hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
カーボンナノチューブと廃プラスチックを用いた無機/有機複合薄膜センサーの合成

本研究の目的は、発泡スチロール及びPETボトルの廃プラスチック材料を用いて、表面に各種のポリマーを化学結合(グラフト)した導電性のカーボンナノチューブやカーボンブラック等の無機ナノ材料との共在下で、ケイ素アルコキシド等のゾルーゲル反応を行うことにより、ポリマーや無機ナノ材料がマトリックスゲル中に均一に分散した柔軟性を有する導電性無機/有機複合膜を合成することにある。さらに、添加する廃プラスチックと無機ナノ材料表面のグラフトポリマー鎖との種類を適宜変化させて組み合わせることにより、得られる複合膜の吸着特性を任意に制御する手法を確立して、種々の溶媒蒸気や気体分子に対して選択的に応答する機能、すなわち、分子センシング機能を付与し、この選択的吸着能を複合膜の電気抵抗値の変化で検出する薄膜センサーへの応用について試みた。添加するポリスチレン及びポリエチレンテレフタレートと、無機ナノ材料表面のグラフト鎖との組み合わせを変えて無機/有機複合膜を合成し、様々な気体分子のセンシング機能をテストした。その結果、曝露蒸気に対する、添加するポリマーの親和性と無機ナノ材料表面のグラフト鎖の親和性とが一致する場合は、両者が一致しない組み合わせの場合に比べて、気体分子の選択的吸着特性が著しく増大した。すなわち、ポリマー及びグラフト鎖との親和性が高い気体分子(溶媒蒸気)が、選択的に良く吸着されることがわかった。さらに、気体分子を選択的に吸着する際には、無機/有機ナノ複合膜の電気抵抗値が大きく変化することも明らかになった。従って、この様な無機/有機ナノ複合膜の性質を利用することにより、新規なガス薄膜センサーとして利用できることが示唆された。本研究の目的は、発泡スチロール及びPETボトルの廃プラスチック材料を用いて、表面に各種のポリマーを化学結合(グラフト)した導電性の無機ナノ材料との共在下で、ケイ素アルコキシド等のゾルーゲル反応を行うことにより、ポリマーや無機ナノ材料がマトリックスゲル中に均一に分散した柔軟性を有する導電性無機/有機複合膜を合成することにある。さらに、添加する廃プラスチックと無機ナノ材料表面のグラフトポリマー鎖との種類を適宜変化させて組み合わせることにより、得られる複合膜の吸着特性を任意に制御する手法を確立して、種々の溶媒蒸気や気体分子に対して選択的に応答する機能、すなわち、分子センシング機能を付与し、この選択的吸着能を複合膜の電気抵抗値の変化で検出する薄膜センサーへの応用についても試みる。平成18年度は、導電性無機ナノ材料としてカーボンナノチューブ及びカーボンマイクロコイル(CMC)を選択し、ゾルーゲル法による廃プラスチック材料からのポリマーと導電性無機ナノ材料とを含有する無機/有機ナノ複合膜の合成について検討した。CMC表面に存在するOH基を足場として、表面にポリスチレンやポリエステルをグラフトすることにより、廃プラスチック材料であるポリスチレン及びポリエチレンテレフタレート中に均一に分散するポリマーグラフト化CMCを合成(グラフト率:560%)した。また、ポリスチレン及びポリエチレンテレフタレートと親和性を有するマトリックスゲルを合成するために、ゲルを構成する金属アルコキシド成分について詳細に検討した結果、フェニル基を置換基として有するケイ素アルコキシドを用いると、ポリマーが均一に分散したマトリックスゲルを合成できることがわかった。このようなケイ素アルコキシドを用いて、廃プラスチック材料からのポリスチレン及びポリエチレンテレフタレートと、ポリマーグラフト化CMCとの共存下でゾルーゲル反応を行ったところ、ポリマーと無機ナノ材料の2つの成分がマトリックスゲル中に均一に分散した無機/有機複合ゲルが合成でき、これをフィルム状にキャストすることにより薄膜化できることが明らかになった。

さらに、添加する廃プラスチックと無機ナノ材料表面のグラフトポリマー鎖との種類を適宜変化させて組み合わせることにより、得られる複合膜の吸着特性を任意に制御する手法を確立して、種々の溶媒蒸気や気体分子に対して選択的に応答する機能、すなわち、分子センシング機能を付与し、この選択的吸着能を複合膜の電気抵抗値の変化で検出する薄膜センサーへの応用についても試みる。平成19年度は、導電性無機ナノ材料としてポリマーを表面グラフトしたカーボンブラック、カーボンナノチューブ、及びカーボンマイクロコイル(CMC)を用いて、ゾルーゲル法による廃プラスチック材料からのポリマーと導電性無機ナノ材料とを含有する無機/有機ナノ複合膜の合成と、得られた無機/有機ナノ複合膜をガス薄膜センサーへ応用する試みについて検討した。添加するポリスチレン及びポリエチレンテレフタレートと、無機ナノ材料表面のグラフト鎖との組み合わせを変えて無機/有機複合膜を合成し、様々な気体分子のセンシング機能をテストした。その結果、曝露蒸気に対する、添加するポリマーの親和性と無機ナノ材料表面のグラフト鎖の親和性とが一致する場合は、両者が一致しない組み合わせの場合に比べて、気体分子の選択的吸着特性が著しく増大した。すなわち、ポリマー及びグラフト鎖との親和性が高い気体分子(溶媒蒸気)が、選択的に良く吸着されることがわかった。さらに、気体分子を選択的に吸着する際には、無機/有機ナノ複合膜の電気抵抗値が大きく変化することも明らかになった。従って、この様な無機/有機ナノ複合膜の性質を利用することにより、新規なガス薄膜センサーとして利用できることが示唆された。
骨伝導聴覚刺激による P300 応用意思伝達支援システムの実用開発

