hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
並列処理における負荷分散の最適化手法に関する研究-知能ロボットの制御への応用-

本研究においては、実際の並列処理システムにおいて適用可能な、最適な負荷分散手法を提案すると共に、ロボット・アームの計算機制御に応用して、その有効性を確認した。(1)スケジューリング問題の定式化:並列計算機モデルとしては、実用性と汎用性に優れたMIMD分散メモリ方式を採用した。また、並列化するプロセッサとしては、シグナル・プロセッサ(DSP)を使用した。この並列処理システム(マルチDSPシステム)において、データ処理のタイミングに関わる、幾つかの時間的な制約条件を明かにすると共に、スケジューリング問題を組合せ最適化問題として定式化した。(2)最適化アルゴリズムの提案:対象とするスケジューリング問題に対して、分枝限定法に基づき最適解を厳密に求めることができる最適化アルゴリズムと、実用的な準最適化アルゴリズムをそれぞれ提案した。(3)最適化コンパイラの開発:並列処理全体としての効率を高めるためには、並列化された各プロセッサ事に行われる逐次処理の計算効率を高める必要がある。そこで、数式処理的な手法を用いて、計算プログラムを、含まれる演算回数が最少であるという意味で最適化することができる最適化コンパイラを開発した。(4)ロボット・アームの制御への応用:提案した並列処理手法とスケジューリング・アルゴリズムを、ロボット・アームの計算機制御による実時間処理に応用して、その有効性と実用性を確認した。(5)今後の研究の展開:並列処理は、ロボット・アームの制御則の計算のように、膨大な演算を含む計算の実時間処理において、特に嘱望されている。ところが、スケジューリング問題の規模が大きくなると、最適化アルゴリズムが使用できないために、効率的な並列処理が行えないというジレンマに陥る。そこで、今後の研究の展開としては、スケジューリング問題に対する確率的アルゴリズム(遺伝的アルゴリズム)の構築方法を検討すると共に、今回提案した各アルゴリズムとの比較を行いたい。
顔面頭蓋骨および歯列の三次元的成長発育に関する教育用デ-タベ-ス

本研究は、顔面頭蓋骨および歯列の三次元的成長発育に関する教育用デ-タベ-スの作成を目的として行なった。その過程において得られた研究成果の概要を以下に示す。1.顔面頭蓋骨および歯列槽部の三次元形態計測システムについて(1)顔面頭蓋骨の三次元形態計測に関しては、画像処理を応用し、正面、側面、左右斜位の4方向から撮影された頭部X線規格写真のトレ-スを用いて、顔面頭蓋骨を可能な限り実体に近い形で三次元表示するシステムを開発した。(2)歯列歯槽部の三次元形態計測に関しては、レ-ザを用いた歯列模型三次元形状測定装置に対して、光学系に反射鏡の設置、走査系に回転テ-ブルの導入を行ない、歯列模型表面形状全体を計測可能にするとともに、デ-タの格納にEMSメモリを応用し、計測の高速化と操作の簡易化をはかった。また、バイトプロックデ-タを用いることにより、上下顎歯列模型デ-タを咬合状態でマッチングすることが可能となった。2.顔面頭蓋骨および歯列の成長発育について(1)顔面頭蓋骨の思春期成長期における成長変化に関しては、思春期成長前の形態特性と関連した20のパタ-ンが抽出された。(2)顔面頭蓋骨と歯列の形態的調和に関しては、成長発育の過程において、正常な咬合機能を維持するため、顔面頭蓋骨の成長特性に対応して種々の歯列の補償機構の存在することが確認された。(3)顎骨内における歯胚の経時的な動きに関しては、特に咬合の鍵となる上顎第一大臼歯を対象に検討を加えた。その結果、萌出までの歯胚の年間移動量は35mmであり、平均は4.2mmであることが確認された。本年度の研究経過に関しては、資料整理ならびに各種三次元形状測定システムの改良について以下の成果を得た。まず、本学部矯正学教室所蔵の北海道南幌町において採得した6才から8才にわたる連続資料(男子161名、女子152名)から、頭部X線規格写真および歯列石膏模型の再整理を終了した。さらに、歯列石膏模型の咬合状態の観察と頭部X線規格写真による顔面頭蓋形態の分析から、骨格的に正常成長を示す群、骨格性上顎前突者群および骨格性反対咬合者群の分類を行なった。各種三次元形状測定システムについては、まず画像処理システムによる頭部X線規格写真からの三次元座標の抽出に関して、これまで下顎骨辺縁のみが応用可能であったが、ソフトウェアを改良し、眼窩、梨状孔乳様突起部にも適用し、下顎骨の顔面頭蓋複合体内での三次元的位置を測定できるようになった。今後はCTスキャナ等の情報も利用し、上顎骨をはじめ、さらに広範囲にわたる三次元構築を行なう予定である。また、歯列石膏模型の三次元形状測定に関しては、咬合採得に用いたワックスバイトを利用して、上下歯列模型デ-タを同一空間内で三次元的にマッチングできるよう、システムを改良した。今後は骨格系のデ-タとのマッチングが必要である。測定システムに関して、以上のような未解決の問題もあるため、当初平成元年度の計画に予定していたデ-タベ-スシステムの作成は、次年度以降の予定に組み入れた。1.顔面頭蓋骨、歯列の成長発育に関する基礎的デ-タに関して本学部歯科矯正学講座所蔵の北海道南幌町において採得した連続資料(6才18才、頭部X線規格写真、歯列石膏模型)について、その再整理を完了し、永久歯の萌出年齢の調査および側面頭部X線規格写真からの形態計測を終了した。永久歯萌出年齢に関しては、これをもとにして第一大臼歯の萌出遅延の研究を行ない、第31回北海道矯正歯科学会に報告し、同学会誌に投稿した。また、側面頭部X線規格写真からの形態計測に関しては、現在、クラスタ-分析による顔面パタ-ンの分類を行なっている。

