hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ゲーミングを活用した病弱教育におけるキャリア発達支援プログラム（改訂版）の開発

本研究課題の目的は、病弱児対象のキャリア発達支援プログラム開発である。平成30年度は、【研究III:病弱教育における病弱児対象のキャリア発達支援プログラム(改訂版)開発】の研究を進めた。平成29年度までの研究において、病弱児のキャリア支援を検討する理論的基盤として「レジリエンス」理論が有効であること、病弱児のキャリア形成上の課題として「病気開示」が鍵であること、治療という厳しい状況の中にある子供たちを対象とする教育プログラムには「楽しさ」という側面は不可欠でありゲーム的要素は病弱教育においては有効であること、コミュニケーション・スキルの育成が病弱児の社会的自立を支える鍵となることが確認された。平成30年度は、香港において開催されたInternational Psycho-oncology Society第20回大会、及び日本特殊教育学会第55回大会において自主シンポジウムおよびポスター発表として平成29年度までの研究成果を公表した。さらに、上記の研究知見を踏まえ、「病弱教育におけるキャリア発達支援プログラム(改訂版)」の一環として、従来のシリアスなロールプレイから転換し、ゲーム感覚で楽しみながら、病弱児が自らを省み、自らの思いや考えを語るという活動に有効なツールの開発に着手した。昨年度発足させた病弱教育担当教員・小児/AYA期長期入院経験者・本研究代表者から構成されるプロジェクトチームにおいて、病弱教育場面に特化したコミュニケーション促進に焦点をあてたツール開発を目的として、既存のコミュニケーション促進ツールの内容分析を行い、さらに病弱教育独自のカード内容に関するアイディアをブレーンストーミング形式で出し、KJ法を援用して検討・整理し、原案を作成した。平成30年度研究の成果は、2019年度日本特殊教育学会において、発表予定である。平成29年度までの研究成果を国際学会および国内学会において発表できたことは大きな成果であった。特に国内学会シンポジウムにおいては、小会場とは言え、はいりきれない方がでるほどの参加者に足をお運び頂き、本研究の意義を再確認することができた。さらに、最終ステップとして、レジリエンスを理論的基盤としつつ、教育場面で活用可能なツール開発に落とし込むことができたことも成果であった。しかし、本来なら平成30年度末でツール完成予定であったものの、下記の理由からツールの完成には至らず、最終的な成果発表は次年度繰り越しとなった。今後の推進方策として以下の2点を挙げる。第一に、プロジェクトチームの対面ミーティング設定が難しい場合は、メーリングリストやクラウドを活用して情報共有を図り、開発中のコミュニケーション促進ツールを完成させる予定である。第二に、研究成果を秋の日本特殊教育学会における研究者企画の自主シンポジウム及びポスター発表他において公表する予定である。本研究は、病弱児対象のキャリア発達支援プログラム開発を目的とする。平成28年度は、以下の2つの研究を進めた。プログラム開発の基礎資料を得ることを目的とする研究Iとして、病弱教育におけるキャリア発達支援実践事例を収集し、内容分析を行った。病院・家庭・地域(学校)という3つの生活フィールドを行き来する病弱児への支援は途切れがちになることが多く、長期的視野に立つキャリア発達支援は展開しにくい構造をもっている。そうした中で、病弱教育機関においては、病弱児の将来的な社会的自立を視野にいれた支援実践が地道に継続されている。本研究Iでは、データベースソフト(ファイルメーカーPro)を用いて、収集した66実践の指導案からねらいを抽出し、基礎的・汎用的能力(文部科学省,2011)及び独自の分類項目をたて、探索的に整理した。結果として、職業生活に直接関連のある「キャリアプランニング能力」よりも、「人間関係形成・社会形成能力」や「自己理解・自己管理能力」「病気理解・病気受容」という、社会生活上の適応に焦点をあてた取り組みがキャリア発達支援として行われていることが明らかになった。研究IIとして、自立した社会生活を送る上で当事者がかかえる課題を明らかにすることを目的として、成人した元・病弱児対象のインタビュー・データの再分析を行った。結果として、「自分の病気を誰にどのように説明し、支援を要請するのか」という病気開示の問題がキャリア形成上の一つの課題として浮上した。本結果を踏まえ、「病気開示」に焦点を当てたインタビューの準備として、協力者協力者のリクルート及びインタビュー・ガイド作成を行った。以上の研究成果の一部は研修会講演を通して、病弱教育現場へフィードバックを行った。また、現在学会発表および論文執筆を準備中であり、次年度以降に公表していく予定である。研究Iに関しては、病弱教育機関は、対象児童生徒が病を抱えている為、実践事例の扱いに関してプライバシー保護の観点から非常に敏感であること、及び、病弱教育におけるキャリア発達事例がそもそも少ないことの2点から、病弱児を対象とするキャリア発達支援実践事例の収集が、当初予想していたよりも困難であったことが理由として挙げられる。現在、研究代表者が指導助言者として協働したキャリア教育実践の66事例の指導案を収集済みであるが、全国病弱特別支援学校の研究紀要等更なる収集に向け、取り組む予定である。研究IIについては、すでに社会人となっている元・病弱児という協力者のリクルートが予想以上に難しく、インタビューの実施に至らなかった。背景には、協力者の調査協力参加の自由を保障する倫理的配慮から、長年研究上の交流のある元病弱児への依頼を控えたこともあると考えられる。現在、十分な配慮のもとでの学齢期に罹患経験のある知人へのインタビュー依頼、及び、スノーボール型サンプリングによる協力者のリクルートには困難が感じられたため調査会社への協力者リクルート依頼についても検討しており、次年度はインタビュー調査を実施する予定である。