近年注目される脳波応用による生活支援機器の開発について,従来からの視覚刺激ではなく,聴覚刺激で導出される事象関連電位P300成分を応用した新たな意思伝達支援システムを独自に提案して開発に向けた基礎研究を進めた.骨伝導音(BC)の有用性について,気導音(AC)によるP300成分導出条件と比較検討した.波形解析はオフ・ラインで得られた7人の健常被験者の結果より検討した.全被験者で安定したP300成分導出がAC及びBC刺激条件において可能であり,新たな脳波応用支援機器構築の可能性が示唆された.近年注目される脳波応用による生活支援機器の開発について,従来からの視覚刺激ではなく,聴覚刺激で導出される事象関連電位P300成分を応用した新たな意思伝達支援システムを独自に提案して開発に向けた基礎研究を進めた.骨伝導音(BC)の有用性について,気導音(AC)によるP300成分導出条件と比較検討した.波形解析はオフ・ラインで得られた7人の健常被験者の結果より検討した.全被験者で安定したP300成分導出がAC及びBC刺激条件において可能であり,新たな脳波応用支援機器構築の可能性が示唆された.事象関連電位P300成分(以下P300成分)はヒトにおける注意,集中,予測,探索,意思決定や記憶など,認知過程全般の脳実質の活動を反映する特徴的な脳波成分の一つとして理解されている.臨床医学における検査・診断では,その特徴成分の導出に極めて希に出現する視覚刺激(低頻度標的刺激)や視覚刺激を弁別選択させる課題(オドボール課題)が用いられることが一般的である.また,P300成分は目的的な事象解決に関連した脳の受動応答による長潜時内因性成分であり,課題遂行時の精神的耐久性など,課題処理過程での心理的状態が大きく関わることが知られる.本研究では,重度神経筋疾患者(児)のPCを介した新たな支援技術(AT)への応用としてP300成分に注目し,従来からの導出条件には用いられていない骨伝導聴覚刺激を用いた脳波応用支援システムの実用化に向けた研究を計画実施した.本年度は,より多くの健常成人の協力を得て(倫理審査により了解が得られた22名),骨伝導聴覚呈示に際しての頭部伝達特性を利用し,片側からの振動子固定による両側内耳刺激により呈示した骨伝導刺激条件においての目的成分の導出傾向について検証した.22名中21名において安定したP300成分の導出が可能であった.骨伝導による聴覚刺激においては,交叉性聴取されやすいという伝導特性の利点を活かした,より簡便な課題呈示と導出電極配置を含めたシステム構成が可能であることが示唆される結果が得られた.次年度からは,健常被験者において得られた目的的な成分導出によって選択可能な簡易の脳波応用支援システム(P300型BCIシステム)を構築し,その操作効率・精度に関する基礎的検討と,聴覚刺激条件に関わる課題と骨伝導聴覚刺激による課題呈示の有用性について検討を進めていく考えである.H23年度研究計画は以下の4項目を主眼に研究計画を進めた.1:基本的な両耳則からの骨伝導聴覚刺激によるP300応用BCIシステムを構築.2:オンライン・データ分析システムの設計と抽出アルゴリズムの検討・開発.3:目的成分のオンライン分析とコマンド発信システムの検討・構築.4:脳波応用技術の開発研究を進めている研究機関との連携と情報収集,以上の計画実施により,実験用の骨伝導刺激によるP300型BCIシステムを構築した.健常被験者5名による実験で,フィードバック機構を持たせたシステムの操作実験を行った.結果,目的P成分導出はすべての被験者で可能であった.また,得られた成分の最大振幅値には個人差が大きく,オンライン上での特徴抽出パラメータとしては,個人ごとの抽出条件を設定した目的成分の同定が効率的なユーザ・フィードバックに影響する傾向にあった.受聴者の明瞭度を担保した刺激の呈示条件としては,音圧レベル(SPL)70dB程度が必要であった.しかし,被験者によっては刺激伝導子の接地面で振動による体性感覚刺激に至る例があり,刺激音の呈示時間と受聴者の感覚量とを把握できるオージオメータ等を用いたnormal hearing level (nHL)での客観的検討が必要であった.また,最適な呈示条件については,骨伝導による交叉聴取(CH)機構を加味した検討についても基礎的実験が必要であると判断された.次年度に向けても前述の課題を検討し,1:オフライン・データ分析・処理システムの検討,2:最適特徴抽出アルゴリズムの検討,3:ユーザ・フィードバック時のオンライン・データ分析・処理に関わる算出アルゴリズムの検討に主眼を置いて研究を進める.具体的なデバイス操作を想定した基本システムの整備・構築の可能性について検証を進め,骨伝導聴覚刺激を用いたP300型BCI構築の可能性について研究を進める.極めて重症な神経筋疾患者・高位頸随損傷者の新たなヒューマン・インタフェース構築を最終目標とし,従来からのbrain-computer interface: BCI研究では用いられていない骨伝導刺激音によるP300型BCI構築のための開発実験を行った.

これまでの検討から,骨伝導の伝達特性を加味した弁別課題においても気導聴覚刺激と同様に有用なP300成分の導出が可能であった.最終年度は,より多数の健常者を対象とし,P300成分の安定導出のための最適な刺激呈示条件を詳細に検証した.骨伝導音の音圧レベル,周波数,持続時間などの特徴パラメータ変化,骨伝導振動子の設置位置による両側内耳への伝導特性の検討など,P300成分の頂点振幅値,潜時などからその最適条件を検討した.最適な刺激条件に合わせた刺激実験システムの構築を進め,臨床活用を想定したより実用的な段階に発展させることを目標とした.最終年では,4項目の1.基本的な骨伝導聴覚刺激によるP300応用BCIシステムの構築,2.オンライン・データ分析システムの設計と抽出アルゴリズムの開発・構築,3.刺激提示による事象関連電位のオンライン分析とコマンド発信システムの設計・構築,4.先進的な脳波応用技術の開発研究を進めている研究機関との連携と情報収集について本研究成果の積極的な伝達・発信を実施した.超磁歪型ヘッドホンを用いた骨伝導音弁別選択課題では,音圧レベルの条件で約55 dB程度が良好なP300導出に適しているものと考えられた.従来からのP300型BCIシステムに応用されていない骨伝導音によるBCI構築が可能であると考えられた.骨伝導音刺激に特化した先行研究は,伝音難聴者(児)の埋め込み型人工内耳に関わるもの以外に極めて少なく,基礎的なヒトにおける骨伝導音の伝音系と感音系をより明確とした検討が必要であった.本年度実施により収集できたユーザ・フィードバックによる健常者データは5名程度となっているが,フィードバソク実験の実施においては本年度当初計画通り進捗している.24年度が最終年度であるため、記入しない。最適な刺激条件をより明確にする上で,両耳側からの骨伝導刺激音の受聴者特性を客観的に把握するための基礎的検討が必要となった.本研究申請の計画・予算範囲で客観的な実験データ解析・検討を進め,今後の課題を明確に出来るよう研究を進める.関連する課題について,先駆的に研究推進している研究機関との連携や情報収集・交換を更に進める.24年度が最終年度であるため、記入しない。
Roothaan-Hartree-Fook原子波動関数の改良

