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ヘパラン硫酸微細構造修飾の生体シグナル調節における役割の解明

本研究は、ヘパラン硫酸糖鎖の微細構造を修飾するエンド型スルファターゼSulf1とSulf2の解析により、ヘパラン硫酸の脱硫酸化修飾が生体内で持つ役割を解明することを目的とした。ダブルノックアウトマウスの皮質脊髄路異常を成獣で行い、正中交差異常と上丘への異常投射があることを明らかにした。腎臓では、軽度の糸球体メサンギウム病変、軽度のアルブミン尿があること、ストレプトゾトシン誘発生糖尿病マウスで遺伝子破壊により病変が増悪することを明らかにした。ヘパラン硫酸はプロテオグリカンのコア蛋白質に共有結合した糖鎖であり、細胞表面または細胞外基質に存在し、細胞の分化、増殖、接着、移動、形態形成などを制御する。本研究は、ヘパラン硫酸糖鎖の脱硫酸化により細胞間シグナルを調整するエンド型スルファターゼSulf1とSulf2のノックアウトマウスを用いて、ヘパラン硫酸の硫酸化修飾が生体内で持つ役割を解明することを目的としている。Sulf1/2ダブルノックアウトマウスは純系遺伝子背景では生後間もなく死亡するが、混合遺伝子背景では成獣まで育つことがわかった。そこで、脳切片を作成し皮質脊髄路を免疫染色した後、三次元再構成を行うことにより、神経走行の異常の全体像を明らかにした。特に、胎児期のマウスでは解析できなかった錐体交差、脊髄への投射の異常を明らかにすることができた。また、胎児脳で見られた中脳への異常な投射が成獣でも残存していることが明らかになった。次いで、脳部位特異的なノックアウトマウスを作成するために、ドーパミD1a受容体、ドーパミンD2受容体発現細胞でCreを発現するトランスジェニックマウスを導入し、純系化を進めた。また、各々のトランスジェニックマウスで期待される遺伝子組換えが起こるかどうかをレポーターマウス(Rosa26-lacZマウス)との交配により確認した。同じく、Sulf1/2ダブルノックアウト成獣マウスを用いて腎臓での異常を解析した。その結果、軽度の蛋白尿とメサンギウム細胞の増殖があることを明らかにした。次いで、薬物投与により高血糖を誘導した場合に、遺伝子破壊の効果がどのような変化をもたらすかを病理的に調べた。また、これらの表現型と関連すると予想されるシグナル分子に関して、RT-PCR法やウェスタンブロット法を用いて、遺伝子、蛋白の発現量の変化を調べた。本研究は、ヘパラン硫酸の脱硫酸化を触媒するエンド型スルファターゼSulf1とSulf2のノックアウトマウスを用いて、ヘパラン硫酸の硫酸化修飾が生体内で持つ役割を解明することを目的としている。Sulf1ノックアウトマウスはドーパミンシグナル異常に基づく行動異常を示すが、その発症機序は不明である。そこで、コンディショナルノックアウトマウスなどを用いて、ドーパミンシグナルにおけるSulf1遺伝子の役割を明らかにする。これまでに、ドーパミD1a受容体、ドーパミンD2受容体発現細胞でCreを発現するトランスジェニックマウス(各2系統)および薬剤誘導型Creマウスを導入し、脳部位特異的なノックアウトマウスまたは薬剤誘導型ノックアウトマウスを作成する準備を進めた。今年度までに、行動実験で使用されるC57BL/6系統への純系化をほぼ完了した。Sulf1/2ダブルノックアウト成獣マウスを用いて腎臓での異常を解析した。その結果、自然経過(老化と関連すると思われる)として、軽度の蛋白尿とメサンギウム細胞の増殖が出現することを明らかにした。ストレプトゾトシン(STZ)投与により高血糖を誘導した場合に、Sulf1/2ダブルノックアウトマウスで病変の進行度合いが強いことが明らかになった。糖尿病マウスにおいて、Sulf1遺伝子、Sulf2遺伝子の発現が上昇することから、Sulf1/2によるヘパラン硫酸糖鎖修飾は、野生型マウスでは糖尿病性病変の進行を抑制する役割があり、ダブルノックアウトマウスではその抑制が起こらないため病変がより進行するのではないかと考えられた。今度、腎臓病変の進行に関わる分子を明らかにする予定である。本研究は、ヘパラン硫酸糖鎖の微細構造を修飾することにより細胞間シグナルを調整するエンド型スルファターゼSulf1とSulf2のノックアウトマウスを用いて、ヘパラン硫酸の脱硫酸化修飾が生体内で持つ役割を解明することを目的とした。これまでの研究で、Sulf1/2ダブルノックアウトマウスが皮質脊髄路の形成異常を持つことを明らかにしているが、生後致死となるため、成獣における解析が出来なかったが、アウトブレッド系統と交雑するとダブルノックアウトマウスが成獣まで育つことが分かったので、これらのマウスを用いて神経系と腎臓における異常とその病態発現の分子基盤を解明することを目指した。その結果、皮質脊髄路については延髄での正中交差にも異常があること、上丘への異常投射が成獣でも残存していること、他の軸索ガイダンス分子を欠損したマウスで見られる皮質脊髄路異常と性状が異なることなどが明らかになった。また、内耳有毛細胞の発生においてもSulf1/2が必要であることが分かった。一方、ダブルノックアウトマウス成獣の腎臓では、軽度の糸球体異常、軽度の蛋白尿(アルブミン尿)があることが分かった。

糸球体病変は主にメサンギウム病変(メサンギウム融解、メサンギウム領域の拡大、基底膜の不整)であり、ストレプトゾトシン誘発性糖尿病マウスで病変が増悪することが分かった。これらの病変はヒトの糖尿病性腎症に類似しており、糖尿病マウスでSulf1/2の発現が増加すること、ダブルノックアウトマウスでPDGFなどのシグナル伝達が低下していることなどから、Sulf1/2は増殖因子シグナルの調節を介して糖尿病性腎症の発症に対して保護的に働く可能性が示唆された。本研究は、ヘパラン硫酸糖鎖の微細構造を修飾するエンド型スルファターゼSulf1とSulf2の解析により、ヘパラン硫酸の脱硫酸化修飾が生体内で持つ役割を解明することを目的とした。ダブルノックアウトマウスの皮質脊髄路異常を成獣で行い、正中交差異常と上丘への異常投射があることを明らかにした。腎臓では、軽度の糸球体メサンギウム病変、軽度のアルブミン尿があること、ストレプトゾトシン誘発生糖尿病マウスで遺伝子破壊により病変が増悪することを明らかにした。糖尿病性腎症の進行にSulf1/2が関与している可能性が示唆され、その分子機序についても研究が進んだ。コンディショナルノックアウトマウスの作成もほぼ順調である27年度が最終年度であるため、記入しない。神経科学STZ投与糖尿病モデルマウスの腎病変出現におけるSulf1/2の役割を明らかにする。特にPDGFシグナルとの関連を明らかにする。Sulf1ノックアウトマウスにおける行動異常とドーパミンシグナルの関連を明らかにする。当初の計画に従って実験を進めており、概ね順調に進展していると言える。27年度が最終年度であるため、記入しない。マウスの繁殖を効率的に進め、飼育匹数を最小限に抑えたことと、試薬類を節約し購入を極力減らしたことにより、次年度使用額が生じた。これまでに見出した表現型が出現する分子機構を明らかにするため、ノックアウトマウスにおける遺伝子発現、蛋白発現の変化を定量的に調べる。成獣脳内でスルファターゼ遺伝子を発現する細胞の種類を同定する。次年度は本研究の最終年度であり論文作成に向けてデータを得るため、通常の計画に加えて、マウスの繁殖や試薬の購入を行い、研究がより一層進むように務める。マウスの繁殖を効率的に進め飼育匹数を少なくしたこと、試薬類の購入を少なく抑えることができたことにより、次年度使用額が生じた。通常の支出計画に加え、マウスの繁殖、抗体など試薬類の購入を行い、研究がより一層推進できるようにする。
マルチレートPWM制御に基づく次世代型精密ステージの超高速ナノスケールサーボ