本研究は、病弱児対象のキャリア発達支援プログラム開発を目的とする。平成29年度は、以下の2つの研究を進めた。〇研究II「病弱児の社会的自立における課題」:昨年度の研究からキャリア形成上の一つの課題として「自分の病気を誰にどのように説明し、支援を要請するのか」という病気開示の問題が明らかになった。この「病気開示」に関して、本年度は質問紙調査(国立がんセンター所属研究者との共同研究)に切り替え、特に就職活動時の病気開示に焦点を絞って検討した。同時に、大学に所属するキャリア・就職支援担当者(就職課スタッフ等)への「病気開示」に関するインタビュー調査を行った。結果は、平成30年度国際学会において発表の予定である。〇研究III「病弱教育における病弱児対象のキャリア発達支援プログラム(改訂版)開発」:平成29年度は、病弱教育担当教員・病気経験者から構成されるプロジェクトチームを発足させ、研究計画では希薄であったプログラムの理論的基盤、及び研究の方向性について検討した。検討会の結果として、近年教育・心理・看護・福祉等の対人援助各領域において着目される「レジリエンス」を理論的基盤とすること、治療という厳しい状況の中にある子供たちを対象とする教育プログラムには「楽しさ」という側面は不可欠でありゲーム的要素は病弱教育においては有効であることが確認された。また、「病気開示」をダイレクトに扱うには治療プロセス内の時期の問題があること、文部科学省がキャリア教育において育てたい力として掲げる基礎的汎用的能力としては人間関係形成・社会形成能力として位置づけられコミュニケーション・スキルが、病弱児にとっては周囲からの支援を引き出すという、自らの社会的自立を支える重要な機能をもつことも確認された。レジリエンスに関する文献研究の成果は、学会発表および論文として公表された。研究IIについては、社会参入の入り口である就職活動において、「病気開示」がどのように捉えられているのかという、従来明らかにされてこなかった諸点を示すことができたのは大きな成果と考えられる。最終年度に向け、現場教員および当事者から成るプロジェクトチームを構成でき、開発体制を確立できたこと、及びプログラムの理論的基盤としてレジリエンス理論を据えて考案していくことが明確になったことの2点は大きな収穫であった。本研究課題の目的は、病弱児対象のキャリア発達支援プログラム開発である。平成30年度は、【研究III:病弱教育における病弱児対象のキャリア発達支援プログラム(改訂版)開発】の研究を進めた。平成29年度までの研究において、病弱児のキャリア支援を検討する理論的基盤として「レジリエンス」理論が有効であること、病弱児のキャリア形成上の課題として「病気開示」が鍵であること、治療という厳しい状況の中にある子供たちを対象とする教育プログラムには「楽しさ」という側面は不可欠でありゲーム的要素は病弱教育においては有効であること、コミュニケーション・スキルの育成が病弱児の社会的自立を支える鍵となることが確認された。
高精度・高速な大規模CG流体シミュレーション

2年間の研究成果として、変形格子法のための節点ベースの圧力ソルバ、変形格子上でのFLIP法による移流アルゴリズムの開発、自由境界の2次精度の境界条件の埋め込み、変形格子のマルチ解像度法による高速な変形を達成した。特に2次精度の境界条件の埋め込みは、形成されるポアソン方程式の線形一次方程式が、正値対象行列となるような制約を埋め込むことができた。結果は、既存のアダプティブ格子法と比べても、高速であることが分かった。また、解析解が知られているTaylor-Green Vortexの実験で、正しい解に収束していく様子が確認できた。これら本研究結果は、国際雑誌へ投稿予定である。本研究では、変形格子法によるCGにおける流体シミュレーションの手法の新しいアルゴズムを開発する計画である。変形格子では、従来のアダプティブ格子法と比べ、実装が簡素で、メモリアクセスが単調になるという特徴がある。変形格子自体を用いた計算法は過去に存在するが、時間によって変化する変形格子はこれまでにない。時間によって複雑に変形する流体の形状に応じて、格子を変形し、新しい効率の良い計算法を確立するのが、本研究の目的である。本年度は変形格子での圧力ソルバの開発に注目し、2次精度の境界条件を含む実用的な離散モデルを構築した。具体的には、節点で定義された圧力のポアソン方程式を変形空間で扱えるための変数変換、格子の中を交差する陰関数の点で圧力がゼロとなる境界条件の埋め込み手法を考案した。特に境界条件の設計では、対応する線形ソルバが対称行列となるような拘束条件と、行列の条件数が最適化されるような組み合わせを実現するような、数値モデルを考案した。また格子変形に伴う空間変形に対応した移流方程式を設計し、考案通りに動作することを確認した。格子の変形は、空間上精度が必要な部分で格子が小さくなり、精度が求められない部分で大きな格子を取るような目的関数を湧き出し量としたポアソン方程式を解いて計算できる新たなアルゴリズムを考案した。そして、これらを全て組み合わせ、3次元の液体シミュレーションが動作することを確認した。また、動作プロトタイプは、従来手法に比べ同質なシミュレーション結果を2倍以下の計算コストで生成可能であることを確認した。本年度は一通り動作可能なモデルを構築でき、中間結果を得られた。この結果より、研究計画は予期できない事態の発生可能性がほぼなくなり、遂行を安定して進められると考えている。本研究の目的は、変形格子法による流体シミュレーションの効率化である。この2年間の研究成果として、研究実施計画に沿った実装を完了し、想定された結果を得ることができた。具体的には、変形格子法のための節点ベースの圧力ソルバ、変形格子上でのFLIP法による移流アルゴリズムの開発、自由境界の2次精度の境界条件の埋め込み、変形格子のマルチ解像度法による高速な変形などが達成された。特に2次精度の境界条件の埋め込みは、形成されるポアソン方程式の線形一次方程式が、正値対象行列となるような制約を埋め込むことができ、2次精度が数値的に確認された。また、格子変形では、変形をスカラ場の勾配による空間の歪みと定義した。そして、解をこのスカラ場のポアソン方程式とし、目的関数(線形方程式の右辺)をスカラポテンシャル流の湧き出しと定義することで、効率の良い変形アルゴルズムの設計が出来た。また、解析解が知られているTaylor-Green Vortexとの比較で、計算格子を細密化すると、正しい解に収束していく様子が確認できた。現在格子の変形の制限が認められる。本研究の格子は一様格子を空間変形により得られるものに制限されるため、空間の変形が著しい所で数値誤差が大きくなったり、線形一次方程式の解の計算にて収束が遅れる問題が現れる。そのため、空間の歪みは緩やかである必要があり、結果的に空間アダプティビティを大きく取ることが出来ない。その問題解決のために、根本的に新しい空間変形及び格子生成手法を考案することが求められる。特に、流体シミュレーションでは液体が存在しない部分で計算を省略できるため、その部分については格子の質を良質に保つ必要がない。この原理を利用し、格子の質を必要な部分だけ良質に保てるような新しいアルゴリズムなどの設計を予定している。29年度が最終年度であるため、記入しない。コンピューターグラフィックス29年度が最終年度であるため、記入しない。
長期テレナーシングによる在宅呼吸不全患者の増悪予防効果の検証とガイドライン創生

