hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
意志動力学（ウィルダイナミクス）の創成と推進

創造的で活力あふれる生活を送るには、困難を乗り切り、目標に向かって努力する力=意志力(ウィルパワー)の高さが不可欠である。一方、青少年における「やる気」「モチベーション」の減退およびそれらと障害の基盤を共有すると思われる摂食障害、気分障害、アパシー、ひきこもり、適応障害、現代抑うつ症候群(新型うつ病)などの罹患者の増加への対処が、未曾有の少子高齢化に見舞われるわが国の社会福祉政策の喫緊の課題となっている。本領域では、意志力という精神機能に対する社会環境・体内環境の影響を解明し、その動的平衡のパラメーターとなる環境因、脳内分子を探索する一方、それらを制御し意志力を育むための支援の方策を確立することを狙いとする。意志力の神経基盤を理解するとともに、スポーツや教育による支援の方策を検討するために、神経科学、精神医学、内科学、教育心理学、スポーツ科学の研究者が緊密に連携する分野間横断研究を推進する。総括班においては、上記のような学際的・融合研究を推進するための総合的なサポートを行う。具体的には、マウスの睡眠・覚醒解析支援、超解像レーザー顕微鏡、体内時計機能解析を中心とした研究支援活動を行うほか、脳機能画像解析や電子顕微鏡による超微携帯解析ワークショップなどの技術支援を行う。また、若手・女性研究者のサポートを行い、若手主催の研究集会を行うほか、領域内の共同研究を促進し、若手研究者を支援ため、若手研究者の滞在支援を行う。また、成果発表会やシンポジウムを開催して領域内外の交流・情報交換を通して各研究グループの研究推進をサポートしていく。本領域をサポートするための総括班活動として本年度内にさまざまな活動を遂行してきた。研究支援活動としては、マウスの睡眠・覚醒解析支援を3件、超解像レーザー顕微鏡をもちいたコネクトーム解析を1件行った。またワークショップとして「resting-state fMRIを用いたfunctional connectivity解析入門・演習」(9/3京都大学)、電気生理学手法のワークショップ(3/9筑波大学)を領域主催で開催したほか、NIRSワークショップ(1/16鹿児島大学)のほか、浜松医科大学メディカルフォトニクスコース:イメージング技術支援コース共催にて脳機能画像解析の技術支援ワークショップを行った(8/28-9/1浜松医科大学)。アウトリーチ活動では、ニュースレターを2号発行したほか、ホームページ、フェイスブックページの充実に加え、「意志力」「やる気」に関する市民公開講座(3/24九州大学)、スローエアロビックの市民向け交流会(2/23筑波大学)、中高生のためのモチベーション講座(11/4同志社大学)を開催した。また研究成果の発表会、交流の場として第1回成果発表会(筑波大学7/9)、第2回成果発表会(2/15-16筑波大学大塚キャンパス)を領域主催で開催したほか、シンポジウム「認知における動機付けと感情の役割」(8/6高知工科大学)を行った。また、他領域との交流として新学術領域研究「グリアアセンブリによる脳機能発現の制御と病態」
非利き手が有する未知なる優位性に関する研究

本研究は運動途中で経由点を通過するような運動タスクにおける利き手と非利き手の違いについて調べた。先行研究において到達運動の実行中に未知の負荷が外乱として加わるとき、利き手よりも非利き手の方が外乱の影響を受けづらいという報告を踏まえて、本研究では運動中に未知の粘性抵抗を外乱としてランダムに加えて実験を行った。運動中のフィードバック制御の影響を抑えるため、運動中の手先位置は非表示とした。運動中に外乱が加わらない条件では、利き手と非利き手で運動軌道の経路の形状に有意な差があり、非利き手の方が身体の外側に膨らんだ経路の軌道を生成していた。また、非利き手の方が運動全体にわたってより多くの関節トルクを生成していた。運動パフォーマンスの指標の一つとして考えられるタスクとして課した経由点及び終点に関する軌道の誤差(各点と軌道との距離で定義)について、経由点については非利き手の方が誤差が大きかったが、終点については有意な差はなかった。一方、運動中に外乱を加えた場合、運動開始直後の軌道の経路の形状にのみ利き手と非利き手の間に有意な差はあったが、それ以外は外乱が加わらないときに生じた利き手と非利き手の間の有意な差は見られず、両者の運動は同じような傾向を示した。外乱の有無と手の左右を要因とした二元配置分散分析によれば、経由点の誤差について利き手の方が外乱の影響を受けやすいことが明らかになった。本研究の結果より以下のことが予想される。(1)利き手と非利き手の運動の違いは運動計画の時点でも生じている。(2)タスクで課した位置を補足するための制御のやり方が経由点と終点で異なる。(3)粘性力場の運動では利き手と非利き手の差が小さくなる。今後はこれらの予想について計算機シミュレーションなどと併せて検討していく。(1)手先に負荷がかかる姿勢固定タスクについて、手先の視覚情報が与えられない条件において、非利き手の方が手先が元の姿勢に戻る時間が利き手よりも短く、更に、非利き手の方が上腕二頭筋・三頭筋の共収縮が利き手よりも起こりやすいことが明らかになった。(2)矢状面における2点間の到達運動タスクについて、上腕二頭筋の使い方が異なる運動として前後方向と上下方向を条件に設定した。運動の精度について、前後方向では左右の腕間に有意差はなかったが、上下方向では利き手の方が有意に誤差が小さかった。上腕二頭筋のはたらきについて、前後方向では左右の腕間に有意差はなかったが、上下方向では利き手の方がより上腕二頭筋を使っていることが明らかになった。これらのことから、姿勢固定タスクのような等尺性運動では非利き手は上腕二頭筋を有効に使うが、到達運動のような等張性運動では異なることが示唆された。(3)利き手と非利き手の運動を判別できる量的データについて調べた。書字運動のデータに対してニューラルネットワークを用いた判別の結果、速度と加速度に関するデータの周波数成分を用いることで未学習のデータに対しても利き手と非利き手の運動を判別し得ることが明らかになった。運動中における利き手と非利き手の筋のはたらきの違いについて、二関節筋や共収縮において差があるが、それらの差は姿勢固定と到達運動では必ずしも同様な結果にはならないことが明らかになった。また、利き手と非利き手の運動の違いを表す量的データとして速度と加速度に関する周波数成分が一つの候補として明らかになった。ヒトの上肢は利き手と非利き手で知られるように同様な機械的構造を有しながら運動機能には違いがある。利き手と非利き手の運動の違いを明らかにすることは、ヒトの運動制御における戦略を考察する手がかりとなるとともに、ヒトにとってより自然なユーザーインタフェース等を提供できることへとつながる。当該年度は大きく二つについて調べた。(1)先年度までの研究より、ヒトの利き手と非利き手の運動の違いの要因として筋のはたらきの違いについて計測実験で明らかにしてきた。本研究では、主動筋と拮抗筋が同時に活性化する共収縮の様相について、共収縮が起こり始めるタイミングが利き手と非利き手で異なることを予想して、モデルの構築及びシミュレーションの実施、ならびに、実際の運動との比較によるモデルの妥当性の検討を行った。肘関節のみを動かす運動を想定して実験を行った結果、共収縮のタイミングによる運動の変化が明らかになるとともに、実際の運動でも同様な傾向が確認された。(2)上肢の楕円の連続運動について、軌道の速度と曲率との間にべき乗則で表される傾向があることが知られている。本研究はこの速度と曲率とのべき乗則の関係性が利き手と非利き手で変化し得るかを調べた。更に、先行研究を踏まえて、べき乗則の関係性を用いた運動データからの被験者の推定を試みた。実験の結果、利き手と非利き手でべき乗則の関係性が異なること、べき乗則の関係性を用いて被験者の推定が可能であることが示された。今後はべき乗則の違いをもたらす要因を明らかにすることで、利き手と非利き手の運動の違いとの関連性について調べていく。計画当初は想定していなかった大学業務により研究時間を十分に確保することが困難であったため、運動学習モデルの獲得に関するシミュレーション等、一部の実験が完遂されていないが、主要なテーマについては実験及び成果の発表を実施してきている。

