研究助成
成果報告論文集（平成29年度）

公益財団法人 カシオ科学振興財団
CASIO SCIENCE PROMOTION FOUNDATION

成果報告論文
第３３回（平成２７年度） 研究助成

1

成果報告論文 一覧
No1

2

研 究 テ ー マ

代表研究者

新規蛍光偏光測定原理に基づくハイスループットタンパク質間相 北海道大学 大学院工学研究院 教授
互作用解析システムの開発
渡 慶 次
微細加工シリコン基板に基づく水溶液中動作型脂質二分子膜デバイスの創成学

東北大学 原子分子材料科学高等研究機構/電気通信研究所 教授

平 野 愛 弓大阪大学
産業科学研究所教授
超薄膜アナログフロントエンド回路を用いた微小生体電位計測技
3
術の開発
関 谷
毅
九州大学 大学院農学研究院 教授
4 スーパー・キスによる魚類の春機発動早期化技術の開発
松 山 倫 也東北大学 大学院工学研究科 准教授
5 ヘリコンプラズマによる小型高速TSVエッチャーの開発
高 橋 和 貴有機半導体レーザーへ向けた両極性有機電気二重層トランジス 東北大学 大学院理学研究科 准教授
6タの開発
下 谷 秀 和電気化学ヘテロ接合界面を用いた1電極フルカラーエレクトロクロ 山形大学 理学部 准教授
7
ミックデバイス
松 井淳
筑波大学
システム情報系准教授
P2Pインフラを利用した超高耐性・簡易型著作権保護支援システ
8ムの提案とCGM産業への応用
延 原肇
埼玉大学 大学院 准教授
9 光周波数コム干渉による超高速３次元イメージング技術の研究
塩 田 達 俊千葉大学 工学部 准教授
10 触覚と痛覚を備えた柔軟な人工指先デバイスの開発
酒 井 正 俊低温共晶融液による低環境負荷型高安全性電解液の設計ガイド 千葉大学 大学院融合科学研究科 准教授
11
ラインの構築城 田 秀 明横浜国立大学 大学院工学研究院 准教授
12 光パターニング可能な導電性材料の創製
生 方俊
名古屋大学 未来材料・システム研究所 助教
13 半導体ZnOを用いたスピン注入素子の研究開発
大 島 大 輝三重大学
大学院生物資源学研究科
准教授
魚の視覚システムを模倣した球形レンズによる水中カメラデバイス
14
の提案
宮 崎
多惠子
カスプ磁場中のECR放電を利用した強電離プラズマ生成に関する 京都大学 大学院工学研究科 講師
15
研究四 竈 泰 一京都大学 工学部 准教授
16 新規高性能半導体接合技術の検討
田 辺 克 明原子配列制御によるTiNi系形状記憶合金の高強度化と低侵襲デ 大阪大学 接合科学研究所 助教
17
バイス開発
梅 田 純 子大画面ディスプレイ用高解像度ホログラムパターンの高速生成ア 香川大学 工学部 助教
18
ルゴリズム開発に関する研究
森
裕
香川大学
工学部
助教
受動機構による階段昇段可能な大腿義足用膝継手の開発：平地19
歩行機能と昇段機能の統合
井 上恒
高知工科大学
システム工学群准教授
偏光サニャック干渉計を用いた光渦ビームのモードスペクトル測定
20とモード分離小 林 弘 和2

No
21

研 究 テ ー マ

代表研究者

界面スピン軌道相互作用によるスピン蓄積－電流変換とその制御 慶應義塾大学 理工学部 特任助教
手法に関する研究中 山

マイクログラビア印刷技術を用いた高分子超薄膜の大量創製とそ 東海大学 工学部 講師
22
の高機能化

裕

康

砂 見 雄 太愛知工業大学 工学部 准教授
糸 井 弘 行
横波型薄膜共振子を利用した流路一体型質量センサの開発と抗 名古屋工業大学 大学院工学研究科 助教
24
原抗体反応の高感度検出高 柳 真 司無線部とCPU部のワンチップ化を容易にする2.4 GHz、6 mW動作 大阪工業大学 工学部 特任講師
25
CMOS RF受信機
木 原 崇 雄表面増強ラマン散乱による生体高分子の高感度検出を目指した 北海道大学 電子科学研究所 助教
26
柔軟に構造制御可能な金ナノ構造体の創製
三 友 秀 之東北大学 大学院薬学研究科 助教
27 新規ヘモグロビンＡ１ｃセンサーの開発
佐 藤 勝 彦環境と運動速度の異なるヒト起立動作における全身の筋協調構造 東京大学 工学系研究科 特任助教
28
の解明
安
琪
東京医科歯科大学 助教
pH応答性電界効果トランジスタと核酸増幅反応による核酸がん
29
マーカーのラベルフリー電気的計測
合 田 達 郎北陸先端科学技術大学院大学
脳と体から心を読み解くブレイン・ボディ マシン インターフェイス
30
先端科学技術研究科 准教授（BBMI）
田 中 宏 和神経回路選択的な遺伝子操作技術による皮質線条体ニューロン 新潟大学 超域学術院 特任助教
31の解析：行動選択の神経回路メカニズムとは？
吉 岡望
経頭蓋磁気刺激の高精度刺激座標推定技術と機能的磁気共鳴 高知工科大学 総合研究所 助教
32
画像の融合による運動野活動ダイナミクスの解明
木 村 岳 裕早稲田大学
先進理工学部
准教授
三次元層流マイクロ流体デバイスによる同軸多層ゲルファイバー
33を足場とした成熟血管組織作製システムの創成
武 田 直 也
「教育活動としての部活動」を実現する指導者を育成するための 京都工芸繊維大学 准教授
34
部活動指導法に関する実証的研究
来 田 宣 幸共同研究型インターンシップの学習過程の定性分析ー高度IT人 北九州市立大学 国際環境工学部 准教授
35
材の育成の普及に向けて
山 崎進
電子黒板･デジタル教科書･グラフ電卓を連携させた数学科指導 東京理科大学 理学部 教授
36の研究
清 水 克 彦π電子系を利用した水素・炭素・窒素・酸素原子のみから成る二23次電池電極材料の開発

3

【1】 新規蛍光偏光測定原理に基づくハイスループットタンパク質間相互作用解析システムの開発

代表研究者 北海道大学大学院工学研究院

教授

渡慶次 学

共同研究者 東北大学多元物質科学研究所

教授

火原 彰秀

〔研究の概要〕本研究は、多サンプル同時測定可能な新たな測定原理に基づく蛍光偏光測定システムとハイスループットス
クリーニングが可能なマイクロ流体デバイスを組み合せて、簡便かつ安価なタンパク質間相互作用解析のためのハイスループット解析システムの開発を目的とした。液晶素子とイメージセンサーから構成される蛍光偏光測定システムの高性能化とマイクロ流体デバイスを開発し、ハイスルプート解析システムを構築した。タンパク質間相互作用のモデル系により、構築したシステムの性能評価を行ったところ、微量かつ低濃度のたんぱく質試料で、タンパク質間相互作用解析が可能であることを確認した。

〔研究経過および成果〕
タンパク質間の相互作用解析は、創薬のターゲット
探索や診断マーカー探索、疾患メカニズムの解明などにおいて重要である。しかし、従来法は測定が煩雑、測定装置が高価、必要な試料量が比較的多いな
どの問題点がある。そこで本研究では、我々が開発した液晶素子とイメージセンサーを利用した蛍光偏光測定システムとマイクロ流体デバイスを組み合せて、簡便かつ安価なタンパク質間相互作用解析システムの開発を目指した。
我々が開発した蛍光偏光測定システムは、液晶素

図1

蛍光偏光測定システム

子とイメージセンサー、各種光学部品（レンズやフィルター等）から構成されている（図 1）。液晶素子に印体化されているため、液晶素子自体の光の透過率が加する電圧の ON-OFF をスウィッチングすることで、かなり低く、これが測定感度を低下させる最も大きな液晶素子を透過する光（蛍光）の偏光面をスウィッチ

原因となっていた。そこでカスタムメイドの液晶素子をングすることができる。このスウィッチング周波数とイメ作製し、透過率を 5 倍増加させることに成功した。さらージセンサーの画像取り込み周波数を同期・画像演に、同期検出における測定アルゴリズム（入力波形や算することで、蛍光の偏光度を求めることができる。市

周波数など）についても検討し、最適化した。これら

販の液晶素子は、カラーフィルターや電極などが一の開発により、測定システムの大幅な性能向上に成4功した。多サンプル同時測定を可能とするため、5×5の独立した微小マイクロチャンバーを有するマイクロ
流体デバイスを作製した。1 個のチャンバーは、300μｍ×300μｍ×100μｍ（9ｎL）のサイズで、チャンバー間の間隔は 100μｍである。約 2mm 四方に 25個のチャンバーがある。図 2 は、画像演算により得られたチャンバーの AC 画像と DC 画像、P 画像（偏光度画像）、蛍光画像である。この測定には、モデル試

図3

プロスタグランジン E2 の検量線

は、画像取得面積を広くすることや、あるいはチャン
バーサイズを小さくすることで、容易に同時に測定できる試料数を増やすことができる。本研究により、微量試料でタンパク質間相互作用解析が可能な低価
格のハイスループット解析システムの基盤技術を構築できた。
今後は、未知のタンパク質間相互作用の測定や創薬ターゲット探索などに応用していく予定である。

〔発表論文〕
１． 若尾摂, 真栄城正寿, 火原彰秀, 渡慶次学, 液
図2

取得画像

晶ディスプレイを利用した蛍光偏光イメージング,

料としてフロオレセイン水溶液を用いた。構築した蛍

ケミカルエンジニアリング, 61, 12-17 (2016).

光偏光測定システムとマイクロ流体デバイスを用いて、

２． O. Wakao, M. Maeki, A. Ishida, H. Tani, A.

5×5 の微量（9ｎL）試料の蛍光偏光度を同時に測定

Hibara,できることを確認した。タンパク質間相互作用のモデ

Polarization-Based Multiple Samples Detection

ル試料として、プロスタグランジン E2 の抗原抗体反応

Using（蛍光偏光イムノアッセイ）を用いた。図 3 に本研究でHigh-Throughput Molecular Interaction Analysis,

開発した解析システムで測定したプロスタグランジン

Micro Total Analysis Systems 2016, 1400-1401

E2 の検量線を示す。濃度とともに偏光度が減少して(2016).

おり、期待通りの測定ができている。本測定システム

5

M.

Tokeshi,Microchamber

Array

Fluorescence

Towards

【2】 微細加工シリコン基板に基づく水溶液中動作型脂質二分子膜デバイスの創成

研究者 東北大学原子分子材料科学高等研究機構/電気通信研究所 教授

平野 愛弓〔研究の概要〕本研究では，申請者らが提案してきた安定化脂質二分子膜に基づき，その膜中にイオンチャネルタンパク質を包埋することにより，新しい高機能バイオセンシングデバイスの創成を目指した．具体的には，近年，薬物による副作用性不整脈の観点から注目されている心筋のカリウムチャネル（hERG チャネル）を膜中に包埋することにより，hERG チャネルに対する副作用を高効率に評価できる薬物副作用評価系の構築を試みた．また，これまでにない新しい試みとして，脂質二分子膜中にチャネル形成材料として金属ナノ粒子を包埋して電子ナノチャネルを創成し，これに基づく水溶液中動作型電子デバイスの創成についても検討した．これにより，従来の固体エレクト
ロニクスとは全く異なる nanofluidic bioelectronics という新しい分野の創成を目指す．

〔研究経過および成果〕

薬物副作用評価系の構築を中心に検討を行った．

自然界のナノ薄膜である細胞膜は，脂質分子が二hERG チャネルに対する薬物副作用評価系を構層整列した脂質二分子膜を基本構造とし，その中に築する際に大きな課題となったのが，脂質二分子膜

イオンチャネル等の種々の膜タンパク質が埋め込まへのチャネルの包埋確率が極めて低い（～6%）というれて構成される．基本構造となる脂質二分子膜の特ことであった．2 通常，イオンチャネルは，脂質膜に包徴は，極めて高い膜抵抗（＞100 G）と流動性を兼ね備えたナノ薄膜であることである．この構造を模した人工脂質二分子膜は，細胞膜モデルとして期待されたものの，その脆弱性が大きな課題であった．最近，

図２．ベシクル融合の模式図

我々は，半導体微細加工との融合により安定な脂質

まれたプロテオリポソームの状態で抽出され，あらか

二分子膜の形成に成功し 1，脂質二分子膜の応用可じめ形成した二分子膜とリポソームとの膜融合によっ能性を拓いた．本研究では，この安定化脂質二分子て脂質二分子膜へと包埋されるが（図２），この確率膜に基づく新しい高機能バイオデバイスの創成を目が極めて低いことが人工細胞膜系における課題であ指し，特に近年，薬物副作用の問題から注目されてった．一方，膜融合は，細胞からの物質分泌時のモいる心筋の K チャネル（hERG チャネル）を対象とした

デル系としても注目され，多くの研究がなされている．
特に Zimmerberg らはその中間状態について詳細に検討し，加えられたプロテオリポソームの大半が膜近傍に到達していないことを報告していた．3 私達は，この論文に着目し，リポソームの脂質二分子膜へのア

図１. 本研究で創製する副作用評価チップ

6

クセスを促進することにより，膜融合およびチャネル

上述のように膜系の構築プロセスの向上を達成し包埋を促進できるのではないかと考えた．そこで，膜た一方で，ハイスループット測定系（16 ウェル型）の構

融合の際に遠心力を負荷できる測定系を構築し，遠築も検討した．その結果，これまでに 9 ウェル型のチ

心力によるチャネル包埋促進について検討した．4

ャンバーでの必要タンパク質量を 20 分の 1 にまで始めに，微細孔のないシリコンチップを測定系に装減じたチャンバーを構築し，この測定系でのチャ

着して遠心を行い，遠心後のチップ表面の原子間力

ネル電流の計測に成功している．今後は，これを顕微鏡により，14 x g 以上の遠心力であればチャネ

生物系でよく用いられる 96 ウェル型へと拡大し

ル含有リポソームを脂質二分子膜近傍まで輸送できて high throughput なイオンチャネル測定系を構築ることを確認した．そこで，hERG チャネルを対象に，し，副作用評価系の実現へと展開したいと考えてこの遠心条件によるチャネル包埋促進について検討いる．この他の検討としては，脂質二分子膜に基した結果，チャネル電流を記録できる確率が従来のづく新しい水溶液中動作型の電子デバイスの創成

約 10 倍（67％）に向上し，図 3 のようなチャネル電流を目指し，脂質二分子膜中にナノ粒子を包埋し，を高確率で記録できるようになった．同様に，他のヒト

その電気特性を評価した．今後は，得られた基礎

チャネルの Nav1.5 チャネルや GABAA 受容体の高効データに基づいて新規デバイスの創成へと発展さ率（67%）包埋にも成功した．プロテオリポソームにかせたい．

かる遠心力を見積もった結果は 10-3－10-2 pN であり，〔発表論文〕

近接した二分子膜間の融合に必要な力に比べて著

１． A. Hirano-Iwata, et al., Langmuir, 26, 1949
(2010).

しく小さかった．これにより，遠心力による膜融合促進

２． A. Oshima, A. Hirano-Iwata, et al., Anal. Chem.,が，膜融合過程の促進ではなく，プロテオリポソーム

85, 4363 (2013).

の脂質二分子膜へのアクセスの促進によるものであることが分かる．すなわち，遠心力により膜近傍にプ

３． J. Zimmerberg, et al., PNAS, 94, 14423 (1997).

ロテオリポソームが濃縮され，膜融合確率の増大に４． A. Hirano-Iwata, et al., Biophys. J., 110, 2207
(2016).

つながったものと考えられる．

(a)

(b)

(c)

図３．記録したチャネル電流の例．(a) hERG チャネル電流，(b) Nav1.5 チャネル電流，(c) GABAAR チャネル電流7【3】 超薄膜アナログフロントエンド回路を用いた微小生体電位計測技術の開発

大阪大学産業科学研究所 教授

関谷毅〔研究の概要〕超少子高齢社会を迎え、次世代医療・ヘルスケアの研究が盛んに行われている。とりわけ生体の状態検知技
術はその根幹であり、柔らかく、動きのある生体を正確に計測する技術開発に注目が集まっている。
本研究では、関谷らのグループが世界に先駆けて開発した「世界で最も薄膜で、最も柔軟性のあるフレキシブ
ルエレクトロニクス技術」[1,2,3]を応用し、超薄膜フレキシブル生体信号計測用アナログフロントエンド回路を搭載した生体電位計測センサシートを開発することを目的とした。 脳波および心電計測といった生体活動電位の計測に注力し、超薄膜センサを用いて、ヒトの活動時でも、「違和感なく、自然な生体情報（特に細胞活動電位：
脳波、筋電位、心電位、眼電位）を計測できるセンサシステム」の基盤技術開発を行ってきた。

研究背景と目的

ムなど機械的特性に優れた基材に作製する研究開

ウェアラブルエレクトロニクスの多くは、体温、心拍、発は、国内外で精力的に進められており、フレキシブ

加速度などを統合的に計測することで、活動強度やルエレクトロニクスと総称されている。

体調などを継続的に把握することができ、健康管理や医療に用いられはじめている。さらに最近では、筋

本研究では超薄膜フレキシブル生体用アナログフ

電や心電の計測が可能なパッチ式ウェアラブルセン

ロントエンド回路を搭載し、多点に生体電位計測セン

サが開発され、活動時の計測が始まっている。しかしサノードを配置した 1m 厚みのマルチチャンネルセ

ながら、生体活動に伴う生体電位変化は、あらゆる情

ンサシートを開発する取り組みを進めてきた。

報を含むため、とりわけ活動中の筋電に覆い隠され、「違和感なく、自然な生体情報（特に細胞活動電正確に計測することが容易ではない。そもそもヒトを位：筋電位、心電位、眼電位）を計測できる柔らかい

正確に計測するためには、よりヒトに近い位置にセンセンサアレイを生体に直に貼り付け、生体活動の 2 次

サを取り付けることが求められるが、硬いセンサを柔ら

元情報を、高感度に計測することを目的とする。

かい体表に付けると、硬さの違いから違和感が生じる

研究成果

ため、柔らかいセンサが好ましい。さらに、微弱な生

関谷らのこれまでの研究成果[1-3]によりすでに作

体信号をノイズに埋もれることなく取り出すためには、

製プロセスが確立している。そこで本研究では、フレアンプ機能を含むアナログフロントエンド回路を生体

キシブル有機トランジスタの TFT 特性モデルを抽出

信号源の直近に配置する必要がある。すなわち高感し、高利得、広帯域で動作するアンプの回路設計を度のアナログフロントエンドを装着感なく、違和感なく行った。数十個の TFT より構成されるフロントエンドア

生体へ貼り付けられる柔軟な集積回路技術が必要にンプにおける設計とシミュレーションにより動作確認をなる。エレクトロニクスを柔らかいプラスティックフィル

行った後、実際に作製し、その回路動作を確認した。

8

その結果、有機薄膜トランジスタによるシングルエンドとを突き止めた。これは既存の Bluetooth Low Energy

アンプ回路構成において、信号増幅率 500 倍、動作

（BLE）を使用できることを意味しており、本研究では

速度１ｋHz を確認した。有機薄膜トランジスタの移動

BLE 無線通信技術を採用した。

度が 1.0cm2/Vs であることから動作周波数は１ｋHz に本研究では、平田雅之教授（大阪大学 MEI センタ

とどまるが、生体活動電位の周波数がおよそ１ｋHz 以

ー、脳外科医）との共同研究により、生体信号取得の内であることからこれは、脳波や心電を計測する場合

最適化の観点から、有機センサと Si-LSI の集積化をには十分な動作速度であることを確認した。

行い、フレキシブル生体センサを自立させるシステム

次に、フレキシブル有機センサが生体へ密着し、開発を行い、その有用性を検証することができた。

精度の高い生体信号が取得できるようにするために（まとめ）

高導電性ハイドロゲルをコーティングする技術開発を点”ではなく、大面積な“面”センサにより生体計測

進め、ここでは市販されている薄膜のアクリルアミドゲ

することで、空間分解能を持つ計測、かつ時間発展ルを採用した。生体適合性に優れ、かつ密着性に優計測が可能である。さらに現在のウェアラブルエレクト

れていることから安定して生体計測でいることを確認

ロニクスは、ヒトの持つ個体差の問題により正確な生した。

体計測が出来ないという本質的な課題がある。

ここで有機センサを生体表面に装着したり、生体内本研究では、多点の生体センサアレイをヒトの表面へ展開するためのフレキシブル封止膜の開発が不可に広く展開することで、状態を“マッピング（差分読み欠であった。本研究では、パリレン高分子膜と金属薄出し）”することで、この本質的な課題をクリアできる。

膜の積層構造膜により長期間安定してトランジスタ性

この研究活動を通して、測定精度の高さのみならず、能を維持できることを確認した。

「違和感なく装着できる次世代ウェアラブルエレクトロ

最後に、フレキシブル生体センサを自立型にする

ニクス」「雑音の多い生体計測の高精度化を実現」す

ためには、Si テクノロジーにおいてすでに実績のあるることで、生活に密着したエレクトロニクスの新しいあ

メモリ、CPU、無線通信機器との集積化が欠かせない。

り方を社会に提案することができた。

本研究で開発したフレキシブルアンプおよびセンサの駆動電圧は２V であるため、駆動電圧の観点から〔発表論文〕

は問題なく集積化が出来る。

１． Tsuyoshi Sekitani, et al.,

本研究では、駆動電圧の整合性という大きな課題

Science, 326, 1516

(2009).

をあらかじめ克服していたことから、ここでは、どの程

２． Tsuyoshi Sekitani, et al.,度の通信速度、通信頻度で外部へ情報を送り出すの

Nature Materials 9,1015 (2010).

が良いかなどの通信速度の最適化条件について検３． Martin Kaltenbrunner, Tsuyoshi Sekitani, et al.,

討を進めてきた。その結果、脳波計測においては、とNature 499, 458 (2013).

りわけ睡眠中や安静時の脳波ではリアルタイム計測

本研究に関する論文は現在準備中であり、検証実験であっても３０ｋｂｐｓ程度の通信レートで十分であるこ

終了後に投稿を予定している。

9

【4】 スーパー・キスによる魚類の春機発動早期化技術の開発

研究者 九州大学大学院農学研究院 教 授

松山 倫也〔研究の概要〕
海産魚マサバを対象にして、脳内神経ペプチドであるキスペプチン（Kiss）の構造・機能解析ならびに合成
Kiss の生体内投与による春機発動促進実験を行った。その結果、マサバの Kiss1 コアペプチドの構造、Kiss1受容体との結合能を明らかにするとともに、GnRH ニューロンが Kiss1 により直接的に制御されていることを、魚類で初めて明らかにした。一方、Kiss1-16 を用いた春機発動促進実験では、想定したものと逆の結果となり、むしろ抑制作用を示した。Kiss1-16 は強いシグナル伝達能があることから、過剰投与による抑制作用の存在がうかがわれた。

〔研究経過および成果〕

チド含量はきわめて微量であることがうかがわれた。

1) マサバの内因性キスペプチン分子の同定

そこで次に、CHO 細胞に発現させた Kiss1 受容体を

これまでに Kiss1 の構造が報告された魚種ではすべて、用いたレポーター遺伝子アッセイにより、マサバ

機能的コアペプチドが 15 アミノ酸残基により構成される

Kiss1-15 と Kiss1-16 のシグナル伝達強度を測定した。

Kiss1-15 であるのに対して、マサバのみ、塩基性アミノ酸

その結果、マサバの Kiss1-16 は Kiss1-15 に対してが Kiss1-10 部位の N 末端側 7 アミノ酸上流に位置するこ

100 倍以上のシグナル伝達能を示したことから、機能とから、機能的ペプチド型として 16 アミノ酸の Kiss1-16 が的コアペプチドは Kiss1-16 であることが強く示唆され産生される可能性が考えられた。そこで、マサバ脳内のた（図 1、論文 1）。さらに、マサバを含むサバ科魚類 17

内因性 Kiss のペプチド型の同定を試みた。4 種合成種（サバ属 3 種、マグロ属 8 種、カツオ属 1 種、サワラ属

Kiss ペプチド（Kiss1-16、 Kiss1-15、 N 末端がピロ
グルタミル化された pKiss1-15）および Kiss2-12 の混合試料を逆相クロマトグラフィー（RP-HPLC）で分離
し、各ペプチドの溶出時間（ピークタイム）を求めスタ
ンダードとした。マサバ約 100 尾の脳の視床下部ホモジネートを超遠心し、上清を限外ろ過して除タンパクを行った。さらに、スタンダードと同条件でマサバ脳抽
出液を HPLC により分離し、各ペプチドのピークフラク
ションを回収し、nanoLC/IT-TOF-MS による分析を

図 1.各種 Kiss1 コアペプチドの Kiss 受容体への結合能行った。しかし、スタンダードと同じペプチドは同定さ1 種、スマ属 1 種、ハガツオ属 1 種、ソウダガツオ属 2 種）

れず、今回のサンプル中に含まれる目的とするペプの Kiss1 の遺伝子クローニングを行い、サバ科魚類の10

Kiss1 コアペプチドのアミノ酸配列を調べた。その結果、始が認められた。一方、Kiss1-16 投与群では雄同様

アミノ酸配列はサバ科内において極めて高い相同性に濃度依存的な発達の遅延が認められ、1 mM 投与を示したが、開裂を受けるアミノ酸配列の違いにより、マ区において卵黄蓄積を開始した個体は 3 割以下にサバ、ゴマサバ、タイセイヨウサバのサバ属 3 種のみ留まった。

が 16 アミノ酸（Kiss1-16）で、それ以外の属では 15 ア

以上の結果より今回の実験では、Kiss1-16 投与にミノ酸（Kiss1-15）であることが示された（論文 2）。

よる生殖腺発達の抑制が認められ、Kiss1-15 を用い

2） 未成熟マサバへの Kiss1 ペプチド投与実験て急速な成熟促進を誘導した我々の先行研究

マサバの機能的 Kiss1 型である Kiss1-16 の長期的（ Selvaraj et al.,2013 ） と は 逆 の 結 果 と な っ た 。

投与が生殖腺の発達に与える影響を調べるために、

Kiss1-16 による生殖腺の発達抑制作用は濃度依存

未発達な生殖腺をもつ雌雄の成魚（2 歳+）を材料とし的に認められたが、Kiss1-16 は Kiss1-15 と比較して、て、Kiss-16（1 mM, 10 M, 100 ｎM）および GnRHa

Kiss1 受容体に対して約 100 倍以上のシグナル伝達（1 mM）を、長期徐放作用のある浸透圧ポンプを用い能をもつ（図 1）ことから、Kiss1-16 の高濃度の投与がて腹腔内投与した。2015 年 12 月 1 日に各濃度区 20

逆に抑制効果をもたらしたのかもしれない。

尾ずつに対して投与し、3ｔ水槽で給餌飼育し、2016

上記の仮説を検証するために、2017 年 1 月から新

年 1 月 14 日に取り上げた。その結果、雄では GnRHa

たな実験を始めた。2016 年 5 月生まれの当歳魚（0および Kiss1-16（1 mM および 10 M）投与群の生殖歳+）を対象にして、Kiss1-16（100 M, 10 M, 1 M,

腺重量と GSI（生殖腺重量比）値が、Sham control 群

100 nM）投与区、Kiss1-15（100 M, 1 M）投与区、よりも有意に低い値を示した。また、Kiss1-16 投与群

GnRHa（100 M）投与区を設け、2017 年 1 月 10 日にでは濃度依存的な生殖腺重量および GSI 値の低下

腹腔内に浸透圧ポンプで投与した。50 日後の 3 月初が認められた。雌では、いずれのペプチド投与群に旬に取り上げ、解析予定である。

おいても Sham control 群との間に GSI 値の差は認められなかったが、卵径測定の結果、高濃度の〔発表論文〕

Kiss1-16 投与群で発達の鈍化が認められた。

１． Ohga H, Adachi H, Kitano H, Yamaguchi A,

生殖腺の組織切片を観察した結果、雄では Initial

Matsuyama M. (2017) Kiss1 hexadecapeptide

control で 7 割弱が精子形成初期以前のステージだ

directly

ったが、Sham control では全個体が精子形成中期以hormone 1 in the scombroid fish, chub mackerel.