本研究では、次の4点を実施した。(1)テレナーシングシステム「生き息きHOT和み」を在宅酸素療法を行う慢性閉塞性肺疾患患者に導入し、ランダム化比較試験により在宅モニタリングに基づくテレナーシングの増悪予防および再入院予防、医療費の削減効果等を検証した。(2)メタアナリシスの手法を用いて「在宅モニタリングに基づくテレナーシング」の提供が、COPD患者の増悪予防、再入院予防、生活の質の向上等に効果があるのかエビデンスを評価し、推奨グレードを提示した。(3) (1)と(2)で示されたエビデンスをもとに、「テレナーシング実践ガイドライン」、および「在宅療養者のためのテレナーシング実践ガイド」を創生し、刊行した、(4)刊行したテレナーシング実践ガイドラインを普及するため、看護師等を対象とした「テレナーシング実践セミナー」を企画・開催し、プログラム内容の評価を行った。本研究の目的は、(1)慢性呼吸不全で在宅療養を行う者を対象に、本人が在宅療養を主体的に管理できるよう、遠隔対面機能を向上したタッチパネル式易操作性の在宅用テレナーシング通信ネット端末を開発し、長期安定療養に資するテレナーシング実践システムを構築する、(2)(1)を慢性呼吸不全在宅療養者に長期に導入し、心身への効果、自己管理意識の変化、再入院を要する呼吸不全急性増悪の予防効果、医療経済効果の観点から長期テレナーシングの効果を検証することである。方法は、ネット端末の開発、およびランダム化比較試験(RCT)による対象者へのテレナーシング実践の効果の検討を行うことである。結果は(1)これまでの特許申請案件を生かし、遠隔テレビ電話機能を向上した易操作性通信ネット端末(生き息きHOT和み)を10台作成した。サーバでのデータ解析・保存方法の改修、およびトリガー把握時の医療機関とのメール機能、対象者個別の看護プロトコルを設定する機能等、管理者用サイトの改修を行った。(2)COPD HOT実施者39名を介入群20名(平均年齢76.0歳)、対照群19名(77.7歳)に無作為に割りつけ、介入群には毎日本システムによるテレナーシングを提供し、対照群は従来の診療のみとするRCTを行った。その結果、介入群はテレナーシングにより急性増悪発症者が32.9%減少した。また、発症までの日数は有意に長く、介入前・中一人あたり急性増悪発症回数は介入群のみ有意に減少した。再入院割合は3.5%減少したが有意差はなく、介入前・中一人あたりの再入院回数は介入群のみ有意に減少した。生存分析(Kaplan-Meier法)では、急性増悪について両群間に有意差が認められた。以上から、在宅モニタリングに基づくTNはCOPD HOT実施者の急性増悪発症予防、および発症回数を低下させる可能性があると示唆された。本研究の目的は、(1)慢性呼吸不全で在宅療養を行う者を対象に、テレナーシング通信ネット端末を開発し、長期安定療養に資するテレナーシング実践システムを構築すること、(2)(1)を慢性呼吸不全在宅療養者に長期に導入し、心身への効果、自己管理意識の変化、再入院を要する呼吸不全急性増悪の予防効果、医療経済効果の観点から長期テレナーシングの効果を検証すること、(3)エビデンスに基づくガイドラインを創生することである。本年度は、(1)前年度までに開発した通信ネット端末(生き息きHOT和み)を利用し、サーバでのデータ解析・保存方法の一部改修、および対象者個別のトリガーを設定する機能等、管理者用サイトの改修を行った。(2)慢性閉塞性肺疾患(COPD)で在宅酸素療法を受ける者40名を介入群20名(平均年齢76.0歳)、対照群20名(77.7歳)に無作為に割りつけ、介入群には毎日、本システムによるテレナーシングを提供し、対照群は従来の診療のみとするランダム化比較試験を継続した。その結果、介入群は急性増悪発症者が有意に少なく、在宅モニタリングに基づくテレナーシングは急性増悪発症予防、および発症回数を低下させる可能性があること、費用対効果が高いことが示唆された。(3)国内外の文献データベースを用い、在宅モニタリングに基づくCOPD患者へのテレナーシングの効果に関するシステマテイックレビューとメタ分析を行った。その結果、COPD患者へのテレナーシングには、入院の予防、救急受診リスクの減少、急性増悪発症リスクの減少、在院日数の減少、健康関連QOL(Quality of Life)への良い効果が示唆された。これをもとに、専門職用のテレナーシングガイドライン、および在宅療養者のためのテレナーシング実践ガイドの両者を1冊にまとめたガイドライン冊子を刊行した。

本研究の目的は、1.テレナーシングを利用する(介入)群と非利用(対照)群によるランダム化比較試験(RCT)を行い効果を示すこと、2.先進例の豪州シドニー市内のCenter for online health等を視察し、在宅患者への遠隔医療の実際とモニタリング方法、使用機器、費用等について情報収集し、わが国への示唆を得ること、3.メタアナリシスを行い、テレナーシングのエビデンスを提示すること、4.13.の成果をもとに「テレナーシング実践ガイドライン2012-2013」「在宅療養者のためのテレナーシング実践ガイド2012-2013」を編集・刊行すること、5.看護師、保健師等を対象に、テレナーシングを普及するための研修会を開催し、プログラム評価を行うことである。研究の結果、1.RCTからは、介入群にテレナーシングの費用対効果比・増分費用効果比は高く、急性増悪発症率・急性増悪発症回数は低く、生活の質(QOL)の維持、うつの改善傾向、自己管理意識の向上傾向を認めた。2.豪州では遠隔医療を国策として推進し、疾患に応じて健康保険が適用され、通院距離が長い利用者には対面診療よりも遠隔診療が選択され、子どもや高齢者に急速に普及していた。3.テレナーシングの効果に関するメタアナリシスからは、介入群には再入院率・再入院回数・増悪患者数が少なく、救急受診リスクは低く、死亡率には差がないというエビデンスが示され、QOLは使用尺度が多様であるため比較が困難であった。4.「テレナーシング実践ガイドライン2012-2013」「在宅療養者のためのテレナーシング実践ガイド2012-2013」を編集・公開した。5.テレナーシング実践セミナーに21名が参加。テレナーシングの背景と実際を理解できたとして参加満足度(010VAS)は平均9.0(SD1.1)、プログラムとテレナーシングの今後に肯定的な評価であった。今年度は、テレナーシングの継続的な実践、介入研究の継続、文献のシステマテイックレビューとメタ分析の実施、学会発表、学会誌への論文投稿、専門職用ガイドラインの発刊、在宅療養者用ケアガイドの発刊を行うことができ、これらは計画の通りに進行することができた。24年度が最終年度であるため、記入しない。作成したテレナーシングガイドラインのエキスパートチェック(査読)を受けている途中であるため、その結果を取りまとめ、「テレナーシング実践ガイドライン2012-2013」および「在宅療養者のためのケアガイド2012-2013」を発刊する。また、テレナーシングガイドライン、およびテレナーシング実践の普及のための専門職向け研修会を開催し、内容を評価する計画である。
もち麦の後期重点型施肥による遅れ穂発生のしくみと多収・高β-グルカン化栽培技術

