hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
多様なロボット行動生成のための自律分散原理を用いた特徴抽出空間の構成

ロボットの行動学習の方法の一つである強化学習の学習効率を改善するアプローチとして,状態遷移関数のモデル化や,ロボットの実際の運動が拘束される低次元空間を同定し探索空間を低次元化することが考えられる.特に,ロボットが環境や対象物と接触するタスクでは,接触により生じる拘束を積極的に利用することで状態空間を低次元化し,学習の効率を高めることが期待できる.本研究では,ロボットと対象との間の接触による拘束多様体を推定する関数近似を行う自律分散原理に基づいた方法を提案した.提案手法は,局所的な2次形式を用いた局所近似モデルと,局所近似モデル間の補間を行う補間モデルからなる.補間モデルには曲率などで定義される仮想エネルギーを最小化するアプローチを採用し,近似対象曲面の連続性を利用して局所形状の補間および補外を可能にした.本提案関数近似手法の適用対象として,2自由度マニピュレータによる円形対象物の操作問題をシミュレーション上で実装した.対象物とロボット手先が接触することで対象物および手先の運動が拘束により制約を受ける拘束曲面の推定問題を考え,手先と対象物の接触により得られた観測データ(サンプル)から提案関数近似法によって曲面の推定を行う.オンラインで与えられるサンプルに対し,逐次的に曲面の推定を行い,少ないサンプルからでも局所形状の補間によって効率よく推定が行えることを確認した.本提案手法は,曲面の推定方法を与えると同時に,高次元空間から低次元部分多様体へのパラメータ化行うことのできる手法である.これにより,効率のよい近似だけでなく学習を行うための低次元空間を与える写像法としての役割を果たし,強化学習の枠組みの中で有用になる可能性を持っている.ロボットの行動学習の方法の一つとして知られる強化学習は,対象が未知であっても試行錯誤により適切な行動を獲得できる半面,状態空間が高次元になると学習に膨大な時間がかかってしまうという問題を有する.この問題に対するアプローチとして,状態遷移関数を明示的にモデル化することや,ロボットの実際の運動が拘束される低次元空間を同定することで試行錯誤に対する学習効率を向上させることが考えられる.特に,ロボットが環境や対象物と接触するようなタスクでは,接触により生じる拘束を積極的に利用することで状態空間を低次元化し,学習の効率を高めることが期待できる.本研究では,ロボットと対象との間の拘束を推定する関数近似を自律分散原理に基づいた方法で行うことを提案する.具体的には,近似する関数の局所形状について連続性を仮定し,データの得られていない場所についてもこの仮定のもとで関数の補間・補外を行うことにより少ない学習データから効率のよい関数近似を行うことを提案する.まず,一般の関数近似問題としてトーラス状の曲面の近似問題を取り上げ,提案関数近似方法がオンラインデータを利用した逐次的な曲面推定に有効であることを示した.次の課題としては,対象物の操作問題を想定し,対象物とロボット手先が接触する状態での操作において,対象物の運動自由度が拘束により制約されることを拘束曲面として表現し,その推定問題に提案関数近似法を適用する.これが行動学習への適用の第一段階となることが期待される.ロボットの行動学習の方法の一つである強化学習の学習効率を改善するアプローチとして,状態遷移関数のモデル化や,ロボットの実際の運動が拘束される低次元空間を同定し探索空間を低次元化することが考えられる.特に,ロボットが環境や対象物と接触するタスクでは,接触により生じる拘束を積極的に利用することで状態空間を低次元化し,学習の効率を高めることが期待できる.本研究では,ロボットと対象との間の接触による拘束多様体を推定する関数近似を行う自律分散原理に基づいた方法を提案した.提案手法は,局所的な2次形式を用いた局所近似モデルと,局所近似モデル間の補間を行う補間モデルからなる.補間モデルには曲率などで定義される仮想エネルギーを最小化するアプローチを採用し,近似対象曲面の連続性を利用して局所形状の補間および補外を可能にした.本提案関数近似手法の適用対象として,2自由度マニピュレータによる円形対象物の操作問題をシミュレーション上で実装した.対象物とロボット手先が接触することで対象物および手先の運動が拘束により制約を受ける拘束曲面の推定問題を考え,手先と対象物の接触により得られた観測データ(サンプル)から提案関数近似法によって曲面の推定を行う.オンラインで与えられるサンプルに対し,逐次的に曲面の推定を行い,少ないサンプルからでも局所形状の補間によって効率よく推定が行えることを確認した.本提案手法は,曲面の推定方法を与えると同時に,高次元空間から低次元部分多様体へのパラメータ化行うことのできる手法である.これにより,効率のよい近似だけでなく学習を行うための低次元空間を与える写像法としての役割を果たし,強化学習の枠組みの中で有用になる可能性を持っている.
導電性ポリマー膜/酸化チタン接合を用いた空中窒素固定

本研究は、光エネルギーを駆動力とし、常温常圧下で作動する全く新しい空中窒素固定化プロセス・システムに関するものである。導電性ポリマーと酸化チタンからなる有機/無機複合接合に光照射を行うと、複合半導体内で化学反応が生じ、空中窒素と水分から最終的にアンモニア態生成物が得られるというものである。しかしながら、生成物の一つが過塩素酸アンモニウムであることがわかっているだけで、その機構論的検討は行われていなかった。本研究では、その窒素固定の生成物を同定し、反応機構に関する知見を得ることを目的とした。まず、反応の生成物を同定する目的で、窒素固定反応後の導電性ポリマー層および酸化チタン層の元素分析をXPS(X線光電子分光分析)を行った。その結果、窒素固定化生成物は、過塩素酸アンモニウムだけではなくアンモニアも生成していることが判明した。また、上記2つのアンモニア態生成物の絶対量の化学分析とEDX(エネルギー分散型X線解析)による膜分析を併用した検討を行ったところ、有機/無機接合界面でのアンモニア生成と導電性ポリマーバルクでの過塩素酸アンモニウムへの物質変換の組み合わせで窒素固定反応が進行していることが示唆された。また、窒素固定反応の湿度依存性の検討や、導電性ポリマー以外の通常ポリマーを用いた実験結果から、アンモニア生成には水分子が関与していること、および導電性ポリマーが持つ固有の化学活性種(ポーラロン・バイポーラロン)が固定化反応に寄与していることがわかった。以上の結果から、本窒素固定化反応を説明できる反応式群を4組提唱し、そのいずれかの組、あるいはそれらの組み合わせで本窒素固定化反応が進行していることを提示できた。今後はここで得た結果を基に窒素固定化システム・プロセスの高効率化を検討し、材料面から実用デバイスへの応用に展開していく予定である。本研究では、2000年に当研究室で見出された導電性ポリマー/酸化チタン接合を用いた空中窒素固定のさらなる展開を目指した。これまでは導電性ポリマーとしてポリ(3-メチルチオフェン)(P3MeT)、酸化チタンとして有機溶媒中で電解作製した陽極酸化酸化チタン(TiO_X)を専ら用いてきた。今回は導電性ポリマーとしてP3MeTと同じ16族ヘテロ原子を含むポリフランを用い、本窒素固定法の構成材料に対する汎用性について検討した。有機電解液(ジクロロメタン電解質溶液)を用いて酸化チタン/ポリフラン接合を形成した。酸化チタンの陽極酸化電位は15Vであり、このとき115V以上の電位印加でポリフランの酸化重合が可能であることがわかった。また得られた接合は2つの材料が分離した接合ではなく、酸化チタンとポリフランが混合された複合膜となることがFT-IRおよびXPSの結果から判明した。このようにして得られた酸化チタン-ポリフラン複合材料に太陽光灯からの光照射(1200 lx)を行ったところ、P3MeT/TiO_X接合と同様に空中の窒素が過塩素酸アンモニウムへと固定されることがわかった。次に、酸化重合電位を変え、窒素固定量(窒素固定速度)の重合電位依存性について検討を行った。その結果、窒素固定収量は、重合電位160185Vで高い値を示し、6.78.9μmol/h m^2(単位面積、単位時間当たりに生成した過塩素酸アンモニウムのモル数)となった。これはP3MeT/TiO_X接合の固定化速度8.9μmol/h m^2に匹敵する値であり、導電性ポリマーとしてポリフランを用いても窒素固定が可能であることが判明した。なお、本窒素固定の反応機構としては導電性ポリマー/酸化チタン接合部位でのアンモニア生成と酸化チタンバルクでのNH_3からNH_4ClO_4への変換を考えている。

