hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
大規模データ可視化のための統合粒子レンダリング環境の構築

本研究の目的は、大規模シミュレーション結果に対する対話的ボリュームレンダリングを実現するために、拡張性の高い統合粒子レンダリング(Particle-Based Rendering: PBR)技術を開発する。その有効性を検証するために、画像ベースPBRとオブジェクトベースPBRとから構成される統合PBR環境を構築した。この統合PBR環境の有効性を検証するために、IPBRとOPBRがシームレスに接続されることを確認した。次に、伝達関数の変更に対してスムーズにレンダリング結果が表示されるかどうかを確認した。最後に、大規模並列環境におけるレンダリング処理の拡張性に関して確認した。本研究の目的は、大規模シミュレーション結果に対する拡張性の高い半透明可視化を実現するために、提案者が開発した粒子レンダリング(Particle-Based Rendering: PBR)技術を発展させ、これを活用し、その有効性を検証することである。半透明可視化を実現するうえで、可視化対象オブジェクトのソート処理がボトルネックになる。この問題を解決するために、確率的な描画処理を使ったPBR技術を開発する。本研究の具体的目的は、確率的描画処理を使ったPBR技術の開発である。今年度は、PBR技術において、格子投影像の画素展開において、評価される不透明度を確率として、その画素を描画するかどうか決定するGPGPUプログラム(線分・三角形・四面体データの確率的描画処理と実装)を開発し、格子数・画像解像度と描画時間の関係を明らかにした。複数ボリュームデータ可視化の際には、ボリュームデータを構成する格子の重なりを無視することができないが、単純なPBR技術では、格子の重なりに起因する誤った画像化処理が行われてしまう。この問題を解決するために格子の投影像において深さデータを確率的に生成し、この問題を解決した。全体表示にはOPBRを、詳細表示にはIPBRを使う統合PBR環境を構築した。両者をシームレスに接続するために、概要表示の際には、低解像度格子を使って、ユーザの指定した詳細表示領域に含まれる格子番号群を効率よく特定し、これらをIPBRに受け渡し、レンダリング処理を実現するプログラムを開発した。この処理による詳細度制御において、レンダリングの計算時間や画質がどの程度変化するのかを計測し、詳細表示対象の格子数とシームレス接続における滑らかさとの関係を明らかにした。具体的には、OPBRを使った概要表示結果に対して、対話的に興味領域を探索し、カメラの視体積情報から自動的に詳細表示領域を特定する機能を開発した。82499ノードが6次元メッシュトーラスネットワークトポロジで接続されているK-コンピュータのような大規模並列環境向けにPBR技術を使った効率的な画像重畳法の開発を行い、プロセス数の増加に伴い、データ通信を含む描画速度がどう変化するのかを明らかにした。具体的には、大規模並列PBR環境向けの画像重畳手法として、全プロセスを有効活用する既存の並列画像重畳手法(Binary-Swap手法)に着目し、スケーラビリティの考察を行った。目的とした数万ノードオーダーでの並列画像重畳性能は数千ノードオーダーと比較すると著しく劣化することが明らかになった。対応策の一つとして段階的に処理を行うマルチステップ手法を考案した。また、82,944の様に2のべき乗でないプロセス数に対応できるために234スケジューリングを提案し、最終画像収集処理の効率化のためにMPI_Gather関数の利用を可能とするデータパディングとランク入替手法[3]の提案を行った。これらの提案手法を利用することで数万ノードオーダーでの大規模並列画像重畳の性能劣化を抑えることができることが明らかになった。特定された詳細表示領域に含まれる格子データサイズがGPUメモリ格納可能と判断された時点で、高画質可視化が可能なIPBRに自動的に切り替えることができる機能実装において、想定を上回るサイズのボリュームデータに対して、詳細度制御を実現bンすることができた。具体的には、実験では、格子解像度3,072x640x640(約12億格子)、100タイムステップ(全体で6.4TB)の大規模血流計算データを使って有効性の評価を行った結果、OPBRで詳細度制御機能を使って10FPSを超える対話的な可視化ができ、詳細表示領域特定時には、2.1秒程度の時間でIPBRへの切り替えが可能であることを確認した。本実験結果より、OPBRを使った数億スケールのデータの対話的可視化が実現でき、詳細部分も画質を落とすことなく効率良くIPBRでの可視化ができることが明らかとなった。また、本開発で利用したOPBR、IPBR、および可視化基盤システムをオープンソースとして無償で公開した。PBR技術を使ったボリュームレンダリング計算の大規模並列環境における高速化手法とその適用について研究開発を行った。具体的には、画像重畳計算の高速化と計算科学研究者のヒアリングを通じて得られた要求要件を満足するための機能開発である。N個の部分空間を任意のMプロセスで並列レンダリングする場合の効率の良い重畳アルゴリズムを開発した。N個のファイルをMプロセスに分散ロードする際に粒子数をできるだけ均等にしてロードバランスを図る機能を実装した。また、粒子生成処理のハイブリッド並列化(部分領域ごとのMPI並列+格子ごとのOpenMP並列)を実装した。また、描画処理の並列化については、京コンピュータ(SPARK64)では、OpenGL互換ソフトウェアラスタライザー(OSMesa)が動作しないため、独自のレイトレーサーを使って並列処理を実装した。このアルゴリズムにより、プロセス数に依存しないだけでなくプロセス数の増加に伴い性能低下を抑えることができることを明らかにした。計算科学を実践する研究者を対象にしたヒアリング結果をもとに、統合PBR環境を使った可視化アプリケーションの開発を行った。

ヒアリングによる予備検討では、因果関係など科学的発見に資する可視化手法に対する期待が高かったので、時系列シミュレーション結果に対して、相互相関、グレンジャー因果などの因果推論を支援する計算を前処理として実施する。この前処理によって、因果関係の存在を表すスカラデータを計算し、その結果をPBRで可視化し、因果推論に役立ったのかどうかについて明らかにした。本研究の目的は、大規模シミュレーション結果に対する対話的ボリュームレンダリングを実現するために、拡張性の高い統合粒子レンダリング(Particle-Based Rendering: PBR)技術を開発する。その有効性を検証するために、画像ベースPBRとオブジェクトベースPBRとから構成される統合PBR環境を構築した。この統合PBR環境の有効性を検証するために、IPBRとOPBRがシームレスに接続されることを確認した。次に、伝達関数の変更に対してスムーズにレンダリング結果が表示されるかどうかを確認した。最後に、大規模並列環境におけるレンダリング処理の拡張性に関して確認した。GPGPUを使った線分・三角形の確率的描画処理、GPGPUを使った四面体の確率的描画処理、四面体の確率的描画処理の高精度化処理を実装し、その有効性を情報科学的な観点で明らかにした。当初計画では、線分、三角形、四面体データをそれぞれ単独に可視化することであったが、四面体と線分から構成される稜線とを統合して可視化する枠組みを実装し、より一般的な入力データに対しても対応することができるようになった。また評価手法に関しては、情報科学的観点以外に認知科学的な観点を取り入れたものを開発し、次年度以降、粒子レンダリングの効能評価に使えるようなシステム開発を行った。これらより当初の計画以上に研究成果が進展していると判断する。大規模並列環境におけるレンダリング処理の拡張性に関して、以下観点で有効性の確認を行う。1任意プロセス数に対応する画像重畳アルゴリズムの開発:N個の部分空間を任意のMプロセスで並列レンダリングする場合の効率の良い重畳アルゴリズムを開発する。ここでは、PBRによるボリュームレンダリングを対象に、まずN個のファイルをMプロセスに分散ロードする並列スケジューリングを実装する。その後、任意数のMプロセスに対して画像生成と重畳を行うアルゴリズムを開発し、ロードバランスと通信スケジュールとの関係を明らかにする。2 PBR技術を使った画像重畳法の開発:大規模並列環境において本手法を適用する場合、計算機アーキテクチャに応じた高速化手法が重要となる。例えば京コンピュータは、全82499ノードが6次元メッシュトーラスネットワークトポロジで接続されている。このような超並列計算機上で効率の良い並列ボリュームレンダリングでは、各ノードで生成された部分画像を集めて重畳する戦略がとられる。
RANKL結合ペプチドを用いた顎裂部における骨再生の検討

