災害時に恐慌状態の人々が引き起こす二次災害を防ぐ方法の創造－生物集団から解き明かす恐慌状態の本質－
福岡県立筑紫中央高等学校
久保 善嗣
1.はじめにゾウリムシを用いたのは、人に囲まれて目近年、異常気象や地震などの災害が多発的地の正確な位置がわからない状態で行動している。そのような災害に遭遇すると人する（特徴Ａ）、遠くの人（数m～数十m）とは冷静に行動することができない。特に人コミュニケーションを取らずに行動する（特口が多い都心部などで同時に多くの人が被徴Ｂ）というパニックを起こした人の特徴

災するとパニックが起きる。パニックを起（下図）を再現できると考えたためである。

こした人々が建物から逃げるために狭い通ゾウリムシは目を持っておらず、ゾウリム路に集中したり避難所に向かうため狭い道

シ同士が長距離で相互作用することもないに殺到すると予期せぬ二次災害を生んだり、ためＡ、Ｂ両方の特徴が再現できる。また、短時間で避難できずに被害が大きくなるこ簡単に増やせ、場所を取らないためコストとが予想できる。このような問題が生じるを低く抑えられる利点もある。本研究では原因を解明し、災害時に安全で速やかに避実際にゾウリムシの集団を観察し、ゾウリ難できる方法を模索することは非常に重要

ムシの密度、境界条件を変化させた時に起だと考える。しかし、実際に災害時と同様きる移動中の現象を調べた。の条件を再現して実験を行うことは現実的ではない。もし可能でも、場所、人員を考２.実験方法えると莫大なコストがかかる。そこで、本

図１(a)は本研究の実験設定の概要図を表研究ではパニックを起こした人のモデルとしている。スライドガラスの上に濃い青色なるような生物としてゾウリムシを用いた。

で描かれているような漏斗状の通路を作り、

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図１

実験設定

(a)実験設定の概要図を示している。電源と電極のケーブルをつなぎ替えることで、ゾウリムシの運動をコントロールすることができる。
(b)流路の製作方法(c)ゾウリムシの個体数を計測するのに用いたプレパラート
その通路をゾウリムシが培養された溶液で動画を撮影した。次に通路の作り方を説明

満たし、カバーガラスをのせて、プレパラする。図１(b)に示すようにスライドガラスートを作った。通路の両端には電極（炭素の上に作りたい形のマスキングテープを貼棒）を設置しており、この電極と電源をつる。その周りに均一にマニキュアを塗り、なげることで、通路の両端に電圧を印加す乾かす。乾いた後でマスキングテープを剥ることができる。ゾウリムシは負の電気走がせば流路ができる。また、マニキュアを性を持っているので、図１(a)のように電源重ね塗りする回数を変えることで、通路のにつなぎ、電圧を印加すると陰極側（広い厚みを定性的に変えることができる。前半ほう）にゾウリムシが集まってくる。今回に紹介する実験結果は５回重ね塗りをしたの研究では印加する電圧を５Ｖに固定してものを使用している。

配線をつなぎ変えることで、ゾウリムシを図１(c)はゾウリムシの密度を求めるため広いほうから狭いほうに誘導する。この時、に用いたプレパラートで、これにゾウリム

図１(a)の点線で囲んだ辺りが混雑するのシの培養液を封入し、顕微鏡観察したもので、ここを観察する。観察に用いたのは実が図２(a)に示されている。今回の研究では体顕微鏡で、顕微鏡カメラを取り付け、解ゾウリムシ単体に注目するのではなく、全像度1920×1080、フレームレートは60fpsで体の構造に注目するため、低倍率で観察を

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個/mlであることがわかった。図２(c)はゾウリムシの培養液を濃縮したものを封入した時の顕微鏡像を画像処理したものを示している。10mlのゾウリムシ培養液を2000rpmで４分間、遠心機にかけ、上澄みを取り除き１mlにすることで濃縮している。濃縮後のゾウリムシの密度は1.5×104個/mlであることがわかった。
３．実験結果次に図１(a)の電極付きプレパラートを使った実験結果を紹介する。図３(a)は濃縮していないゾウリムシの培養液で、図３(b)は濃縮したゾウリムシの培養液を用いた実験結果を示している。まず、ゾウリムシを通路の広いほうに集めておき、配線を切り替えて、通路の狭いほうに誘導した。図３は狭い通路に殺到したゾウリムシの様子を 0.5秒ごとに示している。時刻t=0秒の時に白丸で囲まれたゾウリムシの集団が 0.5秒たつごとに緑、赤、青の位置に移動していくのが、動画をコマ送りして解析することでわ
図２

顕微鏡像かった。図からもわかるようにゾウリムシ(a)(b)は遠心機でゾウリムシを凝縮する前の密度が上がり、混雑度が増しても、移動(c)は濃縮後の画像。(b)(c)は画像処理によ速度に大きな差がないことがわかった。ってゾウリムシのみを白く映したもの。

