hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
生命分子の動的秩序形成におけるミクロ‐マクロ相関の探査と設計原理の探求

生命現象の特質は、タンパク質や糖鎖をはじめとするシステムを構成する多数の分子素子がダイナミックな離合集散を通じて秩序構造を形成し、外的環境との相互作用を行いつつ、自律的に時間発展していくことにある。生命分子素子が自律的に柔軟かつロバストな高次秩序系を創発する仕組みを理解することは、生命科学の重要な課題である。我々は、多面的かつ統合的なアプローチを展開し、生命分子集団の原子レベルでのミクロな振る舞いが、一定の秩序のもとに自己組織化して細胞の活動を制御し、高次生体機能を発動する仕組みを理解することができた。初年度は、以下の2つの生命分子システムを対象として、本研究の基盤となる方法論を整備することに注力した。(1)細胞内のタンパク質分解装置であるプロテアソームのアッセンブリーと機能発現に関わる生命分子システム生命分子素子の動的秩序形成におけるミクロ-マクロ相関を探査するために安定同位体標識を利用したNMRと中性子小角散乱の融合研究を実施した。具体的には、古細菌由来のプロテアソーム活性化因子PbaBのホモ4量体に重水素標識を施し、それに捕捉されたモデル基質αシヌクレインの構造を逆コントラストマッチング中性子小角散乱法により選択的に観測することに成功した。一方、15N標識を施したαシヌクレインを用いて、PbaBホモ4量体と複合体形成に関わる部位のミクロ環境に関する情報を取得した。さらに、プロテアソームの分子集合に関わるアッセンブリーシャペロンNas2を対象にNMR解析とX線結晶構造解析の融合研究を展開し、本シャペロンの作動機構を解明することに成功した。(2)細胞内および細胞表層における糖鎖認識に関わる生命分子システム様々な時空間スケールにおける生命分子集合系のダイナミクスを原子レベルで解明するために、NMR観測を通じて得られる実験データを分子動力学(MD)シミュレーションと統合的に解析することによって、多分岐糖鎖の立体構造ダイナミクスを探査するためのアプローチ法を開拓した。安定同位体標識とランタニドイオン導入を利用して観測した常磁性効果に基づく糖鎖のNMRスペクトル変化を、拡張アンサンブル法を用いたMD計算から導かれる結果と比較することを通じて、糖鎖の3次元構造動態を定量的に評価することを可能とした。また、糖タンパク質の細胞内輸送装置を構成するレクチンを対象とした構造解析により、その糖鎖認識のダイナミクスを原子分解能で明らかにすることにも成功した。1.細胞内のタンパク質分解装置であるプロテアソームのアッセンブリーと機能発現に関わる生命分子システム:平成26年度では、プロテアソームの集合シャペロンであるPba3-Pba4ヘテロ2量体が、サブユニットの適切な配置を定める`molecular matchmaker'として機能していることを明らかにした。また、古細菌が持つプロテアソーム集合シャペロンのホモログPbaAの結晶構造を決定し、本タンパク質がホモ5量体構造を形成していることを示した。2.タンパク質の運命決定に関わる分子集団の協奏的機能発現メカニズム:立体構造形成の不完全な糖タンパク質を認識する糖転移酵素UGGTの基質認識ドメインの一部に関して、3次元構造情報を得ることに初めて成功した。また、タンパク質の正しいジスルフィド結合形成を促してフォールディングを助ける酵素PDIの基質認識部位の構造変化を探査した。さらに、前年度までに開発した糖鎖の動的3次元構造解析手法を、糖タンパク質の細胞内運命の決定に関わる高マンノース型糖鎖および細胞表層でアミロイドβ(Aβ)のアッセンブリーを促すガングリオシドGM1の糖鎖の解析に応用した。その結果、高マンノース型糖鎖が末端の糖残基の除去に伴ってコンフォメーション空間を有意に広げる様子や、これらの糖鎖の分子認識に際して多様な構造アンサンブルの中の特定のコンフォマーが選ばれることを明らかにすることができた。3.膜系における糖脂質クラスターの動態:膜系における動的秩序システムの精密解析を実施するための適切なモデル系を構築するため、人工的に分子設計した機能性ネオ糖脂質を化学合成することに成功するとともに、安定同位体標識を施した糖脂質の調製法を確立し、固体NMR法による精密解析を実現する基盤を整えた。また、生体分子を磁場配向させ精密NMR解析を可能にする超分子を作出した。1.細胞内における糖タンパク質の運命決定のダイナミクス:糖タンパク質を分解へと促す酵素グルコシダーゼIIに関して3次元構造情報を得ることに成功し、分子運命決定に関わる構造基盤を求めることができた。また、小胞体内で糖タンパク質のフォールディング状態が不全なタンパク質の存在を感知してそれにシャペロンが認識する目印(糖鎖非還元末端のグルコース残基)を付ける酵素であるUGGTを活用して、安定同位体標識を施したシャペロン認識糖鎖を作出する方法論を開発し、詳細なNMR構造解析を行う道筋をつけた。さらに、小胞体フォールディング補助酵素プロテインジスルフィドイソメラーゼが活性部位の酸化還元状態の変化に応じて基質認識ドメインの空間配置を変化させるメカニズムを明らかにするとともに、本酵素の基質認識様式の構造基盤を初めて明らかにすることに成功した。2.タンパク質の分子集合過程の解明と人工系への応用:非共有結合を保持した状態での質量分析法をはじめとする生化学的分析手段を駆使することにより、多数のサブユニットから構成されるタンパク質分解装置プロテアソームの形成過程は、非天然型のサブユニット集合体(α7サブユニットのみから形成される14量体)の生成と、これが他のサブユニットとの相互作用を通じて崩壊するスクラップ・アンド・ビルドの過程を含み得ることを示した。また、小胞輸送に関わるカーゴ受容体の酵母ホモログがpHに依存して離合集散する仕組みを明らかにすることができた。