基底関数展開を用いるRoothaan-Hartree-Fock(RHF)近似の原子波動関数は、それ自身、原子の電子状態の解明に基本的情報を与えるだけでなく、分子系への応用における基底関数を提供するという重要な役割を持つ。1974年、ClementiとRoetti(CR)によって発表された、HeからXe原子までのRHF波動関数は、Slater型基底関数(STF)を用いた標準的な原子波動関数として、様々な研究に利用されている。しかしながら、CR波動関数には種々の問題点がある事も知られている。RHF原子波動関数が原子分子研究に果たす重要性を考えて、CR原子波動関数表の吟味と改善を行った。ここでは、Single-Zeta(SZ)およびDouble-Zeta(DZ)近似波動関数とNear Hartree-Fock波動関数の結果を報告する。通常の(conventional)SZ関数をCSZ、今回の改善された(improved)SZ関数をISZと呼ぶ。まず、CRによるCSZの{ζ}は妥当である事を確かめた。次に{n}と{ζ}を同時に最適化した結果、He-Mg原子はCSZが最適であった。しかし、Al-Xe原子のすべてに、CSZより優れたISZが見出された。全エネルギーの改善はAlで0.0015auであるが、Xeでは6.4auにも達する。最適な{n}に規則性は無いが、次の傾向が見られる。(i)ns(n≧2)AOでは、3s-STFが全体的に良い近似を与える。(ii)p-AOに対しては、2p-STFが良い。しかしAs原子以降、3p-STFも寄与する。(iii)d-AOには、3d-STFが適切である。全エネルギーの改善とともに、軌道エネルギーも大きく改善された。{ζ}を再最適化した結果、CRによる通常のDZ関数(CDZ)の{ζ}は十分正確でない事がわかった。再最適化によるCSZの全エネルギーの最大の改善は、Se原子で0.0040auであった。また、彼らのRh原子の計算結果は完全な誤りである。{n}と{ζ}の同時最適化により、更に改善されたDZ関数(IDZ)がLi-Xe原子のすべてに見出された。CSZに対するISZの全エネルギー低下は、最大で0.0267au(Pd原子)であった。SZの場合と同様、軌道エネルギーもほとんどの原子で改善された。Near Hartree-Fock波動関数として頻繁に使用されているCR波動関数の全エネルギーの数値的Hartree-Fock法(NHF)全エネルギーに対する誤差を調べると、原子番号Zの関数として極めて不規則である。また、いくつかの原子では、ビリアル比が真の値-2からかなり離れている。そこで、CR波動関数の軌道指数の再最適化を行った。その結果、HeからXeまでの全原子に対して、全エネルギーの改善が得られた。最大は、Cd原子の0.053a.u.である。ビリアル比の誤差は全ての結果において1.0×10^<-7>以下であった。He-Kr原子では、全エネルギーのNHF値からの誤差は、0.001a.u.以下に減少し、誤差はZの滑らかな関数となった。軌道エネルギーも改善された。しかし、Rb-Xeでは、今回の改善は原子価領域の犠牲を伴っており、第4周期原子に対しては、CRの波動関数は基底関数が不足している事を示している。同様の状況が、CR原子波動関数表のカチオンとアニオンにも見られる。STFの主量子数の変分的決定を含むNear Hartree-Fock波動関数の作成は現在も進行中である。

(iii)d-AOには、3d-STFが適切である。全エネルギーの改善とともに、軌道エネルギーも大きく改善された。{ζ}を再最適化した結果、CRによる通常のDZ関数(CDZ)の{ζ}は十分正確でない事がわかった。再最適化によるCSZの全エネルギーの最大の改善は、Se原子で0.0040auであった。また、彼らのRh原子の計算結果は完全な誤りである。{n}と{ζ}の同時最適化により、更に改善されたDZ関数(IDZ)がLi-Xe原子のすべてに見出された。CSZに対するISZの全エネルギー低下は、最大で0.0267au(Pd原子)であった。SZの場合と同様、軌道エネルギーもほとんどの原子で改善された。Near Hartree-Fock波動関数として頻繁に使用されているCR波動関数の全エネルギーの数値的Hartree-Fock法(NHF)全エネルギーに対する誤差を調べると、原子番号Zの関数として極めて不規則である。また、いくつかの原子では、ビリアル比が真の値-2からかなり離れている。そこで、CR波動関数の軌道指数の再最適化を行った。その結果、HeからXeまでの全原子に対して、全エネルギーの改善が得られた。最大は、Cd原子の0.053a.u.である。ビリアル比の誤差は全ての結果において1.0×10^<-7>以下であった。He-Kr原子では、全エネルギーのNHF値からの誤差は、0.001a.u.以下に減少し、誤差はZの滑らかな関数となった。軌道エネルギーも改善された。しかし、Rb-Xeでは、今回の改善は原子価領域の犠牲を伴っており、第4周期原子に対しては、CRの波動関数は基底関数が不足している事を示している。同様の状況が、CR原子波動関数表のカチオンとアニオンにも見られる。STFの主量子数の変分的決定を含むNear Hartree-Fock波動関数の作成は現在も進行中である。
線維芽細胞成長因子(FGF)21の機能発現に関わる分子の同定

内因性分子の挙動が不安定であることが判明し、まず、局在を含めたタンパク分子の挙動に着目した。生化学的な解析から肝臓、膵臓、小腸と限られた発現臓器の中で組織特異的な糖鎖修飾を受けること、また、免疫組織学的解析から肝臓では微絨毛に極性を持って分布すること、膵臓ではβ細胞にてよくインスリン顆粒と共局在することを明らかにした。本研究では、1)FGF情報伝達系が代謝調節に関与する分子機構の解析、2)糖尿病などの代謝異常疾患との関わりを明らかにする事を目的としている。FGFはヘパリンを介して細胞膜上に局在・2量体を形成する。受容体の活性化にもヘパリンによる2量体構造が重要と考えられている。しかし、FGF21を含むFGF19サブファミリーはヘパリン結合領域が欠失、内分泌因子として挙動する仕組みを示した(Goetz, et. al., MCB 27(9):3417-28,2007)。この結果は、FGF19サブファミリーの情報伝達に必須であるKlothoファミリーが、FGF19サブファミリー特異的なヘパリン様作用、ひいては組織特異的作用がKlothoファミリーの発現に依存する可能性を示唆する。一方、膵臓β細胞においてFGF受容体1C型特異的に機能を阻害するとII型糖尿病が誘導される。我々は発症に至る分子機構の一端が、FGF21・βKlotho依存的な情報伝達機構にあると想定し、膵臓β細胞でのβKlothoの発現、また、FGF21に反応する事を確認した。現在、分化した細胞株・個体を用いた実験を想定し、ウイルスによるβKlotho発現制御系の開発を進めている。I型膜タンパクであるβKlothoは選択的に線維芽細胞増殖因子(FGF)受容体と複合体を形成する。その結果、βKlotho・FGF受容体複合体はFGF21との安定した結合が可能となり、FGF受容体を介した細胞内への情報伝達が可能となる。興味深いことに、FGF21にインスリン活性を増強する機能のあることが遺伝子改変マウスを用いた実験から示され注目を集めている。本研究では、当初膵β細胞由来細胞株を用いたFGF21の標的分子の探索を目標とした。ところが、膵β細胞由来細胞株として選択したmin6細胞の形質が不均一でスクリーニングが難航している。実験に供した4種のmin6細胞でβKlothoの発現が不安定であることが原因であると仮定し、まず内因性βKlothoの挙動の解析を試みた。抗βKlotho抗体を用いて発現組織の検索を進めたところ、肝臓、小腸、皮膚、膵臓での発現を確認した。膵臓での発現に注目し、免疫組織学的手法に拠り解析を進めたところ、ランゲルハンス氏島にβKlothoの特異的な発現が確認された。さらに抗βKlotho抗体と抗インスリン抗体を用いて二重染色を行った結果、陽性反応を示す細胞が一致した。すなわち、ウエスタンブロティングで観察された膵臓におけるβKlothoの発現がβ細胞由来であることが明らかとなった。この結果、FGF21が膵β細胞を直接のターゲットとして代謝機能を制御している可能性が示された。
コプレーナ導波路を用いた液晶ハイブリッド化ミリ波制御デバイスに関する研究

