hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
アルミノフェリシリケート触媒によるナフサ留分からの低級オレフィン低温合成

研究目的は,アルミノフェリシリケートの合成,および部分酸化とクラッキングによる低温反応条件での低級オレフィンとBTX合成を可能とする反応場の創製である.水熱合成法により,ゼオライト骨格にAlとFeを導入した,アルミノフェリシリケートの合成に成功した.同触媒を用いてメタノールからのオレフィン合成実験を実施した結果,Fe由来とAl由来の固体酸性が発現し,約60%以上の収率で低級オレフィンが得られた.ヘキシルベンゼンを原料に用い,これらの酸化脱水素・クラッキング活性評価を実施した.MFI型アルミノフェリシリケートでは,酸化反応(二酸化炭素生成)とクラッキング(BTX生成)が観察された.現在,ナフサ留分からの低級オレフィン合成やBTX合成,およびアルキル芳香族からの脱アルキルによるBTX合成では,固体酸触媒によるクラッキング,および部分酸化分解が検討されている.本研究では,固体酸触媒の活性点となるアルミニウム原子,および酸化触媒の活性点となる鉄原子をゼオライト骨格に導入したアルミノフェリシリケート触媒を開発する.研究目的は,各種アルミノフェリシリケート型ゼオライトの合成,および部分酸化反応とクラッキング反応により,低温反応条件(300°C程度)でのナフサ留分からの低級オレフィンとBTXを合成する触媒反応場の創製と新規反応経路の開拓である.基材触媒となるアルミノフェリシリケート合成を実施した.MFI型ゼオライト合成では,構造規定剤にテトラプロピルアンモニウムカチオンを用いた.先ず,Si源にテトエトキシシラン,Al源としてアルミニウムイソプロポキシドを用い,構造規定剤を含む水溶液を調製した.十分に攪拌した後,Fe源である硝酸鉄水溶液を投入し,水熱合成を実施した.上記の調製法により,Fe/Al比の異なる,MFI型アルミノフェリシリケートの合成に成功した.アンモニアTPD,およびUV-visスペクトル分析により,Feイオンが原子状にゼオライト骨格に導入されていること,および,Fe由来とAl由来の固体酸性が発現していることを確認した.さらに,MFI型ゼオライト以外に,MTW型ゼオライトのアルミノフェリシリケート合成に着手している.Fe含有量の異なるFe-Al-MFIを触媒に,アルキルベンゼン(ヘキシルベンゼン)を原料に用い,触媒の酸化・クラッキング活性を評価した.Al-MFI,Fe-MFIと比較し,AlとFeを含むアルミノフェリシリケートであるFe-Al-MFIにおいて,ヘキシルベンゼンの脱アルキルが効果的に進行することを明らかにした.1-1)アルミノフェリシリケート合成:MFI型アルミノフェリシリケート合成では,構造規定剤にテトラプロピルアンモニウムカチオンを用いた.先ず,Si源にテトエトキシシラン,Al源としてアルミニウムイソプロポキシドを用い,構造規定剤を含む水溶液を調製した後,Fe源である硝酸鉄水溶液を投入し,水熱合成を実施した.ここで,Fe源の投入順が重要であり,Si源,Al源と構造規定剤を投入して十分に加水分解を進行させた後,Fe源を投入する必要があった.1-2)合成した試料の評価:上記の調製法により,Fe/Al比の異なる,MFI型アルミノフェリシリケートの合成に成功した.アンモニアTPD,およびUV-visスペクトル分析により,Feイオンが原子状にゼオライト骨格に導入されていること,および,Fe由来とAl由来の固体酸性が発現していることを確認した.MFI型ゼオライト以外に,MTW型ゼオライトのアルミノフェリシリケート合成に着手した.構造規定剤にはメチルトリエチルアンモニウムブロミド,テトラエチルアンモニウムブロミドを使用し,MFIにおけるFe種添加手順と同じ方法を用いている.この方法により,MTW型構造を有するアルミノフェリシリケートの合成に成功した.1-3)反応活性評価:Fe含有量の異なるFe-Al-MFIを触媒に,アルキルベンゼン(ヘキシルベンゼン)を原料に用い,触媒の酸化・クラッキング活性を評価した.Al-MFI,Fe-MFIと比較し,AlとFeを含むアルミノフェリシリケートであるFe-Al-MFIにおいて,特に,FeとAlを同量(Fe/Al=1.0)含むとき,ヘキシルベンゼンからの脱アルキル反応が効果的に進行した.本研究では,固体酸触媒の活性点となるアルミニウム原子に加えて,酸化触媒の活性点となる鉄原子をゼオライト骨格に導入したアルミノフェリシリケート触媒を開発する.研究目的は,各種アルミノフェリシリケート型ゼオライトの合成,および部分酸化とクラッキングによる,低温反応条件での低級オレフィンとBTX合成を可能とする媒反応場の創製である.先ず,Si源にテトエトキシシラン,Al源としてアルミニウムイソプロポキシドを用い,構造規定剤を含む水溶液を調製した.十分に攪拌した後,Fe源である硝酸鉄水溶液を投入し,水熱合成を実施した.上記の調製法により,ゼオライト骨格にAlとFeを導入した,Fe/Al比の異なるアルミノフェリシリケートの合成(MFI型とMTW型),および原料濃度による結晶サイズの制御に成功した.各種分析により, Feイオンが原子状にゼオライト骨格に導入されていることを確認した.さらに,同触媒を用いてメタノールからのオレフィン合成実験を実施した結果,Fe由来とAl由来の固体酸性が発現し,約60%以上の収率で低級オレフィンを合成すると共に結晶のナノサイズ化が触媒の長寿命化に有効であることを実証した.

