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銅(I)/次亜ハロゲン酸反応系を用いた新規電解促進酸化処理法の開発

本研究は排水中のハロゲン化物イオンを電解酸化して得られる次亜ハロゲン酸と電解生成銅(I)イオンを反応させることにより水酸基ラジカル(OHラジカル)を生成する水処理プロセスの構築を目指すものである。平成30年度は2つの課題((2)Cu(I)/HOX反応を用いた電解促進酸化処理法の運転操作因子の検討,(4)塩素酸・臭素酸等の副生成物の生成特性の評価)に取り組んだ。(2)については,Cu(II)イオンの電解還元によるCu(I)生成と排水中塩化物イオンの電解酸化によるHOCl生成を組み込んだ電解フローセル型反応器を製作し,運転条件の最適化を進めるとともに,平成29年度に実施した電解槽型反応器との性能比較を行った。その結果,従来の電解槽型反応器では電流密度5 mA/cm2の条件で6.1%に過ぎなかった電流効率が製作した電解フローセル型反応器では41.7%に向上した。また,臭化物イオンの活用についてFe(II)/HOBr反応系を用いた試験を実施した結果,ラジカルの生成は確認されたものの過剰に残存する臭化物イオンがラジカルスカベンジャーとして働き,効率的な促進酸化プロセスとはなり得ないことを明らかにした。(4)については,電解フローセル型反応器を用い,酸性条件下で塩素酸,過塩素酸の生成特性を評価した。その結果,いずれも検出限界値以下となり,処理過程での生成・蓄積は認められなかった。塩素酸等の生成は遊離塩素の不均化反応が主たる生成経路と考えられる。遊離塩素の不均化反応はアルカリ条件下で起こりやすいことが知られているため,酸性条件での運転により塩素酸等の生成が抑制されたと考えられた。また,適切な運転条件では遊離塩素の蓄積が起こらないことも,塩素酸等の生成抑制につながったと考えられた。課題(1)については,平成29年度に完了している。課題(2)については,平成30年度の研究により最適化が完了し,計画通りに進んでいる。課題(3)については,平成31年度(令和元年度)に実施する計画である。課題(4)については,平成30年度の研究により,適切な条件のもとではハロゲン酸化物の蓄積が起こらないことを確認しており,計画通りに進んでいる。平成30年度の研究において,電解処理の過程で金属銅の沈殿物の生成が認められた。また,条件によってはカソードが銅メッキされる状況も確認された。そこで,平成31年度(令和元年度)は金属銅沈殿物やカソードに析出した銅を有効活用する技術の開発を行うとともに,課題(3)処理水残存銅イオンのリサイクル技術の確立に取り組む。これらの研究開発の成果を踏まえ,場合によっては銅の有効活用技術と親和するように課題(2)の運転条件の一部見直しに着手する可能性もある。本研究は排水中のハロゲン化物イオン(塩化物イオン,臭化物イオン)を電解酸化して得られる次亜ハロゲン酸と電解生成銅(I)イオンを反応させることにより水酸基ラジカル(OHラジカル)を生成する水処理プロセスの構築を目指すものである。平成29年度は2つの課題((1)Cu(I)/HOX反応による促進酸化効果の確認,(2)Cu(I)/HOX反応を用いた電解促進酸化処理法の運転操作因子の検討)に取り組んだ。(1)については,Cu(I)/HOX反応は未報告の反応であるため,まずは次亜ハロゲン酸として一般的な次亜塩素酸を用いて,薬剤混合によるラジカル生成の確認を試みた。1,4-ジオキサンをラジカルプローブとし,塩化銅(I)溶液と次亜塩素酸ナトリウム溶液を混合させてラジカル生成を確認した結果,1,4-ジオキサンの分解が確認され,化学量論関係から,Cu(I) + HOCl →Cu(II) + OH + Cl-というFenton型反応が起こっていることが確認された。(2)については,Cu(II)イオンの電解還元によるCu(I)生成と排水中塩化物イオンの電解酸化によるHOCl生成を組み込んだ反応器を開発し,促進酸化能力の発現の有無と促進酸化能力に及ぼす電流密度および流速の影響を評価した。加えて,次亜塩素酸に代わる次亜ハロゲン酸として次亜臭素酸の電解生成条件を検討した。結果として,電解生成Cu(I)/HOCl反応器では,電流効率は6.1%程度と低いものの,pH中性付近で促進酸化機能を発揮させることに成功した。また,次亜塩素酸に比べた次亜臭素酸の電解生成条件の違いもあきらかとなった。課題(1)については,Cu(I)/HOCl反応系についてラジカル生成が起こることを示し,対応する反応を特定することに成功しており,計画通りに進捗している。課題(2)については,反応器や電極の準備に手間取った結果,電極材料試験が未実施となっているが,それ以外の点については計画通りに進捗している。(2)については,Cu(II)イオンの電解還元によるCu(I)生成と排水中

塩化物イオンの電解酸化によるHOCl生成を組み込んだ電解フローセル型反応器を製作し,運転条件の最適化を進めるとともに,平成29年度に実施した電解槽型反応器との性能比較を行った。その結果,従来の電解槽型反応器では電流密度5 mA/cm2の条件で6.1%に過ぎなかった電流効率が製作した電解フローセル型反応器では41.7%に向上した。また,臭化物イオンの活用についてFe(II)/HOBr反応系を用いた試験を実施した結果,ラジカルの生成は確認されたものの過剰に残存する臭化物イオンがラジカルスカベンジャーとして働き,効率的な促進酸化プロセスとはなり得ないことを明らかにした。(4)については,電解フローセル型反応器を用い,酸性条件下で塩素酸,過塩素酸の生成特性を評価した。その結果,いずれも検出限界値以下となり,処理過程での生成・蓄積は認められなかった。塩素酸等の生成は遊離塩素の不均化反応が主たる生成経路と考えられる。遊離塩素の不均化反応はアルカリ条件下で起こりやすいことが知られているため,酸性条件での運転により塩素酸等の生成が抑制されたと考えられた。また,適切な運転条件では遊離塩素の蓄積が起こらないことも,塩素酸等の生成抑制につながったと考えられた。課題(1)については,平成29年度に完了している。課題(2)については,平成30年度の研究により最適化が完了し,計画通りに進んでいる。課題(3)については,平成31年度(令和元年度)に実施する計画である。課題(4)については,平成30年度の研究により,適切な条件のもとではハロゲン酸化物の蓄積が起こらないことを確認しており,計画通りに進んでいる。平成29年度にポテンショスタットの準備が完了していることから,未実施の電極材料評価については平成30年度に実施可能である。また,電解促進酸化反応器については,計画通り,引き続き,電流効率向上に向けた運転条件の検討を進める予定である。加えて,処理水に残存する銅イオンを回収再利用するシステムについて検討を開始する。平成30年度の研究において,電解処理の過程で金属銅の沈殿物の生成が認められた。また,条件によってはカソードが銅メッキされる状況も確認された。そこで,平成31年度(令和元年度)は金属銅沈殿物やカソードに析出した銅を有効活用する技術の開発を行うとともに,課題(3)処理水残存銅イオンのリサイクル技術の確立に取り組む。これらの研究開発の成果を踏まえ,場合によっては銅の有効活用技術と親和するように課題(2)の運転条件の一部見直しに着手する可能性もある。平成29年度において,電極材料試験が一部未実施となっており,そのため,研究経費残が生じた。ポテンショスタットなどの大型機材については平成29年度に準備が完了しており,平成30年度に当初計画通り,電極材料試験を実施する予定である。課題(4)塩素酸・臭素酸等の副生成物の生成特性評価において,副生成物の生成が認められなかったため,副生成物低減対策技術開発を想定し,確保していた研究費の分だけ,支出が抑制された。一方,当初想定していなかった金属銅沈殿物の生成といった課題が出てきたことから,平成31年度(令和元年度)の研究において,次年度使用額を金属銅沈殿物の有効活用技術開発に充当する予定である。
光ピンセットを用いたコロイド結晶およびコロイド粒子間相互作用の研究

