hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
進化ハードウェアを用いたナノ秒オーダ画像認識システム

Data-basedな画像認識回路を進化ハードウェア(進化的手法で環境に適応するように設計されたハードウェア)を用いて実現し,ナノ秒オーダの画像認識処理を達成する手法を提案した.具体的には,既存画像から生成された基本回路に進化的アルゴリズムを適用し,未知画像に対して正しく反応する汎化能力を基本回路に獲得させた後にハードウェア化(集積回路化)を行う(これは,統計的パターン認識処理手法の一つであるParzen Density法を進化アルゴリズムによって拡張したものと見なせる).このようなData-basedなアプローチにより,画像データ全体に内在する並列性をそのまま利用することができる.更に浮動小数点演算のような複雑な演算が不要になる.このためナノ秒オーダの画像認識を実現することが可能になると考えられる.顔画像認識を具体的な応用として,既に試作したFPGA(書き換え可能集積回路)による「進化ハードウェア」プロトタイプを拡張することで,ナノ秒画像認識システムの基本試作を行った.本試作では,ディジタルビデオカメラで撮影した画像を基に進化ハードウェアの基本回路を設計し,これに周辺回路を付加することで基本システムを構築した.顔画像ベンチマークデータを用いて認識性能を評価したところ,91.7%の認識精度を得ることができた.この認識精度は,ニューラルネットワークや統計処理による認識精度とほぼ同等であった.基本的な認識処理速度は,試作機上に認識データをストアした状態で280nsであった.これより,画像の前処理を含めても23μ秒程度で画像認識処理が可能である見通しを得た.この速度は,従来のビデオレート(33ms)をはるかに上回る高速処理である.これより本手法は,今後の高速画像認識技術に発展することが可能と考えられる.Data-basedな画像認識回路を進化ハードウェア(進化的手法で環境に適応するように設計されたハードウェア)を用いて実現し,ナノ秒オーダの画像認識処理を達成する手法を提案した.具体的には,既存画像から生成された基本回路に進化的アルゴリズムを適用し,未知画像に対して正しく反応する汎化能力を基本回路に獲得させた後にハードウェア化(集積回路化)を行う(これは,統計的パターン認識処理手法の一つであるParzen Density法を進化アルゴリズムによって拡張したものと見なせる).このようなData-basedなアプローチにより,画像データ全体に内在する並列性をそのまま利用することができる.更に浮動小数点演算のような複雑な演算が不要になる.このためナノ秒オーダの画像認識を実現することが可能になると考えられる.顔画像認識を具体的な応用として,既に試作したFPGA(書き換え可能集積回路)による「進化ハードウェア」プロトタイプを拡張することで,ナノ秒画像認識システムの基本試作を行った.本試作では,ディジタルビデオカメラで撮影した画像を基に進化ハードウェアの基本回路を設計し,これに周辺回路を付加することで基本システムを構築した.顔画像ベンチマークデータを用いて認識性能を評価したところ,91.7%の認識精度を得ることができた.この認識精度は,ニューラルネットワークや統計処理による認識精度とほぼ同等であった.基本的な認識処理速度は,試作機上に認識データをストアした状態で280nsであった.これより,画像の前処理を含めても23μ秒程度で画像認識処理が可能である見通しを得た.この速度は,従来のビデオレート(33ms)をはるかに上回る高速処理である.これより本手法は,今後の高速画像認識技術に発展することが可能と考えられる.
震災後の家計の消費行動の解明と地域経済復興への影響評価

本年度も熊本地震によって被災した商店街を対象に、通行量調査や店舗の復旧状況調査を定期的に実施し、店舗の復旧状況と消費行動の関係を分析するためのデータを蓄積した。得られた情報をもとに、大規模な被害を被った旗艦店舗の復旧に伴う地域の通行量やにぎわいの回復、さらには地域の魅力度を高めるコミュニセンターの役割に関してとりまとめを行った。次いで、熊本県全域の約2000世帯のご家庭を対象とした、震災直後からの消費行動の変化についてのアンケート調査結果を用い、消費支出品目別の回復状況について分析を行った。震災後1年半が経過しても娯楽関係や教育関係費用が回復していない家計が13.7%存在するなど、災害による被害や収入の減少と経過期間に応じた消費支出状況の変化等が明らかとなった。さらに、地域の供給構造と需要構造の変化による地域経済全体への影響を評価するために、昨年度構築した空間的一般均衡モデルの改良に取り組んだ。特に、需要構造の変化を反映するために、東日本大震災後の公共工事請負額と製造業の投資財の生産状況の分析を行った。公共工事が本格化するのは震災後半年程度経過した時点となった一方で、製造業の投資財については、震災後26ヶ月程度の比較的短期間において生産割合が他の財よりも増加している傾向が見られた。これらをパターン化し、これまで検討を行ってきた家計の消費構造の変化に関する分析結果とあわせることで、災害後の需要構造の変化が地域経済へ与える影響を把握するための評価プロセスを作成した。上記も含めて、本研究課題では、過去の災害復旧過程における家計の消費構造や企業・政府の投資行動について調査を行うとともに、得られた知見を災害時特有の問題を考慮した一般均衡モデルに反映するための検討を行った。本成果は、地震災害による地域経済への影響をより詳細に把握するための方法論の確立に寄与することが期待される。本年度は、過去の大規模地震災害(1995年阪神大震災、2004年新潟県中越地震、2011年東日本大震災)に加え、本年度発生した熊本地震を対象に、月別統計である家計調査データを整理し、これら地震においては、震災後の一定の期間において需要が大きく減少していることを確認した。さらに、各災害に対する地震動分布の情報と被災地域周辺に立地する世帯の空間分布データを収集し、需要減少とエクスポージャー(地震外力にさらされる人口)の関係をマクロに分析するためのデータベースを構築した。2016年熊本地震に関しては、企業の復旧状況や電力、水道、ガスなどのライフライン途絶状況の調査についても実施し、これまでに検討が進められてきている東日本大震災との比較分析を可能とするための準備を行った。また、需要の変化を把握するための別のアプローチとして、県内の特定商店街を対象に通行量調査や店舗の復旧状況調査を定期的に実施する体制を整えた。本年度は計3回の調査を一定間隔で実施し、需要の回復状況に影響を及ぼす要因をミクロ的視点で分析するための基本データを蓄積しつつある。消費パターンの変化が地域経済へ与える影響を評価するために、分析の基礎となる一般均衡モデルについても検討を実施した。災害時特有の需要と供給がバランスしないような条件(不均衡)設定のもとで、過去の大災害(東日本大震災)の再現性を検証するなど、モデルの基本性能の把握に取り組んだ。得られた成果の一部は、国際産業連関学会の災害影響分析のセッションにおいて報告を行った。家計調査については政府統計を中心にデータ整備を進めることができ、震災影響の概要を把握することができた。また、特定の地震や地域を対象に、災害時の需要変化をより詳細に把握するための基礎データを蓄積しつつある。さらに、需給双方の震災ショックを考慮した地域経済モデルについても基本的な性能評価を進めることができた。昨年度に引き続いて、2016年の熊本地震によって被災した商店街を対象に、通行量調査や店舗の復旧状況に関する調査を定期的に実施し、地震災害による被害と消費行動の関係を分析するためのデータを蓄積した。観測期間において、同商店街に立地する大型の旗艦店舗が復旧しており、地域の旗艦店舗が消費者行動に与える影響が明らかにされつつある。また、本商店街が立地する周辺地域に重点を置きつつ、熊本県全域の約2000世帯のご家庭に協力をいただき、震災直後からの消費行動の変化についてのアンケート調査を実施した。複数の大型店舗が被災することで、消費者がその後の日常品の買い物に困窮している様子だけでなく、自粛に伴う娯楽系の活動に関する消費低迷や被災に伴う耐久消費財の購入タイミングの変化などが観察されている。さらに、地域の供給構造と需要構造の変化による地域経済全体への影響を評価するために、空間的一般均衡モデルの改良に取り組んだ。特に、これまで先行的に研究を進めている供給構造の変化を考慮した空間的一般均衡モデルについて、短期シミュレーションや不均衡の概念、価格の持つ役割等の諸条件を精査し、災害時特有の経済活動の状況に適用できるようにモデルを改良した。本モデルを東日本大震災のケースに適用したところ、地域間の経済的被害の波及を比較的精度よく再現できることが示され、災害後3カ月程度の期間を対象とした経済影響分析の基本モデルについては概ね完成したといえる。家計を対象としたアンケート調査では、当初の予定よりも多い約2000世帯の協力を得ることができ、災害直後からのバラエティに富んだ消費行動パターンを観測することができた。消費行動モデルと結合するための空間的一般均衡モデルについても災害時への適用方法についての考察を深め、実証に成功しつつある。以上を鑑みると、データとモデルの両面において順調に進捗しているといえる。

