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ナノ・マイクロ流体工学の数理と応用

近年,ナノテクノロジーやマイクロマシンに関連した,MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)およびμ-TAS (μ-Total Analysis System)における流動現象が注目されるようになり,超微細スケール流れへの感心が高まっている.たとえば,超微細流路では,静電気力,表面張力,壁面との濡れや分子間引力の効果が顕著になってくるが,従来のNavier-Stokes方程式に基づく流体力学ではこれらを正しく記述することができない.微小スケール流動では未知の現象と未解決の問題が数多く残され、これが新技術創生や生産効率向上の大きな障壁となっている.我国の技術立国としての回生には,ナノ・マイクロスケール境界領域における技術的難問題を克服するための新しい流体工学理論の枠組みが必要である.本年度は,ナノ・マイクロ流体工学の学術基盤として、数値モデリング手法とシミュレーションコード(電気化学反応を伴う微小流れ,マイクロ放電,生体高分子)を完成させ,民間企業との共同研究を行い,数値解析結果と実験結果とを定量的に比較検討した.その結果,リチウムイオン二次電池,プラズマディスプレイパネルの数値設計およびDNAの基本的流動機構の解明がなされ、内外の専門学会で多数の研究報告を行った。また,日本機械学会年次大会において,学術セッション「バイオ・ナノ流動ダイナミクス」をオーガナイズし,英文専門書籍を三冊編集して、当該研究分野の発展とその先導に尽力した.協同組織委員長として、米国機械学会主催の5th International Symposium on Computational Technologies for Fluid/Thermal/Chemical Systems with Industrial ApplicationsをSan Diegoで開催し、国際的な学術活動を展開することができた。近年,ナノテクノロジーやマイクロマシンに関連した,MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)およびμ-TAS (μ-Total Analysis System)における流れが注目されるようになり,超微細スケール流れへの感心が高まっている.たとえば,超微細流路では,静電気力,表面張力,壁面との濡れや分子間引力の効果が顕著になってくるが,従来のNavier-Stokes方程式に基づく流体力学ではこれらを正しく記述することができない.微小スケール流動では未知の現象と未解決の問題が数多く残され、これが新技術創生や生産効率向上の大きな障壁となっている.我国の技術立国としての回生には,ナノ・マイクロスケール境界領域における技術的難問題を克服するための新しい流体工学理論の枠組みが必要である.本年度は,基礎理論の確立と次年度に行われる具体的な実験・解析の準備に注力した.ナノ・マイクロ流体工学理論体系の基本となる分子動力学シミュレーションコードを構築し,DNAや高分子への適用性を検討した.共同研究先のナノテク関連デバイス製造工場に出向き,複数の技術者と対話し,従来の考えでは理解できない点や,理論と比較し得る超微細流体現象についての情報収集にも努めた.また,報告者が共同組織委員長である米国機械学会主催のInternational Symposium on Computational Technologies for Fluid/Thermal/Chemical Systems with Industrial Applicationsに参加.し,米国における先端研究に関する情報収集を行った.さらに,血液の溶血現象(赤血球膜の破壊)に焦点をあてた人工心臓開発,および,μ-TASのナノ・マイクロ流体工学的アプローチに関する研究論文を専門学会に発表した.近年,ナノテクノロジーやマイクロマシンに関連した,MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)およびμ-TAS(μ-Total Analysis System)における流動現象が注目されるようになり,超微細スケール流れへの感心が高まっている.たとえば,超微細流路では,静電気力,表面張力,壁面との濡れや分子間引力の効果が顕著になってくるが,従来のNavier-Stokes方程式に基づく流体力学ではこれらを正しく記述することができない.微小スケール流動では未知の現象と未解決の問題が数多く残され、これが新技術創生や生産効率向上の大きな障壁となっている.我国の技術立国としての回生には,ナノ・マイクロスケール境界領域における技術的難問題を克服するための新しい流体工学理論の枠組みが必要である.本年度は,ナノ・マイクロ流体工学の基本となるシミュレーションコード(電気化学反応を伴う微小流れ,マイクロ放電,生体高分子)をさらに発展させ,民間企業との共同研究を行い,数値解析結果と実験結果とを定量的に比較検討した.その結果,本年度の理論的研究成果は,リチウムイオン二次電池,プラズマディスプレイパネルの数値設計およびDNAの基本的流動機構の解明に応用することができ,実用に供する基礎技術を開発することができた.これらの成果は,国内外の専門学会において発表され活発な議論を呼んだ.また,日本機械学会年次大会において,ワークショップ「ナノ・マイクロ流体工学」をオーガナイズし、当該研究分野の発展とその先導に尽力した.近年,ナノテクノロジーやマイクロマシンに関連した,MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)およびμ-TAS (μ-Total Analysis System)における流動現象が注目されるようになり,超微細スケール流れへの感心が高まっている.たとえば,超微細流路では,静電気力,表面張力,壁面との濡れや分子間引力の効果が顕著になってくるが,従来のNavier-Stokes方程式に基づく流体力学ではこれらを正しく記述することができない.微小スケール流動では未知の現象と未解決の問題が数多く残され、これが新技術創生や生産効率向上の大きな障壁となっている.我国の技術立国としての回生には,ナノ・マイクロスケール境界領域における技術的難問題を克服するための新しい流体工学理論の枠組みが必要である.本年度は,ナノ・マイクロ流体工学の学術基盤として、数値モデリング手法とシミュレーションコード(電気化学反応を伴う微小流れ,マイクロ放電,生体高分子)を完成させ,民間企業との共同研究を行い,数値解析結果と実験結果とを定量的に比較検討した.

その結果,リチウムイオン二次電池,プラズマディスプレイパネルの数値設計およびDNAの基本的流動機構の解明がなされ、内外の専門学会で多数の研究報告を行った。また,日本機械学会年次大会において,学術セッション「バイオ・ナノ流動ダイナミクス」をオーガナイズし,英文専門書籍を三冊編集して、当該研究分野の発展とその先導に尽力した.協同組織委員長として、米国機械学会主催の5th International Symposium on Computational Technologies for Fluid/Thermal/Chemical Systems with Industrial ApplicationsをSan Diegoで開催し、国際的な学術活動を展開することができた。
ハンドの高速移動と高速無限回転を実現するケーブル駆動パラレルロボットの開発

