hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
幾何処理による曲面曲率コントロールとそのＩｓｏｇｅｏｍｅｔｒｉｃ解析への応用

本研究では,既存の双三次B-spline曲面において等パラメータ曲線の曲率を対話的に制御することにより曲面形状を編集する手法を開発した.幾何学的な法則に従って制御点の位置を逐次的に移動させることにより交差する2方向の等パラメータ曲線上の曲率を指定した位置で対話的に制御することが可能となった.また、薄肉円筒波形管のプロファイル曲線の波長と振幅を固定し、特徴点における曲率をパラメータとして軸圧縮解析とCNC旋盤により削りだしたアルミ製波形管を用いた実験を実施し,波形の曲率がエネルギー吸収に及ぼす影響について検討した.この結果、曲率が大きくなるに従ってエネルギー吸収量も増加することが確認された.本研究では,既存の双三次B-spline曲面において等パラメータ曲線の曲率を対話的に制御することにより曲面形状を編集する手法を開発した.幾何学的な法則に従って制御点の位置を逐次的に移動させることにより交差する2方向の等パラメータ曲線上の曲率を指定した位置で対話的に制御することが可能となった.また、薄肉円筒波形管のプロファイル曲線の波長と振幅を固定し、特徴点における曲率をパラメータとして軸圧縮解析とCNC旋盤により削りだしたアルミ製波形管を用いた実験を実施し,波形の曲率がエネルギー吸収に及ぼす影響について検討した.この結果、曲率が大きくなるに従ってエネルギー吸収量も増加することが確認された.1.一様双3次B-spline曲面r(u,v)の各スパンに2つのノットを挿入する(ternary subdivision)ことにより曲面の自由度を増やし、曲面r(u,v)の等パラメータ曲線であるフィーチャー曲線のノット挿入前の各ノットにおいて、位置、接線、曲率ベクトルを制御することが可能となった。2.形状表現に用いるB-spline関数を物理量の近似関数に利用したIsogeometric解析をシェル構造に適用した。その有効性を検証するためにベンチマークテストを実施し、曲率を厳密に考慮していない従来手法と比較することによりその優位性を確認した。3.従来のIsogeometricシェル解析では、円筒等の特殊な形状を除く一般の自由曲面を含むシェル構造のファイバー方向の求め方は定められていない。そこで、中立面からその法線方向に上下にシェルの厚さの半分をオフセットして得られるオフセット曲面の対応する制御点の方向をファイバー方向として定義した。今後この方法の有効性を確認していく予定である。4.静的負荷による薄肉円筒の圧縮座屈試験を実施し、3次元形状の動的な復元方法を検討した。その結果、円筒の表面にスプレーを吹き付けて斑点模様を施したサンプルを2台以上のカメラから撮影し、デジタル画像相関法を用いて復元する方法が有効であることがわかった。5.Isogeometric解析の熱伝導問題への有効性について検討した。今後,曲率を厳密に考慮することの優位性について検証していく予定である。6.2次元のIsogeometric解析による、微小変形理論にもとづく座屈固有値解析、ならびに大変形解析による座屈後挙動の解析プログラムを開発し、従来のFEM解析と同様の解が得られることを確認するとともに、複雑な形状におけるIsogeometric解析の有用性を確認した。1)曲率を接円により表現し,AntTweakBar Graphical User InterfaceLibraryを用いて接円の半径をスクロールバーで調整することによって曲率を入力できるような対話形式システムを開発した.このシステムを用いて,過去に設計された自由曲面の等パラメータ曲線に曲率対数分布図が直線である対数美的曲線を埋め込み自動車のボディ等の意匠曲面の設計に応用できるシステムを開発した.2) u-方向の等パラメータ曲線をフィチャー曲線とした時,これと交わるv-方向の等パラメータ曲線の曲率をcross curvatureとする.フィチャー曲線に対数美的曲線を埋め込むと同時に,cross curvatureの制御も実施できるようにし,フィチャー曲線をさらに強調できるようになった.3)回転曲面(軸対称)シェル構造体の圧縮試験を4台のカメラで動画を同期撮影し,回転曲面表面に描かれた変形前後のランダムパターン画像を比較し,物体表面の移動量(変位)を調べるDigital Image Correlation (画像相関法)により座屈現象を三次元メッシュモデルとして復元する。このシステムを導入し,実験治具並びに安全器具の設計製作を実施した.5) Isogeometric解析を熱伝導解析に実装し,曲率を制御した曲線を含む2次元問題への適用について検討した.前年度に開発したNURBS Solidを入力とするIsogemetric解析(IGA)ソフトを用いて,薄肉波形円筒の波形曲線の波長と振幅を一定に保ち山と谷における曲率をパラメータとした圧縮試験のシミュレーションを実施し,曲率をパラメータとした薄肉波形円筒のばね定数を求めた。この解析により、山と谷の曲率の大きさと円筒の圧縮に関するばね定数は二次曲線に沿って増加する事が分かった。また、Digital Image Correlation (画像相関法)に基づく動画による3次元形状復元システムを用いて、薄肉波型円筒の波形曲線の波形曲線の山と谷における曲率をパラメータとして実際の圧縮試験を実施した。尚、試験用の波形管はヤング率71 GPa、ポアソン比0.33のアルミニュームA5056の丸棒から、高さ94mm、平均外径36 mm、厚さ2 mmの物をCNC旋盤により削り出して作成した。

具体的には4台のカメラから薄肉波型円筒の表面の変形の様子を同期撮影し、薄肉波型円筒表面に描かれた変形前後のランダムパターンから画像相関法を用いて円筒表面の移動量(変位)を求めることによりメッシュモデルとして三次元形状を復元するとともに円筒軸方向歪分布を求めた。このことにより、波形曲線の山と谷における曲率が大きいほど反力が大きく応力が狭い範囲で集中し、折りたたみ効果が大きくなることが明らかになった。さらに、荷重-変位曲線の曲線下の面積を積分することにより、波形管の吸収エネルギーを求めた結果、曲率がエネルギーを吸収する緩衝材等を設計する上で重要なパラメータとなることが判明した。この他、前年度までに開発した曲率を考慮したNURBS曲線による熱伝導解析にT-spline曲線も適用できるよう検討した。26年度が最終年度であるため、記入しない。形状処理工学26年度が最終年度であるため、記入しない。当初の計画通りに研究を進めているため。H24年度の研究に関しては、おおむね順調に進展したため、当初の推進方策を今後も推進したい。H25年度の研究に関しては、おおむね順調に進展したため、当初の推進方策を今後も推進したい。H25年度の予算で、デジタル3Dコリレーションシステム(見積価格7,087,500円)を購入して座屈試験を計測する予定があるため。本年度は、回転曲面シェル構造体の圧縮試験を4台のカメラで動画を同期撮影し、回転曲面表面に描かれた変形前後のランダムパターン画像を比較することにより,物体表面の移動量(変位)を調べるDigital Image Correlation (画像相関法)により座屈現象を三次元メッシュモデルとして復元する実験を実施する費用が生じる。上記実験を実施するにあたり、回転曲面シェル構造体130千円/個×12個= 1,560千円が必要となる。
熟練教師の科学的探究型授業に見られる発問・指示の分析とそれを生かした参考書開発

