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可逆論理を基礎とする新しい計算メカニズムの理論的研究

可逆コンピューティングは量子コンピューティングと共に将来の計算機の可能性を探る研究として重要であり、現在その基礎研究が最も必要な時期にある。本研究ではそのような観点から可逆計算機構の理論的研究を行い、以下の成果を得た。1.論理万能性を有する単純な可逆セル・オートマトン任意の論理回路やコンピュータがどのような可逆的基本法則から構成できるかという問題を可逆セル・オートマトンを用いて研究し、それが極度に単純な可逆的遷移規則にまで還元できることを明らかにした。2.保存性の概念の拡張と保存的可逆セル・オートマトン物理学における(エネルギーなどの)保存性に相当する性質を持つセル・オートマトンを研究した。特に、保存性の概念を拡張した可逆セル・オートマトンを定義し、その計算万能性を証明した。3.可逆セル・オートマトンにおける自己増殖平成9年度までの研究により、自己増殖(パターンの自己複製)が可能な2次元可逆セル空間を与えたが、今回はこれを3次元に拡張し、非常に多様なパターンの自己複製が可能となることを示した。4.可逆性を有する、記号列および2次元パターンの生成システム可逆性に相当する「一意解析性」を持つある種の文法システムについて研究し、決定性文脈自由言語族を正確に特徴付ける単純な一意解析可能文法の族、およびあらゆる連結図形集合を生成する一意解析可能2次元アレイ文法を与えた。可逆的計算機構は物理的な可逆性を反映した計算モデルであり、ミクロな物理現象に基づく将来の計算システムの基礎となり得る。この観点から、数種の可逆計算機構の基本性質を理論的に研究し、次の成果を得た。1.論理万能性を持つ単純な可逆的・保存的セル・オートマトン(CA)可逆性と共に重要な物理的性質である(エネルギーや物質の)保存性に相当する性質を持つCAの計算能力、特に、計算や論理演算などがどれほど単純な可逆的素過程に還元できるかを研究した。(1)従来、論理万能性を有するビット保存的な2次元可逆CAとしては16状態のものが知られていたが、3角形状のセル空間を考えることにより、8状態で論理万能性を有するものが存在することを証明した。このモデルは驚くほど単純な状態遷移規則を持つ。(2)ビット保存性の拡張としてnumber-conservingな性質を持つ1次元可逆CAを新たに提案した。このような強い制約にも関わらずこのモデルが計算万能性を有することを証明した。2. 3次元自己増殖可逆セル・オートマトンの研究とそのシミュレータの開発従来の研究により2次元自己増殖可逆CAが構成できることを示しているが、今回はこれを3次元に拡張した。この空間では、2次元よりもはるかに多様な形状の対象物が自己増殖可能である。これを実際に確かめるために3次元CAのシミュレータを開発した。種々の3次元物体の自己増殖過程の動画ファイルをWWW上で公開している(http://kelp.ke.sys.hiroshima-u.ac.jp/projects/rca/sr3d/)。3.可逆性を持つ記号列生成システムの研究2次元記号配列を生成するアレイ文法に可逆性の概念を導入したものである、一意解析可能アレイ文法について研究し、このような文法によって2次元連結図形集合が非常に簡潔に記述できることを示した。1.理論万能性を有する単純な可逆セル・オートマトン任意の理論回路やコンピュータがどのような可逆的基本法則から構成できるかという問題を可逆セル・オートマトンを用いて研究し、それが極度に単純な可逆的遷移規則にまで還元できることを明らかにした。

3.可逆セル・オートマトンにおける自己増殖平成9年度までの研究により、自己増殖(パターンの自己複製)が可能な2次元可逆セル空間を与えたが、今回はこれを3次元に拡張し、非常に多様なパターンの自己複製が可能となることを示した。4.可逆性を有する、記号列および2次元パターンの生成システム可逆性に相当する、「一意解析性」を持つある種の文法システムについて研究し、決定性文脈自由言論族を正確に特徴付ける単純な一意解析可能文法の族、およびあらゆる連結図形集合を生成する一意解析可能2次元アレイ文法を与えた。
大サイズクラスターの赤外分光によるアミノ酸の大規模水和構造の研究

アミノ酸の水和構造を考える上で基礎となる水の水素結合ネットワークに関連して、水クラスターのサイズ(構成分子数)増大に伴う構造発展を赤外分光で調べた。アミノ酸1分子を水和するに足るサイズの水クラスターが形成する水素結合ネットワーク構造を解明した。大きなサイズの中性またはプロトン付加水クラスターにアミノ酸1分子を埋め込む。その赤外分光により、多数の水分子によって形成されるアミノ酸の水和構造について解明を進める。本年度はアミノ酸の大規模水和構造研究に先立ち、それと比較対照を行う大サイズプロトン付加水クラスターの赤外分光を行い、水の大規模な水素結合構造を探った。レーザー誘起放電とパルスジェットを組み合わせて、プロトン付加水クラスター,H^+(H_2O)_n,をn=100まで生成させ、重連型四重極質量分析装置と差周波発生コヒーレント赤外光によりサイズ選別赤外解離分光測定を水素結合及び自由OH伸縮振動領域で行った。自由OH伸縮振動数が中性水クラスターのそれとははっきりと異なることが見いだされ、振動数の配位数及びサイズ依存性から1個のプロトンが周辺100個の水分子の水素結合構造を変えることが分かった。水素結合OH伸縮振動領域のスペクトルはn=80付近から新たな吸収バンドが現れ、密度汎関数法計算によるモデルクラスター構造の解析から、これまで観測されたことのない4配位の水分子による吸収であることが確認された。これに加えて、真空紫外光を用いた新しい赤外・ラマン分光法の開発を行った。これらの新規分光法は発色団を持たないアミノ酸のジェット冷却振動分光に非常に有効であると期待される。本年度は大サイズクラスター生成の準備を進め、高圧パルスバルブの導入により、プロトン付加水クラスターH+(H2O)nにおいてn=200までの大サイズ生成に成功した。また、KTA結晶を使った差周波発振により、結晶水によるギャップのない3μm領域の赤外光発生を達成した。これらの技術開発と平行して、赤外分光による大サイズ中性水クラスターにおける水素結合構造の解明を進めた。フェノールを発色団とする赤外-紫外二重共鳴法において、サイズ選択を質量分析法だけに頼ることにより、Δn<5のサイズ選択性を保ちつつ、n=10-50の広いサイズ領域でクラスターの赤外分光に成功した。その結果、水の水素結合ネットワークが、小サイズにおける歪みの大きな4員環主体の構造から、歪みの少ない5, 6員環主体の構造へとサイズ増大と共に移行する様子が初めて実験的に捉えられた。本年度は質量選別クラスター分光装置の開発を進め、新規の赤外光源の導入を含めて実験装置の完成度を高めた。これにより、アミノ酸水和クラスターを考える上で比較の基準となる大サイズプロトン付加水クラスターH^+(H_2O)_nの赤外スペクトル観測をほぼ完了させることが出来た。プロトン付加水クラスターの観測においては、サイズ領域を大幅に拡大し、n=200にいたる大サイズの観測に成功した。また従来の光源では問題が生じていた3500cm^<-1>付近のスペクトルギャプを消滅させた。これにより、全OH伸縮振動領域(2200-3800cm^<-1>)の観測を行うことが出来た。自由OH伸縮振動バンドと水素結合OH伸縮バンドの強度比のサイズ依存性から、大サイズクラスターにおいてクラスター「内部」が生成していることを明確に確認した。自由OH伸縮振動数に対する余剰プロトンの影響はn100でほぼ消滅して振動数は一定となるが、その振動数と氷表面のそれとの比較から、クラスター表面はアモルファス状であることが示唆された。また、サイズ増大に従い、水素結合OH伸縮振動バンドが緩やかな低波数シフトを示した。バンド位置はn=100で液体の水のバンドに相当する振動数に、ついでn=200では過冷却水のバンドに良く一致した。これはサイズの増大と共に、クラスター内部の水素結合の構造化が進むことを示していると解釈された。n=200-300で水クラスター内部に氷状の六員環構造が形成されるという分子動力学計算による予測があり、これを定性的に支持する結果となった。本年度はアミノ酸水和クラスターを考える上で比較の基準となる中性大サイズ水クラスター(H_2O)_nの赤外スペクトル観測に取り組み、フェノールを発色団とする改良赤外-紫外分光法を適用することにより、n50という前例のない大サイズまでOH伸縮振動の全域(2800-3800cm^<-1>)のサイズ選別観測を完了させることが出来た。自由OH伸縮振動バンドと水素結合OH伸縮バンドの強度比から、大サイズ中性クラスターにおけるクラスター「内部」生成のサイズ依存性を明らかにすることが出来た。また、水素結合OH伸縮振動領域のバンド形状を密度汎関数法によるモデルクラスターの計算と比較することにより、これまで気相クラスターでははっきりと同定されていなかった4配位水素結合サイトにおけるOH伸縮振動バンドの帰属に成功した。

