hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
走化性・増殖系に現れる非線形現象とその解析－これまでとこれから－

走化性・増殖系に関して,弱減衰作用を有する場合の時間大域存在およびその解のパターン形成について,1件の査読無プロシーディングスにて成果発表ならびに1件の査読付論文誌に投稿中,および2件の招待講演にて成果発表を行っています.また,反応と拡散が起こる場における界面運動に関する研究成果を1件公表しています.加えて,これからの課題として,走化性昆虫の造巣過程に関する数理モデリングの研究が,査読付アブストラクト集にて1件公表され,また2件のポスター発表を行い,現在フルペーパーとして内容を充実させたものを投稿準備中です.本研究は,走化性・増殖系に対して,これまでの研究成果をまとめ,そこに現れる非線形解析を整理・整備することならびに,そこから派生するこれからの課題について研究することを目的としています.今年度得られた成果は以下の通りです.1.弱減衰作用を有する走化性・増殖系に対する時間大域存在の証明(東京医科歯科大学・中口悦史先生との共同研究).これまで,研究代表者らの研究によって,L2空間を基礎とし,空間次元を2または3次元に限った場合の時間大域存在が示されていました.今年度の研究で,これをLpベースのソボレフ空間(p>N)に取り換えれば,空間一般次元において,ある条件下で時間大域存在が示されることがわかり,その成果をFunkcial. Ekvac.にて発表しました.さらに空間領域の凸性を仮定すれば,条件が緩められることもわかり,その成果はOsaka J. Mathに掲載予定であり,また口頭でも走化性系に関する国際会議iWMAC2において招待を受け,発表しています.2.蜂の巣様パターン形成の発生メカニズムの解明.走化性・増殖系には正六角形パターン解が発生することが,八木厚志教授らや研究代表者らの研究で明らかになっています.生物,走化性,正六角形というキーワードからの派生から,本研究ではミツバチを実際に飼い,その造巣過程を観察しています.これまで,造巣過程の初期段階に注目し,エージェントベースの数理モデルを立て,初期段階に形成される魚の骨様パターンの形成を再現できています.その成果を生命科学関連のシンポジウムにてポスター発表し,またSGHやSSH採択の高校が集う数学研究発表イベントにて,本数理モデルに関する研究成果を発表しています.走化性・増殖系に関して,弱減衰作用を有する場合の時間大域存在について,1件の査読付論文が発表済みであり,また1件の査読付論文が印刷中である.加えて,招待付き講演も行っている.3因子走化性・増殖系であるDeneubourg系について,時間大域存在を証明し,査読付論文の投稿準備中である.蜂の巣様パターン形成については,これを余次元2以上の分岐問題と捉えて,分岐理論を用いた解析を行うことを試みており,見通しがついてきており,今年度中の投稿を目指している.
結晶性分子ジャイロスコープの光駆動高速内部回転制御：理論設計・合成・観測

気相あるいは溶液中の小規模な分子系に限られていた従来の遷移状態研究の枠を越え,固体(結晶)における化学反応や分子運動の遷移状態を制御する手法を開拓した.結晶性分子ジャイロスコープは外部骨格(固定子)に保護された環(回転子)を持ち,それが結合を軸として回転する.回転子の挙動を瞬時に制御できれば,高速に動作する光学材料としての応用が見込まれる.かご状固定子と極性回転子を持つ分子ジャイロスコープに着目し,結晶構造の再現と回転ポテンシャル障壁の評価に成功した.更に,熱/光誘起内部回転シミュレーションを行い,赤外光の照射によりnsの時間スケールで環の回転を駆動できることを見出した.本研究は、気相あるいは溶液中の小規模な分子系に限られていた従来の遷移状態研究の枠を越え、超多次元系である固体(結晶)における化学反応や分子運動の遷移状態を制御する手法を開拓するものである。具体的な対象として、結晶性分子ジャイロスコープの高速内部回転制御を目指す。分子ジャイロスコープは外部骨格(固定子)によって保護された環(回転子)を持ち、それが結合を軸として回転する。回転子の挙動を瞬時に制御できれば、液晶よりも高速に動作する光学材料としての応用が見込まれる。我々は分子設計に基づく静的制御(ポテンシャルエネルギー曲面の形状操作)と光照射による動的制御(内部回転運動の直接励起)を組み合わせた研究を計画した。平成27年度は、「結晶性分子ジャイロスコープの内部回転遷移状態における分子間相関の解明」に取り組んだ。フッ素置換回転子とジシロキサンかご状骨格を持つ分子ジャイロスコープの内部回転の有効ポテンシャルエネルギー曲線を算出することに成功し、約5 kcal/molの回転障壁を有する2つの遷移状態が存在することを明らかにした。この回転障壁の値は、これまでに合成された分子ジャイロスコープの中でも特に低い。内部回転の有効反応座標は環が結合軸周りに回転するだけの単純なものではなく、回転子と固定子が互いに相関した複雑な運動である一方、この分子ジャイロスコープに関しては分子間相関が比較的小さいと言える。ナノ秒分子動力学計算から室温での回転頻度を評価し、約3 nsに1回の頻度で遷移状態を越えて内部回転が起こると予測した。平成27年度に計画していた「結晶性分子ジャイロスコープの内部回転遷移状態における分子間相関の解明」がおおむね達成できたため。「研究実績の概要」に記述した成果を総説として報告し、更に招待講演を含む国内外の研究会にて広く発表することができた。本研究は、気相や溶液中の小分子に限られていた従来の遷移状態研究の枠を越え、超多次元系である固体(結晶)における化学反応や分子運動の遷移状態を制御する手法を開拓する。特に、結晶性分子ジャイロスコープの高速内部回転制御を目指す。分子ジャイロスコープは外部骨格(固定子)に保護された環(回転子)を持ち、それが結合を軸として回転する。我々は分子設計に基づく静的制御と光照射による動的制御を組み合わせた研究を計画した。平成27年度は、フッ素置換回転子とジシロキサンかご状骨格を持つ分子ジャイロスコープの有効回転ポテンシャル曲線を算出し、約5 kcal/molの障壁を有する2つの遷移状態が存在することを明らかにした。この障壁の値は、これまでに合成された分子ジャイロスコープの中でも特に低い。回転の有効反応座標は環が軸周りに回転するだけのものではなく、回転子と固定子が互いに相関した複雑な運動である一方、この系では分子間相関が小さい。ナノ秒動力学計算から室温での回転頻度を評価し、約3 nsに1回の頻度で遷移状態を越えると予測した。平成28年度は、光照射による回転駆動シミュレーションを行った。初期温度0 Kとしてテラヘルツ波を入射すると、フッ素置換の効果で環が光と相互作用して回り始める。構成原子数の少ない回転子が光から供給されるエネルギーの半分以上を得るが、その大部分は固定子に流れていくことが分かった。これによって分子全体の実効的な温度が上昇し、回転障壁を乗り越える。フッ素置換により発生する双極子モーメントが、光から効率良くエネルギーを獲得する上で重要な役割を果たしている。実験的に可能な電場強度(< 2 GV/m)では、数nsで連続回転に至ると考えられる。平成28年度に計画していた「内部回転の光制御シミュレーション:光から回転子へのエネルギー供給効率の評価」がおおむね達成できたため。「研究実績の概要」に記述した成果をCSJカレントレビュー(日本化学会編、化学同人、平成29年出版予定)に寄稿することができた。本研究は、超多次元系である固体(結晶)における化学反応や分子運動の遷移状態を制御する手法を開拓する。平成27年度は、フッ素置換回転子とジシロキサンかご状骨格を持つ分子ジャイロスコープの有効回転ポテンシャル曲線を算出し、約5 kcal/molの低い障壁を有する2つの遷移状態が存在することを明らかにした。回転の有効反応座標は環が軸周りに回るだけのものではなく、回転子と固定子が相関した複雑な運動である。

