hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
省エネのための船体運動を考慮したエンジン制御に関する研究

プロペラモデルではエンジンモデルより得られるエンジン回転数と燃料噴射量,船体モデルより得られる船速,これらの外乱による負荷変動を加え,プロペラが吸収するトルク,プロペラスラストを計算する.また,このプロペラモデルでは同シミュレーション上で固定ピッチプロペラと可変ピッチプロペラ両方のシミュレーションを可能とする.また,外乱として実運航データに基づく船体動揺や波の周期等を与えることで船体動揺が起きた際のシミュレーションを可能とした.これらを一体化した船体運動を含めたエンジン・プロペラ系のシミュレーションシステムの構築をし,2つの船舶の仕様に合わせた計算をした.そして,定常状態に至るまでのエンジンや船体の挙動を確認した後,外乱を与えたときの制御周期と船速,燃料消費率の関係を比較した.さらに実海域での航行を模擬するために,外乱周期と制御周期が燃料消費率や船速に与える影響を調べた.その結果,外乱周期及び制御周期が燃料消費率に影響する可能性があるが,船速は制御周期による影響がほぼないことが示された.本研究では比較的簡便な船体運動を含めたエンジン・プロペラ系モデルを構築した。しかし、様々な既存技術を検証するには,エンジンモデルや船体モデルなどの詳細化をする必要がある。船体モデルでは、船舶の運航計画を立てるために,現在1自由度で船体運動モデルを立てているが、船体運動は6自由度であることからより現実的なシミュレーションにするには船体運動を多自由度化する必要がある。また、エンジンモデルにおいては、燃料噴射量・燃料燃焼・発熱。筒内圧力変化というプロセスをモデル化し、時系列的にエンジン挙動のシミュレートを可能にする。これにより、燃料噴射タイミング、燃料噴射量(燃料噴射期間)燃料噴射パターン(例えば多段噴射)等を変化させた解析が可能となり、船体運動を考慮した場合の燃料消費を制御アルゴリズムごとに見積もることが可能となる。また、このモデルの詳細化により燃料消費低減に有効な制御におけるタイムスケールが把握でき、その時に要求されるアクチュエータやセンサーの応答速度を船体運動の周期振幅等と関連させた形で把握可能となる。そして,これらの既存の技術を踏まえた上で,全体的なシステムとしての制御を行っていくことで,更なる省エネルギー化に繋がるのではないかと考えられる。また,現実では多様なデータを取得することは難しい.そのために,少ないデータ数でもほぼ同等の解析が可能になるモデルを作成する必要がある.また制御を考慮するモデルでは,詳細なモデルで発散する可能性があり,制御をすることが難解である.そのためにも,シミュレーションを高度化したモデルを作成した上で,簡略化したモデルを構築する必要がある.モデルの高度化のための解析用計算機を導入。計算負荷に対応するため。
3次元微細光ファブリケーションによる組織工学材料の設計・開発

本研究では、優れた生体適合性を有するポリメトキシチルアクリレートと光架橋性基を有するグリシジルアルクレートやエポキシシックロヘキシメチルアクレートとを用いて、フェムト秒レーザー照射による2光子吸収による3次元微細光ファブリケーションを利用したの微細加工技術によって加工された空間構造と高分子の自己組織化現象の両方を利用することで、これまで作製が難しかったナノレベルの空間構造と表面特性のパターニングを実現できた。パターンの孔径、膜厚、孔貫通・非貫通、孔の3次元構造制御を計画的に行うためのパラメーターを抽出できた。様々な生分解性高分子、生体適合性高分子が適用できるパターン化技術を確立した。血管内皮細胞はパターン表面でのみ伸展し、凸部に伸展する細胞は観察されなかった。アクチン染色の結果、パターン表面の幹部分に沿って細胞骨格の先端が伸びているのが観察された。一方、フラットフィルム上では細長い形態をとるものが多く観察され、アクチン染色の結果、伸展方向と平行に伸びる細胞骨格が観察された。さらに、微細なパターン構造が、血管内皮細胞・平滑筋細胞の接着形態、骨格タンパク質の構造、細胞外マトリックスの産生、増殖性に影響を与えていることが明らかになった。上記のパターンは培養基材として機能しており、血管内治療デバイスscaffoldとしての可能性が示唆された。また、パターン化フィルムは孔の貫通・非貫通が制御可能であり、積層傾斜膜状、中空糸状などに成型加工できることも見いだした。1.新規生体適合性と光架橋性を併せ持つ高分子の合成従来の光硬化性樹脂は生体適合性に劣るため、優れた生体適合性を有するポリメトキシエチルアクリレートと光架橋性基を有するグリシジルアクリレートやエポキシシクロヘキシルメチルアクリレートとの共重合体を新規合成した。これらの共重合体はいずれも光開始剤を用いることで架橋を起こし、有機溶媒に不溶となることを確認できた。架橋はエポキシ基の開環により進行することが分かった。これらの表面はヒト血液の活性化を引き起こさないことが明らかになった。2.三次元微細光ファブリケーションシステムの設計フェムト秒レーザーを光学顕微鏡に組み込んだ後、光学系の設定を行い2光子励起システムを立ち上げた。上記生体適合性高分子を用い、2光子励起で線幅1μmのライン構造を作製できることを確認した。1光子励起より2光子励起の方が空間分解能に優れていた。サブミクロンオーダーの造形を行うには、高分子の表面処理方法、未架橋高分子の洗浄方法が重要であり、レーザー出力設定や2光子吸収効率の良い光開始剤の設計が必要であることが分かった。また、3次元構造物を作製するため、XYZピエゾステージの作製を行った。3.細胞培養系の確立肝実質細胞、人血液細胞等の培養条件の設定を行った。表面パターンに応じた細胞形態変化や機能変化についての予備実験系の確立を行った。サブセルラースケールでの基材表面微細構造と細胞の接着、機能に著しく影響を与えることが分かった。特に生分解性高分子から構成されるハニカムパターンは孔径に応じて接着形態が大きく変化することを見出した。現有の光学顕微鏡ならびに共焦点顕微鏡に、新規購入した波長可変フェムト秒パルスTi-sレーザーの組み込み改造を行った。2光子吸収による3次元微細光ファブリケーションを利用した3次元微小構造培養体作製を行った。優れた生体適合性を有するポリメトキシエチルアクリレートと光架橋性基を有するグリシジルアクリレートやエポキシシクロヘキシルメチルアクリレートとの共重合体を新規合成した。これらの共重合体はいずれも2光子吸収効率の高い光開始剤を用いることで微細スポットのみでエポキシ基の開環による架橋を起こした。フェムト秒レーザーを光学顕微鏡に組み込んだ後、光学系の設定を行い、上記生体適合性高分子を用い、2光子励起で線幅0.2μmのドット構造を作製できることを確認した。

