hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
単結晶氷Ih表面における局所的プロトン秩序化機構の解明

氷の結晶構造において酸素原子の位置は一意に定まっているが,水素原子(プロトン)の配置はice ruleの範囲内でランダムになっており,氷バルク中の水分子の配向は長距離秩序を持たず統計的である.これは氷のプロトン無秩序性と呼ばれ実験的にも証明されている.しかし,結晶構造が途切れる表面においてもバルクと同様にプロトン配置がランダムであるとは限らない.氷表面にプロトン秩序が存在するならば,例えば氷表面の極性分子に対する吸着活性や不均一触媒活性に大きな影響がある.したがって氷表面におけるプロトン秩序の有無を調べることは重要である.本研究では表面選択的な二次の非線形分光である,和周波発生分光(SFG)を,作製した単結晶氷表面に適用することで,氷表面とバルクの間におけるプロトン秩序の違いを明らかにし,氷表面にプロトン秩序が存在する場合はそれが生じる機構を解明することを目指す.ヘテロダイン検出SFG(HD-SFG)分光によって単結晶氷表面の振動スペクトルを測定した結果,氷表面に水分子がプロトンを空気側に向けたH-upなプロトン秩序が存在することが明らかになった.さらに,氷表面のHD-SFGスペクトルを理論的に計算したところ,H-upのプロトン秩序を仮定した場合のみ実験結果を再現でき,氷表面にプロトン秩序が存在するという主張を強く支持する結果が得られた.また,表面のHD-SFGスペクトルとバルクのラマンスペクトルとの比較から,氷表面の微視的環境はバルクよりも不均一であることがわかった.実験室の空調が故障し,およそ二か月半の間,分光測定や測定に供する単結晶氷の作製ができなかったため,当初の計画と比べ研究の進捗が遅れた.また,クライオスタットを用いた和周波発生分光測定を行うための光学系の構築にも予定より長い期間を要したため,研究の進捗が予定よりも遅れている.今後はクライオスタットを用いてSFG測定を行うことで,氷表面のプロトン秩序の温度依存性について調べる.氷表面の水分子が再配向することでプロトン秩序が誘起される.水分子が再配向する速度は温度に依存するので,温度依存測定によって氷表面のプロトン秩序化の機構の解明を目指す.温度依存測定に用いる光学系は既に構築済みであり,単結晶氷表面の測定に取り組むための準備は整っている.また,単結晶氷表面に荷電脂質単分子膜を形成し,SFG測定に供する.氷表面の脂質単分子膜の電荷に応じて氷表面の水分子の配向が変化するならば,表面にプロトン秩序を誘起することができる.SFG信号の強度は表面にある分子がより配向するほど大きくなるので,脂質単分子膜の有無による信号強度の変化から,氷表面における水分子の再配向が促進されるか調べる.氷の結晶構造において酸素原子の位置は一意に定まっているが,水素原子(プロトン)の配置はice ruleの範囲内でランダムになっており,氷バルク中の水分子の配向は長距離秩序を持たず統計的である.これは氷のプロトン無秩序性と呼ばれ実験的にも証明されている.しかし,結晶構造が途切れる表面においてもバルクと同様にプロトン配置がランダムであるとは限らない.氷表面にプロトン秩序が存在するならば,例えば氷表面の極性分子に対する吸着活性や不均一触媒活性に大きな影響がある.したがって氷表面におけるプロトン秩序の有無を調べることは重要である.本研究では表面選択的な二次の非線形分光である,和周波発生分光(SFG)を,作製した単結晶氷表面に適用することで,氷表面とバルクの間におけるプロトン秩序の違いを明らかにし,氷表面にプロトン秩序が存在する場合はそれが生じる機構を解明することを目指す.ヘテロダイン検出SFG(HD-SFG)分光によって単結晶氷表面の振動スペクトルを測定した結果,氷表面に水分子がプロトンを空気側に向けたH-upなプロトン秩序が存在することが明らかになった.さらに,氷表面のHD-SFGスペクトルを理論的に計算したところ,H-upのプロトン秩序を仮定した場合のみ実験結果を再現でき,氷表面にプロトン秩序が存在するという主張を強く支持する結果が得られた.また,表面のHD-SFGスペクトルとバルクのラマンスペクトルとの比較から,氷表面の微視的環境はバルクよりも不均一であることがわかった.実験室の空調が故障し,およそ二か月半の間,分光測定や測定に供する単結晶氷の作製ができなかったため,当初の計画と比べ研究の進捗が遅れた.また,クライオスタットを用いた和周波発生分光測定を行うための光学系の構築にも予定より長い期間を要したため,研究の進捗が予定よりも遅れている.今後はクライオスタットを用いてSFG測定を行うことで,氷表面のプロトン秩序の温度依存性について調べる.氷表面の水分子が再配向することでプロトン秩序が誘起される.水分子が再配向する速度は温度に依存するので,温度依存測定によって氷表面のプロトン秩序化の機構の解明を目指す.温度依存測定に用いる光学系は既に構築済みであり,単結晶氷表面の測定に取り組むための準備は整っている.

また,単結晶氷表面に荷電脂質単分子膜を形成し,SFG測定に供する.氷表面の脂質単分子膜の電荷に応じて氷表面の水分子の配向が変化するならば,表面にプロトン秩序を誘起することができる.SFG信号の強度は表面にある分子がより配向するほど大きくなるので,脂質単分子膜の有無による信号強度の変化から,氷表面における水分子の再配向が促進されるか調べる.クライオスタットを用いた単結晶氷表面のSFG測定をまだ行っておらず,測定に供する試料の長期保存の際に必要な液体窒素自動供給装置を購入しなかったため次年度使用額が生じた.平成31年度中にクライオスタットを用いたSFG測定を行い,試料の長期保存の必要性を確認する予備測定を行った後に液体窒素自動供給装置を購入する予定である.
確率的事象を考慮した宇宙機の軌道最適化手法の構築に関する研究

