hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
寄生細菌“ボルバキア”を利用したマツノマダラカミキリの生殖機能撹乱技術の確立

ボルバキアは昆虫類を含む節足動物の細胞内に生息している細菌で、宿主に生殖異常を引き起こす細菌として知られている。本研究では、アズキゾウムシに共生し宿主に細胞質不和合を引き起こすボルバキアをマツノマダラカミキリに人為的に注入することにより、マツノマダラカミキリの生殖機能にどのような影響が生じるのかを明らかにするための研究を行った。ボルバキア注入個体と非注入個体との交配実験を行ったところ、注入雄×非注入雌との交配により生じた卵からの孵化率だけが著しくしく低くなった。この結果から、アズキゾウムシ由来のボルバキアはマツノマダラカミキリに対しても細胞質不和合を引き起こすことが示された。本研究の目的は、他の昆虫由来のボルバキアをマツノマダラカミキリに導入することにより、マツノマダラカミキリの生殖機能にどのような影響が生じるのかを明らかにすることである。今年度は、アズキマメゾウムシのボルバキアをマツノマダラカミキリの蛹に注入しその定着程度を調査した。1.ボルバキアの人為的注入がマツノマダラカミキリの羽化に及ぼす影響人工飼料上で飼育したマツノマダラカミキリの蛹にアズキマメゾウムシ由来のボルバキアをマイクロインジェクション法を用いて注入し、それらが正常に羽化できるかどうかを調べた。その結果、ボルバキアを注入した蛹50頭うち47頭が成虫へと発育した(94%)。このように、高い確率で蛹から成功へと発育できたことから、ボルバキアの人為的注入はマツノマダラカミキリの羽化に悪影響を及ぼさなかったと推測された。2.マツノマダラカミキリ成虫のボルバキア感染率次に、それらの成虫を交配させ次世代幼虫を採集した後、成虫がボルバキアに感染しているかどうかをPCR診断により調査した。その結果、成虫の生存期間に関わらず、羽化に成功した47頭(雄22頭、雌25頭)すべてからアズキマメゾウムシのボルバキア遺伝子が検出され、注入したボルバキアが成虫個体に定着していることが示唆された。このように、マツノマダラカミキリの蛹に注入したボルバキアはマツノマダラカミキリが成虫になった後も除去されることなく、虫体内で安定的に生息できる(定着できる)ことが明らかとなった。本研究の目的は、アズキゾウムシ由来のボルバキアをマツノマダラカミキリに導入することにより、マツノマダラカミキリの生殖機能にどのような影響が生じるのかを明らかにすることである。昨年度の実験により、アズキゾウムシのボルバキアをマツノマダラカミキリの蛹に人為的に注入することによって、ボルバキアを保持したマツノマダラカミキリ成虫を得られることが示されている。そこで今年度は、ボルバキアを注入した雌成虫から次世代の個体にボルバキアが移るかどうかを調査した。まず、アズキゾウムシの蛹からボルバキア溶液を作成し、そのボルバキア溶液をマツノマダラカミキリの蛹に注入した。羽化後、雌成虫に産卵させ次世代孵化幼虫を採集し、PCR法を用いてボルバキア感染の有無を調査した。また、孵化した幼虫を人工飼料上で成虫に発育させ、それら成虫から卵巣あるいは精巣を取り出し、上記と同様にPCR法を用いて成虫の感染率についても調査した。調査した183頭の孵化幼虫のうち、ボルバキアが検出されたのは1頭だけであった。また、成虫については45頭(雄成虫20頭、雌成虫25頭)調べたものの、どの個体からもボルバキアは検出されなかった。昨年度の結果と併せて考えると、アズキゾウムシのボルバキアをマツノマダラカミキリの蛹に注入した場合、注入した個体にはボルバキアが安定的に定着するものの、次世代の個体にはボルバキアはほとんど移らないと言えるだろう。しかし、1頭だけではあるが、汝世代幼虫への感染が確認できたことから、ボルバキアをマツノマダラカミキリの蛹へ注入するという方法でも、注入した個体から子孫への感染が起こることが示された。昆虫類の生殖機能を撹乱する性質を持つボルバキアをマツノマダラカミキリに導入することで、マツノマダラカミキリにどのような生殖異常が起こるのかを明らかにするために、アズキゾウムシ由来のボルバキアをマツノマダラカミキリの蛹にマイクロインジェクション法を用いて注入した。ボルバキアを注入した個体と注入しなかった個体を用いて4つの組み合わせ(1注入雄×非注入雌、2非注入雄×注入雌、3注入雄×注入雌、4非注入雄×非注入雌)で交配させ、それぞれの卵の孵化率を調べた。その結果、1注入雄×非注入

雌の組み合わせで卵の孵化率が著しく低くなった。これは、注入したアズキゾウムシ由来のボルバキアがマツノマダラカミキリに対して細胞質不和合を引き起こしたためと考えられる。また、ボルバキアに感染したマツノマダラカミキリの系統を作製するために、ボルバキアを注入した雌から次世代にボルバキアが移行するかどうか調査した。ボルバキアを注入した雌が産んだ卵から孵化した幼虫を対象にPCR法でボルバキア感染の有無を確認したところ、ボルバキアに感染した幼虫は全くおらず、次世代にボルバキアを移行させることはできなかった。このことから、今後の課題として、常にボルバキアを体内に保持するマツノマダラカミキリのボルバキア感染系統を確立することが必要であると考える。本年度は、マイクロインジェクターを用いてアズキゾウムシのボルバキアをマツノマダラカミキリの卵に注入する方法で、マツノマダラカミキリへのボルバキアの導入を試みた。まず、交尾済みのマツノマダラカミキリの雌に産卵用のマツの丸太を与え一晩産卵させた。翌日、卵を丸太から取り出しシャーレに並べ、アズキゾウムシから採取したボルバキアの溶液を0.5μlずつマイクロインジェクターを使ってそれらの卵に注入した。その後、孵化した幼虫は人工飼料上で成虫になるまで飼育させた。発育の途中で死亡した個体については適宜人工飼料から取り出し、PCR法を用いてボルバキアの感染の有無を調べた。得られた成虫は解剖し卵巣あるいは精巣を摘出して、それらの組織におけるボルバキアの感染の有無を調べた。ボルバキアを注入した卵367個うち51%が孵化に成功した。発育の途中で死亡した若齢幼虫23頭についてボルバキアの感染率を調べた結果、22頭がボルバキアに感染していた。また、終齢幼虫まで発育したが蛹化あるいは羽化できなかった19頭の個体についても同様に感染率を調べたところ、すべての個体からボルバキアが検出された。一方、成虫まで発育できた12個体のうちボルバキアに感染していた個体は1頭(雌)だけであり、その雌個体が産んだ卵から孵化した幼虫は全くボルバキアに感染していなかった。このように、マツノマダラカミキリの卵にアズキゾウムシのボルバキアを接種した場合、ボルバキアに感染した個体のほとんどは発育の途中で死亡あるいは発育が止まってしまい、成虫まで発育できないことが明らかとなった。マイクロインジェクション法を使って、アズキゾウムシ由来のボルバキアをマツノマダラカミキリに定着させることに成功しており、おおむね予定通り進展していると考えている。25年度が最終年度であるため、記入しない。マツノマダラカミキリにアズキゾウムシのボルバキアを導入する方法を検討した結果、マツノマダラカミキリの卵へボルバキアを注入した場合は、ボルバキアに感染した成虫がほとんど得られないが、マツノマダラカミキリの蛹に注入した場合は、ボルバキアに感染した成虫を多く得られることがわかった。よって、おおむね予定通り進展していると考えている。マツノマダラカミキリに注入したボルバキアがより効率的に次世代の個体に感染するように、新しい注入方法を試みる予定である。これまでの研究により、マツノマダラカミキリの蛹にボルバキアを注入することで、ボルバキアに感染した成虫が得られることがわかったので、今後、その方法を用いてボルバキアに感染したマツノマダラカミキリ成虫を作成し交配実験に供試する予定である。
等角写像使用による多重連結領域非線形現象解析

