hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
「混一疆理歴代国都之図」の歴史的解析―中国・北東アジア地域を中心として―

従来、同地図は模写図に基づく地名比定が中心に行われ、比較的見やすい、あるいは情報量の少ないイスラーム世界からアフリカ地域の解析が中心であった。しかし、本研究は、デジタル工学によって劣化した古地図の復元を基本とし、そこに記載された地名を読み取り、使用された顔料分析により本来の色彩を導き出すことによって、この地図が示す基本的な特徴を解析する。特に、地図の中心を占め、膨大な情報が網羅されているにも関わらず、これまで、文字が不鮮明であるということから、研究対象にならかった中国本土と東アジア海域、さらに、未解明な地名・情報が多い北東アジア地域の歴史的な解析をめざし、研究代表者・分担者各人の専門とする地域を中心に、研究を進めることとする。そのために、岡田により改めて本図の詳細な撮影が行なわれ、さらなるデジタル解析を進めている。また、23年度は、日本では、名古屋市徳川美術館逢左文庫、京都市東福寺所蔵の中国古地図の調査、中国洛陽市の各研究機関、北京市中国社会科学院、台湾の故宮博物院や国家図書館でも本図に関連する古地図の実地調査も行ない、関連する文献資料も収集し、現地の研究者との意見交換を行なった。今後、それらの地図を相互に比較検討することにより、本図の地名解読の精度を高め、これまで以上に深い解析をする基礎が整った。前述した『混一疆理歴代国都之図』に関する国際シンポジウムは、当初の計画では24年の9月中あるいは10月中に開催し、24年度中にその報告書を刊行する予定であった。その際、特に一般への還元を考え、本学が擁する博物館である龍谷ミュージアムにおいて、世に広く関心の高い本図の原図、およびその復元図を展示する計画を立てていた。しかし、ミュージアムの都合で展示可能な時期を、12月でなければ取ることができず、シンポジウムもそれに合わせて開催することにした。一般への還元を考える以上、シンポジウムと展示の一体化は不可欠と判断した次第である。そのため、シンポジウムの報告書を年度末の25年3月までに刊行するとなると、各人がその執筆に十分な時間を取ることができない。そこで、このたび、研究の期間延長を申請し、認められている。このように、24年度中に報告書を刊行させるという計画はやや遅れてはいるものの、それは研究を深めるためのもので、これによって、より充実した報告書が作成できるものと考えている。しかし、そのほか、各人の研究、『混一疆理歴代国都之図』に関連する他の古地図の調査等は、24年度においては順調に進んだ。23年度は、刊行されている文献の収集については順調に進んだ。また、日本国内や中国の各研究機関に所蔵される、「混一疆理歴代国都之図」と関連する古地図の調査を中心に、研究代表者、研究分担者、連携研究者各人が、中国本土と東アジア海域、さらに、未解明な地名・情報が多い北東アジア地域の歴史的な解析をめざし、デジタル復元を担当する岡田も、改めて本図の詳細な撮影が行ない、さらなるデジタル解析を進めるなど、ほぼ順調に進んだ。それらの成果は、1月に研究集会を開催し、それぞれがその成果を報告した。韓国の研究機関との連携については、23年度中には実現できなかったが、24年度になり、4月に、岡田が韓国国立中央図書館に出張し、実現した。前述したように、25年度は23・24年度に研究代表者・研究分担者各人が進めた研究成果、および24年12月に開催した国際シンポジウムの講演・報告をまとめる研究報告書作成に努める。
価数スキップ揺らぎによる新超伝導体の理論設計

価数スキップ機構による超伝導は、高いTcと等方性の両方を満足する可能性を秘めている。本研究の目的は、価数スキップ揺らぎを引き起こす可能性の高い物質を理論的に選定し、その電子構造を明らかにすることである。本研究において化合物超伝導体InTeとSnAsは、典型的価数スキップ超伝導体(Ba,K)BiO3と電子構造が類似していることが示された。またRbTlCl3において圧力誘起金属絶縁体転移を予測した。さらに、パイロクロア化合物Sn2Nb2O7にもしホールを導入できれば、磁性元素を含まない強磁性が実現することを第一原理計算により予測した。まず研究環境の整備として、第一原理計算ソフトWIEN2kをその計算サーバーとともに導入した。今後、有効クーロン相互作用Uを取り込んだGGA+U計算を進めて行く予定である。次に計算結果について示す。価電子スキップ揺らぎを起こしやすい物質としてPbSb, InTe, KPbO2などを候補に挙げて来たが、詳細な第一原理計算の結果、価電子スキップ揺らぎの必要条件として、価電子スキップ原子(ターゲット)の価数・陰イオンの分極の大きさ以外に重要な要素があることが判明した。それは、ターゲットのsバンドと陰イオンの準位(主にpバンド)との位置関係である。例として、PbSbにおいては形式価数がPb3+,Sb3-であり、Pbが1種類のサイトしか持たず、かつSbの分極が大きいことから価数スキップ超伝導の候補物質として来たが、第一原理計算によるとPbのsバンドはSbのpバンドよりもエネルギーが低く、従ってsバンドの部分占有による価数スキップが起こりにくい。このことは、価電子スキップ超伝導物質の候補を絞り込む上で重要な知見を与える。また、それと並行して価数スキップ原子を含む超伝導物質探索を行い、新超伝導体(Na,Sr)Bi3を発見した。この系の最高Tcは9.0Kであり、同じくBi系として最近話題になっているLa(O,F)BiS2のTcにほぼ匹敵する。同時にこの系の第一原理計算を行い、ドーピング依存性がMathiass則に従うことを見いだした。これらの研究結果は国際会議、および論文として発表した。まず研究環境の整備として、WIEN2kのアップデートを行った。これにより電子状態の局在ワニエ基底での記述が可能となったため、電子相関等を取り入れたモデル計算に活用して行くことができる。価電子スキップ化合物は一般に荷電状態の不安定性を内在するため、電荷密度波が形成されることが多い。この電荷密度波を融解させることが超伝導発現に必要であるが、その「融解させやすさ」についての定量的な指針は不明であった。このたび典型的な電荷密度波を示すSnF3と、高温超伝導体の母物質であるBaBiO3の電子状態を比較した結果、BaBiO3については構造緩和で電荷密度波が消失して金属になり、SnF3においては電荷密度波が消失しないことが判明した。第一原理計算では局在性をやや過小に見積もることが知られており、その「摂動」によってBaBiO3では金属化したと考えられる。我々はこの「摂動」で壊される電荷密度波を「弱い」電荷密度波、壊されないものを「強い」電荷密度波と呼ぶことにした。この指針に従えば、「弱い」電荷密度波にキャリアドープや圧力などの摂動を加えれば超伝導になると期待される。これらの研究成果を国際会議、および論文の形で発表した。昨年度は主に理論的な面で進展があった。価電子スキップ化合物には主に3種類あり、それぞれ「『堅い』電荷密度波」、「『柔らかい』電荷密度波」、「偽物」である。この3種は構造緩和を取り入れた第一原理計算で判別可能であり、このうち「『柔らかい』電荷密度波」が超伝導に近いと考えられる。このような具体的な指針が得られたことは特筆すべき成果と考えられる。まず研究環境の整備として、第一原理電子状態計算パッケージWIEN2kのアップデートを行った。これにより光学伝導度などの物理量が計算できるようになったため、光学測定などの実験結果と組み合わせることで価電子スキップ化合物の電子状態についての一層の知見を得ることができる。昨年度の成果である「弱い電荷密度波」状態の実現を目指し、ペロブスカイト型化合物RbTlX3 (X=F,Cl,Br), SnX3 (X=F,Cl,Br,I)の系統的な電子状態計算を行った。このとき、陰イオンの位置が電荷密度波状態の実現にとって決定的に重要であることを見出した。加圧して体積が減少すると、陰イオンの位置が変化して電荷密度波ギャップが小さくなる。この機構によりRbTlCl3, RbTlBr3では数GPa程度の圧力で金属化するという計算結果が得られた。この圧力誘起相転移はBaBiO3でも理論上は可能であるが、格子が堅いため数十GPa以上の圧力が必要で現実的ではない。RbTlX3では、BaBiO3よりも体積弾性率がほぼ1ケタ小さくなることからこの機構による圧力誘起相転移が可能である。価電子スキップ化合物で現実的圧力による金属絶縁体相転移を予言したことは特筆すべき成果と思われる。昨年度は主に、具体的な「柔らかい電荷密度波」の候補物質を複数提案することができた。

