hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
脳・身体活動情報を活用した動作支援基盤技術及び認知虚弱の定量的推定技術の開発

本研究では行動支援として,日常生活の動作から心身の機能低下(虚弱)とそれに伴う転倒の危険性をはらんだ動作を判断するシステムの実現を目的とする.本年度は移動動作に着目し,移動動作における躓き転倒と高齢者の奥行知覚の変化との関係を明らかにすることを主眼に置いて研究を行った.今年度は主に4つの内容について明らかにした.(1)高齢者が進路上の障害物を認識していながら転倒・骨折に至る事例の多さから,(a)奥行知覚に基づく障害物の定位能力,(b)定位した障害物への回避動作計画能力の片方あるいは双方の低下が躓き転倒を招くと考え,数歩離れた先に置かれたボールに対する足での接近動作データを解析し,ボールに対して遠い位置から足を近づけようとする高齢者がいることを明らかにした.(2)錯視の程度によって奥行知覚能力を定量的に計算するモデルを提案し,錯視の起き方の程度が大きい高齢者は(1)の結果でも遠い位置からボールに足を近づけていることを明らかにした.(3)転倒による大腿骨近位部入院患者・地域在住高齢者・若年者に対して身体機能に関する質問紙調査を実施し,地域在住高齢者に対して(2)のモデルを用いて推定された奥行知覚能力と実際の転倒リスクを対応づけた.身体機能的に躓きリスクが高いと推定される地域在住高齢者6名のうち4名は(2)の錯視の起き方が異常である(若年者よりも小さい・大きい)ことがわかった.(4)大規模・統計的なデータと小規模・詳細なデータから共通の特徴を抽出できるような理論の提案を行った.当初計画では把持動作及び移動動作に着目し,把持動作中の脳活動情報と移動動作に関する身体・脳活動情報を活用した基盤技術の開発を目的としていた.しかし移動動作に関する研究で想定を上回る成果が得られたことから,本年度は移動動作に関する研究に集中した.行った内容とその結果は下記の通り.(1)本研究では(a)奥行知覚に基づく障害物の定位能力,(b)定位した障害物への回避動作計画能力の片方あるいは双方の低下が躓き転倒を招くと考え,数歩先に置かれたボールへ足を近づける課題を実施した際の身体運動情報を解析した.他の高齢者と比較しても統計的に有意に遠い位置からボールに対して足を置こうと遊脚を離地させる高齢者は物体を手前に定位している可能性があることが示唆された.(2)簡易で運動を伴わない計測によって奥行知覚能力による物体の定位を定量的に示すために,サイズに関する錯視を活用し,擬似的な3次元空間の中での物体定位を画像上での錯視の程度から推定するモデルを提案した.錯視が大きく起こる人ほどボールに近づく際に遠くから足を上げていることがわかった.(3)身体機能に関する質問紙調査の回答パタンを定量化することによって躓き転倒のリスクを識別する識別器を構築した.リスクが高い・高リスクに近い領域に分類される6名中4名は錯視の起き方が若年者よりも小さい/大きい高齢者であった.また過去2年内の転倒歴を報告した健常な地域在住高齢者は全員が躓き転倒のリスクが高い・高リスクに近い領域に分類されることがわかった.(4)大規模・統計的なデータセットと小規模・詳細なデータセットという異種のデータセットに対して身体-認知機能の虚弱を定量的に評価するための手法を提案した.提案手法によりビッグデータから望ましい特徴を抽出し,異種データセット間で比較することが可能になると考えられる.当初計画では把持動作及び移動動作に着目し,把持動作中の脳活動情報と移動動作に関する身体・脳活動情報を活用した基盤技術の開発を目的としていた.しかし移動動作に関する研究で想定を上回る成果が得られたことから,本年度は移動動作に関する研究に集中した.行った内容とその結果は下記の通り.(1)本研究では(a)奥行知覚に基づく障害物の定位能力,(b)定位した障害物への回避動作計画能力の片方あるいは双方の低下が躓き転倒を招くと考え,数歩先に置かれたボールへ足を近づける課題を実施した際の身体運動情報を解析した.他の高齢者と比較しても統計的に有意に遠い位置からボールに対して足を置こうと遊脚を離地させる高齢者は物体を手前に定位している可能性があることが示唆された.(2)簡易で運動を伴わない計測によって奥行知覚能力による物体の定位を定量的に示すために,サイズに関する錯視を活用し,擬似的な3次元空間の中での物体定位を画像上での錯視の程度から推定するモデルを提案した.錯視が大きく起こる人ほどボールに近づく際に遠くから足を上げていることがわかった.(3)身体機能に関する質問紙調査の回答パタンを定量化することによって躓き転倒のリスクを識別する識別器を構築した.リスクが高い・高リスクに近い領域に分類される6名中4名は錯視の起き方が若年者よりも小さい/大きい高齢者であった.また過去2年内の転倒歴を報告した健常な地域在住高齢者は全員が躓き転倒のリスクが高い・高リスクに近い領域に分類されることがわかった.(4)大規模・統計的な

データセットと小規模・詳細なデータセットという異種のデータセットに対して身体-認知機能の虚弱を定量的に評価するための手法を提案した.提案手法によりビッグデータから望ましい特徴を抽出し,異種データセット間で比較することが可能になると考えられる.本研究では行動支援として,日常生活の動作から心身の機能低下(虚弱)とそれに伴う転倒の危険性をはらんだ動作を判断するシステムの実現を目的とする.本年度は移動動作に着目し,移動動作における躓き転倒と高齢者の奥行知覚の変化との関係を明らかにすることを主眼に置いて研究を行った.今年度は主に4つの内容について明らかにした.(1)高齢者が進路上の障害物を認識していながら転倒・骨折に至る事例の多さから,(a)奥行知覚に基づく障害物の定位能力,(b)定位した障害物への回避動作計画能力の片方あるいは双方の低下が躓き転倒を招くと考え,数歩離れた先に置かれたボールに対する足での接近動作データを解析し,ボールに対して遠い位置から足を近づけようとする高齢者がいることを明らかにした.(2)錯視の程度によって奥行知覚能力を定量的に計算するモデルを提案し,錯視の起き方の程度が大きい高齢者は(1)の結果でも遠い位置からボールに足を近づけていることを明らかにした.(3)転倒による大腿骨近位部入院患者・地域在住高齢者・若年者に対して身体機能に関する質問紙調査を実施し,地域在住高齢者に対して(2)のモデルを用いて推定された奥行知覚能力と実際の転倒リスクを対応づけた.身体機能的に躓きリスクが高いと推定される地域在住高齢者6名のうち4名は(2)の錯視の起き方が異常である(若年者よりも小さい・大きい)ことがわかった.(4)大規模・統計的なデータと小規模・詳細なデータから共通の特徴を抽出できるような理論の提案を行った.当初計画では把持動作及び移動動作に着目し,把持動作中の脳活動情報と移動動作に関する身体・脳活動情報を活用した基盤技術の開発を目的としていた.しかし移動動作に関する研究で想定を上回る成果が得られたことから,本年度は移動動作に関する研究に集中した.行った内容とその結果は下記の通り.(1)本研究では(a)奥行知覚に基づく障害物の定位能力,(b)定位した障害物への回避動作計画能力の片方あるいは双方の低下が躓き転倒を招くと考え,数歩先に置かれたボールへ足を近づける課題を実施した際の身体運動情報を解析した.他の高齢者と比較しても統計的に有意に遠い位置からボールに対して足を置こうと遊脚を離地させる高齢者は物体を手前に定位している可能性があることが示唆された.(2)簡易で運動を伴わない計測によって奥行知覚能力による物体の定位を定量的に示すために,サイズに関する錯視を活用し,擬似的な3次元空間の中での物体定位を画像上での錯視の程度から推定するモデルを提案した.錯視が大きく起こる人ほどボールに近づく際に遠くから足を上げていることがわかった.(3)身体機能に関する質問紙調査の回答パタンを定量化することによって躓き転倒のリスクを識別する識別器を構築した.リスクが高い・高リスクに近い領域に分類される6名中4名は錯視の起き方が若年者よりも小さい/大きい高齢者であった.また過去2年内の転倒歴を報告した健常な地域在住高齢者は全員が躓き転倒のリスクが高い・高リスクに近い領域に分類されることがわかった.(4)大規模・統計的なデータセットと小規模・詳細なデータセットという異種のデータセットに対して身体-認知機能の虚弱を定量的に評価するための手法を提案した.提案手法によりビッグデータから望ましい特徴を抽出し,異種データセット間で比較することが可能になると考えられる.当初計画では把持動作及び移動動作に着目し,把持動作中の脳活動情報と移動動作に関する身体・脳活動情報を活用した基盤技術の開発を目的としていた.
リアルハードウェアニューラルコントローラ多目的進化によるマルチタスク実行

