hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
画像化音声を用いた外国語発話訓練システムの開発

パソコン用アプリケーションとしてリアルタイム動作する発話訓練システムを開発し,訓練システムにおいて言語特有の音素特徴を画像情報に変換するために必要であるニューラルネットワーク(NN)構築を行った。日本語用NNを用い,日本語非母語話者による訓練システムの評価を行った。さらに,発話において重要なイントネーションや発話速度などの情報を付加するため,それらのリアルタイム推定について検討し,システムの発展性について検討を行った。本研究は,画像化音声を用いた外国語発話訓練システムの開発を目的とし,H19年度は以下の点に重点を置いて研究を行った。(1)発話訓練システムのリアルタイム処理化の実現(2)子音の音素特徴を抽出するニューラルネットの再構築2.研究の遂行状況(1)プログラミング言語Javaを用いて作成したこれまでのシステムは,0S非依存型のアプリケーションであったが、特に画像描画ルーチンにおいてリアルタイム処理が困難であった。訓練の性質上,訓練者の発話方法の変化を即座にフィードバックする事が重要であり,また,DSP等の特別な外部装置を必要とした場合,システム自体の普及を妨げると考え,今回,音声の入出力や画像表示をMicrosoft社が提供しているWIN32API関数を用い.Windowsアプリケーションの形式でシステムを再構築した。結果的に,マイクから入力した訓練者の音声格納,音素特徴の抽出,画像の生成までをリアルタイムで処理する事が可能となった。(2)英語の音素的特徴に的を絞り,大語彙音声データベースを用いたニューラルネットの学習を行った。英語には,従来研究で対象としてきた日本語では用いない・はっきりと区別しない音素が多数存在するため,特に摩擦音と半母音を調音様式によって細かく分類し,その弁別性能の向上を図った。音声の時間的特徴を考慮し,Time-delayニューラルネットを採用し,付加するフレームについてネットワークごとに細かく検討したが,全体の識別精度はクローズドテストにおいても全フレームデータについて最大で60%程度であった事から,ニューラルネットに入力する音響パラメータについても再度検討する必要があると考えられる。1.本研究は,画像化音声を用いた外国語発話訓練システムの開発を目的とし,平成20年度は以下の点に重点を置いて研究を行った。(1)日本語発話学習者による発話訓練システムの評価(2)プロソディ特徴量のリアルタイム推定2.遂行状況(1)前年度に構築した学習システムを用い,発話学習者による評価を行った。前年度からの検討事項であった英語音素を出力するニューラルネットは推定精度に改善が難しいと判断し,同時に作成していた日本語音素を抽出するニューラルネットを用い,日本語非母語話者である外国人にターゲットを絞りシステム評価を行った。訓練者がシステムを利用した感想である主観評価,訓練前後に録音された音声を日本人話者が評価する客観評価ともに訓練システムの有用性が示された。また,日本語習得の際に外国人が最も不得意とする特殊拍(促音,撥音,長音)について,直感的な違いが分かり易いとの評価が得られた。(2)言語には特有の発話タイミング(スピードやリズム)があり,外国語学習の壁の一つであり, (1)の発話訓練でも同様の問題が生じた。そこで,訓練システムに発話スピードを示すモーラ速度情報を付加してフィードバックすることが訓練効率を高めると考え,そのリアルタイム抽出について検討した。リアルタイム訓練システムに用いられる音響特徴パラメータを利用することで,大まかなモーラ速度を求めることができたが,言語特有の構音規則を考慮することで,さらに詳細な推定を行う必要があると考えられる。
人間共存型ロボットにおける最適なモーションデザイン基本法則の抽出

一流の文楽人形遣いと共同研究を行い、モーションキャプチャーを装着した文楽人形の演技データから、感情ごとの特徴的なモーションパターンに加え、感情が強い時に身体の一部を瞬時伸縮する誇張した演出動作も抽出できた。これらの発見からロボット新構造を設計し、骨格伸縮などで効果的な演技ができるロボットのCGと部分試作機を製作し動作検証を行った。以上からロボットに最適なモーションデザイン基本法則を明らかにした。感情(心)を感じる機械(ロボット)に対して、人は親和性を感じ、人とロボットの間で従来より良い関係性が構築できると考える。そのロボットの感情を、ロボットのしぐさなどの動きを通して人は認知する。本研究では、その感情ごとの動きをロボットにデザインする最適な法則を明らかにした。その法則が既に確立されている伝統芸能の文楽から、文楽人形にモーションキャプチャーを装着した実験を繰り返し、感情ごとの動きのパターンを抽出した。また、この実験結果からの新発見として、文楽人形は感情の強弱にあわせて腕と首と胴体を伸縮させる誇張した動きを瞬間採用していることがわかった。この構造をロボットに取入れ、骨格が伸縮する新構造のCGと実機(部分試作)ロボットを製作した。これらで動きのパターンを検証し、仮説の動きに違和感のないことが明らかになり、ロボットへ最適化したモーションデザイン法則とした。さらに、このCGロボットでモーションデザイン法則の研究成果をCGアニメーションの短編映画にまとめた。ロボットの視覚に訴求する身体動作に加え、聴覚への音声や動作音も加え、総合芸術的なデザインで検証した。結果は、一流の文楽人形遣いはじめ全ての鑑賞者から違和感ないと回答を得られた。今後は動きと音を実機に取入れ、人とロボットの日常生活に近いかたちで研究を進めていく。研究目的である文楽人形による感情表現の基本モーションパターンを明らかにするため、文楽人形にモーションキャプチャーを装着し、一流の文楽人形遣いにアニメ映画と同じシーンを演じてもらい、その動画データを感情ごとに分類し分析する実験を行った。成果は、文楽人形における6感情のモーションパターン(以降、6EMP)抽出を通して、従来のロボットにないロボットの身体で感情表現できる全く新しい骨格構造が明らかになったことである。それは「骨格が伸縮する」「末端部が想定外の位置に移動する」など、まさに文楽の虚実皮膜論を再現できる瞬時にフィクションの誇張した動きが再現できるロボット構造である。特に、首と肩と胴体の誇張した動きの関係性が重要であることが理解できた。またデータ分析から6感情ごとの動く部位、速度、間の長さもパターンとして抽出できた。感情強度が身体部位の動作量や加速度に比例することや、感情の混合は敢えて別々に各感情の動きを行い連続させることで観る人にわかりやすくするなども明らかになった。この成果を検証するため簡単なストーリーを土台に、仮想のCGで新構造ロボットを再現し、文楽人形における6EMPをCGアニメーションで実装し再現した。CGロボットの身体動作による感情表現は、10名の学生被験者に提示したところ自然で違和感ないとの評価結果を得た。今後の平成24年度の実験では、ATR所有の小型ヒューマノイドロボットに6EMPを実装し評価実験を繰り返す。モーター制御のプログラムに文楽人形の6EMPの実装を繰り返す中で、何を足し何を省けば現実のロボットにおける身体動作による感情表現が自然で違和感がなくなるかを検証する。この成果が、人がロボットに最適と思える感情豊かな人間共存型ロボットのモーションデザイン基本法則となる。平成23年度はATRに共同実験を依頼し、文楽人形遣い桐竹氏らが演じる文楽人形にモーションキャプチャーを装着し、感情表現基本モーションパターンの正確なデータをとり、高い精度で桐竹氏の暗黙知をロボットへ応用できるモーションデザインの分析を行う計画は完了した。文楽特有の型のモーションでなく、文楽人形遣いがアニメ映画を見て同じように実演していただく実験が功を奏し、人間共存型ロボットの日常動作に活用できるモーションパターンが抽出できた。その内容は多くのアニメのモーションパターンと共通するものでもあった。これらは、平成23年度の日本ロボット学会学術講演会やヒューマンエージェントインタラクションシンポジウムで発表している。さらにモーションキャプチャーによる精細な動きのデータから、文楽人形は誇張した動きを取り入れることで感情豊かな表現をしていることが明らかになった。首や肩や胴体や腕までもが伸縮したり、人間ではあり得ない位置に関節や部位がきたりする動きが読み取れた。これが近松門左衛門が確立した「虚実皮膜論」かと感嘆した。これらを参考に、ロボットの自由度を人間以上に増やし、関節に加え骨まで伸縮自在で柔軟に変形する骨格構造をもつ文楽人形に近い新たな人間共存型ロボットの設計構想が構築できた。これは想定外であり、ロボットの感情を伝えるためには不可欠な新構造であると確信した。絵コンテや簡単なCGアニメーションで検証を重ね、この新構造のロボットの精度を高め、特許庁に意匠登録申請をした上で自らの著書「ロボティクスデザイン」にて発表している。