平成22年度には「熟練理科教師による科学的探究型授業の板書機能分析とそれを生かした板書参考書の開発(課題番号22909047)」に取り組み、次の8つの授業場面での板書機能について報告した。(1)テーマを設定する場面、(2)見通しを持つ場面、(3)テーマを意識して考察する場面、(4)実験結果から結論を導く場面、(5)能力を育成する場面、(6)ものづくりを活性化する場面、(7)学習したことを生活に生かす場面、(8)日常的に言語能力を高める場面。本研究では、経験豊かな熟練教師10人の52授業を音声記録し、それを分析し、上の(1)から(8)の場面において、発問や指示の言葉を具体的に明らかにし、「発問・指示の参考書」を作成した。さらに若手教師の「発問・指示の参考書」を活用した授業実践を通して、その評価を行い、質的改善を図った。この結果、次のような成果を残すことができた。・熟練教師の知見を生かした「発問・指示の参考書」を開発することができた。これは、若手教師の科学的探究型理科授業力育成へ貢献する。・結果的に学習指導要領に基づく授業を行う上で大切にしなければならないことが整理されることになった。そのため、「板書参考書」は、学習指導要領に基づく授業を行う際にも貢献する。また、課題としては以下のことがあげられる。・さらに、多くの熟練教師から知見を得ることが必要である。熟練教師の大量退職を前に、熟練教師がこれまで経験的に得た知見を整理、蓄積し、後世に伝える必要がある。
ほ乳動物細胞のG1期制御因子から複製装置にいたるシグナル伝達ネットワークの解明

G1期のシグナルはCdk4-サイクリンの活性化を通じてE2F転写因子の活性化をもたらす。E2Fは、G1-S期移行に必須な因子のみならず、S期因子、チェックポイント因子、修復因子さらにG2-M期進行に必要な因子も誘導し、細胞を増殖サイクルへと導くとともに、複製進行や引き続く細胞分裂の過程の協調的連動に貢献する。E2Fにより発現誘導された、複製タンパク質は複製複合体の形成と活性化を促進する。ORC,Cdc6,Cdt1,MCMに依存して、鋳型上にpreRC(prereplicative complex;複製前複合体)が形成されるが、転写因子を介した核マトリックスと複製装置との密接な相互作用が複製装置の形成に重要な役割を果たしている可能性が示された。CdkとCdc7は、MCM2および4のN端領域を広範にリン酸化し、これにより複製複合体の成熟、ヘリカーゼの活性化をもたらしpreRCを活性化する。この過程でMCMヘリカーゼは特定の鋳型DNA構造により活性化される。複製フォークの進行時には、複数のクランプ・ローダーシステムが連動し、多様なDNA代謝酵素、DNA合成酵素が機能的に協調し複製から分配にいたる染色体動態の厳密な制御を可能にする。癌細胞や、全能性の幹細胞では、複製因子の多くあるいは特定のサブセットが過剰に発現しており、タンパク質機能ネットワークが異なる定常状態にあり、それぞれの細胞特有の細胞周期進行に関連している可能性がある。これらの過程に関与する因子の発現の脱制御は、ゲノムの不安定性を誘導すること、複製因子の発現抑制により、がん細胞特異的な細胞死が誘導されることも示され、複製因子が制癌の標的となる可能性が示唆された。動物細胞の染色体複製開始の活性化には、CDKとCdc7の2種類のキナーゼによるリン酸化反応が必要であることが明かとなってきた。この2種類のキナーゼ活性はいずれもG1期シグナルにより制御される。そこで、本年度は、この2種類のキナーゼはどのように協力しあって、複製開始をtriggerするのか、また、Cdc7キナーゼ活性を決定する、ASK活性制御サブユニットの発現がG1シグナルによりどのように制御されるかについて、検討した。得られた結果は以下のとおりである。1 Cdc7キナーゼはMCM複合体のMCM2タンパク質を特異的にリン酸化する。MCM2はin vitroにおいてCdkによってもN端の特異的な部位をリン酸化され、このリン酸化により、MCM2のCdc7によるリン酸化が著しく促進される。Cdc7はCdkによりリン酸化されたMCM複合体内のMCM2上の、特異的なセリン残基をリン酸化する。このリン酸化は、細胞内でS期特異的に起こるため、CdkとCdc7の共同作用によるMCM2のリン酸化が、複製開始に重要であることが示唆された。2 Cdc7遺伝子ノックアウトマウスは胎生3.5から6.5日の間に死亡する。また、Cdc7遺伝子欠損ES細胞は致死である。ES細胞においてCdc7を講導的に欠失させると、直ちに細胞増埴とDNA合成が停止し、細胞はその後細胞死を起こした。これは、Cdc7欠損によるS期停止の結果、異常な複製構造が蓄積し、それがチェックポイント反応を誘導したと考えられる。このとき、p53蛋白質の蓄積も観察された。3 p27とmuCdc7のdouble knockoutは胎生8.5日まで生存し、blastocystsのin vitro培養においてもDNA複製が部分的に回復していることがしめされた。したがって、Cdk活性を上昇させることによりmuCdc7欠損による増殖阻害の一部が少なくとも初期発生においては回復することが明かとなっな。しかしながら、胎生9.5日以降は生存している胎児は観察されず、発生が進むとCdc7の要求性はより厳格になることが示された。4ヒトASKの転写は、増殖刺激に応答して活性化される。この活性化は、転写開始部位近傍の63bp内に含まれる、Splサイトと、未知の配列により制御されることを明かにした。Splサイトを変異するとserumやE2Fに対する応答性を失うが、後者の配列の変異は血清非依存性の転写を活性化した。したがって後者の配列は、むしろASKの転写を抑制する因子が結合することが示唆された。