平板型の優れた高周波導波路の中でも集積化に有利な電極構造を有するコプレーナ導波路(CPW)に注目し、液晶ミリ波位相変調器を実現する試みを行った。CPW基板上にスペーサを介して適当な大きさの電極基板を積層する事により、通常の液晶デバイスと同じサンドイッチ型のセル構造を簡単に導入できるため、液晶を集積化した位相変調器が容易に実現できる事を実験的に示した。また、FDTD解析によってその動作特性を詳しく調べると共に、上部電極構造、誘電体基板等の最適化により50GHz程度までの良好な位相変調特性が実現された。CPW基板は全ての電極が同一平面内にあるため、半導体を初めとする他の素子との集積化に有利である。本研究では、ガラス基板を適当な大きさのスペーサを介してCPWの一部にマウントする事により通常の液晶デバイスと同じサンドイッチ型のセル構造を構成し、マイクロ波からミリ波帯における電子的な位相変調器としての動作を確認した。さらに、ガラス基板に適当な電極を導入する事により駆動電圧を大幅に低下させる効果があるものの損失も大きくなるため、必ずしも望ましい改善効果が得ちれない事も分かった。そこで、何らかの共振効果を導入する事によって位相変調特性を改善する事を目的として、上部電極の前後に三角形の突起を設けた6角形の電極構造を適用して評価を行った。その結果、適当な長さの突起形状を用いる事により、特定の周波数領域で損失を増やさずに大幅に位相変調特性が改善される事が明らかになった。使用する周波数が限定されている場合、大幅な位相変調特性の改善手法として極めて有用である事が分かった。一方、液晶材料を用いるメリットが大きく期待されるさらに高い周波数領域での動作を目指して、CPW基板自体の改善に取り掛かった。すなわち、基板の低誘電率化による改善効果について検討するためにFDTD法を用いて最適な電極形状の設計を行うと共に実際にCPW基板の試作を行った。その結果、低周波領域ではあまり変わらないものの高周波領域で大幅に透過損失が小さくなること等が明らかになり、今後の展開に有用な成果が得られた。全ての電極が一平面上にあるCPW基板は、液晶素子等を高周波回路に容易に組み込む事ができ、集積化の点で有用である。このような特徴を生かして液晶を用いた位相変調器の実現を目指した取り組みを行ってきたが、液晶駆動用の電極および基板の損失等によって動作周波数が30GHz程度までに制限されていた。昨年度、基板自体の低誘電率化を目指して素子設計を見直す事により良好な特性が得られる可能性を見出した。本年度は、実際に新しい設計指針に基づく液晶位相変調器を試作しその評価を行った。その結果、これまで動作が確認されていなかった50GHz程度まで良好な位相変調特性が得られた。低周波領域における変化量は、これまで最も大きな可変量が得られているパターン電極の導入による共振特性を利用したものと同程度であるが、損失の大幅な低下によって高い周波数領域において大幅な改善効果が得られた。しかも、共振効果などを利用したものではないため、上限の周波数領域まで直線的な変化特性が得られる使い易いデバイスが実現された。一方、CPW上にセル構造を構成する本手法の特徴を利用して、材料センシングに用いる可能性を検討した。ミリ波帯のような高い周波数領域で液晶位相変調器を実現するためには液晶材料評価法も重要であるが、従来は導波管を利用した比較的多量の測定試料を必要とする手法が用いられてきた。本研究で提案している高周波回路を用いたセル構造を利用する事により格段に少ない試料で測定が可能になる事を示した。現時点では材料の絶対値を正確に求めるためのキャリブレーション法の開発が重要な課題として残されているが、今後この手法を実用するための有用な知見が得られた。液晶材料を導入するためのセル構造をコプレーナ線路(CPW)基板上にハブリッド化した素子構造を用いて、位相変調器としての可能性および超高周波帯における材料評価用セルとして用いる可能性の両面から検討を行なった。材料測定の検討としては、これまで超高周波領域での物性が知られていない高温ネマティック液晶PAAについて測定を行った。相転移前後における誘電特性の変化、および分子配向方向と異方性の関係等を明らかにした。マイクロリットル程度の微量な試料で高い測定感度が得られる事を確認したが、良好な可変ショートを導入する事によって測定精度の面でも更に性能の向上が見込まれる。次に、位相変調器としての検討に関しては、より大きな可変効果が期待できるマイクロストリップ線路(MSL)を基本回路として用いる新しい方法を検討した。すなわち、これまでのようにCPW基板における集積化の容易さ維持しながら、MSLによって得られる大きな可変特性を共存させるための新しい素子構造について、FDTDシミュレーションによって様々な検討を行なった。

その結果、スルーホールを有する適当な長さの変換回路を用いる事により、通常のMSLから反転型MSL回路に低損失で伝搬経路を切り替える事が可能となり、MSL基板の上部にこれまでのCPW基板を用いた方法と同様に簡単にセル構造を集積化できる方法を見出した。また、変換回路を含むモデル素子を実際に作製し測定を行ない、シミュレーション結果から期待されるものよりかなり低い周波数帯までの動作ではあるが、15GHz程度まで良好な位相変調特性が得られる事を実験的にも確認した。
交代制勤務者の心身の健康保持増進に最適な身体活動・運動に関する新たな指針の作成

