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難治性アトピー性皮膚炎に対する新規治療方法（FTY720外用療法）の開発

アトピー性皮膚炎の多くは乳幼児期に発症し,ほとんどが成人に至るまでに軽快する.治療薬も副腎皮質ステロイドの外用薬や抗アレルギー薬など,選択肢も多い.しかし,最近では成人に至っても症状の改善がみられない難治症例も増加している.本申請課題では,難治症例にも有効な治療法方を構築するため,ダニ抗原で皮膚炎を誘導したNC/Ngaマウスを用いてFTY720軟膏による外用療法の有用性を調べた.その結果,FTY720軟膏による治療はステロイドの外用療法と比較して,皮膚炎を有意に改善した.さらに,皮膚バリア機能に重要なフィラグリンの発現および経表皮水分蒸散量も改善できることが示された.申請者は,難治性アトピー性皮膚炎(AD)を効果的に治療する新しい治療戦略の構築に関する基礎的研究を行っている.本申請課題では,FTY720を外用薬として臨床に供給するための基礎的所見を集積し,FTY720の局所作用を明らかとすることを目的としている.平成26年度は,ダニ抗原を用いて皮膚炎を誘導したNC/Ngaマウスを用いて,FTY720の外用療法の有用性およびFTY720の局所作用を組織学的および生化学的に明らかとした.NC/Ngaマウス(8週齢,雌)にダニ抗原を塗布し,皮膚炎を誘導したマウスを,FTY720群(0.001% FTY720軟膏を1日1回,週6回塗布),ベタメタゾン群(ベタメタゾン吉草酸エステル軟膏を1日1回,週6回塗布),タクロリムス群(タクロリムス水和物軟膏を1日1回,週6回塗布)および軟膏基剤群(軟膏基剤を1日1回,週6回塗布))に分け,治療効果を調べた.その結果,治療前後の皮膚炎の程度(ADスコア)は,軟膏基剤群(6.2 ±0.8(SD)→3.4 ±1.3(SD))と比較してFTY720群(6.3 ±1.0(SD)→1.8 ±1.9(SD))でのみ有意に低下した.また,表皮の肥厚の程度および炎症部位の浸潤マスト細胞数も,軟膏基剤群と比較してFTY720群でのみ有意な改善および減少がみられた.さらに,皮膚のバリア機能の指標となる経皮水分蒸散量(TEWL)を治療前後で比較した.その結果,FTY720群の治療後のTEWL(61 ±10(SD) g/m2/h)は,治療前(32 ±15(SD) g/m2/h)と比較して有意に低下していた.また,組織学的解析から,FTY720群では,皮膚バリア機能に不可欠なタンパク質(クローディン-1およびフィラグリン)を介したバリア機能も改善している可能性も示唆された.以上の結果は,現在,論文投稿中である.申請者は,アトピー性皮膚炎(AD)効果的に治療できる新しい治療戦略の構築に関する基礎的研究を行っている.平成26年度に示した成果(ADモデル動物(NC/Ngaマウス)に対するFTY720の外用療法の有用性)をもとに,同モデルマウスを用いて,FTY720の外用療法による皮膚バリア機能の改善効果を調べた.即ち,皮膚炎を発症したNC/Ngaマウスを0.001 %のFTY720軟膏で治療し,1経表皮水分蒸散量(TEWL)の改善効果及び2フィラグリン及びカスパーゼ-14を介した皮膚バリア機能の改善効果を調べた.その結果,FTY720軟膏群のTEWLは,治療前(93.3±12.5 g/m2/h)と比較して治療後(9.7±6.5 g/m2/h)で有意に改善した.さらに,皮膚バリア機能に不可欠であるフィラグリンの発現形態を抗フィラグリン抗体を用いた免疫染色によって組織学的に調べた.その結果,FTY720軟膏群のフィラグリンの発現強度(蛍光免疫染色による蛍光強度)(1.1±0.5)は,ベタメタゾン群(0.5±0.2)及び軟膏基剤群(0.6±0.2)と比較して有意に増加した.一方,フィラグリンを天然保湿因子(NMF)に分解する酵素であるカスパーゼ-14の発現強度に有意な差は見られなかった.しかし,FTY720軟膏群のカスパーゼ-14の発現部位は他の群と比較して表皮付近(フィラグリンの発現部位)に集積しており,未発症個体と近似していた.これらの結果から,FTY720群ではフィラグリンが効率的にNMFへ分解され,皮膚バリア機能を改善し,このNMFの産生がTEWLの低下につながっていると考えられる.今後,皮膚バリア機能に関与する他のタンパク質(オクルディン,ZO-1等)についても詳細に調べる予定である.アトピー性皮膚炎の多くは乳幼児期に発症し,ほとんどが成人に至るまでに軽快する.治療薬も副腎皮質ステロイドの外用薬や抗アレルギー薬など,選択肢も多い.しかし,最近では成人に至っても症状の改善がみられない難治症例も増加している.本申請課題では,難治症例にも有効な治療法方を構築するため,ダニ抗原で皮膚炎を誘導したNC/Ngaマウスを用いてFTY720軟膏による外用療法の有用性を調べた.その結果,FTY720軟膏による治療はステロイドの外用療法と比較して,皮膚炎を有意に改善した.さらに,皮膚バリア機能に重要なフィラグリンの発現および経表皮水分蒸散量も改善できることが示された.

平成26年度は,本課題申請時の研究計画に記載した通り,おおむね順調に進行している.すなわち,研究実績の概要で記載したように,FTY720軟膏による外用療法が,ベタメタゾン軟膏やタクロリムス軟膏で改善しない皮膚炎を有意に改善し,皮膚バリア機能も改善することが示唆された.組織学的解析(表皮の肥厚の程度,マスト細胞の浸潤の程度,クローディン-1およびフィラグリンの検出)では,パラフィン切片および凍結切片が必要であるが,本申請課題で購入したミクロトーム(パラフィン,凍結両切片の作成が可能)を有効に活用できた結果と考えている.病態医科学平成26年度は,本課題申請時の研究計画に記載した通り,難治性アトピー性皮膚炎に対するFTY720の外用療法の有用性を明らかとした.また,平成27年度に実施予定の皮膚バリア機能の改善作用に関しても一部実施した.これらの結果をもとに,平成27年度は,FTY720が皮膚バリア機能に与える効果を詳細に検討する予定である.すなわち,クローディン-1だけでなく皮膚バリア機能に重要なタイトジャンクションの構成タンパク質(トリセルリン,オクルディン等)にFTY720が与える効果について,遺伝子レベルおよびタンパク質レベルで解析する予定である.以上のことを明らかとし,FTY720が皮膚バリア機能の改善(正常化)作用も有していることを明らかとする.
電動アシスト車いすのユーザ特性適応型制御法と操作訓練システムの開発

