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科学教育政策の投資効果を評価・予測するための経済学アプローチに関する基礎的研究

本研究では,科学教育の研究者と経済学(労働経済学,数理経済学)の研究者が学際的に共同することで,科学教育に固有な教育政策の投資効果を評価・予測するための分析フレームワークと新しい評価方法論・予測方法論を開発した.このことを通して,科学教育政策の立案に向けて科学教育研究の立場から実効性のある提案を行うための学術基盤を構築できた.本研究では,科学教育の研究者と経済学(労働経済学,数理経済学)の研究者が学際的に共同することで,科学教育に固有な教育政策の投資効果を評価・予測するための分析フレームワークと新しい評価方法論・予測方法論を開発した.このことを通して,科学教育政策の立案に向けて科学教育研究の立場から実効性のある提案を行うための学術基盤を構築できた.本研究の目的は,科学教育の研究者と経済学(労働経済学,数理経済学)の研究者が学際的に共同し,科学教育に固有な教育政策の投資効果を評価・予測するための分析フレームワークと新しい評価方法論・予測方法論を開発することである.このことを通して,科学教育政策の立案に向けて科学教育研究の立場から実効性のある提案を行うための学術基盤を構築する.平成22年度では,文献研究と実地調査をベースとして,科学教育政策の投資効果を分析するためのフレームワークを策定することを行った.具体的には,下記の通りである.(a)文献・資料の収集とデータベース整理科学教育関連図書や経済学関連図書およびこれらの領域の学術論文を収集,レビューし,本研究の基盤となる先端的な知見の集約を行った.関連図書や学術論文に関する研究資料については,データベース化を進めており,基礎資料の有効活用を目指す.(b)国内の訪問調査国内の研究機関等を訪問し,科学教育政策の教育効果や費用配分に関する文献資料や関係者を対象とした予備的調査を行った.(c)分析フレームワークの策定(a)と(b)に基づいて,科学教育政策の投資効果を分析するためのフレームワークを暫定的に策定した.フレームワークの構成要素として,現段階では,費用配分の測定指標(人的資源,大型設備,小型設備,教材,受益者,その他),教育効果の測定指標(理系進学者数,試験成績,科学の好嫌,職業観形成)などが同定された.本研究の目的は,科学教育の研究者と経済学(労働経済学,数理経済学)の研究者が学際的に共同し,科学教育に固有な教育政策の投資効果を評価・予測するための分析フレームワークと新しい評価方法論・予測方法論を開発することである.このことを通して,科学教育政策の立案に向けて科学教育研究の立場から実効性のある提案を行うための学術基盤を構築する.平成23年度では,下記の3点を実施した.(a)文献・資料の収集とデータベース整理科学教育関連図書や経済学関連図書およびこれらの領域の学術論文を収集,レビューし,本研究の基盤となる先端的な知見の集約を行った.関連図書や学術論文に関する研究資料は,データベース化し,基礎資料の有効活用を目指した.(b)国内外の訪問調査国内及び諸外国の研究機関等を訪問し,科学教育政策の教育効果や費用配分に関する文献資料や関係者を訪問して研究資料を収集した.海外の調査予定地は,アメリカの科学教育研究の国際会議(NARST2011)であった.(c)分析フレームワークの精緻化昨年度と今年度の成果に基づいて,暫定的な分析フレームワークの精緻化を行った.本研究の目的は,科学教育の研究者と経済学(労働経済学,数理経済学)の研究者が学際的に共同し,科学教育に固有な教育政策の投資効果を評価・予測するための分析フレームワークと新しい評価方法論・予測方法論を開発することである.このことを通して,科学教育政策の立案に向けて科学教育研究の立場から実効性のある提案を行うための学術基盤を構築する.平成24年度では,下記の3点を実施した.(a)文献・資料の収集とデータベース整理:科学教育関連図書や経済学関連図書およびこれらの領域の学術論文を収集,レビューし,本研究の基盤となる先端的な知見の集約を継続した.関連図書や学術論文に関する研究資料は,データベース化し,基礎資料の有効活用を目指した.(b)学校教育を対象とした科学教育政策事例の投資効果の評価・予測:教員の指導力向上,教育環境の充実,児童生徒の興味・関心や資質・能力の向上などの我が国の科学教育政策を事例として,それらの投資効果の評価・予測を行った.研究成果の公表はまだ準備中であるが,その他の計画は予定通り実施できている.24年度が最終年度であるため、記入しない。研究計画調書に記載した通り,評価方法論と予測方法論の開発,学校教育を対象とした科学教育政策事例の投資効果の評価・予測に着手する予定である.24年度が最終年度であるため、記入しない。
新規機能性ゲルを用いた携帯が可能な血液浄化器の開発

全世界の末期腎不全のために加療中の患者数はおよそ100万人と推定されるが、そのうちわが国には20万人の患者がいる。代表的な治療の1つである血液透析法は1回5時間の治療を週3回病医院で受けなければならないため、患者のQOLは決して高くない。また、月に12回程度の通院で済む腹膜透析法は、QOLが高い治療法といわれているが、5年以上の長期治療により種々の合併症を併発することから、世界的に患者数は激減している。本研究の目的は血液透析膜と治療に必要な透析液とをゲルを用いて一体化することで、携帯が可能な血液浄化システムを構築することである。ゲル内に分散させた吸着体は、拡散除去された溶質を吸着または分解してゲル内を長期間低濃度に保つために二次的に作用する。平成12年度に行った水溶液系実験で、本モジュールの有用性は十分に確認されていたが、本年度は血液系実験で、モジュールの十分な性能を確認することができた。また、吸着体としてはこれまでは微粉炭の流出を抑制するために、粒状の活性炭を用いてきたが、これを敢えて粉末(微粉)炭に変更することで、モジュール作製の際の重力の影響を極力排除し、均一なゲルを作製することができた。このモジュールを用いた水溶液実験の結果、粒状炭では100時間程度であったモジュールのライフタイムを、350時間まで延長することに成功した。これは体内埋め込み型血液浄化器への可能性を示唆するものといえる。長時間の検討はin vitroの血液系では評価が難しいので、今後は、動物実験で本モジュールの有用性を確認したい。わが国の慢性腎不全患者数は、平成12年末現在およそ20万人を越えるが、その90%以上の患者が受けている治療法が血液透析である。この治療法は1年間に患者一人当たり500万円の医療費が健康保険で賄われている上、1回5時間の治療を週3回病医院で受けなければならないため、患者のQOLは決して高くない。ゲル内に分散させた吸着体や酵素は、拡散除去された溶質を吸着または分解してゲル内を長期間低濃度に保つために二次的に作用する。吸着体としては活性炭を用いてきたが、これまでは微粉炭の流出を抑制するために、粒状炭を使用してきた。ところが粒状炭では重力の影響でゲル内に均一に分散させることが難しかった。そこで敢えて粉末炭を使用したところ、均一なゲルを作製することができた。このモジュールの溶質除去性能は、携帯型血液浄化法として既に20年の臨床実績がある腹膜透析に匹敵することがわかった。モジュール作製の容易さ、確実性を向上させるためにも粉末炭の利用が必須と思われた。微粉炭の流出についてはメッシュフィルターを組み合わせることで改善できることも分かった。さらに有用タンパク質の漏出についても検討を行った。タンパク質を1週間当たり15g程度漏出する血液透析濾過法が10年以上の実績があるので、この程度の漏出は安全と考えられる。本モジュールでの漏出量は最大10g前後と見積もられ、この点でも目標を達成する事ができた。今後は血液系の実験を行うことで実用性を確認したい。

