hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
自己形成化機能を有するロボットの知的メカニズム

本研究では,様々な作業が可能なロボットを実現するために,ロボットの上肢・下肢機構に適用することを前提とした,所要の動作に対して最適な形態を自己形成可能な構造可変なメカニズムを提案し,同機構の機構形状を遺伝的アルゴリズムなどの手法により決定可能とする手法の確立を試みた.得られた結果は以下のとおりである.まず,所要の動作に応じたメカニズムの形状を決定する遺伝的アルゴリズムに基づく手法およびマトリックスによる操作を利用した発見的アルゴリズムによる手法を考案し,実際にプログラムを作成して所要の特性を有する機構形状が決定可能であることを確認した.また,両手法を比較したところ,発見的アルゴリズムを用いればより高速かつ適切な結果が得られたことから,以後,発見的アルゴリズムを用いることとした.つぎに,形状可変なメカニズムとして,単純な平面および空間機構を連結する機構形式を検討した.同機構の特性評価は容易に行え,また,多自由度な運動が可能であることから,本研究で提案する自己形成化機能を有するメカニズムの基本形式として適する.さらに,同機構のシミュレータ,種々の特性評価法を検討するとともに,メカニズムの試作を行い制御法などの検討を行った.本研究では,様々な作業が可能なロボットを実現するために,ロボットの上肢・下肢機構に適用することを前提とした,所要の動作に対して最適な形態を自己形成可能な構造可変なメカニズムを提案し,同機構の機構形状を遺伝的アルゴリズムなどの手法により決定可能とする手法の確立を試みた.得られた結果は以下のとおりである.まず,所要の動作に応じたメカニズムの形状を決定する遺伝的アルゴリズムに基づく手法およびマトリックスによる操作を利用した発見的アルゴリズムによる手法を考案し,実際にプログラムを作成して所要の特性を有する機構形状が決定可能であることを確認した.また,両手法を比較したところ,発見的アルゴリズムを用いればより高速かつ適切な結果が得られたことから,以後,発見的アルゴリズムを用いることとした.つぎに,形状可変なメカニズムとして,単純な平面および空間機構を連結する機構形式を検討した.同機構の特性評価は容易に行え,また,多自由度な運動が可能であることから,本研究で提案する自己形成化機能を有するメカニズムの基本形式として適する.さらに,同機構のシミュレータ,種々の特性評価法を検討するとともに,メカニズムの試作を行い制御法などの検討を行った.
鳥取県の農業従事高齢者における農作業の運動効果に関する研究

農作業における身体活動量と農作業中の動作の運動効果について検討した.対象となる農作業は鳥取県で主要な産業である稲作農業とし,農業従事高齢者が主観的に年間最も頻度の多い作業であると感じている「除草作業(草払い器による草刈,草よせ)」の1日の動作を分析対象とした.調査内容は,1日の歩数,1日あたりの総消費エネルギー,運動による消費エネルギーを身体活動量の評価指標とした.また,除草作業中に持久力(endurance),筋力(muscular strength)を高める要素があるかどうかを検証した.測定用具は,KENZライフコーダーEX,ポラール社のハートレートモニター,追坂電子機器Personal-EMGとした.その結果,以下の知見が得られた.1)農作業従事日の歩数から判断すると,全国,鳥取県の平均値よりも大幅に上回っており,農作業中の移動距離の多さ,作業時間の長さを反映していた.しかし,農作業に従事していない日では,目標歩数に達しなかった.2)対象者の心拍数は,目標心拍数に達し,長時間の草刈作業は,持久力を鍛錬する効果があった.稲架かけ時には,時折目標心拍数を大幅に越えることもあり,運動の強度としては,負担が大きすぎると考えられた.3)筋電図データでは,草刈り器を用いた際の大腿四頭筋の活動電位は瞬間的に100%MVCの1030%程度であり,草よせ時は,15%程度だった.除草作業が最大筋パワーを鍛えている運動効果になるとは言い難い.しかし,僧帽筋の筋活動量は多く,また,草刈りの動作は振動が加わる脊柱をひねる動作であり,腰痛,肩こり予防のためにも農作業中にストレットや作業後のクーリングダウンを推奨することの重要性が示唆された.本年度は第一段階として,農業従事高齢者の農業労働実態,健康状態及び生活体力の現状を明らかにし、農業従事高齢者の生活体力の関連要因を明らかにした.1.調査方法:鳥取県西部で主に農業を産業とする中間農業地域の南部町とした(平成17年8月10月).2.対象者:農業従事高齢者、対照群として非農業従事高齢者.3.調査内容:(1)対象者の属性(年齢、性別、配偶者の有無、家族構成)(2)従属変数である体力の関連要因と推測される健康状態(既往歴,現病歴,体組成,骨密度,ウエスト・ヒップ比)および日常生活状況.体組成は,TANITAの体組成計,骨密度はアロカAOS-100で測定した.生活体力(歩行能力,身辺作業能力,手腕作業能力,起居動作),握力,脚筋力を測定した.(3)農業従事者に対して農作業負荷を調査するため、農業労働実態調査(農作業姿勢,農業継続年数,農耕面積,農休日,一日農作業時間等)を行った.4.倫理的配慮本研究の研究計画書を本学の倫理審査委員会に申請し,承認を得た(平成17年8月).5.結果;以下の知見が得られた.1.女性の生活体力の水準として,非農業者<150日以下非農業者<150日以上非農業者という結果が示された.男性では有意差はみられなかった.2.農業従事者における男女の体力比較:握力,脚筋力は男性が有意に高かったが,生活体力は女性が全て高く,特に手腕作業と身辺作業能力では有意に女性が高かった.3.農業従事者の体力と日常生活との相関では,男性では,買い物をよくする者ほど握力,起居能力,歩行能力,総合能力が高いという相関がみられた.女性では,炊事・家事をする者ほど歩行能力が高く,テレビを見る時間が長い者ほど,起居能力が低い相関がみられた.今回,農作業に一番多いとされる作業も調査しており,それらの作業の運動効果や作業負荷を明らかにする研究を勧めていく.本研究の内容は平成17年度産官学連携フェスティバル2005に示説発表した.今後,学会発表を行い,看護系雑誌に投稿予定である.農作業における身体活動量と農作業中の動作の運動効果について検討した.対象となる農作業は鳥取県で主要な産業である稲作農業とし,農業従事高齢者が主観的に年間最も頻度の多い作業であると感じている「除草作業(草払い器による草刈,草よせ)」の1日の動作を分析対象とした.調査内容は,1日の歩数,1日あたりの総消費エネルギー,運動による消費エネルギーを身体活動量の評価指標とした.また,除草作業中に持久力(endurance),筋力(muscular strength)を高める要素があるかどうかを検証した.測定用具は,KENZライフコーダーEX,ポラール社のハートレートモニター,追坂電子機器Personal-EMGとした.その結果,以下の知見が得られた.1)農作業従事日の歩数から判断すると,全国,鳥取県の平均値よりも大幅に上回っており,農作業中の移動距離の多さ,作業時間の長さを反映していた.しかし,農作業に従事していない日では,目標歩数に達しなかった.2)対象者の心拍数は,目標心拍数に達し,長時間の草刈作業は,持久力を鍛錬する効果があった.稲架かけ時には,時折目標心拍数を大幅に越えることもあり,運動の強度としては,負担が大きすぎると考えられた.

