hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
超高齢社会における福祉用具活用の実証的研究－わが国の介護問題の解決を目指して－

本研究は、それらの諸問題を解決することを目的に、3年計画で福祉用具を介護の現場に導入するための実証的な調査を行うことである。計画としては、1年目は、福祉用具のイメージについてパイロット調査と調査票の確定。2年目は、介護現場にて福祉用具活用者のリクルートをすすめ、調査に入る。3年目は、調査結果をまとめ、学会発表や論文投稿、講習会などで発表、普及活動をしていく計画である。1年目である23年度は、パイロット調査を実施した。対象者は、研究代表者が所属する大学の学生14学年の99名である。4種類の福祉用具(スライディングボード、ラクーネ、乗助さん、リフト)を用いた移乗方法の映像を見てもらい、それらを体験して、質問項目に沿って、福祉用具に対するイメージを自由に回答してもらった。その結果、福祉用具に対して、移乗・移動が楽にできる、スムーズに行える、威圧感はあまり感じないといった肯定的な回答を示したものがほとんどを占めていた。また、映像と体験との違いについては、福祉用具によって差は生じていたが、全体的にみるとさほどないことがわかった。今回の調査は、福祉用具活用者から回答を求めた点が、画期的だったと思われる。少数の回答ではあったが、移動する速度が速すぎると恐怖に感じること、ある程度のボディタッチを確保している方が安心感を与えるなど、当事者ならではの回答が得られたと思われる。現在、これらの回答をもとに研究協力員などと、調査票の確定を検討中である。24年度は、福祉用具の活用対象者のリクルートをすすめ、現地調査に入ることを計画していた。しかし実際は、調査票の確定、介護現場のリクルートを依頼するまでにとどまった。遅れている理由としては、1つに、調査票の確定に時間を要したこと。計画当初では、介護現場の職員を対象としていたが、福祉用具の購入や介護に対する指針を示すにあたり施設長の意向が多分に影響していることを踏まえ、急きょ施設長も対象とすることに変更し、質問票を作成したことも影響したと思われる。2つ目に、福祉用具の活用対象者のリクルートをするために、事前準備に時間を要したこと。実際に使用する福祉用具がどのようなものか容易にわかるように、福祉用具を活用しているところを撮影し、映像化を計画していたが、購入に当たり、一部カスタマイズを依頼した福祉用具(乗助さん)もあり、納入に時間を要してしまった。また、介護保険施設に依頼をする際に、福祉用具の写真と映像化したものを送付するため、複数必要となり、作成に時間を要した。3つ目に、現地調査のリクルートに際して、選定を再検討したこと。計画では、研究代表者所属の大学で介護実習を委託している施設に重点的に依頼をする考えでいたが、福祉用具の現状や認知度に対する先行研究は皆無に等しいため、より多くの施設に調査依頼をすることに再検討を行った。その際、質問票を実施した後に、福祉用具を活用する計画でいるため、搬送などが可能な施設を選定するのに時間を要した。4つ目に、今回リースの対象となっている福祉用具の一つ(乗助さん)がカスタマイズしたものであることや、業者が過去に扱ったことがない福祉用具だったこともあり、リースの調整に困難を極めている状況で解決策に現在も時間を要していることにある。以上、4つの理由があげられる。23年度は、パイロット調査を実施し、福祉用具に対するイメージ調査を確定する事を目的としていた。
多層膜スピン分波ミラーによる中性子ミクロン磁気イメージング法の開発

当初予定していた多層膜スピン分波ミラーを用いた、中性子スピン位相コントラスト法の空間分解能向上については、JRR3未稼働のため実施することができなかった。しかしながら本助成金によって、多層膜スピン分波ミラーの製作および精密制御システムを整備することはできており、JRR3稼働後には実証実験を実施できる環境が整えられた。一方で、J-PARCによって現状実施可能な条件ではあるが電磁鋼板の磁区可視化の実験を実施した。印加磁場の変化に応じて、磁区の移動もしくは磁区構造の変化に起因する中性子偏極率の変化を観測することができた。磁性体は広く応用されているが、磁性体内部の磁区構造研究は産学問わず重要な課題である。しかしながら従来の手法はいずれも磁性体表面近傍の磁区観察のみで、磁性体内部の磁区を直接観測する手法は皆無であった。これに対し、偏極中性子を用いた中性子磁気イメージング法は、磁性体内部の磁区を直接観測できる手法として注目を浴びているが、空間分解能に難があり、ミリオーダーの空間分解能に留まっている。本研究では申請者がこれまで開発してきた中性子スピン位相コントラスト法に、多層膜スピン分波ミラーを導入することで一気に空間分解能をミクロンオーダーまで向上させ、新たな磁区観察法の確立を目的とし、磁区構造研究の促進を図る。平成25年度は多層膜スピン分波ミラーを作成し、スピン位相コントラスト法に導入して本研究における提案を実証することを目的とした。しかしながら、実験を予定していた日本原子力研究開発機構、JRR-3が長期シャットダウンから再稼働できず、さらに予備として検討していたJ-PARCおよびフランスILLもシャットダウンしたことにより、実証実験の実施ができなかった。多層膜スピン分波ミラーは、中性子波長域において膜厚の設計が異なるため候補として考えられるビームポートそれぞれに対して設計し、平成26年度に実証実験を行う準備を整えた。また、多層膜分波ミラー制御用自動ステージの準備を整えた。しかしながら従来の手法はいずれも磁性体表面近傍の磁区の観察のみで、磁性体内部の磁区を直接観測する手法は皆無であった。これに対し、偏極中性子を用いた中性子磁気イメージング法は、磁性体内部の磁区を直接観測できる手法として注目を浴びている。本研究では申請者がこれまで開発してきた中性子スピン位相コントラスト法に、多層膜分波ミラーを導入することで空間分解能を向上させ、電磁鋼板の磁区の観察を行うことを目的とした。平成26年度は電磁鋼板内部の磁区構造測定を行う計画であった。しかしながら、前年度JRR-3とJ-PARC共に停止していたため、前年度予定していた開発(中性子スピン位相コントラスト法に多層膜分波ミラーを導入する)が実施できておらず、26年度に開発から行う予定であった。26年度も、実験の第一候補であるJRR-3が稼働せず、第二候補であったJ-PARCでのマシンタイム確保を目指したが、開発を行うための十分なマシンタイムが確保できなかった。そこで、多層膜分波ミラー導入前の従来の中性子磁気イメージング法により、電磁鋼板磁区可視化実験を行った。26年度に整備した試料環境コイルを用いて、試料に印加される磁場を変化させつつ磁区の可視化を行った結果、数ミリオーダーの比較的大きな磁区ではあるが、磁場環境に依存した磁区の移動の様子を可視化することに成功した。中性子イメージングJRR-3の再稼働が遅れ、さらに予備として検討していたJ-PARCとILLもシャットダウンとなり、平成25年度に予定していた中性子を用いた実証実験が実施できていない。本研究で使用する多層膜分波ミラーの設計、および制御システムを実施した。H25年度に実施予定であった、中性子スピンコントラスト法に多層膜分波ミラーを導入した実証実験を実施する。十分なマシンタイム確保を試み、その後の電磁鋼板を試料とした応用実験も実施したい。実証実験実施の第一候補として検討していたJRR-3の再稼働は見込めない状況であるので、J-PARCで実施する方向で検討する。多層膜スピン分波ミラー作成のための材料を、京都大学実験所との共同研究による研究費で作成できたため。試料購入費や実験環境整備費として使用する。
金属および高分子材料の不均一変形と表面形状変化

