ISSN 1349-6085

未

来

を

ひ

ら

く

科

学

技

術

2022

11

November

従来の概念を覆す物理法則を発見
丈夫で強靱なゲルの開発に挑む
強度特性を保つ金属同士の「低温接合」
省電力、廃棄物削減につながる新技術

11
03

特集1

08

特集2

12

連載

2022
November

従来の概念を覆す物理法則を発見
丈夫で強靱なゲルの開発に挑む

強度特性を保つ金属同士の「低温接合」
省電力、廃棄物削減につながる新技術

どうやって実現する？
明るく豊かなゼロエミッション社会

第5回

14

電力貯蔵システムとしての「新揚水発電」

16

NEWS & TOPICS雄の蚊の「耳」を操る物質を発見
実験データを電子ノートで記録しAI解析
ほか

さきがける科学人「非モデル生物」研究を盛り上げたい筑波大学 生存ダイナミクス研究センター 助教

島田 裕子

JSTは、シンクタンク機能、研究開発、産学連携、次世代人材育成、科学と社会との対話など、多岐にわたる事業を通じて、持続可能な開発目標（SDGs）の達成に積極的に貢献していきます。

P.14上

P.12

P.8、P12P.8

P.8、P.12、P.14上編 集 長 ： 安孫子 満広
科学技術振興機構（JST）広報課
制

P.14上

P.8

作 ： 株式会社エフビーアイ・コミュニケーションズ

印刷・製本 ： 株式会社丸井工文社

従来の概念を覆す物理法則を発見
丈夫で強靱なゲルの開発に挑む
酒井 崇匡 Sakai Takamasa

特集1

東京大学 大学院工学系研究科 教授
2019年よりCREST研究代表者

OVERVIEW

人体との親和性が高いことから、生体材料として大きな注目を集めているハイドロゲル。ソフトコンタ
もろ

クトレンズなどでも実用化されているが、力学的には脆いため、強度と耐久性を併せ持ったゲルが求められている。これに対し、東京大学大学院工学系研究科の酒井崇匡教授は、ゲルの性質を根本から突き
けん

じんたい

詰め、従来の概念を覆す物理法則を次々に発見している。さらに、こうした学理を基盤に人工腱や靭帯
きょうじんの材料にもなり得る、丈夫で強靱なゲルの開発に挑む。

03

伸縮性や弾性に富む材料
ヘテロな集団で共創を目指す

図2

CRESTの体制図

ロバストで強靭性な人工腱・靭帯ゼリーやこんにゃく、ヨーグルトに 代 表 さ れ る ゲ ル は 、多 く の 人 にとって身近な物質だ。ゼリーを作る
際に、温かい溶液を冷やすと固まるという状態変化もよく知られているだろう。化学的には、高分子や微粒子

C. 精密合成が溶液中に溶解・分散したコロイド
溶液が、流動性を失って固化したものをゲルという。高分子やコロイド
粒子が互いに絡み合って網目状の構造を作り、その中に水などの液体を

D. シミュレーション

動的・静的結晶による強靭化の学理解明
A. 学理解明
実証実験

B. In-situ計測

包み閉じ込めている。その程度に応じて、粘性のある液体状のゾルから固体状のゲルにまで変化し、伸縮性のはプラスチック製だ。しかし、生体や弾性に富むなどの特性を生み出し

内における長期的な強度維持に問題

学物質理工学院の佐藤浩太郎教授、ている。

を抱えており、新たな素材が求めら

シミュレーションは名古屋大学大学

皓一准教授、精密合成は東京工業大

こうした特性を活用し、現在、食品れている。
「強度と耐久性を併せ持っ

院工学研究科の増渕雄一教授がそれや工業用品から、化学、農業、医療、宇たゲルが開発できれば、人工腱や靭ぞれ担当している。
「私はこの研究体

宙科学に至る幅広い分野で高分子ゲ帯へも応用できますが、ゲルは脆い制を『ヘテロな集団による共創』と呼ルが利用されている。中でも、水を内という弱点に加え、生体内では水分んでいます。分野は異なりますが、第部に含んだハイドロゲルは、生体軟組を吸収して膨張してしまいます。そ一線で活躍する唯一無二のスペシャ織と似た構造を持ち、人体との親和のため、元の形状を維持できないとリストが密に連携することで、成果につながっています」と語る。

性が高いことから、医療用バイオマテ

いう大きな問題を抱えていました」

リアルとして期待されている（図1）。

と東京大学大学院工学系研究科の酒すでに縫合糸、人工血管、人工皮膚、

井崇匡教授は語る。

ゲル化中の浸透圧変化の謎
世界初・普遍法則で解明

細胞培養、止血剤、ドラッグ・デリバ

そこで酒井さんはこれらの難題をリー・システムなどの最先端医療材料

解決し、強度と耐久性があり、かつ生

として研究され、一部実用化が進ん

体内で膨張しない人工腱・靭帯の開酒井さんには、医療用のハイドロでいるが、耐久性などの観点から大発を目指し、CREST「ゲルのロバス

ゲルをデザインする基本的なスタン

きなシェアを獲得しているのは、
コン

ト強靱化機構の解明と人工腱・靱帯スがある。生体内におけるハイドロ

タクトレンズのみにとどまる。

の開発」を立ち上げ、研究代表者としゲルのライフサイクルを理解し、材

また、強度と耐久性が要求されるて開発を推し進めている。狙い通り

料を設計することだ。
「科学者は生体

人工腱や靭帯も、現在使われているの高分子ゲルを合成して構造解析・

内に埋め込んだ後、材料に手を加え物性測定を行い、シミュることはできません。だからこそ、作レーションの解析結果とるだけでなく、生体内でどのように比較するという一連の流振る舞い、最終的には分解する、あるれをCREST内で行うたいは何年使えるといったことを、設

めに、学理・合成・計測・シ計の段階で全て考えておく必要があ

ミュレーションの4つのるのです」と説明する。

図1

ハイドロゲル研究グループを組織している（図2）。
酒井さん自身は学理の探求していった。その1つとして、保解明やゲルの設計・実証

水力の元となる浸透圧の変化に着目を担い、In-s itu計測は東した。一般的には、浸透圧とは溶液の京大学物性研究所の眞弓

濃度が高い方に水分が移動する圧力

イン シチュー

04

November 2022

そこで、酒井さんは従来の固定概
念を取り払い、ゲルの本質を改めて

戦略的創造研究推進事業CREST「ゲルのロバスト強靱化機構の解明と人工腱・靱帯の開発」のことを指し、希薄溶液であれば溶

図3

ゲル化の進行と保水力の関係

質のモル濃度に比例するというファゲル化 （レプリカ）

ントホッフの法則に従うことが知られている。一方、ゲルは液体状態のゾ
ルからゲルになる過程で、浸透圧が大幅に低下することが知られているが、どのような物理法則に従っているのかは謎のままだった。
酒井さんは高分子鎖のネットワー
ク構造を均一に制御できる「テトラた。すると、ゾルのときは高分子の結浸透圧作り、正確な浸透圧を計測していっゲル

40ゲル」を使い、ゾルからゲルになるまでの過程をモデル化したサンプルを

ゾル

(kPa)