1)我々はこれまでコロイド粒子と高分子を混合した系において粒子間に働く相互作用引力のひとつである枯渇凝集力を測定してきた。この手法は光ピンセットを使い粒子を他の粒子から引き剥がすことにより力の最大値を測定するというものである。この枯渇力測定の際、粒子表面に吸着した高分子が他の粒子と架橋を起こすために起こる架橋凝集力も測定にかかる可能性があり、これが問題となっていた。我々はある種の界面活性剤が粒子表面に高分子より優先的に吸着することを実験的に確かめ、この界面活性剤をも加えた系において粒子間の引力を測定した。架橋を阻害した結果枯渇力は理論とよい一致を見せた。またこれまでの2者の混合系の結果と比較したところ、枯渇力と架橋力が働く高分子濃度領域とその力のオーダーはほぼ同じであることを見出した。2)2本のレーザービームを使用した光ピンセット用の光学系と、このビームのスポット間の距離を精密に制御するシステムを製作した。このシステムと、前年度までに開発した画像取り込み装置を使った粒子認識システムを組み合わせることにより、コロイド2粒子間の相互作用ポテンシャルを実験的に決定することに成功した。これは2つの光ピンセットに捕らえられた粒子を近づけ、粒子の感じるポテンシャルをその存在確率分布から求め、それから光ピンセットの作るポテンシャルを差し引くことで得られる。この手法により、1)のようなこれまで知られている方法に較べ、2-3桁小さい力まで検出できるようになった。また、得られた結果は予備的なものだが、DLVO理論として知られる粒子間相互作用の理論とよい一致を見た。3)前期の粒子認識システムをコロイド結晶に適応し、結晶中の粒子の運動解析を行った。前年度までに、結晶中の粒子は単純な調和振動子のポテンシャル中を拡散する粒子としての簡単なモデルでは説明ができないことを確かめており、それに代わり、結晶をオーバーダンプされた結合振動体と捉えることができるという予測を行っていたが、実験結果を完全に説明するには至っていない。本年度の研究実績は、以下のように分類、整理できる。1.レーザーピンセット用の光学系の完成および、2本のレーザービームを使用した、高度な粒子操作を場合に対応できるシステムを製作した。2.画像取り込みによる、自動粒子認識システムを作製し、上記のシステムと結合した粒子操作系を確立した。3.画像取り込み装置を使った、調和振動子のポテンシャル(レーザートラップのポテンシャルがこれに対応している)に捕らわれた粒子の拡散運動の測定と、理論との比較を行い、これが理論と良く一致することを検証した。4.この方法を、コロイド結晶に適用し、コロイド結晶中の粒子は、調和振動子のポテンシャルに捕捉されていることを検証した。この結果は`96年に、J.Bongers等(J.Chem.Phys.104(4),22,1996)によって既に報告されているが、我々はある粒子の最近接粒子の位置を限定した条件つき確率分布を求めることによって、彼らが求めたのは周りの粒子の運動による効果を取り込んだ、有効ポテンシャルであることを示し、我々の方法によってはじめて、本来のポテンシャルを決定できることを示した。5.この系について、J.Bongers等は結晶中の粒子の運動解析を行い、有効ポテンシャル中を拡散運動する粒子としての簡単なモデルでは説明できないことを指摘しているが、我々は格子振動のモードをオーバーダンプすることによって発生する拡散モードとその緩和時間の分布からこの運動を説明できると言う予測を行った。

本年度の研究実績は,以下のように分類できる.1)我々はこれまでコロイド粒子と高分子を混合した系において粒子間に働く相互作用引力のひとつである枯渇凝集力を測定してきた.この手法は光ピンセットを使い粒子を他の粒子から引き剥がすことにより力の最大値を測定するというものである.この枯渇力測定の際,粒子表面に吸着した高分子が他の粒子と架橋を起こすために起こる架橋凝集力も測定にかかる可能性があり,これが問題となっていた.我々はある種の界面活性剤が粒子表面に高分子より優先的に吸着することを実験的に確かめ,この界面活性剤をも加えた系において粒子間の引力を測定した.架橋を阻害した結果枯渇力は理論とよい一致を見せた.またこれまでの2者の混合系の結果と比較したところ,枯渇力と架橋力が働く高分子濃度領域とその力のオーダーはほぼ同じであることを見出した.2)2本のレーザービームを使用した光ピンセット用の光学系と,このビームのスポット間の距離を精密に制御するシステムを製作した.このシステムと,前年度までに開発した画像取り込み装置を使った粒子確認システムを組み合わせることにより,コロイド2粒子間の相互作用ポテンシャルを実験的に決定することに成功した.これは2つの光ピンセットに捕らえられた粒子を近づけ,粒子の感じるポテンシャルをその存在確率分布から求め,それから光ピンセットのつくるポテンシャルを差し引くことで得られる.この手法により,1)のようなこれまで知られている方法に較べ2-3桁小さい力まで検出できるようになった.また,得られた結果は予備的なものだが,DLVO理論として知られる粒子間相互作用の理論とよい一致を見た.3)前記の粒子認識システムをコロイド結晶に適用し,結晶中の粒子の運動解析を行った.前年度までに,結晶中の粒子は単純な調和振動子のポテンシャル中を拡散する粒子としての簡単なモデルでは説明ができないことを確かめており,それに代わり,結晶をオーバーダンプされた結合振動体と捉えることができるという予測を行っていたが,実験結果を完全に説明するには至っていない.
量子化誤差存在下での多視点画像間の幾何学的関係と3次元形状復元に関する研究