もち性はだか麦の子実中に含まれる水溶性食物繊維β-グルカンは、穂肥や開花期追肥といった後期重点型追肥によって高まることが知られている。しかしながら、後期重点型施肥は、同時に遅れ穂を多く発生させることが問題ともなっている。本研究では、こうした遅れ穂発生のしくみを明らかにして、遅れ穂発生を抑制しつつ、多収・高β-グルカン化となる栽培技術を確立する。
子どもへの不適切な養育（マルトリートメント）の社会的コストの算出

本研究の概要は、逆境的体験(ACE)の視点を取り入れた「わが国初の子どもへの不適切な養育(マルトリートメント)の社会的コスト」を算出することである。わが国の児童虐待の社会的コストは2012年度に算出されており、本研究では、5年後(2017年度)のコストを算出する。算出には、ACEの実態調査等を行い、より包括的な広義の児童虐待「子どもの不適切な養育」の社会的コストを算出し、幅広く政策提言、活用をされることを目指す。
超対称性模型の双対性

近年、超対称性ゲージ理論の強結合理論の理解が、著しく進んでいますが、その発展に対して、中心的な役割を果たしている重要な槻念として、「双対性」があります。強結合理論と弱結合理論が「双対性」により、少なくとも、低エネルギー領域では、等価である、ということがわかってきています。従って、強結合理論の低エネルギー領域での有効理論が「双対性」を使うことで、理解できるわけです。これらの一連の研究は、この「双対性」を、現象論的な模型に適用しようとした初めての試みです。残念ながら、現象論的に非常に成功した模型とは、言えませんが、例えば、文献1の模型は、超対称性標準模型に対して、「双対性」を適用したものですが、次のような興味深い特徴があります。1 9対のヒッグズ粒子が、双対コ-ク対の複合粒子として現れます。2それにともなって、湯川結合定数も自然に現れます。3カラーゲージ場は、あるゲージ場に対する双対なゲージ場として現れます。4それにともなって、コ-ク場はモノポールとして現れます。現象論的には、様々な問題がありますが、特に次のような問題1レプトンの湯川結合が無い。2コ-クの質量行列を実現するようにヒッグズに真空期待値を持たせると、大局的な対称性が破れ、南部-ゴールドストーン粒子が現れる。について、解決しようとした試みが、文献2と3です。文献2では、パチーサラムゲージ群を導入してそれらの問題を回避しましたし、文献3では、Rパリティを破ることによって解決しました。
高分解能電顕法によるセルロース分子鎖の直接観察

透過電顕の高分解能法を用いたセルロース分子鎖の直接観察によりセルロースミクロフィブリルの微細構造を明らかにすることを目的とした。高分解能法を適用する際に問題となるセルロースミクロフィブリルの電子線損傷、試料作製技術面での試料厚さ、試料支持の問題などを十分検討した結果、緑藻類の一種であるバロニア(Valonia macrophysa K【u! ̈】Tz)については、約0.4nmの分解能を得る撮影条件を見い出すことができた。この最適撮影条件を用いて、微細繊維状結晶であるセルロースの側方と護断面観察を行ない、セルロース結晶の(101)、(10【1!-】)および(002)に相当する0.60,0.54,0.39nmの格子像の撮影に成功した。ミクロフィブリルの側方観察では、バロニアのミクロフィブリルはそれ自体が1つの結晶であり、またその大きさは、幅が20nmで長さが少なくとも50nm以上であることを明らかにした。一方、横断面観察では、その断面形状がほぼ一辺を20nmとする正方形で、その中に12001400本の分子鎖が単結晶状に配列していることを見い出した。さらに、バロニアの細胞壁の1ラメラ中では、繊維軸を互いに逆向きとする2種類のミクロフィブリルが平行に配列していることを示した。ミクロフィブリルの横断面観察は、セルロース分子鎖を真上からみることに相当し、1本1本の分子鎖のac面投影像が観察されると期待された。本研究で得た横断面の格子像の格子編の交点には、いわば分子鎖の切り口が写っていると考えられる。個々の分子鎖の形などについての議論は今のところできないにせよ、現在の技術レベルからみて到達可能なかぎりの「セルロース分子鎖の直接観察」がなされたと考えている。
神経活性物質受容体とその機能調節機構

各種神経伝達物質に対応する受容体機構を取り上げ、その特異性を比較検討すると共に、その機能調節機構の比較検討、更にはこれらの各受容体に共通する事項は何か、そしてこれらの知見を基盤として、新しい神経活性物質探求の受容体レベルにおける方法論の理想像は何かを明かにすることを主目的として研究を進めた。本年度における主要な成果は下記の如くである。1)脳内GABA受容体は膜レベルにおいては燐脂質とラジカルによる活性化を、一方受容体レベルにおいては分子内の糖鎖により抑制的調節を受けている。2)嗅球摘出によるmuricide行動の発現には脳内のノルエピネフリン及びGABA作働性ニューロンの機能変化が関与している。3)カルシウム誘発性カルシウム放出はプロカインなどの局所麻酔薬により抑制される。4)セロトニン受容体の結合活性は【Mn^(++)】などの二価陽イオンにより増強される。5)心臓のアドレノセプターには種差があり、例えば兎ではαとβの両受容体が存在するが犬では後者のみが検出される。6)後シナプス性【α_2】受容体の特性には大きな組織差が存在する。7)三環性抗うつ薬の長期投与は脳内オピオイド受容体の機能に変化を与える。8)プロテインキナーゼCは【Ca^(++)】の動態に対する影響を介して、アセチルコリンなどの伝達物質の放出調節に関与している。9)ある種の受容体の活性化は膜燐脂質の代謝回転の促進を介して情報伝達を行う。10)アセチルコリン・ムスカリン受容体にはアンタゴニストに対する親和性の面から3種類(超高親和性,高親和性,低親和性)があり、GTP結合蛋白の調節を介して相互に変換可能である。11)神経成長因子には特有の受容体がある。12)アセチルコリン・ムスカリン受容体はGTP結合蛋白により活性調節を受けている。
導電性ナノ結晶ダイヤモンド工具を用いた電磁場での単結晶シリコンの超精密切削

