hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
IoT実践技術者育成モデルの確立

本研究は,製造業における生産現場や社会生活における様々な問題をIoTを用いて解決することが可能な現場技術者の育成を行う教育カリキュラムの開発を目指している.この実現のために,各教育機関における実習で利用するための教材開発と,これを利用した実習のカリキュラム開発を行うこととしている.具体的には,IoTを構成する要素技術である【端末構築】と【データ解析】に関するバックグラウンドの知識・技術の習得を容易に行えるシステムの開発,さらにこれらを用いたIoT推進人材の育成カリキュラムの確立を実施する.【端末構築】については,ワンボードコンピュータであるArduinoをベースとして開発を実施した.パソコンで実行するビジュアルプログラミングツールから設定情報を転送し,これにより端末を管理することが可能となった.さらに,接続されているセンサー類を制御するプログラムと,測定値を転送するプログラムをビジュアルプログラミングツールにより開発することが可能となり,当初目標としていたIoT構築実習用の端末開発を完了することができた.【データ解析】については,特にIoT化の遅れが指摘される製造業を対象に調査を実施し.収集されたデータの解析手法に関する要望を明らかにした.この中で,生産設備から生成されるデータの量が膨大であるためAIで処理を行いたいが,AIがよくわからないという要望が多かった.このことから,分析手法としてのAI,特に機械学習に関する処理をクローズアップする必要があることが明らかとなった.また,端末からのデータを収集・保存を行うWebベースのデータベースシステムを構築し,運用に供することができた.これら【端末構築】と【データ解析】に関する成果を基に,教育カリキュラムに関する検討も実施し,特に機械学習に関するハンズオン教材の開発を行う準備を実施した.【端末構築】課題に関しては,Arduinoを用いた端末の開発が完了している.また,ビジュアルツールからの設定及びプログラミングも概ね完了しており,順調に進捗している.また,ユーザインターフェースに相当するビジュアルプログラミングツールの利用もめどが立っており,次年度の内容に関しても若干先行した形で進捗している.【データ解析】課題に関しては,【端末構築】で開発している端末から受信したセンサーデータを収集及び保存する,データ収集サーバの構築が完了している.さらに,教育カリキュラムの適用対象である製造業に対して調査を行い,収集されたデータをどのように利用したいのかなど現場レベルでの意見集約の実施を完了しており,順調に進捗している.今回は上記調査データに着目し,特にAIによるデータ解析の利用を中心とした教育カリキュラムを作成する検討を実施しており,開発の成果物を利用したカリキュラムの策定と授業適用及び評価に向けた準備についても順調に進捗している.今年度は,開発中の端末に代えてLEGO MINDSTORM EV3を利用し,自律走行体のセンサでセータを収集しこれを解析して自律的に行動するシステムの講習会を,まず小学生を対象として実施した.これにより,センサからのデータ収集とその解析・利用に関する教育カリキュラムに関する知見を蓄積した.【端末構築】に関しては,ビジュアルプログラミングツールとArduinoの連携についてより洗練したものにするための調整を行う.特に,IoT端末として必要不可欠である通信系の設定とプログラミングに関する機能の強化を行う.【データ解析】に関しては,AIとしてディープラーニングの手法を用いて大量の生産設備ログデータの解析を行う機能の開発を行う.特に,生産現場で必要とされる歩留まり悪化予測,故障検知などの予測を行う機能について,開発を行うデータ解析ツールのブロックとして実装することを目指す.また,生産現場におけるディープラーニングに関する教育教材が必要であることも明らかになったため,機能の一部としてハンズオンによりディープラーニングを理解するための入門教材の開発も実施する.これらと合わせて,授業適用及び評価の準備を進める.特に今年度の調査によりAIに関する部分の必要性が強調されているため,AIでも特にディープラーニングに関する教育カリキュラムについてさらなる検討を実施してゆく.本研究は,製造業における生産現場や社会生活における様々な問題をIoTを用いて解決することが可能な現場技術者の育成を行う教育カリキュラムの開発を目指している.この実現のために,各教育機関における実習で利用するための教材開発と,これを利用した実習のカリキュラム開発を行うこととしている.具体的には,IoTを構成する要素技術である【端末構築】と【データ解析】に関するバックグラウンドの知識・技術の習得を容易に行えるシステムの開発,さらにこれらを用いたIoT推進人材の育成カリキュラムの確立を実施する.【端末構築】については,ワンボードコンピュータであるArduinoをベースとして開発を実施した.パソコンで実行するビジュアルプログラミングツールから設定情報を転送し,これにより端末を管理することが可能となった.さらに,接続されているセンサー類を制御するプログラムと,測定値を転送するプログラムをビジュアルプログラミングツールにより開発することが可能となり,当初目標としていたIoT構築実習用の端末開発を完了することができた.【データ解析】については,特にIoT化の遅れが指摘される製造業を対象に調査を実施し.収集されたデータの解析手法に関する要望を明らかにした.この中で,生産設備から生成されるデータの量が膨大であるためAIで処理を行いたいが,AIがよくわからないという要望が多かった.このことから,分析手法としてのAI,特に機械学習に関する処理をクローズアップする必要があることが明らかとなった.また,端末からのデータを収集・保存を行うWebベースのデータベースシステムを構築し,運用に供することができた.これら【端末構築】と【データ解析】に関する成果を基に,教育カリキュラムに関する検討も実施し,特に機械学習に関するハンズオン教材の開発を行う準備を実施した.【端末構築】課題に関しては,Arduinoを用いた端末の開発が完了している.また,ビジュアルツールからの設定及びプログラミングも概ね完了しており,順調に進捗している.また,ユーザインターフェースに相当するビジュアルプログラミングツールの利用もめどが立っており,次年度の内容に関しても若干先行した形で進捗している.