ナフサ留分として,ヘキシルベンゼンを原料に用い,これらの酸化脱水素・クラッキング活性評価を実施した.FeとAlの含有量が異なる,Fe-Al-MFI型アルミノフェリシリケートを触媒に用いた.異種金属としてFeのみを含むフェリシリケートでは,低活性であったが,FeとAlを含むFe-Al-MFI型アルミノフェリシリケート(Fe:Al=1:1)では,酸化反応(二酸化炭素生成)とクラッキング(BTX生成)が観察された.エチレンとプロピレンの生成と,生成オレフィンからのコーク生成が顕著であったが,ヘキシルベンゼンからの脱アルキル反応が効果的に進行した.研究目的は,アルミノフェリシリケートの合成,および部分酸化とクラッキングによる低温反応条件での低級オレフィンとBTX合成を可能とする反応場の創製である.水熱合成法により,ゼオライト骨格にAlとFeを導入した,アルミノフェリシリケートの合成に成功した.同触媒を用いてメタノールからのオレフィン合成実験を実施した結果,Fe由来とAl由来の固体酸性が発現し,約60%以上の収率で低級オレフィンが得られた.ヘキシルベンゼンを原料に用い,これらの酸化脱水素・クラッキング活性評価を実施した.MFI型アルミノフェリシリケートでは,酸化反応(二酸化炭素生成)とクラッキング(BTX生成)が観察された.結晶サイズの影響:ゼオライト結晶サイズの異なる,MFI型,およびMTW型アルミノフェリシリケートを合成し,結晶サイズがクラッキング反応,酸化反応へ及ぼす影響を明らかにする.これまでの知見では,150nm程度以下の結晶であれば,クラッキング反応は反応律速で進行する.一方,酸化反応は非常に反応が速いため,物質移動の影響を受ける可能性がある.150nm程度,および1000nm程度の結晶サイズのゼオライトを合成し,結晶サイズの影響を明らかにする.ヘテロ原子導入量が低級オレフィン合成に及ぼす影響:ナフサ留分として,n-ヘキサンとアルキルベンゼンベンゼンを原料に用い,これらの脱水素・クラッキング活性評価を実施する.FeとAlの含有量が異なる,Fe-Al-MFI型アルミノフェリシリケートを触媒に用い,低級オレフィンの選択合成,およびアルキル芳香の脱アルキル反応を実施する.Fe含有量,酸素分圧,反応温度の検討を基に,FeとAl含有量とクラッキング活性の関係を明らかにする.ゼオライト結晶構造の影響: MFI型,およびMTW型ゼオライトの主細孔構造は,それぞれ10員環と12員環である.また,MTW型ゼオライトでは,4,5員環構造は結晶外表面に,6員環構造は細孔表面にのみ存在し,Fe原子は細孔内表面に,Al原子は結晶外表面に局在化していると考えられる.そこで,MFI型とMTW型アルミノフェリシリケート触媒によるn-ヘキサンとアルキルベンゼンの部分酸化・クラッキング反応を実施し,結晶構造がアルキル鎖の分解,低級オレフィン合成に及ぼす影響を明らかにする.特に,アルキルベンゼンでは,アルキル鎖長の影響,脱アルキル化反応によるBTX合成,および脱アルキル基のオレフィン化を詳細に検討する.反応工学
偏微分方程式論の幾何学及び確率論的問題への応用

3次の非線形性を持つ非線形シュレデインガー方程式は、物理的には、シュレデインガー方程式と波動方程式が非線形に連立した方程式系であるザハロフ方程式のイオン音波速度定数を無限大にした時の極限として得られると考えられている。このような極限移行は通常流体力学的極限と呼ばれており、偏微分方程式論のみならず確率論においても重要で興味深い問題である。上記の問題は、数学的には特異摂動の問題となり、イオン音波速度定数を無限大に近づけたときに、初期時刻の近傍でザハロフ方程式の解において、初期層と呼ばれる特異性が発生する。この特異性生成のメカニズムとその性質を調べることも重要な問題である。すでに部分的な結果はいくつか得られていたが、今回特異極限における初期層生成のメカニズムと初期層が果たしている役割を偏微分方程式論の立場から、ほぼ完全に解析することに成功した。また最近は、単に理論的に解析するだけではなく、数値計算によって偏微分方程式を調べるということも、応用上重要である。今回非圧縮性ナヴィエ・ストークス方程式の分岐問題について数値実験を行い、2次分岐の発生やカタストロフ理論におけるカスプ点に相当するものが存在することを捕らえた。力学的対称性を持つ電磁場の粒子の運動を記述する量子力学系の解析は、幾何学的にはリーマン多様体上のシュレデインガー作用素のスペクトル理論と考えられる。従来、非コンパクトリーマン多様体上のシュレデインガー作用素の理論はよく研究されてきたが、今回不変な電磁場が入ったモデルを考え、コンパクトリーマン多様体上の群の作用とシュレデインガー作用素のスペクトルの関係について調べた。
血管作動性の生理活性物質と眼圧との関連

種々の濃度のカルシトニン遺伝子関連ペプチド(calcitonin gene-related peptide ; CGRP)を、家兎硝子体内に投与し、その後の眼圧反応について検討した。10_<-4>MのCGRP投与後、眼圧は投与6時間後までは上昇、以後下降し、120時間後に元の眼圧に復した。10_<-5>M投与後では、眼圧は投与2時間後までは上昇、3時間以降は下降し、96時間後に元の眼圧に復した。10_<-6>M投与後では、眼圧上昇相は認めず、下降相のみで、48時間後に元の眼圧に復した。10_<-7>M投与では、有意の眼圧変動は認めなかった。一酸化窒素(NO)合成酵素阻害薬であるL-NAMEの前処置により、CGRP(10_<-4>M、10_<-5>M)投与後にみられた眼圧上昇相はまったく認められなくなった。またCGRP1受容体拮抗薬CGRP(8-37)の前処置により、CGRP(10_<-6>M)投与後にみられた眼圧下降はまったく認められなくなった。インドメタシンの前処置は、CGRP(10_<-6>M)投与後の眼圧下降に影響を与えなかった。このようにCGRPは、濃度依存性に、眼圧に二相性の変動をひきおこす。その初期の眼圧上昇相には、NOの関与が示唆された。また後期の長期にわたる眼圧下降相は、CGRP1受容体を介したものであり、プロスタグランジンなどは関与しないことが示唆された。近年新たに発見された血管拡張性ペプチドであるアドレノメデュリン(AM)の、眼での発現と作用を検討した。まずラット毛様体でのAMmRNAの発現を、RT-PCR法を用い検討した。また家免の一眼にAM(10^<-7>-10^<-4>M)20μlを硝子体内投与し、その後の眼圧を経時的に測定した。別の家兎で、AM-(22-52)(AM受容体拮抗薬、10^<-3>M)またはCGRP-(8-37)(CGRP1受容体拮抗薬、10^<-3>M)を一眼に投与した30分後に、両眼にAM(10^<-6>M)を投与し眼圧を測定した。さらに、AM投与6時間後の房水中のタンパクおよびサイクリックAMP濃度を測定した。ラット毛様体で、AMmRNAの発現を認めた。家免で、AM(10^<-6>-10^<-4>M)は眼圧を著明に下降させ、その作用は投与48時間後に最大となった。またAMの眼圧下降作用は、用量依存性(10^<-7>-10^<-4>M)であった。AM(10^<-6>M)の眼圧下降作用を、CGRP-(8-37)は有意には抑制しなかったが、AM-(22-52)は完全に抑制した。AM(10^<-6>M)は、房水中のタンパク濃度に有意の変化を及ぼさなかった。高濃度(10^<-5>M)のAMは、有意にタンパク濃度を増加させ、その増加はAM-(22-52)とCGRP-(8-37)のいずれの前処置でも抑制された。またAM(10^<-5>M)は、サイクリックAMP濃度には変化を及ぼさなかった。本研究により、AMは毛様体で発現し、AM受容体を介して眼圧を下降させることが判明した。AMが眼圧調節に関与している可能性が示唆された。
筋線維芽細胞の特性に着目した皮膚創傷治療法の開発に関する基礎的研究