3)筋電図データでは,草刈り器を用いた際の大腿四頭筋の活動電位は瞬間的に100%MVCの1030%程度であり,草よせ時は,15%程度だった.除草作業が最大筋パワーを鍛えている運動効果になるとは言い難い.しかし,僧帽筋の筋活動量は多く,また,草刈りの動作は振動が加わる脊柱をひねる動作であり,腰痛,肩こり予防のためにも農作業中にストレットや作業後のクーリングダウンを推奨することの重要性が示唆された.
抗体結合型磁性ナノ粒子を用いた前立腺癌転移巣選択的磁場誘導加温法の基礎研究

(1)動物実験モデル作成:骨浸潤モデルの腫瘍塊に直接抗体を結合していない磁性ナノ粒子を注入し、交番磁場照射をすることにより磁場誘導組織内加温法を実施した。結果としては骨浸潤巣における前立腺癌腫瘍塊は縮小した。(2)前立腺細胞膜特異抗原prostate membrane specific antigen : PMSAに対する抗体(抗PMSA抗体)の性状の確認をした。F344ラットの前立腺、膀胱、腎臓、心臓、肺、大腸、肝臓を用いて抗PMSA抗体を用いた免疫染色を実施したところ、前立腺が多臓器より強く染色された。抗PMSA抗体は前立腺癌細胞膜に選択的に結合することがわかった。(3)抗PMSA抗体結合型磁性ナノ粒子の作成: PMSAを用いたAMLの作成は、成功率が低かった。磁性ナノ粒子の形状から再検討する必要性があった。1.動物実験モデル作成:本研究の目的は前立腺癌の転移巣に対し選択的に磁場誘導加温を実施するための基礎研究が目的である。その方法の一つに抗体結合型磁性ナノ粒子を用いる。実験モデルとしてヒト前立腺癌細胞株をヌードマウスの皮下に移植したモデルがある。さらに臨床における前立腺癌の転移巣の代衷といえば骨転移巣である。将来骨転移巣の磁場誘導組織内加温を実施することを考えると、骨転移モデルが必要である。今回は骨転移部の環境が再現されればよいので、骨浸潤モデルを作成した。F344ラットオス8週齢を用いた。麻酔下で大腿筋を鈍的に裂いて大腿骨を露出。大腿骨の筋膜を剥離。その直上に名古屋市立大学大学院実験病態病理学講座で樹立されたラット前立腺癌PLS-Pの腫瘍塊を移植し創を閉鎖。3週間後にはPLS-Pが浸潤し前立腺癌の骨浸潤モデルを作成することができた。これに対し、磁場誘導組織内加温法が有効かどうかを検討するために、この腫瘍塊に直接MCL: magnetic cationic liposome脂質包埋型磁性ナノ粒子を注入し、ラットに交番磁場照射をすることにより磁場誘導組織内加温法を実施した。また骨浸潤による骨破壊も抑制された。2.前立腺細胞膜特異抗原prostate membrane specific antigen: PMSAに対する抗体(抗PMSA抗体)の性状の確認。抗PMSA抗体が前立腺細胞膜に特異性があるかを検討した。F344ラットの前立腺、膀胱、腎臓、心臓、肺、大腸、肝臓を用いて抗PMSA抗体を用いた免疫染色を実施したところ、前立腺が特異的に染色された。前立腺はラットとヒトの前立腺全摘術の標本を用いて検討しところ、前立腺は間質ではなく前立腺上皮が特異的に染色されていた。ヒト前立腺癌細胞株を蛍光標識した抗PMSA抗体を用いて免疫染色したところ、前立腺癌細胞の細胞膜が特異的に染色された。さらに臨床における前立腺癌の転移巣の代表といえば骨転移巣である。大腿骨の筋膜を剥離。これに対し、磁場誘導組織内加温法が有効かどうかを検討するために、この腫瘍塊に直接MCL : magnetic cationic liposome脂質包埋型磁性ナノ粒子を注入し、ラットに交番磁場照射をすることにより磁場誘導組織内加温法を実施した。2.前立腺細胞膜特異抗原prostate membrane specific antigen : PMSAに対する抗体(抗PMSA抗体)の性状の確認。

F344ラットの前立腺、膀胱、腎臓、心臓、肺、大腸、肝臓を用いて抗PMSA抗体を用いた免疫染色を実施したところ、前立腺が特異的に染色された。前立腺はラットとヒトの前立腺全摘術の標本を用いて検討しところ、前立腺は間質ではなく前立腺上皮が特異的に染色されていた。ヒト前立腺癌細胞株を蛍光標識した抗PMSA抗体を用いて免疫染色したところ、前立腺癌細胞の細胞膜が特異的に染色された。抗PMSA抗体は前立腺癌細胞膜に選択的に結合することがわかった。ラット前立腺癌大腿骨浸潤モデルを一昨年度に作成した。このモデルを用いマグネトリポソームに交番磁場を照射することによるナノテクノロジーを用いた温熱治療(磁場誘導組織内加温法)を実施した。「抗体結合型磁性ナノ粒子を用いた前立腺癌転移巣選択的磁場誘導加温法の基礎研究」のテーマに乗っ取り、前立腺癌の転移巣として最も多い骨転移巣の治療の研究を継続した。抗体結合型磁性ナノ粒子を用いて骨転移巣に指向性を持たせて骨転移巣に集積させることを試みたが、結果としては集積させることはできなかった。原因としては、用いた前立腺細胞膜抗原抗体(抗PMSA抗体)の性能、次に磁性ナノ粒子の構造が考えられた。本研究では抗PMSA抗体の性能が鍵をにぎるため、入手できる数種類の抗体を検討中である。一方、磁性ナノ粒子の構造については、共同研究者を中心に改良中であるが、本年度中には改良することはできなかった。並行して昨年度までに行っていた、ラット前立腺癌骨転移浸潤モデルに対しての、磁性ナノ粒子の局所注入による温熱治療の研究を継続した。昨年度までの研究から、さらに私たちの磁場組織内誘導加温による骨転移巣の増悪抑制には、HSP70の出現を中心とした温熱免疫が関与していることが示唆された。また、臨床面で再燃前立腺癌の標準治療になっている抗癌剤(タキソテール)より、磁場誘導組織内加温法は有意に前立腺癌骨転移巣の進行を抑制し、この温熱治療法の有用性が示された。
脳変性疾患診断のための選択的ドパミンＤ３受容体ＰＥＴ新規イメージング剤の開発

