hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
細胞形態・機能調節のための細胞-材料相互作用のナノバイオメカニクス研究

本研究では、細胞-材料相互作用のナノレベルでのバイオメカニクスの理解を押し進め、細胞形態・機能を調節する細胞外環境・材料のメカニカルな条件制御に基づく分子設計指針の拡充を目的とした。一分子観察用超微弱光検出蛍光顕微鏡と原子間力顕微鏡、および顕微分光器のカップリングシステムを応用し、(a)細胞の形態決定に関わる力学的諸要因の定量(膜弾性・膜張力・細胞骨格構造・細胞接着力等)を行い、細胞膜の粘弾性分布と細胞骨格分布の相関解析を進めるとともに、(b)種々のモデル基材・マトリックスの表面特性・力学的特性のナノレベルでの設計と評価、および(c)細胞-材料相互作用の力学的側面からの系統的解析を組み合わせ、細胞形態・機能調節に関わるナノメカニクス要因の総合的解析・有機的理解を目指した。今年度は(a)に関する初年度の成果を踏まえ、次段階として(b)および(c)の課題に取組み、よく制御された力学特性および表面特性を持つ材料表面上での細胞接着形態・機能制御のナノバイオメカニクスを調べた。具体的には、鎖長・密度をよく制御した感温性ポリマーのグラフト表面および微視的粘弾性をよく制御したハイドロゲル表面等の人工細胞外マトリックスを作製し、それらのマトリックスの力学的特性の設計・制御が細胞の接着・伸展特性に与える影響をナノスケールのメカニクス定量法を活用して系統的に解析した。マトリックスの表面における弾性率分布と表面形状の関係、および弾性率レベルと細胞接着性の相関の解析結果から、細胞の接着・伸展には必要なマトリックス表面の硬さ・弾性率・形状条件が見出された。本研究の成果は、組織工学細胞外マトリックス・骨格基材の微視的力学特性設計に対する有効な基礎指針を与えるものと期待される。初年度は以下の二項目について成果を得た。1)形態規制的に培養した細胞のナノバイオメカニクス解析:細胞が基材表面に接着・伸展する際の形態は、膜弾性・膜張力分布と細胞骨格分布の動的変化、および細胞接着界面の安定性等の力学的諸要因間の相互連関によって決定される。このような連関の有機的理解を目指し、本年度は、光化学反応によって作成した微細パターン化表面上でいろいろな形態に規制的培養した細胞について、膜弾性・膜張力分布と細胞骨格分布の動的変化、および細胞接着界面の安定性等の力学的諸要因間の相互連関を調べた。形態規制培養細胞が自然伸展細胞に比べ顕著に硬化する傾向を明らかにした。2)機能調節のナノバイオメカニクス解析:パターン化表面上で形態規制的培養した血管内皮細胞について、NO産生量を蛍光顕微分光によって定性・定量するとともに、Iの手法によって得られるナノバイオメカニクスデータとの相関を解析した。自然伸展→円型→紡錘型の順でNO産生量が低下する一方で、細胞は硬化する傾向を明らかにした。
大学生の個別的課題解決傾向からの脱却をめざして

従来、学習前に誤った法則が持たれているとされていた小学校程度の理数科領域の課題を大学生に尋ねた。この結果、課題によっては半数の者が一貫した判断基準(正誤を問わず)ではなく個別的または複数の判断基準を採用していると考えざるを得なかった。事例判断からの法則抽出を促す教授計画を試行したが効果は限定的だった。教育場面では法則の教授だけでなく論理操作や事例への適用を重視すべき必要があることが示唆される。小学生が持つとされる誤った知識(ル・バー)は、筆者らのこれまでの研究で知識内容により、大学生でも同様であるものと、そうでないものとがあることが明らかとなっている。本研究は前者の知識領域の様相ならびにその修正方略について検討するものである。研究計画初年度は、大学生に対し誤った知識の例としてi)植物の光合成、ii)花や種子の有無についての2領域について検討した。結果を領域別に示す。i)論理操作を施した課題群に対する大学生の回答を検討したところ、事例判断そのものとその回答から帰納させたルールを同定させる課題とは半数弱が一致しなかった。一見したところ、互いに一致しない事例への個別判断とルール判断とが同一回答者の中に共存しているように考えられた。しかし、この不一致状態についてさらに別の大学生に対し自由記述させると、「実以外の緑の部分は光合成する」などといった別種の下位のルールにより判断していると解釈できた。ii)「花が咲くか」「実や種子ができるか」「おしべめしべがあるか」の判断は、それぞれ別種の判断基準により考えられていた。また、各判断は何らかのルールにより演繹して回答したという自覚を持つものは2割に満たず、とりわけ「花が咲くか」については個別解決によるという報告が多かった。またi)のと同様に下位ルールにより判断していると答えた者も23割存在した。これらから、素朴理論ないし誤概念もしくはル・バーとされる知識領域であっても、その誤りの様相は一通りではなく、別種の下位ルールが想定されているもの、個別の判断によるものが混在している可能性が示された。今後は別種の知識領域について検討ずる予定である。本研究は、学習者のもっ誤った知識のうち、単なる一事例の「勘違い」「おぼえちがい」ではなく、数の事例について一貫して誤る判断基準である「ル・バー(誤った自成法則)」に焦点をあてたものである。本研究の目的は大きく2つに分けられる。(1)大学生と小学生が同程度の割合でル・バーを保持している知識領域を対象に、関連する事例群に対する知識の保持状況および、事例とル・バーの関係に関する理解状況、さらには両者をめぐる思考操作の様相について、大学生の回答を検討すること。(2)ル・バー修正のために有効な教授ストラテジーとして、ル・バーに基づいた場合の予測と正しい判断基準による予測のそれぞれの思考操作を含めて対提示した後、結果を示すといった方法が考えられる。この教授ストラテジーの効果を検討する。以上の目的のもと、複数回にわたる調査が実施された。得られた結果は概ね以下の通りであった。(1)植物の光合成、植物の生殖、動物概念、四角形の面積、密度に関する知識領域を対象とした調査を行った。出題者が設定した課題の抽象水準は、必ずしも大学生が回答する際の抽象水準とは同じではないことが改めて示された。この現象をただちに「個別的解決」と呼ぶことはできないものの、従来暗黙裡に想定されていたルールとル・バー(誤ったルール)の単純な対置関係が成立しないということができる。さらに、ルール(誤ルール)と事例との変換操作(演繹・帰納)はかなりの大学生で正しくなされていないことも明らかとなった。ここにいたって、「ルール」対「誤ルール」もしくは「ルール解決」対「個別解決」といった単純な図式で大学生の認識を検討することは必ずしも当を得たものとはならないということが示されたといえよう。(2)複数にわたる領域において、繰返し試みられたのは、学習者自身に自らの反応を振り返って考えてもらう「帰納課題」(回答基準探索課題という名称の方がより実際に近い)であった。これらの課題が回答の一貫性を高める若干の効果がある可能性が見られたものの、効果の検証・確定には至らなかった。
食品工業汚泥を利用した高肥料成分バランス調整型堆肥の創出と肥料供給モデルの導出

