hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
放射線療法を受けた顎骨組織のインプラト補綴による力学的反応

放射線治療後のインプラント補綴治療における力学的負荷の影響を検討することを目的として、マウス骨芽細胞様細胞株に放射線を照射後、圧縮力を加えて、アポトーシス経路に関与する遺伝子発現状態を検討した。Caspase活性は放射線強度を増加させると有意に増加し、メカニカルストレスの負荷により減少した。放射線照射後のメカニカルストレスの負荷によりアポトーシスを回避する遺伝子発現の上昇が認められた。本研究は、放射線照射を受けたインプラント支持組織への力学的負荷の影響を検討することを目的としている。一定範囲の荷重量と時間の条件下で圧縮力を加えて、最適放射線照射により影響を受けるマウス骨芽細胞様細胞株(MC3T3-E1)の遺伝子について、照射前・後の細胞から抽出したRNAを用いて、マイクロアレイ法にてDNA修復、細胞周期、アポトーシスなどに関与する遺伝子発現状態を網羅的に検討する。メカニカルストレスを付与する方法には、我々が構築した骨芽細胞様細胞にガラスシリンダーを用いて直接細胞に持続的圧縮力を加える実験系を用いる。実験条件の設定の検索として、最適放射線量の測定と付与するメカニカルストレスの量を測定した。MC3T3-E1細胞に臨床上に用いられる0800cGyの放射線を照射、照射後9日間の細胞増殖曲線を作成して、生育能への影響が最小の強度を最適放射線量として算出した。また、MC3T3-E1を6well dishに培養し、0294Paの荷重を648時間の条件で、生育能への影響が最小の強度を実験に用いるに適した量のメカニカルストレスをこれまでに求めた。今後、求めた最適放射線を照射した細胞群と照射していないコントロール群に、設定したメカニカルストレスを負荷して、マイクロアレイ法により発現誘導される遺伝子を検討し、発現誘導された遺伝子がどのような役割を果たしているのか、またどのようなシグナル伝達系で誘導されるのかを検討していく。さらに、以前の研究でメカニカルストレスを加えた際に誘導されたHSP25(heat shock protein 25)が放射線照射した細胞に対しても発現が誘導されるかどうかも合わせて検討していく予定である。本研究では放射線照射を受けたインプラント支持組織への力学的負荷の影響を検討することを目的として、我々が構築した骨芽細胞様細胞に直接持続的圧縮力を加える実験系を用いて、以下の実験を行った。実験条件の設定として、MC3T3-E1細胞に020Gyの条件で放射線を照射、その後の細胞増殖を計測したが生育能への影響には放射線量の差が認められなかった。骨芽細胞様細胞の活性に関して同条件下で放射線を照射後24時間経過後のALPやOC, OP, ONの活性をPCRで測定したところ、OC, ALPでは照射量に関連する発現傾向にあったが統計的な有意な差は認められなかった。放射線照射の影響が表れてくる時間経過を因子として検討するために、MC3T3-E1細胞に5Gyの照射条件で24時間経過後から6週間経過後までの細胞活性を測定している。そして、放射線照射後の細胞活性を測定した同条件下でMC3T3-E1細胞に0294Paの荷重を加え、負荷前・後の細胞から抽出したRNAを用いて、マイクロアレイ法にてDNA修復、細胞周期、アポトーシスなどに関与する遺伝子発現状態を測定と付与するメカニカルストレスの量を測定している。さらに、以前の研究でメカニカルストレスを加えた際に誘導されたHSP25 (heat shock protein 25)が放射線照射した細胞に対しても発現が誘導されるかどうかも合わせて検討していく予定である。本研究は、放射線照射を受けたインプラント支持組織への力学的負荷の影響を検討することを目的としたる放射線照射によるオッセオインテグレーションへの影響として、マウス骨芽細胞様細胞株(MC3T3-E1)に実験から設定した線量の放射線を照射後、一定範囲の荷重条件で圧縮力を加えて、照射前・後の細胞から抽出したタンパクによりアポトーシス経路に関与する遺伝子発現状態を検討した。メカニカルストレスを負荷する方法には、MC3T3-E1にガラスシリンダーを使用して直接細胞に持続的圧縮力を加える我々が構築した実験系を用いた。実験条件の設定の検索では、MC3T3-E1を6 well dishに培養し、0,1,2,5,10Gyの放射線量を照射した。24時間後の生存細胞数、死細胞数の血球計算板にて計測し、生育能への影響が比較的少ない1Gy,2Gyを実験での放射線量とした。6 well dishでMC3T3-E1を培養、設定した線量の放射線を照射し、24時間後から294Paの荷重を24時間付与した。メカニカルストレスを負荷した後、生細胞および死細胞数の測定およびCaspase活性を測定した結果、放射線強度を増加させると細胞数の減少を認め、死細胞数では0Gyと2Gyで有意差を認めた。

Caspase活性は放射線強度を増加させると有意に増加し、メカニカルストレスの負荷により減少した。アポトーシス関連タンパク質であるAKT、PTENの発現は線量間差が少なかったが、E照では放射線強度の増加で発現上昇が認められた。活性化タンパク質であるリン酸化分子は認められなかった。本実験では骨芽細胞様細胞に直接刺激を付与したため細胞の育成管理に問題も多かったが、今後も継続して、放射線照射の条件とメカニカルストレスの負荷条件を再設定して遺伝発現やシグナル伝達系を明らかにしていく。
プロラクチンレセプタ-発現機序の研究

プロラクチンは下垂体前葉から分泌される単純蛋白ホルモンであり、哺乳類、両生類などの多種の脊椎動物の生殖、哺乳、母性本能、水・電解質代謝などを始めとして80種を越す多岐にわたる生物学的作用を有していることが報告されている。しかし、その多様な作用機序は未だ解明されていない。プロラクチンは構造的に類似した胎盤性ラクトゲン、成長ホルモンなどと共にプロラクチン遺伝子同族ホルモンと呼ばれているが、それらのレセプタ-レベルにおける相互関係も未だ不明である。今回我々はプロラクチンの多様な作用機序を解明するため、そのレセプタ-に的を絞り、レセプタ-の精製、抗体作成を行ない、最後に免疫組織化学的研究より標的器官を特定し、プロラクチンレセプタ-の各種臓器における発現機序を究明することにより、プロラクチンの多様性解明の一助とすることを本研究の目的とした。1.レセプタ-を作成するためのマウスプロラクチン・アフィニティカラムを作成する目的で、マウスプロラクチンcDNAを用いて大腸菌よりコンビナントマウスプロラクチンを大量生産することを試みた。大腸菌により発現されたマウスプロラクチンは免疫学的にも、生物学的にも天然のプロラクチンと同じ活性をもち、レセプタ-精製の実験に使用できることが判明した。2.プロラクチンレセプタ-が大量に存在するマウス肝臓を摘出後、ホモゲナイズし、高速冷却遠心機および超遠心機を用いてマイクロソ-ム分画を収集した。Chapsを用いてマイクロソ-ム分画を可溶化後、アフィニティラベルによりプロラクチンレセプタ-蛋白の性質を調べると約45kおよび80kの2種類のレセプタ-蛋白が存在することが示唆された。現在この蛋白をアフィニティカラムにより精製中である。3.今後は精製したレセプタ-の抗体を作成し、免疫組織化学的方法によりプロラクチンレセプタ-の各種臓器における局在を追求する計画である。
再生医療による眼表面粘膜バリアーの再構築と重症瘢痕性疾患への応用

