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火山灰凝集過程：降下火山灰の高速度カメラ多点その場観測と粒径分析からの解明

爆発的噴火に伴う火山噴煙の内部では、噴出物が様々な速度で動き回り、巨視的な火山噴煙の挙動を支配している。従って、火山灰の沈降速度を大きく変化させる火山灰凝集過程の理解は火山噴煙の挙動を理解する上で重要である。しかしながら,少規模噴火における火山灰凝集過程を扱った研究は少なく,その実態はほとんど分かっていない.本研究では,降下火山灰の高速度カメラその場観測を様々な火口距離・降灰継続期間で行い,桜島火山の小規模噴火における火山灰凝集効率・様式の時空間変化を調べた.その結果,降灰初期から中期・後期にかけて火山灰凝集効率が高くなることと,火口距離に依らず外来水による凝集は卓越しないことが分かった.本研究課題は、火山噴火に伴う降下火山灰の凝集効率やその距離変化を調べるために、高速度カメラを用いた多点降灰観測を行うものである。今年度は野外観測用高速度カメラの選定及び計測システムの構築と、人工的に降らせた火山灰の実験的撮影、そして桜島火山における野外単点カメラテスト観測を行った。本研究課題で用いる高速度カメラはOptronis社製のものとした。また、撮影用のレンズはライカ製のものを業者からレンタルし経費を節約した。さらに、野外観測が可能になるようにカメラドライバとなるPCボードを設置する外付けケースを用意し、エクスプレスカードを介して制御用ノートPCを接続したシステムを開発した。開発した撮影システムにより、火山灰粒子(粒径250-1000μm)が撮影可能か確かめるため、人工的に灰を落下させる実験を行った。その結果、火山灰のような細粒粒子でも、レンズの条件を選べば、1000Hz程度の時間解像度で落下中の様子を撮影できることが分かった。開発した撮影システムを用いて、桜島火山にて単点カメラ降灰観測を行った。撮影システムは車載し、インバータを介することで稼働させた。野外観測により、降灰撮影が可能であることは確認されたものの、いくつかの問題点が明らかとなった。一つは、実際の降灰下では、想定していたよりも粒子空間濃度が低いことである。このため、粒径をより正確に見積もるために絞りを小さくしすぎると、解析に耐えられるほどの粒子数が稼げないことが分かった。二つ目は、凝集様式の時間変化である。本研究課題では、多点カメラ観測により凝集効率の距離変化を調べる予定であるが、テスト観測により、凝集効率は一観測点でも時間変化することが示唆された。本研究課題は火山灰凝集効率やその距離変化を調べるために,高速度カメラの多点観測を行うものである.本年度は,高速度カメラによる降灰撮影システムの最適化を実験室で行い,その結果に基づいた野外降灰観測を桜島火山において実施した.野外降灰観測では,観測期間中の風向きが同時多点観測の実施には難しい状況であったため,複数の噴火を用いた高速度カメラ多点観測と,一回の噴火における凝集様式の時間変化を調べた.高速度カメラ観測は,カメラを水平方向に向けて落下する粒子を撮影する方法と,カメラを60度鉛直方向に傾け水平に設置した白版に衝突する粒子を撮影する方法で行い,1000-3000fpsの撮影速度を用いた.また,高速度カメラ撮影と同時に試料採取を行った.桜島火山での野外降灰観測により,9回の噴火について計19回のvideo footageを得た.その結果,降灰様式について以下が明らかとなった.1)一回の噴火について,粒径が同等である場合でも降灰初期から後期にかけて降灰落下速度が減少する.2)一回の噴火では,降灰初期から後期にかけて凝集粒子の割合が増加する.3)降灰域が火口からの距離が遠い場合,粒径が小さくなり,凝集粒子の割合が減少する.降灰観測で得られた結果から,噴火推移とともに火山灰凝集効率が上昇し,それに伴って粒子落下速度が減少することが示唆される.また,凝集火山灰は噴煙内粒子濃度が比較的高い噴火直後に多く生成され,その後は単独粒子と同様の粒径分別を受けて降灰に至ると考えられる.ここまでの議論は高速度カメラ観測の結果のみから得られたものである.今後,研究期間内に至らなかった採取試料の粒度分布解析を行うことで,火山灰凝集効率をより定量的に明らかにしたい.爆発的噴火に伴う火山噴煙の内部では、噴出物が様々な速度で動き回り、巨視的な火山噴煙の挙動を支配している。しかしながら,少規模噴火における火山灰凝集過程を扱った研究は少なく,その実態はほとんど分かっていない.本研究では,降下火山灰の高速度カメラその場観測を様々な火口距離・降灰継続期間で行い,桜島火山の小規模噴火における火山灰凝集効率・様式の時空間変化を調べた.その結果,降灰初期から中期・後期にかけて火山灰凝集効率が高くなることと,火口距離に依らず外来水による凝集は卓越しないことが分かった.申請者の異動により研究費が利用可能になるまでに時間が掛かったことで、研究の初動がやや遅れた。また、当初は多点カメラ観測をすぐに行う予定だったが、高速度カメラの野外での使用条件を先に調べるのが得策だと考え、一年目は単点カメラ観測を行ったため、当初の予定よりもやや遅れる結果となった。火山学単点カメラ観測の目途は立ったので、来年度は桜島火山での多点カメラ観測に挑戦する。

ただし野外観測の前に、降灰域における空間濃度を再現したような人工的な降灰実験を行い、解析に適切なレンズ条件を正確に求める。また、多点観測による凝集効率の距離変化だけでなく、テスト観測で示唆された凝集効率の時間変化も出来る限り検出して、時空間的な火山灰凝集効率変化を明らかにしたい。当初は高速度カメラ二台を一年目に購入し、多点カメラ観測を行う予定だった。しかし、野外観測を行う前に高速度カメラを用いる条件(レンズ条件やインターバル時間等)を決める方が得策だと考えたため、まず一年目は高速度カメラを一台購入することとし、その分が次年度使用額に含まれることとなった。二台目の高速度カメラ観測システム構築のために用いる。
Cr含有スラグの構成相におけるCr(VI)イオン固溶状態の解析

