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経済環境におけるメカニズム・デザイン

本研究では、主に経済環境におけるメカニズム・デザインの問題を考察した。第一に、貨幣による補償が可能である場合に、一つの非分割財を配分する問題を考え、ある種の望ましさを持つメカニズムの設計が不可能であることを証明した。第二に、排除可能な公共財の供給に関する新しいメカニズムの集合を提唱し、最大厚生損失と最大戦略的操作の観点から議論した。第三に、大学評価などを行う際に用いる相互評価メカニズムを考え、単調性と全員一致の観点から分析した。本研究では、経済環境におけるメカニズム・デザインについて、近年の研究動向を踏まえた新たな取組みを行い、メカニズム・デザインの可能性と限界を明らかにすることを目的としている。とりわけ、排除可能な公共財の供給と費用配分、非分割財の配分問題、有害施設の立地問題などの具体的な問題に対して、望ましいメカニズムの設計可能性を議論している。平成20年度は、貨幣による補償が可能である場合について、非分割財の配分に関するメカニズム・デザインの研究を行った。ホルムストロム(1979)は、一般的な経済環境で、戦略的操作不可能性と意思決定に関する効率性を満たすメカニズムの集合は、グローブズ・メカニズムの集合であることを証明した。さらに、大瀬戸(2000)は、個人の選好集合が有限である場合でさえ、グローブズ・メカニズムは予算均衡を満たさないことを証明した。すなわち、戦略的操作不可能性、意思決定に関する効率性、予算均衡の3つの公理を満たすメカニズムは一般に存在しないことが知られている。宮川(2000)やスベンソン・ラーソン(2002)は、意思決定に関する効率性を要求せず、戦略的操作不可能性と予算均衡などの公理を満たすメカニズムの集合を特定した。それは、有名なトップ・トレイディング・サイクル・メカニズムを拡張したメカニズムである。しかしながら、彼らのメカニズムは、非羨望性などの公平性の条件を満たしていない。本年度の研究では、戦略的操作不可能性と予算均衡を満たすメカニズムが公平性の最小限の要求である対称性(2人の個人が同じ選好をもつとき、2人は同じ効用水準の配分を受け取るという性質)を満たすか否かを検討した。主要な結論として、戦略的操作不可能性、対称性、予算均衡の3つの公理を満たすメカニズムは一般に存在しないことを証明した。これは、安藤・加藤・大瀬戸(2008)の数値計算による結果を拡張したものとなっている。本研究では、経済環境におけるメカニズム・デザインについて、最近の研究動向を踏まえた新たな取組みを行い、メカニズム・デザインの可能性と限界を明らかにすることを目的としている。平成21年度は、排除可能な公共財の供給と費用配分に関するメカニズム・デザインの分析に取り組み、以下の成果を得た。ムーラン(1994)は、一般的な環境で、排除可能な公共財の供給と費用配分に関する逐次的メカニズムを提唱した。逐次的メカニズムは、戦略的操作不可能性(真の選好情報を伝達することが支配戦略であること)、強い個人合理性(すべての個人にとって、すべての費用を負担して公共財を供給するよりも望ましい結果が得られること)、対称性(2人の個人が同じ選好を持つならば、2人は同じ効用水準の財を受け取ること)の3つの公理を満たすことが知られている。本研究では、公共財の供給水準が2つの場合に、逐次的メカニズムが戦略的操作不可能性、強い個人合理性、対称性の3つの公理を満たすほぼ唯一のメカニズムであることを証明した。この結果は、デブ・ラゾリーニ(1999)の逐次的メカニスムの特定化に比べ、いくつかの仮定や公理を排除して証明しているという点で優れている。また、関連する多くの研究において用いられている非干渉性(自分の受け取る財を変更することなく、他人の受け取る財を変更するように選好の操作はできないこと)の公理を要求していない点も重要である。この結論より、排除可能な公共財のと費用配分の問題における逐次的メカニズムの重要性が、一層明らかになったと言える。平成22年度は、貨幣による補償が可能である場合について、1単位の非分割財の配分問題に対するメカニズム・デザインの研究を行った。そこで、意思決定に関する効率性を要求せず、公平性の最小限の要求である対称性(2人の個人が同じ選好をもつとき、2人は同じ効用水準の配分を受け取るという性質)を要求して、望ましいメカニズムの設計可能性について議論した。主要な結論として、個人の選好集合が有限である場合でさえ、戦略的操作不可能性、対称性、予算均衡の3つの公理を満たすメカニズムは一般に存在しないことを証明した。

この結論から、複数の非同質的な非分割財の配分問題においても、ある弱い追加条件が満たされれば、戦略的操作不可能性、対称性、予算均衡の3つの公理を満たすメカニズムは一般に存在しないことが示される。これは、宮川(2000)やスベンソン・ラーソン(2002)のメカニズムが対称性を満たさないことを意味している。平成23年度は、相互評価に関するメカニズム・デザインについて研究を実施した。相互評価メカニズムは、例えば大学を評価する際に重要である。すなわち、各大学から代表者が集まり、代表者が各大学の評価を行い、相互評価メカニズムによってそれらの評価を集計して、大学の評価あるいは順位付けを行うのである。また、相互評価メカニズムは、大学の研究者などの専門家の評価、あるいはフィギュアスケートやシンクロナイズド・スイミングのような芸術的スポーツの評価にも応用できる。ここで問題となるのは、各大学の代表者が客観的な評価をせず、自分の所属する大学が有利になるように自分の大学に高い評価を与える可能性があることである。そこで、各大学の代表者は、自分の大学の評価はせず、自分の大学以外の大学の評価を行い、それを適切に集計するメカニズムについて議論を行う。ング・スン(2003)は、各大学の代表者が他大学の評価を得点形式で表明する場合、全員一致の原則・匿名性・単調性を満たすメカニズムが存在しないことを証明した。平成23年度の研究では、ング・スンのモデルにおいて、得点の付け方(ドメインの条件)がある程度限定されたとしても、全員一致の原則と単調性を満たすメカニズムが存在しないことを証明した。この結果は、ング・スン(2003)の結果からドメインの条件を緩和し、さらに匿名性の条件を要求しないという点で優れている。また、ドメインの条件を極めて限定した場合には、単純加算メカニズムが全員一致の原則と単調性を満たすことを証明した。本年度は、非分割財の配分に関するメカニズム・デザインの研究を実施した。Holmstrom (1979, Econometrica)は、一般的な環境で戦略的操作不可能性と意思決定に関する効率性を満たすメカニズムの集合は、グローブズ・メカニズムの集合であることを証明した。さらに、Ohseto (2000, International Journal of Game Theory)は、個人の選好集合が有限である場合でさえ、これらのメカニズムは予算均衡を満たさないことを証明した。すなわち、戦略的操作不可能性とパレート効率性を満たすメカニズムは存在しないのである。一方、Miyagawa (2001, Journal of Economic Theory)やSvensson and Larsson (2002, Economic Theory)は、意思決定に関する効率性を要求せず、戦略的操作不可能性と予算均衡を満たすメカニズムの集合を特定した。それは、有名なトップ・トレーディング・サイクル・メカニズムを拡張したものである。しかしながら、彼らのメカニズムは対称性を満たしていない。
モデル動物を用いた心筋症心筋細胞機能異常の研究

