Simulation Study Aiming at Fusion Reactor Development
Motoi Wada*(Received September 10, 2021)

Summary: More than 99.9% of the matter in the universe is believed to exist as plasma: the fourth state of matter.

Brilliance of stars

originates from nuclear fusion reaction converting light nuclei to heavier nuclei in gravity confined stellar plasma.

As early as 1950s,

humankind has started the study on nuclear fusion reaction to utilize it as the energy source for generating electricity.
original device “stellarator”: an apparatus replicating the mechanism of starts for harvesting energy.

We named the

However, the high-temperatureplasma in the machine disappeared as it touched the wall and sophisticated confinement and/or compression by magnetic fields andlasers were necessary.

Numerical simulations were attempted to find a possible way to achieve fusion condition from early days, but

computers up to recent generation have neither enough capability to store all necessary data nor speed to calculate plasma behavior forrequired duration of time.

Researchers working on numerical simulation study on high temperature plasma, plasma materialinteraction and fusion confinement system initiated a project for setting up a virtual plasma machine in a computer.

The status of the

project to realize numerical simulation nuclear fusion reactor is described together with the prospect of experimental researchadvancement for obtaining fusion conditions.
Key words：thermonuclear fusion, computer simulation, nuclear fusion reactor
キーワード：熱核融合，計算機シミュレーション，核融合炉

核融合炉開発を目指したシミュレーション研究
和田

1.

元

はじめに

ようとは誰でも考えることで，1950 年代からステ

放射線は怖い，原子力は危ないと言う話をよくラレーター(stellarator：星の燃えるエネルギーを利聞くが，残念ながら歯医者でも健康診断でも X 線用しようと star, solar に因んで)と命名された装置を浴びているのみならず，誰にも平等に自然放射を用いた研究が開始された．その当時から，太陽の能が降り注いでいる．太陽は巨大な核融合反応炉

中心温度，1600 万度よりも 1 桁高い温度が必要となのである．意外と認識している人が少ないのかなりそうなことは分かっていたが，全く温度は上も知れないが，太陽に限らず，星がエネルギーを発がらない．これは考えて見れば当たり前の話で地するのは核融合反応によってであって，太陽での上の温度は絶対温度で 300 度程度，核反応に必要

原子核反応エネルギーをもとに太陽光発電や風力

な 1 億度の物体はあっという間に冷えてしまって，発電が可能となっている．この太陽がエネルギー

長時間保持できないのである．もともとステラレを発生するメカニズムを利用してエネルギーを得ーターは磁場を用いて，電流が流れるプラズマを――――――――――――*Harris Science Research Institute, Doshisha University, Kyoto
Telephone: +81-774-65-6351, FAX: +81-774-65-6801. E-mail: mwada@mail.doshisha.ac.jp

固体壁から離しておこうとする考え方で，これとは別にレーザーで冷える前に温度を上げ切ってしまうと言う方法もある．実はこの方式も古くから続けられてきた．米国の National Ignition Facility は
1.35 MJ の核融合反応熱をレーザー核融合で実現したとの報告を，
2021 年 8 月１７日に Science Web 版に掲載している 1）．磁場核融合，レーザー核融合のどちらも，実現のためには多大なる基礎研究と技術革新が不可欠な状況にある．
現代は設計や動作確認に，計算機シミュレーシ
ョンが多用される時代となっている．そもそも，核融合を実現するには高温状態の創出が必要で，高温になると物質は全てプラズマ状態となる．
「電磁流体」とよばれる，もとから難解な流体力学に，さFig.

らに電磁場との相互作用を組み入れる必要があり，components of numerical simulation fusion reactor.

1.

Schematic

illustration

showingthe

複雑な問題を好む数値シミュレーション研究者にとって興味深い学問領域である．現在の計算機能ている．この高温プラズマを生成するには，中性粒力からみて，近い将来に実現可能であるかは疑問

子加熱装置と高周波電磁場加熱装置が用いられ，

ではあるが，今まで研究してきたプラズマの数値

これらの加熱機構を用いてプラズマ中に流れる電計算シミュレーションを繋ぎ合わせ，何とか計算

流分布を制御し，プラズマを安定に維持する計画

機の中に「核融合プラズマ」を作ってみようとするである．高温プラズマは強い磁場で閉じ込められプロジェクトが自然科学機構核融合科学研究所でると言っても，構成粒子は互いに衝突して拡散す開始されることになった．プロジェクト自体の活る．高速粒子は拡散によって中心部から周辺部に動とその成果の内容については文献 2,3)に譲るとし移動して，周辺領域にも境界プラズマやエッジプて，本稿では核融合炉を実現する上で必要と予想

ラズマと呼ばれる温度の低いプラズマを形成し，されるシミュレーション研究全体についての将来

最終的にはダイバーター(divertor)と呼ばれる機構予想を試みる．

によって排気される．ダイバーター表面では実際にプラズマが固体壁に触れる．高温プラズマを通２．数値実験炉の構成要素

常物質にそのまま触れさせるわけにはいかないの

核融合炉を計算機の中に模型化して実験しよう

で，ダイバーター部分ではガスを注入してプラズとなると，どれだけのことが必要になるかを模式

マの冷却 5)が行われるが，それでも装置の壁はプラ的に描いたのが図１である．核融合研究ではレーズマからの高エネルギー粒子や光子によって損傷

ザーや粒子ビームを用いた慣性閉じ込め型の方式を受ける．

も推進されているが，ここでは磁場閉じ込め型核

以上のプラズマ閉じ込め装置内部で生じている融合方式について概説する．まず，高温プラズマは

物理過程全てを数値計算模型化し，統合化しない

超伝導コイルにより形成された強磁場中に閉じ込と「数値実験炉」は実現しない．プラズマのシミュめられる．磁場強度は，現在実験炉として建設が進レーションでは個別粒子を追跡してプラズマ全体

められている ITER で 11.8 T が形成される予定での振る舞いを導き出す PIC(Particle in Cell)法があるあり，ドーナツ型のプラズマ容器中心部のプラズが，閉じ込め装置の大きさが数 10 m に及ぶ核融合

マ温度は 1 億５千万度に到達するものと期待され

実験プラズマに適用するのは現実的ではない．当4)

然，簡略化のために物理模型を立てて対象領域内で計算を行い，最終的にこれら要素部分の計算結果を境界で接続するプロセスを取ることになる．
するとこの境界部分をさらに模型化することになり，この結果が接続された両部分の境界条件を変化させることになる．図１には書かれていないが，プラズマ反応過程全体を統合化するプログラムが必要になるのである．書いてしまえば簡単そうに聞こえるが，この統合化作業は，全ての要素プログ

Fig. 2. Negative ion based neutral beam heating

ラムを熟知している研究者が，個別プログラムの

system for magnetic confinement fusion reactor.
-

+

In

0

専門研究者と協力して，動作確認を行いながら進

the figure, H , H and H mean negative hydrogen ion,

めていく必要があり，時間とコストのかかるもの

proton and neutral hydrogen atom, respectively.

となっている．
域を通過させてプラズマ中で再電離させ，強磁場
３．工学的課題の取込み現状の「数値実験炉」は，未だに物理モデル研究段階にある．個別の計算モデルで予想できるのは物理にもとづいたプラズマの振る舞いや，プラズ
マ－壁面相互作用の特性であり，実験炉は設計上のハードウェアが設計機能を果たした時にプラズ
マ中の空間分布や時間発展から，出力が得られるところまでを計算できる．ここまでの機能実現でも多大な努力が要求されるが，さらに将来，一段進めてコンピューター上に仮想的な核融合炉を実現
し，装置寿命まで含めた性能確認が行われるようになるまでには信頼性の高い工学的要素データが必要になる．
現在ハリス理化学研究所部門研究， “シミュレーション科学による未来エネルギーと地球資源活用”のサブテーマの一つとして，未来の核融合発電のサステナビリティについて研究を進めており，
本部門研究で取り組んでいる内容が，将来的にどのように数値実験炉に利用されていく可能性があるか，占ってみたい．図２に対象としている磁場閉
じ込め型核融合装置の構成要素の一つである中性
粒子入射装置の概要を示す．図１では矢印で象徴されていた加熱機構であるが，閉じ込め装置本体と同じくらい高度な技術を必要とする装置である．
水素イオンを生成して静電的に加速し，運動エネ
ルギーを与えておいて中性化し，閉じ込め磁場領

中に補足し，プラズマ中の燃料粒子とクーロン相
互作用させて加熱する．また，プラズマ中での電離により電流を作り出すことができるので，電磁流体として不安定化する可能性のある核融合プラズ
マの電流密度分布を適切に制御することにより，安定化させる機能を果たす予定で研究が進められている．
核融合プラズマの実現に，現状は不可欠と考えられている中性粒子入射装置であるが，工学的課
題を多く抱えている．まず図 2 中にあるように，水素（あるいは重水素）負イオン H- (D-)を 1 MeV の電圧で静電加速する．負イオンとともに，電子も加速されてしまうこと，中性化し易い H-であっても中性化効率は 100%ではないことにより，効率が悪いことから，さまざまな箇所が高エネルギービー
ム照射を受ける．特に負イオンをイオン源下流に向けて加速するので，下流側で発生した陽子などの正イオンはイオン源に逆流する．これを模式的に示したのが図３である．実際に負イオン源の後部端板（引き出し電極に対向する面）に，下流側から加速器を逆流して到達している高エネルギー粒子が存在することを Ikeda らが報告している．このような高エネルギー正イオンは逆流イオン(Backstreaming ions)と呼ばれ，イオン源端板には大きなスパッタリング（表面損耗）耐性を持つ Mo 製の防護壁(Armor tile)が取り付けられる予定である．

れば一桁以上小さい．従ってボイドや内部応力の発生が心配される．あるいは注入層を境にして剥離が生じる可能性もあるが，蓄積による経時劣化について何らかの結論を導くには，今回の計算結果をもとにしたシミュレーションが必要となる．
４．統合化に向けて逆流イオンによる中性粒子入射システムの経時Fig. 3. Expected trajectories of back-streaming ions in
the electrostatic accelerator of negative ion source.

劣化は，工学レベルでの数値実験炉構築に必要となる要素開発の一例である．一つの要素は関連し後部端板の損傷を抑えるために配置される Moて生じうる全ての現象を加味しておかなければな板であるが，加熱システムがうまく機能したなら，らない．その上で他の要素との相互干渉を考慮しスパッタリングは問題にならないだろうと予想さて統合化される必要がある．中性粒子入射システ

れている．これは重水素のエネルギーが 1 MeV でムの場合について見れば，逆流イオンは劣化メカあり，スパッタリングのエネルギー領域と言うよ

ニズムの一要素でしかなく，例えば他にも静電加

りは，イオンインプランテーションの領域に入る速器であるため，高電圧放電が生じる可能性があからである．高速の重水素は表面付近ではあまりる．また，水素や重水素の負イオンを，電子電流がMo 原子核と相互作用せず，ある程度減速された内少ない状態で引き出す必要があるため，引き出し部で運動量を Mo に与えるので，Mo は表面まで到電極の仕事関数を下げておくことが必要とされて達できない．そこで 1 MeV の重水素が Mo 中にどいる．このことから金属 Cs が用いられ，イオン源

こまで進入するかを計算して見た．意外なことに内に Cs が蓄積され，経時劣化の原因になると危惧

古いデータしか見当たらず，今回は文献 7 に報告されている．

されているテーブルデータを関数フィットして（図４）利用した．結果を図 5 に示す．

中性粒子入射装置の現在の設計では，核融合プ
ラズマを直接覗く構造となっている．核融合プラ

図 5 より分かるように 1 MeV の重水素は Mo 中

ズマからは中性子や X 線が放射され，イオン源はに 6 m の深さまで進入する．重水素の Mo 中での高エネルギー粒子線の照射を受けた状態で運転さ拡散係数は Tanabe ら 8)が調べており，水素に比べFig. 5. Nuclear stopping for 1 MeV initial energy D in
Fig. 4. Stopping power data plotted as a function ofsolid Mo plotted as a function of distance.

deuteron energy.

Bragg curve shows the peak at 6 m.

After ref [7].

The

れる．中性粒子入射系が高電圧放電を起こす可能

源リサイクルを考えておく必要がある．Li につい性を抱えているのと同様に，閉じ込め装置中のプてはバッテリーでのリサイクル技術開発が進むもラズマもディスラプションを起こして，機器に深のと予想されるが，核融合発電の場合，運転中は中刻な損傷を与える原因になる．現在の数値実験炉

性子が発生するので随時交換可能な状態にはならでは残念ながら，これらの非線形現象が取り込まない．安全で環境負荷の低い運転を，地球資源の有れておらず，工学設計を行うには時期早尚と言わ効利用を担保しつつ実現するためには，予め資源ざるを得ない．今回検討した逆流重水素イオンの消費が予測できるレベルにまで，データを蓄積し損傷評価についても古いデータしか参考にできなておく必要がある．

かった．実験によりデータを蓄積するためには，コ

これを全て数値実験炉がシミュレーション計算

ストはかかっても ITER のような巨大で複雑な実する必要は無い．恐らく，そこまでのコード統合化

験装置を建設し，実際に動かして検証するしか無は不可能だと考えられるし，中性粒子加熱システ

いようである．

ムの放電やディスラプションについては，実験デ核融合科学研究所のプロジェクトも，研究所がータをもとに確率的に頻度を予測し，寿命予測に有 す る ヘ リ カ ル 型 閉 じ 込 め 装 置 ， LHD (Large

繋げていくことが現実的だと思われる．むしろ実

Helical Device)と量子科学研究機構が有する JT-60U

験炉の研究開発については，現在行っている数値などのトカマク型装置で得られたデータと比較検実験炉と既存実験装置データとの検証を進め，討を行い，要素部分の信頼性向上に努めている．個

ITER プラズマの予測，DEMO 炉の予測を行い 14)，

別要素を統合化して実験データが再現されるよう

個別シミュレーションプログラムで核融合炉構成になれば，始めてその時に統合化作業の工学的検要素の性能評価と寿命予測，運転シナリオの検討

証フェーズに着手できるように思われる．

を行うことが現実的と考えられる．

実験炉プロジェクトへの期待

計算機科学による核融合炉の実用化部門研究タイトルで掲げている通り，未来エネ

コロナ蔓延が始まる 2019 年 12 月に ITER で行わ

ルギーは地球資源の利用の観点から見て，持続可

れる核燃焼プラズマ実験の解説記事 10)が発表され能なものでなければならないと考えている．核融た．その一年後には核融合発電の経済性を疑問視

合のメインの燃料である重水素は，地球が海水をする記事 11)が発表され，本稿の冒頭で触れたレー

多量に保持しているので，これを使い切る心配は

ザー核融合の成功についても詳細な情報は明らかないだろう．しかし，現在の計画では中性子を使っにされていない．賛否両論があるものの，この 70て三重水素を Li から作り，これを燃料として用い

年で核融合研究は着実に進歩した．この進歩に大る計画となっている．核反応としては，きく貢献したのが計算機科学であり，半導体の微細化技術に限界が見えてこようとも計算機性能は

6

Li ＋ n → α ＋ T ＋ 4.78 MeV改善されると予想されている 12)．計算機技術の進7

Li ＋ n → α ＋ T ＋ n’ － 2.47 MeV歩とともに，「計算機の中に発電所を建設して性能

Li ＋ n → 2 T ＋ 2 n’ － 10.3 MeV評価を行う」時代が到来すると信じたい．金食い虫

7の大型装置の建設は，ITER でなんとかお終いにしなど 9)が挙げられる．中性子で三重水素が得られるて欲しいものである．

ので，Be や Pb など，中性子を増殖する元素などを中性粒子入射加熱システムを駆動する負イオン

炉のプラズマに近い側に置く構造が提案されてい源に使用する Cs 量を評価・抑制する研究 13)を継続

る．特に Be は核融合プラズマと向き合う壁の材料中であり，現状においては ITER の要求が満足できとしても用いられる予定であり，これら材料の資ない状況が危惧される．しかしながら，各要素の研究開発がさらに進み，うまく要素を組み合わせて

4) A. Foussat, N. Mitchell, R. Gallix, M. Gandel, K. Hamada,

全体としての性能を最適化できるようになれば新S. Koczorowski, K. Seo, C. Boyer, M. Le Rest, B. Martin,

たな可能性：小型核融合発電炉等の検討にも役立

C. Jong, A. Devred, J. Y. Journeaux, A. Alekseev, C. Gung,
P. Petit, J. Reich, A. Bonito Oliva, A. Bellesia, E. Boter,て得るものと思われる．これまでのプラズマシミ

Rebollo, R. Harrison, N. Koizumi, T. Hemmi, K. Matsui,ュレーションは適度に難しくて興味を持つ研究者

M. Nakahira, “Overview of the ITER Toroidal Fieldによるボランティア的貢献が大きく，発展してきMagnetたように感じている．人類の楽しみを AI に奪い去られたくはないものである．これからも地球環境に優しい未来機器設計のため，シミュレーション
科学が発展していくことを期待する．

SystemIntegration”,

IEEE

Trans.