堆肥の利便性を高めるために、実際の堆肥化施設において食品工業汚泥を利用した成分調整型堆肥の製造方法と施用効果を検討した。さらに成分調整型堆肥の普及性を調査するために、堆肥の製造から作物栽培までの環境影響評価と経済試算が検証された。その結果、成分調整型堆肥は、食品工業汚泥と牛ふんを融合することによって製造することが可能であり、その堆肥は化学肥料と同等の施用効果を示した。また、成分調整型堆肥の製造と利用は、化学肥料や牛ふん堆肥を製造利用よりも温室効果ガス排出量や生産コストが最も少ないことが示された。それ故、成分調整型堆肥は国内の農畜産業の持続的発展に寄与することが期待される。堆肥化ではNH3などの揮散により窒素成分が失われ、肥料三大成分である窒素-リン酸-カリウムのバランスが悪くなり、ユーザーに取って使い難い肥料となってしまう。本研究は化学肥料の代替となる堆肥の開発とそれに伴う肥料供給モデルを作成することであり、特に平成27年度は(1)食品工業汚泥と牛ふん尿を原料とした高肥料成分バランス調整型堆肥の創出、(2)高肥料成分バランス調整型堆肥の製造過程で発生する環境負荷物質の収支解析、を明らかにすることを目指した。平成27年度課題では、(1)約150m3の実証規模の堆肥化発酵槽を用いて、食品工業汚泥、牛ふん尿、さらには堆肥化過程で発生したアンモニアを水で回収したアンモニア水などを用いて堆肥化した結果、窒素-リン酸-カリウムが5.2-7.8-3.1(%-dm)の高肥料成分濃度の堆肥を製造することが可能であり、材料混合割合などの基礎知見を得た。これは一般的な牛ふん堆肥と比較すると窒素2.4倍、リン酸4.4倍、カリウムが1.1倍となるまた、もう一つの課題である(2)成分調整型の堆肥化における環境負荷物質の収支を明らかにするために、精密小型堆肥化装置を用いて温室効果ガス(N2O, CH4)ならびに悪臭のNH3を連続的に測定した。その結果、窒素等を強化した成分調整型堆肥を製造する過程ではN2OやNH3の増加が懸念されたが、一般的な堆肥材料(牛ふん、鶏ふん、生ごみ、食品工業汚泥)による堆肥化と比較しても温室効果ガスやNH3排出量の著しい増加は観測されなかった。温室効果ガス排出量は生ごみ堆肥の製造時と同程度であり、NH3排出量については、鶏ふんの堆肥化よりも40.6%少ない排出量であった。なお製造後の成分は4.6-7.4-4.1(%-dm)であった。以上のように、平成27年度の研究実施計画に基づき研究が遂行され、結果も十分得られていると思われる。平成27年度の研究実施計画は、(1)食品工業汚泥と牛ふん尿を原料とした高肥料成分バランス調整型堆肥の創出、(2)高肥料成分バランス調整型堆肥の製造過程で発生する環境負荷物質の収支解析の2点を行うことであった。平成27年度は、この両方の課題に取り組み、以下の結果が得られている。(1)高肥料成分バランス調整型堆肥の製造方法(材料混合割合やNH3水の添加時期や添加量)などの基礎的知見を得ることができ、窒素-リン酸-カリウムが5.2-7.8-3.1(%-dm)の堆肥製造が可能であることを実証規模試験で明らかとした。また、この基礎知見によって、今後更なる肥料成分の向上が可能であることが示唆された。(2)精密小型堆肥化装置を用いて、様々な堆肥材料による堆肥化での温室効果ガス(N2O, CH4)ならびに悪臭のNH3を連続的に測定した結果、高肥料成分バランス調整型堆肥の製造は、一般的な堆肥製造と比較して環境負荷物質の排出量を著しく増加させることなく、肥料成分濃度を増加させることが可能であることが示された(窒素-リン酸-カリウムが4.6-7.4-4.1 %-dm)。加えて、成分調整型堆肥の製造効率(窒素利用率)も他の堆肥製造とほぼ同程度であり、リン酸およびカリウムについては高い有効利用率であることが明らかとなった。以上のようにH27年度は研究実施計画に基づき、順調に研究が進められている。さらに平成27年度では、平成28年度に実施計画の「作物栽培試験および施用効果の解明」に一部着手しており、人工気象器等を用いてコマツナなどへの高肥料成分バランス調整型堆肥施用による生育効果や施用効果の検証を進めている。以上のように、H27年度の研究実施計画に基づき研究が遂行されており、さらに平成28年度の研究実施計画に一部着手しているなど、当初の計画以上に進展していると思われる。堆肥化ではNH3などの揮散により窒素成分が失われ、肥料三大成分である窒素-リン酸-カリウムの成分バランスに偏りが生じる。そのため、堆肥は化成肥料と比べて肥料成分が低く、施肥作業等で使い難いといった問題がある。従って本研究は、化学肥料の代替となる堆肥の開発とそれに伴う肥料供給モデルを作成することであり、特に平成28年度は(1)作物の栽培試験および施用効果の解明、ならびに(2)堆肥を施用した土壌から発生する温室効果ガス等の環境負荷物質の動態を明らかにすることを目的とした。