4配位水素結合OH伸縮振動バンドは3300-3400cm^<-1>領域にピーク強度を持ち、液体の水のそれに近い振動数であるが、無限長の4配位水素結合ネットワークを持つ氷の吸収極大振動数(3220cm^<-1>)に較べると明らかに高波数であった。これは同じ配位数であっても、水素結合OH伸縮振動数には、ネットワークサイズを反映して、協同効果による更なる変化が生じることを意味している。液体の水の配位数を4としても、その実効的なネットワークサイズにより氷とは異なる実測のスペクトルを説明することが可能であることが示された。溶媒和構造は温度(内部エネルギー)に依存するが、溶媒和クラスターにおける構造の温度依存性は研究例が極めて乏しく、特に大きなクラスターでは皆無に等しい。そこで本研究では「メッセンジャー法」によりプロトン付加水クラスターの内部エネルギーを制限し、通常生成するホットなクラスターとの違いを調べた。メッセンジャー法では目的のクラスターにメッセンジャーと呼ばれる希ガスや非反応性の二原子分子を付着させ、クラスターの内部エネルギーがメッセンジャーとの弱い結合エネルギー以下のものだけを選択する(メッセンジャーとの結合エネルギーよりも内部エネルギーの大きなものは観測前に解離してしまう)。まずH^+(H_2O)_8にArまたはNeを付着させて、その構造を赤外分光で調べた。ホットなクラスターではイオンコアの構造がEigen型(H_3O^+)のものとZundel型(H_5O_2^+)のものが共存して生成するが、Ar付加により、より低エネルギーのZundel型のみが選択的に生じた。しかしより結合エネルギーが低いNe付着では、Eigen型とZundel型が再び共存し、メッセンジャー法が単純な温度低下にはならないことが分かった。更に大きなクラスターへのメッセンジャー法の適用として、H^+(H_2O)_<22>に(H_2)_3メッセンジャーを付着させ、赤外分光を行った。H-+(H_2O)_<21>は閉じた多面体籠状構造を作り、特異な安定性から魔法数クラスターとして知られている。それに対してH^+(H_2O)_<22>は、閉じた21量体の籠の外側に水1分子が付着すると考えられている。この1配位の水分子が不安定であるため、熱力学的にとくに不安定となり、反魔法数クラスターと呼ばれる。しかし、構造については分子動力学計算による予測があるのみであり、実験的な証拠が存在しなかった。水素メッセンジャーの付加により籠外側に付着した水分子の熱運動が抑制され、1配位の水分子に特徴的な反対称OH伸縮振動バンドが観測された。反魔法数クラスターの構造が初めて実験的に立証され、またメッセンジャー法が20量体を超えるような大きなクラスターにまで適用可能であることが示された。本研究の計画は2段階になっており、まず(プロトン付加)水クラスターの赤外スペクトルをリファレンスとして観測・解析し、ついでアミノ酸分子の水和クラスターのスペクトルを水のそれと比較をして、アミノ酸の水和による水の水素結合ネットワーク変化を差分として抽出することを企図した。第2段階への展開が遅れているが、これは第1段階の水クラスターの観測・解析が予想以上の進展を見せ、その成功により純粋な水クラスターで研究すべき事項が数多く生じているためであり、第2段階での遅れを補ってあまりあるものと判断している。本年度で特定領域研究は終了するが、今後も継続して研究を進め、アミノ酸分子を含む大サイズ水クラスターの赤外分光を中性・カチオン(プロトン付加体)の両者について行う予定である。
単クローン抗体で認識される消化管粘液中の酸性糖鎖の生体内における機能の研究