本研究は、創傷治癒における線維芽細胞と筋線維芽細胞の挙動の相違を明らかにすることで、より効率的な創傷治療を開発するための基礎的研究である。本研究の最初の目的は基礎的エビデンスを得る目的で皮膚創傷治癒に有効と考えられる増殖因子について、それらが線維芽細胞および筋線維芽細胞に及ぼす影響を細胞内シグナル伝達系において検討し、両細胞間におけるシグナル伝達系の異同を明らかにすることであった。そこでまず、塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF)が臨床的に、難治性皮膚潰瘍においては治癒を促進するのみではなく、創傷治癒の質的改善いわゆるscarlesswoundhealingをもたらすことが明らかとなった事実に着目した。その機序は長らく不明であったが、近年アポトーシスの関与が注目されるようになった。今回我々は、bFGFによるアポトーシス誘導について、線維芽細胞と筋線維芽細胞間で比較検討した。方法として、ヒト正常真皮由来線維芽細胞をtransforminggrowthfactor-β(TGFβ)存在下で培養することにより筋線維芽細胞を得た。得られた細胞を用い、b-FGFのアポトーシス誘導能を線維芽細胞と比較検討した。さらに、アポトーシス誘導に関与するシグナル伝達系について、それぞれの阻害剤を用いて検討した。その結果、b-FGFは線維芽細胞に比較し、筋線維芽細胞で高率にアポトーシス誘導した。この機序として、筋線維芽細胞においてはAktおよびphosphatidylinositol-3-Kinase(PI3K)の阻害薬前処置により、b-FGFのアポトーシス誘導が著しく抑制されたことから、PI3K→Aktのシグナル伝達系の関与の可能性が示唆された。ここまでの結論として、b-FGFは創傷治癒過程成熟期における筋線維芽細胞において、アポトーシス誘導を誘導することで、創傷治癒の質的変化をもたらす可能性が示唆された。そこでまず、b-FGFが臨床的に、難治性皮膚潰瘍においては治癒を促進するのみではなく、創傷治癒の質的改善いわゆるscarless wound healingをもたらすことが明らかとなった事実に着目した。方法として、ヒト正常真皮由来線維芽細胞をtransforming growthfactor-β(TGF-β)存在下で培養することにより筋線維芽細胞を得た。ここまでの結論として、b-FGFは創傷治癒過程

成熟期における筋線維芽細胞において、アポトーシス誘導を誘導することで、創傷治癒の質的変化をもたらす可能性が示唆された。本研究は、創傷治癒における線維芽細胞と筋線維芽細胞の挙動の相違を明らかにすることで、より効率的な創傷治療を開発するための基礎的研究である。前年度までの研究により、b-FGFは線維芽細胞に比較し、筋線維芽細胞で高率にアポトーシス誘導し、その機序として、PI3K→Aktのシグナル伝達系の関与の可能性が示唆された。今回はさらに他のシグナル伝達経路が存在するか否かを検討した。方法として、ヒト正常真皮由来線維芽細胞をtransfominggrowthfactor-β(TGF-β)存在下で培養することにより筋線維芽細胞を得た。得られた細胞を用い、b-FGFのアポトーシス誘導能を線維芽細胞と比較検討した。その結果、筋線維芽細胞においてはRhoおよびRhoキナーゼ阻害薬前処置により、b-FGFのアポトーシス誘導は完全に抑制された。つまり、筋線維芽細胞のアポトーシスにおいては、PI3K→AktとRho→Rhoキナーゼという2つのシグナル伝達系の関与の可能性が示唆された。そこで、一歩進めて、実際のケロイドに関してこのアポトーシスが誘導されるか否かを検討した。ケロイド病変部由来ヒト筋線維芽細胞について、今回までの同様の検討を行った。しかしながら、実験的に誘導した筋線維芽細胞と異なり、ケロイド病変部由来ヒト筋線維芽細胞では高率のアポトーシスの誘導は起こらず、さらに前述したシグナル伝達系の関与はみられなかった。創傷治癒の質的変化の機序に関しては更なる検討が必要である。前年度までの研究により、実験的に誘導した筋線維芽細胞のb-FGF惹起性アポトーシスにおいては、PI3K→AktとRho→Rhoキナーゼという2つのシグナル伝達系の関与の可能性が示唆されが、より臨床応用を探るべく、ケロイド病変部由来ヒト筋線維芽細胞について、同様の検討を行った。しかし、実験的に誘導した筋線維芽細胞と異なり、ケロイド病変部由来ヒト筋線維芽細胞ではアポトーシスの誘導はなく、上述したシグナル伝達系の関与はみられなかった。そこで、実験的に誘導した筋線維芽細胞における細胞内シグナリングに関してさらに検討を進めた。線維芽細胞と筋線維芽細胞をb-FGFで刺激した際の各種ケモカイン、細胞内蛋白の燐酸化、接着蛋白の発現の有無をドットブロット法を用い網羅的に検討した。その結果MCP-1が線維芽細胞に比較し筋線維芽細胞において産生が亢進した。ERISA法を用い定量的に検討したところ、筋線維芽細胞はb-FGF刺激において、濃度依存性にMCP-1産生が亢進した。そこで、MCP-1が及ぼす筋線維芽細胞含有コラーゲンゲル収縮能を検討したところ、ゲル収縮に関しては明らかな差がみられなかった。しかし、線維芽細胞と筋線維
台風等の顕著な気象現象を対象とした深層表現学習に基づくビッグデータ解析