本年度も熊本地震によって被災した商店街を対象に、通行量調査や店舗の復旧状況調査を定期的に実施し、店舗の復旧状況と消費行動の関係を分析するためのデータを蓄積した。得られた情報をもとに、大規模な被害を被った旗艦店舗の復旧に伴う地域の通行量やにぎわいの回復、さらには地域の魅力度を高めるコミュニセンターの役割に関してとりまとめを行った。次いで、熊本県全域の約2000世帯のご家庭を対象とした、震災直後からの消費行動の変化についてのアンケート調査結果を用い、消費支出品目別の回復状況について分析を行った。震災後1年半が経過しても娯楽関係や教育関係費用が回復していない家計が13.7%存在するなど、災害による被害や収入の減少と経過期間に応じた消費支出状況の変化等が明らかとなった。さらに、地域の供給構造と需要構造の変化による地域経済全体への影響を評価するために、昨年度構築した空間的一般均衡モデルの改良に取り組んだ。特に、需要構造の変化を反映するために、東日本大震災後の公共工事請負額と製造業の投資財の生産状況の分析を行った。公共工事が本格化するのは震災後半年程度経過した時点となった一方で、製造業の投資財については、震災後26ヶ月程度の比較的短期間において生産割合が他の財よりも増加している傾向が見られた。これらをパターン化し、これまで検討を行ってきた家計の消費構造の変化に関する分析結果とあわせることで、災害後の需要構造の変化が地域経済へ与える影響を把握するための評価プロセスを作成した。上記も含めて、本研究課題では、過去の災害復旧過程における家計の消費構造や企業・政府の投資行動について調査を行うとともに、得られた知見を災害時特有の問題を考慮した一般均衡モデルに反映するための検討を行った。本成果は、地震災害による地域経済への影響をより詳細に把握するための方法論の確立に寄与することが期待される。次年度は、本年度構築した災害後の需要関係データベースの分析を進め、震災の外力の規模とその影響度を設定するための統計モデルを構築する。同時に、交通量調査等のミクロな調査結果を活用し、人口分布の空間パターンの変化から復旧状況の把握や家計の消費構造変化を推計するためのモデル構築に取り組む。また、東日本大震災と熊本地震を具体的な事例として取り上げ、供給側と需要側の双方のショックを考慮した一般均衡モデルの開発を実施する。次年度は、本年度収集した震災後の家計の消費行動に関するデータを用い、震災後の家計の消費行動の解明をおこなう。得られた結果を、自然災害による経済的影響を評価するための空間一般均衡モデルに組み込み、災害保険等の各種施策の効果について試算した事例を提供する。本年度実施を予定していた家計のアンケート調査の代替案として、人口分布の時空間変動を活用したアプローチを考案し、こちらの手法のほうが地域全体の消費動向と整合性の高い手法を構築できる可能性が高いことから、本年度におけるアンケート調査の実施を見送った。新たなアプローチには、人口分布データであるモバイル統計データの利用を予定しており、本年度予算をその購入に活用する。全体額に対する次年度使用額は少なく、ほぼ計画通り予算を使用している。
電気流体力学的不安定性における欠陥対流パターンと分岐現象

本研究では、非平衡開放系の恰好な研究対象である液晶の電気流体力学的不安定性(EHC)に注目し、特に対流点近傍のパターンの非線形発展と二次不安定性についてその分岐機構とダイナミックスを研究した。その結果、次のような諸成果が得られた。(1)一次元のパターン選択には3つの特徴的なダイナミックスが見いだされ、特にエクハス不安定性ではエクハスモードの成長率や波数分散などの振る舞いの臨界波数からの差に対する依存性が実験的に解明された。(2)一次元の位相スリップに関して普遍的な時空スケーリング則を示すことが判明した。特に、ギンズブルグ-ランダウ型のマクロなスケーリング則ではその係数(2√2)まで厳密に求まり、実験でそれを検証した。(3)二次元系ではトポロジカルに三つの異なった位相スリップが観測された。そこに各々二つの異なった動力学が見られ、位相スリップ点から離れた領域での動力学は拡散によるもので、一方スリップ点のごく近傍(大体ロールペア幅程度)での動力学は特異ダイナミックスによるものであることが判明した。(4)ゴールドストーンモードを持ったホメオトロピック系のEHCのパターン形成のダイナミックスとブッセダイヤグラムの研究では、つぎのような諸点が明らかとなった。ホメオトロピックEHCでは、ゴールドストーンモードの存在によって静止安定構造からの最初の不安定で、超臨界分岐を経てソフト乱流が発生することが見いだされた。このタイプの分岐現象はいままでには実験的な観測はもちろん予測もされておらず、その詳細な性質は調べられていない。また、このため磁界を印加いていないホメオトロピックEHCでは常にランダムパターンが観測されるが、磁界を印加するとこのモードを殺すことができ、揺らぎの対称性を変えることができる。その際のブッセダイヤグラムもプレーナー系とは全く異なったダイヤグラムを示すことも判明した。ネマチック液晶の薄膜に電界を印加することによって生じる電気流体力学的不安定性(EHD)に見られるパターンとその分岐現象を研究した。1つの波数から別の波数への対流パターンの選択過程は位相スリップを起こして実現されるのが最も普通のルートである。このダイナミックスはスウィフト・ホ-ヘンベルグ方程式あるいはその縮約から得られる振幅方程式によって記述される。本研究ではその位相スリップ過程で時空スケーリングが成り立ち、この両者で現象の違いに依存しない普遍なスケーリング係数が得られた。この事実はEHDの実験によって証明され、一次元系の非線形パターン選択が明らかになった。この方法で、これらの位相スリップやパターン選択におけるモードの移り換わりを詳細に調べ、相図を完成させた。その結果2次元系では一次元系で見られるエクハス不安定に加えて、ジグザグやスキュードバリコース型の不安定が発生し、それらを経て欠陥乱流(FWD)が出現することが明白になり、特にジグザグモードはFDW発生の主役と考えられる。また、周波数によっては欠陥が周期構造を形成する欠陥格子も表れるが、この形成過程にはスキュードバリコースが主役を演じていることが推測された。このFWDへの分岐過程、および欠陥格子への分岐が本研究ではサブクリティカル分岐で生じることが分かったが、その詳細な挙動は現在のところ不明である。その他、欠陥格子出現の明確な原因も現在のところ分かっていない。これらの点については今後の研究によるところが大きい。1995年度には主に、(1)二次元における位相スリップのトポロジカルダイナミックスの研究、