癌細胞や、全能性の幹細胞では、複製因子の多くあるいは特定のサブセットが過剰に発現しており、タンパク質機能ネットワークが異なる定常状態にあり、それぞれの細胞特有の細胞周期進行に関連している可能性がある。これらの過程に関与する因子の発現の脱制御は、ゲノムの不安定性を誘導すること、複製因子の発現抑制により、がん細胞特異的な細胞死が誘導されることも示され、複製因子が制癌の標的となる可能性が示唆された。動物細胞のG1/S期移行は2種類のKinase、CdkおよびCdc7により制御される。我々は、これらのキナーゼがどのような分子機構でS期の開始を制御するかを解析した結果、以下の事実が明らかとなった。1 Cdc7キナーゼはMCM複合体のMCM2タンパク質を特異的にリン酸化する。2 MCM2はCdkによってもN端の特異的な部位をリン酸化され、このリン酸化により、MCM2のCdc7によるリン酸化が著しく促進される。すなわちMCMはCdkとCdc7の共同作用によりリン酸化され、活性化されると考えられる3 Cdc7遺伝子ノックアウトマウスは胎生3.5から6.5日の間に死亡する。また、Cdc7遺伝子欠損ES細胞は致死である。4 ES細胞においてCdc7を誘導的に欠失させると、直ちに細胞増殖とDNA合成が停止し、細胞はその後細胞死を起こした。これは、Cdc7欠損によるS期停止の結果、異常な複製構造が蓄積し、それがチェックポイント反応を誘導したと考えられる。このとき、p53蛋白質の蓄積も観察された。5 p27の欠損により、muCdc7KO胎児の生存が延長した。このことは、early embryogenesisではCdk活性の増大により、Cdc7の欠損が一部相補されることを示唆する。6 CyclinE結合因子、Ceb1の機能を、immunostainingなどで、検討し、一部明らかにした。動物細胞のG1/S期移行は2種類のKinase、Cdkおよび'Cdc7により制御される。1 Cdc7キナーゼはMCM複合体のMCM4タンパク質をクロマチン上でG1/S期境界で特異的にリン酸化する。2このリン酸化に依存してCdc45タンパク質がクロマチン上にローディングされる。3 Cdc7はMCM2およびMCM4のN端領域に存在するSSP配列の一番目のSを認識する。4上記の反応において、一本鎖DNA領域がT-richであると、MCM4-6-7複合体は大変効率良く結合し強いヘリカーゼ活性を示した。5ヒトCdc7はASKとASKL1という2種類のDbf4類似活性化分子により活性化される。ASKとASKL1はそれぞれ、クロマチン上および核可溶性画分あるいは細胞質でCdc7に結合し活性化する。また、ASKはG1/S期にASKL1はG2/M期に活性化される。6 Cdc7タンパク質レベルが減少した細胞は増殖能の低下をしめし、個体レベルでが個体サイズの減少および精巣の発生不全を示す。7 CyclinE結合因子、Ceb1が複製開始および細胞分裂で重要な機能を果たすことを明らかにした。
グラフのラムゼー型問題解決に向けた新手法の開発

この年度では,ラムゼー型問題の新手法の開発のため,前年度と同様に多角的視点から研究を進めた.ラムゼー型問題に関連するグラフの構造研究として,最長パスに関する研究は応用上重要であるが,この年度ではそのようなグラフの最長パスに関するグラフの構造解析に関する研究についても進展が得られ,成果をまとめた論文がJournal of Combinatoricsに掲載された.グラフの安全集合の研究についても新たな進展が得られ,グラフのintegrityと呼ばれるネットワーク構造に関する既知のパラメータとの深い関連が明らかとなり,成果をまとめた論文がDiscrete Applied Mathematicsに掲載された.グラフの安全集合の研究についてはさらに進展し,グラフが完全グラフまたはサイクルであるための非自明な必要十分条件として重み付きグラフ上の安全集合のサイズに関する言明で特徴付けられることが明らかになった.成果をまとめた論文がJournal of Combinatorial Optimizationに掲載された.グラフの構造解析として,グラフの安全集合の視点から様々な知見が得られることが発見され,これによりラムゼー型問題の新手法の開発についても大きな進展を与えることが出来た.2016年に私が提案したグラフの安全集合の概念は多くの研究者の注意を惹き,現在国内外で盛んに研究が進められ,ラムゼー型問題にとどまらずグラフ理論の幅広い領域でその応用可能性が模索されている状況である.尚,本研究における成果発表の機会として,日本数学会秋季総合分科会,日本数学会年会,応用数学合同研究集会において当該研究成果を報告した.本研究の主要目的は,完全グラフの辺を複数の色を用いて着色したときに得られる単色部分グラフの構造を明らかにすることである.この問題はグラフ理論の重要な未解決問題であるラムゼー数決定問題の一般化に相当する多色版ラムゼー型問題であり(色数が2色の場合がラムゼー数の問題設定となる),解決を待たれる難問が山積している.ラムゼー型問題を確率論的手法などで部分的に解決する手法は知られているが,構成的に完全に解く手法は知られていない.本研究では,研究代表者がこれまで積み上げきた研究をさらに発展させることにより,未だ確立されていないラムゼー型問題を解くための構成的証明手法を開発することを目的としている.本研究の方策として,辺着色グラフにおける単色構造の「差異」を把握する研究を研究計画として挙げている.今年度では,その情報収集の一環として,proper-edge-coloringと呼ばれる辺着色の概念により強い制約を設けたstrong-edge-coloringという概念に着目し,その差異についての研究を推進し,一定の成果をおさめることが出来た.さらに,ある種のラムゼー型問題の単色構造を研究する上でグラフにおいて指定した個数の点素な高連結部分グラフに頂点を分割するための次数条件に関する定理が有用であることから,その方向の研究も並行して進めて,これについても一定の成果を得ることが出来た.研究では,国内外の共同研究者と密接に情報交換しながら進めているため,様々な分野の研究を得意とする共同研究者たちから多様なアイデアを提供してもらっており,今後いろいろな方向からラムゼー型問題の解決に向けたアプローチの考案が期待出来ると思う.研究実績の概要で述べたような研究成果が出ているため,研究は概ね順調に進展していると思われる.前年度に行った研究とその成果から,ラムゼー型問題の新しい構成的証明手法の開発には高連結グラフの構造や辺の数の多い密なグラフの部分構造に関するグラフの構成的分析が大変重要であるという感触が得られている.そのため,今年度の研究では,グラフの辺着色に関する研究についてはもちろん考察を継続しながらも密なグラフの構造を解析する研究について重点的に行い,一定の成果をあげることが出来た.グラフのなかにたくさんの辺の存在を強いるパラメータとして、グラフの独立数がバウンドされたグラフクラスがある.今年度の研究では、そのようなグラフの構造について研究を進め,そのようなグラフには高連結な部分グラフとして位数の大きいものの存在を保証する定理を得ることが出来た.さらに,グラフの独立数とも関連の深いスターフリーグラフと呼ばれるグラフクラスについても構造研究を進め,星グラフと呼ばれるグラフを頂点を共有せずに指定個数含むためのグラフの次数条件について最善の値を決定する問題にも取り組み,成果をあげることが出来た.それから,グラフを高連結な部分グラフに分割する問題について部分的解決を与えた論文が採択され,組合せ論の大変権威ある学術雑誌に出版された.この論文の結果自体は本科研費の採択課題とは離れて考えていた問題についての成果であるが,当該研究成果が本研究の進展につながる可能性もあり,ラムゼー型問題の考察を進める上で有用な補題となり得るので,これまで積み上げた研究成果を見つめ直しながらその応用可能性を探りつつ本研究に取り組みたい.研究実績の概要で述べたような研究成果が出ているため,研究は概ね順調に進展していると思われる.この年度では,ラムゼー型問題の新手法の開発のため,多角的視点から研究を進めた.ラムゼー型問題では単色の内部構造の把握が大切であるため,グラフの最長パスに関する研究に取り組み,成果を挙げた論文がDiscrete Mathに掲載された.辺着色グラフを有向グラフに拡張してproperly coloredなパスの存在に関する研究も推進し,成果を挙げた論文がDiscrete Mathに掲載された.前年度から研究を推進していたグラフの連結構造と独立数に関して成果をまとめた論文がEuropean Journal of Combinatoricsに掲載された.また,辺着色グラフにおけるproperly coloredなサイクルの存在に関する次数条件について考察した論文がJournal of Graph Theoryに掲載された.辺着色グラフの分割問題に関する論文がEUROCOMB2017に採択され,講演を行った(尚,フルペーパーは現在投稿中である).