この結果はゾウリムシが混雑のモデル生物として扱えることを否定しているように行っている。図２(b)は図２(a)を画像処理思える。しかし、あることを考慮すれば、したものを示している。方法は各ピクセルゾウリムシを混雑のモデル生物として扱えの輝度の時間平均を求めそれを背景とし、ることがわかった。詳しくは考察で述べる

それを反転させたものをもとの動画に加えが、考慮すべきことは運動している空間のることで、ゾウリムシのみを白色で映して次元である。ゾウリムシは３次元空間を泳いる。画像処理にはImageJ(https://imagej.nih.g

いでおり、人間、車などは２次元面内で運ov/ij)というフリーソフトを用いている。

動している。この次元をそろえることで、同ソフトを使って、ゾウリムシの個体数を混雑の影響をゾウリムシの集団が受けるのカウントし、封入した溶液の体積からゾウではないかと考え、実験を行った。

リムシの密度を求めている。図２(b)の画像

具体的には通路の厚さを変え、ゾウリム4シの３次元的運動を抑制した。通路の厚さから培養液中のゾウリムシの密度は1.0×10−- 4343 −図３

ゾウリムシの集団の移動(a)濃縮前(b)濃縮後濃縮前と後で移動速度に大きな変化はなかった。

は前述のとおりマニキュアを重ね塗りする度のベクトル場を求めている。図の矢印は回数で、定性的に変化させた。

ゾウリムシの運動の方向、色が明るいほど実験結果は図４に示す通りで、細くなっ大きな速度を持っていることを示している。

た通路付近の画像を PIV という手法を用いて図４(a)はマニキュアを４回重ね塗りした時解析した。PIV とは「Particle Image Velocimetryの結果で、ゾウリムシが陰極側に大きな速（粒子画像流速計）」の略で、気体や流体な度を持って運動している様子がわかる。一

ど、通常、目で見る事のできない流体の速方、図４(b)はマニキュアを２回重ね塗りし度をトレーサー粒子の動きを追うことで、た時の結果で、混雑の影響を受け、ほとん求める手法である。具体的には、ある短いど通路に侵入できていない様子がわかる。

時間間隔で連続撮影した２枚の画像を比較定性的ではあるが、以上の結果から２次元することで、流れの速度を求める。今回は面内で運動するゾウリムシは混雑の影響をゾウリムシをトレーサー粒子に見立てて、受け、通路での停滞などパニックを起こし図４(a)(b)のような細くなった通路での速た人々と似た振る舞いをすることがわかった。

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図４

通路でのゾウリムシの流れの解析(a)通路が厚い時（３次元的運動）（b)通路が薄い時（２次元的運動）
４.考察のゾウリムシの運動の軌跡が互いの交点をゾウリムシが通路の厚みがある程度以上減らすように時間発展する。この時、考えあり、３次元的運動が行える時、混雑の影られるゾウリムシの軌跡は図５に示すよう響を受けにくい理由を考察する。物体同士に互いに平行になるか、中心が同一で違うが衝突するということは、ゾウリムシの体半径を持つ物が考えられる。一方、同様の積を考えなければ、物体同士の軌跡が交点ことを３次元で考えてみる。３次元では上を持つと言い換えることができる。混雑時

述の方法に加え、ねじれの位置を取る方法にはなるべく衝突回数を減らす方向に系全が考えられる。つまり、２次元に比べ３次体が動くと予想できる。つまり、それぞれ元では無数の交わらない軌跡を描くことが

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図５

ゾウリムシの運動の模式図できる。これを実験に当てはめてみると、

５.まとめ・展望

３次元ではゾウリムシの濃度が高くなってパニックを起こした人のモデルとなるよも混雑の影響（ゾウリムシ同士の衝突）をうな生物としてゾウリムシを用い、ゾウリ受けないゾウリムシの進み方が存在するこムシの集団を観察し、ゾウリムシの密度、とになる。以上の考察から３次元空間内で境界条件を変化させた時に起きる移動中の運動する物体、生物は混雑の影響を受けに現象を調べた。研究を行っていく中で、ゾくいことが考えられる。

ウリムシをモデル生物として扱うためには今回、考察した内容を補強するためにい３次元的な運動を抑制し、２次元面内で運くつかの定量的な実験を行わなければなら動させる必要があることがわかった。ここない。具体的にはパラメーターとして、厚から得られる知見は混雑の影響を受けずにさ h をある値から小さくしていき、どのよ集団が移動するには３次元的な運動が理想うな値の時に図４(a)に見られるような混雑的であるというものである。の影響を受けない運動から図４(b)に見られ本研究を発展させるのには直接関係ないる混雑の影響を受ける運動に変わるかを調が、ここで得られた知見について言及してべないといけない。この臨界点 hc を求め、おく。近年、ドローンを用いた流通についその値がゾウリムシの大きさに比べてどのての研究が盛んに行われている。ドローン程度かを調べることで、今回、行った考察での運搬は離島など海路しか運搬経路がなの内容を補強できると考える。