口唇口蓋裂治療では、顎裂部の骨欠損を低侵襲に補填し、患児への負担を軽減する治療法が必要とされている。近年我々は、BMP-2とRANKL結合ペプチドを併用し、注射によって骨を造成する新規骨造成法を開発した。本研究では、その新規骨造成法を口蓋裂治療へ臨床応用するための基礎的研究基盤の確立を目指している。口蓋裂治療への応用においては、新生した骨の長期的な維持の可否を明らかにする必要があるが、これまでにRANKL結合ペプチドにより新生された骨が長期間維持されるか否かは検討されておらず、骨を新生しても機能させなければ吸収されることが予想される。そこで本研究では、すでに報告している方法でマウスの上顎の切歯と第一臼歯の歯隙に骨を新生させ、その後、矯正力により第一臼歯をその骨新生部に誘導し、新生骨の経時的変化を観察する計画を立てた。しかし、マウスの第一臼歯に矯正力をかけることにより得られた移動距離は約150μmであり、新生骨部に歯牙を牽引するためには不十分であった。よって、新生骨を機能させる他の実験系を確立する必要があった。そこで、咬合力の負荷により元来機能している骨に対し欠損を作成し、同部に新生させた骨であれば、新生骨を機能させることが可能であると考えた。本年度はマウス臼歯に糸を結紮することで歯周炎を引き起こすという、歯槽骨吸収モデルを確立するための実験を行ってきた。様々な結紮期間における骨吸収の程度や状態の相違を、X線学的、組織学的に解析した結果、2週間の結紮により、歯槽骨吸収モデルとして十分な骨吸収が得られることが明らかとなった。そして、14週齢マウス5匹の上顎第二臼歯に糸を2週間結紮した場合において同程度の骨吸収が認められ、再現性についても確認することができた。本実験により確立されつつある歯槽骨吸収モデルは、新生骨の機能を検討するモデルとして有用なモデルとなる可能性がある。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
人工膜を用いた膜電位理論の検証

膜電位の振る舞いを説明する概念にDonnan理論とGoldman-Hodgkin-Katzの式(GHKの式)があり、これらは定説となっている。これら定説によれば、イオンの細胞膜透過が膜電位発生に深く関わっている。しかし、定説では説明できない膜電位の振る舞いが報告されている。Ling博士が唱えた吸着理論によれば、膜電位発生は可動イオンが細胞構成物質に吸着固定化されることに起因し、イオンの細胞膜透過性とは一切関係が無い。本研究では、Donnan理論及びGHKの式の妥当性を再考した。そして、定説では実験事実を説明することは出来ず、Lingの吸着理論が膜電位発生のメカニズムである、という結論を得た。あらゆる生命を構成する細胞の内外には電位差が生じている。この電位差は膜電位と呼ばれ、細胞活動時に激しく変動することから生命活動の表れのひとつと言える。従来の学説によれば、膜電位は主として「可動イオンの細胞膜透過」によって引き起こされると考えられている。この学説は総じて膜電位理論と呼ばれ、20世紀半ばに確立された。以来、生命科学のみならず、非線形物理学や数学にまで影響する一大概念となった。しかし、この膜電位理論では説明できない実験事実が古くからあることは余り知られていない。本研究は、膜電位発生にはイオンの膜透過性は無関係であるとの予想の下に行われた。膜電位理論の正否を決定づける実験を、細胞を用いて行うことは複雑すぎる。従って、細胞の代わりとなる単純な人工系を用いて膜電位理論の検証を行った。人工膜を細胞膜に見立て、この人工膜で分け隔てられた二水溶液間にどのような電位が発生するかを調べた。人工膜として、イオン透過性のある膜と無い膜を用いた。その結果、膜に透過性があっても無くても非ゼロの膜電位が発生し、二水溶液間に発生する膜電位とイオンの透過性は全く無関係であることが明らかとなった。つまり、「膜電位発生の実験的観測」は、直ちに「イオンが膜透過をしている」という結論には結びつかないということである。これは重要なことを示唆している。今日に至る迄、膜電位理論は実験結果を非常にうまく説明してきたことから、「イオンの膜透過こそが膜電位の起源である」と考えられ、その延長上に、「イオンチャネルやナトリウムポンプといったイオン輸送担体が細胞膜に存在する」と予想されいた。そして、チャネルもポンプも「実際に存在する」と広く認められてきたのである。しかし、膜電位発生とイオンの膜透過性は無関係ならば、膜電位理論のみならず、生命科学の根幹概念を考え直さざるを得ないことを示唆している。細胞内外には膜電位と呼ばれる電位差生じている。定説によれば、膜電位はごく単純に言えば、以下の二つの要因によって生じる。【I】「細胞内外のイオンの非対称濃度分布」【II】「イオンの細胞膜透過」【I】は「Donnan理論」と呼ばれる概念であり、【II】は「Goldman-Hodgkin-Katzの式」と呼ばれる概念である。これら二概念は提出されて以来、多くの検証実験に耐えてきた生理学分野の重要概念であると広く認められている。しかし、生理学の歴史を精査すると、これら二概念には合致しない実験観測結果が報告されていることがわかる。【I】、【II】両概念が成り立つために必要なことは「細胞膜を介した細胞内外間のイオンのやり取り(イオンの細胞膜透過)が最低一度は引き起こされる」ということである。これは【II】に関しては言うまでもなく、【I】に関しても「細胞内外のイオンの非対称濃度分布」とは、最低一度はイオンが細胞膜を透過して濃度の非対称分布が誘起されるはずなので当然である。本研究では、細胞をモデル化した人工実験系を構築し、膜電位発生とイオンの膜透過の関係を精査した。実験系は人工膜で隔てられた二つのイオン水溶液から成る。人工膜は細胞膜に対応し、二つのイオン水溶液が細胞内外の相に対応する。二イオン水溶液間には人工膜を介して非ゼロ電位差が生じることが確認された。更に、人工膜のイオン透過性、非透過性問わず非ゼロ電位差が生じた。これは、イオンの膜透過性は膜電位発生とは無関係であることを示唆する。よって、膜電位発生の起源とされる【I】と【II】の概念は誤りであると結論した。実験結果を更に精査後、膜電位発生は細胞系中の可動イオンが細胞構成物質に吸着することで生じると結論した。これは定説を覆す概念であり、今後の膜電位発生研究にとって有益な成果であると考えている。既述の様に、本研究の目的は、「膜電位発生とイオンの膜透過性は無関係であることを証明する」ということにある。