2018年度は,プーリ組込み手先機構を有する5ケーブル平面4自由度および8ケーブル空間7自由度ロボットに関して,機構の本質を探る数式的な機構解析を行い,全ケーブル張力が正となるWrench Closure条件を満たすケーブル配置の導出する方法を考案し,条件下における動作領域であるWrench-Closure WorkSpaceを計算した.この主たる成果を日本機械学会年次大会(2018/9)で報告した.ケーブルループ機構では,ケーブルとモータ部プーリおよび手先組込みプーリが摩擦力にて動力伝達される.ケーブルの滑りを与えるアイテルワインの式を拡張し,5ケーブル平面4自由度ロボットにおいてケーブルが滑りにくくなるためのロボットの姿勢制御方法を考案した.また,プーリを摩擦駆動する際にケーブルをプーリへスムーズに巻き付かせる溝付き二ドラム多段多巻きエンドレス・プーリを考案し,構想設計を完成させた.これらの主たる成果をケーブル駆動ロボットに関する国際学会CableCon(2019/7)に論文2本が採択された.本研究に関連して,運動学的冗長性と駆動冗長性を有するパラレルロボットの運動学に関する論文が日本機械学会論文集に採択・掲載され,差動機構を用いた4自由度ケーブル駆動ロボットの設計に関して査読付き国際学会ICMIMT2019(2019/2)に採択され講演を行った.実験装置の設計に着手し,5ケーブル平面4自由度ロボット用としてMTL社製のダイレクトドライブモータ(定格トルク0.33Nm,最高回転数600rpm),8ケーブル7自由度ロボット用としてMAXSON社製のDCモータ(定格トルク0.4Nm,無負荷回転数6000rpm)を選定し,ロボット機構部の構想設計を完了した.制御装置としてLinuxCNCを用いる検討を開始し,差動機構を用いたケーブル駆動ロボットへ適用して動作確認まで行った.2018年度の主たる実施計画である機構解析,ケーブル滑り解析に関しては,先ず,数式解法を用いたケーブル駆動ロボットの動作条件と動作領域の計算方法を考案し,5ケーブル4自由度ロボットおよび8ケーブル7自由度ロボットの機構解析,動作領域を完了させた.また,本研究で特徴的となるケーブル-プーリ間の摩擦駆動に関して,アイテルワインの式をベースした多段多巻エンドレス・プーリに関する滑りを考慮した静力学関係式を導出し,実施計画を完了させることができた.もう一つの実施計画である実機試作に関しては,構想設計から詳細設計に至る段階で,目標動作速度を実現するために必要なアクチュエータの選定を完了させた.以上のことより,実施計画に対しておおむね順調に進展していると判断した.当初計画に従って今後の研究を進めていく.【A】ロボット機構の詳細設計[2019年度]:学術的な研究として,単巻きケーブルの摩擦伝動で広く知られているアイテルワインの式を多巻きに拡張し,多巻きエンドレス・プーリが滑らないケーブル張力とプーリトルクの関係を数学的に導出している.2019年度に実験的な検証を行い,機構の詳細設計へ反映させる.【B】ケーブル駆動条件を満たす並進動作範囲を最大とする最適設計[2019年度]: 2018年度に,プーリ組込み手先機構を有する5ケーブル平面4自由度および8ケーブル空間7自由度ロボットに関して,機構の本質を探る数式的な機構解析を行い,全ケーブル張力が正となるWrench Closure条件を満たすケーブル配置の導出方法を考案した.ただし,条件下における動作領域であるWrench Closure Work Spaceの計算は数式解法が困難であることが判明した.そこで,数式解法と数値解法を混合した新しい解析方法により,Wrench Closure条件と2018年度に確立したケーブルが滑らない条件を満たしつつ,動作範囲が最大となる最適設計を行い機構設計へ反映させる.【C】実機試作[2019年度]と動作検証:上記【A】【B】の機械要素設計と機構最適設計に基づいて実機を試作して動作検証を行う.動作目標を満たすアクチュエータは2018年度に選定済であり,エンドレス・プーリ,定圧バネ機構などの本研究のロボットを具現化するために重要な機械部品の試作設計を行いながら,ロボット全体の実機試作を完成させる.動作検証のために制御装置としてLinuxCNCを用いる方法を試みる.ただし,LinuxCNCを用いてケーブル駆動ロボットを動作させた前例がないために,低レベルのモータ制御までカスタマイズ可能であるLabViewなどの別の制御装置の適用も併用して検討を行う.2018年度は,プーリ組込み手先機構を有する5ケーブル平面4自由度および8ケーブル空間7自由度ロボットに関して,機構の本質を探る数式的な機構解析を行い,全ケーブル張力が正となるWrench Closure条件を満たすケーブル配置の導出する方法を考案し,条件下における動作領域であるWrench-Closure WorkSpaceを計算した.この主たる成果を日本機械学会年次大会(2018/9)で報告した.ケーブルループ機構では,ケーブルとモータ部プーリおよび手先組込みプーリが摩擦力にて動力伝達される.ケーブルの滑りを与えるアイテルワインの式を拡張し,5ケーブル平面4自由度ロボットにおいてケーブルが滑りにくくなるためのロボットの姿勢制御方法を考案した.また,プーリを摩擦駆動する際にケーブルをプーリへスムーズに巻き付かせる溝付き二ドラム多段多巻きエンドレス・プーリを考案し,構想設計を完成させた.これらの主たる成果をケーブル駆動ロボットに関する国際学会CableCon(2019/7)に論文2本が採択された.

本研究に関連して,運動学的冗長性と駆動冗長性を有するパラレルロボットの運動学に関する論文が日本機械学会論文集に採択・掲載され,差動機構を用いた4自由度ケーブル駆動ロボットの設計に関して査読付き国際学会ICMIMT2019(2019/2)に採択され講演を行った.実験装置の設計に着手し,5ケーブル平面4自由度ロボット用としてMTL社製のダイレクトドライブモータ(定格トルク0.33Nm,最高回転数600rpm),8ケーブル7自由度ロボット用としてMAXSON社製のDCモータ(定格トルク0.4Nm,無負荷回転数6000rpm)を選定し,ロボット機構部の構想設計を完了した.制御装置としてLinuxCNCを用いる検討を開始し,差動機構を用いたケーブル駆動ロボットへ適用して動作確認まで行った.2018年度の主たる実施計画である機構解析,ケーブル滑り解析に関しては,先ず,数式解法を用いたケーブル駆動ロボットの動作条件と動作領域の計算方法を考案し,5ケーブル4自由度ロボットおよび8ケーブル7自由度ロボットの機構解析,動作領域を完了させた.また,本研究で特徴的となるケーブル-プーリ間の摩擦駆動に関して,アイテルワインの式をベースした多段多巻エンドレス・プーリに関する滑りを考慮した静力学関係式を導出し,実施計画を完了させることができた.もう一つの実施計画である実機試作に関しては,構想設計から詳細設計に至る段階で,目標動作速度を実現するために必要なアクチュエータの選定を完了させた.以上のことより,実施計画に対しておおむね順調に進展していると判断した.当初計画に従って今後の研究を進めていく.【A】ロボット機構の詳細設計[2019年度]:学術的な研究として,単巻きケーブルの摩擦伝動で広く知られているアイテルワインの式を多巻きに拡張し,多巻きエンドレス・プーリが滑らないケーブル張力とプーリトルクの関係を数学的に導出している.2019年度に実験的な検証を行い,機構の詳細設計へ反映させる.【B】ケーブル駆動条件を満たす並進動作範囲を最大とする最適設計[2019年度]: 2018年度に,プーリ組込み手先機構を有する5ケーブル平面4自由度および8ケーブル空間7自由度ロボットに関して,機構の本質を探る数式的な機構解析を行い,全ケーブル張力が正となるWrench Closure条件を満たすケーブル配置の導出方法を考案した.ただし,条件下における動作領域であるWrench Closure Work Spaceの計算は数式解法が困難であることが判明した.そこで,数式解法と数値解法を混合した新しい解析方法により,Wrench Closure条件と2018年度に確立したケーブルが滑らない条件を満たしつつ,動作範囲が最大となる最適設計を行い機構設計へ反映させる.【C】実機試作[2019年度]と動作検証:上記【A】
太陽光とメタンを用いた水素製造のための高品質微結晶光触媒の高度精密設計