本研究において我々は、心筋症ハムスター心筋から調製したミクロゾーム分画には、L-タイプCa^<2+>チャネルなど細胞T管膜-筋小胞体終末槽膜系に存在する機能膜蛋白質が、正常心筋の同じ分画に較べて約2倍多く抽出されること、また、膜分画自体の収量も心筋症心筋では有意に大きいことを見いだした。これらの結果から、心筋症心筋細胞膜には、機械的な力に対する何らかの異常が存在することが推定され、この原因を調べるため、細胞膜の機械的安定性の保持に関与する細胞膜骨格系の蛋白質の細胞内含量と分布の異常の有無が検討された。これらの検討から、心筋症ハムスター心筋細胞にはジストロフィン自体の欠損はないものの、ジストロフィンを細胞膜に固定する役割を担うジストロフィン結合膜蛋白質に異常が存在すること、特に、50kD蛋白質が細胞膜から欠損していることが明らかになった。現在、この50kD蛋白質の欠損が遺伝子レベルでも観察されるかどうか検討を加えている。これまで得られた結果では、ウサギcDNAをプローブとしてノザンブロットを行ったところ、心筋症ハムスター心筋にはノーマルサイズの50kD蛋白質のmRNAが正常心筋とほぼ同量発現していることがわかった。また、これまで正常心筋におけるジストロフィン-ジストロフィン結合膜蛋白質複合体の精製が報告されておらず、心筋と骨格筋両者でこの複合体に差異があるかどうか明らかではなかったので、この複合体をレクチン及び抗ジストロフィン抗体を用いるaffinity chromatographyを行うこにより正常ハムスター心筋から精製した。心筋と骨格筋標品を比較したところ、複合体を形成するジストロフィン結合膜蛋白質の組成には両者で大きな差異を認めなかったが、心筋では、複合体含量が骨格筋より約10倍多いことが判明した。心筋の場合その機械的強度の維持が重要であるが、後者の結果は、この組織の生理学的要請に適合した所見であるといえる。我々は、心筋症ハムスターを用いた本年度の研究で、心筋症心筋細胞には、膜機能蛋白質の膜分画への回収異常として探知される膜異常が存在すること、これには細胞膜裏打ち構造保持に関与する細胞骨格系蛋白質の異常が関与することを示した。とくに、重要な細胞骨格蛋白質であるジストロフィン及びその結合蛋白質群の細胞内含量に大きな異常があることが明らかになった。ジストロフィンは膜内在蛋白質であるいくつかのジストロフィン結合蛋白質(DAG)によって細胞膜に固定されていると考えられるが、心筋症ハムスター心筋細胞並びにこの動物の骨格筋細胞では、これらDAGのうち50kDa蛋白質が細胞膜から完全に欠損していること、ジストロフィンと他のDAGとの結合能が消失していることが明らかとなった。よく知られているようにDuchenne型筋ジストロフィー症ではジストロフィンの欠損により筋細胞壊死が起ることが確定している。心筋症ハムスター心筋細胞における50kDa蛋白質の欠損とジストロフィン関連蛋白質の異常は、これらが心筋症心筋細胞死の病因である可能性を強く示唆するものである。本年度は、当初心筋症心筋細胞の膜異常をより一般的に検索するため、subtraction hybridization法を用いる心筋症心筋細胞に特異的なmRNAの選別・単離、並びに、細胞裏打ち細胞骨格蛋白質に対するモノクロナール抗体を作成することによる心筋症心筋に特異的に発現又は欠損する蛋白質の同定を目指した。

これと並行して、細胞骨格蛋白質ジストロフィンを個別的な標的として、その異常の有無についての検索を行ったところ、このハムスター心筋細胞に上述のジストロフィン結合蛋白質の異常が検知され、そのため研究の主力をこのジストロフィン系の異常の解明に向けた。本研究においては、心筋機能不全の発症メカニスムを研究するモデルとして、遺伝性心筋症ハムスター心筋異常について検討を行っている。昨年度までの研究で我々は、心筋症ハムスター心筋の場合、細胞骨格系に異常があり50kDaジストロフィン結合糖蛋白質(DAG)が細胞膜から欠損していること、ジストロフィンと他のDAGとの結合性が失われていることを示した。今年度は、50kDDAGについてさらに調べ、この動物心筋には、ほぼノーマルサイズのmRNAが正常心筋とほぼ同量発現していることがわかった。現在そのcDNAの塩基配列を正常のものと比較検討している。また、正常ハムスター心筋からのジストロフィン-DAG複合体の分離精製を行い骨格筋のものと比較した。心筋のジストロフィン-DAG複合体は、骨格筋とは異なって、ミクロゾーム分画からは抽出できないが、テタ-ジェント存在下心筋を直接ホモジネートすることにより50-60%の効率で可溶化できることが明らかになった。精製は、さらにレクチンaffinity chromatography及びジスロトフィン抗体chromatographyにより行った。その結果、複合体を構成するDAPの組成には心筋と骨格筋とで大きな差異を認めなかったが、心筋では、複合体含量が骨格筋より約10倍多いことが判明した。
損傷乗越えDNA合成に必須なTFII-Iが形成する高次複合体の構造機能解析