手足の左右を用いて刺激に対して反応するときに、特定の性質(例えば、色や空間的な位置など)をもつ刺激に対して左右いずれかの手足の方がもう片方よりも早く正確に反応できることが知られている。このことは機器類を操作するスイッチなどの配置において、左右の特性に応じた設計を講じることで、より適切なインタフェースを提供できる可能性を示唆している。本研究では先行研究において十分に明らかにされてきていなかった垂直方向及び奥行き方向に動く視覚刺激に対して、左右の手または足を用いて反応するときに、反応時間が短くなる刺激の運動方向と手足の左右との対応関係を調査した。垂直方向に動く視覚刺激に対して、手及び足の両方において上方向に動く刺激には右側の手足で、下方向に動く刺激に対しては左側の手足で反応した方が反対の刺激と反応の組合せよりも反応時間が短いことが明らかになった。これは先行研究において上下に提示される固定した視覚刺激のときと類似の結果であった。一方、奥行き方向に動く視覚刺激に対しては刺激と反応の組合せは手足で異なる様相となった。手で反応する場合は刺激の動く方向と反応に用いる左右との間に反応時間が短くなる組合せは現れなかったが、足で反応する場合は手前に動く刺激に右足で、奥に動く刺激に左足で反応するときに反応時間が短くなることが明らかになった。また、足で反応するとき、左足の方が右足よりも視覚情報の見かけの変化の影響を受けやすいことも明らかになった。本研究の結果は利き手足と非利き手足の運動の違いを調査する上で運動制御の観点における違いだけでなく、認知的な観点からも議論する必要性を示唆している。手の左右によって反応しやすい刺激の特性の存在を確認できたことに加えて、足の左右においてより顕著な刺激の特性との対応関係が存在することを明らかにできた。加えて、利き手・足よりも非利き手・足の方が刺激に関する視覚情報の影響を受けやすいことが示唆された。これらの結果は利き手と非利き手における運動学習や運動制御の違いについて調査するに当たって有益な材料となり得るものであり、研究の進捗として一定の成果を得たと考えられる。本研究は運動途中で経由点を通過するような運動タスクにおける利き手と非利き手の違いについて調べた。先行研究において到達運動の実行中に未知の負荷が外乱として加わるとき、利き手よりも非利き手の方が外乱の影響を受けづらいという報告を踏まえて、本研究では運動中に未知の粘性抵抗を外乱としてランダムに加えて実験を行った。運動中のフィードバック制御の影響を抑えるため、運動中の手先位置は非表示とした。運動中に外乱が加わらない条件では、利き手と非利き手で運動軌道の経路の形状に有意な差があり、非利き手の方が身体の外側に膨らんだ経路の軌道を生成していた。また、非利き手の方が運動全体にわたってより多くの関節トルクを生成していた。運動パフォーマンスの指標の一つとして考えられるタスクとして課した経由点及び終点に関する軌道の誤差(各点と軌道との距離で定義)について、経由点については非利き手の方が誤差が大きかったが、終点については有意な差はなかった。一方、運動中に外乱を加えた場合、運動開始直後の軌道の経路の形状にのみ利き手と非利き手の間に有意な差はあったが、それ以外は外乱が加わらないときに生じた利き手と非利き手の間の有意な差は見られず、両者の運動は同じような傾向を示した。外乱の有無と手の左右を要因とした二元配置分散分析によれば、経由点の誤差について利き手の方が外乱の影響を受けやすいことが明らかになった。本研究の結果より以下のことが予想される。
「プログラムされた自己解体モデル」による原生動物のアポトーシス類似解体過程の検討

生態系の原状回復機構には食物連鎖を主とする生物学的循環と併せて、個々の細胞自体に積極的に自らを解体し原状回復に寄与するメカニズムが存在するという「プログラムされた自己解体モデル(大橋,中田,菊田,村上,1987)」が提唱されている。原生動物Tetrahymenaの死滅およびそれに伴う解体について、その現象を生化学的に検討し、上記モデルの整合性についても検討した。(1)細胞死誘導方法の検討培養細胞に短時間の致死的刺激を与えた後元の培養条件に戻すと、数時間で細胞が死滅しホモジネート状態にまでする現象を見いだした。刺激として高温および酸を用いたが両者ともに形態および(2)のリソソームの挙動について共通の変化を示した。この解体過程はエネルギー要求性を示す事から能動性プログラム性が示唆される。現在、細胞周期を同調化し均質性を高め細胞周期の違いについても検討を進めている。(2)細胞内リソソーム顆粒の挙動の検討アクリジンオレンジ生体染色による蛍光顕微鏡観察によってリソソームなどの酸性顆粒の挙動を検討した。解体進行中の細胞の形態変化に伴い、酸性顆粒が維持、増加、あるいは細胞質全体が酸性に変化する細胞がみられ自己解体仮説を支持する結果を得た。(3)リソソーム起源加水分解酵素量の変化の測定自己解体現象はリソソーム起源加水分解酵素系が自らの解体に能動的に寄与していると想定される。分解酵素系の新たな合成を含む能動的な過程であることの指標として、リソソーム起源加水分解酵素の総活性の変動を検討している。現段階の成果をまとめた論文の投稿準備中であり、またプログラムされた自己解体モデルについて人工生命の手法を用いたシミュレーションによる検証も共同研究で行い、論文投稿中。1)細胞死誘導方針の検討形態変化を指標に構築した2つの自己解体誘導方法は2)の蛍光顕微鏡観察においてリソソームの挙動については不均質な進行を示す細胞が若干混在する事が示され、現在さらに死滅誘導方法の検討を継続している。2)細胞内リソソーム顆粒の挙動の検討アクリジンオレンジ生体染色による蛍光顕微鏡観察を行った。アクリジンオレンジはpHによって発色が異なるためリソソームなどの酸性顆粒の挙動を捕らえることができる。解体進行中の細胞の形態変化に伴い酸性顆粒が増加するという自己解体仮説を支持する結果を得た。3)リソソーム起源加水分解酵素量の変化の測定自己解体現象はリソソーム起源加水分解酵素系が自らの解体に能動的に寄与していると想定される。分解酵素系の新たな合成を含む能動的な過程であることの指標として、リソソーム起源加水分解酵素の総活性の変動、特にプロテアーゼ活性が約2倍にまで増加する事を見いだした。4)特異的な遺伝子の発現の検討死滅誘導後発現する自己解体現象に関与している遺伝子および発現蛋白質をDifferential Display法等によって捉えること、またアポトーシスとの関連性の検討について継続中である。
微細共鳴トンネル素子を用いた波動関数測定に関する理論的研究