本研究は電動アシスト車いすのユーザ特性適応制御システムの開発を目的として実施した。研究期間全体として,1目標走行基準点の設定と操作データ収集,2位置軌道推定・走行制御法の開発,3視覚フィードバック型操作訓練システムの開発,4制御・訓練システム再設計法の開発,5被験者実地評価を具体的課題として挙げており,本年度は主に3,および当初の予定にはなかった発展的課題について取り組んだ。3については昨年度までに開発した操作訓練システムの大幅な改善を行った。従来は推定された目標位置を二次元グラフ上に表示するのみであったが,左右腕のハンドリム操作の習熟度を向上させることを目指し,左右操作トルク積分値を棒グラフで表現し,各基準点へ走行するために必要なトルク目標値とともに使用者に提示するシステムを開発した。複数回の連続操作に合わせて車いすの走行軌道を表示し,T字路における直進や旋回走行の訓練を行うことも可能とした。また当初の予定になかった発展的課題として,片麻痺患者の使用を想定した片漕ぎ走行制御システムも検討,開発した。片側ハンドリム操作のみでは使用者の走行方向などの意思を読み取ることが難しいが,脇を開け閉めしながら操作しその上腕筋電位を読み取ることで目標走行位置を推定する方法を考案した。また視覚フィードバック型操作訓練システムも導入し操作習熟度を向上させることで,片漕ぎのみでアシスト車いすの任意方向への操作を可能とした。研究期間全体を通して,ファジィ推論に基づくユーザ操作特性適応型走行制御システムおよび視覚フィードバック型操作訓練システムの開発,また実際の障害者による評価実験を一通り実施し,15の目標を95%程度達成することができた。今後さらに効果的な操作訓練システムの開発やL字や8の字コースにおける実地試験,片漕ぎ走行制御システムの開発などを継続して行っていきたいと考えている。本研究は電動アシスト車いすのユーザ特性適応制御システムの開発を目的としている。研究期間は3年であり平成28年度はその1年目である。3年間の研究期間全体として,1目標走行基準点の設定と操作データ収集,2位置軌道推定・走行制御法の開発,3視覚フィードバック型操作訓練システムの開発,4制御・訓練システム再設計法の開発,5被験者実地評価,を具体的課題として挙げており,平成28年度は主に13に取り組んだ。1については作製した車いす実機と複数の健常者を用いた評価実験を通して,車いすの前進方向に設定した9個の基準点へ走行する際の操作トルクのデータ収集を行った。片腕に麻痺状態を模擬する装具を装着して実験を行ったが,装着側は大きな操作トルクを入力しにくいため装着側への旋回走行は難しいこと,また同じ基準点への走行でも操作トルクがばらつくなど習熟度が低い被験者が多いことも明らかとなった。2については,1で収集した個人ごとの操作トルクデータに対しファジィ推論を適用し,左右対称ではないユーザ操作特性をメンバーシップ関数でうまく表現することで走行目標位置を推定する手法を開発した。また目標位置への走行制御法として,インピーダンス制御や多項式速度関数を用いることで乗り心地を確保する手法を開発した。3については,LabVIEWをベースとして視覚フィードバック型操作訓練システムの構築を行った。左右操作トルクデータをPCに取り込み,2で設計した推定走行位置をリアルタイムに画面上に提示するプログラムを開発した。数名の被験者実験において,1週間程度の操作訓練により目標基準点への走行誤差が徐々に低減していくことを確認した。このように3年計画の1年目において,ユーザ操作特性適応型走行制御および視覚フィードバック型走行訓練システムの実現における基礎的成果をあげることができ,次の年度につながるほぼ計画どおりの成果を得た。本研究は3年間の実施期間を設けており平成28年度はその1年目にあたる。平成28年度における研究計画について当初の予定では,1目標走行基準点の設定と操作データ収集,2位置軌道推定・走行制御法の開発,3視覚フィードバック型操作訓練システムの開発の三つを設定していた。1については設定した9個の走行基準点への操作トルクデータ収集を,模擬装具を片腕に装着した多くの被験者に対し行ったことで,直進および左右方向への操作特性の傾向や習熟度の個人差などを分析することができ,2の目標位置推定手法の開発に活かせるデータ収集ができたため,これまでに90%程度,当初の計画を遂行できたと言える。2については,1で収集したデータにファジィ推論を適用して目標位置を推定する手法,およびその地点へ車いすを走行させる軌道制御を開発し,いずれの被験者に対しても数十cm程度の走行誤差で各基準点へ停止させることができた。走行誤差をさらに向上させるための目標位置推定手法および走行制御法にも検討の余地を残しており,これまでに60%程度遂行できたと言える。3については,LabVIEWとノートPCをベースに,被験者の操作トルク情報や推定走行位置をリアルタイムに画面上に提示し視覚フィードバックによる操作訓練を行うシステムを構築することができ,1週間程度の操作訓練により目標走行位置に対する誤差を減少させていくことが可能であることを複数の被験者に対して実証した。提示画面内容の改善や被験者の人数,訓練期間の検討など,次年度以降の検討課題が多く見出されたことから,これまでに50%程度遂行できたと言える。これらを総合して研究達成度は80%程度であり,「おおむね順調に進展している」と判断した。研究期間は3年であり平成29年度はその2年目である。

3年間の研究期間全体として,1目標走行基準点の設定と操作データ収集,2位置軌道推定・走行制御法の開発,3視覚フィードバック型操作訓練システムの開発,4制御・訓練システム再設計法の開発,5被験者実地評価を具体的課題として挙げており,平成29年度は主に24に取り組んだ。2については前年度までに開発したファジィ推論システムをさらに発展させる形でファジィルールの自動最適設計を実現し,高精度に走行目標位置を推定する手法を開発した。また体重別パラメータ設計や制御精度向上のための走行制御法を開発した。3についてはLabVIEWをベースとして視覚フィードバック型操作訓練システムの構築を行った。左右操作トルクデータをPCに取り込み,推定された目標位置をリアルタイムに画面提示するプログラムを開発した。また4については,基準点への左右操作トルク分布が近いものに対しそれらを遠ざけるような自動補正を施し,推定精度の向上と操作訓練の効率化を試みた。また当初の予定にはなかった5についても先行的に実施した。先天性多発性関節拘縮症による上肢障害を有する被験者,及び片麻痺模擬装置を装着した健常者により14を実装したシステムの評価実験を行ったが,目標基準点への走行誤差が20cm程度となり,実用に耐えうるレベルの性能が確認できた。実際の障害者にも十分な効果があることを実証したことは,本研究の目的および方法論に関し計り知れないほど重要な社会的意義と研究成果が生み出されたことを示唆している。このように3年計画の2年目において,ユーザ操作特性適応型走行制御および視覚フィードバック型走行訓練システムの構築を目指す上での大きな進展をとげることができ,次の最終年度につながる見通しを得た。本研究は3年間の実施期間を設けており平成29年度はその2年目にあたる。平成29年度における研究計画について当初の予定では,2位置軌道推定・走行制御法の開発,3視覚フィードバック型操作訓練システムの開発,4制御・訓練システム再設計法の開発の三つを設定していた。2については被験者ごとに事前収集した操作トルクデータにファジィ推論を適用して目標位置を推定する手法,およびその位置への軌道制御法を開発した。特に前者におけるファジィルールの自動最適設計法や後者における体重別パラメータ設計法などを通して,走行性能の向上を達成でき,95%程度遂行できたと言える。3についてはLabVIEWとPCをベースに被験者の操作トルク情報や推定走行位置をリアルタイムに画面提示し視覚フィードバックによる操作訓練を行うシステムを構築し,1週間程度の操作訓練により目標位置に対する誤差を減少させる効果があることを上肢障害者を含む複数の被験者に対して実証した。しかし実際の走行感覚をより想起させるよう提示画面内容を改善する余地があり,80%程度遂行できたと言える。4については基準点への左右操作トルク分布が近いものに対しそれらを遠ざけるような自動補正を施し,推論システムを再設計することで推定精度の向上を図った。
自乗量保存形スキームとJFNK法による非線形流体連成問題の計算アルゴリズムの開発