また,前年度の研究成果としてグラフの安全集合と呼ばれる概念を提起した研究成果があるが,これを重み付きグラフに拡張して考察し,成果をまとめた論文がNetworksに掲載された.グラフの安全集合の概念は,グラフの支配数とも密接に関係するグラフの中心部分の構造に対して知見を与える新しい概念であり,この概念による高連結グラフの内部構造の把握を目指して現在も精力的に研究を進めているところである.新しい証明手法の開発には多様な視点からの研究アプローチが欠かせないため,国内外の研究者と密接に議論を重ねながら新しい知見を貪欲に取り入れたが,それが功を奏して多くの成果をあげることが出来たのではないかと思う。当該研究の成果をまとめた論文がDiscrete Mathematics, Journal of Graph Theory, European Journal of Combinatoricsなど権威あるジャーナルに掲載され,チェコや中国などの研究グループとの共同研究も形になって国際的な共同研究も推進出来ているので,進捗状況としては概ね順調に進展していると言えるのではないかと思う.この年度では,ラムゼー型問題の新手法の開発のため,前年度と同様に多角的視点から研究を進めた.ラムゼー型問題に関連するグラフの構造研究として,最長パスに関する研究は応用上重要であるが,この年度ではそのようなグラフの最長パスに関するグラフの構造解析に関する研究についても進展が得られ,成果をまとめた論文がJournal of Combinatoricsに掲載された.グラフの安全集合の研究についても新たな進展が得られ,グラフのintegrityと呼ばれるネットワーク構造に関する既知のパラメータとの深い関連が明らかとなり,成果をまとめた論文がDiscrete Applied Mathematicsに掲載された.グラフの安全集合の研究についてはさらに進展し,グラフが完全グラフまたはサイクルであるための非自明な必要十分条件として重み付きグラフ上の安全集合のサイズに関する言明で特徴付けられることが明らかになった.成果をまとめた論文がJournal of Combinatorial Optimizationに掲載された.グラフの構造解析として,グラフの安全集合の視点から様々な知見が得られることが発見され,これによりラムゼー型問題の新手法の開発についても大きな進展を与えることが出来た.2016年に私が提案したグラフの安全集合の概念は多くの研究者の注意を惹き,現在国内外で盛んに研究が進められ,ラムゼー型問題にとどまらずグラフ理論の幅広い領域でその応用可能性が模索されている状況である.尚,本研究における成果発表の機会として,日本数学会秋季総合分科会,日本数学会年会,応用数学合同研究集会において当該研究成果を報告した.研究成果が順調に出ているので,基本的には今の研究計画に沿った方向で研究を進めたい.尚,新しく良さそうなアイデアが浮かんだときには,適宜研究の方向を軌道修正して進めたい.
筋電図パワースペクトル解析を用いた 前十字靭帯再建者の大腿四頭筋筋線維組成の検討

前十字靭帯損傷者にとって受傷後、日常生活やスポーツに復帰することは非常に重要であり、実際に日常生活やスポーツに復帰できている指標を確認する必要がある。そのために、まず活動量計をもちいて日常生活が健常者と同程度行うことができているか否かを確認することとした。まず、健常者の日常生活中の活動量や活動様式を測定するための機器を購入し、健常者で測定を開始した。健常者の日常生活における活動量や活動様式を十分把握することで、今後測定を予定している前十字靭帯損傷者の活動量や活動様式を測定し健常者と比較することができる。この測定をすることで、前十字靭帯損傷者が日常生活やスポーツに復帰していることを客観的に裏付けることが可能となる。適切な対象を選定することが本研究の質を高め、意味あるものにするために重要である。また、表面筋電図を用いた周波数パワースペクトル解析をおこなうためには測定のための技術や知識に習熟しなければならない。表面筋電図を用いた周波数パワースペクトル解析を行うためには安定したデータの採取が必須となる。このデータを採取するためには測定方法と測定技術を十分に理解し習得する必要がある。正確に測定ができなければ、データの解析に信頼性がなくなってしまうため、本研究を遂行するに先立ち、研究協力者に表面筋電図周波数パワースペクトル解析をもちいた筋疲労特性の技術習得トレーニングをおこなった。次年度以降に研究対象者を測定できるようにするための対象の選定を開始した。測定対象者の選定をより信憑性の高い者にするために活動量計を用いて対象者の活動量を健常者と比較することを追加した。そのための準備を行こととしたため、予定していた研究に追加する検討項目が増えた。そのために若干の遅延が生じたが、その後の進捗状況と合わせるとおおむね順調に進展していると考えます。適切と思われる対象者を十分人数選定し、その者たちに対象者として適切か不適切かを調査する必要がある。その選定を行った後、正式な研究対象者を選定する予定である。また、引き続き筋電図を用いた周波数パワースペクトル解析を行うためのトレーニングを行う予定である。研究を遂行するための機器を購入したが、予定よりも安く抑えられた。その差額を次年度に繰り越し、被検者測定に使用するセンサーや電極を固定するための専用テープ、機材等を購入したいと考えている。
革新的な軽量化・高強度化を開拓する加工法の検討