電子間の相互作用が波動関数測定に与える影響を調べるため,半導体ヘテロ構造中に作製された量子ドットにおける電子状態を厳密対角化の方法を用いて求めるプログラムを作成した.量子ドットのモデルは,界面に沿った方向には,円形ポテンシャル,楕円形ポテンシャル,または,三角形ポテンシャルで閉じ込められ,界面に垂直な方向には井戸型ポテンシャルで閉じ込められたモデルを採用した.作成したプログラムでは,電子数Nが15個までの電子状態が計算できる.さらに,量子ドットを介したトンネルにおいて,量子ドットに注入された電子がエネルギー緩和する過程を調べるため,計算により求めた電子状態を用いて,電子が音響フォノンと相互作用を行い緩和する時間の計算を行った.その結果,以下のようなことがわかった.量子ドットにトンネル障壁を隔てて金属電極を設けた場合に流れるトンネル電流を,電極層と量子ドットにおける波動関数の重なり積分に注目して解析した.簡単のため電極層の電子間の相互作用は考慮に入れていない.円対称の量子細線電極と,円対称量子ドットとを接合すると(細線とドットの閉じ込めポテンシャルは,一般に,異なるとした),電極間に印加する電圧(をエネルギーに換算したもの)より,電極のフェルミエネルギー付近における準位間隔が広い場合は,波動関数の対称性により,N電子系のすべての基底状態が電流に寄与するとは限らないことがわかった.また,フェルミエネルギー付近における準位間隔が十分小さい場合,N電子系のすべての基底状態は電流に寄与するが,その寄与の程度は,電極のフェルミエネルギーに非常に敏感であり,有意な結論を導くことが困難であることが分かった.量子ドット内の電子数が1個の場合,そのエネルギー準位は閉じ込めエネルギー程度間隔で離散的に存在するため,音響フォノン緩和過程が抑制されることが知られている.しかし,量子ドット内電子数が増えると,電子間のクーロン相互作用のため,エネルギー準位が密になってくる.この効果を考慮に入れると,エネルギー準位の間隔が密になった分,緩和が速く起こることがわかった.また,(多電子系の)励起状態から基底状態へと緩和する過程を考えると,音響フォノンを1個放出して,直接,基底状態へと緩和する過程より,音響フォノンを複数個放出して緩和する過程の方が速い場合があることもわかった.電子間の相互作用が波動関数測定に与える影響を調べるため,半導体ヘテロ構造中に作製された量子ドットにおける電子状態を厳密対角化の方法を用いて求めるプログラムを作成した.量子ドットのモデルは,界面に沿った方向には,円形ポテンシャル,楕円形ポテンシャル,または,三角形ポテンシャルで閉じ込められ,界面に垂直な方向には井戸型ポテンシャルで閉じ込められたモデルを採用した.作成したプログラムでは,電子数Nが15個までの電子状態が計算できる.さらに,量子ドットを介したトンネルにおいて,量子ドットに注入された電子がエネルギー緩和する過程を調べるため,計算により求めた電子状態を用いて,電子が音響フォノンと相互作用を行い緩和する時間の計算を行った.その結果,以下のようなことがわかった.量子ドットにトンネル障壁を隔てて金属電極を設けた場合に流れるトンネル電流を,電極層と量子ドットにおける波動関数の重なり積分に注目して解析した.簡単のため電極層の電子間の相互作用は考慮に入れていない.円対称の量子細線電極と,円対称量子ドットとを接合すると(細線とドットの閉じ込めポテンシャルは,一般に,異なるとした),電極間に印加する電圧(をエネルギーに換算したもの)より,電極のフェルミエネルギー付近における準位間隔が広い場合は,波動関数の対称性により,N電子系のすべての基底状態が電流に寄与するとは限らないことがわかった.また,フェルミエネルギー付近における準位間隔が十分小さい場合,N電子系のすべての基底状態は電流に寄与するが,その寄与の程度は,電極のフェルミエネルギーに非常に敏感であり,有意な結論を導くことが困難であることが分かった.量子ドット内の電子数が1個の場合,そのエネルギー準位は閉じ込めエネルギー程度間隔で離散的に存在するため,音響フォノン緩和過程が抑制されることが知られている.しかし,量子ドット内電子数が増えると,電子間のクーロン相互作用のため,エネルギー準位が密になってくる.この効果を考慮に入れると,エネルギー準位の間隔が密になった分,緩和が速く起こることがわかった.また,(多電子系の)励起状態から基底状態へと緩和する過程を考えると,音響フォノンを1個放出して,直接,基底状態へと緩和する過程より,音響フォノンを複数個放出して緩和する過程の方が速い場合があることもわかった.本年度は,半導体ヘテロ構造中に作製された量子ドットにおける電子状態を厳密対角化の方法を用いて求めるプログラムを作成した.量子ドットのモデルは,界面に沿った方向には,円形ポテンシャル,楕円形ポテンシャル,または,三角形ポテンシャルで閉じ込められ,界面に垂直な方向には井戸型ポテンシャルで閉じ込められたモデルを採用した.作成したプログラムでは,電子数Nが15個までの電子状態が計算できる.計算により求めた電子状態を用いて,・電子が音響フォノンと相互作用をおこない緩和する過程・量子ドットにトンネル障壁を隔てて金属電極を設けた場合に流れるトンネル電流に関して理論的検討をおこなった.その結果,以下のようなことがわかった.量子ドット内の電子数が1個の場合,そのエネルギー準位は閉じ込めエネルギー程度間隔で離散的に存在するため,音響フォノン緩和過程が抑制されることが知られている(フォノン・ボトルネック効果).しかし,量子ドット内電子数が増えると,電子間のクーロン相互作用のため,エネルギー準位が密になってくる.この効果を考慮に入れると,エネルギー準位の間隔が密になった分,緩和が速く起こることがわかった.また,

