hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
手作り理科実験具を基盤にした群馬県師範学校の理科教育が今日の教育に示唆するもの

群馬県の明治・大正期の科学教育を群馬県師範学校史料、同時代の教科書・実験書、上野教育会雑誌等の資料を基に研究した。明治17年、小学教員講習会が群馬県で16回開催され、群馬県師範学校教諭により、作り方の指導が行われ、授業で使える簡易器械(実験具)の製作が実施された。大正初期には理科児童実験書出版ブーム(第二回)が起こり、このなかに「児童理化観察実験要目」あるいは「実験指針」等が多くの県から出版された。群馬県で使用されたと思われる同県師範学校教諭佐藤宗次著『実験案内式児童理化実験指針』の内容を検討・考察した。1)後藤牧太・篠田利英・瀧澤菊太郎・柳生寧成著『小学校生徒用物理書』(以後、『小生物理書』と略記)の使用実績について、中之条町"ミュゼ"所蔵『物理筆記』及び群馬県立文書館所蔵の『小生物理書』の調査研究から、吾妻郡における使用実績を確認した。全国的な『物理筆記』発見(新潟大学グループ)との共同研究により、日本科学史学会70回年会でシンポジウムを開催し、その内容が「科学史研究」2013年冬号に小特集として掲載された。また分担者玉置は物理学会70回年会講演において、"ミュゼ"所蔵『物理筆記』の図版が教科書本体の写しであることを検証し、使用実績を再確認した(26年度まで)。2)『小生物理書』刊行までの経緯について、その著者および群馬県師範学校の役割の解明の手がかりを「上野教育会雑誌」記事に求めて、調査した(26年度まで)。3)同師範学校関係者の小学校理科実験教育方針の解明について、宇田川準一関連を分担者高橋がICPE2013(チェコ共和国プラハ)で報告した。また瀧澤の弟子、大森乙五郎の著書について赤羽が科学史学会西日本研究大会(龍谷大学)で報告した(26年度まで)。4)『小生物理書』の実験内容の分析と明治30年代刊行物理書との比較について、a)全実験題目147の分析、b)後藤牧太他著『物理学初歩』及び同著『物理教本』の実験題目・使用理化実験器械等の視点からの比較研究について、調査・検討を実施した(26年度まで)。5)1895(明治28)年、レントゲンによるX線発見は、我が国にも多大な反響を与えた。このことは明治41年の後藤牧太等の著書『物理書』にもX線の項目が追記され、原子物理分野へ拡大がみられる。明治期から現代までの放射線関連に着目して、その教育史を研究テーマに追加した。研究成果の一部は「放射線教育事始め」として「大学の物理教育」誌に掲載された。後藤牧太,篠田利英,瀧澤菊太郎,柳生寧成著『小学校生徒用物理書(上中下巻)』(以下『小生物理書』と略記)の使用実績:『小生物理書』の所在数調査を実施,群馬県内に32巻を確認,書籍の裏面等の記載事項,氏名,住所等から,当時17郡中7郡で同教科書の使用実績を確認した.赤羽は日本科学史学会2014年度第61回年会で報告した.『小生物理書』の刊行までの経緯における著者及び群馬県師範学校の役割分担の解明:1884(明治17)年212月に開催された同校教諭篠田,瀧澤,柳生等(後藤の弟子等)による小学校教員講習会の科目「物理」では物理器械の取扱法と簡易物理器械の製作が実施されていた.簡易器械製作は"active learning"に相当する.こうした教育実践を確認した上で1885(明治18)年『小生物理書』が刊行されたといえる。赤羽は第18回西日本研究大会(日本科学史学会中国支部共催)で報告した.この過程の詳細は継続研究とし平成27年度完成を目指す.『小生物理書』の実験内容の分析と明治30年代刊行『実験書』との比較調査:a)全実験題目147テーマと出版教科書(現行教科書含む)の実験テーマとの比較検討については,根岸福弥著書『小学理科講義実験法』(1899)について,分類作業を分担・実施した.他の『実験書』については継続研究とし平成27年度完成を目指す.b)『小生物理書』上巻,中巻,下巻の現代訳及び英訳の試行はほぼ完成し,文章表現等の検討を継続研究とし平成27年度での完成を目指す.c)原子物理学(放射線関連)分野の追加課題である「放射線教育事始め」の解明は後藤関連著書等の内容を検討した.明治28年発見のX線であるが,既に30-40年代の初等理科教科書に記述を見出した.27年度詳細を明らかにする.赤羽は応用物理学会(2014年9月)で展示報告した.1.簡易器械の普及活動と後藤他著『小学校生徒用物理書』の刊行目的について:明治17年に実施された群馬県小学教員講習会では物理器械の取扱法と簡易器械の参加教員による製作が行われた.授業で使える機器が充分ではない現状を鑑み,現場での教員の自製を目的とした講習といえる。明治20年には高崎地域の高等小学校生徒の自製が確認された。簡易器械による物理学習が普及していたことを示す。

その結果、後藤による自製は東京師範教師から始まり,次に同師範学校生徒の自製、さらには群馬県(あるいは他県)師範学校教師及び小学校教師、そして高等小学校生徒の自製へと普及したことが明らかになった(平成27年5月の科学史学会及び8月の物理教育学会年会で報告)。『小学校生徒用物理書』(以後、『小生物理書』と略記)の刊行はこうした簡易器械自製の指導書の役割を果たしたといえる。28年度は、講習会での簡易器械の製作の波及効果を高崎地域以外で探索の予定である。2.『小生物理書』の実験題目106と出版教科書の実験題目との比較検討について、後藤著『誰にもできる物理実験』の100実験及び根岸福弥著『小学物理実験法』について、分担調査を実施した。(8月のICPE2015及び28年年3月の物理学会年会で報告)。28年度は、後藤の著書を中心に実験題目の変遷を考察する。また明治・大正期における初等中等教育における原子物理分野の扱いについて、調査研究を行った。初等教育用教科書にエックス線及び放射性物質の記載のものが存在することが判明した。3.『小生物理書』上巻,中巻,下巻の現代訳及び英訳について、おおむね完成し、校閲中である。4.大正7年刊行の簡易器械関連の実験書類を調査・分析した。その結果、この時期の実験書には実験教育の趣旨及び製作法が詳述されており、明治期の簡易器械開発とその教育実践が師範学校訓導等により、全国的に実施・継続されていたことが分かった(科学史学会西日本大会で報告)。1.簡易器械の普及活動と『小生物理書』の刊行目的について:本年度ほぼ達成した。理由:群馬県主催の小学教員講習会の実施内容調査から、物理器械の取扱法と簡易器械の参加教員による製作の実態を明らかにすることができた。2.『小生物理書』の実験題目106と後藤が著わした実験書の実験題目との比較研究について:達成度は5割とした。理由は一部未着手の分野が生じたため。28年度完成予定。3.『小生物理書』上巻,中巻,下巻の英訳について、ほぼ完成することができた。達成度は9割とする。理由:訳書の校閲が未完成(現在実施中)のため。4.簡易器械による教育実践と開発研究の継続について:大正7年前後刊行の実験書類に着目して調査を行った。その結果、この時期の実験書類の記述から簡易器械による実験教育の趣旨及び製作法の詳細が判明した。またこうした実践と開発研究はほぼ全国的に普及・浸透していたことが判明した。達成度は6割である。理由:大正期における群馬県における実践・開発研究の事例について、詳細な資料を探索中のため。28年度に明らかにする予定である。1.明治・大正期の物理実験テーマの変遷、後藤牧太他著『小学校生徒用理書』(明治18)普及社と後藤著『誰にもできる物理の実験』(明治44)長風社刊との比較研究:前者が106、後者が100実験を掲載。テーマの特徴は1両者に共通のテーマ、2後者にガスリー等の外国実験書から取り入れ工夫したもの、3後者第37,38実験「和ばさみ」(振動実験)は日本独自の道具を工夫したもの、4後者第95実験は後藤の教え子からの提供実験、なお3「和ばさみ」は同様な実験が明治39年発行『少年新聞』に寺田寅彦により執筆・掲載を確認した。2.大正期に入り、1918(大正7)年前後に多数の児童実験書が出版され、2回目の簡易物理実験ブームが起きる。このブームの背景は、これまで1914-19(大正3-8)年の第1次大戦、大正7年の中等教育への理化学器械振興策等が要因とされているが、児童実験書の出版時期から、我々はこの背景に、それ以前、1907(明治40)年3月の第三次小学校令中改正(尋常小学校義務教育6年制と理科5,6年必修)とそれに伴う師範学校における理科実験指導等により、児童実験の奨励等が実施されたことが要因となったという結論に至った。
遠隔操作による実験教育を取り入れた自主学習型教育システムの試作研究