降のステージに進行しており、1 割強の個体で排精がBiology

認められた。一方、Kiss1-16 投与群では濃度依存的

doi:10.1095/biolreprod.116. 142083. in press.

に発達の遅延が認められ、1 mM 投与群では精子形

２． 赤瀬芙美子，大賀浩史，山口明彦，太田耕平，

成初期の個体が 2 割弱認められた。

regulatesof

gonadotropin-releasing

Reproduction,

2017,

1–13

松山倫也．サバ科魚類における Kiss1 コアペプ

雌の Initial control では全個体が前卵黄球期であチドのアミノ酸配列．平成 28 年度日本水産学会

り、Sham control では 7 割強の個体で卵黄蓄積の開九州支大会（長崎）2016 年 12 月 10 日

11

【5】 ヘリコンプラズマによる小型高速 TSV エッチャーの開発

研究者 東北大学 大学院工学研究科 准教授 高橋和貴

〔研究の概要〕本研究では，小型・高速のシリコンエッチャーの開発へ向けて，小型・高効率の高周波ヘリコンプラズマ源の開発，および外部磁場構造によるプラズマ密度，ラジカル密度の制御法の開発，それらの技術を用いた高速シリコ
ンエッチャーの開発を行う．高密度プラズマ生成が可能な高周波ヘリコンプラズマ源に磁気フィルタ構造を重畳した際に，定在波ヘリコン波放電が起こることが実験的に明らかになり，磁気フィルタ構造の上流域で局所的な電子加熱が起こり，シリコンエッチングレートを決定するラジカル種を効率よく生成可能であることが分かった．一方で，波動が反射されるために，磁気フィルタ下流域には高周波電磁場が存在せず，低電子温度を実現可能であることが示された．今回開発した小型のヘリコンプラズマ源へと Ar, SF6 の混合ガスを導入して，8m/min のシリコンエッチングレートを得ることに成功した．

〔研究経過および成果〕
図 1 は，ヘリコン波プラズマ源の下流域に永久磁石
ヘリコンプラズマ源

対を設置，すなわち磁気フィルタを重畳した際の，磁磁気フィルタ

場構造計算結果である．局所的な磁場ベクトルを矢印で図示しているが，z = 250mm 近傍にて急激に磁力線が曲げられた構造を取ることが分かる．ここで，ヘリコン波プラズマ源は，プラズマ発生部に相当する
絶縁管，高周波電力を印加する誘導結合性アンテナ，

図 1: ヘリコン波プラズマ源へ磁気フィルタを重畳した際の，磁力線構造計算結果．

およびソレノイドコイル群から形成されている．今回は250mm 近傍にて高温電子が発生していることが分か

プラズマ源の動作試験として水素ガスを導入し，周波り，磁気フィルタ非重畳時にはこのような現象は観測数 8MHz，最大 4kW を投入可能な高周波アンプを用されないことが分かる．一方で，磁気フィルタ下流域

いてプラズマ生成を行い，プラズマ密度の空間分布の z=300mm 近傍では，磁気フィルタを重畳した場合

計測，ラジカル発生レートを決定する電子エネルギの方が電子温度を低下可能であることが分かった．

ー確率関数，および高周波磁場の計測を実施した．

すなわち磁気フィルタを導入することによって，高温

図 2 は，(a)磁気フィルタ重畳時，(b)磁気フィルタ非重電子発生領域と低電子温度領域を隣接して生成可畳時の条件下で計測した電子エネルギー確率関数

能であることが明らかになり，基板近傍にて高温電子の z 方向分布である．磁気フィルタを重畳した図 2(a)によるラジカル発生，および低電子温度化によるプラの計測結果を見ると，磁気フィルタが存在する z =ズマダメージの抑制が可能となるため，高速シリコン

12低電子温度
高温電子発生図 4:シリコンエッチングレートの基板位置依存性．
って電子加熱とラジカル生成が促進される一方で，フィルタ内部へは高周波電磁場が浸透しないため，電子冷却過程が維持されることが明らかになったといえる．また，Ar+SF6 の混合ガスを導入し，基板ステージ
上に設置したシリコンウエハのエッチング実験を実施した．高周波電力 50W 以上にて急激なプラズマ密度上昇に付随して，シリコンエッチングに寄与するフッ
図 2: 磁気フィルタ(a)重畳時，(b)非重畳時における電子エネルギー確率関数の計測結果．

素ラジカルの自発光が増加することが分かった．また同時にシリコンエッチングレートが増加することも観測

エッチャーの開発につながる知見が得られたといえる．
この電子加熱・冷却機構に関しては，磁気フィルタ構された．さらに基板ステージの位置や動作条件を最適化することで，エッチングレートを 8m/min まで増造により高周波電磁場に対するプラズマ屈折率が局加させることに成功し (図 4)，本研究期間内の目標

所的に変化することで，定在波ヘリコン波が励起され値を達成できたといえる．今後，実用化を視野に入れることが実験的に示された．したがって磁気フィルタ

た高周波電源を含む装置の小型化や安定動作に関直情にて局所的な波動電磁場が誘起されることによしても開発を進める予定である．
〔発表論文〕
１． K. Takahashi et al., Physical Review Letters, 116,
135001 (2016).
２． K. Takahashi et al., Plasma Sources Science andTechnology, 25, 055011 (2016).
３． K. Takahashi et al., Physics of Plasmas, 23,033505 (2016).
４． K. Takahashi et al., ‘Frequency-tuned induct-

図 3: Ar+SF6 プラズマ中の F ラジカル発光強度およびシリコンエッチングレートの高周波
電力依存性．

ively-coupled and helicon plasma source’, to besubmitted.

13

【6】 有機半導体レーザーへ向けた両極性有機電気二重層トランジスタの開発

研究者 東北大学大学院理学研究科 准教授

下谷 秀和〔研究の概要〕有機発光トランジスタのための新規有機半導体について、トランジスタ特性および光学特性を明らかにした。既存物質のフェニレン―チオフェンコオリゴマーの硫黄原子を酸素原子に置換することにより、キャリアの電界効果
易動度を低下させることなく発光効率を増加させられることを明らかにした。また、強励起時にゲインナローイングを起こす発光バンドの本数が有機半導体の種類によって異なる原因が再吸収の強度によるものであることを明らかにした。さらに、有機半導体単結晶を用いた両極性電気二重層トランジスタの開発に成功した。

〔研究経過および成果〕

いるのに適した新規有機半導体について電気的、光有機半導体を用いた素子として有機感光体ドラムを学的な物性の研究を行った。

始めとして有機 EL など様々なものが実現されている。

図２に本研究に用いた有機半導体 BP2T、BPFT、

そのような中で、有機半導体素子として残された大きBP2F の分子構造を示す。これらは電子・正孔の易動な課題は電流励起レーザーの開発である。有機半導度と発光の量子収率の高い BP2T をもとに設計・合成

体は、材料設計自由度の高さから発光効率が高く、された分子である。いずれも、アルゴンガスを用いたかつ紫外から赤外までの幅広い発光波長をカバー

物理気相輸送法により、厚さ数百 nm の板状の単結する様々な発光材料を容易に開発することができる。

晶を作製することができる。これらの単結晶を用いて、しかし、無機半導体に比べ抵抗が高いことから、発光

トランジスタ特性および光学的特性の測定を行った。

の増幅に必要な電流密度を得るのが難しい。これを絶縁層にポリメタクリル酸メチルで被覆した二酸化克服するために電界効果トランジスタや、その一種でケイ素を用いて作製した単結晶電界効果トランジスタ

ある電気二重層トランジスタ構造により静電的にキャの電子及び正孔の易動度を表１に示す。BP2T 分子

リアをドーピングし、低抵抗化を目指す試みがなされ中に２個あるの硫黄を酸素に置換するごとに正孔易ている（図１）。本研究では、そのような素子構造で用動度が増加した。また、BP2F ではｎ型動作は見られ

電極

発光

S

電極

S

有機半導体

BP2T
O

＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － －

S

絶縁層

BPFT

ゲート電極

O
O

BP2F
図 1．有機発光トランジスタの模式図

図 2．本研究に用いた有機半導体の分子構造

14

る。

表１．有機半導体単結晶の電子・正孔の電界効果易動度（μe、μh）および光励起発光の外部量子収率（Фex）

以上のように、易動度を低下させることなく発光効

分子名μe (cm2/Vs)

μh (cm2/Vs)

Фex (%)

率を上昇させた新規有機半導体の開発を行い、その

BP2T

0.011

0.08

38

発光特性を明らかにした。また、これらの半導体を用

BPFT

0.013

0.27

51

いた両極性有機電気二重層トランジスタの開発にも

BP2F

-

0.32

37

成功したが、論文、特許の公開前のため詳細は略す。

なかった。これらは硫黄を酸素に置換することにより、〔発表論文〕

最低空軌道、最高被占有軌道のエネルギー固有値

１． Kazuaki

Oniwa, Hiromasa

Kikuchi, Hidekazu

Shimotani, Susumu Ikeda, Naoki Asao, Yoshinori

がともに上昇するという計算結果と一致している。

Yamamoto, Katsumi

Tanigaki and Tienan

存物質である BP2T よりも高い値を示した（表１）。X 線“2-Positional

pyrene

構造解析により、BPFT 分子は血漿中では直線状のoligothiophenes for high performance organic field

ものと折れ曲がったものの２種類の形状が交互に並

effectんでいることが明らかとなった。これにより、BP2T や

4800-4803 (2016).

光励起による発光の外部量子収率は BPFT が既transistors”,

Jin,

end-capped

Chem.

Commun.

52,

２． Kazuaki Oniwa, Hiromasa Kikuchi, Thangavel

BP2F で見られる H 会合による発光効率低下が起こら

Kanagasekaran, Hidekazu Shimotani, Susumu

ないためであると考えられる。
また、図４に示すように強励起時に BPFT 単結晶のIkeda, Naoki Asao, Yoshinori Yamamoto, Katsumi

み２本のゲインナローイングピークを持つことが分か

Tanigaki, Tienan Jin, “Biphenyl end-cappedbithiazole co-oligomers for high performanceorganic thin film field effect transistors”, Chem.

Commun. 52, 4926-4929, (2016).
３． Hui Shang, Hidekazu Shimotani, Susumu Ikeda,
Thangavel

Kanagasekaran,

KazuakiOniwa,

Tienan Jin, Naoki Asao , Yoshinori Yamamoto,
Hiroyuki Tamura, Kenta Abe, Miyuki Kanno,
Masayuki Yoshizawa, and Katsumi Tanigaki, ”
図４．(a)BP2T、(b)BPFT、(c)BP2F の吸収スペクトル（黒実線）、単結晶発光スペクトル（黒破線）、多結晶薄膜
発光スペクトル（灰破線）、ASE スペクトル（灰塗り）、
過渡吸収スペクトル（灰実線）。

ComparativeGain-Narrowed

Study

of

SingleEmission

and

Dual
in

った。これは、BP2T、BP2F では強い再吸収により

Thiophene/Furan/Phenylene

0-1 振電遷移による発光の増幅が抑えられるのに対Single Crystals” J. Phys. Chem. C, published

し、BPFT では再吸収が弱いためであると考えられ

online[DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b10827] (2017).

15

Co-Oligomer

【7】 電気化学ヘテロ接合界面を用いた 1 電極フルカラーエレクトロクロミックデバイス
研究者 山形大学理学部 准教授

松井 淳〔研究の概要〕エレクトロクロミズムを用いた表示デバイスは、発光型表示デバイスと比較した場合、消費電力が小さく、大容量の電池を必要としないため、クリーンでコンパクトな次世代のディスプレイ材料として注目されており、多色化への試みがなされている。本研究では申請者が提唱しているポテンシャル勾配に基づく海王
構造制御により１電極で多色着色可能なエレクトロクロミック材料を構築した。レドックス伝導を示すル
テニウム錯体高分子電解質とエレクトロクロミズムを示すプルシアンブルー(PB)を、静電相互作用を用いた交互積層(LbL)法により階層構造化した。LbL により階層構造化することで一つの電極電位で PB とその酸化体であるプルシアンイエロー(PY)が同時に存在でき、これより、青、黄色、緑の三色に着色することが可能となった。

可能な多色エレクトロクロミズム材料の創製を目指〔研究経過および成果〕
エレクトロクロミズムは材料が電気化学反応によした。具体的には Ru 錯体含有カチオン性高分子

り酸化または還元することで、着色する現象である。

(p(CM/Ru))とプルシアンブルー(PB)ナノ粒子を 2 層

ポリアニリンやポリビオロゲンなどのπ共役系高分に階層構造化することによる Ru/PB 界面における子、プルシアンブルーなどの金属錯体、酸化タング

電子移動制御を利用した多色エレクトロクロミズム

ステン(Ⅵ)などの金属酸化物がエレクトロクロミッ

材料を創製した。
p(CM/Ru)は4-(Methacryloylmethyl)-4’-methyl-2,2’-

ク材料として広く知られている。材料を選択するこ

bipyridineとtrimeth-yl-2-methacroyloxyethylammoniuとで多様な色に着色可能であるため、フルカラー電

Chlorideを共重合し、その後Ru(bpy)2Cl2と還流し配子ペーパへの応用が期待されている。例えば、シア

位させることで得た。PBナノ粒子はフェロシアン

ン、マゼンダ、イエローに着色するエレクトロクロ

化カリウムと硝酸鉄(�)を反応させることで得た[3。

ミック材料を塗り分け、３つの作用電極を重ねるこ

Ru/PBハイブリッド薄膜はp(CM/Ru)とカウンターとで、フルカラー着色する手法がリコーにより報告

ポリアニオンとしてポリアクリル酸ナトリウムのされている。しかし、この方法で作製された素子は組み合わせで交互に3回ずつ浸漬し、その上にPBナ

素子構造自体が複雑なものとなってしまっており、ノ粒子とカウンターポリカチオンとしてポリエチ

エレクトロクロミズムの利点であった単純な素子構

レイミンの組み合わせで交互に3回ずつ浸漬するこ造が犠牲となってしまっている。そこで我々はとで作製した。得られた薄膜の電気化学挙動をサイ

Langmuir-Blodgett 膜を用い、多様な材料をその酸

(a)

(b)

化還元電位に基づいて階層構造化することで、電子移動制御による単一の電極による新規多色エレクト
ロクロミズムについて報告してきた。しかしながら
Langmuir-Blodgett 膜は色素の密度が低く視認できるまでのエレクトロクロミズムを示すことが出来なかった。そこで本研究ではより高密度に集積可能な
Fig. 1. Chemical structure of (a) p(CM/Ru) and (b)PB nanoparticle.

交互積層(LbL)法を用いた階層構造制御により視認

16

クリックボルタンメトリー(CV)により測定し、電極引し、電位を保持した場合、PB・PY とは異なるス

反応に伴う色の変化を紫外可視吸収スペクトル測

ペクトルが観測された。これは、PY の一部が還元せ定により評価した。

ず酸化状態を保持しているため、PB と PY が共存し＜結果・考察＞ているためであると考えられる。この結果からも触Ru 薄膜、PB 薄膜の CV 測定より、Ru 薄膜では 1.1

媒的酸化サイトと直接反応サイトの存在が示唆され

2+

V(vs Ag/AgCl)付近に Ru /Ru 由来の酸化還元ピー

た。また、その変化は十分に視認することができた

クが、PB 薄膜では 0.1 V(vs Ag/AgCl)と 0.8 V(vs（Fig. 2.）。以上の結果より、LbL 法により形成されAg/AgCl)付近にそれぞれプルシアンホワイト/PB 、る高分子とナノ粒子の特異的な界面構造により触媒

PB/プルシアンイエロー(PY)由来の酸化還元ピーク

的酸化サイトと直接反応サイトができ、異なる酸化が観測された。一方で、Ru/PB ハイブリッド薄膜の還元状態の PB ナノ粒子が存在できるため多色エレ

CV 測定では、0.8 V(vs Ag/AgCl)と 1.1 V(vs Ag/AgCl)

クトロクロミズムが発現し、視認化に成功したと考付近にそれぞれ酸化還元ピークが観測された。これ

えられる。

3+

らはそれぞれ PB、Ru 錯体に由来する酸化還元ピー
クであり、2 層膜においてもそれぞれが酸化還元可(a)能であることを示している。また、1.1 V(vs Ag/AgCl)

(b)

(c)

付近の酸化還元ピークにおいて、還元ピークの電流値はサイクルに依存せず一致しているのに対し、酸化ピークの電流値は 2 サイクル目以降大きく減少しFig. 2 Photograph of Ru/PB hybrid film measured at(a) initial state (b) 1.45 V (vs Ag/AgCl) and (c) after
the potential of 0.25 → 1.4 → 0.5 V(vs Ag/AgCl).

た。これは、外膜の PB の一部が Ru の酸化により触媒的に酸化されたためであると考えられる。つまり、LbL 法により構築した 2 層膜では電極と直接酸化還元可能な PB と、Ru 錯体のメディエーションにより触媒的酸化サイトの還元方法について検討しており、酸化される PB の２種類が存在することがわかった

一度酸化した基板の電位を 0 V(vs Ag/AgCl)付近まで掃引すると、還元電流が観測されるとともに、触媒的電流が再び観測されることがわかった。さらにスペクトルが電位掃引前に戻ることが確認されている。
これは系内に存在する酸素がメディエータとして働いているためである。

〔発表論文〕

Scheme 1 Interfacial electron transfer in Ru/PB film.
(Scheme 1.)。
そこで、2 層膜のエレクトロクロミズム特性について紫外可視吸収スペクトル測定により検討を行った。掃引前は 700 nm 付近に PB 由来の強い吸収が見られた(Fig. 2.(a))。続いて 1.4 (vs Ag/AgCl)V に掃引後、電位を保持した状態の吸収スペクトルは、掃引前の吸収スペクトルと比較して 700 nm 付近の吸収が減
少し 420 nm 付近の吸収が増加した(Fig. 2.(b))。これは PB が PY へ酸化されたためであると考えられる。
一方、一度酸化した薄膜を 0.5 V(vs Ag/AgCl)まで掃17

１． Y. Hashimoto, T. Sato, R. Goto, Y. Nagao, M.
Mitsuishi, S. Nagano, J. Matsui, "In-planeoriented highly ordered lamellar structureformation of poly(N-dodecylacrylamide) inducedby humid annealing" RSC Adv. 7 6631-6635(2017).
２． H. Zhu, S. Yamamoto, J. Matsui, T. Miyashita, M.
Mitsuishi, "Highly oriented poly(vinylidene
fluoride-co-trifluoroethylene) ultrathin films withimproved ferroelectricity" RSC Adv. 6
32007-32012 (2016).

【8】 P2P インフラを利用した超高耐性・簡易型著作権保護支援システムの提案と CGM 産業への応用研究者 筑波大学システム情報系 准教授

延原 肇〔研究の概要〕現行の著作権登録制度は 1) 手続きが煩雑、2) 申請完了までの時間が長い、3) 費用が高いため、大量の電子データを取り扱う CGM（Consumer Generated Media）サービスにおける著作権保護には適用困難である。この問題を解決するため、ブロックチェーン技術を利用した分散型タイムスタンプサービス、およびそれに基づく超高耐性・簡易型著作権保護支援システムを提案する。提案するシステムでは、著作権情報を電子データの関連情報をアドレスとしてブロックチェーンに格納させることで、最大 40 バイトしか格納できなかった点を解消するとともに、ブロックチェーン特有の安全性、手軽さを最大限に活用している。提案手法の有効性を確認するため、Bitcoin のブロックチェーンを利用したシステム実装を行い、提案手法による申請は 0.4 円というコスト及び申請完了まで平均 10 分で完了という結果を得ている。

〔研究経過および成果〕

本研究では手軽・安全・安価・即時な分散型タイム

電子データの改ざんと偽造は痕跡を残さずに比較

スタンプに加えて、格納できるデータ量を増加させる

的容易にできるため、著作権侵害の問題が発生しや手法を提案することで、超高耐性・簡易型著作権保すい。それに対して、文化庁による著作権登録制度

護支援システムを提案する。具体的には、電子デーがあるが、現行の制度は、1) 手続きが煩雑、2) 時間

タの要約および関連情報をビットコインの N 個アドレが長い、3) 費用が高い、といった問題点がある。これ

スに変換し、この N 個アドレスに小さい金額を送金すに対する解決策の一つとして、第三者機関であるタイる。取引がブロックチェーンに記録される時点はタイムスタンプ認証局、時刻認証局などにより発行される、

ムスタンプとする。提案手法により、最大 N*40 バイト

電子データの存在性と非改ざん性を証明する信頼での 電子データの格納が実現できる。以下、提案手法

きるタイムスタンプ(Trusted Timestamping)という技術の手順をまとめるとともに、図 1：にそのコンセプトを示がある。しかし、タイムスタンプ認証局のサーバへのす。

ハッキングにより時刻が改ざんされた場合、安全性とステップ１：ユーザーはウェブ画面で N 個の情報信頼性の問題が発生する。この問題点に対して、P2Pを入力する。例えば、入力１：電子データとの名

電子通貨ビットコインのインフラである、ブロックチェ

前；入力２：作者の名前；…入力 N：作品の電子ーン（Blockchain）による信頼できるタイムスタンプサ

ファイル。

ービスが登場している。このサービスに関しても、最ステップ２：第 1 から N-1 の入力は 16 進数に変換

大 40 バイトのデータしか格納できない、といった改善

し、第 N 個の入力のハッシュ値をハッシュ関数の余地が残されている。

RIPEMD-160 で計算する。

18

ステップ３：Base58 というエンコード手法で第１日本円に換算すると、約 0.4 円になるので、すなわち、から N 個の入力を N 個のビットコインのアドレス

CGM サービス等で著作権を申請する場合には、最に変換する。

低 0.4 円という非常に安価なコストで、信頼できる著

ステップ４：N 個のアドレスに小さい金額を送金

作権保護支援システムを機能させることができること

し、特殊な取引をビットコインのネットワークにになる。これは、現状の著作権保護のシステムおよび、

ブロードキャストする。この取引がブロックチェ

爆発的に増加する CGM 産業に対して、本質的なソリーンに記録された時点は分散型タイムスタンプとューションを与えることができると結論できる。

する。これで、40*N バイトの電子データのハッシ
ュ値、関連情報（作品名、作者名など）がブロッ
クチェーンに格納されることになる。
ステップ５：取引検索用の ID が出力とする。
記録時点以後、この電子データの存在性と非改ざん性を検証することができる。
図 2: 送金金額と承認されるまでの時間〔発表論文〕
１． Y. Gao, and H. Nobuhara, ‘Intellectual Property
Protectionusing

Decentralized

TrustedTimestamping Based on the Blockchain,’ The
31st International Technical Conference on
図 1: Bitcoin ブロックチェーンにおける著作権

Circuits/Systems,

情報の格納構造について

ComputersandCommunications (ITC-CSCC 2016), pp. 535 –実際に、提案システムを著作権の主張のために利538, Okinawa, Japan, Jul. 10 – 13 (2016)

用する場合、ステップ 4 における小さい金額の送金が、

２． 高 月菲，張 丘平，延原 肇, ブロックチェーン

申請に必要な金額となる。本研究で提案するシステ

による分散型タイムスタンプとその折り紙著作権

ムを利用した場合に、最小でどのくらいの金額を送金保護への応用,情報処理学会 第 78 回全国大会,

すれば、ブロックチェーンに実際にブロードキャストさ慶應義塾大学, 2016 年 3 月 10 日-12 日

れ、書き込みがなされるのかを実験的に確認した。具

３． 張 丘平、延原 肇, ビットコインに基づいた貨幣

体的には、4 つの異なる金額について、4 回送金実験的特性のある新形態ポイントサービスの提案とそを行い（合計 16 回）、ブロードキャスト時点から記録時の CGM における影響のマルチエージェントシミ