(多電子系の)励起状態から基底状態へと緩和する過程を考えると,音響フォノンを1個放出して,直接,基底状態へと緩和する過程より,音響フォノンを複数個放出して緩和する過程の方が速い場合があることもわかった.量子ドットにトンネル障壁を隔てて金属電極を設けた場合に流れるトンネル電流,電極層と量子ドットにおける波動関数の重なり積分に注目して解析した.簡単のため電極層の電子間の相互作用は考慮に入れていない.円対称の量子細線電極と,円対称量子ドットとを接合すると(細線とドットの閉じ込めポテンシャルは,一般に,異なるとした),電極間に印加する電圧(をエネルギーに換算したもの)より,電極のフェルミエネルギー付近における準位間隔が広い場合は,波動関数の対称性により,N電子系のすべての基底状態が電流に寄与するとは限らないことがわかった.また,フェルミエネルギー付近における準位間隔が十分小さい場合,N電子系のすべての基底状態は電流に寄与するが,その寄与の程度は,電極のフェルミエネルギーに非常に敏感であることがわかった.本年度は,昨年度作成した半導体ヘテロ構造中に作製された量子ドットにおける電子状態を厳密対角化の方法を用いて求めるプログラムを,磁場中の電子状態も計算できるように改良し,電子状態の解析ならびに,トンネル行列要素の見積もりを行った.さらに,量子ドットへトンネル入射した電子が,音響フォノンを放出して基底状態へと緩和する時間の計算も合わせて行った.また,従来の共鳴トンネル素子で観測されている不純物を介したトンネル電流から不純物に束縛された電子の波動関数を見積もる方法の見直しを図った.また,量子ドット列のモデル系として注目されている強磁場(成長方向に印加する)下におかれた半導体超格子のトンネル現象に関する理論的検討を行った.以上述べたような研究の結果以下のようなことが分かった.量子ドットにトンネル障壁を隔てて金属電極を設けた場合に流れるトンネル電流を見積もるため,電極層と量子ドットにおける波動関数の重なり積分を定義し,厳密対角化を用いて計算した電子状態を用いてその値を計算したが,重なり積分の値は,電極のフェルミエネルギーに非常に敏感であり,有意な結論を導くことが困難であることが分かった.従来,共鳴トンネル素子で観測されている不純物を介したトンネル電流から不純物に束縛された電子の波動関数を見積もる際,束縛準位の波動関数の空間依存性をexp{-(γ/λ)^2}のようにガウス型で近似して行われてきたが,クーロンポテンシャル中の電子状態を遠距離でよりよく再現する指数型exp(-γ/λ)の波動関数を用いることにより,より実験結果を正確に記述できるようになった.また,エミッタ領域から電子が不純物準位へ遷移する過程を考慮すると,初期状態(アミッタ状態)でイオン化した不純物の影響を受けると予想されることから,エミッタにおける束縛状態の計算も合わせて行い,バイアス条件を精度良く見積もれるようになった.強磁場下におかれた半導体超格子系の電気伝導に関して理論的検討を行った結果,音響フォノン反共鳴現象には,井戸間の行列要素のみに起因する成分以外にも,井戸内の重なり積分による形状因子も大きな寄与を示すことが分かった.
LIMモチーフを有する新規プロテインキナーゼLIMKの機能解明

私たちは最近、LIMモチーフと呼ばれる特徴的なジンクフィンガー構造を分子内にもつ新規なプロテインキナーゼLIMK1のcDNAクローニングに成功した。LIMモチーフは転写因子、細胞接着班蛋白質などに見られるモチーフで蛋白質間の相互作用に関与しているといわれている。本研究では、LIMK1の細胞内での機能を明らかにするため、その発現分布、細胞内局在性、キナーゼ活性について検討し、以下の結果を得た。また、LIMK1と相同性の高いプロテインキナーゼをスクリーニングし、2種の新規なプロテインキナーゼのcDNAをクローニングした。1)LIMK1と同じドメイン構成からなり、全体で約50%の相同性を持つLIMK2cDNAをトリ、ラット、ヒトcDNAライブラリーよりクローリングした。また、精巣に高発現し、キナーゼドメインでLIMKと高い相同性を持つが、LIMモチーフをもたず、C末端部にプロリンリッチ配列を持つ新規なプロテインキナーゼTESK1のcDNAをクローニングした。2)LIMK1およびLIMK2をCOS細胞に発現させ、これらのキナーゼが主に細胞質に局在し、セリン/スレオニンキナーゼ活性を持つことを明らかにした。3)A431細胞内でLIMK1に結合するチロシンリン酸化された分子量140Kの蛋白質pp140の存在を明らかにした。LIMモチーフは蛋白質間の相互作用を担っていることが示唆されているので、LIMK1はLIMモチーフを介してpp140と相互作用し、そのキナーゼ活性や細胞内局在性が調節されているものと推定される。
超軽量宇宙構造物の形状および振動の能動制御に関する研究

本研究では,宇宙アンテナなどの極度に軽量柔軟な構造物を構造材料に埋め込んだ能動要素(圧電素子など)を用いて能動的に精密制御する超軽量宇宙構造システムを提案し、その基礎となる制御系設計法についての研究を行った。1.超軽量知的宇宙構造システムのコンセプトについての研究行った。アクティブ制御によって剛性を保つとともに能動的振動制御を行う知的構造システムについて研究した。2.軽量で柔軟な宇宙構造物の形状と振動を制御するための制御法に関する研究を行った。剰余モードによる制御系のスピルオーバ不安定化を防止するロバストな制御系設計法について研究した。3.制御対象のパラメータが不確定な場合に有効なロバストな制御系設計法として、スライディングモード制御に着目し、数値シミュレーションおよびスマートはりモデルを用いた制御実験を行った。4.構造と制御系の同時最適設計法についての研究を行った。スマート構造の構造・制御系の同時最適設計問題をBMIを用いた設計問題として定式化し、LMI(線形行列不等式)問題に緩和して逐次設計を行う方法について研究した。さらに、センサ・アクチュエータ配置と制御系設計をLMIを用いて同時最適設計する方法について研究し、両端単純支持の柔軟はりに適用してその有効性を示した。5.スマート構造を用いた能動遮音制御と音響加振の低減化についての研究を行った。音響加振を低減させるために、対象の各振動モードの腹の音圧を圧電素子の発生電圧から推定し、評価に用いた。6.スマート構造制御システムの異常診断に関する研究スマート構造システムの入出力データをモニタし,センサやアクチュエータに発生する異常を自律的に検出・同定するための理論と方法について研究した。部分空間法などのセンサ出力を用いた診断法について、数値シミュレーションおよび実験室モデルを用いた模擬診断実験を行い、有効性を検証した。宇宙アンテナの反射鏡など、極度に弱い支持構造を持つ超軽量構造システムに対して,アクティブ制御によってその剛性を保つとともに,振動の能動制御を行うスマート構造システムについての研究を行った.1.スライディングモード制御によるスマート構造の制御に関する研究柔軟構造物の形状と振動を制御するための制御系設計法に関する研究を行った.構造パラメータなどの不確定性に対して有効なロバスト性を有するスライディングモード制御系について研究し、離散系のシステム同定に基づく制御系設計法を開発した。2.構造系/制御系の同時最適設計法の研究BMI(双線形行列不等式)に基づく構造系と制御系の同時設計法についての研究、およびLMI(線形行列不等式)に問題を緩和して問題を解く方法についての研究を行った。3.スマート構造の異常診断に関する研究スマート構造の高信頼性を実現するため、制御系の異常診断法についての研究を行った。ERA法に基づくオンライン異常診断法について研究した。4.実験室モデルによる制御実験圧電素子/制御ユニットを装着したスマートビーム実験装置を用いて、振動制御実験を行った。はりモデルとしては、0.3mm×30mm×450mmのステンレス材を水平支持するものと、垂直懸架する装置の2種の実験装置を用い、スライディングモード制御による振動制御実験を行うとともに、異常診断システムのアルゴリズムの妥当性について検討した。1.超軽量知的宇宙構造システムのコンセプトについての研究アクティブ制御によって剛性を保つとともに能動的振動制御を行う知的構造システムの制御系について検討した。2.知的構造システムの制御系設計法についての研究圧電素子を用いて形状と振動を制御するための制御系設計法に関する研究を行った。構造パラメータなどのシステムの不確定性に対してロバストなスライディングモード制御法を適用した。制御系設計を離散時間系で統一的に設計するデジタル制御系の設計法を開発し、スマート構造の実験室モデルに適用して評価を行った。

