hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
地理情報システムを用いた風蓮湖の実践的な環境評価システムの構築に関する学際的研究

本研究は、大規模酪農地域において問題となっている「多頭飼育による規模拡大→周辺水系の水質悪化→漁業への悪影響」という負の連関を、定量的に予測・評価するための環境評価システムの開発を行うことを目的に実施された。以下各年度の研究実績の概要をまとめる。(平成12年度)1995年度の農業センサスの集落カードデータから風蓮湖周辺とサロマ湖周辺の集落別年間糞尿成分別(窒素、リン酸、カリ)排出量とこれを堆肥化したと仮定した場合の肥料成分過不足量を集落別に推計し、肥料成分過不足量の空間的分布をGISを用い検証した。また、データ入手が容易だった風蓮湖に隣接する温根沼、及びサロマ湖における流れ解析と汚濁物質拡散の数値解析による環境評価システムのテストモデルを構築した。(平成13年度)前年度構築したテストモデルによるシミュレーション分析の現実妥当性を現地実態調査より検証した。その結果、本評価システムは現地の実態を反映していることが確認でき、本研究の最終課題である風蓮湖の環境評価システムの構築にあたっては方法論的には十分耐えうることが確認できた。(平成14年度)風蓮湖の水深データ等を入手しメッシュデータを作成し、流れ解析ならびに汚濁物質拡散解析を実施した。また、前年度までに推計した集落別年間窒素排出量と湖内の窒素濃度と数値解析を連動させた体系的な環境評価システムの構築を試みた。これら3年間の研究により、サロマ湖、温根沼、風蓮湖においては、酪農の糞尿が湖を汚染する程度はそれぞれの湖において異なっていることが確認できた。今年度は、1995年度の農業センサスの集落カードのデータから家畜糞尿の排出量と作物別の肥料成分必要量を根室支庁管内の根室市、浜中町、別海町の集落ごとに推計した。具体的には、センサスカードの家畜頭数に家畜一頭当たり年間糞尿排出量(一日当たり排出量×365)を乗じて求めた。次に、推定した年間総排泄糞尿量に乾物率と乾物中成分割合乗ずることにより、窒素、リン酸、カリの年間成分量を集落別に推計した。推計した年間窒素排出量の空間的広がりを把握するために、農業センサスの集落地図をデジタル化したベースマップを地理情報システムを用い作成した。その結果、対象とした地域では、年間窒素排出量が膨大であることが確認できた。また、環境評価のための流れ数値解析として、今年度はデータ収集の関係から、風蓮湖に隣接する温根沼において流れ解析ならびに汚濁物質拡散の数値解析を有限要素法を用いて実施した。その結果、温根沼は河川からの流入よりも潮汐による大循環が支配的であり、河川から流入する汚濁物質は湖内全域に広がる可能性は少なく、潮汐により希釈される傾向にあることが分かった。来年度は、風蓮湖のデータを収集し、同様の流れ解析ならびに汚濁物質拡散解析を実施し、水系環境の総合的な解析を実施する計画である。また、センサスカードより推計した汚濁物質濃度と数値解析を連動させ、時系列変化を考慮した解析を行い実践的な環境評価システムの構築を行う。さらに、漁業資源への影響に関する調査を実施し、農業廃棄物(糞尿)の排出量の推計→水系環境変化の予測→漁業資源への影響という総合的な地理情報システムの構築を目指す。今年度は、1995年度の農業センサスの集落カードデータから根室支庁管内の根室市、浜中町、別海町の集落別年間必要肥料成分量を作物別収穫面積から集計し推計した。また、前年度作成した集落別年間糞尿成分別(窒素、リン酸、カリ)排出量からこれを堆肥化したと仮定した場合の肥料成分過不足量を集落別に推計し、肥料成分過不足量の空間的分布をGISを用い検証した。この結果、肥料成分が過大な集落は別海町側の風蓮湖周辺であることが確認できた。また、前年度予備的に実施した風蓮湖に隣接する温根沼における流れ解析と汚濁物質拡散の数値解析による環境評価システムの現実妥当性を、シミュレーション分析と現地実態調査を実施し検証した。その結果、本評価システムは現地の実態を反映していることが確認でき、本研究の最終課題である風蓮湖の環境評価システムの構築にあたっては、方法論的には十分耐えうることが確認できた。その結果を踏まえ、今年度は、風蓮湖の水深データ等を入手し、メッシュデータを作成したが、その作業過程で技術的にいくつかの間題が発生し、流れ解析ならびに汚濁物質拡散解析を実施できなかった。最終年度は、風蓮湖において流れ解析ならびに汚濁物質拡散解析を実施し風蓮湖の環境評価システムを完成させるとともに今年度実施できなかったセンサスカードデータより推計した集落別年間窒素排出量と湖内の窒素濃度と数値解析を連動させた体系的な環境評価システムの構築を図る。

(平成13年度)前年度構築したテストモデルによるシミュレーション分析の現実妥当性を現地実態調査より検証した。その結果、本評価システムは現地の実態を反映していることが確認でき、本研究の最終課題である風蓮湖の環境評価システムの構築にあたっては方法論的には十分耐えうることが確認できた。(平成14年度)風蓮湖の水深データ等を入手しメッシュデータを作成し、流れ解析ならびに汚濁物質拡散解析を実施した。また、前年度までに推計した集落別年間窒素排出量と湖内の窒素濃度と数値解析を連動させた体系的な環境評価システムの構築を試みた。これら3年間の研究により、サロマ湖、温根沼、風蓮湖においては、酪農の糞尿が湖を汚染する程度はそれぞれの湖において異なっていることが確認できた。
低損傷プロセスによる窒化物半導体表面のナノスケール制御と高感度化学センシング