本研究は、ドパミンD3受容体に選択的に結合するイメージング剤の開発である。ドパミンD2様受容体に結合する薬剤として知られているベンペリドールに、ハロゲンやアルキル基などの置換基の導入を検討した。また、合成した誘導体に対する標識条件検討をおこなった。本研究期間中に、20種類以上のベンペリドール誘導体を合成し、標識体について実験動物を用いた検討を実施した結果、ドパミンD3受容体イメージング剤の候補になり得る薬剤を見出すに至った。本研究はドパミンD3受容体に選択的に結合するイメージング剤の開発である。ドパミン受容体イメージング剤の一種であるベンペリドールに化学修飾を加え、ドパミンD3受容体への結合選択能の向上を図ることを目的として研究を実施した。ベンペリドールはブチロフェノン骨格とベンズイミダゾリノン骨格から構成されており、両骨格共に化学修飾を加えやすい構造の分子である。申請者は研究期間内に、上述の骨格を有する誘導体をヨウ化カリウム存在下の加熱で結合させるカップリング法を用いて数種類のベンペリドール誘導体を合成した。合成した誘導体に対し、非放射性原料を用いてN-メチル化反応を行ない、合成したN-メチルベンペリドール誘導体の構造解析を実施した。解析にあたっては、核磁気共鳴装置(NMR)など、分光光学機器を用いて構造決定した。またサイクロトロンによって製造した放射性ガスを原料とし、ベンペリドール誘導体に対する標識反応を検討し、至適条件を見いだした。具体的には標識に用いる[11C]ヨウ化メチルおよびの生成法、反応溶媒、反応時間、精製条件の確立を行なった。また、精製した標識化合物について、化合物の安定性や比放射能についても測定を実施した。至適条件により、先に合成したベンペリドール誘導体を標識し、イメージング剤候補化合物とした。イメージング剤候補化合物については、薬剤物性計算システムを用いて薬剤の脂溶性、血液脳関門(BBB)の透過性、受容体との親和性について解析した。薬剤物性計算システムによるスクリーニングによって選定した候補化合物について、小動物イメージング装置を用いた撮像による動物実験を行ない、ドパミンD3受容体への結合活性、選択性について検証を進めた。D3受容体に対する誘導体の親和性解析を実施し、また、得られた計算結果を元に化合物の再設計を行ない、新たな誘導体の合成を行ないドパミンD3受容体イメージング候補化合物を合成した。ドパミン受容体イメージング剤の一種であるベンペリドールに化学修飾を加え、ドパミンD3受容体への結合選択能の向上を図る。ベンペリドールはブチロフェノン誘導体とベンズイミダゾール誘導体から構成され、両骨格共に化学修飾を加えやすい構造を持つ分子である。これまでに申請者は本合成法を用い、数種類のベンペリドール誘導体を合成している。本研究期間中においてはベンペリドール誘導体に対する標識条件についての検討を行い、標識化合物を用いて実験動物を用いARG法やイメージングによる動物実験を行ない、ドパミンD3受容体への結合および選択性について検証する。まず、D3受容体に対する誘導体の親和性解析を実施する。非放射性のN-メチル化反応を行ない、合成したN-メチルベンペリドール誘導体の構造解析を行なう。解析にあたっては、核磁気共鳴装置(NMR)や赤外吸収分析装置(IR)、質量分析装置(MS)などの分光光学機器を用いて、その構造を決定する。さらに、構造決定したトレーサー候補化合物について、薬剤物性計算システムを用いて薬剤の脂溶性、血液脳関門(BBB)の透過性、受容体との親和性について解析する。これにより得られた情報をフィードバックし、必要があれば化合物の再設計を行ない、新たな誘導体の合成を試みる。次に、標識および精製条件の検討比較を行なう。対象とするベンペリドールおよびベンペリドール誘導体の標識条件について検討する。具体的には、標識に用いる[11C]ヨウ化メチルおよび[18F]F-の生成法、反応溶媒、反応時間、精製条件の確立を行なう。また、精製した標識化合物について、化合物の安定性や比放射能についても測定する。これまで、PETイメージング剤前駆体として、十種類程度のベンペリドール誘導体を合成している。合成にあたって、溶媒や温度、反応時間などの条件検討を行ない、至適条件を見出し、安定的な合成を行なっている。また、合成した前駆体については、分光光学機器を用いて、構造まで確認できている。次に、PETイメージング剤用の短半減期核種導入のための放射性標識条件確立について検討した。標識時においても、溶媒や温度、反応時間、分取や溶媒除去条件について、詳細を検討し、また、これら一連の合成・精製操作をコンピュータ制御し、自動合成装置で安定的に標識できるように、シーケンスの作成を行なった。一方で、合成・標識した誘導体それぞれについて、薬剤物性計算システムを用いて、ドパミンD3受容体への親和性計算を行なうという計算科学的手法を用いたMDシミュレーションによるスクリーニングを進めてきている。

また、実際に標識した誘導体については、オクタノール抽出法による脂溶性や生理食塩水中での化合物の安定性を測定し、PETトレーサーとしての利用の可能性を確認した。実験動物を用いた検討は次年度として計画していたが、MDシミュレーション結果、物性測定結果を元に、D3受容体への親和性、イメージング剤としての適用の可能性が高い結果が得られた化合物数種類については、すでに実験動物を用い、実際の集積の確認を行なってきている。数種のベンペリドール誘導体のPET核種標識したトレーサー候補化合物は、動物実験の結果、誘導化されたことによって脳移行性(Blood Brain Barrier(BBB)透過性)が落ちる傾向があることを確認している。そこで、これまで合成した前駆体のBBB透過性を上げるための誘導をさらに加えるとともに、これまで合成した化合物についても、直接、D3への結合性を確認する実験を実施する。具体的には、ARG法を用いたIn Vitro ARG、Ex Vivo ARGを実施する。また、一方で、これまで合成・標識したベンペリドール誘導体は、いずれも短半減期核種[11C]による標識体である。今後、[11C]標識誘導体合成に加え、[18F]標識誘導体を合成する。[18F]標識体は、[11C]標識体より半減期が長く、より長い時間経過後のベンペリドール誘導体の生体内挙動を観察することができるものと考えている。さらに、D3選択結合性の確認を目的としてBlocking Studyを実施する。例としては、メチルスピペロンのようなD2受容体結合薬剤や、ペルゴリドのようなD3受容体結合薬剤を用い、これらの薬剤をベンペリドール誘導体のアッセイ直前に投与し、阻害の程度や集積変化について観察する。これまでの年度で、薬剤物性計算システムに用いるコンピュータやMDシミュレーションソフトウェアの整備ができている。本年度は、主として原料薬剤および実験動物の購入費用、Blocking Studyに用いる薬剤やARG法に用いる消耗品の購入に充てたいと考えている。また、放射性核種製造に用いる小型サイクロトロンに用いる試薬や器具で、必要なものの購入、その他、申請者の所属施設が有していない分光光学機器や小動物イメージング装置利用のための出張経費、学会や論文としての成果発表に研究費を充て、研究を遂行していきたいと考えている。
連星ブラックホール形成の解明に向けた孤立ブラックホールの輻射磁気流体力学計算