【データ解析】課題に関しては,【端末構築】で開発している端末から受信したセンサーデータを収集及び保存する,データ収集サーバの構築が完了している.さらに,教育カリキュラムの適用対象である製造業に対して調査を行い,収集されたデータをどのように利用したいのかなど現場レベルでの意見集約の実施を完了しており,順調に進捗している.今回は上記調査データに着目し,特にAIによるデータ解析の利用を中心とした教育カリキュラムを作成する検討を実施しており,開発の成果物を利用したカリキュラムの策定と授業適用及び評価に向けた準備についても順調に進捗している.今年度は,開発中の端末に代えてLEGO MINDSTORM EV3を利用し,自律走行体のセンサでセータを収集しこれを解析して自律的に行動するシステムの講習会を,まず小学生を対象として実施した.これにより,センサからのデータ収集とその解析・利用に関する教育カリキュラムに関する知見を蓄積した.【端末構築】に関しては,ビジュアルプログラミングツールとArduinoの連携についてより洗練したものにするための調整を行う.特に,IoT端末として必要不可欠である通信系の設定とプログラミングに関する機能の強化を行う.【データ解析】に関しては,AIとしてディープラーニングの手法を用いて大量の生産設備ログデータの解析を行う機能の開発を行う.特に,生産現場で必要とされる歩留まり悪化予測,故障検知などの予測を行う機能について,開発を行うデータ解析ツールのブロックとして実装することを目指す.また,生産現場におけるディープラーニングに関する教育教材が必要であることも明らかになったため,機能の一部としてハンズオンによりディープラーニングを理解するための入門教材の開発も実施する.これらと合わせて,授業適用及び評価の準備を進める.特に今年度の調査によりAIに関する部分の必要性が強調されているため,AIでも特にディープラーニングに関する教育カリキュラムについてさらなる検討を実施してゆく.物品費で購入したデータ解析端末を入札で購入したため,当初予定した金額を下回る金額により購入することができた.また,旅費の執行に関して,想定よりも安価な施設を利用することが可能であった.このため次年度使用額が発生している.これは,次年度において請求している旅費へ合算して利用する予定である.
触法知的障害者の更生と地域生活定着を促進するピアサポートプログラムの開発と評価

本研究は、触法知的障害者の再犯を防ぎ地域生活に安定的に定着できるような教育的プログラムの一環としてピアサポートプログラムを立案し、試行しながら実践過程に載せていくことを目的とした。触法知的障害者の更生と地域生活定着の評価は数年以上の中長期的な期間を要するため、そこに向けて試行実践と評価を速やかに行う必要性があったものの、矯正施設における共同研究協定にやや手間取ったこともあり、本研究においては、矯正施設内における特定のプログラムを対象として本研究を始めてデータを収集し始めたこと、出所後の更生保護施設と連携をスタートし始めたこと、カナダの更生保護施設の具体的事例データの収集などの成果に留まった。本研究は、触法知的障害者が矯正施設出所後に地域生活定着が促進されることを目的とした更生プログラムの一環として、ピアサポートプログラムを開発・錬成して評価するものである。2013年度は矯正施設出所後の社会内処遇の実態を把握するために、(1)米国ホノルルの仮出所事務所や女子刑務所、カナダ・ヴィクトリアのハーフウェイ・ハウスを調査し、仮出所者の経歴についてインタビューを行ったり、法務官から聞き取りを行ったりした。また(2)国内では播磨社会復帰促進センターと共同研究協定書を締結し、特化ユニット(障害受刑者専門の工場)で行われたクラウニング講座の効果検証のための予備調査に入った。また(3)地域生活定着支援センターや更生保護施設の調査を行った。クラウニング講座とは人前で道化師としての振る舞いを発表するもので、週に1回講座を担当する民間のファシリテーターが10名程度の知的障害や発達障害のある受刑者を励まし評価しながら施設内の発表会に向けて4か月にわたって表現力を高めていくもので、コミュニケーションの基盤を醸成し、ほかのプログラムの入門として位置づけられている。だが触法知的障害者にとって他者からポジティブな評価を受けながら自己表現をする経験は乏しく、このようなプログラムは社会復帰に向けたピアサポート活動の一環としてその意義を評価していく意義があると思われる。おそらく触法知的障害者の自己肯定感や自己効力感を高めて、自らの加害経験を見つめて反省悔悟をするとともに、仲間とともに前向きに生きなおす意欲を醸成する効果が予想される。そこで、これら障害受刑者がクラウニング講座を受けることで、矯正施設における懲役作業を含む生活面にいかなる変化がもたらされたかを本格的に検証する前段階として、刑務官からの聞き取り調査を行った。共同研究を行う方向で調整することとなった。本研究では知的障害が疑われる受刑者(触法知的障害者)が矯正施設出所後に地域生活定着が促進されることを目的とした更生プログラムの一環として、ピアサポートプログラムを開発・錬成して評価するものである。今年度は矯正施設出所後の社会内処遇の実態を把握するために、(1)カナダ・ヴィクトリアで複数のハーフウェイ・ハウスを数回調査し、仮出所者の経歴について複数回インタビューを行ったり、法務官から聞き取りを行ったりした。また(2)国内では播磨社会復帰促進センター・特化ユニット(知的障害者専門の工場)で行われたクラウニング講座を複数回参観して受刑者の変容を観察し、(3)教育統括担当の刑務官と共同研究に向けた協議を行うとともに、(4)地域生活定着支援センターや社会福祉施設の調査を行った。クラウニング講座とは人前で道化師としての振る舞いを発表するもので、週に1回講座を担当する民間のファシリテーターが10名程度の知的障害受刑者を励まし評価しながら施設内の発表会に向けて4か月にわたって表現力を高めていくもので、これまでの懲罰的意味合いの高い受刑作業や生活改善指導の中では異色の更生プログラムである。だが触法知的障害者にとって他者からポジティブな評価を受けながら自己表現をする経験は乏しく、このようなプログラムは社会復帰に向けたピアサポート活動の一環としてその意義を評価していく意義があると思われた。そこで矯正施設における懲役作業を含む生活改善指導の意義を前提として、教育統括担当の刑務官とクラウニング講座の評価を行う共同研究を行う方向で調整することとなった。本研究は、知的障害が疑われる受刑者に対して、矯正施設における更生や矯正施設退所後に地域生活定着が促進されることを目指した支援活動として、ピアサポーティブなプログラムを実践し、プログラム内容を練成しながらその評価を行うものである。研究内容として、(ア)矯正施設内でのクラウニング講座の効果検証、(イ)更生保護施設等におけるクラウニング講座の試行的実践とプログラムの錬成、(ウ)カナダのハーフウェイ・ハウスにおける更生保護事業との比較検討の3点を行った。