点までの時間を記録した（図 2）。提案手法の分散型ュレーション, 情報処理学会 第 78 回全国大会,

タイムスタンプは平均 10 分で完了していることがわか慶應義塾大学, 2016 年 3 月 10 日-12 日

る。この場合の最小金額、である、0.00004Bitcoin は、

19

【9】 光周波数コム干渉による超高速３次元イメージング技術の研究

研究者 埼玉大学大学院 准教授

塩田 達俊〔研究の概要〕自動車、鉄鋼、ガラスなど製造業の生産ラインでは、品質と信頼性を維持するためには全ての個体で表面や塗装面の欠陥検出が必須であるが、どの業界でも全個体の検査を実現できていない。既存の計測器では検査スピードが遅く広範囲の高分解サンプリング計測が不可能なためである。そこで本課題では大容量体積サンプリング
速度を可能にする 3 次元イメージング計測器を実現するために光周波数コムシングルショット断層イメージング技術を応用した計測器の開発を目指した。具体的には、新規光源を開発して高感度化、高分解計測と広範囲計測の両立、光学倍率調整機能を有す断層イメージング、断層構造毎の材料解析といった点に着目して実験的な研究を行った。

〔研究経過および成果〕

ン内の屈折率の波長依存性を利用した手法がある。

１．新規光源を開発して高感度化[1]波長依存性を利用した手法では，2 波長帯域のコム200GHz 走査ステップを有す離散周波数可変レーザ

干渉波形から次数を判別するが、走査する手順を排ーを開発した。そのレーザーは、レーザー媒質と波長除できるため高速性で優れる。そこで，近赤外と可視制御部、ファブリー・ペローエタロンを組み込んだリンのそれぞれの周波数領域で 2 波長帯の最適化がで

グ共振器型に構成した。ここで、ファブリー・ペローエ

きることを実証した．さらに，複数の波長帯の組み合

タロンは光周波数コムの様に周波数軸上で等間隔なわせを用いて次数判別の実験を行った．

スペクトルを選択する役割をもつ。図１の様に、上記
光源にシングルショット光学干渉計を組み合わせることで、散乱媒質でも鏡面状の試料にも適用可能な表波長 1550nm
帯域 30nm

面形状計測が可能であうことを示した（図２）。
図 1．シングルショットイメージングシステム

２．高分解計測と広範囲計測の両立[2]光周波数コムシングルショット断層イメージングでは複数の干渉次数を用いることでイメージセンサを用いたシングルショット 2 次元イメージングにおいても深さ方向に計測範囲を拡大することができる。この様な高次干渉を用いたこのシステムには次数判別が必要であり，既に、エタロン長を変化させる方法、エタロンに電界を加えて内部屈折率を変化させる方法、エタロ

図 2．シングルショットで計測した 2 次元イメージ20

３．光学倍率調整機能を有す断層イメージング[3]ドメイン OCT (FD-OCT) の系と K-K 解析を用いて模

ミクロン分解能の断層像取得を確認したうえで、図３

擬試料の複素屈折率スペクトルを求めるシミュレーシの様に空間位相変調器の角度調整による光学的なョンを行った(図 4)。

制御でイメージサイズの倍率を 16 倍の幅で調整することに成功した。

図 4．OCT 画像情報に K‐K 解析を組み合わせてシミュレーション
で得た屈折率と消衰係数のスペクトル〔発表論文〕
図 3．空間位相変調器の異なる角度毎に測定した 100 μm 段差をもつゲージブロックの表面形状（上図）と、計測範囲の角度（SPM オーダーと対応）の関係（下図）

１． Tuan Cong Truong, Tuan Quoc Banh, andTatsutoshi Shioda, “Precise profilometry for

４．断層構造毎の材料解析[4]scattered

我々は OCT から得られる干渉信号が試料各界面の

media

and

multiple-layers samples

反射光によって生成されることに着目し、干渉信号か

tomographyforusing the Discrete

frequency scanning laser,” 第 64 回応用物理学

ら試料各界面の反射光スペクトルを解析することで深会春季学術講演会、17a-418-8 （2017）.

さ構造ごとに分光を行う空間分解分光法を考案した．

２． 有谷光、バン クォック トュアン、塩田達俊、「可これまでにゼラチン層やポリプロピレン樹脂とガラスの視２波長領域シングルショット２次元コム干渉によ空間分解分光を行い実証に成功している。しかし、る干渉次数判別法」日本光学会年次学術講演会

吸収を持つ媒質同士が接する構造を持つ試料につOptics & Photonics Japan 2016、31aB6 (2016).
３． Tuan

いては二つの媒質の複素屈折率により反射率及びBanh

Heui-Hyeon

透過率が変化してしまうため、提案手法が適用できな

Quoc,

Tuan

Truong

Kim,

Tatsutoshi

Cong1,

Shioda, “ 2D

single-shot profilometry for scattered media using

いとされてきた．そこで我々は干渉信号から反射率ス

Supercontinuum source interferometry in visible

ペクトルを取り出し、クラマース・クローニッヒ解析

region,” The 6th Asia Pacific Optical Sensors(K-K 解析) を適用することで上記の構造を持つ試料

APOS2016, Th1A.5 （2016）.

に対しても空間分解分光が可能ではないかと考えた。
K-K 解析を用いることで正反射の反射率スペクトルか

４． 郡 司 翔 平 ， 大 仁 田 竜 馬 ， 塩 田

達俊,「FD-OCT と K-K 解析による空間分解分光法のら各媒質の複素屈折率を算術的に求めることができ基礎検討」第 64 回応用物理学会春季学術講演る．そこで、K-K 解析の有効性を調べるためフーリエ会、17a-418-6 （2017）.

21

【10】 触覚と痛覚を備えた柔軟な人工指先デバイスの開発

千葉大学工学部 准教授 酒井正俊

〔研究の概要〕自由にデザインしたプラスチック曲面に電子機能を付与する研究として、人工指先デバイスアレイの研究を行った。プラスチックと同程度のヤング率を有する有機半導体を用いた薄膜トランジスタをマトリックス状に配置し、かつ、プラスチックシートの内部応力分布を考慮することによって、内部歪の分布をドレイン電流変化により読み出すことを目指した。実際に人の指から取った型を用いて曲面形成と同時に有機薄膜トランジスタアレイを作製し、スキャン機構によって順次読み出しを行った。わずかな変位を与えるだけで、3 次元形状の曲面内に発生する複雑な歪を検出できることを実証した。

〔研究経過および成果〕

きるロボットフィンガーの実現を目標として研究を行っ

私たちの身の回りにあふれるプラスチック製品は、た。

デザイン性の高い曲面により構成されている。このよ

図 1(b)はその指先型 TFT アレイの写真である。型どうなプラスチック曲面に電子機能を宿らせる研究としりした本人の指の形にぴったりと適合する。この指先て、触覚と痛覚を備えた柔軟な人工指先デバイスのの曲面部分に 88 個の有機 TFT が 2mm ピッチで配開発を行った。

置されている。1 個の TFT の大きさは約 260m 角で厚さ 75m の PEN もしくは PET フィルム上に電極パある。本研究期間で得られた有機 TFT アレイの最大ターンを作製し、その上に有機半導体の粉末をパタ

歩留まりは 81%であった。現状では個々の TFT 特性

ーニングして厚さ 25m のカバーフィルムをかけ、曲に無視できないばらつきがある。

面の型を用いて有機薄膜トランジスタ(TFT)アレイの物体への接触による変形を検出するため、マイクロ作製と曲面の成形を同時に行った。型には実際の人

メータを利用した変形印加機構とドレイン電流の読み間の指から型どりした凹面・凸面の組を用い、加熱・出しのためのスキャン機構を設計・構築した。図 2(a)

加圧可能なプレスにより指先型に成形した。

がその写真である。マイクロメーターのロッドにより垂このような工程により、有機 TFT は力学的中立面から 25m 分外側の面内に形成される(図 1(a))。このよう(a)な曲面を凸側から押すと、有機 TFT 面には圧縮応力が発生する。またそのとき、面全体が変形するため、

(b)
load

compressive
strain

25 μm

直接的に触れられていない TFT も応力を受ける。そ75 μm
neutral strain
surfaceの応力分布を検出することによって、指先型が触れた物体の外形や硬さ、手触りなどを検出することがで

Tensilestrain

図 1. (a)曲面有機 TFT アレイの断面構造。(b)指先型有機 TFT アレイの写真。

22

8
ID (A)

直方向に曲面を押すと、曲面の変形を反映した内部歪が発生し、それを TFT 特性の変化として読み取る。
TFT 特性の変化は 88 個の有機 TFT のドレイン電流T1h 0.1

0.2

100

200

7

0.3

0.4

0.5

6
5
10

より読み出す。その変化率(ΔID/I0 )をマッピングしたの

9ID (A)

を FET 型の電子リレーで走査してロックインアンプにが図 2(b)である。変位に対応してドレイン電流の変化が認められるが、現状では個々の有機 TFT の特性に

ID (A)いるという確証のある面分布は得られていない。ただ、個々の有機 TFT に注目してその特性を追跡すると、

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

7

10

200

300

400

T3
0.1

9

0.2

0.3

0.4

0.5

8
7

歪に応じた系統的な特性変化が確かに認められ、そ

400

T2

8

6
11

ばらつきが過大なこともあり、歪分布を正しく反映して300の歪分布は単純な予測とは異なることが明らかにな

100

200
300
Time (s)400

図 3．Δh に対する T1,T2,T3 のドレイン電流の変化った。測定した個々の TFT(T1～T3)のピクセルとマイ
クロメーターロッドとの位置関係を図 2(c)に示す。

で、図 3 の T2 に示す TFT は Δh の増加に対してドレ

図 3 は個々の有機 TFT のドレイン電流を垂直変位

イン電流が減少する。これは TFT が引張歪を受けてΔh (mm)の印加に対して個別に測定したものである。

いることを示す。TFT が力学的中立面から 25%分圧縮

図 3 の T1 に示す有機 TFT は、Δh の印加に対して側に配置されているため、2 次元断面として考えた単系統的にドレイン電流が増加しており、これは曲面が純な予想では Δh に対して圧縮歪が生じるものと考え変形したことによる圧縮歪の効果と考えられる。一方ていたが、実際には曲面が 3 次元形状をしているため、図 2(c)のように中心部が押されると、曲面の周辺(a)

マイクロメーターロッド

領域には引張歪が発生することが理解できる。ところ

(c)
1

2

3

4

で興味深いのは、図 3 の T3 のドレイン電流である。こ512の変化は、Δh が 0.1 mm のときには圧縮歪を検出して3
4

いるが、0.3 mm 以上では明らかに引張歪を検出して

5
6

T3

7
8

(b)

いる。これは、T3 の位置がマイクロメーターロッドの外

T1

9周のすぐ外側であるため、序盤では圧縮歪が発生す

10
11
12

るが、ある程度以上に押されるとロッドの端で押される

13
14

ことによる局所的な歪が支配的になり、それによる引

15
16
17
18

っ張り歪を受けることを反映している。

T2〔発表論文〕
図 2. (a) 微小変位を検出する実験の写真。(b) Δh=0.8 mm に対するドレイン電流の変化率の面分布マップ。 (c)個別の TFT 特性を計測したピクセルの位置とマイクロメーターロッドによる作用点の位置関係(破線)

１． Thermal molding of Organic Thin Film Transistor
Arrays on Curved Surface. under review

23【11】 低温共晶融液による低環境負荷型高安全性電解液の設計ガイドラインの構築

千葉大学大学院融合科学研究科

准教授

城田 秀明

〔研究の概要〕
近年しばしば報道されているリチウムイオンバッテリーの発火事故からも分かるように，安全性の高い二次電池の実現は重要なテーマである。本研究課題では，次世代の液体材料として注目されつつある
低温共晶融液（Deep Eutectic Solvent: DES）をターゲットとし，安全性の高い電解液への応用を目指して新規のものを含む DES の調整とキャラクタリゼーションを行った。DES は複数の固体を混合してできる
共晶性の物質であり，通常の有機溶媒に比べ格段に不燃性が高く，その原料を適切に選ぶことにより環境に優しい物質として扱うことが可能である。本課題では特にアミド分子系とリチウム塩の組み合わせについて注目し，まず室温で液体状態を示す DES となるかどうかを検討し，室温において液体になるものについては液体物性（密度，粘度，電導度）を測定し，DES の構成成分と物性について考察を行った。

〔研究経過および成果〕

アミド中で，またアミドについては一級アミドがより本研究課題では，リチウム塩－アミド分子系の低温

様々なリチウム塩について，室温で液体状態になり共晶融液（Deep Eutectic Solvent: DES）に注目した。

やすいことが分かった。尚，これらの組み合わせにお具体的に選択したサンプルは，リチウム塩としてリチウ

いて，17 種類がこれまでに報告のない新しい室温でムトリフレート，リチウムテトラフルオロボレート，リチウ

液体状態の DES である。

ムビス（フルオロスルホニル）アミド（LiNF2 ），リチウム

室温で液体の DES について，系統的な理解ができ

ビス（トリフルオロメチルスルホニル）アミド（LiNTf2），リ

るように表 1 に示した組み合わせを選択し，基礎液体

チウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）アミド

物性である密度（）と粘度（）に加え，電池の重要な（LiNPf2 ），塩化リチウム，臭化リチウム，ヨウ化リチウ

表 1. DES の 293 K における密度，粘度，
電導度。

ムを，アミドとしてアセトアミド（AcAm），プロピオンアミ

LiNTf2/AcAm

ρ(g/cm3)
1.422

η
(cP)
443

σ
(mS/cm)0.497

DES

ド （ PrAm ） ， ブ チ ル ア ミ ド （ ButAm ） ， バ レ ル ア ミ ド（ValAm），N－メチルアセトアミド（NMA），尿素，チオ
尿素，2-ピロリジン，である。

LiNTf2/PrAm

1.336

166

0.856

LiNTf2/ButAm

1.277

323

0.395

最初に，これらのサンプルが室温で液体になるかど

LiNTf2//ValAm

1.212

369

0.249

うかの確認を行った。リチウム塩とアミド分子のモル比

LiNTf2/Urea

1.569

3360

0.0782

LiNTf2/NMA

1.317

340

0.492

LiBF4/NMA

1.133

210

0.752

る。その結果，リチウム塩についてはビス（フルオロア

LiCF3SO3/NMA

1.211

745

0.175

ルキルスルホニル）アミドをアニオンとする塩が様々な

LiNF2/NMA

1.247

104

1.75

は 1:3 に固定した。組み合わせとしては 64 種類であ24

性能を示す物性である電導度（）について測定を行

度を示すことが知られており，これは構造異性体（シった。上 4 段は，LiNTf2 に対するアミドのアルキル基

ソイドとトランソイド）を取るためであると解釈されていの効果，1，5，6 段は LiNTf2 に対するアミドの水素結る。また，NTf2 よりも NF2 をアニオンとしたイオン液体

合サイト数の効果，下 4 段は NMA に対するリチウムの方が低粘度であることも知られており，DES につい塩のアニオンの効果を検討することが目的である。

ても同様の結果が得られたものと考えられる。一方，アミド分子のアルキル基の効果については，一級ア

LiBF4 についてはかなり低い粘度（高い電導度）を示

ミドのアルキル基が長くなるほど密度は低下した。一し，LiNTf2 のものよりも低粘性・高電導度であった。イ方で，粘度については，アルキル基の長さに単純にオン液体では，BF4 をアニオンとするイオン液体の方対応するものではなく，PrAm において低い粘度を示が NTf2 をアニオンとするイオン液体よりも粘度が高い

すことが分かった。電導度は大まかに粘度の逆数にことが知られている。このアニオンの違いによる物性

比例するため，PrAm が高い電導度を示す理由は粘への影響は，イオン液体のものとは異なるメカニズム

度によるものだと考えられる。第一級アミドの中でもしくは物理因子が影響していることを示している。

PrAm が最も低い粘度を示す理由は，アルキル基が本研究課題で，アミド分子とリチウム塩の組み合わ

長くなるほど（i）リチウム塩の濃度（モル濃度）が下がせにより，新規のものを含む DES について特にアミドり粘度が下がるという効果と（ii）分散力が大きくなり粘分子の構造とリチウム塩のアニオンに注目し，液体物

度が高くなるという効果があり，それらが相反するため，性への影響を明らかにできた。今後，ここで得られた

PrAm が極小を示したのではないかと考えられる。

知見を基に，組成の影響，他の塩（特に 2 価，3 価のアミド分子の水素結合サイトの効果を粘度についもの）の効果，アミド分子以外の水素結合性分子のマて見てみると，NMA < AcAm < Urea であり，水素結

トリックス効果などについてさらに検討を加えたい（電合サイトが多いほど粘度が高くなることが明らかにな

導度の向上など）。加えて，分光学的な実験を行うこった。一方で，電導度は AcAm ~ NMA < Urea であるとで分子レベルでの知見を得て，DES のより効率的上に，Urea 系について NMA と比較すると粘度だけをな設計指針の提案を目指したい。

考慮に入れたに比べて電導度が高くなる。このことか〔謝辞〕

ら，水素結合サイトの数の増加は DES の粘度を大きく

本研究課題は，多胡彰人君（千葉大院生）の協力

するが，水素結合ネットワークの形成のために電導度で進めることができました。また，本課題をサポートしを高めることに寄与することが明らかになり，前者のていただいたカシオ科学振興財団に深く感謝いたし効果が後者のものよりも大きく働くことも分かった。

ます。
〔研究成果〕

リチウム塩のアニオンの効果については少し複雑であるが，調べたリチウム塩の中で LiNF2 が最も粘度

１． 多胡彰人，城田秀明 「リチウム塩―アミド系共晶が低く，電導度が高くなることが明らかとなった。DES

融液の物性：アミド分子における置換基効果」と似た性質を示すイオン液体において，ビス（フルオ

日本化学会第 96 回春季年会（京田辺，2016 年 3

ロアルキルスルホニル）アミド系のイオン液体は低粘月 24-27 日）

25

【12】 光パターニング可能な導電性材料の創製

横浜国立大学大学院工学研究院 准教授

生方 俊〔研究の概要〕パターニングは現代の科学技術において最も重要な技術の一つであり、その応用範囲は、集積回路の製造、情報記録デバイス、ディスプレイユニット、回折格子デバイス、小型センサー、分化に応じた細胞培養基板など多岐に渡っている。近年、アゾベンゼン基含有高分子薄膜にパターン露光を施すことで、光パターンと一致した
ナノメートルからマイクロメートルオーダの規則的な凹凸構造（表面レリーフ構造）が、高分子自身が光に応答して移動することで形成されることが報告されている。本研究では、上記手法を紫外光照射により導電性を示すポ
リジアセチレンへと重合可能なジアセチレン化合物に適用し、ジアセチレン化合物自身の移動に基づく表面レリーフ構造の形成が可能であることを実証した。

〔研究経過および成果〕(AFM) を用いて観察した。また、モノマーの熱物性をジアセチレン（DA）化合物薄膜における表面レリー

示差走査熱量計 (DSC) および加熱時の OM 観察に

フ（SR）形成を目的とし、側鎖に様々な置換基を有すより評価した。さらに、DA1 において、膜厚、露光エネ

る 9 種類の DA 化合物を用いて、検討を行った。このルギー、加熱条件などを変化させ形成した SR を AFM

内、DA1、DA2 の構造を図 1 に示す。

により観察した。
作製した薄膜が結晶薄膜であることを OM の偏光観察により確認した。DA1 薄膜に 30 分間の光照射を施すと、極大吸収波長 (max) を 630 nm に有する吸収帯が生じ、重合反応の進行を確認した。この薄膜をおよそ 10oC 刻みで 10 分間ずつ加熱したところ、

図 1 ジアセチレンの構造式

56oC 以上に加熱することで吸収帯は大きく減衰し、DA1 は酢酸エチル、DA2 はアセトンを溶媒として

max が 541 nm へシフトすることが確認された (図 2)。

1.1 wt%の溶液を調製した。この溶液から、スピンコート法によって薄膜を作製した。作製した薄膜の紫外光（254 nm）照射による光反応および、加熱やアセトン
蒸気曝露による反応を吸収スペクトル変化より観察した。また、パターン露光 (波長 254 nm, 強度 0.2
mW/cm2, 時間 30 min, 周期 8 m) を施した後、薄膜に加熱、もしくはアセトン蒸気の曝露を施し、薄膜
図 2 紫外可視吸収スペクトルシフトの様子を光学顕微鏡 (OM) および原子間力顕微鏡

26

同様に光照射後のアセトン蒸気曝露においても、maxの関係を調査したところ、H = 100 nm 以上の SR 形

は 540 nm へシフトした。DA1 薄膜にパターン露光を成に最小で 28 mJ/cm2 の露光エネルギーで良く、本施しただけでは、SR の形成は確認できなかった。しか系は大変高感度に SR が形成されることがわかった。

し、パターン露光後に 56oC 以上の加熱により干渉色

また、得られた SR は空気雰囲気下、室温において少の発現とともに平均高低差 (H) = 80 nm の SR (図なくとも 120 日間安定に存在し、200oC の加熱下にお3) を確認した。スリット状に光透過部を有するフォト

いても形状を保ち、形成された SR の安定性も非常にマスクを用いた実験により、未露光部から露光部への高いことがわかった。

物質移動が起こっていることが確認された。DA1 は融以上の結果から、DA 系における SR 形成は局所的点が 53oC に観察され、融点以上の加熱により SR のな光重合、その後の未露光部のモノマーの融解もし形成が生じていることが明らかになった。また、パター

くは溶解、およびポリマーのコンフォメーション変化に

ン露光後のアセトン蒸気の曝露においてもH = 30より引き起こされることが示された。また、DA1 薄膜に

nm 程の SR が形成した。

おいて、高感度かつ高安定な SR 形成に成功した。
〔発表論文〕
１． 岩本陽太, 生方 俊, “ジアセチレン薄膜における表面レリーフ形成”, 2016 年光化学討論会（2016 年 9 月 9 日－11 日、東京大学駒場第一キャンパス）
２． 岩本陽太, 生方 俊, “ジアセチレン誘導体薄膜

図 3 表面レリーフ構造を用いた表面レリーフの光形成”, 第 65 回高分子討論会（2016 年 9 月 14 日－16 日、神奈川大

一方で、DA2 薄膜では光照射により 600 nm にmax

学横浜キャンパス）を有する吸収帯が生じたが、その後の 84oC までの加３． Youta

熱において吸収帯のシフトは観察されなかった。しかIwamoto,Takashi

Ubukata,“Photoformation of surface relief in diacetylene

し、光照射後にアセトン蒸気を曝露すると、max は 498

derivative films,” 2nd International Conference

nm にシフトした。DA2 薄膜ではパターン露光後に融on Photoalignment & Photopatterning in Soft点である 90oC 以上に加熱を施しても干渉色の発現

Materials (PhoSM), (Nov 24－27, 2016, Nagoya,のみを確認され、明確な SR は観察されなかった。一Japan)

方、パターン露光後にアセトン蒸気を曝露することに

４． Youta

よりH = 40 nm の SR 形成が確認された。以上のこと

Iwamoto,Takashi

Ubukata,“Photofomation of surface relief gratings on

より、SR 形成と吸収帯シフトには密接な関係があるこ

diacetylene derivative film,” The 11th SPSJとがわかった。

International Polymer Conference (IPC2016),

次に、DA1 薄膜を用いて SR 形成と各種パラメータ(Dec 13－16, 2016, Fukuoka, Japan)27【13】 半導体 ZnO を用いたスピン注入素子の研究開発

研究者 名古屋大学未来材料・システム研究所 助教

大島大輝〔研究の概要〕近年，電子スピンを利用したスピン FET などの半導体デバイスが提案されている．本研究では，その実現を目
指し，スペーサ層に ZnO を用いた GMR 素子を作製し，その ZnO の厚さを変えて ZnO へのスピン注入の様子を調べた．ZnO スペーサ層の厚さ 3 nm の GMR 素子においても磁気抵抗効果を観測し，スピン依存伝導を確認した．しかし，強磁性 Co の ZnO への拡散の影響を調べるために，熱処理したサンプルについて磁気抵抗効果の測定を行ったが，そのサンプルにおいてはスピン依存伝導を確認することはできなかった．これは強磁性層に使用した Co/Pd の層構造が崩れたためであると考えられる．

〔研究経過および成果〕

性金属の界面はシャープに作製できる可能性がある．

近年，電子スピンを利用したスピン FET などの半導

また，ZnO は Co などのドープにより強磁性体半導体デバイスが提案されている． 半導体スピンデバイ体を形成する可能性がある．そこで，本研究ではススを作る上でネックとなるのが，半導体内部へスピ

ピン FET の実現を目指し，本研究では半導体にン偏極した電子を入れる，「スピン注入」の過程であZnO を用いたスピン注入素子の作製を試みた．

る．通常，強磁性体には Fe などの金属が使用されまず，マグネトロンスパッタリング法により，図 1 に示るが，金属と半導体では抵抗が違いすぎることから，

すように，Ta(5) / [Pd (1.6) / Co(0.35)]6 / Zn(0.7) /界面で電子の散乱が起き，スピン情報が失われやす

ZnO (t) / Zn (0.7) / [Co(0.6) / Pd(1.2)]6 / Ta (5) /い．Fe/MgO 界面に見られるように，酸化物と強磁

AlCu (20) / Ta (10) / SiO2 / Si sub.の膜構成でサンプルを作製した．強磁性層である上部および下部のCo/Pd 多層膜により半導体スペーサ層である ZnO 層