台風は気象学的にも社会的にも重要な現象であるが、その勢力や構造に関する分析はこれまで専門家の人手による方法に頼ってきた。そこで本研究は、台風に関する大規模衛星画像データセットに機械学習(特に深層学習)を適用することで、ビッグデータという視点から台風を分析する新しい手法を提案する。取り組んだテーマは「台風階級の分類」「台風中心気圧の回帰」「台風から温帯低気圧の遷移」「時系列モデルへの拡張」の4つである。特に「台風から温帯低気圧への遷移」に関しては、深層学習ベースの新指標「温低遷移指数」を提案して気象庁ベストトラックと比較したところ、気象庁のタイミングが平均して半日ほど遅いとの結果を得た。本研究は、台風等の顕著な気象現象の分析を目指し、気象ビッグデータに対して深層表現学習を有効に活用する方法を探求する。研究代表者は約40年間に及ぶ気象衛星ひまわり観測データを、長期時系列データとして分析可能な状態に維持しており、これをその他の長期観測データと統合的に解析することで、深層表現学習の有効性を検証するというのが基本的な方針である。本年度は特に、予備的な実験の実施をマイルストーンとして研究を進めた。実験1では、時系列画像を独立した画像として扱い、CNNを用いて台風クラスの分類または台風中心気圧の回帰を学習させる問題に取り組んだ。その結果として、台風クラスの分類よりも台風中心気圧の回帰の方が良好な性能を達成できるとの結果を得た。その理由は、もともと台風の勢力(=中心気圧)が連続値であるのに対して、台風クラスはそれを人間可読性のために離散化したカテゴリであることから、連続値の小さな誤差が離散値では拡大することが一つの原因と考えられる。実験2では、時系列画像に対して時系列モデルLSTMを適用し、台風中心気圧の回帰を学習させる問題に取り組んだ。その結果として、台風の系列ごとに誤差が小さいパターンと大きいパターンに分かれるとの結果を得た。ただし誤差が大きい一部のパターンは、時系列モデルの初期値の誤差が解消しないことが原因であることから、時系列モデルに入力するデータの初期化に工夫を加えることで性能が向上することがわかった。以上の結果から、台風画像の勢力を推定する問題に対しては、時系列モデル(LSTM)の活用が鍵を握るというのが現状の結論である。ただしこれはまだ予備的な実験であり、データの前処理や欠損値の扱い等についてはまだ改善の余地がある。今後はこれらの問題を詳細に分析することで、より信頼度の高い結果を得ることを目標とする。予備的な実験を実施するというマイルストーンを達成できたことから、おおむね順調に進展したと評価する。予備的な実験を進めるために、以下の準備を行った。まずデータセットの整備として、約40年分の台風画像コレクションを深層学習ライブラリで扱いやすいHDF5フォーマットに変換し、メタデータも含めて自己記述的なデータセットとして整備した。そして深層学習の計算を高速化する計算機環境を新たに整備し、大規模データを用いた学習でパフォーマンスを計測した。このように研究環境のインフラストラクチャを整備することで、今後はより多くの実験と評価を重ねていくことができると考えている。台風に関する気象衛星画像のデータセットを構築し、このデータセットに深層表現学習(ディープラーニング)を適用するというアプローチで、台風解析という問題に対する機械学習の有効性を検証する研究を進めた。1.「ドボラック法」と機械学習の比較:このテーマは、専門家が目視で台風の勢力を推定する際に用いる「ドボラック法」と機械学習との比較が目的である。具体的には畳み込みネットワーク(CNN)をベースとした非時系列モデルと再帰型ネットワーク(LSTM)をベースとした時系列モデルを利用し、カテゴリー分類問題および中心気圧回帰問題の2点について研究を進めた。その結果、非時系列モデルでは中心気圧回帰の平均誤差が10hPa以下となること、時系列モデルでは台風の勢力変化に追従できるものの、特に強い台風に対する誤差が大きくなること、などの成果を得た。これらの成果は横浜国立大学との共同研究としてもすでに発表済みである。2.台風の温帯低気圧化の分析:このテーマは、台風から温帯低気圧への遷移を機械学習でモデル化し新しい指標を導出することが目的である。具体的には、台風を0、温帯低気圧を1とラベル付けしたデータセットをCNNに入力し、その出力を温帯低気圧への遷移度とみなした。その結果、気象庁が温帯低気圧化の完了を宣言する前から温帯低気圧への遷移が始まっており、CNNの出力はその遷移度として妥当性がありそうなことが判明した。さらに公式発表と実データとの時間差を計測できるなど、機械学習による全く新しい分析法として今後の発展が期待できる結果が得られた。3.データセットとライブラリの公開:研究で用いたデータセットを一般に広く公開するための作業を進めた。データのクリーニングやデータにアクセスするライブラリ(pyphoon)の整備が進み、近い将来にデータセットを公開する目途を立てることができた。

今後の研究で解決すべき課題として、以下の2点を挙げる。第一に、時系列データの活用である。今年度も行ったように学習モデルの時系列化が一つの課題ではあるが、それに加えて画像処理を用いた時系列的な特徴抽出に取り組むことがもう一つの課題となる。今年度に利用した長期観測の低頻度気象衛星画像(1時間間隔)では、時間間隔が大きすぎて時間変化を時系列画像から捉えることが難しかったが、今後利用する最新のひまわり8号による高頻度気象衛星画像(2.5分間隔)では、時間間隔が十分に狭いため時系列画像から大気のダイナミクスを直接分析することも可能となる。こうした分析から得られる時間方向の画像特徴の活用は、画像よりもむしろ映像への深層学習の適用と共通する課題が多いが、これは未だに萌芽的かつ挑戦的なテーマと認識されていることから、ここは探究する価値が高いテーマであると考えている。第二に、問題設定の明確化である。モデルに学習させるデータと学習結果の評価基準は、台風という気象学的な現象や、台風によって起こる災害という社会的な影響を反映したものであることが望ましい。しかし何がよい基準かは機械学習の枠を越える問題であり、気象学者らと議論しながら決めていく必要がある。これは機械学習を実世界問題の解決に利用する際の一般的な課題であることから、適切な評価基準を決める部分までを含めた学習問題としてその解決に取り組むことを考えている。情報学
歯周病による大動脈瘤形成促進機序の解明

本研究結果として、TLR-2ノックアウトマウスにおいて、P.gingivalis感染後の大動脈瘤形成が抑制されることが示された。また、TLR-2ノックアウトマウスでは腹部大動脈におけるMMP-2およびMMP-9の産生が著しく減弱しており、これが大動脈瘤形成の抑制につながったと考えられた。以上のことからTLR-2による歯周病原細菌の認識が、全身の炎症を惹起することにより腹部大動脈におけるMMPの過剰発現を導き、最終的に腹部大動脈瘤に影響することが示唆された。近年、歯周病と全身疾患とのかかわりが指摘されるようになり、特に歯周病が循環器疾患のリスクとなることが報告されている。循環器疾患のひとつである腹部大動脈瘤は無徴候性に拡張し、破裂すると致死的な結果を招く疾病であり、大動脈瘤病変において炎症の亢進が認められている。さらに、これまで大動脈瘤病変から多数の歯周病原細菌の検出が報告されている。しかしながら、その関連するメカニズムに関してはほとんど調べられていないことから、実験的モデルマウスを用い、歯周病原細菌が腹部大動脈瘤形成に与える影響とその機序を検討することを目的とし、本研究を計画してきた。これまで、腹部大動脈瘤と歯周病との関係を詳細に解明した研究はなく、本研究の意義は大きいと考えられる。平成23年度における研究の成果として、クラリスロマイシンやドキシサイクリンといった薬剤を用いて、マトリックスメタロプロテイナーゼを制御することにより、腹部大動脈瘤の拡張が抑制できることが明らかとなった。これらの成果は学術集会や雑誌論文で公表してきた。この結果により、歯周病原細菌感染時にはマトリックスメタロプロテイナーゼの発現が上昇することにより、腹部大動脈瘤拡張を招くということが裏付けられた。また、Toll様受容体(TLR)-2ノックアウトマウスを用いた実験により新たな知見が得られた。TLR-2ノックアウトマウスでは、歯周病原細菌感染時の腹部大動脈拡張が抑制されることが明らかとなり、歯周病原細菌を感知する際でのTLR-2を経由するシグナル伝達の重要性が示唆された。この結果の一部は学術集会において公表を行った。歯周病が新たな循環器疾患の危険因子になる可能性が高いため、その関連を明らかにすることが必要不可欠となっている。現在まで歯周病と循環器疾患の関連について疫学的には多く検討されてきたが、動物実験により因果関係が証明されたものは少数である。そこで本研究では、実験的モデルマウスを用い、歯周病原細菌の腹部大動脈瘤形成に与える影響とそのメカニズムを、特にTLRに着目して解析した。方法としては、実験実施計画の通り、P. gingivalisにより感染させる実験群と、感染させない対照群に対し実験的に腹部大動脈瘤を誘導し、大動脈瘤の形成状態を評価した。マウスは野生型マウスのほか、Toll様受容体(TLR)-2ノックアウトマウス、TLR-4ノックアウトマウスを用い、それぞれのTLRが大動脈瘤形成の中で果たす役割を検討した。さらに大動脈瘤形成のメカニズムを検討するため、動脈組織において免疫組織学的にマトリックスメタロプロテイナーゼ(MMP)の局在を調査した。結果として、TLR-2ノックアウトマウスにおいて、P. gingivalis感染後の大動脈瘤形成が抑制されることが示された。一方、TLR-4ノックアウトマウスではP. gingivalis感染後の大動脈瘤形成が軽度に抑制されたものの統計学的に有意差はなかった。当初の計画として、野生型マウスおよびTLRノックアウトマウスに対し、主要な歯周病原細菌であるPorphyromonas gingivalisを感染させる動物実験を進める予定であった。平成23年度中に予定の匹数の実験を行い、サンプルを得ることができた。さらに、薬物による治療介入の実験データも得ることができ、学会や論文による発表も進められたため、計画以上に進展していると考える。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後の実験は、すでに得られたサンプルから予定通りの解析を行っていく予定である。具体的には、PCR法やELISA法によりマトリックスメタロプロテイナーゼなどの物質の発現量を測定するなどし、メカニズムの解明に向けてアプローチしていきたいと考えている。
磁場閉じ込めプラズマにおける非局所輸送解析