実際に用意した人工膜で隔てられた二水溶液間の電位を測定すると、膜にイオン透過性が無くても非ゼロ膜電位が生じ、なおかつその電位の振る舞いはイオン透過性がある膜を用いた場合と大差ないことが明らかとなった。本研究および過去の関連研究から膜電位発生は人工膜表面へ二水溶液中に含まれるイオンが吸着するから引き起こされると示唆されていた。つまり、膜の「表面構造・性質」だけが膜電位発生に寄与していると考えられた。この点をより明確にするために、膜の表面構造は互いに同じであるが、内部構造が全く異なる人工膜を二種作製し、これら膜に隔てられた二水溶液間の膜電位の計測を行ったところ、予想通り、膜表面構造が同じであるがゆえに内部構造が異なる膜を用いても全く同じふるまいの膜電位が観測された。これらの実験結果から、長い間信じられてきた膜電位理論の正当性(Goldman-Hodgkin-Katzの式の妥当性やイオンチャネル・ナトリウムポンプの存在等)に強い疑念が生じる。不透過膜を用いた膜電位の計測を詳細に行うことで分かってきたことは、透過・不透過を問わず、膜を介した二水溶液間の非ゼロ電位差(膜電位)の発生は、水溶液中の可動イオンの膜表面への吸着に伴う、Boltzmann分布に従った再分布により生じているということである。つまり、古典的な物理化学の範疇内の概念で説明可能な現象に過ぎないということである。膜電位の発生とは、細胞膜中に存在するとされるイオンチャネルやナトリウムポンプなど必要としない、生物(細胞)・無生物(人工膜系)の違いを問わないありふれた現象でしかないということが強く示唆された。以上のことから当初の目標に現時点で到達できたと言え、おおむね良好な研究の進展が見られたと言える。電気化学高分子材料工学細胞に見られる膜電位の典型的な現象としてaction potentialがある。action potentialは従来の学説によれば細胞膜を介した、細胞内外のイオンの流れによって生ずるとされる。action potentialはある条件の下では発信する。この発信現象は、生命現象特有の現象の一つであると考えられそうではあるが、これと極めて類似した現象が人工系でも観察されることは実は古くから知られている。たとえば、非線形物理学の分野では、Yoshikawaらによって膜を介した二水溶液間の発信現象として非常に深く研究されてきている[1,2]。彼らは観測した発信現象を、基本的に膜のイオン透過に帰してはいたが、不透過膜を用いても発信現象がみられることも報告している(彼らは、そのメカニズムは明らかにしていない)。細胞を用いても人工系を用いても膜を介した電位差の発信現象は、イオンの膜透過性は無関係であり、いずれも全く同じ物理科学理論に基づいた現象であると考える方がより単純明快である。自然界が、細胞と人工系を区別して電位の発信現象を生み出していると考えることはむしろ不自然である。
マウスモデルを用いた赤痢アメーバ原虫の病原性発現機構の解析

本年、我々はヒトに感染性を示すアメーバ3種Entamceba histolytica, E.moshkovskii, E.disparの病原性に関する比較研究を進めた。まず各アメーバのマウス腸管内定着能を調べた。病原性が未確定のE.moshkovskiiは病原性E.histolytica同様CBA/Jマウスの腸管に一定期間定着したものの、非病原性アメーバE.disparはCBA/Jマウス腸管内に定着できなかった。C57BL/6やBALB/cマウスの腸管には、E.histolytica同様、いずれのアメーバも定着できなかった。CBA/Jマウスに感染したE.moshkovskiiは下痢や赤痢アメーバに特徴的なイチゴゼリー状の粘血便などの激しい消化管症状と共に、顕著な体重減少を引き起こした。この研究によってE.moshkovskiiは潜在的に病原性を有しており、少なくともマウスにおいては下痢などの消化管症状を引き起こすことが判明した。また、E.histolyticaは持続感染に移行するものの、E.moshkovskiiは感染14日目までに排除されることも判明した。この知見は両病原体の違いを解明するために有用であり、同時にアメーバに対する感染防御機構の解明にも重要なモデル系を提供するものである。我々は昨年度までに病原性E.histolyticaに加えてE.moshkovskiiにもPAMPs(Pathogen Associated Molecular Patterns)が存在し、一方、非病原性E.disparの細胞表面にはPAMPsが存在しないことを明らかにしており、今後はPAMPsと病原性の関連性に関して研究を深めていきたい。赤痢アメーバ症は発展途上国における小児下痢症の主要な原因の一つである。申請者らは世界で初めて腸赤痢アメーバ症のモデル動物を確立し、赤痢アメーバの感染成立機構ならびに同症に対する感染防御機構の研究を進めてきた。CBA/Jマウスはヒト同様の病理像を呈し慢性感染に至るが、C57BL/6(B6)など他系統マウスでは感染が成立せず、このマウス系統による感染感受性の差異は、ヒトで認められる赤痢アメーバ感受性の個体差を理解する糸口になると考えられた。本年度は、連鎖解析から見出された第1,2染色体(rs3684370,rs3662211)近傍に存在する定着阻止遺伝子を同定するため、当該領域にのみB6由来の遺伝子を有すCBAマウスの作成に取り組んだ。具体的には100余りのマイクロサテライトを使用した『スピードコンジェニックマウス作成法』により第5世代まで戻し交配を進めた。また同様の方法により、各種免疫関連遺伝子ノックアウトマウスのCBA/Jバックグラウンドへの戻し交配を進めた。さらに腸管寄生性線虫Heligmosomoides polygyrusに感染したマウスでは、杯細胞の過形成と腸管粘液の産生亢進が認めら、このような状態では通常感染が成立しないB6マウスにおいても赤痢アメーバの腸管内定着が認められることも見出した。本知見は赤痢アメーバの腸管内定着機構を解明するための重要な糸口になると考えられる。
マルチメディア対応「データベース型ハイパー漢字学習字典」の開発研究