本研究は、金属および高分子材料の不均一変形と表面形状変化を解明しようとしたものであるが、内容は数値シミュレ-ションを中心とする解析的研究と、表面あらさ計および走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた実験的研究からなっている。1.金属材料として純鉄の粗大結晶粒をもつ材料を使用し、これに圧縮変形を加えて表面あらさを測定するとともに、結晶粒形状の変化を測定した。またこれらのデ-タを画像処理装置を通してパ-ソナルコンピュ-タに入力し、2次元および3次元的にグラフィック表示するシステムを構築し、金属の塑性変形に伴う表面の性状変化について検討を加えた。2.二相合金の変形挙動と表面あらさについて実験的に明らかにするため、α相およびβ相からなる6-4黄銅を用い、圧縮塑性変形に伴う表面あらさ変化およびSEM観察による結晶粒の形状変化を調べ、考察を加えた。3.各種市販高分子材料の塑性変形に伴う表面性状変化について調べた。まず、表面あらさ計による測定から一般に結晶性高分子では表面あれが大きく、非晶性高分子では小さいことが明らかになった。また高分子表面を走面電子顕微鏡で観察するため、イオンコ-タ-により金蒸着を行ない、表面形状変化の観察を行った。4.材料の塑性変形における不均一と表面あれの関係を調べるため、不均質材料のモデルと有限変形を考慮した弾塑性有限要素法プログラムを用いて、数値シミュレ-ションを行なった。特に表面あれの原因となる材料不均質および表面分岐現象について検討を加え、それら相互の影響を明らかにした。また、ゴム複合体の変形についても検討するとともに、材料研究と数値シミュレ-ションについて概説した。またこれらのデータを画像処理装置を通してパーソナルコンピュータに入力し、2次元および3次元的にグラフィック表示するシステムを構築し、金属の塑性変形に伴う表面の性状変化について検討を加えた。これらについては、国際会議で発表する予定である。2.各種市販高分子材料の塑性変形に伴う表面性状変化について調べた。まず、表面あらさ計による測定から一般に結晶性高分子では表面あれが大きく、非晶性高分子では小さいことが明らかとなった。また高分子表面を走査電子顕微鏡で観察するため、イオンコーターにより金蒸着を行ない、表面形状の変化の観察を続行している。これらの成果については論文にまとめる準備をしている。3.材料の塑性変形における不均一と表面あれの関係を調べるため、不均質材料のモデルと有限変形を考慮した弾塑性有限要素法プログラムを用いて、数値シミュレーションを行なった。これらの成果は論文として発表の予定である。本研究は、金属および高分子材料の不均一変形と表面状変化を解明しようとしたのであるが、内容は数値シミュレ-ションを中心とする解析的研究と、表面あらさ計および走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた実験的研究からなっている。当該年度に学術雑誌等に発表した研究成果の概要を述べると次のようになる。1.材料研究における解析的な取扱いについて、特に不均質体の弾性、塑性、粘弾性変形に対する有限要素法を中心とする数値シミュレ-ションの有用性とその限界について概説した。また、材料研究におけるマクロとミクロの関連についても考察を加えた。その結果、α相に比較して硬いβ相においても塑性変形を生じているが、その程度は少ないことが明らかになった。3.ゴム材料においても、種々のゴムを組合せて目的の特性を有するゴムを得る場合がある。

ここでは、Mooney-Rivlin型の構成式をもつゴム複合体の変形挙動を平面応力の場合について、有限要素法および長方形状の硬軟ゴムからなる複合体モデルを用いて調べ、変形挙動の特性を明らかにした。4.その他に、高分子材料の塑性変形に伴う表面あらさ変化に及ぼす結晶化度の影響、走査電子顕微鏡内引張り試験と不均一変形の測定システム、粘弾性不均質体の変形解析と対応原理、などについても検討を加えた。
長期ケア施設における看護師のキャリアビジョンの明確化

本研究では、今後増床が見込まれる長期ケア施設で勤務する看護師(以下、長期ケア看護師)にとって魅力ある職場環境およびキャリア開発を検討し、看護師の離職防止による経験値の蓄積および全国の長期ケア施設全体のサービスの質の向上に資するため、長期ケア看護師が就職先として、どのような理由により長期ケア施設を選択し、どのような価値やキャリアビジョンをもって働いているのかを明らかにすることを目的とする。平成29年度は、急性期病院および長期ケア施設に勤務する看護師の職場環境とキャリアに関する文献レビューを実施し、国内外における研究の動向を検討した。また長期ケア看護師を対象とした全国調査を実施するための質問紙を作成し、研究協力施設への依頼を行った。当初の計画では、全国の長期ケア施設1,000施設、1施設あたり10名の常勤看護師へのキャリアデザインに関する質問紙調査を予定していたが、長期ケア施設について、常勤看護師が少なく、非常勤の看護師が多いことから、1施設あたりの常勤看護師への調査を減らし、依頼する施設数を増すこととした。当初の計画では、全国の長期ケア施設1,000施設、1施設あたり10名の常勤看護師へのキャリアデザインに関する質問紙調査を予定していたが、長期ケア施設について、常勤看護師が少なく、非常勤の看護師が多いことから、1施設あたりの常勤看護師への調査を減らし、依頼する施設数を増やす必要性が生じた。また、それに伴い、対象施設のリスト化および質問内容の見直しに時間を要した。今後の計画として、データ分析を行うとともに、それらの結果から長期ケア施設の種類、年齢、経験年数、性別などの基本属性やこれまでの勤務先といった要素を考慮し、理論的かつ網羅的サンプリングによる看護師へのインタビューを行うことで、長期ケア施設に勤務する看護師のキャリアの軌跡とキャリアビジョンを明らかにする。平成28年度は、急性期病院および長期ケア施設に勤務する看護師の職場環境とキャリア開発に関する文献検討を行い、長期ケア看護師を対象とした全国調査を実施するための質問紙の内容を検討した。平成28年度は、文献検討を行い、長期ケア看護師のキャリアに関する実態把握の基礎資料に資するため、長期ケア看護師を対象に、就職先として長期ケア施設を選択した理由や異動の経歴などについての全国調査を実施する計画であった。文献検討に時間を要したため、質問紙の内容の検討までを行い、調査実施には至っていない。また長期ケア看護師を対象とした全国調査を実施するための質問紙の内容を検討および研究協力施設への依頼の準備を行った。平成29年度は、文献検討を行い、長期ケア看護師のキャリアに関する実態把握の基礎資料に資するため、長期ケア看護師を対象に、就職先として長期ケア施設を選択した理由や異動の経歴などについての全国調査を実施する計画であった。文献検討に時間を要したため、調査の準備にとどまり調査実施には至っていない。今後の計画として、質問紙を作成し、質問紙の発送・回収を行う。