連星ブラックホールの合体、もしくは三体相互作用などによって生まれると予想される孤立ブラックホールへのガス降着率および輻射特性を解明し、観測による検出へとつなげることが本研究の目的である。そのためには(1)ブラックホール近傍の降着円盤とアウトフロー、およびそこで生じる輻射を解明し(2)アウトフローや輻射の効果を加味した現実的なホイル=リットルトン降着を解き明かす必要がある。計画(1)に関しては、降着円盤のシミュレーションにおいて実績のあるCANS+にモーメント法に基づく輻射場計算スキームを実装した。ひとつの応用例として活動銀河中心核の降着円盤のシミュレーションに成功した。また、より精緻に輻射場およびガスダイナミクスを調べるため、ボツルツマン法に基づく一般相対論的輻射磁気流体計算コードの開発も進めている。最終のテスト計算を終了し、実際の降着円盤の計算が進行しつつある。また、輻射スペクトルの情報を得るためにはポストプロセスで輻射スペクトル計算を行う必要があるが、このためのモンテカルロ法に基づく一般相対論的輻射輸送計算コードの開発に成功した。計画(2)に関しては、大規模な流体シミュレーションを実施することを前提に、まずは流体素片の軌道をラグランジュ的に解く計算コードを開発した。過去の類似の研究結果を再現することに成功し、より現実的な状況を解くためのコードに発展させるため、ダストの効果を組み込む作業を進めている。以上のように、ブラックホール近傍を扱う計画(1)においてもホイル=リットルトン半径領域を扱う計画(2)についても、コードの開発を進めつつ、順調に結果が得られつつある状況である。本研究の重要なポイントは、ブラックホール近傍の構造ととホイル=リットルトン半径領域のダイナミクスを、自己矛盾なく解明することである。そのためには、ブラックホール近傍をターゲットとしたシミュレーションを実施し、降着円盤とそこから生じる輻射、アウトフローを精緻に解く必要がある。そして、その効果を加味したホイル=リットルトン領域半径のシミュレーションを実施することも必要である。本計画の遂行にはこれら二つのシミュレーションが必要であるが、どちらにおいてもコードの開発が順調に進んでいると言える。ブラックホール近傍のシミュレーションに関しては、非相対論的な輻射磁気流体コードと一般相対論的な輻射磁気流体計算コードを必要に応じて使い分けるが、どちらも順調に開発が進み、降着円盤およびジェットのシミュレーションが進んでいる。ホイル=リットルトン半径領域への輻射の影響を調べるには、輻射スペクトルを知る必要があるが、そのための輻射輸送計算コードの開発も無事完了した。ホイル=リットルトン半径領域のシミュレーションには、大規模な3次元シミュレーションが必要となるので、その第一歩としてまずは流体素片をラグランジュ的に解くコードを開発している。こちらも順調にテスト計算が終了し、ダストの効果を加味する改良が進行中である。本年度は、まずはじめにブラックホール周囲の降着円盤のシミュレーションを実施する。ホイル=リットルトン降着によって実現される質量降着率は大小様々であると予想される。そこで、質量降着率が極めて高い状況、および降着率が極めて低い状況においては一般相対論的輻射磁気流体計算コードで、質量降着が中程度の場合は非相対論な輻射磁気流体計算コードを用いてシミュレーションを実施する。これにより、様々な質量降着率において、円盤放射やアウトフローの強度および角度依存性を調べることができる。この計画と並行して、ホイル=リットルトン降着半径領域の計算を遂行する。流体素片をラグランジュ的に解く計算によって、大まかなガスの流れとガスの流れに与えるダストの影響を解き明かす。最終段階では、ブラックホール近傍からのフィードバックを加味したホイル=リットルトン降着半径のシミュレーション、そして、ホイル=リットルトン降着を加味したブラックホール近傍のシミュレーションを実施し、自己矛盾の無い理論モデルを構築する。

そのためには、ブラックホール近傍をターゲットとしたシミュレーションを実施し、降着円盤とそこから生じる輻射、アウトフローを精緻に解く必要がある。そして、その効果を加味したホイル=リットルトン領域半径のシミュレーションを実施することも必要である。本計画の遂行にはこれら二つのシミュレーションが必要であるが、どちらにおいてもコードの開発が順調に進んでいると言える。ブラックホール近傍のシミュレーションに関しては、非相対論的な輻射磁気流体コードと一般相対論的な輻射磁気流体計算コードを必要に応じて使い分けるが、どちらも順調に開発が進み、降着円盤およびジェットのシミュレーションが進んでいる。ホイル=リットルトン半径領域への輻射の影響を調べるには、輻射スペクトルを知る必要があるが、そのための輻射輸送計算コードの開発も無事完了した。ホイル=リットルトン半径領域のシミュレーションには、大規模な3次元シミュレーションが必要となるので、その第一歩としてまずは流体素片をラグランジュ的に解くコードを開発している。こちらも順調にテスト計算が終了し、ダストの効果を加味する改良が進行中である。本年度は、まずはじめにブラックホール周囲の降着円盤のシミュレーションを実施する。ホイル=リットルトン降着によって実現される質量降着率は大小様々であると予想される。そこで、質量降着率が極めて高い状況、および降着率が極めて低い状況においては一般相対論的輻射磁気流体計算コードで、質量降着が中程度の場合は非相対論な輻射磁気流体計算コードを用いてシミュレーションを実施する。これにより、様々な質量降着率において、円盤放射やアウトフローの強度および角度依存性を調べることができる。この計画と並行して、ホイル=リットルトン降着半径領域の計算を遂行する。流体素片をラグランジュ的に解く計算によって、大まかなガスの流れとガスの流れに与えるダストの影響を解き明かす。最終段階では、ブラックホール近傍からのフィードバックを加味したホイル=リットルトン降着半径のシミュレーション、そして、ホイル=リットルトン降着を加味したブラックホール近傍のシミュレーションを実施し、自己矛盾の無い理論モデルを構築する。
生体とロボットにおける運動技能と知能行動の獲得に関する研究