ブタ胃ムチンを免疫原として作成したモノクローナル抗体である、PGM34はムチンの酸性糖鎖を認識する可能性が示唆されていた抗体である。この抗体のエピトープ構造を決定するために、ブタ胃ムチンを出発として、アルカリ還元処理により、ムチン糖鎖(糖アルコール)を作成し、ゲル濾過法、イオン交換樹脂によるクロマトグラフィー、さらに逆相法によりHPLCによってPGM34と反応する糖鎖を精製した。2種類の糖鎖が抗体に陽性であったため、これらの糖鎖の構造決定を行った。NMRとMALDI-TOF-MSによる解析の結果、単クローン抗体PGM34のエピトープ構造は、Fucα1-2Galβ1-4GlcNAc(6SO_3H)β-であり、硫酸基とFucの両方の基が必須であることがわかった。PGM34を用いた免疫染色によるラット小腸粘膜病変の検討:抗ガン剤である5-Fluorouracil(5-FU)を連続5日間経口投与すると、小腸に粘膜傷害がみられる。PGM34を用いた免疫染色によって、小腸杯細胞およびその分泌粘液がはっきりと染色されるため、本抗体を用いて、5-FU投与後の小腸粘膜傷害とその回復の過程を観察した。5日間連続投与翌日にはっきりとした粘膜傷害がみられたものが、休薬3日目、6日目となるに従って急速に回復し、6日休薬では、小腸粘液量測定の結果から対照よりも粘液量が増加する結果も得られた。これらのことから、5-FUの5日間連続投与と並行投与することによって、各種抗潰瘍薬の併用投与が、5-FU投与に伴う小腸粘膜傷害の抑制効果を示すかどうかを検討した。各種H2ブロッカーの比較をしたところ、第二世代に属するラフチジンのみが有効性をしめした。またプロトンポンプ阻害剤との比較に置いても、後者は胃には有効性を示すが、小腸粘膜にはラフチジンのように傷害抑制をもたらさなかった。この研究によって、抗ガン剤とりわけフルオロウラシル系を用いて起こる化学療法の副作用を抑制するのにラフチジンが優れていることが実験的に示された。1.ムチンの硫酸基を認識する抗体の性状の検討抗ムチンモノクローナル抗体PGM34の抗原決定基の構造の解析を進めた。ブタ胃ムチンを出発物質として、まず、抗原ムチンを過ヨウ素酸酸化処理すると抗体との反応性が低下することからこの抗体のエピトープが糖鎖部分にあることを確認した。次いで、大量のムチンをアルカリ還元処理してムチン糖鎖を得た後、ゲル濾過カラムクロマトグラフィーでオリゴ糖を分離した。オリゴ糖混合物をDEAE-Toyopearlカラムクロマトグラフィーで分離したところ、抗体と反応する糖鎖は酸性画分に得られた。さらに活性画分を順相系HPLC(アミドカラム使用)を繰り返すことによって精製し、エピトープ活性のある糖鎖を2種類、ない糖鎖を1種類精製した。MALDI-TOFMSおよびHPLC法によるアミノ糖分析によって、構成糖を推定したのち、NMRによって構造を解析した。活性のある糖鎖はHSO_3Fuc_2Gal_2GlcNAcGalNAc-olおよびこれからFucが1分子除かれたもので、硫酸基がGlcNAcの6位に結合していた。

以上の知見から、PGM34のエピトープは、スルホムチンの硫酸基を有する糖鎖部分にあることがわかった。2.ラット腸管寄生虫N.braziliensis(N.b)の駆除時期と宿主小腸のムチン変動の関連性N.b幼虫を感染させてから約2週間後には宿主の小腸ムチンの量的・質的変動を伴う排除機構によって腸管で成熟したN.bの虫体は排除される。その際、宿主腸管に起こる劇的な変動はシアロムチンと反応する抗体HCM31の免疫染色によって知ることができる。ラットにN.b幼虫を感染させたあと、どの時期まで寄生が持続すると宿主の応答が開始されるかを明らかにする目的で、2種類の抗線虫薬を用いて駆虫の時期と小腸粘膜の変動との関連性を検討した。これまでの検討では、虫体が成熟し排卵を開始する時期になると、たとえ駆虫が成功したとしても、宿主の小腸粘膜のシアロムチンの変動が起こることがわかった。PGM34抗体のエピトープ糖鎖構造:NMRとMALDI-TOF-MSによる解析の結果、単クローン抗体PGM34のエピトープ構造は、Fucα1-2Galβ1-4GlcNAc(6SO_3H)β-であり、硫酸基とFucの両方の基が必須であることがわかった。この抗体は、ラット胃体部粘膜の、幼若表層粘液細胞を染色するため、軽度の、たとえば非ステロイド系抗炎症薬などによる胃粘膜傷害の深達度の観察に優れていることが確認されている。PGM34およびHCM31を用いた免疫染色によるラット小腸粘膜病変の検討:抗ガン剤である5-Fluorouracil(5-FU)を連続5日間経口投与すると、小腸に粘膜傷害がみられる。PGM34を用いた免疫染色によって、小腸杯細胞およびその分泌粘液がはっきりと染色されるため、この抗体を用いて、5-FU投与後の小腸粘膜傷害とその回復の過程を観察することができる。実際の結果は5日間連続投与翌日にはっきりとした粘膜傷害がみられてものが、休薬3日目、6日目となるに従って急速に回復し、6日休薬では、小腸粘液量測定の結果から対照よりも粘液量が増加する結果も得られている。現在、この抗体による免疫染色と小腸粘液量測定法を併用して、各種抗潰瘍薬の併用投与によって、5-FU投与に伴う小腸粘膜傷害の抑制効果の程度を比較する実験に着手している。この研究によって、抗ガン剤による化学療法の副作用を抑制するのにどんな薬剤が良いのかを確認できる可能性があると考えている。PGM34を用いた免疫染色によって、小腸杯細胞およびその分泌粘液がはっきりと染色されるため、これらの抗体を用いて、5-FU投与後の小腸粘膜傷害とその回復の過程を観察することができる。実際の結果は5日間連続投与翌日にはっきりとした粘膜傷害がみられたものが、休薬3日目、6日目となるに従って急速に回復し、6日休薬では、小腸粘液量測定の結果から対照よりも粘液量が増加する結果も得られている。さらに10日目を過ぎると非投与対照の値に近付く。これらのことから、5-FUの5日間連続投与と並行投与することによって、各種抗潰瘍薬の併用投与が、5-FU投与に伴う小腸粘膜傷害の抑制効果を示すかどうかを検討した。各種H2プロッカーの比較をしたところ、第二世代に属するラフチジンのみが有効性をしめした。またプロトンポンプ阻害剤との比較に置いても、後者は胃には有効性を示すが、小腸粘膜にはラフチジンのように傷害抑制をもたらさなかった。
新規導電性ポリピロールの合成及びその機能複合化

ポリピロールやポリチオフェンで代表されるπ共役導電性高分子は電解酸化重合によって得られる。これらで被覆された電極は機能性電極として興味深い。ピロールの3,4位を化学修飾することにより、ポリピロールの電気化学特性を制御し、より優れた機能性を有するポリピロールの合成を検討した。このためには、α-位が無置換で3,4位に任意の基を有するピロールの合成法が必要である。我々は、ニトロアルケンとイソニトリルとの反応によってピロールの3,4位を任意に化学修飾することが可能であることを見い出した。ここでR^2をMeとしてR^1をC_1から順次炭素数を変化させC_<15>までのピロールを合成し、ITOガラスを陽極にPtを陰極に用いて電解酸化を行いITO表面上にポリピロールの薄膜を生成させた。RがC_6以上のポリマーの電気伝導度は約10^<-2>Scm^<-1>であり、アルキル基の長さがそれ以上長くなっても大きな変化はなかった。STMでポリマーの表面を観測すると、Rが長くなるに従いポリマー表面の凹凸が少なくなり長鎖アルキル基をもつポリピロールの特性が現われてきた。
曝露昼光照度が睡眠・余暇時間に及ぼす影響に配慮した閉空間の光環境を考える