3.構造系/制御系の同時最適設計法についての研究スマート構造の構造・制御系の同時最適設計問題をBMI(双線形行列不等式)を用いた設計問題として定式化し、LMI(線形行列不等式)問題に緩和して逐次設計を行う方法について研究した。4.コントロール・モーメント・ジャイロに関する研究宇宙構造物の制御用アクチュエータとしてコントロール・モーメント・ジャイロに着目し、特異点回避駆動則について研究した。小型化、冗長性緩和についての検討を行った。5.知的構造システムの異常診断に関する研究知的構造システムの異常診断についての基礎的な研究を行い、部分空間法を用いた診断法について、数値シミュレーションおよび実験室モデルを用いた模擬診断実験を行った。1.超軽量知的宇宙構造システムのコンセプトについての研究アクティブ制御によって剛性を保つとともに能動的振動制御を行う知的構造システムを宇宙構造物に適用する方法について研究した。2.知的構造システムの制御系設計法についての研究圧電素子を用いて形状と振動を制御するための制御系設計法に関する研究を行う。構造パラメータなどのシステムの不確定性に対してロバストな制御法について研究する。さらに、センサ・アクチュエータ配置と制御系設計をLMIを用いて同時最適設計する方法について研究し、両端単純支持の柔軟はりに適用してその有効性を示した。4.スマート構造を用いた能動遮音制御と音響加振の低減化についての研究フェアリング内の衛星のように隔壁内部の特定の対象へ伝達する音響加振を低減させるために、対象の各振動モードの腹の音圧を圧電素子の発生電圧から推定し、それらに各固有振動数に重みを与えたH2ノルムを音圧評価に用いた。混合H2/H∞最適問題を用いて制御系を設計し,数値シミュレーションにより提案法が効率的であることを示した。5.柔軟宇宙構造物の異常診断に関する研究知的構造システムの異常診断についての基礎的な研究を行った。部分空間法などのセンサ出力を用いた診断法について、数値シミュレーションおよび実験室モデルを用いた模擬診断実験を行い、有効性を検証した。さらに、リカレント型ニューラルネットワークを用いた柔軟構造物の異常診断法についての研究も行った。1.知的構造システムの制御系設計法についての研究圧電素子を用いて形状と振動を制御するための制御系設計法に関する研究を行った。構造パラメータなどのシステムの不確定性に対してロバストな制御法について研究を行なった。構造の振動を抑制するために、入力をあらかじめ成形する方法の有効性について検討した。
固体内高速イオン移動現象とその電子状態の第一原理シミュレーション

本研究は、固体内でのイオンの高速移動機構を理論的手法、主として第一原理分子動力学法により解明しようとするものであり、具体的には、近年、実験的研究が盛んになされているペロブスカイト型酸化物中のプロトン伝導現象を対象とし、プロトン伝導のミクロな機構の解明を目指す。対象物質としては、ScをドープしたSrTiO3中のプロトンに注目し研究を行った。計算は、断熱近似の範囲で行い、価電子とイオンとの相互作用には、擬ポテンシャルを用いた。電子状態は、局所密度近似を用いた密度汎関数法で扱った。計算法としては、分子動力学法の各ステップで、共役勾配法を用いて電子系を基底状態に収束させる型の第一原理分子動力学法を採用した。はじめに、構造最適化の計算を行いプロトンが最も安定に存在し得る位置を特定し、次に、動的シミュレーションを行い、プロトンの拡散経路やそのミクロな機構を調べた。構造最適化計算の結果、プロトンとTi(または、Sc)は互いに遠ざけ合い、Oはプロトンに近づく方向に移動した。最安定な構造では、プロトンは、最も近いOと強く結合しており、O-H間の距離は、役1.04Åである。プロトンは、2つのOを結ぶ線に関してTiの反対側に位置し、H-O-Oのなす角度は約13°である。プロトンをドーパント(Sc)の近傍に導入しても、イオン間距離、角度共に違いは最大2%程度であり、プロトンの位置はドーパントによりほとんど変わらないことがわかった。動的シミュレーションを行い、プロトンは、常に近傍のOイオンと結合しており、絶えずストレッチング振動をしている様子を再現した。振動のモードは、約2800cm^<-1>であった。拡散をするときも、プロトンは近傍のOイオンと結合しており、O-Hのストレッチング振動をしながら、つまり、O-H間の平衡距離をほとんど変えずに移動することを明らかにした。
活性酸素を制御するバイオマテリアルの構築