Cr含有鋼の製造工程等から発生するCr含有スラグについて、生態系に悪影響を及ぼす六価クロム(Cr(VI))の溶出が懸念されており、スラグの再資源化に対する環境保全のためにCr含有スラグにおけるCr(VI)生成機構を明らかにする必要がある。本研究では、スラグを構成する主な化合物相としてダイカルシウムシリケート(2CaO・SiO2)及びMerwinite(3CaO・MgO・2SiO2)に着目し、Crイオン固溶状態をX線吸収スペクトル及び第一原理計算によって詳細に解析した。その結果、上記2種の化合物へは空気雰囲気でCrイオンが6価の状態で固溶することを見出し、Cr(VI)固溶構造モデルを提案した。本研究は、Cr含有スラグにおけるCr(VI)イオンの形成および溶出メカニズム解明のために、スラグを構成する主要な結晶相におけるCrイオンの固溶形態を、大型放射光施設におけるX線吸収スペクトル測定による分光学的手法と第一原理バンド計算を駆使した高度な構造解析の実施によって明らかにすることを目的としている。空気または不活性ガス雰囲気における熱処理によって、Crイオンを微量に固溶させたβ-Dicalcium silicate化合物試料を作製し、大型放射光施設におけるX線吸収スペクトル測定などによる構造解析を行った結果、空気雰囲気にて熱処理を行った試料からは6価を含む高い価数状態のCrイオンの存在が認められた。ただし、必ずしも固溶した全てのCrイオンが6価の状態とは限らず、46価の複数の価数を持つCrイオンがβ-Dicalcium silicate化合物中に存在している可能性が見出された。一方、不活性ガス雰囲気中で熱処理を行った試料に関して、Crイオンは3価の状態を持ち、Cr2O3とほぼ同等の微細構造を有することがわかった。Dicalcium silicateを母相とした場合のCrイオン固溶形態については、平成26年度の研究で微細構造の情報を取得するとともに、平成27年度、第一原理計算によるX線吸収スペクトルの計算を行って実験結果と比較することによって、Cr局所構造モデルの導出を行うことができた。平成27年度ではさらに、Merwinite, Meliliteに注目し、Crイオン固溶形態ならびにこれに及ぼす温度ならびに雰囲気の影響について、構造解析に基づく研究を行った。本年度研究の結果、まずMerwiniteを母相とし、高温(1400°C)でCrイオンを固溶させた場合には、焼成雰囲気(空気または不活性ガス)によらず、Crイオンは概ね3価の状態で存在するが、空気中、1000°C以下の低温で焼成を行ってCrを固溶させた場合には、第2相としてCr(VI)を含む化合物の析出が見られ、Crイオンは6価の状態で存在することがわかった。一方、Meliliteを母相とした場合には、熱処理時の温度・雰囲気条件によらず、Crイオンは3価の状態で母相中に固溶することがわかった。当初の予定通り、昨年度に導入した計算機環境による第一原理計算の実施によって、これまで導出が難しいとされた、歪んだ結晶構造を有するβ-Dicalcium silicate中Crイオンの固溶構造モデルを見出すことができた。また、MerwiniteやMeliliteを母相とした場合について、焼成時の雰囲気・温度を系統的に変えた際のCrイオン固溶形態についての知見を得ることができた。これらの結果により、当初から対象としていた化合物相におけるCrイオンの固溶形態に対しては大よその結論を得ることができた。したがって、本研究は当初の計画通り、順調に進行しているといえる。本研究の目的は、Cr含有スラグにおけるCr(VI)イオンの形成および溶出メカニズム解明のために、スラグを構成する主要な化合物相におけるCrイオンの固溶形態を、大型放射光施設におけるX線吸収スペクトル測定による分光学的手法と第一原理計算を複合的に用いた高度な構造解析によって明らかにすることである。H28年度の研究では、Cr含有スラグ構成化合物相の中で、Cr(VI)を固溶する可能性があり、Cr(VI)溶出量増加に関係していると考えられるMerwinite(3CaO・MgO・2SiO2)に焦点を絞り、同化合物を含むCr含有スラグが高温で排滓されてから、空気雰囲気で徐々に冷却され、常温に至るまでの冷却過程を想定した、様々な熱処理条件でMerwinite母相へCrイオンを固溶させ、Crイオン化学形態の解析を行った。H27年度の研究から、Merwinite母相へ空気雰囲気、1400°Cで固溶したCrイオンは概ね3価であるが、一方850°Cで固溶したCrイオンは6価で存在することを見出した。そこでH28年度の研究では、空気雰囲気、1400°CでMerwinite中にCrイオンを固溶させた後、連続して850°Cで熱処理した試料を作製し、Cr K吸収端のX線吸収スペクトルにより化学状態を分析することによって、Merwinite中へ固溶したCrイオンがその後の熱処理で自発的に酸化されて6価の状態に変化する可能性について検討を行った。上記研究の結果、まず空気雰囲気、1400°Cの条件でMerwinite中に固溶したCrイオンのX線吸収スペクトルから、Crイオンは概ね3価であるが、同時に46価のCrイオンの共存を示すピークが微小ながら認められた。

また、1400°Cの熱処理後さらに850°Cで熱処理を施した試料について、6価Crの存在比率が増加する、つまりCrイオンの酸化が促進される可能性を見出した。Cr含有鋼の製造工程等から発生するCr含有スラグについて、生態系に悪影響を及ぼす六価クロム(Cr(VI))の溶出が懸念されており、スラグの再資源化に対する環境保全のためにCr含有スラグにおけるCr(VI)生成機構を明らかにする必要がある。本研究では、スラグを構成する主な化合物相としてダイカルシウムシリケート(2CaO・SiO2)及びMerwinite(3CaO・MgO・2SiO2)に着目し、Crイオン固溶状態をX線吸収スペクトル及び第一原理計算によって詳細に解析した。その結果、上記2種の化合物へは空気雰囲気でCrイオンが6価の状態で固溶することを見出し、Cr(VI)固溶構造モデルを提案した。当初の計画通り、Dicalcium silicate化合物に対するCrイオンの固溶状態について大型放射光施設でのX線吸収スペクトル測定等の構造解析に基づく微細構造モデルの構築を進めており、また平成27年度以降の研究に向けて、複雑な系に対する第一原理バンド計算を今後実施するためのワークステーション等計算機環境の導入を行った。以上のことから、本研究はおおむね順調に進展しているといえる。平成27年度における研究の結果、Merwinite, Meliliteを母相とした場合についてCrイオン固溶体試料を作製するともに、X線吸収スペクトルによる分析からCrイオンの価数ならびに局所構造に対する構造的情報を得ることができた。平成28年度ではまず、平成27年度に得た上記の構造的情報に基づき第一原理計算を利用することによって、MerwiniteおよびMelilite化合物に固溶したCrイオン局所構造モデルの導出を試みる。これらの化合物は、主に(SiO4)4-による錯イオンとその周囲にCa2+またはMg2+が規則的に配置した単斜晶または正方晶の結晶構造を持つ。一方、これらの化合物に対してCrイオンは3価ないし6価の状態で固溶することが見出されたが、上記のような2価イオンと(SiO4)4-錯イオンから成る結晶構造を有するMerwiniteおよびMeliliteへ、Crイオンがどのように置換固溶するかを把握することは重要である。また、特にMerwiniteを母相とし、Cr固溶体試料を作製する際の雰囲気を大気とした場合には、温度条件によってCrイオンの価数状態が異なり、特に1000°C以下の温度で作製したCr含有試料においてはCr(VI)の形成が明らかとなった。しかしながら実際のCr含有スラグ生成過程では、1700°Cの高温でCr含有スラグが生成した後、冷却過程でMerwinite化合物が析出し、Crイオンが分配されると考えられる。1000°Cよりも高温下でMerwinite化合物へCrイオンが固溶した後、大気に曝されつつ常温まで冷却される過程のどの時点で、Crイオンの酸化が生じるのかは明らかでない。平成28年度ではこれを明らかにするための研究を行い、Merwiniteを含むCr含有スラグからの6価クロム形成メカニズムを明らかにする方針である。