本年度は、磁場閉じ込めプラズマ中の荷電粒子の磁気面を横切る径方向の軌道幅の有限性(有限軌道幅効果)を考慮した新古典輸送シミュレーションをトーラスのポロイダル断面全体に渡って大域的にシミュレートすることを目的としたコードの開発とそれをもちいた輸送現象のシミュレーションを行ってきた。我々が採用したのはδf法と呼ばれるモンテカルロ輸送シミュレーションの技法である。この手法では荷電粒子の分布関数fを局所マクスウェル分布f_Mとそこからの摂動δfとに分け、δfに関する線形化した運動論方程式のみを解くものである。大規模なシミュレーションを高速に行うために、コードはHPF(High-Performance-Fortran)を用いてスーパーコンピュータ上における高度な並列化を行った。また、モンテカルロ法ではプラズマ粒子の衝突は乱数を用いて模擬されるが、計算の並列化効率を高めるために擬似乱数の発生ルーチンも並列化するためのサブルーチンの開発も同時に行った。この結果、我々の輸送計算コードFORTECは核融合科学研究所のSX-7システム上で計算実行速度360GFLOPS(ピーク性能の約1/4)を達成した。この並列化によって従来では行えなかった時空間両面における高分解能をもった新古典輸送シミュレーションが行えるようになり、様々な輸送現象の詳細が見えるようになった。我々が主に注目したのは、ひとつには有限軌道幅効果による輸送現象の非局所性の表れである。前年度において我々は、従来のオイラー的表記に基づく手法とは異なる、ラグランジュ的表記に基づく新古典輸送理論の構築を行った。この手法によって、トカマクの磁気軸近傍に現れる軌道幅の大きいポテト粒子軌道の有限軌道幅効果を反映させた新古典熱伝導率の計算を行い、従来のポテト粒子を無視した理論で示される値よりも熱伝導率が磁気軸近傍で減少することを示した。この傾向が、モンテカルロ法を用いたより直接的なシミュレーションによっても確認された。もう一つの着目点は、新古典粒子束による径電場の時間発展現象である。ラグランジュ的な理論モデルは本質的に定常状態での輸送を扱うもので、径電場の時間発展は無視していた。トカマクでは、径電場の時間発展においてGAM振動と呼ばれる減衰振動モードが起こる。近年、イオン勾配モードによって自発的にできる径電場構造とGAM振動が注目されているが、径電場構造の決定における新古典輸送と乱流輸送の関係はよく分かっていない。我々は、δf法を使って新古典輸送の立場から径電場発展を詳細に調べた。そして、GAM振動の共鳴減衰や時間発展が、有限軌道幅効果によって磁気面間で相関を持つことで単一の磁気面だけを考える局所モデルでの時間発展の様子とは異なってくることを示した。トカマクなどのトーラス配位の磁場閉じ込めプラズマ中における、荷電粒子の衝突拡散に起因する輸送現象を扱う新古典輸送理論(neoclassical transport theory)を、磁気軸近傍の荷電粒子の軌道の有限性を含めて正しく解析するための研究を行った。ガイディングセンター軌道の小半径方向の軌道幅Δ_bは磁気軸近傍においては各粒子の瞬間の小半径位置γと同程度の大きさになり、Δ_b<<γを仮定した従来の新古典輸送理論では取り扱えない。また、磁気軸近傍では、従来よく知られているパッシング軌道、バナナ軌道という軌道の分類とは異なる特徴的な軌道(ポテト軌道と総称される)が現われ、運動論方程式を解く際にこの特徴的な軌道をもつ粒子に対して、その有限幅効果を含めた取り扱いが必要である。本研究では、無衝突極限における粒子軌道の3つの運動の恒量(エネルギーε、磁気モーメントμ、平均ポロイダルフラックス位置<ψ>)を独立変数とする簡約化運動論方程式を用いるLagrange的記述の新古典輸送理論を、この問題に適用した。本研究ではこの手法を、磁気軸近傍の様々な軌道の有限幅効果を含めて定式化するとともに、具体的な数値計算の方法についても初めて確立することに成功した。Lagrange的な新古典輸送理論を用いてイオンの熱伝導率を計算した結果、磁気軸近傍では従来の新古典理論で予測される値よりも、熱伝導率が低くなることが示された。これは最近のトカマク実験での計測結果でみられる傾向とよく一致する。この研究成果はPhysics of Plasmasに掲載された。また、有限軌道幅効果から生じる粒子フラックスは従来の理論でよく知られる本質的両極性を満たさないので、両極性条件Γ_i=Γ_eを満たすような径電場が自発的に形成される。このプラズマ内の径電場構造の形成やそこで見られる、GAM振動と呼ばれる電場振動の収束過程を調べるために、δf法と呼ばれるモンテカルロシミュレーションも行っている。今年度はこのコードの高精度化、高速化を図るべくチューニングを行ってきており、またアルゴリズムについても磁気軸近傍のような有限軌道幅効果のきつい領域にも使えるよう改良をした。そのシミュレーション結果については近日中に論文に投稿する予定である。