また現実的な圧力で電子物性を制御することが可能であるため、将来的にセンサーやスイッチといったデバイスに応用出来る可能性がある。本研究を通じて得られた成果は主に以下の3点である。(1)価数スキップ元素を含む超伝導体の発見:価数スキップ元素Bi, Snなどに着目し、新超伝導体SrBi3, LaBi3を発見した。第一原理計算の結果、これらの系では価数スキップがそのまま成り立っていた訳ではないが、この観点から新超伝導体の発見に成功したのは一つの成果である。(2)既存の超伝導体の価数スキップ理論による解釈:既存の超伝導体InTe,SnAsについて第一原理計算と強束縛近似による解析を行い、これらが典型的な価数スキップ超伝導体の母物質BaBiO3と類似した電子状態を持つことを明らかにした。その後、置換系(In,Sn)Teにおいて超伝導転移温度が上昇することが実験的に確認された。(3)価数スキップ状態の理論設計:BaBiO3と類似した電子状態を持つ物質としてSnX3, RbTlX3, Cs(Pb,Tl)X3 (X=ハロゲン)を提案した。このうちSnF3, RbTlCl3, CsPbI3は現実に存在する物質である。BaBiO3もそうであるが、ノンドープでは電荷密度波が存在する。これは第一原理計算でも再現することができる。超伝導を実現するためにはこの電荷密度波を壊さなければならない。ハロゲンイオンを変えて、その位置を最適化しつつ第一原理計算を行った結果、ハロゲンイオンをFからCl,Brと大きくすることで電荷密度波ギャップが減少することがわかった。RbTlBr3については、23GPa程度の静水圧で電荷密度波ギャップが閉じる金属絶縁体転移が生じることを計算により予測した。本年度は主にこの(3)についての研究を行った。価数スキップ機構による超伝導は、高いTcと等方性の両方を満足する可能性を秘めている。本研究の目的は、価数スキップ揺らぎを引き起こす可能性の高い物質を理論的に選定し、その電子構造を明らかにすることである。本研究において化合物超伝導体InTeとSnAsは、典型的価数スキップ超伝導体(Ba,K)BiO3と電子構造が類似していることが示された。またRbTlCl3において圧力誘起金属絶縁体転移を予測した。さらに、パイロクロア化合物Sn2Nb2O7にもしホールを導入できれば、磁性元素を含まない強磁性が実現することを第一原理計算により予測した。交付申請書に記載した「価数スキップ原子を含む化合物を高圧合成法で作成する」テクニックによって、Tc=9.0Kの新超伝導体(Na,Sr)Bi3が発見されたのは特筆すべき成果である。その他にも有望な物質を発見していて、現在論文執筆中である。また、価電子スキップ揺らぎの必要条件として、価電子スキップ原子ターゲットのsバンドと陰イオンの準位(主にpバンド)との位置関係が重要であることが判明した。今後価電子スキップ超伝導物質の候補を絞り込む上で、この事実は重要な知見を与える。今後も研究計画に沿って推進して行く。引き続き実験家と協力して、新超伝導体の探索を進める。また理論的には、候補物質を絞り込む上で第一原理計算の知見を活かす。
再生医療を応用した新しい緑内障手術