図 1 作製したサンプルの膜構成

図 2 作製したサンプルの磁化曲線28が挟まれた構造となっている．図 2 に作製したサンプル（t = 3 nm）の磁化曲線を示す．膜面内方向の磁化曲線が飽和しにくいのに対し，膜面法線方向の磁化曲線はある磁界で飽和している様子が見られ，作製した膜は垂直磁化膜となっていることがわかる．また，
膜面法線方向の磁化曲線を見ると 2 段のループとなっているが，これは上部および下部の Co/Pd 多層膜の保磁力が異なり，別々に磁化反転しているからである．このように，磁界により上部および下部の強磁性層の磁化が平行もしくは反平行の状態を作り出せる．
次に，図 3 に示すような CPP (Current Perpendicular
to Plane) – GMR (Giant Magneto Resistance)素子を，フォトリソグラフィー，Ar イオンエッチングなどの手法を用いて作製した．中心のジャンクションの面積は約

図 4 作製した GMR 素子の (a) I – V 特性，

20 ･ m × 20 ･ m である．図のように，四端子法に(b) 磁気抵抗特性

よる測定を行うことでジャンクション部分の抵抗を測定の強磁性層から注入され，それがもう片方の強磁性した．図 4 (a)に t = 3 nm のサンプルの I-V 測定の結層にスピン偏極を保ったまま到達しなければならない．

果をそれぞれ示す．I-V カーブは非線形ではなく線

したがって，この素子においてスピン注入が実現でき形であり，ZnO と金属の界面はショットキー接合ではたと言える．本研究では，スペーサ層の厚さが 3 nm まなく，オーミックな接合となっていると考えられる．このでの素子においてスピン依存伝導が確認できた．
素子を用い，磁気抵抗測定を行った結果が図 4 (b)でZnO への強磁性 Co の拡散の効果を確かめるため，ある．磁気抵抗の値は小さいものの磁化状態に対応
GMR 素子を 200 ˚C で 15 分間熱処理を行った．そのして，抵抗の値が変化していることがわかる．この磁素子において磁気抵抗の測定を行ったが，磁気抵抗
気抵抗が生じるためにはスピン偏極した電子が片方を確認することはできなかった．これは熱処理による
Co/Pd の層構造が崩れたことが原因であると考えられる．今後，これを解決するために，強磁性層に Co系の合金を用いる予定である．

〔発表論文〕なし

図 3 作製した GMR 素子の構造29

【14】 魚の視覚システムを模倣した球形レンズによる水中カメラデバイスの提案

代表研究者 三重大学大学院生物資源学研究科 准教授 宮﨑 多惠子
共同研究者 三重大学大学院生物資源学研究科 准教授 福島 崇志〔研究の概要〕魚類の眼の多様な焦点調節システムについてシミュレーションモデルを作成することにより、魚の視覚システムを模倣した新規水中画像取得法の提案を目指した。焦点調節に関わる眼球内の微細構造
および水晶体筋と眼球内靱帯の分布を組織解剖学的に計測し、レンズ挙動シミュレーションモデルのパラメータとした。シミュレーションでは水晶体筋を簡易な粘弾性モデルで表現し、水晶体筋を駆動源としたレンズ挙動のシミュレーションを実施した。シミュレーション結果、レンズの水平移動に関して既往の解剖学的知見との一致が確認されたことから、本モデルの適正性が判断された。今後はシミュレーションモデルを活用したカメラの試作により実用の可能性を検討していく。

〔研究経過および成果〕

シミュレーションは水晶体筋の形状が異なる以下の A、魚の眼は人と同じ “カメラ眼”であるが、構造上の大B の 2 タイプについて行った（図 1）。
図 1. 魚類の眼球内きな違いは水晶体（レンズ）にある。魚の眼のレンズはにおける水晶体筋
写真（上）とその模球形で人のように厚みは変わらず、光の屈折のほと式図（下）。 A は一般的な形状。B は新

んどはレンズによって行われる。レンズは眼球内空間

たに確認された λ 型
水晶体筋。

に複数の靱帯によって保持され、眼球内の腹側に付属した 1 つの水晶体筋がレンズを移動させることによりピントの微調節が行われる。水中では光の減衰が１．眼球内構造の詳細解析大きいため、至近距離で物体を視認するのに特化し①諸形質の計測： 固定標本の眼球を解剖し、顕微た眼である。魚が視認する物体の大きさや動きは種

鏡下において眼球径、水晶体径、水晶体筋サイズ

によって違い、種はそれらを網膜上に結像するの（辺長さ、脚太さ、開脚角度、面積）を計測した。各魚に最も適したレンズ径、靱帯の数と付属位置、そ

種 3～6 個体の平均値をパラメータとして与えた。

して水晶体筋の形状を進化の過程で獲得している。

②眼球内靱帯の分布：固定標本の眼球から角膜を除

本課題では魚の視覚システムの多様性と適応性に去した後、眼球内部の硝子体を顕微鏡下で丁寧に注目し、焦点調節システムに関わるパラメータを除去した。眼球を銅板に固着してデシケータ内で 30

解剖学的に取得することで、動力学解析による眼分間乾燥させた後、試料台に乗せて走査電顕観察

球内部構造の評価を行った。これにより、魚の眼に供した。眼球を数区画に区分して撮影した記録画における結像システムを水中で動く被写体を高精像をもとに靱帯の分布位置を確認し（図 2）、レンズ稼度に撮影することに応用可能かを検証した。

働制限要素としてシミュレーションに供した。

30

図 2. 魚類眼球内におけによる水平変位量の差異が力学的に明らかとなった。

る靱帯の分布。走査電顕像（上）とその模式図

ただし、他の研究ではレンズ回転はないと推察された（下）。 走査電顕像は複数区画で撮影した写が、本シミュレーションではレンズ回転の可能性が示真を合成。矢印は水晶唆された。この点については今後の課題である。
③B タイプ水晶体筋の神経コントロール： 固定標本
Lt

から水晶体筋および周辺組織を摘出し、アセチル化

図 4．水晶体筋によるレンズ駆動モデルの一例（三角型水晶体筋）．Lt：懸垂靭帯、Lb：

チューブリン抗体で標識を行い動眼神経を検出し背面靭帯、Len：レンズ、M：水晶体筋

Lb

Len

た（図 3）。動眼神経は吻側脚で顕著な進入があることから、レンズは主として吻側脚によりコンM

トロールされていることが示唆された。
図 3. B タイプの水晶体筋における神経の免疫蛍光写真。緑色の蛍
光が神経を示す。矢印が主神経。

３．水中での応用についての一提案
今回作成した魚類水晶体の挙動に関するシミュレー
ションモデルは実際の魚の焦点調節をよく再現して

２．シミュレーション

おり、魚の眼における結像システムを模倣できる可水晶体筋によるレンズ挙動モデル例として、三角能性が示唆された。球形レンズの利点は至近距離に型水晶体筋 A のモデルを図 4 に示す。本シミュレ

おける物体の検出と多焦点であり、光の減衰が大きーションでは機構解析ソフトウェア RecurDyn

い水中での小さな物体の映像取得に有効である。一

（FunctionBay Co.,Ltd.）を使用した。レンズは球案として、沿岸海域における赤潮発生モニタリングへ

体で作成し、水晶体筋、懸垂靭帯は粘弾性ジョイの用途を考えている。現予測方法は採水・濃縮、検ントで表現した。粘弾性パラメータは、人間の筋鏡により判断するもので、迅速性と検出確率の向肉、靭帯のヤング率（理化学研究所人体物性値デ上が課題である。球形レンズデバイスを用いた船

ータベースより引用）より対象筋肉の寸法をもとで航走しながらの水質調査は、短時間で広範囲のに概算された。また、モデルでは、眼球の形態保検出を可能にするのではないかと期待する。

持、眼球組織のための衝撃防止、眼圧の維持とい〔発表論文〕

う働きをもつ硝子体の粘性抵抗を考慮している。

1. 加藤亜花梨,萩尾 華子,山本 直之,宮崎 多恵

シミュレーションでは、水晶体筋モデルに力を作用さ

子：マハゼの眼球内に確認された新規形状の水晶

せ、収縮運動をした場合のレンズ変位および速度を体筋,日本水産学会秋季大会 (2016)．

算出した。その際、靭帯配置や水晶体筋とレンズの2. Fukushima T., T. Miyazaki, T. Kato, H. Horio and接合位置および水晶体筋形状の違いによる挙動を

K. Sato. Fish’s lens drive mechanism imitated by

解析した。その結果、硝子体および靭帯配置の違い

using shape memory allow. Proc. the 8th ISMAB.

によるレンズ振動の抑制効果、水晶体筋形状の違い

2016. CD-ROM．

31

【15】 カスプ磁場中の ECR 放電を利用した強電離プラズマ生成に関する研究研究者 京都大学大学院工学研究科 講師 四竈 泰一〔研究の概要〕中性粒子密度に対する電子，イオン密度の割合が数十%に達する強電離プラズマを用いた次世代成膜プロセスが注目を集めている．中性粒子が有意な割合を占める従来の弱電離プラズマと比較して，強電離プラズマ中
では磁場や電場を印加することによりイオンの軌道や入射エネルギーを制御することが可能となる．このため複雑な形状のワークへの均一な成膜や，薄膜の化学組成及び組織配向の制御が実現できることが明らかになっている．本研究では大容積かつ定常運転が可能な強電離プラズマ源の開発を目指し，カスプ磁場中の電子サイク
ロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：ECR）加熱放電で生成したヘリウムプラズマにおける電離度の空間分布を計測した．

〔研究経過および成果〕

様の特性はミラー磁場と多数の棒磁石によるマルチ

図 1 に装置の模式図を示す．カスプ磁場は，同軸カスプ磁場を組み合わせて実現することも可能だが，上に置いた一対のコイルに逆極性の電流を流すこと

コイル及び磁石との干渉により大きなサイズのポートで作られる．周辺へ向かって磁場強度が増加する極を利用することが難しい．カスプ磁場はコイル配置が小磁場構造を持つため，プラズマの交換型不安定性

単純なため，大きなポートを利用したワークの出し入による密度低下を抑制できる．また，等磁場面 (ECRれが可能であり，プロセス用途に適している．

面） を閉曲面にすることが可能なため，ECR 面を横本研究ではヘリウム原子発光線の強度を利用して切る電子は加熱により磁場に垂直な速度が増加し，電離度を求めた．発光強度は電子温度・密度，原子装置中心部に向かって反射される割合が増加する．

の基底状態密度，等の関数となるため，複数の発光

この結果，電子の損失が低減され，同時に両極性電線の強度を計測し，計算コード（衝突輻射モデル）に場によりイオンの損失も低減される．これらの効果による励起状態密度の計算値と比較することでこれらのより，発散磁場中の ECR 放電と比較して高い密度，パラメータを求めることができる．
実験時は装置壁でのヘリウム圧力 5.3, 23, 67 mPa

電離度を有するプラズマを得ることが可能である．同の 3 条件で周波数 2.45 GHz，電力 800 W のマイクロ波を入射し，プラズマを生成した．装置赤道面に設置した合成石英窓を通してプラズマからの発光を観測した．図 1 に示す円柱座標系で観測は z = 12 mm，装置軸からの距離が 23-120 mm の範囲の 6 視線を用いて行った．装置中心での視線の直径は約 12mm である．対物レンズで集光した光は光ファイバで

図 1. カスプ磁場中の ECR 放電装置

32

-2

-1

-1

intensity x10 (Wm sr nm )80

パラメータは r = 40-120 mm の範囲の 20 mm 間隔の60点でのみ求めた．電離度は ni をイオン密度，n0 を原子密度として以下の式で定義される

-3

40
20

DOI  ni / (ni  n0 ) ．本実験では観測されたヘリウ

0

ム 1 価イオン発光線の強度が小さいことからイオンの

200

300

400

500

600

700

800

900

大部分が 1 価であると近似できる．このときプラズマの

wavelength (nm)

準中性条件より ni

図 2. 発光スペクトル（圧力 23 mPa）

励起状態密度は基底状態に比べて 3 桁以上小さく，

0.6

0.5

0.4

-3

-1

(r) (W m sr )388.9 nm396.5 nm447.1 nm
471.3 nm492.2 nm501.6 nm
587.6 nm
667.8 nm706.5 nm728.1 nmECR
surfacen0 は基底状態密度に等しいと近似できる．以上より，電離度を DOI

0.3

ne / (ne  n0 ) と近似して計算した．

結果を図 4 に示す．電離度は ECR 面近傍から内部

0.2にかけて増加しており，最大 30%程度に達することが

0.1

0.0
20

ne と近似できる．また，原子の明らかになった．圧力 5.3, 67 mPa の条件でも同様の
40

60

80

100

120

140

160

180

計測と解析を行い，得られた電離度は最大 20-25%

r (mm)

図 3. 放射率の径方向分布 (圧力 23 mPa)程度であった．

伝 送 し ， 分 光 器 （ B&WTek BTC112E; 波 長 範 囲

著者が知る限り，ECR 放電プラズマ中の電離度の200-900 nm，分解能 1.2 nm）を通して分光し，スペク

研究例は少ないが，発散磁場中では実験，計算によトルを得た．波長に応じた絶対感度は事前に校正しり 10%以下の値が報告されている．今回得られた電た．得られたスペクトルを図 2 に示す．

離度はこれに対して有意に高く，強電離プラズマ生得られたスペクトルデータから波長範囲 389-728

成における本放電方式の有効性を示している．

nm に存在するヘリウム原子発光線の強度を求めた．
70

強度は視線上に存在する発光の空間積分値である

10

12
8
6

ため，装置の軸対称性を仮定し，アーベル逆変換を用いて放射率の径方向分布へと変換した．放射率の450

ne (cm )

40
30

2

-3

Te (eV)60

10

ECR surface

20

11
8
6
4

10

2

0
40

n(1 S) (cm )10

突輻射モデルによる計算結果と比較した．計算コード

2

10

12

10

40

60

40

60

80

100

120

80

100

120

50

n0 = pwall/kT

8
6

2
11

40

60

80

r (mm)

底状態密度（n(11S)），等を非線形最小 2 乗フィッティ

120

4

10

の入力値である電子温度（Te）・密度（ne），原子の基

100

4

1

放射率から発光線の励起上準位密度を求め，衝

80

8
6

-3

示す．

60

13

DOI (%)

分布を図 3 に示す．図中の破線は ECR 面の位置を

10

100

120

40
30
20
10
0

r (mm)

図 4. 電離度の径方向分布 (圧力 23 mPa)

ングのパラメータとして決定した．得られたパラメータの径方向分布を図 4 に示す．計算時間の都合により，33

【16】 新規高性能半導体接合技術の検討

研究者 京都大学工学部 准教授

田辺 克明〔研究の概要〕ナノ光・電子デバイスの高効率化に向け、世界に先駆け単原子層材料をコアとするダブルへテロ構造の作製に成功した。本構造はウェハ接合技術により形成された Si/グラフェン/Si 積層構造であり、特に材料系の環境負荷の低さと Si クラッドによる電流および光の制御性の高さを利点とする。界面の機械的安定性および層間の電気的接続を確認している。本成果は、次世代の超高速・高密度集積ナノエレクトロニクスの実現に向けた技術的基盤の一つであると言える。

〔研究経過および成果〕した。ウェハ接合は、大気中にて、Si 基板に対して垂近年、グラフェンをはじめとする単原子層材料を用

直な方向の圧力 0.1 MPa、加熱温度 300℃、3 時間といた高性能ナノ光・電子デバイスが注目を集めていいう条件（K. Tanabe et al, Sci. Rep. 2, 349, 2012）にる（A. K. Geim and I. V. Grigorieva, Nature 499, 419,て行った。

2013）。このようなデバイスは、特にエレクトロニクスの作製した Si/グラフェン/Si ダブルヘテロ構造につい

小型化、すなわち、高密度集積化、また、単原子層て引張強度測定を行ったところ、接合界面は 30 kPa

材料における高いキャリア移動度を活用した超高速程度の機械的強度を有していることが分かった。また、化をもたらすとして期待されている。しかしながら、こ

電流-電圧測定（図１）において、その直列抵抗値は、れまでに実験的デモンストレーションがなされている

10 ohm-cm2 程度であり、図１に示すように、グラフェン

単原子層材料デバイスは、いずれも、光・電子の閉じの存在しない、p 型 Si 基板同士を接合した参照試料込めの機構・構造を持たない一定のロスを持ったデのものと同程度であった。このことから、本ダブルヘテ

バイスであった。そこで、本研究では、従来の半導体

ロ構造の層間には良好な電気的接続（高い導電性）

レーザ、太陽電池等において用いられているダブルが得られていることが分かる。

ヘテロ構造を導入することで、デバイス性能の高効率

このように、初めてとなる単原子層材料をコアとする化を目指すこととした。

ダブルへテロ構造の作製に成功した。特に、材料系本研究における実験手法について述べる。今回作（構成元素が C と Si であること）の環境負荷の低さと製した構造は、単原子層材料の代表格であるグラフ

Si クラッドによる電流および光の制御性の高さ（電流ェンを活性材料と想定しコアに置き、シリコン（Si）をク

や光の注入および制御を容易に行うことができる）をラッドとする Si/グラフェン/Si 積層構造である。p 型 Si

特徴として挙げることができる。この新規構造の導入

基板上に単層グラフェンが転写されたウェハに、同じにより、単原子材料層中に電子および光を閉じ込め

p 型 Si 基板をウェハ接合法により接合することで作製ることができるようになるため、デバイス動作の著しい

34

高効率化が期待される。また、今回の構造のようにシ導体ダブルへテロ構造の作製”, 化学工学会 第リコンなどをクラッドとすることにより、従来の単原子層

82 年会, 東京, 2017

材料の片面保持素子構造に比べ、より堅牢でかつ電気的な制御を行いやすい素子をもたらす。さらに、今後 の 展 開 と し て 、 エ ピ タ キ シ ャ ル リ フ ト オ フ （ E.
Yablonovitch et al, Appl. Phys. Lett. 51, 2222, 1987）
や Smart Cut（M. Bruel, Electron. Lett. 31, 1201,
1995）といった薄膜剥離法を用いることで、フリースダ
ンディング・フレキシブル極薄膜半導体/単原子層材
料/半導体ダブルヘテロ構造デバイスを作製することも可能である。このように、本研究成果は、超高速変調器（T. Mueller et al, Nature Photon. 4, 297, 2010）、
ナノレーザ（S. Wu et al, Nature 520, 69, 2015）といった単原子層材料を活性物質とする新規高性能ナノエ
レクトロニクスデバイスの実現につながるものである。

0.1

グラフェン有り

グラフェン無し

Current [A]

0.05

0

‐0.05

‐0.1
‐2

‐1

0
Voltage [V]12

図１．作製した Si/グラフェン/Si ダブルヘテロ構造、および、Si/Si 参照試料の電流-電圧特性.

〔発表論文〕
１． 内藤壮勘, 田辺克明, “次世代グリーンナノエレ
クトロニクスに向けた半導体/単原子層材料/半35

【17】 原子配列制御による TiNi 系形状記憶合金の高強度化と低侵襲デバイス開発

研究者 大阪大学接合科学研究所 助教

梅田 純子〔研究の概要〕本研究では，高強度と高回復率を兼ね備えた次世代高機能 TiNi 合金の創製を実現する合金設計手法として，3d 遷移金属元素添加による相変態温度制御と Ti3Ni4 微細析出によるすべり臨界応力強化に係る新規な材料設
計原理を提案・実証した．粉末冶金法を用いた原子配列・ナノ構造組織制御を基調とし，TiNi 系形状記憶合金
において第３金属元素（Fe を選定）の原子固溶と 5～10 ナノメートルの超微細 Ti3Ni4 針状化合物の均一分散といった組織制御を行うことで，Ni 原子との置換固溶により結晶格子内に歪み場を形成することでプラトー応力；
906 MPa，形状回復率；95.4%の発現に成功した． DSC 解析の結果，Fe 添加 TiNi 粉末合金では，マルテンサイ
トおよびオーステナイト変態温度が Fe 添加量に対してそれぞれ線形（ΔM=111 K/at.%Fe，ΔA=84.8 K/at.%Fe）に低下すること確認し，その結果をもとに目標強度を満足するための適正 Fe 添加量を選定した．

〔研究経過および成果〕

添加材，1.0%Fe 添加材と記す．）の SEM および TEM（１）原子配列制御に基づく TiNi 系合金設計原理

組織観察結果を図２に示す．TiNi 母相に約 1 µm の本研究では，図１に示す合金設計原理に基づき，粒子が分散した組織を呈し，分散する粒子は EPMA

TiNi 母相を Ni-rich 組成とすることで Ti3Ni4 微細析出

による元素分析から Ti4Ni2O と同定した．この Ti4Ni2Oによるすべり臨界応力の強化を図ると共に，Fe の添

は，原料粉末に含有する酸素が TiNi 母相と反応する

加・固溶に伴うマルテンサイト(M)変態温度の低下をことで生成した酸化物であると考えられる．また，TEM

利用してプラトー応力の向上を実現した．

観察では，両試料共に長さ 50～100 nm，アスペクト比 5～15 の微細な針状析出物が確認でき，析出物をTiNi matrix with
3d transition metal (X)

制限視野回折像よりこの析出物を Ti3Ni4 と同定した．
(a-1) 0 at.%FeExt. direction(a-2) 1.0 at.%Fe

Ti3Ni4 precipitates

Ti4Ni2O 20 µm

図１. 高強度・高回復率の両立を目指した遷移
金属元素固溶 TiNi 焼結合金の組織構造制御(b-1) 0 at.%Fe(b-2) 1.0 at.%Fe

Ti3Ni4（２）Fe 元素添加 TiNi 粉末合金の組織構造と力学・

Ti3Ni4

超弾性特性

200 nm本材料プロセスにて作製した TiNi-Fe 粉末合金

図２. Ti-50.5 at.%Ni+0, 1.0 at.%Fe 系焼結合
金の組織構造解析結果（(a);SEM, (b); TEM）

（粉末混合比 Ti-50.5 at.%Ni+0, 1.0 at.%Fe，以下無36

これは先の図１に示したすべり臨界応力強化に資す

幅に増加し，特に 1.0%Fe 添加材においては，プラトる組織構造であり，すべり変形の抑制が期待できる．

ー応力；906 MPa（無添加材比 145%増加）と優れた力

また，Ti3Ni4 の析出形態は Fe 粉末の添加によってほ学特性を発現した．一般に医療用デバイスに用いらとんど変化していないことから，両試料のすべり臨界

れる TiNi 系溶製材のプラトー応力は 200～400 MPa

応力は，ほぼ同等であると考えられる．一方，両観察であることから，従来溶製材を本開発素材に代替したにおいて残留 Fe や Fe 系化合物が確認できないこと場合，ワイヤー径で 25%以上（曲げ応力一定として算から，添加した Fe 粉末は固化成形過程にて TiNi 母出）の縮径化が実現する．また，応力除荷後の残留相に完全に固溶したと判断できる．

ひずみより形状回復率を算出すると，無添加材が回次に，本試料における Fe 粉末添加量と相変態温復率 58.1%であるのに対し，1.0%Fe 添加材では 95.4%度の相関関係を図３に示す．なお，本測定では，Feと優れた超弾性特性を発現した．以上の結果より本

元素固溶の影響を詳細に評価するため，0.1，0.3，

研究で提案した TiNi-Fe 粉末合金は力学・超弾性特0.5%Fe 添加材も作製し，測定を行った．M 温度は，性ともに優れる高機能材料であると結論付けられる．

Fe 添加量の増加と共に線形に低下し，1 at.%Fe あた（３）Fe 元素添加 TiNi 粉末合金の高強度発現機構

りの低下量は 111 K となった．また，オーステナイト(A)Fe 粉末添加量増加に伴うプラトー応力σP の増加

温度においても，Fe 添加に対して線形に低下し，傾は，緒言にて述べたマルテンサイト変態温度 M の低

きは-84.8 K となった．したがって，Fe 添加材の相変下に起因すると考えられる．プラトー応力σP は，マル

態温度は，Fe 添加量により高い精度で線形的に制テンサイト変態を誘起する応力であるので，σP と M と御可能であるといえ，Fe 添加量の増加に伴うプラトーの関係は，Clausius–Clapeyron の関係より次のように応力の増加が期待できる．なお，1.0%Fe 添加材の変表記できる．
σp=ρΔS（M－T）／εt

態温度は，DSC の測定限界以下であったため，近似

ここで，ρは密度，ΔS は変態エントロピー，εt は変式により算出した．
Transformation temperature, T / K(1)

態ひずみ，T は試験温度である．なお，本研究では，

300

A
240

-85.4 K/ at.%Fe

ρ=6.45 kg/m3，ΔS=-0.0385 J/K とした．式(1)より算出した理論プラトー応力は，無添加材；364 MPa，M

1.0%Fe 添加材；959 MPa となり，引張試験結果と比較
180

して誤差 8%未満の良い一致を示した．したがって，本-111 K/ at.%Fe120

研究にて開発した TiNi-Fe 焼結合金におけるプラト
0

0.2
0.4
0.6
0.8
Additive Fe content, [Fe] (at.%)

1

ー応力向上の主要因は，Fe 元素の Ni 原子との置換

図３. Ti-50.5 at.%Ni+0~1.0 at.%Fe 焼結合金における相変態温度と Fe 含有量の相関

固溶によるマルテンサイト変態温度の低下であると結論付けられる．

図４に 0～1.0%Fe 添加材のヒステリシス試験結果を示す．Fe 添加量の増加と共にプラトー応力σP は大37

【18】 大画面ディスプレイ用高解像度ホログラムパターンの高速生成アルゴリズム開発に関する研究

研究者 香川大学工学部 助教

森 裕〔研究の概要〕本研究では，大型液晶ディスプレイ用ホログラムの高速生成アルゴリズムの開発をおこなった．再生する立体
像を点光源の集合と考え，物体を構成する点光源数を低減させることによって高速化を実現した．通常，再生点数を減らすと再生像画質は低下してしまうが，再生する点光源の大きさを適切に調節することによって，その劣化の抑制に成功した．また，点光源の大きさを物体情報の局所的な振幅の均一度合いをもとに調節する方法を提案した．提案手法を，異なる再生点数の物体に適用し，その性能検証および再現性をシミュレーションにより評価した．また，8K8K ディスプレイ用の大型ホログラムを作製し，本手法の有効性を調査，実証した．

