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幹細胞化過程の高分解能ライブイメージングを可能にする新規補償光学顕微鏡法の確立

生きた細胞や組織の深部を観察すればするほど、生体構造により光が乱れ、像が劣化する。そこで、光の乱れを補正して高解像観察を行う補償光学を応用し、精細なライブイメージングを行うことが本研究の目的である。本研究では、生きた植物細胞による光の乱れを点像分布解析と計算によって解明した。この情報は高精度の補償光学系の設計に不可欠である。また、補償光学に最も重要な波面計測に関して、感度を約25倍向上させるとともに、画像相関法を補償光学系に適用し、精細なライブイメージングを行うことに成功した。これにより、細胞内の広範囲で補償光学系を動作させ、さらに励起光によるダメージも大幅に低減させることが可能となった。幹細胞化におけるクロマチン修飾の機能を理解するため、申請者らはコケ植物ヒメツリガネゴケを用いて幹細胞化過程におけるクロマチン修飾の4D(3D+時間)ライブイメージングを行ってきた。しかし、細胞内構造体を介した光の屈折により像が劣化するため、既存の顕微鏡系では必要な分解能が得られないことが明らかとなった。そこで、光の屈折を補正して高分解能観察を行う天文技術である補償光学を応用した新規顕微鏡系を確立し、幹細胞化過程におけるクロマチン修飾の精細な4Dライブイメージングを行うことが本研究の目的である。光学研究者である服部雅之博士、天文学研究者である早野裕博士ら、複数の研究協力者の協力のもと、平成26年度は以下の研究を行った。1、4Dイメージングに必要な断層像を得るためには共焦点系が必要である。確立済みの補償光学全視野蛍光顕微鏡に共焦点系を組み込むための研究を、ハードウェア、ソフトウェアの両面から進めている。2、補償光学を動作させるためには観察対象の近傍に明るい参照光源が不可欠である。これまでは葉緑体の自家蛍光を参照光源として用いていたが、光学系を工夫し、自家蛍光よりもはるかに弱い蛍光タンパク質の蛍光を参照光源として補償光学を動作させることに成功した。また、細胞質基質に広く存在するペルオキシソームを蛍光タンパク質で標識したヒメツリガネゴケを作出した。上記研究によって、細胞内の広い場所で補償光学を動作させるための環境が整った。3、光を屈折させて顕微鏡像を劣化させる細胞内構造体が葉緑体であることを、蛍光ビーズを用いた4Dイメージング、数値計算、およびシミュレーションによって明らかにした。申請者は、コケ植物ヒメツリガネゴケの幹細胞化過程におけるクロマチン修飾の動態と機能を明らかにするため、クロマチン修飾検出プローブを開発し、幹細胞化過程の単一細胞核ライブイメージングを行ってきた。しかし、細胞内構造体を介した光の乱れにより像が劣化するため、既存の顕微鏡系では必要な分解能が得られないことが明らかとなった。そこで、光の乱れを補正して高分解能観察を行う天文技術である補償光学を応用した新規顕微鏡系を確立し、幹細胞化過程の精細なライブイメージングを行うことが本研究の目的である。本年度は、光学研究者である服部雅之博士、天文学研究者である早野裕博士ら、研究協力者の協力のもと、以下の研究を行った。補償光学顕微鏡に共焦点系を配置した補償光学共焦点顕微鏡の研究開発について、ハードウェア、ソフトウェアの両面から研究を進めた。また、レンズやミラーの配置など光学系を工夫することで、補償光学系において最も重要な波面計測の感度を向上させることに成功した。蛍光ビーズを用いた実験から、感度が約25倍向上していることを確認した。さらに、これまで研究開発を行ってきた補償光学系を市販の顕微鏡土台に設置して動作させることに成功した。これにより、生体試料観察の利便性が向上し、かつ3D画像の取得などを行うことが可能となった。平成26年度より行ってきた植物細胞の光学特性解析については、蛍光ビーズを用いた点像分布解析、計算、シミュレーションなどの研究を進め、葉緑体による光の乱れをさらに詳細に解明し、論文を執筆中である。上記に加えて、本年度から北見工業大学の三浦則明博士を新しく研究協力者に迎え、画像相関法による波面計測法を顕微鏡観察に適用するための共同研究を開始した。画像相関法は画像の相関によって波面を計測することができるため、一般的な波面計測に必要な点光源が得られにくいライブイメージングに特に有効である。当初計画の目的の一つである補償光学共焦点顕微鏡の研究開発については、ハードウェア、ソフトウェアの両面から研究が進行中である。それに加えて、補償光学ライブイメージングに不可欠な波面計測の感度向上に成功し、さらに市販の顕微鏡土台への補償光学系の設置による利便性向上など、研究が着実に進展している。また、画像相関法の補償光学ライブイメージングへの適用を目指した三浦博士との共同研究が開始され、本計画達成のための新しい研究の進展も期待できる。以上を総合的に考慮し、本年度の達成度を「おおむね順調に進展している」とした。しかし、細胞内構造体を介した光の乱れにより像が劣化するため、既存の顕微鏡系では必要な解像度が得られないことが明らかとなった。そこで、光の乱れを補正して高解像観察を行う天文技術である補償光学を応用した新規顕微鏡系を確立し、幹細胞化過程の精細なライブイメージングを行うことが本研究の目的である。