トラベクレクトミーは緑内障手術で最も広くおこなわれている手術であるが、過去に眼科の手術を受けた事がある眼では、結膜手術瘢痕があるために、手術成績が著しく悪いことが臨床研究であきらかになった。手術成績を改善する方法として、トラベクレクトミーの際の結膜切開デザインが重要であることが臨床研究であきらかになった。結膜上皮を再生して移植するウサギを使った動物実験で優れた術後成績が得られた。線維柱帯切除術は緑内障手術のゴールドスタンダードとして確立されているが、この手術の問題点として、過去の眼科手術による結膜瘢痕の存在によってその手術成績が大きく損なわれる。そこで、結膜瘢痕を取り除き、代わりに再生した上皮組織に交換することによって、眼表面が再生され、手術成績を改善させる研究をおこなった。まず、臨床試験として、手術成績がわずかな結膜瘢痕によっても、手術成績が損なわれるのかを明らかにするために、水晶体再建術をおこなった緑内障症例と、手術歴の既往のない緑内障症例との線維柱帯切除術の手術成績を前向きに比較し、水晶体再建術をおこなった症例のほうが統計学的有意に成績が悪いことを明らかにし、その結果を発表した(JAMA Ophthalmol 2014)。また、結膜の再生実験においては、ウサギをもちいて、結膜を剥離した後、強膜弁を作成し、トラベクレクトミーと同様にバイパスを作成したのちに、再生した結膜上皮を移植して、経過観察をおこなった。術後4週間にわたって、眼圧が一ケタ台mmHgで安定して下降し、ブレブも維持されていた。ブレブ壁の上皮細胞は、移植した細胞由来であることが確認された。線維柱帯切除術は緑内障手術のゴールドスタンダードとして確立されているが、この手術の問題点として、過去の内眼手術によってその線維柱帯切除術の手術成績に悪影響があることが指摘されている。我々は、内眼手術が線維柱帯切除術に与える影響を調査する臨床研究と、内眼手術によって生じた結膜手術瘢痕を再生して線維柱帯切除術の手術成績を改善する基礎研究をおこなった。まず、臨床研究では、超音波乳化吸引術で水晶体再建術をおこなった緑内障症例と手術既往のない緑内障症例に同じ手技で線維柱帯切除術をおこない、その術後成績を前向きに調査した。その結果、超音波乳化吸引術で水晶体再建術をおこなった緑内障症例の方が有意に線維柱帯切除術の手術成績が不良であった。また、超音波乳化吸引術をおこなった症例の前房中のサイトカイン濃度を超音波乳化吸引術の術前、術1年後と比較すると全例でIL-8とMCP-1が上昇していた。ウサギを用いた実験では、炎症サイトカインの添加によって、結膜に炎症性細胞が浸潤し、結合組織の増生を確認することが出来た。超音波乳化吸引術で水晶体再建術をおこなった緑内障症例に対する当面の対策として、線維柱帯切除術の結膜切開デザインによって術後経過に違いがあるかを調査する前向き臨床試験を開始し、症例エントリーをおこなっている。結膜瘢痕を再生で改善する基礎研究として、線維柱帯切除術に適したサイズの口腔粘膜上皮シートの作成を施行している。線維柱帯切除術は、緑内障手術のゴールドスタンダードとして確立されているが、この手術の問題点として、過去の眼科手術による結膜瘢痕の存在によって、その手術成績が大きく損なわれる。そこで、過去の眼科手術の既往歴のある症例に対して、線維柱帯切除術をおこない、その手術成績を改善する治療を確立する研究をおこなった。第1に、結膜の再生実験においては、ウサギ眼に結膜手術瘢痕を作成し、その後、従来のトラベクレクトミーをおこなった群と、トラベクレクトミーをおこなった後に、再生した結膜上皮シートを移植してブレブを作成した群とを比較したところ、統計学的有意に、再生した結膜上皮シートを移植した群のほうがブレブの維持されていた眼が多い結果となった。移植された結膜上皮細胞は、抗ZO-1抗体が陽性で、上皮細胞としての性質を有することが示された。第2に、臨床研究で、すでに手術を受けた症例に対して、トラベクレクトミーをおこなう際に、そのブレブ作成の結膜切開デザインによって手術成績が異なるかを多施設コホート研究で検討した。手術既往歴のない症例では、結膜切開デザインによって手術成績には差はみとめなかったが、手術既往眼では、輪部基底結膜切開トラベクレクトミーのほうが、円蓋部基底結膜切開トラベクレクトミーよりも、有意に成績がよいことが示された(Sci Rep 2015)。これによって結膜瘢痕のある難治性の症例に対する治療選択に関する臨床エビデンスを示すことができた。

緑内障臨床試験において、水晶体再建術の既往歴のある症例とない症例のトラベクレクトミー前向き試験は終了し、結膜切開がトラベクレクトミーに与える影響に関する前向き臨床試験も着実に症例が登録され、経過観察がおこなわれているので、おおむね順調に進展しているが、動物実験のほうは、組織学的な解析がまだ終了していない。臨床研究は順調に結果がでており、一部のデータについては研究実施1年目に論文発表をおこなった。また新しい臨床研究に関しても、順調に症例エントリーが進んでいる。動物実験に関しては、炎症性サイトカインの研究はデータが出ているが、眼表面の再生研究に関しては、上皮シートの作成の条件決めが遅れている。動物実験の組織学的な解析をさらに進め、ヒトでの応用試験に進めていく。当初の予定どおり、昨年度エントリーをおこなった前向き臨床試験の症例の経過観察を継続し、その術後成績をデータ収集する。眼表面の再生研究の動物実験については、上皮シートの作成の最適な条件決めをおこない、ウサギ眼への移植を開始する予定である。動物実験の一部を次年度におこなう予定が生じたため。動物実験を次年度におこなう費用として使用する。昨年度、上皮シート作成の条件決めに時間がかかり、開始できなかったウサギ眼への移植実験への費用として用いる予定である。
Si基板上ZnO薄膜のエピタキシャル成長と近紫外レーザ発光デバイス形成の研究

本研究は次世代の情報の高密度化に対応すべく,Si基板上に新規の方法によりZnOの近紫外励起子レーザ発光デバイスを形成することを目的とした。以下に,本研究により得られた新たな知見等を述べる。◇Si(111)基板上ZnOエピタキシャル薄膜の形成従来,Si基板上酸化物エピタキシャル薄膜の形成は困難であったが,本研究において,最初にZnS薄膜をS(111)基板上にエピタキシャル成長させ,これを酸素雰囲気中で酸化するという方法によって世界で初めてSi基板上にZnOエピタキシャル薄膜を形成するとともに,3.34eVにピークを持つ自由励起子による発光のみを得ることに成功した。ZnSとMgSの混合ペレットを蒸着源として,電子ビーム蒸着法によりSi基板上にZn_<1-x>Mg_xSエピタキシャル薄膜を成長させ,これを酸化することによってZn_<1-x>Mg_xO薄膜の形成に成功した。更に,x=0.15までの薄膜においてウルツ鉱型のZn_<1-x>Mg_xO膜が形成され,Mgの添加量にともない励起子発光ピークエネルギーがZnOの3.34eVからZn_<0.85>Mg_<0.15>Oの3.45eVまで高エネルギーへシフトすることが確認され,エネルギーギャップの制御がなされたことが示された。硫化物の酸化によりAlを添加したZnOエピタキシャル薄膜がAl添加量0.1at%において5.21Ω-cmのn型伝導性を示し,本研究の酸化物エピタキシャル薄膜の形成においても伝導性の制御が可能であることが示された。本研究では,伝導性の制御に高温での熱処理を必要としないレーザドーピング法を適用することも特徴の一つである。Zn_<0.9>Mg_<0.1>O薄膜のKrFエキシマーレーザ110mJ/cm2照射によるAlドーピングにより近紫外域の発光が支配的な良好な薄膜が得られた。電気的特性については,Alの膜厚が15nmのとき,抵抗率45.9Ω-cm,移動度0.92m^2/V-s,キャリア濃度1.48×10^<17>cm^<-3>の特性が得られ,n型の低抵抗化がなされたことが示された。Sb極薄膜を用いたp型化に関しては,十分な低抵抗化には至らなかったが,ドーピングの兆候は認められた。しかし,伝導性の制御に関してはさらなる研究が必要である。以上,本研究により,これまで実現されていない高効率Si基板上近紫外発光ZnO発光素子の形成の可能性が示された。