同時に複数のタスクを達成する多目的最適化手法は、日常生活の場へロボットの応用範囲を広げるために必要と考えられる。進化ロボティクスや強化学習ではマルチタスクの問題は良い結果が得られるような効果的な方法が提案されていない。または、シミュレーションで生成したニューラルコントローラーをロボットで実際に実験を行ってきた。この研究ではリアルハードウェアニューラルコントローラ多目的進化によるマルチタスク実行を考えた。19年度に開発した進化アルゴリズムおよびコミュニケーションメカニズムに基づき、20年度はリアルハードウェア進化を使用してマルチタスク実行するロボットを開発した。または、ニューラルネットの構造を小規模にするためにニューラルネットの構造を多目的遺伝的アルゴリズムの目的関数に追加した。まず、シミュレーションで小さいニューラルネットワークを生成しそのニューラルネットをリアルハードウェアで進化させる方法をとった。多目的進化で小さいニューラルネットワークを進化が可能となることを確認した。この研究ではシミュレーションと実験ではe-puckロボットを使用した。この研究は、ハイインパクトジャーナル(IEEE Transactions on Robotics)と国際会議等(IROS, ICRA)で発表した。この研究の結果はVertical newsでも掲載された。この一年間では以下のことを開発した。1.マルチロボットシステムとシミュレータ。2.ロボットーパソコンコミュニケーションできるソフトウエル3.ロボットーロボットのコミュニケーションできるソフトウエル特別なアプリケーションはe-puckロボットを用いてマルチタスク実行を考えた。実際にe-puckロボットを用いてニューラルコントローラーのマルチタスクを進化した。e-puckロボットは、タスク1は環境中に配置されているブザーまで移動する。タスク2は環境中に配置されているライトまで移動する。という異なる二つのタスクを同時に実行した。本研究ではマルチタスク実行のために、タスク1ではライトまで移動するためにe-puckに搭載されているライトセンサを、タスク2ではブザーまで移動するのでマイクセンサを使用した。実験結果に基づいてニューラルネットにより複数のタスクが同時に実行可能であることが確認できた。一回の実行で複数の異なったニューラルコントローラーが得られた。この研究では、ハイインパクトジャーナルと国際会議等で発表した。今後は強化学習を利用して、ロボットは環境の状況に基づいてニューラルコントローラーを選択する研究を行う予定です。または、シミュレーションで生成したニューラルコントローラをロボットで実際に実験を行ってきた。
交感神経活性が心内膜側血流に利する機序-冠slosh現象と心筋内冠動経変化-

交感神経α受容体活性の亢進が冠血管トーヌスを上昇させ、冠動脈slosh現象の抑止効果を介して心内膜側の虚血を改善するという作業仮説に対して、CCD生体顕微鏡を用いて直接的に心内膜側細動脈の拍動性血管径変化を観察することにより直接検証することを目的とした。麻酔開胸下、雑種成犬を用いて、交感神経α受容体活性亢進における拍動性心筋内冠動脈血流および左室心内膜側細動脈径変化を評価するために、ノルエピネフリン(NE)の持続静注状態で交感神経α受容体遮断し、その前後で冠血流動態の評価を行った。高速度CCD生体顕微鏡と光血流マーカにより、心内膜側から心外膜側への血液の移動(slosh現象)が明かとなった。心拍数140bpm時、NE投与後の心筋内血流である第一中隔枝の血流パターンはα受容体遮断前から収縮期逆流が認めた。この逆流はα受容体遮断後、著明に増大した。一方、拡張期順流には、α受容体遮断前後で著変は認められなかった。灌流領域(左回旋枝)の血流量はα受容体遮断後、有意に増大した。α受容体遮断後、心拍数140bpm時のNE投与下の心内膜側血流は増大し、心拍数200bPm時には、この効果は消失し、心拍数250bpm時には、逆に心内膜側血流は減少した。いずれの心拍数においても、α受容体遮断により収縮期逆流の有意な増大が認められ、拡張期順流に対する収縮期逆流の割合、slosh率も有意に増大した。心筋肉細動脈の拍動性(拡張末期から収縮末期にかけての径変化)は心内・外膜側ともにα受容体遮断後、増大した。以上より、心筋収縮による心内膜側から心外膜側への血液の移動(slosh現象)の直接的観察が可能となった。α交感神経刺激は冠動脈Slosh現象に対して抑制効果を示し、特にペーシング負荷に伴う頻拍時には心内膜側心筋血流を維持する効果が示され、心内膜側心筋虚血の改善を示唆するものであった。[目的]交感神経α受容体活性の亢進が冠血管トーヌスを上昇させ、冠動脈slosh現象の抑止効果を介して心内膜側の虚血を改善するという作業仮説に対して、ニードルプローブ型生体顕微鏡を用いて直接的に心内膜側細動脈の拍動性血管径変化を観察することにより直接検証することである。[方法]麻酔開胸下、雑種成犬を用いて、交感神経α受容体活性亢進における拍動性心筋内冠動脈血流および左室心内膜側細動脈径変化を評価するために、ノルエピネフリン(NE、0.25μg/kg/min)の持続静注状態で交感神経α受容体遮断(phenoxybenzamine:0.5mg/kg)し、その前後で冠血流動態の評価を行った。[結果]心拍数140bpm時、NE投与後の心筋内血流である第一中隔枝の血流パターンはα受容体遮断前から収縮期逆流が認めた。

