hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
圧電薄膜によるMEMSハプティックデバイスの創製

半導体プロセスと圧電薄膜を融合させたMEMSハプティックデバイスにおいて,昨年度までに人への触覚提示が可能であることを実デバイスにより検証し,さらにその際の変位をモニタリングする変位センサの集積に成功していた.平成30年度は,(1)当触覚デバイスをウェアラブルIoT機器である,絆創膏型人体モニタリングシステムに組み込むことを想定した低電圧化,(2)支持材料についての再検討,(3)ハプティックデバイスのディスプレイ応用に向けたアレイ化について検討を行った.各項目ごとに実績概要を示す。(1)低電圧化:ハプティックデバイスの構成要素である圧電薄膜部分に,中間電極を持つチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の多層膜を利用することで低電圧化を図った。既に圧電多層膜についてはハーベスタへの応用等において実績があったが,本研究では総厚みを変えずに単層厚みを変化させるという点で異なり,中間電極の応力の影響や圧電特性の劣化等の課題を解決してこれを実現した。デバイス試作評価を行い,層数に反比例した駆動電圧で動作させることが可能であることを実証した。(2)支持材料の再検討:従来は圧電薄膜と積層させる支持材料にエポキシ樹脂を用いていたが,残留応力が大きく仕上がり形状のコントロールが難しいことや温度特性が悪いという課題があった.これについて,ポリイミドを用いることで温度特性と仕上がり形状の制御性という点で大きな改善が可能であることを実験的に明らかにした。(3)アレイ化:将来的なディスプレイ化および多様な触覚刺激を人に与えることを目的として,直線状に複数のMEMSハプティックデバイスが並んだ1Dアレイ触覚ディスプレイを試作した。マイコンを用いた駆動システムを構築し,人に複数のパターンの刺激を与える実験を行った.刺激の強弱やパターンの区別が行えることを現段階で確認している。当初研究実施計画では,本年度は(1)構造の最適化によるハプティックデバイス性能向上,(2)アレイ化デバイスの試作,(3)アレイ化デバイス評価系の構築としていたが,研究実績の概要で示したように,ほぼこの計画通りの内容を実施した.各項目において概ね実施予定の内容については完了しているため,「おおむね順調に進展している」とした。当初計画ではウェアラブルシステムへの組み込み,触覚の理解や情報化など基礎研究への発展検討を予定していた。実際に研究を実施してみると人に関する評価の定量化が困難であることが分かったため,脳波計を用いた情報の定量化を実施することを予定している。また,アレイ化デバイスについてはさらに評価を継続して実施していく予定である。完全なバッチプロセス対応のMEMS技術によって、人に触覚刺激を与えることが可能な圧電触覚デバイスを実現することを目的としている。さらにこのデバイスの高機能化・知能化を行うことによって、より高度な、人デバイス間における触覚情報の双方向コミュニケーションへの展開を目指している。H29年度は、従来技術として申請者らが確立している中間電極を挟んだ多層PZT薄膜の成膜加工技術を応用し、感光性樹脂との積層構造によって低電圧駆動かつ大変位可能なカンチレバー構造を試作した。このデバイスの基本的特性評価を行うと共に、触覚刺激を人に与えることが可能かどうかの確認を行った。カンチレバーの先端にシリコン製のマスを配置し、共振振動させることで、運動エネルギを蓄えて人に触覚刺激を与えるデバイスを試作した。数mm角のデバイスが数Vの駆動電圧で数mmの変位で共振することを確認し、さらに人に触覚刺激を与えることが可能であることを確認した。次に、根元部位に孤立PZT要素から成る変位センサを形成して、駆動状態のモニタリング可能なデバイスについても試作した。デバイスの変位に対してセンサ信号は線形な出力が得られ、駆動状態のモニタリングが可能であることを示した。さらに人に対して振動刺激を与える際には、デバイスに加えて振動を与えている部位の剛性が結合した共振となることで共振周波数がシフトし、このシフト量からこの振動部位の硬さ情報も得られることが分かった。H29年度は、低電圧・低消費電力駆動可能な触覚デバイスを実現するための基盤技術として、多層PZT薄膜の積層技術を感光性樹脂構造と組み合わせる上での製造プロセス上の課題を解決することと、このデバイスの基本的な特性把握を行うことを当初の目標としていた。実績のところでも記載したように、低電圧駆動かつ大変位可能なカンチレバー構造を試作し、このデバイスの基本的特性評価を行うと共に、触覚刺激を人に与えることが可能かどうかの確認を行った結果、数mm角のデバイスが数Vの駆動電圧で数mmの変位で共振することを確認し、さらに人に触覚刺激を与えることが可能であることを確認した。この時点で当初目標をクリアしているが、さらに、変位センサを搭載することによって、駆動状態のモニタリングが可能であることを示し、振動部位の硬さ情報も同時に得られた。以上より当初の計画以上に進展しているといえる。

(1)低電圧化:ハプティックデバイスの構成要素である圧電薄膜部分に,中間電極を持つチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の多層膜を利用することで低電圧化を図った。既に圧電多層膜についてはハーベスタへの応用等において実績があったが,本研究では総厚みを変えずに単層厚みを変化させるという点で異なり,中間電極の応力の影響や圧電特性の劣化等の課題を解決してこれを実現した。デバイス試作評価を行い,層数に反比例した駆動電圧で動作させることが可能であることを実証した。(2)支持材料の再検討:従来は圧電薄膜と積層させる支持材料にエポキシ樹脂を用いていたが,残留応力が大きく仕上がり形状のコントロールが難しいことや温度特性が悪いという課題があった.これについて,ポリイミドを用いることで温度特性と仕上がり形状の制御性という点で大きな改善が可能であることを実験的に明らかにした。(3)アレイ化:将来的なディスプレイ化および多様な触覚刺激を人に与えることを目的として,直線状に複数のMEMSハプティックデバイスが並んだ1Dアレイ触覚ディスプレイを試作した。マイコンを用いた駆動システムを構築し,人に複数のパターンの刺激を与える実験を行った.刺激の強弱やパターンの区別が行えることを現段階で確認している。当初研究実施計画では,本年度は(1)構造の最適化によるハプティックデバイス性能向上,(2)アレイ化デバイスの試作,(3)アレイ化デバイス評価系の構築としていたが,研究実績の概要で示したように,ほぼこの計画通りの内容を実施した.各項目において概ね実施予定の内容については完了しているため,「おおむね順調に進展している」とした。今後は今年度に確立してきた触覚デバイスのさらなる低電圧化を行う。低電圧にすることでマイコン等によって駆動可能になり、センサとも組み合わせた自励発振システムを構築する。これに加えて、多様な触覚刺激を同デバイスで実現可能とするための、アレイ化ハプティックデバイスの開発も行っていく予定である。当初計画ではウェアラブルシステムへの組み込み,触覚の理解や情報化など基礎研究への発展検討を予定していた。実際に研究を実施してみると人に関する評価の定量化が困難であることが分かったため,脳波計を用いた情報の定量化を実施することを予定している。また,アレイ化デバイスについてはさらに評価を継続して実施していく予定である。
ニューロモデルに進化計算を用いた高速学習の自律型移動ロボットの開発

