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超弦理論の非摂動的性質の理解-行列模型と非可換空間上の場の理論の解析

素粒子論の最終的な目標は自然界のあらゆる現象を素粒子の言葉を用いて統一的に記述することである。現在、統一理論として最も有望な理論は超弦理論である。この理論は場の量子論による重力の量子化の時に存在した発散の問題を解決しており、相互作用の統一理論として期待されている。さらにこの模型は従来の時空概念を拡張した新しい時空構造を提案する可能性があり、非常に豊富な構造を持っていると期待されている。超弦理論では摂動効果のみではなく非摂動効果が本質的な役割を果たすことが知られており、非摂動効果をきちんと求めることが現在の超弦理論の大きな課題の一つである。それを完全に理解することができれば、この理論による現実の世界に対する予言が得られるだろうと期待されている。この研究課題では行列模型を用いて超弦理論を非摂動的に定義する可能性を追求した。行列模型を用いて超弦理論を解析する方法は長く行われており、その方法は非常に有用であることが理解されている。しかしながら完全な理解にはまだ程遠い状況である。この研究では行列模型の新しい解釈を導入し、そこでは重力理論がより明白に記述されている。この解釈で超弦理論がどのようにこの模型の中で記述されるかについて調べた。具体的には超対称性の記述のされ方、低エネルギーで効く場の力学について詳細に解析した。このように重力を明白に記述している行列模型は過去にはなく、この方法が新しい結果を出すことが期待される。
Takhtajan-Zograf計量の幾何

九州大学のL.Weng氏とシンガポール国立大学のW.-K.To氏との共同研究が完成し、論文はCommun.Math.Phys.に掲載決定した。その中で、Takhtajan-Zograf計量のモジュライ空間の境界近傍における漸近挙動を詳しく解析することに成功し、その結果、すべての境界近傍で、Takhtajan-Zograf計量はWeil-Petersson計量より真に小さいオーダーで挙動することを明らかにした。このことからすぐ従うことは、Mumfordらの定義したモジュライ空間上のdeterminant line bundleの第一チャーン類が、Mumfordコンパクト化したモジュライ空間まで、正のline bundleとして自然に拡張できることである。これについては、現在論文を準備中である。また、S.Wolpert氏と共同で得た「Weil-Petersson計量の漸近展開の2次の項にTakhtajan-Zograf計量が現れること」を発見した論文の原稿はMath.Ann.にオンライン上ですでに掲載済みである。これらの結果について、名古屋大学、東京大学、京都大学、熊本大学、岡山大学において講演した。リーマン面の退化族に対するEisenstein級数の漸近挙動の評価を改良した論文を投稿し、アーカイブ上において公開した。Weil-Petersson計量はW.Thurston,Wolperにより測地線の分布密度との密接な関連が示されているが、研究代表者はP.Sarnakが点付きリーマン面上のホロサイクルの分布密度とEisenstein級数の関係を明らかにした研究に強い関心をもち、この文脈においてTakhtajan-Zograf計量の新解釈を与えるべく、努力を続けている。昨年度得たモジュライ空間上のTakhtajan-Zograf計量とWeil-Petersson計量の研究に関する新しい知見を発展応用させるべく、研究を推進した。5月に東北大学、9月には東京大学において、モジュライ空間上の特性類であるウィッテン類が、Thaktajan-Zograf計量の4/3倍で表せることを発表し、その応用としてモジュライ空間のTakhtajan-Zograf体積がすべて決定できることを解説し、大きな関心と驚きを引いた。また、共同研究者のW.-K.To氏とL.Weng氏とのモジュライ空間の境界におけるTakhtajan-Zograf計量の漸近展開について定理を論文してまとめた。その結果、Takhtajan-Zograf計量とWeil-Ptersson計量の比較定理が得られ、コンパクト化したモジュライ空間の特性類の研究において、新機軸を与えたと考える。さらなる進展のためには、リーマン面の対家族に対するのEisenstein級数の振る舞いのより詳細な解析が必要であるが、共同研究者のWolpertとともに新しい手法を導入し推進している。今のところまだ決定的な結果は出ていないが、問題点の本質がしだいに浮き彫りになってきていて、近い将来に完全に解明できる可能性を感じている。Weil-Petersson計量はW.Thurston, Wolpertにより測地線の分布密度との密接な関連が示されているが、研究代表者はP.Sarnakが点付きリーマン面上のホロサイクルの分布密度とEisenstein級数の関係を明らかにした研究に強い関心をもち、この文脈においてTakhtajan-Zograf計量の新解釈を与えるべく、努力を続けている。今年度は、九州大学のL.Weng氏とシンガポール国立大学のW.-K.To氏との共同研究が完成し、現在論文を投稿中である。また、だいぶ前にS.Wolpert氏と共同で得た「Weil-Petersson計量の漸近展開の2次の項にTakhtajan-Zograf計量が現れること」を発見した論文の原稿を完成し、近々投稿予定である。今年度6月に当研究費を用いて、ニューヨーク州立大学ストーニーブルックのL.Takhtajan氏を招聘し、私の得た結果について紹介、検討を行い、非常に有益であった。来年度9月に、再びTakhtajan氏と日本で会う予定があり、また研究を深めていきたいと考えている。今年度8月には、当研究費を用いて、マドリッドで開かれた国際数学者会議に参加した。専門の近い研究者の質の高い講演を聞くなど、有益な経験であった。11月に韓国高等研究所のJ.Park氏が研究代表者の研究に興味を持ち、当研究所に旅費支給付きで招聘した。研究代表者の研究結果を紹介、議論し、Park氏の専門分野からの新しい問題意識から、我々の新しい共同研究の芽が生まれつつある。具体的には、「モジュライ空間上のdeterminantline bundleのQuillen計量のモジュライ空間の境界近傍における漸近挙動を直接的に解析する」という課題に取り組み始めている。

このことからすぐ従うことは、Mumfordらの定義したモジュライ空間上のdeterminant line bundleの第一チャーン類が、Mumfordコンパクト化したモジュライ空間まで、正のline bundleとして自然に拡張できることである。これについては、現在論文を準備中である。また、S.Wolpert氏と共同で得た「Weil-Petersson計量の漸近展開の2次の項にTakhtajan-Zograf計量が現れること」を発見した論文の原稿はMath.Ann.にオンライン上ですでに掲載済みである。これらの結果について、名古屋大学、東京大学、京都大学、熊本大学、岡山大学において講演した。リーマン面の退化族に対するEisenstein級数の漸近挙動の評価を改良した論文を投稿し、アーカイブ上において公開した。Weil-Petersson計量はW.Thurston,Wolperにより測地線の分布密度との密接な関連が示されているが、研究代表者はP.Sarnakが点付きリーマン面上のホロサイクルの分布密度とEisenstein級数の関係を明らかにした研究に強い関心をもち、この文脈においてTakhtajan-Zograf計量の新解釈を与えるべく、努力を続けている。
捕食リスク・非致死的捕食経験に応じた亜社会性ツチカメムシ類の繁殖投資