スペクトル差分法で使用される等角写像の拡張と適用性を検討した.写像の単葉性をパラメータを有する関数族について検討したほか,多重連結性の条件を明示的に導入し,境界形状が指定されても等角写像関数は一意に定まらないために多重連結領域に対する具体的な写像関数例を示した.多重連結領域(2次元あるいは軸対称領域)に対し,境界適合格子座標系を形成し,その座標系を等角座標系に選定することが可能であれば等角写像の性質により,初期値,境界値問題の場合解析および解の評価は比較的容易である.一般的に物理領域および写像領域を指定しても等角写像は一意には定まらない.有限個のパラメータを含む写像関数を指定しても,関数の種類あるいはパラメータ値によっては一対一対応の写像を形成する保証はないので個々の関数に対して一対一の対応する条件を明示すること,および可能ならばパラメータ値に対する制限条件の少ない写像関数を選定する道を明確にする必要がある.本研究ではこのような性質を具体的に明らかにした上で,スペクトル差分法を使用して主に多重連結領域における非線形現象を数値解析する.その際,その有効性を飛躍的に高めるために,幾何学形状の変換に二重周期の楕円数および有理関数の写像変換等を含む具体的な関数の導入決定を図る.対象の方程式としてNavier-Stokes方程式エネルギ方程式等を考慮する.そこで,写像関数がパラメータを含む陰関数の場合をまず検討する.物理形状および写像形状を共に規定すると写像関数は無限級数を通常含むことになるので,まず物理形状の概観を想定した上,写像面を指定し,写像が一対一の対応となるパラメータの制約条件を明示した上で,非線形方程式の数値解析を行う.スペクトル差分法で使用される等角写像の拡張と適用性を検討した.写像の単葉性をパラメータを有する関数族について検討したほか,多重連結性の条件を明示的に導入し,境界形状が指定されても等角写像関数は一意に定まらないために多重連結領域に対する具体的な写像関数例を示した.多重連結領域(2次元あるいは軸対称領域)に対し,境界適合格子座標系を形成し,その座標系を等角座標系に選定することが可能であれば等角写像の性質により,初期値,境界値問題の場合解析および解の評価は比較的容易である.一般的に物理領域および写像領域を指定しても等角写像は一意には定まらない.有限個のパラメータを含む写像関数を指定しても,関数の種類あるいはパラメータ値によっては一対一対応の写像を形成する保証はないので個々の関数に対して一対一の対応する条件を明示すること,および可能ならばパラメータ値に対する制限条件の少ない写像関数を選定する道を明確にする必要がある.そこで境界適合等角写像関数を二次元あるいは軸対称の場合に自動的に一対一対応となるように選択するかもしくはパラメータの一対一対応の制約条件をまず明確にした.具体的にはパラメータを含む正則写像関数を特にパラメータ値が零の場合には拘束なしに一対一対応となる条件下で設定し,そのパラメータ値の有効領域(絶対値が大きくないという制限下)を具体的に検討し,明らかにした.今回は楕円関数を含む場合や双曲線関数を含む場合などである.その結果,パラメータの制約条件は関数に依存するが,絶対値がかなり小さい場合に限定される場合があることが判明し,数値的な関数設定に注意を喚起すべきことを明らかにした.多重連結領域(2次元あるいは軸対称領域)に対し,境界適合格子座標系を形成し,その座標系を等角座標系に選定することが可能であれば等角写像の性質により,初期値,境界値問題の場合解析および解の評価は比較的容易である.一般的に物理領域および写像領域を指定しても等角写像は一意には定まらない.有限個のパラメータを含む写像関数を指定しても,関数の種類あるいはパラメータ値によっては一対一対応の写像を形成する保証はないので個々の関数に対して一対一の対応する条件を明示すること,および可能ならばパラメータ値に対する制限条件の少ない写像関数を選定する道を明確にする必要がある.本研究ではこのような性質を具体的に明らかにした上で,スペクトル差分法を使用して主に多重連結領域における非線形現象を数値解析する.その際,その有効性を飛躍的に高めるために,幾何学形状の変換に二重周期の楕円数および有理関数の写像変換等を含む具体的な関数の導入決定を図る.対象の方程式としてNavier-Stokes方程式エネルギ方程式等を考慮する.そこで,写像関数がパラメータを含む陰関数の場合をまず検討する.物理形状および写像形状を共に規定すると写像関数は無限級数を通常含むことになるので,まず物理形状の概観を想定した上,写像面を指定し,写像が一対一の対応となるパラメータの制約条件を明示した上で,非線形方程式の数値解析を行う.以下の要素を解析で考慮した.(1)種々の座標変換(Mathieu関数を含む).種々の有理写像変換関数の導入(2)境界形状の検討[形状関数を明示,パラメータを含む種々の関数を使用,単位円写像関数の利用(多重連結の場合をふくむ.)]多重連結領域(2次元あるいは軸対称領域)に対し,境界適合格子座標系を形成し,その座標系を等角座標系に選定することが可能であれば等角写像の性質により,初期値,境界値問題の場合解析および解の評価は比較的容易である.一般的に物理領域および写像領域を指定しても等角写像は一意には定まらない.有限個のパラメータを含む写像関数を指定しても,関数の種類あるいはパラメータ値によっては一対一対応の写像を形成する保証はないので個々の関数に対して一対一の対応する条件を明示すること,および可能ならばパラメータ値に対する制限条件の少ない写像関数を選定する道を明確にする必要がある.