今回、パーソナルコンピュータで使用可能な総合的マルチメディアソフトとして、新たな漢字学習支援プログラムの開発を行うに至った。今回の「マルチメディア対応データベース型ハイパー漢字字典」は以下に示す機能を装備している。1.音声との連動による「読み」の学習。2.筆の動きを示す動的な「筆順」表示。3.字源または酒井オリジナルによる記憶法(字の形態要素はもとより、象形文字等の字源提示並びに筆者オリジナルの連想法)をアニメーションで効果的に表す。4.唱えことばの文を発音と同時に順次表示し、視覚・聴覚のリンクした学習が可能。5.唱えことばを構造的に示す「漢字の足し算」を表示。6.部首別フィールドバックの学習効果を高める「へん別」の学習が可能。7.画面はマウスのみで操作可能で、操作の必要な部分はPICT(絵文字)表示されているので母国語に依存せずに一人で簡単に操作し、発声、となえ言葉、筆順をマウスクリックのみでくりかえし表示するので、自主学習が可能である。8.各漢字の表示画面に、その漢字のリスト番号(「初級日本語」に準拠)、漢字番号、日本語能力試験級数、学年別配当漢字(小学校)を表示するため、指導時の判断が容易である。9.印象的効果を考慮したカラー表示により、見やすく、学習効果を高められる。これら9項目の特色をもつ漢字学習ソフトの開発により、留学生のみならず、在日外国人児童生徒、また海外における漢字学習者の自立学習にも効果を上げることが可能である。完成時においては更に以下に示す機能・特色を加えることを今後の検討課題としている。(1)どの場面からでも呼び出すことができる各国語(英語・ポルトガル語・中国語・スペイン語)対応のヘルプ機能。(2)様々な教科書に沿ったリストの再編成など指導状況に応じた構造変更機能。(3)学習者個別の学習履歴を記憶し、時間をあけても継続学習・指導ができる機能。(4)誤表記・誤字例を示す弁別法による学習機能。(5)ハンドライターとリンクし、表記・筆順の正誤を自動判定する機能。尚、本ソフトは、標準的なパーソナルコンピュータで可動な、ハイブリッドソフトとして開発しているため、CDによる配布やインターネット上での動作などにも対応する予定である。漢字を初めて目にする学生、つまりゼロからスタートした非漢字系留学生にとっては、漢字学習に膨大な時間を費やし、常用漢字をマスターするのは至難の技である。初級漢字ではこれらゼロビギナ-の留学生にとって、よりインパクトの強い効果的な教授法の必要性を感じ、初級段階から漢字の形態要素を考慮し、記憶のメカニズムに配慮した効率的な認識、筆記をさせることが不可欠である。まず酒井が認知科学の面から考慮し、学習者の自立学習を促進できるよう、漢字指導における新しい方向性として、四つの教授法を考案し分析を試みた。I.「連想法-イメージ法」→ここで言う連想法-イメージ法は(アニメーション)による漢字の提示を指す。漢字の成り立ちを指導することは、認知段階における学生の習得効率を高めていく上で、効果が得られた。画数の多い複雑な字形であっても、漢字導入時に字源(説文解示)または酒井オリジナルの記憶法によるイラスト(アニメーション)を見せると同時に指導上のポイントを提示することで、学習者がイメージとして字形を視覚的に捉えやすく、漢字の定着度が高められることがわかった。II.

「長期記憶法」→長期記憶とは一度聞いただけで記憶が保持され忘れにくい方法のことであり、酒井考案の『唱えことば』がこの長期記憶法にあてはまる。これは視覚的記憶力だけに頼るのではなく、同時に聴覚の感覚を訓練することにもつながっていく。III.「再生法」→ここで言う再生法とは部首別フィードバックによるものである。新出漢字導入時に既習漢字の復習をかねて、部首の整理を行い提示する方法で効果を上げている。IV.「弁別法」→過去9年間にわたる東京外国語大学留学生日本語教育センターでの資料を基に教師が指導上のポイントとして把握すべき点を提示できるよう工夫している。これら四段階の「記憶法」による指導をまず『漢字早おぼえカード』として紙メディアで作成した後、CAI対応としてパーソナルコンピュータで使用可能な『データベース型ハイパー漢字字典』へと、より汎用性の高いものへと発展させていった。『ハイパー漢字字典』は以下に示す機能を装備し統合的マルチメディアソフトウェアとして開発している。1.英語、タイ語、インドネシア語対応の漢字の意味と用例提示。2.読み方(発音)の音声再生による提示。3.筆順を認識するための色彩効果と動画による提示。4.カラーアニメーションによる覚え方の提示と唱えことばの提示。5.学習者との対話的(インタラクティブ)な操作環境を提供。6.誤字を基にした弁別学習。7.読み方などから学習したい漢字を検索するデータベース機能。8.パソコン機種にあまり依存せず広く普及可能な汎用性。以上の教授法を基にしたソフトウェアの開発により、将来的にはCD-ROMによる配布やインターネット上での公開などの新しいメディア展開が見込まれ、留学生のみならず自国において日本語を学習しようとする学習者の自立学習にも効果を上げることが可能である。今回、パーソナルコンピュータで使用可能な総合的マルチメディアソフトとして、新たな漢字学習支援プログラムの開発に行うに至った。今回の「マルチメディア対応データベース型ハイパー漢字字典」は以下に示す機能を装備している。1.音声と連動により「読み」の学習。2.筆の動きを示す動的な「筆順」表示。3.字源または酒井オリジナルによる記憶法(字の形態要素はもとより、象形文字等の字源提示並びに筆者オリジナルの連想法)をアニメーションで効果的に表す。4.唱えことばの文を発声と同時に順次表示し、視覚・聴覚のリンクした学習が可能。5.唱えことばを構造的に示す「漢字の足し算」を表示。6.部首別フィードバックの学習効果を高める「へん別」の学習が可能。7.画面はマウスのみで操作可能で、操作の必要な部分はPICT(絵文字)表示されているので母国語に依存せずに一人で簡単に操作し、発声、となえ言葉、筆順をマウスクリックのみでくりかえし表示するので、自主学習が可能である。
高齢化社会に向けての消臭機能を持つオムツ素材の開発