窒化物半導体イオン感応性電界効果トランジスタ(ISFET)のさらなる高感度化に向けて、多孔質構造をゲート検出部に持つ新しいISFETを提案しその基盤技術を確立した。電気化学酸化とエッチングにより、高いアスペクト比を有する直径数10nm程度の微細孔を高密度に形成することに成功し、その精密な寸法制御を達成した。大きな孔内壁表面と構造により変調された急峻な内部ポテンシャルが、光電気化学反応の高感度検出に有望であることを明らかにした。孔内部のイオン拡散と電気二重層への電荷充放電について、実験結果および理論的考察をもとに分析し、化学センサの高速化・高感度化に向け新しい知見を得た。窒化物半導体表面の電気化学的基礎特性を明らかにし、提案する低損傷プロセスの基礎となるエッチング技術に取り組んだ。具体的には、窒化物半導体表面と電解液界面の電気化学的基礎物性を明らかにし、多孔質ナノ構造の形成に成功した。また、窒化物半導体表面のエッチング制御に関して、エッチング量は電荷量で制御可能であること、AlGaNに対しGaNは大きなエッチング選択比がとれることを明らかにし、多孔質構造の形状制御に繋がる基礎的知見を得た。窒化物半導体(n-GaN, p-GaN, AlGaN)と電解液界面の電気化学的特性を明らかにした。n-GaNおよびAlGaNに対しては、もともと陽極反応に要する正孔が少なく、陽極反応には、光(紫外可視)を照射するか暗中では8V以上の大きな電圧が必要であることが分かった。一方、p-GaNは正孔密度が高く、約1.5Vの低電圧条件で陽極反応が進行することが分かった。窒化物半導体(n-GaN, p-GaN)の電気化学エッチング法を確立した。酸性電解液を用い、上記1で得られた陽極酸化条件において、半導体表面のエッチングが進行することを示した。エッチング量は通過電荷量で制御可能であり、AlGaN層がエッチングストップ層となることを明らかにした。これは、GaN/AlGaN構造において選択的なGaNのエッチングと、多孔質ナノ構造の深さ制御に繋がる結果である。光支援電気化学プロセスによりn-GaN基板に対して多孔質ナノ構造を形成することに成功し、孔の寸法の精密な制御に向けた基礎的知見を得た。初期に形成されるエッチピットを起点とし、電界に沿った深さ方向(基板垂直方向)と、孔径を拡大させる横方向のエッチングにより孔が形成されていくことを、通過電荷量と電子顕微鏡による観察結果との相関により明らかにした。これにより、孔の形状制御に向けた実験準備が整った。多孔質ナノ構造の形状制御と電気的・光学的物性の評価に取り組んだ。具体的には、窒化物半導体表面と電解液界面の電気化学反応の詳細を明らかにし、多孔質ナノ構造の形状制御に成功した。理論計算と分光測定により多孔質ナノ構造の電位分布、光の反射・吸収特性をを明らかにし、センサ応用に向けた基礎的知見を得た。1.窒化物半導体(n-GaN, p-GaN, AlGaN)と電解液界面に高電界が生じた場合、バンド端光吸収が長波長側へシフトすることを実験的・理論的に明らかにした。印加電圧を変えて分光測定を行ったところ、n-GaNバンド端吸収波長360nmに対し、370nm-380nmにおいても強い吸収特性を示した。形状制御性に優れた新しい多孔質構造形成プロセスを考案した。370nmの単一光を裏面より照射することで、強い電界が発生する孔の先端のみに光吸収を誘発し、孔の形成(エッチング)に用いられる正孔を孔先端にのみ集中的に生成させる方法である。これにより、より深く基板電界方向に沿って直線的に孔を形成することが可能となった。2.逐次速度緩和法を使って3次元ポアソン方程式を解く計算機シミュレーションにより、多孔質構造内部のポテンシャル分布を明らかにした。孔の先端でポテンシャル形状が急峻となり、高電界が発生することを理論計算により確認した。また、隣接した孔と孔の間(孔壁)の間隔を制御することにより、提案する電子の伝導チャネルとして機能する事を確認し、次年度取り組む化学センサ設計に繋がる結果を得た。3.多孔質構造と電解液界面における光電エネルギー変換、光化学エネルギー変換、電気化学エネルギー変換の基礎特性を評価した。多孔質構造の大きな表面積と電解液界面に発生する高電界効果により、エネルギー変換効率を大幅に向上することを実験的に確かめ、多孔質構造センサの優位性を示す結果を得た。窒化物半導体に対し電気化学的手法を用いて多孔質構造を形成し、その孔壁を検出部に用いた光化学センサの試作を行った。横型トランジスタ応用に向けて、絶縁サファイア基板上に結晶成長したn型窒化ガリウム(n-GaN)層とAlGaN/GaNへテロ構造層を用い、光化学センサの高感度化に繋がる基礎技術を確立した。1. n-GaNのキャリア密度を変えて多孔質構造を形成し、その形状を明らかにした。高キャリア密度の基板に対しては、孔径が数10nm程度と小さく、孔壁の厚さが10nm以下で配列する高密度構造が確認された。低キャリア密度の基板に対しては、孔径が100nm程度で孔壁は数10nmとなり、キャリア密度に対して形状が大きく変わることを示した。

2.上記1.で作製した多孔質構造を電解液に浸し、表面電位を変えながらインピーダンス測定を行い、電解液中イオンと孔壁界面の高周波応答特性を明らかにした。低キャリア密度で比較的孔径の大きな多孔質構造において、表面電位変化を高速に検知可能であることが分かった。電解液中の検出対象イオン濃度の変化と、孔内部でのイオン拡散速度に大きな相関性があることを実験的に示した。3. n-GaNおよびAlGaN/GaN構造において、横型デバイス表面の電気化学酸化/エッチングプロセスを開発した。酸化膜の形成速度は数nm/minのオーダーで精密に制御可能であり、エッチング後の表面モホロジーおよび電子状態は、従来のドライエッチングによる加工表面と比較して極めて良好であることを明らかにした。4.多孔質構造を有する窒化物半導体化学センサを試作し、酸・アルカリ溶液中(NaOH, NaCl, HCl,リン酸緩衝液)で、pH応答特性および光化学反応応答特性を明らかにした。従来のプレーナ型センサと比較して、多孔質型センサの応答電流は23倍に増大した。多孔質構造表面の安定化(上記3.で開発した酸化膜技術の適用など)が更なる高感度化に向けて重要になると考えられる。窒化物半導体イオン感応性電界効果トランジスタ(ISFET)のさらなる高感度化に向けて、多孔質構造をゲート検出部に持つ新しいISFETを提案しその基盤技術を確立した。電気化学酸化とエッチングにより、高いアスペクト比を有する直径数10nm程度の微細孔を高密度に形成することに成功し、その精密な寸法制御を達成した。大きな孔内壁表面と構造により変調された急峻な内部ポテンシャルが、光電気化学反応の高感度検出に有望であることを明らかにした。孔内部のイオン拡散と電気二重層への電荷充放電について、実験結果および理論的考察をもとに分析し、化学センサの高速化・高感度化に向け新しい知見を得た。今年度の研究目的としていた窒化物半導体多孔質ナノ構造の形状制御に成功し、光学物性の評価と計算機シミュレーションによるポテンシャル形状の理論解析から化学センサの設計に繋がる有益な結果を得た。研究成果の公表として、査読付きの学術誌2編、国内外の学会12件の発表があり、当初の計画とおり順調に進展している。27年度が最終年度であるため、記入しない。半導体デバイス工学次年度(平成27年度)も事業交付申請時の研究計画に従って実施する。前年度までに得られた知見を基盤とし、多孔質構造への機能修飾と化学センサの試作を行う。(1)電気化学的手法による孔内壁表面の機能化GaN単層の多孔質構造を初期基板とし、孔内壁表面に金属微粒子(Ptなど)を堆積する手法を開発する。電解液中の金属イオンは正に帯電しているため、多孔質電極には負の電圧を印加し金属微粒子を電解析出させる。またp型GaN基盤については、キセノン光源により光照射しながら負の電圧を印加する手法を用いる。生成した光歴電子を供給して金属イオンを還元し、金属微粒子を析出させる。(2)多孔質構造を有する窒化物半導体高感度化学センサの作製多孔質構造上に、ソース・ドレイン電極を形成し、提案する高感度化学センサを試作する。pH+センサや水素ガスセンサを想定し、それぞれの化学センサに対して、検出物質の濃度変化と応答電流の相関を明らかにする。さらに、多孔質構造の形状や寸法とセンサ感度の相関を明らかにし、さらなる高感度化に向けた構造の最適化に取り組む。
有機オングストローム構造体の創製を目的とするイオンクラスター構造の動力学的制御