介護施設の生活環境とサービスに対する認知症高齢者のニーズ

本研究では、認知症高齢者のケアに携わる専門職を対象とし"自らが認知症を罹患して施設に入った場合"を想定して回答してもらう形式の調査を計画した。「自らが人生最期までの時間を過ごす施設として整えてほしい条件」について、あるいは「最期の時間を過ごす場所を自分で選べるとしたら、どういった基準で施設を選ぶか」について調査した。軽度(FAST4)の段階と高度の段階に分けて、施設で過ごす場合の希望を調査した。研究計画に基づいて、臨床医学、建築学、作業療法学、などの視点も加えて調査票の作成を行った。認知症の人自身のニーズを直接調査することはできないため、認知症の介護を専門とする者で日本認知症ケア学会または日本認知症ケア学会ケア専門士を対象として、自分が認知症になった場合を想定して回答していただく調査票を作成した。最終的に下記の質問内容を含む12ページの調査票が作成された。将来入所を希望する施設の種別等について、認知症が高度の段階に至った場合に鎮静剤や車椅子、おむつ、ミキサー食、胃ろうの使用を希望するかについて、グループホームに入所する場合に重視する設備、環境、サービス、プログラム等について、特別養護老人ホームに入所する場合に重視する設備、環境、サービス、プログラム等について、施設全体の規模について、さらには、人生最期の生活の場などについて問う質問内容であった。高齢者の施設整備で現在重視されている要因を、実際に認知症の人が望むか否か、提供されているサービスを希望するか否かを問うことで、認知症の人が望む介護を明らかにすることができるものと考えられた。作成した調査票を平成22年度に開催された、2回の『日本認知症ケア学会教育講演』および2回の『地域における認知症対応実践講座』で配布し記入を依頼した。会場によって回収率は異なるが、配布総数は1,348冊で、1,081冊を回収している。80%という高い回収率であった。回収した調査票は、記入の確認を行った後、データ入力および集計を開始している。介護老人福祉施設と介護老人保健施設は、療養の場ではなく生活の場であり、環境要因が認知症高齢者に与える影響がきわめて大きい。したがって認知症高齢者のQOLの維持・向上のためには、適切な環境支援が不可欠であるが、従来の支援は一般高齢者の調査や認知症高齢者の行動観察に基づくもので、利用者のニーズをふまえたものではなかった。それは、認知症高齢者が状況理解や意思表示が困難になっているためであった。本研究では一定の経験を有する介護専門職を対象とし、"自らが認知症を罹患し、施設に入った場合"を想定し、生活環境やサービスに対するニーズを調査・検討し、認知症高齢者の環境支援に資するデータを得ようとした。毎年、全国主要都市12か所で開催されている「地域における認知症対応実践講座」に参加した認知症ケア学会会員または認知症ケア専門士を対象として、1700を超えるすでに予定していたデータをほぼ収集することができた。調査票は、在宅高齢者を対象とした環境要因の評価ツール「包括的環境要因調査票、以下CEQ」と認知症高齢者を対象とした「認知症高齢者への環境支援のための指針、以下PEAP」の評価項目に準じて作成した。CEQの5領域(1.社会的、2.物理的、3.制度的、4情報的、5.宗教的)、およびPEAP日本語版の中項目(1.見当識への支援、2機能的な能力への支援、3.環境における刺激の質と調整、4.安全と安心への支援、5.生活の継続性への支援、6.自己選択への支援、7.プライバシーへの確保、8ふれあいの促進)について施設での生活にあてはめて検討して作成した。基本的な集計を終え、今後主成分分析やクラスター分析などを用いて詳細な形跡を行っていく予定である。介護老人福祉施設や介護老人保健施設は療養の場ではなく生活の場であり、環境要因が認知症高齢者に与える影響がきわめて大きい。したがって認知症高齢者のQOLの維持・向上のための環境支援が不可欠であるが、従来の支援は一般高齢者の調査や認知症高齢者の行動観察に基づくもので、利用者のニーズに基づいたものではない。なぜなら認知症高齢者はその障害のため自らのニーズを表示することが困難だからである。そこで本研究では、認知症高齢者のケアに携わる専門職を対象とし“自らが認知症を罹患して施設に入った場合"を想定して回答してもらう形式の調査を計画した。その結果、認知症が軽度の段階では、6割が在宅(戸建希望が78%)で「家事」「テレビ・ラジオ」「団らん」「散歩」「趣味」などをして過ごすことを希望し、認知症が進行し高度になった段階では、「車いす」「おむつ」を`使わず'、「食べ方」は`形のままで'、「胃ろう」は希望しない者が多かった。

また、軽度(FAST4)の段階を施設で過ごす場合は「プライバシーへの配慮」「見当識への支援」「病気やけがへの対応」、「緊急連絡体制」、「環境の調整」「自立支援の工夫」「個室(個室を選べる)」などの希望が多く、高度(FAST6)では、「病気やけがへの対応」、「緊急連絡体制」、「転倒・転落防止」、「スタッフを探せる」、「環境調整」などを希望した。人生の最期の半年間を過ごす場は、「明るい」、「静か」、「穏やか」などを希望し、「暗い」、「冷たい」、「うるさい」、「汚い・不衛生」などを嫌った。以上の結果は、今後の施設環境整備のための貴重な資料になると考えられた。当初の計画では、データ収集が3年目に入っても行うことを想定していたが、順調にデータがあつまり、2年目でデータ収集を終えることができた。3年目は、データ解析に集中することができる点、部分的には計画以上に進展しており、全体として順調に進展していると言える。24年度が最終年度であるため、記入しない。研究計画に沿って遂行する。得られたデータから、様々の背景やライフスタイルを持った認知症高齢者の環境支援において、普遍的に求められるニーズと、より個別性の高いニーズを抽出することを目的に、主成分分析やクラスター分析を行う。
強磁場下のグラフェンにおけるテラヘルツ非線形光学効果の研究

