hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
在宅高齢者のQOLに関連した口腔ケアニーズに基づく多職種連携型プログラムの検討

在宅要介護高齢者の口腔機能・口腔環境、健康関連QOL、口腔ケア状況、ケアプランなどを調査した。結果から、在宅要介護高齢者に関して、次のことが明らかとなった。1口腔機能・口腔環境は基準値に満たない者が多い、2QOLは低い、3誤嚥リスクはQOLと関連している、4口腔体操を知っている者63%、毎日実施している者13%である、5口腔体操は口腔機能と関連している、6介護支援専門員は口腔ケアを重要と認識しているが、他のケアと比べると認識は低下する、7口腔体操はケアプランに立案されることが少ない、8口腔体操の支援者として、高齢者は介護士を希望しているが、介護支援専門員は言語聴覚士が最適と考えている。高齢者の口腔保健は健康関連QOLと密接に関連しており、特に在宅要介護高齢者における口腔ケアへのニーズは高く、そのニーズを持ち合わせた高齢者も相当数存在していると推測される。そこで、本研究では、在宅要介護高齢者の口腔状況について調査を行い、口腔ケアのニーズを明らかにすることとした。口腔状況(口腔機能・口腔環境)に関する評価項目は複数に及ぶ。詳細な現状把握のためには、多くの評価値を得たいが、調査においては対象である要介護高齢者への負担が危惧される。そのため、本年度は対象の選定がしやすく、常時の安全管理がなされている養護老人ホーム入居者を対象に予備調査を行い、本調査項目の絞り込みを行った。養護老人ホーム入居者は、何らかの障害を持ち合わせているが、比較的日常生活における自立度は高く、要支援や軽度要介護状態にある在宅高齢者の健康に近い状態にある。また、多様な心身状況にある入居者の協力が得られることより、その調査結果は在宅高齢者の調査にあたっても活用できうるものと考えられる。養護老人ホーム入居者91名(平均年齢82.6±7.0歳)を対象に調査を実施した。口腔状況は口腔環境(細菌数、残存歯数、唾液量など)、口腔機能(舌圧、口唇閉鎖力、咬合力、嚥下機能、構音機能など)を調査した。DRACEおよび水飲みテストを用いた嚥下機能評価では、機能低下リスク者が48.4%認められた。QOLの評価にはSF-8を用いた。分析では、嚥下機能はSF-8の下位尺度である身体機能(PF)、体の痛み(BP)、全体的健康感(GH)、活力(VT)、社会生活機能(SF)、心の健康(MH)と関連しており、また、舌圧値は日常役割機能・身体(RP)と密接な関連を示した。QOLと関連の深い嚥下機能や舌圧などは、在宅要介護高齢者にとってもニーズの高い項目と考えられる。これらの予備調査結果を基に本調査項目の絞り込みを行っていく。養護老人ホーム入居者を対象とした調査結果を基に、在宅要介護高齢者への口腔状況調査を行った。口腔環境は口腔内細菌数と現在歯数を評価値とし、口腔機能は誤嚥リスク、舌圧、口唇閉鎖力、構音機能を主な評価値とした。口腔内細菌数はPanasonic社の細菌カウンターを用い、細菌数のレベルを調査したところ、高齢者の平均レベルを上回るレベル5(1×10二乗cfu/ml)以上の者が55.6%を占めていた。誤嚥リスク評価には、地域高齢者誤嚥リスク評価指標(DRACE)を用いたところ、誤嚥高リスクであるスコア5以上の者が43.4%であった。舌圧の平均値は23.96±10.57kPaであり、口唇閉鎖力は10.25±5.99Nであった。構音機能は、オーラルディアドコキネシスを用い、発声時の運動部位が異なる/pa/、/ta/、/ka/の音節を繰返し発声させ、その発声回数を測定したところ、/pa/は4.9±1.5回/秒、/ta/は4.8±1.4回/秒、/ka/は4.5±1.3回/秒であった。在宅要介護高齢者の口腔状況は、口腔環境、口腔機能のいずれにおいても口腔ケアニーズが高いことが明らかとなった。また、QOLに関して、SF-8を用いて健康関連QOLを評価した。SF-8下位領域の各々の平均値はGH(全体的健康感)47.80±7.37、PF(身体機能)45.97±7.55、RP(日常役割機能・身体)45.54±8.67、BP(体の痛み)47.94±9.39、VT(活力)47.89±6.91、SF(社会生活機能)45.20±8.95、MH(心の健康)48.36±7.22、RE(日常役割機能・精神)48.10±7.67であり、いずれも70歳代の国民標準値よりやや低い値を示した。H26年度に行った在宅要介護高齢者の口腔機能とQOLの調査データを分析した。口腔機能評価値の中で、SF-8と有意な関連が認められたのはDRACEであった。誤嚥リスクはQOLと密接に関連しており、在宅要介護高齢者の誤嚥リスクに対する口腔ケアニーズは非常に高いことが示唆された。誤嚥リスクへのケアとして、口腔体操が効果的であるとされている。そこで、在宅要介護高齢者に対して質問紙調査を行った。

口腔体操を知っている者は137名(62.8%)、知らない者は81名(37.2%)であり、口腔体操をほぼ毎日行っている者は28名(12.9%)、時々行っている者は93名(42.9%)、全く行っていない者は96名(44.2%)であった。また、口腔体操は関連職種の中で介護士から受けたいと希望する者が多かった(言語聴覚士の認知度は極めて低かった)。在宅要介護高齢者は介護保険による居宅サービスを受給しているが、そのサービス内容は利用者の状況や希望により異なる。口腔ケアは、医学的必要度が高いにもかかわらず高齢者の認識は低いとされており、積極的にケアを希望する高齢者は少ない。そのため、口腔ケアに関するサービス内容の決定にはケアプラン立案を担う介護支援専門員の判断が影響していると推測される。そこで、在宅高齢者の口腔ケアに関するケアプランについて、介護支援専門員の認識と立案状況を調査した。介護支援専門員147名(回収率36.8%)から回答を得た。口腔ケアに関する研修会には70.7%が参加していた。認識として、口腔ケアを重要だと「思う」73.5%、他のケアと比べ口腔ケアに関するケアプランを重要だと「思う」25.2%であった。ケアプラン立案経験は口腔清掃の介助が69.4%と最も多く、口腔体操に関することが49.7%と最も少なかった。口腔体操を担う職種には言語聴覚士が適しているとする割合が最も高かった。在宅要介護高齢者の口腔機能・口腔環境、健康関連QOL、口腔ケア状況、ケアプランなどを調査した。結果から、在宅要介護高齢者に関して、次のことが明らかとなった。1口腔機能・口腔環境は基準値に満たない者が多い、2QOLは低い、3誤嚥リスクはQOLと関連している、4口腔体操を知っている者63%、毎日実施している者13%である、5口腔体操は口腔機能と関連している、6介護支援専門員は口腔ケアを重要と認識しているが、他のケアと比べると認識は低下する、7口腔体操はケアプランに立案されることが少ない、8口腔体操の支援者として、高齢者は介護士を希望しているが、介護支援専門員は言語聴覚士が最適と考えている。当初の予定通り、予備調査を基に、在宅要介護高齢者を対象とした口腔状況およびQOLの調査を実施した。看護学得られた口腔状況に関するデータを、QOLとの関連性を主にして分析していくとともに、口腔ケアを需給する側(在宅要介護高齢者)のニーズとケアを供給する側(ケアプラン)の認識とのバランスを評価していく。当初の計画通り、養護老人ホーム入居者を対象とした口腔状況およびQOLの予備調査を実施した。H26年度使用予定であった物品を次年度使用することとしたため。次年度は、予備調査結果を基に、QOLにより関連していると考えられる口腔状況項目を絞り込み、在宅要介護高齢者を対象に本調査を進めていく。H27年度の物品費として使用する。H25年度使用予定であった物品を、次年度使用することにしたため。次年度に物品費として使用する。
モルフォロジ演算の性質を持つ混合分布推定アルゴリズムと乳がん自動診断システム