これまでに筆者らが開発した自主学習型教育システムの中では,学習者毎に倒立振子のコントローラを設計させ,数値シミュレーションによる検証を行わせている。さらに,ゲームソフトにおける「最終画面をクリアしたい」と同じように魅力的な最終目標を学習者に与える目的から,ネットワークを用いた遠隔操作による倒立振子制御実験を考える。本研究は以下の4点について実施された。1.遠隔操作制御実験の手順についての検討学習者が倒立振子コントローラを設計した後,それを用いた検証実験を行うための流れとして,以下の手順を考察した。"(1)"制御実験用サーバマシンへコントローラパラメータの転送,"(2)"遠隔操作制御実験の開始操作,"(3)"制御実験の様子のモニタの3つである。2.遠隔操作制御実験のためのプログラム開発前述の"(1)""(2)"を実現する方法として,学習者の操作しやすいシステムを目指す観点から,遠隔操作に必要な機能のみを有する専用通信プログラムの開発をJava言語を用いて行った。一方,"(3)"は市販のテレビ会議システムを利用することで実現可能となった。3.倒立振子制御プログラムの開発実用化に向けて倒立振子制御実験の自動化が必要であるため,振り上げ制御のためのWindows版制御プログラムの開発を行った。4.遠隔制御実験の実施前述のプログラムを組み込んだシステムによって,遠隔操作での検証実験が行えることを,実際の学習を想定した実験装置を用いることで確認した。今回の試作により,魅力的な動機付けのできる自主学習型教育システムが実現でき,実用化に向けての第一歩となった。今後,多くの学習者が利用することを想定したマルチユーザ対応システムの構築が考えられる。学習者にやる気を起こさせる工業教育のための自主学習型教育システムの開発を目指す.ゲームソフトにおいて「最終画面をクリアしたい」といった動機から子供から大人までがのめり込んで行く.CAIソフトにおいても,このような魅力的な動機付けが必要であり,このための一つとして実験を取り上げる.本開発では,ネットワークを用いた遠隔操作による実験を考える.従来より制御工学のためのCAIソフトを開発しており,その中では倒立振子のコントローラを個々に設計させ,数値シミュレーションによる検証を行わせている.このような背景から,魅力的な動機付けとして実際に倒立振子を立たせることを考える.本年度は,このような遠隔操作による実験について検討し,実現方法の提案と実験装置の構築を行い,教育システムへの適用可能性について検討した.学習者が行う実験の流れとして,次の5つを考えた.(1)倒立振子のコントローラを設計する.(2)実験的検証を行うため,コントローラのパラメータをサーバマシンへ転送する.(3)パラメータを使った遠隔操作による制御実験を行う.(4)制御実験の様子を学習者のパソコン画面でモニタする.(5)制御実験の様子から,必要に応じてコントローラの設計を繰り返す.これらを実現する学習システムの開発において,(2)はETP機能,(3)は遠隔操作ソフト,(4)はテレビ会議システムなどの既存のアプリケーションを利用することで,遠隔操作による制御実験が実現できることを,さらに教育システムに適用が可能であることを,実際の実験にて明らかにした.しかしながら,セキュリティの問題や,3つに分かれたソフトがシステムとしての操作性を煩雑する問題が起こった.そこで,Java言語を用いた専用通信プログラムを開発する必要がある.さらに,平成11年度では,人間に頼ることの多い制御実験を自動化すること,マルチユーザに対応することを行う予定である.これまでに筆者らが開発した自主学習型教育システムの中では,学習者毎に倒立振子のコントローラを設計させ,数値シミュレーションによる検証を行わせている.

さらに,ゲームソフトにおける「最終画面をクリアしたい」と同じように魅力的な最終目標を学習者に与える目的から,ネットワークを用いた遠隔操作による倒立振子制御実験を考える.昨年度は,このような遠隔操作による制御実験について検討し,一つの実現方法の提案と実験装置の構築を行った.今年度は,さらに,以下の3点について実施した.1.専用通信プログラムの開発昨年度,市販のアプリケーションを利用することで遠隔制御実験が行えることを確認した.しかしながら,複数のアプリケーションを用いる点,それらは必要以上の機能を有する点から,操作が複雑という問題点が残されていた.そこで,学習者の操作しやすいシステムを目指す観点から,遠隔操作に必要な機能のみを有する専用通信プログラムの開発を行った.2.倒立振子制御プログラムの開発専用通信プログラムによる遠隔制御実験の実現のために,DOS版倒立振子制御プログラムをWindows上で動作するように移植を行った.また,実用化に向けて倒立振子制御実験の自動化が必要であるため,振り上げ制御のための制御プログラムの開発を行った.3.遠隔制御実験の実施前述のプログラムを組み込んだシステムによって,遠隔操作での検証実験が行えることを,実際の学習を想定した実験装置を用いることで確認した.今回の試作により,魅力的な動機付けのできる自主学習型教育システムが実現でき,実用化に向けての第一歩となった.今後,多くの学習者が利用することを想定したマルチユーザ対応システムの構築が考えられる.
最適化理論に基づく免疫学習原理の解明と免疫に学ぶ最適化手法の探索