精密XYZθθθステージ(6軸電動ステージ)上において自動アライメントされたサンプルにフェムト秒レーザーを用いてコンピュータ上で設定した微細なパターンのスポット・直線・曲線の描画及び造形を行うことができた。基本描画パターンを積層する事により3次元の描画・造形が可能になった。精密な光造形を行うには、高分子の表面処理方法、未架橋高分子の洗浄方法が重要であり、レーザー出力設定や2光子吸収効率の良い光開始剤の設計が重要であることが分かった。また、3次元構造物を作製するため、XYZピエゾステージの作製を行った。また、本実験より、光学顕微鏡にフェムト秒パルス赤外レーザーを組み込んだ2光子励起顕微分光装置とラマン分光装置を組み合わせた装置による、含水高分子界面の測定条件の設定が完了した。さらに、作製した3次元微細パターン上での神経系、血管系、消化器系細胞の接着・増殖・分化の制御ができることを見いだした。本研究では、優れた生体適合性を有するポリメトキシチルアクリレートと光架橋性基を有するグリシジルアルクレートやエポキシシックロヘキシメチルアクレートとを用いて、フェムト秒レーザー照射による2光子吸収による3次元微細光ファブリケーションを利用したの微細加工技術によって加工された空間構造と高分子の自己組織化現象の両方を利用することで、これまで作製が難しかったナノレベルの空間構造と表面特性のパターニングを実現できた。パターンの孔径、膜厚、孔貫通・非貫通、孔の3次元構造制御を計画的に行うためのパラメーターを抽出できた。様々な生分解性高分子、生体適合性高分子が適用できるパターン化技術を確立した。血管内皮細胞はパターン表面でのみ伸展し、凸部に伸展する細胞は観察されなかった。アクチン染色の結果、パターン表面の幹部分に沿って細胞骨格の先端が伸びているのが観察された。一方、フラットフィルム上では細長い形態をとるものが多く観察され、アクチン染色の結果、伸展方向と平行に伸びる細胞骨格が観察された。さらに、微細なパターン構造が、血管内皮細胞・平滑筋細胞の接着形態、骨格タンパク質の構造、細胞外マトリックスの産生、増殖性に影響を与えていることが明らかになった。上記のパターンは培養基材として機能しており、血管内治療デバイスscaffoldとしての可能性が示唆された。また、パターン化フィルムは孔の貫通・非貫通が制御可能であり、積層傾斜膜状、中空糸状などに成型加工できることも見いだした。
中性子星合体におけるrプロセス元素合成と重力波対応天体

本研究の目的は、中性子星合体における元素合成および重力波対応天体キロノバの研究により、レアアース、金、ウランなどのrプロセス元素の起源を解明することであった。中性子星合体の元素合成の計算(Wanajo et al. 2014)に基づくキロノバの観測予測を行い(Tanaka et al. 2018)、その直後に中性子星合体GW170817が発見された。対応するキロノバの観測結果は我々の予測の範囲内で説明され、rプロセス元素がつくられたことが示された。中性子星合体には1億年以上を要するため、銀河初期の星に観測されるrプロセス元素の存在が説明できないという問題があった。銀河系は様々な質量のサブハローの合体により形成され、低質量のサブハローほど星形成率が低いという仮説の基に銀河化学進化の計算を行い、観測されるrプロセス元素の存在は中性子星合体で説明できること、ストロンチウムなどの軽いrプロセス元素には超新星などの別も起源も必要なこと、そしてサブハローモデルが矮小銀河の化学進化も説明可能であることを明らかにした(Ishimaru et al. 2015; Ojima et al. 2018)。最終年度(本年度)は、中性子星合体がrプロセス元素の主要な起源であることを実証するために、rプロセス元素の核崩壊加熱率に関する研究を行った(Wanajo 2018)。中性子星合体GW170817の観測によりレアアースが存在することは明らかにされたが、金やウランなどの重いrプロセス元素がつくられた証拠は得られていない。GW170817での主要な熱源はrプロセス元素ではなくニッケル66(半減期2.3日)のような軽い元素であった可能性を示し、重いrプロセス元素がつくられたことを明らかにするには、将来の観測でカリフォルニウム254(半減期61日)の兆候を捉えることが有効であることを示した。本研究の主要課題である、中性子星合体におけるrプロセス元素合成(金やウランなど、鉄より重い元素の起源)の計算を行った。中性子星合体のシミュレーションには、2つの中性子星の質量および高密度状態方程式について、様々な組み合わせが可能である。本研究の初年度であることを考慮し、まず、観測的に最も典型的と考えられる中性子星質量の組(1.3太陽質量+1.3太陽質量)について、一つの高密度状態方程式を適用してシミュレーションを行い、rプロセス元素合成の計算に適用した。その結果は太陽系のrプロセス元素組成とほぼ合致し、特に、これまでの研究では説明できなかった、銀などを含む比較的軽いrプロセス元素についても、観測と矛盾なく説明することができた。これは、先行研究では無視されていた、電子・陽電子捕獲やニュートリノ捕獲などの弱い相互作用反応を正確に考慮したことによるものである。研究結果は学術雑誌アストロフィジカル・ジャーナルで発表され、また、理化学研究所のプレスリリースで取り上げられた。さらに、元素合成の計算に基づいて、rプロセス元素の銀河科学進化計算を行った。銀河系がより小さい銀河の合体から形成されたというシナリオに基づき、これまでの中性子星合体説の問題であった、銀河初期における中性子星合体の寄与についても観測と矛盾なく説明できることを示した。研究成果はアストロフィジカル・ジャーナルで発表された。以上より、これまでの超新星説に代わり、中性子星合体がrプロセス元素の起源である可能性が高いことが示された。中性子星合体の数値シミュレーションとrプロセス元素合成計算、そして銀河化学進化の数値計算を行った。また、元素合成の結果を用いて、中性子星合体から予想される電磁波放射の計算を行った。中性子星合体のシミュレーションについては、5通りの中性子星質量の組(1.25-1.45, 1.30-1.40, 1.33-1.37, 1.35-1.35;数字は太陽質量を単位とした)および2つの高密度状態方程式(SFHo, DD2)について行った。