hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
非線形現象の数理

本研究は、非線形現象の純粋数学的研究のみならず、非線形数理に関わる科学の諸分野、物理、化学、生物、社会数理にまたがる共通な数学の構築を目指して、一種の横断的研究を目的として申請された。これらの目的は別掲の論文によって、申請者の純粋数学において構築された理論が、生物、化学、さらには社会数理において、全く新たな視点を提供する理論として達成することができた。これらの論文はすべて、非線形、非平衡系、開放系であることを特徴としている。具体的には、本研究の代表者はマルコフ過程に付随した拡散過程の解析から、光合成過程において重要な化合物であるポルフィリンに対して、幾何学、確率論を融合した非線形理論を応用することにより、その発生の起源を解明することにすでに功しているが、さらにこの理論を発展させ、エコロジーにおいて重要な窒素循環を、プランンクトンの繁殖過程に組み込むことにより、古典的なシャピロの実験に理論的説明を与えることができた。さらに社会数理の分野では、協調性の起源の問題にたいして、経路積分を応用して、短時間に社会は協調性に向かうことを証明できた。これらの研究は、新しい構造がいかにして発現するかという問題に対して、新たな数学的基盤を構築する必要性を感じさせる。なほ、これらの研究は、ケンブリッジ大学ニュートン研究所、ソフィア大学生物数学研究集会、ダンディ大学生物数学研究集会において発表された。本研究は,申請者の17年間の研究によって詳しく明らかにされた非線型微分方程式の体域的構造を,純粋数学のみならず,広く諸科学に応用することを目的として申請された.その際に,確率論的揺らぎを取り入れることが,特徴の一つであった.これらの目的は,別掲の論文4件によって,申請者の従来の理論が,生物,化学,さらには社会数理において,全く新たな視点を提供する理論として達成することができた.これらの論文はすべて,非線型,非平衡系,開放系であることを特徴とする.1.具体的には,まず,別掲の論文1においては,マルコフ過程に付随したdiffusion方程式の解析から,光合成過程において重要なporphyrinに,申請者による幾何学及び変分学に起源を持つ非線型理論を適用することにより,porphyrinの生成起源を解明することに成功した.2.別掲の論文2においては,窒素循環という,エコロジーにおいても重要な要素にPlanktonの繁殖過程を組み込み,申請者の非線型理論を適用することにより,この分野に全く新しい側面を提供し,古典的なShapiroの実験結果に説明を与えることに成功した.この成果は,イギリスのCambridge大学から招待を受け,ニュートン研究所における国際研究集会で発表された.3.別掲の論文3及び4において,申請者の純粋数学における非線型理論が,社会数理においても有用であることが示された.従来,社会数理において用いられてきた期待効用最大化にもとづく理論を,非線型な動的構造を持つ社会に適用した場合,全く新しい現象,一種の相転移とも言うべき現象が発見された.しかし,この数学的構造の解明には,純粋数学に立ち帰ってのさらなる研究を要するものと思われる.本年度の研究実施計画に述べたように、純粋数学の立場からみても新しい方向性の期待できる非線形微分方程式で記述できる解放系、非平衡系のシステムの例として、生物、社会に応用可能なモデルを考え、これを確率論的手法により、解析した。具体的には、本年度に出版された研究代表者の論文にあるように、生物、社会における最適戦略の選択の結果として発展してゆくさまを記述する一種のゆらぎを持った発展方程式を考察し、進化方程式とも言える方程式を組み立て、その解の収束性を論じた。これは、確率論的力学系の例でもあり、単なる幾何学的な力学系としてではなく、ゆらぎに主眼をおいた解析により、従来不可避であると言われていた、いわゆる囚人のジレンマを回避できる収束性を発見するという、全くあたらしい知見が得られた。この成果は、純数学的な成果でもあるため、全く別の分野、たとえば従来の集団遺伝学の分野においても、木村の中立遺伝子理論の拡張として、まったく新しい方向性を示すものとして期待が持たれる。

本研究は、非線形現象の純粋数学的研究のみならず、非線形数理に関わる科学の諸分野、物理、化学、生物、社会数理にまたがる共通な数学の構築を目指して、一種の横断的研究を目的として申請された。これらの目的は別掲の論文によって、申請者の純粋数学において構築された理論が、生物、化学、さらには社会数理において、全く新たな視点を提供する理論として達成することができた。これらの論文はすべて、非線形、非平衡系、開放系であることを特徴としている。具体的には、本研究の代表者はマルコフ過程に付随した拡散過程の解析から、光合成過程において重要な化合物であるポルフィリンに対して、幾何学、確率論を融合した非線形理論を応用することにより、その発生の起源を解明することにすでに功しているが、さらにこの理論を発展させ、エコロジーにおいて重要な窒素循環を、プランンクトンの繁殖過程に組み込むことにより、古典的なシャピロの実験に理論的説明を与えることができた。さらに社会数理の分野では、協調性の起源の問題にたいして、経路積分を応用して、短時間に社会は協調性に向かうことを証明できた。これらの研究は、新しい構造がいかにして発現するかという問題に対して、新たな数学的基盤を構築する必要性を感じさせる。なほ、これらの研究は、ケンブリッジ大学ニュートン研究所、ソフィア大学生物数学研究集会、ダンディ大学生物数学研究集会において発表された。
「交渉紛争解決学」の確立に向けた複数学問間の横断的再構成

