hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
構造化照明を利用した超解像ラマンイ分光イメージング技術の開発

本研究では、試料の無標識分析観察が可能なラマン散乱顕微鏡の空間分解能の向上をを目的とし、構造化ラマン照明法を用いたラマン散乱顕微観察法の開発を行った。開発した顕微鏡を用い、ポリスチレン、PMMA等のポリマー粒子、グラフェン、グラファイト等のカーボン材料、脂質組織等の生体材料のラマン散乱観察において従来法よりも1.8倍、理論限界よりも1.5倍の空間分解能の向上を達成した。ラマン散乱顕微鏡は分子や結晶格子の振動を捉えて、その分布を画像化する顕微鏡であり、生体分子から半導体まで各種材料やデバイスの分析に利用されている。本研究の目標は、従来のラマン散乱顕微鏡の空間分解能を向上させ、生体組織、細胞、ポリマー、カーボン材料等の様々な試料に対するラマン散乱イメージングの利便性と有用性をさらに向上させることである。またラマン散乱顕微鏡の超解像イメージングはこれまで実現しておらず、顕微鏡光学、計測光学、分光学等の学術的な側面からも、本研究の成果は有意義な知見を与える。この目標を達成するために、本研究では、構造化照明を行うことによりラマン散乱顕微鏡の空間分解能を向上させることを試みている。平成26年度は、構造化照明ラマン散乱顕微鏡の設計、試作を目的として研究を行った。従来から開発してきたスリット走査型ラマン散乱顕微鏡に構造化照明を行うための光学系を組み込み、さらに光の照射条件を制御するソフトウェアを開発し、制御システムに追加した。試作した顕微鏡を用いて、ポリマー材料、カーボン材料を観察することで、設計通りに顕微鏡システムが動作することを確認し、さらに構造化照明の効果によりラマン散乱像の空間分解能が向上すること、またその空間分解能の向上は検出した全波長域(560-630nm)で達成されることを確認した。ラマン顕微鏡は、分子や結晶の格子振動を検出できるため、染色することなくとも、試料中の物質を同定しながら、その空間分布を画像化できる。材料科学、デバイス工学から生物学、創薬まで幅広く利用されているが、顕微観察における空間分解能は光の波長程度に限られてきた。他の光学顕微鏡に比べて、信号光が微弱であるため、空間分解能の向上は困難とされてきた。今年度は、昨年度までに試作した構造化照明を用いた高解像度撮像が可能なラマン散乱顕微鏡の結像特性の評価、および各種材料観察への応用を検討した。微小粒子を試料に用いた観察により、その空間分解能は200nm以下であり、検出した光の波長(580nm前後)の半分以下の空間分解能が得られた。しかしながら、この値は理論限界には達しておらず、更に空間分解能を向上できることが分かった。また、開発した空間分解能の向上が多種の物質からなる試料の分析においても有効であることを確かめるためポリマー材料、カーボン材料、生体組織の観察を行い、得られたラマンスペクトルから、各材料をより正確に分離でき、その空間分布を観察像として得られることを確認した。生体試料をより高い空間分解能、分析力で測定するための冷却ステージの検討も進めた。微弱なラマン散乱を効率良く検出するために、高い集光効率をもつ高開口数レンズが使用でき、かつ焦点位置を長時間保持することが可能な冷却ステージを新たに設計した。本研究では、構造化照明を利用することによりラマン散乱顕微鏡の空間分解能を向上することを第1の目的とし、さらに、各種試料の分析、観察への応用を通して開発した手法の有用性を確認することを第2の目的としている。昨年度までに、ラマン散乱顕微鏡の空間分解能を向上するための理論構築、試作機の開発を行い、提案する手法がラマン散乱顕微鏡の空間分解能を向上できることを実験的に確認した。本年度は、試作したラマン散乱顕微鏡の空間分解能を定量的に測定し、装置の評価および改善方法の検討、および、各種材料からなる試料観察へ応用した際の分析力についての定性的な評価を行った。空間分解能の評価は、直径40nmの蛍光ビーズを試作した顕微鏡で観察した際の像の広がりから求めることにより行った。その結果、約190nmの空間分解能が得られ、従来の手法に比べ約1.8倍の空間分解能の向上が達成されていることがわかった。しかし、空間分解能はさらに1.4倍程度大きくできることが、理論的には示唆されており、現在のシステムでは、撮像光学系、および照明パターンの形成法を改善すれば、空間分解能が向上することが分かった。応用面については、PMMA/ポリスチレンからなる混合試料、CVDグラフェン、グラファイト片、マウス脳組織の観察を開発した顕微鏡により行った。どの試料においても空間分解能の向上が確認された。さらに、空間分解能の向上により、ラマンスペクトルの空間的な重複が少なくなり、試料中の物質の認識力が向上することが分かった。グラフェンの観察結果では、複数のラマンバンドの相関がはっきりと確認でき、分析能力の向上も確認できた。特に生体試料においては試料の損傷を抑えながら、長時間の観察が必要となる。そこで顕微鏡用冷却ステージの設計を行った。微弱なラマン散乱光を捉えるために、高開口数レンズで使用可能な冷却ステージを新たに設計した。ラマン分光法は分子や結晶格子の振動を光学的に直接検出し、分析を行うことが可能である。近年、ラマン分光法を取り入れた光学顕微鏡、ラマン散乱顕微鏡、に研究開発が進んでおり、生物学、医学等のバイオ分野から材料工学の分野まで幅広く応用されている。

しかしながら光を用いる技術であるため、その空間分解能は波長の半分程度に制限されており、300nm以下の構造体や物質分布をラマン散乱顕微鏡により観察することは困難であった。また、ラマン散乱光は微弱な光学現象であるため、多くの超解像顕微鏡の技術を適用することが難しく、高解像度観察のための技術開発が必要とされていた。本研究では、微弱なラマン散乱光を利用しながらも従来技術の空間分解能の限界を超えるラマン散乱顕微鏡の実現のため、ライン照明法と構造化照明法とを組み合わせた構造化ライン照明顕微鏡の開発を目的とした。構造化ライン照明を用いた走査型ラマン散乱顕微鏡の光学系を新たに設計、および試作を行った。構造化ライン照明の実現のため、位相グレーティングを通して2つのライン照明光を作成し、それを試料上で干渉させる照明光学系を試作した。位相グレーティングはピエゾステージにより制御し、3つの異なる位相の干渉縞でラマン散乱像の取得し、超解像顕微鏡法で一般的に使用されるフーリエ空間での画像再構成を通して高解像度のラマン散乱像を得た。また、試料を理想的な状態で固定し観察するための試料冷却ステージの組み込みも行った。試料にはポリスチレンとPMMAの微小ビーズ、グラフェンやグラファイトのカーボン材料、また生体の脂質繊維構造を用いた。それぞれの観察結果において従来技術に比べて高い解像度の観察、分析が行えることを示した。また実験的、理論的に結像特性を測定した結果、従来技術より約1.8倍、従来の理論限界より1.4倍高い空間分解能が得られていることを確認した。