本研究ではこのような性質を具体的に明らかにした上で,スペクトル差分法を使用して主に多重連結領域における非線形現象を数値解析する.その際,その有効性を飛躍的に高めるために,幾何学形状の変換に二重周期の楕円数および有理関数の写像変換等を含む具体的な関数の導入決定を図る.対象の方程式としてNavier-Stokes方程式エネルギ方程式等を考慮する.そこで,写像関数がパラメータを含む陰関数の場合をまず検討する.物理形状および写像形状を共に規定すると写像関数は無限級数を通常含むことになるので,まず物理形状の概観を想定した上,写像面を指定し,写像が一対一の対応となるパラメータの制約条件を明示した上で,非線形方程式の数値解析を行う.以下の要素を解析で考慮した.パラメータを含む種々の関数を使用,単位円写像関数の利用.本年度は特に三重連結領域,四重連結領域の場合も扱った.多重連結領域(2次元あるいは軸対称領域)に対し,境界適合格子座標系を形成し,その座標系を等角座標系に選定することが可能であれば等角写像の性質により,初期値,境界値問題の場合解析および解の評価は比較的容易である.一般的に物理領域および写像領域を指定しても等角写像は一意には定まらない.有限個のパラメータを含む写像関数を指定しても,関数の種類あるいはパラメータ値によっては一対一対応の写像を形成する保証はないので個々の関数に対して一対一の対応する条件を明示すること,および可能ならばパラメータ値に対する制限条件の少ない写像関数を選定する道を明確にする必要がある.本研究ではこのような性質を具体的に明らかにした上で,スペクトル差分法を使用して主に多重連結領域における非線形現象を数値解析する.その際,その有効性を飛躍的に高めるために,幾何学形状の変換に二重周期の楕円関数および有理関数の写像変換等を含む具体的な関数の導入決定を図る,対象の方程式としてNavier-Stokes方程式エネルギ方程式等を考慮する。そこで,写像関数がパラメータを含む関数の場合も想定する,物理形状および写像形状を共に規定すると写像関数は無限級数を通常含むことになり単葉性の検討が複雑なので,まず物理形状の概観を想定した上,写像面を指定し,写像が一対一の対応となるパラメータの制約条件を明示した上で,非線形方程式の数値解析を行う.以下の要素を解析で考慮した.パラメータを含む種々の関数を使用,単位円写像関数の利用.本年度は特に二重,三重連結領域を中心に扱った.
南アジア諸国の小地域レベルでの人口・土地利用・環境の変化に関する比較研究

本研究の目的は、インド・バングラデシュ・ネパールのそれぞれ50村落において行った質問紙調査(項目:現在および過去における人口・土地利用・生産と消費・生活の質の評価)の結果を、ランドサット衛星データから得られる土地利用・環境の変化に関するデータと関連づけながら分析することである。平成11年度には、インドの対象地域をカバーするランドサット衛星データ(1972年、1986年、1999年)を購入し、グランドコントロールポイントを用いた幾何補正、さらに対象村落の位置情報との重ね合わせを行った。また、平成10年度にランドサット衛星データを購入済みのネパールおよび平成12年度予算でランドサット衛星データ購入予定のバングラデシュについては、村落データを地理情報システム(ArcView)を用いてデータベース化した。ネパールのランドサット衛星データについては、国立民族学博物館所蔵のネパール地図を用い地域専門家の助力を得た上で幾何補正、さらには土地被覆の分類を行った。現在、リモートセンシング衛星データの分析によって得られたデータと、村落を対象とした質問紙調査によって得られたデータを、地理情報システム上で関連づけたデータベースを構築している途上であり、本格的な分析は未だ完了していない。しかしながら、予備的な検討に於いては、人々の認識する自然環境とリモートセンシング衛星データの分析によって得られる定量的な自然環境は必ずしも一致しないこと、そしてそこには人々の生活の質や社会のシステムなどが介在していることなどが明らかになりつつある。
ナノバブル混入液体のミクロ・マクロ特性に関する分子動力学的解析

液体中に気泡(ナノバブル)を安定して存在させ、その気泡混入状態の液体のミクロ、マクロ特性を分子動力学法により解析した。平成15年度は分子動力学法により気泡が安定して存在する計算系の設定を行った。その結果、液体中の温度を制御して熱伝導率を計算する手法では温度制御領域に気泡ができてしまい、正しく計算が行われないことが明らかとなった。この結果を踏まえて平成16年度は液体の両端に固体壁を設け、固体壁の温度を制御する事で熱伝導率の計算を行うようにした。またこのようにして得られた値とGreen-Kuboの公式などで得られた値との比較を行った。また液体中の密度揺らぎを定量化して熱伝導率との因果関係を求める解析も行った。密度揺らぎはある条件下における単相液体状態の分子動力学計算を行い,その計算領域をいくつかの小さなセルに分割してそのセルがある密度を取る確率分布を求め,その代表値を密度揺らぎを表す指標として用いた。しかしながらこの解析の結果、ナノバブル混入液体中の密度揺らぎと熱伝導率との間には特に定量的な知見は得られなかった。また液体を二原子分子として取り扱った系の計算を同様にして行い,液体分子が内部自由度を持つことによって核生成速度にどのような影響が生じるかを解析した。液体分子は2Center Lennard-Jonesポテンシャルを仮定した。その結果、ナノバブル混入液体中の気液界面にはあまり温度ジャンプがみられなかったが、気相がナノバブルとしてではなく完全に流路を横切るようにして存在する径では気液界面に大きな温度ジャンプが存在することが明らかとなった。不純物を伴わない均一核生成による気液相変化現象(気泡の初生)は分子スケールのオーダーで起こる現象と考えられ,通常の核生成理論(古典核生成理論)では実現象と辻褄が合わないことが多数報告されている.本研究では分子動力学法を用いてこの現象の解明を行った。極低温流体としては液体酸素を想定した。初年度は極低温流体中における気泡の初生を分子動力学法でシミュレーションするための手法の確立を行った。具体的には計算負荷の軽減のために液体酸素を単原子分子とみなした系による解析を行った.ポテンシャルにはLennard-Jonesポテンシャルを仮定し、またそのポテンシャルパラメータはこの液体の臨界密度,臨界温度が液体酸素の実験値とよく一致するように決定した.まずこのポテンシャルで表される流体の様々な温度,密度下での状態(圧力,内部エネルギ)を計算し,その結果からこの流体の状態線図を得た.このようにして得られた液体の状態線図からこの液体の相図が得られるが,この相図を用いてこの液体が準安定状態となる温度,密度範囲を特定した.そしてこの準安定状態におけるシミュレーションを行い気泡が生成している二相状態の系を再現させることを試みた。しかしその結果、現状の方法では安定した二相状態を作成できず、気泡が高温領域の検査体積外に出てしまうことが確認された。これについては温度制御を壁面などを用いて行う必要があると考えられる。また気泡を生成していない単相状態のシミュレーションを行い、計算結果と実験値との比較を行った。その結果、計算結果は実験値に比べて若干大きい値を示すことが明らかとなった。これは今後の解析において留意すべき点である。
聴覚障害者のためのモバイル端末文字通訳システムに関する研究