30

浸透圧

20

合度が高くなるにつれてモル濃度が減少するので、浸透圧は予想通り減少するが、ゲルになると結合度合いによらず浸透圧が一定であることを

弾性率

10
0

0.0

遍法則を解明した（図3）。
この研究は、ノーベル物理学賞を

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

末端結合率（ポリマー鎖の結合率）

示し、世界で初めてゲル化過程の普4分岐ポリマーの末端同士が化学反応によって結合し、ゲル化が進行する。末端間結合の割合が小さいときは液体状の「ゾル」となり、ある閾値以上になると固体状の「ゲル」となる。保水力（浸透圧）はゾル状態ではゲル化の進行とともに低下し続け、ゲル状態では一定となる。
（図中のkPaはキロパスカル）受賞したフランスの物理学者ドゥジェンヌ博士が1972年に発見した「鉄が磁石に変わる現象とポリマーを行ったのである。
その結果、ゲルにも高分子の溶液と同様の共通点を持

外力を加えて変形

つことも新たに発見された。これにする時に元の形により、ゲルの保水力を数学的な普遍戻ろうとするエン

法則に基づいてコントロールできる

トロピー弾性の力ようになり、やわらかくウェットなとは反対向きの力、

新規ゲル開発への道を拓いた。

すなわち「負のエネ

G

剛性率

溶液の共通点」に基づいており、ゲル

図4 「負のエネルギー弾性」
の概念図

温度 T

オレンジと青の実線はゴムとゲルの常温付近でのやわらかさの温度変化、点線はそれぞれを絶対零度まで伸ばした補助線を表す。ゲルのやわらかさは負のエネルギー弾性の存在によって温度には比例せず、負の定数の分だけずれる
ことが分かった。

ルギー弾性」が同時「負のエネルギー弾性」発見
やわらかさの温度変化を解明に働いていることを世界で初めて発見した（図4）。
「これ続いて、ゲルのやわらかさを表すまでゲルの弾性はゴムと基本的にはて膨らむ現象は広く利用されている

物理法則の解明に取り組んだ。従来、同じだと思われてきましたが、本質が、ゲルの膨らむ速度の温度変化を

熱力学第二法則であるエントロピー

的に異なることを示しました。また、決める法則は明らかになっていな増大の法則に基づくエントロピー弾

温度変化が従来の想定よりもかなりかった。そこで、先ほど浸透圧の変化性で、ゲルのやわらかさはおおむね大きいこともわかりましたので、材を調べる際に用いたテトラゲルを使説明できると100年近く信じられて料開発や使い方にも大きな影響を与い、架橋点間分子量・高分子濃度・網きた。しかし、実際には温度との相関えることになるでしょう」と成果を目の結合率を独立に制御した約20にずれが見られることも多かったた

強調する。

種類のゲルを作成し、これらのゲルが吸水して膨らむ速度の温度変化をめ、酒井さんはこの定説が正しいの

さらに酒井さんは、これらの成果

かを徹底的に検証した。50種類以上を土台に、ゲルが吸水・膨張する際のの異なる高分子網目構造を持つゲル

物理法則の解明にも取り組んだ。日

その結果、ゲルの膨らむ速度の温を正確に作り分け、やわらかさの温常でも乾燥ワカメや紙おむつの吸度変化は、負のエネルギー弾性とブ度変化の測定と熱力学に基づく解析

水剤など、水に浸したゲルが吸水しラウン運動におけるアインシュタイ

測定した。

05

図5

製したゲルを用い、予想通り望まし

ゲルの拡散係数（ゲルが吸水して膨らむ速度）と弾性率（固さ）の関係

い結果を得ることができた。しかし、（10-10m2/s）

このままでは画期的なゲルの開発に

ゲルの拡散係数（吸水速度）は至らないと酒井さんは指摘する。
「想像通りの結果が出るということは、想像通りの結果しか出ないということでもあります。私たちが求める性能、あるいはそれ以上の性能を作り出すには、理論から少しはみ出したようなポテンシャルを持ったゲルが必要なのです」。

(kPa)
ゲルの弾性率（固さ）
浸透圧が一定で弾性率だけが異なるテトラゲルを複数作製し、それらを比較した。その結果、弾性率が上がり固くなると、拡散係数が増えて素早く膨らむことを実証した。

腱・靱帯の10倍の強度を実現
人生100年時代の医療に貢献
PEGは水中での結晶の安定性が不足しているという問題があったことから、酒井さんはより結晶性の高い
ポリビニルアルコール（PVA）を材料

ンの関係 式を 組 み 合 わせた 新しい来することが明らかになった。伸張に選択した（図9）。PVAは生体適合法則で決まることを世界で初めて導誘起結晶化とは、強く引き伸ばされ性が高く、すでにバイオマテリアル

きだした（図5）。
「 測定しただけではた高分子のひもが互いに寄り合ってとしての使用実績もあることから、この法則は見えてこなかったのです

ナノスケールの微結晶を形成する現人工腱・靭帯の開発に最適だった。残が、ゲルの吸水が高分子ネットワー

象だ。一般的にゲルの破壊は網目のる阻害要因は生体内における「膨潤」

クの不規則な熱運動によって起こる

弱いところに点が、水中の微粒子の不規則な熱運

力が集中してク動であるブラウン運動に通じること

ラックと呼ばれに着目して解析し、シンプルな法則

る小さな破れがにたどり着きました」と語る。

生 じ 、そ れ が 伝

図63分岐ゲルの延伸実験の様子

最大30倍以上伸び、この装置では破壊不可能

播することで起

引き算発想で3分岐ゲル開発
4分岐の30倍以上も延伸こる。
「 伸張誘起こうして、ゲルの基本的な特性を抑 え 、強 靭 化 し明らかにしていく中で、ある学生がます。実験では、3分岐のゲルが異常に伸びることを繰り返し負荷を発見した。この結果は、これまでの理

加えても常に一論からは予測できない結果であった定の強靭性を保ため、何度も検証を行い、その理由をつロバスト強靭追求した（図6）。
「 直感的には分岐が性を有すること減ることで弱くなると考えていたのもわかりましで、驚きました。何度もテストするうた」。

結晶化はこのク
ラックの発生をちに、3分岐ゲルは30倍以上もの伸3分岐構造のびを示すことがわかりました」と振作製･実証では、り返る（図7、8）。

構造を制御しやこの3分岐ゲルの網目構造を小角･

すいポリエチ

広角X線散乱測定で観察したところ、

レングリコール

高い強靭性は「伸張誘起結晶化」に由（ P E G ）か ら 作

06

November 2022

測定前

測定後

3分岐ゲルは最大で30倍以上伸びたが、あまりに伸びすぎたため測定器でそれ以上測りきれないという事態が起こった。

戦略的創造研究推進事業CREST「ゲルのロバスト強靱化機構の解明と人工腱・靱帯の開発」

図7

理論限界近くまで伸びた3分岐ゲル

図8

分岐ごとの強靭化の比較

実際は何倍伸びて壊れたか

(Mpa)
応力

枝を取り去るほどによく伸びるようになり、強靭化される

理論的に何倍まで伸ばせるか伸び

あえて伸びないゲルを作製して正確な測定を行ったところ、通常の4分岐ゲルは理論限界の30パーセントで破断するのに対して、3分岐ゲルは理論限界近くまで伸びることが明らかになった。