本研究では、試料の無標識分析観察が可能なラマン散乱顕微鏡の空間分解能の向上をを目的とし、構造化ラマン照明法を用いたラマン散乱顕微観察法の開発を行った。開発した顕微鏡を用い、ポリスチレン、PMMA等のポリマー粒子、グラフェン、グラファイト等のカーボン材料、脂質組織等の生体材料のラマン散乱観察において従来法よりも1.8倍、理論限界よりも1.5倍の空間分解能の向上を達成した。平成26年度の目標は構造化照明ラマン散乱顕微鏡の設計、および試作を主な目標にしており、順調に研究を進めることができた。実際に、装置設計、および試作を完了し、ポリマー材料、カーボン材料の観察で空間分解能の向上を確認した。その空間分解能は、まだ理論限界にまでは達してはいないが、試作した顕微鏡の動作確認という当初の目的は十分に達成している。以下具体的な内容を示す。本年度は、従来のスリット走査型ラマン散乱顕微鏡をベースとし、それに構造化照明を組み込むという方針で新しい顕微鏡の設計・試作を進めた。波長532nmの連続発振レーザーを光源とし、そこからのレーザー光を回折格子により分割し、それらを顕微鏡試料上で干渉させ、試料上に構造化照明を形成した。この設計では回折格子を変更することにより構造化照明のピッチを変更することが可能になる。また、試料ステージ部は試料冷却機能を組み込める設計とした。上記に加え、構造化照明下で取得したスペクトルデータを再構築し、高解像度のラマン散乱像を得るためのソフトウェアの開発も行った。具体的には、スペクトルの空間歪みの除去、ノイズ除去、および周波数空間での画像合成という、高空間分解能なラマン散乱像の構築に必要な機能を組み込んだ。試作した顕微鏡システムの動作確認を目的とし、試作した装置を用いてポリスチレン微小球粒子、カーボン材料を試料として測定を行った。
ボールミル粉砕に固有な黒鉛の潤滑機構の解明-鉄粒子への変形集合組織形成に向けて-

申請者は鉄粒子と黒鉛を酸素雰囲気下でボールミル粉砕すると、鉄粒子に磁気特性に優れた{100}<0vw>変形集合組織が形成されることを発見した。本組織の形成には、粉砕中に黒鉛による鉄粒子表面の潤滑が重要であり、集合組織の配向性は潤滑度に比例して高まる。この黒鉛の潤滑性は、元の鉄粒子表面ではなく、粉砕によって現れる鉄粒子表面の新生面と雰囲気酸素の反応で生成する酸化膜の表面で発現する。これは種々の塑性加工法の中でも、ボールミル粉砕のみが持つ特徴であり、被加工物の新生面形成量が極めて大きいことに起因する未知の現象である。本研究の目的は、「酸化膜による黒鉛の潤滑性の発現機構」を解明し、磁気特性に優れた変形集合組織を有する鉄粒子を創出するための新しい加工プロセス開発指針を導出することである。平成29年度はTEM観察に取り組んだ。鉄粒子は強磁性体であるため、一般にTEM観察は難しい。さらに、本研究の場合は、積層した鉄粒子の断面という、非常に限定された領域を観察する必要があり、さらに難度が高くなる。試料の固定方法を工夫することで、一部の試料においては、界面観察するに至った。走査型摩擦力顕微鏡による摩擦係数の定量化に取り組んだ。その結果、摩擦係数という定量的な指標で、粉砕によって黒鉛が被覆された鉄粒子表面の摩擦係数が、粉砕雰囲気によって変化することを明らかにすることができた。さらにXANESで鉄粒子表面に被覆された黒鉛の配向状態を分析・評価した結果、粉砕雰囲気によって黒鉛の配向性が変化し、酸素雰囲気下で粉砕された鉄粒子表面の黒鉛の方が、Ar雰囲気下の粉砕で得られる黒鉛よりも、配向性が高いことを明らかにした。すなわち、黒鉛と鉄粒子の界面の酸化物が、黒鉛の配向に影響を与えるという仮説を強く支持する結果を得ることができた。走査型摩擦力顕微鏡による表面摩擦係数の測定の結果、酸素雰囲気下で粉砕された鉄粒子表面の摩擦係数は低く、Ar雰囲気下で粉砕された鉄粒子表面の摩擦係数は相対的に高いことを定量的に確認することができた。さらに、XANESによる表面分析の結果、酸素雰囲気下で粉砕された鉄粒子表面の黒鉛は、Ar雰囲気下で得られるそれと比較して、配向性が高いことが分かった。すなわち、黒鉛と鉄粒子の界面の酸化物が、黒鉛の配向に影響を与えるという仮説を強く支持する結果を初年度から得ることができた。さらに、TEMによる直接観察にも一定の目途が立った。以上より、当初の想定より1.5倍程度の進捗が得られている。TEMによる黒鉛の配向の直接観察を推進する。並行して分子軌道計算による実験結果の理論的な裏付けを得る。具体的には、鉄/酸化物/黒鉛の界面の電子状態を明らかにし、界面がどのように黒鉛の配向に影響を及ぼすのかを明らかにする。分子軌道計算においては、鉄粒子最表面の結晶方位を定義することが必要であり、これについてTEMによる直接観察の結果をフィードバックして、計算モデルの構築を進める。

さらに、TEMによる直接観察にも一定の目途が立った。以上より、当初の想定より1.5倍程度の進捗が得られている。TEMによる黒鉛の配向の直接観察を推進する。並行して分子軌道計算による実験結果の理論的な裏付けを得る。具体的には、鉄/酸化物/黒鉛の界面の電子状態を明らかにし、界面がどのように黒鉛の配向に影響を及ぼすのかを明らかにする。分子軌道計算においては、鉄粒子最表面の結晶方位を定義することが必要であり、これについてTEMによる直接観察の結果をフィードバックして、計算モデルの構築を進める。一部購入予定だった機器を共同研究先で借用することで予算が抑制されたが、研究の円滑な進行のため、30年度には購入の予定である。また、外部機器の利用料も、想定より早く良好な結果が得られたため、支出が抑制された。
西欧１７世紀以降の王侯の絵画コレクションの形成における複製絵画の影響

ウフィツィ美術館とピッティ宮殿内パラティーナ美術館の所蔵作品のうち本研究に関連すると思われる複製絵画もしくは複製絵画の元になったオリジナル絵画について、2美術館の総カタログから約230点をリストアップし、海外研究協力者としてウフィツィ美術館館長Antonio Nataliを筆頭に2若手研究者が加わり、同2館やフィレンツェおよび近郊都市の聖堂において作品の実見あるいは所蔵場所の確認をおこない、同時に、フィレンツェ国立古文書館等で関連古史料の探索・筆写を実施した。本研究に資する古史料を発見し筆写しえたのは35作品に関する史料であり、研究成果報告書(第一部論文編、第二部資料編)に図版入り掲載した。当該年度交付申請書記載の研究実施計画にしたがって、まず国内でウフィツィ美術館とパラティーナ美術館総目録から関連の複製絵画を割り出す作業を行なった。それに基づき、2011年8月末から9月初めにフィレンツェに於いて、海外研究協力者のウフィツィ美術館アントニオ・ナターリ館長およびその他2名の研究協力者との研究打ち合わせののち、両美術館の展示室と収蔵庫で関連複製絵画のほとんどを実見調査し、併せて調査済作品の一部分については写真購入もしくは現地写真家による写真撮影を実施した。