3.糖脂質クラスターの設計・創生と構造・機能解析:生体分子と人工超分子のハイブリッドによるサイボーグ超分子を創生し、アルツハイマー病の発症にかかわるアミロイドβタンパク質と糖鎖クラスターとの相互作用解析に応用した。また、固体NMR分光法を利用することによりアミロイドβタンパク質の膜存在下での集合中間体の構造解析を行った。抗体のFc領域のNMRスペクトルの帰属を公開して医薬産業界からのニーズに応えるとともに、特定のアミノ酸側鎖に着目することでFc受容体との結合の強さを向上させることに成功した。また、ヒト免疫不全ウイルス逆転写酵素と一連の阻害剤との相互作用をNMRを用いて解析し、それらの阻害活性と阻害剤結合状態の酵素の化学シフトの相関関係を明らかにするなど、医学・薬学分野においても重要な知見をもたらすことができた。1.タンパク質の分子集合過程の解明と人工系への応用:X線結晶構造情報に基づいて、古細菌のプロテアソーム集合シャペロンのホモログタンパク質の改変体を作製し、溶液散乱、高速AFM、および生化学実験を用いてその構造機能解析を実施した。その結果、高次構造情報に基づく分子設計・改変を通じて、本タンパク質に新たにプロテアソーム結合能を賦与することに成功した。また、ヒトプロテアソーム複合体の動的秩序形成機構の解明に向けて、電子顕微鏡解析および非共有結合を保持した状態での質量分析法を実施した。α7サブユニットを起点として異なるαサブユニットを混合した際のαリング形成中間体の同定を行い、これらの形成中間体は14量体構造を有することを示唆するに至った。2.機能性糖鎖を組み込んだ人工クラスター設計創生:これまで設計してきた生体分子と人工超分子をハイブリッドさせた超分子をさらに進化させ、外部環境に応答して離合集散過程を行うサイボーグ超分子を創生した。設計したサイボーグ超分子の構造と物性を明らかにするため、NMR分光法や動的光散乱を組み合わせた計測を実施し、外部環境に応じた離合集散の過程においては糖鎖ー糖鎖間の分子認識が重要な役割を担うことを明らかとした。さらに、機能性糖鎖の分子認識についての理解を深めるため、これまで開発してきた糖鎖の動的構造研究手法を適用し、糖鎖-タンパク質間の分子認識についてNMR分光法とMDシミュレーションを組み合わせた解析に取り組んだ。糖鎖-タンパク質間の相互作用においては標的タンパク質に応じて、糖鎖が配座選択および誘導適合を通じて分子認識を実現し得ることを示した。研究実績概要に記載の成果に加えて、重水素標識を利用した中性子散乱実験を非変性質量分析と組み合わせることにより、ヒト水晶体の分子シャペロンであるαB-クリスタリンの会合体の4次構造ダイナミクス、およびシアノバクテリアの時計タンパク質複合体形成の協同性とサブユニット空間配置に関する情報を得ることに成功した。さらに、自己増殖する油滴システムを作成し、この油滴を足場として容易にベシクルへと変換する系を構築することにも成功した。
脊髄損傷後の感覚神経線維再生促進の新しい試み

脊髄損傷後の運動神経ニューロン、感覚神経ニューロンの生死、再生について調べることを目的とし、ゼブラフィッシュの脊髄切断モデルを作製し、経過観察を行った。まず運動神経系に関しては、脳内の上位運動神経は損傷後も生存し、2ー3ヵ月で再生軸索を下位脊髄に伸長することが分かった。また、下位脊髄内の運動神経は、中心管近くの上衣細胞から分化されることが分かった。その際、Sox2の発現が早期に上昇することが証明された。感覚神経系については切断後6週までの観察であるが、死滅せず生存することは判明したが、軸索が上位脊髄を再伸長する証拠は得られなかった。サカナの脊髄は損傷を受けても再生することが知られているが、その分子機構や運動神経,感覚神経に区分して詳細に検討した報告は皆無である。そこで、我々はゼブラフィッシュの脊髄を完全に切断する損傷モデルを作製し、運動神経と感覚神経に区別して生存シグナルや行動学的再生のタイムスケジュールを決定することを実行した。平成25年度の実績は以下に要約される。まず、運動神経系については、脳幹中の上位運動神経と脊髄にある下位運動神経に区分した。上位運動神経は脳幹NMLFやIMRFに存在し、脊髄切断部位からのニューロトレーサーにより容易にマーキングできた。数としては各核中に4050個の上位運動ニューロンが確認された。また、下位運動ニューロンはマーカーHC5抗体陽性として脊髄前根に確認できた。脊髄切断後の運動ニューロンの応答として、上位運動ニューロンでは切断後IGF-1(インシュリン様成長因子-1)が上昇し、その後p-Akt(抗アポトーシス分子)やS6蛋白の活性化が見られた。上位運動ニューロンでは細胞体がそのまま生存し、IGF-1, PI3K, mTOR系シグナルの活性化により、生存軸索再伸長を起こしているものと示唆された。脊髄内の神経の切断の変化として、中心管周囲に切断後急激にsox2陽性の幹細胞様前駆細胞が出現することが判明した。この前駆細胞からの前根運動ニューロンへの分化移動について検討を加えているところである。