1年目では,制御工学とパワーエレクトロニクスを結びつけたマルチレートPWM制御技術を確立し,精密実験ステージにおいて超高速ナノスケール位置決めを実現した。そこで2年目では,制御工学という分野を中心に,パワーエレクトロニクスのみならずメカニクス,センサという分野を融合し,これらを総合的に考慮したマルチレート制御設計を構築した。センサの分野においてしばしばエンコーダの量子化誤差が問題となり,高分解能エンコーダを用いている精密ステージでさえも例外ではない。そこで,マルチレート制御技術を用いて既存の瞬時速度オブザーバより優れたマルチレートオブザーバを提案し,より精度のよい速度,外乱推定を実現した。この成果については「IEEE International Symposium on Industrial Electronics,口頭発表,2010年7月6日」にて発表した。また,メカニクスの分野に着目すると,精密ステージのその機構から共振モードが避けられない。特に大型精密ステージでは,剛性の低さから低い周波数域に共振モードが表れるため,制御帯域を下げざるを得ない。したがって,共振モードは制御性能の向上にとって非常にやっかいな障害となる。そこで,従来は負荷側であるテーブル部のみのセンサを用いていたが,モータ側のセンサも用いることで設計自由度を増やし,高帯域化と安定化のトレードオフを打ち破った新しいフィードバック設計理論を確立した。この成果については「第39回制御理論シンポジウム,口頭発表,2010年9月28日」および「電気学会産業計測制御研究会,口頭発表,2011年3月8日」にて発表した。また,第39回制御理論シンポジウムの発表に対して,2010年度計測自動制御学会学術奨励賞(技術奨励賞)および2010年度計測自動制御学会制御部門研究奨励賞を受賞した。露光装置等に要求されるナノスケールの精度でさらなる位置決め高速化を実現するために、負荷側及びドライバ側両方の特性を考慮した制御系設計を構築し、インバータのキャリア周期の数周期分という今までに例を見ない超高速サーボをナノスケールで実現することを目的としていた。共振を考慮したマルチレートPWM位置制御系を提案し、キャリア周期0.1msとして20キャリア周期である2ms以内の位置決めを許容誤差100nmで残留振動することなく実現するに至った。この成果については「The 35rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society,口頭発表,2009年11月」にて発表した。また、実際の露光装置等の産業機器の機構に近づけた姿勢制御機構を有するより実質的なステージ作製ため、機構特性などを検討中であった。露光装置等では露光レンズに対してフォーカスを一定にするためにステージの姿勢を制御するテーブル機構を有する。そこで、姿勢を制御するための新しい機構を取り入れた4軸の実験用ステージを新たに設計製作し、予定通り今年度7月末に完成した。3軸加速度センサを購入することで、新しいテーブル機構の構造解析および実験モーダル解析を行った。解析によって、機構のモード形状と周波数特性の関係が明らかになった。さらに、各軸を非干渉化し同時制御する制御系を設計し、有効性を示した。この成果については「The 11th International Workshop on Advanced Motion Control,口頭発表,2010年3月」にて発表した。
GaNモノリシック交流LED光源の実現に向けた駆動回路の研究

本研究では,電解コンデンサとリアクトルを使用しない交流LED駆動回路を提案し,提案回路の設計手法について定量化した。具体的にはLEDに並列に接続する電流バイパス回路について,LED段数の分割方式を3種類検討し,電源の位相角について等しく分割する方式が,設計容易かつ高効率であることを見出した。また電流バイパス用トランジスタのバイアス回路について,効率最大となるパラメータの設計法を明らかにした。これらの設計により,設計前の効率が実験値で86.1%,設計後の実験値が92.3%と大きく向上した。最後に基板実装時の熱分布を均一化することで基板面積を約1/3に小型化した。本研究課題の最終目標は熱設計まで含めたシミュレーションベースの設計法を確立することにある。本年度は実験に基づく提案回路の性能実証と、シミュレーションに基づく回路パラメータ設計手法の確立を行った。具体的には,一次試作基板を使用して電力変換効率を実測するために,高精度ADコンバータ基板の立ち上げとアナログフロントエンドを製作し,測定結果とシミュレーション結果を比較することで誤差要因を明確化した。測定器の周波数帯域は5MHz,垂直分解能は効率測定精度を確保するため16bitとした。このADコンバータには市販品を使用したが,MOSFETのゲート電圧測定には1GΩ以上の入力インピーダンスを持つ計装アンプを挿入し,回路動作への影響を軽減した。また電流測定はシャント抵抗にて行うが,これも回路への影響を低減するため0.1Ωの低抵抗を使用し,フルスケール10mVの微小電圧を計装アンプにて増幅した後にADコンバータに入力し,ダイナミックレンジを確保した。上記の計測器を各LED段に接続し,動作波形を取得,電圧と電流波形の積から瞬時の損失電力を計算し,エネルギーとして積算した後に計測時間で除算することで電力を測定した。各段の測定結果の合計と,交流入力電力の比から電力変換効率を算出した。その後,シミュレーションで得られた効率データとの比較から,誤差のある部分を抽出しシミュレーション精度を向上させた。また,基板の小型化のために熱抵抗回路網を利用した放熱設計手法の検討を開始した。平成27年度内の達成目標である「高精度・高絶縁な電力変換効率測定装置の製作」「一次試作基板の実験的効率測定」を予定通り実施できたため,おおむね順調に進展している。本年度は提案回路の回路パラメータと放熱設計に関して,回路解析とシミュレーションによる合わせこみ,および実験検証を行った。具体的には,H27年度の1次試作基板の評価結果に基づいてLED駆動回路の2次試作を行った。特に電源の入力電力からLEDに供給されるまでの回路損失の低減に注力した。回路の効率は前年度に開発したマルチチャンネル電流・電圧計測装置を利用し,高いインピーダンスを持つ提案回路の効率を正確に計測した。また計測した波形を厳密に評価することで,シミュレーション結果との誤差を低減した。これは主にLED素子の個体差による順方向電圧降下のばらつきに起因していることが判明している。本年度の改良点について,一つ目は電流バイパス回路に使用するMOSFETの容量適正化である。回路計算とシミュレーションによって必要最小限に近いMOSFETを適用し,ゲートバイアス抵抗値の向上により回路損失を低減できた。二つ目は電流バイパス回路の分割方法の定量化である。従来は電源電圧を等分することで分割していたが,これを電源角度により等分することで,回路損失が分散し,効率も向上することを見出した。この妥当性については,分割方法を完全に自由としたソルバーによる最適化を行い,電源角度を等分した結果とほぼ同じとなることで確認している。三つ目は放熱設計に関して,熱抵抗回路網を利用した放熱計算アルゴリズムを利用し,基板上の放熱性能を評価した。これらの結果をもとに2次試作基板を設計製作し,動作を確認した。H28年度の目標となる,諸設計を施した2次試作基板の開発と動作確認に成功した。本年度は,過去2年間で研究を進めてきた提案LED駆動回路の設計手法について,最終的な実験検証を行った。2種類の基板を作成し,一つは各LED段の消費電力を独立に測定することで回路の効率を実測する基板である。もう一つは熱抵抗回路網による放熱設計を元に,基板面積を最小化した基板である。2つ目の基板はアルミニウム素材を使用し,前年度にシミュレーション設計と部分的な実機検証を行った基板のフルサイズ試験器となる。回路の効率は92.3%の高い効率が確認された。これはスイッチング電源を用いる従来回路と同程度の高い効率と言える。また雑音端子電圧による伝導ノイズの実測を行い,CISPR規制値を大幅に下回ることを確認した。提案回路は従来のスイッチング電源方式LED駆動回路と同程度の高い効率と,低いノイズ発生量を両立できる方式であることが実験で確認された。アルミニウム基板を使用した最終試作器では,サーモグラフィーによる部品温度の実測を行い,熱源となるLEDの温度が設計範囲内であることを確認した。