単層グラフェンに垂直に磁場を印加するとディラック電子系に特徴的な非等間隔なランダウ準位が形成される。この非等間隔性(非調和性)は、ランダウ準位間エネルギーに相当する光子エネルギーを持つテラヘルツ(THz)光や中赤外光に対して大きな非線形光学効果をもたらすと予測される。さらに、ランダウ準位間遷移が持つ巨大な双極子モーメントによって、ラビ周波数が光のキャリア周波数を上回るような、光と物質の相互作用に関する強結合極限に比較的弱いTHz電場強度で到達できると期待される。そこで、単層グラフェンのランダウ準位間遷移に起因する非線形光学応答を調べるため強磁場下でのTHzポンプ-THzプローブ分光測定を行った。その結果、モノサイクルTHzポンプパルス照射下で、右、左回り円偏光THzプローブパルスに対して、それぞれ吸収飽和と誘導吸収が生じていることがわかった。吸収飽和はフェルミエネルギー付近の電子の1光子励起によるパウリブロッキング効果により説明された。一方、誘導吸収の発現は、THzポンプパルスによりフェルミエネルギーよりはるか下の価電子帯の占有ランダウ準位にホールが光注入されたことに対応し、THzポンプパルスにより電子分布の劇的な変化がもたらされたことを意味する。この結果について微視的な理解を得るために、回転波近似を用いずに密度行列の運動方程式を数値的に解くシミュレーションを行い、実験で観測されたTHz帯非線形光学応答や電子分布の劇的な変化を再現することに成功した。さらに、実験、理論両面から、光と物質の相互作用が非摂動論的領域に達していることを示し、理論シミュレーションに基づき、比較的低いTHz電場で高次高調波が発生することを予測した。本研究により、強結合極限で現れる様々な非摂動論的非線形光学応答を実現する舞台としてランダウ量子化した単層グラフェンが有効であることが初めて明らかにされた。28年度が最終年度であるため、記入しない。単層グラフェン中の電子はその運動エネルギーが結晶運動量に比例し、相対論的粒子である質量ゼロ・ディラック粒子とみなすことができる。単層グラフェンに垂直に磁場を印加すると、通常の二次元電子系における磁場に比例した等間隔のランダウ準位とは異なり、準位間隔が磁場の平方根に比例し、かつ非等間隔なディラック電子系に特徴的なランダウ準位が形成される。また、ランダウ準位間の双極子モーメントは非常に巨大な値を持つため、ランダウ準位間エネルギーに相当するテラヘルツ(THz)帯や中赤外領域における大きな非線形光学効果が予測される。さらに、近年の高強度THzパルス電場に対してはラビ周波数がランダウ準位間隔程度になる非摂動論的な領域に到達でき、固体中における非摂動論領域での相対論的非線形光学効果という新奇な現象の観測が期待される。そこで、ランダウ準位間遷移に起因する非線形THz応答の観測をめざし、磁場下でのTHzポンプ-THzプローブ分光測定系を立ち上げた。この測定系を用い、強磁場下での単層グラフェンを対象に実験を行った。モノサイクルTHzポンプパルス照射下ではプローブTHzパルスに対するファラデー回転角・楕円率スペクトルの大きさが減少し、ポンプTHzパルスが過ぎ去ると素早く回復する様子が観測され、ポンプTHzパルスによる偏光状態の超高速の非線形応答が観測された。またTHzポンプパルス照射中では、ランダウ準位間遷移による吸収スペクトルの共鳴ピークに対応する周波数で、その吸収がほぼ消失する様子が観測された。さらに、密度行列の運動方程式を数値的に解いたシミュレーションとの比較を行い、実験結果が定性的に再現されることを確かめ、単層グラフェンにおけるランダウ準位間隔の非等間隔性と巨大な双極子モーメントに起因する超高速な非線形THz応答の兆候をとらえることに成功した。強磁場下の単層グラフェンにおける非線形テラヘルツ(THz)応答の観測を目指し、磁場下でのTHzポンプ-THzプローブ分光を行うための測定系を立ち上げ、実際に4H-SiC(0001)基板上にエピタキシャル成長した単層グラフェンを対象に強磁場下でのTHzポンプ-THzプローブ分光実験を行うことができた。測定系に関しては、ポンプ・プローブ実験ではプローブ光のみを検出するためにポンプ光を試料透過後に除去する必要があるが、本研究ではポンプTHz電場によるプローブTHz電場の偏光回転の変化を測定する必要があり、従来行われているワイヤーグリッド偏光子を用いたポンプTHz電場を除去する手法を用いることができない。そこで、穴あきのアルミ板を用いることによって空間的にプローブ・ポンプTHz波を分離することで、ポンプTHz波の除去を可能にした。また、強磁場下の単層グラフェンにおいて、モノサイクルTHzポンプパルス照射下では透過プローブTHz電場の偏光回転が抑制され、ポンプTHzパルスが過ぎ去ると素早く回復するという偏光状態の超高速な変化を観測することができた。さらに、実験結果がランダウ準位間の巨大な双極子モーメントと単層グラフェンにおけるランダウ準位間隔の非等間隔性に起因することを理解するために、回転波近似を用いずに密度行列の運動方程式を数値的に解くことにより得たシミュレーション結果と実験結果との比較を行い、実験結果を定性的に再現することに成功した。

強磁場中の時間領域THzポンプ・プローブ分光というまだ世界に例のない実験手法を開発できたこと、さらに予想外に大きな非線形効果を観測できたことから、期待した以上に研究が進展したと判断する。単層グラフェンに垂直に磁場を印加するとディラック電子系に特徴的な非等間隔なランダウ準位が形成される。この非等間隔性(非調和性)は、ランダウ準位間エネルギーに相当する光子エネルギーを持つテラヘルツ(THz)光や中赤外光に対して大きな非線形光学効果をもたらすと予測される。さらに、ランダウ準位間遷移が持つ巨大な双極子モーメントによって、ラビ周波数が光のキャリア周波数を上回るような、光と物質の相互作用に関する強結合極限に比較的弱いTHz電場強度で到達できると期待される。そこで、単層グラフェンのランダウ準位間遷移に起因する非線形光学応答を調べるため強磁場下でのTHzポンプ-THzプローブ分光測定を行った。その結果、モノサイクルTHzポンプパルス照射下で、右、左回り円偏光THzプローブパルスに対して、それぞれ吸収飽和と誘導吸収が生じていることがわかった。吸収飽和はフェルミエネルギー付近の電子の1光子励起によるパウリブロッキング効果により説明された。一方、誘導吸収の発現は、THzポンプパルスによりフェルミエネルギーよりはるか下の価電子帯の占有ランダウ準位にホールが光注入されたことに対応し、THzポンプパルスにより電子分布の劇的な変化がもたらされたことを意味する。この結果について微視的な理解を得るために、回転波近似を用いずに密度行列の運動方程式を数値的に解くシミュレーションを行い、実験で観測されたTHz帯非線形光学応答や電子分布の劇的な変化を再現することに成功した。さらに、実験、理論両面から、光と物質の相互作用が非摂動論的領域に達していることを示し、理論シミュレーションに基づき、比較的低いTHz電場で高次高調波が発生することを予測した。本研究により、強結合極限で現れる様々な非摂動論的非線形光学応答を実現する舞台としてランダウ量子化した単層グラフェンが有効であることが初めて明らかにされた。現在までに、強磁場下での単層グラフェンにおけるTHzポンプ-THzプローブ分光測定によって、モノサイクルTHzポンプパルス照射下では透過プローブTHz電場の偏光回転が抑制され、ポンプTHzパルスが過ぎ去ると素早く回復するという偏光状態の超高速な変化の観測に成功している。しかし、この変化はポンプTHzパルス波に完全には追従せず、ポンプTHzパルスが過ぎ去ったあとの偏光状態の回復には有限の時間がかかる。これはポンプTHzパルスによってキャリアの実励起が起こり、それらの緩和に有限の時間がかかるためだと考えられる。ランダウ量子化したグラフェンにおけるキャリアダイナミクスにはまだ未解明な点が多く、この緩和機構を明らかにすることは、ポンプTHz電場による非線形THz応答をより詳細に理解するために必要であり、さらにランダウ準位における反転分布を利用するランダウ準位レーザーの実現にとっても重要である。そこで、近赤外ポンプ-THzプローブ分光を新たに行い、THzポンプ-THzプローブ分光での結果と比較することによって緩和機構のより詳細な理解を目指す。一方、高強度モノサイクルTHzパルス照射下では、単層グラフェンにおけるランダウ準位間隔の非等間隔性と巨大な双極子モーメントによって高次の非線形光学過程を介して高次高調波が高効率で発生すると考えられる。