1)運動・行動学習:上肢のリーチング動作における運動学習の般化と内部表現について実験的に考察し、外部環境(干渉粘性力場)が脳内部で準局所的モデルとして表現されている可能性を示唆している.2)タスク依存の技能獲得(スキル):私たちの技能(スキル)は、環境への働きかけを通して獲得される.本研究では、動作を繰り返す中で、タスクに応じた運動パターンをロボットが自ら獲得するための手法を提案し、リーチング動作やバッティングに応用している.また、複数ロボットの分散協調制御や多指ハンドによる対象物の操作制御についても興味ある結果を得ている.3)非線形力学系に基づく連想記憶モデル:ローレンツ方程式から導いた振動子集団と各振動子が共有する大域的場から成る新たな神経振動子ネットワークを提案している.そして、外部入力パターンと既記憶パターンとの類似関係によって、系の内部状態が周期状態とカオス振動状態を遷移する動的連想記憶モデルおよび、この内部ダイナミクスの質的変化を学習則の制御に利用した自律学習アルゴリズムを導出している.4)自律移動ロボットの行動学習:強化学習とニューラルネットを組み合わせた枠組みを自律移動ロボットの行動学習に適用することを提案している.そして、センサ空間からロボット駆動力までのマッピングを合目的的に獲得できることを示すとともに、タスク達成に必要な知識がニューラルネットの中間層に抽象化されて表現されることを示している.1)運動・行動学習:上肢のリーチング動作における運動学習の般化と内部表現について実験的に考察し、外部環境(干渉粘性力場)が脳内部で準局所的モデルとして表現されている可能性を示唆している.2)タスク依存の技能獲得(スキル):私たちの技能(スキル)は、環境への働きかけを通して獲得される.本研究では、動作を繰り返す中で、タスクに応じた運動パターンをロボットが自ら獲得するための手法を提案し、リーチング動作やバッティングに応用している.また、複数ロボットの分散協調制御や多指ハンドによる対象物の操作制御についても興味ある結果を得ている.3)非線形力学系に基づく連想記憶モデル:ローレンツ方程式から導いた振動子集団と各振動子が共有する大域的場から成る新たな神経振動子ネットワークを提案している.そして、外部入力パターンと既記憶パターンとの類似関係によって、系の内部状態が周期状態とカオス振動状態を遷移する動的連想記憶モデルおよび、この内部ダイナミクスの質的変化を学習則の制御に利用した自律学習アルゴリズムを導出している.4)自律移動ロボットの行動学習:強化学習とニューラルネットを組み合わせた枠組みを自律移動ロボットの行動学習に適用することを提案している.そして、センサ空間からロボット駆動力までのマッピングを合目的的に獲得できることを示すとともに、タスク達成に必要な知識がニューラルネットの中間層に抽象化されて表現されることを示している.本年度は、動的環境に対する身体ダイナミクス形成に関する動作実験と繰り返し学習による身体ダイナミクスの形成理論について考察した.[1]身体ダイナミクス形成に関する操作実験片手のマニピュレーション・タスクを例に、対象物ダイナミクスと身体ダイナミクスの関係を考察した.1)インピーダンス制御可能な力センサを有する直交2自由度マニピュレータを製作した.これにより、任意のインピーダンス(慣性、粘性、弾性の総称)が設定可能である.2)仮想環境(粘性場)をマニピュレータ側に設定し、被験者にマニピュレータ・ハンドルを把持させながらリーチング動作を繰り返し行わせた.3)動作中に、ロボットを強制的に動かしたとき生じる手先反力から、ヒトが両手先に設定している運動インピーダンスを同定した.同時に、上肢の姿勢、筋電位を測定し、筋・関節レベルのインピーダンスを推定した.4)リーチング動作の学習過程を分析するとともに、動作の作業空間を左右移動させ、学習の般化機能を解析した.その結果、大域的には学習は転移せず、リーチング動作の脳内表現が局所的であることが明らかになった.5)現在、対象物ダイナミクス・作業空間タスクと手先・関節・筋レベルの動的関係、身体(上肢)の冗長性と自由度配分が運動技能の獲得とともにどのように変化していくかを解析中である.[2]繰り返し学習による身体ダイナミクスの形成1)作業空間の操作性、運動の滑らかさ、エネルギー消費等を考慮した評価関数のもとで、学習的に内部ダイナミクス(関節インピーダンス)を獲得する手法を導出した.3)バッティング動作及び幾何学的拘束下の繰り返し動作(例:クランク回転)に適用し、タスクに適合した身体ダイナミクスが獲得可能であることを確認した.本年度は、動的環境に対する身体ダイナミクス形成と運動パターン生成に関する学習理論の導出とシミュレーション実験を実施した.野球やテニスのような速い運動では、対象物(この場合はボール)との動的な関係から、あらかじめ身体各部の時空間運動パターンを内部生成しておく必要がある.そこでは、環境変化の予測機能が運動のスキルに重要な役割を果たす.本研究では、ボールのhittingを例にこの構造を解析した.1)身体の力学モデル、筋モデルを併用しながら、身体各部位の運動順序、関節インピーダンス配分を解析した.特に、体幹から手先にかけて波が伝搬するように変化する関節インピーダンスとボールのダイナミクスの関係を明らかにした.2)環境の"見え"の動的予測と打点における操作性を考慮した身体運動パターンの自己生成モデルを導出した.3)身体運動パターン生成モデルを組み込んだフィードフォワード制御を中心とする協調制御系を構成した.4)2次元平面上を転がってくるボールをhittingする実験を計算機シミュレーション上で実施した.

人間と同じように、同じ運動を何度も繰り返すにつれて、ボールを左右に打ち分ける動作をマニピュレータに獲得させることに成功した.5)次年度は、実機による繰り返し学習実験を実施する予定である.熟練後の知能行動では、環境変動と行動発現の動的関係が内部機構として表象されている必要がある.本年度は,このような知能行動の獲得に対して、非線形ダイナミクスと強化学習の枠組みを融合した手法を考察した.まず,システムの内部力学系と環境への働きかけより得られる外部力学系とのカップリングを考え、その非線形ダイナミクスの時間発展により、システムと環境の動的関係を記述・記憶することを試みた.そして、環境の変化に対する位相空間上の相互引き込みやアトラクタの遷移によってコヒーレントなパターンを生起させた.さらに、ニューラルネットやカオスなどの非線形ダイナミクスを強化学習の枠組みに埋め込み、知能システムが自律的に内部表象を獲得する手法を提案した.一方,強化学習は成功失敗の繰り返しによる逐次型の能動的学習機構であり、システム自らが環境の中で行動しながら、学習のためのデータを獲得する.しかしながら、現状の強化学習は、マルコフ決定過程に限られており、その非実用性や試行錯誤の爆発などの問題点があり、このままでは本研究の機能獲得に適用できない.環境の不完全知覚あるいは選択的注意(システムの主観的"見え"に対応)や能動的行動による環境の動的変化を扱うことができる非マルコフ的環境に対して、内部モデルによる状態予測と状態空間の拘束を併用する手法を発展させた.これらの結果をリーチング動作に適用し良好な結果を得た.
インドシナにおけるゴム林の爆発的拡大：環境影響評価と適正造成計画の提案