ロボットのタスク学習には,人工ニューラルネットワーク(Artificial Neural Networks: ANN)であるバックプロパゲーション(Back Propagation: BP)やリカレント・ネットワーク(Recurrent Network: RN)が採用されている.しかしながら,従来のANNではトポロジー構造の果たす役割については着目していない.近年になってDuncan J. Wattsは,体長僅か1ミリメートルで302の神経網をもつ線虫のC.エレガンス(Caenorhabditis elegans)についても,神経系が高度にクラスター化されたスモールワールドネットワーク(Small World Network: SWN)構造が存在することが報告されている.これは生物の進化過程の結果として,自然界の小さな神経系ネットワークにもSWNが存在し,タスク達成に機能することを示している.そこで,本研究ではβモデルに基づくSWNを含めた各種トポロジーのANNを作成し,それらにBPとRNを加えた複数のネットワーク特性を比較し,かつ進化計算に基づく学習方法を開発する.次いで,提案した学習方法をロボットの自律型移動ロボットのゴール到達問題に適用し,それらの学習方法を確立するとともに,タスク達成のための高速学習の自律型移動ロボットを開発した.ロボットのタスク学習には,人工ニューラルネットワーク(Artificial Neural Networks: ANN)であるバックプロパゲーション(Back Propagation: BP)やリカレント・ネットワーク(Recurrent Network: RN)が採用されている.しかしながら,従来のANNではトポロジー構造の果たす役割については着目していない.近年になってDuncan J. Wattsは,体長僅か1ミリメートルで302の神経網をもつ線虫のC.エレガンス(Caenorhabditis elegans)についても,神経系が高度にクラスター化されたスモールワールドネットワーク(Small World Network: SWN)構造が存在することが報告されている.これは生物の進化過程の結果として,自然界の小さな神経系ネットワークにもSWNが存在し,タスク達成に機能することを示している.そこで,本研究ではβモデルに基づくSWNを含めた各種トポロジーのANNを作成し,それらにBPとRNを加えた複数のネットワーク特性を比較し,かつ進化計算に基づく学習方法を開発する.次いで,提案した学習方法をロボットの自律型移動ロボットのゴール到達問題に適用し,それらの学習方法を確立するとともに,タスク達成のための高速学習の自律型移動ロボットを開発した.
ミクロな領域で有効である新規な重力理論によるプランクスケール時空構造の究明

昨年度、T双対性を明白に定式化した重力理論であるdouble field theory (DFT)に基づく解析により、我々は従来の超重力理論に存在する古典解には、弦の巻きつきに由来する補正が存在することを示した。定性的な議論により、この補正は弦の世界面インスタントンに由来する量子補正であると理解された。本年度は、時空への弦の量子補正をより直接的に調べるため、自身および共同研究者はT双対性に由来する自由度を含む弦の2次元世界面理論(gauged linear sigma model, GLSM)を構成した。我々は、このゲージ理論が、低エネルギー極限で従来から知られていたT双対鎖古典解(NS5-, KK5-, 5^2_2-branes)を標的空間とする非線形シグマ模型を再現することを示し、UV領域でのゲージインスタントン解が、低エネルギーで上記の世界面インスタントン補正を導くことを示した。この結果により、インスタントンに由来する時空間への量子補正が、より定量的に理解できたことになる。一方で、弦の巻きつき効果が内在する時空間の数学的定式化は、従来のリーマン幾何学に立脚するアインシュタイン重力理論によるそれとは大きく異なっている。我々は、DFTの背後にある時空幾何学の数学的定式化としてpara-Hermitian構造を持った多様体とその上に定義される亜代数(algebroid)に注目し、その幾何学的性質を調べた。para-Hermitian多様体には、para複素構造に由来する2つの接束が自然に定義され、それぞれの接束には独立した亜代数が定義されることが知られている。我々はDFTの物理条件(strong constraint)が、この二つの亜代数が双亜代数となるための条件であることを証明し、物理的時空間がpara-Hermitian多様体の葉層構造により表現されることを示した。昨年度は当初の予定通り、DFTにおける弦の巻きつき補正を含む古典解を導出し、その物理的特性について主に定性的な見地から議論を行った。2018年度は前年度に発表した研究をさらに推し進め、結果を論文として発表した。研究内容は昨年度の結果を定量的側面から補完したものであったが、二つの異なるアプローチから同一の物理的結果が帰結されたことは、研究の妥当性を評価するうえで重要な結果であった。研究計画2年目の本年は、当初研究計画になかった新しい発見もあった。弦の巻きつき補正により、時空間の性質はアインシュタイン理論のそれとは変わってくる一方、いくつかの不明確な点が明らかになった。そのうちの一つは弦の巻きつき効果も含めた時空幾何学の数学的整備の理解が不十分であることである。我々はDFTの背後に存在する倍化時空間の数学的定式化としてpara-Hermitian多様体上に定義される亜代数構造を明らかにし、DFTの物理的整合性条件が、数学的に双亜代数構造およびCourant亜代数構造を誘導することを示した。また、物理的時空間がpara-Hermitian多様体の葉層構造として現れることもわかった。結果は論文としてまとめ、プレプリントサーバー(arXiv)へ発表した。論文雑誌へ投稿し査読中である。本年度では時空への弦の巻きつき効果への理解が1.弦の世界面ゲージ理論(物理的アプローチ)、および、2. para-Hermitian多様体上の葉層構造(数学的アプローチ)、の二つの側面から進んだ。特に、2のアプローチは当初の予想にはなかった新しい進展であり、DFTの背後に豊かな数学的構造が内在することがわかった。この発見により、今後は様々な観点から弦理論に存在する時空幾何の性質を調べることが可能となった。以上の結果から、研究は概ね順調に進展していると考えている。研究課題に対しては共同研究者との議論を通じて、より多角的にアプローチできるようになった。本研究の目標は量子重力理論としての弦理論における時空間の性質を明らかにすることであるが、本年度までの結果から、大きく分けて、1.物理的アプローチ、2.数学的アプローチ、が可能になった。1に関して、超弦理論の低エネルギー極限を考えれば、弦の巻きつきモードは超重力理論への無限個の有質量場補正と考えることができる。ある種の背景幾何では、これら有質量場が全て低エネルギー理論に効くことが予想できるため、最終年度ではこのモードによる超重力理論への補正を詳細に調べることで弦の巻きつき補正の物理的効果を理解する。特にブレーン、ブラックホール時空、初期宇宙における弦のwinding効果について調査する予定である。2に関して、時空の局所的構造に立脚する亜代数には、大域的な亜群構造が付随する場合があることが知られている。非自明な亜群構造は、従来のアインシュタイン重力理論では現れず、弦が見る時空幾何に特有の構造であることが予想される。DFTの物理的条件が倍化時空の大域的構造においてどのような役割を果たしているか、para-Hermitian多様体における亜代数および亜群の構造を通じて調べる予定である。整合的な量子重力理論候補の一つである超弦理論では時空をプランク長の弦でprobeするため、リーマン幾何学に基づく一般相対性理論とは異なる時空構造を示すと予想される。その一つが弦の巻きつきに由来するT双対性である。T双対性は有限長の弦の効果で初めて現れる時空の性質であり、点粒子描像に基づく一般相対性理論の時空とは大きく異なる特徴である。本研究ではT双対性を明白に保つ重力理論であるDouble Field Theory (DFT)に基づき、ミクロな領域で顕著に現れる時空構造を調べることが主目的である。