最後に基板実装時の熱分布を均一化することで基板面積を約1/3に小型化した。当初の予定通り,定量的な回路設計手法の確立と,熱設計を含めた回路のシミュレーション環境構築を行う予定である。当初の予定通りに実施する。パワーエレクトロニクス予定していた熱設計シミュレーション用ソフトウェアの購入を翌年に持ち越したため。これは進捗の遅れによるものではなく,当初計画では平成27年度に購入し,平成28年度に使用開始する予定であった。しかし,当該ソフトウェアの新バージョンが平成28年度に発売される見込みであることが判明したため,新バージョンの発売を待って導入することにした。本年度作成した2次試作基板について,低価格な基板素材を選択したため。平成28年度に当該ソフトウェアと計算サーバなど実行環境を購入する予定である。次年度の3次試作では,本来予定しているグレードの基板を使用予定である。
前立腺発癌課程における慢性炎症の影響と自然免疫細胞の役割に関する研究

F344ラットにlipopolysaccharide(LPS)を用いて前立腺炎を誘発するモデルを確立し、heterocyclic amineの一つである2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[ 4, 5-b]pyridine(PhIP)を用いて前立腺の発癌誘導を行うと、LPSによる炎症を合併したラットの前立腺でより高頻度に前立腺上皮の異常増殖を認めた。また、ヒト前立腺においてmast cellやmacrophageの浸潤が癌の発生や進展に促進的に働く可能性が生検組織を用いた臨床病理学的研究から分かった。本研究の主題である、「慢性炎症と自然免疫細胞の前立腺発癌過程における役割」を検討するため、まず、F344ラットにおける逆行性前立腺炎モデルを確立した。申請者らは、すでにlipopolysaccharide(LPS)の前立腺局所注射による炎症モデルを確立していたが、この方法はラットに対してかなり侵襲的かつ非生理的であるため、経尿道的な逆行性の炎症モデルを確立した。LPSを経尿道的に単回投与することで、ほぼ100%のラットに急性前立腺炎を誘発することができた。この炎症は、8週間以上存在し、慢性前立腺炎の像を呈していた。F344ラットにheterocyclic amineである2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine(PhIP)を20週間経口投与し、前立腺発癌を誘発し、10週間たったところで、LPSによる前立腺炎を誘起した。1年間生存したラットの前立腺を摘除し、癌の発生頻度を検討したところ、炎症を誘発したラットにおける発癌率は、コントロールとして生食を投与したラットより有意に高いことがわかった。現在、経時的に摘除した前立腺のさらなる組織学的検討を行っている。申請者はすでに、F344ラットにおけるlipopolysaccharide (LPS)を用いた経尿道的逆行性前立腺炎モデルを確立したが、LPSを経尿道的に単回投与することで、ほぼ100%のラットに前立腺炎を誘発することができた。この炎症は8週間以上存在し、慢性前立腺炎の像を呈していた。F344ラットにheterocyclic amineである2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo [4,5-b]pyridine (PhIP)を20週間経口投与して前立腺発癌を誘発し、10週間たったところでLPSによる前立腺炎を誘起した。1年間生存したラットの前立腺を摘除し、Johns Hopkins大学病理学のAngelo DeMarzo博士に依頼して組織学的検討を行ったところ、当初癌と思われた組織は実際にはヒトにおけるHigh grade PINに相当する病変であることが判明した。これらの病変における細胞増殖能をKi67の免疫組織染色にて評価したところ、LPSにより炎症を誘発したPhIP投与ラットの前立腺において有意に細胞増殖能が亢進していた。このことは、炎症が前立腺の発癌過程をpromotionすることを示唆していると思われる。今後、これらの標本における自然免疫細胞の浸潤の程度を評価する予定である。一方で、申請者らはヒトの前立腺針生検標本を用いて、tumor-associated macrophage (TAM)の評価を行った。その結果、生検標本中のTAM浸潤が多い症例では、手術後の再発率が有意に高いことが明らかとなった。このことは、自然免疫細胞のひとつであるmacrophageのうち、腫瘍に浸潤しているTAMは癌細胞の増殖や進展に対してpositiveに働くことを示唆しているものと思われた。自然免疫細胞として代表的なものは、mast cellとmacrophageである。Macrophageの中には、腫瘍組織への浸潤を示すtumor-associated macrophage (TAM)やmacrophage scavenger receptor (MSR)-positive cellが含まれる。ヒトにおける疫学的な研究として、申請者らは、MSR-positive cellの浸潤が前立腺生検における癌の検出率を上げることから、これらの細胞浸潤の発癌に対する影響の可能性を示した。研究主題である「慢性炎症と自然免疫細胞の前立腺発癌過程における役割」を検討するため、まず、F344ラットにおける逆行性前立腺炎モデルを確立した。申請者らは、すでにlipopolysaccharide (LPS)の前立腺局所注射による炎症モデルを確立していたが、この方法はラットに対してかなり侵襲的かつ非生理的であるため、経尿道的な逆行性の炎症モデルを確立した。との炎症は、8週間以上存在し、慢性前立腺炎の像を呈していた。炎症によって一旦崩壊した腺構造は、2週間頃まで無構造の状態を示すが、やがて再生腺管と思われる構造物が見られるようになる。この無構造な次期の前立腺組織をサイトケラチン16に対する抗体で染色すると、所々に島状に染色される細胞集団が存在し、これらの細胞はCD133でも染色されることから、幹細胞の性質を有しているものと思われた。