現代社会がかかえる様々な紛争やコンフリクトの解決を目指して、法学、経営学、経済学、哲学、心理学、交渉学等の知見を複眼的に動員、再構成し、包括的な「交渉紛争解決学」を確立する学問的基盤の形成を試みた。1年目に研究目的の合意形成に向けたワークショップを実施し、2年目で論文執筆に傾注した。その成果は、『現代社会と紛争解決学学際的理論と応用』として書籍化されることとなった。本研究では、紛争解決学の学問的再構築を目指して、法学、経済学、経営学、社会心理学、哲学、交渉学の専門領域に属する研究者を分担研究者および連携研究者として招聘し、年数回の研究検討会とワークショップ、および各自の先端的研究の成果を最終的に研究成果として公刊するという目標のもと研究を進めてきた。1年目では研究代表者および分担研究者、それに国内の連携研究者の論文を持ち寄って研究ワークショップを開催し、各分野の視点から学問再構成に必要な基本的課題と問題意識を整理した。それにもとづき1年目後半2年目において、各研究者がそれぞれさらにディスカッションペーパーや論文の執筆および学会発表を行っていった。並行して、米国と英国における国際紛争や企業紛争等の専門家とも議論を重ね、グローバル化における国際的紛争への対応といった新しい視点と、法と経済の古典的な課題へのゲーム論的アプローチも含めたより学際的な議論を付加することができた。それら一連の議論の成果も反映させながら、「紛争解決学の再構成学際的視点から(仮)」として刊行するべく準備を行った。出版を前提とした研究論文のレビューと、追加的な研究論文の執筆をアサインしたのち、目次案を作成し、その内容を研究者間で確認し合って、最終的な研究成果の構成をおこなった。実際の刊行は年度内には実現しないものの出版契約は完了し、出版後は各領域での教育研究への利用を広げていくこととなった。全体とし2年間の本研究で、これまで個別分野的に議論されてきた「紛争解決学」が、学際的包括的なアプローチによる再構成された学問領域として提示可能であることを示すことにおいて一定の成果を得たものと考える。なお、本研究の連携研究者は以下の3名である。レビン小林久子(九州大学大学院法学研究院教授)、大渕憲一(東北大学大学院文学研究科教授)、奥村哲史(名古屋大学経済学部教授)現代社会がかかえる様々な紛争やコンフリクトの解決を目指して、法学、経営学、経済学、哲学、心理学、交渉学等の知見を複眼的に動員、再構成し、包括的な「交渉紛争解決学」を確立する学問的基盤の形成を試みた。1)研究代表者、分担研究者、連携研究者の各専門分野(経済学、経営学、哲学、交渉学、心理学、法学)に関する紛争解決学関連研究の動向について文献的検討を経たうえで、それぞれの専門分野の視点から最新のトピックについて以下の課題による論文執筆をおこなった。(1)医療制度設計のコンフリクトマネジメント、(2)修復的正義と交渉紛争解決、(3)医療における患者家族の理不尽な行動、(4)紛争解決における倫理的課題、(5)民間型調停の必要性、(6)人間関係の親密さと葛藤解決、(7)カンボジアの開発事業と土地紛争。なお論文は書籍として刊行するべく準備中である。2)海外の紛争解決学教育の動向を知るために、米国コロンビア大学の紛争解決実務教員とのネットワークを構築し、欧米における教育の指針、学位授与の実態や学位名称の変更の必要などについて情報を収集した。3)また海外における紛争解決学の動向を知るために、国際学会に出席した。当初予定していた文献検討に基づく論点整理は、小論文執筆として結実しており、各研究分担者および連携研究者のコミットメントは高い。なおこれら小論文はまだ公開されていないため、書籍として刊行し公表するための準備を進めている。ただ、紛争解決学における学際的な概念整理および相互理解の機会は必ずしも十分とはいえず、この点については合同研究発表会を開催して紛争解決学概念の相互理解を進める必要がある。いっぽう、国際的な動向については海外大学とのネットワーク構築や研究者間交流などが順調に行えており、今後欧米およびアジアの紛争解決動向と日本の課題(特に震災以後の日本社会における諸課題)との比較検討を加えていく必要があると考える。なお、海外を含めた紛争解決学の研究動向についてのレビューは、まだ論文化されていないため、研究代表者の責任で研究動向のレビュー論文の執筆を行う必要がある。今後の研究は以下の3点を重点的に展開する予定である1)紛争解決学に関する学際的概念の相互理解を進めるために、公開ワークショップを開催(研究代表者の所属機関および連携研究者の所属機関で最低各1回)すること、2)すでに執筆された論文の刊行と、追加論文の執筆を各研究者に依頼するとともに、研究代表者による紛争解決学の国際的動向に関するレビュー論文を執筆すること、3)研究代表者、分担研究者および連携研究者が今後執筆する追加論文の成果は、英語論文として国際ジャーナルに投稿し、国際的な議論との整合性を検証すること。1)研究会議の会議費および旅費分担研究者と連携研究者が一堂に会して、相互に研究状況を報告するとともに、各学問領域における紛争解決概念や課題に関する相互理解を進めるための研究会議を開催する。2)国内および海外における紛争解決学研究の実際を知る調査研究のための主張

旅費分担研究者および連携研究者の国際学会出席のための旅費、および研究代表者の国際的紛争解決研究レビューに向けた資料収集等のための調査旅費として使用する。3)国際ジャーナルへの論文投稿費用
HTML5を使用したマルチプラットフォーム対応CALLシステムの開発と試用

本研究の目的は,これまで全国の1万名以上の英語学習者が使用して効果を挙げてきた「三ラウンド・システム」に基づくマルチメディアCALLシステムのソフトウェアをHTML5に移行することである。これまでのソフトウェアはWindows上のInternet Explorerで安定して動作したが,より汎用性の高いHTML5への移行によって,複数のOSとブラウザに対応が可能である。平成2728年度の研究により「聴解学習用教材」をWindowsとMacintoshの多様なブラウザに対応させることを目指したが,一部未解決の問題が今年度まで残っていた。これについては今年度に無事解決することができた。また,昨年度(平成29年度)は,「語彙学習用教材」をWindowsとMacintoshの多様なブラウザに対応させることができた。以上により一連のソフトウェア開発は予定通り完了し,Windows用Edge, FireFox, ChromeとMacintosh用Safari等への対応が可能になった。今年度の予算を使用して全教材のデータ変換作業も終了し,聴解教材,語彙教材とも実用段階に入ることができた。千葉大学で複数教員による複数のクラスで,数百名規模の学習現場で試用をしたところ,以前のソフトウェアをHTML5に移行しても支障なく安定して動作することが確認するとともに,学生の多様なコンピュータ環境でも使えることにより利便性が向上した。開発したシステムを他大学にも提供すれば,より多くの学習者の英語学習に対応可能である。本システムだけではスマートフォンやタブレットには対応しないが,並行して進めている別の開発プロジェクトにより,さらにシステムの発展が期待できる。これまでのソフトウェアはWindows上のInternet Explorerで安定して動作し,Macintoshへの対応も試行してきたが,OSのアップグレードの結果,動作しなくなるという経験をし,より汎用性の高いHTML5への移行によって,複数のOSとブラウザに対応が可能である。本教材を大別すると聴解学習用教材と語彙学習用教材の2種があり,それぞれ多数の教材群から成り,オンラインで学習することによってサーバーに学習履歴が保存される。4年計画の初年度である平成27年度は,これらのうちの聴解学習用教材ソフトウェアの情報提示やインターフェース等の「基幹部分」の開発を行った。最新のHTML5の動向を調査し,既存のInternet Explorer用ソフトウェアを最大限活用する形で仕様を策定し,FirefoxとSafariに対応したHTML5のコーディングを外注して完成させた。動作の確認のため,今年度別予算で開発した教材も含め,開発済の20教材をInternet Explorer以外のブラウザで試用し,正常に動作することを確認した。今年度開発したソフトウェアだけではWeb配信や学習履歴管理等の「周辺部分」が未完成であり,本格稼働には至らないが,平成28年度に「周辺部分」,平成29年度に語彙学習用教材ソフトウェアのHTML5への移行を行うことによって,全国の多数の英語学習者への教材提供の利便性が大きく改善できる見込みである。当初の計画通り,初年度である平成27年度は,聴解学習用教材の「基幹部分」のHTML5への移行に成功した。また,来年度以降の聴解学習用教材の「周辺部分」と語彙学習用教材のHTML5への移行への見通しも立てることができ,順調に進展していると考える。4年計画の初年度である昨年度はFireFoxとSafariに対応した聴解学習用教材ソフトウェアの情報提示やインターフェース等の「基幹部分」の開発を行った。引き続き今年度は,Web配信や学習履歴管理等の「周辺部分」について仕様を策定し,外注によってHTML5のコーディングを終了した。さらに別予算も活用して,上記に加えて「Windows用Internet Explorer」「Windows用Edge」「Windows用Chrome」「Macintosh用Firefox」「Macintosh用Chrome」等のブラウザに対応したHTML5のコーディングを行った。ただし,一部正常に動作しない部分があることが確認された。2年間の研究により,「聴解学習用教材」はWindowsとMacintoshの多様なブラウザに対応したシステムができたが,一部正常に動作しない部分を平成29年度に修正し,検証することによって実用段階に入り,多数の学習者に安定して提供することが可能になる見込みである。また,本システムのもうひとつの柱である「語彙学習用教材」のソフトウェアについても,平成29年度にHTML5への移行を行う予定である。当初の計画通り,昨年度と今年度で「聴解学習用教材」の「基幹部分」と「周辺部分」のHTML5への移行に成功した。さらに今年度は初年度計画以上に多様なブラウザに対応ができた。その一方で,開発したシステムの一部で正常に動作しない部分があり,多数の学習者に提供する前に修正を加える必要がある。