太陽光を用いて,常温でメタンと水から水素を取り出す光触媒反応(常温メタン水蒸気反応)のための高活性な光触媒の開発するために,高品質な結晶からなる光触媒の開発を試みた.結晶を得られやすい方法として知られる溶融塩法を採用し,チタン酸塩やタンタル酸塩の微結晶を合成し,助触媒として白金を添加して光触媒を調製し,光触媒の構造と光触媒活性との相関を検討した.その結果,従来の固相反応法によるものよりも高活性な光触媒を得ることに成功した.また,多結晶体を構成する最小単位の単結晶である結晶子が大きな方がより高活性であるという相関関係を見出し,今後の光触媒を設計するうえでの大きな指針を得ることに成功した.持続可能社会の実現には,必要なエネルギーを再生可能な資源から作り出す必要がある.本研究は,太陽光と再生可能資源であるメタンを有効利用して,水素を高効率に得る光触媒的メタン水蒸気改質反応のための新規な高性能チタン系半導体光触媒の開発を目的としている.これまで,酸化チタンやタンタル酸ナトリウム,酸化ガリウム,チタン酸カリウムなどの光触媒に助触媒として白金もしくはロジウムを添加した光触媒を扱ってきた.これまでの研究に基づき,これらの光触媒粒子が,酸化面と還元面が明白に分離された形状を持つ高品質かつ高表面積な半導体微結晶であれば,励起電子と正孔の分離や反応面の分離がおこなわれ,高効率に光触媒的メタン水蒸気改質反応が進行するという作業仮説を立てた.そこで本研究では,単結晶を得るための合成法の一つである溶融塩法を改良して,チタン酸カリウムとチタン酸カルシウムの合成を試みた結果,前者では六角柱状の微結晶が得られ,後者では多面体構造を持つ微結晶粒子が得られた.合成条件をいくつか検討した結果,原料と融剤の混合比や,溶融温度,冷却速度が,得られる微結晶の構造に大きく影響することが明らかとなり,構造が制御された微結晶を得るための必要条件が整理されつつある.また,本融剤法における結晶の生成過程に関するいくらかの知見も得た.本反応に必要な水の活性化による水素生成の活性を調べたところ,微結晶の構造と光触媒活性との相関に関するいくつかの知見が得られた.再生可能な資源から必要なエネルギーを作り出すことは,我々人類が持続的に反映するためには不可欠であろう.ここで扱う太陽エネルギーは言うまでもなく再生可能エネルギーであり,メタンもバイオマス由来であれば再生可能資源である.次世代クリーンエネルギーとして期待されている水素は天然には存在せず,現状では天然ガスを触媒を用いて高温で水蒸気改質を行うことで水素を得ている.我々は以前より太陽光とメタンから水素を高効率に得る光触媒的メタン水蒸気改質反応の研究を行っており,これまで,酸化チタンやタンタル酸ナトリウム,酸化ガリウム,チタン酸カリウムなどの光触媒に助触媒として白金もしくはロジウムを添加した光触媒を扱ってきた.本研究課題ではより高性能半導体光触媒の開発を目的としている.これまでの研究に基づき,半導体光触媒粒子が,酸化面と還元面が明白に区別できるような形状を持つ高品質かつ高表面積な半導体微結晶であれば,励起電子・正孔の分離や反応面の分離による再結合・逆反応を抑制することができ,高効率に光触媒的メタン水蒸気改質反応が進行するという作業仮説を立てた.そこで本研究では,単結晶を得るための合成法の一つである溶融塩法を改良して,チタン酸カリウムとチタン酸カルシウムの合成を試みた結果,前者では六角柱状の微結晶が得られ,後者では多面体構造を持つ微結晶粒子が得られた.また,タンタル酸ナトリウムもこの方法で調製すると微結晶が得られた.合成条件をいくつか検討した結果,原料と融剤の混合比や,溶融温度,冷却速度が,得られる微結晶の構造に大きく影響することがわかった.そしてタンタル酸ナトリウムについて光触媒的メタン水蒸気改質反応における光触媒活性を調べたところ,従来の固相法によるものよりも高活性を示す光触媒が得られた.次世代クリーンエネルギーとして実用化が進む水素は天然には産出せず,現状では天然ガスを触媒を用いて高温で水蒸気改質を行うことで水素を得ている.我々は以前より太陽光とメタンから水素を高効率に得る光触媒的メタン水蒸気改質反応の研究を行っており,これまで,酸化チタンやタンタル酸ナトリウム,酸化ガリウム,チタン酸カリウムなどの光触媒に助触媒として白金もしくはロジウムを添加した光触媒を扱ってきた.本研究課題ではより高性能半導体光触媒の開発を目的としている.これまでの研究に基づき,半導体光触媒粒子が,酸化面と還元面が明白に区別できるような形状を持つ高品質かつ高表面積な半導体微結晶であれば,励起電子・正孔の分離や反応面の分離による再結合・逆反応を抑制することができ,高効率に光触媒的メタン水蒸気改質反応が進行するという作業仮説を立て,単結晶を得るための合成法の一つである溶融塩法を検討してきた.これまで,チタン酸カリウム,チタン酸カルシウム,タンタル酸ナトリウムの合成を試みた結果,それぞれ,六角柱状,多面体等の微結晶が得られた.合成条件をいくつか検討した結果,原料と融剤の混合比や,溶融温度,冷却速度が,得られる微結晶の構造に大きく影響することがわかった.そしてタンタル酸ナトリウムについて光触媒的メタン水蒸気改質反応における光触媒活性を調べたところ,大きな結晶子径を持つ方が高活性であること,同じ結晶子径で比べても有罪法で調整したもののほうが従来の固相法によるものよりも高活性を示すことが見出された.