灌流領域(左回旋枝)の血流量はα受容体遮断後、有意に増大した。α受容体遮断後、心拍数140bpm時のNE投与下の心内膜側血流は増大し、心拍数200bpm時には、この効果は消失し、心拍数250bpm時には、逆に心内膜側血流は減少した。いずれの心拍数においても、α受容体遮断により収縮期逆流の有意な増大が認められ、拡張期順流に対する収縮期逆流の割合、slosh率も有意に増大した。心筋内細動脈の拍動性、(拡張末期から収縮末期にかけての径変化)は心内・外膜側ともにα受容体遮断後、増大した(心外膜側前:4%,後:7%心内膜側前:7%,後:12%)。[結語]α交感神経刺激は冠動脈Slosh現象に対して抑制効果を示し、特にペーシング負荷に伴う頻拍時には心内膜側心筋血流を維持する効果が示され、心内膜側心筋虚血の改善を示唆するものであった。[目的]本年度は、われわれの開発した高速度CCD生体顕微鏡(200フレーム/秒)を導入し、光マーカとしてNbマイクロスフェアを用いて心外膜側に比べ拍動性の強い心内膜側の血流を可視化とともに、心内膜側から心外膜側への血液の移動(slosh現象)の可視化も行い、α交感神経刺激に関連する心筋収縮と血流の評価を行う。[方法]麻酔開胸下、雑種成犬を用いて、拍動下心内膜側微小血管の血流および心内膜側から心外膜側への血液の移動(slosh現象)の可視化のために、高速度CCD生体顕微鏡(200フレーム/秒)よる評価を行った。通常光で光る血流マーカ(niobium microsphere,直径215μm,比重1.3)を冠動脈内に投与して心内膜側および心外膜側細動脈と毛細血管における血流の評価を行った。[結果]心内膜側細動脈内血流の評価の結果、細動脈から毛細血管へ向かう血流は拡張期のみに限られ、冠細動脈の圧迫から生じる収縮期には2層性(収縮早期と後期)の逆流が認められた。これは、拡張期に一旦細動脈に入った血液が中枢側(心筋外冠動脈を含む)へ逆戻りすることを意味し、無駄な血液の往復、つまりslosh現象と考えられた。また、この波形は、心外膜側細動脈で観察される収縮期・拡張期にわたる順流血流波形(逆流は収縮早期に限られる)とは、異なるものであった。[結語]高速度CCD生体顕微鏡と光血流マーカを用いることにより、心筋収縮による心内膜側心筋から心内膜側心筋ヘシフトする血流(slosh現象)の可視化が可能となった。
洪水堆積物による観測期以前の災害の復元手法

岩手県北部軽米町大鳥地区の雪谷川左岸において、地質・地形調査を行って、過去の洪水堆積物の分布と年代を明らかにした。堆積物の観察・採取には、比較的簡易に不攪乱試料を採取出来るジオスライサーを用い、部分的にトレンチ掘削を行った。その結果、すでに報告された約2300年前の洪水堆積物に加えて、約5500年前の十和田中掫火山灰の上位に褐色細砂質の洪水堆積物が広く分布していることが明らかになった。このうち、2箇所において洪水堆積物の上下の腐植層の放射性炭素年代を計測したところ、直下の腐植層の年代が5120±50YBPおよび5510±80YBP、直上の腐植層の年代が、4120±40YBPおよび4290±50YBPという値が得られ、洪水堆積物は約4500年前に堆積したことが推定された。雪川流域において1999年に発生した洪水災害(激甚災害指定)の再現期間は約200年と推定されているが、約2300年前の洪水堆積物は、1999年の水洪位よりも約1.1m高所に、約4500年前の洪水堆積物は少なくとも5m以上高所において確認され、災害時の流量はいずれも1999年の洪水を大きく上回ると考えられる。堆積物の位置を洪水位とし、河道形状や粗度係数、動水勾配などのパラメーターが不変であると仮定して、マニンク式によってそれぞれの洪水流量を概算すると、約4500年前の洪水については、1999年の洪水の8倍程度、約2300年前の洪水については1999年の洪水51.5倍程度となる。今後、より正確な流量を推定するには、多点地質調査による洪水位の絞り込みとともに、より詳細な水文学的解析が必要となる。本研究の結果、千年オーダーの時間スケールにおいては、観測記録からは想像出来ないような規模の洪水が起きていることを明らかに出来た。温暖化に伴い降雨強度が増大して災害環境が急変する可能性が指摘されている中で、地質学的証拠を用いて千年オーダーの再現期間を持つ洪水規模を評価出来る手法の見通しを得たことは大きな意義を持つと考える。
複合表面改質処理技術の確立による多機能付与材料の創製と疲労強度信頼性評価

苛酷環境下で使用される機械・構造用材料の表面改質技術の確立による疲労強度向上を目的として、鉄鋼材料に物理的気相蒸着(PVD)法により窒化チタン(TiN)または窒化クロム(CrN)を被覆した試料、およびイオン窒化処理とTiN被覆の複合表面改質処理を施した試料を用いて、疲労強度評価、耐食性評価並びに被膜に存在する微小欠陥除去法について検討した。得られた主な結論は以下の通りである。1.PVD法によって被覆したTiNおよびCrN膜には微小なピンホール欠陥が存在し、これは電気化学的アノード分極曲線の測定によって評価が可能であり、測定に当たっては欠陥が拡幅しない低電位域で測定する必要があることを指摘し、具体的な測定法を提案した。2.被膜に存在する欠陥除去法として、多段被覆処理法を新しく提案した。これはイオンボンバードメントと被覆を繰返すことによって、同一被膜を積層するものであり、その有効性を通常の被覆法との比較によって明らかにした。本手法によって耐食性は著しく向上するが、腐食疲労強度の向上に対しては微小被膜欠陥の分布と欠陥の形状を考慮する必要のあることを指摘した。3.切欠きを有するS35CにTiNを被覆した試験片の疲労試験結果より、切欠き材の疲労強度は被覆処理によって向上し、切欠きに対して鈍感となることを実験的に明らかにした。これは切欠き底近傍の塑性変形が被膜の存在によって拘束されて、き裂発生が遅延するためであることを有限要素法による解析を通じて明らかにした。4.イオン窒化処理、TiN被覆処理およびこれらの複合表面改質処理を施した熱間金型用合金鋼SKD61の大気中疲労試験結果より、いずれの処理材の疲労強度も未処理材に比較して向上するが、複合表面改質処理材の向上が最も大きく、本処理法の有効性が認められた。
応力・熱流束方程式モデルによるエンジン内流動の解析