本年度は弦の見る時空構造が通常の重力理論のそれとどのように異なるかを明らかにするため、DFTの古典解を詳しく調べた。本研究では超重力理論に存在するNS5-braneおよび、F-string, wave解とともに、弦の巻きつき(winding)効果を含む、より一般の解をDFTの枠内で書き下した。解のwinding補正は、弦の双対座標依存性として現れる。自身と共同研究者は、超重力理論に存在する全ての解に付随して、有限長の弦の巻きつき効果が現れることを示した。各種brane解の中心近傍にある特異点は、弦のwinding効果により大きく修正を受ける。本研究では、弦の双対座標依存性が、弦の世界面インスタントン効果により誘起されることを示した。さらに、世界面インスタントンの定量的理解に必要なgauged linear sigma model (GLSM)におけるwinding補正の解釈についても調べた。また、関連研究としてヘテロ型超弦理論におけるfive-braneのT双対軌道を調べた。Type II理論と同様、ヘテロ型超重力理論の解としてexotic braneの一種である5^2_2-brane解を具体的に発見した。その他、高階微分を含む場の理論における超対称性の破れについても研究を行った。当初の予定通り、DFTにおける古典解としてNSNS sectorに存在するfive-brane (NS5-brane, KK-monopole, 5^2_2-brane, R-braneおよびspace-filling brane)および、wave (F-string, wave)に相当する解を発見し、分類した。解は時空座標とともに、弦の双対座標にも依存し、基準となる超重力理論の解から、isometryなしの一般化T双対変換によって得られる。いくつかの次元をsmearすることで、先行研究にある既存の解(DFT monopole解)に一致することを示した。弦の双対座標依存性により、brane中心近傍での特異点の振る舞いは大きく修正される。自身と共同研究者は、解の双対座標依存性は弦の量子効果、つまり、非摂動的インスタントン効果によって引き起こされることを示した。また、定量的な評価に必要であるgauged linear sigma model (GLSM)がどのような成分場を必要とするか考察した。結果は論文としてまとめ、プレプリントサーバー(arXiv)へ発表した。論文は雑誌へ投稿し、査読中である。研究進捗状況は当初の予定通りである。昨年度、T双対性を明白に定式化した重力理論であるdouble field theory (DFT)に基づく解析により、我々は従来の超重力理論に存在する古典解には、弦の巻きつきに由来する補正が存在することを示した。定性的な議論により、この補正は弦の世界面インスタントンに由来する量子補正であると理解された。本年度は、時空への弦の量子補正をより直接的に調べるため、自身および共同研究者はT双対性に由来する自由度を含む弦の2次元世界面理論(gauged linear sigma model, GLSM)を構成した。
写真乳剤によるWIMP探索

写真乳剤により、宇宙暗黒物質の有力候補であるWIMPを検出するための技術開発を行った。WIMPにより跳ね飛ばされる原子核(飛程100nm)を検出・方向の測定ができれば、WIMPの到来方向を測定することができ、従来のWIMP探索実験より高い信頼性でWIMPの存在を検証することができる。写真乳剤に要求される能力は、飛程100nm程度の飛跡を検出し方向を観測できる高い空間分解能と、通常の写真乳剤には必ず存在するfogと呼ばれるランダムな信号が極めて少ないこと、である。富士写真フイルム株式会社と共同で、写真乳剤の感光素子である臭化銀結晶の微小化を追求し、結晶サイズ40nmの乳剤(NIT : Nano Imaging Trackerと命名)を開発した。このNITにエネルギー200KeVのクリプトン原子核を照射し、飛跡の観察を行った。エネルギー200KeVのクリプトン(飛程200nm)はWIMPにより跳ね飛ばされた銀原子核と想定できる。電子顕微鏡での観察の結果、銀粒子の連なり(2個3個からなる)を観測した。その密度と長さから、照射した200KeVクリプトンの飛跡であることが確認された。飛跡の角度測定の結果、標準偏差0.1radの分布となった。この結果から、200KeV以上のエネルギーを落とすWIMPに対して、60%以上の検出効率で角度精度0.1radの観測をする能力があることが明らかになった。一方、光学顕微鏡により、銀粒子により散乱される光量(波長500nm)を測定したところ、銀粒子が連なったものは銀粒子1個よりも散乱光量が大きく、またfogの散乱光量を調べたところ、大半のfogは銀粒子1個と同程度であることがわかった。これにより、光学顕微鏡による大面積スキャンニングによるfog除去・WIMP信号候補選出、その後電子顕微鏡での角度測定、というWIMP探索実験を想定するに至った。
分子の運動性を利用した２次元核磁気共鳴法の開発と実材料への応用