平成28年度課題では、(1)人工気象器を用いたノウバウエルポット,屋外でのプランタおよびビニルハウスでコマツナ、ミニトマト、トマト、ナス、ピーマン、ニンジン栽培を行い,草丈,葉緑素値,収量が測定された。ノウバウエルポット栽培では成分調整型堆肥と化成肥料の施用する窒素量を同量とした場合,コマツナの生育効果は同等程度を示した。またプランタおよびビニルハウス栽培では、より実際の家庭菜園を再現するために,化学肥料と牛ふん堆肥は商品パッケージの施肥量とし,成分調整型堆肥は牛ふん堆肥と同量の施肥量で栽培試験を行った結果,成分調整型堆肥はすべての作物で化成肥料と同等もしくはそれ以上の施用効果を示した。また、もう一つの課題である(2)成分調整型を施用した土壌から発生する温室効果ガス等の環境負荷物質を明らかにするために、土壌排出ガス測定装置を用いてCO2、N2O、CH4、NH3のフラックスを測定した。その結果、成分調整型整堆肥の施用によるNH3、CO2排出量は牛ふん堆肥や鶏ふん堆肥などの一般的な堆肥と比べると低いレベルであり、N2Oはそれらの堆肥と比べると1.1倍程度増加した。また、CH4は土壌に吸収され、メタンのシンク機能が示された。以上のように、平成28年度の研究実施計画に基づき研究が遂行され、十分な結果が得られた。平成28年度の研究実施計画は、(1)高肥料成分バランス調整型堆肥施用による作物栽培試験および施用効果の解明、(2)堆肥を施用した土壌から発生する環境負荷物質の排出量を明らかにすること、の2点を行うことであった。平成28年度は、この両方の課題に取り組み、以下の結果が得られている。(1)高肥料成分バランス調整型堆肥によるコマツナ、ミニトマト、トマト、ナス、ピーマン、ニンジンの栽培試験の結果、いずれも一般に良く使用される牛ふん堆肥の施用と比べても著しく高い収量が得られ、化学肥料と比較しても同程度以上の生育効果が示された。成分調整型堆肥の施用効果の高さには窒素,リン酸,カリウムの三大肥料成分濃度だけではなく,無機態窒素濃度や水溶性およびク溶性リン酸濃度,また堆肥中の微生物やミネラルなどの微量要素が関与していると考えられた。(2)土壌排出ガス測定装置を用いて、牛ふん堆肥、鶏ふん堆肥、食品工業汚泥堆肥、生ごみ堆肥ならびに成分調整型堆肥の施用土壌から排出されるCO2、N2O、CH4、NH3のフラックスを測定した結果、成分調整型整堆肥の施用によるNH3、CO2排出量は牛ふん堆肥や鶏ふん堆肥などの一般的な堆肥と比べると低いレベルであり、N2Oはそれらの堆肥と比べると1.1倍程度増加した。また、土壌施用後の窒素と炭素分析の結果,成分調整型堆肥は,それらの保持割合が最も高いことが明らかとなった。成分調整型堆肥は全ての試験区の中で窒素と炭素の保持割合が最も高く,双方の成分ともに鶏ふん堆肥の4割程度の損失率に抑えられた。窒素の保肥力が高く,土壌有機物でもある腐食物質の損失割合が最も少なかったことから,作物への効率的な窒素の供給や土壌中の炭素貯蔵量の増加が期待でき,土壌物性の改善や植物の生理活性への促進の効果が示唆された。以上のようにH28年度は研究実施計画に基づき、順調に研究が進められている。堆肥化ではNH3などの揮散により窒素成分が失われ、肥料三大成分である窒素-リン酸-カリウムの成分バランスに偏りが生じる。そのため、堆肥は化成肥料と比べて肥料成分が低く、施肥作業等で使い難いといった問題がある。従って本研究は、化学肥料の代替となる堆肥の開発とそれに伴う肥料供給モデルを作成することであり、特に平成29年度は成分調整型堆肥の国内生産ポテンシャルと堆肥の製造から作物栽培に至るまでのLCA(Life Cycle Assessmen)分析と経済的試算を行うことを目的とした。
希土類キレートを標識剤とする生体成分および薬物のイムノアッセイに関する研究

最近、ある種の希土類金属錯体が発する遅延性蛍光をイムノアッセイに応用した時間分解蛍光免疫測定法が開発され、注目されている。本測定法では生体試料中に含まれる來雑物による蛍光を除去できるため、一般の蛍光イムノアッセイに比べて、高感度化が可能で、放射免疫測定法に匹敵する感度が期待できる。一般にイムノアッセイの高感度化に寄与する因子としては抗体の種類、標識物の安定性が挙げられる。時間分解蛍光免疫測定法においてもEu(III)の標識をいかに簡便にかつ安定に行うかが、感度と使いやすさを支配する重要なポイントである。これらを考慮して以下の検討を行った。(1)数種の二官能性キレート試薬を合成し、Eu(III)とのキレートが生理的pH域において安定であることを確認し、さらに標識条件の最適化を図った。(2)最適化した条件でヒト気管支肺胞洗浄液(BALF)および血漿中の生体成分および薬物、例えば、インターフェロン-γ(IFN-γ)、アンジオテンシン,イムノグロブリンA(IgA)などのイムノアッセイ系を確立した。とくに、IFN-γについては血漿中の極めて低濃度のIFN-γを測定するために、抗IFN-γ抗体をビオチン標識し、ストレプトアビジンをEu(III)標識した後、時間分解蛍光イムノアッセイ系を確立した。この測定系により血漿中の40pg/mlのIFN-γを定量することができた。ビオチン-アビジン系による測定法は、抗体をEu(III)標識する必要がないため、測定対象物質のビオチン化抗体を適切に選択すれば、複数のアッセイ系において同一のEu(III)標識ストレプトアビジンを使用することができる。本法はBALFや血漿中の種々の生体成分および薬物の測定が可能であり、従来得ることのできなかった基礎的データが得られるため、種々の難病の病態解析や薬物の投与設計に有用であると期待される。
筋原線維の横紋形成に対する筋誘導因子と筋蛋白質の遺伝子発現に関する形態学的研究

研究目的:(1)骨格筋の誘導因子と筋蛋白質はどのような時間的かかわりを持って発現してくるかを調べる。(2)筋細胞に発現した蛋白質は、筋原線維にどのように取り込まれるかについて調べる。これらのことから筋細胞の発達過程における筋誘導因子と筋蛋白質の遺伝子発現の関係を調べ、筋がどのように誘導され、分化し、横紋構造を形成するかを分析する。誘導因子の発現について:心筋の筋収縮調節蛋白質troponin C成分(CTnC)と筋誘導因子(Myf-5,myogeninとMyoD)の発現をニワトリ胚を用いてWhole mount noin situ hybridisationにより調べた。Myf-5,MyoDとmyogeninはそれぞれ孵卵約23-29時間後、33-38時間後および29-33時間後の大節に発現していた。CTnCmRNAはstage13から発現した。これらの結果は、いままでの報告より発現磁気が早く、それぞれの因子の発現順序は同じであった。筋蛋白質の強制発現について:心筋と骨格筋のtroponin I成分(それぞれCTnIとFTnI)の細胞内での動態追跡のため発現蛋白質にタグ(c-μc)が付随して発現するよう発現ベクターを(pcMVmyc)作製した。このベクターによりCTnIとFTnIを各筋細胞に強制的に発現させ、c-myc抗体による蛍光抗体法を用いて観察した。心筋の筋原線維にはCTnI、FTnIが取り込まれた。しかし骨格筋の筋原線維ではFTnIのみが取り込まれ、CTnIは取り込まれなかった。筋蛋白質の横紋構造への取り込みには優先順位のあることが判明した。次にキメラTnIおよび不完全TnIを各筋に発現させ、TnIの筋原線維への取り込みにはTnIの尾部が重要であることが明らかとなった。以上のことからタグ標識法は筋原線維の形成の解析に有効であった。筋蛋白質は筋原線維に対して固有の親和性を持っており、各筋に特徴的な筋原線維の形成に重要であることが明かとなった。心筋と骨格筋の収縮調節蛋白質troponin I(それぞれCTnIとFTnI)が各筋細胞の筋原線維にどのように取り込まれるか、またこれらのTnI isoformのどの部分が取り込みに関係しているかについて、tag標識したCTnIとFTnI (それぞれtagCTnIとtagFTnI)を培養心筋と骨格筋細胞に強制発現させ、蛍光抗体法により、共焦点レーザー顕微鏡を用いて観察した。発現ベクター(pBK-CMV)にtag(癌遺伝子c-myc)の合成DNAを組み込み、tag標識を発現するベクターを作製した。このベクターに各種のTnI cDNAを組み込むと、TnIのN末側にtagが付随して発現するので、c-myc抗体によりTnI isoformの筋原線維へ取り込みを観察することができる。これらの組み替え体(pBK.tag.CTnIおよびpBK.tag.FTnI)をそれぞれ心筋と骨格筋に導入した。多くの導入方法が検討されたがリポフェクトアミン法が最も効率良く、発現も強かった。tagCTnIとtagFTnIはそれぞれの筋細胞の筋原線維の横紋構造(I帯)に取り込まれた。またtagFTnIは心筋の筋原線維の横紋にも取り込まれた。しかしCTnIの本来発現しない骨格筋細胞にtagCTnIを強制発現させても横紋構造には取り込まれなかった。