亜社会性ツチカメムシ類のメス親は,孵化幼虫の餌となる栄養卵を生産し,さらに寄主植物の種子を随時給餌する。繁殖期のメス親は,しばしば捕食者の攻撃により歩脚等を失う。これらのメス親は,怪我に応じて種子給餌能力あるいは残存繁殖価が変化するため,栄養卵の生産・配分を変える可能性がある。そこで,左前翅あるいは左後脚を人為的に切除する実験を行い,受精卵と栄養卵の生産数を比較した。その結果,幼虫当りの栄養卵投資は,後脚切除区でのみ高くなり,給餌の際の種子運搬スピードが低下した。後脚切除区のメス親の高い栄養卵投資は「怪我による種子給餌能力の低下を高い栄養卵投資によって補償する」ものと考えられる。1繁殖期におけるメス親の捕食実態と被食損傷部位の把握越冬明けのシロヘリツチカメムシ成虫に対し,標識再捕獲法を用いた調査の結果,繁殖時期の野外における死亡率がかなり高いことが判明した。さらに,本種とミツボシツチカメムシにおいて,繁殖を開始する時期に寄主植物周辺で活動中の成虫を調査したところ,雌雄問わず体の一部を損傷した個体が一定頻度で存在することが判明した。損傷が頻繁に生じていた部位は両種共に脚部と触角であり,アリ類等の捕食者の攻撃によるものと思われた。2非致死的捕食に応じた可塑的な栄養卵生産捕食者の攻撃による損傷が繁殖投資にどのように影響するかを検討するため,シロヘリツチカメムシのメスを用いて,触角,後脚,そして前翅を切除する実験区と対照区を設け,恒温一定の餌条件で飼育し産卵・保護させ,繁殖投資(受精卵数と産卵前及び産卵後栄養卵数)を測定した。その結果,触角と後脚切除区で孵化前栄養卵の生産量が対照区に比べて顕著に増加した。一方,対照区と前翅切除区との間に差は検出されなかった。また,孵化後栄養卵の生産に対する切除の効果は,切除部位を問わず検出できなかった。ミツボシツチカメムシでも同様(ただし触角切除区を除く)の切除実験を行い繁殖投資への影響を調査した。その結果,前翅切除区と後脚切除区の受精卵生産数は対照区よりも低下した。一方,後脚切除区でのみ栄養卵生産の増加が見られ,孵化幼虫当りの栄養卵投資は対照区や前翅切除区よりも明らかに高くなった。触角及び後脚の損傷は,幼虫への種子の随時給餌能力を低下させる可能性がある。部位特異的に検出された損傷に伴う栄養卵投資の増加は,Terminal investmentとは考えにくく,むしろ給餌能力の低下を補償する機能を持つ可能性が高い。触角や後脚の損傷が給餌能力に及ぼす影響は,来年度以降の検討課題である。1繁殖期におけるメス親の捕食実態と被食損傷部位の把握,非致死的捕食に応じた可塑的な栄養卵生産ならびに非致死的捕食がメス親の生存あるいは保護能力に及ぼす影響:ベニツチカメムシを用いた検討シロヘリツチカメムシやミツボシツチカメムシ同様,ベニツチカメムシでも野外において繁殖期に脚部や触角を損傷しているメスがかなりの割合で存在した。そこで,体の損傷が栄養卵生産と給餌能力に及ぼす影響を明らかにする野外実験を行った。産卵開始前のメスを前翅切除区,後脚切除区及び対象区に分けて個体識別マークを施し,寄主果実の給餌場を設置した野外実験場に放し営巣させた。一部は産卵後に栄養卵数と受精卵数を調査し,残りは幼虫孵化後に果実の運搬速度を測定し,巣内に運び込んだ果実数を調査した。後脚切除区のメスは,他区に比べて果実の運搬速度が低下し,給餌果実数も減少した。両切除区のメスは,対照区に比べて保護途中で死亡する割合も高かった。しかし,受精卵当りの栄養卵投資には実験区間で差は認められなかった。一方,野外の損傷メスは,寄主木周辺の果実落下範囲に営巣する傾向が認められた。本種の非致死的捕食に対する対応は,シロヘリツチカメムシやミツボシツチカメムシとは異なる可能性がある。2非致死的捕食がメス親の生存あるいは保護能力に及ぼす影響:シロヘリツチカメムシとミツボシツチカメムシを用いた検討給餌能力の補償仮説の前提条件は,体の一部損傷によるメスの保護能力の低下である。一方,Terminal investment仮説の前提条件は,損傷による寿命の短縮である。これらを検証するため,非致死的捕食による高い栄養卵投資が判明しているシロヘリツチカメムシとミツボシツチカメムシを用いて,後脚切除がメスの種子運搬能力と寿命に及ぼす効果を明らかにする室内実験を試みた。現在,条件を整えるための予備的な結果を得た段階である。非致死的な捕食がメス親の生存あるいは保護能力に与える影響:シロヘリツチカメムシとミツボシツチカメムシを用いた検討メス親の非致死的捕食による高い栄養卵投資の適応的意義を説明する仮説の1つ「給餌能力の補償仮説」は,体の損傷が部位特異的に(脚部損傷でのみ)メスの給餌能力を低下させることを予測する。一方,「Terminal investment仮説」は,体の損傷が部位特異的に(脚部損傷でのみ)寿命を短縮させることを予測する。