(2)ゴールドストーンモードを持ったホメオトロピック系の電気流体力学的パターン形成(EHC)のダイナミックスとブッセダイヤグラムの作成、等の研究を行った。その結果、二次元系ではトポロジカルに三つの異なった位相スリップが観測された。そこには各々二つの異なった動力学が見られ、位相スリップ点から離れた領域での動力学は拡散によるもので、一方スリップ点のごく近傍(大体ロールペア幅程度)でのそれは特異ダイナミックスによるものであることが判明した。また、そのスケール則は一次元の場合と同じであったが、その傾きに一次元で既に観測されたような普遍な係数(2√2)が存在するか否かは未解明で今後の問題となった。これらの特異ダイナミックスはその一般性が非常に高く、タイプIIの超伝導に現れる位相スリップ点(アブリコソフ格子)のダイナミックスにおいても成り立つものと期待される。一方、ホメオトロピックEHCでは、ゴールドストーンモードの(GSM)存在によって静止安定状態からの最初の不安定において、超臨界分岐を経てソフト乱流が発生することが判明した。このタイプの分岐現象はいままで実験的な観測はもちろん予測もされておらず、その詳細な性質はまだ調べられていない。無磁界下のホメオトロピックEHCでは常にランダムパターンが観測されるが、磁界を印加するとGSMを殺すことができ、整然とした周期パターンが現れる。これは揺らぎの対称性を変えることに相当し、そのためプレーナーEHCとは異なった多様なパターンが観測されることが分かった。またその際のブッセダイヤグラムもプレーナー系とは全く異なったダイヤグラムを示すことも判明した。これも数理面いついては今後解明すべき問題として残った。
アトピー性皮膚炎および乾癬の遺伝要因の研究

日本人の乾癬患者65例を対象に、TNF-alpha阻害薬に反応する群(レスポンダー)とあまり反応しない群(ノン・レスポンダー)に分けて、遺伝子多型解析を行った。レスポンダーは治療1年後の重症度(PASI)スコアが75%以上改善した患者と定義した。欧米で有意な相関が報告された3つの遺伝子多型(TNFA, TNFRSF1B, TNFAIP3)に関して日本人でも解析を行ったところ、全ての遺伝子で有意な相関には至らなかった。欧米では乾癬に対するTNF-alpha阻害薬として、エタネルセプト、インフリキシマブ、アダリムマブの3剤が使われているのに対して、日本では後2剤のみで、エタネルセプトは適用されていない。今回、欧米と日本で結果に違いが出た理由の一つとして、使われている薬剤の違いが考えられた。また、研究分担者の広田朝光らは、TYRO3遺伝子のeQTLs(expression quantitative trait loci)領域とアレルギー疾患(アトピー、喘息、アレルギー性鼻炎)との相関を解析した。TYRO3遺伝子はアレルギー感作に重要なTh2反応を抑制することが知られている。3つの日本人の集団(計2403人)において、TYRO3遺伝子の8つのeQTLsを解析した。第1および第2集団において、アトピーはコナヒョウニダニ、花粉などを含む14種類の外来抗原のうち少なくとも1つの特異的IgEが陽性の者、第3集団において、アトピーはコナヒョウニダニまたはスギ花粉の特異的IgEが陽性の者と定義された。3つの集団のメタ解析の結果、rs2297377はアトピーと優位な相関が認められた(P=0.00041)。また、rs2297377のリスク対立遺伝子はTYRO3 mRNA発現が有意に低下していた。以上より、TYRO3遺伝子のeQTLs領域はアトピーの疾患感受性遺伝子であることが示された。乾癬の亜型として最重症病型である膿疱性乾癬が知られている。膿疱性乾癬の原因遺伝子のひとつがIL-36受容体のアンタゴニスト(IL-36RA)をコードする遺伝子のIL36RNであることが国内外で報告されたが、本邦では膿疱性乾癬患者や他の病型である尋常性乾癬および健常人におけるIL36RN遺伝子異常に関する詳しい解析はまだなされていない。我々は8名の膿疱性乾癬患者と258名の尋常性乾癬患者から得られた検体を用いて、IL36RN遺伝子の全エクソンの塩基配列を調べた。その結果、6つの1塩基多型(SNPs)が同定された(p.R10X,p.R10RfsX1, p.N47S, p.V57I, p.P82L, p.E112K)。さらに、これらのSNPsの日本人での遺伝子頻度を調べるため、1130名の健常人から得られた検体を用いてSNPsの解析をした。p.R10Xとp.R10RfsX1は既に日本人の膿疱性乾癬患者で報告されたSNPsと同一である。p.N47S, p.V57I, p.P82Lの3つのSNPsは、尋常性乾癬患者と健常人でほぼ同じ頻度で認められたため、遺伝子変異とは考えられない。一方、p.E112Kは1名の膿疱性乾癬患者に認められたが、尋常性乾癬患者と健常人では認められず、膿疱性乾癬の新たなIL36RN遺伝子変異と考えられた。画像解析ソフトを用いると、この変異は蛋白の機能変異に関与する可能性が高いと考えられた。なお、研究分担者の玉利真由美らは、アトピー性皮膚炎における全世界規模のゲノムワイドな遺伝子解析研究に参加し、新たに10個の新患感受性遺伝子を同定した。さらに、韓国人の難治性小児アトピー性皮膚炎患者のゲノムワイドな遺伝子解析研究に参加し、角化や免疫の機能に関与する新たな新患感受性遺伝子を同定した。本研究は、アトピー性皮膚炎と乾癬の遺伝要因を亜型や治療反応性で分類して詳細に解析することで、より深い病態の理解やより適切な治療手段の選択を可能にすることを目的とする。研究代表者が今まで在籍した3施設(日本医科大学、東京慈恵会医科大学、東京大学)で共同して、アトピー性皮膚炎および乾癬患者から血液検体を収集する。採血時に併せて診療情報(臨床像の特徴、臨床検査値の特徴、亜型分類、各薬剤への治療反応性など)も収集する。集めた検体は理化学研究所に送付され、遺伝子解析を行う。既に、東京大学でアトピー性皮膚炎223検体、乾癬175検体、東京慈恵会医科大学でアトピー性皮膚炎90検体、乾癬104検体を収集済である。今年度は新たに、東京慈恵会医科大学で乾癬4検体、日本医科大学でアトピー性皮膚炎47検体、乾癬54検体を収集し、理化学研究所に送付した。また、乾癬の亜型として最重症病型である膿疱性乾癬において、新たなIL36RN遺伝子変異を同定した。また、研究分担者の玉利真由美らは、アトピー性皮膚炎における新たな新患感受性遺伝子を同定した。以上より、本研究は現在のところ、おおむね順調に進展していると考えられる。