余暇時間の過ごし方は様々であるが、日常生活でスマートホンなどの電子機器を使用する機会が多いことから、スマートホンを使用する際の光環境について検討を行った。作業面での明るさが500lx程度ある方が画面は見やすく満足度は高い結果となった。また光色は、電球色の方が昼白色よりも目の疲労を訴える人が少なく、フリッカー値からも疲労が少ない結果となった。また、これまでに収集した活動量と光量とのデータをもとに、閉空間で仕事をする時間が長くても必ずしも日常生活に大きな影響を表すわけではないことから、朝の通勤時間に浴びる昼光の影響が大きいと考え、起床後午前中の各時刻までの積算光量をケースごとに求め、昼光を浴びる時間の少ないケースと比較考察することを試みた。このことに関してはケース数を増やしさらに検討する必要がある。地下街店舗・地上接道店舗に勤務する人々を対象に職場の光環境意識調査及び生活スタイル・睡眠に関する調査を行った。地下街勤務者と地上店舗勤務者とで睡眠の質に違いは認められなかったが、地下街勤務者は、地上店舗勤務者に比べて、入床後、入眠までに時間がかかる人が多い。地上店舗勤務者は20分以内に眠りにつく人が多いが、地下街勤務者ではそれ以上かかる割合が高い。地下街で働き始めてから約30%の人が心身の変化を感じている。体調面では喉が痛いなどの耳鼻咽喉に関する不調を感じる人が多く、精神面では約50%の人で気分が憂鬱になることがあると回答しており、落ち込みやすい、イライラするなどの変化を感じている。また、太陽を見ると落ち着く、休み時間に地上に出たくなる、日光に当たる時間が少ないせいか体調が良くない日があるなど昼光が心身に影響を与えていると感じている。地下街勤務者で、心身の健康を保つために光を浴びて昼食をとる、外気に当たってから地下街に入るなどの工夫をしている人もいる。これらのことから、地下街勤務者は少なからず、昼光が心身に与える影響を感じており、昼光を意識している。曝露照度・活動量と睡眠効率に関しての予備測定を行った結果、地上店舗勤務者については、平均活動量と睡眠効率で相関関係が認められたが、平均曝露量と睡眠効率で相関関係は認められない。日没以降の曝露照度・色温度が睡眠に影響があるとされているが、今回の地上・地下の調査からはその傾向は認められない。その原因として被験者数が少なかったこと、計測機器の装着時間が怠られたことがあるなど、また個人差もあると考えられ、今後被験者を増やすと共にデータ収集方法や分析方法について更なる検討が必要であると考える。Actiwatchによる活動量・光量の測定・・・初秋に予備測定を被験者3名にお願いし、アンケート項目の検討、分析方法の検討を行い、冬から本測定とアンケート調査を並行して行った。Actiwatchの測定では、測定器のセンサー不良により測定結果不備の被験者がいたが、早急に改善を検討したため春の測定からは支障がでていない。生活行動と余暇時間の過ごし方・睡眠との関係については、曝露照度よりも被験者の生活習慣が特に影響すると考えられる。夜更かし型の生活をする被験者は、起床時刻も遅くなる傾向にあり、1日の積算曝露照度は、規則正しい生活をする被験者に比べて少なくなる傾向が認められた。また、昼間屋外での活動時間が長いほうが1日の積算曝露照度は高くなる。また、就寝前の在室空間の色温度が睡眠充足度の意識にどのように影響を与えるかについて、実生活の中で明らかにしようとしたが、現段階では明確な結果は得られていない。アンケート調査・・・日常の生活習慣特に生活時間と生活行動との関連、これらが睡眠満足度・睡眠の質とどのような関係にあるのか、また、戸外での活動時刻・時間や屋内在室時の光環境を調査し、それらがお互いにどのように関係し合っているかを検討することを目的としてアンケート予備調査を行った。年度末に調査を行ったため現在解析中であり、次年度に行う本調査にむけ準備中である。LED照明は調色・調光が可能であることから、今後有彩色光が生活空間に取り入れられる可能性は大きい。多数のカラーバリエーションの中から部屋の雰囲気や気分に合わせて色光を選択することができ、今まで接する機会がなかった色光が私たちの生活空間に取り入れられていく日も近いと考えられる。そこで本研究の目的に即して、余暇時間への活用として実際に色光が私たちの生活空間にどのような効果・影響をもたらすか、またより有用な活用方法を提案するための実験を行った。まず予備実験として赤・青・黄・緑・黄緑・水色・白・橙・桃色・紫の計10色を用いて実験を行った。本実験では予備実験の結果から、高評価だった白・黄・水色の3色と低評価だった赤・青・緑の3色、計6色を変化要因とした。シーリング型のLED照明器具が設置された実験室を用意し、有彩色光のみの場合と白色光を局部照明に用いた場合とについて、被験者に90分間過ごしてもらい、開始直後と10分ごとの計10回、空間評価と行為のしやすさを6段階で評価してもらった。評価項目によって有彩色光の評価のほうが通常の生活空間における照明に近い白色光の場合よりも評価がよい場合があることがわかった。特に白色光を局部照明として併用することで評価の向上が顕著に認められたものが多い。

生活空間において通常の照明が最も良いとされるならば、白色の評価結果は最も良いはずである。つまり、いつでも通常の照明が良いとされるわけではなく、有彩色光は生活空間の照明としても使用することが可能であることが示唆された。実験とあわせてアンケート調査を実施する予定であった。調査は季節変動を捉えるため太陽高度の高い時期と低い時期での特徴を比較検討するため、2季を予定していたが、本務の多忙さで調査の時期を逃してしまいできなかった。余暇時間の過ごし方は様々であるが、日常生活でスマートホンなどの電子機器を使用する機会が多いことから、スマートホンを使用する際の光環境について検討を行った。作業面での明るさが500lx程度ある方が画面は見やすく満足度は高い結果となった。また光色は、電球色の方が昼白色よりも目の疲労を訴える人が少なく、フリッカー値からも疲労が少ない結果となった。また、これまでに収集した活動量と光量とのデータをもとに、閉空間で仕事をする時間が長くても必ずしも日常生活に大きな影響を表すわけではないことから、朝の通勤時間に浴びる昼光の影響が大きいと考え、起床後午前中の各時刻までの積算光量をケースごとに求め、昼光を浴びる時間の少ないケースと比較考察することを試みた。このことに関してはケース数を増やしさらに検討する必要がある。被験者数が少なく事例的ではあるが、概ね順調である。アンケート調査については、予備調査を終えたところであるがより内容の充実をめざして再検討・実施の目途がついている。生活時間と生活行動との関連、睡眠満足度・睡眠の質との関係性、さらに戸外での活動時間・時刻と屋内在室時の光環境を調査しこれらがどのように関係しあっているかを検討することを目的としてアンケート調査を実施する。特に曝露照度は季節により変動するため、季節の影響も含めて検討する。さらに曝露照度の実測定もあわせて行い、これまでの実験結果・アンケート結果とあわせて考察していく。活動量・光量の測定と睡眠・生活行動に関する質問票を被験者にお願いし、同一被験者に対して季節による変動を把握するとともに、可能な限り被験者数を増やしたい。特に、曝露照度は季節による変動があると考えられるため、アンケート調査は予備調査を踏まえて2季に行う予定である。今回調査対象とした地下街勤務者では物品販売の仕事が多く、常時勤務者は各店舗1名程度で他はアルバイト、パート勤務者がほとんどであることが分かった。従ってアルバイト、パート勤務者は地下街での特に午前中の生活時間が短く、常時勤務者の回答数が得られにくくサンプル数が十分でない結果となった。今年度は補足調査としてさらに地下街の範囲を広め常時勤務者のサンプル数を確保したい。また,昼光を浴びることの少ないと考えられる職種の人々も対象に調査を行うことを検討したい。また、活動量と昼光曝露量の実測調査に協力していただいた被験者のなかには、Actiwatchの装着忘れなどがあり,予備測定といえども1週間きちっと得られたデータが限られていた。協力者に理解が得られるよう十分な説明をするよう再検討を行いたい。本務の学生指導に予想外に時間をとられ調査の時期を逃してしまった。季節による変動・違いを捉えたかったため調査時期をずらせて行っても意味がないと考えた。アンケート調査が予備調査で終わったためである。これは季節を考慮した本調査の実施を考えているためである。活動量・光量の測定と質問票回答への協力者数が限られたためである。測定機器の不良も影響した。
認知機能の向上を目指した咬合治療論の確立：皮質間機能回路解析による研究