次に、感覚神経については、脊髄切断部位の下位において、トレーサー陽性となる神経細胞体がDRGと脊髄に見られた。ただし、脊髄中にある感覚性投射ニューロンの数は、脊髄切片の34枚に12個と極めて少なかった。DRGの逆行性トレーサー陽性細胞は、各DRGに45個確実に認められた。しかしながら、脊髄切断後IGF-1/PI3K/mTOR系の活性化は感覚神経細胞では認められなかった。i)運動神経系についての実験再生可能な運動神経系について、脊髄中に神経生存、増殖、再生する神経が存在するか否かを検索した。その結果、中心管の近傍にある上衣細胞に脊髄損傷後速やかに幹細胞マーカーSox2の発現が上昇する一群の細胞を見つけた。この細胞は、増殖因子PCNAが陽性であり、かつその増殖をSox2が制御していることが分かった。ii)感覚神経系についての実験後根神経節(DRG)中の感覚神経に、脊髄損傷後直ちに切断部位にトレーサーを注入しDRG中のトレーサー陽性の感覚神経を算出したところ、その数は一週後も変化しなかった。この時の細胞死について調べたところ、TUNEL染色陽性の細胞死は観察されず、感覚神経は損傷後も死滅しないことが判明した。また細胞生存に関与するBCl-2陽性細胞は確認できたが、IGF-1陽性は確認できなかった。最後に再生繊維を確認するために、脊髄を下位側で切断(第1回目)し、68週後、さらに上位脊髄を切断(第2回目)してトレーサー注入し、DRG中の感覚神経が染まるかどうかを見た所、トレーサーによって染まる神経繊維は確認できなかった。このことは少なくとも、68週後においては切断された感覚神経線維が上向きに再生していないことを意味する。以上から、サカナの感覚神経は脊髄損傷後死滅せず生存するが、生存因子や軸索伸長因子の発現は起こらない。つまり生存するが再生出来ない状態にあることがわかった。今後再生を促すためには、人為的に生存を促進し、軸索伸長因子を細胞内に誘導する実験系の組み立てが必要であると考えられた。神経化学運動神経系においては、上位運動ニューロンはPI3K/Aktの生存シグナルの活性化により、脊髄切断後も生存し続け、更に軸索も再伸長することが分かった。また、PI3K/Aktの上流シグナルとしてはIGF-1の、下流シグナルとしてはmTOR系のS6蛋白の活性化が見られた。また、下位運動ニューロンでは、生存シグナルよりは、中心管周囲に神経前駆細胞(sox2陽性,PCNA陽性)が背髄損傷後速やかに出現することより、新たな幹細胞からの分化,再生が強く示唆された。

また、脳幹の上位運動ニューロンの培養系も何とか確立でき今後in vitro系の実験を計画中である。一方、感覚神経細胞については、脊髄切断後もトレーサー陽性細胞が存在することより、感覚細胞も長期生存することが証明された。しかしながら、IGF-1の活性化は見られず、それ以外のシグナル系路について現在検討中である。行動再生の評価システムとして、遊泳軌跡を3次元に捉えるコンピューター画像処理装置は完成しており、この装置に種々の電気的刺激や感覚刺激装置を組み込み、脊髄損傷後のサカナの行動を精査することで、運動神経系と感覚神経系とを区別して評価する。上位運動神経系に関しては、サカナ脳幹をあらかじめ脊髄切断後のニューロトレーサーにより上行性神経細胞を標識し、脳幹神経細胞の分離培養を行い、トレーサー陽性細胞の生存と軸策伸長についてIGF-1→p-Akt→S6蛋白系のgain of functionとloss of functionの実験を実施し。再生の分子機構を明らかにする。下位運動ニューロンについては、中心管周囲の前駆細胞からの分化,移動について成熟運動神経マーカーHC5を用いて継続的に精査し、本仮説(前駆細胞からの分化再生説)を確認したい。感覚神経細胞については、引き続き生存シグナルの検索、IGF-1やsox2等の関与を切断後から細かく精査する。更にアポトーシスシグナルBaxやカスペース3等の活性化やTUNEL法等を駆使し、運動神経と感覚神経の差異について詳細に検討する。また、脊髄内の感覚神経細胞をトレーサーラベルした後、培養系に移し、単離細胞レベルで実施する。更に種々の再生分子を遺伝子導入し、感覚神経細胞の生存,軸索伸長を促進させ、感覚神経の再生ポテンシャルを確認する。行動実験より、運動神経,感覚神経再生の評価について、切断後からのタイムスケジュールを追跡確認する。特に種々の刺激からの逃避行動を目安として、遊泳軌跡を比較する。次年度に繰り越した額は約40万円である。これは、ゼブラフィッシュ脳幹の単離培養技術を確立することに時間を要し、本格的な培養実験のための特殊試薬や抗体類の購入を断念したことによる。更に、脊髄内の感覚神経細胞の数が少なくその確認のため時間を要したことによる。次年度はこの2点が解決できたため各種特殊対策,インヒビター,抗体類,siRNAのためのオリゴヌクレオチドの購入を予定している。
進化型プログラム自動生成法とその自律移動ロボットへの応用