車載ナイトビジョン装置や夜間防犯カメラ,サーモグラフィーなどの赤外線光学デバイスの開発において単結晶シリコンを基板とする複雑形状レンズの超精密加工が強く求められている.しかし,シリコン切削時にダイヤモンド工具の摩耗が非常に激しく,それによる加工精度低下そして生産コスト増加が大きな問題となっている.本研究では,導電性をもつダイヤモンド切削工具を使用し,通電切削およびシリコンへの光照射と電磁場内での超精密切削法を提案した.その結果,シリコン工作物からダイヤモンド工具へ微弱な電流を発生させることによりダイヤモンド工具のバックボンド電子の損失を防ぎ,ダイヤモンド工具摩耗への低減効果を確認した.本研究では,車載ナイトビジョン装置や夜間防犯カメラ,顕微サーモグラフィーなどの赤外線光学デバイスの開発において必要不可欠である単結晶シリコンレンズの超精密加工を実現するために,導電性をもつナノ結晶ダイヤモンド切削工具を使用し,シリコンへ特定波長の光照射と電磁場印加を行った超精密切削法を提案した.シリコン工作物からダイヤモンド工具へ微弱な電流を発生させることによりダイヤモンド工具のバックボンド電子の損失を完全に防ぎ,ダイヤモンド工具寿命を向上させることを目的としている.平成26年度では,主に電磁場での超精密切削加工・センシングシステムの構築および工具設計製作を行った.具体的には,以下の項目について研究開発を行った.(1)加工システムの構築:3軸同時制御超精密加工機の主軸端部に,工作物を囲むように複数の電磁石を配置し,磁束密度が可変な磁場を発生させた.また,Siに吸収されやすく,エネルギー変換効率も高い波長領域のLED光源を設置し,異なる方向からSi工作物へ照射可能にした.(2)センシングシステムの構築:切削抵抗および工具・工作物間の電流を高精度に検出するため,切削抵抗は簡易型水晶圧電センサー,電流はデジタルマルチメーターを用いて測定を行うことにした.(3)導電性ナノ結晶ダイヤモンドバイトの設計・製作:連携企業より導電性をもつナノ結晶ダイヤモンド切削工具材料を提供してもらい,Si切削に適したバイト形状(すくい角,逃げ角,ノーズ半径,刃物角など)を設計し,工具メーカーの協力を得て工具製作を行った.車載ナイトビジョン装置や夜間防犯カメラ,サーモグラフィーなどの赤外線光学デバイスの開発において単結晶シリコンを基板とする複雑形状レンズの超精密加工が強く求められている.しかし,シリコン切削時にダイヤモンド工具の摩耗が非常に激しく,それによる加工精度低下や加工変質層形成そして生産コスト増加などが大きな問題となっている.そこで本研究では,導電性をもつナノ結晶ダイヤモンド切削工具を使用し,シリコンへ特定波長の光照射と電磁場印加を行った超精密切削法を提案する.シリコン工作物からダイヤモンド工具へ微弱な電流を発生させることによりダイヤモンド工具のバックボンド電子の損失を防ぎ,ダイヤモンド工具寿命を飛躍的に向上させる.H27年度では,以下の項目について研究を行った.(1)磁束密度解析と電流発生の実験確認:光電効果によりSi工作物表面へ放出される電子が磁場の作用でフレミング右手の法則に従って工具に向けて移動するため,工具・工作物間に微弱の電流が発生する.そこで,この微弱な電流の発生を確認し,磁束密度と光強度を変化させたときの電流値の変化を測定し,その相関性を確認した.(2)導電性ナノ結晶ダイヤモンド工具の摩耗形態を実験的に解明した.また,工具摩耗と電流との関係を明らかにし,工具摩耗が小さくなる磁束密度分布や光強度の範囲を特定した.以上の基礎研究の成果は,今後工具摩耗の最小化を実現するための切削加工条件の最適化に対して有意義な指針を与えるものであると考えられる.H27年度では,工具・工作物間に流れる微弱の電流を確認し,磁束密度と光強度を変化させたときの電流値の変化との相関性を確認し,また導電性ナノ結晶ダイヤモンド工具の摩耗形態と電流との関係を明らかにしたなど成果が得られており,本研究はほぼ順調に進んでいる.車載ナイトビジョン装置や夜間防犯カメラ,サーモグラフィーなどの赤外線光学デバイスの開発において単結晶シリコンを基板とする複雑形状レンズの超精密加工が強く求められている.しかし,シリコン切削時にダイヤモンド工具の摩耗が非常に激しく,それによる加工精度低下や加工変質層形成そして生産コスト増加などが大きな問題となっている.本研究では,導電性をもつナノ結晶ダイヤモンド切削工具を使用し,シリコンへ特定波長の光照射と電磁場印加を行った超精密切削法を提案した.シリコン工作物からダイヤモンド工具へ微弱な電流を発生させることによりダイヤモンド工具のバックボンド電子の損失を防ぎ,ダイヤモンド工具寿命を向上させる目的として研究を行った.H28年度では,新たに外部電源を用いた通電切削法を提案し,これまでの光照射と電磁場印加を行った切削法との比較を行った.その結果,通電切削においても工具・工作物間に流れる電流を確認し,それによる工具摩耗低減効果が確認された.さらに,通電切削での導電性ナノ結晶ダイヤモンド工具の摩耗形態と電流との関係や切削距離による電流の変化,そして摩耗幅変化との関連性などを明らかにした.以上のように,本研究では,単結晶シリコンの安定的な延性モード切削を実現するために,光照射と電磁場印加を行った切削法と外部電源を用いた通電切削法の2つを提案し,それらの工具摩耗低減効果を確認した.

今後は,これらの基礎研究の成果を踏まえて工具摩耗の最小化を実現するための切削加工条件の最適化そして大口径シリコンフレネルレンズの切削加工の加工への応用を目指して研究を継続してゆく予定である.車載ナイトビジョン装置や夜間防犯カメラ,サーモグラフィーなどの赤外線光学デバイスの開発において単結晶シリコンを基板とする複雑形状レンズの超精密加工が強く求められている.しかし,シリコン切削時にダイヤモンド工具の摩耗が非常に激しく,それによる加工精度低下そして生産コスト増加が大きな問題となっている.本研究では,導電性をもつダイヤモンド切削工具を使用し,通電切削およびシリコンへの光照射と電磁場内での超精密切削法を提案した.その結果,シリコン工作物からダイヤモンド工具へ微弱な電流を発生させることによりダイヤモンド工具のバックボンド電子の損失を防ぎ,ダイヤモンド工具摩耗への低減効果を確認した.平成26年度では,計画の通りに電磁場での超精密切削加工・センシングシステムの構築および工具設計製作を行い,切削実験を行えるようになった.H28年度では,これまでの基礎研究の成果を踏まえて工具摩耗の最小化を実現するための切削加工条件の最適化を行い,特に難しいとされている大口径シリコンレンズの切削加工を試みる予定である.28年度が最終年度であるため、記入しない。生産工学・加工学平成27年度でも計画の通りに研究を推進し,主に磁束密度解析と電流発生の実験確認を行い,工具摩耗形態の実験的解明を進める予定である.H27年度に予定していた国際会議発表のための旅費や謝金などが実際に支出していなかったため、剰余金が発生した。28年度が最終年度であるため、記入しない。電磁場発生装置を超精密加工機への取り付けのための加工機本体改造について連携企業のご協力により改造費用が発生しなかった.また,超精密非接触三次元測定装置については中古品を購入したため,費用の大幅な節約が可能となった.H28年度では、国際会議発表のための旅費および切削実験用の材料費として支出する予定である。H27年度では,前年度に節約した研究費を切削温度計測用の高性能センサーの購入やCNPD切削工具の材料費などへ有効に使用する予定である.28年度が最終年度であるため、記入しない。
電子伝達蛋白質と超分子複合体を形成する亜硝酸還元酵素の構造と分子進化に関する研究