また、データ分析を行うとともに、それらの結果から長期ケア施設の種類、年齢、経験年数、性別などの基本属性やこれまでの勤務先といった要素を考慮し、理論的かつ網羅的サンプリングによる看護師へのインタビューを行うことで、長期ケア施設に勤務にする看護師のキャリアの軌跡とキャリアビジョンを明らかにする。今後の計画として、質問紙を作成し、質問紙の発送・回収を行う。今後の計画として、データ分析を行うとともに、それらの結果から長期ケア施設の種類、年齢、経験年数、性別などの基本属性やこれまでの勤務先といった要素を考慮し、理論的かつ網羅的サンプリングによる看護師へのインタビューを行うことで、長期ケア施設に勤務する看護師のキャリアの軌跡とキャリアビジョンを明らかにする。文献検討は所属機関においてデータベースを使用し、オンラインジャーナルからダウンロードすることで、文献複写の費用を抑えることができた。当初の計画では、平成28年度は全国の長期ケア施設に勤務する看護師の質問紙調査を実施する予定であったが、文献検討に時間を要したため、調査票の発送まで至らなかったため、次年度使用額が発生した。当初の計画では、全国の長期ケア施設1,000施設、1施設あたり10名の常勤看護師へのキャリアデザインに関する質問紙調査を予定していたが、長期ケア施設について、常勤看護師が少なく、非常勤の看護師が多いことから、1施設あたりの常勤看護師への調査を減らし、依頼する施設数を増やす必要性が生じた。また、それに伴い、対象施設のリスト化および質問内容の見直しに時間を要した。全国の施設への依頼文書の発送および返送費用に9万円、調査票の印刷・発送に30万円、調査票の返送費に10万円、データ入力の外部委託費に10万円の合計59万円とする。
能動力カメラによる移動物体の適応的追跡

1.能動カメラシステムの構築平成7年度において、現有のワークステーション上でのズ-ム制御のアルゴリズムの構築を行い、パーソナルコンピュータベースの能動カメラによる基礎実験を行った。上記の基礎実験のために試作した能動カメラシステムでは、ズ-ム制御アルゴリズムの実行や、CCDカメラから得られる画像処理を、全てパーソナルコンピュータで行っているために、高速に移動する物体への追従は困難であった。平成8年度においては、画像処理専用のイメージプロセッサを使用し、追跡速度の向上を図った能動カメラシステムを構築し、画像フレームの時間間隔以内に画像処理演算を終了するシステムを実現した。更に、画像処理とカメラの制御を同時間に並列に行わせることにより、より高速な追跡制御を試みた。2.移動物体の3次元動き推定への応用平成7年度においては複数移動物体への追跡アルゴリズムを構築し、実験により二人の人間が歩いているような動画像へも対応が可能であることを確認した。本年度は自動追跡システムの応用として、移動物体の3次元動きを推定するモーション・ステレオ法に能動カメラシステムを適用することを試みた。従来のモーションステレオによる3次元計測では、カメラからの距離が大きくなるにつれて、画像内での視差が小さくなるために距離の計測精度が下がるという問題があった。平成8年度においては、能動カメラシステムを現有のロボットアームに取り付け、モーションステレオの原理により得られる物体までの距離に応じて、適切なカメラ運動と焦点距離を与えることにより、正確な物体の奥行き距離を求めて3次元の動きを推定することを試みた。実験の結果、本研究で製作した能動カメラシステムにおいては、カメラからの距離が大きくなればそれに応じてズ-ムレンズの焦点距離が変化し、距離の計測精度には影響を与えにくくなることを確かめた。1.ズ-ム制御のアルゴリズムの構築まず、対称物体の大きさに応じてCCDカメラのズ-ムレンズの焦点距離を制御し、常に適切な解像度で対称物体を追跡できるような制御アルゴリズムを構築した。このズ-ム制御は、ファジィ制御導入し移動物体の画面内の位置、寸法、移動速度等の各種の条件から柔軟な制御が行えるようにしたもので、3つの入力メンバーシップ関数を試行錯誤により設定して、このメンバーシップ関数からファジィルールを基に焦点距離を求め、移動物体を追跡しながら最適な物体の寸法にトリミングを行うことを可能とした。このアルゴリズムは、現在のワークステーション上で簡単な計算機シミュレーションを行い、妥当性と有用性が検証された。2.能動カメラによる基礎実験次に、能動カメラシステムを試作した。この試作システムは、CCDカメラおよびズ-ムレンズにより構成させるカメラ部と、カメラから得られる画像を処理し、ズ-ム制御を行うパーソナルコンピュータからなっている。様々な移動物体に対して、本研究で開発したアルゴリズムによるズ-ム制御を行った実験の結果、上記のズ-ム制御アルゴリズムの妥当性、有効性が検証された。3.複数移動物体への追跡アルゴリズムの検討試作能動カメラに導入する画像処理においては、画像の中の移動物体は1つであるという前提条件が必要であるが、実用的には複数の移動物体への対応が要求される。そこで、複数の移動物体を含む3枚の時系列画像から、それらの輪郭差分に着目し移動体の速度、加速度、寸法、位置などを抽出するアルゴリズムを考案し、実装した。このアルゴリズムは、物体形状がの特徴量が大きなものから順次、動きパラメータを抽出し、3重相互相関と画像の合成・分析を適用するもので、実験により、二人の人間が歩いているような動画像へも対応が可能であることを確認した。

本年度は、画像処理専用のイメージプロセッサを使用し、追跡速度の向上を図った能動カメラシステムを構築し、画像フレームの時間間隔以内に画像処理演算を終了するシステムを実現した。更に、画像処理とカメラの制御を同時間に並列に行わせることにより、より高速な追跡制御を試みた。2.移動物体の3次元動き推定への応用平成7年度においては複数移動物体への追跡アルゴリズムを構築し、実験により二人の人間が歩いているような動画像へも対応が可能であることを確認した。本年度は自動追跡システムの応用として、移動物体の3次元動きを推定するモーション・ステレオ法に能動カメラシステムを適用することを試みた。従来のモーションステレオによる3次元計測では、カメラからの距離が大きくなるにつれて、画像内での視差が小さくなるために距離の計測精度が下がるという問題があった。これに対し、能動カメラシステムを現有のロボットアームに取り付け、モーションステレオの原理により得られる物体までの距離に応じて、適切なカメラ運動と焦点距離を与えることにより、正確な物体の奥行きを距離を求めて3次元の動きを推定することを試みた。実験の結果、本研究で製作した能動カメラシステムにおいては、カメラからの距離が大きくなればそれに応じてズ-ムレンズの焦点距離が変化し、距離の計測精度には影響を与えにくくなることを確かめた。
糖尿病時の呼吸・循環調節障害に対する運動トレーニング効果

