hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
計算知能援用制御法の開発 －IoT時代の大規模複雑システムへの適用を目指して－

昨年度、一昨年度と開発を進めてきたMP-PID法/MP-SMC法の実用化に向けた改良と実システムへの応用に向けた検討を進めた。大規模複雑システムの一例として、電気自動車の蓄電池に蓄積されている電気エネルギーを,次世代電力網であるスマートグリッドに送ることで、電力の需給バランスをとるVehicle-to-Grid(V2G)を対象としてとりあげ、電力の安定供給の制約のもと、Co2排出量の削減を目的として、MP-PIDとMP-SMC法を拡張したアプローチを開発し、その性能検証を行った成果を国際会議にて発表した。また、一昨年度から進めている自動車の走行データを制御ユニットからクラウドサービスを用いて収集/蓄積し、これを解析することで、運転特性モデルや乗り心地の良い運転特性の定量的評価基準の導出を行う研究において、一昨年度開発した加減速に対する乗り心地の改善を目的とした速度制御法を、直進時だけでなく旋回時にも適用できる2次元の制御法に拡張して実用化を高めた成果を国際委会議で発表するとともに国際学術雑誌にも採録された.また、実車両を用いた走行データに基づいて、ドライバーの運転動作の抽出と縦方向と横方向の2つの加速度の時系列データの特徴量の出現頻度を機械学習によって分析する手法を開発し、その成果を国内会議にて発表した。さらに、次世代都市交通システム(Advanced Rapid Transit)として、歩車共存空間で用いることを想定している自動運転の電子連結車両の運動制御に対し、ポテンシャル関数を時空間に拡張するとともに障害物の予測軌道を算出するMP法や、鳥の飛行動作のうち着地動作に着目して大量の動画データを解析した結果から構築したモデルと解析結果に基づき抽出した制御則を乗り心地のよい停止制御に応用する方法なども新たに開発し、これらの成果を国内会議にてそれぞれ発表した。研究代表者が2018年4月1日付けで筑波大学情報学群情報メディア創成学類長に就任し、学類運営業務全般に携わっており、これらの業務が多忙となって研究遂行にかける時間が減ったため、補助期間延長を行った。また、V2Gに対する制御手法、ポテンシャル関数を時空間に拡張したMP法、鳥の飛行動作の撮影データに基づくモデル化と制御則の抽出による制御法の構築など新たな対象やアプローチに対する研究開発を開始しており、これらは今後の発展が期待できるテーマであるが、現段階ではまだ途上と言わざるを得ない。これらにより、“やや遅れている"と判断した。2018年度中に新たに取り組みを始めた、V2Gに対する制御手法、ポテンシャル関数を時空間に拡張したMP法、鳥の飛行動作の撮影データに基づくモデル化と制御則の抽出による制御法の構築の3つについて、実用化を目指してロバスト性を高める観点も加えて、それぞれの開発を進める。特に、V2Gに対する制御手法においては、Co2削減以外にも一定期間の総電力消費量の低減化などの目的を加えることや、様々な現実的制約を条件化して加えること、また電力網の規模(人口規模等)とEVの台数割合との関係性の解析、人口規模のスケーラビリティの分析などを行うことで、実用性を高める。この場合、多目的制御系設計問題となるため、これまで開発してきた制御目的を制約変換した単目的問題を逐次的に解く方法により、仕様に応じて適切な解を選択決定する方法の拡張と適用も検討する。さらに、これまで開発してきたMP-PID法、MP-SMC法とこれら3つのアプローチとの性能比較や組合せも併せて行う。さらに、計算知能を活かした機械学習との組み合わせの相性を分析し、より大規模で複雑なシステムへの適用のための拡張を並行して行いつつ、組み合わせた場合の具体的な有効性の検証を行う。機械学習との組み合わせにおいては、深層学習による補正機能を備えたモデル化手法との組み合わせにより、これらの制御法の設計パラメータと対象特性とのさらなる関係性解析を行うことで、モデル化手法と制御手法を統合した設計手法の構築も目指す。計算知能援用制御法の構築の第1段階として、深層学習を基盤とする制御法開発のために,MP-PID (Model Predictive PID)制御法の設計のための評価関数の重みの値と対象システムの非線形性や複雑性との定性的/定量的関係について検討し、汎用的で実用性を高めたMP-PID制御系の構成方法の開発を行った。この成果を日本機械学会論文集Vol. 83, No. 845にて発表した。また、IoT時代の道路交通システムへの適用を見据えて、自動車の走行データを制御ユニットからクラウドサービスを用いて収集/蓄積し、これを解析することで、運転特性モデルや乗り心地の良い運転特性の定量的評価基準の導出運転支援システムや自動運転技術確立のための基盤技術開発の検討を開始した。特に、電気自動車を対象として、加減速に対する乗り心地の改善を目的とした速度パターンの生成法についての研究を行った。提案した生成法は,走行の途中で走行条件(停止位置など)が変更された場合でも、乗り心地の良い運転の規範となる速度パターンが導出できるもので、この成果を、国際会議ICINCO2016にて発表するとともに、International Journal of Intelligent Control and Automation, Vol.8, No.1にて発表した。さらに、自動運転技術を前提とする、次世代都市交通システム(ART:Advanced Rapid Transit)の一つである電子連結車両を対象とし、機械学習等のデータ解析を基礎とした制御法として、搭乗者の負荷を軽減しつつ,静止物や移動物等の障害物を安全に回避する走行制御法とコウモリの飛行ダイナミクスに基づく電子連結車両の追従制御法の研究開発を開始し、これまでの成果を計測自動制御学会第4回制御部門マルチシンポジウムにて発表した。