また、月に12回程度の通院で済む腹膜透析法は、QOLが高い治療法といわれているが、5年以上の長期治療により種々の合併症を併発することから、世界的に患者数は激減している。本研究の目的は血液透析膜と治療に必要な透析液とをゲルを用いて一体化することで、携帯が可能な血液浄化システムを構築することである。ゲル内に分散させた吸着体は、拡散除去された溶質を吸着または分解してゲル内を長期間低濃度に保つために二次的に作用する。平成12年度に行った水溶液系実験で、本モジュールの有用性は十分に確認されていたが、本年度は血液系実験で、モジュールの十分な性能を確認することができた。また、吸着体としてはこれまでは微粉炭の流出を抑制するために、粒状の活性炭を用いてきたが、これを敢えて粉末(微粉)炭に変更することで、モジュール作製の際の重力の影響を極力排除し、均一なゲルを作製することができた。このモジュールを用いた水溶液実験の結果、粒状炭では100時間程度であったモジュールのライフタイムを、350時間まで延長することに成功した。.これは体内埋め込み型血液浄化器への可能性を示唆するものといえる。長時間の検討はin vitroの血液系では評価が難しいので、今後は、動物実験で本モジュールの有用性を確認したい。
脳動脈瘤発生における血行力学的因子の役割検討および瘤形成抑制への試みに関する研究

ヒト脳動脈瘤3次元画像を用いたCFD解析の臨床研究では、登録された461症例の中から種々の大きさの前交通動脈瘤と中大脳動脈瘤86例を抽出し、瘤の大きさや発生部位と血行力学因子の分布との相関関係を年齢・性別・高血圧・喫煙歴などの因子とともに多変量解析を用いて解析した結果をまとめて論文を投稿、American Journal of Neuroradiology誌(impact factor: 3.653)に3月にacceptされた。これらのごとく、臨床研究および動物実験ともに初期の目的を果たしつつある。ヒト脳動脈瘤のCFD解析に関しては、ヒト中大脳動脈瘤症例で瘤を人為的に取り除いて瘤発生前の血管形状モデルを力学的解析に基づいて近似的に再現し、瘤の発生しなかった対側の正常分岐部とwall shear stress (WSS)、Oscillatory shearindex (OSI)、WSS gradient (WSSG)、Gradient oscillatory number (GON)、transverse WSS (transWSS)、Normalized transverse WSS (NtransWSS)などの血行力学量の分布を比較した。個々の症例の血流速度から算出された血流値に加え、従来一般的に用いられてきた文献上報告されている健常成人の平均値を用いた場合も流入口境界条件に用いた。結果、流入口境界条件に個々の症例の血流速度を用いた場合に限って、我々が新たに提唱した多方向性の乱流の程度を表す力学指標であるNtransWSSのみが有意に脳動脈瘤発生側で高値であることが示され、脳動脈瘤発生において強い多方向性の乱流が関与している可能性が示唆された。さらに、脳動脈瘤発生が進展していくと考えられる動脈瘤頚部における血行力学因子の分布を検討したところ、WSS、WSSG、NtransWSSが周囲の血管と比較して有意に高値であった。動物実験に関では、P2X4 purinoceptor遺伝子欠損マウスに脳動脈瘤誘発処置を施し免疫組織学的検討を行った結果、脳動脈瘤発生に関与していることが報告されているiNOS、COX-2、cathepsin L、MCP-1などのimmunoreactivityがwild type群と比較してP2X4遺伝子欠損マウス群で著しく低下していることが示され、血管内皮細胞において壁ずり応力センサーが過度な壁ずり応力を感知することが、その後の脳動脈瘤発生経路のinitiationである可能性が示唆され、我々の仮定が支持される結果となった。ヒト脳動脈瘤のCFD解析に関しては、平成27年度では既存の血行力学量における動脈瘤発生との関連性を検討するため、これまでに提案されている様々な血行力学因子の分布を検討し、まず有意差のある力学量をスクリーニングする計画であった。本年度の研究結果より、我々が新たに提唱した多方向性の乱流の程度を表す力学指標であるNtransWSSをはじめ、WSSおよびWSSGが脳動脈瘤発生に関与している可能性が示唆され、初年度の目標は達成された。脳動脈瘤誘発動物実験に関しては、マウスを用いた実験では免疫組織学的検討を行う計画であった。マウス実験では、免疫組織学的検討を行った結果、wild type群と比較してP2X4 purinoceptor遺伝子欠損マウスにおいて脳動脈瘤発生に関与していることが報告されているiNOS、COX-2、cathepsin L、MCP-1などの発現が著しく低下していることが示され、平成27年度の目標が達成された。ラットを用いた実験では、平成27年度中にP2X4阻害剤paroxetine投与群と非投与群における脳動脈瘤発生率を比較検討する計画であったが、ラット実験設備の準備が遅れたため、実験はすでに開始しているものの、未だ結果を得るには至っていない。当初の計画では、paroxetineを10および20mg/kg/day投与する予定であったが、20mg/kg/dayを投与するとラットは数日で死亡することが判明したため、非投与群と10mg/kg/day投与群の2群で比較するよう計画を変更した。上記結果について、国際学会で3つの発表、国内学会等で4つの発表を行うことができた。動物実験では、平成27年度に血管内皮細胞のずり応力センサーであるP2X4プリノセプターの遺伝子欠損マウスでは、脳動脈瘤誘発処置後の動脈瘤発生率がコントロール群と比較して有意に低いことが示され、また免疫染色学的に脳動脈瘤形成関連因子であるiNOS, MCP-1, COX-2などの発現も著しく抑制されていることが示唆された。そこで平成28年度では、このP2X4プリノセプター阻害因子であるparoxetineを脳動脈瘤誘発処置を施したラットに投与し、非投与群と動脈瘤誘発率を比較し、さらにPCR法によって脳動脈瘤形成関連因子の発現量を比較検討したところ、paroxetine投与群では非投与群と比較して有意に脳動脈瘤発生率が抑制されていることが示された(p=0.031)。また、PCR法では非投与群と比較して、COX-2 (p=0.00085)及びIL1-b (p=0.038)でparoxetine投与群では有意に低下していた。CFD解析では、すでに脳動脈瘤破裂危険因子として判明している脳動脈瘤の長径と発生部位の危険因子としての原因を血行力学的に説明できるかどうかを検討した。