太陽光を用いて,常温でメタンと水から水素を取り出す光触媒反応(常温メタン水蒸気反応)のための高活性な光触媒の開発するために,高品質な結晶からなる光触媒の開発を試みた.結晶を得られやすい方法として知られる溶融塩法を採用し,チタン酸塩やタンタル酸塩の微結晶を合成し,助触媒として白金を添加して光触媒を調製し,光触媒の構造と光触媒活性との相関を検討した.その結果,従来の固相反応法によるものよりも高活性な光触媒を得ることに成功した.また,多結晶体を構成する最小単位の単結晶である結晶子が大きな方がより高活性であるという相関関係を見出し,今後の光触媒を設計するうえでの大きな指針を得ることに成功した.ほぼ当初の計画通り微結晶の構造制御に関する知見が整理されつつあり,実際に高活性な光触媒の調製にも成功しているため.27年度が最終年度であるため、記入しない。触媒化学・光触媒化学今後は,特にチタン酸塩光触媒について,構造と光触媒活性との相関を整理しつつ,高活性な光触媒の開発を行う.当初の計画どおり,光触媒微結晶の構造制御に関する知見が得られつつあるため.27年度が最終年度であるため、記入しない。当初計画のうち,融剤法による触媒合成について集中的に実施し,光触媒的メタン水蒸気改質反応における光触媒活性評価のための設備拡充を平成27年度に実施するように変更したため27年度が最終年度であるため、記入しない。今後は,対象とする光触媒の物質系を広げるとともに,実際に光触媒的メタン水蒸気改質反応における光触媒活性と比較検討し,構造活性相関を検討する.光触媒反応装置を拡充し,効率よく研究を進める27年度が最終年度であるため、記入しない。当初の研究計画のうち融剤法による触媒合成について集中的に実施し,光触媒的メタン水蒸気改質反応における光触媒活性評価は平成26年度に実施するように変更したため.光触媒反応装置に若干の改良を加え,それを使用して評価を行いつつ,新規な光触媒系の検討も進めたい.
シェーグレン症候群と腸内細菌叢の構成異常・腸管免疫の関係の解明

腸内細菌叢の異常に伴う全身の免疫調整ネットワークの偏倚がシェーグレン症候群(SS)の発症、病態の進展に関与するヘルパーT (Th)細胞のバランんの異常を誘発させる一因となり、病態形成に関与しているという仮説のもと、本研究を行なっている。SSと同様、唾液腺にリンパ球浸潤を認め、以前はSSの一亜型と考えられていたが、リンパ球サブセットや唾液腺の状態が異なることから現在はSSとは異なる疾患と判明したIgG4関連涙腺唾液腺炎(IgG4 DS)をSSの対象疾患とし、健常コントロールとの3群で腸内細菌叢を比較するため、この2疾患患者の便からDNAを抽出し、次世代シークエンサーを用いた解析を進め、健常コントロールとの3群間の比較を行なっている。それぞれの疾患群による比較だけではなく、唾液腺局所への浸潤するリンパ球サブセットを免疫染色、PCRで解析し、これに加えて疾患の病悩期間などから病期の進行度、使用薬剤、その他の全身状態など腸内細菌叢に影響を与えると考えられる要因や臨床データを変数としての解析を現在行なっている。昨年度他に行わなければならない大きな案件が2件入り、本年度半ばまででそれらの案件は終了したのでエフォートの変更で遅れた分を取り戻すように心がけたが、全体的な解析がができるまでの試料数に至らず結果をまとめるに至らなかった。サンプル数を増やして、単に疾患群での比較だけではなく、疾患内での特徴(リンパ球サブセットや発症からの期間、内服薬や食生活などの影響因子)を加味して腸内細菌叢の分類ができないかを検討していく。腸内細菌叢の異常に伴う全身の免疫調整ネットワークの偏倚がシェーグレン症候群(SS)の発症、病態の進展に関与するヘルパーT (Th)細胞のバランスの異常を誘発する一因となり、病態形成に関与しているという仮説のもと本研究を開始した。SSと同様唾液腺にリンパ球の浸潤を認めるがそのリンパ球サブセットが異なることから現在はSSとは別の疾患とされるようになったIgG4関連涙腺唾液腺炎(IgG4-DS)をSSの対照疾患として比較することとし、健常コントロールについては本学農学部中山二郎准教授に次年度から研究分担者となっていただき、中山准教授が行った健常日本人の腸内細菌叢についての解析方法および結果を用いることとなった。SSおよびIgG4-DSの疾患群の解析方法も健常日本人の解析方法に合わせて行うこととし、現在便検体を収集している。現在便検体を収集しており、ある程度の検体数が集まったところでメタゲノム解析を行う方が解析のコストを低く抑えられるため、現在検体を収集中である。検体数が集まった時点で、健常コントロールの解析方法と同じ方法で解析を行う。腸内細菌叢の異常に伴う全身の免疫調整ネットワークの偏倚がシェーグレン症候群(SS)の発症、病態の進展に関与するヘルパーT (Th)細胞のバランスの異常を誘発する一因となり、病態形成に関与しているという仮説のもと、本研究を行っている。SSと同様、唾液腺にリンパ球浸潤を認めるがそのリンパ球サブセットが異なることから現在ではSSとは別疾患とされるようになったIgG4関連涙腺唾液腺炎(IgG4-DS)をSSの対照疾患とし、健常コントロールとの3群で腸内細菌叢を比較するため、この2疾患患者の便を採取しDNA抽出を行っており、次世代シークエンサーでの解析に用いる試料作成までを行った。また食餌や内服薬などの影響も考えられるため、臨床データの聴取、BDHQ質問票を用いた摂食状況の調査を行いデータ解析を行っている。また口唇腺(場合によって顎下腺)生検材料から免疫染色とRTーPCRを用いてリンパ球浸潤とそのサブセットの解析を行っている。本年度は教育などその他の単年度で行わなければならない特別な大きな案件が2件入り、研究に費やせる時間が当初予定通り確保できなかった。検体や臨床データの収集、マウスの飼育などは進めており、解析までの準備を行うにとどめざるを得なかった。次年度は上記のような特別案件はなく、研究に費やせる時間をその分配分することもできるため、本年分を補填していく予定である。シェーグレン症候群、IgG4関連涙腺

