hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
集団行動解析のための時空間統計モデリング法の展開

本研究では,ビデオ映像を用いた集団行動解析のための時空間統計モデリング法を開発する.位置情報だけでなく属性情報も扱える統計モデルおよび推定法を開発し,行動解析に必要な人物間あるいは人物ー環境間に内在する近接関係をデータに基づいて推定する方法を構築する.本年度では,人物移動予測モデルに付随させる深層モデルの開発に注力し,以下を実施した.1.前年度に引き続き,人物移動データに行動属性を与えるために一人称行動認識システムを開発した.本年度では,とくに深層学習モデルのアーキテクチャを改良し,認識性能の向上をはかった.成果は,国際会議・国内会議にて発表し,さらに成果の一部は論文誌に採択されている.2.人物移動追跡のために,深層オンライン学習に基づく開発を実施した.さらに動画タスクに対するデータ拡張のための方法を提案した.成果は,国内会議および国際会議にて発表している.3.以上の2つの深層学習を支援するために,データ拡張法も提案し,それぞれに適用している.データ拡張として,データ合成による方法や敵対的生成ネットワークによる方法を提案している.国際会議・国内会議にて発表し,さらに成果の一部は論文誌に採択されている.本年度では,動画から人物の動きや行動を認識するための深層学習に注力して,深層アーキテクチャの構築やデータ拡張法の提案を実施した.統計的モデリングでは,データ収集も重要であることから,深層学習技術を導入することは人物移動モデリングにとっても意義が高い.国際論文誌,和文論文誌,および国際会議等にて成果発表も実施しており,計画通りに進捗している.本研究で扱うような動画タスク(移動予測,位置検出,行動認識)に対して深層学習は欠かせない技術になっているが,一方で訓練データの収集やアノテーション作業には大きなコストがかかっている.動画に関するデータ拡張法をこれまで提案しているが,今後も引き続き研究を重ね性能向上に努める.同時に,深層アーキテクチャの改良も続け,人物移動予測モデルと深層学習技術を融合するための技術基盤を開発する.本研究では,ビデオ映像を用いた集団行動解析のための時空間統計モデリング法を開発する.位置情報だけでなく属性情報も扱える統計モデルおよび推定法を開発し,行動解析に必要な人物間あるいは人物ー環境間に内在する近接関係をデータに基づいて推定する方法を構築する.さらに,移動予測などへ応用し有用性を実証的に評価する.1.クリギングとよばれる統計的空間予測・補間法を導入し,複数の人物移動軌跡の間にある空間相関を扱える空間統計モデルの提案およびそのプロトタイプを実装した.このモデルを人物移動予測タスクに応用し,実データを用いて検証した.検証では,予測性能の観点から性能評価し,数秒程度であれば十分に予測できることを示した.2.1で構築した統計モデルをベースに,時空間相関をとらえるための統計モデルへと拡張した.空間相関だけを考慮するモデルに対して常に予測精度が向上するわけではなく,データ依存であることを実証的に示した.この結果は,時空間相関を適切に表現するためには,モデル選択の方法を導入する必要性があることを示している.3.以上と平行して,人物移動データに行動属性を与えるために一人称行動認識システムを深層学習ベースで開発した.さらに深層学習では常に問題となる学習データ不足に対して,合成画像を学習用データとして用いる方法を考案した.我々が収集した20種類の一人称視点映像に対して,認識率の観点からその有効性を示した.クリギングを用いた空間統計モデルおよび時空間統計モデルのプロトタイプシステムの実装および実データを用いた評価実験を達成している.同様に行動認識システムの実装および評価も計画通りに進んでいる.本研究では,ビデオ映像を用いた集団行動解析のための時空間統計モデリング法を開発する.位置情報だけでなく属性情報も扱える統計モデルおよび推定法を開発し,行動解析に必要な人物間あるいは人物ー環境間に内在する近接関係をデータに基づいて推定する方法を構築する.さらに,移動予測などへ応用し有用性を実証的に評価する.本年度では以下を実施した.1.前年度に開発したクリギングに基づく人物移動予測モデルを改良し,さらに予測精度を高めた.さらに予測だけでなく,人物移動データの補間へも適用し,性能評価を実施した.成果は国際会議にて発表している.2.前年度に引き続き,人物移動データに行動属性を与えるために一人称行動認識システムを開発した.前年度では2クラス分類を扱っていたが,本年度では多クラス分類に拡張した.さらに深層学習モデルのアーキテクチャを改良し,認識性能の向上をはかった.成果は,国際論文誌へ投稿している.3.人物移動追跡のために,深層学習に基づくアルゴリズムを開発した.さらに,オンライン学習にむけた学習サンプル生成法の開発にも取り組み,人物歩行動作ビデオを生成することができた.成果は,国内会議および国際会議にて発表している.前年度の研究成果をもとにして,人物移動データの補間タスク,人物行動の多クラス認識,さらに深層学習も取り入れた追跡タスクへの応用など新たな成果を出しており,計画通りに進捗している.本研究では,ビデオ映像を用いた集団行動解析のための時空間統計モデリング法を開発する.位置情報だけでなく属性情報も扱える統計モデルおよび推定法を開発し,行動解析に必要な人物間あるいは人物ー環境間に内在する近接関係をデータに基づいて推定する方法を構築する.本年度では,人物移動予測モデルに付随させる深層モデルの開発に注力し,以下を実施した.1.前年度に引き続き,人物移動データに行動属性を与えるために一人称行動認識システムを開発した.本年度では,とくに深層学習モデルのアーキテクチャを改良し,認識性能の向上をはかった.成果は,国際会議・国内会議にて発表し,さらに成果の一部は論文誌に採択されている.2.人物移動追跡のために,深層オンライン学習に基づく開発を実施した.さらに動画タスクに対するデータ拡張のための方法を提案した.成果は,国内会議および国際会議にて発表している.