その結果、これまでのところ、正常咬合を有する群においても、少なくとも6パタ-ンの存在することがわかり、今後、各パタ-ンにおける成長発育上の特微を検討する予定である。2.三次元形態計測システムの開発について画像処理システムによる頭部X線規格写真からの三次元座標の抽出に関しては、上下顎骨を含めた広範囲にわたる立体表示のために、骨辺縁あるいは計測点の三次元座標の他、これらの間を補間するデ-タが必要であることが確認された。これに関しては、現在、成人男女10名を用いてCTスキャナ断層像と頭部X線規格写真から抽出した三次元座標とのマッチングを行ない、補間方法についての検討を行なっている。将来的には、各年齢層について断層面毎に形態再現のためのテンプレ-トを作成し、これをもとにした立体表示が必要であると考えている。1.顔面頭蓋骨および歯列の成長発育に関して(1)顔面頭蓋骨の成長変化に関するパタ-ンの抽出について北海道大学歯学部歯科矯正学講座所蔵の成長発育に関する経年的資料を用い、思春期成長期における顔面頭蓋骨の成長変化について検討を加えた。その結果、思春期成長期における成長変化に関して、思春期成長前の形態特性と関連した20のパタ-ンが抽出された。(2)顔面頭蓋骨と歯列の形態的調和について思春期最大成長を1年以上経過したいわゆる正常被蓋者の顔面頭蓋形態と前歯歯軸あるいは咬合平面の傾斜等の歯列の形態との関連について検討を加えた。その結果、正常被蓋者の顔面頭蓋形態は、それぞれパタ-ンの異なる13のグル-プに分類され、特に、上下顎の前後的あるいは上下的関係に不調和の傾向をもつグル-プにおいては、それぞれのグル-プで正常被蓋を維持するための特徴的な前歯歯軸傾斜、歯槽部の高さ、あるいは咬合平面の傾斜をもつことが明らかとなった。2.頭部X線規格写真を用いた顔面頭蓋骨の三次元表示システムの開発顔面頭蓋骨の三次元形態計測に関しては、画像処理を応用し、正面、側面、左右斜位の4方向から撮影された頭部X線規格写真のトレ-スを用いて、顔面頭蓋骨全体をを可能な限り実体に近い形で三次元表示するシステムを開発した。
治療標的分子探索を目指したNFκBシグナルによる軟骨・骨の包括的制御機構の解明

軟骨のマスター転写因子SOX9の上流プロモーター配列の高度保存領域を用いたルシフェラーゼアッセイによって、NF-kBシグナルの転写因子であるRelAがSOX9のプロモーター活性を極めて強力に活性化することが判明した。RelAとSOX9はマウス胎児の四肢軟骨組織において共局在していることが免疫組織染色によって明らかとなった。SOX9プロモーターのデリーション、ミューテーションを用いた解析により、RelAの応答領域として転写開始点上流-250bp付近にNF-kB結合領域を同定することができた。RelAを強制発現することにより、HeLa細胞やATDC5細胞において軟骨の初期分化は促進された。以上のことからRelAはSOX9の誘導を介して軟骨の初期分化を促進的に制御することが証明された。軟骨細胞における発現解析ではNFκBシグナルを担う転写因子の全てが比較的豊富に発現していることが判明したが、特にその主要分子RELAの発現量が最も多かった。RELAのmRNAレベルの発現は初期から後期まで大きな変化はなく、RELAの主要な制御はタンパクレベルで行われていることが示唆された。RELAノックアウトマウスの成長を解析したところ、RELAホモノックアウトマウスは胎性致死ではあったが肢芽発生時から著明に発達障害がみられた。組織学的には軟骨細胞の密度も低く、増殖も極端に障害され、さらに肥大分化から骨組織への置換においても明らかな遅延がみられた。これに加えて培養軟骨細胞でもsiRNAのウイルスベクターを用いて検討を行ったところ、RELAの欠損あるいは抑制により、2型コラーゲンやSOX9、SOX6などの初期分化マーカーのみならず、10型コラーゲンなどの後期分化マーカーの発現も減弱した。さらに各マーカー遺伝子のプロモーター・レポーターベクターを用いてスクリーニングを行ったところ、RELAは10型コラーゲン、MMPなどの軟骨基質分解酵素を強く誘導して変形性関節症に促進的に作用する転写因子HIF2Aを強力に誘導することが明らかとなり、プロモーター解析によってその応答部位も同定することに成功した。さらに、マウス変形性関節症モデルにおいては、軟骨変性の初期・中期にHIF2Aの発現が増強するが、核内のRELAのシグナルもほぼ同調して増強しており、NFκBシグナルがHIF2Aの上流シグナルとして作用していることが示唆された。Relaホモおよびヘテロノックアウトマウスにおいて明らかな骨格形成不全がみられたことから、さらに詳細に解析すべくRela-floxマウスを入手、Prx1-Cre、Col2-Creマウスとの交配により軟骨形成の各段階ごとに組織特異的な遺伝子ノックアウトを行ったところ、軟骨基質の産生障害を主体とする骨格形成不全がみられたが、細胞増殖に対する作用は少なく、また肥大軟骨細胞層以降には目立った異常は認めなかった。RelAノックアウトマウスから採取した初代軟骨細胞や、ウイルスベクターを用いた軟骨系細胞株ATDC5を用いて、NF-kBシグナルおよびRelaの転写標的を解析したところ、SOX9、SOX6、COL2A1などの主要な軟骨マーカー遺伝子がRelaの直接の転写標的であることが判明した。その転写調節領域をそれぞれ解析してRelaの応答部位の同定を行い、ゲルシフトアッセイ、クロマチン免疫沈降アッセイによってタンパクレベルでの同部位への結合を確認した。またRelaの上流でその活性を規定するシグナルとして、GSK3を新たに同定した。GSK3にはGSK3αとGSK3βの二つのアイソフォームが知られているが、この二つのGSK3によってRelaがリン酸化され、それによって転写活性が増強することがin vitroで確かめられ、in vivoでもGSK3ノックアウトマウスとRelaコンディショナルノックアウトマウスの表現型が類似することを証明した。昨年度までの解析で、Relaホモおよびヘテロノックアウトマウスにおいて明らかな骨格形成不全がみられたものの、Rela-floxマウスを入手してPrx1-Cre、Col2a1-Creマウスとの交配により軟骨形成の各段階ごとに組織特異的な遺伝子ノックアウトを行ったところ、軟骨基質の産生障害を主体とする骨格形成不全がみられ、細胞増殖や肥大軟骨細胞層以降には目立った異常は認めなかった。そこで本年度はタモキシフェン誘導性のCol2a1-CreERTをRela-floxと交配させ、骨格形成が終了した後に変形性関節症モデルを作成して解析したところ、Relaのノックアウトによって関節軟骨の変性がコントロールと比較して早くなることが判明した。一方で培養細胞系での検討では、Relaを過剰発現させるとCol2a1やSox9などの軟骨形成性の分子が誘導されるのと同時に、Mmp13,Adamts5などの軟骨変性を惹起する分子が誘導されることが明らかとなった。NFkBシグナルをわずかに刺激すると軟骨形成性の分子が誘導される傾向があるのに対し、強く刺激すると変性シグナルが誘導されることも明らかとなった。

また昨年度にRelaの上流活性化分子として新たにGSK3α・βを同定したが、その後の解析によってRelaのT254とS276がGSK3α・βによるリン酸化サイトであることを同定し、これらのリン酸化によって軟骨形成性分子の誘導能が高まることを明らかにした。これらのリン酸化は免疫組織染色によって生体内でも確認された。
対流と傾圧不安定の相互作用に注目した高緯度海域における底・深層水形成過程の研究