日本でも約7年前より重症・難治性の乾癬患者に対してTNF-alpha阻害薬(インフリキシマブ、アダリムマブ)による治療が始まり、患者の皮疹とQOLは著明に改善した。しかし、TNF-alpha阻害薬に良く反応する患者(レスポンダー)群と、あまり反応しない患者(ノン・レスポンダー)群が存在するのも事実である。乾癬に対するTNF-alpha阻害薬の治療反応性に関与する遺伝子多型として、欧米ではFCGR2A/3A、TNFA, TNFR1A/1B、TRAILR1、TNFAIP3などが報告されているが、本邦ではまだあまり解析されていない。そこで、日本人の乾癬患者を対象に、欧米で報告された遺伝子多型に関して、レスポンダー群とノン・レスポンダー群で遺伝子頻度に差があるか調べることにした。まだ、44症例の中間解析結果であるが、上記の遺伝子多型の中に、ボーダーラインで有意差がみられるものが存在した。今後は症例数を増やして解析を続けていく予定である。また、研究分担者の玉利真由美らは、血清総IgE値が1000 IU/mL以上の日本人のアトピー性皮膚炎患者37名からゲノムDNAを回収して、エクソーム解析を行った結果、アレル頻度が1%以下のレア・バリアントを7つ同定した。次に、467名の血清総IgE値が1000以上のアトピー性皮膚炎患者と、935名の健常人から回収されたゲノムDNAを用いて、7つのレア・バリアントに関するレプリケイション・スタディを行った。結果、CYP27A1 rs199691576 (A/G)で有意な相関を認めた。このレア・バリアントはビタミンDの代謝経路に関与する遺伝子であるが、以前にもアトピー性皮膚炎のゲノムワイドな相関解析で、ビタミンDに関する遺伝子との相関が報告されていた。今回の解析結果から、アトピー性皮膚炎の病態にビタミンDの代謝経路が関与する可能性が示唆された。本研究は、アトピー性皮膚炎と乾癬の遺伝要因を亜型や治療反応性で分類して詳細に解析することで、より深い病態の理解やより適切な治療手段の選択を可能にすることを目的とする。研究代表者が今まで在籍した3施設(日本医科大学、東京慈恵会医科大学、東京大学)で共同して、アトピー性皮膚炎および乾癬患者から血液検体を収集する。採血時に併せて診療情報(臨床像の特徴、臨床検査値の特徴、亜型分類、各薬剤への治療反応性など)も収集する。集めた検体は理化学研究所に送付され、遺伝子解析を行う。既に、東京大学でアトピー性皮膚炎223検体、乾癬175検体、東京慈恵会医科大学でアトピー性皮膚炎90検体、乾癬108検体、日本医科大学でアトピー性皮膚炎54検体、乾癬47検体を収集済である。今年度は新たに、東京慈恵会医科大学で乾癬6検体、日本医科大学でアトピー性皮膚炎18検体、乾癬25検体を収集し、理化学研究所に送付した。現在、日本人の乾癬患者を対象に、TNF-alpha阻害薬に反応する群とあまり反応しない群に分けて、遺伝子多型解析を行っている。また、研究分担者の玉利真由美らは、血清総IgE値が1000 IU/mL以上の日本人のアトピー性皮膚炎患者467名を対象にした解析で、ビタミンDの代謝経路に関与する遺伝子との相関を報告した。以上より、本研究は現在のところ、おおむね順調に進展していると考えられる。また、研究分担者の広田朝光らは、小児食物アレルギー(FA)と、アトピー性皮膚炎(AD)および好酸球性食道炎(EoE:食物が抗原が関与する疾患)とで、疾患感受性遺伝子が重複するか検討した。既報のADおよびEoEのGWASで明らかになった疾患感受性遺伝子(それぞれ19個と7個)に関して、小児FAとの相関を調べたところ、ADでは12個の、EoEでは2個の遺伝子と優位な相関が認められた。小児FAはEoEよりADにおいて、疾患感受性遺伝子の重複の割合が高いことが明らかとなった。
骨格筋分泌因子を介した運動依存的な皮膚機能制御機構の解明

本研究では、骨格筋分泌因子を介した運動による皮膚組織への効果の解明を目的としている。電気刺激を負荷したあるいはしていないC2C12筋管の培養上清を抗体アレイや質量分析に供し、新規の運動制御性マイオカインを探索する。さらに細胞外小胞についても、運動により内包量が変動するmiRNAなどを探索する。また、同定した骨格筋分泌因子を添加した骨格筋培養上清や細胞外小胞をマウスの初代培養皮膚細胞に添加し、皮膚組織への効果を確認する。さらに、創傷や老化などの動物モデルを用いた検討も実施する。これらを明らかにすることで、骨格筋分泌因子を介した皮膚組織への運動効果の伝達メカニズムの一端を明らかにすることができる。
シグナル伝達系の再構成