一方、関連の一次資料(収集目録の記載および王侯の書簡)の調査・筆写作業は、主にウフィツィ美術館側の2名の研究協力者によってフィレンツェ国立美術館連合監督局の古文書館とフィレンツェ国立文書館において開始され、ある程度まで進捗している。筆写済みの同資料の翻訳作業は、分担者浦一章によって目下営為行なわれている。本年度は、特にフェルディナンド大公子の絵画収集に関する調査および関連資料の収集を行ない、同収集において複製絵画が担った機能や意義に絞って精査した。その成果は、中間報告として、研究代表者によって論文「トスカナ大公国メディチ家のフェルディナンド大公子の絵画収集における複製絵画」として公刊された。大公子の死後の収集作品目録やカール・ロートやジュゼッペ・マリア・クレスピに宛てた彼の書簡から、大公子の複製画収集への積極的な姿勢を垣間見ることができる。さらに、大公子の収集における複製絵画の役割として特筆に値するのは、主にフィレンツェおよびその近郊にある修道院や教会から祭壇画(祭壇衝立画)を自分の収集に加えるために、その代替品としてオリジナルの祭壇画が設置されていた場所に大公子が雇用した画家によるオリジナルからの模写画を置いたことである。大公子に関連するオリジナルと模写画の追跡は概ね終了し、関連の古文書調査が継続中である。同報告書の第2部資料編には、当初調査対象とした約230点の絵画から、文字史料的に追跡できた38点の作品の基本データおよび図版を掲載するとともに、イタリア国立古文書館等で書写できた史料を日本語訳併記で収載した。この学術的価値が評価されて、ウフィツィ美術館の研究雑誌Bollettino degliUffizi: Studi e ricercheの特集号として、研究代表者の編著として、2015年には関連論文およびこれらの資料が刊行される運びとなっている。また、研究代表者、分担者および研究協力者は、以下13.に記載の5篇の論文を刊行または入稿した。本年度の科学研究費補助金交付申請書の研究実施計画に記した計画4項目中の(3)までは9割方、実施済みである。特に、メディチ家フェルディナンド大公子絵画コレクションに関連する複製絵画に関する古文書調査と作品調査および作品写真の収集はほぼ完了した。その関連作品の所在探索と実見調査は、現地の多くの機関関係者の協力によって実現できた。作品の写真原板のない場合には、現地専門写真家の協力を得て撮影から行った。計画の項目(4)については、目下、収集した資料・写真に基づく目録作成作業中である。本年度の研究計画中の、大公子の母、大公妃ヴィットリア・デッラ・ローヴェレ遺産中の複製絵画に関しては、関連作品の特定と実見はほぼ完了したが、イタリア側研究協力者が分担する関連古文書の探索になお時間を要している状況である。H25年度の調査研究計画期間中に、こちらも完了する予定である。本年度調査研究の中間報告として、古文書史料担当の研究分担者(浦一章)がイタリア人研究分担者の筆写による同史料テクストを併記する形で翻訳し、解題を付して刊行した。一方、研究代表者(小佐野重利)は、2013年1月15ー18日に大塚国際美術館(鳴門)で開催された国際美術史学会CIHA(Comite International d'Histoire de l'Art)コロキウム“Between East and West: Reproductions in Art"での初日主催者導入講演において、フェルディナンド大公子による絵画収集方針に関連して制作された複製祭壇画に関する最新の研究成果を英語で発表した。

また、前年度に刊行した論文「トスカナ大公国メディチ家のフェルディナンド大公子の絵画収集における複製絵画」(『文化交流研究』25,2012年, 55-71)の補遺を「編集後記」(『文化交流研究』26,2013年)に記した。本年度にリストアップしたパラティーナ美術館に所蔵される複製絵画のうち、ピッティ宮殿ソッフィトーネの収蔵庫に保管される作品類の実見調査と、ハプスブルク=ロートリンゲン家トスカナ大公国の絵画コレクション中の複製絵画に関するウィーン美術史美術館およびオーストリア国立図書館等での調査だけが平成24年度調査に先送りになった。25年度が最終年度であるため、記入しない。本年度の科学研究費補助金交付申請書の研究実施計画に記した計画4項目中の(3)までは9割方、実施済みである。特に、メディチ家フェルディナンド大公子絵画コレクションに関連する複製絵画に関する古文書調査と作品調査および作品写真の収集はほぼ完了した。本年度の研究計画中で、同大公子の母、大公妃ヴィットリア・デッラ・ローヴェレ遺産中の複製絵画に関しては、関連作品の特定と実見はほぼ完了したが、イタリア側研究協力者が分担する関連古文書の探索になお時間を要している状況である。H25年度の調査研究計画期間中に、こちらも完了する予定である。以上の本年度調査研究の中間報告として、刊行論考等2、国際美術史学会コロキウム発表1がある。平成24年度にはまず前年度から先送りされた調査課題を遂行するとともに、平成23年度当初の実施研究計画に沿って進める。ただし、時間的に多大な労力のかかる割には調査成果が上がらないことが判明した古文書調査については、本研究課題の核をなすと思われる、トスカナ大公およびその家族、あるいは姻戚関係のあったハプスブルク家側君侯に関する一次資料に絞って調査する。そうすることによって、17世紀以降、1820年頃までのトスカナ大公絵画コレクションの歴史的な展開における複製絵画の役割およびその変遷が、節目ごとにより明瞭になると考える。平成24年度研究計画項目中で完了していない項目については、平成25年度研究計画として引き継ぎ、平成25年度中に完了させる予定である。しかしながら、関連古文書の探索は、イタリア側研究協力者たちによってフィレンツェ国立古文書館およびフィレンツェ美術館連合文化財局古文書館で営為継続されるが、膨大な古文書の束から関連文書を探し出す作業に要する時間と労力については十分には測りかねない。次年度、平成25年度が本研究の最終年度であることから、報告書の作成に十分に足りる資料の収集に、調査範囲を限定することはありうる。
アクターネットワークによる地域固有性の発現と農村発展モデルの確立