各筋細胞の筋原線維におけるtagTnI isoformの取り込みパターンは幼若な心筋と骨格筋におけるTnI isoformの存在様式と同じであった。タグによるTnIの取り込みの阻害はないと考えられた。骨格筋の筋原線維はCTnIを選別し、取り込まない機構が存在することが示唆された。筋収縮の調節蛋白質トロポニンI(Tnl)の心筋と胸筋のアイソフォーム(それぞれCTnlとFTnl)に関し、どの部分が胸筋の筋原線維への取り込みに関与しているのかを調べるため、不完全Tnl(CTnlとFTnlの頭部と尾部、CTnl-head,CTnl-tail1,CTnl-tail2,FTnl-head,FTnl-tail)を培養心筋と胸筋に強制発現させ、Tnlアイソフォームの筋原線維への取り込みのメカニズムについて分析した。CTnl-tail1はCTnl-tail2より長く、両方とも心筋の筋原線維に取り込まれた。しかし相対的に取り込みは弱かった。長いCTnl-tail1の方が良く取り込まれ、特異性も強い傾向にあった。FTnl-tailは胸筋の筋原線維に特異的に強く結合した。これらのことからTnlの尾部は筋原線維へ結合する領域であることが示唆された。CTnlでは心筋の筋原線維に結合する領域がN末側にシフトしているか、まだ発達していないことが考えられる。CTnl-headとFTnl-headはいずれの筋原線維にも取り込まれなかった。しかし頭部が尾部に結合すると尾部の結合性が変化することからTnlの頭部はTnlの尾部の各筋原線維への結合性を増幅したり、結合の特異性を変化させることが明かとなった。これらのことからTnlは機能的に異なる二つの部分を持つことが示唆された。すなわちTnlの尾部(C末側)は心筋および胸筋の筋原線維に特異的に結合する部位であり、Tnlの頭部(N末側)は尾部の筋原線維への結合力を調節する部位であると考えられた。平成7-9年度の研究を総合約に考察し、次のような結論を得た。筋誘導因子の発現について筋誘導因子(Myf5,myogeninとMyoD)の発現をWhole mountのin situ hybridisationにより調べた。Myf-5,MyoDとmyogeninはそれぞれstage7-8(約23-29時間後),10(33-38時間後)および9-10(29-33時間後)の体節に発現していた。これらの誘導因子の発現についてこれまで報告されているものと比較すると、それぞれの均子の発現順序ほ同じてあったが、発現時期は早かった。筋蛋白質の強制発現について心筋と骨格筋の収縮調節蛋白質(それぞれCTnIとFTnI)をタグ標識し、各筋に強制発現させた。心筋の筋原線維にはCTnI、FTnIが取り込まれた。しかし骨格筋の筋原線維ではFTnIのみが取り込まれた。心筋ではTnI isoformに対する許容範囲が広く、どのようなTnIが発現しても機能できるようになっていると思われる。タグ標識法は筋原線椎の形成の解析に有効であることを示した。次にキメラ、C/FTnI(頭部がCTnI、尾部がFTnI)およびF/CTnI(頭部がFTnI、尾部がCTnI)を発現させた。CFTnIとF/CTnIの取り込みパターンはそれぞれFTnIとCTnIのものと同じであった。
スクラップ〜塩素燃料電池を組み込んだ高純度アルミニウムの省電力製造

本研究は、将来益々増大する最終アルミニウム・スクラップを、高純度のアルミニウム金属として再成させる我が国独自の技術を開発すべく溶融塩系電気化学サイクルを提案すると共に,その基本過程の一つである溶融塩系燃料電池の性能開発と評価に関する実験的検討を行ったものである。ここで提案した電気化学サイクルの特徴は,電解原料の生成過程にアルミニウム塩素燃料電池を構成して,アルミニウムがその製造過程で注ぎ込まれた電気エネルギーを有効に回収し、反応生成物である塩化アルミニウムを電解原料とすると共に,電池の出力を電解電力の一部として使用し,電解時に発生した塩素ガスを電池の活物質として再び利用しようとしたところにある。この電気化学サイクルを構成する三つの主要な因子のうち,アルミニウムの電解採取,粗塩化アルミニウムの昇華精製・高純度化については,当研究室におけるこれまでの開発研究により,その実現性が実証されている。本研究報告書は,残る第三の因子であるアルミニウム塩素系溶融塩燃料電池に関して,効率的な作動特性を把握するために,種々実験的検討を重ねた結果について述べたものである。本研究で得られた主要な結果は以下のように要約できる。(1)、電池の出力電流電圧特性を解析した結果,電池性能の向上に対しては,反応抵抗に起因する電圧降下を可及的に小さくする必要がある。(2)、塩素電極の形状に関しては,孔型電極よりも溝型あるいはスリット型電極形状が,塩素ガスの還元反応界面が確実に確保できるため反応抵抗の低減に対して有利である。(3)、塩素還元反応が進行するメニスカス部分の溶融塩薄膜層中の塩素溶存量の大小が,電池の出力特性を実質的に決定する。(4)、反応抵抗とメニスカス長さとの積の値が,メニスカス長さに関せず一定であるという関係が得られた。この知見により,任意にスケール・アップした電池の性能を予め予想することが可能である。アルミニウム・スクラップ塩素ガス燃料電池を構成する際、従来はグラファイトに付加した細孔を通じて、活物質である塩素ガスをバブリングさせる孔型電極について実験的検討を行ってきた。これに対して、多数の碁盤の目状の溝部分に外部から導入した塩素ガスを滞留させる。溝型電極に関して実験を行った結果、より優れた性能を示し、最大値として、1.5V-4A程度のかなり大きな電池出力が得られた。しかし、溶融塩中に存在する水分その他の微量不純物が、電極反応面を汚染するために電池性能の劣化を引き起すとともに、再現性が悪い。これらの対策として、溶融塩試薬の脱水処理を初め、予備電解精製処理及びパルス状極性反転処などの電極劣化防止対策を取る必要がある。上記の実験的検討を行いながら、電池出力電圧低下の要因の一つであり、性能解析に必須の物性値である電極間溶融塩の抵抗を、実際に電池が作動してい状態で測定した。まず、初期設定電極間距離を基準とし、5mm、10mm、15mmの3階段に電極間距離を変化させた。各々の電極間距離に設定した状態で電池を作動させ、電池を開回路にした際の過渡特性(出力電圧の変化)を、一点10μs程度の高速で追跡するとこの速度でも追跡不可能な段落が生じ、この部分の大きさが溶融塩の抵抗による電圧降下に相当する。この電圧と電池作動電流から溶融塩の抵抗を算出し、電極間距離依存性として整理すると、極めて良い直線関係が得られることから、従来の方法に比較してより正確な電極間溶融塩抵抗が求められ、電池出力電圧低下のもう一つの要因である反応抵抗の寄与分の見積りがより正確になる結果、電池の性能解析が容易になった。