亜硝酸還元酵素(NIR)は、脱窒過程の一部である亜硝酸イオンを一酸化窒素に還元する反応を触媒する酵素である。NIRのうち、通常の銅型NIRはサブユニット(単量体)あたり電子受容部位として働くタイプ1銅と、亜硝酸還元部位として働くタイプ2銅の二つの銅結合部位を持ち、3量体構造をとることが知られている。これに対してHyphomicrobium denitrificans A3151株由来の銅型NIR(HdNIR)は単量体あたり2つのタイプ1銅(type 1 Cu_N,type 1 Cu_C)と1つのタイプ2銅を持ち、6量体構造をとる。HdNIRは、そのアミノ酸配列のN末端側にブルー銅タンパク質のプラストシアニンと相同性のあるドメイン(N-terminalドメイン)とC末端側に既知のNIRと相同性のあるドメイン(C-terminalドメイン)からなり、Nドメインにはtype 1 Cu_N、Cドメインにはtype 1 Cu_Cとtype 2 Cuが含まれている。これまでにNativeおよびC260Aの結晶化を行い、2.4Å分解能までのX線回折強度データを収集した(Acta Cryst.,D60,2383-2386(2004))。銅イオンを利用したMAD法による構造解析を試みたが、最終的には、分子置換法に成功し、2.4Å分解能でR値18%の精密構造を得た。構造解析の結果、HdNIRのN末端ドメインのtype1銅の周囲に存在する、Gly74,Gly38,Ala75,Met40,Ile35などの疎水パッチ同士が結合し、3量体構造どうしがface-to-faceで向き合うような構造を有していた。NIRドメインのtype 1とtype 2の銅イオンの位置は、12.7Å離れ、N末端ドメインのtype 1と、NIRドメインのtype 1とは50.4Å離れていたが、隣のNIRドメインのtype 1との距離が24.7Åと近く、異なる分子への電子伝達経路が考えられた。ストップドフローやパルスラジオリシスなどの生化学実験の結果から、HdNIRの生理的電子供与体であるシトクロムc_<550>は、2系統の電子伝達経路でHdNIRに電子を供与し、N末端ドメインのtype 1銅に電子を渡す速度よりも、NIRドメインのtype 1銅へ電子を渡す速度が非常に速いことが判明した。これら2つの電子伝達経路を構造から議論した。脱窒菌Hyphomicrobium denitrificans由来の亜硝酸還元酵素(hyd-NIR)は、亜硝酸還元酵素(NIR)様ドメイン(37kD)と電子供与蛋白質様ドメイン(13kD)が1本のアミノ酸配列上で連結した約50kDの複合体蛋白質が6量体を形成して、分子量が300kDの超分子複合体である。本研究の目的は、亜硝酸還元酵素と電子供与蛋白質が連結した超分子複合体のX線構造解析により、蛋白質-蛋白質相互作用に関する4次元構造を解明し、分子認識に関する構造基盤情報を蓄積するとともに、電子伝達機構の解明と分子進化についての知見を得ることを目的としている。すでにhyd-NIRのNative結晶の結晶化に成功し、2.8Å分解能までのデータ収集に成功した。しかし、非対称単位あたりには、6量体のHyd-NIR複合分子が3個存在し、合計で54個の銅イオンを含んでおり、54個の銅イオンの異常分散効果を利用した構造解析法が困難を極めた。そこで、1分子あたり3個存在する銅イオンを1つ減らした変異体Hyd-NIRを作成し、変異体Hyd-NIRの組み換え大腸菌の大量培養および大量精製を行い、種々の結晶化条件を検索した結果、不安定な結晶ながら再現性良く結晶を得ることに成功した。変異体結晶は非対称単位中に36個の銅イオンを持ち、大型放射光実験施設SPring-8において銅イオンの異常分散データを含む3.3Å分解能までのX線回折強度データの集積を行った。しかし、peakにおける回折データ収集のうちに、X線による損傷を受け、未だ構造解析には至っていない。構造解析の結果、HdNIRのN末端ドメインのtype

1銅の周囲に存在する、Gly74,Gly38,Ala75,Met40,Ile35などの疎水パッチ同士が結合し、3量体構造どうしがface-to-faceで向き合うような構造を有していた。NIRドメインのtype 1とtype 2の銅イオンの位置は、12.7Å離れ、N末端ドメインのtype 1と、NIRドメインのtype 1とは50.4Å離れていたが、隣のNIRドメインのtype 1との距離が24.7Åと近く、異なる分子への電子伝達経路が考えられた。ストップドフローやパルスラジオリシスなどの生化学実験の結果から、HdNIRの生理的電子供与体であるシトクロムc_<550>は、2系統の電子伝達経路でHdNIRに電子を供与し、N末端ドメインのtype 1銅に電子を渡す速度よりも、NIRドメインのtype 1銅へ電子を渡す速度が非常に速いことが判明した。これら2つの電子伝達経路を構造から議論した。
高密度水素吸蔵金属有機材料の超高速高信頼設計