臨床研究で登録された90症例の前交通動脈瘤及び中大脳動脈瘤に対して、ずり応力の程度を表す力学指標群と乱流の程度を表す力学指標群について多変量解析を行ったところ、長径7mm以上の瘤は7mm未満の瘤に比べて有意に低ずり応力で(p=0.0135)、乱流の程度を表す各指標が有意に高値であった(OSI, GON, NtransWSS全てp<0.0001)。また、前交通動脈瘤は中大脳動脈瘤に比べて有意に低ずり応力であった(p=0.0007)。低ずり応力や強い乱流は血行力学的に破裂に関与していると報告されており、脳動脈瘤の長径と発生部位が破裂危険因子である理由を血行力学的に説明することができた。動物実験に関しては、27年度でやや遅れていた分野であるparoxetine投与による脳動脈瘤誘発率への影響に関する実験が完了し、優位な結果を得られた。さらに、PCR法に関してもいくつかの脳動脈瘤形成関連因子について有意な結果を得ることができた。CFD解析に関しては、臨床研究では460症例が登録され、現在観察期間中である。観察期間終了は平成31年3月の予定であり、最終結果を得られるのは平成31年度の見込みである。そこで、28年度は新たな試みとして、すでに判明している動脈瘤破裂危険因子の理論的背景をCFD解析を用いて血行力学的に説明できるかどうかを検討し、有意な結果を得た。この結果から、CFD解析によるsimulationが破裂リスクの検討に有用であることが示唆された。実験的脳動脈瘤誘発動物モデルを用いた研究では、qPCR法によって脳動脈瘤形成に関与していることが知られている炎症因子: MCP-1, TNFアルファ, IL1β, iNOS, COX-2が、脳動脈瘤誘発処置後の動物において非処置動物に比べて有意に増加し、P2X4 purinoceptor阻害剤であるparoxetine投与によって有意に減少することが示された。同時に、脳動脈瘤誘発率も、paroxetine投与によって有意に減少することがわかった。Paroxetineは、以前から別の作用である抗うつ剤としてヒトに臨床的に用いられており、その安全性は確認されている薬剤である。したがって、脳動脈瘤治療剤としての臨床応用が期待できる。今までに行ったP2X4 purinoceptor knockout miceでの実験データと合わせて論文を準備中である。ヒト脳動脈瘤3次元画像を用いたCFD解析の臨床研究では、登録された461症例の中から種々の大きさの前交通動脈瘤と中大脳動脈瘤86例を抽出し、瘤の大きさや発生部位と血行力学因子の分布との相関関係を年齢・性別・高血圧・喫煙歴などの因子とともに多変量解析を用いて解析した。その結果、瘤の大きさや発生部位などの血管構造因子と血行力学因子は双方向性に有意に相関していることが示され、瘤の大きさや発生部位による破裂率の違いは、血行力学因子の分布の相違に依存している可能性が示唆された。血行力学因子の中でも、我々の提唱する多方向性のずる応力の乱れの程度を表すNtransWSSが最も強く創刊していると考えられた。さらに、破裂危険因子として知られている種々の血管構造因子の中でどの因子が最も血行力学因子と強く創刊しているかを検討したところ、aspect ratioが最も強い相関性を示したが、我々が新たに提唱したAAIの方がさらに強い相関性を示した。鋭敏な脳動脈瘤破裂リスク因子として臨床応用が期待される。現在、論文投稿準備中である。上記記載のごとく、当初予想していた研究結果が得られており、論文化が急がれる。
ビシクロ[2.2.2]オクタン系化合物をキラル素子とする生理活性天然物の合成研究

本研究は、最近申請者らが開発した「光学的活性ビシクロ[2.2.2]オクタン誘導体の高立体選択的な合成法及びこの合成法と環開裂反応の組合せによる光学活性な種々の炭素環状構造構築法」の応用による『抗腫瘍活性物質taxane類の新合成ルートを開発』を目指し行われた。立案した合成計画の鍵反応は、ビシクロ[2.2.2]オクタン環を2個持つ化合物の環開裂反応で、それぞれの環のC-C結合を切断し、A環とC環を形成すると同時にB環部で分子内アルドール反応を行わせtaxane骨格を構築するものである。この合成計画の妥当性を調べるため、まず、C環部形成にこの方法が使用可能か検討した。キラル素子としたビシクロ[2.2.2]オクタン誘導体(橋頭位にメチル基とメトキシメチルオキシ基を有する)は、D-mannitolより導けるα,β-不飽和エステルと3-methoxymethyloxy-6-methyl-2-cyclohexen-1-oneとの連続Michael反応により合成した。メトキシメチル基のメシル基への変換、ケトンの還元等を行った後、塩基を作用させると環開裂反応が進行し、C環部に相当するシクロヘキサン誘導体が合成できた。A環部についても、(-)-carvoneとアクリル酸メチルとの連続Michael反応で得られる光学活性なビシクロ[2.2.2]オクタン誘導体より、オレフィンの異性化、ケトン部への炭素鎖の導入、二重結合の酸化的開裂に続く還元等により合成したジオールの環開裂反応により合成できることがわかった。次いで、上記で得た知見を踏まえ、本合成の鍵中間体の合成を検討した。その結果、A環構築に使用したビシクロ[2.2.2]オクタン誘導体を用い、そのケトン部ヘクロトン酸ユニットを導入後、3-methoxy-methyl-oxy-2-cyclohexen-1-oneとの連続Michael反応によりビシクロ[2.2.2]オクタン環を2個持つ化合物が光学的活性体として合成できた。現在、環開裂反応によるtaxane骨格への変換を検討している。
温血動物大脳皮質グリア細胞のNa⌒-K⌒ Pump Activityの研究