交代制勤務者の心身の健康の維持・増進をもたらしうる身体活動あるいは食習慣について検討した。その結果、身体活動は、抑うつ、疲労、ストレスの減少に関連することが認められた。また、交代制勤務者の概日リズムを刻む時計の位相は後退していること、一方、朝食摂取によってこの位相が前進し、抑うつ、疲労、眠気が減少しうることが示唆された。これらの結果から、交代制勤務者では、身体活動や朝型の生活習慣は心身の健康と密接に関連することが示唆された。神奈川県内の医療機関(全346施設)に勤務する看護師5536名を対象として、アンケート調査を実施した。調査項目は、年齢、身長、体重、職種、勤務形態、身体活動(IPAQショートバージョン)、QOL(WHOQOL26)、主観的健康感、抑うつ(CES-D)、疲労(Chalder疲労得点)、自覚症状(自覚症しらべ)、睡眠(交代制勤務者睡眠質問票)、朝型-夜型(MEQ)、食物摂取(コーヒーやアルコール摂取を含む品目別の量と頻度、FFQG)、服薬、既往症、月経(女性のみ)および喫煙歴であった。調査の回収数は男性171名、女性3404名、合計3646名(65.9%)であった。女性の交代制勤務者(1632名)では、過去1ヶ月間で低強度の身体活動を実施していた者は914名、中強度以上の身体活動を実施していた者は446名、低強度以上の身体活動を実施していなかった者は272名であった。低強度以上の身体活動を実施していた群は実施していなかった群と比較して、20年後の健康状態の予測とQOL(身体的領域、心理的領域、社会的関係、環境領域)が有意に良好であった。また中強度以上の身体活動を実施していた群は低強度以上の身体活動を実施していなかった群と比較して、抑うつレベルと現在の健康状態が有意に良好であった。また休日での座ったり寝転んだりする合計時間は、QOL(身体的領域、心理的領域)、現在の健康状態、20年後の健康状態と有意な負の相関関係、過去1ヶ月間の疲労レベル、過去1ヶ月間のストレスレベル、抑うつレベルとは有意な正の相関関係が認められた。したがって、夜勤を含む交代制勤務に従事する女性看護師では、勤務日あるいは休日での身体活動は心身の健康と密接に関連することが示唆された。神奈川県内の医療機関に勤務する看護師30名を対象として日常生活時の身体活動、自律神経活動、睡眠、食事、眠気、疲労、気分等に関するモニタリングを日勤日、夜勤日、休日に実施した。これらのモニタリングは小型で携帯性に優れた機器(加速度センサー、携帯型コンピュータ、心拍計)を用いて経時的に実施した。このモニタリングは、生活習慣や心身の問題の現状をより浮き彫りにし明確にとらえようとするものである。具体的には、腰に装着する加速度センサーを用いて身体活動を測定し、眠気、疲労、気分については、携帯型コンピュータに質問紙調査を実装させ、日常生活時のものを把握した。また自律神経活動については、24時間心電図計測器を用いて心電図波形を記録し、心電図波形のR波の時間間隔時系列データについてスペクトル解析等を用いて解析することで心臓自律神経調節系機能を評価した。これまでに、常日勤者と交代制勤務者を対象として、日勤時の身体活動と自律神経活動の概日リズム、および食事のタイミングと睡眠-覚醒パターンを解析し比較した。その結果、食事のタイミング、睡眠-覚醒パターン、身体活動の概日リズムは両群で有意な差が認められなかったものの、心電図RR間隔時系列データから推測された副交感神経活動と交感神経活動に関する指標の概日リズムの位相は日勤者と比較して交代制勤務者の方が有意に後退していた。自律神経活動は概日リズム時計と密接に関連することを考え合わせると、交代制勤務に従事する看護師では、日勤時においても概日リズム時計の位相が後退し、睡眠-覚醒パターンや勤務時間帯との関係性が適切でない状態で勤務していることが示唆された。看護師15名を対象として日常生活時の身体活動、自律神経活動、睡眠、食事、眠気、疲労、気分等に関するモニタリングを日勤日、夜勤日、休日に実施した。また自律神経活動については、24時間心拍計を用いて心電図波形を記録し、波形のR波の時間間隔時系列データについてスペクトル解析等を用いて解析し心臓自律神経調節系機能を評価した。その結果、副交感神経活動と交感神経活動に関する指標の日周リズムの位相は日勤者と比較して交代制勤務者の方が統計的に有意に後退していた。また、初年度に実施したアンケート調査の解析を進めた。

神奈川県内の医療機関(全346施設)に勤務する看護師5536名を対象とし、勤務形態、身体活動(IPAQショートバージョン)、QOL(WHOQOL26)、主観的健康感、抑うつ(CES-D)、疲労(Chalder疲労得点)、自覚症状(自覚症しらべ)、睡眠(交代制勤務者睡眠質問票)、朝型ー夜型(MEQ)、食物摂取等を調べた。その結果、抑うつ、疲労、自覚症状、勤務中の眠気は、運動習慣に加え、朝食摂取や早寝早起きといった朝型の生活習慣によって低下しうる可能性があることが示唆された。また実際に、日勤時に朝食を摂取する交代制勤務者は、朝食を摂取しない交代制勤務者と比較すると、副交感神経活動と交感神経活動に関する指標の日周リズムの位相が統計的に有意に前進していることを見いだした。これらの結果から、夜勤を含む交代制勤務に従事する看護師では、朝型の生活習慣や運動習慣あるいは身体活動は心身の健康と密接に関連することが示唆された。当初の研究計画どおりに調査が進行しているため。24年度が最終年度であるため、記入しない。来年度は初年度と同様のアンケート調査を予定していたが、研究代表者の所属機関が変更になり、当初予定していたアンケート調査に必要となる予算が獲得できる見通しがまだたたないこともあり、特徴的な対象者(疲労感が高い、勤務時の眠気が高い、抑うつ傾向)を含めた数十名を対象にモニタリング調査とアンケート調査を実施し、どのような運動・身体活動の生活習慣、さらには睡眠、食事の影響が心身の健康に影響を及ぼすのかについて個人内の詳細なデータを用いて同定することとした。なお予算の問題が解決次第、大規模アンケート調査を実施する。
コンポジットレジン修復歯の歯髄反応・歯髄死におけるアポトーシス関与の検討-特にc-junおよびjun-B両遺伝子を発現する歯髄細胞との関連について-