下顎にインプラントを埋入し,その上に義歯を装着することで咀嚼しやすさが向上するとされるインプラントオーバーデンチャー(IOD)治療の前後において,咀嚼時の感覚運動野ならびに前頭前野活動の活動パターンが,有歯顎者の活動パターンに近づくことが示された。また前頭前野では,IOD治療前では運動の計画をつかさどる前頭極が活動し不安定な顎位を意識的に制御しようとする脳活動が示唆されたが,治療後では前頭前野背外側部に活動の中心が移動し,口腔内感覚に対する認知活動が自動的かつ円滑に行われるようになるという皮質機能回路の変化が示された。脳機能計測による,補綴治療の適切さの定量評価が可能になると考えられる。本研究は咬合調整を行う患者の治療前後において,(1)咀嚼刺激による認知機能の向上度を脳認知機能回路の賦活化から捉え,補綴治療による噛み合わせの改善が認知機能の維持・増進をもたらす神経科学的根拠を明らかにすること,(2)補綴治療手段の違いによる比較から高齢者の認知機能の維持・増進に最適な咬合の方法論を解明し,健康長寿社会の推進に貢献する咬合治療の意義を社会に還元すること,をゴールとしている。認知機能は脳の複数の皮質部位がネットワークを形成して協調的に働くことで実現される高次機能であることから,初年度は,脳機能計測実験を行って咬合刺激に関する認知機能を同定する解析手法の開発を中心に研究を進めた。実験では認知課題中の脳活動を前頭葉ならびに後頭葉からの近赤外分光法(Near-infrared Spectroscopy; NIRS)を用いて計測し,咬合咀嚼刺激を与えた場合と与えない場合における皮質間機能的結合性の有無をPhase Locking Value(PLV)により評価する手法の開発を行った。PLVはこれまで脳波や脳磁図データにおいて,認知課題遂行に伴う皮質間連絡の解析手法として提案されてきた統計的手法であるが,このPLVがNIRSデータにも適用できることを,シミュレーションならびに実データ解析を用いて明らかにした(NIRS-PLV)。その結果,視覚的な認知課題への注意が高まっている場合には,注意が引き起こされない場合に比べ,トップダウン的に注意を引き起こす前頭前野背外側部と,対側の周辺視覚野(V2/V3)との位相同期が有意に亢進する(皮質活動間の位相同期が高まる)ことが示された。また,咀嚼刺激を行った場合にはこの位相同期関係が変調することも示された。咀嚼刺激による認知脳活動の変調を評価する手法が確立でき,初年度の目的は達成されたと言える。「噛むこと(咀嚼刺激)」が高齢者の認知機能を向上させることが明らかになり,「よく噛める」噛み合わせを与える歯科治療が,認知症の予防・改善のブレイクスルーとして期待されている。本研究は患者の治療前後において,咀嚼刺激による認知機能の向上度を脳認知機能回路の賦活化から捉え,補綴治療による噛み合わせの改善が認知機能の維持・増進をもたらす神経科学的根拠を明らかにすることを目的とした。最終年度では64-79歳の無歯顎(上下顎総義歯)被験者を対象とし,下顎インプラントオーバーデンチャー(IOD)治療を行う前後での脳活動変化の検討を主に行った。IOD治療により脳認知機能への寄与が見込まれる2つの知見を得た。(1)咀嚼による口腔領域の一次体性感覚野ならびに一次運動野の賦活パターンが安定化した。(2)咀嚼による前頭前野領域内での賦活部位が変化し,前頭極活動の抑制と右前頭前野背外側部(DLPFC)の活動の増加がみられた。(1)(2)の知見はいずれも,IODによる咀嚼刺激時の脳活動が,天然歯をもつ同年代被験者の脳賦活パターンに近づく結果を示していた。また,咬合バランスや咀嚼効率などの咬合状態も有意に改善が見られた。DLPFCは前年度までの研究で明らかにしてきた注意ならびに実行機能ネットワークの中枢領域であり,IOD治療がDLPFCを中心とした皮質間ネットワークを増強し,認知機能の改善に寄与しうるものであることが示唆された。機能系基礎歯科学Phase Locking Valueを応用したNIRSデータの機能的結合の解析法の開発が順調に進み,2年計画の本研究のうち初年度の目的として設定した「認知課題遂行中の皮質間ネットワーク活動の可視化」が達成されたため。

今後は当初の予定通り,実際に咬合治療を受ける患者のデータへ開発した手法を適用し,「噛み合わせ治療の方針が認知機能の向上に与える影響の解明」「咀嚼刺激と認知機能とをつなぐ神経活動のクロストークの解明」を中心に研究を行っていく。・連携している神奈川歯科大学において院生の研究補助を得ることができたため,被験者謝金・アルバイト謝金が予想より少額で収まった。・利用者分担しているNIRS装置の利用者が例年より多かったため,分担金の負担が少額で済んだ。・次年度以降予定している被験者謝金に充て,より多くの被験者数で実験を行う予定にしている。・より高いレベルのジャーナルに投稿するための英文校閲費用に充てる。
大腿骨頸部骨折患者の退院後におけるADLとQOLに影響する生活要因