(1)アルゴリズム実現に用いるモデル画像のライブラリを増やすことにより、より高度な画像理解を実現し、その限界などの性質を明らかにした。具体的にはスケルトン距離関数として3次元形状判別のため特徴量として利用した。その結果、分類精度は大幅に向上するものの処理速度には未だ問題があり、高速化が必要であることを確認した。これを踏まえてモルフォロジ演算の高速化アルゴリズムを提案し、その有効性を確認した。(2)平成13年度の評価実験の結果を詳細に検討し、システムの性能向上に必要な点を明確にし、改良を施した。それを大規模データ(乳がんデータは国立がんセンター、新潟県立がんセンター、産業医科大、九州大学、富士写真フィルムから入手)や3次元データ(肺、肝臓、脳、心臓などのデータを国立がんセンターなどから入手)に適用し、システムの最終的な性能評価を行った。具体的には、X線像の経時変化検出に関する検討、ウェーブレット空間から求められる特徴を用いたマンモグラム上の微小石灰化像抽出システムの高度化への応用を行った。また、乳がん腫瘍影自動検出システムの前処理に、本手法の適用をこころみた。まず、前述の方法と人体のモデル画像のライブラリに基づき、入力された検診画像から悪性腫瘤などの候補となる領域抽出を行い、次に、抽出された候補領域に関し、形状やテキスチャーなどの情報に基づき悪性度の判定を行うシステムを開発した。350枚の悪性腫瘤画像を用いて実験したところ、従来システムに比べて誤検出率は低く抑えられ、有用性の高い自動診断システムを実現できることを確認した。1.モルフォロジー演算の性質を保持した混合分布推定アルゴリズムの開発を行った。(1)事前にモデル画像のライブラリを作成した。(2)これを用いたモルフォロジ演算により、これらの形状や数量などの初期値を推定し、これに基づき、混合分布推定を行アルゴリズムを開発した。2.乳がん自動診断システムなど、実用的な画像処理システムの基礎開発・基礎評価実験を行った。(1)医用画像を組織ごとに分類し、その形状や輝度分布などに基づき人体のモデル画像のライブラリを作成した。(2)乳がん自動診断システムを開発し、基礎評価を行った。(2)肺がん自動診断システムを開発し、基礎評価を行った。
分子動力学シミュレーションで探る細胞環境におけるタンパク質フォールディング機構

平成29年度は,細胞環境におけるタンパク質機能解析に重要となるレアイベントを再現するために開発した計算手法を適用し,タンパク質機能解析を実施した.タンパク質の機能発現に重要な構造変化は「レアイベント」であり,通常の分子動力学(MD)で追跡可能な時間より長時間の確率過程で観測される.レアイベントを計算機上に再現し,原子レベルの解像度で解析することは,タンパク質の機能発現を理解する上で非常に有益である.これまでに開発した計算手法は,生体分子の構造サンプリングに特化した設計であったため,探索構造の定量的な評価が難しいという課題があった.そこで課題克服に取り組んだ.具体的には,構造探索法でサンプルした生体分子構造の構造遷移をマルコフ過程と仮定し,遷移行列を最尤推定により見積もり定常状態を求めることで自由エネルギー評価を可能にした.この拡張により,様々な生体機能に関係する構造変化の自由エネルギー地形を解析することが可能となった.開発手法適用によるり,細胞分裂ダイナミクスに関係しているタンパク質FtsZの構造変化を解析した.FtsZは,細胞膜の内側にリング状のフィラメントを形成し,離合集散を繰り返すことで細胞膜に陥入を生じさせるが,分子メカニズムには未解明な部分が多い.そこで,細胞環境ダイナミクスを解析するため,黄色ブドウ球菌FtsZの結晶構造をもとに開発した計算手法を適用し, FtsZの動的秩序解析を行った.具体的には, X線結晶構造解析から決定されている2状態(T-state, R-state)を始状態と終状態として,開発した遷移経路探索法を適用し, FtsZの構造変化メカニズムを解析した.研究成果は,論文(J. Struc. Biol., vol. 198, pages 65-73 (2017))として出版された.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。細胞環境(分子混雑環境)におけるタンパク質フォールディング過程解明のため,初年度は効率的にタンパク質構造サンプリングを行うための方法論開発を行った.具体的には, (1)タンパク質構造揺らぎに基づく構造変化予測法, (2)タンパク質状態逆分布に基づくEnhanced Sampling法, (3)効率的アニーリング手法の開発を行った. (1)に関しては,タンパク質の重要な構造揺らぎを主成分分析により抽出し,大規模振幅モード方向に構造リサンプリングしていくことで効率的構造サンプリングを実現するFluctuation Floodling Method (FFM)を開発した.(2)に関しては,タンパク質の状態をある反応座標系に射影することで得られる分布関数に関して,その逆分布を定義することで出現確率が小さい状態を特徴付け,それらを構造リサンプリングしていくことで,フォールディング過程などの「生物学的レアイベント」を再現する「TaBoo SeArch (TBSA) algorithm」を開発し,プロテインAのフォールディング経路やグルタミン酸結合タンパク質の開閉運動の再現に成功した. (3)に関しては,通常の分子動力学シミュレーションに基づくアニーリングスキームを上記(1), (2)のような手法で置き換えることで,タンパク質の天然構造をより効率的に予測する新規アニーリング手法を開発した.具体的には,トリプトファンケージの天然構造をブラインドプレディクションで,平均自乗距離(RMSD)が1.0オングストローム以内の精度で予測することが出来た.いずれの手法も従来手法と比較して高い計算効率を示した.今後はタンパク質単体からタンパク質複数の分子混雑系で適用するため,手法を拡張していく.タンパク質単体での構造サンプリング法は確立させることが出来たので,おおむね順調に進展していると言える.1.平成28年度における研究実施状況平成28年度は,細胞環境におけるタンパク質機能解析に重要となるレアイベントを再現するために開発した計算手法を適用し,タンパク質機能解析を実施した.2.研究成果レアイベントを計算機上に効率的に再現するために,(1)構造変化を誘起する可能性が高い初期構造選択と,(2)複数の短時間MDによる初期構造のリサンプリング過程から成る方法論を提案し,様々な生体系に適用した.本手法で鍵となるのは,構造変化を誘起する可能性が高い初期構造を適切に選択するということである.本報告では,本研究課題において開発したいくつかのタンパク質レアイベント探索手法から, OFLOOD法[R. Harada, et al, J. Comput. Chem., volume 36, pages 97-102, (2015)]を適用することで解明したタンパク質フォールディング機構について解説する.具体的には, OFLOOD法を適用することにより,通常の単純な2状態遷移とは異なる複数の準安定状態を経由する多段階のフォールディング機構の存在を明らかにした.例として,タンパク質(PDBid: 1E0Lおよび1FME)へ適用することにより得られた計算結果について解説する.特筆すべき点として,タンパク質の天然状態における2次構造に着目し,その部分的な平均自乗距離(RMSD)を定義し,反応座標に採用することで,タンパク質の速やかなフォールディングには2次構造形成が重要な役割を果たしていることを明らかにした.本研究内容は, J. Comput. Chem. volume 38, pages 790-797 (2017)として受理され,カバーレターに採用された.平成28年度は, OFLOOD法[R. Harada, et al, J. Comput. Chem., volume 36, pages 97-102, (2015)]を適用し,タンパク質フォールディング機構に重要な2次構造生成の役割について解明することが出来た.特に, OFLOOD法を適用することで,通常の単純な2状態遷移とは異なる複数の準安定状態を経由する多段階のフォールディング機構の存在を明らかにすることが出来た.