3.以上の2つの深層学習を支援するために,データ拡張法も提案し,それぞれに適用している.データ拡張として,データ合成による方法や敵対的生成ネットワークによる方法を提案している.国際会議・国内会議にて発表し,さらに成果の一部は論文誌に採択されている.本年度では,動画から人物の動きや行動を認識するための深層学習に注力して,深層アーキテクチャの構築やデータ拡張法の提案を実施した.統計的モデリングでは,データ収集も重要であることから,深層学習技術を導入することは人物移動モデリングにとっても意義が高い.国際論文誌,和文論文誌,および国際会議等にて成果発表も実施しており,計画通りに進捗している.前年度の成果より,モデル選択等の導入が必要であることが判明したため,これらをふまえて統計モデルを発展させる.さらに,人物移動を表現するモデルだけでなく,画像上の人物検出や行動認識といった観測過程の性能向上も必要であることから,深層学習等の成果も導入する.人物移動予測モデルについて順調に開発が進んでおり,この移動モデルと深層学習技術を融合することが,さらなる研究発展に寄与すると考えている.そのために必要な深層学習アーキテクチャの開発と検証,学習サンプル収集への対策などを積極的に検討し,必要な技術を開発する.本研究で扱うような動画タスク(移動予測,位置検出,行動認識)に対して深層学習は欠かせない技術になっているが,一方で訓練データの収集やアノテーション作業には大きなコストがかかっている.動画に関するデータ拡張法をこれまで提案しているが,今後も引き続き研究を重ね性能向上に努める.同時に,深層アーキテクチャの改良も続け,人物移動予測モデルと深層学習技術を融合するための技術基盤を開発する.本年度の使用額はおおむね計画通りであったが,論文掲載料や旅費等の概算と実費の差より,少額の未使用額が発生した.投稿していた論文誌の査読スケジュールが当初予定よりも長くなってしまい,査読結果の通知が来年度になってしまった.そのため,論文掲載料として計上していた予算額は来年度に執行することを計画している.本年度の研究成果の論文誌や国際・国内会議への投稿が計画より少し遅れたため,掲載や採択が次年度になり,これらの対外成果発表費として執行する予定である.対外発表等により本研究の目的をより精緻に達成することが期待できる.次年度使用額は少額であり,物品費や旅費等へ計画通り使用する.
パスデータの融合による研究フロンティアの創出

多様なパスデータを用いた解析を行うために、(1)店舗実験の実施、(2)消費者行動モデルの構築、(3)国際ワークショップの開催、(4)パスデータ融合の体系化に取り組み、2018年度の計画どおり研究を遂行することができた。(1)店舗実験の実施:2017年度から延期していたものであり、2018年度は地震や台風の影響で実施時期に遅れが生じたが、顧客動線データとアイトラッキングデータを収集することができた。(2)消費者行動モデルの構築:実験実施の遅れにより、実験と並行して以前から蓄積していたデータを用いたモデル構築に取り組んだ。このようにして、混雑状況の予測やアイトラッキングのフィールドモデルに関する成果発表の準備を整えることができた。(3)国際ワークショップの開催:JST CRESTとの共催で国際ワークショップIABD2018を開催し、パスデータのフィールドモデルに関する成果発表を行った。(4)パスデータ融合の体系化:研究協力者のKohli教授(コロンビア大学)、Wedel教授(メリーランド大学)らと議論し、店舗実験で収集したパスデータを用いた仮説検証やモデル構築について検討した。具体的には、顧客動線データと購買履歴データを用いた視線予測モデルの構築におり、パスデータ融合に関する研究を実施する上で大きな課題となるアイトラッキングデータ収集の負荷を軽減することが期待される。また、ジョイント・トピックモデルのフレームワークを応用したパスデータ融合について検討することとなった。これらに関する議論と並行して、2019年度に実施予定の第二回店舗実験における実験設計について検討した。2017年度、延期された店舗実験を実施し、2018年度の計画を予定どおり遂行することができたことが、おおむね順調に進展していると判断できる理由である。第一回店舗実験の実施に遅れが生じたが、パスデータ融合に関する研究を実施するためのデータとして約90人のアイトラッキングデータと顧客動線データを収集することができた。消費者行動モデルの構築については、以前から蓄積していたデータを用いて実験に先行して進めることで、実験延期の影響を最小限に抑えることができた。第一回店舗実験で収集したデータを用いたパスデータ融合に関する研究についても議論し、具体的な問題について検討することができた。第二回店舗実験の設計ついても検討を始めており、実験延期が生じても今年度のように対応することが可能と考えられる。したがって、次年度以降の研究を遂行するための準備は整っており、研究計画全体の見直しは不要と判断できる。今後は店舗実験で収集したデータを用いて、パスデータ融合に関する基本的な枠組みから消費者行動の仮説検証に取り組む。第一回店舗実験では、店舗内の回遊行動に関する仮説検証を中心にデータを収集した。第二回店舗実験では、商品購入に関する仮説検証を中心にデータを収集することで、パスデータ融合に関する研究の実施に十分な数のデータを蓄積する。また、2018年度までに取り組んだバースト検知手法を用いた混雑状況予測モデルと注視情報の媒介効果に着目したアイトラッキングデータのフィールドモデルに関する成果発表についても並行して取り組む。平成29年度以降の店舗実験のために(1)店舗実験の準備、(2)プラットフォーム開発環境の整備、(3)消費者行動モデルの構築、(4)パスデータ融合に関する基本的枠組みの設計に取り組み、本計画を進めるための準備を整えることができた。(1)店舗実験の準備:店舗実験で検証する内容について検討し、店舗でのオペレーションなど実施時の課題についても協力企業と連携しながら議論した。(2)プラットフォーム開発環境の整備:多様なパスデータの解析環境を研究分担者の所属する各大学へ設置し、次年度以降のプラットフォーム開発をスムーズに運用できるよう整備した。(3)消費者行動モデルの構築:混雑状況の予測モデル、アイトラッキングのフィールドモデルについて、先行してレビュー研究を行うとともに、平成29年度に実施予定の店舗実験に向けた議論を開始している。(4)パスデータ融合に関する基本的枠組みの設計:多様なパスデータを扱う総合的な枠組みについて、研究協力者のKohli教授(コロンビア大学)、Wedel教授(メリーランド大学)らと議論し、基本的な方向性を検討した。当初の予定をすべて達成し、平成29年度以降の研究についての議論も開始できていることから、おおむね順調に進展していると判断できる。初年度は本研究課題の準備段階であり、顧客動線データやアイトラッキングデータなどの多様なパスデータの融合に関する基本的な枠組みを設計し、既存研究のレビューも併せて検討した消費者行動モデルの構築と店舗実験の実施時おけるオペレーションについての議論を開始することができた。また、パスデータの解析に用いるプラットフォーム開発は表構造の大規模データを効率よく処理できるMUSASHIを導入予定であり、これを用いる際の計算効率を高めるためのアルゴリズム開発についても検討を始めている。したがって、平成29年度以降の研究計画の実施のために十分な進展をしていると判断できる。多様なパスデータを用いた解析を行うために、(1)店舗実験の実施、(2)プラットフォームの構築、(3)消費者行動モデルの構築、(4)パスデータ融合の体系化に取り組み、(1)店舗実験の実施は平成30年度上期に延期となったが、データ収集の実施計画の策定まで進めることができた。(1)店舗実験の実施:店舗実験で検証する内容について検討し、店舗でのオペレーションについても協力企業と議論して実施計画を策定した。解析に十分な数のアイトラッキングデータを収集するためには膨大な時間が必要となる。よって、協力企業と実施時期を調整し、平成30年5月に実施することを決定した。(2)プラットフォームの構築:パスデータを解析するためのプラットフォームを研究分担者の所属する各大学へ設置した環境で構築し、その運用を開始した。