本研究では,誤差を離散化誤差と観測誤差とに区別して扱うという着想に基づき,離散化誤差が存在することを前提として,幾何特徴に関する多視点画像間の関係を明らかにし,3次元復元に応用することを目的としている.本年度に得られた成果は,以下の通りである.1.離散化誤差存在下でのカメラパラメタ校正:3次元復元のためには用いるカメラのパラメタを校正すること必須となっている.連続空間での定式化に基づくカメラパラメタ校正では,内部パラメタ,外部パラメタをともに未知とする未校正画像を用いてカメラパラメタを推定する手法が提案されているが,これに対して,画素を最小単位とする立場に立ったカメラ校正法を検討した.その結果,離散化誤差を許容した枠組では,誤差が内部,外部のパラメタの一方のみに集約される場合,両方に分散して存在する場合,を区別して検討する必要があることが判明した.そこで,まずは,外部パラメタのみの校正法の定式化を行った.そして,外部パラメタの校正問題はパラメタに関する不等式制約の形で定式化が可能であり,その解法には,凸多面体解析で用いられているフーリエ・モツキンの消去法が適用可能であるとの見通しを得た.2.離散化誤差を考慮した3次元形状復元手法の高機能化:昨年度開発した,離散化誤差の問題を避けて距離画像の位置合わせを実現する手法を適用するには,十分よい初期値を選ばなければならないという問題があった.そこで,本年度は,この問題を解決する,距離画像のおおまかな位置合わせ手法を考案した.ここでは,対応づけの組合せの整合性を評価し,整合する対応づけの組合せをできるだけ多く見つけるというアプローチをとった.そして,この問題をグラフ上で表現し,位置合わせ問題をそのグラフ上での組合せ最適化問題として定式化した.本研究での定式化によって,局所解に陥ることなく大域的に最適な解が求まり,よい初期値が得られることが保証される.合成画像や実画像を用いて入念に実験を行い,提案手法の有効性を確認した。本研究では,誤差を離散化誤差と観測誤差とに区別して扱うという着想に基づき,離散化誤差が存在することを前提として,幾何特徴に関する多視点画像間の関係を明らかにし,3次元復元に応用することを目的としている.本年度に得られた成果は,以下の通りである.1.離散エピポーラ幾何の構築と3次元復元への応用:画像を画素によって離散化された平面として捉え,連続空間での定式化に立脚するエピポーラ幾何に現れる諸概念を離散の立場から数学的に再定義することによって,離散エピポーラ幾何を構築した.具体的には,視線錐,離散エピポーラ面,離散エピポーラ線の概念を導入し,その数学的な定義を与え,それらを求める手法を考案した.さらに,離散エピポーラ幾何を3次元復元に応用する実験を行い,画素を単位とした3次元復元について検討を行った.2.量子化誤差を考慮した3次元形状復元:距離画像センサで物体表面の3次元形状を計測する際には,量子化誤差のため,観測可能範囲であってもセンサの位置と姿勢に依存して物体面上の同一の点を計測することができないという問題がある.そこで,本研究では,各計測点に対して距離画像上での近傍領域内に含まれる計測点から構成される局所的な面を考え,この局所的な面を扱うことで量子化誤差の問題を避けて距離画像の位置合わせを実現する手法を開発した.合成画像や実画像を用いた実験により,従来手法に比べ,正確で頑健な位置合わせを実現し3次元形状が復元できていることを確認した.3.離散曲面の局所的な点配置の解析:画素を最小単位とした3次元形状復元・解析では,3次元空間を離散的に扱う必要がある.そのような3次元離散空間では,トポロジーを導入することにより,3次元物体の境界を離散曲面として表現することができる.本研究では,組合せ位相構造を利用することにより,離散曲面の局所的な点配置は有限個に限られ,その数は比較的少ないことを示した.また,幾何学的形状解析には,それらの点配置が有用であることを示した.本研究では,誤差を離散化誤差と観測誤差とに区別して扱うという着想に基づき,離散化誤差が存在することを前提として,幾何特徴に関する多視点画像間の関係を明らかにし,3次元復元に応用することを目的としている.本年度に得られた成果は,以下の通りである.1.離散化誤差存在下でのカメラパラメタ校正:3次元復元のためには用いるカメラのパラメタを校正すること必須となっている.連続空間での定式化に基づくカメラパラメタ校正では,内部パラメタ,外部パラメタをともに未知とする未校正画像を用いてカメラパラメタを推定する手法が提案されているが,これに対して,画素を最小単位とする立場に立ったカメラ校正法を検討した.その結果,離散化誤差を許容した枠組では,誤差が内部,外部のパラメタの一方のみに集約される場合,両方に分散して存在する場合,を区別して検討する必要があることが判明した.そこで,まずは,外部パラメタのみの校正法の定式化を行った.そして,外部パラメタの校正問題はパラメタに関する不等式制約の形で定式化が可能であり,その解法には,凸多面体解析で用いられているフーリエ・モツキンの消去法が適用可能であるとの見通しを得た.2.離散化誤差を考慮した3次元形状復元手法の高機能化:昨年度開発した,離散化誤差の問題を避けて距離画像の位置合わせを実現する手法を適用するには,十分よい初期値を選ばなければならないという問題があった.

そこで,本年度は,この問題を解決する,距離画像のおおまかな位置合わせ手法を考案した.ここでは,対応づけの組合せの整合性を評価し,整合する対応づけの組合せをできるだけ多く見つけるというアプローチをとった.そして,この問題をグラフ上で表現し,位置合わせ問題をそのグラフ上での組合せ最適化問題として定式化した.本研究での定式化によって,局所解に陥ることなく大域的に最適な解が求まり,よい初期値が得られることが保証される.合成画像や実画像を用いて入念に実験を行い,提案手法の有効性を確認した。
難治性食道癌に有効なCAR-T療法のための最適なT細胞選択

固形腫瘍(食道癌)に有効なMAGE-A4新規CAR-T療法に用いるT細胞の最適な調製法、選択法、複合的治療(T細胞の代謝改善薬との併用)のためのrationale構築とin vivoモデルによるPOC取得をする。
豪雨域の強度・規模・移動方向が洪水流出に及ぼす効果に関する研究

各研究課題に分けて要約すると、以下のようになる。1.既住洪水時の豪雨・洪水特性の調査研究分担者が入手しやすい、淀川,木曽川,富士川で水文資料の収集と分析を行った。淀川水系では、約600個の台風資料をファイル化し、台風情報のあいまい性を考慮した予測方法を提案した。木曽川水系では、過去8出水の水文データのファイル化の御在所レーダー情報を用いた降雨域の広域的画像処理を行った。富士川水系では、過去4出水の水文,水理学的データを収集し、大出水がもたらす河床変動量を求めた。2.流域モデルの構成流域の斜面特性の分布が直接流出に及ぼす影響を探るため、試験地規模での斜面勾配,降雨強度,浸透能の分布,ならびに、その時間的変化について検討した。その結果、有効降雨に対する地形効果や表面流が受け持つ流出寄与域の概念を確認することができた。一方、実時間での洪水流出予測モデルとして、予測対象地点での必要時間を重視し、(【I】)重回帰式による数理統計学的方法と(【II】)貯留関数法とカルマンフィルタを結合させた物理的方法を適用し、結果を比較した。精度とプログラム化から見ると、(【I】)を洪水予報の1次情報,(【II】)を避難,警戒等の2次情報として用いることが効率的であろう。3.豪雨発生モデルの構成と数値実験ある想定された矩形流域を9個の部分流域に分割し、斜面では山腹斜面集中モデルを、河道ではKinematic Waveモデルを用いて流出特性を調べた。豪雨は、(【I】)流域と同じ大きさあるいは移動方向に3倍の降雨域を持つ場合と(【II】)Seeder-Freeder型の場合である。これによって、基本流域での、豪雨の移動,変動と洪水流出の関係を系統的に求めることができた。
果実・野菜の収穫後におけるフェノール物質および抗酸化能に関する研究