アルミニウム・スクラップ塩素ガス燃料電池を構成する際、電池性能の良否を決定する要因が、主に塩素ガス還元電極の反応特性によることが判明し、その改善策について種々の実験的検討を進めてきた。しかし、活物質である塩素ガスが反応する場となる三相界面の増大、反応を有効に促進させる電極構造、有害不純物の除去手法等に関して検討を行った結果、従来採用してきた実験手法のみでは、より電池性能の向上を図る上で限界に来ているものと思われる。そこで今年度は、白金族を主体とする貴金属をグラファイト電極の表面に担持し、その触媒活性による電池性能の向上の可能性について検討することとした。先ず、Pt、Pd、Rh、Au、Agの5種類の金属について、耐浴性及び塩素ガスとの反応性について試験した結果、Pt、Au以外の金属は、腐食が激しいため使用できないことがわかった。そこで、0.5mmのPt及びAu線を10mmのグラファイト棒に螺旋状に巻き付けた塩素電極を作成し、電池特性の測定を試みたが、自然浸漬状態では耐浴性を示した両金属共に、電池作動中の分極状態においては、浴中に全て溶解してしまった。従って、本高温溶融塩浴中では、貴金属といえども金属状態での使用は不可能であり、例えば、導電性を有する酸化物の様な新たな物質を開発する必要があろう。しかし、以上の実験を遂行している過程で、従来行ってきた塩素ガスのバブリングによる浴の流動条件下よりも、静止条件に近い場合の方が良い性能を示すこと、即ち、三相界面がゆっくりと上昇するような条件において、最も電池性能が向上する現象を見いだした。そこで、平成6年度は、この現象に関して実験的に検討を加え、電池性能を左右する三相界面の反応特性をより詳細に調査する。当初に提出した研究実施計画で述べたように、提案したアルミニウム塩素ガス燃料電池の作動時に、塩素電極上で塩素ガスの還元反応を進行させる際に、従来行ってきた塩素ガスのバブリングにより浴を流動させることは、逆に電池出力特性を低下させ、むしろ静止条件に近い場合の方が良い性能を示すことが明らかとなった。そこで、本年度は、この現象に関して実験的に検討を加え、電池性能を左右する三相界面に焦点をしぼって、その反応特性をより詳細に調査することとした。三相界面形状の単純なグラファイト製丸棒型電極を使用して実験的に検討した結果、以下に示すような知見が得られた。まず、塩素ガスの還元反応が進行する、気、液、固三相共存メニスカス部分の溶融塩薄膜層中の溶存塩素濃度は、沖合いの溶融塩中に比べてはるかに高いので、この部分の浴に流動を与えると実質的な濃度低下を招くために、電池性能が低下することになる。また、このメニスカス部分の塩素農厚層を乱さないように、緩やかに反応界面を連続的に更新することが出来れば、最大の電池出力状態を維持することが出来る。さらに、反応抵抗(R_R)とメニスカス長さ(l)との積の値が、メニスカスの長さの違いに関せずほぼ一定であるという関係が得られた。この知見により、任意にスケール・アップした電池の性能を予め予想することが可能である。
渦鞭毛共生藻の物質生産速度および機能の解析

無脊椎動物における微細藻類の体内共生系においては,生産者である微細藻と,消費者である動物が極めて緊密な関係を有している。このような共生系の確立によって生じる宿主と微細藻の間の関係を調べるためには,共生する微細藻の生理特性を十分理解しておくことが必要である。まず,ヒラムシ(扁形動物),リュウキュウアオイ(軟体動物),ハナヤサイサンゴ(腔腸動物)より単離された単離共生藻(渦鞭毛共生藻Symbiodiniumsp.)を用いて,以下の基礎的知見を得た。(1)人工海水(Marine Art SF,千寿製薬)にESMを添加した培地が単離状態での培養に適当であった。(2)生育時の至適温度は,30°Cであり,5°Cでは生育しなかった。(3)光合成は,150μmol/m^2/s程度の光強度で飽和し,また,光補償点は通常の酸素濃度条件下では10μmol/m^2/sであったが,酸素濃度の上昇によって増大した。サンゴ生体における光合成の飽和光強度は400μmol/m^2/s,光補償点は175μmol/m^2/s程度であったことから,サンゴ生体においては,共生藻は,その光合成能力を十分に発揮していない可能性が示された。(4)光合成活性もpH68域では大きな変化はなかったが,高pH域(9<)で著しく減少した。(5)パラオ共和国で実施した共生藻を有する原生動物Foraminiferaおよび造礁サンゴAnthozoa,および大型石灰藻Halimedaの光合成,呼吸活性および海水のpHの同時測定から,Foraminiferagaサンゴ礁におけるCO_2固定および蓄積により効果的な働きが出来ることを明らかにした。(6)サンゴ礁を含めて,海洋における光合成石灰化生物が,高い光合成能を維持している場合はCO_2sinkとして機能しうることを示した。(7)共生藻の代謝を生化学的に解析するために,HPLCによる可溶性蛋白質の分離,構造解析に関する技術開発を行った。無脊椎動物における微細藻類の体内共生系においては、生産者である微細藻と、消費者である動物が極めて緊密な関係を有している。このような共生系の確立によって生じる宿主と微細藻の間の関係を調べるためには、共生する微細藻の生理特性を十分理解しておくことが必要であり、本年度は、ヒラムシ(扁形動物)、リュウキュウアオイ(軟体動物)ハンヤサイサンゴ(腔腸動物)より単離された単離共生藻(渦鞭毛藻)を用いて、その基礎的知見の集積を目的とした。1.培養系の確立のため、至適培地の選択と培養の至適条件を調べ、人口海水Marine ArtにESMを添加した培地が単離状態での培養に適当であることを明らかにした。2.生育時の至適温度は、30°Cであり、5°Cでは生育は見られなかった。3.光合成は、150μmol/m^2/s程度の光強度で飽和し、また、光補償点は通常の酸素濃度条件下では10μmol/m^2/sであったが、酸素濃度の上昇によって増大することを見い出した。