農村地域固有の社会文化,自然資源,知識の喪失が危惧されている。本研究では,第一に,「地域固有性」とは何かについて学際的な視点から定義をおこなった。その上で,第二に,農業・農村の現場における地域固有の種や技術の実態や課題,地域固有性に対する社会的な認知などを事例分析を通して明らかにした。さらに,第三に,多様なアクターの相互作用により,地域固有性が発現されたり,継承されたりするプロセスを3つの事例を通して明らかにした。以上の結果をもとに,地域固有性の発現による農村発展のモデルを提示した。地域固有資源・地域ナレッジの保全と活用方法の体系化については,第一に,地域固有性に関する概念定義をすすめた。また,京都府伊根町の在来小豆である薦池大納言を事例作物として取り上げ,栽培手法を構築する前段階として,作物特性の解明に取り組んだ。結果,薦池大納言は粒大が大きい他品種とほぼ同等の大きさをもつが収量性はやや低いことを明らかにするとともに,粒大を制限する土壌理化学性および種子中の無機元素要因を解明した。さらに,兵庫県,京都府の在来3品種を事例とした調査をすすめ,顕在化の契機や販路構築には地域外部者による保存・販売等の働きかけが重要な役割を果たしている可能性を確認した。野生動物と地域社会の関係性と課題の分析については,兵庫県篠山市畑地区において,サルの誘因となる放棄柿を撤去する社会実験を行った。結果,都市住民を交えた獣害対策イベントは,住民の日常的な対策意欲を向上させる効果があることや住民にサルや放棄柿などを地域資源として捉えるという意識変化が見られることが明らかになった。また,ネオニコチノイド系市販農薬である「ダントツ」(含クロチアニジン(CTD))を投与したマウスの行動解析をおこなった結果,CTD及びストレスの複合曝露は単独曝露時より多動や不安様行動を惹起しやすい可能性が示され,農薬利用が野生動物の生態に影響を与えている可能性が示された。価値創造の地域協働システムのモデル確立については,共通価値の創造(CSV),デザイン思考といったコンセプトに着目した「京北プロジェクト」を事例に,大学の地域連携プロジェクトの高度化に向けた予備的考察を行った。また,地域協働の推進においては,実践活動をとおした地域へのエンパワーメント,実践を通して獲得した資源の地域キャピタル化の重要性を指摘した。A:地域固有資源・地域ナレッジの保全と活用方法の体系化については,整理された地域固有性の概念の妥当性を高め,その経過と成果は,農村計画学会関西地区セミナーにおいて発表した。また,薦池大納言(京都府伊根町)を事例に,遺伝子型と環境との交互作用及び土壌条件との関係性の分析をすすめた。丹波黒大豆(兵庫県篠山市)の事例では,連作障害軽減手法として,地域内の散在する葛の葉やタマネギの皮の土壌投入が有効である可能性を示した。また,地域固有性は,その遺伝的資質だけでなく,人との関係性にて獲得され,保全活用の端緒も外部者との交流により進むことが実証的に明らかになった。B:野生動物と地域社会の関係性と課題の分析については,未利用果実や放置農作物を撤去する第2回目の社会実験を行い,その社会経済的効果の分析をすすめた。一方,篠山市を事例に,6種の指標生物の分布を把握するためのアンケート調査を行い,地域固有性が残存するエリアを選定した。UAVの空撮により地域固有性が残存するエリアのオルソ画像を作成し,地域固有性が残存する要因について予備調査を行った。また,環境ストレス下で,ネオニコチノイド系農薬が,生殖や自発運動性の減少および不安様行動に影響を及ぼすことを重ねて検証し,事例地域としている篠山市での実影響の分析や規制に関する情報収集と調整をおこなった。C:価値創造の地域協働システムのモデル確立については,放棄茶園を事例に,地域資源管理の継承のシステムに関するアクションリサーチを設定し,その事業継承フレームを提示した(兵庫県神河町)。また,地域協働システムの構築に関しては,若年世代だけでなく,シニア世代への注目の必要性を示し,大学等が中心となった育成システムの構築に関する考察をおこなった。地域固有資源・地域ナレッジについて,地域固有性に関する概念整理は順調にすすみ,学会セミナーでの発表もおこなった。農家への個別訪問調査および植物調査については,対象地区を絞り込むことにより,調査をすすめることができている。ただし,新たな地域固有の種子については発見できておらず,調査体制を再整備,強化しておこなう。顕在化している固有種を対象とした調査分析により,地域固有種と土地(土壌など)の関係性については一定の知見を得られており,総合的には順調に調査すすんでいる。野生動物と地域社会の関係性については,猿害対策に関する社会実験を継続実施し,経年的にデータを蓄積できている。被害構造の分析については,利害関係が錯綜することから調査協力が得にくいという点が問題となっているが,野生動物被害に限定しない方向性を目指すことで,支障なく目的が達成できる見込みである。一方で,新たに,GISやUAVを活用することにより,地域情報の総合的な整理を進めることが出来ている。社会経済的な評価については,若干の遅れはあるものの,基礎的な住民アンケートを実施するなど,問題なく進展している。地域協働システムのモデル確立については,国内の人材育成に関する事例調査をおこなった。また兵庫県立大学と神戸大学では,継承システムの構築にむけたアクションリサーチをすすめなど,おおむね順調である。

また,地域活動の評価指標の開発もすすめ,人材育成,地域活動の推進のための理論的フレームを計画通り提示することが出来ている。A:地域固有資源・地域ナレッジの保全と活用方法の体系化については,農家の在来品種の保全実態を明らかにするとともに,地域固有性を活かした商品開発を促進する際の関係主体の役割を明らかにした。なお,複数地区での事例調査の結果,中心的人材が地域出身で影響力のある立場である場合と地域外出身である場合で生産者の組織化プロセスが異なることが示されたまた,在来品種の薦池大納言等を複数圃場で栽培し、遺伝子型×環境交互作用を評価した結果,どの栽培環境でも粒の大きさに大きな違いはなく、広域適応性をもつことが明らかになった。なお,サイズに影響を与える土壌要因として,土壌pH、飽和透水係数、有効態窒素、交換性マグネシウム、土壌の電気伝導度であることを明らかにした。B:野生動物と地域社会の関係性と課題の分析については,未利用果実や放置農作物を撤去する社会実験に関して住民アンケートを実施するとともに,その経済的価値を評価した。また,兵庫県篠山市において、生物情報を収集し生物多様性が保たれている地域を抽出することを試み,その実態をUAVや環境DNAなど新技術を用いて把握することをすすめた。また,生物への残留農薬については,その指標生物を設定するため試験実験をおこなった。C:価値創造の地域協働システムのモデル確立については,複数の事例分析や社会実験をおこなった結果,企業やNPOなどのアクターをつなげるハブとして大学が機能し,そうしたネットワークが新商品開発や地域価値の創出に寄与できること,野生動植物の資源化においては,ツーリストをはじめとする外部アクターが重要な役割を果たすことが明らかになった。また,このような地域協働のプロジェクトをすすめる際には,一般解を求めず,地域の特殊解(固有解)を導くように,課題をリフレーミングし,プロトタイプをつくることが重要であることなどを考察した。地域固有資源・地域ナレッジについて,地域資源としての在来品種の管理実態,および,品種の生育環境との関係性が明らかになりつつある。また,在来品種が地域固有のものとして,特産品化される際のアクターの役割についても解明がすすみ,調査は順調に進んでいる。野生動物と地域社会の関係性については,猿害対策に関する社会実験を継続実施しデータを蓄積するとともに,住民アンケート調査を実施するなどその評価やCVMによる経済評価をおこなうことができた。また,UAVや環境DNAなど新しいツールを試験導入し,継続的な住民参加型の実態把握の手法を模索するなど,当初計画を超える取組をおこなっている。動植物の社会的包摂のあり方やその経済的価値については,検討課題として残っているものの,その進捗に問題はない。地域協働システムのモデル確立については, 4大学それぞれにおいて,引き続き,実践を重ねている。そうした中,その地域固有性の発現から事業化に至るまでのプロセス毎のアクターの役割など,具体的な要点が明らかになるなど順調である。なお,ツーリズムも含め都市住民など外部者が関わることの重要性については示せたものの,その促進を図る具体的なモデルを示すことについては若干課題として残っている。