青果物のカット処理後の貯蔵条件が抗酸化物質と抗酸化活性に及ぼす影響を調査した.(1)ブロッコリーの加工および貯蔵中の抗酸化物質および抗酸化能の変化ブロッコリーのフェノール物質は多種多様であったが,加水分解によってケンフェロール,ケルセチンおよびルテオリン類が主体であることを確認した.アスコルビン酸含量は茎部が花蕾部より多かったがフェノール物質およびカロテノイド含量は花蕾部に多く,花蕾部のカロテノイドは主としてβ-カロテンおよびビオラキサンチンであった.加熱調理はアスコルビン酸やフェノール物質を減少させ,抗酸化能は約65%消失した.カット処理後の30μmポリエチレン(PE30),50μmポリエチレン(PE50)および30μmポリプロピレン(PP30)包装貯蔵はアスコルビン酸含量の減少やフェノール物質の増加を抑制した.(2)タマネギの加工後の貯蔵中における抗酸化物質および抗酸化能の変化HPLC分析からタマネギの主要なフェノール物質は2種のケルセチン化合物でありこれらが総ポリフェノールの約67%を占めることをみとめた.カット処理後のフィルム包装貯蔵において,アスコルビン酸は減少したがフェノール物質は増加し,その程度はフィルムの厚さと種類により異なった.フェノール物質含量の増加はPE30<PE50<PP30の順に高く,包装内二酸化炭素濃度も同様の傾向であった.(3)スライスリンゴの貯蔵中の抗酸化活性の変化と保持についてリンゴ果実のスライス処理後は,フィルム包装貯蔵によっても組織褐変が進行し,基質となるフェノール物質も減少した.この変化はスライスリンゴの抗酸化活性の低下をもたらし,2°C貯蔵10日においてはPE30包装区は当初の16.2%,PP30包装においては30.2%まで低下した.0.51%のビタミンC処理はフェノール物質含量と抗酸化能を高く維持するために効果的であった.CA及びMA貯蔵中におけるスライスピーマンのフェノール物質含量及び抗酸化能の変化について調査した.1.実験材料の調製ピーマンは薄い輪切りとし,簡易CA貯蔵装置を用いて,空気,2%酸素/10%二酸化炭素および2%酸素/20%二酸化炭素条件下に貯蔵した.また,厚さ0.03mm及び0.05mmポリエチレン袋ならびに厚さ0.03mmポリプロピレン袋に100gずつ密封包装し(MA処理区),2°Cで貯蔵した.対照区は有孔ポリエチレン包装とした.これらの試料を適宜実験に供し,フェノール物質含量,アスコルビン酸含量,抗酸化活性,DPPHラジカル消去活性を測定した.2.結果及び考察(1)スライスピーマンのフェノール物質含量,抗酸化活性及びDPPHラジカル消去活性は貯蔵中に空気対照区及び2つのCA条件区において増加した.CA貯蔵区においては,14日貯蔵後のフェノール物質含量は空気対照区よりも低くなり,抗酸化活性およびラジカル消去活性についても低かった.このことより高濃度の二酸化炭素条件はフェノール物質含量の増加を抑制し,抗酸化能にも影響することが示された.(2)MA処理区においても,スライスピーマンのフェノール物質含量,抗酸化活性およびラジカル消去活性はすべての区において増加した,厚さ0.03mm0.05mmポリエチレンおよび厚さ0.03mmポリプロピレン包装区において,14日貯蔵後のフェノール物質含量は有孔包装区よりも低く,抗酸化活性とラジカル消去活性についても同様の傾向を示した.GCによるガス組成分析から,袋内が高二酸化炭素条件となるほど,フェノール物質の増加が抑制される傾向であった.(3)アスコルビン酸含量はCAおよびMA貯蔵中に減少した.10%二酸化炭素条件はアスコルビン酸の保持効果が高かったが,より高濃度の二酸化炭素条件となった場合には保持効果が低く,アスコルビン酸の酸化が促進されるものと推察された.以上より,フェノール物質の誘導とアスコルビン酸の減少抑制には10%二酸化炭素条件が適当と思われた.青果物のカット処理後の貯蔵条件が抗酸化物質と抗酸化活性に及ぼす影響を調査した.(1)ブロッコリーの加工および貯蔵中の抗酸化物質および抗酸化能の変化ブロッコリーのフェノール物質は多種多様であったが,加水分解によってケンフェロール,ケルセチンおよびルテオリン類が主体であることを確認した.アスコルビン酸含量は茎部が花蕾部より多かったがフェノール物質およびカロテノイド含量は花蕾部に多く,花蕾部のカロテノイドは主としてβ-カロテンおよびビオラキサンチンであった.加熱調理はアスコルビン酸やフェノール物質を減少させ,抗酸化能は約65%消失した.カット処理後の30μmポリエチレン(PE30),50μmポリエチレン(PE50)および30μmポリプロピレン(PP30)包装貯蔵はアスコルビン酸含量の減少やフェノール物質の増加を抑制した.(2)タマネギの加工後の貯蔵中における抗酸化物質および抗酸化能の変化HPLC分析からタマネギの主要なフェノール物質は2種のケルセチン化合物でありこれらが総ポリフェノールの約67%を占めることをみとめた.カット処理後のフィルム包装貯蔵において,アスコルビン酸は減少したがフェノール物質は増加し,その程度はフィルムの厚さと種類により異なった.フェノール物質含量の増加はPE30<PE50<PP30の順に高く,包装内二酸化炭素濃度も同様の傾向であった.(3)スライスリンゴの貯蔵中の抗酸化活性の変化と保持についてリンゴ果実のスライス処理後は,フィルム包装貯蔵によっても組織褐変が進行し,基質となるフェノール物質も減少した.

この変化はスライスリンゴの抗酸化活性の低下をもたらし,2°C貯蔵10日においてはPE30包装区は当初の16.2%,PP30包装においては30.2%まで低下した.0.51%のビタミンC処理はフェノール物質含量と抗酸化能を高く維持するために効果的であった.
板鰓類の腎臓における尿素再吸収モデルの構築:輸送体分子の網羅的解析から