免疫系は,外敵の一部分を認識する免疫細胞が集まりレパートリーを構成することで,集団として多様な外敵を認識し記憶している.しかし,可能な免疫細胞数には限りがあるため,レパートリーは多様な外敵な情報を重要なものは保ちつつ単純化し保持していると考えられる.レパートリーの構成は,感染した外敵を認識する免疫細胞が増える免疫学習と呼ばれる増殖競争で変化する.しかし,増殖競争によるレパートリーの変化と免疫学習という情報単純化の関係は明らかでない.本研究では,免疫学習でコンパクト表現が学習される仕組みを,劣モジュラ性などのレパートリーの良さの指標の数理的性質から解明しようと試みる.免疫系は,外敵の一部分を認識する免疫細胞が集まりレパートリーを構成することで,集団として多様な外敵を認識し記憶している.しかし,可能な免疫細胞数には限りがあるため,レパートリーは多様な外敵な情報を重要なものは保ちつつ単純化し保持していると考えられる.レパートリーの構成は,感染した外敵を認識する免疫細胞が増える免疫学習と呼ばれる増殖競争で変化する.しかし,増殖競争によるレパートリーの変化と免疫学習という情報単純化の関係は明らかでない.本研究では,免疫学習でコンパクト表現が学習される仕組みを,劣モジュラ性などのレパートリーの良さの指標の数理的性質から解明しようと試みる.
長周期地震動に対する建物・エレベーターの自律協調制御

長周期地震動による超高層建物のエレベーターロープの引掛り事故の発生を低減するため、建物とエレベーターロープの双方の応答を考慮した協調制御手法を提案した。超高層建物・エレベーターロープ連成系モデルのシミュレーションと縮小試験体を用いた振動台実験を行い、提案する制御手法の特性を明らかにするとともに、応答低減に一定の効果があることを示した。提案手法は、エレベーターロープのみならず、建物内の様々な設備機器の応答低減に応用できる。本研究は,地震による超高層建物のエレベーター被害を低減するため,これまで別々に設計されていた建物の制振装置とエレベーターロープの制振装置を協調的に制御することで,制御性能を飛躍的に高めることを目的としている。本年度はまず,シミュレーションにより建物・エレベーター同時制御の特性を明らかにするため,高さ240mの超高層建物・エレベーター連成系モデル,アクティブマスダンパーによる建物制振装置とアクチュエータによるエレベーター制振装置のモデルを構築した。構築したモデルに対して,最適レギュレータ理論に基づく建物・エレベーター協調制御手法を立案し,El Centro,Taft,Hachinoheの標準3波、告示波、2004年新潟県中越地震K-NET新宿観測記録を入力地震動として用い,時刻歴応答解析を行った。エレベーターロープの応答特性について,非制御,利己的完全分散制御,利己的部分分散制御、利他的部分分散制御、協調的部分分散制御、建物応答低減を目的とした集中制御、ロープ応答低減を目的とした集中制御、建物とロープの双方の応答低減を目的とした集中制御の間で比較し,応答特性を分析した。その結果、建物の変位応答は制御手法間の差異は大きくなく、一方、ロープの応答は協調的な制御やロープ応答の低減を目的とした制御で良好な性能を有していることを確認した。次に、次年度に行う振動台実験のため,上記で構築したモデルにもとづき,時間スケールを1/10に縮小した建物縮小試験体,建物制振装置,エレベータ縮小試験体,エレベータ制振装置の設計と製作を行った。自由振動実験を行い、設計どおりのモード特性が得られていることを確認した。本研究は、地震による超高層建物のエレベーター被害を低減するため、これまで別々に設計されていた建物の制振装置とエレベーターロープの制振装置を協調的に制御することで、制御性能を飛躍的に高めることを目的としている。今年度はまず、高さ240mの超高層建物・エレベーター連成系について、前年度設計・製作した時間スケールを1/10に縮小した試験体を用い、最適レギュレータ理論に基づく制御手法の振動低減効果を検証する実験を行った。制御方式に関し、(1)非制御の場合、(2)建物のみの応答低減を目的とした制御の場合、(3)建物とエレベーターロープの両方の応答を低減する制御の場合の3通りについて、実験により応答低減効果の比較を行った。その結果、(3)の建物とエレベーターロープの両方の応答を低減する制御方式のときに、建物の絶対加速度応答とロープの変位応答をいずれも良好に低減できることを確認した。実験結果は国際会議で発表した。また、建物・エレベーター連成系に対して、地震動強度と建物応答レベルの時変化に応じて適切に制御対象を選択し、制御力を装置能力内に収めるように切り替える、周波数整形と可変ゲインフィードバック制御に基づいた制御手法を提案し有効性を検討した結果について、査読付き学術論文誌で発表した。加えて、建物と建物内部の設備(エレベーターや医療機器など)の協調制御に関し、建物と設備の両方に制振装置がある場合の制御手法を装置間の通信で共有する状態量の数と制御目的により分類し、制御手法間で性能を比較する解祈を行った結果について、国内学会発表ならびに査読付き学術論文誌への投稿を行った(2012年5月掲載決定)。そして、建物と建物内部の設備の協調制御に関し、特許の出願を行った。本研究は,長周期地震動による超高層建物のエレベーターロープの引っ掛かり事故等の被害を低減するため,これまで別々に設計されていた建物の制振装置とエレベーターロープの制振装置を協調的に制御することで,制御性能を飛躍的に高めることを目的とする。平成24年度では、システムの状態量を推定するオブザーバーに試験体の加速度センサーに対応したカルマンフィルターを採用し、外乱包含によるフィードフォワード制御を導入した制御則を組み込んだ建物・エレベーターロープ連成系の試験体を用いた振動台実験により、提案手法の有効性の検証を行った。エレベーターロープの引っ掛かり事故が見られた超高層建物の近傍で観測された地震動ならびに設計用入力地震動(告示波)を用いて振動台実験を行い、提案手法により建物とエレベーターの双方の応答が低減できることを確認した。また、線形二次ガウシアン(LQG)制御を用いた協調制御のパラメータ設計に関して、シミュレーションによりパラメータとシステムの応答の対応関係を分析し、LQG制御の評価関数と制御特性の関係を明らかにした。得られた知見は協調制御系の設計に役立つものと考えられる。そして、対象をより一般的な振動システムに拡大し、振動制御装置を有する免震床上にコンピュータサーバが設置された建物の制振装置を備えたデータセンターの事例についても検討を行い、効果的な協調制御ができることを確認した。

