hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
生体およびソフトマテリアルの非侵襲熱物性値測定法の開発

生体組織やソフトマテリアルなどの表面をCO2レーザで短時間加熱し同時に赤外線カメラで表面温度の上昇を測定して,その理論解析と比較することにより熱物性値を計測する有用な方法を開発した.しかしながら模擬生体試料を用いた実験結果は,実験モデルに基づいた理論解によるものと温度上昇に隔たりがあった.本研究において,その誤差の原因と思われる理論や実験に関するものを種々検討した結果,赤外線カメラの光学系や受光素子間の電気絶縁性の不具合に起因する温度の広がりを考慮することによって温度較差をほぼ補正することができた.生体組織やソフトマテリアルなどの表面をCO2レーザで短時間加熱し同時に赤外線カメラで表面温度の上昇を測定して,その理論解析と比較することにより熱物性値を計測する有用な方法を開発した.しかしながら模擬生体試料を用いた実験結果は,実験モデルに基づいた理論解によるものと温度上昇に隔たりがあった.本研究において,その誤差の原因と思われる理論や実験に関するものを種々検討した結果,赤外線カメラの光学系や受光素子間の電気絶縁性の不具合に起因する温度の広がりを考慮することによって温度較差をほぼ補正することができた.赤外レーザ加熱によって非接触で熱物性値を測定する本測定法では,測定対象とする生体組織などはある程度の赤外光の浸透性があり,それを伝熱モデルにも考慮している.生体模擬試料として,寒天,ゼラチンなどを用いるが,これらの熱伝導率,熱拡散率は不明である.本年度は光学物性である吸収係数を赤外分光光度計(FT-IR)にて,熱伝導率,熱拡散率を非定常短細線法にて測定して,今後行う本測定法の精度検証に役立てる.また,固体の熱物性測定のための接触型センサの作製も行っており,将来にはその測定結果とも検証する.(1)吸収係数の測定:FT-IRでは赤外透過法で測定するので試料の厚さが必要で,吸収係数の予測値から10μm程度の厚さが要求されるため,試料を赤外透過ガラスに挟んで固化させて精密厚さ計測器(購入計器)にて厚さを厳密に測定した.1wt%の寒天を用いて得られた波長10.6μmの場合吸収係数の平均値はβ=11.7×10^4m^<-1>となり,水の値に比べ37パーセント大きい.しかしながら理論解にこれらの値を用いて計算してみると誤差は2%内に収まり,水の値を用いても問題ないことがわかった.(2)非定常短細線法を用いた熱物性値測定;本費用でソースメータ(精密電源)を購入した.直径50μmの白金線を用いてセンサを作製し,検定を行った後にいくつかの材料の熱伝導率,熱拡散率の測定を行った.細線法は本来は液体の熱物性値測定用であるが,センサを容器に入れ,その容器内で寒天などの試料を固化させることで測定した.測定試料には1wt%の寒天および4wt%のゼラチン,医療用の超音波用媒質であるゲルソニック(日本光電工業(株)製)を用いた.測定結果の平均値は300Kでは,寒天の熱伝導率λ=0.608W/mK,熱拡散率α=0.146mm^2/s,ゼラチンλニ0.610W/mK,α=0.146mm^2/s,ゲルλ=0.542W/mK,α=0.129mm^2/sであった.本研究は赤外レーザを用いて試料面を加熱し,赤外カメラで同時に加熱面の温度測定を行うことにより,非接触で熱物性値を測定する装置の開発を目指す.模擬生体試料として,あらかじめ短細線法を用いて熱物性値を測定した1%wtの寒天を測定した結果.解析より求めた理論温度上昇とかなりの差異がみられ,その原因について精査しているところである.本年度は,試料表面からの蒸発と内部からの輻射に関して調べた.蒸発については当初,電子水分計を購入して測定する予定であったが,寒天試料内部の温度の測定と表面にフィルムを貼った影響も調べられるように,所有の恒温槽と熱電対を使って装置を自作した.寒天を容器内で固化し上表面を大気に開放した試料で測定した結果,水分蒸発によって寒天表面と内部に温度分布ができることがわかった.一方,表面にフィルムを貼ると内部もほぼ周囲温度と同じで一定に保たれ,蒸発の影響がフィルムによって防げることもわかった.そこで,熱物性値の測定方法を,フィルムを試料表面に貼って加熱するように変更し,それに伴って数値解析も試料表面にフィルム層を加えたモデルを構築し再計算を行った.フィルムには厚さ11μmのポリ塩化ビニリデン(家庭用のラップ)を使用し,また計算に必要なフィルムの吸収係数をFT-IRを用いて測定した結果,加熱源であるCO_2レーザ光の波長域で平均31800m^<-1>を得た.フィルム表面からの反射は無視できることも確認した.フィルムを貼った場合,赤外カメラを用いた表面温度の測定は,試料内部の熱電対から外挿して得た表面温度と比較することにより,カメラの放射率を0.91にすれば精度よく測れることを明らかにした.試料内部からの輻射の影響は,Beerの法則によって減衰することを考慮し,表面から射出される赤外カメラの波長域の放射能を数値解で求めた.その結果から表面温度は理論解の温度上昇より0.5Kほど低くなることがわかった.

これらによって,試料表面からの蒸発の影響は測定上無視でき,内部からの輻射による影響も考慮できた著者は,試料表面をレーザで加熱すると同時に,表面の温度変化を赤外線温度計で測定し,熱伝導率と熱拡散率を同時に測定する方法を提案した.この方法は非接触測定法であり,かつレーザフラッシュ法とは異なり加熱面と測定面が同一であるため,試料の形状や寸法上の制約が少なく,生体組織やソフトマテリアルなどの測定法として有用であると考えられる.そこで,生体材料の場合に試料の内部でレーザ光が吸収されることを考慮して理論モデルを作成するとともに,実際にCO_2レーザを用いて模擬生体試料(1wt%寒天)の加熱測定実験を行った。しかし,実験で得られた温度上昇と,試料の熱輸送性質は水とほぼ同じであることから水の熱伝導率,熱拡散率を与えて計算した理論解の結果とはかなりの差があった.その後,試料内部からのふく射の影響やその他様々な要因について検討を行ったにもかかわらず,依然として実験結果と理論計算結果の違いの原因は不明のままであったが,今回,その主たる原因が赤外線カメラの受光画素子間の光のクロストークや光学系に起因した一種の空間分解能の低下にあることを明らかにした.赤外線カメラのセンサは受光画素子の配列から構成されている.一つの画素に光が入射した場合に,光が入射していない隣接した画素に電流が流れることをクロストークといい,これがカメラの光学系の収差や分解能などと相まって解像度が劣化する.これは,温度の測定精度を要求されない一般用途や,温度勾配が比較的小さい対象物の場合には問題とならないが,本測定法のように,非定常の温度測定で1mmの間で数度の温度差が生じ,しかも温度分布のピークを測定するような場合には大きな影響を受けると考えられる.クロストークなどによる赤外カメラの画素間の光のにじみをローレンツ分布で近似して,これまでの理論解析でえられたレーザ加熱中心位置での温度上昇分布を,畳み込み法(コンボリューション)を用いて赤外カメラの値に補正した結果,カメラの測定値とほぼ一致した.ただし,解析結果と比較して,温度の勾配が多少異なるので,その点についてはまだ検討の余地があると思われる.
神経損傷時の骨格筋の再生過程における細胞接着分子の変化と機能に関する研究