エンジン内流動の乱流モデルによる解析は2方程式モデル(特にk-εモデル)によるものしかない.しかし,その計算結果は実際のシリンダ内流動を正しく表していない.本研究は応力・熱流束方程式モデルを発展させて,エンジン内流動の解析技術を確立することを目的として計画したものである.その成果は以下のように要約される.(1)応力方程式モデル及び乱流熱流束方程式モデルに含まれているモデル化の妥当性を実測値を基にして検討した.(2)乱流エネルギ成分,レイノルズ応力,温度乱れの分散,及び乱流熱流束のそれぞれの乱流拡散(乱れによる輸送)を表す3次モーメント<UiUjUm>^^^-, <UiUjt>^^^-, <UiUjt_2>^^^-の従来のモデルは,実測値と非常に異なった結果を与えることを見出した.(3)3次モーメントの統計的性質を明らかにするために実験を行い,確率分布,組織的乱流構造との関連等を求めた.(4)既存モデルに改良を施すのみでは(2)で述べた不合理は解決できないために,従来とは全く異なった観点からモデル化を試みた.即ち先ず正規分布からのずれを考慮したキュムラント展開法を用い,流動と伝熱を支配している諸量の近似多次元結合確率は密度関数を導いた.次いでこの確率密度関数から, 3次モーメントを全てスキュウネス・ファクターを用いた移動速度で表した.従って本モデルは既存のような勾配形拡散モデルと本質的に異なっている.(5)本研究で得た多次元結合確率密度関数を用い,応力と熱流束の内部構造を表す動的なモデル関数を開発した.これは,エンジン内流動のような非定常で渦スケールの大きい流動のモデルとして極めて合理的なものである.エンジン内流動の乱流モデルによる解析は2方程式モデル(特にk-εモデル)によるものしかない.しかし,その計算結果は実際のシリンダ内流動を正しく表していない.本研究は応力・熱流束方程式モデルを発展させて,エンジン内流動の解析技術を確立することを目的として計画したものである.その成果は以下のように要約される.(1)応力方程式モデル及び乱流熱流束方程式モデルに含まれているモデル化の妥当性を実測値を基にして検討した.(2)乱流エネルギ成分,レイノルズ応力,温度乱れの分散,及び乱流熱流束のそれぞれの乱流拡散(乱れによる輸送)を表す3次モーメント<UiUjUm>^^^-, <UiUjt>^^^-, <UiUjt_2>^^^-の従来のモデルは,実測値と非常に異なった結果を与えることを見出した.(3)3次モーメントの統計的性質を明らかにするために実験を行い,確率分布,組織的乱流構造との関連等を求めた.(4)既存モデルに改良を施すのみでは(2)で述べた不合理は解決できないために,従来とは全く異なった観点からモデル化を試みた.即ち先ず正規分布からのずれを考慮したキュムラント展開法を用い,流動と伝熱を支配している諸量の近似多次元結合確率は密度関数を導いた.次いでこの確率密度関数から, 3次モーメントを全てスキュウネス・ファクターを用いた移動速度で表した.従って本モデルは既存のような勾配形拡散モデルと本質的に異なっている.(5)本研究で得た多次元結合確率密度関数を用い,応力と熱流束の内部構造を表す動的なモデル関数を開発した.これは,エンジン内流動のような非定常で渦スケールの大きい流動のモデルとして極めて合理的なものである.エンジン内流動の乱流モデルによる解析は2方程式モデル(特にk-εモデル)によるものしかない。しかし、その計算結果は実際のシリンダ内流動を正しく表わしていない。本研究は応力・熱流束方程式モデルを発展させて、エンジン内流動の解析技術を確立することを目的として計画したもので、本年度の成果は以下のように要約される(1)応力方程式モデル及び乱流熱流束方程式モデルに含まれているモデル化の妥当性を実測値を基にして検討した(2)乱流エネルギ成分,レイノルズ応力,温度乱れの分散,及び乱流熱流束のそれぞれの乱流拡散(乱れによる輸送)を表す3次モーメントuiujum,uiujt,【uit^2】の従来のモデルは、実測値と非常に異なった結果を与えることを見いだした。(3)3次モーメントの統計的性質を明らかにするために実験を行い、確率分布,組織的乱流構造との関連等を求めた。(4)既存モデルに改良を施すのみでは(2)で述べた不合理は解決できないために、従来とは全く異なった観点からモデル化を試みた。即ち先ず正規分布からのずれを考慮したキュムラント展開法を用い、流動と伝熱を支配している諸量の近似多次元結合確率密度関数を導いた。次いでこの確率密度関数から、3次モーメントを全てスキュウネス・ファクターを用いた移流速度で表した。従って本モデルは既存のような勾配形拡散モデルと本質的に異なっている。(5)本研究で得たモデルの妥当性を検証するためにモデルを管内流,境界層流れ,壁面噴流,混合層等の流れに適用した結果、極めて良好な予測が得られることが明らかとなった。
メディア・オーケストレーションを用いた社会系教材開発の基礎的研究