研究実績の概要欄で述べた、「汎用的で実用性を高めたMP-PID制御系の構成方法」、「電気自動車を対象とした加減速に対する乗り心地の改善を目的とした速度パターンの生成法」、「搭乗者の負荷を軽減しつつ静止物や移動物等の障害物を安全に回避する走行制御法」、「コウモリの飛行ダイナミクスに基づく電子連結車両の追従制御法」の研究開発とその成果発表を行うことができたことから“おおむね順調"と判断している。ただしMP-PID法の設計パラメータと対象モデルの非線形性や複雑性(次元やパラメータ数等)との定性的/定量的関係の解析が十分にできていない。このため、非線形で複雑な対象について、従来の線形近似モデルに非線形性や複雑性に起因するモデル化誤差を深層学習により吸収する補正項を加えたモデルの構築方法の開発にまだ至っていない。また、制御性能と学習効果の関係の解析やそれに基づいた、制御器のパラメータ値を制御ループ中で適応的に学習/補正する機能を付加した制御系の設計方法の開発についてはまだ途上である。これらが平成29年度以降の課題である。昨年度開発を進めてきたMP-PID制御法の改良と並行して、計算知能援用制御法の構築の第2段階として、MP-SMC法における対象システムの非線形性や複雑性との定性的/定量的関係について検討した。MP-SMC法では、制御入力を離散的に与えるために、チャタリングと呼ばれる振動現象が、非線形性に関連して制御性能を悪化させる要因となることを明らかにし、チャタリング低減性能と制御性能のトレードオフに基づく評価関数を提案するとともに、低減関数の検討を理論とシミュレーションの両面から解析したいくつかの成果を、国際会議1件と国際学術雑誌論文2本として発表した。同様に昨年度から進めている、次世代都市交通システム(Advanced Rapid Transit)の一つである自動運転電子連結車両を対象とし、コウモリの飛行ダイナミクスに基づく追従制御法の拡張と高度化を行ったフォーメーション制御法を開発し、これを国際会議にて発表した。また、開発中の制御手法を、計算知能を活かした機械学習と組み合わせてITS(Intelligent Transportation System)などの大規模交通システムへ適用するための、実用化のための研究開発も進めた。具体的には、昨年度から開始した、自動車の走行データを制御ユニットからクラウドサービスを用いて収集/蓄積し、これを解析することで、運転特性モデルや乗り心地の良い運転特性の定量的評価基準の導出による運転支援システムや自動運転技術確立のための基盤技術開発の一環として、発進,停止,左折,右折の4つの運転動作に着目し、実車両を用いた走行実験データに基づいて実データを収集し、ドライバーの運転動作の抽出と加速度の時系列と特徴量の出現頻度に着目した機械学習による分析手法を開発した。
遠隔計測による都市防災環境の評価に関する基礎研究

都市の快適性評価のなめの都市構成要因を遠隔計測データから抽出する方法を検討した。昭和60年度の東京都住民意識調査報告に基づき、快適性に関連する物的データを抽出し、それらを(a)遠隔計測データから抽出が可能と考えられる量、(a')抽出可能と考えられるが、遠隔計測法に工夫を要する量、(b)意味論的情報を必要とするため遠隔計測データのみからは抽出が困難と思われるもの、(C)遠隔計測データから直接的には抽出されない量に分類した。具体的には(a),(a')は、(a)アクセス可能水辺数,建物棟数密度,道路面積率,中高層化率,(a')森林面積率,農地面積率,自動車交通量,標高などである。本研究では、第一段階として、最初のカテゴリー(a)に属する物理量を遠隔計測データから抽出することを目標として研究を行った。使用した遠隔計測データは航空写真を3原色に分解して量子化した多重分光画像である。1画素の大きさは地表で約0.9mの短形に対応している。画像の分散を用いて居住地と非居住地を分離し、さらに、居住地の住宅規模を分類できることが分った。これを用いて建物棟数密度や中高層化率を推定することができる。非居住地域については、分光特性を用いて、空地と緑地、水などが分類できることが分った。また、道路は直線的な構造に着目し、画像の分散の種々の方向への投影のうち最小値を与える方向から抽出が可能であることが分った。これらの処理は元々の画像に対して実行すると処理時間が膨大になる。これを避けるため分解能を低下させた圧縮画像について処理を行い必要に応じて高い分解能の画像で処理を行うという階層型処理法を開発した。抽出たれた各要素の面積は画素数を数えて推定できる。なお、戸建てと集団住宅の分離は観測時刻の異なる2画像から、熱慣性の違いを利用しても行うことができることが分った。
脳細胞移植による損傷脳の機能修復に関する研究

今回の研究は以下の3点について検討を行った。1.脳細胞移植に対する間算性浮腫の影響,2.Parkinson病モデルに対するconstant-flow microinfu-sion法を用いた脳細胞移植の効果、3.脳細胞移植によるシナプスの再構成。まず1には5,7-dehydroxytryptamine(5,7-DHT)により5-htのdenervationを行ったラットにkaolin水頭症をおこさせ、これに胎仔縫線核細胞の移植を脳梁前羊部に行い、その効果を非水頭症群と比較した。移植の評価は免疫組織化学とHPLC-ECPによる5-HT,5-HIAAの定量を用いて行った。その結果脳細胞移植の初期過程においては、宿主脳の間質性浮腫は、移植された細胞の生着・繊維の伸長に促進的に働くことが明らかとなった。次に2については6-hydroxydopamine(6-OHDA)をラットの黒質に注入して作成した。Parkinson病モデルを用いて、これに胎仔Dopamine(DA)含有細胞の移植を行い、その効果をapomorphine復腔内投与により誘発される回転運動と免疫組織化学により評価を行った。移植には我々が開発したconstant-flow microinfusion法によりcell suspensionを尾状核に移植する方法と、DA細胞を組織片として側脳室内に移植する方法とを行った。その結果constant-flow microinfusionを用いた方法の有効性が確認された。Bには低血圧下に両側総頚動脈を一時遮断し、海馬錐体細胞を選択的に脱落させたラットを宿主として用い、これに胎仔海馬細胞をcell suspension法を用いて移植した。ガラス微少電極を用いて移植部位での単一放電を記録するとともに、海馬錐体細胞への興奮性入力であるSchaffer側枝刺激によるevoked potentialを記録した。その結果移植部位におけるニューロンの単一放電が記録され、しかもSchaffer側枝刺激により誘発反応が得られた。これにより移植された細胞に宿主細胞からの入力がおこることがされた。今後は誘発反応を分析することにより入力様式およびシナプス機能の評価を行う予定である。私どもが確立したTrypsin処理胎児脳細胞Suspensionをconstant flowーmicroinfusion法での移植手技を用いて, 5.7DHT大槽内注入により5HT細胞をdenervateしたラットの背側海馬に移植して,生着率・生着範囲・神経線維の伸長,その機能状況につき(a)5HTーimmunohistochemistryにより,形態学的に生着の状況と線維の伸長を, (b)5HT, 5HIAAならびにその他のmonoamin含量を海馬内の種々の部位で測定し,移植された5HT neuronの生化学的活性度を調べ,その行動について検索した.その結果(a)免疫組織学的に移植された5HT神経細胞は,移植部位であるdentate gyrusからC_1の部に多く認められ,神経突起は広範囲に伸長し,ほぼ放射線上に認められ,移植後8週迄に著明で,その後12週目まで観察したが次第に伸展状況が拡大していた.(b)HPLCーECDによる5HT,5HIAAの定量では,移植部はもちろん,移植部とは遠隔な部位である腹側海馬ならびに対側海馬でも5.7DHTによりdenervateした対照よりはるかに増加しているのみならず,正常の海馬での5HTの含量と比較して150%, 5HIAAは170%に増加していた.