ラットの坐骨神経と腓腹筋を用い、末梢神経切離および再縫合後に骨格筋に生じる変性と再生過程におけるそれぞれ3種類のカドヘリン(N, M, R)とカテニン(α、β、γ)の発現と局在の推移についてウエスタンブロット法及び免疫蛍光法により検索した。NとR-カドヘリンの発現レベルは、神経切離後、非縫合、縫合両群共に処置後1週目から上昇し、縫合群では9週目までにコントロールのレベルに戻ったが、非縫合群ではレベルの上昇がより長く続き、9週目以降に低下し124週目のN-カドヘリンレベルはコントロール群よりも低かった。M-カドヘリンのレベルは、いずれの群においても、処置後1週目から低下し、非縫合群ではその後もレベルの低下が続き、縫合群では、処置後9週目にはコントロールのレベルに戻った。局在は、いずれのカドヘリンにおいても筋細胞膜に沿って見られ、蛍光の強さはウエスタンブロット法による発現レベルの経時的変化とほぼ一致していた。いずれのカテニンも筋周膜に沿って発現し、αとαN-カテニンは処置後早期には発現レベルの上昇は見られず、4週間日以降に上昇、神経再支配と共に低下した。β-カテニンは、非縫合群では筋の変性が進むにつれ徐々にレベルは低下し、筋周膜に沿った蛍光も消失した。縫合群においては24週目までの間、発現レベルに変化は見られないものの、神経再支配に伴って再び細胞膜に沿って見られるようになった。γ-カテニンは、βカテニンとほぼ同じ動向を示した。これらの結果から、筋の再生や構築に関与すると言われているカドヘリンやカテニンの動向は、再生過程においてそれぞれの分子で異なることが判明した。つまり、これらの蛋白質は神経損傷後の再生過程において、細胞同士の接着をつかさどる一分子として互いに結合することによってのみその役割を果たしているわけではなく、それぞれが単独で何らかの役割を担っている可能性が示唆される。我々は、末梢神経切離後および再縫合後に、支配筋群に生じるdegenaration/regeneration過程における細胞接着分子N-カドヘリンとM-カドヘリンの発現性の経時的変化とその局在につき検索した。ラットを挫骨神経を切離した群(非縫合群)と切離後即座に再縫合した群(縫合群)に分け、処置後24週目まで経時的に腓腹筋を採取し、H-E染色にて病理組織学的に検討すると共に、ウエスタンブロット法にて発現量を、さらに免疫蛍光法にて局在につき検討した。病理組織学的に、非縫合群では筋の萎縮と変性が時間と共に進行した。一方、縫合群では、処置後筋萎縮が見られたが6週目以降萎縮の程度は徐々に改善し、16週目にはほぼ正常の状態に戻った。N-カドヘリンの発現レベルは、いずれの群においても処置後1週目には上昇したが、縫合群では2週目からすでに低下し、9週目にはコントロールのレベルに戻った。これに対し、非縫合群では2週目以降もレベルの上昇が見られ4週目でピークとなった。その後レベルは低下し、24週目にはむしろコントロールのレベル以下となった。一方、M-カドヘリンのレベルは、いずれの群においても、処置後1週目から低下し、非縫合群ではその後もレベルの低下が続いた。これに対し、縫合群では、処置後9週目にはコントロールのレベルに戻った。

局在性は、N、Mいずれのカドヘリンにおいても、筋細胞膜に沿って見られ、蛍光の強さはウエスタンブロット法による発現レベルの経時的変化とほぼ一致していた。以上の結果から、末梢神経損傷後の筋の再生過程においては、いずれのカドヘリンも筋細胞の表面においてその役割を果たしているものと考えられる。非縫合群と縫合群におけるカドヘリンレベルの経時的変化の違いから考えると、N-カドヘリンは神経損傷後、筋細胞へ再生軸索が到達し神経再支配が生じるまでの過程に関与し、一方M-カドヘリンは神経再支配後、筋組織の再構築の過程に関与している可能性が示唆される。平成14年度の研究により、末梢神経切離後および再縫合後に、支配筋群に生じるdegenaration/regeneration過程における細胞接着分子N-カドヘリンとM-カドヘリンの発現性の経時的変化とその局在につき検索したが、平成15年度は、筋細胞の構築に関与すると言われているR-カドヘリンとNやMカドヘリンの接着分子としての機能発現を制御する3種類のカテニン(α、β、γ)の発現と局在の推移について平成14年度と同モデルを用い、Western blot法及びImmunohistochemical staining法により検索した。R-カドヘリンのレベルと局在は、NやMカドヘリンと異なり、神経切離後徐々に上昇しdegenaration,degenaration/regenerationいずれの過程においてもほぼ同様の推移を示した。カテニンの検索では、α-及びαN-カテニンは、degenaration/regeneration過程において筋周膜に沿って発現し、神経損傷後早期にはその発現レベルの上昇は見られず、6週間目以降に上昇、神経再支配と共に低下する事が判明した。また、β-カテニンに関しては、神経切離後degenarationが進むにつれ徐々にレベルは低下し、筋周膜に沿った蛍光も消失した。degenaration/regeneration過程においては発現レベルに変化は見られないものの、経過中その局在が変化した。すなわち、処置前には筋細胞膜に沿って見られたβ-カテニンは、神経切離後消失し、神経再支配に伴って再び細胞膜に沿って見られるようになった。すなわち、筋の再生や構築に関与すると言われているカドヘリン間においても、さらにαとβ両カテニンにおいてもdegenaration/regeneration過程における動向が全く異なることが判明した。すなわち、これらのカドヘリンやカテニンは神経損傷後の再生過程において、必ずしも互いに結合することによってのみその役割を果たしているわけではなく、それぞれのカドヘリンやカテニンが単独で何らかの役割を担っている可能性が示唆される。特に、発現レベルを変えず、局在を変化させるβ-カテニンの動向は興味深い点である。現在γ-カテニンについても同様に検索中である。
〈たまり場〉と開放的空間におけるイノベーション創出活動に関する実証研究