F344ラットにheterocyclic amineである2-amino-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine (PhIP)を20週間経口投与し、前立腺発癌を誘発し、10週間たったところで、LPSによる前立腺炎を誘起した。1年間生存したラットの前立腺を摘除し、癌の発生頻度を検討したところ、炎症を誘発したラットにおける異型腺管の発生率は、コントロールとして生食を投与したラットより有意に高く、炎症の存在が前立腺発癌に対して促進的にはたらく可能性が示唆された。
統計的制御手法の開発と航空宇宙への応用

本研究の目的は、制御工学の分野に機械学習や統計的データ解析の方法論を導入し、これまでの確定的なモデルに基づく制御ではなくデータに基づく制御を可能にすることです。さらに本研究では、得られた統計的な情報を用いた制御手法を航空宇宙分野に応用することも目標としています。この目的のもと、機械学習の方法論を制御工学に応用する研究、航空宇宙工学特有の制御問題を扱う研究、の2つの方針で研究成果を得ています。まず上記の1つ目の機械学習の方法論を制御工学に応用する研究として、ガウス過程回帰に基づいた制御系のシステム同定と設計の問題を取り扱いました。ガウス過程回帰とは、入出力データからその入出力の非線形の関係式を推定するノンパラメトリックな手法です。本研究では、非線形システムの最適制御を行う際に解くことが必要となるハミルトンヤコビ不等式と呼ばれる偏微分不等式を、ガウス過程回帰を用いて解く手法を開発しました。データからの学習を偏微分方程式の求解という新しい問題に適用することで従来にない設計が可能となります。次に、2つ目の課題である航空宇宙工学特有の制御問題を扱う研究としては、パラメータ変動の元での宇宙機の軌道計画問題を扱いました。宇宙空間では、利用できる燃料に限りがあることから、最小の燃料で宇宙機を操作することが求められます。例えば宇宙機の軌道を計画する場合には、宇宙機の運動の数式モデルを用いて軌道が計算されますが、実際の宇宙機と数式モデルは正確には一致しないことが多く、この変動に起因した軌道のずれが大きな問題となります。この問題に対して、モデルの変動を物理パラメータの変化ととらえ、そのパラメータに関する運動の変化率を表すモデルを新たに構築することで、モデルの変動に強い軌道計画手法を開発しました。今後は本概要の前半で述べた機械学習を用いた設計法と組み合わせた方法を開発する予定です。本研究では、制御工学と機械学習の融合と、さらにその航空宇宙分野への応用、を当初の目的としていました。これらの2つの大きな問題に対して、初年度と2年目にそれぞれのテーマの研究を行い、それぞれに成果を得ていることから、本研究は概ね順調に進展していると考えています。初年度の機械学習と制御工学の融合に関しては、ガウス過程回帰を用いた最適制御の解法に関する研究を行い、一連の成果を得ました。非線形系に対する最適制御は、ハミルトンヤコビ不等式と呼ばれる偏微分不等式を解くことに帰着されますが、その偏微分不等式の解を、不等式を満たす点を人工的にサンプリングにより生成し、うまくデータ処理することで回帰問題として解く手法を開発しました。サンプリングを用いた統計学習にはガウス過程回帰を用い、また不等式を満たす解を効率的に求めるのにサポートベクトルマシンと呼ばれる機械学習のツールをを利用しています。その成果は、2件の国内会議発表、1件の国際会議発表、1件の学術雑誌雑誌論文として発表済みです。次年度の航空宇宙特有の制御問題の解法に関しては、パラメータ変動に強い宇宙機の軌道計画法を開発し、一定の成果を得ています。変動するパラメータに関する感度を表す変分系を用いてこの問題を定式化し、変分系の可制御性を解析することで変動に強い最適軌道の設計法を提案し、さらにどのようなパラメータ変動であれば軌道の設計で抑制可能になるかなどの問題を解決しましました。さらに実際の宇宙機のランデブー問題に応用して、その有効性を確認しています。この成果は、1件の国際会議発表を予定しており、関連研究を国内会議および学術雑誌論文として発表予定です。このように概ね順調に成果が得られています。次年度の研究方針としては、これまに得られた2つの方向性の研究をそれぞれに発展させてゆくこと、およびこの2つの研究を融合して、より統合的な手法を開発することにあります。まず1つめの研究テーマである、機械学習の制御工学への応用に関する研究としては、ガウス過程回帰以外の機械学習のツールをさらに取り入れてゆくことが考えられます。これまでの進捗状況の部分でも述べましたが、提案する手法では、最適制御のための偏微分不等式を解く際に、不等式を満たすサンプル点を統計的に生成し、そのデータを用いて解を学習するとう手順を用いています。このサンプル点生成のアルゴリズムはまだ未完成な点があります。サンプルデータ生成の際には多くの設計自由度があるのですが、それらの選び方についての指針が明らかになっていませんでした。例えばベイズ最適化を用いて、解を効率的に導くためのサンプデータの生成方法を与えることなどが本研究の課題となります。次に2つ目の研究テーマである、航空宇宙に特有の制御問題の解法に関する研究について。これまでに得られている成果では、宇宙機やその環境の物理パラメータが変動した時の宇宙機の運動の変化を抑制する手法を開発しました。この物理パラメータの変化は、通常はきちんと測定することはできず、その変動の仕方は統計的に扱うことが自然です。よって、統計なばらつきを持つパラメータ変動に対するロバスト軌道設計法を開発することが直近の課題となるでしょう。それだけではなく、そもそもパラメータのばらつきの統計量は機械学習などの学習によって得る必要があるため、ばらつきの推定も含めた統合的なアルゴリズムを得ることが重要となります。さらには、初年度に開発した最適制御の統計的解法を本問題に利用して、研究全体で統一した設計論を開発することなどが扱うべき課題としてあげられます。