教育機関で学ぶ聴覚障害者を支援するために,ノートテイクやPC要約筆記などの音声を文字化して提供する文字通訳が行われている.PCを利用した文字通訳では,タイピングや連係入力などの特殊な技能が文字通訳者に求められ,人材確保や通訳者の養成が課題となっている.本研究では,PCを用いない次世代の文字通訳手法として,モバイル端末文字通訳を提案する.具体的にはタップ,フリック,ピンチなどのモバイル端末特有の操作特性を考慮したインタフェースの考案,音声認識を活用した文字通訳者支援,通訳者間の連係をやさしくするスマート連係入力,文字と画像を融合したハイブリッド文字通訳について研究を行う.教育機関で学ぶ聴覚障害者を支援するために,ノートテイクやPC要約筆記などの音声を文字化して提供する文字通訳が行われている.PCを利用した文字通訳では,タイピングや連係入力などの特殊な技能が文字通訳者に求められ,人材確保や通訳者の養成が課題となっている.本研究では,PCを用いない次世代の文字通訳手法として,モバイル端末文字通訳を提案する.具体的にはタップ,フリック,ピンチなどのモバイル端末特有の操作特性を考慮したインタフェースの考案,音声認識を活用した文字通訳者支援,通訳者間の連係をやさしくするスマート連係入力,文字と画像を融合したハイブリッド文字通訳について研究を行う.
筋座標系を基にしたロボットアームの機能的特性に関する研究

従来からの我々の研究である四肢の筋配列を模倣した筋座標系を有した二関節リンクモデルにより,二関節筋を含めた三対6筋の特性とリンク先端の位置と力および剛性の関係が理論的および実験的に明らかにされ,受動的な接触負荷においても筋座標系を有するモデルは柔軟に負荷に対応し,リンク先端の位置を接触地点から滑ることなく,その位置を負荷方向に追従させることが可能であることが明らかになった.そこで,本研究ではこの特性が筋座標系における三対6筋の機構的特性であること,すなわち,第1関節の拮抗一関節駆動源ペア,第2関節の拮抗一関節駆動源ペアおよび第1,2関節に同時に関与する二関節同時駆動源ペアが存在することが非常に重要であり,リンク先端に発生する力は第2関節の一関節駆動要素,リンク先端の軌道と位置は第1関節の一関節駆動要素と二関節同時駆動要素により,三対6筋の機構内で分業していることが明らかになった.また,この機構的特性を有するロボットアームを製作し,能動的運動による接触負荷をリンク先端に与えたところ,リンク先端は滑ることなく,負荷を支えることができ,理論的および実験的に三対6筋の機構的特性の有効性を明らかにすることができた.従来からの我々の研究である四肢の筋配列を模倣した筋座標系を有した二関節リンクモデルにより,二関節筋を含めた三対6筋の特性とリンク先端の位置と力および剛性の関係が理論的および実験的に明らかにされ,接触負荷においても筋座標系を有するモデルは柔軟に負荷に対応し,リンク先端の位置を接触地点から滑ることなく,その位置を負荷方向に追従させることが可能であることが明らかになった.そこで,本研究は筋座標系を有する二関節ロボットアームをもちい,筋座標系を構成する要素が作業座標系におよぼす影響を理論的および実験的な解析により,明確にすることを試みた.この解析に用いた筋座標系の要素は三対6筋の弾性係数および各筋が関与する関節のモーメントアーム,各アーム長の3つとし,すべての要素が等しい基準モデルと比較することにより,筋座標系のパラメータがアーム先端部の運動制御に与える影響を確認した.その結果,第2関節の一関節駆動要素は発生する力,第1関節の一関節駆動要素と二関節同時駆動要素はアーム先端部の位置と剛性に大きく関与していることがわかり,アーム先端部の接触負荷に対して,明確な負荷情報が無い場合でも柔軟に対応するためには,等しい第1,2リンク長,等しい第1関節の一関節駆動要素と二関節同時駆動要素を装備することが重要であることがわかった.また,筋配列を基にしたパラメータの影響を詳細に考察することにより,筋のみの効果ではなく,筋配列としての協調的な機能による効果の重要性が示唆できると考えられる.従来からの我々の研究である四肢の筋配列を模倣した筋座標系を有した二関節リンクモデルにより,二関節筋を含めた三対6筋の特性とリンク先端の位置と力および剛性の関係が理論的および実験的に明らかにされ,受動的な接触負荷においても筋座標系を有するモデルは柔軟に負荷に対応し,リンク先端の位置を接触地点から滑ることなく,その位置を負荷方向に追従させることが可能であることが明らかになった.そこで,本研究ではこの特性が筋座標系における三対6筋の機構的特性であること,すなわち,第1関節の拮抗一関節駆動源ペア,第2関節の拮抗一関節駆動源ペアおよび第1,2関節に同時に関与する二関節同時駆動源ペアが存在することが非常に重要であり,リンク先端に発生する力は第2関節の一関節駆動要素,リンク先端の軌道と位置は第1関節の一関節駆動要素と二関節同時駆動要素により,三対6筋の機構内で分業していることが明らかになった.また,この機構的特性を有するロボットアームを製作し,能動的運動による接触負荷をリンク先端に与えたところ,リンク先端は滑ることなく,負荷を支えることができ,理論的および実験的に三対6筋の機構的特性の有効性を明らかにすることができた.
DNA組換え反応の動的メカニズムの解明

本研究では,構造生物学的,ナノバイオロジー的なアプローチを用いて,DNA組換え反応に関わる蛋白質が行う反応メカニズムを解明すること目的とし,DNA組換え反応において中心的な役割を果たしているDmc1,Rad51にフォーカスをあてて研究を進めた.まず,これらタンパク質がどのようにしてDNAと相互作用するかを明らかにすることを目的として,タンパク質とDNAとの複合体の結晶化条件の検討を行った.はじめに,これらタンパク質の大量発現系ベクターをpET系のプラスミドを用いて構築し,その後,各種クロマトグラフィーを用いて精製系を確立し,結晶化を行える純度と収量が得られる大量試料供給系を確立した.そして,精製したタンパク質を用いて,様々な配列,長さのオリゴヌクレオチドとの複合体の形成条件の検討を行った.複合体を形成する際のタンパク質とDNAとのstoichiometryや温度等の条件検討を行い,複合体形成条件の至適化を行った.検討後,明らかになった至適条件で複合体を形成させて,その複合体を用いて各種結晶化スクリーニングキットを使い,結晶化条件の検討を行った.また,Dmc1,Rad51タンパク質が関わるDNA組換え反応の詳細なメカニズムを解明することを目的として,これらの反応に関わるアクセサリー因子の解析を行った.その結果,ヒトのRad54Bタンパク質が,ヒトDmc1タンパク質の活性化因子であることがわかった.さらに,1分子ダイナミクスを行うことを目的として,Rad51,Dmc1タンパク質をその活性を失うことなく,蛍光標識する条件の検討を行った.本研究では,構造生物学的,ナノバイオロジー的なアプローチを用いて,DNA組換え反応に関わる蛋白質が行う反応メカニズムを解明すること目的とし,DNA組換え反応において中心的な役割を果たしているDmc1,Rad51にフォーカスをあてて研究を進めた.まず,これらタンパク質がどのようにしてDNAと相互作用するかを明らかにすることを目的として,タンパク質とDNAとの複合体の結晶化条件の検討を行った.はじめに,これらタンパク質の大量発現系ベクターをpET系のプラスミドを用いて構築し,その後,各種クロマトグラフィーを用いて精製系を確立し,結晶化を行える純度と収量が得られる大量試料供給系を確立した.そして,精製したタンパク質を用いて,様々な配列,長さのオリゴヌクレオチドとの複合体の形成条件の検討を行った.複合体を形成する際のタンパク質とDNAとのstoichiometryや温度等の条件検討を行い,複合体形成条件の至適化を行った.検討後,明らかになった至適条件で複合体を形成させて,その複合体を用いて各種結晶化スクリーニングキットを使い,結晶化条件の検討を行った.また,Dmc1,Rad51タンパク質が関わるDNA組換え反応の詳細なメカニズムを解明することを目的として,これらの反応に関わるアクセサリー因子の解析を行った.その結果,ヒトのRad54Bタンパク質が,ヒトDmc1タンパク質の活性化因子であることがわかった.さらに,1分子ダイナミクスを行うことを目的として,Rad51,Dmc1タンパク質をその活性を失うことなく,蛍光標識する条件の検討を行った.
一般ダイバージェンスに基づく経験推定を用いた機械学習法