ナノ秒動力学計算から室温での回転頻度を評価し、約3 nsに1回の頻度で遷移状態を越えると予測した。平成28年度は、光駆動回転シミュレーションを行った。フッ素置換の効果で環が光と相互作用して回る。回転子が光から供給されるエネルギーの半分以上を得るが、その大部分は固定子に流れる。これによって分子全体の実効的な温度が上昇し、回転障壁を越える。実験的に可能な電場強度(< 2 GV/m)では、数nsで連続回転に至ると考えられる。平成29年度は、チオフェン回転子とエチレンかご状骨格を持つ分子ジャイロスコープの回転機構を調べた。この系は、285 K以下では結晶全体で双極子を打ち消すように環が秩序的な配向を取るのに対し、285 K以上では環が逆向きの安定構造間を移動することが確認されている。我々は環の配向が異なる複数のエネルギー的に準安定な中間構造の存在を示し、高温では直接的な180°反転ではなく、これらの中間構造を経由して回転する可能性を見出した。気相あるいは溶液中の小規模な分子系に限られていた従来の遷移状態研究の枠を越え,固体(結晶)における化学反応や分子運動の遷移状態を制御する手法を開拓した.結晶性分子ジャイロスコープは外部骨格(固定子)に保護された環(回転子)を持ち,それが結合を軸として回転する.回転子の挙動を瞬時に制御できれば,高速に動作する光学材料としての応用が見込まれる.かご状固定子と極性回転子を持つ分子ジャイロスコープに着目し,結晶構造の再現と回転ポテンシャル障壁の評価に成功した.更に,熱/光誘起内部回転シミュレーションを行い,赤外光の照射によりnsの時間スケールで環の回転を駆動できることを見出した.「内部回転の光制御シミュレーション:光から回転子へのエネルギー供給効率の評価」に取り組む。フッ素置換回転子とジシロキサンかご状骨格を持つ分子ジャイロスコープの基準振動解析から内部回転の調和振動数を割り出し、それと共鳴する他の振動があり得るかを確認する。次に、環の回転に共鳴するテラヘルツレーザー光を照射した場合のナノ秒分子動力学シミュレーションを行う。光駆動内部回転の速度を見積もり、熱運動のみの場合と比較してどの程度高速化されるかを検証する。また、分子の電子エネルギーを各原子に分割して割り当てる原子分割エネルギー解析法を用いて、回転子および固定子の分割エネルギーの変化を評価し、光から内部回転の自由度へのエネルギー供給効率を定量化する。これらの解析を通して、テラヘルツ光照射下における実時間スケールでの回転子および固定子の挙動を解明し、フッ素置換回転子とジシロキサン固定子の性能を判断する。「光駆動高速内部回転を実現する最適な分子ジャイロスコープの設計、合成、シミュレーション」および「光照射下における内部回転の実験的観測法の検討」に取り組む。回転障壁や双極子モーメントの大きさに合成の可能性などを加味して、光駆動高速内部回転の実現に最適な組み合わせの回転子・固定子を備えた分子ジャイロスコープを設計する。新規設計された分子ジャイロスコープの光制御シミュレーションを実行し、回転頻度および光からのエネルギー供給効率が向上したかを確認する。
無線ネットワークを利用したスケーラブルなデマンド型交通のシミュレーションと評価

本研究は、無線ネットワークを利用して、車両や利用者の情報を集約し、デマンド型交通のサポートや効率改善を目的とした。東京23区のタクシーのプローブデータ(「車両ID」「時刻」「緯度・経度」など)を基に、「利用者の需要」と「時間帯・曜日」などの要因との相関関係を明らかにした。これにより、都市部における配車サービスの効率化が期待できる。また、ネットワークを介して収集した情報をリアルタイムに解析するために、分散処理技術である「Hadoop Map Reduce」を利用して、「車両の分布」や「車両の流れ」を可視化するシステムを構築した。本年度は、利用者の輸送計画として「複数顧客の相乗り」「複数車両の乗継ぎ」を円滑に運用するための研究を実施した。これは、車両・利用者からネットワークを介して集約した要求(デマンド)に加え、過去の乗降車履歴を活用することにより実現することが可能となる。本研究では、車両・利用者の情報を収集するノード(中継機)をサービスエリア内に分散配置することを想定している。そこで、分散ネットワーク環境において、集約した情報をリアルタイムに分析するために、大規模データの分散処理技術である「Hadoop MapReduce」を導入し、実運用を想定したシステムの構築を行なった。タクシーなどの輸送車両から収集できる情報には、「車両ID」、「時刻」、「緯度・経度」、「速度」、「方向」、「状態(空車または実車)」がある。最初に、これらの情報をMapReduceのフレームワークに従って、キー・バリュー・ストア(KVS)型の形式でノードに保存する。次に、分散配置された情報を統合処理し、車両の「経路履歴」や「OD表(Origin-Destination Table)」として抽出する。抽出した情報から、サービスエリア内において、利用者の交差が頻繁に発生する地域を検出することで、効果的な相乗りや乗継ぎポイントをリアルタイムに設定することができる。本研究の成果は、2013年10月に東京で開催される「第20回ITS世界会議東京2013」に、技術論文としてまとめ投稿した。また、東京23区間の顧客傾向と天候や曜日などの因果関係をニューラルネットワークを用いて逆誤差伝播法で学習することにより需要予測を行う手法を、2012年5月に岐阜で開催された「IIMSS2012」において発表した。本研究は、無線ネットワークを利用して、デマンド型交通をサポートすることを目的とした。中継ノードをサービスエリアに配置し、車両や利用者の情報をリアルタイムに取得することで、最適化された輸送計画を提供できると考えた。当初、無線ノードとして「Zigbee(ジグビー)」を利用することを想定していたが、開発キットが研究環境で正常に動作しないなどの問題が生じた。また、当初はアプリケーション層での開発を目指していたが、開発キットではさらに低層の物理層、データリンク層などを考慮する必要があることが分かった。このため、車両や利用者の情報をリアリタイムに取得できることを仮定し、輸送計画を効率化させることに重点を置いた。まずは、東京23区のプローブデータを基に利用者の発生傾向を分析することから初めた。プローブデータは、車両からネットワークを介してリアルタイムにサーバー(中継機)に送信され、「車両ID」「時刻」「緯度・経度」「速度」などの情報を含んでいる。デマンド型交通では、利用者の発生を予測し、車両を先回りさせるように配車することが重要である。そこで、時間帯・曜日・天候などの要因と、利用者の発生頻度・分布の相関関係をニューラルネットワークで学習することを試みた。この成果は2012年5月に岐阜で開催された「IIMSS2012」において発表した。次に、ネットワークを介して収集した情報をリアルタイムに解析することを目指し、大規模データの分散処理技術である「Hadoop MapReduce」を基に、実運用を想定したシステムの構築を行なった。送信されてくるデータをMapReduceのフレームワークに従って分散処理し、「車両・速度の分布」や「OD表」として抽出する。さらに、抽出された情報はインターネットを介して車両や利用者に発信する。この成果は「第20回ITS世界会議東京2013」において発表した。本研究の目的は小型無線ネットワークを利用した新しいデマンド型の交通システムを構築することにある。現在のデマンド型のサービス(デマンド・バスなど)は過疎地域などの地方都市での普及は進んでいるものの、デマンドの多い都市部での運行実績は少ない。そこで、無線ネットワークを活用して都市部での情報集約を実現し、顧客・車両の情報をリアルタイムに共有することで、サービスの利便性・採算性の向上が期待できる。また、無線ネットワークを利用することで、中継ノードを用いた分散型のシステムの構築が可能になるため、イベント会場などの一時的にデマンドが増加するケースでも対応できる。本年は、(1)タクシープローブを利用した交通シミュレータの開発と、(2)無線ネットワークを用いたデマンド交通用の通信プロトコルの開発、を目標に研究を進めた。