以上,本研究により,これまで実現されていない高効率Si基板上近紫外発光ZnO発光素子の形成の可能性が示された。次世代の情報の高密度化に対応すべくZnOの近紫外励起子レーザ発光デバイス化が有望視されている。本研究では、Si基板上にZnS薄膜をエピタキシャル成長させ、これを酸化することにより高品質ZnOエピタキシャル薄膜を形成するとともに、デバイス化を目的としている。以下、平成13年度研究実績の概要を述べる。◇Si(III)基板上高品質ZnOエピタキシャル薄膜の形成と構造特性評価本研究では申請した超高真空容器の購入と現有のターボ分子ポンプとの組み合わせにより、10^<-8>Torr台の超高真空が可能となり、電子ビーム蒸着法によりSi基板上に250°C付近の基板温度で良好なZnSエピタキシャル薄膜が形成され、これを酸素雰囲気中800°Cで熱処理すると酸化はZnS薄膜の表面から内部に向かって進行し、約100nmの膜が約30分でほぼ完全に酸化されることがオージェ電子分光分析により確認された。構造的には30分の熱処理によりほぼ完全に酸化が完了することを述べたが、PLスペクトルによれば、30分では酸素空孔による可視域の発光が支配的であり、励起子発光のためには更なる熱処理が必要である。時間の増大により励起子による近紫外発光強度が次第に強くなり、5時間程度の熱処理によりほぼ完全に励起子発光が支配的となることが示された。また、100K以下の極低温においては束縛励起子による発光も確認され、サファイア基板上にMBE法等により形成されたZnOエピタキシャル薄膜と同等の薄膜が形成されていることが示された。次年度としては、以上の結果を基にして、ZnSからZnOへの酸化過程の熱力学的解析、n及びp型の伝導性の制御についても研究を展開する。次世代の情報高密度化に対応すべくZnOの近紫外励起レーザ発光デバイス化が有望視されている。以下平成14年度研究実績の概要を述べる◇Si(111)基板上ZnOエピタキシャル薄膜の酸化過程の検討ZnSエピタキシャル薄膜の酸化によって硫黄が酸素に置換されると同時に結晶転移が起こり、膜表面から膜内部へとZnOエピタキシャル薄膜の形成が進行することがわかった。強い紫外発光を得るための作製の最適条件を検討した結果、ZnS蒸着時の基板温度270°C300°C、熱処理時の雰囲気は酸素中、温度及び時間はそれぞれ720°C前後及び約5時間であることがわかった。この酸化によって、ZnOとSi基板との間に界面層が形成され、断面TEM観察によって、ZnO層/粗なZnO層/Si酸化層/Si基板となってていることがわかった。◇Si(111)基板上ZnOエピタキシャル薄膜のn型伝導性の制御ZnO薄膜の発光デバイス化のためには伝導性の制御が不可欠である。本年度においてはAl及びGaをドーパントとするn型ZnOエピタキシャル薄膜の形成を行った。ドーピング方法としてはZnSペレットにドーパントを予め添加しておき、蒸着、酸化によりZnO : M(M=Al, Ga)を形成した。形成した薄膜は、ZnO : Al(0.1at%)の膜が結晶性、発光特性、電気特性において最も優れており、低効率、移動度及びキャリア濃度がそれぞれ5.21Ωcm、6.56cm^2/Vs、及び1.83×10^<17>cm^<-3>であるn型のエピタキシャル薄膜が得られた。次年度としては、n型ZnO薄膜の更なる低抵抗化、p型伝導性の制御、MgOとの混品による禁制帯幅の制御について研究を展開する次世代の情報の高密度化に対応すべくZnOの近紫外励起子レーザ発光デバイス化が有望視されている。
胸腔鏡下で心膜表面に装着可能な折り畳み式搏動補助装置

遺伝子治療、再生治療などの最先端の慢性心不全治療法と併用できる機械的な循環補助方法として、血液に触れることなく心臓の外側から拍動を補助する装置を考案し、その実現可能性を検討した。心臓表面から拍出を補助するバルーンとバルーンを固定するための保持システム、空気駆動制御装置を試作し、模擬循環回路および動物実験によりその効果を検討した。動物実験において流量補助効果が確認され、本手法の有効性が示唆された。本研究の目的は、胸骨や心臓を切開することなく、体外から内視鏡的に挿入可能な心臓拍動補助装置の実現可能性を明らかにすることである。自然心の拍出を補助するためのバルーン形状を検討したところ、ラグビーボール形状が特にバルーン収縮時においてフィッティングが良好であることが確認された。構造解析シミュレーションによりバルーン材質の検討を行ったところ、ラテックスのような伸縮性にとんだ材料では十分な補助力を得ることが困難で、フレキシブルでありかつ伸び縮みの少ない材質が最適であることが明らかとなった。これらを踏まえて、ブチルゴム製ラグビーボール状バルーンを用いた拍動補助装置の試作を行った。試作システムは、臨床現場にある陽圧および陰圧発生器から供給される空気圧を利用し、電磁弁の開閉を制御してバルーンを駆動する方式とした。またタッチパネルによって実験中でも容易に制御パラメータ(SD比、遅延時間など)を変更できるようにした。東北大学加齢医学研究所病態計測制御分野山家研究室において成ヤギを用いた急性動物実験を実施した。フィッティングにより、試作バルーンは収縮時おいて胸腔内に占める容積が大きく、さらなる薄肉化が必要であることが判明した。様々な制御条件で血行動態の計測を行ったところ、制御方法が補助力に与える影響に関しては有意な見解を得ることができなかったが、バルーンの装着位置によって補助力に大きな差が出ることが確認された。次年度は装着位置および固定方法についてコンピュータシミュレーションなどを応用して詳細に検討する必要があることが示唆された。また皮膚貫通部は感染源として最も危険な部位であり、この部位の適当なマネージメント法の検討は本拍動補助システムに必須である。そこで、生体適合性の高いチタンを応用した経皮端子を提案し、構造解析によって皮膚とチタン材との接合部にかかる応力を計算し最適形状の検討を行った。本研究の目的は、胸骨や心臓を切開することなく、体外から内視鏡的に挿入・装着可能な心臓拍動補助装置の実現可能性を明らかにすることである。昨年度、自然心の拍出を補助するためのバルーン試作し、ヤギを用いたフィッティングを試みたところ、さらなる薄肉化が必要であることが示唆された。そこで本年度は、点滴用の加圧バックに用いられているナイロンを加工して、収縮時の厚みが3mm以下の薄型のバルーンを作成した。次に、吸盤を用いて心臓表面にバルーンを保持する方法を検討するため、豚心臓表面に直径10mmの吸盤を吸着させ引張試験を行った。複数の材料および形状を測定したところ、ニトリルゴム製油用パットが安定した引張強度が得られた。バルーンによる補助面積を30cm^2、圧力を120mmHg(約16kPa)とすると吸盤による保持に必要とされる力はおよそ50Nとなる。引張試験から、吸盤内の到達圧力を,50kPa程度得られれば直径10mm以下の吸盤を複数個組み合わせることによって、バルーンの保持が可能であることが示唆された。そこで、ナイロン製バルーンと直径10mmの吸盤を16個組み合わせて心臓拍動補助装置を試作した。バルーンは、臨床現場にある陽圧および陰圧発生器から供給される空気圧を利用し、電磁弁の開閉の制御によって駆動した。摘出・停止した豚心臓を用いたモック試験において、100mmHg、0.5L/minの駆動性能が得られた。今回の試作システムでは工業用吸盤を応用したため、吸盤と装置を固定するベース部分に金属部品を用いたが、将来専用の吸盤を開発すれば体内挿入部を全てフレキシブルな材料で構成することが可能である。以上の結果から、折りたたんで内視鏡的に挿入可能な心臓拍動補助装置の実現可能性が示唆された。
多重被災からの復興と地方創生のための地域キャリア教育プログラムの開発