核磁気共鳴法で観測される緩和時間や拡散係数を軸とする2次元逆ラプラス変換を行うプログラムを開発した。開発したプログラムを用いてモデルデータの解析を行い、安定な解を得るためのノイズやサンプリングポイント等の実験条件を検証を行った。開発した手法をプロトン交換電解質膜に応用し、緩和時間と拡散係数を軸とする2次元スペクトルを得た。その結果、2種類の電解質膜のチャンネル構造を識別し、それぞれのチャンネル構造中での拡散係数を評価することができた。昨年度、pythonで開発した2次元逆ラプラス変換プログラムをC言語で全面的に書き直して、解析プログラムの最適化を行った。行列計算や線型計算は、blasとlapackを組み込み、共有メモリ型並列計算機でopenmpによる並列計算を行えるように改善した。また、逆ラプラス処理に必要なスムージングパラメータαの決定を、これまでに広く用いられているS-curve法により求める機能をプログラムに追加し、異なるαの決定法で得られた解析結果を比較できるようにした。開発したプログラムは、要望のあった国内外の2つの大学研究室、1企業に配布し、プログラムの利用法やアルゴリズムの説明を行った。開発した解析手法の応用として、セメント材料のプロトンの核磁気共鳴信号を取得し、T1(縦緩和時間)-T2(横緩和時間)およびT2-T2スペクトルの取得を行った。セメントは、白色セメントを用いて手練りでセメントペーストを調製した。測定は、0.5Tの永久磁石を用いた低磁場下と超電導磁石を用いた11.8 Tの2つの異なる磁場環境で行った。また0°C以下の低温でT1-T2スペクトルを得ることで、室温で観測されたT1-T2スペクトルのクロスピークの帰属を行った。一連の実験より、室温で観測されたT1-T2スペクトルのクロスピークは、セメントペーストを構成するCSHゲル中の水、異なるサイズ分布を持つキャピラリー空隙中の水に帰属された。さらに異なる磁場下でのクロスピーク位置の変化より、プロトンの回転相関時間、T2-T2スペクトルより、キャピラリー空隙とゲル空隙間の水の交換時間を評価した。核スピンの運動を反映する縦緩和時間(T1)、横緩和時間(T2)および自己拡散係数(D)を軸した多核磁気共鳴法の開発を目的に、パルスシーケンスの作成および解析に必要な多次元ラプラス逆変換処理のプログラム開発を行った。本年度は、永久磁石(0.5T)を用いた核磁気共鳴装置でT1-T2およびT1-Dの相関スペクトルを得ることを目的に、パルスシーケンスの作成を行った。T1-T2スペクトルの測定は、反転回復法でエンコードした磁化にCarr Purcell Meiboom Gill(CPMG)法によりエコートレインで信号をサンプリングするシーケンスを作成した。ここで反転回復法での回復時間(tau1)とCPMG法でのエコー時間(tau2)をパラメータとして、2次元データを得る。T1-Dの測定シーケンスは、反転回復法でエンコードした磁化にPulse Gradient Spin Echo(PGSE)法で信号をサンプリングする。ここで回復時間tau1とPGSE法で印加する磁場勾配強度gをパラメータとして2次元データを得る。多次元ラプラス逆変換処理のプログラム開発として、観測した二次元データを指定したT1, T2およびT2空間で分配する行列(カーネルK)を生成しKの特異値分解によってデータ圧縮し1次元のラプラス逆処理を行うプログラムを開発した。ここで、圧縮した1次元のラプラス逆処理はButler-Reeds-Dawson(BRD)法により行うことで、従来のCONTIN法のような解の2次微分を行って繰り返し計算で求める処理よりも実効速度が5倍程度早くなることを確認した。2次元ラプラス逆変換を利用して緩和時間(T1とT2)と自己拡散係数(D)を軸とした2次元核磁気共鳴法を開発し、材料中での物質輸送や水和反応プロセスの現象解明に応用した。測定のためのパルスシーケンスは国内のNMRメーカーの装置で実行できるよう作成し、測定した生データからラプラス逆変換による2次元スペクトルの取得までの一連の解析を行うプログラムパッケージを開発した。2次元ラプラス逆変換は、特異値分解を利用したデータ圧縮を行い、スムージングパラメータを最適化することで誤差を含む実験データでも安定した解が得られるプログラムを開発した。開発したプログラムは、BLASライブラリを用いて行列計算を行い複数コアを用いた並列計算を行うことで、デスクトップコンピュータで十分実用に耐えうる速度で解析を行うことが可能となった。また開発したプログラムは、国内外の大学や研究機関に無料で配布し、高分子材料や生体材料中の水の状態解析に応用されつつある。申請者が行った開発手法の材料への応用は、(1)セメント材料の水和反応と(2)圧密粘土材料中の空隙構造の解析を重点的に行った。(1)の成果は、セメントペーストから固化までを非破壊でモデリングし、二次元T1-T2スペクトルから異なる空隙に存在する水を定量することができた。

(2)の成果は、廃棄物の地中処分で用いられる圧密粘土を対象に、有害物質のパスとなる空隙構造の情報を得ることができた。物理化学デスクトップコンピュータを用いて実用に耐えうる安定性と速度を有する2次元逆ラプラス変換のプログラムの開発は、完了した。また国内外の他研究室に配布し、解の安定性について検討を行い、高い評価を得ることができた。パルスシーケンスの開発および二次元ラプラス逆変換プログラムを作成を終えることができたた。今後は、国内外の研究室と協力しながら開発した2次元逆ラプラス変換を様々な多孔質材料に適用して、これまでの分析法で得られなかった新しい知見を得ることを目的に研究を進める。本年度は作成したパルスシーケンスを実材料に応用する。予定として、セメント系材料を中心に水和反応で生じる空隙構造解析をターゲットとし、T1-T2およびT2-D等のパルスシーケンスを用いて実験を行う。また開発したプログラムの性能評価として、測定データのノイズやサンプリング点での2次元ラプラス逆変換の解の影響等の評価をモデルデータを使ったシミュレーションから評価し、実用的なプログラムになるよう開発を続ける。また汎用プログラムとしての配布を目的に、C言語でプログラムを書き直す予定である。モデル資料のサンプル調整に必要な試薬や消耗品として1300千円を国内の学会参加費として200千円を旅費として計上する。
2型糖尿病の膵島内神経血管構築異常の解析とその修復の試み