この両仮説を検証するため,非致死的捕食による高い栄養卵投資がすでに明らかにされているシロヘリツチカメムシとミツボシツチカメムシを用いて,体の一部損傷がメス親の種子運搬能力や寿命に及ぼす影響を明らかにする室内実験を行った。産卵開始前のメスを前翅切除区,後脚切除区及び対照区に分け,寄主種子の給餌場を設置した給餌アリーナに放し営巣・産卵させた。孵化後に,メス親が給餌場所から巣へ種子を運搬する速度を測定し実験区間で比較したところ,両種ともに前翅切除区や対照区のメスに比べて後脚切除区のメスの運搬速度が明らかに低下した。しかし,前翅切除区と対照区のメス間に運搬速度の差は認められなかった。さらに,対照区のメスに比べて前翅切除区と後脚切除区のメスの寿命は短縮したが,この2つの切除区間に寿命の差は認められなかった(ただし,検討したのはシロヘリツチカメムシのみ)。以上の結果は,両種で見られたメス親の非致死的捕食による高い栄養卵投資の適応的意義が「Terminal investment」というよりはむしろ「給餌能力の補償」であることを強く示唆している。亜社会性ツチカメムシ類のメス親は,孵化幼虫の餌となる栄養卵を生産し,さらに寄主植物の種子を随時給餌する。繁殖期のメス親は,しばしば捕食者の攻撃により歩脚等を失う。これらのメス親は,怪我に応じて種子給餌能力あるいは残存繁殖価が変化するため,栄養卵の生産・配分を変える可能性がある。そこで,左前翅あるいは左後脚を人為的に切除する実験を行い,受精卵と栄養卵の生産数を比較した。その結果,幼虫当りの栄養卵投資は,後脚切除区でのみ高くなり,給餌の際の種子運搬スピードが低下した。後脚切除区のメス親の高い栄養卵投資は「怪我による種子給餌能力の低下を高い栄養卵投資によって補償する」ものと考えられる。「繁殖期におけるメス親の捕食実態と被食損傷部位の把握,非致死的捕食に応じた可塑的な栄養卵生産ならびに非致死的捕食がメス親の生存あるいは保護能力に及ぼす影響:ベニツチカメムシを用いた検討」に関しては,新たな仮説に繋がる予想外の結果を含め,ほぼ全ての調査項目で結果が得られた。当初の計画以上に進展している。一方,「非致死的捕食がメス親の生存あるいは保護能力に及ぼす影響:シロヘリツチカメムシとミツボシツチカメムシを用いた検討」では,条件を整えるための予備的な結果を得た段階であり,研究は遅れている。総じて,研究全体はおおむね順調と考えられる。行動生態学次年度は最終年度となるため,実験準備の整った「非致死的捕食がメス親の生存あるいは保護能力に及ぼす影響:シロヘリツチカメムシとミツボシツチカメムシを用いた検討」に集中して取組みたい。実験の進展状況によっては,申請当初の予定項目「非接触型の捕食者のcueが親の投資に及ぼす影響」の検討を見送る可能性がある。さらに,これまで得られた成果を順次まとめて,論文出版の準備を急ぎたい。「繁殖期におけるメス親の捕食実態と被食損傷部位の把握」と「非致死的捕食に応じた可塑的な栄養卵生産」の項目は,シロヘリツチカメムシにのみならずミツボシツチカメムシでも結果が得られ,当初の計画よりも進展している。一方,「非致死的捕食がメス親の生存あるいは保護能力に及ぼす影響」の項目は,具体的な検討ができなかった。全体として研究は順調に進展していると判断された。本年度検討できなかった項目「非致死的捕食がメス親の生存あるいは保護能力に及ぼす影響」は,シロヘリツチカメムシとミツボシツチカメムシを対象にして,次年度に優先的に行う予定である。さらに来年度は,「Terminal investment仮説」と「給餌能力の補償仮説」の峻別の鍵となるベニツチカメムシを用いた研究を開始したい。
非晶質セラミックス膜中に包埋された鉄原子クラスター、ナノ結晶の構造と磁性

近年、Fe系アモルファス合金の熱処理によりナノ結晶Fe粒子を析出させ、軟磁気特性を向上させる研究が多くの研究者の興味を引いている。また、貴金属中に分散したFe,Coなどのナノグラニュラー磁性として、磁気抵抗効果が注目を集めている。一方、非磁性絶縁相(あるいは膜)中でのCoやFe磁性ナノ粒子の場合、優れたトンネル型磁気抵抗効果を示すことなどが調べられるに至っている。しかしながら、いずれの場合においても、直接的に磁性粒子同士がどのような磁気相互作用を行うかについては明確にはされておらず、磁性ナノ粒子の構造・組織形態(粒子結晶構造、方位、粒子サイズ、間隔、分散など)とナノ粒子同士の磁気相互作用との関係を明確にすることが求められている。本研究は、このような背景をもとに、代表的磁性遷移金属であるFe,Co,Fe-Ni合金などのクラスター、ナノ結晶に関する組織および構造上の基本因子を整理し、磁気特性、特に軟磁気特性発現の機構解明に寄与する組織学的、結晶学的データを用意することを目指した研究である。本研究では、種々のサイズに制御されたFe,Coナノ粒子を超高真空電子ビーム蒸着法、超高真空蒸着法により作製し、これらを非晶質Al_2O_3膜にサンドイッチ状に閉じこめて包埋または積層化させた試料について、高分解能電顕、ナノビーム電子回折、EELSなどによる組織・構造解析を行い、磁気特性との関係を調べている。また、一方、清浄試料表面を実現し、大気に晒すことなく作製試料膜を電子顕微鏡内に移送し観察できる「高真空試料搬送装置」の試作を行い、超高真空蒸着法、電子ビーム蒸着法により作製された、Al_2O_3カバー層を持たないFe-Ni,Feナノ結晶/Al_2O_3膜の「試料高真空移送」を行い、自由表面を持つ強磁性ナノ結晶粒子の構造の詳細と磁性、相変態についての研究を進めた。本研究はナノ結晶軟磁性に関する組織上の基本因子を整理し、その軟磁性発現機構解明に寄与する組織学的、結晶学的データを用意することを主眼においた研究である。具体的には、種々のサイズに制御されたFe粒子を非晶質SiO_2にサンドイッチ状に閉じ込め積層化し、(1)磁性粒子構造(2)粒子サイズ(原子クラスター規模からナノ結晶規模までの)(3)平均粒子間隔(4)磁性粒子層間隔などを主に高分解能電子顕微鏡、ナノビーム電子回折・EELSなどにより調べ、これらをパラメーターとして軟磁気特性を実験的に評価、整理し、ナノ結晶軟磁性の発現機構について考察することを目的としている。高分解能電子顕微鏡観察、ナノビーム電子回折、ナノEELSをクラスター構造に適用するには、従来よりも優れた試料状態観察手法を確立することが重要であり、作製試料を大気に晒す事なくそのまま電顕内に搬入できる装置「試料高真空移送装置」を購入することとなった。本装置は、小型超高真空チャンバー、試料ホルダー、トランスファー機構を有する装置であり、チャンバー内には2源真空蒸着のできる蒸着装置が組み込まれている。本装置は平成8年3月末に完成し納入(日本電子(株))納入される。本年は、予備実験として、真空蒸着法によるFe粒子の作製を行い、通常の真空蒸着法によっても数nm数十nmサイズのFe微粒子の作製が可能であること、数nm微粒子の構造がfcc構造であること、などが判明した。上記装置が納入され次第、まずは、装置内でSiO_2膜/Fe粒子/SiO_2膜の3層構造の作製を開始し、次いで高分解能電顕観察、ナノビーム解析などを行う予定である。

