 
提案手法は &23 のレイヤによる振る舞いの図 レイヤ階層型ステートマシン図例

変化や活性化による実行の違いをステートマ

提案手法では、モデルの精度向上のために

シン図でモデル化をし 、組み込みソフトウェ

活性化の条件を表にした決定表を用いる 。しア開発の支援を目的とする。&23 のモジュー

かし，-,6 規格の決定表のままでは活性化の― 85 ―

TOPへ戻る
条件に使われる単位や文脈に対応できないた

ケーススタディシナリオ

め、&23 向け拡張が必要である。表１に提案拡

図  に配送ロボットのシナリオを示す。組張の例を示す。行にコンテキスト要素、列に込みシステムを開発する際には例外状態に対レイヤを示す。交点には活性化する条件を記応した振る舞いを的確に実現できることが重入する。

要である。そこで、配送ロボットが作業を行

表 レイヤ活性化決定表

う際の、レストランとの通信の大幅な遅延や中断、強風や荒天、少ない電池残量という  つの緊急事態を想定したケースを計画する。
シーンは風の強い開けた地形に設定する。
配達ロボットはレストラン（起点 2）を出発し、


注文者 $、%、& の順に料理を配達し、レスト

ランに戻る。シナリオ全体は  つのステージ

３．２実アプリケーションによるケーススに分けられ、以下のイベントが発生する。

タディ

 2!$：出発地 2 で離陸中にネットワーク

 本節では実施したアプリケーションによる接続が遮断されると、)OLJKW レイヤの起動がケーススタディについて説明する。 当初計画中断され、代わりに 1R VLJQDO レイヤの起動においては実機上で組込みシステム応用を実が実行される。ネットワーク信号が再開され装しケーススタディを実施する予定であった。

る一定時間 後に 1RVLJQDO レイヤが非活性化

しかしながら共同研究者間で十分に往来できし、配送ロボットが )OLJKW レイヤの起動を継る状況でなかったため、急遽、開発環境の共続することを想定する。)OLJKW モードに切り有が容易であるシミュレーション環境による替わると、配達ロボットは注文者 $ まで飛行

ケーススタディを実施することとした。

し、ステージは終了する。

本ケーススタディでは提案者らが継続して

 $!%：注文者 % への飛行中、風速の急激開発している組込みシステム向け &23 フレー

な増加により 6WURQJ:LQG レイヤが作動し、配ムワークである 57&23 の評価を実施する。本達ロボットの飛行高度が半分になる。その後、ケーススタディでは応用として 非接触型配送

さらに風が強くなったため、6WRUP レイヤがロ ボ ッ ト を 設 計 す る 。 本 シ ス テ ム は 526 、作動し、配達ロボットは強制的に着陸させら*D]HER、及び、$UGXSLORW を用いて環境を構築れる。嵐が収まった後、配達ロボットは再びする。

離陸し、注文者 % の元へ飛んでいく。
  %!&：離陸の際、風速が急に強くなり、)OLJKW レイヤの起動が中断され、6WURQJ:LQG
レイヤが起動される。このとき、)OLJKW の起動は中断 され 6WURQJ:LQG レイヤが起 動される。ほぼ同時に通信が途絶したため、1RVLJQDO
レイヤの起動が開始される。ネットワーク信号が復旧すると、1RVLJQDO レイヤは停止し、配送ロボ ット は引き 続 き 6WURQJ:LQG レイヤ
ーを起動する。飛行中、風速は徐々に弱くな

図 配送ロボットシナリオ

る。このとき、6WURQJ:LQG レイヤは解除され、

配達ロボットは引き続き飛行レイヤーの起動

― 86 ―

TOPへ戻る
を実行する。最終的に、配達ロボットは通常解析を実施した。計測結果を図  に示す。いの高さで注文者 & に飛行する。

ずれの場合も負荷ノード数が増えてもレイヤ &!2。離陸の途中で配達ロボットのバッの活性化時間はほとんど変化せず、 から 

テリーが ％以下になり、)OLJKW フライトレ

μ秒の範囲に収まっていることが 検証できた。

イヤを終了し、/RZ3RZHU レイヤを起動する。
その後、配達ロボットは半分の高さで原点に戻る。途中、電力が ％以下になったので、/RZ3RZHU レイヤーを解除し、1R3RZHU レイヤ
ーを起動する。配達ロボットはその場に着地
し、スタッフに回収されるまで待機する。
シナリオ全体では、通常のレイヤの活性化と不活性化、レイヤの活性化の一時停止と再開を実施する。
ケーススタディ結果



ケーススタディでは前述した複雑なシナリ

図 活性化時間

オを想定通りに実行できたか、また、組込みシステムで開発フレームワークである 57&23

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

を活用するために十分な性能であるかを確認

 本研究に関連して２件の発表を行った。>@はする。

コ ン テ キ ス ト 指 向 プ ロ グ ラ ミ ン グ &23 の パ ラ

まず、想定通りに実行できたかを確認する

ダイムを取り入れた開発方法論の提案、>@はケ

べく、各レイヤの活性化、非活性化時刻を計

ーススタディに関連する内容である。

測する機能を開発した 。この結果、すべてシ 今後は方法論、ケーススタディともに拡張及

ナリオ通りに実行でき、特に実現が難しい機

び検証を実施して論文投稿を行いたい。また、特能であるレイヤ活性化の中断に対応できるこに方法論については、現状はツールの支援無くとを確認できた。実行結果を図  に示す。

モデリングを実施しているが、実用のためにはツール化が必要不可欠である。ツール化を行い



オープンソースとして公開することを目指す。
>@ 6KLQWDUR 7DNHQDND .HQML +LVD]XPL&RQWH[WRULHQWHG 'HVLJQ 0HWKRG IRU 80/
6WDWH0DFKLQH'LDJUDP3URFHHGLQJVRIWKH
$VLD 3DFLILF &RQIHUHQFH RQ 5RERW ,R7
6\VWHP 'HYHORSPHQW DQG 3ODWIRUP $35,6
 
>@ .HQML +LVD]XPL 7VXQHR 1DNDQLVKL $SSOLFDWLRQ
3URJUDPPLQJ

図 シナリオの実行結果

RI
3DUDGLJP

&RQWH[W2ULHQWHGWR$XWRPRELOH'ULYLQJ $VVLVWDQFH 6\VWHP ,QWHUQDWLRQDO

さらに、正しさの検証に加え てノード数の:RUNVKRSRQ&RQWH[W2ULHQWHG 3URJUDPPLQJ

増加によるレイヤの活性化オーバーヘッドの

DQG$GYDQFHG0RGXODULW\ &23 

― 87 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１

都市景観を映し出す五輪のスポーツ工学への影響～ロンドン五輪における市内仮設競技会場の事例～
環境システム学科

１．序論（はじめに，まえがき，目的）山嵜 一也

開催を目指す IOC の要望(総会リポート 2003)

本研究の背景と目的として、以下を挙げた。

をロンドン五輪招致委員会は大会コンセプト

研究助成対象期間であった 2021 年に開催さに巧みに盛り込みつつ、「 都市景観を映し出す

れた東京五輪 2020 を調査および総括する際

五輪こそが英国の観光政策に寄与する」としに、英国・ロンドン市において開催されたて政府の支援を取り付ける。その大会コンセ

2012 年 ロ ン ド ン 五 輪 を 研 究 対 象 と す る こ とプトを具現化するための大会計画と競技会場

で、成熟都市において開催する夏季五輪とし計画の立案方法と関係者間の調整を明らかにて比較対象とし、その課題を浮かび上がらせするのが本研究の目的である。

るものとする。

続いて、本研究の特色・独創的な点として東京五輪の影響を総括

は以下を挙げた。
都市景観を映し出す五輪とは？

史 上 初 、 開 催 が 延 期 さ れ た 東 京 五 輪 2020
は、レガシーを含め、開催地に大きな傷跡を

ロンドン五輪では、市内中心部の広場や王残すことになるだろう。それゆえ、東京五輪

立公園を敷地とし、布と鉄パイプの簡易な仮を総括することは、今後、日本で開催する各設競技会場(※)を設置し、競技背景に都市景

種スポーツイベント(世界大会、国体など)の観を映し出すテレビ映像を世界中のテレビ画ような都市型イベントを計画する際に有効に面に発信した。このコンセプトを本研究ではなる。五輪開催国ゆえ、スポーツの都市に与「五輪景観」と定義する。(※グリニッジパー

える影響を総括すべきであると考える。

ク馬術、ホースガーズパレード・ビーチバレ

ロンドン五輪コンセプト

ーボール、ハイドパーク・トライアスロン、

東京五輪を総括する際、比較対象としての

ザ・マル・マラソン 以下写真群)

ロンドン五輪に注目する。2012 年に開催された同五輪は都市計画的には、市内東部地区を
メーンパークとして再開発し、そのレガシー計画と共に評価、注目された。一方、大会時には市内中心部の広場や公園を敷地とする仮
設競技会場を建設し、周辺都市景観を背景とした競技中継を世界のテレビ画面に映し出し、五輪をシティプロモーションとして活用した。
都市景観を映し出す五輪
負の遺産を避けつつ、テレビ映えする大会― 88 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
五輪景観とは？

の研究発表がある。また、これらの研究計画「五輪景観」の構成要素は４つからなる。

を実施するにあたり、申請者ならではの研究【競技会場】で競技する【選手】の背景にあ方法を紹介する。

る【都市景観】を【TV カメラ】によって重層

現地調査的に映し出す映像を五輪景観とする(以下図)。

ヒアリング調査対象者はロンドン五輪の関

この「五輪景観」というコンセプトがどのよ

係者(元同僚など。英国や欧州在住)である。

うに生み出され、実現されていたのかを、関既にロンドンでの現地調査は実施しているが、係者へのヒアリング調査だけでなく、図面、コロナ禍の昨年はメールでのやり取りに留ま

資料、公式リポートなどの文献調査から明らり、授業のない長期休み時期に更なる現地調

かにすることが本研究における特色である。

査の実施を計画していた。五輪関係者は大会の持続可能性に危機感を抱いており、メディアと連携する競技会場計画で五輪の持続可能性に寄与する本研究に対して非常に協力的である。
しかし、コロナ禍による海外渡航を含めた移動の制限により、研究助成対象機関であった 2021 年には英国ロンドンを含めた海外渡航をすることは叶わなかった。
その代わり、東京五輪 2020(コロナ禍による 1 年の延期により 2021 年の夏に開催)の現地調査として、東京・お台場地区の仮設競技
会場を外部から視察した。仮設競技会場は期間限定の建築であったが、こちらもコロナ禍
による無観客開催による内部からの視察は叶わず、外部環境と中継映像からの調査分析と
なった。
文献調査
既にロンドン五輪関連の資料が収蔵されて
い る 東 ロ ン ド ン 大 学 図 書 館 (University of
East London Archives)を訪問し、招致委員会

また、本研究を概観するために以下の８つ

作成資料の一次情報などにあたっている。他のキーワードを挙げた。①オリンピック、②に も 五 輪 研 究 活 動 の た め に IOC が 設 立 し た

ロンドン、③レガシー、④建築計画、⑤シテ

Olympic Studies Centre の中にある Olympic

ィプロモーション、⑥メディア、⑦観光科学、World Library から文献調査を実施している。

⑧スポーツ工学。

しかし、更に研究を進めるには今後も継続的な現地調査や文献を購入および複写する必要がある。また、コロナの影響で大学への文献

２．研究計画資料請求もままならない状況であった。

研究計画概要本申請研究の実施方法として、現地でのヒ

また、都市を背景とした競技会場計画の読

アリング調査、文献調査、そして学会などでみ解きに際して、景観研究、特に借景研究の― 89 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
数々の文献を調査することで五輪景観の構造

築士としての経験を経て現在、東京都立大学を以下の「景観を縁取る構造」のように整理

大学院博士後期課程・観光科学域(岡村祐研究することを可能とした。

室)に在籍し(2017-2022)、都市景観や観光科

申請者の背景ならではの研究業績

学を専門とする岡村祐准教授の指導を受け、申請者がロンドン五輪に携わった建築士ゆ2022 年 3 月に博士論文「カメラによって選えの人脈を最大限に活用し、現地調査(平昌冬

手・競技会場・都市景観を映し出す五輪景観

季五輪 2018、ロンドン 2018&2019)を実施。その構想・計画・実現の経緯に関する研究の調査結果を分析・考察し(博士課程に在籍)、

ロンドン 2012 年大会を事例として―」を提出

学会、専門誌へ寄稿、講演、インタビューでし、観光科学の博士号を取得した。並行して、発表し、最終的には査読付き論文(筆頭著者)

調査結果に分析・考察を加え、日本建築学会に投稿。この過程で専門家によるレビュー、において査読付き論文などを投稿することで読者や聴衆の反応を反映することで着実に研専門家によるレビューを受け、自身の経験を究成果を挙げている。

客観的に扱うことで研究を独創的なものとし

研究発表と論文投稿―ている。
既往研究から紐解く研究の独自性

調査結果を分析考察し、学会で発表し、査読付き論文投稿として研究発表することで専

学術的背景における先行研究をレビューし門家によるレビューを受け、研究内容を常につつ、本研究の独自性と新規性を明らかにし更新することも重要な研究方法であると考えている。これら先行研究分野は、本研究のテている。

ーマである都市景観を見せる五輪会場を形成

申請者による 2020 年後半に日本建築学会する要素であるが、これらを横断的に検証す論文集に投稿し、不採用決定された査読付きる研究は極めて少ない。すなわち、テレビ画

論文は、再投稿の結果 2022 年 2 月に採択され面の競技中継を通して開催都市の都市景観をた。

見せるための競技会場の建築的計画とその計申請者ならではの研究方法

画を実現するための経緯、また都市景観を映申請者はかつて英国ロンドンを拠点に建築

し出し方(演出法)までも計画したロンドン五士として従事し(2001-2012)、その間、ロンド

輪を紐解くことに独自性があると考える。

ン 五 輪 に 携 わ っ て い た (招 致 模 型 マ ス タ ー プ
ラン、レガシー、馬術競技会場建設現場監理)。

３．計画の進行状況

そ の 経 験 を 活 用 し た 現 地 で の 調 査 方 法 (設 計

研究の進行状況や成果として、東京五輪

図書や資料へのアクセス、人脈、英語による

2020 の 現 地 リ ポ ー ト や ロ ン ド ン 五 輪 の 調 査

調査、土地勘など)がある。また、それらの建結果を発表している。以下にそれらのタイト― 90 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
ルを記すが、その一部を添付する。

スロン)。一方でマラソン競技は観光都市ロン

延期の末、2021 年の夏に無観客開催となっドンをテレビ画面に映す出すために選手にはた東京五輪 2020 の仮設競技会場などの現地

石畳や直角コーナーを走らせる負担を強いてリポートを建築専門誌・日経アーキテクチュいた。これらの成果は今後、東京五輪を総括

アオンライン版、日経クロステックに連載しする際にも比較対象として参考になるので、た(４回 2021 年 8 月掲載)。

引き続きレガシー計画を含めた追跡調査して「仮設会場で読み解く東京五輪」

いくものとする

https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column

スポーツを介して波及する研究/18/01739/080300001/

ロンドン五輪を対象とする本研究は、オリまた、日本建築学会計画系論文集に投稿し、ンピックのようなスポーツと建築、都市、景2022 年 2 月に採択された査読付き論文「カメ観、メディア、観光などの分野横断の研究へ

ラによって選手・競技会場・都市景観を映しの波及効果を期待する。また、それは都市開出す五輪景観の計画・実現の経緯」も同誌の発や五輪開催の持続可能性という SDGs の観2022 年 8 月 第 87 巻 第 798 号にて掲載予定

点からの効果がある。申請者はロンドンの都である。これらの査読付きを元にした博士論

市 景 観 を 研 究 し て い る 岡 村 祐 准 教 授 (観 光 科

文によって東京都立大学大学院の観光科学の学：東京都立大)の元で博士研究を実施してお博士号を取得した。

り、前出の石坂准教授や金子史弥准教授(立命スポーツ社会学で五輪を研究している石坂館大学)ほか、Monica Chien 博士(観光学：ク友司准教授(奈良女子大学)による東京五輪を

イーンズランド大・豪)、Stephen Essex 博士

総括する勉強会(2021 年 9 月および 2022 年 3(地理学：プリマス大学・英)らと研究成果を

月 に オ ン ラ イ ン 開 催 )に も 参 加 し 、 東 京 五 輪

意見交換している。

2020 の現地調査を報告、ロンドン五輪 2012

このように、様々な分野の企業や団体ともの研究報告を、社会学を中心とした専門家に講演会を通して意見交換しており、申請者の向けて発表し、意見交換を実施した。

専門である建築と都市を軸にスポーツを介し

４．今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状て、他大学の研究者や多分野の企業と更なる況

共同研究や連携を視野に入れている。それは、大会コンセプト立案、実現への調整

スポーツを工学的に捉えることを目指す本学

期待できる研究成果としては、大会関係者の今後の研究体制へ貢献へと繋がる。

間の要望をどのように調整し、大会コンセプ

東京五輪の先へ

トや競技会場計画が立案、実現されたかを明

本研究は東京五輪総括への比較対象資料だらかにすることである。具体的には既にある

けでなく、都市型スポーツイベントへの活用

成果として、各国際競技連盟は「大会後の負も期待できるため、年度後も研究を継続する。

の遺産になる競技会場は残すべきではない」

既に 2030 年の冬季五輪招致を目指す札幌市という態度を早々に表明しており、期間限定の担当者とも意見交換をしており、イベントの仮設競技会場で対応した(馬術他)。競技会

において開催都市の景観の映し出し方につい場は簡素な仮設建築であったが、組織委員会て本研究の成果を共有したい。

とロンドン市は敷地を世界遺産の王立公園や保全地区の広場など、メディアが注目する場所を計画し、新興＆マイナー競技団体の競技普及促進を協力した(ビーチバレー、トライア― 91 ―

TOPへ戻る

益子町ランドスケープ計画に関する研究  建築学科  小塙 芳秀  
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

 年 度 よ り 益 子 町 の 依 頼 に よ り 益 子 町 年 度 に 開 始 し た 益 子 町 ラ ン ド ス ケ ープ計画の継続を目的とした研究である。 

全体のランドスケープ計画を担当しており、主にスペインの研究を日本の地方におけるカタルーニャ州立工科大学大学院で研究

里山風景の維持とデザインに反映させるべを行った「地方における風景のデザインの手く、現在も調査研究、また設計計画を行って法」の中で、スペイン・ガロッチャ地方においる。

けるランドスケープ計画について言及し、そ栃木県益子町は、人口  万人強を要する町の後、実際にガロッチャ地方で建築とランドであり、関東圏では特に益子焼で知られておスケープ計画を行う 5&5 アーキテクツに在籍

り、観光に力を入れている町である 。かつてし実施のプロセスについて学んだ。 

は、産業、文化、生活、そして風景が融合し現在の日本において、都市計画同様に風景

あう美しい里地里山の地であったが、農業人計画を行っている自治体はほぼないと言っ

口の減少、観光の衰退、森林の維持問題などても過言ではない。公園計画、植栽計画、河も含め、里山資源の活用に対して 多くの難題

川計画、地域コミュニティー計画といった個を抱えている。

別のアプローチは日本では見られるものの、 年度においては、これまでに作成した

未来の町の風景像を思い描き、全体的な計画

ランドスケープ計画のガイドラインにそっから詳細のデザインまでを一貫性を持ってて、益子町  地区における具体的な調査やワ実行する例は少ないと言っていい 。本研究のークショップが求められ た。数年後には住民比較対象とてあげられるオロット町（スペイ主体による風景づくりが求められているた

ン・ガロッチャ地方）は人口  万人ながら、め、そのきっかけとなる 調査研究が目的の一

自然環境を維持しながら、建築と風景との融つでもあった。また今年度は、益子町の風土合を図り、ユーロ内ではサステナブルな 自然的祭りである「土祭」が開催さたことで、そ環境における観光都市として注目されていの土祭に合わせ、各地区と の連携の下、本学る。日本ではオロット町とガロッチャ地方に

小塙研究室のメンバーと共に実施計画としついての資料を参照するのは難しく、また、てワークショップを企画、運営することとな

日本においては、それに類似した手法によりった。

風景計画が展開する事例はない。













― 92 ―

TOPへ戻る

２．研究計画慮した。

 年度、 年度にまとまられた益子町



ランドスケープ計画を基に調査と活動を始め、

 小宅地区における亀岡八幡宮里山の会、七

益子町の風土的祭である「土祭」にも合わせ

井地区では益子里山の会、益子西地区では琴ながら複数のワークショップを開催した。

平池の整備をされている方々、益子地区では



益子花の会、大羽地区ではいくべ会をはじめ今年度においては、小塙芳秀 が全体計画をとする自治会の方々、益子・田野・山本にまた行いながら、土祭期間に合わせて、 芝浦工業

がる前沢町有林では生田目里山の会、山本地

大学建築学科・小塙芳秀研究室 によるワーク

区では未来ファームの小玉 氏をはじめ地域のショップ企画が進められた。また同時期に別方々と話し合いをし、協力を頂 きながら計画のワークショップを担当していた東洋大学建を開始した。また、各地区における里山整備

築学科・伊藤暁研究室 と慶應義塾大学・石川の活動を町内外に広め、風景整備に対して多初研究室のチームとの連携をはかりながら進くの人とその重要性を共有できることを目標めた。さらに、ワークショップと調査においとした。

ては、芝浦工業大学非常勤講師でもある、 景 

域計画株式会社・八色宏昌氏に、里地里山の 今年度の活動内容で重要視されていたのが植生に関する協力をいただくこととした。

「土祭」での活動であった。土祭においてラ

ンドスケープも主要テーマに含めるとの趣旨

ワークショップの開催と並行して、ランド

により、土祭期間内にワークショップを開催

スケープ推進委員会の設立に向け準備を行っすることが求められた。コロナ禍において、てきた。今年度は専門家と共に行うワークシ

ワークショップの開催が直前まで未定という

ョップの開催を目指したが、徐々に町民主体状況が続き、できる限り町内の方に参加いたによる意見交換と計画の実施を目標としていだきながら、状況が許せば町外の方も参加でる。推進委員会には、各  地区の代表、益子

きるように準備するのが良いのではないかな

焼関連、歴史関連、専門家などが集まり、各地

ど色々と話し合われた。また、多くの専門家

区の問題点と解決方法を共有していくことがに声をかけ直接参加いただくことも、コロナ基本となっている。

の状況下ではリスクが大きいという考えもあった。土祭におけるワークショップはイベン

 これまでのランドスケープ計画では、全体ト性を持ちながらも、ランドスケープ計画のの方針として多様な可能性についてまとめら一環として、今後における各地域の活動に繋れてきたが、今年度においては、各地区におがることを目的としていた。そのためにも、いて計画のスタートを切ることができる状態

小宅地区では亀岡八幡宮里山の会、そして益をつくることを目標とした。大々的な自然環子地区では益子花の会、前沢町有林では生田境の保護に関しては町や県の指導の下、各課

目里山の会に協力を依頼し、共同で行える内による協力が必要となるため、ここでは、数容を検討した。さらに、各活動団体に話を伺

年後に各地区主体で活動を継続できるよう、

う中で、子供にも興味をもってもらい、益子

地域の活動拠点から全体に広げられるよう考の自然を身近に感じとってもらいたいとい う― 93 ―

TOPへ戻る

意見も多かったことから、学生の視点から子定期的に現地を訪れた。

供用のワークショップを複数企画するに至った。

■益子地区 :6： 月  日開催 今年度のワークショップは、一過性のもの

益子町の中心地よりほど近くに位置するではなく、次につなげるためにスタートとし円道寺池（ため池）周辺の整備につながる計ての位置づけであった。引き続き、各団体の画である。この円道寺池は、益子地区の花の活動と共に計画が進められることが望まれる。

会（里山を整備する会）が中心となり、荒地を

公園として整備している場 所であり、今後の

活用が強く望まれている。益子花の会の活動

３．計画の進行状況

を町内外に紹介しつつ、彼らの活動と連携し益子町  地区における計画について

ながら、益子の自然環境を伝えるワークショ

益子町  地区：小宅地区、七井地区、益子地ップを開催した。林道を歩きながらのワーク

区、益子西地区、大羽地区、田野地区、山本ショップを予定していたが、残念ながら雨天

地区

により、屋内での開催となった。また、学生が

主体となり、さらに二つのワークショップを

小宅地区および益子地区においては、 月

企画した。一つ目は、バグハウス（虫のホテの土祭メイン期間に合わせてワークショップル）のデザインと制作である。バグハウスはを企画、開催した。その為に  月より研究室

益虫が冬を越すための装置であり、てんとう所属学生と共に益子を訪問し、現状調査を開虫やミツバチを対象とした。 月ごろよりデ始しながら、ワークショップの内容を詰めてザインを開始し、夏にモックアップ、 月にいく作業を続けた。

現地に設置を行った。もう一つは、小学生用



に、バグハウスの小型版を作るワークショッ■小宅地区 :6： 月  日開催プを準備した。いずれも益子町が主催する土小宅地区では、地域の小学生を含むワーク

祭期間内のイベントとして開催するに至った。

ショップ参加者に、約 NP の道のりを歩くフィールドワークを行い、耕作放棄地問題に言■山本地区

及しながら、この地区の素晴らしい里地里山

さらに主な活動として挙げられるのが、山環境を伝えるべく、植栽の説明、また昔の風

本地区において、かつての葉タバコ乾燥小屋

景と暮らしについて説明をした。フィールド（ベーハ小屋）の改築設計案の提案である。

ワーク後には現在は廃校となっている小宅小

益子町では  年前 後に多く建てられた小学校を活用しながらレクチャー等も開催した。

屋であるが、現在は老朽化し解体が進んでい

また学生が中心となって、子供を対象としたる。かつては、益子の風景の中でたくさん見

テラリウム作りのワークショップを開催し、られた特徴ある建物であり、益子の農業と暮

また、町の重要文化財でもある 旧小宅小学校

らしを理解することができる重要な遺産とものアカマツを保護する目的 もあり、アカマツいえる。益子の貴重な財産としてこれらの小の柵をデザインした。これらの準備は  月か屋を残し活用する為に、研究室の学生とともら開始し、 月  日の初回の現地調査以降、に  つの改築案を提案した。主に  月から ― 94 ―

TOPへ戻る月にかけて設計を行い、その後、 年の は、第  回目の改築案を研究室所属の  年生

月には、実際に地域の方に提案を発表し、意 名と設計に取り組んでいる。 年度の意

見交換を行った。さらには、道の駅ましこに見を取り入れながら、より実施に近い案を提て展示を約  週間に渡り開催し、多くの方に案する事で次のステップに進める予定であ見ていただく機会を得た。

る。最終目標としては、実際に小屋を解体し、

移築、そして改築を実施することである。小■その他の地区

屋の解体を希望する所有者と、それらを新し七井地区では、アカマツ再生計画を益子里

く使いたい人を結びつけ、現実的な設計に落山の会のメンバーと話し合い、公共空間にアとし込み、さらには実現可能な施工費に収め

カマツを植樹する計画を進めた。

る計算をしていく必要がある。

益子西地区では琴平池（ため池）と隣接す基本設計ができた時点で、全体構想の発表

る浅間塚古墳の管理と整備について話し合を建築雑誌に依頼する予定であり、また竣工

い、大羽地区では雨巻山駐車場の整備に関しの時点でも同じく建築雑誌および成果を論て地域住民と意見交換を行い、また田野地区

文として発表につなげたい。

では前沢林道整備に関するワークショップ

 その他の地区においては、今年度同様に冊を開催した。

子として調査委内容と活動、および計画内容をまとめたい。今年度は益子地区と小宅地区

の冊子を作成し、現在印刷の用意をしている。

 ４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表

印刷物は一般公開すると共に、地域の風景と状況

活動を紹介し配布をすることで、計画地によ  地区の計画においては、それぞれ細分化

り多くの訪問者が訪れることを期待する。

をし、個別のプロセスの中で、研究と調査、



また計画と設計を進めていくこととする。

 益子町全体のランドスケープ計画として

は、スペイン・ガロッチャ地方におけるラン
代表的な計画として挙げられる山本地区

ドスケープの手法との比較検討を行いながにおける葉タバコ乾燥小屋の改築案に関しら、地方における風景の在り方と手法については、引き続き地域の方々と連携を図り、小て論文としてまとめていきたい。コロナ過で屋の保存と活用に努める。 年度  月に成研究対象地への渡航が難しく、直接的なフィ

果物の発表を行い、ベーハ小屋の所有者を含ールドワークを再開できていないが、 年

め地域の方との意見交換をしたことで、ベー度も継続して調査と設計計画を進めたい。

ハ小屋の価値に対して認識が高まったと言える。実現させるために必要なことは何か、非常に実りのある意見交換ができた。さらには、 年  月に新たな研究室所属学生と共に山本地区を訪れ、 年度には調査できな
か っ た 小 屋 を さ ら に 調 査 す る こ と が で き た 。 年度においても、 月から  月にかけて― 95 ―

TOPへ戻る

鋼構造制振架構における梁端接合部の設計法構築
建築学科

浅田 勇人

１．序論（はじめに，まえがき，目的）In moment frames installed with either brace-type
dampers, the beams are subjected to not only flexure
but

axial

force.

The

previous

investigation(Takahashi et al., 2007) has reported that the beam
axial force reaches up to 30% of its beam axial yieldstrength on the entire beam cross-section in existing
steel buildings with the passive control system inJapan. Extensive research has been previously
conducted for the members subjected to combined

Figure 1. Beam-to-column connection
subjected to combined flexure and axial
force

flexure and axial force, but not for the connection.
The previous experimental study (Sim et al., 2017)
demonstrated that large axial tension on the beam
results in welded web connection fracture rather
than the beam flange fracture since a large amountof axial force was carried by the beam web when
WUF-W connection in which the welded web
connection is fully restrained in the out-of-plane
deformation is employed. On the other hand, when
RHS is used for the column and through-diaphragm
connection commonly used in the Japanese moment
frame is employed to connect the beam with the
RHS column, while the out-of-plane deformation ofthewelded beam flange connection

is fully

restrained and beam flange can achieve its fully
plastic strength, the welded beam web - column
connection strength is strongly dependent on theout-of-plane flexural strength of column face since
the beam web directly is connected to the column
face without reinforcement. For this connection
configuration, It is well known that the strain

demand at the hot spot (i.e., the toe of the weld
access hole) is one of the governing factors, as wellas CVN toughness and stress triaxiality to determine
the plastic deformation capacity of the beam-tocolumn connections.
Moreover, the strain demand at the hot spotincreases as the decrease in out-of-plane flexuralstrength of the web connection. Therefore, thecurrent Japanese design provision (Architectural
Institute of Japan, 2012) specifies the ultimate
flexuralstrengthsubjected

toflexurein

consideration of the out-of-plane flexural strengthof the column wall. However, the provision has notcovered the connection subjected to flexure andaxial force.
This study develops FE models representing thetypicalshop-typeweldedbeam-to-column

connection commonly used for the moment framewith a passive damping system and investigates theeffect of axial beam tension on the strength and― 96 ―

TOPへ戻るstrain demand at the hotspot for the beam-to-column

applied to the end of the beam by displacement

connections with different column thickness.

control, supporting both ends of the column, while

２．研究計画the constant axial load N with a magnitude of 10

FEA

were

performed

toto 50% of the axial yield strength based on theinvestigate the effect of the beam axial tension on

entire cross-section of the beam, N by was applied

global and local responses of the beam-to-column(normalized axial force (=N/ N by ) was denoted byconnections. FE model is shown in Fig. 1. The FEn b ). For comparison, the analyses were alsomodelsperformed for the case only applied vertical load

represent

using

typical

ABAQUS

beam-to-column

connections adopted for the moment frame with a(No axial tension).

passive damping system in Japan and wasconstructed with the 3-dimensional solid elements

pin

Z
35R

(C3D8R) for the region around the beam-column

10R 7mmX

Y

connection and beam elements (B31) for the
Detail of weld access hole

ColumnBeam

3000

region away from the connection which remain
essentially elastic. The beam was built-up WF
section of H-500×300×16×25 made from SN490B,
and the column was built-up

box section

N
Through diaphragm

450×450×tc, where tc is the thickness of theelastic-plastic component

pin roller

column, made from SN490B. The beam was
3000

connected to the column with through-diaphragms,(a) Overall

where the welded access hole configurations with
Beam web“35R + 10R” which is commonly used in Japan,
were adopted. For this connection configuration,

Hotspot

the region of the high local strain (“hot spot”) at
the beam end locates at the toe of the weld access

Beam flangehole (See Fig.2). It is well-known that this type of(b) Bottom of weld access hole (hotspot)

connection fractures at the beam flange due to theFig 2. FE model

crack initiation from this hot spot, as observed inmany previous tests. A bi-linear kinematic

３．計画の進行状況

hardening model with Young’s modulus, E, of

Numerical results:

205000MPa, the yield stress of 325MPa, and post-【Global responses】

yield stiffness of 1% of E was assumed for the

Fig. 3 shows the beam end moment versus thecolumn, the beam, and the through-diaphragm

beam rotation angle relationships obtained fromexcept for the panel zone (elastic).

FEA. Even though the beam has same crossIn the analyses, two-column thicknesses, tc, 12,section, It can be seen that when the column

and 32 mm, were selected to investigate the effectthickness is 12mm, more significant decrease inof out-of-plane flexural strength of the column

the strength depending on the increase in the beamwall (the web connection). To simulate the beam-

axial tension was observed.

to-column connection subjected to axial force andFig. 4 shows the deformed shapes and normal

flexure, the vertical load was monotonically― 97 ―

TOPへ戻るstress contours on the beam axis at the beam

1600
brotation angle of 0.03 rad for the connections

M [kN m]1200

under combined axial force (n b = 0.1, N=772kN)
andflexure.

A

significant

out-of-plane

deformation of the column wall (column flange)

800

400

and stress concentration around the top beam

θ [rad]bflange was observed in the model with thinner

0
0.00

0.01

force was carry by the top beam flange and an
adjacent web nearby the column face.

0.02

0.03

(a) □-450×450×12

column wall (tc=12mm), indicating that large
1600

M [kN m]b

1200

【Strain demand at the hotspot】
Fig.5 shows an equivalent plastic strain (PEEQ)
at the hotspot with respect to the beam rotation

800

nb =0.0

400

nb =0.3
nb =0.4

nb =0.1
nb =0.2

angle, b θ. PEEQ was extracted from the element
located at the hotspot, as shown in Fig. 2 (b).

0.01

0.02

0.03

(b) □-450×450×36

PEEQ was significantly increased with beam
tension and with a decrease in the thickness of thenb =0.5

0
0.00

Fig.3 Beam-end
relationships

momentb

versusθ [rad]beam-rotation

column. Compared with and without the presenceof the axial load, a larger difference in PEEQ
between two models with different column
thicknesses was observed when axial tension wasapplied. The beam tension causes a significant
increase in the strain demand, which may decrease
the plastic deformation capacity when the flexuralstrength of the web connection is governed by the(b) □-450×450×36(a) □-450×450×12

Fig.4 Deformed shapes and normal stress contours

out-of-plane flexural strength of the column wall.

0.4

４．今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状

0.3

況

0.2

Further investigation is needed to clarify the

0.1□-450×450×12

impact of beam axial tension on the actual plastic
deformation capacity of the beam-to-column
connection. For this purpose, the experimental
tests will be conducted in mid-2023. The

0.0
0.00

□-450×450×36

b

0.01

0.02

θ [rad]

0.03

0.04

(a) nb =0.0
0.4
0.3

configuration of test specimen is shown in Fig.6.
The test specimen represents the beam-to-column
connection in mid-rise steel moment frames withconnection detail commonly used in Japan. All
specimens are sub-assemblages consisting of a Hbeam and a rectangular hollow section column
withathrough-diaphragm

0.2
0.1
0.0
0.00

b

0.01

0.02

0.03

θ [rad]0.04(b) nb =0.3
Fig.5 PEEQ versus beam-rotation relationships

connection― 98 ―

TOPへ戻るPL-40(SM490A)

configuration. The beam is H-400×400×8×13 ofA

SN490B, and The column is RHS-300×300×16 ofA
300x300xtc (BCR295)
PL-40(SM490A)

BCR295. The weld access hole details with 35 mm

PL-19(SN400B)

350

RH-400x200x8x13(SN400B)

PL-9(SS400)

387

1600

140 140+ 10mm radii are adopted for the welded beam-to-

6-PL-9(SS400)

column connection. The test matrix is shown in

150 125 125

1070

180

180

2065
2215

Table 1. The experimental parameter includes
column thickness and axial force ratio applied tothe beam. The column thickness was 12 and 19mm.

Fig.6 Configuration of test specimen

The axial force ratio is varied from 0.0 to 0.3.
Fig.7 Test matrix

The setup is shown in Fig. 7. The static loading
tests will be performed using the testing facility
at Tokyo Institute of Technology.

Specimen

Beam

Columnnb=Nb/NbyA

The two oil jacks are attached to the beam end ofB

the specimen. The quasi-static force is generated

C

from the vertical jacks to the specimen, while the0
300×300×12
RH-400×200×8×13(B/t=25)

0.15
0.30

D

300×300×19

0E(B/t=16)

0.3

constant axial force is generated from thehorizontal jack. The vertical load is controlled by
the beam rotation angle b θ.
From test results, the effect of beam axial tension
Vertical Jackon the connection strength and the plasticA

deformation capacity will be discussed.

Lateral Support
A

Horizontal Jack

The combined results of the numerical analyses
the experiments will be analyzed and submitted toBSpecimena journal paper.
References:
AIJ (Architectural Institute of Japan). (2012).
Recommendation for Design of Connection in
Steel Building Structures.
Sim, H. B., Ballantyne, G., Chen, A., and Uang, C.M.
(2017). “Effect of Beam Tension on Cyclic
Performanceof WUF-W
Steel
MomentConnection.” Journal of Structural Engineering,
ASCE, 9(143).
Takahashi, S. Kishiki, S., and Wada, A. (2007). “TheExperiment study on Buckling Restriction Braceand Investigation into Existing Structure”,
Proceeding of AIJ Kanto Branch, pp.233-236. (inJapanese)― 99 ―

Fig.8 Setup

TOPへ戻る

工匠林兵庫の建築技術書に関する研究 建築学科  小柏 典華  
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

文化 』昭和 SS）、同氏「続・利根北関東域には、歓喜院聖天堂（埼玉県内唯川 沿 岸 の 造 営 文 化 」（『 群 馬 文 化  』 昭 和一の国宝建造物、熊谷市）に代表される、近SS）は、正信ら大隅流大工の技法を世発展した華麗な彫刻装飾を有する建築群が紹介している。この他、北関東域の個別の事多数現存する。今回、これらの建築をつくり

例研究は着実に進んでいるものの、技術の文あげた技術の一端を有した工匠林兵庫の文書化的伝播の理解を得るための建築史的解釈に（清水家所蔵史料）を閲覧・調査する機会をは至っていない。

得た（図 ）。歓喜院聖天堂や歓喜院貴惣門 今回研究対象とする林兵庫家文書には、大など彫刻装飾を有する建築群は（図 ）、その工技術書も多く含まれており、当時「匠明」

意匠デザインの独自性が際立ち、近世中期以を基に確立されていった大工技術に対して、降の大工技術の創意工夫が理解できる。

林兵庫家の大隅流技術がどのように工夫を加このような大工技術の源流を理解するため、え、優秀な建築を各地に建立していったのか

大工技術書の解明は必須の課題であり、今回は未だ明らかでない点が多い。

のように新たな大工技術書が発見された事は、

 以上より本研究は、華麗な彫刻を有する建

従来の建築史・建築技術史・生産史の見解に築を積極的に推進した大工技術について、現新たな知見を加えることが可能である。

存する建築からのみでなく、大工技術書等の

 工匠林兵庫は、日光東照宮台徳院霊廟など史料と対照しつつ、その源流を解明していく

著名な建築を建設した平内正信の直系である。

ことを目的としている。

平内正信は、近世初期に大工技術である木割

２．研究計画・研究方法

を体系化した「匠明」の作者としても著名で

 本研究は、下記の３つの成果達成を目標とある。政清は、妻沼の林家の養子として家門して研究を進めるものとする。

に入り、初代林兵庫政清として歓喜院聖天堂

短期成果  清水家所蔵林兵庫家文書のアーの建設を計画した事が知られる。政清や２代

カイブ化および図録の作成

正信によって確立された建築彫刻の技術は、中期成果  林兵庫政清および正信による大北関東域の大工技術として伝播し、今日にみ隅流建築技術の解明

る建築群として現存する。埼玉県教育委員会

長期成果  埼玉県北部から群馬県南部に所『埼玉県近世社寺建築緊急調査報告書』 昭和

在する優秀な建築彫刻を有する技術の理解 年 や、群馬県教育委員会『群馬県近世社

建築の価値評価が明確になると、国指定や寺建築緊急調査報告書』（昭和  年）の悉皆

県・市指定の文化財に代表されるような、直調査により、その存在の一部が明らかである。

接的に我が国の文化資産となり得る。近世社

 松本十徳「利根川沿岸の造営文化」（『群馬寺建築の全国的調査は平成前半期に一段落し、― 100 ―

TOPへ戻る
この３０年間にはそれらの研究も着実に進ん中心である。林兵庫の初代政清は、江戸幕府

できたが、地域性や多様性が顕著なため、現の作事方大棟梁を務めた平内家の出自である。

状はさらなる個別研究が求められている。

平成  年に国宝に指定される歓喜院聖天堂

本研究で対象とする工匠林兵庫の携わった（埼玉県熊谷市妻沼、埼玉県下唯一の国宝建

建築は、近世中期から後期にかけて、北関東造物）は、約  年をかけて民衆の寄進により地域で発達した荘厳な建築彫刻を刻んだ建築

建設され、華麗な彫刻装飾を有する近世中期群として高く評価できる可能性を有する。ま以降の代表作である。また、境内には重要文

た、現存する建築だけでは個々の事例研究だ

化財・貴惣門が建ち、嘉永４年  に５代が、今回新たな大工技術書やデザイン案等を正道によって造営されている。この貴惣門は、含む史料群の発見により、事例研究を包括し岩国藩（現山口県）の大工による設計図書をた建築史的研究が可能であるといえる。特に、

林兵庫正道が引継ぐ形で建設されたもので、

平成２４年に歓喜院聖天堂が国宝に指定され岩国藩の設計技術と林兵庫の施工技術が合わたことで、北関東域での近世中期以降の華麗さり非常に技巧的な惣門である。その独特なな彫刻を有する建築群の評価が高まったとい

意匠は、日本全国でも数少ない好例である。

える。さらに、文化庁の最新の答申（令和３ 近世初期以降、平内家が作成した大工技術

年  月）でも、霧島神宮本殿・幣殿・拝殿（鹿指南書である「匠明」が広く全国的に流布し児島県霧島市）が国宝指定されるなど、建築たことで、近世の大工技術には一定の様式が装飾で彩られた建造物が着目されている。本

確立された。しかし、清水家所蔵の林兵庫家

研究は、建築技術史および生産史の側面から文書を確認すると、各種堂舎の造営や（図 ）、

これらの源流を解明することで、我が国の文その木割書及び詳細図（図 ）、および建築彫化を知る重要な課題と考える。

刻のデザイン案など一家相伝の技法が描かれ

 本研究は、令和３年度〜令和６年度の研究ていることが理解できる（図 ）。特に、虹梁課題である。令和３年度は研究初年度のため、などの意匠デザインには、歓喜院聖天堂や林清水家所蔵史料の全体像を把握するための撮

兵庫の関わった建築に共通する大隅流の曲線

影および内容把握を先行した。史料の撮影は、が図案化されている点など非常に興味深い独一眼レフカメラで装潢全体・本紙部分・必要特な史料群である。

な場合に本紙の分割撮影を行う。装潢され目

 現在の埼玉県北部から群馬県南部にかけて、視出来ない裏書きや、墨線の曖昧な史料には、

近世には中央集権が存在しなかったにも関わ/(' トレース台を差し込み透過光による部分

らず、荘厳な彫刻装飾を有する建築が多数現

撮影や、赤外線カメラを用いた反射撮影か透存しているのは（皆沢八幡宮（市指定）、小夜

過撮影を行う。また内容把握については、描戸稲荷神社（市指定）、上尾市氷川神社（市指かれている建築図面の内容を記述するに留め、定）など）、林兵庫家などに大工技術が浸透し名称不明の建築の検討等は次年度以降の課題

ていたからに他ならない。

とした。本年度の調査は、令和３年１月、６ このように本史料群は、近世中期から後期月、７月、９月、および令和４年１月、２月、にかけての建築技術について、現存する建築

３月にそれぞれ複数回調査を実施した。

群からのみでなく、史料群と対照させながら３．計画の進行状況

武蔵国や上野国で活躍した大工技術の源流を清水家所蔵の史料群は、代々社寺建築の工匠として旧武蔵野国や上野之国で活躍した林解き明かす可能性をもつ非常に有力な史料である。

兵庫家の残した大工技術に関する絵図面類が事前調査では、史料の総数は約  点と推

― 101 ―

TOPへ戻る
定していたものの、令和３年度の調査中に新る手法が確認され、２人以上の人物によってたな所蔵史料の発見が多くあり、絵図文書史

分担・彩色された絵図である可能性が高いこ料の総数は現在  点近くにのぼっている。

とが明らかとなった。

この他に、近世の大工技術雛形も約  冊所

 最後に、今後の喫緊の課題として、現在の蔵されていることが明らかになった。

史料群が個人所有のため保管環境が芳しくな

絵図文書史料の撮影調査は、事前に予定しく、適切な温湿度管理の出来ない状態から虫た以上の調査日程を組んだ上で実地の史料撮

喰いや欠損の著しい史料が散見されている。

影および調査を行ったものの、令和３年度の中には、長持に収納していたものの直接土間

調査終了時点で、全体の約２／３の把握にとの上に置かれていたため、湿気・土砂の流入

どまっている。また大工技術雛形は、近世中から史料閲覧が難しい史料もあった。また、期から大正前期までの、堂舎雛形、絵様雛形、先代所有者が生前に装潢を施した絵図は裏書

構法雛形と多様な和装本が所蔵され、今後はきが読み取れない史料も多くある。本研究対

一般流通していた大工技術書と比較すること

象のような、地域の文化形成に深く関わる史

で、どのような技術を取り入れて技術が洗練料の発見は、地域の財産である。今後、史料されていったのかを理解していきたい。

の散逸を防ぐためにも、早急なアーカイブ化

現在までに把握した史料群は、写真と共にによる全体像の把握、および熊谷市や文化財

リスト化が完了している。令和４年度以降のセンターとの連携による史料保全が急務と考継続調査により、目録の刊行を予定している。

えられる。

 また本年度は史料全体像の調査の他、一部

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

の着彩絵図の詳細調査まで実施した（図 ）。

本年度は、清水家所蔵史料の全体像を把握

研究成果は、次項（４項）の通り研究発表をするための悉皆調査を実施した。地域の文化予定している。

形成に直接関わる史料群の発見は大変貴重で

特に、八幡神社本殿古絵図（２幅）は熊谷

あり、地域の文化資産となり得る。今後は地

市指定有形文化財であるものの（図 ）、これ

域の文化の伝播を理解できる基礎資料となるまで詳細調査は実施されてこなかった。従来

よう、目録作成やより詳細な個別調査から研の見解では、絵図の作成年代は寛永  年

究成果をまとめていく。

 とされているものの年代根拠に乏しく、本年度の成果として、着彩絵図である「八さらに、描かれる建築の図像は江戸中期頃を幡神社本殿古図」の年代推定や科学的調査、描くものと推察される。そのため、図像調査・祭礼に関する史料のうち神輿に着目した研究

科学調査により、絵図の精査を行った。

をまとめることができた。令和４年度の日本図像調査では、絵図の独特な表現の１つで建築学会大会発表に、以下３本の口頭発表をある、虹梁両肩の鯖尻末端を、弓眉から連続登録し、令和４年９月に成果発表を行う予定

して跳ね上げるデザイン（以下、鯰口型虹梁である。

とする）に着目した。近世建築雛形や清水家 小柏典華、大和あすか、松下裕介「「八幡所蔵史料の一部との対照から、鯰口型虹梁の神社本殿古図」の史料的価値 その１ 鯰口

導入時期やその流布を検討することで、「 八幡型虹梁の導入」（『日本建築学会大会学術講演

神社本殿古図」の成立年代の推考をした。

梗概集』）

科学調査では、蛍光 ; 線分析装置を用いて 松下裕介、小柏典華、大和あすか「清水家彩色箇所の元素分析を行った。その結果、白所蔵史料にみる神輿関連史料について」（『日色顔料や青色顔料に、一般的な技法とは異な

本建築学会大会学術講演梗概集』）

― 102 ―

TOPへ戻る図  屋内収納の状態 

図  所蔵史料 図  歓喜院聖天堂 

図  堂舎造営 
図  組物之図（詳細図） 
図  絵様や彫刻デザイン案 
図  着彩絵図

図  八幡神社本殿古絵図 ― 103 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１

ムスリムの埋葬地に関する日仏比較  建築学科  佐藤 香寿実  
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

一般に，イスラームの伝統では ，清めた遺これまで報告者が調査対象地としてきた

体を白い布でくるみ，右脇腹を下に，顔をメ

フランスでは，第二次大戦後に大量流入したッカの方角に向けて土葬する．死後直後の埋移民とその子孫の社会的統合が政治的課題

葬が勧められ，墓はなるべく質素なものが良となって久しい．国是であるライシテ（政教いとされる．また，火葬は地獄の業火を想起分離）を軸としたナショナル・アイデンティ

するものとして忌避される．これらの慣習は，

ティが強化されるなか，特にイスラーム系移

フランスや日本などムスリムがマイノリティ

民とその子孫に対する統合政策がすすめらとして存在する国々における墓地規則や葬送れてきた．他方，外国からの移住者およびそ文化とは合致しない部分があり，どこまで彼の子孫の増加により多文化社会化が進む現らの信仰・信条に配慮した墓地運営が行われ代日本では，いかに日本の習俗や文化を尊重ているかは，国によって，また地域によってしつつ，彼らの出身地域の習俗・文化の維持

大きく異なる．

を可能にしていくかが社会的課題として浮フランスのムスリム埋葬地に関しては ，報上している．近年では特にムスリムの宗教的告者はすでにストラスブールにおいてムス禁忌に対する理解促進の必要性が認識されリム専用の公共墓地（図１・図２）に関する

るようになった．

調査を実 施した ことが ある が *1 ，スト ラスブ

本研究は，特に埋葬場所の観点から，日本ールの事例はフランスの他地域とは異なるとフランスにおけるムスリム住民の埋葬を特殊な墓地規定によって可能となった計画

めぐる現状と課題を明らかにし，整理するこであり，典型的な事例とは言えない．他都市とを目的とする．

との比較が十分ではなかったうえにアップ

図１ Ө ストラスブールのムスリム公共墓 地（報 告者 撮影） Ө

図２Ө 墓地 内部の様子（ 報告 者撮 影） Ө

― 104 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
デートも必要である．また，近年日本でもム
スリム人口は増加傾向にあり ，埋葬地をめぐ

ワークを主に  月～ 月上旬に実施する予定であった．

るムスリム住民の困難や ，非ムスリム住民とさらに，③のフランスでの現地調査に関しの対立がメディアでも報じられるようになては，2 月上旬にパリ，リヨン，ストラスブってきたが，日本におけるムスリム埋葬地をールの三都市をまわり，各都市におけるムス

主題とす る既往 研究は 限られて おり *2 ，さらリムの埋葬地を訪問するほか ，墓地を管理すなる議論の深化が必要とされる ．

る行政担当者や葬儀会社の担当者へのイン 日本とフランスを比較する視点が本研究タビューを実施する予定であった．
また，交付された予算 40 万円のうち，約の重要な特色である．比較により各社会の特徴や個別の課題を明らかにしたい．

30 万 円 は 渡 仏 の た め の 交 通 費 に あ て ， 残 り

は 書 籍や 雑 費 の 費 用 に あ て る 予 定 で あ っ た ．

２．研究計画

当初の研究計画においては，①文献調査

３．計画の進行状況

（先行研究のレビュー・新聞記事分析）②関新型コロナウイルス感染拡大による緊急事

東近郊における現地調査③フランスにおけ

態宣言・蔓延防止措置等の発令のため，上述

る現地調査，の３つを柱としていた ．このうの計画のうち②関東近郊における現地調査のち，①先行研究のレビューに関しては，フラ

進捗は芳しくなく，③フランスにおける現地

ンスと日本に加え，西欧をはじめとするムス調査も実施することが叶わず，計画の進行は

リム・マイノリティが存在する国々における当初の予定と比べ大幅に遅れている．

ムスリムの埋葬を主題とする文献を調査し，代わりに本年度は，①文献調査に注力した．

整理すると同時に，ムスリムの埋葬問題を扱②関東近郊における現地調査に関しては，報った新聞記事を収集・分析した．②関東近郊

告者にとっては日本における現地調査が初めにおける現地調査においては ，都内モスクのてであったため，本年度は調査協力者とのラ

運営者および関係者らの協力を得て，関東近ポール形成に努めた．新型コロナウイルス感

郊のムスリムの埋葬地におけるフィールド 

染拡大の合間に複数回，東京ジャーミイ（図図３Ө 東京ジャーミイ（正面 玄 関） Ө

図４Ө 東京ジャーミイ（後背） Ө― 105 ―

図５Ө マスジド大塚 Ө

TOPへ戻る【別添２】様式１
３・図４）およびマスジド大塚（図５）を訪れ＊4は認められておらず，新規墓地はすべて地方，各モスクの担当者からの聞き取り，各自治 体 が管 理 する 公共 墓地 と なる （1881 年

モスクの宗教行事での参与観察を行い，利用

11 月 14 日の法）．公共墓地内の宗教的区分を者との交流・接触をはかった．

禁じる規定も存在し，これらライシテに関す なお，予算執行について，渡仏のための交る規定が，イスラームの慣習に則った埋葬地

通費にあてる予定であった約 30 万円は，年の取得を困難としていた．一方，日本では墓度途中に買い替えが必要となったノートパソ

地の所有および管理は公共団体のみならず宗コンの購入にあてた．

教法人にも認められており，イスラーム団体

文献調査によって得られた日仏比較の視点
は，表１の通りにまとめた．また，日仏におによって管理されるムスリム墓地が存在する．
（３）中央政府からの働きかけ

けるムスリム埋葬地をめぐる問題は，下記４

フランスでは，ムスリム埋葬地に対するニ点において大きな違いがあることが確認されーズの急増を受けて 1975 年，1991 年，2008

た．

年に通達が出され，既存の公共墓地内にムス（１）土葬に対する抵抗感の有無

リム 用 の 墓地 区 画（ carré musulman） を 設

火葬が一般化している日本においては，土けることが推奨されている．ただし，その判葬可能な墓地は極めて限定されており，土葬断は各自治体の首長に委ねられる．日本では，に対する強い抵抗感が既往研究において報告

ムスリムの埋葬地取得に関し中央政府から明

されている

＊3

．このことが地域の非ムスリム

住民の理解を得ることを困難とし，ムスリム

確な指針は示されていない．
（４）非ムスリム住民の反対運動の墓地取得を妨げる一因となっている．一方，

前述の通り，フランスでは既存の公共墓地

カトリックの伝統が強いフランスでは，土葬

内にムスリム用の区画を設けることもあり，が主流であり，土葬それ自体が問題視される地域の非ムスリム住民による反対運動は目立ことはない．

たない．一方，日本ではイスラーム団体が新（２）ライシテ／政教分離の影響

規に墓地建設する場合に反対運動が生じるこ「ライシテ」が共和国原則となっているフとがある．例えば現在，大分県日出町に建設

ランスでは，原則，新規の宗教別墓地の建設が予定されるムスリム墓地をめぐって反対運表 ӻӨ ムスリムの埋葬地をめぐる現状の日仏比較 *5 Ө

― 106 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
動が展開されており，町議会は国にガイドラ

学評論』に投稿予定である．

インの策定を求める意見書を提出している．

さらに，2022 年度末に単著『ライシテの普以上の大きな相違点が見られたものの，ム遍主義を 問い 直す ―「 辺境の街 」スト ラスブ

スリム墓地設置の決定／許可においては各自ールにおけるムスリムの場所づくり』（仮）を

治体首長の権限が大きい点，管理費用や土地刊行予定である．本書は科学研究費助成事業の不足が主要課題となっている点，イスラー

研究成果公開促進費（学術図書）（課題番号：

ムの慣習と受け入れ地域の葬送の慣習の折衷

22HP5105）の採 択を 受けた もの で ， フランが見られる点は，日仏ともに共通している．

スのムスリムの埋葬地に関する文献研究の成ただし，地域・事例によって直面しうる地理

果が含まれる．

的・歴史的・人口学的・法的現状は異なるため，安易な一般化はできず，さらに慎重かつ

注

地道な現地調査が必要である．

*1 佐藤香寿実（2018）「地域特性を活かした
ム ス リ ム の た め の 場 所 づ く り -フ ラ ン ス ・ ス



４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況 ト ラ ス ブ ー ル に お け る ム ス リ ム 公 共 墓 地 を文献調査の一環として，科学研究費助成事事例に」人文地理学会大会研究発表

業基盤研究（A）「西洋社会における世俗の変*2 例 え ば ,池 田 千 洋 （2005）「 日 本 に お ける

容と「宗教的なもの」の再構成-学際的比較研

イ ス ラ ー ム 教 徒 の 墓 地 と 埋 葬 -東 京 ト ル コ 人究 」（ 研 究 代 表 者 ： 伊 達 聖 伸 ， 課 題 番 号 ：協会と日本ムスリム協会の事例から 」民俗文

20H00003）
・比較教育社会史研究会「宗教と化研究 (6), 70-100.,川﨑のぞみ（2016）「ム

世俗化部会」の合同開催で行われた，伊達聖スリム墓地取得活動と地域社会の変化 : 日

伸編『ヨ ーロ ッパの 世 俗と宗教 ―近世か ら現本ムスリム協会と大塚マスジドの事例 」宗教代まで』（勁草書房，2020 年）合評会で，評学・比較思想学論集 (17), 95-103.

者の 1 人として発表した（2021 年 5 月）．

*3 た だ し 火 葬 が 普 及 し た の は 近 代 以 降 の こ

また本研究に関連する成果として，科学研とで，それまでは土葬も広範囲で実施されて究費助成事業基盤研究(B)「 欧米諸国の生命倫ていた．
（勝田至編（2012）『日本葬制史』吉理に関する基本理念及び運用・制度の法学的，

川弘文館ほか）哲学・倫理学的比較研究」（研究代表者：小出*4 図３～ ５の 写真は す べて 2021 年度中に泰士，課題番号：21H00468）第 1 回研究会

報告者が撮影した．

において，「 フランスのライシテをめぐる現代*5 表 １ 作 成 の た め に 参 照 し た * ２ 以 外 の 主的課題－ イス ラーム と の関係に 着目し て ―」な文 献は 次の 通り 。 店 田廣 文（ 2015）『 日 本という講演を実施した（2021 年 8 月）．本講のモスク 対日ムスリムの社会的活動（イスラ演 の 内 容 は ，「 生 命 倫 理 ・ 生 命 法 研 究 資 料 集

ー ム を 知 る 14）』 山 川 出 版 社 ., Aggoun, A.

VII 」（ p. 62 ‐ 104 ） に ま と め ら れ て い る ．

(2006). Les musulmans face à la mort en（2022 年 3 月）．

France.

Librairie

Vuibert.,FASILD,進捗状況が芳しくない日本およびフランス

Frégosi, F. (ed.) (2006). L ’exercice du culteにおける現地調査に関しては，新型コロナウ

musulman en France : Lieux de prière et

イルス感染状況を鑑みつつ 2022 年度に再度d’inhumation. La documentation française.

実施を試みる．現地調査の成果を整理・分析
し，これまでの文献調査の成果と合わせて論文 を 仕 上 げ ， 日 本 地 理 学 会 で 発 表 後 ，『 地 理― 107 ―

TOPへ戻る

誘電エラストマーアクチュエータによる果物の成熟度評価
  機械機能工学科  細矢 直基 

１．緒  論

接触レーザー加振技術[5]に比べて，より小型

アボカドは他の多くの果実と異なり，木ので安全なシステムを実現している．そのため，上では完熟せず，収穫後に一定期間貯蔵する

DEAは品質測定システムに適している．Hiruta

ことで成熟する．そのため，正しい収穫時期

らはDEA加振によるリンゴの振動実験と硬さよりも早く収穫を行った場合には適切に完熟評価を行い，DEAは硬さ評価に有効であるこ

せず，市場の需要に応えることができない[1]．

とが明らかになっている[6]．また，これまで

野菜や果物の熟度を評価する指標として，光の研究で，アボカドの硬さは熟度や保存期間学的な手法や硬さを含む機械的性質を計測すとよく相関していることが分かっている[7].

る技術が広く研究されている．これらの方法

本研究では，DEA を用いてアボカドの加振には，ペネトロメーターや穿刺試験を用いる実験を行い，その応答を計測することでアボような破壊的な方法と，近赤外線分光法など

カドの硬さ評価する．また，保存期間と硬さの光学的な方法や音響振動法などの非破壊的の相関を調べることでアボカドの成熟度評価

な方法がある[2]．ペネトロメーターを用いたにおける DEA の適用可能性を調べる．

貫通法では，試料を貫通させるのに必要な力の最大値を求め，硬さの指標とする．穿刺試

２．DEA の駆動原理

験では，果実に器具が貫通する際の時間-力線

DEA は 大 き な 歪 み を 起 こ す た め に 柔 軟 な図を描き，その中で最大の力を求めて固さの材料が電極と誘電膜に用いられる．DEA は，指標とする．これらの方法はいずれも破壊的

誘電膜を柔軟電極同士が挟み込むキャパシタ

であり，試験後のサンプルは破壊されて使用構造をしている．図 1 に示すように，DEA のできない．また近赤外線分光法は，アボカド

両面に位置する柔軟電極に電圧を印加するこの外皮に凹凸があることにより，可視光を強とで電極間に静電気力が働き，面外（厚み）

く吸収してしまい計測結果に影響を与えてし方向に圧縮し，面内方向に伸長する．この時

ま う [3]． 加 え て ， 近 赤 外 線 分 光 法 の 装 置 は ，

発 生 す る 圧 縮 応 力 は 式 (1)の よ う に 表 さ れ る

商業的に利用することは容易ではない[4]．そ[8]．

のため，非破壊かつ定量的に行うことができV 
p =  r 0  dる評価方法が必要とされている．
誘電エラストマーアクチュエータ(Dielectric2(1)

elastomer Actuator: DEA)は伸縮性があり，軽

このとき，p は圧縮応力[Pa]， r は誘電膜の量・薄型であるため，外皮に凹凸のあるアボ

比誘電率， 0 は真空誘電率[F/m]，V は印加電

カドにも貼り付けることが可能である．また，

圧[V]，d は電極間距離[m]である．

DEAを用いた振動実験システムは，高出力パルスレーザーや複雑な光学系で構成される非― 108 ―

TOPへ戻るVoltage OFF
Electrodes
Elastomer

Voltage ON
Contraction

Silicone elastomer(cover layer)
Electrodes

Silicone elastomer(active layer)

V
Wires(Copper tape)

StretchAcrylic or silicone
elastomer(base layer)

図 1 DEA の駆動原理

図 3 積層 DEA の構造
３．DEA の製作
図 2 に本実験で製作した DEA の大きさを４．DEA による果物の振動試験

示す．直径 30 mm の誘電エラストマーに，直４．１．サンプル

径 20 mm の柔軟電極を塗布した．導線には銅

図 4 に，供試体として用いたメキシコ産のテープを使用した．誘電エラストマーはシリ

ハス種のアボカドを示す．図 4(a)を Avocado A，コーン系材料とした．

(b)を Avocado B とした．質量は電子天秤で計本実験では，DEA の高出力化を実現するた

測 し た ． そ れ ぞ れ Avocado A が 212.3 g，めに，積層数を 3 とした．図 3 に積層化されAvocado B が 183.4 g であった．実験開始日をた DEA を示す．本研究では 3 種類の DEA の

day 0 とし，1 日後を day 1，2 日後を day 2 の製作を行った．違いは，最下層にある．Type A

ように表すことにした．熟成は温度 20 ℃，

では最下層をシリコーン系材料とし，果物に

湿度 50％の室内で行った．

接着剤で貼付する．Type B では最下層を粘着性のあるアクリル系材料とし，それ自身の粘着性を利用して果物にはそのまま貼付する．
Type C では，最下層(アクリル系材料)と active層(シリ コー ン系材 料)とを接 着剤で 積層 する．
また，5 枚目の活性層の上にシリコーンエラ
ストマーを貼り付けて保護層とした．
Elastomer

Flexibleelectrode(a) Avocado A

Wires(Copper tape)

 20
 30
図 2 DEA の大きさ― 109 ―

TOPへ戻る
モード周波数を計測することで硬さを評価す
る．本実験でも同様に，赤道上にそれぞれ加振点と計測点を設けた．図 6 にアボカドの加振点と計測点を示す．

Equator of
avocado

DEA: Type B(Excitation point)(b) Avocado B

DEA: Type A(Excitation
point)

30°

図 4 供試体（メキシコ産のハス種のアボカド）

3


４．２．DEA による硬度評価システム

2

図 5 に，DEA によるアボカドの硬度評価シ

1
Measurement
points (1−3)

図 6 アボカド上の加振点と計測点

ステムを示す．アボカドは，気泡緩衝材上に設置することで，周辺自由状態とした．DEA
でアボカドを加振し，応答をレーザードップ

４．３．貯蔵時の成熟度評価

ラー振動計(Laser Doppler Vibrometer: LDV)で

図 7 に，Avocado A の貯蔵時の 0 S 2 モード振計測した．計測点には，反射シール (およそ動数の変化を示す．これは，Type B の DEA

3 mm × 3 mm)を貼り付けた．各供試体と取りで加振し，点 2 で計測された振動応答のフー

付けた加振信号は，20 Hz−20 kHz の正弦波掃

リエスペクトルである．図 7 においては，貯引とした．この信号を高電圧アンプで増幅し蔵日数をそれぞれ，0 日目，3 日目，4 日目のた後，DEA に入力した．増幅前の入力信号と時に計測されたものを重ねて示している．先LDV により計測された振動応答は，スペクト

行研究においては，0 S 2 モード振動数は柔らか

ルアナライザーで記録した．

いもので 560−1300 Hz，硬いもので 1700−1800
Hz と報告されている[9, 10]．本実験においても，図 7 の赤色または黒色の矢印で示したピークがアボカドの固有振動数であると考えられる．今後，どちらのピークが 0 S 2 モード振動数に対応するのかは，実験モード解析により調べる必要がある．本報告では，1000−1350
Hz の固有振動数を 0 S 2 モードと仮定する．図7 に示すように，どちらのピークも貯蔵日数が増加するに伴い，振動数が低下していることがわかる．

図 5 DEA による硬度評価システム
多くの場合，果物の硬度評価は，その赤道上の加振点と計測点を設け，0 S 2 モードと呼ばれる固有振動モードに着目する[5]．この固有― 110 ―

TOPへ戻るavocado maturity; ongoing developments,

10-3

The Orchardist (2003) 40−45.

2.5

day 0
day 3

Velocity (m/s)

2.0

5.

day 4

N. hosoya, M. Mishima, I. Kajiwara, S.
Maeda, Non-destructive firmness assessmentof apples using a non-contact laser

1.5

excitation system based on a laser-induced
plasma shock wave, Postharvest Biology and

1.0

Technology 128 (2017) 11−17.
6.

0.5

T. Hiruta, N. Hosoya, S. Maeda, I. Kajiwara,
Experimental evaluation of frequency

0

response and firmness of apples based on an
0

400

800
1200 1600
Frequency (Hz)2000

excitation technique using a dielectric
elastomer actuator, Sensors and Actuators A:

図 7 貯蔵日数と 0 S 2 モード振動数の関係

Physical 330 (2021) 112830.
7.