研究成果は国内学会の口頭発表のほか、査読付き論文発表や国際会議のポスター発表などを行った。計画した建物・エレベーター連成系試験体の制御実験と解析を行い、国内学会発表1編、国際会議発表1編、査読付き論文投稿2編(1編は掲載済み、もう1編は掲載決定)、特許の申請1件と、硬究成果の公表を精力的に行った。24年度が最終年度であるため、記入しない。まず縮小試験体を用いた建物・エレベーター連成系の制御実験について、実験データを補完的する目的で、パラメータ等を変更したケースの実験を行い、実験結果について詳細な分析を行う。そして、より効果的な応答低減手法を検討・提案し、この提案手法について、さらに実験を行うことで有効性を検証する。研究成果は国内外の学会で発表するとともに、次年度は研究最終年度であるため、3箇年の研究を総括し、報告書に取りまとめる。
渦ー音響相互作用モデルに基づく熱交換器管群部の気柱共鳴騒音予測手法の開発と実用化

管群を内蔵する熱交換器において、管群部で生じる熱流体による渦(カルマン渦)がダクト室内の共鳴を誘起すると、大レベルの騒音が発生し、場合によっては運転継続が困難になることが知られている。この現象を設計段階で予測するための手法を開発した。その概要であるが、現象を半実験的に表すモデルを考案し、それが有するパラメータを風洞実験により同定することで、共鳴の発生、発生時の最大音圧を予測するものである。汎用性のある共鳴予測手法として設計現場での使用が可能となると考える。管群をダクトに内蔵する熱交換器気柱振動の設計段階での予測および抑止方法の開発に向け、今年度は、この現象を支配する2つのフィードバックシステム(渦の強度が共鳴音場により増大する“強度フィードバック"、渦放出の同期化が共鳴音場により促進される“同期化フィードバック"に関する定式化を完了した。その特徴は、気柱ー渦間の相互作用に関する、過去の実験で明らかになった知見を反映可能にすべく、管振動ー渦間の相互作用を後流振動子(wake oscillator)モデルを用いて簡潔に表していることである。特に、このモデル化における最大の難関である“同期化フィードバック"では、渦放出現象が空間的にも時間的にもランダムな要素を含むことから、この特徴を反映すべく、統計的なモデル化手法を導入気柱ー渦間の相互作用を扱っている。以上の方針の下、このモデルに関する定式化を行った。これと並行して、このモデリング手法の風洞実験による検証を試みた結果、“同期化フィードバック"に関しては、提案法は、空間的な渦放出の同期化現象を数少ないパラメータにより高精度にシミュレートできることを確認した。管群をダクトに内蔵する熱交換器において、ダクトを流れる気体がある流速に達すると気柱振動が励起されて高レベルの騒音が発生する場合があり、最悪の場合にはプラントの負荷上昇が困難になるばかりでなく、構造の破損を引き起こす。この現象は、管群から放出されるカルマン渦が気柱振動を励振し、気柱振動が放出されるカルマン渦の強度を増大し、各渦の放出のタイミングの同期化を促進するというフィードバック機構を有する自励振動である。本研究では管群における気柱共鳴現象を設計段階で予測することを目的に、後流振動子モデルを用いて渦/共鳴音場相互作用のモデル化と、それに基づく定式化を行った。渦/共鳴音場相互作用では多数の渦が共鳴の成長とともに同期化する現象を取り扱うために、後流振動子の位相のばらつきを考慮可能な確率論的な機能を付加した。また、もうひとつの相互作用因子である「共鳴の成長とともに渦の強度が増大する」現象もFacchinettiの解を参考に定式化した。その結果をもとに、設計時点での共鳴成分の強度を予測可能な計算方法を提案した。本提案の精度、妥当性を検証すべく、熱交換器の代表的な製品である大容量ボイラ管群部の縮尺模型を風洞装置に設置して風洞実験を行った。その結果、実機における共鳴現象の再現に成功するとともに、この現象を支配する現象である「渦放出の空間的な同期化」について、本提案手法により高精度にシミュレーション可能であることが明らかとなった。今後、提案する予測シミュレーションにおける未知パラメータの実験同定、予測精度の実験検証を行う。特に、管群設計において重要な課題である「共鳴が生じていない固有モード」についての原因解明が今後の課題である。管群を内蔵する熱交換器で生じる気柱共鳴の発生予測のための重要な課題である、渦放出の空間的な同期化の共鳴レベル依存性を表すモデル化手法を提案した。また、このモデルに含まれるパラメータの実験による同定のための定式化をいった。その妥当性を風洞実験により確認した。対象となる共鳴現象の設計段階での予測における最大の隘路である「空間的な渦放出の同期化現象を、本提案手法のモデル化により数少ないパラメータにより高精度にシミュレートできる」ことが確認できたことが理由である。具体的には、このパラメータの同定のための定式化手法を開発し、これを、実機ボイラの管群部を模擬した1/30スケール模型の風洞実験データに適用した。実験では、管群内の特定の管の表面圧の計測センサを開発し、このデータを用いてパラメータ同定を行い、空間的な渦放出の同期化現象を数少ないパラメータにより高精度にシミュレートできることを確認した。「管群を内蔵する熱交換器で生じる気柱共鳴の発生予測手法の開発」という目的に対し、今年度はそのための重要な課題である「渦放出の同期化現象のモデル化」を完成することをターゲットにしたが、おおむね完成できた。種々の管群構造での実験実証が課題として残されている。残された課題("強度フィードバック"のモデル化とその実験検証により、共鳴予測手法を完成する。また、種々の管群部設計条件(配列形式、配列ピッチなど)での実験検証を行い、管群部設計条件が与えられた場合の共鳴発生限界流速の予測法を開発し、その信頼性を実験実証する。

なお、管ピッチが不等な場合、多段の管群に代表されるより複雑な管群構造を有する熱交換器については今後の課題となる見通しである。「管群を内蔵する熱交換器で生じる気柱共鳴の発生予測手法の開発」という目標に対して残されている課題(渦と音場の相互作用における、渦の強度のモデル化)を行い、予測手法を完成するとともに、種々の管群構造でその精度を検証する。また、実設計に供すべく、実用性の高い形にまとめる。該当なし実験装置に関しては基本的に今年度で完成しているので、種々の管群構造で実験すべく、その改造に予算を使用する。
南極での自然界超長期保存を中心とした生物・地球環境試料保存国際ネットワークの構築