(ア)播磨社会復帰促進センターでのクラウニング講座の効果検証では、当センター、社会福祉法人かがやき神戸、大谷大学との間で共同研究協定書を締結し、2013年度に予備研究、2014年度以降は本研究として、当講座の受刑者や担当刑務官に対する質問紙を実施するとともに、講座中の受講生の様子を記録してデータを蓄積している。(イ)京都更生保護会や出所者を受け入れている障害者施設等におけるクラウニング講座の試行的実践とプログラムの錬成は、当更生保護会や京都地域生活定着支援センター、児童自立支援施設阿武山学園職員への聞き取り調査を行ったものの、ピアサポートシステムの構築につながる実践活動にまでは至っていない。(ウ)カナダ・ヴィクトリアのハーフウェイハウス(Bill Mudge House他)における更生保護事業との比較検討では、当地を複数回訪問して包括的支援の実態を調査したり、個別縦断的事例データを得たほか、ハワイホノルル市や北欧の実態の一端を調査した。これらの調査対象先で出会って了解を取ることができた矯正施設や障害者施設の職員による評価も記録し、今後につながるデータの蓄積を果たすことができた。法心理学、発達臨床当初の研究計画は矯正施設退所後のピアサポートプログラム開発と評価も射程に入れるものであり、その点では出所後の地域定着支援現場における調査や実践的試みに関する研究は調査的なものにとどまり、実践活動においては具体的進展が見られなかった。また矯正施設内における更生プログラムとして、クラウニング講座の効果検証のための共同研究協定書を締結するところまでこぎつけたものの、そこに至るまでの関係機関調整に予想以上に手間取ってしまった。それでも本研究の目的に至る具体的実践的な研究の土台作りは達成したということができる。当初の研究計画は矯正施設退所後のピアサポートプログラム開発と評価も射程に入れるものであり、その点では出所後の地域定着支援現場における調査や実践的試みに関する研究は予備調査的なものにとどまり、実践活動においては具体的進展が見られなかった。だが矯正施設内におけるピアサポートの利点を活かした実現可能な更生プログラムに出会うとともに法務省との共同研究への足掛かりを得ることができて、本研究の目的にかなった具体的実践的な研究につなげる土台作りを達成したということができる。2014年度は社会復帰促進センターにおけるクラウニング講座の振り返りと新たな講座開始に向けた段階から障害受刑者の変化を縦断的に調査して、担当刑務官と連携しながら生活面における講座の効果検証に取り組む。またこれまで調査してきたホノルルやカナダ・ヴィクトリアのハーフウェイ・ハウス(仮出所者のホーム)を引き続き訪れて、仮出所者の縦断的調査を完結させるとともに、新たな更生プログラムの開発につなげたい。翌年度は社会復帰促進センター内におけるクラウニング講座開始と同時に知的障害受刑者の変化を縦断的に調査して、自己肯定感、自己効力感、生活改善との関連性をきめ細かく評価対象としていく予定である。またヴィクトリアのハーフウェイ・ハウス(仮出所者のホーム)を引き続き訪れて聞き取り調査を継続し、日本の矯正施設出所後に持続可能な更生プログラムの開発を行う。
Weil表現および関連するunitary表現の研究

来年度整数論サマースクールの準備会として、Weil表現に関する研究集会を主催し、Weil表現と古典的theta級数の関係、Weil表現の既約分解、Howe duality、Siegel-Weilの公式、Weil表現と古典的不変式論との関係、について理解を深めることが出来た。来年度から開始予定の「theta級数の幾何学的研究」の準備として詳細な情報収集を行った。種数2の超楕円曲線の分岐点の座標を、その周期のtheta零値で表すRosenhainの古典的公式を、一般種数の超楕円曲線の場合に一般化した公式を得た。又、一般種数の超楕円曲線に対して、Wierstrassのp-関数の類似物を定義し、それを用いたJacobi多様体の埋め込み、及びその定義方程式について詳細な知見を得た。
活歴物・松羽目物を中心とした明治歌舞伎の「古典化」に関する研究

本研究は明治時代に成立した活歴物と松羽目物の検討を通し、現代歌舞伎の形成過程を究明するためのものである。活歴物と松羽目物は明治歌舞伎の「古典化」、すなわちそれまで現在進行形の演劇であった歌舞伎がいくつかの型に収斂され定型化する一連の過程と密接に関わっている。従って、両ジャンルからみえる明治歌舞伎の「古典化」の様相を代表的な作品を選別して考察し、それが現代歌舞伎に残した痕跡を明らかにすることが主な研究内容になる。これらの研究を通し、最終的には欠如している明治後期演劇史の空白を埋めることに一助したいと考える。
医学教育における情報伝達・収集過程の分析ー医療面接と有害事象対応