オングスチロームオーダーで制御されたイオンクラスター構造体は,膜分離材料として期待されている.本研究では,以下の成果を得た.1.イオン輸送のパーコレーション挙動を研究するため,スチレン/メタクリル酸(MAA)共重合体をモノマー比を広範囲に変化させて合成した.共重合体をキャストして製膜し,K^+とNa^+の透過実験を行った.イオンの透過速度はイオン性モノマーであるMAAのモル分率が閾値14%で不連続的に変化し,パーコレーション挙動を示すことを確認した.MAAの体積分率とパーコレーション閾値の差とイオン透過係数の間にはpower lawが成立し,臨界指数は1.7,パーコレーション閾値は0.165であった。これらの値は,膜内のイオン基がランダムに分散していることを示唆した.また,示唆走査熱分析の結果,本膜のイオン基はクラスターは構造をとっていないことが判明した.2.パ-フルオロカーボン系のイオノマーであるナフィオンから,キャスト法により製膜してナフィオン膜を得た.この膜をグリセリン処理して膨潤させ,これにベンゼンのキャリヤ-として硝酸銀を含浸させてベンゼン/シクロヘキサン系の透過実験を行った.ナフィオン膜の膨潤度の増加とともにベンゼン透過係数は20倍増加したが,シクロヘキサンに対するベンゼンの選択性は膨潤度に無関係に約900とほぼ一定であった.これより,ナフィオン膜は膨潤してもイオンクラスター構造が保持され,イオンクラスター構造の“ゆるみ"がベンゼンの透過促進に有効であることが確認された.オングスチロームオーダーで制御されたイオンクラスター構造体は,膜分離材料として期待されている.本研究では,以下の成果を得た.1.イオン輸送のパーコレーション挙動を研究するため,スチレン/メタクリル酸(MAA)共重合体をモノマー比を広範囲に変化させて合成した.共重合体をキャストして製膜し,K^+とNa^+の透過実験を行った.イオンの透過速度はイオン性モノマーであるMAAのモル分率が閾値14%で不連続的に変化し,パーコレーション挙動を示すことを確認した.MAAの体積分率とパーコレーション閾値の差とイオン透過係数の間にはpower lawが成立し,臨界指数は1.7,パーコレーション閾値は0.165であった。これらの値は,膜内のイオン基がランダムに分散していることを示唆した.また,示唆走査熱分析の結果,本膜のイオン基はクラスターは構造をとっていないことが判明した.2.パ-フルオロカーボン系のイオノマーであるナフィオンから,キャスト法により製膜してナフィオン膜を得た.この膜をグリセリン処理して膨潤させ,これにベンゼンのキャリヤ-として硝酸銀を含浸させてベンゼン/シクロヘキサン系の透過実験を行った.ナフィオン膜の膨潤度の増加とともにベンゼン透過係数は20倍増加したが,シクロヘキサンに対するベンゼンの選択性は膨潤度に無関係に約900とほぼ一定であった.これより,ナフィオン膜は膨潤してもイオンクラスター構造が保持され,イオンクラスター構造の“ゆるみ"がベンゼンの透過促進に有効であることが確認された.
パラメトリックなX線非線形過程の理論的・実験的解明と物質科学への応用研究

X線領域での非線形光学現象であるX線から光学領域へのパラメトリック下方変換を理論的・実験的に研究した。共鳴現象を利用して、パラメトリック下方変換が光学的なファノ効果として観測されることを示し、2次の非線形感受率を実験的に求める式を導き出した。また、2次の非線形感受率が光学領域の局所光学応答を反映していることを理論的に示し、ダイヤモンドを用いて203Åでの光学応答を0.54Å分解能で可視化することに成功した。本研究は、今後X線領域での非線形光学を広く展開していくための基盤的な研究を理論・実験両面から行うことを目的としている。初年度である平成20年度は、当初計画に従って以下の成果が得られた。1.様々な物質に対してX線パラメトリック下方変換を効率よく測定するために、大型回折計を開発した。試料の方位を自由に変えられるように4軸回折計を基本に、通常とは異なる長尺の検出器アームによって十分なエネルギー分解能を得られるように設計した。まな試料を低温や高温にする装置を付加できるよう試料周りに十分なスペースを用意した。さらに回折計中心とビーム位置を一致させるための大型架台の製作も行った。2.ダイヤモンド、シリコン、GaAsのK、L、M吸収端にアイドラー光が共鳴した場合について、X線パラメトリック変換に及ぼす影響を実験的に調べた。その結果、ダイヤモンドのK吸収端において2桁以上の共鳴的な増大を発見した。X線領域での非線形応答には共鳴による増大は存在しないという報告がなされていたが、本研究成果はそのような理論予測を否定するものである。今回見つかった共鳴的増大の物理的背景が解明されれば、今後大きなX線非線形効果を持つ物質の開発につながると期待される。3.X線の2次の非線形光学効果によって波束をシフトさせる現象を理論的に発見した。具体的には、結晶中の波束に制御光を当てたときの和周波発生を調べた。その結果、制御光の位相と結晶の分散との間でBerry位相項が誘起され、制御光の位相の変化を感じて波束の位置がシフトし、シフト量は波長の数桁倍にも及ぶことが分かった。平成21年度は、前年度の結果を踏まえて以下の成果が得られた。1.X線パラメトリック変換の定量的解析と偏光依存性の解明昨年度の研究で明らかになった内殻励起におけるパラメトリック下方変換の共鳴的増大を利用して、この変換がファノ効果として観測されることを理論的に示した。また、測定データを定量的に解析する理論式を導出した。この理論式は、ファノ効果だけでなく、試料の厚みや非線形回折の境界条件といった幾何学的な要素も正しく取り扱える。これを用いて昨年度測定したダイヤモンドのデータを解析し、初めてX線領域での2次の非線形感受率を見積ることに成功した。さらに、当初計画の偏光依存性に関するデータを取得し、測定誤差の範囲内で予想通りの結果を得た。この実験結果をもとに昨年度開発した大型4軸回折計を改良して測定精度を向上させ、初期の目標性能を達成した。(研究分担者:玉作賢治)2.X線非線形応答の理論の構築昨年度の研究で、非線形光学効果の理論研究を幾何光学の範囲で行い、制御光の位相によるX線ビームのシフトを導出した。本年度は波動光学へと拡張し、位相整合条件をはさむ2つのビームを干渉させると、それらのビームは位相空間で定義された実効的な磁束を囲むことを示した。その結果、位相整合から大きく外れたビーム同士でも制御光による位相差を生じ、位相空間におけるX線のAB効果を実現できることがわかった。(研究分担者:澤田桂)本研究は、今後X線領域での非線形光学を広く展開していくための基盤的な研究を理論・実験両面から行うことを目的としている。平成22年度は、前年度の結果を踏まえて以下の成果が得られた。1.X線パラメトリック下方変換と電子状態との関係解明昨年度までの研究で確立した測定・解析方法を利用して、ダイヤモンドの様々な逆格子ベクトルに関して、アイドラー光が極端紫外領域にある場合の2次のX線非線形感受率を実験的に決定した。同時に、理論的な考察を行い、アイドラーが光学領域にある場合、2次のX線非線形感受率はアイドラー光での線形感受率で表されることを示した。これらの知見をもとに、極端紫外光に対するダイヤモンドの光学応答を原子分解能で明らかにすることに成功した。この時の分解能はλ/380に達し、これまで実現された値を1桁以上も上回る超分解能が実現された。(研究分担者:玉作賢治)2.X線非線形光学応答理論の構築