研究期間内で,(1)日本のオフィス空間のデザインに関する研究論文のレビュー作業および(2)開放的かつ〈たまり場〉を有するオフィス空間として,コワーキングスペースを対象とした実証研究を進めた.(1)では,1980年代から2000年代までの研究は快適性や機能性が追求されてきたこと,それ以降では経営学者らが知識創造の促進を目的としたオフィス空間のデザインに関する研究を蓄積してきたことを明らかにした.(2)からは,日本のコワーキングスペースの特徴を6つの視点から明らかにするとともに,国内最大の利用者数を誇るスペースを対象に,運営責任者がスペースというオフィス空間を設計していくプロセスを明らかにした.平成25年度の研究実績は以下の通りである.1わが国におけるワークプレイス研究が辿り着いた知見を整理すべく,文献サーベイを進めた.その結果は,阿部(2013)および,阿部(2014)において公表済みである.これら2本の論文を通じて,本研究課題とこれまで取り組まれてきたワークプレイス研究との関係性を明らかにすることができたと思われる.より具体的には,阿部(2013)では,2000年ころまでの日本のワークプレイス研究が,機能性と快適性の追究をめざして行われてきたことを明らかにした.その結果,ワークプレイス内で発生するメンバー間の相互作用については十分な検討がなされないという問題が残されていたことも指摘した.また,阿部(2014)では,阿部(2013)では研究対象としなかった2000年以降のワークプレイス研究について,文献サーベイを進めた.その結果,2000年代以降,知的生産性および知識創造を鍵概念として,建築学,経営学などの研究者たちや実務家たちが多様な研究,実践的試みを積み重ねていることが明らかになった.しかしながら,領域を横断した研究が行なわれておらず,知的生産性の測定尺度が十分には開発されていないことが明らかになった.2また,新規に共同研究として,コワーキングに関する研究を開始した.同研究と本研究課題には,ワークプレイスのデザインとワークプレイス内で発生するメンバー間の相互作用に注目するという特徴がある.平成26年度以降は,これら2つの研究を並行して進めることによって,研究が一層促進すると考えている.3本研究課題の研究成果の一部を発表するために,学会発表に応募し,受理された.平成26年6月に発表予定である.4研究代表者のここまでの研究成果をまとめて,公表するための準備作業がおおむね終了した.平成24年度は,以下の4つの作業を行なった.1研究代表者がこれまで取り組んできた研究成果を書籍として発行するための原稿執筆を進めた.その成果の一部は平成25年1月発行の学内紀要で公表している.平成25年度前半に2本の論文を学会誌に投稿する予定である.その段階をもって,執筆作業は終了する.2書籍の原稿執筆のプロセスにおいて,我が国におけるワーク・プレイスとオフィス・ワーカーの行動に関する研究の到達した知見を明確にするために,建築学,環境心理学,経営学等の領域に関して文献サーベイを行なった.文献サーベイの結果は平成25年6月発行の学内紀要(すでに掲載決定済み)と年度内に発行される学内紀要において公表する予定である.3ワーク・プレイスのデザインと組織内のコミュニケーションに関して新たに着手する研究活動の仮説構築作業を目的として,主に2次資料を利用し,事例研究を行なった.この成果については,平成24年8月にワーキング・ペーパーとして公表している.平成24年12月にワーキング・ペーパーの内容をもとに研究会で発表を行ない,参加者から有益なコメントを得た.今後はこのコメントを踏まえ,内容の改訂を進め,平成25年度後半に学会誌もしくは学内紀要に投稿する予定である.4本研究課題の主要な作業であるワーク・プレイスのデザインと組織メンバーのコミュニケーション活動,イノベーション創出活動に関する新たな調査を着手するために,北海道内にある組織に研究依頼および調整を平成24年12月から行なっている.最終的な調整が済み次第,参与観察やインタビュー調査に着手する予定である.平成26年度は,これまでの研究によって明らかにしてきた知見を公開すべく,以下の2つの作業を遂行した.第1に,2014年6月に開催された,組織学会研究発表大会における学会報告である.同報告内では,ワークプレイスの物理的な特徴(空間設計)と社会的な特徴(同一のワークプレイスを使用する組織成員が有するコミュニケーション行動への見解)が,ワークプレイス内での「コミュニケーション行動の容易さ」に影響を与えることを明らかにした.また,第2にこれまでの研究の到達点をまとめて公開すべく,書籍化への準備を進めた.海外での2010年以降の研究知見の渉猟が未着手であるが,その他には必要となる内容についての記述はほぼ完了している.さらに,ワークプレイス内でのコミュニケーションを通じた,問題解決やイノベーションの創出を明らかにすべく,参与観察もしくはインタビュー等の定性的調査が可能なリサーチ・サイトを探索することとした.その結果,近年,注目を集めつつある,コワーキングスペースに注目し,定性的調査を進めることとした.定性的調査に先立って,平成26年度は,コワーキングスペースの実態を把握し,定性的調査の対象を抽出するために,国内のほぼ全数のスペースを対象とした定量的研究を行った.この結果にもとづき,平成27年度より定性的調査を開始する予定である.