重合電位が低い場合にはポリフランが十分成長せず、従って後半の変換反応が十分進行しないと思われるし、また重合電位が高すぎる場合には前半の窒素固定反応を担う酸化チタン上の酸素欠陥サイトが減少するためと考えている。本研究では、2000年に本研究室で見出された導電性ポリマー/酸化チタン接合を用いた空中窒素固定の機構論的検討を行った。これまでは単に、上記接合に光照射を行うと、空中窒素が固定化・物質変換され過塩素酸アンモニウムが得られるという事実のみが見出されていた。しかしながら、その学術的貢献および産業上への展開を考えると、窒素固定機構を解明することが不可避である。そこで窒素固定化生成物の定量法を確立し、窒素固定量と露光量との相関を検討したところ、窒素固定化物は過塩素酸アンモニウムだけではなく、アンモニアも生成していることがわかった。実際にX線光電子分光分析を行ったところ、アンモニアのシグナルを捕らえることができた。また、アルゴン下での窒素固定化実験、導電性ポリマーを脱ドープしたときの窒素固定化能、窒素固定化に対する周囲湿度の影響を検討し、窒素固定化反応に対する予想反応スキームを作り上げることができた。すなわち、上記接合に光照射を行うと、接合界面において光励起電子とホールが形成されるが、それぞれ窒素還元及び吸着水の酸化に使われ、アンモニアを生成する。このとき同時に光励起電子は導電性ポリマーの脱ドープを引き起こして過塩素酸イオンを放出し、また励起ホールは吸着水の酸化を通して水素イオンを生成する。そして、アンモニア、過塩素酸イオン、水素イオンが酸塩基反応により結合し、過塩素酸アンモニウムが生成するという反応機構を提示することができた。さらに、本窒素固定法の照射光の波長依存性を検討したところ、可視光全域において固定反応が進行し、太陽エネルギーを有効に利用することができることが判明した。なお、上記内容は現在米国化学会にて審査中であり、その他にも接合界面の電気物性、及び他の手法で形成した酸化チタンでの窒素固定の新たな結果も得ている。これらについても投稿準備中であり、まもなく報告の予定である。
DNAフィンガープリント法を用いたいもち病菌レース・菌群迅速同定法の確立

まず、日本におけるイネいもち病菌の個体群構造を明らかにするため、LTRレトロトランスポゾンMAGGYおよびDNA型トランスポゾンMGR586を用いてDNAフィンガープリント解析を行ったところ、現在の日本におけるイネいもち病菌集団はわずか2つのLineage(JL1,JL2)より構成されていること、日本のイネいもち病菌集団の構造は過去40年間の間に大きく変化したことが示唆された。一方、各Lineageに属する菌糸のイネ判別品種に対する病原性を調べたところ、Lineageとレースの間に関連は認められなかった。つぎに、ベトナムの主要な2つの稲作地帯、Red River delta(北部)およびMekong River delta(南部)から採集したイネいもち病菌計80菌系を用いて、両地域におけるいもち病菌個体群構造を比較検討したところ、遺伝的にも病原性においても両個体群の構造は大きく異なることが示唆された。一方、これらベトナム産イネいもち病菌集団においても、Lineageとレースの間には関連は認められなかった。以上のことから、DNAfingerprintingはいもち病菌集団の個体群構造・動態の把握にきわめて有用であるが、レース同定に利用するのは困難であることが示唆された。さらに、いもち病菌宿主特異的菌群のDNA診断法の開発を試みた。さまざまな反復配列および制限酵素を用いてフィンガープリント解析を行ったところ、次のような組み合わせが有効であることが明らかとなった。(1)各菌群を区別するために:HindIII+MGR583、(2)イネ菌とアワ菌を特異的に判別するために:SalI+MAGGY、(3)コムギ菌を特異的に判別するために:EcoRV+MGR583、(4)メヒシバ菌を特異的に判別するために:HindIII+Pot2。本法を用いて本研究室保存菌の菌群判別を行ったところ、本法の信頼性がきわめて高いことが判明した。本年度は、イネいもち病菌のレース(品種特異的病原性)の分子同定法の確立を目的として、日本産イネいもち病菌のDNAフィンガープリント解析を行った。1993-1997年に採集・単胞子分離した279菌株(圃場菌株)および1976年に採集された22菌株(実験室保存菌株)のゲノムDNAを抽出し、Bam HIで切断後MGR586よびMAGGYをプローブとしてフィンガープリント解析を行ったところ、それぞれの菌株集団が70%レベルの相同性を有する2つのリネージ(Lineage)に分けられた。さらに圃場菌株における2つのリネージは実験室保存菌株における2つのリネージと一対一に対応した。以上の結果から、現在の日本におけるイネいもち病菌集団には2つのリネージ(JL1,JL2と仮称)が存在することが明らかとなった。JLlは圃場菌株および実験室保存菌株のそれぞれ97%および77%を占める主要なリネージで、日本全国に分布していた。一方、1960年以前に採集された集団は少なくとも5つのリネージよりなるとされているが、JLl,JL2はそのうちの2つに相当した。このことから、日本のイネいもち病菌集団の構造は1960年から1976年の間に大きく変化したことが示唆された。各リネージに属する菌系のイネ判別品種に対する病原性を調べたところ、リネージと病原性の間に関連は認められなかった。このことから、単純なフィンガープリント解析によるレース判別は困難であり、その迅速同定法確立のためには関与する非病原性