本年度は、前年度から引き続き、光学研究者である服部雅之博士、光工学研究者である三浦則明博士、天文学研究者である早野裕博士ら、研究協力者の協力のもと、以下の研究を行った。前年度までに構築した補償光学顕微鏡系を用いて、回折限界に近いサイズの蛍光ビーズを植物細胞や人工試料を通して観察し、波面計測を行うことで、植物細胞がどのように光を乱しているのかについてさらに詳細に解析することができた。その上で、補償光学系を動作させることで、本研究において構築した補償光学系の高い補正精度を実証することができた。また、北見工業大学の三浦則明博士との共同研究によって、生細胞の蛍光像のように広がった光源でも波面計測可能な画像相関法の顕微鏡への適用を進めた。三浦博士が構築したソフトウェア、ハードウェアを、これまでに構築した補償光学顕微鏡系と組み合わせることで、画像相関法による波面計測と補償光学について、生きた植物細胞を用いて動作させることに成功した。上記の研究に加えて、これまでの研究成果を取りまとめ、「補償光学顕微鏡系の構築とそれを用いた生きた植物細胞のイメージング」「生きた植物細胞の光学特性の解析」「生きた植物細胞を模した人工試料の構築」について、それぞれ論文を執筆中である。当初研究目的の一つである、幹細胞化がおきる生きた植物細胞の高解像観察を達成し、さらに画像相関法の導入など先進的な共同研究を進めることができた。その一方で、当初研究計画の3年で国際論文での発表という成果報告までにいたることができず、研究計画を1年延長することとなった。以上のことから、「やや遅れている」とした。申請者は、コケ植物ヒメツリガネゴケの幹細胞化過程におけるクロマチン修飾の動態と機能を明らかにするため、クロマチン修飾検出プローブを開発し、幹細胞化過程の単一細胞核ライブイメージングを行ってきた。しかし、細胞内構造体を介した光の乱れにより像が劣化するため、既存の顕微鏡系では必要な解像度が得られないことが明らかとなった。そこで、光の乱れを補正して高解像観察を行う天文技術である補償光学を応用した新規顕微鏡系を確立し、幹細胞化過程の精細なライブイメージングを行うことが本研究の目的である。本年度は、前年度から引き続き、光学研究者である服部雅之博士、天文学研究者である早野裕博士ら、研究協力者の協力のもと、主にこれまでの研究成果の取りまとめに注力し、「生きた植物細胞を模した人工試料の構築」による補償光学顕微鏡の基礎実験に関しての論文を発表した。また、光工学研究者である三浦則明博士らと共同で、点に近い光源を必要とせず、画像より波面を計測できる画像相関法を補償光学顕微鏡に適用する研究をさらに進めた。その結果、広がった蛍光像だけでなく、明視野像を用いて画像相関法による波面計測を行い、補償光学を動作させることに成功した。波面計測の際の励起光による生細胞へのダメージや光退色が補償光学を蛍光イメージングに用いる際の課題の一つであったが、波面計測に明視野像を用いることができれば、この課題は解決できる。
万葉集の古筆切の基盤的整備

本研究の最大の目的は、全国に存する手鑑の中にある万葉集関係の古筆切の調査である。その初動調査として、古筆研究者の久保木哲夫氏所蔵の手鑑資料約200点の調査を行った。14回にわたる調査の結果、従来未紹介の切を含む多数の万葉集の古筆切を見出すことができた。中でも従来きわめて数が少ない非仙覚系の片仮名訓本の古筆切数葉を発見できたことは大きな収穫といえる。中でも柘枝切・後京極様切・伝解脱上人筆切等の新出の切を発見できたことの意義は大きい。また、模写切(古筆切を模写したもの)の中の万葉集切の調査も行った。今年度は主として東洋文庫所蔵の「万葉切」(木村正辞)などの調査を行った。これらの基礎的調査と平行して、片仮名訓本の古筆切の解析に端を発した系統上の研究成果も著しい。中でも、柘枝切に見られる朱の書き入れの存在から、非仙覚系片仮名訓本と仙覚校訂本との密接な関係が明らかになった。昨年度末に刊行された早稲田大学日本古典籍研究所年報所収の拙論は、柘枝切の系統上の性格の説明と共に、朱の書き入れをカラー写真で提示しているが、その朱の書き入れの存在を周知するために、今年度120部買い取り、関係研究者に配布した。また、この柘枝切の解析を発端とした片仮名訓本と仙覚校訂本との研究については、片仮名訓本と仙覚校訂本との関係の総論として雑誌「上代文学」に論文を発表し、その具体的な論として西本願寺本巻十二の論を論集『万葉集研究』に発表した。また、それらの成果は、8月の奈良女子大学古代学学術センター主催の講演でも概要を話すことが出来た。
口腔における免疫応答制御機構の解明と樹状細胞を標的とした新規制御法開発

口腔粘膜から所属リンパ節に遊走した樹状細胞(DC)は、フェノタイプから、皮膚DCと同様に4つの亜群に分類できた。最も速やかに遊走するCD207-CD11c^<hi>F1-DCは、共刺激分子群を高く発現する一方、遅れて遊走するCD207+CD11c^<int/lo> F3-DCは、CD103+CD207+粘膜下樹状細胞とCD103-粘膜ランゲルハンス細胞(LC)にさらに分けられ、後者LCは共刺激分子群発現が顕著に低いことから、寛容誘導との関連が示唆された。RNA干渉を用いて皮膚局所DCに誘導されるCD86共刺激分子発現制御は、早期の局所自然免疫応答と2次リンパ組織における適応免疫応答の両者を効果的に制御できることを皮膚アレルギーモデルで明らかにした。本研究目的は、口腔粘膜および歯髄における免疫応答の特性を明らかにするために、口腔に存在する樹状細胞(DC)の機能的特性と免疫制御メカニズムを解明し、樹状細胞を標的とした新規局所免疫制御法開発に向けた基礎的な検討を行うことでる。サブテーマ1の口腔粘膜樹状細胞の機能解析では、マウス口腔粘膜にハプテン塗布後、所属リンパ節に遊走したDCを解析し、CD207とCD11c発現レベルから遊走ランゲンハンス細胞、粘膜下レジデントDC、刺激後に粘膜にリクルートしてきたDCの3亜群に分類できることを見いだし論文発表した。また、各亜群の詳細な細胞表面機能分子発現を解析するとともに、mRNA発現解析のためのDCの分離技術をほぼ確立したので、定量PCRでの解析を進めていく予定である。また、抗原特異的な応答をみるための、Alexa488標識OVAペプチドを使用して、OT-1およびDO11.10トランスジェニックマウスでの実験を進めるための予備検討も行った。サブテーマ2の歯髄DCの機能解析では、上記テーマ1の結果をもとに、遊走歯髄DCを同定するための予備検討を行い、CD86高発現DCを遊走歯髄DCを含む分画として検討を行っている、また。歯髄センチネルDCは、CD207発現を欠いていることを組織染色レベルで確認した。サブテーマ3の樹状細胞を標的としたRNA干渉による免疫制御法開発では、効果的にサイレンスできるヒトCD86 siRNAシークエンスを開発すると共に、マウスモデルにおける皮膚塗布によるsiRNA浸透とDCの取り込みメカニズムについて検討し、最適条件を見いだすことができた。また、より安定性が高いと言われているDNAキメラsiRNAの使用の可能性についても検討したが、本法においては既に使用しているCD86 siRNAの効果を上回る結果は得られなかった。本研究目的は、口腔粘膜および歯髄における免疫応答の特性を明らかにするために、口腔に存在する樹状細胞(DC)の機能的特性と免疫制御メカニズムを解明し、樹状細胞を標的とした新規局所免疫制御法開発に向けた基礎的な検討を行うことである。サブテーマ1の口腔粘膜DCの機能解析では、口腔粘膜から遊走した所属リンパ節DCが、3亜群に分けられることを見いだしたが、さらなく表面抗原の解析で、ランゲルハンス細胞は、CD103とB7-H1/B7-DC比が高く、制御的に働いている可能性を見いだした。また、サイトカイン発現においては、IL-6とIL-10発現が皮膚DCと比較し高い傾向が認められた。制御性分子であるPD-1あるいはB7-H1欠損TCRトランスジェニックマウスの戻し交配が終了したので、抗原特異的な応答を今後評価していく予定である。サブテーマ2の歯髄樹状細胞の機能解析では、咬頭切削後の所属リンパ節のCD11c+DCおよびT細胞由来のサイトカイン産生を評価したが、現時点ではリンパ節遊走口腔粘膜や皮膚樹状細胞との明確な差は認められていない。サブテーマ3のDCを標的とするRNA干渉による免疫制御法開発では、CD86 siRNAによる抑制の効果の持続性および抗原特異性について、接触性過敏症モデルで検討し、その抑制効果は1ヶ月以上持続できること、また、チャレンジ抗原のみならず非特異的な抑制も生じていること、これは、DCの遊走抑制ではないことを確認できた。ただし、安定なsiRNAのデリバリーという点ではさらなる工夫が必要と思われた。口腔粘膜および歯髄における免疫応答の特性を明らかにする為に、口腔に存在する樹状細胞(DC)の機能的特性と免疫制御メカニズムを解明し、DCを標的とした新規局所免疫制御法開発に向けた基礎的な検討を行うことが本研究の目的である.サブテーマ1の口腔粘膜DCの機能解析では、抗原を捕獲し口腔粘膜から所属リンパ節に遊走したDCを昨年までの3亜群ではなく、CD207陽性ランゲルハンス細胞(LC)と粘膜下