今日までに私達は細胞の分化・機能発現に重要な役割を果たしているc-jun、jun-B両遺伝子がウシ歯胚の象牙芽細胞系列のみに発現していることをInsitu hybridization法を用いて明らかにした。特にjun-Bは幼若象牙芽細胞において強く発現していることから、jun一Bが象牙質形成初期の活発な幼若象牙芽細胞において特異的役割を果たしていることが示唆された(J.Dent.Res.,76:822-830,1997)。これらの結果はラット歯胚においても確認している。さらに私達はラット上顎第1臼歯近心面にClassVの窩洞形成を行い、術後1日、3日、5日、7日および14日目の修復象牙質形成時の歯髄細胞におけるc-jun、jun-Bの発現を検討した。未処置ラット歯髄ではc-junは象牙芽細胞層で発現していたがjun-Bは全ての歯髄細胞で発現していなかった。しかし一旦窩洞形成を行うとc-jun、jun-B両遺伝子が窩洞直下の歯髄細胞に発現することが明らかになった。このことからc-junは初期、二次および修復象牙質形成の全過程を通して象牙質形成に関わる細胞の転写制御に関与すること、またjun一Bは初期および修復象牙質形成といった活発に象牙質形成を行っている細胞の転写制御でのみ特異的役割を果たすことが示唆された(J.Dent.Res.,78:673-680,1999)。今後は、ラットに形成した窩洞にコンポジットレジンや酸化亜鉛ユージノールセメントなどの修復材を充填後、修復材直下の歯髄におけるc-jun、jun-Bの発現を細胞分化制御の点から、またアポトーシス細胞の出現を細胞死制御の点から比較し、各種修復材の歯髄に対する為害作用を検討していく予定である。今日までに私達は細胞の分化・機能発現に重要な役割を果たしているc-jun、jun-B両遺伝子がウシ歯胚の象牙芽細胞系列においてのみ発現していることをInsitu hybridization法を用いて明らかにした。特にjun-Bは幼若象牙芽細胞においてのみ強く発現していることから、jun-Bが象牙質形成初期の活発な幼若象牙芽細胞において特異的な役割を果たしていることが示唆された(1997, J. Dent. Res., 76:822-830)。さらに私達はラット上顎第1臼歯近心面にClass Vの窩洞形成を行い、術後1日、3日、5日、7日および14日目の修復象牙質形成時の歯髄細胞におけるc-jun、jun-Bの発現を検討した。未処置のラット歯髄ではc-junは象牙芽細胞層で発現していたがjun-Bは全ての歯髄細胞で発現していなかった。このことよりc-junは初期、二次、および修復象牙質の全過程を通して象牙質形成に関わる細胞の転写制御に関与すること、またjun-Bは初期および修復象牙質形成といった活発に象牙質の形成を行っている細胞の転写制御でのみ特異的な役割を果たすことが示唆された。これらの結果は第39回歯科基礎医学会(1997,北九州)、第107回日本歯科保存学会(1997,福岡)で報告しており、また現在投稿準備中である。今後は、ラットに形成した窩洞にコンポジットレジンや酸化亜鉛ユ-ジノールセメントなどの各種修復材料を充填し修復材料直下での歯髄細胞におけるc-jun、jun-Bの発現およびアポトーシス細胞の出現を検討し、アポトーシスとこれらc-jun、jun-B遺伝子の関係を検討していく予定である。

今後は、ラットに形成した窩洞にコンポジットレジンや酸化亜鉛ユージノールセメントなどの修復材を充填後、修復材直下の歯髄におけるc-jun、jun-Bの発現を細胞分化制御の点から、またアポトーシス細胞の出現を細胞死制御の点から比較し、各種修復材の歯髄に対する為害作用を検討していく予定である。
自動摂食・行動規制装置内蔵エネルギー出納連続記録システムの開発

実験動物に侵襲を加えず、自由運動量、摂食量、摂水量、排泄物の量、体重等を自動的に長時間連続して測定する装置を内蔵した小動物用熱量計を試作し、それを用いて動物が特殊な摂食様式や特殊飼料に馴化する過程で起きるエネルギー摂取量と消費量のバランスを測定、エネルギー効率、食物効率等の変化の原因について考察することを目的としてこの研究を行った。1.エネルギー出納連続測定装置の試作。本装置は、動物用チャンバー(熱勾配層型熱流束測定素子貼付)、空気供給システム、空気流量測定装置、導入空気温度調節装置、恒温水循環装置、高感度空気湿度測定装置、データー収集装置及び分析装置より構成され、感度0.499W/mV(壁温25°C)であった。温度測定装置は自作の熱流束測定素子を用いたプレートメーター式のものと高感度の相対湿度計を用いるものも併用した。2.自動摂食・行動規制装置の製作を行った。ペレットフィーダーによる制限摂食と、積層型振動計による行動量の記録を行った。3.直接熱量計内温を変化させながら正確な熱放散量を測定する方法を考案し、動物体内、体外からの加温時に起こる熱出納の推移を分析した。4.この熱出納記録システムを用い、ラットの熱出納の変化を種々の条件下で測定した。(1)温熱負荷に対するラットの体温調節反応に行動を制限したグループと自由に行動出来るグループ間に差が現われた。拘束ラットでは昼夜差が著しいが、自由行動ラットでは有意な差があり、体温調節反応には自律性調節の他に行動性調節の占める割合が大きいこと、(2)摂食制限ラットの運動効率には変化がないこと、(3)深部体温を上昇させた時の熱放散パターンが暑熱馴化様式の違いにより変化すること、(4)絶食等により体温と熱出納、発熱様態に強い影響の現われること、(5)脳内に投与した種々のペプチッドはそれぞれ異なる様式で体温調節系の働きを修飾すること、が判明した。実験動物に侵襲を加えず、運動量,摂食摂水量,拝泄物の量,体重等を自動的に長時間連続して測定する装置を内蔵した小動物用の熱量計を製作し、それを用いて動物が特殊な摂食様式や特殊飼料に馴化する過程で起きるエネルギー摂取量と消費量のバランスの変化を測定し、機序について考察することを目的とした。昭和61年度は、この目的を遂行するる上に必要な直接熱量測定システムを設計試作することに研究の主眼を置き、対照実験として模ぎ装置を用いた動物実験も行った。1.自動摂食・行動規制装置内蔵エネルギー出納連続記録装置を試作した。装置の諸元を以下に列記する。サイズ,40×40×30(H)cmのアルミ内箱6面に英弘精機製熱流測定素子を貼付し、熱量計内からヒートシンクに流れる熱量を連続記録する様にした。内箱と外箱(60×60×50(H)cm)間の銅パイプヒートシンクに正確かつ均一な水温の水が流れる様に循環経路を改良し取りつけた。このシステムの応答性は当初のものよりやや悪く、また感度は市販のセンサーを使ったため0.69w/°Cとやや悪いが堅牢で安定な装置となった。行動量,摂食摂水量の測定はロードセルを用いた方式は安定性が得られ難く、赤外線センサーによる方法に切り変えた。自由運動,ペレットフィーダーを用いた摂食量の測定など改良中である。2.コンピューターによるデータの自動記録と分析,そのためのコンピューターソフトウェアの開発。