金融工学の分野で提案されたエントロピックリスク指標は、学習データからの経験推定が容易であり、推定量に外れ値に対する頑健性を持たせることができる。本研究では、エントロピックリスク指標に対して補正を加えることで関連が指摘されているダイバージェンスに基づく経験推定を確立し、機械学習モデルへの適用を考える。具体的には、γとレニーダイバージェンスを考える。前者は本来、経験推定可能であるが、確率モデルのべき乗の積分を必要とする。そこで、積分を回避するための補正を考える。後者は構造上、経験推定に利用できない。そこで、エントロピックリスク指標に補正を加えることで経験推定を実現し、過学習の抑制を目指す。
完全に制御された1,3-ジオール不斉合成戦略のよる抗真菌性マクロリド類合成の展開

ポリエンマクロリド-フィリピンIIIの全合成をキラルオキサザボロリジノン助触媒不斉アルドール反応を基盤とする戦略で達成する課題に対して、研究はいくつかの有用な知見を得つつ進展した。これまでの結果として、8連続する1,3-ポリオール(ポリアセテート系)のアルドール反応のための出発アルデヒドの不斉アルドール反応による合成は完成し報告された(Tetrahedron:Asymmetry,1999)。合成された生成物は不斉シャープレス酸化をもとにRychnovskyらによって合成されたものに一致し、われわれの手法の有効性がしめされた。さらに、1,3-ポリオールの導入反応は、モデル反応として、同じわれわれの不斉アルドール反応を繰り返し使用する非常にシンプルな手法で検討された。7連続1,3-ポリ(シン)オールが同手法で不斉合成された。既存の不斉中心に関係なく新しい不斉中心を導入することを可能にするこの手法は、目的のフィリピンIIIだけでなく、さまざまな1,3-シンおよびアンチを含む鎖式骨格を構築する上で、有効であることが確認された。しかしながら、直線的合成法は選択性において非常に信頼でき、実験操作も簡便であるが、あまりにも長い直鎖の場合には、合成のトータル収率について効率的でないと判断された。そこで、covergentなアプローチを試みた。ふたつの1,3-ポリオールユニットをわれわれの不斉アルドール反応で合成しておき、そのユニット間での縮合を行って、目的のポリオールの合成を達成させる手法を開発した。この並列法は合成のトータル収率を著しく向上させた。縮合もまたわれわれの以前に開発していたシリルエノールエーテルを用いる不斉アルドール反応を使用した。この反応は不斉還元を伴い生成物として1,3-シンジオールを与える高度に制御された不斉反応である。この反応を最終段階で適用させることによって、フィリピンIIIの全ポリオール部分を含むsegmentの不斉合成を達成した(Tetrahedron Lett,2000)。現在、全合成を完成させつつある。抗真菌性ポリエンマクロリド・FilipinIIIの全合成研究に関して、平成9年度の研究計画は、その基盤反応と手法の確立であった。フィリピンIIIには数多くの水酸基があり、その基の不斉点が1,3-ジオールの関係で連続しているが、このポリオールの新しい不斉合成に関して重要な進展があった。キラルオキサザボロリジノン不斉アルドール反応を連続使用することで、その相対配置をコントロールしてポリオールが簡便に合成された。さらにその反応は現在環境汚染の問題の一ツとなっているジクロロメタン溶媒中で進行するものであったが、今回THF溶媒でその反応のすべての選択性を低下させることなく進行させることに成功した。また触媒のB-H結合をB-Cl結合に変えることで、反応は触媒条件下で使用することができるまでに改善された。この一層効率的になった不斉アルドール反応を用いて、不斉点が7ケ互に1,3の関係で関連する1,3ポリオールの合成が完了した。このことにより、フィリピンIII全合成のためのポリオール部分の合成のための方法論が確立された。省エネルギーや環境にたいするアセスメントから,有機合成化学に今求められているのは,目的とする物質を合成する際に,いかにできる限り短行程で達成するかである.したがって,高い選択性がそれを可能とする.

われわれの抗真菌性マクロリドFilipin IIIの全合成にたいしての戦略は,われわれの開発したChiral Oxazaborolidinone-Promoted Asymmetric Aldol Reactionを用いてそれを達成させることである.Filipin IIIの特微的な構造は,1,3-ポリオールである.生合成的にはアセテート単位が不斉導入されている構造である.8個のアルコール不斉点をアルドール反応で連続的に導入するためには,よほどの高度なエナンチオ選択性が達成されねばならない.ジチオランを持つアセテートシリル求核剤でその選択性のレベルをわれわれは達成した(98%ee).したがって,各ステップでの異性体の分離はほとんど必要がない.また反応後のジチオラン部分の除去方法も平成10年度の研究でよりクリーンなラジカル反応で可能であることを見い出した.これらの有効な反応を連続して駆使してポリオール部分の不斉合成をほぼ達成した.全合成にとって残る問題はポリエン部分の合成とマクロラクトン化である.しかしこれらはすでにRychnovskyらにより報告されているので,おそらくわれわれもそれにしたがって完成させる予定である.上述したような1,3-ポリオールの不斉シン-アンチ合成法は,他の系にも応用されるもので,いくつかの合成研究を現在進展させている.ポリエンマクロリド・フィリピンIIIの全合成をキラルオキサザボロリジノン助触媒不斉アルドール反応を基盤とする戦略で達成する課題に対して、研究はいくつかの有用な知見を得つつ進展した。これまでの結果として、8連続する1,3-ポリオール(ポリアセテート系)のアルドール反応のための出発アルデヒドの不斉アルドール反応による合成は完成し報告された(Tetrahedron:Asymmetry,1999)。合成された生成物は不斉シャープレス酸化をもとにRychnovskyらによって合成されたものに一致し、我々の手法の有効性がしめされた。さらに、1,3-ポリオールの導入反応は、モデル反応として、同じ我々の不斉アルドール反応を繰り返し使用する非常にシンプルな手法で検討された。7連続で1,3-ポリ(シン)オールが同手法で不斉合成された。既在の不斉中心に関係なく新しい不斉中心を導入することを可能にするこの手法は、目的のフィリピンIIIだけでなく、さまざまな1,3-シンおよびアンチを含む鎖式骨格を構築する上で有効であることが確認された。しかしながら平成11年度は新しいアプローチを試みた。直線的合成法は選択性において非常に信頼でき、実験操作も簡便であるが、あまりにも長い直鎖の場合には、合成のトータル収率について効率的でないことが判った。そこでその直線的合成法により、さまざまな立体化学に対応し得る1,3-ジオールユニットを不斉合成しておき、そのユニット間での縮合を行って、ポリオールの合成を達成させる手法を開発した。この並列法は合成のトータル収率を著しく改善させた。縮合はLDA等を用いる単純アルドール反応を用いた。現時点ではかならずしも満足するジアステレオ選択性は達成できていない。縮合部位のオキシケトンは、すでに存在する不斉中心を利用して、ジアステレオ選択的なシン還元またはアンチ還元によって必要な立体化学を構築し、目的物であるポリオールSegmentをカラム分離によって得る手法を確立した。
G蛋白による単離中枢神経細胞の薬物受容体及びイオンチャネル機能制御の分子機構