しかし対側海馬及び腹側海馬では,組織免疫学的な染色法ではこの部に伸展した移植細胞の神経突起や, intrinsic sproutingなどは認め難かった.(c)一側海馬5HTdenervationによる未順応環境での非対称性orientingresponseを認めるが,両側の5HTdenervation後の右側海馬へ5HTcellが移植された群では,移植が機能していれば左側海馬と同一反応を示すはずである. PCAを投与して行動の変化をみると,移植対側への非対称性回施行動を認め, PCPAの前処置でblockされた.この事実は移植5HT細胞が正常機能を示していることになり,生理的に作用しているものといえる.(d)局所の5HT及び5HIAAが正常値を上回っているにも拘らず正常行動を示す点に関し,今後の検討が必要となる.今回の研究は以下の3点について検討を行った。1.脳細胞移植に対する間質性浮腫の影響、2.Parkinson病モデルに対するconstant-flow microinfusion法を用いた脳細胞移植の効果、3.脳細胞移植によるシナプスの再構成。まず1には5,7-dehydroxytryptamine(5,7-DHT)により5-HTのdenervafionを行ったラットにkaolin水頭症をおこさせ、これに胎仔縫線核細胞の移植を脳梁前半部に行い、その効果を非水頭症群と比較した。移植の評価は免疫組織化学とHPLC-ECDによる5-HT,5-HIAAの定量を用いて行った。その結果脳細胞移植の初期過程においては、宿主脳の間質性浮腫は、移植された細胞の生着・線維の伸長に促進的に働くことが明らかとなった。次に2については6-hydroxydopamine(6-OHDA)をラットの黒質に注入して作成したParkinson病モデルを用いて、これに胎仔Dopamin(DA)含有細胞の移植を行い、その効果をapomorphine腹腔内投与により誘発される回転運動と免疫組織化学により評価を行った。移植には我々が開発したconstant-flow microinfusion法によりcell suspensionを尾状核に移植する方法と、DA細胞を組織片として側脳室内に移植する方法を行った。その結果constant-flow microinfusion法を用いた方法の有効性が確認された。3には低血圧下に両側総頸動脈を一時遮断し、海馬錐体細胞を選択的に脱落させたラットを宿主として用い、これに胎仔海馬細胞をcell-suspension法を用いて移植した。ガラス微小電極を用いて移植部位での単一放電を記録するとともに、海馬錐体細胞への興奮性入力であるSchaffer側枝刺激によるevaked potentialを記録した。その結果移植部位におけるニューロンの単一放電が記録され、しかもSchaffer側枝刺激により誘発反応が得られた。
頭頚部悪性腫瘍に対するPET/MRによる画素単位でのマルチパラメトリック解析

頭頚部がんの治療方針の決定には画像を用いた検査が不可欠だが、従来のCTやMRIといった検査は解剖学的情報しか得られず、がんの性質の正確な評価や治療効果の判定がしばしば困難であった。近年開発されたPET/MR装置はFDG-PETによる糖の代謝情報とMRによる詳細な解剖学的情報および様々な機能画像を同時に取得可能な新しいマルチ分子イメージング装置である。本研究ではPET/MR装置による複数の代謝・機能画像を組み合わせたマルチパラメトリックイメージング手法を確立し、頭頚部がんの悪性度評価および治療効果の判定や予測に応用することを目指す。
ROS制御による頭頸部癌の化学放射線耐性の克服

癌細胞ストレス環境下で生産される活性酸素(Reactive Oxygen Species; ROS)に着目し、Sestrin 1 (SESN1)が頭頸部癌でシスプラチン耐性、温熱線耐性を誘導する可能性を見出した。シスプラチン耐性細胞株でSESN1を抑制するとシスプラチン耐性及び温熱耐性が減弱されることが解った。SESN1抑制によってシスプラチン、温熱後のROS誘導型アポトーシスが増加することを証明した。この反応は放射線照射後には起こらず、放射線耐性は異なったメカニズムであることが示唆された。本研究からSESN1を新規ターゲットとした頭頸部癌におけるシスプラチン・温熱耐性克服の可能性が示された。我々は頭頸部癌におけるシスプラチン耐性機構を解析するために、頭頸部癌(上顎癌)細胞株IMC3からシスプラチン高度耐性株IMC3CRを樹立した。PCR arrayの結果から、IMC3CRにシスプラチンを添加した際に、Sestrin 1(SESN1)の発現が2倍以上に増加する事を見出した。SESN1はミトコンドリアからのROS産生を抑制することが報告されている。ROSはシスプラチンを含む様々な抗腫瘍薬、放射線、また温熱刺激などで産生され、チトクロームc、カスパーゼを介したアポトーシスを誘導する。このことからSESN1が頭頸部癌の抗腫瘍薬耐性および放射線耐性に共通して関与する可能性があると考えた。IMC3CRにシスプラチンを添加し、6時間後にReal-time PCRを行うとIMC3(野生株)に比べ、SESN1の発現が約30倍増加することが解った。またウェスタンブロット法でもシスプラチン刺激36時間でSESN1が著明に誘導されることを確認した。SESN1の機能解析のためRNAiによりSESN1を抑制し、MTT assayを行った。その結果、SESN1を抑制することで、シスプラチン処理後48時間のIMC3CRの細胞生存率は約60%著明に減少することが解った。コロニー法で長期細胞生存率を解析すると、SESN1抑制によってシスプラチン投与後の細胞生存率はさらに低下し、シスプラチン耐性が大幅に減弱されることが判明した。フローサイトメトリー、ROS測定によりSESN1抑制による細胞生存率低下がROS誘導型アポトーシスの増加によることを証明した。当初の研究計画通りにデータが蓄積されている状況である。解析が終了した部分から現在論文作成中である。このことからSESN1が頭頸部癌の抗腫瘍薬耐性、放射線耐性および温熱耐性に共通して関与する可能性があると考えた。またMTTアッセイによりIMC3CRは温熱耐性をも獲得していることが示された。SESN1を抑制すると、この温熱耐性が減弱され、アポトーシスが増加することがフローサイトメトリー、MTTアッセイ、コロニー法で証明された。計画当初はプラチナ耐性および放射線耐性との関連を予想していたが、実験経過によりプラチナ耐性と温熱耐性に方向性を転換した。本研究の成果を論文として作成中である。内容を補完するデータのための追加実験を行っている段階であり、おおむね順調に進展している。過去に我々は頭頸部癌におけるシスプラチン耐性機構を解析するために、頭頸部癌(上顎癌)細胞株IMC3からシスプラチン高度耐性株IMC3CRを樹立した。本研究でPCR arrayの結果から、IMC3CRにシスプラチンを添加した際に、Sestrin 1(SESN1)の発現が2倍以上に増加する事を見出した。SESN1はミトコンドリアからの活性酸素類(Reactive Oxygen Species; ROS)産生を抑制することが報告されている。