4年間の研究成果としては、電子教科書『ドイツ』と附属した教師用指導書を開発したことにある。パイロット的研究においては、そのプロトタイプをなす電子教科書のページのスタイルを試作、ついで、メディアがオーケストラした電子教科書『ドイツ』本体を、最後にその教師用指導書を完成した。1研究初年度にあたる本年は、4年間を見通しての社会系のメディア・オーケストレーション教材の開発の基盤構築と試案作成を目標として、主要設備であるCPを購入し、ハード面でのシステム構築とそれらへの習熟に努めた。2新しいOSならびにソフトを導入し、それら自体のこの研究への親和性を高めることから開始した。また、画像関連機器、音声関連機器など、メディア・オーケストレーション教材作成のための必要機器や関連ソフトに関する検討を行い、統合的なシステム環境を構築することを構想した。3教材内容設計にあたっては、日本の社会系の教科書・教材、教材ソフトのみならず、本年度は、特に、仏国のそれらを参考に、この種のメディア・シンセシス教材を開発する際のマニュアルを同時に開発できるよう留意している。4教材開発の内容として必要な資料のうち、日本で収集できないものについては、当該国での研究代表者による収集が、著作権フリーな画像・映像・音声などについて必要不可欠とされることから次期教材に想定している外国及び日本の世界遺産/生活文化について、事前・事後の研究の上に実施された。当該国に関してメディア・オーケストレーション教材に統合しうる可能性を有する関連資料を大韓民国の世界文化遺産や生活文化について、また、江戸時代の生活文化遺産について調査し資料収集を実施した。5最初に完成予定のメディア・オーケストレーション教材(ドイツの世界遺産/生活文化)は、児童・生徒に極めて親和性を感じるインターフェイスの設計も課題として取り組んだ。メディア・オーケストレーション電子教科書のモデルを複数作成し、検討を行い、部分的な教材作成の準備に着手した。中間的成果は、平成23年に、学会発表または論文発表を予定している。(1)研究2年目にあたる本年は、メディア・オーケストレーションを用いた社会系教材ソフト開発のためのモデルプラン作成を第1の目標に研究をすすめた。具体的には電子教科書ソフトとして『ドイツの世界遺産歴史遺産生活文化<ドイツの東部/西部/南部/北部を巡る>』(『ドイツ』と略称)の作成をすすめ、全体的な構想を検討するとともに、全体の13分の1に相当する最初のページ「1-1ドイツの概要」をOSフリーなパイロット的な部分的教材開発として試み、成果を論文としてまとめた。その際、教材内容の開発にあたっては、対象国であるドイツを地理/歴史/公民を総合して学習することを一方の柱とした。また、ドイツの地方ごとの特色をいかし、それぞれの地域に関わる世界遺産や歴史遺産、さらには生活文化を取り上げて学習させることからドイツ全体の概観ののち、ドイツを4つの地域に分けて学習することを他方の柱とした。(2)パイロット的に開発した表紙と目次の画面はドイツの国旗の配色をそのまま採用し、第1ページ以下の画面はそれを淡色とし操作性を考慮して縦横の配列を変換した。各ページ(画面)は5フレーム構成をとり、そこにテキスト、テキスト関連資料、アイコン的画像、拡大画像がリンクした形態となっている。(3)本研究は、研究代表者自身が教材を開発するのみにとどまらず、そのノウハウを含めて開示することで、興味・関心をもつ中学校/高等学校の教員に、どのようにすれば、簡単に電子教材が開発できるかを明示しようと試み、1つのページを構成する5つのパートすべてのスクリプトを示した。それが、『教育文化』に投稿、採択された論文の骨子をなしている。(4)目下は、13ページ(予定)に及ぶ教材ソフトを完成させることと、これを、授業に活用できる学習指導案をセットで開発することに鋭意取り組んでいる。メディア・オーケストレーション電子教科書の開発の完成年度にあたる平成25年度は、平成22年度のパイロット的教材校正、平成2324年度の本格的な電子教科書開発をふまえ、『ドイツ』についての電子教科書とその教師用指導書(マニュアル)作成が全面的に実施された。結果は、「メディア・オーケストレーション電子教科書の開発(3)』(B5全70ページに及ぶ)論文にまとめられた。その内容は電子教科書教材ソフト『ドイツ』の基本的な設計に始まり、具体的な教材設計、開発のねらい、「他国理解」を通して世界遺産から文化遺産さらには生活遺産までを学習させる意図、電子教科書を用いた学習指導案、電子教科書各単元の考察(ドイツの概要に始まり、ドイツを東部、西部、南部、北部にわけそれぞれの歴史と文化について学習させる電子的な本文、映像、資料の配置とその意図)、成果と課題、からなる。成果としては、中等社会系教科あるいは総合的な学習で使用可能な教材ソフトを開発することができた。総合性をもちながらも、多様性のある「ドイツ」について、空間的な区分を設定した教材を開発することで、それぞれのローカルな特色をつかませるとともに、各学習で扱われる世界遺産から生活文化を通じてそのグローバルな意義にも気づかせる内容となった。方法面の成果の第1は、はとんどMacにバンドルされているテキスト・エディット(WINのメモ帳に相当)のみで、OSフリーで汎用性に富む教材開発の可能性を実際に提示することが出来た。また、色彩をうまく使用することで、インターフェース自体がドイツという学習内容をシンボライズする者に出来た。開発したスクリプトを公開することで、興味。

関心をもった教師、研究者が同様の、あるいは改良した教材を開発する可能性に道を開いた。今回は使用しなかったが、音声ソフトと連携する教材ソフトへと展開していくことが課題である。本研究の3年目にあたる平成24年度は、以下の成果と結論に至った。1)平成24年9月8日同志社女子大学で開催された日本グローバル教育学会第20回全国大会において「世界遺産から生活文化までの教材開発ーメディア・オーケストレーション電子教科書/単元『ドイツ』」と題する口頭発表を行った。2)当該研究が、京都新聞(夕刊)平成24年9月13日(8面)および、京都新聞ホームページに掲載されたので、研究成果の新聞掲載等報告書を提出した。3)開発した教材ソフトをUSBメモリーにいれ、何人かの研究者に配布し、ピアーレビューを依頼し、改善点についての回答を得た。4)研究成果を「メディア・オーケストレーション電子教科書の開発(2)『ドイツ』」と題する論文にまとめ、『教育文化』第22号(同志社大学社会学部教育文化学研究室、平成25年3月20日)に発表した。5)平成24年1月以降現在に至るまで、これまでのOSフリーな中等向き教材ソフト開発を基礎に、初等向きの教材ソフト開発を継続中であり、平成25年度には、実際に任意の小学校で使用可能なものとすべく鋭意研究を推進している。6)メディア・オーケストレーション電子教科書の開発をすすめている『ドイツ』については、平成25年度中に、全体を包括し、考察を加えて、論文としてまとめて報告する予定であり、投稿準備中である。研究実績において説明したように、電子教科書教材開発のための単元『ドイツ』のパイロット的な部分は完成をみている。また、それについては成果を論文として公表した。また、教材ソフト全体の開発についての概略はできており、目下、本文に対応したメディアとの結合(オーケストレーション)をはかる作業を行っている。この第一の電子教科書については来年度成果をまとめて公表する予定である。また、これに続く、電子教科書の単元開発のための各種の素材や資料の収集も併行しておこなっている。ただし、科研費の総額の決定がおくれたので、海外の現地での資料調査はとりやめ、その分を関連資料の購入にあてるという変更が生じた。25年度が最終年度であるため、記入しない。1)平成24年9月8日同志社女子大学で開催された日本グローバル教育学会第20回全国大会において「世界遺産から生活文化までの教材開発ーメディア・オーケストレーション電子教科書/単元『ドイツ』」と題する口頭発表を行ったが、参加者から、多くの肯定的評価の意見をいただくことが出来た。2)当該研究が、京都新聞(夕刊)平成24年9月13日(8面)および、京都新聞ホームページに掲載された結果、多くの研究者また教育現場の方々から、興味をもって受け止められ、新たに初等版を作成することを懇請された。
関節リウマチ発症予防戦略のための、Th17細胞の炎症性サイトカイン産生機構の解明

本研究では、関節炎未発症抗CCP抗体陽性者の末梢血T細胞を解析し、関節リウマチ発症に関連したT細胞機能異常を明らかにすることを目的とする。蛋白のシトルリン化をつかさどる酵素であるPAD(protein arginine deiminase)や、脂肪酸代謝がTh17細胞分化を制御することに着目して検討を行う。
孤立地域対応データベースの構築と孤立自治体対応マニュアル作成必要項目の抽出