本研究はナノ結晶軟磁性に関する組織上の基本因子を整理し、その軟磁性発現機構解明に寄与する組織学的、結晶学的データを用意することを主眼に置いた研究である。種々のサイズに制御されたFe粒子をセラミックス非磁性膜にサンドイッチ状に閉じ込めて積層化し、(1)磁性粒子構造(2)粒子サイズ(原子クラスター規模からナノ結晶規模まで)(3)平均粒子間隔(4)磁性粒子層間隔などについて、主に高分解能電子顕微鏡、ナノビーム電子回折、EELS(電子線エネルギー損失分光)などにより調べ、これらをパラメーターとして軟磁気特性を実験的に評価、整理し、ナノ結晶軟磁性発現機構について考察することを目的としている。現在までに得られた成果は以下のとおりである。[1]「試料高真空移送装置」の製作:超高真空中で電子ビーム蒸着法により作製したナノ粒子の構造の詳細を、高分解能電子顕微鏡観察、ナノビーム観察するには、作製試料を大気に晒すことなくそのまま電子顕微鏡内に搬入するのが望ましい。このため、本研究費補助金(平成7年度分)により電子顕微鏡用高真空トランスファーベッセル、トランスファーゴニオ、特殊試料ホルダーを購入し「試料高真空移送装置」を作製した。平成8年9月に完成し、作製試料の構造評価に用いている。[2]超高真空電子ビーム蒸着法により、種々の条件下で、非晶質Al2O3(アルミナ)膜/Feナノ粒子/Al2O3膜サンドイッチ積層膜を作製し、Feナノ粒子構造、ナノ粒子状態と磁気特性について調べた。その結果、(a)Fe粒子はbcc構造を有し、10nm以下で超常磁性となる。(b)10nm以上の粒子が2次的に密に配列(ギャップ間隔数nm)することにより軟磁気特性を示す。(c)粒子間隔が広がるにつれ、保磁力は上昇する。などの結果が得られた。
アノールトカゲにおける複合適応形質としての温度適応分化の遺伝的基盤の解明

キューバにおいて、木の幹や地上を主に生活場所とする種では、開けた場所に生息し高体温を維持する種(Anolis sagrei,体温34度)、森林の縁に生息する種(たとえばAnolis homolechis,体温30-31度)、森林内に生息し低体温を維持する種(Anolis allogus,体温27-29度)などが共存している。しかし、様々な地域で、どのような種同士が共存しているのか、また、どのような遺伝的変化を伴って温度適応の分化が生じたのかは不明である。本研究では、キューバに生息するアノールをモデルとして体温適応という生理機能や行動形質などが複雑に関連して決まる複合適応形質の進化遺伝基盤の解明を目指し、アノールトカゲの温度センサー遺伝子および温度変化に反応する遺伝子に着目して研究を行った。キューバ産アノールトカゲ3種(A. sagrei、A. homolechis、A. allogus)の温度センサー遺伝子TRPの塩基配列を決定し種間比較を行った。その結果、TRPA1において、活性化温度に影響を与える機能ドメイン内に種間で非同義置換が観察された。また、低温適応種であるA. allogusの肝臓において特異的に、機能ドメイン中に32アミノ酸のインサーションがあることも明らかとなった。キューバにてサンプリングしたアノールトカゲ3種を5日間の温度維持実験を実施し、3組織(皮膚、肝臓、脳)における遺伝子発現量を、次世代シークエンサーを用いて推定した。異なる温度条件間、及び、体温の異なる種間において、各組織の発現量を比較し、有意に発現量差のある遺伝子の探索を行った。その結果、温度変化に対し脳においてはエネルギー生産やミトコンドリアに関する遺伝子が多数検出された。このことは、エネルギー生産が温度適応に関連していることを示唆している。24年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、キューバに生息するアノールをモデルとして体温適応という生理機能や行動形質などが複雑に関運して決まる複合適応形質の進化遺伝基盤の解明を目指す。8月22日から9月5日の期間、キューバ西部にて体温の異なるアノールトカゲ3種(Anolis sagrei,A.homolechis,A.allogus)のサンプリングを実施した。生きた個体を研究室へ送付後、環境に慣らすため一ヶ月間飼育を行った。その後、3種を用いた5日間の温度維持実験を実施した(それぞれ4個体,26度と33度。このうち体温差の大きい2種(A.sagrei,A.allogus)の各組織(皮膚、肝臓、脳)からtotal RNA抽出した(合計48サンプル)。次世代シークエンサー(Illumina HiSeq)を用いたトランスクリプトーム解析を行うためライブラリ作成を行った(現在、24サンプル完了)。また、温度感受性遺伝子であるTRPなど異なる温度への適応に関わる候補遺伝子の塩基配列を調べるため、上記アノールトカゲ3種の全ゲノム配列決定を行った。3種のアノールトカゲからゲノム抽出を行い111uminaHiSeq用のライブラリを作成した。今後、得られたアノールトカゲ3種のゲノム配列より温度感受性遺伝子(TRP遺伝子ファミリー)をクローニングし、これら遺伝子の感受性温度とアノールトカゲ3種の体温差に相関があるか機能を調査する。また、トランスクリプトーム解析から得られた温度に反応する候補遺伝子と、これまで温度適応に関わると考えられてきた遺伝子のシス領域を含むDNA配列を決定し、自然選択の働いた領域の検出を行う。ここで得られた結果に基づき、体温適応という生理機能や行動形質などが複雑に関連して決まる複合適応形質の進化機構解明を行う。

計画通りアノールトカゲ3種のゲノム配列リシーケンスを完了し、また、トランスクリプトーム解析のためのライブラリ作成も順調に進んでいるため。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は温度選好性実験を行い、温度選好状態での遺伝子発現を調査し、温度維持実験との結果と比較する。これにより、設定温度に寄らない温度に反応する遺伝子を捉えることが可能になる。
出血性ではなく逆に血栓性素因となる凝固因子異常症の分子病態解析とその検出法の開発