代謝型プリン受容体P2Y1Rの膜電位依存性の構造基盤および構造変化の解明

本研究はGq共役型プリン受容体P2Y1R自身の膜電位依存性の検証および膜電位依存性をもたらす構造基盤の解明を目的としている。Gq共役型受容体の機能解析には、カルシウムイメージングや細胞内IP3含有量の測定が行われることが多いが、本研究では、HEK293T細胞に受容体を発現させ、Patch clamp法を適用し膜電位を固定した条件下で機能解析を行っている。しかしながら、Patch clamp法に必要なマイクロマニピュレーターが経年劣化により不具合を生じたため、新たなマニピュレーターの購入を余儀なくされた。この予定外の支出のため、当初計画していたXenopus oocyteの卵母細胞を用いた膜電位固定蛍光強度計測法(VCF)による膜電位依存性の分子基盤の解明を変更し、HEK293T細胞に発現させたP2Y1Rの選択的ラベル法の探索およびP2Y1Rと同じグループの属するGi/o共役型プリン受容体P2Y12Rの膜電位依存性の検証を主な目的として研究を進めた。部位特異的ラベル化については、新たに、人口アミノ酸4azid-phenylalanineを部位特異的に導入し、azid基に蛍光色素を不可逆的に反応させるという方法を試した。4azid-phenylalanineの導入は、YFPに変異を導入したコンストラクトが基質とtRNAの共発現により蛍光を示したことから明らかとなった。しかしながら、azidと蛍光色素との反応が進まず、特異的ラベル化が困難なことが明らかとなった。また、マウス脳cDNAライブラリからプリン受容体P2Y12Rをクローニングしてその膜電位依存性を調べた結果、THIKチャネル活性化の濃度作用曲線は、膜電位を変化させても影響を受けなかった。このことから、P2Y1Rとよく似た配列を持つP2Y12Rでは膜電位依存性のないことが明らかとなった。マイクロマニピュレーターの購入という予想外の支出のため、Xenopus oocyteを用いた実験のために計上していた機器が導入出来ず、Xenopus oocyteでの膜電位固定蛍光強度計測法(VCF)による解析などの研究計画を進めることが出来なかった。その代替案として、VCFに必須な部位特異的ラベル化法をHEK293T細胞発現系にて試した。人口蛍光アミノ酸の一つであるANAPは褪色がに速く蛍光も弱いため、褪色が遅く明るい蛍光色素を4azid-phenylalanineのazid基へ特異的に反応させるという新たな方法を試した。反応時間や基質濃度など、色々な条件下でラベル化反応を試したが、部位特異的ラベル化は観察されなかった。P2Y1R自身の膜電位依存性を捉えるための実験系の確立という点では、研究が足踏みしている状況であるが、Xenopus oocyteを用いたANAPによるラベル化に関しては、所属研究室にて方法論が確立している。そのため、検出系の最適化へと研究を進めることで研究をより進展出来ると考えている。代謝型プリン受容体の一つであるマウスのGi/o共役型P2Y12Rをクローニングし、機能解析を行ったが膜電位依存性は確認できなかった。P2Y1Rの膜電位依存性に重要なアミノ酸残基はP2Y12Rにも保存されているということを考えると、このアミノ酸残基が膜電位依存性の原因ではなく、その一部として機能しているという可能性が示唆された。膜電位依存性の分子基盤の解明という観点からは、進捗がみられたと考えている。代謝型プリン受容体P2Y1R自身が膜電位依存性を示すという直接的な証拠として、膜電位固定蛍光強度計測法(VCF)やゲーティング電流記録を検討しているが、特異的ラベル化や検出限界の問題からHEK293T細胞を用いた系での実験が困難であることが明らかとなっている。そのため、Xenopus oocyteでのVCFやゲーティング電流記録を検討している。ゲーティング電流記録には、Cut open法が用いられるが専用のアンプなども必要なため予算の状況により研究の実施について検討する。一方、VCFに関しては方法論が確立されているため、膜電位変化により蛍光強度変化を示す部位の探索が中心となる。多くのアンバーコドン導入変異体の作製などが必要となるため、VCFに研究を集中しP2Y1Rが膜電位依存性を有するという直接的な結果を得るとともにその分子基盤に迫りたいと考えている。本研究は、代謝型プリン受容体P2Y1Rを介するシグナル伝達効率が膜電位に依存して変化するという性質が、P2Y1R自身の膜電位依存性よるものかを検証すること、および膜電位依存性をもたらす構造基盤の解明を目的としている。これまで、膜電位依存性チャネルなどにおいて、膜電位変化によるタンパク質の微細構造変化は、荷電性アミノ酸残基の電荷移動(ゲーティング電流)や特定のアミノ酸残基に付加された蛍光物質の蛍光強度変化として検出・解析がなされている。そこで、29年度はP2Y1RをHEK293細胞に発現させ、パッチクランプ法によるP2Y1Rのゲーティング電流を記録すること、fluorescent unnatural amino acidであるAnapを特定のアミノ酸残基に導入し、その蛍光強度を膜電位固定化にて測定することを計画した。ゲーティング電流記録については、電位依存性カリウムチャネルや電依存性フォスファターゼを用いて記録条件を確立した。しかしながら、膜電位依存性が報告されているムスカリン性受容体M2Rや本研究の対象とするP2Y1Rでは、ゲーティング電流は検出できなかった。これは、受容体での電荷移動が小さいことや膜に発現する受容体量が十分ではないことによるものと思われる。