このように研究対象が企業のワークプレイスのみならずコワーキングスペースも射程とすることとしたため,本研究課題の拡張を企図し,基盤研究(C)に前年度申請をした.結果,研究課題が採択されたため,本研究課題を1年前倒して終了させ,平成27年度からはコワーキングスペースを主たる対象とし,企業のワークプレイスを対象とした研究と比較しながら,開放的な空間もしくは〈たまり場〉でのコミュニケーションを媒介としたイノベーション生成プロセスに着目をし,研究活動を進める予定である.研究期間内で,(1)日本のオフィス空間のデザインに関する研究論文のレビュー作業および(2)開放的かつ〈たまり場〉を有するオフィス空間として,コワーキングスペースを対象とした実証研究を進めた.(1)では,1980年代から2000年代までの研究は快適性や機能性が追求されてきたこと,それ以降では経営学者らが知識創造の促進を目的としたオフィス空間のデザインに関する研究を蓄積してきたことを明らかにした.(2)からは,日本のコワーキングスペースの特徴を6つの視点から明らかにするとともに,国内最大の利用者数を誇るスペースを対象に,運営責任者がスペースというオフィス空間を設計していくプロセスを明らかにした.経営学平成25年度には,2本の学術論文を公表することができた.この2本の論文により,我が国のワークプレイス研究に関しての見取り図を作成できたものと思われる.また,平成26年度中に,国内学会での学会報告を行う予定である.これをもって,研究代表者のここまでの研究知見を書籍としてまとめる作業が終了する予定である.また,平成25年度から創始したコワーキング研究との知見の共有が進んでいる.これらの調査対象は,本研究課題における,新たなリサーチサイトとして活用することも可能であると思われる.しかしながら,本研究課題単独で対象とする新たなリサーチサイトとの調整が十分に進んでおらず,調査が遅れているという問題が残されている.ただし,質問票の作成などはおおむね目途が立っており,実際に調査を開始すれば,ここまでの遅延は平成26年度中に取り戻すことができると考えている.研究代表者がこれまで取り組んできた研究の書籍原稿の執筆がおおむね終了し,年度内に2本の論文を公表し,文献サーベイをもとに次年度中に2本,実証研究をもとに次年度中に2本の論文の投稿もしくは公表のめどが立っている.それゆえに,平成24年度の前半6か月の目標はほぼ達成できたものと考えている.しかしながら,上述の原稿執筆のプロセスでいくつか新たに検討すべき課題が生じ,それに対応するべく文献サーベイを進めたため,平成24年度後半に予定していた目標の一部が未達に終わっているのも事実である.結果として,交付申請書に記載したネットワーク理論や建築学,イノベーション研究の文献サーベイの成果については,平成24年度内に公表するという目的を達成できていない.平成25年度中の公表をめざし,論文の執筆中である.また,新たな調査についても対象先の選定,依頼,調整にやや時間を要しており,年度内に参与観察やインタビューを行なうという目的が十分には達成されていない.なお,依頼先の担当者とは電話を用いたインタビューをすでに行っており,依頼先組織の背景となる情報については収集を始めている.それゆえに,実際に調査を開始すれば,ここまでの遅延は平成25年度中に取り戻すことができると考えている.平成26年度は,以下の5つの作業を進める予定である.16月に国内学会にて,これまでの研究成果を発表する.
超弦理論とムーンシャイン現象

我々はK3曲面上にコンパクト化された超弦理論に注目して、その楕円種数を超弦理論の指標関数を使って展開してみた。すると驚くことにその展開係数がマシュー群とよばれる離散群の次元と一致することに気がついた。これはモジュラーJ関数をテイラー展開するとその展開係数がモンスター群の表現の次元と一致するという有名なモンストラスムーンシャインの現象を思い出させる。我々の発見した現象はマシュームーンシャインと呼ばれるようになり多くの研究者の関心を引くことになった.マシュームーンシャインはさまざな類似のムーンシャイン現象をもち現在本研究で詳しい分析が行われている。K3曲面はSU(2)ホロノミーを持つ2次元の複素多様体であり、数学では最も重要な幾何学的対象のひとつとして詳しい研究が行われてきた.超弦理論においてもK3曲面はゲージ対称性など素粒子のもつ基礎的な対称性の起源となる重要な役割を果たすと考えられおり、K3曲面上にコンパクト化された超弦理論の研究は重要な研究テーマとなっている。K3上の超弦理論はN=4の超共形代数の対称性を持っている.一方、複素多様体の楕円種数は、多様体の持つ各種の位相不変量の生成母関数とも考えられ、ヤコビ形式として変換するため優れた数論的な性質を持っている.江口は2010年にK3の楕円種数をN=4超共形代数の指標で展開し、その展開係数がマシュー群M24の規約表現の次元の和で書ける事を発見した.この現象は有名なmonsterous moonshine(モンスタラスモーンシャイン)ににていることから、Mathieu moonshine(マシュームーンシャイン)と呼ばれるようになり多くの研究者の注意を集めた.その後、マシュームーンシャインの研究が盛んになったが、その物理的あるいは数学的起源は未だ解明されていない.現在マシュームーンシャインの様々の拡張が試みられているが、江口は今年度、エンリケス曲面(K3曲面を2つに割ったような曲面)を調べ、その楕円種数がマシュー群M24のかわりにM12の表現の和に書けることをしめした.また、N=4超共形代数のクーロンガス表示を用いて、BPS代数の構成、マシュー群の導出を試みている.マシュームーンシャインの解説が科研費ニュース2013年度4号に掲載されている。25年度に引き続き、K3曲面上にコンパクト化された超弦理論に現れるマシュー群の対称性(マシュームーンシャイン)に関連する研究をおこなった。N=4超共形代数の指標はBPS表現はモックモジュラー形式であり、BPS表現はモジュラー形式でありこの2つが混じり合ってマシュー群の対称性を作っている.モックモジュラー形式は特異な変換性を持ちそのままではモジュラー形式にならないが、物理におけるregularizationにあたる項を付け加えると変換性が改善されてτ,τ*(複素共役)に依存する実ヤコビ形式になる。この理論は数年前に数学者(Zwegers)によって作られた.本年度江口はZwegersの構成を詳しく調べ、モックモジュラー形式とそのregularizationの項がひとつにまとまって、ポアンカレ級数のような表式に表す事ができモジュラー不変性が露に読み取れる形で表記できる事を見いだした.この表式は今後の研究で役立つと期待される.一般に非コンパクトなターゲット空間を持つ超弦理論は、理論に赤外発散を持つためそのままではモジュラー不変性が破れるが、このとき経路積分の評価から自然にregularizationの項が現れて最終的に理論のモジュラー不変性を回復する事が以前の研究(Troost,江口,菅原)で知られている.江口は経路積分の評価から今回発見したモックモジュラー形式とregularozationが融合した表式が自然に与られることを示した.江口は1980年代からN=4,N=2超共形代数の表現論を開発し,その結果をK3曲面やカラビヤウ多様体上にコンパクト化された超弦理論の応用する事を目指して来た。特に,BPS表現、非BPS表現の発見と、これらの表現の指標公式の導出はN=4,N=2表現論の最も基本的な結果である。特に,江口はBPS表現の指標がモジュラー変換の下で異常な振る舞いをする事に気がついたが、これはモックモジュラー形式と呼ばれるものが物理の文献に初めて現れた例に成っている。これらの表現論の結果は1989年に出版された論文に纏められている。またこの論文ではK3曲面の楕円種数を求めこれをN=4の表現の指標で展開する事を試みている。この後、表現論を用いたstringのコンパクト化の研究はしばらく停滞した。この間、数学者によるモックモジュラー形式の研究に新しい展開があり,この発展にも刺激されて、2010年頃江口は再びK3の楕円種数のN=4指標への展開を詳しく調べ、その展開係数がマシュー群M24の規約表現の次元の和で書ける事を発見した。この現象は有名なmonstrous moonshine(モンストラスムーンシャイン)に似ている事から、Mathieu moonshine(マシュームーンシャイン)と呼ばれるようになり多くの研究者の興味を集めるようになった。現在ではマシュームーンシャインを拡張したウンブラルムーンシャインなど何種類かの新しいムーンシャイン現象が発見されており、活発な研究が行われている。江口はモンスタラスムーンシャインで用いられるマッカイトンプソン級数に相当する級数を求め、K3楕円種数のM24の表現への分解が非常に高い次数まで成り立つ事を示した。この結果は数学者によって拡張され、分解が任意の次数で成立することが証明された。