DCをさらに区別した4亜群に分類し、各亜群における共刺激分子発現を検討した結果、他の遊走DCと同様の高いCD86やCD40発現にも関わらず,B7-H1/B7-DC発現が遊走LCにおいて低下していることを明らかにし、LCの寛容誘導との関連が示唆された,サブテーマ2では、咬頭切削後に歯髄から所属リンパ節に遊走するDCの同定の試みを行ったが、辺縁封鎖や象牙細管への到達性などの技術的な困難により標識マーカーによる直接のトレースに成功しなかったが、CD11b/B7-DC/CD86の強陽性分画に歯髄からの遊走DCが含まれることが示され、CD11b強陽性細胞を集めることで機能解析を進めていく方針が示された.サブテーマ3におけるDCを標的とする免疫療法開発では、局所皮膚DCにおいて、CD86 siRNAを用いてCD86発現を抑制したり、中和抗体を用いて皮膚ランゲルハンス細胞と角化細胞相互作用におけるGITR-GITRL経路を阻害すると、局所ケモカインとケモカイン受容体発現を制御し、皮膚への血管系を介したDCやマクロファージのリクルートを郡著に抑制することが明らかになり、樹状細胞に発現誘導される共刺激分子の新たな局所免疫および自然免疫における働きを明らかにした.このことから、局所におけるDC表面機能分子の発現や機能制御は、自然免疫とそれに引き続く獲得免疫の両者を効果的に制御できる可能性が示された.
多次元輻射流体計算を用いたガンマ線バーストジェットの研究

本研究では超新星爆発やガンマー線バーストといった高エネルギー天体現象に関する物理機構の解明に向けた研究を行っている。これら物理機構の解明のためには、多次元輻射流体計算が必要になるのだが、この計算は一般的に大変難しく、これまで非常に簡単な方法でのみ解かれていた。本課題では、この多次元輻射流体計算を第一原理的に解けるような数値計算コードの開発、及び実装を行う事を目的とし、これらの研究について成果を上げた。本コードはさらに、重力を一般相対論的な扱いにできるものにまで拡張させた。本研究では多次元相対論的輻射流体コードを作成し、これを用いて大質量星の終焉またはコンパクト星連星合体後に形成されると考えられる、相対論的ジェットの星間中での伝搬計算を行う事を課題としている。昨年度は、相対論的輻射流体コードの開発に取り組みつつ、コンパクト星連星合体後のエジェクタ中での相対論的ジェット伝搬の流体計算を行い、これを論文にまとめた。相対論的輻射流体計算の開発は、当初予定していたM1 Closureを用いたアプローチではなく、現在はより厳密なボルツマン方程式に基づいた定式化及び数値アルゴリズムの開発を行っている。相対論的輻射流体計算は、ビーミング及びエネルギーシフトの2つの相対論的効果を考慮しながら、物質と輻射場の相互作用と、輻射輸送の式を同時に解くものである。これまでの研究での輻射流体コードは、v/cの展開に基づいた定式化をしているものがほとんどであるが、ガンマー線バーストは光速の99%以上の速さのジェットであるため、これまでの手法は全く使えない。そのため、相対論的効果を完全に取り扱える新たな手法を開発する必要があった。さらに、エネルギーシフトの取り扱いは大変難しく、不適切な手法を用いると、途端に数値不安定を起こし計算がクラッシュしてしまう。昨年度は、この問題の解決に奮闘し、基本的な問題を全てクリアした。現在この新たに開発した相対論的輻射流体の定式化及び数値アルゴリズムについて、論文を執筆中である。これと並行して、中性子星連星合体後の相対論的ジェットの流体計算を行った。本計算を行う事でショートガンマー線バーストの、ジェットの絞りの起源となるうる、重要な結果を得た。本研究は既にAstrophysical JournalLettersに投稿し、論文は受理されている。本研究では、多次元の相対論的輻射流体コードを開発し、本コードを用いた相対論的ジェット伝搬の数値シミュレーションを実行し、大質量星の終焉から発生していると考えられるガンマー線バーストジェットの理論メカニズムの解明に向けた研究を行う。前年度までは、相対論的輻射流体コード開発を行いつつ、世界で初めてのガンマー線バーストの中心エンジンとリンクさせた2次元軸対称のジェット伝搬の流体計算を行った。本研究結果はThe Astrophysical Journalに掲載され、さらに国内外の研究会で発表し、また海外での招待講演も行った。また、現在開発中の輻射流体コードは、M1 Closureに基づく定式化を用いているが、6次元の特殊相対論的ボルツマン方程式の定式化、かつSelf-Consistentに解く数値コードの開発を行い、テスト計算を行った。現在、本テスト計算結果についての論文を執筆中である。特殊相対論的ボルツマン方程式のコードは、光子の輸送だけでなく、大質量星の重力崩壊の結果生じるニュートリノ輸送計算に用いる事ができ、ガンマー線バーストの中心エンジンの機構を調べる上でも重要な計算である。但し、これらのテスト計算は流体へのバックリアクションを無視したものであり、現在そのバックリアクションも込みのテスト計算を実行しているが、こちらは完全にはうまくいっていないのが現状である。主に相対論的効果によるエネルギーシフトの効果を取り入れる事が難しく、これはM1 Closureの定式化でも同様の問題を抱える事になるため、現在はこの問題に取り組んでいる。また、理化学研究所の研究員、伊藤裕貴氏、及び東北大の学生の石井彩子氏と共にモンテカルロ計算による輻射流体コードの開発も行っており、現在、衝撃波近傍の光子輸送のテスト計算を行っているところである。本研究では、大質量星の終焉や中性子連星などのコンパクト星の合体後に生じると考えられているアウトフローにおける相対論的流体シミュレーション及び輻射流体数値シミュレーションを実行し、ガンマー線バーストジェットに関する理論的研究を行う事を目的としている。昨年度までに、中性子星連星合体後のエジェクタ中のジェット伝搬に関する流体計算を行い、これまで問題とされていたジェットのコリメーションのメカニズムについて新たな可能性を示唆することができた。本結果はAstrophysical Journal Letterに掲載された。また、本課題の重要なテーマである多次元相対論的ボルツマン輻射流体コードの開発は終了し、超相対論的なアウトフローでも扱えるような、(v/c)オーダーを全て取り入れた相対論的輻射流体計算の定式化、及び技術的な困難を解決した。本コードは、主に重力崩壊型超新星のニュートリノ輸送に着目しているが、その定式化及びコードの概要は、光子の輻射場でも同様に扱えるものである。論文中では、今回考案した新たな手法によって輻射流体計算が正しく行える事を実証し、本研究結果はAstrophysical Journal Supplementにて掲載された。本研究では、多次元相対論的輻射流体コードを開発し、大質量星の終焉やジェット伝搬などの数値シミュレーションを行い、超新星爆発やガンマー線バーストの物理機構を調べる事を目的としている。