高齢者にも適した消臭機能を持つオムツ素材の開発に関して,基礎的な研究を行った.水溶性合成高分子からなるゲルを調製し,吸水材料モデルとした.得られたゲルについて,染料,カルボン酸やそれらのナトリウム塩などを含む水溶液の吸水状態を,ゲルの膨潤度を測定することにより評価した.また,直接染料のゲルへの収着とゲル膨潤との関係を調べ,ゲル材料への消臭機能付与の可能性を検討した.高齢者にも適した消臭機能を持つオムツ素材の開発に関して,基礎的な研究を行った.水溶性合成高分子からなるゲルを調製し,吸水材料モデルとした.得られたゲルについて,染料,カルボン酸やそれらのナトリウム塩などを含む水溶液の吸水状態を,ゲルの膨潤度を測定することにより評価した.また,直接染料のゲルへの収着とゲル膨潤との関係を調べ,ゲル材料への消臭機能付与の可能性を検討した.オムツ素材モデルとして,ポリビニルアルコール(PVA)およびポリエチレンオキシド(PEO)からなるゲルをまず調製した.ゲルの調製については,高分子水溶液にγ線を照射して化学的に架橋する方法を用いた.ゲルの吸水挙動の評価には,塩濃度などの変化に対して出来るだけ速やかにゲルが膨潤平衡に達するように,ゲルの形態は細長い円柱状にして,溶液に浸せきしたままゲルの直径を測定し膨潤度を決定する方法を用いた.この測定には,既設の倒立型顕微鏡と本年度拝受した科学研究費補助金により設置した顕微鏡用デジタルカメラを用いた.顕微鏡用デジタルカメラを使用することにより,ゲル膨潤挙動の時間変化を追跡することが容易であった.吸水させる溶液としては,尿モデルとして,pHを調整したアルカリ金属塩,ヒドロキシ酸,アミノ酸水溶液など用い,ゲル調製条件と得られたゲルの性質との基本的な関係をまず捉えることを行った.塩化ナトリウムなどの単純な塩では,PVAおよびPEOゲルどちらにおいても,塩濃度が高くなるにつれ膨潤度は低下した.またpH依存はほとんど見られなかった.一方,ヒドロキシ酸溶液中では,PVAとPEOゲルにおいて膨潤挙動に違いがあるとともに,特に乳酸溶液中では酸性側とアルカリ性側に地べ中性付近で膨潤度が低下した.ヒドロキシ酸の電離状態とヒドロキシ酸の水酸基を通しての高分子との相互作用が関係しているものと考えられた.オムツ素材を考える上で重要な特性である,高分子ゲルの膨潤度を,溶液に含まれる溶質の種類,濃度などを広範に変化させて測定し,ゲルの膨潤特性を詳細に調べた.そして,ゲル中の水とゲルの網目構造に着目して考察を進めた.ポリビニルアルコールを放射線照射し橋かけして調製したゲルから適切なものをいくつか選択し,コンゴーレッド,ベンゾパープリン4B,アゾブルーの3種類の染料の水溶液における膨潤度と染料収着性を測定した.染料を用いるのは消臭性を持つ遷移金属をゲルに固定する可能性を検討するためとゲル母体の高分子と相互作用を持つ溶質に対するゲル膨潤の基礎的な知見を得るためである.まず,ゲルの膨潤速度であるが,コンゴーレッドの場合,5mMの場合,1mMとくらべて初期は膨潤度が低く,平衡膨潤に近づくと逆に高くなった.染料濃度が低いときは,ゲル内部より外部の方が可動イオンが多く存在していること,またコンゴーレッドが高分子と強い相互作用を持つため,ゲル母体高分子を橋かけしていることなどが考えられた.コンゴーレッド水溶液中のゲル膨潤度と染料収着量を無添加塩系と塩化ナトリウム添加系で調べた.塩を添加した場合,添加塩濃度にかかわらず,染料収着量は増加するが,膨潤度は必ずしも高くならず,高添加塩濃度では,逆に膨潤度は低くなった.塩を添加すると,ドナン塩排除性を弱めゲル内水相への染料分配を増加させ,染料収着量を増加させるが,ドナン塩排除性の低下は,染料収着量が増加することによりゲルを荷電させる効果を超えてゲルの膨潤度を低下させることがわかった.このように,ゲル素材,その素材に対して親和性を持つ物質,そして尿中に含まれる塩類は,静電的な相互作用を通して複雑に互いに関係していることがわかった.オムツ素材を考える上で重要な特性である,高分子ゲルの膨潤度を,溶液に含まれる溶質の種類,濃度などを広範に変化させて測定し,ゲルの膨潤特性を詳細に調べた.特に,ゲル構成高分子と溶質との相互作用とゲルの膨潤速度に着目して検討を行った.まず放射線照射架橋により調製したポリビニルアルコールゲル(PVA)とポリエチレンオキシド(PEO)ゲルに対してカルボン酸水溶液中の膨潤挙動を観察した.PVAゲルは用いたカルボン酸溶液中で酸濃度の増加にともなって膨潤した.膨潤度はグリコール酸<りんご酸<マロン酸,酒石酸,くえん酸<乳酸の順に大きくなった.PVAの水酸基にカルボン酸が相互作用し,ゲル中に元来存在していたPVA鎖同士の水素結合を切断したため膨潤したと考えられる.各種カルボン酸に浸せきしていたPVAゲルを蒸留水中にもどすと,膨潤度は浸せき前の状態まで回復した,一方,PEOゲルはカルボン酸溶液中で収縮傾向を示した.今回用いたカルボン酸のうちマロン酸で最も収縮し,膨潤度は濃度にともなって小さくなった.

PEOはPVAと異なり,高分子鎖間に水素結合を形成していないため膨潤せず,また,PEOのエーテル酸素とヒドロキシ酸の水酸基の相互作用がPEO鎖をわずかに荷電させ膨潤度を正に誘引したと考えられる.また,PVAゲルをベンゾパープリン4B(BP)水溶液に浸せきして膨潤したゲルをNaCl水溶液に移行して膨潤度の時間変化を測定したところ,0.2mMNaClでは,蒸留水に浸せきしたものとほぼ同様であり,初期に急激な膨潤を示したのち収縮し,平衡状態で膨潤度が水中の約1.1倍となった.1.OmM NaClでは初期の膨潤を示さずに単調に収縮し,平衡状態で0.2mMNaClのゲルと同程度の膨潤度になった.これらの結果を,ゲル内外のイオン浸透圧差,ゲルの膨潤収縮にともなうゲル中でのBPの拡散性の変化,NaCl添加による外部溶液中でのBPの化学ポテンシャル低下などを考慮して考察した.
ゲージ理論を用いた量子輸送現象の研究

超伝導や超流動のような巨視的なスケールで起こる量子力学的輸送現象は力学系の対称性との関わりが深く、その記述にゲージ理論が有効に適用できる場合が少なくない。近年、量子ホール効果などの研究を通して、物性物理におけるゲージ場(的な自由度)の役割が広く認識されるようになった。ここのような現状を踏まえ、平成5年と6年の2年度にわたり、主として量子ホール効果に関わるいくつかの問題をゲージ理論の観点から研究した。その内容は以下の通りである。1.アハロノフ・ボ-ム効果とアハロノフ・キャッシャー効果が電磁場の角運動量と密度に関係していることを指摘する論文を発表した。2.平面上のデイラック電子系では、量子効果としてチャーン・サイモン項が誘導される。この量子的なホール効果は、外電磁場に対する量子的な真空(デイラックの海)の応答として理解できることを示す論文を発表した。3.有限幅のホール電子系を記述する場の理論を構成し、ホール伝導度の高精度量子化が起こる機構と試料中を流れる電流の分布を考察した。有限幅のホール電子系では、局在が原因となってホール電流のかなりの部分が系の端を流れるようになることを指摘する論文を発表した。続いて、実験的証拠も取り入れてこのような端電流の描像を補強する考察を進めた論文をまとめた(現在投稿中)。4.最近、ホール電子系のしめす非圧縮性流体としての性質とW_∞対称性との関連が注目されている。上述の場の理論にはこのW_∞対称性が自然な形で入っていることに気づき、ホール電子系のマクロな電磁的性質がW_∞ゲージ理論という普遍的な枠組に集約できることを指摘する論文をまとめた。(現在投稿中)。(現在投稿中)。このような現状を踏まえ,平成5年度には主として量子ホール効果に関わるいくつかの問題をゲージ理論の観点から研究した。その内容は以下の通りである.1.整数および分数量子ホール効果との関連から、量子効果としてチャーン・サイモン項が誘導される機構に関心が持たれている。チャーン・サイモン項の誘導は物理的な観点からは外電磁場に対する量子的な真空(デイラックの海)の応答として理解できることを示す論文を発表した。2.アハロノフ・ボーム効果とアハロノフ・キャッシャー効果が電磁場の角運動量と密接に関係していることを指摘する論文を発表した。3.磁場中の電子を記述する集団場理論を以前に構築したが、さらに、有限の大きさのホール電子系が記述できるようにこの理論の拡張を行ない、ホール電子系の端を流れる電流の力学を考察した。局在が原因となって系の端を流れるホール電流の描像が得られることを指摘する論文を現在投稿中である。ここのような現状を踏まえ,平成6年度には主として量子ホール効果に関わるいくつかの問題をゲージ理論の観点から研究した。1.有限の大きさのホール電子系が記述する場の理論を構成し、ホール伝導度の高精度量子化が起こる機構と資料中を流れる電流の分布を考察した。