また,タンパク質の天然構造へ至る速やかなフォールディングには, 2次構造形成が重要な役割を果たしていることを明らかにした.これらの研究成果は, J. Comput. Chem. volume 38, pages 790-797 (2017)として受理され,カバーレターに採用された.故に,本研究課題はおおむね順調に進展していると言える.平成29年度は,細胞環境におけるタンパク質機能解析に重要となるレアイベントを再現するために開発した計算手法を適用し,タンパク質機能解析を実施した.タンパク質の機能発現に重要な構造変化は「レアイベント」であり,通常の分子動力学(MD)で追跡可能な時間より長時間の確率過程で観測される.レアイベントを計算機上に再現し,原子レベルの解像度で解析することは,タンパク質の機能発現を理解する上で非常に有益である.これまでに開発した計算手法は,生体分子の構造サンプリングに特化した設計であったため,探索構造の定量的な評価が難しいという課題があった.そこで課題克服に取り組んだ.具体的には,構造探索法でサンプルした生体分子構造の構造遷移をマルコフ過程と仮定し,遷移行列を最尤推定により見積もり定常状態を求めることで自由エネルギー評価を可能にした.この拡張により,様々な生体機能に関係する構造変化の自由エネルギー地形を解析することが可能となった.開発手法適用によるり,細胞分裂ダイナミクスに関係しているタンパク質FtsZの構造変化を解析した.FtsZは,細胞膜の内側にリング状のフィラメントを形成し,離合集散を繰り返すことで細胞膜に陥入を生じさせるが,分子メカニズムには未解明な部分が多い.そこで,細胞環境ダイナミクスを解析するため,黄色ブドウ球菌FtsZの結晶構造をもとに開発した計算手法を適用し, FtsZの動的秩序解析を行った.具体的には, X線結晶構造解析から決定されている2状態(T-state, R-state)を始状態と終状態として,開発した遷移経路探索法を適用し, FtsZの構造変化メカニズムを解析した.研究成果は,論文(J. Struc. Biol., vol. 198, pages 65-73 (2017))として出版された.今後は,タンパク質複数の分子混雑系での適用を目指し,手法の改良および拡張を進めていく.また,分子混雑系をGneneralized Bornモデルで近似した細胞環境モデルの開発も合わせて進めていく.今後の展望として,細胞環境により近い分子混雑環境を陰溶媒モデルで構築し,全原子モデルとの併用により,計算精度の高い分子動力学シミュレーションを実施する予定である.特に,最終年度は実際の細胞環境内(分子シャペロン内)を模した分子混雑におけるフォールディングシミュレーションを実施する.また,最終年度に,初年度及び次年度の研究成果を論文にまとめ,投稿する.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。
造血幹細胞・臓器移植後に発生する難治性ウイルス感染症の早期発見・予防法の確立