傾圧流が存在する理想化された状況において、一様な海面冷却を加える実験を3次元非静水圧方程式に基づく数値モデルを用いて行った。初期に傾圧的に安定な流れは、海面冷却に伴う対流が混合層を形成するともに不安定化し、高・低気圧性渦を生成する。高気圧性渦の性質は高緯度海域でしばしば観測されるsubmesoscale coherent vortex(SCV)の性質に一致した。これらの渦に伴う下層への海水輸送量は基本場の等密度面勾配にほぼ比例する。その輸送過程をパラメタリゼーションによって再現するためには、非断熱過程(対流)が輸送過程に果たす役割を考慮する必要がある。対流と傾圧不安定の相互作用に注目した高緯度海域における底・深層水形成過程の物理機構を明らかにするため、傾圧流が存在する理想化された背景場に対して一様な海面冷却を加え続ける実験を、3次元非静水圧方程式に基づく数値モデルを用いて行った。モデル領域(格子幅)は、対流と傾圧不安定のいずれもが再現できるように、水平100km(100m)、鉛直3km(350m)とし、成層の強さ、傾圧流の強さ・深さや海面冷却率に対する現象の依存性を調べた。傾圧的に安定な流れは、海面冷却にともなう対流がほぼ鉛直一様な混合層を形成することによって不安定化し、高・低気圧性渦を生成する。それらの性質は線形安定性解析から見積もられるものに一致した。すなわち、成層が弱いほど、よりスケールの小さな不安定がより早く成長する。傾圧流が全水深にわたる場合には、海底付近に形成される高気圧性渦は非常に微弱であるのに対して、傾圧流が全水深に及ばない場合には、対流混合層の底に顕著な高気圧性渦が形成される。その渦は混合層水を効果的に取り込み、海面付近に形成される低気圧性渦と対をなして、傾圧流帯(密度前線帯)から速やかに遠ざかることが認められた。また、高気圧性渦に取り込まれた海水層には弱い成層構造が見られた。これらの性質は、ラブラドル海やグリーンランド海でしばしば観測されるsubmesoscale coherent vortex (SCV)の性質に一致しており、対流と傾圧不安定の相互作用がSCVの生成機構として働く可能性が示された。海面冷却下で混合層内に励起される傾圧不安定の輸送過程に対する役割を、背景の密度層強度の違いに注目して調べた。成層強度が中低緯度で見られる程度の場合、傾圧不安定はほぼ混合層内に限られ、下層への熱輸送も少ない。これに対して、高緯度での成層強度のもとでは、混合層の深さを遙かに越える不安定が生じ、それにともなう下層への輸送が対流混合だけの場合に比べて強化され、底・深層水の効果的な形成を引き起こす。また、下層への輸送量は基本場の等密度面勾配にほぼ比例することが明らかになった。以上の結果を受けて、海面冷却下で発生・発達する傾圧不安定による輸送過程をいわゆるGent-McWilliamsのパラメタリゼーション(以下、GMスキーム,Gent and McWilliams (1991))によってどの程度再現されるかを調べた。冷却の作用によって混合層内に発達する傾圧不安定の成長率が基本場のそれより24倍大きいことを考慮し、混合層内での渦輸送係数、等密度面拡散係数を下層より4倍大きく設定して水平10km格子での実験を行った。基本場の成層が強い場合は、混合層内および深層における水温の鉛直分布が良好に再現されることを確認した。一方、成層の弱い場合には、底・深層における水温分布が十分には再現されない。この場合には、GMスキームでは考慮されていない非断熱過程(対流)が輸送過程に対して本質的な役割を果たしていると考えられ、そのパラメタリゼーションには新たな定式化が必要であることが示唆される。傾圧的に安定な流れが、海面冷却にともなう対流により混合層が形成することによって不安定化し、高・低気圧性渦を生成する。なかでも高気圧性渦の性質は、ラブラドル海やグリーンランド海でしばしば観測されるsubmesoscale coherent vortex(SCV)の性質に一致しており、対流と傾圧不安定の相互作用がSCVの生成機構として働く可能性が示された。また、これらの渦に伴う下層への海水輸送量は基本場の等密度面勾配にほぼ比例することが明らかになった。

以上の結果を受けて、海面冷却下で発生・発達する傾圧不安定による輸送過程をいわゆるGent-McWilliamsのパラメタリゼーション(以下、GMスキーム,Gent and McWilliams(1991))によってどの程度再現されるかを調べた。基本場の成層が強い場合は、混合層内および深層における水温の鉛直分布が良好に再現されるのに対し、成層の弱い場合には、底・深層における水温分布が十分には再現されない。GMスキームでは考慮されていない非断熱過程(対流)が輸送過程に対して本質的な役割を果すと考えられる。これを考慮するためには、極域での対流が持つ他海域とは異なる特性を明らかにする必要があることを確認した。
アマモ場の衰退・再生阻害機構の解明ー環境因子および除草剤の複合影響ー

除草作用を持つ農薬や船底塗料用防汚剤等の化学物質(=以下、除草剤)および光量や水温等の環境因子がアマモ(Zostera marina)に及ぼす複合作用について明らかにするため、複合曝露試験を実施した。瀬戸内海沿岸域の海水中から高い頻度で検出されている光合成阻害剤イルガロール1051、ジューロン、ブロマシル、および、シアナジンそれぞれについて既報を参考にして50%ile値および90%ile値を求め、上記4物質の50%ile濃度混合溶液および90%ile濃度混合溶液を作製した。試験は、助剤対照区、50%ile濃度混合溶液曝露区(L濃度区)、および、90%ile濃度混合溶液曝露区(H濃度区)の3区を1グループとし、2グループを用意して、それぞれ約47 umol/m2/s (Dark区)あるいは約120 umol/m2/s(Light区)となるように光を照射し、14日間のアマモ親株の流水式曝露試験を実施した。また、平成30年度は22, 25, 18,および14°Cの4水温で試験を実施した。曝露試験の結果、いずれのグループにおいてもH濃度区において最大量子収率は助剤対照区と比較し有意に低い値を示した。この傾向は異なる水温下でも同様であった。葉の生長に関しては、いずれの水温においてもDark区の個体がLight区の個体より低くなる傾向を示した。また、水温が22 °C以上の場合には、Dark区およびLight区ともに助剤対照区およびL濃度区あるいはH濃度区との間に有意な差は認められなかったが、18 °C以下の場合にはDark区において助剤対照区と比較してH濃度区の個体の生長は有意に低い値を示した。以上の結果から、ある水温以下で、なおかつ光が不十分であると除草剤の影響が出やすいことが示唆された。平成30年度の研究計画は、除草剤濃度、光条件、および、水温を様々に変化させた、環境因子および除草剤の複合曝露試験を実施することである。ごとにアマモに対する毒性を明らかにすることである。2除草剤濃度、2光条件、4水温の複合曝露試験を実施した結果、18 °C以下の水温で、なおかつ光が不十分であると除草剤の影響が出やすいことが示唆する結果を得た。さらに、アマモ種子の発芽をエンドポイントとする毒性試験を実施するため、発芽時に差次的発現する代謝物を検索するためのサンプルを得て、外注分析を実施した。また、関連する内容の論文を国際誌において一編発表した。以上を鑑み概ね計画通りに進行していると判断した。今後の研究計画は、昨年度に引き続き除草剤濃度、光条件、および、水温を様々に変化させた、環境因子および除草剤の複合曝露試験を実施し、平成30年度に得られた結果、すなわち、ある水温以下で、なおかつ光が不十分であると除草剤の影響が出やすいという傾向の再現性について検証する。光合成を行えない種子の発芽から幼胚軸形成に及ぼす影響に着目し、代謝物総体解析を外注した。今年度は結果の解析を重点的に実施し、発芽期に発現が変動する代謝物の同定を試みる。2除草剤濃度、2光条件、4水温の複合曝露