本研究は65歳以上の大腿骨頸部骨折患者と慢性的な障害を有する非骨折患者の退院後の身体活動性(ADL、IADL)と、生活充足感(QOL)を測定し、両群の違いを検討することにより、高齢骨折患者の有効な退院指針を立案することである。調査対象は、療養型病床を有する病院を退院した65歳以上の大腿骨頸部骨折75名と、慢性的な障害を有する非骨折患者75名の150名である。このうち、訪問拒否や死亡、施設入所などを除外した骨折群56名、非骨折群57名の113名を分析対象とした。調査は自記式調査票を家族または本人に郵送し、返送後未記入や内容不整合箇所については、保健婦または看護婦が電話及び訪問して、確認した。調査内容は、現在のADL、入院前と退院後のIADL、社会参加状況、退院後の転倒歴、PGCモラールスケール(以下PGCスコア)によるQOLなどである。対象者には、郵送により本調査の目的や効果など詳細な説明を行い、全員から承諾を得た。平均年齢は骨折群81.0±7.2歳、非骨折群74.2±6.3歳で、骨折群の年齢が有意に高かった。2群別にみた入院前と現在の老研式活動能力指標(IADL)は入院前では差がなかったが、現在のIADLは合計点、手段的自立、知的能動性、社会的役割のいずれも骨折群が非骨折群に比べ、有意に低かった(p<0.01)。QOLを示すPGCスコアは2群別に差はなかったが、友人との交流は骨折群が非骨折群に比べて有意に低かった(p<0.05)。以上のことから、骨折後は低身体活動性、手段的自立が低いこと、友人との交流が少ないこと等が示され、これらの内容を退院指導に組み入れていくことの必要性が示唆された。大腿骨頸部骨折は歩行機能を障害して、高齢者の日常生活動作(ADL)や生活の質(QOL)を大きく損ない、寝たきりや老人痴呆等の合併症を引き起こすため、老人骨折の中でも極めて重要な骨折である。さらに骨折による機能低下等により、日常生活動作の自立が遅延していく事例の増加や家族の介護負担が増加することが予想される。本研究では大腿骨頸部骨折患者と非骨折患者の身体活動性(ADL・IADL)を取り上げ、両群の身体活動性と骨折に影響する要因との比較検討を行い、これらを通して高齢期の骨折における有効な看護指針を得ることを目的とした。調査対象は、高齢の大腿骨頸部骨折患者と慢性的な障害を有する非骨折患者の2群で、年齢と性をマッチさせた39ペア78人である。調査内容は身体特性(身長、体重、BMI、下肢長)、体力指標として握力、開眼片足立ち、努力性肺活量等を測定した。生活関連要因として、既往歴、入院前の身体活動性(ADL,IADL)、転倒歴、労働状況等を聞き取った。また骨折後退院した患者については退院後のADL等を聞き取った。今年度はこれらのデータベースを作成した。平均年齢は骨折群81.7±7.8歳、非骨折群81.1±6.7歳であり、両群とも後期高齢者が多かった。身長、体重、BMIに差はなかった。下肢長は骨折群が有意に長かった。体力指標では、握力、開眼片足止ち・努力性肺活量とも両群に差は認められなかった。生活要因では骨折群に室内作業者が有意に多かった。

また、入院前の活動能力では骨折群が非骨折群に比べて有意に低かった。転倒歴は両群で有意差はなかったが、50代以降の骨折歴は骨折群が非骨折群に比べて有意に多かった。また、骨折群における退院後のADLおよびIADLをみると、受傷前運動習慣を有する者はない者に比較して、ADLおよびIADLいずれも高く、退院指導等に運動を効果的に取り入れていく必要性が示された。大腿骨頚部骨折による機能低下等により、日常生活の自立が遅延していく事例や閉じこもり事例の増加や家族の介護負担が増加することが予想される。本研究では高齢骨折患者の有効な退院指導指針を得ることを目的に、65歳以上の大腿骨頚部骨折患者と慢性的な障害を有する非骨折患者の退院後の身体活動性(ADL、IADL)と、生活充足感(QOL)を測定し、両群の違いを検討した。調査対象は、療養型病床を有する病院を退院した65歳以上の大腿骨頚部骨折75名と、慢性的な障害を有する非骨折患者75名の150名である。このうち、訪問拒否や死亡、施設入所などを除外した骨折群56名、非骨折群57名の113名を分析対象とした。調査は自記式調査票を家族または本人に郵送し、返送後未記入や内容不整合箇所については、保健婦または看護婦が電話及び訪問のより確認した。調査内容は、現在のADL、入院前と体位後のIADL、社会参加状況、退院後の転倒歴、PGCモラールスケール(以下PGCスコア)によるQOLなどである。対象者には、郵送により本調査の目的や効果など詳細な説明を行い、全員から承諾を得た。平均年齢は骨折群81.0±7.2歳、非骨折群74.2±6.3歳で、骨折群の年齢が有意に高かった。2群別にみた入院前と現在の老研式活動能力指標(IADL)は入院前では差がなかったが、現在のIADLは合計点、手段的自立、知的能動性、社会的役割のいずれも骨折群が非骨折群に比べ、有意に低かった(p<0.01)。QOLを示すPGCスコアは2群別に差はなかった。しかし、友人との交流は骨折群が非骨折群に比べて有意に低かった(p<0.05)。以上のことから、骨折後は低身体活動性、手段的自立が低いこと、友人との交流が少ないこと等が示され、これらの内容を退院指導に組み入れていくことの必要性が示唆された。
磁場と電場の相乗効果による新規高能率超精密穴・ポケット加工法の開発研究

本研究は磁気機能性流体を用いた精密加工法において,電場と磁場の相乗作用を利用することで加工圧の増大と加工面へ作用する砥粒量の増加からなる高能率化の検討を行う.加えてこの技術をこれまで形状精度を保った仕上げが困難であるといわれる穴内面,円筒内面やポケット内面高能率仕上げへ応用することで新たな加工理論の構築と加工装置の開発を行うものである.本研究は磁気機能性流体を用いた精密加工法において,電場と磁場の相乗作用を利用することで加工圧の増大と加工面へ作用する砥粒量の増加からなる高能率化の検討を行う.加えてこの技術をこれまで形状精度を保った仕上げが困難であるといわれる穴内面,円筒内面やポケット内面高能率仕上げへ応用することで新たな加工理論の構築と加工装置の開発を行うものである.
腫瘍組織選択的5-アミノレブリン酸誘導プロトポルフィリン蓄積メカニズムの解明