(3)消費者行動モデルの構築:混雑状況の予想、アイトラッキングのフィールドモデルについて、解析に必要となるデータについて議論し、そのための実験設計を行うことで、店舗実験によるデータ収集の実施後、モデル構築を行う準備を整えることができた。(4)パスデータ融合の体系化:研究協力者のKohli教授(コロンビア大学)、Wedel教授(メリーランド大学)らと議論し、多様なパスデータを用いた仮説検証やモデル構築、店舗実験における実験設計について検討した。平成30年度の計画において、第一回店舗実験の実施を延期したことが、やや遅れていると判断できる理由である。平成30年度は検討した仮説検証のために必要となるデータ収集を実施する段階であり、パスデータ融合の体系化や消費者モデルの構築について検討し、そのための実験設計を行うことができた。店舗実験の実施は協力企業との調整のために延期となったが、平成31年5月に実施することが決定している。また、パスデータの解析に用いるプラットフォームの開発は、表構造の大規模データを効率よく処理できるMUSASHIを導入し、その運営を開始した。過去に収集したPOSデータ、顧客動線データ、およびアイトラッキングデータを用いて、パスデータ融合における解析の計算効率を高めるための圧縮アルゴリズムの開発ついても検討を始めている。したがって、平成31年度の店舗実験以降の研究計画を実施するための準備はすでに整っており、研究計画全体の大きな見直しは不要と判断できる。多様なパスデータを用いた解析を行うために、(1)店舗実験の実施、(2)消費者行動モデルの構築、(3)国際ワークショップの開催、(4)パスデータ融合の体系化に取り組み、2018年度の計画どおり研究を遂行することができた。(1)店舗実験の実施:2017年度から延期していたものであり、2018年度は地震や台風の影響で実施時期に遅れが生じたが、顧客動線データとアイトラッキングデータを収集することができた。(2)消費者行動モデルの構築:実験実施の遅れにより、実験と並行して以前から蓄積していたデータを用いたモデル構築に取り組んだ。このようにして、混雑状況の予測やアイトラッキングのフィールドモデルに関する成果発表の準備を整えることができた。(3)国際ワークショップの開催:JST CRESTとの共催で国際ワークショップIABD2018を開催し、パスデータのフィールドモデルに関する成果発表を行った。(4)パスデータ融合の体系化:研究協力者のKohli教授(コロンビア大学)、Wedel教授(メリーランド大学)らと議論し、店舗実験で収集したパスデータを用いた仮説検証やモデル構築について検討した。具体的には、顧客動線データと購買履歴データを用いた視線予測モデルの構築におり、パスデータ融合に関する研究を実施する上で大きな課題となるアイトラッキングデータ収集の負荷を軽減することが期待される。
先端ゲノミクスによる造血器腫瘍の治療・診断標的分子の同定

造血器腫瘍はゲノムの変異によって生ずることから、その病態を理解、有効な診断・治療技術を確立するうえで、その原因となっているゲノムの変異を明らかにすることは極めて重要である。本研究では2000検体を越える多数の造血器腫瘍について高密度SNPアレイによる網羅的なゲノム解析を通じて造血器腫瘍の原因となる遺伝子異常を明らかにすることにより、造血器腫瘍の病態解明を図るとともに造血系の制御機構を明らかにすることを目的として行われた。研究の結果、骨髄系腫瘍におけるc-CBL変異やIDH1/2遺伝子の変異、またB細胞悪性リンパ腫におけるA20遺伝子の不活化変異を含む多数の遺伝子変異・ゲノム異常が同定された。これらの変異の機能的な解析を含む知見は、造血器腫瘍の病態の理解と正常造血の制御機構の解明に資するとともに、造血器腫瘍の新規治療診断技術の開発に貢献しうるものと考えられる。ATLは乳児期におけるHTLV-1感染ののち、十数年を経て発症する難治性造血器疾患である。遺伝学的には、HTLV-1感染によって不死化したT細胞に複数の遺伝子異常が生ずることにより腫瘍化に到ると考えられているが、その遺伝的な標的についてはp16遺伝子の欠失などを除いて十分解明が進んでいない。そこで、本年度の研究では、ATLの発症に関与するこのような遺伝変化を網羅的に同定する目的で、170例のATL腫瘍検体についてSNPアレイを用いた網羅的なゲノム解析を行った。解析の結果、ATLでは非常に複雑な遺伝子変化が生じていること、しかし、これらの変化はしばしば共通の遺伝座を標的としていることが明らかとなった。このうち、約20%の頻度で認めれる2番染色体長腕の高度増幅領域からは、当該領域にコードされる唯一の遺伝子としてCD28遺伝子が同定された。CD28はT細胞受容体からの有効なシグナル伝達に必須と考えられる分子であるが、本遺伝子がATLで高度に増幅していることは、本分子のT細胞制御における生理的な機能を考えると極め興味深い。また、14番染色体長腕の増幅領域より同定されたBCL11b遺伝子のトランスジェニックマウスではT細胞リンパ腫を生ずる。このほか、1番染色体におけるCD2遺伝子の欠失や10番染色体のTCF8遺伝子など、このようなゲノム異常の標的遺伝子として同定される遺伝子の多くが、T細胞の機能に重要な役割を担っていることが知られている遺伝子、あるいはT細胞で特に高い発現が認められる遺伝子であった。移譲り、ATLの発症においては、T細胞の機能に関連する遺伝子が遺伝的に障害されることが、腫瘍化の過程において重要である可能性が示唆された。平成21年度については、骨髄異形成症候群(MDS)および関連疾患のゲノム解析より同定した変異CBLについてそのMDS発症における分子メカニズムの検討を行うとともに、次年度に向けて全エクソンリシーケンスの予備的検討を行った。CBL欠失マウスの解析から、正常CBLは癌抑制遺伝子として機能する一方、変異CBLはNIH3T3細胞におけるアッセイにおいては発がん活性をしめすがん遺伝子として機能する分子あることがしめされ、変異CBLは正常CBLの有するE3ユビキチンリガーゼ活性が消失しており、また正常CBLのこの活性を強く抑制することにより、サイトカイン刺激後のチロシンキナーゼシグナル伝達系の過剰な活性化を誘導ことが明らかとなった。変異CBLは正常CBL非存在下において、造血前駆細胞のサイトカイン感受性を著しく亢進させることから、変異CBLの示す発がん活性はある種のgain-of-functionによると考えられた。リシーケンスの予備的検討においては、MDS由来の骨髄試料1検体について、当該患者の末梢血より単離したCD3陽性分画を正常対象とし、両検体よりゲノムDNAを抽出後、アジレント社のSureSelect^[○!R]システムを用いて液相ハイブリダイゼーションにより濃縮したwhole exome断片をGenome Analizerにて解析した。ヒトゲノム参照配列との不一致を示す塩基のうち、既知のSNPおよびCD3陽性細胞においても認められる置換を除いたアミノ酸置換を伴う変異が計203個同定された。これらの候補変異について確認シーケンスを行った結果、40倍深度以上のdepthで解析された変異については高い確率で検証された。以上より、全エクソンリシーケンスは、十分なリシーケンス深度が得られる限り、MDSの先天的および後天的な遺伝子変異の探索において有用な技術であることが確認された。