唾液腺炎患者の便検体を収集中で、これを健常日本人の便検体の腸内細菌叢解析と同じ方法で解析し、比較を行っていく。口唇腺検体の浸潤リンパ球のプロファイル決定については当初予定していたサイトカインmRNA解析ではなく、転写因子の免疫染色で行っていく。マウスについてはまず唾液腺局所のリンパ球浸潤の変化を組織で確認する。収集した便検体から得たDNAが一定数集まったところで次世代シークエンサーを用いた解析を行う。それと並行して、口唇腺組織のリンパ球浸潤程度とサブセットの解析を行い、臨床データと合わせて結果出していく予定である。また、マウスの解析は引き続き行っていく予定である。サンプル数を増やして、単に疾患群での比較だけではなく、疾患内での特徴(リンパ球サブセットや発症からの期間、内服薬や食生活などの影響因子)を加味して腸内細菌叢の分類ができないかを検討していく。次世代シークエンサーを用いた解析は検体がある一定数集まってから一回で行った方が試薬の無駄が少なくコストを抑えられるため現在検体を集めている途中である。本年度行う予定であった解析を次年度にまとめて行うこととなり、それに使用する試薬を本年度購入しなかった。そのために次年度使用額が生じた。マウス実験に使用するマウスの繁殖数が計画よりも少なく、飼育管理費用が若干少なかった。シェーグレン症候群学会に参加予定であったが、他の公務のため参加できなかった。前述のように教育等で単年度で行わなければならない特別な大きな案件が2件はいり、研究に費やせる時間が当初予定通り確保できず、解析等を次年度に延ばさざるを得なかったため、次年度に解析等に使用する試薬の購入などを行うこととなった。前年度から本年度中間までエフォート変更で研究が遂行できなかった分を1年間延長申請し、この費用を延長期間に使用する事となったため次年度使用額が発生した。この費用を用いてサンプルを増やしての解析を継続する予定である。本年度購入予定であった次世代シークエンサー用試薬、増幅、精製試薬の購入に使用。マウスの交配数を増やしており、次年度の飼育管理料が当初より多くなると考えられ、そちらへの補填を本年度使用しなかったマウス飼育管理料および国内旅費で賄う。
炎症病態における組織破壊・修復・再生の機序解明とリモデリングの制御に関する研究

気管支喘息における気道上皮の組織破壊・修復・再生の機序解明とリモデリングの制御に関して行った本研究の成果は以下の点である。(1)活性のあるリコンビナントラット好酸球顆粒蛋白質Ear-1及びEar-2の調製を可能にした。(2)ラット好酸球顆粒画分には気道上皮細胞の傷害活性は検出できなかった。(3)HDAC阻害薬は、好酸球の分化を促進した。(4)気道上皮細胞NCI-H292細胞はTPAあるいはTNF-α刺激によりICAM-1を発現した。このICAM-1の発現は、IFN-γ刺激の場合と異なり、NF-κBの活性化を介した反応であり、p44/42MAP kinaseにより抑制的に制御されていた。(5)ヒト気道上皮細胞NCI-H292細胞は恒常的にE-cadherinを発現していたが、BEAS-2B細胞は分化・形態変化に伴ってE-cadherinを発現した。(6)ヒスタミンは気道上皮細胞の増殖、分化に影響しなかった。これらの結果から、気道上皮組織破壊、すなわち気道上皮細胞の傷害は単なる好酸球の脱顆粒反応による顆粒蛋白の放出によるものではなく、気道上皮細胞の接着分子の発現など、好酸球の傷害性を高める他の要因が関与する可能性があることが示唆された。また、この組織破壊を抑制するためには、好酸球の増多を抑制する方法や気道上皮細胞の活性化を抑制することが必要であると考えられる。一方、ヒスタミンはH1受容体を介して気道上皮の接着分子やケモカインの産生を高める作用もあり、組織破壊にも関与している可能性もある。このように、誘導型のヒスタミンも気道リモデリングの促進因子である可能性が示唆された。気道組織破壊に関与する好中球・好酸球の浸潤・活性化機構を明らかにするために、ヒト気道上皮細胞株NCI-H292細胞を用いて、接着分子及びケモカインの産生制御機構について解析した。NCI-H292細胞を12-tetradecanoyl phorbol 13-acetate (TPA)あるいはTNF-αで刺激すると接着分子ICAM-1の発現、及び好中球に対するケモカインinterleukin-8 (IL-8)の産生が亢進したが、好酸球に対するケモカインeotaxinの産生は見られなかった。TPAによるICAM-1及びIL-8の産生にはNF-κBが関与していること、また、p44/42MAPkinaseがTPAによるNF-κBの活性化を負に制御していることを示唆した。さらに、ステロイド性抗炎症薬によるICAM-1発現抑制作用を解析したところ、気道上皮細胞は他の細胞とは異なり、容易にステロイド性抗炎症薬の抑制作用が減弱することを見いだした。その原因として、グルココルチコイド受容体のプロテアソームでの分解亢進が示唆された。また、好酸球が組織破壊に関与しているかどうかを明らかにするために、ラット好酸球顆粒蛋白質eosinophil ribonuclease (EAR)の機能について解析した。シグナルペプチドを含む前駆体と含まない成熟体のリコンビナントEAR-1及びEAR-2を調製し、その抗菌活性及びRNase A活性について解析した。その結果、シグナルペプチドをもつEAR-1及びEAR-2の前駆体にはRNase A活性はみられなかったが、成熟体にはRNase A活性があること、抗菌活性はシグナルペプチドの有無に関わらず強く示すことが明らかになった。