諸刃の剣である活性酸素種(ROS)のうち、「悪玉」活性酸素種を選択的に消去する「レドックス高分子」を設計し、新しいバイオマテリアルとして革新的医療技術の開発を行った。レドックス高分子を表面処理剤として用いることにより血液や組織の接触活性化を抑制し、幹細胞の非特異的分化を抑制することが確認された。また、レドックスナノ粒子によるアルツハイマーや放射線保護材の開発及び抗がん治療における効果の増強と副作用の抑制を同時に達成した。抗酸化インジェクタブルゲルを開発し、歯周病や糖尿病治療、外科手術後の臓器癒着防止剤等に展開した。このように高分子化した抗酸化剤は極めて広範に展開できる有用性を示す事ができた。本研究では、これまで申請者らが見いだしてきたニトロキシドラジカル含有高分子をベースにレドックス反応性を示すナノ粒子、シリカ含有ナノ粒子、フラワー粒子を設計し、その物理化学特性、毒性および悪玉活性酸素消去能を評価するとともに動物モデルにおける評価を行い、効果を検証する。特に活性酸素消去能と疾患治療効果の相関を検討するとともに代謝や副作用に関する検討を以下のように進めてきた。1.材料合成:すでに得られている知見により、ニトロキシドラジカルを中心にした材料設計を展開する。特に、これまでPEG-b-レドックス高分子という親水-疎水型ブロック共重合体を利用し、レドックス型ポリマードラッグ、バイオイメージング、表面処理剤等としての材料設計を行った。2.インジェクタブルゲル:両側セグメントにポリアミン鎖を有するABAタイプのブロック共重合体を合成し、ポリアニオンとのコンプレックス形成を行った。ポリアニオンにはポリアクリル酸とともに、プラスミドDNA、オリゴ核酸、エステラーゼのような生体分子をも検討した。3.レドックス吸着剤:レドックスナノ粒子にゾルゲル法にてシリカ担持レドックスナノ粒子を作製する。吸着能向上のため、ヒドロキシアパタイトを利用することも検討した。4.材料の安全性評価:上述のように合成した材料の、ナノ粒子、表面修飾剤としての安全性評価を行った。5.レドックスナノメディシンの設計と評価:レドックスポリマーの自己組織化ナノ粒子に関し、急性毒性と動態、代謝を正確に把握し、実用化に結びつく材料設計への基礎データを得た。6.表面処理:本申請の研究では血液や細胞と直接接触する透析膜、カラム担体や細胞培養用担体の表面処理を目的とし、初年度は合成した材料をガラスビーズに固定し、ラット全血との接触によりその効果を評価した。諸刃の剣である活性酸素種(ROS)のうち、「悪玉」活性酸素種を選択的に消去する「レドックス高分子」を設計し、新しいバイオマテリアルとして革新的医療技術の開発を目指す。レドックス高分子を表面処理剤として用いることにより血液や組織の接触活性化を抑制し、再生医療用足場材料、細胞分離材や血液透析膜用の材料を創出する。これは、これまでの表面処理剤が物理化学特性を制御してきたのに対し、「アクティブ」に制御する新しい概念である。さらに吸着能を創り込み腹膜透析や生体吸着剤への展開を図る。一方、レドックス高分子によるレドックスポリマードラッグの概念を構築する。ここでは自己組織化能を創り込み、レドックスナノ粒子による治療やイメージングを進め、さらにインジェクタブルゲル化機能を創り込み、歯周病、関節炎やレドックス能を有する薬物リリースデバイスへ展開した。具体的にはレドックスインジェクタブルゲルを開発し、これまでに無い手術後臓器癒着防止用スプレーの開発、潰瘍性大腸炎起因性大腸がんへの抗酸化ナノ粒子治療、シリカ含有レドックスナノ粒子による消化管障害を低減した経口DDSキャリアの開発、血液凝固を抑制し、細胞の接着誘起ストレスを除去した高度な細胞培養表面の開発をすすめ、良い成果を得た。これまで、諸刃の剣である活性酸素種(ROS)のうち、「悪玉」活性酸素種を選択的に消去する「レドックス高分子」を設計し、新しいバイオマテリアルとして革新的医療技術の開発を目指してきた。今年度はレドックス高分子を細胞培養シャーレ表面処理剤として用いることにより間葉系幹細胞の長期間分化抑制の維持と活性の維持を達成した。特にCD34抗体により観葉系幹細胞を分別後、CD34活性が長期にわたり維持されることを確認した。ROSを消去するナノ粒子(RNP)は消化管毒性の強いイリノテカンとともに経口投与すると、イリノテカンの抗がん作用を増強するだけでなく、下痢、下血のような消化管毒性を著しく低下することがわかった。ROSを消去するインジェクタブルゲル(RIG)を作製した。これをIL-12と複合化し、皮下投与することにより、局所コントロールドリリースにより、効果的なIL-12の副作用を低減しつつがん免疫療法への展開が可能となった。さらに歯周病も出るラットの歯周ポケットにRIGを投与することにより破骨細胞の増殖を抑え、歯槽骨吸収を有意に抑制し、歯周病への展開が可能であることが確認された。また、RIGはスプレーとして外科手術後の臓器に投与することにより、高度に癒着防止効果を発揮することが確認された。材料設計が確立しつつあり、また、実用化可能な合成法に関しても確立し、予定より早めに進行しつつある。諸刃の剣である活性酸素種(ROS)のうち、「悪玉」活性酸素種を選択的に消去する「レドックス高分子」を設計し、新しいバイオマテリアルとして革新的医療技術の開発を目指してきた。

レドックス高分子を表面処理剤として用いることにより血液や組織の接触活性化を抑制し、再生医療用足場材料、細胞分離材や血液透析膜用の材料を作り出した。さらに吸着能を創り込み腹膜透析や生体吸着剤への展開を行った。一方、レドックス高分子によるレドックスポリマードラッグの概念を構築した。ここでは自己組織化能を創り込み、レドックスナノ粒子による治療やイメージングを進め、さらにインジェクタブルゲル化機能を創り込み、歯周病、関節炎やレドックス能を有する薬物リリースデバイスへ展開した。具体的にはレドックスインジェクタブルゲルを開発し、これまでに無い手術後臓器癒着防止用スプレーの開発、潰瘍性大腸炎起因性大腸がんへの抗酸化ナノ粒子治療、すすめ、良い成果を得た。さらに抗酸化ナノ粒子の皮下投与でUVB障害保護や放射線保護材としての評価を試み、極めて高い保護効果を発揮することを確認した。トランスジェニックマウスによるアルツハイマー病への経口投与が効果を発揮することも確認した。本研究ではさらに、マクロファージに応答して一酸化窒素を発生するナノ粒子を設計し、そのROS消去粒子との併用効果をin vivoで検討した。NOを発生するとともにROSを消去する事で、毒性の強いパーオキシナイトレートへの移行を抑制し、NOによる高い効果を発揮することを確認することができた。本申請の研究では活性酸素種(ROS)を消去するポリマーを中心に新しい抗酸化ナノメディシンの設計を推進してきた。高分子化することでこれまで問題であった正常細胞内の電子伝達系や他の酸化還元反応を破壊することを回避し、効果的な抗酸化剤となることをゼブラフィッシュや齧歯類、イヌ等の動物を用いて実証した。ここで本研究では本来想定していなかった一酸化窒素発生型ナノ粒子の設計を行い、これが投与量依存的に血管新生やアポトーシス誘導に高い効果を発揮することを実証した。さらにはROS消去型ナノメディシンとの併用で、その効果が著しく増加することを実証した。これはROS消去によってNOの消費が抑制される事をin vivoで実証した初めての例である。このように当初抗酸化ナノメディシンでスタートしたプロジェクトはその当初計画よりも大きく進展した。諸刃の剣である活性酸素種(ROS)のうち、「悪玉」活性酸素種を選択的に消去する「レドックス高分子」を設計し、新しいバイオマテリアルとして革新的医療技術の開発を目指してきたあ。これは、これまでの表面処理剤が物理化学特性を制御してきたのに対し、「アクティブ」に制御する新しい概念である。
生体信号を基に駆動するウェアラブル・パワーアシスト・ロボットの研究