平成24年度科研費の新たなテーマとして、基盤研究B「人間共存型ロボットに必要な総合芸術としてのデザイン法則の抽出ヒトとロボットの短編映画制作を通して」を申請した。一日も早く実機検証を重ね、感情豊かな人間共存型ロボットを実現したいからである。平成24年度は、平成23年度科研費として採択された「人間共存型ロボットにおける最適なモーションデザイン基本法則の抽出文楽人形遣いとの共同研究を通して」を継続して行う。具体的には、文楽人形遣いから抽出した人間共存型ロボットに応用できる6感情モーションデザイン基本法則を、実機にロボットにプログラムして実際に動作させて検証していく。この基本法則は仮想の文楽やCGアニメでは正しい感情を伝えるモーションデザインが確立しているが、実世界のロボットにそのままプログラムしても違和感が発生すると考える。その違和感を取り除くプロセスが、本来求められる人間共存型ロボットにおける最適なモーションデザイン基本法則となると考える。おそらく実機の制御は遅く可動範囲も限られるため、文楽の自由なモーションパターンの重要な要素は残しながらも大きく変換していかねばならない。その際、何を省略して何を足さねばならないかが重要なポイントと考えている。その点が、人間共存型ロボットにおける最適なモーションデザイン基本法則の要点になる。さらに、不採択になった基盤研究B「人間共存型ロボットに必要な総合芸術としてのデザイン法則の抽出ヒトとロボットの短編映画制作を通して」を再申請するための準備実験も進めていく。具体的には短編映画のシナリオを構築し、CGアニメーションで映画の見識者の意見を取り入れながら完成させる。文楽の感情の動きをロボットに取り入れながら、音や声(語り)も試行し、総合芸術としての完成度を高めていく。人とロボットのいる日常生活を舞台と考え、単に動きだけでなく音や語りまで含めた演出を取り入れ、総合芸術としての人間共存型ロボットのデザインへ発展させていく。けでなく音や語りまで含めた演出を取り入れ、総合芸術としての人間共存型ロボットのデザインへ発展させていく。次年度は、平成23年度科研費として採択された「人間共存型ロボットにおける最適なモーションデザイン基本法則の抽出文楽人形遣いとの共同研究を通して」の研究費を活用した以下の使用計画を考えている。今後の研究の推進方策でも述べたように、ロボットの実機を活用するため、ATRに依頼し小型ヒューマノイドロボットと研究員のサポートを依頼する。こられを活用してロボットに文楽から抽出した6感情の動きをプログラムしていき、違和感のないレベルにまで精度を高めていく。そのロボットを被験者である学生たちへの評価実験を繰り返し、成果を論文にまとめ、平成24年度日本ロボット学科学術講演会にて発表する予定である。具体的な費用としては、ATRへの委託費用が主となり、研究サポートの学生たちへの謝金が発生する。
高精錬能を持つ強塩基性フラックスの開発研究

CaOーAL_2O_3、CaOーCaF_2、BaOーBaF_2等の二元系をはじめ、CaOーSiO_2ーCaF_2、CaOーSiO_2ーCaF_2ーNa_2O等の多元系を含む各種フラックスを対象にしてCO_2の溶解度測定を行い、フラックス塩基度の一つの尺度と目されるカーボネイトキャパシティーの評価を試み、スラグに対するCO_2溶解度が限られた濃度範囲で塩基度の尺度になり得ることがわかった。またフラックスの脱りん能や脱硫能を表わすフオスフェイトキャパシティーやサルファイドキャパシティーとカーボネイトキャパシティーとの間に明瞭な相関が見え出され、カーボネイトキャパシティーがフラックス精錬能の指標として採用できることも判明した。そこで、これら指標を基軸にして高精錬能を持つフラックスの開発を進め、塩基性フラックスであるCaOーCaF_2ーSiO_2フラックスに少量のNa_2Oを添加することにより、塩基性の一層の増大と相まって精錬能も著しく向上するという知見を得た。実際にこのフラックスを用い、溶鉄中に含まれる不純物の除去に関する一連の実験を行い、少量のNa_2O添加で、りん、硫黄以外にバナジウム、ニオブ、チタンの精錬能が著しく向上し、一方マンガンは溶鉄中に留まる事実が把握できた。さらにカーボネイトキャパシティーの測定からBaOーBaF_2系フラックスの精錬能が大きいことも予測出来たので、強塩基性酸化物のBaOをCaOーCuF_2ーSiO_2系フラックスに添加してBaOの添加によるりん分配比に対する影響についても調べた。その結果、BaOの増大に伴いりん分配比、すなわち脱りん能の向上が確認できた。また溶鉄中不純物の除去に有効性を持つこれらフラックスが金属シリコン中不純物、とくにその除去が困難とされているボロンの除去にも効果があるか否かを確かめる実験も行ったが、MgOーCaOーSiO_2系およびBaOーCaOーSiO_2系フラックスの適用により低減し得ることがわかり、金属シリコンを出発原料にして低廉な太陽電池用シリコンを提供し得るプロセスの開発にも一定の見通しを得ることが出来た。CaOーAl_2O_3、CaOーCaF_2、BaOーBaF_2等の二元系をはじめ、CaOーSiO_2ーCaF_2、CaOーSiO_2ーCaF_2ーNa_2O等の多元系を含む各種フラックスを対象にしてCO_2の溶解度測定を行い、フラックス塩基度の一つの尺度と目されるカーボネイトキャパシテーの評価を試み、スラグに対するCO_2溶解度が限られた濃度範囲で塩基度の尺度になり得ることがわかった。