4分岐ゲルと3分岐ゲル、その中間的な分岐数を持つゲルを複数作製し、比較を行った。その結果、4分岐ゲルから枝を取り去って3分岐ゲルに近づけるごとによく伸びるようになり、強靭化することが示された。
（図中のMPaはメガ（メガは100万）パスカル）だ。膨潤とは、ハイドロゲルが体内の晶が生体に対して大きな毒性を生じ

これらの損傷や機能低下が他の障害

水分を吸収し、膨らんでふやけてしないこともわかった。

につながることも多い。生体軟部組

まうことを指す。膨潤するとハイド「当初予定していたものと同等か織の中で最も強くて丈夫な人工腱やロゲルは元の形状を維持できないばそれ以上の強靭さを持つゲルを開発

靭帯が実現すれば、軟骨や半月板、筋

かりか、力学特性も大きく損なわれすることができましたし、安全性も肉などの運動器、さらには人工硬膜てしまうのだ。

確認できました。これからは実際にや血管、皮膚への応用も見えてくる。

これに対し、PVAの結晶性を網目

人体の腱や靭帯として使えるのかど

健康寿命を延ばす効果が大いに期待の設計や製造工程で自在に制御する

うかをしっかり確かめたいと思いまできる（図10）。
「 今後は医療だけでことで、水分を吸収して膨張しようす。同時に、この材料はこれまでに存なく、海洋プラスチックなどの社会とするハイドロゲルの変形を制御す在しなかった力学特性を持つ可能性

課題も視野に、研究を展開してきた

ることに成功した。作製したゲルは、もあるので、その特性についても追いですね」。酒井さんは新たな目標に靭帯と同様に繊維軸方向に配向して究していきたいと考えています」と向け、これからも歩み続ける。

おり、高い結晶性を有していた。

酒井さんは今後の展望を語る。
人生100年時する前の初期の形状を維持しつつ、代を迎える中、腱

人体の腱･靭帯の約5倍となる100

や靭帯、関節など

メガパスカルを超える高い破断強度が関連する運動を達成した。作製したプロトタイプ

器の障害は介護でマウス皮下埋植試験を行ったとこの主な要因とさろ、炎症反応が極めて軽微で、PVA結れており、さらに

図9

ポリエチレングリコール（PEG）とポリビニルアルコール（PVA）の構造式

ポリエチレングリコール（PEG）

Hn

従来のハイドロゲルと生体組織の強度比較
本研究の目標

（MPa）
102

半月板

現在地

皮膚

筋肉
10

n

軟骨

血管

ポリビニルアルコール（PVA）

OH

靭帯

硬膜

101

100

OH
O

図10

破断応力

こうして、生体内でも水分を吸収（TEXT：片柳和之、PHOTO：石原秀樹）

-1

10-1

100

ヤング率

101

102

（MPa）

生体軟部組織の中で最も強くて丈夫な人工腱や靭帯が実現すれば、破断応力を弱めたり、
弾性方向のひずみと応力の比例定数であるヤング率を小さくしたりすることで、あらゆる生体材料に適応できる。

07

特集2

OVERVIEW

自動車の重量は燃費に直結するため、より軽くて丈夫な材料の開発が進んでいる。しかし、組み立てる際の接合は非常に困難で、材料によっては溶接時に本来の強度特性を損なうこともあるという。この課題に対し、大阪大学接合科学研究所の藤井英俊教授は、高い圧力をかけながら電流を流すことで、強度特性を変えることなく低温で金属同士を接合する「固相抵抗スポット接合技術」を開発した。従来は困難とされた金属同士の接合が可能になるだけでなく、省電力や廃棄物削減など、脱炭素化をはじめとするさまざまな社会課題の解決につながる技術としても大いに期待される。

強度特性を保つ金属同士の「低温接合」
省電力、廃棄物削減につながる新技術
左 藤井 英俊 Fujii Hidetoshi
大阪大学 接合科学研究所 副所長・教授
2019年より未来社会創造事業 研究開発代表者

右 相原 巧 Aibara Takumi
大阪大学 接合科学研究所 博士後期課程

中央 上山 智之 Ueyama Tomoyuki
ダイヘン 常務執行役員 技術開発本部長 兼 接合技術開発部長

大手企業との共同研究
1つの動画がつないだ縁の車両製造企業だ。
「従来の溶接技術ていた。また藤井さんのいる大阪大では接合が難しい材料にも対応し、学接合科学研究所内に、産学連携の生産性も遜色はない」と特徴を強く拠点を持っており、共同研究に迅速に乗り出せる環境も整っていた。

2021年5月、大阪大学接合科学研訴えた。後日、講演のアーカイブ動画

究所の藤井英俊教授は、自身が研究を見て手を挙げたのが、大阪に本社

大手からの申し入れに、当時の藤開発代表者を務める未来社会創造事を構える溶接機・産業用ロボットの井さんは快哉を叫んだという。
「私た業での成果を携え、「 新技術説明会」

大手、ダイヘンの上山智之常務執行

ちが自動車メーカーに直接呼び掛けに登壇した。この説明会は、産学連携役員である。藤井さんのことは以前ても、実用化への懸念を示されるのを狙う企業と大学のマッチングの場から知っていたものの、それまではが落ちでした。しかしダイヘンが装としてJSTが主催しているものだ。

食指が伸びなかったという。

置開発を受け持ってくれるなら、話

新型コロナウイルス感染症のまん延「今回は違いましたよ。オリジナリ

は180度変わってきます」。上山さん

後は、オンラインで開催を続けていティーも高く、これはいけると直感が動画を見てからわずか2カ月後にる。この日も多くの企業関係者が聴しましたね。装置開発には自社の技共同研究を開始。22年7月開催の国講する中、藤井さんは新しい接合技術も活用できます。まさに1つの動画

内最大の溶接・接合、切断技術を専門術を紹介し、社会実装に向けた共同がつないだ縁でした」と上山さんはとする技術展示会「国際ウエルディ

研究のパートナーを募った。

当時の衝撃を語る。折しも、ダイヘン

ングショー」に試作機を出展するこは次世代の画期的な接合技術を求めとが、当面の目標となった。

念頭にあったのは、自動車や鉄道

08

November 2022

かい さい

未来社会創造事業「難接合材料を逆活用した接合／分離統合技術の確立」

攪拌するほど再結晶温度が低下
相変態しない700度で鋼を接合（図2）。左右に並べたアルミニウム板

局所的な温度上昇を抑えながら、結に、先端に突起を持つ円筒状の鋼製晶構造をゆがませて再結晶化を促し工具を押し付け、回転させながら接たのだ。

藤井さんの接合技術の最大の特合部全体をなぞると、2枚の板は接合

ついに、それまで常識とされてい徴は、接合が難しいとされている材

されて1枚の板になる。
「 工具の摩擦

た1000～1200度より低い約700

料にも対応できる点だ。従来の技術と突起の攪拌によって、アルミの融度での接合を実現した。
「鋼は同じ固では、炭素量の多い鋼を溶融させて点の7～8割程度まで温度が上がり体の状態でも、結晶の構造が異なる

接合すると割れが発生する。裏を返ます。この熱と工具の攪拌で結晶構3つの相を持っています。温度変化

せば、炭素量の多い高炭素鋼がうま造がゆがんだ後、再結晶することで、によって、これらの相が変わる『変く接合できれば、材料の選択肢が広接合できるのです」と藤井さんは説態』が生じると、硬度は高いものの脆がる。また製鋼の過程では、鉄鉱石を明する。