大規模なシミュレーションを高速に行うために、コードはHPF(High-Performance-Fortran)を用いてスーパーコンピュータ上における高度な並列化を行った。また、モンテカルロ法ではプラズマ粒子の衝突は乱数を用いて模擬されるが、計算の並列化効率を高めるために擬似乱数の発生ルーチンも並列化するためのサブルーチンの開発も同時に行った。この結果、我々の輸送計算コードFORTECは核融合科学研究所のSX-7システム上で計算実行速度360GFLOPS(ピーク性能の約1/4)を達成した。この並列化によって従来では行えなかった時空間両面における高分解能をもった新古典輸送シミュレーションが行えるようになり、様々な輸送現象の詳細が見えるようになった。我々が主に注目したのは、ひとつには有限軌道幅効果による輸送現象の非局所性の表れである。前年度において我々は、従来のオイラー的表記に基づく手法とは異なる、ラグランジュ的表記に基づく新古典輸送理論の構築を行った。この手法によって、トカマクの磁気軸近傍に現れる軌道幅の大きいポテト粒子軌道の有限軌道幅効果を反映させた新古典熱伝導率の計算を行い、従来のポテト粒子を無視した理論で示される値よりも熱伝導率が磁気軸近傍で減少することを示した。この傾向が、モンテカルロ法を用いたより直接的なシミュレーションによっても確認された。もう一つの着目点は、新古典粒子束による径電場の時間発展現象である。ラグランジュ的な理論モデルは本質的に定常状態での輸送を扱うもので、径電場の時間発展は無視していた。トカマクでは、径電場の時間発展においてGAM振動と呼ばれる減衰振動モードが起こる。近年、イオン勾配モードによって自発的にできる径電場構造とGAM振動が注目されているが、径電場構造の決定における新古典輸送と乱流輸送の関係はよく分かっていない。我々は、δf法を使って新古典輸送の立場から径電場発展を詳細に調べた。そして、GAM振動の共鳴減衰や時間発展が、有限軌道幅効果によって磁気面間で相関を持つことで単一の磁気面だけを考える局所モデルでの時間発展の様子とは異なってくることを示した。
常磁性フラーレンを鍵物質とする超分子の創製

金属内包フラーレンは、『球面の内側に金属原子を取り込んだ特異な構造』のみならず、金属原子から炭素ケージへの電子移動により空フラーレンとは異なる新規な電子的特性を持つ。これは、金属原子によるフラーレンケージのチューニングであると言える。金属内包フラーレンは新しい材料として非常に注目を集めているが、その生成量の少なさ故に、いまだ一部の研究しか行われていないのが現状である。特に、C60の化学において非常に精力的に行われてきた化学修飾による誘導体の合成に関する研究は未だほとんど行われていない。本研究は、金属内包フラーレンナノロッドの合成を行い、ESR、SQUID及び導電性の測定を行うことを目的としている。そこで、平成16年度は金属内包フラーレンの配向性を高めるために金属内包フラーレンに化学修飾による誘導化を行った。平成17年度は、合成した金属内包フラーレン誘導体を用いて、金属内包フラーレンナノロッドの合成及び物性解明を行った。合成した金属内包フラーレン誘導体及びそのアニオン体を用いて金属内包フラーレンナノロッドの合成を検討した。水/有機溶媒系などの界面上あるいは均一溶媒系での自己組織化によるナノロッドの合成を検討した。合成した金属内包フラーレンナノロッドについてSEM観察を行い、長さと直径の揃った金属内包フラーレンナノロッドの合成条件の最適化を行った。金属内包フラーレンナノロッドの構造については、TEM観察とX-線回折の測定からその2次構造を明らかにした。さらに、ESR、SQUID及び導電性の測定を行い、その磁気的特性、導電性を明らかにした。本年度は金属内包フラーレン(M@C82,M=La,Ce,)をアーク放電法により大量合成し、HPLCにて分離生成した。分離精製には、最近申請者らが開発した電解法を利用した新規な大量分離法を用いて、効率化を図った。精製単離した金属内包フラーレンについて、1,3-双極子付加反応、Diels-Alder反応等による誘導体の合成を行った。得られた誘導体は常磁性であるため、そのままではNMR等による構造決定は困難である。そこで、イオン化による反磁性化を行い、NMR等による構造決定を行った。また、単結晶化も併せて検討し、X線結晶構造解析による構造決定にも成功した。
環境保全型ブリ飼料の開発に関する研究

窒素及びリンの排泄は海域汚染や富栄養化を引き起こし、養殖場海域における赤潮発生や疾病蔓延の原因となる。このような地球環境への負荷を低減する試みの一つとして原料成分を調整することによる養魚飼料の改良が考えられる。特に、養魚飼料の主原料である魚粉中のリンは消化吸収が悪い。また、魚粉含量を低減する事により、排泄する窒素量も低減する事が可能となる。そこで、本研究は、我が国における重要養殖種であり、養魚飼料の生産量が第一位でありながら、まだ窒素・リン排泄に関する知見が不足しているブリを対象種として、成長率の低下を招かず、資源量、供給量の減少が懸念される魚粉の含有量を削減する事によって、窒素・リンの排泄を低減させた廉価な環境保全型養魚飼料の開発を目指すものである。本年度は、エネルギー、植物性由来タンパク質及び有用産業廃棄物を利用することによる廉価な飼料の開発を目標に、安全性が保証されるであろう大豆油粕及びフィッシュソリブルを魚粉代替タンパク質源として選択し、試験魚の成長率及び健全性を損なうことのない範囲における上記代替物の適正配合率の決定を試みた。飼料中に025%の範囲で、フィッシュソリブルを添加し、同時にエネルギー量、タンパク質含量が同一になるように、魚粉を6237%まで低減した配合設計を行った。飼料中リン含量は、魚粉主体区で2%、魚粉37%・フィッシュソリブル25%区で1.4%となった。フィッシュソリブル含有飼料をマダイに投与すると、リン排泄が低減し、摂餌誘因が向上し、魚体中のタウリン含量も高くなった。また、ブリにおいて飼料中のエネルギー含量と大豆油粕量を調整することによって、摂餌量が改善され、大豆油粕を添加しても成長には悪影響を与えない事が示唆された。リン排泄量は、低魚粉区で少なくなる傾向が見られた。以上のことから、エネルギー量調節及び魚粉代替タンパク質源との組み合わせによりリン、窒素排泄の調整が可能と思われる。窒素及びリンの排泄は海域汚染や富栄養化を引き起こし、赤潮や疾病の原因となる。そこで、本研究は、我が国における重要養殖種であり、養魚飼料の生産量が第一位でありながら、まだ窒素・リン排泄に関する知見が不足しているブリを対象種として、(1)生産性低下を招かず、(2)窒素・リンの吸収が高く、(3)廉価で、さらに、(4)資源量、供給量の減少が懸念される魚粉の含量を極力低減できるような環境保全型養魚飼料の開発を目指すものである。本年度は、魚粉代替タンパク質源として植物性タンパク質ばかりでなく、エネルギー含量の影響や有用産業廃棄物を利用することによる廉価な飼料の開発を目標に、安全性が確認でき、日本で得られる、焼酎粕、おから、マグロ筋肉残渣を魚粉代替タンパク質源として選択し、ブリの生産性あるいは健全性を損なわないための上記代替物の適正配合率の決定を試みた。大豆油粕含有飼料中のタンパク質/カロリー比を考慮しながら飼料中のタンパク質含量を低減し、脂質含有量を高めた飼料をブリに給餌したところ、高タンパク質飼料に劣らない成長が得られ、さらには、環境水へのリン及び窒素の排泄量を減少させることが判明した。また、ブリは焼酎粕、おからおよびマグロ筋肉残渣を栄養成分として有効利用することが明らかとなり、その適正配合率については現在検討中である。
次世代アンモニア脱硝触媒の開発