原因不明の静脈血栓症発症要因究明と個々に最適な抗血栓薬選択を目指し、凝固因子異常症の分子病態解析と検出法開発を目的とした。平成29年度は活性化凝固第X因子(FXa)の不活化動態解析法の開発を中心に研究した。精製ヒト凝固第X因子(FX)を検体とし、FXaのアンチトロンビン抵抗性解析法を設定した。FXのアクチベーターにはリコンビナント活性化凝固第VII因子と組織因子の混液を使用し、FX活性化に指摘な各因子の濃度と活性化時間を決定した。十分に活性化されたFXaの不活化動態の観察に最適なヒト精製アンチトロンビンの添加濃度を決定した。残存したFXaの検出には発色性合成基質S-2222を用いた。平成28年度に樹立した野生型/各変異型FX発現ベクターを培養細胞に導入後、薬剤耐性およびウエスタンブロッティング解析による選択を行い野生型/変異型FX安定過剰発現細胞を樹立した。野生型/変異型FX安定過剰発現細胞の培養上清を限外濾過にて濃縮後、ELISA法にてFX抗原量を測定したものを組換え型野生型/変異型FXとした。最適化したFXaのアンチトロンビン抵抗性解析法にて、組換え型野生型/変異型FXのアンチトロンビン感受性を評価した。FX Arg372ミスセンス変異体は372Pro変異体を除いて予想通りアンチトロンビン抵抗性を示した。アンチトロンビン抵抗性を示すFX Arg372ミスセンス変異体の活性体は、野生型FXaよりも凝固活性を長時間持続させるために血栓症の原因となりうると推測された。また、アンチトロンビン抵抗性の程度は、遺伝子変異により置換したアミノ酸の位置だけでなく、置換したアミノ酸の性質にも依存することが示唆された。この結果は現在原因不明の静脈血栓症患者の中にFXのアンチトロンビン抵抗性患者が潜在している可能性を示唆するものである。29年度が最終年度であるため、記入しない。原因不明の静脈血栓症発症要因究明と個々に最適な抗血栓薬選択を目指した凝固因子異常症の分子病態解析と検出法開発を目的とした。28年度は596Argミスセンス変異型トロンビンとトロンボモジュリン(TM)との相互作用解析を中心に研究し、分子間相互作用解析装置Biacoreを用いて596Argミスセンス変異型トロンビンとTMとの相互作用を評価した。組換え型可溶性TM(sTM)を固相化したセンサーチップ上に野生型/4種類の596Argミスセンス変異型(596Leu, 596Gln, 596Trp, 596Gly)トロンビンをそれぞれ添加したとき、各変異型トロンビンとsTMとの結合レスポンス及び結合定数は様々な値を示した。生理的な塩化ナトリウム濃度ではsTMとの結合レスポンスは野生型, 596Gln, 596Leu, 596Trp, 596Glyトロンビンの順に高かったが、これは以前に実施済みのTMによるトロンビン活性阻害能を評価したフィブリノゲン凝固法の結果を支持した。Biacoreを用いて塩化ナトリウム低濃度条件下におけるsTMと各変異型トロンビンとの結合量を評価した結果、対象とした全てのトロンビンで生理的条件下よりも高い結合レスポンスを示した。特に596Leuトロンビンとの結合レスポンスが著しく上昇した一方で、596Glnトロンビンとの結合レスポンスはわずかにしか上昇しなかった。置換したアミノ酸の荷電の差により変異型トロンビンとNa+との結合しやすさに差が生じたものと考えられ、トロンビンーNa+結合能の差がトロンビンーTM結合能に影響を及ぼすことが示唆された。596Argミスセンス変異型トロンビンが生理的抗凝固システムに抵抗することを詳細に解析したこれまでの研究成果を英文論文にまとめ、Thromb. Haemost.誌に報告した。596Argミスセンス変異体とTMとの相互作用解析は当初の計画では生理的条件下での相互作用を評価する予定であったが、得られた結果から「Arg596がトロンビンのNa+結合領域に位置しているために変異型トロンビンとNa+との結合に障害が生じた結果、トロンビンの立体構造変化が損なわれる」という仮説が立てられたため、塩化ナトリウム低濃度条件下での相互作用まで比較することができた。これにより596Argミスセンス変異がTMとの相互作用に及ぼす影響をより詳細に解析することができた。トロンボモジュリン(TM)抵抗性検出法の応用では当初の計画通り、プロトロンビン時間法を利用することで臨床検体でもTM抵抗性を検出可能な測定系が確立できた。また析法の開発に向けて、活性化凝固第X因子(Xa)の不活化動態解析法の開発に向けて、野生型/変異型凝固第X因子(FX)発現ベクターを構築した。

残存したFXaの検出には発色性合成基質S-2222を用いた。平成28年度に樹立した野生型/各変異型FX発現ベクターを培養細胞に導入後、薬剤耐性およびウエスタンブロッティング解析による選択を行い野生型/変異型FX安定過剰発現細胞を樹立した。野生型/変異型FX安定過剰発現細胞の培養上清を限外濾過にて濃縮後、ELISA法にてFX抗原量を測定したものを組換え型野生型/変異型FXとした。最適化したFXaのアンチトロンビン抵抗性解析法にて、組換え型野生型/変異型FXのアンチトロンビン感受性を評価した。FX Arg372ミスセンス変異体は372Pro変異体を除いて予想通りアンチトロンビン抵抗性を示した。アンチトロンビン抵抗性を示すFX Arg372ミスセンス変異体の活性体は、野生型FXaよりも凝固活性を長時間持続させるために血栓症の原因となりうると推測された。また、アンチトロンビン抵抗性の程度は、遺伝子変異により置換したアミノ酸の位置だけでなく、置換したアミノ酸の性質にも依存することが示唆された。この結果は現在原因不明の静脈血栓症患者の中にFXのアンチトロンビン抵抗性患者が潜在している可能性を示唆するものである。引き続き、原因不明の静脈血栓症発症要因究明と個々に最適な抗血栓薬選択を目指した凝固因子異常症の分子病態解析と検出法開発を目的とする。28年度で確立したTM抵抗性検出・応用法を用いて原因不明の静脈血栓症患者血漿のTM抵抗性スクリーニングを実施し、静脈血栓症患者におけるTM抵抗性の頻度を明らかにする。スクリーニングで新たなTM抵抗性トロンビンが発見された時、その変異型トロンビンとTMとの結合速度等を測定し、TM抵抗性の静脈血栓症への寄与を明らかにする。28年度に構築した野生型/変異型FX発現ベクターを培養細胞に導入後、薬剤耐性・WB解析により変異型FX安定発現細胞株を樹立する。樹立した各種FX安定発現細胞株の培養上清を限外濾過にて濃縮後、ELISA法にてFX抗原量を測定する。Xaの不活化動態の評価に最適な発色性合成基質を決定し、分光光度計を用いてXa活性検出法を確立する。ATによるXa不活化の評価に最適なAT添加条件を設定し、Xa不活化動態評価法を確立する。原因不明の静脈血栓症患者血漿で異常XaのAT抵抗性スクリーニングを実施し、静脈血栓症患者におけるAT抵抗性Xa異常症の検出を行う。抗Xa薬効評価に向けてXa不活化動態評価法への抗Xa薬添加条件を設定する。29年度が最終年度であるため、記入しない。
Webベースで遠隔操作可能な中等教育での理科実験教材の研究

ここ10来,理科離れの要因として,理科実験を行う機会がなくなってきている。そこで,インターネットで広帯域での利用が可能になってきていることに着目し,生徒自身の遠隔操作によって現象が変化していく様を,なるべく鮮明な映像を見ながら観察し,手軽に実験をおこなうことができるシステムを大学内に構築した。これは,ホームページ(HP)上につくられた仮想実験装置に実際の実験装置を制御するスイッチ等が配置されており,インターネットに接続された学校のコンピュータなどから,特殊なソフトを必要とせずHP上で操作を可能とした。この際大学への接続において,インターネットからSINET経由ではボトルネックがあり十分な利用環境とならないため,地域の学校専用のプライベートネットワークに接続し,観察のためのライブ映像とVODによる実験に関わる歴史的な資料のビデオ映像をなるべく高品位で使えるようにした。ただし,この接続ではセキュリティーを考えた対策が大変であった。これにより手早く実験に取りかかることができ,条件選択を自分で設定しながら測定できるので,実験の生の姿や値をもとに考察できるようになった。今回の研究では広い学年にわたって学習できる対象として,斜面の落下装置を選び,この実験装置の遠隔操作による実験授業でのノウハウや問題点の洗い出しを中心に研究を進めた。この斜面の落下運動は,「慣性・保存則・回転」などと中等教育で学ぶ力学のかなりの部分と関連している。またこの実験方法は,歴史的にガリレイによって初めて実験された歴史的経緯があり,科学者の生き方を説明し,現象の科学的なとらえ方の学習を支援する解説とビデオ映像の活用をしたHPの展開を行っている。実践では高校,中学校各1校ずつの授業で利用したが,生徒たちの評価もすこぶる好評で,次の授業を楽しみにしていることが判った。このように本研究では学校現場との連携を計り実践してきた。
マグマの流れが生み出す時空間のリズム：非ニュートン流体がもたらす非線形振動現象