1.国際ワークショップの開催本年度は平成9年度に開始した国際共同研究からみて3年目の最終年度である。初年度は平成9年11月に大阪で100名(国内から75名,海外から25名)の研究者による国際ワークショップを開催した。今年度は締めくくりとして,平成12年3月に東京で20名の研究者による小規模な国際ワークショップを開催した。さらに工学院大学と近畿大学の協力を得て,一般市民向けの特別講演会「氷のタイムカプセル」を開催した。公開講演会は270人収容の会場が満席になるほどの盛況であった。2.海外調査引き続き,欧米の生物・環境試料の凍結保存プロジェクトの調査を行った。3.南極ドームFの条件下での保存実験液体窒素でプリショック・フリージング後,ゆっくり無振動でドームF温度(-58°C)まで昇温させ,そこで一定温度に保つ場合の細胞の保存実験装置を開発した。これをウサギの細胞に適用した。一定保存時の温度を,-80°Cと-30°Cの間で変えて細胞の生存率を調べたところ,-40°Cと-50°Cの間に不安定領域があり,それ以上の温度でも以下の温度でも,高い生存率が得られることがわかった。ただしこれは無振動一定温度保存時間が20時間の場合の実験である。今後,長時間保存と,温度下降したのち無振動一定保存する場合の実験を継続する予定である。新千年紀を期して,20世紀を代表する生物試料を、できる限り生きたまま,地球環境試料ととともに長期間にわたって自然界保存し,10年50年単位の遺伝子レベルでの地球環境影響評価の研究に役立てるとともに,千年先の遠い未来の人類に対する貴重な科学的遺産として残す。この計画を「生物・環境タイムカプセル2001計画」と呼び,1994年以来,文部省科学研究費の助成を頂いて基礎研究を継続している。平成9年11月には海外の研究分担者を日本に招き,千里ライフサイエンスセンター,生命誌研究館,環境庁国立環境研究所において,これまでの研究成果のとりまとめと,今後の具体的な研究計画について討議した。また関係する国内の生物・環境試料保存機関(農水省生物資源研等)を視察し,担当者と意見交換を行った。生物・環境試料の保存は基本的に非常に低い低温条件が必要とされることが,通常の博物館や美術館試料の長期保存と全く異なる点である。この場合,一旦保存が中止されると,それまで営々として続けてきた保存努力が水泡に帰す。100年単位の保存を考えた場合,そのリスクの主因は機械・電気的な故障ではなく,国の経済・政治的な変動に伴う,予算の打ち切りや組織変更である。100年後には国家そのものでさえ現在の状態で存続している可能性は高くない(日本は例外的である)。この問題に対処する方法は2つある。(1)試資料の国際的な分散共有(ネットワーキング)(2)南極や月の極等,自然界の低温域での保存。本年度の成果は以下のとおりである。(1)上記の国際的コンセンサスが得られた。(2)2001年2010年の基本計画案ができた。(3)生物試料の保存に必要な条件と,極地の条件・現在の保存技術の対応が検討され,今後さらに開発が必要な技術的課題が明らかになった。(4)これらのいくつかに対する基礎実験結果が示された。新千年紀を期して,世界中の生物の,種子,胞子,精子,卵子,始源生殖細胞のような生殖細胞類を地球環境試料とともに南極の高地ドームFおよび月の極のクレータ底に埋め,20年50年単位の遺伝子レベルでの地球環境評価の研究に役立てるとともに,1,000年先の未来の人類に届ける計画である。これを「生物・環境タイムカプセル2001計画」と呼ぶ。これを実現するための国際共同研究および調査を行っている。【実験】南極ドームF(標高3,810m)の水面下20mは地球上で超長期保存に最適な地点であるが,温度がやや高い(-58°C)。ただし温度変化皆無で無震動である。

このような環境下では,-100°C以下から非常にゆっくり昇温して,-58°Cで一定温度に保てば,冷却の場合の過冷却に対応する過昇温状態となることが期待され,氷晶変化が起こらず,これまで知られているよりも多くの生物種の生殖細胞が超長期保存できる可能性がある。江藤は無震動で温度を上下する実験手法を開発した。細井はこれを用いて生物細胞に対して過昇温状態が成立するかどうか実験している。岡田は既に提案した超長期温度記録装置に使う金属のクリープ特性について高精度の実験を継続している。柴田は環境ホルモン物質の長期保存性について実験している。渡辺・中村は,ミズホ基地で採取された氷柱試料を用いて,南極氷床コア中の微粒生物試料のDNA解析の可能性を実験的に検討した。【調査】大西・江藤はアメリカの種子保存状況の調査と,環境試料および種子保存技術に関する技術情報の交換を行った。細井は米国の動物生殖細胞保存について,柴田・江藤はドイツの環境試料バンクで,環境ホルモン物質の保存と分析について共同研究を行った。【研究報告】環境技術特集号として,生物・環境タイムカプセル計画を組んで頂き,これまでの研究成果をとりまとめて報告した。(以上800字)1.国際ワークショップの開催本年度は平成9年度に開始した国際共同研究からみて3年目の最終年度である。初年度は平成9年11月に大阪で100名(国内から75名,海外から25名)の研究者による国際ワークショップを開催した。今年度は締めくくりとして,平成12年3月に東京で20名の研究者による小規模な国際ワークショップを開催した。さらに工学院大学と近畿大学の協力を得て,一般市民向けの特別講演会「氷のタイムカプセル」を開催した。公開講演会は270人収容の会場が満席になるほどの盛況であった。2.海外調査引き続き,欧米の生物・環境試料の凍結保存プロジェクトの調査を行った。3.南極ドームFの条件下での保存実験液体窒素でプリショック・フリージング後,ゆっくり無振動でドームF温度(-58°C)まで昇温させ,そこで一定温度に保つ場合の細胞の保存実験装置を開発した。これをウサギの細胞に適用した。一定保存時の温度を,-80°Cと-30°Cの間で変えて細胞の生存率を調べたところ,-40°Cと-50°Cの間に不安定領域があり,それ以上の温度でも以下の温度でも,高い生存率が得られることがわかった。ただしこれは無振動一定温度保存時間が20時間の場合の実験である。今後,長時間保存と,温度下降したのち無振動一定保存する場合の実験を継続する予定である。
細胞外因子によって作られるＢＭＰシグナル勾配形成機構の解明