糖尿病では膵島に分布する毛細血管や自律神経も同じように障害を受け、膵島病変を進展させることが推定されるがこれまで糖尿病での膵島細小血管障害、神経障害の病理・病態、およびその進展に関する情報は極めて少ない。2型糖尿病でのβ細胞減少やインスリン抵抗性状態と膵島神経・血管構築の異常との関連を解析し、かつ治療によるその介入を試みることは2型糖尿病の病態を改善させる新しい治療法の探索へとつながる。本研究では、ヒトおよびラットでの2型糖尿病の膵島での神経・血管構築異常を明確にし、因果関係を含めた糖尿病病態との関連を解析する。また、病理変化に関与する因子を明らかにし治療による可逆性の有無について検討する。
学習効果と意欲向上の為に反転授業を系統的に導入した医学教育カリキュラムの構築

一方的な知識の伝達を目的とした授業形態を受動的学習と呼ぶならば、アクティブラーニングとは教員と学生、そして学生間のディスカッションを通し、知的に成長する場を創り、学生が主体的に問題を発見し解決策を見いだしていく能動的学習である。アクティブラーニングを具体化する為の手法の名称にはProblem-basedlearning (PBL), Team-basedlearning (TBL),Case-basedlearning (CBL), Flipped classroom(反転授業)等幾つもあるが、あくまでも学生主導という共通点がある。アクティブラーニングにより、学生の学習効果と意欲が高まるという報告は多数あるものの、アクティブラーニングに対する教員の理解、授業計画、教材開発のノウハウには大きな差がある。本研究では臨床実習前医学部卒前教育にアクティブラーニングを浸透させる為の問題点を明確化し、医学部1年生3学期から2年生の1、2学期に本学で行われる10の器官別統合講義全てに、学習効果と学習意欲を高める効果的なアクティブラーニングカリキュラムを構築、実施し、その評価をすることを目的とする。平成30年度では2017年4月に入学した本学1期生が2年生の1年間の学習を終了した為、医学部1年生3学期から2年生の1、2学期に本学で行われる10の器官別統合講義の全てがはじめて行われた。そこで実際の各科目におけるアクティブラーニング導入度、アクティブラーニングによって学生の学習意欲や教育効果が高まったか、そしてアクティブラーニング導入にあたっての問題点の整理、分析をおこなった。大学からのアクティブラーニング導入要請を受け、10の器官別統合講義(循環器、呼吸器、消化器、内分泌・代謝、腎泌尿器、婦人科、運動器・皮膚・膠原病、脳神経・精神科、感覚器、血液)各科目責任者、授業担当者は準備期間を経て様々なアクティブラーニングをそれぞれの科目で試みた。一方、学生は各科目終了時に匿名で科目アンケートに回答した。アンケートでは10の器官別統合講義それぞれにおけるアクティブラーニング導入度、アクティブラーニングによって学生の学習意欲が向上したか、教育効果が高まったか等の問いに6段階で学生は回答した。学生から見たアクティブラーニング導入度を6段階評価(「とても思う」、「思う」、「やや思う」、「あまり思わない」、「思わない」、「全く思わない」)で分析した所、「とても思う」と回答した学生の率は科目によって6%から44%、「とても思う」又は「思う」と回答した学生の率は26%から84%とばらつきが見られた。学生から見たアクティブラーニング導入度を1から6(6=アクティブラーニング導入度が一番高い)で科目別に数値化すると10科目平均は4.5、最高が5.24、最低が3.11であった。アクティブラーニング導入度と学生のやる気向上、学習効果向上の間には非常に高い相関が認められた。一方平成29年度に1年生1、2学期の基礎医科学科目でアクティブラーニング導入を試みた際に遭遇した問題と同様な問題がこの10の器官別統合講義にアクティブラーニングを導入した上でも明らかになった。器官別統合講義の科目担当教員からのヒアリングの結果明確になった主な問題は、アクティブラーニングに必要な教室外の事前学習時間を学生が確保することが時間割上困難である事、そして授業担当教員数不足の為に教員の監督が届く小グループ活動を行う事が困難である事の2点であった。アクティブラーニングを奨励した10の器官別統合講義において、程度の差はあれ、それぞれ工夫をこらしながら1年目でありながらアクテイブラーニング授業が実際導入された。この経験から、臨床実習前医学部卒前教育においてもアクティブラーニングが学生の授業に対するやる気や学習効果向上につながることが明確になった。一方、タイトな時間割の中でアクティブラーニングが成立する為に必要な事前自習学習時間をいかに確保するか、そして限られた教員数でいかに実質のある小グループ活動を回すことができるのか、といった2つの課題が浮き彫りとなった。これらの問題の解決策を本年度の研究課題とし、解決策を探りながら2回目となる今年度の10の器官別統合講義でより改良されたアクティブラーニングを実施し、再びその評価を通して、臨床実習前医学部卒前教育においてアクティブラーニングを系統的に導入するより効果的かつ効率的なカリキュラム構築を目指したい。一方的な知識の伝達を目的とした授業形態を受動的学習と呼ぶならば、アクティブラーニングとは教員と学生とのディスカッションを通し、知的に成長する場を創り、学生が主体的に問題を発見し解決策を見いだしていく能動的学習である。アクティブラーニングを具体化する為の手法の名称にはProblem-basedlearning (PBL), Team-basedlearning (TBL),Case-basedlearning (CBL), Flipped classroom(反転授業)等幾つもあるが、少人数教育である事、教室外での自主学習が必要な事、授業中には学生主導で授業が進む、という共通点がある。アクティブラーニングにより、学生の学習効果と意欲が高まるという報告は多数あるものの、アクティブラーニングに対する教員の理解、教材開発のノウハウには大きな差がある。本研究ではアクティブラーニングを浸透させる為の問題点を明確化した上でその解決策を探る。その上で、医学部1年生3学期から2年生の1、2学期に本学で行われる10の器官別統合講義全てのカリキュラムにアクティブラーニングを導入するカリキュラムを構築、実施し、その評価をすることを本研究の目的とする。平成29年度では1年生3学期の器官別統合講義に様々な形のアクティブラーニングを導入する際の問題点をまず明確にする為に、1年生1、2学期の科目でアクティブラーニング導入を可能な限り試みた。そしてその経験から遭遇した問題を次の3点に整理した。1。授業準備負担の増大に伴い十分な授業準備ができない。2。