一方、HEK293細胞発現系で蛍光強度変化測定のためにAnapを膜電位依存性フォスファターゼ、蛍光タンパク質YFPやP2Y1Rの特定の部位に導入することに成功し、その機能も保持されることを確認した。しかしながら、電依存性フォスファターゼの膜電位変化による蛍光強度変化の検出には至らなかった。膜電位依存性を示すカリウムイオンチャネルや電位依存性フォスファターゼに関して、培養細胞発現系においてゲーティング電流として記録することに成功した。同様な実験条件下で、膜電位依存性を示すことが知られているムスカリン性受容体M2Rや本研究が対象とする受容体P2Y1Rではゲーティング電流を記録出来なかった。これは、移動する電荷量が小さいことや膜に発現するタンパク質の量が少ないためと考えられる。膜電位変化による膜タンパク質の構造変化を膜タンパク質にラベルした蛍光色素の蛍光強度変化として捉えることが可能である。培養細胞発現系に膜電位固定化蛍光強度計測(Voltage clamp fluorometry, VCF)法を適用できれば、研究の大きなアドバンテージになると考え、培養細胞系を用いて条件検討を行った。fluorescent unnatural aminoacidであるAnapを特定の部位に導入すること、蛍光強度を計測するセットアップを起ち上げることは出来たが、膜電位変化による蛍光強度変化の検出には至らなかった。これは、細胞内に取り込まれるAnapの非特異的蛍光が大きいことが原因と考えられる。ゲーティング電流記録とVCFについて、培養細胞発現系での限界が明らかとなり、Xenopus oocyte発現系を用いた研究へと集中するよう研究方針が明確となった。本研究はGq共役型プリン受容体P2Y1R自身の膜電位依存性の検証および膜電位依存性をもたらす構造基盤の解明を目的としている。Gq共役型受容体の機能解析には、カルシウムイメージングや細胞内IP3含有量の測定が行われることが多いが、本研究では、HEK293T細胞に受容体を発現させ、Patch clamp法を適用し膜電位を固定した条件下で機能解析を行っている。しかしながら、Patch clamp法に必要なマイクロマニピュレーターが経年劣化により不具合を生じたため、新たなマニピュレーターの購入を余儀なくされた。この予定外の支出のため、当初計画していたXenopus oocyteの卵母細胞を用いた膜電位固定蛍光強度計測法(VCF)による膜電位依存性の分子基盤の解明を変更し、HEK293T細胞に発現させたP2Y1Rの選択的ラベル法の探索およびP2Y1Rと同じグループの属するGi/o共役型プリン受容体P2Y12Rの膜電位依存性の検証を主な目的として研究を進めた。部位特異的ラベル化については、新たに、人口アミノ酸4azid-phenylalanineを部位特異的に導入し、azid基に蛍光色素を不可逆的に反応させるという方法を試した。4azid-phenylalanineの導入は、YFPに変異を導入したコンストラクトが基質とtRNAの共発現により蛍光を示したことから明らかとなった。しかしながら、azidと蛍光色素との反応が進まず、特異的ラベル化が困難なことが明らかとなった。
微量元素をプロキシとした初期原生代の大気酸素上昇パターン解明

風化帯にはその時代の大気の記録が残るということを利用して、新太古代から古原生代の古土壌(風化を受けた古い時代の土壌)中での酸化還元に敏感な元素を含む微量元素の挙動を調べた。古土壌での保持・流出のパターンにより、これらの元素は2つに分けられ、かつ、流出と保持のタイミングの年代は元素ごとに異なっていることがわかった。この結果は、大陸の酸化的風化が古原生代を通じて徐々に進行したことを示し、大気酸素濃度が急上昇したのではなく、古原生代を通じて徐々に酸素濃度が上昇したという説と整合的である。海洋の化学組成の年代変化もこれに準じていたと考えられる。25-20億年前の初期原生代に地球史上最大の地球表層環境変動イベントが起こった。微量元素(V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Mo)は様々な酸化還元ポテンシャルを持つので、当時の大気酸素濃度に応じ、それぞれ特有の挙動を示すことが期待できる。28-18億年前の古土壌の微量元素の挙動を解析し、初期原生代における長期的傾向としての緩やかな酸素濃度上昇の検証を行う。(i)グローブボックス制御装置の設置循環式酸素分圧制御装置を購入し、設置試験を行い、酸素分圧が10^<-10>気圧での運転が可能であることを確認した。本装置納入までは10^<-5>気圧での運転だったので、より低酸素での実験が可能になった。ただ、10^<-6>や10^<-7>気圧付近での装置の安定性は今後の課題である。(ii)微量元素の大陸での濃度変動25-20億年前の初期原生代に地球史上最大の地球表層環境変動イベントが起こった。一方、これらの微量元素の海洋での濃度は大陸からの流出を直接反映していると考えられ、生物進化との関連が議論されている(1)ヒューロニアン累層群(24.5-22.2億年前)の微量元素ICP-AES & -MSにてV, Cr, Ni, Cu, Zn, Moの濃度を、参照にFe, MnをXRFにて測定した。3つの大氷河期があり、酸素は氷河期の後、上昇したという説と、硫黄同位体から示唆される2回目の氷河期の後(23億年前)の酸素上昇という説、及びその双方考慮しながら、微量元素濃度の変遷を解析した。微量元素濃度の変遷は、大氷河期の度に酸素が上昇したというより、硫黄同位体から示唆される酸素上昇の時期と整合的であった。即ち、Fe, Vは変化せず、Mnは減少し、Mo, Crは増加した。一方、Cuは一貫して低く、またNi, Znは上記の事象と関連した変化をしていなかった。(2)微量元素の大陸と海洋での濃度変動の相関古土壌から推定される微量元素の大陸での保持、海洋への流出はより大きな時間スケールでの変動となる。サンプリング頻度が高いので、海洋での濃度は、より微細な変動をとらえている可能性がある。しかし、ヒューロニアン累層群で観察された長時間での変動では、Mn, V, Niのみが古土壌から推定と一致し、他は整合的ではなかった。海洋堆積物の元素濃度の増減を直接的に大陸風化と関係づけることは、再検討すべきである。これらの微量元素の海洋での濃度は大陸からの流出を直接反映していると考えられているが、大陸からの流出についての確実なデータはない。28-18億年前の古土壌の微量元素の挙動を解析し、海洋での濃度との比較を行い、大陸からの流出を直接反映しているかの検証を行うとともに、初期原生代の大気酸素進化についてのより整合的な仮説を提唱する。(1)前年度に引き続き、微量元素の大陸と海洋での濃度変動の相関を検討した。大陸から海洋への微量元素の流出には2つのタイプがあった。(i)新始生代に流出し、終期古原生代に保持、(ii)新始生代に保持され、終期古原生代に流出する微量元素である。微量元素により多少のズレがある(主に酸化還元ポテンシャルの差によると考えられる)ものの、上記(i), (ii)のタイミングは同一であった。これらは海洋での濃度変化と必ずしも一致してない。つまり、海洋での濃度変化は大陸からの流出を必ずしも反映してない。また、初期原生代の大気酸素は徐々に(対数単位で)上昇した仮説を支持した。(2)大気酸素をコントロールした黄鉄鉱の溶解実験では、黄鉄鉱の溶解速度が溶存酸素濃度の0.5乗に比例するという従来の結果とは異なる結果を得た。大気酸素濃度が10E-5気圧までで、0.7乗に比例することがわかった。これは低酸素では、黄鉄鉱がより早く溶けるということを意味する。また、低酸素では、溶解に伴う硫酸イオンの重要性が下がり、準安定な硫黄種が重要になることがわかった。25-20億年前の古原生代に地球史上最大の地球表層環境変動イベントが起こった。