IMC3CRにシスプラチンを添加し、6時間後にReal-time PCRを行うとIMC3(野生株)に比べ、SESN1の発現が約30倍増加することが解った。またウェスタンブロット法でもシスプラチン刺激36時間でSESN1が著明に誘導されることを確認した。RNAiによりSESN1を抑制し、MTT assayを行った。その結果、SESN1を抑制することで、シスプラチン処理後48時間のIMC3CRの細胞生存率は約60%著明に減少することが解った。コロニー法で長期細胞生存率を解析すると、SESN1抑制によってシスプラチン投与後の細胞生存率はさらに低下し、シスプラチン耐性が大幅に減弱されることが判明した。フローサイトメトリー、ROS測定、カスパーゼ3活性測定によりSESN1抑制による細胞生存率低下がROS誘導型アポトーシスの増加によることを証明した。同様の実験手法でSESN1抑制が温熱刺激によるROS誘導型アポトーシスをも増加させることが明らかになり、頭頸部癌のシスプラチン・温熱耐性克服への可能性が示された。癌細胞ストレス環境下で生産される活性酸素(Reactive Oxygen Species; ROS)に着目し、Sestrin 1 (SESN1)が頭頸部癌でシスプラチン耐性、温熱線耐性を誘導する可能性を見出した。シスプラチン耐性細胞株でSESN1を抑制するとシスプラチン耐性及び温熱耐性が減弱されることが解った。SESN1抑制によってシスプラチン、温熱後のROS誘導型アポトーシスが増加することを証明した。この反応は放射線照射後には起こらず、放射線耐性は異なったメカニズムであることが示唆された。本研究からSESN1を新規ターゲットとした頭頸部癌におけるシスプラチン・温熱耐性克服の可能性が示された。ROSを介する細胞死は放射線並びに温熱刺激でも誘導される。初期データではあるが、シスプラチン耐性株IMC3CRは温熱耐性をもある程度獲得している事が解った。SESN1を抑制することで温熱刺激後の耐性が減弱するかをMTT assayやclonogeniccell survival assayで解析する。SESN1抑制による頭頸部の癌温熱耐性克服の可能性についても研究を発展させる予定である。現時点で論文本体はほぼ完成している。内容を補完するための実験を若干要する状態である。これらが完成後、論文を投稿する。耳鼻咽喉科予定していたPCR array、MTT assay、ウェスタンブロット、ROS assayなどの諸実験が順調に進み、論文作成に必要なデータを得ることができた。このため主に消耗品購入のために予想していた経費が実際には安価に押さえることができたため。PCRアレイ、リアルタイムPCR、フローサイトメトリー等の基礎実験が予想より効率的に結果が得られたため。当初の計画を発展させ、SESN1抑制がROSを介した温熱誘導型アポトーシスを増加させるのかを解析する。この解析により、SESN1をターゲットとした頭頸部癌温熱増感治療の可能性が明らかになると考える。論文完成に必要となるウェスタンブロット、免疫染色、試薬、抗体で使用予定である。
各種緑内障治療薬が毛様動脈血管平滑筋に与える効果についての薬理学的研究

近年、眼血流を測定できる様々な機器が開発され、緑内障治療点眼薬の血流に対する効果が検討されている。我々は緑内障治療点眼薬の眼血流に対する作用機序を検討した。今回我々が検討した緑内障治療薬の血管作用は、血管を高カリウム溶液で収縮させた状態でこれらの薬剤を投与した際に、どの程度の弛緩作用を持っているかで評価した。ピロカルピンは高カリウム溶液で収縮させた毛様動脈血管標本を濃度依存性に弛緩させた。この弛緩は一酸化窒素合成阻害剤で抑制され、血管内皮を擦過除去した標本では見られなかったことより、血管内皮からの一酸化窒素(NO)放出が関与していると考えられた。ベタキソロールも毛様動脈を濃度依存性に弛緩させたが、これはこの薬剤の持つカルシウム拮抗薬様の作用のためと考えられた。チモロールは毛様動脈に対してはきわめて弱い弛緩作用しか持っていなかった。β遮断作用に関しては緑内障治療薬の中では比較的強い薬剤であるので、この点からも血管弛緩作用とβ遮断作用が関係のないことが示唆された。ニプラジロールはニトログリセリン様の作用を併せ持っており、薬剤に含まれるニトロ基よりNOを放出するNO-Donorとして血管弛緩作用を有した。ウノプロストンの血管弛緩作用はかなり強力であるが、興味深いことにウノプロストンの代謝物は血管弛緩作用を持たなかった。角膜を通過するときにこの薬剤はほとんど全てが代謝されて代謝物として前房内に存在するため、ウノプロストンが血流を増加させるとすればそれは眼球内に存在する代謝物としてではなく、眼球内に入らず眼球を迂回して後眼部に達した非代謝物としてであると考えられた。この薬剤の血管弛緩は細胞外のCa流入阻害によると考えられた。緑内障性視神経障害の進行にとって眼圧が最も重要なrisk factorである。しかし正常眼圧緑内障などのように眼圧が低いにも関わらず視神経障害が進行するような病態では、眼圧以外の因子、とりわけ眼循環が重要であると考えられる。我々は、新しい緑内障治療薬が眼圧下降効果の他に血管平滑筋にどのような作用を持っているかを検討した。ウサギより毛様動脈を摘出し、等尺性収縮記録法を用いて血管の性質と薬物の作用をin vitroで検討した。この血管はフェニレフリンのようなα作動薬に対して濃度依存性の収縮を示したが、イソプロテレノールのようなβ作動薬には反応せず、β受容体はこの血管に関する限り重要な役割を果たしていないと考えられた。またフェニレフリンによる収縮はα1受容体拮抗薬であるブナゾシンによって抑制された。神経刺激を行うとこの血管の神経支配には収縮性の成分と弛緩性の成分があることがわかった。前者は交感神経α受容体を介するもので、後者はNO合成阻害薬で抑制されたが、内皮には非依存性であり、非アドレナリン非コリン性のNOを伝達物質とする神経によって起こっていると考えられた。緑内障治療薬の一種であるピロカルピンはこの血管の内皮細胞に存在するムスカリン受容体を介して内皮依存性のNOを放出させることによって濃度依存性の弛緩を起こすことが明らかとなった。β遮断薬はベタキソロール、チモロール、カルテオロールで検討を行った。ベタキソロール、チモロールは比較的高濃度でこの血管を弛緩させたが、その機序はβ遮断作用ではなく、これらの薬剤の持つCa拮抗薬様作用が考えられた。