ひき続き、実験的証拠も取り入れてこのような端電流の描像を補強する考察を進めてきたが、その内容をまとめた論文を間もなく発表する。2.最近、ホール電子系のしめす非圧縮性粒体としての性質とW_∞対称性との関連が注目されている。上述の場の理論にはこのW_∞対称性が自然な形で入っていることに気づき、ホール電子系のマクロな電磁的性質が(W_∞対称性を非線形に実現する)W_∞ゲージ理論という普遍的な枠組に集約できることを指摘する論文をまとめた。(現在投稿中)
GABA及びドパミン作動性ニューロンの発生機構におけるFGF19の役割の解明

Fgf19シグナルはFgf受容体1とFgf受容体4を介してMAPK経路を活性化することにより網膜の前後軸の特性決定を調節していることが明らかになった。また、終脳の形成過程におけるFgf19の機能はFgf受容体1あるいはFgf受容体2を介して発揮され、間脳の形成過程におけるFgf19の機能はFgf受容体1、Fgf受容体2あるいはFgf受容体4を介して発揮される可能性が示唆された。Fgfファミリーとしては現在22種類のFgfがhuman/mouseで同定されており、その標的レセプターとしては4種類のFgfrが同定されている。これまでにゼブラフィッシュを用いた機能阻害実験により、Fgf19が前脳のGABA作動性ニューロンとオリゴデンドロサイトの分化に関与していることを明らかにしている。そこで本研究では、網膜神経細胞の分化におけるFgf19の機能と眼形成過程におけるFgf19の標的受容体及びFgf19によって活性化される細胞内シグナル伝達経路について検討した。まず、Fgf19の初期の網膜神経細胞の分化に対する影響を検討するため、neurodとis11の発現パターンを検討した。その結果、Fgf19機能阻害胚でneurodとis11は正常に発現していた。さらに、Fgf19機能阻害胚の網膜神経節細胞とアマクリン細胞においてHuC/Dも正常に検出され、後期の網膜神経分化も正常であった。受精後3日のFgf19機能阻害胚の網膜神経の層構造も正常であった。これまでに、Fgf19が網膜の鼻側-耳側軸の特性決定に関与していることを明らかにしているが、今回Fgf19は網膜神経細胞の神経分化には関与していないことが示唆された。また、Fgfr1は受精後18時間と24時間に、Fgfr4は受精後24時間に網膜に発現しており、それぞれの遺伝子の機能阻害胚を解析した結果、Fgfr1とFgfr4機能阻害胚で網膜前方におけるephrin A3の発現が大きく減少していた。さらに、Fgf19機能阻害胚の網膜前方におけるMAPK経路の活性化が消失していることから、Fgf19シグナルはFgfr1とFgfr4を介してMAPK経路を活性化することにより網膜の前後軸の特性決定を調節していることも明らかになった。22種類存在するFgfリガンドは、各々4種類のFgfrに対してそれぞれ異なる親和性をもつことが知られている。そこで、脳形成過程においてFgf19が介するFgfrを同定するため、脳形成過程におけるFgfrの発現及び機能について検討した。ゼブラフィッシュFgfr遺伝子はこれまでにFgfr1-Fgfr4の4種類が同定されており、受精後24時間でFgfr3は前脳領域において発現していないが、Fgfr1は終脳および間脳に広く発現し、Fgfr2は終脳腹側および間脳の前方領域、Fgfr4は終脳腹側において発現することが報告されている。しかしながら、その他の発生段階における詳細な発現解析は行われていない。そこで、Fgf19の発現が開始する受精後12時間と受精後18時間におけるFgfr遺伝子の発現解析を行なった。その結果、Fgfr1は12時間胚から前脳領域に発現し、18時間胚では前脳領域で高発現していた。Fgfr2は12時間胚では前脳領域全体に弱く発現しており、18時間胚では前脳領域で高発現していた。Fgfr4の発現は12時間胚の前脳領域には認められなかったが、18時間胚の間脳においてはその発現が認められた。そこで、Fgfr1、Fgfr2、Fgfr4の3種類のFgfr遺伝子の前脳形成における機能について検討した。その結果、Fgfr1、Fgfr2およびFgfr4のいずれも前脳の形成に必須であることが示された。従って、受精後18時間のゼブラフィッシュ胚の終脳においてはFgfr1、Fgfr2のみが発現しており、それぞれの遺伝子の機能阻害胚を解析した結果と総合的に判断すると、終脳の形成過程におけるFgf19の機能はFgfr1あるいはFgfr2を介して発揮していると考えられる。また、受精後18時間のゼブラフィッシュ胚の間脳においてはFgfr1、Fgfr2、Fgfr4の3種類の受容体が発現しており、それぞれの遺伝子の機能阻害胚を解析した結果と総合的に判断すると、間脳の形成過程におけるFgfl9の機能はFgfr1、Fgfr2あるいはFgfr4を介して発揮していると考えられる。
疾患治療への応用を目指した、ASK1のユビキチン化制御機構の解析