我々はこの時代の大気酸素上昇を鉱物-水-大気の相互作用からとらえ、古土壌でのFeの挙動と大気酸素濃度の関係を速度論から定量的に示し、従来の説と異なる「緩やかな酸素上昇」パターンを初めて提唱した。一方、微量元素(V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, W, Th, U)は様々な酸化還元ポテンシャルを持つので、当時の大気酸素濃度に応じ、それぞれ特有の挙動を示すはずで、Feの挙動から得られた大気酸素進化説を補強あるいは修正することが期待できる。28-18億年前の微量元素の古土壌中での保持率(古土壌と母岩での濃度比)とその保持率とSiの保持率の相対的関係を指標とし、古土壌中での微量元素の挙動を解析し、大気酸素の進化を調べた。その結果、初期古原生代に古土壌から流出し、後期古原生代に古土壌に保持される微量元素グループ(Co, Ni, Zn, W)と、逆に初期古原生代に古土壌に保持され、後期古原生代に古土壌から流出する微量元素グループ(V, Cr, Cu, Mo, U)に分かれることがわかった。さらに流出と保持のタイミングの年代は元素ごとに異なっていた。これは古原生代の短い一定期間(例えば、数百万年千万年)で大気酸素濃度が急上昇したのではなく、古原生代を通じて徐々に酸素濃度が上昇したという説と整合的である。このことは、大陸の酸化的風化が古原生代を通じて徐々に進行したことも示し、海洋の化学組成の年代変化もこれに準じていたと考えられる風化帯にはその時代の大気の記録が残るということを利用して、新太古代から古原生代の古土壌(風化を受けた古い時代の土壌)中での酸化還元に敏感な元素を含む微量元素の挙動を調べた。古土壌での保持・流出のパターンにより、これらの元素は2つに分けられ、かつ、流出と保持のタイミングの年代は元素ごとに異なっていることがわかった。この結果は、大陸の酸化的風化が古原生代を通じて徐々に進行したことを示し、大気酸素濃度が急上昇したのではなく、古原生代を通じて徐々に酸素濃度が上昇したという説と整合的である。海洋の化学組成の年代変化もこれに準じていたと考えられる。微量元素の大陸と海洋での濃度変動の相関については、ほぼ結論が出て、海洋での濃度変動のみから大気酸素進化を論じていたことに警笛を鳴らすことができた。黄鉄鉱は微量元素の主たるホスト相と考えられているが、極低酸素下での溶解実験が残った。27年度が最終年度であるため、記入しない。環境鉱物学黄鉄鉱の極低酸素下での溶解実験を完了させ、今までのデータをまとめて、地球史で最も重要な課題の一つである初期原生代酸素上昇モデルを、新たでかつ包括的な形で提唱する。循環式酸素分圧制御装置は超低圧(10^-10気圧)では安定していたが、10'-6や10'-7気圧付近で若干不安定で、今後工夫を必要とした。微量元素の大陸と海洋での濃度変動の相関については、さらに検討を要する。黄鉄鉱の極低酸素下での溶解実験を完了する。本年度の研究実施計画に基づき、粛々と進める。特に大陸と海洋との微量元素の対応に留意する。硫化鉱物の低酸素での溶解速度、それと呼応する微量元素の放出速度の定量化を行い、風化モデルにこれらを組み込み、大陸からの微量元素の流出速度を定量化し、昨年度までの観察データと比較し、新たな大気酸素進化モデルを提唱する。黄鉄鉱の溶解実験に必要な消耗品(高圧ガス、薬品など)と一部の分析の依頼分析料として使用。
放射線療法を受ける高齢期口腔がん患者の認知機能低下を予防する会話ケアモデルの開発

2018年度は、累積照射線量別(Gy)の有害事象の症状を緩和させながら意思疎通性・会話正確性・会話明瞭性を促進させる会話ケアモデルの暫定的な構成内容とその方法の有用性を検証する計画であった。当該計画に対して、2030Gyの時期のケアモデル【口腔粘膜炎による疼痛を増強させる発音時の舌・口腔周囲筋群の動きに関する「視覚・聴覚的弁別訓練」、歪み音を正常音に近づける「漸次接近法」、口腔粘膜炎と口腔内乾燥に対する口腔体操と保湿ケア】、3040Gyの時期のケアモデル【話正確性を高める代替構音による会話法、会話の時間効率を図り舌・粘膜の疼痛増強を防ぐ舌-口蓋接触パターン評価および構音に関する悪習慣除去に関する教育的介入】、50Gy以降の時期におけるケアモデル【会話の途切れ・リズムと抑揚の乱れを軽減する会話スピードと代替語を使用するタイミングの獲得、構音機能のパワーを切り替える話題・会話相手の選定についての教育的介入】に関する視聴覚教材を作成中である。今後は、上記内容について作成するとともに、放射線療法を受ける高齢期患者に対して、その有用性を検証する予定である。口腔粘膜炎による疼痛を増強させる発音時の舌・口腔周囲筋群の動きを撮影し、これを高齢期患者に理解しやすいよう視聴覚教材の作成、高齢期患者の使用頻度に応じた代替語の選定し、会話正確性を高める代替構音による会話法、会話の時間効率を図り舌・粘膜の疼痛増強を防ぐ舌-口蓋接触パターン評価および構音に関する悪習慣除去に関する教育的介入に関する方法論の妥当性の検証に時間を要している。2019年度は、累積照射線量別(Gy)の有害事象の症状を緩和させながら意思疎通性・会話正確性・会話明瞭性を促進させる会話ケアモデルの暫定的な構成内容とその方法の有用性を検証する予定である。2018年度において、累積照射線量別の有害事象の症状を緩和させながら意思疎通性・会話正確性・会話明瞭性を促進させる会話ケアモデルの暫定的な構成内容とその方法の有用性の検証が遅れているため、当該年度の所要額が実使用額より大きくなった。2019年度は、ケアモデルに使用する備品の充実、ならびに調査費用を計上する予定である。
本研究は、低電圧DC協調給電と送電線への非依存を特徴とし、再生可能エネルギーを指向した電力グリッド技術である、バーチャルグリッド(離れた機器を有線・無線によって仮想的に1つの電力網として扱う技術)の開発と実証を行うものである。これにより電源グリッドにポータビリティとレジリエンスを付与する。平成30年度には、計画に従って1基礎設計案に基づく仕様の作成、2実証用バーチャルグリッドの試作と基本動作の実証・検証を進め、結果を学会発表、技術展示会を通じて公表、議論した。また、プラットフォームへ実装する、キーアプリケーションとしての関連技術の基礎研究を推進し、学会発表、学術論文として公開、出版した。第1に、市場動向分析に基づくDCパワーネットワーキングの設計および試作の状況と、物理型AIによるスマートエネルギーシステムの深層強化学習手法、多様な電源・蓄電による電力動揺抑制を実現するグルーピングと重複分散運用手法、システムレジリエンスのにおける創発的不具合の構造解析などの基礎研究の状況を報告し、再生可能エネルギーの活用を情報通信技術を用いて議論する特別企画セッション「超スマート社会を支えるエネルギープラットフォームに向けた基盤技術」を、第9回横幹連合コンファレンスにおいて開催した。第2に、実証実験に向けたハードウェア・ソフトウェアの試作を行い、国際展示会CEATECJapan 2018で公開した。