相対論的量子力学に基づいて、物質中のX線非線形光学応答の計算を行った。通常の可視光領域では、2次の非線形応答は非相対論的な取り扱いで十分であり、2次摂動によって理解することができる。本研究では、X線領域の場合には相対論的補正が必要となり、3次摂動によって電子と陽電子のバーチャルな対生成・対消滅の寄与を取り入れることで正確な表式が与えられることを明らかにした。(研究分担者:澤田桂)
静止期の細胞における重粒子線照射後のDNA二本鎖切断修復機構の解析

哺乳類細胞における重粒子線照射後のDNA二本鎖切断修復機構を明らかにするために、非相同末端結合に必要なDNA-PKと相同組換えに必要なRad51の阻害剤を用いて解析した。ヒト正常繊維芽細胞NB1RGB細胞やHeLa細胞をDNA-PKの阻害剤(NU7441)あるいはRad51の阻害剤(B02)で数時間処理した後に、X線や重粒子線(炭素線、アルゴン線)を照射し、DNA二本鎖切断の指標であるリン酸化型ヒストンH2AXのフォーカス数の経時的変化を蛍光抗体法により調べ、DNA修復効率を評価した。いずれの細胞でも、DNA-PK阻害剤ではX線、重粒子線ともに照射後の修復反応が大幅に阻害されたのに対して、Rad51阻害剤はそれほど大きな影響を与えなかった。チャイニーズハムスターCHO細胞とCHO細胞を親株とするDNA修復タンパク質の欠損株を用いた解析でも同様の結果が得られており、X線、重粒子線ともに主要なDNA修復機構は非相同末端結合であることが示唆された。また、NB1RGB細胞をG0期に同調し、DNA-PK阻害剤で処理してヒストンH2AXのフォーカスの変化を観察したところ、DNA-PK阻害剤処理によりDNA修復反応が阻害されることが判明した。対数増殖期のNB1RGB細胞をDNA-PK阻害剤、Rad51阻害剤で同時に処理してもゆっくりとDNA修復反応は進行し、非相同末端結合や相同組換え以外の代替的非相同末端結合が起きていることが示唆されたが、G0期ではこうした現象は観察されず、非相同末端結合のみが機能していることが示唆された。平成30年度は静止期における重粒子線照射後のDNA修復経路を明らかにすることを目標としていたが、阻害剤を用いた解析により修復経路をほぼ明らかにできた。また、次年度以降に予定されている静止期の細胞における重粒子線照射のリスク評価に関しても予備的な実験を進めており、当初の予定通りに進行している。1.G0期におけるDNA修復機構の分子基盤の解析これまでの解析から、対数増殖期では代替的な非相同末端結合が起こる可能性が示唆されているが、G0期では非相同末端結合のみが機能していることを示唆するデータが得られている。その分子基盤を明らかにするために、代替的非相同末端結合に必要と考えられているDNAポリメラーゼθ等の静止期における発現を生化学的手法により解析する。2.G0期における重粒子線照射のリスク評価静止期と対数増殖期のヒト正常繊維芽細胞に重粒子線やX線を照射し、修復のための時間をおいた後に、未成熟染色体凝縮法を用いて染色体異常(二動原体染色体、環状染色体、無動原体断片)の発生頻度を比較する。また、未成熟染色体凝縮を誘導した後に、FISH法を用いて染色体転座の発生頻度を比較し、静止期の細胞における重粒子線のリスクを評価する。また、静止期の細胞に重粒子線やX線を照射した後、修復のための時間をおいてから対数増殖期に導入し、6-チオグアニン耐性を指標にしてX染色体上にあるヒポキサンチングアニン-ホスホリボシルトランスフェラーゼ遺伝子の突然変異率を測定し、対数増殖期の突然変異率と比較することを予定していたが、G0期に同調できるNB1RGB細胞では、6-チオグアニンでは選択できない(細胞の増殖は止まるが死滅しない)ことが判明し、別のマーカーを導入することを検討する予定である。1.G0期におけるDNA修復機構の分子基盤の解析

これまでの解析から、対数増殖期では代替的な非相同末端結合が起こる可能性が示唆されているが、G0期では非相同末端結合のみが機能していることを示唆するデータが得られている。その分子基盤を明らかにするために、代替的非相同末端結合に必要と考えられているDNAポリメラーゼθ等の静止期における発現を生化学的手法により解析する。2.G0期における重粒子線照射のリスク評価静止期と対数増殖期のヒト正常繊維芽細胞に重粒子線やX線を照射し、修復のための時間をおいた後に、未成熟染色体凝縮法を用いて染色体異常(二動原体染色体、環状染色体、無動原体断片)の発生頻度を比較する。また、未成熟染色体凝縮を誘導した後に、FISH法を用いて染色体転座の発生頻度を比較し、静止期の細胞における重粒子線のリスクを評価する。また、静止期の細胞に重粒子線やX線を照射した後、修復のための時間をおいてから対数増殖期に導入し、6-チオグアニン耐性を指標にしてX染色体上にあるヒポキサンチングアニン-ホスホリボシルトランスフェラーゼ遺伝子の突然変異率を測定し、対数増殖期の突然変異率と比較することを予定していたが、G0期に同調できるNB1RGB細胞では、6-チオグアニンでは選択できない(細胞の増殖は止まるが死滅しない)ことが判明し、別のマーカーを導入することを検討する予定である。理由:当初、リン酸化型ヒストンH2AXのみならず、各修復経路に特異的な他の修復タンパク質の局在も蛍光抗体法により解析する予定であったが、静止期において関与している修復経路が一つのみである可能性が示唆され、解析方法を簡略化した。また、加速器施設運営上の都合で実験回数が当初想定していたよりも少なかったため、照射後の修復タンパク質の局在を生化学的手法により解析する実験を次年度以降に延期し、当初の予定よりも試薬・培養器など消耗品の使用量が少なくなった。使用計画:平成31年度中に、当初30年度に予定していた上記の生化学的解析を実施することを計画しており、主に細胞抽出液を作成するための試薬、ウエスタンブロットに用いる抗体、細胞培養試薬等の消耗品の購入に充てる予定である。また、一部の予算は照射作業の効率化のために、照射装置の改良に充てる予定である。
蚊中腸内マラリア原虫の虫体表面に発現する分子の機能解析