本研究では,自乗量保存形の移流項差分スキームと非線形問題の数値計算手法であるJFNK法を用い,流れが関与する非線形問題の数値計算アルゴリズムを構築した.具体的には,(1)非圧縮性流体の非分離解法の構築,(2)圧縮性流れに対する自乗量保存形差分スキームの構築,(3)流体一構造連成問題に対応する移動格子の自乗量保存形差分スキームの構築,(4)コンパクト差分による非圧縮性流体の高次精度数値計算手法の構築,(5)自乗量保存形差分と衝撃波捕獲法の混合スキームの構築,および(6)非ニュートン流体での境界層乱流の数値計算手法の構築,を行なった.本研究では,自乗量保存形の移流項差分スキームと非線形問題の数値計算手法であるJFNK法を用い,流れが関与する非線形問題の数値計算アルゴリズムを構築した.具体的には,(1)非圧縮性流体の非分離解法の構築,(2)圧縮性流れに対する自乗量保存形差分スキームの構築,(3)流体一構造連成問題に対応する移動格子の自乗量保存形差分スキームの構築,(4)コンパクト差分による非圧縮性流体の高次精度数値計算手法の構築,(5)自乗量保存形差分と衝撃波捕獲法の混合スキームの構築,および(6)非ニュートン流体での境界層乱流の数値計算手法の構築,を行なった.研究代表者は先に、圧縮性流れに対して先天的に自乗量保存形となる移流項の混合型を世界で初めて示した。本研究では、密度変化と格子変化に関する基礎式のアナロジーから、移動格子に適用可能なALE法に対する自乗量保存形の移流項を構成した。移流項の型の互換性と保存特性を満足するように離散化を行えば、移動格子に対しても移流項に起因する非線形不安定性を抑制しながら流れの非定常数値計算が安定に実行可能となることを示した。その際、非線形性の本質を捉えながら数値計算を実行可能とするため、強連成解法を導入した。流れおよびそれと連成する問題の基礎式を離散化すると、非線形離散システム方程式が得られる。このような非線形方程式の高速解法として従来からニュートン法が知られているが、ニュートン法の増分方程式に表れるヤコビ行列を直接扱うことは大規模問題に対し非現実的である。そこで本研究では、JF近似でヤコビ行列自身の計算と膨大な保存領域の確保を回避し、クリロフ部分空間反復法で増分方程式を解きニュートン法の手順で非線形離散システム方程式の解を得る手法、つまりJFNK法(Jacobian-free Newton Krylov method)を導入した。以上の計算アルゴリズムを基に、FORTRANによる各種計算コードの作成を開始した。まず強連成解法の可能性を探るため、固定格子に対する非圧縮性流れの非分離解法によるコードを構成した後、移動格子に対する非圧縮性流れの計算コードを構成し,回転系振動格子乱流の数値計算を実施した。さらに、流体-構造連成問題の計算コード、粘弾性流体の計算コード、流体音響解析用計算コードの開発を開始している。本研究は、研究代表者が提案している自乗量保存形の移流項差分スキームと非線形離散システム方程式の解法であるJFNK法(Jacobian-free Newton Krylov method)を用い、昨年度に引き続き、非圧縮性流れの計算コード、圧縮性流れの計算コード、流体-構造連成問題のコード、気液混相流のコード、等の作成とチューニング、およびこれらのコードの検証計算を実施した。その際、非圧縮性流れの計算コードと圧縮性流れの計算コードについては、計算手法の高次精度化を達成するため、空間4次精度から10次精度までのコンパクト差分を導入したコードの作成を行なった。非圧縮性流れの計算コードについては円筒座標系への拡張も行なった。さらに、圧縮性流れのコードについては、自乗量保存形差分と衝撃波捕獲法との混合手法も構成し、衝撃波が現れる流れ場での乱流計算を可能とした。以上のコードの検証として、クエットおよびポアズイユ型バックステップ乱流のDNS、波状壁チャネル乱流のDNS、ラム渦問題、円管内旋回乱流のDNS、衝撃波管問題、渦-衝撃波干渉問題、回転系振動格子乱流のDNS、圧縮性チャネル乱流のLES、キャビティにより生じる流体音問題、ピストン移動により生じる衝撃波問題、ダム崩壊問題、の数値計算を実施し、構成されたコードの信頼性を確認した。以上の成果については、第8回日本流体力学会中部支部講演会、第24回数値流体力学シンポジウム、第60回理論応用力学講演会、において9件の講演発表として公表している。また、第8回日本流体力学会中部支部講演会で発表した「衝撃波捕獲法と自乗量保存形差分の混合スキームの開発」については優秀講演賞を受賞している。本研究の目的は、研究代表者が提案している自乗量保存形の移流項差分スキームと非線形離散システム方程式の解法であるJFNK法(Jacobian-free Newton Krylov method)を用い、流体-構造連成問題、流体音響解析、粘弾性流体、等に対する計算アルゴリズムを構築し、検証計算を通してこれら計算アルゴリズムの有効性を確認する事であった。そのため、本研究では、(1)非圧縮性流体の非分離解法の構築,(2)圧縮性流れに対する自乗量保存形差分スキーム、(3)流体-構造連成問題に対応する移動格子の自乗量保存形差分スキーム、(4)コンパクト差分による非圧縮性流体の高次精度数値計算手法、(5)自乗量保存形差分と衝撃波捕獲法の混合スキーム,および(6)非ニュートン

流体での境界層乱流の数値計算手法、を構築した。これらのうち,(1)はJFNK法の直接的な応用,(3)は流体-構造連成問題,(2)と(4)は流体音響問題,(6)は粘弾性流体,に関係したものである。本年度は以上のうち、まず前年度までに構築した(1)(4)の計算コードについて検証計算を完了した。さらに、(5)と(6)について計算コードを構築した後に検証計算を実施した。(5)については、衝撃波問題と渦-衝撃波干渉問題の検証計算を通して、構築された計算スキームが衝撃波捕獲と低数値拡散性を両立する計算手法であることが確認された。(6)については、抵抗低減乱流境界層に対していくつかの粘弾性応力のモデルを導入し、粘弾性流体による抵抗低減効果および乱流統計量の変化を定量的に調べた。
ナノビーム型光ナノ共振器を用いたゲルマニウムの発光制御とレーザ発振への挑戦