本研究では、2011年台風12号豪雨水害において被災かつ孤立した地域における自治体の公式ツイッターアカウント等から発信された情報の内容を整理したデータベースを構築した。発信された情報が拡散された量を拡散値として定義し、データベースを拡散値に着目して分析した。そして災害時におけるツイッターをはじめとした情報発信の状況に関するインタビュー調査を実施して孤立した地方自治体での対応マニュアルの作成に必要な項目を抽出した。本年度は、昨年度構築した孤立地域対応データベースの拡充と、データベースの組織、時間や空間など様々な視点からの分析を目的とした孤立地域対応ウェブ分析システム構築の第一段階として、ソーシャルメディアの一つであるtwitterから発信された各地域の情報を比較分析して情報発信主体の違いによる内容の変化を評価した。そして孤立した地方自治体での対応マニュアルの作成に必要な項目の一つとして災害発生後における地方自治体をはじめとした災害対応に関連する組織の情報伝達手段としてtwitterの位置づけを既往のものの特性を踏まえて検討した。具体的には、平成23年台風12号豪雨災害で孤立した地域が発生した和歌山県新宮市、那智勝浦町を対象として自治体の公式twitterアカウントの運用体制と発信した情報の内容を中山間地域の生活の枠組みの視点から時系列分析した。その結果、両市町とも生活の基盤を支えるインフラ、ライフライン、行政に関する情報が発信されていたほか、義援金やボランティア募集など外部からの支援に関する情報発信が多かったことが明らかとなった。昨年度対象とした十津川村出身者によるアカウントから発信された情報と比較すると、上記以外の住民の生活に直接関わる情報の提供が不足していたことが明らかとなった。またアカウントの運用体制は職員13人で構成されていた。発災直後は行政の公式窓口が携帯電話によるインターネットしか利用できず、twitterが唯一であった。このことから情報伝達手段の多重化と、情報に係る人員の確保が課題であることが明らかとなった。以上を踏まえて、災害発生後における地方自治体をはじめとした災害対応に関連する組織と地域住民との情報伝達手段としてのtwitterの位置づけを既往の情報伝達手段の特性を踏まえて、被災地外部に向けた情報の伝達と、公式窓口のバックアップ、情報に係る人員確保の3点から提案した。本年度では、平成23年台風12号豪雨災害において孤立した事象と自治体をはじめとした組織の対応に関する記録や調査結果を時間や空間、サービス内容など様々な入力項目を設定した孤立地域対応データベース構築の第一段階として、ウェブで公開された情報を元データとしたデータベース構築を行った。具体的には、この豪雨災害で孤立した地域の一つである奈良県十津川村を対象地域として、ソーシャルメディアの一つであるtwitterの運用体制とアカウントに記載された地域の状況を収集し、様々な視点から分析を行った。はじめに十津川村役場において役場としての対応と住民や外部との情報伝達手段の実態について調査した。十津川村役場では豪雨の時点で固定電話と携帯電話とインターネットが利用できなかったが、防災行政無線は利用できた。役場は無線機を用いて現地にいる消防隊員を経由して地域への情報伝達を行った。また奈良県との情報のやり取りもこの無線を用いて行った。twitterの運用も検討したが、職員の不足により運用する余裕がなかった。そして村出身者が運用者となって村の被害/復旧状況と必要な支援に関する情報を発信したtwitterの個人アカウントで掲載された情報が他のユーザーに認知された量を拡散値として、情報発信経路と情報の種別の視点から分析した。その結果、口コミ情報より公的組織やマスメディアによる発信の方が拡散値が高いこと、被災地のガソリン不足や被災者の物資の要望についての話題について拡散値が高いこと等が明らかとなった。そして大規模災害時において中山間地域にある複数の情報伝達手段の一つとしてのソーシャルメディアの位置づけに関する提案を行った。また台風12号豪雨災害の概要についてはモンゴル国で開催されたUSMCA2012で発表し、都市の安全、とくに気候変動の研究者から意見があった。平成24年度の研究実施計画にあるウェブで公開された情報を元データとしたデータベースの構築は、twitterで公開された情報によって行われている。データベースに設定する項目も計画にあるサービス内容に従っている。資料では読み取れない被災地での活動状況については現地でのインタビュー調査で補った。分析によって得られた成果は、今後の災害対応のうち特に孤立した地域からの情報発信に必要となるものであることから、データベースの元データがtwitterのものに限定されたものの、研究実施計画の想定を上回るものである。孤立地域対応データベースを地域で発生した事象と組織の対応の2つに分類し、それぞれ関連した組織、時間や空間など様々な視点からの分析を目的としたウェブベースのシステムのプロトタイプを構築する。既往の研究で、組織の対応について様々な視点からの分析が可能なシステムを構築しているが、今回はそのシステムをもとに地域で発生した事象と組織の対応の関連ができる機能を設定する。これにより、被災地で起こっている状況に対する対応の位置づけを評価できる。地方自治体をはじめとした組織の対応を地域で発生した事象と比較しながら、役割分担と調整(組織デザイン)、業務内容とその段取り(業務プロセス)、および情報の取り扱い(情報マネージメント)の視点から分析し、孤立した地方自治体での対応マニュアルの作成に必要な項目を抽出することをねらいとしている。

はじめに対象地域の地域防災計画および防災マニュアルを孤立地域対応データベースと同じ入力項目でデータベース化する。そして孤立地域対応データベースの内容と比較しながら、組織デザイン、業務プロセス、情報マネージメントの視点から、地域防災計画の内容に不足している部分を抽出する。また、実際の組織の対応についても、先述の3つの視点から分析することによって、業務のボトルネックとなっている部分を把握でき、その改善点を抽出する。そして上記の2段階から得られた内容について、実際に対応した職員にヒアリング調査、もしくは図上訓練をはじめとした演習を行い、現実の対応に適用できるかについて評価する。これら一連の手順を踏まえて抽出された内容が。孤立した地方自治体での対応マニュアルの作成に必要な項目である。本年度はデータベースの元データをtwitterのみとしたこと、物品費として予定していたパソコンを研究機関にあるもので代用したことから、当初の研究費の使用計画より減少した。次年度では、被災地域に本年度の成果を示すことをねらいとした携帯端末の購入と、被災地の状況に関する紙媒体の資料をデータベース化するために人件費・謝金として使用する予定である。
地震災害軽減と沖積層基底礫層実態把握のための濃尾平野表層地質の解明