Wistar系ラット大脳皮質にコバルト粉およびカイニン酸による実験的てんかんfocusを作製し、グリアの【Na^+】-【K^+】pump機構を昭和59年61年にわたって電気生理学的,神経化学的,並びに組織化学的的手法を用いて検索した。そして以下の如く成績を得た。1)皮質スライス標本を用い、灌流液の【K^+】イオン濃度を4mMから4pmMまでstepwiseに上昇させた場合、〔【K^+】〕。に対してプロットしたグリアの膜電位の平均slopeはnormal及びカイニン酸(3週後)cortexで約57mV,epileptogenic cortex〔コバルト及びカイニン酸(1週後)〕で約44mVだった。2)用いた総ての標本のグリアの静止膜電位はほぼ同値を示した。3)Epileptogenic cortexにおけるhigh〔【K^+】〕。をnormalmediumで置換した時、normalあるいはカイニン酸注入後3週に比し非常に大きなグリアの一過性過分極層を形成した。この過分極層はouabainによって平常化した。4)Normal〔【K^+】〕。時の膜電位はouabainに影響されなかった。5)〔【Na^+】〕。,〔【Cl^-】〕。,〔【Ca^(2+)】〕。を変化しても膜電位に有意ある変動を惹起しなかった。6)normal及びカイニン酸注入3週の皮質のHRP-marked gliaは殆んどprotoplasmic astnocyteだった。これに対してepileptogenic cortexではfibrousastnocyteが占有した。7)Epileptogenic cortexのastnocyte分画の(【Na^+】,【K^+】)-ATPaseactivixyは他の皮膜よりの分画に比し高値を示した。膜分画標本についても同様の所見だった。8)【K^+】-pNPPase pnuductsはepileptogenic cortexのグリアではendoplasmic reticulumと細胞膜上に認められたが、他の標本ではerdoplasmicreticulumのみにreaction productが観察された。以上の所見はepileptogenic cortexのグリア細胞には【Na^+】-【K^+】pumpが存在し、グリアはニューロン発火による大量のspatial【K^+】accumulation防止に役割を果していることを示唆している。,〔【Cl^-】〕。
実体波を用いた内核境界近傍の研究

本研究の目的は,地球中心核を通過する短周期実体波を用いて,内核境界近傍の地震波速度構造を推定し,内核境界で起っている物理プロセスを把握することである。本年度は,本研究の目的に最も適している短周期群列地震観測デ-タを収集することと,既に収集した日本全国の地震波デ-タから内核のQ値を推定することを行った。本年度から始めた短周期群列地震観測デ-タの収集は,東北大学北上地震観測所の群列地震観測網で行っている。この観測網は直径約20kmの範囲に10点の観測点を擁している。我々は2台のパ-ソナルコンピュ-タを用いて,波形デ-タを連続に100Hzのサンプリングレ-トで収集するシステムを開発し,設置した。この観測網のデ-タ伝送装置(既設)はFM方式であるためダイナミックレンジが40dBしかなく,システム全体の中で最も弱点となっている。デ-タの集積を持つのと同時に,この点を改良し,今後より良質のデ-タを収集する努力を行う予定である。本年度行った解析は,日本全国に広がる気象庁の高感度地震観測網と松代群列地震観測網のデ-タを用いて、内核境界直下のQ構造を推定した。従来から実体波を用いた内核のQの推定法には,PKP波とPKIKP波の振幅比による方法とスペクトル比による方法がある。このうちスペクトル比による方法ではQが周波数に依存しないと言うことが前提条件になっている。本研究では松代群列地震観測網のデ-タからこの前提条件が必ずしも成り立っていないことを示した。また、内核境界直下のQ値は内核境界下約300kmで急激に大きくなっていることを明らかにした。上記の結果には、核マントル境界の構造が大きく影響し,今後内核境界近傍の構造とともに,核マントル境界の構造も詳しく研究する必要があることが明らかになった。
磁気嵐に伴うコーラス放射の発生と相対論的電子加速の研究

コーラス放射を粒子モデルのシミュレーションで再現することに世界で初めて成功した。コーラス放射過程の理論解析を行い、非線形効果により高エネルギー電子の位相空間に電磁的な効果で電子ホールが形成されて、それによりコーヒーレントな波動が成長するという非線形理論を構築した。周波数変化率と波動の振幅の関係を導き、シミュレーションの結果と良い一致を見た。この非線形成長過程は、コーラス放射の周波数の時間変動と外部磁場の空間的な変化の2つの効果によって、ホイッスラーモード波が磁力線に沿って赤道面付近から地場の強くなる高緯度に向かって伝搬する際に実現されることが理論的に解明された。赤道に向かって負の共鳴速度で走行する相対論電子の速度が赤道面に達する前にゼロになると電子は進行方向を変えて、ホイッスラーモード波の伝搬と同じ方向に走行するようになる。この間、電子は連続的に加速されて、数100keVからMeVのエネルギーにまで一挙に加速されることを見出した。これをRelativistic Turning Acceleration(RTA)と名付けて発表した。RTA過程によってMeVまで加速された電子は、再度ホイッスラーモードに捕捉されて、さらに高いエネルギーへと加速される。ホイッスラーモード波と同じ方向に走行しながら加速されるため、非常に効率のよい加速過程となる。この加速過程いついて理論解析を行い、これをUltra-Relativistic Acceleration(URA)と名付けて発表した。これらの加速過程は放射線帯粒子フラックスの形成に大きな役割を果たすものと考えられ、今後の定量的な解析が望まれる。本研究では、放射線帯を形成している高エネルギー電子フラックスの変動に大きな影響を与えているコーラス放射の発生機構と、そのコーラス放射による相対論的電子の加速過程の解明を行う。まず、磁気赤道付近の高エネルギー粒子の温度異方性によるホイッスラーモード不安定性の非線形発展を一様磁場モデルを用いて検証し、一部の共鳴粒子が相対論的エネルギーまで加速される素過程があることを見出した[発表論文1]。次に地球放射線帯の磁のモデルとして双極子磁場を使い、そこに位相の揃ったホイッスラーモード波の伝播に対応する電磁界の時間変動モデルを与えて、その中での電子の挙動を調べた。ホイッスラーモード波とサイクロトロン共鳴する電子は、加速・減速を受けて断熱的な運動から大きくずれてエネルギーが変化する。赤道付近でホイッスラーモード波が増幅されて、それが次第に赤道から遠ざかって伝播する状況を想定し、多数の共鳴電子の振る舞いとそれに伴う電子速度分布関数の変化を追跡することを試みた。大部分の共鳴電子は波と共鳴してエネルギーを失い、波を成長させる一方、これと同時に共鳴電子は波の周波数を増加させるような共鳴電流を形成し、波の周波数が次第に上昇してゆくことを理論的に解明した。また、この周波数が上昇する波に捕捉された少数の共鳴電子が効率的な加速を受けることも示した[投稿論文1]。上記の理論解析を検証するために、双極子磁場モデル下での電子の運動と共に、マックスウェルの電磁界方程式に基づいて波の時間発展を追跡する計算機シミュレーションを実行した[投稿論文2]。この計算機シミュレーションは生存圏研究所の先端電波科学計算機実験装置において1ジョブ当り2週間から4週間の実行時間が必要とする巨大な計算機実験であるため、次年度では京都大学学術情報メディアセンターの計算機システムも並行して利用できるようにプログラムの整備を行った。地球磁気圏放射線帯の相対論的電子は人工衛星の電子機器等に悪影響を与えるため、その加速生成機構を解明することは非常に重要である。この加速機構の一つの可能性としてVLFホイッスラーモード波のコーラス放射と高エネルギー電子との波動粒子相互作用が注目されている。我々は内部磁気圏の磁場に相当する双極子磁場のモデルのもとに、相対論的エネルギー(数100keV数MeV)と位相のそろったホイッスラー波との相互作用の研究を進めている。