遺伝子すべてのクローニングが必要であることが示唆された。いもち病菌Magnaporthe grisea宿主特異的菌群のDNA診断法の開発を試みた。さまざまな反復配列および制限酵素を用いてフィンガープリント解析を行ったところ、次のような組み合わせが有効であることが明らかとなった。(1)各菌群を区別するために:HindIII+MGR583、(2)イネ菌とアワ菌を特異的に判別するために:SalI+MAGGY、(3)コムギ菌を特異的に判別するために:EcoRV+MGR583、(4)メヒシバ菌を特異的に判別するために:HindIII+Pot2。本法を用いて本研究室保存菌の菌群判別を行ったところ、本法の信頼性がきわめて高いことが判明した。
電気効果を利用した酵母菌への遺伝子導入と蛋白質放出及びその凍結保存法の開発

本研究は,電気的効果として交流電界や直流高電界を用いて,具体的に生命研究に必須の遺伝子導入技術,細胞の凍結保存技術,有用蛋白質の放出技術に応用発展させることを目的とする.1.高電圧直流パルスによる酵母細胞内からの蛋白質放出従来は遺伝子導入にのみ用いられていた高電圧パルスによる細胞膜の可逆的破壊を利用して,細胞の生存活性を維持したまま細胞内部の蛋白質を有効に放出させることを試みた.遺伝子導入用の高電圧パルス発生装置を用い,酵母細胞に高電圧パルスを印加したときの外溶液中に含まれる蛋白質を新規に購入した電気泳動装置などで分析した.細胞の培養条件や菌種,さらには高電圧パルスの電界強度や時定数,印加回数などを検討し,細胞内の蛋白質を放出させることが可能となった.これにより将来的には医薬品のような生理活性蛋白質など大有効な生産が期待できる.2.ストレス応答による高電圧パルス耐性を利用した遺伝子導入効率の向上細胞にストレスを与えると,それに応答してストレス蛋白質をコードする遺伝子が速やかに活性化される.また,予めストレスを与えた細胞は,凍結処理や高圧環境などの2次ストレスに対する耐性を獲得する.ここでは高浸透圧のストレス応答による2次ストレスとしての高電圧パルス耐性の影響を新たに確認した.結果として,直流高電圧パルスを用いた遺伝子導入法で,高浸透圧ストレス処理によって従来法に対して大幅に遺伝子導入効率を向上させることが可能となった.これにより生命研究分野のさらなる発展が期待できる.本研究は,電気的効果として交流電界や直流高電界を用いて,具体的に生命研究に必須の遺伝子導入技術や細胞の凍結保存技術に応用発展させることを目的とする.1.化学的遺伝子導入に対する交流の電気効果電気効果として化学的遺伝子導入時の交流電界の影響を検討した.細胞に電圧を印加する装置を設計・製作し,更に細胞懸濁液に接する電極材料には金属イオンなどの溶出も考慮に入れ炭素電極を用いた.実際には化学的遺伝子導入法である酢酸リチウム法での様々な処理過程で電圧を印加し,遺伝子導入効率への効果を検討した.結果として遺伝子導入される段階でのみ交流電界印加により遺伝子導入効率が有意に向上することが確認できた.現在,その原因となる交流電圧の作用を解明中である.2.遺伝子導入用細胞の凍結保存法バイオテクノロジー分野の研究では,あらゆる実験に対し多大な労力と時間が費やされる.そこで電気的遺伝子導入法であるエレクトレポレーション法に最適な細胞の凍結保存法を開発した.そのために最適な凍結保護剤の選択,凍結速度及び解凍速度,また培養条件などの検討を行った.エレクトロポレーションは高電圧パルス印加による細胞膜の可逆的な破壊により遺伝子を取り込ませる方法で,凍結解凍による膜への損傷が直接遺伝子導入効率に影響する.そのため細胞膜非透過型凍結保護剤である糖類を用いることにより凍結解凍による損傷を少なくし,解凍後の細胞でも十分に使用することが可能となった.これにより培養時間や時間スケジュールなどに費やす労力や時間を大幅に軽減できるようになる.本研究は,電気的効果として交流電界や直流高電界を用いて,具体的に生命研究に必須の遺伝子導入技術,細胞の凍結保存技術,有用蛋白質の放出技術に応用発展させることを目的とする.1.高電圧直流パルスによる酵母細胞内からの蛋白質放出従来は遺伝子導入にのみ用いられていた高電圧パルスによる細胞膜の可逆的破壊を利用して,細胞の生存活性を維持したまま細胞内部の蛋白質を有効に放出させることを試みた.遺伝子導入用の高電圧パルス発生装置を用い,酵母細胞に高電圧パルスを印加したときの外溶液中に含まれる蛋白質を新規に購入した電気泳動装置などで分析した.細胞の培養条件や菌種,さらには高電圧パルスの電界強度や時定数,印加回数などを検討し,細胞内の蛋白質を放出させることが可能となった.これにより将来的には医薬品のような生理活性蛋白質など大有効な生産が期待できる.2.ストレス応答による高電圧パルス耐性を利用した遺伝子導入効率の向上細胞にストレスを与えると,それに応答してストレス蛋白質をコードする遺伝子が速やかに活性化される.また,予めストレスを与えた細胞は,凍結処理や高圧環境などの2次ストレスに対する耐性を獲得する.ここでは高浸透圧のストレス応答による2次ストレスとしての高電圧パルス耐性の影響を新たに確認した.結果として,直流高電圧パルスを用いた遺伝子導入法で,高浸透圧ストレス処理によって従来法に対して大幅に遺伝子導入効率を向上させることが可能となった.これにより生命研究分野のさらなる発展が期待できる.
新規小胞体膜複合体によるＧ蛋白質の活性調節を介した巨大分子分泌機構の解明