本年度は前年度の代謝型グルタミン酸受容器並びにP2プリン受容器応答に続いて、ヒスタミン、サブスタンスP(SP)およびアセチルコリン(ACh)応答についてニスタチン法により詳しく解析した。ラット線条体においてH1とH2受容器がともに同一の性質を持つK^+チャネルを抑制し、その割合はほぼ1対1であること、ヒスタミン応答がインターニューロンに限局し、リレーニューロンでは応答しはないことが判明した。ラット内耳外有毛細胞においてはSPが百日咳毒素非感受性G蛋白を介して非選択的にカチオンチャネルを開口とする。また、同部位で抗IP_3抗体等を用いた実験からACh応答に百日咳毒素感受性G蛋白を介したIP_3系とコレラ毒素感受性G蛋白を介したAキナーゼ系が共に働いており、前者は応答のトリガーに後者はその持続に重要である事が判明した。さらに、近年細胞内のCl^-濃度変化がある種のG蛋白の機能に影響することが報告されているが、ニスタチン法ではニスタチンの形成するポア(穿孔)をCl^-が通過するために細胞内Cl^-濃度が生理的濃度よりもはるかに高くなる。この為ニスタチン法を使用する時、Cl^-濃度によって影響される2次メッセンジャーを介する受容器応答を生理的条件に近い状態で記録出来ない場合が有り得る。そこで、G蛋白機能ならびに2次メッセンジャー系の生理機能を解明する上でCl^-を通過させない穿孔パッチ法の開発が必要と考え、グラミシジンを用いたCl^-非透過性の穿孔パッチ技術(グラミシジン法)を確立した。この新技術の有用性と意義を示すために、本年度はCl^-チャネルとカップルするグリシンとGABAの応答を詳細に検討し、従来法と比較した。結果的に、これらのCl^-チャネル機能は細胞内Cl^-濃度に依存せず、従来の知見がそのまま利用できる事が判明した。G蛋白を介した制御系がどれほど細胞内Cl^-濃度に依存するか否かは今後の研究課題である。
開口部の伝熱解析およびその熱貫流率の簡易計算法の開発

研究対象とした開口部は近年開発が進んでいる断熱構造を持つ開口部である。開口部に含まれる中空部は多くの場合密閉状態であり、かなりの熱抵抗を有するため、開口部全体としての断熱性に大きく影響する。一連の研究を通じて、このような密閉中空層の熱抵抗をできだけ精密に計算することが開口部の熱貫流率の計算に重要な意味を持つため、密閉中空層の熱抵抗の計算精度を高める必要性が痛感された。そのため、開口部に含まれている様々な形状の中空部の熱抵抗の計算法をまとめた。プログラム化された計算法は、海外での既往の実験式を応用して対流熱伝達率を計算し、中空に面する側壁が放射熱平衡であるとして放射熱伝達を計算し、これらを合成して熱抵抗を得る方法であり、任意の傾斜角の中空層に適用できる。熱貫流率としては、玄関扉についての計算法をまとめた。ここで開発した熱貫流率の計算法は、扉パネル部とガラス部は面熱貫流率として扱い、枠部,エッジ部,額縁部,補強材部は線熱貫流率、錠と郵便受けは点熱貫流率として扱い、これらの熱貫流率を合成して扉全体としての総合熱貫流率を得るというものである。点熱貫流率と隅各部の影響は三次元有限要素法により計算したが、その影響はわずかであることを確認した。玄関扉もの熱貫流率の計算値を試験値と比較した結果、そのずれは最大で20%程度であった。玄関扉は熱橋と中空層の集合体であって熱貫流率の計算が困難な対象であり、この程度のずれに納まったのは一応満足できる結果であると考えられる。本科学研究で当初予定したサッシの熱貫流率の計算法はまとめるには至っていない。しかし、玄関扉の計算法を拡張することでサッシの熱貫流率の計算法を整理することは可能であると考えられる。今後そのような方法に関する研究を継続する予定である。1.開口部には様々な形状の中空層が数多く存在するため、その伝熱計算には中空層の熱抵抗の計算精度が極めて大きな意味を持つ。しかし残念ながらこれまでのところ、建築環境工学の分野では中空層の伝熱に関する研究蓄積は乏しい。そこで本研究では、まず、垂直な密閉中空層の熱抵抗に関して、他の分野における既往の研究成果を調べ、開口部の中空部に適用できるような計算法にまとめた。また、中空層の熱抵抗に関してISOの規格が1994年7月に公表されている。本研究でまとめた計算法はISOの計算法より適用範囲が広い方法であるが、両者が共通に扱うことができる条件について計算比較を行ったところ、本研究でまとめた計算法とISOの基準が殆ど一致することが確認できた。2.開口部の伝熱解析に関する国際規格、海外の研究成果および計算プログラム(WINDOW3.1,VISION3,FRAME2等)を調べ、それらの水準やプログラムの操作性等を確認した。3.開口部のうち、今年度は特に玄関ドアを対象として以下のような研究を行った。(1)実際に製品化されている玄関ドアの分類を行った。特に玄関ドアを構成する部位であるエッジ、額縁、補強材、枠等について、伝熱計算に必要な形状、熱特性等のデータを収集し分類した。(2)玄関ドアのエッジ、額縁、枠、補強材等の各部位の線熱貫流率を、2次元境界要素法、および2次元差分法により計算した。(3)玄関ドアの郵便ポスト、錠部分の点