サブストーム等の磁気圏の擾乱によって、磁気圏に注入された高エネルギー粒子のテスト粒子シミュレーションを行い、波の振幅が十分に大きい場合(数pT数100pT)には、磁気赤道付近で共鳴粒子の一部が捕捉され、相対論的効果によって非常に効率良い加速が起こることを発見した。この特異な加速機構を理論的に解析し、これをRelativistic Turning Acceleration(RTA)と名づけた[Omura, Furuya, Summers, JGR, 2007]。さらに、このテスト粒子シミュレーションを異なるエネルギーで繰り返し行い、相対論的粒子のエネルギー分布の時間発展を得ることに成功し、RTA加速過程の有効性を検証し論文投稿した[Furuya, Omura, Summers, JGR, submitted]。一方、スーパーコンピュータを駆使して、大規模な電磁粒子シミュレーションを実行し、コーラス放射の発生過程を再現することに成功した[Katoh and Omura, GRL, 2007]。これは過去30年余りのホイッスラーモード波に関する研究において謎として残されてきた物理過程を計算機上で再現した画期的な成果であり、米国地球物理学会誌の宇宙天気研究のEditor's Choiceとして取り上げられている。シミュレーションで再現されたコーラス放射過程の理論解析を行い、非線形効果により高エネルギー電子の位相空間に電磁的な効果で電子ホールが形成されて、それによりコーヒーレントな波動が成長する非線形理論解析を行った。周波数変化率と波動の振幅の関係を導き、シミュレーションの結果と良い一致を見た。この非線形成長過程は、コーラス放射の周波数の時間変動と外部磁場の空間的な変化の2つの効果によって、ホイッスラーモード波が磁力線に沿って赤道面付近から地場の強くなる高緯度に向かって伝搬する際に実現されることが理論的に解明された。赤道に向かって負の共鳴速度で走行する相対論電子の速度が赤道面に達する前にゼロになると電子は進行方向を変えて、ホイッスラーモード波の伝搬と同じ方向に走行するようになる。この間、電子は連続的に加速されて、数100keVからMeVのエネルギーにまで一挙に加速されることを見出した。これをRelativistic Turning Acceleration (RTA)と名付けて発表した。RTA過程によってMeVまで加速された電子は、再度ホイッスラーモードに捕捉されて、さらに高いエネルギーへと加速される。ホイッスラーモード波と同じ方向に走行しながら加速されるため、非常に効率のよい加速過程となる。この加速過程いついて理論解析を行い、これをUltra-Relativistic Acceleration (URA)と名付けて発表した。
微小強磁性トンネル接合に於けるクーロン・ブロッケイドの基礎理論

本年度は、以下の2項目に関して研究を実施した。(1)任意の外部環境インピーダンスを有する強磁性2重トンネル接合の理論を(a)非平衡グリーン関数による高次のトンネル素過程の考慮(b)電磁場環境効果をフィードバックさせたアイランドの電荷状態の自己無撞着な記述の2点を考慮して定式化し磁気トンネル電流、磁気抵抗変化率の表式を求めた。(2)上記理論に基づき、微小強磁性2重トンネル接合に於ける任意の環境インピーダンスでのトンネル電流、有効磁気抵抗の振る舞いを解析的に評価し、この系でのクーロン・プロッケイドの物理を明確にするとともに強磁性トンネル接合での単電子トンネル現象の制御に関わるインピーダンス変調効果について検討した。
硫黄酸化物の越境汚染の検出・評価方法に関する研究

中国では主要なエネルギ-源は石炭であり,石炭燃焼に伴う激しい粉じんや硫黄酸化物による大気汚染が生じている。一方,日本では化石燃料燃焼に伴う硫黄酸化物による大気汚染は燃料転換や脱硫設備の設置により克服したが,最近では硫黄酸化物の大発生源の存在しない日本海側地域で,冬季に降水の酸性化が見いだされ,東アジア地域からの硫黄酸化物の長距離輸送による越境汚染が懸念されている。東アジア地域からの硫黄酸化物の長距離輸送による越境汚染の検出・評価には,燃料の種類や汚染物質の種類別に硫黄酸化物の発生源を区別するためのトレ-サ-が要である。本研究の目的は硫黄同位体比やフッ化物の越境汚染の検出や汚染物質の発生地推定のためのトレ-サ-としての利用可能性を明らかにすること,および,越境汚染の原因物質とされている二酸化硫黄の長距離輸送中の大気過程をシミュレ-トするための土壌成分への二作化硫黄やフッ化水素の沈着挙動を明らかにすることである。越境汚染のトレ-サ-の推定:これまでに得た中国現地での浮遊粒子状物質や日本に飛来した黄砂の成分分析および中国現地の降水等の分折デ-タから,フッ化物イオンがトレ-サ-となり得る可能性を明らかにした。現在,日本海側の離島局で北西風卓越時に浮遊粒子状物質と二酸化硫黄,フッ化物の同時捕集を意図した試料採取を継続中である。硫黄酸化物の沈着挙動の解明:モデル土壌に対する二酸硫黄の沈着実験を行い,(1)土壌の塩基性が沈着速度に大きく影響すること,(2)大気中で予想される低濃度では,初期の高い沈着速度が持続すると考えられること,(3)土壌への沈着は主として化学吸着であること,(4)二酸化硫黄で飽和に達しても,新らたにアンモニアガスを通気すれば土壌の沈着活性が復活することなどを明らかにした。
健康不安意識と医療資源の不均等配分の是正に関する社会学的研究