5-アミノレブリン酸(5-ALA)は腫瘍組織選択的に光増感性蛍光物質プロトポルフィリンIX(PPIX)の蓄積を誘導する光力学療法薬である。しかし、5-ALAによる腫瘍組織選択的PPIX誘導メカニズムは未解明である。本研究では、光線力学治療・診断に有効な腫瘍種を判断する分子診断技術の確立を目指し、5-ALAに曝露したヒト腫瘍組織由来株化がん細胞において、細胞内PPIX蓄積性決定因子を検討した。その結果、細胞内PPIX蓄積は、PPIX生合成、フェロキラターゼ酵素活性、およびPPIXの排出により決定されることが示唆された。本年度は、5-アミノレブリン酸(5-ALA)膜透過機構を検討するため、様々なヒト由来のがん細胞株において放射性標識された5-ALA取込みを測定し、5-ALA輸送に関与するトランスポーターの同定に取り組んだ。ヒト肝がん細胞HepG2細胞などによる[^3H]5-ALAの初期取込みは有機アニオン性薬物であるプロベネシドで有意に阻害された。有機アニオントランスポーターOAT2発現HEK293(HEK293/OAT2)細胞による[^3H]5-ALAの取り込みは、プラスミドベクターのみを導入したHEK293(Mock)細胞と比べ、2.4倍高かった。HEK293/OAT2細胞による[^3H]5-ALA取り込みは、時間依存的に増加し、10分まで取り込みに直線性が見られた。またHEK293/OAT2細胞による5-ALAの取り込みには飽和性が見られ、K_mは4.69±3.04mM、V_<max>は20.0±4.41nmol/10min/mg proteinと見積もられた。従って、これらの結果から、5-ALAがOAT2の内因性の基質であることが同定された。さらに、RT-PCRによりHepG2細胞にOAT2mRNAの発現が検出されたことから、ヒト肝臓がんにおいてOAT2が5-ALAの取り込みに関与していることが示唆された。現在、種々のヒトがん細胞における5-ALA取り込みに対するOAT2の寄与を検討している。この成果は、平成22年5月14日に第25回日本薬剤学会で報告される予定であり、現在論文へ投稿の準備をしている。5-アミノレブリン酸(5-ALA)内服時に誘導されるプロトポルフィリンIX(PPIX)の腫瘍組織選択的な蓄積は、光線力学療法または診断において有用である。しかしその効果は、がん種や進行度で異なるため、効果的な治療・診断には5-ALA誘導腫瘍組織選択的PPIX蓄積機構を解明する必要がある。本研究では、現在でも未解明な点が多い5-ALA膜透過機構を検討するため、ヒト由来の種々のがん細胞株において放射性標識された5-ALA取込みを測定した。アフリカツメガエル卵母細胞外来遺伝子発現系およびヒト胎児由来腎細胞HEK293発現系を用いて、有機アニオントランスポーター(OAT及びOATP)による5-ALA輸送を評価した。また、PPIXの合成に関わる要素をALAの取り込み、PPIX産生酵素活性、PPIXを代謝するフェロキラターゼ(FECH)酵素活性、およびPPIX排出輸送活性の4つに分類し、種々の癌細胞でそれぞれ寄与を評価した。細胞外に5-ALAが比較的高濃度で存在する場合は、PPIXの癌細胞への蓄積にはFECH活性、PPIX生合成および排出過程の3因子の影響を強く受ける可能性が示唆された。今後、5-ALAを用いた最適なPDT/FDを提唱するためには、細胞ごとにこれら各因子の寄与率を明らかにする必要がある。本研究成果の一部は既に日本薬剤学会第25年会にて報告している。現在、論文に執筆中であり、今度中に投稿予定である。
高速列車のトンネル通過により発生する超低周波音の低減に関する研究

平成13年度は、高速鉄道のトンネル通過により発生する超低周波音の新しい低減法の開発のために、高速鉄道トンネル波動シミュレーターに騒音低減モデルを設置し、トンネル騒音の低減の実験を行った。平成14年度は、実際の高速列車のトンネル通過による超低周波音を低減させるための超低周波音低減装置の最適な形状や内部構造を解明するするため、騒音データ解析装置を用いて騒音低減装置を取り付けたトンネル出口での数値計算を行い、その結果とモデル実験での実測値との比較検討を行い、実際の高速列車がトンネル通過場合において発生する超低周波音の騒音低減法における問題点とその解明を行った。得られた結果を要約すると以下のようになる。1.現有の高速鉄道トンネル波動シミュレーターを改造し、圧力波発生用の急速開口弁を改造設計し、所定の圧力波が精度よく再現できる実験方法を確立した。2.騒音低減装置を取り付けたトンネル出口での三次元流れ場の数値計算方法を確立した。3.低周波騒音低減のための消音用出口ボックスを提案し、圧力波が放出される場合のトンネル出口での流れ場を数値解析した。4.消音用出口ボックスを取り付けた場合でも、初期圧縮波の波面の長さが短いとき、微気圧波の第1ピークは開口端からの中心軸上に鋭いピークを持っているが第2のピークの指向性は弱い。5.消音用出口ボックスがトンネル側面に設置してある場合、波面の長さが短い時、微気圧波の第1ピークの水平面上の指向性は、消音ボックスが取り付けてある側の指向性が強くなる。第2のピークは逆の指向性を持つ。一方、波面の長さが長い時、微気圧波の第1ピークの水平面上の指向性は、初期圧縮波の波面の長さが長いときに比べその指向性は弱い。6.消音用出口ボックスを用いたパッシブな騒音低減法では、初期圧縮波の波面の長さに対し最適のボックス形状がある。最近の浮上式鉄道の試験走行において、列車速度が300km/hを越えると、トンネル内を伝播する圧力波とトンネル内壁との干渉によると思われる圧力擾乱波が発生し、トンネル坑口より放出される超低周波騒音問題が報告されている。このようなトンネル超低周波騒音に対しては現在ほとんど低減対策がなされておらず、現状の対策はトンネル入口フードやトンネル周辺に防音壁を設けるという可聴帯域のトンネル騒音に対するものである。現在問題となりつつあるトンネル坑口からの超低周波音に対する抜本的トンネル騒音低減法は、いまだ完成されていない。本研究は、新しい超低周波音低減法を提案し、モデル実験によりトンネル内の圧力および誘起される壁面境界層の測定を行い、高速列車のトンネル通過時における超低周波音を実験的及び数値解析的に解明し、その発生原因を明らかにするとともに、トンネル超低周波音低減法を確立するための有益なデータを提供することを目的とする。本年度は、高速鉄道のトンネル通過により発生する超低周波音の新しい低減法の開発のために、高速鉄道トンネル波動シミュレーターに騒音低減モデルを設置し、トンネル騒音の低減の実験を行った。これまでに次の結果を得ている。2.高速鉄道トンネル波動シミュレーターの管路出口にキャビティボックス型の騒音低減モデルを設置した。3.管路内の超低周波の圧力変動を現有の圧力変換器で測定した。管出口からのトンネル超低周波音を騒音レベル計にて測定し、その測定結果を騒音振動解析装置で解析することにより、トンネル超低周波音低減のための基礎的資料データを蓄積した。

前年度までの成果に基づき、実際の高速列車のトンネル通過による超低周波音を低減させるための超低周波音低減装置の最適な形状や内部構造を解明するするため、騒音データ解析装置を用いて騒音低減装置を取り付けたトンネル出口での数値計算を行い、その結果とモデル実験での実測値との比較検討を行い、実際の高速列車がトンネル通過場合において発生する超低周波音の騒音低減法における問題点とその解明を行った。得られた結果を要約すると以下のようになる。1.騒音低減装置を取り付けたトンネル出口での三次元流れ場の数値計算方法を確立した。2.低周波騒音低減のための消音用出口ボックスを提案し、圧力波が放出される場合のトンネル出口での流れ場を数値解析した。3.消音用出口ボックスを取り付けた場合でも、初期圧縮波の波面の長さが短いとき、微気圧波の第1ピークは開口端からの中心軸上に鋭いピークを持っているが第2のピークの指向性は弱い。4.消音用出口ボックスがトンネル側面に設置してある場合、波面の長さが短い時、微気圧波の第1ピークの水平面上の指向性は、消音ボックスが取り付けてある側の指向性が強くなる。第2のピークは逆の指向性を持つ。5.消音用出口ボックスがトンネル側面に設置してある場合、波面の長さが長い時、微気圧波の第1ピークの水平面上の指向性は、初期圧縮波の波面の長さが長いときに比べその指向性は弱い。6.消音用出口ボックスを用いたパッシブな騒音低減法では、初期圧縮波の波面の長さに対し最適のボックス形状がある。
マルチレイヤーFEMによる連続繊維強化複合材料積層板のはく離進展と破壊挙動の解析