本研究では,独自の進化計算法を用いてプログラムの構成要素を適切に組み替えることによって必要とされるコンピュータプログラムを自動構築する手法を開発した.また,本手法を自律移動ロボットの行動決定,特に画像処理・認識、障害物回避行動と異常検知などへ適用する実験を行なってその有効性を検証した.その結果,本手法が複雑な処理を表現するプログラムを適切に自動構築することができることを確認した.本研究では,独自の進化計算法を用いてプログラムの構成要素を適切に組み替えることによって必要とされるコンピュータプログラムを自動構築する手法を開発した.また,本手法を自律移動ロボットの行動決定,特に画像処理・認識、障害物回避行動と異常検知などへ適用する実験を行なってその有効性を検証した.その結果,本手法が複雑な処理を表現するプログラムを適切に自動構築することができることを確認した.本研究では,学習データからプログラムを自動生成することができる次世代の進化計算法(進化的プログラム自動生成法)を開発し,それらを自律移動ロボットの行動決定(経路決定・アクションの自動選択など)並びに自律移動ロボットを用いたセキュリティシステムの無人化・自動化に応用することを目的として研究を遂行している.本年度は,主として実験環境の整備と進化的プログラム自動生成法の計算機シミュレーションを用いた有効性の検証を行なった.実験環境として,当初は自律移動ロボット本体の購入を予定していたが,製造元の開発が遅れたため本体は現有のものを用いることとし,それに取り付けるロボットマニピュレータ,赤外線距離測定カメラ,制御用コンピュータなどを購入して実験環境を整備した.また,進化的プログラム自動生成法GRAPE及び,FF-GIN,RFCN,予測強化学習などの方式を開発して計算機実験を行なった.特にGRAPEは任意の制御プログラムを自動生成することができる汎用性の高い進化計算法である.その結果,GRAPE,FF-GIN,RFCN,予測強化学習を用いることで,ロボットの自律移動制御,行動選択プログラムの自動生成を良好に行なうことができることを確認し,国際会議を含む何件かの学会でその成果を発表した.本研究は順調に進行中であり,最終年度である平成20年度はこれらの手法を実機のロボット制御に適用して有効性を検証する予定である.具体的には,障害物回避,カメラによるアクティブセンシング,通常とは異なる状態であるノベルティの自動検出など,セキュリティ分野で必要となる問題を扱う.本研究では,学習データからプログラムを自動生成することができる次世代の進化計算法(進化型プログラム自動生成法)を開発し,それを自律移動ロボットの行動決定(ルートの自動決定・アクションの自動選択など),並びに自律移動ロボットを用いたセキュリティシステムの無人化・自動化に適用する研究を行なった.進化型プログラム自動生成法では,研究代表者らが開発済みの進化計算法GRAPE (GRAph structured Program Evolution)を発展させ,任意のデータ構造に対する処理を行うノードをネットワーク状に組み合わせた強力な進化計算法として完成させた.開発した方式を,画像センサ・距離センサなどのセンサを搭載した車輪型の自律移動ロボットの行動決定プログラムの自動生成に適用することでその有効性を検証した.実験には,自律移動ロボットとして2台の小型移動ロボット(Pioneer 3DX)と,9台の小型移動ロボット(Evolution Robotics ER-1)をそれぞれ用いた.処理内容としては,高度な障害物回避行動,環境に合わせた巡回行動,アクティブセンシングによる人物の認識,ノベルティ(通常とは異なる状況)の自動検出などを扱った.その結果,開発した方式の有効性を確認することができた.従来は,自律移動ロボットのプログラムは人手によって与えるしかなかったが,本研究により,様々な状況・目的に対して柔軟に行動することができるプログラムをロボット自身が機械学習を通して構築することができることを示すことができた.本研究の成果は社会・産業で複雑なプログラムを必要とするあらゆる場面に適用することができ,その波及効果と意義は極めて大きいと考えられる.
個々のデータに依存した問題の複雑さに関する研究

データ依存の問題の複雑さ指標として,Sperner族のデータ依存のVC次元を提案し,超矩形サブクラス問題において,データ依存のVC次元が低いデータに対し,高速に動作するアルゴリズムを開発し,実データを用いて有効性を検証した.また,文字列の連続繰返し構造に対する複雑さの指標として,繰返し表現文字列の最小サイズを提案し,実際に最小繰返し表現文字列を高速に求めるアルゴリズムを開発し,DNAの繰返し構造を分析した.データ依存の問題の複雑さ指標として,Sperner族のデータ依存のVC次元を提案し,超矩形サブクラス問題において,データ依存のVC次元が低いデータに対し,高速に動作するアルゴリズムを開発し,実データを用いて有効性を検証した.また,文字列の連続繰返し構造に対する複雑さの指標として,繰返し表現文字列の最小サイズを提案し,実際に最小繰返し表現文字列を高速に求めるアルゴリズムを開発し,DNAの繰返し構造を分析した.本研究の目的は、問題クラスとしては難しいがデータによっては簡単に解ける問題に対し、データ依存の問題の複雑さの指標を提案し、その指標により単純な問題をより効率的に解くアルゴリズムを考案することである。本年度は、そのような問題の1つである「Sperner族からなる概念クラスに属する概念の列挙」問題において、Sperner族からなる概念クラスCの複雑さの指標として、Cのintersection closureのVC次元を考え、この指標における複雑度が低いデータに対し、既存のアルゴリズムがより速く列挙できることを実験により確認した。この問題は、データマイニングの分野で盛んに研究されている「極大頻出アイテムセット列挙問題」、パターン認識で研究されている「サブクラス問題」をインスタンスとして含む。