濃尾平野臨海部と大江と鍋田で掘削されたボーリングの泥質コアの火山灰分析が行われ,鬼界アカホヤテフラ(K-Ah,約7000年前)など,数層の広域テフラ(広域に分布する火山灰層)が検出された.これに基づき平野表層の地下地質を検討した結果,従来と異なる新しい見解に達した.すなわち,濃尾傾動運動(西方に傾動)による沈降は,平野西部より東部が遅れ,かつ東部では小規模と認識されていた.しかし,平野東部の海成粘土層は,より早期から,かつ厚く堆積している.この事実は,濃尾傾動運動は絶え間なく進行したのではなく間欠的であった可能性を示唆している.濃尾平野臨海部と大江と鍋田で掘削されたボーリングの泥質コアの火山灰分析が行われ,鬼界アカホヤテフラ(K-Ah,約7000年前)など,数層の広域テフラ(広域に分布する火山灰層)が検出された.これに基づき平野表層の地下地質を検討した結果,従来と異なる新しい見解に達した.すなわち,濃尾傾動運動(西方に傾動)による沈降は,平野西部より東部が遅れ,かつ東部では小規模と認識されていた.しかし,平野東部の海成粘土層は,より早期から,かつ厚く堆積している.この事実は,濃尾傾動運動は絶え間なく進行したのではなく間欠的であった可能性を示唆している.本課題は,泥質堆積物のテフラ分析(火山ガラス屈折率測定)である.当初の計画では,濃尾平野内の地盤沈下観測井に保管されているボーリング・コアを分析する予定であった.しかし,許可の手続きに手間取ることが予想され,年度内に分析の終了が懸念されたため,研究室で保管していたコアを分析した.これは,平野東縁部(名古屋市港区大江町)で実施された掘削深度が70mのボーリング・コアで,沖積層から中部更新統の海部・弥富累層まで達している.このコアにはさまれる泥層のほとんどを分析した.その結果,詳細な地下地質が明らかになるとともに,地下地質の特徴や,従来の認識と異なる点などが判明した.とくに広域テフラのうち,鬼界アカホヤテフラ(K-Ah,約7千年前),琵琶湖底のBT36(約12万年前),阿多鳥浜テフラ(Ata-Th,約24万年前)の3層が特定され,さらに多摩TE-5テフラ(約35万年前)の1層を特定できる可能性を見出した.広域テフラの年代から,沖積層海成粘土層の上部はおよそ7千年前,海部・弥富累層の上部は約24万年前なども判明した.本課題のテフラ分析から,興味深い成果が得られたので,「濃尾平野東縁部浅層の地下地質」(仮題)と題して論文原稿を執筆中であり,夏までには,日本地質学会の論文誌『地質学雑誌』に投稿できる運びに至っている.本課題は,泥質堆積物のテフラ分析(火山ガラス屈折率測定)である.当初の計画では,濃尾平野内の地盤沈下観測井に保管されているボーリング・コアを分析する予定であったが,収集に時間がかかる懸念があったので,大学の予算で掘削したコアの一部を分析した.このボーリングは濃尾平野臨海部(鍋田干拓地)で行われ,掘削長は約63m,沖積層基底礫層を掘り抜き,基底は熱田層下部の海成粘土層の上部に達している.分析に供したのはこのうちの下半部のコア41試料(交付額のほぼすべて.1試料は大学の予算)である.分析結果からは濃尾層に挟まれる広域テフラの姶良Tnテフラ(AT)の検出が期待されるが,現在,鋭意解析中である.一方,平成21年度の分析結果は,「濃尾平野東部の地下地質」と題して,平成22年7月に,日本地質学会の論文誌『地質学雑誌』に投稿し,現在査読中である.本稿の主要な成果は,以下の3点である.(1)琵琶湖底に挟まれているB75-2テフラが,熱田層下部海成粘土層(D3L)に挟まれており,その層準は,臨海部ではD3L下部,東部ではD3L上部にあたり,D3Lの堆積は東が早く,日は遅れた.(2)熱田層の下位の海部・弥富累層には,阿多鳥浜テフラ(Ata-Th)を挟む厚い(1015m)海成粘土層が認められる.濃尾平野は西に傾動しており(濃尾傾動地塊),平野東部では傾動による沈降が小規模であるにもかかわらず,このような厚い海成粘土層が堆積していることが何を意味するのか,今後の課題である.(3)濃尾平野は,西への傾動を継続的に続けて来たと考えられているが,上記の(1)(2)の事実から,傾動運動は間欠的であった可能性があり,この点についての検討の余地が生じている.本課題は,泥質堆積物のテフラ分析(火山ガラス屈折率測定等)である.当初の計画では,濃尾平野内の地盤沈下観測井に保管されているボーリング・コアを分析する予定であった.しかし,大学の予算でオールコア・ボーリングを実施できたので,このコアの一部を分析した.このボーリング・サイトは濃尾平野臨海部(鍋田干拓地)に位置し,地表面の標高は約-1m,掘削長は約63mで,軟弱な沖積層,第一礫層(沖積層基底礫層)を掘り抜き,熱田層下部に達している.

このボーリングでは,南陽層(沖積層),濃尾層,第一礫層(沖積層基底礫層),熱田層下部が認められ,それぞれの基底面の深度は,南陽層が約40m,濃尾層が約50m,第一礫層は約60m,そしてこれ以深が熱田層下部である.南陽層は深度約10m以浅が砂層,以深は海成粘土層である.濃尾層は上半部が砂層,下半部は主に泥層(非海成)からなる.第一礫層は礫層である.熱田層下部は海成粘土層からなる.深度6339mの泥質コアは,平成22年度の補助金で分析しているので,23年度はこれより上位で,深度3929mの南陽層下部にあたる海成粘土層を20cm間隔で50試料を分析した(補助金19試料,大学予算31試料).現在,22年度の結果をも含めて解析中であるが,以下の広域テフラを検出している可能性がある.1)深度3435m付近(南陽層下部の海成粘土層);K-Ah(鬼界アカホヤテフラ;約0.7万年前)2)深度3839m付近(南陽層基底部の海成粘土層);U-Oki(欝稜隠岐テフラ:約1.1万年前)3)深度4446m付近(濃尾層中部の泥層);AT(姶良Tnテフラ:約3万年前)4)深度6062m付近(熱田層下部の海成粘土層);Aso-3(阿蘇3テフラ:1213万年前)広域テフラの確認のために,引き続き,解析中である.濃尾平野において,1本のボーリングから広域テフラを数多く検出できる可能性が生まれたことは,ある程度,満足できる結果と言える.まだ分析されていないさらに上位の海成粘土層からも広域テフラの検出が期待できる.年代が明白な広域テフラを数多く検出できれば,軟弱地盤である沖積層に多くの時間面を挿入することができ,各層準(上下方向の各部分)の年代,堆積過程,および地盤工学的特性などの解析が可能となり,(巨大)地震の際に注意すべき点を指摘できることが期待される.
剪断流動場における液晶電気対流の乱流－乱流転移とレオロジー