本研究では新規の損傷乗越えDNA合成(TLS)因子であるTFII-Iに着目し、PCNAやPol zetaと形成する高次複合体の立体構造と相互作用をX線結晶構造解析により明らかにし、創薬の構造基盤を得ることを目的とした。具体的には、(1) TFII-IのN末端ドメイン、(2) PCNAや(3) Pol zetaとの複合体の調製、結晶化、X線回折実験を行った。(1)は低分解能であるため、構造解析に成功していない。(2) (3)はそれぞれ2.3-3.8、4.4オングストローム分解能のデータを得ることができたため、分子置換法により構造解析を行ったが、TFII-Iの電子密度は確認出来なかった。TFII-Iは申請者によって新たに同定された損傷乗越えDNA合成(TLS)に必須のタンパク質であり、DNAの損傷部位で停止した複製因子PCNAに損傷乗越え型ポリメラーゼ(Pol ζ)をリクルートする機能を持つ。遺伝子疾患やがん化の分子基盤を解明するために、TFII-Iを中心とした新規の分子間相互作用のメカニズムを原子レベルで解明することが求められている。本研究では新規TLS因子であるTFII-Iに着目し、PCNAやPol ζと形成する高次複合体の立体構造と相互作用をX線結晶構造解析によって明らかにし、創薬の構造基盤を得ることを目的とする。H27年度はTFII-IのN末端ドメイン、TFII-I-PCNA複合体、TFII-I-Rev7-Rev3複合体の調製と結晶化、X線回折実験を行った。TFII-IのN末端ドメインに関しては微結晶が得られており、今後、X線回折実験に適した結晶の最適化を進めていく。TFII-I-PCNA複合体に関しては4オングストローム分解能の回折データが得られた。今後は、構造解析に適したより高分解能の回折データ収集を目指す。TFII-I-Rev7-Rev3複合体に関しては、まだ現在までに結晶が得られていない。従って、TFII-Iの領域を変えて結晶化条件の探索を再度行う。TFII-Iは申請者により新たに同定された損傷乗越えDNA合成(TLS)に必須のタンパク質であり、DNAの損傷部位で停止した複製因子PCNAに損傷乗越え型ポリメラーゼ(Pol zeta)をリクルートする機能を持つ。本研究では新規TLS因子であるTFII-Iに着目し、PCNAやPol zetaと形成する高次複合体の立体構造と相互作用をX線結晶構造解析により明らかにし、創薬の構造基盤を得ることを目的とした。H28年度はTFII-IのN末端ドメイン、TFII-I-PCNA複合体、TFII-I-Pol zeta複合体の調製、結晶化、X線回折実験を行った。TFII-IのN末端ドメインはX線回折実験の結果、タンパク質特有の回折点が得られたが構造解析を行うには不十分であり、今後さらなる結晶の最適化が必要である。TFII-I-PCNA複合体に関しては、3.0オングストローム分解能の回折データ収集に成功し、PCNAをサーチモデルとした分子置換法により位相決定を行ったところ、TFII-Iの明瞭な電子密度が得られなかった。TFII-I-Pol zetaに関しては、4.4オングストローム分解能の回折データを収集し、REV7-REV3複合体をサーチモデルとした分子置換法により位相決定を行ったが、上記と同様にTFII-Iの明瞭な電子密度が得られなかった。原因として、TFII-IとPCNA、もしくはREV7-REV3複合体の結合定数が低いことや、結晶内のパッキングの影響などが考えられた。これらの問題を解決するために、異なる生物種で溶液中での会合状態の異なるPCNAを用いたキメラ複合体の結晶を作成し、現在、X線結晶構造解析を進めている。H27年度はTFII-IのN末端ドメイン、TFII-I-PCNA複合体の調製方法を確立し、結晶を得ることが出来た。H28年度は結晶の最適化を行い、より高分解能の回折データを得る。また、位相決定のためのセレノメチオニン置換体や重原子誘導体の調製を行い、X線結晶構造解析を進める。さらに、変異体を用いた生化学解析から、二量体化や複合体形成に重要なアミノ酸残基を同定する。H27年度は複合体の調製に成功したが、未だ複合体の結晶は得られていない。H28年度はTFII-Iの領域を変えて複合体を調製し、結晶化条件の再探索、及びX線結晶構造解析を進める。構造生物学H

28年度は組換えタンパク質の調製を精力的に行っていくため、タンパク質精製用のFPLCシステムを多用することが見込まれるため、FPLCシステムの導入を現在、検討している。
シミュレーションを活用した統計学教育教材の研究

現代の統計は確率論をベースにしており、算数・数学のように現象が一意的に定まるのではなく、確率的な変動を伴うものである。実験結果が一通りになるのではなく、実験のたびに変動することを理解してもらうためには、理科の実験のように、統計でもシミュレーション実験が重要となる。このため、本研究では、シミュレーション実験を中心とする統計教育用教材をCASE(Computer Assisted Statistical Education)という名前の下に集大成し、次のURLのホームページ上で公開している。http://stat-edu.f7.ems.okayama-u.ac.jp「統計教育用教材」今年度目標にしたXLISP-STAT言語、R言語、JAVA言語を用いた統計教育教材として次のものが完成している。算数・数学関連:グラフ電卓、二次関数のグラフ/1変数データの統計計算カリキュレータ/平均値:平らに均す(たいらにならす)、平均値と中央値の関係/一様乱数による円周率のシミュレーション、Buffonの針による円周率のシミュレーション/確率分布:密度関数と分布関数、正規分布の密度関数/推定:点推定、区間推定と信頼度/検定:有意水準、検出力/ベキ変換、回帰直線の感度分析/多変量分析:重回帰分析、星座グラフ、顔型グラフ今年度作成したものは「部品」という位置づけであり、これを授業の中でどのように使うかは先生方にまかされている。この方が各先生が取捨選択して、ご自身の授業の中で自由に使えると思ったからである。部品の中には「平らに均す」のように児童・生徒に直接さわってもらう目的で作成した教材から、先生が教卓で実験して見せるのを目的にした教材まで多岐に渡っている。「統計用語集」これは代表者の関係した9冊の著書から抜き出した索引項目をベースにして作成し、該当するページにリンクが張られている。このため、単なる用語の解説集という枠を超えたものになっている。
日米初等・中等到達度カリキュラムの比較

本研究の目的は、日米の「初等・中等カリキュラム」の実態を把握するための事前準備研究である。そのため、将来、科学研究費補助金(国際学術研究)の申請をするために必要な情報・資料を収集し、日米の協力研究が円滑に実施できるような準備資料を作成することである。1研究遂行に必要な研究協力校として、研究分担者加藤が、愛知県の公立小学校2校、岐阜県の公立小学校1校、東京都の公立小学校2校、愛知県の公立中学校2校を対象校として研究の協力いただいてきた。これらの学校教師ならびに個性化・個別化に取り組んでいる教師・教育関係者の研究協力をいただき、必要な情報を収集・整理してきた。2アメリカ側の研究協力者との情報交換を行った。たとえば、米国教育省のロバート・リースマ博士、イリノイ大学のジャック・イーズリ教授、ミシガン州教育委員会のジョン・チャブマン博士、オハイオ州教育委員会のケント・マイナー博士、ペンシルバア州立大学のジェイコブ・サスカインド博士、ボストンの教育開発センター(EDC)等との情報交換を行った。3日本の教育に関するアメリカ側の代表的なものとして、次の研究物を検討した。4ワークショップに必要な日英両文の調査票を作成し、将来の共同研究の準備をした。以上の研究実績を発展させた研究を今後進めたいと考えている。
炎症と腫瘍形成に伴う間質リモデリングの時空間的制御の解析法の確立

間質は組織幹細胞の恒常性維持と適切な増殖・分化に必要であり、炎症や腫瘍形成時には病態を増悪する要因となる。しかし、複数種存在する線維芽細胞サブセットの空間分布を決定する遺伝子発現パターンは不明である。本研究では線維芽細胞に着目し、病態形成に伴う間質リモデリングの経時的・空間的な変化を1細胞RNAシーケンス解析等を用いて複合的に解析する方法論を確立する。本研究を遂行することにより、マウス発がんモデル、数理モデル、イメージング技術を有機的に結びつけ、病態を引き起こす間質リモデリングの時空間的制御の解析法を提案する。
移植後新膵臓となるハイブリッド型人工膵臓システムの開発