造血幹細胞・臓器移植後の免疫不全状態に伴って、様々なウイルス感染症が合併する.これらの早期発見・治療効果判定法は未だ標準化されていない.本研究ではマルチプレックス(複数・同時測定)定量PCR法によるEBウイルス,サイトメガロウイルス、HHV-6の同時モニタリングシステムを確立・標準化し、造血幹細胞・臓器移植後患者に応用した.今後、このモニタリングシステムを用いることで、免疫不全状態におけるウイルス疾患の発生機構を解明し、予防および効果的な治療の開発が期待できる.造血幹細胞・臓器移植後の免疫不全状態に伴って、様々なウイルス感染症が合併する.これらの早期発見・治療効果判定法は未だ標準化されていない.本研究ではマルチプレックス(複数・同時測定)定量PCR法によるEBウイルス,サイトメガロウイルス、HHV-6の同時モニタリングシステムを確立・標準化し、造血幹細胞・臓器移植後患者に応用した.今後、このモニタリングシステムを用いることで、免疫不全状態におけるウイルス疾患の発生機構を解明し、予防および効果的な治療の開発が期待できる.造血幹細胞・臓器移植後の免疫不全状態に伴って、様々なウイルス感染症が合併する。これらの早期発見・治療効果判定法は未だ標準化されていない。本研究の目的は、マルチプレックス(複数・同時測定)定量PCR法による複数ウイルスの同時モニタリングシステムを確立・標準化することである。複数ウイルスを同時解析することで、免疫不全状態におけるこれらウイルス疾患の発生機構を解明し、予防および効果的な治療に役立てることを目指している。今回、我々はEpstein-Barr virus(EBV)、cytomegalovirus(CMV)、およびHHV-6の3つのウイルスに対してそれぞれ別の蛍光色素で標識した、プローブを用い、同一チューブ内で同時測定するマルチプレックス・リアルタイムPCR法を世界に先駆けて確立した。EBV BALF5領域、CMV IE2領域、HHV-6 U31領域にプライマー及びプローブを設定した。これらの領域を組み込んだプラスミドを各々構築し、定量の標準コントロールとした。コントロールプラスミドを用いて標準曲線を作成したところ、各ウイルス55×10^6copyの範囲で良好な直線が得られ、検出限界は2copy/assayであった。また、シングル及びマルチプレックスの定量結果を比較したところ、各ウイルス共に強い相関が見られ、両測定系に差はないことが分かった。以上より、マルチプレックス・リアルタイムPCR法によるEBV、CMV、HHV-6の同時検出システムはそれぞれを単独で検出する従来の方法と比べて定量性に差はなく、有用な測定系であることが示された。本法を用いることで、3種類の異なったウイルスを同時に測定できるのみならず、測定時間の短縮、労働の減少も期待できる。直接経費だけでなく人件費も大幅に削減できるため、幅広く移植医療で応用される可能性が高い。このシステムによって、より簡便・迅速な移植後ウイルス感染症のモニタリングが可能となると考えられた。造血幹細胞・臓器移植後の免疫不全状態に伴って、様々なウイルス感染症が合併する。今回、我々は移植後の出血性膀胱炎・腎症の原因となるBKV、JCV、およびアデノウイルスの3つのウイルスに対して異なった蛍光プローブを用い、同一チューブ内で同時測定するマルチプレックス・リアルタイムPCR法を世界に先駆けて確立した。BKV、JCV、およびアデノウイルスを、それぞれFAM,JOE,Cy5で標識したプローブを設定した。コントロールプラスミドを用いて標準曲線を作成したところ、各ウイルス55×10^6copyの範囲で良好な直線が得られ、検出限界は約10 copy/assayであった。以上より、マルチプレックス・リアルタイムPCR法によるBKV、JCV、アデノウイルスの同時検出システムはそれぞれを単独で検出する従来の方法と比べて定量性に差はなく、有用な測定系であることが示された。本法を用いることで、3種類の異なったウイルスを同時に測定できるため、迅速な移植後ウイルス感染症のモニタリングが可能になる。移植後の腎・泌尿器ウイルス感染症のモニタリングが可能となり、移植成績の向上に貢献できると思われる。
アピコンプレックス類における色素体様オルガネラの起源と進化

アピコプラストの起源と進化を明らかにするとともに、アピコンプレックス類の系統進化を解明することを目的として研究を進めた.アビコンプレックス類をはじめ、関連分類群に属するまざまな生物種について、リポソームRNA、ペプチド鎖伸長因子、ヴァリン・およびイソロイシンtRNA合成酵素などの遺伝子の配列を決定した。対象とした分類群(属名)は、アピコンプレックス(Plasmodium、Toxoplasma、Babesia、Cryptosporidium)、ストラメノパイル(Blastocystis、Proteromonas)、ユーグレノゾア(Trypanosoma)、アメーボゾア(Entamoeba、Mastigamoeba)、微胞子虫(Gluges、Encephalitozoon)である。これらを含め上記解析のために利用可能な全ての分子種によるアライメント解析、分子系統樹解析を行い、個々の分子系統樹解析の結果を総合評価した。その結果、現在までに以下の点に関し、それらの可能性の高いことが明らかとなっている。(1)アピコンプレックス類内部では、Cryptosporidium属の分岐が最も早い。(2)マラリア原虫Plasmodium属内部での系統的位置が不明であったP.coatneyiはP.vivaxやその他のサルマラリア原虫に近縁である。(3)アピコンプレックス類は渦鞭毛藻類に近縁であり、これらの共通祖先の姉妹群が繊毛虫類である。(4)アピコンプレックス,渦鞭毛藻類、繊毛虫類を含むアルベオラータの単系統性はいくつかの遺伝子で支持される。(5)真核生物全体の系統樹において、アルベオラータはストラメノパイルと近縁である。(6)アルベオラータ・ストラメノパイルは、ユーグレノゾアもしくは植物(緑色植物・紅藻)に近縁である。アピコプラストの起源と進化の過程を明らかにするとともに、アピコンプレックス類の系統進化を解明することを目的として研究を進めている。本年度はアピコンプレックス類内部の分類群相互の系統的位置関係の解析、およびアピコンプレックス類を含む大きな分類群アルベオラータの真核生物全体の中での系統的位置づけの解析を行なった。アピコンプレックス類に属する生物種、Cryptosporidiummuris, Toxoplasma gondii, Plasomodium falciparum, P. vivax, P. malariae, P. coatneyiに関し、リボソームRNA、,ペプチド鎖伸長因子、ヴァリン-およびイソロイシンtRNA合成酵素などの遺伝子の配列を決定し、オリジナルデータを含めてアライメント、分子系統樹解析を行なった。さらに、これらを含め上記解析のために利用可能な全ての分子種による分子系統樹解析、および個々の分子系統樹解析の総合評価を行なった。その結果、現在までに以下のことが明らかとなっている。(1)アピニコンプレックス類内部では、Cryptosporidium属の分岐が最も早い。(2)リボソームRNAの解析ではアピコンプレックス類が渦鞭毛藻類に近縁であり、これらの共通祖先の姉妹群が繊毛虫類であることが支持され、これら3つはアルベオラータとして単系統群を形成する。ただし、一部の分子種の解析結果は必ずしもアルベオラータの単系統性を支持しない。(3)真核生物全体の系統樹において、アルベオラータはストラメノパイルと近縁である。アピコプラストの起源と進化を明らかにするとともに、アピコンプレックス類の系統進化を解明することを目的として研究を進めた。本年度は、昨年度に引き続きアピコンプレックス類とそれに近縁な分類群である渦鞭毛藻類・繊毛虫類との系統関係の解析、アピコンプレックス類、渦鞭毛藻類、繊毛虫類を含む大きな分類群アルベオラータの真核生物全体の中での系統的位置づけの解析を行なった。さらに、アピコンプレックス類に属する分類群であるマラリア原虫plasmodium属内部の系統関係についても検討した。

マラリア原虫plasmodium属の生物種plasmodium vivax(ヒト三日熱マラリア原虫),P.malariae(ヒト四日熱マラリア原虫),P. coatneyi(サルマラリア原虫),P.gallinaceum(トリマラリア原虫)に関し、細胞質ならびにアピコプラストのリボソームRNAで配列データの存在しないものの遺伝子解析を試みた。これらのデータを含めて、Plasmodium属内部の系統関係を検討し、P.coatneyiがP.vivaxやその他のサルマラリア原虫に近縁であることを明確に示した。一方、昨年に引き続き、最新のデータをもとにアルベオラータの真核生物内部での位置づけを検討し、アルベオラータの姉妹群がストラメノパイルであることをより多くのデータに基づいて確証した。また、アルベオラータ・ストラメノパイル、ユーグレノゾア、植物(緑色植物・紅藻)の3つの大きな系統が単系統となる可能性の高いことを示した。
生型砂造型シミュレータ開発のための湿潤粉粒体モデリング