い状態になってしまいます。しかし、

せんてつ

もろ

コークス（石炭）により還元した銑鉄

このFSWを鋼にも適用するには、700度程度であれば、鋼もアルミのと呼ばれる生成物を精錬し、含有し工具の材料が大きな課題となる。
アル

ように相変態なしに接合できるのでている炭素を二酸化炭素（CO2）としミ同士ならそれより硬い鋼製で良いす」。低温へのこだわりは、ここからて排出させるため、高炭素鋼の製造が、鋼同士の場合は、さらに硬い材料生まれた。

時にその工程を省ければ、CO 2 排出を選ぶ必要がある。
試行錯誤の末に藤量の大幅な削減にもつながる（図1）。

井さんが採用したのは、切削工具にもポイントは、金属を溶融させずに、利用される超硬合金だった。摩擦攪

低温で接合する点だ。発想の原点は、拌接合に至る鋼の温度は、計算ではアルミニウムの接合技術として使わ

1000～1200度だ。しかしその温低温摩擦攪拌接合はまさに画期的れている「摩擦攪 拌接合（FSW）」だ

度では、超硬合金のように比較的安価な技術だったが、容易には普及しなな材料では硬度不足にかった。
「現在主流となっているアーなる。

ク溶接と比べると、コスト面で課題

かくはん

革新的接合技術の実用化による低炭素社会の実現

図1

CO2排出量大幅削減
世界中に技術が波及した場合、現在の日本の55％のCO2排出量に相当

低温接合専用
ツール製造

輸送機器の
製造
低温接合専用材料の製造

老朽化した社会
インフラの補修

圧力制御LFW･
圧力制御通電圧接装置製造
本格研究

素材ユーザー
施工メーカー

素材メーカー

図2

温度制御の条件は圧力実験という師が教える

そこで、より低い温度がありました。攪拌用の工具は消耗での摩擦攪拌接合の可品なので、生産ラインで何百メート

能性を探っていった。そルも接合するとなると、かなりのコの結果、攪拌すればするストになってしまいます」と藤井さほど再結晶温度が下がんは語る。そこで、さらに効率的な接り、鋼の場合、300度と合技術の開発に取りかかった。次にいう低温でも再結晶す

藤井さんらが目を付けたのは、「線形ることを見いだした。直摩擦接合（LFW）」と呼ばれる旧来の感的には攪拌すれば当接合技術だ。

探索研究

然温度が上がるように

LFWは、左右に並べた2枚の金属摩擦接合技術における知の拠点

思うが、藤井さんは工具

板を外側から押さえ付けるように圧の回転速度を下げ、移動力を加え、片方を上下に水平移動さ速度を速くすることで、せ摩擦を生じさせて接合するものだ

摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding）
回転ツール

固相接合
部

合

接

突合せ部

動

移

ツールによる攪拌
接合材

結晶粒の微細化
工具と接合部

接合部の裏面FSWは、先端に突起のある円筒状の工具を回転させながら強い力で押し付けることで突起部を貫入させ、摩擦熱と工具の回転力によって部材を接合する。鉄道車両や航空機のアルミ合金などの接合に採用されている。工具を押し当てた面には後が残る（写真左）。一方、裏面は境目がわからないほど、きれいに接合できる（写真右）。

09

図3

線形摩擦接合（Linear Friction Welding）
荷重

振動

荷重

工具の回転による摩擦熱を利用するFSWに対し、LFWは直線的な摩擦による熱で接合する。写真は炭素鋼同士を接合したもの。

くバリがはみ肝心の自動車産業で利用できないの

出 し ま す 。そではないか、と審査で指摘されたのれによって熱だ。というのも、LFWも圧力制御通電が放出され、

圧接法も、線材や面材の端部を突き

温度が引き下合わせる接合技術だが、自動車産業

げられるのでで必要とされているのは、面と面です 」と 藤 井 さ

接合する技術だったからだ。

んは温度変化

従来、面材と面材を重ね合わせにの原因を分析

は、「 抵抗スポット溶接」と呼ばれるし た 。温 度 を接合法が利用されてきた。2枚の金属（図3）。原理はFSWと似ているが工制御する条件として圧力の存在を確を重ねて銅製の電極で加圧しながら具は不要で、技術そのものもFSWよ認した藤井さんは、装置をコンパクト

大電流を流す。すると、金属に抵抗発

り古い。
また、
FSWはアルミ板の移動化して「圧力制御通電圧接法」という熱が生じて溶融部が形成され、面材速度と工具の回転速度で温度が決ま独自の接合技術を確立した（図4）。

が点で溶接できる。この接合技術は、鉄道車両の製造にも利用されている

ることもわかっていた。それならば、LFWで温度を制御する変数は、金属板を振動させる周波数と振幅、外側から加える圧力の3つとなる。

面で接合する画期的手法
鉄道車両を見てひらめくが、藤井さんが改善のヒントを得たのもまさに、鉄道車両だった。
「 ずっと考え続けていたせいか、ふと目の前に来た車両を見て、突如アイデア

FSWやLFWでは摩擦で接合面の普通、圧力が上がると温度も上ががひらめきました」。

るように思うが、実験したところ、圧温度を上げているので、装置はどうし力を上げたら温度が下がってしまっても大掛かりになる。
そこで藤井さん

それは、抵抗スポット溶接を土台たのだ。予想を裏切る結果に困惑すが考案したのが、摩擦熱の代わりにに圧力制御通電圧接法として結実しる学生に、藤井さんはやり直しを指ジュール発熱、つまり、電気を利用すた接合技術の要素を組み込んだもの示したが、再び同じ結果が出た。このる方法だ。2つの金属を突き合わせ、だった。アイデアが実り、無事審査を奇妙な結果について数時間は議論しその外側から圧力を加えながら通電通過した。
「 3回目での採択に喜んだ

たという藤井さん。
「私たちの分野ですると、接合面はジュール熱で温度のもつかの間、毎年厳しい審査が続は『実験』という師が正解を教えてが上がり、FSWやLFWと同じ状態をきました。
運営会議の先生方から多くくれます。どんなに偉い先生がもっ作ることができる。
圧力を上げるほどの有益なコメントをいただきながら、ともらしい理論を唱えても、それが温度が下がるのはLFWと共通で、鋼必死にアイデアを絞り、研究しまし誤っていれば、実験が教えてくれま

でも相変態なしに接合可能だ。

た」と藤井さんは振り返る。

す。今回も、実験結果を尊重し『温度藤井さんらは、未来社会創造事業

その結果、通電用の電極とは別にが下がっているという結果が真実』を活用した新しい接合技術の確立に

加圧用の金属軸を設けることで、こという結論に達しました」。

乗り出した。圧力制御通電圧接法をれまで追い求めてきた低温接合を注目したのは、圧力を上げることで軸に難接合材の接合を実現し、脱炭実現した。従来の抵抗スポット溶接

接合面からはみ出す、
いわゆるバリの素社会に貢献できる接合技術の開発を土台にしながらも、接合面を溶融存在だ。
「圧力を上げると、それだけ早を提案したが、結果は不採択だった。