今年度(平成29年度)は,「語彙学習用教材」をWindowsとMacintoshの多様なブラウザに対応させることが主目的であり,研究と外注作業は予定通り完了し,Windows用Edge, FireFox, ChromeとMacintosh用Safari等への対応が可能になった。研究者による試用の結果,学習者に提供して問題ないと判断しているため,来年度(平成30年度)は千葉大学の学習現場で試用し,安定して動作することと利便性が向上したことを確認する予定である。一方,4年計画の前半2年間(平成2728年度)の研究により「聴解学習用教材」をWindowsとMacintoshの多様なブラウザに対応させることを目指したが,外注作業で正常に動作しない部分が残っていた。今年度中に問題を解決する予定であったが,未解決のまま来年度の課題として残ることとなった。最終年度となる来年度は,「聴解」「語彙」の両方でHTML5への移行と千葉大学の学習現場での試用と研究のとりまとめをする予定である。4年間の研究成果が予定通り完了すれば,その後,他大学への提供も可能であると考えている。今年度の主目的である「語彙学習用教材」のHTML5化は,当初の計画通り完成した。その一方で,昨年度完成したはずの「聴解学習用教材」のソフトウェアの不具合を今年度に修正して学習者に提供する予定であったが,まだ完了していないため,来年度の課題として残ってしまった。本研究の目的は,これまで全国の1万名以上の英語学習者が使用して効果を挙げてきた「三ラウンド・システム」に基づくマルチメディアCALLシステムのソフトウェアをHTML5に移行することである。これまでのソフトウェアはWindows上のInternet Explorerで安定して動作したが,より汎用性の高いHTML5への移行によって,複数のOSとブラウザに対応が可能である。平成2728年度の研究により「聴解学習用教材」をWindowsとMacintoshの多様なブラウザに対応させることを目指したが,一部未解決の問題が今年度まで残っていた。これについては今年度に無事解決することができた。また,昨年度(平成29年度)は,「語彙学習用教材」をWindowsとMacintoshの多様なブラウザに対応させることができた。以上により一連のソフトウェア開発は予定通り完了し,Windows用Edge, FireFox, ChromeとMacintosh用Safari等への対応が可能になった。今年度の予算を使用して全教材のデータ変換作業も終了し,聴解教材,語彙教材とも実用段階に入ることができた。
ナノバイオアクチュエータに最適なタンパク質モータプレスチンの構造・機能解析

哺乳類の鋭敏な聴覚は,内耳に存在する外有毛細胞(OHC)の伸縮運動に起因する.この運動能は細胞側壁に存在する膜タンパク質プレスチンの構造変化で実現されると予測されている.プレスチンは,ATP非依存,100kHzに及ぶ周波数応答性を持つなど高機能モータタンパク質としてこれまでにないユニークな特徴を有しており,理想的なバイオアクチュエータの材料として工学分野への応用が期待できる.この実現のためには,プレスチンの詳細な立体構造の解析と構造変化メカニズムの解明が必要不可欠である.そこで本研究では,立体構造の解析に向け,プレスチン発現チャイニーズハムスター卵巣(CHO)細胞を用い,原子間力顕微鏡(AFM)と半導体量子ドット(Qdot)を組み合わせた免疫原子間力顕微鏡法について検討し,その手法を用いてプレスチンの微細構造の可視化を試みた.まず超音波破砕法によりプレスチン発現CHO細胞の細胞膜を基板上に単離し,抗プレスチン一次抗体およびQdot標識二次抗体でプレスチンをラベリングした.次にQdotが発する蛍光でプレスチンの存在を確認後,AFMでその部位を観察した.Qdotは直径約8nmの硬い半導体材料であるためAFMで容易に観察可能である.プレスチン分子はQdot近傍に存在するため,これによりその位置が特定できる.確認したプレスチン一分子をより高解像度で観察し詳細な構造の解析を行った.その結果,Qdotの直近に4つのPeakと中央に一つのくぼみを持つRing-likeな構造が観察された.これは,プレスチンがCHO細胞の細胞膜中で,4量体で存在していることを示唆している.さらに,観察されたRing-like構造物の直径の分布を調べた結果,9.6nmおよび13nmに2つのピークが観察された.この結果は,プレスチンが小さな状態と大きな状態の2状態をとることを示唆している.哺乳類の鋭敏な聴覚は,内耳に存在する外有毛細胞(OHC)の伸縮運動に起因する.この運動能は細胞側壁に存在する膜タンパク質プレスチンの構造変化で実現されると予測されている.プレスチンは,ATP非依存,100kHzに及ぶ周波数応答性を持つなど高機能モータタンパク質としてこれまでにないユニークな特徴を有しており,理想的なバイオアクチュエータの材料として工学分野への応用が期待できる.この実現のためには,プレスチンの詳細な立体構造の解析と構造変化メカニズムの解明が必要不可欠である.そこで本研究では,立体構造の解析に向け,プレスチン発現チャイニーズハムスター卵巣(CHO)細胞を用い,原子間力顕微鏡(AFM)と半導体量子ドット(Qdot)を組み合わせた免疫原子間力顕微鏡法について検討し,その手法を用いてプレスチンの微細構造の可視化を試みた.まず超音波破砕法によりプレスチン発現CHO細胞の細胞膜を基板上に単離し,抗プレスチン一次抗体およびQdot標識二次抗体でプレスチンをラベリングした.次にQdotが発する蛍光でプレスチンの存在を確認後,AFMでその部位を観察した.Qdotは直径約8nmの硬い半導体材料であるためAFMで容易に観察可能である.プレスチン分子はQdot近傍に存在するため,これによりその位置が特定できる.確認したプレスチン一分子をより高解像度で観察し詳細な構造の解析を行った.その結果,Qdotの直近に4つのPeakと中央に一つのくぼみを持つRing-likeな構造が観察された.これは,プレスチンがCHO細胞の細胞膜中で,4量体で存在していることを示唆している.さらに,観察されたRing-like構造物の直径の分布を調べた結果,9.6nmおよび13nmに2つのピークが観察された.この結果は,プレスチンが小さな状態と大きな状態の2状態をとることを示唆している.
海外との遠隔コミュニケーション実験を通した相互補完的情報デザイン教育と教材開発