カルテオロールの血管弛緩作用は確認できなかったが、in vivoでは血流を増加させるとの報告もあり、さらに検討を有する。また最近新しい緑内障治療薬として注目されるウノプロストンおよびラタノプロストもやはり濃度依存性の弛緩を起こしたが、弛緩は内皮非依存性で、Ca拮抗薬様作用とも異なり、内因性のCGRPやPGの関与もなく、作用機序に関しては不明であった。このように既存の緑内障治療薬のほとんどは血管弛緩作用を持つが、その作用機序は異なっていることが明らかとなった。この結果は正常眼圧緑内障の治療約選択に際して臨床的に非常に重要な示唆を与える物と考えられる。様々な緑内障治療薬の眼循環に及ぼす影響が注目されている。前回から我々はβ遮断剤やウノプロストンの摘出家兎毛様動脈に対する効果をin vitroで検討してきた。今年度はニプラジロールの影響を検討した。方法は前回に引き続き当尺性収縮記録法を用いた。白色家兎を屠殺後、眼球より毛様動脈を摘出した。摘出血管を微小血管収縮測定装置に固定し、ニプラジロールに対する効果を調べた。その結果、ニプラジロールは高K溶液で収縮させた状態の摘出毛様動脈に対して濃度依存性に弛緩反応を生じた。弛緩を起こす最小の濃度は1μMであり、1mMの濃度では初期収縮力の8.3%へと著明な弛緩を示した。この弛緩反応はNO合成阻害薬存在下でも、内皮を機械的に除去した標本でも同様に観察された。従ってこの弛緩に内因性のNOは関与していないと考えられた。NOトラッピング作用を持つCarboxy-PTIOはこの弛緩作用を一部抑制した。ニプラジロールからニトロ基を除いた脱ニトロ・ニプラジロールは同じ濃度で全く弛緩反応を起こさなかった。また、グアニリルシクラーゼ阻害作用を持つmethylenblueは個の弛緩に拮抗作用を示した。以上の結果よりニプラジロールは薬剤自身の持つニトロ基からのNO直接放出作用によって白色家兎毛様動脈を弛緩させることがわかった。In vitroの結果からもこの薬剤に血流改善作用があることが示唆された。近年、眼血流を測定できる様々な機器が開発され、緑内障治療点眼薬の血流に対する効果が検討されている。我々は緑内障治療点眼薬の眼血流に対する作用機序を検討した。今回我々が検討した緑内障治療薬の血管作用は、血管を高カリウム溶液で収縮させた状態でこれらの薬剤を投与した際に、どの程度の弛緩作用を持っているかで評価した。ピロカルピンは高カリウム溶液で収縮させた毛様動脈血管標本を濃度依存性に弛緩させた。この弛緩は一酸化窒素合成阻害剤で抑制され、血管内皮を擦過除去した標本では見られなかったことより、血管内皮からの一酸化窒素(NO)放出が関与していると考えられた。ベタキソロールも毛様動脈を濃度依存性に弛緩させたが、これはこの薬剤の持つカルシウム拮抗薬様の作用のためと考えられた。チモロールは毛様動脈に対してはきわめて弱い弛緩作用しか持っていなかった。β遮断作用に関しては緑内障治療薬の中では比較的強い薬剤であるので、この点からも血管弛緩作用とβ遮断作用が関係のないことが示唆された。ニプラジロールはニトログリセリン様の作用を併せ持っており、薬剤に含まれるニトロ基よりNOを放出するNO-Donorとして血管弛緩作用を有した。ウノプロストンの血管弛緩作用はかなり強力であるが、興味深いことにウノプロストンの代謝物は血管弛緩作用を持たなかった。
芸術・文化を核とした小都市の成立と発展の可能性の研究-ニューメキシコ州サンタフェのアートの町としての発達過程の解明-

アメリカ南西部のまちニューメキシコ州サンタフェは、人口6万人に満たない都市規模に関わらず、アートの町として全米3位の市場を誇るとともに、多くの観光客の訪れる観光都市でもある。サンタフェがどのような過程をたどりこのような発展をみたのかを、芸術活動、歴史文化保護活動、産業活動(芸術工芸産業,観光産業)および、都市政策・都市計画の諸相から明らかにした。その結果として以下の4点をあげる。(1)サンタフェの都市発達過程は大きくは19世紀末からの「観光業萌芽期」、第2次大戦終了までの「アートの町の発生と成立期」、戦後からの「芸術観光都市としての整備と開花期」の3つに時代区分できる。(2)アートのまちとしての発生と成立期に移住してきた芸術家や考古学者らは、創作・研究活動の延長で歴史的町並の保全と創造、工芸産業や観光業の支援等、多面的かつ積極的にまちづくりに関わり、これが戦後の発達への大きなストックとなった。(3)戦後、芸術観光都市を目指して再スタートを切ったサンタフェでのアート産業と一般観光産業の空間的展開過程を見れば、1947年プランによるダウンタウンの歴史的町並み保全、1962年プランでのダウンタウンへのアトリエやホテルの集積化と歩行者道路化、1983年プランによる建築のデザイン規制の強化と用途規制の緩和の抱合わせ等々の一連の都市政策が効果的に働いたということができる。(4)始動期での「鉄道会社の観光宣伝戦略への芸術家たちの巻き込み」、その後戦前までの「移住してきた芸術家たちによる活発なアートコロニーの活動と彼らの工芸業や観光誘致への積極的協力」、戦後の「歴史文化の保存と建築デザイン規制の強化を軸とした都市政策」等々、サンタフェの発達史上の出来事は、これからのわが国の「Iターン人口や交流人口による都市の活性化策」にとって示唆するところは少なくない。
高強度鉄筋コンクリート造立体柱・梁接合部の非線形有限要素解析

本研究では、3次元有限要素(FEM)解析プログラムを用いて、高強度鉄筋コンクリート(RC)造立体内柱・梁接合部3体((1)直交梁、床スラブなし平面接合部、(2)直交梁付き立体接合部、(3)床スラブ付き立体接合部)の非線形解析を行った。尚、解析には、申請者の研究室で開発されてきた、3次元非線形FEM解析プログラムを使用し、更に高強度鉄筋コンクリート部材を精度良く解析するために、以下の解析モデルを追加、更新した。コンクリートの構成則モデル・圧縮コンクリートの初期剛性→Fafitis-Sharモデル・ひび割れたコンクリートの圧縮強度低減モデル→飯塚、野口モデル以上の解析結果を用いて、立体内柱・梁接合部の破壊状況、履歴特性、鉄筋ひずみやコンクリート内部応力状況などの解析結果から、実験試験体の検証を行った。前述の3体について、破壊状況、履歴特性、鉄筋ひずみなどは、解析結果が実験と良好な対応を示した。また、接合部に直交梁や床スラブが付くことにより、接合部コンクリートが拘束され、接合部のせん断強度は増大する傾向がみられた。更に、実験では検討が難しいコンクリート圧縮ストラットの幅や応力状態について、解析から得られる接合部内部のコンクリート応力を用いて検討を行った。今後は、コンクリート圧縮ストラット機構を定量的に把握し、既往のマクロモデルや設計式との対応の検討を行う予定である。当初計画では、接合部横補強筋量をパラメータとした仮想試験体の解析を行う予定であったが、3次元解析では、試験体1体の解析にかなりの時間を要し、本年度は上記3体の解析しか実施できなかった。具体的には、1体の解析時間が35日ぐらいかかり、更に解析前の入力データの作成、解析結果のデータ整理、視覚・グラフ化、データの検討など、膨大なデータを処理しなければならない。今後、実解析をサポートするような、解析サポートプログラム(自動入力データ作成プログラムやデータ整理プログラム)の充実を図り、解析数の多い仮想試験体のパラメータ解析が行えるように、もっと解析環境を整備していきたいと思う。
内在性膜タンパク質と脂質膜相互作用の単一分子力学