重症眼表面疾患は角結膜膜上皮幹細胞が消失し、重度の視力障害と瘢痕形成をきたすが、再生医療を用いた培養粘膜上皮移植治療により治療成績を向上させてきた。本研究により、再建された眼表面では口腔粘膜上皮が角結膜上皮には変化せず、細胞特性を維持していること解明した。さらに3T3線維芽細胞やウシ血清など動物由来物質に依存しない新しい培養法を開発し、他の自家細胞ソースとして鼻腔粘膜上皮を応用することで杯細胞を含む眼表面再建が可能となった。角結膜上皮が疲弊する難治性眼表面疾患では角膜上皮幹細胞疲弊と結膜上皮の分化異常および瘢痕化形成が生じる。再生医療を用いた眼表面再建では幹細胞上皮の移植と同時に涙液を含む眼表面の粘膜として生物環境を再建する必要がある。特に上皮や杯細胞分化誘導の解明と誘導は新規の治療開発につながる重要な課題である。すでに開発した角膜上皮および口腔粘膜上皮由来の培養上皮シート作成方法を継続し、さらに眼表面上皮と類似性が高く、杯細胞分化能を有する鼻腔粘膜上皮・気道粘膜上皮への応用と生物学的な粘膜特性関して検討してきた。杯細胞誘導の培養系は、3T3線維芽細胞との共培養、air-liftingによる分化誘導に加え、増殖・分化誘導因子としてKGFやIL-13などの増殖因子を添加することや組織適合した上皮酵素処理が重要であることを見出し、口腔粘膜の分化誘導と鼻腔粘膜からの杯細胞の分化誘導法を確立できた。粘膜上皮の生物学的特性は口腔粘膜上皮ではK3+/K12-/MUC16-/MUC1+と角膜や結膜上皮とは異なり、またオリジナルの口腔粘膜とも異なる遺伝子誘導が生じる。鼻腔粘膜上皮培養では杯細胞が誘導され、発現ムチンは結膜杯細胞と同様の分泌型ムチンMUC5acが発現する。さらに膜型ムチン(1,4,16)ともに発現し、口腔粘膜上皮とは異なり、より結膜上皮に類似したパターンが観察された。しかし眼表面環境においても固有のK3+/K12-/MUC16-/MUC1+の表現型以上にはtransdifferentiationしない。増殖細胞マーカーとしては口腔粘膜上皮と同様にp75の発現が重要であり、細胞増殖能や幹細胞としての因子として共通性を見出すことができているが、角膜上皮幹細胞とは異なる上皮増殖系が存在している。眼表面上皮である角膜および結膜上皮、また再建術に応用が期待される口腔粘膜および鼻腔粘膜上皮から増殖活性の高い細胞を抽出し羊膜上培養上皮シートを作成した。角膜上皮はp63含有上皮群から分化誘導することで重層化が可能であり、分化型ケラチン以外にもMUC1/MUC16の膜結合型ムチンの発現誘導が可能であり、粘膜バリアーの再構築および眼表面への移植再建が可能となった。口腔粘膜上皮は眼組織特異性の高いPAX6、K12の発現は誘導されずMUC1+/MUC16-の粘膜特性を発現している。血管新生は炎症刺激により角膜上に誘導されるが、抗VEGF添加により抑制効果が得られた。しかし抗VEGFにより細胞増殖が抑制されることが観察され、臨床応用へのアプローチ法や濃度設定への検討が必要である。またp75の発現維持により増殖活性が維持されているが、より病的な移植後環境での生着を目指した増殖能の向上と刺激因子の検討が必要である。in vitroでは角膜類似構造としての重層化が可能となり、さらに眼表面へ移植後の解析では口腔粘膜上皮特性が維持されていることを示したが、さらに炎症およびドライアイなどの環境下での組織変化や角化誘導に対する検討が必要である。鼻腔粘膜上皮はKGFによる上皮増殖・分化誘導とpronaseによる上皮酵素処理が重要であることをすでに見出しており、鼻腔粘膜のみならず杯細胞含有の非角化型粘膜上皮への培養系の適正化が検討できた。また杯細胞からは結膜杯細胞と同様のMUC5ACムチンが発現していることを同定したことにより、眼表面への移植後の粘膜バリアー再建に有用性が高いことが期待できる。さらに上皮の防御因子や免疫関連レセプターなどの発現パターンを検索することが重要である。研究時間が有効に使用できていないため、再生医療面でのレトロスペクティブな解析などに停滞している。杯細胞への分化誘導などを用いた実験や他粘膜組織への応用研究が有効に進行していない。難治性眼表面疾患に対する新しい培養粘膜上皮移植の開発と異所性生着した粘膜上皮による眼表面バリアーの再建を目標とした研究を遂行した。本研究により角結膜上皮の代用として口腔粘膜および鼻腔粘膜を用いた移植可能な培養上皮シート作成方法を確立し、増殖活性の獲得と杯細胞への分化誘導が確認できた。口腔粘膜上皮シートでは、角結膜上皮シートで発現されるPAX6遺伝子は誘導されないものの、形態的には4ー5層の非角化性重層扁平上皮を再生することが可能となった。これらの細胞は培養状態でもまた眼表面に異所性生着した後にも眼表面上皮化生は生じないものの臨床応用として代用角膜上皮として高い有用性が示された。