特に「サブクラス問題」では、属性数が10未満のデータに対してしか超矩形サブクラスの列挙ができていなかったが、「極大頻出アイテムセット列挙問題」のアルゴリズム(IBE,LCMmax)を改造することにより、属性数が10以上のいくつかのデータに対しても(1日以内で)列挙可能となった。列挙されたサブクラスを識別やルール表現として使う場合、すべてのものを使うより、より少ない代表的なものを使う方が有効である場合が多い。そこで、与えられた正例集合の、サブクラスによる貪欲被覆を求める問題を応用として考え、列挙よりも効率的に行えるアルゴリズムを開発した。またこの方法により、簡潔なDNF(Disjunctive Normal Form)表現のルールが得られ、データマイニングにおいても有効であることが確かめられた。本研究の目的は、問題クラスとしては難しいがデータによっては簡単に解ける問題に対し、データ依存の問題の複雑さの指標を提案し、その指標により単純な問題をより効率的に解くアルゴリズムを考案することである。本年度は、「シーケンスデータに関する問題のデータ依存の複雑さ」の研究を重点的に行った。1つの文字列内には複数の連続的な繰り返しが存在する。DNAシーケンスなどに存在するそのような連続的な繰り返しはタンデムリピートと呼ばれ、遺伝的疾患に関係があることが知られている。1つの文字列の中に繰り返しは多く存在し、それらは互いに重なっていたり入れ子になっていたりする。入れ子になっているか、互いに重なっていない複数のタンデムリピートは、1つの「繰返し表現文字列」として表現できる。どのタンデムリピートを表現するかにより、同じ文字列が複数の(サイズの異なる)繰返し表現文字列で表現できる。その最小サイズを、その文字列の繰返し構造の複雑さを表す指標として提案した。この指標において複雑度の低い文字列は、連続する繰返し構造という観点において、規則正しいことを意味する。我々は、与えられた文字列に対する最小繰返し表現文字列を求める効率的なアルゴリズムを考案し、実際の複数の生物種のDNAシーケンスの繰返し構造の複雑度を計算した。その結果、元々の文字列長で正規化した複雑度には生物種に固有の値があり、またタンデムリピートの密度が同じでも正規化複雑度が異なる生物種が存在することがわかった。本年度も昨年度に引き続き、「シーケンスデータに関する問題のデータ依存の複雑さ」の研究を重点的に行った。ただし、今年度は昨年度と異なり、1つの文字列内に散在する繰り返し構造に着目した。DNAシーケンスなどに散在する繰り返しはレトロトランスポゾンの転移によりできたものと考えられており、生物の進化と密接な関係がある。散在する繰り返しの近似パターンを列挙する問題のデータ依存の複雑さに関して考察を行った。新たな複雑さ指標による特徴付けはできなかったが、局所最適な出現が頻出する近似パターンの列挙を、ギャップ制約の下で0(n^2)のメモリで列挙するアルゴリズムを開発した。ただし、nはシーケンス全体の長さとする。さらに、実際のヒトゲノムから長さが100以上で5000万塩基あたり100回以上(ギャップ1の制約下で)局所最適出現するパターンの列挙に成功した。また、多次元実数空間上の与えられた正負ラベル付きサンプルに対し、負例を含まない軸に平行な超矩形で囲まれる正例の集合を列挙する問題において、初年度に開発したアルゴリズムを改良し、高速化を実現した。極大頻出アイテムセットを列挙するアルゴリズムLCMmaxをこの問題用に単純に変換したアルゴリズムより、データによっては10倍程度高速化が実現された。また、このアルゴリズムを利用した超矩形による貪欲被覆アルゴリズムに関しても高速化が実現された。
ボール運動領域・ゴール型、保健領域・運動と健康における縦断的・追跡的研究

平成30年度は、研究課題Iとして、「ボール運動領域・ゴール型」、「保健領域・運動と健康」について、中学年の授業づくりを行った。運動領域では、「ゲットボール」と称する授業の教材開発・授業方略の検討を行い単元計画および略案を作成した。保健領域では、第3学年の「運動、食事、休養及び睡眠」の授業の教材開発・授業方略の検討を行ない、略案を作成した。これによって異なる授業者であっても、ある一定の水準が維持されるようにした。研究課題IIとして、作成した授業に関する縦断的・追跡的研究は、平成28年度の小学校第1学年を基準に先行して行った研究(「体育科ナショナルスタンダード策定のための概念的記述による指導内容可視化の検討」(基盤研究(C)))に引き続いて、第3学年の授業収録を行った。運動領域については、東地区(茨城県龍ケ崎市、埼玉県草加市、千葉県習志野市)、中地区(愛知県阿久比町)、西地区(熊本県菊池市)の小学校に協力を得た。保健領域については、栃木県宇都宮市の小学校に協力を得た。研究課題IIIとして、学習内容の可視化と指導方略及び資質・能力を中心に検討することについては、当該年度の事前研修において授業者等との協議により可視化したものを検討した。また、教材開発・授業方略の検討において、「学習内容ー指導方略(方法+教材)ー資質・能力」の視点で検討を行っている。これらを課題II、課題IIIと関連させて実証的に検証に取り組んでいる。縦断的・継続的研究と併せて可視化した学習内容の適格性と適時性を検討している。運動領域で作成した授業の単元計画・授業方略の一部を月刊誌「女子体育」、「体育科教育」の専門誌で公表している。