インドシナ内陸部山地において、ゴム林が急速に拡大しており、さらに今後の加速が予測されている。ゴム林への土地利用変化が生物多様性や局地の水・炭素循環に及ぼす悪影響が指摘され始めているが、その定量的評価は絶対的に不足している。またゴム林の拡大により、リファレンスシナリオにゴム林における炭素吸収・排出量の評価値を反映させる必要性が高まっている。そこで本研究では、ゴム林造成とその背景となる環境変動が地域の水・炭素循環に及ぼす影響を明らかにすることを目的とし、詳細なフラックスタワー観測を元にゴム林に特化した天然ゴム生産を含む全球植生動態モデルを開発し、それによるゴム林の水・炭素収支評価を行った。最終目的は、カンボジアにおいてゴム林造成とその背景となる環境変動が地域の水・炭素循環に及ぼす影響を明らかにすることであり、そのために、まず、詳細なフラックスタワー観測を元に熱・水・二酸化炭素交換モデルの開発とこれを用いたゴム林の水・炭素収支評価を行うことが前提となる。当年度の第一目標として、モデル構築の前提となるフラックス観測システムの補強・拡充と個葉生理特性・土壌炭素動態の計測スケジュール決定・開始があったが、これらは全て良好に行なわれた。具体的には、樹冠貯留フラックス、個葉光合成蒸散速度の空間分布、土壌呼吸と有機物分解過程の諸観測である。また、これらの観測を長期継続して行うためのシステム構築も良好に行なわれた。当年度では、モデルが観測地カンボジアにおけるゴム林に適用可能かどうかを判断するに足るデータが完全には揃っていないが、モデルの開発は精力的に行なわれた。特に当年度の成果として、東南アジア熱帯域に属する他サイトを利用したモデルの正当性確認を通じたフラックスモデルのブラッシュアップが挙げられる。降水時を含めた様々な環境条件下の二酸化炭素フラックスの再現に成功した。現段階のモデルでは、土壌環境(特に水分動態)の記述が十分でなく、また、個葉生理特性の季節変動も考慮していない。カンボジア・ゴム林では降水の強い季節性があり、これに適応するために現モデルを鋭意改良中である。そもそも、そのような環境因子の季節変動データそのものが不足しており、現在そのデータ完備の努力を続けている。また、ゴム林の造成により、大気環境が変化するという報告があり、多層モデルは大気境界層まで連続する必要がある。これについても、現在作業中である。昨年度の研究実績である高時間分解能精密植生モデルの開発成功を通じて、より時空間スケール(計算時間ステップ:1日)の大きい植生動態を表現できるシミュレーションモデル(Spatially Explicit Individual Based-Dynamic Global Vegetation Model(SEIB-DGVM)の開発を進めることが可能になった。そこで、SEIB-DGVMにゴム林特有の性質(ゴムノキの規則的配列、非更新、苗木からの成長、など)と新規で天然ゴム生産モデルを開発・組込みを行い、Rubber-SEIBを開発した。このRubber-SEIBの計算パフォーマンスを知るために、天然ゴム採取を1)3日に1回、2)行わない、の2つの条件下で、50年間に渡る天然ゴム生産量とゴムノキ樹幹成長量の時系列の数値実験を行った。この計算結果では、天然ゴム採取を行った方が行っていない場合より死亡率が高かった。樹幹バイオマスは、植栽35年頃まで、ほぼ同じような推移を示したが、天然ゴム採取を行う方は、この頃飽和に達した。一方、採取を行わない方は、植栽後40年頃に飽和した。月天然ゴム生産量の計算値は最盛期で200300kg乾重/haとなり、実データに極めて近い値となった。天然ゴム生産量も、植栽後35年頃に最大値に達し、その後、若干の減少傾向が見られた。インドシナ半島内陸部3か所のゴム林の長期熱・水フラックスデータにより、ゴム林の大気ー植生間熱・水交換特性を明らかにし、ゴム林の潜熱交換速度・植生水利用量が異常なほど大きいことを明らかにした。また、樹液流計測を用いたゴムノキ個体レベルの蒸散特性/気孔開閉特性を明らかにした。群落スケールの大気ーゴム林の物質交換特性、つまり、物質交換の決定因子は、土壌水分と葉面積密が同程度、次に、飽差、放射と続き、気温は全く関与しないことが明らかとなった。通年スケールで取得された個葉スケール光合成特性データにより、ゴムノキは落葉直前にのみ光合成能力を減らし、着葉から落葉までほとんど光合成能力を変えないということが分かった。ゴム林の熱・水・二酸化炭素フラックスを再現するためのシミュレーションモデルの構築を行った。ゴム林はゴムノキが整然と並び、その群落放射特性が特異であるため、その特性の計測・評価、モデル化に工夫が必要であった。これらは全て新規開発され、その問題点を克服できた。実測された光合成能力等の生理生態学的パラメータ利用して、モデルはフラックス計測値を良好に再現できた。

このモデルの正当性確認の下に、ゴムノキの植栽方法による生産性・水利用の変化に関する数値実験を行い、特に、生産性を最大にする植栽間隔を得ることができた。このような数値実験を通して、本シミュレーションモデルの高パフォーマンスが示すことができた。今年度中にできると予想していたこと(ルーチン観測システムの完備、データセット・アーカイブの構築)に加え、今年度中ではできないであろうと予想していたこと(本研究の主体となるシミュレーションモデルの完成)まで予定通りであった。25年度が最終年度であるため、記入しない。本研究課題遂行上、最も重要事項である「ゴム林大気ー植生間ガス交換過程モデル」の構築が現段階でほぼ達成されたためである。また、ゴム林におけるルーチン観測も順調に続けられており、当初の予定通りのデータ蓄積が行われていることも理由に挙げられる。通年フラックスデータの取得に伴い、フラックスの季節変動の程度を解析する。シミュレーションモデルの開発を継続し、雨季・乾季の環境因子・フラックスデータを利用してフラックスの年々変動・季節変動をモデルが適切に表現できるかの正当性確認を行う。適宜、主体となるシミュレーションモデルのサブモデルを構築し、最終的な完成を目指す。これから、ここまでで完成した「ゴム林大気ー植生間ガス交換過程モデル」にラテックス産生シミュレーションサブモデルを組み込み、環境変化に対する天然ゴム生産の変化に関するシミュレーションを可能とする。さらに、インドシナ広域リモートセンシング・GISデータを援用して、エネルギー・水・炭素収支・天然ゴム生産シミュレーションを基本としたインドシナ内陸部山地ゴム林拡大ー環境悪化ハザードマップ・最適ゴム林造成計画マップの作成作業に挑戦する。
ミトコンドリアNa+/Ca2+交換体の機能制御とその破綻による病態生理