急性骨髄性白血病(AML)、骨髄異形成症候群(MDS)および関連疾患について、その発症に関わる遺伝学的基盤の解明と新たな治療・診断の標的分子を同定することを目的として、これらの疾患を有する20例の代表的な症例について全エクソンにおよぶ変異解析を行った。すなわち、各症例について腫瘍および正常対象(CD3陽性細胞)よりゲノムDNAを抽出し、断片化したゲノムDNA断片より、SureSelect【○!R】システムを用いてエクソン配列を濃縮したのち、Illumina社GAIIxシーケンサを用いて得られた濃縮DNA断片のdeepリシーケンスを行った。腫瘍細胞に検出された塩基置換のうち、SNPデータベースおよびCD3陽性分画に認められた塩基置換を体細胞変異の候補として抽出したのち、最終的にSangerシーケンスにより体細胞変異の確認を行った。その結果、計219個(一例あたり10.9個)の体細胞変異が同定された。今回の全エクソンリシーケンスによって、TP53,RUNX1,RAS,c-CBL,TET2,EZH2,ASXL1,JAK2,and IDH1/2など、従来骨髄系腫瘍の標的遺伝子として同定されていた遺伝子の変異がおおむね確認されたが、これらに加えて、クロマチン制御やエビジェネシスの制御に関わる遺伝子の変異やDNA修復に関わる遺伝子の変異など、従来未報告の多数の新たな遺伝子変異が同定された。本研究により、前年度までの本研究で得られたSNPアレイデータと併せて、AML、MDSおよび関連骨髄系腫瘍の発症の遺伝学的基盤にかんする重要な知見が得られた。今後、全エクソンのみならず全ゲノムを対象としてリシーケンスをさらに多数の腫瘍検体について行うことにより、これらの疾患の分子病態の全体像の解明と診断・治療の有用な分子標的の同定が期待される。
味覚障害の病因解明と治療戦略の構築　ー日本ータイ二国間比較研究ー

我が国では、急速な高齢化を背景とした味覚障害患者の増加が社会問題となっている。味覚障害は単に味が判らないという症状ではなく、食欲低下による体重減少、さらに低栄養状態や栄養バランスの低下による全身の健康に深く関わる重要な疾患である。とりわけ生理機能の低下している高齢者においては生命に関わる重篤な障害と言える。65歳以上の高齢者を対象とした我々の味覚調査では、約37%に味覚障害がみられた。特筆すべきことは、基本4味(甘味、塩味、酸味、苦み)は正常でありながら「うま味」感受性のみが低下している患者が16%も存在することが明らかとなったことである。これら「うま味」障害者は、他の医療機関では味覚正常と判断され十分な治療が施されていない。さらに、おいしく味わって食べることができないことから、全員に食欲低下と体重減少が認められた。このように味覚障害は全身の健康およびQOLと深く関わることから、その診断と治療法の確立は急務である。本年度は6月18日21日にバンコクを訪問しタイ側のメンバーとキックオフミーティングを開催した。自分の専門を含めて自己紹介をおこない、アイスブレーキングをおこなった。次に研究対象や研究方法について打ち合わせをおこなった。たとえば、同一な検査をおこなうために日本でおこなっている味覚検査法をタイ側のメンバーに伝授した。その後研究内容の詳細についてはEメールで意見交換をおこなった。日本およびタイでおこなう調査について研究対象や方法が確定し、現在実験計画書を策定中である。日本およびタイでそれぞれ実験計画書の倫理申請が承認され次第、研究を遂行する。
自然発声音声対話システムの研究

自然な発話を許す対話理解システムは,実時間で応答する機能や、環境(話者を含む)の違いや変動に対し強いことが要求される。このような要求を実現するために,本研究ではシステム・アーキテクチャとしてマルチエージェント方式の採用を提案している。各エージェントはそれぞれ特有の機能を持たせた;音韻認識機能,抑揚からの発話文構造の推定機能、発話文の予測機能、語彙予測機能、パーザ機能などである。また、本システムの出力は、これらのエージェントの協調結果である。そのための協調処理法も提案を行った。環境の変化に対応する手法として強化学習を導入し、その例として、音韻認識部にその機能を実現した。入力音声は当然連続音声であるので,連続DP法を利用した学習法を開発した。この効果を単独で評価するために、音韻認識部に対する擬似環境を作り、効果が大きいことを確認した。抑揚を活用するために,音声の基本周波数と、発話長、ポーズを用いて、発話の文構造を木形式で準実時間で推定する手法を提案した。木構造は、隣接する句の間の結合の強さを表現している。また、対話中の次発話を予測する手法として、確率的遷移表の値を発話ごとに修正してゆくものと、その経過を利用して学習し、次回以降の対話における予測性能を上げる方式を提案した。マルチエージェントシステムをサーバ上に構築するためのソフトウェア技法も合わせて開発した。これらの新手法の組み合わせにより、実時間で安定な対話システムの実現の基礎を構築した。道案内システムを例題として、その効果を確認している。また、対話システムを応用するシステムとして、視覚障害者対応のWWW音声ブラウザなどの検討も進めた。当研究室で収集して来た自然対話音声コーパス(千葉コーパス)を利用し、文や談話構造、意味構造、強調や感情、対話の発話交替のタイミング等と抑揚情報の関係を解析している。また、新たに音声理解向きの強化学習方式の開発を進め、状況変化に強いシステム実現の基礎技術の構築を狙っている。さらに、これらの結果をもとに規則性の解析を行い、将来実現されるべき音声対話インタフェース技術の基礎とすべく抑揚情報を活用した対話音声言語理解モデルを構築することが狙いである。また、そのエンジンとして、マルチエージェント方式を活用した協調的実時間処理手法の検討を進めている。具体的には、ベクトル量子化手法を用いて抑揚(基本周波数及びパワー)パターンを符号化し、それを用いた対話音声に表れる基本周波数符号系列と音声間の休止区間情報を用いて話者交替を80%程度の精度で予測山来る見通しを得た。また、100ミリ秒の休止区間で挟まれた音声を発話単位として、発話単位間の結合係数を主成分分析法を用いて客観的に定義する方法を試み、その第1主成分で決まる結合係数が発話の維持等の心理的要因を、第2主成分によるものが文の句構造を反映した情報を主に表す可能性があることを見いだした。対話音声を実時間で状況に応じて柔軟に処理するためには、音韻認識、抑揚情報処理、発語予測、対話制御、理解処理、応答出力等を実時間で協応的に並行処理することが必要と考えられる。このための基本アーキテクチャとして、各処理を担当するエージェントの協調によるマルチエージェント方式を想定し、その音声処理向きの基本方式の予備検討を開始、更に各工一ジェントの学習方式として経験型強化学習などの検討も開始した。(1)抑揚から主成分分析法を用いて客観的に定義し得られる発話単位間の結合係数のうち、第一主成分で決まる結合係数が発話の維持などの心理的要因を、第二主成分で決まる結合係数が文の句構造を反映する情報を主に表す可能性が高いことが前年度の試みで得られた。本年度はこの結果に一般性があるかを、32対話データを用いて分析し、同様の傾向があることを確認した。(2)抑揚情報の実時間処理法の理論的を検討を行い、感度についてさらに検討が必要なことが判明した。