本研究において、蚊の中のマラリア原虫ステージで発現している分子であるPyGM75は、雄性生殖母体の細胞小器官(osmiophilic body)、及び、雄性生殖体の表面に特異的に発現しており、雄の鞭毛放出(Exflagellation)の際に機能していることを明らかにした。また、原虫感染赤血球と共にPyGM75特異抗体を媒介蚊に吸血させると、原虫感染効率が顕著に減少したことから、PyGM75は新たな伝搬阻止ワクチンの候補抗原として有望であることが示された。現在ヒトマラリアへの応用を検討している。初年度において、既に蚊の体内で発現されていることが確認された2種の分子について、ローデントマラリアであるPlasmodium yoeliiを用いて遺伝子欠損原虫を作製することに成功した。当該年度においては、さらに1種の遺伝子欠損原虫の作製に成功し、前者を含め、それらの表現型について検討を行った。そのうち2種類のマラリア遺伝子欠損原虫では、蚊の体内に於ける原虫ステージでの表現型は、野生型と変わらなかった。しかしながら、1種においては、雌雄生殖母体期に形成される細胞小器官、Osmiophilic bodyが雄性生殖母体において消失することが確認された。また、この遺伝子欠損原虫を人工吸血器を用いて蚊に吸血させ、10日後に蚊の中腸を解剖し、オーシストと呼ばれる蚊体内に特異的な発育ステージ原虫を観察したところ、野生型と比較して、遺伝子欠損原虫では、オーシストの形成数が低下していることが明らかとなった。雄の生殖母体は、脊椎動物の赤血球内に存在するが、一旦蚊の中に取り込まれると、赤血球膜から出現し、鞭毛を持った雄の生殖体を形成する。その後鞭毛は外部に放出され、Exflagellationと呼ばれる鞭毛運動を行うことが知られている。この現象をマラリア感染マウスの尾静脈から採取した血液を塩基性の培養液に曝すことで、実験的に再現すると、活性化された雄性生殖母体は数分以内に鞭毛放出し、鞭毛運動を始める。先述の分子に対する抗血清をこの培養液に混合し、同様の実験を行うと、鞭毛は一旦放出するものの、運動能が著しく低下することが示された。これらの現象から、この分子は蚊体内で原虫発育を阻止することを目的とした伝搬阻止ワクチンとして有望な候補抗原であることが期待される。マラリア原虫は、吸血によって蚊の中腸内に取り込まれ、極めて短時間のうちに生殖母体から生殖体へと分化し、受精を行う。この劇的な形質転換を伴う有性生殖の分子機構はほとんど解明されていない。これまでにデータベースを基にマウスマラリアであるPlasmodium yoeliiの生殖母体に特異的に発現している未知の分子20種を探索し、そのうちの6分子が蚊体内での原虫表面に発現していることを明らかにした。そこで、詳細な性状解析を行うことを目的とし、新たにウサギ抗血清を作製した。作製した抗体を用いた間接蛍光抗体法、および免疫電顕法により詳細な局在を確認したところ、1つの分子において、雄性生殖母体及び生殖体の細胞小器官(Osmiophilic body)に特異的に発現しており、鞭毛放出(Exflagellation)時に外部に放出された後、細胞表面に局在することを明らかにした。この分子は雄の生殖期に重要な機能を持つことが予測されることから、この分子の遺伝子を欠損させた組換え原虫を作製し、現在その解析を行っている。また、さらに2つの分子について遺伝子欠損原虫の作製に成功し、それぞれについて同時に機能解析を進めている。これらの分子は、有性生殖期に特異的に発現されている分子であり、機能が明らかになることで、このステージに於ける分子機構を解き明かすヒントとなると考える。また、これらの分子については原虫表面に発現されており、蚊の体内で原虫発育を阻止する伝搬阻止ワクチンの候補抗原となり得ることから、ウサギ抗血清を用いた伝搬阻止活性の検討を行っている。極めて有効なマラリアワクチンは未だ不在であり、新規のワクチン開発が急がれている現状から、マウスマラリアにおいて有効性が認められるような知見が得られれば、新しいワクチン候補抗原としてヒトマラリア(熱帯熱マラリア及び三日熱マラリア)への応用に期待が出来る。本研究では、マウスマラリアであるPlasmodium yoelii(Py17X株)の蚊中腸内ステージに発現している未知の6分子に着目し、新たに作製したウサギ特異抗体を用いて詳細な性状解析を行うと共に、各遺伝子欠損原虫の表現型解析を行うことで蚊中腸内ステージにおける機能解析を行った。

その中の1つであるPyGM75は、雄性生殖母体及び生殖体の細胞小器官(Osmiophilic body)に特異的に発現しており、鞭毛放出(Exflagellation)時に鞭毛と共に外部に放出された後、細胞表面に局在することを明らかにした。更に、pygm75遺伝子欠損原虫を蚊に感染させると、蚊の中腸におけるステージであるオーシストの形成が著しく低下し、鞭毛放出する原虫数が激減しているという興味深い結果が得られた。このことから、PyGM75は雄性生殖体の鞭毛放出の際に機能していることが示唆された。更に、PyGM75は原虫表面に発現されており、蚊の体内で原虫発育を阻止する伝搬阻止ワクチンの候補抗原となり得ることから、ウサギ抗血清を用いた伝搬阻止活性の検討も行った。この抗血清を、原虫と共に人工吸血装置を用いて蚊に摂取させ、蚊の中腸のオーシスト形成を確認したところ、抗血清を加えた群ではオーシスト数が劇的に減少した。また、PyGM75組換えタンパク質を免疫したマウスにPy17X株を感染させた後、蚊に吸血させてオーシスト形成を比較したところ、免疫マウスから吸血した蚊のオーシスト形成はコントロール群に比べ著しく低下していた。以上のことから、PyGM75は新規伝搬阻止ワクチンの候補抗原であり、ヒトマラリアへの応用が期待される。寄生虫学これまでに、蚊体内でマラリア原虫の表面に発現すると予測された6分子について作製した抗ウサギ抗体を用いて、間接蛍光抗体法、及びウェスタンブロッティング法により、それぞれの分子について局在及び発現時期を確認することが出来た。また、前年度までに作製した遺伝子欠損原虫の解析を行ない、ある分子において、蚊への感染効率に影響を及ぼすことが確認された。更に、作製した抗ウサギ血清が、蚊の体内での原虫の発育を阻害できるかを確認することを目的とした伝搬阻止活性の検討を計画しているが、現在までにその実験条件を整えることができ、すでに抗血清を用いた実験を進めている。予備実験に於いて、蚊体内でマラリア原虫の表面にあることが確認された6分子について、抗ウサギ抗体を作製することに成功し、これらの特異抗体を用いた間接蛍光抗体法、免疫電顕法、及びウェスタンブロッティング法により、詳細な局在を確認し、発現プロファイリングを行っている。また、同時に機能解析を行う為に遺伝子欠損原虫、さらに局在解析を行うためにタグ付きの組換え原虫を作製し、その解析を行っている。研究計画に基づき、初年度は抗体作製、及び組換え原虫の作製といった研究基盤となる材料を整えることを中心として行ったが、すでにそれらを用いた解析を開始しており、さらに、作製した抗血清が蚊の体内での原虫の発育を阻害できるかを確認する為に次年度に実施予定であった伝搬阻止活性の検討も同時に開始していることから、研究進展度は概ね順調であると言える。作製した抗ウサギ血清、或いは精製した特異抗体を用いて、伝搬阻止活性の検討を行う。効果のあるものが見つかれば、補体の影響や、抗体価の検討を行う。また未作製の遺伝子欠損原虫については、引き続いて作製を試み、蚊体内の原虫ステージにおける表現型を解析する。作製した抗ウサギ抗体を用いた伝搬阻止活性の検討は、特異抗体の精製を行い、順次行っていく予定である。作製済みの遺伝子欠損原虫については、各ステージに於ける表現型(雌雄生殖母体及び生殖体の形成、雄生殖体の鞭毛放出、受精、オーキネートの形成、運動能、オーシストの形成、スポロゾイトの形成等)を野生型と比較することで各遺伝子の機能を探る。
高齢介護者の介護負担感を低減する被介護者の介護者サポート行動とその背景要因の検討