90°C付近の低温で操作が可能な次世代の低温アンモニア脱硝触媒の開発を目的として検討を進めた。すなわち、触媒としてAl_2O_3、TiO_2、ZrO_2及びこれらの酸化物を担体とした金属硫酸塩・金属塩化物担持触媒を調製し、活性評価・反応特性評価を行った。まず、Al_2O_3、TiO_2、ZrO_2触媒について操作条件としての反応温度、水蒸気共存、アンモニア濃度等の影響を明らかにした。活性に関しては、3種の触媒の序列が、ZrO_2>TiO_2>Al_2O_3となること、いずれの触媒についても反応時間の経過に伴って、触媒上に硫酸アンモニウム・硝酸アンモニウムが堆積してくるため触媒の細孔が閉塞し、活性の低下が進行することを明らかにした。しかし、これらの劣化触媒が水洗という簡単な方法で活性がほぼ復活することも明らかにした。これらの、触媒上における脱硝反応のメカニズムについては、過渡応答性実験・定速昇温反応法・IR法により詳細に検討した。その結果、本触媒系では通常のアンモニア脱硝反応とはことなるメカニズムで進行していることが明らかとなった。すなわち、反応の進行にはSO_2の共存が不可欠で、SO_2は脱硝反応において重要な触媒表面の活性酸素の生成に寄与していると考えられ、反応は亜硝酸アンモニウム経由で進行しているとして実験結果が説明できることを明らかにした。しかし、これら3種の触媒の活性は実用化のためには不十分であったことから、次に金属塩添加による活性の向上を検討した。これは、金属硫酸塩或いは金属塩化物の添加により触媒表面の固体酸性を変化させ、反応に適した表面を構築しようとしたものである。この検討結果より、塩の添加により活性が向上すること、特に塩化ニッケル、塩化アンチモン及び塩化アルミナ担持Al_2O_3触媒に顕著な添加効果が認められた。さらに、金属塩の添加効果が触媒上に塩素に起因することを明らかにし、塩酸処理Al_2O_3触媒が高活性を示すとともに、水洗・塩酸処理により再生使用も可能なことを明らかにした。実用化のためには活性はもう一段の改善が必要であるが、実用化の可能性は得られた。平成10年度は研究開始の年度であることから、文献調査から開始した。その結果、低温域におけるアンモニア脱硝に関する研究例は非常に少ないことが判明した。そこで、本年度は金属、あるいは金属塩担持触媒についての検討を開始する前段階として、通常担体として用いられるAl_2O_3、TiO_2、ZrO_2について触媒性能を検討した。実験に用いた担体は主に研究室で調製したものを用い、一部は市販品を用いて検討した。その結果、90°Cという低温で3種の担体とも脱硝に対し活性を示すことを見出した。これら3種の担体が低温脱硝活性を示すという報告は見当たらなく、新しい発見の可能性がある。さらに、脱硝反応は亜硫酸ガスの共存なしには進行しないことを見出し、脱硝反応に亜硫酸ガスが深く関わっていると推測された。これらの担体上では副反応として硝安及び硫安の生成を伴うことから、NOx、SOxを硝安、硫安として触媒上に固定化除去する可能性も見出した。触媒活性の安定性については、実ガスに近い組成条件下で20時間60時間の耐久性実験を行った。

活性、安定性とも実用化に対して十分とは言えないが、両者とも、改善の可能性があり、触媒の再生利用により実用の可能性は十分あると考えている。触媒の活性サイトについての知見は得ていないが、細孔径に関しては、新たに購入したポロシメーターにより至的な細孔径に関しては検討し、結論には至っていないが、メソ孔とマクロ孔の遷移領域の細孔が適しているようである。今後は、反応機構の解明、至適な細孔径を持つ担体の調製法の開発と担体への活性成分の担持による活性の改善を進める予定である。本年度の成果は今3月の化学工学会で発表予定であり、また10年度初期まで進めていた検討結果については触媒討論会で発表した。平成10年度の研究実績に基づいて研究を進めた。すなわち、昨年度、チタニア、ジルコニア、アルミナが90°Cという低温で脱硝触媒として活性を示すことを世界に先駆けて見出した。そこで、本年度は、主に定速昇温反応法を用いて、反応経路について検討した。さらに、90°Cという低温では、触媒上に硫安・硝安が堆積し、細孔を閉塞して活性の低下をもたらすため、細孔閉塞の発生しにくいマクロポーラスな酸化物の調製も試みた。まず、細孔構造に関しては、金属アルコキシドを酢酸中に入れ、酢酸塩の結晶を成長させる方法により、マクロ孔の発達した多孔質固体の調製に成功した。特に、チタニアに関しては繊維状酸化チタンからなる多孔質固体の調製に成功したが、嵩高いため単位容積当たりの比表面積を十分にできないことが判明し、触媒としてはさらに検討が必要な段階にある。反応経路に関する検討により、低温脱硝反応は従来のアンモニア脱硝(表面NH4_+とNO、O_2の反応)の場合とは異なり、触媒上で亜硝酸アンモニウムを経由して反応が進行している可能性が高いこと。亜硝酸イオンの生成に必要なNOの酸化にはSO_2の共存が不可欠であり、SO_2は共存NOによって硫酸に変換されること等を明らかにした。なお、反応経路に関する研究成果は、石炭科学会議で発表した。本研究で見出した3種の触媒の活性を向上させるためには、亜硝酸アンモニウムの生成を促進する助触媒の開発・添加が必要であり、助触媒としてはアンモニウムイオンの生成に有利な固体酸点を含みかつNOの酸化を促進させる作用が必要であることを明らかにすることができた。そこで、最終年度はこの助触媒の開発に重点をおいて実用触媒の開発を達成したい。具体的には、客種金属酸化物、金属塩等の添加により、上記、3種の金属酸化物の表面特性を改善し、高活性化を図る予定である。初年度チタニア、ジルコニア、アルミナが90°Cの低温で、NOをアンモニアで窒素に還元できることを見出した。昨年度は、脱硝反応のメカニズムに重点をおいて検討し、亜硝酸アンモニウム類似の中間体を経て反応が進行している可能性を明らかにした。さらに、高活性化触媒としては、アンモニアを吸着できる固体酸点とNOを酸化活性点をもち、アンモニウム塩の堆積に耐える細孔構造を持つ触媒が有望であることが示唆された。研究計画の最後の年にあたる本年度は、実用可能な触媒の開発を目指して、触媒の表面状態改質のため、助触媒添加の効果と再生利用の可能性について検討した。触媒としては実用化を考慮して市販のアルミナを使用した。添加物としては固体酸点としての役割を期待できる、金属硫酸塩と金属塩化物計20種を添加し、その効果を検討した。
有限要素法に基づいた非圧縮性粘性流れの解析システムの開発に関する研究