エネルギー問題解決の基盤に関し、ファンデルワールス力絶対値算定法を確立し、それを活用すべくゲスト分子の水素を筆頭とする各種気体分子を貯留するケージ状物質をホストとする複合体に対する第一原理理論・シミュレーション研究を実施した。構築したシミュレーション計算プログラムは一般的なものであり、現状の第一原理計算においてファンデルワールス力を現象論的に扱っているレベルを抜本的に改善し、今後、広範な活用が期待できる。提案した有機金属構造体、クラスレートハイドレート等の各種気体貯留材料は、今後実験研究を経て、実用化が望まれる。本研究の大きな目的は第一原理計算を用いた新規ガス貯蔵材料の貯蔵能解析と探索である。本報告では、ナノスケール構造体を用いた水素貯蔵材料の貯蔵能、放出過程、貯蔵過程の計算結果を中心に述べる。第一原理計算を用いて、ボラン分子を付加した大きな半径を持つシングルウォールカーボンナノチューブ(SWCNT)は水素貯蔵能を有することを示した。さらに、水素分子1個当たりの平均吸着エネルギー0.21eVは可逆的な吸蔵・放出を実現する上で最適な値であった。グラフェン、フラーレンなどの他の炭素系ナノ構造体でもボラン分子をドーピング可能であり、水素分子を貯蔵できる。これらの系統的な計算結果はカーボン系材料表面の曲率に依存した相互作用の存在を示していた。第一原理計算結果に基づき、ナノチューブの垂直方向に外部電場を与えることで、シングルウォールカーボンナノチューブに化学吸着した水素原子を取り出す新しい方法を提案した。外部電場を強く印加するに伴い、カーボンナノチューブの大きな曲率にあるC-H結合の距離は伸びていく様子が見られた。電場の方向に沿って内径が伸びるようにナノチューブは圧縮され、結果として、曲率の大きなサイトから水素原子が放出されることが明らかになった。第一原理計算により、清浄なAl(111)表面および遷移金属原子を置いたAl(111)表面での水素分子の解離過程を調べた。この解析から、触媒効果と遷移金属の3d軌道を通した電子授受の関係を明らかにした。さらに、部分酸化させたAl(111)表面での水素分子を含む系における還元過程の有無を調べるために、表面の還元過程での原子の拡散経路をCI-NEB法を用いて解析した。熱は単純な広く行われるようになったエネルギー算定を遙かに超える問題であり、従来は現象論的な算定に止まっていた。そのため、材料の熱伝導率を実験結果を用いずに算定したり、熱電変換効率の良い材料の理論設計は不可能と思われていた。本挑戦的萌芽研究では、この問題を物理の理論に立ち返って検討し、定量的な熱伝導及び熱電変換の算定を試みた。まず、第一原理シミュレーション計算には、研究グループが独自開発している全電子混合基底第一原理シミュレーション計算プログラム・パッケージTOMBO(TOhoku Mixed Basis Ab initio ProgramPackage)を活用した。格子の調和振動を算定する方策(我々の開発による、各原子を動かして力定数を算定し、ダイナミカル行列を解く)を、非調和格子振動に拡張し、全エネルギーの3次及び4次の微分係数を求め、それを元に、熱伝導と熱電変換の効率を算定した。全エネルギー算定を、その3次以上の微分係数まで算定可能とするため、TOMBOの計算精度の向上を図り、必要とするレベルを達成した。熱電変換効率の算定に当たり、まず、従来から知られているBiTe等を最初に扱った。実験値の知られている材料に対し、十分な精度でシミュレーション計算結果が得られることを確認し、その後、新規材料設計を開始した。具体的には、GeSe等を対象として、熱伝導率及び熱電変換効率の算定を試みた。これらの成果は、国内外の会議で発表を行い、論文としてまとめて公表予定である。第一原理計算を用いて、歪みを加えて活性化したグラフェン・モノレイヤーの化学的性質を明らかにした。2軸に引き伸ばされたシートは炭素ー炭素結合が1.43%, 5%, 8.5%, 10%と伸ばされた状態を得た。このように、物理的な歪みを加えた環境下のグラフェン表面の化学的反応性は、元の歪みを加えていない状態よりも大きくなった。歪みを大きくするとボラン分子、水素分子との相互作用は大きくなり、これらの分子の束縛エネルギーは十分に水素貯蔵材料として利用できる数値になる。グラフェンシートは基板を持たず、孤立系として存在できるため、両端の距離を固定したシートを実現できる。この方法で引き伸ばし、歪みを加えたグラフェンは、有望な水素貯蔵材料になり得る。同様に歪みを加えることにより、多くの面を出したグラフェンを実現できる。さらに、歪みを加えることにより、グラフェンを含む多くのナノ構造体の化学反応性を制御出来るだけで無く、新しい電気的、光学的応用分野の開拓にも繋がる。

第一原理計算により、清浄なAl(111)表面および遷移金属原子を置いたAl(111)表面での水素分子の解離過程を調べた。この解析から、触媒効果と遷移金属の3d軌道を通した電子授受の関係を明らかにした。さらに、部分酸化させたAl(111)表面での水素分子を含む系における還元過程の有無を調べるために、表面の還元過程での原子の拡散経路をCI-NEB法を用いて解析した。本研究では、第一原理計算を用いた新規高機能ガス貯蔵材料の広範な探索と貯蔵能に関する詳細なメカニズムの解明を実施した。特に、気体分子とケージ上の構造を有するナノ構造体との相互作用はファンデルワールス力であり、これまで理論的に双極子励起を第一原理的に取り込んだ精密計算がなされたことはなく、本研究の基盤部分として、この重要問題に取り組み、法全電子混合基底第一原理計算プログラムTOMBOにカシダ法による時間依存密度汎関数計算を付加的に開発し、それを用いて、各種分子に関して引力項と斥力項の係数の絶対値算定に成功した。具体的な研究対象物としては、カーボンナノチューブ、グラフェン、有機金属構造体、クラスレート水和物を中心として、貯蔵能向上を目的とした種々の付加分子を含む系への各種気体貯蔵・放出の詳細シミュレーションを実施した。特に、本研究の独自性として、外部電場による水素放出の高速化や、対象系に歪を加えることによる貯蔵能増大の検討も行った。水素貯蔵量向上方策の一つとして水素分子を分解して水素原子として貯蔵することが考えられており、この分解過程のシミュレーションをTOMBOの時間依存密度汎関数計算によって行い、ニッケル触媒を含む系での水素分子分解反応過程の時間発展追跡に成功した。通常の第一原理計算では、電子は基底状態におかれるため、実際の反応より相当運動エネルギーの大きな状態ではじめて反応が起こるが、我々はこの問題の抜本的解決法の提案に成功した。26年度が最終年度であるため、記入しない。計算材料学26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究課題で開発したTDDFT計算プログラムにより水素貯蔵材料表面での水素分子のスピルオーバー過程を追跡出来るようになり、優れた水素貯蔵能を有する材料探索に活用することが可能になった。今後は多様なガス貯蔵材料に適用する。本研究期間を通して、本研究グループ独自開発の全電子混合基底法第一原理シミュレーションプログラムパッケージTOMBOを活用し、定式化から始めシミュレーション計算プログラムを開発して来た分子間での相互励起を取り込んだ真の意味でのファンデルワールス力計算は、不活性原子間の相互作用算定から始め、昨年度までに水程度の小規模分子間の計算までを成功させた。クラスレート水和物及びMOFの原子構造、及びヘルプガスや付加金属原子種を探索・最適化し、水素貯蔵能力の限界を算定算定を試みた。第一原理シミュレーション計算によって温度の効果を算定し、100度C近傍で水素を効率的に放出できる新規材料の探索を実施した。
食品素材の品質変換操作