本研究は,情報デザイン教育における基本的な原理としてのコミュニケーションのモデルを理解し, "違う立場において相互に意図を伝達しあう"ためのデザインの考え方を学ぶための教材の開発を狙うものである.特に,言語の制約を超えるインフォグラフィックスの学びに焦点を当て.異文化の学生間で学びあいを促進するオンラインコミュニティを組み込んだ学習モデルと課題を提案し,独自に構築したシステムを用いて相互学習プロジェクトを実施した.本研究は,情報デザイン教育における基本的な原理としてのコミュニケーションのモデルを理解し, "違う立場において相互に意図を伝達しあう"ためのデザインの考え方を学ぶための教材の開発を狙うものである.特に,言語の制約を超えるインフォグラフィックスの学びに焦点を当て.異文化の学生間で学びあいを促進するオンラインコミュニティを組み込んだ学習モデルと課題を提案し,独自に構築したシステムを用いて相互学習プロジェクトを実施した.本研究は、非美術系高等教育や中等教育における情報デザイン教育で利用可能な耐久年度の長い教材の開発を狙うものである。特に基本的な原理に相当するコミュニケーションモデルを理解し、"違う立場において相互に意図を伝達しあう"ためのデザインの考え方に焦点を当て、そのための教材を検討することを目的とした。コミュニケーションの学習は、人を介することで展開可能な「仕組み」を設計することが重要である。初年度の実践として,異文化の学生間で学びあいが起こることを狙ったオンラインコミュニティを組み込んだ学習モデルを提案した。これは視覚による世界共通言語としてのインフォグラフィックスの学習と、それを用いたコミュニケーションによって効果的なフィードバックを併せ持つ教育のあり方を探ったものである。そしてこのモデルに基づいてシステムを開発し、それを利用したワークショップを、日本の大学と米国の大学間で2回実施した。各自の制作した課題を元に言語の異なるユーザとして相互レビューを行い、その結果、多くの学習者が自分達では発見できなかった改善点を得ることができた。オンラインで課題をシェアすることは、交流の目的が明確になるが故に、活発な学習活動が行われ、良質なフィードバック装置として機能することを確認した。また事例の観察によって、1)情報の伝達方法についての俯瞰的視点、文化的特性、地域性・国際的に通じる機能性を区別することを学ぶ機会として極めて有用であるが、言語無しでは限界もあり、伝達のための適切な素材を見極めること、2)制作後の熱気を冷まさないうちの対話が不可欠であり、スケジューリングを慎重に検討すること、の2つの重要性が明らかになった。今後はこれらの実践を元に、現場での活用や定着をはかる必要がある。ワークショップによる成果や知見を、デザインの知識として広く利用できるような手段を検討することが次の課題である。本研究は、非美術系高等教育や中等教育における情報デザイン教育で利用可能な耐久年度の長い教材の開発を狙うものである。特に基本的な原理に相当するコミュニケーションモデルを理解し、"違う立場において相互に意図を伝達しあう"ためのデザインの考え方を学ぶことに焦点を当て、そのための教材を検討することを目的とした。初年度の実践として,インフォグラフィックス制作を通して異文化の学生間で学びあいが起こることを狙ったオンラインコミュニティを組み込んだ学習モデルを提案し,春と秋の2回の遠隔プロジェクトを行った.各自の制作した課題を元に言語の異なるユーザとして相互レビューを行い、その結果、多くの学習者が自分達では発見できなかった改善点を得ることができた。これによってオンラインで課題をシェアすることは、活発な学習活動が行われ、良質なフィードバック装置として機能することを確認した。これらの実践をもとに,本年度は,実践内容の公開と知見の共有をおこなった.5月の情報デザインフォーラム(横浜山手ゲーテ座)、6月の日本デザイン学会(千葉工大)、7月のHCII(アメリカフロリダ州)にて実践を発表し,多くの研究者とのディスカッションを行った.そして次に,議論を経て得られた改善点を踏まえて,3度目の遠隔ワークショップを行ったほか,学内にて,アメリカ人/ベトナム人/台湾人をゲストにして,異文化交流をテーマにした課題の共有を行った.結果的に非常に教育効果が高く,外国の人々が身近で調達できる場合は,有用な学習リソースとなることがわかった.また.教材化を目指して事例収集と知見の蓄積を行った.当該取り組みはインフォグラフィックス専門のウェブサイト(ツタグラ)で取り上げられ,一般の人々にも広く知ってもらうことが出来たが,時間的制約で教材として配布可能なところまでは力が及ばず.配布に向けての計画が今後の課題となる.
合成ヘテロ二重ラセン化合物の異方的三次元分子集合ボトムアップと運動機能