コラーゲンは小胞体で合成されるが、形成する複合体が巨大であるため、通常の被覆小胞を介して分泌することができない。我々は先にcTAGE5/TANGO1複合体を単離・同定し、VII型コラーゲンの積み荷受容体として機能することを報告してきた。本若手研究(B)では、新たにcTAGE5の結合因子として見いだした、低分子量G蛋白質Sar1のグアニンヌクレオチド交換因子であるSec12が、cTAGE5との結合に依存して、その局在をER exit siteに規定していることを明らかとした。小胞体で合成されたタンパク質は、小胞体上のER exit siteとよばれるドメインよりCOPII被覆小胞に積み込まれることによって小胞体を出芽し、ゴルジ体を経て細胞外あるいは様々な細胞内小器官へと運ばれる。コラーゲンやキロミクロンなどの高等真核生物が分泌する一部のタンパク質は、小胞体内で形成する複合体が非常に巨大であり、通常のCOPII被覆小胞には入りきらないことから、その輸送メカニズムの解析は注目されてきた。しかしながら、巨大な分子がどのように小胞体を出芽するか、そのメカニズムの詳細は不明であった。前年度までにわれわれはcTAGE5をノックダウンした細胞においてSec12の局在がER exit siteから小胞体全体に拡散することを見いだしていた。本年度は、Sec12のSar1に対する活性に着目し、Sec12とcTAGE5の結合がSec12のSar1に対するグアニンヌクレオチド活性に影響を与えるか検討した。Sec12, cTAGE5およびSar1をバキュロウイルスを感染させたSf9細胞より精製し、アイソトープ標識された非水解性アナログを用いてSar1に対するGTPの結合能を検討した。結果、Sar1にSec12を添加することにより有意に促進したGTP結合活性は、さらなるcTAGE5あるいはTANGO1の添加によっても変化しなかった。以上のことから、cTAGE5とSec12の結合はSec12のSar1に対するグアニンヌクレオチド交換活性には影響を与えなかった。細胞内で合成されるタンパク質のおよそ3割は小胞体で合成されると考えられている。これらのうち細胞内の各オルガネラや細胞外へ運ばれるタンパク質は、合成後、小胞体上の特定のドメインであるER exitsiteよりCOPII被覆小胞に積み込まれることによって小胞体を出芽する。コラーゲン分子やキロミクロンなどはその形成する複合体が非常に巨大であり、通常のCOPII被覆小胞には入りきれないことから、その輸送メカニズムは注目されてきた。しかしながら、その詳細は不明であった。研究代表者は、先にVII型コラーゲンの小胞体からの出芽に特異的に関与する積み荷受容体としてcTAGE5/TANGO1複合体をER exit site上に同定した。さらに、マススペクトロメトリーを用いた解析から、低分子量Gタンパク質Sar1のグアニンヌクレオチド交換因子であるSec12が特異的にcTAGE5と結合することを見出し、この結合が直接的であること、また相同性を有するTANGO1はSec12と結合しないことを明らかにした。本年度はcTAGE5、sec12、それぞれの細胞内局在に着目し、両者の結合の意義について検討した。まず内在性Sec12を検出する抗体を作製し、Sec12の細胞内局在を調べたところ、ER exit siteマーカーであるSec31や、cTAGE5と共局在したことからSec12もER exit siteに局在化することが明らかとなった。次に、cTAGE5をノックダウンした細胞においてSec12の局在を調べたところ、ER exit siteから小胞体全体に局在が変化する様子が観察された。よってcTAGE5はSec12の局在をER exit siteに保つために必須である可能性が考えられた。本研究は、低分子量Gタンパク質の活性調節を介した巨大分子の分泌機構を解明することを目的としている。本年度は、低分子量Gタンパク質Sar1の活性化因子であるSec12のER exit siteへの局在をcTAGE5が規定している可能性を新たに示すことができた。このことは、活性化因子の局在を制御することにより、低分子量Gタンパク質の活性の調節が行なわれることで巨大分子の分泌が担われるというモデルを提示しており今後の解析が期待される。本年度までに、巨大分子分泌に低分子量Gタンパク質であるSar1とその活性化因子であるSec12が密接に関与することが明らかとなった。今後は、巨大分子であるコラーゲンの輸送にcTAGE5とSec12の結合およびその局在制御が必要であるかを解明していくことにより、より詳細に低分子量Gタンパク質の活性化と巨大分子分泌の関係を解析していく予定である。今後とも、主に培養細胞を用いた研究を行なうために、ノックダウン用のRNA,トランスフェクション試薬、血清をはじめとした消耗品が必要となると考えられる。

また、学会発表を通じ、本研究の成果の発表を行なう為の旅費、さらには論文発表用にそれぞれ研究費が必要となると考えられる。
非可換幾何学における概正則曲線の研究

ここで得られた研究成果には大きく分けて2つある。まず一つ目は、非コンパクト4次元多様体であるキャッソンハンドル上で、モジュライ理論の構成を行なった。一般に非コンパクト空間上でのモジュライ理論の構成に関して2つのステップがあり、一つは線形化方程式のフレドホルム理論、もう一つは横断正則性理論である。4次元多様体上では前者の構成に関してはこれまでの研究でできていたが、昨年度までの研究により,後者の横断正則性定理を漸近的手法を用いることで導くことを行なった。次に二つ目は、2つの異なる2変数斉次偏微分方程式に対して、それらの正値解の間の粗い漸近評価を見ることで、2変数斉次偏微分方程式全体の間に大域解析的な関係式を与えた。その関係式で割ったときのある種のモジュライ空間としての構造を調べることを行い、特にその関係式が非自明であることを示した。ここでの目的は,シンプレクティック多様体のキャパシティ-不変量について研究を行うことである.それはハミルトン力学系を用いて構成されることから,力学系との関係をしらべることは極めて重要なテ-マである.その不変量はどの程度のシンプレクティック球体がそれら多様体自身に埋め込めることができるか,その程度を計るもので、シンプレクティック多様体自身の構造を調べるために,極めて有効である概正則曲線のモジュライ理論と密接な関係がある.ここでは非コンパクト空間上での楕円型モジュライ理論を発展させ,さらにそれを用いて力学系と群作用へ応用していくことが目的である.ここで得られた研究成果には大きく分けて2つある。ある種の非コンパクト四次元多様体上のゲージ理論を構成した。これまでの研究によって、四次元多様体特有にあらわれる非コンパクト空間のうち、極めて重要なものにキャッソンハンドルがある。これらは四次元多様体の微分構造を決めるもので無限樹木で表される。四次元多様体の微分構造の研究には非線形編微分方程式のモジュライ理論を用いたゲージ理論が極めて有効である。その理論の柱は二つあり、一つは線形化方程式のフレドホルム性と、モジュライ空間の横断正則性である。一般に、多様体がコンパクトであれば、その両方ともうまく機能するような一般論が存在している。一方で、非コンパクト空間の場合その両者とも個々の状況で対応することが必要となる。これまでの研究によって、キャッソンハンドルの対応する樹木の増大度があまり大きくなく多項式程度のもので、さらにある種の等質性を持てば、その上のアティヤヒッチンシンガー複体と呼ばれる楕円型作用素がフレドホルムに成るようなリーマン計量と重み関数を作ることができていた。ここでの研究により、新たな関数空間を導入することで、ある種の漸近的な摂動方法を構成した。それを用いることで上で述べたキャッソンハンドル上に構成されたモジュライ空間を正則に成るように摂動することができた。この応用として、K3曲面内に含まれるある種のキャッソンハンドルは、ある程度大きな増大度を持つことが示された。これは、K3曲面内にあらわれる微分構造がある程度複雑であることを示している点で、非常に具体的な定性的な結果を得たといえる。ここでの研究目的は、シンプレクティック多様体の無限増大列からなる、無限次元シンプレクティック多様体上のキャパシティー不変量について研究を行なうことである。その不変量はどの程度のシンプレクティック球体がそれら多様体自身に埋め込めることができるか、その程度を計るもので、シンプレクティック多様体自身の構造を調べるために、極めて有効である概正則曲線のモジュライ理論と密接な関係がある。今年度の研究結果により、非コンパクト空間上での非線形楕円型偏微分方程式のモジュライ空間を構成するための土台と言える関数空間の設定を行ない、その上でのモジュライ空間の横断正則性定理を得た。無限次元グラスマン多様体上のケーラー形式はフロウのリー微分で保たれることが分かっている。そのリー微分の対応物は頂点作用素と呼ばれ、キャパシティー不変量が頂点作用素による作用で不変であることが自然に予想される。頂点作用素は形式的冪級数で与えられているため、一般にはバナッハ多様体としての無限次元グラスマン多様体上の作用素とはならずに、そのままではそこからはみ出てしまう。そこで、頂点作用素が作用する関数空間を上で構成したものを応用することで小さく取り直し、さらに、その関数空間においてケーラー形式が保たれ、さらにキャパシティーがその作用で不変になることが期待できる。