U. Flitsanov, A. Mizrach, A. Liberzon, M.
Akerman, G. Zauberman, Measurement of

５．結論
DEA に よ る 振 動 試 験 シ ス テ ム を 用 い る こ

avocado softening at various temperaturesとでアボカドの硬さを評価できることを示し

using ultrasound, Postharvest Biology andた．2022 年度に，日本機械学会の講演会で発Technology 20 (2000) 279–286.

表する．そして，より詳細な検討を続け，学8.

R. Pelrine, R. Kornbluh, Q. Pei, J. Joseph,High-speed electrically actuated elastomers

術論文として投稿する．

with strain greater than 100%, Science 287(2000) 836−839．

文  献
1.

2.

3.

9.

N. Galili, I. Shmulevich, N. Benichou,S. Landahl, L. Terry, Non-destructive

Acoustic testing of avocado for fruit ripenessdiscrimination of avocado fruit ripenessevaluation, American Society of Agriculturalusing laser Doppler vibrometry, Biosystems

Engineers 41 (1998) 399−407.

Engineering 194 (2020) 251−260.

Z. Fathizadeh, M. Aboonajmi, S.R.H. Beygi,

10. K. Peleg, U. Ben-Hanan, S. Hinga,

Nondestructive firmness prediction of apple

Classification of avocado by firmness andfruit using acoustic vibration response,maturity, Journal of Texture Studies 21

Scientia Horticulturae 262 (2020) 109073.

(1990) 123−139.

P.P. Subedi, K.B. Walsh, Assessment ofavocado fruit dry matter content using
portable near infrared spectroscopy: Method
and instrumentation optimisation,
Postharvest Biology and Technology 161(2020) 111078.

4.

A. Woolf, C. Clark, E. Terander, V.
Phetsomphou, R. Hofshi, M. Lu Arpaia, D.
Boreham, M. Wong, A. White, Measuring― 111 ―

TOPへ戻る

ＭＥＭＳプロセスによるマイクロ６足ロボットの製造法と基本ミドルウェアの開発  機械機能工学科  長澤 純人  
１．序論（はじめに，まえがき，目的）
本 研 究 の 目 的 は MEMS

本研究には大きく３つの柱がある．

Micro-Electro-①製造手法の MEMS プロセス化

Mechanical Systems プ ロ セ ス に よ る 折 紙 構②積層静電型センサのアクチュエータ化

造のロボットフレームを適用したマイクロ６③探索などのアプリケーションのための足ロボットの製造法と，これらのマイクロ・ミドルウェアの開発
近 年 ， ロ ボ ッ ト 分 野 で は ROS や RT-

ロボット群を効率的に制御するための基本ミ

middleware などのロボット用ミドルウェアのドルウェアを開発することである．
～  年 度 に 実 施 し た 科 研 費 研 究 で利用が一般的になっている．しかし，マイクは，折紙構造のロボットフレーム，SMA アクロ・ロボット用のミドルウェアはまだ一般的

チュエータによるコンプライアント・メカニ

ではない．マイクロ・ロボットは基本的にはズムの駆動，組込 MPU や電装系の実装，積複数台で稼働するロボット群として運用する

層型静電角度センサによる角度フィードバッ

ため，開発するミドルウェアは群制御に適応

ク制御など，マイクロ６足ロボットの実現にしていなければならない．また，マイクロ・必 要 な 基 礎 技 術 を 確 立 し た （ Fig.1）． こ れ らロボットに実装される組込み MPU は一般的の基礎技術を集約し，実際のアプリケーショには非力なプロセッサなので，その処理能力

ンへの展開のために，実機のマイクロ６足ロでもミドルウェアのモジュールとしてリアル

ボットの MEMS プロセスによる製造法の確タイム処理ができなくてはならない．これら

立とマイクロ・ロボット群を制御するためのの技術的問題を解決し，世界に先駆けてマイ

基本ミドルウェアの開発が必要である．

クロ・ロボット用のミドルウェアを開発・提供したい．
近年の移動ロボットでは LiDAR（レーザー
レンジスキャナ）による実時間の空間把握が可能になり，その研究応用が進んでいる．
LiDAR の小型化・低価格化は自動車の自動運転技術を背景に急速に進んでいる．本研究で開発するマイクロ６足ロボットはパームトッ
プサイズであるが，そのサイズでも搭載可能

Fig.1コ ン プ ラ イ ア ン ト ・ メ カ ニ ズ ム に よ る

な LiDARも発表されており，ミドルウェア

小型６足ロボット．１枚の FPC シートから折（自己位置推定と環境地図作成の同時生成）り上げる [2]Asamura, Nagasawa, JJAP, 2021 ．

の実現はホットトピックになり得る．

で群制御されたマイクロ・ロボットで SLAM

― 112 ―

TOPへ戻る
２．研究計画

適用が欠かせない．ロボットフレームとして〇2021 年度：折紙構造ロボットフレームのこれまでは FPC シー トのトラ ス構 造体を使MEMS プロセス化の確立．これまで角度セン用してきたが，関節駆動の際に構造が歪んでサとして用いてきた積層型静電角度センサにしまうため，設計どおりに動作しなかった．

SMA（形状記憶合金ワイヤ）をアクチュエー

SU-8 に よ る 高 剛 性 の 構 造 部 を 使 う こ と でタとして組込み，センサとアクチュエータのFPC トラス構造よりも簡潔になり，駆動部の両方の機能を持つ統合デバイスとして試作・歪みを少なくできた [4] Sugimoto, Nagasawa,

評価を行う．マイクロ・ロボットに ROS とMNC2021 Int. Conf. ．今後は，プロセス基板

LiDAR を導入する前段階として，通常サイズのリリース，アクチュエータの均一な取り付の 6 足ロボットに ROS と LiDAR を導入する．

けを中心としてプロセス条件の確立を目指す．

◆ 2022 年 度 ：  マ イ ク ロ ６ 足 ロ ボ ッ ト の②積層静電型センサのアクチュエータ化

MEMS 製造プロセスの確立．特にセンサ・ア

積層静電型の角度センサは Fig. 3 のようにクチュエータの正確な取り付け手法の確立を

折紙構造のロボットフレームと同様に１枚の目指す．センサ・アクチュエータ統合デバイ

FPC シートから折り上げられる．積層静電型

スの実機ロボットへの適用検討．小型移動ロの角度センサは，静電容量変化から角度を推ボットに組込みマイクロコントローラ用の定可能で，減速機付モータと組合せて角度フ

micro-ROS を導入する．

ィ ー ド バ ッ ク 制 御 に 成 功 し て い る （ [1]Hara,◆2023 年度：センサ・アクチュエータ統合

Nagasawa, JJAP Journal 2021）．

デバイスも折紙構造であり，折紙構造のロボ
ットフレームと一体化して再設計・試作・評価を実施する．micro-ROS によるマルチエー
ジェント（複数台ロボット用）ROS を試作マ
イクロ 6 足ロボットに実装して評価する．
◆2024 年度：センサ・アクチュエータ統合
デバイスの ROS によるリアルタイム制御の実現を目指す．マイクロ・ロボットのハード
ウェアとミドルウェアの適用例として，マルチエージェントによる探索タスクを実施する．

Fig.2折 紙 構 造 ロ ボ ッ ト フ レ ー ム に ア ク チ ュエータ，組込 MPU，表面実装部品や小型電池などの駆動系・制御系要素を統合した．



３．計画の進行状況
①製造手法の MEMS プロセス化
2021 年度にはロボットフレームの MEMS プ
ロセス化を行った．Fig. 2に示すように，これまでコイル型形状記憶合金アクチュエータ，組込 MPU，表面実装部品や小型リチウムポリ
マー電池などの駆動系・制御系の統合を進めてきたが，ロボットフレームの更なる小型化・高精度化のためには，MEMS プロセスの
Fig.3１枚の FPC シートから折り上げる積層
静電型の角度センサ．静電容量変化からヒン― 113 ―

TOPへ戻る
ジ角度を直接測定できる（[5]Hara, Nagasawa,

による誤差の補正が必要となる．ロボットのMNC 2021 Int. Conf.）．

姿 勢 を 測 定 す る IMU (Inertial measurement

2021 年度には SMA をアクチュエータとしunit)で時々刻々の体軸変化を正確に推定し，て組込み，角度センサとアクチュエータが統

LiDAR 測定値を補正する．また，垂直方向ス

合した状態でのフィードバック制御に成功しキャンに積層型静電アクチュエータを用いる[5] ．当初は本センサの積層された電極構造

２次元スキャニング方式の実現可能性も検討

たに高電圧を印加することで，各電極間が縮む

する．

ように駆動することを検討したが，電極間距

クローラ型と脚移動型ロボットの比較によ離が大きすぎるために十分な駆動力が発生でって，これらの移動手法の違いが LiDAR 測

きないことが明らかになった．この積層型静定・SLAM に与える影響が定量的に評価でき

電角度センサの構造をアクチュエータとしてる．今回実施した簡単なマップによる SLAM

利用している報告があるので，静電アクチュ

適用では，脚移動型ロボットの方がクローラ

エータとしての駆動検討を継続して進める．

型ロボットで得た SLAM のより約 1.6 %程度
誤差が大きいことがわかった．

③探索などのアプリケーションのためのa)

ミドルウェアの開発
マイクロ・ロボットのアプリケーションは基本的に複数ロボット（群ロボット）での協調タスクとなるため，ユーザーの利便性のために群制御に対応したミドルウェアの開発は必須である．また，LiDAR のような測定デー
タに対して複雑な処理が必要なアプリケーシ
ョンの導入にもミドルウェアは有効である．
2021 年度は Fig.4 a)に示すオリジナル設計のクローラ移動ロボットと Fig.4 b)に示す６足ロボットに LiDAR と IMU を搭載し，ROS ミ
ド ル ウ ェ ア に よ る SLAM (Simulutanious

Localization and Mapping)を導入した．この 2台のロボットをオリジナル設計とした理由は，b)

移動機構以外の部分に関しては全く同じ構成とすることで，クローラ移動と脚移動の比較が容易になるようにするためである．組込
MPU としては Raspberry4 を利用しているが，
SLAM の処理は ROS で接続されたホスト PC
で行う構成である．
車輪移動型ロボットに搭載する従来型のLiDAR は，LiDAR 基部のピッチ角やロール角は傾かないが，脚移動ロボットでは体軸の変

化が激しい．このため，脚移動ロボットの
LiDAR に よ る 周 囲 情 報 計 測 は こ の 体 軸 変 化

Fig.4ROS 上での多脚ロボットの LiDAR によ― 114 ―

TOPへ戻るる  を実施している，12 自由度の自作６■国際会議

ンテージとなった．ロボットフレームの(7) K. Shimomoto, S. Nagasawa, “Continuous
Size Classification Device for Marine
Microplastics by Pinched Flow Fractionation,”
Digest of 34th International Microprocesses
and Nanotechnology Conference (MNC 2021),3, Online, Japan, Oct. 26-29, 2021.

(4) K. Sugimoto, S. Nagasawa, “Micro-Hexapod
Robot Having an Origami-like SU-8 Coatedを確 立 させ る． [10] 関, 長 澤, 日 本機 械 学 会
Rigid Frame,” Digest of 34th International
関東支部卒業研究発表講演会, 2022 ．
Microprocesses and Nanotechnology
Conference (MNC 2021), &, Online,
４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況
Japan, Oct. 26-29, 2021.
本研究は本プロ研による支援により，2022(5) T. Hara, S. Nagasawa, “Sensor and Actuator～ 2024 年 度 の 科 研 費 基 盤 Ｃ 研 究 に 採 択 さ れ
Double Functional Component for Micro
た．本助成によって，①ロボットフレームのRobot Leg Joints,” Digest of 34th
International Microprocesses andMEMS プロセス化，②積層型静電角度センサ
Nanotechnology Conference (MNC 2021),に SMA をアクチュエータとして組込み，セ&, Online, Japan, Oct. 26-29, 2021.
ンサとアクチュエータを統合した状態でのフ(6) K. Kojima, S. Nagasawa, “Sequentialィードバック制御，③ROS ミドルウェアによAutomatic Assembling Method for
る LiDAR を使った SLAM をクローラ型ロボ
Microstructure Using Shape Memory Polymer
Units,” Digest of 34th International
ットと脚移動型ロボットに導入，これらの事
Microprocesses and Nanotechnology
項 を 科 研 費 研 究 の 研 究 計 画 に 先 ん じ て 2021
Conference (MNC 2021), &, Online,
Japan, Oct. 26-29, 2021.
年度に始めることができたのは大きなアドバ
足ロボット．IMU による深度測定の補正手法

MEMS プロセス化とセンサ・アクチュエータ
統合デバイスは２件とも MNC2021 国際会議で発表し，論文投稿の準備を進めている．今後も得られた成果は迅速に査読付き論文や国際学会で発表していく．本研究に関連する発表を，以下の参考文献に示す．

参考文献
■査読付論文
(1) T. Hara, K. Asamura, Y. Nagata, S. Nagasawa,“Stacked Electrostatic Angle Sensor
Implemented in Micro Robot Leg Joints,”
Japanese Journal of Applied Physics, Vol.60,
SCCL08, (2021), DOI:
10.35848/1347-4065/abe5c0.
(2) K. Asamura, S. Nagasawa, “A micro
Hexapod Robot for Swarm Applications
Assembled from a Single FPC Sheet,”Japanese Journal of Applied Physics, Vol.60,
SCCL03, (2021), DOI:
10.35848/1347-4065/abe689.
(3) K. Asamura, S. Nagasawa, “MEMS
Fabrication of Compliant Sheet for Micro
Hexapod Robots,” Japanese Journal ofApplied Physics, Vol.59, SIIL03, (2020), DOI:
10.35848/1347-4065/ab7439.

■国内会議
(8) 新田雄真, 長澤純人, “ジェスチャ用マイク
ロ多指ハンドの小型ロボットへの実装と評
価,” 日本機械学会関東学生会第 61 回学生員卒業研究発表講演会, 718, オンライン,
Mar. 14, 2022.
(9) 冨永裕太, 長澤純人, “自動組立のための
SMA を用いた任意角度の自動折り上げユニット,” 日本機械学会関東学生会第 61 回
学生員卒業研究発表講演会, 809, オンライン, Mar. 14, 2022.
(10) 関 拓 , 長 澤 純 人 , “ LiDAR を 用 い た
Micro-Hexapod への SLAM の実装,” 日本
機械学会関東学生会第 61 回学生員卒業研
究発表講演会, 809, オンライン, Mar. 14,2022.
(11) 金井貴勲, 長澤純人, “ＭＥＭＳ３次元コン
プライアントヒンジによるマイクロロボッ
トフレーム,”日本機械学会関東支部 第 28
期総会・講演会, 15E20, オンライン, Mar.
14-15, 2022.
(12) 空真奈花, 長澤純人, “画素ごとに光学設計したマイクロレンズアレイの deep RIE によ

― 115 ―

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る製作,” 日本機械学会ロボティクス・メカ
トロニクス講演会, 1A1-J15, オンライン,
Jun. 6-8, 2021.
(13) 児島啓太, 長澤純人, “マイクロコンピューターを搭載した構造物の形状記憶ポリマー
ユニットを用いた順序自動組立,” 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会, 1P2-L05, オンライン, Jun. 6-8, 2021.

― 116 ―

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5HVHDUFKSURJUHVVUHSRUW )RUP 

6\QWKHVLVRIQRYHOKLJKHQWURS\R[LGHVDQGVHDUFKIRU
WKHLUIXQFWLRQDOLWLHVDVR[\JHQVWRUDJHPDWHULDOVIRU
R[\JHQJHQHUDWLRQ  機械機能工学科 $OLFMD .OLPNRZLF]

5HVHDUFKFROOHDJXHV
機械機能工学科  7DNDVDNL$NLWR

１．3DSHULQWURGXFWLRQ

7KH +(0 PDWHULDOV JDWKHUHG D ORW RI

,Q  WZR VHSDUDWH JURXSV RI

LQWHUHVWIRU

WKHLUZLGH

FKHPLFDOVFLHQWLVWVGHYHORSHGDQGLQWURGXFHGKLJKFRPSRVLWLRQHQWURS\ PDWHULDOV

+(0V  VRPHWLPHVFKHPLVWU\ RSHQV D ZKROH UDQJH RI

FDOOHG PXOWLFRPSRQHQW DOOR\V RU &DQWRUSRWHQWLDOIXQFWLRQDOLWLHVDQGEHQHILWVRI

DOOR\V>@6LQFHWKHQWKHPDWHULDOVWKHV\QHUJLFHIIHFWRIDPXOWLHOHPHQWDO

KDYH DWWUDFWHG LQFUHDVLQJ DWWHQWLRQ GXHV\VWHPUDQJH

7DLORULQJWKHLU

WR WKHLU XQLTXH SURSHUWLHV RI VROLG

$FFRUGLQJ WR >@ KLJK HQWURS\ DOOR\VVROXWLRQ IRUPDWLRQ ZLWK WKH VLPSOH

DUH GHILQHG DV KDYLQJ FRQILJXUDWLRQDOFU\VWDO VWUXFWXUH $Q H[DPSOH RI KLJKHQWURSLHV ODUJHU WKDQ 5 ∆𝑆𝑆 ≥ 1.5𝑅𝑅LQ

HQWURS\

R[LGH

+(2 

ZLWK

UDQGRPO\D

UDQGRPVWDWHVLQJOHSKDVHRU

GLVWULEXWHG FDWLRQV FU\VWDOL]LQJ LQ D

PXOWLSKDVHDWURRPWHPSHUDWXUH )RUWKH

SHURYVNLWHW\SHVWUXFWXUHLVSUHVHQWHGLQUDQGRP)LJ

FRQILJXUDWLRQDOVROLGVROXWLRQHQWURS\

∆𝑆𝑆

WKH


LV

UHSUHVHQWHGE\WKHIROORZLQJHTXDWLRQ𝑛𝑛∆𝑆𝑆𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = −𝑅𝑅 ∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑥𝑥𝑖𝑖 
𝑖𝑖=1

ZKHUH 5 LVWKHLGHDOJDVFRQVWDQWDQG [ L 
UHSUHVHQWVWKHPRODUIUDFWLRQRIWKHL WKFRPSRQHQW )RU D JLYHQ QXPEHU RI
FRPSRQHQWV Q  FRQILJXUDWLRQDO HQWURS\UHDFKHVWKHODUJHVWYDOXHZKHQWKHDWRPLF
IUDFWLRQ RI DOO FRPSRQHQWV LV WKH VDPH
LHHTXLPRODU >@
)LJ  $ FU\VWDO VWUXFWXUHV RI KLJKHQWURS\
R[LGHZLWK
SHURYVNLWHW\SHVWUXFWXUH EDVHGRQ>@ &RORUVUHSUHVHQWGLIIHUHQWDWRPVUDQGRPO\GLVWULEXWHGJUD\–R[\JHQ

2QO\ D \HDU DIWHU WKH GLVFRYHU\ RI +(0
WKH HQWURS\ VWDELOL]DWLRQ FRQFHSW ZDVLQWURGXFHG

IRU

R[LGHV

7KH

PRODU

― 117 ―

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5HVHDUFKSURJUHVVUHSRUW )RUP 
FRQILJXUDWLRQDO

HQWURS\RIFHUDPLF

0 

LQHTXLDWRPLF

SURSRUWLRQVPDWHULDOV FDQ EH REWDLQHG EDVHG RQ WKH

/D<  0  2  δ

IROORZLQJHTXDWLRQVXEODWWLFH ZDV PRGLILHG DQG $

𝑛𝑛∆𝑆𝑆𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = −𝑅𝑅 [(∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑥𝑥𝑖𝑖 )𝑖𝑖=1+ (∑ 𝑥𝑥𝑖𝑖 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑥𝑥𝑖𝑖 )𝑖𝑖=1𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠]

HTXLDWRPLF SURSRUWLRQV DQG %

UDQGRPGLVWULEXWLRQRIHOHPHQWVLQ+(0
WKHUH DUH DOPRVW  WULOOLRQ ORFDOFOXVWHUV LQ D FRPSRQHQW PDWHULDO 2I
FRXUVH WKLV QXPEHU JURZV H[SRQHQWLDOO\ZKHQWKHQXPEHURIFRPSRQHQWVLQFUHDVHV$VLPLODUSKHQRPHQRQFDQEHREVHUYHGIRU
+(2DVZHOO7KLVIDVFLQDWLQJDQGFRPSOH[ORFDO DUUDQJHPHQW JLYHV ULVH WR WKHXQLTXHEXONSURSHUWLHVRIWKHPDWHULDOV)XUWKHU XVLQJ PDQ\ FRPSRQHQWV LQ RQHJLYHV

OLWHUDOO\ 0Q

 5H  0Q2  δ  7KH WKLUG JURXS RI

$FFRUGLQJ WR &DQWRU EHFDXVH RI WKHFRPSRXQG 

GLIIHUHQW UDUH HDUWK HOHPHQWV 5H  LQ

𝑛𝑛

𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑠𝑠𝑖𝑖𝑡𝑡𝑡𝑡

 $QDORJRXVO\ $

LQILQLWHFRPELQDWLRQVRIHOHPHQWVDQGWKHUHIRUHFRPSRXQGVVWXGLHG PDWHULDOV ZDV VLPSOH UDUH HDUWK
5H  R[LGHV RI WKH JHQHUDO IRUPXOD
Q 5HQ 2 δ 7KHVROJHOPHWKRGZDVXVHG
IRU PDWHULDO SUHSDUDWLRQ 5HVSHFWLYHQLWUDWHV ZHUH XVHG DV D FDWLRQ VRXUFH 
DQG WKH ('7$ ZDV XVHG DV D FRPSOH[LQJ
DJHQW 'LOXWHG DPPRQLD ZDV XVHG WR
QHXWUDOL]H WKH S+ RI WKH VROXWLRQ 7KHVROJHOWUDQVLWLRQZDVFDUULHGRXWXVLQJDQHOHFWULFPDQWHODQGWKHVROXWLRQZDVKHDWHGXSWR℃DQGGULHGFRPSOHWHO\
7KH REWDLQHG SUHFXUVRU ZDV SUHVVHG LQWRSHOOHWV DQG VLQWHUHG LQ DLUIORZ DW
1000 ℃ or 1100 ℃. The XUD\GLIIUDFWLRQ

7KHKLJKHQWURS\R[LGHVZHUHSUHGLFWHGWR
exhibit oxygen vacancies (δ), and the
QXPEHU RI YDFDQFLHV ZDV FDOFXODWHG WR
LQFUHDVH ZLWK DQ LQFUHDVH RI HOHPHQWV
XVHG >@ $ ODUJH DPRXQW RI R[\JHQYDFDQFLHVKLQWVWKDWWKHPDWHULDOFDQEHVXLWDEOH DV DQ R[\JHQ VWRUDJH PDWHULDO
260  6LQFH XS WR GDWH WKHUH ZDV QR
UHSRUWLQJ RQ WKH R[\JHQ FRQWHQW FKDQJH
IRU WKH +(2 WKH ILUVW WULDOV DUHLQWURGXFHGLQWKLVUHSRUW
２．5HVHDUFKSURJUDP;5'  WHFKQLTXH ZDV XVHG WR LQYHVWLJDWH
WKHVWUXFWXUHRIWKHREWDLQHGPDWHULDOV)RUWKHVLQJOHSKDVHVDPSOHVD5LHWYHOGUHILQHPHQWZDVFRQGXFWHG

7KH

PLFURVWUXFWXUH RI WKH REWDLQHG VDPSOHV
ZDV HYDOXDWHG XVLQJ 6FDQQLQJ (OHFWURQ
0LFURVFRSH 6(0 (OHPHQWDODQDO\VLVZDVDOVR FRQGXFWHG WR HQVXUH WKH HYHQGLVWULEXWLRQ RI WKH HOHPHQWV ZLWKLQ WKHVDPSOH +RZHYHU WKH UHVROXWLRQ RI WKHPHDVXUHPHQW

GLG

QRW

TXDQWLWDWLYH

FDOFXODWLRQ

DOORZ

IRU

RI

WKH

PDWHULDO VFRPSRVLWLRQ

7KH SUHVHQWHG UHVHDUFK IRFXVHG RQ
REWDLQLQJ QHZ VLQJOHSKDVH KLJK HQWURS\PDWHULDOV EHORQJLQJ WR WKUHH IDPLOLHV)LUVW $%2 δ  SHURYVNLWHW\SH VWUXFWXUHZDVDSDUHQWDQGWKHPRGLILFDWLRQVZHUH
PDGHLQ%VXEODWWLFHQDPHO\$ <RU/D
DQG% GLIIHUHQW G RU I EORFNPHWDOV

7KH

VXLWDELOLW\

RI

WKH

VLQWHUHGPDWHULDOV IRU R[\JHQ SURGXFWLRQ DQGVWRUDJHSURSHUWLHV ZDVHYDOXDWHGXVLQJDWKHUPRJUDYLPHWULFGHYLFH 7* 7KHHIIHFWRI WKH WHPSHUDWXUH DQG SUHVVXUH RQ WKH
R[\JHQ FRQWHQW LQ WKH PDWHULDOV ZDV D
VXEMHFW RI LQYHVWLJDWLRQ DQG WKH WHVWV― 118 ―

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5HVHDUFKSURJUHVVUHSRUW )RUP 
ZHUH FRQGXFWHG LQ YDULRXV WHPSHUDWXUHVDQDO\VLV ZDV SHUIRUPHG DQG VHOHFWHG

76$  DQG R[\JHQ SDUWLDO SUHVVXUH UDQJHUHVXOWV DUH VKRZQ LQ )LJ  7KH

36$ DVZHOODVWKHFRPELQHG7HPSHUDWXUHFDOFXODWHG XQLW FHOO SDUDPHWHUV DUH3UHVVXUH6ZLQJ$EVRUSWLRQPHWKRG 736$  

JDWKHUHG LQ 7DE  $ VLJQLILFDQW HUURU

7KH;5' 5LJDNXVPDUWODE 6(0 -(2/

RQ WKH UHILQHPHQW FRQGXFWHG IRU WKH

-60)  DQG 7* 7$ ,QVWUXPHQWV 7*$ 3U1G6P7E< 0Q2  δ LV FDXVHG E\ WKH  GHYLFHV XVHG LQ WKLV ZRUN ZHUH

SUHVHQFHRILPSXULWLHV

DYDLODEOHLQWHFKQRSOD]DLQ6,7

7DEOH  ;5' DQDO\VLV UHVXOWV RI WKHSUHSDUHGVDPSOH


３．6WDWHRISURJUHVV

6DPSOHV'XH WR WKH VSDFH OLPLWDWLRQ RQO\VHOHFWHG UHVXOWV DUH SUHVHQWHG LQ WKLV/D 0Q)H&R1L$O 2 δ 

UHSRUW 7KH SUHVHQWHG GDWD ZHUH JDWKHUHG
E\WKUHHXQGHUJUDGXDWHVWXGHQWVDVSDUWRIWKHLUJUDGXDWLRQUHVHDUFKXQGHU

/D &U0Q)H&R1L 2 δ 

P\

VXSHUYLVLRQ•< 0Q)H&R1L$O 2 δ 

6KRWDUR'RNLQ $% (TXLDWRPLF
UDUHHDUWKHOHPHQWR[LGHVDV2[\JHQ< &U0Q)H&R1L 2 δ 

6WRUDJH0DWHULDO
• 3U1G6P7E< 0Q2 δ 

6KLKR .RLNH $%  2[\JHQ VWRUDJH /D1G6P7E< 0Q2 δ /D[ [0 2 δ  0GPHWDOV  &H1G6P7E< 0Q2 δ 

DQG2[\JHQ6WRUDJH3URSHUWLHVRI+LJK /D&H3U7E< 0Q2 δ (QWURS\ 2[LGHV  5  0Q2 δ  5 5DUH(DUWK(OHPHQWV 
VHULHVRIFRPSRXQGV>℃@JURXS

0XOWL




5  F
5  F

0XOWL





3EQP
3EQP
3P  P
3P  P
3EQP
3EQP
3EQP
3EQP
0XOWL 0XOWL 

0XOWL



3EQP 
)P  P
)P  P
,D  ,D  








.HQVKLQ 6XJLKDUD $%  6LQWHULQJ

7KUHH

6SDFH

SURSHUWLHV RI KLJK HQWURS\ R[LGHV <•7

QDPHO\/D<  0  2  δ   5H  0Q2  δ   DQG
Q5H Q 2  δ  ZKHUH 0 LV D G  RU I EORFNPHWDO DQG 5H LV D UDUH HDUWK HOHPHQW &H/D3U< 2 δ  &H/D3U6P< 2 δ  &H/D1G3U6P< 2 δ  &H7E/D1G3U6P< 2 δ  

LQ D VLQJOHSKDVH VWUXFWXUH GHVSLWH
7DEOH  8QLW FHOO SDUDPHWHUV D  F  9 
REWDLQHG XVLQJ 5LHWYHOG UHILQHPHQW IRU  
3EQP   
 3U1G6P7E< 0Q2  δ XVLQJ/D $O0Q1L)H&R 2 δ  XVLQJ 5  F  DQG  
 &H/D1G3U6P< 2  δ  XVLQJ ,D 3 (χ   
JRRGQHVVRIILW 

FRPSOLFDWHG FKHPLFDO IRUPXODV +RZHYHU

VRPHRIWKHGHVLJQHGVWUXFWXUHVFRXOGQRW

ZHUH WHVWHG XVLQJ ;UD\ GLIIUDFWLRQWHFKQLTXH 7KH JDWKHUHG GDWD WRJHWKHUZLWK SKDVH DQDO\VLV DUH SUHVHQWHG LQ
7DE 0RVW RI WKH VDPSOHV FU\VWDOOL]HG

9 >Å  @χ         

EH REWDLQHG +RZHYHU VRPH RI WKH        

GHVLJQHGVWUXFWXUHVFRXOGQRWEHREWDLQHG      

D >Å@F >Å@$IWHU SKDVH LGHQWLILFDWLRQ D 5LHWYHOG― 119 ―

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5HVHDUFKSURJUHVVUHSRUW )RUP 
7KH VWUXFWXUHV REVHUYHG IRU VHOHFWHG
PDWHULDOV DUH YLVXDOL]HG LQ )LJ
7KHUHLVQRFOHDUWHQGHQF\EHWZHHQWKH
FKHPLFDOFRPSRVLWLRQ DQG WKHVWUXFWXUHDGRSWHGE\WKHPDWHULDO)LJ;5'GDWDZLWK5LHWYHOGUHILQHPHQW
RI VHOHFWHG VDPSOHV VLQWHUHG DW ℃
LQDLU

a)

b)

c)

d)

e)

f)


)LJ6(0LPDJHVWDNHIRUD E 
 3U1G6P7E< 0Q2 δ F G /D $O0Q1L)H&R 2 δ DQGH I 
 &H/D1G3U6P< 2 δ VDPSOHVXQGHUYDULHVPDJQLILFDWLRQV
7KH PLFURVWUXFWXUH RI DOO VWXGLHG
VDPSOHV LV VLPLODU DQG WKHUHIRUH RWKHUUHVXOWV FDQ EH FRPSDUHG ([HPSODU\PRUSKRORJ\ IRU WKH VWXGLHG VDPSOHV LVVKRZQ LQ )LJ  7KH HOHPHQWDO DQDO\VLV
)LJ   FRQILUPHG DQ HYHQ GLVWULEXWLRQRI

HOHPHQWV

IRU

DOO

VLQJOHSKDVHG

HOHPHQWV
7KH DQDO\VLV RI WKH WKHUPRJUDYLPHWULF

GDWD VKRZHG WKDW +(2 PDWHULDOV H[KLELW)LJ9LVXDOL]DWLRQVRIWKHD  &H7E/D1G3U6P< 2 δ ,D  
E < 0Q)H&R1L$O 2 δ 3EQP 
F /D 0Q)H&R1L$O 2  δ )P  P 
G  &H/D3U6P< 2 δ 5  F $WRPVQRWWRVFDOH

OLWWOHFKDQJHLQWKHR[\JHQFRQWHQWXQGHUWKH VWXGLHG FRQGLWLRQV 'XULQJ WKHLQLWLDO KHDWLQJ LQ DUJRQ DOO PDWHULDOVUHOHDVHR[\JHQ )LJDE +RZHYHUWKLV― 120 ―

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5HVHDUFKSURJUHVVUHSRUW )RUP 

R[\JHQORVVLVGLIILFXOWWRUHYHUVHHYHQXQGHU KLJKO\ R[LGL]LQJ FRQGLWLRQV SXUH
R[\JHQKLJKWHPSHUDWXUHLQ WKHRUGHURI ℃ )XUWKHU WHVWV RQ WKHUHYHUVLELOLW\ VKRZQ LQ WKH H[DPSOH RI
/D &U0Q1L)H&R 2 δ   H[KLELWHG D VPDOOLQWDNH RI R[\JHQ )LJ   7KH HIIHFW ZDVVWURQJHUDWKLJKHUWHPSHUDWXUHV







)LJ  7HPSHUDWXUH GHSHQGHQFH RI WKH
R[\JHQ FRQWHQW UHJLVWHUHG XQGHU $U DQG 2  
IORZ IRU  3U1G6P7E< 0Q2  δ  DQG &H/D3U6P<  2 δ  VLQWHUHG DW ℃ LQ
DLU





)LJ  7KH VSHFWUXP RI HOHPHQWV DQG
HOHPHQWDO DQDO\VLV E\ HOHPHQW UHJLVWHUHG
IRU < $O0Q1L)H&R 2 δ  XVLQJ 6(0 XQGHU[PDJQLILFDWLRQ)LJ  7* GDWD IRU /D &U0Q1L)H&R 2 δ 
UHJLVWHUHG XVLQJ WKH 36$ UHJLPH DW
GLIIHUHQW WHPSHUDWXUHV UHFDOFXODWHG LQWR
R[\JHQFRQWHQWFKDQJH

― 121 ―

TOPへ戻る

5HVHDUFKSURJUHVVUHSRUW )RUP ,Q FRQFOXVLRQ VHYHUDO PDWHULDOV ZHUH

.OLPNRZLF] <XGDL .DVX\D 7DNDKLURVLQWHUHG IRU WKH ILUVW WLPH GXULQJ WKLVVWXG\,QYHVWLJDWLRQRIWKHLUSURSHUWLHV

7R\DPD$NLWR7DNDVDNL
•3RVWHU 3UHVHQWDWLRQ DW 66, IURPHQODUJHG WKH EDVLF NQRZOHGJH LQ WKH QHZ-XO\DWWKH%RVWRQ3DUNILHOG

3OD]DRIKLJKHQWURS\PDWHULDOVLQ

%RVWRQ

0DVVDFKXVHWWV5HJDUGLQJWKHR[\JHQVWRUDJHSURSHUWLHV

6\PSRVLXP () (QHUJ\ DQG )XHOVWKH SHURYVNLWHEDVHG PDWHULDOV VKRZHG

&RQYHUVLRQHQWLWOHG1RYHOKLJKHQWURS\OLWWOH UHYHUVLELOLW\ DV VPDOO R[\JHQ

R[LGHV

IRU

R[\JHQVWRUDJHFDSDFLW\7KHUHIRUHWKRVHW\SHV

JHQHUDWLRQ$OLFMD

RI +(2 VKRXOG EH XVHG IRU DSSOLFDWLRQV6KRWDUR'RNLQ$NLWR7DNDVDNLVWRUDJH

DQG

.OLPNRZLF]

RWKHUWKDQR[\JHQSURGXFWLRQDQGVWRUDJH

7KH UHVXOWV IRU WKH SHURYVNLWHEDVHG

7KH UDUH HDUWKR[LGHV Q5H Q 2 δ  5H LV D

PDWHULDOV /D<  0  2 δ   5H  0Q2 δ  

UDUH HDUWK HOHPHQW  H[KLELWHG WKH PRVWprobably won’t EH SXEOLVKHG GXH WR WKHSURPLVLQJ 260 SURSHUWLHV DQG WKH ZRUNSRRU SHUIRUPDQFH RI WKH PDWHULDOV 7KHZLOO EH FRQWLQXHG WR RSWLPL]H WKHLUVWXG\ RQ WKH UDUH HDUWK KLJK HQWURS\FRPSRVLWLRQ IXUWKHU DQG LPSURYH WKHLU

R[LGHV Q5H Q 2 δ ZLOOEHFRQWLQXHGDQG

SURSHUWLHV

LI WKH UHVXOWV DUH SURYHQ WR EH
VDWLVIDFWRU\ WKH\ ZLOO EH SXEOLVKHG LQ４．)XWXUHSURJUDPSDSHUVXEPLVVLRQDQG

DQLPSDFWIDFWRUMRXUQDOSRVVLEO\LQDQUHVXOWVEULHILQJ

RSHQDFFHVVPRGH


7KH REWDLQHG UHVXOWV ZHUH SUHVHQWHG
GXULQJ

WKH

VW

:RUOG

7HFKQRORJ\

8QLYHUVLWLHV1HWZRUN:7816'* &OLPDWH

5HIHUHQFHV$FWLRQ  :RUNVKRS  0DUFK   LQYLWHG

>@-<HKHWDO$GY(QJ0DWHU

WDON  $ .OLPNRZLF] $Q DOWHUQDWLYH–

PHWKRG IRU R[\JHQ SURGXFWLRQ XVLQJ>@%&DQWRUHWDO0DWHU6FL(QJFHUDPLFPDWHULDOV$––

7KHUHVXOWVZLOOEHSUHVHQWHG GXULQJWKH

>@ < 0D HW DO (QHUJ\ (QYLURQ 6FLXSFRPLQJFRQIHUHQFHV

•

2UDO

SUHVHQWDWLRQ,QWHUQDWLRQDO

DW

;;;

>@0*DRHWDO+LJK(QWURS\$OOR\V

5HVHDUFK

6SULQJHU,QWHUQDWLRQDO 3XEOLVKLQJ&KDP

WKH

0DWHULDOV&RQJUHVV WR EH KHOG LQ &DQFXQ LQ$XJXVW     GXULQJ WKH>@&05RVWHWDO1DW&RPPXQ

V\PSRVLXP RQ WKH WRSLF RI (PHUJLQJ

0DWHULDOV>@$6DUNDUHWDO'DOW7UDQV

IRU &OHDQ (QHUJ\ DQG(QYLURQPHQWDO

5HPHGLDWLRQ$SSOLFDWLRQV HQWLWOHG 5DUHHDUWK

PDQJDQHVHR[LGHVXVHGIRU7HPSHUDWXUH
DQGRU 3UHVVXUH 6ZLQJ $EVRUSWLRQ IRUR[\JHQ

JHQHUDWLRQE\$OLFMD― 122 ―

TOPへ戻る

金属触媒を利用した半導体結晶薄膜の低温形成  材料工学科  弓野健太郎  
１．はじめにと、*H の結晶薄膜が得られることを見出した

)DEULFDWLRQRIFU\VWDOOLQH*HWKLQILOPV*H は 6L よりもキャリア移動度が高く、バE\ FRGHSRVLWLRQ RI $X DQG *H DW ORZ

ンドギャップが小さいなど、電気特性に優れ、

substrate temperatures (<200℃) without

次世代 /6, 用の電界効果トランジスタのチャ

SRVW DQQHDOLQJ 76XJL\DPD 10LVKLED

ネル層やⅢ－Ⅴ族化合物半導体を用いた多接

0.DPLNR..\XQR$SSOLHG3K\VLFV([SUHVV

合太陽電池のための下地層（バッファー層）

 として期待されている。このタイプの太陽電S 型半導体となることが知られているが、池は、光吸収係数が大きく、広い範囲の波長$J6E 合金を用いた金属誘起結晶化を行うと、の太陽光を利用できるため、高い変換効率が6E が *H 内でドナーとして働き、Q 型の多結晶期待できる。しかし、*H は資源量が極端に少*Hないため、ウェハーではなく、ガラス基板な/RZWHPSHUDWXUH °& FU\VWDOOL]DWLRQ

どの上で薄膜として利用することが望ましい。

DQGGRSDQWDFWLYDWLRQRI*HWKLQILOPVYLD

また、*H は 6L と同じように、低温で成膜す$J6ELQGXFHGOD\HUH[FKDQJH2SHUDWLRQRI

ると非晶質構造をとるが、電気特性的には結

DQQFKDQQHOSRO\FU\VWDOOLQH*HWKLQILOP

晶の方が望ましい。基板上に形成した非晶質

WUDQVLVWRU76X]XNL%0-RVHSK0)XNDL

の *H 薄膜を結晶化させるには 400℃程度の温0.DPLNR DQG ..\XQR $SSOLHG 3K\VLFV

度での熱処理が必要となるが、プラスチック([SUHVV 基板上への成膜を可能とするためには、300℃

基板上に低温で S 型、Q 型の半導体を作製す

以下のプロセス温度を実現しなければならなることができるようになれば、様々なデバイい。

スの実現が可能となる。

われわれはこれまで、金属の触媒効果を利用した半導体薄膜の低温結晶化（金属誘起結。また、多結晶 *H は通常が 生 成 す る こ と を 確 認 し た。プラスチック

２．研究計画晶化法）に関する研究を進めてきた。この方

法では、触媒となる金属層の上にアモルファ

金属誘起結晶化法は低温で結晶の *H 薄膜

スの *H 層を形成し、アニールをすることでを得ることのできる優れた方法であるが、表*H 層の結晶化を行う。この時、金属層と半導面の粗さが大きいことが知られており、太陽体層が入れ替わり、層交換することが特徴と電池用のバッファー層としての利用などにおなっている。これまでに層交換以外の方法のいては問題となっている。そこで、本研究で開発にも取り組んでおり、$X*H 合金（共晶温は、$X を用いた金属誘起結晶化法における *H

度 361℃）を加熱基板上（170℃）に成膜する薄膜の結晶化の機構を詳細に調べ、薄膜表面― 123 ―

TOPへ戻る
を平滑にするためのプロセスに関する指針を得ることを目的とした。

３．計画の進行状況
 $X の膜厚を QP に固定し、アモルファ
ス *H の膜厚を QP の範囲で変化させた。
これらの試料を ℃で  時間、窒素雰囲気中でアニールした。その結果、いずれの試料の ; 線回折プロファイルからも明瞭な*H  面からの回折が観測され、*H 薄膜は結晶化していることを確認した。これは $X*H
合金の共晶温度（℃）よりもはるかに低い温度であり、$X による金属誘起結晶化の効果がはっきりと表れている。
これらの試料の表面の $X をエッチングにより取り除いた後の 6(0 像を図１に示す。ア
ニール前のアモルファス *H の膜厚が QP の試料においては、結晶の *H と思われる島状の構造が確認されるが、初期のアモルファス *Hの量が少なかったためか、島の間にはすき間が存在し、結晶 *H の連続膜を形成するには至っていない。この結晶 *H の厚さを原子間力顕微鏡（$)0）で測定すると、初期の $X 膜厚に非常に近いことがわかった。このことは、$X層内に拡散した *H 原子が結晶として核生成し、$X 層を鋳型として成長したことを示唆している。*H の成長に伴って $X は上の層へ押し上げられ、層交換が起こっていると考えられる。
アモルファス *H の膜厚を QP まで増やすと、一部で島同士が結合するものの依然として下地の表面（6L2  ）が露出している部分が見られる。初期のアモルファス *H の膜厚をさらに QP まで増やすと、下地が露出している

部分は非常に少なくなり、極めて平坦な結晶

図１  各 試料 の表 面の 6(0 像。 *H の 連 続 膜 が 形 成 さ れ て い る こ と が 確 認 でD *H QP $X QP  E *H QP $X QP 

き、$X 層厚、*H 層厚の調整により、平坦な結F *H QP $X QP  G *H QP $X QP 。

晶 *H の連続膜が形成可能であることがわか



った。









― 124 ―

TOPへ戻る
一方、この試料においては平坦な結晶の上

 $J 触媒を用いた 0,& 法による多結晶 *Hに小さな島状の *H 結晶も確認できる。つまり、薄膜の作製と電気特性、鷲雄 藍子、弓

 層目の結晶 *H 薄膜の完成とほぼ同時に  層

野健太郎、日本金属学会  年春期

目の成長が始まっていることがわかる。さら（第  回）講演大会（ 年  月 に、初期のアモルファス *H の膜厚を QP ま日）

で増やすと、 層目の面積が増えていること

が確認できるが、同時に基板の露出部分も増 $X を触媒とした *H 薄膜の結晶化と熱処理の昇温速度依存性、廣瀬乾、木村

えていることがわかった。

健二 郎、 6817+2513$11DULQ、 弓野健

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

太郎、日本金属学会  年春期（第 回）講演大会（ 年  月  日）

以上のことから、$X 層厚、*H 層厚の調整に



より、平坦な結晶 *H の連続膜が形成可能であ &U\VWDOOL]DWLRQRI*H7KLQ)LOPVE\

ることがわかったが、得られる結晶 *H の構造$X,QGXFHG/D\HU([FKDQJH(IIHFWRI

は $X、*H の膜厚に非常に敏感であることもわ$X /D\HU 7KLFNQHVV RQ *H &U\VWDO

かった。今後、この原因を突き止め、結晶性

2ULHQWDWLRQ 1DULQ 6XQWKRUQSDQ

の優れた結晶 *H 薄膜の構造制御手法の確立.HQMLUR.LPXUDDQG.HQWDUR.\XQR

を目指す。-DSDQHVH-RXUQDORI$SSOLHG3K\VLFV  6%

 0,& 法による $X を触媒にした 6L 薄膜



の低温結晶化、米田 了、弓野健太郎、

 ,QVLWXREVHUYDWLRQ

RI

日本金属学会  年春期（第  回）

ORZWHPSHUDWXUH

FU\VWDOOL]DWLRQ

講演大会（ 年  月  日）

SURFHVVRIJHUPDQLXPWKLQILOPVE\

JROGLQGXFHG

 $X6E 触媒を用いた *H 薄膜の低温結晶

6XQWKRUQSDQ 1DULQ 1DLUX 7H]XND

化、守谷 彩乃、弓野健太郎、日本金.HQMLUR .LPXUD DQG .HQWDUR .\XQR

属学会  年春期（第  回）講演大7KHWK,QWHUQDWLRQDO6\PSRVLXPRQ

会（ 年  月  日）

2UJDQLF DQG ,QRUJDQLF (OHFWURQLF

0DWHULDOV $X で被覆した加熱基板上へのスパッタによる *H 結晶薄膜の低温成長、島村侑弥、弓野健太郎、日本金属学会 OD\HUDQG

H[FKDQJH

5HODWHG

1DQRWHFKQRORJLHV (01$12  &RQWUROOLQJ WKH 0RUSKRORJ\ RI *H

年春期（第  回）講演大会（ 年

7KLQ

 月  日）

*ROG,QGXFHG/D\HU([FKDQJHDW/RZ)LOPV

&U\VWDOOL]HGE\Temperature (220°C) 6XQWKRUQSDQ $J6E 合金を利用した多結晶 Q 型 *H 薄

1DULQ .HQMLUR .LPXUD DQG .HQWDUR

膜の作成、堀場 友菜、弓野健太郎、.\XQR,QWHUQDWLRQDO &RQIHUHQFHRQ

日本金属学会  年春期（第  回）

6ROLG 6WDWH 'HYLFHV DQG 0DWHULDOV

講演大会（ 年  月  日）

66'0 







― 125 ―

TOPへ戻る ,QIOXHQFHRI*ROG/D\HU7KLFNQHVVRQ
WKH 0HWDO,QGXFHG &U\VWDOOL]DWLRQ%HKDYLRU

RI

*H

7KLQ

)LOPV

6XQWKRUQSDQ 1DULQ .HQMLUR .LPXUD
DQG.HQWDUR.\XQR7KH WK $PHULFDQ
9DFXXP6RFLHW\6\PSRVLXP $96  /RZ 7HPSHUDWXUH &U\VWDOOL]DWLRQRI
*H7KLQ)LOPVIRU&KDQQHO/D\HUVRI
7KLQ)LOP

7UDQVLVWRUV*ROG,QGXFHG

/D\HU

E\([FKDQJH

6XQWKRUQSDQ 1DULQ .HQMLUR .LPXUD
DQG

.HQWDUR.\XQR

0DWHULDOV

5HVHDUFK 6RFLHW\ )DOO 0HHWLQJ([KLELW 056  0HWDO,QGXFHG
3URFHVV

RI

&U\VWDOOL]DWLRQ
*H

WKLQ

ILOPV

6XQWKRUQSDQ1DULQDQG.HQWDUR.\XQRVW *UHHQ (OHFWURQLFV 6\PSRVLXP
6KLEDXUD ,QVWLWXWH RI 7HFKQRORJ\ ― 126 ―

TOPへ戻る新規触媒を利用した高性能 Li 空気電池の開発
材料工学科
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

石崎 貴裕
高 効 率 化 (充 放 電 過 電 圧 の 低 下 )と 長 寿 命 化

低炭素化社会の構築に向けて、二酸化炭素(充放 電サ イク ル数 の向 上 )が 大き い課 題とし

排出量の抑制は急務の課題となっている。こて考えられており、これらの課題解決に向けの課題の解決手段の一つとして、ガソリン車

た研究開発が進められている。具体的には、か ら 電 気 自 動 車 (EV) や ハ イ ブ リ ッ ド 自 動 車

ヘテロ元素ドープや貴金属を担持したカーボ(HV)へ の 転 換 が 急 速 に 進 め ら れ て い る 。 EV

ン 系 材 料 や 酸 化 物 を 正 極 触 媒 材 料 に 、 Li 塩や HV の動力源として、現在、Li イオン電池(1M LiTFSI)を 溶 解 さ せ た テ ト ラ エ チ レ ン グ

や燃料電池が使用されているが、Li イオン電

リコールジメチルエーテル(TEGDME)を電解

池には一度の充電で航続可能な距離が短い、液に用いた Li 空気電池の研究開発が主に進燃料電池には水素を供給するためのインフラめられている 1)-4) 。しかし、このシステムで整備が不十分であるという欠点がある。このは、先述のような課題が解決できていない。

ため、現在のインフラで使用可能であり、航この要因は、充放電反応で鍵となる Li 2 O 2 の続距離をより長くすることが可能な蓄電池の生成(酸素還元反応(ORR)の低効率)と溶解(酸開発が求められている。これを実現するため

素 発 生 反 応 (OER) の 低 効 率 )が 生 じ に く い たには、より大きなエネルギー密度を有する新めである。正極触媒の開発や電解液中へのしい蓄電池の開発が必要である。

Redox mediator(RM)の利用により、その性能

Li 空気電池(LAB: Li-air battery)は Li イオン

が徐々に向上しているが 4) 、Li 空気電池を実

電池の 10 倍以上のエネルギー密度を示し、用化させるためには、効果的な触媒材料の開ガソリンに匹敵するエネルギー密度を有して発がさらに必要である。これを実現させるた

1)、実用化できれば、次世代型の EV やめには、従来から行われている正極材の開発

HV の動力源としての活用が可能である。LABに加えて、電解液側からのアプローチが重要

は負極にリチウム、正極に酸素を用いており、になる。これは、電解液が充放電で重要なリチウムと酸素の化学反応から電気を取り出

Li 2 O 2 の生成と溶解反応の反応場であり、このす電池である。LAB では、放電反応に必要な反応に直接的な影響を与えるためである。し酸素を電池の外部から取り入れているため、

かし、電解液に関する研究開発はほとんど着極めて高い理論エネルギー密度を実現できる。

手されていない。そこで、我々のグループでしかし、LAB を実用化させるためには、酸素

は 、 新 し い 電 解 液 と し て 深 共 晶 溶 媒 (DES:の 酸 化 反 応 (OER)・ 還 元 反 応 (ORR)が 遅 い 、Deep eutectic solvent)に着目した。DES は、

繰り返し充放電時に発生するデンドライト成2 種類の固体を混ぜ加熱することで得られる長によるサイクル数の低下、長期間使用する液体であり、イオン液体と同様の物理化学的際の電解液の揮発性等、様々な課題がある特性を有し、製造コストは圧倒的に安価であ2)-4)る。また、室温近傍で液体であり、イオン伝おり。これらの中でも酸素の酸化・還元反応の― 127 ―

TOPへ戻る導性を有し、イオン液体より安全性が高く、(2)電解液として使用可能な DES の探索

揮発性が低い。DES はバイオ医療やナノ材料

本研究では，イオン液体と物理化学的性質分野で利用可能な新しい溶媒として、近年注が類似しており，かつ無毒性，安価という特目されている。しかし、DES は 21 世紀初頭性をもつ深共晶溶媒に着目し，深共晶溶媒をに着目され始めたためその研究歴史が浅く、用いたリチウム空気電池の開発の検討を行っ特性の詳細については不明点が多い。

た。

ごく最近、申請者らの研究により、特定の３．計画の進行状況

DES を 溶 媒 に 用 い る こ と で 充 電 過 電 圧 が 大(1) マクロポーラスカーボン材料の合成

きく低下することがわかり、DES が Li 空気

3D 構 造 を 有 す る 触 媒 を 作 製 す る た め

電池に資する酸素の酸化反応の触媒として機300nm の polystyrene sphere(PSS)をテンプ能することを世界で初めて発見した。すなわ

レートとして用意した。前駆体の MOF を合ち、DES が酸素の酸化還元反応の触媒として成 す る 原 料 に は 、 硝 酸 鉄 と機能することがわかった。

2-Methylimidazole(2MZ) 、 硝 酸 鉄 と

最近、電解液の溶媒にイオン液体を用いる

4,5-Imidazoledicarbonitrile(DCI) 、 塩 化 鉄 とことで、高速(60s)で充放電が可能であり、サ

2-Amino-4,5-imidazoledicarbonitrile(AIDCN)

イクル特性の優れた Al イオン電池が開発さの組み合わせを用いた。溶媒はメタノールを

5)。この電池では、正極材の 3 次元構造

使用し、それぞれ 1：3 のモル比になるようのカーボンと電解液のイオン液体が電池の高に溶液を調整した。PSS に溶液を 1h 含侵さ機能化に重要な役割を果たした。これはイオせ乾燥した。溶液が含侵した PSS をアンモニ

ン液体と 3 次元構造のカーボン触媒材料のシ

ア水とメタノールを体積比 1：1 で混合した

ナジー効果によるものである。このため、Li溶液に 24h 浸し結晶化させ、MOF を合成し空気電池の正極材料でもヘテロ元素をドープた。混合溶液をろ過で取り除いた後、した 3 次元的構造のカーボン複合体を用いる

tetrahydrofuran(THF)で PSS を取り除いた。

ことで、ORR の高活性化を実現できると考え

PSS を除去した MOF を Ar ガス中で炭素化を

られる。

行った。

れた

本申請では、Li 空気電池の新規触媒として合成した試料の化合物の同定を行うために使用可能なカーボン系正極材と DES の開発

XRD を用いた。Fig.1 に XRD の結果を示す。

をめざした。
２．研究計画(1)マクロポーラスカーボン材料の合成
リチウム空気電池では正極電極でおこる酸
素還元反応(ORR)によって電気エネルギーを得る。放電電圧を高くするために高い酸素還元特性を持つ触媒の開発が必要不可欠である。
ORR に有効な触媒として Fe-N-C 系触媒が非白金触媒として注目されている 6) 。本研究では低コストかつ高い酸素還元特性を有する触Fig.1：XRD による化合物の同定

媒 と し て 金 属 有 機 錯 体 (Metal Organic
Framework:MOF)を前 駆 体 とし た 炭 素 系 材 料を異なる試薬で合成した。

異なる窒素源、鉄源の試薬の組み合わせを用いて炭素系材料を合成したが、全ての組み― 128 ―

TOPへ戻る合 わ せ で 同 様 の ピ ー ク が 確 認 で き た 。 42°かの割合に相関がみられた。

ら 45°にかけて Fe 3 C のピークがみられるた

合成したカーボン材料を正極材に用いてめ、合成した炭素材料に鉄が含まれているこLi 空気電池を構築し、その充放電試験を行っとを確認した。

た。その重宝電極線の結果を Fig.3 に示す。

異なる試薬で合成した MOF の FE-SEM による構造観察を行った。SEM 像を Fig. 2 に示す。全ての試料で三次元構造を確認することができた。スケールバーによる細孔の大きさが 200-300 nm であったため，この三次元構
造はテンプレートの構造に依存して形成されたと考えられる。AIDCN，DCI を用いた MOF
は細孔の輪郭が鮮明であるのに対して，2MZ
Fig.3：合成したカーボン材料を正極材に用では細孔の輪郭が不鮮明であった。また DCI，
AIDCN を 用 い た 試 料 と 比 較 す る と 細 孔 の サ

いて構築した Li 空気電池の充放電曲線

イズも不均一であった。テンプレートである

Fig.3 の結果から、DCI が最も放電電圧が高PSS の 作 製 時 に 粒 子 サ イ ズ が 不 均 一 な も の

く，AIDCN，2MZ の順で放電電圧が高かった。

となってしまったため，MOF の構造に影響を

また，放電容量の大きさは、2MZ、DCI、AIDCN

与えてしまったと考えられる。

でそれぞれ 4605、7777、6327mAh/g となり、放電電圧と同様の順であった。
これらの結果から、各正極材料は Li 空気電
池として作動することを明らかにした。
(2)電解液として使用可能な DES の探索
正 極 材 に ケ ッ チ ェ ン ブ ラ ッ ク
EC600JD(KB)，負極材に Li 箔，セパレータ
ー に ガ ラ ス フ ィ ル タ ー (Whatman GF/A)， 電
解液に深共晶溶媒を用いた。リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)
あるいは硝酸リチウム(LiNO 3 )と N-メチルア

Fig.2: 2MZ，DCI，AIDCN を原料に用いて製作した MOF の SEM 像

セトアミドを特定のモル比率で混合し，深共晶溶媒を得た。その深共晶溶媒を電解液とし合成した試料の窒素含有量をＸ線光電子分
光 法 (XPS)で 測 定 し た 。 そ れ ぞ れ の 試 料に 含てリチウム空気電池に組み込み，充放電試験を行った(電流値 100 mA/g)。

まれる試料表面の窒素の割合は、2MZ、DCI、

Fig.1 に LiTFSI-N-メチルアセトアミドを電AIDCN でそれぞれ 0.42、0.78、1.30at%であ解液として用いて構築したリチウム空気電池

った。窒素含有量のは使用した窒素源の試薬の充放電曲線を示す。N-メチルアセトアミドに含まれる窒素の割合に由来すると推察されのモル比率が増加するほど放電および充電のる。2MZ の分子式は C 4 H 6 N 2 、DCI は C 5 H 2 N 4 、容量が増加し，放電および充電の過電圧が減

AIDCN は C 5 H 3 N 5 のように窒素の個数と窒素少する傾向が見られた。

― 129 ―

TOPへ戻る液よりも電池性能が低下した。MAc のアミド
結 合 に お け る カ ル ボ ニ ル 基 (C=O) は 反 応 性
O2- 種 に よ る 求 核 攻 撃 に 対 し て 不 安 定 で あ ることから、サイクル数が増すにつれ電解液内の分解が進行し、電子求引性基を持たず求核攻撃に対して安定な TEGDME よりも電池性能が低下したと推察される。
Fig. 1 LiTFSI と N-メチルアセトアミドを(a)1:3, (b)1:4, (c)1:5, (d)1:7, (e)1:9 のモル比率で作製した深共晶溶媒を電解液として用いたリチウム空気電池の充放電曲線
また，溶液導伝率は N-メチルアセトアミドの モ ル 比 率 が 低 い 順 に 0.565, 1.319, 1.627,
2.048, 2.702 Scm -1 と な り ， 粘 性 は 78.48,
59.41, 41.98, 18.86, 9.13 mPa(25℃)であった。
N-メ チ ル ア セ ト ア ミ ド の モ ル 比 率 が 増 加するほど，電解液の粘性が減少し，Li イオンの拡散性が向上したため，Li 2 O 2 の生成・分解が促進され電池性能が向上したと考えられる
7)。また，深共晶溶媒の導伝率の向上に伴い，放電および充電の過電圧が減少したと推察される。
これらの結果から、LiTFSI と N-メチルアセ
トアミドを 1:9 のモル比率で混合した深共晶
溶媒が，最大の放電容量と最小の充放電過電圧を示したことから，Li 空気電池の電解液として最も適していることを明らかにした。
本研究で最も電池性能が性能が良かった
LiTFSI と MAc を 1:9 のモル比率で混合した
深共晶溶媒の耐久性能を測定するため、サイクル試験を行った。また、その性能を比較するために現在有機溶媒として最も安定とされるエーテル系の有機溶媒である TEGDME に電解質として LiTFSI を 1 M 溶解させたものも同様の実験条件でサイクル試験を行った。
5 サイクル目までは 1:9 のモル比率で混合した LiTFSI-MAc の電池性能の方が高い値が出たが、6 サイクル目以降は電池性能がTEGDME に 1 M の LiTFSI を添加させた電解

こ れ ら の 結 果 か ら 、 本 研 究 で 用 い た DES
は Li 空気電池の電解液として使用可能であることがわかった。
４．今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状況
今後は、Li 空気電池の性能を向上させるために、マクロポーラスカーボン材料およびDES の最適化を行っていく予定である。
論文(1) T. ISHIZAKI et al., Materials (2022),
in press.
参考文献
1) G. Girishkumar, et al., Lithium−Air Battery:
Promise and Challenges, J. Phys. Chem. Lett. 1,
2193 (2010).
2) Daniel Sharon et. al., Catalytic Behavior of
Lithium Nitrate in Li-O2 Cells, ACS Appl. Mater.
Interface, 7, (2015), 16590.
3) Zhuojian Liang et. al., Critical Role of RedoxMediator in Suppressing Charging Instabilitiesof Lithium–Oxygen Batteries, J. Am. Chem. Soc.,
138, 7574 (2016).
4) Sina Rastegar et. al., High-Rate Long
Cycle-Life Li-Air Battery Aided by Bifunctional
InX3 (X = I and Br) Redox Mediators, ACS Appl.
Mater. Interfaces, 13, 4915, (2021).
5)

Lin.

et

aluminium-ion

al.,

An

ultrafastrechargeable

battery,

Nature,

520,

7547

(2016).
6) Z Li, H Sun, L Wei, WJ Jiang, M Wu, JS Hu,
ACS

Appl.

Mater.

Interfaces ， 9(2017),

5272-5278.
7) J. Chen, C. Chen, T. Huang, A. Yu, J. Am.
Chem. Soc., 4, (2019), 20713.

― 130 ―

TOPへ戻る

Synergetic modulation thermoelectric performance and mechanism exploration inmetal doped Si1-xGex-based materials at near room temperature
Ying Peng1,2, Lei Miao1,2*, Chengyan Liu2, Masashi Kurosawa3, Osamu Nakatsuka3, Song Yi Back4, Jong Soo
Rhyee4, Masayuki Murata5, Takahiro Baba6, Tetsuya Baba6, Takahiro Ishizaki1, Takao Mori*6,7
1Department of Materials Science and Engineering, SIT Research Laboratories, Innovative GlobalProgram, Facultyof Engineering, Shibaura Institute of Technology, Tokyo,135-8548, Japan
2
Guangxi Key Laboratory of Information Material, School of Material Science and Engineering, Guilin University
of Electronic Technology, Guilin, 541004, China
3Department of Materials Physics, Graduate School of Engineering, Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan
4
Department of Applied Physics, Integrated Education Institute for Frontier Science and Technology (BK21 Four)and Institute of Natural Sciences, Kyung Hee University, Yongin 17104, Korea
5National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Japan
6
International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science(NIMS), Namiki 1-1, Tsukuba 305-0044, Japan
7
Graduate School of Pure and Applied Sciences, University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki 305-8577,
Japan
1. Paper introduction
The thermoelectric (TE) energy conversion
efficiency is dominated by the dimensionless figureof merit ZT =S 2 σT/κ, where S, σ, and κ represent the
Seebeck coefficient, electrical conductivity, andthermal conductivity, respectively. For commercial
application, the standard requirement of ZT should
be greater than 2.5. Currently, κ of TE materials has
been demonstrated to be suppressed to the limit of
the amorphous phase by nano structuring andintrinsic mechanisms, therefore, an imperative
strategy to achieve high ZT is to significantly
increase S due to its quadratic dependence with ZT
while maintaining high σ. However, on account of
the inverse intercoupling of the S and σ via thecarrier density, it is difficult to increase both S andσ at high carrier concentrations. Over the last few
decades, through hard efforts of thermoelectricresearchers, power factor (PF=S 2 σ) enhancements
have been achieved through various strategies suchas quantum confinement, modulation doping, energy
filtering effects, band-structure engineering, grainboundary complexion, magnetic effects, etc.
However, although theoretical work suggests that
improvements of PF are possible, experiments todate have generally shown that a single strategy
does not dramatically improve PF.
Recently, Vincent Talbo et.al. reported that inquantum dot-based single-electron transistors, thetheoretically calculated ZT can go up to 200. Jeffrey
J. Urban predicted that quantum dot hybrid arrays
may lead to advanced TE performance and silicon based TE devices could have a prominent role in thispossible future with a moderate ZT. Therefore, theQDs hybrid system with fine parameters can be arational candidate for a striking ZT and new

approaches or strategies that can substantially
improve the performance of the existing QDs hybridmaterials become more competitive. Furthermore, if
the QDs could manage to be utilized in the more
macroscopic form of thin films for example, they
could be of practical use also as energy harvesting
thin film devices to power myriad Internet of Things(IoT) sensors.


Figure 1.Schematic diagram of energy filtering andmodulation doping in SiGeSn hybrid film, thematrix is the SiGeSn film, Ge QDS and Sn
precipitation particles are evenly distributed in thematrix and the heat is transferred from the hot end
to the cold end in-plane direction.
In this work, we have prepared the SiGeSn hybrid
films with the Ge QDs and Sn precipitation particles.
The Ge QDs are uniformly distributed in the matrixof SiGeSn film, and the precipitated Sn particles arealso intermixed in the matrix as shown in Fig.1 andSupplementary Figure S1. Here, the Sn particles
with uniform distribution and moderate size furnish
more charge carriers to enhance electricalconductivity through modulation doping effect,
meanwhile the high-density QDs act as charge traps
to filter low energy electrons to markedly improve S― 131 ―

TOPへ戻るby the energy filtering effect as schematicdemonstrated in Fig.1. With our speciallyconstructed hybrid QDs film structure, we obtain an-type TE films where the PF reaches as high as 91
μWcm −1 K −2 leading to a ZT value of 0.8 @300 K.
The giant power factor is a champion value achieved@300 K, for any thermoelectric thin film. For
silicon-based materials which can be more readily
compatible to industry, the ZT value obtained is alsoa champion value for either thin filmor bulk.

2．Research program
2.1. Preparation of Si 1-x-y Ge x Sny film
The deposition of Si 1-x-y Ge x Sn y (x=0.1, y=0.0280.051) films on the Si/SiO 2 substrate was performed
by a magnetron sputtering system. phosphorus (P)ion was implanted into SiGeSn film as n typeelectronic donor. Ion implantation technology has
been deeply rooted in the manufacturing process ofsemiconductor materials. The ion implantation
process is highly agile in the selection of dopant
species, arranging the spatial location within thematerials, and providing a refined concentration
profile varied over several orders of magnitude. For
Si-based TE materials, ion implantation process has
been proved to reduce κ by defect engineering,increase σ via heavy doping and carrier mobility
enhancement effect, enhance S through th e effect ofamorphization. Consequently, we simulated the
optimal energies and doses of P-ion by using the
stopping and range ion matter (SRIM) program. The
P- ion dose implanted into the Si 1-x-y Ge x Sn y layers
were 2∼4×10 15 atoms /cm 2 and the designed doping
concentrations were 2∼4×10 20 /cm 3 with ion depth
range of ∼100 nm (Supplementary Figure S2.a),respectively. Ion implantation is commonly
followed by post annealing to recrystallize theamorphized material and activate dopants. For Sibased film, the rapid thermal annealing (RTA) of
just under 20 seconds can achieve a higher ion
activation rate and greater carrier mobility thanconventional annealing furnaces (CAF). Moreover,both experimental and theoretical analysis indicatethat the higher temperature and in seconds RTA canenhance the growth of SiGe QDs. Therefore, in thiswork, an ultrafast high temperature annealing(UHA) in N 2 ambient was performed to electrically
activate the dopants and grow Ge QDs(Supplementary Figure S2.b). Crucially, theultrahigh heating rates (50~200 o C/s) and very shortannealing times of 2~10 seconds were performed inthis work, which is far outpacing those of mostconventional furnaces.
2.2. Characterization and measurement
The Si 1-x-y Ge x Sn y films were characterized using Xray diffraction (XRD) measurements (Rigaku RINT2100) with Cu Kα 1 radiation at a wavelength of
1.54056 Å. Scanning electron microscopy equippedwith EDS (SEM Hitachi SU-6600) was carried out
at an acceleration voltage of 20 kV and a working
current of 15 μA. Transmission electron microscopy(TEM, JEOL JEM-2100F) was conducted to analyze
the film morphology and structure. Hall mobility μ нand carrier concentration n were measured using a
Hall effect measurement system (Toyo Corporation
RESITEST 8300) at room temperature. Magnetic
resistance test was carried out by PPMS (PPMS－
9T) at a temperature range of 2 K-300 K. The
thermoelectric transport performance was measured
on the test platform made by AIST (National
Institute of Advanced Industrial Science andTechnology) at a temperature range of 160 K-380 K,
see Supplementary Figure S3 for test details. And
the room temperature thermoelectric performanceswere double-checked by the commercially SBA485
system (Netzsch).