く、迅速に物を運ぶのが困難な地域での活躍が期待されている。ここでは、ドローン−
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写真１

左：ムクドリの群れの様子

右：イワシの群れの様子（写真は画像検索したものを用いています。検索 URL は別記）

図６

混雑時に現れる特徴的な流れでの運搬を陸路、海路での運搬と同列、まわれている。この時、乗り物の台数が増えたは延長のように捉えているように思える。

混雑した状況になると影響を大きく受け、しかし、今回、得られた知見を使えば別の渋滞、事故などの現象が起き、運搬を定常視点からドローンでの運搬を考えることが的に行うことができなくなる。しかし３次できる。既存の運搬方法は車、トラック、元的な運動が可能なドローンは混雑の影響船など２次元面内で動く乗り物によって行を受けにくく、集団で大量の物を運ぶ際に、

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渋滞、事故などの現象が起きにくいと考えいけない。当初は紫外線硬化樹脂を用いてられる。このように、ドローンの大規模輸流路を設計することを予定していたが、３D送が可能になれば流通の概念が変わるかもプリンターの値段も安価になってきているしれない。また、自然界におけるムクドリので、３Dプリンターを用いて流路を設計し、やイワシの群れに注目してみるのも面白い。

定量的に流路の厚みを変え、データを集め

写真１のように多くのムクドリやイワシがていきたい。そのうえで、３次元的な運動群れとなり、まるで一つの生き物のようにが抑制される厚さを求め、混雑時に起きる振舞っている。密度的には明らかに混雑し現象を観察、解析し、移動を阻害する原因ており、激しい衝突を繰り返しそうであるを特定する。その原因を解消するような境が、そのようなこともなく、集団で行動し界条件、設置物を３Dプリンターで作り実験ている。このような生物の集団運動についを行う。以上のように研究を進める。ての研究は盛んに行われているが、今回、得られた知見がこの分野の発展に活かせる謝辞ことを期待する。さらに抽象化してみる。

この研究を遂行するにあたり、助成をい今回の研究で対象にしているのは混雑時にただいた公益財団法人下中記念財団および起きる現象だが、集団を構成する一つの物関係者の方々に厚く謝意を表する。

体を一つの要素、衝突などを相互作用として、より一般化すれば、要素数が大きく、相互作用が複雑な系などの研究にも役立つと考える。結合振動子系やAIなど様々な技術でこの研究との類似性が発見されること【検索URL】を期待する。３次元的な運動についてはこ

写真１

こまでにして、２次元面内での運動の話に

https://www.designboom.com/art/alain-de戻る。

lorme-captures-the-balletic-murmuration

２次元面内を運動し混雑の影響を受けた
時、ゾウリムシの集団はどのような影響を

s-of-wild-birds-11-07-2013/
写真１

右http://www.onsenmaru.com/monthly/M-20

受けるかを、実験途中であるためデータは少ないが、簡単に紹介する。図６は図１(a)左02/M-0207-iwashi.htmの点線で囲んだ部分の右側（広い通路のほう）にできていた、特徴的なゾウリムシの【参考文献】集団の動きを示している。図からわかるよ(1)鉢山孝彦・小柳光正・嬉正勝・妹尾圭

うに一方向に進む動きではなく、その場に司・小泉

停滞するような流れになっていることがわ

第１巻（共立出版）p11～p18

かる。このような流れを境界条件、設置物

修「研究者が教える動物飼育」
2012年(2) 丸岡 禎「教材としての原生動物 (3) ゾウなどを使って、壊すことで効率的な誘導をリムシⅡ」（日本原生生物学会『原生動物行いたい。これからどのように研究を進め学雑誌』第38巻）2005年ていくかを簡単に説明したい。今回、実験(3)Vicsek, T, and A. Zafeiris “Collectiveで用いた流路の厚さは定性的にしか変えらmotion,” Phys. Rep. 517, 71-140. Elsevier

れておらず、定量的なデータを集めないと2012−- 4848 −久保 善嗣先生（くぼ よしつぐ）＜略歴＞
1989年1月

福岡県生まれ2011年3月

京都大学理学部卒業

2016年3月

京都大学大学院

物理学・宇宙物理学専攻
2018年4月

博士課程修了福岡県立筑紫中央高等学校

勤務＜研究成果＞
・“Mode bifurcation of a bouncing dumbbell
with chirality” PhysRevE.91.05290(2015) Y.KUBO et al.
・“Fluctuations induced transition oflocalization of granular objects causedby degrees of crowding” Physica D
39-46 (2016) S.ODA, Y.KUBO et al.

＜勤務校＞
福岡県立筑紫中央高等学校〒816-0942

福岡県大野城市中央2-12-1
電話092-581-1470−- 49
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