新自由主義的な経済政策の下で健康不安意識が煽られており、過剰な医療行為が多々発生していることが確認された。日本では医師をはじめとする医療の専門家集団の中からこの構造を批判する声はなかなか出てこない。というのは専門家集団自体が一つのムラ社会となっているからである。この構造を変えていかねばならない。不要な検査、薬の出し過ぎなどを吟味し、批判できるよう、普通の市民の医療に関するリテラシーを高める必要がある。本研究の目的は健康不安意識の広がりという現象を一つの糸口にして医療資源の配分にかかわる不合理な実態を明らかにし、より適切な配分の実現の可能性を探ることにある。方法としては文献研究、聞き取り調査を含むフィールドワークがある。健康不安意識と医療の現状に関わる基本的な知見については、しかるべき文献としかるべきインフォーマントを通して入手できた。おおみや診療所の松本光正医師を本学に招聘して研究会を開催できた。関西・四国への出張では、香川大学の上杉正幸教授、京都大学の美馬達哉准教授など医療社会学の研究者から情報提供していただくことができた。東京への出張では、メタボ健診プランの策定にかかわった関係者、日本赤十字の関係者などから事情聴取と資料収集ができた。また文部科学省からは、小中学校の健康診断における結核検査の変更に関する資料を入手できた。フィールドワークとしては、根室市立病院を訪れ、遠隔地医療の置かれている厳しい状況について事情聴取ができた。浦河町にある精神障害者の施設「べてるの家」の入所者やスタッフからのインタビュー調査を実施できた。以上についてわかったことの一部は、下記論文で公刊した。調査が年度末となったため、今年度の成果とはならなかった論稿もあるが、引き続き成果の公表を重ねていきたい。昨年度に引き続いて、過疎地の医療の実情などについて聴き取りを重ねたことに加えて、特に精神医療に的を絞って薬剤の使用の実態を中心に情報を得たこと、国際比較の視点を重視したのが今年度の特色である。青森県への出張では、巨大な市立病院を建設した十和田市を訪れ、市立病院の事務局長、地元紙の記者,市民の方々などから聞き取りを実施した。東京への出張では、厚生労働省の事情に詳しい関係者から事情聴取と資料収集ができた。美容整形医療に詳しい研究者からも業界の動向について知見を得た。大阪への出張では、薬の副作用などの情報を市民に提供しているNPO法人医薬ビジランスセンターの浜六郎医師から多々情報提供していただくことができた。精神医療に関しては、精神薬の出しすぎをチェックしている「精神科セカンドオピニオン」の関係者、患者らからお話を伺うことができた。また札幌にお招きして研究会も実施した。国際比較に関しては、3月にキューバ共和国を訪れ、医療関係の視察を行った。また、イタリアの精神医療に詳しい方々を札幌にお招きして研究会を実施した。本研究は、健康不安意識の広がりという現象を一つの糸口にして、現行の医療資源の配分に関わる不合理な実態を明らかにし、より適切な配分の実現可能性を探ることをおもな目的として企画されたものである。方法としては、文献資料研究、現地のフィールドワーク、アンケート調査などを用いた。さらに専門家を招いての研究会・講演会などの開催による新しい知見の獲得を積極的に試みた。過去二年間に行った研究の成果調査結果を踏まえ、補足や追加の調査や聞き取りを行った。特に精神科医療については浦河町で町民を対象としたアンケート調査と聞き取り調査を実施した。「べてるの家」の先駆的な実践は町民の支えがあって実現していることがわかった。また2011年3月に実施したキューバ視察の成果については、研究協力者の寄稿とあわせて二点の論稿画年度内に公表できた。また研究成果のまとめとその市民への還元についても力を注いだ。研究協力者たちからの寄稿をもとに編著『健康不安と過剰医療の時代」医療化社会の正体を問う』を一般向けの書物として三月に刊行できたことは大きな成果と言えよう。そこでは、検査・診断被爆の過剰による危険性、フッ素塗布の危険性、生活習慣病のリスクファクターとして日本では四つのもののみが選ばれた背景、メタボ健診という制度創出の舞台裏、精神科における抗うつ剤の使い過ぎの弊害、血圧基準値の変更に伴う血圧降下剤の使い過ぎの弊害などの問題が指摘されている。
スマトラ沖地震津波被災地域における心的外傷後ストレス障害のマルチレベル分析

本研究は、スリランカ国内の津波被災地域住民を対象に、被災体験による心的外傷後ストレス障害の発症状況を調査し、被災時の体験や被災状況、被災後の生活状況との関連を明らかにすることを目的とする。本年度は下記のことを行った。1.現地研究協力者との研究打ち合わせ2007年11月と2008年2月にスリランカを訪問し、ルフナ大学人間学・社会科学部のSarath Amarasinghe教授と調査対象地域、対象者数について研究打ち合わせを行った。調査はスリランカ南部のMatara地域で行い、対象者数は600人とすることを決定した。また面接調査の具体的な実施手順について議論した。2.質問紙のシンハラ語への翻訳調査に用いる精神医学的測定尺度であるIES-R(Impact of Event Scale-Revised),CES-D(Center for Epidemiologic Studies Depression Scale),GHQ(General Health Questionnaire)を現地の使用言語であるシンハラ語に翻訳した。また対象者の属性(年齢、性別、婚姻状況、職業、教育水準、社会経済因子)、健康状態(既往歴、主観的健康度、日常生活動作)、被災体験(家族の喪失、友人・知人の喪失、家屋の被害状況、避難所での生活状況)、生活習慣(喫煙、飲酒)、社会支援の状況についての質問を含む、基本情報の調査票を作成し、同じくシンハラ語に翻訳した。3.疫学調査の実施作成した調査質問紙を用いて、心的外傷後ストレス障害の疫学調査を実施し、データを収集した。現在、予備的な解析を行っているが、津波被災体験が精神医学的症状に影響を及ぼすことが示唆されている。今後は、マルチレベル分析を行うことで、個人レベルの被災体験と地域レベルの被災状況の影響の両者の相互作用について、詳細に検討を行っていく。1.現地研究協力者との研究打ち合わせ2006年9月と2007年3月の2回にわたりスリランカを肋間し、ルフナ大学社会科学部のSarath Amarasinghe教授と調査対象地域、対象者数、調査時期について研究打ち合わせを行った。また調査に用いる質問紙の内容について議論した。2.質問紙の開発心的外傷後ストレス障害の評価にはIES-R(Impact of Event Scale-Revised)を、抑うつ症状の評価にはCES-D(Center for Epidemiologic Studies Depression Scale)を、精神的健康状態の評価にはGHQ(General Health Questionnaire)を用いる。さらに対象者の属性(年齢、性別、婚姻状況、職業、教育水準、社会経済因)、健康状態(既往歴、主観的健康度、日常生活動作)、被災体験(家族の喪失、友人・知人の喪失、家屋の被害状況、避難所での生活状況)、生活習慣(喫煙、飲酒)、社会支援の状況についての質問を調査票に加える。現在はシンハラ語への翻訳を行っている。3.対象地域の被災状況の調査対象地域であるスリランカ南部のMatara地域は津波の被害により1,547人が亡くなり、現在も多くの人が避難所で生活している。また同地域の主要産業である漁業、観光業も甚大な被害を受け、経済的に苦しい生活を送っている人も多い。Sarath Amarasinghe教授らが行った調査報告書をもとに、対象地域の地区別死亡者数、負傷者数、避難生活者数と人口に占める割合および社会経済状況について分析を行った。
環境音響を利用したロボットの動作生成