生活習慣病などによる慢性的な血糖値の増加は,生体の代謝機能に影響を与え,それに伴い循環調節機能のみならず呼吸調節機能にも悪影響を与える.本年度は,糖尿病マウスの呼吸調節機能と,それに対する運動トレーニング効果を明らかにするために,初めにマウスの自発運動時における呼吸機能の変化を測定することが可能かどうかを検討した.従来,マウスにおける運動時の呼吸パターン測定は半密閉型小動物用トレッドミルを用いた測定が報告されているが,トレッドミル走による強制運動時には,ベルトの駆動や刺激装置,マウス自身の走行・停止の繰り返しなど,不要な情報を含んでしまうことが考えられる.そこで,我々はランニングホイールを備えた小容積プレチスモチャンバーを開発し,マウスの自発運動に伴って生じる呼吸パターンの変化を測定することに成功した.具体的には,呼吸シグナル・運動量・心電図・酸素・二酸化炭素濃度を同時モニタリングするシステムを構築し,呼吸機能の評価・検討を行った,マウスのような小動物の呼吸シグナルを効率よく測定するために,チャンバー容量はホイールによる走運動が可能な範囲で小型化し,また高感度酸素・二酸化炭素測定装置を用いることで,安静時・および自発運動時の呼吸変化と,それに伴う酸素摂取量など代謝指標の測定が可能であった.同時に,あらかじめテレメトリー心電図送信機を腹腔内に埋め込むことで,心拍応答との同時測定が可能であった.本測定システムを用いることで,マウスに余計なストレスを与えない条件下での,より生理的条件に近い運動時呼吸応答が測定可能となった.しかしながら,当初計画していた糖尿病マウスにおける運動時呼吸調節機能の変化と,それに対する運動トレーニング効果については,十分な測定を行うまでに至らなかった.(抄録なし)本研究はI型糖尿病モデルマウスを実験対象として,運動が糖尿病時の循環調節機能に与える影響を検討する.特に血管内皮機能に着目し,独自の手法を用いて血管機能を明らかにするものである.平成23年度は,マウスを対象としたin vivo血管造影法を用いて血管内皮細胞機能を可視的に評価する実験系の構築を行った,具体的には,麻酔下マウスを呼吸管理し,血圧・心拍数測定のために頚動脈,血管作動薬の静脈内投与のために頸静脈,さらに血管造影剤注入のために右大腿動脈に血管カニュレーションを行った.その後,X線イメージングシステムにてマウスの左下肢を撮影した.血管造影剤を注入し,X線撮影することで連続的な血管造影像を得ることに成功した.大腿動脈の本管から下肢筋群に分岐する数多くの血管(口径60250μm)を,麻酔下のマウスで観察することが可能であった.血管造影法を用いて骨格筋血管網をin vivoにおいて可視化する手法は,これまでに大動物での報告はなされているが,マウス骨格筋で実現した報告はない.さらに血管内皮細胞機能の評価を行うため,アセチルコリン(ACh,内皮依存性血管拡張薬)およびニトロプルシド(SNP,内皮非依存性血管拡張薬)を静脈内投与して血管造影を行うことで,薬理的な血管拡張応答を評価した.ACh投与では,正常マウスに比べて糖尿病マウスで血管拡張応答が有意に低下していた.一方で,SNPの投与では,両群間に差は見られなかった.これらの結果から,糖尿病マウスでは血管内皮依存性の拡張機能が低下していることが示された.これまでのin vitroの摘出した太い血管を用いた先行研究において報告されている内容に反しないことから,本研究手法の妥当性と,太い血管から細い血管までをin vivoで観察可能であることの有用性が期待された,本研究では1型糖尿病モデルマウスを実験対象として,運動が糖尿病時の循環調節機能に与える影響を検討する.特に血管内皮機能に着目し,独自の手法を用いて血管機能を明らかにするものである.平成24年度は,初年度に構築した(1)マウスin vivo下肢血管造影法と,(2)大腿動脈血流の直接測定法を用いて糖尿病モデルマウスの血管内皮機能低下に対する運動トレーニング効果を明らかにした.(1)麻酔下マウス左下肢血管をX線イメージングシステムを用いて撮影した.血管内皮細胞機能の評価には,アセチルコリン(ACh,内皮依存性血管拡張薬)の静脈内投与を行い,薬理的な血管拡張反応を観察した.正常マウスに比べて糖尿病マウスで血管拡張応答が低下していた一方で,4週間のトレッドミル運動トレーニングを行った糖尿病マウスでは血管拡張応答が改善した.それらは血管径によって異なる応答を示し,より細い血管においての応答が顕著であった.in vivoにおいて太い血管から細い血管までを同時に観察可能な本手法による評価は,これまではin vitroにおいて個別に測定されてきたサイズの異なる血管の応答を統合的に理解するための重要な知見となりうる.(2)超音波血流計を用いてマウス大腿動脈血流の直接測定を行い,血圧一血流関係から下肢血管抵抗を求めた.麻酔下マウスの左大腿動脈に血流プローブを留置し,ACh静脈内投与による血圧・血流量の変化を同時測定した.正常マウスと比べて糖尿病マウスでは血管コンダクタンスの変化が有意に小さかったが,運動トレーニングによって改善する傾向にあった.血管造影では可視化できない細小血管も含めた下肢全体の血管機能においても,糖尿病に対する運動効果が示唆された.