変形可能な透明ゲルビーズを用いて固液混合マグマのアナログ物質を作成し、その非ニュートン流体のレオロジー特性の計測やマグマの流れを模擬した対流実験を行った。実験では、密度の異なる流体を一定流量注入したり、一定熱流量で流体を加熱したりすることでプルーム(対流)を作成した。その結果、ニュートン流体を用いた実験では見られなかった流れの局在化や間欠性が自発的に生じることを示した。これらの知見によって、火山活動の時空間分布(間欠性や局在化)に関する観測結果を説明できることを示した。本年度の研究実施計画に従い、以下の2点のテーマに取り組んだ:1.実験で使用する粘性流体と透明ゲルの選定およびそれらについてのレオロジー計測、2.ゲルビーズ中を運動するプルームの挙動に関する可視化実験。以下、概要を述べる。1.本実験で使用する変形可能なporous mediaの選定と使用流体のレオロジー計測を行った。プルームの運動によって周囲ゲルの変形を引き起こすためには、ゲルに適度な柔らかさがなければならない。また、流れの可視化実験の為には、使用するゲルは透明である必要がある。そこで、様々な寒天や高分子ポリマーを入手し、水分量や温度の調整によってゲルの変形しやすさがどのように変わるのか実験を行った。また、注入する粘性流体の粘度や密度の温度依存性についても計測を行った。これらの結果は、今後の実験における基礎データとなる。2.変形可能なporous media中を流れるマグマの挙動を模擬するために、1で選定した透明ゲルおよび粘性流体を使用し実験を行った。実験では、ゲル粒子の変形や粘性流体の流れ場を捉えるために、蛍光粒子とレーザーシート光を用いた流れの可視化法を適用した。マグマに模した粘性流体の注入流量を制御するために、本年度購入したローラーポンプを使用した。注入流量、流体の粘度、ゲルの割合に応じて、連続した流れから脈動的な流れまで(浸透流モードからプルームモードまで)、様々な流れ現象を得ることができた。それらの流れの様子を表した相図を作成し、その成果を国内外の学会で発表した。さらに、壁の制約を受けやすいダイクにおけるマグマの流れを理解するために、ゲル粒子に接する壁の境界条件を変えた実験を行った。その結果、固体壁では浸透流モードが起きやすく、変形可能な壁ではゲル粒子層の流動化が起こりやすくなった。特に後者では、特徴的な振動を起こす脈動流れが得られた。本年度の研究実施計画に基づき、3次元水槽を用いたプルーム実験を行った。前年度の調査から、実験に適したゲル(透明度が高く、作成が容易)を用い、変形可能なporous media中のプルームの振る舞いを理解するための実験を行った。実験では、流れを駆動するために、(1)密度の異なる粘性流体の一定流量注入、(2)水槽の底に取り付けた局所熱源による加熱、の2つの方法を行った。前者においては、「マグマだまり」の形成やダイクのようなクラック形成が観られ、より現実的な現象を得ることができた。また、後者の実験では、初期の浸透流からチャネリングの形成、そして流動化による全層対流に至る時間発展の流れ現象が得られた。全層対流においては、流れは非定常であり、自発的な脈動現象が得られた。こうした特徴的な流動現象について、国内外の学会で発表(伝熱シンポジウム,AGU2014など)するとともに、非ニュートン流体のレオロジーやプルームに関する一流の専門家との議論(スイス・ETH、フランス・パリ南大学)を積極的に行い、現象の理解を深めた。また同時に、気泡および固体粒子の割合が多い場合における流体のレオロジー計測に関する実験結果をまとめ、その成果をFlow Measurement and Instrumentationに発表した。さらに、混相流のレオロジー計測手法として、超音波流速分布計(UVP)を用いた新しい回転レオメータ(実効粘度計測法)を提案した(Experiments in Fluids)。本年度は、前年度の可視化実験を引き続き試みた。これまで使用していた高分子ゲルでは粒子サイズが大きかったため、レオロジー計測に支障があった。これを克服するため、吸水性高分子ポリマーを破砕・微細化処理し、実験に使用した。これにより、高分子ゲルのレオロジー特性(shear thinning性、yield stress、粘弾性特性など)を明らかにした。また、昨年度は、気泡が混入することで流れの可視化を妨げていたが、先の高分子微細化処理と吸水方法の工夫によって、克服することができた。さらに、高分子ゲルの流動特性が明らかになることで、可視化実験で得られた様々な現象(プルーム頭部の異常成長や自発的間欠流れの形成など)の理解を深めることができた。また、シルやダイクなどを想定した2次元性の水槽実験や壁の効果を調査した実験なども行った。これらの成果を、EGU2015,AJK2015,PRTEC2016などの国際会議で積極的に公表してきた。

平成26年度の研究実施計画では、(1)ノズルからの粘性流体の注入と(2)水槽の底に取り付けた局所熱源(ヒーター)による加熱によってプルームを生成する実験が予定されていたが、それらはほぼ実施された。前年までは、粒径の大きなゲル粒子を用いていたが、本年は、これらを破砕した小さなゲル粒子を用いた実験を行った。そのため、マグマだまりやクラックなどのより現実的な現象を得ることができた。これらの興味深い成果は、国際会議などで発表されるとともに、日本機械学会・熱工学部門主催の熱工学プレコンファレンスの講師として招待され、本研究に関する成果を発表し、好評を得た。一方で、流れの可視化計測については、当初予想した成果が得られず、定量的なデータを得ることができなかった。その大きな理由は、ゲルの破砕によって微粒化した際に、ゲル粒子層に多数の気泡が取り込まれることによって、レーザー光が固液界面で散乱されるため、ゲル粒子層の内部がほとんど何も見えない状態となってしまったからである。そこで、小さな水槽で実験を行う、あるいは、真空ポンプを事前に使用するなどして脱気を試みたが、なかなか上手くいかなかった。また前者の場合、壁の影響が大きくなるために、実験結果の解釈を困難にした。一方で、混相流のレオロジー計測に関する研究では、2本の論文が査読付き国際誌に掲載されるなど、大きな成果があった。固体地球物理学平成27年度は、前年度の可視化実験を引き続き試みる。特に、可視化の妨げとなる気泡の除去を工夫する。また、3次元水槽を用いた実験の他、同心2重円筒水槽を用いた実験を行う。この実験によって、水平方向が周期境界条件となり、水平方向の壁の影響がない場合におけるプルームの発生波長が得られる。また本年度は、変形可能なporous mediaを用いた上部冷却・下部加熱のレイリーベナール対流実験を行い、流れの局在化(チャネリング)やジャミング、振動現象について調べる。さらに、本年が最終年度であるため、国際誌への投稿や国際会議での講演を意識し、これまでに得られたプルーム実験の成果を積極的に発表する。一方、レオロジー研究に関しても、スイス・ETHあるいはフランス・パリ南大学の研究者を訪ね、彼らとの議論を通して、研究内容をさらに充実・発展させていく。平成25年度の研究実施計画では、1.実験で使用する粘性流体と透明ゲルの選定およびそれらについてのレオロジー計測、2.ゲルビーズ中を運動するプルームの挙動に関する可視化実験を主に行う予定であったが、これらはほぼ実施された。レオロジー測定については、東京大学地震研究所のレオメータを使用することで、使用流体の基本物性を取得することができた。ゲルを用いた流動化実験(プルーム実験)では、当初、圧力センサ等を用いた実験を行う予定であったが、確実な成果を得るために必要な防水性を持つ小型圧力センサが入手できなかったため、本年度の実験は見送らざるを得なかった。しかしながら、蛍光粒子やレーザー光を用いた流れの可視化技術を駆使することで、ゲル粒子層中の流れの脈動性を十分捉えることができた。今年度得られた実験成果については、国内外の学会で発表を行なっている。
精子幹細胞の階層性を制御する分子機構の解明