本研究の目的は、制御工学の分野に機械学習や統計的データ解析の方法論を導入し、これまでの確定的なモデルに基づく制御ではなくデータに基づく制御を可能にすることです。また本研究では、得られた統計的な情報を用いた制御手法を航空宇宙分野に応用することを目標としています。この目的のもと本研究では、ガウス過程回帰に基づいた制御系のシステム同定と設計の問題を取り扱いました。ガウス過程回帰とは、入出力データからその入出力の非線形の関係式を推定するノンパラメトリックな手法で、これまでの制御工学の分野にはない特徴を持った方法です。各データ間に多変数ガウス分布の関係があるという仮定の下で、入出力間の関係をガウス分布の形で得ることの出来る手法です。このように大変汎用性の高い手法である一方、推定結果がどのような関数になるかは事前には不明であり、事前に予想されるよりも複雑なモデルが推定されてしまうなどの問題点がありました。本研究では、設計パラメータであるカーネル関数の選び方と推定されるモデルの性質の関係を考察し、入力飽和やヒステリシス等の実用的な非線形性を扱うための推定手法を導きました。また設計問題としては、非線形システムの最適制御を行う際に解くことが必要となるハミルトンヤコビ不等式と呼ばれる偏微分不等式を、上に述べたガウス過程回帰を用いて解く手法を開発しました。先に述べましたようにガウス過程回帰とは、未知の非線形の入出力関係を、入出力データから推定する手法であり、そのままでは偏微分不等式を解くことはできません。状態変数とそこでの不等式の解である値関数の値をサンプリングすることにより偏微分不等式を解く手法を開発しました。これにより、従来の推定手法を設計問題に利用することができ、これまでになかった新しい非線形制御系の設計手法が得られることになります。制御工学と機械学習の融合という難しい問題に対して、初年度に重要な理論的な成果を導いていることから、研究は概ね順調に進んでいると考えています。先にも述べましたように、本研究ではガウス過程回帰に基づいた制御系のシステム同定と設計の問題を取り扱いました。ガウス過程を用いたシステム同定の研究は、申請者らのグループのものも含めてこれまでにいくつかの結果が報告されています。しかしガウス過程回帰はノンパラメトリックな推定手法であることから、推定されるモデルの性質の予測が難しい。これまでの推定手法をそのまま用いるだけでは、事前に予想されるよりも複雑なモデルが推定されることが多かった。本研究ではこの問題に対し、実用的で簡潔な推定モデルが得られる手法を開発しており、実際の制御問題への応用が加速すると期待されます。設計問題に関しても大きな進展が得られています。機械学習の手法は基本的にデータからモデルを推定する手法であり、制御系設計等の最適化問題にはそのままでは用いることのできないものです。本研究は、偏微分不等式の解法に推定のツールを用いたという点が新しく、この成果によって機械学習の手法の多くが制御系設計に利用できる可能性を持っています。また実際の設計問題にも直ちに応用でき、次年度以降の研究にも直接的に役立つ成果が得られています。以上の理由から、研究の進展は順調であると考えます。
冷却壁面における水蒸気凝縮に与えるエバネッセント波の影響

冷却壁への水蒸気凝縮は,運動エネルギーの低い水蒸気分子が壁面に吸着することにより生じると考えられる.本研究では,水蒸気分子を誘電体表面に発生するエバネッセント波により活性化することにより,誘電体を冷却壁とするその表面への水蒸気凝縮が抑制できるかどうかについて実験的検討を行った.冷却壁表面にエバネッセント波を発生させるために,冷却壁には最低辺側を鏡面コートした台形プリズムを用意し,その斜辺から光を入射させて短上辺側にエバネッセント波を発生させた.プリズムは,長底辺を冷凍機からの冷媒で冷却されるタンク表面に設置され,熱伝導により冷やされた.光源としては,水蒸気のふく射の吸収スペクトル(1.39μm)を赤外線発信する,出力2mWの半導体レーザーを用いた.また,凝縮量は,He-Neレーザーを冷却壁上面(凝縮面)に照射し,凝縮液滴による散乱光を光電子増倍管で検出することで計測した.冷却壁表面の温度については,エバネッセント波の発生を妨げないように,赤外線画像カメラにより計測した.実験は通常の空気雰囲気中で行われたが,エバネッセント波による冷却壁面への水蒸気凝縮の抑制は観察できなかった.この理由としては,エバネセント波の発生する極めて狭い領域(壁面上1波長程度)において水蒸気分子に十分なエネルギーを供給できないことがあげられるが,その他の理由として,酸素や窒素などの不凝縮気体の影響が考えられる.エバネッセント波により水蒸気分子がエネルギーを得ても,周囲の低エネルギー不凝縮気体分子にエネルギーを吸収されることは十分に考えら,この場合,凝縮は抑制されない.今後は,不凝縮気体を排除した水蒸気雰囲気中でエバネッセント波の凝縮に与える影響を検討する必要がある.冷却壁への水蒸気凝縮は,運動エネルギーの低い水蒸気分子が壁面に吸着することにより生じると考えられる.本研究では,水蒸気分子を誘電体表面に発生するエバネッセント波により活性化することにより,誘電体を冷却壁とするその表面への水蒸気凝縮が抑制できるかどうかについて実験的検討を行った.冷却壁表面にエバネッセント波を発生させるために,冷却壁には最低辺側を鏡面コートした台形プリズムを用意し,その斜辺から光を入射させて短上辺側にエバネッセント波を発生させた.プリズムは,長底辺を冷凍機からの冷媒で冷却されるタンク表面に設置され,熱伝導により冷やされた.光源としては,水蒸気のふく射の吸収スペクトル(1.39μm)を赤外線発信する,出力2mWの半導体レーザーを用いた.また,凝縮量は,He-Neレーザーを冷却壁上面(凝縮面)に照射し,凝縮液滴による散乱光を光電子増倍管で検出することで計測した.冷却壁表面の温度については,エバネッセント波の発生を妨げないように,赤外線画像カメラにより計測した.実験は通常の空気雰囲気中で行われたが,エバネッセント波による冷却壁面への水蒸気凝縮の抑制は観察できなかった.この理由としては,エバネセント波の発生する極めて狭い領域(壁面上1波長程度)において水蒸気分子に十分なエネルギーを供給できないことがあげられるが,その他の理由として,酸素や窒素などの不凝縮気体の影響が考えられる.エバネッセント波により水蒸気分子がエネルギーを得ても,周囲の低エネルギー不凝縮気体分子にエネルギーを吸収されることは十分に考えら,この場合,凝縮は抑制されない.今後は,不凝縮気体を排除した水蒸気雰囲気中でエバネッセント波の凝縮に与える影響を検討する必要がある.
ファシリテーション支援エージェントに基づく合意形成支援システムの実現と応用