また、K3の楕円種数以外にムーンシャイン現象を示す例がないか詳しい研究が行われウンブラルムーンシャインと呼ばれる新しい系列などが発見された。ウンブラルムーンシャインはニーマイヤー格子と呼ばれる24次元の自己双対格子と関係していることが知られているがその機構についてはまだ明らかになっていない。江口は1980年代からN=4,N=2超共形代数の表現論を開発し、その結果をK3曲面やカラビヤウ多様体上にコンパクト化された超弦理論に応用することを目指してきた。特に、BPS,非BPS表現の発見と、これらの表現の指標公式の導出は最も基本的な成果である。また、江口はBPS表現の指標がモジュラー変換の下で異常な振る舞いをすることに気づいたがこれはモックモジュラー形式が物理の文献に初めて現れた例となっている。2000年代に入るとモックモジュラー形式の研究に関して数学者からの新しい展開があり、これに刺激されて江口らはK3の楕円種数のN=4指標への展開を詳しく調べ、その展開係数がマシュー群M24の規約表現の和でかけることを発見した。この現象は有名なMonstrousMoonshine(モンスタラスムーンシャイン)ににていることからMathieu moonshine(マシュームーンシャイン)と呼ばれるようになり多くの研究者の関心を集めるようになった。現在ではMathieu Moonshineを拡張したUmbral(ウンブラル)Moonshineなど幾つかの新しいムーンシャイン現象が発見されており活発な研究が行われている。江口は前年度N=4リービル模型を用いて、Mathieu MoonshineとUmbral Moonshineが結びつくことを示した。しかし、Umbral MoonshineとNiemeier格子の関連などについてはまだ明らかになっていない。昨年度は立教大学で大規模な国際研究集会がありその準備のために多くの時間を要したため計画した出張などが行えなかった。また、昨年度は体調がすぐれない時期がありこのため予定していた外国出張などが行えなかった。しかし、昨年度行ったN=4リービル理論を用いた研究には優れたところがあり今後大きく発展する可能性を秘めている。いわゆるmoonshine現象は1970年代後半に初めて発見されたが、保形形式(J-関数)と孤立有限群(Monster)の間に驚くべき関係があることを示し大きな驚きを与えた。その後moonshineの研究はしばらく停滞したが2010年ころになって、弦理論に現れる位相不変量の間にもmoonshineに相当する現象が現れることが発見されて大きな関心をよんだ(江口、大栗、立川)。弦理論に現れるmoonshine現象はMathieu群の対称性が出現するためMathieu moonshineと呼ばれる。Mathhieu moonshineはすぐにUmbral moonshineという系列に拡張され、今では弦理論において多くのmoonshine現象が知られている。今年度は2016年に引き続きMathieu moonshineとUmbral moonshineの関係を明らかにするために大きなN=4対称性をもつリュービル理論を調べた。
移動行動パターンと人口集積核の形成過程に関する動態的運動モデルの構築