精子幹細胞集団は、機能的に異なる二つの集団より構成されており、これらの集団は階層を形成している。この階層性を制御する分子基盤を解明するために、二つの集団を含む細胞分画で特異性を示す遺伝子を明らかにした。スクリーニングを行い、候補となる遺伝子を選定し、機能解析を行った。その結果、解析した遺伝子の一つは、培養精子幹細胞では未分化性を促進したが、条件的遺伝子破壊マウスを用いた解析では、少なくとも著明な表現系は見られなかった。候補遺伝子の機能を明らかにするために、さらなる詳細な解析が必要であると考えている。精子幹細胞には、実際に正常な状態で幹細胞として振る舞う分画(ASC)と、通常ならば分化するが傷害を受けた時に幹細胞能を発揮する分画(PSC)が存在する。ASCからPSCは生み出されることから、精子幹細胞には階層性が存在することが示されている。本研究は、精子幹細胞の階層性を制御する分子機構を明らかにすることを目的とした。1精子幹細胞の亜集団の分取する実験系と候補遺伝子の探索フローサイトメトリーとE-cadherinおよびc-Kitに対する抗体を用いて、精子幹細胞を高度に濃縮する実験系を立ち上げた。この方法では現在のところ精子幹細胞の活性を含む最小の集団である、未分化型精原細胞と呼ばれている集団を分取できる。これらの抗体に加え、さらに表面マーカーに対する抗体を組み合わせることで、未分化型精原細胞をさらに分けることができた。それらの細胞分画を分取し、あらかじめ内在性の生殖細胞を除いた精巣に移植した。その結果、精子幹細胞の活性が高い分画と、比較的低い分画に分けることができた。また、qRT-PCRにて精子形成に関わる既知の遺伝子を比較したところ、幹細胞活性の高い分画には、幹細胞維持に関わる遺伝子が高発現していた。一方、幹細胞活性の低い分画には、分化に関わる遺伝子が低レベルであるものの発現していた。これらの分画を用いて、階層性を制御する候補遺伝子を探索し、その結果、複数の候補となる遺伝子を見出した。2精子幹細胞の培養系を用いた、候補遺伝子の機能解析精子幹細胞へ遺伝子導入する方法を検討したところ、レンチウイルスベクターを用いた実験系が、細胞へのダメージが少なく、安定して導入できることがわかった。そこで、機能を解析するために、候補遺伝子を発現させるレンチウイルスベクターを作成した。1)精子幹細胞の亜集団の分取する実験系と候補遺伝子の探索これまでの研究で、精子幹細胞を高度に濃縮する方法を作成し、それを用いて精子幹細胞に特異的に発現する遺伝子の候補を、トランスクリプトーム解析を行い、明らかにした。この候補遺伝子のFloxマウスを作成するために、相同組み換え法を用いたBAC改変技術を導入し、コンストラクションを行った。作成したコンストラクトを用いてFloxアリルを持つES細胞を作成した。このES細胞を用いてFloxマウスを作成した。Floxアリルが、次の世代に受け渡されることを確認した。現在、Creリコンビナーゼを発現するトランスジェニックマウスと掛け合わせ、生殖細胞での機能を検討中である。2)精子幹細胞の培養系を用いた、候補遺伝子の機能解析候補遺伝子の機能を検討するために、培養精子幹細胞に候補遺伝子を強制発現した。その結果、生殖細胞の分化に必須な遺伝子の発現が抑制されることを見出した。一方、siRNAを用いて候補遺伝子の機能抑制を試みたが、十分に遺伝子の発現を抑制できなかった。今後候補遺伝子を条件的に欠損できる培養精子幹細胞株を作成し、検討する。1)精子幹細胞の培養系を用いた、候補遺伝子の機能解析従来使用してきたレンチウイルスベクターを用いた精子幹細胞への遺伝子導入を用いず、リポフェクションにて簡便に遺伝子導入できる実験系を作成した。レンチウイルスを使用した場合より導入効率が低いものの、遺伝子導入後に選択を行うことで、トランスフェクションされた細胞だけ回収できた。この実験系を使用し、階層性を制御する候補遺伝子の機能解析を行った。その結果、精子幹細胞維持に必須のGFRa1の発現を上方調節することを見出した。また反対にRargやSox3といった分化に重要な役割をする遺伝子の発現を下方調節することを見出した。2)生理的条件下での候補遺伝子の機能解析候補遺伝子を破壊したマウスは、生後間もなく死亡する。そこで候補遺伝子の生体内での機能を解明するために、条件的遺伝子破壊マウスを作成した。このマウスは生殖細胞特異的にタモキシフェン作動性Creリコンビナーゼを発現しているので、他の組織では遺伝子破壊が引き起こされない。このマウスを用いて、正常生体内での候補遺伝子の機能を検討した。現在も解析を継続中である。