試験を実施した結果、18 °C以下の水温で、なおかつ光が不十分であると除草剤の影響が出やすいことが示唆する結果を得た。さらに、アマモ種子の発芽をエンドポイントとする毒性試験を実施するため、発芽時に差次的発現する代謝物を検索するためのサンプルを得て、外注分析を実施した。また、関連する内容の論文を国際誌において一編発表した。以上を鑑み概ね計画通りに進行していると判断した。今後の研究計画は、昨年度に引き続き除草剤濃度、光条件、および、水温を様々に変化させた、環境因子および除草剤の複合曝露試験を実施し、平成30年度に得られた結果、すなわち、ある水温以下で、なおかつ光が不十分であると除草剤の影響が出やすいという傾向の再現性について検証する。光合成を行えない種子の発芽から幼胚軸形成に及ぼす影響に着目し、代謝物総体解析を外注した。今年度は結果の解析を重点的に実施し、発芽期に発現が変動する代謝物の同定を試みる。当初計画では、複合曝露試験に使用する送液ポンプを数台新調する予定であったが、予備試験を実施した結果、別途所有しているシリンジポンプを使用したほうが薬液濃度の調整が容易であったため、以降の曝露試験はシリンジポンプを使用して実施した。また、曝露試験に使用するアマモの採集を用船して実施する予定であったが、あらたに船を使用せずに採集できる場所を見つけることができ、そこからサンプルを採集した。従って、これらの必要経費が繰り越しとなってしまった。また、平成31年度については計画の変更は特にないため、当初の要求額通り、毒性試験に必要な試薬類、学会参加旅費や調査旅費、および試験の補助に必要な人件費等に使用する予定である。
褐藻類における細胞内強酸性イオン蓄積の進化とアミジグサ目の系統

褐藻アミジグサ目内における強酸蓄積種の分布を明らかにするとともに,イオンクロマトグラフィーを用いた細胞内無機イオンのうち陽イオン(ナトリウム,アンモニウム,カリウム,マグネシウム,カルシウム),陰イオン(塩素,硝酸,亜硝酸,臭素,硫酸)を対象に濃度の解析を試みた,その結旺,アミジグサ目の種は,硫酸イオン濃度と細胞内pHの値から大きく以下の3つのタイプに分類された:1)硫酸イオン非蓄積型(細胞抽出液は強酸性を示さず,海水と同程度の硫酸イオン濃度を蓄積する種);2)強酸性硫酸イオン蓄積型(細胞抽出液は強酸性を示し,高濃度の硫酸イオンを蓄積する種);3)非強酸性硫酸イオン蓄積型(細胞抽出液は強酸性を示さず,高濃度の硫酸イオンおよびマグネシウムイオンを蓄積する種).このことは硫酸イオンが高濃度含まれていても,それに見合う水素イオン以外の陽イオンが含まれていれば細胞内が強酸化しないことを示している.また,強酸性硫酸イオン蓄積型のヘラヤハズには,細胞内pHおよび硫酸の蓄積裏に季節的な変動性は観察されなかったが,非強酸性硫酸イオン蓄積型のアミジグサには,硫酸マグネシウム蓄積裏に季節的な変動性が観察された.結論として,アミジグサ目の多くの種が本来,硫酸イオンを高濃度蓄積する能力を持っているが,一部の種のみが硫酸イオンと同時に水素イオンを高濃度蓄積することで強酸性を示すものと考えられる.また,葉緑体に含まれるrbcL遺伝子の分子系統学的解析においても,強酸性種または硫酸蓄積種が単一のグレードをなすことはなく,同様の硫酸イオン蓄積が目内で一度だけ進化したとされるウルシグサ目の場合とは対照的な結果が得られた.褐藻アミジグサ目内における強酸蓄積種の分布を明らかにするとともに,イオンクロマトグラフィーを用いた細胞内無機イオンのうち陽イオン(ナトリウム,アンモニウム,カリウム,マグネシウム,カルシウム),陰イオン(塩素,硝酸,亜硝酸,臭素,硫酸)を対象に濃度の解析を試みた,その結旺,アミジグサ目の種は,硫酸イオン濃度と細胞内pHの値から大きく以下の3つのタイプに分類された:1)硫酸イオン非蓄積型(細胞抽出液は強酸性を示さず,海水と同程度の硫酸イオン濃度を蓄積する種);2)強酸性硫酸イオン蓄積型(細胞抽出液は強酸性を示し,高濃度の硫酸イオンを蓄積する種);3)非強酸性硫酸イオン蓄積型(細胞抽出液は強酸性を示さず,高濃度の硫酸イオンおよびマグネシウムイオンを蓄積する種).このことは硫酸イオンが高濃度含まれていても,それに見合う水素イオン以外の陽イオンが含まれていれば細胞内が強酸化しないことを示している.また,強酸性硫酸イオン蓄積型のヘラヤハズには,細胞内pHおよび硫酸の蓄積裏に季節的な変動性は観察されなかったが,非強酸性硫酸イオン蓄積型のアミジグサには,硫酸マグネシウム蓄積裏に季節的な変動性が観察された.結論として,アミジグサ目の多くの種が本来,硫酸イオンを高濃度蓄積する能力を持っているが,一部の種のみが硫酸イオンと同時に水素イオンを高濃度蓄積することで強酸性を示すものと考えられる.また,葉緑体に含まれるrbcL遺伝子の分子系統学的解析においても,強酸性種または硫酸蓄積種が単一のグレードをなすことはなく,同様の硫酸イオン蓄積が目内で一度だけ進化したとされるウルシグサ目の場合とは対照的な結果が得られた.アミジグサ目22種,ウルシグサ目4種の藻体抽出液のpH測定の結果,アミジグサ目のアツバコモングサ(Spatoglossum crassum),ヘラヤハズ(D.prolifera),ヤハズグサ(D.latiuscula),ヒメヤハズ(D,repens),ウノレシグサ目のウノレシグサ(Desmare stia ligurata),ケウルシグサ(D,viridis),タバコグサ(D.tabacoides)で強酸の存在が確認された。その他の種では、強酸の存在は確認できなかった。強酸蓄積種の細胞内pHは,、抽出時の希釈率から算出すると,pH0.60.8と推定された。イオンクロマトグラフィーを用い、陽イオン(Na^+,NH_4^+,K^+,Mg^<2+>,Ca^<2+>),陰イオン(Cl^-、Br^-、NO_3^-、SO_4^<2->、I^-)を対象に測定を行った結果,先に確認された強酸蓄積種において高濃度のSO_4^<-2>の存在が確認された。イオンクロマトグラフィーを用い,カチオン(ナトリウム,アンモニウム,カリウム,マグネシウム,カルシウム),アニオン(塩素,硝酸,亜硝酸,臭素,硫酸,ヨウ素)を対象に測定を行った結果,アミジグサ目の種は,硫酸イオンを中心に考えた場合,大きく3タイプに,分類された。3タイプとは,(1)硫酸イオン非蓄積型:細胞抽出液は強酸性を示さず,海水と同程度の硫酸イオン濃度を蓄積する種(12種),(2)強酸性硫酸イオン蓄積型:細胞抽出液は強酸性を示し,高濃度の硫酸イオンを蓄積する種(4種),(3)非強酸性硫酸イオン蓄積型:細胞抽出液は強酸性を示さず,高濃度の硫酸イオンおよびマグネシウムイオンを蓄積する種(6種)であった。