Appl.

Superconductivity, 26, 7422681/1-5 (2016).
5) C.S. Pitcher, P.C. Stangeby, “Experimental divertor
physics”, Plasma Phys. Controlled Fusion, 39, 779-930(1997).
6) K. Ikeda, M. Kisaki, H. Nakano, K. Nagaoka, M. Osakabe,
S. Kamio, K. Tsumori, S. Geng, Y.Takeiri, AIP Conference

本研究の一部はハリス理化学研究所の部門研究の一環として行われた．

Proceedings, 1869, 50004/1-8 (2017).
7) C.F. Williamson, J-P. Boujot, J. Picard, “Tables of range
and stopping power of chamical elements for charged
particles of energy 0.05 to 500 MeV”, Report CEA-R3042,

参考文献

Centre D’Etudes Nucleaires Saclay, 1-296 (1966).

1) D. Clery, “With explosive new result, laser- powered fusion

8) T. Tanabe, Y. Furuyama, N. Saitoh, S. Imoto,effort nears ‘ignition’”, Science. Aug. 17, (2021).

“Determination of Deuterium Diffusion Coefficient in(https://www.sciencemag.org/news/

Metals by Ion Driven Permeation Technique”, Trans. Jpn.

2021/08/ explosive-new-result-laser-poweredfusion-effort-nears-ignition)2) 堀内利得，市口勝治，Nicolas Timothee，佐藤雅彦，石澤明宏，石崎龍一，菅野龍太郎， 佐竹真介， 沼波政Inst. Metals, 28, 706-714 (1987).
9) M. Rubel, “Fusion Neutrons: Tritium Breeding and Impact
on Wall Materials and Components of Diagnostic Systems”,
J. Fusion Energy, 38, 315-329 (2019).

倫， 仲田資季， 登田慎一郎，山岸統， 洲鎌英雄，

10) R.H. Hawryluk, H. Zhom, “The challenge and promise of

渡邉智彦， 石澤明，藤堂泰，Wang Hao，西村征也，

studying burning plasma”, Phys. Today, 72, 12, 34-40

横山雅之，鈴木康浩，河村学思，中村浩章，斎藤誠紀，
伊藤篤史，高山有道，石黒静児，伊藤淳，宇佐見俊介，
大谷寛明，坂上仁志，樋田美栄子，長谷川裕記，三浦(2019).
11) W. Manheimer, “ITER and the prospects for commercial
fusion”, Phys. Today, 73, 7, 10 (2020).

英昭，“プロジェクトレビュー：核融合科学研究所に

12) C.E. Leiserson, N.C. Thompson, J.S. Emer, B.C.

おける数値実験炉研究プロジェクト”，プラズマ・核

Kuszmaul, B.W. Lampson, D. Sanchez, T.B. Schardl,

融合学会誌，92，785-831 (2016).

“There’s plenty of room at the top: What will drive3) 洲鎌英雄，市口勝治，鈴木康浩，佐藤雅彦，三浦英昭，
石崎龍一，古川勝，登田慎一郎，仲田資季，沼波政倫，

computer performance after Moore’s law?”, Science, 368,
9744 (2020).

松岡清吉，佐竹真介，菅野龍太郎，藤堂泰，樋田美栄

13) M. Wada, “Plasma-surface interaction in negative

子，山口裕之，Wang Hao，關良輔，河村学思，中村浩hydrogen ion sources”, Rev. Sci. Instrum. 89, 052103/1-7

章，伊藤篤史，高山有道，藤原進，横山雅之，奴賀秀男，鈴木千尋，村上定義，森下侑哉，石黒静児，伊藤(2018).
14) F. Romanelli, “Fusion Electricity: A Roadmap to the淳，宇佐見俊介，大谷寛明，坂上仁志，長谷川裕記，

Realization

森高外征雄，堀内利得，三浦英昭，宮澤順一，大野暢

Development Agreement (2013).

亮，陰山聡，田村祐一，北澤修太，片桐孝洋，大島聡

https://www.euro-fusion.org/wpcms/wp-content/

史，永井亨，名倉成輝，川原慎太郎，胡昆祁，小山田

uploads/2013/01/JG12.356-web.pdf

耕二，後藤拓也，嘉無木昇，高丸尚教，Petrosky Tomio，
田中智，“プロジェクトレビュー：核融合科学研究所における数値実験炉研究プロジェクト”，プラズマ・核融合学会誌，96，576-635 (2016).

ofFusionEnergy",European

FusionSynthesis of Ionic Plastic Crystals and Their Evaluation
as Media for Proton Transfer

Yoshifumi KIMURA*(Received September 17, 2021)

Proton transfer reactions of photoacids doped in 1-methylimidazolium triflate ([HMIM][TfO]) have been studied byfluorescence spectroscopy. At room temperature, [HMIM][TfO] exists as solid, and at 86C [HMIM][TfO] shows a phasetransition into a plastic crystal (PC) phase. The fluorescence spectra of 2-aminopyridine revealed high acidity of [HMIM][TfO] in
solid and PC phases. The fluorescence spectra of 6-hydroxyquinoline (6HQ) revealed that the proton transfer reaction occurs from
1-methylimidazolium to 6HQ in the electronic ground state even in a solid phase. The fluorescence spectrum of
8-hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid trisodium salt (HPTS) showed unique dependence on the water concentration contaminatedin [HMIM][TfO]. In dried [HMIM][TfO] no proton transfer was detected for HPTS. However, in existence of a small amount ofwater less than 2 wt%, the excited state proton transfer from HPTS to water occurred and the intense fluorescence from anionicform of HPTS was observed. In a PC phase, the intensity of the fluorescence from the anionic form decreased. Slight increase ofwater in [HMIM][TfO] (2 wt%) resulted in a decrease of the yield of proton transfer. These results were interpreted by thecomplexation of water and HPTS and the rotational freedom of [HMIM][TfO].
Key words：proton transfer, ionic plastic crystal, fluorescence spectroscopy
キーワード：プロトン移動，イオン性柔粘性結晶，蛍光分光

プロトン移動媒体としてのイオン性柔粘性結晶の合成と評価

木村佳文

1. はじめにトン性イオン液体を柔粘性結晶にすることで新しい活性プロトンをカチオンにもつプロトン性イオン

プロトン伝導素材の開発を試みている．柔粘性結晶

液体は，他のイオン液体にない反応媒体としての特相では固体のように３次元的にはイオンの配置が固徴をもつ 1,2)．特にカチオン，アニオンの構成を工夫定されているが，その配向が固定されていない 6)．

することで，グロッタス機構に基づくような高速なしたがって，分子配列を工夫すれば，液体で観測さプロトン移動が可能となる3-5)．本研究ではこのプロれるような高速プロトン移動が可能となることが期_________________________________*Department of Molecular Chemistry and Biochemistry, Faculty of Science and Engineering, Doshisha University, Kyoto
Telephone: +81-774-65-6561, FAX:+81-774-65-6801, Email: yokimura@mail.doshisha.ac.jp

待される．本研究では，このようなプロトン性柔粘2AP は溶媒の酸性度によって蛍光スペクトルのシフ性結晶中にドープされた蛍光分子のプロトン移動過トを示す．また 6HQ はそのプロトン受容，供与の状程を時間分解蛍光測定により分子レベルで観測し，態によって様々な状態をとり，それぞれの状態に応

柔粘性結晶に用いたイオンの性質の違いがどのようじて，異なる吸収や蛍光スペクトルを示すことが知にプロトン伝導機構に影響を及ぼすかを明らかにすられている 9)．そのスペクトル変化を調べることでることを目的とした．

PIL 中での溶存状態を調べることが可能となる．ま

本研究では柔粘性結晶相を示すプロトン性イオン

た HPTS はプロトンドナー分子であり 10,11)，周りの性 柔 粘 性 結 晶 (IPC) と し て ， 1-methylimidazolium

アニオンへのプロトン移動の可能性を検討した．

triflate([HMIM][TfO];

Fig.1) に 着 目 し た ．

[HMIM][TfO]は常温では固体であるが，86℃で相転2. 実験

移を起こし柔粘性結晶相に転移し，その後 112℃で[HMIM][TfO]は既報の手法に従って合成した 7)．蛍液相へ転移することが報告されている 7,8)．このイオ

光分子のメタノール溶液を作成し，溶液にン結晶にプロトン移動可能な蛍光分子として[HMIM][TfO]を溶解させた．その後メタノールを蒸

2-aminopyridine (2AP)，6-hydroxyquinoline (6HQ)，お発させ，蛍光分子を[HMIM][TfO]に溶解させたサン

よび 8-hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid trisodium

プルを得た．固体や柔粘性結晶中での蛍光分子の分

salt (HPTS) (Fig. 1)をドープし，蛍光スペクトルなら布の測定には，共焦点顕微システム（Nikon A1）にびに時間分解蛍光スペクトルの温度変化を測定した．

組み込まれた FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging
Microscopy)のシステム(PicoQuant 社製 Micro Time)を用いた．定常蛍光スペクトルの温度変化の測定は，水銀ランプを光源とし，小型ファイバー分光器(Ocean Photonics 社製 USB2000+)でおこなった．一部の測定においては，蛍光高度計(FP6300)を用いた．
時間分解蛍光測定は励起光に Ti:Sapphire laser の基
本波 (800 nm, 1 mJ, 120 fs) を光パラメトリック増幅器で波長変換し，さらに BBO 結晶を用いて波長変換したもの（320 nm および 370 nm）を用い，検出にはストリークカメラを用いた．
3．結果と考察3.1. 2AP
Fig. 2 に 2AP を[HMIM][TfO]にドープしたときに得られる蛍光スペクトルを，通常の有機溶媒に溶かしたときに得られるスペクトルと比較した図を示す．
2AP は溶液の酸性度があがると，蛍光スペクトルの

Fig.

1.

Chemical

2-aminopyrizine

structure(2AP),

of[HMIM][TfO],

6-Hydroxyquinoline,

and8-hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid trisodium salt
(HPTS). 6HQ takes several forms due to protonation anddeprotonation.

ピーク位置が長波長にシフトする．[HMIM] [TfO]中での蛍光スペクトルのピーク位置は，通常の溶液で見ると pH1 に塩酸で調整したメタノール溶液に近いところに存在し，このプロトン性イオン結晶が高い
プロトン供与能を示していることが分かる．また固相(25℃)に比べて柔粘性結晶相(95℃)中でのスペク

Intensity (normalized)

1.2

CH3CN
pH1 HCl/CH3OH
pH6 HCl/CH3OH[HMIM][TfO] 25 °C[HMIM][TfO] 95 °C

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
320

340

360

380

400

420

440

Wavelength / nm

Fig. 2. Fluorescence spectra of 2AP in various
solvents.

Fig. 4. Temperature dependence of fluorescence peak
position of 6-HQ in [HMIM][TfO].

トルのほうがより長波長側にシフトしており，より酸性度の高い環境を提供しているといえる．柔粘性
結晶中で溶媒イオンの回転自由度が許容されることが，このシフトの違いをもたらしていると考えられる．
3.2. 6HQ
Fig. 3 の上図に 6HQ の通常溶液で pH を調整することで得られたノーマル体とカチオン体に由来する

吸収と蛍光スペクトルを示す。下図には 6HQ を[HMIM][TfO]にドープした際の蛍光スペクトル（320nm 励起）と蛍光励起スペクトル（450 nm モニター）を示す．[HMIM][TfO]中の蛍光スペクトルは 6HQ のカチオン体に由来する蛍光スペクトルと一致し，蛍光励起スペクトルはカチオン体の吸収スペクトルと一致することが明らかとなった 9)．すなわち，6HQは電子基底状態で周りの[HMIM][TfO]からプロトンを受け取り，光励起後もカチオン体のまま，さらなるプロトン移動は起こしていないことが考えられる．
また蛍光顕微鏡をもちいた観測から 6HQ がサンプ
ル中にほぼ均一に分布していることが示された．
Fig. 4 に 6HQ の蛍光スペクトルのピーク波長（P）の温度依存性を示す．図に示されるように固相では温度上昇とともに長波長側にシフトするが，相転移して PC 相に変化する際，いったん短波長シフトが観測される．これは PC に変化する際の構造変化により，6HQ 周りのイオン配置が大きく変化することによるものと考えられる．さらに温度を上げて，PC相から液相に向かって変化する際には，実際の相転移の温度より 5℃程度低い温度からスペクトルが急速に変化していることが分かる．液相に近い温度では PC での分子の流動性が大きくなっていることが考えられる．

Fig. 3. (Upper) Absorption and fluorescence spectra of
6HQ in normal and cationic forms. (Lower)
Fluorescence and fluorescence excitation spectra of
6-HQ in [HMIM][TfO].

3.3. HPTS
Fig. 5 に含水量の異なる[HMIM][TfO]中に HPTS をドープした際に得られる蛍光スペクトル（励起波長

Fig.

5.

Fluorescence

spectra

of

HPTS

in

[HMIM][TfO] with various wt% of water.
410 nm）を示す．図に示されるように，水分量に応じてスペクトル形状が大きく変化した．完全に脱水
するとプロトン移動を行っていないノーマル体の蛍
光バンド(430 nm 付近)しか観測されない．ところが，ごく微量の水が[HMIM][TfO]内に存在すると（2 wt%未満），プロトン移動をおこなったアニオン体由来の525 nm を中心とする蛍光バンド強度が，プロトン移
動前のノーマル体の蛍光バンド強度に比べて非常に強いことが分かった．
また図に示すように水分量が 2
wt％だと，ノーマル体由来の蛍光バンドが逆に強くFig. 6. Fluorescence spectra excited at 410 nm andなり，さらに水分量を増やしていくと，徐々にアニ

fluorescence excitation spectra monitored at 520 nm

オン体の蛍光強度が強くなっていくことが分かった．

of HPTS in various wt% water in [HMIM][TfO].