ゲルマニウムフォトニック結晶ナノビーム共振器を作製し、発光強度の増大を室温で観測するとともに、L3型共振器でQ1350を実現した。また、格子変調型ナノ共振器を用いてQ1850を達成した。また、歪窒化シリコン膜とゲルマニウムフォトニック結晶ナノビーム共振器構造に接続されたパッド構造の効果を利用することで、光との相互作用が強くなるナノ共振器部分において、強い一軸性引張歪を誘起し、ゲルマニウムの伝導帯G点とL点のエネルギー差を小さくすることが可能であることを、歪分布の数値解析により示した。ゲルマニウムは間接遷移半導体でありながら、そのバンドギャップと直接遷移バンドギャップのエネルギー差が小さいため、シリコンフォトニクス技術で期待される高効率シリコン系発光及び光源を実現できる可能性があることから、近年注目を集めている。本研究では、ナノビーム型フォトニック結晶ナノ共振器を用いて、歪による物性制御とナノ共振器による輻射場制御を融合することにより、ゲルマニウムの直接遷移発光の高効率化を実現することを目指している。平成24年度には、本研究で提案する微小電気機械システムが集積されたナノビーム型フォトニック結晶ナノ共振器を用いた場合のゲルマニウムの発光特性解析に必要となる、駆動時のナノビームの変位・変形を有限要素法により数値的に解析した。また、微小電気機械システムを集積化したナノビーム型フォトニック結晶ナノ共振器の作製プロセスについても検討を行った。プロセス検討では、基礎実験として、フォトニック結晶作製技術が確立しているGaAsを用いて試作を行い、集積化素子作製時に生じる問題を洗い出すとともに、その解決法を見出した。これは、ゲルマニウム素子にも共通するプロセス技術であり、今後の研究進展において重要である。また、この基礎実験において、微小電気機械システムへの印加電圧変化に伴う、ナノビーム型フォトニック結晶ナノ共振器のQ値の変化から、集積化素子の電気機械動作とそれによるナノ共振器の制御が確認できた。平成25年度には、圧縮性窒化シリコン膜とナノビーム構造を支持するパッド構造を用いることで、高歪ゲルマニウムフォトニック結晶ナノビーム共振器を実現できることを見出した。構造は、圧縮性窒化シリコン膜が堆積されたゲルマニウム薄膜に形成された格子変調型ナノビーム型共振器であり、さらにナノビーム構造をさせるパッド構造が導入されている。ゲルマニウム薄膜の下のSiO2層を除去することにより、パッド部およびナノビーム構造が中空構造となる。このとき、圧縮性窒化シリコン膜の効果で、ナノビーム構造の中央部(共振器部分)に大きな引っ張り歪が誘起される。有限要素法を用いた数値解析の結果、ひずみ量がパットサイズ、窒化膜の歪量で制御できることが分かった。さらに、ゲルマニウムの残留歪を利用した構成では、ナノビームの側壁部に歪の大きい部分が生じてしまうのに対して、本方式では、共振器モードとして光電場が大きくなる位置で歪が最も大きくなることも明らかとなった。これは、本方式では共振器モードとゲルマニウム直接遷移発光のより効率的結合が期待できることを示すものである。平成27年度には、上記構造を実現するために、まずゲルマニウムフォトニック結晶ナノビーム共振器の形成技術開発を進めた。L3型共振器構造を対象に、特にエッチング技術を中心にプロセス技術の最適化を進めることにより、Q値1,350を実現するまでに至った。この値は、ゲルマニウム二次元フォトニック結晶ナノ共振器などのこれまでの報告を凌ぐものであり、ゲルマニウムフォトニック結晶ナノ共振器として世界最高の値である。また共振器モードの波長、Q値の励起光パワー依存性から、励起光パワーの増加にともなう試料温度の上昇、自由キャリア吸収の増大が生じていることを明らかにした。また、ゲルマニウム上への窒化シリコン膜の堆積についても、学内共同研究の形で展開した。その結果、ゲルマニウムと窒化シリコン膜の密着性が十分でなく剥離が生じてしまうことが判明し、表面処理や成膜条件などの条件の見直しが必要であることが明らかとなった。これまでに、比較的構造が単純なL3型ナノビーム共振器構造を用いて、ゲルマニウムフォトニック結晶ナノビーム共振器の形成技術の開発を進め、高いQ値を有するナノ共振器の作製に成功した。

一方、我々は25年度に残留ひずみを有する窒化シリコン膜とナノビーム構造を利用してゲルマニウム共振器部分に歪を印加する方式を提案・検討してきたが、この方式は、L3型ナノビーム共振器構造よりも格子変調型ナノビーム共振器構造が有効に機能することが有限要素法に基づく解析から明らかとなった。したがった、これらの検討・技術に立脚し、格子変調型ナノビーム共振器の作製に取り組んだ。格子変調型ナノビーム共振器では、設計Q値がL3型共振器の比べて2桁以上高くなるため、より強い光閉じ込めを可能にする構造である。しかし、通常の格子変調型ナノビーム共振器を作製した発光スペクトルを評価したところ、共振器モードを観測することはできなかった。これは、高い設計Q値を有する構造では、ゲルマニウムの残留吸収の効果により光取り出し効率が大幅に低減するためである。この問題を克服するため、ナノビーム構造にバンド折り返し構造として知られる2倍周期構造を導入した。その結果、共振器モードを明瞭に観測することに成功した。また、Q値1,850が得られた。この値は、我々が報告してきたL3型ナノビーム共振器のQ値の1.4倍程度である。またモード体積のゲルマニウムフォトニック結晶共振器としてもっとも高い値である。ゲルマニウムフォトニック結晶ナノビーム共振器を作製し、発光強度の増大を室温で観測するとともに、L3型共振器でQ1350を実現した。また、格子変調型ナノ共振器を用いてQ1850を達成した。また、歪窒化シリコン膜とゲルマニウムフォトニック結晶ナノビーム共振器構造に接続されたパッド構造の効果を利用することで、光との相互作用が強くなるナノ共振器部分において、強い一軸性引張歪を誘起し、ゲルマニウムの伝導帯G点とL点のエネルギー差を小さくすることが可能であることを、歪分布の数値解析により示した。本研究ではゲルマニウムナノビーム共振器への大きな歪印加ができることが重要となる。今年度には、窒化シリコン膜とパッド構造を用いて、大きな歪印加が可能となる構造を新たに見出すとともに、その分布が共振器モードとゲルマニウム直接遷移発光の高効率結合を可能にすることも明らかにすることができた。ゲルマニウムフォトニック結晶ナノビーム共振器については、その形成技術が確立され、ゲルマニウムフォトニック結晶ナノ共振器として世界最高のQ値を実現することができた。窒化シリコン膜については、作製条件の最適化などが必要であることが明らかとなったが、他の共同研究先などとの連携により、対応可能であると考えている。27年度が最終年度であるため、記入しない。ナノオプトエレクトロニクス今年度に得られてた知見をもとに、窒化シリコン膜とパッド構造を用いら高歪ゲルマニウムナノビーム共振器の作製とその評価に取り組む。そのために、基盤技術としてゲルマニウムナノビーム共振器の形成技術の開発を進めるとともに、窒化シリコン膜堆積試料の試作とその評価を進める。確立した作製技術を用いて、実際に目的とする高品質格子変調型フォトニック結晶ナノビーム共振器の作製に取り組むとともに、窒化シリコン膜については、複数の可能性を検討し密着性の問題の解決を図り、ゲルマニウム膜への歪印加の実現を目指す。最終的には、これらを組み合わせて、ゲルマニウム発光の増強・制御を実現することを目指す。
統合オーミクス解析に基づく口腸連関の解明－歯周病をモデルとした関連解析ー