褐藻アミジグサ目内における強酸蓄積種の分布を明らかにするとともに,イオンクロマトグラフィーを用いた細胞内無機イオンのうち陽イオン(ナトリウム,アンモニウム,カリウム,マグネシウム,カルシウム),陰イオン(塩素,硝酸,亜硝酸,臭素,硫酸)を対象に濃度の解析を試みた.その結旺,アミジグサ目の種は,硫酸イオン濃度と細胞内pHの値から大きく以下の3つのタイプに分類された:1)硫酸イオン非蓄積型(細胞抽出液は強酸性を示さず,海水と同程度の硫酸イオン濃度を蓄積する種);2)強酸性硫酸イオン蓄積型(細胞抽出液は強酸性を示し,高濃度の硫酸イオンを蓄積する種);3)非強酸性硫酸イオン蓄積型(細胞抽出液は強酸性を示さず,高濃度の硫酸イオンおよびマグネシウムイオンを蓄積する種).このことは硫酸イオンが高濃度含まれていても,それに見合う水素イオン以外の陽イオンが含まれていれば細胞内が強酸化しないことを示している.また,強酸性硫酸イオン蓄積型のヘラヤハズには,細胞内pHおよび硫酸の蓄積裏に季節的な変動性は観察されなかったが,非強酸性硫酸イオン蓄積型のアミジグサには,硫酸マグネシウム蓄積裏に季節的な変動性が観察された.結論として,アミジグサ目の多くの種が本来,硫酸イオンを高濃度蓄積する能力を持っているが,一部の種のみが硫酸イオンと同時に水素イオンを高濃度蓄積することで強酸性を示すものと考えられる.また,葉緑体に含まれるrbcL遺伝子の分子系統学的解析においても,強酸性種または硫酸蓄積種が単一のクレードをなすことはなく,同様の硫酸イオン蓄積が目内で一度だけ進化したとされるウルシグサ目の場合とは対照的な結果が得られた.
中国における住宅エネルギー消費の現状把握とライフスタイルを考慮した将来予測

中国の9都市における914軒の住宅を対象にアンケート調査とメーター読み取り調査を実施した。また,都市部の集合住宅におけるエネルギー消費と室内環境の実態を把握するため,上海,長沙,ハルビン,北京,大連,瀋陽の6都市において,各都市2軒ずつ合計12件の集合住宅におけるエネルギー消費量と室内外温度を測定し,ピーク電力を分析した。実測結果を基に,標準モデル住宅を対象とした数値計算を行い,各種省エネ手法に対する代表都市の暖冷房負荷の削減効果を検証した。1.用途別エネルギー消費量を中心とした詳細調査対象地域:上海、長沙、ハルピン3都市調査対象:各都市2件、合計6件の一般住宅調査内容及び方法:(1)エネルギー消費量:各住宅における1年間の電力、ガスの消費量を測定し、暖冷房、給湯、照明、娯楽情報、家事衛生などの用途別消費量を明らかにする。電力消費量の測定は「コンセント接続型測定器」と「分電盤用測定器」を用いて行う。このシステムは電力消費量の測定器と使用量データを蓄積する受信機により構成され、各測定器で計測されたデータが1分間隔で蓄積される。これらの測定器は中国測定用に改造したものである。ガス消費量の測定は「カメラ型カラー画像記録装置」を用いて行う。この測定器はメータの数字を撮影し、写真として記録・保存されるものである。メータの手前に設置し、5分間隔で撮影した。(2)温湿度:各住宅における1年間の居間、寝室、外気温湿度を測定する。温湿度センサー付小型データロガーを用いて行い、室内では床上1.1mの高さで、屋外では建物の直達日射が当たらない建物北側で空気温度と相対湿度を30分間隔で測定する。(3)建物形状及び設備性能:現地計測、設計図面、仕様書により調査する。(4)生活条件:生活習慣、暖冷房時間等を居住者に記録するように依頼する。2.アンケート調査による月別電気・ガス使用量調査対象地域:ハルビン、北京、上海、長沙、重慶、南京、広州調査対象:各都市約40件、約350件の住宅調査内容及び方法:アンケート調査票を用い、電気・ガスの月別使用量及び料金の記録を居住者に依頼する。[研究協力者]李念平中国湖南大学・建築環境設備工程系朱頴心清華大学・建築学院劉京ハルピン工業大学・市政環境工程学院陸偉良南京工業大学・建築知能研究所李振海中国同済大学・機会工程学院斐清清広州大学・土木工程学院鄭潔重慶大学・都市建設及び環境工程学院1.用途別エネルギー消費量を中心とした詳細調査上海,長沙,ハルビン3都市,各都市2件ずつ,併せて6件の集合住宅におけるエネルギー消費量と室内外温湿度等を1年間測定した。(1)エネルギー消費量:各住宅における1年間の電力、ガスの消費量をそれぞれ1分、5分間隔で測定した。用途別年間のパターン、季節別の日変化パターンを明らかにすることができた。年間消費量については、6件の住宅が8.931.5GJの間で、バラつきがあった。(2)温湿度:各住宅1年間の居間、主寝室、外気の温湿度を30分間隔で測定した。ハルビンの住宅は地域暖房が使用され、冬季室内温度が25度前後安定し、湿度が低いこと、上海、長沙の住宅は室内温湿度が外気の温湿度の変動に大きく影響されていることなどを明らかにした。2.アンケート調査・メータ読取調査対象都市:ハルビン、ウルムチ、大連、北京、馬鞍山、南京、上海、重慶、長沙、広州調査対象:各都市55186件、合計950件の住宅各都市における集合住宅の建築構成、機器の保有及び使用、夏季と冬季の快適性・居住者の住まい方・光熱費等の実態を把握し、地域の特性を明らかにした。メータ読取調査を通して、各住宅の月別・エネルギー源別のエネルギー消費量を明らかにした。1.用途別エネルギー消費量を中心とした詳細調査北京,大連,瀋陽の3都市を対象に,各都市2件ずつの合計6件の集合住宅におけるエネルギー消費量と室内外温湿度等を1年間測定した。6件の年間消費量は8.931.5GJに分布し、住宅によってバラつきがあった。(2)温湿度:各住宅における1年間の居間、主寝室、外気の温湿度を30分間隔で測定した。3都市の住宅では地域暖房が使用されており、冬季の室内温度が2025度に維持され、湿度が低いことなどを明らかにした。2.アンケート調査昆明の80件の集合住宅を対象にアンケート調査を実施した。その結果、建築構成、機器の保有及び使用状況、夏季と冬季の快適性、居住者の住まい方、光熱費等の実態を把握することができた。