実際にこのフラックスを用い、溶鉄中に含まれる不純物の除去に関する一連の実験を行い、少量のNa_2O添加で、りん、硫黄以外にバナジウム、ニオブ、チタンの精錬能が著しく向上し、一方マンガンは溶鉄中に留まる事実が把握できた。さらにカーボネイトキャパシティーの測定からBaOーBaF_2系フラックスの精錬能が大きいことも予測出来たので、強塩基性酸化物のBaOをCaOーCaF_2ーSiO_2系フラックスに添加してBaOの添加によるりん分配比に対する影響についても調べた。その結果、BaOの増大に伴いりん分配比、すなわち脱りん能の向上が確認できた。また溶鉄中不純物の除去に有効性を持つこれらフラックスが金属シリコン中不純物、とくにその除去が困難とされているボロンの除去にも効果があるか否かを確かめる実験も行ったが、MgOーCaOーSiO_2系およびBaOーCaOーSiO_2系フラックスの適用により低減し得ることがわかり、金属シリコンを出発原料にして低廉な太陽電池用シリコンを提供し得るプロセスの開発にも一定の見通しを得ることが出来た。S60年度は(1)高精錬能を持つと考えられる各種フラックス(CaO-Ca【F_2】,CaO-【CaCl_2】,BaO-Ba【F_2】,【Na_2】O-Si【O_2】,【K_2】O-KCl系など)を対象に【CO_2】ガスの溶解度を測定し、その温度ならびに【CO_2】分圧依存性も調べる。(2)上記フラックスの特に脱りん能を中心に精錬能(りん分配比:Lpやフォスフェイトキャパシティ:【Cpo(^(3-)_4)】)を測定するなどを主眠に置き一連の実験を行い、次のような結果を得た。上記(1)に関する実験では、研究補助費で購入した丸型高温炉を用い、【i】)【K_2】O-Si【O_2】,【Na_2】O-Si【O_2】,【Li_2】O-Si【O_2】系スラグ、【ii】)【Na_2】O-NaF,【Na_2】O-【SO_3】,【Na_2】O-【P_2】【O_5】,【Na_2】O-Cr【O_3】系スラグ、【iii】)【K_2】O-KF,【K_2】O-KCl,【K_2】O-KBr,【K_2】O-【K_2】I系スラグ、【iv】)CaO-【Al_2】【O_3】,CaO-Ca【F_2】,BaO-Ba【F_2】系スラグ、【v】)【Na_2】O-Si【O_2】-FeO-Fe【O_(1.5)】系スラグ等を対象に【CO_2】の溶解度を調べた。なお大部分の実験は温度1200°C、【Pco_2】1atm一定の条件で行ったが、一部は温度(12001500°C),【Pco_2】(0.21atm)適宜変えて、それらの影響を調べる実験も行った。その結果、いずれのスラグ系においても塩基性成分が増大するにつれて【CO_2】の溶解度が増大した。また【i】)系のスラグによる実験から、アルカリ金属酸化物の塩基性が【K_2】O>【Na_2】O>【Li_2】Oの順に弱くなること、【ii】)系のスラグでは、【P_2】【O_5】<Si【O_2】<【SO_3】,Cr【O_3】の順で塩基度が強まることがわかった。更に【iv】)系スラグによる実験からBaO系の方がCaO系よりも高塩基性であることがわかった。(2)に関する実験では、CaO-Ca【F_2】-Si【O_2】系スラグを基本対象として、Fe-P合金との平衝実験を行い、りんの平衝分配比(Lp)、フォスェイトキャパシティ(【Cpo(^(3-)_4)】を測定した。
単離可能なヒドリドーカルコゲノラト白金錯体とアルキン類との反応の機構解明

ヒドリド-セレノラト白金(II)錯体とアルキン類とのヒドロセレン化反応を検討した。セレン上に9-トリプチシル基,リン配位子としてトリフェニルホスフィンあるいはジフェニルホスフィノエタンを持つ錯体を用いた反応により,初期段階でリン配位子の解離が必要であることを明らかにした。配位子として亜リン酸トリフェニルをもつ錯体はフェニルアセチレンと反応し,セレナプラチナサイクルとスチレンが生成することを見いだした。1.新たな(ヒドリド)(セレノラト)白金(II)錯体として,セレン上の置換基がt-ブチル基の[PtH(Se-t-Bu)(PPh_3)_2],リン配位子が亜リン酸トリフェニルの[PtH(SeTrip){P(OPh)_3}_2]を合成した。2.[PtH(Se-t-Bu)PPh_3)_2]とアセチレンジカルボン酸ジメチルあるいはプロピオール酸メチルとの反応では,低収率ながらヒドロセレネーション付加体が生成したが立体選択性はなかった。このヒドリド錯体の熱反応を検討したところ,セレノラト配位子で架橋された新規なジヒドリド白金二核錯体およびヒドリド白金二核錯体,[Pt_2H_2(m-Se-t-Bu)_2(PPh_3)_2]および[Pt_2H(Se-t-Bu)(m-Se-t-Bu)_2(PPh_3)_2],が生成することを見出した。3.[PtH(SeTrip){P(OPh)_3}_2]とアセチレンジカルボン酸ジメチルとの反応では,高収率でヒドロセレンーション付加体が生成したが立体選択性はなく,錯体の還元的脱離により生成したセレノールとアセチレンジカルボン酸ジメチルの反応が優先して起こっていることがわかった。フェニルアセチレンとの反応では,錯体の分子内環化によりセレナプラチナサイクルが得られた。この反応に亜リン酸トリフェニルを添加して行うと,異常反応が起こり,亜リン酸トリフェニル配位子の一つから一つのフェニル基が脱離し,そのP原子とO原子およびフェニルアセチレンを取り込んだ五員環オキサホスファプラチナサイクルが生成することを見出した。この反応でも還元的脱離により生成したセレノールと亜リン酸トリフェニルの反応が始めに起こったものと考えられる。2つのヒドリド錯体,すなわちリン配位子としてトリフェニルホスファイトを有する[PtH(SeTrip){P(OPh)_3}_2](1)(9-トリプチシル基)及び新たに合成した,セレン上の置換基として嵩高い2,4,6-トリ-t-ブチルフェニル基(Mes*基)をもっ[PtH(SeMes*)(PPh_3)](2)のアルキン類との反応並びに熱反応について検討した。ヒドリド錯体1とフェニルアセチレンとを加熱するとフェニルアセチレンは回収され,Trip基への分子内環化反応が促進され,対応するセレナプラチナサイクルが生成した。この結果と昨年度に得られた結果(P(OPh)_3とフェニルアセチレンを加えて反応させると分子内環化体に加えてリン配位子からのPh基の脱離とフェニルアセチレンの取り込みが起こった五員環オキサホスファプラチナサイクルが生成する)は中間体としての18電子5配位錯体の生成を示唆し,反応機構に関する重要な知見が得られた。また,ヒドリド錯体2とジメチルアセチレンジカルボン酸との反応では,目的のヒドロセレン化付加体が生成したがE-Z立体選択性は現れなかった。この反応では,1の場合とは対照的に16電子5配位中間体を経由していることが示唆された。このように,これまで単純に考えられていたヒドリド錯体のPt-Se結合ヘアルキンが挿入する反応機構ではなく,白金の5配位中間体,しかも基質によって配位様式の異なる高配位中間体を経る反応機構の可能性が示された。前年度までに,リン配位子としてトリフェニルホスファイトを有するヒドリド錯体[PtH(SeTrip){P(OPh)_3}_2](1)(Trip=9-トリプチシル基)をフェニルアセチレン存在下で加熱すると,分子内環化が起こり対応するセレナプラチナサイクル2が生成することを明らかにしている。今年度はこの環化反応の反応機構について詳細に検討した。1.まず,ヒドリド錯体1とファニルアセチレンの重トルエン溶液をNMR試料管中で加熱し,NMRで反応を追跡したとろ,環化体2とともにスチレンが生成していることを見いだした。つまり,フェニルアセチレンは触媒ではなく,水素受容体になっていることが明らかとなった。2.次に,フェニルアセチレンがスチレンに水素化される際の位置および立体選択性を調べるために,重水素化された錯体[PtD(SeTrip){P(OPh)_3}_2]およびフェニルアセチレン-dを用いて熱反応を行った。