ストレス応答キナーゼASK1のユビキチン化酵素Roquin-2の新規ターゲット分子として、TLR4 (細菌由来成分LPSの受容体)下流で機能するシグナル伝達分子の1つを新たに同定し、ASK1および新規ターゲット分子のユビキチン化・分解を促進することで、自然免疫応答を負に制御しているという新たな免疫制御機構を明らかにした。また、TRIM48がASK1の新規活性化因子として作用し、Roquin-2によるASK1ユビキチン化を促進することを見出し、ASK1ユビキチン化制御機構の全容解明およびASK1関連疾患治療への応用につながる重要な成果となった。Roquin-2またはUSP9Xの培養細胞における過剰発現系・発現抑制系で、様々な炎症性刺激を行なった場合の免疫応答について解析を行なったところ、Roquin-2は、LPS刺激時にTLR4の下流で誘導される免疫応答の強力な抑制作用を有することを見いだした。さらに、Roquin-2欠損細胞を作製し、このときの免疫応答誘導に関わる各シグナル伝達経路の活性化について評価したところ、NF-κB、p38、JNK経路のいずれも活性化が顕著に亢進していた。現在、この興味深い新規現象に着目し、Roquin-2のASK1ユビキチン化制御を介した免疫応答調節機構について、次年度に予定していたin vivoの実験系への応用を含め、詳細な解析を遂行中である。また、ASK1活性化に関わるユビキチン化酵素として、以前に実施したsiRNAスクリーニングによってRoquin-2と同様に挙がってきたTRIM48について、ユビキチン化のターゲットとなる分子同定のため、網羅的な結合因子探索を行なった。その結果、あるASK1の活性化抑制因子をTRIM48の新規結合因子として同定し、詳細な解析から、TRIM48はこの活性化抑制因子のユビキチン化を促進し、分解に導くことで、ASK1の活性化を促進する作用を有することを見いだした。さらに、TRIM48の発現抑制時には、酸化ストレス誘導性のASK1依存的な細胞死が有意に抑制され、この抑制効果がさらに活性化抑制因子を発現抑制することで認められなくなることを見いだしており、実際に生理的にもTRIM48がASK1活性化制御に重要な寄与を果たしていることが示唆された。現在、TRIM48によるASK1活性化制御が、ASK1の過剰な活性化のみの抑制に応用可能か否か、in vivoでの実験への応用を見据えつつ、詳細に検討中である。当初は、Roquin-2およびUSP9Xを介したASK1のユビキチン化制御機構について、in vitroの解析を中心に行なうことで分子機構の解明を目指す予定であったが、現在この解析は非常に難航している。その原因として、これらのユビキチン化関連酵素以外の別の因子の介在が想定されてきているため、研究計画に記載したように、Yeast three-hybridなどの手法により、その介在因子の同定を目指している。そこで代替案として、Roquin-2およびUSP9Xが、実際にASK1を介した細胞応答の制御に関与するか否か検証するため、様々なストレス刺激時のASK1依存的な細胞応答について評価を行った結果、Roquin-2が、LPS刺激時のTLR4下流での免疫応答を強く抑制していることを見いだした。このとき、ASK1依存的に活性化されるp38が、Roquin-2によって著しい活性化の抑制を受けていることを見いだしたため、現在はRoquin-2によるASK1活性制御を介した免疫応答調節について着目した解析を行うに至っている。さらに、ASK1活性化に関わるユビキチン化酵素として、Roquin-2と同時にsiRNAスクリーニングで同定していたTRIM48が、あるASK1活性化抑制因子のユビキチン化・分解を介して、ASK1の活性化を促進していることを明らかにした。現在は、TRIM48によるASK1の活性制御機構について、さらに詳細な解析を進めることにより、ASK1の過剰な活性化のみを抑制可能か否かを検証し、実際にin vivoの病態モデルへの応用を目指して研究を進行中である。以上のように、難航している計画もあるが、Roquin-2やTRIM48を介したASK1活性制御については予想以上の進展が認められており、総合的におおむね順調に進展していると判断される。初年度において、Roquin-2欠損細胞では、LPS刺激時にTLR4受容体下流で誘導されるp38・JNK・NF-κB経路の活性化が、いずれも亢進することを見出していた。Roquin-2はASK1をユビキチン化・分解に導くユビキチンリガーゼであるが、ASK1はTLR4下流ではp38の活性化のみに寄与するため、Roquin-2のユビキチン化標的はASK1以外にも存在することが示唆された。実際に、ASK1が活性化を受けない、TLR2やTLR3のリガンド刺激時にも、Roquin-2欠損細胞では下流シグナル活性化が亢進した。そこで、Roquin-2標的分子を網羅的に探索した結果、TLR4下流のシグナル伝達分子の1つを新たな標的として同定した。Roquin-2はこの新規標的分子と結合し、K48型ポリユビキチン化を促進した。以上の結果より、Roquin-2がASK1および新規標的分子のユビキチン化・分解によって、TLRシグナルを負に制御していることが想定される。

一方、TRIM48については、初年度にユビキチン化標的となるASK1活性化抑制因子を同定し、そのユビキチン化・分解によってASK1活性化を正に制御していることを見出だしていた。さらに詳細な解析から、TRIM48がRoquin-2を介してASK1ユビキチン化を促進することが明らかとなったことから、TRIM48はRoquin-2によるASK1ユビキチン化の制御因子としても位置づけることができる。現在、Roquin-2の骨髄由来細胞特異的ノックアウトマウス、およびTRIM48遺伝子導入マウスを作製し、炎症・がん・肝障害等のASK1関連病態・疾患モデルを利用した解析を行なっているところで、今後、疾患発症機序の解明および疾患治療戦略の提案に向けて、具体的な成果を発表していきたい。ストレス応答キナーゼASK1のユビキチン化酵素Roquin-2の新規ターゲット分子として、TLR4 (細菌由来成分LPSの受容体)下流で機能するシグナル伝達分子の1つを新たに同定し、ASK1および新規ターゲット分子のユビキチン化・分解を促進することで、自然免疫応答を負に制御しているという新たな免疫制御機構を明らかにした。また、TRIM48がASK1の新規活性化因子として作用し、Roquin-2によるASK1ユビキチン化を促進することを見出し、ASK1ユビキチン化制御機構の全容解明およびASK1関連疾患治療への応用につながる重要な成果となった。今後は、引き続きRoquin-2およびUSP9XによるASK1ユビキチン化制御機構の解明を目指し、ユビキチン化制御の介在因子の同定を目指す。また、初年度で解析が進んだRoquin-2およびTRIM48によるASK1活性制御に着目し、ASK1の過剰な活性化のみを抑制することで、ASK1関連疾患を効果的に治療可能か否か検討を行なう。Roquin-2による免疫応答抑制作用は非常に強力で、Roquin-2欠損時には、LPS刺激時のシグナル伝達の活性化レベルの著しい亢進、あるいはIL-6などの炎症性サイトカイン発現誘導レベルが数10倍程度上昇が認められるが、これはA20やCyldといった代表的な免疫応答抑制因子と同等、あるいはそれ以上の強力な免疫応答抑制作用をRoquin-2が有することを示唆している。この現象が、Roquin-2欠損によるASK1の活性化の過剰な亢進によるものであるか否か検証した上で、in vivoのLPS誘導性敗血症などのマウスモデルを利用し、実際のASK1関連疾患への応用を見据えた解析に移行したい。また、TRIM48については、ASK1活性制御機構とその生理的意義について、初年度でその一端が解明できたので、まずはASK1の過剰な活性化を抑制可能か否か検証を行い、その結論を踏まえ、in vivoのASK1関連疾患モデルの解析に移行する。TRIM48のユビキチン化ターゲットであるASK1活性化抑制因子は、癌の発症・進行への促進的な寄与について数々の報告があり、実際の癌組織での発現上昇の報告も存在するが、その具体的な分子機序については、不明な点が多い。このASK1活性化因子が、ASK1の活性化抑制による癌細胞の細胞死抑制によって、癌の増悪化を引き起こしている可能性が想定されるため、特に癌との関連の解析を見据えながら、TRIM48について引き続き解析を行っていく。細胞内シグナル伝達、ストレス応答、自然免疫
ヒドロキシプロリンによるコラーゲン構造の安定化