本研究は、歯周病の全身への影響メカニズムを口腔-腸管連関に基づき各種オーミクス解析の統合的応用によって解明しことである。今年度は二つのモデルマウスの作成を行った。1)NASHモデル:C57BL/6マウスにコリン欠損高脂肪食餌(CDAHFD60)を与え、実験的NASH状態を作成し、さらに歯周病原細菌Porphyromonas gingivalis, Prevotella intermediaを口腔より投与するという、歯周炎患者の口腔状態を模したモデルである。予備実験としてCDAHFD60の投与期間(2週から12週)、細菌の投与時期と間隔等を検討した結果、順化後細菌を1週間に5回の頻度で投与し、投与開始1週後から餌をCDAHFD60に変更して2週間投与し、その間細菌投与を継続するというモデルが最適であることが明らかになった。このモデルを用い、順化後、細菌投与1週後、実験終了時糞便サンプルの採取、血清の採取、肝臓、腸管組織のサンプリングが終了し、解析を開始した。2)糞便移入モデル:2群のC57BL/6マウスにそれぞれHigh Fat Diet32 (HFD32)とNormal Chow (NC)を投与し、投与開始4週目以降の糞をプールする。別のマウスに順化後抗生物質のカクテルを1週間投与した後、プールした糞便をカニューレを用いて毎日1回5日間投与し、1週後にligature-induced periodontitisを惹起した。コントロールはNC投与、HFD32投与マウス糞便移植、Ligature (-)とした。Ligature開始1週後にサンプリングを行った。移入開始前、移入後、実験終了時の糞便を採取し、細菌叢の解析を開始している。並行してGerm-freeマウスにP. gingivalis, Lactobacillus salivarius投与実験を行い、データを得た。2018年度は二つのモデルマウスの実験系を確立することができた。NASHモデル(C57BL/6マウスにコリン欠損高脂肪食餌(CDAHFD60)を与え、実験的NASH状態を作成し、さらに歯周病原細菌Porphyromonas gingivalis, Prevotella intermediaを口腔より投与)から得られた組織サンプル(肝臓)、糞便サンプル、血液サンプルについて、それぞれトランスクリプトーム実験、メタ16S rRNA実験、メタボローム実験のデータが得られた。現在解析を進めている。糞便移入モデルについても実験条件が確立でき、本実験を開始した。NASHモデルについては個々のオーミクスデータをバイオインフォマティクスの手法を用いて統合的に解析し、歯周病原細菌による腸内環境への影響うを介した作用メカメカニズムを明らかにしていく。糞便移入モデルについてはメタボローム解析のデータをできるだけ早く得て、in vitro実験に使う候補分子を選定する。
glioblasomaの新規予後因子として同定したABCG4とFLNCの機能解析

本研究では、公共の大規模ながんゲノムデータベースを用い、GBMの予後に関わる新たな予後規定因子を探索し、Filamin C(FLNC)を同定し、そのGBMにおける機能解析、治療標的としての可能性の模索を行った。実際にGBMの病理検体を用いて免疫染色を行い、FLNC高発現群は有意差を持ってFLNC低発現群より予後が悪いこと、FLNCの発現は、GBMのグレードにも相関していることを確認した。また、FLNC発現を抑制すると、GBM細胞株細胞の浸潤能を強く抑制されることも示され、FLNCを中心としたGBMの浸潤機構がGBMの治療標的となりうる可能性が示された。Glioblastoma(GBM)に対する標準的治療は、手術による摘出と、その後の放射線照射、temozolomide(TMZ)投与である。しかし、これらの治療を適切に行っても5年生存割合は10%程度であり、GBMは非常に悪性度が高く治療困難な腫瘍であり、さらなる治療の開発が必要である。我々の研究は、これらの分子のGBMにおける機能解析、治療標的としての可能性を探ることを目的としている。Glioblastoma(GBM)に対する標準治療は、手術による摘出と、その後の放射線照射、temozolomide(TMZ)投与である。臨床サンプルを用いた免疫染色による検討で、FLNCの発現レベルが、gliomaのgradeと予後に相関していることを見出している。さらに、現在、FLNCshレンチウイルスを作製して、in vitroでのFLNCの機能解析を行っているところである。しかし、十分な解析を行い結果を得るためには、さらなる時間が必要な状況である。GBMは、悪性脳腫瘍の中で最も頻度が高く、予後の悪い腫瘍である。現在、手術による摘出と、その後の放射線照射、TMZ投与が標準的な治療である。しかし、これらの治療を適切に行っても、5年生存割合は10%程度である。また、新たな治療薬として、分子標的薬(アバスチン)が用いられるようになっているが、無増悪生存期間は延長するのもの生存期間は延長しない。このことは、現段階の治療のみではGBMを治療することが困難であり、さらなる新しい治療を模索することが必要な状況であることを意味する。我々は、公共の大規模ながんゲノムデータベースを用い、GBMの予後に関わる新たな予後規定因子を探索し、Filamin C(FLNC)を同定した。本研究は、FLNCのGBMにおける機能解析、治療標的としての可能性の模索、また、さらなる予後規定因子の同定を目的とし、行った。まず、FLNCの発現を抑制したU87細胞を用いて、FLNC発現抑制が細胞の運動能・浸潤能に与える影響を検討した結果、FLNCの発現抑制は、細胞の運動能にはほとんど影響を与えず、その浸潤能を強く抑制することが分かった。また、GBM92症例の病理検体を用いて免疫染色を行い、FLNC染色率の平均で群分けを行った。その結果、FLNC高発現群は、有意差を持ってFLNC低発現群より予後が悪いことが示された。また、その発現は、GBMのグレードにも相関しておりデータベースを用いた解析を裏付ける結果となった。以上の結果から、FLNCがGBMの悪性化に寄与していることが明らかとなり、FLNCは、GBMの治療標的となり得ることが明らかとなった。これらの結果を踏まえ、代表者は現在、GBMにおけるFLNC発現制御機構の解明、FLNCを軸としたGBM浸潤機構の解明を進め、治療標的となり得る分子の同定を試みている。TCGAの解析により、GBMが遺伝子の発現パターンによって明確に4つのサブグループ(proneural type, classical type, neural type, mesenchymal type)に分けられるという画期的な結果が、アメリカのグループより示された。さらに、これらサブグループは、例えばProneural typeは積極的に治療を行っても予後に変わりがない、など治療反応性が異なる臨床像を呈することが分かった。このことから、今まで分子生物学的背景の異なる腫瘍群に画一的な治療を行っていた可能性が高く、このことが十分にGBM治療をできない原因の一つと考えられる。GBM治療を、この4つのサブグループに分けて構築し直すという観点から、我々が、GBMの予後因子として同定したFLNCとABCG4について検討を行った。その結果、この2分子とも、proneural type、特にIDH1変異群において、その予後に非常に強く相関していることが分かった。