アニオン体の蛍光が観測された 2 wt%未満の水分量のサンプルの温度を上昇させ PC 状態に相変化さ在するとき，水分子と HPTS の相互作用が強くなる

せたときの蛍光スペクトルと蛍光励起スペクトルを位置に水分子が固定され励起状態でのプロトン移動

Fig. 6 に示す．図に示されるように，温度上昇とともが生じやすくなる．この状態で温度をあげ PC 相ににアニオン体の蛍光強度が小さくなり，相対的にノ転移すると，構成イオンが回転しやすいことからーマル体の蛍光強度が大きくなる．アニオン体の蛍[HMIM][TfO]と HPTS が結びつきやすくなり，相対光波長でモニターした蛍光励起スペクトルは，あま

的に水との結合が切れプロトン移動が起こりにくくり大きな変化が見られないが，長波長側のピークがなる．また，水分量が増えたときも温度をあげたと温度上昇とともに短波長側にシフトしている様子がきと同様に結晶構造の揺らぎが増大し，観測される．同じような蛍光励起スペクトルの変化[HMIM][TfO]と HPTS の相互作用が強くなり，水へは，水分量を 2 wt%未満から 2 wt%に上げたときにものプロトン移動が生じにくくなる．ただ、水分量が観測され，この微小な励起スペクトルの変化がアニ過剰になると，水溶液と変わらない状況に近くなりオン体の生成効率と大きく関係していることが分か

プロトン移動が生じやすくなると考えた．以上の仮った．

説は蛍光の時間分解測定の解析結果からも支持され以上のことから，HTPS の反応メカニズムについており，詳細は講演で述べる予定である．

て以下のような仮説を立てた．ごく少量の水分が存
本研究は渡邉玲（同志社大学大学院理工学研究科

応用化学専攻），藤井香里（同志社大学理工学部特定8) H. Zhu and M. Forsyth, “Ion Vacancies and Transport

任用助教），および遠藤太佳嗣（同志社大学理工学部

in 1-Methylimidazolium Triflate Organic Ionic Plastic

准教授）との共同研究である．また，本研究は同志

Crystal”, J. Phys. Chem. Lett., 11, 510-515 (2020).

社大学ハリス理化学研究所助成金によって行った．

9) K. M. Solntsev, C. E. Clower, L. M. Tobert, and D.

ここに記して謝意を表する．

Huppert, “6-Hydrroxyquinoline-N-Oxide: A New Classof “Super” Photoacids”, J. Am. Chem. Soc., 127,
8534-8544 (2005).

参考文献

10) D. B. Spry and M. D. Fayer, “Charge redistribution
1) T. L. Greaves, A. Weerawardena, C. Fong, I.
Krodkiewska, C. J. Drummond, “Protic ionic liquids:
solventswithtunablephasebehaviorandand photoacidity: Neutral versus cationic photoacids”, J.
Chem. Phys., 128, 084508 (2008).
11) J. E. Thomaz, A. R. Walker, S. J. Van Wyck, J.

physicochemical properties”, J. Phys. Chem. B, 110,

Meisner, T. J. Martinez, and M. D. Fayer, “Proton

22479-22487 (2006).

Transfer Dynamics in the Aprotic Proton Accepting2) H. Nakamoto, A. Noda, K. Hayamizu, S. Hayashi, H.
Hamaguchi,

M.

Watanabe,“Proton-Conducting

Properties of a Brønsted Acid-Base Ionic Liquid and
Ionic

Melts

ConsistingofBis(trifluoromethanesulfonyl)imide and Benzimidazole
for Fuel Cell Electrolytes”, J. Phys. Chem. C, 111,
1541-1548 (2007).
3) M. Phonyiem, S. Chaiwongwattana, C. Lao-ngam, K.
Sagarik, “Proton transfer reactions and dynamics of
sulfonic acid group in Nafion(R)”, Phys. Chem. Chem.
Phys., 13, 10923-10939 (2011).
4) M.L. Hoarfrost, M. Tyagi, R.A. Segalman, J.A. Reimer,“Proton Hopping and Long-Range Transport in the Protic
Ionic Liquid [Im][TFSI], Probed by Pulsed-Field
Gradient NMR and Quasi-Elastic Neutron Scattering”, J.
Phys. Chem. B, 116, 8201-8209 (2012).
5) K. Chen, Y. Wang, J. Yao, H. Li, “Equilibrium in Protic
Ionic Liquids: The Degree of Proton Transfer and
Thermodynamic Properties”, J. Phys. Chem. B, 122,309-315 (2017).
6) J. Timmermans, “Plastic Crystals: A Historical
Review”, J. Phys. Chem. Solids, 18, 1-8 (1961).
7) H. Zhu, X. Wang, R. Vijayaraghava, Y. Zhou, D. R.
MacFarlane, and M. Forsyth, “Structure and Ion
Dynamics in Imidazolium-Based Protic Organic Ionic
Plastic Crystals”, J. Phys. Chem. Lett., 9, 3904-3909(2018).

Solvent 1-Methylimidazole”, J. Phys. Chem. B, 124,7897-7908 (2020).

Adsorption of Metallic Ions on Amidoxime-chitosan/Cellulose Hydrogels
prepared by Ionic Liquid
Takaaki TATSUMI, Yoshiro TAHARA, Michiaki MATSUMOTO*(Received September 17, 2021)

Adsorption is an attractive and efficient separation technique for recovering heavy metals from aqueous media. Althoughchitosan derivatives are environmentally benign adsorbents, they dissolve in an acidic aqueous medium. In this study, we prepared
adsorbents consisting of chitosan modified with amidoxime groups and cellulose using an ionic liquid and examined their adsorption
characteristics for metal ions. The prepared amidoxime-chitosan/cellulose hydrogels had a greater mechanical strength without crosslinking than the chitosan/cellulose hydrogels. All the investigated metals were adsorbed on the amidoxime-chitosan/cellulose hydrogelsin the following adsorptivity order: Cu ≈ Ag > Ni > Zn. The adsorptivity of the metal ions increased with pH due to a proton exchange
reaction. From the adsorption isotherm, the Langmuir constant for Cu exceeded those of other metals because amidoxime has higher
Cu affinity. The pseudo-second order reaction model best described the adsorption kinetics with metal chelate formation being ratedetermining step. Because amidoxime-chitosan/cellulose hydrogels had higher physical stability and higher Cu selectivity, they were
found to be a promising, environmentally benign adsorbent.
Key words：chitosan, cellulose, adsorption, metal ion, ionic liquid
キーワード：キトサン，セルロース，吸着，金属イオン，イオン液体

イオン液体から調製されるアミドキシムキトサン・セルロース複合材料を用いた金属吸着

辰巳 貴昭，田原

義朗，松本

道明

1. はじめにることが可能であるため，本手法を用いた重金属分

水質汚染物質には重金属や染料，フェノール類等

離に関する研究が盛んに行われている 1)．近年，持続があるが，とりわけ，重金属は自然界での食物連鎖に可能な社会の実現を見据え，環境由来の素材を用いよって濃縮され，生物に深刻な有害性を与える可能た重金属の吸着媒体が数多く報告されている．中で性が懸念されている．このため水中からの重金属イ

も，β-(1,4)結合を持つ D-グルコサミンから構成されオンを分離する必要があり，その技術としては，凝集るキトサンは甲殻類に含まれるキチンを脱アセチル法や吸着法，膜ろ過法，電気化学的手法などがある．

化して得られる天然多糖類で，豊富なアミノ基によ特に，吸着分離は低コストで効率的に物質を分離す

り優れた金属イオン吸着能を示すことから，環境に_________________________________*Department of Chemical Engineering and Materials Science, Doshisha University, Kyoto
Telephone & FAX +81-774-65-6655, E-mail: ctwf0773@mail4.doshisha.ac.jp, mmatsump@mail.doshisha.ac.jp

優しい金属イオン吸着媒体として注目されている 2)．

に，アミドキシムキトサン/セルロースゲルを添加し，また，反応性に富んだアミノ基を化学修飾すること

100rpm，30℃で 48 時間反応を行った．平衡後，濾過で，金属の吸着能や選択性が向上できる特徴も兼ねしてハイドロゲルを回収した．金属イオンの初濃度備えており，著者らは，架橋キトサンにアミドキシムと平衡濃度は高周波誘導結合プラズマ発光分光分析

基を修飾させることで銅イオンの吸着能と選択性が装置（ICPS-8100，島津製作所）で測定し，反応前後向上することを報告している ．しかし，キトサンはの溶液 pH は pH メーター（F-52，堀場製作所）で測

アミノ基のプロトン化により酸性水溶液に溶解する

定した．ハイドロゲルに吸着された金属イオンの量ため，一般的には架橋により不溶化する必要がある．

［q (mmol/g-gel)］は以下の式から算出した．

3)

この際の架橋剤は生体適合性及び環境親和性に乏しいことが多い．この課題を解決するために，最近，イ

𝐶 −𝐶

𝑞 = 𝑜𝑀 𝑒 × 𝑉（1）オン液体（1-エチル-3-メチルイミダゾリウムアセテ

ここで，Co 及び Ce は吸着前後の金属イオン濃度

ート[Emim][Ac]）から調製したキトサンとセルロー［mmol/dm3］で，V 及び M はそれぞれ溶液の体積

スの複合多糖類ゲルが架橋処理なしで，酸性溶液中［dm3］とハイドロゲルの重量［g］である．

で安定であり，ニッケルや銅イオンに対して優れた吸着能を有することが報告された 4,5)．イオン液体は

3. 実験結果及び考察

キトサンやセルロース等の多糖類を溶解することがFig. 1(A)，(B)は銅イオン吸着後のキトサン/セル

でき，また，不揮発性であるため，従来の有機溶媒に

ロースゲル及びアミドキシムキトサン/セルロース

比べて環境に優しい溶媒である．本研究では，ゲルである．それぞれ異なる色を一様に呈していた[Emim][Ac]を用いてアミドキシム基を修飾したキトことから，銅イオンとの錯形成機構が異なることがサンとセルロースの複合多糖類ゲルを調製し，金属示唆された．また，両者を 3 ヶ月イオン交換水で保イオンの吸着特性を検討した．

存した様子を Fig. 1(C)，(D)に示した．キトサン/セル
ロースゲル(D)はゲル表面が崩壊していたが，アミド

2. 実験方法

キシムキトサン/セルロースゲル(C)は球形を維持しキトサンは 100%脱アセチル化したものを使用し，ていた．アミドキシム基の水素結合受容体能がアミイオン液体は 1-エチル-3-メチルイミダゾリウムア

ノ基のそれよりも強いために，セルロースのヒドロ

セテート（[Emim][Ac]）を用いた．既報の方法に従っ

キシ基との水素結合が強く，機械的強度が向上したてはキトサンへアミドキシム基を修飾した ．

と考えられる 6)．Fig. 2 は銅イオンの吸着の経時変化

3)を示しており，48 時間で平衡に達することがわかった．次に溶液 pH と金属イオン吸着量の関係を Fig. 3に示した．Cu ≈ Ag > Ni > Zn の順序で金属イオンが吸着され，以前の論文で報告した架橋アミドキシム
Scheme 1. Preparation of amidoxime-chitosan

キトサンの吸着傾向と一致した 3)．セルロースに金各々の濃度が 5%（w/w）になるように[Emim][Ac]に属吸着能がほとんどないことを考慮すると，金属イ

セルロースとアミドキシムキトサンを加え，80℃でオンは 1 級アミノ基の窒素原子とオキシム基の酸素

48 時間撹拌することで均一な溶液を得た．得られた原子が配位し，オキシム基のプロトンとカチオン交溶液を 1mL シリンジでイオン交換水 200mL に滴下換して吸着するため，金属イオンの吸着量は pH に応し，1 時間静置することでハイドロゲルを硬化させじて増加したと考えられる．Fig. 4 に示した吸着等温

た．硬化後，イオン交換水で十分に洗浄し，イオン交

線は Langmuir モデルによく一致し，非線形回帰から換水中で保存した．金属吸着実験はそれぞれ Cu(II)，算出した Langmuir 定数を Table 1 にまとめた．またNi(II)，Zn(II)，Ag(I)の金属イオンを含む酢酸緩衝溶液

Table 1 にはセルロースキトサンゲルの結果も併せて示している 5)．銅イオンの Langmuir 定数が最も大き0.06

く，キトサン/セルロースゲルのそれよりも大きいこ

0.05

性が高く，銅の吸着能を向上させていることが示さ

0.04

q [mmol/g]とから 5)，アミドキシム基が銅イオンに対して親和れた．また，銅イオンの吸着等温線は低濃度から急激に上昇しており，低濃度の銅イオンを効率よく吸着できることが示された．Fig. 1 に示したデータを(2)式

0.03
0.02

に示す擬二次反応モデル 7)に従って解析した結果を0.01

Fig. 5 に示した．直線性は良好で，この速度論モデル

0.000に従うことがわかった．これはハイドロゲル状に存

10

20

𝑡
1
𝑡
=
+
𝑞𝑡 𝑘2 𝑞𝑒2 𝑞𝑒

(2)

40

50

60

Contact time [h]在する 2 つの活性部位が銅イオンにキレート配位する反応が律速であることが示唆された．

30

Fig. 2. Effect of contact time on copper adsorption on
amidoxime-chitosan hydrogels. (gel dosage: 0.2 g,
agitation speed 100 rpm, temperature 30°C)
0.07

ここで，
qt 及び qe は時間 t および平衡時の吸着量で，

0.06

Zn
Ni
Ag
Cu

k2 は擬二次速度定数である．
q [mmol/g]

0.05

Table 1. Langmuir constants
Metal

qmax
[mmol/g]KL[dm3/mmol]KL[dm3/mmol][5]Cu0.148±0.010

3.614±1.334

0.0121±0.0092

Ag

0.156±0.014

0.435±0.181

Ni0.092±0.018

0.097±0.049

0.162±0.085

Zn0.046±0.019

0.102±0.093

0.171±0.091

0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
2

3

4

5

6

7

Initial pH

Fig. 3. Effect of initial pH on metal adsorption on
amidoxime-chitosan hydrogels. (gel dosage: 0.3 g,
agitation speed 100 rpm, temperature 30°C)
0.20

q [mmol/g]

0.15
Zn
Ni
Ag
Cu

0.10

0.05

Fig.

1.

Imagesofchitosanoramidoxime-

chitosan/cellulose gel beads after copper adsorption.

0.00
0

10

20

30
3

Immediately after copper adsorption ((A) chitosan,

Ce [mmol/dm ](B) amidoxime chitosan), and after three months ((C)

Fig. 4. Adsorption isotherm of metal on
amidoxime-chitosan hydrogels. (gel dosage: 0.3
g, pH 6, agitation speed 100 rpm, temperature
30°C)

amidoxime chitosan, (D)chitosan).