今年度は,研究課題の集大成として,制約条件つき・非線形確率最適制御問題の解法であるTube Stochastic Differential Dynamic Programming (TSDDP)を確立し,確率的な事象を考慮した宇宙機の軌道最適化手法の構築に成功した.本提案手法によって,確率過程をUnscented変換で逐次的にガウス仮定と近似し,閉ループ制御則をシグマ・ポイント上の制御ベクトルの補間関数として表現した結果,確率最適制御問題を決定論的な最適制御問題へ帰着させる事に成功した.帰着された最適制御問題は,近年軌道設計分野で注目を集めている微分動的計画法(Differential Dynamic Programming, DDP)を利用することで効率的に解くことができる.本提案手法を低推力軌道設計問題へ適用した数値シミュレーションによって,従来経験的に導入されてきたような運転率・弾道飛行期間に加えて,推力方向,加速開始時刻の変更といったマージンが自動的に最適な配分で導出されることを実証した.そして,提案手法が必要十分なロバスト性を有した最適軌道(すなわち,ロバスト最適軌道)を実現していることを,モンテカルロ法によって示した.本提案手法の理論構築のために,NASAジェット推進研究所に約5ヶ月の研究滞在をしており,専門家から様々なアドバイスを受け,内部向けの研究発表で高い評価を受けた.また,本結果はAIAA Guidance, Navigation, and Control Conferenceで発表されており,更に,東京大学の博士論文として認められた.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。今年度の研究実績は「非線形・確率制御問題を数値的に解くためのアプローチの提案」と「超小型深宇宙探査機PROCYONの軌道誘導制御アルゴリズム検討とその実験」の2種類に分けられる.我々が開発した超小型深宇宙探査機PROCYONの軌道上実験の一環として,地球フライバイに向けた軌道誘導実験を実施した.その実験に向けて,自身の研究テーマの1つであるTwo-Stage Stochastic Programmingによる制約条件付き軌道誘導則を提案した.本結果は国内会議SICE誘導制御シンポジウムにて発表された.非線形・確率制御問題のための数値的解法としてU変換を利用したStochastic Differential Dynamic Programming (SDDP)を導出できたことは大きな進展であると言える.しかし,提案したSDDPは制御量に制約を持つ問題に対して適用できないため,まだまだ進展の余地が残されている.今年度の研究業績は,「非線形・制約条件付き確率制御問題を解くための数値的なアプローチの提案」と「超小型深宇宙探査機PROCYONのLessons Learnedを活かした制約条件付き軌道誘導則の提案」の2種類に分けられる.(2)制約条件付き軌道誘導則我々東京大学とJAXAで開発した超小型深宇宙探査機PROCYONのLessons Learnedを受けて,制約条件付き軌道誘導則の一般的解法を提案した.提案手法は二段確率計画法に基づいており,SICE JCMSIに掲載予定である.非線形・制約条件付きの確率制御問題を解くための数値解法により,本研究課題である「確率的事象を考慮した低推力軌道設計手法」の理論的重要課題が解決したと言える.今年度は,研究課題の集大成として,制約条件つき・非線形確率最適制御問題の解法であるTube Stochastic Differential Dynamic Programming (TSDDP)を確立し,確率的な事象を考慮した宇宙機の軌道最適化手法の構築に成功した.本提案手法によって,確率過程をUnscented変換で逐次的にガウス仮定と近似し,閉ループ制御則をシグマ・ポイント上の制御ベクトルの補間関数として表現した結果,確率最適制御問題を決定論的な最適制御問題へ帰着させる事に成功した.帰着された最適制御問題は,近年軌道設計分野で注目を集めている微分動的計画法(Differential Dynamic Programming, DDP)を利用することで効率的に解くことができる.本提案手法を低推力軌道設計問題へ適用した数値シミュレーションによって,従来経験的に導入されてきたような運転率・弾道飛行期間に加えて,推力方向,加速開始時刻の変更といったマージンが自動的に最適な配分で導出されることを実証した.そして,提案手法が必要十分なロバスト性を有した最適軌道(すなわち,ロバスト最適軌道)を実現していることを,モンテカルロ法によって示した.本提案手法の理論構築のために,NASAジェット推進研究所に約5ヶ月の研究滞在をしており,専門家から様々なアドバイスを受け,内部向けの研究発表で高い評価を受けた.また,本結果はAIAA Guidance, Navigation, and Control Conferenceで発表されており,更に,東京大学の博士論文として認められた.今後の研究を進めるための推進方策として,「制約条件付きSDDP」を提案する必要がある.従来,ロボティクスの分野で「制約条件付き線形ダイナミクス」を仮定したロバスト最適化手法が提案されている.そのため,その手法をサーベイし,現在のSDDPと融合した手法を提案するべきだろうと考えている.そのためには,現在のSDDPに制約条件付き凸計画問題(Convex Programming)・正定値計画問題(Semidefinite Programming)を導入することで,解決できると期待している.今後は実用性を広げるための研究が必要である.まず第一に効率的かつ安定した最適化アルゴリズムの実装が必要である.そのためには,これまで提案されてきた軌道最適化手法が参考にできる.また,今回実現したTube Stochastic Differential Dynamic Programmingの実用性を検証するために,様々な宇宙ミッションへ適用を進めることが今後の課題である.29年度が最終年度であるため、記入しない。
同位体比測定と移流・拡散モデル解析による大気中メタンの発生源評価

本研究では1)名古屋市域からの大気中メタン発生率の推定、2)大気中の微量なメタンの^<14>C同位体比測定のための試料調製法の確立、および3)炭素同位体比によるメタン発生源の評価を行った。まず1)として、名古屋大学で観測した大気中ラドン(^<222>Rn)濃度と名古屋市内13ヶ所における大気中メタン濃度よく似た日変動を示した。両者はともに地表から発生し、化学反応性は低い。従ってメタンとラドンの大気中での挙動は類似しており、大気中メタン濃度の日変動は局地的な気象条件および観測点周辺数10km以内の範囲からのメタン発生を反映することが推定された。メタン・ラドンの相関関係を利用することにより、地域的に平均化したメタン発生率を評価した。名古屋市域はメタンの正味の発生源であり、市街地での地域的発生率は通年0.02gCH_4m^<-2>d^<-1>以下でほぼ一定あったが、郊外では7・8月に0.040.96gCH_4m^<-2>d^<-1>にまで上昇した。2)については、製作した試料調製装置は加速器質量分析による大気中メタンの^<14>C濃度測定に十分な性能を持つことを確認した。3)については名古屋市内の市街地と郊外の2ヶ所で大気を採取し、2)の装置で調製した大気中メタンの炭素同位体比測定(δ^<13>C、^<14>C/^<12>C)を行った。大気中メタン濃度の増加にともなう炭素同位体比の変化からメタン発生源の同定およびそれらの寄与率を評価した。冬季の市街地におけるメタン発生はほぼ100%が^<14>Cを含まない化石メタンであった。化石メタン源としてはとしては都市ガスの漏洩等、人為的発生源が考えられる。これに対し夏季のメタン発生率が増加する時期に郊外域では化石メタンの寄与は10%以下であった。また非化石起源メタンのδ^<13>C推定値は-65‰であり、非化石メタンが嫌気的に微生物によって生成されたことを示す。水田はこの種の発生源に該当し、大気試料採取の時期を考慮しても水田によるメタン発生の増加を捕らえたと考えられる。本年度は名古屋市域を研究対象地域として選定し、大気中メタンの濃度連続測定と炭素同位体測定を行った。濃度連続測定については微少量大気メタン連続測定装置を製作して名古屋大学内に設置し、10分毎に測定を行って秋季末から冬季にかけての濃度変動の詳細なデータを得た。このデータから大気中メタンは地球平均濃度を示すバックグランド成分に局地的発生源からのものが加わったものであることがわかった。ラドン濃度データならびに気象データを用いて解析を行った結果、局地的発生源からのメタンの放出はラドンと異なり時間的に一様でなく、特に昼間はほとんどないこと、放出されたメタンはラドンと同様に大気安定度の影響を受けて濃度が変化することが判明した。炭素同位体比測定については、まず昨年度までに製作・完成した微少量メタン濃縮装置の性能評価を行った。