(1)を達成するために、まず(株)東京無線より提供されたタクシープローブを基に、東京23区・武蔵野市・三鷹市における顧客の発生傾向を分析することから始めた。デマンド型交通では、顧客の発生を予測し、車両を効率良く配車する必要がある。そこで、顧客の発生傾向とその他の決定要因(時間帯・曜日・天候など)との相関関係をニューラルネットワークに学習させることを試みた。また、マルチエージェント・シミュレータのArtisocを利用して交通シミュレータを構築し、タクシープローブから抽出した顧客情報を基に、デマンドバス(電気自動車)の運行評価を実施した。(1)に関しては概ね順調に目的を達成できたと考えている。一方、(2)に関しては、無線ネットワークとしてZigbeeの利用を試したが、デバイス・ドライバなどのハードウェアの問題で、開発が思うよう進まなかった。次年度の課題としたい。研究目的で挙げた無線ネットワークを利用した実環境における検証が達成できていない。無線ノードとして「Zigbee」を利用することを想定していたが、「開発キット」のドライバが研究環境で正常に動作しないなどのハードウェアの問題が発生した。また、当初の計画では、アプリケーション層におけるプロトコルの開発を目指していたが、開発キットを利用する場合、物理層やデータリンク層なども考慮に入れて開発する必要がある事が判明した。上記が本研究の目標達成が遅れた主な原因である。現在は、上記の問題を避けて分散ネットワーク環境を構築するため、「Zigbee」などの端末を想定したバーチャル・マシンによる仮想のネットワークを構築している。ただし、バーチャル・マシンは同一ネットワークで動作するため、実環境における電波障害などの影響を反映することができない。実用化のためには、実環境における検証・評価が必須であるため今後の課題としたい。本研究では無線ネットワークによる顧客・車両の情報共有が鍵となる。そこで、近距離無線通信規格のZigBeeの採用を考え、Helicomm製のZigBee開発キットを購入し、本研究の目的に対する利用可能性を検証しようとした。しかし、デバイス・ドライバなどのハードウェアの問題で思うようにソフトウェアの開発が進まなかった。今後は、これらの問題解決に務めると共に、他の無線規格の考慮も考えていきたい。無線ネットワークの構築は一端中断し、本年度に注力した分散ネットワーク環境における輸送計画の最適化を中心に研究を進める。これまでに、「Hadoop MapReduce」により車両情報をリアルタイムに分析し交通流の特徴量を抽出することに成功している。今後は、抽出された特徴量をどのように活かすかを検討する必要がある。「相乗り」や「乗継ぎ」に加え、配備車両の数や位置などのパラメータを考慮することで、利便性や採算性に対してどのような効果が期待できるか、まずはシミュレーションを用いて評価したい。
大振幅磁気流体波による急激な粒子加速

本年度は、プラズマ中に多種類のイオンが存在することの効果について特に注目し、磁気音波の構造、不安定性、粒子加速の研究を進め、それらを太陽高エネルギー粒子の研究に応用した。宇宙のプラズマも核融合プラズマも、2種類以上のイオンを含む。イオンが2種類存在すると、磁気音波の分散式は低周波と高周波の二つのモードに分裂する。低周波モードは長波長の極限で周波数がゼロとなるが、高周波モードは長波長の極限でイオンサイクロトロン周波数程度の周波数となる。つまり有限なカットオフ周波数を持つ。それにもかかわらず、低周波、高周波、それぞれのモードがKdV方程式で記述されることを解析的に示した。この結果は、従来考えられていたよりも、KdV方程式の適用範囲が広いことを表している。ソリトンの特徴的幅は、低周波モードがイオン慣性長、高周波モードが電子慣性長のオーダーである。太陽フレアには、高エネルギー粒子の中に^3Heの存在量が異常に増大する、^3He過剰現象を伴うものがあることが知られている。そのような現象では、^3Heサイクロトロン周波数に近い周波数を持つ波が重要な役割を果たすと考え、水素(H)とヘリウム(^4He)とを主成分とする多種類イオンプラズマ中での、電流によって引き起こされる不安定性について解析的および数値的に調べた。その結果、斜めイオン音波、H(水素)サイクロトロン波、および^4Heサイクロトロン波が、^3Heサイクロトロン周波数に近い周波数で不安定となることが判った。磁気音波による粒子加速の機構と上記の考察とを組み合わせ、高エネルギー粒子の平均の化学組成、^3He過剰現象、および短時間での相対論的エネルギーへの加速を統一的に説明する理論的モデルを提唱した。我々は大振幅磁気音波が急激な粒子加速を引き起こすことを、理論および計算機シミュレ-ションによって示して来たが、太陽フレア-においても、我々の予測と同じように、短時間の急激な粒子加速が起こることが近年の観測によって明らかになった。本研究計画の目的は「大振幅磁気流体波による急激な粒子加速」を理論および計算機シミュレ-ションで研究することである。この研究課題を、非線形波動理論、粒子運動理論、放射理論の発展と精密化、粒子モデルを用いた計算機シミュレ-ションによる波動と粒子加速の総合的把握、太陽フレア-等の高エネルギ-現象の観測と理論との比較などを通して遂行しようとしている。平成3年度は、三年計画の初年度にあたり、本研究計画遂行の基礎固めの年と位置づけられる。具体的には次のような基礎的作業を並行して進めた。1.粒子加速理論と、太陽フレア-における高エネルギ-現象の観測結果との詳細な比較検討を行なうための、粒子軌道理論および非線形磁気流体波理論の精密化の検討。2.上記の検討をもとにした、1次元および2次元の相対論的電磁粒子シミュレ-ション・モデルの構築。3.高エネルギ-の陽子・陽子衝突にともなうガンマ線放射過程等の定量的評価の精密化。これらの基礎的作業は順調に進んでおり、それをもとに平成4年度以降に論文あるいは口頭発表の形で研究成果の報告がなされる予定である。本年度は、プラズマの中で磁気音波によって加速され、高エネルギーになったイオンにおける分布関数と化学組成について理論的研究を行った。化学組成についての結果を太陽フレアーによって生成される高エネルギー粒子にも適用し、太陽高エネルギー粒子の化学組成も我々のモデルで説明し得ることを示した。以下では、主に化学組成について述べる。まず、静かなプラズマ中で大振幅磁気音波によって加速されるイオンの化学組成を理論的に調べた。高エネルギー粒子になる割合n_<jref>/n_<jo>(n_<jo>はj番目のイオン種の数密度、n_<jref