装置の運転からデータの記録,その解折まで一貫してコンピューターによる制御を行えるよう装置の改良、コンピューターソフトウェアの開発を行った。3.予備実験としてこの装置を用いずラットなど小動物の行動,摂食,代謝等を測定する実験を行い、成果を発表した。視床下部,脳室等へのペプチドホルモンの投与とそれによる代謝,体温の変動,熱出納の変化について検討した。実験動物に侵襲を加えず、自由運動量、摂食量、摂水量、排泄物の量、体重等を自動的に長時間連続して測定する装置を内蔵した小動物用熱量計を試作し、それを用いて動物が特殊な摂食様式や特殊飼料に馴化する過程で起きるエネルギー摂取量と消費量のバランスを測定、エネルギー効率、食物効率等の変化の原因について考察することを目的としてこの研究を行った。熱量計の製作は前年度までに終了しており、本年度はこのシステムを実際使用しての動物実験と、その際に注意すべき事項の考察に焦点を合わせた。得られた結果は下記のごとくであった。1.直接熱量計内温を上昇させながらの直接熱量計による正確な熱放散量の測定法を考案した。この時、熱量計内に熱源がない条件での熱移動は負であり、初期に速やかに減少した後、緩やかではあるが更に減少を続けた。次に、微小な電熱器を直接熱量計内に置き熱源をプラスとした時の熱移動量の実測値は熱源のない場合の熱移動とほぼ平行であり、熱源からの熱放散量はほぼ一定値として得られ、あらかじめ熱源のない場合の熱の移動曲線を知れば、それを差し引く型で熱流束測定素子平均外壁温が一定でなくともかなり正確に熱移動量を測定しうることが判明した。2.制限摂食スケジュールに馴らしたラットの輪廻し運動と熱産生量の測定から、摂食制限ラットは高い運動効率を持って食物探索はしていないこと、SHRラットでは、摂食活動により引き起こされる熱産生反応が大きいこと、自由行動下のラットでは、温熱負荷に対する体温調節反応に昼夜で差はなかったが、軽度拘束したラットでは温熱負荷に対する熱放散反応は夜間に比し昼間で大で、自律性熱放散機構の反応性に日内差が存在するが、自由行動ラットでは行動(姿勢変化)による熱放散反応によってその差を十分補っていること等を確認した。暑熱馴化による熱出納様式の変化についても複数の実験を通して検討を行った。
脳情報動態解明に資する多階層・多領野データ統合モデリング法の開発

(A-1)電子顕微鏡画像からの神経回路構造の同定法川口班(A01班)と連携して、連続切片電子顕微鏡画像から神経細胞・回路の詳細構造を決定する手法の開発を進めた。本手法は、画像前処理、機械学習に基づくセグメンテーション、および、三次元セグメンテーションの組み合わせになる。また、人工知能分野において画像変換のための手法が開発されつつあるので、それを用いた転移型の画像セグメンテーション法の開発を進めた。(B-1)多ニューロン4Dイメージングデータからの動的機能回路抽出法の開発スパースモデリングの手法を用いて、マウスの多ニューロン4Dイメージングデータからの動的機能回路抽出法の開発を進めた。尾藤班(A02班)の取得したマウス脳深部からの内視顕微鏡データに適用した結果、動的機能回路の賦活により社会性に関わるデコードが可能であることが分かった。(C-1)精緻な3次元小脳神経回路のデータ駆動モデリングを開始した。顆粒層の顆粒細胞・ゴルジ細胞・分子層の平行線維・プルキンエ細胞層のプルキンエ細胞に着目し、小脳皮質における情報処理の最小構成単位である小脳パーセプトロン回路を構築した。小脳機能イメージングデータをモデル同化した数値シミュレーションを実施し、課題中の動物の行動を再現可能な予備的結果を得た。本項目は、分担者(山崎)が、喜多村班(A02班)から得た小脳機能イメージングデータに基づいて実施中である。当初の29年度計画によれば、電子顕微鏡からの神経構造同定法の実装および神経構造の実データに基づく評価を予定していたが、実装に必要な大規模神経画像処理の専門知識を持つ研究協力者の母国への帰国が判明した。急遽、研究代表者が他の研究協力者らに、実装に必要な知識である画像処理の指導を行う必要が生じたため、6ヶ月間の計画延長を行った。一方で、上記の実績概要に示すように、(B-1)多ニューロン4Dイメージングデータからの動的機能回路抽出法の開発、および(C-1)精緻な3次元小脳神経回路のデータ駆動モデリングの開発については順調であり、(A-1)についてもバックアップ研究を実施したので、結果として、「(2)おおむね順調に進展している」と判断された。(A-2)電子顕微鏡画像と光学顕微鏡による同一領域の異モダリティ計測からの構造決定手法の開発を、川口班(A01班)と連携して、継続実施する。画像処理プロセスの、汎用画像処理ユニット(GPGPU)を用いた高効率化、および、大規模ストレージを用いたパイプライン化を進める。(B-3)動物の条件付け学習に関わる長時間の、環境状態(入力刺激を含む)、中枢神経活動、行動の同時記録データに対し、中枢での動的内部表現を求めることのできる手法の開発を進める。また、意思決定課題を遂行中のヒト核磁気共鳴画像からのブレインデコーディングを題材にして、春野班(A03班)と連携して、複雑な環境におけるヒトの脳情報動態機構の研究を進める。(B-4)機能イメージングデータから動的機能回路を抽出する手法(エンコーディングモデル)を実際のマウス4Dイメージングデータに適用する。松崎班(A01班)のマウス運動熟達過程のデータへの適用と評価を進める。(C-2) (C-1)で構成した精緻な小脳神経回路モデルに、各神経細胞の膜パラメータおよびシナプス可塑性を割り当て、実際に苔状線維からスパイク入力を受け取り動作するような、精密な小脳回路モデルを構築する。分担者(山崎)がこれまでに開発してきた、GPGPU上での神経回路シミュレーション技法や高度並列計算技法を駆使し、高速かつ効率よくシミュレーションを実施できるようにする。喜多村班(A02班)から得られる小脳機能イメージングデータにもとづいて、実際の小脳の神経ダイナミクス、特に運動熟達過程での適応的ダイナミクスを再現する。