山田耕筰を中心とした美術の諸動向の研究

山田耕筰の音楽以外の芸術との関わりを考察する上で、青年期のベルリン留学は非常に大きな意味をもっていた。1910年から1913年にわたるベルリン留学の目的は、ベルリン王立音楽院で作曲を学ぶためであったが、この間にバレエ・リュスのベルリン公演に通い、アンナ・パヴロワのバレエを観劇し、イザドラ・ダンカンの舞踊に触れた。折しも、演出家の小山内薫や、後に舞台美術家としても活躍する斎藤佳三、若き日の伊藤道郎がベルリンに集ったことも大きく影響した。特に斎藤佳三との邂逅は、シュトゥルム画廊への日参とそこで同時代の美術に魅了されて、日本帰国時に多数の版画を持ち帰り、1914年の日比谷美術館での、あの「シトゥルム木版画展覧会」に結実した。そして、1918年と1919年の渡米とカーネギーホールでのコンサートの開催、1931年の訪ソと33年のソビエト再訪といった外遊は、山田耕筰の創作の転機となり、新たな展開への契機となったように見える。アメリカでは、伊藤道郎や長谷川潔と再会していることも、特筆に値する。また、山田耕筰が刊行した日響楽譜における版画家の恩地孝四郎の装幀は、管見ではこれまで全貌が紹介された機会はないが、質量ともに想像を上回る内容だったことが判明したのも大きな成果であった。基盤研究の3年目となり、研究のまとめの段階に入った。そして、2020年1月に所属研究機関である栃木県立美術館で「山田耕筰と美術」と題する展覧会を開催する運びともなった。この展覧会並びに、その図録によって研究成果を公表するため、研究期間を1年間延長申請したので、引き続き研究を進めると同時に、成果公表に向けた準備を進める。山田耕筰の活動の幅が広く、跡付けるのに時間を要したため。初年度の研究では、雑誌『詩と音楽』が山田耕筰の美術への関心と舞踊への関心の両者において、重要な位置を与えうるものであったことが鮮明に浮かび上がってきた。そこでは川上澄生など、すでに予測していた美術家との関わりも当然ながら見られるが、それ以外にも北原白秋を介して、山本鼎ら春陽会の画家たちとの関係も十分に考えられることが判明した。今後は、そういった世代の違う美術家との関連も視野に入れるべきと考えている。2年目の研究では、ベルリン時代の山田耕筰に焦点を当て、舞踊や美術など、音楽以外へも柔軟に関心を開いていく様子を、ドイツ側の資料を参照しながら具体的に探った。とりわけ、ベルリン分離派の画家エルンスト・オップラーのスケッチ類によって、ベルリンでの舞踊体験を具体的に知ることができたことは、研究の進展であった。3年目の研究では、ベルリン留学以後の外遊とその成果、恩地孝四郎などの版画家による装幀、三木露風と北原白秋とともに行った活動について焦点を当てた。3年目の研究途上で、所属研究機関で2020年に「山田耕筰と美術」と題する展覧会が具体化できることが決定した。それにより研究期間を1年間延長申請し、研究成果をまとめつつ、展覧会の形式で成果公表をめざすこととした。最終年度となる4年目では、山田耕筰の美術との関わりを具体的な美術作品や資料で跡付けることに重点を置き、展覧会で刊行する図録への寄稿と編集によって、本研究のまとめとしたい。山田耕筰の関心のありか、特に美術領域など音楽以外に関わる様々な事象を確認するため、初年度はこれまでの研究の蓄積の整理など基礎的な調査から始めた。まず、山田耕筰の音楽以外への関心について考察する重要な材料の一つとして、雑誌『詩と音楽』(復刻版)を入手した。同雑誌については研究開始以前から注目していたが、事前の推測以上に意義深いものであることが判明し、その研究に時間をかけることとなった。北原白秋と山田耕筰が編輯主幹を務め、まさに音楽と文学の融合を目指した芸術総合雑誌を標榜する通りの内容の雑誌であった。そこに、山田耕筰自身は楽譜を掲載し、舞踊について論じた文章を多く寄せている。美術に関する記事に着目すると、雑誌の草創期においては山本鼎ら春陽会のメンバーが主体的にかかわっていた一方、その後期にはまだ若い時分の川上澄生が加わるほか、川路柳虹が「アクション展」を紹介するなど多彩な傾向と内容が登場しているのがわかる。山田耕筰と美術の関係を考える上では、神原泰の《あるペシミストの手記》など、大正時代後期の前衛的な傾向の方が直接的なつながりが強い。それは、山田耕筰たちが主宰した1914年の「シトゥルム木版画展覧会」などを通して、次世代の若き画家たちが山田耕筰に接近していくからである。しかし、当初はそれ以前の、春陽会の小杉放菴ら『方寸』に集ったメンバーたちと、北原白秋との交遊関係がこの雑誌の美術の内容を決定づけていたことに着目すると、そこに対して山田耕筰がどのような関心を示していたのかも、山田耕筰と美術の関係性を探る上で考察すべき研究テーマとして浮上する。今後の研究課題の一つとしたい。当初に予測した、山田耕筰と美術との関係よりも対象が少し広がったので、研究の方向性の若干の軌道修正が必要ではあったが、基礎研究に終始していることに変更はなく、比較的順調に経過していると考えている。

山田耕筰の音楽以外の芸術との関わりを考察する上で、青年期のベルリン留学は非常に大きな意味をもっていた。それは舞台芸術や美術への関心が育まれる契機になったと考えられるからである。1910年から1913年にわたるベルリン留学の目的は、ベルリン王立音楽院で作曲を学ぶためであったが、この間にバレエ・リュスのベルリン公演に通い、アンナ・パヴロワのバレエを観劇し、イザドラ・ダンカンの舞踊に触れた。折しも、演出家の小山内薫や、後に舞台美術家としても活躍する斎藤佳三、若き日の伊藤道郎がベルリンに集ったことも大きく影響した。特に斎藤佳三との邂逅は、シュトゥルム画廊への日参とそこで同時代の美術に魅了されて、日本帰国時に多数の版画を持ち帰り、1914年の日比谷美術館での、あの「シトゥルム木版画展覧会」に結実した。基盤研究の2年目となり、ケルン・ダンス・アーカイヴ(ドイツ)への調査によって、ベルリンのバレエ・リュス公演とアンナ・パヴロワの舞踊公演の様子を多数のスケッチに描いた画家エルンスト・オップラーの全貌に触れる機会を得た。それにより、山田耕筰たちが観劇したであろう舞踊の具体的な内容を、そのスケッチ類から跡付けることが可能になったのは、大きな進展であった。