〔研究経過および成果〕

口サイズは変更せず，アポダイゼーションフィルタをまず，点光源の大きさを再生物体の情報に応じて適用するのみとした．

適切に選択するアルゴリズムの開発をおこなった．原

以上を踏まえ，原理確認として，1×1 画素と 2×2 画

理確認のため，試験的に 2 次元画像を対象物体と素相当の点光源から構成される物体情報をもつホロ

し，1×1 画素と 2×2 画素の大きさに相当する 2 種類のグラムを表 1 に示す条件を用いて作製し，再生像画

大きさの点光源を用いた．物体の振幅情報に対する質を PSNR (Peak Signal to Noise Ratio)により評価し局所平均と元の情報との分散から，局所的な類似度を求め，類似度の高い分布は 2×2 画素相当の大きさの点光源で構成可能と判断するアルゴリズムを構築した．残りの領域は 1×1 画素相当の点光源で構成する．次に，2×2 画素相当の点光源を再生するためのホログラムの作製方法として，開口縮小とアポダイ
ゼーションフィルタを検討し，それぞれの効果について検証した．それぞれを適用した場合の光源 1 点を再生するホログラムを作製し，ホログラムから再生した
点の断面強度プロファイルを図 1 に示す．図 1(b)のア
ポダイゼーションフィルタの場合が最も急峻に指定した 2×2 画素相当のサイズの点光源を表現できている
図 1 2×2 画素相当の光点の断面強度プロファイル

ことがわかる．2×2 画素の大きさを表現するために開38

表 1 シミュレーション条件
532 nm8 m
128×128
30 mm

波長
画素ピッチ
画素数
球面波の曲率半径

た．PSNR は
PSNR  10 log 10

M2
MSE

(1)

図 3 8K8K ホログラムの再生像で与えられ，M は画素値の取りうる最大値（8 bit の画

次に同様のアルゴリズムを用い，8K8K ホログラム

像では M = 255），MSE は元画像と再生画像との平を作製した．元画像と再生像を図 3 に示す．物体は均二乗誤差である．本手法をいくつかの画像に適用

8000×8000 画素の 2 次元画像を用い，それ以外の条

した．用いた画像と再生像を図 2 に，またそのときの件は表 1 に示す通りである．図 3 から，（本稿の表示

再生点数，計算時間，PSNR の関係を表 2 に示す．

縮尺では）目視で全く違いが判断できないほどの画以上の結果から，提案手法は PSNR が 30 dB 程度を質での映像再生に成功した．このことから，より画素

維持しており，有効に再生点数を削減できている．

数の多い物体ほど，より大きな点光源での構成が容易であることが分かった．このときの計算時間は1.3×105 秒であり，再生点数は 17.8×106 点であった．
従来法では 64×106 (8000×8000) 点を計算するために時間は，おおよそ 5×105 秒必要であり，提案手法
により有効に再生点数の削減，および再生点数減少にともなう画質低下の抑制に成功した．
現状では，2 種類である点光源サイズを，サイズの種類数の増加や，再生点の形状を円形から楕円形

図 2 再生像（左：元画像，中央：提案，右：従来）に変化させるなど，構成する点光源の種類を増やすことによって更なる高速化を図り，また，実験的にホロ

表 2 計算時間と再生像画質の関係

Lenna

Girl

Parrot

再生点数
時間 [s]PSNR [dB]
再生点数
時間 [s]PSNR [dB]
再生点数
時間 [s]PSNR [dB]

提案手法
7240
760
33.5
5326
572
33.0
5284
562
29.8

グラムを再生することにより実際に目で見える映像と

従来手法
16384
1403
41.3
16384
1349
47.3
16384
1389
41.3

して評価をおこなっていく．

〔発表論文〕
１． Y. Mori and T. Nomura, “Fast hologram patterngeneration by adaptive point-spread spherical wave
synthesis,” J. Display Technol., 12, 815-821, 2016.

39

【19】 受動機構による階段昇段可能な大腿義足用膝継手の開発：平地歩行機能と昇段機能の統合

香川大学工学部 助教

井上 恒〔研究の概要〕本研究では、これまで申請者らが開発してきた機械式の義足膝関節（膝継手）における階段昇段機能と、市販されている機械式膝継手で実現されている平地歩行機能について、別々の機構によるこれらの機能を 1 つの機構で実現する機械式膝継手の開発を行うことを目的とした。4 節リンク機構を基本として、歩行状態に応じてリンク長が変化する機構を開発し、前述した 2 つの機能を実現する膝継手を提案した。提案膝継手を試作し、模擬
大腿義足を使用した健常者による評価実験を行った結果、手すりを利用することなく平地 — 階段昇段を連続的に行うことに成功した。また、膝継手機能の切替えは歩行状態に応じて自動的に行われた。

〔研究経過および成果〕

歩行における安全性は十分得られていなかった。つ

大腿部での下肢切断者が歩行能力などを再獲得

まり、異なる機能が別々の機構で実現されている状する場合、一般的に大腿義足が用いられる。大腿義態であった。そこで本研究では、これら 2 つの機能を足においては義足膝関節（膝継手）の機能が歩行能

1 つの機構で実現する機械式膝継手の開発を行うこ力に大きく関係している。膝継手には大きく分けて、とを目的とした。

電子部品を用いない機械式のものと、電子制御式の本研究の結果、提案された機構を図 1 に示す。前ものがある。近年、電子制御によって多機能な膝継述した 2 つの機能をもつ別々の 2 つの機構を 1 つに手が開発・市販されている。その一方、特に経済的発統合するために，市販品で平地歩行用に多く用いら

展途上国などに向けた機械式の膝継手の開発におれている 4 節リンク機構を基本とし、そのリンクの 1 つ

いては、従来の機構を樹脂などで作製することでコスの長さが歩行状態によって可変となる機構を設計しトダウンが図られてはいるが、多機能化に対する開発た（図 1）。平地歩行時ではこの 4 節リンク機構（リンクは一般的に行われていない。

L1～L4、回転軸 J1～J4）が維持される。階段昇段時でこれまで、申請者らは機械式のメリット（生産コスト、は膝屈曲状態で義足接地することで、回転軸 J4 はリ

耐久性、使用環境など）を最大限に享受すべく、実ンク L3 に設けられた階段昇段用スリット内を移動可能

現困難とされてきた運動課題を可能にする機械式膝になる。ことのとき、義足への荷重によってリンク L3 に継手の開発に取り組んできた。その結果、従来、電子長さ変化が生じることになり、それによって膝屈曲状

制御式の膝継手でも非常に困難であった階段昇段

態から膝伸展運動が生じる（図 2）．また，リンク L3 のを実現する機械式膝継手の開発に成功した。しかし、長さ変化（歩行機能）の有無の切替えは，義足接地

この膝継手は階段昇段のみ対応して設計されていた。

時の膝継手の屈曲角度およびリンク L3 に作用する重市販されている機械式膝継手で実現されている平地

力によって自動的に切替わるよう設計されている。

40

図1

開発した膝継手の構造（上）と平地歩行／昇段機能切替え機構（下）図3

提案機構を用いることで平地歩行（左列）から階段昇段（右烈）への連続的な歩行に成功に成功した（図 3）。このとき、膝継手機能の切替えは歩行状態に応じて自動的に行われた。平地、階段ともに、義足側に自重と同程度の床反力が観察され、試作膝継手が歩行に貢献できることが唆された。

Full extended knee with level walk function and knee
flexion during swing phase

今後の課題として、本研究による立脚期の機械的制御の機構に、市販されている機械式膝継手で実行可能な階段降段および遊脚制御機能を取り入れる。
〔発表論文〕
１． Inoue, K., Tanaka, T., Wada, T., Tachiwana, S.,
Development of a Passive Knee Mechanism that

Knee extension with stair ascent function
図2

提案機構における平地歩行機能および階段昇段機能

Realizes Level Walk and Stair Ascent Functions forTransfemoral Prosthesis. Proceedings of 6th IEEE

提案機構について模擬大腿義足を使用した健常

RAS/EMBS International Conference on Biomedical

者で評価実験を行った。その結果、開発した膝継手

Robotics and Biomechatronics (BioRob), pp.522-527,（提案機構の試作機）を使用することで、手すりを利2016.

用することなく平地 — 階段昇段を連続的に行うこと

41

【20】 偏光サニャック干渉計を用いた光渦ビームのモードスペクトル測定とモード分離研究者 高知工科大学システム工学群

准教授

小林 弘和

〔研究の概要〕
らせん状の等位相面を持つ光渦ビームは、位相のねじれ具合に対応して多数の空間モードを持つ。このモードを利用した応用として、同一波長で多重化通信を可能とする空間モード多重化通信（SMDM; Spatial Mode
Division Multiplexing）が期待されている。本研究では、SMDM に必要となる機能として、光渦のモード分離とモード毎の強度分布測定（モードスペクトル測定）を高効率に行なうシステムの構築を目的とした。モード分離としては通常のビームと一重らせんの光渦を分離度 10dB 以上で分離することに成功し、モードスペクトル測定では一重らせんの光渦に対して原理検証実験に成功した。

〔研究経過および成果〕
図 1 に示すように、光渦は等位相面（光波の山の場
所）がらせん状で、そのねじれ具合（一重らせん、二重らせん…）に応じて多数の空間モード（モード番号

図 1. 光渦の強度分布と位相分布݈ ൌ ͳǡʹǡ ‫）ڮ‬を持つ。また強度分布はリング型で、断面内に Ͳ̱ʹߨ݈ まで変化する位相分布を持つ。本研究では図 2 に示すように、同軸に合波された異なる複数のモードの光渦ビームに対して、(a) 各モードへの分
離と(b) モード毎の強度分布（モードスペクトル）の測定を行うシステムの実装を目的とした。
ここでは台形のダブプリズム(DP)[図 3(a)参照]を含
むサニャック型の偏光干渉計[図 3(b)参照]を共通に用いてモード分離とモードスペクトル測定の二つの機

図 2. 異なる光渦の合成波に対する(a)モード分
離と(b)モードスペクトル測定能を実現する。まず偏光サニャック干渉計内では入ダブプリズムの角度ߙに対してビーム断面内の強度・射点で分離された水平偏光（H）と垂直偏光（V）が対位相分布がʹߙだけ回転（＋反転）されて出射される。

向して同じ光路を伝搬するため、余分な位相が付加

光渦はビーム断面内でͲ̱ʹߨ݈の位相分布を持つた

されず、干渉強度が安定化される。また、ダブプリズ

め、回転によってʹߙ݈の位相を得ることになる。サニャ

ムは干渉計内で光渦のモード݈毎に異なる位相差をック干渉計内では水平と垂直偏光が対向してダブプ与えるために利用する。図 3(a)に示すように、ダブプ

リズムに入射するため相対的にͶߙ݈の位相差が生じ、リズムに入射した光波は底面で全反射されることで、この位相差により出射される偏光が変化する。

42

図 1. 通常のビーム（� � �）と光渦（� � �）のビームの分離（� � ���� ）図 3. (a) ダブプリズム（DP）と(b) 偏光サニャ
ック干渉計（HWP：1/2 波長板、PBS：偏光ビ
ームスプリッタ）
まずモード分離では、入射光として波長 780nm の
通常の光ビーム（� � 0）と� � 1の光渦を干渉計に入射した。ダブプリズムの角度を� � π��とすれば、� �0に対する水平-垂直偏光間の位相差は0、� � 1ではπとなるため、入射偏光を 45°偏光とすれば、� �
1は 135°偏光となる。したがって偏光ビームスプリッ
タ（PBS）の手前の 1/2 波長板（HWP)を 22.5°にすれ

ば二つを分離できる。図 4 は PBS の手前の HWP を
回転させながら PBS で反射された光強度を測定した

図 5. (a) ダブプリズムによる位相分布の回転角�
と光強度の関係 (b) (a)の�に関する FFT 強度結果である。HWP の角度が 22.5°のとき、� � 0と� �

FFT 強度である。� � 1でスペクトル強度が最大となっる。

は回転させるダブプリズムの中心軸とビームの軸が完

1の光強度の比 10.7dB で分離されていることがわかているものの、� � 0の成分も大きくなっている。これ

次にモードスペクトル測定では� � 1の光渦を干渉

全には一致しておらず、干渉しない成分が混ざって45°と 135°偏光成分の光強度を測定した。ダブプリ

本研究ではモード分離とモードスペクトル測定を同ズムによる位相差により、それぞれの光強度は1 �

一の偏光サニャック干渉計で実現できることを実証して位相分布の回転角� � ��でフーリエ変換（FFT）を

ズムをシリンドリカルレンズペアに変更して実験を行計に入射して、ダブプリズムの角度を回転させながらいることが原因である。

��������に比例して変化するため、両者の差を取った。より精度の高い結果を得るため、現在はダブプリ

行えば、�についての分布が求められる。図 5(a)がそなっている。また通信波長帯の光源を用いて実際にれぞれの偏光成分の�に対する変化、図 5(b)がその多重化通信を試みる予定である。

43

【21】 界面スピン軌道相互作用によるスピン蓄積－電流変換とその制御手法に関する研究

研究者 慶應義塾大学 理工学部 特任助教 中山裕康

〔研究の概要〕本研究課題では，界面スピン軌道相互作用に起因するスピン蓄積－電流変換現象とスピン軌道トルク生成に関する研究を行った．巨大ラシュバスピン分裂を示すことが知られているビスマス/銀を接合した垂直容易磁化
薄膜に対して，高調波ホール電圧測定法によるスピン軌道トルク定量手法を用いることで，ビスマス/銀界面に起因するスピン軌道トルクの電気的生成・検出に成功した．スピン拡散モデルを用いることで，そのスピン蓄積－電流変換効率の定量を行った．さらに本研究課題では，ラシュバ・エデルシュタイン効果を介した新しい磁気抵抗効果「ラシュバ・エデルシュタイン磁気抵抗効果」の観測に初めて成功した．この磁気抵抗効果を利用することで，磁気輸送測定法という比較的簡便な手法による界面スピン蓄積－電流相互変換に関する研究が可能となった．
これは界面スピン機能デバイスに関する研究を大きく加速させる研究成果である．

〔研究経過および成果〕

部磁場を掃引しながらロックインアンプを用いたホー

近年，スピントロニクスから派生した「スピンオービト

ル電圧の基本波と高調波の同時測定を行った．

ロニクス」と呼ばれる研究領域が出現し，スピン軌道

コバルト薄膜の上下の白金層の膜厚が同じ場合，相互作用に起因するスピン軌道トルクを利用した次上下の白金薄膜におけるスピンホール効果の寄与が世代の磁化制御技術として期待されている．この研互いに打ち消され，コバルト層に与えるスピンホール

究領域では，金属超薄膜およびその界面が舞台の効果によるスピン軌道トルクが観測されなかった．一

一つとなっており，界面スピン軌道相互作用が本質方，上下の白金層を異なる膜厚とした場合，有限のス的な役割を果たす．本研究課題では界面スピン軌道

ピン軌道トルクが観測された．さらに，白金/コバルト/

相互作用を介したスピン蓄積－電流変換とスピン軌

白金積層構造において誘起されるアンチダンピング

道トルクの検出を目指した．本研究課題の遂行による型スピン軌道トルクはスピンホール効果による寄与が研究成果は下記の 3 点に集約される．

支配的であり，スピンホール効果及びスピン拡散方

1. 垂直容易磁化膜を用いた高調波ホール電圧測定

程式の枠組みによって記述されることを明らかにした．

法によるスピン軌道トルクの定量

本研究成果は発表論文 2 に掲載されている．

本研究課題ではまず，高調波ホール電圧測定によ

2. ビスマス/銀界面に起因するスピン軌道トルク

るスピン軌道トルクの検出に取り組んだ．試料として

ラシュバ・エデルシュタイン効果は界面スピン軌道

は，スパッタリング法により作成した白金/コバルト/白相互作用下に電流を印加すると，界面にスピン蓄積

金垂直容易磁化膜を用いた．測定は，ホールバー形が誘起される現象である．本研究課題では，前節で状の試料に対して交流電流を印加し，薄膜面内に外構築した高調波ホール電圧測定法を用いることで，44

される現象である．正・逆ラシュバ・エデルシュタイン
効果は強磁性/常磁性複合膜において同時に同じ場所で発現させることが可能であり，スピン流－磁化相
互作用と結合させることで，磁気抵抗効果を発現させることが可能となる．本研究課題では，この界面スピン軌道相互作用に起因する新しい磁気抵抗効果「ラシュバ・エデルシュタイン磁気抵抗効果」の観測に初

図１．ビスマス/銀/コバルト鉄ボロン積層構造におけるめて成功した[発表論文 1]．この磁気抵抗効果を利

ラシュバ・エデルシュタイン効果(REE)とバックフロウ

用することで，比較的簡便な電気的測定による界面

スピン流の模式図．

スピン蓄積－電流相互変換に関する研究が可能とな
ビスマス/銀界面におけるラシュバ・エデルシュタインった．このような新しい原理に基づいた磁気抵抗効果
効果由来のスピン軌道トルクの定量を目指した研究の発見に繋がったという意味でも本研究課題を遂行を行った．Bi/Ag/Pt/Co/Pt および Ag/Pt/Co/Pt 積層構できた意義は非常に大きい．

造を作成し，高調波ホール電圧の精密測定を行った．
最後に，本研究助成を賜りましたカシオ科学振興財
その結果，Bi/Ag/Pt/Co/Pt 積層構造において，有限団に厚く御礼申し上げます．
のアンチダンピング型スピン軌道トルクが確認された．
さらにスピン拡散方程式を用いた解析を行い，ビスマ〔発表論文〕
ス/銀界面におけるスピン蓄積－電流変換効率を決

１． H. Nakayama, Y. Kanno, H. An, T. Tashiro, S.

定した．本研究成果は発表論文 1 (及びそのHaku,

supplemental material) において報告されている．

A.

Nomura,

and

K.

Ando,

“Rashba-Edelstein Magnetoresistance in Metallic

3. ラシュバ・エデルシュタイン磁気抵抗効果の観測

Heterostructure” Physical Review Letters 117,

ラシュバ・エデルシュタイン効果の逆過程である逆ラ

116602 (2016).

シュバ・エデルシュタイン効果は，界面スピン軌道相

２． H. An*, H. Nakayama*, Y. Kanno, A. Nomura, S.

互作用下にスピン蓄積を作ると，界面に電流が誘起

Haku, K. Ando, “Spin-orbit torques in asymmetric
Pt/Co/Pt structures” Physical Review B 94,
214417 (2016). *equal contribution
３． Y.-T. Chen, S. Takahashi, H. Nakayama, M.
Althammer, S. T. B. Goennenwein, E. Saitoh, G. E.
W. Bauer, “Theory of spin Hall magnetoresistance(SMR) and related phenomena” Journal of
Physics: Condensed Matter 28, 103004 (2016).

図２．Bi/Ag/CoFeB 積層構造における電気抵抗値の外部磁場角度依存性．

45

【22】 マイクログラビア印刷技術を用いた高分子超薄膜の大量創製とその高機能化研究者 東海大学工学部 講師 砂見 雄太〔研究の概要〕本研究では、マイクログラビア印刷技術を用いた高分子超薄膜（100 nm 以下の厚み）の大量創製技術の確立と表面パターニングにより高機能性を有する機能性超薄膜を創製することを目的としている。高分子超薄膜の大量生産技術については、基板フィルムの搬送速度、マイクログラビアロールの回転速度、ドクターブレードの設置角度などの各パラメータが高分子超薄膜の膜厚さに及ぼす影響について実験的に検討した。また、エンボス加工を施した基板フィルムを用いて凹凸を付与した高分子超薄膜を作製した。

〔研究経過および成果〕

コーティングを行った。その後、70 [℃]で乾燥させる。

本研究では，ロール・ツー・ロール（Ｒ２Ｒ）生産方

本実験では、犠牲膜法を用いたため犠牲膜（ＰＶＡ）

式にマイクログラビア方式を組み合わせた手法によっのコーティングを終えた後、犠牲膜の上に高分子超て作製する高分子超薄膜の膜厚さ御および大量生

薄膜の材料となるＰＬＬＡのコーティングを行った。そ産を目的とし、フィルムの搬送速度およびマイクログラの後、フィルムを水に浸すことにより、犠牲膜が水に

ビアロール（以下、MG と称す）の回転速度、溶液の溶解除去され、高分子超薄膜のみを剥離させること

濃度が高分子超薄膜の膜厚さに及ぼす影響を実験ができる。剥離させた高分子超薄膜の膜厚さを触針的に検討するとともに高分子超薄膜の物性（表面粗式表面形状測定器により測定した。表面粗さはＡＦＭ

さ、ヤング率）を測定した。また、高分子超薄膜のさらで、ヤング率は超薄膜を簡易的に測定することが可なる高機能化を図るため、エンボス加工を用いてハ能な SIEBIMM 試験を用いた。これにより、各膜厚さのニカム構造を有する高分子超薄膜の作製を行った。

高分子超薄膜の搬送方向および幅方向のヤング率

図 1 に本実験に用いた薄膜塗工機の概略図を示す。

を測定することを実現させた．

同機はＲ２Ｒ生産方式を再現した構造になっており、乾燥

塗工工程には薄膜塗工に優れたマイクログラビア方
式を組み込んでいる。本実験では、ローラを介して厚み 100 μm の基板フィルム（PET）を設置し、張力を付与した状態にする。その後、溶液を注ぎ、ＭＧ（直径20 mm）を回転させ溶液をすくい上げた。その際、ドクマイクログラビア印刷

ターブレードを MG に接触させ、溶液量が均一になる

巻出しように制御を施し、塗工アームを下降させることにより巻取りフィルムとＭＧを近づけ二面間に液だまりを形成して

図１

46

マイクログラビア印刷装置

Thickness t [nm]

100
80
60
40

Peripheral speed ratio 1.0

20Peripehral speed ratio 0.6

100µmPeripheral speed ratio 0.3

0

2.0

4.0

6.0

8.0

(a) エンボスローラの表面（50 倍）Film width position W [cm]Young’s modulus E [GPa]図２ 搬送速度とグラビアロールの回転数の比率を変化させた場合の軸方向における膜厚さ
8.0

Machine direction
Cross machine direction
Spin coat

6.0

100µm

(b) 高分子超薄膜の表面（50

4.0

図４

2.0
0

50

100

150

200

Thickness of nanosheets t [nm]レーザー顕微鏡を用いて観察したエ
ンボス加工ローラの表面と表面修飾された高分子超薄膜の画像わかる。この要因として高分子超薄膜の搬送方向に

図３ 作製した高分子超薄膜のヤング率の測定結果発生したムラの影響、搬送方向に分子が一軸配向したことなどが考えられる。

図２および図３に実験結果の一例を示す。図２は搬

図４は、レーザー顕微鏡を用いて観察したエンボス

送速度とグラビアロールの回転数の比率を変化させ加工ローラの表面と表面修飾された高分子超薄膜のた場合の軸方向における膜厚さを示している。同図よ画像を示している。 同図(b)より、エンボスロールの表り、周速比率が小さくなるほどムラが大きく、膜厚が薄面構造が高分子超薄膜上にほぼ同様な形状で転写

いことがわかる。これは、フィルムと MG 間に発生するされていることがわかる。

液溜まりへ溶液の供給が追い付かなくなり、液溜まり〔発表論文〕の溶液量が少なく不安定な状態になるため、搬送方

１． 甲斐仁智、砂見雄太、槌谷和義、“マイクログ
ラビア印刷を用いた高分子亮薄膜の大量創製”,
2016 年度日本機械学会年次大会論文集, pp. 1-5.,(2016)
２． Yoshitomo Kai, Yosuke Okamura, Hiromu
Hashimoto, Yuta Sunami, “Fabrication of Poly
(L-lactic acid) Nanosheets Using Micro Gravure
Printing”, Proceedings of the International
Conference on Flexible Printed Electronics 2016,
pp. 1., (2016)
３． 砂見雄太、甲斐仁智、岡村陽介、槌谷和義、落合成行、橋本巨、“印刷技術を用いた高分子亮
薄膜の創製とその評価”、サステイナブルトラ
イボロジー会議２０１６奄美大島, pp. 1., (2016)

向にムラが発生したと考えられる。また、周速比率が大きい場合、液溜まりへの溶液の供給が多くなるため膜厚が厚くなったと考えられる。したがって、周速比率を大きくすることによって、ムラの発生を抑えることが可能である。
図３に、作製した高分子超薄膜のヤング率を示す。
同図より、搬送方向および幅方向で値が異なることが47

【23】 π電子系を利用した水素・炭素・窒素・酸素原子のみから成る二次電池電極材料の開発

研究者 愛知工業大学工学部 准教授

糸井 弘行

共同研究者 愛知工業大学工学部 教授 大澤 善美〔研究の概要〕電気二重層キャパシタ（Electric double-layer capacitor）は、イオンの物理的な吸脱着を利用して充放電を行う
電気エネルギー貯蔵デバイスである。したがって EDLC は充放電に化学反応が伴わないため、急速充放電と優れた寿命特性を有する。しかし EDLC のエネルギー密度はリニウムイオン電池をはじめとする二次電池と比較す
ると、エネルギー密度が 10 分の 1 以下程度と低いことが最大の欠点である。そこで電気二重層キャパシタの電極材料として用いられる活性炭に、酸化還元反応を示す金属酸化物や導電性ポリマーなどのレドックス化合物と複合化した電気化学キャパシタ電極の開発が盛んに行われている。本研究では、レドックス化合物としてπ電子に富んだ水素・炭素・窒素・酸素のみからなる有機化合物と極めてシンプルな実験操作により、優れた電気化学キ
ャパシタ電極特性が得られた研究成果について報告する。