させずに固相のまま接合する技術で

図4

大荷重通電圧接法と接合温度低下の原理

接合過程
通電

A1点温度

流動応力

[MPa]500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0

ジュール熱により接合面温度上昇

バリを外に排出し接合完了○：流動応力

600

700

800

900

1000 [℃]

温度

被接合材の端部を突き合わせ、加圧しながら通電することで得られるジュール熱による発熱を熱源とする。高圧力を付与することにより、接合温度を炭素鋼の焼き入れできる臨界温度である723度（A1点温度）以下にすることができる。写真は実際に、圧力制御通電圧接法で接合した鋼棒材。中央の出っ張った部分がバリだ。
（図中のMPaはメガ（メガは100万）
パスカル）

10

November 2022

未来社会創造事業「難接合材料を逆活用した接合／分離統合技術の確立」

図5

一方で、大学のリソース

固相抵抗スポット接合法

サーボプレス機を踏まえれば、研究者だけ

高圧力を印加しながら入熱中心加圧軸
超硬合金（WC）

高圧力

で社会実装を実現するのは代荷重に耐えられるWC
加圧軸で加圧

難しい、とも指摘する。
「企業
は大学の研究成果をリスペ

銅電極

銅電極で通電銅電極

クトし、優れた技術の社会実装をサポートしようとい

WC加圧軸

WC超硬合金
中心加圧軸

全体図

う姿勢がないと、うまくいか

中央部の拡大図解ないでしょう。
良い技術を実3枚重ねの鋼板通電用の銅電極と加圧用のWC超硬合金軸による複合構造とすることで、高圧力の印加と通電の両立を実現した。写真は冷間圧延鋼板（SPCC）の間に高張力鋼（ハイテン材）を挟んで、3枚の鋼板を接合したもの。

用化し、社会に貢献することが私たちの使命でもあり

図6ます」と自社の姿勢を説く。

固相抵抗スポット接合法の高圧力・一定加圧の検証
荷重一定加圧 18 kN

荷重一定加圧 12 kN

対して大学人の藤井さん

圧力一定加圧（450 MPa）

は、常に新しい研究成果を生み出し続けることこそ、
自4.5 mm

6.6 mmセメンタイトセメンタイトらの使命だと訴える。その7.1 mm目線は、研究者というより教育者のそれを思わせる。
「学

セメンタイト

生に楽しく学んでもらい、卒

未接合部

業後も楽しく人生を送って

フェライト
フェライト

フェライト

未接合領域 9％
せん断引張強さ：7.6 kN 界面破断

未接合領域 1％
せん断引張強さ：9.8 kN 界面破断

もらいたいと思っています。

未接合部を消滅

せん断引張強度：14.9 kN（プラグ破断）

加圧軸形状を最適化することで未接合部が大幅に減少した一方、荷重一定条件では変形に伴い印加圧力が低下し、押し込みが困難となった。そこで、圧力を一定として接合したところ、未接合部が消滅し、接合強度が大幅に向上した。
（図中のkNはキロニュートン、μmはマイクロ（100万分の1）メートル）

そのために常に新しいものを生み出そうとする『心』
を、学生に植え付けるのが、大学で教育すべきことです」。

あることから、「固相抵抗スポット接

パッタの発生を抑えることは生産効合」と名づけた（図5、6）。これが、ダ率化とコストダウンにつながる。

イヘンの心をつかんだ画期的な接合技術の正体である。

大学は新しい成果を生み続ける
企業は実用化を支え社会に貢献

わくわく感を味わわせ、モチベー
ションを高めてもらうには、教育者と電力については、抵抗スポット溶して何をすればいいのか。その点を接では瞬間的に約8000アンペア

常に心掛けてきたからこそ、固相抵抗の電流が必要だが、固相抵抗スポッ

スポット接合という新技術の開発にト接合はその半分程度だ。
「確実に電

至るさまざまな発見や成果を得るこ気代も抑えられますから、機器の置とができた。藤井さんの目は、接合技

き換えも十分に見込めます。接合品術が変革する社会と、その先を担う

大阪大学接合科学研究所博士後期

質も保証できれば、世界中の自動車

次代の研究者たちを見据えている。

課程の相原巧さんが作り上げたプロ

産業に広がっていくと確信していま（TEXT：茂木俊輔、PHOTO：石原秀樹）

トタイプを基にダイヘンが開発した

す」と上山さんは展望を語る。

試作機は、
国際ウエルディングショーとはいえ、これほどの短期間で試作でも大きな反響を呼んだ（図7）。
「従機が国際展示会に出品できるケース

来の抵抗スポット溶接に比べ、環境、はまれだろう。
「社内でも『こんな面白電力、コストの面で圧倒的なメリット

い技術があるのか』と、初めから皆ががあります。
国内外の自動車メーカー

やる気を見せてくれました。
溶接・接合からも、声が掛かりましたよ」と上山に関わる事業部の協力を得られたのさんは語る。環境面では、接合の過程も、大きいですね。全員野球で取り組で出る溶融された鉄の酸化物であるみ、試作機の基本設計は1カ月で完了「スパッタ」が、発生しない。スパッタ

させ、さらにデザインにもかなりこだは品質向上の観点から後処理での除わりました」と上山さんは笑顔を見せ

去が必要となるだけでなく、産業廃る。まさに、企業と大学の産学連携へ

棄物として処理が必要であるため、
スの姿勢がしっかりかみ合った結果だ。

図7

国際ウエルディングショーで展示された固相抵抗スポット接合

近 年 、産 業 用 機 械 で も 機 能 性 と デ ザ イ ン 性 が 求
め ら れ る 。こ の 試 作 機 も 、ダ イ ヘ ン の 企 業 カ ラ ーの 青 が 映 え る 美 し い デ ザ イ ン だ 。展 示 会 場 で 行
わ れ た プ レ ゼ ン テ ー シ ョ ン の 様 子 は 、ウ ェ ブ 上
で公開している（https://daihen.oatnd.com/
weldingshow2022-jp）。
（画像提供：ダイヘン）

11

浅田 龍造 Asada Ryuzo

どうやって
実現する？

低炭素社会戦略センター 主任研究員

河原崎 里子Kawarasaki Satoko
明るく豊かな
ゼロエミッション
連 載
社会
電力貯蔵システムとしての【第5回】
低炭素社会戦略センター 研究員「新揚水発電」

若手商社員・皆川豊を主人公としたストーリー仕立てで、低炭素社会戦略センター（LCS）が発行する提案書を読み解く連載の第5回。前回、LCSの井上智弘客員研究員と古木真研究員から2050年の電源構成シナリオを学んだ皆川。今回はLCS
で電力貯蔵システムとしての新揚水発電について研究している浅田龍造主任研究員、河原崎里子研究員に再生可能エネル
ギーへの転換について聞いた。