また新規に従来のマウス3T3細胞とウシ血清を用いない培養系の開発を行い、より安全に再生医療に応用できるより高質な上皮シート作成に成功した。この培養口腔粘膜上皮シートではより多くのp75陽性細胞およびholocloneなprogenitor細胞の存在を維持することができ高い増殖活性が観察され、再生医療に用いた場合の長期細胞生着や高い創傷治癒効果が期待できる。上皮分化誘導によりタイトジャンクションや細胞接着分子であるZO1やDesmoplakineの発現が誘導され粘膜上皮バリアーが再構築できた。ケラチン発現の解析では、本来の口腔粘膜上皮発現であるK13,K3に加え、角膜に特異的性の高いK12の発現がsporadicな状態ではあるものの発現誘導され家兎への移植モデルにおいても継続発現が観察された。また鼻腔粘膜からの培養上皮作成ではKGF添加により杯細胞への分化誘導が可能となった。この杯細胞からは結膜上皮杯細胞と同様にMUC5ACムチンの発現と分泌が確認でき、代用結膜としての有効性が期待できた。難治性眼表面疾患に対する口腔粘膜上皮や鼻腔粘膜上皮を用いた代用再建治療につながる有意義な研究結果が得られている。重症眼表面疾患は角結膜膜上皮幹細胞が消失し、重度の視力障害と瘢痕形成をきたすが、再生医療を用いた培養粘膜上皮移植治療により治療成績を向上させてきた。本研究により、再建された眼表面では口腔粘膜上皮が角結膜上皮には変化せず、細胞特性を維持していること解明した。さらに3T3線維芽細胞やウシ血清など動物由来物質に依存しない新しい培養法を開発し、他の自家細胞ソースとして鼻腔粘膜上皮を応用することで杯細胞を含む眼表面再建が可能となった。粘膜上皮の安定した培養系と基本的な粘膜特性および形態解析が可能となったが、広範囲での遺伝子発現パターン解析および杯細胞誘導過程での変化についての比較検討には至っていない。さらに分化誘導因子についての検索や再構築された粘膜バリアーの機能的に行っていく解析系の確立に至っていない。粘膜上皮の培養系を有効に使用して粘膜特性とその臨床的効果を検索していく。培養口腔粘膜上皮ではp75含有率と増殖能の関連性を検討し、血管新生の抑制方法の確立として抗VEGFなど複数因子の効果を検討する。再生医療での血管新生と上皮構築を解析し、再生上皮の角膜特性と粘膜バリアーを評価する。鼻腔粘膜上皮のムチン特性を解析し、培養過程および上皮シートでの発現量の制御や移植後の効果について検討する。杯細胞への分化効率やその制御システムについて研究を予定する。種々の培養系の違いによる眼表面上皮および粘膜上皮への影響を検索し、より理想的な再生医療での応用を探究することで将来の再生医療への還元が期待できる。眼科学と再生医療今後はさらに眼表面上皮、口腔粘膜上皮、鼻腔粘膜上皮との広範囲の視点からの比較検討を行っていくことで眼表面特異的な粘膜バリアの解明や疾患との関連性を検討する。再生医療への応用を踏まえた各粘膜特性や培養方法を検討し、異所性に生着した口腔粘膜や鼻腔粘膜上皮の表現型変化や再生してくる粘膜バリアーの再構築を解析する。上皮特性の決定遺伝子との関連性やK12などの角膜上皮特性の誘導、上皮型ムチンであるMUC16の発現量変化について検索を行う。
東アフリカ農村の水資源開発と社会的対応に関する比較研究

ケニア共和国は、資源をめぐる様々な葛藤を抱え込んできたが、その発現の一つに2008年に深刻化した大統領選挙後の紛争があった。人々は大きな試練に見舞われ、多数の人が故郷を追われて国内避難民となったが、ケニア山周辺の資源を融通して社会を回生させる様々な実践もあった。ケニア山からの水資源は、ケニア最大の水田地帯に暮らす人びとの生活も支えている。本研究では、ケニア共和国の中央高地を中心とした地域社会を対象として、これまで実施した個別実証的な研究を基礎に開発政策の影響を受ける東アフリカ地域における比較研究を行い、開発と文化の連関を考察した。現在、アフリカの地域社会は困難の最中にある。日本を含めた国際社会は、アフリカの貧困や食糧不足等といった問題群を前に、その援助額の増大を決定したが、開発計画を受容した社会の多くは、生活環境の悪化に苦しんでいるのが実情である。本研究では、東アフリカ農村の社会人類学的な比較研究を通じて、開発と文化の総合的な理解を目指し、自らの未来への展望のもとで自社会を発展させていく事を可能とする開発の人類学的理論の枠組みを模索するものである。本年度は、筆者がフィールドとしているケニア山南麓での政策と地域社会の総合的な理解を念頭に置き、「ケニア山森林保全政策」および「2007年大統領選挙後の国内避難民」についての調査を開始した。具体的には、以下の点が上げられる。(a)「ケニア山森林保全政策」が展開する村落調査、および関連資料の収集:同計画は、保全という名において、資源の持続可能な活用としての森林開発を射程に入れたものである。研究題材として、ギクユ人住民に森林管理を担わせる住民参加型の原型とも言える方式を採用した一方、その事に関係する諸機関での議論が拮抗している点に、多くの検討の余地が残されている。(b)政策と文化の葛藤について、2007年末の総選挙後に流出した国内避難民との関係も無視し得ない。住民の内発的な発展への志向について、多くの示唆が得られる。(a)(b)の同時遂行によって培われる幅広い視野のもとで本研究全体を枠付ける論文の執筆を開始した。本研究の目的は、東アフリカ農村の社会人類学的な比較研究を通じて、開発と文化の総合的な理解を目指すことにある。周期的な干ばつに見舞われるケニアでは、多くの命が危険にさらされ、国際機関を通じての緊急援助の必要性が叫ばれている。それに対して、国家政策としては、ダム建設と並行して集水地域となる森林地帯の保全が必要不可欠であり、1990年代以降、多くの外国援助資金を受けてケニア山周辺の森林管理体制を強化している。こうした森林保護政策は、保全という名において、資源の持続可能な活用としての森林開発を射程に入れたものである。そこでは、ギクユ人住民に森林管理を担わせる住民参加型の原型とも言える方式を採用した一方、その事に関係する諸機関での議論が拮抗している点に、研究題材としての検討の余地が残されていた。具体的には、ケニアの「ダム建設プロジェクト」が展開する村落調査、および関連資料の収集と同レベルに語るための調査項目として、例えば、森林に居住する住民への政策的対応(強制退去との関係)、森林に隣接する村落に住む住民の森林利用と政府との関係、新たな住民組織の形成と連合体の関係(社会的ネットワークの形成)などが考えられる。この事に関する歴史的な調査(イギリス植民地時代を通じた)を開始した。報告者は、1995年以来、ケニアでのフィールドワークを実施しており、これまでの研究成果と合わせて、上記に関わる村落調査に向けての準備を開始した。平成25年度は、ケニア共和国の中央高地を中心とした地域社会を対象として、これまで実施した個別実証的な研究を基礎に開発政策の影響を受ける地域の比較研究を行った。フィールドワークの多くは、セントラル州および首都ナイロビでのインタビュー、資料調査を実施した。近年、国際社会はアフリカ諸国に対する援助額の増大を決定している。日本もまた、稲作などの「在来知」を生かし、慢性的な貿易赤字と食糧増産に寄与するための支援策を講じている。しかしながら、アフリカの地域社会は現在もなお、貧困や紛争、食糧不足等といったあらゆる困難におかれている。本研究では、東アフリカ農村の社会(文化)人類学的な比較研究を通じて、開発と文化の総合的な理解を目指し、自らの未来への展望のもとで自社会を発展させていくことを可能とする開発の人類学的枠組みを模索することを目的としている。フィールドワークを行ったケニア共和国は、資源をめぐる様々な葛藤を抱え込んできた歴史があるが、その発現の一つに2008年に深刻化した「大統領選挙後の紛争」があった。