その結果、中性子星質量の組み合わせや状態方程式により、放出物質の質量や中性子過剰率が有意に異なることが明らかになった。また、合計10通りの中性子星合体モデルについて、rプロセス元素合成の計算に着手した(現在継続中)。銀河の化学進化については、前年度までにすでに得られている中性子星合体と元素合成計算の結果を銀河モデルに適用し、宇宙初期(最初の数億年程度)におけるrプロセス元素(ユーロピウム、金、ウランなど)の銀河進化の数値計算を行った。その結果、銀河系の構造形成を考慮すると、観測されている銀河初期のrプロセス元素の存在は中性子星合体が起源であれば説明できることを明らかにした。中性子星合体からの電磁波放射については、重力波対応天体の探索に向けた研究を行った。これまでに得られた元素合成の計算結果をもとに、核崩壊によるガンマ線および光赤外放射の数値計算を行った。その結果、現在および近い将来に打ち上げが予定されているX線・ガンマ線天文衛星を用いた場合、比較的近傍での中性子星合体からでないと検出は難しことが明らかになった。一方、光赤外放射については比較的遠方の中性子星合体からでも現在の大型望遠鏡による検出が可能であり、重力波望遠鏡で中性子星合体からの重力波が検出された場合、最も観測可能性の高い電磁波対応天体になりうることが明らかになった。現在のところ、ほぼ研究計画通り進展している。本年度は主として超新星爆発からの軽いrプロセス元素の合成、そして超新星爆発と中性子星合体を考慮した銀河化学進化の研究を中心に行った。超新星のモデルは、一般相対論およびニュートリノ輸送を考慮した2次元数値流体シミュレーションの結果を用いた。

8倍太陽質量から27倍太陽質量までの6モデルについて元素合成の計算を行った。その結果、質量が太陽質量の8倍から10倍程度の超新星の場合は、原子番号40程度(質量数90程度)までの鉄より重い元素を合成することが明らかになった。また、太陽質量の10倍以上の典型的な超新星爆発は、鉄より重い元素をほとんどつくらないことが確かめられた。いずれの場合も超新星爆発で重いrプロセス元素が作られることはなく、せいぜい原子番号50程度までの軽いrプロセス元素の合成にとどまることが示された。前年度までの結果と総合的に判断すると、rプロセス元素のほとんどは中性子星合体によってつくられ、軽いrプロセス元素の一部が超新星爆発によってつくられたと考えられる。銀河化学進化については、超新星爆発による軽いrプロセス元素合成と中性子星合体による全てのrプロセス元素合成を仮定した。ミニハローが合体して現在の一つの銀河ハローがつくられたという階層構造モデルを用い、また、超新星爆発や中性子星合体が確率的に起きるモンテカルロ法を導入した。中性子星合体は超新星に比べて1000分の1程度の頻度でしか起こらないため、質量が最小のミニハローについては10分の1程度の確率でしか中性子星合体が起こらないことが示された。これは、銀河ハローでrプロセス元素が豊富な星の割合とほぼ一致している。現在のところ、ほぼ研究計画通り進展している。本年度は、重力波対応天体の観測に向けて、中性子星合体から予測される電磁波放射(kilonova)に関する研究を主として行った。中性子星合体の数値流体シミュレーションの結果をもとに、最新の原子核データを適用した元素合成コードを用いてrプロセスの計算を行い、放射性元素の崩壊による加熱率の計算を行った。その結果を用いて重力波対応天体の電磁波放射の計算を行った。2017年8月にLIGO重力波望遠鏡により初めての中性子星合体からの重力波(GW170817)が検出されると同時に様々な望遠鏡で電磁波放射の詳細な観測が行われた。その結果は、我々の予測した中性子星合体のkilonovaモデルの一つと驚くべきほどよく一致していた(Tanaka et al. 2018;出版済み)。これより、我々が以前から提案していたとおり、中性子星合体でrプロセスが起きていることがほぼ確実となった。しかしながら、GW170817に対応するkilonovaの観測から推定された原子番号56以上のrプロセス元素の質量比は予想された値の1/10以下に留まり、また、プラチナ(原子番号78)、金(79)、ウラン(92)のような元素が合成された証拠は得られていない。次回以降のkilonova観測に備えて、金やウランの合成を検証するための元素合成の計算を行った。ウランまでの元素が合成されれば、ベータ崩壊だけでなく、核分裂が起きることに注目して、特に核分裂からの加熱率の寄与を考慮した(論文投稿準備中)。また、小さい銀河(ミニハロー)の合体によって銀河系が形成されたという構造形成モデルに基づく銀河の化学進化の計算により、中性子星合体がrプロセス元素の主要な起源である可能性が高いことを示した。
統計に起因する諸問題への列挙算法の開発

列挙算法は,VLSI・ビッグデータ・遺伝子情報・合成化合物などの広範な分野で適用できる,情報データ解析ツールの一つである.本研究では,統計に関する問題に対し,列挙算法を開発した.具体的には,ある種のグラフ上でのコスト付き頂点彩色問題の最適解を高速に列挙する算法である.結果は,国際会議で発表し,未発表の結果を含め,論文にまとめている.平成24年度は,昨年度に引き続き,木に対する「コスト付き点彩色問題」の最適解を列挙するアルゴリズム開発に従事した.木構造はグラフ理論のみならず,統計分野でも頻繁に扱われる構造であり,グラフィカルモデルのジャンクション木・木分解や,機械学習理論でも研究されている.一般グラフ上での「コスト付き点彩色問題」はNP困難であるが,問題の実社会への応用に,『機械への効率良いジョブ割当』,『携帯電話の周波数割当』等が知られ,実用的なアルゴリズム開発が期待される興味深い問題である.木に対しては多項式時間で解ける事が1997年に示されたが,列挙アルゴリズム開発は,私の知る限り未着手である.そこで私は,平成23年度に上記列挙アルゴリズムを開発し,24年度に,木の構造を生かして,開発した列挙アルゴリズムの高速化に成功した.この研究成果は,海外研究集会(ベルリン,ハワイ)や,情報処理学会の研究集会にて発表し,成果について外部の研究者と深い議論を交わす事が出来た.また新たな結果も導けた為,共著論文にまとめ,投稿準備中である.統計分野において,「グラフ構造」は統計データの要因間の複雑な関連の可視化に用いられる離散構造の一つで,統計データの検定などに利用される.