本研究では"異種の感覚モダリティのマッピング"を工学的手法により実現することを目的とする.特に視覚と聴覚の変換に着目し,音響信号を表現するロボットモーションや音響モデルを再生する声道モデルダイナミクスを生成する.本技術は,多自由度ロボットのダンスパターンの自動生成や,環境音の擬音語化などに応用可能と期待される.さらに"共感覚"などの心理学の知見との関連に関する議論も期待できる.我々は平成17年度に小型ロボットKeepon(NICT開発)を用いた動作と音響信号の変換モデルを提案した.しかしその音響信号生成は白色信号をベースとした単純なモデルを用いていたため,きわめて多様性に乏しいものであった.そこで18年度は多様な音響信号生成,さらに幼児の発音過程のモデル化を目的として,平成17年度提案したモダリティ変換モデルに,声道モデル(Maedaモデル,1990)を適用した音声模倣モデルを構築した.具体的には声道モデルによる音声バブリングを人工神経回路で学習し,その体験をもとに入力音声を再生するモデルである.人間の実発話(母音)模倣をターゲットとして提案モデルの特性分析実験を行った.その結果,2母音の発話入力がバブリング済である場合,人間が弁別可能な高い品質で音声模倣を行えることを確認した.3母音の音声模倣では,提案モデルの汎化能力によりバブリングしていない音声パターンにおける模倣も実現した.また音響信号のみを学習した神経回路モデルと,音響信号と声道動作を学習した神経回路モデルとを比較し「音声知覚の運動理論」を支持する結果が得られた.本研究では"異種の感覚モダリティのマッピング"を工学的手法により実現することを目的とする.本年度は特に視覚と聴覚のマッピングに着目し,音響信号を表現するロボットモーションの生成や,物体挙動を表現する音響信号生成を実現する.本技術は,多自由度ロボットのダンスパターンの自動生成や,情景に合わせた効果音自動生成などに応用可能と期待される.さらに"共感覚"などの心理学の知見との関連に関する議論も期待できる.多様な音響信号と画像信号の対応を,全て保存・管理することは極めて難しい.現実には少数のデータから他のデータを類推可能とする情報汎化が不可欠である.本研究では汎化能力に優れる神経回路モデルであるRecurrent Neural Network with Parametric Bias (RNNPB)を学習器として用いた.RNNPBは複数のシーケンスを学習すると共にその汎化表現を獲得できる.また入力に欠損があっても,連想により欠損情報を再現することができる.NICTによって開発された小型ロボットKeeponに提案システムを実装した.箱状物体の左右往復動作(摩擦音),円弧動作(摩擦音),落下動作(衝突音),横転動作(衝突音)を教示した.Keeponに音響信号のみを与えたところ,対応する画像情報を連想し,動作として表現させることが可能となった.逆に画像信号のみから音響情報を連想も実現であった.さらに未学習の音響・画像入力について検証を行った.ビニールをはたく音に対しては,縦横の高速度動作を生成した.逆に箱を上下運動させた際の画像信号に対しては,周期的な音響信号を生成した.以上から,提案手法は未知感覚入力に対して妥当なモダリティ変換を実現していると結論付けられる.本研究では"異種の感覚モダリティのマッピング"を工学的手法により実現することを目的とする.特に視覚と聴覚の変換に着目し,音響信号を表現するロボットモーションや音響モデルを再生する声道モデルダイナミクスを生成する.本技術は,多自由度ロボットのダンスパターンの自動生成や,環境音の擬音語化などに応用可能と期待される.さらに"共感覚"などの心理学の知見との関連に関する議論も期待できる.我々は平成17年度に小型ロボットKeepon(NICT開発)を用いた動作と音響信号の変換モデルを提案した.しかしその音響信号生成は白色信号をベースとした単純なモデルを用いていたため,きわめて多様性に乏しいものであった.そこで18年度は多様な音響信号生成,さらに幼児の発音過程のモデル化を目的として,平成17年度提案したモダリティ変換モデルに,声道モデル(Maedaモデル,1990)を適用した音声模倣モデルを構築した.具体的には声道モデルによる音声バブリングを人工神経回路で学習し,その体験をもとに入力音声を再生するモデルである.人間の実発話(母音)模倣をターゲットとして提案モデルの特性分析実験を行った.その結果,2母音の発話入力がバブリング済である場合,人間が弁別可能な高い品質で音声模倣を行えることを確認した.3母音の音声模倣では,提案モデルの汎化能力によりバブリングしていない音声パターンにおける模倣も実現した.また音響信号のみを学習した神経回路モデルと,音響信号と声道動作を学習した神経回路モデルとを比較し「音声知覚の運動理論」を支持する結果が得られた.
原子直視法による摩擦実験法の開発