移動が行われる空間領域がもつ固有の影響力と対比することで、実際に行われる移動距離を標準化し、時系列・事例間の比較分析を可能にする方法を提案した。この方法を用いた分析により、移動距離には年齢による変動があること、この変動パターンは、都市内か地域間かという移動スケール、転入か転出かの移動タイプ、移動者が男性か女性かによって異なることを明らかにした。ランダム効果、距離減衰効果、人口規模効果、重力効果が移動距離に与える影響力を分析し、重力モデルの説明力が常に卓越するわけではないことを明らかにした。重力モデルの枠組みによらない、新しい動態的運動モデルの可能性が示唆された。平成19年度は、人口移動データの収集とそれを用いた予備分析を中心に研究を遂行した:(1)研究計画に即して、次のように人口移動データを収集した:1996年センサス、2001年センサス(前回、入手したデータの補完分)、2006年センサスの3年次について、全国100余りの統計地域間、ならびに、各州の州都(キャンベラ、シドニー、メルボルン、パース、アデレイド、ホバート、ダーウィン、ブリスベーン)内部の地方統計区間について、センサス調査1年前の住所からセンサス時への住所への移動について、男女別ならびに年齢階級別(10階級に区分)という小集団ごとに集計した移動データ(Digital Files)を収集した。オーストラリア統計局の専門技官とデータ形式等について交渉を重ね、最終的に、最新の2006年センサス・データも入手することができた。また、比較分析のために離散拠点間の人口移動パターンの抽出を計画し、一つの事例として、日本最南端の先島諸島における現地調査を通じて、移民史料や同窓会名簿等の資料について検討した。(2)データの解析とシミュレーション実験。入手したオーストラリアのセンサス・データの整形作業を進めるとともに、年次ごとまた通時的な分析とシミュレーション実験のための基礎作業として、小集団ごとの移動行動の差異や、距離・方向の頻度分布の状態を把握する分析を進めている。距離収れん性やランダム性の要素ならびにその水準の析出にあたっている。並行して、一様な閉鎖空間内部でのランダムな人の動きを想定した仮想データを用いて、人口移動という運動の集積・継続のプロセスにおける特異点としての核形成関するシミュレーション実験のデザインにも着手した。平成20年度は、平成19年度に収集したオーストラリアの人口移動センサス・データの整理・点検とデータ・ファイル作成を進めるとともに、福井市の非集計人口移動データを用いた距離分析とその総括を中心に行った:(1)オーストラリア人口移動のデータ(1996、2001、2006)は、研究計画に即して、以下のように整理し、データ・ファイルを作成した:全国100余りの統計地域(SD)間、ならびに、各州の州都(キャンベラ、シドニー、メルボルン、パース、アデレイド、ホバート、ダーウィン、ブリスベーン)内部の地方統計区(SLA)間について、センサス調査1年前の住所からセンサス時への住所への移動について、男女別、総数ならびに10年齢階級別に集計したデータを個別に点検しつつ、ファイルを作成した。また、年次ごとに、各地区のコード番号と面積と緯度経度からなるデータ・ファイルを作成し、それを用いて、面積別ヒストグラムと地区間距離(大圏コース)のヒストグラムを計算し、シミュレーション実験の基礎データを得た。(2)福井市の人口移動データ(個票)を福井市内部の移動と福井市の市境を越える移動に分け、年齢による移動距離の変化を分析した。住居移動という空間行動を距離の側面から見ると、年齢による明瞭な変化が存在すること、男女による相違だけでなく、近距離圏(都市内部)と非近距離圏(市域外の地帯)との間で変化パターンが異なることなどが明らかになった。従来の研究では、移動頻度(移動率)の年齢による変化は「移動スケジュール」としてさまざまな研究事例が蓄積されているが、移動空間の伸縮リズムについては研究がほとんど行われておらず、新しい指摘といえる。平成21年度は、(1)平成19年度に収集したオーストラリアの人口移動センサス・データの整理・点検とデータ・ファイル作成ならびに分析単位地区の地図データ・ファイル作成を行い、基礎的な空間分析を継続した。また、(2)福井市の非集計人口移動データを用いた距離分析と論文作成を行った:福井市の住民異動届データ(19982001年度)を用いて、地域間移動(市域を越える転入・転出)と市域内移動(転居)について、男女別、年齢別の移動距離を分析した。移動距離は、年齢により変動すること、この変動のパターンは、地域間移動と都市内移動という移動の空間的範囲の広狭によって、また、男性と女性でも異なることが明らかになった。この変動パターンの生成要因を明らかにするために、重力モデルから、ランダム効果、距離減衰効果、人口規模効果、重力効果を取り出して説明変数とし、移動距離の頻度分布について回帰分析を行った。

その結果、重力効果の説明力が常に高いわけではないこと、ランダム効果や距離減衰効果、人口規模効果といった重力モデルの個々の構成要素の影響力は、移動タイプ(転入、転出、転居)によって異なること、また、年齢の進行に従って影響の強さが変動するし、男女差も明瞭にあることが明らかになろた。ランダム効果の説明力は総じて弱いが、これが強く作用するようなタイプの移動も存在した。また、地域間移動(転入・転出)と市内移動(転居)の距離を比較すると、空間的スケールが大きく異なる移動では、行動論理が異なることが伺えた。こうした人口移動距離の分析は、距離に着目した稀少な研究事例であるだけでなく、重力モデルの意味を問い直すという意義をも有する。
太陽光で水を完全分解する色素修飾光触媒の開発

従来の研究で、紫外光下で水の光分解活性を示すKTaO_3をポルフィリン系色素で表面修飾すると、活性が向上することを見出した。本研究ではKTaO_3に代えて可視光応答性を有する化合物を用いることで、太陽光下で効率よく水を分解する光触媒を開発することを目的とし、修飾色素や無機半導体の探索、助触媒の最適化による水の光分解活性の向上効果について検討した。従来のポルフィリン色素に代えてキサンテン系やトリフェニルメタン系等の様々な有機色素でKTaO_3を修飾したところ、大半の色素において水素及び酸素の生成速度が向上し、特にローダミン6Gが高い活性の向上効果を示した。しかし、これらの色素を用いると量論比よりも酸素の生成量が少なく、色素の一部は犠牲剤的に作用していたことが示唆された。また、これらの色素は光照射によっても分解するため、長期の光触媒反応試験では失活してしまうことがわかった。一方、無機半導体についてはN添加TiO_2、WO_3、TaONやGaZnON等の可視光応答性の化合物を色素修飾し、水の光分解活性を調べた。その結果、GaZnONやWO_3、N添加TiO_2において水素生成速度は向上したが、いずれの触媒でも酸素の生成は観測されなかった。この時点では水素生成用の助触媒であるPtのみを担持していたことから、色素修飾GaZnONについて助触媒の最適化を検討した。その結果、水素生成用にRu、酸素生成用にIrO_2、逆反応抑制用にNiOを助触媒として用いることで水の光完全分解が達成され、色素修飾と助触媒の最適化によって、水素の生成速度は約12倍に向上することが明らかとなった。以上の結果から、色素修飾はバンドギャップの小さな半導体光触媒の水分解活性の向上にも有効であり、助触媒による気体生成過電圧の低減は色素修飾光触媒上での水の光完全分解反応に不可欠であることを見出した。
微細包有物のマルチ揮発性元素トレーサー分析によるマントル内水循環の解明（国際共同研究強化）