膜タンパク質と細胞膜の相互作用を理解するためにも、また細胞膜からタンパク質を採取・同定する技術を完成して脂質とタンパク質の相互作用を定量的に測定する必要がある。膜タンパク質と脂質膜の相互作用は強すぎるので結合定数を測定することは難しい。そこで本研究課題では、ナノテクノロジーを推進する技術として原子間力顕微鏡を使用することにより、生細胞の膜から膜タンパク質を引き抜く力を測定する技術を確立するため、細胞膜、リポソームおよびLB膜からの膜タンパク質および疎水性ペプチドの引き抜き実験を企画し、現在までに次の実績を得ている。1.赤血球およびそのゴースト膜は主要膜タンパク質としてバンド3タンパク質とグリコフォリンをそれぞれ100万個の単位で含有している。原子間力顕微鏡の探針をシラン化後、アミノ基に反応性を持つ共有結合性架橋剤により修飾しておき、細胞膜に接触することにより、細胞膜上のアミノ基と探針を共有結合により結合できる。細胞膜上のアミノ基の主要部分はバンド3とグリコフォリンの持つリシンのアミノ基であるため、架橋生成後探針と試料間の距離を増すことにより、探針に結合した膜タンパク質が細胞膜から引き抜かれる。このときの引抜き力を探針のついているバネの変位として測定したところ、平均値として200ピコニュートンという値を得た。またゴースト膜を試料にした場合は、300ピコニュートンという値を得た。これらの値は、グリコフォリン引き抜きに要する力として従来発表されている25ピコニュートンという値を大きく上回る値である。リポソームおよびLB膜からのタンパク質引き抜きは現在進行中であるが、すくなくとも100ピコニュートン以上の力を要することが確認されている。
社会的公正を基軸とした公共図書館論の再構築

本研究では新自由主義の進行による図書館の公共的価値の後退を問題化し、これを解消するための基礎理論構築のために、以下に示すとおり調査研究を行なった。(1)アメリカ公共図書館モデルの確立史アメリカ公共図書館モデルの史的変遷を歴史資料に基づき、公共図書館の原初モデルから公立図書館モデルの確立までを精査した。これは本研究における参照モデルとしてのアメリカ公共図書館モデルを総合的に分析したことになる。さらに本課題「社会的公正を基軸とした公共図書館論の再構築」について、現在、新たに図書館研究では、ホワイトネスへの関心が高まっており、その開拓者的にして最も重視されるトッド・ホンマの論文を翻訳した。これはまさに図書館・図書館界における「公正」の問題を歴史的かつ現在への問題提起も兼ねて考察した論文である。(2)アメリカ公共図書館モデルの変容20世紀後半から21世紀にかけて起る公共図書館原則の揺らぎの時代を対象に新自由主義/市場原理主義に基づく経営モデルに公立図書館が取り込まれ、無料、公開、公費支弁の三原則が後退していく経緯を検討した。alternative public librariesという新たな公共図書館モデルを導入し、アメリカ公共図書館モデル/伝統モデルに対置させることで、21世紀の新たな公共図書館モデルの可能性について検討した。(3)フィンランド図書館の実態調査全世界的に新自由主義に基づく図書館経営モデルが優位となるなかで、公費支弁の公共図書館の運営原則を維持してきた北欧の公共図書館の中でも、文化政策過程への公的介入強度が高いフィンランドに焦点を当てて、公共図書館の現地調査を通して公的文化制度の浸透を実証的に解明した。2018年8月中旬にヘルシンキおよび近郊地域において13館の図書館を訪問し、7名の図書館職員にインタビューを行った。当初に設定した研究計画に基づいて研究が着実に行われている。1年目に着手した3本の研究課題(1)アメリカ公共図書館モデルの確立史、(2)アメリカ公共図書館モデルの変容、(3)北欧型公共図書館モデルの制度的枠組み、2年目に着手した(4)フィンランドの公共図書館についての実証的検証について、それぞれ研究が進展している。研究計画すべてについて予定通り研究が進行しており、最終年についても最終課題である公共図書館モデルの再構築について、研究成果が期待されるため。1年目と2年目の研究成果に基づき、研究課題(フェイズ1アメリカ公共図書館モデルの確立史、フェイズ2アメリカ公共図書館モデルの変容、フェイズ3北欧型公共図書館モデルの制度的枠組み、フェイズ4フィンランド図書館の実態調査)を統合し、公共図書館が新自由主義/市場原理主義への対抗機関となる社会的に公正な文化施設としてコミュニティに存立するための成立条件を、20世紀アメリカ公立図書館モデルに再照準化して明らかにすることで、最終目的である公共図書館モデルの再構築を行いつつ、公正な文化装置としての公共図書館の成立条件を解明する。本研究では新自由主義の進行による図書館の公共的価値の後退を問題化し、これを解消するための基礎理論構築のために公共図書館の再モデル化を試みる。この研究目的を達成するために以下に示すとおり調査研究を行なった。アメリカ図書館協会などの専門職団体が確立する以前の歴史を扱うため、同時代の地域新聞などの一次資料を収めたデータベースを用いて、公共図書館の成立に係る新たな変遷過程の経緯を検討した。ついで多様な公共図書館が基礎自治体の運営する公立図書館に収斂していく過程を、20世紀前半期の専門職団体の機関誌の網羅的分析と図書館史研究書の議論を統合・整理し、本研究における参照モデルとしてのアメリカ公共図書館モデルを総合的に分析した。(3)北欧型公共図書館モデルの制度的枠組み全世界的に新自由主義に基づく図書館経営モデルが優位となるなかで、公共図書館の原則を維持してきた北欧の公共図書館の文化制度と政策実施を、政策文書から跡づける作業を行った。文化保障制度としての図書館の存在意義を、社会保障、福祉、教育に関わる公的制度に位置づけた上でその政策理念を検討した。1年目に着手した3本の研究課題(1)アメリカ公共図書館モデルの確立史、(2)アメリカ公共図書館モデルの変容、(3)北欧型公共図書館モデルの制度的枠組み、についてそれぞれ研究が進展している。2年目は上記の研究課題に加えて、北欧の海外調査を実施する予定になっている。この調査に向けて調査対象国であるフィンランドについて、公共図書館と関わりの深い教育文化的背景についての基礎的調査を進めている。また現地調査について、すでに調査の細部の検討に入っており、海外調査の実施後の成果が期待できるため。