統計データの検定は医療統計データ,ビッグデータ分析にも適用され,その需要は急激に増加している.統計データの検定の際には,グラフ構造上での組合せ最適化問題を解く必要がある場合が多く,組合せ最適化問題の求解の際,最適解や実行可能解が列挙できれば,より精度の高い検定が可能だが実現は容易でない.そのため,統計データに付随する組合せ最適化問題に対する高速列挙アルゴリズム構築は,データ検定ではニーズの高い課題の一つである.本研究の初期段階では,対象とするグラフ構造を木に限定し列挙解法構築を試みた.統計データで扱う木構造はジャンクション木をはじめ多数存在するため,木を対象とすることは意義がある.提案した解法は「コスト付き頂点彩色問題」の最適解を,単純なデータ構造のみで高速列挙するものである.さらに,列挙解法構築の際に与えられた色数を必ず用いる木の形状の特徴付けという理論的な成果も得ることが出来た.本研究の最終段階では,先に構築した列挙解法を拡張し,対象を1ー木としても,コスト付き頂点彩色問題の最適解列挙が可能であることを示した.この結果により,対象とするグラフ構造を木幅で分類し,木幅に応じて列挙解法が適用できるか否かを判別するという,新たなアプローチでの研究の方向付けが展開できた.本研究で得られた結果は未発表のものを含んでおり,現在,論文にまとめ投稿準備をしている.今後は,提案した列挙解法のビッグデータ分析への適用の可能性などを検討したい.列挙算法は,VLSI・ビッグデータ・遺伝子情報・合成化合物などの広範な分野で適用できる,情報データ解析ツールの一つである.本研究では,統計に関する問題に対し,列挙算法を開発した.具体的には,ある種のグラフ上でのコスト付き頂点彩色問題の最適解を高速に列挙する算法である.結果は,国際会議で発表し,未発表の結果を含め,論文にまとめている.私は,与えられた離散構造から,制約を満たす対象を高速に列挙する列挙算法の構築を研究している.本研究では,対象とする離散構造を,統計分野を主とする諸問題に関連したものに限定する.列挙算法は研究され始めた当初は,抽象度の高い理論的問題に対して算法構築が試みられる事が多かったが,近年,コンピュータの進歩により大量データの扱いが可能となったため,膨大データに対する応用分野の問題への適用が増えつつある.私の知る限り,統計分野では列挙算法の需要はあるが,アルゴリズムの研究者の参入は少ない.以上の理由から,私は,統計分野に起因する問題への列挙算法の提案を目指している.私は過去,統計のグラフィカモデル(特にコーダルグラフ)上で定義される「完全列」を高速列挙する算法を提案した.完全列を列挙すると,統計データの検定に役立つ事が知られていたが,列挙算法は未提案であった.本研究では,以下のような実施計画を考えた.まず初めに,統計分野で列挙算法の適用の可能性がある問題をリストアップする.そして,対象とする問題の解の持つ組合せ構造を解明し,各問題に対し,順次,列挙解法の提案を試みる.私は当該年度では,対象をグラフの木に絞って列挙算法構築を試みた.木はグラフイカルモデルにおいては,Junction tree等,頻繁に扱われる構造であるが,木に限定した列挙算法の提案はまだ十分になされていない.そこで私は,木に対する「コスト付き頂点彩色問題」の最適解の列挙算法の構築に成功した.提案した列挙算法は論文にまとめ,投稿する準備を進めている.当初の研究計画では,平成24年度の主作業は既存の列挙アルゴリズムの体系化,及びデータベース化を予定していたが,前年度に開発した列挙アルゴリズムに関連した興味深い研究成果が多数得られたため,データーベース化作業は一時中断している.

しかし,平成23年・24年の2年間で,『コストを考慮して最適解のみを列挙する』という,新たなアプローチによる列挙アルゴリズム開発が遂行でき,また予想外の知見が得られた為,全体的に研究は順調に進展していると見なせる.研究が遅れ気味である一番の理由は,列挙問題のリストアップに時間を要した事が挙げられる.実用に起因する列挙問題は,解が複雑な離散構造を有し,既存のアルゴリズムを複数組合せて問題を解くという戦略が通用しない.そのため,問題の解構造の持つ特有な性質に注目する必要がある.しかし,扱う対象をグラフの木に限定したため,列挙算法が適用できる問題群が明確となり,以後,遅れを挽回出来ると思われる.平成25年度は,木に対する「コスト付き点彩色問題」の最適解の列挙アルゴリズムについて,現在までに得られている研究成果を論文にまとめ,専門誌に投稿する予定である.さらに,木に対する「コスト付き辺彩色問題」,「リスト付き全彩色問題」の最適解の列挙アルゴリズムや,第k最適解を求めるランキングアルゴリズムの開発の可能性を模索する.また並行して,既存の列挙アルゴリズムのデーターベースを完成させる予定である.私は,列挙算法を適用する離散構造の対象をグラフの木に限定した結果,「コスト付き頂点彩色問題」の最適解の列挙算法の構築に成功した.さらに,私は次の算法の提案を考えている.(1)「コスト付き頂点彩色問題」へのランキング算法,(2)「コスト付き辺彩色問題」の最適解の列挙算法,(3)「コスト付き辺彩色問題」へのランキング算法,(4)「リスト付き彩色問題」の実行可能解の列挙算法である.上記の算法の構築が実現したら,問題の解から共通する離散構造を抽出し,代数的な性質を解明したい.平成24年度は,2回の海外出張の内,1回分の費用を他の研究費から捻出したため,繰越金が発生している.平成25年度は,主に旅費に使用する予定である.理由は,統計分野の研究集会において,本研究で得られた成果を発表し,外部の研究者との意見交換を通じて当該成果の統計分野への応用を検討する為である.同時に,最新の研究情報に関する知見を得て,研究の方向性を確認する.統計分野の研究者に対し,研究成果等を通して研究の方向性に対する客観的な意見を求め,研究の方向性の修正を随時行う.さらに研究進捗状況に関し,外部との意見交換,及び研究成果の交換のために,2週に1回程度検討会を開く.平成24年度の研究計画(a):平成23年度に得られた研究成果を各種研究集会で発表し,成果発表を通じて外部の研究者と意見交換等を行い,研究の方向性を確認する.また,海外での研究成果の発表も行い,最新の研究情報の知見を得る(b):平成24年度の研究中に得られた研究成果を,論文にまとめ(研究成果投稿料を利用して)専門ジャーナルに投稿し,研究成果および研究の方向性に関する,客観的な意見を,外部より求めて,その都度研究の方向性を修正する.