(3)対話音声理解向きの強化学習方式の検討を行った。例として音韻認識機能に注目し、話者やタスクの変更に適応して行く学習方式を取り上げた。強化学習としてプロフィットシェアリング法をとりあげ、現在もっとも性能が良いといわれるATRSPREC(HMnet法)を用い、連続ダイナミック・プログラミング・マッチングにより音韻の対応づけする方式を提案し、認識性能が7%程度改善できることを確認した。(4)音声認識理解処理に重要な要求機能である、曖昧性の対処や実時間処理を頭に置いた方式として、マルチエージェント方式を取り上げ、情報がダイナミックに変動する音声理解特有の問題に対処可能な処理方式を検討した。当研究室で収集してきた自然対話音声コーパスを解析し、文や談話構造、意味構造のタイミング等と抑揚情報の関係を解析した。また、新たに音声理解向きの強化学習方式を開発し、状況変化に強いシステム実現の基礎技術を構築した。さらにそのエンジンとして、マルチエージェント方式を活用した協調的実時間処理手法の検討を行った。これらの結果をもとに規則性の解析を行い、将来実現されるべき音声対話インターフェース技術の基礎とすベく抑揚情報を活用した対話音声言語理解モデルの構想を構築した。(1)抑揚から文の句構造を抑揚から抽出するアルゴリズムを、ニュース文をベースに開発した。また、その実時間抽出法の精度を上げる手法の開発を行った。(2)タスクを同定し、対話音声理解向きの入力音声の予測手法と対話制御の手法の検討を行った。(3)予測文と入力音声の効率的照合手法の開発を行った。(4)音声認織理解処理に重要な要求機能である、曖昧性の対処や実時間処理を念頭に置いたマルチエージェント方式のインプリメント手法の検討を行った。不適格文を含む日常会話のような自由な発声とタイミングを許容する実時間音声対話インーターフェースの実現を最終目標として、主に音声固有の抑揚情報に着目し、音声対話の協応的性質を支える情報構造と協調処理手法の基礎的検討と、方式の提案を行ってきたが、今年度は、そのパイロットモデルを開発した。高齢者や障害者等を含む多くの人々が情報処理技術の恩恵を受ける為には計算機が日常会話の様な自由な発声と適切なタイミングでのやりとりを許容する音声対話を取り扱える技術が必要である。このためには、音声の中に語彙情報以外の情報の存在が不可欠である。我々は抑揚の中にそれが存在していると考えている。使いやすい音声対話インターフェースを実現するためには、この抑揚情報の積極的活用は不可欠であり、これら語彙情報や抑揚情報、状況情報による認識理解と対話制御を実時間で行なうためには各処理の協調的同時処理手法の開発も不可欠である。(1)対象を音声対話向きのタスクに限定し、対話の進行に伴う言いまわしの変形を調査し、発話予測の高度化を行った。(2)予測文と様々に変形入力音声の効率的照合手法の手法を抑揚情報を利用し改善した。(3)音声対話理解システム向きのマルチエージェントの開発を行った。(4)音声認識理解処理に重要な要求機能である、曖昧性の対処や実時間処理を念頭に置いたパイロット・モデルの試作を行った。
地すべり発生予測法・防止対策工法の工学的手法に関する研究

前年度に続いて、地すべり調査、現位置でのすべり面および地すべり土塊中の間隙水圧、室内でのせん断試験を行い、それらの結果に基いて地すべり発生の予測法,防止対策工法について検討を行った。それらの結果を要約すると次のとおりである。1)地すべりブロックの地質的特徴はその上方の地山の地質状況と類似しており、地すべりブロックが必ずしもその箇所で造られたものでないことが指適されているが、研究の対象としている地すべり地も同様の傾向を有している。2)地すべり面での間隙水圧と地すべりブロック中の間隙水圧とは必ずしも一致していない。また、間隙水圧と水位より換算した水圧は必ずしも一致しない。この傾向は地すべりの上部で特に差異が大きい。このような結果は研究の対象となっている新潟・千葉・石川県の各地すべり地のいずれの場合にもみられた。また、間隙水圧の最大値は降雨後数日して生じている。3)模型実験の結果によると、リングせん断試験で求めたせん断強さとすべり面に作用する間隙水圧の増大を考慮することにより、地すべり発生の原因を解明出来た。4)上記の結果を用いれば、地すべり発生の予測は対象となる地すべり地のすべり面の土のせん断特性をリングせん断試験より求め、現地位ですべり面の間隙水圧分布を判定することにより安全率(Fs)を求めて、Fs≒1となったときを地すべり発生の危険性と判断すればよい。5)したがって、地すべり防止対策はFs>1となるように地すべり面の間隙水圧をFs<1となるように集水井などによって排水すれば良い。また、それに必要な集水井を配置する方法が地すべり防止対策として最適である。
リソソーム障害により誘導される自然免疫の制御における翻訳後修飾系の役割