この活動は、2017年度に結成した基幹通信企業と通信機器企業との共同研究体活動として実施し、マーケットニーズと技術的妥当性の検証と、社会実装を前提とした検討の成果を合わせて公開した。また、これらの活動を通じた成果を各種研究会等で発表するとともに、前述の第9回横幹連合コンファレンスにおいて報告、公開した。当初予定していた2年目の計画として、1基礎設計案に基づく仕様の作成、2実証用バーチャルグリッドの試作と基本動作の実証・検証を順調に進めることが出来た。研究・開発の方向性については、基幹通信企業と通信機器企業との共同研究体における議論を通じて、妥当性検証と、社会実装の議論を並行して進めている。また、関連技術の基礎研究については、関連学会で報告を行うと同時に、査読付き論文として公開した。スマートエネルギーシステムに用いるAI技術として、各種の学習技術を最適化する基礎研究を進めている。平成30年度には、量子自己符号化器の開発や、畳み込みニューラルネットワークによる深層学習を汎用化する技術の開発を進めた。グラフ構造やネットワークに対して畳み込みニューラルネットワークを応用できる道筋をつけた。また、再生可能エネルギーを最大限に活用するための太陽光・蓄電池複合システムの最適運用計画を実現するための、重複分散グルーピングを自由に設定可能な分散最適化問題の定式化とその評価を行った.想定する小規模電力システムにおいて重複分散型がフォールトトレラント性の面で有効性が高く、機器故障時からの回復を速やかに実現することなどを示した。複雑なシステムにおいて、正常に動作するセグメントの機能のゆらぎによって稀に発生する創発的不具合の構造を機能共鳴分析法を用いた構造化と、グラフィカルモデリングなどでの分析を行った。得られた結果より、創発的不具合を未然防止するための方策を示した。以上、当初計画の通りの成果が得られていることから、おおむね順調に進展しているものと判断した。現在までのところ、本研究課題は当初計画の通りに進捗している。今後は分野の横断性とそれによる新規分野の確立を目指し、以下の点を方策として推進する。まず、提案するバーチャルグリッドとその関連基礎技術を、超スマート社会を実現するためのエネルギープラットフォームとして実証・検証することを念頭として、検討を進める。シェアリングエコノミーを前提としたフィジカル空間を実験場とし、各種の基礎研究成果を導入したサイバー空間を構築して、エネルギー消費と価値創造に対する環境の影響と制御性を中心に研究を進める。消費者の多様なニーズに細かに応え、必要なエネルギーとサービスを必要なだけ提供することを前提とするのが、再生エネルギーを指向した自立分散グリッドの方針と定め、その目的としての生産性向上を性能評価の指標として検討する。フィジカル空間としては、レイアウトおよび各種情報への自由度が高いスマートオフィスを模した中規模空間を取り上げ、電力消費をはじめとした各種センサーでのモニタリングによってサイバー空間への写像を構築する。その際、基礎研究として進めてきた、環境情報を推定するためのAI技術や必要最小限なセンサネットワーク構造を決定するためのグラフ信号処理との融合を検討する。さらに、その空間へ試作したバーチャルグリッドを導入し、消費者の活動、特に創発的な挙動について評価、検証を行う。本研究は、低電圧DC協調給電と送電線への非依存を特徴とし、再生可能エネルギーを指向した電力グリッド技術である、バーチャルグリッド(離れた機器を有線・無線によって仮想的に1つの電力網として扱う技術)の開発と実証を行う。平成29年度には、計画に従って1ポリシーアウェアDCパワーネットワーキングの構想確立、2実証用バーチャルグリッドの基礎設計、3外部発信と評価のフィードバック体制の確立を進めた。また、プラットフォームへの実装を計画している、キーアプリケーションとしての関連技術の基礎研究を推進した。第1に、市場動向分析に基づくDCパワーネットワーキングの構想と、必要となる関連技術に関する議論を進め、再生可能エネルギーの活用を情報通信技術を用いて議論する特別企画セッションと、自動制御関連講演会のセッションを通じて公開、議論した。第2に、プラットフォームの基幹部分を荷うクラウド環境の活用可能性に関する検証を完了した。クラウド基盤を活用し、デバイスの認識と制御を行う基礎実験を行なった。この結果に基づき、実証実験に向けたハードウェア・ソフトウェアの基礎設計に着手した。
第3に、基幹通信企業と通信機器企業との共同研究体を構築し、マーケットニーズと技術的妥当性の検証と、社会実装を前提とした検討を開始した。さらに、シンポジウムを主催して、各メンバーの共同研究先を中心とした産学の関係者から、フィードバックを集める体制を構築した。基礎研究としては、スマートエネルギーシステムの深層強化学習手法、大規模システムにおいて電力動揺抑制を実現するグルーピングと重複分散運用手法、複雑システムのレジリエンス確保に必要となる創発的不具合の設計段階での検証手法などについて研究を進めた。自動制御連合講演会におけるオーガナイズドセッションを通じて公開した。当初計画において、初年度の目標としていた1ポリシーアウェアDCパワーネットワーキングの構想確立、2実証用バーチャルグリッドの基礎設計、3外部発信と評価のフィードバック体制の確立について、検討結果の公表と具体的な開発着手を含めて達成した。特に、基幹通信企業と通信機器企業との共同研究体により、マーケットニーズと技術的妥当性を検証し、社会実装を前提とした開発を進めている。また、関連技術の基礎研究については、関連する学会を中心に成果を報告するに至った。スマートエネルギーシステムの深層強化学習手法としては、離散的動作空間および連続的動作空間の両方に対応するようデザインされた2つの深層強化学習アルゴリズムの応用や、特徴グラフを用いた汎用型の畳み込みニューラルネットワークについて研究を進め、成果を報告した。厳密な物理モデルによく適合するアルゴリズムは、訓練データにおけるエネルギーの需要と供給をよく説明した。また、再生可能エネルギーを最大限に活用するための太陽光・蓄電池複合システムの最適運用計画を実現するための、重複分散グルーピングを自由に設定可能な分散最適化問題の定式化を行った.また、その数値実験に通してグルーピングや機器故障がシステム電力出力に与える影響や知見が得られた。その結果より、想定した小規模電力システムでは重複分散型が適当であることが分かった。さらに、複雑なシステムにおいて、正常に動作するセグメントの機能のゆらぎによって稀に発生する創発的不具合の構造を検証するため、機能共鳴分析法を用いた(駆動系、制御系、電子系のシステムとしての)自動車の不具合事例分析を実施した。その結果、設計段階でのゆらぎ伝搬分析においてリスクを評価しうる可能性が得られた。以上、当初計画の通りの成果が得られていることから、おおむね順調に進展しているものと判断した。本研究は、低電圧DC協調給電と送電線への非依存を特徴とし、再生可能エネルギーを指向した電力グリッド技術である、バーチャルグリッド(離れた機器を有線・無線によって仮想的に1つの電力網として扱う技術)の開発と実証を行うものである。