生活習慣病などによる慢性的な血糖値の増加は,生体の代謝機能に影響を与え,それに伴い循環調節機能のみならず呼吸調節機能にも悪影響を与える.本年度は,糖尿病マウスの呼吸調節機能と,それに対する運動トレーニング効果を明らかにするために,初めにマウスの自発運動時における呼吸機能の変化を測定することが可能かどうかを検討した.従来,マウスにおける運動時の呼吸パターン測定は半密閉型小動物用トレッドミルを用いた測定が報告されているが,トレッドミル走による強制運動時には,ベルトの駆動や刺激装置,マウス自身の走行・停止の繰り返しなど,不要な情報を含んでしまうことが考えられる.そこで,我々はランニングホイールを備えた小容積プレチスモチャンバーを開発し,マウスの自発運動に伴って生じる呼吸パターンの変化を測定することに成功した.具体的には,呼吸シグナル・運動量・心電図・酸素・二酸化炭素濃度を同時モニタリングするシステムを構築し,呼吸機能の評価・検討を行った,マウスのような小動物の呼吸シグナルを効率よく測定するために,チャンバー容量はホイールによる走運動が可能な範囲で小型化し,また高感度酸素・二酸化炭素測定装置を用いることで,安静時・および自発運動時の呼吸変化と,それに伴う酸素摂取量など代謝指標の測定が可能であった.同時に,あらかじめテレメトリー心電図送信機を腹腔内に埋め込むことで,心拍応答との同時測定が可能であった.本測定システムを用いることで,マウスに余計なストレスを与えない条件下での,より生理的条件に近い運動時呼吸応答が測定可能となった.しかしながら,当初計画していた糖尿病マウスにおける運動時呼吸調節機能の変化と,それに対する運動トレーニング効果については,十分な測定を行うまでに至らなかった.初年度において,今後の研究課題遂行の基礎となる"マウスを対象としたin vivo下肢血管造影法"の構築に成功した.また,本手法を用いて糖尿病モデルマウスの血管機能評価が可能であった.これら本年度の研究成果は当初の研究目的をおおむね満たしており,今後は本研究手法を用いた応用的研究を行う.初年度において構築したマウスin vivo下肢血管造影法を用いて,糖尿病モデルマウスの血管内皮機能に対する運動トレーニング効果を明らかにした.また,発展的研究として超音波血流計を用いた大腿動脈血流の直接測定を行い,下肢血管抵抗を機能評価の指標として加えた.これら本年度の研究成果は当初の研究目的をおおむね満たしており,今後は,これらに併せて呼吸・代謝調節についての実験課題を遂行する.本年度において構築したマウス血管造影法を用いて,糖尿病モデルマウスの運動トレーニングが,下肢血管内皮細胞機能に与える効果を検討する.また,現在用いているI型糖尿病モデルだけではなく,II型糖尿病モデルマウスの利用も検討する.さらに研究課題2として,新たに構築する自発運動中のマウス呼吸測定システムを用いて,糖尿病が呼吸調節に与える影響,およびそれに対する運動トレーニング効果を明らかにしていく.新たに構築する自発運動中のマウス呼吸測定システムを用いて,糖尿病が呼吸・代謝調節に与える影響,およびそれに対する運動トレーニング効果を明らかにしていく.小動物の呼吸・代謝測定についてより理解を深めるため,米国ペンシルバニア州立大学医学部・Haouzi, Phihppe教授に師事し,実験手法・測定システムの検討を行う.それと同時に,大・小動物の呼吸代謝調節に関連した新たな発展的研究も行う.(抄録なし)
両心補助人工心臓用ホモポーラ・コンシクエント統合型５軸制御セルフベアリングモータ

本研究では、両心補助人工心臓に適用可能な、小型で高い安定性を有し、両心を独立に駆動可能な5軸制御セルフベアリングモータを開発する。一つのモータで左心、右心の流量を独立に増減させる場合、ポンプ回転数の増減に加え、左心と右心のポンプに連結したシャフトを軸方向に移動させポンプの2次流れを変化させることにより流量を調整する。したがって、開発するモータは、軸方向のサーボ機能を有する必要がある。そのため、軸方向制御に新方式のアキシャル磁気軸受を導入し、ホモポーラモータの中央部に一体化して配置する構造を採用し小型化と5軸制御の高性能化を実現する。これまでの実験において、回転速度3500rpmにおけるモータ効率が52%を示し、単純なホモポーラ型に対し約1.5倍の効率改善を確認するとともに、軸方向を受動安定性によるフリーな状態で径方向の4軸制御による浮上回転実験を行い、3000rpmにおける最大変位が0.012mmと高い安定性を示すことを確認した。最終年度は、本研究の最も重要なポイントである軸方向の受動安定特性およびサーボ制御特性について解析と実験を行った。その結果、受動安定支持のためのバネ剛性が0.33N/mmという良好な値を持つことを確認した。さらに、軸方向に0mmから0.5mmまで0.1mm間隔で位置指令を与える、5軸制御サーボ特性実験を行った。回転数3000[rpm]、軸方向変位0.5[mm]において、径方向の最大変位が0.0146mmであり、軸方向変位を与えても高い安定性を示すことを確認した。以上の結果より、本研究で提案したホモポーラ・コンシクエント統合型5軸制御セルフベアリングモータが、両心補助人工心臓ポンプとして十分に適用可能な高い性能を有することを確認した。人工心臓ポンプの長期使用が避けられない現状において、アクチュエータであるセルフベアリングモータの性能や信頼性の向上は最重要課題である。本研究では、小型化のため一つのアクチュエータで両心を独立に駆動可能な両心補助人工心臓を開発する。左心、右心の流量を独立に増減する場合、ポンプの回転数を増減に加え、ポンプを連結したシャフトを軸方向に移動させポンプに二次流れを変化させることで流量を調整する。したがって、開発するモータは、軸方向のサーボ機能を有する必要があるため、軸方向制御に新方式のアキシャル磁気軸受を導入し、これまで配置できなかったホモポーラモータの中央部に一体化して配置することで、小型化と5軸制御の高性能化を実現するとともに、トルク特性の改善が可能な、ホモポーラ・コンシクェント統合型の構造となっている。ポンプは、左心13,300Pa(100mmHg)、右心2,660Pa(20mmHg)の吐出圧力と。定常的に5L/minという流量を確保する必要があり、ポンプ効率を考慮して、40mNmのモータトルク、および安全性を考慮し自重の5倍、5Gの加速度に耐えられる制御力を目標値と設定した。有限要素法ソフトANSYSを用いた3次元磁場解析により、ホモポーラ・コンシクエント統合型5軸制御セルフベアリングモータの解析モデルが、回転トルク、径方向制御力、軸方向制御力それぞれについて目標性能を達成可能であることを確認した。解析結果に基づき、実験装置を設計・製作するとともに、巻線の取り付けや回転角センサを設置するなど、実験装置全体の組み上げを行った。本研究では、軸方向制御に新方式のアキシヤル磁気軸受をホモポーラモー夕の中央部に一体化して配置するとともに、両側ロータの突極間にコンシクエントポール用永久磁石を配置することでトルク特性の大幅な改善が可能な、小型で信頼性の高い両心補助人工心臓を実現することを目的としている。これまでの予定としては、5軸制御両心捕助セルフペアリングモー・夕の基本設計および実験装置の製作・組み上げにある。目標値として設定した性能を達成させるため、有限要素法ソフトANSYSを用いた3次元磁場解析により、バイアス用永久磁石とバイアス磁束経路、必要モータトルク発生のための突極致やステー夕形状、必要径方向力、軸方向力発生のためのロー・夕・ステー・夕の形状について検討した。磁場解析の解析結果に基づき,セルフベアリングモー夕試作1号機の設計を行い、モー夕部材や関連する装置部品を発注するとともに、回転トルクや浮上制御などモー夕駆動に必要な巻線を製作・配置し、回転角センサを設置するなど実験装置の組み上げを行った。以上のことから、予定通りの進行状況と言える。一つのモータで左心、右心の流量を独立に増減させる場合、ポンプの回転数を増減に加え、両側のポンプに連結したシャフトを軸方向に移動させ2次流れの増減により流量を調整する。したがって、開発するモータは、軸方向のサーボ機能を有する必要があり、軸方向制御に新方式のアキシャル磁気軸受を導入し、これまで配置できなかったホモポーラモータの中央部に一体化して配置することで、小型化と5軸制御の高性能化を実現するとともに、トルク特性およびモータ効率の改善が可能な、ホモポーラ・コンシクエント統合型の構造を採用する。