そのためにはククシンによって行われた、ヒルベルト空間の開集合上でのキャパシティーの、フロウによる不変性を調べる解析的な道具を無限次元グラスマン多様体上に拡張することが必要と成る。モジュライ空間は楕円型非線形偏微分方程式の解全体の空間であるが,コンパクト多様体上ではかなり進んだ一般論がある.その一方で非コンパクトな場合には個別の状況に応じた構成が必要とされる.ここではコンパクト空間上で成立するモジュライ理論の構成のうち,非コンパクト空間上でも成り立つようなものを4次元多様体に関して抽出し,それをもとに非コンパクト空間上でのモジュライ理論を構成した.特にキャッソンハンドル上でのモジュライ理論の構成をおこなった.一般に非コンパクト空間上でのモジュライ理論に関して二つのステップがあり,一つは線形化方程式のフレドホルム理論,もう一つは横断正則性理論である.4次元多様体上ではこれまで前者の構成ができていた.昨年度までの研究により,後者の横断正則性に関する解析を行った.その手法は非コンパクト空間上の関数空間を漸近的にコンパクト空間上で近似するような商関数空間の構成を行い,さらにそれらを用いてある種の一様評価を与えることでモジュライ空間の横断正則性を導いた.これにより,もとの4次元多様体の微分構造に関する複雑性についての評価を得た.特に微分構造は無限樹木で記述されるが,その増大度の下からの評価を得た.これから導かれる予想として,その樹木の増大度は指数関数的であることが期待される.また逆に指数増大度の樹木を持つような非コンパクト空間上ではフレドホルム理論は成立しないことも予想される.それらについては今後の課題である.モジュライ空間は楕円型非線形偏微分方程式の解全体の空間であるが,コンパクト多様体上ではかなり進んだ一般論がある.その一方で非コンパクトな場合には個別の状況に応じた構成が必要とされる.ここではコンパクト空間上で成立するモジュライ理論の構成のうち,非コンパクト空間上でも成り立つようなものを4次元多様体に関して抽出し、それをもとに非コンパクト空間上でのモジュライ理論を構成した.特にキャッソンハンドルトでのモジュライ理論の構成をおこなった.一般に非コンパクト空間上でのモジユライ理論に関して二っのステップがあり,一つは線形化方程式のフレドホルム理論,もう一つは横断正則性理論である.4次元多様体上ではこれまで前者の構成だできていた.これまでの研究により,後者の横断正則性に関する解析を行った.その手法は非コンパクト空間上の関数空間を漸近的にコンパクト空間上のもので近似していくものであり,ある種の一様評価を与えることで非コンパクト空間上のモジュライ空間の横断正則性を導いた.これによりキャッソンハンドルに対応する樹木の増大度を用いて評価を与えることで,代表的な4次元閉多様体の一つであるK3曲面上の微分構造の複雑性を示すことができた.さらに,ある種のスケールを用いることで,異なる偏微分方程式の対に対して,解の間の一様評価を与える一般的な構成を行なった.またそのような評価を持っ対の構成法だけではなく,持たないような偏微分方程式の対も構成した.今後はこのような手法と微分構造の複雑性との関連を調べることが一つの大きな目標となる.
嚥下障害の発症機構に関する研究

本研究課題では嚥下動態の総合的評価により正常および病的嚥下機構の本態,さらに加齢の影響を明らかにした。咽頭食道透視法による嚥下機構の解析:液体造影剤では咽頭流入像,喉頭流入像,喉頭蓋運動制限,固形造影剤では喉頭蓋谷貯留像,咽頭分割嚥下などの所見が高齢者群に高率に観察された。嚥下困難群でも高齢者群と同様な所見が検出された。まとめると,嚥下困難群,高齢者群では嚥下反射機能と食塊の推進力に支障をきたすものと考えられた。嚥下圧,筋電図測定による嚥下機構の解析:イヌおよびヒトを対象として分析した。静止時陽圧を示す食道入口部内圧の嚥下時平圧化は輪状咽頭筋の弛緩により主に規定されていた。輪状咽頭筋の運動神経支配は咽頭食道神経により片側支配であった。正常成人30人を対象として嚥下圧測定を行ない,軟口蓋部,下咽頭,頚部食道各部位の信頼区間を明らかにし,5型の嚥下圧曲線分類法の定義値を設定した。嚥下圧伝搬曲線の規準化を計り,正常ではS字状を呈することを示し,嚥下圧波発生パタ-ンが一目瞭然に読みとれることを明らかにした。食道入口部内圧の平圧化は咽頭端と食道端で異なり,入口部の弛緩状態を解析するには咽頭端の嚥下圧を測定すべきであることが示唆された。あわせて平圧化開始時期および平圧化時間の信頼区間を設定した。嚥下障害発症機構に関する総合的評価についての研究:嚥下障害例130例で嚥下機構の総合評価法を検討した。咽頭食道透視法への固形造影剤の応用は液体造影剤では検出しえない嚥下反射の減退や食塊推進力の低下が検出でき,優れた嚥下機能評価法であることが分かった。嚥下圧測定法では,嚥下中枢のプログラム状態は嚥下圧伝搬曲線法で,嚥下駆動力は嚥下圧曲線分類法で,食道入口部の弛緩状態は同部の咽頭端で測定すると,診断が可能であることが明らかにされた。咽頭食道遊視法による嚥下機構の定量的解析:本年度は主として嚥下機構の加齢変化を検討した。造影剤には液体造影剤(硫酸バリウム)に加えて、負荷試験法として固形造影剤を試作し,検討した。定量的解析は透視像をデジタル・フルオログラフィに導入し行った。造影剤の複動時間,喉頭および舌骨の動きについては加齢の影響は認められなかった。しかし,高齢者では咽頭分割嚥下,喉頭流入,喉頭蓋の運動制限などが観察され,とくに固形造影剤の嚥下分析では咽頭反射の低下を診断するのに有用であった。