再エネの拡大に不可欠
電力貯蔵機能と調整機能池に落下させてタービンを回し、発間がかかります。そこで、比較的小さ

電することですよね。

なものができないか検討しました。

皆川：今回は「新揚水発電」という新浅田：その通り。電気を貯めておく、

それが小規模分散型の「新揚水発電」

しい提案があると紹介いただき、おいわば「蓄電池」として、日本では昭です。

話を伺いに来ました。

和の初め頃から使われてきました。

浅田：興味を持ってくれてありがと

石炭火力発電や原子力発電は簡単にうございます。本題に入る前に、揚水は止められないので、夜中の余剰電

既存の多目的ダムを活用
小型安価で環境負荷も低減

発電そのものは知っていますか？

力で揚水して、必要な時に発電する。

浅田：揚水発電は上池と下池のペア

皆川：もちろんです。余った電気で下

これで全体の燃料費を下げていまが必要ですが、既存の多目的ダムを池から上池へ水を吸い上げておいす。今は再生可能エネルギーが増え下池として使えば、追加で上池を建て、電気が足りなくなったら水を下てきて、例えば太陽光発電は天気が設するだけで済むので、環境への負

いいと昼間に発電し荷は少なく建設費用も抑えられるとすぎるので、余剰電力考えました（図2）。

を使って揚水し、曇っ

皆川：なるほど！ゼロから発電所をてきて発電が弱まっ作るのではなく、既存のダムを活用たり、夜間に発電が止するわけですね。

まったりしたときに

浅田：日本に多目的ダムは2700カ

図1

今後の揚水発電活用例[10MW]

日中の太陽光発電の余剰電力で揚水運転し蓄電

1200
1000

電力需要

需要

800

揚水運転

600

太陽光発電
火力
その他電源

400
200
0

夜間電力不足時に日中蓄電した
電力で発電

ベースロード電源（原子力／火力など）
0:00

夜間

6:00

12:00
日中

18:00

夜間

24:00

時間

太陽光発電の過剰発電時に揚水し、電力不足時に発電する。
出典：2022年度 ウェビナー「2050年 ゼロエミッションの社会像 ～シナリオとプラン～ 」
新揚水発電の提案－日本における電力貯蔵システムとして－（https://www.jst.go.jp/lcs/pdf/
webinar20220624-7.pdf）図2より筆者編集

図2

新揚水発電の概要

下池として既存の多目的ダムを
活用する

基本仕様

落差：200m
流量：7.3m3/s

直径100メートル
上池
配管
発電所

最大出力：12MW
上池貯水量：131,000m3

出典：日本における蓄電池システムとしての揚水発電のポテンシャルとコスト（Vol.4）－気候変動に対応した提案－（fy2021-pp-04 表1・図1）より筆者編集

12

November 2022

は水を流して発電す

所もあり、全国に分散して作ることがる。余剰電力を有効利できます。上池は直径100メートル

用し、電力の需給もこの小型サイズで、下池から高さ200

まめに調整することメートル以上の場所に作ります。
条件ができます（図1）。

に当てはまる多目的ダムを調べたら、皆川：確かに、太陽光

全国で1000カ所弱ありました。

や風力発電は天候に

皆川：そんなに！山地が多い日本の左右されて不安定な地形に合っているということですので、今後拡大するにね。ちなみに、どうやって調べたのは、電力の調整機能がですか？まさか、全てのダムを見に欠かせませんね。

行ったとか？

浅田：ニーズは高まっ

浅田：いやいや、候補地の洗い出しはているものの、揚水発地図を使って、
河原崎さんと一緒に東電所を増やそうとし

日本と西日本に分かれて行いました。

ても、地形が変わるほ

それでも2～3カ月はかかりましたよ。

ど大きな発電所を造

河原崎：日本ダム協会が出している

るのはもう難しいで「ダム便覧」で位置を調べ、そこに国すし、建設にも長い時

土地理院の地図を重ねて、落差200低炭素社会戦略センター（LCS）

メートルの場所が周りにあるか、下無駄にするこ池からの距離が1500メートル以内とはありませか、直径100メートルの上池が置けん。また、上池

るかを検討しました。自然公園があを20メートる場所や、土砂崩れが起きやすい地

ルとさらに深域も避けて選びました。

く す れ ば 、渇治水容量（洪水用に空けておく）

皆川：ずいぶんと地道な作業でした

水用の水を貯揚水発電兼事前放流用（利水分の一部を上池で預かる）

ね。良い場所があったとして、実際にめることもで渇水時補給（利水用）

造るとなると、どんな工事を行うのきます（図3）。

ですか？

皆 川：水 を 無

浅田：上池は深さ10メートルで造成

駄にせずに防します。そこから下池に配管を通し水や渇水対策

上池の深さをさらに10メートル増量し、渇水時用の水を貯める。

て、発電所を建てて発電機を置く。上ができる点で

出典：日本における蓄電池システムとしての揚水発電のポテンシャルとコスト（Vol.4）－気候変動に対応した提案－（fy2021-pp-04 図3）より筆者編集池1つで1万キロワット級の発電所も魅力的でが作れます。1基の建設費は最も安くす。この提案に興味を持っている方

発電の適地であれば、技術的に難して21～22億円、平均でも27億円とも、多いのではないですか？

いことはないので、後はどう予算化想定しています。

浅田：そうですね、企業などからの問し、実現できるかです。

皆川：ダムを造るには数千億円かか

い合わせもいくつかありますが、理

皆川：今、多くの自治体が2050年脱ると聞いたことがあるので、それと想は市や県などの自治体に動いても炭素の実現を目指しているので、ビ比べると、小型でコストもかなり抑らうことです。ダムには水の利権者

ジョンにマッチして、制度面での調えられますね。ただ、自然の中に新たがたくさんいるので、その調整がで整や予算化がうまくできれば、広がな設備を作ることで、環境破壊とのきるのはダムを管理している自治体

りそうですね。

批判も出るのではないですか。

などですね。また、上池を作る土地の

浅田：再エネを主力化しようとすれ

浅田：当然あると思います。ただ、そ所有者との調整もあります。配管のば、電力調整機能は必ず要ります。モの規模は極端に少ないですし、水害

先々で所有者が違ったり、すでに所

デルケースがうまくできて、それを対策や、ダム管理用の道路を林業用有者がわからなくなっている場所も全国に水平展開できれば、我も我も道路と兼用することで荒れた山の管あり、自治体が土地を預かる形にすと出てくるかもしれません。地域を理ができる点も含めたら、むしろ環るなど、法律を改正する必要も出てネットワークで結べば、天候に応じ境を良くするという話もできます。

きています。

て余った電力を融通し合って揚水の皆川：他のメリットも示して提案す

河原崎：太陽光パネルの設置にして電力にすることもできます。太陽光

るということですね。ところで、水害も、地熱発電にしても、土地所有の問発電と風力発電のポテンシャルも全対策というと？

題で行き詰まってしまうのは同じな

国に散らばっているので、理論上はので、大きく見直す必要があり、今が実現可能です。

災害時の防水や渇水対策にも有効
技術以外の「調整」が普及のカギその時期だと思います。

皆川：技術以外の面でうまく調整が浅田：自治体が取り組む場合は、まずできれば、実現への期待も膨らみま

浅田：多目的ダムでは、洪水が来る前

脱炭素の実現を地域全体としてどうすね！今後の動向をわが社も注目しに、貯めていた水の一部を事前放流目指したいかの青写真を描いて、太ています。

します。予報通り雨が降ればいいで陽光や風力発電を増やすならおのず―なお、物語は取材を元にしたフィ

すが、降らなければ、流した水を無駄と蓄電機能が必要だと。そのうえ、自クションである。

にしてしまいます。

分の地域にはダムがあると。新揚水（TEXT：岩崎茜、PHOTO：石原秀樹）

図3

貯水量の容量配分例
上池：揚水発電兼事前放流（揚水兼治水）
上池増量：渇水時用（常時貯水）
下池（ダム）
サーチャージ水位（洪水時最高水位）
有効貯水容量

利水容量
渇水時不足

かんがい
水道用水
工業用水
発電（一般水力）等
堆砂容量

揚水発電の上池に渇水時用貯水容量を設けた場合
利水/治水に有効

皆川：水を巡って争いが起こるくらいですから、無駄にしたら利権者さんは怒るでしょうね。
浅田：その点、新揚水発電だと、洪水が来るとわかればあらかじめポンプ
で上池に水を吸い上げておいて、終わってからゆっくりと下池に流せばいい。上げ下げするだけなので、水をワンポイントアドバイス