ハイブリッド型人工膵臓(HAP)とは、膵ランゲルハンス島(ラ島)を半透膜内に封入してから移植する方法である。本年度の研究成果を述べる。HAPの形状が、その人工膵臓としての機能に影響を与えると考えられる。同一素材5%濃度のアガロ-スを用いて、タブレット状、ロッド状、さらにマイクロカプセルを試作した。マイクロカプセル化ラ島を移植された糖尿病マウスは、移植後50日以上に犠牲死させるまで正常血糖値であった。一方タブレット状とロッド状では、移植後10日前後で血糖値は術前の高値に戻ってしまった。同一の生体適合性を持つ膜素で作ったHAPでも、その機能維持期間は形状で大きく異なることが明かになった。移植部位に繊維芽細胞成長因子(FGF)等の血管新生を誘導する物質の投与を行い、血管新生を促進しHAPの機能低下を防止する試みを進めている。今回、FGFがラ島機能に与える影響を調べた。マイクロカプセル化ハムスタ-ラ島をFGF10ng/mlを含む培養液中で1週間培養を行い、その後糖尿病マウスに移植した。その平均血糖値正常化期間延長し42日であった。FGFの存在は、障害を受けたラ島の修復を促進し、HAPの機能維持期間を延長させる可能性を示唆した。犬を用いたHAP評価モデル系を確立するための研究を開始した。マイクロカプセル化ハムスタ-ラ島2万個を、糖尿病犬の腹腔内に移植した。移植後,3時間で血糖値は正常化し、その糖負荷に応答してインスリンを分泌していた。しかしながら、移植後2日目には血糖値が上昇た。移植後一週間目には、殆どのマイクロカプセルは大網に取り込まれ一塊となっていた。レシピエントとして膵全摘犬を用いることは問題ないが、ラ島のドナ-として、ハムスタ-を用いている限り、ラ島単離に多大な労力が必要でありまた動物費もかさむため研究は制約される。現在豚膵からのラ島の単離法の確立の研究を進めている。
SDF-1/CXCR4シグナルの関節軟骨変性における役割の解明

関節軟骨の変性にSDF-1/CXCR4シグナルが関わっていることを調べるために、マウスの軟骨細胞にSDF-1を加えたところ、SDF-1はII型・X型コラーゲンの発現を上昇させたが、X型コラーゲンの遺伝子発現を直接には制御しないことが判明した。また変形性関節症変化を誘導したマウスの膝関節軟骨では、SDF-1・CXCR4の遺伝子発現は増加することが判明したが、SDF-1のヘテロノックアウトマウスで調べたところ、ワイルドタイプと比較して変形性関節症変化に有意な差は見られなかった。1、8週齢のC57BL/6マウスの一方の膝の内側側副靱帯、内側半月板を顕微鏡下で切除した。反対側の膝は皮膚のみ切開を行うshamoperation controlとした。これを手術2、4、8、12週後に屠殺し、X線撮影を行ったところ、臨床上見られる変形性関節症(OA)膝と同様の骨棘形成、関節裂隙狭小化、軟骨下骨硬化などを認めた。2、手術2、4、8、12週後の膝関節を採取し、これをパラフィン包埋し、HE染色およびSafranin 0染色を用いた組織学的評価を行ったところ、HE染色で経時的な軟骨の菲薄化、消失、軟骨下骨の硬化と破壊、滑膜の増殖など関節のOA変化を認めた。またSafranin 0染色では、染色性の低下を経時的に認め、このモデルでOAを経時的に再現できていると考えられた。3、この関節から軟骨のみを採取し、液体窒素で凍結してhomogenizerで粉々にした組織からmRNAを抽出してPCRを行ったところ、II型コラーゲン、X型コラーゲン、SDF-1、CXCR4の遺伝子発現を経時的に認めた。II型コラーゲンが全体的にやや減少傾向を見せたのに対し、X型コラーゲンは術後12週で増加していた。SDF-1は、手術時より徐々に発現の減少傾向を認めるが12週で増加していた。それに対しCXCR4は、手術時より2週で遺伝子発現の上昇を認め、経時的にやや減少する傾向を認めたが、いずれの時期においてもsham operationに比べて増加していた。4、以上のことから、1)内側側副靱帯および内側半月板を切除することで、臨床上みられるOAを模したOAモデルをマウスで作成できた。2)OAモデルでは、II型コラーゲンの経時的な遺伝子発現の減少と、X型コラーゲンの上昇を認めた。3)SDF-1の遺伝子発現は、後期で増加するのに対し、CXCR4は初期で上昇し、徐々に低下する傾向があることがわかった。1,出生直後のC57BL/6マウスの肋軟骨から、enzyme digestionののちに軟骨細胞を採取し、単層培養し、6080%コンフルエントの細胞を一度だけ継代し、ふたたび培養皿にまいた。これにSDF-1のリコンビナントタンパクないしTF14016を加え、その遺伝子発現の変化を調べたところ、SDF-1はtype IIおよびtype X collagenの発現を上昇させ、またTF14016はそれらを抑制することがわかった。しかしSOX9の発現に変化は認められなかった。2, mouse chondroprogenitorcell lineであるATDC5細胞を培養して分化を誘導し、これにSDF-1のリコンビナントタンパクないしTF14016を加え、その遺伝子発現の変化ないし分化に対する影響をalcian blue染色で調べた。14日間の培養において、controlの細胞はtype IIおよびtype X collageの発現上昇を認めた。SDF-1を継続して加えた群においても、同様の発現上昇を認め、controlとの間に差異は認められなかった。3,以上のことから、軟骨細胞において、SDF-1はtype X collagenの発現を上昇させ、軟骨細胞の肥大化に寄与していることが推察される。関節軟骨においては、これは関節軟骨を変性させるシグナルとして働いていることが示唆される。1、妊娠15.5日めのICRマウスから胎仔を採取し、この胎仔の中足骨を採取し、これから酵素処理で軟骨細胞を単離した。この軟骨細胞に、マウス由来のX型コラーゲンのreporter constructを導入した。導入したことは、BMP-2添加によるコントロール実験で確認したこれに、recombinant SDF-1蛋白を加えて、X型コラーゲンの遺伝子発現に、SDF-1シグナルがどのような影響を及ぼすかを調査した。マウス由来X型コラーゲンのreporter constructは、鹿児島大学より提供を受けた。その結果、SDF-1はX型コラーゲンの発現には影響を及ぼさないことが判明した。しかし、wild typeとSDF-1ノックアウトマウスから得られた中足骨では、X型コラーゲンの発現がwild typeのほうが強いことから、SDF-1は、X型コラーゲンの発現を直接制御するのではなく、軟骨細胞分化を調整することでX型コラーゲンの発現に影響している可能性が考えられた。