>はj番目のイオン種の高エネルギー粒子の数密度)に対する式を求め、そのj種イオンの質量、電荷、温度および背景プラズマの密度、磁場強度に対する依在性を求めた。静かなプラズマ中では存在比n_<jref>/n_<jo>は強い質量依存性を示し、質量が大きくなるにしたがって急激に小さくなる。また、プラズマの主成分イオンの質量が重い場合、軽いイオンは特に存在比n_<jref>/n_<jo>が大きくなる。以上は静かなプラズマの場合の結果であるが、磁気音波乱流の場合には、ランダムな速度がどのイオン種もほぼ等しくなるため、存在比n_<jref>/n_<jo>はあまりイオン種に依らなくなる。すなわち、高エネルギーイオンの化学組成は背景プラズマのそれとほぼ等しくなり得ることが分かった。これは、太陽高エネルギー粒子の化学組成が、平均すれば、太陽コロナのそれとほぼ一致することを理論的に説明するものである。さらに、多種イオンを含む宇宙プラズマの中で、電流不安定性により、^3Heのサイクロトロン振動数に近い波(イオンサイクロトロン波、イオン音波)を励起することが可能である。このような乱流状態では磁気音波によって、^3Heが選択的に加速され得ることを示した。これは太陽高エネルギー粒子の中に^3Heが異常に多い、^3He過剰フレアーを説明するものである。本年度は、プラズマ中に多種類のイオンが存在することの効果について特に注目し、磁気音波の構造、不安定性、粒子加速の研究を進め、それらを太陽高エネルギー粒子の研究に応用した。宇宙のプラズマも核融合プラズマも、2種類以上のイオンを含む。イオンが2種類存在すると、磁気音波の分散式は低周波と高周波の二つのモードに分裂する。低周波モードは長波長の極限で周波数がゼロとなるが、高周波モードは長波長の極限でイオンサイクロトロン周波数程度の周波数となる。つまり有限なカットオフ周波数を持つ。それにもかかわらず、低周波、高周波、それぞれのモードがKdV方程式で記述されることを解析的に示した。この結果は、従来考えられていたよりも、KdV方程式の適用範囲が広いことを表している。ソリトンの特徴的幅は、低周波モードがイオン慣性長、高周波モードが電子慣性長のオーダーである。太陽フレアには、高エネルギー粒子の中に^3Heの存在量が異常に増大する、^3He過剰現象を伴うものがあることが知られている。そのような現象では、^3Heサイクロトロン周波数に近い周波数を持つ波が重要な役割を果たすと考え、水素(H)とヘリウム(^4He)とを主成分とする多種類イオンプラズマ中での、電流によって引き起こされる不安定性について解析的および数値的に調べた。その結果、斜めイオン音波、H(水素)サイクロトロン波、および^4Heサイクロトロン波が、^3Heサイクロトロン周波数に近い周波数で不安定となることが判った。磁気音波による粒子加速の機構と上記の考察とを組み合わせ、高エネルギー粒子の平均の化学組成、^3He過剰現象、および短時間での相対論的エネルギーへの加速を統一的に説明する理論的モデルを提唱した。
ウナギ腎芽腫の原因遺伝子の単離とヒトWilms腫瘍遺伝子(WT1)との分子比較

ウィルムス腫瘍は出生約一万人に一人の割合で乳幼児期に発生する腎臓腫瘍の一つで、近年ウィルムス腫瘍が多発するWAGR症候群で染色体欠失の認められている第11番染色体13qに位置する遺伝子(WT1)が単離された。WT1遺伝子が癌抑制遺伝子である可能性が提起され、数症例で遺伝子の異常も報告された。我々はウナギにおいて、病理組織学的にヒトウィルムス腫瘍ときわめて類似した腎芽腫が多数自然発生することを見いだした。ヒトのWT1遺伝子が胎児期の腎芽発生の時期に特に発現することから、ウナギに発生する腎芽腫はヒトウィルムス腫瘍の発生機構を考える上できわめて有用なモデルになると考えられた。ヒトWT遺伝子をプローブとしてウナギDNAについてSouthern hybridizationを行ったところ、hybridizeするbandが認められたことから、系統的にヒトと隔たった種においてもこの遺伝子はよく保存されていることが予想され、ウナギよりWT1遺伝子を単離し、ウナギ腎芽腫におけるWT遺伝子の関与について検討を行った。ヒトWT遺伝子との塩基配列の相同性はzincfinger domain内で78%と高率であった。また、アミノ酸レベルでの相同性は75%であり、類似アミノ酸配列を加えると90%であった。さらにzincfinger domainにおけるアミノ酸のconsensus sequenceはすべて一致していた。従って、WT1遺伝子内のzinc finger domain領域は非常によく保存された重要な遺伝子の構成部分であることが明かとなった。また、ヒトWT遺伝子の各臓器での発現は胎生時の腎臓、精巣及び脾臓で認められるが、RT-PCRを行った結果ウナギの場合も同様に腎臓及び精巣で発現していることが判明した。成魚ウナギの場合、腎臓は造血機能を兼ね備えた前腎および後腎から構成されているがWT1遺伝子の発現は両腎臓で認められた。しかし、WT1遺伝子のzincfinger部分の変異について腫瘍で検討を行ったが、現在までのところ遺伝子の異常は検出されなかった。
閉塞性無呼吸症候群における舌および軟組織の形態からみた画像検査と診断基準の検討