実際、GBM細胞株であるU87細胞にIDH1変異(R132H)を強制発現させ、さらにFLNCに対するshRNAを導入しFLNCをノックダウンさせると、その細胞運動能、浸潤能が抑制されることを我々は確認した。in vitroでのFLNCの機能解析を行い、どのような機構に関わることにより、FLNCがgliomaの悪性進展に関与しているのかを解明する。分子腫瘍IDH1変異群におけるFLNCの機能解析を行い、その治療標的としての可能性を検討する。in vitroの解析を行うために、試薬やinvasionチャンバーを購入するために残しておいたために、次年度使用額が生じた。次年度に、培養実験、生化学的実験のための試薬が大量に必要であるため。また、マウスを用いたin vivoの検討を計画しており、マウス購入、飼育に費用が必要なため。申請者は、FLNCがgliomaの浸潤機構に関与していると考えており、invasion assayを行うための、invasionチャンバーや、ケモタキシスなどを購入するために使用する。また、FLNCの下流では、Rhoファミリーが活性化されると考えており、どのRhoファミリーがFLNCの下流で活性化されるか、検討するためのキットを購入するために使用する。上記の様に、試薬やマウス購入に充てる予定である。
反射性交感神経ジストロフィーの疼痛発生機構に関する実験的研究

本研究ではラット坐骨神経挫滅による反射性交感神経ジストロフィー(RSD)モデルラットを用いて、その行動観察およびin vivoおよびin vitroの電気生理学的観察によりRSD発症機序の検索を行った。Wistar系成ラットをペントバルビタール麻酔下に坐骨神経を露出し、坐骨神経を機械的あるいは化学的に挫滅・破壊した坐骨神経破壊群と坐骨神経を傷害しない疑似手術群に分け、経日的に行動観察を行った。坐骨神経破壊群では、下肢噛みつき反応、下肢異常肢位下肢異常運動等の異常行動が観察された。異常行動の時期は、操作後早期に発生し、徐々に消失する動物、24週間後から徐々に出現する動物と様々であった。これらヒトRSDに類似した病態は、疑似手術群では観察されなかった。成ラット脊髄スライス標本を用いた脊髄膠様質細胞、側角細胞からの細胞内記録において、正常ラットでは、後根から膠様質ニューロンへの単シナプス性入力はAδとC fiberに限られており、Aα/βfiberからの単シナプス性入力は検出されず少数の膠様質ニューロンでAα/βfiberからの多シナプス性入力が認められるのみであった。一方、RSDモデルラットではAδとC fiberの単シナプス性入力に加え、多数の膠様質ニューロンでAα/βfiberからの多シナプス性入力が認められ、刺激後のrepetitive firingも観察された。また、少数ではあるが、Aα/βfiberからの単シナプス性入力によると考えられる電位が検出された。腰部脊髄L4/5背面からの異分節性脊髄誘発電位、後根電位、側角ニューロン活動の細胞外記録では、約半数のRSDモデルラットにおいて分節性脊髄誘発電位のP1成分には有意の変化は認められなかったが、N1,P2成分に振幅の増加、P2成分の持続時間の延長が観察された.これは、臨床におけるRSD患者の誘発電位異常増強に類似したものと考えることができる.後根電位も同様の増強、延長を示した.誘発電位異常増強の認められるRSDモデルラットでは非侵害刺激と思われる弱い刺激強度によっても侵害刺激と同様の発火頻度増加が認められた。以上より、RSDモデルラットでは膠様質及び側角ニューロン活動の異常増強現象が存在すること、また、この異常増強現象には脊髄より上位の中枢が関与していることも示唆された。本年度はWistar系成ラットをペントバルビタール麻酔下に坐骨神経を露出し、(1)坐骨神経を鉗子で完全挫滅、(2)坐骨神経を鉗子で不完全挫滅、(3)坐骨神経鞘内に無水アルコール0.1mlを注入し、化学的に破壊、(4)同鞘内に50%アルコール0.1mlを注入、(5)疑似手術として同鞘内に生理食塩水0.1mlを注入の各操作を施行した5群に分けた。上記5群につき、経日的に行動勧察を行なったところ、下肢噛みつき反応、下肢異常肢位下肢異常運動等の異常行動の観察された動物と異常行動の観察されなかった動物とに分けらけれた。異常行動の時期については、操作後早期に発生し、徐々に消失する動物、24週間後から徐々に出現する動物と様々であった。

しかし、各群間に有意の差はなく、ヒトにおける反射性交感神経ジストロフィー(RSD)類似した病態は、(1)(4)のいずれの処置においても発生すると考えられた。徐々に、異常運動が出現し、増強する動物では患側下肢血流低下、逃避反応電気刺激閾値の低下、皮膚温、発汗の左右差が観察された。一方、末梢神経挫滅性損傷によるRSDモデルと、アルコール神経破壊によるRSDモデルを作製した上で脊髄を速やかに摘出、冷温下に後根付脊髄スライス標本を作製し、同標本を用いて脊髄後角ニューロンおよび脊髄膠様質ニューロン活動の細胞内導出が可能となった。同標本を用い、正常ラットとRSDラットにおいて各ニューロンの活動の差異について比較検討している。本年度は成ラット脊髄スライス標本を用いた脊髄膠様質細胞,側角細胞からの細胞内記録、および、in vivoでの腰部脊髄における分節性脊髄誘発電位、後根電位、側角細胞活動の記録を行い、それぞれ後根刺激、下肢侵害電気刺激で誘発される反応を観察し、正常ラット、RSDモデルラットにおける各反応の差異について検討した。正常ラットでは、後根から膠様質ニューロンへの単シナプス性入力はAδとCfiberに限られており、Aα/βfiberからの単シナプス性入力は検出されず、少数の膠様質ニューロンでAα/βfiberからの多シナプス性入力が認められるのみであった。一方、RSDモデルラットではAδとC fiberの単シナプス性入力に加え、多数の膠様質ニューロンでAα/βfiberからの多シナプス性入力が認められ、刺激後のrepetitive firingも観察された。また、少数ではあるが、Aα/βfiberからの単シナプス性入力によると考えられる電位が検出された。後根刺激による側角ニューロンに生じる反応は、正常ラットではAδfiberに興奮をもたらす刺激強度以上では多シナプス性のfast EPSPとそれに続くslow EPSP(5-10s)が観察された。RSDラットではAδfiberに興奮をもたらす刺激強度以下でも興奮性応答が認められた。腰部脊髄L4/5背面から記録した異分節性脊髄誘発電位、後根電位、側角ニューロン活動については、約半数のRSDモデルラットにおいて分節性脊髄誘発電位のP1成分には有意の変化は認められなかったが、N1,P2成分には振幅の増加、P2成分の持続時間の延長が観察された.後根電位も同様の増強、延長を示した.誘発電位異常増強の認められるRSDモデルラットでは非侵害刺激と思われる弱い刺激強度によっても侵害刺激と同様の発火頻度増加が認められた。以上より、RSDモデルラットでは膠様質及び側角ニューロン活動の異常増強現象が存在すること、また、この異常増強現象には脊髄より上位の中枢が関与していることも示唆された。
単球由来iPS細胞の作出と応用に関する研究；難治性喘息の有効な治療のために