実施したアクティブラーニングの教育効果が不明瞭。3。アクテフィブラーニングに必要な学生の教室外の自主学習時間確保が困難。解決策として、Team-Based Teaching (TBT)の導入、各授業終了時に授業アンケートの導入、そして教室内での自主学習時間の導入を1年生3学期の期間別統合講義で試みた上で、アクティブラーニングを導入した。平成29年度では、1年生1、2学期の基礎医学科目(生化学、分子生物学、薬理学等)、基礎以外の医療科目(医療プロフェッショナリズム等)及び語学授業(英語)でアクティブラーニング導入を可能な限り試み、そこで遭遇する具体的な問題を整理した。アクテフィブラーニング導入にあたり教員に対しては授業開始前から教員教育(FD)を行い、学生に対しては新入生オリエンテーションにおいて、KJ法なども取り入れた、小グループによる参加型ワークショプを多く行い、主体的に授業に参加する態度をトレーニングした。1年生1、2学期にアクテフィブラーニング導入を試みて明らかになった主な問題点及び解決方法:[問題点1 ]授業準備負担の増大に伴い教員が十分な授業準備ができない。[解決策1]Team-Based Teaching (TBT)(複数の科目担当教員が一つの教科の準備及び運営を行う)をどの科目にも導入し、科目責任者以外に科目のコースデイレクター、アドバイザー教員も配置し、複数の教員で授業準備を進める。[問題点2 ]教員が実施したアクティブラーニングの教育効果が不明瞭。[解決策2]毎授業後に、その授業による教育効果に関するアンケートに学生は無記名で回答。医学教育統括センター(OME)内に設置した教員サポートチームがアンケート結果を分析し、毎週のOME会議で問題点を話し合う。そしてタイムリーなフィードバックを授業担当チームにおこない、より有効なアクテフィブラーニングをめざす。[問題3]時間割が非常にタイトである為、アクテフィブラーニングに必要な学生の教室自主学習時間確保が困難。[解決策3]次年度時間割修正をおこなうと同時に、教室内でも自主学習時間を一部確保する工夫をする。平成29年度では上記の全ての解決策を盛り込んだカリキュラムを1年生3学期の期間別統合講義に導入した。一方的な知識の伝達を目的とした授業形態を受動的学習と呼ぶならば、アクティブラーニングとは教員と学生、そして学生間のディスカッションを通し、知的に成長する場を創り、学生が主体的に問題を発見し解決策を見いだしていく能動的学習である。アクティブラーニングを具体化する為の手法の名称にはProblem-basedlearning (PBL), Team-basedlearning (TBL),Case-based
抗ウイルス自然免疫応答の時空間的制御機構の解明

本研究計画では、細胞質内におけるウイルスセンサーRLRとウイルスRNAを時空間的観点から解析し、その普遍的な分子メカニズムを明らかにし、新規抗ウイルス治療薬や予防薬への開発につながる知見を見出すことを目的とする。これまでの解析からウイルス感染に応答して形成されるStress Granule (SG)と呼ばれる細胞内凝集体に含まれるRNA結合タンパク質(RNA Binding Protein:RBP)の同定を複数の手法を用いて行い、いくつかの候補分子を同定した。そこで次に、培養細胞を用いた過剰発現およびsiRNAやCRISPR/Casを用いた遺伝子発現抑制実験を行い、標的候補分子の生理的機能の解析を行った。その結果、これら標的候補分子群の中からウイルス感染時にSGに局在し、RLRを介した抗ウイルス自然免疫応答制御する2つの分子を同定し、現在それぞれの変異体を用いて分子メカニズムの解析を進めている。また、既にCRISPR/Casによるノックアウト(KO)マウスの作製にも着手しており、KOマウスが作製出来次第、ウイルス感染実験により個体レベルにおける生理機能の解析を推し進める。また最近、関連する成果として、SG形成に重要なPKRの活性化を制御する分子であるTRBPがRLRの1つであるLGP2と特異的に結合し、特定のmicroRNAの発現を制御していることを明らかにし、LGP2がRNAサイレンシング機構に関与していることを明らかにした。今後は、本研究で単離・抽出した上記以外の標的候補分子の機能解析を引き続き行い、ウイルス感染応答とSG形成への関与を解明し、新規抗ウイルス薬の開発に繋げていきたいと考えている。本研究は、ウイルス感染に応答して形成されるストレス顆粒様凝集体(antiviral stress granule:avSG)の形成メカニズムを生化学・分子生物学的に解析し、抗ウイルス自然免疫応答に関与する新規分子の同定及びその生理的機能を解明することを目的としている。申請者はこれまでにウイルス感染に応答して一過的に形成されるavSGが細胞質内ウイルスRNAセンサーであるRIG-I-like receptor (RLR)によるウイルスRNA検知とI型Interferon (IFN)を中心とした抗ウイルスシグナル伝達の足場として重要であることを明らかにしてきた。しかし、個々のウイルスにおけるavSG形成メカニズム及びその構成因子に関しては、殆ど明らかになっていない。そこで本年度は、複数のRNAウイルス感染細胞からavSGを単離・抽出し、RIG-Iと会合する新規タンパク質の探索を行った。またSGに含まれるRNA結合タンパク質などと結合することが知られているbiotinylated isoxazole (B-isox)と呼ばれる化合物を用いて、ウイルス感染時にB-isoxと特異的に結合する分子の探索を行った。今後は上記方法により抽出した分子群を質量分析により同定し、機能解析を行っていく。また並行して行った抗ウイルス応答への関与が報告されていない既知のSG関連タンパク質及びRNA結合タンパク質に対するsiRNAライブラリーを用いたスクリーニングにより得られた複数の標的候補分子の機能解析を行った。現在までに、同定した標的分子群の中には、ウイルス感染時にavSGに局在しRLRを介したIFN産生を制御する分子やavSG形成に重要なPKRの活性化を制御する分子などが含まれることが確認できた。当初の研究計画に従い、avSGの生化学的な解析及びsiRNAライブラリーによるスクリーニング解析を行い、これまでにavSG形成及び抗ウイルス免疫応答に関与する標的候補分子群を得ることができた。現在、これら分子の詳細な機能解析を進めていることから、おおむね順調に進展していると考えている。引き続きavSGの形成及び抗ウイルス自然免疫応答に関わる分子の探索を行う。既に同定した標的候補分子群については、その生理機能の解析を推し進めていく。既に幾つかの標的分子においては変異体などを作製しその生理機能の検討を開始している。さらにそのうちの1つはCRISPR/Cas9システムによりKOマウスの作製を行っており、今後KOマウスができ次第、ウイルス感染実験により生体内における抗ウイルス免疫応答への関与を明らかにしていく。また、RIP assayにより標的分子がウイルスRNAと直接結合しているのかを解析し、そのRNAの構造などについても検討を加えていく。
光溶解を利用した色素増感型太陽電池用高比表面積半導体電極の開発