その結果,白金上の重水素は,スチレンのα位に導入されること,及び,スチレンのβ位の重水素に立体選択性がないことが分かった。ただし,別途調製したtrans-β-重水素化スチレンと環化体2をトルエン中加熱したところ,シス-トランス異性化が起こることがわかった。3.以上の実験結果から,ヒドリド錯体1とフェニルアセチレンとの反応では,まず,Pt-Hにフェニルアセチレンが挿入して[Pt(CH=CHPh)(SeTrip){P(OPh)_3}_2]が生成し,次いでトリプチシル基のC-H結合に白金が分子内酸化的付加して4価白金錯体となり,最後にビニル部位と水素が還元的脱離することでスチレンと環化体2が生成することが明らかとなった。この反応性はリン配位子としてトリフェニルホスフィンを有する[PtH(SeTrip)(PPh_3)_2]の反応性とは全く異なり,ヒドリド錯体の反応性がリン配位子に大きく影響されることが明らかとなった.
植物のExtreme Resistance応答におけるタンパク質修飾の網羅的解析

主要作物はその収量の約20%がウイルス病により失われており、ウイルス病の防除は農学における最重要課題の一つである[Plant Virus DiseaseControl,1998]。しかしながら、植物ウイルスはその増殖に宿主植物の因子を利用するため、ウイルスの増殖のみを阻害するような農薬は開発されていない。従って、ウイルス病の防除戦略として、植物が備えているウイルス防御機構を解明し、応用することが有効である。今年度はウイルス防御機構Extreme Resistanceを解明するための実験システムの構築を実施した。ウイルスは植物細胞に侵入すると、(1)「タンパク質の翻訳」、(2)「増殖」、(3)「隣接細胞への移行」というプロセスで全身へと感染する。植物が備えているウイルス防御機構としてはこれまでHypersensitive Response(HR)と呼ばれる細胞応答について詳細な研究が行われていきた。HRとは、植物細胞がウイルスタンパク質を認識し、細胞死を引き起こすことで、ウイルスの(3)「隣接細胞への移行」を阻止する応答である。しかし、植物のHR関連因子の発現誘導より、ウイルスの増殖・移行が早い場合には、ウイルスの全身感染後にHRが起こり、植物体全体が細胞死するというリスクもある。そのため、HRを利用したウイルス防除技術の開発には限界がある。一方で、HRよりさらに早い細胞応答で、ウイルスの(1)「タンパク質の翻訳」や(2)「増殖」を阻止するExtreme Resistance(ER)という防御機構が報告されている。ERはウイルスの増殖を許容しないため、HRのように植物体全体が細胞死することはない。そのため、ERの分子制御メカニズムを解明し、極めて効果的な新規ウイルス防除技術の開発に応用することを目指す。ERは、ジャガイモのタンパク質RxがジャガイモXウイルスの外被タンパク質を認識して引き起される例が知られている。しかし、ジャガイモではタンパク質データベースが整備されていないため、ER時のプロテオーム解析を行うことができない。そのため、本研究ではウイルスにジャガイモXウイルス、植物にはRxを形質転換したシロイヌナズナを使用する。本研究課題では、ウイルス病の防除戦略として、植物が備えている感染初期の高度な防御機構Extreme Resistanceを解明し、応用することを目指す。Extreme Resistanceは、ジャガイモのタンパク質RxがジャガイモXウイルスの外被タンパク質を認識して引き起される例が知られている[EMBO J 1993.12;379-386]。今年度は、ジャガイモXウイルス外被タンパク質のクローニングベクターおよびRxを形質転換したシロイヌナズナを作成し、実験系の構築を行った。前者に関しては、ジャガイモXウイルス(BS系統)の塩基配列から外被タンパク質部位を増幅し、植物用発現ベクターに導入した。後者に関しては、califlower mosaic virus 35S promoter下流にRxをコードする遺伝子を連結したコンストラクトを導入した形質転換体を作出した。今後は、本研究成果で得られたシステムを使用し、Extreme Resistance時のタンパク質修飾プロテオーム解析を行う。そして、それによって得られる知見からERの制御を基盤としたウイルス病新規防除技術の構築を目指す。
感染症危機管理支援を目的とした発生動向調査データの新たな可視化還元法に関する研究