今回開発しているせん断モード熱間曲げ焼入れ(3DQ)においては、従来の曲げモード3DQに比べて、加工荷重が増加する。昨年度、日本製鐵所有の試験装置においても極小径の薄肉鋼管を用いればせん断荷重が抑制でき、予備試験が可能であることを確認した。今年度も、継続して予備試験を実施した。その結果、今回の予備試験の範囲では、従来の曲げモード3DQに比べて、せん断曲げ3DQのしわ発生限界が大幅に抑制できることを確認した。また、3DQせん断曲げにおいて、予想通りの板厚変化を確認した。これまでの解析と予備試験結果を基に、当初のパラレルリンクロボットに替えて剛性の高い加工力付与機構を有する新たな試験装置の設計を実施した。加熱電源を含む具体的な試験機の仕様を決定し、小型試験装置の構想図を完成させた。なお、せん断モード3DQの簡易FEM解析の基本モデルのレベルアップを実施した。しかしながら、解析の境界条件の改善を行ったが、さらに妥当な結果を得る改善が必要である。一方、3DQ(従来の曲げモードおよびせん断モードいずれも)の特長である部分焼入れ(部分的な高強度化)を活かした、S字型の衝突エネルギ吸収部品の最適設計を検討した。モーメントを受けるS字型部品であっても、H型の多角形の断面とすることで、未焼入れの規則的な圧潰変形が可能となることを、シミュレーションにより明らかにした。その結果、焼入れの領域、板厚および製品断面の形状を最適化することにより、通常部品に対して大幅に性能(単位重量当たりの吸収エネルギ)が向上することを示した。また、3DQと同様に閉断面の構造部材を成形する手法として、板材を素材としたUO成形の基礎検討を実施し、論文の続報を発表した。平成30年に開学した公立小松大学に4月から赴任した。新設した大学のため平成30年度は,所属する生産システム科学科の実験室や居室の整備が出来ておらず、仮の居所(南加賀卸売市場)で業務している。そのため実験器具や評価装置の設置や実験・評価が遂行出来ない環境であるため、机上検討を中心として進めざるを得なかった。以上の状況に鑑み、当初の計画を達成するため、実験室や居室の整備が出来る平成31年度まで延長させていただくこととした。今後は、さらに詳細な予備実験を進め有効なデータを積み重ねる。得られたデータを基に、新たな小型試験機の完成に向けて、試験装置の詳細設計を進める。また、平成30度得られたS字型の衝突エネルギ吸収部品の最適設計(部分焼入れの領域と製品断面の形状を最適化)についての結果を国際学会などで発表する予定。せん断モード3DQ(3次元熱間曲げ焼入れ)の初等解析モデルを開発し、各種加工条件と荷重特性の影響を明確化した。これらの結果に基づき、現状の装置での加工可能な試験条件を選定し、小径薄肉鋼管を用いた予備試験を実施した。その結果、現状の装置を用いて、新たなせん断モード3DQでの加工を行えば、狙い通り曲げ半径の小さな曲げ半径でしわが発生しないことを確認できた。一方、新たなせん断モード3DQの比較対象である従来の曲げモード3DQについて、丸管におけるしわ発生限界および断面の扁平について、広範囲の鋼管の寸法(外径、板厚)、変形幅(インダクションヒータの加熱幅に対応)の関係を実験的に求め、また初等解析から得られたパラメータを参考にして、定量化した。これらの成果は、2017年度春の塑性加工学会で、発表予定である。今回の予備試験(外径25.4mm、板厚1.2mm)の条件では、従来の曲げモード3DQでのしわ発生曲げ半径限界に比較して、約4分の1の小さな曲げ半径まで成形可能であった。また、加工荷重は初等解析モデルで予測した値と概略一致したが、片持ちのロボットを採用している試験装置の弾性変形により、理想的な塑性変形が得られていないことが判明した。今後の本格的試験装置の設計に活かす貴重なデータと知見が得られた。現行の装置で、せん断モード3DQの試験が可能であることが判明したため、当初の解析主体の計画から、より実験を主体とした研究を推進していく予定である。なお、せん断モード3DQのFEM解析モデルについては、従来の厳密モデルに計算時間を要するため、より簡易的で計算速度の速いモデルの開発に着手し、進行中である。今回開発するせん断モード3DQの目的は、鋼管の1470MPa以上の高強度な閉断面製品が製造可能な3次元熱間曲げ(以下曲げモード3DQ)技術の成形可能範囲の拡大である。従来の曲げモード3DQにおける丸管のしわ発生限界および断面の扁平について、広範囲の鋼管の寸法(外径、板厚)、変形幅(インダクションヒータの加熱幅に対応)の関係を実験的に求め、また初等解析から得られたパラメータを参考にして、定量化した。せん断モード3DQの開発では、加工荷重を予測する解析モデルが必要となる。今回初等解析モデルを開発し、その妥当性を確認するとともに、各種加工条件と加工荷重特性、装置に作用する荷重やモーメントを明確化した。これらの結果に基づき、予定より早く、現状の装置での加工可能な試験条件を選定し、小径薄肉鋼管(外径25.4mm、板厚1.2mm)を用いた予備試験を実施した。

その結果、従来の曲げモード3DQでのしわ発生曲げ半径限界に比較して、約4分の1の小さな曲げ半径までしわ無しに成形可能であった。現状の装置を用いて、新たなせん断モード3DQでの加工を行えば、狙い通り曲げ半径の小さな曲げ半径での良好な成形が可能で、加工可能範囲を大幅に拡大できる可能性を確認できた。ただし、せん断荷重の最大値については、初等解析モデルの予測値と概略一致する結果が得られたが、荷重の立ち上がりの遅れが観察された。その原因として、支持ガイドとロボットの弾性変形の影響が考えられたが、原因究明試験より支持ガイドの剛性不足ではないことが明らかになった。今回の試験により、本格的試験装置の設計に活かすための貴重なデータと知見が得られた。なお、せん断モード3DQのより簡易的なFEM解析モデルをについては、やや遅れ気味である。現行の装置において小径薄肉鋼管を用いせん断モード3DQの試験を実施し、以下の結果が得られた。13DQによるせん断曲げにおいては、上下面で冷却水の入射角が異なることによる硬度の不均一さが懸念されたが、今回の試験条件の範囲では、上下面ともに正常な焼入れがなされており、硬度の不均一は発生せず、狙いとしている1470MPa以上の高強度が得られている2丸管表面に格子をレーザマーキングし、試験後に格子のゆがみを測定することによりせん断ひずみ測定を実施し、変形領域ではせん断変形が得られている3ただし、実験で得られたせん断ひずみ(定常値)は、理論値の約1/4程度しか得られておらず、これはロボットの弾性変形の影響である。また、長手方向のせん断ひずみの分布は、ひずみが定常部となるまでの距離は、加熱された変形領域の長さ(変形幅)に対応している。の強度が可能であることが判明した。これらの結果をもとに、今回開発した初等解析モデルを用いて、新たな試験装置の基本設計を実施した。さらに、より簡易的で計算に時間を短縮したFEM解析モデルの基本モデルを作成した。一方、新たなせん断モード3DQの比較対象となる従来の曲げモード3DQの丸管の変形について、精密な実験を行い成形後の寸法精度に及ぼす加熱幅の影響を明確にした。これらの結果は、日本塑性加工学会の春季講演会で発表した。また、3DQと同様に閉断面の構造部材を成形する手法として、板材を素材としたUO成形の基礎検討を実施し、論文として発表した。さらに、従来の3DQの解説記事を寄稿した。現行の装置において、試験を行うことが出来、貴重なデータが得られた。これらの結果をもとに、前年度開発した初等解析モデルを用いて力学的な検討を実施し、基礎試験機に必要な諸元を検討した。その結果、当初は基礎試験機に開発済のパラレルリンクロボットを適用する予定であったが、よりシンプルな装置でも可能なことが判明した。従って、今後は制御がやや複雑なパラレルリンクロボットにとらわれない機構を検討していく予定である。今回開発しているせん断モード熱間曲げ焼入れ(3DQ)においては、従来の曲げモード3DQに比べて、加工荷重が増加する。昨年度、日本製鐵所有の試験装置においても極小径の薄肉鋼管を用いればせん断荷重が抑制でき、予備試験が可能であることを確認した。今年度も、継続して予備試験を実施した。その結果、今回の予備試験の範囲では、従来の曲げモード3DQに比べて、せん断曲げ3DQのしわ発生限界が大幅に抑制できることを確認した。また、3DQせん断曲げにおいて、予想通りの板厚変化を確認した。
情報ネットワークによる製品設計・生産のコラボレーション