本実験系で発見された負の粘性現象に関しては,印加する交流が50Hz,150Vのときにせん断応力とせん断速度の関係にS字特性があることがわかっていた。交流の周波数を増加させていったところ,S字特性は433Hzで単調増加特性(通常の粘性液体)になった。この周波数変化は,強磁性体等の相転移と類似していることがわかった。この現象を理論的に説明するために,エリクセン・レスリーモデルに基づく解析を行った。試料は乱流状態にあるため,流動場中の液晶分子の平均配向を仮定し,実験結果を再現することができた。負の粘性現象により自発的せん断流が発生するため,液晶モーターに応用する事ができる。そこで,MBBA液晶のモーターとしての効率の概算を行った。さらに,せん断応力とせん断速度の関係にS字特性があることから,レオメーターのセンサーに復元力を生むバネを取り付けると自励振動が予想され,実際にこれを実験で確かめ,さらに理論モデルと数値シミュレーションでこの現象を説明した。上記の研究結果がPhysical Review E誌に掲載された。これが本年度の最も大きな成果であった。MBBA液晶の場合は,50Hz,30V付近でDSM1とDSM2の乱流ー乱流転移が起きることがわかっている。この転移点近傍で粘性が特異的に変化することを予測していたが,実際に測定したら捉えられなかった。ただし,現有のレオメーターでは粘性の僅かな変化が計測できない可能性もある。液晶分子の平均配向を光散乱で実験的に計測する事も試みているが,現時点ではまだ成功していない。また,MBBA液晶にEBCA液晶を混合すると,乱流状態で縞状パターンが出現するが,縞に由来する配向分布を実験で特定することは困難であった。これらの未解決の課題については,今後も研究を続ける。本研究の成果を社会に還元する目的で,ひらめきときめきサイエンスを実施した。初めに,実験システムの製作を行った。現有のレオメーターに顕微鏡スコープを付けて粘度測定と内部観察を同時に行えるようにした。レオメーターの試料設置部は複雑な形をしているため,3次元加工機を用いてカメラを取り付けるための台を作成した。液晶は棒状分子である,長軸方向の誘電率と短軸方向の誘電率が異なる。この差が異方性で有り,液晶電気対流の構造と深く関わる。誘電異方性が負の液晶のMBBAに正の液晶のEBCAをわずかに混合し,様々な誘電異方性の試料を製作して粘度測定を行った。誘電異方性が負の場合のみ,高電圧での粘性率の減少が起き,正の場合は単調増加であった。試料の誘電異方性は重要な定数であるので,これを正確に測定する誘電率測定システムの製作を行った。液晶は磁場で分子の配向方向が変わるので,液晶セルを電磁石の中に入れて誘電率測定を行う必要がある。その為,磁気的に透明なアルミにヒーターと電極を取り付けた試料台を製作した。そして,誘電率測定装置にそれを取り付けた。誘電率は印加電場の周波数によって変わるため,30Hzから10kHzまでの間で必要な周波数の誘電率の測定を一定温度で自動測定するためのソフトウェアを製作した。MBBAとEBCAの混合試料ではある条件下で乱流が縞状になる。この縞状乱流が出現する電圧,誘電異方性の条件を実験的に調べた。縞状乱流は誘電異方性が0近くの試料にのみ高電圧下で現れた。縞の間隔はほぼ液晶の層の間隔と同じであった。本研究を社会還元する目的で,ひらめき☆ときめきサイエンス「液晶科学への誘い」を行った。予定していた粘度計の改造は,最も難しいもの以外は完成し,粘度測定とカメラでの内部観察を実施できた。また,誘電率の測定システムも満足のいく性能のものが完成した。縞状乱流の出現条件も特定できた。従って,予定していたことはほぼ実行できたと考えている。ネマチック液晶の電気対流状態において,高電圧下の見かけの粘性が液晶の無電場下での最小粘性値よりも低くなる事がわかっており,これは負の電気的応力に起因すると推察していた。そこで,電気的応力の大きさを実験で測定することを試みた。ネマチック液晶MBBAに交流電圧を繰り返し印加し,電場を除去する前と直後の剪断応力の変化から電気的応力を測定する実験を行った。2種類の剪断速度の下で25秒毎に60Hz,20Vから170Vの交流の印加と除去を行い,5回の繰り返しについて剪断応力の時間変化から平均のせん断応力を求めた。剪断応力は液晶の粘性応力と電気的応力からなり,電場を切った直後も複雑な対流構造が残っているため,電場除去の前後の応力と電場下での応力の差から粘性応力と電気的応力を推定した。その結果,電気的応力は負であり,その絶対値は電圧が増えるにつれて増加することがわかった。また,予測どおり電気的応力は剪断速度に依存しなかった。一方,2つの剪断速度での粘性応力から,粘性応力は剪断速度に比例することがわかった。これらの結果は理論的予測と一致した。さらに,3.93[1/s]の低剪断下では110V以上で粘性応力と電気的応力の和が負になるという非常に興味深い結果が得られた。

低剪断流動場では粘性が負になることは驚くべき結果である。事前に予期していなかった大きな発見と言える。この実験結果を受け,剪断速度を-6[1/s]から+6[1/s]までスイープし,-6[1/s]まで戻した場合のせん断応力を測定したところ,剪断速度とせん断応力の関係に履歴が生じることが判明した。履歴の存在は負の粘性状態が存在することに由来する。現在,この負の粘性状態についての研究を行っている。低剪断場下で粘性応力と電気的応力の和はが負になるということは,見かけ上,負の粘性状態が実現したことになる。これは元々予測していた事ではないが,非常に大きな発見と言える。大きな発見ができたという意味で,本研究は順調に進展していると判断した。本研究課題では,MBBA液晶の電気対流下でのレオロジー的性質を研究する。この実験に高精度の粘度計(ドイツ製のレオメーター)を使用する。この粘度計のデータが信頼できないような値になった事に気が付いたため,粘度計標準液を使って粘度計の校正を試みた。しかし,測定されるべき値と測定値の差は大きく,この差を用いてソフトウエアで補正する様な事はできないと判断した。その為,平成30年12月に粘度計の修理を購入業者に依頼した。修理に必要なドイツ製部品を取り寄せるために2ヶ月かかり,修理が終わったのは2月中旬になった。その為,今年度に計画していた実験が不可能となり,研究期間延長の申請をし,それが認められた。前年度に発見した負の粘性現象に関しては,現有のレオメーターで実験ができないため,北大の折原教授の研究室で実験を行って頂いた。せん断応力とせん断速度の関係は,せん断応力制御で実験すると履歴曲線が現れ,せん断速度制御で実験するとS字特性が表れることがわかった。この履歴曲線は,強磁性体の強磁性相転移における磁場と磁束密度との関係と類似していることから,電気対流下のMBBA液晶を"ferrovisous fluids"と命名した。負の粘性は大腸菌分散溶液で報告されているが,本実験系の負の粘性の絶対値は大腸菌の系の数百倍も大きいという特徴を持つ。これらの研究成果を物理学会の統計力学分野のシンポジウムで報告した。また,2018年7月に開催される液晶国際会議で口頭発表する事を認められている。実験装置が故障したため,その対応に非常に多くの時間が取られ,計画していた実験ができなくなった。しかし,負の粘性現象について他機関の実験装置を利用して研究を行い,一定の進展があったので,総合的に「やや遅れている」という評価にした。本実験系で発見された負の粘性現象に関しては,印加する交流が50Hz,150Vのときにせん断応力とせん断速度の関係にS字特性があることがわかっていた。交流の周波数を増加させていったところ,S字特性は433Hzで単調増加特性(通常の粘性液体)になった。この周波数変化は,強磁性体等の相転移と類似していることがわかった。この現象を理論的に説明するために,エリクセン・レスリーモデルに基づく解析を行った。試料は乱流状態にあるため,流動場中の液晶分子の平均配向を仮定し,実験結果を再現することができた。負の粘性現象により自発的せん断流が発生するため,液晶モーターに応用する事ができる。そこで,MBBA液晶のモーターとしての効率の概算を行った。