多くの死者を出した同紛争では、人々は大きな試練に見舞われ、多数の人が故郷を追われて国内避難民となったが、ケニア山周辺の資源を融通して社会を回生させる様々な実践もあった。ケニア山からの水資源は、ケニア最大の水田地帯に暮らす人びとの生活も支えている。本研究の締めくくりとなる今年度は、水資源開発が国際援助の中心課題として取りざたされる中で、地域住民が分かち合いの術を見出す実践を示し、開発と文化の連関を具体的に検討する事ができた。近年、アフリカ開発会議や主要国首脳会議での議論において、国際社会はアフリカ諸国に対する援助額の増大を決定したことは記憶に新しい。日本もまた、稲作などの在来知を生かし、貿易赤字と食糧増産に寄与するための支援策を講じている。しかしながら、アフリカの地域社会は今もなお、貧困や紛争、食糧不足等といったあらゆる困難の最中にある。とくに、開発計画を受容した地域住民の多くは、社会・文化的な変化を目の当たりにし、生活環境の悪化に苦しんでしまう場合もある。本研究では、東アフリカ農村の社会人類学的な比較研究を通じて、開発と文化の総合的な理解を目指し、自らの未来への展望のもとで自社会を発展させていく事を可能とする開発の人類学的理論の枠組みを模索することを目的としている。というのも、学問的な状況として、アフリカ諸地域における政治経済的な状況が激しく変化する中で、様々な開発を実践している社会の微細な動きを描出した研究は少ないという点にある。そして、そうした状況における理論化の試みは殆ど見られないのが現状である。これを受け、受領者はケニア共和国のギクユ人地域、および近隣のバントゥー系言語を話す住民を対象として、これまで実施した個別実証的な研究(フィールドワークなど)を基礎に開発政策の影響を受ける東アフリカ地域における比較研究を行い、開発と文化の連関を応用的なレベルにおいて考察してきた。平成24年度は、ケニア共和国の首都ナイロビ、およびセントラル州、リフトバレー州、隣接地域でのタンザニア共和国のアルーシャ地方でのインタビュー&資料調査を実施した。短期間での渡航のため、以前から付き合いのある研究助手にお願いし、村々や各機関での聞き取り調査を行った。また、2007年12月末の大統領選挙に伴う民族紛争を受けて、世界各国からの開発援助と地域社会の関わりの動態をリサーチした。平成23年夏に現地調査を予定していたが、大震災の影響で計画停電の恐れがあり、1歳になったばかりの息子を置いていくことができなかった。25年度が最終年度であるため、記入しない。一昨年に震災の影響で出国できず、研究計画が大幅に遅延してしまったが、8月9月に実施したフィールドワークでの成果を受けて、ケニア中央部の水資源をめぐる社会文化的対応について検討を重ねることができた。上記に記した問題点に対して、本年度は現地調査を実行する予定で計画をしている。研究計画の大幅な変更については考えていない。最終年度である本年度は、東アフリカ農村でのフィールドワークを中心として本研究の課題をすべて併せ、5年間の研究の総まとめとして論文および研究ノートを執筆し、世に問うことが最終目標となる。
特異配向炭素ナノファイバーを担体とする高活性・高耐久性酸素電極の創製

本研究は,細孔径の揃ったシリンダー状細孔を有する多孔質アノード酸化アルミナを鋳型として,液相鋳型法でプレートレット構造炭素ナノファイバー(pCNF)を合成し,これをナノ粒子の均一担持担体として利用し,高活性な酸素電極の創製を目指すものである。本年度は,酸素発生反応(OER)および酸素還元反応(ORR)ともに高活性な電極作製を目指し,研究を行った。炭素のエッジ面が露出したpCNFを用いることでCo3O4ナノ粒子を容易に均一担持でき,ORR活性の大幅な向上を昨年度見出したが,OER活性は低いという課題があった。そこで,Co3O4/pCNFにさらにORR活性と知られているNiFe系オキシ水酸化物の電解析出を行なった。その結果,このオキシ水酸化物ナノ粒子はCo3O4よりも優先的に炭素上に析出し,オキシ水酸化物自身のORR活性は低いものの,電解析出後もCo3O4/pCNFの高いORR活性は維持されることがわかった。一方,OER活性はCo3O4/pCNFよりも電解析出により大きく向上した。以上より,本研究によりORR/OER二元触媒の作製に有効な手法を見出すことができた。一方で,pCNFとして窒素をドープしたN-pCNFを炭素担体として用いた場合,異なる結果が得られた。Co3O4/pCNFと比べてCo3O4/N-pCNFはよく知られているように窒素ドープ効果によりORRが更に向上した。一方,Co3O4/N-pCNFに電解析出を行なうとオキシ水酸化物の析出はやはりN-CNF上に起こるが,ORR活性は減少した。この結果は,Co3O4/N-doped carbonの高活性はCo3O4と炭素担体の強く相互作用によるものと説明されてきたが,本研究結果は,NpCNF自身がORR反応に寄与している可能性を示唆するものである。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は,ハニカム構造を持つ細孔径の揃った多孔質アノード酸化アルミナを鋳型に用いて,プレートレット構造のカーボンナノファイバー(pCNF)を高分子粉末原料から液相炭素化法により合成し,これを電極触媒担体に利用するものである。ファイバーの側面に活性な炭素エッジが露出したpCNFは触媒ナノ粒子を強く吸着することから,ナノ粒子を高分散した高耐久性電極の可能性が期待される。本年度はまず,ポリ塩化ビニル(PVC)およびポリアクリルアミド(PAA)粉末を原料として窒素フリーおよび窒素含有pCNFをアルゴン中各温度で熱処理することで合成した。PVCから合成した窒素フリーpCNFは熱処理温度の上昇とともに黒鉛化度が上昇し,プレートレット構造が発達した。PAAを原料とした場合にもpCNFが得られるとともに窒素の存在が確認されたが,その濃度は熱処理温度とともに減少した。このpCNFにPtを担持したところ,窒素の有無にかかわらず,粒径約3 nmのPtナノ粒子が均一に担持された。Pt/pCNFの酸化還元電極活性を回転ディスク電極を用いて評価したところ,窒素添加による活性の変化は認められなかった。窒素ドープ炭素へPtを担持すると活性が向上するという報告があるが,これは主にPtの担持状態が改善されることに起因することが示唆された。pCNFを用いると窒素フリーでもPtが均一分散する。高価で資源に乏しいPtを用いない貴金属フリーの電極触媒として,新たにCo3O4をpCNFに担持した触媒も合成に成功した。炭素担体にPtを担持した触媒において,炭素への窒素ドープが活性向上に有効であることが報告されているが,本研究によりこの活性向上は主にPtの分散状態の改善にあり,Pt粒子の活性そのものの変化は小さいという重要な知見が得られ,pCNFのナノ粒子高分散担体としての利点を明らかにすることができた。順調に研究は推移していると判断している。本年度は前年度のPt担持がpCNF上に均一に可能である結果をもとに,Ptフリー化を目指してCo3O4の担持とその電極特性評価を行った。pCNFは硫酸中でアノード酸化を行って調製したアノード酸化アルミナ鋳型とポリ塩化ビニル粉末から作製し,これにCo3O4ナノ粒子担持を行った。また,比較炭素材料として側面が炭素の基底面で構成される多層カーボンナノチューブ(CNT)と一般的に炭素担体として用いられる炭素の一つであるケッチェンブラックを用いた。CNTにはCo3O4の担持量も少なく,均一な担持は困難であることが明らかになる一方,pCNFには,均一かつ高密度に数nmサイズのCo3O4ナノ粒子が担持されることが明らかとなった。したがって,側面に炭素のエッジ面が露出したサイトはPtのみならず酸化物に対しても有効な担持サイトとなることがわかった。次に酸素還元特性を回転ディスク電極を用いて評価した。担持前の炭素材料3種類について調べた結果,表面積が他のものよりもかなり大きなケッチェンブラックが最も高活性であったが,Co3O4を担持した試料では,均一担持ができたCo3O4/pCNF試料が最も高活性になった。