本研究は、シグナル伝達系を試験管内で再構成し、その速度論的な性質を明らかにすることを目的として行った。具体的には、蛍光相関分光法でシグナル伝達系における相互作用反応を測定し、さらに複数の相互作用段階からなる一連の系路を試験管内で再構成し、その系路の各部分や全体での速度論的パラメーターを測定することを計画した。解析対象には、最も詳細に解析がなされているシグナル伝達系であるTNFシグナル伝達系を用い、その構成要素の相互作用によって下流へのシグナル伝達が行われる過程を試験管内で再構成するために、これらの構成要素の組換えタンパク質発現、および蛍光標識を行い、蛍光相関分光法による相互作用解析を行った。しかし、タンパク質間の親和性が非常に高い場合は、蛍光相関分光法による解析では再現性のある結果を得ることが困難であった。そこで、他の手法を用いた相互作用解析を検討し、QCM(水晶結晶発振子)による解析を行うこととした。そこで、まず測定系を確立するために、既知の低親和性、高親和性リガンドを部位特異的変異体として調整し、大腸菌発現系において組換えタンパク質を発現、調整した。同様に可溶型受容体を調整し、リガンド-受容体間の相互作用定数の測定を行った。また、電極面へのタンパク質の固定化方法の検討、および解析目的とする他の組換えタンパク質の発現系の構築を行った。本研究は、シグナル伝達系を試験管内で再構成し、その速度論的な性質を明らかにすることを目的とする。具体的には、蛍光相関分光法でシグナル伝達系における相互作用反応を測定し、さらに複数の相互作用段階からなる一連の系路を試験管内で再構成し、その系路の各部分や全体での速度論的パラメーターを測定することを目標として解析を行った。解析対象には、最も詳細に解析がなされているシグナル伝達系であるTNFシグナル伝達系を用い、その構成要素の相互作用によって下流へのシグナル伝達が行われる過程を試験管内で再構成するために、これらの構成要素の組換えタンパク質発現を行った。蛍光相関分光法で相互作用解析を行うためには、タンパク質の機能・構造に影響を及ぼさない部位に低分子蛍光分子を標識する必要がある。このため、申請者はN末端への部位特異的蛍光修飾を行うために、N末端にセリンを有する組換えタンパク質発現を行うための発現ベクターを構築し、N末端セリンの酸化とヒドラジン化した蛍光分子の重合による、タンパク質のN末端部位特異的標識を行った。また、この方法で蛍光標識した組換えタンパク質を未標識タンパク質や未反応蛍光分子から分離・精製するための条件を検討し、HPLCによって分離・精製する方法を確立し、この組換え型リガンドの受容体との結合を蛍光相関分光法で測定した。この結果、部位特異的標識が行われていることは確認できたが、受容体との結合が非常に低濃度で起こるため、蛍光相関分光法での測定が困難であるという課題が明らかになった。また受容体の組換えタンパク質発現系を検討したが、ショウジョウバエ細胞株S2発現系が、他の発現系よりも適しているものの、目的のタンパク質を大量に発現することは困難であった。これらの結果から、さらに発現系の改良、相互作用解析系の検討が必要であると考えられ、今後はこれらの点を検討してゆく予定である。
準同期式回路レイアウト設計

現在,大域的なクロックを用いる同期式回路がVLSI上に実装される回路の主流を占めているが,完全同期式回路は様々な観点で限界に達していると言われている.本研究では,同一周期のクロックを必ずしもレジスタに同時に入力することを前提としない準同期式回路によって限界を乗り越えようと試みている.本年度は,高性能準同期式回路をVLSI上で実現するための萌芽的基礎的な技術として以下の成果を得た.1.回路合成技術:クロックスケジュールが任意に設定可能であるという条件下で,与えられたゲートレベルの回路に対し遅延を挿入することにより,回路のクロック周期を,遅延挿入のみKが許された場合の下限まで短縮できることを示し,遅延挿入アルゴリズムを与えた.現実には遅延挿入やクロックスケジュールの容易さなどが関係するため,実際の回路で遅延をどのように挿入すればよいのか明らかにする必要がある.今後,リタイミング技術などと組み合わせることにより,回路の面積,クロック配線長,クロック周期などの最適化を目指す.2.クロック駆動レイアウト手法:クロック分配に必要なコストを削減するために最適クロック配線を仮定し,その下で回路レイアウトの最適化を試みるクロック駆動レイアウト手法において,仮定した最適クロック配線を大域的情報として用いて実際のクロック配線を構成する手法を提案した.今後,実際の回路に対して提案手法を適用しクロック配線長削減に対する効果を確かめるとともに,手法の問題点を探り改善を目指す.現在,大域的なクロックを用いる同期式回路がVLSI上に実装される回路の主流を占めているが,完全同期式回路は様々な観点で限界に達していると言われている.本研究では,同一周期のクロックを必ずしもレジスタに同時に入力することを前提としない準同期式回路によって限界を乗り越えようと試みている.本年度は,高性能準同期式回路をVLSI上で実現するための萌芽的基礎的な技術として以下の成果を得た.1.クロックスケジュール実現技術:ゼロスキュー・クロック配線に関する様々な技術を基に配線アルゴリズムを考案し,Elmore遅延モデルのもとで各レジスタに指定時刻にクロックを配送するとこが可能であることを実験により確かめた.2.クロック配線駆動レイアウト手法:クロック分配に必要なコストを削減するために,最適クロック配線を仮定し,そのもとで回路レイアウトの最適化を試みる手法を提案した.実験により,クロック周期,信号配線長は完全同期式回路とほぼ同等であるが,クロック配線長が大幅に消滅できることを確かめた.次年度は,クロック周期,クロック配線長等を考慮したクロックスケジュールの設定方法,そこで得られたクロックスケジュールにより適応したクロック配線法,レイアウトまで考慮した準同期式に適した回路の合成法の開発を目指す.また,実験モデルを精密化しより厳密な考察をするとともに,実際のVLSIチップ上での準同期式回路の実現を視野に入れ研究を継続する予定である.現在,大域的なクロックを用いる同期式回路がVLSI上に実装される回路の主流を占めているが,完全同期式回路は様々な観点で限界に達していると言われている.本研究では,同一周期のクロックを必ずしもレジスタに同時に入力することを前提としない準同期式回路によって限界を乗り越えようと試みている.本年度は,高性能準同期式回路をVLSI上で実現するための萌芽的基礎的な技術として以下の成果を得た.1.回路合成技術:クロックスケジュールが任意に設定可能であるという条件下で,与えられたゲートレベルの回路に対し遅延を挿入することにより,回路のクロック周期を,遅延挿入のみKが許された場合の下限まで短縮できることを示し,遅延挿入アルゴリズムを与えた.現実には遅延挿入やクロックスケジュールの容易さなどが関係するため,実際の回路で遅延をどのように挿入すればよいのか明らかにする必要がある.今後,リタイミング技術などと組み合わせることにより,回路の面積,クロック配線長,クロック周期などの最適化を目指す.2.クロック駆動レイアウト手法:クロック分配に必要なコストを削減するために最適クロック配線を仮定し,その下で回路レイアウトの最適化を試みるクロック駆動レイアウト手法において,仮定した最適クロック配線を大域的情報として用いて実際のクロック配線を構成する手法を提案した.今後,実際の回路に対して提案手法を適用しクロック配線長削減に対する効果を確かめるとともに,手法の問題点を探り改善を目指す.
ヒト前立腺癌のゲノムスキャニング2次元電気泳動(RLGS法)による遺伝子解析