前腸内胚葉からは多くの消化器官が発生するが,そのうち肺,胃,肝臓に分化する内胚葉は前腸腹側正中で前後に並ぶ.前腸内胚葉ではBMPシグナルが肺領域で高く,胃領域で低く,肝臓領域で最も高いこと, BMPアンタゴニストsizzledが胃領域でBMPシグナルを低くすることを明らかにした.また,肝臓領域で発現するAPOA1が肝臓マーカーの誘導に関わること,APOA1は細胞自立的にBMPシグナルを上昇させることがわかった.APOA1はBMPに誘導されるので,APOA1とBMPシグナルはポジティブフィードバックでBMPを上昇させ,肝臓領域に確立に働くと考えられる.まず,前腸腹側の3つの領域,肺,胃,肝臓の領域化に関わるBMPシグナルの調節機構を引き続き研究した.昨年このBMPシグナルの調節に,chordin, Tolloid, sizzledが関わることが示した.本年度は,前腸形成初期から前腸領域化期までの,BMPシグナルや,sizzledの発現域の変化を解析した.その結果,前腸形成初期には,前腸腹側内胚葉全体でBMPシグナルが強いこと,前腸伸長とともに後方で強く,前方で弱くなることがわかった.さらに肺の領域化の時期に,肺領域でのBMPシグナルが強くなった.一方sizzledは前腸形成初期には前腸腹側内胚葉全体で発現していた.この結果は,sizzledがBMPシグナルを阻害して領域化に関わるという,前腸領域化期の結果と矛盾する.Xenopusでは,内胚葉においてsizzledがBMPシグナルを正に制御する(Kenny et al., 2012).よって,前腸形成初期と前腸領域化期で,sizzledはBMPシグナルに対し全く逆の作用を及ぼす可能性がある.また,脂質代謝関連因子APOA1の作用機序に関する研究も行った.昨年度,Hela細胞とXenopus胚でAPOA1の導入により,BMPシグナルが1.5倍ほど増強されることを得た.本年度は,その作用機序に迫るため,APOA1とBMPシグナル応答性のレポーターコンストラクトを別の細胞,または別の割球に導入したところ、APOA1によるBMPシグナルの増強は見られなくなった.このことから,APOA1は細胞自立的または非常に近傍の細胞にのみ影響し,BMPシグナルを増強していることが示唆された.これは,昨年度までに得られていたsiRNAでAPOA1をパッチ状に阻害しても,Hex遺伝子の発現が抑えられる細胞が出ることと一致している.前腸内胚葉からは多くの消化器官が発生するが,そのうち肺,胃,肝臓に分化する内胚葉は前腸腹側正中で前後に並ぶ.前腸内胚葉ではBMPシグナルが肺領域で高く,胃領域で低く,肝臓領域で最も高いこと, BMPアンタゴニストsizzledが胃領域でBMPシグナルを低くすることを明らかにした.また,肝臓領域で発現するAPOA1が肝臓マーカーの誘導に関わること,APOA1は細胞自立的にBMPシグナルを上昇させることがわかった.APOA1はBMPに誘導されるので,APOA1とBMPシグナルはポジティブフィードバックでBMPを上昇させ,肝臓領域に確立に働くと考えられる.前腸腹側正中の内胚葉からは前方から肺、胃、肝臓が並んで領域化する.これにはBMPシグナルが関わっている.まず,リン酸化Smad1,5,8に対する抗体を用い、内胚葉細胞のBMPシグナル量を定量した.すると,BMPシグナルは最も後方の肝臓領域で最も高く、胃域では低く、肺領域で少し高く、肺域より前方では低かった.前腸腹側の前方で発現するBMP阻害因子sizzledをノックダウンすると肝臓マーカーHexの発現が前方へ伸長し,胃で発現するSox2が抑えられた.また,sizzledを強制発現すると,Hexの発現がなくなり,Sox2が肝臓まで発現した.このことから,sizzledは胃でBMPシグナルを抑え,肝臓を後方に限局していることが示唆される.sizzledの発現が変化しても肺でのBMPシグナル,マーカー遺伝子の発現は変化しない.BMPやdnBMP受容体を強制発現すると変化があるが,chordinでは変化がないので、予想外の細胞外因子が関わっている可能性が強い,次に,肝臓でBMPシグナルが高くなる機構を探索した.肝臓内胚葉で発現する脂質代関連因子APOA1を強制発現すると,Hex発現域が前方へ拡大し,APOA1をノックダウンするとHexの発現が低下することから,APOA1はHex発現に必須であると考えられる.さらに,APOA1発現にBMPシグナルが必要であること,またBMPリガンドとAPOA1を同時に強制発現すると、一種類のときに比べ、Hexの誘導効率が高くなり、誘導される場所も広がったことから、APOA1とBMPシグナルの関連が示唆された.Hela細胞やXenopus胚でAPOA1とBMP4を同時導入すると、BMP4のみの時と比べ、BMPレポーターの発現が上昇したことから,APOA1はBMPシグナルへの感受性をあげ、肝臓領域の分化に関わるのではないかという可能性が考えられる.ニワトリ初期胚をつかって,BMPシグナル強度をライブで観察できる実験系を確立した.BMPシグナルに応答した遺伝子発現に重要なBRE配列にレポーターとしてエメラルドルシフェラーゼを連結したコンストラクトを作成し,初期胚の胚盤葉上層に導入した.内部標準としてCMVプロモーターの下流にEGFPを繋げたコンストラクトを胚に共導入し,培養後,胚にルシフェリンを添加し,EM CCDカメラでルシフェラーゼ発光およびEGFP蛍光を検出した.また,胚の発光,蛍光は時間を追って何度も測定することができた.

さらに,細胞標識を組み合わせて,標的にした細胞におけるBMPシグナル強度を追跡することも可能であることが示された.肝臓の初期マーカー遺伝子であるHexの発現は発生初期には前腸全体で見られるが,前腸が出来上がるstage 10頃には既に予定肝臓領域に限局する.この機構に,Hexと同様stage 10頃に肝臓領域に発現するApolipoprotein A-I (APOA1)が関わることが示唆された.昨年までに,発生時のAPOA1はHexの発現に必要不可欠であることが解明された.本年度,APOA1はBMPシグナルを正に調節することで,前腸後端でBMPシグナルを強め,Hexの発現を前腸後端に限局することを証明した.BMP応答性のルシフェラーゼレポーターをHeLa細胞に導入し,APOA1によってBMPシグナルの上昇が見られるか,ルシフェラーゼアッセイで解析した.BMPリガンドとAPOA1を同時に強制発現させた細胞では,BMPリガンドのみを発現させた細胞に比べてレポーター活性が約1.5倍上昇した.またAPOA1とレポーターをそれぞれ別の細胞に導入した場合にはBMPシグナルが増強されなかったことから,APOA1の機能は細胞自律的であると考えられる.以上の結果から,APOA1は細胞自律的にBMPシグナルを増強することが分かった.発生生物学sizzledは,BMPシグナルを負に調節する細胞外タンパク質として有名である.我々の昨年度の成果は,sizzledが前腸でもBMPシグナルを負に調節する事で胃/肝臓領域の位置の調節に重要であることをしめした.しかし,この結果はXenopusの内胚葉におけるsizzledの機能であるBMPシグナルの正の調節とは矛盾していた.本年度の解析により,この違いが時期の違いによるsizzled機能のスイッチングである可能性が出て来たことは非常に興味深い結果と思われる.また,APOA1の機能について2つの手がかりを得た.一つはAPOA1は細胞自立的または非常に近傍の細胞にのみ働くということである.APOA1はアポリポタンパク質でHDLの主要構成因子である.現在までAPOA1の機能はHDLとの関連でのみ研究されてきた.成体では血漿中で機能するタンパク質であるが,前腸領域化期には前腸に血管が未発達のため,血漿は存在しない.またAPOA1は胚体外の卵黄と接する暗域で強い発現があるにもかかわらず,肝臓領域に発現するAPOA1をsiRNAで阻害すると,その部分で肝臓マーカー遺伝子Hexの発現が阻害されることから,成体と違い,このAPOA1の機能は局所的であることが予想されていた.これが証明されたことで,APOA1の新たな機能へと展開できると考える.さらに,Hela細胞にAPOA1を導入すると,BMPの導入の有無にかかわらず,Hela細胞の増殖が2倍ほどに増えることも発見した.
ジオテキスタイルにより補強された盛土の力学モデルの構築