2、in vivoにおける関節軟骨でのSDF-1の働きをみるため、8週齢のC57BL/6マウスの一方の膝の内側側副靭帯、内側半月板を顕微鏡下で切除した。これを術後2、4、8、12週後に屠殺し、X線撮影を行ったところ、sham operationを行った反対側に比べて、患側では関節裂隙の狭小化、骨棘形成などのOA所見が見られることを確認した。また組織をパラフィン包埋し、HE染色およびSafranin O染色を行ったところ、関節軟骨変性が確認された。これをwild typeとSDF-1のヘテロノックアウトマウスで調べたところ、X線におけるOA変化、組織所見における関節軟骨変性に有意な差は見られなかった。3,以上のことから、SDF-1は軟骨細胞の分化を制御するが、関節軟骨の変性には直接には関わっていない可能性が示唆された。
海水・玄武岩相互作用に伴うホウ素とリチウムの同位体分別

中央海嶺の海底熱水系において,海水が反応する相手の玄武岩が新鮮なものなのか,あるいは,既に変質を受けているものなのかを判別する事に使う事ができると考えられる溶解性成分(ホウ素とリチウム)に着目し,海水と玄武岩の150°Cと300°Cにおける相互作用の実験的研究を行った。玄武岩・海水相互作用に伴う海水の化学的な変化を連続的に測定する実験(Dickson型熱水反応装置による)とコンタミネーションを避けて正確な同位体比測定を行う試料を作る実験(コールドシール型熱水反応装置とオイルバスによる)の二つを平行して行った。実験装置はいずれも圧力容器と電気炉のみを購入し,圧力系と電源制御系を自作した。これらの装置を用いて,150°Cと300°Cで海水・玄武岩相互作用の実験を行った。150°Cにおける最長の実験時間は,約1000時間である。海水の化学的変化を連続的に観察したDickson型熱水反応装置による実験結果は次のようになった。系の温度を昇温後,海水中のMg,SO4濃度が減少する。これに対して,K濃度は上昇し,Ca濃度もいったん減少した後,上昇する。pHもいったん減少し酸性化した後,増加する。これらの一連の溶液組成の変化は,海水中のMgが玄武岩と反応して含水変質鉱物を生じてpHを減少させる事と,Mgに代わって海水中に玄武岩からCaとKが放出される事,さらに,CaとSO4より硬石膏(CaSO4)が沈殿する事によって理解される。Mgの減少速度は,時間の対数に対してリニアーである。Dickson型熱水反応から,反応凍結後回収された岩石試料には,X線回折によりスメクタイトが同定された。コールドシール型熱水反応装置で作成したホウ素比測定用試料は,来年度測定予定で,コンタミネーションを防ぐため未開封で保存している。。。既設のディクソン型熱水反応装置用の整備を行い、本装置を用いて予察的に玄武岩(地質調査所標準試料JB-2)と海水を150°Cで反応させた。反応時間は1000時間でその途中5回にわたって高温高圧の条件下で反応途中の溶液を採取した。採取した溶液の化学分析の結果、反応の進行は予想外に速く、実験期間内に海水からマグネシウムが固相中に移動する変質反応がほぼ定常状態まで進行することが明らかになった。これは用いた岩石の粉末が微細であったためと考えられる。また、実験開始後マグネシウム濃度の低下とともにpHの低下も予測通り観察された。陽イオン成分の分析が終わり、陰イオン成分の分析を継続中である。残りの成分の分析結果を持って高温高圧下の溶液の化学種組成を計算し、どのような反応が時間とともに進行したのか解析する予定である。この実験結果より低温での同位体分別係数を決定するための実験に必要な実験時間の予測できた。また、ディクソン型熱水反応装置を用いた異なる条件下の実験が進行中である。本補助金によって購入したコールドシール型熱水反応装置の部品を用いて、同装置を2組組み立て現在試験運転中である。来年度はこの装置を用いてディクソン型熱水反応装置の実験から予測された時間、玄武岩と海水の反応を行わせ同位体分別係数を決定する予定である。ホウ素とリチウムの同位体分析は岡山大学地球内部研究センターの共同利用で行う予定であるが、来年度の分析予定について先方の担当者と十分な打ち合わせを行った。

熱水反応装置を用いた海水と玄武岩の相互作用の実験を行った.実験を行った温度は,150°Cと300°Cである.反応に用いた海水は沖縄トラフで採取された表面海水であり,玄武岩は伊豆大島の玄武岩(地質調査所,標準岩石試料JB-2)の粉末を用いた.反応装置から任意の時間に系の温度・圧力条件を乱すことなく熱水を抽出することのできるデヤクソン型反応装置を用いて,加熱された海水と玄武岩の反応をモニターした.熱水のpHと主要化学組成の時間変化は,従来行われている実験的研究とほぼ同じであった.また,pHと主要化学成分の濃度の範囲も,従来の実験的研究の範囲に入ることが明らかになった.この結果,海水・玄武岩相互作用が従来と行われた研究と同様に進行しており,ホウ素とリウチムの同位体分別を測定できる標準的試料が得られことが明らかになった.150°Cの実験の熱水中のホウ素濃度は,従来の研究からいわれていた150°Cという低温では熱水中のホウ素が変質鉱物に取り込まれて熱水中から除去されるという挙動を示さず,熱水中で増加していることが明らかになった.これは,変質鉱物の生成が非常に遅い過程であるためか,実験に用いた伊豆大島の玄武岩が通常の海洋底の玄武岩に比べて高濃度のホウ素を含むためと考えられるが,今回得られた,新たな知見である.ディクソン型熱水反応装置の実験と平行して行ったコンタミネーションを避けて同位体比測定用の試料を得るためのコールドシール型熱水反応装置を用いた実験により,同位体比測定用試料が得られており,同位体比の測定を残すのみとなっている.また,大西洋と太平洋の中央海嶺の海底熱水系から,天然に結果を適用するための熱水とボーリングコア試料,オマーンのオフィオライト岩体の試料が本研究と平行して採取された.
アナログとデジタルの利点を融合させた発達障害児向け視覚支援システムの構築と運用

研究代表者は、発達障害児の支援に効果がある、視覚支援の普及が遅れている現状を踏まえ、H23H25年度の奨励研究で「発達障害児のための視覚支援情報自動配信システム」の開発を行い、ICTを活用した視覚支援システムの有用性を実証した。その中で「より直感的に操作できるアナログ手段の併用の必要性」「ICTの知識に乏しい支援者側の負担軽減の必要性」という課題も明らかになった。本研究では、その課題解決のためにアナログとデジタルの利点を組み合わせ、利用者・支援者双方にとって簡単な、視覚支援システムの開発を行なった。これは従来の発達障害児支援で幅広く用いられてきた、行動支援ツールである「スケジュールカードと順序配列用ボード」を、アナログ手段とデジタル手段の両側面から改良し、より簡単かつ有効に活用する方法を提案するものである。実際の研究は以下の2つの方法で行われた。1、スケジュールカード(ImaCa)と順序配列ボードの高機能化これまでの個人研究で開発した音声再生機能つきスケジュールカード(ImaCa)を元に、高機能化・薄型化し、3Dプリンターを用いて低コストで大量に作成した。また、レーザーカッターを導入することで、ソフトウェアと連動するための順序配列ボードの改良を行い、使い勝手の向上を計った。2、視覚支援活用技術の確立具体物操作はImaCaを使い、スマートフォン用アプリと順序配列ボードを連携させることによって、デジタル技術をアナログな操作方法でも活用できるようにした。これにより学校現場でより多くの発達障害児と、教員が抵抗なく活用できるようにした。以上の実践によって、研究終了時には、自閉症の児童2名がImaCaを活用して行動上の問題の改善を果たすことができ、自立的な活動の増加と、より高度な学習活動や充実した余暇活動ができるようになった。これにより本システムの有効性を証明できたと考えている。
多変数関数族の同型問題と多次元数値表データ圧縮問題