一つは、「第2学年Eゲーム『たいせんゲットボール』、今関豊一、女子体育、pp6-10、公益財団法人日本女子体育連盟、2012018.Sep」であり、二つは「育成を目指す資質・能力とこれからの学習評価、授業改善の方向性、今関豊一、体育科教育、pp12-15、大修館書店、2018.5」である。運動領域で得られた知見の一部は、平成30年度の第69回日本体育学会(徳島大学)において発表した。また、平成31年度の第70回日本体育学会(慶應義塾大学)において以下の発表をする予定である。「セストボール系のゲーム単元における子供の思考の変容に関する事例的検討-小学校3年生を対象にして-」〇福ヶ迫善彦(流通経済大学)今関豊一(日本体育大学)岡田雄樹(日本福祉大学)平成30年度の課題として、協力の得られた学校および教育委員会等の関係者との共通理解の弱さが挙げられる。これは、人事異動や学級担任の変更に加えて、指導内容や教材・教具の使用、授業展開の仕方が事前研修で十分に伝わっていないことがある。今年度以降は、関係担当者に対する事前研修で、内容の確認はもとより、教師行動等も共通理解を丁寧に行なっていく。当該年度の学年(平成31年度は小学校第4学年)で実施する運動領域「セストボール」、保健領域「体をよりよく発育・発達させるための生活」の授業の単元計画・教材開発を確実に行っていく必要がある。また、次年度(平成32年度の第5学年)で実施する運動領域、保健領域の授業開発も同時並行して進める。これらについては、収録を行う学校以外において、例えば埼玉県さいたま市、千葉県浦安市などの学校に協力を得る予定である。平成29年度は、研究課題Iとして、「ボール運動領域・ゴール型」、「保健領域・運動と健康」について、低学年の授業づくりを行った。低学年の「ボール運動領域・ゴール型」、「保健領域・運動と健康」で、「ゲットボール」と称する授業の教材開発・授業方略の検討を行い単元計画および略案を作成した。研究課題IIとして、作成した授業に関する縦断的・追跡的研究は、平成28年度の小学校第1学年を基準に先行して行った研究(「体育科ナショナルスタンダード策定のための概念的記述による指導内容可視化の検討」(基盤研究(C)))に引き続いて、第2学年の授業収録を行った。また、教材開発・授業方略の検討において、「学習内容ー指導方略(方法+教材)ー資質・能力」の視点みで検討を行っている。保健領域で得られた授業の教材開発・授業方略の一部を体育科教育の専門誌で公表している。一つは、「心ぞうドキドキの授業づくり、上條有香吏+今関豊一、体育科教育、pp30-33、大修館書店、2017.8」であり、二つは「新時代の“保健体育"を展望する、今関豊一、体育科教育、pp28-31、体育科教育、2017.6」である。

運動領域で得られた知見の一部は、平成30年度の第69回日本体育学会(徳島大学)において以下の共同研究者とともに発表予定である。「小学校1年生及び2年生の体育授業における思考力の変容に関する事例的検討」〇福ヶ迫善彦(流通経済大)今関豊一(日本体育大)冨永泰寛(大津町立美咲野小)鈴木一成(愛知教育大)平成30年度は、研究課題Iとして、「ボール運動領域・ゴール型」、「保健領域・運動と健康」について、中学年の授業づくりを行った。運動領域では、「ゲットボール」と称する授業の教材開発・授業方略の検討を行い単元計画および略案を作成した。保健領域では、第3学年の「運動、食事、休養及び睡眠」の授業の教材開発・授業方略の検討を行ない、略案を作成した。これによって異なる授業者であっても、ある一定の水準が維持されるようにした。研究課題IIとして、作成した授業に関する縦断的・追跡的研究は、平成28年度の小学校第1学年を基準に先行して行った研究(「体育科ナショナルスタンダード策定のための概念的記述による指導内容可視化の検討」(基盤研究(C)))に引き続いて、第3学年の授業収録を行った。運動領域については、東地区(茨城県龍ケ崎市、埼玉県草加市、千葉県習志野市)、中地区(愛知県阿久比町)、西地区(熊本県菊池市)の小学校に協力を得た。保健領域については、栃木県宇都宮市の小学校に協力を得た。研究課題IIIとして、学習内容の可視化と指導方略及び資質・能力を中心に検討することについては、当該年度の事前研修において授業者等との協議により可視化したものを検討した。また、教材開発・授業方略の検討において、「学習内容ー指導方略(方法+教材)ー資質・能力」の視点で検討を行っている。これらを課題II、課題IIIと関連させて実証的に検証に取り組んでいる。縦断的・継続的研究と併せて可視化した学習内容の適格性と適時性を検討している。運動領域で作成した授業の単元計画・授業方略の一部を月刊誌「女子体育」、「体育科教育」の専門誌で公表している。一つは、「第2学年Eゲーム『たいせんゲットボール』、今関豊一、女子体育、pp6-10、公益財団法人日本女子体育連盟、2012018.Sep」であり、二つは「育成を目指す資質・能力とこれからの学習評価、授業改善の方向性、今関豊一、体育科教育、pp12-15、大修館書店、2018.5」である。運動領域で得られた知見の一部は、平成30年度の第69回日本体育学会(徳島大学)において発表した。また、平成31年度の第70回日本体育学会(慶應義塾大学)において以下の発表をする予定である。「セストボール系のゲーム単元における子供の思考の変容に関する事例的検討-小学校3年生を対象にして-」〇福ヶ迫善彦(流通経済大学)今関豊一(日本体育大学)岡田雄樹(日本福祉大学)平成29年度の課題として、協力の得られた学校および教育委員会等の関係者に対する共通理解の弱さが挙げられる。これは、人事異動や学級担任の変更によるもので、事前研修後に、手順の確認等を行うことが多かった。今年度以降は、関係担当者に対する事前研修で内容がより共通理解できるようにしていく。当該年度の学年(平成30年度は小学校第3学年)で実施する運動領域「セストボール」、保健領域「1日の生活の仕方(運動)」の授業の単元計画・教材開発を確実に行っていく必要がある。また、次年度(平成31年度の第4学年)で実施する運動領域、保健領域の授業開発も同時並行して進める。