自然免疫関連受容体であるNLRP3は、リソソームの損傷に応じて情報伝達因子ASCおよびプロテアーゼCaspase-1と共にNLRP3インフラマソームを形成する。活性化したNLRP3インフラマソームは、Caspase-1によるIL-1beta前駆体の切断と成熟型IL-1betaの放出を促進し、炎症を惹起する。尿酸塩結晶やシリカナノ粒子などの刺激物によるNLRP3インフラマソームの過度の活性化は痛風や塵肺などの炎症性疾患の発症要因となるため、NLRP3インフラマソーム活性化機序の解明は重要な研究課題である。我々は、痛風治療薬であるコルヒチンがNLRP3インフラマソームの活性化を抑制することを見出した。微小管は、尿酸塩結晶などの刺激に応じて小胞体とミトコンドリアの近接を誘導することにより、小胞体上のNLRP3とミトコンドリア上のASCの会合を促進する。微小管には様々な翻訳後修飾が知られているが、アセチル化された微小管がNLRP3とASCの会合を促進する。尿酸塩結晶などの刺激はミトコンドリアの損傷を惹起するため、細胞内NADが減少してNAD依存性のアルファチューブリン脱アセチル化酵素であるSIRT2の活性が低下する。SIRT2の活性低下は、アセチル化微小管を蓄積させる。コルヒチンなどの微小管重合阻害剤は、微小管依存的なNLRP3インフラマソームの会合を抑制する。また、フィトケミカルであるレスベラトロールは、詳細なメカニズムは現段階では不明であるが、アセチル化微小管の増加を抑制することにより、NLRP3インフラマソームの会合を抑制する。これらの解析結果は、NLRP3インフラマソームを介した炎症の誘導において翻訳後修飾が重要な役割を果たしていることを示唆している。26年度が最終年度であるため、記入しない。自然免疫関連受容体であるNLRP3は、リソソーム・ファゴソームの損傷に応じて情報伝達因子ASCおよびプロテアーゼCaspase-1と共にNLRP3インフラマソームを形成し、炎症性サイトカインIL-1ベータの産生を介して炎症を惹起する。尿酸塩結晶などの刺激性粒子によるNLRP3インフラマソームの過剰な活性化は痛風などの炎症性疾患の発症要因となるため、NLRP3インフラマソーム活性化を阻害する化合物の同定は重要な研究課題である。我々は、化合物ライブラリーを用いたスクリーニングを行い、痛風治療薬であるコルヒチンがNLRP3インフラマソームの活性化を抑制することを見出した。微小管は尿酸塩結晶などの刺激に応じてミトコンドリアを微小管形成中心方向へと輸送することにより、小胞体上のNLRP3とミトコンドリア上のASCの近接を誘導し、NLRP3インフラマソームの活性化を促進する。コルヒチンなどのチューブリン重合阻害剤は、微小管依存的に誘導される小胞体とミトコンドリアの近接を介したNLRP3インフラマソームの活性化を抑制する。尿酸塩結晶などの刺激性粒子は、ミトコンドリアの損傷を惹起するため、細胞内NADが減少してNAD依存性のアルファチューブリン脱アセチル化酵素であるSIRT2の活性が低下する。SIRT2の活性低下はアセチル化アルファチューブリンを増加させるため、ダイニン依存的なミトコンドリアの輸送を介したNLRP3とASCの近接が誘導される。損傷ミトコンドリア由来の活性酸素種は、NLRP3インフラマソームの直接的な活性化を誘導するが、NLRP3とASCの近接には影響を与えない。これらの解析結果は、NLRP3を活性酸素種が直接的に活性化する経路に加えて、NLRP3からASCへの情報伝達を行うための場を整える微小管依存的な経路がNLRP3インフラマソームの活性化に関わることを示している。

コルヒチンなどの微小管重合阻害剤は、微小管依存的なNLRP3インフラマソームの会合を抑制する。また、フィトケミカルであるレスベラトロールは、詳細なメカニズムは現段階では不明であるが、アセチル化微小管の増加を抑制することにより、NLRP3インフラマソームの会合を抑制する。これらの解析結果は、NLRP3インフラマソームを介した炎症の誘導において翻訳後修飾が重要な役割を果たしていることを示唆している。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究目的に関連する原著論文をコレスポンディングオーサーとして発表し、また新たに投稿した原著論文がリビジョンの状態にある。また、これらの研究成果について、多くの学術集会において招待講演を行った。さらに、これまでの業績が評価され、平成26年度日本薬学会奨励賞を受賞した。翻訳後修飾に着目した解析を行い、リソソームの損傷からNLRP3インフラマソームの活性化に至るまでの情報伝達経路を制御する因子を同定する。さらに、同定した因子が生活習慣病の発症に絡んでいるかどうかについて解析する。
酸化ストレスによる肝臓のインスリン作用障害と食品抗酸化物質による緩和効果