私は、数学と計算機科学がそれぞれ有する良い性質が相互に応用されるべきであると考えているため、一連の学際的研究成果は、主として数学と計算機科学の境界に位置している。更に正確に帰すならば、これらの研究成果は、1.ヒルベルトの第13問題から派生した一連の未解決問題2.コンパクト完全不連結距離空間上で定義されたε-拡大的力学系の同型問題に分類することができる。(1).複雑形状を有する図形の内部外部判定システム非凸形状や中空部分を有する図形を対象とした2次元図形の輪郭を、『広い意味での2次元数値表データ』として捉え、任意に指定された点が、既存の複雑形状図形の内部に所属するか、外部に所属するかを判定するシステムを作製した。(2).複雑形状を有する図形の認識システム「任意に指定された点が、与えられた複雑形状図形の内部に所属するか、外部に所属するかの判定」が可能であるならば、本来形状認識作業は、上記(1)において作製されたプログラムを用いて実行可能である。しかし形状認識は、非常に多くの点に関する内部外部所属判定作業を要求するため、(1)で用いた数学的手法では、実行時間がかかりすぎるという問題を抱えていた。この理由として(1)で述べたシステムが、『少数ではあるが、任意に指定された複数個の点に対する内部外部判定を行う必要があった』ことに対して、(2)で述べたシステムは、『格子点などのように、規則正しく配列されているが、非常に多くの点に対する内部外部判定を行う必要がある』ことを要求するためである。本システムでは、(1)で用いた『実行時間はかかるが、任意に指定された点の内部外部判定が可能な複素関数論的手法』を『規則正しく配列された点に対してのみ適用可能だが、実行時間のかからない隣接点判別法』に置き換えることで、上記問題を解決した。なお本研究は、平成19年5月に、経済産業省産学連携プロジェクトの成果として、理化工業株式会社より、技術表彰を受けた。1.コンパクト完全不連結距離空間上のε-拡大的力学系の同型問題について『コンパクト完全不連結距離空間上のε-拡大的力学系が、記号力学系に埋め込み可能であること』および『対象的ε-拡大的力学系の構造は、シフト変換に対応する不動点および周期点により決定されること』を利用して、上記力学系の族を対象とした同型問題を考察し、Godel数を利用した不変量を構成した。Hilbertの第13問題は、簡略化すれば『3変数連続関数を2変数連続関数の重ねあわせ表現で記述できるか否か』という問題として知られ、KolmogorovとArnoldによって肯定的に解決されたが、表現に用いられる2変数連続関数を、2変数微分可能関族に置き換えることができないことを証明した。3. Hilbertの第13問題の『無限回微分可能多変数関数版』の解決Hilbertの第13問題は、最初にHilbertが提示した『多変数関数の連続性』という条件を変更することにより、様々な派生問題を作成することが可能であることが知られていたが、今回『無限回微分可能性』という条件を提供した場合の派生問題に関して、Vituskinが得ていた『有限回微分可能性』と同様の否定的解決を与えた。4.1次元数値列可逆データ圧縮システムの作製平成21年3月16日の日刊工業新聞で紹介された。1.当該年度に実施した研究の成果1-1.具体的内容完全不連結コンパクトHausdorff空間上で構成される対称的ε-拡大的力学系族の同型問題上記力学系の代表的例として、記号力学系を挙げることができるが、『全ての完全不連結コンパクトHausdorff空間上で構成されるε-拡大的力学系が、記号力学系に位相幾何学的に埋め込み可能であること』は知られていた。明石と児玉は、この研究結果を用いて、上記記号力学系族に関する同型問題の完全不変量を開発した。Kolmogorov-Arnoldの表現定理は、『多変数連続関数が1変数連続関数の和の形で表現され得る』ことを示した表現定理であり、Vituskinの定理は、『3変数有限回微分可能関数族が2変数有限回微分可能関数族を用いても強表現不可能であること』を示したものとして知られる。児玉と明石は、上記研究結果を組み合わせることにより、『Koomogorov-Arnold表現で用いられた分解関数が、連続であるが殆どいたるところ微分不可能であること』を示した。1-2.意義と重要性数学的構造が位相同型であるか、もしくは代数同型であるかなどを調べる問題を『同型問題』と呼び、同型写像を構築しなくても、判定できる評価量を不変量と呼ぶ。本研究では、記号力学系を抽象化して得られた上記力学系から構成される同型問題の不変量を、Godel数を応用して開発した点、更にその不変量が完全性を保持していることを見出した点が有意義であると思われる。多変数関数族の重ねあわせ問題は、近年数値表データ圧縮と関係して注目されてきているが、その実現には、『分解関数』と呼ばれる『多次元データから1次元データへの単射的写像』を見出すことが必要であった。
プロセスプログラミングとその支援システムの研究