その結果、空気試料からのメタンの収率について90%前後の値を得、試料処理中のコンタミネーションと同位体効果についてはそれぞれ無視しうる程度のものであることを確認した。続いて実際に空気試料の採取・処理を行って、その炭素同位体比を測定した。空気試料の採取は名古屋大学内の他に、水田地帯にある名古屋市中川区役所富田支所にて行った。炭素同位体比については加速器質量分析によって^<14>C/^<13>C比、通常の質量分析によってδ^<13>Cを測定した。この測定データと前述の濃度データを解析した結果、名古屋大学内で採取した試料についてメタン濃度の増加に伴って^<14>C/^<13>C比の減少傾向が認められた。このことは^<14>Cを含まない化石メタン発生源の大気中メタン濃度増加分への寄与を示唆するものである。今後はさらにデータを蓄積し、移流・拡散モデルを用いた解析を実施して、局地平均メタン発生率とその変動について評価を行うようにしたい。本年度は1)名古屋市域の大気中メタン発生率の推定、および2)炭素同位体比測定によるメタン発生源の評価を行った。1)については、名古屋大学で観測した大気中ラドン(^<222>Rn)濃度と名古屋市内4カ所における大気中メタン濃度のデータの比較を行ったところ、両者はよく似た日変動を示した。大気中ラドンと大気中メタンはともに地表から発生し、それらの化学反応性は低い。ラドンの半減期は3.8日なので、放射壊変の日変動への影響は小さいと考えられる。従ってメタンとラドンの大気中での挙動は類似しており、これらのことから以下の3点が推定された。a)大気中メタンは近傍起源の日変動と遠方起源のバックグランドからなる、b)局地的な気象条件で大気中メタンの日変動を説明できる、c)日変動に寄与する成分は観測地点から数10km以内の周辺地域から発生する。次に、メタン・ラドンの相関関係を利用して、メタン発生率の推定を行った。その結果、市街地では0.02gCH4m^<-2>d^<-1>以下であったが、水田の存在する郊外では7・8月に0.06gCH4m^<-2>d^<-1>にまで上昇した。水田そのもののメタン発生率は一般的に0.5gCH4m^<-2>d^<-1>程度と考えられており、本研究の推定値は妥当な値といえる。2)については、名古屋市内の市街地と郊外の2カ所で大気を採取し、含まれるメタンの炭素同位体比を測定した。その結果、市街地ではメタン濃度の増加とともに^<14>C濃度の減少がみられた。これは天然ガスなどの^<14>Cを含まないメタン発生の寄与が大きいことを示唆している。これに対して水田の存在する郊外では夏期にメタン濃度の増加とともにδ^<13>C値の減少がみられた一方、^<14>C濃度の減少はみられなかった。これは微生物が関与する発生源からのメタンの寄与を示し、水田もこの種の発生源に該当する。前年度まで、面源としての発生源評価法を検討したが、今年度は点源である廃棄物処理場からのメタン発生の評価を行った。即ちメタンの発生源のうち人為的な発生源であり、量的にも多く、将来にわたって発生量が増大することが見込まれる埋め立て地から発生するメタンについて、炭素同位対比の測定を行い、また、チェンバー法によるメタンフラックスの測定をおこなった。さらに、埋め立て地全体でのメタンフラックスを見積もる方法として大気拡散モデルの適用の可能性を検討するため、処分場の風下の大気を採集し濃度の測定をおこない、炭素同位対比の測定も試みた。資料の採集は愛知県名古屋市緑区にある大清水処分場でおこなった。ここは埋め立てが終了してからすでに2年ほどが経過している。
脳幹からの下行性抑制ニューロンは脊髄後角の深層ニューロンを興奮させる