海産の板鰓類は尿素を体内に蓄積することで体液の浸透圧を海水レベルに上昇させ、海という高浸透圧環境でも脱水から免れるという、ユニークな体液調節を行う。そのため、腎臓では濾過されてしまう尿素のほとんどを再吸収して、高い尿素濃度を維持している。本研究では、腎臓の細尿管上に存在する輸送体分子の網羅的解析から水やオスモライトの動きを明らかにし、尿素再吸収モデルを提唱することを目的とした。まず尿素輸送体分子をクローニングにより同定し、ほとんど腎臓でのみ発現していることを示した。特異的抗体を作成して腎臓での局在を調べたところ、腎細尿管の最終分節である集合細管のみに存在することがわかった。Na+/K+-ATPaseや水チャネルなどの分子群は集合細管には存在せず、第3ループに存在する。すなわち、第3ループでは原尿を濃縮すると同時に、間質に低尿素環境をつくり、これが集合細管での尿素再吸収の原動力となるのだと考えている。この原動力を利用して、対向流交換系により集合細管からきわめて高い効率で尿素を再吸収する、というモデルを提唱するに至った。一方で、このような腎機能を調節するホルモンについても研究を進めた。下垂体神経葉ホルモンとナトリウム利尿ペプチドに注目し、構造を決定するとともに、異なる浸透圧環境での合成・分泌動態の変化を、mRNA量の変化や血液中のホルモン濃度の変化を指標に調べた。神経葉ホルモンとしては新規ペプチドであるファジトシンを含む3種類のペプチドを同定し、特にバソトシンが高浸透圧環境への適応にとって重要なことを示した。一方、ナトリウム利尿ペプチドは環境浸透圧の上昇直後に血中濃度が上昇することから、腎臓や直腸腺での塩分の排出の調節に関わることが示唆された。本研究では、再吸収に関わる輸送体分子を分子機能形態学的に同定し、再吸収機構を明らかにすることを目的としている。本年度は以下の3項目について研究を進めた。1.尿素輸送体の局在:すでに同定した腎臓特異的尿素輸送体が、細尿管の最終分節である集合細管のみに存在することを明らかにした。上皮細胞の頂端部・基底部の両側に存在し、一次輸送を担うNa^+, K^+-ATPaseは集合細管には存在しない。したがって、集合細管が尿素再吸収の場であり、他の分節により形成される駆動力(尿素の濃度勾配あるいは浸透圧勾配)を利用して体内に尿素を取り込むことが示唆された。2.水チャネルの同定:水チャネルは尿素輸送の駆動力形成に重要だと考えている。ドチザメ腎臓よりクローニングを試み、アクアポリン-3に相同な2つの分子を同定した。それぞれに特異的な抗体をすでに作成しており、今後その局在を調べる予定である。3.下垂体神経葉ホルモンの同定と発現の解析:腎機能を調節するホルモンの候補として、神経葉ホルモンをドチザメ視床下部から同定した。バソトシン、アスバトシンに加え、ファジトシンという新規ペプチドを得た。これらの合成が低浸透圧あるいは高浸透圧環境でどのように変動するかを調べたところ、高浸透圧環境でバソトシンmRNA量が有意に上昇しており、腎機能の調節に関与することが示唆された。

海産の板鰓類は尿素を体内に蓄積することで体液の浸透圧を海水レベルに上昇させ、海という高浸透圧環境でも脱水から免れるという、ユニークな体液調節を行う。そのため、腎臓では濾過されてしまう尿素のほとんどを再吸収して、高い尿素濃度を維持している。昨年度は尿素輸送体の局在を明らかにし、尿素再吸収モデルを提唱した。今年度はその腎機能がホルモンによってどのように調節を受けるか、下垂体神経葉ホルモン(NH)とナトリウム利尿ペプチド(CNP)に注目して研究を進めた。NHは四肢動物の腎機能に関わる重要なホルモンであり、哺乳類では水や尿素の透過性を制御する。昨年度、ドチザメが持つNHとしてバソトシン(VT)、アスバトシン(ASV)に加えてファジトシン(PAI)という新規ペプチドの存在を明らかにした。まずVTの血中ホルモン量を測定するためにラジオイムノアッセイ(RIA)系を確立した。この系はVTあるいはバソプレシンのみを特異的かつ高感度に測定できるため、すべての脊椎動物に適用可能な貴重なツールを得ることができた。このVTとCNPのRIA系ならびにVT、ASV、PAI、CNP mRNAのノーザン解析により、環境浸透圧の変化に伴うホルモン産生・分泌活動の動態を調べた。ドチザメを130%濃縮あるいは60%希釈海水に移すと、血中のイオンと尿素濃度を増減させて環境浸透圧の変化に順応する。血中CNPは濃縮海水移行1日目にのみ上昇し、急激に上昇するNaClの排出など、緊急対応的に働くのではないかと考えている。一方VTは遺伝子発現・血中量ともに濃縮海水移行2日目に上昇した。ASVとPAIの発現量および、希釈海水への移行後はどのホルモンにも有意な変動はみられなかった。このことはVTが高浸透圧環境への適応にとって重要なことを示唆し、腎機能、特に尿素再吸収との関わりに注目している。海産の板鰓類は尿素を体内に蓄積することで体液の浸透圧を海水レベルに上昇させ、海という高浸透圧環境でも脱水かち免れるという、ユニークな体液調節を行う。昨年度までに、尿素輸送体の局在をもとに尿素再吸収モデルを提唱し、下垂体神経葉ホルモンであるバソトシンがその腎機能を調節することを示唆する結果を得た。今年度はまず、尿素再吸収モデルをより確かなものとするために、水チャネルのクローニングを進め、哺乳類の3型と相同性の高い2種類のチャネル分子を得た。3型チャネルは水だけでなく尿素を同時に通す可能性があり、2種類の分子が得られたのはサメがはじめてである。現在機能解析を進めており、腎機能との関わりが注目される。これまでは海産のドチザメをモデルとして研究を進めてきたが、淡水と海水の間を行き来する広塩性魚であるオオメジロザメと、全頭類のゾウギンザメについても研究を開始した。オオメジロザメを淡水から海水に移行させると、バソトシンの血中レベルが一過的に上昇した。これはドチザメでの結果と一致し、バソトシンが腎機能、特に高浸透圧環境への移行に伴う尿素再吸収や抗利尿作用に重要であることを示唆する。今後、海水および淡水環境での輸送分子の働きを腎臓で調べていく。全頭類は軟骨魚類のなかでも原始的なグループであり、尿素を用いる体液調節の進化を理解するために注目した。血中には板鰓類と同等の尿素を持ち、環境浸透圧の変化に対してやはり尿素を増減させて体液浸透圧を保つことがわかった。ただし、腎臓での尿素再吸収能は板鰓類よりも低いようである。また、独立した直腸腺を持たず、直腸の筋層内部に管状の組織が埋まっていた。
破骨細胞が産生する骨吸収抑制タンパクの作用機序の解析