好酸球顆粒蛋白であるeosinophil-associated ribonuclease-1(EAR-1)及びEAR-2の成熟型は、シグナルペプチドの切断位置の相違によりN末端がセリンあるいはグルタミンになる2種類が報告されている。そこでそれぞれのリコンビナント(それぞれEAR-1(S)、EAR-1(Q)及びERA-2(S)、EAR-2(Q))を作製し、その生物活性を比較した。EAR-1及びEAR-2はいずれもRNase活性を持つが、EAR-2はEAR-1よりも活性が強く、また、EAR-1(Q)及びEAR-2(Q)はそれぞれEAR-1(S)及びEAR-2(S)よりも活性が強かった。これらのRNase活性は96°C、20分の熱処理あるいはRNase阻害薬で失活した。一方、これらはほぼ同程度の抗菌活性を示し、しかも抗菌活性はRNase阻害薬では阻害されず、熱処理によって増大した。したがって、EAR-1及びEAR-2の抗菌活性はRNase活性とは無関係であることが示唆された。これらの結果から、好酸球穎粒蛋白は、気道上皮において細菌感染に対して防御的に作用している可能性が考えられた。一方、インターフェロン-γ(IFN-γ)は気道上皮細胞に接着分子ICAM-1を発現させ、白血球との相互作用を増大させて、気道上皮細胞の傷害を増強している可能性が示唆されている。そこでこのICAM-1産生誘導機序について解析した。IFN-γはSTAT1のチロシンリン酸化及びセリンリン酸化を亢進したが、このセリンリン酸化酵素については明らかにされていない。種々のキナーゼ阻害薬を用いてSTAT1のセリンリン酸化酵素を解析したところ、各MAP kinase、protein kinase C及びphosphatidylinositol 3-kinaseの関与はほとんどなく、cycline-dependent kinase(CDK)が関与していることが示唆された。また、CDK阻害薬はIFN-γによるICAM-1の発現を抑制した。これらの知見は、気道上皮傷害を防止する新規治療薬の新しい作用点を示唆するものである。1.気道上皮細胞のバリア機能の破壊の制御機構ヒト気道上皮細胞NCI-H29細胞において、バリア機能を担うadhesion junctionの構成蛋白質E-cadherinの発現及び局在について解析した。NCI-H292は恒常的にE-cadherinを発現しているが、細胞密度が増加することにより、E-cadherinの発現量、細胞接着部位への局在、細胞骨格画分中のE-cadherin量の増加が観察された。12-0-tetradecanoylphorbol 13-acetate(TPA)で刺激したところ、8時間後で、細胞骨格画分中のE-cadherin量の低下、細胞接着部位へのE-cadherinの局在、及び細胞接着の解離が認められた。したがって、TPAはE-cadherinの局在を変化させることによりadherence junctionを破壊し、バリア機能を低下させることが示唆された。この実験系は、気道上皮組織のバリア機能の破壊の分子機序を解析するために適したものであると考えられる。2.気道上皮細胞の分化の制御機構破壊された気道上皮組織は、気道上皮細胞の遊走と分化により修復・再生される。これまで、この気道上皮細胞による修復・再生の分子機序を解析するために適した実験系がなかった。ヒト気道
トップレベルの新体操における成功への道筋：日本とスロベニアの比較研究

スポーツにおける競技力の向上には、トップレベルの競技者が育成される道筋の入り口において、優れた素質を持つ子どもを発掘し、幼少期から系統的に能力を開発するという方法がとられる。こうした方法は競技力の向上を目指す多くのスポーツで取り入れられているが、特に体操では、多くの女子選手が幼少期からの早期トレーニングを経験している。なかには、幼少期からの早期トレーニングが子どもの心身の発育発達に悪影響を及ぼし、子どもたちの人権を侵害する事例もみられる。その一方で、幼少期からスポーツ競技者として自らのライフスタイルを確立し、競技者として成功する者もいる。本研究では、ともに優れた体操選手を輩出した日本とスロベニアにおいて、女子体操選手や指導者への調査やインタビュー、その結果の統計的分析と哲学的考察を通して、競技スポーツでの早期トレーニングの環境を文化の違いによる相違も含めて明らかする。平成30年7月には、本研究の概要を日本体育学会体育哲学専門領域夏期合宿研究会(於箱根)で発表した。8月には女子体操選手がエリートとして成功するための倫理学の役割について、第24回世界哲学会議(於北京)で発表した。9月には国際スポーツ哲学会第46回大会(於オスロ)で、若年体操選手の倫理的問題について、スロベニアと日本の比較研究を、これまでの知見を基にした発表を行った。また、スロベニアにおいて指導者を訪問しインタビューを行い、データを収集した。平成31年1月には、日本のコーチ2名にインタビューを行い、今後の研究に関する専門的知識の提供を受けた。3月末には国際会議(於ザグレブ)で成果発表を行い、スロベニアでデータ収集を行った。日本で行ったインタビューの件数が少ないこと、当初計画していた日本人女子体操選手に対する質問紙調査が実施できていないことから、次年度に残された課題が少なからずある。また、スロベニアで行った女子体操選手への質問紙調査の分析結果もまとまっておらず、統計的分析による比較をするには至っていない。予定になかった9月と3月の国際会議とそれに引き続くスロベニアでの調査のため当初計画していた国内での調査がはかどらず、研究が予定通り進んでいない。今後は研究推進のペースを上げる必要がある。日本におけるインタビューの件数を増やし、アンケート調査を行う必要がある。その分析結果と、既に収集したデータの分析結果を合わせて、当初の目的である日本とスロベニアにおけるエリート女子体操選手の早期トレーニングの比較について、得られた知見を整理しながら、研究成果をまとめる。平成30年度は、国際会議に続けて二度、研究分担者が長期にわたり日本を不在にし、自国で調査を行った。今後そういうことがないように国内での研究の遂行に専念させる。7月末の研究期間の終了に向けて、これからの状況によっては、例えば手元にあるデータの分析と考察のみで研究成果をまとめるなど、当初の研究計画の変更も考えられる。スポーツにおける競技力を向上させるためには、トップレベルの競技者が育成される過程の初期段階において優れた素質を持つ子どもを発掘し、選手としての能力を幼少期から系統的・体系的に開発するというタレント養成の方法がとられる。こうした方法は競技力向上を目指す多くのスポーツで取り入れられている。なかでも体操では、トップレベルで活躍する女子選手たちの多くが、幼少期からの早期トレーニングを経験しており、それを余儀なくされている場合もある。幼少期からの早期トレーニングが子どもたちの心身の発育発達に悪影響を及ぼし、彼女たちの人権を侵害する事例も少なからず報告されている。一方で、幼少期からスポーツ競技者として自らのライフスタイルを確立し、トップレベルの競技者として成功を収める者がいることも確かである。本研究では、ともに優れた体操選手を輩出した日本とスロベニアにおいて、トップレベルのパフォーマンスを残した女子体操選手や指導者に対してインタビュー調査とアンケート調査を行う。そして、調査により得られたデータを質的及び量的に分析し、日本とスロベニアにおける女子体操での早期トレーニングについて、哲学及び倫理学的観点から比較研究を行う。平成29年度の研究期間は約4か月であった。限られた期間であったが、既にスロベニアで行われた調査をもとに、トップレベルの日本人女子体操選手を対象にした調査の設計に着手することができた。いくつかの研究機関において研究者や指導者を訪問し、実際にインタビューを行うとともに、その内容や方法、アンケート調査について専門的知識の提供を受けた。ほぼ計画通りに進んでいる。平成29年度末までに調査票を完成させるには至らなかった。