日本に代表される沈み込み帯では、海洋地殻や堆積物など、異なる起源をもつ揮発性成分が異なる量比をもってマントルへと沈み込んでいると考えられる。本研究はこれまで定量的に見積もることの難しかった希ガスとハロゲンの沈み込み量を、最新のマルチコレクター希ガス質量分析計を用いた超精密同位体比測定をもとに決定することを目的とする。本研究では日本をはじめとした世界各地の島弧の玄武岩類から分離した、メルト包有物を含むかんらん石とマントル起源かんらん岩捕獲岩を試料として用いる。本年度、国内ではかんらん石の分離作業と顕微赤外分光分析、そして予察的な希ガス同位体分析を行った。英国マンチェスター大学のBurgess教授のもとでは、昨年度に多様なハロゲン組成を含むことを明らかにした南米大陸・パタゴニア地域で採取されたマントルかんらん岩捕獲岩について、原子炉(南アフリカSafari-1研究炉)における中性子照射とマルチコレクター希ガス質量分析計(ARGUS-VI)による高精度同位体分析を組み合わせた、極微量ハロゲン分析を行った。試料からの希ガス抽出に破砕法を用いた結果、通常のマントルと比較して臭素/塩素比とヨウ素/塩素比がともに高いハロゲンが、試料中の流体包有物に含まれていることが明らかになった。オックスフォード大学のBallentine教授のもとでは、深海底堆積物中の間隙水に由来するハロゲンと希ガスを含むことを既に明らかにしている西南日本やカムチャツカ、フィリピン産のかんらん岩について、レーザー加熱とマルチコレクター希ガス質量分析計(ARGUS-VI+HELIX SFT)を用いた高精度同位体分析を組み合わせた、かんらん石一粒ごとの希ガス同位体分析を行った。その結果を顕微分光分析により求めた水の含有量と比較することで、マントルに沈み込んだ水中の希ガスとハロゲン濃度を正確に決定することができた。渡航先の英国における極微量ハロゲンならびに希ガス分析は順調に実施できており、研究上ひじょうに意義のあるデータが得られている。得られた成果はアメリカ・ボストンにおける国際会議(Goldschmidt Conference)で報告した。一方で研究代表者の所属機関における学務のため渡航期間が限られ、より多くの分析データを得て当初計画の研究を完遂するには研究期間を延長し、再度英国に渡航する必要がある。次年度は今年度に得られた分析データを解析し、必要であればさらに異なる特徴を持った島弧(例えばカムチャツカ、西南日本など)で採取した火山岩から、かんらん石やマントル捕獲岩を取り出して追加分析用の試料とする。令和元年8月の英国渡航時には、これらの試料についてマンチェスター大学におけるかんらん石斑晶一粒ずつについてのハロゲン分析を行う。これによりマントルへと一旦沈み込んだものの島弧火成活動により再び表層へと戻っている揮発性成分の起源と量について制約を加えることができ、マントルのより深部へと沈み込む揮発性成分の起源と量を明らかにできると期待される。内定年度:2015本研究では、これまで定量的に見積もることの難しかった希ガスとハロゲンのマントルへの沈み込み量を、英国オックスフォード大学ならびにマンチェスター大学所有の最新のマルチコレクター希ガス質量分析計を用いた超精密同位体比測定をもとに決定することを主たる目的とする。そのためにダイヤモンドやマントルかんらん岩などのマントル物質に加え、沈み込んだ水の付加により生じた島弧火山岩中のかんらん石斑晶に内包される微小なメルト包有物も研究対象とする。本年度は交付申請がH29年2月であったため、実質的な研究はほとんどできなかったが、既に入手していた伊豆諸島・新島北方の無人島である鵜渡根島で採取した火山岩から、かんらん石を分離する作業を実施した。国立科学博物館の所有する高電圧パルス粉砕装置SELFRAG Labを用いて数mm以下のサイズに粉砕した試料から、磁石を用いて石基部分と、かんらん石・輝石・斜長石等の斑晶を選り分け、さらに実体顕微鏡で観察しながらかんらん石を取り分けた。かんらん石中にはメルト包有物が多数見られることから、このような試料の分析によりマントルに沈み込み、島弧火成活動に寄与した水とともにマントルウェッジに供給された希ガスとハロゲンの起源と量に関する知見が得られるものと期待される。平成30年2月からの英国渡航前に実施する計画であった、国内の島弧火山岩の採取と、メルト包有物を含むかんらん石試料の分離に着手し、既に伊豆小笠原弧については鵜渡根島に加えて、これまでの研究で調製してきた大島、新島、三宅島、御蔵島、八丈島、青ヶ島等の試料が揃っている。本研究では日本をはじめとした世界各地の島弧から、地殻の混染が少ない玄武岩類を選別し、メルト包有物を含むかんらん石を分離して試料として用いる。本年度は国内におけるこの作業を主に行い、また国内で実施可能な、予察的な希ガス同位体分析を行った。

分離したかんらん石試料のうち、伊豆諸島のかんらん石と、比較のために南米大陸・パタゴニア地域で採取されたマントルかんらん岩捕獲岩について、英国マンチェスター大学のBurgess教授のもとで、原子炉(南アフリカSafari-1研究炉)における中性子照射とマルチコレクター希ガス質量分析計(ARGUS-VI)による高精度同位体分析を組み合わせた、極微量ハロゲン分析を行った。伊豆諸島のかんらん石からは、西南日本やカムチャツカ、フィリピンなど複数の沈み込み帯で報告されている(Sumino et al., EPSL2010; Kobayashi et al., EPSL 2017)、深海底堆積物中の間隙水に由来するハロゲンは見出されず、ほぼマントル由来のハロゲンのみが含まれていることが分かった。一方パタゴニアのマントル捕獲岩には、試料ごとに起源の異なるハロゲンが含まれており、この地域の大陸下マントルが様々な起源の流体によるハロゲンの汚染を受けていることが明らかとなった。これらの試料について、キセノンなど重い希ガスの高精度同位体分析を次年度以降に実施するため、オックスフォード大学のBallentine教授のもとに滞在し研究打ち合わせを行った。渡航先の英国における最初の極微量ハロゲン分析は予定通り実施でき、十分な数のデータが得られた。また次年度に実施するハロゲン分析についても、Burgess教授との入念な議論の末に決定している。次年度の渡航で分析する試料の調製と、それを用いたオックスフォード大学における高精度希ガス同位体分析の準備も、フランス・パリにおける国際会議(Goldschmidt Conference)に参加した際と、今年度の渡航中に同大を訪問した際にBallentine教授と相談し、順調に進められている。日本に代表される沈み込み帯では、海洋地殻や堆積物など、異なる起源をもつ揮発性成分が異なる量比をもってマントルへと沈み込んでいると考えられる。本研究はこれまで定量的に見積もることの難しかった希ガスとハロゲンの沈み込み量を、最新のマルチコレクター希ガス質量分析計を用いた超精密同位体比測定をもとに決定することを目的とする。本研究では日本をはじめとした世界各地の島弧の玄武岩類から分離した、メルト包有物を含むかんらん石とマントル起源かんらん岩捕獲岩を試料として用いる。本年度、国内ではかんらん石の分離作業と顕微赤外分光分析、そして予察的な希ガス同位体分析を行った。英国マンチェスター大学のBurgess教授のもとでは、昨年度に多様なハロゲン組成を含むことを明らかにした南米大陸・パタゴニア地域で採取されたマントルかんらん岩捕獲岩について、原子炉(南アフリカSafari-1研究炉)における中性子照射とマルチコレクター希ガス質量分析計(ARGUS-VI)による高精度同位体分析を組み合わせた、極微量ハロゲン分析を行った。試料からの希ガス抽出に破砕法を用いた結果、通常のマントルと比較して臭素/塩素比とヨウ素/塩素比がともに高いハロゲンが、試料中の流体包有物に含まれていることが明らかになった。オックスフォード大学のBallentine教授のもとでは、深海底堆積物中の間隙水に由来するハロゲンと希ガスを含むことを既に明らかにしている西南日本やカムチャツカ、フィリピン産のかんらん岩について、レーザー加熱とマルチコレクター希ガス質量分析計(ARGUS-VI+HELIX SFT)を用いた高精度同位体分析を組み合わせた、かんらん石一粒ごとの希ガス同位体分析を行った。
水産資源量調査用グライダー型海中ロボットの開発に関する研究