本研究は、糖尿病時やその予備的な段階で認められる生体内の酸化ストレス亢進が肝臓での糖代謝調節機能に与える影響を個体レベル、細胞レベルで明らかにすることを目的としている。前年度,酸化ストレスの誘導が肝臓での食後のインスリン応答低下や空腹時の糖新生系酵素の遺伝子発現を促す可能性があることを示した。本年度は食品性抗酸化物質による前述の現象に対する改善効果を,ストレプトゾトシン投与糖尿病モデルラットを用いて検討した。その結果,抗酸化物質としてタウリン添加食を摂取した場合,対照に比べ,血糖上昇の抑制,ストレス応答性シグナル因子の一つであるp38MAPkinase活性上昇の抑制を認めた。このとき腎臓の糖新生系酵素の一つであるG6Pase遺伝子の発現上昇に抑制が見られた。またin vivoで酸化ストレス負荷した際に見られた糖新生系酵素の発現誘導は,酸化ストレスが直接の要因となっているのか,それとも内分泌因子の変化などを介した間接的な現象であるのかを明らかにするために,細胞系を用いて糖新生系酵素の発現誘導に酸化ストレスが直接与える影響とその発現誘導に関わるシグナル伝達系の解析を試みた。ラット肝臓由来細胞に酸化ストレスを負荷したところ,糖新生の律速酵素であるPEPCKとG6Paseの遺伝子発現量の上昇が認められ,その上昇は細胞透過性の抗酸化薬剤の添加により抑制された。糖新生系酵素の遺伝子発現誘導に関与しているシグナル伝達系を明らかにするために,ストレス応答性シグナル因子の阻害剤を用いて解析したところ,酸化ストレスによる遺伝子発現にはp38MAPkinaseが関与していることが明らかとなった。本研究は、糖尿病時やその予備的な段階で認められる生体内の酸化ストレスの上昇と肝臓での糖代謝調節の不良との関係を個体レベル、細胞レベルから明らかにすることを目的としている。これらの解析は食事性抗酸化物質の糖代謝コントロール改善への有効性の検討や新たな食品利用に役立つものと考えている。本年は上記目的に基づき、次のような研究成果を得た。個体での影響を見るために鉄投与モデルラットを用いた検討を行なった結果、鉄投与による酸化ストレスの負荷は食後の肝臓グルコキナーゼ遺伝子発現上昇を障害することが明らかとなった。このときIRS-1などのインスリンシグナルの応答低下を伴うことから、グルコキナーゼ遺伝子発現の障害の少なくとも一部はインスリンシグナルへの影響を介したものであると考えられた。以上の結果は、生体酸化ストレスの上昇は肝臓での食後の糖利用に影響を与え、食事に伴って上昇する血糖の適正な調節に影響を与える可能性が考えられた。糖尿病態では正常に比べ、空腹時に肝臓から体循環への糖放出が大きいことが指摘されている。そこで次に空腹時の肝臓での糖代謝調節に酸化ストレスが与える影響を検討した。その結果、酸化ストレスの負荷により血中インスリン濃度の低下および肝臓PEPCK遺伝子発現の上昇がおこる可能性が明らかになった。肝臓由来細胞であるH411Eを用いて、酸化ストレスとPEPCK遺伝子発現上昇の関係をより詳細に検討した結果、酸化ストレス負荷が直接PEPCK遺伝子発現上昇の要因となりうることを見いだした。このことは酸化ストレスの増加は糖の利用機能の低下を招くだけでなく、内在的に高血糖を誘発しやすくなることを示しており、糖尿病時もしくは予備的な段階での血糖調節に酸化ストレスの抑制が重要である可能性を示しているものと考えられた。
乳児の音声刺激に対する選好反応の発達と障害の影響に関する実験的研究

本研究では選好聴取法を用いて、日本人乳児が連続音声中から日本語の語単位の構造を検出する手がかりについて検討した。昨年度に引き続き、日本語の育児語に頻繁に出現する語のリズムパタンに対して、乳児が特別に注意を向けるかどうか、またそのような感受性が示されるとしたらその出現時期はいつ頃なのか、について検討した。その結果、日本人乳児は生後78ヶ月くらいから、語中に特殊拍を含む3モーラ型(RSR)の語形に対して選択的に注目を向け始めることがわかった。このように、乳児のRSR型の語形への選好が、生後半年以上の日本語聴取経験を経て現れるという発達変化を示したことは、言語入力が乳児の音声知覚に及ぼす影響という観点から興味深い。また、この選好が出現した時期は、英語学習乳児が英語に頻出する語形へ選好を示す時期とほぼ一致し、母語のリズム構造についての感受性の出現時期の言語普遍的特徴及び、言語獲得を支える認知的諸能力の発達との関連性を示唆している。さらに、RSR型語形は大人が乳幼児に向けて語りかけるという限定された環境で乳児が経験する語形であることから、愛着に基づいた対人的相互交渉の要因が初期の言語獲得に及ぼす影響がうかがえる。今後は、連続音声中から語単位の構造を抽出する能力の発達を検討し、RSR型の語形への選択的な注意が乳児の言語獲得の初期段階で果たす役割について検討するとともに、この発達に及ぼす障害の影響について検討する必要がある。
補強材の定着性能評価解析の構築と適用

定着性能評価解析を構築するために、コンクリートのひび割れを直接的に評価可能な剛体バネモデルを用い、鉄筋の節までもモデル化した2次元および3次元のメゾスケール解析手法の開発を行うとともに、その実問題への適用を試みた。これらの検討により以下の成果を得た。(1)メゾスケール解析で付着を評価する際には、鉄筋節近傍のモデル化が重要であり、特に支圧を受けるコンクリートと鉄筋節界面のせん断伝達、支圧応力を受ける節前面のコンクリートの精度良いモデルの構築が不可欠であることを明らかにした。したがって、これらの精微なモデルを構築することで、メゾスケール解析の高精度化が可能であり、定着性能評価解析の発展性を示した。(2)鉄筋の節形状(節角度・節間隔・節高さ)を正確にモデル化することで、ひび割れ間隔などの付着挙動が可能であることを示した。このことは、新たな補強材を開発する際の、付着に対する補強材の形状設計が解析的に可能であることを意味する。(3)かぶり厚が付着特性に与える影響を解析的に評価した結果、メゾスケール解析で実験と同様な性状を再現できることを示し、実問題への適用性を明らかにした。(4)かぶり厚が付着特性に与えるメカニズムとして、かぶりが薄い揚合は、局所化した内部ひび割れが外部まで到達することで付着強度が決定し、かぶりが厚い場合は内部ひび割れの進展と鉄筋節前面の支圧応力によるコンクリートの圧壊挙動により付着特性が決定することを、メゾスケール解析から明らかにした。このことは、定着性能のメカニズムを解析的に解明可能であることを意味する。定着性能評価解析を構築するために、2次元の剛体バネモデルにより異形鉄筋の節までもモデル化したメゾスケール解析手法の開発ならびにメゾスケールで用いる鉄筋とコンクリート界面の構成則のモデル化を行った。また、開発した手法の一般化を図るために、3次元モデルへの拡張を行った。これらの検討により以下の結論を得た。(1)異形鉄筋の節までもモデル化したメゾスケール解析に用いる幾何学モデルの要素寸法は節高さの半分程度(1mm程度)を用いる必要があること、材料モデルとしてはマクロな材料特性を用いることが可能であることを明らかにした。(2)異形鉄筋の節幾何形状(節角度・節間隔・節高さ)の影響を検討し、開発した手法によりメゾスケールでのコンクリートと鉄筋の機械的な力の伝達に着目すれば、ひび割れ間隔などの付着挙動が評価可能であることを既往の実験結果との比較から明らかにした。(3)マッシブなコンクリートに埋め込まれた鉄筋の引き抜き解析ならびに一軸引張を受けるRC部材の両引き解析を行い、本解析手法により実験結果に基づき、テンションスティフニングモデルや付着応力-すべり-ひずみ関係などの既往の付着モデルと同一の結果が得られることを明らかにした。さらに、鉄筋の節周辺ならびにコンクリート中のひび割れの発生・進展挙動を妥当に評価できることを明らかにした。(4)2次元モデルの成果を受け、3次元の剛体バネモデルによる3次元問題への拡張を行い、定着性能評価解析の一般化を図った。定着性能評価解析を構築するために、3次元剛体バネモデルを用いて異形鉄筋の節までもモデル化したメゾスケール解析手法の開発ならびに3次元メゾスケールで用いる鉄筋とコンクリート界面の構成則のモデル化を行った。そして、開発した手法を補強材の定着性の基本である付着問題に適用し、かぶり厚さが付着に与える影響をそのメカニズムから評価した。(1)メゾスケール解析により付着の影響を評価するためには、鉄筋節近傍のモデル化が重要であり、特に支圧を受けるコンクリートと鉄筋節界面のせん断伝達、ならびに支圧応力を受ける節前面のコンクリートの精度良いモデルの構築が不可欠であることを明らかにした。(2)開発した手法により、かぶり厚が付着特性に与える影響を解析的に評価可能にした。