高齢者や障害者等の筋力弱者の日常生活での動作やリハビリテーションを支援するため,使用者の体に直接装着して動作補助(パワーアシスト)する外骨格型ロボット(ウェアラブル・ロボット)の研究を行った.高齢者や障害者等を対象とした外骨格型パワーアシストロボットでは,装着者の動作意思通りに自動的に動作補助を行うことが重要であるため,本研究では装着者の動作意思を反映した生体信号である筋電信号を基にパワーアシストを行うものとした.筋電信号を基に外骨格型ロボットでパワーアシストを行うことは様々な理由により容易ではないが,本研究では曖昧な信号を扱うことができるファジィ制御と学習・適応能力を有するニューラルネットワーク制御を融合したファジィ・ニューロ制御を用いることで様々な問題点を解決した.これまでに上肢運動を補助する3自由度(肩関節の垂直屈伸運動,水平屈伸運動,肘関節の屈伸運動)外骨格型ロボット等を開発してきたが,本研究ではこれらを基に日常生活において欠かせない取り寄せ動作や食事動作を考慮し,肘関節屈伸運動と前腕回内外運動を同時に補助する2自由度外骨格型ロボットや,肩関節3自由度運動と肘関節運動を補助する4自由度外骨格型ロボットの開発等を行った.また,外骨格型ロボットの実用化を考慮し,外骨格型ロボットと電動車いすを一体化したモバイル外骨格型ロボットも開発した.これらの外骨格型ロボットの有効性は実験により確認した.高齢者や障害者等の筋力弱者の日常生活での動作やリハビリテーションを支援するため,使用者の体に直接装着して動作補助(パワーアシスト)する外骨格型ロボット(ウェアラブル・ロボット)の研究を行った.高齢者や障害者等を対象とした外骨格型パワーアシストロボットでは,装着者の動作意思通りに自動的に動作補助を行うことが重要であるため,本研究では装着者の動作意思を反映した生体信号である筋電信号を基にパワーアシストを行うものとした.筋電信号を基に外骨格型ロボットでパワーアシストを行うことは様々な理由により容易ではないが,本研究では曖昧な信号を扱うことができるファジィ制御と学習・適応能力を有するニューラルネットワーク制御を融合したファジィ・ニューロ制御を用いることで様々な問題点を解決した.これまでに上肢運動を補助する3自由度(肩関節の垂直屈伸運動,水平屈伸運動,肘関節の屈伸運動)外骨格型ロボット等を開発してきたが,本研究ではこれらを基に日常生活において欠かせない取り寄せ動作や食事動作を考慮し,肘関節屈伸運動と前腕回内外運動を同時に補助する2自由度外骨格型ロボットや,肩関節3自由度運動と肘関節運動を補助する4自由度外骨格型ロボットの開発等を行った.また,外骨格型ロボットの実用化を考慮し,外骨格型ロボットと電動車いすを一体化したモバイル外骨格型ロボットも開発した.これらの外骨格型ロボットの有効性は実験により確認した.これまでに開発したウェアラブル・パワーアシスト・ロボット(肩2自由度:垂直屈伸および水平屈伸運動,肘1自由度:屈伸運動を補助)を基に,肩3自由度(垂直屈伸,水平屈伸,内外旋運動),および肘1自由度(屈伸運動)の合計4自由度の運動を補助するウェアラブル・パワーアシスト・ロボットシステムを再設計し,製作した.また,実用化を進めるため,3自由度(肩2自由度:垂直屈伸および水平屈伸運動,肘1自由度:屈伸運動)のウェアラブル・パワーアシスト・ロボットシステムを電動車椅子に設置することを検討し,これまでのロボットをベースに再設計し,現在製作中である,本ロボットの手首部で発生する力信号(装着者とロボットとの動作誤差信号)をフィードバックするためのカセンサーは,市販の3軸力センサーを用いて作成した.一方,制御系(ソフトウェア系)に関しては,肩の内外旋運動の制御則を追加するため,装着者の肩周辺部および上腕部の筋肉の筋電信号から,装着者の肩の内外旋運動を瞬時に推定するために必要なデータを取得するための実験装置を製作し,複数の被験者による実験を行った.基本的な上肢姿勢においては,11ヶ所の筋電信号を基にこれまでの3自由度(肩2自由度:垂直屈伸および水平屈伸運動,肘1自由度:屈伸運動)のパワーアシストに加え,追加した内外旋運動のパワーアシストができることを確認した.今後は,上肢姿勢変化が肩の内外旋運動を行う筋肉の筋電信号に与える影響を補償する知的インターフェイスを開発するため,これらの影響を調べる実験を複数の被験者により実施する.本研究では,ソフトコンピューティング(言語的表現により柔軟な推論を行うファジィ推論,および適応・学習能力を持つニューラルネットワーク)を用いることにより,これらの知的制御および知的インターフェイスを実現させている.高齢者や障害者等の筋力弱者の日常生活での動作やリハビリテーションを支援するため,使用者の体に直接装着して動作補助(パワーアシスト)する外骨格型ロボット(ウェアラブル・ロボット)の研究を進めている.高齢者や障害者等を対象とした外骨格型パワーアシストロボットでは,装着者の動作意思通りに自動的に動作補助を行うことが重要であるため,本研究では装着者の動作意思を反映した生体信号である筋電信号を基にパワーアシストを行っている.筋電信号を基に外骨格型ロボットでパワーアシストを行うことは様々な理由により容易ではないが,本研究では曖昧な信号を扱うことができるファジィ制御と学習・適応能力を有するニューラルネットワーク制御を融合したファジィ・ニューロ制御を用いることで様々な問題点を解決した.これまでに上肢運動を補助する3自由度(肩関節の垂直屈伸運動,水平屈伸運動,肘関節の屈伸運動)

外骨格型ロボット等を開発してきたが,本研究ではこれらを基に日常生活において欠かせない取り寄せ動作や食事動作を考慮し,肘関節屈伸運動と前腕回内外運動を同時に補助する2自由度外骨格型ロボットや,肩関節3自由度運動と肘関節運動を補助する4自由度外骨格型ロボットの開発等を行った.また,外骨格型ロボットの実用化を考慮し,外骨格型ロボットと電動車いすを一体化したモバイル外骨格型ロボットも開発した.これらの外骨格型ロボットの有効性は実験により確認した.
シナプス可塑性におけるSIFタンパク質の役割