大規模な人数による意見を集約し合意を得る方法論やシステムは強く求められているにも関わらず,まだ確立されていない.そこで本研究では,大規模な人数での合意形成・意見集約の方法論を確立することを目指す.具体的な成果としては、ファシリテータを支援する仕組みとして、インセンティブ機構を導入することで参加者の参加の誘引を引き出すことに成功した。また、議論を一瞥できる議論ツリーの仕組みを導入することに成功した。【研究方法】本プロジェクトでは,研究項目を以下の3つに分け,進めていく.研究項目1:ファシリテータ支援エージェントの開発とシステムの設計・開発:大規模合意形成・意見集約の支援の理論開発とシステム設計開発を行う.研究項目2:小規模実験と検証:小規模実験によるシステムと方法論の領域別・機能別の有効性の検証を行う.研究項目1で開発された支援システムの機能別のコンポーネントおよび方法論を領域を区切って検証する.研究室単位や大学内での小規模な実験を想定している.研究項目3:社会実験と検証:市民を対象とした大規模合意形成・意見集約の社会実験による有効性の検証を行う.協力をお願いしている団体を共同で,市民をベースにした意見集約・合意形成の社会実験を行う.基本的には,上であげた研究項目1,研究項目2,および研究項目3を繰り返すことで,あるべき支援システムと方法論を体系化することを目指す.《26年度》研究項目1と研究項目2は,アジャイルな研究開発スタイルで行った.すなわち,研究項目1でファシリテータ支援エージェントとシステムの設計と開発を行いながら,研究項目2の小規模実験(研究室レベルでの実験)を繰り返し行い,システムや方法論が動作することを確認した.研究項目1と研究項目2を半年程度行った結果としての方法論とシステムを用いて,研究項目3の実証実験を行った.実証実験を行うことができるシステムと方法論が開発を完了することをマイルストーンの1つとする.本質的な研究成果ではないが,本マイルストーンを乗り越えることで実証実験が実現できる可能性が非常に高まるので,マイルストーンとして目指すことで,研究全体を促進させた.実証実験には,準備期間として2,3ヶ月を見積もっており,1ヶ月程度の実験を行った,2週間1ヶ月程度で実験評価を終えた.本研究では,研究項目を以下の3つに分け,進めていく.研究項目1:ファシリテータ支援エージェントの開発とシステムの設計・開発:大規模合意形成・意見集約の支援の理論開発とシステム設計開発を行う.伊藤孝行研究室の合意形成/社会的意思決定理論/自動交渉理論とWebアプリ開発技術をベースに,秀島栄三と伊藤孝紀のフィールドレベルでの公共政策とデザインのワークショップ手法を融合した支援システムを設計・開発する.研究項目2:小規模実験と検証:小規模実験によるシステムと方法論の領域別・機能別の有効性の検証を行う.研究項目1で開発された支援システムの機能別のコンポーネントおよび方法論を領域を区切って検証する.研究室単位や大学内での小規模な実験を想定している.研究項目3:社会実験と検証:市民を対象とした大規模合意形成・意見集約の社会実験による有効性の検証を行う.協力をお願いしている団体を共同で,市民をベースにした意見集約・合意形成の社会実験を行う.平成27年度は,ファシリテーションを支援するための仕組みの設計をさらに進めた.特に,議論の可視化や参加者の発言,自然言語処理による議論の分析,行動を誘発するためのインセンティブメカニズムを実現し,2015年の終わりに主に大学内で参加者を募り意見集約に関する実験を行った.当初の計画通りに進んでおり幾つかの実験を行い,その成果を発表している.実施概要スマートフォンやSNSの普及により,大規模な人数での意見交換が可能になった.公共政策や都市計画の分野でも,物理的・時間的制約のある古典的なワークショップ(集会)だけではなく,ネットを使った多数の市民からの意見の収集に注目が集まっている.しかし,住民が意見を自由に投稿するだけでは,ネット上では合意形成や意見集約は期待できないと言われている.一方で,古典的なワークショップでは,ファシリテータと呼ばれる合意形成や意見集約を適切にリードする人間が重要な役割を担っている.本研究では,ウェブ上の大規模な議論において合意形成や意見集約を促進するために,ファシリテータ支援エージェント(ソフトウェア)を実現する.研究項目を以下の3つに分け,進めていく.研究項目1:ファシリテータ支援エージェントの開発とシステムの設計・開発:大規模合意形成・意見集約の支援の理論開発とシステム設計開発を行う.研究項目2:小規模実験と検証:小規模実験によるシステムと方法論の領域別・機能別の有効性の検証を行う.研究項目1で開発された支援システムの機能別のコンポーネントおよび方法論を領域を区切って検証する.研究室単位や大学内での小規模な実験を想定している.研究項目3:社会実験と検証:市民を対象とした大規模合意形成・意見集約の社会実験による有効性の検証を行う.最終年度の平成28年度は,議論の可視化や参加者の発言,自然言語処理による発話を誘発するためのメカニズムをベースにファシリテーション支援技術を実現し,2016年度の終わりに主に大学内で参加者を募り意見集約に関する実験を行い,その有用性を確かめた.大規模な人数による意見を集約し合意を得る方法論やシステムは強く求められているにも関わらず,まだ確立されていない.そこで本研究では,大規模な人数での合意形成・意見集約の方法論を確立することを目指す.具体的な成果としては、ファシリテータを支援する仕組みとして、インセンティブ機構を導入することで参加者の参加の誘引を引き出すことに成功した。

1年目の平成26年度は,これまで行なってきた社会実験により,Web上の大規模議論について明らかになった課題の2つについて改善を行うことができた.1点目は,集約に向けて参加者の活動が消極的になる点である.2点目は,大規模化による閲覧コストの増大である.本研究では,議論ツリーを用いたポイント付与機構を導入することで,上記の課題2点の改善を目指した.1点目の参加者の活動が消極的になってしまう課題について,ポイント機構により参加者へのインセンティブを与えることで,活動の活発化をした.2点目の閲覧コストの課題について,ポイント算出による重要投稿および参加者の抽出により,議論重要点の把握を支援した.ポイント付与を用いたポイント議論インセンティブ機構による参加者の活動活性化の評価のため,研究室内学生による機能評価実験を行なった.まず小規模実験では,研究室内学生20名を参加者とした.実験結果におけるポイント付与機能および獲得ポイントランキング機能への評価で参加者の多くがポイント付与やランキングにより議論への参加意欲が高まったことがわかった.ポイント機能ありのグループが,ポイント機能なしのグループより投稿および賛同を活発に行なっており,ポイント機能が議論参加を促していることを確認した.また,アンケートの結果から,ポイント機能および獲得ランキング機能が議論参加のインセンティブとなることが明らかとなった.各ポイント数の設定について,参加者の活動は評価されやすいものの,他の参加者からの評価,主に賛同されたポイントの影響が小さいことが分かった.上記の本機能を用いた研究室内小規模実験と,愛知県の協力で県内の各市町村のまちづくりに関連する部署の職員らによる大規模議論実験「愛知デザインリーグ」を行った.ここでは,73名の参加者から355件の投稿を得た.アンケート結果として,本システムの有用性が確認できた.今後の方策としては,ファシリテーション支援のための議論の分析手法及び議論の構造化手法について具体的にメカニズムやシステムを実装し,有用性を確認する.ここでは特に萌芽研究としてふさわしいような挑戦的な仕組みを提案しその有用性を確認する.知能情報処理平成26年度は,ファシリテーター支援エージェント実現に向けて,議論を活性化するためのポイント付与機能を構築することで、前年度におこなった名古屋市との実験において得られたファシリテータからのサイレント・マジョリティの意見を吸い上げたいという課題に答えた.今後は、ファシリテータ支援機能としての自動ファシリテーション機能の高度化がある.前年度に行った名古屋市との実験において,ファシリテーションテンプレートの導入、キーワードクラウドの導入,論点タグの導入,センチメントアナライシスに基づく議論の傾向の表示機能の導入などを行った.来年度は,具体的なファシリテータのフレーズを詳細に分析することで、自動的にファシリテーションワードを投稿する機能や,すでに課題となっていた,ファシリテーショングラフィックの充実などを行う.これらによって,総合的にファシリテータを支援するエージェント機能が実現可能である。
住教育における教育手法の開発に関する研究