炭素材料のみでは反応電子数が4よりもかなり小さくなるが,Co3O4を担持することで反応電子数の大きな増大も確認することができた。以上,酸化物ナノ粒子の担持に,炭素表面の構造制御が重要であることということを明らかにした。プレートレット構造炭素ナノファイバーが酸化物ナノ粒子の均一担持にも有効であること,活性向上も確認できたことから,順調に推移していると判断している。本研究は,細孔径の揃ったシリンダー状細孔を有する多孔質アノード酸化アルミナを鋳型として,液相鋳型法でプレートレット構造炭素ナノファイバー(pCNF)を合成し,これをナノ粒子の均一担持担体として利用し,高活性な酸素電極の創製を目指すものである。本年度は,酸素発生反応(OER)および酸素還元反応(ORR)ともに高活性な電極作製を目指し,研究を行った。炭素のエッジ面が露出したpCNFを用いることでCo3O4ナノ粒子を容易に均一担持でき,ORR活性の大幅な向上を昨年度見出したが,OER活性は低いという課題があった。そこで,Co3O4/pCNFにさらにORR活性と知られているNiFe系オキシ水酸化物の電解析出を行なった。その結果,このオキシ水酸化物ナノ粒子はCo3O4よりも優先的に炭素上に析出し,オキシ水酸化物自身のORR活性は低いものの,電解析出後もCo3O4/pCNFの高いORR活性は維持されることがわかった。一方,OER活性はCo3O4/pCNFよりも電解析出により大きく向上した。以上より,本研究によりORR/OER二元触媒の作製に有効な手法を見出すことができた。一方で,pCNFとして窒素をドープしたN-pCNFを炭素担体として用いた場合,異なる結果が得られた。Co3O4/pCNFと比べてCo3O4/N-pCNFはよく知られているように窒素ドープ効果によりORRが更に向上した。一方,Co3O4/N-pCNFに電解析出を行なうとオキシ水酸化物の析出はやはりN-CNF上に起こるが,ORR活性は減少した。この結果は,Co3O4/N-doped carbonの高活性はCo3O4と炭素担体の強く相互作用によるものと説明されてきたが,本研究結果は,NpCNF自身がORR反応に寄与している可能性を示唆するものである。今後は貴金属フリーで高活性で高耐久性のpCNFを担体として使った電極触媒の開発に焦点を当て,研究を推進する予定である。1.バイファンクショナル酸素電極の創製昨年度までの研究において,Co3O4ナノ粒子の均一担持がプレートレット構造炭素ナノファイバーを担体として用いることで簡単に行うことができ,酸素還元反応に対して高活性となることが見いだされた。さらに窒素ドープしたプレートレット炭素ナノファイバーを用いるとさらに活性が向上することも明らかとなった。本年度は,この成果をもとに酸素還元のみならず酸素発生にも高活性なバイファンクショナル電極触媒の創製を目指す。具体的には,酸素発生に高活性を示すFeNi系酸化物ナノ粒子などの均一担持を行うとともに,酸素還元に高活性なCo3O4などとの複合担持を行う手法を開拓する。また,酸素発生の場合,プレートレット構造炭素ナノファイバーの酸化消耗が耐久性に大きな影響を及ぼすと考えられる。プレートレット構造炭素ナノファイバーの熱処理温度を変化させて,黒鉛化度を制御し,耐久性および活性やナノ粒子の均一担持特性に及ぼす影響を明らかにする。2.炭素の電極特性に及ぼす役割の解明
追尾型流体可視化システムの開発と展開研究

実際に飛翔しているサッカーボール周りの渦流れを可視化,検討するため,発煙物質をボールに薄く塗布してキックさせ,後方から高速ビデオカメラ(1000 fps)で撮影した.ボール後流の2次元ベクトル図では,渦の大規模構造として1対の渦対が観察されるフェイズと,複雑に渦が混在しているが,大規模構造が不明確なフェイズがみられた.この渦対の大規模構造に,翼端渦のアナロジーを適用すると,ダウンウォッシュに関連した揚力の発生が推測された.この大規模渦対構造による揚力は,ボール進行長軸を軸方向として,ゆっくり回転する場合があり,その場合は,ボールがゆっくり揺れる原因の一つになる可能性があると考えられた.実際に飛翔しているサッカーボール周りの渦流れを追尾,可視化,検討するため,発煙物質をボールに薄く塗布してキックさせ,高速ビデオカメラで撮影した.平滑球後流の渦構造について,Re=24000では,交番型の渦構造がみられ,後流は波長が直径の約4.5倍の進行波運動をしていることが報告されている.また,Re=600000では,後流が互いに逆方向に回転する2本の縦渦を形成し,遠い下流まで構造を変えないこと,後流が球の対称軸から外れて存在すること等が示されている.Re=380000におけるサッカーボールの場合,超臨界領域であるにも関わらず,平滑球のような直線的な安定した後流構造ではなく,平滑球の亜臨界領域と超臨界領域の中間的かつ不安定な構造を示していると思われた.ナックルボールの飛翔軌跡より,やや離れた大きな画角での大規模渦構造をみると,後流の歪んだ渦リング放出とは異なる,約14Hzの大規模な渦構造の振動(うねり)が観察された.これは,平滑球のストローハル数におけるハイモード,及びローモードとは異なる,より低い周波数であると推定され,この大規模構造の渦振動がナックルボールの不規則な変化を引き起こす,大きな原因の一つになっていると考えられた.実際に飛翔しているサッカーボールの後流構造(Re=370000)をみると,進行方向軸に対して偏向し,歪んだループ渦(歪んだヘアピン渦)が放出されている場合が多くみられる.しかし,その偏向方向は,一定方向ではなく,上下が逆転したような構造(Re=380000)になることも観察される.これらのことから,ボール後流の渦構造は不安定であり,進行方向軸周りに回転する大規模構造変化もあると考えられる.そして,この大規模構造の渦振動は,出発渦の形成,変形,崩壊によって励起されている可能性がある.実際に飛翔しているサッカーボール周りの渦流れを可視化,検討するため,発煙物質をボールに薄く塗布してキックさせ,後方から高速ビデオカメラ(1000 fps)で撮影した.実際に飛翔しているサッカーボールの後流構造(Re=370000)をみると,進行方向軸に対して偏向し,歪んだループ渦(歪んだヘアピン渦)が放出されている場合が多くみられる.しかし,その偏向方向は,一定方向ではなく,上下が逆転したような構造(Re=380000)になることも観察される.これらのことから,ボール後流の渦構造は不安定であり,進行方向軸周りに回転する大規模構造変化もあると考えられる.そして,この大規模構造の渦振動は,出発渦の形成,変形,崩壊によって励起されている可能性がある.ボール後流の2次元ベクトル図では,渦の大規模構造として1対の渦対が観察されるフェイズと,複雑に渦が混在しているが,大規模構造が不明確なフェイズがみられた.この渦対の大規模構造に,翼端渦のアナロジーを適用すると,ダウンウォッシュに関連した揚力の発生が推測された.この大規模渦対構造による揚力は,ボール進行長軸を軸方向として,ゆっくり回転する場合があり,その場合は,ボールがゆっくり揺れる原因の一つになる可能性があると考えられた.実際に飛翔しているサッカーボール周りの渦流れを可視化,検討するため,発煙物質をボールに薄く塗布してキックさせ,後方から高速ビデオカメラ(1000 fps)で撮影した.ボール後流の2次元ベクトル図では,渦の大規模構造として1対の渦対が観察されるフェイズと,複雑に渦が混在しているが,大規模構造が不明確なフェイズがみられた.この渦対の大規模構造に,翼端渦のアナロジーを適用すると,ダウンウォッシュに関連した揚力の発生が推測された.この大規模渦対構造による揚力は,ボール進行長軸を軸方向として,ゆっくり回転する場合があり,その場合は,ボールがゆっくり揺れる原因の一つになる可能性があると考えられた.本研究では,高速かつ非定常な現象をより正確かつ定量的に分析するため,移動する物体を追尾しながら移動体周りの流体を可視化する追尾型PIVシステムを開発し,従来,不可能であった実座標系,実運動系におけるPIV流体可視化,流体力学的解析を実現しようとした.本研究プロジェクトは,(1)移動体追尾技術の開発,(2)トレーサー追尾画像処理技術の開発,(3)可視化技術の開発の3つのサブプロジェクトに大別できるが,相互に関係しており,連絡を密にして実施している.平成23年度(初年度)は,(1)移動体追尾技術の開発において,ミサイル追尾技術の調査研究,高解像度高感度高速ビデオ撮影の予備実験,手動式雲台の予備実験を行った.