われわれは今までに行動異常変異株の解析をもとに2種の遺伝子を同定し、いずれの産物もシナプスに局在することを明らかにしてきた。そのうちのひとつがstill life(sif)遺伝子である。この遺伝子のコードするタンパク質は、RhoファミリーGTPaseの一種であるRacを活性化するグアニンヌクレオチド交換因子で、シナプス前部においてはアクティブゾーンの周縁部の膜近傍に特異的に局在している。神経筋接合部を染色してレーザー顕微鏡で観察してみるとSIFタンパク質は複数存在するアクティブゾーンの回りに相補的に網目状に局在していることが明らかとなった。さらに、その網目状の領域の膜上にはFascilinIIやintegrinが共に局在していることがわかり、シナプスにおける細胞接着因子とRhoファミリーGTPaseカスケードに関連がある可能性が示された。さらにSIFタンパク質の機能を考える上で興味深いことは、このタンパク質が発生を終えた成虫脳においても多量に存在し、中枢シナプスのアクティブゾーン周縁部に特異的に局在しているということである。われわれは今までに得てきた知見をもとに以下の仮説をたてている。すなわち、SIFタンパク質はシナプス形成が終わったのちもシナプス末端の特異的な領域に局在して、その領域でRacを活性化することにより神経活動に依存してシナプスの構造的可塑性を制御しているということである。このことを検証するために、われわれは、まず脳内の小数の神経細胞の軸索をその先端まで可視化するシステムを作る必要性があると考え、膜結合性GFPを任意の遺伝子のプロモーター制御下で発現させる系を利用して、sif変異の効果を明らかにしていく計画を作り進めている。
超高圧下における輝石-カンラン石ーガーネット組成系の相平衡

研究の結果、マントルの構造の解明には輝石組成をもつ高圧鉱物相を中心に、カンラン石、ガ-ネット、含水珪酸マグネシュウムなどの挙動が重要な鍵になるとの結論に至った。以下に実験を行った系について述べる。I.Ma_2Si_4(Fo)-Mg_3Al_2Si_3O_<12>(Py)系:この系にたいしては、圧力8及び13.5GPa、温度20502200°Cで実験を行い、共融点(Fo+Py+液)と包結晶(Fo+Pc+液)が存在する。共融点の位置は、温度2090±20°C、組成Fo_<71>Py_<29>である。包晶点の位置は、温度2110±20°C、組成Fo_<90>Py_<10>Fo_<80>Py_<20>と推定される。15GPaの圧力下では、フォルステライトは(Pc+液)に分解溶融する。II.Ma_2SiO_4(Fo)-CaMgSi_2O_6(Di)系:815GPaの圧力範囲で実験を行った。フォルステライトは8GPaでペリクレース+液に分解溶融する。圧力の上昇とともに共融点(Fo+Px+液)はFo側に移動するとともにその温度は上昇する。Diの熔融点の圧力依存について実験の結果から、これまでよりもより高圧までのサイモン方程式を導いた。P=[(T/1664.5)^<5.17±0.04>-1]IV.Mg_2SiO_4-Mg_3Al_2Si_3O_<12>-CaMgSi_2O_6系:ガ-ネットはパイロープとメ-ジャライトの固溶体、単斜輝石はアルミニュウムを含む透輝石である。共融点は組成Fo_<30>Py_<25>Di_<45>、温度1170±20°Cに依存する。共融点は圧力上昇につれFo側に移動する。V.Mg_2SiO_4-Fe^<2+>SiO_4系:8GPaにおける相平衡状態図を完成した。18GPaの圧力では、オリピンは“無水相B"+液に、変形スピネル相はマグネシオウスタイト+液に分解溶融する。VI.MgO-SiO_2-H_2O系:11GPa23GPaの圧力範囲で実験を行った。結果は、低温の沈み込むスラブ中ではマントル遷移層においてE相が、また遷移層下部および下部マントル最上部では超相B、F相、ブルーサイトが重要な含水鉱物となる可能性を示唆している。

結果は、低温の沈み込むスラブ中ではマントル遷移層においてE相が、また遷移層下部および下部マントル最上部では超相B、F相、ブルーサイトが重要な含水鉱物となる可能性を示唆している。(1)高温高圧下におけるCaMgSi_2O_6-Mg_2SiO_4系の相関係:オリビン、単斜輝石は地球の上部マントルの主要構成鉱物である。今回はその端成分である。CaMgSi_2O_6(Di)とMg_2SiO_4(Fo)の間の相平衡状態図を15GPaの圧力の下で決定した。51mol%Di,2000°Cに共融点をもち、固相領域ではFoとDiの組あわせとり、Di中にFoは20mol%まで固溶し、Foは約2300°Cでペリクレース(MgO)と液に分解熔融することなどが明らかとなった。(2)高温高圧下におけるMgO-FeO-SiO_2系の関係:この系もまたマントルの主要鉱物であるオリビンや輝石を含むため、その高圧下における相関係の解明は重要な課題である。今回は圧力1825GPa,温度18752480°Cの範囲での相平衡関係および固相-液相かんの元素分配を解明するための実験を行った。特に、20GPaにおいては等温断面図における相関係を詳細に検討し、Mg_2SiO_4-Fe_2SiO_4系の相平衡図の決定を試みた。出現する固相はβおよびη相としての(Mg,Fe)_2SiO_4、ガ-ネット、Mg-Feウスタイト、“phase-B"などである。また、この圧力におけるウスタイト-液相の分配数の測定からMgO-FeO系は完全固溶体を形成し、MgO約40%、温度約2000°C付近に固溶体の最低温度点が推定されるとが判明した。(3)高温高圧下におけるMgO-SiO_2系とMgO-SiO_2-H_2O系の相平衡:この系はマントル内部の熔融関係やH_2Oの存在形態の解明にとって基本的に重要である。この系に出現するフォルテライト(Mg_2SiO_4)は8GPa以上でペリクレース(MgO)と液に分解熔融する。また、20GPaにおいては変形スピネル(Mg_2SiO_4)は“phase B"と液に分解熔融する。H_2Oを含んだ系においては、“phaseA,E,F",Mg(OH)というが出現し、これらの相は下部マントルや遷移層における重要な含水鉱物となる可能性があることが判明した。単斜輝石、オリビン、ガ-ネットは地球マントルの主要構成鉱物である。マントルのモデルとしてこの系を設定し、圧力7GPaにおける相平衡実験を行った。出現するリキダス相はフォルステライト(Fo)、透輝石(Di)、パイロープ(Py)であり、系は単純な三成分共融系をなし、共融点(Fo+Di+Py+液)は組成Fo_<30>Di_<45>Py_<25>,温度1770°C付近に存在する。また、4GPaの結果(Davis and Schairer 1965)と比較すると、共融点は圧力上昇につれてFo組成点の方に移動し、フォルステライトのリキダス領域は縮小する。さらに、いわゆるAluminium depleted komatiiteの組成はこの系の共融点とFo組成点を結んだ線上に分布するという興味ある事実が見いだされた。(2)透輝石(CaMgSi_2O_6)の融解点の圧力依存性:透輝石の融解温度の圧力依存性を再検討するために、22GPaまでの高圧実験を行った。その結果、融解温度と圧力の間につぎの関係が確認された。P=1.96±0.03[(T/1664.5)^<5.17±0.04>-1]また、透輝石は20GPa以上ではCaSiO_3-ペロヴスカイトと液に分解熔融する。共融点温度は圧力の上昇にともなって上昇し、8GPaでは1940±10°C、13.5GPaでは2020±15°Cにたっする。また、16GPa以上の高圧ではMg2SiO4はβ相に転移し、Di+βに対す共融点は18.5GPaで2160±20°Cとなる。