また、スロベニアにおいて指導者を訪問しインタビューを行い、データを収集した。平成31年1月には、日本のコーチ2名にインタビューを行い、今後の研究に関する専門的知識の提供を受けた。3月末には国際会議(於ザグレブ)で成果発表を行い、スロベニアでデータ収集を行った。日本で行ったインタビューの件数が少ないこと、当初計画していた日本人女子体操選手に対する質問紙調査が実施できていないことから、次年度に残された課題が少なからずある。また、スロベニアで行った女子体操選手への質問紙調査の分析結果もまとまっておらず、統計的分析による比較をするには至っていない。予定になかった9月と3月の国際会議とそれに引き続くスロベニアでの調査のため当初計画していた国内での調査がはかどらず、研究が予定通り進んでいない。当初の計画通りであるが、急いで調査の枠組みを決定し、トップレベルの日本人女子体操選手を対象にした調査を行う。夏にはスロベニアでも同様の調査を行いデータを収集する予定である。今後は研究推進のペースを上げる必要がある。日本におけるインタビューの件数を増やし、アンケート調査を行う必要がある。その分析結果と、既に収集したデータの分析結果を合わせて、当初の目的である日本とスロベニアにおけるエリート女子体操選手の早期トレーニングの比較について、得られた知見を整理しながら、研究成果をまとめる。平成30年度は、国際会議に続けて二度、研究分担者が長期にわたり日本を不在にし、自国で調査を行った。今後そういうことがないように国内での研究の遂行に専念させる。7月末の研究期間の終了に向けて、これからの状況によっては、例えば手元にあるデータの分析と考察のみで研究成果をまとめるなど、当初の研究計画の変更も考えられる。
都市水害論、とくに災害の時間的スケ-ルと変遷について

本研究では、1万年のタイムスケ-ルにおける災害の変遷に続いて、2千年および300年のタイムスケ-ルにおける各種災害の変遷を自然の外力と社会構造との関係で考察し、さらに自然災害の発生モデル方程式の構築を試みた。まず、2千年の災害史として、1)わが国の人口の変遷を各地方別に示すと、水稲技術の導入に伴う人口増加、災害の発生、社会構造の変化との関係が明瞭に表された。そこで、新田の開発、開墾など地域開発が洪水災害を増加させた事実とそれに対応した行政との関係などを明らかにした。2)社会構造に加えて、自然外力としての気候変動により、干ばつ、洪水氾濫災害が頻発し、疫病を伴い、飢饉が多発し。これが人口の停滞、減少をもたらした。ここでは、干ばつ、洪水、疫病などの発生における相互関係を見いだした。3)人口の集中に伴って、火災が増加し、気象条件のみならず、社会不安、内乱と密接に関係することを示し、その変遷を明らかにした。4)内乱、一揆などについて、災害、とくに飢饉の発生、社会不安との関係を考察し、そこに周期性の存在を見いだした。つぎに、300年のタイムスケ-ルとして、江戸時代の災害の変遷を研究し、1)気候変動に関しては、250年間にわたる日光東照宮における天気資料を解析し、風水害の発生との関係を明らかにした。そこには、急激な開発によってもたらされた洪水災害の急増が特記されていた。2)都市集中に伴う火災の発生について調べ、そこに55年の明瞭な周期性を見いだし、また火災発生の季節変化を明らかにした。3)飢饉の発生と内乱、一揆などの変遷を詳しく調べ、米社会といわれたこの時代の社会構造を米価の変遷をもとにして考察し、災害、内乱などとの関係を明らかにした。これらの各種災害の変遷をもとにして、自然災害のモデル方程式を構築し、自然の外力と社会構造としての防災力の変化との関係から、カタストロフィック的な災害の発生予測を可能とする試みを示した。
高腹膜転移卵巣癌細胞株におけるNeuregulin関与の検討

卵巣癌は、高頻度に腹腔内に進展し進行した状態で見つかる例が多くそのため予後不良な婦人科疾患の一つである。今回腹膜播種を起こしやすい卵巣癌細胞株は、腹膜播種を起こしにくい卵巣癌細胞株に比べ増殖因子Neuregulin発現が充進しておりまたその増殖因子が結合する受容体の発現差が亢進していた。そしてその受容体の一つであるHER-2受容体をブロックすることで腹膜播種を起こしやすい卵巣癌細胞株の増殖能力が抑制できることが判明した。以前我々のグループにおいてヒト卵巣漿液性腺癌から樹立した細胞株(以下FOC-3)は、マウス腹腔内に注入しても腹膜播種は成立しなかったが、これらをマトリゲルと共に懸濁しSCIDマウス皮下に移植し,形成された腫瘍から継代した細胞で高頻度に腹膜婿種能を有する細胞株(以下MFOC-3)を樹立することが出来た。この2つの細胞株間においてマイクロアレイ法にて比較しRNA発現差を調べたところ,MFOC-3はFOC-3に比べEpidermal growth factor(EGF)familyの一つであるNeuregulinが7.8倍と著明に発現が亢進していた。RT-PCRを施行しNeuregulin発現を調べるとMFOC-3において発現亢進が認められた。SDS-PAGEWestrenblottingを行いNeuregulin蛋白発現量を調べるとFOC-3においてHeregulin前駆体やHeregulin αの発現亢進が認められた。そしてNeuregulin受容体であるHER-2,HER-3,HER-4の蛋自発現量を調べたところMFOC-3において全ての受容体の発現亢進が認められた。次いで外因性Neuregulinを添加しそれぞれの細胞株の増殖能の変化を調べるとFOC-3では有意差は認められなかったが,MFOC-3ではコントロール群(非添加群)と比較し添加群で増殖能の亢進が認められた。そして現在癌治療でも標的となっており,今回の発現でも有意差の認められたHER-2抗体に対する抗HER-2抗体を使用して増殖阻害実験を行うとコントロール群,Neuregulin添加群と比較して抗HER-2抗体を却えた群では有意差をもって増殖が抑制されていた。以前我々のグループにおいてヒト卵巣漿液性腺癌から樹立した細胞株(以下FOC-3)は、マウス腹控内に注入しても腹膜播種は成立しなかったが、これらをマトリゲルと共に懸濁しSCIDマウス皮下に移植し、形成された腫瘍から継代した細胞で高頻度に腹膜播種能を有する細胞株(以下MFOC-3)を樹立することが出来た。この2つの細胞株間においてマイクロアレイ法にて比較しRNA発現差を調べたところ、MFOC-3はFOC-3に比べEpidermal growth factor(EGF)familyの一つであるNeuregulin(Heregulin)が7.8倍と著明に発現が亢進していた。FOC-3・MFOC-3細胞株の増殖能は、MFOC-3で有意に亢進しておりマイクロアレイの結果を確認すべくRT-PCRを施行しHeregulin発現を調べるとMFOC-3において発現亢進が認められた。SDS-PAGE Westernblottingを行いHeregulin蛋白発現量を調べるとFOC-3においてHeregulin前駆体やHeregulin-1αの発現亢進が認められた。そしてHeregulin受容体であるHER-2, HER-3, HER-4の蛋白発現量を調べたところMFOC-3において全ての受容体の発現亢進が認められた。次いで外因性Heregulin-1αを添加しそれぞれの細胞株の増殖能の変化を調べるとFOC-3では有意差は認められなかったが、MFOC-3ではコントロール群(非添加群)と比較し添加群で増殖能の亢進が認められた。そして平成20年度に現在癌治療でも標的となっており、今回の発現でも亢進の認められたHER-2受容体に対する抗HER-2抗体を使用して増殖阻害実験を行うとコントロール群、Heregulin-1α添加群と比較して抗HER-2抗体を加えた群では有意差をもって増殖が抑制されていた。その後抗HER-3抗体添加実験ではFOC-3において変化は認めなかったがMFOC-3ではコントロール群とは有意差は認められないものの増殖能抑制傾向が認められ外因性Heregulin-1α添加群とは有意に増殖抑制が認められた。抗HER-4抗体添加ではコントロール群・Reregulir-1α添加群と比較しても増殖能の変化は認められず、MFOC-3細胞株の増殖能亢進にはHER-2, HER-3抗体が重要な役割を示すことが示唆された。
乳幼児音声の意味情報解析とその自動認識システムの構築に関する研究