サンゴ生体における光合成の飽和光強度は400μmol/m^2/s、光補償点は175μmol/m^2/s程度であったことから、サンゴ生体においては、共生藻は、その光合成能力を十分に発揮していない可能性が示された。4.呼吸はさほどpHには影響されなかった。また、光合成活性もpH68域では大きな変化はなかったが、高pH域(9<)で著しく減少した。5.5mMNaHCO_3存在下における酸素濃度に対する光合成および呼吸の応答は、宿主種の違いにより異なっていた。これは、各々の共生藻の酸素阻害に対する対応が種によりが特有のものであり、これが宿主種内の微環境の異なりに対する適応であることを示唆する。現在、単離共生藻が細胞外に放出する物質の同定を行い、宿主細胞との物質的な関係について解析している。無脊椎動物における微細藻類の体内共生系においては,生産者である微細藻と,消費者である動物が極めて緊密な関係を有している。このような共生系の確立によって生じる宿主と微細藻の間の関係を調べるためには,共生する微細藻の生理特性を十分理解しておくことが必要である。まず,ヒラムシ(扁形動物),リュウキュウアオイ(軟体動物),ハナヤサイサンゴ(腔腸動物)より単離された単離共生藻(渦鞭毛共生藻Symbiodiniumsp.)を用いて,以下の基礎的知見を得た。(1)人工海水(Marine Art SF,千寿製薬)にESMを添加した培地が単離状態での培養に適当であった。(2)生育時の至適温度は,30°Cであり,5°Cでは生育しなかった。(3)光合成は,150μmol/m^2/s程度の光強度で飽和し,また,光補償点は通常の酸素濃度条件下では10μmol/m^2/sであったが,酸素濃度の上昇によって増大した。サンゴ生体における光合成の飽和光強度は400μmol/m^2/s,光補償点は175μmol/m^2/s程度であったことから,サンゴ生体においては,共生藻は,その光合成能力を十分に発揮していない可能性が示された。(4)光合成活性もpH68域では大きな変化はなかったが,高pH域(9<)で著しく減少した。(5)パラオ共和国で実施した共生藻を有する原生動物Foraminiferaおよび造礁サンゴAnthozoa,および大型石灰藻Halimedaの光合成,呼吸活性および海水のpHの同時測定から,Foraminiferaがサンゴ礁におけるCO_2固定および蓄積により効果的な働きが出来ることを明らかにした。(6)サンゴ礁を含めて,海洋における光合成石灰化生物が,高い光合成能を維持している場合はCO_2sinkとして機能しうることを示した。(7)共生藻の代謝を生化学的に解析するために,HPLCによる可溶性蛋白質の分離,構造解析に関する技術開発を行った。
加齢による舌、咀嚼筋の萎縮におけるmiRNAの役割の解明

本年度はmiRNAの機能を研究する予備段階として加齢による骨格筋に萎縮に機能している蛋白質分解系を明らかにすることを目的として以下のような研究を行った。加えてmiRNAを定量するためのReal time PCR法について検討中である。骨格筋における蛋白質の分解は主にユビキチン・プロテアソーム系およびオートファゴソーム・リソソーム系によって行われている。老化に伴い顕著な筋萎縮が起きるとはよく知られているが、老化による筋萎縮における、この二つの分解系の働きや調節機序については明らかになっていない。本研究においては、老化促進マウス(Klotho)の咬筋、舌筋、腓腹筋におけるこの二つの分解系の働きについて調べた。実験には4週齢のKlotho及び野生型マウス各5匹を用いた。咬筋、舌筋、腓腹筋を摘出し、湿重量を測定した。Western blotting法によりこれらの筋におけるIGFRI、Akt1、Fox03のリン酸化フォーム、オートファゴソーム・リソソーム系のマーカーであるIC3、Gabarap、ユビキチン・プロテアソーム系のマーカーであるMAFbx、MuRF1の発現について調べた。Klothoの咬筋、舌筋、腓腹筋の湿重量は、正常マウスと比較して、それぞれ59%、33%、68%という顕著な減少を示した(p<0.01)。IGFRI、Akt1、Fox03のリン酸化フォームおよびMAFbx、MuRF1の咬筋、舌筋、腓腹筋における発現についてはKlotho及び野生型マウスの間で有意な差異は認められなかった。Klothoマウスの咬筋、舌筋においてGabarapの発現量が正常マウスと比較してそれぞれ249%、279%の増加が認められた。以上の結果からKlotho咬筋、舌筋における筋萎縮にオートファゴソーム・リソソーム系が機能している可能性が示唆された。
地震動と津波の３次元動的統合シミュレーション