電力中央研究所 GI研究本部 ネットワーク技術研究部門 研究部門長

永田 真幸

再エネの主力電源化にはさまざまな調整力が必要であり、新揚水発電はこれに資する
ポテンシャルを持つ技術と考えられます。今後、費用と便益をより精緻なものとすると共に、パイロットプラントなどの取り組みを通じて、運用面の深掘りや制度面の改善を図っていくことが期待されます。

13

研究成果

創発的研究支援事業

研究課題「昆虫の求愛コミュニケーションを担う聴覚機構の解明と制御」

雄の蚊の「耳」を操る物質を発見
繁殖を抑制する新たな方法論の開発に期待

は、雌の羽音を模した音への接近行動が顕著に低下しました。
以上の結果は、
ネッタイシマカにおいて、雄の聴覚器の機能がセロトニンによって制御されることを示しています。

蚊はデング熱などの感染症を媒介することにより、人間

今後、セロトニンに着目した研究が進み、ネッタイシマカ

を世界で最も死に至らしめている生き物です。雄の蚊は配の「耳」を介した蚊の繁殖を抑制する新たな方法論の開発に

偶パートナーを見つけるために「蚊柱」と呼ばれる集団を

つながることが期待されます。最近は殺虫剤への耐性を持作って雌が飛んでくるのを待ちます。蚊柱に雌が紛れ込む

つ蚊が増えているため、野外での応用も視野に入れた研究と、雄が卓越した聴覚で雌の羽音を聞きつけて接近し、交尾

チームの研究開発から引き続き目が離せません。

を行います。名古屋大学大学院理学研究科の上川内あづさ
教授らの研究チームはこの接近行動に着目し、聴覚を標的

雄の蚊の聴覚とセロトニンの関係とした繁殖の制御法の確立を目指しています。
今回、研究チームは、吸血する蚊の一種である「ネッタイ

雄の蚊の聴覚はセロトニンによって制御されている

セロトニンシマカ」の聴覚機構に、代表的な神経伝達物質である「セロ雌トニン」がどのような影響を与えるか調べました。まず、蚊

雄の聴覚器で強く発現するセロトニン受容体を同定したとこ
ろ「5-HT 7」と呼ばれるタイプの受容体を介して、セロトニ
ンが蚊の聴覚器の機能を制御する可能性が示されました。
これは世界初の発見です。次に、セロトニン関連の化合物を注入した雄の蚊の聴覚機能を解析しました。レーザードッ

セロトニンを阻害すると雌の羽音への接近が顕著に低下する

セロトニン

プラー振動計で蚊の聴覚器の振動の様子を測定したとこ

雌ろ、聴覚器の振動周波数が大きく変化することがわかりま雄した。
さらにセロトニン合成阻害薬を経口投与した雄の蚊で

研究成果

戦略的創造研究推進事業さきがけ

研究領域「持続可能な材料設計に向けた確実な結合とやさしい分解」
研究課題「光安定材料への酸添加による協働的光分解技術の創成」

酸があるときだけ分解する光分解性材料
環境にも産業にも有益な材料の創成に道することで、光を用いた制御が発光材料に対しても可能になりました。
光と酸による協働分解技術は、微細性や遠隔制御に優れ

環境調和型材料の1つとして、人工光・自然光により分解た光加工技術を、発光材料を含むさまざまな「光の下で利用する「光分解性材料」が注目を集めています。医療・電子などする機能性材料」に付与できることを意味しています。光ののさまざまな産業で利用されていますが、皮肉なことに分下でも長期的に使用可能かつ、使用者が意図したタイミン

解しやすいことが、光分解性材料を身の回りで長期間利用

グで光分解できるプラスチック材料など、環境にも産業にする上で大きな制約となっていました。例えば、ブラックラ

も有益な材料の創成に貢献すると考えられます。

イトの光を当てることで鮮やかに光る発光材料は、光を照らすことが前提のため、光分解技術との融合が困難とされてきました。
東京大学大学院総合文化研究科の正井宏助教らの研究
チームは、光に対して長期間安定でありながら、光と酸を同時に作用させると分解できる、安定性と分解性を併せ持った新材料の開発に成功しました。具体的には、高分子材料の1つであるポリメタクリル酸メチルに、架橋材となる白金錯体を少量加えたゲル材料を作製しました。この白金錯体は、波長365ナノ（ナノは10億分の1）メートルの紫外光と酸の塩化水素がそろったときのみ、白金－炭素結合の分解反応が進行します。これにより、安定性・分解性を持つゲル材料であることが確認できました。また、これらの性質を利用

14

November 2022 （TEXT：JST広報課 中川実結）

光と酸の
協働分解

酸の除去
光に安定

従来の光分解性材料と本成果の材料における光安定性の差を示す概念図（H＋：酸）研究成果

創発的研究支援事業

研究課題「プロセスに強いMIの創出と複合機能材料での実践」

実験データを電子ノートで記録しAI解析研究DXやオープンサイエンスの促進に貢献

データベースを数値化できる仕組みになっています。
また、今回構築した電子実験ノートシステムを用いて「高分子固体電解質の実験研究」を行い、有効性を評価しまし

科学研究の成果を記録した研究者の実験ノートは、膨大た。その結果、室温で液体に近い伝導度を示す高分子固体電な情報量となるため、データ解析には非常に多くの作業量

解質の最適な製法や、高性能の鍵となるメカニズムの解明と時間を要します。一方、学術論文や特許などの公知文献でに至りました。今後、さまざまな材料研究への展開、研究DX

は、実験時の気温や湿度、試薬の合成日といった条件、失敗（デジタルトランスフォーメーション）やオープンサイエンの結果などは割愛されることが多く、実験の結果が網羅さスへの貢献に注目が集まります。

れているとは言い切れません。そのため、科学研究に関わる全ての情報を統合的に管理・展開するデー
タベースの確立が望まれていました。
早稲田大学理工学術院の畠山歓講師らの研究グ
ループは、日々の化学・材料実験の操作と結果を電子実験ノートとして記録し、それらを自動で解析

電子実験ノートとデータ解析のスキーム
収録情報
プロセス
分子情報
計測データ

電子実験ノートシステム

表形式データ

自動変換

●
●
●

AI

する人工知能（AI）システムを構築しました。この

欠損値の
補填

システムは、情報間の関係性を点と線でつなぐ「グラフ構造」で記録します。このデータ形式は研究者

データ公開になじみ深いフローチャートに似ており、AIによる処理も容易なため、AIと研究者双方にとって適した形式といえます。グラフデータの分析には、特定の実験操作の有無を判定できるアルゴリズムのフィンガープリント「Fingerprint」を採用し、人間が理解しやすい形で