歯周疾患は,細菌感染による慢性炎症性疾患であり,これにより病的な骨吸収が引き起こされる.この骨吸収を抑制することが,歯周病の治療および予防に非常に重要である.骨代謝に重要な骨吸収を司る細胞が破骨細胞であり,この破骨細胞の分化に関する細胞内伝達経路が数多く報告されている.この伝達経路をコントロールすることが出来れば,骨吸収をコントロールすることが可能である.我々の共同研究者が,破骨細胞が産生する新規の破骨細胞形成抑制因子(OIP-1, Osteoclast inhibitory peptide-1)を発見した.OIP-1のように破骨細胞が産生し,オートクラインに自身を抑制する因子は報告されていない.このOIP-1の破骨細胞抑制機序を解明して歯周治療に応用することが目的である.以上より,OIP-1は,IFN-γによる破骨細胞抑制機序に関与しており,TRAF-2とp-c-Junキナーゼ活性を抑制することにより破骨細胞分化を抑制していることが明らかとなった.OIP-1は,歯周病における炎症性骨吸収を抑制できる可能性が考えられる.歯周疾患は,細菌感染による慢性炎症性疾患であり,これにより病的な骨吸収が引き起こされる.この骨吸収を抑制することが,歯周病の治療および予防に非常に重要である.骨代謝に重要な骨吸収を司る細胞が破骨細胞であり,この破骨細胞の分化に関する細胞内伝達経路が数多く報告されている.この伝達経路をコントロールすることが出来れば,骨吸収をコントロールすることが可能である.我々の共同研究者が,破骨細胞が産生する新規の破骨細胞形成抑制因子(OIP-1, Osteoclast inhibitory peptide-1)を発見した.OIP-1のように破骨細胞が産生し,オートクラインに自身を抑制する因子は報告されていない.このOIP-1の破骨細胞抑制機序を解明して歯周治療に応用することが目的である.以上より,OIP-1は,IFN-γによる破骨細胞抑制機序に関与しており,TRAF-2とp-c-Junキナーゼ活性を抑制することにより破骨細胞分化を抑制していることが明らかとなった.OIP-1は,歯周病における炎症性骨吸収を抑制できる可能性が考えられる.歯周疾患は,細菌感染による慢性炎症性疾患であり,これにより病的な骨吸収が引き起こされている.この骨吸収を抑制することが,歯周病の治療および予防に非常に重要である.骨代謝に重要な骨を吸収する細胞が破骨細胞であり,この破骨細胞の分化に関する細胞内伝達経路が数多く報告されている.この伝達経路をコントロールする事が出来れば,骨吸収をコントロールする事が可能である.我々の共同研究者が,破骨細胞が産生する新規の破骨細胞形成抑制因子(OIP-1,Osteoclast Inhibitory Peptide-1)を発見した.OIP-1のように破骨細胞が産生しオートクラインに自身を抑制する因子は報告されていない.このOIP-1の破骨細胞抑制機序を解明して歯周治療に応用することが目的である.今年度は,OIP-1を誘導する因子のスクリーニングを行った.OIP-1の骨髄細胞および骨芽細胞での発現を調べた結果,マウス骨髄細胞(6週齢雄のddYマウス)の破骨細胞抑制因子であるIFN-γ,破骨細胞形成刺激因子のIL-1β刺激によりOIP-1のmRNA発現の増加が認められた.しかし,破骨細胞形成刺激因子のM-CSF及び活性型VD3刺激では,特に変化が認められなかった.次に,骨形成に重要な細胞であるマウス骨芽細胞(哺乳2日齢ddYマウスの頭蓋骨から採取する)をIFN-γで刺激した結果,OIP-1のmRNA発現の増加が認められた.しかしながら,IL-1β及びM-CSF,活性型VD3,Vitamin A刺激では,特に変化が認められなかった.以上の結果より,IFN-γによりOIP-1が特異的に誘導されることが明らかなり,OIP-1はIFN-γの破骨細胞抑制機序に関与していることが強く示唆された.今後,OIP-1の骨吸収抑制機序を解明するため,OIP-1とIFN-γの関連を検討していく予定である.歯周疾患は,細菌感染による慢性炎症疾患であり,これにより病的な骨吸収が引き起こされている.この骨吸収を抑制することが,歯周病の治療および予防に非常に重要である.骨代謝に重要な骨を吸収する細胞が破骨細胞であり,この破骨細胞の分化に関する細胞内伝達経路が数多く報告されている.この伝達経路をコントロールする事が出来れば,骨吸収をコントロールする事が可能である.我々の共同研究者が,破骨細胞が産生する新規の破骨細胞形成抑制因子(OIP-1,Osteoclast Inhibitory Peptide-1)を発見した.OIP-1のように破骨細胞が産生しオートクラインに自身を抑制する因子は報告されていない.このOIP-1の破骨細胞抑制機序を解明して歯周治療に応用することが目的である.前年度は,OIP-1を誘導する因子のスクリーニングを骨髄細胞および骨芽細胞で行った.その結果,IFN-γ,IL-1β刺激により骨髄細胞でOIP-1のmRNA発現の増加が認められた.次に,骨形成に重要な骨芽細胞をIFN-γで刺激した結果,同様にOIP-1のmRNA発現の増加が認められた.

これら結果より,IFN-γによりOIP-1が特異的に誘導されることが明らかなり,OIP-1はIFN-γの破骨細胞抑制機序に関与していることが強く示唆された.今年度は,OIP-1とT細胞やマクロファージの産生するIFN-γの関連を検討するため,OIP-1の破骨細胞抑制に対してIFNγの抗体を添加したところOIP-1の活性が中和された.この事より,OIP-1の破骨細胞抑制作用にIFN-γの関与が示された.さらに,OIP-1の破骨細胞の抑制機序を調べたところOIP-1は,RANKLが誘導するTRAF-2,c-fos, p-c-Junの発現を抑制した.さらに,その下流にある転写因子としてNF-κBの発現を検討していく予定である.また,OIP-1の骨吸収抑制機序を解明するため,OIP-1と免疫担当細胞の中心であるT細胞との関連についても検討していく予定である.歯周疾患は,細菌感染による慢性炎症性疾患であり,これにより病的な骨吸収が引き起こされる.この骨吸収を抑制することが,歯周病の治療および予防に非常に重要である.骨代謝に重要な骨吸収を司る細胞が破骨細胞であり,この破骨細胞の分化に関する細胞内伝達経路が数多く報告されている.この伝達経路をコントロールする事が出来れば,骨吸収をコントロールする事が可能である。我々の共同研究者が,破骨細胞が産生する新規の破骨細胞形成抑制因子(OIP-1,0steoclast Inhibitory Peptide-1)を発見した.OIP-1のように破骨細胞が産生しオートクラインに自身を抑制する因子は報告されていない.このOIP-1の破骨細胞抑制機序を解明して歯周治療に応用することが目的である.前年度までに,我々は,IFN-γ刺激により骨芽細胞、骨髄細胞上でのOIP-1発現が増加すること,OIP-1の破骨細胞抑制作用にIFN-γが決定的であることを明らかにした。また、OIP-1の破骨細胞抑制機序として,RANKLが誘導するTRAF-2,c-fos, p-c-Junの発現を抑制することを明らかにした。今年度は,TRAF-2,c-fos, p-c-Junの下流にあり破骨細胞の形成に関わる転写因子であるNF-κBの活性化に対するOIP-1の影響を調べたところ,NF-κBの活性化には,影響を及ぼさないことを明らかにした.また,OIP-1と免疫担当細胞の関係を解明するため,T細胞関連サイトカインであるIL-12で骨髄細胞を刺激したところ,OIP-1の遺伝子発現は増加した。これらの事より,OIP-1の破骨細胞抑制機序にTh-1サイトカインが深く関与していることが示唆された.以上より,OIP-1はIFN-γによる破骨細胞抑制機序に関与していることが明らかとなり,歯周病における炎症性骨吸収を抑制できる可能性が示唆された.
映画二重字幕と音声・視覚情報の伝達速度制御システムの英語教育への適用可能性の研究