精子幹細胞の階層性を制御する遺伝子の候補が同定し、その条件的遺伝子欠損マウスを作成し、解析を進めているため。精子幹細胞には、実際に正常な状態で幹細胞として振る舞う細胞(ASC)と、通常ならば分化するが障害を受けた時に幹細胞能を発揮する細胞(PSC)が存在する。ASCからPSCは生み出されることから、精子幹細胞には階層性があることが示されている。本研究は、精子幹細胞の階層性を制御する分子機構を明らかにすることを目的とした。前年度までにマイクロアレイによるスクリーニングと精子幹細胞の培養系によるさらなる絞り込みにより、二つの候補遺伝子を見出した。これらの遺伝子は、精子幹細胞維持に必須のGDNFシグナルの下流で働くことを明らかにした。また、候補遺伝子の一つを、培養精子幹細胞に強制発現させると、ASCに発現するGFRa1遺伝子の発現を上昇させることを明らかにした。さらに、この候補遺伝子は、もう一つの候補遺伝子の発現を劇的に上昇させることから、これら候補遺伝子の間で、発現が制御されると考えられる。次に、候補遺伝子の一つを条件的に破壊できるfloxマウスを作成し、生殖細胞特異的に破壊した。現在のところ、2から3ヶ月齢の成体マウスでは、精子形成に目立った表現系は見られない。今後、2年を超える老齢マウスでの解析を行う。また、生殖細胞に傷害を与え、その後の回復期の解析を行う。もう一つの遺伝子に関しても生体内での遺伝子破壊を行い、解析中である。こちらも2から3ヶ月齢の成体マウスでは目立った表現系は見られないので、老齢マウスでの解析や傷害後の回復期の解析を行う。また、候補遺伝子のプロモーターを利用し、細胞系譜解析を行った。その結果、精子幹細胞が高効率で標識され、精子幹細胞の階層をより詳細にすることができた。この成果をまとめた論文を現在執筆中である。当初の目的としていた遺伝子の候補を同定、培養細胞を用いた機能解析は終了したが、精巣特異的に遺伝子を破壊したマウスの解析が一部終了していない。具体的には、老齢マウスや再生時での解析がまだ完了しておらず、論文執筆までには至っていない。これまで、マイクロアレイによるスクリーニングを行い多数の候補遺伝子を見出し、さらに培養細胞を用いた絞り込みを行い、二つの候補遺伝子を見出した。一つ目の候補遺伝子の機能を検討するために、次の二つの実験を行った。floxマウスから培養精子幹細胞株を樹立し、その後Creリコンビナーゼを細胞に発現させ候補遺伝子を破壊した。その結果、培養細胞の維持には必須ではないことがわかった。次にトランスクリプトーム解析を行ったところ、特定の未分化性に関与する遺伝子の低下が見られた。
複合変形経路における異方性鋼管の成形限界予測手法の確立と実験検証

大ひずみ二軸応力下における金属素板の弾塑性変形挙動を除荷を伴わずに測定することができる軸力-内圧型サーボ制御二軸応力試験機を開発した.金属板材を型曲げ加工した後,板縁を溶接した円管を試験片として用いた.この試験機を用いて,線形および複合二軸応力径路下における冷延IF鋼板および高強度温間縮径鋼管の弾塑性変形挙動および成形限界ひずみおよび成形限界応力の測定に成功した.さらに,これらの測定結果は,Marciniak-Kuczynskiモデルによるひずみ局所化解析による計算値と定性的に一致した.大ひずみ二軸応力下における金属素板の弾塑性変形挙動を除荷を伴わずに測定することができる軸力-内圧型サーボ制御二軸応力試験機を開発した.金属板材を型曲げ加工した後,板縁を溶接した円管を試験片として用いた.この試験機を用いて,線形および複合二軸応力径路下における冷延IF鋼板および高強度温間縮径鋼管の弾塑性変形挙動および成形限界ひずみおよび成形限界応力の測定に成功した.さらに,これらの測定結果は,Marciniak-Kuczynskiモデルによるひずみ局所化解析による計算値と定性的に一致した.管材から3次元形状中空部品を成形する「チューブハイドロフォーミング」は,輸送機器の軽量化に有効であり,地球環境保全に大きく貢献する技術である(車体重量の10%軽量化により燃費は10%向上する).しかし,材料の変形経路が複雑に変化することから破断(成形限界)の予測が難しく,技術の普及を妨げている.また材料の塑性異方性と成形限界の関係解明が熱望されているが,実験技術上の困難さから,いまだに明解な結論が得られていない.そこで本研究では,除荷を含まない複合変形経路下における異方性管材の破断予測手法の確立を目的とする.(1)本年度は,既設のサーボ制御二軸応力試験機の本体を改造し,変形初期から破断に至るまでの応力-ひずみ曲線を,連続して計測できるように,変位計を用いた管材の大変形用ひずみ計測器を設計製作した.(2)鉄鋼メーカから提供いただいた溶接鋼管を内径研削し,次にその内面を基準にして外径を切削加工することにより,肉厚のばらつきを±0.5%未満に抑えた,高精度な鋼管を外注により製作した.(3)いくつかの複合応力経路を鋼管に負荷する実験を行い,破断まで連続して応力-ひずみ曲線を測定することに成功した.従って,今年度製作した大変形用ひずみ計の設計は基本手に成功したと言える.しかしながら,破断が変位計の直下もしくは近傍で発生した場合,破断した管壁が変位計を強打し,変位計が破損する事態が幾度となく発生した.(4)そこで来年度は,変位計をさらに改造して,破損を防止する手段を考案する予定である.本研究は,任意の応力/ひずみ経路のもとで,円管材が破断するまで,連続して応力-ひずみ曲線を測定することができるサーボ制御2軸応力試験機を開発することを目的とする.円周方向ひずみの測定方法は,試験片の長手方向の中心位置において,3本の変位計(d_1,d_2,d_3)を円周方向に120°ごとに配置し,それらの変位量の平均値dから円管外径を算定して,円周方向ひずみを算定した.管軸方向のバルジ曲率半径の測定方法は,試験片の中心軸を通る平面上に13mm間隔で3本の変位計(s_1,d_2,s_2)を配置し,両端の変位計(s_1,s_2)の変位量の平均値sとdの差からR_φを算定した.軸方向ひずみε_φの測定には,塑性域ゲージ(東京測器研究所製YFLA-2)を使用した(現在,大変形にも対応できるひずみ計を開発中である).管が軸対称的にバルジ変形しかつ軸方向に左右対称に変形すると仮定し,直径D,円周方向ひずみε_θおよび軸方向曲率半径R_φを算定した.供試材として,板厚0.5mmの純チタン(JIS1種)板を巻いて製作された外径62.5mmの円管試験片を使用した.円管試験片の円周方向が素板の圧延方向および圧延直角方向に一致するように,2種類の円管試験片を製作した.実験は全て円周方向を最大主応力方向にして行った.本研究の結果,以下の知見を得た.1.任意の線形応力/ひずみ経路のもとで,円管材が破断するまで,連続して応力-ひずみ曲線を測定することができるサーボ制御2軸応力試験機の開発に成功した.このような性能を有する板材用材料試験機は世界初である.2.1の試験機を用いて純チタン板の大ひずみ域における異方硬化挙動を世界で始めて実測することに成功した.3.本研究により,板材の任意の線形応力/ひずみ経路における塑性変形挙動を実測することが出来る,実験塑性力学の研究基盤を構築することに成功した.4.大変形用管軸方向伸び計の開発が今後の課題である.本研究は,任意の応力/ひずみ経路のもとで,円管材が破断するまで,連続して応力-ひずみ曲線を測定することができるサーボ制御2軸応力試験機を開発することを目的とする.