分子レベルの二重ラセンーランダムコイル構造変化を一方向に増幅してマクロ運動に結び付けるために,分子設計によってエチニルヘリセンオリゴマーの性質を精密制御し,ホモおよびヘテロ二重ラセンの自己組織化を利用して異方的で三次元的な分子集合システムを構築した.(1)末端部の分子構造を修飾して異方的かつ流動的なサーモトロピック液晶状態を得た.また,バルク中での構造変化を示した.(2)親水部を末端に有する両親媒性オリゴマーを合成し,水系溶媒中で一般的な二分子会合と逆の熱応答を示すこと,集合体を形成することを示した.(3)環状二量体のリオトロピック液晶形成と,ランダム配向バンドル形成の詳細を調べた.分子レベルの二重ラセンーランダムコイル構造変化を一方向に増幅してマクロ運動に結び付けるために,分子設計によってエチニルヘリセンオリゴマーの性質を精密制御し,ホモおよびヘテロ二重ラセンの自己組織化を利用して異方的で三次元的な分子集合システムを構築した.(1)末端部の分子構造を修飾して異方的かつ流動的なサーモトロピック液晶状態を得た.また,バルク中での構造変化を示した.(2)親水部を末端に有する両親媒性オリゴマーを合成し,水系溶媒中で一般的な二分子会合と逆の熱応答を示すこと,集合体を形成することを示した.(3)環状二量体のリオトロピック液晶形成と,ランダム配向バンドル形成の詳細を調べた.本研究は,化学合成したエチニルヘリセンオリゴマーを用いて異方的・規則的集合体を構築することで,ナノ・マイクロメートルオーダーの分子構造変化をセンチメートル・メートルオーダーのマクロ運動機能に結び付けること,このために生体のように小分子・巨大分子をボトムアップする方法論を開発することを目的としている.今年度は,この基盤となる新規化合物群を合成して性質を調べた.(1)棒状液晶分子を末端に有するオリゴマー四量体および五量体を合成し,有機溶媒中においてホモ二重ラセンーランダムコイル間で可逆的に構造変化することを示した.五量体について,二重ラセン状態にある溶液から得た固体を加熱すると,サーモトロピック液晶状態を発現することがわかった.現在,円二色性,小角X線散乱,示差走査熱量測定法などにより液晶の詳細な性質を調べている.液晶は分子が異方的かつ流動的に並んだ状態であり,二重ラセン分子を異方的に整列させて運動機能を開発する本研究課題の達成に向けて極めて有効な結果である.(2)親水性トリエチレングリコール部を末端に有する両親媒性エチニルヘリセンオリゴマー四量体を合成した.この化合物が極性溶媒を含む種々の有機溶媒中でホモ二重ラセンーランダムコイル構造変化を行うことを示した.また,水系溶媒中でベシクル,即ち内部に空洞を有する球状集合体を形成することを見出した.ベシクルの大きさは加熱冷却によって可逆的に増減した.ドラッグデリバリーシステムとして応用できる可能性を示す結果であり,分子構造変化との関連を調べている.加えて,東北大多元研・三ツ石方也教授の協力のもと,Langmuir-Blodgett法によりオリゴマー部と親水部が分離して異方的に並んだ多層構造の形成を検討している.(3)塩架橋による網目状構造およびゲル形成を期待し,末端にグアニジニウム基を有するオリゴマーを合成した.本研究は,化学合成したエチニルヘリセンオリゴマーを用いて異方的・規則的集合体を構築することで,ナノ・マイクロメートルオーダーの分子構造変化をセンチメートル・メートルオーダーのマクロ運動機能に結び付けること,このために生体のように小分子・巨大分子をボトムアップする方法論を開発することを目的としている.今年度は,昨年度に合成した新規化合物群の性質を調べ,その機能開発をすすめた.(1)昨年度,棒状液晶分子を末端に有するオリゴマーを合成し,有機溶媒中においてホモ二重ラセンーランダムコイル間で可逆的に構造変化すること,サーモトロピック液晶性を有することを示した.本年度,円二色性,小角X線散乱,示差走査熱測定などを用い,二重ラセン液晶とランダムコイル液晶と考えられる二種類の液晶を形成することを示した.また,液晶中での分子状態について調べた.さらに,温度および蒸気によって,バルク中でホモ二重ラセンーランダムコイル構造変化を起こし得ることがわかった.二重ラセン分子を異方的に整列させて構造変化を起こすことで運動機能を開発する本研究課題において,極めて有効な結果を得た.二重ラセン液晶ーランダムコイル液晶間の可逆的構造変化を行うために,現在,異なる液晶末端を有する化合物を合成している.(2)昨年度,トリエチレングリコール部を末端に有するオリゴマーを合成し,種々の有機溶媒中で二重ラセンーランダムコイル構造変化を行うことを示した.今年度は水系溶媒中での会合挙動を調べ,加熱により解離・冷却により会合する一般的な二分子会合の熱応答とは逆の挙動を示すこと,即ち加熱により会合・冷却により会解離することを見出した.このような熱応答を示す二分子会合体の報告例は極めて少なく,学術的に意義がある.加えて,この化合物の自己組織化と熱応答についても調べた.現在,これを異方的に集合化するために,LB膜形成を検討している.有機化学(1)本年度の計画は,末端に液晶部位を有するオリゴマーの液晶性を調べ,ポリマー等を用いて自立物質を得たのち厚さ変化を検討する計画であった.

実際には,化合物を合成し,溶液中でホモ二重ラセンを形成することおよび液晶性を有することを確認した.また,液晶状態においてホモ二重ラセンからランダムコイルへの分子構造変化を起こし得ることを示した.自立物質構築は行っていないが,液晶性を調べる過程で,ホモ二重ラセン状態から得られた固体とランダムコイル状態から得られた固体が異なる相転移を起こすなど,研究開始時には予定していなかった現象を見出し,これについても詳細を調べている.(2)本年度の計画は,両親媒性エチニルヘリセンオリゴマーを合成し,多層構造を得る計画であった.予定通り化合物を合成し,溶液中におけるホモ二重ラセンーランダムコイル構造変化について詳細を調べた.多層構造形成については検討中であるが,この第一段階である単分子膜形成の条件検討を行い,適する条件を見出した.開始当初の計画に加え,水系溶媒中でベシクルを形成すること,熱刺激に応答して可逆的に大きさ変化することを見出し,これについても調べている.(3)計画した内容に加え,新規に化合物を設計して合成した.この点について,計画以上の進展があったといえる.以上の状況を考慮し,全体としては当初の計画以上に進展しているといえる.(1)末端に液晶部位を有するオリゴマーの液晶相および分子状態について詳細を明らかにする.続いて,液晶状態においても溶液中と同様に再現良く可逆的なホモ二重ラセンーランダムコイル構造変化を起こす条件を検討する.具体的には,温度および溶媒蒸気への暴露について検討する予定である.続いて,液晶の異方性を利用して分子を配向させた状態で物理的強度を高め,異方性自立物質を構築する方法を検討する.柔軟なポリマーシート上にオリゴマーを配向させ積層化する方法,液晶を電場・磁場によって異方的に配向させた状態で超分子ゲル化剤あるいはポリマー前駆体を加えて液晶含有ゲルを形成させる方法を計画している.(2)親水性トリエチレングリコール部を末端に有する両親媒性エチニルヘリセンオリゴマーについて,ベシクルの大きさ変化と分子構造変化の関係性を調べる.この変化に伴う膜透過性の変化を調べ,ドラッグデリバリーシステムとしての応用を検討する.また, Langmuir-Blodgett法によって,オリゴマーが異方的に並んだ多層構造を有する累積膜を構築する.累積膜中で分子構造変化を起こす条件を検討し,これに伴う膜厚変化を,段階的に膜の累積数を増加させながら分析する.(3)末端にグアニジニウム基を有するオリゴマーについて,溶液中でのホモ二重ラセンーランダムコイル構造変化を調べる.続いて,多価カルボン酸などを加えることで,塩架橋によってオリゴマーが網目状に連結された超分子ゲルの形成を検討する.ホモ二重ラセンに加え,擬鏡像オリゴマーを加えてヘテロ二重ラセン形成を検討する.ヘテロ二重ラセンが集合してリオトロピック液晶を形成し,異方性ゲルを形成すると期待している.これらのゲル中での分子構造変化及びそれに伴う形状変化や体積変化を調べ,運動機能性物質としての機能を開発していく.
がん浸潤時における細胞骨格パターン形成機構の3次元多重染色超解像顕微鏡による解析