脳幹より脊髄後角に投射する下行性ニューロンの働きについては不明な部分が多い。我々はパッチクランプ法を用い検討した結果、後角深層における多くのニューロンがSPに応答することが分かった。これは深層ニューロンもまた侵害受容ニューロンからの入力を受けることを意味する.また、深層ニューロンの20ー40%のニューロンはセロトニンおよびアドレナリンにより興奮性に応答することも分かった。そして、これらのニューロンはSPにも反応したのである。つまり、末梢からの侵害情報を受け取る深層ニューロンはセロトニン作動性およびアドレナリン作動性ニューロンにより興奮性に制御されていることを示唆する。近年、日本における「疼痛」による負の経済効果が算出されており、それは数兆円に上ると言われている。今や「疼痛」は生物学の領域を超えた社会問題となっており、痛覚情報システムの解明や疼痛緩和に関する研究に取り組む研究者も益々増えてきた。従来、抹消からの痛覚シグナルの伝達や一時的な情報処理は脊髄後角の表層部分が重要な役割を果たしていると考えられてきた。一方、後角の深層領域には広作動域、いわゆるWDRニューロン(Wide Dynamic Range neuron)の存在が知られている程度で、他の神経領域に比べ不明な部分が多い。これまで我々は、ラットの新鮮脊髄スライス標本を用いてブラインドパッチクランプ法により脊髄後角の疼痛制御機構について検討を進めてきた。脊髄後角の表層のうち特にII層(Rexedによる分類)では、一次感覚神経のうち侵害受容ニューロンに含まれるサブスタンスP(Substance P: SP)やカルシトニン遺伝子関連ペプチド(Calcitonin Gene-Related Peptide: CGRP)に膜電流応答するニューロンは観察されなかったが、後角深層においては多くのニューロンがこれらの神経ペプチドに対して興奮性に反応した。これらに事実は、後角深層領域もまた痛覚情報処理システムに深く関わっていることを示唆する。更にこのSPの反応を手がかりに、下行性抑制性ニューロンの伝達物質であるセロトニン(5-hydroxytryptamine:5-HT)やノルアドレナリン(noradrenaline:NA)に対しても興奮性に応答するニューロンが数多く観察され、ただいまこれらの応答を介する受容体サブタイプ等を検討しているところである。脊髄後角は大きく表層(Rexedの分類:IーII層)と深層(IIIーVI層)に大別することができ、侵害受容ニューロンは後角表層に、非侵害受容ニューロンは深層に終末している。一般的にこのような事実から、侵害情報は後角表層で、非侵害情報は深層でそれぞれ情報処理されると考えられてきた。加えて、脳幹からの下行性抑制系ニューロンもまた表層ニューロンと深く関わっていると信じられてきた。しかしながら、このような考えは、侵害受容ニューロンに含まれる修飾物質、サブスタンスPの受容体が深層ニューロンに発現していることが発表されて以来、徐々に修正を余儀なくされてきた。我々はこのような脊髄後角の神経機構の解明に電気生理学的および形態学的実験手法を用い、特にこれまで非侵害情報を取り扱うと思われてきた脊髄深層に注目し、深層ニューロンの侵害情報への関与について検討を進めてきた。脊髄後角は、末梢から中枢への電気信号の中継所(Relay station)という位置づけだけにとどまらず、感覚情報を修飾・加工する仕組みの存在が示唆されている。そのため、脊髄後角には微少神経回路(Microcircuit)や脳幹をも巻き込んだ局所神経回路(Localcircuit)を形成しており、その中心的役割を果たすのは、これまでの実験成果より深層ニューロンであると考えている。深層ニューロンには、興奮性の投射ニューロン、および興奮性と抑制性の介在ニューロン、下行性ニューロンには、セロトニン作動性ニューロンとノルアドレナリン作動性ニューロンが存在し、これらの関わり方について仮説を提唱しているところである。これまでの研究実績の概要については上で述べたが、その研究実績の主軸を支えてきたのが、最近、生理学者のあいだで広く用いられているブラインドパッチクランプ(Blind patch-clamp recording techniquse)法である。この方法は、従来の細胞内電極法(Intracellular recording techniques)に比べ、比較的簡便に感度良く単一ニューロンの膜電流を記録できるところにある。ラットの新鮮脊髄スライス標本を作製し、脊髄後角における深層ニューロンをターゲットに、サブスタンスPやエンケファリン(代表的なオピオイドペプチドの一つ)、また、セロトニン(5-ヒドロキシトリプタミン)やノルアドレナリンとその作動薬(アゴニスト)などの物質を用い膜電流解析を行っている。これまで、深層ニューロンの多くはサブスタンスPに対し興奮性に応答し、このニューロン群のほとんどは、同時にエンケファリンに抑制的に反応する。つまり、深層ニューロンの多くは侵害情報を受け取りながら、エンケファリンを含有する後角介在ニューロンにより制御されることを意味する。また、サブスタンスPに応答するニューロンの約半数はセロトニンやノルアドレナリンンにも応答し、これらの応答の多くは興奮性のものであった。従来、下行性のセロトニン作動性およびノルアドレナリン作動性ニューロンは、表層ニューロンを活動を抑制すると考えられてきた。しかしながら、我々の成果は侵害受容性の深層ニューロンを興奮させるというものであった。一方、侵害受容性の深層ニューロンの生理学的特質の解析については、実験計画通りに進んでいないのが現状である。これについては、以下の「今後の研究の推進方策」で述べる。近年、疼痛による社会経済的な損失の大きさが注目されており、健康管理やペインクリニック等による疼痛管理の発展が望まれている。

我々は中枢神経系における疼痛情報処理システムの中で、特に脊髄後角に注目しここで行われている侵害情報の伝達および修飾機構について、サブスタンスP、セロトニン(5ーHT)、ノルアドレナリン(NA)およびオピオイドペプチドの神経に対する働きを手がかりに、疼痛や内因性疼痛抑制機構の仕組みなどの役割を明らかにしようとしてきた。脳幹から脊髄後角に至る下行性抑制ニューロンは、5ーHT系とNA系の二つに大別する事ができる。両者のニューロンはそれぞれ、延髄腹側の網様体に位置する大縫線核(nucleus raphe magnus:NRM)および青斑核(locus coeruleus:LC)とその近傍から脊髄後角II層へ投射し、抑制性に作用することが知られている。しかしながら、この神経メカニズムについては不明な部分も多く、特に後角における上位中枢への投射ニューロンが局在するIIIV層のニューロンとの関わりについては未知のままである。我々はこの点にスポットを当て主にパッチクランプ法を用い検討した。その結果、後角深層の約40%のニューロンが5ーHTに対し膜電流応答し、20%のニューロンがNAに対し応答した。これらの応答はいずれも興奮性のものであり、これらのニューロンはほぼ例外なくサブスタンスPにも興奮性に反応した。このように我々は、後角深層において初めて下行性抑制ニューロンと考えられてきたニューロンが、疼痛情報を受容する二次あるいは介在ニューロンの興奮性を高めることを明らかにしたのである。これらの結果の意義について我々は、脳幹からの下行性ニューロンは脊髄後角において侵害情報を促進的に処理するものと考えている。脳幹より脊髄後角に投射する下行性ニューロンの働きについては不明な部分が多い。我々はパッチクランプ法を用い検討した結果、後角深層における多くのニューロンがSPに応答することが分かった。これは深層ニューロンもまた侵害受容ニューロンからの入力を受けることを意味する.また、深層ニューロンの20ー40%のニューロンはセロトニンおよびアドレナリンにより興奮性に応答することも分かった。そして、これらのニューロンはSPにも反応したのである。つまり、末梢からの侵害情報を受け取る深層ニューロンはセロトニン作動性およびアドレナリン作動性ニューロンにより興奮性に制御されていることを示唆する。神経回路の解析の基盤データはニューロンの形態でる。例えば、大脳皮質におけるニューロン群の分類はこれまで先人たちの緻密な研究により発展を遂げてきた。それらが基礎となり、近年、局所神経回路の概要が徐々に明らかにされつつある。一方、脊髄後角の神経回路については、大脳皮質のそれと比べると甚だ貧困であると言わざるを得ない。末梢からの痛覚の情報は脊髄後角の表層に入力し、主に後角のI層とV層に位置する投射ニューロンがそれらの情報を視床に伝えることが知られている。
界面導電現象を利用したカドミウム汚染水田土壌の現位置浄化法の研究