輻射計算は、第一原理的なボルツマン方程式を解いており、そこでは移流項や物質との反応項を矛盾なく取り扱う必要がある。これらの問題を解決するために、新たな数値アルゴリズムを開発し、様々な問題をクリアした。本数値コードの開発には、研究計画以上の年数を有したが、最終的には一般相対論的な定式化まで拡張させ、その実装も本研究期間中に行う事ができた。一般相対論化まで拡張したことは、当初の研究計画以上の成果であり、国内外からも高く評価されている。実際に、本研究によって進められた定式化や手法は、分野の枠を超え、天文台のブラックホール降着円盤の研究グループとの共同研究が現在進行中である。さらに、アメリカのプリンストンやカルテクのグループにも、本手法のアルゴリズムについて現在も議論を行っている。また大規模スパコンでシミュレーションできるように、並列化及びチューニング作業も行い、本アルゴリズムを用いた超新星爆発計算では、「京」スパコンによってシミュレーションをし、成果を上げている。一方、ジェット計算においては、ニュートリノ駆動モデルに基づいたジェットブレイクアウトの可能性や、中性子星連星合体後のエジェクタ中でのジェット伝搬等の成果はあげたが、輻射流体計算の実装は、本課題終了までには間に合わなかった。その主な原因は、定式化や数値計算の安定性においては問題がないものの、運動量空間の角度の解像度の悪さが精度を悪くしてしまう事が判明したためである。これらの課題を解決するには、運動量空間の角度を自動的にRefinementするような手法(AMR)が必要であり、現在これらの数値アルゴリズムの開発を行っている。本研究では超新星爆発やガンマー線バーストといった高エネルギー天体現象に関する物理機構の解明に向けた研究を行っている。これら物理機構の解明のためには、多次元輻射流体計算が必要になるのだが、この計算は一般的に大変難しく、これまで非常に簡単な方法でのみ解かれていた。本課題では、この多次元輻射流体計算を第一原理的に解けるような数値計算コードの開発、及び実装を行う事を目的とし、これらの研究について成果を上げた。本コードはさらに、重力を一般相対論的な扱いにできるものにまで拡張させた。開発した相対論的流体コードを用いて、中性子星合体後のジェット伝搬計算を世界で初めて行い、ショートガンマー線バーストのジェットのコリメーション問題の解決に示唆を与える事ができた。また、中性子星合体計算を行っている研究グループと共同研究をする事で、GRB 130603Bというガンマー線バーストの起源について、定量的な議論を行う事ができた。また、本研究の主要課題である相対論的輻射流体コードの開発も並行して行い、6次元位相空間を矛盾なく解けるコードの開発に成功し、その手法について論文にまとめた。当初はM1 colosureをもとにした近似的な輻射流体コードの開発を予定していたが、相対論効果が強くなった時に技術的な問題が発生することがわかり、現在のボルツマン方程式を基にした輻射輸送コードの開発に途中から切り替えた。研究進行において、上記のようなトラブルがあったが、無事にコード開発が完了できた事は、評価できる点である。
火山下の深部低周波地震とマグマ上昇の関係を解明する