1野田村CWS2018を実施した。年度初めより準備を進め、8月30日(木)9月2日(日)に野田村CWS合宿を実施した。学生12名(首都大学東京6名、工学院大学2名、八戸高専1名、京都大学2名、東北大学1名)、および教員スタッフ3名が参加した。今年度は学生の主体的なフィールドワークを実施する方針とした。野田村役場へのヒアリング(復興関連事業、観光事業等)、野田小学校見学、NPOおよび協力農家へのヒアリング、民泊(一泊)ほか村内でのフィールドワークを実施し、現時点の村の課題をとらえようとした。12月7日(金)に工学院大学(新宿)にて合同のフォローアップゼミを開催し、村側とも調整してまとめ方を検討した。学生2名の野田村の調査研究発表とともに、学生たちが提案する「村の過去と未来を皆で考えるワークショップ」を庁内の若手メンバーとの合同で試行する、というプログラムを平成31年2月27日に野田村で実施した。23ネパール山間被災地における復興プロセス調査について、平成29年の予備調査の結果を、国際学会(IDRiM 2018)で報告した。4復興研究交流セミナーについては、自ら企画実施するには至らなかったが、平成31年1月1617日に関西のNPOが主催する阪神・淡路大震災24年追悼・被災地交流会に研究代表者と研究分担者の1名が参加し、活動報告および情報交換を行った。5地域キャリア教育プログラム開発を模索し、野田村教育委員会および小学校との連携を図っていこうとする中で、当初の意図からは逸脱するが、広く村の人たちと野田村の過去現在未来を共有するためのワークショッププログラムのアイディアをCWS参加学生が発案した。このワークショップのツールとして活用する写真を野田村役場の協力を得て編集し、1で前述の通り、CWS2018報告会の中で庁内総合戦略ワーキングメンバーとの合同で試行した。平成30年度の研究は、1野田村CWS関係についてはほぼ当初の計画どおりに実行できた。一方、2ネパール山間被災地の復興プロセス追跡調査については停滞した。1野田村CWSと野田村(とくに村役場のキーパーソンおよび職員グループとの交流が深まっている。野田村CWSは当研究チームが主催する任意の活動であるが、村の後援を得、村長以下これまで協力いただいた関係部局の職員の方々や、商工会青年部、NPO、民泊先の農家・漁業家とのとの信頼関係が醸成されてきた。プログラム実施に際して便宜を図っていただく一方で、当初のわれわれの意図から外れて、現実の村の復興に向けた課題を逆に提案される場面も出てきた。本研究の企図として、村の復興に少しでも寄与していくことが本来の目的であり、それに応じてのプログラムの修正はある程度必要であると考えている。2平成30年度中は研究代表者の日程と現地および支援団体との調整がつけられず、ネパール現地への追跡調査はついに実施できなかった。またこれと連携して4自らの復興交流プログラムの企画も進まなかった。1令和元年度も野田村CWSを継続実施し、地域貢献と学生教育目的のバランスを取りながらプログラムをさらに進化させ、地域主体の復興むらづくりに寄り添っていく。一次産業の後継者育成は地域復興の大きな課題であり、地域キャリア教育プログラムへの展開を常に意識しつつ、「村の過去と未来を皆で考えるワークショップ」の発展的実践を試みていく。2ネパール・ランタン村は2015年の震災後、住民主体でコミュニティと伝統的生業の維持に配慮した観光産業復興の方向性や、海外からの支援への対し方など、地方の災害復興のモデル的事例として、地域復興プロセスの追跡調査を続ける。現地調査と並行して、日本からランタン地域を支援する民間団体の活動についても調査し、復興交流の可能性を検討する。3災害復興と地方再興の両方の観点から、アクションリサーチとして研究成果をまとめていく。1野田村CWSを実施し、成果がまとめられた。平成29年4月より首都大学東京および工学院大学のまちづくり研究室チームと合同で準備を進め、8月1013日に野田村CWS合宿を実施した。学生14名(首都大学東京5名、工学院大学4名、八戸高専4名、京都大学1名)、および各大学・高専からの教員スタッフ4名が参加。学生は野田村の農家と漁家に分かれて民泊し、村の生活や地域活動(祭の準備)の手伝い体験や、復興事業の一環である山ぶどう栽培と山ぶどうワイン製造、みちのく潮風トレイルの整備等についてヒアリング調査や見学、体験を行い、産業振興の方策や担い手育成等の検討課題を持ち帰った。11月7日に首都大学東京にて合同のフォローアップゼミを開催し、「山ぶどうワインづくりとその担い手」(農業班)と「トレイル観光」をテーマに提案をまとめ、平成30年2月23日に、野田村CWS2017の成果報告会を実施した。2ネパール山間被災地における復興プロセス調査を実施した。平成29年10月20日11月4日に河村がネパールを訪ね、2015年のネパール地震により発生した氷河・岩屑雪崩で甚大な被害のあったネパール中北部ラスワ郡ランタン村を訪問し、震災2年半後の復興過程の現地視察とヒアリング調査を実施した。ランタン村では、海外NGOの支援を受けながら、コミュニティと伝統的産業(牧畜)の持続可能性に配慮しつつ民主的プロセスで復興が図られており、地方復興のモデルになり得る状況を確認した。3調査成果を日本都市計画学会東北支部および米・デラウエア大学DRC(Disaster Research Center:災害研究センター)で発表した。