摩擦が生じている、そのときの原子配列と力学応答を“その場"で観察し、摩擦のダイナミックスを直接解析するために、これまでにない摩擦の実験手法を、ピエソ駆動試料操作を組み入れた「その場電子顕微鏡法」を基盤として、申請者が世界に先駆けて開発した。摩擦の素過程を実験的に原子レベルで初めて観察して、その機構を解明した。さらに、ナノ接点の摩擦に注目し、本手法をナノサイズの機械素子開発へ応用する基礎を構築した。つまり、原子世界の摩擦に対し、その場で観て、操り、測る材料力学実験を展開し、摩擦を原子的視点から実験研究する基礎を確立し、摩擦に関連するナノテクノロジー研究へ応用した。本年度は、その場電子顕微鏡法を基盤として、ナノチップを基板に接触させて真実接触境界を作製し、その後、これを材料表面と平行に移動させて、摩擦を起こすことができる電子顕微鏡試料ホルダーを設計・製作した。装置全体の構成と材質に関する設計の他、特に、平行操作をするために最も適した原子間力顕微鏡用カンチレバーの選定とピエゾ駆動制御回路の設計・製作を行った。作製した試料ホルダーに対して、軟質金属(アルミニウム、プラチナ等)と高硬度金属(モリブデン、タンタル、ロジウム等)を材料として、実際に観察した時の空間分解能、ナノチップの移動精度と速度、力測定の分解能等の基礎性能を調べた。また、摩擦を起こす物体間の電位差は一般に同じであるとは限らないため、電位差があるときの接触境界の観察を基礎事項として行った。この結果、摩擦研究に本手法を適用する上で、基本性能は十分であることがわかった。特に、数十ナノメートル程度の長い距離で接触・引き離しや摩擦を起こしたときには、その位置に合わせて垂直抗力補正をすると、精度がより改善されることがわかった。本年度は、本手法の記録系に、最新の電子顕微鏡カメラを導入した。こうしたカメラは一般的に静的観察を対象としたものであり、格子像撮影時の解像度は十分ではあるが、本研究で求める動的観察には対応していなかった。このために、この記録系を用いて、最も良い解像度とフレームレートが得られる条件、およびそのときの最長観察時間を調べ、接触・引き離しや摩擦の原子レベル構造ダイナミックスを最も効率的に、的確に把握できる条件を導いた。この構造観察に合わせて、ピエゾ電圧等の検出信号を記録できるようにした。本研究の摩擦観察では、こうした測定値のサンプリングレートを、電子顕微鏡による構造観察と同時という条件のもとで、100kHz程度まで高めるため、新たなピエゾ駆動制御回路の設計を行った。本年度は、昨年度に開発した、その場電子顕微鏡法を基盤として、ナノチップを基板に接触させて真実接触境界を作製し、その後、これを材料表面と平行に移動させて、摩擦を起こすことができる電子顕微鏡観察システムを用いて、本研究の主眼である原子直視法による摩擦実験を実践した。特に、ナノメートルサイズの摩擦でしばしば用いられているような、ナノサイズの突出部同士の接触ではなく、いわゆる一般的な摩擦である、ほぼ平らな固体表面に摩擦を起こさせる物体を接触させ、固体表面に平行に物体を移動させ、そのときの摩擦を原子レベルで解析することに成功した。まず、この過程における物体ー固体表面の原子挙動を直接観察し、凝着の開始とその後の変化を原子レベルで初めて明らかにすることができた。この構造解析は、ナノメートルスケール、原子スケールの摩擦で何が起きているのかを解明する最も基礎的なものであり、本研究にとって中核的な成果になった。さらに、従来のナノスケール摩擦の実験では、摩擦方向に凝着部に作用する力、つまり摩擦力を測定することはできなかったが、本年度はこの摩擦力を、前述の摩擦の直接観察と同時に実測することに成功した。この測定には、この摩擦力を測定するためのカンチレバーの、この方向の弾性定数が必要であったが、従来、この値は不明であり、それが摩擦力の実測を妨げていた。本年度は、用いたカンチレバーを走査電子顕微鏡で詳細に観察してその形状を全て取込み、有限要素法を用いて、この弾性定数を算出して、この問題を解決した。こうしたこれまでにない解析により、原子・ナノスケール摩擦における凝着原子挙動、垂直抗力、摩擦力、および凝着部の剪断応力の変化などが明らかになった。この結果、従来手がつけられていなかった、これらのスケールの摩擦におけるアモントンークーロンの法則の成立と破綻が、どのような条件で実現するのかを解明することができた。本研究のねらいは、原子直視法による新たな摩擦実験法の開発にあり、その成否はその場電子顕微鏡法を基盤として、ナノチップを基板に接触させて真実接触境界を作製し、その後、これを材料表面と平行に移動させて、摩擦を起こすことができる電子顕微鏡観察システムの構築にあった。昨年度に、手法開発に焦点を当てて研究を進めてきた結果、本年度は、前項の研究実績の概要に記載したように、この目的に合致した本研究の主眼である原子直視法による摩擦実験を実践することができた。これは、ナノメートルサイズの摩擦でしばしば用いられているような、ナノサイズの突出部同士の接触を扱った特殊なものではなく、いわゆる一般的な摩擦を原子直視下で実現できたことを意味する。この結果、本研究で当初最終的な目標としていた、原子・ナノスケール摩擦における凝着原子挙動、垂直抗力、摩擦力、および凝着部の剪断応力の実測が、原子直視観察と同時に可能になった。この点で、本研究における手法論は、本年度にほぼ確立したといってよい。

摩擦が生じている、そのときの原子配列と力学応答を“その場"で観察し、摩擦のダイナミックスを直接解析するために、これまでにない摩擦の実験手法を、ピエソ駆動試料操作を組み入れた「その場電子顕微鏡法」を基盤として、申請者が世界に先駆けて開発した。摩擦の素過程を実験的に原子レベルで初めて観察して、その機構を解明した。さらに、ナノ接点の摩擦に注目し、本手法をナノサイズの機械素子開発へ応用する基礎を構築した。つまり、原子世界の摩擦に対し、その場で観て、操り、測る材料力学実験を展開し、摩擦を原子的視点から実験研究する基礎を確立し、摩擦に関連するナノテクノロジー研究へ応用した。本研究の初年度にあたる本年度の予定は、(1)摩擦のダイナミックスを直接解析する手法の中核をなす摩擦研究用の電子顕微鏡試料ホルダーを設計・製作し、申請者がこれまで開発したナノ物質の変形をその場観察できる電子顕微鏡に組み込むこと、(2)作製した試料ホルダーに対して、種々の金属素材を材料として、実際に観察した時の空間分解能、ナノチップの移動精度と速度、力測定の分解能等の基礎性能を把握すること、(3)この中で特に注意したことは、数十ナノメートルの長い距離で摩擦を起こしたときにも、原子配列レベルで構造観察でき、かつそのとき垂直抗力を測定できるようにすること、(4)ピエゾ電圧(移動距離)、2方向の力測定値、および電流・電圧の計10種の検出信号の時系列データを、コンピューターを用いて画像観察と時間同期させて記録できるようにすること、そして(5)こうした測定値のサンプリングレートを、電子顕微鏡による構造観察と同時という条件のもとで高めるため、本観察システムに対応する新たな測定装置を開発することであった。本年度は、この目標にあった試料ホルダーを、申請者が部品の図面を描いて作製し、個々の部品を組み上げて本研究室で作製し、他の予定項目も実施された。前項の現在までの進歩状況に記載した通り、本研究の主眼である原子直視法による一般的な摩擦の実験を実践する手法論を本年度に確立することができた。今後は、この手法を用いて、様々な表面状態における摩擦を起こし、その条件と結果を対応させ、原子直視法によって摩擦の機構を解明するとともに、摩擦の構造ダイナミックスを研究するための実験的な基盤を構築する。また、ナノサイズのメカトロニクスに関係する種々の材料の摩擦の特徴をまとめ、本手法が、ナノ電気機械システムなどに応用できる機械・構造材料を開発できる研究手法になるように改善していく。ナノ工学今後は、開発した試料ホルダーの最適化と各種材料間の摩擦観察を中心に研究を進める。具体的には以下のようになる。まず、初年度に実測した基礎性能をもとに、観察中心の振動を原子間隔以下に制御し、より長距離の摩擦ができるようにピエゾ素子と固定ジグを最適化する。またこれらに対応した、本年度に設計した駆動回路を製作する。次に、観察対象の材料を変え、回転軸や摺動部品となる鉄鋼、タングステン、モリブデンなどの高硬度金属、アルミニウム、ジュラルミンなどの軽金属、ナノ電子機械システムで使用されるシリコンやグラファイトなどの半導体に拡張する。そしてこれらに対して、改良された本手法を適用し、各種素材の摩擦を調べる。本研究者が設計し、製作を依頼した発注品の効果的な改良案が年度末に見出され、これを組み入れるために発注品納期を次年度に延ばしたため。