食糧問題に対する海洋工学の観点からの対策としては、持続可能な水産資源の管理が重要であると考えられる。本研究では、自律型海中ロボットを使用することで、水産資源量調査のコストと調査に伴う危険性を減少させながら対象海域のデータを効率良く収集することを目指し、音に敏感な魚類を主な対象として高精度に音響機器による調査を実施するために、グライダー型推進機構を有する自律型海中ロボットの開発に関する研究を実施した。今後、地球規模での環境問題と並び、人口増大に伴う食糧危機が大きな課題となってくることが予測されているが食糧問題に対する海洋の観点からの対策としては、持続可能な水産資源の管理が重要であると考えられる。そこで本研究では、水産資源量の音響調査をはじめとして、これと同時に海洋環境、魚群の行動等を観測することが出来るグライダー型海中ロボットの開発に関する研究を実施した。まず始めに、水産資源量調査の実施において自律型海中ロボットに要求される基本仕様を明確にするための調査を実施した。水産資源量調査においては、海中ロボットに対して高い静粛性と複雑な構造物を調査するための運動性能が要求されるため、グライダー型海中ロボットのための新たな運動制御システムの計画を前提に、グライダー型海中ロボットの基本仕様について検討した。次に、水産資源量調査用グライダー型海中ロボットの設計と試作を実施した。実海域調査における運用効率を重視して機体寸法をできる限り小型化する、浮力調節装置を2対搭載することで機体の運動性能を向上させる、といった方針に基づき、新規機体の基本計画を実施した。グライダー型推進機構を用いて効率良く航行するためには、その浮力調節装置の開発が重要となって来る。本年度の研究においては、従来の空気ポンプ式の浮力調節装置に代わり、ステッピングモーターとボールネジ機構を用いた装置を製作し、その有効性について実験により調査した。本装置は単体で、浮力と重心位置を同時に変更することが可能であるため、機体ペイロードの増大に対し有効であることが確認された。また、本装置の高い制御性により、精密な機体の運動制御が可能になることが期待できる。今後、地球規模での環境問題と並び、人口増大に伴う食糧危機が大きな課題となってくることが予測されているが、海洋における食糧問題への現実的な対応策の一つとして、持続可能な水産資源管理が考えられる。そこで本研究では、従来実施されて来た水産資源量の音響調査に代わるものとして、海洋環境、魚群の行動等を観測することが出来るグライダー型海中ロボットの開発に関する研究を実施した。まず始めに、前年度までに実施された、水産資源量調査のための自律型海中ロボットに要求される基本仕様に関する調査結果に基づき、高い静粛性と自律運動制御性能を有するグライダー型海中ロボットの機体を計画した。この結果、従来のグライダー型ビークルとは異なり、独立した4本の水中重量調節装置を有する全翼型の機体が設計され、実海域での調査を考慮した取り扱いの容易さと汎用性を有する機体が製作された。次に、製作された機体を自律制御するための運動制御システムの開発が実施された。制御系の設計は主に数値シミュレーションを用いて行われ、開発された全翼型の機体が不安定性を有することが示された。このため、機体の自律制御システムとしてLQIコントローラを搭載し、本方式により新機体を安定に自律制御出来ることを確認した。開発された機体の実海域における有効性を検討するために、対象海域の潮流と海水密度分布をモデル化してシミュレーション計算における外乱として取り入れ、外乱下における機体運動の安定性、運動性能について調査を行った。この結果、実海域における機体の運動特性および航続距離が明らかにされた。水産資源の保全を目的として設置される人工漁礁については、そこに集まる魚種やその蝟集量など不明な点が多く,さまざまな観測手段が提案,実行されているスラスターを用いず,潜降浮上の繰り返しによって機体に揚力を発生させて航行する,自律型のグライダー型水中ビークルは,省エネルギー性と静粛性に優れており,観察対象である魚類の行動に影響を与えず,長時間のミッションを実施することができると期待される.限られたエネルギーを用い複雑な流れの中で動作するAUV(Autonomous Underwater Vehicle)にとって,ビークルの機体形状の影響を明らかにすることは重要であり,従来の水中ビークルの開発に関する研究においても,様々な形状の機体について,その流体力学特性を調査するための実験や数値シミュレーション計算が実施されてきた.しかしながら多くの場合,観測機器等の付加物や機体に設けられた比較的小さな開口部の影響は小さいとし,解析を簡単にするために省略される場合が多いこのため当該年度の研究では,グライダー型水中ロボットにおいて,機体形状の違いがビークルの滑空性能にどの程度の影響を与えるのかを明らかにするために,流体力試験と数値計算による調査を実施した.回流水槽における縮尺模型を用いた流体力試験の結果,グライダー型水中ロボットの機体に設けられる側面開口部の影響は大きく,開口部を塞いだ場合にも性能の低下を招く翼端渦が発生していることを確認した.

また,数値計算によって機体まわりの流れを可視化し,機体側面形状の影響を検討した結果,滑空性能に悪影響を及ぼす機体の内部と背面への流れの流入が認められた.さらに,滑空性能向上のための付加物として翼端板を装着することにより,グライダー型水中ロボットの滑空性能が大きく向上することを確認した