平成29年度の研究は、ほぼ年度当初の計画どおりに実行された。1野田村CWSと野田村職員グループとの交流実践が進化している。野田村CWSは当研究チームが主催し震災後毎年開催を重ねてきたボランタリーな活動であるが、村の後援を得、村長・副村長、特定課題対策課(復興事業、地方創生総合戦略担当)、総務課、産業振興課等との信頼関係が深められてきた。プログラム実施に際して便宜を図っていただくほか、平成30年2月23日には村の公的な地方創生総合戦略会議に、CWSグループの学生と教員が村外者でありながら陪席を認められ、それに引き続きさらに庁内の総合戦略ワーキングメンバーとの合同ワークショップを実施できた。また商工会青年部や民泊事業を展開する地元NPO、民泊先の農家・漁業家との信頼関係も醸成されてきた。2比較対象地域としてのネパール・ランタン村はヒマラヤ山中の標高34003800mの高所にあり、自動車で到達できる山麓(標高1400m)から徒歩約3日間の行程である。現地調査初年度として、まず過去にヒマラヤ山域での自然地理学調査経験のある河村が地元ガイドを同行して一次調査を行い、トレイルと現地の状況を確認し、現地のキーパーソンとコンタクトできたことで、今後の調査計画を具体的に立てやすくなった。1野田村CWS2018を実施した。年度初めより準備を進め、8月30日(木)9月2日(日)に野田村CWS合宿を実施した。学生12名(首都大学東京6名、工学院大学2名、八戸高専1名、京都大学2名、東北大学1名)、および教員スタッフ3名が参加した。今年度は学生の主体的なフィールドワークを実施する方針とした。野田村役場へのヒアリング(復興関連事業、観光事業等)、野田小学校見学、NPOおよび協力農家へのヒアリング、民泊(一泊)ほか村内でのフィールドワークを実施し、現時点の村の課題をとらえようとした。12月7日(金)に工学院大学(新宿)にて合同のフォローアップゼミを開催し、村側とも調整してまとめ方を検討した。学生2名の野田村の調査研究発表とともに、学生たちが提案する「村の過去と未来を皆で考えるワークショップ」を庁内の若手メンバーとの合同で試行する、というプログラムを平成31年2月27日に野田村で実施した。23ネパール山間被災地における復興プロセス調査について、平成29年の予備調査の結果を、国際学会(IDRiM 2018)で報告した。4復興研究交流セミナーについては、自ら企画実施するには至らなかったが、平成31年1月1617日に関西のNPOが主催する阪神・淡路大震災24年追悼・被災地交流会に研究代表者と研究分担者の1名が参加し、活動報告および情報交換を行った。5地域キャリア教育プログラム開発を模索し、野田村教育委員会および小学校との連携を図っていこうとする中で、当初の意図からは逸脱するが、広く村の人たちと野田村の過去現在未来を共有するためのワークショッププログラムのアイディアをCWS参加学生が発案した。このワークショップのツールとして活用する写真を野田村役場の協力を得て編集し、1で前述の通り、CWS2018報告会の中で庁内総合戦略ワーキングメンバーとの合同で試行した。平成30年度の研究は、1野田村CWS関係についてはほぼ当初の計画どおりに実行できた。
肝障害リスクを低減した動脈硬化予防薬の開発

スタチン系薬は脂質異常症に対する薬であり、動脈硬化を防ぐ作用が知られている。その一方で、まれに肝臓に障害を与えることがある。申請者は、動脈硬化予防作用と肝臓障害作用のそれぞれのメカニズムを検証、比較することにより、肝臓への障害のリスクを低減した動脈硬化に対する薬の開発を目指した。本研究により、細胞内に存在するRhoA/ROOKという蛋白質に対する効果に違いがあることを見出した。申請者は、コレステロール低下薬であるスタチン系薬による肝細胞障害と動脈硬化予防の作用機序の違いを明らかにし、肝障害リスクを軽減した動脈硬化予防薬の開発を目的としている。平成22年度はスタチンによるマクロファージへの酸化LDL取り込み阻害の機序を解明するため、マクロファージへの酸化LDL取り込み評価系の構築に取り組んだ。ヒト由来急性単球性白血病細胞THP-1を使用した。THP-1はPMA(phorbol-12-Myristate 13-Acetate)刺激により、単球からマクロファージ様へ分化する。分化したTHP-1細胞に対して酸化LDLを添加した後、Oil red0染色液により細胞内に取り込まれた酸化LDLを染色した。Oil red0染色液はアゾ色素の一種であり、無極性・脂溶性のため細胞内の脂溶性物質に溶け込む性質を利用している。これまでの文献では、染色画像の比較を用いた検討が主であり、定量的な評価があまり行われていなかった。そこで、細胞内に取り込まれたOil red0染色液を抽出し、抽出液の定量に取り組んだ。しかし、細胞や細胞培養容器に対する非特異的な吸着のためバックグランドが高く、染色画像に比べ、検出感度が低いことが明らかとなった。そのため、画像解析により全細胞あたりの染色細胞数の割合や染色強度を指標とした定量法の開発に取り組んでいる。また、スタチンによりマクロファージのスカベンジャー受容体であるCD36の発現が低下することが報告されている。この作用機序を明らかにするため、フローサイトメトリーを用いたCD36の定量に取り組んだ。そして、分化したTHP-1細胞上のCD36に特異的なシグナルを得ることができた。本研究において評価系の構築が重要であり、平成22年度はそのために必要な基礎的な検討結果を得ることができた。HMG-CoA還元酵素阻害薬であるスタチンは、脂質異常症の治療に広く用いられているが、多面的効果として抗液化作用や抗炎症作用、抗動脈硬化作用等を有することふ報告されている。スタチンがマクロファージの泡沫化を抑制することも知られているが、その作用機序には不明な点が多く残されている。そこ本研究では、スタチンによるマクロファージの泡沫化抑制効果について、マクロファージによる酸化低比重リポ蛋白(酸化LDL)取り込みに着目し、検討を行った。申請者は平成22年度にマクロファージへの酸化LDL取り込み評価系の構築を行い、本年度はこの評価系を用いて、スタチンの作用機序の解明に取り組んだ。ヒト由来急性単球性白血病細胞THP-1を使用し、ホルボールエステル(PMA)刺激によりマクロファージに分化させた。分化させたTHP-1細胞に酸化LDLを処置した後48間培養し、細胞内に取り込まれた酸化LDLをOil-red O染色液にて染色すかとと共に細胞抽出液を吸光光度計にて測定し、酸化LDLの細胞内取り込み量を評価した。アトルバスタチン(ATR)および各種試薬は、酸化LDL処置の30分前より添加した。マクロファージに分化させたTHP-1細胞に酸化LDLを処置すると、酸化LDLは細胞内へと顕著に取り込まれた。一方、ATR(3-30μM)を処置した細胞では、酸化LDLの細胞内取り込み量はコントロール群に比べて有意に低下した。ATRによる酸化LDL取り込み抑制効果は、メバロン酸およびゲラニルダラニルピロリン酸(GGPP)の併用により消去された。加えて、RhoA阻害剤のC3毒素ならびにRhoキナーゼ(ROCK)阻害剤のY-27632はいずれも、酸化LDLの細胞内取り込み量を無処置群と同程度まで減少させた。以上の結果かち、マクロファージの酸化LDL取り込みに対してスタチンけ抑制効果を示し、その作用機序には、主作用であるHMG-CoA還元酵素阻害に基づくGGPP量の低下や、RhoA/ROCKシグナル経路が関与する可能性が示唆された。肝障害と異なり、ROCKがスタチンによるマクロファージの泡沫化抑制に関与することを示唆したことは、肝障害リスクを低減した動脈硬化予防薬の開発につながる重要溢発見であると考えている。
皮膚表皮の角化層領域におけるタンパク質架橋反応の分子基盤