また,固形造影剤による分析は軽微な嚥下障害の同定に有用で,とくに食道入口部通過時間の延長が特意な所見であった。嚥下圧,筋電図測定による嚥下機構の定量的解析:嚥下圧の生成機序を筋電図との同時測定で検討し,以下のことが明らかになった。嚥下中枢のプログラム機構の解析には嚥下圧伝搬曲線の応用が有用であった。食道入口部の弛緩時間は咽頭側と食道側で異なり,入口部の弛緩状態を解析するには咽頭側の嚥下圧を測定すべきであると示唆された。嚥下機構の総合評価に関する研究:嚥下機構の総合評価法として,本年度は嚥下機構に及ぼす加齢の影響と診断パラメ-タ抽出法について検討を加えた。その結果,軽微な嚥下障害の診断には固型造影剤を用いた負荷試験の導入が必要であること,加齢の影響は定量的分析では明らかにされるいが,造影剤の動き,嚥下関与器官の定性的分析が重要と考えられた。とくに嚥下反射の低下,咽頭の駆動力低下は固形剤嚥下で,喉頭流入と喉頭蓋の運動制限は液体造影剤の嚥下で明らかにされる。嚥下中枢のプログラム状態は嚥下圧伝搬曲線で,嚥下駆動力は嚥下圧曲線法で,診断が可能であり,食道入口部の弛緩状態の診断には同部の咽頭側で内圧を測定する必要のあることが明らかにされた。咽頭食道透視法による嚥下機構の解析:前年度に得られた高齢者群での嚥下機構を参考に嚥下障害発症機構について食塊嚥下時に異常を訴える嚥下困難例を対象として検討した。液体造影剤では異常所見は検出されなかったが,固形造影剤では咽頭への送り込み障害,喉頭蓋谷貯留像,咽頭分割嚥下などの所見が観察され,口腔および舌の筋力の影響に加えて咽頭知覚の低下が関与しているものと考えられた。嚥下圧、筋電図測定による嚥下機構の解析:イヌおよびヒトを対象として分析した。静止時陽圧を示す食道入口部内圧の嚥下時平圧化は輪状咽頭筋の弛緩により規定されていた。輪状咽頭筋の神経支配は咽頭食道神経による片側支配であった。正常成人30人を対象として軟口蓋部,下咽頭,頚部食道各部位の嚥下圧値信頼区間を明らかにし,5型の嚥下圧曲線分類法に定義値を設定した。平圧化時期が乱れたり,平圧化時間が短縮すると食道入口部の閉大不全が起こり食塊送り込み障害になるので,同部咽頭端の平圧化時期および平圧化時間の信頼区間を設定した。嚥下障害発症機構に関する総合的評価についての研究:嚥下障害例で嚥下機構の総合評価法を検討した。咽頭食道透視による嚥下機能の評価には定性的手法が優れていた。特に固形造影剤を用いた負荷試験は軽微な嚥下障害の診断に有用で,嚥下反射の減退,咽頭の食塊推進力低下が評価できる。嚥下圧曲線分類法については,IIa型では食道入口部の弛緩に恒常性がないと,IIb型は食道入口部の機能的狭窄で1回嚥下量がある限度を越えると,IIIa型は舌運動不全と咽頭収縮筋の機能低下で嚥下能力を越えた食塊量であると,いずれも誤嚥をきたす。ワレンベルグ症候群などの嚥下中枢障害例では,嚥下圧伝搬曲線は変形し嚥下圧が適切な時間差を失って発生することが表示され,食道入口部の平圧化時期の異常および時間の短縮が観察され,嚥下プログラムの異常が評価された。
統合失調症動物モデルにおける陰性症状発現機序の解明

(1)今回の研究では、ラットが社会的活動をしている時の前頭前皮質、視床背内側核の単一ニューロン活動を初めて記録した。更に、フェンサイクリジンがそれらの神経活動を変化させることを示した。(2)腹側被蓋野ニューロンについては、社会的行動と報酬課題をしている時の神経活動を初めて記録し、フェンサイクリジンが社会的活動や報酬課題による神経活動を抑制することを示した。これらの結果から、今回の記録部位の神経活動が変化することが統合失調症の症状発現に関与していることが示唆された。前頭前皮質と視床背内側核ニューロンの社会的接触中における働きと、それらのニューロン活動に対するフェンサイクリジン全身投与の影響を記録した。ラットの社会的行動中に、前頭前皮質ニューロンは32%が興奮し、8%が抑制された。視床背内側核ニューロンは42%が興奮し、抑制されたものはほとんどなかった。PCP全身投与の効果は、前頭前皮質ニューロンは59%、視床背内側核ニューロンは33%が興奮した。これらの結果より、社会的行動に関係する前頭前皮質と視床背内側核ニューロンにPCPが何らかの影響を与えることが示された。これらの結果はH21年4月の日本生物学的精神医学会と、同年10月の北米神経科学会で発表した。現在はデータ収集も終わり、投稿準備中である。腹側被蓋野ニューロンの活動を記録する実験は、社会的行動中の神経活動記録に加えて、古典的条件付け課題遂行中の神経活動も記録した。まず第一に、古典的条件付け課題にて条件付け刺激に反応するニューロン活動が、社会的活動中にも活動が増加することが示された。さらに、腹側被蓋野ニューロンの条件付け刺激に対する反応は、PCP全身投与直後には著しく減弱し、3時間後には回復した。これらの結果から、PCPが腹側被蓋野の報酬系ニューロンの機能を変化させることによって陰性症状様の症状を引き起こすことが示唆された。これらの結果は、H21年9月の日本神経科学大会で発表した。こちらもデータが集まり次第、データを解析し、論文作成に着手する予定である。上記の結果も、次ページに記載した4つの学会にて発表し、現在投稿準備中である。
連続Euler変換を用いた近似超関数の研究

連続オイラー変換による超関数の近似は機械的に構成が可能であり,かつ線形写像の意味で非常に高精度であることを,理論的および数値実験で明らかにした.そしてその近似手法を用いて,数値不定積分や二次元振動積分の高速高精度計算に成功し,ある種の微分方程式に関する解法へ応用ができることを示した.連続オイラー変換による超関数の近似は機械的に構成が可能であり,かつ線形写像の意味で非常に高精度であることを,理論的および数値実験で明らかにした.そしてその近似手法を用いて,数値不定積分や二次元振動積分の高速高精度計算に成功し,ある種の微分方程式に関する解法へ応用ができることを示した.本年度の実績の概要は以下の2点である.1.連続オイラー変換と超関数近似との関係の解明連続オイラー変換は,収束の遅い,または緩やかに発散するフーリエ積分を速く収束するフーリエ積分に変換するための方法として以前大浦が考案したものである.この連続オイラー変換を応用することで,今まで計算が困難だった収束の遅いまたは緩やかに発散するフーリエ積分に対する高速高精度の数値計算を可能にした.本年度期間にはさらに連続オイラー変換は,さまざまな超関数を線形写像としての性質を近似的に保った状態で,滑らかな連続関数に変換する方法でもあることを明らかにした.この成果は,日本数学会2007年度秋季総合分科会「応用数学スペシャルセッション」で発表した.この連続オイラー変換による超関数の近似は機械的に構成でき,かつ線形写像の意味で非常に高精度であることが分かっている.今後はこの超関数の近似について,理論面と応用面の双方について研究する予定である.2.IMT型数値積分公式の改良変数変換型数値積分公式は,代表的なものに伊理正夫・森口繁一・高澤嘉光のIMT公式と,高橋秀俊・森正武のDE公式があるが,IMT公式はその多くの改良版も含めて,DE公式に漸近性能で劣っていた.大浦は,DE公式と同じ漸近誤差を達成するIMT型積分公式を初めて提案した.この成果は,雑誌「J. Comput. Appl. Math.」で発表した.本年度の実績の概要は以下の2点である.1.連続Euler変換による近似超関数を用いた微分方程式の解法の提案連続オイラー変換は,フーリエ積分の高速高精度算法として大浦により提案され,さらに,さまざまな超関数を線形写像としての性質を近似的に保った状態で,滑らかな連続関数に変換する方法でもあることを以前に示した.本年度は,線形の微分方程式を超関数を含む積分方程式の形に直した上で,連続オイラー変換を用いて通常の滑らかな関数の積分方程式に書き換えて数値積分公式を用いて解くという方法の誤差評価を行った.この誤差評価は,ある条件の下でSinc近似による微分方程式の解法とほぼ同じで非常に高精度になるという理論的な予測がついた.今後はこの連続オイラー変換による微分方程式の解法について,さらに詳しく研究する予定である.2.二重指数関数型変換とSinc近似を用いた積分変換の高速高精度算法の提案二重指数関数型数値積分公式(DE公式)は,1974年に高橋秀俊・森正武により提案された万能型数値積分公式である.このDE公式を積分変換の計算に応用する場合,積分核が不連続あるいは振動する場合において計算効率が非常に悪くなることが知られていた.大浦は,二重指数関数型変換とSinc近似をうまく組み合わせることでこの困難を克服し,この成果を日本応用数理学会論文誌で発表した.本年度は具体的な数値解法についての研究を行った.1.連続オイラー変換による近似超関数の応用前年度に引き続き,超関数が間接的に関与する振動積分やある種の微分方程式に関する新たな計算法の研究を行った.そして,超関数を意識して近似を行うことで高性能の新しい算法が得られることをいくつかの例で示し,その効果を確認した.その成果の一部は第38回数値解析シンポジウムで発表し,Goursat-Hardy積分の数値計算(戸田積分)への応用を解説し,従来の算法よりも格段に高速高精度であることを示した.この連続オイラー変換による近似超関数の算法については,大浦のwebページでも配信しているが,現在これらの算法は広く知られていない.そこで,今後いくつかの研究集会や学会論文誌等でこれらの研究成果を発表する予定である.2.二重指数関数型数値積分公式の高速高精度ルーチンの作成二重指数関数型数値積分公式をある種の流体力学の計算に応用するために,高速高精度計算ルーチンを作成した(文献:Fluid Dynamics Research, 42, 2010, 025506),二重指数関数型数値積分公式を任意精度計算に応用する場合,計算機のメモリを節約するために重みと分点の計算をその場で行う必要があり,膨大な指数関数の計算が必要になる.この計算を少ないメモリと乗算と加減算だけで行う方法を開発し,大幅な計算の高速化が実現した.今後この成果を用いた計算ルーチンをwebページで配信予定である.
ヘイリーヘイリー病における表皮細胞接着蛋白の微細局在分布の検索と原因遺伝子の推定