本研究の目的は,RLGS(Restriction landmark genomic scanning)法によりヒト前立腺癌におけるゲノムパターンを認識し,腫瘍に共通の増幅及び欠失した遺伝子群を検出することにある。ヒト前立腺癌の症例、前立腺癌細胞株及び前立腺肥大症について解析を行い、更に数例の前立腺癌全摘例を用いた組織学的mappingとゲノム変化のmappingを対比することで前立腺癌の増殖,進展の分子機構を明らかにする。2.前立腺癌全摘症例6例を用い、各腫瘍から3箇所の組織的に異なる部位を選び、正常組織とのRLGSパターンと検討した。共通した3個の増幅スポット、8個の減弱ないし消失スポットを見い出し、この中には組織的gradeに相関して増減するスポットも含まれていることを報告した。(Am.J.Pathol.,150:305-314,1997)3.前立腺肥大症16例を正常前立腺組織とのRLGSパターンを比較検討したところ、前立腺癌に認められたような共通性のあるスポット変異はなかった。(L.Urol.,157:1499-1503,1997)以上の結果から、前立腺癌に特異的なゲノム変化があることが判明した。また、RLGS上の増幅ないし減少スポットのいくつかは現在までに報告されてきた変異とオーバーラップするものもあるが、未知の変異も多く存在し、今後の前立腺癌発生、進展に対するアプローチの一つになると思われる。本研究の目的は,RLGS (Restriction landmark genomic scanning)法によりヒト前立腺癌におけるゲノムパターンを認識し,腫瘍に共通の増幅及び欠失した遺伝子群を検出することにある。このためヒト前立腺癌の症例、前立腺癌細胞株及び前立腺肥大症について解析を行うとともに、更に数例の前立腺癌全摘例を用いた組織学的mappingとゲノム変化のmappingを対比することで前立腺癌の増殖,進展の分子機構を明らかにすることである。1.前立腺癌細胞株(DU145、LNCaP、PC-3)のRLGSゲノムパターンを比較して検討したところ、11個の増幅スポットに共通性を見い出した。3.現在、1,2のデータをもとに前立腺肥大症16例と各stageの前立腺癌、転移巣、ラテント癌についての解析を行っている。ヒト前立腺癌の症例、前立腺癌細胞株及び前立腺肥大症について解析を行い、更に数例の前立腺癌全摘例を用いた組織学的mappingとゲノム変化のmappingを対比することで前立腺癌の増殖,進展の分子機構を明かにする。共通した3個の増幅スポット、8個の減弱ないし消失スポットを見い出し、この中には組織的gradeに相関して増減するスポットも含まれいることを報告した。(Am.J.Pathol.,150:305-314,1997)前立腺肥大症16例を正常前立腺組織とのRLGSパターンを比較したところ、前立腺癌に認められたような共通性のあるスポット変異はなかった。(J.Urol.,157:1499-1503,1997)以上の結果から、前立腺癌に特異的なゲノム変化があることが判明した。
MR所見の分子生物学的なアプローチによる卵巣粘液性腫瘍の悪性度診断

本研究は、最終的に卵巣原発性粘液性腫瘍の術前悪性度診断向上を目的とする。はじめに、卵巣原発性粘液性腫瘍の悪性度と糖鎖やムチンコア蛋白の発現形式との関係性を調べる。次に、卵巣原発性粘液性腫瘍の悪性度と術前のMRI画像の所見との関連性を調べる。最後に、糖鎖やムチンコア蛋白の発現形式と術前のMRI画像の所見との関連性を調べ、卵巣原発性粘液性腫瘍の術前悪性度診断が向上するかを検討する。
尿路病原性大腸菌が産生するUSPの作用解析と粘膜ワクチンの開発

臨床材料から分離される大腸菌については、多くの研究者によってその病原因子の分布が調査されてきた。しかし、複雑性尿路感染症や無症候性細菌尿から分離される大腸菌における病原因子の分布に関する報告はほとんどない。単純性及び複雑性尿路感染症、或は症候性及び無症候性尿路感染症から分離された大腸菌に質的違いがあるか否かを明らかにするために、単純性膀胱炎(UC)、複雑性膀胱炎(CC)、複雑性無症侯性細菌尿(CASB)の症例から分離された大腸菌の、系統分類、O血清型別、および18種類の病原因子の分布を調べた。調査には、2000年から2005年に札幌医大病院と京都専売病院で分離された大腸菌283株(UC : 153、CC : 56、CASB : 74)を用いた。系統分類学的には、全ての症例でB2が優勢であった。pap、iha、ompTおよびPAIはCCやCASBに比較してUCにおいて高い頻度で存在していたが、残りの14病原因子はどの症例においても差は見られなかった。O血清型別においても、症例間に違いは見られなかった。複雑性あるいは無症候性尿路感染症に比べて、単純性あるいは症候性尿路感染症の方がより多くの病原因子を必要とするように思われるが、調査した3種類の症例(単純性膀胱炎、複雑性膀胱炎、複雑性無症候性細菌尿)から分離された大腸菌の系統分類、O血清型および病原因子の分布には際立った相違は見られなかった。症候性尿路感染症の発症には、細菌が発現する病原因子の作用より患者の健康状態が深く関わっていると考えられる。1アミノ酸置換無毒化USP融合蛋白(mUSP-GST)を高純度に精製して抗mUSP-GST家兎血清を調整し、この抗血清を更にmUSP-GSTを結合させたAffinityカラムで精製してmUSP-GST特異IgGを作製した。この特異IgGを用いたSandwich-ELISA系を構築して精製mUSP-GSTに対する検出感度を検討したところ、検出限界は500pg/mlであった(論文準備中)。現在、この検出系を用いてUPEC臨床分離株のUSP産生量の調査とIntactなUSPの精製を行っている。下部尿路感染患者に対して行う抗生物質の経口投与方法の基準化を検討した。102名の女性患者にgatifloxacinを1日当たり200mg、3日連続投与し、5-9日後に尿検査と問診を行い、4-6週後に症状の有無に関するアンケート調査を実施した。93.1%(95/102)の患者が治癒し、このうち感受性菌が原因の患者の治癒率は94.7%(89/94)、耐性菌が原因の患者の治癒率は75%(6/8)であった。4-6週後のアンケート調査では、55.9%(57/102)の患者から回答がよせられ、10.5%(6/57)の患者から症状の訴えがあった。今回の結果から、フルオロキノロンを1日1回、3日連続で経口投与する治療法は単純性膀胱炎患者の治療には効果的であると考えられる(Yamamoto S et al, J.Infect. Chemother.15:104-107,2009)。尿路病原性大腸菌(UPEC)が産生するUSPは、1)それ自体で尿路感染を惹起し、2)Immunity proteinと推定される蛋白と共に発現されて周囲の細菌を殺してその菌がdominantになり、3)トランスポゾン様に周囲の大腸菌(あるいは他種の細菌にも)に伝搬され、4)分子疫学的にもUPECに局在し、5)愛玩動物の尿路感染症由来株のUPECもヒトと全く同様の性状および挙動を示す。これらの研究結果と他の細菌性疾患同様、尿路感染症で分離されるUPECも薬剤耐性菌が増加の一途をたどっている事により、UPECが特異的に分泌していると考えられるUSPに対する粘膜ワクチンを開発することで、UPECが保持されている腸管並びに感染部位である尿路系でのUPECの増殖を抑制してUPECによる尿路感染症を減少させる事を目的とする。昨年度、1アミノ酸置換無毒化USP融合蛋白(mUSP-GST)を高純度に精製して抗mUSP-GST家兎血清を調整し、この抗血清を更にmUSP-GSTを結合させたAffinityカラムで精製してmUSP-GST特異IgGを調整した。この特異IgGを用いたSandwich-ELISA系を構築して精製mUSP-GSTに対する検出感度を検討したところ、検出限界は500pg/mlであった。このELISA系を用いて臨床分離UPEC株のUSP産生量を調べたところ感度不足により検出できなかった。このため、本年度は特異IgGからFab'を調整して更に感度の高いBead-ELISA系を構築した。このELISA系の検出感度は100pg/mlで5倍も感度を上げることができた。現在、この検出系を用いてUPEC臨床分離株のUSP産生量の調査を行っている。
成人Ｔ細胞白血病／リンパ腫の多段階発癌機構に基づく検査法への応用