フェムト秒パルスとプラズモニクスの融合による超高速分光・コヒーレント制御

【目的】本研究の目的は,赤外フェムト秒パルス電場の時空間制御により,分子の振動励起状態を自在にコントロールする手法の開発である.具体的には,波形整形されたフェムト秒パルスを局在表面プラズモン共鳴によりナノ空間に閉じ込め,分子と強く相互作用させることで,凝縮相分子の多段階振動励起効率の向上,さらには分子化学反応の制御を目指す.【金属ナノ構造の設計・作製・評価】対象分子の吸収帯域で強く共鳴する金ナノアンテナアレイ構造を,有限差分時間領域(FDTD)法に基づく数値計算により求めた.計算で得られた構造を,東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC)の電子線描画装置を用いて作製した.走査型電子顕微鏡及びFTIRにより作製した構造の評価を行い,所望の構造が得られている事を確認した.【振動励起による解離反応制御】作製した金ナノ構造上に金属カルボニル錯体の液体薄膜試料を形成し,赤外ポンプ・プローブ分光実験を行った.負チャープ付与及び金ナノ構造の電場増強効果により励起効率が飛躍的に向上し,第6振動励起状態への強励起を初めて実現した.さらには,強励起による結合解離反応の誘起に成功し,理論計算から解離生成物が金ナノ構造表面に吸着していることが示唆された.【本成果の意義】赤外フェムト秒パルスによる解離反応制御は古くから試みられてきたが,凝縮相分子に対しては低い励起効率ゆえに未だ実現されていなかった.本研究では,プラズモン電場増強と波形整形を組み合わせ光ー分子相互作用を高めることで,凝縮相分子の振動励起による解離反応誘起に初めて成功した.赤外域で顕著な電場増強効果を示す金属ナノ構造の設計・作製・評価はスムーズに進み,早い段階で超高速分光実験に進んだ.超高速分光実験では,金属ナノ構造を介した光ー物質相互作用の定式化という学術的課題や,金属ナノ構造からの散乱光ノイズの除去という技術的課題に直面したが,それらを着実に解決し,表面増強型の超高速振動分光の原理実証実験に成功した.次に,赤外フェムト秒パルスの時間波形制御とプラズモン電場増強の両立により,金属カルボニル錯体分子の高振動準位への励起,さらには結合解離反応の誘起に成功した.これは,凝縮相分子においては初めての成功例である.実験開始当初,計測された信号の解釈に苦戦したが,いくつかに仮説を立てそれらを検証する実験を行うことにより,上記の結論を得るに至った.今後はさらにもう一歩駒を進め,解離反応ダイナミクスの観測を試みる予定である.これを実現するには,解離反応の高効率化と超高速分光計測のさらなる高感度化が必要であり,数値計算により最適な時間波形および金属ナノ構造の探索を進める.【目的】本研究の目的は,赤外フェムト秒パルス電場の時空間制御により,分子の振動励起状態を自在にコントロールする手法の開発である.具体的には,波形整形されたフェムト秒パルスを局在表面プラズモン共鳴によりナノ空間に閉じ込め,分子と強く相互作用させることで,凝縮相分子の多段階振動励起効率の向上,さらには分子化学反応の制御を目指す.【金属ナノ構造の設計・作製・評価】対象分子の吸収帯域で強く共鳴する金ナノアンテナアレイ構造を,有限差分時間領域(FDTD)法に基づく数値計算により求めた.計算で得られた構造を,東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC)の電子線描画装置を用いて作製した.走査型電子顕微鏡及びFTIRにより作製した構造の評価を行い,所望の構造が得られている事を確認した.【振動励起による解離反応制御】作製した金ナノ構造上に金属カルボニル錯体の液体薄膜試料を形成し,赤外ポンプ・プローブ分光実験を行った.負チャープ付与及び金ナノ構造の電場増強効果により励起効率が飛躍的に向上し,第6振動励起状態への強励起を初めて実現した.さらには,強励起による結合解離反応の誘起に成功し,理論計算から解離生成物が金ナノ構造表面に吸着していることが示唆された.【本成果の意義】赤外フェムト秒パルスによる解離反応制御は古くから試みられてきたが,凝縮相分子に対しては低い励起効率ゆえに未だ実現されていなかった.本研究では,プラズモン電場増強と波形整形を組み合わせ光ー分子相互作用を高めることで,凝縮相分子の振動励起による解離反応誘起に初めて成功した.赤外域で顕著な電場増強効果を示す金属ナノ構造の設計・作製・評価はスムーズに進み,早い段階で超高速分光実験に進んだ.超高速分光実験では,金属ナノ構造を介した光ー物質相互作用の定式化という学術的課題や,金属ナノ構造からの散乱光ノイズの除去という技術的課題に直面したが,それらを着実に解決し,表面増強型の超高速振動分光の原理実証実験に成功した.次に,赤外フェムト秒パルスの時間波形制御とプラズモン電場増強の両立により,金属カルボニル錯体分子の高振動準位への励起,さらには結合解離反応の誘起に成功した.これは,凝縮相分子においては初めての成功例である.実験開始当初,計測された信号の解釈に苦戦したが,いくつかに仮説を立てそれらを検証する実験を行うことにより,上記の結論を得るに至った.今後はさらにもう一歩駒を進め,解離反応ダイナミクスの観測を試みる予定である.これを実現するには,解離反応の高効率化と超高速分光計測のさらなる高感度化が必要であり,数値計算により最適な時間波形および金属ナノ構造の探索を進める.
俳句的省略表現の理解過程における復元・拡充の心理的解明及び熟達化支援