本研究の目的は,CTデータを用いて,睡眠時無呼吸患者における,舌/下顎骨比の上気道への影響を検討することである.解剖学的項目(気道容積,舌・下顎骨体積,舌/下顎骨比)および肥満度・無呼吸の重症度の関係を調査した.その結果,肥満度と舌体積・舌/下顎骨比の間に正の相関が認められた.また,気道容積と舌/下顎骨比との間には,負の相関が認められた.このことから,肥満による舌/下顎骨比の変化が,無呼吸の発現に影響していることが示唆された.本研究の目的は,CTデータを用いて,睡眠時無呼吸患者における,舌/下顎骨比の上気道への影響を検討することである.解剖学的項目(気道容積,舌・下顎骨体積,舌/下顎骨比)および肥満度・無呼吸の重症度の関係を調査した.その結果,肥満度と舌体積・舌/下顎骨比の間に正の相関が認められた.また,気道容積と舌/下顎骨比との間には,負の相関が認められた.このことから,肥満による舌/下顎骨比の変化が,無呼吸の発現に影響していることが示唆された.機能を考慮した咬合面形態を制作するためには形態情報と運動情報の統合が必要である.また,その情報から補綴装置を制作するCAD/CAMの精度が重要となる.そこで従来法とCAD/CAMシステムで製作した全部鋳造冠を比較した.支台歯にはエポキシ製歯牙模型を用いて,全周ショルダー形成した全部鋳造冠用の支台歯形成を行った.作業用模型の製作は顎体模型を複印象材で複印象後,超硬石膏で製作した.支台歯形成を行なった作業用模型を分割副歯型模型にし,これを光学式表面形状認識装置にて表面形状データを計測,3次元画像ソフトにて3次元再構築像を作製後,モデリングソフトFree Formにて,全部鋳造冠の形態回復を行ない,その画像データを3次元ワックス造形装置R66にてワックスパターンを支台歯に対して3個,計6個製作した.これを従来法のワックスパターンと比較した,支台歯マージンに対するワックスパターンの被覆量の計測は,支台歯の歯軸方向に対して直角にデジタルマイクロスコープVHX-200/100Fで距離を計測した.今回, CAD/CAM Systemを開発しその紹介と全部鋳造冠製作を試みた結果1.本システムにより全部鋳造冠の製作が可能であった,2.マージン被覆は,従来法に比べ50μ100μの誤差を認めた.この誤差は,歯軸の傾斜による支台歯のアンダーカットに起因する表面形状の測定誤差,3次元再構成画像制作時のレジストレーション,ポリゴンの生成時に起因する誤差である可能性が示唆された.一昨年度,上気道・舌・下顎骨の体積,舌/下顎骨比率(T/M比)とBMI・AHIの関係について検討を行った.舌体積とBMIの間に正の相関,T/M比と上気道容積の間には負の相関が認められた.すなわち,BMIの増加に伴い舌体積が増加し,T/M比の増加により上気道容積が減少した.このことから,BMIの増加に伴い変化するT/M比がOSAの発現に関係していると考えられた.しかし,T/M比とAHIとの間には関連は認められず,OSAの重篤度には,あまり影響しないと考えられた.その結果をうけ,昨年度はT/M比以外の因子についても検討するため,OSA患者のセファロを収集し,予備的検討を行った。その結果,OSA患者において,靱帯の石灰化や頭位に特徴があることが示唆された。項靱帯の靱帯石灰化について検討したところ,一般的な発現率(6.5-27.6%)と比較し,OSA患者で高い発現率を示すことが明なになった(46.3%)。また,項靱帯の石灰化とOSA重篤度の間には関連性が認められた。頭位に関しては,健常者と比較し,頸部の角度が前傾傾向にあることがわかった。これは,何らかの代償的な反応であると考えられ,今後,気道の形態等との関連性について,さらなる検討を加える予定である。また,頭位は舌も骨の位置と関連性が認められたため,T/M比がOSA重篤度と関連性が認められなかった理由を探る一助となると考えられ,今後の検討課題の1つと考えている。本年度は,昨年度の予備検討をうけ,過去の文献で使用されているセファロ分析のパラメータを参考にさらなる検討を加える予定であり,併せて,これまでの研究成果について,適切な学会誌への発表を予定している。一昨年,CT三次元画像を用いた上気道・舌・下顎骨の体積,舌/下顎骨比率(T/M比)とBMI・AHIの関係についての検討に続き,OSA患者のセファロを収集し,頭位について予備的検討を行った.その結果,健常者と比較し,頸部の角度が前傾傾向にあることがわかった.そのため,昨年度は,対象を60名に増やし研究を継続した.また,頭位に加え,頸椎の湾曲度についても併せて検討を行った.OSA患者における,頸部の角度は,平均109.1±5.97゚で,健常者(100.98゚)よりも大きく,前傾傾向にあった.また,気道の前後径と正の相関が認められた.しかし,OSAの重症度を示すAHIとの相関は認められなかった.

頸部角度(CVT/NSL)と気道(RGAW)の関係は,RGAW=0.37*CVT/NSL-25.3で表すことができた.そこで,関係式の傾き0.37を用い,各患者で,100.98゚における気道前後径を再計算した結果,AHIとの相関が認められた.これらのことから,頸部角度の変化は,気道形態を保持するための反応であること,診断の際には,頸部角度の標準化が必要であることが示唆された.さらに,頸椎の湾曲度を検討した結果,健常者と比較し,直線化・逆湾曲を示すものの割合が高った.また,湾曲度と頸部角度の間には,負の相関が認められた.これらの結果から,OSA患者では,気道形態を保持するための反応により,骨格的特徴を持つ可能性が示唆された.現在,上記のデータをまとめ,適切な学会誌への発表を予定している。
触媒分子内に異なる酸性官能基を導入する新規キラルブレンステッド酸触媒の設計開発