ポンプは、左心13,300Pa(100mmHg)、右心2,660Pa(20mmHg)の吐出圧力と、定常的に5L/minという流量を確保する必要があるため、40mNmのモータトルクおよび安全性を考慮し自重の5倍である5Gの加速度に耐えられる制御力を目標値とする。解析に基づき製作した実験装置によるモータ特性実験において、回転速度3500rpmにおけるモータ効率が52%を示し、これまでのホモポーラ型に対し約1.5倍の効率改善を確認した。浮上回転実験では、片側を玉軸受で固定した2軸制御浮上回転実験において、安定した浮上回転が可能であることを確認した。さらに、径方向の4軸制御による浮上回転実験を行い、3000rpmにおける最大変位が0.012mmと高い安定性を示すことを確認した。今後は、軸方向の受動安定特性およびサーボ制御特性について解析と実験により明らかにすることで、両心補助人工心臓ポンプに適用可能な高い安定性を有するホモポーラ・コンシクエント統合型5軸制御セルフベアリングモータの完成を目指す。本研究では、新方式のアキシャル制御用ユニットをホモポーラモータの中央部に配置するとともに、突極を有するロータ両側の浮上回転制御用ユニットには突極間にコンシクエントポール用の永久磁石を配置することで、小型化と高い信頼性を有しトルク特性の大幅な改善が可能な両心補助人工心臓用5軸制御セルフベアリングモータの開発を目的としている。これまでに、5軸制御セルフベアリングモータの基本設計と解析を行い、解析に基づき製作した実験装置を製作し、モータ特性実験および4軸浮上実験を実施した。モータ特性実験において、回転速度3500rpmにおけるモータ効率が52%を示し、これまでのホモポーラ型に対し約1.5倍の効率改善を確認した。以上のことから、予定通りの進捗状況と言える。本研究では、両心補助人工心臓に適用可能な、小型で高い安定性を有し、両心を独立に駆動可能な5軸制御セルフベアリングモータを開発する。一つのモータで左心、右心の流量を独立に増減させる場合、ポンプ回転数の増減に加え、左心と右心のポンプに連結したシャフトを軸方向に移動させポンプの2次流れを変化させることにより流量を調整する。したがって、開発するモータは、軸方向のサーボ機能を有する必要がある。そのため、軸方向制御に新方式のアキシャル磁気軸受を導入し、ホモポーラモータの中央部に一体化して配置する構造を採用し小型化と5軸制御の高性能化を実現する。これまでの実験において、回転速度3500rpmにおけるモータ効率が52%を示し、単純なホモポーラ型に対し約1.5倍の効率改善を確認するとともに、軸方向を受動安定性によるフリーな状態で径方向の4軸制御による浮上回転実験を行い、3000rpmにおける最大変位が0.012mmと高い安定性を示すことを確認した。最終年度は、本研究の最も重要なポイントである軸方向の受動安定特性およびサーボ制御特性について解析と実験を行った。その結果、受動安定支持のためのバネ剛性が0.33N/mmという良好な値を持つことを確認した。さらに、軸方向に0mmから0.5mmまで0.1mm間隔で位置指令を与える、5軸制御サーボ特性実験を行った。回転数3000[rpm]、軸方向変位0.5[mm]において、径方向の最大変位が0.0146mmであり、軸方向変位を与えても高い安定性を示すことを確認した。
リチウムイオン二次電池の余寿命予測とリユースのための２変量寿命分布解析の応用

リチウムイオン二次電池の稼働に伴う容量の劣化について、充放電ストレスと待機時間ストレスに駆動される二つのメカニズムの寄与とその交互作用を前提とし、実際に電池を運用する条件に対して正確な劣化予測を可能とするモデルを構築した。ストレス条件下におかれたリチウムイオン二次電池の内部では、容量劣化に寄与する複数の反応が進行することを実験により確認した。その挙動をべき乗モデルで表現した固定効果と、電池の個体間差をランダム効果として表現した線形混合効果モデルを適用することにより、高い精度の予測を行うことが可能となる。このモデルの適用により、長期使用中の使用状況の変化にも対応可能な、精緻な予測が可能となる。第一に、充放電回数と保存時間(充電したままの停止時間)の2変量ストレスの寄与、及びそれらの相関を検証する信頼性試験方法の開発を行った市販の充放電試験機とリチウムイオン二次電池を用いて、放電時間と充電時間に関する試験を行い、充放電におけるストレスを示す尺度の検討を行った。温度制御下の恒温槽内に保持したサンプルに対して、PC制御された充放電装置を用いた連続充放電サイクル試験を実施した。その結果、活物質の相対的な劣化と、電極抵抗成分の増加を反映しているものと思われる特性劣化が観測された。充放電回数を基にした従来の単独物理メカニズムによるモデルは、これらの劣化を説明するタイムスケールとして相応しくないことを見出した。第二に、信頼性試験前後のサンプルを用いた故障解析を行い、充放電による容量劣化のメカニズムとして、前述の活物質の劣化と電極抵抗成分の増加を示す物理化学的変化が生じていることを確認した。これらのメカニズムは、充放電に伴う電荷の移動で生じているものであるため、1回の充放電サイクルで出入りした電荷の量によって説明されるものと考えられる。以上の結果に基づき、充放電サイクルによる劣化を説明するタイムスケールとしては、充放電回数そのものではなく、累積充電容量、もしくは累積放電容量が妥当であることが見出された。そこで、累積放電容量に関するべき乗則、温度依存性に関するアレニウス則を組み合わせたモデルを用いて観測結果へのフィッティングを行ったところ良好な結果が見られた。すなわち、電荷の出入りによる劣化を説明する累積放電容量と、電荷の保持による劣化を説明する保存時間の2変量ストレスによる信頼度予測が有効と予想される。以上の結果を、職業大フォーラム、日本信頼性学会H26年度秋季シンポジウム、電気通信大学情報システム学研究科シンポジウムなどの研究会、学会にて発表した。第一に、充放電回数と保存時間の2変量ストレスの劣化量に対する寄与、及びそれらの相関を検証する信頼性試験を実施した。試験の前半と後半で保存時間の比率が異なる複数のパターンの試験を実施し、最終的にサンプルが経験するストレスは同一の元で、そこに至る履歴の異なる実験を行った。最終的に到達した劣化量は、全ての条件でほぼ同じであった。実験後、X線CT顕微鏡による内部の非破壊観察、交流インピーダンス法による内部抵抗評価、電池の解体による電極の目視評価、およびX線光電子分光法による電極表面の物理評価を実施した。その結果、劣化の主要因は負極界面のグラファイト層間にインターカレートしたLiが活物質中に固定化され、残留することに起因することが示唆される結果が得られた。また、残留するLiの量はストレス履歴に依存せず、ほぼ等量と考えられる。すなわち、同じ充放電深度の前提のもとでは、劣化量は総ストレスによって決定され、将来の劣化量を予測する際にも現在の状態のみを考慮すれば良いことが示唆される。ただし、実際には充放電深度の差異や、保存の際のSOCの差異による影響も、予測において考慮する必要がある。第二に、不均一な品質特性の元での寿命分布がワイブルプロット上で上に凸の曲線となることから、その要因と不均一性の影響度について漸近理論とモンテカルロシミュレーションを用いた評価を実施した。第三に、実際に市場で発生したリチウムイオン二次電池の不具合に関する事例(179件)をパレート分析し、要因系である「ハザード」や結果系である「影響」に着目した不具合対策は網羅性に乏しく、故障モード及びトップ事象モードに着目した対策の方が汎用性・有効性に優れることがわかった。信頼性試験の長期化により、充放電深度や保存の際のSOCが異なる際の影響に関する実験が完了していない。現在、電池製造メーカーとの共同研究を開始しており、提供いただいた市場において様々な条件で使用されたリチウムイオン二次電池のSOHの継時変化を分析する準備を進めている。この結果と、これまでの実験結果の組み合わせにより、計画していた多様な使用条件に対する劣化予測モデルの検討を、平成28年度に行う。昨今、Clustering modelと呼ばれる欠陥密度に負の二項分布を仮定した寿命分布モデルで、不均一な品質の製品の寿命分布がよく説明できることが報告されている。多数のリチウムイオン二次電池をネットワークした際には、劣化の進行が異なる個体がネットワーク上に混在することから、信頼度の時間変化が同様の傾向を持つことが想定される。このモデルの統計的挙動について漸近理論を用いた評価と、モンテカルロシミュレーションを用いた品質の不均一性と分布形状の相関を評価した。パラメータの推定方法、信頼性試験における中途打切の影響、セグメントの寿命分布としてのワイブル分布の尺度パラメータのばらつきによって分布形状が説明しうることなどを示した。リチウムイオン二次電池の市場不具合に関するパレート分析より、その市場確立期にはモバイル製品が主の適用分野であったリチウムイオン二次電池で、実際にモバイル環境で発生した事故は少なく、主に充電の最中に発生した事故が大半を占めることがわかった。また、その事故要因(ハザード)は多種多様であり、また最終的に発生している事故の状態(影響・危害)も多種多様である。