現在の治療薬では喘息の病態コントロールが難しい難治性喘息患者が未だに多数存在する。本研究では喘息を誘発する特異的抗原に反応する免疫系細胞を制御する制御性T細胞(regulatory T Cell:Treg)を人工多能性幹細胞(induced Pluripotent Stem Cell:iPS細胞)から分化誘導し、その細胞を用いた喘息の基本的病態を根本的に制御する新規治療法の可能性を追求するものである。2018年度の研究実績として、我々が独自の手法で作出することに成功したヒト単球由来iPS細胞の作製実験とリプログラミング時の細胞viabilityについて数回再現実験に成功した。これまでに単球から市販されているiPS細胞作製ベクターを用いてiPS細胞を作製することに成功した報告例は無かったため、iPS細胞の作製およびiPS細胞としての証明に関する成果をまとめて、論文発表(Cell Reprogram 20(6), 347-355,2018.)した。さらに単球由来iPS細胞からも複数回分化誘導実験を行い、単球および樹状細胞へ分化誘導することに成功した。分化誘導した樹状細胞は、異なる複数の抗原曝露によって樹状細胞の抗原提示能の指標となるHLA Class2のHLA-DRの発現増加を確認した。2018年度に購入し、培養実験に展開できるよう準備したOP9-DL1支持細胞は、共培養することでES細胞由来造血幹細胞および造血前駆細胞をT細胞系に分化誘導できることが報告されており、単球由来iPS細胞を用いてT細胞系への分化誘導が検討できる準備を整えた。IL-35を用いた免疫制御性T細胞(Treg)の予備実験を行ったが、IL-35のみではTregに分化誘導させることができなかったため、今後、更なる培養条件の検討を行う。2018度では、本研究の主体の1つである単球からのiPS細胞の作製、さらに単球由来iPS細胞からの単球および樹状細胞への分化誘導について複数回再現実験に成功した。再生医療研究の進捗において、複数回の再現実験をできることは、非常に重要な観点であると考えており、今後も確実な実験進捗と再現確認を行っていく。現在、実施している分化誘導条件について、さらに複数の種類の成長因子や培養条件の検討を行い、より高率的かつ特異的に樹状細胞への分化誘導を検証していく。また、2018年度で購入準備したES細胞で造血幹細胞および造血前駆細胞をT細胞系に分化誘導できるOP9-DL1支持細胞と共培養し、単球由来iPS細胞を用いてT細胞系への分化誘導を検証する。他方、免疫制御系の細胞であるTregに未熟リンパ球からの誘導作用があるIL-35について、実臨床の喘息患者血清中のIL-35を測定するため、血清サンプルの収集を今後も継続して行い、今年度後半に随時測定して、喘息病態と血清IL-35濃度についての検証を行っていく。また、今年度は最終年度にあたるため、実験進捗を加速させる必要があると考えている。まず平成29年度の実績として、我々が独自の手法で作出することに成功したヒト単球由来iPS細胞の再現実験とリプログラミング時の細胞viabilityについての検証を行った。我々の考案した培養方法であれば、高生存率を維持したまま細胞周期を保持させることができ、これが単球由来iPS細胞の作出に必要な培養条件であることを確認した。次に単球由来iPS細胞から分化誘導実験を行ったところ、単球への分化誘導は複数回にわたり再現することができた。単球から樹状細胞への分化誘導にも成功しており、細胞の抗原提示能の指標となるHLA Class2のHLA-DRの発現を確認した。このHLA-DRの発現に関する再現性実験は成功しているが、樹状細胞に一部で形態的、かつCD14のマクロファージ様細胞が混在している状況である。今後、より高率的かつ特異的に樹状細胞への分化誘導を検証していく予定である。他方、免疫制御系の細胞であるTregに未熟リンパ球からの誘導作用があるIL-35について、実臨床の喘息患者血清中のIL-35を測定するため、サンプルの収集を行っている。予定検体数を確保しつつあるため、平成30年度以降に随時測定して、喘息病態と血清IL-35濃度についての検証を行っていく。初年度の平成29年度では、本研究の主体である単球由来iPS細胞の再現実験や単球由来iPS細胞からの分化誘導条件の検討を行うことができたと考えている。