さらに本課題「社会的公正を基軸とした公共図書館論の再構築」について、現在、新たに図書館研究では、ホワイトネスへの関心が高まっており、その開拓者的にして最も重視されるトッド・ホンマの論文を翻訳した。これはまさに図書館・図書館界における「公正」の問題を歴史的かつ現在への問題提起も兼ねて考察した論文である。(2)アメリカ公共図書館モデルの変容20世紀後半から21世紀にかけて起る公共図書館原則の揺らぎの時代を対象に新自由主義/市場原理主義に基づく経営モデルに公立図書館が取り込まれ、無料、公開、公費支弁の三原則が後退していく経緯を検討した。alternative public librariesという新たな公共図書館モデルを導入し、アメリカ公共図書館モデル/伝統モデルに対置させることで、21世紀の新たな公共図書館モデルの可能性について検討した。(3)フィンランド図書館の実態調査全世界的に新自由主義に基づく図書館経営モデルが優位となるなかで、公費支弁の公共図書館の運営原則を維持してきた北欧の公共図書館の中でも、文化政策過程への公的介入強度が高いフィンランドに焦点を当てて、公共図書館の現地調査を通して公的文化制度の浸透を実証的に解明した。2018年8月中旬にヘルシンキおよび近郊地域において13館の図書館を訪問し、7名の図書館職員にインタビューを行った。当初に設定した研究計画に基づいて研究が着実に行われている。1年目に着手した3本の研究課題(1)アメリカ公共図書館モデルの確立史、(2)アメリカ公共図書館モデルの変容、(3)北欧型公共図書館モデルの制度的枠組み、2年目に着手した(4)フィンランドの公共図書館についての実証的検証について、それぞれ研究が進展している。研究計画すべてについて予定通り研究が進行しており、最終年についても最終課題である公共図書館モデルの再構築について、研究成果が期待されるため。1年目の研究課題(1)アメリカ公共図書館モデルの確立史、(2)アメリカ公共図書館モデルの変容、(3)北欧型公共図書館モデルの制度的枠組みに関わる研究を1年目の成果を踏まえて進展・深化させる。さらに第4の研究課題である「北欧公共図書館の実態調査」に着手する。海外調査は新自由主義・市場原理主義型図書館への対抗モデルとしての公共図書館を浮かび上がらせるために、教育機会の平等性における国際的モデルとして位置づけられるフィンランドの公共図書館を調査地域とする。インフォーマル教育機関である公共図書館における社会的公正性の体現化を実証的に解明するために、小規模自治体に設置された公立図書館を対象に、図書館職員と利用者へのインタビュー調査を通して公的文化制度の浸透を跡づけることを目標とする。1年目と2年目の研究成果に基づき、研究課題(フェイズ1アメリカ公共図書館モデルの確立史、フェイズ2アメリカ公共図書館モデルの変容、フェイズ
ＺｎＯ／ＺｎＭｇＯ系量子井戸によるシュタルク効果型光変調器の開発

本研究の目的は,励起子結合エネルギーの大きいZnO系量子井戸における励起子効果を最大限に活用することによって,光変調器を実現することである。我々は,c面サファイア基板上に1nm程度のMgOバッファ層を成長した後にO極性ZnOバッファを成長して,バッファ層の高品質化を行った。紫外透明導電膜であるPEDOT:PSSとZnO/ZnMgO量子井戸のショットキ型光変調器を作製し,20meVのシュタルクシフトを得た。また,透過型光変調器として波長370nm(3.35eV)において光変調動作を確認した。さらに,電解液でZnO表面にコンタクトをとることにより2Vという低電圧動作も確認した。本研究の目的は,励起子結合エネルギーの大きいZnO系II-VI族化合物半導体量子井戸における励起子効果(量子閉じ込めシュタルク効果)を最大限に活用することによって,超高速の光変調器を実現することである。ZnOは圧電半導体であり,極性を有することから,ZnO/ZnMgO量子井戸のシュタルク効果を利用するには,成長面極性を制御した結晶成長が不可欠である。本年度は,ZnOおよびZnMgOエピタキシャル膜の高品質化を図った。具体的には,c面サファイア基板上に1nm程度のMgOバッファ層を成長した後にO極性ZnOバッファを成長した。この複合バッファ層を成長後にアニールを行って,バッファ層の高品質化を行い,Gaドープn型ZnMgO層を形成した。その上にZnO/ZnMgO量子井戸層を成長した。X線回折半値幅は,従来のa面サファイア基板上の素子と比較して数分の1程度に減少し,量子井戸の品質が改善された。紫外透明導電膜であるPEDOT:PSSとZnO/ZnMgO量子井戸のショットキ型光変調器を作製し,透過光による電界変調吸収スペクトルから,20meVのシュタルクシフトを得た。このシュタルクシフトは,逆バイアス印加とともにブルーシフトする逆シュタルクシフトであり,大きな内部ピエゾ電界の存在が明らかになった。本研究の目的は,励起子結合エネルギーの大きいZnO系II-VI族化合物半導体量子井戸における励起子効果(量子閉じ込めシュタルク効果)によって,光変調器を実現することである。まず,MBE成長により理論設計に基づいた量子井戸を作製し,光変調器の基礎動作原理である量子閉じ込めシュタルク効果を検証した。具体的には,紫外透明有機導電膜PEDOT:PSSを用いたショットキダイオードにより外部バイアス010Vを印加して,電界反射変調分光法により励起子遷移エネルギーのシフトを実証した。次に,ZnOおよびZnMgOエピタキシャル膜の高品質化を図るためにMgOバッファ成長の基礎技術を構築した。光変調器では,透過光による電界変調吸収スペクトルから20meVのシュタルクシフトを得た。最後に,電解液による電圧印可により2Vという低電圧動作でシュタルクシフト16meVを得ることに成功し,低電界で大きなシュタルクシフトが得られるという理論値との整合性が確認された。そのために,まずZnO/ZnMgO多重量子井戸(従来の量子井戸,二重結合量子井戸,階段量子井戸)を高抵抗層(i層)にもつショットキ型光変調素子を本研究の開発目標とする。さらに,p型ZnOの作製技術が確立次第PIN型光変調素子を実現する。本研究で扱うZnOは紫外線370nmに相当するバンドギャップを有している。したがって,ZnOを光変調器に用いた場合,量子井戸化を行うとして350400nmが動作波長のターゲットとなる。