1.分散系構成における構造制御と機能性制御(矢野):構造制御の1つのポイントである気泡成長臨界半径に理論的検討を加え、実験結果と比較するとともに、気-液分散系の安定性についても液流動の観点から検討を加えた。2.加熱押出加工法による食品素材の品質変換(國府田):根系茎植物の栄養価に対する同加工法の効果につき検討し、キャッサバの場合に含有青酸の除去およびネズミの体重増加促進に効果のある事を示した。3.超臨界流体を用いる機能性物質の分離分画(小林):超臨界二酸化炭素による食品中の特定成分の選択的分離につき検討し、食品の低コレステロール化、高蛋白チーズの調製、辛味を損わない辛子種子の脱脂等への利用可能性を示した。4.酵素を用いる蛋白質の機能変換(栃倉):麹菌グルタミナーゼのγ-GTP活性がSer,Val等のアミノ酸をγ-Glu受容体としても発現する事を見出し、また軟ゲル菌蓋培養法により同酵素の分泌性画分が菌体内に保持される事を示した。5.酵素を用いる糖質の機能変換(児玉):ルチン資化性菌よりルチン加水分解酵素の部分精製に成功するとともに、ブドウおよびリンゴ培養細胞を用いたケルセチンの配糖化により数種の配糖体の生成を確認した。6.微生物による糖質のサイクリックグルカンへの変換とその応用(田口):A.radiobacterよりサイクリックグルカン(Cg)合成酵素を精製して酵素学的検討を行うとともに、Cgがピリドキサールりん酸の光分解に顕著な保護効果を持つ事を示した。7.有用微生物を用いる食品素材の品質変換(高尾):キャベツ汁液中における乳酸菌飲料としての生菌数維持のための条件につき検討し、栄養・風味の面からも飲料ベースとなり得る事が示唆された。8.澱粉およびその類縁物質の構造と機能の改変(桧作):イソアミラーゼによる澱粉の単位鎖化物に熱可逆性ゲル形成能を見出すとともに、同酵素の分岐サイクロデキストリン合成活性につき検討を行った。
超並列分子コンピューティング集積回路の基礎研究

本研究課題では,無配線分子コンピューティングの可能性を理論と実験の両面から検証することを目的とする.本年度は,集積回路工学と計算機科学の両面からの取り組みを並行して実施した.1.人工触媒素子に基づく分子コンピューティング集積回路の実験モデル:レドックス・マイクロアレー(Redox Microarray)を考案し,そのプロトタイプシステムを実装した.本試作システムでは,人工触媒素子とその制御部をそれぞれ個別に実現している,まず,人工触媒素子部には前年度に試作したマイクロ電極アレーを用いる.マイクロ電極デバイス(Pt)によるレドックス分子(キノン/ヒドロキノン)の電気的制御に基づいて人工触媒素子の機能を実現する.一方,制御部には半導体集積回路を用いる.これまで実施してきたレドックス反応制御の予備実験の結果をふまえて,新たに専用の制御回路を設計・試作した.マイクロ電極アレーと制御回路とを結合した結果,レドックス・マイクロアレー全体の機能を実現することに成功した.2.レドックス・マイクロアレーを用いて,目的に応じた反応拡散場が人工的に創出できることを実験により実証した.計算機シミュレーションによって予想されるさまざまなパターン生成現象を,電極表面に形成される人工的な反応拡散場として実際のデバイス上に実現する.本年度は,計算機上にプログラムされた非線形関数によって制御されるレドックス・マイクロアレーを実現し,FitzHugh-南雲方程式の系で見られる興奮性反応拡散ダイナミクスを定性的に再現する反応拡散場を創出した.その応用として,興奮性反応拡散場による画像処理をレドックス・マイクロアレー上で実現することに成功した.以上の結果から,超並列コンピューティング原理の実証へ向けた第一歩を踏み出すことができたと考えられる.本研究課題では,無配線分子コンピューティングの可能性を理論と実験の両面から検証することを目的とする.本年度は集積回路工学の観点から,人工触媒素子による無配線集積回路のプロトタイプ試作に関する基礎研究を行った.おもな成果は以下の通りである.1.人工触媒素子のモデルを定式化した.本素子は,溶液中の特定の反応を選択的に触媒し,その触媒活性が特定のエフェクター濃度の非線形関数として変化するものとする.計算機シミュレーションを通して,分子回路を人工触媒素子の反応ネットワークとして合目的に構成するための設計法を新たに検討した.その結果,人工触媒素子モデルに基づいて,現在のVLSIと質的に等価な回路機能をまったく配線を用いずに実現できることが明らかになった.2.人工触媒素子そのものを生体分子等で修飾されたマイクロ電極デバイスによって実現する方式を実験的に検討した.将来的には人工触媒素子を集積化し,配線によらない超並列処理を実行する新しい集積回路が実現できると考えられる.このような"wet"な系を利用する集積回路の本質的な特徴は,物質濃度の時空間パターンに情報をコーディングすることにより,反応-拡散ダイナミクスを利用した超並列処理が可能になる点にある.そこで,まず可逆なレドックス分子(キノン/ヒドロキノン)を情報担体として,その生成・消滅を多数のマイクロ電極デバイス(Pt)で制御することにより,目的に応じた反応拡散場が人工的に形成できることを実験的に検証した.2次元マイクロ電極アレーならびにその制御回路を新たに試作し,人工的に制御された2次元の反応拡散場が創出できることを実験的に実証することに成功した.本研究課題では,無配線分子コンピューティングの可能性を理論と実験の両面から検証することを目的とする.本年度は,集積回路工学と計算機科学の両面からの取り組みを並行して実施した.1.人工触媒素子に基づく分子コンピューティング集積回路の実験モデル:レドックス・マイクロアレー(Redox Microarray)を考案し,そのプロトタイプシステムを実装した.本試作システムでは,人工触媒素子とその制御部をそれぞれ個別に実現している,まず,人工触媒素子部には前年度に試作したマイクロ電極アレーを用いる.マイクロ電極デバイス(Pt)によるレドックス分子(キノン/ヒドロキノン)の電気的制御に基づいて人工触媒素子の機能を実現する.一方,制御部には半導体集積回路を用いる.これまで実施してきたレドックス反応制御の予備実験の結果をふまえて,新たに専用の制御回路を設計・試作した.マイクロ電極アレーと制御回路とを結合した結果,レドックス・マイクロアレー全体の機能を実現することに成功した.2.レドックス・マイクロアレーを用いて,目的に応じた反応拡散場が人工的に創出できることを実験により実証した.計算機シミュレーションによって予想されるさまざまなパターン生成現象を,電極表面に形成される人工的な反応拡散場として実際のデバイス上に実現する.本年度は,計算機上にプログラムされた非線形関数によって制御されるレドックス・マイクロアレーを実現し,FitzHugh-南雲方程式の系で見られる興奮性反応拡散ダイナミクスを定性的に再現する反応拡散場を創出した.その応用として,興奮性反応拡散場による画像処理をレドックス・マイクロアレー上で実現することに成功した.以上の結果から,超並列コンピューティング原理の実証へ向けた第一歩を踏み出すことができたと考えられる.