音声情報の時間軸変換処理と同期させて視覚情報(ビデオ映像)の時間軸変換処理(SV処理)を用い、字幕で意味解釈の補強を行えば、より効果的なリスニング教育・学習システムの可能性が浮上するという観点から、最終年度である本年度の主な目的は、1.集団学習形態にありながら、呈示するビデオ教材の再生速度を個々の学習者の習熟度に応じて合わせ、即ち、ファインチューニングのできるSV処理システムの模索、2.AV刺激より遅い速度のSV刺激で訓練させた場合と、逆に速い速度で訓練させた場合の聴解力、理解力、及び記憶保持率に及ぼす影響並びに優位性の差異の解明、3.英語字幕の有無が前述2に及ぼす影響の解明、であった。現在までに判明した知見を以下に示す。1.部分的にSV処理により速度を遅くした音声・映像刺激を学習者に与えると,原速度刺激に比べて知覚及び記憶保持の度合いの向上が見られた。2.言語キャプション字幕の付加実験では,英語の能力別にそれぞれ否定及び効果特性が観られた。一般に,明瞭な音声の場合は映像はさしたる役割を果たしていないが,雑音を付加した状況では映像の提示により識別性の向上が観られると考えられている。しかし,学習者の能力別に否定・効果特性が観られていることから,字幕の有無を含めた教材の難易度と学習者の習熟度に合わせた呈示システムの必要性が明らかになった。他方,映像あるいは音声の呈示システムとして,複数の音声,音響,そして画像,字幕等の映像が混在(多重情報伝達チャンネル)する場合の識別性,錯綜耐性,及び混在効果の評定並びに解明の必要性が新たに判明した。特に,視覚(映像・字幕)情報と難解な音声現象の視聴解に繋がる補償関係や多重チャンネルによる視聴解訓練負荷実験の必要性が今後の課題となった。音声情報の時間軸変換処理と同期させて視覚情報(ビデオ映像)の時間軸変換処理(SV処理)を用い、字幕で意味解釈の補強を行えば,より効果的なリスニング教育・学習システムの可能性が浮上するという観点から,本年度の主な研究目的は,1.語学学習上に観る音声・映像・字幕による多重チャンネルモードによる提示がもたらす功罪の検証及び解析の為の資料収集,2.SV処理実験刺激作成システムの構築,3.実験刺激の作成及び予備実験の実施及び結果の解析,であった。1.語学教育及び視聴覚教育に関する国内主要学会及び大学発行の研究紀要,そして英語教育関連雑誌に掲載された研究報告を基に先行研究に関する調査を行った。平成9年11月現在で約40件の関連発表がなされていた。全体の約7割が音声・映像・字幕の多重チャンネルモードによる教材提示では,互いの提示モード間での干渉が初級者レベルでは障害となり,効果があがらず適当でないとの見解でほぼ一致しており,上級学習者については干渉の度合いも低く,理解度が上がるとの効果報告を出していることが判明した。2.SV処理実験刺激作成用に不可欠とするシステム構築用に当初要求した設備備品を揃え,予備実験用素材の作成及び実験に取り掛かった。3.SV処理速度をパラメータとする数種類の実験刺激を作成し,日本人大学生を被験者として予備実験を行った。本年度は,特に提示素材の理解の度合いを観察した。その結果,単に多重チャンネルモードのみの提示と比較して,SV素材では学習者のレベルに拘わらず約10%15%の上昇傾向が観られた。平成10年度では予備実験の結果を踏まえ,更に実験を重ね,知覚及び記憶度に焦点を当て,時間軸変換処理済素材の効果・否定の両特性を明確にしたい。

音声情報の時間軸変換処理と同期させて視覚情報(ビデオ映像)の時間軸変換処理(SV処理)を用い,字幕で意味解釈の補強を行えば,より効果的なリスニング教育・学習システムの可能性が浮上するという観点から,本年度の主な研究目的は, 1.集団学習形態にありながら,呈示するビデオ教材の再生速度を個々の学習者の習熟度に応じて合わせる,即ち,ファインチューニングのできるSV処理システムの模索, 2. AV刺激より遅い速度のSV刺激で訓練させた場合と,逆に速い速度で訓練させた場合の聴解力,理解力,及び記憶保持立に及ぼす影響並びに優位性の差異の解明,3.英語字幕の有無が前述2に及ぼす影響の解明,であった。現在までに判明した知見を以下に示す。1.初級学習者は英語字幕に集中しやすくSV処理を施した映像の効果が相対的に低く,中・上級学習者で効果が発揮されることが観察されたことを鑑み,音声・映像・字幕の各モード提示に時間軸変換処理装置を同期させたシステムの実現が強く望まれる。本システムの実現は,既存の視聴覚教室にて容易に実現されるものであると考えられる。2. SV処理速度をパラメータとする数種類の実験刺激を作成し,日本人大学生を被験者としての実験結果から,多重チャンネルモードのみの提示と比較して, SV素材では学習者のレベルに拘わらず約10%15%の上昇傾向が観察された。他方,知覚及び記憶度合では提示モード別でばらつきが観察され,効果・否定の両特性が確定できず,更なる継続研究の必要性が判明した。3.英語字幕の有無は,上述1の干渉結果があるものの,どのレベルにおいても一定の効果のあることが判明した。初級者には理解度の助けとなり,上級者には更なる理解度の向上に繋がることである。
人体の筋骨格構造と弾性調節機能を用いた新しい歩行ロボットの設計と運動制御