〔研究経過および成果〕

電解重合と電気化学測定は三極式セルを使用し、電本研究では活性炭（AC）に KOH 賦活炭（MSP20N、解液に 1 M H2SO4 を用いた。作用極は試料中の AC

表面積：2070 m2/g）を用いた。この AC は 2 ナノメートと導電補助剤であるアセチレンブラック（デンカブラッ

ル以下の細孔であるミクロ孔のみを有するミクロポー

ク、電気化学工業㈱）、バインダーであるポリテトラフ

ラ ス カ ー ボ ン で あ る 。 試 料 の 調 製 は ま ず 、 AC を

ルオロエチレン（デュポン㈱）の重量比が 18：1：1 とな

150 ℃、6 h の条件で真空加熱乾燥し、乾燥後の ACるように混合してシート状に成形し、SUS メッシュに圧の重量を測定した。次に、吸着後の試料におけるヒド

着して作製した。対極は AC を使用して作用極と同様

ロキノン（HQ）の重量が 10、20、30%になるように正確の操作で作製した。AC に吸着させた ANI の電解重に量り取り、AC とともに密閉して 24 h かけて 150 ℃

合 は 、 10 mV/s の 掃 引 速 度 で −0.1 ～ 0.8 V （ vsで HQ を吸着させた。得られた試料を MSP20N/HQ

Ag/AgCl）の電位範囲における 15 サイクルのサイクリ(X%)（X は試料中の HQ の重量パーセント）と表記す

ックボルタンメトリーにより行った。電気化学特性評価

る。さらに、これらの試料にアニリン（ANI）を 24 h かけ

は電解重合後のセルをそのまま使用し、−0.1～0.8 Vて 25 ℃で飽和するまで吸着した試料を調製した。

の電位範囲で 20 A/g から 0.2 A/g の電流密度で定

ANI を吸着させた試料を AC/HQ (X%)/ANI と表記す

電流充放電測定（CD）を行った。

る。比較として AC に ANI のみ飽和吸着させた試料も図 1 に AC と HQ、合成した試料の X 線回折（XRD）

調製した（AC/ANI）。ANI は電解重合によって酸化測定結果を示す。HQ は結晶構造に由来するシャー還元反応を示すポリアニリン（PANI）になるため、HQ

プなピークが確認できるが、AC/HQ はシャープなピと PANI の相乗効果による容量の増大が期待できる。

ークを一切示さないことが分かる。この結果は、HQ が48

AC の粒子表面に堆積することなく、AC のミクロ孔内が分かる。これは AC がイオンの物理的な吸脱着によ部に吸着して高分散していることを示している。HQ をり電気エネルギーを貯蔵・放出するため、充放電速

はじめとするレドックス化合物は一般的に導電性が極度の増大と共にミクロ孔内部でのイオンの拡散が追めて低いために急速充放電特性が得られにくいとさ

い付かないためである。一方、HQ を吸着した試料はれている。しかし HQ が表面積 2000 m2/g 以上もの

HQ が 10～20%までは HQ の吸着量に比例して体積AC の細孔内部に高分散されることで、導電性の高いあたりの容量が大きく増加するが、30%では容量の増

AC の炭素表面との接触面積が極めて大きくなり、優

加効果が小さい上にレート特性が低下することが分れた急速充放電特性が期待できる。

か る 。 一 方 、 ANI を 吸 着 さ せ た 試 料 に お い て は
AC/HQ (20%)/ANI が最大で約 3.5 もの高い体積あたAC
AC/HQ (10%)
AC/HQ (20%)
AC/HQ (30%)
HQ

りの容量の増加と優れたレート特性を示し、ANI のみ

Intensity [a. u.]を吸着させた試料よりも高い性能を示した。この結果
は、HQ と PANI との組み合わせによる相乗効果により、急速充放電特性を維持しながら効果的に体積当たりの容量を増大できることを初めて示す成果である。
以上の結果から、本研究では水素・炭素・窒素・酸

5

10

15

20

25
30
35
2θ [Degree]

40

45

50

素のみから成るπ電子系に富んだ異なる 2 つのレドッ

図 1 各試料の XRD パターン

クス化合物を用いることで、相乗効果によって急速充

図 2 に定電流充放電測定から得られたレート特性

放電特性を維持したまま体積当たりの容量の大幅なを示す。このグラフは、横軸が充放電速度、縦軸が容増加を実現することを示すことができた。

量に対応する。尚、電気エネルギー貯蔵デバイスのCapacitance / Fg-AC-1

電極材料の容量を議論する際、実用的観点から、体積あたりの容量の方が重量当たりの容量よりも重要な意味を成す。体積あたりの容量を比較する場合、電極密度を測定する必要があるが、同じ試料であっても電極密度はわずかな圧力の違いによって大きく変化

AC
AC/HQ (10%)
AC/HQ (20%)
AC/HQ (30%)
AC/HQ (10%)/ANI
AC/HQ (20%)/ANI
AC/HQ (30%)/ANI
AC/ANI

1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100

してしまう。しかし本研究で合成した試料は AC のミク

0

ロ孔内部に HQ と ANI が吸着するため、これらの吸着

0

1000

2000

3000

4000

5000

Current Density / mAg-1

前後で電極体積は変化しない。したがって AC １グラ

図 2 各試料のレート特性

ムあたりの容量（F g-AC–1）を比較することによって、前〔発表論文〕

述の問題を排除して体積あたりの容量変化の傾向を

１． H. Itoi, et al., Langmuir, 2016, 32, 11997-12004.

知ることができる。まず AC のみのレート特性に着目

２． H. Itoi, et al., ACS Sus. Chem. Eng., 2017, 5,

すると、充放電速度の増加と共に容量が低下すること

556-562.

49

【24】横波型薄膜共振子を利用した流路一体型質量センサの開発と抗原抗体反応の高感度検出研究者 名古屋工業大学 大学院工学研究科 助教

高柳 真司〔研究の概要〕本研究は、在宅での予防医療システムを目指し、リスクマーカーの抗原抗体反応を検出できる横波型薄膜共振子センサ開発を目的とする。本報告では、まず c 軸が基板面に対して平行に配向した ZnO 薄膜を基盤材料とする横波型共振子構造を作製した。そして、微小流路を共振子上に取り付けセンサデバイスを構築した。試作したセンサの共振特性から、共振子に液体を負荷した場合でも共振を維持できることが確認された。さらに、共振子に Biotin を固定し Streptavidin 溶液を流したところ、Streptavidin-Biotin 結合による共振周波数の変化を観測できた。今後は本研究の共振子センサを用いた抗原抗体反応の濃度評価が期待される。

〔研究経過および成果〕(a)

生活習慣病（脳卒中、心臓病、がん）は日本人の死

c軸

亡原因の上位を占め、その膨大な医療費も社会問題化している。そこで、生活習慣病に関連した生体由来

Au/Cr

厚み
(0.3 / 0.05 m)

ZnO(2.6 m)

Au/Cr
SiO2

(0.3 / 0.05 m)(0.3 m)の物質（バイオマーカ）を日常的な指標として観測し、Si(8.5 m)

疾患を未然に防ぐことが重要となっている。そのため、

SiO2(0.9 m)

Si(400 m)

SiO2(0.3 m)

空隙

尿や血液中に存在するバイオマーカの量を高感度・高精度で検出できるセンサの開発が求められている。
(b)

本研究は、横波型薄膜共振子をバイオセンサとして(c)

SMAコネクタ

提案し、在宅でも使用可能な簡便性、汎用性に優れたバイオマーカ検出システムの実現を目指している。
本研究では、共振子の圧電薄膜として、c 軸が基板面に対して平行に配向した ZnO 薄膜を用いる。この c
センシング領域（0.66×0.66 mm2）

軸平行配向 ZnO 膜は純粋な厚みすべりモードを励

PDMS流路薄膜共振子

振し、液体を負荷しても振動を維持できるため、バイ

図 1 (a)横波型薄膜共振子の模式図と(b)表面画像

オセンシングに適している。また、ZnO 薄膜を Si 基板

および(c)流路実装後の様子

上に成膜することで、共振子の量産化、センサ駆動Ｉ
Ｃや流路とのワンチップ化が期待できる。

Au/Cr、圧電薄膜：c 軸平行配向 ZnO、下部電極：

図 1(a)に試作した横波型薄膜共振子の模式図、図

Cr/Au/Cr、補強層：SiO2/Si/SiO2 の多層構造から成る。

1(b)にその表面画像を示す。本共振子は上部電極：

さらに、図 1(c)に示すように共振子を実装基板上で配50線し、上部電極に PDMS（ポリジメチルシクロキサン）

る結合量の変化を共振周波数 f0 の低下量で捉えるこ

微小流路を取り付けた。そして、流路にシリンジポンとができるか検討していく。また、より高感度な計測シ

プ、インジェクタバルブを接続し、送液機構を組み立

ステムの構築も進める予定である。

てた。また、SMA コネクタから高周波ケーブルでネッ
トワークアナライザ（E5071B、 Agilent Technologies）

Real part of impedance ()(a)を接続し、薄膜共振子の共振特性を計測するシステ
ムを構築した。
本報告では、薄膜共振子を用いた抗原抗体反応検
出の模擬として、Streptavidin-Biotin 結合を用いた。
ま ず 、 共 振 子 の Au 電 極 上 に 自 己 組 織 化 膜（self-assemble monolayers: SAM）を形成し、SAM との結合により Biotin を固定化した。Biotin 固定後、送

44

f0

40
36
32
28
24
130.5

131.0

132.0

132.5

133.0

Frequency (MHz)(b)

液機構により純水を共振子上に負荷し、共振特性を

131.5Streptavidin

固定後安定

Biotin測定した。図 2(a)より、純粋負荷時にも共振のピーク

共振子
0.5

Frequency shift(kHz)が観測され、131.8 MHz 付近に共振周波数 f0 を持つことが確認できた。通常、f0 は共振子に質量が負荷す
ると低下する。そのため、Biotin に Streptavidin が結合した際の質量負荷を、f0 の低下により検出することができる。以降は、この純水負荷時の f0 を基準として時間変化を計測し、Streptavidin-Biotin 結合の検出を試

0.0

Streptavidin
滴下

-1.0
-1.5
-2.0

みた。図 2(b)に f0 の時間変化の測定結果を示す。こ

1.4 kHz
低下

-0.5

0

5

10

Time (min.)15

こで、測定開始 5 分後に、5 mg/mL の Streptavidin 溶

図 2 (a)Biotin 固定後、純水負荷時の共振特性と液 40 μL を共振子上に流した。すると、純水からの(b)Streptavidin 滴下による共振周波数 f0 の時間変化

溶液変化により f0 は一度大きく変動するが、その後、Streptavidin が Biotin と結合するにつれて質量負荷〔発表論文〕

分の f0 の低下が見られた。最終的に、純水負荷時と１． R. Iwanaga, S. Takayanagi, Y. Watanabe, M.

比較して約 1.4 kHz 低下して安定した。これは共振子

Matsukawa,

上の全ての Biotin が結合したために、それ以上の質“Evaluation of viscous liquid using resonance and

量負荷が起きていないことを示している。以上より、試

anti-resonance of thickness-shear mode resonator

作した横波型薄膜共振子を用いた抗原抗体反応のconsisting of c-axis parallel oriented ZnO film,”

検出が示唆された。

Abstr. Book 2016 IEEE Int. Ultrasonics Symp., p.
396 (2016).

今後は Streptavidin 溶液を低濃度にし、濃度によ

51

T.

Tsuchiya,T.

Yanagitani,

【25】 無線部と CPU 部のワンチップ化を容易にする 2.4 GHz、6 mW 動作 CMOS RF 受信機

研究者 大阪工業大学 工学部 特任講師

木原 崇雄

〔研究の概要〕本研究では、最小限のアナログ回路、低雑音増幅器（LNA: Low-Noise Amplifier）と A/D 変換器のみで RF 受
信機を構成し、さらにこれらをクロック信号等の影響を受けにくい回路構成とすることで、無線部と CPU 部のワン
チップの容易化を目指す。本論文では、これらの要求を満たす LNA として、オンチップトランスを用いた差動ソー
ス接地 LNA と、差動ゲート接地 LNA を取り上げ、これらの設計手法を示す。設計手法により、オンチップトランスに必要な特性（インダクタンス、Q 値）がわかり、仕様を満たす LNA を効率よく設計することができる。

〔研究経過および成果〕

差動 CS LNA の回路図を図 1 に示す。オンチップト

2020 年までに、500 億個の電子機器が無線でインランス（�� 、�� ）を用いて、入力単相信号を差動信号に変換している。共振周波数�� における、電流利得

ターネットに接続すると予想されており（IoT: Internet

��� と雑音指数��� は、次式で表される [1]。

of Things）、Bluetooth Low Energy (BLE) 等の無線通信機能を有する MCU（Micro Controller Unit）の需��� �

要はこれまで以上に高まっている。1 つのチップ上に無線部（RF: Radio Frequency）と CPU 部を集積するF�� � � �

SoC（System-on-Chip）の構成を採ることで、パッケー
ジサイズが小さく、かつ低消費電力動作の MCU を実�現できる。しかし、CPU 部のクロック信号が無線部に

��� ������ � ���� ��(1)���� � �� � ���� � �� �
��
�
��
�
��
��� ���� ����� ����

����
�
���
� � �� �� � ���������� ������

(2)

ここで、�� は信号源抵抗、��� � �� ����� � �� �、�は漏れ込み、その特性を劣化させる。現在の受信機は巻き数比、�は結合係数、�� は�� (� � �� �) の寄生

多数のアナログ回路で構成されており、この劣化解抵抗、��� は負荷の LC 共振器の等価抵抗を表す。

析と改善に多大な時間と人員が費やされている。
本研究では、最小限のアナログ回路、LNA と A/D

VDD

OUT_P

変換器のみで RF 受信機を構成し、さらにこれらをクロック信号等の影響を受けにくい回路構成とすることで、
IN C1

無線部と CPU 部のワンチップの容易化を目指す。本

L1ース接地 LNA（CS LNA: Common-Source LNA）と、

OUT_N

M3 M4

CL

L2

CL

M1 M2

C2

論文では、これらの要求を満たす LNA として、差動ソ

LL

LL

VB
Ls

C2
Ls

差動ゲート接地 LNA（CG LNA: Common-Gate LNA）
図 1 オンチップトランスを用いた差動 CS LNA

を取り上げ、これらの設計手法を示す。

52

差動 CG LNA の回路図を図 2 に示す。電流利得
��� と雑音指数��� は、次式で求められる [1]。
��� ~F�� � � ��������� � �������� �の計算結果とシミュレーション結果は一致しているが、CS LNA の��では、両結果の差が大きい。これは、解析式を導出する際に用いた等価回路に、トランス(3)の寄生容量を含めていないからである。
本設計手法を用いることで、設計仕様を満たす差����� �� � �� � �� � ���������� ����
��

動 CS LNA、CG LNA を効率よく設計することができ(4)る。

��� ��
���
� �
�
����
��� ������

ここで、������ は入力 LC 共振器の等価抵抗を表す。

図 3（左）に、�� に対する��� 、��� の計算結果を示す。�� が 6 で、�� を 3.5 nH 以上にすると、CG LNA の

利得は CS LNA よりも大きくなる。

次に、�� に対する���� と���� の計算結果を図 3（右）に示す。��を 5 dB 以下にするためには、6 以上の Q 値を持つ�� が必要である。また、�� が 4.0 nH 以上の場合、CG LNA の��は CS LNA よりも小さくなる。

図 3 ��� と��� （左）、���� と���� （右）の計算結果
表 1 LNA の特性

65 nm 薄型 BOX-SOI（SOTB: Silicon-on-ThinBuried Oxide）CMOS を用いて、これらの LNA を設計

Transformer

Simulated

L1

Q1

Gain

NF

Gain

NF

[nH]

[-]

[dB]

[dB]

[dB]

[dB]

3.6

5.7

20.4

5.18

21.0

4.80

5.3

6.2

20.7

5.53

20.8

4.78

3.6

5.7

20.9

4.55

21.0

4.68

VDD

5.3

6.2

21.0

4.42

21.6

4.57

OUT_N

〔発表論文〕

し、利得と��をシミュレーションした。トランスの特性

LNA

は、電磁界シミュレーター（Keysight 社 Momentum）
で求めた。表 1 に、LNA のシミュレーション結果と計

Calculated

CS

算結果を示す。表より、CG LNA が CS LNA よりも優れていることがわかる。さらに、CG LNA の利得と��

CG
LL

OUT_P
CL

VB

LL

M3

M4
CC

M1
C2

IN

１． Takao Kihara, Shigesato Matsuda, and Tsutomu

CLYoshimura, “Analysis and Design of Differential

M2
C2

LNAs with On-Chip Transformers in 65-nm
CMOS Technology”, 14th IEEE International

L1

L2

NEW

Circuits

And

Systems

Conference(NEWCAS), Vancouver, Canada, June 2016.
図 2 オンチップトランスを用いた差動 CG LNA

53

【26】 表面増強ラマン散乱による生体高分子の高感度検出を目指した
柔軟に構造制御可能な金ナノ構造体の創製研究者 北海道大学電子科学研究所 助教

三友 秀之〔研究の概要〕金属ナノ構造体の表面に誘起される局在表面プラズモンは、蛍光やラマン散乱の増強効果を示すことから、センシングデバイスへの応用が検討されてきた。しかしながら、タンパク質などの生体高分子を対象にした測定では、より高感度な検出基板が必要とされている。本研究では、ハイドロゲルの上に金ナノ構造体を作製し、ゲルの膨潤・収縮を利用してナノ構造体間のギャップ距離を動的に制御することにより、生体分子の検出感度の向上を目指した。その結果、ラマン散乱によるタンパク質のシグナル強度を 10 倍増強することに成功した。現在、金ナノ粒子の表面被覆材や構造を最適化することで、さらなる高感度化を進めている。

〔研究経過および成果〕

制御することで、効率よくターゲットを金ナノ構

金属のナノ構造体は、光と相互作用して局在表面

造体間に取り込み、SERSを著しく増強可能な高プラズモンを示す。特に、金属ナノ構造体表面にお感度検出デバイスの創製を目指している。

けるラマン散乱の増強は表面増強ラマン散乱

これまでに、自己組織化によりガラス基板上に(SERS)と呼ばれ、センシングデバイスを指向した

球状金ナノ粒子の集積薄膜を作製し、ハイドロゲ

関連研究が数多く報告されている。しかしながら、ル上に金ナノ粒子集積膜を転写することに成功しこれらの研究の多くは低分子を対象としたものでていた。また、濃度の異なるNaCl水溶液を用いてあり、タンパク質や細菌などのセンシングではそゲルを膨潤・収縮させると、ゲルの膨潤・収縮にの感度は低分子の場合に比べて著しく低い。

応じた消光スペクトルの波長シフトが観測され、SERSはナノ構造体のギャップ部位、特にそのギ金ナノ粒子間の距離が動的に変化することも確認

ャップ間距離が短いほど高い増強効果が期待できされていた。そこで、本研究では、金ナノ粒子間距

るが、ギャップのスケールを小さくすると測定対離を動的に変化させることによるSERS測定への効果

象物質がギャップ部位に入り込みにくくなるといについて検討を行った。

う問題があり、特にタンパク質や細菌などの大き金ナノ粒子集積薄膜転写ゲルを用いてな対象物質に対しては測定が難しくなっているとhemoglobin（分子量 65 kDa）のラマン分光測定考えられる。そのため、申請者は外部刺激に応答を行った結果、ゲルの膨潤により金ナノ粒子間距して膨潤・収縮するハイドロゲルの上に金ナノ構離を広げた状態でターゲット分子を添加し、その造体を固定化し、ゲルの膨潤・収縮によるサイズ

ままラマン分光測定を行うとシグナルは全く検出の変化によって金ナノ構造体のギャップを動的にされず、また、粒子間距離を狭めたままタンパク54

図 1. 動的ギャップ制御を利用した hemoglobin および Crystal Violet の SERS 測定(A)測定方法の模式図；a)ギャップが開いたままの状態での測定；b)ギャップが閉じたままの状態での測定；c)ギャップが開いた状態で対象物質を導入し、ギャップを狭めた後に SERS を測定 （B）hemoglobin の SERS
スペクトル (C)Crystal Violet の SERS スペクトル

質を添加しラマン測定を行うと、微弱ながらもプ

不均一であり、ギャップ距離制御の効果を最大限

ラズモンにより増強されたシグナルが観察されたに発揮できていないことが示唆された。

（図１B-a, -b）。一方、粒子間距離を広げた状態でそのため、現在、新たな表面被覆分子の合成（論ターゲット分子を添加し、その後ゲルを収縮させ

文２）、および三角プレート型金ナノ粒子の調製をて測定を行った結果、著しく増強されたシグナル

行い、より効果的なSERS測定基板の開発を進めが観察された（図１B-c）。この増強効果は粒子間ている。

距離を変えなかった場合（図１B-a, -b）と比べ、10倍以上であった。一方、Crystal Violet（分子〔発表論文〕

量 408 Da）の測定においては粒子間距離を狭め

１． H. Mitomo, K. Horie, Y. Matsuo, K. Niikura, T.

たままターゲット分子を加えた場合と比べ、

Tani, M. Naya, K. Ijiro: “Active Gap SERS for the

SERSのシグナル強度が約2倍増大した（図１C）。

Sensitive Detection of Biomacromolecules with

これらの結果より、粒子間距離を動的に変化させ

Plasmonic Nanostructures on Hydrogels”, Adv.

る本研究の手法は、微細な間隙に入りにくい巨大

Opt. Mater., 4(2), 259-263 (2016)
２． R. Iida, H. Mitomo, Y. Matsuo, K. Niikura, K.

分子のSERS測定において特に有効であることがIjiro: “Thermoresponsive Assembly of Gold

明らかになった（発表論文１）。

Nanoparticles

また、ゲルの体積変化によるギャップ制御につCoatedwith

Oligo(Ethylene

いて評価するため、有限差分時間領域法

Glycol) Ligands with an Alkyl Head”, J. Phys.

(Finite-difference time-domain method; FDTD

Chem. C, 120, 15846-15854 (2016)

method)によるシミュレーションを行い、消光ス〔謝辞〕

ペクトルと比較した。その結果、これまで用いて本研究を遂行するにあたり、研究助成を賜りました

きた金ナノ粒子集積薄膜は、ゲルの膨潤・収縮に

公益財団法人 カシオ科学振興財団に心より感謝申応じてギャップサイズは変化するが、その変化はし上げます。

55

【27】 新規ＨｂＡ１ｃセンサーの開発

研究者 東北大学大学院薬学研究科 助教

佐藤 勝彦〔研究の概要〕本研究ではフェニルボロン酸とフェロセンを組み合わせた新規化合物を合成し、溶液中における電気化学的特性を検討し、糖類が共存した際の影響について検討した。その結果、合成した新規化合物はフェロセン部位に起因する酸化還元応答を示し、糖が共存するとボルタモグラムの酸化還元電位がシフトすることが判明したことから、糖を有するＨｂＡ１ｃに対する検出素子として有望であることが分かった。次に、この化合物をチオール誘導体として、金電極表面に自己組織単分子膜として固定化することに成功した。この修飾電極は固定化された化合物のフェロセンに起因する酸化還元応答を示した。また、糖溶液中ではボルタモグラムの酸化還元電位の変換が観測された。しかし、この電極の応答は不安定で測定を繰り返すと徐々に低下することがわかった。今後、修飾電極の安定性を改善し、センサーとしてＨｂＡ１ｃ試料に対する応答を検討することが課題である。

〔研究経過および成果〕

はじめに、均一溶液中での化合物１および２の電本研究はフェニルボロン酸とフェロセンを組み合わ

気化学特性を調べた。これらの化合物を緩衝液/メタせた新規化合物を電極表面に固定化して、ＨｂＡ１ｃ

ノールの混合溶媒に溶解し、サイクリックボルタンメト（糖で修飾されたヘモグロビン）を検出するための電リー（ＣＶ）および微分パルスボルタンメトリー（ＤＰＶ）

気化学センサーの開発を目的とした。はじめに、新規を測定した。図２に化合物１のＤＰＶの結果を示す。

化合物（１、図１）の合成を行った。この化合物は分子

化合物１は約０．２７Ｖ付近に極大を有する酸化ピー

内に糖結合部位としてフェニルボロン酸、電気化学

クが観察された。これは化合物１のフェロセン残基の活性種としてフェロセン部位を有し、さらに電極への

電気化学酸化によるものである。一方、溶液中にフル固定化の足場となるカルボン酸残基を有している。化

クトースを添加するとその濃度に応じてピーク電流が合物１は、アミノメチル安息香酸、フェロセンアルデヒ

減少し、０．３５Ｖ付近に新たなピークが観察された

ド、およびブロモメチルフェニルボロン酸を原料として（図中に添加したフルクトース濃度を示した）。このよう３工程により合成することに成功した。同様にしてボロに、化合物１がフルクトース濃度に依存した応答を示

ン酸残基がメタ位に置換した化合物（２）も合成した。

すことが明らかになった。ＨｂＡ１ｃはヘモグロビンにフルクトース残基が結合しているので、化合物１を検出素子として用いてＨｂＡ１ｃセンサーを作製できることが示唆される。図２に示したＤＰＶ応答が観測されるのは、化合物１のフェニルボロン酸部位にフルクトー

図１ 化合物１の化学構造

スが結合したことに起因すると考えられる。具体には、

56

フェニルボロン酸部位にフルクトースが結合すること

化学特性を明らかにするために、緩衝液中でのフルにより、化合物１のＢ原子とＮ原子が相互作用してＮ

クトース共存および非共存下のＤＰＶを測定した（図原子からＢ原子への電子供与が起こりＮ原子に隣接３）。
3するフェロセン部位の電子密度が低下したために酸Current / A