(2)トレーサー追尾画像処理技術の開発においては,ハイコントラストなトレーサー作成技術の調査研究,トレーサーと移動体のマッチング技術の検討,開発,移動体の座標変換を行うための抽出,画像処理技術の検討,開発,トレーサーベクトルを抽出するトレーサー追跡技術の調査,予備実験を実施した.(3)可視化技術の開発においては,トレーサーベクトルから圧力分布や渦度を計算する技術の調査研究を行った.これらの研究から,煙撮影型の映像では,煙の濃度が,渦構造画質に極めて大きく影響し,渦のコア構造を検討するためには,撮影効率が非常に低いことが判明した.それらの結果を踏まえ,大量のサンプル映像の収集と,解像度の増大について検討していくことが今後の大きな課題の一つであると考えられた実際に飛翔するボールの追尾撮影の技術的めどは立った.PIVによる可視化技術もパイロットケースでは成功している.ただ,流れベクトルの取得は,画像の解像度や画質に大きく影響をうけるため,その点の改良や工夫が今後の大きな課題の一つである.初年度の計画は,ほぼ予定通りに実施した.達成度は,全体の30%程度であろう.移動する物体を追尾する技術については,自動ではないものの,達成可能性が示唆された.しかし,トレーサーの濃度や,撮影アングル,高速ビデオカメラの解像度等の改善の必要性が考えられた.トレーサーの濃度や分布と画像やベクトルの取得の関係を探り,より高い画質でのPIVを試みる予定である.また,ベクトル計算のアルゴリズムも比較検討し,より,適切な方法を探求していく.トレーサーの濃度や噴霧に関する実験を重ね,トレーサー追尾技術の向上を図る.また,トレーサーの速度ベクトル取得に関する基礎研究を実施する.さらに,解析アルゴリズムについても検討を重ねる.1.トレーサー追尾画像処理技術の開発(浅井,小池)ハイコントラストなトレーサー作成技術の開発,本実験.トレーサーと移動体のマッチング技術の開発,本実験.移動体の座標変換を行うための抽出,画像処理技術の開発,本実験.トレーサーベクトルを抽出するトレーサー追跡技術の開発,本実験.トレーサー発生装置は,平成24年度の他の研究費で補充したので,その分を平成25年度に繰越金として繰越し,実験治具やトリッガーの開発に充当する予定である.2.可視化技術の開発(浅井,小池)トレーサーベクトルから圧力分布や渦度を計算する技術の開発実施.可視化ソフトウェアの開発,導入.3.国内外の関連学会に研究成果を発表する.トレーサー噴霧システムの導入を計画している.また,システム周辺の取り付け治具等の開発も行う.さらに,国内外の学会等で専門知識に関する調査研究も実施する.
時間分解ヘテロダイン検出和周波発生分光による帯電した界面の研究