日本側研究者および米国側研究者は、プロセスプログラミング言語およびプロセスプログラミング支援システムの中心であるソフトウェアオブジェクトベ-スの形式的記述体系についての研究を行い、それぞれ有用な知見を得た。プロセスプログラミング言語としては、日本側研究者が関数型言語、論理型言語、属性文法型言語を提案したのに反し、米国側はADAを基本にした手続き型言語を研究しており言語の違いがプロセス記述に及ぼす影響について比較検討を行なった。その結果、その記述の柔軟性については米国側の方が優れているが、記述の明解性については日本側の方が優れていることが明らかとなった。日本側の言語はHFSP,PDL,Prologであったが、Prolog以外はプロセスプログラミングのために特別に設計され実現された言語である。また、プロセスプログラミング環境としては米国側の実現が優れており、日本側としては学ぶところが多い。特に、ユ-ザインタ-フェ-スや環境としての統合性では優れている。ソフトウェアデ-タベ-スでは、米国側はプログラム可能関係デ-タベ-スを用いている。これは、関係デ-タベ-スに条件を宣言的に付加したものであり、デ-タベ-スに対する操作によってもその条件を恒常的に満足させようとするものである。日本側研究者は属性文法を基本にしたソフトウェアデ-タベ-スを研究しており両者の特徴について比較検討を行ない有用な知見を得ることが出来た。全体的に、本国際学術研究はプロセスプログラミングの研究推進上極めて有効であったが、以下ではこれに関連して行なった研究およびその結果の概要を述べる。プロセスプログラミング言語は、ソフトウェアプロセスのすべての局面を明解に記述出来ることが必要であるが、そのような言語として、HFSPを研究してきた。これは、ソフトウェアプロセスのデ-タ的側面、動的側面、実行的側面を独立に記述できるが、デ-タ的側面ではソフトウェアプロセスは階層的関数として記述される。動的側面はアクティビティ間の順序関係として定義することができる。一方、実行的側面を記述するために高次、あるいは自己反映的機構が導入されており、それによってプロセスプログラミングに要求される高度な動的かつ柔軟な記述と実行を可能にしている。ソフトウェアオブジェクトベ-スにおいては、各オブジェクトが単独で存在する事はまれであり、多くの場合オブジェクトはお互いに色々な関係を満たしているのが普通である。このような関係づけられたオブジェクトの集合としてのオブジェクトベ-スの記述モデルとして属性文法に基づいた体系を提案したが、そこでは、オブジェクトベ-スの大局的構造は木構造によって表現され、その節点につけられた属性がオブジェクトを表している。木構造とその中でのオブジェクトの可能な形を規定するために属性文法における生成規則と意味規則が用いられており、各オブジェクトは意味規則によって関数的に関係付けらている。構成管理とバ-ジョン管理からなるファイル管理システムを属性文法によって記述し、コ-ネルシンセサイザを用いて実現したが、これによって基本的には属性文法がソフトウェアオブジェクトベ-スの記述に適していることが確認された。この経験をもとにして、オブジェクト指向属性文法OOAGが提案されたが、これは、メッセ-ジによってその計算が起動される動的属性と動的意味規則、部分木を共有するための名前つきオブジェクト、オブジェクトとしての属性付木等を純粋な属性文法に付加したものである。OOAGの実行アルゴリズムと実行系の初期バ-ジョンが作成され、それを用いて第6回ソフトウェアプロセス国際ワ-クショップの例題記述を行なった結果OOAGがプロセスプログラミング言語としても適当なものであることが確認された。

一方、実行的側面を記述するために高次、あるいは自己反映的機構が導入されており、それによってプロセスプログラミングに要求される高度な動的かつ柔軟な記述と実行を可能にしている。ソフトウェアオブジェクトベ-スにおいては、各オブジェクトが単独で存在する事はまれであり、多くの場合オブジェクトはお互いに色々な関係を満たしているのが普通である。このような関係づけられたオブジェクトの集合としてのオブジェクトベ-スの記述モデルとして属性文法に基づいた体系を提案したが、そこでは、オブジェクトベ-スの大局的構造は木構造によって表現され、その節点につけられた属性がオブジェクトを表している。木構造とその中でのオブジェクトの可能な形を規定するために属性文法における生成規則と意味規則が用いられており、各オブジェクトは意味規則によって関数的に関係付けらている。構成管理とバ-ジョン管理からなるファイル管理システムを属性文法によって記述し、コ-ネルシンセサイザを用いて実現したが、これによって基本的には属性文法がソフトウェアオブジェクトベ-スの記述に適していることが確認された。この経験をもとにして、オブジェクト指向属性文法OOAGが提案されたが、これは、メッセ-ジによってその計算が起動される動的属性と動的意味規則、部分木を共有するための名前つきオブジェクト、オブジェクトとしての属性付木等を純粋な属性文法に付加したものである。OOAGの実行アルゴリズムと実行系の初期バ-ジョンが作成され、それを用いて第6回ソフトウェアプロセス国際ワ-クショップの例題記述を行なった結果OOAGがプロセスプログラミング言語としても適当なものであることが確認された。
染色体上の特定位置に遺伝子導入できるAAVベクター系の開発

安全性が非常に高く、非分裂細胞への遺伝子導入も可能であるという遺伝子導入用ベクターとして理想的な特性を有しているAdeno associatedvirus(アデノ随伴ウイルス:AAV)ベクターもウイルス粒子としてパッケイジングするための導入遺伝子サイズの制約や野生型AAVが持つヒト第19染色体の長腕(q13.4-ter)への部位特異的な挿入が行えない等の問題点を有している。そこで、これらの問題点を克服するための一歩として、AAV蛋白質Rep78遺伝子(1.81.9kb:AAV233-2233;7.8kDa)を大腸菌用融合蛋白質発現ベクター(pMal-c)に組込み、大腸菌内でmaltose binding proteinとRep78のfusion proteinを大量に発現する系を確立し、これを抗原とした抗-Rep78ウサギ・ポリクローナル抗血清を作成した。この抗血清はCAGプロモーターにドライブされたAAV蛋白質Rep78遺伝子を持つプラスミドを293細胞へ遺伝子導入して得た核抽出分画のウエスタン分析において、市販のAAV Rep proteinモノクローナル抗体(PROGEN;226.7)と同一のバンドを認識し、大腸菌で、Rep蛋白質が発現している事を確認した。このRepfusionproteinを血液凝固因子Xaにて加水分解すると、ほぼRep78蛋白質に相当する分子量約76kDaが分離できた。発現させたfusion proteinおよび分子量約76kDの蛋白質の1)ATP-dependent DNA helicase活性、2)AAVS1-specific DNA binding活性、3)ITR binding活性などの生理活性を検討したが、Positive controlがうまく取れないため、明確な活性を証明できなかった。現在、Rep fusion proteinをHeLa細胞、293細胞へAAVベクター遺伝子と伴にリポフェクションによって導入し、部位特異的な挿入が行えるかを検討中である。また、センダイウイルスの膜融合能を持つ単層リポゾーム内にAAVベクター遺伝子と、AAV非構造蛋白質のRep78とを抱合させたSendai virosomesを用いて導入する方法をNakanishiら共同で行う予定である。
破骨細胞イオンチャネルとカルシトニンの受容体情報伝達機構