急遽、研究代表者が他の研究協力者らに、実装に必要な知識である画像処理の指導を行う必要が生じたため、6ヶ月間の計画延長を行った。一方で、上記の実績概要に示すように、(B-1)多ニューロン4Dイメージングデータからの動的機能回路抽出法の開発、および(C-1)精緻な3次元小脳神経回路のデータ駆動モデリングの開発については順調であり、(A-1)についてもバックアップ研究を実施したので、結果として、「(2)おおむね順調に進展している」と判断された。(A-2)電子顕微鏡画像と光学顕微鏡による同一領域の異モダリティ計測からの構造決定手法の開発を、川口班(A01班)と連携して、継続実施する。画像処理プロセスの、汎用画像処理ユニット(GPGPU)を用いた高効率化、および、大規模ストレージを用いたパイプライン化を進める。(B-3)動物の条件付け学習に関わる長時間の、環境状態(入力刺激を含む)、中枢神経活動、行動の同時記録データに対し、中枢での動的内部表現を求めることのできる手法の開発を進める。また、意思決定課題を遂行中のヒト核磁気共鳴画像からのブレインデコーディングを題材にして、春野班(A03班)と連携して、複雑な環境におけるヒトの脳情報動態機構の研究を進める。(B-4)機能イメージングデータから動的機能回路を抽出する手法(エンコーディングモデル)を実際のマウス4Dイメージングデータに適用する。松崎班(A01班)のマウス運動熟達過程のデータへの適用と評価を進める。(C-2) (C-1)で構成した精緻な小脳神経回路モデルに、各神経細胞の膜パラメータおよびシナプス可塑性を割り当て、実際に苔状線維からスパイク入力を受け取り動作するような、精密な小脳回路モデルを構築する。分担者(山崎)がこれまでに開発してきた、GPGPU上での神経回路シミュレーション技法や高度並列計算技法を駆使し、高速かつ効率よくシミュレーションを実施できるようにする。喜多村班(A02班)から得られる小脳機能イメージングデータにもとづいて、実際の小脳の神経ダイナミクス、特に運動熟達過程での適応的ダイナミクスを再現する。
多自由度マニピュレータのための人工筋肉の加工・制御方法の研究

本研究では、多自由度マニピュレーションのための人工筋肉の形状加工、成型技術の確立、及び制御アルゴリズムによる動的応答の制御と新たな制御回路手法の開発を目指した。(1)従来よりも自由な人工筋肉の形状と屈曲を実現し、発生力と強度の向上、形状の安定化を目指す。また、(2)動的応答のモデリングを行って制御アルゴリズムを適用、新たな制御駆動方式を導入し、屈曲の応答性能向上を図る。これにより、既に確立した視覚フィードバック技術と組み合わせて高精度な位置決め制御が可能になる。当該研究期間中に、実際のマニピュレータ製作の前段階にあたる、制御回路の設計、制御方法の検討、さらに制御電圧等を考慮した分布定数系の屈曲形状のシミュレーションまでを実現した。制御回路については小型化、システムモジュール化のための3位相の位相ずらし回路による制御を提案した。またIPMCの電気インピーダンスについて、分布常数系を用いたモデル化と、測定結果に基づく評価を行った。さらに異なるイオンを用いた時の電気インピーダンスの変化についてもモデル化を行った。屈曲形状については、レーザ加工による電極パターンを有する2次元マニピュレータに対して、2次元空間内での位置、姿勢制御のため、7関節を持つ人工筋肉によるヘビ型の遊泳ロボットを例として、屈曲形状の動的な応答を、材料力学における梁の曲げ運動の解析手法を用いてモデル化し、その運動方程式の解法として固有空間法を用いたモード展開法を提案した。さらに実際の屈曲形状を測定し、パラメータ同定を行った結果と比較して有効性を確認した。今後、マニピュレータとして自由に屈曲をコントロールするためには、今回のモデルに基づく制御方法についての研究が新たに必要と考えられる。また派生して、IPMCが備える適度な電気インピーダンスと屈曲アクチュエータとしての性質の両方を利用した新しいアンテナシステムを提案し特許化した。本年度は,成型加工方法と制御アルゴリズム,回路の開発を行い,各要素技術について研究を進めた.具体的には本研究以前に開発したレーザ加工による電極パターンを有する2次元マニピュレータの視覚フィードバックシステムに対して,2次元空間内での位置,姿勢制御のため,7関節を持つ人工筋肉によるヘビ型の遊泳ロボットを例として,その屈曲形状の動的な応答を、材料力学における梁の曲げ運動の解析手法を用いてモデル化し,運動方程式の解法として固有空間法を用いたモード展開の方法を提案した。さらにこの手法を用いたシミュレーションと、実際の屈曲形状を測定し、パラメータ同定を行った結果と比較して,本モデル、および解析手法の有効性を確認した.またこれを大変形に対して適用するための近似解法について検討した.一方,人工筋肉の制御回路の設計に関して、従来のアナログ制御よりも高効率なPWM制御の適用について検討した。そのため、まず人工筋肉の電気インピーダンス応答を調べてモデル化を行い,分布定数系を特徴としたインピーダンスモデルを提案して,実際の測定結果との比較を行ってモデルの有効性を確かめた.またこれに基づいて人工筋肉の特性にあった高効率なPWM制御方法を発案し,その有効性について基礎的な実験を行って検討を進めた.最後に人工筋肉の3次元化について検討を行い,複数の人工筋肉片を組み合わせて自在な3次元運動を可能にする3次元マニピュレータの全体構造を設計した.低摩擦ゲルを用いた積層化については、基礎的な検討を行い、またプレス加工については実験機器の整備を行って、実際の開発についての準備研究を進めた。今年度は,前年度までに確立した要素技術を基に,全体システム設計について検討を行った.具体的には,実際のマニピュレータ製作の前段階にあたる,制御回路の具体的設計,またその制御方法の検討,さらに制御電圧等を考慮した分布常数系の屈曲形状のシミュレーションまでを実現することができた.

個別課題として,制御回路については小型化,システムモジュール化が可能な新規な制御方式として,3位相の位相ずらし回路による制御を提案した.また,実際の制御を行う際に重要となるIPMCの電気インピーダンスについて,分布常数系を用いたモデル化と,実際のIPMCでの測定結果に基づく評価を行った.さらに異なるイオンを用いた時の電気インピーダンスの変化についてもモデルをたてて,その妥当性について検討した.これらにより,制御のためにIPMCに供給する電圧と,実際の屈曲に寄与する電流との関係が明らかになった.以上の結果から,今後,マニピュレータとして自由に屈曲をコントロールするためには,今回のモデルに基づいた制御方法についての研究が新たに必要になると考えられる.最後に,屈曲減少のモデル化についても分布常数系を用いたモデルにより,屈曲形状をシミュレーションし,実際の屈曲の測定結果と照らし合わせて,妥当性が確認できた.これについても分布常数系によるモデルに基づいた任意な形状の制御方式が未だ明らかになっておらず,これに関する研究開発が今後必要であることが明らかになった.また本研究に派生して,IPMCが備える適度な電気インピーダンスと屈曲アクチュエータとしての性質の両者を利用した,新規なアンテナシステムを提案した.これについては,特許として成果を発表した.