界面の水の振動ダイナミクス研究においてOH伸縮振動の振動励起状態の寿命(T1時間)は最も基本的な量であり、これまでに幾つかの値が報告されている。しかしこれらは和周波光の強度のみを測定する従来のホモダイン法に基づく時間分解測定によって求められたものであり、またそのほとんどは振動数一点での測定によって得られた値であった。最近の我々の研究によって、OH伸縮振動バンドは振動励起状態の緩和のみならずスペクトル拡散や熱化信号など様々な緩和過程を反映した時間変化を示すことが明らかになり、過去に報告されたT1時間の値には信頼性がないことが判明した。そこで赤外パルス励起による振動励起とともに現れる振動励起状態のOH伸縮バンドの時間変化を、信号光の位相を決定できるヘテロダイン検出振動和周波発生(HD-VSFG)分光の時間分解想定を行って直接観測してOH伸縮振動の信頼できるT1時間の測定を開始した。これと並行してTR-HD-VSFG分光法の発展である、二次元ヘテロダイン検出振動和周波発生(2D HD-VSFG)分光の新しい装置開発に取り組んだ。われわれは世界で初めて水界面に対する2D HD-VSFG測定を実現しているが、これまではバンドパスフィルターを用いて狭帯域化させたフェムト秒赤外パルスを振動励起に用いていたため、極限的な時間分解能と振動励起分解能を達成することができなかった。そこで、測定の分解能を大きく向上させ、さらに長時間信号積算によって高い検出感度を実現するため、2つの広帯域のフェムト秒赤外パルスの干渉を利用して振動励起する干渉型2D HD-VSFGの装置を開発した。加えて、英国インペリアルカレッジのBakulin博士の研究グループとの共同研究で光電材料として大変注目を集めているペロブスカイトの表面構造をHD-VSFG分光を用いて検討した。信頼性のあるOH伸縮振動のT1状態を水界面で決めるためには、多様な時間変化を示す定常状態のOH伸縮バンドが現れない低波数領域において振動励起状態に由来する信号のみを測定すれば良いはずだ、というシンプルな発想に基づいてHD-VSFGの時間分解測定を行い、これに成功したことは大きな成果であった。測定がすでに終了した振動数領域においては、以前の報告で主張されていたような奇異な振動数依存性は観測されず、われわれの正確なデータを元にして、改めて界面とバルクの水の振動ダイナミクスがどのように異なるのかを議論できる見込みとなったことは大きな意味がある。さらに、干渉型の2D HD-VSFG分光装置の製作を行い、これの完成の目処がたったが、この新しい装置を用いると時間分解能と振動励起分解能の両方を極限的に向上させることが出来、また実験条件を返ることなく長時間の信号積算ができるためS/Nも大きく向上させることができる。これで世界をさらに大きくリードする究極の振動ダイナミクス計測を界面で実現するための準備が整った。これらの成果は本研究費を申請した際に想定したものを遙かに超えるものであり、外国人特別研究員のSung氏の高い研究能力と粘り強さ、さらに彼が研究期間中に大きく成長したことによって得られた。2019年度はSUNG氏の外国人特別研究員の最後の年に当たるので、現在進行している研究をまとめながら、論文化を行う。具体的には、まず、界面の水のOH伸縮振動のT1時間の決定に関して、低波数側の水素結合した界面水のT1時間決定に加えて、高波数領域にある空気側に突き出したフリーOHのT1時間の精度の高い測定を行う。これによって空気/水界面のOH伸縮振動のT1時間を全振動領域で決定し、界面の水の振動緩和とその機構に関して包括的な理解を得て論文を執筆する。また新しい干渉型の二次元ヘテロダイン検出和周波発生(2D HD-VSFG)分光装置を完成させ、様々な界面でこれを用いた実験ができるようにする。ガラス基板に固定したアルキル鎖分子のCH伸縮領域には幅の狭いCH伸縮バンドが複数存在しており、複雑なスペクトルを示す。そこで完成させた装置を用いて、これに対して2D HD-VSFG測定を行い、混み合った界面スペクトルをダイナミクスの観点からどのように分離でき、さらにその振動緩和の機構が明らかにできるのかを調べる。これによって開発した2つの広帯域フェムト秒赤外パルスの干渉を利用して振動励起を行う干渉型2D HD-VSFG装置の性能を評価し、これを論文の形にまとめる。さらに、英国インペリアルカレッジのBakulin博士の研究グループとの共同で行ったHD-VSFG分光によるペロブスカイトの表面構造の研究成果を論文発表する。新しい界面選択的非線形分光計測である時間分解ヘテロダイン検出和周波発生(TR-HD-VSFG)分光法を駆使して、これまでほとんど未解明の水界面の超高速ダイナミクスを明らかにするための研究を開始した。SUNG博士は韓国の大学院において我々が理研で開発したHD-VSFG分光法の装置を、論文を参考に自力で製作した経験を持つため、定常HD-VSFG測定に関しては深く理解している。しかし理研の装置はさらに進んだものなので、そのポテンシャルを最大限に引き出して実験するためにはトレーニングが必要であった。そこで、研究室ですでに始まっていた太陽光発電デバイス材に対するHD-VSFG測定に参加し、理研の装置の取り扱いを学んだ。これと並行して自身の研究テーマである水界面に対する赤外励起TR-HD-VSFG測定を開始した。界面の水の振動ダイナミクス研究では、OH伸縮振動の振動緩和時間(T1時間)は最も基本的な量であり、すでにいつかの値が報告されている。

しかしこれらは従来のホモダイン法に基づく時間分解測定によって振動励起に伴うOH伸縮振動バンドの強度減少とその回復から求められたもので、さらにはそのほとんどは振動数一点のみの測定による値である。最近の我々の研究で、OH伸縮振動バンドの強度は振動励起状態の緩和のみならず、スペクトル拡散や熱化信号など様々な緩和過程を反映した時間変化を示すことが示され、過去に報告されたT1時間の値には信頼性がないことが判明した。そこで振動励起で現れる振動励起状態のOH伸縮バンドの時間分解スペクトルをTR-HD-VSFG分光を用いて直接測定すれば、OH伸縮振動の信頼できるT1時間を決定できるはずである。この考えに基づいた実験を開始し、2つの振動数領域での時間分解スペクトルの測定に成功した。予備的に見積もられたT1時間は、従来法によって報告された値と顕著に異なっていた。計画通り、太陽光発電デバイス材に対するHD-VSFG測定に参加することで理研の装置の扱いをほぼ完全に習得し、その技術を元に、水界面の信頼あるT1時間決定のための時間分解HD-VSFG測定に成功した。これにより水界面の基礎的性質であるOH伸縮振動のT1時間を決定するという重要な研究がうまく進むという感触が得られた。国際共同研究である太陽光発電デバイス材に対するHD-VSFG測定の結果についてはSUNG氏が第一著者として国内学会で口頭発表することができ、研究は順調に進展していると言える。界面の水の振動ダイナミクス研究においてOH伸縮振動の振動励起状態の寿命(T1時間)は最も基本的な量であり、これまでに幾つかの値が報告されている。しかしこれらは和周波光の強度のみを測定する従来のホモダイン法に基づく時間分解測定によって求められたものであり、またそのほとんどは振動数一点での測定によって得られた値であった。最近の我々の研究によって、OH伸縮振動バンドは振動励起状態の緩和のみならずスペクトル拡散や熱化信号など様々な緩和過程を反映した時間変化を示すことが明らかになり、過去に報告されたT1時間の値には信頼性がないことが判明した。そこで赤外パルス励起による振動励起とともに現れる振動励起状態のOH伸縮バンドの時間変化を、信号光の位相を決定できるヘテロダイン検出振動和周波発生(HD-VSFG)分光の時間分解想定を行って直接観測してOH伸縮振動の信頼できるT1時間の測定を開始した。これと並行してTR-HD-VSFG分光法の発展である、二次元ヘテロダイン検出振動和周波発生(2D HD-VSFG)分光の新しい装置開発に取り組んだ。われわれは世界で初めて水界面に対する2D HD-VSFG測定を実現しているが、これまではバンドパスフィルターを用いて狭帯域化させたフェムト秒赤外パルスを振動励起に用いていたため、極限的な時間分解能と振動励起分解能を達成することができなかった。そこで、測定の分解能を大きく向上させ、さらに長時間信号積算によって高い検出感度を実現するため、2つの広帯域のフェムト秒赤外パルスの干渉を利用して振動励起する干渉型2D HD-VSFGの装置を開発した。加えて、英国インペリアルカレッジのBakulin博士の研究グループとの共同研究で光電材料として大変注目を集めているペロブスカイトの表面構造をHD-VSFG分光を用いて検討した。信頼性のあるOH伸縮振動のT
労働生産性の向上を目的とした鍼治療プログラムの効果検証