3．State of progress
3.1. Nanostructure analysis of thin films
The nominal Si 0.843 Ge 0.105 Sn 0.052 films on the
Si/SiO 2 substrate prepared by magnetron sputtering
were implanted with 4 × 10 15 atoms cm −2 of P ion
and further ultrafast high temperature annealed at1100 o C for 2, 5, and 10 seconds. The 5 seconds
annealed film (5s-UHA) corresponds to the best TE
performance (ZT~0.8), which makes it outstandingin Si based materials due to the Ge QDs hybrid
structure. The evolution of Ge QDs and Sn
precipitation is illustrated in Fig.2. In Fig. 2a to 2d,for the 2 seconds annealed film (2s-UHA), a large
number of black particles with sizes ranging from50 nm to 150 nm were precipitated, and thecorresponding
EnergyDispersive
X-ray
Spectrometer (EDS) spectrum confirms that theblack particles are mainly composed of Ge (with anaverage relative ratio of 84.2 %). When theannealing time was 5 seconds, the black Ge particles
were largely gone and replaced by milky, ubiquitous
Sn particles with sizes ranging from 10 nm to 320
nm, the average particle size of 80 nm, and average
spacing of 100 nm as displayed by the SEM images
in Fig. 2j. And for 5 seconds UHA sample, thecorresponding EDS spectrum shows the averagecontent of Ge decreased to a relative ratio of 59.2%,
while the content of Sn increased to 40.8%. For 10
seconds annealed sample, all the black Ge particles
disappear completely, left only Sn precipitates
randomly distributed in the film and the averagecontent of Ge decreased to a relative ratio of 16.2 %,while the content of Sn increased to 83.8 %. To
further explore the evolution mechanism of the Ge
and Sn precipitates, we employed Transmission
Electron Microscopy (TEM) to analyze the crosssection image 5s-UHA for tracking a large numberof Ge particles' evolution behavior. Fig. 2e to 2g
show the larger Ge particles decompose into smaller
irregular spheres QDs with an approximate diameterof 3-5 nm and evenly distributed in the film with adensity of about 10 12 cm -2 for 5 seconds UHA
sample. The high-resolution TEM images show thatthe focused QDs have interplanar spacings of 2.45
Å and 2.34 Å, which correspond to the 211 and 212

― 132 ―

TOPへ戻るinterplanar spacing of Ge, respectively.
The evolution processes of Ge and Sn particles
observed in Fig. 2a to 2g are schematicallysummarized in Fig. 2h. The evolution of Ge and Sn
precipitates can be exemplified as three stages
depends on annealing time. First, for the
Si 0.844 Ge 0.105 Sn 0.051 film with a high dose of 4×10 15
atom /cm 2 P ion implanted, the 1100 °C annealing
temperature exceeded the melting point of Sn(263 °C) and Ge (938°C), but below the melting
point of Si (1410 °C), thus, most of the Ge and Sn
were melted and precipitated first but could not form
alloys with silicon during the ultra-fast annealing
period in 2 seconds. And during the cooling process,the temperature descended below the melting pointof Ge in one second, and the Ge rapidly solidified
into nano-sized particles. However, Sn continued tomelt and precipitate before the temperature dropped
to the melting point of Sn. Second, as the 1100 °C
annealing time was extended to 5 seconds, part of
the Ge and a small amount of the Sn were combinedwith silicon to form a SiGeSn alloy, and the rest partof Ge, which was not alloying with silicon,
nucleated into Ge quantum dots with a size of about
3-5 nm during cooling. Because the solubility of Sn
in SiGe is approximately 1%, the excess Sn
precipitates out and randomly distributed in the film.
Third, when the annealing time was extended to 10
seconds, almost all of the Ge element was alloyedwith the Si, and the excess Sn precipitated in thefilm.

smaller than the measured temperature range,
implying that the increase of electrical resistance is
not solely originated from the semiconducting
energy band gap. The significant increase ofelectrical resistivity at low temperature (T < 3 K)
may be associated with the charge localization bydisordered distribution of QDs. When we fit theelectrical resistance by the Mott variable range
hopping transport R=RM exp[(TM/T)1/4 ] at low
temperature (T < 3 K) shown in Fig.3c, theresistance roughly follows the Mott variable range
hopping mechanism, indicating the existence ofdisordered hopping mechanism.


3.2. Characterization of Ge quantum dots.
To further study the properties of QDs, we measured
the electrical transport properties of the 5seconds
UHA from 2K to 300 K. As shown in Fig.3a, theelectrical resistance increases with decreasing
temperature down to 15 K, saturating in 3 K < T <15 K, and steeply increased again at low
temperatures (T < 3 K). When we make a plot withan activation gap fitting R=R0 exp(-Eg /T) in Fig.3b,
we find two activation regions; Eg = 0.01 meV(1.16 K) at low temperature (T < 3 K) and Eg =2.12 meV (25 K) at mid temperature (20 K < T < 50
K). It is noteworthy that the activation energy gap isFigure 2. Microstructure observation and evolution
analysis of thin films. a, b and c, surface SEM
images
of
2,5
and
10
seconds
UHA
Si 0.843 Ge 0.105 Sn 0.052 samples. d, comparison of Ge
and Sn content detected by EDS in 2,5 and 10
seconds UHA samples. e, f and g, high-resolution
TEM image of cross-section of 5s-UHA sample. h,






― 133 ―

TOPへ戻るschematic diagram of the evolution of Ge and Sn
nanoparticles. j and k, Surface and section SEM
image with a histogram of Sn particle size of 5sUHA sample.
Therefore, the quantum mechanical scattering withthe disordered quantum dots can localize charge
carrier due to localized electronic states near a
Fermi level. Based on further revealing theinfluence of QDs on carrier transport characteristics,
we measured and analyzed the low-temperaturemagnetoresistance (MR) of the sample, here MR =[R(H) - R(0)]/ R(0), R(H) and R(0) are the resistanceat magnetic field H and zero fields, respectively. In
Fig. 3e and 3f, the MR behaves like a strong
localization at 2 K, which is consistent with thelocalization effect of carriers, at temperatures of 4
K and 5 K, the strong localization becomes weak, sothat the weak anti-localization (WAL) effect isobserved (sharp downward cusp feature of MR at the
low magnetic field). The WAL effect is a quantum
mechanicalphenomenon
thatbackscatteredelectrons by impurities having a phase factor under
applying a magnetic field. At a high magnetic field,
the phase factor becomes incoherent so that theelectron behaves like a ballistic scattering, thus the
weak localization (WL) effect is discovered. The
competing behavior between WAL and WL provides
strong evidence for the quantum mechanicalscattering of electrons due to QDs. In Fig. 3d, a shortphase-coherence length (L ϕ ) of ∼ 3nm is observed at
4 K and 5 K via the fitting of WAL by use of HikamiLarkin-Nagaoka theory. The scale of L ϕ is about thesame size as that of QDs diameter, which indicatesthat the quantum interference of electron waves in
QDs exists in the film.

Figure 3. Electrical transport properties and MR
analysis a, b and c, resistance and test temperaturedependence diagram of the film. d, 4K and 5K
magnetoresistance fitting diagram, e and f, fitting of
WAL at 2 to 10 K for 5 seconds UHA
Si 0.843 Ge 0.105 Sn 0.052 sample.



3.3. Modulation doping model construction
We previously reported precipitation of Sn particles
in SiGeSn films can significantly improve thecarrier concentration and mobility, thus greatly
enhance the TE performance under room
temperature.








Figure 4. a, Hall effect results of Si 0.843 Ge 0.105 Sn 0.052
samples with different UHA times. b, Mechanism
diagram of modulation doping and energy filteringof QDs in hybrid films, φ matrix and φ Sn are the work
functions of the matrix and Sn nanoparticles, E vac is
the vacuum energy level, E f-matrix and E f-Sn are theFermi energy levels of the matrix and Sn after ohmic
contact, E fb-Sn is the Fermi energy levels of Sn
before contact with matrix, CB is the conduction
band, respectively.
In this work, we measured the Hall mobility andcarrier concentration of the samples at room
temperature to examine the effect of Sn particles onelectron-transport property. In Fig. 4a, the carrier
concentrations of all samples were higher than thedesigned value (4×10 20 cm -3 ) while the mobilities of
all the samples were almost similar. In particular,― 134 ―

TOPへ戻るwhen the annealing time was 5 seconds, the carrier
concentration of the sample containing 5.1% Sn was
about twice the design value, which indicates that acharge injection or charge overflow into the host
SiGeSn matrix happened. The aforementioned
phenomenon can be explained by the modulation
doping effect between the precipitate metal particles
and matrix. The schematic of the energy band
diagram for the Sn-precipitates/matrix interface atequilibrium is shown in Fig. 4b. The work function
φ matrix of SiGeSn alloy is approximate 4.5 eV andthat φ Sn of 4.42 eV for metal Sn, respectively. Afterheavy dosage P doping, the aligned Fermi energy
level of SiGeSn matrix was above the botto m of
conduction band, and the work function ofdegenerate SiGeSn matrix would close to 4.42 eV,ohmic contact was formed between Sn and thematrix. As a consequence, the electron of charges
are prone to overflow into matrix from Sn
precipitates, substantially increase the carrier
concentration while maintain the mobility of thehost matrix due to the modulation doping effectrelated to doping Fermi levels.

be strikingly synchronously maintained for the
5seconds UHA. The increase of S strongly depends
on the QDs, and when the density of QDs greatly
reduced or the size of QDs increase, the confinement
capacity of QDs decreases, spontaneously, theenergy filtering effect will be weakened and the S
will drop in response significantly. Such as the
10seconds UHA film, where the QDs wereannihilated by the extended annealing time, thus the
S of 10 seconds annealed samples were significantly
lower than that of samples with annealing time of 5
seconds. Moreover, the S of the 2 seconds annealed
sample were relatively lower due to the Ge particle
sizes being much bigger than that of the 5 seconds
annealed sample. The PFs are shown in Fig. 5c. The
5 seconds annealed sample has an excellent PF of
about 91 μWcm -1 K -2 @ 300 K due to the synergisticenhanced S and σ. This is a striking result and arecord for thin films at room temperature range, atwhich temperature most IoT energy harvesting
applications for them are envisaged. Prev iously, for
Heusler metastable films, a huge maximum power
factor was reported in Nature, however, thetemperature dependence had a steep dependence andthe maximum PF @300 K for these films were below
30 μWcm -1 K -2 . Even considering bulk, the PFs
obtained here for the QD hybrid films are amongst
the highest ever reported for n-type thermoelectricmaterials. With only recently reported bandengineered Fe 2 VAl-based materials or YbAl 3 having
similar or higher values. However, both of thesematerials suffer from very high thermal
conductivities, leading to ZT values around 0.3 nearroom temperature, also the D. M. Rowe paper above.
The κ of films were measured by a customized
thermo-reflectance Pico-TR apparatus (PicoTherm
Cooperation) at room temperature. In order toobserve thermo-reflectance signal with good signal
to noise ratio, 100nm molybdenum layer was
sputtered on the sample’s surface. Since thethermoelectric thin film is semi-transparent to theheating beam, front-heat front-detect (FF)configuration was adopted instead of rear-heat
front-detect (RF) configuration. For analysis ofthermo-reflectance signal, we didn’t use built-in
program which tends to underestimate thermal
conductivity, and thereby overestimate ZT values,
mainly because of limited range fitting and linear
correction. This time we introduced a modified
program based on analytical solution considering
periodic pulse heating. In our program, the complete
temperature response signal over the period of therepetitive heating pulse observed by PicoTR wereexpanded by Fourier series and least square fitted
over the whole range, to obtain more accurate
thermal effusion values. The thermal conductivitiesof the 5 and 15 seconds annealed samples were
determined to be 3.4 and 3.8 Wm -1 K -1 , respectively,
and the estimated thermal conductivities of the 2 and10seconds
annealedsamplescould
beapproximately 3.4 ~ 3.8 Wm -1 K -1 . Here, the thermal

3.4. Discussion
Following the purpose of developing highperformance TE materials at a low temperature
range, we specifically measured the TE performanceof the annealed SiGeSn hybrid films as a function of
measured temperature as illustrated in Figure 5. Fig.
5a shows that high σ was obtained after the 1100 ℃
UHA treatment and the σ increase with annealing
time from 2 to 5 seconds, but then decrease from 5
to 10 seconds and that corresponds to the change incarrier concentration. Fig. 5b presents the Seebeckcoefficients S of the hybrid films at different
annealing times. The negative sign of the S iscorresponding to n-type behavior dominated by P
ion implantation. The sample annealed for 5 seconds
has the highest Seebeck coefficient in the wholetemperature range, reaching -248 μV/K at room
temperature. The remarkable increase of S for 5
seconds UHA can be attributed to the energy
filtering effect caused by the formation of high density QDs (Fig.1). The introduction of Ge QDs
with appropriate sizes comparable to or smalle r thanthe mean free path and/or coherence length of thecarriers would introduce quantum-confinement
effects. The embedded QDs act as charge traps,
charge carriers with energy higher than the quantum
confinement ability can effectively escape and passby through the QDs traps, whereas low energy
charge carriers are trapped as shown in Fig. 4b. The
embedded QDs change the characteristic energy dependent scattering relaxation time, which is
proportional to the scattering energy, thus, the S wasenhanced, since it is determined by the average totalenergy of charge carriers. The low energy carrierloss caused by energy filtration can be supplemented
from precipitated Sn particles by modulated doping
effect, so high carrier concentration and large S can― 135 ―

TOPへ戻るconductivities were suppressed to a low level basedon the structure of a well-ordered arrangement of
QDs in the matrix, Sn nano-precipitation particles
and nanoscale polycrystalline boundaries. The
thermal phonons of SiGe based polycrystalline film
are distributed in very short (< 20 nm) and long(>200 nm) mean free path (MFP) ranges. The short
MFP phonons are strongly scattered by QDs,
polycrystalline boundaries and a fraction of small
size Sn nano-precipitation particles, while the long
MFP phonons can be significantly scattered byamounts of Sn nano-precipitation particles. Hence,
the hybrid nanostructure provides a broader range oftunable MPF that can reduce the thermal
conductivity. The κ of samples increase with theannealing time due to better crystallinity caused byprolonged annealing. Based on the aforementioned
thermal conductivity data range, the 5seconds UHA
samples achieved excellent ZT values of 0.8 at room
temperature, which is amongst the highest everreported Si based thin film and nanowires，and the
ZT comparison diagram is shown in Supplementary
Figure S7. Particularly striking, compared with
reported TE materials of silicon-based and otherstate of art films, the power factor of our QDs hybrid
film exhibits is superior than that of conventional
silicon-based, bismuth telluride based, and otherrepresentative high performance thermoelectricfilms, as given in Fig. 5d.

ion implantation process may produce films with
QDs and metal precipitation particles, andamorphous mixed crystalline phases that lead toremarkable TE properties. Our study, provides apathway to approach composition effect of energy
filtering and modulation doping for achieving thelargest PF and highest ZT for a thin film reported at
300 K, namely ambient room temperature.
The research related with this project has been
published by Adv. Energy Mater. 12,(2022)2103191（1-9）.

Figure 5. a, Temperature time-dependent electricalconductivity. b, Seebeck coefficient. c, power factorof Si 0.843 Ge 0.105 Sn 0.052 samples with different
annealing times from 160 K to 380 K. d, power
factor values comparison of TE materials at room
temperature.

4.Future program, paper submission and results
briefing
In conclusion, we reported a high-performance ntype TE material based on SiGeSn QDs hybridnanostructure in this work. It suggests that theinterplay among size and density of QDs, and Sn
content is the fundamental origin of the giant PF
obtained in the films. The UHA treatment synergy― 136 ―

TOPへ戻る

導電性を発現するカーボン／
水酸化物ヘテロ構造皮膜の創製
  材料工学科  芹澤 愛  
共同研究者
なし
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

つ。燃料電池に要求される特性は、高い耐食

我々の研究室では、鉄鋼材料の 3 分の 1 の性と電気伝導性であるため、本研究では水蒸密度を有するアルミニウム合金の高機能化を

気プロセスを用いて 耐 食性皮膜（AlO(OH)皮図ることで適用部位の拡大をめざしている。

膜）を形成することとした。しかし、水蒸気

鉄鋼材料に比べてはるかに軽量なアルミニウ

プロセスで作製する AlO(OH)皮膜は、水酸化

ム合金は、例えば輸送機器材料に使用した際物であり電気伝導度が極めて低い。

には燃費が大幅に向上することで、地球温暖

そこで、本研究では、導電性皮膜を金属材化といった環境問題の改善に大いに貢献しう

料基板上に形成することをめざすこととした。

る。具体的には、水蒸気を利用することで、金属材料は、自由電子がもたらす導電性によ

高耐食性を有する皮膜（以下、耐食性皮膜）

り、高い電気伝導率を有する。一方、金属単をアルミニウム合金上に作製するとともに、体では耐食性に劣るため、耐食性を担保する

アルミニウム合金の組織制御を同時に行うこために酸化物あるいは水酸化物でバリア層をとで高強度アルミニウム合金を創製するため形成させる必要があるが、酸化物あるいは水の技術開発を行ってきた。

酸化物はイオン結合性であることから電気伝一方、近年、輸送機器の動力源として、化

導率は急減する。このジレンマを克服するた

石燃料に頼らず低環境負荷なクリーンなエネ

め、本研究では絶縁体中に導電性物質を分散

ルギーを積極的に利用していく動きが盛んでさせ導電パスとして機能させることに挑戦すある。その一つとして、本学豊洲キャンパスる。これが本課題の学術的問いである。

近郊においてもよく目にする燃料電池車（バ以上のことから、本研究では、アルミニウ

ス）が挙げられる。燃料電池は、近年、次世ム合金基材の導電性の向上に資する技術開発

代エネルギーとして燃料電池が注目されていおよび合金基材上に高耐食性と高導電性を兼るが、その一方で軽量化に対する強い要求にね備えた皮膜を形成するための技術開発を行さらされている。一般に、燃料電池の重量のう。耐食性（一般に酸化物、水酸化物が有利）

大半を占めるのがセパレータである。そこで、と導電性（一般に金属が有利）という両立し次世代セパレータの材料として、軽量化の観ない特性を同時付与するため、我々が提案し点からアルミニウムが有力視されているが、た新規プロセスである水蒸気プロセス（気相アルミニウムは耐食性が低いという欠点を持（水蒸気）と液相（亜臨界水）の混合状態の― 137 ―

TOPへ戻る
反応場を活用する、水のみを使用するプロセの作製を検討した。導電性発現のメカニズム

ス）を利用するすることで多機能性を発現すは、導電パスとなるカーボンを AlO(OH)皮膜

るヘテロ構造皮膜を創製する。さらに、水蒸中に形成させ、皮膜全体の導電性を向上させ

気プロセスを行うことにより、皮膜を形成することである。したがって、本研究では、水るのみならず、合金内にもナノスケールのヘ

蒸気プロセスおよびイオン化蒸着法を併用しテロ構造を創出することで基材自体の導電性

AlO(OH)／カーボンヘ テロ構造皮膜を作製すや熱伝導性を向上させる。すなわち、水蒸気ることとした（図 1）。

プロセスを用いることで、導電パスとして機実験方法は、以下の通りである。供試材と能するカーボンを均一に分散させた水酸化物

して、20 mm × 20 mm、板厚 1.5 mm の Al-Mg-Si

薄膜をアルミニウム合金上へ形成させる技術（A6061） 合金 の 板材 を用 い た 。 本 板材 は 、開発を行う。

冷間圧延により作製したものである。試料を所定の大きさに切り出し、試料を鏡面研磨し２．研究計画た後、イオン化蒸着装置を使用してイオン化

ヘテロ構造皮膜の作製にあたって、まず、蒸着処理を行った。この際、蒸着温度を 300℃

カーボン材料と酸化物、水酸化物は、通常はとし、イオン化蒸着時間は 10 min に固定した。

界面形成が困難である。カーボンは、他の物

蒸着は、Filament 電流 30 A、Anode 電流 0.5 A、質の混合を極めて嫌うためである。そこで、

Reflector 電圧 10 V、基板電圧−4 kV の条件で導電性皮膜を実現するために、水酸化物中に実施し、炭素源にはベンゼン（C6 H 6 ）ガスを

導電パスを作り出す技術開発を行う。これま使用した。

でに、水酸化物／カーボンの異種界面形成をイオン化蒸着によりカーボン皮膜を形成し実現するため、我々が開発した水蒸気プロセ

た試料に対して、多孔質化を目的として熱処スを用いてこれらヘテロ構造皮膜を in-situ で理を施した。400℃に保持したマッフル炉に入作製することを試みてきた。この際、出発原れ、その後 400℃で 1 h 加熱後、5℃/min で徐料として芳香族化合物を選択し、水蒸気中に冷し、1 h 後取り出した。イオン化蒸着処理

揮発させて皮膜中に取り込ませる中で、皮膜後に熱処理を施した試料に対して水蒸気プロ

中でナノカーボン粒子を自己組織化させる。

セスを 180℃、24 h の条件で施した。表面観

しかしながら、in-situ 皮膜形成による異種界

察 に は 、 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 （ FE-SEM ；面形成は実現したものの、カーボン粒子を皮JEOL/JSM-7610F：本学共通機器ものづくりセ

膜内に均一に分散することは極めて困難であンター）を用いた。また、X 線回折法（XRD；

り、皮膜の表面近傍にはカーボン粒子を分散

SmartLab、Rigaku：本学共通機器ものづくり

できたものの、基材との界面近傍までカーボセンター）による皮膜の結晶構造解析およびン粒子を分散させることは実現できなかった。

Ｘ線光電子 分光装 置（ XPS；QUANTERAⅡ、

そこで、イオン化蒸着法着目し、電気伝導

ULVAC-PHI）を用いて元素分析および構造解度の高いカーボンを利用したヘテロ構造皮膜析を行った。皮膜の耐食性は、分極測定

図 1 本研究で用いるヘテロ構造皮膜作製のためのストラテジー― 138 ―

TOPへ戻る（VersaSTAT4、AMETEK）によって評価した。
測 定 条 件 は 、 Initial Potential −0.1 V 、 Final

Potential 0.8 V、掃引速度 10 mV/s とし、燃料

電池の電解質を模擬した pH = 3 の H 2 SO 4 溶液中にて実施した。



３．計画の進行状況



水蒸気プロセスにより作製した AlO(OH)皮

膜、イオン化蒸着により作製した炭素皮膜、

熱処理後の炭素皮膜および AlO(OH)／カーボ



ンヘテロ構造皮膜の FE-SEM 像を図 2 に示す。



熱処理により、炭素薄膜の気孔率が増加する

図 3 Al 基板、AlO(OH)皮膜、炭素皮膜およ

ことが FE-SEM 観察により明瞭に確認された。

びヘテロ構造皮膜（複合皮膜）の XRD プロ

また、その後の水蒸気プロセス時に、熱処理

ファイルにより形成した気孔内に AlO(OH)が充填されることで AlO(OH)／カーボンヘテロ構造皮膜



が 形 成 さ れ る こ と が わ か っ た 。 Al 基 板 、AlO(OH)皮膜、炭素皮 膜およびヘテロ構造皮

膜（複合皮膜）の XRD プロファイルを図 3



に示すが、ヘテロ構造皮膜（複合皮膜）にお

いて AlO(OH)に帰属する回折ピークが観察されたことから、イオン化蒸着後に水蒸気プロセスを施すことで AlO(OH)が形成されること

図 4 AlO(OH)皮膜、炭素皮膜およびヘテロを確認した。

構造皮膜（複合皮膜）の膜厚

AlO(OH)皮膜、炭素皮 膜およびヘテ ロ構造



皮膜（複合皮膜）の膜厚を図 4 に示す。各皮

膜の膜厚は、炭素皮膜では 160 nm、AlO(OH)

皮膜では 190 nm、ヘ テロ構造 皮膜 全体では



330 nm であることが確認された。これらの結

果から、水蒸気プロセスにより形成した

AlO(OH)は、カーボン 皮膜内の気孔内を充填



した後、カーボン皮膜表面を覆うように成長したことがわかった。



ヘテロ構造皮膜における皮膜深さ方向の各

元素濃度変化および皮膜内の領域における炭素結合状態の解析結果を図 5(a)および(b)に
図 2

Al 基板、AlO(OH)皮膜、炭素皮膜およそれぞれ示す。深さ方向の濃度変化から、カびヘテロ構造皮膜（複合皮膜）表面の FE-SEM

ーボンは皮膜全体にわたって均一に存在する像

ことを確認したとともに、炭素皮膜中の主な― 139 ―

TOPへ戻る(a)2炭素の結合は sp 結合であることから導電性を有する可能性が示唆された。
分極試験により測定した Al 基板、AlO(OH)
皮膜、炭素皮膜およびヘテロ構造皮膜（複合皮膜）の腐食電位および腐食電流密度を図 6に示す。AlO(OH)／カ ーボンヘテロ構造皮膜の腐食電位と腐食電流密度を分極曲線のTafel 外 挿 に よ っ て 評 価 し た 結 果 、 そ れ ぞ れ−0.143 V と 4.3 ×10 -7 A/cm 2 であった。Al 合金
基材に比べて腐食電流密度が 1 桁以上向上し(b)

たことから、ヘテロ構造皮膜も優れた耐食性を示すことを明らかにした。



４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況



今後の研究計画



本研究は、イオン化蒸着および水蒸気プロ

セスを併用することで高い耐食性と導電性を兼ね備えたヘテロ構造皮膜をアルミニウム合

金上に作製するための技術開発を図るもので

図 5 ヘテロ構造皮膜における(a)皮膜深さ方ある。今後は、この研究を継続させ、学会発

向 の 各 元 素 濃 度 変 化 お よ び (b)図 5(a)中 の 点

表や論文投稿を積極的に行う予定である。

線部における炭素結合状態の解析
本研究に関連した論文等投稿状況[1] S.Y. Lee, D. Numata, A. Serizawa*, K. Sasaki,
K. Fukushima, X. Hu, T. Ishizaki: Materials, 15(2002) 1633-1644.
[2] N. Itano S.Y. Lee, A. Serizawa*: Coatings, 12(2022) 262-273.
[3] 芹澤愛*，伊藤友佑，栗原健輔： 材料の科学と工学 ，58 (2021) 139-143.
[4] S.Y. Lee, T. Matsubara, D. Numata, A.
Serizawa*: Catalysts, 11 (2021) 548-560. 

図 6  分 極 試 験 に よ り 測 定 し た Al 基 板 、AlO(OH)皮膜、炭素皮 膜およびヘテロ構造皮膜（複合皮膜）の腐食電位および腐食電流密度

― 140 ―

TOPへ戻る

仮想結び目理論における
不変量と局所変形の関係性の解明  工学部材料工学科  櫻井 みぎ和
共同研究者
東京女子大学現代教養学部数理科学科数学専攻  大山 淑之
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

ある．例えば，結び目に対してそれをほどく

本研究の目的は，仮想結び目において，不操作(結び目解消操作) を何度か行い，結び目

変量と局所変形の関係性を解明することであが 解 け た 状 態 (自 明 な 結 び 目 )と な る た め の 最る．

小回数は，結び目解消数と呼ばれる有名な不本研究の対象となる仮想結び目理論は，結び目理論を一般化した分野にあたり，結び目変量である．このように，不変量は結び目の分類を行うのに利用される．

理論を包含した，より広い領域を扱うことか

不変量には結び目の分類能力の異なるもの

ら非常に重要な研究対象である．結び目理論が多数存在しており，近年では k-writhe と呼における大きな目標は「結び目を分類するこばれる不変量が仮想結び目において注目されと」であり，これは仮想結び目理論においてている．仮想結び目にはインデックスと呼ばも同様である．結び目を 平面上に表す際に正れる量があり，k-writhe はそのインデックスか

則表示という方法が用いられる．その中で実ら定義される整数列からなる数値型不変量で交点だけでなく仮想交点も定義したものを仮ある．k-writhe は，与えられた正則表示に対し

想結び目の正則表示と呼ぶ．仮想結び目はこて，それが結び目と同値ではない，すなわちの仮想結び目の正則表示に対する，一般ライ

仮想結び目の正則表示であるかどうかを判別

デマイスター移動による同値類として定義さすることが可能であるとともに，仮 想結び目

れている．つまり，仮想結び目は結び 目を拡に対する分類能力が高い不変量であるという張した概念である．そのため，仮想結び目の特徴がある．さらに，具体的な計算を行うこ

性質を明らかにし，結び目の性質のとの差がとも可能であるため，仮想結び目の分類を行

明確になれば，結び目のこれまで見えなかっう上で非常に魅力的である．

た側面が明らかになることが期待でき，新たまた，結び目の分類を行う上で，局所変形な結び目の問題提起にもつなげることができについても着目することが重要である．局所る．

変形とは，仮想結び目の一部分に対して行う

結び目を分類するための方法として，不変

幾何的な変形のことであり，先の結び目解消量と呼ばれる代数的な量が用いられる．仮想操作もその 1 つである．局所変形は不変量を結び目理論においても仮想結び目を分類する

定義したり，結び目を大きく分類したりするにあたり，不変量を用いるのが有効な手段で際にも用いられる．

― 141 ―

TOPへ戻る
結び目については，交差交換やデルタ変形

virtualizationの 関 係性 の 解明 を行う．特に，kといった局所変形が存在するが，仮想結び目-writh eの 条 件 を 任 意 に 満 た す 整 数 列 を 与 え

においても類似の操作にあたる，virtualization

た と き ， そ れ ら を k-writheの 値 と し て 持 ち かや forbidden move などの結び目操作が存在す

つ，virtualizationによ る 仮想 結 び目 解 消数 が 1る(図 1). virtualization は仮想結び目におけるの仮想結び目を無限個構成作成することを最も基本的な局所変形である．図 1 に示すよ本研 究 の目 標 とす る ．これ に より ，限 定 的でうに，実交点を仮想交点に置き換える変形ではな く ，一 般 性ま で 拡 張し た 形で の 関係 性 のある．この virtualization によって，結び目理

解明 に 着手 で きる 様 に なる と 考え る ．これま論において重要な局所変形である交差交換をでの研究で，著者は上記条件を満たす仮想結

実現することができるため，多くの局所変形

び目を，任意のk-writheの整数列に対して1つの基となっている．

ずつ構成することに成功している．本研究 で行うことは，これらすべてに対して無限個構成するという拡張を試みるというものである ．
具体的には以下のような計画で本研究に取り組 ん だ．

   交差交換    デルタ変形【研 究 手法 】
 著 者 の 先 行 研 究 で は ， k-writheの 条 件 を 任
意 に満 た す 整 数列 を 与 え たと き ， そ れら を kwritheの値 と して 持 ち，virtualizationに よ る仮
想 結 び 目 解 消 数 が 1の 仮 想 結 び 目 を 構 成 し て

virtualization   forbidden move

き た ．ここで構成した仮想結び目のガウス図

図 1: 様 々 な 結 び 目 解 消 操 作 と 仮 想 結 び 目 解に対して，図 2の2種類のガウス図を頂点連結

消操作(局所変形)和と呼ばれる操作で左右から貼り合わせる ことを考える．ここで，ガウス図とは仮想結び

このように，不変量と局所変形には 様々な目をコード化した図のことである． また，頂種類が存在し，また 密接に関わっていること

点連結和とは，ガウス図 に対する二項演算でが分かっており，それが結び目の分類に大きある．

く寄与している．しかし，仮想結び目理論においては，ほんの一部 しか解明されていない++のが現状である．そこで，中でも解明が進んでいる k-writhe と virtualization に着目し，以++下のような問いを考えた．

HI

問 い ： 仮 想 結 び 目 の k-writhe( 不 変 量 ) と    

virtualization(局 所 変 形 ) に は ど の よ う な 関 係

図 2: 頂点連結和を行う 2 種類のガウス図 Hがあるのか．

とガウス図 I


2 つのガウス図 G 1 と G 2 を各々コード c 1 と２．研究計画 本研究では，上記の問いである，k-writheと

コード c 2 をもつガウス図とする．c 1 と c 2 が― 142 ―

TOPへ戻る
同じ向きと符号を持つならば，c 1 と c 2 に関する頂点連結和 G 1 ♮G 2 は図 3 に示すように、c 1３．計画の進行状況

の矢印の先と c 2 の矢印の根本の近くの小さな

今年度の研究は予定通り進行し，研究成果

弧を削除し、向きを維持してそれらを貼り合としては，k-writhe と virtualization について後

わせて得られるガウス図 となる．先行研究で

述の定理 2 を得ることができた．これは著者構成した仮想結び目を D としたとき，D に Hの 以 前 の 研 究 成 果 (定 理 1)で 得 ら れ た も の をと I を n 回頂点連結和したガウス図 D n = H ♮

無限個までに拡張したものであり，以下に 定… ♮H ♮D ♮I ♮… ♮I に対応する仮想結び目が理 1 と本研究で得られた定理 2 を比較する形

本研究で構成することを目標としている 仮想で，概要を説明する．

結び目である．

定理１
{r s } s≠0 を任意の整数列 とする．その整数列が∑ s≠0 sr s =0 を満たすならば，任意の 0 でない
整数 t に対して，u v (K)=1 かつ J t (K)=r tとなるような仮想結び目 K が存在する．
本年度の研究により，著者は，更に次のような結果を得た．
定理２
{r s } s≠0 を 0 又は r -1 , r 1 以外で少なくとも 1 つ
0 ではない項を持つ整数列 とする．その整数列が∑ s≠0 sr s =0 を満たすならば，任意の自然数
n と 0 でない整数 t に対して，u v (K n )=1 かつ J t (K n )=r t

図 3. 頂点連結和.
更に，ここで作成した仮想結び目が 全て異なるものであることを示すために，不変量をとなるような仮想結び目 K n が存在する．
【定理 2 の構成方法】

用いる必要がある．ここで採用することを予定したのは，交差多項式I(t)である．交差多項式 はk-writheと 同 じ く イ ン デ ッ ク ス と 呼 ば れる数値的値を用いて定義される不変量であ

定理 2 を示すために，著者は，以下の補題を証明した．
補題３

り ，k-writheと相 性 の良 い不 変 量で あ る ．当 初

仮想結び目を K，K のガウス図を G，図 2 のは仮想結び目の不変量として有名なジョー

ガウス図 H を持つ仮想結び目を L，c 0 ′,c 1 ′,…,c n ′どを 用 いる こ とも 想 定 した が ，先 行 研究 で 作を G のコード，ε 0 ′,ε 1 ′,…,ε n ′を各々c 0 ′,c 1 ′,…,cn ′成したガウス図についての計算を一から行の弧とする．このとき，以下の式を得る：

う必 要 があ る ため ，既 に計 算 結果 が 解っ て お

I L♮K (t)= I L (t)+ I K (t)+Σ i ∈ M’ 10 (G) ε i ′(𝑡𝑡 𝛾𝛾𝑖𝑖 𝛾𝛾𝑖𝑖 -1)(t -1 -ンズ多項式やそれを拡張した宮澤多項式な

り k-writheの 値 を 用 い る こ と が で き る 交 差 多
項式 を 用い る こと を 考 えた ．
の符号，γ 0 ′,γ 1 ′,…,γ n ′を各々c 0 ′,c 1 ′,…,c n ′の G 上
′

′

′

′

′

′

1)+Σ i ∈ M’ 00 (G) ε i ′(𝑡𝑡 𝛾𝛾𝑖𝑖 𝛾𝛾𝑖𝑖 -1)(t-1)+ Σ i ∈ M’ 10 (G) ε i ′(𝑡𝑡 𝛾𝛾𝑖𝑖 𝛾𝛾𝑖𝑖 ′′1)(t-1)+ Σ i ∈ M’ 11 (G) ε i ′(𝑡𝑡 𝛾𝛾𝑖𝑖 𝛾𝛾𝑖𝑖 -1)(t -1 -1).

― 143 ―

TOPへ戻る
ここで，M′10 , M′00 , M′10 , M′11 は G の頂点連結

力な結果を得ることができると予想される ．

和を行うコードに対して，そのコードと交差

その結果，更なる k-writhe と virtualization とするのかしないのか，またどちらの方向に向の関係性を解明することができると期待されいているのかについて のコードを分類した集

る．

合である．
【論文等投稿・発表状況】

補題４
仮想結び目を K，K のガウス図を G，図 2 のガウス図 I を持つ仮想結び目を M，d 0 ,d 1 ,…,d n
を G のコード，δ 0 , δ 1 ,…, δ n を各々d 0 ,d 1 ,…,d n の符号，ζ 0 ′, ζ 1 ′,…, ζ n ′を各々d 0 ,d 1 ,…,d n の G 上の弧とする．このとき，以下の式を得る：′′

I K♮M (t)= I K (t)+ I M (t)-Σ i ∈ M 10 (G) δ i (𝑡𝑡 𝜁𝜁𝑖𝑖 𝜁𝜁𝑖𝑖 -1)(t-1)′

′

′

′

Σ i ∈ M 00 (G) δ i (𝑡𝑡 𝜁𝜁𝑖𝑖 𝜁𝜁𝑖𝑖 -1)(t -1 -1)- Σ i ∈ M 10 (G) δ i (𝑡𝑡 𝜁𝜁𝑖𝑖 𝜁𝜁𝑖𝑖 -1) (t 1′′-1)- Σ i ∈ M 11 (G) δ i (𝑡𝑡 𝜁𝜁𝑖𝑖 𝜁𝜁𝑖𝑖 -1)(t-1).

ここで，M 10 , M 00 , M 10 , M 11 は補題 3 と同様に，
G のコードを分類した集合である．
 補題 3,4 を用いて，定理 2 で構成した仮想結び目の交差多項式の値を計算した．

論文：
Yoshiyuki Ohyama and Migiwa Sakurai, A virtual
knot whose virtual unknotting number equals one
and a sequence of n-writhes, J. Math. Soc. Japan
73(3) 983-994 2021 年 7 月.
研究発表：
1. Yoshiyuki Ohyama and Migiwa Sakurai ，Relationshipbetweenvirtualization

andasequence of n-writhes for virtual knots，研究集
会「結び目理論」，東京女子大学，2021 年 9 月
4 日(招待講演).
2. Yoshiyuki Ohyama and Migiwa Sakurai ，Virtual knots whose virtual unknotting numbers

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状
況

equal one and sequences of n-writhes，岐阜大学
トポロジーセミナー，岐阜大学，2021 年 8 月
23 日(招待講演).

【今後の計画】
今後も引き続き，不変量と局所変形の関係性に着目し，仮想結び目に 関する研究を進めていく．特に，定理 2 では整数列{r s } s≠0 には条件が付いているため，今後は任意の整数列で実現することに取り組む予定である．
現時点では，今回用いた交差多項式とは別の交差多項式を用いて分類することを想定し

3. Yoshiyuki Ohyama and Migiwa Sakurai ， A
study of n-writhes and virtualization for virtual
knots，Japanese Conference on Combinatorics andits Applications 2021，慶応義塾大学，2021 年 8
月 19 日.
※氏名の表記は，アルファベット順である．

ている．交差多項式には 1 番多項式と 2 番多項式が存在しており，本研究ではまずは計算量の観点から 1 番多項式を用いた．一方で，
2 番多項式の方は計算量が多く，複雑な分類ができる可能性があるため，今後はこちら を用いて今回作成した無限個の仮想結び目の分類することができるかを考える．
これが実現すれば，ある条件の下でしか構成することができなかった仮想結び目を，任意の整数列まで拡張することができ，より強― 144 ―

TOPへ戻る

分子インプリントプローブによる中枢神経内疾患モデル動物の伝達物質分泌可視化  応用化学科  吉見 靖男  
共同研究者
帝京平成大学健康メディカル学部健康栄養学科  長濱 辰文
日本薬理評価機構健康医科学センター  岡本 摩耶
日本薬理評価機構研究統括  犬塚 隆志
茨城大学農学部食生命科学科 豊田 淳
川崎医科大学医学部生理学 2 氷見直之

物質に応答する fMIP-NP を合成し、共有結合

１．序論
ヒトを含めて動物の神経活動は、神経細胞を介した吸着によって。このこれらを使って間を拡散移動する神経伝達物質によって担わ各分担者が作製した、各神経疾患モデル 哺乳れ、その異常が多くの神経疾患の原因となる。

類（うつ病マウス、パーキンソン病ラット、ア

生きた神経組織における神経伝達物質の分泌ルツハイ マー病 マウス ）の脳ス ライス fMIP-

をリアルタイム検出し、とくに分泌箇所とタ

NP で染色して観察し、神経疾患解析法およびイミングを特定する技術があれば、神経にお治療薬のスクリーニング法としての有効性をける情報処理の機構解明や、疾病の機構解明、検証する。

治療薬のスクリーニングに貢献できる。代表

者の吉見は、古典的なラジカル重合による合２．研究計画成の過程で、任意の目的物質と特異相互作用

本研究の目的は、「各種伝達物質に応答するし、それに伴って蛍光強度変化する機能を持

fMIP-NP を細胞膜に吸着させた神経組織の顕つ蛍光分子インプリント高分子のナノ粒子

微鏡観察によって、各々の伝達物質放出の位

imprinted

置とタイミングを検出し、神経活動とその機

nanoparticle: fMIP-NP）を開発した。幾つかの能障害を解析する新しいイメージング技術の伝達物質（ドーパミン、セロトニン、アセチル創出」にある。

コリンなど）に対する応答を確認している。

申請者は、合成の過程で目的物質の分子構造

本研究の目的は、この fMIP-NP をプローブとが内部に刷り込まれ、目的物質との特異相互して伝達物質の分泌部位とタイミングをリア作用によって蛍光強度を著しく変化させる性

ルタイムで検出するイメージング法を新規開質が付与された蛍光分子インプリント高分子

発し、その有用性を動物実験で実証すること

ナ ノ 粒 子 （ fluorescent molecularly imprintedにある。内容としては代表者が各種神経伝達nanoparticle: fMIP-NP）を合成した。既にセロ（

fluorescentmolecularly― 145 ―

TOPへ戻るトニン、ドーパミン、アセチルコリンに対して選択的に応答する fMIP-NP の合成に成功している。本技術の優位性は①古典的なラジカル重合で合成されるため、イメージングに必要な量の fMIP-NP は数時間で入手できる、②
特定の鋳型に感応性のある fMIP-NP の開発にかかる時間も数ヶ月程度と短期で可能な点にある。分子インプリント高分子をプローブとして蛍光強度変化を測定すれば、神経伝達物質の分泌を検出できる（図 1）。
ただし、伝達物質のイメージングを可能にするためには、この fMIP-NP を神経細胞表面に固定する必要がある。本研究では、まず

図 2: 化学結合を介した fMIP-NP の神
経伝達物質分泌への吸着法

fMIP-NP にアミノ基を導入し、神経細胞膜タ

３．計画の進行状況

ンパク質のアミノ基と、グリシジル基含有 コ(A) fMIP-NP の合成

ポ リ マ ー (EGCC)を 介 し て 結 合 さ せ る こ と で 、鋳型であ るセロト ニンを 鎖長の異 なる アミノ

fMIP-NP で神経細胞を染色する方法を確立す

アルキルシ ランカ ップリ ング剤とグ ルタル アルる（図 2）。この方法で、染色されたアメフラ

デヒドを介し、ガラスビーズ表面に固定した。

シ中枢を観察することで、味覚認識や学習に メタクリル酸、エチレングリコールジメタ

伴う伝達物質分泌の変化を観察し、さらにはクリレート、アリルフルオレセイン、アリル

疾病モデル動物の脳スライスを染色して、伝アミンおよびジエチルジチオカルバミドベン

達物質分泌不全と治療薬による改善状況をイジ ル を N, N-ジ メ チ ル ホ ル ム ア ミ ド (DMF)とメージング法で観察することで、fMIP-NP の蒸留水の混合溶媒に溶解した。

プローブとしての有用性を実証する。このよ 鋳型を固定したガラスビーズに上記重合溶

うな試みは世界的に類例が無く、独創的なも媒に加え、窒素バブリングにより流動化させのである。

ながらキセノンランプ光を照射しモノマーを共重合させた。
重合後、DMF 濃度25vol%から100vol%まで段

特異結合サイト
蛍光官能基

階的に変化させた水溶液で、高親和性の fMIPNP を抽出した。

fMIP-NP
シナプス後
ニューロン

シグナル

 透析法により fMIP-NP の分散媒を DMF からイオン交換水に置換し、測定直前に塩を加えることで人工海水(ASW)を分散媒した。
 図 3 に示すように、鋳型であるセロトニン

軸索
シナプス前
ニューロン

神経伝達物質を加えたところ蛍光強度が濃度 15 µM で 7.7%増大した。一方、トリプトファンの添加では

図 1: fMIP-NP をプローブとした神経伝蛍光強度が変化しなかった。この結果より、

達物質分泌のイメージング

fMIP-NP が in vivo でセロトニンを選択的に捉えるプローブとして機能 ことが確かめられた。

― 146 ―

TOPへ戻る
感じないブランクとして ASW を用いた。各
味覚刺激剤 500 µL を口球部に投与し、頭部
神経節内学習前後におけるセロトニン分泌を
fMIP-NP 存在下での蛍光強度変化として検出した。
 口球への味覚刺激剤の投与により頭部神経節内で放出されたセロトニンを、細胞表面に
固 定 さ れ た fMIP-NP の 蛍 光 強 度 変 化 か ら の検出を試みた。結果を図 4 に示す。ノリ抽出

液の嫌悪化学習前では全ての味覚刺激に応答

図 セロトニンを鋳型とした I0,313 の蛍
光強度のセロトニンとトリプトファン濃度依存性（B）EGCC を介した fMIP-NP への細胞の接着
 蒸留水を溶媒とし、ペルオキソ二硫酸アン
モニウム、メタクリルアミド、グリシジルメ
タクリレート(GMA)により重合溶液を調 整した。80℃で熱ラジカル重合を行い、メタノー
ルを用いた再沈殿により精製を行いメタクリ
ルアミドと GMA の共重合体である EGCC を得た。
 fMIP-NP 固定前の神経細胞の蛍光強度を測定した。EGCC を ASW に分散させ20 min 浸漬
後、fMIP-NP に10 min 浸漬し、その後、ASWで洗浄した。この神経細胞に、セロトニン溶液を吹き付けると、蛍光強度の揺動がみられた。しかし、L-トリプトファン溶液を吹き付
けても、変化は見られなかった。EGCC に浸漬する操作を省いて fMIP-NP に10 min 浸漬させた神経細胞にセロトニン溶液を吹き付けても、蛍光強度の変化は見られなかった。この結果より、fMIP-NP は選択応答性を維持した
まま、EGCC を介して神経細胞に吸着できる
ことが示された。

した蛍光強度変化は観察されなかった。この結果からノリ抽出液嫌悪化学習前は味覚の判
断に頭部神経節またはセロトニンが関与していないことが示唆された。一方でノリ抽出液
嫌悪化学習後ではノリ抽出液投与のみで約2.5 s 後に蛍光強度変化が確認された。嫌悪化
学習前には観察されていないシグナルが嫌悪化学習後には観察されていることから、このセロトニン放出はアメフラシがノリ抽出液を嫌ったことを反映した応答だと考えられる。
嫌悪味覚である蒸留水では同様のシグナルが得られなかったことから 拒絶反応ではなく学習に特有のシグナルであり嫌悪化学習にセロト ニ ン が 関 与 し て い る と 言 え る 。 ま た 2.5 sというタイムラグは口球神経節内蛍光膜電位
イメージングで得られた、ノリ抽出液嫌悪化
学習後のノリ抽出液投与から膜電位変化までの時間とほぼ等しい。この結果から、細胞表面に吸着した fMIP-NP は、味覚刺激に応答して放出されるセロトニンを検出 するプローブとして機能することが示された。
４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況
学習、味覚認識に伴うセロトニン、ドーパミ
ンやアセチルコリンの分泌の関係を究明して（C） 味 覚 刺 激 剤 に 対 す る 嫌 悪 化 学 習 前 後 におけ る 頭部 神 経 節内 セ ロト ニ ン分 泌 の 検
出
味覚刺激剤は嗜好物質としてノリ抽出液

いく。

(溶媒:ASW)、嫌悪物質として蒸留水、味覚をで演題登録ずみ 年度 日本神経科学会大会（ 月沖縄）

― 147 ―

TOPへ戻る
論文投稿準備中
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図4 ノリ抽出液嫌悪化学習前後における頭部神経節の蛍光強度変化
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周波数の低い環境振動でも高効率に発電できる
新規 $O1 系圧電薄膜の合成  工学部応用化学科  大口 裕之  
１．序論（はじめに，まえがき，目的） 

匹敵する FOM を得るには至っていない。そ 圧電振動型エナジーハーベスタ(図 1)とは、の理由は、多くの金属置換では、置換量が増身の回りの僅かなエネルギーから電力を得るえるにしたがって AlN の配向性が低下して圧エナジーハーベスタのうちで最大級の出力を電定数の増大が抑制[J. Phys. D: Appl. Phys. 42,

誇り、また圧電膜と電極を重ねるだけの単純

235406 (2009).]される ことと、 固溶体形 成エ

な構造ゆえに小型化に適する、IoT 用無線通

ネルギーが大きいために置換濃度の上限が低信機能付き小型センサの電源などとして注目

く 抑 え ら れ て し ま う か ら で あ る [Appl. Phys.

を集めるデバイスである。外部振動が加わる

Express 8, 061501 (2015).]。

とカンチレバーが上下に振れて、その上の圧 圧電振動型エナジーハーベスタを作製する

電膜を歪ませ、交流電流を生じる。AlN を圧

うえでは共振周波数にも注意を払う必要があ電膜とする場合には c 軸配向したウルツ鉱構る。なぜなら、振動エネルギーの電気エネル

造の AlN 膜が使用される。

ギーへの変換効率は共振点において最高とな 申請者が AlN を用いる理由は、ハーベスタ

るからである。このため、デバイスの共振周用圧電体として一般的なチタン酸ジルコン酸

波数を環境振動の周波数である 100 Hz 以下

鉛 (PZT)を 、 以 下 の 式 (1)で 与 え ら れ る 振 動 発に設定する必要があり、機械力学に基づく

電性能指数(FOM)において AlN が超える可能

様々な構造体設計が行われている。特に振動性を秘めるからである(FOM は前者が 18 GPa、部の薄型化は効果的であり、厚み数百 nm の

後者が 6.5 GPa)。

自立膜型デバイスでは共振周波数 64 Hz が記
録 さ れ て い る [Appl. Phys. Lett. 98, 053502

   (1)(2011).]。しかし、自立膜はもろく、面積 0.1

ここで d は圧電定数、E は弾性率、ε は誘電mm 2 以下 の小 さな デ バ イス しか 作製 で きず 、率である。過去の研究で、AlN の Al サイトを

また振動部の変位増大に必要な錘が付けられ

金属 M によって置換(Al 1-x M x N)すると、圧電ないため、出力は 1 nW 以下にとどまってい

定数が増大して、その結果 FOM が上昇するる。この問題解決に有効だと考えられるのがことが報告されている。ただし、極めて高価

マイカである。マイカは剥離するだけで共振で量産に不向きな Sc による置換[Adv. Mater.

周波数 100 Hz 以下の薄型構造となり、しかも、21, 593 (2009).]を除くと、この手法で PZT に

その面積を数 cm 2 以上にすることができる。
さらに、マイカを母体としたフレキシブルデ
バイスは 1000 回以上も曲げ伸ばし可能であり[Energy. Technol. 7, 1900638 (2019).]、マイ
カが錘取り付けに適した高い靭性を持つことが示唆される。しかし、マイカを使った圧電振動型ハーベスタの作製例は皆無である。
 そこで本研究は、エピタキシャル成長とマ

図 1 圧電振動型エナジーハーベスタ

イカ基板を研究軸とする独自のアプローチに― 149 ―

TOPへ戻るより高性能な圧電振動型エナジーハーベスタb) マ イ カ 基 板 上 の 金 属 置 換 AlN 膜 エ ピ タ キ

開発へ挑戦し、その実用的デバイス開発を促

シャル成長

進する学術基盤を構築することを目的とする。

 実験項目 1 で得られた成膜条件を基に、反

応性スパッタ法を用いてマイカ基板上に高配

２．

向性・大量金属置換 AlN エピタキシャル膜を研究計画

 本研究では、エピタキシャル成長と 2 次元成長する。そして、実験項目 1 と同様の評価

層状物質の活用によって、圧電振動型エナジを実施して、マイカ基板上でも Sc 置換 AlNーハーベスタ開発における重要課題である高膜と同等またはそれ以上の高性能な金属置換

出力化と低共振周波数化を同時に達成するた

AlN 膜が得られることを実証する。なお、マめに必要な、薄膜合成化学的および機械工学

イカ基板上の AlN 膜エピタキシャル成長の報的な条件を実験によって明らかにする。そし告は存在しないが、マイカ基板上の Pt 膜エピて、得られた知見に基づいてハーベスタの研タキシャル成長[Jpn. J. Appl. Phys. 57, 048001

究開発指針を確立する。本申請研究終了後に(2018).]および、Pt エピタキシャル膜上の AlN

は、この指針に沿ってデバイス開発を継続し、

膜 エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 [Appl. Phys. Lett. 64,

最終的に、 IoT 用無線通信付きセンサの電源

1359 (1994).]は報告されている。したがって、としてふさわしい、1 秒毎に無線通信可能な

はじめにマイカ基板上に Pt 膜を、つぎに AlN

10 μW の出力を有する面積 2 cm 2 以下の小型膜を堆積して AlN/Pt/マイカ基板とすれば、マハーベスタを実現する。各実験項目の詳細は

イカ基板上の AlN 膜エピタキシャル成長が実

以下に述べる。

現するはずである。

a) エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 を 利 用 し た 金 属 置 換c) 圧電振動型エナジーハーベスタの試作

AlN膜の配向性維持と置換量の増大

 実験項目 3 で作製した AlN/Pt/マイカ基板

 金 属 置 換 AlN 膜の エピ タ キシ ャ ル成 長 はからなる試料に Pt や Al などの上部電極を堆Ar と N 2 の混合ガスを用いた反応性スパッタ

積したのち、実験項目 2 で得られた振動構造法にて単結晶基板上に行う。金属置換量の制体設計基準に基づいてマイカを剥離して、共御は、Al と置換金属それぞれのターゲットの振点が 100 Hz 以下の圧電振動型エナジーハ

スパッタ比を調整して行う。基板には、c 軸ーベスタを作製する。作製したハーベスタを

配向性 AlN 膜のエピタキシャル成長の実績が加振器に固定し、特定の周波数と加速度の振

あ る Al 2 O 3 (0001)を 使 用 す る 。 ま た 室 温 か ら動を与えた際に発生する電圧をオシロスコー

900℃程度までの温度範囲で成膜を行う。AlN

プで観察して出力を決定する。この実験によ膜を置換する金属としては、AlN との固溶体

り高出力化のための改善点(例えば、必要な錘

形成エネルギーの異なる Ti、Cr、Ta、Y、Hfの重量、AlN 膜の厚み、電極面積など)を明確などの 3 価元素や、Mg-Hf などの 2 価-4 価元にして、本申請研究終了後に計画している出素を予定している。得られた膜の評価は、結力 10 μW ハーベスタの開発へつなげる。

晶性と配向性は X 線回折(XRD)により、エピ
タキシャル成長は XRD と反射高速電子線回

３．計画の進行状況

折(RHEED)により、金属の価数などの電子状研究計画に沿って以下三通りの成果を得て態は X 線光電子分光(XPS)により、組成はエいる。i)AlNエピタキシャル膜合成およびそのネルギー分散型 X 線分析(EDS)により、誘電膜へのCr置換、ii)マイカ基板上へのc軸配向性

率はピエゾメーターにより、それぞれ評価す

AlN膜合成、およびiii)AlN膜を応用したエナジる。以上の研究により、Sc 置換 AlN 膜と同ー ハ ー ベ ス タ 試 作 機 の 作 製 。 一 方 で 、 AlNエ等 ま た は そ れ 以 上 の FOM を 示 す 金 属 置 換

ピタキシャル膜を利用した金属置換量の増大

AlN 膜を合成して、世界最高性能の振動発電

や 、 マ イ カ 基 板 上 に お け る AlNエ ピ タ キ シ ャ

用圧電膜を開発する。

ル膜成長においては、今のところ明確な成果は得られていない。以下には成果が得られて― 150 ―

TOPへ戻るいる三通りの項目に対してその詳細を述べる。

AlN薄膜が成長しやすいことが示唆された。
図2(b)にはAlN膜のRHEED回折像を示す。薄i) AlNエピ タ キシ ャ ル 膜 合 成 お よび そ の膜 へ

膜 面 内 で 電 子 線 の 入 射 方 向 を 60°回 転 さ せ るのCr置換

毎 に 同 じ 回 折 パ タ ー ン が 表 れ て お り 、 AlNのAlNエピ タキ シャ ル薄 膜は RF反応性 マグネ

エピタキシャル成長が確認された。

トロンスパッタ法を用いて 、(111)配向したPt
電極が堆積したAl 2 O 3（0001）基板上に合成しii) AlNエピタキシャル膜へのCr置換た。ターゲットにはAlを使用し、流量Ar/N 2 =

1 : 3の混合プラズマガスによりスパッタリン

反応性マグネトロンスパッタ法を用いて 、Alグした。 電極 のPtもAr雰囲気下 で同 様に成膜とCrのターゲットを同時にスパッタすることした。基板温度を300℃、500℃、700℃としてで 行 っ た 。 そ の ほ か の 条 件 は AlNエ ピ タ キ シ

合 成 し た AlN薄 膜 の 評 価 を 行 う こ と で 、 基 板

ャル膜成長時と同じであった。図3にはCrを置

温度が膜質に与える影響について調べた。

換 す る 前 後 の AlNエ ピ タ キ シ ャ ル 膜 の XRDパAlNエピタキシャル薄膜へのCr置換は、RF

図２(a)は基板温度300℃、500℃、700℃で成ター ン を示 す。AlN(002)回 折ピ ー クが 高 角 側長したAlN薄膜の2θ/θ XRDパターンである。

へ 約 1.9°シ フ ト し て お り 、 狙 い 通 り に Alサ イ

す べ て の 薄 膜 に お い て 2θ = 36.04° お よ び

トの一部がCrにより置換されたことが示唆さ

76.46°にAlN（002）面および（004）面からのれ た 。 な お 、 エ ネ ル ギ ー 分 散 型 X線 分 光 法 に

回折ピークが現れたことから、振動発電に適より組成を調べたところ、Cr置換量は約6.5 %したc軸配向性AlN薄膜が合成されたとわかった 。 基 板 温 度 700℃ で 合 成 し た AlN 薄 膜 の（002）面に対するロッキングカーブの半値全幅は0.8°と小さく、配向性に優れたAlN薄膜が合成されたことが分かった。また、高温である ほ ど Ptの 111お よ び AlNの 002回 折 ピ ー ク がシャープであった。これらのことから、基板温度が高くなるほど結晶性・配向性に優れた

図 ３ &U を ド ー プ す る 前 上 と 後
下 の $O1 エピタキシャル膜の ;5'
回折パターン。
であることが判明した。
iii) マイカ基板上へのc軸配向性AlN膜合成
マイカ基板上へのAlN膜合成では1100 ℃まで 加 熱 可 能 な 人 工 マ イ カKMg 3 AlSi 3 O 10 F 2 を 基
板として使用した。そして、成膜直前にマイカ基板の剥離を行い、そうして得られる清浄面上に、最初にPt電極(膜厚100 nm)を、その上に AlN圧 電 膜 （ 膜 厚 300nmま た は 600nm） を 、どちらも700℃から900℃の範囲の温度におい図 $O1 エピタキシャル膜の D ;5'て堆 積 した 。成 膜 時の ガス 流 量は 、 Pt成 膜 時

回折パター ンと E 5+((' 回折パタにはAr 20 sccm、AlN成膜時にはAr 5 sccmとーン。

N 2 15 sccmであった。図4に700℃から900 ℃で― 151 ―

TOPへ戻る
マイ カ上 に堆 積し たPt/AlN膜 のXRDパタ ー ン マ イ カ 基 板 上 に お け る AlNエ ピ タ キ シ ャ ルを示す。全ての試料に対して2θ = 39.8°および膜の成長研究では、既にエピタキシャル成長

85.6°付近にPt111および 222回折による強 いピに必要な(111)配向したPt電極が得られているークが確認されたことから、c軸配向性AlNのため、AlNエピタキシャル成長に既に成功してエピタキシャル成長に 適した(111)配向したPt

いる可能性が高い。にもかかわらずXRD回折が得られたことが分かった。しかし、マイカ

パ タ ー ン に AlNの エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 を 示 す

基板の回折ピークとピーク位置が重なるため回折ピークが見えないのは、これらのピーク

か、AlNの(0001)配向を示す回折ピークが認めがマイカ基板由来のピークと重なっているた

られず、エピタキシャル成長が確認できなかめである。この問題の解決には、基板からの回折を避けて膜からの回折のみを検出する表面敏感な手法が有効な手段となり得る。そこ
で現在、薄膜表面から数nm程度の情報しか取得 し な い 極 め て 表 面 敏 感 な RHEED法 を 用 いた試料評価を予定している。
 振動発電素子の作製およびその発電性能試
験ではこれまで、本格的な素子開発に必要な研究開発ノウハウを順調に蓄積している。そこで今後は、これらのノウハウを駆使して素子構造に改善を加え、高性能な素子の実現を

図 マイカ基板上に堆積した $O1目指す。実際に現在行っている実験で、基板

膜の ;5' 回折パターン。

の種類や、錘の重さおよびその設置位置を調整することで、環境振動の周波数帯で大きなった。

発電が得られることが分かってきており 、こiv)AlN膜 を 応 用し た エ ナ ジー ハ ー ベ ス タ試 作
機の作製
 上 記 の 研 究 で 合 成 し た $O1膜 を 応 用 し て 振動試験デバイスを作製した。この試作機の振動発電試験を行ったところ振動数81 Hzに130nWの明確な発電が確認された（図5）。

れらの仕様の最適化を目指す予定である。
 今春の応用物理学会において、AlN 膜を応用した振動発電素子について一件の口頭発表を行った。今年度は、エピタキシャル膜によって金属置換量が増大した高性能圧電膜の合成や、その膜を応用した高性能発電素子の開発について複数の学会発表を、応用物理学会

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状
況 今後 は 、 昨年 度 の成 果を 発 展さ せ て 、研 究や機械学会を中心に行う予定である。また、これらの成果をまとめて論文発表も行う予定である。

計画に挙げた各項目の実現を目指す。
 AlN系 膜 合 成 に お い て は エ ピ タ キ シ ャ ル 成
長を利用した金属置換量の増大を確認できていない。そこで現在、置換に用いる金属のス
パッタ速度と、AlNの成膜に用いるAlのスパッタ速度を、独立に制御できるシステムを開発しいる。このシステム開発を完了した後には、
AlN膜 に 対 し て 高 濃 度 に 金 属 置 換 を 行 っ た 膜を合成して、エピタキシャル成長を利用した
金属置換量を増大できることを実証する予定である。
― 152 ―

TOPへ戻る05, 騒音環境における骨伝導マイクを用いた機械学習による
被検者音声の検出  情報通信工学科  武藤 憲司  
共同研究者
室蘭工業大学大学院工学研究科  小林 洋介

１．序論（はじめに，まえがき，目的）

環境下における音声認識において既知ノイズ

医 療 検 査 装 置 MRI(Magnetic Resonanceの除去を行っているが，ノイズ除去とともにImaging)は ， 磁 気 と 電 波 を 使っ て 人 体 の 断 層

話者情報も 除去し ，SN 比の低下で精 度が低画像を得る装置である．検査時には，傾斜磁下する課題がある[3]．

場の変化によって生じる電磁気が，傾斜磁場

本研究では，MRI 駆動音が混入する被験者

コイルとコイルの保護具に大きな力を加えるの音声を医師に伝える機械学習システムの開ことで騒音が生じる[1,2]．検査中に被験者が発を目的とする。実現のためにさまざまな機

体調不良になることがあり，その際には検査

械学習のモデルから有効な手法の検討と音声を中断する必要がある．被験者が操作室内のだけでなく画像を用いた高度化の検討を行う．

医師に緊急事態を伝える手段として緊急停止
ボタンが用意されているが，手指が不自由な

２．研究計画方は利用が難しく，バリアフリーな環境とは

MRI 駆動音は撮像法の種類や分解能で多種言い難い．また，医師と被験者の音声通話が多様に変化する．そのため，予め準備された

検討されているが，MRI 駆動音がマイクロホ

学習データで作成された CNN モデルでは実ンに混入し，被験者の声を伝える妨げになっ際の検査時の MRI 駆動音に適用できない可ている．つまり，医師は病気の診断に加えて，能性がある．同様に被験者の音声も学習デー

予測不能な被験者の訴えを聞き逃すことがな

タとは異なるため，深層学習の分野では再学いようにスピーカから出力される音に傾聴す

習という手法を適用する．再学習手法の概念る必要がある．そのため，被験者の音声を普を図 1 に示す[3]．その構成は Setting，Scanning，

及が進んでいる音声認識技術を利用して医師

Detecting の要素の組み合わせである．

に伝えることでコミュニケーションを可能にするシステムが重要な課題である．

Setting では，事前学習に用いる教師データ作成と事前学習を行う．教師データとして，一般的な音声認識のアプリケーションやソ

音声データベースの音声に任意の MRI 駆動音

フトウェアは室内等の静穏環境下を対象としを加算した重畳音声を作成する．作成した重ている[3]．MRI 駆動音のようなノイズの大き畳音声と MRI 駆動音を用いて学習を行い，学い場所では作動しないという問題がある．例

習モデルを作成する．これを事前学習モデル

えば，佐野らは人混みや電車内の特定の騒音

と呼ぶ．



― 153 ―

TOPへ戻るScanning では，再学習部と Detecting が存在討する必要がある．

する．再学習部では，MRI 検査の最初の数秒

また，画像による検出法では，コロナ禍に間は被験者が体調不良を訴えることがないと伴い，感染拡大防止のためにマスクを着用す仮定して，MRI 検査時の MRI 駆動音の取得おることが必要となっており，医療現場においよび再学習を行う．MRI 駆動音の取得とともてもマスクの着用が想定される．マスク着用に音声データベースの音声とあ わせて教師デ

時には，唇等の動きで発話内容を読み取る従ータを新たに作成する．作成した教師データ

来手法において判断材料として使用されていによって事前学習モデルの再学習を行い，新た口唇情報が取得できなくなる．そのためマ

たな学習モデルを作成する．

スク着用時に適応した口唇情報を必要としな

Detecting では，評価データを用いて被験者

い発話検出を目指す．そして最終的には音声音声の検出と認識を行う．評価データとして，と映像の二つの情報を加味したマルチモーダ

音声データベースに MRI 検査時の MRI 駆動

ル手法を用いて音声と映像のそれぞれの欠点

音が重畳する信号を使用する．MRI 騒音下のを補い，精度の向上を目指す．

被験者音声の検出において，再学習を行う
CNN モデルと，再学習を行わない CNN モデルとおよび従来の HMM モデルとを比較する
ために，さまざまな SN 比の被験者音声の検出率と認識率を評価する．

図 05, 被験者発話 検出の概念図
３．計画の進行状況
 現のためにさまざまな機械学習のモデルか
ら有効な手法の検討では，再学習の手法について既存する手法を組み合わせて最適なモデ
ルを検討した．
3.1 再学習の有無における認識率の比較

図 1 MRI 検査時における CNN を用いた学 再学習手法の有効なモデルを明らかにする習モデルの再学習手法の構成ために，再学習なしの CNN モデル，既存手法の HMM モデル，再学習ありの CNN モデル


MRI 被験者の発話検出は音声と画像の二つの 3 種類のモデルそれぞれの母音認識率を比の情報を用いたマルチモーダルなシステムで較した．深層学習モデルとして 4 つの畳み込高度化を図る．提案システムの概念を図 2 にみ層を持つ計 19 層の CNN モデルを使用した．

示す．

CNN モデルの構造を図 3 に示す．再学習あり

音による検出法では，MRI 騒音に頑健な音および再学習なしの CNN モデル，HMM モデ

声取得のために骨伝導マイクロホンの使用す

ルの認識率を図 4 に示す．ほとんどの SN 比る．アンテナの中のマイクロホンやケーブルにおいて再学習ありの CNN モデルは他のモはアーチファクトが生じるため，胸部装着に

デルより認識率が高く，最大で 22%（-6dB）

骨伝導マイクロホンを想定する．その際，混改善した．しかし，再学習に用いたデータの入する呼吸音や生体音といった MRI 駆動音

SN 比（-12dB）に近いところでは認識率の改とは異なるノイズの影響を低減する手法を検善が見られたが，学習条件が異なると改善量― 154 ―

TOPへ戻る
く，発話の検出率が高かった．再学習モデル

率が高かった．このことから，撮像法の違い

で 検 出 率 が 高 か っ た 要 因 は ， 検 査 時 の MRIによる認識率の低下に対して，検査時に作成

駆動音と事前学習に用いた MRI 駆動音の特したデータを用いて再学習を行うことは有効徴が異なり MRI のラベルにおける尤度が低ではあるが，再学習に用いるデータの 61 比は，いためであると考えられる．そのため，再学認識対象とする音声の 61 比に合わせる必要

習 な し の モ デ ル は 認 識 結 果 が 母 音 の /e/に 集がある．

中しており，検査時の MRI 駆動音は母音音声として認識されている．これに対して再学習

1×4

し誤りが抑制できている．
&ODVV2XWSXW

1×256

を学習しているため，MRI 駆動音を母音音声として誤認識することはなく，発話の湧き出

6RIWPD[

2×6×64ありのモデルは検査時の MRI 駆動音の特徴)XOO\&RQQQHFWHG

5H/8

0D[3RROLQJ%DWFK1RUPDOL]DWLRQ

0D[3RROLQJ&RQYROXWLRQ'

5×12×64

10×25×64
5H/8%DWFK1RUPDOL]DWLRQ&RQYROXWLRQ'

5H/8

0D[3RROLQJ

20×50×32%DWFK1RUPDOL]DWLRQ

0D[3RROLQJ&RQYROXWLRQ'5H/8%DWFK1RUPDOL]DWLRQ

40×100×1&RQYROXWLRQ'/D\HUW\SH

PHOVSHFWURJUDPLQSXW

10×25×32

比 12dB の時には再学習なしのモデルの認識

40×100×32

誤認識はなく，被験者発話の取りこぼしはな

2XWSXWVKDSH

は減少し，検査時の MRI 駆動音(T1W)の SN

図 3 CNN モデルの構造

図 5 再学習なしの CNN モデルの混合行列

図 4 T1W を重畳した骨導音声の認識結果
3.2 再学習の有無における検出率の比較
被験者の発話内容に関わらず被験者の音声を検出した場合に検査を中断する状況を考慮した検出率という評価指標を用いて検討する．
再学習ありの CNN モデルと再学習なしのモ

図 6 再学習ありの CNN モデルの混合行列

デルを比較し再学習の効果を調査する．再学
習なしの CNN モデルの混合行列を図 5 に示

3.3 マ ル チ モ ー ダ ル 発 話 検 出 に 向 け た 取 り

し，再学習ありの CNN モデルの混合行列を組み
音と映像を用いたマルチモーダル MRI 被図 6 に示す．
どちらのモデルも母音音声を MRI 駆動音と験者音声検出に向け，音と映像を用いたマル― 155 ―

TOPへ戻る
チモーダル深層学習を用いた研究を行なってで性能評価を行った．今後は，映像面では，

きた[6,7]．運河沿いにおける音響イベント検マスク着用時の発話検出における最適な映像

出において，図 7 に示すような音と映像からデータの検討を行う．そして，音を用いた再CNN モ デ ル を 用 い て 個 別 に 抽 出 し た 特 徴 量

学習モデルと組み合わせた性能評価を行う．

ベクトルを結合して全結合層に入力，学習す

特に，頭部検査時に胸部や背部に骨伝導マイるモデルを用いることで音または映像を単体

クロホン信号に混入する呼吸音や生体音に対で学習した場合を超える精度で音響イベント

して被験者の音声をより高品質で取得できる検出を実現したほか，CNN モデルと RNN モ

装着部位の検討を行う．

デルを組み合わせて時系列情報を考慮した学 発表状況は，学術雑誌１編の技術資料と３習を行うことで誤認識を減らし，安定した検件の国内大会報告である。今後はこれらをま出を行うことができることを確認した．

とめて国際会議や学術雑誌に査読付き論文を投稿する予定である。
参考文献[1] 清水公治：Q&A コーナー（コーヒーブレイク），日本音響学会，Vol.59,p.747,2003.
[2] 武藤憲司：MRI 検査環境における骨導音の利用，騒音制御, Vol.46, No.2, pp.65-69,2022.