申請者は、同一触媒分子内に異なる2つの酸性官能基を導入する、『異種複合型キラルBronsted酸触媒』の開発を行っている。前年度までの研究により、申請者は異種複合型キラルBronsted酸として、フェノール-リン酸、環状ボスフィン酸-リン酸、キラルカルボン酸-リン酸の合成に成功している。本年度は、合成した異種複合型キラルBronsted酸触媒の1つであるキラルカルボン酸-リン酸をアミドジエンとアゾ化合物との不斉アゾ-ヘテロDiels-Alder反応に適用し、その機能を評価した。不斉アゾ-ヘテロDiels-Alder反応は、テトラヒドロピリダジン環を一挙に構築できる大変有用な反応である一方で、その成功例は極めて少ない。本反応の位置選択性、立体選択性を制御することができれば、合成したキラルカルボン酸-リン酸の有用性を明確にすることができると考えた。検討は、10mol%のキラルカルボン酸-リン酸存在下、アミドジエンと種々のアゾ化合物を攪拌することで行った。特に、非対称アゾ化合物であるアゾ-2-ピリジニルモノエステルを用いた場合に、目的とする反応が進行し、2つの位置異性体が4:6の比で得られた。また、いずれの位置異性体においても良好なエナンチオ選択性が得られた。またキラルカルボン酸-リン酸の機能を更に明確にするため、当研究室で以前開発されたキラルモノリン酸との比較を試みた。その結果、キラルモノリン酸では、キラルカルボン酸-リン酸の場合とは逆の位置異性体が9:1以上の比で得られた。この結果から、キラルカルボン酸-リン酸がキラルモノリン酸とは異なる機能を持つことが分かった。申請者は、交付申請書において、「同一触媒分子内に異なる二つの酸性官能基を導入する異種複合型キラルブレンステッド酸触媒」を開発し、種々の反応に適用することを、「研究の目的」とした。また当該年度は、リン酸-カルボン酸触媒、リン酸-ホスフィン酸触媒の合成及び機能評価を中心に研究を進める旨を「研究実施計画」に記載した。以上の目的及び、実施計画に基づき研究を行い、当該年度は下記(1)(3)に示す成果を得た。(1)光学活性ビナフトールを不斉源とし、分子内に環状リン酸基とカルボン酸基を有する触媒(リン酸-カルボン酸触媒)及び、環状リン酸基と環状ホスフィン酸基を有する触媒(リン酸-ホスフィン酸触媒)の合成に成功した。また同触媒の精製法を確立した。(2)合成した異種複合型キラルブレンステッド酸触媒を、種々のアルデヒドとシロキシジエンとの触媒的不斉ヘテロDiels-Alder反応に適用し、触媒機能について評価を行った。検討の結果から、いずれの触媒も不斉触媒として効果的に機能しうることが示唆された。特に、リン酸-カルボン酸触媒を用いた場合に、クロラールとジエンとのヘテロDiels-Alder反応において、これまで困難とされていたエナンチオ選択性の獲得に成功した。(3)合成した触媒を活用するための基質の開発を行った。具体的には、異種複合型キラルブレンステッド酸触媒との水素結合相互作用を不斉場の構築に最大限活用するための基質として、新規アミドブタジエンを設計し、合成に成功した。研究実施計画に基づき、リン酸-カルボン酸触媒、リン酸-ボスフィン酸触媒の合成に成功したため。またそれらの機能評価においても、良好な結果を得たため。一方で、東日本大震災により所属研究機関が被災し、研究活動を長期間中断した影響もあり、当初の計画以上に研究を進展させることはできなかった。

申請者は既に、3種の異種複合型キラルブレンステッド酸触媒(リン酸-フェノール触媒、リン酸カルボン酸触媒、リン酸-ボスフィン酸触媒)及び、新規アミドジエンの合成に成功している。今後は、合成した触媒とジエンを用い、各種ジエノフィルとの触媒的不斉ヘテロDiels-Alder反応の開発を行う予定である。独自の設計に基づく触媒・ジエンを活用することにより、これまでに例の無い、独創的な反応系を構築できるものと期待している。
海洋生物ポンプにおけるエアロゾルの役割

衛星データ、数値モデルデータによりクロロフィルと水温、日射量、エアロゾルとの多変量解析を行った。その結果、エアロゾルと生物生産の相関関係は必ずしも高くはなかった。しかし船舶観測では亜熱帯海域で栄養塩が枯渇した夏季に表層のみ栄養塩濃度が高く、生物生産が比較的に高い現象が観測された。船舶観測や係留系観測からバナジウムや鉛等の重金属並びに福島原発由来の放射性物質等人為起源物質が大気経由で海洋へ活発に輸送されていることが明らかとなった。エアロゾル成分の溶出実験を行った結果、人為起源の微小粒子の鉄は溶存しやすいことが明らかとなった。今後は増加する人為起源物質の影響について注目する必要がありそうである。本研究は、海洋の生物ポンプにおける大気塵(エアロゾル)の役罰について考察するものである。平成23年度には以下のことを実施した。1.生物ポンプにおけるエアロゾルの役割の把握平成22年に西部北太平洋の観測定点K2とS1に設置した沈降粒子捕集装慨(セジメントトラップ)を回収し、約8ヶ月間12日間隔で捕集された沈降粒子中の(エアロゾルが主な起源と考えられる)陸起源物質の濃度を化学分析した。その結果と平成21年度に得られた結果から、両観測定点とも陸起源物資の割合は水深4810mの沈降粒子中で20%程度であり大きな違いは見られなかった。2.エアロゾル供給量の時空間変動の把握大気から海洋への物質供給の時空間変動に関する知見を得るため、みらい航海において、自然/産業起源エアロゾルの収集/化学分析、および複数仰角差分吸光分光計(MAX-DOAS)による大気中NO2等の光学的測定を実施した。エアロゾル粒子は、2.5ミクロンを境として粗大・微小粒子を区別して捕集した。人為・自然起源別の寄与推定に必要な、各種水溶性イオンやV,Fe等微量金属の粗大・微小別の濃度分析結果を得た。また、エアロゾル形状・蛍光測定装置(WIBS4)では、土壌ダスト粒子を、散乱強度の非対称から非球形性粒子として選別観測できることを確かめた。3.エアロゾル供給量の変動予測観測定点K2とS1付近のエアロゾルの時空間分布を把握するため、NASAよりMODISの9kmメッシュ、Daily dataを入手し、2002年から2011年までのエアロゾルの季節変動を調べた。さらに両観測定点付近の植物プランクトン分布と物理環境との関係を調べるため、衛星マルチセンサー(海色、水温、日射、海面高度等)の画像解析も開始した。一方、現行の大気汚染物質輸送モデルWRF/Chemをベースに黄砂等の自然起源エアロゾル、アジア都市部からの人為起源エアロゾルの時空間変動を再現する輸送モデルを構築した。黄砂の卓越する春季における粗大粒子の大気中密度を隠岐および辺戸岬における観測と比較したところ、定性的によく一致していた。1.生物ポンプにおけるエアロゾルの役割の把握:大気経由で輸送された陸起源物質の海洋生物ポンプへの影響を明らかにするため、船舶、セジメントトラップ係留系を用いた観測研究を実施した。平成25年夏のみらい航海において、亜熱帯海域定点S1で通常より若干高い基礎生産力を観測した。同航海では通常の夏には枯渇している栄養塩が海洋表層付近でのみ検出され同時期に大気経由で栄養塩がもたらされた可能性が示唆された。一方、陸上での大気観測やモデル計算結果より、同海域へ輸送される窒素で同海域の新生産の510%程度は支持できる可能性が示唆された。2.エアロゾル供給量の時空間変動の把握:みらい航海において、自然/産業起源エアロゾルの収集/化学分析、エアロゾル形状・蛍光測定を実施した。2.5ミクロンを境とした粗大・微小粒子別の微量金属分析等を行い、昨年度の洋上観測や、過去に得られた大陸等での観測データと合わせて解析した。K2点で見られたFe/Al比やV/Al比の異常から、黄砂だけでなく人為起源汚染の影響も広く外洋に広がっていることがわかった。捕集された鉄の溶出実験を行い、微小粒子では粗大粒子より溶出しやすく、生物に利用されやすい可能性が指摘された。3.エアロゾル供給量の変動予測:衛星データの検証を行うため、S1に近い南鳥島におけるエアロゾル光学的厚さの現場観測値と衛星観測値とを比較した。その結果、衛星観測値が若干過大評価の傾向であることがわかった。またみらい航海時に観測で見られた人為起源汚染の影響について領域化学輸送モデルWRF/Chemを用いて比較したところ、通年での外洋域への輸送が示唆された。(1.生物ポンプにおけるエアロゾルの役割の把握)