かぶり厚が付着特性に与えるメカニズムとして、かぶりが薄い場合は、局所化した内部ひび割れが外部まで到達することで付着強度が決定し、かぶりが厚い場合は内部ひび割れの進展と鉄筋節前面の支圧応力によるコンクリートの圧壊挙動により付着特性が決定することを、メゾスケール解析から明らかにした。(3)鉄筋腐食による膨張モデルの検討を行い、塩害を受けた場合の定着性能評価を行うための、基礎的知見を得た。
Si-Ge-Cのエピタキシャル成長とバンド不連続制御

現在、微細化および高集積化によるSi系半導体デバイスの高性能化は極限まで達しようとしており、新機能性を有するSiデバイスの開発が強く求められている。しかしながら、Siは元素半導体であるため、バンドエンジニアリングおよび量子化機能デバイスの開発を行うことは困難である。そこで本研究では、Siに替わる新しい材料系としてSiGeCに注目し、その結晶成長技術を開発することを目的として研究を行った。まず、第一原理計算によりSiGeC結晶の最安定状態の格子定数と構造について検討した。べガ-ド則から得たSiと格子整合する組成比Si_<0.72>Ge_<0.25>C_<0.03>の混晶について格子定数を理論的に算出した結果、この組成範囲内でべガ-ド則が成り立つことを明らかにした。さらに、構造の安定性を決める全エネルギーを求めたところ、C原子と結合するGe原子の増加に伴い、全エネルギーが増加し、SiGeCは不安定になることがわかった。そこで、各結合について生成エネルギーを算出したところ、Cが低濃度のSiGeCの場合は、C添加によって歪緩和よりも結合の生成エネルギーが大きく影響するため、C原子はすべてSiと結合する時が最も安定な構造になることが示唆された。次に、低温成長技術として新たにホットワイヤーセル法を提案し、SiGeC混晶作製の準備段階としてSiの低温エピタキシャル成長を試みた。基板温度200°Cという低温において製膜を行った結果、圧力が5x10^<-4>Torrと低いときには膜の結晶構造はアモルファスとなったが、圧力0.015Torrの条件において膜圧400nm以上のエピタキシャル薄膜を得ることに成功した。このように本ホットワイヤーセル法が、IV族混晶半導体の低温エピタキシャル成長技術として応用可能であることが示された。HBTへの応用が進んでいるSiGe混晶ではGe濃度の増加が歪みの原因となるため設計の自由度が制限される。それに対し、歪み補正としてCを加えたSiGeC構造は格子定数とバンドギャップとの独立制御が可能であり、ヘテロ接合の設計の自由度を増す材料として期待される。本研究では、IV族多元系混晶を第一原理計算を用いて解析し、また、SiGeC混晶の成長の前段階として、ホットワイヤーセル法によるSiのエピタキシャル成長を試みた。以下にその成果の概略を示す。・第一原理計算でSi、GeおよびSiGe混晶の格子定数を算出し、本計算の有効性を明らかにした。さらに、Si_<0.72>Ge_<0.25>C_<0.03>の格子定数を算出した結果、5,39[Å]となり、この組成範囲内でVegard s Lawが成り立つことを見いだした。・Si_<0.72>Ge_<0.25>C_<0.03>では構造の安定性を決める全エネルギーは生成エネルギーとC原子添加による歪緩和によって決まることを明らかにし、理論的にC濃度の低いSiGeC中にGe-C結合が見られないことを解明した。・SiGeCの結晶成長には低温成長が必要である。そのため結晶成長法として、本研究室において考案したホットワイヤーセル法を用い、Siのエピタキシャル成長を試みた。この方法では膜形成種として表面拡散長がより長いSiH_3ラジカルが支配的であり、SiH_2ラジカルが支配的である従来法と比べ、低温において成長が可能であるという特徴を有している。・成長初期のガス導入方法、背圧の改善を行うことで、成長初期にアモルファス層などが堆積することを抑制し、670°Cという低温の基板温度においてSiH_4ガスのみによるSiのエピタキシャル成長に成功した。

現在、微細化および高集積化によるSi系半導体デバイスの高性能化は極限まで達しようとしており、新機能性を有するSiデバイスの開発が強く求められている。しかしながら、Siは元素半導体であるため、バンドエンジニアリングおよび量子化機能デバイスの開発を行うことは困難である。そこで本研究では、Siに替わる新しい材料系としてSiGeCに注目し、その結晶成長技術を開発することを目的として研究を行った。まず、第一原理計算によりSiGeC混晶の最安定状態の格子定数と構造について検討した。ベガード則から得たSiと格子整合する組成比Si_<0.72>Ge_<0.25>C_<0.03>の混晶について格子定数を理論的に算出した結果、この組成範囲内でベガード則が成り立つことを明らかにした。さらに、構造の安定性を決める全エネルギーを求めたところ、C原子と結合するGe原子の増加に伴い、全エネルギーが増加し、SiGeCは不安定になることがわかった。そこで、各結合について生成エネルギーを算出したところ、Cが低濃度のSiGeCの場合は、C添加によって歪緩和よりも結合の生成エネルギーが大きく影響するため、C原子はすべてSiと結合する時が最も安定な構造になることが示唆された。次に、低温成長技術として新たにホットワイヤーセル法を提案し、SiGeC混晶作製の準備段階としてSiの低温エピタキシャル成長を試みた。基板温度200°Cという低温において製膜を行った結果、圧力が5×10^<-4>Torrと低いときには膜の結晶構造はアモルファスとなったが、圧力0.015Torrの条件において膜厚400nm以上のエピタキシャル薄膜を得ることに成功した。このように本ホットワイヤーセル法が、IV族混晶半導体の低温エピタキシャル成長技術として応用可能であることが示された。