平成10年度は,当科の遺伝相談外来を通じて集積したヘイリーヘイリー病(家族性良性慢性天疱瘡)患者4家系の,それぞれにおける健常部皮膚,病変部皮膚をcryoultramicrotomyをもちいたpost-embedding免疫電顕法により電顕的に検討した。この方法は樹脂包埋を行わないため抗原性の保持に関しては理想的ともいえる極めて優れた方法である。まずへイリーヘイリー病の病変部皮膚および正常ヒト皮膚をシュークロース透徹し、凍結固定装置を用いて凍結固定したのち、クリオウルトラミクロトームを用いて、凍結超薄切片を作成した。これらをニッケルグリットに収集し、デスモゾームの構成蛋白であるdesmoplakin I,II, plakoglobin,desmoglein I,II,III,desmocollin I,II,III,adherens junctionの構成蛋白であるvinculin,E-cadhelin,P-cadhelin,actin,α,β,γ-catenin,tightjunctionの構成蛋白であるconnexin,細胞表面糖蛋白であるCD44に対するそれぞれの抗体、金コロイド標識二次抗体と反応させたのち電顕的に観察した。つぎに正常皮膚と、ヘイリーヘイリー病の健常部および病変部皮膚につき光顕、免疫電顕における結果をそれぞれ比較検討した。ヘイリーヘイリー病における表皮細胞接着蛋白の分布の異常の有無を明らかにするため,免疫電顕については、それぞれの蛋白につき細胞膜からの金コロイドの数を最低200個数えることにより超微形態学的局在の定量的解析を試みた。以上の如く微細構造レベルにおいて細胞接着蛋白の微細局在分布を定量的に比較し,その結果,ヘイリーヘイリー病の皮膚において分布状態の異常をきたしている細胞接着蛋白を電顕レベルで推定した。平成9年度は,当科の遺伝相談外来をヘイリーヘイリー病(家族性良性慢性天疱瘡)患者4家系を集積し,それぞれ健康部皮膚,病変部皮膚の生検を行い,これらを光顕レベルで免疫組織化学的に検討した。まずヘイリーヘイリー病の健常部皮膚,病変部皮膚,および対照として正常ヒト皮膚を採取後,OCT compoundに包埋,液体窒素とイソペンタンを用いて急速凍結し,クリオスタット6μmに薄切した後,免疫染色を行った。一次抗体としてデスモゾームの構成蛋白であるdesmoplakin I,II,plakoglobin desmoglein I,III,desmocollin I,II,III,plakophillin,adherens junctionの構成蛋白であるvinculin,E-cadhelin,P-cadhelin,ctin,α,β,γ-catenin,α,β-spectrin,α-fodrinに対するそれぞれの抗体を用いた。さらに上記の免疫組織化学染色について,蛍光顕微鏡のみならずconfocal顕微鏡によりさらに詳細な蛍光の分布を観察した。この結果,正常ヒト皮膚と比較しヘイリーヘイリー病の健常部皮膚では,光顕レベルにおいてデスモゾームおよびadherens junctionの構成蛋白の分布に大きな違いはみられなかった。しかし本症の病変部皮膚の棘融解細胞では,正常ヒト皮膚と異なり,デスモゾームの構成蛋白に対する抗体は細胞間に認められず,細胞内にびまん性に分布する傾向があった。またadherens junctionの構成蛋白に対する抗体は,棘融解細胞の細胞間では減弱する傾向が認められた。今後は,本症患者の病変部皮膚および正常ヒト皮膚を,凍結固定,凍結置換法および凍結超薄切片法を用いたpost-embedding免疫電顕法により観察し,微細構造レベルにおいて細胞接着蛋白の微細局在分布を定量的に比較する予定である。その結果,本症皮膚において分布状態の異常をきたしている細胞接着蛋白を電顕レベルで特定し,さらに,いまだ同定されていない本症の病因遺伝子を推定する。
構造物の弾塑性挙動と衝撃水圧との相関に関する研究