化電位が高電位側へシフトしたと推測される。分子中
でＢ原子とＮ原子間の距離が遠い化合物２ではフル

0 mM
1 mM
5 mM
10 mM

2.5

20 mM
2

1.5

クトースを添加してもＤＰＶの変化がほとんど観察され1なかったことも、この推測を支持する。

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Potential / V

図３ 化合物１固定化電極のフルクトース応答性
40 mM

Current / A

3.5
3

1 mM

20 mM
10 mM

2.5

フルクトースの存在しない緩衝液中では 0.3Ｖ付近

5 mM

2

に酸化電流が観測された。これは、電極に固体化さ

1.5
1
0.5

れた化合物１のフェロセン部位の酸化に起因する応
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

答である。従って、予期したように電極に化合物１がPotential / V

図２

化学物１のフルクトース共存時のＤＰＶ固定化されたことが明らかになった。一方、緩衝液中に１～２０ｍＭのフルクトースを添加すると電流値が濃次に、化合物１および２を金電極に固定化してＨｂ

度に応じて低下した。即ち、作製したセンサーがフルＡ１ｃセンサーを作製することを検討した。そのために、クトースに応答することが明らかになった。化合物２を化合物１および２のカルボン酸部位にアミド結合によ固定化した電極ではこのような応答を示すことはなかりシスタミンを導入して、ジチオール誘導体とした。化った。ＨｂＡ１ｃはヘモグロビンの分子表面にフルクト

合物１のシスタミン誘導体をメタノール溶液として、こースを有するので、化合物１を固定化したセンサーはの溶液に表面に金微粒子を析出させたグラッシーカ

ＨｂＡｃ１に応答するものと考えられる。しかし、このセボン電極を一晩浸漬して、電極上の金微粒子表面にンサーは安定性が低く、使用を繰り返すと電流値が化合物１の自己集合単分子膜を形成した。グラッシ

徐々に低下することが判明し、現時点では再現性のーカボン電極への金微粒子の析出は、常法により塩ある特性を得ることができない。今後、化合物１の化化金酸溶液中で電解還元により０価金を調製するこ

学構造の改良および電極への固定化法の検討によとにより行った。このようにして作製した化合物１修飾

り安定なセンサーを実現し、ＨｂＡ１ｃへの応答を検討

電極からの化合物１の還元脱離反応を行って化合物する予定である。

１の表面被覆率を評価したところ、化合物１がおよそ
1.5×10-10 mol/cm2 固定化されており、ほぼ単分子状〔発表論文〕

態であることが明らかになった。

なし

そこで、化合物１修飾電極のセンサーとしての電気57【28】 環境と運動速度の異なるヒト起立動作における全身の筋協調構造の解明

研究者 東京大学工学系研究科 特任助教 安 琪〔研究の概要〕現在のわが国は超高齢社会を迎えており，ヒトの運動機能改善は喫緊の課題である．本研究では日常生活動
作の中でも起点となる起立動作に着目し，ヒトがどのように関節自由度よりも多い冗長な筋を制御して異なる環境
において運動を達成する仕組みを解明することを目的とした．運動制御理論の中でも筋シナジー仮説に着目し，実際に異なる環境における起立動作の計測実験によって，筋シナジーを抽出し，ヒトは 4 つの筋シナジーの振幅と継続時間を変化させていることを明らかにした．また独自に構築した 4 リンク 11 筋モデルの神経筋骨格モデ
ルを利用した順動力学シミュレーション実験では，実際にヒトが個別に筋を制御することなく，4 つの筋シナジー
から運動が生成されることを示し，さらに異なる起立動作の戦略も生成されることがわかった．

〔研究経過および成果〕

ことが分かった．各筋シナジーはそれぞれ役割を持起立動作はヒトの日常生活において起点となる重っており，筋シナジー1 は上体の前屈，筋シナジー2

要な動作である．ヒトの身体には関節の自由度よりもは離床と重心の前方移動，筋シナジー3 は全身の伸多くの冗長な筋が付着しており，それらを巧みに制御

展，筋シナジー4 は姿勢の安定化を行っている．それして，日常生活においても異なる高さの椅子や異なるらの協調して活動する筋群は非常に類似していたが，運動速度においても立ち上がることができる．この適それらの時系列重み変化では振幅が異なり，椅子の応的な運動生成メカニズムの解明に対して，本研究高さが低くなるにつれて高い振幅が必要になることがでは筋シナジー仮説と呼ばれる，ヒトが個別の筋を制分かった．一方で異なる運動速度に対しても，筋群御しているのではなく，協調して活動する筋群の組みは類似していたが，時系列重み変化の時間方向を変合わせにてよって生成されているとする仮説を用いて，化させて，継続時間を変えることで，異なる運動を達

起立動作を解析し，適応的な運動制御メカニズムを成していることが分かった．

明らかにする．

一方で，このような計測実験から得られたデータを運動制御メカニズムの理解のために，本研究では解析するのみでは，運動達成のための必要条件を同座面高の異なる椅子からの起立と，運動速度の変化

定することしか出来ず，十分条件の確認が出来ない．

筋シナジーにどのような影響を与えるかを調べた．ここれに対して本研究では独自に構築した 4 リンク 11

こでは健常若年者を対象に，筋活動，身体軌道，床筋モデルの神経筋骨格モデルを利用して，順動力学

反力の計測を行い，特に筋活動から筋シナジーを抽シミュレーション実験を行い，実際にヒトが個別に筋を出した．その結果座面高や運動速度が異なるヒトの制御することなく，4 つの筋シナジーから起立動作が起立動作においても，4 つの筋シナジーが存在する

生成可能であることが示された．

58

さらにこのような神経筋骨格モデルを利用したシミュ〔発表論文〕

レーション実験では転倒などを含めて，実際にヒトで1. Ningjia Yang, Qi An, et al., “Muscle Synergyは計測できない状況を再現することができる．本研究

Structure using Different Strategies inでは，筋シナジーのパラメータを変化させた時の起立

Human Standing-up Motion”, Advanced

動作の変化を調査した．先の計測実験では，ヒトが筋Robotics, Vol.31, No.1, January 2017.

シナジーのパラメータの一つである振幅を調整するこ

2. Yuki Ishikawa, Qi An, et al., “Gait Analysisとができることが示唆されているため，本シミュレーシ

of Patients with Knee Osteoarthritis by

ョン実験でも，振幅を変化させたときの運動を調べた．

Using Elevation Angle: Confirmation of the

その結果，各筋シナジーが弱まった時に上体の前屈

Planar Law and Analysis of Angularが減ることや後方へ転倒する，身体が持ち上がらな

Difference in the Approximate Plane”,

いなどの影響を定量的に調べることができた．このよ

Advanced Robotics, Vol.31, No.1, January

うに本順動力学シミュレーション実験では，安定して2017.

立つことができる筋シナジーの条件と後方・前方に転3. Qi An, Hiroshi Yamakawa, et al., “Temporal

倒する条件が分かった．これらの情報は高齢者や運Structure of Muscle Synergy of Human動疾患を有する患者の運動と対比させて，運動疾患

Stepping Leg During Sit-to-Walk Motion”,の原因を推定するのに有効である．

Proceedings of the 14th International

本研究では，計測実験を行ったのちに，それらの知

Conferenceon

見をもとにして神経筋骨格モデルを構築し，順動力

Systems(IAS-14),

学シミュレーションによって，計測実験で得られた知2016/Jul. （Best Conference Paper Award見を検証した．しかしこれらのアプローチは相互に連

Finalist 受賞）

関し，発展させていくものであり，今後はさらに順動力学計算によって得られた運動が実際に高齢者や運動障がいを持つ患者に見られるかを調べ，改めて運動計測に基づく解析をし，運動メカニズムの解明に努めることが重要である．

59

Autonomous
ShanghaiIntelligent(China),【29】 pH 応答性電界効果トランジスタと核酸増幅反応による核酸がんマーカーのラベルフリー電気的計測研究者 東京医科歯科大学 助教 合田 達郎〔研究の概要〕バイオマーカーの高感度検出はがんや疾病の早期診断・発見につながる重要な課題である。近年、合成分子
であり、分子設計が容易な核酸アプタマーを用いたバイオセンシングが開発されているが、アプタマーは抗体に比べて結合親和性が低い。そこで、アプタマーに核酸増幅を組み合わせた方法が報告されてきた。しかし、核酸増幅の導入によりアッセイの複雑化、装置の大型化が懸念され、その場診断（ポイント・オブ・ケア）には適していな い 。 そ こ で 本 研 究 で は 、 標 的 認 識 し た ア プ タ マ ー に 恒 温 核 酸 増 幅 反 応 で あ る Helicase dependent
amplification（HDA）を施し、さらに、核酸増幅で生成される H+を電気的に検出する電位計測デバイスを組み合わせることで、光学系を用いない安価かつ小型なポイント・オブ・ケア用デバイスの実現を目指した。

〔研究経過および成果〕＜恒温核酸増幅＞
アプタマー配列を含む標的 DNA の核酸増幅をおこなった（Fig. 1）。モデル実験としてがんマーカーであるトロンビンを用いた。Table 1 に使用したトロンビ
ン認識アプタマー配列を含んだ標的 DNA およびプラ イ マ ー 配 列 を 示 す 。 Biohelix か ら 購 入 し た
IsoAmp Ⅲ Universal tHDA Kit を 用 い 、 Real
time HDA 蛍光検出にて核酸増幅条件を最適化しFig. 1 Electrical detection of isothermal

た。 tHDA mixture と template (10 nM～1 fM)、

nucleic acid amplification for DNA aptamer

IsoAmp@Enzyme Ⅲを氷上で混ぜ、HDA サンプ

as element for target recognition

ル を 作 製 し た 。 StepOnePlus Real-Time PCR

サンプル量が 40 µL と少量なため、通常の pH 応答

System を用いて、65 ℃、60 min で増幅させた。

ガラス電極の使用が困難である。そこで、熱酸化法で標的 DNA 濃度 1 pM までは再現性良く増幅した作製した Ir/IrOx を微小 pH 応答電極に用いた。Ir(Fig. 2)。一方、標的 DNA を含まないサンプルも 20

ワイヤー (Φ0.3 mm)と Au ワイヤー (Φ0.6 mm)を分後から非特異的な増幅が見られたが、10 pM、1それぞれ 0.5 cm、1.5 cm ずつ接合し、Li2CO3 で Ir

pM と比べて増幅の立ち上がり時間が遅いため区別部分を覆い、870 ℃で酸化させ Ir/IrOx 電極を作製することが可能であった。

した。ｐH は電位計測法で測定した。エレクトロメータ＜pH 計測＞ー (KITHLEY 社製 6517B)に Ir/IrOx 電極と参照

60

核酸増幅反応は指数関数的に増幅するため、増幅開始時の標的 DNA 濃度が少しでも異なると結果に大きく影響するが、マイクロピペットを用いた手動による操作ではこの点を克服することが困難であった。今後は、マイクロ流路を用いた半自動核酸増幅操作法を検討し、測定精度の向上に取り組む予定である。

Fig. 2 Fluorescence monitoring of real-time
HDA amplifications
電極 Ag/AgCl を接続し、pH 9.0、pH 4.0、pH 7.0 で校正した。Ir/IrOx 電極の pH 応答を確認し、ネルン
スト式の傾きが−59.3 mV/pH と 65 ℃での理論値である−67.0 mV/pH と近い値が得られた（Fig. 3）。 蛍

Fig. 3 Potential/pH response of the

光試薬を除いて調製した HDA サンプルを用い、

Ir/IrOx microelectrodepolymerase を加え、1 h、65 ℃で増幅させた際の電位応答を計測した。
この Ir/IrOx 電極を用いて、核酸伸長酵素反応に由来するプロトン産生による測定溶液の pH 酸性化を確認した。標的 DNA 濃度 1 nM、no Enzyme、noTarget で経時的な電位測定をしたところ、標的 DNA
濃度 1 nM においてΔ［H+］が増加した (Fig. 4)。
＜今後の課題＞核酸アプタマーの恒温増幅反応をFig. 4 pH responses of the real-time HDA

電位計測によって確認する原理証明実験には成功し

for aptamers in potentiometry

た。一方で、測定の再現性には改善の余地がある。

Table 1. DNA sequences of the thrombin recognition aptamer and HDA primers
Name

Sequence

HDA aptamer

5’‐CGT GAT TAG ATT GAG GGA AAT TGT GAG AGT CCG TGG TAG GGC AGG TTG GGGTGA CTT TTT TCA GTA TGT GTT ATG GGC CAA GT‐3’

HDA Forward primer

5’‐CGT GAT TAG ATT GAG GGA AAT TGT GAG‐3’

HDA Reverse primer

5’‐ACT TGG CCC ATA ACA CAT ACT GAA AAA‐3’61【30】 脳と体から心を読み解くブレイン・ボディ マシン インターフェイス（BBMI）
研究者 北陸先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科 准教授 田中 宏和〔研究の概要〕本研究に関して、(1) 到達運動課題時の脳波・身体運動同時計測、(2) 認知課題時の脳波・瞳孔同時計測、そして(3) 脳波から事象タイミングを抽出する解析法に関する研究を行った。（１）では、高密度脳波信号から手先の運動方向に関して系統的に脳活動が変調する運動方向選択性を見出した。（２）では、作業記憶課題時の脳波・瞳孔信号から、課題の成功・不成功を弁別できることを示した。（３）では、脳波信号の再帰的パターンとそのタイミングを抽出する信号解析法を提案し、数学的に定式化した。これらの成果は、脳波と身体生理信号を組み合わせるブレイン・ボディ マシン インターフェイスの基礎となる。

〔研究経過および成果〕

脳波の高時間解像度を駆使して、運動開始前後に

本研究課題の目的は、脳信号と身体生理信号か

運動方向選択性が動的に変化する様子を捉えること

らヒトの内部状態、つまり「心」を読み解く技術を開発ができた。この結果は、ヒト非侵襲脳波計測により脳し、ブレイン・ボディ マシン インターフェイスの基礎

内の身体運動表現を調べるのに、サル電気生理実技術を確立することである。その目的に、本年度は以験と比較可能な時空間精度を持つことを示した点で下三テーマに関して研究を行った。

重要であると考える。既に国際プロシーディングス・国際学会発表を終えており、学術雑誌に投稿中であ（１）到達運動課題時の脳波・身体運動同時計測る。

本研究テーマでは、サル電気生理実験で知られている神経活動と比較できる形でヒト非侵襲脳波計（２）認知課題時の脳波・瞳孔同時計測

測の可能性を探るため、到達運動時の脳波・身体運本研究テーマでは、比較的安価な脳波計

動同時計測を行った。手先の運動方向に対して系統(emotiv EEG) と視線計測装置を用いて、脳波と瞳孔的に神経活動が変調を受ける運動方向選択性という径の変化から認知課題の成功・失敗を予測できるか性質がサル電気生理実験の結果から知られている。

どうかの検討を行った。認知課題として、短時間表示

サル電気生理実験と同様の課題をヒトで行い、高密された視覚刺激を覚えた後に視覚刺激に関する質問

度脳波計測と身体運動計測を行った。体動雑音除に答える作業記憶課題を用いた。作業記憶課題では去・独立成分分析・双極子信号源推定など最新の信記憶量に応じて脳波もしくは瞳孔径が変化することが号解析を行ったあと、各信号源が運動方向に従いど知られているが、その両方を同時計測し組み合わせのように活動を変化させるかを調べた。その結果、サた先行研究はない。そこで、視覚刺激提示後の記憶

ル電気生理実験で知られているより、より広い領野に保持期間の脳波信号と瞳孔径から、機械学習の手法

渡り運動方向選択性がみられることが分かった。また、を用いて正しく記憶できているかどうかを判別する解62

析を行った。その結果、脳波信号のみもしくは瞳孔径手法として適用できることを示唆している。今後は提のみで個別の弁別器を構築した場合に比べて、脳波案手法を実データに適用し、上記（２）で得られた脳信号と瞳孔径の両方を用いて統合した弁別器を構築

波データから知覚検出・意思決定・感情想起などのした場合のほうが高い弁別成績を示すことが分かっ

高次認知機能が推定できるかどうかを検証する。

た。この結果は、ヒトの内的状態を推定するうえで脳波信号と身体生理信号を組み合わせる本アプローチ

本研究は脳波と身体生理信号を組み合わせたが有効であることを示した点で重要であると考える。

新規のブレイン・ボディ コンピュータ インターフェイ

今後は本予算で購入したモーションキャプチャ・生理スを提案する挑戦的なものである。上記のように大き信号計測装置を用いて筋電などの生理信号を計測

く前進することができたのは、カシオ科学振興財団にしたり、VR キットを用いて他の認知課題（知覚検出課

よる寛大な支援のおかげである。ここに心からの感謝

題・意思決定課題・感情想起課題）を試したりして、を申し上げる。

研究をさらに拡げる予定である。
〔発表論文・講演〕（３） 脳波から事象タイミングを抽出する信号解析法

１． Tanaka, H., Miyakoshi, M., & Makeig, S. (2016).

本研究テーマでは、外部事象とは必ずしも同期

Coordinate Systems in the Motor System:

しない認知機能に関する脳活動を抽出する解析法にComputational Modeling and EEG Experiment. In関して研究を行った。感覚刺激呈示や運動出力といAdvances in Cognitive Neurodynamics (V) (pp.

った外部事象のタイミングに合わせて、脳波信号を加85-92). Springer Singapore.（査読有）算平均することで平均波形を計算するのが従来の脳２． Tanaka, H., Miyakoshi, M., & Makeig, S. (2016).

波信号解析法であった。しかし、意思決定・運動意

Temporal dynamics of directional tuning and思・感情想起などといった高次認知機能は必ずしもreference frames in human reaching task revealed

外部事象に同期しておらず、そのため外部事象のタwith high-density EEG, the 1st International

イミングから直接推定することはできない。そこで、「あSymposium on Embodied-Brain Systems Science

る認知機能に対応する脳波信号は同じ波形を示す」(EmboSS 2016). （査読有・一般講演）という仮定のもとに、繰り返して起こる脳波成分を抽

３． Tanaka, H., Miyakoshi, M., & Makeig, S. (2016).

出する信号解析法を提案した。具体的には、脳波空Directional tuning and reference frames revealed

間フィルタと時間窓を最適化して、再現性を最大にすby noninvasive EEG in humans: a computational

るような多チャンネル脳波の時空間フィルタを構成す

MoBI study, The 31st International Congress ofる最適化問題として定式化した。提案手法の予備検

Psychology, Yokohama. （査読有・招待講演）証として、シミュレーションデータを用いて提案手法の

４． Tanaka,

H.

(2016)

Computational

Mobile有効性を確認した。この結果は、脳波の繰り返し成分

Brain/Body Imaging, The International MoBIを抽出する提案手法が、ヒトの内的状態を推定する

Workshop, San Diego, U.S.A. （基調講演）

63【31】 神経回路選択的な遺伝子操作技術による皮質線条体ニューロンの解析：行動選択の神経回路メカニズムとは？

研究者 新潟大学 超域学術院 特任助教

吉岡 望

〔研究の概要〕本研究では、ウイルスベクターを用いた神経回路選択的な遺伝子操作技術を駆使して、大脳皮質から線条体に神経入力する皮質線条体路の生理機能を解析した。初めに、化学遺伝学による皮質線条体路の神経活動操作システムを構築した。さらに皮質線条体路を構成する皮質線条体ニューロンについて、投射様式の異なる 2 つのサブタイプを区別して遺伝子発現誘導するシステムも構築した。最後に細胞標的法によって皮質線条体路を選択的に破壊したマウスにおいて種々の行動課題を実施して、皮質線条体路が行動選択時の意思決定に関わることが明らかになった。

〔研究経過および成果〕

類のウイルスベクターに感染した神経細胞のみで目

本研究では、行動制御における皮質線条体路の的遺伝子を発現させる二重感染法を用いた。Cre リコ

生理的意義を明らかにするために、以下の研究課題

ンビナーゼを導入する逆行性レンチウイルスベクターに取り組んだ。

を線条体から逆行性に感染させた上で、Cre 依存的1）化学遺伝学による皮質線条体路の神経活動操作に hM3Dq を発現するアデノ随伴ウイルス（AAV）ベク

システムの構築

ターを大脳皮質に注入することで、皮質線条体路で

2）皮質線条体ニューロンのサブタイプ選択的な遺伝

特異的に hM3Dq を発現するマウスを作製した。この子発現システムの構築

マウスに CNO（3mg/kg）を腹腔内投与すると、hM3Dq3）皮質線条体路に関する行動生理学的解析を発現した皮質線条体ニューロンにおいて神経活動マーカーの c-Fos が発現誘導することを組織学的に初めに、皮質線条体路の神経活動を化学遺伝学

確認した（図 1）。

に よ っ て 操 作 す る た め に 、 Designer Receptors
Exclusively Activated by Designer Drug（DREADD）
を皮質線条体路のみで発現させるシステムを構築した。DREADD は、クロザピン N-オキシド（CNO）が特異的に作用する改変型ムスカリン受容体であり、神経活動を興奮させる hM3Dq と抑制する hM4Di がある。
皮質線条体路に DREADD を発現させるために、2 種

64

次に、皮質線条体路を構成する皮質線条体ニューロンに関するサブタイプ選択的な遺伝子発現系を構築した。皮質線条体ニューロンは、脳梁を越えて両側の線条体に投射する交差異性投射型と錐体路を下行しながら片側の線条体に投射する錐体路投射型の 2 種類のサブタイプがある。今回、ウイルスベクター

M1 に由来する皮質線条体路を破壊したマウスに二重感染法を応用して、交差性投射型と錐体路投射

おいて運動機能および認知機能を調べるために、自型の皮質線条体ニューロンを区別して、遺伝子発現

発運動量、運動学習、フットプリント、道具的条件付させるシステムを構築した（図 2）。

け等の行動課題を実施した。今回、M1 に由来する皮質線条体路を破壊したマウスでは自発運動量は変化
せず、フットプリントによる歩行試験でも正常であった。
さらにローターロッドテストによって協調的運動と運動学習においても異常がないことを示した。従って、M1に由来する皮質線条体路を選択的に破壊しても運動先に確立した DREADD による神経活動操作法とサ機能は障害されないと考えられた。次に、皮質線条

ブタイプ選択的な遺伝子発現系を組み合わせること

体路の認知機能を検証するためにオペラント学習装で、交差性投射型の皮質線条体ニューロンのみで置による道具的条件付けを実施した。提示したレバc-Fos 発現誘導することを確認しており、サブタイプ

ーを押した際に報酬を与える学習課題を実施した場

選択的な神経活動操作が可能となった。

合、対照群と神経路破壊群のマウスはレバー押し学

最後に、皮質線条体路の行動生理学的な役割を

習を同様に獲得した。一方で、レバー押し学習を繰り明らかにするために、皮質線条体路を選択的に破壊返した際に生じる意思決定の自動化に異常が生じるしたマウスにおいて種々の行動課題を実施した。今ことが分かった。以上の結果から、M1 に由来する皮回、皮質線条体路を破壊するためにイムノトキシンに質線条体路は運動制御には関与しないが、行動選よる細胞標的法を用いた。この手法では、モノクロー

択時の意思決定において重要な役割を担うと考えら

ナル抗体と緑膿菌毒素の融合蛋白質であるイムノトれた。

キシンによって、抗原分子を発現する標的細胞のみ〔発表論文〕を破壊できる。逆行性レンチウイルスベクターを線条

１． 吉岡 望、加藤 成樹、小林 和人, 皮質線条体体から感染させて皮質線条ニューロンにイムノトキシ

路による意思決定の制御機構-神経回路選択的

ンの抗原分子を発現させた上で、大脳皮質の一次運な操作システムの開発から-, 平成 28 年度 生理

動野（M1）にイムノトキシンを注入した。その結果、M1

研研究会「行動を制御する神経ネットワーク機能に分布する皮質線条体ニューロンが著名に破壊されの解明に向けて」, 2016 年, 愛知

た（図 3）。

65

【32】 経頭蓋磁気刺激の高精度刺激座標推定技術と機能的磁気共鳴画像の融合による運動野活動ダイナミクスの解明

代表研究者 高知工科大学総合研究所

助教

木村 岳裕

共同研究者 九州大学大学院医学研究院

研究支援推進員

廣永 成人〔研究の概要〕磁気共鳴画像（Magnetic Resonance Imaging; MRI）装置で撮像した脳構造画像上に、非侵襲的な脳刺激法である経頭蓋磁気刺激（Transcranial Magnetic Stimulation; TMS）の刺激部位を高精度に推定するシステムを開発した。
光学式マーカを使用した既存システムは誤差がセンチ単位近かったが、3D スキャナを使用した新システムは、誤差 1mm 未満の高精度なものであった。開発したシステムを用いて、大脳皮質運動野に対して TMS マッピングを実施し、指先から前腕、上腕までの体部位局在を確認し、それらの座標を高精度に求め、機能的 MRI 実験に対する応用可能性を見出した。

〔研究経過および成果〕

次に、被験者頭部を 3D スキャナで撮影し（図 2A）、

１．TMS 高精度刺激座標推定技術の開発と精度検証

額から鼻の部分を抜き出し、FreeSurfer software を使

目的：TMS は頭皮上から刺激をするため、どの脳領用して事前準備した MRI 構造画像に登録し、MRI モ域を刺激しているのか直接確認することができない。

デルを作成した（図 2C）。その後、TMS コイルを設置

刺激座標を推定する既存システムは、被験者頭部とした状態の被験者頭部のポリゴンデータを取得し（図TMS コイルのそれぞれに光学式マーカを装着し、マ2B）、MRI モデルとの顔領域同士を登録した。MRI モ

ーカ同士の相対的位置関係から MRI 構造画像上のデルに登録された TMS コイル部分を、事前作成した刺激領域を推定するものである。リアルタイム性を持

コイルモデルで補完し（図 2D）、コイルの中心から脳ったナビゲーションシステムとして神経科学領域で広構造へベクトルを伸ばし（図 2E）、交点を TMS の刺激

く使用されている。だが、マーカと MRI 構造画像を登座標として推定した（図 2F）。画像同士の登録と誤差録する際に、3D デジタイザを手動で使用するためセ計算は Rapidform XOR（Geomagic 社）を用いた。

ンチ単位近い誤差が避けられなかった。そこで本研

結果：TMS コイルモデル作成時のポリゴン登録の平究では非接触型の 3D スキャナを使用し高精度の刺均誤差は 0.0900±0.0804mm であった（図 1D）。MRI

激推定システムを構築することを目的とした。

構造画像と顔表面のポリゴンデータの平均誤差は

方法：TMS コイルの設計情報から数理モデル（図１A）

0.521±0.085mm であった（図 3A）。TMS のポリゴンデを作成し、3D スキャナ（VIVID910; コニカミノルタ社）

ータと TMS コイルモデルの平均誤差は 0.276±

で撮影したポリゴンデータを数理モデルに登録し（図0.100mm であった（図 3B）。積算誤差は 0.887mm で１B）、TMS コイルモデルを作成した（図１C）。

あり、1mm 以下の精度を持つことを確認した。

66

２．経頭蓋磁気刺激マッピングと体部位局在座標
目的：開発したシステムを使用し、左半球一次運動野への TMS マッピングから得られる生体応答と刺激座標からシステムの妥当性検討を行うことを目的とした。
方法：左一次運動野の指先領域を中心とした 1cm グ
図 1． TMS コイルモデルの作成手順と誤差マップ

リッド、25 か所への TMS マッピングを実施し、右腕の7 か所の筋肉（示指、親指、小指、前腕（伸筋/屈筋）、
上腕（伸筋/屈筋））に筋電図電極を装着し、運動誘発電位（MEP）を計測した。このとき 25 か所の刺激は開発したシステムを用いて刺激座標を求め、MRI 構
造画像上に反映させ、運動野 TMS の生体応答である MEP 振幅値との整合性を検討した。
結果：25 か所の刺激位置のうち運動野（図 4 左、赤色領域）に刺激がされた際に、顕著な MEP 振幅が確認された（図 4 右）。また、上腕の MEP の分布は指先と図 2． ポリゴンデータから刺激座標推定まで比較して頭頂側に集まった。
考察：指先と上腕の領域は脳構造上約 2cm の距離があることが先行研究で明らかにされており、今回再現することができた。解剖学上の刺激座標と生体応答の整合性があり、システムの妥当性が検証された。
３．体部位局在座標と機能的 MRI 実験への応用
今後：運動時の機能的 MRI 実験において、共に活動するためこれまで困難とされていた運動野と体性感
覚野の活動の正確な切り分けや、身体の支配領域に

図 3． 画像登録時の誤差マップ

応じた信号変化の検討などに応用し、身体運動の活動ダイナミクスを明らかにしていく予定である。
〔発表論文〕
１． Hironaga Naruhito, Mitsudo Takako, Gunji
Atsuko,Iwata

Makoto,KimuraTakahiro.