本研究は、感染症サーベイランス事業で収集されるデータの、より有効活用を目的としたインターネットを用いた流行状況の可視化・還元システムの構築と、流行予想アルゴリズムの考案である。47都道府県の流行性耳下腺炎のデータ(1990年1月から2006年10月までの約80,000件)と北海道21医療圏の流行性耳下腺炎と麻疹のデータ(各1990年1月から2007年2月までの約18,000件)を収集・整理して情報提供用のデータベースとして整備した。今回作成した可視化・還元システムの特徴は、利用者の要求に応じて任意の時期のデータをデータベースから抽出し、自動的にグラフやアニメーションに変換してホームページ上に表示する機能である。グラフに関しては、地域別の流行状況を色分けして表示する流行状況マップ、1年間の時期別・地域別の流行状況が鳥瞰できる3次元棒グラフを提供している。加えて、流行状況の時間的・空間的推移の同時把握を支援するためのFlashアニメーションも提供している。本システムは流行状況の把握を迅速に行なう有効なツールになるものと考える。さらに、データの分布とその位置を捉える基本統計解析、傾向変動、季節変動、循環変動などの時系列データの構造解析を行ない、感染症流行現況把握、流行予測を試みた。流行の警報・注意報発令のアルゴリズムの検討を行ない、過去・現況把握および流行予測を行なった。これらプログラムを搭載することにより、地域クライアントが必要に応じ、独自の情報を作成することが可能となり、地域の感染症患者発生状況の時系列、流行状況、さらに空間的広がりとその推移が視覚化されると考えられた。感染症別・地域別に流行現況表示や短期の流行予測が可能と考えられ、警報・注意報発令のシグナルの呈示は感染症の診断や予防業務に有用であると考えられる。1.感染症発生動向調査データの収集と整理1980年以降の感染症発生動向調査データを精査し、全国47都道府県および北海道の21医療圏の麻疹と流行性耳下腺炎について、週毎のデータに整理すると共にデータベース化のための電子データに変換した。2.データベースシステムの構築今回の経費で購入したコンピュータを用いて、膨大な情報からでも高速かつ柔軟にデータの検索と抽出が行える感染症発生動向調査データベースシステムを構築した。構築に際して採用したソフトウエアはWebサーバー用としてはApache、データベースサーバー用としてはMySQLであり、サーバーサイドスクリプティング言語はPHPである。本サーバーに上記1のデータを格納して、インターネットで情報提供提供できる環境を整備した。3.感染症流行予測アルゴリズムの確度向上の為のデータ解析今回の経費で購入したデータマイニングソフトウエア(S-Plus)を用いて、感染症の流行現象に有意な相関現象やパターンの検出を試みたところ、長期的流行の推移に季節変動および循環変動が確認でき、流行予測アルゴリズム確度向上のための基礎的データの解析を行った。4.数値データの可視化プログラムの開発数値データ可視化プログラムを開発して上記2のサーバーコンピュータにインプリメントした。本可視化プログラムは、PNG画像とFlashアニメーション表示の二つの形式を用意している。どちらの形式も、インターネットにつながれたコンピュータからの任意の要求に応じて、サーバーコンピュータに蓄積された数値情報を自動的に画像またはFlashアニメーションに変換して、ホームページ上に表示することができる。

47都道府県の流行性耳下腺炎のデータ(1990年1月から2006年10月までの約80,000件)と北海道21医療圏の流行性耳下腺炎と麻疹のデータ(各1990年1月から2007年2月までの約18,000件)を収集・整理して情報提供用のデータベースとして整備した。今回作成した可視化・還元システムの特徴は、利用者の要求に応じて任意の時期のデータをデータベースから抽出し、自動的にグラフやアニメーションに変換してホームページ上に表示する機能である。グラフに関しては、地域別の流行状況を色分けして表示する流行状況マップ、1年間の時期別・地域別の流行状況が鳥瞰できる3次元棒グラフを提供している。加えて、流行状況の時間的・空間的推移の同時把握を支援するためのFlashアニメーションも提供している。本システムは流行状況の把握を迅速に行なう有効なツールになるものと考える。さらに、データの分布とその位置を捉える基本統計解析、傾向変動、季節変動、循環変動などの時系列データの構造解析を行ない、感染症流行現況把握、流行予測を試みた。流行の警報・注意報発令のアルゴリズムの検討を行ない、過去・現況把握および流行予測を行なった。これらプログラムを搭載することにより、地域クライアントが必要に応じ、独自の情報を作成することが可能となり、地域の感染症患者発生状況の時系列、流行状況、さらに空間的広がりとその推移が視覚化されると考えられた。感染症別・地域別に流行現況表示や短期の流行予測が可能と考えられ、警報・注意報発令のシグナルの呈示は感染症の診断や予防業務に有用であると考えられる。
キメラマウスを用いた破骨細胞分化におけるNFATc1の役割の研究

骨破壊性疾患の原因となる破骨細胞を特異的に抑制する有効な治療法を開発するためには、破骨細胞分化の分子機構を解明することが肝要である。申請者らは、in vitroで転写因子NFATc1が破骨細胞分化におけるマスターレギュレーターであるとする仮説を世界に先駆けて示したが、この仮説が本当に生体レベルで真実であるかどうかを証明することは、破骨細胞分化研究にとって最大の焦点となっている。NFATc1ノックアウトマウスは心臓の異常のために胎性致死となり、骨組織における機能解析が不可能である。このように、骨以外の原因で胎性致死となる遺伝子の骨組織における意義を検討するためには、破骨細胞のみでNFATc1遺伝子が欠損したマウスを作成することが必要となる。本研究では、死亡する直前の胎性12.5日齢のNFATc1遺伝子欠損マウスの胎児の肝細胞から造血幹細胞を採取し、ブスルファン処理によって骨髄抑制した破骨細胞欠損c-Fosノックアウトマウスに対して移植することで、NFATc1遺伝子が破骨細胞分化において必須であるかどうかを、生体レベルで検証した。その結果、予想した通り、NFATc1ノックアウトマウス肝細胞の造血幹細胞を移植した場合には、重度の大理石骨病を呈することが示された。今後、NFATc1を特異的に抑制する方法を開発すれば、破骨細胞を標的とした効率よい治療法に結びつくことが示唆される。また、この移植方法によれば、コンディショナルノックアウトマウスを作成しなくても簡便に胎性致死遺伝子の破骨細胞分化・機能における意義を研究することが可能となり、非常に応用範囲の広い研究手法となることが予想される。
結合カオス振動子系の動的挙動とその制御