多重染色超解像顕微鏡法IRISを高分解能な3次元イメージングへと発展させるため、照明方法、Z方向の分解能、測定中のZドリフトの詳細な検討を行った。IRISでは、標的に結合解離する蛍光プローブを用いて標的を標識するため、標的と結合していない蛍光プローブが溶液中を拡散し、背景光を増大させる。この背景光を抑えることは、蛍光1分子の中心点の精度つまり中心点を積算し再構築される超解像画像の分解能を高めることにつながる。この背景光を抑えるためにシート状の励起レーザーをサンプルに斜めに照射するHILO照明を採用した。適切な測定条件を検討するためにシートの厚さや入射の位置、角度、方向を可変にした。そしてアガロースゲルに埋め込まれた蛍光ビーズの蛍光画像を用いて測定条件に応じた励起範囲を明らかにし、観察するサンプルのXY範囲や高さに応じた最適の励起条件を決めた。また補償光学系MicAO(Imagine Optic社)を導入し、AstigmatismによってZ方向の分解能を光の回折限界以下にした。そしてZ方向の分解能の精度や観察視野内での範囲など、MicAOの実用的な測定条件を検討した。IRISは、蛍光1分子の高精度な位置決定に基づく超解像顕微鏡法の原理を応用しているため、測定時間が数分から数時間と長くなる。このため測定中のZドリフトは、Z方向の分解能に大きな影響を及ぼす。そこで、Zドリフトを抑えるための様々な測定条件や機器の検討を行った。これらの測定条件を検討することで、Z分解能が150200 nm程度の細胞頭頂部のアクチン細胞骨格や微小管の3次元超解像画像を得ることができた。これらの成果は、第18回国際薬理学・臨床薬理学会議(2018.7京都)でポスター発表し、さらに第92回日本薬理学会(2019.3大阪)のシンポジウムでより詳細に報告した。IRIS方式の超解像顕微鏡法を高分解能な3次元イメージングへと発展させるためには、いくつかの要素技術を検討する必要があった。背景光を抑えるためHILO照明の実験条件を検討した。ライトシートの厚さを変えるために位置と幅を変えられる可変スリットを導入した。さらにレーザーの入射の角度と方向を可変にするため、2軸のステップモーターで傾きを変えられるミラーを光路に導入した。これらの測定条件を検討することで、カバーガラスから高さ10 μmの場所でも結合解離プローブの蛍光1分子画像が取得でき、IRIS超解像画像を再構築できるようになった。しかし、HILO照明だけでは、焦点面内でのZ方向の分解能は光の回折限界を超えられない。そこで、補償光学系を導入し、AstigmatismによってZ分解能を高めた。さらに測定中のZドリフトを抑えるためにピエゾ素子を利用した対物レンズの駆動システムを導入した。そしてオリンパス社製のZドリフトコンペンセータシステムと組み合わせることで、Zドリフトを標準偏差30 nmまで抑制した。これらの測定条件を検討することで、Z分解能150200 nmの3次元超解像イメージングを構築できた。転移性のがん細胞は、細胞外からの刺激によって細胞骨格を3次元的に再構成し、浸潤・転移していく。この分子メカニズムを解明するため、EGF受容体とその下流のシグナル分子に対する結合解離プローブの作製を進める。また3次元超解像イメージングのZ方向の分解能の改善を進める。AstigmatismによるZ方向の分解能は、蛍光1分子のシグナル強度に依存する。そこで、結合時間のより長いプローブの作製やより多くのphotonを放出する蛍光色素の選定を進める。さらに測定中のZドリフトを抑制するだけではなく、Zドリフトを光の回折限界以下の範囲で検出し、補償するシステムの構築を進める。そしてEGF刺激を行った時のアクチン線維や微小管の動態を蛍光アクチンの単分子可視化法とEB1のタイムラプスイメージングで観察し、その後取得する3次元多重染色超解像画像に重ね合わせることで、細胞骨格と接着斑の配置パターンの3次元的な再構成機序を明らかにする。研究代表者が最近開発した超解像顕微鏡法IRIS(Image Reconstruction by Integrating exchangeable Single-molecule localization)は、既存の手法よりも高密度な標識による精緻な画質と標的タンパク質の連続多重染色を可能にしている(Kiuchi et al., Nature Methods 12: 743-746, 2015)。IRISでは、標的タンパク質に結合解離する蛍光プローブによって、標的を標識する。結合解離プローブは、絶えず入れ替わっているため、標的に強く結合する蛍光抗体や蛍光タンパク質による標識と比べて、蛍光退色によるシグナルの消失がない。このためIRISは、多数枚の蛍光画像が必要になる3次元超解像イメージングに適している。本研究では、ライトシート状のレーザーを斜めに照射するHILO様照明とIRISを組み合わせることで、Zスライス超解像画像を得ることを可能にした。さらに顕微鏡とカメラの間に補償光学系を導入することで、astigmatismを利用して蛍光単分子のZ方向の位置を高精度に決定することを可能にした。この3次元超解像イメージングへと発展させたIRISによって、細胞頭頂部の微小管が、Z方向で幅500 nmの範囲内で重なり合っている様子が観察できた。