近年、ミトコンドリアにおける、ATP産生、アポトーシス誘導とミトコンドリアCa2+シグナリングとの関係が注目を集めている。本研究では、最近同定されたNCLX(ミトコンドリアNa+ / Ca2+交換体)に注目し、以下の解析を行った。まず、抗NCLX抗体を作製し、NCLXの組織分布を解析した。野生型マウス由来の各臓器の粗膜画分を用いてウェスタンブロティングを行い、各組織におけるNCLX発現量を比較した。その結果、NCLXは、心臓などの筋組織に多く発現していることを見いだした。また、血管平滑筋由来培養細胞を用いて共局在マーカーとの免疫染色を行い、NCLXがミトコンドリアに局在していることを明らかにした。Na+ / Ca2+交換体は、ミトコンドリアに発現するNCLX以外に、細胞膜に異なるタイプ(NCX、NCKX)が発現していることが知られている。そこで、NCLX特異的な機能を解析することを試みた。近年、立体構造が明らかにされた古細菌NCXのデータを元に、NCLX、NCKXの配列解析を行い、機能ドメインを推測した。これらの情報を元に、NCLX、NCKXの機能ドメインを入れ替えたキメラコンストラクトを作製した。NCLXの機能を個体レベルで解析するためには、NCLX遺伝子欠損マウスは必須であるが、現在までに報告はない。そこで、NCLX遺伝子欠損マウスの作製を行い、現在、NCLXホモ欠損マウスを得ている。今後は、これらのマウスの表現系を解析する事により、個体レベルでのNCLXの機能解析が進むものと思われる。ミトコンドリアは、ATP産生、アポトーシス誘導などの細胞の「生と死」に関わる重要な細胞内小器官であり、近年、これらの機能とミトコンドリアCa2+シグナリングとの関係が注目を集めている。本研究では、最近同定されたNCLX(ミトコンドリアNa+/Ca2+交換輸送体)に注目し、以下の解析を行った。NCLXの組織分布を解析するために、抗NCLX抗体を作製し、野生型マウス由来の各臓器の粗膜画分を用いてウェスタンブロティングを行い、各組織におけるNCLX発現量を比較した。その結果、NCLXは、心臓、血管平滑筋、骨格筋などの筋組織に多く発現していることを見いだした。また、血管平滑筋由来培養細胞を用いて免疫染色を行い、NCLXがミトコンドリアに局在していることを明らかにした。Na+/Ca2+交換輸送体は、ミトコンドリアに発現するNCLX以外に、細胞膜に異なるタイプ(NCX、NCKX)が発現していることが知られている。近年、立体構造が明らかにされた古細菌CaCA(NCX相同遺伝子)のデータを元に、NCLX、NCKXの配列解析を行い、機能ドメインを推測した。今後、これらのキメラコンストラクトを哺乳動物細胞に発現させることにより、細胞内局在やイオン輸送に関与する機能領域の解明を進める予定である。さらに、NCLXの生理機能を個体レベルで解析するために、NCLX遺伝子欠損マウスを用いて個体レベルでの生理機能解析を行う予定である。NCLXの機能をin vitroおよびin vivoで包括的に解析するために研究を進めている。これらの目的を果たすために、抗NCLX抗体や蛍光タンパク質等の各種タグを付加したNCLXコンストラクトを作製済みである。また、NCLX特異的な機能領域を同定するために、立体構造、配列解析のデータを元に相同遺伝子NCKXとNCLXの間で各種の機能ドメインを入れ替えたキメラコンストラクトを多数作製済みである。さらに、NCLXの生理機能を個体レベルで解析するためにNCLX遺伝子欠損マウスの作製を行い、個体レベルでの生理機能解析の準備を進めている。この様に、おおむね順調に推移している。

今後は、得られたこれらのツールを用いてNCLXの機能解析を進めて行く予定である。現在までに作製した各種タグを付加したNCLXコンストラクトやNCKXとのキメラコンストラクトを哺乳動物細胞に発現させることにより、細胞内局在やイオン輸送に関与する機能領域の同定を行う。また、キメラコンストラクトを用いることにより、リン酸化やリン脂質等による活性制御の特異性を明らかにすることを目指す。今後、NCLX遺伝子欠損マウスを用いて、運動機能、心血管機能などにおよぼす影響を個体レベルで明らかにする。さらには、他のNa+/Ca2+交換輸送体遺伝子欠損マウスもしくはトランスジェニックマウスとの多重交配を行い、得られたマウスを用いてNCLXの特異性な生理機能を明らかにすることを目指す。
原子核乾板を用いた暗黒物質方向探索実験におけるプラズモン共鳴解析