エルンスト・オップラーはベルリン分離派の画家で、マックス・リーバーマンとともに設立メンバーの一人であった。ダンサーを多く描いた画家としてはドガが有名であるが、オップラーの特徴は、舞台の客席から、またはリハーサルに趣いて、舞踊家の動きの瞬間をその場で画面に残したことにある。特にアンナ・パヴロワとは親しく交遊し、1920年代に入っても、その肖像を描き続けた。山田耕筰がベルリンで観劇した舞踊が具体的に明らかになったことで、彼を中心とする美術と舞踊の交錯についても考察する一助となった。山田耕筰の活動における美術との関わり、青年期の留学時代に培われた美術や舞踊への関心について、資料を踏まえて考察する準備が進んでいる。そして、1918年と1919年の渡米とカーネギーホールでのコンサートの開催、1931年の訪ソと33年のソビエト再訪といった外遊は、山田耕筰の創作の転機となり、新たな展開への契機となったように見える。アメリカでは、伊藤道郎や長谷川潔と再会していることも、特筆に値する。また、山田耕筰が刊行した日響楽譜における版画家の恩地孝四郎の装幀は、管見ではこれまで全貌が紹介された機会はないが、質量ともに想像を上回る内容だったことが判明したのも大きな成果であった。基盤研究の3年目となり、研究のまとめの段階に入った。そして、2020年1月に所属研究機関である栃木県立美術館で「山田耕筰と美術」と題する展覧会を開催する運びともなった。この展覧会並びに、その図録によって研究成果を公表するため、研究期間を1年間延長申請したので、引き続き研究を進めると同時に、成果公表に向けた準備を進める。山田耕筰の活動の幅が広く、跡付けるのに時間を要したため。
集積型異常原子価および混合金属錯体の反応性と機能

異常原子価錯体は,その名の示すように珍しい酸化状態の錯体であるため化合物例も少なく,その反応性や機能が詳しく研究されている例は希である.白金の3価は,2つの白金原子間に結合ができてはじめて安定化する酸化状態であり,中心金属イオンの還元に伴い白金-白金間結合の解裂も起こるので,2価や4価に見られない3価特有の反応性や機能が存在するに違いない.例えば,ピリジンチオラト架橋二核白金錯体は_+2価と_+3価の間の酸化還元が容易に起こるため,3価錯体と金属硫化物イオン(WS_4^<2->)を反応させると直鎖状のS_4^<2->イオンが2つのランタン型ユニットを架橋した4核錯体を生成する.この反応はピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体がイオウと親和性が高いことを示していると考えられる.二核白金(III)錯体の新たな反応性を調べるために本年度は,(1)ピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体と水素との反応,(2)ピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体を触媒とするピリジンチオールのC-S結合の切断に焦点について研究を行った.(1)5-メチルピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体と水素とをDMF中,150°Cで反応させると,架橋配位子がC-S結合の切断とともに水素化されて3-ピコリンが遊離する.この反応の水素圧依存性を調べたところ,水素圧の増加とともに生成するピコリンの量が増加した.(2)ピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体が水素と反応し,架橋配位子の一部のC-S結合が切断されてピコリンが生成することが分かったので,ピリジン-2-チオールのC-S結合切断に対するこの二核白金(III)錯体の触媒活性を調べた.比較のために,5-メチルピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体の他に5-メチルピリジンチオラト架橋二核白金(II)錯体[Pt_2(5-mpyt)_4]と5-メチルピリジンチオールを配位子とする2価の単核錯体[Pt(5-mpytH)_4]Cl_2についても触媒活性を調べた.その結果,単核錯体は全く触媒活性を示さないこと,2価の二核錯体はある程度の触媒活性を示すが,溶液中のピリジン濃度が最大時の触媒活性は3価錯体の1/4程度であることが分かった.異常原子価錯体は,その名の示すように珍しい酸化状態の錯体であるため化合物例も少なく,その反応性や機能が詳しく研究されている例は希である.白金の3価は,2つの白金原子間に結合ができてはじめて安定化する酸化状態であり,中心金属イオンの還元に伴い白金-白金間結合の解裂も起こるので,2価や4価に見られない3価特有の反応性や機能が存在するに違いない.例えば,ピリジンチオラト架橋二核白金錯体は_+2価と_+3価の間の酸化還元が容易に起こるため,3価錯体と金属硫化物イオン(WS_4^<2->)を反応させると直鎖状のS_4^<2->イオンが2つのランタン型ユニットを架橋した4核錯体を生成する.この反応はピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体がイオウと親和性が高いことを示していると考えられる.二核白金(III)錯体の新たな反応性を調べるために本年度は,(1)ピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体と水素との反応,(2)ピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体を触媒とするピリジンチオールのC-S結合の切断に焦点について研究を行った.(1)5-メチルピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体と水素とをDMF中,150°Cで反応させると,架橋配位子がC-S結合の切断とともに水素化されて3-ピコリンが遊離する.この反応の水素圧依存性を調べたところ,水素圧の増加とともに生成するピコリンの量が増加した.(2)ピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体が水素と反応し,架橋配位子の一部のC-S結合が切断されてピコリンが生成することが分かったので,ピリジン-2-チオールのC-S結合切断に対するこの二核白金(III)錯体の触媒活性を調べた.比較のために,5-メチルピリジンチオラト架橋二核白金(III)錯体の他に5-メチルピリジンチオラト架橋二核白金(II)錯体[Pt_2(5-mpyt)_4]と5-メチルピリジンチオールを配位子とする2価の単核錯体[Pt(5-mpytH)_4]Cl_2についても触媒活性を調べた.その結果,単核錯体は全く触媒活性を示さないこと,2価の二核錯体はある程度の触媒活性を示すが,溶液中のピリジン濃度が最大時の触媒活性は3価錯体の1/4程度であることが分かった.