昨年までに、地下の地震波速度境界面を検出するのに優れた手法であるレシーバ関数解析に着目し、富士山下にどのような地震波速度境界面があり、その境界面がどのように分布しているかを推定した。富士山の下では、地殻とマントルの境界面であるモホ面があいまいになっていることを発見し、その他に速度の強い境界面が富士山の北東部分に向かってのびていることもわかった。今年度はニュージーランドのVictoria University of Wellington大学のMarthaSavage教授と共同で、ニュージーランドのルアペフ火山に関して、富士山と同様の手法を適用した。ニュージーランドは日本と同様に沈み込み帯に位置する国で、ルアペフ火山は沈み込みに伴った島弧火山活動によってできた山である。富士山とは異なり、"一般的な島弧火山"である。ルアペフ火山の解析を行った結果、富士山同様に火山直下のモホ面があいまいになっていることがわかった。このことから、富士山とルアペフ火山の下ではモホ面での地震波速度塊界がはっきりしない、ということがいえ、日本の阿蘇山における先行研究でも同様の結果が示唆されていることから、この特徴は色々な火山で共通の特徴である可能性がある。火山の下では、モホ面のあたりにマグマが停滞する場所があると考えられていて、その場所で低周波地震が観測されることがあるが、その場所に関する速度構造については今迄わかっていない点が多かった。そのため、本研究の結果は、火山深部で発生する地震に関して新たな知見を与えることができると考えられる。また、上記の手法で求めた速度境界面の具体的な地震波速度を求めるために、レシーバ関数のインバージョン解析を開始した。現在は富士山のテストデータで実施しており、今後残りのデータ、ルアペフ火山に適用して、地震波速度の絶対値を求める。今後はこの手法を発展させ、さらに細かい地下の構造を議論できるようにする予定である。今年度は、ニュージーランドのルアペフ火山に関しての研究が進展し、富士山の地下構造との共通点を発見することができた。これにより、更なる議論を発展することができたため、おおむね計画通りに研究が進展していると評価できる。今後はレシーバ関数のインバージョン解析を進める予定である。現在は、非線形のインバージョンを、線形化して解を求める方法で進めているが、今後はモンテカルロ法を採用し、非線形のインバージョンを実施し、その後線形化したインバージョを行うという、2段階のインバージョンを考えている。この手法を富士山とルアペフ火山で実施し、2つの火山の結果を比較する予定である。また、求めた構造を使用して、火山の下で発生している深部低周波地震の発生場所を特定し、低周波地震が発生する地下構造について議論する予定である。修士課程の時に、地下の地震波速度境界面を検出するのに優れた手法であるレシーバ関数解析に着目し、富士山下にどのような地震波速度境界面があり、その境界面がどのように分布しているかを推定した。今年度は、まず使用する観測点や解析する地震の数を増やして再解析を実施した。このことにより、前よりも明確なフィリピン海プレートの構造を得ることができた。しかし、上記の研究で得られた速度境界面が具体的に地下の何を表わしているかを解明するためには、速度境界面の形状だけではなく、地下の地震波の絶対速度構造を求めることが必要である。地下の地震波絶対速度構造を調べるためには、地震の震源と、観測点への到達時間を用いて、走時トモグラフィの手法で求めるのが一般的である。しかし、走時トモグラフィでは、解像度が悪く、ぼやっとした全体的な構造を得ることしかできない。そこで、今までの解析を応用して、レシーバ関数を用いてインバージョン解析を行い、富士山地下の地震波絶対速度構造を求めるということを考えた。しかし、従来のレシーバ関数のインバージョン解析では、波形を全体的に合わせるため、地下の地震波速度境界面を表わす顕著な振幅の情報を生かすことができない、などの問題点があり、レシーバ関数の特徴をいかした状態で解を決定することができない。よって、新たな手法の開発が必要であり、今年度はその開発にあたった。まず、多数のパラメータを決めることができるモンテカルロ法に注目し、その手法を学んだ。その後、手法開発の第一段階として地下が、深くなるほど地震波速度が速くなる4層の単純な構造であるという仮定をして、グリッドサーチによって地震波絶対速度構造を求めるということを試した。テストケースでは、単純な構造を仮定しても、観測されるレシーバ関数を充分に再現することができた。また、この手法によって表層の浅い部分の細かい速度構造も検出できることがわかり、このことを学会で発表した。しかし、上記の研究で得られた速度境界面が具体的に地下の何を表わしているかを解明するためには、地下の地震波の絶対速度構造を求めることが必要である。地下の地震波絶対速度構造を調べるための一般的手法である走時トモグラフィでは、解像度が悪く、ぼやつとした全体的な構造を得ることしかできないため、レシーバ関数のインバージョン解析を行うことを考えた。しかし、従来のレシーバ関数のインバージョン解析では、地下の地震波速度境界面を表わす顕著な振幅の情報を生かすことができない、などの問題点があり、レシーバ関数の特徴をいかした状態で解を決定することができない。

よって、新たな手法の開発が必要であり、今年度は主にその開発にあたった。手法開発の第一段階として、地下が深くなるほど地震波速度が速くなる4層の単純な構造であるという仮定をし、グリッドサーチによって地震波絶対速度構造を求めるということを試した。その後、グリッドサーチによって求めた残差の少ない解の中から最適な地下構造を選ぶために、表面波の分散曲線に注目した。具体的には、Nishida et al., 2007によって推定されているS波速度構造から表面波の分散曲線を求め、グリッドサーチの解と残差が少なくなるものを最適な地下構造とした。今年度はこの手法を発展させ、さらに細かい地下の構造を議論できるようにする予定である。昨年までに、地下の地震波速度境界面を検出するのに優れた手法であるレシーバ関数解析に着目し、富士山下にどのような地震波速度境界面があり、その境界面がどのように分布しているかを推定した。富士山の下では、地殻とマントルの境界面であるモホ面があいまいになっていることを発見し、その他に速度の強い境界面が富士山の北東部分に向かってのびていることもわかった。今年度はニュージーランドのVictoria University of Wellington大学のMarthaSavage教授と共同で、ニュージーランドのルアペフ火山に関して、富士山と同様の手法を適用した。ニュージーランドは日本と同様に沈み込み帯に位置する国で、ルアペフ火山は沈み込みに伴った島弧火山活動によってできた山である。富士山とは異なり、"一般的な島弧火山"である。ルアペフ火山の解析を行った結果、富士山同様に火山直下のモホ面があいまいになっていることがわかった。このことから、富士山とルアペフ火山の下ではモホ面での地震波速度塊界がはっきりしない、ということがいえ、日本の阿蘇山における先行研究でも同様の結果が示唆されていることから、この特徴は色々な火山で共通の特徴である可能性がある。火山の下では、モホ面のあたりにマグマが停滞する場所があると考えられていて、その場所で低周波地震が観測されることがあるが、その場所に関する速度構造については今迄わかっていない点が多かった。そのため、本研究の結果は、火山深部で発生する地震に関して新たな知見を与えることができると考えられる。また、上記の手法で求めた速度境界面の具体的な地震波速度を求めるために、レシーバ関数のインバージョン解析を開始した。現在は富士山のテストデータで実施しており、今後残りのデータ、ルアペフ火山に適用して、地震波速度の絶対値を求める。今後はこの手法を発展させ、さらに細かい地下の構造を議論できるようにする予定である。今年度は、ニュージーランドのルアペフ火山に関しての研究が進展し、富士山の地下構造との共通点を発見することができた。これにより、更なる議論を発展することができたため、おおむね計画通りに研究が進展していると評価できる。今後はレシーバ関数のインバージョン解析を進める予定である。現在は、非線形のインバージョンを、線形化して解を求める方法で進めているが、今後はモンテカルロ法を採用し、非線形のインバージョンを実施し、その後線形化したインバージョを行うという、2段階のインバージョンを考えている。
ウリ科植物の雌雄性決定の分子機構の解析

ウリ科の花の雌雄性の決定は、遺伝的な背景のもと、生理条件、環境条件等の要因によって調節されることが知られるが、その分子機構はほとんど明らかではない。申請者は環境条件の中で主導的な役割を担う日長の感受に関する分子機構の解明を試みた。ウリ科で最も遺伝学と生理学の研究が進んでいるキュウリの花の雌雄性の決定には、日長の変化に呼応して葉で生産される未同定の花成誘導物質に類似した物質の雌雄性決定への関与が示唆されており、ウリ科に特有な雌雄性の決定機構が推定されている。申請者は日長条件の変化に呼応して発現が変化する遺伝子を単離し、日長感受の分子機構の解明の糸口を作ることを本年度の目的とした。そのためにまず、最も鋭敏な短日植物であるアサガオの子葉から短日処理中にmRNA量が変動する遺伝子(GLP;germin-like protein)を単離し、その短日性花成誘導機構への関与の可能性を研究した(Onoet al.1996)。さらに、このGLP遺伝子のキュウリにおける相同遺伝子を単離してその発現様式を日長反応性の異なるキュウリの古典的品種(農水省遺伝資源番号36028および36077)を用いて調べた。その結果、GCP遺伝子は、キュウリの品種の日長反応性を反映した発現様式を示すことが明らかとなった(投稿準備中)。日長反応性と一致する発現様式を示す遺伝子はこれまで報告が無く、生物界全体でも最初の例と思われる。最近、GLP遺伝子は高等植物に広く存在することが明らかとなった(投稿準備中)。一方、その機能の解明が今後の重要な課題として残された。今後はGLP遺伝子を中心に日長反応性に関連する遺伝子発現の調節機構を調べ、光周性の花成誘導機構と雌雄性決定の分子機構の解明にさらに迫りたい。
現代社会における貧困の世代的再生産と教育の関連に関する研究ー貧困のスティグマ付与における学校教育の媒介性ー