図 7 マルチモーダルイベント検出モデル[3] 小 島宏 明： 音に よ る見 守り シ ステ ム ， 日
４．今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状況

本音響学会誌，Vol.75，pp.544-550，2019.

本研究の目的は MRI 駆動音が混入する被[4] 佐野将太，村上史尚，川喜田 佑介，宮崎験者の声を機械学習技術により検出して医師

剛，田中 博：特定の騒音環境下におけるに通知するシステムの構築であり，本年度は音声認識のためのノイズ除去の検討と評

有効な機械学習の手法の検討である．ここで価 実 験 ， 信 学 技 報 ， Vol.121 ， No.41 ，は，深層学習における CNN による MRI 騒音

SeMI2021-2，pp.5–10，2021.

下の音声検出を行い，その中で撮像法の違い[5] 若松奏，庭山耕平，武藤憲司，小林洋介 ：に適応できる再学習手法を検討し，再学習を

CNN を用いた MRI 騒音下における被験行うことによって性能向上を確認した．しか者音声の検出法，日本人間工学会関東支

し，骨伝導マイクロホンを使用する場合，装部第 27 回卒業研究発表会, C-10, pp.78-79,

着部位によっては呼吸音や生体信号等が混入

2021．

し，精度低下の原因となる．今後は，呼吸音[6] 庭 山耕 平， 武藤 憲 司， 小林 洋 介 ： 船舶 検等の雑音を考慮したモデル学習法の検討とノ出 CNN モデルのための音と映像を用いイズ除去や音源分離といった多様な方面の音た教師データの比較検討，日本音響学会

声認識における騒音対策を検討する．また，

春季研究発表会, 1-1P-1, pp.305-306, 2022．

検査時の再学習における教師データや学習コ[7] 庭 山耕 平， 武藤 憲 司， 小林 洋 介 ： 船舶 検出のための CRNN を用いた時系列情報学

ストの削減を検討する．
MRI 被験者の発話検出をマルチモーダル発
話検出の取り組みでは，従来法を組み合わせ

習の有効性の検討，電子情報通信学会総合大会, A-5-9, p.41, 2022.

た手法の検討を行い，音と映像の時系列処理
― 156 ―

TOPへ戻る$QRYHODSSURDFKWRGRPDLQDGDSWLYHLPLWDWLRQOHDUQLQJ  情報通信工学科 3KDQ;XDQ7DQ





１．3DSHULQWURGXFWLRQGHILQHGWDVN:KHQIDFHGZLWKDQHZWDVN

5HLQIRUFHPHQW /HDUQLQJ

5/  LV DQ

DIWHUOHDUQLQJDSUHYLRXVRQHWKHDJHQWHIIHFWLYH PHWKRG WR VROYH VHTXHQWLDOKDV WR OHDUQ WKH VHFRQG WDVN IURP WKH

GHFLVLRQ PDNLQJ WDVNV ZKHUH D OHDUQLQJJURXQGXSHYHQLIERWKWDVNVDUHUHODWHG

DJHQW LQWHUDFWV ZLWK WKH HQYLURQPHQW WR

DQGVKDUHWKHVDPHVWUXFWXUH2QWKHRWKHULPSURYHLWVSHUIRUPDQFHWKURXJKWULDODQG

KDQG KXPDQV DUH FDSDEOH RI HIILFLHQWO\HUURU 5/ KDV DFKLHYHG H[FHSWLRQDO

JHQHUDOL]LQJ WKH OHDUQHG NQRZOHGJH DQGVXFFHVV LQ FKDOOHQJLQJ WDVNV VXFK DV

OHYHUDJLQJ WKDW WR VROYH VXFK UHODWHG

REMHFW PDQLSXODWLRQ JDPH SOD\LQJ DQGWDVNVLQDVKRUWWLPH7UDQVIHUOHDUQLQJDXWRQRPRXV

LWV

7/  LV D WHFKQLTXH EDVHG RQ WKLV LGHD

UHPDUNDEOH DGYDQFHPHQW 5/ VWLOO IDFHV

,W UHXVHV NQRZOHGJH OHDUQHG IURP WKHDSSHDOLQJGLIILFXOWLHVFDXVHGE\WKHQHHG

VRXUFHWDVNWRIDFLOLWDWHOHDUQLQJDQHZ

RIDUHZDUGIXQFWLRQ)RUHDFKWDVNWKDWWDUJHW WDVN UHVXOWLQJ LQ D PRUH

WKHDJHQWKDVWRDFFRPSOLVKDFDUHIXOO\JHQHUDOL]HG DJHQW 5HFHQW VWXGLHV >UHI@GHVLJQHGUHZDUGIXQFWLRQPXVWEHSURYLGHG

KDYHDSSOLHG7/DQGDFKLHYHGVRPHVXFFHVV+RZHYHUUHZDUGHVSHFLDOO\ LQ URERW PDQLSXODWLRQ WDVNVIXQFWLRQV PD\ FRVW WRR PXFK WLPH RU

VLQFHWKHVHWDVNVXVXDOO\VKDUHDFRPPRQH[SHQVH HVSHFLDOO\ LQ FRPSOH[ WDVNVVWUXFWXUH LHURERWDUP $OWKRXJK7/

7KLV SUREOHP KDV PRWLYDWHG D QXPEHU RI

KDVEHHQEURDGO\VWXGLHGLQ5/LWLVDQVWXGLHVRQ,PLWDWLRQ/HDUQLQJ ,/ ZKHUH

HPHUJLQJ WRSLF LQ ,/ 0RUHRYHU ZKLOH

WKH OHDUQLQJ DJHQW WULHV WR ILUVW

VRPHOHYHORIVXFFHVVKDVEHHQDFKLHYHGHVWLPDWHDUHZDUGIXQFWLRQXVLQJH[SHUWWKHUH LV VWLOO DQ HQRUPRXV GLIIHUHQFH

JHQHUDWHG GHPRQVWUDWLRQ GDWD DQG WKHQ

EHWZHHQ KXPDQ DELOLW\ DQG 7/ 6LQFH WKHOHDUQV DQ RSWLPDO SROLF\ IURP WKDWJRDO RI 7/ LV WR OHYHUDJH WKH OHDUQHG

HVWLPDWLRQ ,/ KDV DFKLHYHG VXFFHVV LQ

NQRZOHGJH WR DFFHOHUDWH WKH DFTXLVLWLRQQXPHURXVWDVNVLQFOXGLQJURERWLFVFRQWURO

RI WKH QHZ WDUJHW WDVN WKH ILQDO

DQGDXWRQRPRXVGULYLQJ'HVSLWH5/DQG,/SHUIRUPDQFH RQ WKH WDUJHW WDVN PD\DFKLHYHPHQWVWKH\DUHGHVLJQHGWRIRFXVLPSURYH LQ H[FKDQJH IRU WKH SHUIRUPDQFH

RQ DFFRPSOLVKLQJ D VLQJOH QDUURZO\RQ WKH VRXUFH WDVN ,Q RWKHU ZRUGV WKHGULYLQJWKHVH

%HVLGHV

KDQGFUDIWHG

― 157 ―

TOPへ戻る
DJHQW IRUJHWV KRZ WR SHUIRUP WKHRSWLPDO SROLF\ WKDW LPLWDWHV WKH H[SHUWSUHYLRXVO\ OHDUQHG WDVN ZKHQ OHDUQLQJ D

SROLF\ ( JLYHQ GHPRQVWUDWLRQV IURP WKDWQHZRQHDSUREOHPNQRZQDVFDWDVWURSKLF

H[SHUW ([ $ GHPRQVWUDWLRQ IRU D WDVN [IRUJHWWLQJLVGHILQHGDVDVHTXHQFHRIVWDWHDFWLRQV

7RDGGUHVVWKLVSUREOHPLQWKLVVWXG\SDLUV

ZH SURSRVH D QRYHO DGDSWDWLRQ DOJRULWKPπx τx = {(stx, atx) : t ∈ [0, T]}.ZKLFK DOORZV DQ DJHQW WR H[SDQG DQG WR

/HW 06 GHQRWH D VRXUFH WDVN ZKLFKUHSHDWHGO\UHYLHZWKHOHDUQHGNQRZOHGJH

SURYLGHV SULRU NQRZOHGJH .6 WKDW LV

,QDGGLWLRQWRVXSSRUWWKHH[SDQVLRQRIDFFHVVLEOH E\ WKH WDUJHW WDVN 07 VXFKWKH OHDUQHG NQRZOHGJH D QRYHO DJHQW LV

WKDW E\ OHYHUDJLQJ WKH LQIRUPDWLRQ IURPDOVR SURSRVHG ZKLFK LV FDSDEOH RI

.6WKHWDUJHWDJHQWOHDUQVEHWWHULQWKH

WXUQLQJWKHNQRZOHGJHOHDUQHGIURPVRXUFHWDUJHW WDVN 07 FRPSDUHG ZLWK QRWWDVNLQWRDWKHVRFDOOHGWDVNHPEHGGLQJXWLOL]LQJ LW 2XU PDLQ REMHFWLYH LV WR

VSDFH $V WKH UHVXOW WKH OHDUQLQJOHDUQ DQ DQ RSWLPDO SROLF\   IRU ERWKSHUIRUPDQFH RQ WKH WDUJHW WDVN LV KLJKVRXUFH DQG WDUJHW WDVNV E\ OHYHUDJLQJZKLOH WKH RQH RQ WKH VRXUFH WDVN LV

H[WHULRU LQIRUPDWLRQ .7 IURP 07 DV ZHOOHIILFLHQWO\NHSWVWDEOH

DVLQWHULRULQIRUPDWLRQ.6IURP06



,Q RUGHU WR DFKLHYH KLJK OHDUQLQJ

２．5HVHDUFKSURJUDPSHUIRUPDQFH RQ WKH WDUJHW WDVN ZKLOH%HIRUH GHVFULELQJ WKH PDLQ SURSRVDODYRLGLQJ WKH GHWHULRUDWLRQ RI WKRVH RQ

WKHSUREOHPIRUPXODWLRQLVLQWURGXFHGZH

WKHVRXUFHWDVNWKHSURSRVDOLVWZRIROGIRUPDOL]HLQ

)LUVW ZH LQWURGXFH D QRYHO DGDSWDWLRQLPLWDWLRQ OHDUQLQJ DV D 0DUNRY GHFLVLRQDOJRULWKPZKLFKLVLQVSLUHGRIUHSHWLWLRQSUREOHP$0DUNRY'HFLVLRQ3URFHVV 0'3 

OHDUQLQJLQQHXURVFLHQFH7KHPDLQSRLQW

0[IRUDWDVN[ZLWKILQLWHWLPHKRUL]RQLQWKLVDOJRULWKPLVWKHPDQLSXODWLRQRI

+[ LV UHSUHVHQWHG DV WKH IROORZLQJD K\SHUSDUDPHWHU ZKLFK GHQRWHV KRZ PDQ\HTXDWLRQSHUFHQWDJHVRIFKDQFHWKHDJHQW UHFHLYHV



WKH

WDVN

DGDSWDWLRQ

Mx = (Sx, Ax, Px, Rx, γxHx)

GHPRQVWUDWLRQ GDWD RQ WKH VRXUFH WDVN



7KHKLJKHUYDOXHRIWKLVK\SHUSDUDPHWHUZKHUH6[DQG$[DUHWKHVWDWHDQGDFWLRQ

WKH PRUH WKH DJHQW FDQ UHYLHZ WKHspaces, respectively; Px : Sx × Ax × Sx

SUHYLRXVO\ OHDUQHG NQRZOHGJH $V WKH→ R+ denotes the transition probability

UHVXOW D VPDOOHU UHGXFWLRQ LQ OHDUQLQJ

function; Rx : Sx × Ax → R is the reward

SHUIRUPDQFHLVIRXQG

function;

and

γx

∈

(0,

1]

is

the

GLVFRXQW IDFWRU ,Q ,/ VHWWLQJ WKHUHZDUG IXQFWLRQ 5[ LV DVVXPHG WR EH
unknown. A stochastic policy πx : Sx →3 $[ IRU0[GHVFULEHVDPDSSLQJIURPHDFKVWDWH WR WKH SUREDELOLW\ RI WDNLQJ HDFKDFWLRQ 7KH JRDO LQ ,/ LV WR OHDUQ DQ
― 158 ―

TOPへ戻るDFWLRQ JHQHUDWRU * 7KH LQWXLWLRQEHKLQGWKLVLVWKHH[SHUWEHKDYLRUVDUH DVVXPHG WR EH RSWLPDO WKXV '
LV

WUDLQHGWRPLQLPL]HWKH

GLIIHUHQFH EHWZHHQ H[SHUW DFWLRQVJHQHUDWHGE\*7KHDGYHUVDULDOORVVZLOO EH DSSOLHG WR ERWK * DQG '
QHWZRUNV

7KHDUFKLWHFWXUHRIWKHSURSRVHGDJHQW 

３．6WDWHRISURJUHVV&XUUHQWO\ZHKDYHDOUHDG\ILQLVKHGDOO

,Q DGGLWLRQ WKH DGDSWDWLRQ DOJRULWKPWKHH[SHULPHQWVWRHYDOXDWH

WKH

KDVDELOLW\RINQRZOHGJHH[SDQVLRQ0RUHSHUIRUPDQFH

FRQFUHWHO\WKHNQRZOHGJHOHDUQHGRQWKH

FRPSDULVRQZLWKYDULRXVEDVHOLQHV,QWKH

target task will be “placed” on the top

HYDOXDWLRQ SDUW ZH XVHG VL[ VLPXODWHG

RIWKHRQHOHDUQHGRQWKHWDUJHWWDVNWDVNV 3HQQGXOXP &DUWSROH :LQGRZ2SHQ

7R VXSSRUW WKH H[SDQVLRQ RI OHDUQHGRI

SURSRVHGPHWKRGLQ

:LQGRZ&ORVH'RRUDQG+DPPHUNQRZOHGJH ZH SURSRVH D QRYHO DJHQWQDPHO\ 7$,/ 7KLV DJHQW LQFOXGHV WKUHH
GHHS IHHGIRUZDUG QHWZRUNV DV VKRZQ LQ
ILJXUHDERYH
-

7DVN HPEHGGLQJ RXWSXW D ODWHQW

YHFWRU RI D SDUWLFXODU VWDWH 7KH
WDVNHPEHGGLQJQHWZRUNLVWUDLQHGWR

9LVXDOUHQGHULQJRIVL[VLPXODWHG

VWRUH LQIRUPDWLRQ DERXW WKH VRXUFHHQYLURQPHQWVXVHGLQRXUH[SHULPHQW

DQG WDUJHW WDVNV LQ RUGHU WR

FODVVLI\ ZKLFK WDVN WKH VWDWH LV

:HHYDOXDWHGWKHSURSRVHGPHWKRGZLWKLQUHSUHVHQWHG

-

-

7R

GR

VR

WKH

WZR SKDVHV ZLWK WKH FRPSDULVRQ ZLWKFRQWUDVWLYH ORVV LV XVHG ZKLFKEDVHOLQHVPLQLPL]HEHWZHHQSHUIRUPDQFH RQ WKH VRXUFH WDVN ZDVYHFWRUVWKDWDUHJHQHUDWHGIURPWKH

YHULILHG,QWKLVSKDVHZHXVHG3UR[LPDO

VDPHWDVNVDQGPD[LPL]HWKHGLVWDQFH

3ROLF\

EHWZHHQ YHFWRUV WKDW DUH JHQHUDWHG

UHLQIRUFHPHQW OHDUQLQJ EDVHG PRGHO DQG

IURPGLIIHUHQWWDVNV

7$7/ D WUDQVIHU OHDUQLQJ PRGHO DV WKH$FWLRQJHQHUDWRU*DLPVWRJHQHUDWHEDVHOLQHV :KLOH 332 ZDV WUDLQHG RQ WKHDQ DFWLRQ XVLQJ WKH LQSXW ODWHQWVRXUFHWDVNDQGFDQGLUHFWO\UHFHLYHWKH

YHFWRUUHZDUGIHHGEDFNIURPWKHHQYLURQPHQW7$

'LVFULPLQDWRU ' LV GHVLJQHG WR

7/ XVHG ILOWHG 4LWHUDWLRQ WR OHDUQGLVWLQJXLVK EHWZHHQ H[SHUW DFWLRQRSWLPDOSROLF\RQWKHVRXUFHWDVN6HFRQG

DQG WKH DFWLRQ JHQHUDWHG E\ WKH

WKH

WKH

GLVWDQFH)LUVW

2SWLPL]DWLRQOHDUQLQJ

WKH

332 

SHUIRUPDQFH

OHDUQLQJ–D

GXULQJ― 159 ―

TOPへ戻る
DGDSWDWLRQSURFHVVLVHYDOXDWHG,QWKLVSKDVH ILQHWXQLQJ ZDV DSSOLHG LQWR RXUPHWKRGDQG332WRJHQHUDWHWZREDVHOLQHVLQDGGLWLRQWR7$7/
7KHVLPXODWHGUHVXOWVGHPRQVWUDWHWKDWRXU SURSRVHG DSSURDFK RXWSHUIRUPV 7$7/
LQ DOO FDVHV LQ WKH ILUVW HYDOXDWLRQZKLOHLVVOLJKWO\ORZHUWKDQ3327KLVLVXQGHUVWDQGDEOH

VLQFH

332

UHLQIRUFHPHQWOHDUQLQJLVDDSSURDFK0HDQZKLOH LQ VHFRQG HYDOXDWLRQ RXUSURSRVHG DSSURDFK FRPSOHWHO\ RXWSHUIRUP
DOOWKHEDVHOLQH7KLVLQGLFDWHVWKDWWKH
SURSRVHG DSSURDFK ZKLFK LV LQVSLUHG RI
UHSHWLWLRQ OHDUQLQJ LQ QHXURVFLHQFH LV
H[WUHPHO\HIILFLHQW４ ． )XWXUH SURJUDP SDSHU VXEPLVVLRQ DQGUHVXOWVEULHILQJ
7KDQNV WR WKH JUHDW VXSSRUW RI OLQNHG
.DNHQKL )< ZH KDYH VXFFHVVIXOO\ILQLVKHG DOO WKH H[SHULPHQWV UHJDUGLQJWKLV VWXG\ 7KH UHVXOWV DUH SRVLWLYH
%DVHGRQWKDWDSDSHULVFXUUHQWO\XQGHUWKH ILQDO VWDJH RI ZULWLQJ ,W ZLOO EH
YHU\VRRQVXEPLWWHGWR MRXUQDO 6HQVRUVLQGH[HGLQ6&,(ZLWK,)  











― 160 ―

TOPへ戻る

ドープと同時に触媒除去を行う
低抵抗グラフェン形成プロセスによる高周波デバイス作製  電子工学科  上野 和良 
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

ローの構築を目指す。まず基板上にインダク

 多層グラフェン（0/*）は、集積回路等のタなどのデバイスの形状に 1L 触媒パターン

電子デバイスの電極・配線に現在用いられてを形成する。次に 1L パターン上に選択的に熱いる銅（&X）などの金属に比較して、高い電&9' 法によって、0/* を成長する。次にその流密度耐性や長い平均自由行程から、次世代

0/* に、低抵抗化のため、五塩化モリブデンの高信頼、低抵抗の電極・配線材料として期（0R&O ）のインターカレーションドーピング待されている。またインターカレーションし（以下、インターカレーション）を行う。こた多層グラフェン（,0/*）では、図  に示すの工程では、化学反応によって生じた塩素ガ

ように、キャリアの散乱が少ないグラフェン

スによって、1L のエッチング反応も生じるたの特徴から生じる力学インダクタンスの効果

め、ドーピングによる 0/* の低抵抗化とともで、通常の金属よりインダクタンス密度が高に、1L 触媒層の除去が期待できる。

く、,R7 デバイスの小型・高性能化につながこのプロセスフローの構築のためには、1Lるなど、高周波デバイス材料としても注目さパターン上への高品質の 0/* 膜を選択的に形れている。現在までに高品質のグラファイト

成するプロセス、形成した 0/* パターンに高結晶から剥離した理想的な 0/* を用いた実験

濃度の 0R&O  インターカレーションを行うとで、高インダクタンス密度の原理検証が行わ

同時に 1L 除去を行うプロセスを開発する必れているが、原理検証に用いられた 0/* は量要がある。今年度、そのようなプロセスが構産に適さず、実用化に向けた製造方法の構築

築可能か検討を行った。

が課題である。0/* 成膜法の中で、ニッケル

（1L）などの触媒を用いた熱 &9' 法は、大面積で高品質な 0/* 膜を形成でき、実用化に適しているが、&9' 成長に用いた触媒層の 1L が

残留するという課題がある。そこで、本研究

では、&9' 後に低抵抗化のためのドーピングと同時に 1L 触媒層を除去する新たな製造方



力学インダクタンス

グラフェン中では、
散乱されずに瞬間的に電荷が移動し、
その電荷の偏りにより電流と逆向きの電場が生じる

図 ．,0/* における力学インダクタンスによ法を構築することを目的とする。

るインダクタンス密度増加の模式図．



（通常の金線での磁気インダクタンスに加え

２．研究計画 本研究では図  に示すようなプロセスフて ,0/* では力学インダクタンスが加わる）

― 161 ―

TOPへ戻る

ることで導電性を持つ。このキャリアドーピ



ング効果とともに、インターカレーションによりグラフェン層間の間隔が拡がり、層間の

電気的な相互作用が弱まって、単層グラフェ

ンと同様のキャリア伝導特性を持つようにな

る。インダクタンス密度の高い 0/* を得るに

は、この ,0/* の形成が必須であり、本研究

では図  に示すような装置を開発し、原理検証 で 用 い た 臭 素 （ %U ） よ り 安 定 性 に 優 れ る

図２．本研究で検討する高性能 0/* デバイス

0R&O  インターカレーションを行った。

の実用化を目指したプロセスフロー．
３．計画の進行状況



まず図  に示した工程において、0/* の選
択熱 &9' および 0R&O  インターカレーションのプロセスを個別に開発した。
その後、それらを組み合わせて、&9' で形成した 0/* パターンへのインターカレーショ
ンドーピング（以下、インターカレーション）を行った。組み合わせプロセスは、最初はス

テンシルマスクを用いて 1L パターン形成を行ったが、ステンシルマスクによる影の部分

図 0R&O  インターカレーションと開発したで、1L 膜厚が薄くなる問題が生じたため、フインターカレーション装置の模式図．

ォトリソグラフィによる 1L パターン形成を

用いて改善を行った。

 0R&O  インターカレーションによる 0/* の構築したプロセスフロー用いて、ドープし抵抗低減効果を図  に示す。プロセス時間をた 0/*1L パ タ ー ン の 抵 抗 を 7UDQVPLVVLRQ

長くするに従って、ドーピング濃度が上昇し、/LQH0HWKRG（7/0）を用いて評価した。

抵抗低減効果も高くなることがわかる。図 

さらに、高周波デバイスとしてスパイラルに示すように、インダクタの原理検証に用いインダクタの作製を目的として、マイクロメ

た %U  と同程度の抵抗低減が得られた。

ータ幅のインダクタパターンの &9' 成長条件

の最適化を行った。
以下にそれらの成果について、図を用いて説明する。
 0R&O  インターカレーション インターカレーションは図  に示すように、
 次元結晶であるグラフェンが縦方向に積層した層間に分子を挿入することで、分子がグ
ラフェン層から電子を引き付け、不足した電荷分が正の電荷を持つキャリアとして伝導す
図 0R&O  ｲﾝﾀｰｶﾚｰｼｮﾝの抵抗低減効果．

― 162 ―

TOPへ戻る1L パターン上への 0/* 選択成長と 0R&O 低減効果を調べるため、図  に示すように 7/0

インターカレーション

パターンを作製し、ドーピング前後の抵抗変

 の検討では、理想的な高品質 0/* のモ化を評価した。その結果、１㎜幅と  ㎜幅

デルとして高配向熱合成グラファイト（+23*）

ではドーピング後に抵抗低減が見られ、ドーを剥離した薄膜を用いたが、実用化に向けてピングにより 0/* の抵抗が低下したと考えら&9' で選択的に 1L パターン上に 0/* を堆積し、れる。 ㎜幅においては抵抗低減が見られず、

0R&O  インターカレーションを行った。

1L エッチングの影響が考えられるが、今後、

図  は、フォトリソグラフィにより加工し詳細な検討が必要である。

た幅  ㎜から  ㎜の 1L パターン上に &9' 成長

さらに高周波デバイスへの応用を目指してした 0/* 膜のラマンスペクトルで、グラファ

マイクロメータ幅のインダクタパターンの

イト結晶構造に由来する * バンドと、結晶欠&9' を行った。図  は、試作したインダクタ

陥に由来する ' バンドの比（*' 比）が  をパターンの一例で、前記の技術を用いて良好超える大変結晶性の良い 0/* 膜が得られた。

なインダクタパターンが形成できた。

図  は、&9' で堆積した 0/* 膜に 0R&O  イン
ターカレーションを行った ,0/* のラマンスペクトルで、 で示した高品質グラファイ
ト膜と同様に高濃度のドーピングができていることを示している。


図 ．ドーピング前後のシート抵抗比較．

図  1L パターン上に選択的に堆積した 0/*
図 ．&9' により形成した 0/* インダクタ．

のラマンスペクトル．
以上のように、実用化につながるプロセス
フローにより、ドープ 0/*1L パターンを形成
し、0/* の低抵抗化が確認できた。また、選
択 &9' により、マイクロメータ幅のスパイラ
ルインダクタが形成できた。一方で、インターカレーション中に 1L 層が部分的にエッチ
図 0R&O  インターカレーション後の &9' による ,0/* 膜のラマンスペクトル．

 ングされたが、すべてを除去することはできなかった。1L を完全に除去するには、プロセス条件の検討がさらに必要である。また、1L

層は磁性を有するため、磁気インダクタンス

ドーピングによる 0/*1L パターンの抵抗を向上する効果も考えられ、0/*1L 積層構造

― 163 ―

TOPへ戻る
の応用可能性についても検討の余地がある。

RI



DSSOLFDWLRQV

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況$VLD3DFLILF

今後、 で述べた課題の解決に向けて、1L

JUDSKHQH

LQWHUFRQQHFWLQYLWHG“ ， :RUNVKRSRQ)XQGDPHQWDOV DQG $SSOLFDWLRQV RI

膜厚や 0R&O  インターカレーションのプロセ$GYDQFHG

ス条件を検討し、1L のさらなるエッチング除$:$' 

去 が 可 能 か 検 討 す る 。 ま た 、 1L を 残 し た

KWWSVZZZLHLFHRUJHVVGPMSQDZ

0/*1L 構造について、電気的特性や高周波特DG

性を評価し、その特性に応じた応用の可能性



6HPLFRQGXFWRU'HYLFHV%

. 8HQR “$GYDQFHV LQ JUDSKHQH
SURFHVVHVIRUPHWDOOL]DWLRQDQGKLJK

についても検討する。

IUHTXHQF\GHYLFHV LQYLWHG ”3URF

以下に  年度に実施した本研究に関係

WK,QW6\PS$GYDQFHG3ODVPD6FL

する論文・発表を示す。

DQGLWV$SSOLFDWLRQVIRU1LWULGHVDQG


>論文（査読あり）@

1DQRPDWHULDOV  WK ,QW &RQI

3ODVPD1DQR 7HFKQRORJ\  6FL -SQ

(.HWVRPEXQ.8HQR“2SWLPL]DWLRQ
RI

0R&O  

ORZUHVLVWDQFH

LQWHUFDODWLRQ
DQG

IRU

ORZGDPDJHH[IROLDWHG KLJKO\RULHQWHG S\URO\WLF

>国内学会他（査読なし）@

大山嵩太(.HWVRPEXQ上野和良，“フJUDSKLWH”0LFURHOHFWURQLF(QJ

ォトリソグラフィで形成した 1L パターン  への選択 &9' による高濃度ドープ 0/* パ

上野和良，“ナノカーボンのインダクタおターン形成”第 回半導体集積回路技

よびメタライゼーションへの応用”，エレ

術シンポジウム3

クトロニクス実装学会誌、  。


6RF$SSO3K\VS'



蓮見玲乃，上野和良“パターン 1L 触媒.8HQR“3UHVHQWVWDWXVDQGSURVSHFW

を 用 い た 多 層 グ ラ フ ェ ン の 選 択 &9' 成

RIJUDSKHQHLQWHUFRQQHFWDSSOLFDWLRQV長” 年電気化学秋季大会Ｓ 電子“，7UDQV,(,&((&WREHSXEOLVKHG

材料及びナノ機能素子,

 



松永 健太 ， 秋本 知輝 ，ｹﾄｿﾝﾌﾞﾝｴｯｶﾌｫｯﾌ，>国際学会（査読あり）@

上野和良、“ドープ多層グラフェンを用い( .HWVRPEXQ 7 $NLPRWR . 8HQR

たパッチアンテナの作製”，電気化学会第“ )DEULFDWLRQ RI KLJKO\ GRSHG 0/* 回大会 6 電子材料及びナノ機能素子

SDWWHUQVXVLQJVHOHFWLYH&9'DQG0R&O  技術，，１5

LQWHUFDODWLRQ”  3URF ,((( ,QW,QWHUFRQQHFW7HFKQRORJ\&RQI

高濃度ドープ多層グラフェンパターンの36

形成”第  回グリーンエレクトロニク

5+DVXPL.8HQR“6HOHFWLYH&9'RIス国際シンポジウム，6,7XQLIRUP PXOWLOD\HU JUDSKHQH RQ 1L

蓮見玲乃，上野和良“選択 &9' による

FDWDO\VW SDWWHUQ” 3URF $GYDQFHG

多層グラフェンインダクタパターンの形

0HWDOOL]DWLRQ

成”第  回グリーンエレクトロニクス&RQIHUHQFH$VLDQ

VHVVLRQ


大山嵩太，上野和良“選択 &9' による

国際シンポジウム，6,7

.8HQR“3UHVHQWVWDWXVDQGSURVSHFW― 164 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１

ニューロマーケティングアプローチによる観光画像評価と訪日観光プロモーションに関する研究  工学部電子工学科 村上嘉代子 
共同研究者
デジタルハリウッド大学大学院  山崎敦子
広島大学情報メディア教育研究センター  Muhammad Nur Adilin Mohd Anuardi
北陸学院大学短期大学部コミュニティ文化学科  沢田 史子
芝浦工業大学工学部機械機能工学科  中村 真吾

1. 序論（はじめに，まえがき，目的）ことである。

訪日観光客は年々増加していたが、2020 年

本研究は 3 年間の期間を要する研究であるの COVID-19 のパンデミックにより激減したが、1 年目である 2021 年度は、静止画と動画[1]。しかしながら、このパンデミックが収束の印象評価について外国人と日本人の評価のした際に訪日観光客数の回復と、新たな訪日違いについてアンケート調査を行った結果と、観光客を集客するため、観光動機につながる

その結果を踏まえて、写真（静止画）の構図

プロモーションをオンライン上で行っていくについての印象評価のためのアンケート調査必要がある。

を行うことを目的とした実験デザインの設計

SNS や観光ウェブサイトにおいて、写真やを行った。これらを本報告書にてまとめた。

動画、スライドショーなど様々な形態の画像が使用されているが、静止画と動画、また写2. 研究計画

真の中でもどのような特徴によって観光動機

本研究では、まず、静止画と動画の印象のを引き付けるのかについては、明らかにされ違いを評価する。制作コストを考えると静止ていない。掲載する写真や動画については観画（写真）をウェブサイトに掲載するほうが光産業でプロモーションを担う担当者のノウ

動画よりは費用が掛からない。しかし、動画

ハウによるところが大きい。また、近年、ニには一度に伝えられる情報量が多い。それぞューロサイエンスやニューロマーケティング

れのメリットがあるが、日本の観光景観画像のような無意識下での心理や行動を分析するにおいて、静止画と動画のどちらがより効果研究が注目されているが[2]、これまで観光分

的であるかを検証するため、日本語と英語の野においてはこれらのアプローチを活用した

アンケートを作成してウェブ上にて被験者に

研究成果は乏しく、今後期待を寄せられてい印象を評価してもらう。また、コストパフォる。

ーマンスに優れた静止画（写真）において、本研究の目的は、訪日観光活性化に寄与す

効果的な構図についても印象評価を行う。日るため、SNS やウェブサイトにおいて観光動

本料理と観光景観の写真を様々な角度や構図

機を促す画像の特徴を明らかにし、より効果で撮影したものを用意し、静止画と動画の比的な訪日観光プロモーション方法を提案する

較と同様にこれらの評価も被験者にウェブ上― 165 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
で 行 っ て も ら う 。 評 価 方 法 に は SD 法
（Semantic Differential method）と呼ばれる相反する形容詞対を用いて測定する方法を用いる。
更に、意識下と無意識下において、これらの印象の違いが異なるかについても検証を行う。アンケートという主観的な評価で意識下における印象を計測し、光トポグラフィ（Near-infrared spectroscopy, NIRS）を用いて脳血流量や心拍といった客観的な指標で無意

図 1. 2015 年から 2019 年の訪日外国人客数

識下における変化を計測する。

上位国

これらのアンケート実験結果と脳血流量変

出 典 ： 日 本 政 府 観 光 局 （ JNTO） 参 考 文 献 [1]を 基 に 作 成化や心拍との関連について分析する。客観的、主観的な面から結果を合わせて分析すること

被験者数は、日本人が 84 名（男性 71 名、で、旅行者が興味を持つ観光画像の特徴を明

女性 13 名）、中国人が 15 名（男性 11 名、女らかにし、さらに旅行者の属性や国籍によっ性、4 名）、タイ人は 7 名（女性のみ）、マレてその違いがあるかを解明していく。

ーシア人は 9 名（男性 4 名、女性 5 名）の、これらの実験・分析結果に基づき、実証実験を行う。自治体（那須町）の SNS 上に実験

計 115 名である。印象評価に用いた日本の観

光景観画像を図 2 に示す。             

結果から得られた特徴を持つ写真を載せて反響を観察する。Facebook に載せた場合、いいね数、シェア数、コメントの分析を行い、コ
メントは言語別にデータを分析する。
以上が本研究の大きな流れであるが、本研究の 1 年目に行った、観光画像の静止画と動画の印象を日本語と英語のウェブサイトで被験者による評価を行った結果と、日本料理の写真の評価基準の設定や実験デザインの設計の概要を述べる。
3. 計画の進行状況
 訪日外国人数を増加するためにも、ターゲットに合ったプロモーションが必要である。
図 1 は 2015 年から 2019 年までのコロナ禍になる前の訪日外国人の上位国をまとめたものである。本研究では静止画と動画の印象評価

図 2. 静止画と動画の印象評価用の日本の観アンケートを英語化し、日本人以外に、訪日

光景観画像

外国人数の上位を占める中国人、タイ人、マ
これら 10 の景観画像をそれぞれ静止画とレーシア人に対してアンケート実験を行った。

動画で用意し、静止画 10 枚、動画 10 枚の印― 166 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
象評価を表 1 の SD 法アンケート項目によっこれらの結果から、静止画（写真）に置いて評価してもらった。表 1 の SD 法アンケーて、旅行動機を引き起こす、より効果的な構トの作成には佐々木[3]が用いた指標を参考

図について、評価実験を行うため、以下のよにした。

うに実験のデザインを行った。
まず、構図を評価するため、訪日外国人旅行

表 1. 景観画像（静止画と動画）の評価項目
評価7

者が旅行目的としている日本料理を対象とし

評価1て実験を行う。日本料理としては、典型的な

関心がある

⇔

関心がない

日本料理である、寿司、天ぷら、和牛ステー

行ってみたい⇔行きたくはない

好きな

⇔

嫌いな

キ、刺身、うどん、の  品を比較することと

日常的な

⇔

非日常的な

親近感のわく

⇔

疎遠な

癒される

⇔

癒されない

穏やかな

⇔

刺激的な

[4]を参考にし、表 2 のような評価のパラメー

安全な

⇔

危険な

ターを作成し、これに基づき日本料亭に協力

素朴な

⇔

しゃれた

を依頼し、撮影を行った。

伝統的な

⇔

近代的な

した。これらの料理の写真には様々な構図が考えられるが、料理の写真として有効と思われている構図を検討した。柿森らの先行研究

SD 法調査のそれぞれの項目の 7 つの評価

表 2. 日本料理写真印象評価パラメーター

尺度（「非常にそう思う」を 7、「非常にそう

料理写真番号 料理名 パラメーター
料理1_寿司①お皿対角＋斜め45度＋皿かけあり
料理2_寿司②お皿対角＋真上＋皿かけあり
料理3_寿司③お皿対角＋横＋皿かけあり
料理4_寿司④お皿正面＋斜め45度＋皿かけあり
料理5_寿司⑤お皿正面＋真上＋皿かけあり
料理6_寿司⑥お皿正面＋横＋皿かけあり
料理7_天ぷら①日の丸+斜め45度
料理8_天ぷら②日の丸＋真上
料理9_天ぷら③3分割＋斜め45度
料理10_天ぷら④3分割＋真上
料理11_ステーキ①日の丸+斜め45度+皿かけあり
料理12_ステーキ②日の丸+斜め45度+皿かけなし
料理13_ステーキ③日の丸+真上+皿かけあり
料理14_ステーキ④日の丸+真上+皿かけなし
料理15_ステーキ⑤3分割+斜め45度+皿かけあり
料理16_ステーキ⑥日の丸+横+アップ
料理17_刺身①お皿対角＋斜め45度＋皿かけあり
料理18_刺身②お皿対角＋真上＋皿かけあり
料理19_刺身③お皿対角＋横＋皿かけあり
料理20_刺身④お皿正面＋斜め45度＋皿かけあり
料理21_刺身⑤お皿正面＋真上＋皿かけあり
料理22_刺身⑥お皿正面＋横＋皿かけあり
料理23_うどん①日の丸＋斜め45度
料理24_うどん②日の丸＋真上+器かけあり
料理25_うどん③日の丸＋真上+器かけなしり
料理26_うどん④日の丸＋斜め45度+アップ

思わない」を 1 とする）ごとの回答平均値を国籍別に算出して、各画像の静止画と動画において違いがあるか、t 検定を行い、主観評
価の結果を分析した。
分析した結果は以下のとおりである。
日本人被験者では、各項目の評価点の平均値が全て、静止画よりも動画の方が大きくなることから、一般的に静止画よりも動画の方が伝えられる情報量が多く、動画になり、動きが出たことで持つ印象が静止画よりも動画の方が高くなったのではないかと考える。また、中国人では、石灯篭などの伝統的建築物の景観は動画での有効性も見られたが、その他のほとんどの景観画像では有意差が無かったため、伝統的建築物以外は、静止画を有効に活用できるのではないかと考える。また、タイ人やマレーシア人でも一部の景観画像では動画の方が有効であるような有意差が見られたが、中国人の結果と同様に、多くの景観

図 3 に示すのは、26 枚撮影したうちの料理で有意差は見られず、外国人旅行者には静止

写真の一部である。これらを用いて SD 法ア

画でも有効なプロモーションができるであろ

ンケート項目を作成し、ウェブさんケートのうということが示唆された。

構築を行った。表 3 に示す日本料理の写真に― 167 ―

TOPへ戻る【別添２】様式１
ついての SD 法の項目は、先行研究[5-6]を参論文で発表された。

考に作成している。

（口頭発表 1）2021 年 9 月 高橋瑠依，村上嘉代子，山崎敦子「ニューロマーケティング
アプローチによる観光画像印象評価実験」観
光情報学会・第 1 回かがのと観光情報学研究会（2021 年 9 月 14 日 於 オンライン）
（口頭発表 2）2021 年 9 月 Rui Takahashi,
Kayoko H. Murakami, Atsuko K. Yamazaki,"Experiment to Evaluate Tourism Pictures
Using a Neuromarketing Approach," TheIEEE ProComm Japan 2021 Workshop,
September 21, 2021, Online（専門誌発表論文 1）Muhammad Nur Adilin
Mohd

Anuardi,KayokoH.

Murakami,

Atsuko K. Yamazaki, Eitaro Watanabe, “A
図 3. 写真の構図印象評価アンケートに用

preliminary study of impressions on photo
andいた日本料理写真の一部

video sceneries

foreignforJapanese

virtualandtourism,”

Journal of Global Tourism Research, Vol. 6,

表 3. 料理写真の評価項目
評価7

touristsby

No. 2, pp. 143-149, 2021

評価1

食べたい

⇔

食べたくない

おいしい

⇔

まずい

好き

⇔

嫌い

美しい

⇔

醜い

鮮やかな

⇔

地味な

高級な

⇔

安っぽい

洗練された

⇔

粗野な

[2]竹 村和 久 「ニ ュー ロマ ー ケテ ィン グ と 意

繊細な

⇔

大まかな

思決定研究」オペレーションズ・リサーチ Vol.

熟練した

⇔

未熟な

61(7), pp.429-434, 2016

心がこもっていない [3]佐 々木 土 師二 「観 光旅 行 の心 理学 」 北 大

心がこもっている ⇔参考文献[1]日本政府観光局（JNTO）、訪日外国人客の動 向 、 2022 年 5 月 閲 覧 https://www.jnto.
go.jp/jpn/statistics/visitor_trends/

路書房、pp94-p99、2007
4. 今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状況[4]柿森隆生、岡部誠、尾内理紀夫「おいしそ今後の計画としては、無意識下の実験であうな料理写真撮影を支援するシステムの検る、NIRS を用いた脳血流量や心拍の変化を討」情報処理学会第 56 回 プログラミング・

測定する実験のための被験者募集を行い、実シンポジウム、pp. 131-141、2015

験実施、結果の解析と分析を行っていく。ま[5]大富あき子「アップルパイに対するイメー

た、アンケート評価については、写真の構図

ジ調査」鹿児島純心女子短期大学研究紀要第に関しては景観画像の構図についても評価パ

39 号 pp.141-149、2009

ラメーターを作成し、写真撮影およびウェブ[6]竹澤智美「ケーキの写真のおいしさの印象

サイトの構築を行う。

とレンズの焦点距離および撮影角度」立命館

なお、2021 年度の研究成果は以下の学会、人間科学研究第 39 号 pp. 39-48、2019― 168 ―

TOPへ戻る

強度発現による不確実性がセメント改良地盤の全体性能に与える影響評価手法の構築  土木工学科  並河 努  





１．序論（はじめに，まえがき，目的）

を実施する。そして解析結果より、強度の特

深層混合処理工法によるセメント改良地盤性 値 と  qul の 関 係 を 明 ら か に す る こ と が 本 研の品質管理において、設計基準強度を満たす究の目的となる。本研究での解析手法の概要

ためのセメント配合量を室内配合試験等の結を図  に示す。

果に基づき適切に設定し、所定の原位置強度

を確保することが要求される。本研究では、



室内配合強度から原位置強度を予測する際に生じる不確実性が改良地盤に要求される性能

に与える影響を定量的に評価し、室内配合 強

度より設計に用いる強度の特性値を決定する

 平均  quf  変動係数 V quf 

手法の構築を目的とする。セメント改良地盤

の原位置強度の統計パラメータ（平均、標準

偏差、自己相関距離）を施工前に推定する際

に生じる不確実性を適切な統計手法を用いて

評価し、その不確実性がセメント改良地盤の

全体性能に与える影響を空間的ばらつきを考RFEM 解析慮した FEM 解析（RFEM 解析）により評価す

改良柱強度 Q ufる手法を構築する。構築した手法を用いて、



室内配合強度に対する強度の特性値に関して

図 1 解析手順

議論する。



室内配合強度の平均  qul
変換誤差
原位置強度の
自己相関距離  quf

空間的
ばらつき

改良体の強度分布 q uf

 qul よ り  quf を 推 定 す る 際 に 生じ る 不 確 実

性は変換誤差として取り扱う。また、q uf の標

２．研究計画
本研究では、セメント改良体の原位置強度

準偏差  quf および自己相関距離  quf にも不確実

q uf の平均  quf を室内強度 q ul の平均  qul より推性が含まれるが、それらの不確実性は過去の定する際に生じる不確実性を適切に評価し、データより評価する。推定した  quf 、 quf 、 quf

その不確実性が強度のばらつきを有する改良の実現値より q uf の乱数場を生成する。生成し体の全体性能に与える影響を評価できる解析た改良体の強度分布を用いて RFEM 解析を実― 169 ―

TOPへ戻る
1𝜇𝜇𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 = 𝑙𝑙𝑙𝑙𝜇𝜇𝑅𝑅 − 2 𝜎𝜎𝑅𝑅2 (2)

施することにより、 統計パラメータの推定に伴う不確実性を考慮したセメント改良体の全(1)、(2)式で算出される  lnR と  lnR より正規乱体性能の評価が可能となる。

数を発生させ、その指数を取ることにより R quf

の対数正規乱数を発生させた。本解析では、

３．計画の進行状況
深層混合処理工法で構築されたセメント改 qul = 2.0MPa として、R quf の乱数より  quf の実

良体の原位置強度平均  quf と室内強度平均  qul

現値を生成した。

の関係を図  示す 1) 。図  はセメント改良粘土の関係を示している。 年度はセメント



改良粘土を対象に解析を実施した。




7





6





5





4





3





2



1






0

F(Rquf)8

quf (MPa)



1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

Data
log-normal
distribution
0.0

1.0

Rquf

2.0

3.0

図   qul と  quf の比 R quf の経験分布関数

q uf の変動係数 V quf は設計時に不明である。
0

1

2

3

4

5

qul (MPa)



6

7

8

既往の研究では、V quf は 0.15～0.5 の範囲を取ると報告されている 1) 。本研究では V quf が対

図 2 室 内 強 度 平 均  qul と 原 位 置 強 度 平 均

 quf との関係（セメント改良粘土） 1) 数正規分布に従うと仮定し、その 信頼性
区間を 0.15～0.5 とした。この場合、V quf の平均は 、標準偏差は  となる。深層混セメント改良粘土において  qul から  quf を予合処理工法の設計において、V quf が 0.3 と設定測する際生じる変換誤差を図  の結果に基づされることも多く、本設定値は妥当な値と考き定量的に評価する。ここで、 qul と  quf の関えられる。R quf と同様の手法により V quf の実現

係は線形であると仮定し、  qul と  quf の比 R quf

値を生成した。= quf ／  qul が確率密度関数で表現できると仮q uf の自己相関距離  quf は設計時に不明であ定した。本研究では、R quf が対数正規分布に従る。既往の研究では、 quf は 0.1～4.0 の範囲をうと仮定した。図  の結果における R quf の経取ると報告されている 2)3) 。本研究では  quf が

験分布関数を図  に示す。図には対数正規分

対数正規分布に従うと仮定し、その 信頼

布の累積密度関数を併せて示している。R quf は性区間を 0.1～4.0m とした。この場合、 quf の

対数正規分布にほぼ従っていることがわかる。

平均は 0.98m、標準偏差は 1.2m となる。R quf

図  の結果において、R quf の平均  R は 

と同様の手法により  quf の実現値を生成した。

で、標準偏差  R は  であるが、lnR quf の平100 の セ メ ン ト 改 良 柱 の 実 現 値 に 対 し て

均  lnR と標準偏差  lnR は次式で計算できる。

RFEM 解析を実施する。このため、 quf 、V quf 、𝜎𝜎2

𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 = √𝑙𝑙𝑙𝑙 {1 + ( 𝑅𝑅 ) } (1)



𝜇𝜇𝑅𝑅

 quf の実現値を  生成し、これらの統計パラメータを用いてセメント改良柱の強度分布の乱数場を生成した。

― 170 ―

TOPへ戻る
セメ ン ト改 良 柱の q uf の分 布 は次 式 に示 す
多変量正規分布に従うと仮定した。

ラメータを表 1 に示す。解析では、要素ごとに q uf が変化するため、材料パラメータは q uf2
𝑝𝑝(𝐪𝐪𝐮𝐮𝐮𝐮 |𝜇𝜇𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞 , 𝜎𝜎𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞, 𝜃𝜃𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞 ) =1𝑚𝑚2 ) |𝐂𝐂|√(2𝜋𝜋)𝑚𝑚 (𝜎𝜎𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞

𝑇𝑇

exp {−

1に比例して変化する Stochastic パラメータと、

22𝜎𝜎𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞

q uf によらず一定値を取る Deterministic パラメ(𝐪𝐪𝐮𝐮𝐮𝐮 −ータに分かれる。強度に関する材料パラメー

𝛍𝛍𝐪𝐪𝐪𝐪𝐪𝐪 ) 𝐂𝐂 −1 (𝐪𝐪𝐮𝐮𝐮𝐮 − 𝛍𝛍𝐪𝐪𝐪𝐪𝐪𝐪 )}(3)
𝜇𝜇𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞
𝑞𝑞𝑢𝑢𝑢𝑢 (𝒓𝒓1 )⋮𝐪𝐪𝐮𝐮𝐮𝐮 = [], 𝛍𝛍𝐪𝐪𝐪𝐪𝐪𝐪 = [ ⋮ ],𝜇𝜇𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞
𝑞𝑞𝑢𝑢𝑢𝑢 (𝒓𝒓n )𝐂𝐂 = 𝜌𝜌𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞 (𝐝𝐝) = exp (−⌈𝐫𝐫𝐢𝐢 − 𝐫𝐫𝐣𝐣 ⌉)𝜃𝜃𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞

表 1 材料パラメータ

Parameter

乱数場は、covariance matrix decomposition 法
により生成した。本手法では、正規乱数に相関行列 C の下三角形行列をかけることで、自己相関を有する乱数場 を生成することができる。
RFEM 解析に用いた実大セメント改良柱のメッシュを図 4 に示す。直径 1m、高さ 2m の円柱モデルを用いた。モデルを構成する主な要素は 1 辺 100mm の立方体である。

Z
X
Imposed displacement in Z direction

を q uf に応じて変化は Stochastic パラメータとパラメータは Deterministic パラメータとした。

である。(3)式で表現される自己相関を有する

1m

30 度一定の Deterministic パラメータとし、cーG f を Stochastic パラメータとし、その他の

ここで、 quf は q uf の標準偏差、m は q uf の個数

タはせん断抵抗角  と粘着力 c であるが、  はした。弾性係数 E、引張強度 T f 、破壊エネルギ







塑性モデルを用いた 。q uf  = 2MPa の材料パ4)


Stochastic or
Value
Deterministic
E (MPa)Stoch.
3520
Deter.
0.167

Deter.
30
 (degree)c (MPa)Stoch.
0.577
T f (MPa)
Stoch.
0.448
Deter.
1.05
ey
Deter.
0.0002
Gf (N/m)
Stoch.
10.6
er
Deter.
0.40
Dc
Deter.
-0.4
t s0 (mm)Deter.
0.6
l c (mm)
Deter.
100
Note: E = elastic modulus;  = Poisson’s
ratio;  = friction angle; c = cohesion; T f =tensile strength;  = hardening parameter; ey= hardening parameter; G f = fracture energy;
e r = softening parameter; Dc = dilatancy
coefficient; t s0 = localization size; l c =characteristic length; Stoch. = stochastic
parameter; Deter. = deterministic parameter.



100 の実大改良柱の実現値に対して一軸圧2m

縮試験のシミュレーション解析を実施した。



解析で得られた実大改良柱の一軸圧縮強度Q u の経験分布関数を図 5 に示す。Q u の平均は


1.64MPa、標準偏差は 0.779MPa であった。

Fixed in Z direction

Eurocode7 で は 信 頼 性 設 計 に 用 い る 材 料 パ

図 4実大セメント改良柱のメッシュ
解析ではセメント改良土用に開発された弾

ラメータを特性値として定義している 5) 。特― 171 ―

TOPへ戻る
性値は地盤の空間的ばらつき、地盤パラメー

山留め壁、盛土のセメント改良支持杭などのタ設定時の不確実性、各種不確実性、破壊領用途に対して、破壊モード及び破壊領域を考域を考慮して定めるべき抵抗を表すパラメー慮した  qul と X k の関係を評価する。
本 研 究 の 内 容 は Soils and Foundations 誌タである。そして、特性値は破壊確率 5%を基

（IF=2.436）へ投稿する予定である。また、本準に設定する。

F(Quf)

研 究 に 関 係 す る 内 容 の 論 文 が Canadian
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

Geotechnical Journal （IF=3.725）に掲載された 6) 。

参考文献
1) Kitazume, M. and Terashi, M. 2013. The
deep mixing method. CRC Press, Taylor &Francis Group.
0.0

2.0

4.0
Quf (MPa)

2) Namikawa, T. and Koseki, J. 2013.

6.0

Effects of spatial correlation on thecompression behavior of a cementtreated column. Journal of Geotechnicaland Geoenvironmental Engineering,
ASCE, 139(8): 1346-1359.
3) Honjo, Y. 1982: A probabilistic
approach to evaluate shear strength ofheterogeneous stabilized ground by deep

図 5 実大改良柱強度 Q uf の経験分布関数
実大改良柱の強度の場合、RFEM 解析で得られ た Q u の 経 験密 度 関数 をも と に特 性 値 を設定することができる。図 5 より破壊確率 5%に相当する Q u の値は 0.66MPa であり、この値が改良柱強度の特性値 X k となる。 qul と X k のmixing method. Soils and Foundations,22(1), 23-38.

関係は次式となる。

X k = 0.33  qul              (4)4) Namikawa, T. and Mihira, S. 2007: Elasto-

plastic

model

for

cement-treatedsand.

本式より、  qul より設計で用いる X k を設定すInternational Journal for Numerical and

ることができる。

Analytical Methods in Geomechanics, 31(1),

現行の設計法の場合、R quf =0.5 とすること

71-107.

が多く、設計基準強度は想定される  quf の 

5) CEN 2004. EN 1997-1:2004: Eurocode 7:程度とされることが推奨されている。この場

Geotechnical

合、設計基準強度は  qul の  程度となる。こEuropean Committee for Standardization.

のことより、現行設計法における設計基準強6) Namikawa, T. 2022: Influence of statistical

度は本研究で算出された 改良柱強度の特性値

sample size on evaluation of overall strengthとほぼ一致することが明らかとなった。

of cement-treated soil column. Canadiandesignpart

1.

Brussels:Geotechnical Journal, 59(1), 74-86.


４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況 
今後は、開発した手法を用いて様々な境界

値条件に対する改良体の  qul と X k の関係を評価する。具体的には、セメント改良柱の自立― 172 ―

TOPへ戻る

昆虫標本の表面詳細形状および内部構造を含めた
デジタルデータ化手法

情報工学科 井尻 敬


１．はじめに
昆虫標本は，文化・教育・自然科学研究などといった幅広い分野に需要を持つ．しかし，昆虫標本は長期保存に伴い劣化し ，また，その保存にはスペースを要する．そのため，昆虫標本を計測し，デジタルデータとして記録するいわゆるデジタルデータ化（'LJLWL]DWLRQ）
は非常に重要な課題である．
実際，昆虫標本のデジタルデータ化について多くの研究がなされている．例えば，標本ケースの写真を撮影して保存する手法>@や，多視点写真よりテクスチャ付き  次元形状モデルを構築する手法>@などが挙げられる．
我々研究グループでは， 年ごろより昆

図 ．; 線 &7 と写真を利用した小型標本のモデリング手法によるモデル構築例．本図は文献>@の )LJ および )LJ より引用したものである．


虫標本のデジタルデータ化技術の確立に取り組んでおり，; 線 &RPSXWHG7RPRJUDSK\ &7と多視点写真より  次元形状モデルを構築する手法>@（図 ）や，多視点深度合成写真から精密なテクスチャを復元する技術を確立した>@（図 ）．特に前者の手法では，; 線 &7の利用により，遮蔽に拠らない精密な昆虫標
本のモデリングが可能となった ．また，後者の手法では深度合成写真の導入により非常に精密なテクスチャの復元が可能となった．



図 ．多視点深度合成写真を自動撮影可能なステージ E と，多視点深度合成写真群 D より生成されたホウセキゾウムシのモデ
ル F ．本図は，文献>@の )LJ より引用したものである．

しかし，上述した既存研究では，形状とテクスチャの復元は行われているものの，昆虫標本表面の質感（反射特性）の復元は行われていない．そのため，体表の一部に光沢を有本に着目し，より高精度なデジタルデータ化手法の確立を目指す．具体的には『$薄い・細い構造の正確な復元手法の確立』『%表面の反する昆虫標本（図 ）の質感を正確に表現することは困難であった．
そこで本研究では，体長数センチの昆虫標
― 173 ―

TOPへ戻る図  文 献 >@の 手 法 に よ る ク ワ ガ タ 標 本 の デ ジ タ ル デ ー タ 化 ． D  表 面 に 光 沢 を も つ ク ワ ガ タ の 写 真 ， E  市 販 ソ フ ト
ウ ェ ア の 0HWDVKDSH で 生 成 し た モ デ ル の レ ン ダ リ ン グ 結 果 ， FG 提 案 手 法 に よ り 生 成 さ れ た モ デ ル の レ ン ダ リ ン グ 結
果 ， H 'LIILVH&RORU マ ッ プ の 拡 大 図 ， I 6SHFXODU&RORU マ ッ プ の 拡 大 図 ， J 5RXJKQHVV マ ッ プ の 拡 大 図 ． 本 図 お よび キ ャ プ シ ョ ン は ， 文 献 >@の 図 よ り 引 用 し た も の で あ る ． 

射特性の計測と復元』『&内部構造の計測と復データを構築できる手法を確立する．

元』という三件のサブ課題に取り組む

３．研究の進捗状況
 年度は，表面の光沢も復元可能な昆虫
２．研究計画
本研究全体では，小型昆虫標本のデジタルデータ化において特に重要だと考えられる 
件の課題に取り組む．各課題の詳細は以下のとおりである．
課題 $  多視点深度合成写真による詳細形
状の高精度フォトグラメトリ法．昆虫の構造に関する前提知識を活用することで，薄い翅・細い脚を含んだ形状を多視点深度合成写真か
ら正確に復元できる  次元再構築法（フォトグラメトリ法）を確立する．
課題 %  多視点・多光源フォーカスブラケット撮影による反射特性の推定．光源位置と視点位置を変化させながらフォーカスブラケット撮影を行うことで，テクスチャだけでな
く，反射特性（表面粗さマップ）と微細凹凸（法線マップ）を推定できる手法を確立する．
課題 &  ; 線 &7 撮影による内部構造のモ
デル化．造影剤導入等の事前処理を施した標本を作製しこれを ; 線 &7 撮影することで，標本のデジタルデータ化 手法の確立に取り組んだ．詳細を以下に示す．


３．計測とデジタルデータ化の流れ 
本研究では，小型の昆虫標本を写真計測し，そ の 『 詳 細 形 状 』『 'LIIXVH &RORU マ ッ プ 』『6SHFXODU&RORU マップ』
『5RXJKQHVV マップ』を取得する手法を提案する．
我々は，/(' チューブライトと回転台を利用した撮影環境を構築し，昆虫標本を  度
回転させながらフォーカスブラケット撮影と深度合成を実施する．得られた複数の深度合
成画像に多視点ステレオ法を適用することで標本の  次元形状とカメラ位置を復元する．
最後に，推定された形状モデルと一連の深度
合成画像から 'LIIXVH&RORU マップ・6SHFXODU&RORU マップ・5RXJKQHVV マップを推定する．
推定結果を図  に示す．既存手法では困難であった表面の光沢を復元できていることがわかる．

腸管や筋肉などの内部構造を持ったデジタル― 174 ―

TOPへ戻る

３．２撮影環境の構築
本研究で構築した撮影装置 の模式図と写真を図  に示す．撮影装置全体は，外部からの光の影響を受けないよう，卓上暗室の中に配置される．また，光源として /(' チューブラ
イトがカメラの左右に対称に配置される 被写体となる昆虫標本は，回転台に固定され，撮影の度に微小角ずつ回転させながら °全方向から撮影を行う．
本研究が対象とする昆虫標本は非常に小さ
いため，ピンボケのない画像を取得するためには，ピントを変化させながら複数枚の写真を撮影（フォーカスブラケット撮影）し，得られた複数の画像をピンボケのない一枚の画像に合成する処理（深度合成）が必要である．そのため，本研究では，自動フォーカスブラケの点(𝑢𝑢, v)の上を線形光源  本が通過した際に得られるその点 5*% 色である．この  次元
反 射 率 レ ス ポ ン ス 関 数 Tu,v (θ)は ， 点 (u, v)に お

け る 法 線 と 光 源 と の な す 角 𝜃𝜃の 関 数 と し て 与えられる．この  次元反射率レスポンス関数
は，撮影の際に設定した回転台の角度を𝜃𝜃とし，すべての角度から撮影された 深度合成画像を，
 次元モデル上に投影することで取得できる． 
鏡面反射を持つ点と持たない点の１ 次元反射率レスポンス関数の例を図  に示す．鏡面反射成を持たない点では，１次元反射率レス
ポンス関数は正弦波の半周期分と似た波形を示す（図 D）．一方，鏡面反射成分を持つ場合，
 本の直線光源に対応する  つのピークが現れる（図 E）．

ット撮影機能を搭載した 2O\PSXV 20' (0 0DUN ,, と マ ク ロ レ ン ズ 2O\PSXV
0=8,.2 ',*,7$/ (' PP ) 0DFUR
を使用する．


図 ．  次 元 反 射 率 レ ス ポ ン ス 関 数 の 例 ． 鏡 面 反 射 成 分 を図 ． 撮 影 装 置 の 概 略 図 と 実 際 の 装 置 の 写 真 ． こ の 図 は ，
文 献 >@の 図  よ り 引 用 し た も の で あ る ． 

持 つ 点 D  と 持 た な い 点 E  に お け る  次 元 反 射 率 レ ス
ポ ン ス の グ ラ フ ．利 用 し た 物 体 は ，鏡 面 反 射 成 分 を 持 た な
い ス ポ ン ジ 状 の サ ン プ ル に 赤 の 水 性 ペ ン で 文 字 $・% を 書
き ，そ の 一 部 に セ ロ フ ァ ン を 貼 り 付 け た も の ．本 図 と キ ャ

３．３形状，テクスチャ，および，表面反射特性の推定
前述の撮影装置を利用して複数の視点からフォーカスブラケット撮影を行った後，各視点において深度合成を行う．続いて，多視点より撮影された深度合成画像群に対し，多視点ステレオ法を適用することで，被写体の 

プ シ ョ ン は 文 献 >@の 図  よ り 引 用 し た も の で あ る ． 

続いて，各点(𝑢𝑢, v) について，その質感を推定する．本研究では，モデル表面上の質感は，

拡散反射色k d ，鏡面反射色𝑘𝑘s，および表面粗さ

値αにより定義される．この推定は，以下の最適化問題として定式化できる，

次元形状モデル・テクスチャマップ・深度 合成画像の視点位置を推定する．
続いて，我々は， 次元形状モデル表面の 
次元反射率レスポンス関数を取得する． 次
元反射率レスポンス関数 とは，モデル表面上




min

𝑛𝑛,𝑙𝑙,𝛼𝛼,𝑘𝑘𝑑𝑑 ,𝑘𝑘𝑠𝑠∫||L(𝜃𝜃, 𝑛𝑛, 𝑙𝑙, 𝛼𝛼, 𝑘𝑘𝑑𝑑 , 𝑘𝑘𝑠𝑠 ) − T(𝜃𝜃)||𝑑𝑑𝑑𝑑. 