トランスグルタミナーゼはタンパク質どうしのグルタミン残基とリジン残基とを架橋化する酵素である。この酵素には、様々な生理学的機能(血液凝固、細胞死、表皮形成など)がある。表皮形成においては、皮膚の深層に存在する未分化な基底細胞が分化するにつれて、トランスグルタミナーゼの働きで細胞内のタンパク質が架橋され、細胞膜直下にcornified envelopを形成する。この過程は、いまだ不明瞭な点が多く、どのようなタンパク質群がどのような順番で、架橋形成されていくかを明らかにする必要がある。また、表皮には、分化に伴って初めて限定分解されて活性化するトランスグルタミナーゼが3種(TGase 1,TGase 3)があり、これらがどのように基質としての細胞内タンパク質の架橋反応を、役割分担しているかについても不明であった。代表者は研究期間内に、表皮のトランスグルタミナーゼのうち、TGase 3について、その活性化メカニズムを明らかにした。表皮に特異的に存在するプロテアーゼ阻害タンパク質のノックアウトマウスに関する知見から、種々のカテプシンを対象に選んで、切断および活性化を検討した。この結果カテプシンLが活性化に関わることをオランダのグループとの共同研究で明らかにした(J.Biol.Chem. Chen et al 2006)。さらに、活性化された表皮のTGase群がどのような基質タンパク質を選択するかを効率よく検索していく必要があったが、期間内に主要なアイソザイムであるTGase 2,FactorXIIIをモデルとして、基質認識配列の検索システムを開発した(特許出願中、J.Biol.Chem. Sugimura et al 2006)。これらの成果は、表皮のアイソザイム数種の役割分担解明のみならず、認識基質配列の解明と特異的な阻害剤の開発に貢献しうる。この酵素は、様々な生理学的機能(血液凝固、細胞死、表皮形成など)がある。表皮形成においては、皮膚の深層に存在する未分化な基底細胞が分化するにつれて、トランスグルタミナーゼの働きで細胞内のタンパク質が架橋されて、細胞膜直下にcornified envelopを形成する。また、表皮には、分化に伴って初めて限定分解されて活性化するトランスグルタミナーゼが2種(TGase 1,TGase 3)があり、これらがどのように基質としての細胞内タンパク質の架橋反応を、役割分担しているかについても不明である。本年度はまず、表皮のトランスグルタミナーゼのうち、TGase 3について、その活性化メカニズムを明らかにした。表皮に特異的に存在するプロテアーゼ阻害タンパク質のノックアウトマウスの表現型に関する知見から、種々のカテプシンを対象に選んで、切断および活性化を検討した。この結果カテプシンLが活性化に関わることを明らかにした(論文投稿中)。今後はこの活性化TGase 3がどのような表皮内の基質タンパク質を好むのかを検討していく。さらに、TGase 1とTGase 3の役割分担解明のため、認識基質配列の解明と特異的な阻害剤の開発が求められる。今年度は量的に豊富なアイソザイムのひとつ、TGase 2をモデルとして基質認識配列の検索システムを開発した(特許出願中、論文投稿中)。

表皮形成においては、皮膚の深層に存在する未分化な基底細胞が分化するにつれて、トランスグルタミナーゼの働きで細胞内のタンパク質が架橋され、細胞膜直下にcornified envelopを形成する。この過程は、いまだ不明瞭な点が多く、どのようなタンパク質群がどのような順番で、架橋形成されていくかを明らかにする必要がある。また、表皮には、分化に伴って初めて限定分解されて活性化するトランスグルタミナーゼが3種(TGase 1,TGase 3)があり、これらがどのように基質としての細胞内タンパク質の架橋反応を、役割分担しているかについても不明であった。代表者は研究期間内に、表皮のトランスグルタミナーゼのうち、TGase 3について、その活性化メカニズムを明らかにした。表皮に特異的に存在するプロテアーゼ阻害タンパク質のノックアウトマウスに関する知見から、種々のカテプシンを対象に選んで、切断および活性化を検討した。この結果カテプシンLが活性化に関わることをオランダのグループとの共同研究で明らかにした(J.Biol.Chem.Chen et al.2006)。さらに、活性化された表皮のTGase群がどのような基質タンパク質を選択するかを効率よく検索していく必要があったが、期間内に主要なアイソザイムであるTGase2,FactorXIIIをモデルとして、基質認識配列の検索システムを開発した(特許出願中、J.Biol.Chem.Sugimura et al.2006)。これらの成果は、表皮のアイソザイム数種の役割分担解明のみならず、認識基質配列の解明と特異的な阻害剤の開発に貢献しうる。
メタ認知能力の獲得を支援する学習支援システムの研究