ギリシア・ローマ叙事詩における民間伝承の研究

今年度は、ホメロスの叙事詩を中心に古代オリエントおよびギリシアの民間伝承に関して研究を行った。資料の収集および考察は、以下の要領で行った。(1)ホメロスの叙事詩の素材となった神話伝承に多大の影響を及ぼしたエジプト、アナトリア、メソポタミアなどの古代オリエント世界の民話・伝説・神話に関する研究と資料を予め国内で収集・考察した。その際古代オリエントの関連資料は、文字資料とともに近年中近東・エジプトで発掘・調査された多量の図像・造形美術の資料をも対象とした。また文字資料についても、粘土板文書・パピルス文書などに関する資料を可能な限り収集し考察することに努めた。そして、これらの資料の出所である大英博物館(ロンドン)、イスタンブール国立考古学博物館、エジプト考古学博物館(カイロ)等、ヨーロッパ・中近東の各研究施設を訪ね、各資料に対する私の解釈について、それぞれの専門家からレビューを受けた。(2)『イリアス』と『オデュッセイア』の中で民話や伝説にかかわるエピソードや叙述を抽出した。(3)古代ギリシアの民間伝承に関する資料として、古代の民話・説話の研究のみならず、ヘロドトスやパウサニアスなどの歴史記述、紀行文学、およびアポロドロスなどの神話作家についての研究書を収集し、民話や伝説などとの関連を調べた。(4)古代ギリシアの壺絵、神殿建築の浮き彫り・彫刻の資料を集め、神話や伝説、民話との関連について考察した。とくに最近では、神話や伝説の主題ごとに造形美術の比較研究が進行しており、そうした分野の最新の成果に着目した。
カニクイガエルの水,塩および浸透圧調節:生理学的,形態学的及び発生学的観点より

カニクイガエルは海水に適応しうる唯一のカエルである.通常は両生類に適さない環境に,カニクイガエルがどのように適応しているかを知ることは,それ自体長い間動物学上懸案であった問題を解決するばかりでなく,両生類のみならず他の動物群における適応性を論議する基礎を確立するものである.昭和62年4月16日より2週間タイ国,バンコク,アンシラおよびその周辺で,チュラロンコン大学理学部海洋学教室の協力のもとに,カニクイガエルの採集および採集された個体の実験とサンプリングを行った.その結果以下の点が明らかになった.(1)アンシラにおけるカニクイガエルの生息箇所の池の水の塩濃度は海水とほぼ等しい(第3ページ表1)(2)カニクイガエルの血清の塩濃度は,淡水に生息するトノサマガエルに比して高い(第3ページ表2)(3)体組織および器官の塩含有量中, Ca, Mg, Naは部分によってはトノサマガエルに比べ著しく高い(第3ページ図1)(4)実験的に明らかにされた耐塩性は,両生類としては特筆すべきものである.順化なしでは16ー24時間,次第に順化された場合には, 48時間全海水中に耐えることができる.なお,比較したトノサマガエルの全海水中における生存時間は1.5時間であった.以上の結果より(1)カニクイガエルの耐塩性が実験的に示された.(2)現在まで全く不明であったカニクイガエルのCaとMgの含有量について充分な知識が得られた.また, Naについての補足的なデーターを得ることができた.(3)上記(1)(2)にもとずき,両生類の耐塩性に関する生理学的基礎を明らかにすることができた.カニクイガエルは海水に適応しうる唯一のカエルである.通常は両生類に適さない環境に,カニクイガエルがどのように適応しているかを知ることは,それ自体長い間動物学上懸案であった問題を解決するばかりでなく,両生類のみならず他の動物群における適応性を論議する基礎を確立するものである.昭和62年4月16日より2週間タイ国,バンコク,アンシラおよびその周辺で,チュラロンコン大学理学部海洋学教室の協力のもとに,カニクイガエルの採集および採集された個体の実験とサンプリングを行った.その結果以下の点が明らかになった.(1)アンシラにおけるカニクイガエルの生息箇所の池の水の塩濃度は海水とほぼ等しい(第3ページ表1)(2)カニクイガエルの血清の塩濃度は,淡水に生息するトノサマガエルに比して高い(第3ページ表2)(3)体組織および器官の塩含有量中, Ca, Mg, Naは部分によってはトノサマガエルに比べ著しく高い(第3ページ図1)(4)実験的に明らかにされた耐塩性は,両生類としては特筆すべきものである.順化なしでは16ー24時間,次第に順化された場合には, 48時間全海水中に耐えることができる.なお,比較したトノサマガエルの全海水中における生存時間は1.5時間であった.以上の結果より(1)カニクイガエルの耐塩性が実験的に示された.(2)現在まで全く不明であったカニクイガエルのCaとMgの含有量について充分な知識が得られた.また, Naについての補足的なデーターを得ることができた.(3)上記(1)(2)にもとずき,両生類の耐塩性に関する生理学的基礎を明らかにすることができた.