人体システムに基づいた筋骨格構造の新しい準受動歩行ロボットを開発した.複数の駆動機と拮抗作用を活用してシステムの運動特性を統合的に調節する方法を提案した.その駆動ユニットを製作し,位置と弾性の制御が可能であることを確認した.その結果を3リンク構造の歩行ロボットに適用し,連続的な歩行を実現した.また,膝付き5リンク構造の歩行ロボットを開発し,姿勢と足部反力のセンサ情報を用いるCPG基盤の制御機を搭載した.計算機シミュレーションと実験を通して,センサ情報によって歩行が安定化することを確認した.また,バネと弾性調節用の小型モータを用いて関節周りの弾性を調節することが可能な新しい関節機構を設計した.本研究は人体の関節周りに多く存在する筋肉による弾性調節機能について,歩行運動での役割をロボット工学の視点から考察し,人体の筋骨格構造に基づいた新しい歩行ロボットの開発に応用することを目的とする.平成26年度に行われた研究の実施状況は次のようになっている.人体の筋骨格構造に基づいた歩行メカニズムの初期モデルとして,胴体と2本足の3リンクで構成される準受動歩行ロボットを設計した.各足は弾性調節機能を持つ2本のワイヤによって駆動する筋骨格構造を持っている.各ワイヤは減速機のないモータからの張力を各足に伝達し歩行運動を行う.現在は実験システムが制作されて制御ハードウェアの開発を行っている.初期モデルロボットの各足は人体の筋肉のような弾性要素を持つアクチュエーターが両側に装着されている構造である.この基本駆動ユニットについて,各アクチュエーターをばねと減衰要素で表現した動力学モデルとシステムの弾性モデルを導出した.また,そのモデルを基に計算機シミュレーションを行い,システムの運動特性や弾性調節機能による変化を確認した.特に,アクチュエーターに非線形弾性がシステムの弾性調節に重要な役割を行っていることが解明された.そして,その結果は開発された駆動ユニットの試験機を用いた実験によって確認された.人体の筋骨格構造に基づく新しい歩行ロボットの開発のために平成27年度に行われた研究の実施状況は次のようになっている.平成26年度に設計した初期モデルの歩行ロボットについて,歩行シミュレーションと実機開発,そして歩行実験を完成させた.各足に2つのワイヤによる駆動ユニットを装着させ,筋骨格構造の準受動歩行ロボットの開発を行った.平坦地での歩行を可能にするために特殊な足元の機構を設置し,着地を検知するセンサを付着した.独立した歩行を可能にするために,胴体には姿勢センサと制御器を装着した.歩行運動制御は,フィードバック位置制御法を基に,ワイヤの非線形要素とそのプリロードを用いて各足の弾性を調節するフィードフォワード制御法を兼用する制御アルゴリズムを提案した.その歩行アルゴリズムは,計算機シミュレーションと実験装置に適用し,初期モデルの歩行運動を成功させた.最終モデルとして,膝付きの2本足を有する歩行ロボットを開発し,振り子運動原理に基づいた基本的な準受動歩行運動を実現した.股関節には小型軽量のサーボモータを装着し,膝関節には遊脚時の受動回転及び着地時の固定が可能である特殊な機構を考案し導入した.また,胴体の姿勢角と足元の反力を用いるCPG (Central Pattern Generator)基盤制御器を提案した.その結果,平地での歩行運動を実現させると共に,センサ情報のフィードバックが歩行運動の安定化に重要な役割を行っていることが実験的に証明された.そして,人間歩行運動に対する調査分析を通して歩行に関与する筋肉とその役割を理解し,最終モデルの筋骨格構造のための設計するためのガイドラインを得ることができた.また,筋骨格構造の脚を開発し,内力及び非線形特性を活用する運動制御法を実証した.申請時の研究計画通り,初期モデルの歩行ロボットが開発され,提案した制御法による歩行実験が成功を収めた.それを受け,位置制御のフィードバック法と弾性制御のフィードフォワード法を兼用する歩行制御アルゴリズムを新たに提案した.最終モデルの歩行ロボットについても,計画した脚部の開発とロボットの設計を完了した.その後,次年度の研究活動として計画していた最終モデルの実機開発と歩行実験がある程度行われ,基本的な歩行運動を実現させることができた.一方,本研究を行う際に,歩行ロボットの関節について新しい設計案が提案された.弾性調節機能を有する新しい関節の設計案を考案し,試験機を製作した.今後は試験機を改良すると共に,筋骨格構造に基づく方法との比較研究を行うことで両方の発展が期待される.本研究では,人体が遅い神経フィードバックを持っているにも関わらず,一般的なロボットより高いエネルギー効率を持つ柔軟な運動が出来ることに着目し,その弾性調節機能による長所を「新しい準受動歩行ロボット」の開発に適用した.まず,その初期モデルとして胴体と2本足の3リンクで構成される準受動歩行ロボットを開発した.各足は可変剛性腱を有する2本のワイヤによる筋骨格構造を持っており冗長駆動によってシステム弾性の制御が可能である.各足の動力学および弾性モデルを導出し,それに基づいた計算機シミュレーションと試験機を用いた実験を行った.その結果,弾性調節機能によるシステムの運動特性の変化が確認され,非線形弾性要素がシステムの弾性調節に重要な役割を行っていることが解明された.歩行運動制御として,ワイヤのプリロードを用いて各足の弾性を調節するフィードフォワード制御法と,フィードバック位置制御法を兼用する制御アルゴリズムを提案し,計算機シミュレーションと実験の歩行運動制御に成功した.また,膝付きの2本足を有する新しい準受動歩行メカニズムを設計・開発した.胴体の姿勢角と足元の反力を用いるCPG (Central Pattern Generator)基盤制御器を提案し,平地での歩行運動を実現させると共に,センサ情報のフィードバックが歩行運動の安定化に重要な役割を行っていることが実験とシミュレーションによって証明された.

さらに,アメリカのテキサス大学との国際共同研究で,可変弾性機能を有する新しいロボット関節を開発した.1個のコイルバネのみで移動式ピボットによって関節の弾性調節が可能な小型のアクチュエーターを提案し,実験によってその性能を確認した.新しい可変弾性関節を歩行ロボットに適用するための方法について継続研究を行っている.人体システムに基づいた筋骨格構造の新しい準受動歩行ロボットを開発した.複数の駆動機と拮抗作用を活用してシステムの運動特性を統合的に調節する方法を提案した.その駆動ユニットを製作し,位置と弾性の制御が可能であることを確認した.その結果を3リンク構造の歩行ロボットに適用し,連続的な歩行を実現した.また,膝付き5リンク構造の歩行ロボットを開発し,姿勢と足部反力のセンサ情報を用いるCPG基盤の制御機を搭載した.計算機シミュレーションと実験を通して,センサ情報によって歩行が安定化することを確認した.また,バネと弾性調節用の小型モータを用いて関節周りの弾性を調節することが可能な新しい関節機構を設計した.申請時の研究計画通り,人体の筋骨格構造に基づいた初期モデルの歩行ロボットが設計され,これから制御器を開発して実験を行うことを準備している.また,各関節のための柔軟な駆動ユニットについてのモデリングおよび動力学シミュレーション,そして本研究で開発した実験装置を用いた検討が行われ,これからの制御アルゴリズムと最終モデルの歩行ロボットの開発に活用される予定である.最終モデルの歩行ロボットに弾性調節機能を追加し,改良を行う.弾性調節機能を実現するために,人体の筋骨格構造を基に内力を活用する方法と,可変弾性機能の特殊関節を用いる方法の,両方法を同時並行で検討する.また,歩行運動制御アルゴリズムの改善は,人間の歩行運動を参考すると共に,計算機シミュレーションと実機を用いた実験を繰り返し,統合的に研究を行う.特に,足部の弾性変化が歩行運動の安定性やエネルギ効率などに与える影響について調べる.可変弾性機能を持つ特殊な関節の改良と導入については,海外の専門家との共同研究を計画している.ロボット工学平成27年度には、開発中の初期モデルの歩行ロボットを完成させ,歩行実験を行う.実験装置のパラメーターを反映した計算機モデルを用いて歩行シミュレーションを行い,実験とシミュレーションの結果を比較しながら歩行運動において弾性調節機能の影響を調べる.また,多数の駆動機を用いた弾性調節機能を基にフィードフォワードとフィードバック制御を兼用する新しい制御アルゴリズムを開発し歩行ロボットに適用させる.今年度の後半には初期モデルの結果を基に,最終モデルの歩行ロボットのための脚部を設計する.膝を有する足部の弾性モデルを誘導して弾性調節機能について調査する.その結果を最終モデルの歩行ロボットの設計製作に応用し開発を行う.最終モデルの歩行ロボットについて計算機を用いた歩行運動のシミュレーションを行い,次年度の歩行実験を準備する.