近年、圧縮空気を利用する生型砂造型プロセスが生産現場で用いられるようになっており、鋳物の高品質化や省エネルギー化をはかるうえで、これらプロセスに対する生型砂造シミュレータの開発が強く望まれている。本研究では、離散要素法(Distinct Element Method,DEM)を用いて生型砂造型シミュレータ開発のための湿潤粉粒体のモデリングを行うとともに、流気加圧造型に対して数値シミュレーションを行った。なお、今回対象とした生型砂は、新砂(フラタリー)にベントナイト(ボルクレー)を10%と適量の水分を添加して、シンプソンタイプの混練機にてコンパクタビリティ(CB)値を40%に調節したものである。DEMによる湿潤粉粒体のモデリングにおいては、(1)生型砂は11万個/gが存在しており、実個数でのモデリングは不可能であり、ある程度の粒子群を一つの離散要素とする、(2)湿潤粉粒体の特徴である粘結力をCoulomb摩擦の法則を用いて算出する、(3)一軸圧縮試験で得られた応力とひずみの関係から空隙率とヤング率の関係を求め、生型砂の圧縮変形に応じて適宜ヤング率及びそれに関連するDEMパラメータの変更を行う、の工夫をした。モデリングの有効性を確認するために、□110×250mmの矩形断面をもつ鋳枠に対して流気造型実験(スクィーズ加圧なし)を行った。数値シミュレーションは、DEMによる接触力と、Ergun式を用いた充てん砂層内を流れる空気流解析結果から算出される流体効力による砂粒子の移動計算である。シミュレーション結果と実験結果を比較した結果、初期の砂層高さから造型終了時の砂層高さへの圧縮変形(つき固め)挙動、造型終了後の充てん密度分布等がほぼ一致し、本モデリングの有効性が確認できた。さらに、造型条件を変化させてシミュレーションを行った結果、流気速度の上昇により造型メカニズムが圧力差依存の流気から粒子間衝突による衝撃力に変化することが明らかになった。
非線形構造を考慮したロバスト最適化法とその非線形制御への応用

不確かなパラメータに非線形に依存するロバスト最適化問題について,非線形構造を考慮して保守的でない解を得る方法を研究し,さらにその制御への応用を行なった.具体的には,ロバスト最適化法の理論の研究として,解法の誤差評価と適応的精度向上の研究を行ない,合わせて解法が厳密になることの検証法を与えた.またロバスト最適化法の実用性向上の研究として,疎構造の利用による計算量の抑制や,未知関数を含むロバスト最適化問題のための解法の一般化を行なった.さらにロバスト最適化法の制御応用の研究として,制約を持つ非線形系の切替え型制御への応用を行なった.不確かなパラメータに非線形に依存するロバスト最適化問題について,非線形構造を考慮して保守的でない解を得る方法を研究し,さらにその制御への応用を行なった.具体的には,ロバスト最適化法の理論の研究として,解法の誤差評価と適応的精度向上の研究を行ない,合わせて解法が厳密になることの検証法を与えた.またロバスト最適化法の実用性向上の研究として,疎構造の利用による計算量の抑制や,未知関数を含むロバスト最適化問題のための解法の一般化を行なった.さらにロバスト最適化法の制御応用の研究として,制約を持つ非線形系の切替え型制御への応用を行なった.本年度はロバスト最適化の理論的確立とその制御への応用について研究し,特に領域分割型アプローチの計算量の低減法および非線形制御のための密度関数法に関して成果が得られた.ロバスト最適化のための領域分割型アプローチは,与えられたロバスト半正定値計画問題を近似する問題を行列拡大とパラメータ領域の分割によって構成する方法である.実用的な問題に対しては近似問題のサイズが大きくなりがちであることが難点であったが,その軽減のための方法を2つ見出すことができた.1つめは,近似問題を解いたときに有効となる制約に注目し,その制約を含む部分領域の再分割を繰り返すことによって,適応的に効率的な分割を行なう方法である.2つめは,与えられたロバスト半正定値計画問題をパラメータの多項式と見なしたときに,非零の係数を持つ項はわずかであるという一種の疎構造を仮定することによって,小さいサイズの近似問題を作る方法である.いずれも計算例によってその有効性を確認した.密度関数法は最近注目を集めている非線形制御の新しい方法であるが,状態や入力に制約のある現実的なシステムへの適用は考えられていなかった.本年度の研究により,このようなシステムにも使える一般的な密度関数法を得ることができた.すなわち,このようなシステムが安定であるための必要十分条件はある条件をみたす密度関数が存在することであり,密度関数を見つける問題はロバスト最適化問題に帰着できる.これにより状態や入力に制約を持つ非線形システムの保守性のない安定化が可能になる.本年度は前年度の成果を受け,ロバスト最適化とその制御への応用に関する次の3つの成果を得た.1.疎構造を利用した行列拡大法の誤差評価2.領域分割型の2乗和多項式法の開発3.パラメータ依存Lyapunov関数への適用「1」については,前年度の研究により,与えられたロバスト最適化問題の疎構造を利用して行列拡大法の計算量を低減する方法を得ていた.本年度はこれに対して近似誤差の事前評価を可能にした.具体的には,疎構造を抽出するのに使うrectilinear Steiner arborescenceというグラフに基づいて適当な座標変換を行うことにより,近似問題の構造を簡単にし,これを利用して誤差評価を得た.「2」については,新しい2乗和多項式法を提案し,これが従来の2乗和多項式法の問題点を解決することを示した.すなわち,従来の2乗和多項式法は多項式の次数を上げることで精度の向上を行っていたのに対し,行列拡大法と同様に領域分割によって精度向上を行うことにする.これにより,近似誤差の事前評価や,計算量の小さい効率的な分割の構成が可能になるとともに,丸め誤差の影響が小さくなる.「3」については,パラメータ依存Lyapunov関数が関わる制御の問題をロバスト最適化問題として定式化し,その特徴を明らかにするとともに,行列拡大法を拡張して適用できることを示した.上記の問題を定式化すると,パラメータ依存Lyapunov関数に対応する未知関数を持つロバスト最適化問題になる.これに対して,未知関数を区分多項式で近似することで行列拡大法を適用することができ,近似誤差の事前評価や効率的分割の構成も可能である.本年度は研究計画の最終年度として,以下の3つの研究を行なった:1.未知関数の導関数を含むロバスト半正定値計画問題の解法,2.制約を持つ非線形系の制御,3.研究の総括.「1」については,前年度の結果を拡張して,未知関数およびその導関数を含むロバスト半正定値計画問題の解法を開発するとともに,その誤差評価を与えて漸近的厳密性を示した.上記の問題は,時変のパラメータに依存する線形系の解析・設計,非線形系の解析などの重要な応用を持つ.