3.実測調査に基づく数値計算実測データに基づき、TRNSYSを用いて数値計算を実施した。その後、標準モデル住宅を対象に数値計算を行い、厳寒・寒冷地域の都市における住宅の暖房負荷が24.655.9[GJ/年・戸]であることを予測した。また、標準モデル住宅を用いた各種省エネ手法に対する代表都市の暖冷房負荷の削減効果を検証した。その結果、厳寒・寒冷地域の都市における暖房負荷が現状より6割以上削減できること、夏暑冬冷・冬暖地域の都市における暖冷房負荷が現状より1.55割削減できることが分かった。
シングルショット赤外吸収キラリティ分光法の開発

チャープパルスアップコンバージョンによって中赤外光から可視光へ変換したのちにスペクトルを取得することで、高感度・高精度なキラリティ検出を実現することを目的とした。中赤外光アップコンバージョンの非線形光学結晶として、LiGaS2を提案し、少なくとも1200 cm-1以上で高効率であることを示した。アップコンバージョンを用いたフェムト秒中赤外分光システムを構築し、スペクトル分解能2.8 cm-1、時間分解能0.2 ps、ノイズレベル10-4を達成した。キラリティ情報を取得するには至らなかったが、励起光に対して偏光制御と波長可変狭帯域化を取り入れ、構造敏感な赤外分光システムを実現した。本研究の目的は、タンパク質の高次構造変化を高感度・リアルタイムで検出できるシングルショット赤外吸収キラリティ分光法を開発することである。具体的に、チャープパルスアップコンバージョンによってスペクトル分解能を保持したまま中赤外光から可視光へと変換したのちに、ヘテロダイン検波を行い、汎用CCD分光システムによってスペクトル干渉を取得する。初年度は、「チャープパルスアップコンバージョンによるヘテロダイン検波」を実施した。チャープパルスは、チタンサファイア再生増幅器内部からパルス圧縮される前の基本波パルス光(中心波長806nm、パルス幅150ピコ秒)を取り出して利用した。ターゲットとするタンパク質の振動モードは、510umに分布するアミドIIIIである。したがって、アップコンバージョンに用いる和周波混合結晶として、0.45-12.1umで透明なAgGaGeS4を用いた。しかし、変換効率の波長依存性の評価を行った結果、5umより長波長の赤外光に対して、変換効率が急激に減少することが明らかになった。これはチャープパルス光の2光子吸収が原因と推測される。そこで、より紫外域でも透明なLiGaS2(0.32-11.6umで透明)を急きょ入手し、同様の評価を行った。その結果、5-10umの赤外光に対して高い変換効率を示すことが分かり、アップコンバージョンシステムに組み込んだ。なお、LiGaS2結晶は、前倒し支払請求によって購入した。当初計画していた「チャープパルスアップコンバージョンによるヘテロダイン検波」は、使用を予定していた和周波混合結晶が目的の性能を示さない、という事態となった。しかし、その原因を調べ、さらに計算シミュレーションを行って、より適切な結晶としてLiGaS2を選択した。結晶入手のために前倒し支払請求制度を活用することで、大幅な遅れをきたすことなく、研究を進捗することができた。本研究の目的は、タンパク質の高次構造変化を好感度・リアルタイムで検出できるシングルショット赤外吸収キラリティ分光法を開発することである。具体的に、チャープパルスアップコンバージョンによってスペクトル分解能を保持したまま中赤外光から可視光へと変換したのちに、ヘテロダイン検波を行い、汎用CCD分光システムをによってスペクトル干渉を取得する。初年度は、チャープパルスアップコンバージョンによるヘテロダイン検波を実施した。ターゲットとしているタンパク質振動モードはアミドIIIIである。従って、510umの赤外光に対して高効率に和周波混合可能な結晶探査・評価を行った。その結果、LiGaS2がその帯域において最も適切な結晶であることを実証した。続いて、開発したチャープパルスアップコンバージョンシステムに偏光素子を取り入れた。金属錯体デカカルボニルマンガンをモデル試料として計測・解析し、わずかな分子構造の対称性の崩れに由来するモード相関について明らかにした。入射光の偏光に対して平行成分、垂直成分両方の振幅・位相を一括取得するシングルショット測定への展開を行う。その際、テスト試料として、キラリティ分子として代表的なピネンを用いて、従来手法で報告されている赤外光学活性の結果と比較する。さらに、ポリペプチドに対して測定を行い、タンパク質の構造変化に対する検出限界を評価する。光物性物理次年度使用額(約14万円)は物品購入を計画していたが、納期の問題で本年度購入を見送った。当初の計画通り、光学システム構成部品の購入にあてる。
有限時間可到達集合に基づく不連続システムの解析と設計に関する研究

世の中は時間的または空間的に離散値や連続値をとるシステムが混在しているため,個々のシステムの評価から全体システムの評価を考えることは難しい.本研究では,個々のシステムの機械的制約やシステム間の通信制約を考慮した全体システムの評価に関して,数値・数式最適化手法に基づいて,個々のシステムからのボトムアップ的な考え方で,全体システムの評価や制御系設計の方法を与える.世の中は時間的または空間的に離散値や連続値をとるシステムが混在しているため,個々のシステムの評価から全体システムの評価を考えることは難しい.本研究では,個々のシステムの機械的制約やシステム間の通信制約を考慮した全体システムの評価に関して,数値・数式最適化手法に基づいて,個々のシステムからのボトムアップ的な考え方で,全体システムの評価や制御系設計の方法を与える.
実海域での自由水の複雑挙動と流体・船体構造の非線形強連成シミュレーション手法開発