1)波浪衝撃水圧と衝撃水圧を受ける船首構造部分の構造力学的相関:(1)船首部構造モデルを用いた水面自由落下試験を実施し、構造モデルの(1)剛性・固有振動数の差異が衝撃水圧の大きさと分布及びその時刻歴に及ぼす影響を検討した。引続き、構造部分の構造力学的特性が衝撃水圧に及ぼす影響を解折的に求める理論を構築中である。(2)波浪衝撃水圧の大きさと分布及びその時刻歴には荷重を受ける構造部分の高次振動性能が大きく影響を及ぼすことから、簡易構造モデルを用いた高次振動域での減衰性能を実験的に求める手法を開発した。(3)衝撃水圧を軽減するための構造設計手法を開発することを目的とした基礎的研究として、エネルギ法を用いた感度解折法を開発した。2)波浪衝撃水圧と衝撃水圧を受ける船体の運動特性及び振動特性との相関:波浪衝撃水圧の大きさと分布及びその時刻歴には、衝撃水圧を受けた時の船体の運動特性と振動特性もまた影響を及ぼす。その影響を検討するために、船体に波浪衝撃水圧の成分であるステップ荷重を作用させた時の流体力(付加水質量、流体減衰力)について実験的並びに理論的に解析を行った。3)現在、船体の運動応答及び振動応答をも含め、波浪衝撃水圧を直接に受ける構造部分の構造応答を考慮して、波浪衝撃水圧を推定する手法を構築中である。本手法は船舶の衝突問題にも応用できることから衝突事故の解折を行い、良好な結果を得ている。船底スラミング、バウフレア・ダメージ、スロッシング等での衝撃水圧は、これ迄、ワグナー理論とチエンの実験を求に推定されてきた。しかし、これ等は剛体の被衝撃面と水面との衝撃をとりあつかっており、上述の方法から推定される衝撃水圧は過大な値を与えることになる。本研究では、被衝撃面の弾塑性挙動(高次振動)を考慮することにより、衝撃水圧をより精度良く求めることを目的としたものである。本年度に実施した研究小項目は以下の通りである。1)被衝撃面の剛性並びに境界条件が、被衝撃面での衝撃水圧の分布に及ぼす影響についての実験的研究。2)被衝撃面の構造応答を究明するため、高次振動域での衝撃面の減衰性能を実験的に求める手法の開発。2)について詳述すると、被衝撃面の減衰係数は衝撃面の長手方向の振動節数と幅方向の振動節数の関数で与えられることを明らかにすると共に、この関数を実験的に求める手法を開発した。
マルチコプターに主翼を付加した垂直離着陸機の開発

当初提案した主翼を有するマルチコプターをもとにした垂直離着陸機,および一昨年度の研究成果として新規に開発したカイト翼を有するマルチコプターについて,本年度は詳細な飛行特性の調査を行った.この結果,可変ピッチの固定翼を持つ機体について主翼有の場合は翼の空気抵抗により細かい機体の振動はおきにくいものの,急な姿勢変化ができないために,フライトコントローラの姿勢制御による推力変化に対する機体姿勢変化の遅れがでて,長周期の機体姿勢の変動が起こることが分かった.旋回飛行時の飛行姿勢の変化については翼の効果で滑らかな旋回姿勢に入り易いがことが分かった.一方,フレキシブルなカイト翼を有するマルチコプターの場合は,可変ピッチの固定翼の場合と比較すると急な機体の姿勢変化についてはカイト翼が弛む方向については反応性が良いことが確認できた.昨年度考案したカイト翼付きティルトローターVTOLについて開発を進めた.昨年度は機体作成と屋内での飛行姿勢変化と低速飛行までできていたが,本年度は屋外での高速飛行試験を行った.その結果,マルチコプターのフライトコントローラのファームウェアを流用したままでは制御に不具合を起こし,ローターを完全にティルトした高速飛行ではダッチロールを起こしてしまうことが分かった.これを改善するために,尾翼の追加とフライトコントローラの設定変更を行い,ローターのティルト角とロール,ピッチ軸との関連付けと調整を行い,滑らかに完全に水平飛行遷移ができる機体を実現できた.得られた成果は特許出願と国内外の学会発表および論文としてまとめた.固定翼機とマルチコプターの中間に位置する機体として,本研究で提唱する主翼を有するマルチコプターの試作機,実証試験機を製作し,その機体性能の調査を行ったことについてはおおむね当初の計画通りの進捗をしている.また,研究をもとに新たに開発したカイト翼付きのVTOLについても有用な成果が得られている.自動操縦と最適飛行ルートの検証については,国土交通省に自律飛行の飛行許可が申請できていないため,飛行実験を行っていない.更に,カイト翼の可変ピッチ及び開閉機構の効果に着目しこの研究成果から派生して,空中風力発電用の離着陸可能なカイトの提案と新規開発に着手した.カイト翼の開閉及びピッチ可変に加えカイトの左右の翼面積の可変機構を付加することにより,カイト翼の飛行特性を変えることができ,マルチローターを有することで安定な離着陸可能なカイトとなるため,空中風力発電の飛行プラットフォームとして最適な機体の提案を行った.有用性を広く知ってもらうために学会発表および各種展示会での公開をしている.国外(中国)での展示も含めて,本年度は6件の展示会で試作機または実証試験機の展示や動画公開を行っており,有用性は認めてもらっておりニーズもあるが,製品化する相手先企業が見つからない状況である.研究をもとに新たに開発したカイト翼付きのVTOLについても,有用性は認めてもらえている.以上より,研究の研究の進捗の早いもの遅いものがあり,両者を勘案しておおむね研究は計画通りに進展していると考えている.可変ピッチの主翼を有するマルチコプターについて,機体の安定性、飛行性能、電力消費量についての検証はできており有用性は認められている.しかしながら,既存のマルチコプターを大幅に超える性能を示さない限りは製品化は難しいのが現状である.最終年度は社会ニーズを踏まえた機体の改良とアピールも含めて,研究・開発を行う予定である.実証実験を進めるとともに,飛行時間や飛行距離の最大化の要点を置き,アピールポイントとしたい.その成果を周知し実用性を認めてもらうことで,企業との共同研究や商品開発まで進めていきたい.提案する主翼を有するマルチコプターをもとにした垂直離着陸機(VTOL)2種類のうち,可変ピッチ翼付きマルチコプター型VTOLは試作機による実験結果を加味して実証試験用の機体をトライコプター型とヘキサコプター型の2種類製作した.トライコプター型の実証試験機は推定飛行時間25分でスタビライザー付きの高角高画質カメラ(GoPro)を搭載している.ヘキサコプター型の機体はペイロード1kg以上の搭載が可能で,翼付きの利点である省電力長時間飛行を目指している.完成した機体の飛行試験までは終えて,ここまでの成果を国際会議で発表したほか各種展示会で機体の公開をした.今後は実証実験と機体の改良を行っていく予定である.チィルトローター式のVTOLについては,申請時に提案した前方の二重反転ローターをティルトする機体を試作した.機体の飛行試験を行い,ホバリングから水平飛行への滑らかな飛行形態の遷移ができることを確認し,その成果を国際会議発表で発表し論文にまとめた.また申請時に示したテールローターのみティルトするVTOLについては,更なる省電力飛行が可能となるようにすべてのローターをティルトするように機体を作り直している.可変ピッチ翼付きマルチコプターを試作・飛行試験をした際に明らかになった地面効果による離着陸時の不安定性や横風の影響に対する解決を模索し,柔軟性のあるカイトを主翼として付加したマルチコプターを新たに考案した.既に機体の製作と試験飛行も行い,固定翼を付加した場合には無い利点を見出したので特許出願と国内学会発表までを行った.固定翼機とマルチコプターの中間に位置する機体として,本研究で提唱する主翼を有するマルチコプターの試作機,実証試験機を製作し,その有用性を広く知ってもらうために学会発表および各種展示会での公開を行うことができた.