製品が複雑・多機能化した現在では,一つの製品を設計するには多くの領域や部品に関する高度な専門知識が必要となっている.そのために,製品設計・生産等に関わるあらゆる知識を集約し,総合的に最良のものを素早く提供するための方法の構築が急務である.そこで,本研究では,情報ネットワーク技術の利用による,統合的な情報集約と意思決定手法により,新しい設計・生産手法の開発を行っていくことが本研究の目的とした.そのために複数の設計者間のコラボレーションに着目し,それぞれの設計作業をコンカレントに実行する上での理論の構築,および具体的な方法および手順の検証を行うための,その具体的な設計支援システムの試作を以下のように行った.(1)複数の利害関係を持つ意思決定者が存在する場面で,最適な妥協点を見出すための方法論を構築した.(2)情報ネットワーク上の分散環境に存在する複数の設計者が協調して最適な設計解を生成するための環境を,ネットワークエージェントを用いて開発した.(3)基本となる形状のないところから,革新的な設計解を得るために,進化型オペレータを利用したメカニズム創成方法を構築した.(4)機械システムを設計する際に,意思決定の先行関係が存在する設計変数を同時的に扱い最適化するシステムを開発した.(5)大規模機械システムにおいて,分散環境にて設計を行うために,コンポーネントの独立性に着目しながら最適化問題を分割し,並列的に最適化する方法を構築した.(6)機械システムの設計において,評価特性間の関係を解明することにより,ボトムアップ的なアプローチにより,システム全体のグローバルな最適解を得るための方法を開発した.(7)最適設計問題のモデルの粒度に着目し,設計問題の本質を表現した単純モデルを用いた設計解の創成方法を提案した.(8)構築した種々の立場からの最適設計手法の関連を明らかにし,情報ネットワークを用いたコラボレーションを行うための統合化を図った.製品が複雑・多機能化した現在では,一つの製品を設計するには多くの領域や部品に関する高度な専門知識が必要となっている.そのために,製品設計・生産等に関わるあらゆる知識を集約し,総合的に最良のものを素早く提供するための方法の構築が急務である.そこで,本研究では,情報ネットワーク技術の利用による,統合的な情報集約と意思決定手法により,新しい設計・生産手法の開発を行っていくことが本研究の目的とした.そのために複数の設計者間のコラボレーションに着目し,それぞれの設計作業をコンカレントに実行する上での理論の構築,および具体的な方法および手順の検証を行うための,その具体的な設計支援システムの試作を以下のように行った.(1)複数の利害関係を持つ意思決定者が存在する場面で,最適な妥協点を見出すための方法論を構築した.(2)情報ネットワーク上の分散環境に存在する複数の設計者が協調して最適な設計解を生成するための環境を,ネットワークエージェントを用いて開発した.(3)基本となる形状のないところから,革新的な設計解を得るために,進化型オペレータを利用したメカニズム創成方法を構築した.(4)機械システムを設計する際に,意思決定の先行関係が存在する設計変数を同時的に扱い最適化するシステムを開発した.(5)大規模機械システムにおいて,分散環境にて設計を行うために,コンポーネントの独立性に着目しながら最適化問題を分割し,並列的に最適化する方法を構築した.(6)機械システムの設計において,評価特性間の関係を解明することにより,ボトムアップ的なアプローチにより,システム全体のグローバルな最適解を得るための方法を開発した.(7)最適設計問題のモデルの粒度に着目し,設計問題の本質を表現した単純モデルを用いた設計解の創成方法を提案した.(8)構築した種々の立場からの最適設計手法の関連を明らかにし,情報ネットワークを用いたコラボレーションを行うための統合化を図った.情報ネットワークを用いた製品設計・生産におけるコラボレーションに関する研究要因を整理し,(1)コンカレント最適化,(2)コラボレーション,(3)設計解の創生という基本3課題の融合の基本構想を構築した.このためにまず製品に関わる分散型知識情報の管理手法としてオブジェクト指向を利用したマルチデータベースシステムを開発し,またその膨大な設計情報を統合するための手法として階層型遺伝的アルゴリズムの理論を確立した.さらにこのような分散環境におけるデータベースを効率的に活用するためにこのアルゴリズムを発展させることで,分散並列最適化システムの理論を確立した.またこのような知識の統合に際して諸特性間の競合・協調関係に着目した知識体系を構築することで,システムのグローバルな立場からの最適化を進めることが可能となった.一方で,設計に関わる複数の部門が協調してコンカレントに製品を開発するためのモデルを構築した.ここでの部門とは単に設計・開発者だけを指さしているのではなく,製品を利用するユーザーをも含めたものであり,したがってこのモデルは,ライフサイクルにわたる総合的なコラボレーションを行うための基礎理論となるものである.そして,このコラボレーションを進める上でのインフラストラクチャーとして,情報ネットワークを利用したマルチエージェントシステムを開発した.以上により,製品に関する多分野にわたる情報を結び付け,統合するための基本的な方法論の枠組みを明らかにすることができた.前年度に構築した情報ネットワークを用いた製品設計・生産におけるコラボレーションに関する,(1)コンカレント最適化,(2)コラボレーション,(3)設計解の創生という基本3課題の融合の基本構想を元に,実際的な事象に適用しうるシステムの開発を行った.