Ionic Liquid for Heavy Metal Ions Adsorption”, AIChE J.,
55, 2062-2069 (2009).

1000

5)

M. Matsumoto, S. Ishikawa and T. Kamigaki, “Durability of
Chitosan/Cellulose Hydrogel Beads Regenerated from an

800

Ionic Liquid in Acidic and Basic Media and their Metal
600

Adsorptive Characteristics”, Prog. Chem. Appl. Chitin its

2

t /qt

r =0.998

Derivatives, 24, 145-150 (2019).
400

6)

X. Guo, L. Huang, C. Li, J. Hu, G. Wu and P. Huai,“Sequestering Uranium from UO2(CO3)34- in Seawater with

200

Amine Ligands: Density Functional Theory Calculation”,
Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 14662-14673 (2015).

0
0

10

20

30

40

50

60

t [h]

7)

G. W. Kajjumba, S. Emik, A. Öngen, H. K. Özcan and S.
Ayadin, “Modelling of Adsorption Kinetic Processes – Error,
Theory and Application”, In Advanced Sorption Process

Fig 5. Plot of pseudo-second-order model based on
Eq. (2) using data shown in Fig. 1.

4. 結言
本研究はアミドキシム基を修飾させたキトサンとセルロースの新規複合多糖類ゲルを調製し，その金属吸着能を検討した．従来のキトサン/セルロースゲ
ルよりも機械的強度が向上し，また，銅イオンの吸着定数の増加が示された．以上のことから，アミドキシ
ムキトサン/セルロースゲルは効率良く金属を吸着することが可能で，実用的な吸着剤であることがわ
かった．
本研究は，
2020 年度同志社大学ハリス理化学研究所
研究助成金によって行った．ここに記して謝意を表
する．
参考文献
1)

A. Hussain, S. Madan and R. Madan, “Removal of Heavy
Metals from Wastewater by Adsorption”, In Heavy metalstheir environmental impacts and mitigation, M. Nazal, H.
Zhao, H., Eds., IntechOpen, On-line 2021.

2)

S. Begum, N. Y. Yuhana, N. M. Saleh, N. H. N. Kamarudin
and A. B. Sulong, “Review of Chitosan Composite as a
Heavy Metal Adsorbent: Material preparation and properties”,
Carbohydr. Polym. 259, 117613 (2021).

3)

K. Kondo, M. Matsumoto and K. Okamoto, “Enhanced
Adsorption of Copper (II) Ion on Novel Amidoxime Chitosan
Resin”, J. Chem. Eng. Japan, 32, 217-222 (1999).

4)

X. Sun, B. Peng, Y. Ji, J. Chen and D. Li, D. “Chitosan(Chitin)/Cellulose Composite Biosorbents Prepared Using

Applications, S. Edebali, Ed., IntechOpen, On-line 2018.

Biomineralization-Inspired Development ofNovel Organic-Inorganic Hybrid Materials
Yohei Oe*

(Received September 17, 2021)

Organic-inorganic hybrid materials have been much focused as the biomedical materials, since mechanical properties of thematerials such as tensile strength and elastic modulus can be regulated by the organic and inorganic components. Naturalorganic-inorganic hybrid materials such as bones, teeth, and shells are good models for the development of lightweight,
high-toughness, and environmentally friendly materials. Based on the mechanism of natural biomineralization, neworganic-inorganic hybrid materials may be obtained by crystal growth of inorganic crystals in the presence of synthetic organic
polymers with appropriately arranged functional groups which is crucial to the biomineralization. However, there is no research on
the development of such materials. We organized a divisional research group that integrates synthetic organic chemistry, polymer
chemistry, and ceramic chemistry to develop such novel organic-inorganic hybrid materials based on biomineralization. As our
first attempt, we designed and synthesized a vinyl monomer having both methacrylate moiety and phosphoric acid. Polymer
synthesis and the preparation of organic-inorganic hybrids using the designed monomer are now under investigation and will bepresented in this presentation.
Key words：organic-inorganic hybrid materials, biomineralization, biomedical materials
キーワード：有機－無機ハイブリッド材料，バイオミネラリゼーション，医用材料

バイオミネラリゼーションを規範とする
新規有機―無機ハイブリッド材料の開発

大江洋平

1. はじめに機―無機ハイブリッド材料である骨や歯，貝殻など有機高分子と無機結晶が分子レベルで複合化したは，軽量・高靱性であり，かつ，環境にやさしい材

有機―無機ハイブリッド材料は，有機高分子である

料開発のよいモデルである．実際，骨や歯と同じヒプラスチックに比べて高い剛性をもつ．また，無機

ドロキシアパタイト（HAP）を無機成分とする有機―固体であるセラミックに比べて壊れにくい性質（高無機ハイブリッド材料は，骨や歯の代替材料としてい靱性）をもつ優れた機械的材料として注目されての応用が可能である.2) さらに，バイオセラミックス

おり，医療の分野でも貢献し始めている.1) 天然の有をモデルとし，主成分が無機結晶であり，2～20 重_________________________________*Department of Biomedical Science and Informatics, Faculty of Life and Medical Sciences, Doshisha University, Kyoto
Telephone/FAX: +81-774-65-6505, E-mail: yoe@mail.doshisha.ac.jp

量％程度の少量の有機成分を含む有機―無機複合材料を開発することができれば，プラスチックよりも低コストで製造でき，また，廃棄する際の二酸化炭素発生も低減できることから，従来の様々な工業材料をそれらに置き換えることで環境に対する負荷を軽減できる．さらに，有機成分として生体適合性をもつ高分子成分と組み合わせることができれば，これらの複合材料は歯科材料や骨の代替材料としてのFig. 1. Schematic representation of formation oforganic-inorganic composite.

応用も期待できる．
一方，近年，バイオセラミックスの生化学的な合成メカニズムに関する知見が得られており,3) それに基づいて，人工的に優れた有機―無機ハイブリッ
ド材料を開発する研究が可能になりつつある. たとえば，骨は，コラーゲン繊維の空隙に約 40×20×2 nmの HAP の微結晶が生成し，タンパク質である有機高分子のコラーゲンとリン酸カルシウム結晶である
HAP の両者が強く結合し，HAP の結晶サイズや結晶方位がうまく制御された状態で複合化されることによって，非常に優れた機械的特性を示すと考えられている.4) さらに，このとき，多くのセリン残基の側鎖ヒドロキシ基がリン酸エステル化されたタンパク質（ノンコラーゲンタンパク質）がバイオミネラリゼーションに関与することも分かってきた.5) また，コラーゲンは疎水性のアミノ酸であるプロリン，アラニン，グリシンを物質量比で 67％ほど含む特異なア
ミノ酸組成をもち，疎水性アミノ酸によって分子のパッキングや耐水性を確保していると考えられる．

2．研究体制本研究グループの目指す新規材料の開発には，三つの鍵がある．それらは，① 無機結晶成長の制御に必要な官能基を有するモノマーの合成，② 官能基配列を制御した高分子の合成，および ③ デザインされた有機高分子の存在下での無機結晶成長である．
これらの三つの鍵となる課題の解決には，それぞれ有機合成化学，高分子化学，セラミックス化学の高度な専門知識が必要となるが，それぞれの研究分野が大きく異なるため，専門分野に特化した縦割りの研究体制のもとですべての問題を解決することは困難である．そこで本部門研究では，上記の①～③について有機合成化学，高分子化学，セラミックス化
学のそれぞれの専門家による研究グループを組織し，これらの三つのカギとなる問題を協力しながら解決
し，バイオミネラリゼーションを規範とする有機―
無機ハイブリッド材料を開発する (Fig. 2)．

このような天然のバイオミネラリゼーションのメカ
ニズムを模倣し，リン酸基やヒドロキシ基など，バイオミネラリゼーションに関与し得る官能基を適切に配置した合成有機高分子の存在下で無機結晶を結晶成長させることで新しい有機―無機ハイブリッド
材料が得られるのではないかと考えられる (Fig.
1)．しかしながら，そのような材料開発研究は進んでいないのが現状である．そこで本研究では，バイFig. 2. Research Group.

オミネラリゼーションを規範とする新規有機－無機
ハイブリッド材料を開発に，有機合成化学，高分子

3. 有機―無機ハイブリッド材料開発の初期検討

化学，セラミックス化学の融合した部門研究グルー

有機合成化学グループでは，別途行っている機能

プを結成して取り組む．本発表では，本部門研究の性ポリマーの開発研究を進める中で，メタクリル酸

研究体制および進捗状況を報告する．

ユニットと含窒素，含酸素官能基を併せもつ種々の新奇ビニルモノマーの合成を行ってきており，メタ
クリル酸の官能基化に関する知見と技術を蓄積してきた．高分子化学グループでは，アミノ酸骨格をもつビニルモノマーをラジカル重合させたアミノ酸側鎖をもつビニルポリマーが，温度応答性や pH 応答性などの機能をもつことを見出しており,6)これらの材料ではポリマーに導入するアミノ酸の種類によってその機能をチューニングできることも明らかにした．セラミックス化学グループでは，バイオミネラ
リゼーションを規範とした様々な有機―無機ナノコ
ンポジットを合成しており，たとえば，セルロース
ナノファイバーと HAP から共沈法により得られる有機―無機ナノコンポジットでは，共沈方法や温度にFig. 3. Our first attempt.

より結晶成長や成型後の機械的強度が変化することした．生成物は，Brucker 400 MHz NMR (AVANCE-Ⅲ)を見出している.7)
そこで，本研究では，これら知見を集積し，含ア
ミノ酸ビニルビニルポリマーにバイオミネラリゼー
ションに重要なリン酸基を導入した有機高分子を合を用い，1H NMR スペクトル（D2O/DMSO）により分析した．モノマー濃度は，内部標準にマレイン酸を用いた 1H NMR スペクトルより求めた．

成し，それをハイブリッド材料の有機材料部分とすることにした．目的のビニルポリマーを合成するために，リン酸基をもつビニルモノマー M1 をデザインした (Fig. 3)．ビニルモノマー M1 は，ラジカル重合を担うメタクリル酸ユニットに，アミノエタ
ノールスペーサーを介してリン酸基が結合している．
このアミノエタノールのスペーサーは，メタクリル酸ユニットとリン酸基をつなぐ反応を容易にするとともに，バイオミネラリゼーションで重要とされているリン酸化セリン 5)とよく似た構造ともつ．このビニルモノマー M1 を合成し，種々のペプチド含有
ビニルモノマーと共重合させ，有機－無機ハイブリッド材料へと変換し，その機能評価を行う．

4.2 モノマー M1 の合成
種々の塩基存在下，メタクリル酸無水物 (1)と Oホスホリルエタノールアミン (2)を反応させ，モノ
マー M1 の単離を試みた．しかしながら，モノマー
M1 の高い水溶性や精製中の重合などの問題からモノマー M1 の単離はその時点では困難であった．そこで，M1 のトリエチルアミン塩 M1·2Et3N の水溶液を調製することにした (Scheme 1)．すなわち，Oホスホリル-エタノールアミン (2) に，0℃で 2 当量の炭酸水素ナトリウム水溶液を加えた．この水溶液に，BHT，少量のアセトンを加えた後，メタクリル酸
無水物 (1)のアセトン溶液をゆっくり滴下し，滴下
終了後，室温で反応させた．

4. 実験結果
4.1 実験試薬，分析機器
メタクリル酸無水物，O-ホスホリルエタノールアミン（以上 2 点，東京化成工業），2,6-ジメチル-p-ク
レゾール (BHT),トリエチルアミン，37%-塩酸，tブチルメチルエーテル（以上 4 点，富士フィルム），
炭酸水素ナトリウム（以上１点，ナカライ）は，市販品を購入し，特に精製することなくそのまま使用

Scheme 1. Synthesis of monomer M1·2Et3N.

反応終了後，t-ブチルメチルエーテルで分液することで BHT および未反応の無水物を除去した．水層にMaterials, 13, 508–514 (2014).
5)

D. Cookson, A. Veis and A. George, “Phosphorylation of

4N HCl を慎重に加えて pH3-4 に調整した後，再度 t-

Phosphophoryn is Crucial for Its Function as a Mediator

ブチルメチルエーテルで分液することによりメタクof Biomineralization”, Journal of Biological Chemistry,

リル酸などの副生成物を除去した．得られた水層を
エバポレーターにかけ，揮発性有機物を除去するこ280 [39], 33109-33114 (2005).
6)

Thermo-Responsive Amino Acid–Derived Vinyl Polymer

た．得られた溶液を 1H NMR で分析したところ，そのNetworks”, Macromolecular Rapid Communications, 41

濃度は 4.6 M であることがわかった．

[7], 1900650 (2020).
7)以上，有機合成化学，高分子化学，セラミックス
化学の融合によるバイオミネラリゼーションを規範とした新規有機－無機ハイブリッド材料開発をスタートした．それぞれの研究グループがもつ技術を活かした開発戦略のもとにデザインしたモノマー分子
M1 を M1·2Et3N の水溶液として得ることができた．
このモノマー溶液を用い，リン酸基をもつビニルポ
リマー合成を行い，それを用いたハイブリッド材料の調製を現在検討しており，その結果も本発表にて併せて発表する予定である．
本研究は，ハリス理化学研究所研究助成「第 10 期
部門研究第 C 部門」の助成金により行った．ここに記して謝意を表する．
参考文献
1)

T. Miyazaki, K. Ishikawa, Y. Shirosaki and C. Ohtsuki,“Organic–Inorganic Composites Designed for Biomedical
Applications”, Biological and Pharmaceutical Bulletin,
36 [11], 1670-1675 (2013).

2)

E. K. Papynov, O. O. Shichalin, I. Y. Buravlev, A. S.
Portnyagin, A. A. Belov, V. Y. Maiorov, Y. E. Skurikhina,
E. B. Merkulov, V. O. Glavinskaya, A. D. Nomerovskii, A.
V. Golub and N. P. Shapkin, “Reactive Spark Plasma
Synthesis of Porous Bioceramic Wollastonite”, Russian
Journal of Inorganic Chemistry, 65, 263–270 (2020).

3)

L. C. Palmer, C. J. Newcomb, S. R. Kaltz, E. D. Spoerke
and S. I. Stupp, “Biomimetic Systems for Hydroxyapatite
Mineralization Inspired By Bone and Enamel”, Chemical
Reviews, 108 [11], 4754-4783 (2008).

4)

F. Bouville, E. Maire, S. Meille, B. Van de Moortèle, A. J.
Stevenson and S. Deville, “Strong, Tough and Stiff
Bioinspired Ceramics from Brittle Constituents”, Nature

T. Koga, K. Tomimori and N. Higashi, “Transparent,
High-Strength, and Shape Memory Hydrogels fromとにより，
M1·2Et3N の水溶液として得ることができ

5. まとめG. He, A. Ramachandran, T. Dahl, S. George, D. Schultz,

K. Okuda, T. Mizutani, K. Hirota, T. Hayashi and K.
Zinno, “Nonbrittle Nanocomposite Materials Prepared by
Coprecipitationof

Nanofibers

Hydroxyapatite”,

andTEMPO-Oxidized
ACS

Cellulose
Sustainable

Chemistry & Engineering, 9 [1], 158-167 (2021).