多数のカオス振動子が結合した系のモデルとして、各要素の時間発展がロジスティック写像で表され、相互作用が両隣の要素との拡散型である結合写像格子系の動的挙動を調べた。この系の示す時間・空間的なカオスを抑制することを目的として、M個ごとの要素の時間発展を表すパラメータを他の要素に対するパラメータから変化させることによる挙動の変化を調べた。その結果、適当な大きさの結合定数に対しては、上記のパラメータの変化を十分大きくすると、たとえかなりMが大きくても時間・空間的カオスが抑制され、いくつかのドメインからなる規則的な構造が形成されることがわかった。このように各要素が相互作用を行うことを積極的に利用して一部の要素のパラメータだけを変えることによって系全体が制御できれば、効率の良い制御という観点から好ましい。しかし、このMの値を増加させるにつれて、一様乱数状態からこの規則的構造に落ち着くまでの時間が指数関数的に増大するので、あまりMを大きくしすぎるとカオスの制御を達成するのに多大の時間がかかることもわかった。また上記のパラメータ変化が十分大きいときには、結合写像格子系の全要素数JがMの5倍程度以上では、系の挙動はほとんどJに依存せず、系の実質的自由度は5M程度であることもわかった。さらに、多自由度非線形系での複雑挙動であるパターン形成に関する研究として、容器の加振によって作られるファラデー波のパターン形成のメカニズムについて調べ、加振振動数が大きいときには四角形パターンが安定であり、ある比較的狭い範囲の加振振動数に対しては六角形や八角形のパターンが安定であることがわかった。また、多自由度系の動的挙動の不規則性解析のための効率化シミュレーション解法の開発、急冷された相互作用する多粒子系の動的挙動の研究も行った。多数のカオス振動子が結合した系(結合カオス振動子系)の動的挙動を調べ、その系を制御してカオス的ふるまいを抑制するための適当な方法を見いだすことを目的として研究を行った。具体的には、比較的計算量が少なくてすむ結合写像格子系(各要素の時間発展がロジステイック写像で表され、相互作用が両隣の要素との拡散型のもの)を対象に、各要素が相互作用を行うことを積極的に利用して、一部の要素だけを制御する、あるいは特性を変えることによって、系全体のカオス的挙動を抑制してカオス制御をすることを試みた。その結果、ごく一部の要素の写像パラメータを変更することによって、時間空間的カオスが抑制され、空間的なドメイン構造が形成され得ることがわかった。ただし、この変更する要素の割合を減少させるにつれて、一様乱数状態からこのドメイン構造に落ち着くまでの時間が急激に増大することがわかった。また、多数個の要素からなる系の等間隔のいくつかの要素に、少数個の要素からなる系での安定周期解の値を強制的に与えることによっても、カオス制御が可能であることを示した。とくに、強制要素の間隔をどの程度まで大きくしてもカオス制御が成功するかについても調べた。これらの結果については、現在投稿準備中であり、また平成10年夏に開催予定の第3回非線形力学国際会議で発表する予定である。また、多自由度非線形振動系でのカオスとパターン形成に関する別の観点からの研究として、ファラデー波のパターン形成のメカニズムについて、新しい手法を用いて理論的に詳しく調べ、生成パターンの波長依存性についての結果を得た。次年度には、今年度に得られた上記の結果を最大限に利用して、結合振動子系での効率の良いカオス制御の方法を見いだすことをめざす計画である。

この系の示す時間・空間的なカオスを抑制することを目的として、M個ごとの要素の時間発展を表すパラメータを他の要素に対するパラメータから変化させることによる挙動の変化を調べた。その結果、適当な大きさの結合定数に対しては、上記のパラメータの変化を十分大きくすると、たとえかなりMが大きくても時間・空間的カオスが抑制され、いくつかのドメインからなる規則的な構造が形成されることがわかった。このように各要素が相互作用を行うことを積極的に利用して一部の要素のパラメータだけを変えることによって系全体が制御できれば、効率の良い制御という観点から好ましい。しかし、このMの値を増加させるにつれて、一様乱数状態からこの規則的構造に落ち着くまでの時間が指数関数的に増大するので、あまりMを大きくしすぎるとカオスの制御を達成するのに多大の時間がかかることもわかった。また上記のパラメータ変化が十分大きいときには、結合写像格子系の全要素数JがMの5倍程度以上では、系の挙動はほとんどJに依存せず、系の実質的自由度は5M程度であることもわかった。さらに、多自由度系の動的挙動の不規則性解析のための効率化シミュレーション解法の開発、急冷された相互作用する多粒子系の動的挙動の研究も行った。
高齢者の転倒予防のための新規転倒回避テストの開発

本研究は、高齢者の転倒予防のための新規転倒回避テストの開発を行い、そのテストの安全性や信頼妥当性を検証するため、以下の5つの検討課題を設定した。1.適切なテスト条件、器具開発、2.転倒回避テストの実用性及び信頼性の検討、3.新規転倒回避能力テストの妥当性の検討、4.転倒回避能力と転倒関連体力テスト及び身体機能テストとの関係の検討、5.運動実践及び本転倒回避テスト実践前後の転倒回避動作能力の変化の検討。これら5つの検討課題を遂行、検証することにより、高齢者の転倒回避能力の向上および転倒予防に貢献できる。
原始太陽系物質進化過程を探る高感度同位体質量分析計の試作

質量分析法において多重検出方式(マルチコレクション)は、同位体分析精度を高める最も有効な手段であるといえる。多重検出方式としては、これまでファラデー検出器が広く用く用いられてきた。しかし、高精度同位体分析に適したファラデー検出器は、イオン検出感度が低く(二次電子増倍管などの手法の1,000分の一程度)、微量元素の同位体分析を行う上で問題となっていた。そこで本研究では、高精度同位体分析を目的とした新しい高感度イオン検出器の開発を試みた。本研究で開発した検出器は、AMI(Amplified MOS Imager)とよばれる固体撮像素子であり、250,000画素(単一ピクセルの大きさは5μmX10μmで全体の大きさは8mmX6mm)からなり、イオンビーム強度の二次元分布を調べることができる。つまり、一つのAMI検出器で複数のファラデー検出器の役割を果たすことができる。AMI検出器は、1)イオン(荷電粒子)を直接検出できる唯一の固体素子である、2)素子内部に信号増幅回路をもっているためS/N比が高い、3)検出器が積分型であるため微弱な信号についても正確な強度情報が読み取れる、などの特長を有しており、イオン検出感度の向上には最も有力な検出法だといえる。本研究では、このAMI検出器をICP質量分析計にとりつけ、様々な質量数および強度のイオンの計測を行い、基本的な特性評価を行うとともに、質量数180210amuの分析元素(ハフニウム、ダングステン、鉛、タリウム)について、3つの同位体信号を同時検出・計測することに成功した。またAMI検出器は、テレビカメラのようにリアルタイムでイオンビーム強度をモニターすることも可能であり、質量分析計のイオンレンズの調整や分析条件の最適化が容易となり、従来複雑であった質量分析計の調整が格段に容易となったことも特筆すべき成果といえる。現段階では、検出器のノイズレベルが理論値と比較して10倍程度残っており、実用的なダイナミックレンジとしては4桁程度しか得られていないが、同位体分析の繰返し再現性(測定精度)としては0.01%程度が得られており、当初目標としていた基本性能は達成できたといえる。隕石(地球外物質)から正確な物質循環過程および年代情報を引き出すために、試料中の超微量元素の同位体組成を高感度かつ高精度で分析するための質量分解法の開発を行った。平成7年度は、高感度イオン検出システム(AMI)の設計・製作をおこなった。また製作した検出器のベンチテストでは、設計通りの基本特性が得られ、質量分析計の高感度検出器として良好な性能がえられることが示せた。また、本年は、新しい検出器を質量分析計に取り付けるためのAMI真空導入システムについても設計・製作をおこなった。このAMI真空導入システムは、超高真空対応でありながら、検出器を最大で250mmの移動ができ、また検出器本体を-200度にまで冷却できる機能を有している。これまでに、AMI真空導入システムからの妨害ガス発生試験(脱ガス特性評価)を行い、目標とする性能が全て満足されていることが示せた。平成8年度は、実際の検出器を質量分析計本体に取り付け、実際のイオンビームを用いた性能評価および分析法の確立を行う予定である。