All-in-oneゲノム編集ウイルスベクターによる造血系遺伝病の遺伝子修復治療

近年、ゲノム編集技術を利用した遺伝子治療でよく用いられている方法の一つに、CRISPR/Cas9のような人工制限酵素と正常配列ドナーDNAを用いて、遺伝子変異箇所を切断し、相同組換え修復で治療する方法がある。しかし、この方法には、CRISPR/Cas9のオフターゲットによりドナーDNAが意図しない領域に挿入されることが懸念され、臨床応用に向けては、高い正確性と高頻度な遺伝子修復効率を持ち合わせた方法を達成することが必要とされている。そこで、ゲノム編集による遺伝子修復法を用いた難治疾患の治療として、当研究室で独自に開発された、高頻度に相同組換えが起こり正確な遺伝子修復が可能な、ヘルパー依存型アデノウイルスベクター(HDAdV)と、CRISPR/Cas9システムを組み合わせた"all-in-oneCRISPR-HDAdV"を用いた遺伝子修復方法を考えた。このベクターにはCRISPR発現カセットと、修復用のドナー配列が一つのベクターに集約されているため、高頻度で正確かつワンステップで遺伝子修復を行うことができ、治療への実用化が期待できる。さらに、このベクターは標的遺伝子の全エクソンを含むゲノム配列がドナー配列に含まれているため、仮に標的配列以外の領域に組込まれても治療効果が期待できる。このベクターを評価するため、ヒト白血病細胞株K562細胞に導入し遺伝子修復実験を行った。比較対象として、CRISPRプラスミドと標的配列であるIL2RG配列を含むドナープラスミド、CRISPRプラスミドとドナーHDAdV、HDAdVのみを用いて、修復実験を行ったところ、all-in-one CRISPR-HDAdVで全細胞の約70%という高頻度でドナーHDAdVが組み込まれた。さらに、標的配列に正確にカセットが挿入された頻度は全細胞の約30%で、いずれも他の比較対象より高い組込頻度を達成した。X連鎖重症複合免疫不全症(SCID-X1)の治療法としてSCID-X1の原因遺伝子であるIL2RG配列をドナー配列として用いた。all-in-oneCRISPR-HDAdVベクターを評価するため、K562細胞に、1) all-in-one CRISPR-HDAdVベクター、2)CRISPR発現プラスミド+ドナープラスミド、3)CRISPR発現プラスミド+ドナーHDAdV、4)ドナーHDAdVのみを用いてゲノム編集を行った、ドナー配列にはネオマイシン耐性遺伝子が含まれており、ネオマイシンセレクションを行うことでドナーの組込み頻度を見た。その結果、ネオマイシン耐性は1) all-in-one CRISPR-HDAdVでは全細胞の約70%、2)CRISPR発現プラスミド+ドナープラスミドでは約10%、3)CRISPR発現プラスミド+ドナーHDAdVでは約60%、4)ドナーHDAdVのみでは約30%の頻度で得られ、all-in-one CRISPR-HDAdVベクターで高い組込み頻度が得られた。さらに、標的配列の正確な組込み頻度を見るため、ゲノム編集後の細胞のゲノムDNAを用いてPCRを行った。その結果1)all-in-one HDAdV-CRISPRベクターを用いた時に全細胞の約30%、3)CRISPR発現プラスミドとドナーHDAdVを細胞に導入した時は約10%の組込み頻度が得られ、all-in-one HDAdV-CRISPRで高い組込み頻度が得られた。他の比較群の組込み頻度も現在解析中である。これまでのドナーDNAにはネオマイシン耐性遺伝子が含まれ、またK562細胞にはIL2RG正常配列があるため、修復した遺伝子をmRNAやタンパク質レベルで機能的に解析することはできなかった。そこで、IL2RGをノックアウトしたK562細胞(IL2RG KO K562細胞)とネオマイシン耐性遺伝子を除いた修復用ベクターHDAdVを作製している。これは当初予定していなかった実験だが、修復した遺伝子の機能解析は臨床応用にむけて必要であると考えられる。IL2RG KO K562細胞にネオマイシン耐性カセットを含まないall-in-oneCRISPR-HDAdVベクターを感染させ、IL2RG遺伝子がmRNAおよびタンパク質レベルで回復しているかをウェスタンブロットやRT-PCRで調べる予定である。さらに近年、遺伝子治療でよく使われているアデノ随伴ウイルスベクター(AAV)と遺伝子修復効率の比較を行うため、ドナーAAVを作製し比較する。また造血系疾患治療での標的細胞であるCD34陽性造血幹前駆細胞でも同様に遺伝子修復実験を行い、SCID-X1の治療効果が認められるとされる、形成コロニーの10%以上で遺伝子修復が行われる効率を目指す。さらに、各種サイトカインを含むメチルセルロース培地で培養し、コロニー形成させ、遺伝子修復実験の操作が造血幹前駆細胞の分化や増殖に影響を与えないかを確認する。また、CRISPR/Cas9システムで懸念されるオフターゲット変異を解析するため、CIRCLE-seq法を行いゲノム上のオフターゲット箇所を同定する。オフターゲットを減少させる必要がある場合はウイルスの感染量、Cas9タンパク質の発現制御ができる遺伝子やモチーフを入れ、高頻度な修復効率を維持した安全性の高い修復実験条件を決める。

しかし、この方法には、CRISPR/Cas9のオフターゲットによりドナーDNAが意図しない領域に挿入されることが懸念され、臨床応用に向けては、高い正確性と高頻度な遺伝子修復効率を持ち合わせた方法を達成することが必要とされている。そこで、ゲノム編集による遺伝子修復法を用いた難治疾患の治療として、当研究室で独自に開発された、高頻度に相同組換えが起こり正確な遺伝子修復が可能な、ヘルパー依存型アデノウイルスベクター(HDAdV)と、CRISPR/Cas9システムを組み合わせた"all-in-oneCRISPR-HDAdV"を用いた遺伝子修復方法を考えた。このベクターにはCRISPR発現カセットと、修復用のドナー配列が一つのベクターに集約されているため、高頻度で正確かつワンステップで遺伝子修復を行うことができ、治療への実用化が期待できる。さらに、このベクターは標的遺伝子の全エクソンを含むゲノム配列がドナー配列に含まれているため、仮に標的配列以外の領域に組込まれても治療効果が期待できる。このベクターを評価するため、ヒト白血病細胞株K562細胞に導入し遺伝子修復実験を行った。比較対象として、CRISPRプラスミドと標的配列であるIL2RG配列を含むドナープラスミド、CRISPRプラスミドとドナーHDAdV、HDAdVのみを用いて、修復実験を行ったところ、all-in-one CRISPR-HDAdVで全細胞の約70%という高頻度でドナーHDAdVが組み込まれた。