西部北太平洋セジメントトラップによる沈降粒子中の生物起源・陸起源物質の季節変動の観測結果を、衛星データによるクロロフィル、エアロゾル光学的厚さデータ、及び数値モデルSPRINTARSによるエアロゾル降下量データとの比較解析を開始、陸起源物質供給による生態系を介した物質循環過程の変動を解析した。また後方散乱計による沈降粒子の光学的時系列観測を開始した。(2.エアロゾル供給量の時空間変動の把握)大気から海洋への物質供給の時空間変動に関する知見を得るため、みらい航海にて、自然/産業起源エアロゾルの収集/化学分析、エアロゾル形状・蛍光測定を実施した。2.5ミクロンを境とした粗大・微小粒子別の微量金属分析等を行い、昨年度の洋上観測や、過去に得られた大陸等での観測データと合わせて解析した。K2点で見られたFe/Al比やV/Al比の異常から、黄砂だけでなく人為起源汚染の影響も広く外洋に広がっていることがわかった。(3.エアロゾル供給量の変動予測)衛星データを用いて観測定点K2とS1付近におけるクロロフィルa濃度とエアロゾルの光学的厚さの時空間分布を動画で比較した結果、両者の変動パターンにはあまり良い関係が見られなかった。さらにエアロゾルの光学的厚さは他の衛星プロダクトやモデル結果と比較してもまだ大きな誤差が見られることが明らかとなった。全球エアロゾルモデルSPRINTARSを用いた2010年の通年計算を行い、炭素性エアロゾルおよび土壌性エアロゾル降下量と当該期間におけるS1およびK2での沈降粒子中陸起源物質濃度と比較するとともに、エアロゾルの光学的厚さを衛星観測と比較した。その結果、SPRINTARSモデルで推定された降下量はセジメントトラップデータと比較して過大評価傾向にあった。また本プロジェクトの内容を紹介するウエブサイトを開設した。海洋観測、大気観測は予定通り実施され、試料採取・データ解析は順調に実施されている。また衛星データの解析、大気モデルの構築の進捗状況も予定通りである。25年度が最終年度であるため、記入しない。分析結果、解析結果の一部は学会で発表をしている。また本研究内容を紹介するウエブサイトも開設した。引き続き海洋観測・大気観測を実施し、より多くの観測データを収集するとともに、衛星データの解析、数値モデルの構築を推進する。また本研究計画内容、結果速報を紹介するウエブサイトを開設する。成果は適宜、学会、論文、ウエブサイトで公表する。そして年度末に成果のとりまとめを行う。
骨肉腫・その他の固形癌の血清診断Kitの開発

市販品のPCNA抗原に関してはアミノ酸配列から合成した合成ペプチドが入手可能である。抗体に関しては合成ペプチドを抗原としたポリクローナル抗体および2,3種類の単クローン抗体が入手可能である(本研究を始めた時点では単クローン抗体は未発売)。著者らは入手が非常に困難(または不可能)であった完全な形のPCNAを分子量的、免疫学的に電気泳動的に単一バンドにまで精製することに成功した。本研究は悪性腫瘍か否かを容易にかつ短時間で診断できるkitの開発を最終目的としているが、その第1段階である抗原精製に成功した。そこで第2段階としてこの抗原に対する単クローン抗体の作成に取りかかった。定法に従いBALB/cマウスを免疫し、脾臓細胞とマウス骨髄腫細胞を融合させハイブリドーマを作成した。現在、IgMタイプの単クローン抗体を産生するハイブリドーマが2種類得られているが、著者らが望んでいるのは非特異的交叉反応が少ないIgGタイプの抗体を産生するハイブリドーマである。このハイブリドーマを数種類以上作成することである。尤も、IgMタイプでも固層には使えるので今回著者らが作成した2種のハイブリドーマも非常に貴重であることには変わりがない。異なる抗原決定基を認識するIgGタイプの抗体を産生するハイブリドーマが得られれば、その中の2種類を用いてサンドイッチELISA法を利用したkitの開発が可能であるという結果が示唆された。最も重要である抗原精製方法は確立されたが、最高のkitを組み立てるためにはさらなる時間が必要である。悪性細胞の有無を知るためのマーカーとして、我々は細胞周期関連蛋白質に注目した。正常細胞株の培養上清には発現がなく、悪性細胞株の培養上清にのみ浸出してくる蛋白質に焦点を絞った。そこで、樹立培養株細胞とインフォームドコンセントが得られた各種腫瘍の患者、正常人ボランティアの血清について細胞周期関連蛋白質の発現を調べた。(1)骨肉腫、MFH、乳癌、卵巣癌、正常乳腺細胞の各樹立細胞株を用いて、それぞれの細胞の培養上清中への細胞周期関連蛋白質の出現の有無についてWestern Blotting法により、免疫組織化学的に検討した。さらに、これらの各細胞株に対しX線照射を行い、人為的に細胞を壊死させたときの培養上清中の細胞周期関連蛋白の挙動を調べた。結果、正常細胞株では、細胞周期関連蛋白の出現は全く認められなかったのに対して、骨肉腫、MHF、乳癌、卵巣癌の各樹立培養細胞株の培養上清では全てに細胞周期関連蛋白の出現を認めた。また、X線照射により人為的に細胞壊死を誘導した場合、細胞周期関連蛋白の出現量は、細胞をX線照射する時間に比例して多くなり、細胞の壊死程度に比例していることが明らかとなった。(2)骨肉腫、MFH、癌腫患者血清における細胞周期関連蛋白の検出を免疫組織化学的に試みた。担癌患者および正常人血清を検体として用い、培養細胞株と同様の方法で細胞周期関連蛋白の検出を試みた。結果、従来言われている血液癌のみならず、肉腫では4/6、癌腫でも26/40で細胞周期関連蛋白の検出が可能であり、固形悪性腫瘍でも十分に血清レベルで捉えることができることを確認した。次年度はこの結果を基にし、細胞周期関連蛋白質の精製を試みる。平成14年度の結果より、目的蛋白質の分子量は同定できているので、その蛋白質の精製にとりかかった。材料は、実験動物の種々の臓器の抽出液を調べて、最も強い反応を示した胸腺を採用した。精製工程をできるだけ少なくし、且つ高純度のものを得るために種々のカラムを用いて検索したが、イオン交感カラムが最も良い成績を示したので、それを用いることにした。