ただし、その故障の顕在化した形態(故障モード)としては電極の内部短絡、影響・危害の発生する直前の事象(トップ事象モード)としては化学反応の正帰還としての熱暴走が主たるものであることがわかった。リチウムイオン二次電池において,充放電劣化と保存劣化の2変量ストレスが,残容量劣化に及ぼすそれぞれの寄与,及びそれらの相関について実験による検証を行い,その挙動を予測するモデルの検討を行った.試験の前半と後半で2変量ストレスの比率が異なる複数のパターンの試験を実施し,最終的にサンプルが経験するストレスが同一の下で,そこに至る履歴が異なる検証を実施した.複数サンプルによる実験の結果,経路によって到達劣化量に若干の差が生じること,電池セルの個体差に伴う劣化量の差が生じうることがわかった.そこで,2変量ストレスによる変動を,2変量の交互作用を考慮した固定効果モデルで表現した.また,電池セルの個体間差を変量効果として表現し,両者を組み合わせた線形混合効果モデルによる分析を行った.その結果,2変量ストレスの交互作用項は高度に有意であり,両者が混在する一般的な使用条件では充放電劣化の重みが高いことがわかった.また,電池セルの個体間差が劣化において有意となり,これらの品質管理がより重要な要素であることが判明した.作成した線形混合効果モデルは,99%を超える寄与率となり十分に実験結果を説明している.また,共同研究先より提供をうけた数年分の市場データをニューラルネットワークによって分析した結果,市場における製品の使われ方とそれによる劣化が,上記の実験結果を反映する挙動を示すことが判明した.ここでは,市場におけるオンラインモニタリングデータを用いたが,前述の線形混合効果モデルの検討において選択された変数にあたる指標を用いてニューラルネットワークを構築し,予測を行った.すなわち,変動をよく説明する特徴量を統計モデルにおける変数選択の手続きを通じて抽出済みであったものと考えられる.今後,ビッグデータ全体から深層学習で得られた特徴量を,物理化学モデルへ写像することについて研究を進める.リチウムイオン二次電池の稼働に伴う容量の劣化について、充放電ストレスと待機時間ストレスに駆動される二つのメカニズムの寄与とその交互作用を前提とし、実際に電池を運用する条件に対して正確な劣化予測を可能とするモデルを構築した。ストレス条件下におかれたリチウムイオン二次電池の内部では、容量劣化に寄与する複数の反応が進行することを実験により確認した。その挙動をべき乗モデルで表現した固定効果と、電池の個体間差をランダム効果として表現した線形混合効果モデルを適用することにより、高い精度の予測を行うことが可能となる。このモデルの適用により、長期使用中の使用状況の変化にも対応可能な、精緻な予測が可能となる。多数サンプル試験用装置の導入がH26年12月、稼働がH27年2月となったため、H26年度に予定していた放電時間と充電時間に関する二元配置信頼性試験は完了していない。
酸素四面体ネットワークがもたらす新規量子誘電相