さらに、標的配列に正確にカセットが挿入された頻度は全細胞の約30%で、いずれも他の比較対象より高い組込頻度を達成した。X連鎖重症複合免疫不全症(SCID-X1)の治療法としてSCID-X1の原因遺伝子であるIL2RG配列をドナー配列として用いた。all-in-oneCRISPR-HDAdVベクターを評価するため、K562細胞に、1) all-in-one CRISPR-HDAdVベクター、2)CRISPR発現プラスミド+ドナープラスミド、3)CRISPR発現プラスミド+ドナーHDAdV、4)ドナーHDAdVのみを用いてゲノム編集を行った、ドナー配列にはネオマイシン耐性遺伝子が含まれており、ネオマイシンセレクションを行うことでドナーの組込み頻度を見た。その結果、ネオマイシン耐性は1) all-in-one CRISPR-HDAdVでは全細胞の約70%、2)CRISPR発現プラスミド+ドナープラスミドでは約10%、3)CRISPR発現プラスミド+ドナーHDAdVでは約60%、4)ドナーHDAdVのみでは約30%の頻度で得られ、all-in-one CRISPR-HDAdVベクターで高い組込み頻度が得られた。さらに、標的配列の正確な組込み頻度を見るため、ゲノム編集後の細胞のゲノムDNAを用いてPCRを行った。その結果1)all-in-one HDAdV-CRISPRベクターを用いた時に全細胞の約30%、3)CRISPR発現プラスミドとドナーHDAdVを細胞に導入した時は約10%の組込み頻度が得られ、all-in-one HDAdV-CRISPRで高い組込み頻度が得られた。他の比較群の組込み頻度も現在解析中である。これまでのドナーDNAにはネオマイシン耐性遺伝子が含まれ、またK562細胞にはIL2RG正常
反動零空間に基づくヒューマノイドロボットのモーション・フォース複合制御

本研究の目的は、ヒューマノイドが実用的な力作業を実現する上で必要とする、全身の姿勢維持しながら、作業対象、環境、利用する道具、そのほかの作業条件に適した全身運動を積極的かつ力動的に実現できるモーション・フォース複合制御法の開発である。ヒューマノイドによる力作業では、作業のために接触部における力と運動の同時制御を実現するとともに、転倒回避のための全身の姿勢維持と作業に適した全身姿勢を取って積極的に活用することが重要であり、本研究では、幾何学的冗長性を有するヒューマノイドの四肢に対して、反動零空間(Reaction Null Space: RNS)に基づくモーション・フォース複合手先動力学制御手法(以降:RNS手先動力学制御手法)を開発し、シミュレーションと実際のヒューマノイドの実作業に適用し、その有効性を検証することである。平成30年度の研究計画では、平成29年度に実施できなかった以下の二つの計画を実行し、その進行状況を踏まえた上で、令和元年度の研究計画を調整することとした。(1) HOAP-2を改造し、両足先の2カ所に新規購入する小型力覚センサを装備させ、作業時に加わる力・モーメントを計測可能にした実験システムを構築する。(2) HOAP-2の片腕を用いた壁面の清掃作業に対するモーション・フォース複合制御および反動制御実験を行い、実作業における有用性を検証する。しかし、研究代表者が所属機関における教員特別長期研修の許可を受けたことから、関連はするが本研究課題とは異なる在外研究を進めることとなったため、本研究課題の活動を一時中断せざるを得ない状況となった。よって、上記の研究計画を変更し、研究分担者による理論構築およびダイナミクスシミュレーションを用いた研究を重点に置いた活動を行い、その結果、国内講演会、国際会議、書籍などの実績を多数上げることができた。平成30年度の研究計画では、平成29年度に実施できなかった二つの計画、(1) HOAP-2を改造し、両足先の2カ所に新規購入する小型力覚センサを装備させ、作業時に加わる力・モーメントを計測可能にした実験システムを構築することと、(2) HOAP-2の片腕を用いた壁面の清掃作業に対するモーション・フォース複合制御および反動制御実験を行い、実作業における有用性を検証することを実施し、さらに平成30年度の研究計画である、双腕による作業を考慮してRNSに基づく内力制御の理論構築、これに基づく制御理論の動力学シミュレーションおよびHOAP-2による追加実験を実施する予定であった。しかし、研究代表者が所属機関における研修制度を利用することとなったため、研究計画を変更し、以下の内容を研究分担者が重点的に進めることで研究活動を継続した。(1)双腕による力作業を考え、RNSに基づく内力制御手法の理論を構築する。HOAP-2をモデルとした動力学シミュレータに内力制御手法を組み込み、シミュレーションからその有用性を検証する。(2)本年度までの成果に基づいて、Correonoidシミュレータ上に本制御手法の機能を持つモジュールを作成する。研究計画の遅延をできる限り抑えるための対策を取ったが、実際のロボットHOAP-2を利用した作業実験が実現されていないため、実施内容はダイナミクスシミュレーションにとどまっており、当初の研究計画からは遅れてしまった。令和元年度はまず、研究計画に大きな違いが出ているため、計画が遅れている現状も踏まえて、研究遂行状況を研究組織全体で確認し直す。ただし、平成29年度に実施できなかった以下の二つの計画については早急に実施する内容であるため、検討には含まずに実行する。その後、平成30年度の研究計画において進んでいない以下の内容と、本手法の適用対象をHRP-2とする平成31年度計画案を合わせて見直し、令和元年度内に実現できる内容について研究活動を鋭意進めていく。(1)直立中に片腕および両腕を用いた窓やホワイトボード、ライトの清掃作業や、机拭き作業への適用を検討する。HOAP-2を用いて、垂直面上および水平面上における片腕および両腕のモーション・フォース複合制御と内力制御の作業実験を行う。(2)円筒形や球面の曲面での作業モデルを動力学シミュレータへ導入し、曲面上のモーション・フォース複合制御と内力制御を、HOAP-2の動力学シミュレーションにより検証する。また曲面上におけるモーション・フォース複合制御と内力制御を、HOAP-2による実機実験により検証する。ヒューマノイドによる力作業では、作業のために接触部における力と運動の同時制御を実現するとともに、転倒回避のための全身の姿勢維持と作業に適した全身姿勢を取って積極的に活用することが重要であり、本研究では、幾何学的冗長性を有するヒューマノイドの四肢に対して、反動零空間(Reaction Null Space: RNS)に基づくモーション・フォース複合手先動力学制御手法(以降:RNS手先動力学制御手法)を開発し、シミュレーションと実際のヒューマノイドの実作業に適用し、その有効性を検証する。