界面動電現象によるカドミウムの移動(陰極方向)への移動を土壌透水性の低い水田土壌においてもカラム実験から定量的に確認した。また、硝酸イオン、ナトリウムイオンと共に土壌中にある場合でも、硝酸イオン(陽極へ)、ナトリウムイオン(陰極へ)の移動とともにカドミウムイオンが移動することを確認し、土壌浄化への適用可能性を示した。しかしながら移動度の異なるカドミウムイオンとその他イオン種間で移動量の違いを絡む実験結果から明確に説明し示すことは出来なかったので、シミュレーションにおける各イオンの移動パラメータは既存文献から得られた、移動度と土壌試料の計測から算定した流路の屈曲度(tortuosity)から推定した。界面動電現象の場としての「水田土壌」について、宇都宮大学農学部付属農場の水田土壌を用いて基礎的な物理性、粒度分布を計測してシミュレーションに利用した。当初予定では土壌槽を用いたCd除去実験結果とシミュレーションを比較検討してから、電極配置、消費電力量とカドミウム除去量の関係について明らかにする予定であったが、土壌槽実験結果の信頼性に疑問があったため、シミュレーションによる除去量と消費電力量の比較検討にとどまった。また、カラム実験において、電圧印加時に陰陽各電極で発生する水素および水酸イオンによるカドミウムイオンの移動阻害(水酸イオン)と木酢液による中和の効果を定性的にではあるが、確認することが出来た。当初目的としていた除去コスト、電極の種類、などの具体的な除去技術確立に必要な事柄については今後の課題となった。今年度計画していた研究目標3項目について、それぞれ以下のような結果あるいは進捗を得る事ができた。(1)浄化の基本となる現象の把握では、水田土壌中のカドミウム(Cd)を含むアニオン・カチオン各1種が界面動電現象によりどのような挙動を示すかを示すシミュレーションモデルの改良を行ない、これまでの一次元モデルを二次元化した。またCdを含む4種以上の複数イオン存在下における挙動のモデルは未完成であるが、イオン移動度に対して各イオン間の相互作用の影響を係数として組み込むような方針で進めている。この点については次年度のカラム実験結果から得られるイオンの移動量データと比較検討して妥当性をチェックする予定である。(2)カドミウム汚染水田の土壌の実態把握では、コーデックス委員会の精米Cd含量基準案が当初の0.2から0.4(mg/kg)に修正され検討が進んでいる事から、国内の統計資料等から汚染対策の対象とる生産量と対策の規模についての再検討を行なった。その結果、現在の汚染米対策と同程度の規模となる事が判明した。しかしながら、生産物の汚染でなく「生産の場」である農地の土壌汚染対策が必要であるとの認識の下、まず対象となる面積の推定を進めている。(3)水田土壌の基本的性質の他、電気化学的な性質についての文献調査、簡単な予備実験を行い、18年度に行なうカラム実験、ベンチスケールの実験についての準備(主に実験条件と変数の検討)を行なった。その結果ベントナイトと有機物を取り除いた関東ロームを混合して人工的な「模擬水田土壌」を考案した。それを利用して予備的なカラム実験を試行した。次年度の実験については、現在検討を進めている。今年度の研究目標各項目から以下の結果を得ることができた。(1)前年度の実験から明らかになった、水田土壌(粘性土)中のイオンの移動について、硝酸態窒素イオンだけでなく、カドミウムイオンについての界面動電現象による移動を行い、シミュレーションモデルが移動量を過大評価(最大で2.5倍程度)することが明らかになった。実験条件とモデルの仮定している条件との差異と移動量についての考察・追加の実験を本研究の終了後も実施している。(2)前年度の結果からファイトレメディエーションと界面動電法の組合せ利用の可能性が示唆されたので、その検討のために既知のカドミウム吸収植物としてリストされているアブラナ科植物を水耕栽培して吸収量・耐性の概略値を得た。ほぼ10ppm程度までは植物の成長に与える影響は少なく、それ以上で生育障害が顕著となった。

(3)土壌中に電極設置し、電位差を与えることが植物生育に与える影響を見るために、水耕栽培期間中に白金電極を利用して1v/cmの電位差を連続的に与えたが、有意な成長の差は見られなかった。(4)前年から引き続き実施した土壌カラム試験結果とファイトレメディエーションの併用によるカドミウム除去の可能性についてまとめたものを投稿予定。
親水性電解質高分子アクチュエータのセルフセンシング制御に関する研究

高分子アクチュエータの一つであるIonic Polymer-Metal Composite(IPMC)は乾電池一本程度の電圧で駆動する低消費エネルギー屈曲モードアクチュエータして知られている。その屈曲制御は非常に困難であり、従来は屈曲方向を反転させるために臨機応変に印加電圧の極性を反転させる程度の制御しか行われてこなかった。本研究では従来のアプローチと異なり、制御理論に基づき屈曲制御を試みた。FFT解析によりIPMCの伝達関数を導出し、この伝達関数をもとにしてFeedforward、Feedback、Two-Degree-of-Freedom制御を試みた。実機を用いた制御の検証では、FeedbackおよびTwo-Degree-of-Freedom制御下でIPMCは理想的に屈曲制御できることを確認した。今年度は,以下のイオン交換膜のアクチュエータ利用を目指した研究を行った.1. Selemionの曲率の振る舞いは外部環境(特に湿度)に大きく左右され,その屈曲制御が困難になる.様々な外部環境下におけるイオン交換膜の屈曲曲率,電流,電圧の関係を調べ,この原因を明らかにした.2. 1.の結果を基に外部環境の変化に対する耐性を持つ精密制御型電気駆動アクチュエータ作製を行った.入出力関係からアクチュエータ動特性モデルをシステム同定法で求め,数値シミュレーションと実験によりその検証を行った.3.種々の非電解質性高分子膜表面に種々の酸化還元性導電性物質コートを施し,電気刺激下による屈曲応答性を調べた.また,その入出力特性から2.と同様の方法によって動特性のモデル化を行い,動特性理論を構築した.4.非電解質性高分子膜の屈曲誘起は現在のところ誘起可能であったとしても水溶液中でなければ困難である.この点を改善するために、大気中での屈曲誘起法を見出した.親水性電解質高分子アクチュエータは周囲環境の影響を受けやすく,モデル化や定性的な制御が困難といわれてきた.本研究では,イオン交換膜Selemion(旭硝子)を用いたアクチュエータについて電気特性と周波数特性を調べ,入出力データに基づいて周波数領域で同定し,周囲環境の影響をうけてもロバストな動特性のモデル化を行うことを目標とした.本研究で親水性電解質高分子アクチュエータの電気特性と動特性を調べ,入出力データからアクチュエータの数式モデルを導出した,FFT解析結果と同定結果からゲイン・位相ともに実験データに良く一致した同定モデルを導出できていることが分かった.今年度得られた知見をまとめると,・selemionの変位動特性は電圧(電流)の印加方法や外部環境湿度によらず与えた電荷のみに比例していため,与える電荷量を制御することで屈曲変位を制御できる.・インピーダンス測定の結果から明らかに湿度が高いほど抵抗(Z')が減少しており,試料のイオン化が進んでいる.これが高湿度下での屈曲変位応答性の向上に寄与していると考えられる.・湿度58%,48%におけるselemionの周波数応答解析結果を同定することでモデル化した.FFT解析結果と同定結果からゲイン・位相ともに実験データとよく一致した数式モデルが得られた.・数値シミュレーションではフィードフォワード制御,フィードバック制御ともに良好な結果が得られたが,湿度変化を与えた実験環境の実現性に問題があり,完全な実験的な検証にはいたらなかった.現在の人間型ロボットは、人間のしなやかな動きを忠実に再現しているとは言い難く、新たなアイディアを以って改善する必要がある。我々は、しなやかな動きを再現できる人間型ロボット開発に繋がるであろう生体模倣型アクチュエータの開発を試みた。従来のアクチュエータは金属やセラミックス製であるが、生体模倣という観点から我々はアクチュエータ材料その物から考え直し、従来とは異なるアプローチを試みた。アクチュエータ材料として我々は親水性高分子に着目した。その中でも特にIonic Polymer-Metal Composite(IPMC)と呼ばれる材料に注目した。IPMCは乾電池一本程度の印加電圧で大きく屈曲する性質で知られ、低消費エネルギー型屈曲モードアクチュエータとして注目されている。しかし、屈曲制御性が悪いという難点があり実用には至っていな'い。従来、IPMCの屈曲制御は単に印加電圧の極性の反転を臨機応変に誘起するという場当たり的な方法で行われている。しかし我々は、制御理論に基づきFFT解析から入力刺激(印加電圧)に対するIPMCの出力応答(振幅)を精査するという手法で屈曲制御を試みた。我々の用いたIPMCは印加電圧に対する振幅が外部環境湿度に大きく依存するが、FFT解析によりその伝達関数Gは湿度によって定数倍変化する、すなわちk・G。(kは湿度に依存する定数、Gはある基準湿度下のIPMCの伝達関数)で表わされることが分かった。