内側にチタン(Ti),外側に亜鉛(Zn)ターゲットを配置した三磁極型マグネトロンスパッタ装置を用い,内側と外側のスパッタサイクル比(組成)を変化させて成膜した酸化チタン(TiO_2)と酸化亜鉛(ZnO)の複合薄膜からZnOを溶解させて高比表面積半導体電極薄膜を得ることを試みた.本年度はTiとZnを交互にスパッタした複合膜(単層膜)だけでなく,基板上にTiO_2をスパッタした後Ti/Zn複合膜,更にその上にZnOを堆積させた3層膜を作製し,表面状態の変化を調べた.亜鉛の溶解には酢酸を用いた.三層膜では酢酸によって最表面のZnOが溶解されることで,溶解前に検出されたZnOのピークがなくなり,溶解後はルチルとアナターゼTiO_2のみの組成となった.複合膜の下に成膜したTiO_2膜の構造の影響を受けて,TiO_2なしに比べアナターゼTiO_2のピークが強く現れた.酢酸に浸す前の表面状態は緻密であったが,溶解後の表面はカラム外周が大きく浸食され,表面積の増加が期待される構造となった.表面に堆積させたZnOが溶解の核となり,複合膜も浸食される結果となったと推測される.またTiとZnのスパッタ時間を変えることで,カラム直径に差ができ,溶解後の浸食状態にも違いが見られたことから三層膜中のTi/Zn複合膜の作製条件を変えることで,表面粗さをコントロールすることが可能であることが確認できた.得られた薄膜の触媒能力をメチレンブルーの分解によって検証した結果,TiとZnのスパッタ時間比が6/1の試料でTiO_2単層または複合膜のみからなる膜に比べて高い触媒能力が得られた.これは表面積の増加による効果であると推測され,内部に残留している亜鉛の効果については未確認である.これまでの研究では太陽電池用の半導体電極としての性能を調べるところまで至らなかったが,電極としての特性も期待できると考えている.本研究は低温で二酸化チタン(TiO_2)と酸化亜鉛(ZnO)の複合薄膜を作製し,酸化亜鉛を光溶解により溶解させ多孔質化し高比表面積半導体電極薄膜を得ることを目的としている.本年度,三磁極型マグネトロンスパッタ装置を用い,内側にチタン(Ti),外側に亜鉛(Zn)ターゲットを配置し,内側と外側のスパッタサイクル比(組成)を変化させてガラス基板上にTiO_2/ZnO複合膜の作製した.得られた薄膜に対し,水銀ランプの光を照射し光溶解による多孔質化処理を試みたが,光溶解の速度が遅いまたは用いた光の波長が不十分であったせいか、ZnOの完全な溶出が難しかったため,酸にもアルカリにも溶けるというZnOの性質を利用して酢酸でZnOを溶解させ,多孔質化の可能性を検証した.膜の結晶構造及び組成はX線回折及びEPMAによって行い,また本助成金で購入したレーザー顕微鏡及びSEMで微細組織を観察した.Zn量が少ない場合(約15%),通常アナターゼ型TiO_2ができるスパッタ条件であってもほぼルチル型TiO_2の粒子が大きく凹凸のある薄膜が得られ,酢酸で溶解後も組成及び形状に大きな変化は認められなかった.これに対し,Zn量が多くなるに従い,溶解前のルチルのピークが減少するとともにTi-Zn酸化物の生成が確認され,平坦な表面構造をもつ膜となった.Zn溶解後には結晶構造が崩れ,アモルファスな構造をもつ膜に変化した.またZn量が50%前後と多い試料では溶解後のZn量がわずか数%となり,溶解前の平坦な膜とは異なり亀裂の発生及び微粒子が多く見られ,様相に変化が現れたが,現状では多孔質構造にはなっていない.原子単位で成膜するスパッタ法で複合膜を作製することは容易ではないが,今後スパッタ条件を更に検討し,TiO_2とZnOをうまく相分離した複合膜を作ることが多孔質構造を得るために非常に重要であると考えられる.本研究は三磁極型マグネトロンスパッタ装置を用い,内側にチタン(Ti),外側に亜鉛(Zn)ターゲットを配置し,内側と外側のスパッタサイクル比(組成)を変化させてガラス基板上に低温で二酸化チタン(TiO_2)と酸化亜鉛(ZnO)の複合薄膜を作製し,酸化亜鉛を(光)溶解により多孔質化して高比表面積半導体電極薄膜を得ることを目的としている.内/外のスパッタ時間や基板温度を変化させて複合膜の作製を試みたが,Ti濃度が高い場合にはアナターゼ型とルチル型のTiO_2が生成し,Tiのスパッタ時間が短い場合にはTiO_2の結晶性が悪くなり,アモルファスになる傾向が見られた.またどちらの場合もX線回折でZnOは確認されず,ZnはTiO_2に固溶またはTiと複酸化物を形成し,TiO_2/ZnO複合膜の作製には至らなかった.しかしながら得られた薄膜を昨年度よりもpHが高い酢酸に浸したところ(光溶解ができなかったため),亀裂の発生もなくわずかではあるがZn化合物が溶解し,一部の試料では膜の形状が大きく変化することが確認された.Zn化合物溶解前後の試料についてメチレンブルーの分解反応を通して光触媒効果の検証を行った.その結果,作製条件にかかわらず,溶解後の薄膜でメチレンブルーの分解反応が進むことがわかった.またTiO_2のみの薄膜と比較しても分解能力が同等以上であることが確認された。