実海域実船スケールでのタンク内自由水の複雑挙動と船体周り粘性流れ及び船体構造応答の連成計算を可能にする、時間精度を有した新しい重合格子手法に基づく数値計算手法を開発する。自由水の強非線形現象について、レベルセット法と重合格子法による主船体との強連成手法を開発し、波浪場において模型スケールから実船スケールまでのシミュレーションにより、干渉の要素抽出やスケール影響の解明に取り組む。さらにモード法による船体構造応答との連成により、大波高中での船体の大振幅運動と船体周りの粘性流れ、船体の構造変形と全体荷重及びスロッシング等による局所荷重を全て同時に推定できるシミュレーション手法を開発する。
農業用ヒューマンセンシング及び自動農作業・労働負担記録システムの開発

本研究では,「野外で姿勢,モーション,感性情報などをセンシング出来るヒューマンセンシングシステムの構築とその応用」として,1.野外で使用できる簡易・安価なヒューマンセンシングシステムの基礎研究・開発,2.自動農作業・労働負担記録システムの開発を目的とした.研究成果としては,通常の農作業と共生型農業のための野生鳥獣駆除作業両者に使用できる,野外でのヒューマンセンシング技術の基礎部は構築できた.また,特に後者の駆除作業において,関連した支援技術開発が行え,検証フィールドの設置と継続的な連携の準備,一部検証のための情報収集を行うことができたと考える.本研究では,新規就農者支援にもつながる農業機械・ロボットの知的高度化を目指し,「野外で姿勢,モーション,感性情報などをセンシング出来るヒューマンセンシングシステムの構築とその応用」を目的とし,具体的に次を実施課題としている.1.野外で使用できる簡易・安価なヒューマンセンシングシステムの基礎研究・開発:野外で使用できる安価なシステムを前提とした,アクティブIR型距離画像センシングシステムをベースとして,農作業者・骨格・姿勢・モーション,顔情報より視線・感性情報の取得を実現する.加えて,高度モーションコントロールインターフェースの構築とロボット実機での検証を行う.2.自動農作業・労働負担記録システムの開発:上記の具体的な応用として,姿勢情報と視線・表情情報から自動的に農作業記録を実現するシステムを構築する.特に姿勢情報と感性情報から,より精度の高い心理的肉体的労働負担を把握するシステムを構築する.上記について,野外で農作業者をセンシング出来るセンサーとして,先ずKinect v2センサーを選定し,その基本性能の調査を行った.その結果,Kinect v1センサーよりも野外で使用できること,特にセンシング目的(使用する骨格情報の抽出)を絞ると太陽光の強い日中の環境下でも農作業者情報がセンシング可能であることが判明した.次に,骨格情報を用いた応用技術として,農作業と知農ロボットの感性コミュニケーションインターフェースとして,モーションによるレゴマインドストームEV3ロボットのコントロール部の構築を行った.大学の業務に割かれる時間が予想以上に大きく,実施する時間が不足していた.このため,研究費の活用が十分できなかった.反面,開発を検討していたセンサーについては,予想以上にKinectセンサーが野外で活用できることが判明したため,この点においては研究は予想以上に進んでいると考える.本研究の目的は,農作業支援用の「野外で姿勢,モーション,感性情報などをセンシング出来るヒューマンセンシングシステムの構築とその応用」である.具体的な実施内容は次となる.1.野外で使用できる簡易・安価なヒューマンセンシングシステムの基礎研究・開発,2.自動農作業・労働負担記録システムの開発H28年度の研究実施の概要について,1については,基本システムが開発できた.kinect v1センサーで農作業者をトレースできるシステム開発し検証を行った.同様にkinect v2センサーでは野外性能調査を行い,室内実験として感性コミュニケーションを可能とするモーションコントロールシステムを構築した.2については,これまで篤農家の病害検知を想定したシステムの構築を行ってきた.これに加え,通常の農作業のみではなく,共生型農業生産において近年大きな問題となっている野生鳥獣対策に着目し,その駆除作業の労働負担を評価できるよう情報収集とシステム開発の方針を検討した.同様にそのための協力体制の確立と関連研究の実施を行った.継続的な協力・実地検証地域としては,長野県,埼玉県についてフィールドを設定できた.次の開発・評価を計画・実施している.1.野外で使用できる簡易・安価なヒューマンセンシングシステムの基礎研究・開発2.自動農作業・労働負担記録システムの開発1については,基本システムが開発できた.2については,通常の農作業のみではなく,共生型農業生産において近年大きな問題となっている野生鳥獣対策に着目し,その駆除作業の労働負担を評価できるよう情報収集とシステム開発の方針を立てているところである.これについては情報が非常に少なく,これに着目した研究事例もほとんどないため,協力体制の確立と関連研究の実施で時間がかかっている.また,2について,1で構築したシステムでの評価を行っていく必要があるが,システム自身をカスタマイズして構築する必要があり,これが未着手である.本研究の目的は,農作業支援用の「野外で姿勢,モーション,感性情報などをセンシング出来るヒューマンセンシングシステムの構築とその応用」であり,具体的な実施項目は,1.野外で使用できる簡易・安価なヒューマンセンシングシステムの基礎研究・開発,2.自動農作業・労働負担記録システムの開発である.H29年度の研究成果は,H28年度より実施している共生型農業生産に対して大きな問題になっている野生鳥獣対策に関し,その駆除労働負担を評価できるよう情報収集とシステム開発の方針の検討後,関連技術開発と,検証フィールドとの連携強化・拡張について継続した.具体的に駆除を行う狩猟者の支援技術開発が行え,検証フィールドも鹿児島,群馬と新たに連携することが可能となった.研究期間全体を通じての研究成果としては,通常の農作業と共生型農業のための野生鳥獣駆除作業両者に使用できる,野外でのヒューマンセンシング技術の基礎部は構築できた.