この伝達関数をもとにFeegforward、Feedback、Two-Degree-of-Freedom制御を行った。シミュレーションの結果は理想的なIPMCの屈曲の振る舞いを非常に良く再現した。実機を用い、このシミュレーション結果の妥当性を調べた。特に、Feedback、Two-Degree-of-Freedom制御下で、IPMCの屈曲は極めて正確に制御可能であった。
激震時の地盤と建物の動的相互作用を考慮した杭基礎の終局耐力と変形性能の評価

本研究では、大型振動台実験ならびに遠心振動実験により、非液状化および液状化地盤と構造物との動的相互作用を把握するとともに、杭の水平地盤反力発生メカニズムを明らかにし、さらに、数値解析から液状化地盤中の杭の曲げ座屈応力度について検討し、これらの結果に基づいて、地盤と構造物との非線形動的相互作用を考慮して、杭基礎の終局耐力と変形性能評価の可能性について検討したものである。得られた主な結論は以下の通りである。(1)非液状化地盤での杭の水平地盤反力は前面側の圧縮地盤で土圧が上昇することで発生し、杭間隔が狭い群杭では後方杭ほど地盤反力が小さくなる。液状化地盤での杭の水平地盤反力は、杭と地盤の相対変形で引っ張りとなった側で間隙水圧が減少し、土圧が低下することで発生し、杭間隔が狭い群杭でも、後方杭において地盤反力が小さくなる現象は認められない。(2)液状化地盤において鉛直荷重を受ける鋼管杭の曲げ座屈応力度は、地盤の水平変形拘束を考慮した一般化細長比をもちいることで、通常の圧縮材と同様に評価できる。(3)構造物固有周期が地盤の固有周期より短い場合は地盤変位と慣性力が同位相のため、両者が同時に大きくなるときに杭応力(モーメント、せん断力、軸力変動)の最大値が発生するのに対し、構造物固有周期が地盤の固有周斯より長い場合は、両者が同位相でないため、地盤変位と慣性力の両方が同時に大きくない条件で、杭応力の最大値が発生する傾向がある。(4)非液状化地盤では構造物の慣性力に表層地盤が抵抗するため、軸力変動は基礎を中心とする転倒モーメントで評価できるが、液状化地盤では、表層地盤が抵抗できないため、軸力を支配するモーメント中心が地盤深部に移動して、軸力変動を増加させる傾向がある。(5)基礎根入れ部に働く地震時土圧、杭の水平地盤反力モデルを組み込んだ応答変位法により、地盤固有周期が構造物固有周期より長い場合は地盤変位と構造物慣性力を同時に作用させることで、短い場合は一方ずつ作用させて求めた応力を二乗和平方根で重ね合わせることで実験から得られた曲げモーメント、せん断力、軸力変動を良く再現できる。本研究では、地盤と構造物との非線形動的相互作用を考慮して、杭基礎の終局耐力と変形性能を評価することで、基礎の限界状態設計法確立に資する資料を整備することを目的としている。そこで、防災科学技術研究所の大型振動台実験により、非液状化および液状化地盤における強震時の杭構造物系の挙動を把握するとともに、杭および地盤内に密に配置した、歪みゲージ、加速度計、間隙水圧計から、杭の水平地盤反力変位関係と、その影響要因を抽出し、杭の水平地盤反力係数および地盤反力変位関係のモデル、杭応力に与える上部構造からの慣性力と地盤変形の効果を適切に評価する方法について検討している。得られた結論は以下の通りである。(1)液状化地盤における地盤反力係数は,地盤密度,間隙水圧,相対変位に影響を受ける。

また、液状化後の地盤反力係数に影響を与える間隙水圧の変化は地盤密度,相対変位,入力レベルに依存する.これらの影響を考慮した地盤反力変位関係モデルは,実験における地盤反力変位関係を概ね捉えることができる。(2)地盤が液状化するか否かにかかわらず、構造物固有周期が地盤の卓越周期より長い場合は地盤変位と慣性力の影響が同時に大きくなるのに対し,短い場合は両者の影響は同時には大きくならない.杭に発生する最大モーメント分布は、最大地盤変位のみが作用する時のモーメント分布と最大慣性力のみが作用する時のモーメント分布の単純重ね合わせか二乗和平方根として評価できる。本研究では、地盤と構造物との非線形動的相互作用を考慮して、杭基礎の終局耐力と変形性能を評価することを目的としている。そこで、防災科学技術研究所の大型振動台実験により、非液状化および液状化地盤における地盤と構造物との非線形動的相互作用を把握するとともに、杭および地盤内に密に配置した、歪みゲージ、加速度計、間隙水圧計から、杭の水平地盤反力発生メカニズムを明らかにし、これらの結果に基づいて、杭応力評価の可能性について検討したものである。得られた結論は以下の通りである。(1)液状化後の地盤で杭の水平地盤反力が生じるのは、杭と地盤の相対変形により、引っ張り領域となった側の地盤で間隙水圧が減少し、土圧が低下するためである。以上の傾向は、非液状化地盤で、杭と地盤の相対変形により、圧縮領域となった側の地盤で土圧が上昇する傾向とメカニズムが異なる。液状化後の水平地盤反力に影響を与える間隙水圧変化は地盤密度,相対変位,入力レベルに依存する.これらの影響を考慮した地盤反力変位関係モデルは,実験における地盤反力変位関係を概ね捉えることができる。(2)構造物固有周期が地盤の固有周期より短い場合は地盤変位と慣性力が同位相のため、両者が同時に大きくなるときに、杭頭モーメントの最大値が発生しやすいのに対し、構造物固有周期が地盤の固有周期より長い場合は、両者が同位相でないため、地盤変位と慣性力の両方が同時に大きくない条件で、杭頭モーメントの最大値が発生する傾向がある。(3)基礎根入れ部に働く地震時土圧、杭の水平地盤反力モデルを組み込んだ応答変位法は、地盤固有周期が構造物固有周期より長い場合は地盤変位と構造物慣性力を同時に作用させることで、短い場合は一方ずつ作用させて求めた応力を二乗和平方根で重ね合わせることで実験から得られた曲げモーメント、せん断力、軸力変動を良く再現している。本研究では、大型振動台実験ならびに遠心振動実験により、非液状化および液状化地盤と構造物との動的相互作用を把握するとともに、杭の水平地盤反力発生メカニズムを明らかにし、これらの結果に基づいて、地盤と構造物との非線形動的相互作用を考慮して、杭基礎の終局耐力と変形性能評価の可能性について検討したものである。(1)非液状化地盤での杭の水平地盤反力は前面側の圧縮地盤で土圧が上昇することで発生し、杭間隔が狭い群杭では後方杭ほど地盤反力が小さくなる。液状化地盤での杭の水平地盤反力は、杭と地盤の相対変形で引っ張りとなった側で間隙水圧が減少し、土圧が低下することで発生し、杭間隔が狭い群杭でも、後方杭において地盤反力が小さくなる現象は認められない。(2)構造物固有周期が地盤の固有周期より短い場合は地盤変位と慣性力が同位相のため、両者が同時に大きくなるときに杭応力(モーメント、せん断力、軸力変動)の最大値が発生するのに対し、構造物固有周期が地盤の固有周期より長い場合は、両者が同位相でないため、地盤変位と,慣性力の両方が同時に大きくない条件で、杭応力の最大値が発生する傾向がある。(3)非液状化
砂地盤の力学挙動の評価と試験法に関する研究