現代における貧困の再生産に学校教育がいかに関わっているのかを明らかにする目的で、我々は要養護児童に着目し、内外の文献研究と3本の実地調査を行った。文献研究では、英・米・独における貧困児童の研究・政策・実践の歴史的且つ現代的展開をあとづけ得た。それらの諸国では19世紀末20世紀初めの政策確立期、20世紀半ばの脱施設化期を経て、1960年代以降新たな貧困再生産の発見と社会政策をめぐる論議の展開があった。日本では研究も政策も量的・質的に遅れている現状である。調査は養護児童の進路形成過程を中心に(1)養護施設調査票調査(2)養護児童調査票調査(3)養護施設面接調査を実施した。(1)では、養護児童の進路を規定する諸要因の内、低学力要因、進路指導の在り方、地域性、施設側の態度要因、学校側の態度要因等が強い関連を示している事が分かった。とりわけ地域によって大きな進学率の差がみられた。この結果は、児童福祉の重要な一部分としての教育の達成水準に地域的に格差が現にある事を示しており重要である。(2)では、個別の児童の進路形成過程を追求した結果、児童の学力がアンダ-・アチ-ブメントである事、やはり地域性による要因が大きい事、そして施設ー学校の複雑な関連に規定されている事が分かった。また、数量化3類による総合的な分析結果として、児童の性行、学業成績、早期自立可能性の3軸を析出し得た。これらによって児童の処遇の適否の指針を得る事が出来る。と共に、児童養護の児童にとって最適な、児童養護環境、処遇の在り方を求める事が重要な課題として残った。(3)では、統計調査では十分に明かではない諸点について面接調査によって、園長の主観的意味付与過程も含めて明らかにしようとした。その結果園運営の理念、園生活の組織、学習・進路指導、アフタ-・ケアと職員の問題等に関して、新たに興味深い知見を得た。児童にとって施設ー学校空間の統合された文化の在り方が問題である事が分かった。これらの諸結果は、要養護児童の処遇の理念・実態・成果・課題を明らかにするものであると共に、現代に於ける貧困と教育研究の課題と、児童福祉・教育政策への提起をも含むものであった。中でも養護児童にとってより個別化された人間的環境とより文化的に濃密な養育環境を保証する事、及び、幼年期からの生活の中での教育的働きかけと、保障的な教育の機会を少なくとも18歳20歳前後まで確保する事が重要である事が分かった。本年度の研究は、貧因児童の学力・進路実態とその規定要因の把握を目的に、要養護児童の進路と学習指導に関する施設に対する調査票調査、施設面接調査、文献収集調査を行った。1.施設調査票調査では、施設票及び児童票の回収を行い、85%の回収率を得た。

中学卒業生の高校進学に関する意識は、85年の社会事業大学調査と比して顕著な変化がみられ、中卒後の進学保障の重要性が過半の施設の認識になりつつある。また学校・教師との関係では配慮を認める施設が多い。これらを反映して中卒者が進学も急速に伸びつつあるが、それ故に一層、入所児童の圧倒的な比率にのぼる低学力の問題状況が浮かび上がった(小学生高学生の45%、中学生の61%)。結果として地域の学区・学校のあり方と施設の処遇方針との複雑な関連の中で養護児童の進路は規定されていることが明らかになっている。今後多変量分析や個別童票の分析を加えて、低学力と進路の規定要因を一層分析する。2.施設面接調査では中国地区、近畿地区、関東地区の諸施設を訪門し、面接した。処遇理念、措置児童の選別、日常の処遇のあり方、家族との関係のあり方、学校との関係、地域社会との関係、アフタ-ケア-等、多様なあり方が観察された。上の施設調査票の結果を解釈する上で重要な知見が得られた。3.文献収集調では、英・米・独・日の貧因・要養護児童の調査や処遇に関する大献を収集した。今後更に補充すると共に、目録作成を行い、貧因・要養護児童に関する処遇・教育の主要なアプロ-チの変動と成果を整理する。次年度は、今年度の調査票調査の結果に基づき一層組織的な施設及びケ-スの観察を行う。現代における貧困の再生産に学校教育がいかに関わっているのかを明らかにする目的で、我々は要養護児童に着目し、内外の文献研究と3本の実地調査を行った。文献研究では、英・米・独における貧困児童の研究・政策・実践の歴史的且つ現代的展開をあとづけ得た。それらの諸国では19世紀末20世紀初めの政策確立期、20世紀半ばの脱施設化期を経て、1960年代以降新たな貧困再生産の発見と社会政策をめぐる議論の展開があった。日本では研究も政策も量的・質的に遅れている現状である。調査は養護児童の進路形成過程を中心に(1)養護施設調査票調査(2)養護児童調査票調査(3)養護施設面接調査を実施した。(1)では、養護児童の進路を規定する諸要因の内、低学力要因、進路指導の在り方、地域性、施設側の態度要因、学校測の態度要因等が強い関連を示している事が分かった。とりわけ地域によって大きな進学率の差がみられた。この結果は、児童福祉の重要な一部分としての教育の達成水準に地域的に格差が現にある事を示しており重要である。(2)では、個別の児童の進路形成過程を追求した結果、児童の学力がアンダ-・アチ-ブメントである事、やはり地域性による要因が大きい事、そして施設ー学校の複雑な関連に規定されている事が分かった。また、数量化3類による総合的な分析結果として、児童の性行、学業成績、早期自立可能性の3軸を析出し得た。これらによって児童の処遇の適否の指針を得る事が出来る。と共に、児童養護の児童にとって最適な、児童養護環境、処遇の在り方を求める事が重要な課題として残った。(3)では、統計調査では十分に明かではない諸点について面接調査によって、園長の主観的意味付与過程も含めて明らかにしようとした。その結果園運営の理念、園生活の組織、学習・進路指導、アフタ-・ケアと職員の問題等に関して、新たに興味深い知見を得た。児童にとって施設ー学校空間の統合された文化の在り方が問題である事が分かった。これらの諸結果は、要養護児童の処遇の理念
感性情報のグラフィカルモデルに基づいた感性ロボットのための感情制御モデル