まず,前年度に得られた基本システムを実践するためには,製品開発のできるだけ上流でシステマティックな開発方針を設計・生産に関わる集団的意思決定の効率化を図る上で重要な,意思決定のスケジューリング問題解決手法を開発した.これにより,これまで意思決定者が自らの主観により判断していた開発計画のモデル化が可能となり,より迅速に最適な製品を生み出すための方法が確立された.また,前年度に開発した諸特性の競合・協調関係に着目したシステム分析手法の展開研究により,様々なパターンの問題に対する統合的最適化手法を開発し,様々な実問題に適用することが可能となった.近年重要視されつつあるライフサイクルデザイン問題では,これまで一般的に用いられてきた意思決定手法では対処困難であったが,以上のように開発した新しい意思決定手法を利用し,さらに前年度に開発した分散並列最適化システムを用いることで,効率的な最適化ができることを確認した.また,ライフサイクルデザインではユーザー志向の意思決定を行うことが重要に成ることに着目し,QFDベースの設計者・ユーザー間のコラボレーションモデルを開発した.以上により,設計・生産における製品に関する多分野にわたる情報を結び付け,統合するための実践的手法を開発することが出来た.大規模な製品の総合的な最適化を行うためには,企業の複数の部門にわたる知識や情報を統合的に管理し、最適解を導き出さなければならない.そのための情報ネットワークを利用した設計部門や生産部門の知識・情報管理および、統合的最適解の導出手法について研究を行った.まず,製品に対する企業の各部門の現時点での技術が製品特性に対して及ぼす影響度を応答曲面法により算出し,その結果から各セクションが何を目標に技術開発していくことが,製品を総合的に見て最適であるのかを導き出す開発目標決定支援法を構築した.このような多部門間の協調設計では専門分野の異なる複数の専門化が集まり共同して設計を行う必要がある.そこで人間の創造的志向プロセスを分析し,デザイナー間のやり取りの過程に適用することで効果的に創造的アイデアを引き出す手法を構築した.そして,同時に設計に際して,どのようなアイデアが必要とされているのかを分析するための手段を提供することで,複数デザイナーによる創造的設計活動を実現するための設計環境を提案した.また,製品に関わる多様な要因を総合的に取り入れた概念設計を円滑に行うために,諸要因間の制約条件を管理しながら,最適な設計解を導き出す手法を提案した.またこの解探索アルゴリズムの特性を分析し,解探索効率を向上させるための最適化問題の定式化手法を示した.さらにコンピュータのアプリケーション開発と機械設計開発のプロセスを比較・検討することで,アプリケーション開発の技術を機械設計開発に応用する方法を提案した.ここではオブジェクト指向に基づいて知識データベースの構築とオブジェクトの多重継承により概念設計の創生プロセスの実現を行った.Java言語とMySQLデータベースを利用して,このシステムの試作を行った.
Importinαの核内における新たな機能の探索と細胞核ストレス応答

一旦、核に集積したimportin αは、Ranを過剰に供給しても細胞質に移行せず核に留まる。さらに、核内蓄積したimportin αは、DNaseI処理により遊離してくる(未発表)。これらのことは、ストレス応答的に核内に集積したimportin αがクロマチン様構造体と結合し、ゲノムの修復や機能維持、さらにはストレス応答時の転写調節などクロマチン機能に関わっていることを示唆している。そこで、本研究では、importin αが、ストレスに応じて核内に大量に移行したこと自体が、核内分子との結合を誘発し、機能の発現を導いていると想定して研究を開始した。まず、CASとの結合領域に変異をいれた点変異体を作製し、培養細胞に導入してimportin αを強制的に核内にとどめるシステムを構築した。この細胞よりRNAを抽出し、DNAマイクロアレイを用いて変動する遺伝子を網羅的に探索した結果、発現が2倍以上増加する遺伝子が2種類に対して、減少する遺伝子が60種以上も存在していた。このことは、強制的に核に局在させたimportin αが、転写抑制機構に関与している可能性を示唆している。特に興味深いことに、H2A,H2Bなどヒストンの転写量が顕著に低下していた。今後は、importin αの核内集積がヒストンの転写量減少にどのように関与しているか、そのメカニズムを明らかにしていくことで細胞核におけるストレス応答の分子機構を解明していく。
生合成類似酸化触媒反応の開拓と有機合成への応用

酸化分解酵素の機能をシミュレートした新しい触媒的酸化反応の開拓とそれに基づく工業プロセス開拓と精密有機合成への展開を目的として、オキソ金属活性種によるアミン、アルカン等の不活性基質の触媒的酸化反応の一般性と適用範囲の検討を行った。ルテニウム触媒存在下、種々の第3アミンやアミドをアルキルヒドロペルオキシドで酸化して窒素のα位にアルキルジオキシ基を導入する生合成型の酸化反応の精密有機合成への応用を検討した。炭素求核剤の存在下に酸化反応を行うことにより一段階で窒素のα位にシアノ基等の炭素官能基を導入する新反応の開拓に成功した。また、含酸素化合物の酸化を検討し、本酸化触媒系によりフェノールが特異的に酸化されることを見いだし、酸化に続くルイス酸との反応によるアルキル基の位置選択的転移による一般的な置換キノン合成法を確立した。オキソ金属種の生成と反応性の基礎的研究から分子状酸素とアルデヒド存在下、低原子価遷移金属錯体からオキソ金属活性種を発生させる新手法を見いだし、この原理を用いて工業的に重要なシクロヘキサンからシクロヘキサノンへの変換に関して、実用的な観点から触媒効率や選択性の検討を行った結果、フッ素置換フェニル基を有するルテニウムポルフィリン錯体や銅一クラウンエーテルを触媒に用いた場合に、1気圧の酸素雰囲気下、極めて高い選択性と触媒効率で行えることを明らかにした。また金属集合体による新規酸化触媒機能の創出を目的として、自由度を有するスペーサーで結合したカゴ状多核金属錯体の合成を行い、その動的挙動から検討した。カゴ状多核錯体の有するフレキシブルな空孔内への基質の包接作用に関する検討から、多点相互作用による酸化触媒作用創出に関する重要な基礎的知見が得られた。P-450酵素類似の酸化触媒反応の開拓とそれに基づく有機合成への展開を目的として研究を行った。低原子価金属錯体触媒と過酸化物によるP-450酵素型酸化反応の一般性と適用範囲の検討を行い、ルテニウムやオスミウム触媒存在下、種々の芳香族第3アミン、環状アミドをアルキルヒドロペルオキシドおよび過酢酸で酸化することにより窒素のα位に選択的にアルキルジオキシ基およびカルボニル基が導入できることを明らかにした。アルカンの酸化における分子間および分子内同位体効果等の速度論的考察から、これらの反応がオキソ金属による不活性C-H結合の活性化を鍵とする酵素類似の反応機構により進行することを示した。上記の研究過程から分子状酸素とアルデヒド存在下、低原子価遷移金属錯体からオキソ金属活性種を発生させる手法を見出し、この原理に基づいて種々の金属錯体を触媒とするβ-ラクタムや炭化水素の酸素酸化反応を開拓した。この新規反応の基質に対する適用範囲を検討した結果、シクロヘキサンからシクロヘキサノンへの変換が、ルテニウム錯体と脂肪族アルデヒドを用いることにより温和条件下常圧の酸素雰囲気下で効率よく行えることを明らかにした。本触媒反応における選択性や触媒効率等の実用性の検討は、次年度以降の継続課題として残された。アミン、アミド等のへテロ原子化合物や炭化水素等の不活性基質のP-450酵素型の触媒的酸化変換反応とそれに基づく生合成型骨格構築法を開拓し、精密有機合成への展開を目的として研究を行った。低原子価金属錯体触媒と過酸化物によるP-450酵素型酸化反応の一般性と適用範囲の検討を行い、ルテニウムやオスミウム触媒存在下、種々の芳香族第3アミン、環状アミドをアルキルヒドロペルオキシドおよび過酢酸で酸化することにより窒素のα位に選択的にアルキルジオキシ基およびカルボニル基が導入できることを明らかにし、これらの反応に基づき、含窒素化合物の窒素のα位に炭素官能基を導入する新手法の開拓に成功した。