盛土のすべり線発生による破壊に対する抵抗力を付加する一つの方法として,ジオテキスタイルによる補強が行われている.現設計方法は極限つり合いモデルに基づく簡便法であるため,現実の補強盛土の強度を大幅に過小評価しているという問題がある.そこで本研究では,ジオテキスタイルによる盛土の補強メカニズムを調べるために,補強材の引抜けによる破壊に着目した実験を,砂を試料土として行った.その結果,以下に示す補強効果が新たに存在することを明らかにした.1.補強材の引抜きに伴う,補強材周辺での砂の体積膨張を拘束することによって発生する補強効果2.補強材自身の伸びによる引抜き補強効果この二つの効果を考慮することにより,強度評価の改善が可能となる.また後者については,使用する補強材の種類によって最大強度はもちろんのこと,荷重の減少傾向といった現設計法では考慮されていない,最大強度以降の挙動にも影響を与えている.ただしこの点については,定量的な把握ができていないので今後の課題である.最近,等価介在物法を応用した逆解析手法により,構成則が未知である材料の応力場を,変位場および境界条件から求める方法が提案されている.今後の研究の展開として,実験をデジタルビデオカメラで撮影し,映像から画像処理により変位場を算定し,補強材および補強材周辺の地盤材料の構成則を明らかにする予定である.本研究では,ジオテキスタイルにより補強された盛土の設計において用いられている極限つり合いモデルで想定された二種類の破壊形態のうちの一つである,補強材の引抜けによる破壊に着目し,試料土を砂とした補強材の引抜き実験を行った.その結果,従来使用されている引抜き抵抗力の設計式では考慮されていない補強メカニズムとして,少なくとも二つの補強効果が存在することを明らかにした.一つは,補強材の引抜きに伴う,補強材周辺での砂の体積膨張を拘束することによって発生する補強効果である.模型盛土の上部境界条件を自由にした場合,補強材周辺では砂の体積膨張が観察され,引抜き抵抗力は設計値に近いものとなった.一方,上部境界を固定した場合は,引抜き抵抗力は設計値よりも大きいものとなった.実際の盛土の上には構造物がある場合多い.現行の設計法では,これらの構造物は上載荷重の増加としては考慮するものの,盛土上部における鉛直変位の発生を拘束する境界としては考慮していない.したがって,現実の盛土は上部境界条件が固定に近いにもかかわらず,現行の設計は上境界条件が自由の場合に近いものとして行っていると考えられる.もう一つは,補強材の伸びによる引抜き補強効果である.現行の設計において引抜き抵抗力は,補強材と地盤材料との間の摩擦力によって発生すると考えているが,補強材に発生する引張り力も引抜き抵抗力に寄与していることが実験より明らかとなった.また,補強材の物性により,最大引抜き抵抗力や荷重変位曲線におけるピーク後の引抜き抵抗力の減少の仕方が異なるということが分かった.盛土のすべり線発生による破壊に対する抵抗力を付加する一つの方法として,ジオテキスタイルによる補強が行われている.現設計方法は極限つり合いモデルに基づく簡便法であるため,現実の補強盛土の強度を大幅に過小評価しているという問題がある.そこで本研究では,ジオテキスタイルによる盛土の補強メカニズムを調べるために,補強材の引抜けによる破壊に着目した実験を,砂を試料土として行った.その結果,以下に示す補強効果が新たに存在することを明らかにした.1.補強材の引抜きに伴う,補強材周辺での砂の体積膨張を拘束することによって発生する補強効果2.補強材自身の伸びによる引抜き補強効果この二つの効果を考慮することにより,強度評価の改善が可能となる.また後者については,使用する補強材の種類によって最大強度はもちろんのこと,荷重の減少傾向といった現設計法では考慮されていない,最大強度以降の挙動にも影響を与えている.ただしこの点については,定量的な把握ができていないので今後の課題である.最近,等価介在物法を応用した逆解析手法により,構成則が未知である材料の応力場を,変位場および境界条件から求める方法が提案されている.今後の研究の展開として,実験をデジタルビデオカメラで撮影し,映像から画像処理により変位場を算定し,補強材および補強材周辺の地盤材料の構成則を明らかにする予定である.
パネルデータを用いた技術非効率発生メカニズムの動態的分析

本研究の目的は、事業所レベルの技術非効率の水準が設備のヴィンテージおよび更新投資等によってどのように変化していくかを実証的に推計することによって、一つの産業の技術非効率水準の変化を動態的に捉えることである。この目的を果たすため、事業所レベルの技術効率水準が、どのような要因によって変化するかを説明する確率過程モデルを構築し、個々の事業所の技術効率水準の分布の統計的特性を予測した。次の段階で、事業所レベルのデータを用いて、ある年度の個々の事業所の技術効率水準を条件とする次年度の技術効率水準の条件付き分布をえる。この分布の分布特性を検定し、理論モデルの適否を論じる。第1段階の理論分析および単年度の技術非効率分布型を用いた実証研究においては、ヴィンテージ型確率過程モデルとExponential Power Familyと呼ばれる分布が、適切ではないかと予想された。第2段階では、この予測を直接に検定した。ここで対象とする産業としてスーパーマーケットの食品小売部門を選択した。この理由は等質な事業所データを豊富に得られるからである。パネル・データとして得られた事業所データは4000を超えた。第2に、これらのパネル・データから生産関数を推計した。この生産関数推計に併せて、技術非効率の水準も推計した。最後に、こうして得られた技術効率のパネル・データから、技術効率変化分を求め、仮説を検定した。その結果、単年度の効率性分布から予想されたExponential Power Family分布のパラメータとほぼ同じパラメータの値を観測できた。すなわち、研究代表者が『日本産業の経営効率』において得た予測は、肯定的に支持された。また、この結果により、日本の食品スーパー市場においては、店舗が非効率であるほど次期にその非効率性が改善される傾向を観測出来るが、しかし、改善が起きる確率は逓減的にしか上昇しないことも分かった。本研究の目的は、各事業所の技術非効率の水準が設備のヴィンテージ等の変化によってどのように変わっていくかを明示的に捉えることによって、一つの産業の技術非効率水準の変化を動態的にとらえることである。この目的を果たすため、ある事業所の技術効率水準が、どのような要因によって変化するかを説明する複数の確率過程モデルを構築し、それぞれのモデルの下で、個々の事業所の技術効率水準の変化がなす分布の統計的特性を予測する。次の段階で、企業レベルのデータを用いて、ある年度の個々の事業所の技術効率水準を条件とする次年度の技術効率水準の条件付き分布が、どのような分布となるかを実証分析することによって、理論モデルの適否を論じる。本年度は、特に、技術効率水準変化を記述する確率過程モデルの作成、およびその確率過程モデルによる技術効率分布の変動のシミュレーション分析を繰り返して、いくつかの仮想的な確率過程モデルを作成した。この作業において、ヴィンテージ・モデルとランダム・ウォークを背景としたExponential Power Family分布がもっとも適切な仮定であるという結果を得ている。現在、このFamilyの中でさらに特定できるかを続けてシミュレーション分析している。さらに、ポアソン的な技術革新が起こる場合の、技術非効率分布シミュレーションも有効であることが示された。ただ、分布型としては解析的に示すことができるにはいたっていないので、モンテ・カルロ分析の結果を提示するためのシミュレーションを繰り返している。この作業にともなって、『日本産業の経営効率』においてすでに得ている結論を英訳して、次年度の成果を公刊するための準備作業を行っている。