Shiga toxin suppresses the production of amyloid  by altering the intracellulartransport of amyloid precursor protein
Miho Takahashi*
Accumulation of amyloid -peptide (A) in the brain is one of the hallmarks of Alzheimer’s disease (AD). Ais generated fromsequential proteolytic cleavages of amyloid precursor protein (APP) by -secretase and -secretase in late/recycling endosomes after
endocytosis of APP localized in the plasma membrane. We previously found that Shiga toxin 2 (Stx2), which is a major virulent factorof enterohemorrhagic Escherichia coli, can be transported to the late/recycling endosomes and degraded in a lysosomal acidic
compartment. Since APP and Stx2 have some common features of the intracellular vesicular transport, we determined whether thetreatment of APP-expressing CHO cells with Shiga toxin 2 affected the intracellular transport of APP and producing of A.
Key words：amyloid , shiga toxin, intracellular vesicular transport
キーワード：アミロイド , 志賀毒素, 細胞内小胞輸送

志賀毒素による細胞内小胞輸送制御がアミロイドβ産生を抑制する髙橋美帆

1. はじめにに存在する脂質ラフトと呼ばれる細胞膜上の領域にアミロイド （A）は, 40 個程度のアミノ酸から局在し, エンドサイトーシスにより再び細胞内に取なるタンパク質であり, アルツハイマー病（AD）患

り込まれると, 初期エンドソームからリサイクリン者脳に見られる,老人斑と呼ばれる凝集体の主要なグエンドソームあるいは後期エンドソームへと輸送

構成因子である. AD の発症には, Aの凝集が関与すされ, その間セクレターゼによる切断を受け, 可ることが知られており 1), Aの凝集を抑制したり,溶性の sAPPと, 膜貫通領域を含む CTF（C99）が産A自体の産生を抑制することは AD 治療として有効生される. C99 は,さらにγセクレターゼによる切断であると考えられている.

を受け, その結果, Aが産生される 2). 産生されたA の 前 駆 体 タ ン パ ク 質 Amyloid Precursor

Aは, 小胞輸送を介して細胞外へ放出されるか, あProtein (APP)は 1 回膜貫通タンパク質であり, 小

るいは exosome 結合型として細胞外へ放出される.

胞体（ER）で合成されると, 細胞膜へと小胞輸送さこのことから, 細胞内の A産生経路や A分泌経路

れる . 細胞膜上の APP は, セクレターゼによる切のいずれかの過程を制御する薬剤はA産生や放出断を受けると, 可溶性の sAPPと CTFが産生されを抑制して脳内を減らす AD 治療薬となることがる. 一部の APP は,コレステロールや糖脂質が豊富期待される

2)_________________________________*Department of Biomedical Engineering, Doshisha University, Kyoto
Telephone & FAX: +81-774-65-6153, E-mail: mitakaha@mail.doshisha.ac.jp

本研究ではの産生や細胞外への放出を制御する新たな手法を確立することを目的としている今

2.3 ウエスタンブロット法による APP および Aの検出回等に代表される腸管出血性大腸菌が産

APP 安定発現 Stx 感受性 CHO 細胞に mStx2 を添加生する志賀毒素（Shiga toxin (Stx)）を用いて, APP のし 37 度 6 時間培養後の細胞懸濁液と培養上清を回収

細胞内輸送を制御することで, APP の分解誘導が引きし た . 細 胞 は 2%SDS, 80mM Tris-HCl (pH6.8),

起こされ, 産生が抑制されることを見出した.

7%glycerol,250mDTT,0.025%phenorlred で溶解した.
APP, C99, Aは抗ヒト A抗体（82E1）で検出した.

2. 実験方法
2.1 APP 発現 Stx 感受性 CHO 細胞の樹立
Lipofectamine 3000(Invitrogen, Ma, USA)を用い

3. 結果および考察
3.1 APP と mStx2 の細胞内輸送て CHO（Chinese hamster ovary）細胞にネオマイシ

Stx は,AB5 型毒素であり, B サブユニット 5 量体

ン耐性遺伝子と Gb3 合成酵素遺伝子を含むプラスミを介して脂質ラフトに局在するスフィンゴ糖脂質ド（pcDNA3-Gb3 synthase）を導入後,G418 存在下でGb3 に結合すると, エンドサイトーシスされ,小胞輸

培養し,Stx 高感受性を指標に Gb3 合成酵素安定発現

送によりゴルジ体および ER へと逆行輸送される. そ株を樹立した. この細胞に, APP 遺伝子を含むプラの後, A サブユニットのみが細胞質へ移行し, A サブ

スミド（pMX-APP-FLA-IRES-GFP）を導入し, G418 お

ユニットの N-グリコシダーゼ活性により, リボソー

よび Zeocin 存在下で培養し, APP 安定発現 Stx 感受

ムにおけるタンパク質合成が阻害される 3)4).

性 CHO 細胞を樹立した. Stx の細胞障害活性は WST-

Stx には Stx1 と Stx2 の二つのサブファミリーが1 cell counting kit（Wako Pure industries）を 用

存在しており,マウスを用いた実験では Stx2 の方がいて測定した.

Stx１と比べて数百倍強毒であることが知られている. 最近我々は, Stx が細胞内に取り込まれたのち,

2.2 mStx2 と APP の細胞内局在性の観察

Stx1 と比較して Stx2 がより積極的に細胞外へ放出

Stx2 の酵素活性部位に変異を導入した（E167Q おされること, 一部の Stx2 は exosome 結合型として細よび R170L）無毒化 Stx2(mStx2)を用いた. APP 安定胞外へ放出されており, この exosome 結合型 Stx2 が発現 Stx 感受性 CHO 細胞に 1 g/ml mStx2 を添加

強毒性の本体であること, また Stx2 は後期エンド

し,37 度,各経過時間培養し, 細胞を 4%PFA,0.2%

ソームを経由してリソソームへと運ばれ分解される

TrixonX-100 で処理し, 抗 STx2 抗体, および Alexa

こと, Stx1 にはこのような輸送が見られないことを

Fluor 488-conjugated goat anti-rabbit IgG 抗体

明らかにしている 5).

で mStx2 を検出した. 細胞膜上の APP の細胞内挙動

本研究では, Stx2 が脂質ラフト上の Gb3 を認識しを検出する場合には, APP 安定発現 Stx 感受性 CHO

エンドサイトーシスされ,細胞内輸送される際に,細胞にマウス抗ヒト APP（6E10）モノクローナル抗体

同様に脂質ラフトに局在する APP の細胞内輸送は,を添加, ４度, 30 分反応させ, 細胞を洗浄後,37 度

どのような影響を受けるのかを明らかにするためのに昇温,経過時間後に細胞を 4%PFA, 100 g/ml

各種検討を行なった.

digitonin 処理し, Alexa Fluor 546-conjugated

APP と mStx2 の細胞内輸送過程を共焦点レーザー

goat anti-mouse IgG 抗体で APP を検出した. 細胞

顕微鏡を用いて観察した. APP と Stx2 は各種抗体を内酸性コンパートメントを検出する場合には, 細胞用いた免疫細胞染色法により検出した. 用いたに 75nM Lysotracker DND-99 (Molecular Probes)を

mStx2 は, Stx2 の細胞内輸送は保持したまま, 高濃

添加,30 分反応させ, PFA 処理により細胞を固定し度 mStx2 でも細胞毒性を示さないことを確認した.

た.

APP 安定発現 Stx 感受性 CHO 細胞に mStx2 と抗 APP抗体を添加し,4 度,30 分反応させると, mStx2 は細胞膜に局在し,また細胞表面上の APP は抗体を介しいることが明らかとなった.

て標識される. この状態で37 度に昇温したところ,0分の時点ですでに両者は共局在しており, その後の

3.2 Stx2 存在下の Aβ産生

エンドサイトーシスからゴルジ体へと輸送される 15

次に, mStx2 存在下における APP および A産生量

分間, 両者は非常によく一致していた（Fig.１）.

を評価した. APP 安定発現 Stx 感受性 CHO 細胞に,
mStx2 を添加し,48 時間, 37 度培養した後, 培養上
清,細胞のライセートを回収し, 細胞内 APP,C99, A
および培養上清中の Aを,ウエスタンブロット法により抗 Aβ抗体を用いて検出した.

その結果,

mStx2 存在下では, 細胞内 APP, C99, A量がいずれも有意に減少していることが示された. また, 細胞
外に放出される A量も有意に減少していることが明らかとなった（Fig.３）.
このことから, APP は, mStx2 の輸送に伴ってリソソームへと運ばれたのちに分解され, その結果, 細胞内外への A量が減少したと考えられる.
Fig.1 APP と mStx2 のエンドサイトーシス
次に, mStx2 添加 30 分後, APP のリソソームへの局在性を,リソソームマーカーである Lysotracker を用いて観察した. その結果, mStx2 非存在下と比較して, mStx2 存在下では APP のリソソームへの局在性が有意に増加していることが明らかとなった

Fig.3 mStx2 存在下における APP, C99,細胞内外A産生量Stx B サブユニットには３カ所の Gb3 結合サイトが存在し, B サブユニット 5 量体では最大 15 分子の
Gb3 が結合し,これにより両者の結合親和性は著しく（Fig.2）.

上昇する 6)7). したがって, mStx2 と Gb3 が脂質ラフト上で相互作用する際には, Gb3 が高密度に集積しFig.2 mStx2 による APP のリソソームへの局在性ており,それに伴い脂質ラフト上に会合しているコ変化

レステロールなども高密度に集積した状態になっていると考えられる. APP は, コレステロール依存的以上より, 細胞膜上の APP と mStx2 は, 一緒にエに脂質ラフトに局在することが知られていることか

ンドサイトーシスされており, 同じ小胞に乗って細ら 8), mStx2 によって高密度に集積した Gb3 やコレ胞内を輸送されていること, また APP は, Stx2 の輸

ステロールの領域に APP も集積することとなり,こ送の影響を受けてリソソームへの輸送が促進されてれがその後の APP の細胞内輸送にも影響していることが考えられる.
4.結語
本研究では, mStx2 を用いると, その特徴的な細胞内輸送によって APP の局在性が変化し, APP の分

7) M.Watanabe, K.Igai, K.Matsuoka, A.Miyagawa,
T.Watanabe, R.Yanoshita, Y.Samejima, D.Terunuma,
Y.Natori, K.Nishikawa, Structural analysis of theinteraction between Shiga toxin B subunits and linear
polymers bearing clustered globotriose residues. Infect.
Immun., 74,3,1984-1988, (2006).

解誘導が促進されることを示した. Gb3 は神経細胞
膜上にも多く存在していることから,本コンセプトに基づき, 神経細胞での A産生を抑制する新たな薬剤開発も可能となることが期待される.
本研究の一部は, ハリス理化学研究所第 10 期部
門研究の支援のもと実施された. ここに記して謝意
を表する.
参考文献
1) Justin M.Long., David M. Holtzman., Alzheimer
Disease: An update on pathobiology and treatment
strategies. Cell 179, 2, 312-339, (2019).
2) Haass.C., Kaether. C., Thinakaran G., and Sisodia S.,
Trafficking and proteolytic processing of APP. Cold
Spring Harb. Perspect., Med.2., a006270., (2012).
3) K.Sandvig., O.Garred, K.Prydz, J.V.Kozlov,
S.H.Hansen, B.van Deurs, Retrograde transport ofendocytosed Shiga toxin to the endoplasmic reticulum,
Nature, 358, 510-512, (1992).
4) L.Johannes, W.Romer, Shiga toxins from cell biology
to biomedical applications, Nat. Rev. Microbiol. 8, 105116, (2010).
5) M.Watanabe-Takahashi, S.Yamasaki, M.Murata,
F.Kano, J.Motoyama, J.Yamate, J.Omi, W.Sato, H.Ukai,
K.Shimasaki, M.Ikegawa, M.Tamura-Nakano,
R.Yanoshita,Y.Nishino, A. Miyazawa, Y.Natori,
N.Toyama-Sorimachi, K.Nishikawa, Exosome-associatedShiga toxin2 is released from cells and causes severe
toxicity in mice. Scientific Reports, 8(1), 10776, (2018).
6) H.Ling, A.Boodhoo, B.Hazes, M.D.Cummings,
G.D.Armstrong, J.L.Brunton, R.J.Read, Structure of the
Shiga-like toxin I B-pentamer complexed with ananalogue of its receptor Gb3. Biochemistry, 37, 17771788, (1998).

8) M.Shimons, P.Keller, B.De Strooper, K.Beyreuther,
C.G.Dotti, K.Simons. Cholesterol depletion inhibits thegeneration of beta-amyloid in hippocampal neurons. Proc.
Natl. Acad. Sci. USA.95,6460-6464, (1998).

Basic Study on Nonlinear Transient Response Analysis of Structure byMulti-Level Substructuring
Masataka KAWAGUCHI*(Received September 14, 2021)

The automatic multi-level substructuring (AMLS) method has been provided for general purpose analysis code, i.e.
NASTRAN, and is becoming popular in order to reduce extremely long calculation time, required for large-scale vibration analysis,
which uses finite element models in the development of mass-products such as automobile and construction machinery, etc.
However, the usage of AMLS is limited within linear structure and cannot be applied to complex structural systems which contain
nonlinear elements such as viscoelastic materials or gap of connecting parts, etc. If applying nonlinear transient response analysis
to the large-scale model of product development, it would not be realistic to solve its large-scale nonlinear equation of motion by
the method of iterated integral in short time frame.
In this study, we have applied the multi-level mode synthesis method to a structural sample with about 30,000 degrees of
freedom and conducted nonlinear transient vibration analysis. As a result, we have shown that the analysis accuracy could bemaintained even when the number of degrees of freedom would be greatly reduced.
Key words：mode synthesis, parallel computing, multi-level substructuring, nonlinear system, transient response analysis
キーワード：モード合成，並列演算，多段部分構造，非線形系，過渡応答解析

多段モード合成法を用いた構造物の非線形過渡振動解析
に関する基礎的研究

川口 正隆

1. はじめに

しかし，線形構造物に限定され，ガタ等の非線形自動車等の量産製品では開発の期間短縮やコスト要素を含む複雑な構造系への展開ができない問題が削減の為に，製品規模の有限要素モデルによる大規あるので，従来法 4-8)では実験に対する解析精度の向模振動解析が多用されている 1-3)が，大規模モデル特上に対する要求に十分に応えられず，製品開発への有の解析時間の大幅な増加を抑制する為に，自動多適用は今後も容易でないと思われる．

段部分構造モード合成法（AMLS: AutomatedMulti-Level Substructuring）が汎用構造解析コードに対して提供され普及しつつある

4-8)

．

そこで，著者は多段部分構造モード合成法（以下，
多段モード合成法）を上記の非線形分野への適用も含めた形で，回転機械の軸振動解析への解析プロセ_________________________________* Faculty of Life and Medical Sciences, Doshisha University, Kyoto
Telephone: +81-774-65-6403, Fax:+81-774-65-6825, E-mail: maskawag@mail.doshisha.ac.jp

スの提案や製品設計への適用に関する検討を進めて
9-10)

ジを介して設置した．多段モード合成は自由度が最．本研究では約 3 万自由度のガタ系構造サも多いスタンドに適用し，振動台には大質量を仮定

ンプルを対象に多段モード合成法を適用することにした．更に，多段モード合成は MATLAB でプログラム

よって，非線形の過渡振動解析を行った結果についを作成し，過渡解析では SIMULINK を用いた．

きた

て述べる．

外力条件としては，振動台に持続時間 50msec のス
テップ変位を発生させた時のフレームドアの過渡変
2. 非線形解析への展望

非線形要素を含む構造系は Fig.1(a)のように，部分構造 1 および 2 毎に非線形要素と結合する節点の位（Fig.2 の SD2 と SD5）を汎用構造解析コード
NASTRAN と MATLAB/SIMULINK で解析した．
3.2 解析結果

変位 uS1，uS2 と周囲構造の節点の変位 uL1，uL2 が存

Fig.3 に一例として，フレームドアの振動変位を在する．線形構造である部分構造の内部節点の解析示す．同図には NASTRAN によるモーダル過渡応答解

自由度（変位 uL1，uL2 に相当）は多く，年々大規模

析（SOL112）の結果も合わせて示すが，スタンドの化しているので，非線形要素を含む過渡応答解析に影響の強いヒンジ部（SD2）やドア端部（SD5）にお膨大な解析時間を要する問題がある．

いて，MATLAB/SIMULINK 解は NASTRAN 解と一致してまた，同図(b)に部分構造に多段モード合成を適用した場合を示す．各部分構造は多数の区切られたセいるので，多段モード合成は妥当であるので，非線形解析にも適用できることを示す．

グメントに分割されて固有値解析がなされ，内部節
点の解析自由度はモード変位χij ( i =1,2)に変換される．それらのモード変位を集めて更に固有値解析を行って，部分構造全体のモード変位ξi に変換して，特性的に等価な解析モデルを導出する．物理変位を
低次のモード変位に変換することによって，解析自由度の大幅削減を行って，解析時間の短縮を図る．

Fig. 2. Sample model of linear vibration analysis.