本研究の目的は、虚弱高齢者、介護が必要な高齢者が行う他者をサポートしようとする行動が、(1)介護者ならびに自分自身の心理的well-beingの向上につながるか、(2)具体的にどのような行動がwell-beingの維持向上と関連するのか、を検討することである。要介護高齢者本人やその家族に対するインタビューに基づく質的研究および虚弱高齢者への量的な調査研究からは、被介護者本人が行うa.周囲の人への情緒的、手段的ポート行動の提供、b.セルフケアや家庭内での役割を果たすこと、などの介護者サポート行動が介護者および本人の心理的適応を促すことが明らかとなった。また、その関連要因として老年的超越などの個人特性が関連していることが示唆された。本研究の最終的な目的は、被介護者の介護者へのサポート行動や要介護状態や虚弱への適応方略などの自発的要因が介護負担感にどのように影響を及ぼすかを検討することである。平成22年度は、(1)介護者のサポート行動を測定する尺度作成のための予備調査および、(2)虚弱への適応方略を測定するための尺度の標準化を行う調査を行った。(1)については、地域在住の要介護高齢者の介護者10名に対して、a.「被介護者の介護場面における介護者サポート行動」に関する質問(介護を少なくする工夫、被介護者を心身両面から支える行動、自分の死後の配慮)、b.被介護者の障害の状態(現病、要介護度、ADL、問題と思われる行動の有無)、c.介護内容(普段行っている介護内容、夜間介護の有無と内容、共同介護者、介護サービスの利用)、d.介護者の心身状況(現病、健康感、介護負担感)、e.介護者と被介護者の人間関係(介護開始前、介護開始後)を半構造化面接によって尋ねた。その結果、被介護者は、a.セルフケアを積極的に行うことにより必要のない介護を少なくする、b.介護者の感情や気持ちに配慮する、c.できるだけ介護者の介護方針や意志に従う、d.介護以外の生活全般において介護者の家族に配慮する、などの介護者サポート行動を行っていることがわかった。また、介護者が報告した介護者サポート行動の数と介護負担感との間には強い負の相関があり、被介護者の介護者サポート行動は介護負担感を減少させる可能性が今回のデータにより確認された。(2)については、高齢者約500名に郵送調査もしくは訪問調査を行ない、虚弱への適応方略を測定するための「日本版老年的超越尺度」および精神的健康など他の変数を測定した。その結果、尺度の信頼性が確認された。また、虚弱高齢者において精神的健康との正の相関が確認された。このことは、今回開発した質問紙で測定された方略を取ることにより、精神的健康が高まることを示唆していた。平成22年度は、(1)85歳以上の要介護超高齢者の適応に関する質的研究、および、(2)虚弱への適応の年齢差および適応と関連する要因を検討した。(1)については、要介護認定を受けている超高齢者8人を対象に面接調査を実施した。超高齢者の語りの質的分析の結果、虚弱超高齢者の適応には「つながっていること」「変わっていくことに気づくこと」「変わらないことを見いだすこと」「自分だけにできることをみつけること」の4つのテーマが重要であることが示唆された。(2)については、地域在住の前期・後期高齢者群399名(参加率55.3%男性率40.0%平均年齢73.6歳)、超高齢者群:369名(参加率39.0%男性率31.0%平均年齢88.7歳)に郵送調査を行った。老研式活動能力指標の10点未満を虚弱、WHO-5の13点未満をうつリスク有りと定義し、分析を行ったところ、前期・後期高齢者群では虚弱者の割合は18%、超高齢群59%であった。このうち、うつリスク有りの者の割合は前期・後期高齢者群では75%、超高齢者群では59%であり、超高齢者群の機能低下者におけるうつリスク率は前期・後期高齢者群よりも有意に低いことが示された(χ2(1)=4.34 p<.05)。また、虚弱高齢者におけるうつリスクの有無と有意に関連する要因は、前期・後期高齢者では社会的な役割を持つこと、超高齢者では対人交流、病気がないといったパーソナルな要因が重要であることが示唆された。

本研究の最終的な目的は、介護負担感の軽減につながる被介護者の介護者サポート行動や虚弱への適応方略などの自発的要因を明らかにすることである。これまでの研究成果から、社会的な役割を持っていること、虚弱な中でも自分にできることを行おうとする心理状態は虚弱高齢者の心理的適応とも密接にかかわっていることが示された。そこで、平成23年度は、虚弱高齢者の心理的適応と関連する(1)被介護者のサポート行動および(2)性格特性のより詳細な検討を行った。(1)については、70-79歳の地域高齢者2210名に郵送調査を行い、参加1253名のうち介護が必要であると回答した86名(男性40名、女性46名)について、精神的健康と種々の他者サポート行動との関係を検討した。その結果、「家族や友人の相談にのる」(p=.06)、「若い人にものを教えたり、助言をする」(p=.06)、「病人を見舞う」(p=.02)、「病人の看病ができる」(p=.05)、「家事や家の仕事をしている」(p=.03)、「家の周りの掃除をする」(p=.01)といった項目が精神的健康と関連していた。(2)については、地域在住の69-70歳高齢者1000名に対し面接調査を行い、うち心臓病、脳卒中、悪性腫瘍、糖尿病という重篤な慢性病のうち2つ以上に罹患している86名(男性55名、女性31名)について、精神的健康とNEO-FFIで測定された性格特性との関連を検討した。その結果、5つの性格特性のうち、外向性が高いこと(p=.001)、調和性が高いこと(p=.004)、誠実性が高いこと(p=.006)が精神的健康の高さと関連していた。外向性や調和性は対人交流への親和性からソーシャルサポートの提供を促す性格特性であり、誠実性は規則正しい生活習慣や健康行動の遂行の面から、介護場面での負担を軽減しうる性格特性であると考えられた。これらの結果から、虚弱高齢者、要介護高齢者の他者サポート行動およびそれらを促すと考えられる心理特性は被介護者の心理的適応を促し、それが介護負担軽減につながることが示唆された。
狩猟採集文化の将来像とネットワーク形成に関する研究