次代の人に生活能力をつける教育は、一般に、生活過程の中でなされる場合が多い。しかし、近代になって、文化・文明の急速な発展を受け、生活教育も、集団教育たる学校教育にとり込まれてゆく趨勢にある。この趨勢は、生活教育の一領域である住教育にあいても同じである。/住教育を実践する学校教育現場では、教育内容・領域が、物理的・空間的に大きく、教材として教室に持ち込みにくいという問題を抱えてきている。この研究では、住教育の教育成果が、この種の教材開発の如何にかかっていると考え、当領域の教育手法の開発を採りあげることにした。/研究方法として、文献の検討、学校教育現場(高等学校教師等)に対するアンケート調査、教材の具体的開発、外国の事例研究等を併用した。研究結果は、報告書にまとめた。報告書目次は、以下のとおりである。序;研究の意義と目的および方法第一章;住教育に関する概往の文献整理と概念化第二章;家庭科教育における住居領域の指導の実情ー高等学校の場合ー第三章;学校教育における教材の実情第四章;学校教育における住居領域の教材の開発についてー空間を教室に持ち込むための手法の開発を中心にー特別研究1;アメリカにおける住教育の実情特別研究2;中国における住教育の実情についてー日本の比較ー(以上)次代の人に生活能力をつける教育は、一般に、生活過程の中でなされる場合が多い。序;研究の意義と目的および方法第一章;住教育に関する概往の文献整理と概念化第二章;家庭科教育における住居領域の指導の実情ー高等学校の場合ー第三章;学校教育における教材の実情第四章;学校教育における住居領域の教材の開発についてー空間を教室に持ち込むための手法の開発を中心にー特別研究1;アメリカにおける住教育の実情特別研究2;中国における住教育の実情についてー日本の比較ー(以上)研究目的に従いスケジュールをこなしていったが,実際に補助金を使用しはじめた時期が八月末になったため,進度は遅れ気味で,一部の調査活動が遅れている.本年度の研究実績として, (1),国内における既往の関連資料を収集し,この分野の研究の進み具合を整理した.研究成果の一部は,山崎により,『家政学』の大系の中に論文報告した. (2),従来住教育に使用されている教育手法の整理とその検討.学校教育については,市販の教材で,入手可能なものを収集(購入)した.特にスライド,掛図を中心に現状を検討した.この成果は,菊沢が担当している.社会教育については,児童が,家庭教育においてどのような住教育を受けているか,住教育手法に視点を置いたアンケート調査を進めている.また,町田が,昭和63年3月末から中国に出かける機会を利用し,中国の家庭でも,同種のアンケート調査をすべく,準備をすすめた.現在中国語によるアンケート調査票が用意されている.(3),具体的な教材開発として,「空間を教室へ持ちこむための手法について」というテーマで,関川が研究を進めた.主としてOHPを使用した手法,スライドを使用した手法を中心に検討をすすめている.開発教材のアウトラインは,高校の家庭一般教科書,及び,指導書中に示したが,今年度は,大学の住居学受講学生を対象にその教材で授業を行い,関連資料を収集した. (4),アメリカ,バトリック社出版の関連教材を読み,下訳をすすめた.アメリカの住教育(学校教育を中心とする)は,カリキュラムの相違などがあり,そのままの手法で日本に持ち込むことが難しいところもあったが,ダイナミックに,社会生活に直結させている教育手法が特色である,参考になった.昨年度は、研究内容の検討の他、共同研究を軌道に乗せるため努力を必要としたが、今年度は、各研究分担者が、比較的スムーズに各分担研究を深めてゆくことができたと考えている。山崎は、昨年度に引き続き、既往の住教育関連論文・著書の整理とその位置づけについて研究し、報告書(第1章)にまとめた。関川は、昨年度に引き続き、学校教育における住教育の現状を特に高等学校に焦点をあて、教師に対するアンケート調査を実施し、それをまとめた。また、その実状を背景に、教室に空間を取り込む手法について、具体的教材の開発とその検討を行った。報告書(第2章・第4章)にまとめた。菊沢は、昨年度に引き続き、市販教材の検討および、学校現場で特に開発利用されているユニークな教材使用実例の収集・整理を行うとともに、アメリカにおける住教育の教材ないしその使用背景等について現地に赴き資料収集をしまとめた。またこれまで我々4名で翻訳に当っていた住教材関連ブックレットのとりまとめに当った。報告書(特別研究1)にまとめた。

町田は、上記山崎とともに、社会教育における住教育手法に焦点をあて、日本と中国との比較研究を行うと共に、従来生活教育を学校(集団)教育に依存しないで家庭や地域で荷ってきている中国に、住教育手法(住教育のしくみ)の一典型例を認め、その点に沿った考察を加えている。報告書(特別研究2)にまとめた。最終報告書は、序、4章、特別研究2個の構成としたが、この研究テーマが完了した訳ではなく、今回深めることのできなかった教育現場との関係や、新たな視点での使いやすい教材の開発等、今後の課題としたい。
微視的揺らぎと少数電子系の輸送機構