この動作波長帯は,現在のBluRayディスクに使用されている405nm紫色LDから,次世代光ディスク用紫外線光源として開発が活発に行われている350nm前後のLDの波長帯である。したがって,本研究で350400nm帯の超高速光変調器が実現されれば,これらのLD光源を用いて超高速光通信,光記録などが期待される。平成23年度は,光変調器の基礎特性であるZnO/ZnMgO量子井戸の量子閉じ込めシュタルク効果を検証した。本研究では,Mg組成5%30%のZnMgO障壁層を用いたZnO/ZnMgO多重量子井戸をサファイア基板およびZnO基板上にMBE成長し,紫外透明有機導電膜PEDOT:PSSとのショットキダイオードにより外部バイアス電圧を印加した。電界反射変調分光法により励起子遷移エネルギーの外部印加電界依存性を調べ,有限要素法による電界印加時の理論計算との比較により,ZnO/ZnMgO量子井戸が紫外光変調器に有望であることを見出した。c面サファイア基板上に極薄膜MgOバッファ,ZnOバッファを形成し,ZnO, ZnMgO, ZnO/ZnMgO量子井戸層の高品質化を図った。昨年度までのa面サファイア上の素子に比べてX線回折半値幅は数分の1に低減され,残留キャリア濃度も1桁減少した。また,Gaドープの最適化を行うことで結晶品質を低下させることなく10^19/cm^3台の高濃度n型ZnMgO層を実現した。さらに,紫外透明導電膜であるPEDOT:PSSを用いたショットキダイオードにより,外部逆バイアス07Vで波長370nm(3.35eV)における光変調動作を確認した。また,電界変調吸収分光スペクトルから,逆バイアス印加とともに遷移エネルギーがブルーシフトする逆シュタルクシフト(20meV)を確認した。ZnO/ZnMgO単一量子井戸,および結合量子井戸の最適構造理論設計を終え,MBE成長により実際に設計に基づいた量子井戸を作製し,光変調器の基礎動作原理である量子閉じ込めシュタルク効果を検証した。紫外透明有機導電膜PEDOT:PSSを用いたショットキダイオードにより外部バイアス010Vを印加して,電界反射変調分光法により励起子遷移エネルギーのシフトがほぼ理論に合致することを実証しており,ZnO/ZnMgO量子井戸の紫外光変調器への有効性を示した。また,Gaドープn型ZnMgOバッファの成長条件およびエッチングプロセス技術を確立し,今後の透過型光変調器の実現に向けた基礎技術を構築した。まずは,ZnO/ZnMgO量子井戸のさらなる高品質化を図り,透過型光変調器の変調度向上を目指す。また,PEDOT:PSSの形成プロセスをインクジェット法などに変更することにより,ショットキダイオードの暗電流低減および量子井戸への高電界印加を目指す。さらに,ドライエッチング(Arスパッタ)・ウェットエッチング併用によるメサ加工により光導波路を形成する。また,側面リークの低減のためにパッシベーション膜(SiO2, SiNx)の最適化を進める。本デバイス構造は素子面積を小さくすることで素子容量を極限まで小さくすることが可能であり,100GHz以上の超高速光パルスの生成が可能となる。また,光導波路をアレイ化することにより,超高速光パルスアレイの実現も期待される。以上の方法で作製したデバイスの光変調特性(変調度,変調効率,変調速度)を評価する。これらの特性と,光吸収スペクトルおよび理論シミュレーションとの対比により,デバイスの構造最適化を行い, 100GHz以上の超高速光変調デバイスの実現を目指す。平成23年度の結果を基に,光をデバイス上部から透過させる透過型光変調器を作製する。
瞬時圧力場のイメージングに基づく非平衡乱流場の圧力相関モデル

本研究はレイノルズ平均法乱流モデル(RANSモデル)の枠組みでの圧力変動を含む相関項のモデル構築を目的として、実験と数値解析の両面からのアプローチを実行した。実験的には、粒子画像流速計(PIV)による速度場情報から瞬時の圧力分布を求める手法と、微小圧力プローブと熱線風速計による同時計測手法をそれぞれ開発し、これらから得られる乱流等計量から現存する乱流モデルの評価を行った。また、数値解析ではRANSモデルの複雑乱流への拡張と、大規模渦構造を有する乱流場をターゲットとして渦要素法の応用を検討項目に加えた。研究初年度はPIVの光源にYAGレーザーを導入するとともにデジタルカメラを採用し、計測の信頼性を飛躍的に向上させることができた.この事により、一様流中に直列におかれた2つの物体周りの乱流場において、これまでに計測例がない、変動速度-圧力勾配の相関項の評価が可能となった。計測結果から、従来のRANSモデルでは十分に考慮されていない圧力拡散項と乱流拡散項の独立したモデル化が必要であることが示された。また、自由せん断乱流中では微小圧力プローブと熱線風速計を組み合わせた変動速度圧力同時計測を実行し、従来の圧力拡散モデルの成立条件が、乱流エネルギーの平衡状態にあることが明らかとなった。加えて、RANSモデルの性能検証のための実験データベースの構築も行った。一方、圧力場を直接求める必要がない渦法による乱流計算を実行し、大規模渦構造を含む乱流場の工学的なモデリングについて計算労力を考慮するとRANS計算よりも優れているケースがありうることを見出した。また、渦法では専用計算機の導入により今後さらなる計算速度の向上が見込まれ、非平衡乱流場の工学的なアプローチが容易になることを示した。本研究はレイノルズ平均法乱流モデル(RANSモデル)の枠組みでの圧力変動を含む相関項のモデル構築を目的として、粒子画像流速計(PIV)による速度場情報から瞬時の圧力分布を求め、乱流等計量を評価した。ここで取り上げる圧力場のイメージング手法は、これまでに鈍い物体周りの圧力場計測に際し一定の評価を得ることができており、研究初年度には一様流中におかれた角柱周りの流れと、2つの非流線型断面の柱状物体周りの流れを計測した。新たに導入したYAGレーザを用いたシート状光源と、1メガピクセルの解像度を有するデジタルカメラによって、これまでの一連の研究と比較してより広範囲にわたって精度の高い速度場データを取得することができた。これによって、圧力場の推測に関してもより信頼性の高い結果が得られたといえる。特に、撮影領域の拡大により、これまでは不可能だった一様流に境界を設定することができ、そのことによって圧力勾配の境界条件の適用性が向上した。一方、角柱周りの流れについて実行されたDNSの結果からは、これまで欠如していた時間軸方向の情報を含めた境界条件の取扱が可能となった。その結果、圧力のポアソン方程式を2次元近似して解析を実行する際、界面の圧力勾配の推算で非定常項を無視することの誤差評価を行うことができた。概ね10%程度の誤差が発生することが確認され、PIVによる測定は新規に導入したものでも十分な信頼性が確保されることがわかった。ここで取り上げる圧力場のイメージング手法は、前年度までに様々な鈍い物体周りの一様流中におかれた角柱周りの流れと、2つの非流線型断面の柱状物体周りの流れの計測を通じてある程度の評価ができている。