原位置砂地盤の力学挙動の合理的な予測法の確立をめざして,一連の研究を進めた.本研究で得られた研究成果は,以下のように要約される.1.任意の応力系および堆積条件にある地盤材料の変形挙動と構成式(1)ねじり単純せん断試験による砂の変形・強度特性は,砂の構造異方性と中間主応力の相対的大きさを適切に考慮すれば,主応力方向が固定されている平面ひずみ圧縮試験のそれとほとんど一致することを見出した.(2)地盤のもつ構成粒子の卓越配列や層状構造などの異方構造特性を,ファブリックテンソルにより表示し,それをDrucker-Prager型の降伏関数に基づいて一般化することにより,数学的に厳密な形の粒状体の数理塑性モデルを提案することができた.(3)一般応力増分と一般ひずみ増分を直接結び付けた一般座標表示の土の構成式の誘導に成功した.さらに,提案構成式は,主応力方向の複数回転を含む一般応力経路下での粒状体の変形挙動を適切に説明できることを示した.2.原位置砂地盤の液状化強度の推定堆積環境,堆積年代,地下水位などから原位置の砂質地盤の液状化危険度を推定できる新しい液状化簡易推定法を提案した.この方法は,ボーリング調査結果を必要としない点に特色がある.3.砂の非排水繰返し三軸試験法飽和砂の非排水繰返し三軸試験法の基準案を作成した.この試験法に従って,全国一斉非排水繰返し三軸試験を, 48の研究機関の参加を得て実施した.結果によれば,試験結果の分散を小さくするためには供試体寸法や圧密方法,繰返し応力振幅の対称性など,いくつかの統一すべき重要事項のあることがわかった.ここで得た成果は,非排水繰返し三軸試験法の標準化に貢献するところ大であると思われる.原位置砂地盤の力学挙動の合理的な予測法の確立をめざして,一連の研究を進めた.本研究で得られた研究成果は,以下のように要約される.1.任意の応力系および堆積条件にある地盤材料の変形挙動と構成式(1)ねじり単純せん断試験による砂の変形・強度特性は,砂の構造異方性と中間主応力の相対的大きさを適切に考慮すれば,主応力方向が固定されている平面ひずみ圧縮試験のそれとほとんど一致することを見出した.(2)地盤のもつ構成粒子の卓越配列や層状構造などの異方構造特性を,ファブリックテンソルにより表示し,それをDrucker-Prager型の降伏関数に基づいて一般化することにより,数学的に厳密な形の粒状体の数理塑性モデルを提案することができた.(3)一般応力増分と一般ひずみ増分を直接結び付けた一般座標表示の土の構成式の誘導に成功した.さらに,提案構成式は,主応力方向の複数回転を含む一般応力経路下での粒状体の変形挙動を適切に説明できることを示した.2.原位置砂地盤の液状化強度の推定堆積環境,堆積年代,地下水位などから原位置の砂質地盤の液状化危険度を推定できる新しい液状化簡易推定法を提案した.この方法は,ボーリング調査結果を必要としない点に特色がある.3.砂の非排水繰返し三軸試験法飽和砂の非排水繰返し三軸試験法の基準案を作成した.この試験法に従って,全国一斉非排水繰返し三軸試験を, 48の研究機関の参加を得て実施した.結果によれば,試験結果の分散を小さくするためには供試体寸法や圧密方法,繰返し応力振幅の対称性など,いくつかの統一すべき重要事項のあることがわかった.ここで得た成果は,非排水繰返し三軸試験法の標準化に貢献するところ大であると思われる.種々の堆積条件、応力系のもとにある砂地盤の応力-ひずみ関係を支配する諸要因の解明を目的として、一連の実験的および解析的研究を進めた。得られた研究成果は、以下のように要約される。1.従来明確ではなかった正規圧密砂の液状化強度の特徴として次のような事実が示された。(1)相対密度が80%以下の状態では、両振幅ひずみの大きさによらない繰返し応力比-相対密度関係が成立する、(2)何回繰返しても液状化を発生させない繰返し応力比(限界液状化強さ)の値は、両振幅ひずみの大きさに影響されない、(3)このような限界液状化強さは相対密度の増加に対応して直線的に増加する。2.飽和度(B値)の低下による液状化強度の増加は、主として微小ひずみレベルにおいて現れる。また適切な飽和砂の液状化強度を評価するためには、少なくとも0.95以上のB値を確保した室内動的試験が必要であることを示した。3.内部状態変数として塑性ひずみ仕事量を考えると、繰返し載荷によって発生する過剰間隙水圧をかなりの精度で予測できることが見い出された。4.非排水繰返しせん断時の有効応力経路の相似性に着目し、初期構造の影響を受ける第一サイクルの有効応力経路を評価すれば、液状化強度を簡単に予測できることを従来から提案している滑動面理論より明らかにした。5.平面ひずみ条件下にある砂の応力-ひずみ-強度特性は、堆積面と最大主応力方向との関係のみならず、圧密条件によっても著しく変化することを見い出した。6.種々の応力条件下で行なわれたねじりせん断