成人T細胞白血病/リンパ腫(ATLL)の多段階発癌機構を解明するために、ATLLにおける癌性幹細胞の存在の有無と造血細胞特異的なSHP1に焦点をあて、解析を行った。免疫染色において、各種ATLL関連細胞株では、SHP1や腫瘍関連遺伝子群の発現が低下していた。次に、methylation specific PCR(MSP)法を用いて検討したところ、これは異常DNAメチル化に起因することがわかった。さらに、特徴的な異常DNAメチル化プロファイルを認め、メチル化異常が病態に関与している可能性が示唆された。成人T細胞白血病/リンパ腫(ATLL)において癌性幹細胞が存在しているのかどうか、また存在した場合に原因ウイルスであるHTLV-1の感染やATLLの発症・進展にどのように関与しているのかについて、解析することを目的としている。今回、癌性幹細胞の指標として特異性が高いとされるアルデヒド脱水素酵素(ALDH)の複数のアイソタイプと、造血細胞に特異的で腫瘍化に関与しているSHP1の検出を試みた。まず、免疫染色の染色条件の検討を行った。次に、正常リンパ節と胸腺をコントロールとして、ATLLにおいて免疫染色を行った。その結果、正常リンパ球とATLL腫瘍細胞ではALDHの発現が異なること、さらに発現するアイソタイプに違いがある可能性が示唆された。成人T細胞白血病/リンパ腫(ATLL)は、非常に難治性で予後不良な疾患であり、有効な地用法や検査法が確立されていない。その本態の解明と治療抵抗性の克服は、治療成果の飛躍的な改善につながると期待されている。そこで今回、ATLLにおける癌性幹細胞に注目した。癌性幹細胞は、自己複製能と多分化能をもち、腫瘍細胞集団中にごく少数存在し、癌の再発・転移や治療抵抗性に大きく関与していると考えられている。しかし、ATLLにおいて、癌性幹細胞に関する報告はほとんど無い。平成24年度は、「平成22年度日本学術振興会事業頭脳循環を活性化する若手研究者海外派遣プログラム(JSPS)」(事業名がん幹細胞モデルの作製とそれを用いたがん幹細胞標的治療法の開発事業(岡山大学))による派遣研究者に採用されたため、スペイン(ジローナ大学)と中国(天津医科大学)へ留学する貴重な機会を得た。いずれの研究機関でも、乳がんを対象として、乳がんに特異的に発現している受容体やタンパク質、糖代謝、細胞接着異常の解析や癌性幹細胞に関する研究を行った。さらに、研究を発展させ、癌細胞に特異的に作用する薬剤の開発にも関わった。留学を通して、様々な悪性腫瘍に存在する癌性幹細胞の解析に応用できる研究に携わることができ、特殊な解析技術・細胞培養技術や制がん効果の評価方法を学ぶことができた。また、今後は共同研究の話を進めていけるよう、良好な関係を築きたいと考えている。帰国後は、今回得たことを生かしながら、ATLLにおける癌性幹細胞存在の確認と癌性幹細胞の特異的マーカーの検討を行なうために、必要な細胞の培養や試薬の準備を行っている。成人T細胞白血病/リンパ腫(ATL)は、原因ウイルスとしてHTLV-1が同定されている。長い潜伏期間を経て約5%が発症するが、この多段階発癌機構について詳細は明らかとなっていない。ATLは、急性型・リンパ腫型・慢性型・くすぶり型に分類される極めて予後不良な疾患である。この多段階発癌機構を解明し、ATL発症高度危険群を同定する検査法と有効な治療法の開発を目的として、研究を進めている。本研究では、チロシンホスファターゼであるSHP1に注目している。SHP1は、細胞増殖等において抑制性のシグナル伝達に関与し、その発現低下により悪性リンパ腫や白血病が発症すると報告されている。今年度は、各種ATL関連細胞株におけるSHP1異常の解析として、異常DNAメチル化について検討した。様々な起源を持つ細胞株を用いて解析した結果、HTLV-1不死化細胞株よりも、特にATL患者の白血病細胞由来T細胞株では、SHP1を含む様々な遺伝子群に異常DNAメチル化を認めた。また、特徴的な異常DNAメチル化プロファイルを認め、DNAメチル化異常が病態に関与していることが示された。このことから、ATL細胞関連細胞株は、ATL発症におけるエピゲノム異常を解析するモデル系として、有用であることが示唆される。臨床検体を用いた解析においても、特徴的な異常DNAメチル化プロファイルを認め、DNAメチル化異常が病態に関与している可能性が示された。病理検査学平成24年度に頭脳循環を活性化する若手研究者海外派遣プログラムにより派遣研究者として約5ヶ月間海外留学し、研究を一時中断することとなったため、研究計画に遅れが生じた。平成24年度は、「平成22年度日本学術振興会事業頭脳循環を活性化する若手研究者海外派遣プログラム(JSPS)」(事業名がん幹細胞モデルの作製とそれを用いたがん幹細胞標的治療法の開発事業(岡山大学))による派遣研究者に採用され、スペイン(ジローナ大学:派遣期間平成24年5月8日