本研究課題では,スマートフォン等の携帯性に優れた端末の普及に伴い,断片的で省略を含む言語表現が今日用いられやすい実態を指摘した。そうした今日的な言語表現である断片的かつ省略された言語表現の理解過程には,詩歌の理解時に行われる,省略表現を散文的表現にパラフレーズ(paraphrase)する過程(復元過程)とその後より多くの推論や再度パラフレーズを行う過程(拡充過程)の知見が援用できると論じた。さらに,こうしたいわば俳句的省略表現を理解する際の情報の復元・拡充過程を支援する方策として,他者とのコミュニケーションを用いた方法を提案した。ここ数年来の急激な社会的変化として,高速モバイルインターネット環境およびスマートフォンやタブレット端末といった携帯性に優れた端末の普及がある。これにより読み書き環境は激変したとも言えるが,実際の読み書きの心理的過程や産出物については,その変容ないし不変性に関しては解明されていない。本研究は,携帯性に優れた端末の普及に伴って顕著と考えられる,省略を含む言語表現(俳句的な省略表現)の読解について,情報の復元・拡充(reinstate,enrich)に焦点を当てて検討を行うものである。平成25年度は,ICT環境における言語情報の理解について,既存の研究論文および関連資料を概観し,省略を含む言語表現における情報の復元・拡充のモデルの方向性について検討した。資料の収集および整理に当たっては,今日,スマートフォンやタブレット型端末などのICTを用いた断片的な情報の断続的な発信や受信が増大している現状を踏まえた。考察では,今日的な言語情報の特徴やその理解過程の理論の方向性を検討した。電子書籍と紙媒体での書籍とにおける読解過程や機能の比較に加え,ここ数十年のICTの進展および高速モバイルインターネット環境の整備,スマートフォンやタブレット型端末などの携帯性に優れた端末の普及が読み書き環境にもたらした影響と,そこで必要とされているICTに対応し調整していく能力や,迅速性・即時性,コミュニケーションの重視が特徴とされている“New Literacies"についても検討した。さらに,大量に発信・受信されている言語情報が断片的であり省略が用いられやすいという観点から,詩歌との通底性を論じ,詩歌の理解時の情報を復元・拡充する過程の解明が,今日的な言語情報の理解へも示唆をもたらすと論じた。これにより読み書き環境は激変したと思われるが,実際の読み書きの心理的過程や産出物については,従来との比較も含めて,十分な解明はなされていない。本研究は,携帯性に優れた端末の普及に伴ってより広範にみられるようになったと考えられる,省略を含む言語表現の読解について,情報の復元・拡充(reinstate, enrich)に焦点を当てて検討を行うものである。平成25年度は,ICT環境における言語情報の理解に関する研究を概観し,現在大量に発信・受信されている言語情報とは,断片的であり省略が用いられやすいという特徴があり,この点において詩歌との通底性を論じ,詩歌の理解時における情報の復元・拡充過程の解明が,今日的な言語情報の理解にも示唆を与えうるとした。これをうけて,平成26年度は,省略表現である詩歌のひとつとして,俳句を今日的な言語情報の特徴をもつ言語表現として取り上げて,その復元・拡充過程における受信・発信,すなわち他者とのコミュニケーションがもつ影響とその役割について検討した。大学生を対象としてピアレビュー方式で俳句解釈させた結果,1)独力での解釈に対する他者評価が高くなかった場合,その後の他者とのコミュニケーションは解釈を変化させる直接的な効果をもつこと,2)独力での解釈に対する他者評価が高かった場合でも,他者の視点や表現方式などを契機として解釈がさらに変化しうること,3)他者とのコミュニケーションを契機とした解釈の変化には驚きや興味関心など情動的な価値評価が伴われること,を明らかにした。近年の急激な社会的変化として,高速モバイルインターネット環境およびスマートフォンやタブレット端末といった携帯性に優れた端末の普及がある。本研究は,こうした携帯性に優れた端末の普及に伴ってより広範にみられるようになったと考えられる,省略を含む言語表現の読解について,情報の復元・拡充(reinstate, enrich)に焦点を当てて検討を行うものである。前年度までの研究において,ICT環境における言語情報の理解に関する研究を概観して現在大量に発信・受信されている言語情報とは,断片的であり省略が用いられやすいという特徴があり,この点において詩歌との通底性を論じ,詩歌の理解時における情報の復元・拡充過程の解明が,今日的な言語情報の理解にも示唆を与えうるとを報告した。また,これを受けて,省略表現である詩歌のひとつとして俳句を取り上げて,その復元・拡充過程における受信・発信,すなわち他者とのコミュニケーションがもつ影響について検討し,解釈(言語表現)を変化させる直接的・間接的効果があること,とくに間接的な効果(例,他者の視点や表現方式などを契機とした変化)の場合には驚きや興味関心など情動付随することを明らかにした。平成27年度は,省略を含む言語表現の理解過程における復元・拡充の過程を精査した。その結果,復元・拡充の過程において理解/解釈が変容しにくいとされる場合でも一定条件下において省略表現の解釈の変容が生じる現象を確認し,それを関連学会にて報告した。また,俳句的省略表現の理解過程における復元・拡充過程のモデルおよび熟達化支援に関する成果を関連学会にて報告する予定である。当初の計画どおり研究を行えた。また,当初想定していなかった,理解/解釈は変容しにくいとされる場合でも省略表現の解釈の変容が生じる現象を確認し,それが生起する条件についても学会にて報告した。

前年度までの研究において,ICT環境における言語情報の理解に関する研究を概観し現在大量に発信・受信されている言語情報とは,断片的であり省略が用いられやすいという特徴があり,この点において詩歌との通底性を論じ,詩歌の理解時における情報の復元・拡充過程の解明が,今日的な言語情報の理解にも示唆を与えうることを指摘した(平成25年度)。これを受けて,省略表現である詩歌のひとつとして俳句を取り上げて,その復元・拡充過程における受信・発信,すなわち他者とのコミュニケーションがもつ影響について検討し,解釈を変化させる直接的・間接的効果があること,とくに間接的な効果の場合には驚きや興味関心など情動付随することを明らかにした(平成26年度)。さらに,省略を含む言語表現の理解過程における復元・拡充の過程を精査し,当初想定していなかった,復元・拡充の過程において理解/解釈が変容しにくいとされる場合でも,一定条件下において省略表現の解釈の変容が生じる現象を確認した(平成27年度)。これらの成果を受けて,平成28年度は,俳句的省略表現の理解過程における復元・拡充過程として,1)省略表現を散文的表現にパラフレーズ(paraphrase)する過程(復元過程)が存在すること,2)このパラフレーズの過程を困難に感じる人が多く,多くの場合,その過程における推論は最小限/最低限であること,3)しかし他者のパラフレーズの結果を参照した後には,再度パラフレーズが行われやすく,その際により多くの推論が行われうること(拡充過程),4)参照する他者のパラフレーズが高評価のものでなくても,再度自身でパラフレーズを行う契機となりうること,などの知見が得られたことを国際学会にて報告し,このような復元・拡充過程の熟達化支援として,他者とのコミュニケーションを通じて再度のパラフレーズを促す方策を提案した。