これらの研究成果は、第69回日本細胞生物学会年会(2017.6,仙台)や第10回「細胞を創る」研究会(2017.10,京都)、第50回バイオサロン(2017.12,京都)で報告した。転移性のがん細胞は、生体組織中の細胞外基質や周囲の細胞と相互作用し、細胞骨格と接着斑を3次元的に適切なパターンで再配置する。研究代表者は、これらの細胞内構造の3次元的な再構成機序を解析するため、IRIS方式の3次元超解像イメージングを試みてきた。これまでは、全反射照明と落射照明を組み合わせることでカバーガラスから200 nmほどの高さのアクチン線維、微小管、中間径フィラメントの3次元的な超解像画像を得てきた。しかし、この方法では、観察できるZ方向の範囲は、カバーガラス近傍に限定されてしまう。そこで、本研究では、IRISにHILO様照明と補償光学系を組み合わせることで、カバーガラスから数十マイクロメータの高さでも観察できる3次元IRIS超解像イメージングの構築を進めている。多重染色超解像顕微鏡法IRISを高分解能な3次元イメージングへと発展させるため、照明方法、Z方向の分解能、測定中のZドリフトの詳細な検討を行った。IRISでは、標的に結合解離する蛍光プローブを用いて標的を標識するため、標的と結合していない蛍光プローブが溶液中を拡散し、背景光を増大させる。この背景光を抑えることは、蛍光1分子の中心点の精度つまり中心点を積算し再構築される超解像画像の分解能を高めることにつながる。この背景光を抑えるためにシート状の励起レーザーをサンプルに斜めに照射するHILO照明を採用した。適切な測定条件を検討するためにシートの厚さや入射の位置、角度、方向を可変にした。そしてアガロースゲルに埋め込まれた蛍光ビーズの蛍光画像を用いて測定条件に応じた励起範囲を明らかにし、観察するサンプルのXY範囲や高さに応じた最適の励起条件を決めた。また補償光学系MicAO(Imagine Optic社)を導入し、AstigmatismによってZ方向の分解能を光の回折限界以下にした。そしてZ方向の分解能の精度や観察視野内での範囲など、MicAOの実用的な測定条件を検討した。IRISは、蛍光1分子の高精度な位置決定に基づく超解像顕微鏡法の原理を応用しているため、測定時間が数分から数時間と長くなる。このため測定中のZドリフトは、Z方向の分解能に大きな影響を及ぼす。そこで、Zドリフトを抑えるための様々な測定条件や機器の検討を行った。これらの測定条件を検討することで、Z分解能が150200 nm程度の細胞頭頂部のアクチン細胞骨格や微小管の3次元超解像画像を得ることができた。これらの成果は、第18回国際薬理学・臨床薬理学会議(2018.7京都)でポスター発表し、さらに第92回日本薬理学会(2019.3大阪)のシンポジウムでより詳細に報告した。IRIS方式の超解像顕微鏡法を高分解能な3次元イメージングへと発展させるためには、いくつかの要素技術を検討する必要があった。背景光を抑えるためHILO照明の実験条件を検討した。ライトシートの厚さを変えるために位置と幅を変えられる可変スリットを導入した。さらにレーザーの入射の角度と方向を可変にするため、2軸のステップモーターで傾きを変えられるミラーを光路に導入した。
遅延積演算処理を応用した高距離分解能ブリルアンリフレクトメトリ

光ファイバ中の自然ブリルアン散乱を時間領域で測定し、その散乱光の周波数シフトの温度・ひずみ依存性を利用して、その分布を測定するセンサをBOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)と呼ぶ。本研究は、BOTDRのプローブ光を位相シフト変調した短・長パルスで構成し、後方ブリルアン散乱信号に対して遅延積演算を応用した信号処理を行うことにより、BOTDRの距離分解能や周波数測定精度の向上が図れることを明らかにした。光ファイバにレーザー光を入射すると周波数がシフトした後方ブリルアン散乱光(BS)が発生する。このBSの周波数シフトは環境によって変化することが知られている。そこで、光ファイバにパルス光を入射したときに得られる、光ファイバからのBSの時間波形を、受信周波数を変えながら測定し、BSの周波数シフト量を時間の関数として求めることにより、光ファイバの長さ方向に沿ったひずみ/温度の分布を測定することが可能である。この測定手法をブリルアン時間領域リフレクトメトリ(BOTDR)と呼んでいる。BOTDRの応用分野を拡大するためにはその距離分解能を高める必要があるが、そのためにパルス幅を狭くし、受信帯域を拡大すると、信号強度の低下と雑音の増大が発生し、従来、その研究開発は困難を極めていた。本研究では、BOTDRの距離分解能を10cmないしcmオーダーに向上させるために、BOTDRでヘテロダイン受信した信号に対して遅延積演算処理を施すことを提案し、それによってBSの位相情報も利用可能とした高効率な受信性能を達成することを提案している。そこで、本研究の初年度である平成25年度は、1)ヘテロダイン受信が可能なBOTDRの実験系の構築と、2)それを使った遅延積演算処理によるBSの位相情報の検出に関して研究を進めた。その結果、1)については、パルス幅5ns(距離分解能50cm)のヘテロダイン受信BOTDRの実験系を構築した。また、2)については、構築した実験系において、位相シフト変調した光パルスを発生させ、その入射によって得られたBSのヘテロダイン受信信号に対して遅延積演算処理を施したところ、予想通り、極性が反転した信号が得られることを確認できた。以上から、位相シフト変調による符号化高距離分解能BOTDRの見通しを得ることができた。平成25年度は研究立上げの年と位置付け、成果発表は平成26度以降に行う。平成26年度は、位相符号化したBOTDRの研究を進める予定であった。しかし、以下の理由により、研究手順を変更して実施した。1)BOTDRでは、ブリルアン散乱スペクトルを測定するために、多数の周波数において後方ブリルアン散乱光の信号波形を測定する必要がある。そのため、光周波数切り替え速度や、各信号波形の記録とその処理速度が遅いと、測定に長時間を要することになる。2)装置化された従来BOTDRでは、それらの処理が自動化されており、測定時間性能が改善されている。しかし、位相符号化を図ったBOTDRの本研究では、信号波形の記録とその処理に関する新たな方式を検討する必要が生じ、短期間でその自動化をハードウェアで実現することは困難であると判断した。3)そこで、ブリルアン散乱スペクトルの解析手段として、FFT(高速フーリエ変換)を使用し、ハードウェアによる処理を、コンピュータを使った信号処理で行うことにした。その信号処理はオフラインで実行できるため、本研究の目的である位相符号化を図ったBOTDRの研究を効率的に推進することが可能となる。以上の理由から、平成26年度は1)FFTを使用したBOTDRの実験系の構築と、2)その信号処理方法について研究した。1)については、広帯域光バランスドレシーバを使用することにより、距離分解能約10cmが可能なBOTDRの実験系を構築した。2)については、後方ブリルアン散乱光の信号波形にFFTを適用する方法について検討した。距離分解能を劣化させることなくブリルアン周波数シフトを高精度に測定するためには、単に、入射パルスの時間幅で信号波形を切り出すのではなく、切り出した信号波形に零を補填し、時間幅を100nsないし200ns程度まで拡張した信号にFFTを適用することが有効であることを明らかにした。この成果は、第54回光波センシング技術研究会で報告した。2013年度には、後方ブリルアン散乱光の位相情報も含む測定法を明らかにした。2014年度には、後方ブリルアン散乱光のスペクトルを高速周波数変換(FFT)処理によって周波数精度を劣化することなく解析する方法を明らかした。今年度は以上の研究成果を踏まえ、光ファイバに入射する光プローブを、短パルスと長パルスを組み合わせて構成し、その短・長パルス光の位相は連続としたものと、πシフトさせた2種類とすることを提案した。そしてヘテロダイン検出した後方ブリルアン散乱光信号を、両パルスと同じ時間幅を有する2種類の窓関数WSとWLで切り出す。切り出した両信号の相互相関を多数回測定し、その平均をCWL(τ)とする。このときCWL(τ)には、狭い区間からの後方ブリルアン散乱光以外に、広い区間からの後方ブリルアン散乱光の情報も含まれる。そこで、本研究では上述の2種類の光プローブを入射して測定したCWL(τ)の差分を求める。2013年度の研究成果から、相互相関には位相の情報が記録されているので、差分計算により広い区間からの後方ブリルアン散乱光の信号は打ち消され、高い距離分解能での測定が可能となることが期待される。