この最適化は，観測された  次元反射率レス
ポンス関数の形をなるべく満たすように，質感に関する パラメ ータ (𝛼𝛼, 𝑘𝑘𝑑𝑑 , 𝑘𝑘𝑠𝑠 )，法線方 向 𝑛𝑛，

カ メ ラ 光 軸 と 光 源 の な す 角 𝑙𝑙を 決 定 す る も の― 175 ―

TOPへ戻る
価は十分ではないものの，昆虫標本の質感計である（詳細は割愛する）．
この最適化を解くことで，モデル表面上の測を実現した．この研究成果は，画像電子学

任意の点における，拡 散反射色𝑘𝑘d ，鏡面反射会の研究会にて発表済みである>@．今後，洗練を重ね，国内外の学会にて発表を行う予定

らのパラメータがあれば，モデル表面の色だである．

色𝑘𝑘s，および表面粗さ値αを推定できる．これ

現在，研究計画の見直しを図っており，

けでなく，光沢も正確にレンダリングするこ

年度は，前述の課題 $ と課題 % を，科研費のとが可能となる．

補助のもの実施する予定である．一方，課題& に代わる新たな課題として，課題 $% の成３．４結果
提案手法によりクワガタ標本のデジタルデ果を利用し，' 昆虫図鑑コンテンツを制作しータ化を行った例を図  FG に，またホウセ

公開することを計画している．

キゾウムシ標本と化石標本をデジタルデータ



化した例を図  に示す．既存手法では考慮さ参考文献

れてこなかった光沢を含む質感が再現されて[1] Beth Louise Mantle, et. al. Whole-drawer imaging for
digital management and curation of a large
entomological collection. ZooKeys, No. 209, p. 147,
2012.

いることがわかる．
[2] Oleksandr Holovachov, et. al. Whole-drawer imaging
of entomological collections: benefits, limitations
and alternative applications. Journal of Conservationand Museum Studies, Vol. 12, No. 1, 2014.
[3] Lawrence N Hudson, et. al. Inselect: automating thedigitization of natural history collections. PLoS one,Vol. 10, No. 11, p. e0143402, 2015.
[4] Scott S Fisher, et. al. Micro-archiving and interactive
virtual insect exhibit. In Stereoscopic Displays andVirtual Reality Systems IX, Vol. 4660, pp. 375–381.
International Society for Optics and Photonics, 2002.

図 ．ホ ウ セ キ ゾ ウ ム シ の 標 本 D ，化 石 標 本 の 復 元 例 E ．



左 か ら 写 真 ， 市 販 ソ フ ト ウ エ ア 0HWDVKDSH に よ り 復 元 され た 鏡 面 反 射 を 含 ま な い モ デ ル の レ ン ダ リ ン グ 結 果 ，提 案
手法により復元されたモデルのレンダリング結果である．
静 止 画 で は わ か り に く い が ，既 存 手 法 で は ，表 面 の 光 沢 がテ ク ス チ ャ と し て モ デ ル に 張 り 付 い て し ま う ．一 方 ，提 案
手 法 で は ，拡 散 反 射 成 分 と 鏡 面 反 射 成 分 が 分 離 さ れ ，よ り
正確な質感が再現されている．



４．今後の計画
本研究全体の目的は， 高精度な小型昆虫標
本のデジタルデータ化技術の確立である．
 年度開始当初，この目的のため，『$薄[5] Chuong V Nguyen, et. Al. Capturing natural-colour
3d models of insects for species discovery anddiagnostics. PloS one, Vol. 9, No. 4, p. e94346, 2014.
[6] Fabian Plum and David Labonte. Scant―an opensource platform for the creation of 3d models ofarthropods (and other small objects). PeerJ, Vol. 9, p.
e11155, 2021.
[7] Takashi Ijiri, Hideki Todo, Akira Hirabayashi, Kenji
Kohiyama, and Yoshinori Dobashi. Digitization ofnatural objects with micro ct and photographs. PloS
one, Vol. 13, No. 4, p. e0195852, 2018.
[8] Yucheng Qiu, Daisuke Inagaki, Kenji Kohiyama,
Hiroya Tanaka, Takashi Ijiri. Focus stacking by
multi-viewpoint focus bracketing. SIGGRAPH ASIA
2018, posters, Brisbane Australia 17 November 2019.
[9] 邱 雨 澄 , 小 檜 山 賢 二 , 田 中 浩 也 , 井 尻 敬 . 多 視 点

い・細い構造の正確な復元手法の確立』『%表面の反射特性の計測と復元』『&内部構造の計ブラケット 撮影による深度合成手法および評価
用デ ータ セッ トの 構 築. Visual Computing, 2020.

測と復元』という  件の課題に取り組む計画であった．
実際， 年度は，課題 % に着手し精度評― 176 ―

TOPへ戻る

超強力バルク超伝導磁石の表面磁場を利用した
オープンエア・モバイル 105 の開発  工学部先進国際過程  坂井 直道
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

作業範囲が必要とされる。一方、バルク超伝

核磁気共鳴（105）装置は、有機合成を行う

導体は、小さなサイズで強い磁場を発生する

現場では必要不可欠な設備である。最もよく磁石を作製できることから、小型で可搬型の使われるのはプロトン（水素 +）105 であデバイスへの応用が期待されている。ここで、り、分子中の水素  の原子核が起こす核磁気理化学研究所の仲村らは、バルク超伝導体を共鳴を測定して、その分子の構造を決定でき

リング状に加工し、その内部において 105 測る。ここで、外部磁場（周波数）が上昇する

定するコンパクト 105 を開発し、世界に先駆ほど分解能が向上し、得られる情報が多くな

けて 105 信号を検出した。さらに、105 イメっていく。強い外部磁場は超伝導体（抵抗ゼージング（05,）により、マウス胎児に断層画ロ）の線材コイルによって作られ、高磁場（高像をバルク 105 で観測することにも成功して周波数）の 105 が作製され、タンパク質の構いる。

造解析等に利用されている。現在では、

ここで我々は、バルク内の円筒に入りきらテスラ（*+]）を超える 105 も開発されていないサイズの試料を計測するため、オープン

る。

アクセスのバルク 105 の研究開発を検討してここで、超伝導体の中には、ペレット形状いる。バルク超伝導体で形成した片側磁極の（バルク）にした材料で、強力な小型磁石を表面に、空間の磁場分布を均一化させるパッ作製することも可能である。例えば、イット

シブシムとして鉄製のリングを設置すること

リ ウ ム < と バ リ ウ ム %D と 銅 &X を 特 殊 なで、PP  平面において最良 SSP の均一磁場

結晶成長をさせて作製した酸化物結晶（<%&2が得られ、105 信号の検出に成功し、オープ

系バルク超伝導体）では、 センチ強の小さ

ンアクセス小型 105 の開発を進めている。

なバルクで  テスラ>DW.@を超える高磁場

片側磁極のオープンアクセスの 105 としてを捕捉させた磁石を作製できる。世界最強のは、永久磁石を用いた 105 が %UXNHU 社により

1G)H% 系永久磁石でもバルク形状では 開発され、現在では、0DJULWHN 社が 1050286(

テスラ程度が限界値であるのに対し、その と い う 商 品 目 で 販 売 し て い る

倍以上の超強力磁石の作製が可能である。こ（ZZZPDJULWHNFRP）。特徴としては、永久磁れを利用して、可搬型の 105 や、磁気分離装石を用いたコンパクトでポータブルなオープ

置等への応用研究が進められている。

ンタイプの 105 センサであり、このシステム

汎用の超伝導線材コイルを用いて作られるでは、リング状の送受信コイルを磁石の上に

105 は、本体がメートル級と大きく、漏れ磁設置し、深さの関数としてのプロトン密度か場の影響範囲を考えると、数メートルの広い

ら材料構造のプロファイルを得ることができ― 177 ―

TOPへ戻るる。また、緩和時間、液体の自己拡散係数の

 D ：バルク超伝導体磁極構造の最適化によ測定も可能である。本装置は非常にユニーク

る水平方向空間磁場分布の均一化

な装置であるが、105 は磁場強度に比例して深さ方向には磁場変化があるが、水平方向感度が向上するため、永久磁石で形成されるに空間磁場均一度が高い磁極構造を設計する

磁場では低すぎる。また永久磁石は外部温度ことが重要である。バルク超伝導体は、臨界の変化により、磁場強度が変化してしまうと電流が内部を流れることより磁場を形成する。

いう課題がある。

ここで、ペレット状のバルクでは中心部の電本研究は、小型バルク超伝導磁石の発生す流の寄与により、中央部が最も磁場強度が高る数テスラ級の超強力磁場を使い、105 原理

いコーン型の磁場となる（図  D ）。しかし、の緩和計測を利用した新たなオープンアクセ

中心に穴を開けたリング状とすると、図  Eス非破壊検査技術を開発することを目的としに示すように空間磁場分布を平坦な形に変化た。現在、永久磁石を使った小型プロファイ

出来る。また、深さ方向へのバルクやヨーク

リング 105 が販売されているが、磁場が小さ材の積層により、より遠くへ強い磁場を到達く分解能が低い。ここで、磁場分布を劣化さすることが可能となることが考えられる。

せずに磁場強度を向上させることができれば新たな非破壊検査技術の開発につながる可能性がある。ここで、リング状バルク超伝導磁石のリング内径調整と鉄リングのシミングで
水平方向の磁場均一度を向上させ、深さ方向



もバルク厚み 積層 とヨークの配置を最適化

図  バ ル ク 磁 石 の 形 成 す る 外 部 磁 場 分 布 することで、より深い位置からの信号を得る



ことが可能と考えた。信号の送受信は磁極表

 E ：シムによる空間磁場分布の均一化

面に設置するコイルで行う。これにより、大鉄製のリングを磁極表面に張り付けること

きな対象物でも、プロトン分布 体組成 、反で、空間磁場分布を変化させることができる。

応変化や劣化、拡散の進行などを深さ方向にその形状・厚み等を検討し、最低限の 105 測検査できるといった、これまでに無い 105 の定が可能な数百 SSP の水平方向磁場均一度を原理を用いた新たな非破壊検査技術を開発で得る。なお、研究項目 D と E は )(0 シミュ

きる可能性がある。

レーションを併用しながら最適化を図る。
 F コイル形状の最適化による送受信系の設



計および非破壊検査装置としての検証試験

２．研究計画
本研究を達成するため、以下 D ～ F の 

深さ方向への磁場と送受信コイル電磁波をつの研究項目を掲げた。図１に本研究の対象直交させるため、コイル形状を変更して送受とするバルク超伝導体利用プロファイル 105

信系を設計し、深さ方向の磁場強度および距

検査装置の特徴を示す。

離と 105 信号の関係を把握し、105 緩和測定によるプロトン密度の変化等の検出が可能か等を確かめる。


３．計画の進行状況

図  プ ロ フ ァ イ ル 105 検 査 装 置 の 特 徴 

研究の進捗状況と得られた成果を以下に記す。

― 178 ―

TOPへ戻るD ：バルク超伝導体磁極構造の最適化による水平方向空間磁場分布の均一化

今後は、リング状バルク磁極の内径、厚み（積層数）およびヨークの配置（背面、内部、等）

パルス管冷凍機のコールドヘッドを加工しが外部磁場分布に及ぼす効果を調べ、SSPて、各種サイズの 5(%&2 系溶融バルク（穴内以下の分布となる磁極の条件と空間磁場範囲

径 PP φ 、 バ ル ク 外 径 PP 、 厚 みを明確にする予定である。

WPP ）を搭載でき るように、105 用の超伝導マグネット磁極の設計および製作を行っ

E ：パッシブシムによる空間磁場分布の均一化

た。まず初めに、内径 PPφ、外径 PP の)(0 シミュレーションを併用しながら、外

6P%&2 系溶融バルクを設置して、7 で静磁径、内径、厚みの異なる鉄製のリングを磁極場着磁して磁石化させ、ホール素子で ;<=

表面に張り付けることで、シミングによる空スキャンさせて空間磁場分布計測を実施した。

間磁場分布の均一化を図る。ここで、約 PPのシリコンゴムとコイルにより 105 を使った
精密磁場分布計測を行い、SSP 以下を最初の目標とし、リング状鉄シムによる磁場均一度と空間の関係を明確にする実験を進めている。図  D  E および F に、それぞれ )(0シミュレーションのモデル、 [] 面内における磁場分布計算例および ] 軸方向磁場の[ 方向分布およびバルク表面からの距離 K 依



存性の計算結果例を示す。現在、計算結果が実測値と一致するようにパラメータを検討している>@。
 F ：送受信系（コイル）の設計および非破壊検査装置としての検証試験
深さ方向への磁場と送受信コイル電磁波を直交させるため、コイルによる送受信系を設計し、深さ方向の磁場強度および距離と 105
信号の関係を把握し、105 緩和測定によるプ

ロトン密度の変化等の検出が可能かを確かめることを計画している。まず初めに、片側磁極での 105 信号の受信範囲を明確化するため、小径（PP 径で PP 長 ターン）のソレノイ
ドコイルを作製し、シリコンゴム試料中の +105 信号検出した結果を図  に示す。磁場強度は 7 で、105 の周波数では 0+]に相当する>@。この様に、水平面内の磁場均

図   FEM シミュレーションの例



一性を向上させることおよび小径のコイルを[a] モデル、[b] []用いることで、片側磁極においても 105 信号

面 内 に お け る 磁 場 分 布 計 算 例 >F@z 軸 方 向 磁 場 の x 方 向が検出できることが明らかとなった。

分 布 およびバルク表 面 からの距 離 h 依 存 性







― 179 ―

TOPへ戻る
水 と ア セ ト ン の 自 己 拡 散 係 数 'の 文 献 値 、
2.3×10  , 4.77×10   P  6と ｊ ほ ぼ 一 致 した>@。以上の様に、片側磁極の超電磁極が拡
散 105 として利用可能なことが示唆された。

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況
本研究の成果は、国際会議 07 にて報告するとともに査読論文として報告している>@。
今後は、)(0 シミュレーションを併用しながら、リング状バルク磁極の内径、厚み（積層数）およびヨークの配置（背面、内部、等）図   +76 バ ル ク 磁 石 を 用 い た 片 側 磁 極 の 表 面 で シ リ コ

が外部磁場分布に及ぼす効果を調べるととも

ン ゴ ム 試 料 中 の +105 信 号 検 出 し た 例 。 に、外径、内径、厚みの異なる磁性リングを また、拡散 105 としての利用可能性検討の磁極表面に張り付けるパッシブシミングによため、スピンエコー法を用いた自己拡散係数

る空間磁場分布の均一化を図る。また、コイの測定法の検討を実施した。これは、試料にル形状の最適化等により、拡散 105 など、片パルス磁場を与えた際の緩和を 105 信号で検側超伝導磁極を利用した新しい分析装置（プ出するものであり、以下の式で算出できる。

ロファイル 105）開発につなげることを計画している。


ここで、 6 W    *   W (  ' はそれぞれ、


参考文献

時間 W における 105 信号強度、磁気回転比、[1] Modelling of the pulsed field magnetisation of

磁場勾配、エコー時間、自己拡散係数である。

a REBaCuO bulk with a superconducting weld, 本手法を用いて、超純水およびアセトンにR.Dorget, K.Berger, J Longji Dadiel, K.Sudo,

ついて実験を実施した結果を図  に示す。こN.Sakai,

こで、] 軸方向の磁場勾配 *  はホール素子にJournal of Physics: Conference Series 2043 (1),

よる測定から、7P とした。

012001, 2021

T.Oka,

M.Murakami,

J.Lévêque,[2] Review on the use of superconducting bulks
for magnetic screening in electrical machines foraircraft applications
R.Dorget, Q.Nouailhetas, A.Colle, K.Berger,
K.Sudo,S.Ayat,J.Lêvêque,M.Koblischka,

N.Sakai, T.Oka, B.Douine, Materials 14 (11),2847, 2021.
[3] NMR Relaxometry Using Outer Field ofSingle-Sided HTS Bulk Magnet Activated by

Pulsed Field, M.Takahashi, S.Kikuchi, N.Inoue,

図   片 面 磁 極 の +76バ ル ク 磁 石 を 用 い た 拡 散 105のN.Sakai, M.Murakami, K.Yokoyama, T.Oka,

測定結果。

T.Nakamura, IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity 32 (6), 1-4, 2022.

― 180 ―

TOPへ戻るDevelopment of MgB2 cryo-magnets for the Bio-Medical
Applications
 
先進国際課程 ミリアラ ムラリダ
１．Paper introduction

production cost and density. In order to address

Given the need for high sophistication inthese challenges, research on MgB 2 has been

medical field such as for Magnetic Resonanceperformed since a decade until now. TF of the bulk

Imaging (MRI), Magnetic Drug Delivery (MDD)

is directly proportional to of the J c of the bulk

etc., significance of superconducting magnets

material. Therefore, our previous research is

have

Simultaneously

focused on improving J c . In the initial stages, we

performance, cost of production and portability

have tried to understand the phase diagram ofare crucial factor to consider for applications.

MgB2 to optimize the sintering conditions i.e.

Therefore despite the competition from other775 o C

superconducting systems, MgB 2 came out to be a

microstructure which resulted in increment in J c .

suitable candidate. Superconductivity in MgB 2

The reason being reduced grain size and therefore

was discovered in 2001, and gained immediate

more number of grain boundaries which act as

popularity. Some of the advantages of thisfluxmaterial, include light weight from low atomic

understoodnumbered constituents such as Mg and B,

important role in addition to optimized sinteringmoderate T c close to 39 K where existing Nb-

for grain boundary control. Hence, we usedbased superconductors can be replaced and also

amorphous nano-boron precursor which lead toreplace usage of liq-He with liq-H 2 cryogen, largehigh J c . However the expensive nature posed to becoherence length resulting in good current density

a deterrent, and hence we choose to pursue(J c ) and subsequently good trapped field (TF) inalternatives.

grown

polycrystalline

tremendously.

bulk

MgB 2

material.

for3

pinning

hours

centers

that

and

and

boron

manipulateenhanceprecursor

the

Jc.

We

plays

an

These

qualities are enticing for real applications while

２．Research program

Most of the high

The research program is aimed to solve twotemperature superconductors have low coherence

main problems such as i) Production of nanolengths and must be fabricated as single grainedboron using alternative cheap means to producebulks for enough J c properties, which can be timehigh performance MgB 2 bulks, ii) Enhance theconsuming and tedious process. However, thedensity of the sintered bulk.

making the devices compact.

MgB 2 material as it is not upto the standards ofAfter realizing the dependence of boron oncommercial value. Some challenges in this system

final microstructure of MgB 2 , we employed theincludeenhancement

in

Jc,

reductionofnovel ultrasonication technique to refine the― 181 ―

TOPへ戻るcheap boron. We plan to reduce the large boron

３．State of progress

particles to nanoscale using ultrasonic treatment.

At this stage we have performed ultrasonication

During the ultrasonication, particles bombard

in 3 three solvents such as Hexane, Distilled waterwith each other to splinter into fine particles withand Ethanol for 15, 30, 45 and 60 minutes. We

irregular shapes. We used the Mitsui Ultrasonichave successfully refined the cheap boron (few

Homogenizer 300-X. We subjected boron toµm) to fine particles (few nm) as depicted in Fig.1.

ultrasonic treatment (at half power, 150 watt) with

XRD analysis revealed that the refined boron isvarying duration in several solvents with different

free of oxide impurities.

viscosities. This B powder is mixed with Mg ininert atmosphere and used to synthesize MgB 2 .
The bulk MgB 2 is studied for understanding thecorrelations

betweenJc

andmicrostructuralfeatures.

Fig.1: Effect of 15min ultrasonication in ethanol on cheap

The regular sintered bulk is only 50% dense dueboron powder.

to high porosity. The porosity arises due to spaces

The refined boron when used to synthesize

left by Mg after reaction with B to form MgB 2 .

MgB 2 bulks led to nano-sized grains in the final

Therefore there is need to densify the bulk for

microstructure. As a result increase in graincompactness, mechanical performance and others.

boundaries

There are several techniques to produce dense

subsequently high J c . High J c of 220, 300 and 300

bulks such as Hot-isostatic pressing, Mg-diffusion

kA/cm 2 was observed after using boron subjectedreaction, and Spark plasma sintering (SPS) etc. Of

to 30, 30 and 15 minutes of ultrasonic treatment

all these techniques, SPS is quick, proven andin hexane, distilled water and ethanol solvents

easily controllable method which can produce

respectively compared to 220kA/cm 2 of referencehigh density bulks close to 100%. We employed

MgB 2 . We calculated grain size of the best

this technique to produce large MgB 2 bulks withsamples and we found the average grain size ishigh density and studied the TF properties as wellaround 460, 290 and 260 nm for in hexane,

as mechanical characteristics.

distilled water and ethanol solvents respectively.

For characterization we used a high-resolution

enhanced

flux

pinningand

Fig.2 shows the correlation between J c andpowderaverage particle sizes of MgB 2 when using

diffractometer (RINT2200-) with a step size ofdifferent solvents. We can clearly see an inverse

0.01 degree from 10- 90degrees, using Cu-K α

dependence

radiation generated at 40 kV and 30 mA. The

boundaries as pinning centers.

automated

Rigakusmart-lab

X-rayconfirming

the

role

of

grain

microstructure of these samples was later studied
by Field Emission-Scanning Electron Microscope(FE-SEM) as well as Transmission Electron
Microscope (TEM). Particle size analysis was
carried using ImageJ. Superconducting criticaltemperature (T c ) and magnetization hysteresis
loops (M-H) were measured using SQUID

Fig.2: J c Vs MgB 2 particle size for various ultrasonication

Magnetometer (Quantum Design, model MPMS5).

solvents.

― 182 ―

TOPへ戻るWhile longer ultrasonication showed only small

significant improvement over the conventionally

improvement, due to large MgB 2 grains in thesintered counterparts. Fig.4 shows the 40mm bulk

microstructure. We believe that boron particles

MgB 2 and uniform Trapped field characteristics,

due to irregular shapes tend to often agglomerate

perfect for applications. This work is the first ofduring ultrasonic treatment which can lead toits kind, to fabricate and study a large bulk MgB 2 .

large

MgB 2

grains.

In

summary

wehavesuccessfully enhanced the J c by 30 % at low
processing cost with scalability, which is aconsiderable

improvementforcryo-magnet

applications.
To increase the density of bulk MgB 2 we utilized
SPS at 1150 o C. SPS based bulks showed highpacking fraction of 99.8 % and relatively goodFig. 4: Large SPS bulk MgB 2 with uniform Trapped fieldmechanical properties with a high bending

behavior.

strength with eightfold increment compared todense HIP based bulks.

We measured TF

４．Future program, paper submission and results

properties at 14 K and 20 K, 1 mm above thebriefingbulk’s surface, with applied field pulse up to 2 TThecurrent

resultsshowapromisingvia Pulse Field Magnetization (PFM), which is

improvement towards realizing real MgB 2 cryocheap and efficient. We mapped the temperaturemagnets for bio medical applications.

rise together with a complex trapped field

Another challenge in MgB 2 system is the flux

formation in the MgB 2 bulks during pulse-field

jumps. Our prior work elucidated that the rise inapplication as shown in Fig.3, which explained

temperature during flux jump was proportional to

the limitations of PFM.

the applied pulse field. To reduce unwanted flux
jumps, the MgB 2 bulks will need a good thermal
conductive element inside the material. For this,we had drilled 4 holes (see Fig.5) and work has
been under progress to fill out the U-alloymaterial

andproperties.

estimation
Speciallyofsuperconducting

thetrappedfield

experiments around 20K. Eventually, we will
Fig.3: TF and temperature profile with increase in applieddesign 40-50mm cryo magnets for bio medical

pulse field.

applications.

When large external magnetic fields wereapplied, the poor thermal conductivity of thematerial caused the material to overheat and the
TP value to drop. This local increase intemperature leads to flux jumps and subsequent
drop in TF. Despite its thermal limitations, theFig. 5. Top view of the drilled bulk MgB 2

highly dense bulk MgB 2 superconductors are a― 183 ―

TOPへ戻るClimateCgange,Publications:Stop

1. A. Sai Srikanth, M. Muralidhar et al., Quick

Workshop on Processing and Application ofboron ultra-sonic refinement in distilled water for

Superconducting

a cheap and mass production of enhanced bulk

Materials (PASREG 2021), November 11-13,

MgB 2 , SSRN, 3967332, 2022.

2021.

2. A. Sai Srikanth, M. Jirsa, M. Murakami, M.

4) (Invited) M. Muralidhar “Advanced project-

Muralidhar, Effect of boron precursor ultra-

based learning (aPBL): SIT-IITM-IITD-UPM-

sonicated in hexane medium on the critical current

KMUTT,

density of sintered bulk MgB 2 , Journal of

Universities Congress (WTUC 2021), OctoberPhysics: Conference Series, 2022 (at press).

18-22, 2021.

3. M. Muralidhar, A. Sai Srikanth et al., Complex5) (Invited) M. Muralidhar, "Teacher 4.0 - inpulse magnetization process and mechanicalthe context of Hybrid Learning", the Panelproperties of spark plasma sintered bulk MgB 2 ,Discussion is being organized by the Centre forMater. Sci. and Eng. B, Vol. 273, 115390 (10pp)

Open and Distance Mode, Hindustan Institute2021. (IF – 4.051)

of Technology and Science (HITS), India,

4. A. Sai Srikanth, M. Muralidhar et al.,October 17, 2021.

Superconducting properties of sintered bulk MgB 2

6)prepared from hexane-mediated high-energy-

Superconducting

ultra-sonicated boron, Materials Science andClimateEngineering: B, Vol. 265, 115030, 2021. (IF –Fundamental Science Congress 2021, UPM,

4.051)

Malaysia, August 24-26, 2021.

5. A. Sai Srikanth, M.Muralidhar et al., Pinning7) (Ambassador Guest Presentation) M.

behaviour in bulk MgB 2 prepared using boron

Muralidhar, “How we can contribute to deepen

powder refined via high-energy-ultrasonication, J

cooperation towards promotion of Science,Supercond. Nov. Magn., Vol. 34, pp. 1297–1301,

Technology, and Innovation between Indian2021. (IF – 1.506)

and Japan” at 3 rd Indian Sakura Science Club(RE)BCO

6 th

The(Keynote)

AlumniWorld

M.

International
Large

Grain

Technology

Muralidhar,

Materials

Change”,

meet

12

th

the

2021”

12 th

Japan

Can

“How
Disrupt

International

Science

Presentations:Technology Agency (JST), May 29, 2021

1) (Invited) M. Muralidhar, “Superconducting

8)

Technology and Its Role in Disrupting Climate

relations

3 rd(Invited)toM.

Muralidhar,

improvetheand“India-Japancyber-physical

MATERIALS

systems” India-Japan Webinar on “Cyber-

CONCLAVE and the Annual General Meeting ofPhysical Systems”, Embassy of India in Tokyo,

MRSI", December 20-23, 2021, IITM, India.

March 28, 2021.

2) (Oral) M. Muralidhar, “Superconducting

9)(Invited) M. Muralidhar, “Superconducting

Super-Magnets Compatible with Sustainable

Technology and its Significance Towards

Change”,

The

Developmental

INDIAN

Goals”,

34

th

International

UnitedSustainable

Development

Goals”,EngineeringandSymposium on Superconductivity (ISS 2021),

VEBLEO-Science,

November 30-December 2, 2021, Tokyo.

Technology, March 20, 2021.

3) (Invited) M. Muralidhar, “Importance ofSuperconducting Materials in the Endeavour to― 184 ―

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)

Development of solvent sensitive actuator based on
inorganic-organic hybrid polymers
先進国際課程 Ahmed Kumkum
Innovative global Program, SIT research Laboratory, College of Engineering
１．Paper introductiongroups at both ends for the linker molecule, andSiloxanes are one of the most important groups

synthesized and characterized the PDMS network

in inorganic polymers, which have a wide range

polymer by the thiol-ene reaction.

of applications, such as coatings, adhesives,

２．Research program

contact lenses, biomedical devices, and heat-

We used a variety of joint molecules and a linker

resistantchemicalmolecule (two different molecular weight) for thecharacteristics of siloxane bonds (Si–O) generate

synthesis of PDMS elastomer. Synthesis method

the unique properties of polysiloxanes [1, 2]

of TVMCTS -PDMS-SH 1700 elastomer ([vinyl]

Silicone is a general term for synthetic polymer/ [thiol] = 1/1 mol / mol) is described here. Aftercompounds that have a siloxane bond (-Si-O-) inadding PDMS-SH 1700 2.72 g and DMPA in THF

the main skeleton by adding a further chemical

stock 1.64 g (the weight of DMPA is equivalent toreactiontiles.9

and

have

the

1/25 of PDMS-SH 1700) to a 20 mL screw tube atorganic

andinorganicroom temperature and stirring, 40 ° C. 30 min

compounds. A typical example of silicone is

THF was removed under reduced pressure. The

polydimethylsiloxane (PDMS). PDMS shows

reaction solution was prepared by adding 276.7 µl

unique physical properties such as the low glassof TVMCTS and stirring. The prepared reaction

transition temperature.

PDMS shows uniquesolution was transferred to an ampoule tube,

physical properties such as the low glass

sealed, and irradiated with UV (365 nm, 7000 µW

transition temperature, low surface energy, high/ cm2) for 15 min in a dark room at roomgas permeability, heat/weather

stability andtemperature to react to synthesize an elastomer. In

oxidation resistance, nontoxicity, low cost, andaddition, other samples were prepared in the samechemical inertness [3,4]. In our previous work wemanner (Scheme 1).

have reported that the structure and network size

Regarding the characteristic analysis, structural

can

the

analysis by FT-IR measurement, mechanicaluniformity of the network polymer by changing

characteristic analysis by compression test andthe chain length and molecular structure of thetensile test, thermal characteristic analysis by TG-

joint molecule and the linker molecule [5, 6]. In

DTA, and swelling degree test in various solvent

this study, we used a multi-functional vinylsilane

were

compoundandelastomer were formed into a cube of 10 mm × 10

polydimethylsiloxane (PDMS) with mercapto

mm × 10 mm and subjected to a compression testbemetallic

andsiliconproperties

toPhysicalofbothcontrolled

for

the

while

joint

maintaining

molecule― 185 ―

performed.

Thesynthesized

gel

and

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)
at a load rate of 0.5 mm / min. He used theand contraction oscillation of the vinyl group near

TENSILON

universal

RTE-1210

2960 cm-1 confirmed in the infrared absorption(manufactured

by

for

the

spectrum before the reaction and the peak derived

measurement.

Amongcharacterizationfrom the in-plane angular vibration of the vinyl

techniques swelling tests will be discussed in thegroup confirmed near 1410 cm-1. It decreased

following section to utilize them in solvent

after the reaction. It was also confirmed that thesensitive actuator.

minute peak derived from the thiol group (-SH)

testerORIENTEC)
thearound 2500 cm-1 disappeared after the reaction.
"
#Results of mechanical test is shown in Figure 3.

   '"" $&"" "&&
"" !%      

"
#     #Figure 1: venyl containing monomers and of SHcontaining linkers for Thiol-ene reaction-based
network polymers

３．State of progress
The structure of the gel synthesized by FT-IR
measurement was analyzed. Figure 2 shows the

Figureinfrared absorption spectrum in the TVMCTS-

prepared by the joints VDT 123, VDT 131, VDTPDMS-SH 1700 / Silicone oil 100 cs system.

731, TVMCTS and TMVCTS.

3.

stress-strain

curveof elastomers

In the case of elastomer, the Young's modulus of
the sample using the joint molecules TVMCTS,
TVMCSZ, and TVDMSS having the same numberof functional groups showed higher values in theorder of TVDMSS, TVMCTS, and TVMCSZ. In
particular, elastomers using TVDMSS showed aYoung's modulus that was significantly different
from elastomers using other joint molecules. It isconsidered that this is because the elastomer using
the joint having an annular structure has a higher
Fig ure 2. FT-I R spec tra of TVMC TS-PDMS-SH
2300 e la stome r syste m.

degree of freedom of deformation when stress isapplied to the cross-linking point and exhibits aflexible property. In addition, the sample using

A peak derived from a siloxane bond (-Si-O-) was
confirmed near 1100 cm-1 both before and after
the reaction. The peak derived from the expansion

TMVCTS with one less functional group ruptured
under a stress of 50 N or less, and the Young's
modulus was lower than that of other samples― 186 ―

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)(Figures 3). This is because the ideal bridge

To utilize the asorbtion capacity of PDMS

density is about the same even if the number ofelastomers we have coated the PDMS elastomer

functional groups of the joint molecule is different.

with a commercial acrylate type glue (3M,

On the other hand, the joint molecule with a small

acrylate glue) on VDT-131-

number of functional groups has a large number

elastomer to make a bilayer sample and put it inof joints per sample volume, so stress was applied.

both tetrahydrofuran (THF) and water.

PDMS-SH 2300

It is believed that the stress on the strain was
reducedbecausetheoccasional

load

was

distributed to more cross-linking points.
A swelling test was performed to evaluate thesolvent resistance of the synthesized elastomer.
Figure 4 and Figure 5 show the solvent swellingrate of the polymers prepared with the reaction
solution of TVMCTS-PDMS-SH 2300, VDT-131PDMS-SH 2300 series elastomer. Water, methanol,
ethanol, N, N-dimethylformamide (DMF) anddimethyl sulfoxide (DMSO) was not swelled byany of the elastomers, but acetone, hexane, THF
and chloroform swelled. However, the amount of

Figure 5. Absorption capacity of TVMCTS-

swelling with acetone was very small. From the

PDMS-SH 2300 elastomer, [vinyl]:[thiol]=2:1

above results, it was found that these elastomers

Within 1 minute the bending actuation towards thehave solvent resistance to water, methanol,

acrylate plane occurs as swelling of acrylate glue

ethanol, DMF and DMSO. It was also found thatin n-nehane was very low (<100%) compared tothere was a significant difference in the swelling

the VDT-131-PDMS-SH 2300 elastomer (Figure

degree for TVMCTS-PDMS-SH 2300 and VDT-

6). It can be mentioned here that in water, no131-PDMS-SH 2300 elastomers.

bending

actuation

wasobserved.

Work

is

underway to investigate the detail investigation oftime, bending curvature and bending angle.

Figure 6. Bending actuation in THF by PDMSacrylate bilayer sample. Left is before and right isafter putting in THF.
４ ． Future program, paper submission and
Figure 3. Absorption capacity of VDT-131-

results briefing

PDMS-SH 2300 elastomer.

Organic-inorganic hybrid PDMS elastomers― 187 ―

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)
was successfully synthesized and their structural,

Liqui d a s a Crossl inke r via T hi ol-Ene Clic kmechanical, thermal and swelling characteristics

Reac tions.

were investigated. The mechanical tests indicate

htt ps:/ /doi. org/ 10.3390/ pol ym12122844

that joint molecules with cycling ring show high

6. Ahme d, K. ; Na ga,

rigidity compared to the pendant vinyl groups

Furukawa, H. Extre mel y soft, c onduct ive, andcontaining monomers.

tra nspare nt i onic gel s by 3D opti cal pri nt ing.

To utilize them in solvent

sensitive actuator the PDMS elastomers werePol yme rs.

2020;

12(12): 2844.

N.; Kawaka mi, M.;

Mac romol. Che m. Phys. 2018, 18002

coated with actrylated glue and due to thedifference in their swelling degree bending
actuation was observed towards acrylate glue side.
In future we plan to utilize this actuator system ina device prototype (encapsulation system) solvent
specific sensing and actuating systems. This study
will provide important insights into the design andfabrication of novel actuating materials. This
work will be presented in an upcoming conference(SmaSys2022,

organizedby

Yamagata

University) and a manuscript will be prepared innear future.
Reference
1. Kra xner, P, Loui s Boogh, L, Lej enue A, “T heRol e of Si lane s in Fill ed a nd Crossli nke d
Polymers.” Organosi lic on Che mi st ry V ol IV :From Mole cule s t o Mat e ri al s, pp. 562–572.
Wile y-VCH, Ne w York, 2000
2. Ga te s, DP, “ Inorganic and Organome tall ic
Polymers.” Annu. Rep. Prog. Che m. Sect . A:
Inorg. Che m., 98 479–492 (2002)
3. Ra j M, K., Cha kraborty, S. (2020), PDMS
mi crofluidic s: A mi ni re vie w. J Appl Pol ym Sci,
137,

48958.

doi:

htt ps:/ /doi. org/ 10.1002/ app. 48958
4. Miranda I, Souza A, Sousa P, Ribe iro J,
Ca sta nhei ra E MS, Li ma R, Mi na s G. Propert ie s
and Appl ica tions of PDMS for Bi ome dic alEngine ering: A Re vie w. Journa l of Functi onal
Biomate ri al s.

2022;

13(1): 2.

htt ps:/ /doi. org/ 10.3390/ jfb13010002
5. Ahme d K, Inagaki A, Na ga N. J oint-Li nke r
Type Ionic Gel s Usi ng Pol yme riz abl e Ionic― 188 ―

TOPへ戻る



早期肝細胞癌の病理診断支援
－細胞核による鑑別と特徴量分布可視化－
電子情報システム学科  高橋 正信

共同研究者
横浜市立大学 医学部  中野 雅行


１．序論

複数の特徴量を組み合わせた可視化画像の作

病理組織診断とは，薄切した組織に染色を成に取り組んだ．

施した標本を病理医が光学顕微鏡で観察する

２．研究計画する診断手法である．最も高精度な診断手法（１）細胞核による鑑別

として確定診断に利用されるが，病理医の主

 複数の早期肝癌の標本画 像を用い，癌部と観によるため経験や体調などと言った要素が非癌部の細胞核の画像を学習させて癌／非癌

診断結果に影響を与えるリスクがある．そのを鑑別できるかを実験により確認したが ，十ため，病理組織を撮影した画像から診断に有分な精度が得られなかった．これは，早期肝用な情報を病理医に提供し診断を支援する機癌の特徴にバリエーションがあるためと考え能を実現することは有用である．

た．そこで，標本をグループ化することで 精

我々は，非癌部との鑑別が特に難しいとさ度の改善を図った．

れる早期肝細胞癌（早期肝癌）の診断支援を（２）複数特徴量を用いた可視化

目的として，画像解析機能の実現に取り組ん

 複数の特徴量を組み合わせて特徴量分布のでいる．早期肝癌は構造や細胞の異型が小さ

可視化画像を作成するため，線形判別分析にい場合が多く，他の癌に比べて鑑別が難しい．

よ り 複 数 の 特 徴 量 か ら 次 元 の 特 徴 量 に 変 換

特に，細胞一つや核一個から癌／非癌を鑑別することとした．また，類似した判別係数をするのは非常に困難である．そこで，深層学持つバーチャルスライドをグループ化 し，グ習の画像認識機能を利用することで，細胞核

ループごとに判別分析式を求めて可視化画像

 個の画像だけで癌／非癌を鑑別できる可能を作成することとした．これにより，特徴量性があるのかを検討した．

ごとに作成していた可視化画像の数を数種類

また，診断に有用な特徴量を抽出し，その程度に大幅に削減できる可能性がある．

分布をバーチャルスライド（以下，:6,）全体

３．計画の進行状況

で可視化することで，病理医は特徴量が他と３．１ 細胞核による鑑別異なる注目領域を容易に知ることができ，診まず，標本ごとに細胞核画像で学習し，標断の支援情報となる．我々は，これまで様々

本ごとの癌／非癌の判定正解率を評価した．

な特徴量を抽出して個々の特徴量ごとに可視

具体的には，枚の:6,の癌部と非癌部からブ化画像を作成する機能を実現したが，新たにロック画像を枚ずつ選び，その画像から細胞― 189 ―

TOPへ戻る
核の学習用画像と評価用画像を作成した．深

の標本をグループ化した結果の正解率を表

層学習には5HV1HWを用い，データ拡張したに示す．標本はつにグループ化できた．表 

学習用画像で学習した． 学習に用いなかったの「全標本」の正解率は，枚全ての標

他の標本の平均正解率が最大となったネット

本をまとめて学習し評価したものである．

ワークを用い，各標本の正解率を求め た．標

グ ル ー プ に 分 け る こ と で 平 均 正 解 率 は 

本枚を用いた実験で得られた正解率の一部に改善され，全ての標本に有効な判定機能を

を表に示す．表の対角線は学習に用いたのつのネットワークで分担し て実現できた．細と同じ標本の画像で評価した正解率を表して胞核単体で癌／非癌を鑑別できる可能性が示いる．基本的に対角線上 で高い正解率が得らされたと考える．

れたが，対角線以外の正解率も一部で高くな また，グループ化した標本を学習したネッ

り，一部の他の標本に対しても有用なネット

トワークを用いて顕著性マップを作成し た．

ワークが得られたことが分かった．

何れのグループでも核輪郭の色が濃い部分や

標 本 枚 で 学 習 し た 種 類 の ネ ッ ト ワ ー ク

核小体において値が大きくなっているもの がは種類の特徴を抽出していると考えること多く，そうした領域が癌／非癌の判定に利用もできるが，グループ化することでより汎用されている可能性が示唆された．

的な特徴を抽出できる可能性がある．そこで，標本をグループ化した．表において正解率が高い組合せの標本は類似した特徴を持ち，グループ化できる可能性が高いと考えられる．
しかし，表の正解率は対角線について非対象，

表 癌／非癌の判定正解率


トワークを特徴抽出器，正解率 を特徴量ととらえ，正解率がとなるような規格化をし

標本1
標本2
標本3

標本2

標本3



















表 グループ化後の平均判定正解率


た後，それぞれの列を特徴ベクトルとみなして，その内積の大きな組合せを求めた．



標本のグループ化は， まず内積の大きな組

標本1



即ち訓練標本と評価標本を入れ換えると正解率が大きく異なる場合がある．そこで，ネッ

評価
訓練






評価
訓練

グループ１グループ2 グループ3 全標本

グループ1







グループ2













グループ3
全標本



３．２ 特徴量の組合せによる可視化

合 せ や 表 に お い て 値 が 大 き な 組 合 せ の 標 本

算出可能な早期肝細胞癌の特徴量は，核密をグループ化して学習する．そして，学習に度，核面積，疑似 1& 比（以下，1& 比），核の用いなかった標本を評価し，正解率が高い標

円形度，重心から輪郭点までの距離の標準偏本をグループに追加して再度学習し評価する

差，輪郭の長軸短軸比，核小体個数，核小体という処理を反復する．標本をグループに追出現率，核小体面積，核輪郭色，核周辺色，

加するかどうかの基準は，自グループの平均

核輪郭周辺色の  種類である．特徴量の組合

正解率が一定値以上，かつ他グループの平均せを検討する前に，これらの特徴量が癌部と正解率が一定値未満とした．これにより，自非癌部の判別にどの程度有用なのかを :6, ご

グループでは判定に有 用でありながら他グルとに評価した．具体的には，:6, ごとに癌部

ープでは有用でない特徴を抽出するネットワと非癌部から同数の小領域（ブロック）をラークを実現できる．

ンダムに選択し，その特徴量をソートして中自グループの平均正解率の閾値を，他グ

央値を求め，中央値を閾値として閾値より大ル ー プ の 平 均 正 解 率 の 閾 値 を と し て 枚

きい（あるいは小さい）特徴量を持つブロッ― 190 ―

TOPへ戻る
クに含まれる癌部の割合を求めて正解率としする．

た．なお，癌部の特徴量が非癌部より大きく

E 基準を満たした :6, については，.PHDQV

なるか小さくなるかは同じ特徴量で合っても法により類似した判別係数を持つものをグ:6, によって異なる場合があるため，何れをループ化する．

癌部とするかは :6, ごとに正解率の高い方をF .PHDQV 法でグループ化された個々のグ採用した．

ループについて，所属する :6, の正解率の実験に用いた  枚の :6, について特徴量ご

平均値が最大になるように判別係数を最適とに平均正解率を求めた結果，全ての特徴量化する．グループ内で共通の判別係数を用で平均正解率は  以上となった．

いたことで正解率が基準値を満たさなくな

次に，複数の特徴量の組み合わせについてった :6, については再度グループ化するた検討した．具体的には，特徴量を癌部と非癌めに除外する．

部に最もよく分離できる変換式を線形判別分

G 除外されなかった :6, だけを用いて平均析により求めた．求めた変換式により複数の正解率が最大となるように判別係数を再度特徴量を１次元の特徴量に変換し，それを用最適化する．これにより汎用性のある判別

いて特徴量  種類の場合と同様の手法で正解

係数が１組求まる．

率を求めた． 種類の特徴量の全ての組み合H .PHDQV 法で求まった全てのグループにわせについて正解率を求めた結果，特徴量をついて F

組み合わせることで正解率は基本的に改善さI  F で除外された全ての :6, について再度れることが分かった．

.PHDQV 法でグループ化し，求まった個々

特徴量の組み合わせは正解率の改善につな

G の処理を行う．

のグループについて F

G

H の処理を行

がるが，線形判別分析により求まる変換式のう．

係数（判別係数）は癌部と非癌部が予め分かJ 除外される :6, が無くなるまで I の処っている場合に :6, ごとに求まるもので，別理を反復する．

の :6, に対して有効かどうかはわからない．

.PHDQV 法ではグループ数がパラメータとそこで，判別係数が類似した :6, をグループなる．本研究では正解率が基準値を満たす限化することでより汎用的な変換式を求めた．

り，グループ数が少ない結果が得られる方が汎用性のある変換式を数種類求め，その何れ望ましい．そこで，適切なグループ数についかの変換式を用いることで全ての :6, で正解て実験的に検討した結果，グループ数  が最率が一定値を上回るようにできれば，数種類

適であることが分かった．そこで，グループの可視化画像で全ての :6, をカバーできるこ化の際のグループ数は  とした．

とになる．

特徴量  種類の組み合わせの例として，核正解率の基準値としては，今回は  とし

密度と核小体出現率の組み合わせについてグた．これは，正解率が  程度以上あれば癌ループ化を行った．その結果，排除グループ部と非癌部の差異がある程度視認できたからに入った :6, は無く， 枚の :6, は  種類のである．

グループに分類された．各グループに分類さグルーピングの手順は以下のとおりである．

れた :6, をそのグループの判別係数を用いてD 線形判別分析により :6, ごとの正解率を可視化した結果の例を図 ，図  に示す．

求める．求めた正解率が基準値  を越え

特徴量  種類の組み合わせの例として，核ない :6, は基準を満たさないものとして排密度，核面積，核輪郭色の組み合わせについ除グループに入れ，グループ化の対象外とてグループ化を行った．その結果，排除グル― 191 ―

TOPへ戻る
ープに入った :6, は無く， 枚全ての :6, は

４まとめと今後の展開及び発表状況

 種類のグループに分類された．各グループ

一般の病理医にとって鑑別の難しい早期肝に属する :6, をそのグループの判別係数を用細胞癌の診断支援のため，深層学習により細いて可視化した結果例を図 ，図 ，図  に示

胞核１個の画像から癌部の鑑別が可能かを検す．

討した．その結果，標本をグループに分け，

図  と図  は同じ :6, であるが，特徴量がグループごとに学習したネットワークを用い

 種類と  種類の場合で変換式が異なるためることにより鑑別できる可能性のあることが可視化画像は少し異なる．しかし，何れの場分かった．

合でも癌部は他と特徴量が異なる領域として十分に視認できることがわかる．

また，早期肝細胞癌のバーチャルスライドから抽出された様々な特徴量を組み合わせた

特徴量分布の可視化について検討した．その

結果，複数の特徴量を組み合わせることで癌

部と非癌部の判別精度が改善され，特徴量分



布の可視化画像において癌部がより視認しやD :6, E 可視化画像

すくなることが分かった．

図 グループ  の可視化例（特徴量  種類）  

今後は，癌部と非癌部の判別に核画像のどのような情報が用いられているかを明らかにすることが課題となる．また，学習済のネッ

トワークの出力の分布をバーチャルスライド

で可視化することで，癌部と非癌部の差異が
D :6, E 可視化画像

図 グループ  の可視化例（特徴量  種類）視認できる可能性がある．従来の特徴量にそうしたネットワークの出力を加えたうえで，

より有用な可視化方法が無いかを検討するこ

とも課題となる．

>学会発表@

[1] エン，高橋，中野：「バーチャルスライドの特徴量分布可視化‐特徴量の組合せ‐」,D :6, E 可視化画像

第 16 回パーソナルコンピュータ利用技術

図 グループ  の可視化例（特徴量  種類）


学会全国大会，A2-1，2021.
[2] 畑仲，佐々木，中野，高橋：「早期肝細胞



癌の病理診断支援‐細胞核による鑑別‐」,

電子情報通信学会東京支部学生会研究発
 D :6, E 可視化画像

表会，92，2022.

図 グループ  可視化例（特徴量  種類）[3] 畑仲，佐々木，高橋，中野：「早期肝細胞

癌の病理診断支援‐細胞核による鑑別‐」,

電子情報通信学会総合大会，D-16-5，2022.



[4] 佐々木，山見，高橋，中野：「輪郭補完による肝病理組織標 本画 像の核抽出」, パー D :6, E 可視化画像

ソナルコンピュータ利用技術学会論文誌 ，

図 グループ  可視化例（特徴量  種類）Vol. 16，No. 2，pp. 12-19，2022.

― 192 ―

TOPへ戻る

自動運転への相互結合ニューラルネットワークによる 
倫理観モデルの実装  機械制御システム学科  伊東 敏夫
１．まえがき

人数よりは多人数，高齢者よりは若者を優先

現在，自動運転の実用化には  つの課題がして助けることが分かった．つまりトロッコ

ある． つの課題とは，センサの実用化，テ問題の選択が人間の倫理観に反映されると考イクオーバー，手動運転車と自動運転車の混える．メディアラボの研究結果から共通の傾在，事故の責任問題，事故のときに生じる倫向が得られた一方で，地域や文化によって回理的な問題である．これら  つの課題の中で答結果に差が生じた．大きく分けて，アジア

解決の目途が立っていないのが，倫理的な問や中東などのイスラム教や儒教など影響があ題である。この倫観課題を端的に表すものがる東グループ，欧米諸国やロシア，ブラジル

トロッコ問題である．トロッコ問題とはブレといった主にキリスト教の影響を受けているーキの効かないトロッコがまっすぐ進めば 

西グループ，中南米諸国やフランスの南グル

人，進路を変えれば  人の人間を轢いてしまープの  つに分けられる．西や東グループはう場合にどちらを選択するかという問題であ

自動運転車の進路を変更したがらないや，南る．自動運転だと最悪このような状況も想定

グループは性別による影響が大きいといったされるため，$, にどちらを選択するかを学習

傾向がみられる．また，日本やフィンランド

させる必要がある．しかし，倫理的な状況をといった治安の良い国は悪い国と比べて信号どのように学習させるのかが課題となってい無視などの交通法を無視した歩行者にぶつかる．本研究ではこの倫理観課題について検討る傾向があった．また経済格差の少ない国とする．

比べ，経済格差が大きい国ではホームレスのトロッコ問題を自動運転車に応用した思考実験が，マサチューセッツ工科大学のメディような社会的地位が低い人を選択する傾向も

アラボの研究チームが作成したモラルマシーン（図 ）である．これはトロッコ問題のよ
うに車がどちらかに進まなければならないときにどちらを選ぶかを調査したサイトである．
この調査を  の国と地域に住む約  万人がオンライン上で回答した．研究チームは回答結果から生存者と犠牲者の数や性別，年齢，
人間か動物かなどのパラメータの中から何を優先して決めているかを分析した．回答結果
から共通の傾向として，動物よりは人間，少)LJ7KHPRUDOPDFKLQH― 193 ―

TOPへ戻る
みられる．このように，地域や宗教のような文化によって倫理観が異なっていることが分
かる．

２．研究計画
先行研究ではアンケートから地域ごとの回答結果が得られた．しかし，実際に自動運転車に乗ってトロッコ問題のような状況を体験することで人間の内部状態から新たな倫理観操作をしたかのデータやそのときの人間の内部状態として実験協力者の脳波と脳血流の状態を計測する．また脳血流計の性質上，リラックス時からの測定を行いたいため，実験の前後には目をつぶってもらい休んでもらう．
なお，本実験は芝浦工業大学生命工学研究倫
理審査委員会の承認を受けており，実験前に実験協力者に対し，実験内容に関する説明を行い，同意を得た上で実験を行った．実験に用いたドライビングシミュレータを図  に示す．の傾向を推定できるのではと考えた．そこで
本研究では，トロッコ問題を自動運転車に応用してその状況を体験してもらい，そのときの脳波や脳血流の変化具合を調べる．もし望
まないほうに進んだ場合，ドライバは焦って脳波や脳血流の変化が望むほうに比べて増加すると考えられる．そしてこの結果から，倫理観を決定するパラメータを相互結合ニュー
ラルネットワークでモデル化し，競合する状
況を再現可能かどうか検討する．

３．計画の進行状況

)LJ'ULYLQJVLPXODWRU

事前提案手法の評価については脳波解析と脳血流解析の  種類を行う．
 脳波解析は頭部の合計  点の脳波計測を今回の実験の実験協力者は ～ 歳の学行うことが出来る脳波計を用いた．なお実験生  名である．協力者は全員普通自動車免許

では危険を察知したときに活動が大きくなるを所持している．本実験は再現性や安全性をと考えて前頭葉付近に着目する．状況が視界考慮し，ドライビングシミュレータによる実に入ると脳が緊張状態になり，β 波が大きく験とした．実験は実験協力者の予定の都合上，なると考えた．そこで脳の活動時に出る β 波

午前  時から午後  時の間で実施し，昼食後と，リラックス時に出る α 波との比率 β/αなどの時間は避け，眠気はほとんどなく運転で評価を行う．これは人間の心理状態を観察に比較的最適な状態であった．
 まずドライビングシミュレータに乗車してもらい脳波計と脳血流計を取り付けた後に，
調査としてタブレットでモラルマシーンの図を用いて合計  つの状況を見てもらい，どちらを選ぶか調査した後に実験を実施する．な
お見せた順序と実際に走る順序は異なっている．自動運転のため，ハンドル操作やアクセ
ル，ブレーキを踏んでも運転には影響は無い．
コースの走行中にブレーキが故障したことを想定し，警告音およびハンドル操作を行うよう表示した．またブレーキ故障と同時に目の前に歩行者が横断歩道を渡っており，どちらかを選んで衝突してしまうという状況である．
今回の実験では実験時に直進したかハンドルするための指標としてよく用いられている．
今回実験で取得したデータをハイパスフィル
タとローパスフィルタに通し，))7 処理を行い周波数成分への変換を行った．
脳血流測定に使用した脳血流計は額に貼るだけで前頭葉付近の脳血流の酸化ヘモグロビ
ンの濃度などを計測することが出来る小型の脳血流計である．この脳血流計を用いること
で脳波計と干渉することなく脳波と脳血流を同時に計測できる．脳波と同様に前頭葉付近の脳血流について着目する．状況が視界に入ると焦りが生じ，緊張状態になり脳血流の酸― 194 ―

TOPへ戻る化ヘモグロビンの濃度が上昇すると考えた．
脳内で神経活動が行われると，エネルギー代
謝が増加し，酸素が消費される．その酸素を供給するために脳血流における酸化ヘモグロ
ビンが増加する ．今回脳血流計のデータから
酸化ヘモグロビンの濃度の変化の解析を行う．
得られたデータにローパスフィルタを通し，



警告音が鳴る  秒前の酸化ヘモグロビン濃Fig.4 Result of F4’s EEG analysis in first

度を基準値とし，時間的変動を測定した．

situation


まず事前調査の実験協力者の傾向についてまとめた表を以下表１に示す．

 図  に  つ目のコースの ) から取得した脳

波解析の結果を示す．倫理観が分かれている
Table 1 Trends of experimental collaborators

こともあり，大きな差は見られなかった．

 図 ，図  に  つ目のコースの脳波解析の

結果を示す．望んだほうに進んだときの脳波

Fig.5 Result of EEG analysis in second situationの平均と望まないほうに進んだときの平均で ある．図  が ) の電極から取得した脳波，図

図  に  つ目のコースの ) から取得した脳波

 が ) の電極から取得した脳波である．解析

解析の結果を示す．解析結果からβαの値が結 果 か ら 警 告 音 が 鳴 っ て か ら β α の 値 が 上上昇していることが分かる．

昇していることが分かる．なお ｓのときに

警告が表示された．

Fig.6 Result of EEG analysis in third situation

Fig.3 Result of F3’s EEG analysis in first

situation 図  に  つ目のコースの ) から取得した脳

波解析の結果を示す．警告音が鳴ってからβαの値が上昇していることが分かる．
― 195 ―

TOPへ戻るFig.7 Result of EEG analysis in fourth situatioQFig.10 Result of cerebral blood flow in fourthsituation 図  に  つ目のコースの ) から取得した脳波解析の結果を示す．倫理観に傾向は出ていたが，脳波では傾向は確認できなかった．


Fig.11 Result of cerebral blood flow in fifth
situation


Fig.8 Result of EEG analysis in fifth situation

脳波解析からは倫理観が比較的一致してい図  に  つ目のコースの酸化ヘモグロビンのた状況に関しては警告音が鳴ってから望まな濃度変化，図  に  つ目のコースの酸化ヘモ

い方向に進むことに対して β/α が大きくな

グロビンの濃度変化，図  に  つ目のコース

る と い っ た 結 果 が 見 ら れ た ． そ の 中 で も )の酸化ヘモグロビンの濃度変化を示したグラや ) の計測箇所は傾向が出やすいことが確フを示す．それぞれ望んだほうに進んだとき認された．脳血流測定も倫理観が一致していと望まないほうに進んだときの平均濃度であた状況に関しては望まないほうに進むと濃度る．解析結果から望まないほうに進んだときが大きくなった．特に警告音が鳴ってから のほうが酸化ヘモグロビンの濃度の上昇が確秒以上経つと差が大きくなっている．このこ認された．

とから脳波と脳血流はトロッコ問題において倫理観の傾向に合わせて差が生じやすく，初期の目標であるパラメータ間の競合モデルに反映可能と考えられる．

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況


Fig.9 Result of cerebral blood flow in firstsituation

今後は，今回得られた結果を相互結合ニューラルネットワークでモデル化することを検討する．学会への発表としては，自動車技術会  年度学術講演会秋季大会に発表予定
である．



― 196 ―

TOPへ戻る

仮想実体人体モデルを一体化した人工股関節手術支援・
トレーニングシステム
  生命科学科  花房 昭彦
共同研究者
生命科学科  シャルー モハマドダン
生命科学科  高木 基樹
順天堂大学医学部整形外科 馬場 智規

１．序論（はじめに，まえがき，目的）

２．研究計画

高 齢 化 社 会 の進 行 に伴 い，人 工 股 関 節 置 換

本研究は 2018 年度より股関節手術用の牽引術が増加している．前方アプローチ法による手術

台 を作 成 しているサージカルアライアンス株 式 会

が，低 侵 襲 で人 工 関 節 のより正 確 な設 置 も可 能

社 との共 同 研 究 としてスタートした．2018 年 度 となため予 後も良いが，手 技が複 雑になるという問2019 年度は図 1 に示す下肢牽引台に，牽引力

題 があり，この問 題 を解 決 するため，前 方 アプロを計測する 6 軸の小型力センサを搭載して手術ーチ法 用 の下 肢 牽 引 手 術 台 が開 発 され 使 用 さ

時 の力 とモーメントを計 測 可 能 なシステムを構 築れている．過牽 引 ，過 伸 展，過 旋 回を行 うと筋 肉，した[1]．本装置は 2019 年 11 月，一般医療機器

神経等の組織が損傷をうけ合併症を併発する危

整 形 外 科 用 手 術 台 JMDN コ ー ド ： 35394000

険があるが，これまで，その操作量は医師の経験「LECURE 牽 引 力 測 定 ブーツ」として登録 され，的 な判 断 によっていた．本 研 究 の目 的 は，下 肢

手 術に使 用 することが可 能となった．以 降 ，人 工

牽 引 装 置 を用 いた人 工 股 関 節 手 術 時 の，股 関

股関節手術時のブーツにかかる 3 軸方向の力と節回 りの筋肉 等にかかる負荷を明らかにし，その各軸回りのモーメントの計測を進めている．

結 果より下 肢 牽 引 装置に警 告 機 能を付 加するこ①と，またその手術トレーニングを可能として，より安

② ③

④

⑤⑥

全な手術支援システムを構築することである．
Rotation

本 研 究 の 特 徴 は，手 術 時 の 牽 引 操 作 量 ，牽Flexion

引力を計測するシステムと共に，筋肉モデルを有する PC 上の仮想的な人体モデルと共に，実体を持った人体モデルが一体となったシステムを構築
し，精 度 の高 い筋 肉 等 に対 する負 荷 を評 価 できるようにし，安全基準を推定して，より安全な人工股 関 節 手 術 が行 えるようにしている点 ，またそのExtension
Relaxation① Table mat② Post and cushion ⑦③ Hip mat
④ Leg rest
⑤ Rotation fix button⑥ Rotation handle⑦ Mat frame connecter⑧ Release handle⑨ Traction handle

実体人 体モデルを利用 して，より安 全な手 術のト

Traction⑧⑨

Abduction

Adduction

図 1 下肢牽引装置(ｻｰｼﾞｶﾙｱﾗｲｱﾝｽ社)

レーニングが行 えるようにすることを目 指 している
点である．



― 197 ―

TOPへ戻る①

Boot forfixingoperationside foot④⑤⑥

2024 年度には，開発した手術支援システム③治具②6軸力センサを利用して，前方アプローチ法による手術トレー
ニングが行えるシステムへの拡張を行う．
３．計画の進行状況
本プロジェクト研究費の助成を受けた
2021 年度の計画の進行状況をまとめる．

① 3ODWHIRUIL[LQJERRW④ 7UDFWLRQSODWH② 6HQVRU⑤ 5RWDWLRQIL[③ -LJ⑥ 5RWDWLRQKDQGOH
EXWWRQ

牽引装置の牽引力，牽引量計測装置に関し

図 2 力センサ②を装着した牽引部ては，従来牽引力の計測には，6 軸力センサ

2020 年度は操作量の計測を慣性(IMU)センサによって行うシステムを構築し，屈曲・伸展，外転・内転，回旋動作が基本的に計測可能なことを確かめた[2]．
股関節手術時の力計測データから，回旋動
作時のモーメントがセンサの定格容量を越えていることが明らかとなった．このため，本プロジェクト研究の助成を受けた 2021 年度
は，より定格容量の大きい 6 軸力センサの選定と購入，IMU センサも同時に搭載可能な新しい治具の設計を進めた．また PC 上の仮想的な人体モデルの筋骨格シミュレータ上への

USX10-H10-1.5kN-A（株式会社テック技販）を使用していた．30 x 30 x 10[mm], 40[g]と小型，軽量であったが，特に旋回方向のモーメ
ント計測の定格容量が 6[Nm]と小さく，手術時にはその定格容量を越えることがあった．
このため，旋回方向のモーメント定格容量が30[Nm]と大きい FFS080YS102U6S（株式会社
レプトリノ）を新たに選定した．外径がφ80[mm]，重量が約 500[g]と大きく，接続の方法も異なるため，図 2 に示す力センサと牽引部を接続する③治具の再設計を行った．CADで作成した外観図を図 3 に示す．

試行的な構築とシリコンゴムチューブによる筋モデルを有する実体モデルの試作を行った．
2022 年度からは，科研費「基盤 C」への申請が採択され，3 年間の研究費の助成が受けられることとなった．2022 年度には，新 6 軸力センサと IMU センサを搭載した治具を製作し，牽引台に設置して牽引評価実験を行う．
仮想人体モデルは新たに有限要素解析ソフト
上へのモデル作成と解析を試みる．実体人体モデルに関しては，張力計測可能な筋モデル

図 3 新たに設計した力センサ取付用治具への機能拡張と筋肉数の増加を行う．

また，この治具上部には，2020 年度に評価

2023 年度以降は，手術時の牽引力計測デーを行なった牽引部の操作量を計測するためのタの蓄積を行い，仮想，実体人体モデルによIMU センサ TAG289N1000 (多摩川精機株式会

る評価結果と比較して，筋にかかる負荷の妥

社)を搭載できるようにした．また力センサ取当性評価，安全基準の導出を行う．この結果付用のボルトを締めやすくするため，開口部をもとに，牽引装置に警告機能を付加し，よを大きくした．新形状とした場合でも，強度り安全な手術が可能な手術支援システムを構や変形量に問題ないかどうかを，Creo CAD

築する予定である．

(PTC 社)の有限要素法解析ソフトで解析評価― 198 ―

TOPへ戻るした．センサ部に牽引力 1000[N]，旋回モー
メント 30 [Nm]のセンサの定格容量と等しい
力がかかったとして解析を行なった結果を図4 に示す．

図 6 OpenSim により推定した前脛骨筋筋とヒラメ筋の筋力 図 6 に示すように一定外力を負荷したにもかかわらず，推定した筋力は変動する結果となった．また牽引装置での牽引時には，人工(a) ミーゼス応力分布[MPa]
図 4 新規製作治具の有限要素法解析結果

股関節埋入のため，股関節は離断された状態

最大ミーゼス応力 94.6[MPa]（安全率 5.50），
最 大 変 位 0.0417[mm]と 問 題 の 無 い 結 果 と なった．現在，本治具は株式会社大倉製作所にて製作中である．
仮想人体モデルに関しては，筋骨格シミュ
レータ OpenSim (National Center for Simulation Rehabilitation Research) を利用してのモデル構築を試みた．下肢に筋モデルを定義し，足部に荷重をかけたモデルを図 5 に示す．

ルでは，股関節を離断した状態の再現が困難
なことがわかった．このため，OpenSim の利用は断念し，別の解析ソフトの利用を目指すこととした．
 実体人体モデルは，骨格標本モデルに筋肉を模擬した弾性体を付加することによって実現することとした．2021 年度は柔らかく弾性があり，入手が容易なシリコンゴムチューブ
を 筋肉 モ デ ルと し て 使 用 した ． 外 径 15[mm]yzとなっている．しかし，OpenSim によるモデで内径 6[mm]と 9[mm]のチューブを評価した．
内径 6[mm]に対して引張試験を実施した結果

xを図 7 に示す．

図 5 下肢筋モデルの右足底部に荷重負荷
本モデルによって筋力推定した結果を図 6 に示す．
図 7 応力－歪線図(チューブ内径 6[mm])

ヤング率を求めた結果，内径 6, 9[mm] 各々平
均 3.50, 3.22 [MPa]と内径 6[mm]の方が大きい
結果となった．ただし，ヒト腹直筋の引張試
験結果では，ヤング率 0.134～0.252[MPa]というデータがあり，それよりは 10 倍以上大きい― 199 ―

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値である．
 2021 年度は図 8 に示すように大腿直筋，縫工筋，半腱様筋の 3 種類の筋を模擬し，その起始と停止の位置間に上記のシリコンゴムチ
ューブによる筋モデルを配置した．
大腿直筋

縫工筋

半腱様筋

図 8 モデルを定義した筋肉位置

図 11 モーメント計測結果(チューブ内径 6[mm]) 試作した実体モデルを使用して，牽引台に

図 10 の F z が牽引方向の力と，図 11 の脚を屈よる牽引実験を行い，牽引力を計測する実験

曲させる方向のモーメント Mx が大きい結果を行なった．実験時の状態を図 9 に示す．

となった．F z の最大値は内径 6[mm]のチュー
ブで平均 40.7[N]，内径 9[mm]では平均 37.1[N]となり，内径 6[mm]の方が有意に大きい結果となった．ただし，手術時の牽引力は最大750[N]となることがあり，約 1/20 以下の値となった．今後この牽引力を手術時の値に近づけたモデルを構築する必要がある．


図 9 実体モデルによる牽引実験の状態

４．今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状況
2022 年度中に，新規に設計した力センサ搭