我々は,我々が開発した医療従事者への安全教育を目的とした情報提供型のロールプレイ型実習(有害事象説明実習)について,情報収集型の実習(医療面接実習)と比較分析を行った.「有害事象説明実習」は医療行為によって患者に健康被害が及んだとの状況設定で,学生が医師に扮し患者家族役に対して説明を行うものである.この実習状況をビデオに撮影し,話している時間,相手の顔を見ている時間,頷き回数などを計測し,実習直後の学生へのアンケート調査との比較・分析を行った.その結果,学生が緊迫した雰囲気の中,困惑している状況が学習にとって重要であることを見出した.本研究は初期診療の状況を模した医療面接実習と,我々の新たに導入した有害事象説明実習という2つの医学生に対するコミュニケーション教育を対象とするものである.有害事象説明実習とは責任ある立場の医師が,発生した有害事象の説明を患者家族に行うという状況でのロールプレイによる教育手法で,医師に扮した学生に患者家族役の模擬患者への説明方法を自身に任せることで有害事象について深く考えることを期している.有害事象説明実習では学生から模擬患者への情報提供が主,医療面接実習では模擬患者からの情報取得が主となる.すなわち,これらの2つの実習は情報の流れが逆方向であると考えられる.本研究は対照的な2つの実習から,情報の提供・取得をどのように非言語がサポートするか,という観点で分析を行い医療における対話型コミュニケーションの総合的な教育的知見を明らかにすることを目的としている.本年度は有害事象説明実習および医療面接実習の映像を整理,書き起こした上でデータベース化し,分析のための基盤を作ることを目指した.このため書き起こし従事者を雇用し発話内容と動作の書き起こしを行った.しかしながら書き起こし作業が難航し当初予定より大幅に遅れている.そこで,書き起こしの終了した一部のデータを用いて,2つの実習の比較を行った.我々は全対話時間中に学生の発話時間の占める割合は,情報提供がメインである有害事象説明実習の方が医療面接実習より多く,逆に全対話時間中で学生が模擬患者の顔を見る時間の割合は情報取得がメインの医療面接実習の方が有害事象説明実習より多いと予想した.しかしながら,どちらも統計的に有意な差が出ず,特に顔を見る時間については予想に反し平均時間は有害事象説明実習の方が長かった.このことは,有害事象説明の緊迫した状況では相手からの情報をを得ようとするために顔表情を見る時間が長くなったものと推測される.本研究は医学生の2種類のコミュニケーション教育,すなわち主に情報取得を中心とした医療面接実習と主に情報提供を中心とした有害事象説明実習を対象に,情報の提供・取得をどのように非言語がサポートするか,という観点で分析を行い,医療における対話型コミュニケーションの総合的な教育的知見を明らかにすることを目的としている.データは質問紙による調査と,ビデオ撮影による映像・音声の収録により取得している.昨年度は収録データから毎秒30フレームで,音声と動作の書き起こしを試みたが予想より書き起こしにかかる負荷が大きく断念した.このため今年度は一部の収録データに絞って,そのデータを対象に言語分析手法の検討,言語情報と非言語情報の関連性についての分析手法の提案やデータベースへの言語・非言語情報の実装方法について研究を進める予定であった.しかしながらコミュニケーションの理解に有効な言語の分析手法を提案することが出来ず,それに続けて実施予定であった言語情報と非言語情報の関連性の分析や,言語・非言語を統一的に取り扱うデータベース構築方法についても成果を上げることが出来無かった.この状況を打破するために既にデータベース化して分析が可能となっている有害事象説明実習の質問紙について精査することとした.その結果,有害事象説明実習での情報伝達では,明示的な情報伝達と非明示的な場合の伝達の違いが重要な役割を果たす可能性を見出した.我々は,我々が開発した医療従事者への安全教育を目的とした情報提供型のロールプレイ型実習(有害事象説明実習)について,情報収集型の実習(医療面接実習)と比較分析を行った.「有害事象説明実習」は医療行為によって患者に健康被害が及んだとの状況設定で,学生が医師に扮し患者家族役に対して説明を行うものである.この実習状況をビデオに撮影し,話している時間,相手の顔を見ている時間,頷き回数などを計測し,実習直後の学生へのアンケート調査との比較・分析を行った.その結果,学生が緊迫した雰囲気の中,困惑している状況が学習にとって重要であることを見出した.本研究は,我々の新たに導入した有害事象説明実習と,初期診療の状況を模した医療面接実習という2つの医学生に対するコミュニケーション教育を対象とするものである.有害事象説明実習とは責任ある立場の医師が,発生した有害事象の説明を患者家族に行うという状況でのロールプレイによる教育手法で,医師に扮した学生が患者家族役の模擬患者へ説明方法について,謝罪をするか否かを含めて任せることで学生自身が有害事象について深く考えることを期している.有害事象説明実習では医師役の学生から患者家族に扮した模擬患者への情報提供が主となり,医療面接では学生が模擬患者からの情報取得が主となる.情報の流れの観点からは,これらの実習は2つの全く異なる典型的なコミュニケーションであると考えられる.本研究はこれらを対象とすることで,情報の提供,取得をどのように非言語がサポートするか,という観点から分析を行い,医療における対話型コミュニケーションの総合的な教育的知見を明らかにすることを目的としている.

本年度は有害事象説明実習に関して,実習している様子をビデオカメラで撮影した映像から,学生の発話,うなずき,模擬患者を見ている区間を時系列データとして書起し,それぞれの総時間を模擬患者,および学生への質問紙の結果と比較した.その結果,・学生が困惑を感じるほど模擬患者の顔を見る時間が増える.・学生が有害事象の原因と想定されている事項について説明をしたと自覚しているときは学生のうなずきが増加する.・学生の発話が増えるほど,模擬患者は学生を誠実であると感じる.との結果が得られた.これらのことから,非言語情報はコミュニケーションを分析する有効な指標となることが示された.今年度は有害事象説明実習について特に重点的に調べた.我々は有害事象説明実習では学習者の感じる「困惑」が学習過程で重要な役割を果たす,すなわち困惑は行動を変えるための模索状態と考えている.これを調べるために学習者に対して質問紙で「困惑」,「説明の十分性」,「聞き手の納得性」,「謝罪の必要性」,「謝罪の表出」,「誠意の伝達」,「具体的説明」,「全体の完成度」について,特に「困惑」について着目してその他の項目とのSpearmanの相関係数の計算を行った.「全体の完成度」は5%で有意に負の相関-0.44(P=0.002)があったが,その他の項目については5%での相関は見られなかった.個別の項目では「説明の十分性」について有意ではなかったが弱い負の相関-0.29(P=0.052)が見られた.しかし「具体的説明」はほとんど相関がない0.09(P=0.53)ことから,「説明の十分性」は単に事実を伝えることのみを意味しないと思われる.また,実習のセッションのうち一部については説明している様子をビデオで撮影しており,その映像を見ながらマニュアルで非言語的な振る舞いの特徴量である発話している時間,相手に顔を向けている時間,頷きの回数を計測し,質問紙での「困惑」の評価との比較を行った.その結果「相手に顔を向けている時間」のみが有意に強い相関があった.このことは困惑が大きいほど相手から情報を取得しようとしていると考えられる.以前の成果で医療面接実習と比較して有害事象説明実習では「相手に顔を向けている時間」が有意に長くなる結果が得られていたが,そこで検討していた仮説である,相手が受容したかどうか,あるいはどんな感情を抱いたかなどの情報を取得するために頻繁に相手の顔を見ている可能性を裏付ける結果となった.このことは,困惑は行動を変えるために模索している状態であるとの考えとの整合性はよい.情報処理,医学教育,会話分析今年度は分析の基盤としてデータベース作成をメインの目標とした.データベースを構成する発話や動作の書き起こしのためにスタッフを雇用をし作業を進めた.しかしながら予想以上に負荷が大きく,予定していた作業を実現することが出来なかった.そこで収録した全データではなく,有害事象説明実習8データ,医療面接実習8データを対象として分析を行った.学生から模擬患者への情報提供を特徴付ける量として学生の対話時間1分あたりの発話時間(秒)を,模擬患者からの情報取得の特徴量として学生が対話時間1分あたりに相手の顔を見る時間を調べた.
活性炭素繊維によるSO_XおよびNO_Xの酸化的捕捉