「2」については,制約を持つ非線形系の切替え型制御にロバスト最適化法を応用した.以後の時刻で制約を破らない初期状態の集合を許容集合というが,その計算はロバスト半正定値計画問題に帰着できる.複数のフィードバックゲインに対応する許容集合を求め,状態がどの許容集合に入っているかに基づいてフィードバックゲインの切替えを行なう.「3」については,ロバスト最適化法の理論,実用性,応用に関して3年間の研究を総括した.理論については,厳密性検証や誤差評価などの成果があり,さらなる展開が期待できる.実用性については,疎構造の利用や適応的分割などの成果はあるが,依然として技術的課題も多い.応用についてはまだ研究は始まったばかりである。残された課題については,平成2123年度科学研究費補助金基盤研究(C)として採択された「非線形構造を持つロバスト/非線形制御問題のためのロバスト最適化法」において研究を継続する予定である.
外惑星系軌道の数値シミュレーションとリアプノフ指数

最近の研究によると冥王星の軌道はカオス的であるといわれている。本研究では、外惑星系の数値シミュレーションを行い、冥王星の軌道のリアプノフ指数が2000万年分の1という値の妥当性と冥王星の軌道の安定性について調べた。1.冥王星の軌道のリアプノフ指数冥王星の軌道はリアプノフ指数が正の有限値(1800万年分の12000万年分の1)を持ち、これは積分法の誤差に依るものでないことを確かめた。2.冥王星の軌道の安定性冥王星近傍の軌道上のテスト天体は、リアプノフ指数が正の有限値を持つにもかかわらず、海王星との平均運動共鳴関係が維持されている限り、冥王星から約40天文単位以上は離れないことがわかった。この運動領域を決めるのは海王星との平均運動共鳴の振幅であった。また、冥王星近傍の軌道では、近日点引数が90度の回りを秤動し、その周期と離心率、軌道傾斜角の周期とが一致するという特徴を持っていた。この特徴は軌道を安定化する機構と考えられ、10億年間の数値シミュレーションでもこの関係は保持され、軌道は規則的であった。一方、テスト天体の初期値を変え、海王星との平均運動共鳴関係を崩していくと、安定化機構の特徴も失われ、軌道はカオス的となった。現在の冥王星はこの様な軌道安定化機構をどうして獲得したのか、安定化機構は長期間(太陽系年齢)にわたって維持され続くのか、これらは今後の研究課題である。
遷移金属酸化物強誘電体中の電荷秩序と自由電子の結合による物性の解明

本研究の目的は、高絶縁性の強誘電体極表面上に、本質的に存在する(=不純物等でなく強誘電体表面に固有)電子相を確定することである。このため、強誘電体(BaTiO_3)の原子的に制御された表面の基本的特性(=伝導特性)を超高真空中等の多様な雰囲気で測定する。まず、BaTiO_3表面に1格子ステップ(=最表面の格子まで結晶性を保つこと示す)を観察し、その表面に当該の電子層の存在を示唆する結果を世界で初めて得た。今年度は、まずナノスケールの強誘電体表面の理論の基礎検討を行った。これにより、様々な条件下で表面電子系が発生する可能性が分かった。これを支持する電気伝導特性を、単結晶と薄膜で検討し一部を論文発表した(掲載予定)。この現象の理解のため、実験を続行中である。また、強誘電体が本質的に半導体的な特性を示す証拠として、極低温の光起電力等の測定を行った(投稿中)。本研究の遂行には、微細加工技術が重要であるが、この技術で特に有用であるイオンビームエッチングの検討を行い。損傷を少なくし且つエッチング効率を高める一般的な実験結果と理論を提出した。本研究の中心課題であるBaTiO_3表面電子系の確認では、低温での実験では従来の結果以上のものは得られなかったが、室温からキュリー点の温度範囲の準超高真空中の表面電気伝導に、特異な温度特性が見出された。さらに、室温大気中の原子力間顕微鏡(AFM)測定では、1格子の原子ステップ像に重畳して、蛇行ストライプパターンが発見された。考察と計算の結果、表面電子系の静電遮蔽効果により可視化された180°ドメインであること結論し、原子分解能をもつ新しいドメイン検出法を提案できることが分かった。
木星電波と赤外オーロラの次世代同時観測システムによる木星電波放射機構の研究

木星デカメートル波のダイナミック・スペクトラム上に現れる斜めの縞状構造モジュレーションレーンは、Riihimaa(1968)によって発見された。筆者らは、このモジュレーションレーンが伝搬途中で生じる現象であるという観点からモデルを考え、コンピュータ・シミュレーションを行った結果、観測データと非常に良く一致することを初めて示した(Imai et al.,JGR,1997)。筆者らのモデルは、木星電波源から放射された電波が、衛星イオの軌道近くを貫く木星の磁力線に沿ってあたかもスダレのように分布するプラズマのスクリーンにより変調を受ける伝搬現象を基本としている。衛星イオの軌道付近における木星の磁力線の構造は、惑星探査機の観測によりすでにモデル化されていることから、木星電波源の位置をパラメータとして、観測されたモジュレーションレーンの様々な特性とシミュレーションした結果とを比較することができ、電波源の位置や構造を精度良く調べることが可能となる。研究期間中においては、広帯域での木星電波のダイナミック・スペクトラムを、主にフロリダ大学宇宙電波観測所で観測し、その中に見られる広帯域モジュレーションレーンの解析を行った。また、フランスのNANCAY宇宙電波観測所で観測されたデータの解析も行った。これらのデータ解析により、木星の主要な電波源であるIo-AとIo-B電波源に対して、従来にない精度の高い位置やビーム構造の測定を、モジュレーションレーン法により行うことができた。また、木星赤外オーロラの情報を含めて、3次元コンピュータグラフィックス・アニメーションにより、その木星電波源の位置やビーム構造の様相を初めて正確に示すことができた。そして、Io-AとIo-B電波源は、同じActive Regionからの電波放射であることを発見することができた。この発見は、今後の木星電波放射機構を解明する上で、極めて重要な情報であると考えている。木星デカメートル波のダイナミック・スペクトラム上に現れる斜めの縞状構造モジュレーション・レーンは、Riihimaa(1968)によって発見された。筆者らは、このモジュレーション・レーンが伝搬途中で生じる現象であるという観点からモデルを考え、コンピュータ・シミュレーションを行った結果、観測データと非常に良く一致することを初めて示した(Imai et al.,JGR,1997)。衛星イオの軌道付近における木星の磁力線の構造は、惑星探査機の観測によりすでにモデル化されていることから、木星電波源の位置をパラメータとして、観測されたモジュレーション・レーンの様々な特性とシミュレーションした結果とを比較することができ、電波源の位置や構造を精度良く調べることが可能となる。この研究においては、広帯域での木星電波のダイナミック・スペクトラムを、日本(高知県、吾川村)、フロリダ大学宇宙電波観測所、ハワイ大学宇宙電波観測所の3地点で同時間帯に観測し、その中に見られる広帯域モジュレーション・レーンの解析を行うことになっている。特に、レーンの曲がり具合は、木星電波源の位置関係と密接に関係していることから、これを集中的に3地点で観測することを目的としている。今年度は、フィンランドのRiihimaaによって観測された木星電波の広帯域木星電波ダイナミックスペクトラムデータを解析した成果をJGRに論文として出版し、今後行う3地点観測における重要な観測パラメータの検討を行った。また、「木星デカメートル波スペクトル中のモジュレーション・レーンのモデルに関する研究」というタイトルで、今井によって京都大学・博士論文(情報学)として研究成果がまとめられた。木星