本年度は、超微粒子原子核乾板を用いた暗黒物質の方向探索実験NEWSdm(Nuclear Emulsion for WIMP Search directional measurement)として初となる地下での暗黒物質探索実験を行った。検出器は数グラムと小スケールで探索期間も38日と短いが、実際の実験場所であるグランサッソ研究所地下で、岩盤や宇宙線起因の背景事象を遮蔽するための40 cmのポリスチレンブロックと10 cmの鉛プレートによるシールドを構築し行った。さらに長期安定性向上のため-15度以下に設定したクーリング装置内に検出器を設置し、α線、およびγ線に対する結晶感度が設置前後で不変であり、検出器固有の熱ノイズであるフォグの増加が抑制されていることを示した。探索後の乾板はグランサッソ地下で現像を行い、実験が問題なく遂行できる環境整備も進めた。現在は設置した乾板の解析を進めており、結果をまとめている段階にある。まず解析フローを以下のように構築した。初段の解析として乾板全面をスキャンし楕円フィッティングによる光学像の形状解析によりシグナル候補を選出する。その後局在表面プラズモン共鳴を応用したスペクトル観察や偏光による超解像観察を行うことで、楕円解析で候補事象とされたものを詳細解析する。特にプラズモンによる超解像解析は、私が考案し原理実証をしたものであるが、本年度は同じコンセプトの新しい顕微鏡をイタリア・ナポリ大学に構築することで、解析速度を向上した。詳細解析の検出効率の評価を経て、実際の暗黒物質探索への結果出しにつなげていく予定であるが、Cf線源による反跳原子核(乾板を構成する炭素、窒素、酸素)の飛跡に関して、40度の角度分解能で線源方向の判定が可能であることは示せている(Geant4による予測と無矛盾)。29年度が最終年度であるため、記入しない。超微粒子原子核乾板を用いた暗黒物質の方向探索実験を推進している。日本、イタリア、ロシア、トルコの国際共同実験であるNEWSdm(Nuclear Emulsions for WIMP Search -directional measurement)は、暗黒物質による乾板中の原子核反跳事象を飛跡として捕らえることを目的とし、飛跡の方向異方性を観測することで、暗黒物質の風の検出を目指す。2015年度にグランサッソ研究所に実験申請をし、該当年度は地下実験を開始するための実験環境の設備や解析システムの構築を行ってきた。期待されるシグナルの運動エネルギーは100 keV程度と低く、乾板中では100 nm程度しか走らないため、それらを飛跡として検出し方向を認識することは非常にチャレンジングである。更に最終的にはキログラムの乾板を用いた実験を行う予定であり、高い分解能と速い認識速度の両立が要求される。乾板中の飛跡は数十nmの銀ナノ粒子の並びとして記録され、光学回折により、それぞれの粒子を区別しての認識はできないものの、光学像が粒子の並び方向に伸びた楕円として観察できるため、像を楕円近似することで飛跡の選出が可能である。そこで光学顕微鏡をベースとした自動読み取り装置の開発を行った。ステッピングモータとカメラをコンピュータ制御することで自動撮像を可能とし、撮像後の光学像をすぐさまGPUにアップロードして画像処理を行うことで楕円パラメータのオンライン取得を可能とした。さらに金属ナノ粒子特有の光学応答である局在表面プラズモン共鳴を応用した新たな読み取り装置の開発もイタリアのコラボレータと協力して行った。飛跡を構成するそれぞれの銀ナノ粒子は、偏光により異なる光学応答を示すため、液晶偏光子を挿入し配向を変化させることで偏光解析を可能とし、光学顕微鏡下でそれぞれの粒子の存在を認識できることを示した。実験の流れをおおむね確立することが出来た。飛跡の読み取りと解析について、日本とイタリアで役割分担を行いそれぞれの光学顕微鏡の開発を進め、実用化することができた。日本ではプレセレクションとして乾板全域をスキャンし、楕円解析により飛跡候補事象の選別を行う。その後、イタリアの偏光解析により光学像内部の銀ナノ粒子の情報を読み取ることで、飛跡事象を確定する。日本での楕円解析のS/Nの評価は、市販の直径40 nmの球形銀ナノ粒子とイオン注入装置による運動エネルギー100 keVの炭素イオンの飛跡で行い、球形粒子の除去率が99.9%であること、炭素の飛跡の検出効率が30 %であり、イオンビーム方向に対する角度分解能が20度程度であることを示した。角度分解能の広がりは、乾板内での多重散乱によるものであり、20度という値はSRIMによる計算結果と無矛盾であった。現在の解析速度は、40グラムの乾板を一年で読み取ることができるものであり、次年度から計画している数グラムの乾板を用いた小スケールなテスト実験を開始する準備ができた。イタリアの偏光システムは、まだ定量的な結果を出すことができていないものの、光学分解能以下に存在する銀粒子の数と位置を読み取ることはできており、今後具体的な解析手法としての確立を目指している。グランサッソ研究所における実験環境の構築も、イタリアの共同研究者と行っており地下での原子核乾板のハンドリングを可能とし、いつでも実験が出来る状態を作った。外部バックグラウンドに対する検出器のシールドについても議論を重ね、過去に測定されたグランサッソ地下のγ線と中性子のフラックスから遮蔽体とその厚みを選出した。現在のシールドは、10 cmの鉛を20 cmのポリスチレンでサンドイッチした構造であり、すでに手元にある。該当年度末より、このシールドを用いたテスト実験を開始している。

本年度は、超微粒子原子核乾板を用いた暗黒物質の方向探索実験NEWSdm(Nuclear Emulsion for WIMP Search directional measurement)として初となる地下での暗黒物質探索実験を行った。検出器は数グラムと小スケールで探索期間も38日と短いが、実際の実験場所であるグランサッソ研究所地下で、岩盤や宇宙線起因の背景事象を遮蔽するための40 cmのポリスチレンブロックと10 cmの鉛プレートによるシールドを構築し行った。さらに長期安定性向上のため-15度以下に設定したクーリング装置内に検出器を設置し、α線、およびγ線に対する結晶感度が設置前後で不変であり、検出器固有の熱ノイズであるフォグの増加が抑制されていることを示した。探索後の乾板はグランサッソ地下で現像を行い、実験が問題なく遂行できる環境整備も進めた。現在は設置した乾板の解析を進めており、結果をまとめている段階にある。まず解析フローを以下のように構築した。初段の解析として乾板全面をスキャンし楕円フィッティングによる光学像の形状解析によりシグナル候補を選出する。その後局在表面プラズモン共鳴を応用したスペクトル観察や偏光による超解像観察を行うことで、楕円解析で候補事象とされたものを詳細解析する。特にプラズモンによる超解像解析は、私が考案し原理実証をしたものであるが、本年度は同じコンセプトの新しい顕微鏡をイタリア・ナポリ大学に構築することで、解析速度を向上した。詳細解析の検出効率の評価を経て、実際の暗黒物質探索への結果出しにつなげていく予定であるが、Cf線源による反跳原子核(乾板を構成する炭素、窒素、酸素)の飛跡に関して、40度の角度分解能で線源方向の判定が可能であることは示せている(Geant4による予測と無矛盾)。該当年度末に設置したテスト実験の設置期間は1ケ月を予定しており、次年度初めにそれらを取り出して解析を進めていく。暗黒物質のシグナルは期待できないが、蓄積されたバックグラウンドに対して、存在量とそれらの発生箇所を明らかにすることを目指す。解析では日本とイタリアの光学顕微鏡を組み合わせて行うため、同じ事象を正確に相互の顕微鏡で観察可能かどうかなど、その時生じる問題点についても明らかにし、以降の本実験に向けて実験全体の理解を進めていく。本実験では、はじめ10-100グラムの乾板を数カ月設置することを目標にし、固体検出器を用いた方向感度のある暗黒物質探索実験として実験感度の評価を行う。そのためには読み取り速度の高速化が必須であり、日本、イタリア両国で推進していく。日本の読み取り装置は、楕円解析をベースにした装置の増大と高速化を進めており、該当年度より修士の学生とともに新たに読み取り装置一台を設計中である。更にアルゴリズムの改良やカメラの広視野化、フレームレートやステージ駆動を高速化することでスキャニング速度の改良を目指す。