1998年度にわが国において開催される第8回「狩猟採集社会に関する国際会議」には、海外から150名を越える参加が予定されている。この会議では、現在世界各地で様々な形で残る狩猟採集文化の多様性と将来像の探求、そしてそれらに関する研究ネットワークの形成が中心的な課題となるが、世界の狩猟採集文化を相互に比較するための共通の枠組みの設定や、ネットワークに盛り込むべき情報等の細部については十分な事前討議が必要である。このため本研究では、関連する研究者を集めて2度にわたる研究会(うち1度は海外からの参加者を含む)を開催して集中的な討論を行い、問題点を絞った。この研究会であげられた比較のための論点は、(1)領土の再定義:原住民の考えと国家の法制化、(2)狩猟文化と鉱物採掘知識、(3)北ユーラシアにおける罠猟の意義、(4)アイヌの歴史・政治・文化、(5)現地教育とは誰の文化か?(6)ハイテク時代の狩猟採集民、(7)分配の社会経済学、(8)狩猟採取民の自他意識、(9)採取民を知ること:自然保護主義者、旅行者、研究者の立場、(10)狩猟採集民と農耕民の関係に関する新たな視点、(11)狩猟採集民と農耕民の歴史的関係、(12)動物資源管理の考古学、(13)知識の伝達と社会の存続、(14)南部アフリカの歴史と考古学、(15)人口・景観・生態の変化、(16)漁労と社会、(17)ジェンダーと社会の動態、(18)アイデンディディ・パフォーマンスとその変容、(19)エスニシティ・教会・国家の関係、(20)グローバル・エコノミーと狩猟採集文化、(21)認識・象徴その他の文化的表象、(22)北方狩猟採集社会の考古学:歴史と変容、(23狩猟採集民の芸術の可視性あるいは不可視性、の23項目である。
欺瞞行動の制御と促進を担う意志力発現の神経基盤

平成30年度には、パーキンソン病を対象とした神経心理学的研究の成果を論文として発表した(Abe et al., 2018, Front Neurol)。この研究では、認知症を伴わないパーキンソン病患者群と、健常対照群を対象として、不正直さを定量化する認知課題を実施した。その結果、患者群では不正直な行為の頻度が有意に低下していることが明らかとなった。パーキンソン病における報酬系の機能障害が背景にあると考えられる。さらに今年度は、パーキンソン病の研究で用いた課題と同様の課題を、健常被験者を対象に施行し、MRIを用いて脳構造及び安静時の領域間機能結合のデータを取得することで、不正直さの個人差に関わる神経基盤の研究を行った。データ分析の結果、不正直な行為の頻度と報酬系との関係が示唆されたものの、統計的に頑健な結果を得ることはできなかった。今後の研究において、追加的な検討が必要と考えられる。また、昨年度に実施した欺瞞行動に関するweb調査についても、データ分析を行った。このweb調査は、欺瞞行動に関する課題に加え、報酬・罰感受性、衝動性、共感性など、様々な質問紙によって個人特性に関わるデータを多角的に取得したものである。データ分析の結果、神経症傾向が高い個人ほど、不正直な行為の頻度が低いという結果が得られている。ただし近年、神経症傾向は文化的要因の影響を受けるといった報告もあるため、他の交絡要因の影響を含め、慎重な解釈が必要と考えられる。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成29年度の研究では、日本国内の男女20-60代の約2,000名を対象として、正直さに関わる簡易的な意思決定課題を中心としたweb調査を実施した。具体的には、Gino et al.(2010, Psychological Science)において用いられている知覚的意思決定課題を利用した。この課題では実験参加者に、正方形の画面が1秒間提示される。正方形には斜めの線が引かれており、両側には点が複数配置されている。実験参加者は、左側と右側のどちらが点がより多いかを判断し、キーボードのボタンを押す。この実験における重要なポイントは、実験参加者にとって葛藤を感じる状況が設定されていることである。すなわち、実際の点の多さにかかわらず、左のボタンを押すと低額の報酬、右のボタンを押すと高額の報酬がもらえる、という設定になっており、正しく回答することと、自分が獲得できる金銭を最大化することが、必ずしも一致しない。したがってズルをしようと考えれば、左側に点が多いように見えたとしても、右と回答するという戦略を取ることができる。実際、この課題では多少のズルをする実験参加者が多いことが先行研究において確認されている。本研究ではこの知覚的意思決定課題をweb調査で行い、さらに報酬・罰感受性、衝動性、共感性など、様々な質問紙によって個人特性に関わるデータを多角的に取得した。また、本研究ではパーキンソン病を対象とした欺瞞行動の意思決定に関わる神経心理学的研究にも着手した。認知症を伴わないパーキンソン病患者群と、健常対照群を比較した結果、患者群では不正直な行為の頻度が有意に低下しており、報酬系の機能障害との関与が示唆された。現時点でweb調査のデータ収集を完了しており、計画通り進展している。今後は主に磁気共鳴画像法(MRI)を用いた実験によって、欺瞞行動の制御と促進を担う意志力発現に関わる認知神経基盤の個人差にアプローチする。また、パーキンソン病を対象とした神経心理学的研究についても、論文として成果を報告する。
巻き癖・遊び・捻りを考慮したテザーケーブル解析法とROVの運動推定法に関する研究