(脱硫)今年度はポリアクリロニトリル系活性炭素繊維より活性の高いピッチ系活性炭素繊維について下記の試験を行い、SO_2をH_2SO_4として連続的に回収した。本研究ではPitch-ACFの熱処理による脱硫活性について処理温度と定常脱硫率の関係を調べ、さらに接触時間の変化、水蒸気分圧の影響について検討すると共に、NO共存の脱硫能に対する影響を検討した。また、熱処理によるACF表面の変化について調べた。その結果、熱処理温度が等しい場合、より表面積の大きなACFがより高い脱硫率を示した。また、全てのACFにおいて、900°Cまでは熱処理温度が高いほど脱硫率は向上した。最大表面積(約2000m^2/g)のPitch-ACFを1100°Cで熱処理した時、最高活性を示し、接触時間(W/F)=1.0×10^<-3>g・min・ml^1の条件下で、1000ppmのSO_2の完全除去が達成された。また、水蒸気分圧が10vol%の場合は、最低60時間以上完全脱硫が進行した。水蒸気分圧を7.5、5vol%とすると、完全捕捉時間は各14、1.5時間となり定常脱硫率は95、55%へ減少した。乾燥空気では、約1時間の完全補足の後、直ちに100%破過した。生成した硫酸の除去には、過剰の水蒸気が必要である。接触時間の変化に関しては、水蒸気分圧5vol%と比較的低い水蒸気分圧でも、ACF重量0.5gの場合、1000ppmのSO_2を完全捕捉できた。つまり、水蒸気分圧が高い場合は、より少量のACFでもSO_2完全捕捉が可能であり、水蒸気分圧が低い場合には、逆に接触時間を増加すれば脱硫率を増加できることがわかった。SO_2濃度500ppmで500ppmのNOが共存すると、脱硫能は阻害され、活性は、85%まで低下したが、水蒸気分圧を上げることにより、SO_2のリ-ク量は減少し、7.5vol%で定常脱硫率97%、10vol%においては完全捕捉できた。一方、NOはどの条件でも約3時間以内に完全に破過した。NO共存下でも、ポリアクリロニトリルACFと比較してPitch系ACFの極めて高い活性が認められた。(脱硝)Pitch系ACF上でのNO(380ppm)をNO_2に触媒酸化し、その酸化物ばかりでなく未反応のNOも硝酸やその塩として室温で捕捉し、排煙ガス中のNOの酸化的除去を研究した。まず、市販およびそれらを850°Cで熱処理したPitch系ACFのNO酸化活性を調べた。その結果、ACFの活性は未処理と熱処理によってその活性が大きく異なり、後者の方がいずれも高活性を示した。表面積の異なるPitch系ACFの中では、適度な表面積(800m^2/g)をもつ熱処理されたACFが最高活性を示し、濃度380ppmのNOを反応温度25°C、接触時間(W/F)=1.0×10^<-2>g・min・ml^<-1>の条件で、湿度100%で24%、湿度80%で62%のNO転化率を示した。とくに、市販ACFの湿度による強い活性阻害は850°Cでの熱処理によって低減した。低濃度NO(10ppm)は乾燥下で24%、湿度100%の加湿下で5%の転化率を示した。その他表面積の異なるPitch系及びポリアクリロニトリル系ACFの触媒活性も乾燥下及び加湿下で調べ、湿度80%以上ではいずれの繊維についても顕著な活性低下を認めた。また、反応温度を30125°Cと変化させ、その影響を調べた。乾燥雰囲気下において、NOの転化率は、30°C、50°Cで88、87%を維持し、50°C以上では徐々に減少し、125°Cで20%となった。加湿下においては、転化率は、25°Cで25%、75°Cで45%と増加した。さらに温度を上げ125°Cとすると転化率は10%と減少した。乾燥あるいは加湿下におけるNO転化率に対する酸素濃度の影響も調べた。その結果、720%の酸素は、転化率にほとんど影響を与えないが、4%では乾、加湿雰囲気下共にわずかに転化率が低下することがわかった。これより通常の排煙ガスや大気中の酸素濃度はピッチ系ACFの最高転化率の発現に必要十分であることがわかった。

最大表面積(約2000m^2/g)のPitch-ACFを1100°Cで熱処理した時、最高活性を示し、接触時間(W/F)=1.0×10^<-3>g・min・ml^1の条件下で、1000ppmのSO_2の完全除去が達成された。また、水蒸気分圧が10vol%の場合は、最低60時間以上完全脱硫が進行した。水蒸気分圧を7.5、5vol%とすると、完全捕捉時間は各14、1.5時間となり定常脱硫率は95、55%へ減少した。乾燥空気では、約1時間の完全補足の後、直ちに100%破過した。生成した硫酸の除去には、過剰の水蒸気が必要である。接触時間の変化に関しては、水蒸気分圧5vol%と比較的低い水蒸気分圧でも、ACF重量0.5gの場合、1000ppmのSO_2を完全捕捉できた。つまり、水蒸気分圧が高い場合は、より少量のACFでもSO_2完全捕捉が可能であり、水蒸気分圧が低い場合には、逆に接触時間を増加すれば脱硫率を増加できることがわかった。SO_2濃度500ppmで500ppmのNOが共存すると、脱硫能は阻害され、活性は、85%まで低下したが、水蒸気分圧を上げることにより、SO_2のリ-ク量は減少し、7.5vol%で定常脱硫率97%、10vol%においては完全捕捉できた。一方、NOはどの条件でも約3時間以内に完全に破過した。NO共存下でも、ポリアクリロニトリルACFと比較してPitch系ACFの極めて高い活性が認められた。(脱硝)Pitch系ACF上でのNO(380ppm)をNO_2に触媒酸化し、その酸化物ばかりでなく未反応のNOも硝酸やその塩として室温で捕捉し、排煙ガス中のNOの酸化的除去を研究した。まず、市販およびそれらを850°Cで熱処理したPitch系ACFのNO酸化活性を調べた。その結果、ACFの活性は未処理と熱処理によってその活性が大きく異なり、後者の方がいずれも高活性を示した。表面積の異なるPitch系ACFの中では、適度な表面積(800m^2/g)をもつ熱処理されたACFが最高活性を示し、濃度380ppmのNOを反応温度25°C、接触時間(W/F)=1.0×10^<-2>g・min・ml^<-1>の条件で、湿度100%で24%、湿度80%で62%のNO転化率を示した。とくに、市販ACFの湿度による強い活性阻害は850°Cでの熱処理によって低減した。低濃度NO(10ppm)は乾燥下で24%、湿度100%の加湿下で5%の転化率を示した。その他表面積の異なるPitch系及びポリアクリロニトリル系ACFの触媒活性も乾燥下及び加湿下で調べ、湿度80%以上ではいずれの繊維についても顕著な活性低下を認めた。また、反応温度を30125°Cと変化させ、その影響を調べた。乾燥雰囲気下において、NOの転化率は、30°C、50°Cで88、87%を維持し、50°C以上では徐々に減少し、125°Cで20%となった。加湿下においては、転化率は、25°Cで25%、75°Cで45%と増加した。さらに温度を上げ125°Cとすると転化率は10%と減少した。乾燥あるいは加湿下におけるNO転化率に対する酸素濃度の影響も調べた。その結果、720%の酸素は、転化率にほとんど影響を与えないが、4%では乾、加湿雰囲気下共にわずかに転化率が低下することがわかった。これより通常の排煙ガスや大気中の酸素濃度はピッチ系ACFの最高転化率の発現に必要十分であることがわかった。大気中に放散された硫黄酸化物(SOx)、窒素酸化物(NOx)は、酸性雨、酸性霧、酸性雪あるいは光化学スモッグとして樹木森林破壊、湖沼河川の死滅、都市建造物破壊、呼吸器障害等急性健康ならび環境被害をもたらす。先進工業国においては、火力発電所等の固定発生源に対する対策が20年に亘って施され、大幅な改善をみたが、大都市における自動車の増加が新たな発生源となってとくに、交通量の集中する地域、道路周辺において深刻な被害をもたらしかねない状況が続いている。
部分混和系におけるKorteweg効果を伴う界面流体力学の数値解析