本研究では、研究代表者がこれまで開発して来た地震と津波を一つの方程式系で同時に評価することのできる「地震ー津波動的統合計算法」を大きく発展させ、現実的な地形・速度構造をもつ3次元に拡張した。この方法は、運動方程式に重力項を付加し、静水圧平衡のもとで弾性体と流体の現象を一つの方程式系の差分法により同時に計算するものである。大規模な並列シミュレーションに耐えるようなコード開発に成功し、2011年東北地方太平洋沖地震の地震津波統合シミュレーションを実施することで、海底ケーブル地震津波計をはじめとした地震・津波観測記録を再現することに成功した。昨年度までに開発された3次元コードを元に、更なる高性能チューニング、入力データとしての統合日本列島下不均質構造モデルの整備、および東北地方太平洋沖地震の詳細なシミュレーションを実施した。3次元コードチューニングにおいては、相対的に速度の遅いメモリに負荷をかける一時配列の削除等の工夫を追加した。このことにより、「京」コンピュータ上にて計画段階での目標よりも大幅に高い約20%の実効性能を達成することに成功した。また、本研究で開発した計算コードが80,000CPUを超える規模においても有効に働くということが確認された。また、地震調査研究推進本部より公表された長周期地震動予測地図2012年試作版の構造を採用し、本研究で開発した地震動・津波統合シミュレーションコードの入力とするための一連のツールを開発した。このことにより、日本列島および周辺領域の任意の場所を切り出して、地形・地盤構造・モホ面およびプレート境界等の3次元的不均質構造下での大規模地震・津波波動シミュレーションが実施可能な環境が整った。これらを踏まえ、2011年東北地方太平洋沖地震の統合シミュレーションを実施した。強震観測記録とシミュレーションとの比較から本研究によるシミュレーションの妥当性が確認された。一方、海底での津波記録の再現性が充分でないこと、近地での観測波形振幅が過小評価になるなどの差異も明らかになってきた。これは震源過程研究において考慮されていないプレート境界の複雑な形状や海水がシミュレーションに含まれているためであると結論された。海底地形の影響については種々の広帯域地震波形に見られる特徴的記録とシミュレーションとの比較検討も実施した。また、東北地方太平洋沖地震に伴い海底ケーブル観測網が新設されるとの決定に鑑み、海底ケーブル記録を用いたリアルタイム津波推定の実現可能性について予備的検討を行った。昨年度までに完成した3次元大規模地震動津波統一シミュレーション技法と日本列島統一構造モデルをもとに、大規模シミュレーションの継続と、特に地震動における海水の影響の検討を継続して行った。その結果、遠地地震の長周期実体波の後続相として現れていた成因不明の散乱波が、日本海溝の深水深部分における海中音波の多重反射によってもたらされていることが、観測記録の稠密アレイ解析と本シミュレーションコードによる詳細検討により明らかになった。このことは、本研究計画で完成したシミュレーションツールが特定の近地巨大地震のみならずさまざまな条件で有効に用いることができることを示している。そこで、様々な地震に対して本コードでのシミュレーションをより簡便に適用するため、特に差分法シミュレーションにおける構造作成の準備部分について全面的な刷新を行った。その結果、日本列島周辺の地震についてであれば、緯度経度等の基本的震源情報から自動的に周辺の構造を作成しシミュレーションを実施できる環境が整った。これにより、今後の地震動観測・モニタリング研究に対してより積極的にシミュレーションを活用するための展望が開けた。さらに、東日本の太平洋側に海底ケーブルによる地震津波観測網の敷設が進んでいることを踏まえ、津波シミュレーションを観測記録に即時的に同化するための手法開発を行った。その結果、現在開発中の地震津波観測網の記録を即時的に用いてデータ同化を行い、津波波動伝播の様子を再現できることが明らかになった。2次元空間における既存計算モデルをもとに、地震・津波統合シミュレーションの3次元コードへの拡張整備、大規模並列化と計算コードのチューニングを行った。本コードは弾性体の運動方程式に一様な重力項を付加して解くことで、弾性表面波の一種として津波を表現するものである。本手法に基づいて差分法による数値計算コードを作成し、従来型のNavier-Stokes方程式による津波計算との比較を行い、本手法で計算される津波の妥当性を確認した。さらに、計算の構成方程式モデルとして、従来用いていた線形弾性体や標準線形固体に代え、一般化Zener粘弾性体を採用した。このモデルの採用により、計算負荷は増えるもののより広帯域な内部減衰が自由にデザインできるようになった。さらに、計算負荷と必要な内部減衰を達成する帯域幅とにトレードオフがあることを活用し、同じく計算負荷の高い周辺の吸収境界条件とのバランスについての評価を行い、ほぼ完全に並列計算のノード間負荷が等しくなるようにすることができた。

スカラー型並列計算機では、演算性能に比べてメモリからのデータ供給能力(バンド幅)が低いため、多量のメモリを要求する地震動計算ではその性能を完全に発揮することは原理的に不可能である。その制約の中で最大限の性能を充分に引き出した大規模計算を行うため、まずメモリ要求量と計算演算量の比であるB/F値を基準に理論的な性能上限の見積を行い、その理論上限を目標にキャッシュチューニングを行った。ループ分割・融合によるキャッシュ利用促進および共有キャッシュ上にあるデータの再利用を促進するためのチューニング等によりほぼ理論上限に等しいだけの十分な実効性能を達成することが出来た。また、2011年東北地方太平洋沖地震の予備的な再現シミュレーションを実施し、観測記録との比較から計算コードの妥当性を検討した。当初の本年度目標であった(1)三次元計算コードの完成および(2)日本列島下の3次元不均質構造モデルの構築がそれぞれきわめて順調に進み、翌年度目標であった3次元大規模シミュレーションの実施まで部分的に先取り実施することに成功した。本年度の目標である(1)三次元コードの作成および妥当性評価(2)大規模並列計算機での実用的な性能確保の2点が計画通りに達成された。このことにより、現実的な地球構造下における地震動・地殻変動および津波を統一的に再現するための道が開けた。さらに、2011年東北地方太平洋沖地震の予備的シミュレーションを先行して進める等、その実用性も確認できつつある。本年度より実施を始めた東北地方太平洋沖地震の大規模シミュレーションとその結果に対する検討を継続実施する。また、計画立案時には想定されていなかった日本海溝海底地震津波観測網が構築されることになったため、当初計画よりもより稠密な海底観測網を想定したリアルタイム津波検知の実現可能性についてより詳細な検討を行う。2011年東北地方太平洋沖地震をターゲットにし、その地震動・地殻変動そして津波を再現するシミュレーションを継続して行う。それに並行して、シミュレーションを高度化するための地下構造モデルの高度化を進める。主として計算結果の表示および検討に必要な消耗品・成果発表用PCおよび成果発表用学会旅費に使用する。主として進行中のシミュレーションの成果発表のための成果発表費(論文投稿料・発表用ノートPC・可視化ソフトウェア)に利用する。
人間の意図推論に基づく生体情報を用いた知的操作支援が可能な全方向車椅子ロボット