質量分析法において多重検出方式(マルチコレクション)は、同位体分析精度を高める事も有効な手段であるといえる。多重検出方式としては、これまでファラデー検出器が広く用いられてきた。しかし、高精度同位体分析に適したファラデー検出器は、イオン検出感度が低く(二次電子増倍管などの手法の1,000分の一程度)、微量元素の同位体分析を行う上で問題となっていた。そこで本研究は、高精度同位体分析を目的とした新しい高感度イオン検出器の開発を試みた。本研究で開発した検出器は、AMI(Amplified MOS Imager)とよばれる固体撮像素子であり、250,000画素(単一ピクセルの大きさは5μm×10μmで全体の大きさは8mm×6mm)からなり、イオンビーム強度の二次元分布を調べることができる。つまり、一つのAMI検出器で複数のファラデー検出器の役割を果たすことができる。AMI検出器は、1)イオン(荷電粒子)を直接検出できる唯一の固体素子である、2)素子内部に信号増幅回路をもっているためS/N比が高い、3)検出器が積分型であるため微弱な信号についても正確な強度情報が読み取れる、などの特長を有しており、イオン検出感度の向上には最も有力な検出法だといえる。本研究では、このAMI検出器をICP質量分析計にとりつけ、様々な質量数および強度のイオンの計測を行い、基本的な特性評価を行うとともに、質量数180210amuの分析元素(ハフニウム、タングステン、鉛、タリウム)について、3つの同位体信号を同時検出・計測することに成功した。またAMI検出器は、テレビカメラのようにリアルタイムでイオンビーム強度をモニターすることも可能であり、質量分析計のイオンレンズの調整や分析条件の最適化が容易となり、従来複雑であった質量分析計の調整が格段に容易となったことも特筆すべきといえる。現段階では、検出器のノイズレベルが理論値と比較して10倍程度残っており、実用的なダイヤミックレンジとしては4桁程度しか得られていないが、同位体分析の繰返し再現性(測定精度)としては0.01%程度が得られており、当初目標としていた基本性能は達成できたといえる。今後、検出器のノイズを低減させるために信号増幅回路の改良を行いイオン検出器としての実用化をめざす。
神経変性疾患のMR診断補助ソフトの開発とマルチモダリティデータによる多角的解析

本年度は当院神経内科を受診している神経変性疾患患者(パーキンソン症候群、脊髄小脳変性症群、筋萎縮性側索硬、筋ジストロフィー等)のMRIと核医学検査を施行し、データを収集した。MR撮影は健常者同様フィリップス社製3TMRのAchiva、32チャンネルの頭部用コイルを使用した。MRのシークエンスは3DT1volume data(矢状断の3D MPRAGE、実行スライス厚0.6mm、加算回数1回)、DKI(32軸、2.5x2.5x2.5mm、b=0, 1000, 2000、加算回数1回ずつ)、軸位断T1,T2強調画像、冠状断FLAIRである。30人のデータを取得した。また核医学検査は15例のDatScanと9例のMIBG検査を施行。DatScanの撮影は[123I]FP-CITを167MBq静注後3時間で撮影した。機器はシーメンス社製SPECT/CTのSymbiaで、低中エネルギー用コリメーターを使用し、システム解像度は9mmFWHM。MIBG検査は123I-ミオMIBGを111 MBq静注後、胸部の15分後の早期層と3時間後の遅延相を撮影後、心集積値と洗い出し率を計算した。MRの3DT1volume dataはSPM8with DARTELのソフトにて灰白質、白質、脳脊髄液のsegementationをし、統計解析のための下準備を行った。またfree surferにて全脳の皮質厚測定も行っている。DKI撮像によるNODDIの手法にて軸索・樹状突起の密度やばらつきを推定するVicやOD値を計測する。DaT SCANにて得られるドーパミントランスポーターの値はDaT Viewのソフトを用いて定量化した。予定通り研究は進行している。次年度も前年度同様に、神経変性疾患患者を対象に画像検査を行う予定。また今後も順次解析のための作業も行う予定。画像解析は3DT1volume dataを用いてVBM解析を行い、DaT SCANやMIBGの値、また脳内温度との相関をみる。NODDIの手法から得られるVicやOD値とも上記の値との相関を検証する。さらに皮質厚との相関も検討する。また各値を比較した正診率や、また正診率を向上させる組み合わせも検討する。さらに各神経変性疾患群の解析の結果を受けてのVBMでのZスコアーを作成する。各疾患群別にMR3DT1volumeデータをVBMに入力し、正常群と比較して、灰白質あるいは白質の得意な萎縮部位を出す。かつ疾患群で比較して、各疾患で特異的な部位を特定し、その部位のZスコアーを作成する。本年度は20歳以上の精神・神経疾患のない健常ボランティア160人にMRI検査を施行した。MRはフィリップス社製3TMRで機種はAchiva、32チャンネルの頭部用コイルを使用した。健常者の3DT1volume dataをVBMに入力し正常データベースを作成した。当院神経内科を受診している神経変性疾患患者(パーキンソン症候群、脊髄小脳変性症群、筋萎縮性側索硬、筋ジストロフィー等)のMRIと核医学検査を施行し、データを収集した。MR撮影は健常者同様フィリップス社製3TMRのAchivaを使用し、20人のデータを取得した。撮像シークエンスは健常者同様。また核医学検査は5例のDatScanと6例のMIBG検査を施行。

MIBG検査は123I-ミオMIBGを111 MBq静注後、胸部の15分後の早期層と3時間後の遅延相を撮影後、心集積値と洗い出し率を計算した。MRの3DT1volume dataはSPM8with DARTELのソフトにて灰白質、白質、脳脊髄液のsegementationをし、統計解析のための下準備を行った。またfree surferにて全脳の皮質厚測定も行っている。DKI撮像によるNODDIの手法にて軸索・樹状突起の密度やばらつきを推定するVicやOD値を計測する。DaT SCANにて得られるドーパミントランスポーターの値はDaT Viewのソフトを用いて定量化した。予定通り研究は進行している。次年度も前年度同様に、神経変性疾患患者を対象に画像検査を行う予定。また今後順次以下の作業も行う予定。MRの3DT1volume dataはSPM8with DARTELのソフトにて灰白質、白質、脳脊髄液のsegementationをし、統計解析のための下準備を行う。またfree surferにて全脳の皮質厚測定も行う。またDKIの拡散データを用いて脳内の温度測定を行う。ソフトは酒井が開発した温度自動計算ソフトを使用。DaT SCANにて得られるドーパミントランスポーターの値はDaT Viewのソフトを用いて定量化する。画像解析は3DT1volume dataを用いてVBM解析を行い、DaT SCANやMIBGの値、また脳内温度との相関をみる。NODDIの手法から得られるVicやOD値とも上記の値との相関を検証する。さらに皮質厚との相関も検討する。また各値を比較した正診率や、また正診率を向上させる組み合わせも検討する。さらに各神経変性疾患群の解析の結果を受けてのVBMでのZスコアーを作成する。各疾患群別にMR3DT1volumeデータをVBMに入力し、正常群と比較して、灰白質あるいは白質の得意な萎縮部位を出す。かつ疾患群で比較して、各疾患で特異的な部位を特定し、その部位のZスコアーを作成する。また今後も順次解析のための作業も行う予定。来年度のデータ解析にかかる時間が当初の見込みより増加することが判明した。本状況を鑑み、今年度計画された支出を抑え、来年度解析処理に携わる人員への謝金を今年度の余剰金より充てる計画に変更することとした。
橋梁振動モニタリングのための自己発電・蓄電機能を有する無線センサノードの開発