実験の方法を以下に示す．

載用の治具を完成させ，定格容量の大きい力

 筋モデルは内径 6, 9[mm]を使用して比較

センサと IMU センサを取り付けた後，牽引台

 牽引量 50[mm]（ハンドル 10 回転分），

による評価を行なう予定である．仮想人体モ

各 10 試行

デルに関しては，新たに動的有限要素解析ソ

 股関節は外れた状態にする．

フト LS-DYNA を利用しての解析を試みる．

 ブーツに取り付けたセンサにより力とモ

また実体モデルは手術時の牽引力と近づけるーメントを計測ために，重量を人体の下腿と同様にするためチューブ内径 6[mm]の時の力計測結果を図 10に増加させ，筋モデルの数も増加させる予定に，モーメント計測結果を図 11 に示す．牽引である．筋張力についても，センサにより計操作は約 5～10[s]の間に実施している．

測できるようにシステム構築を行なう．
 過去の本研究の成果は 2019 年度[1]と 2021
年度[2]の学会で発表してきた．2021 年度の成果は，2022 年 6 月に開催される第 61 回日本
生体医工学会大会 2022 にて発表する予定[3]である．また 2022 年度中に，これまでの成果に関して論文を投稿する予定である．

図 10 力計測結果(チューブ内径 6[mm])

参考文献[1] 中 津 友 里，花 房 昭 彦 ，大 石 泰 史，馬 場 智 規 ，「人― 200 ―

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工 股 関 節 置 換 術 用 支 援 システム の 開 発 」 ， 日 本
生体医工学会関東 支部若手研究者発表会 2019，
pp.33, 2019．（講演論文賞 を受賞）
[2] 加 藤 拓 樹 ，花 房 昭 彦 ， Shahrol Mohamaddan ，高木 基 樹 ， 大 石 泰 史 ， 馬 場 智 規 ，「 人 工 股 関 節 置
換術用支援システムの開発 -下肢牽引手術 台姿
勢計測の試み-」，第 30 回ライフサポート学会フロ
ンティア講演会，予稿集，pp.48, 2021.
[3] 原 朱 那 ，花 房 昭 彦 ，Shahrol Mohamaddan ，高 木
基 樹 ， 大 石 泰 史 ， 馬 場 智 規 ，「 人 工 股 関 節 置 換術 支 援 システムの開 発 －股 関 節 筋 群 を配 置 した
人体モデルによる牽引力評価－」，第 61 回日本
生体医工学会 大会 2022，2022.6.（採択決定）― 201 ―

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肥満由来の +63 を介したミトコンドリア機能不全
とトコトリエノールによる防御  生命科学科  福井 浩二  
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

２．研究計画

肥満は大きな社会問題である．申請者は，マウスに高脂肪食と 7 を  か月間与え，抗肥満による生体内酸化の亢進が，二次的疾患

肥満効果を検証する．その後，迷路課題を実

発症の要因の一つと考え，これまで肥満マウ施して認識機能や協調運動能力を判定，呼吸スを用いて様々な検討を行ってきた．近年，

代謝装置を用いて呼吸商の変化を検証する．

我々はビタミン ( ( の一種トコトリエノー

これらの実験が終了した後，解剖して各組織

ル 7 を，その強力な抗酸化作用を期待しての生化学的解析を実施する．

高脂肪食 +)' と同時に摂取させたところ，有同時に +63 の測定するための条件設定を意な抗肥満効果も同時に有することを明らか行う．+63 はミトコンドリア特異的タンパとした．またこの際，摂餌量は変化せずに脂ク質であるため，ミトコンドリアの単離方法

肪 量 の 有 意 な 減 少 を 確 認 し た ． こ れ ら は 7の確立を試みる．当研究室には超遠心機がなの抗肥満効果が，ミトコンドリアの呼吸鎖やいため，通常のシュークロースバッファを用エネルギー代謝系に関与する可能性を示していての密度勾配法は用いることができない．

いるがそのメカニズムは全く不明である．そそのため，別の単離方法を確立する．

こで本研究では，+)' に 7 を同時添加したマ

最後に，7 の効果との関連を検証するため

ウスにおける摂餌・運動量と呼吸代謝能を測に，各組織中の 7 量を液体高速クロマトグラ

定し，7 の呼吸代謝能への関与を証明する．

フィ（+3/&）にて測定する．

また，肥満時には過剰な酸化ストレスや脂質異常により，各臓器中で酸化タンパク質や立
３．計画の進行状況

体・折り畳み構造が崩壊した（ミスフォール

全ての動物実験は本学の実験動物委員会にディング）タンパク質の割合が増える．その実験計画書を提出し，承認を得たのちに実施

ため，脂肪組織や肝臓・脳中のミトコンドリ

した．&%/ に  か月間 J の餌に 7PL[

アで，ミスフォールディングタンパク質の修を PJ 混ぜた餌を作成し投与した． か月間

復に関与する分子シャペロンの一つであるの投与により，+)' 群では体重が有意に増加+HDW6KRFN3URWHLQ +63  の発現変動にしたが，+)' に同時に 7 を添加すると，これ7 が寄与することを立証する．これにより 7

までの我々の報告と同じく，体重が有意に減が +63 の発現調節を介してミトコンドリア

少した．（)LJXUH$）これより，7 に体重抑の恒常性を維持し，その結果，抗肥満効果を制効果のあることが改めて明らかとなった．

発揮することを証明し，食事摂取由来での予更にこの際，腎周囲脂肪と睾丸周囲脂肪量を防医学的な可能性を明らかにする．

測定したが，睾丸周囲脂肪量に変化はなかっ― 202 ―

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)LJXUH 7 は体重増加を抑制し血清コレステロール値を大幅に減少させるたものの，腎周囲脂肪は 7 の投与によって 次に，組織中に含まれる 7 量を測定した．

有意に減少していた． )LJXUH% 更に，いく

通常，我々の体内には輸送タンパク質（αつかの血清マーカーを測定したが，低密度リ733）が存在するために，ビタミン ( の中でポタンパク質（/'/），コレステロール（トーもαトコフェロールが圧倒的に多い．しかし，タルコレステロール（7&+2），遊離型コレス

 か月間の 7 の添加により，脳や脂肪組織中テロール（)&+2），エステル型コレステロー

で は α 7 が 有 意 に 増 加 し て い る こ と が 明 らル（(&+2））が 7 添加により有意に減少してかとなった．（)LJXUH）7 は高度不飽和脂

いた．（)LJXUH&+）これらの事から，7 添

肪酸を多く含む脳や血液が多く流れ込む肝臓，

加による体重増加抑制作用の原因の一つには，また皮膚や脂肪組織中に比較的多く集まりや脂肪量の減少と脂質代謝が関与している可能

すいことが指摘されている．今回の実験結果

性のあることが分かった．

は，これらの従来からの説を裏付けるものと呼吸商測定装置では，リアルタイムでどのなった．しかし，αトコフェロール量と比較

程度酸素を消費したかがわかる．本装置は今するとその量は何百倍も少ない．この非常に年度新規導入したものであり，現在も実験を少ない 7 が脳や肝臓，脂肪組織中で重要な役実施している最中である．現在までの結果で割を直接的に果たしているのか？それとも間は，7 投与により代謝能に変化が確認されて接的なのかなどは今後の課題である．

いる．

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 7 は有意に増加する
)LJXUH 脳や脂肪組織中では

7 に よ る 抗 肥 満 効 果 に は ミ ト コ ン ド リ ア

明らかとなった．しかし，この方法ではミト機能の活発化による脂肪燃焼効果が一因としコンドリア以外の細胞小器官（(5 など）が混て考えられる．そこで，+63 について検討在している可能性は否定できない．よって，するために，ミトコンドリアの単離法の確立

更なる改良が必要である．

を行った．初めに 6XUH%HDGV システムを用い一方，同時に 57T3&5 を用いて +63 の遺て &2;,9 抗体を用いた単離を試みた．その結伝子発現量の測定を試みた．まず初めに，果，:HVWHUQ%ORWWLQJ による検証では，単一%/$67 にてプライマーを設計し，その後，T3&5のバンドが確認されたものの，想定していたによる検量線の作成を実施した．その結果，分子量とは異なる位置にバンドが検出される高い精度で検量線を作成することができ，

結 果 と な っ た ． こ の 一 因 と し て ， 6XUH%HDGV+63 について 57T3&5 を実施することが可に付随しているアンカーが &2;,9 抗体と結合能となった．今後はマウスサンプルを用いてしており，この分の分子量が増加した結果な+63 の 57T3&5 を実施する予定である．
のではないかと想定しているが，アンカー部の分子量は不明であるため，この仮説を立証

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

す る こ と は で き て い な い ． 次 に ， 6XUH%HDGV

今回の結果から，7 による抗肥満効果の確を用いない単離方法の確立を試みた．方法は認とそれに伴うミトコンドリアを介した脂可能な限り現在保有している遠心機で高 * の質・脂肪代謝の亢進が明らかとなりつつあり，

もとで遠心分離を行うというものである．詳更にそのメカニズムとして，ミトコンドリア

細な条件は割愛するが，その結果，かなり濃内の +63 の関与まだを明らかとしたかった

い濃度でミトコンドリアが単離できることがが，この点は現在も検討中である．次年度以― 204 ―

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降も引き続き，同内容を検証していく．

0HHWLQJRIWKH6RFLHW\IRU1HXURVFLHQFH&KLFDJR1RY ZLWK2QOLQH 

論文・ .DWR < $RNL < .L\RVH &)XNXL.7RFRWULHQROV $WWHQXDWH :KLWH $GLSRVH

・福井浩二，加藤優吾，投与量や投与期間の

7LVVXH $FFXPXODWLRQ DQG ,PSURYH 6HUXP

違いによるトコトリエノールの抗肥満効果に&KROHVWHURO &RQFHQWUDWLRQ LQ +LJK)DWついて，第  回 脂溶性ビタミン総合研究'LHW7UHDWHG

0LFH 0ROHFXOHV   

委員会， 月  日（2QOLQHKRVWHGE\6,7）



&RUUHVSRQGLQJ$XWKRU GRLKWWSVGRLRUJ   PROHFXOHV


・.DWR<8FKLXPL+8VDPL57DNDWVX+$RNL
<<DQDL6(QGR6)XNXL. 7RFRWULHQROVUHDFK WKH EUDLQ DQG SOD\ UROHV LQ WKHDWWHQXDWLRQ RI ERG\ ZHLJKW JDLQ DQGLPSURYHPHQW RI FRJQLWLYH IXQFWLRQ LQ
KLJKIDW GLHWWUHDWHG PLFH -RXUQDO RI

&OLQLFDO %LRFKHPLVWU\ DQG 1XWULWLRQ     

&RUUHVSRQGLQJ$XWKRU GRLMFEQ

学会発表
・加藤優吾、福井浩二、トコトリエノールは肥満および脳酸化を予防する、第  回 日
本酸化ストレス学会 関東支部会、 月 日、 :HE 開催 ・福井浩二、ビタミン ( によるマウスの抗肥満効果について、セッション 1R6H：放射線障害と加齢性傷害食事の影響、第  回
日本生化学会大会、 月  日（:HE 開催）・福井浩二、ビタミン ( による神経保護作用について、シンポジウム ：ビタミンと脳神経機能、第  回 日本ビタミン学会 3DUW
大会、 月  日（東京）（+\EULG 開催）
・.DWR<%HQ-)XNXL.7KHUHODWLRQVKLSEHWZHHQREHVLW\DQGFRJQLWLYHG\VIXQFWLRQ
3UHYHQWLRQ E\ WRFRWULHQROVWK $QQXDO― 205 ―

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脱細胞化技術を用いた人工腎臓の創製  生命科学科  中村 奈緒子
共同研究者
東京医科歯科大学生体材料工学研究所 岸田晶夫
東京医科歯科大学生体材料工学研究所 木村剛


１．序論

らの間に存在する基底膜によって行われてい年々増加し続けている腎臓疾患患者の増加る。したがって、腎臓の機能に必須の血液濾やドナー（臓器提供者）の不足の問題を解決

過の実現には、血管内皮細胞や腎臓上皮細胞するべく、長期的な生着が可能な人工腎臓のの接着に大きく寄与する基底膜を残存させた開発が望まれているが、腎臓は血管・糸球体・脱細胞化腎臓を作製し、重要な役割を担う細尿細管・腎盂・尿管などの組織を有する複雑胞を適切な場所に再配置させる必要があるとで複合的な臓器であるため、人工的な再生が考えた。これらの学術的背景をもとに、基底困難な臓器として知られている。

膜の成分および三次元的構造を維持した脱細再生医療・組織工学的な手法による腎臓再胞化腎臓の作製および再細胞化による人工腎構築として、腎臓より細胞成分を除去し、細臓の創製の実現可能性を本研究課題の核心を胞外マトリックスを保持した脱細胞化腎臓が、なす学術的「問い」とした。

三次元構造を有する足場材料として期待され腎臓の再細胞化では、血管内皮細胞と腎臓ている。これまでに報告された脱細胞化方法の細胞であるメサンギウム細胞は血管の基底は界面活性剤法であり、成分除去能力は高く、膜の内腔に、腎臓の細胞である腎上皮細胞は細胞成分のみでなく、多くの細胞外マトリッ

基底膜の外側に、尿細管細胞は尿細管内腔にクスまでも破壊し、除去してしまうことが知と、それぞれがあるべき場所に局在し、機能られている。一方で、申請者らはこれまでに発現を行う必要がある。人工的にこれらの細高静水圧印加を応用した新規の脱細胞化手法

胞を再配置するのは困難でだが、申請者らがを開発し、細胞外マトリックスを多く維持し見出した脱細胞化組織のガイドの役割（細胞た脱細胞化組織の調製に成功している。特に、の再配置や機能発現を誘導すること）を利用

血管内腔に存在する薄い基底膜と呼ばれる細することで、腎臓への細胞の再配置を実現で胞外マトリックスは、血管内皮細胞の接着にきると考えた。

顕著に影響し、これらは血管の早期の内皮化

申請者らはこれまでに、種々の組織におけや血管閉塞の抑制にポジティブに働くことがる in vivo 組織再構築を報告しており、脱細胞

明らかとなっている。腎臓の主な機能は血液化海綿骨では、異所性において造血や造血幹から水分や特定の物質を濾過・再吸収するこ細胞の生着を誘導すること、歯根膜でも異所とであるが、この過程は腎臓内に局在する血性において歯根膜のコラーゲン繊維に細胞が管内皮細胞と腎実質の上皮細胞、そしてそれ再配置し、歯根膜様の組織の再構築による硬― 206 ―

TOPへ戻る
組織との結合することが示された。これらは、脱細胞化組織の細胞外マトリックスが、本来の細胞成分や機能を再構築すべく、細胞の再配置や機能発現を誘導していることを示してへの影響の検討、②in vitro における血管内皮細胞および腎臓上皮細胞の接着性および機能発現の検討、③in vitro における再細胞化腎臓の血液濾過機能の検討を実施する。

いる。以上の背景のもと、細胞外マトリック

これまでに報告されている脱細胞化腎臓のスの微細な三次元構造や成分を維持すること

作製は、簡便な方法である界面活性剤を用いが極めて重要だと考え、高静水圧印加処理法

た手法が主流であるが、この手法では基底膜を応用して調製した脱細胞化腎臓を用いるこの維持が困難である。一方、申請者らの開発とで、本来の腎臓と同様の部位に細胞を再配した高静水圧印加処理法は大動脈などの大き置させた再細胞化腎臓を構築できるとの着想な血管では基底膜の維持と細胞成分の除去をに至った。腎臓の再生に関する研究において、両立できているものの、微細な血管網が豊富

近年注目されている細胞を主体としたアプロ

な臓器全体の細胞成分の除去は十分ではなく、ーチであるオルガノイド研究では、ネフロン、

脱細胞化腎臓の作製には至っていない。そこ

血管系、腎臓間質などからなる腎臓の最小単で本研究課題では、高静水圧印加処理法と界位を形成することに成功している。これは腎面活性剤を併用し、界面活性剤の利用を最低

臓に対する薬剤の毒性試験や腎臓機能の解明

限に留めることで、細胞成分の除去と細胞外を主な目的としている。一方、申請者らは腎マトリックスの維持を両立させた脱細胞化腎移植を目指した腎臓そのものの再生を目的と臓の調製を目指す。

している。腎臓に限らず生体の臓器は三次元

的な構造を形成しているため、細胞だけを用

２．研究計画

いて生体外で臓器全体を再構築することは困2-1. 種 々 の 手 法 に よ る 腎 臓 の 脱 細 胞 化 の 条

難であり、材料を主体としたアプローチが必件検討および細胞外マトリックスへの影響の要である。界面活性剤を用いた脱細胞化腎臓検討（2021 年度）の再細胞化では、再細胞化腎臓の濾過およびラット腎臓を、高静水圧印加し、界面活性再吸収の機能性は低く、その原因は脱細胞化剤・DNA 分解酵素を灌流させ、細胞成分を除

腎臓への細胞の接着が不十分であることが報去する。初期検討の結果、細胞外マトリック

告された。細胞接着性向上には、細胞接着面

スの残存量の異なるサンプルを調製できた。

の改善や播種細胞自体の改質が必要であると基底膜を中心とした細胞外マトリックスの維考えられている。

持を染色により評価し、細胞外マトリックス

種々の脱細胞化技術を用いて基底膜の成分の残存量を制御した脱細胞化腎臓の調製を行および三次元的構造を維持した腎臓の細胞外う。

マトリックスを作製すること、脱細胞化腎臓

2-2. in vitro における血管内皮細胞および腎に播種・培養された血管内皮細胞および腎臓

臓上皮細胞の接着性および機能発現の検討

上皮細胞の接着性および機能発現を明らかに（2021〜2022 年度）すること、再生医療・組織工学的に再細胞化

 血管内皮細胞として HUVEC、腎臓上皮した人工腎臓の血液濾過機能を解明し、生体細胞として初代培養細胞を用い、脱細胞化腎

腎・献腎移植の代替としての有用性を明らか

臓を再細胞化させる。血管内皮細胞や腎臓細にすることを本研究課題の目的とした。

胞の表面マーカー、および細胞外マトリック

手法として、①種々の手法による腎臓の脱スを免疫染色し、血管内皮細胞の血管内腔へ

細胞化の条件検討および細胞外マトリックスの接着および腎臓細胞の腎実質部位への接着― 207 ―

TOPへ戻る
作製した脱細胞化腎臓の染色結果を Fig. 1を明らかにする。細胞接着後、培養液を灌流

HE 染色より, 処理後は細胞核が観させ、腎臓全体に分布する細胞への栄養供給に示す.

を行い、細胞の生存性や分布を明らかにする。

察されず, 細胞成分の除去が示された. また,適宜フィードバックを行い、細胞外マトリッ

すべての条件において腎小体の Laminin が陽クスの残存量と細胞接着性の関係を解明し、性であることがわかり, 糸球体の ECM 成分

腎臓機能を再構築するための最適条件を明らが保持されていることが示された. SDS のみかにする。

で処理した条件では, 糸球体以外の部位の2-3. in vitro における再細胞化腎臓の血液濾

Laminin が 消 失 し て い る こ と が 示 さ れ た . 組

過機能の検討（2023 年度）

織構造は, SDS が低濃度条件の方が保持され再細胞化腎臓の血液濾過機能を明らかにすていた. また, 高圧条件のほうが濃く染色さるため、腎動脈から血液を灌流させ、腎静脈

れ, HHP により ECM 残存性が向上することがと尿管から排出された溶液を回収して、再細示唆された. DNA 定量の結果より, 残存 DNA

胞化腎臓によって濾過・産生された成分（ク

量はすべての条件で脱細胞化基準の 50 ng/mg

レアチニンなど）を分析する。コントロール

以下であり, 未処理と比べて有意に減少した.

として生体腎臓を用い、再細胞化腎臓の有用

以 上 よ り , SDS と HHP を 併 用 す る こ と で ,性を明らかにする。

ECM 残 存 性 の 高 い 脱 細 胞 化 腎 臓 の 作 製 が 可能であることがわかった.


３．計画の進行状況
 研究協力者として修士 1 年生 1 名が本研究の一部に参画し、修士論文のための研究テーマとした。
3-1. 脱細胞化腎臓の作製
Wistar ラット(8 週齢, オス)から腎臓を摘出し, 腎動脈にサーフロー留置針を挿管した.
脱血処理後, Table 1 に示す 6 条件で処理をした . ド デ シ ル 硫 酸 ナ ト リ ウ ム (SDS)で 細 胞 膜の破壊を, DNA 分解酵素である DNase 溶液でFig.

拡散除去を, 構造保持のために HHP を印加し

1

HE

and

lamininstaining

of

た. 各溶液は腎動 脈か らペリスタポンプで灌

decellularized kidney. White arrows: kidney

流 さ せ , 静 脈 お よ び 尿 管 か ら 廃 液 し た (24h,

corpuscle, black arrows: cell nucleus, asterisk:

1.6 ml/min). 脱細胞化評価として, HE 染色，

destruction area.

基底膜の主な構成成分である Laminin の免疫染色, 残存 DNA の定量を行った.

3-2. 脱細胞化腎臓への細胞播種

Table 1 Decellularization conditions

初めに腎動脈の直径や播種する細胞である
人 血 管 内 皮 細 胞 (HUVEC) の 大 き さ を 参 考 に
播 種 す る 細 胞 数 を 2.0×107cells に 決 定 し た .
作 製 し た 脱 細 胞 化 腎 臓 (0.5S, 5000H-0.5S,
10000H-0.5%S)に HUVEC をシリンジポンプ
を 用 い て 播 種 し た (1.0ml/min). イ ン キ ュ ベ ー
ター内で一晩静置し た 後, ペリスタポン プで― 208 ―

TOPへ戻る
灌流培養した(24h, 1.6 ml/min). 細胞接着性を臓 を 作 製 で き た . HUVEC を 播 種 す る こ と でHE 染色および生細胞(Calcein-AM)染色, DNA

ECM の 残 存 度 に よ っ て 細 胞 接 着 性 に 差 が 生

定量で評価した.

じ, 細胞局在に影響することが示された.

細胞を播種した脱細胞化腎臓の染色結果をFig. 2 に示す. Calcein-AM 染色より, 播種し４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

た HUVEC が腎臓内に局在していることが示

4-1. 今後の計画された. HE 染色からも 0.5S では HUVEC がHUVEC の播種細胞数の増加による 糸球体

糸球体で観察され, 糸 球体基底膜に接着して基底膜への細胞接着 数 の増加, 腎臓上皮細胞いる可能性が示唆された. 0.5S では Fig. 1 での 播 種 に よ る 腎 実 質 の 再 細 胞 化 ,再 細 胞 化 腎観察された Laminin 陽性の部分に特異的に播臓の濾過機能への基底膜残存性の影響を明ら種 し た HUVEC が 観 察 さ れ た . 一 方 ,かにしたいと考えている.

5000H-0.5S や 10000H-0.5S では HUVEC は糸研究協力者として修士 2 年生 1 名と学部 4

球体ではわずかしか 観 察されず, 輸入細動脈

年生 1 名の計 2 名の学生が本研究の一部に参に 局 在 し て い た . こ れ は 5000H-0.5S や画し、卒業論文および修士論文のための研究

10000H-0.5S では Laminin が全体的に残存しテーマとする。

ていたため, 糸球体よ りも細胞懸濁液を注入



した動脈側の輸入細動脈にほとんどの細胞が4-2. 学会発表状況

接着し, 糸球体まであ まり到達しなかったた1.

中 村 奈 緒 子 , 松 浦 黎 ,木 村 剛 , 岸 田 晶 夫 ,めと考えられた. これらの結果より, 細胞接

糸球体基底膜の保持を目指した脱細胞化

着 に は Laminin が 寄 与 す る こ と が わ か っ た .

腎臓の作製,第 59 回日本人工臓器学会大本実験では理論値よりも播種細胞数が少ない会, 11 月 25-27 日, 2021（口頭）ため, 播種細胞数を増やすことで ECM が多2.

松浦黎, 中村奈緒子, 木村剛，岸田晶夫，

く残存した 5000H-0.5S や 10000H-0.5S におい

腎機能再構築を目指した脱細胞化腎臓のても糸球体への細胞 接 着が期待される. 以上

作製, 第 60 回日本生体医工学会大会, オ

より, ECM 残存性の違いにより血管内皮細胞

ンライン, 6 月 15 日, 2021（口頭）3.

の基底膜への細胞接 着 性に差が生じ, その結

中村奈緒子, 松浦黎, 後藤雄也, 木村剛,
岸田晶夫, 再生腎臓構築のための脱細胞

果, 細胞局在に影響することが示唆された.

化腎臓の調製, 第 20 回日本再生医療学会
総会, 3 月 11-13 日, 2020（ポスター）
Fig. 2 HE and laminin staining of cell seededkidney. White and black arrows : HUVEC.
3-3. まとめ構造保持のための HHP と SDS の併用によって腎臓全体に ECM を残存させた脱細胞化腎

― 209 ―

TOPへ戻る

不確かな切替えシステムに対するサンプル値制御  システム理工学部数理科学科  サイ 貴生  
共同研究者
トヨタ工業大学・研究員  ナラパン グナセカラン
１．序論（はじめに，まえがき，目的） 

な凸結合を用いた方法である．例えば，二つ

近年，複数のサブシステムからなる切替え／ハイブリッドシステムに関する研究が活発に行われている．その背景は，現実システムのほとんどは単一モードのダイナミックスでなく，複数のモードで記述しなければならなの 連 続 時 間 サ ブ シ ス テ ム 𝑥𝑥̇ = 𝐴𝐴1 𝑥𝑥, 𝑥𝑥̇ = 𝐴𝐴2 𝑥𝑥で構成された切替えシステムについて，行列𝐴𝐴1 , 𝐴𝐴2 が 不 安 定 で あ っ て も そ の 結 合𝐴𝐴𝜆𝜆 = 𝜆𝜆𝐴𝐴1 +(1 − 𝜆𝜆)𝐴𝐴2 が 安 定 と な る 実 数 0 < 𝜆𝜆 < 1が 存 在 す

れば，𝐴𝐴𝜆𝜆 のリヤプノフ行列を用いた切替え法

いことにある．例えば，走行している車の位で全体システムが安定化できる．また，各サ

置と速度を考える場合には，ギアシフトの位ブシステムの右辺に定数ベクトル項が含まれ置によって複数の異なるダイナミックスが存る切替えシステムについて，共通な平衡点を在する．また，知能制御分野では，単一の制御もたないあるいは平衡点すらもたないサブシ器で望ましい性能を達成できないシステムにステムが存在しても，適切な切替え法を与え対して，複数の制御器と適切な切替え法によれば，切替えシステムは通常の安定と同じ振って制御仕様が実現できる研究が数多く報告

る舞いをもち，望ましい点へ漸近収束するこされている．

とが可能である．例えば，四つの積分器  

𝑆𝑆1 : 𝑥𝑥̇ = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐[−3, 2.5]，𝑆𝑆2 : 𝑥𝑥̇ = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐[−2.5, −3], 
𝑆𝑆3 : 𝑥𝑥̇ = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐[3, −2.5], 𝑆𝑆4 : 𝑥𝑥̇ = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐[2.5, 3]から構成された切替えシステムを考える．明らかに，全てのサブシステムに平衡点が存在しないため，単独で作動させる場合には必ず無限へ発散する．しかし，初期値 col[2,1] から出発して，座標平面の第Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ象限にそ れ ぞ れ サ ブ シ ス テ ム 𝑆𝑆1 , 𝑆𝑆2 , 𝑆𝑆3 , 𝑆𝑆4 を ア ク テ ィ

ブにした場合の解軌道は図１に示すとおり，  図１ 切替えシステムの軌道の様子

原点へ漸近収束している．

切替えシステムの大きな特徴はすべてのサ本研究では不確かさを 含む切替えシステ

ブシステムが不安定であっても，適切な切替ムに対して，複数種の不確かさに対応する

え法の下で全体システムが安定となることでような形でサブシステムの凸結合を定義し，ある．その代表的なアプローチは切替え線形

それに基づく切替え平衡点や安定化を達成

システムに対して各サブシステム行列の安定する切替えアルゴリズムを提案する．そし― 210 ―

TOPへ戻るて，サブシステムの状態が利用できないと番号を決める切替え信号関数で，微分方程式

きに，観測出力を用いた切替え型オブザーの 右 辺 に あ る 行 列 𝐴𝐴1 , 𝐴𝐴2 , . . . , 𝐴𝐴𝑁𝑁 とバを構築してオブザーバの状態による切替え法を考える．システムの性能指標は原点（あるいは望ましい平衡点）での二次安定、𝛥𝛥𝐴𝐴1 , 𝛥𝛥𝐴𝐴2 , . . . , 𝛥𝛥𝐴𝐴𝑁𝑁 は そ れ ぞ れ サ ブ シ ス テ ム 行 列の 確 定 部 分 と 不 確 か さ を 表 す 。 𝑏𝑏1 , 𝑏𝑏2 , . . . , 𝑏𝑏𝑁𝑁 はアファイン項を表す定数ベクトルで，𝑁𝑁はサ切替え平衡点集合の設計や設計した軌道へ

ブシステムの数である ．このシステムに対しの追従（トラッキング）などが考えられる．

て解析と設計を考えるため，各サブシステム

応用として，切替え非線形システムに対し

行列確定部分の凸結合

て原点に向かう点列を考え，逐次にその点

   𝐴𝐴𝜆𝜆 = ∑𝑁𝑁
𝑖𝑖=1 𝜆𝜆𝑖𝑖 𝐴𝐴𝑖𝑖 , 

で非線形システムの微分項を一次テイラー      ∑𝑁𝑁
𝑖𝑖=1 𝜆𝜆𝑖𝑖 = 1, ∀𝜆𝜆𝑖𝑖 ≥ 0    (2)

展開して得られた線形システムを安定化す

が +XUZLW] 安定（行列固有値の実部がすべてることによって，元の非線形システムを安負である）となるものを見つける．

定化することができる． 

このような設定のもとで，本研究では次の本研究の学術的な独自 性と創造性は以下の点が挙げられる．まず，連続時間切替えシ問題を考える：3 不確かさがない（𝛥𝛥𝐴𝐴𝑖𝑖 = 0）システム 

ステム  について不確かさがある場合の凸の二次安定化条件と切替えアルゴリズムを仮結合アプローチは既存研究にないもので，理定  のもとで導出する．特に，サブシステム

論的にも実用的にも既存の研究に対する重要が共通の平衡点を持たない，𝑏𝑏𝜆𝜆 = ∑𝑁𝑁
𝑖𝑖=1 𝜆𝜆𝑖𝑖 𝑏𝑏𝑖𝑖 ≠ 0

な拡張となっている．そして，本研究で外乱のケースについて切替え平衡点集合やトラッ抑制（低減）と関連して独自な切替えアルゴ

キング問題も考える；

リズムを提案する点や凸結合以外の結合方法

3 有界な不確かさがある（例えばノルム有を考察・提案する点がオリジナルである． 次

界な 𝛥𝛥𝐴𝐴𝑖𝑖 = 𝐷𝐷𝑖𝑖 𝐹𝐹𝑖𝑖 (𝑡𝑡)𝐸𝐸𝑖𝑖 ≠ 0, ||𝐹𝐹𝑖𝑖 (𝑡𝑡)|| ≤ 1）システムに，離散時間切替えシステム  についてサブ

 の二次安定化条件と切替えアルゴリズム

システム凸結合の定義自体は既存研究で不自を仮定  の下で導出する．

然さがあるため，本研究ではより自然で実用 次に，離散時間切替えシステム
𝑥𝑥(𝑘𝑘 + 1) = (𝐴𝐴𝜎𝜎(𝑘𝑘) + 𝛥𝛥𝐴𝐴𝜎𝜎(𝑘𝑘) )𝑥𝑥(𝑘𝑘) + 𝑏𝑏𝜎𝜎(𝑘𝑘)         𝜎𝜎(𝑘𝑘) ∈ {1,2, . . . , 𝑁𝑁}   (3)のロバスト安定化問題を考える．文献>@では的な凸結合の定義を提案し，それに基づく二次安定化切替えアルゴリズムを構築する． 最
後 ， 切 替 え シ ス テ ム  と  に 定 数 項 𝑏𝑏𝑖𝑖 が 入っているため，システムの収束点（切替え平衡点と呼ぶ）の解析と設計を行うことによって，より一般化した切替え非線形システムの研究に大きく寄与できる．

系へ拡張してみたが，  式のようなサブシス
テム行列のみでの条件は得られなかった．さらに，  式にアファイン項が入ってきたため，平衡点の解析やロバスト安定化が難しくなる．



本研究ではシステム  について次の問題を

２．研究計画
本研究では切替え線形システムを含む切替
えアファインシステムを制御対象とし，連続系の場合の制御対象は次式で表される．
𝑥𝑥̇ = (𝐴𝐴𝜎𝜎(𝑡𝑡) + 𝛥𝛥𝐴𝐴𝜎𝜎(𝑡𝑡) )𝑥𝑥 + 𝑏𝑏𝜎𝜎(𝑡𝑡)

サブシステムの凸結合アプローチを離散時間考える：
3 不確かさがない（𝛥𝛥𝐴𝐴𝑖𝑖 = 0）システム に対してサブシステムの“凸”結合を定義し，それに基づく二次安定化条件と切替えアルゴ        𝜎𝜎(𝑡𝑡) ∈ {1,2, . . . , 𝑁𝑁}   (1)こ こ で 𝜎𝜎(𝑡𝑡)は 時 刻 tに 用 い る サ ブ シ ス テ ム のリズムを導出し，切替え平衡点集合やトラッキング問題も考える― 211 ―

TOPへ戻る3  有界な不確かさがある（例えば，𝛥𝛥𝐴𝐴𝑖𝑖 =３．計画の進行状況

安定化条件と切替えアルゴリズムを導出する．

テムと切替 えアフ ァイン システムに 対して ロバ

 なお，上記の問題 3  3 ではそれぞれ連

スト二次安 定化問 題を考 えてきた． 切替え シス

続系と離散系を対象としているが，連続系かテムについ て既存 の公称 システム行 列の凸 結合

らの離散化を意識して両者の関連や組合せたを拡張して ，有界 な不確 かさを表す 行列を 含め

サンプル値制御も議論する．以下，各年度のた凸結合を 提案し ている ．アファイ ンシス テム

研究計画を説明する．

について， すべて のサブ システムに 共通な 平衡

𝐷𝐷𝑖𝑖 𝐹𝐹𝑖𝑖 (𝑘𝑘)𝐸𝐸𝑖𝑖 ≠ 0, ||𝐹𝐹𝑖𝑖 (𝑘𝑘)|| ≤ 1）システム  の二次

以前の準 備も含め て これ まで 切替 え線形シス

初 年 度 （  年 度 ） で は 不 確 か さ が な い

点がない場 合につ いて ， 線形部分の システ ム行（𝛥𝛥𝐴𝐴𝑖𝑖 = 0）連続時間切替えシステム  につい列の凸結合が +XUZLW] でかつアファイン部分のて，仮定  のもとで𝑏𝑏𝜆𝜆 = 0を満たすときの安凸結合がゼ ロであ れば， 切替えシス テムが 二次定化切替えアルゴリズムを整理・拡張し，𝑏𝑏𝜆𝜆 =安定となる ような 切替え 法を提案し ている ．シ0を 満 た さ な い と き の 切 替 え 平 衡 点 集 合 お よ

ステムの状 態情報 が使え ば，状態に よる切 替え

びトラッキング性能を解析設計する．主なツ法となるが ，状態 情報が 利用できな いとき ，オールは凸結合行列𝐴𝐴𝜆𝜆 に対するリヤプノフ関数

ブザーバに よる推 定状態 情報を用い る必要 があとそれを拡張したものを用いる．凸結合以外

る．実際， 出力に 基づく 切替え方法 につい て考の結合手法や切替え時に起きるチャタリング

察した結果は一部公表 している．

回避策についても考察する．

システム 行列やア ファイ ンベクト ルが線形時

 次年度では不確かさがある（例えば，𝛥𝛥𝐴𝐴𝑖𝑖 =不変で不確 かさが ない切 替えシステ ムに対 する𝐷𝐷𝑖𝑖 𝐹𝐹𝑖𝑖 (𝑡𝑡)𝐸𝐸𝑖𝑖 ≠ 0, ||𝐹𝐹𝑖𝑖 (𝑡𝑡)|| ≤ 1やポリトピック型）切

上記の結果 は不確 かな切 替えアファ インシ ステ

替えシステム  に対し て，二次安定性と /

ムへ拡張す ること ができ ている．さ ら に， 時変ゲインの関係を利用して仮定  を拡張し，そ切替えアフ ァイン システ ムにも一部 結果を 拡張れに基づく安定化切替えアルゴリズムを導出している．

する．システム状態が利用できない場合に切最近，シ ステム行 列の有 界不確か さと関連し替え型オブザーバを構成し，オブザーバの状ている / ゲイン外乱抑制問題を考えて，２次安態に基づく切替え法を確立する．

定化より広 い枠組 みで本 研究を捉え るよう に広 年度には連続時間切替えシステムで得げている． 

られた成果を踏まえて，離散時間切替えシス
テムの結合形の定義を再検討し，できるだけ４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

サブシステム行列で判断できる合理的なもの

上記の進行状況を踏まえて， 今年度は出力を提案していく．その定義のもとでロバスト

情報を用いた切替え線形やアファインシステ

安定化問題を考え，システム状態及び出力にムの２次安定化や / ゲイン外乱抑制問題に対よる切替えアルゴリズムの下での安定化、外して，凸結 合に基 づく切 替え則やフ ィード バッ

乱抑制しながら追従制御問題を検討する．

ク制御則の 設計を考える．同時に，状態や出力

 最終年度では連続時間切替えシステムと離を用いて切り替えるときに生じるチャタリン

散型制御器から構成される切替えサンプル値

グについて定量的な解析と回避策を提案してシステムに対して安定性／追従性や外乱抑制

いく．
以下，準備段階も含めて本研究関連の論文

性能を達成するように，切替えアルゴリズムと制御器の同時設計を提案する．

投稿と発表リスト（最近  年間の関連業績論― 212 ―

TOPへ戻る文）をまとめる．

Vol.15, No.9, pp.1157-1168, 2021.

①学術誌等に発表した論文 [10] Q. Yu, G. Zhai: New stability criteria of s

[1] Y. Chang, G. Zhai, B. Fu, L. Xiong: Quadwitched systems with unstable modes under aratic stabilization of switched uncertain linear sweighted ADT scheme, International Journal ofystems: A convex combination approach; IEEE/

Systems Science, Vol.52, No.13, pp.2735-2751,

CAA Journal of Automatica Sinica, Vol.6, No.5,

2021. pp.1116-1126, 2019.

[2] J. Mao, Z. Xiang, G. Zhai: Sampled-data c②国際会議における発表 

ontrol of a class of switched nonlinear systems[11] Y. Chang, G. Zhai, B. Fu, L. Xiong:under asynchronous switching; Journal of the Fr

Stabilization of switched linear uncertain stochastic

anklin Institute, Vol.356, pp.1924-1943, 2019.

systems; Proc. 38 th Chinese Control Conference[3] M. Xiao, G. Zhai, C. Huang: Quadratic sta(CCC2019), Guangzhou, China, 1784-1788, Julybilisation of switched affine systems, Journal of

27-30, 2019.

Control and Decision, Vol.7, No.1, pp.1-23, 20[12] Y. Chang, G. Zhai, L. Xiong, B. Fu: Output-

20.

dependent switching laws for quadratic stabilization[4] N. Gunasekaran, G. Zhai: Sampled-data stof switched linear stochastic systems; Proc. 32 nd

ate-estimation of delayed complex-valued neural

Chinesenetworks, International Journal of Systems Scie

(CCDC2020), Hefei, China, pp.1796-1801, Augustnce, Vol.51, No.2, pp.303-312, 2020.

22-24, 2020.

[5] Y. Chang, G. Zhai, L. Xiong, B. Fu: Globa[13] M. Xiao, G. Zhai, Q. Yu, J. Lian: Switchingl quadratic stabilization in probability for switc

output feedback control of LTI systems; Proc. 16 th

hed linear stochastic systems, IEEE Access, Vol.

IEEE International Conference on Control &8, pp.103610-103618, 2020.

Automation (ICCA2020), Singapore, pp.1032-1037,[6] N. Gunasekaran, G. Zhai, Q. Yu:

Sampled-ControlandDecision

Conference

2020.

data synchronization of delayed multi -agent net[14] Y. Chang, G. Zhai, L. Xiong, B. Fu: Quadratic

works and its application to coupled circuit;

L2 performance analysis of switched uncertain

Neurocomputing, Vol.413, pp.499-511, 2020.

linear systems; Proc. 33 rd Chinese Control and[7] Q. Yu, G. Zhai: A limit inferior Φ-depende

Decision Conference (CCDC2021), Kunming, China,

nt average dwell time approach for stability ana

pp.6666-6671, May 22-24, 2021.

lysis of switched systems; International Journalof Robust and Nonlinear Control, Vol.31, No.2,>注@ * =KDL は研究代表者翟貴生の英 語 名

pp.565-581, 2021.

*XLVKHQJ =KDL の略 で 1 *XQDVHNDUDQ は共[8] N. Gunasekaran, S. Srinivasan, G. Zhai and同 研 究 者 ナ ラ パ ン  グ ナ セ カ ラ ン （ 1DOODSSDQ

Q. Yu: Dynamical analysis and sampled-data st*XQDVHNDUDQ）の英語名の略である． abilization of memristor-based Chua’s circuits,IEEE Access, Vol.9, pp.25648-25658, 2021.

【 謝 辞 】 本研 究 は芝 浦 工 業大 学  年度特 別[9] N. Gunasekaran, G. Zhai, Q. Yu: Exponenti

研究 助 成（ プロ ジ ェク ト 研究 助 成）を受 け て行

al sampled‐data fuzzy stabilization of nonlinea

われ た こと を 付記 す る． r systems and its application to basic buck con

verters, IET Control Theory & Applications,            年  月  日

― 213 ―

TOPへ戻る表面波の伝播速度による超砥粒ホイール砥粒層の縦弾性係数導出と研削特性に関する研究
デザイン工学科

１．はじめに

澤

武一

や研削作業の条件設定に有益な情報となる．

航空機・自動車の構造材料や半導体の次世

普通研削砥石では縦弾性係数を測定する方

代パワーデバイス材料は一層難削化する一方，法として，共振周波数測定法（ソニック法）

需要増と国際競争力強化のための加工能率向や超音波パルス透過法が確立されており，縦上，加工コスト低減，高品位・高精度加工は弾性係数と研削性能との関連が明確になって生産現場の大きな課題である．このような背いる．一方，超砥粒ホイールは台金に砥粒層景のもと，研削加工においては耐摩耗性と高を固定する構造上，普通研削砥石に適用され熱伝導率の優位性から WA 砥石や GC 砥石のるソニック法や超音波パルス法を適用するこ

普通研削砥石から CBN やダイヤモンドを砥とは不可能であり，現在，砥粒層の縦弾性係粒とする超砥粒ホイールへの移行が望ましい．

数を測定する手法は確立されていない．

しかし，超砥粒ホイールはツルーイング，ドそこで本研究では，超砥粒ホイールの構造

レッシングが困難なことや砥粒層の機械的性に制限されない新しい縦弾性係数測定法とし質（特に縦弾性係数）と研削性能の関係が明て，弾性体を媒質とした縦波，横波よりも減

確でないこともあり発売されて久しいが十分衰の少ない表面波の伝播特性によって砥粒層に普及しているとはいえない．また，超砥粒の縦弾性係数を導出する手法を提案する．実

ホイールの砥粒層に含まれる結合剤やフィラ験の結果，表面波の伝播速度により砥粒層のー（添加剤）は製造メーカのノウハウであり，品質を評価し，縦弾性係数を導出できる可能

砥粒層の構造体としての縦弾性係数が生産現性を見出したので以下に報告する．

場で把握できないため，制御性が低く，加工結果の良否は作業者の熟練度に依存する．こ２．表面波の伝播速度から縦弾性係数を導出のことから，研削加工の研究や技術開発は研する原理

削状態をモニタリングまたはセンシングする

弾性体を伝播する弾性波には縦波，横波，

ものが主であり，加工前の段階で加工状態や表面波の 3 種類がある．波長に比べて弾性体

加工結果を予測する技術に関してはほとんどが十分に大きく，一様で等方性と見なせる場

検討されていない．切削工具の性能評価法と合には半無限等方体の自由表面に沿う波の伝して活用さ れる寿 命曲 線（VT 線図）と同様

播速度は Rayleigh によって式（1），
（2），
（3）

に，超砥粒ホイールでも砥粒層の縦弾性係数で導くことができることが示されている．

を含む機械的性質と研削性能（アブレシブ摩

Vp：縦波の伝播速度（m/s），Vs：横波の伝耗特性）を関連付ければ，砥粒層の機械的性

播速度（m/s），Vr：表面波の伝播速度（m/s），

質から加工性能を評価でき，ホイールの選定

ν：ポアソン比，E：縦弾性係数（GPa），ρ：― 214 ―

TOPへ戻る密度（kg/m 3 ），G：せん断弾性係数を示す．

弾性体の縦弾性係数 E を算出できる．
３．表面波の測定方法と測定結果
３．１表面波の測定方法
図 1 に，試作した表面波測定装置の概略図を示す．2 つの AE センサを超砥粒ホイールの砥粒層表面に押し付け，表面波を測定する．
表面波はシャープペンシルの芯を圧折して発生させた．シャープペンシル芯圧折法はASTM（アメリカ材料試験協会） E976 として規格化された正規の方法であり，圧折時のただし，これらの関係は単一材料において角度を一定に保つことで繰り返し精度を向上成立する．砥粒，結合剤，気孔で構成されるさせることができる．本実験では AE センサ

普通研削砥石の縦弾性係数の評価にはから 10mm 離れた位置にて，芯の突き出し長超音波パルス法透過法が適用されているこさを 3mm，傾斜角 30°で圧折した．AE センとから普通研削砥石は等方性と見なすことが

サによって検出された表面波はプリアンプ

できる．したがって，超砥粒ホイールの砥粒（増幅器），データロガーを介してパソコンで層でも 式（1），（2），（ 3）が適 用で きる と考読み取る．波形データの観測にはキーエンス

えられる．

製の MEGA VIEW を用いた．本測定装置で使（1）と（2）はともに E に関係している式のた め ，式 （1）と 式 （ 2）か ら 式（4） が 得
られる．

そ し て ， 式 （4） を 式 （3） に 代 入 す る と ，

Fig.1

式（5）が得られる．

Schematic diagram of measuring equipment

Table1

Specifications of measuring equipment

式（5）は表面波の伝播速度 Vr，横波の伝
播速度 Vs，ポアソン比 ν のみの多項式として
表 す こ と が で き る ． つ ま り ， 式 （ 5） に 本 研
究で試作した表面波測定装置で計測する表面波の伝播速度 Vr と弾性体のポアソン比 ν を代入することで横波の伝播速度 Vs が導出できる．そして，導いた横波の伝播速度 Vs と弾性体の密度 ρ を式（2）に代入することで，― 215 ―

Fig.2

Measurement of delay time

TOPへ戻る用した各種計測機器は表 1 に示す．AE セン

４．砥粒層の仕様と表面波の伝播速度の関係

サの中心間距離は治具によって 40mm に保ち，

超砥粒ホイールの砥粒層を伝播する表面波

2 つの AE センサが検出する表面波の遅延時の特性を把握するため，砥粒層の各種仕様と間を計測した．図 2 に，遅延時間の計測の様

表面波の伝播速度の関係について実験的に検子を示す．図に示すように，遅延時間は CH1

討した．超砥粒ホイールは高価で購入が困難と CH2 の AE センサで計測する最初の波形のであるため，比較対象以外の仕様を同一にで頂点を基点にして計測した．AE センサの 2

きていない場合があるが本実験の主目的は表点間 距離 （40mm）を 遅延 時間 で 除す るこ と面波の特性を知ることであるためこの点は予により，表面波の伝播速度を算出した．シャ

了承いただきたい．

ープペンシルはホイール作業面の中央で圧折

図 3 に，粒度が異なる砥粒層の表面波を測し，AE センサはホイール作業面の中央に位定した結果を示す．実験に使用したホイール

置するように治具を設計している．また，AEはレジノイドボンドホイールとメタルボンド

センサの 2 点間距離のホイール台金には粘土ホイールで，レジノイドボンドホイールの仕を張り付け，台金表面を伝播する表面波は遮様は SDC-N100B，メタルボンドのホイール断した．ただし，粘土の有無による表面波形の仕様は MD-N100M である．レジノイドボの乱れや伝播時間に差がないことは予察実験

ンドホイールの粒度は 140，230，400，メタにて確認している．また，狭域の AE センサ

ル ボ ン ド ホ イ ー ル の 粒 度 は 140， 270， 600を使用し，表面波に近い周波数以外の波を測の 3 種類を準備した．SDC は低衝撃度ダイヤ

定しないようフィルタリングしている．実験

モンド砥粒を金属被覆したもの，MD は高衝に使用した超砥粒ホイールはすべて新品未使

撃ダイヤモンド砥粒で金属被覆がないもので用のもので，レジノイドボンドホイール，メある．本実験ではホイールの側面に 30°間隔

タルボンドホイールは無気孔，ビトリファイ

で印を付け，この印を基準に測定点を変え，ドボンドは有気孔である．砥粒層の厚みはす

砥粒層の 12 か所で表面波を計測した．各測べて 3mm である．本実験の予察において，定点では 5 回測定し，計測値の最大と最小を数種類の超砥粒ホイールを使用し，目つぶれ除く 3 つの値を平均し，その値を各測定箇所

状態のホイール作業面とドレッシングを行いの値とした．そして，測定点 12 カ所の値を目立て終了後のホイール作業面で本測定方法

平均し，その値を実験値とした．図の棒グラによって表面波の計測を実施したところ，両フの値はその実験値である．なお，各測定点

者の表面波は同じ波形になり，伝播速度の差

での伝播速度の差異は最大で約 7％である．

異も確認できなかった．
このため，本測定方法は
砥粒の突き出し高さおよび摩耗状態に影響せず，
表面波を測定できることを付記する．また，砥粒層が薄くなると台金が表面波の伝播速度に影響すると推察されるが，この点は現在吟味中であるため次報で報告したい．

Fig.3 Surface wave velocity of various abrasive layers― 216 ―

TOPへ戻る図から，レジノイドボンドホイール，メタル

あるが，表面波の伝播速度はレジノイドボン

ボンドホイールともに粒度が高くなると表面ドが最も遅く，次いで，ビトリファイドボン

波の伝播速度が僅かに速くなることがわかる．

ドが速くなり，メタルボンドが最も速くなる

これはコンセントレーションが同じであるたことがわかる．この順列は縦弾性係数と相関

め，粒度が高いほど砥粒数が多くなることに関係が成立するため，図 3 の結果と同様に，起因するものと考えられる．式（1），（2）に砥粒層の構造体としての巨視的な縦弾性係数示す通り，弾性波の速度は縦弾性係数が大きが表面波の速度に影響しているといえる．まくなるほど速くなる．レジノイドボンドホイ

た，メタルボンドホイールの伝播速度が速い

ール，メタルボンドホイールともにダイヤモのはダイヤモンドと結合剤の密着性も起因しンドと結合剤の密着性を考慮する必要があるていると思われるが，この点は詳細な検討がが，砥粒数が多いほど砥粒層の縦弾性係数が必要である．さらに，ビトリファイドボンド

高くなるためであると考えられる． 本実験でホイールは有気孔のため表面波の伝播速度が行ったシャープペンシルの芯圧折法では表面遅くなると予測したが，レジノイドボンドホ

波の周波数は速くても 400kHz 程度であり，イールよりも速くなっているのは伝播速度に波長は最小でも 6.0mm 程度になる．つまり，対する影響が気孔よりも弾性係数が大きいこ

波長が砥粒径に比べてはるかに大きいため，とが起因していると思われる．

砥粒径の差異を本手法で検出するのは困難であると考えられる．しかしながら，本図の結５．お わ り に果から，粒度の違いにより表面波の伝播速度

本研究では表面波の伝播速度を用いて超砥に僅かな差異が見られることは明らかであり，

粒ホイールの砥粒層の縦弾性係数を導出する

粒度と表面波の関係は高い周波数を発信させ手法について提案し，その可能性について実ることができる方法を適用することも含めて験的に検討した．得られた成果を以下に示す．

今後追加実験が必要であると考えている．本（1）表面波の伝播速度は粒度およびコンセン

実験においては粒度 600 までは測定できるこ

トレーションが高くなるほど速くなる．

とを確認している．

（2）表面波の伝播速度はレジノイドボンドが図 4 に，結合剤が異なるダイヤモンドホイ

最も遅く，次いで，ビトリファイドボンドがールの表面波を測定した結果を示す．結合剤速くなり，メタルボンドが最も速くなる．

はレジノイドボンド，ビトリファイドボンド，
メタルボンドの 3 種
で，実験に供したホイールは図に記載のとおりである．レジ
ノイドボンドホイー
ルとメタルボンドホ
イールは無気孔，ビトリファイドボンド
は有気孔である．図から，細かい仕様の違いによって表面波の伝播速度に違いがFig.4

Surface wave velocity of various abrasive layers― 217 ―

TOPへ戻る

“6HQVHRI3ODFH”
観光のためのインタラクティブ展示とその未来  デザイン工学科  日髙 杏子  
１．はじめに

このワークショップと国際シンポジウムで〜 年、コロナ禍はまだ世界中に広は、インタラクティブなデジタルアートの没がっており、さらに  年初頭にはロシアに入感について考察する。アート展示は魅力的

よるウクライナ侵攻が起き、海外旅行や観光な没入体験をもたらし、日本でもチームラボ、は世界各国で制限されている。人間は常に新ライゾマティクス、WR など、世界をリしい体験を渇望しているが、しかし旅行が制ードするデジタルアート制作企業が数多く存

限・禁止された時代に、どのような新しい場

在し、その発表手法や発表の場が世界中から所の体験法があるのだろうか。この問いを探注目されてきた。特に 95 や $5 などの没入型るために、今回の研究をおこなった。

体験は非常に人気がある。こうした没入感を本研究は、教育工学の視座から、遠隔で実高めるデザインが求められている。何気ない施された「第  回カラーデジタルアート×ラ

環境を新しい世界に変え、体験者の想像力やイティング国際シンポジウム＆ワークショッ

好奇心を刺激し、より満足度の高い体験をもプ」を実証例とし、バーチャル観光体験の共たらす。

同制作について検証する。芝浦工業大学の色彩・コミュニケーションデザイン研究室は、タイのアサンプション大学のスワンナプーム

表 これまでのワークショップ・シンポジウ
ムのテーマおよび開催地

キャンパスにある建築デザイン学部（モンフォール・デル・ロサリオスクール）の教員ら

回

日程

と協力し、 年から一連の共同ワークショ 年  月ワ ーク シ ョ ッ プ国 際 シン ポ ジウ ム 
テ ーマ &RORXUIXO

場所
東京 

3OD\JURXQGIRU

ップと国際シンポジウムを開催してきた。第&KLOGUHQ 回は東京>@、第  回はバンコクで開催され、



第  回はパンデミックのため遠隔開催>@さ 年  月

,OOXPLQDWH

バン
コク 

れた。



本シンポジウムとワークショップでは、今

後のインタラクティブな空間デザインやデジ 年  月

8ELTXLWRXV

年  月OLJKWLQJ 年  月

6HQVHRI3ODFH

遠隔 
遠隔 

年  月

タルアートの技術の方向性や流れについて議

論し、制作するワークショップを通じて未来

２．ワークショップ・国際シンポジウム概要

のデザイナーやエンジニアのインキュベータ

これまで通常、アサンプション大学チーム

ーとなる場を目指してきた。

か筆者の研究室のどちらかが、交互で各ワー

― 218 ―

TOPへ戻る
クショップの作品全体テーマを決めてきた。

では「システムによって提⽰された空間に実

過去のワークショップの日程、テーマ、会場

際に⾝をおいている感覚になること」と定義

は表  の通りである。
（表 ）ワークショップ

されている。>@また似たような⾔葉で「臨場開始後、〜 つの学生のグループに分かれ、感が」あり、「その場で実際に体験しているよそれぞれサブテーマに沿った作業を行う。今

うな感じ」を受ける⼼的状態>@である。

回のテーマは”6HQVHRI3ODFH”と決まった。

近年、感情や感覚が学際的議論の対象とな

っているが、本ワークショップの学生は、バ

２１観光とは何か？

ーチャルでありながらも、人間の感覚に訴え、場所の感覚（6HQVHRI3ODFH）という共通

リアルな体験を与える作品を作りたいと考え

テーマを考える上で、観光は特に重要な問題ていた。リアリティを向上させるために、さである。国連世界観光機関（81:72）は、「観まざまな工夫がなされていた。さらに 95 ヘッ

光に関する世界倫理綱領」の第  条で、「観光

ドセットを使用しなくても、没入感を得られは、人々と地域社会の相互理解と尊重に寄与

る展示を目指したいと考えた。

するものである」>@と書いている。観光とは、



単に五感を刺激するだけでなく、その土地の図 国際シンポジウムの広報バナー

人々の文化や地域社会を知ることでもある。
本ワークショップを通じ、制作前の調査で世界各地の観光地でインタラクティブなデジ
タルアート化によって興味深い作品となるかを深く議論していった。

図 遠隔ワークショップの様子
３． 年  月  日の国際シンポジウム 年  月  日に開催される国際シンポ
ジウムに向け、 グループに分かれて展示の制作に取り組んだ。約  名の学生と教員が協力し、マイコンのプログラミングや展示のデザインなどを行った。（図 ）
シンポジウム当日は、バンコクや東京、中２２没入感とは何か？

国などから遠隔で参加した参加者が、独創的「身体は世界を持つための普遍的な媒体」>@

な作品を発表した。アサンプション大学ヴィモーリス・メルロ＝ポンティ

ンセント・メアリー科学技術学部教員である

身体感覚は、まぎれもなく「没入」への入

7DSDQDQ<HRSKDQWRQJ 氏とメディアアーティ

り口である。フランスの現象学者メルロ＝ポ

スト 7KHHUDZDW.ODQJMDUHRQFKDL 氏の講演とンティの著書によれば、人間の身体は、私た作品の講評も行われた。（図 ）
グループ （図 ）は、照明でオーロラを再ちが世界を経験するための媒体であると記さ現し、グループ  はインドのカラフルな祭りれた。
没⼊感（,PPHUVLYH）について、各種の定義「ホーリー」をインタラクティブアートで演がある。ヘッドマウントディスプレイの⽂献出した。その後、グループ  はタイの寺院の― 219 ―

TOPへ戻るバーチャル ' モデルを、グループ  はアサン

４．まとめ

プション大学のバーチャルツアー動画を作成

アートは他者と交流するための世界共通言した。

語である。デジタルアート制作のための遠隔

でのワークショップやシンポジウムは、単に

図 グループ オーロラ

場所の感覚を再現するための粗削りだが、魅力的な試みに過ぎないかもしれない。しかしながら、北極のオーロラ、インドのホーリー
祭、タイの遺跡や大学など、パンデミックや戦争で現実に訪れることができない場所の存在を感じられるのが、本ワークショップの目
指した到達点である。また、国際的に遠距離に住む学生が交流する機会を作ることも目的図 グループ ホーリー祭

であった。講評という面では、ワークショッ
プという制作の場だけでなく、シンポジウムで発表することで、第三者の視点を得ることができる。>@
多言語・多文化によるデジタルアートのワ
ークショップと講評の場のテストケースを示すことで、本インタラクティブ・デジタルアートのワークショップは、技術のイノベーシ
ョンを通じて世界や宇宙の存在をリアルに伝図 グループ 寺院シミュレーション

えている。このようなアクティブラーニング
活動を通じ、より魅力的で楽しい観光体験を提供していき、将来的にも重要な教育の役割を果たせると考える。

５今後の展望および学会発表状況
 本 稿 は 、 デ ジ タ ル ア ー ト 国 際 会 議 (9$
/RQGRQ の予稿を翻訳、大幅に加筆したもので、会議は  年  月  日〜 日に開催される。当該会議 (9$/RQGRQ で本ワーク



ショップと国際シンポジウムについて発表予図 グループ 大学バーチャルツアー

定である。
 今後の観光およびデジタルアート関連に関する色彩・コミュニケーションデザイン研究
室の研究計画としては、 年  月〜 月に開催される山梨県河口湖にある「音楽と森の美術館」において、デジタルアート展示に協力予定となっている。
― 220 ―

TOPへ戻る６参考文献>@ +LGDND .   )XVLRQ RI $UW DQG7HFKQRORJ\7KH)LUVW&RORU'LJLWDO$UW[/LJKWLQJ 6\PSRVLXP DQG :RUNVKRS QG,QWHUQDWLRQDO&RQIHUHQFH'LJLWDO&XOWXUH$XGLR9LVXDO

&KDOOHQJHV,QWHUGLVFLSOLQDU\&UHDWLYLW\LQ$UWVDQG
7HFKQRORJ\ '&$& &RUIX*UHHFH
0D\$FDGHP\RIWKH,RQLDQ8QLYHUVLW\&RUIX
>@+LGDND.  8ELTXLWRXV/LJKWLQJ
7KH 7KLUG &RORU 'LJLWDO $UW × Lighting
6\PSRVLXPDQG:RUNVKRS(9$/RQGRQ
2QOLQH



-XO\





3URFHHGLQJVRI(9$/RQGRQ
'2,HZLF(9$
>@81:72  *OREDO&RGHRI(WKLFVIRU
7RXULVPKWWSVZZZXQZWRRUJJOREDOFRGHRIHWK
LFVIRUWRXULVPUHWULHYHG  -DQXDU\ 
>@ 0HUOHDX3RQW\ 0 )LUVWSXEOLVKHG LQ   3KHQRPHQRORJ\ RI
3HUFHSWLRQ5RXWOHGJH/RQGRQ>@一般デジタルコンテンツ協会  「ヘッドマウントディスプレイを中心とした没入型
映像システムに関する戦略策定報告書」
>@寺本渉吉田和博浅井暢子日高聡太行
場 次 朗 鈴 木 陽 一  「 臨 場 感 の 素 朴 な 理解」『 日本バーチャルリアリティ学会論文誌』
第  巻  号SS
>@日髙杏子  「ユビキタス照明：第３ 回 カ ラ ー デ ジ タ ル ア ー ト ×照 明 国 際 シ ン
ポジウム＆ワークショップ」色彩・コミュニケーションデザイン S



― 221 ―

TOPへ戻る

変動軸力を受けるパイルキャップの
力学モデル構築と耐震性能評価  建築学部建築学科  岸田 慎司     



  

 


１．はじめに

軸力(柱軸力比-0.210～0.354)

  年の東日本大震災の際に杭頭部・パイ

負載荷

試験体 DR-2

正載荷

ルキャップの損傷により防災拠点施設の継続

87 44 87
25
25
155
96 96
155

パイルキャップ断面

使用が出来なくなった事例が挙げられる。原575

因として，杭頭部・パイルキャップの損傷が建物に対し軸方向変形に影響を及ぼし建物に

25 156 136 136 136 156 25

既往研究において，杭－パイルキャップの264 36

41
87

600

300

87

168

85 130 85
300

杭断面

柱断面

36 264に与える影響を確認することを目的とする。

43

350

184

接合面の破壊がパイルキャップなどの各部材

90
‹
21‹

43

が破壊モードの一つとして考えられる。杭頭

875

2400

プを有する杭基礎構造では，杭頭接合面破壊

600

傾斜を発生させたためである。パイルキャッ

55 7070 55

250
基礎梁断面

770

墓石形試験体を対象とした杭頭埋込部の耐力1500評価を目的とした実験は行われているが，柱・軸力(柱軸力比0.354)

基礎梁部材が取り付いた部分架構形式での耐負載荷力評価には至っていない。本研究では既製杭試験体 DR-3

正載荷
87 44 87
25
25
155
96 96
155

パイルキャップ断面を想定した杭基礎部分架構試験体の杭頭埋込部の曲げ挙動および曲げ耐力評価を目的とし，
575

杭基礎部ト形部分架構試験体の静的繰返し載25 156 136 136 136 156 25に 設 計を 行 い ， パ イ ル キ ャ ップ , 基 礎 梁, 柱 ,264 36
600

41
87

300

85 130 85
300

杭断面

柱断面

55 7070 55

250
基礎梁断面

770

袖壁，杭により構成された 1/3 スケールのト形部分架構とした 。杭 頭の埋込長さを 0.75D

168

36 264ート造の側柱下におけるト形部分架構を参考

43 87

350

184

示す。試験体は 地上 8 階建ての鉄筋コンクリ

90
‹
21‹

43

図 に試験体概要を，表 に試験体諸元を

875

2400

２．研究計画600

荷実験を行う。

1500

図- 試験体概要（上：'5 下：'5）

― 222 ―

TOPへ戻る（D は杭直径で 168.3mm）とした試験体 DR-

表 試験体諸元1 を基準試験体とし，埋込長さ 2 倍の試験体
DR-2,埋込なしの試験体 DR-3 の 3 体を作成した。柱は 300mm×300mm, 梁は 250×600mm とした。パイルキャップは前年の試験体 D-4 1) の結果を踏まえ，パイルキャップの曲げおよびせん断破壊を防止するために 770×770mm と大きくした。杭体には，杭体の破壊を防止す
る た め 鋼 管 厚 35mm の 鋼 管 杭 （ 杭 直 径 D：
168.3mm）を使用した。柱は曲げ圧壊を防止す
る為に片側に袖壁（150mm×450mm）を取り付けた。
表 ,表  に 試 験 体 に 用 い た 鉄 筋 と コ ン ク

表 コンクリート材料特性

リートの材料特性をそれぞれ示す。
試験体は，杭頭埋込部の曲げ破壊となるよ
うに設計した。 

'5

基礎梁
パイルキャップ
柱・袖壁

図 に載荷装置を示す。柱頭および杭脚を'5

ピン支持，基礎梁端はピンローラー支持とし基礎梁
パイルキャップ
柱・袖壁

た。軸力は実験開始時に柱頭から，試験体 DR-'5

1，DR-3 を一定軸力で軸力比 0.354，試験体 DR-

基礎梁
パイルキャップ
柱・袖壁

2 を 変 動 軸 力 で 軸 力 比-0.210~0.354 の 範 囲 で導入した。変動軸力では，柱頭水平力に比例して軸力を作用させた。図 に試験体 DR-2での距離で除した値とした。水平力は柱頭のピンの位置での層間変形角にて制御し, 正負
交番繰り返し載荷を行った。

ひずみ

ヤング率

引張強度

1PP

(μ)

×10 1PP

1PP

















































表 鉄筋材料特性
試験体の軸力変動ルールを示す。層間変形角 R は柱頭の水平変位を柱頭加力点から杭脚支持点ま

圧縮強度

'5
'5
'5

降伏応力度 降伏ひずみ 弾性限界

鉄筋種類

使用部材

1PP

(μ)

'

6'

柱主筋







'

6..

柱補強筋







'

86'

梁主筋







8

6%3'

梁補強筋







'

6'

梁幅止め筋







'

6'

杭頭定着筋







'

6'

パイルキャップ縦筋







'

0.