また,特に後者の駆除作業において,関連して支援できるGISハンターマップの構築が行え,長野県,埼玉県,群馬県,鹿児島県などに検証を行うフィールドの設置と継続的な連携の準備,一部検証のための情報収集を行うことができたと考える.今後の課題としては通常農作業と駆除作業の共通性に着目したヒューマンセンシング及び評価の検討と,駆除作業における特殊性の明確化とそれに特化したヒューマンセンシング技術開発・評価方法の検討であると考える.本研究では,「野外で姿勢,モーション,感性情報などをセンシング出来るヒューマンセンシングシステムの構築とその応用」として,1.野外で使用できる簡易・安価なヒューマンセンシングシステムの基礎研究・開発,2.自動農作業・労働負担記録システムの開発を目的とした.研究成果としては,通常の農作業と共生型農業のための野生鳥獣駆除作業両者に使用できる,野外でのヒューマンセンシング技術の基礎部は構築できた.また,特に後者の駆除作業において,関連した支援技術開発が行え,検証フィールドの設置と継続的な連携の準備,一部検証のための情報収集を行うことができたと考える.野外で使用できる簡易・安価なヒューマンセンシングシステムの基礎研究・開発については,継続して実施する予定である.自動農作業・労働負担記録システムの開発については,基本的な負担度算出などをサーベイし,特に実際の農家からヒアリングを行っていく.対象とする農作業としては,過酷な条件下である野生鳥獣害対策作業を想定していく.現在着目しているように,共生型農業生産において近年大きな問題となっている野生鳥獣対策は重要と考える.これについては,その労働負担や危険性などは調査・対策が行われていなかった.このため,前年までの調査を継続し,その駆除作業の労働負担を評価できるよう情報収集とシステム開発の方針を立てる.同時に,kinect v2センサーで骨格情報から労働負担を評価できるシステムの開発を行って,評価が出来るように計画を再設定する.農業情報工学大学業務が予想以上に大きく,研究の実施時間の確保が難しかったため.H27年度の研究実施・予算消化が遅れたことが,H28年度の研究実施・予算消化にそのまま影響が出ており,次年度使用額が大きくなってしまった.先ず,自動農作業・労働負担記録システムの開発については現地の農家にヒアリングや協力を定期的に行い,特に野生鳥獣の農作物被害対策作業における負担を評価できるようにする.基本システムは改善を図り,研究発表などが行えるように本研究の時間確保を行う.研究計画の再設定とこれに関連する調査,システムの構築と評価,業績のための作業に早急に対応することとする.
燃料電池用白金系触媒の高耐食表面構造の創成

固体高分子形燃料電池の空気極側で使用されるPt触媒の高耐久化を目的として、Ptの電気化学特性に及ぼす結晶方位・粒界の影響を調査した。マイクロ電気化学セルを使用することで、多結晶Ptにおける単一結晶面の電気化学測定を行うことに成功し、Pt(100)よりもPt(110)表面において大きなPtの酸化電流が計測された。また、粒界を含むことでPtの酸化電流値が増加しており、結晶粒界が多結晶Ptにおける優先酸化サイトであることが示唆された。化学的に安定な高耐食性を有するPtの表面構造を創成するため、Ptの電気化学特性に及ぼす材料因子、特に結晶方位や粒界の影響を調査した。一般的に電気化学特性に及ぼす結晶方位の影響を調査するには単結晶を用いることが多いが、Clavilier法などPt単結晶を作製する手法は容易ではなく量産が困難である。そのため、マイクロ電気化学セルを用いて、Pt多結晶に含まれる単一結晶面の電気化学測定を行うシステムの構築に取り組んだ。試料として用いた多結晶Ptは、1823Kにおいて熱処理することにより結晶粒を数100μmまで粗大化した。内径140μmのマイクロキャピラリーを有し、セル自体を光学顕微鏡の対物レンズのレボルバーに取り付けたマイクロ電気化学システムを作製することにより、狙ったPt単一結晶面の電気化学測定を行うことが可能となった。このシステムを用いて、Pt多結晶におけるPt(100)、Pt(110)表面のサイクリックボルタンメトリー(CV)を行うと、単結晶Pt(100)、Pt(110)におけるCVと同様の電気化学挙動が計測され、マイクロ電気化学セルを用いたPt単一結晶面の電気化学計測の有効性が示された。また、Pt(110)表面ではPt(100)表面と比べ大きなPtの酸化電流が計測され、結晶方位がPtの酸化特性に大きな影響を与えることが分かった。また、(100)と(110)で形成される粒界を含む領域におけるCVでは、単一結晶面上のCVと比べ、非常に大きな酸化電流が計測された。このことから、多結晶Ptにおいては結晶粒界が優先酸化サイトとなっている可能性が示唆された。Ptの溶解反応はPtの酸化物形成により加速することが報告されており、多結晶Ptでは粒界が優先的に溶解していると推測される。白金の溶解と表面構造の変化に及ぼす面方位の影響を明らかにするため、白金単結晶の溶解に関する検討を行う。そのために白金単結晶を準備する必要があるが、一般的に知られている白金単結晶の作製法Clavilier法は容易でなく、量産するのは困難であるため、マイクロ電気化学セルを用いた新しい白金単結晶の電気化学測定手法の開発に取り組んだ。この手法は、多結晶白金を電子線後方散乱回折法(EBSD)で解析し、表面に存在する粒界や面方位を明らかにした上で、その単一結晶面を狙ってマイクロ電気化学測定を行うものである。まずマイクロ電気化学測定を実施できるまで結晶粒を粗大化させる目的で、白金試験片の熱処理の検討を行った。その結果、1823Kで8時間熱処理を行うと300400μmまで結晶粒が成長することが分かり、今後このこの熱処理を施した試験片を測定に用いることにした。マイクロ電気化学セルは、四方ジョイントにマイクロキャピラリー、参照電極、補助電極を差し込んで作製し、このジョイントを光学顕微鏡の対物レンズ用レボルバーに取り付けることで、位置決めした領域の電気化学測定を可能とした。また、nApA程度の電流をノイズの影響を軽減しつつ測定する必要があるため、乾電池駆動のポテンショスタットを自作した。このマイクロ電気化学セルを用い、白金の単一結晶面を狙って電気化学測定を行ったところ、粒界を含む領域と比べ、白金の酸化物形成(OH、Oの吸着)による酸化電流値が大きく抑制されていることが分かった。この結果は、多結晶白金において粒界が優先的な酸化サイトとなっていることを実験的に初めて示したものであり、白金の溶解を議論する上で非常に重要な知見である。現在は、このマイクロ電気化学セルを用いて、各面方位の電気化学挙動の測定を行なっている。nA、pAレベルの非常に微小な電流を測定する、「マイクロ電気化学測定システム」の構築は容易でなく、特に乾電池駆動のポテンショスタットや溶液漏れのないマイクロキャピラリーの作製に長い時間を要した。そのため、今年度はこのマイクロ電気化学セルの作製とその信頼性の評価を行い、単一結晶面の劣化挙動の解析は次年度行う。今年度に作製したマイクロ電気化学セルを用いて、単一結晶面ごとの電気化学測定を行い、各面方位における電気化学特性を明らかにするとともに、PEFCのカソード環境を模擬した電位サイクル試験を行い、表面構造の変化(ラフニング)を電気化学特性の変化を通して解析する。また測定後の溶液をICP質量分析(ICP-Mass)にて解析し、各面方位ごとの溶解特性も明らかにする。

また基本指数面であるPt(100)、Pt(110)、Pt(111)を購入し、この基本面方位における単結晶の劣化挙動を明らかにした上で、マイクロ電気化学測定により得た各面方位の電気化学特性から、高い耐久性を持つ白金の表面構造を検討する。同様にPtCo、PtNi等の白金合金単結晶の溶解特性も解析する。主に、マイクロ電気化学測定システムにおける消耗品や、Pt(100)、Pt(110)、Pt(111)、及び白金合金作製のための試料金属の購入、発表・情報収集を行うための旅費、投稿論文の掲載料に充てる。