熱貫流率を3次元有限要素法により計算した。またエッジのコーナー部等の3次元熱流の影響を3次元有限要素法により計算した。(4)分類表から必要な数値を選び、それらを簡易な計算式に代入して、玄関ドアの熱貫流率を計算する方法を作成した。開口部には様々な形状の中空部が含まれている。このような中空層は多くの場合密閉状態であり、かなりの熱抵抗を有するため、開口部全体としての断熱性に大きく影響する。昨年度、玄関扉の熱貫流率を計算して試験値との比較を行った結果を通じて、このような密閉中空層の熱抵抗をできるだけ精密に計算することが、開口部の熱貫流率の計算にとって重要な意味を持つことが明らかになってきた。そこで今年度は、主に密閉中空層の熱抵抗の計算精度を高める研究を行った。本研究において当初開発した中空層の熱抵抗の計算法は垂直な密閉中空層を対象としており、放射熱伝達の計算では、高温面・低温面の温度を与え、側壁の温度はその平均値であると仮定していた。この計算方法を次のように改良した。まず、放射熱伝達の計算において側壁の温度を与えることをやめ、側壁が放射熱平衡であるとして放射熱伝達を計算するように改めた。つぎに、垂直であるという制約条件をはずし、水平や任意傾斜角の場合にも計算加納なように拡張した。玄関扉の熱貫流率の計算法は昨年度まとめたが、当初予定したように、この科学研究費の年度内でいわゆるサッシの熱貫流率の計算法をまとめるには至っていない。しかし、玄関扉の計算法を拡張することでサッシの熱貫流率の計算法を整理することは可能であると考えられる。今後そのような方法をまとめる研究は継続する予定である。
脊髄損傷におけるTROYの役割の解明と中枢神経再生治療への応用

まず生理的条件下の脊髄におけるTROY蛋白の発現、及び局在を検討した。その結果、TROYは胎生期にはNestin陽性、GLAST陰性の脊髄背側の神経前駆細胞/放射状グリア細胞に発現し、生後はGFAP、及びS100陽性のアストロサイトに発現していることが判明した。次に脊髄背側半切断モデルを作成し、損傷1、3、7、14、21日後の損傷部におけるTROYの発現を検討した結果、損傷3日後の損傷部周囲に限局して少数の細胞にのみ発現が認められた。これらの結果よりTROYは主に発達過程の脊髄背側の神経前駆細胞/放射状グリア細胞、及びアストロサイトの発生に重要な役割を担っている可能性が示唆された。1.胎生期・生後のマウス脊髄におけるTROY発現細胞の同定: TROYに対する抗体を用いて、発達過程の脊髄におけるTROYタンパクの発現、及び局在を検討した。その結果、胎生8.5日齢の脊髄神経上皮細胞の主に背側脳室帯の大部分において、強いTROYの発現を認め、胎生9.5日齢から13.5日齢においても脊髄背側の脳室帯における発現が持続していた。胎生15.5日齢から生後0日齢にかけて、脊髄背側のごく一部の細胞に弱い発現を認めた。生後7日齢から14日齢にかけて、一細胞あたりの発現レベル、及び発現細胞数が増加し、TROY発現細胞は脊髄全体に広く認められるようになり、14日齢でピークとなった。生後14日齢から21日齢にかけて発現細胞数は減少していき、21日齢ではほとんど発現が認められなかった。まず、胎生期におけるTROY発現細胞の同定のため、胎生13.5日齢の脊髄において、TROYと神経前駆細胞/放射状グリアのマーカーであるnestin/vimentin、及び神経細胞のマーカーであるβIII-tubulin/NeuNとの二重免疫染色を行った。その結果TROYは神経前駆細胞/放射状グリアに発現し、神経細胞には発現していなっかった。また、生後14日齢の脊髄においてTROYとアストロサイトのマーカーであるGFAP、及び神経細胞のマーカーであるNeuNとの二重免疫染色を行った。その結果、アストロサイトの大部分にTROYの発現を認めた。2.脊髄損傷部位におけるTROYの発現の検討:脊髄背側半切断モデルを作成し、損傷1、3、7、14、21日後の損傷部、及びグリア瘢痕におけるTROYの発現を検討した。損傷7日後からGFAP陽性のアストロサイトを含むグリア瘢痕の形成が認められたが、TROYの発現は損傷3日後の損傷部周囲に限局しており、ごく一部のグリア様細胞においてのみみられた。1.成獣マウス脊髄におけるTROYの発現の検討、及びTROY発現細胞の同定:成獣マウスにおけるノーザンブロット解析により、脊髄にTROYが発現していることを以前に報告しており、今回TROYに対する抗体を用いてTROYタンパクの発現、及び局在を検討した。その結果、脊髄内において広範囲に弱い発現が認められた。TROY発現細胞の同定のために、神経細胞、アストロサイト、ミクログリアのマーカーであるNeuN、GFAP/S100、Iba-1に対する抗体と抗TROY抗体との二重免疫染色を行ったところ、アストロサイトのマーカーであるGFAP、及びS100との共存を認めた。2.成獣マウス脊髄におけるTROYの役割の検討:生理的条件下の脊髄アストロサイトにおいてTROYの発現が認められたことから、脊髄損傷部のグリア瘢痕におけるTROYの役割を解析する前段階として、生理的条件下のアストロサイトにおけるTROYの役割を解析することが必要かつ重要であると考えられた。そこで、TROYからのシグナルの抑制を目的として、TROYの細胞外ドメインとhuman IgGのFcとのキメラ蛋白(sTROY-Fc)を過剰発現させたトランスジェニックマウス(sTROY-Fc Tgマウス)を用いて、肉眼的、及び組織学的に脊髄での異常の有無を検討した。その結果、これまでのところ、脊髄において肉眼的な異常はみられず、またヘマトキシリン・エオジン染色法による組織学的検索においても脊髄の組織構築に明らかな異常は検出されなかった。現在、より詳細に各種細胞の異常の有無を検討するために、各種細胞のマーカーによる免疫染色法を行っている。3.成獣マウス脊髄におけるTROYリガンド、LTαの発現の検討:成獣マウス脊髄において、LTαに対する抗体を用いて、LTα蛋白の発現を検討した結果、脊髄内で広範囲に発現が認められた。生理的条件下のマウス脊髄におけるTROYの発現を検討した結果、アストロサイトに認められたことから、生理的条件下におけるTROYの役割をまず解析する必要があることが判明した。

そこで、TROYの細胞外ドメインとhuman IgGのFcとのキメラ蛋白(sTROY-Fc)を過剰発現させたトランスジェニックマウス(sTROY-Fc Tgマウス)の解析と、発生過程の脊髄におけるTROYの発現、及び機能解析を現在行っている。これらの解析により、脊髄損傷モデルにおけるグリア瘢痕形成時のアストロサイトでのTROYの機能の解析がより円滑に進められると考えられるため、おおむね順調に進展していると考えられる。生理的条件下の脊髄においてTROY、及びそのリガンドの一つと考えられているLTαの発現が認められたことから、現在、生理的条件下の成獣脊髄アストロサイトにおけるTROYの役割を解析している。今後、発生過程の脊髄におけるTROYの発現と機能解析、脊髄損傷モデルのグリア瘢痕におけるTROY、及びそのリガンドの発現、機能解析等を行い、生理的条件下と脊髄損傷下におけるTROYの役割を明らかにし、脊髄損傷部の病態解明とその治療へのTROYの応用を目指す。当初の予定通り、[1]マウス脊髄損傷モデルの確立と損傷部位のグリア瘢痕におけるTROYやそのリガンドの発現の検討、及びその発現細胞の同定、[2]脊髄損傷部位のグリア瘢痕におけるTROY、及びそのリガンドの機能の検討、[3]TROY陽性嗅神経被覆グリアのin vitroにおける機能解析、[4]TROY陽性嗅神経被覆グリアのin vivoにおける機能解析、に必要な試薬、実験器具、抗体、制限酵素、及び実験動物の購入に使用する。
ウッドバイオマスからカーボンナノチューブへの熱変換技術の開発