研究成果

情報分析

科学
コミュニティ

日々の材料実験の様子をグラフ構造で記録。AIの自動解析によって、新材料の発見につながる構造・実験因子を抽出した。

ムーンショット型研究開発事業

ムーンショット目標2「2050年までに、超早期に疾患の予測・予防をすることができる社会を実現」
研究開発プロジェクト「臓器連関の包括的理解に基づく認知症関連疾患の克服に向けて」

異常たんぱく質を生体脳で画像化
パーキンソン病などの予防・治療薬開発に光

さらに、多系統萎縮症患者と健常高齢者の脳標本を比較したところ、18F-SPAL-T-06がαシヌクレイン病変に強く結合したことが確認されたことから、この薬剤がαシヌク

アルツハイマー病やパーキンソン病などの脳の病気は、レイン病変を検出できることを実証しました。今回の研究

異常たんぱく質が脳内に蓄積することで発症し、運動障害で実現した異常たんぱく質の脳内蓄積画像化は、パーキン

や認知機能の低下などの症状を引き起こすと考えられていソン病や関連認知症などの病態解明や治療薬開発にも役立ます。このうちアルツハイマー病の中核病体をなすタウた

つと考えられ、認知症の発症予測・予防にもつながると期待

んぱく質の病変は画像化の技術が確立していますが、パーされます。

キンソン病を引き起こす異常たんぱく質「αシヌクレイン」
は、タウ病変よりも脳内での蓄積量が少なく、生体脳で可視多系統萎縮症患者と健常高齢者における α シヌクレイン蓄積画像の比較化する技術はいまだに確立されていません。
量子科学技術研究開発機構量子生命・医学部門の樋口真人部長らの研究グループは、エーザイ、小野薬品工業、武蓄積や分布を高いコントラストで可視化する放射性薬剤「18F-SPAL-T-06」
を開発しました。
研究では、パーキンソン症状などが見られる多系統萎縮症の患者3人と健常高齢者1人を対象に、開発した薬剤を用いた脳の画像診断検査を行いま
した。
その結果、
患者の脳深部に18F-SPAL-T-06の高集積が認められ、その部位と蓄積量が過去の研究で報告されている
αシヌクレイン病変の分布と一致することがわかりました。

多い

α シヌクレイン蓄積量

田薬品工業の製薬3社と共同で、脳内のαシヌクレインの少ない

パーキンソン症状優位型（MSA-P）ならびに小脳失調症優位型（MSA-C）多系統萎縮症の患者において、αシヌクレインの蓄積を示す18F-SPAL-T-06の集積が確認された（黄色と白の矢印・三角部分）。赤矢印は、αシヌクレイン蓄積とは無関係と考えられる脳実質外の脈
18
絡叢（脳室に存在する血管に富んだ組織）での F-SPAL-T-06 の集積を示す。

（TEXT：横井まなみ）

15

戦略的創造研究推進事業さきがけ「宿主内環境を支配する寄生蜂由来生体微粒子の機能解析」

さきがける

科学人
vol.121

Q1. 研究者の道へ進むきっかけは？
A1. 昆虫標本の美しさが原体験
細胞のメカニズムを研究

島田 裕子 Shimada Yuko
筑波大学 生存ダイナミクス研究センター 助 教

Profile和歌山県出身。2006年京都大学大学院生命科学研究
科統合生命科学専攻博士課程修了。博士（生命科学）。米
イエール大学にてHFSP長期フェロー、筑波大学生命領域学際研究センター研究員などを経て、14年より現職。19年よりさきがけ研究者。

コマユバチを飼い始めました。

爪の上のニホンアソバラコマユバチ。ショウジョウバエを乗っ取る巧みな生存戦略には本当に驚かされます。

うにして宿主の体を乗っ取るのか、寄生当初は、寄生によって宿主のホルモンの分子機構はほとんど明らかにされてい生合成が抑制されるのではないかと予想ません。ニホンアソバラコマユバチ1種

小学生の時、博物館の体験教室で昆虫していました。ところが、宿主が正常に蛹でさえ、毒腺内に約200種類ものたんぱ

標本の作り方を習いました。展翅板の上化したことから、ホルモン生合成は正常

く質成分を持ち、そのほとんどが機能未で広げたチョウの翅の模様や付属肢の形に行われたことが示唆されました。予想

知であることが、これまでの研究からわが美しく、その思い出が強烈な原体験とが外れたことにがっかりしつつも、いつかりつつあります。

なって、今に至ります。大学では分子生物もの習慣で宿主幼虫を解剖したところ、既存のドメイン予測アルゴリズムでは機学に興味を持ち、ショウジョウバエを用将来の成虫組織（成虫原基）がどうしても能を特定できない新規分子がまだまだたくいた研究で、遺伝子についての知識を深見つかりませんでした。

さんあるという事実に、大きな可能性を感解剖を失敗したかもしれないと思っじています。
今後は、複数の寄生蜂種間の比大学院では、上皮平面上の非対称性（平て、同じ実験を何回繰り返しても同じ結較ゲノム解析やゲノム編集技術を用いた

面内細胞極性）を決めるメカニズムを研果でした。結局、寄生蜂の毒の作用には組変異体作製などを通じて、寄生蜂の宿主特究しました。研究開始当時は、昆虫の体表織選択性があり、宿主ショウジョウバエ

異性について、研究を深めていきたいです。

面の毛の向きを調べるというマイナーな

幼虫の脳神経系や内分泌系には作用しこれまではモデル生物・ショウジョウバ

研究分野でしたが、後に脊椎動物の原腸ない一方、成虫原基だけを溶かすことにエを用いた研究を中心に行ってきました

陥入時の細胞運動や神経発生にも関与す

よって、飼い殺し寄生の成立に寄与するが、今後は寄生蜂のように、多様で知られることがわかり、今では発生過程の重要ことが、初めて明らかになりました。

ざる生態を持つ「非モデル生物」
を使って、

めました。

なシグナル伝達経路の1つとして広く認識されています。

Q3.
A3. 未知の世界に感じる可能性
分子生物学の新機軸を開く

今後はどんな研究に取り組みたいですか？

学位取得後は、発生プログラムの柔軟性を支える分子機構を知りたいという思

モデル生物と遜色のない分子生物学・発生生物学の新機軸を開くことを目標に、研究を盛り上げていき

いから、生殖細胞やステロイドホルモン

現在の地球上に、寄生蜂は約20万種類たいと思います。

の研究に従事しました。そんな中で、偶然生息すると推定されていますが、どのよ（TEXT：JST広報課小倉一恵）

出会ったのが、ショウジョウバエを宿主

実験対象を解剖している様子。
失敗を糧に、自身が納得するま
で研究を繰り返すことで、新たな発見が得られます。

とする寄生蜂です。

Q2. 具体的な研究内容を教えて下さい
寄生蜂でA2. 「飼い殺し型」
毒の作用の組織選択性を発見
昆虫は、気温・光・栄養条件などのさま
ざまな外環境を感知し、神経を介してホルモン合成のタイミングを調整していまかくらんす。そこで、昆虫の体内環境を撹乱する因子の1つとして、寄生蜂ニホンアソバラ

発行日／令和4年11月1日
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November 2022

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