Accurate localization of TMS stimulation points
via TMS-MRI co-registration using 3D laser
図 4． TMS マッピングの刺激座標と MEP 振幅の分布

scanning. (Under Review)67【33】 三次元層流マイクロ流体デバイスによる同軸多層ゲルファイバーを足場とした
成熟血管組織作製システムの創成研究者 早稲田大学 先進理工学部 准教授 武田 直也〔研究の概要〕本研究では、工学的手法により in vitro で血管内皮細胞から再生成熟血管組織を作製するためのシステム構
築を目指し、これを達成するための基盤技術となる次の 4 項目を実現した。【1】細胞を内包した長大な多層ゲル
ファイバーを安定して作製できる新たなマイクロ流体デバイスを開発した。【2】ゲルファイバーへの細胞接着性分子の導入による血管内皮細胞のゲル材料への接着性向上を達成した。【3】周皮細胞による血管組織の裏打ちを模して、他細胞との共培養により血管内皮細胞の接着・伸展性が向上することを示した。【4】血流のように力学的な流れストレスを血管内皮細胞に負荷させながら大面積での培養が可能な自律駆動型灌流培養システムを構築して、流れストレスにより血管内皮細胞の配向制御を達成した。これら成果は、再生血管組織を有する大きく厚い三次元再生組織の構築に寄与すると期待される。

〔研究経過および成果〕

体デバイスを開発した。本デバイスにより、血管内皮移植治療におけるドナー不足の解消のため、工学細胞を内包した重層ゲルファイバーを再現よく作製手法により細胞を組上げて in vitro で再生生体組織することに成功した。また、流量の制御により各層のを作製する研究が期待されている。生体に移植可能

厚みを変化させることも達成した。次に、担持した血な三次元生体組織・臓器を実現するには、血管組織

管内皮細胞の接着性を向上させ、管腔化を誘導するを組織・臓器全体に張り巡らせて、厚く大きな組織内

ため、ゲルファイバーへの細胞接着分子の化学的修部の細胞にまで酸素・栄養を連続的に供給する必要飾を試みた。その結果、細胞が接着・伸展した様子がある。著者らは、長大な再生成熟血管組織を作製が観察でき、ゲルへの化学修飾が有効であることをする手法として、マイクロ流体デバイスにより血管内見出した。また、周皮細胞による血管組織の裏打ちを皮細胞を内包したゲルファイバーを作製し、成熟・管模して、他細胞種と共培養を行い、血管内皮細胞の腔化を誘導するアプローチが有効と考えた（図 1）。

接着・伸展性の向上を確認した。
著者らは、血管組織の成熟化を誘導する手法として、上述の細胞接着分子や他種細胞の導入以外に、実際の血管組織のような流れストレスの負荷に着目した。マイクロ流体デバイスは、これまでに、このような

図 1. ゲルファイバー培養場による血管作製の模式図.

流れストレスを与えながら細胞を培養するシステムとそこで、まずは細胞内包層や接着層から成る長大

しても応用が研究されてきているが、マイクロチャンバ

な多層ゲルファイバーが作製可能な、新型マイクロ流

68

ーで構築される細胞培養場は閉鎖系でありかつ面積

り、培養基材が繋ぐ二つの培養液チャンバーの高低が小さいために、移植を目的とした大きな三次元組

差を変化させることで、培養液の駆出量（すなわち流織の培養には不向きである。そこで、開放系かつ大きれストレス）を容易に制御できることを見出した。このな培養面積をもつ、新たな培養システムを開発した。

自律駆動型灌流細胞培養システム系を用いて血管内皮細胞への流れストレス負荷を試みたところ、流れ本システムは、吸水性に優れた紙（ペーパータオ

ストレスをかけない静置培養と比較して細胞形態がよル）の上に高い細胞接着性を示すゼラチン製の直径

り流れ方向に配向し、さらに内部の細胞骨格であるア

約 1 μｍのマイクロファイバーを重ねた培養基材をクチン線維も分子レベルで流れ方向に配向すること

基盤技術とする。紙の毛細管現象ならびに高低差をが、画像解析等から明らかとなった（図 3）。以上のよつけた二つの培養液チャンバーを繋ぐことで生じるサ
イフォン原理を利用して自律的に培養液を駆動させ、うに、コスト的にも優れる本灌流培養系による流れスト
レスが、血管形成誘導に重要な細胞の配向性制御

ファイバー上に接着させた細胞に流れストレスを負荷に有効なことを明らかにした。

する仕組みである（図 2）1。ゼラチンマイクロファイバ

図 3. 流れストレスによる血管内皮細胞の形態ならびにアクチン線維の配向制御を示す SEM 像（上）と蛍光顕微鏡像（下）. 静置培養（流れストレスなし; 左）、灌
流培養（流れストレスあり; 右）.

〔発表論文〕
図 2. 紙とゼラチンマイクロファイバーからなる培養基材

１． Ai Ozaki, Yoshinori Arisaka, Naoya Takeda,の模式図と走査型電子顕微鏡（SEM）画像(上). 自律駆動

Self-driven perfusion culture system using a

型灌流培養システムの模式図(下).

paper-based

ーはグルタールアルデヒドで架橋し、培養液への溶

doublelayered

Biofabrication 2016, 8(3): 35010.

解を防ぐと共に紙基材への接着を増大させる工夫を施した。培養場は開放系であり、紙の大きさを変えることで培養場の大きさも自由に設定できる。実験によ69

scaffold,

【34】 「教育活動としての部活動」を実現する指導者を育成するための部活動指導法に関する実証的研究

研究者 京都工芸繊維大学 准教授 来田宣幸
共同研究者 群馬大学 准教授 吉田浩之

〔研究の概要〕
部活動は、学校教育の中で実施されてきたが、制度的基準や教育的意義の規定がなく、現場裁量に委ねられてきた。そこで、本研究では、部活動を教育活動として位置づけ、指導者育成に必要となる基礎的データの収集と実際の運用による実証的研究から構成される一連の研究を実施した。まず、横断的調査によって部活動による学習目標となるカテゴリーを再構築した。次に、部活動指導者へのヒアリング調査を実施し、教育指導プログ
ラムのプロトタイプを構築し、実際に中学校で縦断的に調査を実施した。その結果、部活動いごこち尺度に基づいた心理教育的援助サービス実施の指導法の有用性が示唆された。

〔研究経過および成果〕であった。得られたデータを用いて評価尺度を再構

学校教育の中でおこなわれている「部活動」には、築したところ、従来までは「競技力・専門性向上」、

人間としての豊かな能力の涵養が期待されているが、「チームメイトとの親和」など 10 の因子を想定していた

近年、部活動では様々な問題点が顕在化するようにが、部活動を通して獲得したい個人としての目標と集なった。その背景には、部活動が教育活動の一環と団としての目標の観点から 6 カテゴリーに整理するこして長く存在してきたにもかかわらず、制度的基準やとができた。個人の目標としては「専門性・競技力向

教育的意義の規定がなく、現場の裁量に委ねられて上」、「精神面の向上」、「ルール・マナーの習得」の 3

きた点がある。学習指導要領にも、部活動の教育目

つの因子が抽出され、他者に働きかける集団に対す

標・内容の記載はなく、教育活動と位置づけられている目標としては「友人関係の構築」、「他者への支援」、

るとは言い難い。そこで、本研究では、部活動を教育「集団への貢献」の 3 つの因子が抽出された。

活動として位置づけるために必要となる学習指導と生これら 6 つの要素は、第一義的な部活動の目標で徒指導の観点から部活動指導システムを構築するたあると考えられる競技力や専門性の向上だけでなく、めの基礎的データの収集と実際の運用による実証的

そのプロセスにおいて努力や精神的な側面から向上

研究から構成される一連の研究を実施した。

を図り、社会生活の中で必要となるルールやマナー

まず、全国の中学生および高校生（5,735 名）を対の習得も大きな教育目標の 1 つであると捉えることが象とした横断的調査を実施した。使用した質問紙調できる。また、部活動は学校教育の中で機会の少な

査は、来田・吉田（2013）によって開発された部活動

い他学年共同集団での貴重な活動であるため、自分の「学習目標到達度尺度」と「部活動いごこち尺度」の活躍や向上だけでなく、他者や集団に対する働き

70

かけも重要な取り組みと認識され、他者に対する優しおける個別的支援が必要となる生徒と部活動においさと厳しさを学ぶ大切な場面と捉えられる。また、部活て個別的支援が必要となる生徒の関係を検討したと

動いごこち評価を用いることで、部活動に対する不適

ころ、学級で個別的支援が必要な生徒はそうでない応を早期に発見できる可能性が見いだされ、質問紙

生徒と比較して 3.36～3.52 倍、部活動において支援を用いた自己評価による部活動に対する取り組み評が必要となるリスクが高いことが明らかとなった。この価の仕組みを試行的に構築することができた。

ことから、部活動指導者と学級担任との連携が非常

次に、部活動指導者へのヒアリング調査や情報交に重要であるといえ、学校として部活動指導に関する換を通じて、実際の部活動場面での活用の方策を検情報を顧問と担任が共有するシステムの構築が不可討し、その成果を踏まえて生徒の自己評価を継続的欠であることが明らかとなった。

に実施する実証的調査を開始した。公立中学校の生

しかし、一方で、学級では個別的支援が必要のな

徒 209 名を対象として、8 ヶ月にわたって継続的に調い学級満足群の生徒であったとしても、そのうち 20～査を実施した。調査の内容は部活動いごこち尺度と25％の生徒は部活動において存在感または不安感「Q-U アンケート」を使用した。その結果、部活動存に課題を有し、個別での支援が必要と思われる状況

在感得点および不安感得点は時期、性別ともに交互にあった。このことは、学級の様子だけでは部活動に作用はなく、不安感得点では時期に有意な主効果がおける生徒の様子を十分に把握できない可能性を示あり、1 月から 7 月にかけて徐々に値が低下した。これ

唆するものであり、近年、いじめ自殺や不登校の原因

らの結果から本尺度は年間変動は小さく、安定してとなっている部活動内での不適応の兆しを学級担任

おり、信頼性が高いといえる。また、その中でも不安は見逃してしまう危険性があるといえる。また、部活動感は低下傾向にあったことから、集団としての適応感は顧問による閉鎖的な集団となることが多く、部活動の促進や集団としての成熟等を示したと考えられる。

指導を少数の顧問の責任として実施するのではなく、また、心理教育的援助サービスの観点から、存在感

学級担任や学年集団等の学校組織として連携するこ

得点または不安感得点のいずれかが全国基準値をとの必要性が高いといえる。

下回った生徒を二次的援助サービスが必要な生徒とまた、追跡調査の結果に基づき、前月との評価の変し、存在感得点および不安感得点のどちらも全国基化の推移図を作成した。その結果、個別的・特別的

準値を下回った生徒を三次的援助サービスが必要な支援が必要でない「満足群」から、20％弱が要支援

生徒と評価することとした。その結果、男女とも 30～群に移行し、その中でも特に不安感が強くなる生徒

40％の生徒が存在感または不安感に課題があり、個が多く、不安感の変化に対しては早期対応が重要と別対応となる二次的支援を実施する必要が認められなる可能性を示唆した。

た。また、特別な対応が必要となる三次的援助対象〔成果発表〕

者は 5％程度であり、時期による全体に対する人数割

１． 吉田浩之・来田宣幸、中学生を対象とした部活

合については大きな変動は認められなかった。

動における集団への適応感の研究、日本応用心

さらに、Q-U アンケートの結果に基づいて、学級に理学会第 83 回大会発表論文集、2371

【35】 共同研究型インターンシップの学習過程の定性分析 — 高度 IT 人材の育成の普及に向けて研究者 北九州市立大学 国際環境工学部 准教授 山崎 進

〔研究の概要〕本研究の目的は，共同研究型インターンシップの関係者にインタビュー等を実施し，学生たちがどのような学習・思考のプロセスを経て知識／スキル／態度を獲得したのかを明らかにすることである。研究アプローチ
としては，数ある学習研究の方法論の中から，エンゲストロームの活動理論に着目した。本研究で得られた仮説は次の通りである。１）ある人が高度な問題解決能力を有するかインタビューで判定するには，その人が経験した技術に関する質問をし，その回答に思い入れや興味・関心，語彙，得た教訓が含まれている量で判別できる。２）プログラムコード中の各関数の複雑度の平均値と最大値が小さいほど，プログラミングの経験値が高い。３）徒弟制で起こる，主に人同士のコミュニケーション齟齬によるトラブルを予防・解決する IT 支援は，今後 10 年程度の技術進歩では実現できない。

〔研究経過および成果〕

録音を行った。録音内容をテキスト起こしし，エンゲス

本研究では，次の３群からなる被験者を対象とし
た。






トロームの活動理論[1]を踏まえて定性分析を行った。
Ｑ群とＲ群に対して行った半構造化インタビューでは，

Ｐ群：学部４年〜博士前期課程２年の３年間，共Ｐ群のインタビューの分析結果を踏まえて，あらかじ

同研究型インターンシップを含む研究活動に取め次のような設問を問うた。

り組んでいたプログラマ志望の修了生群計３名

Ｑ１：課題の仕様書を読んだ時，何を考えたのか。ま

Ｑ群：共同研究型インターンシップに１〜２年間

た，疑問に思ったことはあったのか取り組んでいた学部４年生および博士前期課

Ｑ２：ソフトウェアとハードウェアを構築する必要があっ

程１年生計５名

たが，どのように実装しようと考えたのか

Ｒ群：共同研究型インターンシップに取り組んで

Ｑ３：ハードウェアを実装する時，困ったことはあったいない博士前期課程１年生計４名か。そして，どのように解決したのか。また工夫したこ

Ｐ群に対し，グループ全員で非構造化インタビューをとはあるのか行った。Ｑ群とＲ群については，個別に半構造化イン

Ｑ４：ソフトウェアを実装する時，困ったことはあったか。

タビューと，Arduino と C 言語による組込みシステム

そして，どのように解決したのか。また工夫したことはのプログラミング課題を実施した。

あるのか

インタビューについては，本学の研究倫理ガイドライ

Ｑ５：変数や関数に対してどのような考えを持っているンに従い，被験者に対し実験前に，実験内容の説明

かの後，録音の承諾を書面で得た上で，インタビューのＱ６：可読性を意識してコーディングを行ったのか72

Ｑ７：コード中のコメントについて考えていることはある

察できる。

か

この方法で，プログラミング演習において，簡便な事

Ｑ群についてはさらに次の設問を問うた。

前評価を実現できる。プログラムをこの方法で事前にＱ８：共同研究型インターンシップに参加して行ったこ

ふるい分けた上で，目視で精査すれば効率良く評価とはどのようなことかできるであろう。

Ｑ９：共同研究型インターンシップに参加して学んだ

３）徒弟制で起こる，主に人同士のコミュニケーション

ことや得たものはどのようなものがあるかの齟齬に由来するトラブルを，未然に防いだり解決しＱ１０：再び共同研究型インターンシップの形式で活たりする IT 支援は，今後 10 年程度の技術進歩では動をしたいと思うか

実現できない。

Ｑ１１：プロフェッショナルのエンジニアとともに作業を

現行の AI 技術では，文章の読解能力が十分得られ行って，考えたことや得たことはあるのかない。また，人間のコミュニケーションには「空気を読プログラミング課題については，静的解析ツール

む」非言語コミュニケーションのウェイトが大きいので，

SourceMonitor [2]を用いて，ソフトウェアメトリクスを集人間の言動・感情に関わるセンシング・分析の技術が計した。本研究で分析したメトリクスは，ソースコード必要になるが未発達である。このままでは，コンピュの行数，関数の複雑度の最大値と平均値，ブロックータが人間同士のコミュニケーションを十分な精度でのネストの深さの最大値と平均値，関数の数である。

認識するのは無理であろう。

以上の実験とさらなる文献調査の結果，３つの仮説をもし徒弟制的教育において，現状よりも多くの弟子を得た。それぞれについて説明する。

指導する場合，同時多発的にこの種のトラブルが発１）ある人が高度な問題解決能力を有するかインタビ

生すると，コンピュータや人工知能は役に立たないのューで判定するには，その人が経験した技術に関すで，人間が事態を収集するしかない。このリスクに備る質問をし，その回答に技術や経験への思い入れやえた範囲で弟子の数を制限した方が賢明である。

興味・関心，語彙，得た教訓がどのくらい含まれてい〔発表論文〕

るかで判別できる。

未発表

Ｐ群・Ｑ群は明らかにＲ群と比べて，技術や経験につ〔参考文献〕

いて内容も伴った上で雄弁に語れた。本実験のよう[1] ユーリア エンゲストローム，拡張による学習 ---に，適切なプログラミング演習課題を経験させた上で活動理論からのアプローチ，新曜社，1999. 原著:

前述のような設問を決めてインタビューをすれば，プ

Learning by Expanding: An Activity-Theoretical

ログラミングを含む問題解決能力を推量できる。

Approach to Developmental Research, Cambridge２）共同研究型インターンシップを経た学生はそうでUniversity Press.

ない学生と比べて，プログラムコード中の各関数の複[2] Campwood Software, SourceMonitor, Version 3.5,

雑度の平均値と最大値が小さい。したがって，これら

http://www.campwoodsw.com/sourcemonitor.htmlのメトリクスを取ることで，プログラミングの経験値を推(2017 年 2 月 3 日アクセス)73【36】 電子黒板･デジタル教科書･グラフ電卓を連携させた数学科指導の研究

研究者 東京理科大学 理学部 教授 清水克彦

〔研究の概要〕本研究では，電子黒板，デジタル教科書，数学ソフトウエア・グラフ電卓を連携させた数学科指導を実現するための教材と指導法の開発を行うことを目的とした．通常の授業で設置しやすい簡易型の電子黒板と指導者用のデジタル教科書を用いて，操作指導用のグラフ電卓のエミュレータを数学ソフトウエアとして利用し，デジタル教科書のページとエミュレータを同時に投影し，ICT を用いて容易となる学習場面として指摘されている「思考の可視化」「瞬時の共有」「試行の繰り返し」を行う教材を，３つの単元で開発した．その一部を理科大グローバルサイエンスキ
ャンパスの講義で実施し，参加した生徒の感想や参観した教職志望者による分析から有効性を確認できた．

〔研究経過および成果〕

電子黒板・デジタル教科書をベースとしたグラフ電卓，

本研究では，文科省の答申等から推進が期待され

数学ソフトウエアの利用教材の開発

る電子黒板とデジタル教科書と，教育では普及が遅

ICT の活用により容易となる学習場面として，「ICTい数学ソフトウエア等をそれらの利用の推進を目指しを活用した教育の推進に関する懇談会」報告書（中て，それらを組み合わせて利用することで新しい可能間まとめ）」(2014)では，次の三つを挙げている.・【思性を実現する教材を開発することを目的とした．

考の可視化】・【瞬時の共有化】・【試行の繰り返し】

本開発の電子黒板・デジタル教科書の選定

チョークと黒板の授業では，上記の学習場面の導入

1)電子黒板の選定：本開発では，端末の準備に時間は容易ではない．本開発では，この 3 点が容易に実が掛からず，安価である U 社の「e-黒板アシスタント

現できるような電子黒板とデジタル教科書をベースとeB-S」システムを利用することとした．機能としては，した数学ソフトウエアを利用した教材開発を目指した．

投影・書き込み・画面拡大，スクリーンショット等が中

また，電子黒板上へ同時に提示する方法では数学ソ心であった．

フトウエアとしてグラフ電卓のエミュレータが適してい

2)デジタル教科書の選定：本開発では，数学ソフトウることを見出した．本開発では，デジタル教科書の例

エア等の使用を考慮し，授業者が使用することを前提

題や問題をもとに，教科書の展開に沿いつつ，数学ソとして，指導用デジタル教科書を導入することとし，K

フトウエア上で係数変更，別の数値での実行，データ

社と S 社の数学 I,A,II,B を導入した．また，利用が比の変化などを行い上記３つの学習場面を実現する指較的多くなされている中学校のデジタル教科書も導導を行う教材の開発を進めた．本開発ではこのような入し，機能等を分析した．機能としては，教科書の提教材の開発を数学 A「整数の性質」・数学Ⅰ「データ示，問題のみの提示，ノート・書き込み機能・クラス別の活用」・数学Ⅱ「二次関数」「いろいろな関数」の三保存・若干の数学シミュレーション等が中心であった．

つの単元の一部で開発した．

74

める院生の分析からも，このような利用の有用性が指摘されている．このように本研究では ICT を連携した数学科指導の可能性を示すことができたと思われる．成果は，以下の論文以外にも数理解析研
究所の研究集会，統計数理研究所の研究集会，数式処理学会の講演，シンポジ
ストしての提案等で発表を行った．
〔発表論文〕
１．

図１ デジタル教科書と ClassPad のエミュレータを電清水克彦(2016)「電子黒板とデジタル教科書をベースとした数学ソフトウエア等の子黒板に同時に投影した画面図

利用教材の開発」日本数学教育学会秋期研究大

図 1 では「いろいろな関数」における絶対値関数の会発表収録,p.546

グラフを教科書の例題から係数を変化させたグラフを

２． 清水克彦他(2016)「電子黒板･デジタル教科書とエミュレータに描画させ，確認を行っている．ここではグラフ電卓･数学ソフト等を用いた高校数学科の教科書の例題に関連する「試行の繰り返し」が実現さ授業の提案１－数学 A「整数の性質」における数

れている．教科書の拡大機能のみならず，電子黒板

値計算機能の活用―」，Teacher Teaching withの書き込み機能による気づきの記録，スクリーンショッ

Technology, Vol.20,pp.46-51

トによる試行結果の記録とその再生による比較などを

３． 清水克彦他(2016)「電子黒板・デジタル教科書と用いると「瞬時の共有」や「思考の視覚化」が容易にでグラフ電卓・数学ソフト等を用いた高校数学科のきることを確認できた．この「いろいろな関数」の教材

授業の提案 2 －2 次関数・絶対値関数におけるを，JST による理科大グローバルサイエンスキャンパス

グラフ機能の活用―」，Teacher Teaching withの講義の一部として実施した．教科書の問題からはじTechnology, Vol.20,pp.74-79

まる絶対値関数のグラフの探求において，生徒の感４． 清水克彦他(2016)「電子黒板・デジタル教科書と想を見ると「電子黒板を用いて（値を変え，関連性をグラフ電卓・数学ソフト等を用いた高校数学科の認識できたことを指摘し），絶対値を含んだ一見難し

授業の提案 3－数学Ⅰ「データの分析」相関におそうな関数も実は単純であったことなどに気付けて理ける統計機能の活用―」，Teacher Teaching with

解が大幅に深まりました」「（理解が深まり，規則性をTechnology, Vol.20,pp.122-127

見出すことができたことを指摘した後で）従って，その５． 清水克彦他（2017）「電子黒板とデジタル教科書

ような学習を行いやすくするために，電子黒板・デジをベースとした数学ソフトウエアの利用教材の開タル教科書・グラフ電卓等を用いてみることも一つの発」数理解析研究所講究録「数学ソフトウエアとそ手段である」等の効果を確認できた．非常勤講師を務の効果的教育利用に関する研究」掲載予定

75

公益財団法人 カシオ科学振興財団〒151-8543 東京都渋谷区本町一丁目6番2号
TEL (03) 5334-4747
平成２９年５月１日 発行