(a) Door-hinge (SD2)(a) Conventional(b) Prospective

Fig. 1. Image of improvement for nonlinear vibration analysis.

3. 線形系の過渡応答解析
3.1 解析方法
非線形解析に入る前に，線形系での解析手法の妥当性を検討した．Fig.2 に多段モード合成を適用し(b) Door-edge (SD5)た解析モデルを示す．剛な振動台上にアルミニウム
製のスタンドの下面を剛結し，鋼製のフレーム状のドア（以下，フレームドア）をラッチと上下のヒン

Fig. 3. Analyzed transient response of displacement for linear
system model.

4. 非線形系の過渡応答解析
4.1 解析方法

また，Fig.6 に MATLAB/SIMULINK による非線形過渡応答解析の結果を示す．Fig.5 の結果と比較する

基本的には Fig.2 の線形モデルと同じである．即と，ほぼ同じ結果が得られているので，多段モード

ち，線形モデルはラッチと上下のヒンジの前後（z）

合成による非線形解析は妥当と考えられる．

方向の自由度に関して，スタンドとフレームドアは4.3 解析自由度の削減

共有しているが，非線形モデルは切り離されて，各々非線形系の解析モデルの自由度は 26,688，多段モの自由度を有している．各節点間の相対変位を du とード合成後の自由度は 1,781 であるので，93%の削減

して，Fig.4 の不感帯（ガタ）を有する非線形ばねができた．今回の NASTRAN による解析時間は線形解特性を適用することにより反発力を算定し，各節点析に対して 521 倍の約 3,650sec であったが，NASTRANに作用させる．外力は線形解析と同じ条件で，MATLAB

で多段モード合成による解析プロセス（DMAP）を開/SIMULINK を用いて過渡応答解析を行った．

発すれば，大幅な解析時間の短縮が可能と思われる．

4.2 解析結果
Fig.5 に NASTRAN によるフレームドア変位の非線形過渡応答解析（SOL129）の結果を線形解析の結果と合わせて示す．線形解析ではパルス状の変位が生じた後には振動減衰が見られるが，非線形解析では(a) Door-hinge (SD2)明確な振動減衰は見られず，ガタの影響と考えられる周期の遅い不規則な振動変位が発生している．

(b) Door-edge (SD5)(a) Spring force(b) Spring factor

Fig. 6. Analyzed transient response of displacement for
nonlinear system model on MATLAB/SIMULINK.

Fig. 4. Definition of nonlinear spring property for latch andhinge between stand and frame-door.

5. まとめ自動車等の量産製品での大規模な非線形系の過渡応答解析の解析時間短縮を目標に，多段モード合成
による解析自由度の削減に取り組んだ結果，次項が(a) Door-hinge (SD2)

判った．
(1)線形解析では，構造サンプルを対象に多段モード合成法を適用し，解析精度を落すことなく，解析自由度を 90%以上削減できた．
(2)非線形解析でも，線形構造に多段モード合成法を適用して，同様の過渡振動解析を実施し，NASTRANの解析結果と定性的に一致することを示した．

(b) Door-edge (SD5)

従って，今後は NASTRAN での解析時間の短縮に関する解析プロセスの開発を行い，大規模モデルへのFig. 5. Analyzed transient response of displacement
for nonlinear system model on NASTRAN.

適用と解析時間の短縮を進める所存である．

本研究は，2020 年度の同志社大学ハリス理化学研究所からの研究助成を受けて実施した．ここに，記して謝意を表する．
参考文献
1) 宮下哲治，岡澤重信，中村哲也，日田川真一，高橋弘之，“大規模モデルに適用可能な流体-構造連成を考慮した船体振動解析手法の開発”，日本計算工学会論文集，2018 巻，p.20180016 (2018)．
2) 秋葉 博，栗栖 徹，中西浩一，吉村 忍,“新しい並列処理固有値解析ソルバによる自動車エンジンの大規模振動解析”，日本機械学会，第 12 回設計工学システム
部門講演会論文集，pp.368-371 (2002)．
3) 相澤伸夫，井出史彦，鍵山恭彦，“振動騒音用トリムボ
デーのモデル化技術の構築”，Honda R&D Technical
Review，16[1], 173-187 (2004).
4) J.K. Bennighof and C.K. Kim, “An Adaptive Multi-Level
Substructuring Method for Efficient Modeling of Complex
Structures”, AIAA Journal (92-2327), 1631-1639 (1992).
5) J.K. Bennighof and M.F. Kaplan, “Frequency Window
Implementation of Adaptive Multi-Level Substructuring”,
Journal of Vibration and Acoustics, 120[2], 409-418 (1998).
6) J.K. Bennighof, M.F. Kaplan, M.B. Muller and M. Kim,
“Meeting the NVH Computational Challenge: AutomatedMulti-Level Substructuring”, Proceedings of International
Modal Analysis Conference XVIII (IMAC18), San Antonio(2000).
7) P. Ragnarsson, T.V. Gaal, B. Pluymers, S. Donders, D.
Vandepitte and W. Desmet, “Fast Approximation of
Synthesized Frequency Response Function with AutomatedMulti-Level Substructuring (AMLS)”, Finite Elements inAnalysis and Design 47[2], 195-199 (2011).
8) A. Kropp and D. Heiserer, “Efficient Broadband
Vibro-Acoustic Analysis of Passenger Car Bodies Using an
FE-based Component Mode Synthesis Approach”, Journal ofComputational Acoustics, 11[2], 139-157 (2003).
9) 川口正隆,松山敬介,杉本真,川下倫平,大和偵,竹井佳子,関直樹,“回転機械の大規模軸振動解析における並列演算手法の適用”,No.362,日本機械学会 D&D2016 講
演論文集(2016).
10) 川口正隆,坂手洸希,田中和人,渡辺公貴, “多段モード合成法によるガタ構造系の振動解析に関する基礎検討 ”, No.337, 日 本 機 械 学 会 D&D2021 講 演 論 文 集(2021).

Research on Small Exploration Rovers for the Moon and Planets
Kimitaka Watanabe*(Received September 21, 2021)

In recent years, the U.S. and other countries around the world have been competing to explore the Moon and planets. In
Japan, a small transformable small rover, which the author is jointly developing with the Japan Aerospace Exploration Agency,
TOMY Corporation, Sony Group Corporation and Doshisha University, will be used to acquire data on the lunar surface for therealization of the lunar mobility "manned pressurized rover", utilizing the lunar landing mission to be conducted by ispace Inc. in
2022. There are many advantages to small exploration rovers. However, small exploration rovers are difficult to drive on the soft
and uneven regolith that forms the surface of the Moon and planets because they get stuck. Since there are no paved roads on theMoon and planets, even a slight unevenness or slope of the ground is known from the joint research of small deformable lunar
robots. In this study, we focused on the wheel shape of a small exploration rover to explore the Moon and planets, and verified thewheel shape that enables the rover to run uphill more than 20 degrees.

Key words：Small lunar exploration rover, stuck, wheeled type
キーワード：小型月面探査ローバー，スタック，車輪

月惑星を探査する小型探査ローバーの研究渡辺公貴

1. はじめに変形型月面ロボットは球体状態から変形拡大状態に

アポロ 11 号の月面着陸から 50 年が経過した．近形状が大きく変わる．球体の外形はΦ78 mm×W88.2

年，アメリカをはじめ世界各国が先を競って月・惑

mm である．変形拡大後の外形は W122.3 mm×L134

星探査を実施している，長期的な月・惑星探査のロ

mm×H87.5 mm である．質量は 0.250 Kg である．今ードマップも発表されている．日本においても著者

までにはない超小型の月面探査ローバーである．

が国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構，株式会．

社タカラトミー，ソニーグループ株式会社の４者間で共同開発をしている変形型月面ロボットが，月面でのモビリティ「有人与圧ローバー」の実現の月面でのデータ取得のために，株式会社 ispace が 2022
年に実施予定の月着陸ミッションを活用した月面でのデータ取得等を行うことを決定した．変形型月面ロボットを Fig. 1. に示す_________________________________*Department of Biomedical Engineering, Doshisha University, Kyoto
Telephone & FAX: +81-774-65-6467, E-mail: kiwatana@mail.doshisha.ac.jp

Fig. 1. Transformable lunar rover

小型探査ローバーのメリットは月・惑星までの輸送費，開発費や製作費が低減でき複数の探査機を月・惑星に送り込むことにより不具合による活動停止の確率も低減できる．また，大型探査ローバーでは危険が伴う地形への投入も可能になる．しかし，小型探査ローバーは月・惑星の表面を覆う軟弱不整地 1)のレゴリス上を走行することはスタックが生じて困難になる 2.) .月・惑星には舗装された道路が存在しないため地盤の小さな凹凸や傾斜においても小型探査ローバーの走行が困難になることが先の共同研究

Fig. 3. Drawing of Cylindrical wheel.

から分かってきた．小型探査ローバーは，月・惑星のレゴリス上では 20 °前後の登坂が限界である 3)と報告もされている．本研究では月惑星を探査する
小型探査ローバーの車輪形状に注目して，登坂走行
20 °以上を可能にする車輪形状について検証を行った．
２．実験方法2.1 登坂走行実験用の小型探査ローバー

Fig. 4. Drawing of Triangular prism wheel

４輪小型探査ローバーを製作して，形状の異なる
4 種類の車輪を付け替えることにより登坂走行実験を行った．４輪小型探査ローバーを Fig.2 に示す．
本体の長さは，220 mm，車軸間距離は，182 mm，車高は走行時に本体が地盤からの影響を受けないように 20 mm とした．ローバー本体に重りを配置することで，車体重量を調整し，本体の総重量を 0.5 kg
した．
Fig. 5. Drawing of Prismatic wheel

Fig. 2. CAD model of 4-wheeled small exploration roverF
２．２ 登坂走実験用車輪
登坂走行の実験には Fig.3 から Fig.6 の 4 種類の車輪を使用して行った．

Fig. 6. Elliptic column wheel

車輪形状による登坂走行性能への影響を評価するた

３．１ 登坂走行時間

め，直径 70 mm の円柱車輪を基準とし，三角柱車輪，

Fig.9 に，走行時間の結果を示す．円柱車輪は 0四角柱車輪，楕円柱車輪の最外径が 70 mm の同心円

度と 5 度では差はなかった．三角柱車輪，四角柱上に重なるようにし，車輪巾は全て 25 mm で統一し

車輪では 10 度まで緩やかに走行時間が増加 15 度た．

以降においては徐々に増加した．楕円柱車輪は，

傾斜 30 度になると，走行時間が急激に増えるこ
２．３ 登坂走行試験場
走行コースは，幅 450 mm，長さ 1820 mm，高さとがわかる．最も走行時間が短かった三角柱車輪
で 52.5 s であった．

308 mm とし，粒子径が 0.3～0.8 mm の乾燥した珪砂
5 号(竹折砿業所)と 0.2 ～0.3 mm の珪砂 4 号(竹折砿業所)を 1 : 1 の割合で混合したものを 80 mm 敷
き詰めた．走行コースを Fig.7 に示す．

(a). Cylindrical wheel.

Fig. 7. Driving test course
２．４ 登坂走行実験
ローバーの登坂走行性能は，走行時間，走行時の消費電力量の 2 つのパラメータで評価した．登坂走
行距離は 1000 mm とし，ローバーには直流安定化電源でモーターに 6 V の電圧を負荷した．走行試験を行う際の傾斜角度は 0 °から 5 °刻みで 30 °ま
で 7 段階とした．

(b). Triangular prism wheel.

３．登坂走行試実験結果と考察
走行試験を行った結果，三角柱車輪，四角柱車輪，
楕円柱車輪は，0 °度から 30 °まですべての傾斜を登坂することに成功した．しかし，円柱車輪は10 °以上の傾斜を走行することができなかった．
車輪と地盤の接触部分に角度がつくと登坂性能が向上することが確認できた．これは車輪と地盤の摩擦に加えて，角度がつくことにより地盤を締め固めて密状態にして登坂走行することにより 20 °以上の登坂が可能であることが確認できた．

(c). Prismatic wheel.

(d). Elliptic column wheel.

(c). Prismatic wheel.

Fig. 9. Driving time for the test course.
（N = 3, mean ± S. D）
３．２ 登坂走行消費電力量
Fig. 10 に消費電力量の試験結果を示す．5 °まで
はどの車輪においても消費電力量に差はなかった．
三角柱車輪，四角柱車輪は緩やかに消費電力量が増加した．楕円柱車輪は 30 °で急激に増加した．
30 °の登坂走行試験において，最も消費電力量が小さかった車輪は三角柱車輪で 38.2 mWh であった．

(d). Elliptic column wheel.
Fig. 10. Power Consumption.
（N = 3, mean ± S. D）
４．結論
本研究では，月・惑星を覆うレゴリス上の軟弱地盤においても走行可能な小型探査ローバーの登坂性
能向上を目的として，4 種類の車輪形状を用い，車輪と地盤の接触部分に角度がつくと登坂性能が向上(a). Cylindrical wheel.

することが確認できた．車輪と地盤に角度がつくことにより地盤を締め固めて密状態にして登坂走行することにより 20 °以上の登坂が可能であることが実証できた．月・惑星のレゴリス上の軟弱不整地でも低消費電力で走行を可能とする小型探査ローバーの車輪の開発を行った．円柱車輪，三角柱車輪，楕
円柱車輪の 4 種類の異なる車輪を用い，レゴリス上の軟弱地盤における小型探査ローバーの車輪形状による走行性能の違いを明らかにした．以下に得られた知見３点を示す．

(b). Triangular prism wheel.