パイルキャップ補強筋，中子筋







'

6'

袖壁主筋（拘束域）







'

6'

袖壁主筋（拘束域以外），袖壁補強筋







(μ)

３．計画の進行状況
３．１層せん断力-層間変形角関係
 図に層せん断力層間変形角関係を示す。
各諸現象をグラフに記載した。試験体DR-1の正 載 荷 時 で は ， 層 間 変 形 角 R=1.36% 時 に
156.9kNと なり 最 大 耐 力を 迎 え た。 杭 頭 定 着
筋は，R=1.0%の1周目サイクル途中で圧縮降

図-3 変動軸力
ルール

伏した。 R=3.0%の1周目サイクル途中で層せ

図-2 載荷装置図

ん断力は低下した。また，R=3.0%の2周目サ

2.00%程度時に-160.8kNとなり最大耐力 を迎イクルでは，杭頭定着筋が破断した。R=+0.5%

え，その後耐力低下を示した。杭頭定着筋は，の 1周 目 サ イ ク ル で パ イ ル キ ャ ッ プ 底 面 部 の

R=-2%の1周目サイクル途中で引張降伏した。

ひ び 割 れ が 発 生 し た 。 負 載 荷 時 で は ， R=-

R=-0.5%の 1 周 目 サ イ ク ル で パ イ ル キ ャ ッ プ― 223 ―

TOPへ戻る '5 せん断ひび割れ 杭頭定着筋
圧縮降伏
基礎梁

底面ひび割れ





最大耐力

最大耐力
柱曲げひび割れ'5 基礎梁
せん断ひび割れ層せん断力 N1

層せん断力 N1





袖壁曲げ
ひび割れ

基礎梁せん断Qmax = 156.9kN
ひび割れ
底面ひび割れ Qmin = -160.8kN







基礎梁曲げ
ひび割れ

最大耐力
















層間変形角 















パイルキャップ
せん断ひび割れ

杭頭定着筋
引張降伏

基礎梁主筋降伏






杭頭定着筋
引張降伏

杭頭定着筋
圧縮降伏





Qmax = 248.6kN

層間変形角 袖壁主筋降伏
 



基礎梁曲げ
ひび割れ

底面ひび割れQmin = -257.8kN
底面
ひび割れ

最大耐力








最大耐力

基礎梁曲げ
ひび割れ

基礎梁曲げ
ひび割れ

杭頭定着筋
圧縮降伏

底面ひび割れ基礎梁せん断ひび割れパイルキャップ
縦筋降伏

袖壁曲げ
ひび割れ

'5



基礎梁せん断
ひび割れ



杭頭定着筋
引張降伏

パイル
キャップ
帯筋降伏

基礎梁曲げ
ひび割れ
底面ひび割れ

基礎梁曲げ
ひび割れ




層せん断力 N1







最大耐力 基礎梁せん断
ひび割れ

















Qmax = 75.3kN
Qmin = -85.0kN
層間変形角 











図 層せん断力層間変形角関係

く

す

さ

図 各試験体の最大耐力時損傷図（青：正載荷，赤：負載荷）
底面部のひび割れが発生した。試験体DR-2で杭頭定着筋のみが降伏した。試験体DR-2は杭は，杭頭定着筋以外の鉄筋降伏が発生してお頭定着筋の降伏が最も多く発生し，基礎梁主り，正載荷時で杭頭定着筋が引張降伏した後筋の降伏も多く発生した。

にパイルキャップ縦筋が引張降伏した。その３．２ ひび割れ状況

後，R=3.10%時に 248.6kNと な り最 大 耐力 を

図 に最大耐力時における各試験体の杭頭迎えた。R=0.25%のサイクルでパイルキャッ

接合部底面の損傷状況を示す。試験体 '5 にプ底面部のひび割れが発生し，R=2.0%の1周

ついては，基礎梁損傷状況を写真 に，図目サイクルで底面部のひび割れがパイルキャに正載荷，負載荷それぞれのピーク時においップ側面に進展したことで危険断面位置にせて，ひび割れ幅が最大となったひび割れのグん断ひび割れが発生した。負載荷側では，杭ラフを示す。全試験体で杭頭接合部底面のひ頭定着筋が圧縮降伏し，袖壁主筋と基礎梁主び割れや杭頭埋込部周辺のコンクリートの剝筋は引張降伏した。杭頭定着筋の圧縮降伏後，離や剝落が生じた。杭頭接合部底面のひび割

R=-2.87%時 に -257.8kN と な り 最 大 耐 力 を 迎れは，杭頭埋込長さを ' とした試験体 '5

えた。R=-1%の1周目サイクルでパイルキャッ で最も広がり，杭頭埋込を無しとした試験

プ底面部のひび割れが発生した。試験体DR-3についても正載荷と負載荷の両側で杭頭定着

筋の降伏後，最大耐力を迎えた。正載荷ではR=0.98%時に75.3kN,負載荷ではR=-0.97%時に -85kNと な り 最 大 耐 力 を 迎 え た 。 最 大耐 力
は，杭頭の埋込を無しとした試験体DR-3が最も小さい結果となった。試験体DR-1,DR-3は写 真  最 大 耐 力 時 の 基 礎 梁 の ひ び 割 れ
状況（試験体 '5）

― 224 ―

TOPへ戻る体 '5 では殆ど発生しなかった。試験体 '5 では基礎梁の曲げひび割れも顕著であった。

2

特に，負載荷時に発生した基礎梁の曲げひび
割れ幅は，5 ピー ク時に最大で PP

1.5

ひび割れ幅(mm)


2.5

負載荷側

2.50

正載荷側

を示した。一方正載荷側では，基礎梁の曲げ
ひび割れは発生したが，ひび割れ幅の最大値

1は 5 時に PP 程度だった。また，試

0.50

0.5

験体 '5，'5 は 5 の  周目サイクル

0.10

以降は杭頭埋込部底面の剝離のみ進行し，他0の部材で新たなひび割れは発生しなかった。

0.20

0.40

0.15
0

0.60

層間変形角(%)

1

2

図 ±時にひび割れ幅が最大となっ３．３最終破壊性状
全試験体で杭頭接合部底面のひび割れや杭頭埋込部周辺のコンクリートの剥離や剥落が生じた。試験体 '5，'5 に関しては，杭頭定着筋のみが降伏していたこと，杭頭接合面
底面のひび割れ，剥離，剝落が目立ち，その他の部材では大きなひび割れは見られなかった点より杭頭接合面での曲げ破壊と判断する。

たひび割れ幅の推移える。試験体 '5 は，正載荷時と同様に他の試験体より最大耐力が小さくな ったが，最大耐力後の耐力低下は緩やかであった。
３．５まとめ
本実験で得られた知見を以下に示す。
 試験体で杭頭埋込部周辺のコンクリート
が剥離・剥落し，耐力の低下が生じた。杭試験体 '5 では，層間変形角 5 時  周

頭埋込部周辺に十分な配筋を施すことで，目サイクルで基礎梁上端で曲げひび割れが拡

杭頭埋込部は高い変形性能を発揮する傾幅し，基礎梁主筋が引張降伏していた点より，
杭頭接合面での曲げ破壊に加え，基礎梁の曲げ破壊も生じたと判断する。

向にあった。
 最大耐力時までの杭頭接合部底面のひび
割れ，剝離，剝落は，杭頭埋込長さを1.5D

３．４杭頭埋込部の曲げ挙動

とした試験体が最も顕著であり，埋込無正載荷時では，全試験体で杭の部材角 5S はしとした試験体ではあまり発生しなかっ大きく，試験体 '5 や '5 では約 5S まで変形していた。また，全試験体で部材角5S 程度まで大きな耐力低下は発生せずた。
 埋込無しとした試験体では最大耐力は最も小さいが，その後の耐力低下は緩やか安定した挙動を示した。試験体 '5 では杭頭
埋込み長さを ' としたことで，最大耐力は
他の試験体より大きくなった。また，最大耐力時部材角 5S は他試験体より大きくなった。
'5 では，杭頭部の埋込みを行わないことで他試験体より耐力は小さくなったが，最大耐力後の耐力低下は緩やかであった。負載荷で試験体 '5 の最大耐 力は他の試験体より 大
きかったが，載荷終了時の杭部材角 5S は 程で，他の試験体より杭部材角は小さかった。
これは負載荷では，基礎梁の上端で曲げひび割れが大きく発生したことが要因であると考になった。
４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況  年度日本建築学会大会にて発表予定。
参考文献
 岸田慎司ほか：ト形部分架構パイルキャッ
プ に お け る 杭 頭 接 合 部 の 破 壊 性 状 の 検 討 日
本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 概 要 集 ， 構 造 ,9，SS，
 成田杏花：パイルキャップを有するト形部分架構に関する研究－杭頭接合部の配筋および架構における破壊性状の検討－，芝浦工業
大学卒業論文，

― 225 ―

TOPへ戻る

近代日本における建築基礎教育の基礎的研究  理工学研究科  林 要次  





1925 年から 1944 年ごろに撮影されたものと

１．序論（はじめに，まえがき，目的）
本研究は、新たな建築基礎教育手法の構築推定される。一方、写真ネガは、1997 年ごろに向けた基礎的な研究である。建築の表現手に中村の教え子、谷喜夫（1939 年卒）が中心

法は手書きからコンピューターの活用まで多となって撮影したものである。これらの写真

岐にわたり、建築基礎教育も変革の時期に来資料の枚数と現況概略調査を行ったところ、ており、新たな時代の建築基礎教育を確立す

茶封筒等に保管された大半のガラス乾板は段るために、これまでの歴史的な営みの整理がボール内で常温保存され、写真ネガは現像時求められている。

の紙ケースで無造作に保存され、今後の劣化本研究では、こうした問題意識に基づき、が懸念された。

近代日本の建築教育機関に眼を向け、ひとつ本研究では、近代日本の建築基礎教育の一の高等教育機関、横浜高等工業学校における端を明らかにするために、当時の学生が描い

建築基礎教育に着目した。

た建築図面の写真群 544 点（ガラス乾板およ

横浜の建築教育は、フランス・パリのエコ

びネガフィルム）を対象に、デジタル・アー

ール・デ・ボザール（以下、「ボザール」）教

カイブ化による研究資源化を試みる。加えて、

育を範として行われた。同校の教育システム

研究資源化されたデータをもとに、描画対象

は、近代社会の建築教育モデルとなり、そのを特定し、デジタルデータの詳細なレイヤ分

教育システムが世界的に伝播したことが知らけを行うことで当時の教育理念や教育状況をれている。横浜での教育を牽引した中村順平解明する。こうした一連の作業から、これか（1887-1977）は日本人としてはじめてボザーらの建築教育への応用可能性を提言すること

ルを修了した人物であり、中村が行った教育を目的とする。

はボザール教育の日本化とも言え、世界で取2021 年度日本建築学会大会［東海］でのパり組まれたボザール教育との関係を比較する

ネルディスカッション「建築資料の現在―建上でも重要な教育である。

築学におけるアーカイブズの役割を考える」

本研究の端緒は筆者が 2015 年に提出したで明らかになったように、著名な建築家の資学位請求論文の作成過程で、「建築図画」のガ料収集の促進は見込まれる一方、その基準か

ラス乾板や写真ネガを発見したことにある。

ら漏れた資料、特に教育資料の収集・保存は発見したガラス乾板は、中村の教え子が設今後大きな課題となり、それらに対応する方

立した同窓組織「桧の会」蔵で、作品記載の法論の確立は喫緊の課題である。

提出年等の情報から中村の横浜の在職時の

近代日本の建築教育における明治期の図

― 226 ―

TOPへ戻る
学・図案教育に関する研究が『明治期建築学

２．研究計画史』（角田真弓、中央公論美術出版、2019）で本プロジェクト研究が科研費連動型である

体系化されたが、大正期・昭和初期の建築教

特性を踏まえ、今年度の計画では、科研費獲

育機関における同種の取り組みに関する体系

得を念頭に、その申請および獲得後の推進に的な研究成果は十分に確立されていない。

必要な準備状況の構築を目指した。

本研究はその一翼を担うため、近代日本の本研究で着目した「建築図画」は、中村が建築教育資料はどのように保存・継承すべき

横浜での建築基礎教育に取り入れたものであなのかを含め検討し、近代の教育資料の継承る。
「建築図画」は、中村自身がボザールで経の課題に対する一つの方法の提示することで、

験 し た 2 つ の 課 題 、「 装 飾 構 成 composition

文化庁が掲げる「文化芸術の次世代への確実

décorative」と「要素分析 élément analytique」

な継承」に貢献できる課題と考えられる。

（建築を構成する最小単位をエレメントと捉一方、教育資料のデジタル・アーカイブ化

えて過去の建築を分析する課題）が想定され、の研究は、例えば、建築分野の先駆的・代表

さらに中村独自の解釈が加えられている。
「建的な研究、日本学術振興会科学研究費補助金

築図画」は中村がボザールで経験した手法を基盤研究（B）「建築写真のデジタル化と高精横浜で発展させて実践したもので、主に西洋度解読に関する研究」（ 研究代表者：藤井恵介、

建築と日本建築が描かれており、当時の建築

2001 年度採択・研究課題/領域番号 13555165）

基礎教育の状況を把握することのできる貴重では、明治期のガラス乾板のデジタル・アー

な史料である。

カイブ化に関する具体的な手法が提示された。

本プロジェクト研究では、前述の問題意識

また、同補助金基盤研究（B）「東京美術学に則り、時間的な制約も加味し、対象の絞り

校収蔵写真の研究 ―明治期の古写真・ガラス込みを行った。本プロジェクト研究では、発乾板から見る美術教育―」（研究代表者：原田見した「建築図画」の写真ネガのデジタル化

一 敏 、 2013 年 度 採 択 ・ 研 究 課 題 / 領 域 番 号

およびデジタルデータから描画対象を明らか

25284024）では、芸術教育分野の状況が明かにし、要素ごとに細分化し情報整理を行う計され、明治期の写真資料のアーカイブ化によ画とした。

り当時の教育を伺い知る重要な資料としてのデジタル化対象写真は、35 ㎜フィルム 40

価値が提示され、明治の芸術教育を詳らかに枚および 35 ㎜フィルムの約 4 倍に相当するした。

6×7 ㎝フィルム（ブローニー判）278 枚の計

さらに、2000 年代以降、デジタル・アーカ

318 枚とした。また、分析対象は、これらのイブ化の手法やデータベース構築手法を開示

写真の内、複数の要素が一枚に描かれた作品する研究も継続的に行われており、その具体を対象に Adobe Photoshop を使用し、構成要的な手法が山家浩樹らによる『文化財として素ごとの分解作業を施す計画とした。なお、のガラス乾板』（勉誠出版、2017）にまとめら

スキャン実施にあたっては外部専門機関を利れた。山家がガラス乾板を「近代学術の足跡用する計画とした。

が確実に刻まれた貴重な存在」と指摘するよ

また、「建築図画」のスキャニングおよび分

うに、本研究で対象としたガラス乾板等の写解作業と並行し、公設・私設の博物館・美術

真資料は、当時の教育実態の把握にとどまら館・資料館等におけるアーカイブの現状のヒ

ず、将来の近代日本の建築教育研究への活用

アリングを行い、アーカイブ化されたデジタも可能な史料であることから、デジタルによ

ルデータの保存方法や活用方法の検討を計画

る研究資源化の着想に至った。

した。

― 227 ―

TOPへ戻る
３．計画の進行状況

一枚に描かれる平面図・断面図・立面図・天本プロジェクト研究は、2021 年 6 月 16 日付の内定を受け、同年 7 月 2 日の予算執行計

井伏図等が明確に判断できるよう明暗比を与えて調整を行った。（図２）

画書を提出しスタートした。科研費申請が例

図 2 はその一例で、この「建築図画」では、年より 1 カ月程度早まり同年 10 月上旬の締め

一枚の図面内に平断面図や立面、部分を拡大

切りであったため、写真ネガによる検証を行したものや天井の設え等が丁寧に収められてうための時間を確保するため、学外専門機関、いた。建築全体を捉えた後にその建築物の特株式会社誠勝（そのままスキャン）に写真資徴を捉える要素を抽出して一枚にレイアウト

料の高解像度スキャニングを依頼した。

されていることが読み取れる。

スキャニングにあたっては、サンプル確認



を行いながら解像度・保存形式等の精度の設

４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

定を行った。サンプル確認では、まず、納品

本プロジェクト研究は、令和 4（2022）年までの時間が短縮できる 1200dpi で JPEG 形

度日本学術振興会科学研究費補助金若手研究

式の品質差による容量の大小を比較するととの採択（研究課題/領域番号 22K14414）といもに、同解像 度による 保存形式の異 なる tiff

う結果をもたらし、プロジェクト研究科研費

形式との品質差を比較した。

連動型の一定の成果をあげた。

比較の結 果、tiff 形 式 ファイル がデー タ容

なお、採択された研究は、2 か年の計画で、量は増大するものの、ノイズが滑らかな状態

今後、本プロジェクト研究で対象とした写真で保存されており、デジタルデータ保存といネガのみならずガラス乾板も同様の分析手法

う観点から優れていると判断した。

による構成要素の分解を試みる予定である。

一方、1200dpi では原本サイズの 4 倍程度

また、今後の計画では、コロナ禍の制約もまでの拡大に留まるため、元データが 6×7 ㎝

ありインタビュー計画が十分に進行できなか

フィルムと 35 ㎜フィルムであることを考慮ったことを踏まえて、適切な対策を講じる計

すると、原本サイズの 8 倍程度までの拡大に画を立案するとともに、近年、フランスや中耐えられる 2400dpi がその後の分解作業に有国などにおいてボザールで行われた「要素分効ではないか と判断し 、 2400dpi のサンプル析」の手法の再評価や古典教育の見直しの動も確認した。確認の結果、最終的に、スキャきがみられることを踏まえ、研究資源化によ

ニングは解像度 2400dpi で保存形式を tiff 形

り国内外の比較研究も推進する。

式とした。採用した方法によるスキャニング

各種学会への投稿や口頭発表の予定は、こ

作業日数が 23 営業日程度となり、約 1 か月のれまでの成果をまとめ 2022 年度末の日本建作業期間が必要となり、8 月末納品でスキャ

築学会関東支部研究発表会や 2023 年度日本

ン作業が進行した。

建築学会大会学術講演会を計画している。

8 月末のデジタル納品された画像データを

整理し、構成要素の特徴をとらえやすい画像

謝辞

データを抽出し、分解作業を実施するデジタ
ルデータを 42 点に絞った。（図１）

本研究の推進を快諾いただいた本学建築学部教授原田真宏先生、予算執行等のサポート

構成要素の分析では、額に相当する部分ををいただいた原田真宏研究室秘書小林久美氏、

まず取り出し、次に画面上に描かれた建築物

画像分解作業の補助をしていただいた原田真を把握し、それぞれの建築要素ごとに整理し

宏研究室修士 1 年（作業当時）小野眞央氏にた。整理された要素ごとにレイヤ分けを行い、はこの場を借りて感謝いたします。

― 228 ―

TOPへ戻る

図  分解作業対象データ一覧（ 作品：MSJ 形式サムネイル）

図  構成要素分析一例（最左： デジタルデータ）

― 229 ―

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)

Human error prediction model using physiologicalsignals in real time and its application toautonomous systems
機能制御システム専攻 Muhammad Nur Adilin Bin Mohd Anuardi

１． Paper introduction

and psychological states.

Due to the population decline, theretirement

age

in

Japan

has

been

Here,

the

combinationofquestionnaires from subjective evaluationconsidered to be increased. However, the

of

human

the

physiological states of biological signal

mostmeasurements

abilityincreaseinindustries

isdeclining

age.

have

with

Therefore,

utilizedautonomous

psychologicalevaluation

states,

from
will

the

be

and

objective

analyzed.

Thesystems (robots) to tackle such problems.

biological signal measurements such as

However,

brain

the

autonomous

systemsforwave

analysisusing

supporting the Quality of Life (QoL) areelectroencephalography

still in doubt, and many factors need toflow changes analysis using near-infrared

be considered. Physical and mental healthspectroscopy (NIRS) have been actively

are closely connected and important toconsidered for this research. EEG has aensure the QoL. Unlike physical health,high-resolution in time phase measurement

it is difficult to monitor mental health.

which complements the high-resolution in

Poor mental health contributes to theobjects' size measurement of NIRS, whichhighis better than Magnetic Resonance Imaging

possibility

of

human

error

occurrence that leads to an accident.
Many

using

and

blood

(MRI) alone.

gaze

position,

To achieve the aim of this study, we

even

movementplan to develop a hybrid physiologicalbehavior have been proposed to prevent

EEG-NIRS measurement method. First, we

human

will

facialmethods(EEG)

expressions,error.

andHowever,these

indexescomparetheeffective

evaluation

usually vary and differ among individuals.

between

It has already been demonstrated thatmeasurements. Then, we will propose thementalemotionhealthcould

affectcognitive

EEG,

NIRS,

visualization

and
model

EEG-NIRS
for

NIRS,

function easily. Therefore, this study

based on the emotion visualization model

aims to build the human error prediction

formodel by considering both physiologicalvisualization― 230 ―EEG.

The

developed

will

be

emotionimplemented

in

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)
cognitive state evaluation by predicting

activelyhuman error. The human error prediction

research.

progressinginthen acts as a simple measurement system

２． Research program

for

(1)

the

application

withautonomous

Analysis

andneurologicalestablishmentofsystems interaction and its verification

evaluation method based on (2) Empiricalevaluation will be conducted.

experiment and application development:

For example, this could be applied andnotlimiteddrivingto

The emotion visualization developed inthesemi-autonomous

EEG will be applied in NIRS and EEG-NIRS,

In

semi-autonomous

andsituation.

theaccuracy

analysiswillbedriving, there is a moment where humanconducted. The evaluation system will becontrol is needed. It is important to

conducted

analyzeindexes on a large sample size to prove

thedriver’s

cognitive

state

by

experimenting

evaluation’s

with

the

before the autonomous control changes tothehuman control to avoid any unexpected

application to monitor the physiologicalincident. The human error prediction canstate for conducting difficult tasks suchbe used to analyze the cognitive states;asthus, it can be applied as a standard tomodel will be introduced. Stroop task,

be decided whether to perform the task.

which is the error induced psychologicaldriving,arobustness.

human

error

In

prediction

Previously we only considered EEG fortask, will be utilized for the experiment

the analysis of the cognitive state. Thisto evaluate the model. By using the humantime, the hemoglobin (Hb) concentration

error prediction model as a standard, itof the blood flow changes will be measured

mayby NIRS and will be used to determine thepsychologicalbrain activity in the prefrontal cortex

whether for the person to perform the task.

(PFC). PFC, which roughly corresponded toBased on the results of (1) and (2),workingmemory,issensitive

to

the

be

able

to

and

indicatebothphysiologicalstates(3) QoL index and model construction will

cognitive state. Lastly, the combination

beof indexes such as the spectral power ofA model based on the result will be

EEG and the heart rate variability (HRV)

constructed.

measurement index also will be integrated

systems collaboration model related to

togetherthe

QoL indicators will be discussed. In thisemotionstudy, it is considered that appropriate

visualization model based on Russell’smeasures can be taken for monitoring theemotion classification. The integration

physiological states by predicting theof EEG-NIRS using emotion visualization

human error using biological signals andisbased on psychological states, including

cognitive

with

NIRS

statesexpected

to

to
using

have

determinethebettercognitive

developed:
The

constructionofastate measurement. EEG is among the mostinteractions

with

other

reliable method in cognitive measurements.

systems

assumesupportTogetherelderly. Here, the model evaluation will

with

NIRS,

even

thoughrelatively a new imaging technique, isbe― 231 ―

that

expandedtoconfirm

autonomous

the

for

the

model’s

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)
robustness.

total Hb concentration changes (left and３． State of progressright)

Previously, we already conducted the

Figure 1 shows the experiment situation

experiment on the error prediction model[mMmm]

and

heart

rate

[bpm].

during the NIRS measurement.

by using EEG. This time, we conducted thesame experiment by replacing the method
using NIRS. We utilized the same Stroop
task

for

the

experiment.

However,

we

improved the way to answer the Stroop task

Figure 1. The Stroop task flow for the

by only using the keyboard button instead

experiment.

of the mouse. This will help to decrease
theunnecessary

error

made

by

the

subjects.
For

We conducted the pre-experiment with
one subject to confirm the flow and toinvestigate

theevaluation

of

the

indexesthewithcorrelation

thenumber

of
of

the
error

physiological state, we used NIRS HOT-occurrences. Figure 2 shows the flow of

2000

the Stroop task and Figure 3 shows the

from

NeU

by

consideringthree

indexes from the measurement, which were

sample of the Stroop task page.

Figure 2. The Stroop task flow for the pre-experiment.
Stroop

task.

Table

1

shows

the

correlation value for each index from
NIRS

with

the

numberoferror

occurrences.
Table 1. A correlation value of NIRS
indexes with the number of error
occurrences.
Indexes

Correlation Value

Figure 3. The Stroop task page for the

Total Hb

pre-experiment.

concentration

For the pre-experiment, we realizedchanges [mMmm] -that the timing for NIRS measurement,Leftwhich is every 0.1[s], did not match

Total Hb

with the timing of the Stroop task.

concentration

Therefore, we decided to average thechanges [mMmm] -NIRS results for every 1[s]. Then, weRightcalculatedthecorrelation

of

the

Heart rate [bpm]0.65680.56510.2911

physiological indexes from NIRS with thenumber of error occurrences from the― 232 ―Fromthepre-experiment,

we

found

TOPへ戻るResearch progress report(Form.1)
that all of the indexes from NIRS shows

continue the experiment by increasingathe number of subjects. We managed topositivecorrelation

towards

thenumber of error occurrences. In fact,

recruitthe total Hb concentration changes atplanned to conduct the experiment threethetimes each. The flow of the experiment

left

side

of

PFC

shows

a

high

correlation with the value of 0.6568.

anotherthreesubjects

andis shown in Figure 4.

To achieve more robust results, weFigure 4. The flow of the experiment.
After the first experiment, we found
that

the

resultsshow

theindividuals.

individual

Here,

we

will

proceedthesamedifference for the correlation. Also, theexperiment on repeat for three times forcorrelation observed were low for each

each subject. The results then will be

index

used

with

the

number

of

error

to

build

the

model

using

both

occurrences. Here, we are planning todecision tree and logistic regression forreanalyze the results before proceedinghuman

to the next experiment.

compared with those from EEG. Not only

４． Future program, paper submission
and results briefing
reanalyzethemeasured

calculating

thecorrelation

20[s].

We

importanttopreciseresults

prediction.

believed

find

the

for

As

a

the

prediction

and

will

be

that, the previous results from EEG also
will be reutilized for the model building

For the next step, we are planning to

every

error

results
value

using decision tree method.

byOverall,theresearch

will

be

for

finalized with the integration of EEG-is

NIRS for human error prediction. The best

accuracyandmethod for human error prediction with

human

error

the best model will be determined. Also,

that

it

pre-experiment,

we

we are planning to further discuss our

hypothesized that the increment of total

study in international conference in the

Hb concentration changes at the left side

future and publish the findings in theof PFC shows the higher number of errors

journal.

made by the subjects. This is because theLast but not least, we would like toleft side of PFC was a part of working

list out the limitation of the study where

memory,where

it is difficult to recruit the subject

decisionmaking

its

role

and

is

includingattention

span.

for the study in the Covid-19 situation.

However, individual differences need to

However, we would like to thanks thebe expected since brain functions andsupport from SIT for the awarded researchphysiological signals are varied among

grant.

― 233 ―

TOPへ戻る

超電導バルク磁石による開放空間をもつ超小型 105 の研究
  6,7 総合研究所  岡 徹雄  
共同研究者
工学部先進国際課程  坂井 直道
理化学研究所放射光科学研究センター105 研究開発部門  仲村 高志
足利大学工学部創生工学科  横山 和哉

１．序論

本研究では、超小型の 105 分析装置をねら

超伝導磁石の発達により、核磁気共鳴（105）い、その要素技術となるバルク磁石による単分析装置や医療用 05, など強磁場を利用した一磁極からなる装置の開発を目的とする。そ

機器の開発が活発である。一方で、このようの第  段階として、簡便な着磁方法であるパな大型高性能な装置とは別に、図１のようにルス磁場によって励磁したバルク磁石を用い超小型化をねらう研究が、高温超伝導バルクる。105 磁極には高い均一性をもつ磁場空間

磁石（以下バルク磁石）を使って進められてが必要なため、磁極表面に磁性板を取付けて、いる>@。しかし、中空円筒状のバルク磁均一度に優れた磁場空間を得る>@。

石を使うこの装置は試料空間が円筒内に限定

今年度は単一磁極表面からの 105 信号の検されるため、より開かれた磁場空間の装置が出に世界で初めて成功しており、この 105 信

期待される（図２）。これが実現すれば、試料号が磁場均一性の評価に使えることを利用し、形状によらず測定でき、他の分析機器と組み磁極面に平行な面内での磁場均一性の向上を合わせて使える、簡便で安価な 105 機器となねらって特許を出願した>@。単一磁極のｚ軸り、その市場分野の大幅な拡大が期待できる。

方向の磁場傾斜を利用し、磁極から遠ざかる(a)リングバルク(b)積層磁極

(c)

卓上NMR

図１ 超小型卓上 105 分析装置


(a)筒状

(b)単極

図２ 105 試料のアプローチ

図３ 拡散 105 の応用

― 234 ―

TOPへ戻る
冷凍機

0D[7

バルク（磁極内） 磁極 磁場(b) 磁極表面の磁場分布（max1.32T）(a)GM冷凍機によるバルク磁極（30K)

図４ 単極型高温超伝導バルク磁石 D とパルス着磁によるその磁場分布
E 
方向に試料の溶質が拡散する過程に注目してって着磁した磁場は昨年度の 7 から 7

物質の変質や劣化が評価できる（図３）。

へと大幅に向上しさらに 7 となった。



 研究体制としては、芝浦工大、理研、足２．研究計画

利大が有機的に繋がり、情報共有しながら遂 年度は、バルク磁石での世界初の 105行する。この実施体制は、世界最高水準の 105

信号の検出に続き、さらに均一な磁場形成を研究を誇る理研の技術、芝浦工大の磁石合成めざした。すでに PP 径の試験管内の硫酸銅と磁極構造に関する世界有数の技術、世界か水溶液の 105 信号の半値幅を急峻にして感度ら一流の研究者が見学に来る励磁技術をもつ向上するため、シミング材料として用いてい足利大によって可能となる。

るリング状磁性体の形状を最適化する実験を実施した。このため、&2062/ などの計算機シ
３．計画の進行状況

ミュレーションを利用して設計に生かすとと*0 冷 凍 機 を 用 い た バ ル ク 磁 極 と そ の 磁 場

もに、実際に磁性板を磁極に取付け、その磁分布を図  に示す。磁極にはφ の真空槽内場分布と 105 信号強度から磁場均一性を評価にバルク磁石（φ）が搭載され、パルス着した。その結果、広い範囲にわたって面内に磁で最大 7 に励磁された。磁極表面の磁均一な分布が得られ、特許出願につながった。

場分布は釣鐘状をしており、リング状の鉄板

105 プローブと信号系の機器はその構成を完を取り付けることによって、中央部の磁場を了しており、磁極とその周辺の磁場の性状を遮へいして、磁極面内方向に均一磁場を得る。

評価する手順になっている。パルス磁場によ信号検出の結果について図  と図  に示す。

0+] 7):+0SSP$FFXPXODWLRQ

(a)試料（シリコンゴム）(b)磁極上の試料

(c)

信号測定系

図５ 105 用試料と磁極上の構成、
信号系

図６ 単極バルク磁石上で検出された世界初の 105 信号― 235 ―

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
1.4mm
tube

Coil
(a)磁極構成(b)検出部(c)

試料装着部

図７ 傾斜磁場を用いた拡散 105
図には微小な管状のシリコンゴムを試料としてこれを磁極中央部に張り付け、その場所で

 か月以上の連続運転では磁極が停止する問の 7 の磁場中での 105 信号の検出を示す。

の再現性の確認と、強磁場化を狙ってパルス 回の信号積算によって明確な 105 信号ピ

励磁を年度内に  回にわたって実施した。最ークが得られ、この結果はバルク磁石による後の励磁作業の結果を図  と表  に示す。

拡散 105 として世界初の信号検出となった。

冷凍機は室温から半日程度の冷却を経てこれらの結果は  月に福岡で開催された国. に達し、バルク磁極は、液体窒素冷却際会議（07）で発表した>@。

さ れ た  タ ー ン の パ ル ス コ イ ル に よ っ て

題が発生しており、励磁作業ごとに磁極性能

図 ７ に 示 す よ う に 、 φ PP の 試 料 管 とP) のコンデンサの放電で  回にわたって着PP の検出コイルを用い、磁極から PP の地磁された。ヨークを取りはずして室温となっ点で PP[PP の範囲の信号を検出し、拡散係た磁極表面での磁場は最高 7 となった。

数との関係を調べた。拡散の原理に基づき、拡散係数と 105 信号の遅延時間との関係式を


４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況

図  に示す。磁場勾配を与えれば、水とアセ

今後の計画

トンで理論式が測定値によく一致することが次年度はパルス着磁より強磁場で均一性にわかる（図９）。このように単極バルク磁石の優れる磁場中冷却法（)&）による励磁を、現強磁場とその磁場勾配から、拡散 105 が構成

状の 105 に使われる超伝導コイルを使って、できることを世界で初めて実証した>@。7 の静磁場磁極を実現する。パルス着磁に磁極面から放射される磁場空間を利用する

よる 7 級から磁場強度は  倍に、分解能も から、試料の形状や大きさに自由度が高く、倍となる。パルス励磁磁極についても冷凍機

105 の利用価値を大きく広げることができる。

に振動がないパルス管冷凍機を用いて信号検

一方、長期の連続運転によって *0 冷凍機の出の精度を向上させる。

ヘリウムガスがわずかに汚染されることから、

図  拡散 105 の仕組み

現状での *0 冷凍機にはそのディスプレー

図９ 拡散係数の測定と理論値との整合性 ― 236 ―

TOPへ戻る
サの運動によって磁極に伝わる振動があり、>@ 2ND7HWDO “*HQHUDWLRQRI8QLIRUP

このために 105 信号にノイズが入る問題が想0DJQHWLF )LHOG EHWZHHQ )DFHWR)DFH

定されるため、さらなる高性能化に向けて無+76%XON0DJQHWV”-3K\V&RQI6HU 

振動型のバルク磁極の構成が必要となってお

り、外槽に振動吸収用の多重管を用いた構成>@ 岡徹雄他、「磁場発生装置、核磁気共鳴をすでに構想として設計中である。これによ装 置 お よ び 磁 場 発 生 方 法 」 特 開り磁場安定性の向上が期待できる。

出願日：令和 

今年度新たに科研費が採択されたため、理>@ .LNXFKL 6 HWDO “)LUVW1056LJQDO

化学研究所を主体にこの共同研究の枠組みを'HWHFWLRQ RQ 6LQJOHVLGHG 0DJQHWLF

維持しながら  年間の研究開発を進める>@。

3ROH 6XUIDFH &RQWDLQLQJ +76 %XON
0DJQHW $FWLYDWHG E\ 3XOVHG )LHOG

学会等での発表状況（ 年度）WK ,QWHUQDWLRQDO &RQIHUHQFH RQ

国際会議発表： 件、論文発表： 件 

0DJQHW 7HFKQRORJ\ 07  

参考文献

)XNXRND7+832SRVWHU>@ 1DNDPXUD7HWDO “'HYHORSPHQWRID>@ 7DNDKDVKL7 HWDO “NMR Relaxometry

6XSHUFRQGXFWLQJ 0DJQHW IRU 1XFOHDU8VLQJ2XWHU)LHOGRI6LQJOH6LGHG+76

0DJQHWLF

%XON

%XON 0DJQHW $FWLYDWHG E\ 3XOVHG

6XSHUFRQGXFWLQJ

Field”,(((7UDQVDFWLRQVRQ$SSOLHG

&RQFHSWV LQ 0DJQHWLF

6XSHUFRQGXFWLYLW\    6HSWHPEHU

5HVRQDQFH

+LJK7HPSHUDWXUH
0DWHULDOV”

8VLQJ

5HVRQDQFH3DUW%  0DJQHWLF5HVRQDQFH
(QJLQHHULQJ %  

 >@ 岡徹雄、坂井直道、仲村高志、高橋雅人、>@ 2JDZD . HW DO  “'HYHORSPHQW RI D

横山和哉、科研費補助金一般（&）「単一PDJQHWLFUHVRQDQFHPLFURVFRSHXVLQJD

の超電導バルク磁極を使った超小型 105

KLJK7FEXONVXSHUFRQGXFWLQJPDJQHW”

の研究」 万円 年間$SSO3K\V/HWW 



図  強磁場をねらったパルス着磁とその方法
表１ パルス着磁条件と磁極表面での捕捉磁場
理研GM左極2.1MPa

31.8K

No

Time

V

A

Tint/Taft(K)Bcent/Bedge(G)

Pa

1
2
3
4

8:55
9:25
9:55
10:25

690
650
600
580

319
312
290
270

31.5/32.6
32.1/32.3
31.9/32.0
31.7/31.8

345/698
406/776459/763
480/752

3.41
3.35
3.36
3.29

5

11:56

560

265

31.7/31.8

488/915

3.51

6

12:25

530

257

31.7/31.8

492/805

3.28

2022/1/17

3.61E-05

1.866 T

磁極表面中央

― 237 ―

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5HVHDUFKSURJUHVVUHSRUW )RUP $QDO\VLVRQ(IIHFWRI6WRFKDVWLF5HVRQDQFHRQ
3RVWXUDO&RQWURO6WUDWHJLHVGXULQJ&RQWLQXRXV7UDQVODWLRQ3HUWXUEDWLRQ  6,7 総合研究所 1XU)DWLQ)DWLQD%LQWL0RKG5DPOL
VXEVHQVRU\QRLVHQHLWKHUDSHUWXUEDWLRQQRU
１．3DSHULQWURGXFWLRQGLVWXUEDQFH VWLPXODWLRQ ZKLFK HQKDQFHEDODQFHFRQWUROGXULQJXSULJKWVWDQFH65LV
7KH DELOLW\ WR PDLQWDLQLQJ EDODQFH LQ
D SKHQRPHQRQ LQ ZKLFK WKH SHUIRUPDQFH RI
XSULJKWSRVLWRQGXULQJTXLHWVWDQGLQJDQGLQVLJQDO GHWHFWLRQ DQG IHHGEDFN FRQWUROOHG
G\QDPLF WDVN FRQGLWLRQ LV QHFHVVDU\ IRUV\VWHP LV LPSURYHG E\ WKH DSSOLFDWLRQ RI
VXFFHVVIXO SHUIRUPDQFH LQ GDLO\ OLIH WDVNVQRLVHDVVKRZQLQ)LJXUH
65/RUGHWDO'$:LQWHU 
7KHUH DUH WKUHH PDMRU VHQVHV LQYROYHG LQ
SRVWXUH EDODQFH FRQWURO ZKLFK DUH YLVLRQYHVWLEXODU DQG VRPDWRVHQVRU\ V\VWHPV
6XIILFLHQW IHHGEDFN IURP WKHVH VHQVHV FDQ
PDNHEDODQFLQJSURFHVVEHFRPHPRUHHIIHFWLYH
'HJHQHUDWLRQ RI SRVWXUDO FRQWURO V\VWHP)LJXUH  6LJQDO GHWHFWLRQ HQKDQFH E\IXQFWLRQ FDQ OHDG WR EDODQFH GLVRUGHU
6WRFKDVWLF5HVRQDQFH .XGRHWDO %DODQFHGLVRUGHUDQGERG\LQVWDELOLW\FDQEH
FDXVHG E\ FHUWDLQ KHDOWK FRQGLWLRQ
7KH DELOLW\ WR PDLQWDLQ EDODQFH LQ DQ
PHGLFDWLRQV LQMXULHV GLVHDVHV RU HYHQXSULJKWSRVLWLRQ GXULQJ TXLHW VWDQGLQJ DQGDJHLQJ7KHEHVWZD\WRVROYHWKHVHSUREOHPVG\QDPLF WDVN FRQGLWLRQV LV QHFHVVDU\ IRUDUHE\PDLQWDLQLQJJRRGKHDOWKDQGSK\VLFDO
VXFFHVVIXO SHUIRUPDQFH LQ GDLO\ OLIH WDVNVILWQHVV +RZHYHU LW EHFRPHV GLIILFXOW WR
3ROORFN $ 6 HW DO $QQH 6 & HWSHUIRUPVXFKDFWLYLWLHVHVSHFLDOO\RQHOGHUO\DO 8SXQWLOQRZWKHDSSOLFDWLRQRISHRSOH RU SHRSOH ZLWK GLVDELOLW\ 7KXV
65GXULQJG\QDPLFWDVNKDVQRWEHHQDGGUHVVHG
GHYHORSPHQW RI H[HUFLVH HTXLSPHQW DQG
6LQFH PRWRU OHDUQLQJ LQ UHKDELOLWDWLRQ LV
WUDLQLQJ PHWKRGV IRU GDLO\ H[HUFLVH DQGRIWHQ DVVRFLDWHG ZLWK FRPSOH[ WDVNV LW LV
UHKDELOLWDWLRQDUHQHHGHG
HVVHQWLDOWRREVHUYHZKHWKHU65FDQLPSURYH
3UHYLRXV VWXGLHV KDYH UHSRUWHG WKDWSRVWXUH EDODQFH GXULQJ G\QDPLF WDVNVRPDWRVHQVRU\ SOD\V DQ LPSRUWDQW UROH LQ
7KHUHIRUH WKH NH\ VFLHQWLILF TXHVWLRQ RI
SRVWXUDOFRQWURO )UDQVVRQ3HWDO 
WKLV UHVHDUFK SURSRVDO LV ZKHWKHU WKH
'HHS XQGHUVWDQGLQJ LQ WKH SRVWXUDO FRQWUROLPSOHPHQWDWLRQ RI 65 FDQ LPSURYH SRVWXUDOPHFKDQLVP LV FRQVLGHUHG XVHIXO IRU IDOOFRQWUROEDODQFHGXULQJG\QDPLFWDVNZKLFKFDQ
SUHYHQWLRQ7KHUHDUHVRPHVWXGLHVWKDWKDYH
EH XVHG DV WUDLQLQJ DQG LQ UHKDELOLWDWLRQUHSRUWHGWKDWWKHWDFWLOHVHQVLWLYLW\DWWKH
VHVVLRQ
VROH ZKLFK LV RQH RI VRPDWRVHQVRU\7KH DSSOLFDWLRQ RI 65 KDV EHHQ XVHG
VHQVDWLRQV LV LPSURYHG E\ VWRFKDVWLFZLGHO\LQ RUGHU WR LPSURYH SRVWXUH FRQWUROUHVRQDQFH 65  DQG EDODQFH IXQFWLRQ LV
EDODQFHLQKXPDQE\DSSO\LQJ65DWWKHIRRWLPSURYHG 7KH IRFXV RI WKLV UHVHDUFK LV WR
VROH 3ULSODWD HW DO  6FRWW ( 5RVVVXSSRUW WKRVH ZLWK EDODQFH GLVRUGHU WR
HW DO 0DULXV 'HWWPHU HW DW XQGHUJRRSWLPDODQGFRPIRUWDEOHH[HUFLVHDQG
<DQQLN)DVHHWDO DVVKRZQLQ)LJXUHUHKDELOLWDWLRQ VHVVLRQ 65 LV D SURPLVLQJ― 238 ―

TOPへ戻る)LJXUH([SHULPHQWV\VWHPRYHUYLHZ 3ULSODWD
HWDO/$/LSVLW]HWDO 

7KH UHYLHZ VWXG\ VXJJHVWV WKDW WKH 65
DSSOLFDWLRQ RQ IRRW VROH SURGXFH EHWWHUSRVLWLRQVLQFHWKHERG\VZD\ZDVGHFUHDVHG
WKHUHE\ LPSURYLQJ WKH SHUIRUPDQFH RI WKHSRVWXUDO EDODQFH FRQWURO $OWKRXJK WKHUHVXOWV VXJJHVW WKDW WKH DSSOLFDWLRQ RI 65
DWIRRWVROHFDQHQKDQFHEDODQFHFRQWUROWKH
FRQWULEXWLRQ RI 65 RQ WKH RWKHU SDUWV WKDQ
IRRW VROH LV OHVV LQ GLVFXVVLRQ ,W LV
LPSRUWDQW WR GHWHUPLQH ZKHWKHU DSSO\LQJ 65
DW WKH RWKHU SDUWV RI WKH ERG\ FDQ HQKDQFH
SRVWXUDO EDODQFH FRQWURO 0RUHRYHU WKHFRUUHFWORFDWLRQRIDSSO\LQJ65FRXOGSURYLGH
PD[LPXP LQIOXHQFH LQ LPSURYLQJ SRVWXUDOEDODQFH
%DODQFHGLVRUGHUSUREOHPFDQEHWUHDWHGE\EDODQFHWUDLQLQJ H[HUFLVHV %HVLGHVSHRSOHZLWKGLVDELOLW\QHHGWRGRUHKDELOLWDWLRQWRHQKDQFH WKHLU SRVWXUDO FRQWURO EDODQFH
7KHUHIRUHWKHPDLQSXUSRVHRIWKLVUHVHDUFKLVWRREVHUYHZKHWKHUWKHLPSOHPHQWDWLRQRI
65 IRU WUDLQLQJ DQG UHKDELOLWDWLRQ VHVVLRQZLWK G\QDPLF WDVNV HQKDQFHG WKH SRVWXUDOEDODQFH IRU SHRSOH ZLWK EDODQFH GLVRUGHUSUREOHPRUIRUZKRZDQWVWRLPSURYHSRVWXUDOEDODQFH 1HZ EDODQFH DVVHVVPHQW EDODQFH
WUDLQLQJ DQG UHKDELOLWDWLRQ V\VWHP RU
HTXLSPHQW FDQ EH GHYHORSHG WKURXJK GDWD
FROOHFWLRQIURPWKLVUHVHDUFK7KLVZLOOKHOSSHRSOH VXFK DV SHRSOH ZLWK GLVDELOLW\ DQGHOGHUO\WRLPSURYHDQGWUDLQWKHLUSRVWXUDOFRQWURO EDODQFH PRWRU SHUIRUPDQFH DQGVHQVRU\IXQFWLRQIRUGDLO\WUDLQLQJDQGDOVRUHKDELOLWDWLRQ DQG WUHDWPHQW SURFHVV 7KLV

5HVHDUFKSURJUHVVUHSRUW )RUP 
UHVHDUFKSURMHFWZLOOKDYHVLJQLILFDQWLPSDFWDQGEURDGFRQWULEXWLRQWRWKHUHKDELOLWDWLRQEDODQFHWUDLQLQJDQGEDODQFHDVVHVVPHQW
7KHRULJLQDOLW\RIWKLVUHVHDUFKLQFOXGHV DSSOLFDWLRQRI65GXULQJG\QDPLFWDVNIRU
WUDLQLQJ DQG UHKDELOLWDWLRQ XVHG DQG  
RSWLPL]DWLRQ GHWHFWLRQ RI 65 LPSOHPHQWDWLRQSRVLWLRQIRUPD[LPXPEHQHILWV8SXQWLOQRZWKH LQYHVWLJDWLRQV ZHUH PDLQO\ IRFXV E\
DSSO\LQJ 65 DW IRRW VROH %HVLGHV WKHH[SHULPHQWVZHUHGRQHMXVWE\DSSO\LQJ65LQ
TXLHW VWDQFH FRQGLWLRQ 7KXV WKHLPSOHPHQWDWLRQRI65GXULQJG\QDPLFWDVNDQG
SODFHPHQW RI 65 VKRXOG EH LQYHVWLJDWHG
)LJXUH   7KLV UHVHDUFK ILQGLQJ KDV \HW
EHHQHVWDEOLVKHGDFFRUGLQJWRWKHOLWHUDWXUH
DQGSDWHQWQRYHOW\VHDUFK)LJXUH  ([SHULPHQW V\VWHP RYHUYLHZ RI
SURSRVHGUHVHDUFK
7KHLGHDRIWKLVUHVHDUFKZDVWULJJHGVLQFH
WKHUHVHDUFKHUIRXQGRXWDERXW65LVXVHGWRHQKDQFHEDODQFHDELOLW\GXULQJXSULJKWVWDQFH%HVLGHV WKH XVH RI 65 LQ EDODQFH WUDLQLQJZDV VKRZQ WR JLYH SRVLWLYH HIIHFWV LQ
LPSURYLQJ EDODQFH < )DHV HW DO  +RZHYHU XS XQWLO QRZ WKH UHVHDUFKHU
REVHUYHG WKDW WKHUH LV VWLOO ODFN RI
LQYHVWLJDWLRQ RQ DSSO\LQJ WKH 65 GXULQJ
G\QDPLF WDVN FRQGLWLRQ 7KHUHIRUH WKHDSSOLFDQW SURSRVHG WR LPSOHPHQW WKH XVH RI
65 IRU REVHUYLQJ ZKHWKHU SRVWXUDO FRQWUROEDODQFHDELOLW\LVLPSURYLQJZKLOHLQGXFLQJG\QDPLFWDVN5HVHDUFKUHODWHGWR65KDVEHHQDFWLYHO\ GRQH LQ GRPHVWLF DQG RYHUVHDV3ULSODWDHWDO  KDGGRQHLQYHVWLJDWLRQE\ XVLQJ 65 VWLPXODWLRQ ZKLFK ZDV DWWDFKHG
DW WKH VKRH LQVROH IRU EDODQFH HYDOXDWLRQ
,Q/$/LSVLW]HWDOXVHGSLH]RHOHFWULF
YLEUDWRU LQVROH WRZDUGV HOGHUO\ SHRSOH LQ
TXLHWVWDQFHWRLPSURYHEDODQFHDQGZDONLQJ― 239 ―

TOPへ戻る+RZHYHULWZDVGLIILFXOWWRFUHDWHDQLQVROHZLWKEXLOWLQYLEUDWRUDQGGLUHFWVWLPXODWLRQWRWKHVROHPD\
FDXVHDQDZNZDUGERG\VHQVDWLRQRUGDPDJHWR
WKH GHYLFH %HVLGHV DSSO\LQJ WKH 65
VWLPXODWLRQWRWKHVROHRIWKH
IHHW.XGRHWDO  KDGWULHGWRDSSO\WKH 65 VWLPXODWLRQ WR WKH RWKHU SDUWV WKDQ
IHHWVROHVXFKDVWDUVDOWXQQHODQG PHDVXUHG WKH WDFWLOH VHQVLWLYLW\ 0RVW
RIWKHUHVHDUFKZHUHFRQGXFWHGGXULQJTXLHWVWDQFH7KXVWKHUHLVVWLOOODFN RI LQYHVWLJDWLRQ RQ LQIOXHQFH RI 65
VWLPXODWLRQRQERG\VHJPHQWLQG\QDPLFWDVNHQYLURQPHQWE\DSSO\LQJ
DW WKH RWKHU SDUWV RI WKH ERG\ %\ WKLVUHVHDUFKSURMHFWWKHLQIOXHQFHRI65RQERG\VHJPHQWGXULQJG\QDPLFWDVNZKLFK LV WKH DSSOLFDQW ZLOO DSSO\ H[WHUQDOSHUWXUEDWLRQ FRXOG EH GHWHUPLQHG DQG LV
EHOLHYHGWRLPSURYHGEDODQFH
DELOLW\
２．5HVHDUFKSURJUDP  6HOHFWLRQ RQ 65 WKUHVKROG 7KLVDQDO\VLV LV FUXFLDO LQ RUGHU WR GHWHUPLQH
HLWKHUVXEWKUHVKROGRUVXSUDWKUHVKROGZLOOLPSURYH SRVWXUDO FRQWURO %HVLGHV WKHWKUHVKROGLVGLIIHUHQWIRUHDFKLQGLYLGXDO
7KXV WKLV SDUW LV LPSRUWDQW LQ RUGHU WR
GHWHUPLQHWKHUDQJHRIWKHWKUHVKROG  6WXG\ RQ LPSOHPHQWDWLRQ RI 65 DORQJZLWKG\QDPLFWDVN7KLVDQDO\VLVLVLPSRUWDQWLQRUGHUWRREVHUYHZKHWKHU65ZLOOLPSURYH
SRVWXUDO EDODQFH GXULQJ G\QDPLF WDVNHQYLURQPHQW 0RYDEOH SODWIRUP ZLWK  D[LV
ZLOO EH XVHG WR SURGXFH WKH H[WHUQDOSHUWXUEDWLRQ IRU PLPLFNLQJ G\QDPLF WDVNFRQGLWLRQ 7KH PRYHPHQW RI DQWHULRU DQGSRVWHULRUGLUHFWLRQRIH[WHUQDOSHUWXUEDWLRQZLOOEHDSSOLHGLQG\QDPLFWDVNFRQGLWLRQ  'HWHUPLQH WKH EHVW SRVLWLRQ IRUDSSO\LQJ VWRFKDVWLF UHVRQDQFH DW WKH ERG\,WLVLPSRUWDQWWRNQRZWKHFRUUHFWORFDWLRQWR DSSO\ 65 IRU PD[LPXP LQIOXHQFH LQ
LPSURYLQJSRVWXUDOEDODQFH7KHDSSOLFDQWKDG
SODQWRLPSOHPHQWWKH65DWIRRWVROHORZHUOLPEPXVFOHVILQJHUVDQGZULVW  'HVLJQ PRGHOLQJ IRU DQDO\]H KXPDQSRVWXUDO FRQWURO EDODQFH IRU EDODQFH
DVVHVVPHQW7KLVZLOOEHILQDOL]HGEDVHGRQ
WKHVSHFLILFDWLRQVRUUHVXOWVREWDLQHGIURP

5HVHDUFKSURJUHVVUHSRUW )RUP 
WKHH[SHULPHQWGDWD  6LPXODWLRQ RI WKH KXPDQ SRVWXUDOFRQWURO GXULQJ G\QDPLF HQYLURQPHQW ZLWK 65
LPSOHPHQWDWLRQ 7KLV ZLOO VLPXODWH KXPDQSRVWXUDOFRQWUROEDODQFHVWUDWHJ\LQG\QDPLF
WDVN HQYLURQPHQW FRQGLWLRQ DORQJ ZLWK 65
LPSOHPHQWDWLRQ IRU GHHS DQG EHWWHUXQGHUVWDQGLQJ

３．6WDWHRISURJUHVV
8QWLOQRZZHDOUHDG\VHWXSDQGFOHDUHGWKH
VHOHFWLRQRIWKH65WKUHVKROG6XEWKUHVKROGDQG VXSUDWKUHVKROG ZHUH ERWK XVHG LQ WKLVH[SHULPHQWLQRUGHUWRGHWHUPLQHPRUHFOHDUO\
WKH HIIHFW RI 65 WRZDUGV SRVWXUDO FRQWURO
%DVHGRQWKHOLWHUDWXUHUHYLHZVXEWKUHVKROGVKRZV PRUH SRVLWLYH UHVXOWV KRZHYHUVXSUDWKUHVKROG DOVR QHHG WR EH JLYHQ
DWWHQWLRQ
$WILUVWZHZDQWWRIRFXVDQGREVHUYHVWKH
HIIHFW RI 65 WRZDUGV SRVWXUDO FRQWURO LQ
TXLHWVWDQGLQJHYHQWKRXJKWKHDFWXDOO\IRFXVLVGXULQJG\QDPLFWDVN+RZHYHUWRVWDUWWKH
H[SHULPHQW ZLWK G\QDPLF WDVN LQ TXLWHFKDOOHQJLQJVLQFHWKHUHLVQRSUHYLRXVVWXG\FRYHUHGWKHHIIHFWRI65GXULQJG\QDPLFWDVN
3UHOLPLQDU\ H[SHULPHQW RI WKH UHVHDUFK KDV
EHHQ GRQH ZLWK G\QDPLF WDVN FRQGLWLRQ 7KHSXUSRVHRIWKLVH[SHULPHQWLVWRLQYHVWLJDWHZKHWKHU65FDQLQIOXHQFHWKHSRVWXUDOFRQWUROEDODQFHVWUDWHJLHVGXULQJG\QDPLFWDVN7KH
H[SHULPHQW ZDV GRQH ZLWK WKH FRQGLWLRQ RIZLWKRXW65 1R65 DQGZLWK65 6565
65DQG65 7KH65LVDSSOLHGDWWKH
IRRW VROH EDOO  DW WKH GRPLQDQW OHJ 7KHUHVXOWVJDWKHUHGIURPWKLVH[SHULPHQWDUHLQWHUPVRI&HQWHURI0DVV &20 DQG&HQWHURI
3UHVVXUH &23  GLVSODFHPHQW )RU &23GLVSODFHPHQW GXULQJ QR SHUWXUEDWLRQFRQGLWLRQ1R6UDQG65VKRZQWKHGHFUHDVHG
RQ&23GLVSODFHPHQW65VKRZQGHFUHDVHG
LQ&23GLVSODFHPHQWGXULQJ+]SHUWXUEDWLRQFRQGLWLRQ GXULQJ +] SHUWXUEDWLRQFRQGLWLRQ 65 VKRZQ WKH PRVW GHFUHDVHGYDOXH LQ &23 GLVSODFHPHQW +RZHYHU GXULQJ+] SHUWXUEDWLRQ FRQGLWLRQ 7KH &23GLVSODFHPHQW ZHUH KLJK ZKHQ 65 LV DSSOLHG
:HREVHUYHGWKDWWKHVHUHVXOWVZHUHVOLJKWO\GLIIHUHQFHIURPRXUK\SRWKHVLVDQGSUHYLRXVVWXG\ ZKHUH VRPH RI WKHVH UHVXOWV VKRZQKLJKHUGLVSODFHPHQWZKHQWKH65LVDSSOLHG
7KHREWDLQHGUHVXOWVDUHQRWTXLWHFRQYLQFLQJ

― 240 ―

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5HVHDUFKSURJUHVVUHSRUW )RUP 
7KHUHIRUH WKH H[SHULPHQW SURWRFRO QHHG WR
EHUHFRQVWUXFWLQWHUPRIZKLFKSDUWRIERG\
LV VXLWDEOH IRU ORFDWLRQ WR DSSO\ 65 DQGREVHUYHG WKH HIIHFW RI 65 GXULQJ TXLHWVWDQGLQJILUVW
1RZ ZH DUH LQ WKH VWDJH ZKHUH ZH DUHGHWHUPLQLQJ WKH EHVW SRVLWLRQ WR DSSO\ 65
:HKDGWULHGWRDSSO\WKH65YLEUDWLRQDWWKH
IRRWVROHKHHODQGIRRWWKXPE+RZHYHUWKH
JLYHQUHVXOWVDUHQRWFRQYLQFLQJ４ ． )XWXUH SURJUDP SDSHU VXEPLVVLRQ DQGUHVXOWVEULHILQJ)RU WKH IXWXUH SURJUDP ZH ZLOO FRQWLQXH
LQGHWHUPLQLQJWKHEHVWSRVLWLRQWRDSSO\65
YLEUDWLRQ :H SODQ WR DSSO\ 65 DW $FKLOOHVWHQGRQVLQFHWKLVWHQGRQSOD\LPSRUWDQWUROH
LQ SRVWXUDO FRQWURO ,I WKLV SRVLWLRQ LV
VXLWDEOH ZH ZLOO FRQWLQXH WKH H[SHULPHQWZLWK FRQGLWLRQ TXLHW VWDQGLQJ DQG GXULQJ
G\QDPLF WDVN $V PHQWLRQHG LQ VWDWH RI
SURJUHVV FROXPQ DERYH WKH H[SHULPHQW
SURWRFRO QHHG WR EH UHYLVHG DQG WKHSUHOLPLQDU\H[SHULPHQWQHHGWREHVWDUWZLWKTXLHWVWDQGLQJFRQGLWLRQ
2QHSDSHUKDGEHHQVXEPLWWHGWRWKH+XPDQ0RYHPHQW6FLHQFHMRXUQDO+RZHYHUWKHSDSHUKDGEHHQUHMHFWHGE\WKHUHYLHZSDQHO$VQRZ
ZH DUH ZRUNLQJ ZLWK DQRWKHU MRXUQDO WR EH
VXEPLWWHGWR3RVWXUHDQG*DLW-RXUQDO― 241 ―

TOPへ戻る$SSOLFDWLRQRI/DVHU%LRVSHFNOHVDQG%LRVSHFNOH
2SWLFDO&RKHUHQFH7RPRJUDSK\ 2&7 LQVSHHG\PRQLWRULQJHQYLURQPHQWDOHIIHFWVRQOLYLQJWKLQJV  機械工学科 5DMDJRSDODQ8PDPDKHVZDULRyotaro Wakumoto, Takahiro Kono, Hirofumi Kadono*, Jun YamadaaDept. of Mechanical Engineering, Shibaura Institute of Technology, 3-7-5, Toyosu, Koto-ku,
Tokyo Japan 135-8548*
Graduate School of Science and Engineering, Saitama University, 255 Shimo-okubo, Sakura-ku,
Saitama Japan 338-8570
1.INTRODUCTION

Water, light, carbon dioxide, temperature, and humidity are among the conditions necessary for plant growth. The effectsof these conditions on plant growth have been studied extensively [1], and their relationship to plant growth is becoming
clearer. In recent years, sound has been attracting attention because it is said to have some effect on plants. In 1973,
Retallack [2] exposed plants to classical music and rock music and found that classical music promoted growth. Uematsu
et al [3] reported in 2012 that continuous exposure of plants to sound increased carbon quantification and promoted
growth. Gagliano et al. [4] reported that corn roots placed under 220 Hz sound showed bending of the root response in
the direction of the sound source. Gagliano et al. interpreted that the roots responded to the environmental sound in searchof water and actively grew towards the water flowing underground, suggesting that plants respond to natural sounds intheir environment. In 2014, Appel et al [5] demonstrated that plants can distinguish larval chewing sounds from vibrating
sounds caused by other insects such as wind and pollen they showed that the leaves under threat showed an increased
chemical reaction. Importance of acoustic communication in plants with plant responding to sounds have already been
well established.
However, the evaluation methods used to study the plant -sound interaction require a considerable amount of time toinvestigate the effects of sound. Such methods include measurements of dry weight and yield, root, stem lengths, numberof tillers, and reactive oxygen species. These techniques involving several growth stages, including harvest and yieldmeasurements, require considerable time to estimate the effects of sound stimuli and their specific characteristics. In
addition, due to the insufficient sensitivity of the technology used, continuous measurement and monitoring in real timeis hardly possible.
To compensate for these shortcomings, we propose the use of laser bio-speckle method to study the effects of soundon plants [6]. Laser biospeckle is a dynamic interference pattern formed on a detector by scattering of reflected light froma living body [7]. When the sample is a plant, there are two types of scattering, one from the surface of the leaf and theother from deep within the leaf, and both types of scattered light generate speckle. The intensity of the speckles changes
randomly depending on the movement of intracellular organelles and cellular activities such as the transport of water andnutrients. By studying the dynamic change of the speckles, it is possible to monitor plant activities [8]. We used this laser
bio-speckle method to observe the activity of plants exposed to sound in a non-invasive, real-time manner, and reported
that exposure of plants to sound reduced the activity of their leaves.
These studies showed that exposure of plants to sound reduced leaf activity and negative responses, but the results
were based on observations near the surface of the leaf, and the detailed mechanisms of how sound affects the internal
tissues of the leaf have yet to be elucidated.
In 1991, Optical Coherence Tomography (OCT) was introduced for ophthalmology [9]. OCT is a technology thatenables non-destructive, non-contact, real-time measurement of tomographic images of biological tissues by using lightto measure information inside objects in three dimensions. OCT is widely used and studied in ophthalmology,
dermatology and other fields [10]. In this study, we propose to use OCT to study the internal changes of plant leaves
under sound stimulation. The purpose of this study was to evaluate the effects of sound on plants by exposing arugula
leaves to sound and examining the changes in OCT signals. A low frequency (100 Hz) and a high frequency (10 kHz)
were used as sound stimuli.

― 242 ―

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2.SAMPLES AND EXPERIMENTAL METHODSa.Sample (Arugula)
Arugula was used as the plant sample for this experiment. Arugula is a cruciferous herb with a faint sesame-like aroma
and a bitter taste. We used arugula in this study because it grows quickly, is easy to cultivate, and can be grown in avariety of environments.
The plants were cultivated for 24 hours at a temperature of 27±5˚C and a photosynthetic photon flux density (PPFD) of
180 mmol/(m2/s). The plants were periodically fed with the following culture medium and three seedlings were used thatwere 30 days old after the seeds were planted.
b.Arugula soil and Growing techniques
Instead of soil, hydroponic cultivation with rockwool was used in this experiment. Three cm square cubes of rockwool(0138-008, Grotop Grodan) were made by cutting and placing it in a plastic cup (100 ml). Three holes were made at thebottom of the plastic cup so that water could be sucked up from below. Then a knife was used to make a cross-shaped sliton the top of the rockwool for planting the seeds. The plastic cups were placed in tray and water was poured into thetray so as to make the rockwool absorb enough water. Two or three seeds were sown on the top of the rockwool so thatthe roots were less grounded to the wool.
The culture medium is a mixture of commercial hydroponic fertilizers, Otsuka House No. 1 and Otsuka House No. 2, ina ratio called "A formula. This A formula is a general-purpose culture solution that can be widely used for leafy green
plants.
The culture solution used was obtained by diluting with water to have an appropriate concentration that has a value of EC= 1.0 ds/m. The EC here is the electrical conductivity and is an indicator of the concentration of all ions dissolved in theculture medium. EC is measured using a water quality meter (Gondo Electronic 7200 EC). 1.5 g of Otsuka House No. 1
and 1.0 g of Otsuka House No. 2 were mixed with 2.2 L of water.
c.Experimental System
A schematic diagram of the spectral-domain optical coherence tomography (SD-OCT) along with a sample plant and a
speaker is shown in Figure 1.
A superluminescent diode (SUPERLUM, SLD-137-HP3-DBUT-SM-PD, Cork, Ireland) with a central wavelength 0=836.1 nm and a bandwidth Δλ = 55.2 nm, providing a total outpower of 15.6 mW, was used as a light source. The lightfrom the light source was first coupled to the input port of the circulator (AC Photonics, Inc., Santa Clara, CA, USA) andfurther divided into two beams by a 2 × 2 50/50 fiber coupler (TW850R5A2-2 × 2 Wideband Fiber Optic Coupler, 850 ±100 nm, THORLABS, Exeter, UK), illuminating the sample seed and the reference mirror, respectively. The reference
arm consisted of collimating lens L1, objective lens L4, and mirror M1, and the sample arm consisted of lenses L2, L3(LSM03-BB—Scan Lens, EFL = 36 mm, THORLABS, Exeter, UK), and Galvano scanning mirrors.
Dispersion was compensated by a glass plate placed in front of the reference mirror, followed by offline mathematicalcompensation following the collection of data. Light from L3 irradiated the leave of the sample plant. To avoid minute
movements, the leaf was sandwiched gently between two 10 cm square magnets with a 3 cm square hole in one of them.
The power of the light incident on the seed in the sample arm was 2.6 mW, which is below the irradiance damage thresholdfor leaves. The two-dimensional scanning mirror (Galvano mirror scanners) can scan laterally in the X and Y directions.
The sensitivity was measured to be 96 dB at a depth of 0.24 mm. The sensitivity roll-off was around 7.94 dB/mm.
Each measurement is a 2048 (x) and 512 (z) raster scan over an area of 3.1 × 1.6 mm2 at an acquisition rate of 10 frames
per second (fps). A total of 100 cross-sectional images were recorded. The fiber coupler recombined the backward
scattered light from the leaf and the reflected light from the reference mirror. This light was directed through a circulator
to a spectrometer that consists of a collimator, lens L5, and a grating. The collimated light illuminated the grating to obtainthe spectral interference signal focused onto a line scan camera through lens L6. The spectra recorded by the spectrometer
were mapped to K-space and then processed with a numerical dispersion compensation algorithm.
To acquire the spectral interference signal, a line scan camera (L104k-2k, BASLER, Ahrensburg, Germany) was used,with a total of 2048 pixels. A custom-built software was used for acquisition and transformation to real space and
MATLAB(R2021a) was used for analyzing the images to reveal the response of the plant under exposure to sound.
The depth resolution (axial resolution) of the system in free space was calculated as 6 μm using the following Equation(1), and the lateral resolution was calculated as 22 μm by Equation (2);― 243 ―

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Fig.1Image of optical system by SD-OCT

∆𝑧𝑧 =

∆𝑥𝑥 =

2 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝜆𝜆0 2(1)𝜋𝜋 𝑛𝑛 ∆𝜆𝜆

4𝜆𝜆0
𝜋𝜋

𝑓𝑓

[ ]

(2)

𝑑𝑑

where f is the focal length, d is the beam diameter, and n is the reflectivity index (n = 1.4).
d.Sound generation and exposure protocol

In order to expose plants to sound, speakers (FOSTER, P1000-E) with a 10 cm full-range woofer (FOSTER, FF105WK)
were used to produce sound. The circuit consisting of an OpAmp (TDA2030A WINGO) to adjust the sound pressurelevel with a variable resistance amplifying the signal from a function generator (FG-281
TEXIO
Oscillation
frequency 0.01 Hz – 15 MHz) was used to generate the required frequency. The sound pressure level was measured before
starting the experiment with sound pressure sensor (SL-100U-M INABA ).
A low frequency of 100 Hz and high frequency of 10 kHz sounds were chosen as the sound stimuli and they were thesame as the ones used in our previous experiments with laser speckle [6], and the sound pressure was set to be 100 dB.
The age of the sample arugula plant was chosen to be around 30 dap (days after planting or dap) and three plants wereused for measurement. The distance between the leaf and the speaker was set to be 10cm.
As an initial step, the arugula plants were kept in a dark and soundless environment for 60 minutes to eliminate the effectsof ambient noise and light stimulation on the leaves. Next, the protocol shown in Figure 2 was used for exposing to soundand making measurements. As of the procedure shown in the diagram:
1. With ten minutes of silence and no light, three consecutive ten-second OCT scans were acquired at 10 fps;
2,

Sound exposure was given to the leaf for a period of one minute;

3. The procedure given in #1 was repeated.
4. A total of five cycles of these measurements were performed.
5. The whole procedure was repeated for three plants.