応募者らは、ごく最近、水性二相系を用いることにより、初めて部分混和系でのViscousfingering(VF)実験を成功させ、その特性が、従来から知られている完全混和系と非混和系の場合とは全く異なり、VFが千切れ、多数の液滴を形成するパターンになることを見出した。さらに、その液滴形成の起源は、部分混和系であることに起因して生じる相分離とその相分離の際に自発的に生じる対流(Korteweg効果と呼ばれている)であることを提示した。本研究では、部分混和系でのKorteweg効果を伴うVFの数値解析を行い、応募者らが提示しているメカニズムの正当性を実証する。
サブミリ解像度のＰＥＴ動画像の実現に向けたガンマ線計測技術の確立

PET画像において高い解像力を実現するとともに有効データの増加(高感度化)によって画像取得時間の短縮化して「PET動画像」を可能とするため、ガンマ線の相互作用挙動を3次元的に把握可能な検出器ブロックに適用する位置敏感型検出器の要素技術を開発した。この開発ではプリンタブルエレクトロニクス技術が応用されており、これは放射線計測分野では初の試みであると推測される。また、この検出器ブロックによって得られる複数の相互作用の付与エネルギーと位置から初回の相互作用を特定する手法を構築した。本研究はPET装置の飛躍的向上のため、(1)高い汎用性を持つ位置敏感型半導体検出器の作製技術(PSD開発技術)の確立、(2)これを用いた高感度計測技術の確立を行うものである。平成24年度は第1段階として、(1)PSD開発に関しては抵抗回路網を形成するための薄膜を検出器電極面に形成する技術の開発、および、理論計算を元にした検出器面上に形成する抵抗回路網の設計を行った。検出器面への膜、電極および抵抗体などの形成について検討を行い、インクジェット技術の応用が有効であることを知見として得た。ナノ粒子ペーストを材料とすることで検出器面上へのインクジェットによる各コンポーネントのパターンニングが可能となり、同様に本研究におけるPSD作製技術確立の目標である低温でのプロセスが達成できる。今後はパターンニング手法の詳細についての検討を行う予定である。また、抵抗回路網の設計については、電極面の端部の抵抗値を中心部分よりも低くすることによって従来型PSDにおいて生じるピンクッション歪を低減可能とする検出器デザインを考案した。このデザインを実機開発に活かしていくことを方針である。また、(2)高感度化技術については、複数相互作用イベントにおける初回相互作用位置の特定手法の理論の構築と共に、シミュレーションを元にした手法の評価を行った。検出器材料をテルル化カドミウムとした場合に発生する各相互作用過程の頻度の調査を行い、この中で最も頻度の高い2回相互作用を生じる過程に関しての初回相互作用位置特定法を構築した。この手法の評価を行ったところ、特定精度は検出器の持つ位置分解能の他、エネルギー分解能にも顕著に依存することが判明した。このため、今後の検出器開発においては、エネルギー分解能を十分に保つことがより一層重要であると考える。位置敏感型検出器開発技術に関しては、核医学装置用の検出器材料として有望なテルル化カドミウム(CdTe)ウエハ上(サイズ20mm×20mm、厚さ1mm)への金ナノ粒子インクを使った電極膜形成を行って検出器を形成し、その性能各種を評価した。本年度作製した電極は一様電極での性能評価のために5mm×14mmであるが、将来的には電極はパターン化される。描画特性はウエハの表面状態に影響を与えられることが予想されるため、複数の表面粗さのウエハでの電極形成を試みた。この結果として、第1に算術平均粗さが100nm程度になった場合はパターンに顕著なにじみが生じて描画が困難となること、第2に鏡面研磨したCdTeウエハで懸念していた過剰なはっ水は確認されず、その濡れ性は描画に影響を与えることは無いことが判明した。さらに作製した検出器の特性を評価した。I-V特性は線形性が確認され、AuインクとCdTe界面が想定通りのオーミック接触を示すことが分かった。また、Cs-137線源のスペクトル測定では662keVの光電ピークを観測することに成功した。一方で、陽極ー陰極間抵抗がCdTeの比抵抗を考慮した値よりも低い検出器サンプルが確認されている。これは電極を焼成して形成する際に溶媒とともに金ナノ粒子が飛散したものと考えている。今後は、この改善に着手し、エネルギー分解能のさらなる向上を目指す。また、感度計測技術に関しては、ガンマ線の検出器内での多重散乱事象の中の初回相互作用位置の判別手法の合理化を行った。この研究では結果への影響が少ない小角の散乱現象を無視するなどにより特定処理の簡略化・高速化を図った。位置敏感型検出器開発技術に関しては、昨年度に引き続き核医学装置用の検出器材料として有望なテルル化カドミウム(CdTe)ウエハ上(サイズ20mm×20mm、厚さ1mm)への金ナノ粒子インクを使った電極膜形成を行って検出器を形成し、その性能各種を評価した。以前の研究で作製された検出器のエネルギースペクトルでは光電ピークが確認されていたものの、CdTeの比抵抗を考慮した値よりも低い値の陽極ー陰極間抵抗が確認されており、これらが良好なエネルギー分解能の妨げとなっていた。当初は電極を焼成して形成する際の金ナノ粒子の飛散が原因と考えていたが、本年度の調査によってインク焼結によるCdTeウエハの特性変化であることが分かった。また、その特性変化を回避しつつ、良好な電極形成が可能な焼結温度の条件を明らかにすることができた。この知見によって662keVのγ線に対して数%程度のエネルギー分解能を実現できるようになった。これらの調査の過程で、陽極・陰極のいずれか一面において整流作用の発現が確認された。この現象を有効な利用は漏れ電流を低下させることに寄与し、検出器性能をより向上させることが可能であると考える。位置敏感化のために必要な抵抗回路網材料に関しては、その候補材料を複数選び出すことができた。今後の研究で最適材料を決定する予定である。