１．三角柱車輪，四角柱車輪および楕円柱輪は20 °を大きく超える 30 °までの乾燥珪砂の傾斜を登坂することが確認できた．
２．本研究で用いた車輪の中で三角柱車輪が最も短い時間で登坂することができるため，軟弱地盤の走行に適している．
３．車輪が軟弱地盤を走行する際は，車輪と地盤の接触部分に角度がつくことで砂を掻くことができる量が増加することと，地盤との設置面積を増やすことで，広範囲に締め固め効果を引き起こすことができることで，より多くの推進力を得ることができる．
本研究の一部は，2020 年度 同志社大学ハリス理
化学研究所研究助成金の支援を受けて行ったもので，感謝いたします．
研究において次の修士生に協力をして頂いたことも併せて感謝します．
永江尚也，田中望己（同志社大学大学院生命医科学
研究科）
参考文献
1) M. Horie, T. Kanbara, E. Kuroda, T. Miki, Y. Honma, S.
Aoki and Y. Morimoto, “Possibility of Exacerbation ofAllergy by Lunar Regolith”, Journal of UOEH,
34[3],237-243(2012).
2) G. Sitkei, G. Pillinger, L. mathe, L. Gurmai and P. Kiss,“Methods for Generalization of Experimental Results in
Terramechanics”, Journal of Terramechanics, 81,23-34(2019).
3) K. Yoshida, Research Issues on Lunar/Planetary
Exploration Robots-A Technical Note on Traction
Mechanics-, Journal of the Robotics Society of Japan,
27, [5], 506-509 (2009).

The Gap between Scientific Research and Policy Practice:
The Meaning of Science
Kiyoshi YAMAYA*, Keita HASHIMOTO**(Received September 17, 2021)

When considering the accountability of science and technology policy, the critical terms are evaluation, program, and theadministrator who thinks about this program. This administrator, who thinks about personnel and budget within the government, issignificant as a person who explains activities in a specialized field to the citizens in an easy-to-understand manner. In this study,
we intend to clarify the challenges in current science and technology policy to examine this science administrator's potential.
Key words：science and technology policy, program, evaluation, accountability, science administrator
キーワード：科学技術政策，プログラム，評価，アカウンタビリティ，サイエンス・アドミニストレーター

科学研究と政策実践との乖離―サイエンスの意味―

山谷

清志，橋本

圭多

1. はじめに加，何でも数字を入れたがる悪癖は，理科系研究者

本研究の最終目的は，科学技術政策において追求の長所の部分を誤読する文系政治家・官僚の意志かされるべき「成果」とは何かを制度と事例の双方から出てくる．市民の意志ではない．本研究はこの部ら明らかにすることである．それは，政策と科学と分にこだわり，文理融合と常識ある科学(サイエンのあいだの適切な関係構築を問うことでもある．

ス)の構築を目指し，研究評価と政策評価の架け橋に

日本だけではなく，多くの国ぐにでは政府機関がなることを目指したい．もちろん，その最終目的は科学技術政策において，予算や人材の面で大きな影

市民に対するアカウンタビリティを確保することで響力を持っている．政府が求める「成果」(政策アウある．

トカム)は，広く国民に共有されなければならないが，
まずは情報の公開とその理解が必要であろう．そして，この成果とは，実は研究成果とは少し違ってい2．プログラムとその評価システム
2.1 政策体系る．
「その研究が役に立つ研究かどうか」の議論は，政策を理解する上で重要となるのが政策体系の概こうした研究と政策の成果の食い違いを象徴する言念である．そこでは，政策（policy）－施策（program）

葉である．研究倫理の問題，再現不可能な実験の増－事務事業（project）の三層構造として政策を体系_________________________________* Faculty of Policy Studies, Doshisha University, Kyoto, E-mail: kyamaya@mail.doshisha.ac.jp** Faculty of Law, Kobe Gakuin University, Hyogo, E-mail: hashimoto@law.kobegakuin.ac.jp

的に理解する．科学技術政策の領域において政策体が担当するプロジェクトではなく，また組織のトッ系の各層を担うのは，たとえば，政策であれば内閣，

プエグゼクティブが担う，抽象度の高い政策でもな

施策であれば中央府省，事務事業であれば大学や国く，プロジェクトと政策の中間にあって，政策目的

立研究機関，独立行政法人（国立研究開発法人）なを達成する手段であるプロジェクト群を整序するアどである．

イデアと仕組み，予算や資源･人員を調整するスケジ

戦後日本の科学技術政策は，旧総理府の外局であュールの工程表を持つアイデアである 3)．

った旧科学技術庁が所管する原子力や宇宙分野など

日本でプログラムの概念に対して注目が集まったのナショナルプロジェクトを除けば，基本的には各のは，中央府省で政策評価制度が導入されたことが省の所管する国立研究機関や特殊法人等において分契機となっている．日本で評価が政府内で公式に採権的に実施された．そのため，日本の科学技術行政用されたのは 2001 年の「行政機関が行う政策の評価

は集権構造ではなく分権構造として理解されてきた．

に関する法律」である．その際，政策⇒プログラム

科学技術政策の領域では研究開発という高度に専門⇒プロジェクトの政策体系の作成が各府省に勧めら的かつ複雑な内容を扱うため，研究者・技術者の専れ，独立行政法人（代表は JICA）と研究開発機関（た門性や倫理，プロフェッショナリズムに依拠せざる

とえば JAXA）についてはプロジェクトを担当するをえない．当時の科学技術政策は，こうした事情も機関との位置づけになった．前身の特殊法人時代のあって，ボトムアップ的に展開されてきた．旧総理「◯◯事業団」を想い起こせば理解できるであろう．

府の附属機関であった旧科学技術会議の役割も，各独立行政法人がプロジェクトの実施を担うのに対し，

省があげてきたテーマをふろしきに包むだけであり，中央府省はプログラムの企画立案に特化することと1)

総花的な議論に終始していたのである ．
そうした状況が続く中，1990 年代に入ると，科学なった．評価とはまさにプログラムを推進し検証するためのツールであった．

技術政策を国策として展開する動きが現れてくる．
科学技術政策に関する基本法の制定に向けて，1994

2.2 プログラムの概念

年に自民党の科学技術部会（部会長：尾身幸次）で

海外では古くからプログラムの概念が注目されて議論が開始され，1995 年に超党派の議員立法としてきた．代表的な例としては，1960 年代にアメリカの科学技術基本法が成立した 2)．そこでは「科学技術連邦政府で導入された PPBS（planning programming

創造立国」を謳うとともに，国が策定する「科学技budgeting system）がある．第二次世界大戦後，空軍術基本計画」に基づいて政策が推進されることとなの支援を受けて設立されたランド研究所が開発したった．こうした状況は，その後の 1990 年代後半の橋システム分析（systems analysis）の手法を予算編成へ

本行革や 2001 年の中央省庁再編などを経て今日まと応用した PPBS は，プログラムの概念をもとにしで続いており，いずれも科学技術政策がトップダウ

た合理的な手法として期待された．PPBS はその後挫ン的に展開される要因となっている．

折したものの，プログラムというアイデア自体はそ

このように，科学技術政策の分野では，政策体系の後も引き継がれている．1960 年代後半にはアメリにおいて現場（政策実施）レベルのプロジェクト

カの会計検査院（General Accounting Office: GAO）が（project）や執政（政策決定）レベルの政策（policy）

プログラム評価（program evaluation）を採用した．

ばかりが注目され，その中間に位置するプログラム

これにより，従来の財務諸表に注目した監査（audit）（program）にはあまり関心が払われてこなかった．

から，政府のプログラムを事後的に検証する評価へ

日本では市民権を得ていないプログラムの概念は，と，GAO はその役割を大きく変容させたのである．

社会福祉行政や政府開発援助（Official Development

GAO の職員も，会計学を専門とする者から，経済学

Assistance：ODA），医療などの専門分野で重要な概や統計学などを専門としたり社会科学分野の学位を念になっている．それは行政の現場でマネージャー

有したりする者が多くを占めるようになった 4)．

評価者に対して学術的なバックグラウンドが求めを切り離す「政治行政二分論」が主張された（表 1）．

られたのは，政治と行政とのあいだにある線引きを

行政は，民主主義の観点から政治的な意思決定に従明確にするために「科学的」な合理性を強調する必う必要がある一方で，政治的な利害関係やイデオロ要があったからである．アメリカの行政では，民主

ギーに左右されないためにも科学的な合理性を基盤主義の観点から行政への政治的介入が行われてきたとした意思決定が求められたのである．

が，政策の政治的偏向や官僚の情実任用など，行政

やがて，1929 年の大恐慌と 1930 年代のニューデの中立性に対して深刻な影響を及ぼした．そのため，

ィール政策を機に行政の役割が肥大化したことによ

20 世紀への転換期になると政党政治の介入から行政って「政治行政融合論」の考え方が支配的になって

表 1 政治行政二分論 5)

いくが，戦後の米ソ冷戦やそれに伴う行動科学や政政治

行政二分論に反する経験的証拠

策科学など実証主義的アプローチの発展によって再決定

執行

行政はどう行動するかを決定

び政治行政二分論の考え方が問い直されることになしなければならない；政治家はる．1960 年代以降の政治的革新によって，目標・手政策の実施に干渉する

段・目的を厳密に結びつけた「プログラム」の概念

目的に従って行動することはが登場し，その結果を検証することでアカウンタビ

目的を修正することを暗示す

リティを確保するためのツールとして「評価」が導るかもしれない入された 6)．評価はあらためて政治と行政との間のもし行政が決定をするなら，民関係，すなわち意思決定と執行，目的と手段，民主

主的な方法に従わなければな

制と専門性などに関する議論を提起したのである．

目的

民主的

手段

官僚的

らない（ワルドー，ベン）

2.3 科学技術政策の評価システム

政治家は必

公務員は，試政治の危機的状況において，専

ずしも専門

験を経て採

門家や技術者は政治にかりだ

今日，日本の科学技術政策領域ではさまざまな形

家ではない

用された専

される．行政官の専門性は，伝で評価が行われている 7)．それぞれ所管する府省が門家である

統的な司法および会計技術を異なるため，評価のセクショナリズムともいえる状ことが求めはるかにしのぎ，政治の目的が況をもたらしている．以下では代表的な評価制度をられる

関係する領域（社会科学や政策

3 つ取り上げたい．

科学）をカバーしている
恣意的

公明正大

官僚的形式主義

2.3.1 研究開発評価（ラテン語

裁量が求められる（リプスキー

国の研究開発評価は，科学技術基本法に基づき策で「怒りと情の「第一線職員」）

定された科学技術基本計画と，それを受けた「国の研究開発評価に関する大綱的指針」に基づいて行わ

熱なしに」）
5 年ごとに選

上司と政治

上方へのアカウンタビリティ

れている．研究開発評価自体は各府省においてそれ

挙人の合意

家に対して

だけではなく，下方へのアカウ

ぞれ評価指針を定めてボトプアップ的に取り組まれ

によって正

責任を負う

ンタビリティも（オーウェン）ている．たとえば経済産業省では「経済産業省技術評価指針」を定め，技術に関する施策や事務事業を

統化される
政治は一時

行政は永続

専門職業的な政治家が存在す

評価する際に配慮しなければならない事項を挙げて

的な職業で

的な職業で

る．そして行政官は（新公共経おり，「国際的に高い水準の研究開発，社会・経済に

ある

ありキャリ

営では）一時的な雇用形態を取貢献できる研究開発，新しい学問領域を拓く研究開

アでもある

りうる

発等，優れた研究開発の効果的・効率的な推進に努

政治科学の

行政科学の

学問領域の境界を越える必要

領域

領域

性

めている」とされている．
また，内閣府の総合科学技術・イノベーション会議では，内閣府設置法に基づき，2002 年より「国家付金を渡しきりの資金として交付し裁量ある組織運的に重要な研究開発の評価」（CSTI 評価）を実施し営を認めることで，効率的かつ効果的な公共サービている．具体的には国費総額が約 300 億円以上となスの実現を目指すことであった．独立行政法人を所る大規模研究開発を評価対象としている．総合科学管する府省は，評価を通じて定期的に実績を評価す

技術・イノベーション会議は政府の科学技術政策のることとなった．

分野における「司令塔機能」を担うとされており，

しかし，実際には評価による独立行政法人へのコ

ここでの評価はトップダウン的な政策推進を意図しントロールは強化されており，研究開発の現場に対ている．

して負荷をかけている．それゆえに，評価業務が本来業務を圧迫する「アカウンタビリティのジレンマ」

2.3.2 政策評価

8)

政策評価には 3 つの方式があり，用いる手法や対価によるコントロールは国立大学法人においても顕象がそれぞれ異なる（表 2）．事業評価方式では費用著であり，研究費・人員の削減や基礎研究の軽視な便益分析の手法を用い，事業の採否を決定する際にど近年はその弊害が指摘されるようになっている．

ともいうべき状況が生じている．運営費交付金や評期待される政策効果が費用を上回るかどうかを事前に検討する．実績評価方式では，業績測定の手法を2.4 評価システムの重複と錯綜

用い，業績指標を通じて施策の進捗状況をモニタリ

以上，3 つの評価制度を見てきた．それぞれの特ングしている．
（なお，政策評価制度とは別に，事務徴は表 3 の通りである．本来なら評価の対象や視点

事業を対象とした行政事業レビューが行われており，がそれぞれ異なるはずだが，実際には運用の重複も

両者の連携がはかられている．
）総合評価方式では，見られ，整理されているとはいえない．

プログラム評価の考え方を背景として，政策・施策

表 3 科学技術政策の評価システム

レベルについて特定テーマを取り上げ，問題点の把

評価の対象

評価の視点

握分析や，政策効果の発現状況などを調査する．

研究開発評価プロジェクト

研究開発

表 2 政策評価の 3 方式

政策評価

政策・施策・事務事業政策

独立行政法人評価

業務実績

組織

手法

対象

日本の科学技術政策では評価制度が乱立し錯綜し事業評価方式

費用便益分析

事務事業

実績評価方式

業績測定

施策ている状況にある．いずれの評価もそれぞれ異なる

総合評価方式プログラム評価

政策／施策

目的のもとで実施されているが，研究開発の現場にとってはそれらが十分に識別されてはおらず，結果

2.3.3 独立行政法人評価として評価が重複したり，膨大な数の評価資料の作

独立行政法人には，国の機関から分離された「先成を強いられたりするなど「評価疲れ」の原因とな行独法」と，従来の特殊法人から新たに独立行政法っている．

人化された「移行独法」とがある．また，国立大学

評価のもともとの役割に立ち返れば，政府のプロも法人化されたことで，独立行政法人と同様の仕組

グラムを検証しアカウンタビリティを確保すること

みによって管理されている．高専を含む研究機関とにあったはずである．だとすれば，研究開発現場の国立大学に関しては独立行政法人通則法（1999 年）

負担によって支えられた現在の評価実務は研究開発と国立大学法人法（2003 年）によって評価が義務づ

プロジェクトのアウトプットや研究アウトカムを検けられている．

証することに偏っており，プログラムアウトカムや中央省庁等改革の中で考えられた独立行政法人制度の理念とは，政策実施機能を中央省庁から切り離すことで行政のスリムをはかると同時に，運営費交