「休暇を取るほどでもないが、なんとなく調子が悪い、今一つ仕事がはかどらない」という労働者の状況(プレゼンティーイズム)が生産性を低下させ、企業に多額の損失を与えていることが2000年代に入ってから指摘され始めた。その原因のうち、多くの労働者が抱える様々な症状(例:肩こり、腰痛、等)による損失総額は、病気による欠勤や、治療費をはるかに上回っていることが判明した。しかし、包括的かつ実効性のある対策は未だ提示されていないため、この研究課題に取り組む学術的重要性・妥当性は極めて高いと考えた。一方、鍼治療は、多くの労働者が抱える様々な症状(例:肩こり、腰痛、等)に有効であると示されていることから、包括的で、独創的な対策になり得る可能性が期待できる。本研究では、こうした状況に対する包括的な産業衛生管理・健康経営の対策として、鍼治療の施術費用に対する助成が有用であることを4年間で検証し、国民の健康保持・増進に寄与することを明らかにしたい。初年度の2018年度には、公募した53名の研究対象者を、肩こりや腰痛など、なんらかの不健康な状態に対して各職場において励行されている通常の対策を任意で行う「対照群」、または、通常の対策を任意で行うことに加えて、指定した分担はり師が属する施術所にて観察期間中に施術を受けた際の領収書を観察期間後に提出することによって、最大8,000円まで助成(キャッシュバック)を受けることができる「介入群」、のいずれかに割付けて、4週間比較する臨床試験を実施した。2018年9月20日付けで帝京平成大学倫理委員会より承認を受けた。2018年11月14日より(公社)東京都鍼灸師会の協力を得て、分担はり師の公募を開始し、36名が参加協力に同意した。2019年1月26日より研究対象者の公募を開始して53名が参加協力に同意し、2019年3月30日までに52名分の解析データを得た。なお、交付額を受けて、助成(キャッシュバック)の上限を12,000円から8,000円に減額した。当初の計画通り、2019年度には88名、2020年度には38名、2021年度には42名、4年間で合計220名の研究対象者を公募する予定である。研究対象者数が50名から52名になり16,000円増(8,000円/人@2名)、はり治療費用助成額の予定が200,000円(上限8,000円/人@25名)から196,694円で3,306円減、動的ランダム割付Webサイトへの登録料及び使用料等(135,000円)を大学内より拠出したことにより122,306円の次年度使用額が生じた。次年度使用額については、被験者リクルートメント業務の委託料として使用する計画である。
GAとBPの併用アーキテクチャによるハイブリッド学習を実現する専用チップの研究

本研究の目的は,"遺伝的アルゴリズム(GA)によるニューラルネットワーク(NN)の学習"と"誤差逆伝播法(BP)によるNNの学習"を併用できる専用アーキテクチャを開発することである。本年度の研究内容と成果は以下のとおりである。1.ハードウェア・ソフトウェアの連動処理を実現するハードウェアアクセラレータの設計・検証専用ハードウェア以外の新しい高速化のアプローチとして,ハードウェア処理の高速性とソフトウェア処理の汎用性を実現するGA専用ハードウェアアクセラレータを考案した。考案したハードウェアアクセラレータでは,並列処理が可能で,繰り返しの処理が多い部分を予備実験により求めることで,効果的な高速処理を実現した。さらに,様々な実用的なアプリケーションに適用し,その有効性を確認した。2.効率的な学習を実現するためのハイブリッド学習アルゴリズムの検討2つのニューラルネットワークを用いることで,自立学習を実現するアルゴリズムを新しく考案し,擬似生態系を用いたシミュレーション実験でその有効性を確認した。また,BP学習法と強化学習法を組み合わせたハイブリッド学習法についても新しく考案し,シミュレーション実験では,効果的なロボットの行動獲得を実現した。3.実用的なアプリケーションでの専用ハードウェアの設計・検証これまで開発したGA・BP専用ハードウェアを研究で得られた知見を利用し,ウィルス進化論を用いたナビゲーションシステムや蟻の採餌行動を模倣したアントコロニー最適化法の専用ハードウェアを用いた新しいアプローチを実現し,FPGAに実装した評価実験により,その有効性を確認した。1)GAエンジン設計のための実用的なアプリケーションでの検討具体的には,まず,LSIレイアウト(セル配置問題)に適用し,市販のEDAツールとの比較を行った。0.18ミクロン以下のデシミクロンオーダーLSIのセル配置では,従来からの面積のみの評価では十分ではなく,遅延,電力,シグナルインテグリティを総合的に考慮した手法が重要となる。GAを用いたレイアウト手法は,市販のEDAツールに比べ,遅延や電力を削減した高品質のレイアウトを実現した。この研究・実験により,GAの組み合わせ最適化問題に対して非常に有効であることが確認できた。一方で,処理時間に関して,市販のEDAツールより300倍以上の処理時間を要したことは,専用ハードウェア化を行った場合に,リアルタイム処理を実現するためには,少なくとも1000倍以上の高速化が必要になることが分かった。そのためには,並列処理だけではなく,パイプライン処理による高速が必須である。2)実用的なアプリケーションでのGA専用ハードウェアの設計・検証上記1)の検討を踏まえて,GAに基づくシーケンスペア表現によるフロアプラン専用エンジンアーキテクチャを考案した。提案アーキテクチャでは,代表的なGAの進化戦略をほとんど網羅することによる進化戦略に対する高い自由度を実現した。また,評価演算や交叉といった遺伝オペレーションのパイプラインだけでなく世代モデルを考慮した進化パイプラインを実現した。さらにFPGAに実装した評価実験によりその有効性を確認した。1)メタアルゴリズムのハイブリッド探索のための実用的なアプリケーションでの検討効果的なハイブリッド学習を実現するために,GAのハイブリッド化手法について検討した。具体的には,LSIのフロアプラン設計において,バス配線を考慮したGAと局所探索法を組み合せた新しいハブリッド化手法を考案した。また,ベンチマークデータを用いた評価実験によりその有効性を確認した。2)免疫機構を加えたGAの専用ハードウェアの設計・検証GAの探索能力を向上するためのアプローチとして,免疫機構を導入した専用ハードウェアをあたらしく考案した。また,多重制約性のあるNSPへ適用し,その有効性を確認した。3)ハイブリッド探索専用ハードウェアの検討・設計上記1)の検討を踏まえて,GAとSAのハイブリッド探索を実現する汎用アーキテクチャを考案した。提案アーキテクチャでは,各回路ブロック間のデータをバトンという新しい概念を用いることで,高い汎用性を実現した。さらにGAとSAのハイブリッド化に関して,GAによって大域的探索を行った後に,SAによる局所探索を行うハイブリッド化だけでなく,SAをGAの進化ルームに組み込んだハイブリッド化も実現した。また評価実験によりその有効性を確認した。3.実用的なアプリケーションでの専用ハードウェアの設計・検証

これまで開発したGA・BP専用ハードウェアを研究で得られた知見を利用し,ウィルス進化論を用いたナビゲーションシステムや蟻の採餌行動を模倣したアントコロニー最適化法の専用ハードウェアを用いた新しいアプローチを実現し,FPGAに実装した評価実験により,その有効性を確認した。