コラーゲン分子の構造と安定性および繊維形成の機構を解明するため、そのモデルペプチドを化学合成し物性を調べること、また熱力学的な理論計算により、その安定化機構を説明することを試みた。我々が最も注目しているヒドロキシルプロリンの役割を調べるため^<13>Cや^<15>Nでエンリッチしたアミノ酸を用いてトリオリゴペプチドCH_3CO-Pro-Gly-Pro-Pro-Gly-NHCH_3 CH_3CO-Pro-Gly-Pro-Hyp-Gly-NHCH_3およびCH_3CO-Pro-Gly-Hyp-Pro-Gly-NHCH_3を合成した。現在これらトリペプチドを重合して重合度がそろった(Pro-Pro-Gly)n,(Pro-Hyp-Gly)n,(Hyp-Pro-Gly)nを合成中である。同位体ラベルしたアミノ酸は非常に高価で、効率よく小さいスケールで合成する系を確立する必要があったが、これに予想より時間を要し、今年度中に合成を終了することが出来なかった。しかし、予備実験として合成したラベルしないポリペプチドについては結晶化に成功した。合成ポリペプチドの結晶は一般に得難いのでこの結晶化は大きな収穫である。いま示差熱量計を用いて熱安定性を検討している。結晶を用いることにより系を非常に単純化でき成果が期待される。また理論計算についてはワークステーションのサーバーを設置出来たのでKarplusらが開発した動力学計算プログラムCHARmの改良版であるXplorを用いてHypの水和を調べたが、水和のエンタルピー項よりピロリジン環のパッカリングに関するエントロピー項が大きく寄与するといった新しい知見が得られた。これは我々が早くから予想していたことであるが、世界で初めて理論的に裏付けられたことになる。さらに上のラベルしたペプチドのNMR解析により実験的に検証し、ここに得られた知見を確固たるものと近い内にすることが期待できる。
エネルギーに関する社会的・経済的諸問題(連絡班)

各研究班の相互連絡をはかりながら組織的に研究を推進する目的で作られたもので、A領域「エネルギーに関する社会的・経済的諸問題」の研究に関する研究連絡が主目的である。「エネルギー需要と政策の経済学的研究」と「エネルギーシステムの新らしい構成と運用」の2計画研究がある。研究日程の作成・計画の検討・研究推進等は種々の機会を利用して適宜行った。また公募研究2班に対してはエネルギーシステム班において対応した。成果報告会は2年2月1日京大会館において開催し、30名の参加者により報告に対して討論をおこなった。成果報告書は2分冊の形で作成し、関係者に配付した。
チタン合金の高サイクル疲労特性に及ぼす双晶変形の影響

Ti-5Al-2.5 Sn extra-low interstitial(ELI)合金では、低温での疲労試験の初期段階で双晶変形が起こる。この双晶変形は、母相との界面でのき裂発生を誘発し、疲労特性を下げる要因となると考えられる。高サイクル疲労特性に及ぼす応力比の影響を293 Kと77 Kで調査した結果、77 Kでは、応力比が小さいほど、10^7回疲労強度が293 Kに比べて低くなり、双晶変形の影響が大きくなることが示唆された。さらに77 Kでは、引張.引張荷重下での高サイクル疲労強度が、修正Goodman線図から予測される強度よりも低くなるといった特異な平均応力依存性を示すことなることが明らかになった。本研究の目的は、低温用αチタン合金の疲労強度設計の最適化とその妥当性を検証するための余寿命評価法について検討することにある。研究代表者らは、これまでにTi-5%Al-2.5%SnELI(以下Ti525)合金鍛造材の引張特性と高サイクル疲労特性(応力比R=0.01)の室湖下での温度依存性を調査し、低温では静的強度(02%耐力、引張強度)は高くなるにもかかわらず、高サイクル疲労弓強度は低くなることを明らかにしている。疲労破壊起点部の方位解析や組織観察により、低温での高サイクル疲労強度の低下は双晶変形に起因していることが示唆された。本年度は、疲労強度設計の最適化を目的として、低温で特異な高サイクル疲労強度の温度依存性を示すTi525合金について応力比の影響を調査した。高サイクル疲労試験は、室温と77Kで10^7回まで行った。その結果、各応力比での10^7回強度は、室温より77Kの方が低かった。破面および組織観察の結果より、77Kでは、全試験条件で静的強度の上昇に見合う高サイクル疲労強度が得られず、双晶変形に起因して疲労強度が低くなっていると推察される。また、得られた結果をもとに、疲労限度線図での評価を行った。室温では、10^7回強度は修正グッドマン線上にほぼ位置しており、いずれの応力比も修正グッドマン則で予測可能であることがわかった。一方、77Kでの修正グッドマン則による予測は、R=0.8付近の高応力比では安全側になるものの、R=0.01と0.5では危険側になることが明らかになった。この原因については、温度の影響と塑性変形機構の影響め観点から現在検討中である。また、上記研究と並行して、供試材の低温での主たる疲労損傷である変形双晶の形成からき裂発生過程と寿命(サイクル数)の対応を把握するために、途中で試験を止めた試験片をもとに組織観察を進めている。研究代表者らは、これまでにTi-5%Al-2.5%SnELI合金鍛造材の引張特性と高サイクル疲労特性の室温以下での温度依存性を調査し、低温では静的強度(0.2%耐力、引張強度)は高くなるにもかかわらず、高サイクル疲労強度は低くなることを明らかにしている。本年度は、低温での主たる疲労損傷である変形双晶の形成からき裂発生過程と寿命(サイクル数)の対応を把握するために、途中で疲労試験を止めた試験片をもとに組織観察を行った。その結果、繰り返し試験のごく初期の段階(破断寿命の数%程度)において、すでに変形双晶が形成されていることが確認された。また、破断寿命の30%程度の繰り返し数において、一つの結晶粒を貫通し、隣接する結晶粒への成長が見られるStageIの疲労き裂が発生していることも確認された。また、損傷を検出するための最適疲労試験条件についても検討を行った。まずは、比較的大きな疲労損傷を想定し、低温(77K)引張試験で塑性ひずみ約0.5%を付与して変形双晶を導入した後、77Kと室温にて荷重制御での疲労試験を行った。その結果、77Kの疲労試験では、無ひずみ試験片の破断寿命の4050%の寿命で破断した。一方、室温では、無ひずみ試験片の数%の寿命で破断した。この結果より、低温での損傷(変形双晶)は、低温よりも室温での試験の方が、検出しやすいことが示唆された。