近年,無線センサノードは橋梁の健全性評価のための重要なツールとして期待されている.本研究では,無線センサノードの電源として圧電素子が利用できるかどうか調査した.室内実験を通じて,圧電素子の発電効率は,構造物のひずみの大きさに依存することが明らかとなり,結果として,ひずみレベルが20μから30μであれば十分に発電し,所定の条件を満たせば無線センサノードの電源として機能することが分かった.本研究は,橋梁振動モニタリングのツールとして用いられる無線センサノードの実用化において解決すべき課題である電源確保に着目し,「圧電素子が貼られた構造部材が振動・変形する際に生じる電位差を電力として回収し,無線センサの電源として利用」する新たなアプローチに挑む.特に,発電量が少ない圧電素子発電の欠点を補うため蓄電機能を導入する無線センサノードの開発を目的とする.通常の橋梁振動モニタリングは24時間連続して行われることはなく,決められた時間間隔でモニタリングすればよいことが多いため,少ない発電量を蓄電して利用することに着目する.前年度の成果は次の通りである.(1)振動発電の媒体となる圧電素子の整備,および振動発電システムの性能検証のための模型橋梁車両走行実験装置および無線センサノードを含む振動計測システムを整備した.(2)圧電素子の振動発電性能に関わる振幅や振動数の振動特性と発電効率の相関関係を明らかにした.最終年度である今年度は前年度に続き,(2)振動発電性能に関わる圧電素子の振幅について,歪レベルが大きい2200μの場合に疲労破損に至り,適切な歪レベルの設定を検討し200μ300μとした.(3)効率よく発電および蓄電を可能にする蓄電回路の設計および試作品を製作した.(4)研究代表者が開発している無線センサノードに振動発電システムを組み合わせた試作品により蓄電された電源による振動計測を行なった.計画していた模型橋梁車両走行実験装置より効率の良い疲労試験機を利用出来ることになった.それによる振動計測結果より,振動レベルの設定が重要であることが判り,実橋梁での計測ではそのような測定部材の選定を行わなければならない.以上の2年間の研究に基づき,実用化に向けた検討より,供用構造物への適用可能性の目途を付けることが出来,さらに適用の際に解決すべき技術的問題を把握した.近年,無線センサノードは橋梁の健全性評価のための重要なツールとして期待されている.本研究では,無線センサノードの電源として圧電素子が利用できるかどうか調査した.室内実験を通じて,圧電素子の発電効率は,構造物のひずみの大きさに依存することが明らかとなり,結果として,ひずみレベルが20μから30μであれば十分に発電し,所定の条件を満たせば無線センサノードの電源として機能することが分かった.本研究は,橋梁振動モニタリングのツールとして用いられる無線センサノードの実用化において解決すべき課題である電源確保に着目し,圧電素子(Piezoelectric material)が貼られた構造部材が振動・変形する際に生じる電位差を電力として回収し,無線センサの電源として利用する新たなアプローチに挑む.特に,発電量が少ない圧電素子発電の欠点を補うため蓄電機能を導入する無線センサノードの開発を目的とする.通常の橋梁振動モニタリングは24時間連続して行われることはなく,決められた時間間隔でモニタリングすればよいことが多いため,少ない発電量を蓄電して利用することに着目する.平成23年度の実績は次の通りである.1.圧電素子および車両走行実験用橋梁模型整備(川谷,金,何)振動発電の媒体となる圧電素子の整備を行う.市販圧電素子の特性検討による圧電素子の選定は,本研究の成否にかかわる重要なプロセスである.一般に,電圧セラミックスと薄い金属板を貼り合わせた圧電素子,あるいは樹脂系のフィルム式の圧電素子も開発されており,これまでの検討により両者共有用と判断している.さらに,振動発電システムの性能検証のため,申請者保有の模型橋梁車両走行実験装置および無線センサノードを含む振動計測システムを整備した.2.振動特性と発電量の相関関係を検討するための室内実験(川谷,金,野村)圧電素子を用いる振動発電の性能に関わる因子として,圧電素子そのものの性能以外に,振動の振幅や振動数のような圧電素子が貼られる構造物(構造部材)の振動特性も重要な因子になる.振動特性と発電効率の相関関係を明らかにした.3.蓄電回路の設計および基板の試作品製作(塚本)上記の検討で選定される圧電素子により効率よく発電および蓄電を可能にする蓄電回路の設計および試作品の製作を行っている.「研究実績の概要」に記すように,交付申請書に記載した「研究実施計画」の内、1.圧電素子および車両走行実験用橋梁模型整備および2.振動特性と発電量の相関関係を検討するための室内実験についてほぼ計画通りに進捗しているが,3.蓄電回路の設計および基板の試作品製作については蓄電回路の設計および試作品の製作段階であり,データ送信時の必要電流に達していないため,"2)おおむね順調に進展"の評価としている.前年度検討途上の3.蓄電回路の設計および基板の試作品製作につき,効率よく発電および蓄電を可能にする蓄電回路の設計および試作品の製作を行う.無線センサノードのデータ送信時の必要電流は20mA程度であり,定常的に20mAが得られるように検討する.4.模型橋梁車両走行実験装置による性能検討(川谷,金,塚本,野村,何)

平成24年度は提案される「振動発電システムと無線センサノードとの組み合わせおよび性能検証」および「実用化に向け技術的検討」を行う.申請者が開発している無線センサノードに振動発電システムを組み合わせた試作品を模型橋梁車両走行実験装置の模型桁に設置し,車両走行による発電および蓄電の可能性を検証する.また,蓄電された電源による振動計測も行う.(川谷,金,野村)また,実用化に向け技術的検討を行い,供用構造物への適用可能性あるいは適用の際に解決すべき技術的問題を把握し,実用化に向け活用できる資料を提供する.(川谷,塚本,何)