このほか、他研究機関の装置利用によるGaAs位置敏感型検出器の開発にも着手した。また、感度計測技術に関しては、この手法を導入した場合に改善される再構成画像の画質に関しての評価を行った。シミュレーションを通じて得られた結果として、バックグランド中にあるホットスポットの画素値向上に同手法が十分に貢献できることが確認された。位置敏感型検出器開発技術に関しては、放射線検出の位置分解能を決定する検出器上の抵抗回路網の最適化についての研究開発を行った。昨年度までの研究でテルル化カドミウム(CdTe)ウエハ上に金ナノ粒子インクで電極膜形成した検出器で良好なエネルギー分解能を得られることが示されたが、この手法により作製されたピクセル電極またはパッド電極を抵抗回路網に接続することで位置敏感型検出器が作製される。本研究開発ではインクジェット装置を用いて金属成分を含有するインクでウエハ上に描画することによって抵抗回路を形成した。金属インクは熱処理によって焼結されるがその抵抗率は一般に温度に依存する。良好な位置分解能は適切な回路抵抗値によって達成される。本研究では熱処理温度を調整することによってこの抵抗値を調整することを試みた。検討の結果、広い範囲で抵抗値を制御が可能であることが分かった。また、その温度領域は本研究で検出器材料として利用しているCdTe結晶の性能に影響を及ぼさないことも確認された。また、将来の分子イメージング装置用の半導体検出器として注目しているGaAs検出器の高エネルギー分解能化への検討として、新規の整流性電極として金ーパラジウム合金の応用性を調査した。半絶縁性GaAsウエハ上に形成された合金電極に対して電圧ー電流特性を測定したところチタン/白金/金積層電極などの従来型よりも良好な整流性を示すことが明らかになった。この手法で形成されたピクセル電極に前述の抵抗回路網技術を適用することで高性能の位置敏感型半導体検出器が作成可能であると考えられる。PET画像において高い解像力を実現するとともに有効データの増加(高感度化)によって画像取得時間の短縮化して「PET動画像」を可能とするため、ガンマ線の相互作用挙動を3次元的に把握可能な検出器ブロックに適用する位置敏感型検出器の要素技術を開発した。この開発ではプリンタブルエレクトロニクス技術が応用されており、これは放射線計測分野では初の試みであると推測される。また、この検出器ブロックによって得られる複数の相互作用の付与エネルギーと位置から初回の相互作用を特定する手法を構築した。本研究の開発項目である位置敏感型検出器開発技術および高感度計測技術に関して、平成26年度のそれぞれの開発目標を達成することができた。前者に関しては有望な位置分解能を達成しうる電極作成とおよび抵抗材料探索がポイントであったが、概ねこれを達成することができた。前者に関しては実績の概要に記載した通り低漏れ電流の電極の作製に成功しており、これは検出器の出力信号の低ノイズ化を意味する。ノイズは一般の検出器で重視される基本的な性能(エネルギー分解能・時間分解能など)に影響を及ぼすほか、本開発に置いては良好な位置分解能の達成に関して特に重要であるため、この実績は特に重要なものである。また、高感度計測技術開発に関して得られた画像上での提案手法の有効性の確認は、本研究のアイディアの有効性・実現性を証明するものである。
マクロファージの炎症促進／抑制に伴う、Nrf2転写因子による状況依存的な転写制御