乳幼児は言葉を持たず、「泣く」という行為によって何らかの不快感を人に訴えようとする。母親はこの音声(啼泣)を聞き、不快の原因を取り除こうとするが、一般に乳幼児の音声やその状況を観察しただけでは、その原因を理解することが困難である。すなわち、啼泣の原因には、空腹、眠い、痛い、寂しい、不安など複数の要素があるが、乳幼児の観察からこの原因を特定することは難しい。従って母親は種々の原因を想定して様々な対処を試行錯誤的に試みるが、対処が不適切であると乳幼児の啼泣は続き、これが母親の育児ノイローゼを引き起こしたり、さらには昨今問題となる乳幼児虐待をも引き起こすことになる。そこで、乳幼児の音声を計算機で解析して啼泣原因を推定・表示することができれば、母親は容易に適切な対処を選択して子供の啼泣を早く止めることができ、種々の育児トラブルを軽減できると考えられる。本研究では、このように言葉を話せない乳幼児の音声が持つ意味情報を計算機処理により解析し、啼泣原因を推定する情報処理システムを提案する。特に、乳幼児の啼泣原因として最も一般的な、「空腹」と「眠い」を主に取り上げ、空腹時と眠いときの泣き声を自動的に識別するための特徴量抽出や推定ルールの構築を行った。実際の乳幼児の泣き声に本システムを適用し、およそ8割の精度でこれらの泣き声の自動識別を行うことができた。また、注射をした後の痛いときの泣き声についても検討を行った。さらに、乳幼児の音声処理の前処理として必要な、音声に混入する雑音除去のための新しい非線形ディジタルフィルタを提案し、その有効性を示した。本研究では、乳幼児の泣き声を定量的に解析することにより、乳幼児の状況を自動的に識別するシステムの開発を行った。特に通常の育児で頻繁に生じ、かつ聴覚上区別しにくい空腹時および眠い時の啼泣を計算機で自動的に分類するルールベースシステムの提案を行った。本システムでは、乳幼児の音声信号を計算機に取り込み、その周波数成分の分布に関するルールにより、空腹時と眠い時の識別を行う。乳幼児音声の一泣き分のサウンドスペクトログラムを求めると、空腹時と眠い時では共に信号の周期性を示す縞模様が現れるが、一般に空腹時では10kHz以上の高い周波数帯まで縞成分が現れるのに対し、眠いときでは6kHzくらいまでの低い個所でしか現れない。このような特徴の差に着目し、両者を自動分類するルールを構築した。まず、乳幼児音声の泣き声系列から一泣き分のデータを自動的に順次切り出して出力するデータ処理法を開発した。また、乳幼児が泣く際、悲鳴のように聞こえる個所はサウンドスペクトログラム上において縞模様を呈さず、判定ルールを適応することができないので、この個所を自動的に削除する方法を開発した。次に、ここで、切り出された一泣き分のデータに対し、サウンドスペクトグラムの成分の分布の違いを検出する手法を開発した。ここで、音声信号が一泣きの区間で必ずしも定常的ではなく、サウンドスペクトログラムの縞成分に各所で途切れが生じるため、局所的縞成分検出と全体的パワースペクトログラムの分布による識別を併用して、空腹時と眠いときの泣き声を自動分類する手法を提案した。本手法を生後5ヶ月から12ヶ月の乳幼児12名に適用し、ほぼ8割の精度で空腹時と眠いときの泣き声を自動的に識別することができた。

昨年度は、高月齢児(生後5ヶ月12ヶ月)の乳幼児を対象としたが、今回は低月齢児(生後2ヶ月4ヶ月)を対象とし、昨年と同様、空腹時と眠いときの泣き声をある程度精度よく識別できることを明らかにした。また、注射の際の疼痛時における泣き声に対しても自動識別が可能であることを示した。まず、低月齢児泣き声の空腹・眠気の識別システムでは、高月齢児の場合と同様、音声信号の周波数成分の分布に関するルールにより、両者の識別を行う。ただ、低月齢時の泣き声は、高月齢時のものより全般的に高い周波数帯まで顕著な成分が現れる。それでも高月齢児の場合と同様、空腹時には眠い時よりやや高い箇所まで顕著な成分が現れるという傾向が得られたので、それに基づきルールを構築し、低月齢児の空腹および眠い時の泣き声を約8割の精度で正しく識別できることを示した。また、高月齢児と低月齢児の泣き声の周波数分布が異なることを明らかにし、本システムのパラメータを月齢に伴い変化させる必要があることを示した。次に、注射の時の乳幼児の泣き声を入手し、この周波数解析を行った。この周波数スペクトルの包絡線の形状が、空腹時や眠い時のものと異なり、突起部がほとんど一つしか存在しないという特徴的な性質が見られることを明らかにした。ただ、ここで扱ったデータ数があまり多くないので、断定的なことは言えないが、注射の痛みのような非常時における泣き声についても自動識別ができる可能性があることを示した。さらに、音声の解析の際に問題となる外部雑音の除去を目的とした新しい非線形ディジタルフィルタを提案し、実際の音声に対して有効性を示すとともに、画像の雑音除去にも効果的であることを示した。