再生医療研究の進捗において、複数回の再現実験をできることは、非常に重要な観点であると考えており、今後も確実な実験進捗と再現確認を行っていく。ただし、予定している分化誘導条件について、充分な種類と組み合わせを行えているとは言えない。平成30年度以降、実験進捗を加速させる必要があると考えている。現在の治療薬では喘息の病態コントロールが難しい難治性喘息患者が未だに多数存在する。本研究では喘息を誘発する特異的抗原に反応する免疫系細胞を制御する制御性T細胞(regulatory T Cell:Treg)を人工多能性幹細胞(induced Pluripotent Stem Cell:iPS細胞)から分化誘導し、その細胞を用いた喘息の基本的病態を根本的に制御する新規治療法の可能性を追求するものである。2018年度の研究実績として、我々が独自の手法で作出することに成功したヒト単球由来iPS細胞の作製実験とリプログラミング時の細胞viabilityについて数回再現実験に成功した。これまでに単球から市販されているiPS細胞作製ベクターを用いてiPS細胞を作製することに成功した報告例は無かったため、iPS細胞の作製およびiPS細胞としての証明に関する成果をまとめて、論文発表(Cell Reprogram 20(6), 347-355,2018.)した。さらに単球由来iPS細胞からも複数回分化誘導実験を行い、単球および樹状細胞へ分化誘導することに成功した。分化誘導した樹状細胞は、異なる複数の抗原曝露によって樹状細胞の抗原提示能の指標となるHLA Class2のHLA-DRの発現増加を確認した。2018年度に購入し、培養実験に展開できるよう準備したOP9-DL1支持細胞は、共培養することでES細胞由来造血幹細胞および造血前駆細胞をT細胞系に分化誘導できることが報告されており、単球由来iPS細胞を用いてT細胞系への分化誘導が検討できる準備を整えた。IL-35を用いた免疫制御性T細胞(Treg)の予備実験を行ったが、IL-35のみではTregに分化誘導させることができなかったため、今後、更なる培養条件の検討を行う。2018度では、本研究の主体の1つである単球からのiPS細胞の作製、さらに単球由来iPS細胞からの単球および樹状細胞への分化誘導について複数回再現実験に成功した。ES細胞はC3H10T1/2支持細胞との共培養により,CD34陽性の造血幹細胞および造血前駆細胞に分化誘導でき、さらに造血幹細胞および造血前駆細胞をOP9-DL1支持細胞と共培養することにより、T細胞系統へと分化誘導できると報告されている。ヒト単球由来iPS細胞がNaive-T細胞に分化誘導できるかを検証する。まず、既報に基づいた検証実験を行うため、これらの支持細胞の国内細胞バンクより購入・入手する手続きを始めている。平成29年度の研究実績において報告しているように、より高率的かつ特異的に樹状細胞への分化誘導を検証していく。喘息患者血清中のIL-35を測定して、喘息病態と血清IL-35濃度についての検証を行う。
力覚情報を用いたロボットの接触状態の同定

人間に危険な環境下での極限作業用ロボットが研究されているが,人間のもつ手先の器用さを実現することが不可欠である.人間は,組立作業において生じる把持物体と外部環境との未知の接触状態を手先の感覚だけで推定し,作業を進めることができる.このような人間の技量をロボットで実現するには,まず接触状態を検出・制御する必要がある.研究代表者は,ロボットに装備した6軸力覚センサ情報を用いて,接触点位置や接触力だけでなく接触の種類をも同定する手法を提案してきた.平成14年度は速度情報を用いた以下の研究を行った.1.ノイズを含まない場合について,ロボットアームの関節角度および角速度から手先位置,速度を算出し,接触状態を同定する手法を提案した.本手法は,接触力は同定できないが,同定問題が線形方程式に帰着される,アクティブセンシングの回数が少なくて済む,などの利点を有している.(RSJ2002)2.ノイズを含む手先角速度を用いて接触点での角速度を推定し,共分散行列の固有値を用いて接触の種類を判別,接触法線および接触線の方向を推定する手法を提案した.角速度センサを用いた実験により,人問のセンシングに対する本手法の有効性を評価した.(名古屋工業大学卒業論文)3.接触作業中の過大力や衝撃を避けるためにRCCデバイス等の弾性装置を手首部に取り付けることが多い.そこで,この弾性装置をバネ剛性としてモデル化し,アーム変位とセンサ位置での変位および計測力との関係式を導出した.これを剛性行列として表わし,接触状態との関係を明らかにした.本特徴は,接触点での力覚情報と速度情報の両方の拘束条件を用いたことである.本手法は,ロボットの的確なセンシング方法の生成,情報融合による接触状態の早く正確な同定,多指ハンド把握系のバネ剛性(JSHE2003)を用いた場合への応用,などが期待できる.(名古屋工業大学卒業論文)原子炉,宇宙,海洋などにおける作業は,人間にとって非常に危険である.このため極限作業用ロボットが研究されているが,人間のもつ手先の器用さを実現することが不可欠である.人間は,組立作業において生じる把持物体と外部環境との未知の接触状態を手先の感覚だけで推定し,作業を進めることができる.このような人間の技量をロボットで実現するには,まず接触状態を検出・制御することが必要である.研究代表者は,ロボットの手首部に装備した6軸力覚センサから得られる情報を用いて,接触点位置や接触力だけでなく,接触の種類さえも同定する手法を提案してきた.そして,今年度は次の研究を行った.(1)従来の研究では,力覚センサ(力,モーメント)に含まれるノイズのうち,モーメント成分のみを考慮していた.より実際的な問題を扱うため,力成分のノイズをも考慮した接触状態の同定法を提案した.シミュレーションによりその有効性を確認した.(ICRA2001)(2)上述の手法の有効性を実験により示すため,7自由度ロボットアームと6軸力覚センサを用いたセンシングシステムを構築した.そして,本手法の有効性を実験により確認した.(SI2001)(3)本手法は,接触点で生じるモーメントの特徴を利用している.接触状態が未知であるため,従来はロボットアームの手首部を中心にランダムな動きでアクティブセンシングを行っていた.動きの中心を推定接触点位置に変えることで,接触モーメントの特徴が明確になり,接触状態の同定がより正確に行えることを示した.(名古屋工業大学卒業論文)(4)人間は,手先の動きも考慮して接触状態を推定している.そこで,ロボットアームの関節角から手先位置,速度を算出することで接触状態を同定する手法を提案した.(名古屋工業大学修士論文)今後は,力覚と速度情報の融合,接触点での摩擦係数や接触面積の影響を研究する予定である.人間に危険な環境下での極限作業用ロボットが研究されているが,人間のもつ手先の器用さを実現することが不可欠である.人間は,組立作業において生じる把持物体と外部環境との未知の接触状態を手先の感覚だけで推定し,作業を進めることができる.このような人間の技量をロボットで実現するには,まず接触状態を検出・制御する必要がある.研究代表者は,ロボットに装備した6軸力覚センサ情報を用いて,接触点位置や接触力だけでなく接触の種類をも同定する手法を提案してきた.平成14年度は速度情報を用いた以下の研究を行った.1.ノイズを含まない場合について,ロボットアームの関節角度および角速度から手先位置,速度を算出し,接触状態を同定する手法を提案した.本手法は,接触力は同定できないが,同定問題が線形方程式に帰着される,アクティブセンシングの回数が少なくて済む,などの利点を有している.(RSJ2002)2.ノイズを含む手先角速度を用いて接触点での角速度を推定し,共分散行列の固有値を用いて接触の種類を判別,接触法線および接触線の方向を推定する手法を提案した.角速度センサを用いた実験により,人問のセンシングに対する本手法の有効性を評価した.(名古屋工業大学卒業論文)3.接触作業中の過大力や衝撃を避けるためにRCCデバイス等の弾性装置を手首部に取り付けることが多い.そこで,この弾性装置をバネ剛性としてモデル化し,アーム変位とセンサ位置での変位および計測力との関係式を導出した.これを剛性行列として表わし,接触状態との関係を明らかにした.本特徴は,接触点での力覚情報と速度情報の両方の拘束条件を用いたことである.

本手法は,ロボットの的確なセンシング方法の生成,情報融合による接触状態の早く正確な同定,多指ハンド把握系のバネ剛性(JSHE2003)を用いた場合への応用,などが期待できる.(名古屋工業大学卒業論文)