本研究課題では,スマートフォン等の携帯性に優れた端末の普及に伴い,断片的で省略を含む言語表現が今日用いられやすい実態を指摘した。そうした今日的な言語表現である断片的かつ省略された言語表現の理解過程には,詩歌の理解時に行われる,省略表現を散文的表現にパラフレーズ(paraphrase)する過程(復元過程)とその後より多くの推論や再度パラフレーズを行う過程(拡充過程)の知見が援用できると論じた。さらに,こうしたいわば俳句的省略表現を理解する際の情報の復元・拡充過程を支援する方策として,他者とのコミュニケーションを用いた方法を提案した。平成26年度は,省略表現の理解における情報の復元・拡充の過程について,俳句を今日的な言語情報の特徴をもつ言語表現として取り上げ,その復元・拡充過程において他者とのコミュニケーションの影響について検討し,その結果,一定の知見が得られたため。俳句的省略表現の理解過程における復元・拡充過程および熟達化支援に関する成果を関連学会にて報告する予定である。教育心理学
圧縮/膨張ユニット組み込みによる家庭用CO_2エアコンの高効率化

自然冷媒である二酸化炭素を用いた冷凍サイクルにおいて,圧縮/膨張ユニットを組み込んで絞り損失を回収することによりエネルギー効率向上を図る試みとして,ベーン形膨張機とスクロール形膨張機の基本性能を明らかにし,膨張機内で発生する遷移膨張漏れ流れや膨張/圧縮一体形機を組み込んだサイクルの性能を検討した.ベーン形膨張機に関しては,すき間の最適化や軸シール部の減少などにより,その全効率は59%まで向上した.遷移臨界膨張過程は膨張機供給温度により大きく変化し,供給温度が低い場合には「蒸発遅れ」が観察されたが,広い運転範囲において良好な膨張機性能を示した.また,圧縮機の部材をそのまま用いたスクロール形膨張機の全効率は56%であり,最適設計により十分な膨張機効率が得られるであろうことが示唆された.一方,膨張機内で発生する遷移臨界漏れ流れについてモデル実験を行った結果,狭い隙間における漏れ流量は,入り口加速,流路中の摩擦損失および加速損失を考慮した均質流モデルにより正確に見積もることができるが,チョークした流れではモデルの改良も必要であることが分かった.さらに,膨張機と2段目の圧縮機が一体となる圧縮/膨張一体形機を試作してその運転特性を実験により調べた.一体形機を組み込んだ冷凍サイクルの運転バランス点およびサイクル性能を,膨張機と圧縮機それぞれの性能特性を考慮して検討したところ,膨張弁を用いたサイクルに比べ約21%の性能改善が得られることが分かった.また,運転バランス点が設計点からずれるとサイクル性能が低下するが,バイパスや予膨張により放熱圧力を最適に保つことにより性能改善が得られることが示された.本研究では良い性能を持つ圧縮機や膨張機を開発するまでには至らなかったが,本研究で得られた知見は,二酸化炭素冷媒を用いた家庭用エアコンの実現に対し,その可能性を示すものである.自然冷媒である二酸化炭素を用いた冷凍サイクルにおいて,圧縮/膨張ユニットを組み込んで絞り損失を回収することによりエネルギー効率向上を図る試みとして,ベーン形膨張機とスクロール形膨張機の基本性能を明らかにし,膨張機内で発生する遷移膨張漏れ流れや膨張/圧縮一体形機を組み込んだサイクルの性能を検討した.ベーン形膨張機に関しては,すき間の最適化や軸シール部の減少などにより,その全効率は59%まで向上した.遷移臨界膨張過程は膨張機供給温度により大きく変化し,供給温度が低い場合には「蒸発遅れ」が観察されたが,広い運転範囲において良好な膨張機性能を示した.また,圧縮機の部材をそのまま用いたスクロール形膨張機の全効率は56%であり,最適設計により十分な膨張機効率が得られるであろうことが示唆された.一方,膨張機内で発生する遷移臨界漏れ流れについてモデル実験を行った結果,狭い隙間における漏れ流量は,入り口加速,流路中の摩擦損失および加速損失を考慮した均質流モデルにより正確に見積もることができるが,チョークした流れではモデルの改良も必要であることが分かった.さらに,膨張機と2段目の圧縮機が一体となる圧縮/膨張一体形機を試作してその運転特性を実験により調べた.一体形機を組み込んだ冷凍サイクルの運転バランス点およびサイクル性能を,膨張機と圧縮機それぞれの性能特性を考慮して検討したところ,膨張弁を用いたサイクルに比べ約21%の性能改善が得られることが分かった.また,運転バランス点が設計点からずれるとサイクル性能が低下するが,バイパスや予膨張により放熱圧力を最適に保つことにより性能改善が得られることが示された.本研究では良い性能を持つ圧縮機や膨張機を開発するまでには至らなかったが,本研究で得られた知見は,二酸化炭素冷媒を用いた家庭用エアコンの実現に対し,その可能性を示すものである.自然冷媒である二酸化炭素を用いた冷凍サイクルにおいて,圧縮/膨張ユニットを組み込んで絞り損失を回収することによりエネルギー効率両上を図る試みとして,今年度は膨張機の性能改善と圧縮機の試作を行った.現在までに運転に成功しているベーン形膨張機に関しては,流路変更による漏れ経路の削減,クリアランスの最適化,ベーン背圧空間への給油の検討,軸シール部の削減等により体積効率および機械効率の向上を図った.さらに付加供給ポートを採用することにより図示効率も改善され,その全効率は0.58まで上昇した。今後はさらなる効率向上を図るとともに,超臨界域における冷凍機油混入時の潤滑特性やシール特性などについても検討する必要がある.本システムでは,膨張機で得られた回収動力で圧縮仕事の一部をまかなうため,膨張機により駆動することを前提とした圧縮機の試作を行い,圧縮機を組み込んだサイクル性能の検討と試作圧縮機の性能を測定した.試作圧縮機は小型であるために相対的な漏れが大きく,ベーン背圧空間へ吐き出し圧力を作用させた場合には圧縮動作を行わず,ベーン背圧のかけ方に工夫が必要であった.体積効率は3000rpmで0.75であったが,吸い込みと吐き出しの差圧が大きくなるとともに減少するため,膨張機の開発と同様のステップにより効率向上を図る必要がある.膨張機により駆動される圧縮機をサイクルに組み込む場合には,中間冷却を伴う2段圧縮機の2段目の圧縮機として使用するのが望ましく,試作した圧縮機を膨張機により駆動した場合にはサイクル性能が1.4倍となることが分かった.