本研究では、任意の積層構成を有する連続繊維強化複合材料積層板の応力集中部での破壊に対し、層間はく離領域の拡大の解析に基づく破壊挙動予測手法の開発を行った。積層板は応力集中部に置いて非常に複雑な破壊挙動を示し、形成されるはく離領域の形状も積層構成に強く依存する。しかし、破壊過程における繊維破断が常にはく離領域内で発生するという実験事実から考えて、はく離領域の形状、大きさが、積層板の破壊に対して重要な役割を演じていることは疑い得ない。本研究でははく離の進展を解析するため、古典積層理論に基づき、はく離前縁上の微小区間でのエネルギー開放率を与える式を導出した。また、層間はく離と層内き裂とが相互に干渉するはく離領域内部の状態を繊維方向のフレーム部材としてモデル化し、繊維破断の確率課程の評価を可能とした。さらに、任意形状のはく離領域を有する積層板において、このモデルを具体的に計算してはく離前縁に沿ったエネルギー解放率の分布を求めるため、各層の繊維配向方向に対応した弾性定数を持つ二次元要素を層の数だけ重ねて計算を行う、マルチレイヤー有限要素法を開発した。エネルギー開放率一定の条件に基づき行ったはく離領域拡大のシュミレーションは、その形状変化をも含めて、実験によって得られた実際の積層板の破壊挙動を極めてよく再現するものであった。また種々の積層構成を有する積層板についてのシュミレーション結果から得られた破壊強度の値は、極めて広い範囲の繊維配向角の変化に対しても、予想値として十分な精度を有する殊が確認された。本研究において提示した破壊挙動の予測手法は、はく離前縁でのエネルギー解放という積層板の破壊の本質に立脚したものであり、従来にはない広範な適用性を有している。強度評価手法としてはもちろん、積層板の設計という観点からも、本手法は非常に有用なツールを提供し得るものである。
分布型水循環モデルを用いた灌漑用水と排水に対する温暖化影響評価と将来対策

気候変動に伴って増大すると予想される両極端現象(渇水と洪水)に焦点をあて、灌漑用水と排水に対する温暖化の影響評価を行うとともに、貯水池の管理や水田の持つ洪水防止機能をうまく利用した適応策について検討した。ここでは、多様な農業水利用形態を考慮できる分布型水循環モデルを用いることで、対象とする流域の任意の地点と時間において、流量としての農業水利用可能量だけでなく、水田を主体とした農地における作期別の灌漑水量の変化や作付時期・作付面積への影響度合いを調べた。さらに、温暖化による降雨パターン変化と水利施設規模の決定基準となる内部降雨波形の模擬発生法を開発した。研究対象流域として、(A)豪雪地帯を背後に有し、広い灌漑地区を流域内に持つ関川流域ならびに(B)低平域の排水管理が不可欠な加賀三湖地区を抽出した。次に、両流域の関連データ(気象・水文観測、灌漑・排水計画、土地利用、施設情報(貯水池、頭首工、堰)、用水系統、対象期間内の施設管理情報等)を収集すると同時に、現地観測(流量観測、用水路の配分流量等)を行った。さらに、流域を0.01°メッシュ(約1km四方)に分割し分布型水循環モデルのプラットフォームを完成させた。ここで、これまで開発してきた農地水利用を考慮できる農地水循環モデルの改良を行った。改良要素は、a)積雪融雪モデル、b)貯水池操作モデル、c)灌漑用水配分モデルであり、21年度は熱収支に基づく積雪融雪モデルを開発し、統合モデルに実装させた。また、排水モデルとして低平地タンクモデルを構築・実装した。また、気候モデル(MIROC)による温暖化実験結果を1kmの解像度にダウンスケール結果(現在、近未来、将来)を抽出し分析した。特に、バイアス補正法として、各種気候要素の日分布と20年間の年日最大値の分布を観測値に一致させる方式を提案した。一方、低平地排水に関しては、温暖化実験の結果から各年に発生する最大規模の雨を抽出して、雨量と波形の分析を行った。ただし、降雨波形については、過去の長期間の豪雨データ(例えば、日70mm以上あるいいは3日間連続100mm以上)についても温暖化による変化がないかどうかを抽出分析した。最後に、漑取水可能量の変動をダム流入量の変化量として検討し(ダム操作の影響を排除)、近未来や将来は、春先の融雪量の現象が著しく農業用水の確保に影響があることを明らかにした。さらに、灌漑地区モデルに関してはモデル化の方針について検討するとともに、温暖化影響に対する対応策についてどのような検討を行うかの方向を決定した。研究対象の(A)豪雪地帯を背後に有し、広い灌漑地区を流域内に持つ関川流域ならびに、(B)低平域の排水管理が不可欠な加賀三湖地区について、関連データ(気象・水文観測、灌漑・排水計画、土地利用、施設情報(貯水池、頭首工、堰)、用水系統、対象期間内の施設管理情報等)の収集とデータベース化を行った。次に、これまで開発してきた農地水利用を考慮できる農地水循環モデルの改良を行い、a)積雪融雪モデル、b)貯水池操作モデル、c)灌漑用水配分モデルのそれぞれを開発し、統合モデルに実装させた。同時に、低平地の排水モデルとして低平地タンクモデルを構築・実装した。さらに、気候モデル(MIROC)による温暖化実験結果(現在、近未来、21世紀末)の抽出を行い、各種気候要素の日分布と20年間の年日最大値の分布を観測値に一致させる補正の方式を提案し、その方法を用いてバイアス補正を行った。一方、低平地排水に関しては、温暖化実験の結果から各年に発生する最大規模の雨を抽出して、雨量と波形の分析を行い、豪雨とその内部波形を模擬発生させる方法を開発した。最後に、改良された分布型水循環モデルに上記のバイアス補正を施した温暖化実験の結果を入力して、近未来、21世紀末の農業水利用の変化やそれへの温暖化の影響度を評価した。その結果将来は、融雪時期の早期化と融雪量の減少による農業用水への影響、両極端現象(洪水と渇水)の増大、代かき時期における農業用水の不足などの影響があることが分かった。同時に、将来は年最大日流量の増大と確率洪水量の再起確率年の減少などが発生することも明らかになった。このように、開発したモデルを用いることで農業水利用への具体的な影響やその程度が具体的な数値として提示が可能になることを明らかにした。