本研究では充填トリジマイト型酸化物BaAl2O4の構造相転移と、その抑制によって生じる「構造揺らぎ」に注目して研究を行ってきた。この物質では、ソフトモード(低エネルギーフォノン)の凝縮を伴う構造相転移が、元素置換によって抑制された結果、構造不安定性が解消されない構造的に揺らいだ状態が、広い組成範囲で出現する。放射光粉末X線回折による構造解析の結果からは、これらの組成では少なくとも15 Kまで構造相転移が起こらない。すなわち、ソフトモードの秩序化が絶対零度付近まで抑制された状態となっている。H29年度は、本系におけるこれらの構造揺らぎを解明するため、Ba1-xSrxAl2O4単結晶の育成と放射光X線回折を行った。その結果、構造揺らぎに起因する熱散漫散乱の観測と、その温度依存性の詳細な評価に成功した。また、常誘電-強誘電相境界付近の組成において、第一原理計算から予想されていたM, K, Δの構造不安定性が全て発現し、これら3つに起因する超格子反射が全て観測されることを実験的に見出した。H30年度は、上記の放射光X線熱散漫散乱の解析と、構造揺らぎがマクロ物性に与える影響を調べた。その結果、常誘電-強誘電相境界の外側の組成(x=0.2以上)では、2.5 K以下の低温で、デバイのT3則から外れる過剰な格子比熱が観測されることを見出した。この過剰比熱は、非晶質固体で見られるものとよく似ている。熱散漫散乱の解析から、これらの組成では、ソフトモードの凝縮が抑制された結果、短距離相関が形成されていることがわかり、本物質で見られた過剰な比熱が、この短距離相関に起因していることが明らかになった。本研究では最近、AlO4四面体を基本とする間接型強誘電体Ba1-xSrxAl2O4において、AlO4骨格構造が絶対零度付近まで低エネルギー格子振動を続ける特殊な揺らぎ状態を見出した。さらに、高Sr濃度の領域においては低温でこの揺らぎの大きさが増大し、新規量子臨界性が発現する可能性をこれまで示してきた。本年度は、本系におけるこの特異的なフォノンの性質を探るため、Ba1-xSrxAl2O4単結晶を育成し、放射光を用いて単結晶X線熱散漫散乱の観測を行った。x=00.4までの、Sr濃度の異なる単結晶の育成を行い、それぞれに対しX線熱散漫散乱の温度依存性を観測したところ、常誘電-強誘電相境界付近の組成x=0.07では、第一原理計算から予想されていたM, K, Δの構造不安定性が全て発現し、これら3つに起因する超格子反射が全て観測されることを見出した。これまで実験的に観測されていたのはM, K点での構造不安定性のみであり、また通常いずれか1つの不安定性が選ばれて構造相転移に至る。つまり、超格子反射を生じる。従って、本結果は予想外のものであったが、この物質の常誘電-強誘電相境界が、通常の強誘電体とは異なる性質を持つことを改めて示唆している。一方で、xが増加すると、これらの超格子反射は消え、M, K点での散漫散乱のみが観測された。このM, K点の散漫散乱は、温度の低下に伴って通常の相転移のように一時は強度が増大しソフト化傾向を示すが、構造相転移を起こすことなく強度を弱め、200 K以下ではほとんど温度依存せず残存することが新たに分かった。この結果はまさに、本系の構造不安定性が低温まで解消されることなく残ることを意味する。今後、この揺らぎが動的なものか、あるいは静的なものなのかを明らかにしていく必要がある。当初の研究計画に記載したとおり、本年度はフォノンの揺らぎ状態について、放射光X線熱散漫散乱測定を実施した。その結果、概要に記載した結果が得られ、構造不安定性が確かに低温まで続くことを見出した。

熱散漫散乱の解析から、これらの組成では、ソフトモードの凝縮が抑制された結果、短距離相関が形成されていることがわかり、本物質で見られた過剰な比熱が、この短距離相関に起因していることが明らかになった。今後は、フォノンが関連する様々な物性を慎重に調べ、新規量子臨界現象の探索を行う。
有機分子の起源:微惑星・隕石海洋爆撃による大量生成説の検証実験

生命起源に関する「有機分子ビッグバン説」(中沢、2006*)を実験的に証明するのが本研究の第一の目的である。そこで(1a)隕石海洋衝突を模擬した衝撃実験と、(1b)衝突蒸発雲を想定したガスー鉱物反応実験を行った。第二の目的は、生成したアミノ酸がタンパク質になる過程は海洋ではなく海底堆積物中で進行した、とする「生命の地下発生説(中沢、2006*)」を証明するために、(2a)グリシン、アラニンなど単独のアミノ酸および(2b)複数アミノ酸混合物を地下の高温高圧に相当する条件で処理する実験を行った。(1a)はNIMSの衝撃圧縮実験装置を用いた衝突再現実験、(1b)は東北大学における衝突蒸発雲内部を模擬するガス・固体反応実験である。それらの生成物は東北大学のLC-MSとGC-MSを用いて分析され、アミノ酸やカルボン酸など既に報告した分子種に加えて、低分子有機分子(メタン、エタン、ベンゼンなど炭化水素、およびメタノールなど)が生成されることが明らかとなり、衝突蒸気雲内部での反応がかなり解明された。(2a)の実験は、NIMSのベルト型高圧発生装置を用いて行われ、いかなる触媒も用いずにグリシンやアラニンが5量体までペプチド化すると共に、それらのアミノ酸やベプチチドが安定に存在し続けるためには堆積物中にアンモニアが多量に存在する環境が必要であることが判明した。この条件は4038億年前にはあり得るので、(1a),(1b),(2a)の一連の研究によって、生命の起源に至る化学進化の道筋が相当に明らかとなった。(2b)の実験は東北大学のオートクレープおよびピストンシリンダー高圧発生装置で行われ、2種以上のアミノ酸の混合物では、単純系で生成されなかったペプチドが高温高圧状態で生成されることが明らかとなった。これらの成果は、論文として投稿中であり、国際学会(AbSciConやGoldschmidt会議など)ではすでに公表された。(*中沢弘基「生命の起源・地球が書いたシナリオ」新日本出版2006)生命の発生に必要な有機分子の起源は、これまでアンモニアやメタンを含む還元型大気中の雷放電によるとする説が広く信じられてきた。しかし、最近の地球科学の進歩により、原始地球の大気は窒素にわずかに炭酸ガスを含む酸化型であることがわかり、有機分子の起源は謎となっていた。本研究代表者は、4038億年前の地球に海が存在し、激しい隕石衝突(LHB)があった事実に着目し、「有機分子は当時の隕石海洋爆撃の際の、隕石中の固体炭素および金属鉄と海洋の水、大気の窒素の化学反応で多量に生成した」とする「有機分子ビッグ・バン説」を提案した(「生命の起源・地球が書いたシナリオ」(新日本出版、2006)。本研究は、固体炭素、鉄、水、窒素をカプセルに封じ、衝撃銃で撃ってカプセル内に衝撃波を発生させ、その化学反応で生物有機分子の生成することを確かめて、上記説の正当性を実証しようとするものである。本研究はすでに平成21年度以前に一部開始されていたが、平成21年度にはアミノ酸1種、カルボン酸6種、アミン4種の生成を確認して、Nature Geoscience 2,62-66(2009)誌上で発表できた。この結果は、4038億年前に激しかった隕石海洋爆撃の、衝撃時の化学反応によって隕石に含まれる普通の無機物から有機分子が生成し得ることを実証したもので、物理・化学および地球科学的に合理的な有機分子の起源を示すものであった。同発表は、新たな生命起源論の一つとして科学専門誌のみならず日米のマスコミの関心を集め、ブリタニカ年鑑2010の地球科学の項の解説でも取り上げられた(Britanica Book of the Year 2010, 228-229)。生命が出現する直前の、4038億年前の原始地球上で隕石海洋爆撃で有機分子が生成されたであろうことを実証した本成果は、科学に期待される最も根源的な謎「生命は何時、如何に出現したか?」に迫る大きな一歩となった。

この条件は4038億年前にはあり得るので、(1a),(1b),(2a)の一連の研究によって、生命の起源に至る化学進化の道筋が相当に明らかとなった。(2b)の実験は東北大学のオートクレープおよびピストンシリンダー高圧発生装置で行われ、2種以上のアミノ酸の混合物では、単純系で生成されなかったペプチドが高温高圧状態で生成されることが明らかとなった。これらの成果は、論文として投稿中であり、国際学会(AbSciConやGoldschmidt会議など)ではすでに公表された。(*中沢弘基「生命の起源・地球が書いたシナリオ」新日本出版2006)