デカメートル波のダイナミック・スペクトラム上に現れる斜めの縞状構造モジュレーション・レーンは、Riihimaa(1968)によって発見された。筆者らは、このモジュレーション・レーンが伝搬途中で生じる現象であるという観点からモデルを考え、コンピュータ・シミュレーションを行った結果、観測データと非常に良く一致することを初めて示した(Imai et al.,JGR,1997)。筆者らのモデルは、木星電波源から放射された電波が、衛星イオの軌道近くを貫く木星の磁力線に沿ってあたかもスダレのように分布するプラズマのスクリーンにより変調を受ける伝搬現象を基本としている。衛星イオの軌道付近における木星の磁力線の構造は、惑星探査機の観測によりすでにモデル化されていることから、木星電波源の位置をパラメータとして、観測されたモジュレーション・レーンの様々な特性とシミュレーションした結果とを比較することができ、電波源の位置や構造を精度良く調べることが可能となる。この研究においては、広帯域での木星電波のダイナミック・スペクトラムを、日本(高知県、吾川村)、フロリダ大学宇宙電波観測所、ハワイ大学宇宙電波観測所の3地点で同時間帯に観測し、その中に見られる広帯域モジュレーション・レーンの解析を行うことになっている。特に、レーンの曲がり具合は、木星電波源の位置関係と密接に関係していることから、これを集中的に3地点で観測することを目的としている。今年度は、フィンランドのRiihimaaによって観測された木星電波の広帯域木星電波ダイナミックスペクトラムデータを解析した成果をJGRに論文として出版し、今後行う3地点観測における重要な観測パラメータの検討を行った。また、「木星デカメートル波スペクトル中のモジュレーション・レーンのモデルに関する研究」というタイトルで、今井によって京都大学・博士論文(情報学)として研究成果がまとめられた。木星デカメートル波のダイナミック・スペクトラム上に現れる斜めの縞状構造モジュレーションレーンは、Riihimaa(1968)によって発見された。筆者らは、このモジュレーションレーンが伝搬途中で生じる現象であるという観点からモデルを考え、コンピュータ・シミュレーションを行った結果、観測データと非常に良く一致することを初めて示した(Imai et al., JGR, 1997)。衛星イオの軌道付近における木星の磁力線の構造は、惑星探査機の観測によりすでにモデル化されていることから、木星電波源の位置をパラメータとして、観測されたモジュレーションレーンの様々な特性とシミュレーションした結果とを比較することができ、電波源の位置や構造を精度良く調べることが可能となる。
不安定粒子の宇宙背景輻射に及ぼす影響

3°K宇宙背景輻射はビックバン宇宙の動かぬ証拠と考えられている。また、この背景輻射のスペクトラムのゆらぎの存在は銀河形成の基本となっている。さらにゆらぎの性質や大きさは宇宙期の初期の熱的な歴史を考える上で重要なポイントになっている。初期宇宙に不安定な粒子の輻射崩壊が起これば、宇宙背景輻射のスペクトラムに大きなゆらぎを生む。平成2年度には、このゆらぎの詳細な計算を行い、この時期に観測されているゆらぎのリミットから、不安定粒子の質量と寿命に制限をつけた。平成4年度にCOBEにより観測された宇宙背景輻射のゆらぎを用いれば、より強い制限が得られる。この点については現在解析中である。不安定粒子の崩壊が宇宙論に重要な役割を果たす他の例に、インフレーション宇宙を生むインフレートンの模型は存在していない。平成4年度に、私達は、右巻ニュートリノの超対称性のパートナーである。右巻ニュートリノ・ボソンが存在すれば、極めて自然にインフレートンになり得ることを示した。さらに、このボソンの崩壊によりレプトン数の非対称性が生成され、それが弱い相互作用における非摂動効果により宇宙のバリオン数に移り変わることを示した。これは宇宙のバリオン数の非対称性を説明する新しいモデルとして注目されている。また、右巻ニュートリノの質量が10^<12>GeV程度であEの測定した背景輻射のゆらぎの大きさ(10-5)を説明できる。この右巻ニュートリノの質量は、太陽ニュートリノ問題の最も有望な解であるニュートリノ振動仮説とユンシステントであることをシーソー模型を用いて示した。平成2年度は以下の項目について重点的に研究を行った(1)宇宙背景輻射スペクトルの変形の説明名古屋・バ-クレ-グル-プによって報告された3K宇宙背景輻射スペクトルの変形を説明するために提案されている不安定ニュ-トリノによる宇宙の再過熱のシナリオを詳しく調べ、シナリオがうまく働くために必要とされる質量・寿命を求めた。しかし、この問題はCOBEによる新しい観測結果が報告され、実際にはスペクトルの変形はほとんどない事が確認され逆に,次の項目で述べるように一般的に宇宙の再過熱が可能かという問題に論点が移った。(2)宇宙の再過熱問題COBEの観測によって3K宇宙背景輻射はむしろ非常によい精度でプランク分布に近い事が明らかになり、一般的に宇宙を一様に過熱するほどのエネルギ-源があったときに、それがCOBEの観測と矛盾しないかどうかが問題になった。そこで、一定のエネルギ-をもつphotonをある量だけ宇宙にそそぎ込んだときにそれが様々な宇宙背景輻射スペクトルにどう影響するかを定量的に調べ、観測と比較した。これによって、photonをそそぎ込む時期と量に強い制限が得られることが明らかになった。また、再過熱によって従来説明が困難とされた問題である現在宇宙に中性の水素が少ないことが説明できる可能性が示された。さらに、これによってエネルギ-源として質量を持ったニュ-トリノが崩壊してphotonを放出するような場合に宇宙の再過熱が可能かどうかを調べることができるめどがついた。平成3年度においては、前年度から引き続き、宇宙初期において高エネルギ-光子を放出するような過程が存在した場合に宇宙の熱的な歴史がどの様に変更されるかということを中心に研究を行った。