― 244 ―

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


Fig.2

Experimental protocol with three different sample plants and the different conditions used.


A total of 500 scans were obtained for each plant under different sound stimuli, namely no sound or control, 100 Hz and
10 kHz.
In the analysis, we calculated the ratio of the average intensity before and after exposure to sound.
First, the standardization per frame is done using equation (1), where xi,j is the intensity at the pixel i and j was normalized
by the maximum of that frame, x max(3)Then, from the normalized frames, the average across the number of frames Nf was obtained by the equation as given
below,(4)
Where if is the frame number. Finally, we calculated the effect of sound on the plants by using equation (4) to calculate
the ratio of after to before exposure to sound as given below,(5)

3.RESULTS AND DISCUSSION
Figure 3 A and B with top row showing the structural image of the leaf (gray, top) and while the bottom row shows thefunctional or the ratio image for 100 Hz (bottom of A) for 10 kHz (bottom of B), respectively. The scale representing theratio obtained by the analysis is shown on the left. In the functional or the ratio images, the red represents larger changeof the ratio while the blue represents lower change. As can be seen from the figure, for all the sample plants used, for
low frequency, namely 100Hz, there is more red region compared to the blue region and vice -versa for 10kHz.
This result clearly suggests that the low frequency sound of 100 Hz has more active effect on the plant than the sound at
10 kHz.

― 245 ―

TOPへ戻るAs can be seen in both under 100 Hz and 10kHz, the surface region is almost not active while only the deeper region there
exists significant differences in the activation patterns. This is expected as from earlier observations even a one-minuteexposure to sound could lead to stomatal size changes. This in turn means size changes could lead to scattering changes
and these scattering changes would be reflected in the ratio of fOCT or ratio signals. As sizes of stomata would get smallerwith higher the frequency, it is natural to expect a smaller stoma for 10 kHz in relation to 100Hz. In terms of scattering,
this means considering the Mie scattering regime, smaller the size and hence larger the forward scattering resulting inlesser OCT reflectivity signal. This is what that happens and we observe in our results with less activation or changes in
the fOCT maps in relation to 100Hz ab shown in Fig 3 A, B (bottom maps in both A and B).

4.CONCLUSION
In this study, we measured the effects of sound on plants using OCT. We examined the effects of two types of sound, lowfrequency (100 Hz) and high frequency (10 kHz) and found that the low frequency sound increased leaf activity morethan the high frequency sound. Our results demonstrate that both laser speckle based studies as well as OCT could
reveal special aspects of light scattering in determining the strength of the leaf in advance. We expect this study could
increase the awareness and extend the application to different fields of plant photonics. In future we plan to extend thestudies to long term exposure and the application of laser speckle and OCT technologies.

REFERENCES[1] Taiz, L. and Zeiger, E., [Plant Physiology 3rd edition], Sinauer Associates, Sunderland, (2002)[2] Dorothy, L. R., [The sound of Music and Plants], Devorss&Co, 1-96 (1973).
[3] Uematsu, K., Suzuki, N., Iwamae, T., Inui, M. and Yukawa, H. “Increased fructose 1,6-bisphotsphate aldolasein plastids enhances growth and photosynthesis of tobacco plants”, Journal of Experimental Botany 63(8), 30013009 (2012).
[4] Gagliano, M., Mancuso, S., Robert, D., “Towards understanding plant bioacoustics”, Trends in Plant Science17(6), 323-325 (2012).
[5] Appel, H. M., Cocroft, R. B., “Plants respond to leaf vibrations caused by insect herbivore chewing”, Oecologia
175(4), 1257-1266 (2014).
[6] Rajagopalan, U. M., et al., “Demonstration of laser biospeckle method for speedy in vivo evaluation of plantsound interactions with arugula”, PLoS ONE, (2021)[7] Aizu, Y., et al., “Bio-Speckles”, Trends in Optics,27-49 (1996).
[8] Zdunek, A., et al., “The Biospeckle Method for the Investigation of Agricultural Crops: A Review.”, Optics andLasers in Engineering, 52, 276-285 (2014).
[9] Huang D, et. al., “Optical coherence tomography”, Science, 254 (5035), 1178-1181 (1991).
[10] Drexler, W., et al., “Optical coherence tomography today: speed, contrast, and multimodality”, Journal of
Biomedical Optics, 19(7)07141, (2014)

Publications:Ryotaro Wakumoto, Takahiro Kono, Hirofumi Kadono, Jun Yamada, Uma Maheswari Rajagopalan, "Functional
optical coherence tomography in the study of plant-sound interactions," Proc. SPIE 11958, Optical Interactions with
Tissue and Cells XXXIII; and Advanced Photonics in Urology, 119580G (2 March
2022); https://doi.org/10.1117/12.2607538
Uma Maheswari Rajagopalan, Ryotaro Wakumoto, Daiki Endo, Minoru Hirai,Takahiro Kono, Hiroki Gonome,
Hirofumi Kadono, Jun Yamada, “Demonstration of laser biospeckle method for speedy in vivo evaluation of plantsound interactions with arugula”, PLOS one, October 28, 2021
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0258973
― 246 ―

TOPへ戻るFig.3 Comparison of images by OCT (A : top row is the leaf image and bottom row is ratio of 100 Hz, B : top
row is the leaf image and bottom row is ratio of 10 kHz)

― 247 ―

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異種元素含有カーボン系触媒材料の合成
材料工学科

石崎 貴裕

共同研究者
Pusan National University, School of Materials Science and Engineering, Oi Lun Li

性を有する 2 次元構造のカーボンで，ORR 活

１．序論（はじめに，まえがき，目的）
二酸化炭素排出や化石燃料資源の枯渇など性を示すことが報告されている 4) 。構造中にの問題が議論されて久しく，それらを解決す

N をドープすることで表面の π 電子雲に分極るエネルギー源として燃料電池や蓄電池が注が生じ，ORR 活性が高まることが報告されて目を集め続け，その研究開発が活発に続けらおり，その試みが多くなされている 5) － 7) 。しれている。これらの利点としては，環境負荷

かし，従来法ではアンモニア雰囲気中でグラ物質のゼロ排出，高いエネルギー変換効率な

フェンに熱処理を行う等，複雑な装置構成やどがもたらす「グリーン・イノベーション」

高温処理が必要であり，高コストになること

のみならず，国家エネルギー戦略としても燃等が課題である。

料供給源の多様化によるリスク分散，自動車

ソ リ ュ ー シ ョ ン プ ラ ズ マ (SP) は 液 中 で 発や電機など今後の産業競争力への広範な基盤

生する低温非平衡のプラズマであり，気相プ

強化になるなどが挙げられる。現在，これら

ラズマよりも分子密度が高いため反応速度がのエネルギー源は自動車用や家庭用電源とし速い。さらに，大気圧プロセスであるため，て一般市場に導入され始めたが，本格的な普装置構成が簡易，低コスト等の特長がある。

及には，まだ多くの克服すべき点がある。

最近，SP により結晶性のカーボン材料が合成

燃料電池や金属空気電池では，空気極にお可能であることが報告されている 8) 。このたける 酸 素還 元 反応 (ORR) が重 要 であ る 。 こめ，SP は新規カーボン合成法として近年注目の ORR には 4 電子反応と 2 電子反応があるを集めているプロセスである。この SP プロ

が，4 電子反応が起こらずに 2 電子反応が起セス(SPP)を利用し，溶液の種類を自由に組みきると電池性能のボトルネックとなる。その合わせることでモノマーから直接的にカーボため，一般的に空気極の ORR 触媒には ORR

ンを合成することが可能であるため，カーボ

活性の高さから Pt が用いられることが多い。

ン中への窒素ドープを従来プロセスより効率

しかし，Pt は その資源の希少性やアクセサ

的かつ低コストに行うことが期待できる 9) 。

リー類等の需要による高コスト化や，メタノールによる一酸化炭素吸着に起因する被毒に

２．研究計画本研究では，『レアメタルフリーで，簡単により触媒活性の長期安定性に欠けるという欠点を抱えている1) － 4)。このため，Pt 代替触媒材料の開発が求められている。

入手可能なカーボン系のヘテロ元素を含有す
る有機原料を利用して，巧みな分子構造設計

グラフェンは非常に大きな表面積と高導電と溶液中の低温非平衡プラズマを利用した合― 248 ―

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成技術によりカーボン系触媒材料合成技術の確立』をめざした。具体的には、以下の項目について研究を進めた。
(1)液 中 プ ラ ズ マ に よ る ヘ テ ロ 原 子 含 有 カ ー
ボン材料の創製と評価
窒素や酸素等のヘテロ元素を含有する有機材料（モノマー等）を原料に用い，溶液中のプラズマ生成条件を精密に制御することで，有機材料を精密にアセンブリングするための技術開発を行った（条件最適化）。プラズマを制御するために，発光分光による活性種の解明を行った。合成したヘテロ元素含有カーボ
ンの組成，結晶性，化学結合状態を XRD，SEM，TEM，ラマン分光，XPS 等を用いて評価した。
(2)合 成 し た カ ー ボ ン 材 料 の 酸 素 還 元 反 応 に対する触媒活性評価
作製したカーボン材料の触媒性能は電気化学的手法により評価した。サイクリックボル
タンメトリーにより，カーボン材料の触媒性と触媒活性を評価した。また，回転電極を用

図 1：ピラジンとベンゼンから合成した
カーボンの SEM および TEM 像であると推察される（図 2）。合成したカーボンの結晶性を調べるためにラマン分光測定を行った。ラマン分光測定の結果から，窒素含有量の増加に伴ってカーボンの結晶性は僅かに低下した。

いた評価により，酸素還元反応の反応電子数を算出した。さらに，クロノアンペロメトリ
ーにより，触媒活性の耐久性についても評価を行った。
３．計画の進行状況
ソリューションプラズマにより窒素や酸素を含有するカーボン材料の合成を行い，合成したカーボン材料の物理化学的な特性とアルカリ水溶液中における酸素還元反応に対する触媒性能の評価を行った。窒素含有カーボンの合成にはピラジンとベンゼンを出発原料に用いた。ピラジンとベンゼンから合成したカーボンの SEM および TEM 像を図 1 に示す。

図 2：窒素含有カーボンの XPS N 1s スペ

クトル

合成したカーボンは，直径 20－30nm の粒状合成した窒素含有カーボンの酸素還元反応

形状を有しており，その形状はピラジン濃度に対する触媒活性および触媒性能を評価するに係わらず同様であった。XPS の結果から，ために，アルカリ水溶液中において電気化学

ピラジン濃度の増加に伴ってカーボン中の窒的特性を評価した。図 3 に，ベンゼンから合素含有量が増加した。また，N1ｓXPS スペク

成したカーボンおよび窒素含有カーボンを作

トルの結果から，カーボン中の窒素の配置は用極に用い，0.1M KOH 水溶液中でのサイク

sp 2 結 合 の グ ラ フ ァ イ ト 置 換 型 と ピ リ ジ ン 型

リックボルタモグラムを示す。ピラジン濃度― 249 ―

TOPへ戻る

の増加に伴って，約-0.3V 付近の酸素還元反った。この値は，一般的に触媒材料として用応に起因する電流密度が増加した。このこといられている Pt/C と同等である。この結果かは，酸素還元反応の触媒活性が向上したこと

ら，ソリューションプラズマで合成した窒素を示す。また，還元反応の開始電位が貴な方向に僅かにシフトしていることから，窒素含有量の増加により，酸素還元の触媒能も向上

図 4：窒素含有カーボンの RDE を用いた
分極測定
含有カーボンの酸素還元反応に対する触媒活図 3：ベンゼンから合成したカーボンお性および触媒性は優れた性能であることを明よび窒素含有カーボンの 0.1M KOH 水溶らかにした。
SP で 合 成 し た カ ー ボ ン の 酸 素 還 元 反 応 に

液中でのｻｲｸﾘｯｸﾎﾞﾙﾀﾓｸﾞﾗﾑ

対する触媒能の耐久性を調べるために，-0.5V

していることがわかる。
窒素含有カーボンの酸素還元に対する反応
電子数を調べるために，回転電極（RDE）を用いた分極測定を行った。図 4 に異なる回転数 で 測 定 し た 分 極 曲 線 (LSV)を 示 す 。 回 転 数の増加に伴って，拡散律速に起因する電流密度が増加した。LSV カーブと電極の回転速度の関係から求めた Koutecky-Levich プロットを用いて各電位における反応電子数を解析した．その関係式を式 (1) に示す。
i -1 = i k + (0.62nFAD 2/3 ω 1/2 ν -1/6 C) -1

におけるクロノアンペロメトリー測定を行った。その結果を図 5 に示す。市販の Pt/C 電極の場合には，酸素還元に対する電流値が反応初期値に対して 70%程度に低下し，その後，その値は緩やかに減少した。このことは，その触媒活性が反応開始とともに，30%程度損
なわれたことを示す。一方，ソリューション
プラズマで合成したカーボンの場合には，酸素還元に対する電流値の減少は極めて少なく，半日経過後でもその減少率が 10%以下であっ(1)

i は測定によって得られたある電位での電流値，i k は回転数に依存しない活性化支配電流，n，F，A，D，ω，ν，C はそれ ぞれ 反応
電子数，ファラデー定数，電極面積，拡散係数，電極の角回転数，溶液の動粘度，溶存酸
素濃度である。LSV から得られた電流密度の値を用いて，Koutecky-Levich (K-L)式により，
酸素還元反応に対する反応電子数を算出した。
得られた反応電子数の値は，3.21～3.94 であた。この結果から，ソリューションプラズマ
で合成した酸素含有カーボンは電流密度の低下率が極めて小さく，高い耐久性があることがわかる。これらの結果から，ソリューショ
ンプラズマで合成したカーボンの酸素還元反応の触媒能に対する耐久性は，一般的な触媒材料として用いられる Pt/C と比較して，約1.4 倍以上向上することを明らかにした。
これらの結果から，ソリューションプラズ
マにより合成したカーボンの酸素還元性能は優れているといえる。窒素を含有させた場合― 250 ―

TOPへ戻るには，触媒の性能と活性および触媒性能の耐（学会発表）

久性の向上に寄与することを明らかにした。

(1) 佐 々木 滉 大， 奈良 原柾 ， 平峠 由佳 ， 田 中
健一，石﨑貴裕，ソリューションプラズマを用いた Fe-N-C 結合を有するカーボン系触媒材料の合成と評価，表面技術協会第 145 回講演大会，2022 年 3 月 9 日，オンライン開催(2) 奈 良原 柾 ，佐 々木 滉大 ， 平峠 由佳 ， 石 﨑
貴裕，ソリューションプラズマによる
CoSn(OH) 6 @カ ー ボ ン 系 複 合 触 媒 材 料 の 合 成

還元図 5：酸素含有カーボンの-0.5V におけると評価，表面技術協会第 145 回講演大会，2022

酸素反応に関するｸﾛﾉｱﾝﾍﾟﾛﾒﾄﾘｯｸ曲線

年 3 月 9 日，オンライン開催(3) T. Ishizaki, Y. Hiratoge, K. Fukushima, K.

４．今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状況 Tanaka, Solution plasma synthesis of carbon-based
今後，ヘテロ元素含有カーボンの触媒性能

electrocatalysts for cathode materials of Li-airを向上させるための技術開発を継続して行い，

battery, ISPlasma2022 / IC-PLANTS2022, 2022 年

優れた性能の触媒材料を Li 空気電池の活物

3 月 9 日，オンライン開催

質に活用していく予定である。

参考文献
1) D. U. Lee, H. W. Park, D. Higgins, L. Nazar,（論文発表）(1)

Chayanaphat

Chokradjaroen,

Hirokoand Z. Chen, Jornal of the Electrochemical

Watanabe, Takahiro Ishii, Takahiro Ishizaki,

Society, 160, F910 (2013).

Simultaneous synthesis of graphite-like and2) Z. Jin, H. Nie, Z. Yang, J. Zhang, Z. Liu, X.

amorphous carbon materials via solution plasma

Xu, and S. Huang, Nanoscale, 4, 6455 (2012).

and their performance evaluation for Li-O 23) J.-S. Lee, K. Jo, T. Lee, T. Yun, J. Cho, and B.

battery application, Sci. Rep., 11, 6261 (2021).

-S. Kim, J. Mater. Chem. A., 1, 9603 (2013).

(2) Kefan Song, Xiulan Hu, Wenjie Gao, Zeyu

4) Z. Mo, R. Zheng, H. Peng, H. Liang, S. Liao,

Liu, Handan Qiao, Takahiro Ishizaki, Xiaodong

L. J. Power Sources, 245, 801 (2014).

Shen,5) Z. Mo, R. Zheng, H. Peng, H. Liang, S. Liao,

Facilelysynthesizedhoneycomb-like

NiCo 2 O 4 nanoflakes with an increased content of

L. J. Power Sources, 245, 802 (2014).

oxygen vacancies as an efficient cathode catalyst

6) D. Wei, Y. Liu, H. Zhang, L. Huang, and G. Yu,

for Li-O 2 batteries, J. Alloys Compds., 898

Nano Lett., 9, 1752 (2009).

(2022) 162774.

7) D. Geng, Y. Chen, Y. Li, R. Li, X. Sun, S. Ye,(3) 渡 辺紘 子 ，石 井隆 裕， 石 﨑貴 裕， ソ リ ュand S. Knights, Energy Environ. Sci., 4, 760

ーションプラズマプロセスを用いた酸化モリ(2011).

ブデン粒子の合成，材料の科学と工学，58 (3),8) J. Kang, O. L. Li, N. Saito, Carbon, 60, 292

106-110 (2021).

(2013).

(4) Pengfei Wang, Jiazhong Zhang, Xiulan Hu,

9) M. Matsushima, M. Noda, T. Yoshida, H. Kato,

Lei Miao, Takahiro Ishizaki, Recent progress of

G. Kalita, T. Kizuki, H. Uchida, M. Umeno, andcarbon-basedin

K. Wakita, J. Appl. Phys, 113, 114304-1 (2013).

Lithium-based Battery, Sustain. Mater. Technol.,10) S. Wang, D. Y, and L. Dai, J. Am. Chem.

in press (2022).

Soc., 133, 5184 (2011).

electrocatalytic

materials― 251 ―

TOPへ戻る

宇宙デブリ捕獲用 MR ダンパの高速接触力制御
  電気工学科  安孫子 聡子 

共同研究者
東京都市大学理工学部機械システム工学科 佐藤 大祐

１．はじめに近年，宇宙産業が拡大するなか，宇宙デブ
リ は 増 加 し 続 け て お り ， 2009 年 や 2013 年の 大 規 模 な 軌 道 上 衝 突 事 故 ， 2021 年 の ロ ケット残骸地上落下等，大型デブリの軌道上
Figure 1 Debris capture mechanism

放置の危険性が顕在化してきている．一方，制御不能かつ相対航法支援システムを具備しない所謂，非協力ターゲットへの接近・捕獲
は，対象物との接触の必要性，対象物の弾き飛ばしや新たなデブリ誘発の危険性のため，
いまだ実運用に達するに至っていない．
多関節ロボットアームを用いたインピーダ
ンス制御によるデブリ捕獲手法を提案した研究は多数ある[1][2][3]が，ロボットの制御応答性能より速い接触力を制御することは不可能である．そのため，予期せぬ接触力が生じた際に，デブリの質量推定を誤ると接触力にFigure 2 MR damper structure and mechanism

対して適切な抑制ができず，突き放しを完全証する．
本研究では Fig.1 に示すロボットアームのに防ぐことはできないという課題がある．
本研究では，未知の物理パラメータを有す

手 先 に MR ダ ン パ を 搭 載 し た 捕 獲 機 構 で のる非協力ターゲットとの宇宙空間での安定なデ ブ リ 捕 獲 を 想 定 す る ． MR ダ ン パ の 特 徴

接 触 維 持 の 実 現 を 最 終 目 標 と し ， MR

は，電流によって減衰力が可変であることと（ Magneto-Rheological ） ダ ン パ に よ る 接 触

電流変化に対する高速な応答性をもつことで力制御の実現を目的とする．ここでは，特に，あ る ． こ れ ら の 特 徴 か ら MR ダ ン パ は 様 々MR ダンパのモデリングおよびダンパの加振な質量のデブリの捕獲に適用できる可能性が試験による特性評価を実施する．また，モデ

高く，ターゲットの質量推定を誤った場合でリングしたＭＲダンパによる接触制御の可能も瞬時の対応が可能であると期待できる．

性について動力学シミュレーションにより検― 252 ―

TOPへ戻る
２．研究計画２．１ カスタム 05 ダンパの開発に向けた
05 ダンパのモデリング まず，MR ダンパの基本性能を確認するた
めに，MR ダンパのモデリングを行う．ここでは，MR ダンパ内で生じる力学現象を定式

Figure 3 MR damper schematic model

化 し ， 今 後 の カ ス タ ム MR ダ ン パ の 開 発 に向けた基礎検証フレームワークを作成する．
２．２ 高速接触力制御のための動力学シミュレーション MR ダンパモデルを用いて，デブリとの衝突現象を模擬し，接触時の動力学シミュレー
シ ョ ン を 実 施 す る ． 複 数 の MR ダ ン パ の パ
ラ メ ー タ を 用 い ， デ ブ リ 捕 獲 に お け る MR
ダンパの有用性を検証する．
３．計画の進行状況

Figure 4 Schematic model of Piston

３．１ MR ダンパのモデリング

以下の式(1)で表される．

MR ダンパはシリンダの中に MR 流体が封入されたデバイスである．MR 流体とは，分散媒に強磁性体粒子が分散・懸濁されている

𝚫𝚫𝒑𝒑𝒂𝒂 =+ 𝟏𝟏𝟏𝟏

機能性流体である．外部磁界によって，強磁性体粒子が鎖状クラスタを形成する．
Fig.2 の よ う に ピ ス トン ロ ッ ドに 右 から 力が加わると,シリンダ内の圧力変化によって
反 発 室 と 圧 縮 室 に 封 入 さ れ た MR 流 体 は ピ
ストンの環状流路を流れる．このピストンにあるコイルに外部から電流を流すと磁界が発生 し ， 流 路 内 の MR 流 体 の 強 磁 性 粒 子 が 鎖

𝟏𝟏𝛕𝛕𝟎𝟎
𝑳𝑳𝒂𝒂 (𝟑𝟑 + 𝑺𝑺) [𝟐𝟐 𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜 ( atan𝟐𝟐(𝒚𝒚, 𝒙𝒙)) + 𝟏𝟏]𝟑𝟑𝟑𝟑
𝟑𝟑
𝑳𝑳 − 𝑳𝑳𝒂𝒂
𝑸𝑸
𝒘𝒘𝒉𝒉𝟑𝟑 𝒂𝒂

ここでτ0 は MR 流体の降伏せん断応力，ℎはピストンの環状流路の幅，𝐿𝐿𝑎𝑎 はピストンのうち 磁 化 さ れ る 部 分 の 長 さ ， 𝑆𝑆は 可 塑 度 ， 𝐿𝐿はピスト ンの 長さ ， 𝑤𝑤はピ ストン にあ る環 状流

路 の 平 均 円 周 長 ， 𝑄𝑄𝑎𝑎 は ピ ス ト ン の 穴 を 流 れる MR 流 体 の 体 積 流 量 を 表 す ． ま た ， 可 塑度𝑆𝑆，𝑥𝑥，𝑦𝑦はそれぞれ式(2)-(4)で表される．

状クラスタを形成する．この鎖状クラスタに𝑺𝑺 =よる抵抗力がダンパの減衰力となる．また,
電 流 に よ っ て 流 路 内 の MR 流 体 の レ オ ロ ジ

𝑦𝑦 = 6√3√27𝑆𝑆 + 9𝑆𝑆 2 + 𝑆𝑆 3

3.1.2 ダンパ構造のモデリングと に MR ダ ン パ の 減 衰 力 お よ び コ ン ト ロ ー

コ ン ト ロ ー ル バ ル ブ は ， MR ダ ン パ の ピ ス
ト ン に あ る 環 状 流 路 に て MR 流 体 の レ オ ロ
ジー特性を変化させ，ピストンの反発室と圧
縮室の圧力差Δ𝑝𝑝𝑎𝑎 を調節する仕組みであり，


(𝟐𝟐)

(3)
(4)

MR ダ ン パ の 減 衰 力 𝐹𝐹𝑑𝑑 は 式 (5) で 表 さ れ る ．

ルバルブのモデリングを行った[4][5]．
3.1.1 コントロールバルブのモデリング

𝟏𝟏𝟏𝟏𝛍𝛍𝑸𝑸𝒂𝒂
𝒘𝒘𝒉𝒉𝟐𝟐 𝛕𝛕𝟎𝟎

𝑥𝑥 = −27 + 27𝑆𝑆 + 9𝑆𝑆 2 + 𝑆𝑆 3

ー特性を調節する仕組みをコントロールバル
ブという．ここでは，Goldasz らの理論をも(1)

𝐹𝐹𝑑𝑑 = −𝑚𝑚𝑟𝑟 𝑥𝑥𝑝𝑝̈ − 𝑃𝑃𝑟𝑟 (𝐴𝐴𝑝𝑝 − 𝐴𝐴𝑟𝑟 ) + 𝑃𝑃𝑐𝑐 𝐴𝐴𝑝𝑝 + 𝐹𝐹𝑓𝑓(5)

こ こ で 𝑚𝑚𝑟𝑟 は ピ ス ト ン と ロ ッ ド の 質 量 の 合 計 ，𝑥𝑥𝑝𝑝 はピストンの変位， 𝑃𝑃𝑟𝑟 は反発室の圧力， 𝐴𝐴𝑝𝑝

はピストンの断面積，𝐴𝐴𝑟𝑟 はロッドの断面積，

𝑃𝑃𝑐𝑐 は 圧 縮 室 の圧 力 ，𝐹𝐹𝑓𝑓 は 摩擦 力 を 表 す． ま た ，
反 発 室 の 圧 力 𝑃𝑃𝑟𝑟 と 圧 縮 室 の 圧 力 𝑃𝑃𝑐𝑐 は 式 (6)-(9)― 253 ―

TOPへ戻るに示す連立微分方程式を解くことで求められる．
𝑃𝑃𝑟𝑟̇ = β𝑃𝑃𝑐𝑐̇ = β𝑥𝑥𝑔𝑔̈ =

(𝐴𝐴𝑝𝑝 − 𝐴𝐴𝑟𝑟 )𝑥𝑥𝑝𝑝̇ − 𝑄𝑄𝑎𝑎

(𝐴𝐴𝑝𝑝 − 𝐴𝐴𝑟𝑟 )𝑥𝑥𝑝𝑝 + 𝑉𝑉𝑟𝑟0
𝐴𝐴𝑝𝑝 (𝑥𝑥𝑔𝑔̇ − 𝑥𝑥𝑝𝑝̇ ) + 𝑄𝑄𝑎𝑎

𝐴𝐴𝑝𝑝 (𝑥𝑥𝑔𝑔 − 𝑥𝑥𝑝𝑝 ) + 𝑉𝑉𝑐𝑐0

1[𝐴𝐴 (𝑃𝑃 − 𝑃𝑃𝑐𝑐 ) + 𝐹𝐹𝑓𝑓𝑓𝑓 ]𝑚𝑚𝑔𝑔 𝑝𝑝 𝑔𝑔

𝑄𝑄𝑎𝑎̇ =𝐴𝐴𝑔𝑔
(𝑃𝑃 − 𝑃𝑃𝑐𝑐 − Δ𝑝𝑝𝑎𝑎 )ρ𝐿𝐿 𝑟𝑟

(6)
(7)

(8)

(9)

ここで𝛽𝛽は MR 流体の体積弾性率，𝑉𝑉𝑟𝑟0 は反発

Figure 6 Experimental setup
３．２ MR ダンパの加振試験
前節では，参考文献データを元にモデルの室の体積の初期値，𝑥𝑥𝑔𝑔 はフローティングピス

評価を行った．そこで，ダンパ開発の基礎検

𝑚𝑚𝑔𝑔 は フ ロ ー テ ィ ン グ ピ ス ト ン の 質 量 ， 𝐹𝐹𝑓𝑓𝑓𝑓 はパ (RD-8040-1)の加振試験を実際に実施し，ト ン の 変 位 ， 𝑉𝑉𝑐𝑐0 は 圧 縮 室 の 体 積 の 初 期 値 ，

フ ロ ー テ ィ ン グ ピ ス ト ン の 摩 擦 力 ， 𝐴𝐴𝑔𝑔 は ピ

ストンの環状流路の断面積，ρは MR 流体の
密 度 を 表 す ． ま た ガ ス 室 の 圧 力 の 初 期 値 𝑃𝑃𝑔𝑔0と ガ ス 室 の 体 積 の 初 期 値 𝑉𝑉𝑔𝑔0 を 用 い て ， ガ ス

室の圧力𝑃𝑃𝑔𝑔 は式(10)で表される．

𝑛𝑛

𝑉𝑉𝑔𝑔0
)
𝑃𝑃𝑔𝑔 = 𝑃𝑃𝑔𝑔0 (𝑉𝑉𝑔𝑔0 + 𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑥𝑥𝑔𝑔

3.1.3 MR ダンパモデルの検証(10)

MR ダンパモデルの妥当性を検証するため，
MR ダンパモデルの正弦波変位加振のシミュ
レーションと LORD 社製の MR ダンパ (RD8040-1) の 参 考 文 献 [5] に よ っ て 提 供 さ れ る
加振試験データの比較を行った．ここでは参考 文 献 [5] に 示 さ れ る ヒ ス テ リ シ ス 特 性 を 近似し，参照データとした．Fig. 5 にピストンの速度に対する減衰力を示す．これより MR
ダンパモデルによる挙動が実データと同等の挙動を示すことが確認できた．

証 を 確 認 する た め， LORD 社 製 の MR ダ ン
参考文献との整合性を確認した．ここでは，INSTRON 社 製 の 疲 労 試 験 機 ， ElectroPlus
E10000 を 用 い て ピ ス ト ン を 振 幅 ±12.7 mmの正弦波で上下に駆動させた．正弦波の周波数を 0.60 から 4.00 Hz の間で 20 種類，MR
ダンパに流す電流を 0.00 から 2.00 A の間で8 種類に変更し，合計で 160 種類の条件でのMR ダンパの減衰力を測定した．実験の様子
を Fig. 6 に示す．
Fig. 7 お よ び 8 に 電 流 が 0.00 A お よ び
2.00 A の 際 の 結 果 を 示 す ． い ず れ の 周 波 数においてもヒステリシス性をもち，周波数が高いほど減衰力が大きいことが確認できる．
しかしながら理論上ピストン速度のピーク値
は 0.32 m/s であるが ，周波数が高いほどその値からずれている傾向が見られる．この原
因 は MR ダ ン パ を 試 験 機 に 設 置 す る 際 に 垂
直に固定できておらず，ピストン駆動時に予期しない摩擦力が発生し，ピストンを正確な
正弦波変位に駆動できなかったためと考察す
る．そのため治具の修正を行い，再度試験を行 う 必 要 が あ る ． ま た 開 発 す る MR ダ ン パ
についても同様の試験を行い，試験結果とシ
ミュレーション結果を比較してモデルの正当Figure 5 Relationship between damping


性を評価する必要がある．

force and piston velocity― 254 ―

TOPへ戻る
設定し，任意の MR ダンパの開発を行う．また，

Figure 9 Debris capture simulation
Figure 7 Relationship between damping
force and piston velocity (0.0 A)

Figure 10 Velocities of debris, end -effector,
and satellite
Figure 8 Relationship between damping

本 研 究で 得ら れた 成果を 学 会に て発 表し ていく

force and piston velocity (2.0 A)

ことを予定している．

３．３ 宇宙デブリ捕獲の動力学シミュレー
ション

参考文献
[1] K. Yosh id a et al , “ Dyn a mi c s, cont rol andFig. 9 に 示 す 動 力 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に

imp ed an ce m a tch ing fo r ro botic cap tur e o f a non -MR ダンパモデルを組込み，デブリ衝撃緩和

coop er at ive s at e lli te , ” Ad v anc ed Robo ti cs , vol.18 ,シミュレーションを行った．捕獲衛星と捕獲

no.2, pp.175– 198, 2004.

機構の質量の合計は 1000 kg，デブリの質量[2] S . Ab iko et al , "I mp ed an ce Cont rol for a Fr e e -は 1000 kg，衛星に対するデブリの接近速度

Floa ting Robo t in th e G ra sping of a Tu mbl ing

を 0.1 m/s，とした．また MR 流体の粘度をTarg et w ith P a ra m et e r Un c ert a inty," P ro c. o f the

0.042  Pa ⋅ s， MR ダ ン パ の 長 さ 等 の 幾 何 学

2006 IE EE/ RS J Int. Con f. on Int el lig ent Robot s

的 パ ラ メ ー タ は 任 意 に 複 数 検 討 し た ． Fig.

and Sy st e ms, pp. 1020 –102 5, 2006.

10 に デ ブ リ ， 捕 獲 機 構 の 手 先 ， 衛 星 本 体 の[3] P. M . P a thak et a l, “I mp ed anc e Con tro l o f

各速度と手先に対するデブリの相対速度の一

Spa c e Robot s Us ing Pa s si ve D egr e es of F re edo m

例 を 示 す ． Fig. 10 よ り ， 手 先 に 対 す る デ ブ

in Cont roll e r Do m ain , ” AS ME Jou rnal o f D yna mi c

リの相対速度は約 0.002 m/s まで減衰し，大Sys t em s, M easu re m ent, an d Cont rol , vol . 127, no .

きく反発することなく捕獲に十分な時間を確

4, pp. 564 – 578, 2005.

保できる可能性は十分にあることが分かった．

[4] J. Gołd a s z and B . Sapiń ski , “In sight into

４．今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状況 Magn eto rheo logi c al Sho ck Ab sorb er s, ” Sp ring e r,
 本 研究 で は， MR ダン パ のモ デ ルン グと 宇宙 2015.
デ ブ リ捕 獲へ の応 用の可 能 性を 動力 学シ ミュレ [5] LO RD Co rpor at ion, “ R D -1029 -04 M R Da mp e r
ー シ ョン にて 検証 した． 今 後は ，本 研究 で確立 Per for m an c e ( al so appl ic abl e for RD -8040 and
し た フレ ーム ワー クを 元 に ，詳 細な 要求 仕様を RD -8041), ” 2016 .
― 255 ―

TOPへ戻る形状記憶合金を利用した折り紙スピーカー
電気工学科

重宗 宏毅

共同研究者
早稲田大学先進理工学部応用物理学科

１．序論（はじめに，まえがき，目的）

澤田 秀之

用が望まれる。誘電エラストマアクチュエー

折り紙は日本の伝統的な技術であり、折る

タ[3]、高分子アクチュエータ[4]などソフトことによって様々な力学特性をシート材料にロボティクス技術の台頭に伴い、様々なフレ付与することができる。数理から工学まで

キシブルアクチュエータが提案されている。

様々なアプローチで研究されており、医療かスピーカーの振動子は、人間の可聴域周波数

ら 宇 宙 ま で 応 用 先 も 多 岐 に わ た る [参 考 文 献の上限が 20,000 Hz であることより、応答性1,2]。ストレッチャブルなデバイスを構成すが高いことが望ましい。そこで我々は応答る研究は台頭しつつあり、シリコンゴムなど

性・省電力性・制御性の面から性能の良い形の柔軟な材料を利用する研究がある一方、折状記憶合金ワイヤの振動子としての利用を検り紙構造によって伸縮機能を付与する研究も討した。形状記憶合金は太さが 100 μm 程度ある。伸縮性材料の利用は新規材料の開発とと髪の毛よりも細いため十分フレキシブルで、なり、従来使われている基板や部品と対等な三浦折りの展開機構にも追従する。パルス状性能を持つデバイスの開発を目的とする。一の電流を周期的に流すことによって振動を制方、折り紙構造の場合は従来の基板に対して御できるため省電力である。以上のように、直接技術を適用可能であり、性能を維持した

折り紙スピーカーを実現するために行った振まま折るだけでストレッチャブルデバイスを動子と振動板の考察について本稿では述べる。

構成できる利点を持つ。本研究ではコンパク
トかつ持ち運び性を重視したストレッチャブ

３．計画の進行状況

ルな折り紙スピーカーを構想する。多様な展A) 振動子の選定

開構造が折り紙技術で提案されているが、そ

まず、振動子の選定を行った。２章に記しの中でも三浦折りを利用することで展開可能た理由より、スピーカーの振動子として形状なスピーカーの開発を実現する。

記憶合金ワイヤの利用を検討した。形状記憶合金ワイヤを利用したスピーカーのメカニズ

２．研究計画

ムを図１に示す。形状記憶合金は予歪をかけスピーカーは主に振動子と振動板によってた状態で電流を流しジュール熱を発生させる構成されているため、本研究では両面のアプことによって相変態を利用して伸縮する。電ローチから折り紙スピーカーに適した設計を流を流すとジュール熱が発生し縮み、電流を検討する。振動子では三浦折りの展開機構を止めて冷めると元の状態に戻ることで伸びる。

妨げないフレキシブルなアクチュエータの使

これを周期的なパルス波を流すことによって― 256 ―

TOPへ戻る振動とする。図１に示すように、形状記憶合金に予歪をかけるために支柱を利用した。支柱のがさによって形状記憶合金にかかる張力が変化し、予歪を制御できる。形状記憶合金の振動が支柱に伝播し、最終的に紙コップの底部が振動することによって音が発生する仕組みとなる。
図３．測定系
各スピーカーでキャリブレーションをした後に、200-2000Hz のスイープ信号を入力し周波数特性を計測した。図４に各支柱使用時の周波数特性実験結果を示す。それぞれ青線がバ
ネ、赤線がアクリル、緑線が金属ピンと対応する。縦軸の音圧レベルは以下のように表される。
図１．形状記憶合金スピーカーのメカニズム
図２に実際に作製した形状記憶合金スピーカ

それぞれ Lp は音圧レベル[dB]，p は音圧[Pa]，ーの様子を示す。今回は予歪を検討するため

p 0 は基準音圧[Pa]を表す。

に支柱の長さを 40 mm と統一した状態で、ア
クリル柱・金属バネ・金属柱と変更した。図３に作製したスピーカーを評価するための測定系を示す。図２の形状記憶合金スピーカー
を制御用の電流増幅回路に接続し、PC から信号を送ることで制御する。測定用マイクは反射音を防止するために簡易無響箱内に入れた。

図４．周波数特性実験結果
アクリル・金属ピンが持つ固有振動数の影響によって 435 Hz，696.6 Hz と 227.5 Hz，682.7
Hz のそれぞれ 2 ヶ所でピークが確認された。
最も良い音圧を示したのはバネである。バネは 325.5-1139 Hz のほとんどで他 2 つの支柱
図２．実際に作製した形状記憶合金スピーカ

より大きな音圧レベルを示した。バネは復元ー（支柱長さ 40mm、左からアクリル・金属バ力を持つため形状記憶合金へより強く予歪をネ・金属柱）

かける。形状記憶合金の予歪が大きいほどひ― 257 ―

TOPへ戻るずみ量が大きくなる特性より、振動板がより

図図６．展開可能三浦折り振動板

大きく振動され音圧レベルが上がったと考察

た状態、図１右は折りたたんだ状態を示す。

される。

あらかじめ自動切断するカッティングプロッ

図４の実験より、2000Hz 程度まで形状記憶タを利用して折り目を準備することによって合金スピーカーが音圧を発生することが確認

迅速に折り目の複雑な三浦折りを構成する工された。そこで主に低周波域が使用される言夫をしている。振動板の特性に注目するため、語音の再現性について調査を行った。入力信

振動子は既存のピエゾアクチュエータを利用

号として女性の「あ」の音声信号を入力し、し、それを三浦折りの中心に配置することでスピーカーから出力される音を計測し、振幅板全体の振動を試みた。

スペクトル解析を行った。原音を赤線、金属

図７に三浦折り振動板の測定方法を示す。

ピンの結果を緑線、バネの結果を青線で示す。

前の形状記憶合金スピーカーの実験と同様に原音と比較した時に、金属ピンでは 375-470

反射音の影響を抑制するために、マイクを無Hz で、バネでは 1200-1600 Hz の周波数域で響箱に入れた状態で測定した。

音圧レベルの低下が見られた。金属ピンとバ
ネでは音圧レベルが低下する帯域には違いがあり、この原因については今後調査する。

図７．折り紙振動板測定方法
図８に測定結果を示す。青線が展開状態時の音圧特性、オレンジ線が折り畳み状態時の音圧特性、灰線が振動子単体での音圧特性を示す。展開状態・折り畳み状態の双方において、振動子単体の時より大きな音圧特性を示
図５．形状記憶合金スピーカーの音声再現性した。また、展開状態において最も大きな音
圧特性を示し、振動板を大きくすることでよB) 振動板形状の選定

り大域の媒体を震わせ、特に低周波数帯にお次に三浦折り構造を利用した振動板の調査

いて音圧を向上するという当初の仮説通りのを行った。図１に三浦折り構造を利用した展開可能な振動板の例を示す。図１左は展開し

図８．折り紙振動板音圧特性― 258 ―

TOPへ戻る

Science
結果を得られた。通常コンパクトな振動板は

andEngineering:A

419.1-2(2006): 131-137.

振動板面積を確保できないため、低周波数帯

2. Yao, Shun, Xueli Liu, and Stavros V.

の音圧が低減する。展開機構を利用すること

Georgakopoulos. "A mode reconfigurable

によって、収納時はコンパクトながら使用時

Nojimaは大面積化し、低周波数帯を発生する振動板

International Symposium on Antennas andの開発に成功した。

Propagation & USNC/URSI National Radio

最後に図９のように三浦折りの展開角度を制御することによって変化する音場指向性に

origamiantenna."

2015

IEEE

Science Meeting. IEEE, 2015.
3. O’Halloran, A., O’malley, F., & McHugh,

ついて観測した。-90 度～90 度まで 15 度ずつ

P.

図９のシステムを回転しながらマイクで測定

elastomer

することによって音場特性を評価した。図１

applications, and challenges. Journal of０に結果の一例を示す。200Hz 入力時の試行

Applied Physics, 104(7), 9.

(2008).

A

reviewon

actuators,

dielectric
technology,性の結果であり、青線が展開角度 20 度、オレ

4. Bhandari, B., Lee, G. Y., & Ahn, S. H.

ンジ線が 40 度、黄色線が 60 度の時の結果で(2012). A review on IPMC material asある。展開角度による音場の変化が確認されactuators and sensors: fabrications,

た。今後は展開角度制御時のモード変化を有characteristics

and限要素法によって解析し、音場評価結果とのInternational

journal

対応について考察する。

engineering and manufacturing, 13(1),applications.
ofprecision

141-163.
４．今後の計画及び学会,論文等投稿・発表状況
本稿で紹介した内容については以下の論文にて国内学会発表を行った。現在は振動子・振動板双方のより詳細な特性理解を有限要素法等を通して行うことで、英文ジャーナル・

図９．三浦折りの展開角度制御

国際学会での発表を目指している。本稿で得られた結果は競争的資金への足掛かりとして十分な役割を果たしており、さら笑なる展開が期待できる。
論文発表状況
図１０．音場指向性評価（200 Hz 時）

1. 西村

一紀、岩名

紘基、山田

澤田

秀之、重宗

宏毅、
“形状記憶合金

ワイヤスピーカーの開発に向けた 予歪み

参考文献
1. Kuribayashi,

Kaori,

et

付加方法の検討”、ロボティクス・メカトal.

ロニクス 講演会 2021．

"Self-deployable origami stent grafts asa biomedical application of Ni-rich TiNi
shape

賢杜、

memoryalloy

foil."

2. 西村

Materials

一紀、細矢

直基、重宗

宏毅、

折紙展開機構を利用したスピーカーの検討、電子情報通信学会 2022．

― 259 ―

TOPへ戻る

地盤環境のためのライフサイクル技術の開発
土木工学科  稲積 真哉

共同研究者
.DVHWVDUW8QLYHUVLW\ )DFXOW\RI(QJLQHHULQJ  6RUDOXPS6XWWLVDN
.DVHWVDUW8QLYHUVLW\ )DFXOW\RI(QJLQHHULQJ  -RWLVDQNDVD$SLQLWL.DVHWVDUW8QLYHUVLW\ )DFXOW\RI(QJLQHHULQJ  &KDLSUDNDLNHRZ6XVLW.DVHWVDUW8QLYHUVLW\ )DFXOW\RI(QJLQHHULQJ  1RQWDQDQDQGK6XSDNLM


１序論

２研究計画

昨今，福島第一原子力発電所における汚染

鋼製遮水壁の構成部材における信頼性寿命

水対策にもみられるよう，地盤環境を修復す

評価・予測では，鋼製遮水壁の遮水・遮蔽性能る技術として遮水壁が再び注目を浴びている。

に着目して，複数の確率統計的推定モデルの遮水壁の技術はこれまで，廃棄物処分場にお適用を試みつつ，信頼性寿命評価・予測を行ける遮水壁構造ならびに地盤汚染現場におけう。鋼製遮水壁の構成部材には，鋼材と継手る封じ込め遮水壁等の分野で大きな進展を遂

遮水処理材に大別することができる。鋼材にげてきている。ただし，重要な長期的な環境

関しては，腐食に関するヒアリングや文献等

安全性の確保と言った面から見た場合，現状から得られたデータおよび点検データに基づにおける遮水壁技術の課題として，長期に渡き，一方，各々の継手遮水処理材に関しては，る遮水性の発揮・確保に対するマネジメント

既往の文献等から得られたデータ，および劣技術の開発，ならびにマネジメント技術を土化促進試験を実施して得られる実験データに台としたライフサイクルを考慮した遮水壁技

基づき，それぞれについて信頼性寿命評価・術の高度化が挙げられる。本研究で は，地盤予測を行う。

環境修復のために重要な役割を果たす鋼製遮信頼性寿命評価・予測に基づく鋼製遮水壁

水壁に着目し，鋼製遮水壁の信頼性寿命を考からの漏水リスク評価（ 次元浸透・移流分散

慮した遮水性・遮蔽性のライフサイクルマネ

解析）では，鋼製遮水壁の信頼性寿命評価・予ジメント評価を行う。これより，これまで不測の結果を鋼製遮水壁の物性データとして取明瞭だった鋼製遮水壁の劣化や寿命によってり込み，その状態下における鋼製遮水壁の漏発生し得る長期的な環境（漏水）リスクを定

水リスクを  次元浸透・移流分散解析から評

量的に示すことが可能となり，長期にわたっ価する。具体的には，廃棄物処分場におけるて環境安定性を保持するために必要とされる，

側面遮水工としての鋼製遮水壁を仮定した上，鋼製遮水壁構造の選定や維持補修戦略におけ

鋼製遮水壁の信頼性寿命評価・予測に基づくる新たな意思決定基準とすることができる。

廃棄物処分場からの浸出水の漏水リスクを定

量化し，周囲環境への被害度を把握する。同

時に，鋼製遮水壁の信頼性寿命に伴う遮水 ・― 260 ―

TOPへ戻る
遮蔽性能の低下に基づく廃棄物 処分場の環境記に対する補修工法等は確立されていない  。

安定性を評価するためのモニタリングに関し

現在，環境リスクの発現が確認されるなどのて検討を行う。

問題がある内陸型廃棄物処分場に最も多く用

鋼製遮水壁のライフサイクルコスト分析にいられている対策工法は，環境リスク発現のよるライフサイクルマネジメント技術の提案原因となる廃棄物を除去する工法である  。

では，鋼製遮水壁に関連する点検データ（特その他にも，漏出する浸出水に対する処理やに，鋼材に関する腐食調査データ）や遮水処汚染された水源や土壌への環境被害の対策な理材（特に，止水材系）の高温劣化促進試験のど周辺環境を回復させる対策工が挙げられる。

結果を用いて，鋼製遮水壁の遮水・遮蔽性能

一方，海面処分場は内陸型廃棄物処分場と比に関する将来予測を行う。さらに，鋼製遮水較して，廃棄物量が莫大であること，また保壁から漏出することが予想される有害物質量

有水等が存在するためいずれの対策工も適し（総和フラックス）を意思決定基準とし，環ていないと考えられる。そのため，海面処分

境経済学的見地から維持・補修の効果を考慮

場においては，有害物質の原位置封じ込めとした鋼製遮水壁の戦略的ライフサイクルマネ

浸出水の制御・処理による原位置抽出が対策

ジメント評価技術（アセットマネジメント技

工として挙げられる。

術）を開発・提案する。鋼製遮水壁の寿命予

構造物の維持補修戦略を立案する際には，測・評価に伴う有害物質の漏出量の推定におアセットマネジメントの概念から適切な補修

いて信頼性寿命評価・予測に基づく鋼製遮水工法や時期等を選定するべきである。また，壁からの漏水リスク評価（ 次元浸透・移流分補修を行う際には維持補修戦略に関する意思散解析）で実施するリスク評価手法を採用す決定指標として，補修コストと被害コストをることで，有害物質の漏出に関するリスクを含めた /&& や費用便益比を用いて補修を行う

意思決定基準として鋼製遮水壁の戦略的な維べきか否かの判断を行う。しかしながら，廃持補修を提案する。

棄物処分場は廃棄物に起因する有害物質の封

じ込め機能を達成することが最優先であ り，

３計画の進行状況

環境リスクの発現が確認される場合には補修

本研究において対象としている海面処分場を行う必要があると考えられる。そこで本研の最も深刻なリスクとして位置づけられてい究では，補修に伴う漏出リスクの低減を考慮るのは，海面処分場から有害物質を含み得る

した最適な維持補修戦略の検討を行う。

浸出水の漏出に伴う環境リスク（以降，“漏出リスク”と呼称）である。そこで本研究では海リスク同定�

面処分場における漏出リスクを低減させる目
的で，図 に示すフローに則してリスクマネ

リスク分類�

ジメントの適用を試みた。
海面処分場において，側面遮水工の劣化を考慮することで有害物質の漏出リスクは増加

リスク評価�

することを明らかにした。これより，海面処
分場に求められる有害物質の封じ込め機能が達成されるためには，ライフサイクルにおいて適切な維持補修を行う必要がある。しかしながら，現状として海面処分場においては上― 261 ―

リスクコントロール�
リスク対応�
リスクファイナンス�図 リ スク マネ ジメ ント のフ ロー 

TOPへ戻る表 本 研究 で提 案す る維 持補 修プ ラン プラン�2�
プラン�3�
プラン�4�
プラン�5�
プラン�6�

判断指標�

補修時期�

補修工法�
側面遮水工を補修（海側）�

濃度�

海域の濃度が廃止基準に�達する時点�
C=0.1�

総和フラックスが廃止基準に�
総和フラックス�
達する時点�

透水係数�

透水係数が遮水工基準に�達する時点�
1.0×10-6�cm/s�

判断指標�

耐用年数 [year]�
μ-σ�

μ�

μ+σ�

側面遮水工を補修（両側）�

濃度�

11�

16�

24�

側面遮水工を補修（海側）�

総和フラックス�

15�

23�

44�

側面遮水工を補修（両側）�

透水係数�

9�

22�

52�

側面遮水工を補修（海側）�





側面遮水工を補修（両側）�

]]]]]]]]]]

 仮定条件
構造物における維持管理戦略を立案する際には，一般に点検間隔，補修対象とする構造物の性能レベル，またどのような補修工法を

基準超過確率�    プラン�1�

表 判 断指 標に 対す る耐 用年 数 

採用するかといった要素を考慮する必要があみでなく，遮水工の遮水性能についても着目

基準超過確率�    

修を行う判断指標として漏出する有害物質のD  海側 の遮 水工 を補 修 

対象の性能レベルおよび補修後による便益等
で対象としている海面処分場においては，補

2�
プラン
プラン
3�


  [year]�

供用年数

る。補修工法に関しては予算の制約や，補修を把握する必要がある。それに加え，本研究ベースプラン�%  
プラン
1�

%  
ベースプラン�

1�
プラン
2�
プラン
プラン
3�

しなければならない。そこで，遮水工の劣化に伴う有害物質の漏出リスクを意思決定基準

  [year]�
 
供用年数

として，判断指標および補修工 法に関して検E  両側 の遮 水工 を補 修 図 基 準超 過確 率の 推移 討を行う。一般に，海面処分場の側面遮水工（二重矢板式護岸）において透水係数に大きく影響すると考えられる箇所は矢板同士の継手部分である。そのため，側面遮水工（二重矢板式護岸）の補修工法としては，遮水工の継手部分の遮水性能を回復させることが挙げられ，本研究では膨潤性止水材の再注入を補修工法として採用した。 さらに，各判断指標において設定した基準を上回る時点を側面遮水工（二重矢板式護岸）の補修時期と定義し，維D  海側 の遮 水工 を補 修 

持補修プランは表 のように計  パターンを設定する。
 最適な維持補修プランの検討
側面遮水工（二重矢板式護岸）の補修を行わない場合の濃度と総和フラックスの関係を示す結果をベースプランとする。ベースプランにおいて，各判断指標において設定した基準を上回る時点を表 に示す。
各補修プランにおいて，漏出する有害物質E  両側 の遮 水工 を補 修 図 補 修プ ラン の期 待損 失 ― 262 ―

TOPへ戻る
の濃度に関する基準超過確率の推移を図 に考慮されていない。しかしながら，本研究で示す。図 によれば，プラン  およびプラン

得られた知見および成果より，海面処分場で においてはベースプランと差異がほぼない

は長期的な環境安定性が求められていることことから補修による効果がないことが明らかから，有害物質の漏出を考慮したモニタリンである。また供用  年経過時点で，プラン グ，維持補修戦略の検討が必要である。

およびプラン  が最も基準超過確率を抑える

 学会論文等投稿・発表状況

[1] Inazumi, S., Nakao, K., Kuwahara, S. and
Jotisankasa,
A.:
Analytical
study
on
判断指標において，漏出する有害物質の濃度
subsidence behavior with time history of
existing piled-up ground, Internationalを採用するべきであると考えられる。
Journal of Geo-engineering, Springer, Vol. 13,
次に各補修プランにおいて，漏出する有害2022-2, Revised Manuscript Submitted.
[2]
Inazumi, S., Kuwahara, S. and Jotisankasa, A.:
物質に関する期待損失値および期待損失におInfluence of ground after removing existing
ける標準偏差をロス関数にて算出する。また
piles on installation of newly built pilefoundations, Geotechnical Research, Thomas
得られた結果を金融工学分野において用いら
Telford, 2022-1, Manuscript Submitted.
れ る リ ス ク −期 待 損 失 値 平 面 に プ ロ ッ ト す る[3] Semmad, S., Jotisankasa, A., Mahannopkul, K.
and Inazumi, S.: Influence of prolonged high
ことで，各補修プランにおけるリスク低減効
flow on lateral erosion and bank stability: a
果の比較結果を示す（図 参照）。図 におcoupled simulation of lateral erosion and bankstability, Geomorphology, Elsevier, Vol. 385,
いて，ベースプランは右上にプロットされる
2021-4, Manuscript Submitted.
が，各補修プランは左下にプロットされる。
[4] Intui, S., Soralump, S. and Inazumi, S.:
Behavior of bearing capacity on pile
すなわち，いずれの補修プランにおいても補foundation during fluctuating groundwater
修を行わないベースプランと比較して漏出リ
level, International Journal of GEOMATE:
Geotechnique, Construction Materials and
スクを低減することが可能であり，補修の効
Environment, The GEOMATE International
果を確認することができる。期待 損失値の観
Society, Vol. 22, No. 90, pp. 24-31, DOI:
10.21660/2022.90.gxi242, 2022-2.
点では，いずれの補修工法においてもプラン[5] Semmad, S., Jotisankasa, A., Mahannopkul, K.
 およびプラン  が最も期待値を低減するこand Inazumi, S.: A coupled simulation oflateral erosion, unsaturated seepage and bankとが可能である。また，基準超過確率と同様
instability due to prolonged high flow,に，両側の側面遮水工（二重矢板式護岸）を補
Geomechanics
forEnergyandtheEnvironment,
Elsevier,
DOI:修する工法が期待損失値を最も低減する工法
10.1016/j.gete.2021.100301, Online Firstであるといえる。
Publication on 2021-12.
[6]
Inazumi,S., Hashimoto, R., Shinsaka, T.,
上記の結果をまとめると，補修を行う判断
Nontananandh, S. and Chaiprakaikeow, S.:
指標として海域に漏出する有害物質の濃度がApplicabilityofadditivesforgroundimprovement
utilizingfine
powderofwaste
最も適していると考えられる。また，補修工
glass, Materials, MDPI, Vol. 14, Issue 18,法では両側の側面遮水工（二重矢板式護岸）
5169, DOI: 10.3390/ma14185169, 2021-9.
[7]
Inazumi, S., Shishido, K. and Soralump, S.:を補修することで，有害物質の漏出リスクを
Possibility of impervious coating for the
低減することが可能であることを示すことがgeotechnical reuse of soil and solid waste,
Environmental Geotechnics, Thomas Telford,
できた。
Vol. 8, Issue 5, pp. 324-333, DOI:
10.1680/jenge.17.00097, 2021-8.
[8]
Inazumi,S., Kuwahara, S., Jotisankasa, A. and４今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況
Chaiprakaikeow, S.: Improvement mechanism
 今後の計画
of sodium carbonate on traditional composite
filler, Ground Improvement, Thomas Telford,
現在検討されている海面処分場の維持管理
Vol. 174, Issue 2, pp. 132-139, DOI:
案においては，漏出する有害物質に関しては10.1680/jgrim.19.00014, 2021-5.

ことが可能である。すなわち，補修における

― 263 ―

TOPへ戻る

歯周病予測のための機械学習による
力学的性質データ解析の検討  生命科学科  中村 奈緒子
共同研究者
東京医科歯科大学生体材料工学研究所 岸田晶夫
東京医科歯科大学生体材料工学研究所 木村剛
１．序論（はじめに，まえがき，目的）

病）の定義と予測モデルの構築につながる基

近年、歯科領域では予防歯科が注目され、盤的技術確立に繋がり、創造性の高い研究と一定の成果が得られている。定期検診では、いえる。本研究の提案手法は、歯科医療のみ

歯周病を未然に防ぐため、歯肉や歯根膜など

ならず広範な医療への応用に展開できる可能の口腔内ソフトマテリアルの状態を評価して性を有する。

いる。本研究では、歯科医師や歯科衛生士の

近年のインフォマティクスの進展に伴い、技量によらず、定量的に口腔内ソフトマテリ

医療・歯科医療への活用が期待され、特に、個アルの状態を評価でき、さらに健康から疾病

別医療や疾患を予測・予防する先制医療に対の連続状態（未病）を定義し、将来的な発病をするインフォマティクスの活用が強く期待さ予測可能なシステムの開発を目指している。

れている。多くの場合、これまでに得られた本研究課題では、口腔内ソフトマテリアルの疫学的データを駆使する方法論が取られ、疾特徴パラメータ（組成、構造、力学的性質）と患状態を診断する手法である。一方で、発病特性（細胞の被感染性）の関係を表す実験デに至らない未病の状態でのケアの重要性が説ータを集積し、機械学習による予 測モデルのかれ、インフォマティクスの活用が試みら れ構築を目指す。昨年度は特徴パラメータ（組

てい るも のの 、健 康-発 病の 連続 状態 （未 病 ）成）に関して検討を行った。本年度は、次の段の定義・予測は疾患毎に対応する必要がある。

階として、口腔内ソフトマテリアルの特徴パ

本研究課題では、口腔内ソフトマテリアルのラメータ（力学的性質）に関して、機械学習に

健康-発病の連続状態（未病）の特徴パラメー

よる解析方法の確立を目的とする。

タ（組成・構造）のデータを集積し、それらの歯科領域において、「口腔ソフトマテリアル

機械学習による画像解析方法の確立を目指しの特徴（組成・構造・力学的性質）」と「細胞ている。口腔ソフトマテリアルと細胞の被感との相互作用」と「特性（細胞の被感染性）」

染性の定量化とインフォマティクスの活用は、という三者の相関についての研究はなく、本

これまでにない融合領域である。本研究で構研究の学術的独自性といえる。また、これら築する予測モデルは、 健康―発病の連続状態を実験的に定量化することは、インフォマテ（未病）を定義できるものであり、予測に基ィクスを活用した健康 ―疾病の連続状態（未づく介入により口腔健康の寿命を延ばす可能― 264 ―

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性を有し、国民の QOL の向上につながる。まータの機械学習を用いた解析

た、本研究の提案手法は、歯科医療のみなら②で取得した力学的性質データを機械学習

ず広範な医療への応用に展開できる可能性をに応用するためのデータセットとしてデータ有する。

処理する。具体的には、異なるサンプリング



回数等を揃える必要があると考えている。機

２．研究計画械学習は、MATLAB および Python を用いる。

口腔内ソフトマテリアルの特徴パラメータ

機械学習の判定精度が向上しない場合や、デ（力学的性質）の機械学習による解析方法のータセットのデータ量が不足する場合は、収確立のため、以下の①-③の検討項目を実施し集量を増やすなどして対応する。

た。研究協力者として学部 4 年生 1 名が本研

究の一部に参画し、卒業論文のための研究テ

３．計画の進行状況

ーマとした。

①歯の動揺の力学的特性評価方法の検討

① 力学的性質データ取得方法に関する検討

引張試験では糸の伸びが検出され、歯にか本研究では、口腔内ソフトマテリアルとしかる荷重を検出できなかった。押し込み試験て歯根膜に注目する。まず、ラットの歯根膜により動揺度の連続的なデータが得られたの力学的性質データ取得方法について検討す（Fig.1）。移動量が 0～0.5mm の範囲で荷重がる。力学的性質データとして、ラット下顎の大きく増加していた。ヒトにおける歯周病中

歯根膜の押し込み試験により荷重と変位を取度の移動量においてラットでは歯が抜けたた得する。具体的には、ラット下顎の歯を、歯冠

め、ヒトの動揺度の移動量をラットの移動量から歯根の方向、歯列の外側から内側の方向に適用させる必要があることがわかった 。移等に押し込み試験を行い、押し込み方向につ

動量は歯根膜の厚みに依存すると考え、いて検討する。初期検討として、異なる特徴

microCT 画像より厚みを測定したが、ヒトとパラメータ（力学的性質）を有する口腔内ソラットの歯根膜の厚みに歯の大きさほどの差

フトマテリアルの調製のために、脱細胞化技

はなく、別の指標によりラット歯の移動量と術を応用し、特徴パラメータ（力学的性質）を

動揺度を定義する必要があることがわかった 。

検出可能な押し込み試験方法を明らかにする。
② 異なる特徴パラメータ（力学的性質）を有 度 度   度    度する口腔内ソフトマテリアルの力学的性
質データ取得予測モデルの確立のため、ラットを用いて歯周病モデルを作製し、異なる特徴パラメー
タ（力学的性質）を有する組織を得る。歯周病
モデルの作製の評価として、microCT 撮像およびヘマトキシリン・エオジン染色による組織学的評価を実施する。正常モデルおよび歯周病モデルの歯の押し込み試験を行い、歯根膜の力学的性質データを取得する。予測モデ
ルの構築に必要と考え られる 100〜300 デー

Fig.1 荷 重 と 移 動 量 の 関 係 と ヒ ト の 動 揺 度 検

タの取得を目指す。

査の診断結果の範囲, 矢印：歯を歯槽骨に固③ 口腔内ソフトマテリアルの力学的性質デ定する歯根膜が破壊された荷重と移動量― 265 ―

TOPへ戻る②歯周病モデルの作製と力学試験評価
microCT 画像から再構成した 3D 画像では歯槽骨に大きな変化は観察されなかったが 、歯槽骨と歯頚部の距離の計測により 、結紮処
理ラットの値が未処理ラットよりも大きいことがわかり、歯周病モデルを作製できたと考えられた（Fig. 2, Fig. 3）。
押し込み試験の結果を Fig. 4 に示す。未処
理ラットと結紮処理ラットでグラフの形状が異なることが観察された 。結紮処理ラットの歯周組織は骨吸収が起こっているため 、歯を支えられなくなりっているからであると考え

A：未処理, B：結紮処理られる。しかしながら、荷重 0.1N の時の傾き

Fig. 3 歯槽骨の最も高い部分と歯頚部の距離と移動量 0.01 mm と 0.05 mm の荷重を未処理
ラットと結紮処理ラットで比較したところ 、
どち ら の移 動量 で も有 意差 が なか った （Fig．

A
N = 135, Fig. 6, Fig. 7）。したがって、ある移動量の荷重で健全歯と罹患歯の判別を行うのは困難であることがわかった 。一方、グラフの形状が異なることから、傾きの変化に違いがあると考えた。以上のことから、荷重、移動量、傾きの連続的な変化から健全歯と罹患歯の判別できる可能性が示された。

A
B
N = 13B

Fig. 4 押し込み試験,
A：未処理, B：結紮処理

Fig. 2 microCT 撮像によって得られた 3D 画像,
― 266 ―

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４．今後の計画及び学会論文等投稿・発表状況
N=13

4-1. 今後の計画

MEAN±SD① 口 腔 内 ソ フ ト マ テ リ ア ル の 特 徴 パ ラ メ ータ（組成・構造）の解析
歯周病の予測に必要と考えられる、ヘマト
キシリン・エオジン染色以外の、ピクロシリ
ウスレッド染色やアリザリンレッド染色などの特殊染色画像を用いて、2021 年度に引き続Fig. 5 0.1 N の時の傾き

き機械学習による解析を実施する。

② 口 腔 内 ソ フ ト マ テ リ ア ル の 特 徴 パ ラ メ ータ（力学的性質）
2021 年度の内容を継続して行う。2022 年度は所有する圧縮試験機を使用して歯の押し込み実験を行うため、動物より組織を採取した
後に測定を実施するが、経時的に測定可能となるような簡易かつ小型の圧縮試 験機の作製

N=13

を行う。

MEAN±SD
Fig. 6 移動量 0.01mm の時の荷重

4-2. 学会発表状況
1.

秋 山 翔 太 ，中 村 奈 緒 子 ，歯 周 組 織 にかかる力 学 的 デ ー タ用 いた 新 規 歯 周 病 診 断 法 の

N=13開発，ライフサポート学会第 31 回フロンティ

MEAN±SD

ア講演会，東京，3 月 7-8 日，2022（口頭）Fig. 7 移動量 0.05 mm の時の荷重③ 力学的特性データの機械学習
荷重と移動量をデータセットとした場合 、隠れ層が 3 層では約 6 割の精度を、5 層では約 7 割の精度を得ることができた。荷重と移動量と傾きをデータセットとした場合 、隠れ層が 3 層と 5 層の時どちらも、約 6 割の精度が得られた。より精度の高い判別を行うため、機械学習を見直す必要があると考える。


― 267 ―

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芝浦工業大学

２０２１年度特別教育・研究報告集

発行年月日

２０２２年５月３１日

発〒135-8548 東京都江東区豊洲 3-7-5

行

所

TEL 03(5859)7180
発 行 部 署FAX 03(5859)7181

芝浦工業大学
研究推進室 研究企画課

製

作

所

株式会社 エスアイテック
ISSN 2185-7326

無断複写・転載を禁ず― 268 ―

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