チャネル電子やイオン化不純物が少数個になるナノスケールMOSFETでは、電子やイオン化不純物の離散性が、素子特性のばらつきに本質的影響を及ぼす。離散性に伴った問題を解決するために、本研究では、離散分布する不純物や電子のもつクーロンポテンシャルとナノスケールで発現する電子の量子性を考慮したシミュレータを高い精度で構築した。そのうえで、電子輸送機構の物理の解明と定量的な輸送特性評価を行った。チャネル電子やイオン化不純物が少数個になるナノスケールMOSFETでは、電子やイオン化不純物の離散性が素子特性のばらつきに本質的な影響を及ぼす。そこで本研究では、離散分布する不純物や電子のもつクーロンポテンシャルと、ナノスケールで発現する電子の量子性を考慮したシミュレータをこれまでに無い精度で構築することを目指す。そのうえで、電子輸送機構の解明と定量的な輸送特性評価を行うことを目的とする。具体的には、(1)クーロンポテンシャルの長距離成分を厳密に考慮し3次元粒子シミュレータを構築する。(2)3次元粒子シミュレータでナノスケール素子における少数電子の輸送機構の解明と特性揺らぎの解析を行う。(3)ソース/ドレイン領域での散逸を含めた量子輸送シミュレータを構築し、チャネル電子の位相干渉と位相緩和の電子輸送への影響を明らかにする。集積化に向けた最近の大きな未解決問題として、ナノスケール素子における特性揺らぎが注目されている。これら特性揺らぎの物理的起源は、電流に関与する電子や基盤に含まれるイオン化不純物が少数となり、これらの電荷の作る微視的なクーロン・ポテンシャル揺らぎによって電流パスが素子ごとにばらつくことにある。しかしながら、長距離にわたるクーロン・ポテンシャルのデバイス・シミュレーションへの組み込みは未解決問題である。そこで本年度は、半古典的モンテカルロ法を用いた3次元粒子シミュレーションへの電子間および電子不純物間クーロン相互作用の正確な組み込みを目指した。電子輸送におけるクーロン・ポテンシャルの役割は、電子の集団運動に寄与する長距離効果とランダムな熱運動に寄与する短距離効果に切り分けて考える事ができることから、長距離クーロン相互作用はPoisson方程式を用いて考慮し、短距離成分は遮蔽されたクーロン・ポテンシャルを摂動とした量子力学的散乱機構として組み込んだ。その際、チャネルに局在する不純物のための新たな散乱モデルを構築し、3次元粒子シミュレータに導入した。また、量子論的評価を目指して、簡略化した(1次元)デバイス構造のもとでの非平衡グリーン関数法を用いたシミュレーション解析も開始した。具体的には、ボルツマン描像の計算結果と散逸を含めた量子論的計算結果を直接比較検討するために、緩和時間近似のもとでのシミュレータを構築している。現在、散逸効果を拡散層に導入するためのシミュレータの拡張を進めており、来年度は非平衡グリーン関数法の解析手法の正当性の検証も含めて検討を進める予定である。集積化に向けた最も重要な未解決問題として、ナノスケール素子における特性揺らぎが注目されている。これら特性揺らぎの物理的起源は、電流に関与する電子や基板に含まれるイオン化不純物が微細化により少数となって、これらの電荷の作るクーロン・ポテンシャルの微視的揺らぎによって、電流パスが素子ごとにばらつくことにある。しかしながら、長距離にわたるクーロン・ポテンシャルのデバイス・シミュレーションへの組み込みは、ナノスケールでのチャネル領域での量子効果とともに未解決問題である。そこで本年度は、半古典的粒子シミュレーションと量子的シミュレーションについて、以下のように並行して研究を進めた。半古典的粒子シミュレーションについては、ポアソン方程式と輸送シミュレーションを自己無撞着に結合させた。その際、シミュレーション・パラメータの最適化を各不純物(電子)濃度に対して行った。そのうえで、電子移動度の不純物濃度依存性を評価し、実験結果との比較検討を行い、現アプローチの正当性の確認を行った。量子的シミュレーションについては、簡略化したデバイス構造での非平衡グリーン関数法を用いたシミュレータを構築した。ボルツマン描像の計算結果と散逸を含めた量子論的計算結果を直接比較検討するために、緩和時間近似のもとで散逸効果を拡散層まで含めて導入するために、シミュレータの拡張を行った。その結果、解析領域端で想定されている境界条件に不整合が生じていることを明らかにした。つまり、拡散層まで含めた全域のシミュレーションが特性評価では不可避であることを明らかにした。集積化に向けての最も重要な未解決問題として、ナノスケール素子における特性揺らぎが注目されている。特性揺らぎの物理的起源は、電流に関与する電子や基盤に含まれるイオン化不純物が少数となって作る微視的なクーロン・ポテンシャル揺らぎであり、それによって電流パスが素子ごとにばらつく。そこで、本研究では、不純物や電子による長距離クーロン・ポテンシャルとナノスケールで発現する電子の量子性を厳密に考慮したデバイス・シミュレータを構築し、ナノスケール素子の特性解析を高精度に行うことを目的とする。具体的には、以下の2点について検討を進めた。(1)クーロン相互作用の導入が完了した

3次元粒子シミュレータを用いて、離散的なイオン化不純物をさまざまに空間的に偏在させることで、電子輸送への影響を解析した。その結果、高濃度領域で不純物が空間的に偏在する場合は、ランダムに分布するときに比べて移動度が大幅に低下することを見出した。(2)非平衡グリーン関数法を用いた量子的シミュレーションに関しては、現実的なフォノン相互作用ハミルトニアンを用いた散乱散逸効果をデバイス構造全域に渡って導入し、散逸に伴った位相緩和、デバイス特性、境界条件の整合性、等について検討した。その結果、散逸効果に伴った位相緩和を考慮した場合では電流値が大幅に減少し、高濃度領域での散逸効果がナノスケールデバイスで重要となることを見出した。ナノスケール素子では電子やイオン化不純物が少数個になるためにそれらの離散性が顕在化する。しかも、電子や不純物は理論的な取り扱いが極めて困難な長距離クーロン相互作用を及ぼし合うことから、素子特性を正確に予測するためには、離散的な不純物や電子のもつ長距離クーロンポテンシャルを正確に考慮したデバイス・シミュレータが必要不可欠になる。当該グループでは、クーロン相互作用を高精度に導入したバルクに対する3次元モンテカルロ・シミュレータを、これまでにない精度で構築した。今年度はさらに、典型的デバイス構造をシミュレータに導入することで、ナノスケールでの電子輸送機構の解明を行った。デバイスサイズのナノスケール化に伴ってデバイス特性が劣化することを見出した。つまり、理論的に本研究者が予測したように、デバイスの単純な微細化では完全に弾道的なバリスティック輸送は実現しないばかりか、そのような物理描像が物理的に誤りであることを明らかにした。また、最も汎用的なドリフト拡散デバイス・シミュレータを用いて特性揺らぎの定量的な予測を可能にするために、そこで用いられる離散不純物モデルの検証を上述のモンテカルロ・シミュレータを用いて行った。その結果、従来から用いられている離散不純物モデルでは移動度が大幅に過小評価されること、本研究者が提案している不純物モデルは正しい移動度を再現することを明らかにした。これらの結果は、当該研究分野で最も権威ある国際会議IEDMとサテライト会議のISDRSにおいて米国で口頭報告した。