平成24年8月6日)と中国(天津医科大学:派遣期間平成25年1月27日平成25年3月18日)へ留学していたため、予定よりも研究が遅れている状態である。しかし、今後はこの留学で得た技術と知識を生かし、期限内に目標を達成できるよう、努めていきたい。T細胞フェノタイプマーカー等を加えて2重蛍光染色法等を行い、基礎データを収集する。その後、性質や由来が異なるATLL細胞株数種を用いて癌性幹細胞の同定と採取を行ない、フローサイトメトリー(FACS Aria)にて癌性幹細胞の詳細なプロファイル解析を進めていく。予定より遅れてしまった分を取り戻すべく、努めていきたい。予定より遅れてしまった分を取り戻すべく、必要な細胞の培養や試薬の準備ができ次第、直ぐにATLLにおける癌性幹細胞存在の確認と癌性幹細胞の特異的マーカーの検討を行なう。まず、性質や由来が異なるATLL細胞株数種において、キット(ALDEFRLUOR:Stem Cell)を用いて癌性幹細胞を同定・採取する。その後、フローサイトメトリー(FACS Aria)を用いて、癌性幹細胞マーカー数種、T細胞フェノタイプマーカーの発現レベルと細胞数解析を行なう。同時に、次に行う免疫染色(酵素抗体法、2重蛍光染色法)に使用する標本の準備やコントロールを用いて共焦点レーザー顕微鏡の条件設定や操作法の確認も行い、スムーズに実験が進行するようにする。平成24年度に頭脳循環を活性化する若手研究者海外派遣プログラムにより派遣研究者として約5ヶ月間海外留学し、研究を一時中断することとなり、研究計画が遅れ、平成25年度に予定していた癌性幹細胞の解析等を実施できなくなったため、未使用額が生じた。そのため、平成25年度に予定していた癌性幹細胞の解析等を次年度に行い、未使用額はそのための経費に充てることとしたい。海外留学し、研究を一時中断することとなったため、残金1,105,897円が生じた。今後は、癌性幹細胞の詳細な解析と癌性幹細胞/腫瘍細胞/正常末梢血単核球の性質を比較していくため、数種のATLL培養細胞の維持に必要な培養液や血清に加えてIL2等の試薬やフラスコ等の消耗品を購入する。癌性幹細胞同定に必要なキット、フローサイトメトリーや免疫染色では、様々な種類の抗体と関連試薬を購入する。また、研究の発展に必要な情報を収集し、これまでの成果を発表することを目的として、学会(日本病理学会、日本癌学会、American Association for Cancer Research's Annual Meeting)に参加するため、調査・研究旅費を申請する。
送水管の安定化制御のための構造系と制御系の同時最適設計

本研究では,1本の断面形状可変なはりが,2本の送水管ではさまれた複合送水管を考え,閉ループ系の限界流速が最大となるように,構造系の設計変数であるはりの形状,センサ・アクチュエータ配置と,制御を行うコントローラを同時に最適設計する手法を開発した.研究期間内での成果は,以下のようである.【平成12年度】1.複合送水管のスラスタ制御系の数学モデルを求めた.はりの形状は,長手方向に等分割された各部分の幅が調整可能な段付形状と仮定した.得られた数学モデルに対して,制御エネルギー定の拘束条件の下でLQGコントローラを設計し,閉ループ限界流速を導出するための手法を開発した.2.局所ランダム探索によって,はり形状を最適化するための同時最適設計手法を開発した.種々のエネルギ拘束の下での最適形状を求めた.その結果,制御のために投入可能なエネルギが大きくなるほど最適形状における閉ループ限界流速が大きくなることが確認された.さらに,エネルギ拘束の変化に伴い,最適形状そのものが変化することがわかった.【平成13年度】1.平成12年度のシミュレーション結果を元に,複合送水管を製作した.制御を行うコントローラはパーソナルコンピュータに実装した.2.実験の結果,閉ループ限界流速の理論値との誤差は最大数%となり,モデル化が妥当であったことが証明された.3.同時最適設計された複合送水管と,構造系の最適化の後コントローラを設計したシステムとで閉ループ系の限界流速の比較を行い,同時最適設計の方がより高い限界流速となることを実験的にも確認し,本設計手法の有効性を示した.本研究では,1本の断面形状可変なはりが,2本の送水管ではさまれた複合送水管を考え,閉ループ系の限界流速が最大となるように,構造系の設計変数であるはりの形状,センサ・アクチュエータ配置と,制御を行うコントローラを同時に最適設計する手法を開発した.研究期間内での成果は,以下のようである.【平成12年度】1.複合送水管のスラスタ制御系の数学モデルを求めた.はりの形状は,長手方向に等分割された各部分の幅が調整可能な段付形状と仮定した.得られた数学モデルに対して,制御エネルギー定の拘束条件の下でLQGコントローラを設計し,閉ループ限界流速を導出するための手法を開発した.2.局所ランダム探索によって,はり形状を最適化するための同時最適設計手法を開発した.種々のエネルギ拘束の下での最適形状を求めた.その結果,制御のために投入可能なエネルギが大きくなるほど最適形状における閉ループ限界流速が大きくなることが確認された.さらに,エネルギ拘束の変化に伴い,最適形状そのものが変化することがわかった.【平成13年度】1.平成12年度のシミュレーション結果を元に,複合送水管を製作した.制御を行うコントローラはパーソナルコンピュータに実装した.2.実験の結果,閉ループ限界流速の理論値との誤差は最大数%となり,モデル化が妥当であったことが証明された.3.同時最適設計された複合送水管と,構造系の最適化の後コントローラを設計したシステムとで閉ループ系の限界流速の比較を行い,同時最適設計の方がより高い限界流速となることを実験的にも確認し,本設計手法の有効性を示した.送水管は,管の形状や,センサ・アクチュエータ位置により,どのモードが不安定になるかをあらかじめ知ることができない.これは最大化する目的関数である閉ループ系の限界流速が,設計変数である管の形状やセンサ・アクチュエータ位置の連続関数になる保証がないことを意味しており,最大傾斜法や準ニュートン法のような傾斜に基づく数理計画的手法を用いることはできない.本研究は,管と梁から構成される複合送水管に対して,梁の幅分布とセンサ・アクチュエータ位置を設計変数として,限界流速を最大化するように制御系と構造系の同時最適設計を行うものである.本年度は傾斜の情報を用いない最適化手法として,SA(Simulated Annealing)法による最適化を行った.1.複合送水管の数学モデルを求め,そのモデルに対してLQG制御則によってコントローラを設計した.更に閉ループ系の限界流速最大化問題を定式化し,詳細なシミュレーションを行うことにより,梁の幅分布及びセンサ・アクチュエータの最適位置を明らかにした.2.複合送水管へ制御力を印加するため,制御力の高いスラスタ装置の設計を行った.3.1において開発した制御系を実装するためのプログラム開発を行った.今後は上記研究結果を踏まえ,最適設計した複合送水管を製作し,理論と実験の比較を行い,構造系と制御系の同時最適設計法の妥当性を検証する予定である.片持送水管の不安定現象を安定化するために,種々の能動制御手法が提案され,限界流速の向上に著しい効果があることが示されてきている.徒来の能動制御系設計手法は,はじめに限界流速(能動制御を想定していない),強度,重量などの構造設計に関する規範に基づいて送水管を設計した後,能動制御を行うコントローラを設計する2段階からなっていた.