さらに本触媒系を含酸素化合物の触媒的酸化に適用したところ、低原子価アルコールは過酢酸を酸化剤にすることにより、温和な室温の条件下に効率よく相当するカルボニル化合物に変換されることがわかった。上記の研究過程から見いだされた分子状酸素とアルデヒド存在下、低原子価遷移金属錯体からオキソ金属活性種を発生させる手法を用い、炭化水素の酸素酸化反応について実用的な観点から触媒効率や選択性の検討を行った。その結果、シクロヘキサンからシクロヘキサノンへの変換が、フッ素置換フェニル基を有するルテニウムポルフィリン錯体や銅-クラウンエーテルを触媒に用いた場合に、1気圧の酸素雰囲気下、極めて高い選択性と触媒効率で行えることが明らかになった。アミン、アミド等のヘテロ原子化合物や炭化水素等の不活性基質のP-450酵素型の触媒的酸化変換反応とそれに基づく生合成型骨格構築法を開拓し、精密有機合成への展開を目的として研究を行った。低原子価金属錯体触媒と過酸化物によるP-450酵素型酸化反応の一般性と適用範囲の検討を行い、ルテニウムやオスミウム触媒存在下、種々の芳香族第3アミン、やフェノールをアルキルヒドロペルオキシドおよび過酢酸で酸化することにより窒素のα位およびフェノールのp-位に選択的にアルキルジオキシ基が導入できることを明らかにし、これらの反応に基づき、アミンの窒素のα位やフェノール由来の6員環骨格に炭素官能基を導入する新手法の開拓に成功し、これらの手法の適用基質の一般性に関して詳細に検討した。さらに本触媒系を求核剤の存在下に含窒素化合物の不活性な窒素の隣接位に酸化的に炭素炭素結合を形成させる方法に関して検討を行った結果、ルテニウム触媒存在下、第3アミンをトリメチルシアノシランの共存下に過酢酸で酸化すると、窒素のα位にシアノ基を温和条件下に効率良く導入できることを見いだした。この手法により得られる生成物を加水分解することにより容易にアミノ酸合成が行えることを明らかにし、メチルアミンを出発原料とする生合成型のアミノ酸合成法を確立した。
低炭素型枯渇油田再生化技術の開発を目指した原油分解メタン生成メカニズムの解明

本研究課題では、枯渇油田に残留する未回収原油を油層微生物の働きを活用して、原油をメタンに変換し回収する技術の開発を目指し、深部地下油層環境のおける原油分解メタン生成反応のメカニズム解明を試みた。本研究によって、枯渇油田における原油分解メタン生成ポテンシャルの分布やその評価手法に関する知見を得ることに成功し、油層微生物を活用した枯渇油田再生化に資する成果を得た。初年度研究では、国内油田2カ所の原油分解メタン生成ポテンシャルの評価および原位置の原油分解微生物コミュニティーの集積化を行った。最終年度では、その国内油田の油層試料から獲得した原油分解微生物コミュニティーについて、その原油分解メタン生成反応の代謝経路および関与微生物の特定を行った。炭化水素成分を炭素安定同位体でラベル化した原油を本微生物コミュニティーに添加し、メタン生成を行わせた結果、炭素安定同位体でラベル化されたメタンと二酸化炭素が検出された。そのときのラベル化率は二酸化炭素よりもメタンにおいて顕著であったため、生成したメタンは酢酸資化性メタン生成経路によって生成したことが示唆された。本微生物コミュニティーの16S rRNA遺伝子に基づいた微生物群集構造解析を行った結果、古細菌群集構造は酢酸資化性メタン生成菌の優占が観察された。また、細菌群集構造については地下環境で頻繁に検出されるある種の未培養細菌の優占が観察され、本細菌が原油分解に大きく関与している事が示唆された。これまでに嫌気条件下で炭化水素を分解する細菌が有する原油分解酵素遺伝子の存在が知られている。本研究では、その酵素遺伝子に着目し、本微生物コミュニティーにその酵素遺伝子の存在を調査した結果、数種類の酵素遺伝子の存在を確認した。本研究課題によって、国内油田における原油分解メタン生成ポテンシャルの分布やその評価手法に関する知見を得ることに成功し、油層微生物を活用した枯渇油田再生化に資する成果を得た。本研究課題では油層微生物を用いた枯渇油田再生化技術の開発を目指し,油層環境における原油分解経路と関与微生物の特定,および高圧CO2が原油分解反応に及ぼす影響評価を目的としている。本研究における実施計画は,1油層環境の地球化学的および微生物学的な現場データの収集,2高温・高圧培養による原油分解メタン生成コミュニティーの獲得,3安定同位体を用いた原油分解メタン生成経路と関与微生物の特定,の3つである。平成24年度では、国内の2カ所の油層(八橋油田と新堀油田)を研究対象に設定し、まずはこれらの油層の地球化学および微生物学的な現場データの収集を行った。地球化学的な解析としては油層水のイオン組成や原油成分、ガス組成とその同位体比の分析を行った。その結果、八橋油田は原油の生分解の軌跡が観察されないのに対し、新堀油田においては原油のn-アルカン成分やある種の芳香族炭化水素が特異的に生分解を受け、またC3H8やC4H10の炭素同位体比が13Cに富むなどの原油の生分解の軌跡が顕著に観察された。一方で油層の微生物学的解析としては油層水の微生物群集構造や原油分解に関与する機能遺伝子の分析を行った。その結果、八橋油田および新堀油田は共に未培養の微生物群が優占していた中で、新堀油田では原油成分の芳香族炭化水素の分解に関与するbssA遺伝子が多数検出された。上記の現場解析に並行して、高温高圧条件での原油分解メタン生成反応の観察と微生物コミュニティーの獲得を試みた。培養条件は現場環境と同じ55°C、5MPaを設定し、経時的にメタン濃度や有機酸濃度を測定した。その結果、安定同位体トレーサー法に基づいて、新堀油田の培養実験において培養200日後に原油からのメタン生成を観察した。3つの研究計画のうち、当該年度では2つを実施し成果を得ている。また、計画の中で最もチャレンジな課題であった原油分解メタン生成微生物コミュニティーの獲得においてもその目的を達成した。初年度に獲得した原油分解メタン生成微生物コミュニティーについて、安定同位体を用いた代謝産物のトレーサー実験や微生物群集構造解析を行い、原油分解のメカニズムを明らかにする。原油分解のメカニズムを解明するにあたって、安定同位体試薬や遺伝子解析用試薬等の消耗品を購入する。また、微生物群集構造解析を行うにあたって必要となる塩基配列の外注分析費を使用する。次年度は本研究の成果を積極的に発信する上で、国内外の学会で発表を行うための旅費を使用する。