活性酸素種による酸化ストレスなどから細胞を保護する転写因子Nrf2は、炎症の抑制にも重要であることが知られている。私達はその分子機構を明らかにするため、炎症応答におけるNrf2標的遺伝子の同定を行った。マイクロアレイ解析およびChIP-seq解析により、Nrf2活性化マクロファージではIl6、Il1b、Il1aなどの炎症性サイトカイン遺伝子の近傍にNrf2が結合し、発現を抑制することが明らかになった。これらの結果から、従来考えられていた活性酸素種の消去による炎症制御モデルと異なり、Nrf2が炎症性サイトカイン遺伝子の発現を直接に抑制するという新規の炎症制御メカニズムが働いていることが示された。環境ストレス応答の中心因子であるNrf2転写因子は、骨髄球で欠損すると炎症の重症化を引き起こすことが知られている。本研究の目的は、炎症促進時/抑制時のマクロファージに特異的なNrf2標的遺伝子を探索し、Nrf2による炎症制御メカニズムを明らかにすることである。Nrf2標的遺伝子同定のため、マウス骨髄細胞をM-CSF存在下で培養して得た骨髄由来マクロファージ、骨髄由来マクロファージをLPSおよびIFNγで刺激した炎症促進型(M1)マクロファージ、もしくは骨髄由来マクロファージをIL-4で刺激した炎症抑制型(M2)マクロファージを用いてマイクロアレイおよびChIP-seq解析を行った。Nrf2は環境ストレスの非存在下では恒常的に分解され核内に少量しか存在しないため、Nrf2の分解に必要なKeap1タンパク質の骨髄球特異的ノックアウトマウス(Nrf2活性化マウス)からマクロファージを調製し、野生型マウス由来のマクロファージと遺伝子発現を比較することで、Nrf2活性化によって発現変化する遺伝子群を同定した。マイクロアレイ解析の結果をこれまでに発表されている肝臓由来細胞株のマイクロアレイデータと比較したところ、Nrf2活性化によってマクロファージ特異的に発現が上昇する遺伝子群が見いだされた。また、野生型およびNrf2活性化型マクロファージで遺伝子発現に差が見られる遺伝子は、M1マクロファージで特に多いことが明らかになった。特にEdnrb遺伝子やUnc5b遺伝子については、野生型マクロファージではM1刺激に従って発現が誘導されるが、Nrf2活性化によってM1特異的な発現誘導が抑制された。抗Nrf2抗体を用いたNrf2活性化マウス由来マクロファージのChIP-seqでもこれらの遺伝子近傍へのNrf2結合が認められ、EdnrbやUnc5bがNrf2の直接の標的遺伝子であることが示唆された。Nrf2活性化マクロファージを用いたマイクロアレイの結果、LPSによって誘導されるIl6, Il1bなどの炎症性サイトカイン遺伝子の発現をNrf2が抑制することが明らかになった。ChIP-seqおよびChIP-qPCR解析からは、これらの遺伝子近傍にNrf2の結合が認められ、Nrf2がこれらの遺伝子の発現を直接的に抑制していることが示唆された。従来のNrf2による炎症制御の研究では、転写活性化因子であるNrf2が抗酸化遺伝子群の発現を誘導することで、活性酸素種の低下などの二次的な効果によって間接的に炎症が抑制されると考えられてきた。しかし、Nrf2活性化剤およびLPS・IFNγ刺激からの時間経過に従って遺伝子発現変化を観察した結果、既知のNrf2標的遺伝子である抗酸化遺伝子の発現が上昇し始める刺激後3時間の時点で、炎症性サイトカイン遺伝子の発現はすでに抑制されていた。また、薬剤による活性酸素種の消去や阻害は炎症性サイトカイン遺伝子の発現に大きな影響を示さなかった。これらの結果から、炎症性サイトカイン遺伝子の発現抑制がNrf2による直接の制御であることが支持される。培養上清中へのサイトカイン分泌量の測定からは、Nrf2による炎症性サイトカイン遺伝子の発現抑制ガタンパク質レベルでも炎症性サイトカインを低下させることが明らかになった。また、mRNAの安定性にはNrf2の活性化が影響しなかったことから、Nrf2が転写レベルでこれらの遺伝子の発現を抑制することが明らかになった。本研究から、Nrf2が炎症性サイトカイン遺伝子の遺伝子近傍に結合して直接的に発現を抑制するという、Nrf2による新たな炎症制御機構が明らかになった。この知見はNrf2活性化剤を炎症性疾患の治療に適用する際の作用機序を検討する上で重要な情報になると予想される。分子生物学平成25年度に予定していたマイクロアレイ解析およびNrf2抗体を用いたChIP-seq解析はすでに終了し、炎症促進型のM1マクロファージに特異的なNrf2標的遺伝子群を同定することができた。骨髄球におけるNrf2活性化は様々な炎症病態を改善させることが知られているが、その一方でNrf2がApoEノックアウトマウスの動脈硬化を悪化させることも報告されている。

本研究で見いだされたM1マクロファージ特異的なNrf2標的遺伝子の中には動脈硬化との関連が報告されているものもあり、Nrf2による動脈硬化憎悪のメカニズムに関与している可能性がある。平成26年度には、Nrf2結合部位の近傍に結合する因子をDNase-seqによって特定したのち、Nrf2と協調して遺伝子発現を制御する因子をChIP-seq等によって検討する計画であった。しかし、これまでに得られたNrf2結合部位の情報をデータベース上に公開されているChIP-seqデータと照らし合わせたところ、M1マクロファージで活性化することが知られている転写因子や、Nrf2と結合して転写活性化に働くCBP/p300などが、Nrf2標的遺伝子の近傍に結合していることが示唆された。現在、これらの因子に対するChIPの準備を進めており、近日中にこれらの転写因子とNrf2のゲノム上への局在を検討する。データベース上の情報を利用したことによって、Nrf2と協調して働く因子の検討を速やかに始めることができるので、計画は当初の予定よりも早く進展する見込みであるこれまでの解析によって、炎症状態特異的なNrf2による遺伝子発現制御を見いだしたので、今後はこの状況特異的な発現制御を可能にする分子メカニズムを検討する。まず、炎症状態特異的にNrf2結合部位周辺でのヒストン修飾状況や他の転写因子の共局在が変化し、Nrf2標的遺伝子の発現を変化させる可能性について解析する。データベース上の情報からNrf2と協調作用する転写因子が予測されているので、まずこれらの因子についてChIP解析を行い、刺激開始からの時系列に沿ったゲノム上への局在変化を解析する。また、M1刺激に伴うNrf2結合部位周辺でのヒストン修飾状況の変化についてもChIP解析によって検討する。また、炎症状態特異的にNrf2と転写共役因子との相互作用が変化する可能性について検討する目的で、Nrf2結合部位へのCBP/p300の共局在の様子をChIPによって検討する。炎症状態特異的にNrf2とCBP/p300のゲノム上への共局在が変化した場合、それがNrf2を含む転写活性化複合体の構成因子の変化によるものか、Nrf2-CBP/p300複合体のゲノム上へのリクルートの変化によるものかを検討するため、Nrf2およびCBP/p300の共免疫沈降を行う。また、BRG1など他のNrf2結合因子についても同様の解析を行う。これらの解析によって、炎症促進型マクロファージ特異的なNrf2による発現制御のメカニズムが明らかになることが期待される。Nrf2抗体を用いたChIPの条件検討が予定よりもスムーズに進んだために抗体の使用量が少量ですみ、経費の節減につながった。平成25年度に得られた結果とデータベース上のChIP-seqデータの解析から、Nrf2と協調して転写を制御すると思われる因子の候補が得られている。これらの因子がどのようにして炎症状態特異的Nrf2標的遺伝子の発現に関与するのかを詳細に解析するため、平成26年度にChIP用の抗体などを購入する費用を十分に確保する必要があり、平成25年度の未使用分を平成26年度に使用することとした。炎症状態