本研究では、直パルス式熱分解法を用いてウッドバイオマスからカーボンナノチューブ複合体を効率的に製造するための最適条件を検討し、得られたウッドカーボンナノチューブ複合体の表面解析によって炭素の構造解析を行い、木材の高付加価値化につなげることを目的とする。カーボンナノチューブの成長可能な表面化学構造を得るために、次に挙げるさまざまな焼結条件や触媒を用いた処理により木質炭素化物を作製した:(1)アルミナ粉末の添加による触媒炭素化、(2)アルミニウム・トリイソプロポキシド溶液によるゾルゲル処理後の触媒炭素化、(3)急速熱分解、(4)酸化ケイ素粉末による表面改質、(5)TEOS(テトラエトキシシラン)による表面改質、(6)銅・クロム・ヒ素などの重金属との触媒炭素化。これら処理のうち(2)のアルミニウムトリイソプロポキシド溶液によるゾルゲル処理後の触媒炭素化によってのみカーボンナノチューブを炭素化物表面に生成させることができた。本研究では、窒素ガス気流下で700°C,1時間でスギチップの炭素化を行ってから,アルミニウムトリイソプロポキシド溶液により処理をした。パルス通電加熱法によって1300°C、5分間焼結処理をして得られたサンプルと気相合成法によって表面に形成した多層カーボンナノチューブの構造を電子顕微鏡学的に調べた。アルミニウムを用いた触媒黒鉛化ではAl_4C_3を形成後分解が生じ、比較的低温度でアルミニウム蒸気と高配向の黒鉛化炭素が形成された。得られた炭素化物の表面組織および微細構造を走査型電子顕微鏡と透過電子顕微鏡で追いながら検討を行ったところ、650°C,N_2/H_2,N_2/C_2H_4の条件で直径50nmの多層カーボンナノチューブが木質炭素化物の表面上にランダムに形成していることを世界で初めて明らかにした。リチウムイオン電池への応用が有望であり、研究を進めている。本研究はウッドバイオマス(木質廃棄物などを含む木質バイオマス)からカーボンナノチューブという超高輝度光源管やFRP成形などに利用可能なウッドカーボンナノチューブの開発を目指した実用化に向けて研究を行うことを目的としている。カーボンナノチューブは、飯島が1991年に発見した全く新しい炭素系材料であるが、幅広い分野への応用が期待されているので世界中で注目を集めている。本研究では、直パルス式熱分解法を用いてウッドバイオマスからカーボンナノチューブを効率的に製造するための最適条件を検討し、得られたウッドカーボンナノチューブの構造を解析型電子顕微鏡によって解析し木材の高付加価値化をめざすことを目的とする。本年度は木質からカーボンナノチューブを製造するための熱分解方法についての検討を行った。木質炭素化物中の金属の存在が、カーボンナノチューブの前躯体として寄与する可能性を示唆する結果が得られた。人体に有毒な重金属を含む廃棄木材でも、あらかじめ化学的な抽出処理を施し重金属を取り除くことにより原料の対象となることが明らかとなった。処理条件を適切に選択して特殊な熱分解法を適用することにより、木材からでもカーボンナノチューブの生成が可能である。サンプルの透過電子顕微鏡による解析を通じて、カーボンナノチューブを生成するためにどの触媒が適切であるか、また現有の直パルス式熱分解装置を適用できるかどうかの検討を進めている。本研究はウッドバイオマス(木質廃棄物などを含む木質バイオマス)から超高輝度光源管やFRP成形などに利用可能なウッドカーボンナノチューブの開発し、カーボンナノチューブなどが複合化された高機能化木質炭素化物の開発を目的としている。

本研究では、直パルス式熱分解法を用いてウッドバイオマスからカーボンナノチューブ複合体を効率的に製造するための最適条件を検討し、得られたウッドカーボンナノチューブ複合体の表面解析によって炭素の構造解析を行い、木材の高付加価値化につなげることを目的とする。本年度は廃棄木材中の重金属、特に銅・クロム。ヒ素などが木質の炭素化に及ぼす影響について検討するとともに、木質からカーボンナノチューブを製造するための、触媒炭化について検討した。スギから純度の高い結晶化物を効率的に製造するために、用いる触媒の選択を行った。木質炭素化物にSiO_2、あるいはアルミニウムトリイソプロポキシド溶液によって前処理を行った。さらに、熱分解方法として急速熱分解によって処理した木質炭素化物も準備した。これらの触媒を含む木質炭素化物に対してFe, Ni, Coなどを用いて触媒炭化を行ったところ、アルミニウムトリイソプロポキシド溶液を用いた場合のみ、マルチウォールナノチューブが木質炭素化物表面に生成することが分かった。次に木質炭素化物の高機能化のための黒鉛化処理について検討した。アルゴンガス雰囲気下、室温から500°Cまで電気炉内でスギ(Criptomeria japonica)の木片を予備加熱した。予備加熱により揮発物を除いた後、パルス通電加熱装置(エスエスアロイ(株)VCSP-II)を用いて高温での触媒黒鉛化を行った。得られた試料をX線回折装置(XRD)、X線光電子分光装置(XPS)および顕微ラマン分光(micro-RAMAN)法を用いて分析を行った。1300°Cから2160°Cの間で加熱処理中に木質炭素化物内にアルミニウムカーバイトが生成する。反応中のアルミニウムカーバイトの存在が、カーボンナノチューブや高配向性積層構造の前躯体として寄与する可能性を示唆する結果が得られた。またラマンスペクトルの解析から2200°Cで黒鉛化が最大となることがわかった。XPSにより調べたところ、2200°Cで触媒黒鉛化を行った試験体では欠陥の少ないきれいなグラフェンシートが形成することが明らかとなった。さらに詳細に調べたところ、試験体にダイヤモンド由来のピークが得られた。これらのことから、高温黒鉛触媒化によって得られた生成物は黒鉛とダイヤモンド構造との複合体であることがわかった。ナノチューブの複合化により、更なる高機能化が可能となるだろう。本研究はウッドバイオマスからリチウムイオン電池などに利用可能なウッドカーボンナノチューブの開発し、カーボンナノチューブなどが複合化された高機能化木質炭素化物の開発を目的としている。木質炭素化物は吸着性能や電気伝導度など,炭素化過程において制御することが可能な炭素材料として注目を集めている.スギから作った木質炭素化物は,細胞壁構造の異方性や60%の空隙率を有するにもかかわらず適度な強度をもつ興味深い材料である.しかし現状では,500°C以上の使用において強度低下や酸化が生じるため,限られた用途しかない.