本研究の目的は非圧縮性粘性流体のナビエ・ストークス方程式と連続条件式を支配方程式とする非定常流れの問題を対象として、境界形状あるいは外力や流速に関する諸条件が種々に異なった流れに対して汎用的に適用することができる解析システムを開発することにある。研究の経緯および成果の概要は以下のとおりである。1.解析システムの基本となる解析法の開発:支配方程式にガラーキン有限要素法を適用し、有限要素には要素内で流速線形分布、圧力一定の3角形要素を用いて空間を離散化した。時間積分法には独自の高精度な直接時間積分公式を用い、対象領域内のすべての節点流速成分が、既知成分,末知成分の別なく同じ精度で連続条件を満足するように、連続条件式と境界条件を適用する過程に工夫をすることによって、流速と圧力の時間変化に関する積分漸化関係式を導いた。非線形項に関しては1積分ステップごとに収束計算を行う計算過程とした。2.解析法のシステム化:連立一次方程式の解法にはスカイライン法とLDU分解を併用し、一度LDU分解を行ったのちは、積分時間間隔を変えない限り、後退代入の繰返しのみで積分計算が進められるアルゴリズムとした。構成した解析システムは、積分時間間隔を設定すること以外には付加的な判断を必要とするパラメータをいっさい含んでいないこと、および現象の変化に伴ってアルゴリズムを変化させるといった手立てを必要としないこと、を特色としている。また、流速や圧力、渦度などの空間的な分布,時間変化等を図示する各種のポストプロセッシングの機能を作成した。3.解析システムの検証:物体背後にカルマン渦を生ずる流れ、などの解析を実施して、構成した解析システムによって得られる解の精度、計算過程の安定性などの検証を行った。
VLSIフロアプランのためのゲーム論的配置手法の開発

板金の板取やVLSIフロアプランなどの工学的な配置問題を,ポリオミノ箱詰め問題としてモデル化し,ゲーム論的なアプローチに基づいて最適化する新しいアルゴリズムの構築を行った.提案法は,ポリオミノの位相的特徴量を評価尺度として配置専有面積を最小化する点に特徴がある.更に,ピース間の配置制約を考慮した,より現実的なモデルへの拡張を実現し,結果として,本来のアルゴリズムを大幅に変更することなく,また,効率を損なうことなく有効な結果が得られることを示した.板金の板取やVLSIフロアプランなどの工学的な配置問題を,ポリオミノ箱詰め問題としてモデル化し,ゲーム論的なアプローチに基づいて最適化する新しいアルゴリズムの構築を行った.提案法は,ポリオミノの位相的特徴量を評価尺度として配置専有面積を最小化する点に特徴がある.更に,ピース間の配置制約を考慮した,より現実的なモデルへの拡張を実現し,結果として,本来のアルゴリズムを大幅に変更することなく,また,効率を損なうことなく有効な結果が得られることを示した.本研究課題では,空間内のスペース取り合いの問題として位置付けられる配置問題の典型的な例として,工学的にも重要なICやVLSIの設計におけるフロアプランに関わる問題を取り上げ,これを解決するための新しいアルゴリズムの開発及びその検証を行うことを目的として研究を進めている.初年度においては,実際のICやVLSI等の角形素子(A角形ブロック)に対する配置問題に取り組む前段階として,主にD角形ブロックの箱詰め問題に対するアルゴリズムの開発とその高速化に関する検討を実施した.ここで,"D角形ブロック"とは「ディジタル化された角形ブロック」の意味であり,単位長を一辺とする単位ブロック,または単位ブロック複数個を,隣接する2つのブロックが互いに他方の一辺を共有するように構成した角形ブロックを指す.D角形ブロックに対する提案法は,ピース配置に関わる位相的特徴量の潰し合いに着目した配置手順発見のための大域的な検索手法であり,空間的な評価としての"盤面の評価"とそれに基づく手順の評価としての"攻め手の評価"を活用して,最も有望な順序でピースを選択し配置するアルゴリズムから構成される.本アルゴリズムの詳細は,IEEE World Automation Congress (WAC2006)において発表済みである.さらに,ピース配置に関するヒューリスティックスを導入することによって処理の高速化を実現し,従来は不可能であった大規模な箱詰め問題を解くことに成功した.本アルゴリズムの高速化に関する検討の詳細は,Journal of Advanced Computational Intelligence and Intelligent Informatics (JACIII)に採録済みである.本研究課題では,空間内のスペース取り合いの問題として位置付けられる配置問題の典型的な例として,工学的にも重要なICやVLSIの設計におけるフロアプランに関わる問題を取り上げ,これを解決するための新しいアルゴリズムの開発及びその検証を行うことを目的として研究を進めている.初年度(平成18年度)は,実際のICやVLSI等の角形素子(A角形ブロック)に対する配置問題に取り組む前段階として,主に単位長を一辺とする単位ブロック,または単位ブロック複数個を隣接する2つのブロックが互いに他方の一辺を共有するように構成した角形ブロック(D角形ブロック)の箱詰め問題に対するアルゴリズムの開発とその高速化に関する検討を実施した.平成19年度では,これらの成果を踏まえ,D角形ブロックに対するアルゴリズムを3次元の対象領域に対して適用できるよう拡張を行うとともに,シミュレーションを通してその有効性の確認を行った.この拡張により,ジグソーパズルのような平面的なピースの配置問題だけでなく,立体パズルのようなより一般的な立体部品の組み立て問題に対してアルゴリズムを適用することが可能である.なお,3次元の対象領域に対する本拡張アルゴリズムは,国際会議IEEE Inter-national Conference on Systems, Man and Cybernetics(SMC2007)に採録・発表済みである.本研究課題では,面積の限られたプリント基板上にICやVLSIなどの電子部品を効率的に配置するフロアプランへの応用を想定し,一般に限られた空間における箱詰め問題を解決する新しいアルゴリズムの検討を行ってきた.これまでは,1個もしくは複数個の単位ブロックから構成されるD角形ブロックをピースとする箱詰め問題の解法の提案とその高速化,および本提案法の3次元対象領域への適用などについて検討を行い,有効な結果を得ている.当該年度は,実際のICやVLSI等の角形素子に対応した汎用的な形状のブロック(A角形ブロック)をピースとする配置問題への一般化を検討するとともに,特定の素子間のピンツーピン配置を考慮した制約付きの素子配置問題への拡張についても検討を行った,前者については,各A型ピースに対してこれを内包するD型ピースを対応させることで, D角形ブロックの箱詰め問題に帰着できることを明らかにした.また,後者については,ピース間の配置の好ましさを示す「好み評価尺度」を導入し,従来のD型ピースの配置問題の可能解の中から最も望ましい解を選択する問題に帰着できることを明らかにした.当該年度の研究成果については,研究計画が当初の予定よりやや遅れてしまったことから,現時点では未発表となっている.現在,国内のジャーナル誌への投稿に向けて準備を進めているところである.