先ず、イオン交感カラムからの溶出液をフラクションコレクターで集め、蛋白質溶出部のピークフラクションをWestern blotting法で検討し、目的分子量のところに陽性所見が得ちれた前後を再度Western blotting法により陽性所見が得られた全フラクションを回収した。次に、精製度を調べる目的で回収した試料について二次元電気泳動を行った。蛋白染色の結果、SDS-PAGEの結果で得られたと同じ分子量のところにスポットが確認できた。また、一次元目の泳動から、我々の目的蛋白質のpIは4.8であることが確認できた。次年度はこの蛋白質をできるだけ大量に集め、アミノ酸解析を行い、既知の蛋白質であるか否かを決定し、この蛋白質に対する単クローン抗体を作製する。今年度はKITを組むために必要な単クローン抗体の作成に重点をおいた。先ず、単クローン抗体作成に必要なできるだけ不純物を含まない抗原の精製を試みた。精製は極力単純な系にするため、種々のカラムを試みた結果、イオン交換クロマトグラフィが最適であることが判明した。そこでイオン交換クロマトグラフィにより、市販のウサギ胸腺粉末から市販品の抗PCNAポリクロナル抗体と免疫学的に強く反応する蛋白質画分を得た。この画分はPCNA蛋白質に相当する35KD40KDに認められ、ECLを用いたWestern Blotting法により単一バンドであったが、100KD以上の位置に非特異的に反応する蛋白質も混在していた。そこで非特異的反応物質を除く目的で35KD40KDの位置でゲルを切り取り、ゲルから電気泳動的に蛋白質を抽出した。この抽出物をECLを用いたWestern Blotting法により確認したが、3738KDの単一バンドのみであり、非特異的反応物質を含め他の供雑にバンドは認められなかった。非常に感度の高いECLを用いた結果でも単一バンドにまで精製されたので、これを抗原として、BALB/cマウスの腹腔に定法に従いアジュバントと共に投与した。マウス体内で抗体が生成されたことを確認した後、脾臓を摘出しX63マウスミエローマ細胞と融合した。このハイブリドーマ細胞を2度のサブクローニングを行いつつ培養し、培養上清が市販PCNA抗原と強く反応する2クローンを得た。ハイブリドーマ細胞が分泌している抗体のサブクラスを調べたところIgMクラスであることが判明した。現在、細胞融合を継続しており、IgGクラスの抗体を分泌すつクローンの作成を試みている。
斬新形状の球体歯車に関する諸特性の検証と精密位置決め機構としての適応性の検討

かみあいの角度を変化させることができる球体歯車対の伝達挙動を明らかにするため,軸交差角度を0°,20°,40°,60°(かみあい角度0°,10°,20°,30°)と変化させ,バックラッシと伝達トルクの調査を実施した.実験条件は,オープンループ制御によってサーボモータに正弦波状のトルク指令入力を与え,球体歯車を揺動させる.トルクの大きさはサーボモータの定格トルクの2090%を10%刻みとした.そのため,実験条件は32パターンとなる.主動軸はサーボモータのエンコーダ,従動軸はロータリエンコーダを取り付け,それぞれの回転角度を測定した.また,主動軸,従動軸ともにトルクメータを取り付け,回転時のトルク測定を行った.各軸を接続するカップリングは,実験結果に影響を及ぼさないようにノーバックラッシのものを使用した.軸交差角度0°のときの設計値におけるバックラッシ1.48mradに対して測定結果は3.644.69mrad,20°のとき3.66mradに対して3.547.43mrad,40°のとき7.1mradに対して16.7521.0mrad,60°のとき11.44mradに対して11.114.6mradとなった.一方,伝達効率については軸交差角度0°のとき56.587.1%,20°のとき56.085.6%,40°のとき62.687.6%,60°のとき69.185.2%となった.伝達効率は軸交差角度が大きく(かみあい角度が大きく),印加トルクが大きくなるにつれて伝達効率が大きくなる傾向があった.多自由度の機能を有する球体歯車を用いた位置決め伝達機構について,その伝達特性の調査を行う.球体歯車は,歯数20枚,基準円直径100mm,回転軸に対して直交断面箇所での歯先円直径110mm,同モジュール5mmの仕様にて3Dプリンタを用いて製作された.歯車製作時に中実と中空としたため,質量は340gと210gとなった.位置決め装置は,サーボモータと主動側球体歯車との間,従動側球体歯車と負荷との間にトルクメータを挿入し,トルクの計測を行った.また,従動側球体歯車にはロータリエンコーダを取り付け,サーボモータのエンコーダと角度について比較を行うことができる.トルク伝達効率を測定するため,オープンループ制御にてトルクの正弦波入力を行った.その結果,トルクの伝達効率は70%程度であることが分かった.次に,主動側の回転角度をフィードバックするPID制御にて角度伝達誤差と従動側の回転角度をフィードバックするPID制御にて,角度の正弦波運動を行い,角度偏差についての検討を行った.その結果,ともにバックラッシに起因すると考えられる誤差が大きく生じるが,歯車対のかみ合わせ角度の違いとフィードバック情報による大きな違いは見られなかった.プロトタイプの実験装置を製作し,実験を行っている.かみ合わせ角度の変更時に,一部干渉個所があったため,2機目の装置の設計製作を行っている状況である.多自由度にかみ合い角度を変化させることができる球体歯車対の伝達挙動を明らかにするため,平成29年度は実験装置2号機の設計と製作を行った.実験装置2号機は,1号機の中心間距離を正確に固定できない,回転負荷となる制動力を与える手法の問題,軸継手の剛性不足などを解消した設計とした.本年度は,1.球体歯車同士のかみ合わせ時におけるトルク変動,角度と速度伝達へ及ぼす影響調査,2.交差角の変化時と平行移動時のトルク変動,角度と速度伝達へ及ぼす影響調査が実施予定であったが,平行移動時の挙動の測定は終えていない.実験は,オープンループ制御において,モータへ正弦波状のトルク入力指令を与え,そのときのモーター主動歯車間のトルク,モータの回転角,従動歯車ー負荷装置間のトルク,従動歯車の回転角を測定した.1.球体歯車同士のかみ合わせ時におけるトルク変動,角度と速度伝達へ及ぼす影響調査について,交差角が0°のとき,制動負荷トルクを約0.17,0.24,0.4Nmと変化させ,それぞれの条件において,トルク入力指令の振幅をモータの定格トルクの20,40,60%とした.その結果,設計値から算出された角度バックラッシと実験から得た角度バックラッシがおおむね一致した.2.交差角の変化時と平行移動時のトルク変動,角度と速度伝達へ及ぼす影響調査について,軸交差角度を10,20,30°と変化させ,上記と同様の実験を行い,軸交差角度を変化させると角度バックラッシも変化することが確認できた.平成29年度は,球体歯車同士のかみ合わせ時におけるトルク変動,角度と速度伝達比へ及ぼす影響の調査,軸交差角の変化時と平行移動時のトルク変動,角度と速度伝達比へ及ぼす影響の調査を目的とした.そのために,平成28年度に実験装置1号機の設計と製作を行い球体歯車対の基礎特性を測定するための伝達トルクや伝達角度などを測定するための基本的な実験を実施した.その結果を踏まえ,平成29年度は実験装置2号機の設計と製作を行い測定実験を実施したが,歯車対の軸交差角度を固定する位置について設計段階での不備が見つかったため,再設計と製作を終え再実験を実施している.