本研究は、学習活動のなかでメタ認知能力の獲得を支援する学習支援システムを開発することを目的とした。学習に際してメタ認知能力を獲得・活用することにより、個別知識やノウハウの吸収を効率よく行えるだけでなく、系統的な知識獲得や問題解決能力が高まると期待されている。本研究では学習活動のうち協調学習と問題解決の2分野に着目し、これらの分野で要求されるメタ認知能力を分析し、その獲得を目的とする学習支援システムを研究・開発した。協調学習においては、学習を円滑に進め知識・スキル獲得を行なうために必要なメタ認知能力として、学習者自身や学習者グループの状況把握能力、グループ内で行なわれる議論の内容把握能力、また多様な意見を相対化し、全体としての結論を導く能力などが必要であることがわかった。これらの能力は通常グループをコントロールするメンターがヒントを提示し、それを足がかりに能力獲得を行なう。これに対し本研究では、ブレーンストーミングと6色ハット法に着目し、これらの環境に置かれた学習者に対してシステムが適切なメンタリングやヒント提示を行なうシステムを開発した。数学などの問題解決活動に関しては、解決の手段となる法則や公式の取捨選択の戦略が達成度に大きく影響するが、この他にも自己状況の把握(どこまでが理解でき、どこからが理解できていないか、など)が大きく影響することがわかっている。これを支援するため、小問の回答状況から学習者の理解状況を把握し、それに応じた適切なメタ認知面のヒントを提示するシステムを開発した。本年度は、3年計画の初年度として、以下の研究を行った。(1)メタ認知の学習支援応用に関する先行研究調査認知科学、認知心理学、教育心理学の分野で行なわれているメタ認知に関する研究成果を調査した。具体的には、国内や海外の諸学会のジャーナル、国際会議の予稿集等を調査した。(2)学習分野固有のメタ認知能力およびメタ認知プロセスの研究本年度は、メタ認知能力が学習効率に大きく影響する分野として、(1)協調学習、(2)問題解決、に注目した。(1)の協調学習においては、メタ認知能力のうち(a)学習活動における自己や学習者グループの状態を客観的に観察・評価するモニタリング能力、(b)共同学習者との対話や共同作業のなかで知識やノウハウを吸収するコミュニケーション学習能力、がある。また(2)問題解決においては、(c)知識や理解を問題解決に適用する応用力、(d)問題全体を部分問題に分解し、全体を統合する分析・総合能力、(e)具体的な事例と抽象的な概念構造を対応づける抽象化・具体化能力、がある。以上のメタ認知能力の養成に関する先行研究を調査し、また独自の考察やプロセスを展開した。(3)メタ認知能力獲得を支援するeラーニング教材の実装実験上記作業で抽出されたプロセスを、実際のeラーニング教材に取り込んで実装実験を行った。この際、具体的な学習単元を設定し、その内容を理解させるなかで、メタ認知能力を養う学習プロセスを構築した。また、メタ認知能力を獲得するきっかけとなる行き詰まりや誤答の種類を判別し、適切なアドバイスを与える機能を実装した。本年度は、3年計画の第2年度として、以下の研究を行った。(1)研究ドメインの絞込み本研究ではメタ認知能力を使う対象ドメインとして、数学や物理などの問題解決プロセスに注目している。16年度に実施した先行研究調査から、この分野では問題解決の実施プロセスにおけるメタ認知獲得支援については複数の研究例があるが、最初の段階である問題理解プロセスについてはほとんど着手されていないことが判明した。また、対面授業のなかでメタ認知能力獲得支援を行う先行事例は複数あるが、この知見を学習支援システムに搭載した先行事例が少ないことが判明した。そこで、研究ドメインを「問題理解プロセス」とし、ここにおいてメタ認知能力獲得支援機能を「学習支援システム」で実装可能なものとすることに焦点を絞った。(2)メタ認知能力獲得支援システムの試作開発(1)をもとに、まず学習支援システムに実装可能なメタ認知能力獲得支援プロセスを考案した。従来研究や予備実験の結果から、「具体的に何を求めることか分かりますか?」

「具体的に何をすればよいか分かりますか?」など7種類の問いかけを抽出した。この発問は、さまざまな問題に一様に適用可能な汎用のものが3種類、問題異存の文脈を含むものが4種類である。これらの発問への学習者の回答と合わせ、11段の分岐からなるプロセスを開発した。(3)試作開発システムの適用評価(2)のシステムの適用評価を行った。被験者は上智大学の学部生60名で、20分の実験を3週行った。これはメタ認知能力の内化が数十分の実験では期待できないためである。被験者にアンケートを実施したところ、5項目のうち「問題に内在する知識を意識できた」「自らの知識を自覚できた」など4項目で有意差が見られた。本研究は、学習活動のなかでメタ認知能力の獲得を支援する学習支援システムを開発することを目的とした。学習に際してメタ認知能力を獲得・活用することにより、個別知識やノウハウの吸収を効率よく行えるだけでなく、系統的な知識獲得や問題解決能力が高まると期待されている。本研究では学習活動のうち協調学習と問題解決の2分野に着目し、これらの分野で要求されるメタ認知能力を分析し、その獲得を目的とする学習支援システムを研究・開発した。協調学習においては、学習を円滑に進め知識・スキル獲得を行なうために必要なメタ認知能力として、学習者自身や学習者グループの状況把握能力、グループ内で行なわれる議論の内容把握能力、また多様な意見を相対化し、全体としての結論を導く能力などが必要であることがわかった。これらの能力は通常グループをコントロールするメンターがヒントを提示し、それを足がかりに能力獲得を行なう。これに対し本研究では、ブレーンストーミングと6色ハット法に着目し、これらの環境に置かれた学習者に対してシステムが適切なメンタリングやヒント提示を行なうシステムを開発した。数学などの問題解決活動に関しては、解決の手段となる法則や公式の取捨選択の戦略が達成度に大きく影響するが、この他にも自己状況の把握(どこまでが理解でき、どこからが理解できていないか、など)が大きく影響することがわかっている。これを支援するため、小問の回答状況から学習者の理解状況を把握し、それに応じた適切なメタ認知面のヒントを提示するシステムを開発した。