近年、高齢者や障害者を対象とした支援システムの開発が進み、脳波、筋電、視線などの人間の生体情報が幅広く活用されている。中でも視線情報は脳波や筋電と比べると比較的ノイズが少なく、レスポンス性の高い随意的指示入力として利用できるが、視線には無意識反応も含まれる。本研究では、人間の視覚における受容野の働きを模倣した無意識的反応行動を解析できる視覚的顕著性マップと意識的注視行動を示す視線情報を基に、人間の行動意図推定マップをファジィ推論により生成し、無意識的反応を除去した意識的注視に基づく視線指示システムを提案する。さらに人間の意図をより正確に把握するため脳波や筋電などのマルチ生体情報を用いた意識的注視と無意識的反応の分析を行い、全方向車椅子の知的走行支援が可能なシステムの構築を目指す。本研究の初年度(H29年度)では、無意識的な目の動きを行動意図推定する上で抑制し、視線情報において意識的な目の動きを重点的に抽出する手法を提案した。ここでは無意識的な目の動きを抽出する手法として視覚的顕著性マップを利用する。人間の目が無意識的に向けられやすい場所を示した顕著性マップと人間の行動意図が含まれている視線情報を示した視線マップを組み合わせ、ファジィ推論により総合的に判断して行動意図推定マップを構築した。さらに本研究の2年目(H30年度)では、脳波・心拍計測によるストレス度に基づく指示意図の信頼性評価手法を確立する予定であったが、生体信号を用いる前段階として、視線の停留現象に着目し、人間が注視している時間に比例して、視線の意識的な度合いを上昇させる手法を提案し、視線指示における意図抽出に基づく全方向移動電動車椅子ロボットによる走行制御実験を行い、有効性を検証した。初年度において本研究では、人間の無意識の注意情報を示す視覚的顕著性マップモデルと意識的な注視情報を示す視線情報を組み合わせることにより、より正確な人間の行動意図を推定する手法を提案した。ここでは、顕著性マップと人間の行動意図が含まれている視線マップを組み合わせ、ファジィ推論により統合して行動意図推定マップを生成し、全方向車椅子を走行制御するための視線教示システムを構築した。本手法に基づき、全方位カメラを用いて全方向車椅子の走行教示実験を行い、有効性を検証した。さらに2年目では、視線計測における意識度と顕著性マップによる無意識度の抽出において、特に意識度については視線の存在する場所にのみ一定値の意識度を与えていたが、視線情報の中でも停留時間にも人間の意識的な情報が含まれていることに着目して、まず意識度の検出精度の向上を行うことにした。ここでは、視線の停留現象に着目し、人間が注視している時間に比例して視線の意識的な度合いを上昇させる手法を提案し、全方向移動電動車椅子ロボットによる走行制御実験で視線指示における意図抽出に対する有効性を検証した。本研究成果については初年度に国際会議(FUZZ-IEEE2017)にて報告するとともに、2年目に日本知能情報ファジィ学会誌(30巻5号)にも論文が採録された。また、本研究に付随する研究として、初年度には筋電位による車椅子走行制御や人間の情動状態推定など生体情報における関連研究について国際会議(IFSA-SCIS2017)と国内学会(FSS2017)にて発表し、2年目には人間とロボット(機械)とのインタラクション研究の研究成果を国際会議(WCCI2018、SCIS-ISIS2018)および日本知能情報ファジィ学会誌(30巻5号)にて発表することができた。上記のように本研究における達成度は当初の予定どおり概ね順調に達成したと判断される。最終年度である3年目の本研究では、2年目に注視時間に基づく視線情報による意識度抽出を行ったため、生体信号による人間の指示意図の信頼性評価手法について検討し、全方向電動車椅子ロボットによる知的走行支援システムの構築と性能評価試験を行う予定である。これまでに本研究室で行ってきたマルチ生体信号計測に基づくリラクゼーションサウンド生成システムのノウハウを生かして、操作者が視線による指示を出している際にどの程度のストレス負荷があるかを生体信号計測装置(ニホンサンテク(株)社製、科研費により購入済)で計測した生体信号により評価する。この際、ストレス度はリラクゼーション度とは逆の相関があると考えられるが、指示意図の信頼性については、また新たな評価指標を検討する必要がある。計測に用いる生体信号も脳波、心拍、発汗、筋電など様々な値を計測して、最もストレス度の評価に向いたものを選択することを考えている。3年目の性能評価試験では、初年度に製作した全方向電動車椅子ロボットを用いて、全方位カメラまたは前方カメラ(研究室所有)による環境情報の映像を着座した車椅子の操作者前方に設置したモニタに映し、これを見ながら操作者は視線による目標地点を指示し、顕著性マップの算出によりファジィ意図推論を行いながら、車椅子を走行制御する。その際、同時に操作者の生体信号を基に人間のストレス度などの心理状態を把握しながら算出された信頼度に応じて、操作者の指示内容を実際の操作に反映させる実験を行う予定である。最後に本研究の成果報告については、12年目までと同様に国内学会や研究会だけではなく、国内・海外における国際会議にも積極的に参加して外部発表を行い、昨年と同様に可能な限り課題研究の期間内に研究成果を学術論文として投稿したいと考えている。中でも視線

情報は脳波や筋電と比べると比較的ノイズが少なく、レスポンス性の高い随意的指示入力として利用できるが、視線には無意識反応も含まれる。本研究では、人間の視覚における受容野の働きを模倣した無意識的反応行動を解析できる視覚的顕著性マップと意識的注視行動を示す視線情報を基に、人間の行動意図推定マップをファジィ推論により生成し、無意識的反応を除去した意識的注視に基づく視線指示システムを提案する。さらに人間の意図をより正確に把握するため脳波や筋電などのマルチ生体情報を用いた意識的注視と無意識的反応の分析を行い、全方向車椅子の知的走行支援が可能なシステムの構築を目指す。人間の意識的な目の動きには行動意図が含まれているが、無意識的に目の注意が向いてしまう事象に対しては行動意図が含まれていないと考えられる。そこで本研究の初年度(H29年度)では、無意識的な目の動きを行動意図推定する上で抑制し、視線情報において意識的な目の動きを重点的に抽出する手法を提案した。ここでは無意識的な目の動きを抽出する手法として視覚的顕著性マップを利用する。人間の目が無意識的に向けられやすい場所を示した顕著性マップと人間の行動意図が含まれている視線情報を示した視線マップを組み合わせ、ファジィ推論により総合的に判断して行動意図推定マップを構築した。本研究において初年度では、まず科研費配分経費を用いて実験に用いるインナーモータ型オムニホイールを4輪有する全方向電動車椅子ロボットの設計・製作を行った。さらに、非接触型の視線計測装置(DITECT社・QG-PLUS mini)を用いた視線指示における意図抽出に基づく全方向移動電動車椅子ロボットによる走行制御実験を行った。初年度において本研究では、人間の無意識の注意情報を示す視覚的顕著性マップモデル(Ittiらにより提案)と意識的な注視情報を示す視線情報を組み合わせることにより、より正確な人間の行動意図を推定する手法を提案した。ここでは、人間の目が無意識的に向けられやすい場所を示した顕著性マップ(Saliency Map)と、人間の行動意図が含まれている視線情報を示した視線マップ(Gaze Map)を組み合わせ、ファジィ推論により総合的に判断して行動意図推定マップ(Intention Map)を生成する。人間の目の動きとその人が見ている風景から生成された行動意図推定マップをファジィ推論により抽出し、全方向車椅子を走行制御するための視線教示システムを構築した。本手法に基づき、全方位カメラのパノラマ展開画像を用いて全方向車椅子の走行教示実験を行ない、単なる視線情報のみによる走行制御と比較した結果、操作の快適性において有効性を検証した。これらの手法提案、有効性検証実験結果については、年度内の国際会議(FUZZ-IEEE 2017)にて報告することができた。また、視線以外で筋電位による車椅子走行制御や人間の情動状態推定など生体情報における関連研究についても国際会議(IFSA-SCIS 2017)と国内学会(FSS 2017)にて発表することができたので、今後の研究にも生かしたいと考えている。上記のように、本研究における達成度は当初の予定どおり概ね順調に達成したと判断される。近年、高齢者や障害者を対象とした支援システムの開発が進み、脳波、筋電、視線などの人間の生体情報が幅広く活用されている。