社会的経済的な波及効果（インパクト）の検証には必ずしも寄与していない．

3．サイエンス・アドミニストレーター

る．そのため，法律中のあらゆる条文では「研究開

日本では東日本大震災以降，原子力発電所の安全発の成果」という言葉が用いられており，研究成果

規制をめぐる問題のように，科学だけでは答えるこの社会実装や官民共同による研究開発成果の移転・とのできない領域が増えている．それぞれの学問領活用などのための法制上の措置が行われる．しかし，域が専門知を深化させ蛸壺化していく傾向を乗り越政府が念頭に置く「成果」（政策アウトカム）と，現

えたいとのニーズが高まっている．

場の研究者が想定する研究の「成果」（研究アウトカ

しかし，学問横断的な知の越境はいまだ十分とはム）とのあいだには共通の理解が必ずしもなされて言いがたい状況にある．たとえば日本では高校生のいるわけではない．これでは，「同床異夢」のまま政段階で文系か理系かを選択させられる．このことは，策実施や研究開発のオペレーションが進み，政策評

国家公務員において法学部出身者が多数を占める状価と研究評価それぞれの評価段階で両者の齟齬が明況や，採用時における事務官と技官の区別とその後らかになる可能性が高く，早急な検討が求められる．

のキャリアシステムの違い，政策決定レベルにおける基礎研究の軽視と応用研究・イノベーションの重本稿は，同志社大学ハリス理化学研究所第 10 期部

点化，国立大学法人や国立研究開発法人への過度な門研究「研究と政策の乖離－成果とアカウンタビリ

コントロールなど，多くの弊害を生じさせている．

ティの齟齬－」の助成を受けて行った研究の成果の学問が過度に蛸壺化した今日において，文理の垣一部です．

根を越え，科学技術の取り組みを解釈し市民社会へ
参考文献とつなげるサイエンス・コミュニケーションに期待が集まっている．科学技術の現場での営みを社会へ

1)

伝えたり，気候変動問題や原子力政策など政府の取り組みをジャーナリズムの観点から報じたりするサ

中村陽一，“科学技術政策とその機構”，年報政治学[1983]，231–246（1984）．

2)

イエンス・コミュニケーターの役割は重要な存在と

水間英城，“科学技術基本法について”，情報管理38[12]，1080–1093（1996）．

なる．その一方で，政府の科学技術政策がどのよう3)

山谷清志，政策評価，（ミネルヴァ書房，京都，2012）．

なプログラム構造のもとに行われているのかを理解

4)

F. C. Mosher, The GAO: The Quest for Accountability in

するためには，研究開発の現場（project）や政策決定を行う執政（policy）だけではなく，両層を媒介しAmerican Government, (Westview Press, Boulder, 1979).
5)

N. Stame, “The Politics / Administration Dichotomy and

資源配分や管理を行う行政（program）の理解が必要

Evaluation”, J. Furubo and N. Stame eds., The Evaluationである．学界と実務双方でエビデンスに基づく政策

Enterprise: A Critical View, (Routledge, New York, 2019).

のあり方が模索されている中 9)，政策決定における

6)

専門家と専門知識（expert knowledge）の役割に注目が集まっており

Furubo and N. Stame eds., The Evaluation Enterprise: A

10)，政治と科学を媒介する「サイエンス・アドミニストレーター」の存在が鍵となる．

Critical View, (Routledge, New York, 2019).
7) 橋本圭多，“日本の科学技術行政における評価の現状”，

2020 年の科学技術基本法改正により 2021 年 4 月から施行される科学技術・イノベーション基本法では，これまで除外されていた人文社会科学が対象に加わった．新たな法律では，あらゆる分野の知見を総合的に活用することで，少子高齢化や人口減少，J. Furubo, “Understanding the Evaluation Enterprise”, J.

評価クォータリー，[48]，43–56（2019）．
8)

山谷清志，政策評価の実践とその課題：アカウンタビ
リティのジレンマ，（萌書房，奈良，2006）．

9) 野口晴子，“公共政策にとってのエビデンスとは何か”，
UP，41[12]，16–20（2012）．

グローバル化の進展，食糧問題，エネルギー問題，

10) J. Cristensen, “Expert Knowledge and Policymaking: A

気候変動問題，社会経済構造の変化に伴う雇用の問

Multi-disciplinary Research Agenda”, Policy & Politics,

題など，さまざまな社会課題への対応が謳われてい49[3], 455–471 (2021).

Did One Year of the COVID-19 Pandemic Affect the General Mental Health of
the Adult Population of the United Kingdom, France, or Germany?
Philip TROMOVITCH*(Received August 18, 2021)
The second phase of the Multinational Life Experience and Personality Project (MLEPP) has been collecting data in waves
since mid-September 2018. One of the waves completed in mid-December 2019, just before the start of the COVID-19 pandemic.
Data collection was suspended for nearly one year and resumed in early-December 2020. Consequently, cross-sectional data wascollected pre-COVID-19 and approximately one year into the COVID-19 pandemic.

The MLEPP questionnaire is administered

online to adults aged 18 to 59 and collects data on mental health using scales derived from items in the International Personality Item
Pool (i.e., anxiety, depression, self-esteem).

Independent group t-tests were used to contrast the pre-COVID-19 data collected fromparticipants in Germany, France, and the United Kingdom, with the 1-year-later data for males and females separately, for each of thethree countries, for each of the three measures (thus there were 18 t-tests performed). None of the 18 tests produced a statisticallysignificant result. Thus, it is concluded that one year into the pandemic, there is little or no impact on the general mental health ofadults in France, Germany, and the United Kingdom.
Key words：MLEPP, mental health, COVID-19

Organization became aware of a new disease cluster in

1.Introduction

The

present

researcher

principal

Wuhan, China. That new disease has become known

investigator on a large, multiphase, multinational set ofas COVID-19, and it has spread to pandemic levels

cross-sectional

across the earth.

studies

(The

is

the

Multinational

Life

Experience and Personality Project; MLEPP).

The

In addition to many other areas of inquiry, theproject is collecting cross-sectional data in small waves

MLEPP involves collecting data on mental healthon a funds-available basis, which will be combined toindicators, such as levels of self-esteem, anxiety

form the final samples.

symptoms, and depressive symptoms, from adults aged

It is expected that the full datacollection for the current phase of the MLEPP, which

18 to 59 in multiple countries.

involves collecting data from adults in at least ten

pandemic caused this researcher to be concerned aboutcountries with a per country N > 2000, will take five topossible adverse effects of the pandemic on the planned

ten years to complete. Data collection began for the

analyses due to possible changes in people's anxiety

present phase in mid-September, 2018.

levels, and other mental health issues, stemming from

One of the

The COVID-19

waves of data collection completed in mid-December,the pandemic.

2019.

suspended for nearly one year, resuming in earlyLess than two weeks later, the World Health* Harris Science Research Institute, Doshisha University, Kyotanabe City, Kyoto 610-0394
Telephone: +81-774-65-6671, E-mail:ptromovi@mail.doshisha.ac.jp

Consequently, data collection was

December, 2020.

It was hoped that any temporary

1.1.1 An example

increase in mental health problems related to theConsider a psychological scale containing 7

pandemic would have subsided within this timeframe, as

items that each utilize a 5-point Likert-like response. If

people became accustomed to the reality of living during

the individual items are scored from 0 to 4, then thea time of pandemic.

resultant measure can have a range of 0 to 28.

Although not an originally planned analysis forIn thisauthor's data, such measures for mental health traits

the MLEPP, because pre-COVID-19 data had been

often have a standard deviation around 5.4.

Using acollected, it became possible to assess potential changes

random number generator that produces normallythat may have occurred in mental health indicators by

distributed values1), this author ran multiple simulations

contrasting the data collected pre-COVID-19 with theto see the impact on the standard deviation of merging

data collected soon after data collection was resumed.

datasets having a specific difference in their mean (e.g.,

Although assessing changes in mental health will

as might be caused by elevation during a pandemic).

probably be the topic of primary interest to most readers

In the case of a 3 point increase in the mean (e.g.,of this article, investigating any changes was a highparticipants, on average, responding one point higher onpriority for this researcher due to the possible impact the

3 of 7 items in the later data collection waves), merging

pandemic may have on analyses using the MLEPP

two N=500 data sets (that each have the same standard

datasets.

deviation individually) resulted in a standard deviation
increase greater than 0.2 for the combined dataset.

1.1 The main statistical concern

Although this might seem like a small and unimportant

Most correlational procedures ultimately are

increase,

when

analyzing

small

relationships2)

based on sample sizes, arithmetic means, and standard(i.e., .1 <= r < .3) and very small relationships (i.e.,

deviations.

r < .1), such shifts are potentially problematic in thatIndeed,aStudent

t-test,Pearsoncorrelation, and two-group ANOVA can all be computedfrom just these values.

This researcher's primaryconcern dealt with standard deviations, and secondarily
with means.

they reduce statistical power and attenuate effect sizes.
1.2 The goals of this investigation

Because the data is being collected in

The primary purpose of the present investigation

waves at different points in time, but is to be combined

is to determine if there are detectable differences infor a single analysis (e.g., correlating adult anxiety withmental health indicators (i.e., statistically significant

the occurrence of a childhood experience), elevateddifferences) between pre-pandemic data and data

levels of anxiety due to the pandemic, for example,

collected approximately one year after the pandemic had

would raise the arithmetic mean for anxiety in later

started.

collected waves, leading to changes in key statistics.

secondary purpose is to determine if the magnitude of

For example, if pre-pandemic levels of anxiety are lower

the differences will be problematic for planned MLEPP

than pandemic/post-pandemic levels, and these data are

analyses.

If differences in mental health are found, thecombined for analysis, then the combined data will havea higher variance and therefore a higher standard
deviation (in addition to having an elevated mean).

2. Method

2.1 The samples
The MLEPP questionnaire is administered online
to adults aged 18 to 59 via the Qualtrics platform.

Table 1. Sample sizes (Ns).
females (♀)

males (♂)

sample N

sample N

Country Total

289

810

1615

440

341

781

1551

429

566

995

2002

pre

1-year-later

805

521

341

770

575

1007

pre

1-year-laterthe U.K.

452

353

France429

Germany

432

Qualtrics Panels was employed to recruit general

traits, as well as possible differences in the pandemic's

population samples from each of the target countries andimpact on the sexes, e.g., if one sex was more

direct them to the questionnaire.

Sufficient data for thepsychologically affected by the pandemic than the otherpresent analyses were collected from the Unitedsex), six samples are available for analysis (2 sexes by 3

Kingdom, France, and Germany, both pre-pandemic

countries, see Table 1).

(datacollected

mid-September

2018

through

Since there are three mental health measures, 18

mid-December 2019; hereafter "pre") and after data

independent group t-tests were performed using thecollection resumed (early-December 2020 throughcommon p < .05 criterion for statistical significance on a

mid-January 2021; hereafter "1-year-later").

per-test basis.

The

Since this approach is expected tocountry-level sample sizes ranged from 1551 to 2002

produce on average -- by chance alone -- one

and appear in Table 1. Respondents should not havestatistically significant finding per 20 tests, if only one

been able to respond to the MLEPP questionnaire moreor two tests produce a statistically significant result,than once, hence the pre and 1-year-later samples should

these should be interpreted as being the result of Type I

be completely independent.

error.

2.2 The psychological measures

3. Results

Three measures of mental health were used:

Sample sizes for the male and female groups

self-esteem, anxiety, and depression (see Tromovitch,from the three countries ranged from 770 to 1007

2014)3). Each of the three scales were derived from(mean = 861).

4)

Of the 18 t-tests, none were statistically

items in the International Personality Item Pool andsignificant. The p-values for all 18 tests were greater

were translated from the English versions into Frenchthan .10 (see Table 2).

and German for use in France and Germany.

Eachscale is composed of at least 7 items, with each item
using a 5-point Likert-like scale.

4. Discussion

The average sample size in the present analyses(see Table 1) was N = 861. This sample size generally

2.3 The analyses
The analytical approach was to use t-tests toprovides at least 80% statistical power to detect aborderline-small effect size (e.g., d = 0.2).

Given thatmake comparisons/contrasts between the pre-pandemic

0/18 (0.0%) of the contrasts were statistically significant,data and the data collected approximately one year after

and that Type I error was expected to cause

the pandemic had started. Since the male and female

approximately one statistically significant result, it

data should be analyzed separately (due to possible

seems clear that there were no substantive increases inaverage differences between the sexes in mental healthmental health impairment as a result of the pandemic.

Table 2. Independent group t-test results comparing pre-COVID-19 mental health measures with data collected
approximately one year into the pandemic.
self-esteem

the U.K.

FranceGermany

anxietydepression

t

p

t

p

t

p

♂

-0.090p > .100.727

p > .100.887

p > .10♀

-0.129p > .100.660

p > .100.267

p > .10♂

-0.427

p > .10-0.413

p > .100.075

p > .10♀

-0.310p > .100.073

p > .101.013

p > .10♂

-1.425p > .101.306

p > .10

1.610

p > .10♀

-0.528p > .100.170

p > .100.839

p > .10Since data was not collected during the initial stages ofReferences

the COVID-19 pandemic, this research cannot address

1)

Random.org. https://www.random.org/

the question of whether there were increased mental

2)

Cohen, Jacob (1988). Statistical Power Analysis

health problems during the initial period.

for the Behavioral Sciences (2nd edition). Lawrence

Nonetheless,

it is reassuring to find that if there was an increase inmental health impairment, it subsided and essentially

Erlbaum Associates: Hillsdale, New Jersey.
3)

returned to baseline within one year.

P. Tromovitch, "Public Domain, English andJapanese Scales for Measuring Self-Esteem,

Even though there appears to be no detectable

Anxiety, Depression, Understanding, Warmth,

increase in mental health impairment, it may be of note

Altruism, Creativity, and Intellectuality: Validity

that

and Reliability for use with Male and Female

17/18(94.4%)(non-significantly)
impairment.

in

the

of

the

contrasts

direction of

were

increased

Adults in Japan and the United States",

Consequently, it may be that extremely

The

Science and Engineering Review of Doshisha

small levels of impairment did occur, but were not

University, 55[3], 244-253 (2014).

detected due to their very small size. Even if this is thehttps://doshisha.repo.nii.ac.jp/?action=repository_u

case, it is unlikely the change could rationally be

ri&item_id=23040&file_id=28&file_no=1

considered to be of social import; for example, the4)

Available at

L. R. Goldberg, "International Personality Item

largest of the 18 effect sizes (Germany, males,

Pool:

depression) was d = 0.051 -- moreover, across the 18

Development of Advanced Measures of Personality

analyses d = 0.016 was the median effect size.

TraitsWith regard to this researcher's concern thatshifts in mental health indicators might affect MLEPP
analyses by artificially increasing standard deviations, it
seems clear this is not a valid concern.
This research was supported inpart bygrants-in-aid from the Harris Science Research Instituteof Doshisha University.

AandScientific
Other

Collaboratory
Individual

for

the

Differences".

Available at http://ipip.ori.org/ updated September
23, 2019.