今年度は、テザーケーブルの運動を含む遠隔操作型水中探査機(ROV)の運動解析法の開発のためのテザーケーブル運動解析手法の高度化およびROVの運動解析のためのCFD(数値流体力学)手法による流体力微係数推定精度の精度検証を行った。テザーケーブル運動解析手法の高度化という観点では、テザーケーブルは、捻り、曲げ現象の非線形性、異方性、巻き癖などの特徴を有するが、これらのうち、前年までに解決している、巻き癖、異方性の解析手法への表現を除く、すなわち、捻り、曲げの非線形性の計算手法への搭載、考慮することを目指した研究を実施し、一定の成果を挙げることができた。さらに、現実的には、テザーケーブルは、プーリーを介し、ウインチで巻き取り、繰り出しをすることが多いため、これについての数値計算手法の開発を目指し、初期的な数値モデルながら、ウインチ、プーリーを表現できるようになった。一方、ROVの運動解析のための、CFD(数値流体力学)手法による流体力微係数推定精度の精度検証という意味では、機体は異なるものの、同じくオープンフレーム構造を有する水中探査機周りの流れのCFD解析(数値強制動揺試験を含む)により得られた流体力、および、これに基づく流体力微係数と、回流水槽にて実施された強制動揺試験を含む流体力の計測試験の結果を照らし合わせ、まだ完全というわけではないが、数値強制動揺試験を含むCFD手法は相応の推定精度を有することが確認できた。今年度は、テザーケーブル単独での材料特性の計測および水中運動試験・挙動解析手法、ROVに接続されたテザーケーブルの数値解析手法および、CFDによるROVの機体に働く流体力の推定精度の検討の3つの観点から研究を行った。テザーケーブル単独の場合、3種の実機テザーケーブルを入手し、材料試験を行った。この結果、テザーケーブルには、異方性に由来するケーブル長手方向の巻き癖、撓みと曲げ剛性が同時に変化する非線形性が存在することがわかった。こののち、曳航水槽で、テザーケーブル単独での水中運動試験を行い、水中挙動の観測を行った。この結果、やはり異方性、非線型性が確認された。この結果をもとに、同様条件でANC法を用いた数値計算を実施したが、ヤング率を定数として考えているため、計算値と実験値の一致度はそれほど良くなかった。ところが、適宜ヤング率を変更して計算すれば、部分部分のケーブル挙動を一致させることができた。このことから、ANC法に非線形性を考慮すれば、この問題は解決するであろうと考えられた。次に、ROVに接続されたテザーケーブルの数値解析手法では、1)ケーブル長さ方向の巻き癖を考慮する方法、材料特性の計測および水中運動試験から得られたテザーケーブルの性質のうち、2)異方性を考慮する方法を考案し、これらをプログラムに実装した。さらに、以前から問題であったROVの吊り点位置でのテザーケーブルの条件(境界条件)に改良を加え、実現象を反映できるようにした。さらに、ROVの機体に働く流体力の解析手法に関し、計測値との比較から、計算メッシュ、乱流モデルの観点から検討を行った。これらの観点のうち、ROVが巻き癖を有するテザーケーブルに接続されている場合のROVの挙動に関する研究成果は、本年度6月末に開催される「海洋と極地工学に関する国際会議(ISOPE)」にて発表の予定である。今回、テザーケーブルの材料試験とケーブル単独での水中運動試験により、ケーブルの異方性、非線型性、ケーブル長手方向の巻き癖と異方性の関係に関する基礎的な知見を得た。これを基に、ANC法によるテザーケーブルの数値解析プログラムおよびこれとROVとの連成解析プログラムに関し、ケーブルの長手方向の巻き癖の考慮や、異方性の考慮、境界条件の適切化が達成できた。現在も、改良したプログラムを拡張する形で、ケーブルが伸縮する場合の数値計算法の考案・プログラムへの実装、ケーブルがROVと接触する場合の接触判定および排他プログラムの開発を実施している。一方、テザーケーブルの捻り方向を含む運動解析法への拡張および、これを含むROVの運動推定法の開発には着手できなかった。CFDによるROV機体に作用する流体力の推定法の確立・精度検証については、機体が異なるものの、他大学で得られたオープンフレーム型水中探査機に関しての流体力の計測値(機体の静止時、強制動揺時を含む)とCFDで得られる流体力(機体の静止時、ヒーブの強制動揺時を含む)の比較・検討を実施することができた。精度の向上には、今一歩の努力が必要であるが、今年度の研究結果には、次年度実施予定だったものも内容も含まれている。以上のように、計画から遅れている部分や、先んじている部分もあるため、平均的には、おおむね順調に研究が進展しているものと考えている。これまでに、ROVに接続されたテザーケーブルの数値解析手法の高度化およびCFDによるROVの機体に働く流体力の推定精度の検討の2つの観点から研究を行ってきた。まず、テザーケーブルの機械的性質について、長手方向、捻り方向の巻き癖の存在、テザーケーブルの材料的性質に異方性、非線型性の存在が明らかとなった。研究課題の表題に掲げる"遊び"は、このうち非線形性がテザーケーブル挙動に強く発現した場合であることが確認できた。これらの機械的性質を解析可能にするため、解析プログラムを改良した。この結果、ケーブルの捻り、長手方向の巻き癖と異方性を考慮して数値解析を行うことができるようになった。ケーブルの機械的性質ではないが、ROVの吊り点位置でのテザーケーブルの条件(境界条件)に改良を加えた。

これらのうち、ケーブルの捻りに関する数値解析精度の妥当性の評価、検討はまだ行っていないので、これはH30年度の課題としたい。一方、ROVの機体に働く流体力の解析手法に関し、計測値との比較から、計算メッシュ、乱流モデルの観点から検討を行った。この結果、乱流モデルの観点では、RANSベースの方法であれば、Spalart-Allmarasモデルが、機体に掛かる流体力を良好に表現できることがわかった。以上のように、テザーケーブルの運動に対し、長手方向の巻き癖と、ケーブルの曲げに関する異方性を考慮した場合の検討結果、およびオープンフレーム型の水中探査機にケーブルが接続されている場合のROVの挙動に関する研究成果とオープンフレーム型水中探査機のCFDによる流体力推定について、H30年6月に開催される「海洋と極地工学に関する国際会議(ISOPE)」にて発表の予定である。なお、テザーケーブルの機械的性質を表現するものではないが、テザーケーブルの伸縮(出し入れ)もプログラム上で表現できるようになっていることも付記しておく。H28年度の成果(テザーケーブルの長手方向の巻き癖と異方性の考慮、境界条件の改良)に加え、H29年度は、テザーケーブルに捻りが発生する場合の計算法を構成することができた。テザーケーブルの運動解析について、さしあたり、残るは、捻りがある場合の計算結果の検証、捻り方向の巻き癖の考慮、ケーブルの非線形性挙動を解析できるようにすることの3点となった。CFDによるROV機体に作用する流体力の推定法の確立・精度検証について、H28年度、機体が異なるものの、他大学で得られたオープンフレーム型水中探査機に関しての流体力の計測値(回流水槽での計測:機体の静止時、強制動揺時を含む)とCFDで得られる流体力(機体の静止時、ヒーブの強制動揺時を含む)の比較・検討を実施したことに立脚し、H29年度は、さらなる高精度化に挑んだ。この結果、計測値には回流水槽の側壁影響(制限水路影響)による誤差が含まれていることまで推定でき、この意味で、流体力の推定はほぼ可能であるとの結論に至った。流体力微係数の推定にも、今回確立した手法で、推定可能であろうと考えられる。さらにLES、DESなどのさらに高精度の流れ推定法の適用による精度検証は必要であると考えられるが、これは、さらに進んだ研究となる。以上のように、計画から若干遅れている部分や、先んじている部分もあるため、平均的には、おおむね順調に研究が進展しているものと考えている。今年度は、テザーケーブルの運動を含む遠隔操作型水中探査機(ROV)の運動解析法の開発のためのテザーケーブル運動解析手法の高度化およびROVの運動解析のためのCFD(数値流体力学)手法による流体力微係数推定精度の精度検証を行った。テザーケーブル運動解析手法の高度化という観点では、テザーケーブルは、捻り、曲げ現象の非線形性、異方性、巻き癖などの特徴を有するが、これらのうち、前年までに解決している、巻き癖、異方性の解析手法への表現を除く、すなわち、捻り、曲げの非線形性の計算手法への搭載、考慮することを目指した研究を実施し、一定の成果を挙げることができた。