この目的を果たすため、事業所レベルの技術効率水準が、どのような要因によって変化するかを説明する確率過程モデルを構築し、個々の事業所の技術効率水準の分布の統計的特性を予測する。次の段階で、事業所レベルのデータを用いて、ある年度の個々の事業所の技術効率水準を条件とする次年度の技術効率水準の条件付き分布をえる。この分布の分布特性を検定し、理論モデルの適否を論じる。本年度は、主に後半の実証分析を遂行した。昨年度の本研究において確率過程モデルとそのシミュレーションによって、Exponential Power Familyと呼ばれる分布が、条件付分布として得られるのではないかと予測されている。この予測を検定した。第1に、対象とする産業としてスーパーマーケットの食品小売部門を選択した。この理由は等質な事業所データを豊富に得られるからである。パネル・データとして得られた事業所データは6000を超えた。第2に、これらのパネル・データから生産関数を推計した。この生産関数推計に併せて、技術非効率の水準も推計した。最後に、こうして得られた技術効率のパネル・データから、技術効率変化分を求め、最終的にこの変化分の分布パラメータについて複数の仮説を検定した。主な結論は、効率水準変化がExponential Power Familyで示される分布をなしていること、研究代表者が『日本産業の経営効率』においてすでに得ている予測は、概ね肯定的に支持されていること等である。
心臓組織工学の更なる飛躍への挑戦：―テラヘルツ波と微細加工技術の融合―

本研究は、今まで困難であったヒトES/iPS細胞から成熟した3次元心筋組織を構築する方法の開発を目的とした。この目的を達成するために、マイクロ流体デバイス(microFD)とテラヘルツ(THz)波を融合した新技術を開発する。具体的には、A. microFDを応用した3次元心筋組織構築デバイスの開発、B. THz顕微鏡とmicroFDの実験系を開発、C. microFDとTHz顕微鏡を融合し、3D心筋組織の成熟化を目指した。開発する新技術は、ヒトES/iPS細胞の実用化と心臓組織工学の発展を促進することが期待される。本申請では、今まで困難であったヒトES/iPS細胞から成熟した3次元心筋組織を構築する方法を開発する。具体的には、A. microFDを応用した3次元心筋組織構築デバイスの開発、B. THz顕微鏡とmicroFDの実験系を開発、C. microFDとTHz顕微鏡を融合し、3D心筋組織の成熟化を行う。実施項目:microFDを用いた3D心筋組織構築法の開発本年度では、MicroFDを用いた3D培養を行うことによって、心筋細胞の成熟化を目指した。その結果、適切な細胞外マトリックスと、流路内の形状を選択することによって、自発的に心筋細胞が3D構造を形成し、かつ成熟化した挙動を示し始めることが確認できた。現在、より詳細な心筋細胞の挙動特性を確認している。実施項目:THz顕微鏡とmicroFDを融合した実験系の開発本年度では、THz顕微鏡に搭載可能なmicroFDの開発を行った。THz波は水に吸収されてしまうので、従来の培養皿では使用できないことが問題となっていた。そこで、細胞までの水透過距離を出来るだけ短くする必要がある。本研究では、マイクロ流路を用いて、可能な限り水層を薄くし、THz波が十分に細胞に届くような設計を行った。現在、作製したmicroFDを用いて、心筋細胞培養条件を検討している。心疾患は日本国内では2番目に高い死因であり、重篤化すると最終的には心臓移植が必要となる。しかし現在、心臓移植は深刻なドナー不足であり、それに替わる治療法の開発が急務となっている。代替治療方法として最も期待されるのがヒトES/iPS細胞から分化誘導した心筋細胞を使用する細胞移植治療であり、既に、小分子のみを用いて高効率・高純度に心筋細胞に分化誘導する方法の開発に成功している。しかし、細胞移植治療には成熟化した心筋細胞・組織が必要だが、従来法では未熟な心筋細胞しか得られないことが問題となっている。申請者は、従来法では考慮されなかった「3次元組織構築」と「適度な物理的刺激」をこの問題を解く重要な鍵とした。この2つを自在に制御する手法として申請者はマイクロ流体デバイス(mFD)とテラヘルツ(THz)波を応用する。mFDは、1細胞を3次元空間配置、2細胞刺激因子の時・空間制御、など3次元組織構築に必要な要素を持っている。また、THz波とは波長約300 micro-mの電磁波であり、近年、細胞刺激に応用する機運が世界的に高まりつつある。そこで本申請では、THz波を心筋細胞の物理的刺激に応用する。連携研究者である京都大学廣理助教は世界最高の強度である1 Mega V/cmの電磁波を照射できるTHz波顕微鏡の開発に成功している。この電位は細胞膜電位レベルに相当し、このTHz顕微鏡を用いて細胞に非侵襲的な物理的刺激を行い、心筋組織の成熟化を行う。この2つの技術を融合することで、従来法では辿りつけない心筋組織の「成熟化」を達成する。本年度では、マイクロ流体デバイスを応用した3次元心筋組織構築デバイスの開発し、心筋組織の3次元培養化し、また、THz顕微鏡とマイクロ流体デバイスの実験系を開発を開発した。本年度では、mFDを用いた組織培養の3次元化を行った。本申請で提唱したmFDは、ヒトES/iPS細胞から分化誘導した細胞を用いた3次元組織構築と、より生体内に近い機能性の再現を可能とするものである。分化細胞の3次元組織化は組織工学の将来的な実用化には必要条件であり、組織工学を実用化へと加速化する。本年度では、心筋組織の3次元培養化を可能にした。また、THz波を用いた細胞刺激法の開発も行った。THz波は現在我々が用いている光刺激と比べ長波長なので、細胞へのダメージを軽減でき、電極を用いるような他の方法と比べ非侵襲的に細胞刺激を行うことができる。しかし、従来のTHz装置では不可能であり、廣理助教が開発した装置を用いて初めて可能になる。また、THz波は水によって吸収されるので、通常の細胞培養ディッシュでは細胞刺激を十分に行えず、水の影響を軽減できるmFDとは非常に良い組み合わせとなり、今まで困難だった知見が得られるようになる。現時点において、これらの研究は順調に進んでいるが、心筋組織の成熟化を定量化するために、in situでの心筋組織の電気生理学的な検査をする必要が出てきた。そこで、本研究ではmFDに多点マイクロ電極アレイを導入することにした。これと、mFD、THz装置を組み合わせることによって、心筋組織の成熟化とその定量的評価が可能になる。