この分解能力の向上にはZnOに比べ光触媒能力の高いTiO_2がZn化合物の溶解により薄膜表面に露出し,全体として表面上のTiO_2の割合が増加したことに加え,わずかではあるが凹凸ができ表面積が増加した可能性が考えられる.これについては今後更に表面積や凹凸測定を行う必要がある.また次年度は得られた触媒効果の高い薄膜を湿式太陽電池等の半導体電極に応用し,その効果の検証を行う予定である.内側にチタン(Ti),外側に亜鉛(Zn)ターゲットを配置した三磁極型マグネトロンスパッタ装置を用い,内側と外側のスパッタサイクル比(組成)を変化させて成膜した酸化チタン(TiO_2)と酸化亜鉛(ZnO)の複合薄膜からZnOを溶解させて高比表面積半導体電極薄膜を得ることを試みた.本年度はTiとZnを交互にスパッタした複合膜(単層膜)だけでなく,基板上にTiO_2をスパッタした後Ti/Zn複合膜,更にその上にZnOを堆積させた3層膜を作製し,表面状態の変化を調べた.亜鉛の溶解には酢酸を用いた.三層膜では酢酸によって最表面のZnOが溶解されることで,溶解前に検出されたZnOのピークがなくなり,溶解後はルチルとアナターゼTiO_2のみの組成となった.複合膜の下に成膜したTiO_2膜の構造の影響を受けて,TiO_2なしに比べアナターゼTiO_2のピークが強く現れた.酢酸に浸す前の表面状態は緻密であったが,溶解後の表面はカラム外周が大きく浸食され,表面積の増加が期待される構造となった.表面に堆積させたZnOが溶解の核となり,複合膜も浸食される結果となったと推測される.またTiとZnのスパッタ時間を変えることで,カラム直径に差ができ,溶解後の浸食状態にも違いが見られたことから三層膜中のTi/Zn複合膜の作製条件を変えることで,表面粗さをコントロールすることが可能であることが確認できた.得られた薄膜の触媒能力をメチレンブルーの分解によって検証した結果,TiとZnのスパッタ時間比が6/1の試料でTiO_2単層または複合膜のみからなる膜に比べて高い触媒能力が得られた.これは表面積の増加による効果であると推測され,内部に残留している亜鉛の効果については未確認である.これまでの研究では太陽電池用の半導体電極としての性能を調べるところまで至らなかったが,電極としての特性も期待できると考えている.
LIMキナーゼによるアクチン骨格と微小管構築の制御機構

アクチン細胞骨格の制御機構を解明するためには、アクチン脱重合因子のコフィリンの制御機構を解明することが重要である。LIMキナーゼ1 (LIMK1)はコフィリンをリン酸化・不活性化し、一方で新規ホスファターゼのSlingshot (SSH)はLINK1によってリン酸化されコフィリンを脱リン酸化・再活性化する。LIMK1は低分子量G蛋白質RhoとRacの下流でROCK、PAKによってリン酸化されることで活性化されることが既に明らかにされているが、SSHの活性制御機構は明らかにされていない。SSHには3種のファミリー分子(SSH-1L,SSH-2,SSH-3)があることを既に同定していたが、今回SSH-2およびSSH-3のC末が長いクローンを新たに得ることでき、これらをSSH-2L、SSH-3Lとした。新たに同定したC末にはそれぞれSSH-1Lとの相同性はほとんど見られなかったが、SSH-2LはSSH-1Lと同様にC末側でF-アクチンとの結合が見られた。コフィリンに対する脱リン酸化活性はSSH-2LはSSH-1Lと同程度、SSH-3Lは微弱な活性が見られた。ノーザンブロッティング解析により、SSH-1は脳、胸腺、腎臓、心臓、肝臓に、SSH-2は脳、胸腺、心臓、精巣に、SSH-3は脳、腎臓、小腸、精巣に高発現していることが明らかとなった。培養細胞にそれぞれを過剰発現させて細胞染色をしたところ、SSH-1LとSSH-2Lは細胞内F-アクチンと共局在していた。SSH-2LはSSH-1Lと異なりストレスファイバーの端の接着斑にも局在が見られた。SSH-3Lは細胞質と核に拡散していた。以上のことから、SSHファミリー分子はそれぞれコフィリンホスファターゼとして機能するが、その分子の性質には差異があり、機能する場所や役割が異なっていることが考えられた。LIMキナーゼ1(LIMK1)はアクチン脱重合因子コフィリンをリン酸化・不活性化し、アクチン骨格の劇的な変化を制御している。昨年度に同定したslingshot(SSH)はLIMK1によってリン酸化されたコフィリンを脱リン酸化・再活性化する新規ホスファターゼであり、LIMK1とは逆の作用でアクチン骨格の制御をしている。SSHには3種のファミリー分子(SSH-1、SSH-2、SSH-3)が存在するので、本年度はそれぞれに対するポリクローナル抗体を作製・精製し、これらの抗体を用いて細胞内SSHの活性を測定する条件を決定した。また種々の培養細胞を用い、細胞内コフィリンのリン酸化レベルが変化する細胞外刺激を検討した。一方で、SSH-1Lのドメイン欠失変異体を作製し、各ドメインの役割について検討を行った。SSH-1Lは分子の中程にホスファターゼドメインを持ち、これよりN末側にSSHファミリー間で保存されたAドメインとBドメインを、C末側にはほとんど保存されていないC末ドメインを持つ構造をしている。変異体を発現させた細胞でアクチンとの共染色を行い、SSH-1LのC末ドメインを含む変異体はF-アクチンと共局在すること、またin vitroでのF-アクチンとの共沈実験によりSSH-1Lは主にC末側でアクチンと結合することを明らかにした。さらにSSH-1LのAドメインやC末ドメインの欠失変異体はcofilinに対するホスファターゼ活性を持つが、Bドメインの欠失変異体では活性がなく、SSH-1Lのホスファターゼ活性にはホスファターゼドメインとBドメインが必要であることを明らかにした。SSH-1Lのホスファターゼ活性を持つ変異体はすべて、LIMK1過剰発現による細胞内アクチンの重合を抑制した。