今後は圧縮/膨張一体形機械を試作し,その性能とサイクルに組み込んだ場合の運転特性を検討する.なお,現在特許申請の準備中であり,論文発表は控えている.自然冷媒である二酸化炭素を用いた冷凍サイクルにおいて,圧縮/膨張ユニットを組み込んで絞り損失を回収することによりエネルギー効率向上を図る試みとして,今年度はベーン形膨張機の性能改善と膨張機による圧縮機の駆動,膨張機内漏れ流れの検討,スクロール形膨張機の試作を行った.ベーン形膨張機に関しては,ベーン背部空間に油分離器により油混合率を高めた冷媒を供給することにより漏れを低減することができ,その全効率は約60%まで向上した.一方,膨張機で得られた回収動力の利用形態として,中間冷却を利用することができる二段圧縮サイクルに注目し,膨張機と2段目の圧縮機が一体となる圧縮/膨張一体形機を試作し,その運転特性を実験により調べた.試作した一体形機は膨張機側の性能が低く,そのままでは運転することができなかったが,膨張機側に付加的な流量を供給することにより一体形機を運転することができ,一体形機において0.8MPaの圧縮がなされた.一体形機は膨張機側と圧縮機側の流量と軸トルクが釣り合う点で運転されるが,運転バランス点は,膨張機と圧縮機それぞれの性能特性を考慮することにより理論的に求められることがわかった.膨張機の性能は内部漏れにより大きく影響を受けるため,膨張機内で発生する遷移臨界漏れ流れについてモデル実験を行い,油の混入も考慮した理論解析モデルの検証を行った.その結果,狭い隙間における漏れ流量は,入り口加速,流路中の摩擦損失および加速損失を考慮することにより正確に見積もることができることがわかった.また,入り口における加速では,エンタルピー差に基づいて流速を計算すればよいことも示された.さらに,ベーン形以外の膨張機として,スクロール形膨張機を試作し,その性能を測定した.試作器の性能はベーン形膨張機に及ばなかったが,旋回スクロールの背圧を最適化すれば良い効率が得られるであろうことが予測された.自然冷媒である二酸化炭素を用いた冷凍サイクルにおいて,圧縮/膨張ユニットを組み込んで絞り損失を回収することによりエネルギー効率向上を図る試みとして,今年度は広い運転範囲におけるべーン形膨張機の運転特性,スクロール形膨張機の性能に対するスクロール背圧の影響,膨張/圧縮ユニットを組み込んだサイクルの運転特性について検討した.膨張機入り口における流体の状態はガスクーラ出口温度により大きく変化するが,ベーン形膨張機では広い運転範囲において膨張機性能が維持されることが明らかとなった.また,遷移臨界膨張過程は,超臨界域から二相域に入るときにガス相から入るのか液相から入るのかによってその膨張過程が大きく異なり,膨張機入り口温度が低い場合には飽和圧力以下に圧力が下がっても蒸発が開始しない「蒸発遅れ」があることが分かった.一方スクロール形の膨張機ではスクロール歯形を支えるスクロール背圧が性能に及ぼす影響を検討し,背圧が最適の場合には圧縮機の部材をそのまま用いた膨張機でも全効率は56%となり,最適設計により十分な膨張機効率が得られるであろうことが示唆された.膨張機と2段目の圧縮機が一体となる圧縮/膨張一体形機を試作し,回収した膨張動力により0.6MPaの圧縮動作を得た.一体形機を組み込んだ冷凍サイクルの運転バランス点およびサイクル性能を,膨張機と圧縮機それぞれの性能特性を考慮して検討したところ,膨張弁を用いたサイクルに比べ約21%の性能改善が得られることが分かった.また,運転条件が異なる場合にバランス点における放熱圧力が小さくなるとサイクル性能が低下するが,膨張機前に絞りを入れて放熱圧力を最適に保つことにより性能改善が得られることが示された.
生骨組織中での骨細胞分化過程の可視化

目的である骨芽細胞から骨細胞への選択性、骨細胞への形態変化などについての検討は、まず、共焦点レーザー顕微鏡から得られた画像を元に、3次元構築し、Imaris、NeuronTracer、Surpass softwareをもちいて行った。まず、骨細胞への選択性に関しては、骨細胞の血管側の骨芽細胞との関連を観察した結果、一骨細胞は、5.7±1.6個の骨芽細胞と連結していることが示唆された。つまり、骨細胞への選択は、約6個の骨芽細胞の中で行われている可能性が示唆された。その選択機序はまだ明らかではないが、6個の骨細胞の中でも、骨細胞と密に連絡しているものは、その中で非常に限られており、その他の細胞は、横同士のつながりであった。このように、細胞突起の分布が骨細胞への選択性を調整しているが、決定している可能性が示唆された。次に、同ソフトウエアを用いて、骨芽細胞から骨細胞への形態計測学的検討を行った。それにより、いままで得られることのなかった骨細胞の全貌を明らかし、骨細胞の突起の長さ、表面積、体積などの形態計測値を得ることに成功した。その成果は2005年国際誌Boneに掲載され、骨細胞の突起の長さは、一細胞あたり、1070+145μm、また、一骨細胞の表面積は、1509+113μm^2、体積は394+49μm^3であることを明らかにした。さらに、in vitroの実験により、骨芽細胞と骨細胞の流体剪断応力に対する応答能を細胞内カルシウムを指標として比較した。その結果、骨細胞は骨芽細胞に比べて応答が弱いことを明らかにした。よって、骨芽細胞から骨細胞への分化の過程において、細胞の機能的な変化が生じることが明らかになった。平成16年度の目的である生骨組織の蛍光観察を教室現有の共焦点レーザー顕微鏡を用いて行った。まず、骨細胞特異的抗体OB7.3で標識された骨細胞を光毒性の少ない長波長励起を有する蛍光色素(Alexa594)で免疫組織学的に染色した。長波長による透過性により、骨深部の骨細胞まで染色されることが確認された。画像を取得後、さらに培養を継続したが、光毒性による細胞死などの影響が認められなかった。また、断層像を撮影するときに懸念される蛍光色素の消光も影響が少なくFluoviewを用いた骨細胞の3次元構築には影響はなく微細な骨細胞の突起を含めた構造を反映した像を得ることができた。よって、生骨組織を蛍光染色し、3次元構築することは可能であることが示唆された。さらに詳細な骨細胞の3次元構築像をえるために、骨細胞のアクチン線維をAlexa594で染色し、Imaris、NeuronTracer、Surpass softwareを用いて3次元再構築を行った。それにより、いままで得られることのなかった骨細胞の全貌を明らかにすることができると同時に初めて骨細胞の突起の長さ、表面積、体積などの形態計測値を得ることに成功した。その成果は本年度国際誌Boneに掲載される予定である。このように、現在、生骨組織の蛍光観察の手法の確立と、得られた結果の3次元的解析方法を検討している。さらに、次年度には、顕微鏡下での生骨組織の長期培養方法を確立し、目的である骨芽細胞から骨細胞への分化過程を映像に捕らえていく予定であり、そのための培養環境を調整している。

平成17年度の目的である骨芽細胞から骨細胞への選択性、骨細胞への形態変化などについての検討は、まず、共焦点レーザー顕微鏡から得られた画像を元に、3次元構築し、Imaris、NeuronTracet、Surpass softwareをもちいて行った。まず、骨細胞への選択性に関しては、骨細胞の血管側の骨芽細胞との関連を観察した結果、一骨細胞は、5.7±1.6個の骨芽細胞と連結していることが示唆された。つまり、骨細胞への選択は、約6個の骨芽細胞の中で行われている可能性が示唆された。その選択機序はまだ明らかではないが、6個の骨細胞の中でも、骨細胞と密に連絡しているものは、その中で非常に限られており、その他の細胞は、横同士のつながりであった。このように、細胞突起の分布が骨細胞への選択性を調整しているが、決定している可能性が示唆された。次に、同ソフトウエアを用いて、骨芽細胞から骨細胞への形態計測学的検討を行った。それにより、いままで得られることのなかった骨細胞の全貌を明らかし、骨細胞の突起の長さ、表面積、体積などの形態計測値を得ることに成功した。その成果は2005年国際誌Boneに掲載され、骨細胞の突起の長さは、一細胞あたり、1070+145μm、また、一骨細胞の表面積は、1509+113μm^2、体積は394+49μm^3であることを明らかにした。このように、昨年度の、生骨組織の蛍光観察の手法の確立に基づき、本年度は形態計測を行い、形態計測的な違いから、目的である骨芽細胞から骨細胞への分化過程を捕らえていく予定である。