試験から、主応力軸の回転の有無にかかわらず、平面ひずみ条件を満足する応力系はほぼ等しいことが示された。原位置砂地盤の力学挙動の合理的な予測法を確立することを目的として、一連の実験的および解析的研究を進めた。本研究で得られた研究成果は、以下のように要約される。1.凍結法によって得た不撹乱砂試料の非排水繰返しせん断試験から、自然堆積砂地盤の液状化特性に無視できない構造異方性の影響が存在することを示した。さらに進めた解析的研究から、繰返し応力比や繰返し載荷回数によらない状態量と考えられるせん断仕事が、任意の偏差応力の下で発生間隙水圧と一義的な関係にあるという事実に基づいて、自然堆積砂の異方的な有効応力経路を予測できることが明らかにされた。2.単純せん断履歴によって新たに形成された構造異方性を有する砂の応力-ひずみ-強度特性を詳細に検討した結果、誘導異方性が砂の変形特性におよぼす影響は顕著であるものの、せん断抵抗角にはほとんど影響しないことが見出された。3.繰返し三軸試験に関する昨年度の研究成果に基づいて、飽和砂の非排水繰返し三軸試験法の基準案を作成した。なお、この試験法に従って(社)土質工学会が本年5月より全国一斉非排水繰返し三軸試験を実施する予定となっており、この成果により標準的試験法が確立できると思われる。4.種々の三次元応力経路下の力学挙動を説明できる簡単な形の弾塑性構成式(tij-model)を提案した。提案モデルは砂の変形・強度特性におよぼす中間主応力の影響やひずみ増分方向におよぼす応力経路の影響等が適切に説明されている。5.堆積環境、堆積年代、地下水位などから原位置の液状化危険度を推定できる新しい液状化簡易推定法を提案した。この方法は、ボーリング調査結果を必要としない点に特色がある。
可変構造システムと筋活動センシングによる高アシスト効率装着型増力装置の開発

装着者にあわせて増力装置の構造を最適化することでアシスト力を効率良く装着者に伝達し,アシスト効率を向上するためのアクチュエーション技術を開発する.2種類の可変構造システムを開発し,装着者の体格に対する増力装置のサイズの不適切さ,および動作中の増力装置のずれに起因するアシスト効率悪化の問題を解消した.また生体センサを用いて増力装置のずれを検出するセンサシステムを開発した.まず,アクチュエータユニットをスーツ要所に配置したジグに取り付けることで固定し,ジグとスーツを介して装着者にアシスト力を伝達する.各ジグ間のアクチュエータユニットのワイヤ長を手動調整することで,装着者の体格に増力装置を合わせる静的な可変構造システムを開発した.アレイ状EMGセンサを用いて,神経支配帯とセンサ情報との関係よりスーツのずれを計測するセンサシステムを開発した.ここで増力装置のずれがアシスト効率に大きく影響する.そこで,アクチュエータユニット取り付け部に装着者の体表面に密着するようにEMGセンサをアレイ状に取り付け,ホルダのずれを実時間で計測することができた.また,超音波による筋活動センシングによる動作計測システムを開発した.テスト特徴分類器に基づいて動作認識法を開発し,生体を透過した超音波から関節角度・トルクを認識する手法を確立した.最後に,腰と膝を同時アシスト可能な増力装置を開発した.ここでは,アクチュエータユニットを腰部に2つ取り付け,腰と肩および腰と膝とをアクチュエータユニットで結び,腰と膝に補助力が得られるようにした.アクチュエータユニットのずれによってアシスト効率が低下することをシミュレーションと実験により確認した.さらに,2つのアクチュエータユニット間の位置を動的に制御することで,ずれを抑制する制御系を開発し,実験によってその効果を示した.本研究では,装着者にあわせて増力装置の構造を最適化することでアシスト力を効率良く装着者に伝達し,アシスト効率を向上するためのアクチュエーション技術を開発する.今年度は,装着者の体格に増力装置を適合させる静的可変構造システムのためのアクチュエータユニットを開発した.また,筋骨格モデルと筋活動センシングに基づいたアクチュエータユニットの最適配置を行った.農作業支援用増力装置をプラットフォームとして研究を実施した.まず,ワイヤ,弾性素材,モータで構成されるパワーアシストユニットを開発した.本ユニットが発する補助力は弾性素材の伸びに伴う弾性力を用い,その伸長量をモータで制御することで補助力のセミアクティブ制御を行った.これにより,小型軽量で装着者に無理な力が作用しない増力装置を実現可能にした.次に,筋骨格モデルソフトウェアSIMMを基盤として,開発したパワーアシストユニットを任意の位置に取り付けた際の各筋肉の発揮力を算出可能にした.これにより静的な可変構造システムの設計支援を行った.生体センサおよび筋骨格モデルソフトウェアを用いて,各筋肉の負担が最小となる,つまりアシスト効率が最大となるように,パワーアシストユニットの配置を最適化した.ここでは,農作物の収穫動作を補助対象動作として,腰の屈曲,中腰姿勢維持,腰の伸展の一連の動作で最適化を行った.さらに,腰部の負担を軽減し,かつ人間の動作を妨げないように,パワーアシストユニットのセミアクティブ制御器の最適化を行った.以上の成果を基にして特許1件を出願した.また,国内講演会にて3件の講演発表を行った.装着者にあわせて増力装置の構造を最適化することでアシスト力を効率良く装着者に伝達し,アシスト効率を向上するためのアクチュエーション技術を開発する.2種類の可変構造システムを開発し,装着者の体格に対する増力装置のサイズの不適切さ,および動作中の増力装置のずれに起因するアシスト効率悪化の問題を解消した.また生体センサを用いて増力装置のずれを検出するセンサシステムを開発した.まず,アクチュエータユニットをスーツ要所に配置したジグに取り付けることで固定し,ジグとスーツを介して装着者にアシスト力を伝達する.各ジグ間のアクチュエータユニットのワイヤ長を手動調整することで,装着者の体格に増力装置を合わせる静的な可変構造システムを開発した.アレイ状EMGセンサを用いて,神経支配帯とセンサ情報との関係よりスーツのずれを計測するセンサシステムを開発した.ここで増力装置のずれがアシスト効率に大きく影響する.そこで,アクチュエータユニット取り付け部に装着者の体表面に密着するようにEMGセンサをアレイ状に取り付け,ホルダのずれを実時間で計測することができた.また,超音波による筋活動センシングによる動作計測システムを開発した.テスト特徴分類器に基づいて動作認識法を開発し,生体を透過した超音波から関節角度・トルクを認識する手法を確立した.最後に,腰と膝を同時アシスト可能な増力装置を開発した.ここでは,アクチュエータユニットを腰部に2つ取り付け,腰と肩および腰と膝とをアクチュエータユニットで結び,腰と膝に補助力が得られるようにした.アクチュエータユニットのずれによってアシスト効率が低下することをシミュレーションと実験により確認した.さらに,2つのアクチュエータユニット間の位置を動的に制御することで,ずれを抑制する制御系を開発し,実験によってその効果を示した.