一般に、高エネルギ-光子(Eγ〕SY.gtorsim.〔)20eV)を生成する過程が宇宙の再結合時(t【similar or equal】10^<13>秒)以後に起こると、放出された光子は中性水素を再びイオン化し、宇宙全体のイオン化率を大きく変えることが期待され、さらに、イオン化の際に、電子に与えられたエネルギ-はコンプトン散乱を通じて最終的には3K宇宙背景輻射スペクトルの変形をもたらすと考えられる。宇宙のイオン化については、非常に遠方のQSOのスペクトル観測から宇宙がある時期(Z【similar or equal】4ー5)から現在に至るまでほぼ完全にイオン化されていたことが知られており、イオン化をもたらす宇宙の再加熱過程の必要性が認識されている。しかし、このような過程は上に述べたように宇宙背景輻射の変形をもたらすが、そのような変形は観測されていない。そこで当研究では全ての観測を満足するような再加熱過程が可能がどうかを関与する輻射過程を考慮して宇宙のイオン化率・宇宙背景輻射スペクトルを計算し、観測と矛盾することなく宇宙を再加熱できることを示し、具体的なエネルギ-源として質量を持ったニュ-トリノのような粒子の崩壊が考えられる他に、ニュ-トリノが質量を持っていると宇宙の暗黒物質となり得ることが知られているが、その場合に問題となるphase spaceからの制限が、ニュ-トリノの間に新しい力を導入することにより、回避できることを示した。また、非常に重い強い相互作用をする粒子が暗黒物質を担っていると木星型の惑星の固有の熱源となる可能性があり、実際、木星では期待される熱流量が観測と一致することを示した。3°K宇宙背景輻射はビックバン宇宙の動かぬ証拠と考えられている。また、この背景輻射の温度のゆらぎの存在は銀河形成の基礎となっているのみならず、初期宇宙を考える上で重要な要素となる。初期の宇宙に不安定な粒子の輻射崩壊が起これば、宇宙背景輻射のスペクトラムに大きなゆらぎを生む。平成2年度には、このゆらぎの詳細な計算を行い、不安定粒子の質量と寿命に制限をつけた。さらに平成4年度にCOBEにより観測された宇宙背景輻射のゆらぎの大きさを用いれば、より強い制限がつく。この点については現在解析中である。不安定粒子の崩壊としてインフレーションを引き起す場であるインフレートンの崩壊が考えられる。しかし今までの所、このインフレートンの存在と素粒子物理を関連づける模型は存在していない。私達は、平成4年度に、右巻ニュートリノの超対称性のパートナーの右巻ニュートリノボソンが極めて自然にインフレーションを引き起すことを発見した。さらにこのボソンの崩壊により宇宙のレプトン数が生成され、そのレプトンが弱い相互作用の理論における非摂動効果により宇宙のバリオン数に変ることを示した。これは宇宙のバリオン数を説明する新しいモデルとして注目されている。また右巻ニュートリノの質量が10^<12>GeV程度であれば、COBEの発見した宇宙背景輻射のゆらぎの大きさ10^<-5>を説明できる。この右巻ニュートリノの質量は、太陽ニュートリノ問題の有望な解であるニュートリノ振動仮説と矛盾しないことを示した。
先端技術に関連した弾性構造体の流力振動特性評価システムの開発

本研究の対象は、人工衛星搭載用のアンテナに代表される静止空気中で振動する弾性平板に働く流体力の評価と、原子炉の熱交換器管群や磁気ディスクロードアームに代表される狭いすき間を流れる流体中にさらされた梁に働く流体力の評価である。前者に関しては、空気力の影響を確認するための弾性支持剛体平板の並進自由振動の減衰振動波形の観察から、流体力の振幅依存性、周波数依存性、端部の形状依存性などが明らかになった。また、後者に関しては、狭いすき間を流れる流体中にさらされた弾性支持剛体平板を対象に流体力の測定を行った。具体的には、圧電素子によってフラッタを制振させ、その時にアクチュエータに加えられるエネルギーから励振力を測定した。続いて、弾性支持剛体平板の換わりに片持ち支持弾性平板を置いた場合の流体力の測定を行った。今度は圧電素子によってすき間流路入り口近傍に流速変動を与え不安定振動を制振させた。対象となった振動モードは梁の1次と2次のモードが連成して発生するモード連成フラッタである。この時構造系に作用する流体励振力は、弾性支持平板の場合と同様にアクチュエータに加えられるエネルギーから測定を行った。最後に、境界層理論が成り立つとの仮定のもとに展開されている本研究で用いられている「すき間流近似」がどの程度の流路長対流路幅比で成立するかについて理論と実験両面から検討を行った結果、流路長対流路幅比が10以上の場合で成り立っていることを初めて確認することができた。本研究の目的は、人工衛星搭載アンテナの地上試験で発生する空気力の影響に例を見るような静止空気中で振動する弾性平板に働く流体力の評価と、原子炉の熱交換器の管群に代表される狭い隙間を流れる流体にさらされた弾性梁に作用する流体力を評価することである。平成3年度は、実験装置の作成と発生流体力のシミュレ-ションによる見積りを行なった。前者に関しては、弾性支持された剛体平板の並進運動方向の自由振動波形の測定から空気力の測定を行なうための基礎実験を行なった。初期振幅、固有振動数、平板の形状、平板の縁の形状を変えて、実験を行なった結果、減衰振動波形の観察から、流体力の振幅依存性、周波数依存性、端部の形状依存性が明らかになった。低振動数で大振幅になると渦の放出によるとみられる付加減衰に対する流体による非線形性が顕著になることが明らかになり、速度自乗型の減衰に近くなっていることが発見された。また、後者に関しては、すき間流路を流れる流体にさらされた片持ち梁の流力弾性振動を対象として、制振するために必要な制御力について定式化を行ない、計算機でシミュレ-トすることに成功した。また、シミュレ-ションの結果に基づいて実際に、実験装置を製作し、圧電素子をアクチュエ-タに使いフラッタを制振させ、限界流速を2倍近くまで上昇させることに成功した。また、狭いすき間流路内を流れる水流にさらされた片持ち梁に発生するフラッタを観察するための実験装置を製作し、フラッタが発生するのを観察することに成功した。次年度は、伝達関数の測定から流体力を求めるための実験を行なう予定である。平成3年度は、前者に関しては、弾性支持された剛体平板の並進自由振動波形を測定し、空気の影響を確認するための基礎実験を行なった。減衰振動波形の観察から、流体力の振幅依存性、周波数依存性、端部の形状依存性が明らかになった。