破骨細胞に対しカルシトニン(CT)は骨吸収抑制を示すが、我々は前年度の一般研究(C)において、CTは破骨細胞に存在する内向き整流K^+チャネル(Ik_<in>)を抑制することを報告した。今回、このCT受容体とイオンチャネルの連関が細胞内情報伝達系をどの様に修飾するかを調べるため、新生児ラット長管骨より採集した破骨細胞を用い検討した。まず、Patch clamp法のcurrent clamp modeにおいて、採集した破骨細胞の膜電位の分布を多数例で検討した結果、膜電位が-70mV付の細胞と0mV付近の細胞とが観察された。この内、深い膜電位を有する細胞にCTを投与すると持続的な脱分極状態に移行した。この現象は膜コンダクタンスの減少を伴っているのでIk_<in>の抑制による結果と考えられた。次に、このCTによる脱分極がどの様に細胞内情報伝達系を調節するかを検討するため、セカンドメッセンジャーの候補の一つと考えられる細胞内Ca^<2+>濃度([Ca^<2+>]_i)の変化をFura-2顕微測光法で測定した。まず、静止状態における破骨細胞の[Ca^<2+>]_iは低い細胞群(50nM付近)と高い細胞群(100nM付近)とが存在した。この内、低い細胞は高K^+溶液の脱分極刺激により[Ca^<2+>]_iが急激に上昇した。しかしながら、CTに関しては、投与により[Ca^<2+>]_iが上昇する細胞と変化しない細胞が存在した。この[Ca^<2+>]_iの上昇は細胞外液Ca^<2+>の除去により消失することや、細胞内Ca^<2+>貯蔵部位の機能を抑制した条件でも認められることより脱分極により活性化される電位依存性のCa^<2+>流入経路(VIC)が膜に存在すると考えられた。また、このVICは従来のCa^<2+>チャネルブロッカーでは抑制されなかった。以上のことより、ラット破骨細胞に対してCTはその作用の一つとしてIk_<in>を抑制することにより膜電位を脱分極させること、その結果、VICを活性化し[Ca^<2+>]_iを上昇させることが解かった。また、補助金により購入したPatch clampアンプは、Patch clamp法において電気現象を記録する目的に、また、防振台は実験装置の除振の目的に使用した。
熱磁気力による対流制御に最適な磁場分布の探求とその検証

永久磁石から生じる磁場分布が対流伝熱に及ぼす効果を検証するために,2018年度は磁場分布の数値解析,これを用いた熱流動解析,そして検証実験を実施した.当初磁場解析には市販ソフトを1年間のライセンス購入としていたが,予算額の都合上購入を諦め,二次元磁場解析の可能なフリーソフトの導入ならびに実際の磁石から生じる磁場分布を実測して確認することで対応した.本ソフトは有限要素法に基づくため,等間隔メッシュに磁場分布を投影することで,有限差分ならびに格子ボルツマン熱流動解析コード(いずれも自身で開発)に組み込んだ.実験に関しては,これまで課題となっていた実験再現性に関して詳細な原因究明を行うことで問題点を解決し,実証実験にこぎつけた.なお,作動流体は常磁性流体を対象とし,既往の文献から物性値を参照した.鉛直平板周りの自然対流伝熱問題を対象とし,数値解析ならびに実験を行うことで,磁場が及ぼす効果を解明した.具体的には,単一磁石を設置した場合に矩形磁石の角部分から生じる磁気力による効果で局所的に対流伝熱を制御することがわかった.効果を顕在化させるために2つの磁石を磁極を交互に配置した場合,その接合部分で磁石に対し鉛直方向成分の磁気力が顕在化することが明らかとなり,これを対流制御に生かせることも分かった.実験により定性的に同様な効果が発現することが確認されたことから,解析の妥当性を示せた.一方で流れの非定常化も含めて今後検討すべき様々な事象が発見された.特に鉛直加熱壁の背面すべてに磁石を配置した場合の実験も実施し,これまで予想できなかった対流促進効果が得られたことから,その原因究明が重要課題として挙がってきた.二次元ではあるが磁場分布の解析を行える環境を獲得できたことは大きく,様々な磁石配置に対応した磁場分布を解析できるに至った.その結果,複数磁石の磁場効果を断片的に明らかにできた.実験で得られた結果をもとにした論文を学術雑誌に投稿し,受理された点も良好な進捗といえる.数値解析の結果についても既に投稿済みで,現在査読結果待ちである.また,これまで予想できていなかった事柄(複数磁石の効果,流れの非定常化)が発見されたことから,今後のさらなる検証が必要であることがわかった.磁石の数を多くした場合の実験では,対流促進効果に及ぼす効果がいまだ不明である.ハルバッハ配列による効果も含めて,今後実験ならびに数値解析を継続する予定である.また複数磁石の配置では,磁石の接合部分に強力な磁気力が発生することがわかった.特に磁石に対して法線方向の磁気力成分が強くなることがわかったため,これを対流の流れと同じ方向に印加できれば対流伝熱をローコストで促進できることが予見できる.本件はレイリー・ベナール対流に適用し検証する予定である.永久磁石から生じる磁場分布が対流伝熱に及ぼす効果を検証するために,2018年度は磁場分布の数値解析,これを用いた熱流動解析,そして検証実験を実施した.当初磁場解析には市販ソフトを1年間のライセンス購入としていたが,予算額の都合上購入を諦め,二次元磁場解析の可能なフリーソフトの導入ならびに実際の磁石から生じる磁場分布を実測して確認することで対応した.本ソフトは有限要素法に基づくため,等間隔メッシュに磁場分布を投影することで,有限差分ならびに格子ボルツマン熱流動解析コード(いずれも自身で開発)に組み込んだ.実験に関しては,これまで課題となっていた実験再現性に関して詳細な原因究明を行うことで問題点を解決し,実証実験にこぎつけた.なお,作動流体は常磁性流体を対象とし,既往の文献から物性値を参照した.鉛直平板周りの自然対流伝熱問題を対象とし,数値解析ならびに実験を行うことで,磁場が及ぼす効果を解明した.具体的には,単一磁石を設置した場合に矩形磁石の角部分から生じる磁気力による効果で局所的に対流伝熱を制御することがわかった.効果を顕在化させるために2つの磁石を磁極を交互に配置した場合,その接合部分で磁石に対し鉛直方向成分の磁気力が顕在化することが明らかとなり,これを対流制御に生かせることも分かった.実験により定性的に同様な効果が発現することが確認されたことから,解析の妥当性を示せた.一方で流れの非定常化も含めて今後検討すべき様々な事象が発見された.特に鉛直加熱壁の背面すべてに磁石を配置した場合の実験も実施し,これまで予想できなかった対流促進効果が得られたことから,その原因究明が重要課題として挙がってきた.二次元ではあるが磁場分布の解析を行える環境を獲得できたことは大きく,様々な磁石配置に対応した磁場分布を解析できるに至った.その結果,複数磁石の磁場効果を断片的に明らかにできた.実験で得られた結果をもとにした論文を学術雑誌に投稿し,受理された点も良好な進捗といえる.数値解析の結果についても既に投稿済みで,現在査読結果待ちである.また,これまで予想できていなかった事柄(複数磁石の効果,流れの非定常化)が発見されたことから,今後のさらなる検証が必要であることがわかった.磁石の数を多くした場合の実験では,対流促進効果に及ぼす効果がいまだ不明である.ハルバッハ配列による効果も含めて,今後実験ならびに数値解析を継続する予定である.また複数磁石の配置では,磁石の接合部分に強力な磁気力が発生することがわかった.

特に磁石に対して法線方向の磁気力成分が強くなることがわかったため,これを対流の流れと同じ方向に印加できれば対流伝熱をローコストで促進できることが予見できる.本件はレイリー・ベナール対流に適用し検証する予定である.交付額が減額されたために,当初購入予定だったものを断念したり,安価なものに切り替えたため.