本研究では,ロボットと人間のより豊かなコミュニケーションを実現するための要素技術を研究し,感性情報処理に基づいた擬人化ロボットの新しい制御手法として,感情認識および感情表現の工学的制御手法を提案した.具体的には,ロボットの感情表現および感情認識のための基本技術の確立,ならびに,ロボットの感情空間の構築についての理論と技術を研究・開発し,感性ロボットのための感情制御モデルを構築し評価した.本研究では,ロボットと人間のより豊かなコミュニケーションを実現するための要素技術を研究し,感性情報処理に基づいた擬人化ロボットの新しい制御手法として,感情認識および感情表現の工学的制御手法を提案する。先行研究において開発したロボットを本研究の基盤ツールとして,本申請研究の期間内に,ロボットを擬人化して,1)ロボットが対話相手の感情を認識し,2)人間と同様に心理的な内部感情が移り変わる機能を持ち,3)発話と表情が整合性に富んでいてかつ自然観を持つ,制御方式を明らかにする。これらの研究を通してロボットの普遍的感情表現と表情表現手法について明らかにする。さらに,ロボットの感情制御を時間的に自律進化させる手法を数理モデル化しソフトウェアとしてロボットに搭載する。本研究では,ロボットと人間のより豊かなコミュニケーションを実現するための要素技術を研究し,感性情報処理に基づいた擬人化ロボットの新しい制御手法として,感情認識および感情表現の工学的制御手法を提案した.具体的には,ロボットの感情表現および感情認識のための基本技術の確立,ならびに,ロボットの感情空間の構築についての理論と技術を研究・開発し,感性ロボットのための感情制御モデルを構築し評価した.本研究では,ロボットと人間のより豊かなコミュニケーションを実現するための要素技術を研究し,感性情報処理に基づいた擬人化ロボットの新しい制御手法として,感情認識および感情表現の工学的制御手法を提案することを目的としている。そこで平成20年度では,ロボットの感情表現および感情認識のための基本技術について研究・調査し、以下の要素技術を確立した。まず、音声・言語からの感情要素の抽出:ロボットが音声認識した話者の発話音声から,感情を認識するために有用な特徴量情報として音声韻律特徴を抽出する基礎プログラムを作成した。そして、特徴選択のアルゴリズムとして、主成分分析や判別分析の多変量解析計算技術を組み込んだベイジアンネットワークモデル,ならびに,同グラフィカルモデル上での他段階推定アルゴリズムを考案し、音声からの感情推定のプログラムを試作した。これに併行して、ロボットの全身運動を用いた感情表出を実現する本研究目標に対して,今年度では、まずモーション情報から動作の特徴量を抽出する手法を提案し,ヒューマンフォームロボットの身体動作と動作体から受ける感情との関係を明らかにした。これらの研究結果は,研究代表者らが参画している産学共同プロジェクトにおいて過去に共同開発された感性会話型ロボットifbot上に試作実装され,会話実験等を行うことでその効果が検証されている。また,これらの研究成果は5編の雑誌論文と4編の国際会議論文,ならびに, 7編の国内学会発表論文として発表されている。本研究では,ロボットと人間のより豊かなコミュニケーションを実現するための要素技術を研究し,感性情報処理に基づいた擬人化ロボットの新しい制御手法として,感情認識および感情表現の工学的制御手法を提案することを目的としている。そこで平成21年度では,20年度の研究で得られた,ロボットの感情表現および感情認識のための基本技術の確立,ならびに,ロボットの感情空間の構築についての理論と技術の研究成果を基にして,以下の感情制御モデルの理論と技術を構築した.ベイジアンネットモデルにもとづく話者音声からの感情推定:話者から与えられる発話音声から韻律特徴を抽出し,特徴選択・変数合成の高次統計量解析を行い,ベイジアンネットワークの確率推論の機能を応用した感情認識ネットワークの試作モデルを実現した.性格付けを考慮したロボットの感情遷移モデル:自らの内部モデルによって感情が生起し,話者からのコミュニケーションに反応して変化する感情遷移のモデルを考案した.対話者との音声会話からロボット内部の快-不快および覚醒-眠気のレベルを数値化する計算方法を考案し,内部に設定した4つの状態(「喜怒哀楽」に相当)間を自律遷移する数理モデルを実現した.これらの研究結果は,研究代表者らが参画している産学共同プロジェクトにおいて過去に共同開発された感性会話型ロボットifbot上に試作実装され,会話実験等を行うことでその効果が検証されている。また,これらの研究成果は11編の雑誌論文と9編の国際会議論文(いずれも審査有),ならびに,14編の国内学会発表論文(内,審査あり2編)として発表されている。本研究では,ロボットと人間のより豊かなコミュニケーションを実現するためめ要素技術を研究し,感性情報処理に基づいた擬人化ロボットの新しい制御手法として,感情認識および感情表現の工学的制御手法を提案することを目的としている。そこで平成22年度では,21年度までの研究で得られた研究成果を基にして,以下の感情制御モデルの理論と技術を構築した.ベイジアンクラシファイアにもとづく話者音声・顔表情からの感情推定:話者の発話音声からの感情推定では,ペアワイズクラシファイアモデルを構築し感情対毎に適切な特徴量を選択できる機能を考案した。各感情対の分類器における勝者確率和の投票集計方法を考案し感情推定正答率の向上を実現した。顔表情からの感情推定では,部位間の因果関係をベイジアンネットワークで構築した後に感情推定ノードとのリンク結合をナイーブベイズ法で与える方法を考案し,隠蔽に頑健な推定モデルの構築に成功した。ラバン特徴量を用いた身体運動への感情付与:ロボットの関節軌道と角速度,四肢先端の方向ベクトル・加速度を用いてラバン身体運動理論に基づいた運動の特徴量計算法を確立し,これを身体運動における感情表出へ応用した。