FFTを適用して求めたCWL(τ)のスペクトルは、ブリルアン周波数シフトを中心とした狭い幅を有するものとなる。また、先行研究のダブルパルスBOTDR(DP-BOTDR)のときに観測されるリップルを含むこともない。その結果、ブリルアン周波数シフトの高精度な測定も可能となる。光プローブのパルス幅を、TS=2 ns, TL=32 nsとした実験を行い、提案法によって高距離分解能測定が可能であること(実験ではTS=2 nsに対応した20 cm)、測定されるブリルアン散乱光スペクトルは狭く抑えられること(実験では50 MHz)の検証に成功した。光ファイバ中の自然ブリルアン散乱を時間領域で測定し、その散乱光の周波数シフトの温度・ひずみ依存性を利用して、その分布を測定するセンサをBOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)と呼ぶ。本研究は、BOTDRのプローブ光を位相シフト変調した短・長パルスで構成し、後方ブリルアン散乱信号に対して遅延積演算を応用した信号処理を行うことにより、BOTDRの距離分解能や周波数測定精度の向上が図れることを明らかにした。先の「研究実績の概要」で述説明したように、研究効率を考え、FFTを使用して周波数領域で信号の解析を行う方法の研究を優先して進めた。そのため、当初平成26年度に予定していた検討は、平成27年度に実施することに変更した。しかしながら、FFTを使用した信号解析は、本研究の位相符号化したBOTDRの信号解析にも有効であり、さらに、それは位相符号化したBOTDRの完成バージョンにも必須のものに成りえると考えている。以上のことから、研究は順調に進展していると判断する。計測工学平成25年度の研究により、本研究の基本原理を確認し、また、平成26年度の研究により、従来BOTDRへFFTを適用する効果的な方法を明らかにすることができた。そこで平成27年度は、位相シフト変調による符号化高距離分解能BOTDRを提案する。またその信号のブリルアン散乱光スペクトルの解析、および、符号化された信号の復号に、FFTを応用する方法も提案する。そして、提案BOTDRの性能を以下の3段階にわけて実証していく。3)上の1)と2)の符号を入れ子構造とし、位相符号化したBOTDRなお、入射パルスのピークパワーが高くなったとき、誘導ブリルアン散乱や自己位相変調などの影響により、自然ブリルアン散乱光のスペクトルの正確な測定が困難になることが予想される。そこで、上記3)の入れ子構造符号化方式において、最適な符号の種類、符号の長さの組合せについても検討する。以下の2項目を計画通り達成したので、研究は順調に進展していると判断する。1)ヘテロダイン受信BOTDRの実験系の構築とその動作の確認2)上の1)の実験系を利用して、参照パルスと位相をπシフトさせたパルスを光ファイバに入射し、光ファイバからの後方ブリルアン散乱光をヘテロダイン検出し、その検出信号に対して、提案の遅延積演算処理を行ったところ、極性を反転させた信号波形が得られることを実証した。
光双安定系におけるストカススティック共鳴現象

ストカスティック共鳴とはコヒーレントな信号と雑音の協力効果によって出力の信号対雑音比が共鳴的に増大する現象である。雑音印可による信号対雑音比の増大という奇妙な性質にもかかわらず、様々な系において起こりうることが知られている。入力雑音強度を制御することによって出力の信号対雑音比が制御できるという点から、ストカスティック共鳴は信号処理、とくに光信号処理への応用が期待できる。この点から光学的な系を用いたストカスティック共鳴の研究は重要であり、本研究はこの基礎をなすものである。また、この共鳴の性質は雑音の相関時間に大きく依存するので、この依存性を研究する必要がある。本研究では、光学的双安定系を用いたストカスティック共鳴の実験を行った。実験に用いた光学的双安定系は電気光学素子と偏光子により構成され、電気的に帰還を行うもので、容易に安定な動作が可能、動作光波長範囲が広い、低光パワーでも動作可能などの特長を持つ。実験から、雑音相関時間が小さいほど信号対雑音比のピーク値が大きく、共鳴の幅が狭く、ピークを与える雑音強度が小さいという結果が得られた。また、適用範囲の広い、単純な双安定モデルを用いて計算機シミュレーションを行った。計算機シミュレーションは、4次関数の双安定ポテンシャル項を持つ、過減衰系のLangevin方程式について行った。計算結果は、実験結果を良く再現した。用いた方程式は、本実験に用いた光双安定系に固有のものではなく、双安定系一般を表現できるものであるため、本研究の結果は他の双安定におけるストカスティック共鳴にも適用することができる。ノイズ光発生制御システムの開発及び出力光スペクトル解析システムの製作が終了し、光双安定系におけるストカスティック共鳴の本実験の準備が完了した。1.ノイズ光発生制御システムの開発:計算機によって、様々な統計性をもつノイズ波形を発生させるプログラムを開発し、振幅、相関時間など波形の統計的性質を特徴づけるパラメータを制御できるようにした。その波形を任意波形発生器に転送して光変調器に出力することにより、チタンサファイアレーザーの光出力に強度或は偏光度の変調を加え、100MHz程度のバンド幅をもつ制御可能なノイズ光源を開発した。2.出力光スペクトル解析システムの製作:出力光を光検出器で検出して時間軸の波形としてトランジェントデジタイザに記憶し、積算結果を高速フーリエ変換(FFT)して周波数軸のスペクトルを得るプログラムを製作した。3.純光学的光双安定系の製作及びテスト実験:高反射率ミラーを用いて光共振器を構成し、その中にルビジウム(Rb)原子気体セルをいれて、^2S_<1/2>-^2S_<1/2>遷移(D_1線)を利用した純光学的光双安定系を製作した。非線形分散を利用した履歴特性をもつタイプと、光ポンピングによるスピン偏極を利用したフォーク形分岐特性をもつタイプの2種類の光双安定性を用意し、それぞれの双安定動作特性を実験的に調べた。

実験から、雑音相関時間が小さいほど信号対雑音比のピーク値が大きく、共鳴の幅が狭く、ピークを与える雑音強度が小さいという結果が得られた。また、適用範囲の広い、単純な双安定モデルを用いて計算機シミュレーションを行った。計算機シミュレーションは、4次関数の双安定ポテンシャル項を持つ、過減衰系のLangevin方程式について行った。計算結果は、実験結果を良く再現した。用いた方程式は、本実験に用いた光双安定系に固有のものではなく、双安定系一般を表現できるものであるため、本研究の結果は他の双安定におけるストカスティック共鳴にも適用することができる。