これらの研究結果は,研究代表者らが参画している産学共同プロジェクトにおいて過去に共同開発された感性会話型ロボットifbot,ならびに小型ヒューマンフォームロボットKHR-2HV上に試作実装され,会話実験等を行うことでその効果が検証されている。また,これらの研究成果は10編の雑誌論文と6編の国際会議論文(いずれも審査有),ならびに,28編の国内学会発表論文(内,審査あり2編,招待講演2件),2編の図書,および,1件の特許出願として発表されている。本研究では,ロボットと人間のより豊かなコミュニケーションを実現するための要素技術を研究し,感性情報処理に基づいた擬人化ロボットの新しい制御手法として,感情認識および感情表現の工学的制御手法を提案することを目的としている。そこで平成23年度では,22年度までの研究で得られた研究成果を基にして,以下の感情認識部と感情遷移部の機能拡張および高度化した.感情認識エンジンの高度化:人間の音声や顔表情による感情表出は複数の要素から組合されていると考えられる.例えば,同じ「喜び」として認識される音声についても,発話者によっては異なる韻律特徴を持つことが確認されている.顔表情も同様である.これらのことが,不特定話者に対する感情認識が困難になる要因となっている.本計画では,重要度重付きなどの転移学習の概念と感情クラスの細分化の技術を融合することにより,個人差の影響を受けにくい感情認識アルゴリズムを提案した.インタラクションによる感情遷移の性格付け:ロボットが対人のインタラクションに応じて独自の個性を獲得することは,人間のロボットに対する感情移入度を向上させると考えられる.本計画では,個性を決定付ける要因として「性格」に着目し,サイモンズの養育態度尺度と対人感情の心理モデルを基に,ユーザの行動選択傾向からロボットの性格付けを行う手法を提案した.人間とロボットのインタラクションの枠組み提案:本研究で開発した機能を有するロボットと人間の望ましいインタラクション枠組みを模索した.これらの研究結果は,研究代表者らが参画している産学共同プロジェクトにおいて過去に共同開発された感性会話型ロボットifbot,ならびに小型ヒューマンフォームロボットKHR-2HV上に試作実装され,その効果が検証されている.また,これらの研究成果はXX編の雑誌論文とY編の国際会議論文(いずれも審査有),ならびに,ZZ編の国内学会発表論文(内,審査ありAA編,招待講演BB件),CC編の図書,および,1件の特許出願として発表されている。
ファンの直接制御により自然風の風速と風向の変動を模擬する新しい風洞の試作

本研究は,自然風の風速・風向の変動特性を再現する新しい方式の風洞を開発することを目的として行ったもので,コンピュータによって制御されたACサーボモ一夕でファンを駆動する方式の風洞を製作し,種々の制御電圧波形を与えたときにこの風洞から生成される気流を熱線流速計で測定した.風洞単体の寸法は,全長127cm,円形吹き出し口の口径10cmで最大風速は13m/sである.この風洞を用いて制御電圧波形をステップ状に与える実験を実施し,製作した風洞の気流が数分の一秒程度の時間内に風速の変化を達成できることを確認した.ただし,目的風速がゼロの場合は,ファンの停止後も慣性で気流がすぐには止まらないため1秒程度の時間を要する.また,正弦波の制御電圧波形を与える実験においても,変動の下限風速がゼロに近いときを除けば周期1秒の正弦変動も再現できることを確認した.さらに,カルマンスペクトルに従う変動波形を与える実験を実施し,目標とする波形のかなり細部の形状も再現できていることを確認したほか,スペクトル分布の対応から統計的にも妥当な人工自然風変動を模擬できることが分かった.特に,通常の風洞で生成される乱れスケールよりはるかに大きい乱れスケール100mの領域まで模擬できることを確認した.高周波数領域の方は数Hz付近に限度がある.以上の結果から,本研究で製作した風洞は,少なくとも気流の主流方向変動については,自然風の変動特性を十分に模擬できる能力を有していることが明らかとなった.風向変動の模擬は2方向の気流を合成する方式で行う.そのための予備的検討として2本の風洞を直列に配置した実験を行い,下流に置いた吸い込み側風洞の効果がわずかであることが分かった.この結果を踏まえ,2本の吹き出し式風洞を放射状に配置して風向変動を模擬する方式について引き続き研究を推進している.初年度に当たる本年度は,試作する風洞の規格を決めるために予備実験を実施し,その結果に基づいて実際に風洞を製作し,それが所定の性能を有することを確認した.予備実験では,すでに研究室で所有していた最大風速10m/sの小型風洞を用いた.まず,この風洞のファンを駆動するインバータ・モーターの回転数を任意の電圧変動を与えて制御できるシステムを作った.これに自然風の変動と同じ変動スペクトルを有する電圧変動を入力し,変動風速を熱線流速計で測定した.今回の実験では,平均風速2m/s,乱れ強さ10%で,乱れスケールが10mから100mの範囲をとる風速変動に対応する電圧変動を与えた.測定データはパソコンで処理し,変動スペクトルなどの統計量を求めることができるようにした.予備実験の結果,本研究で本来目的としている乱れスケールの大きい場合はもちろん,モーターの回転をより急に変動させることが必要な小さい乱れスケールの場合でも,入力電圧変動によく追随する風速変動が得られることが分かり,本研究のアプローチが基本的に妥当であることを確認した.事前に予期していたことであるが,入力電圧変動と風速変動の間には細かい差異があり,その原因はインバータ・モーターが入力電圧変動どおりの回転変動をしていないこと,および風速がファンの回転のとおりに変化しないことの2つが考えられる.前者はモーターをサーボ・モーターにすれば解消されるので,本研究課題の目的として試作する風洞にはサーボ・モーターを採用することにした.この方針に基づいて製作した風洞は,口径20cm,長さ1.1mの円筒の押し込み型で,最大風速6m/sで,最高1Hzまでの回転数を制御できるものである.この風洞が所定の性能を有することを確認したので,予備実験同様に自然風に対応する入力を与えてその再現性を調べている.本研究は,自然風の風速・風向の変動特性を再現する新しい方式の風洞を開発することを目的として行ったもので,コンピュータによって制御されたACサーボモ一夕でファンを駆動する方式の風洞を製作し,種々の制御電圧波形を与えたときにこの風洞から生成される気流を熱線流速計で測定した.風洞単体の寸法は,全長127cm,円形吹き出し口の口径10cmで最大風速は13m/sである.この風洞を用いて制御電圧波形をステップ状に与える実験を実施し,製作した風洞の気流が数分の一秒程度の時間内に風速の変化を達成できることを確認した.ただし,目的風速がゼロの場合は,ファンの停止後も慣性で気流がすぐには止まらないため1秒程度の時間を要する.また,正弦波の制御電圧波形を与える実験においても,変動の下限風速がゼロに近いときを除けば周期1秒の正弦変動も再現できることを確認した.さらに,カルマンスペクトルに従う変動波形を与える実験を実施し,目標とする波形のかなり細部の形状も再現できていることを確認したほか,スペクトル分布の対応から統計的にも妥当な人工自然風変動を模擬できることが分かった.特に,通常の風洞で生成される乱れスケールよりはるかに大きい乱れスケール100mの領域まで模擬できることを確認した.高周波数領域の方は数Hz付近に限度がある.以上の結果から,本研究で製作した風洞は,少なくとも気流の主流方向変動については,自然風の変動特性を十分に模擬できる能力を有していることが明らかとなった.風向変動の模擬は2方向の気流を合成する方式で行う.そのための予備的検討として2本の風洞を直列に配置した実験を行い,下流に置いた吸い込み側風洞の効果がわずかであることが分かった.