空間グラフの位相幾何学的研究

有限グラフを1つ固定したとき、その3次元ユークリッド空間への埋め込み全体に対して、研究代表者は(1)全同位(2)同境(3)同位(4)I-同値(5)ホモトピー(6)弱ホモトピー(7)ホモロジーという7種の同値関係を、その多くは絡み目理論における概念の自然な一般化として定義した。そして、これらには自然な強弱関係があることを示し、これらの同値関係のもとでいつ空間グラフがほどけるかを決定した。絡み目に対してはミルナ-不変量を使ってホモトピー分類がなされているが、研究代表者は有限グラフについてもウ-不変量を使ってホモロジー分類を完成させている。これを弱ホモトピー分類にまで進展させるのが本研究の主目的であった。一般解は得られなかったが、特殊な有限グラフについては弱ホモトピーとホモロジーが一致することを示し、ウ-不変量によって弱ホモトピー分類が出来ることを示した。その特殊なグラフとは、互いに交わらぬ三辺が存在しないグラフ等のことで例えば5頂点完全グラフ等がそうである。これはホモロジーがデルタ型操作と同値になることから導かれる。これとは別に研究代表者はユークリッド空間内の有限グラフに対して全曲率を定義してその全曲率がとり得る最小値となる様なグラフがある意味で美しい形をしていることを多くの例をもって示した。これは、閉曲線の全曲率に関するフェンツェルの定理を一般化するもので、今後はこの方面の研究によって結び目理論、空間グラフ理論における微分幾何学の役割がはっきるすることが期待される。
造礁サンゴの性成熟と褐虫藻の共生に対する海洋汚染物質の影響

1.造礁サンゴの卵タンパク質をコードするcDNAのクローニング:前年度に、雌雄同体種シナキクメイシの卵に含まれる主要タンパク質の1つ、FcEP-1をコードするcDNAのクローニングと全一次配列を推定したのに続き、今年度は雌雄異体種アザミサンゴの卵に含まれる主要タンパク質の一つ、GfEP-1のcDNA断片のクローニングに成功した。FcEP-1とGfEP-1の間に配列の類似は見られず、各々脊椎動物のビテロジェニンの異なった部位と配列の類似が見られた。得られたcDNA配列を基にプライマーを設計し、アザミサンゴの雌4個体と雄6個体(放精放卵の約1月前に採取したもの)におけるGfEP-1 mRNAの発現を調べた。すべての雌個体において高レベルの発現が見られ、また雄の6個体で非常に低いレベルの発現が見られたものの雌との差は有意であった.2.コモンサンゴに対するTBTの影響:TBTを1μg/L含む海水中でアザミサンゴを5週間飼育してその影響を調べた。コントロールのサンプル(TBTを入れないもの)では、ポリプの伸長、呼吸、褐虫藻の密度および光合成活性の点で実験の前後で有意な差は見られず、用いた実験条件がサンゴにとって大きなストレスでないことが示された。TBTに曝露した個体では、曝露開始約1週間後から一部のポリプで触手の伸長が見られなくなり、健康状態の悪化が示された。2週間後には全てのポリプで触手の伸長が見られなくなった。3週間後には一部でサンゴ組織の骨格からの剥離が観察されはじめ、5週間後にはサンゴ組織は全て死滅した。サンゴ組織が骨格から離脱する前には、褐虫藻密度、呼吸量および光合成活性の顕著な減少は見られなかった。これらの結果から、1μg/LのTBTへの曝露では、コモンサンゴ組織の死滅は白化(共生藻の離脱または死滅)を介して起こるのではないことが示された。また、アザミサンゴを用いた予備的な実験でも同様の結果が得られた。造礁サンゴに対するトリブチルスズ(TBT)の影響を調べるために、TBTを100ng/L, 1μg/L含む海水中でアザミサンゴを3週間飼育して影響を調べた。100ng/LのTBTへの曝露では、3週間たっても目立った変化は観察されなかった。1μg/LのTBTへの曝露では、約1週間後から触手の伸長が観察されなくなり、サンゴの健康状態の悪化が示された。また、目立った白化は観察されなかったがサンゴの色彩が黒くなっていることから、共生藻がサンゴ内部で死滅している可能性が示唆された。今後、光合成活性とクロロフィル量の測定を行い、このことを調べる予定である。海洋汚染による造礁サンゴの性決定の攪乱を調べるための分子マーカーを得る目的で、卵タンパク質をコードするcDNAのクローニングを行っている。雌雄同体種シナキクメイシの卵に含まれる2つの主要タンパク質の1つ、FcEP-1をコードするcDNAのクローニングを行い、全一次配列を推定した。脊椎動物のビテロジェニンとの間にわずかではあるが、配列の類似が見られた。また、逆転写PCR解析により、このmRNAは卵形成の初期から放卵時まで継続的に発現されることが示された。このことから、卵タンパク質遺伝子の発現は卵形成の好適な分子指標となると考えられたそれに加えて、雌雄異体種アザミサンゴの卵から可溶化・抽出したタンパク質につき、同様の解析を行っている。アザミサンゴの卵タンパク質のcDNA配列が得られたら、それを基に逆転写PCR法により、この遺伝子を発現する雄個体が見られるかどうかを調べる予定である。この種類は、都市港湾部でも棲息が見られるので、汚染による性成熟の攪乱を調べる好適な系となることが期待される。

3週間後には一部でサンゴ組織の骨格からの剥離が観察されはじめ、5週間後にはサンゴ組織は全て死滅した。サンゴ組織が骨格から離脱する前には、褐虫藻密度、呼吸量および光合成活性の顕著な減少は見られなかった。これらの結果から、1μg/LのTBTへの曝露では、コモンサンゴ組織の死滅は白化(共生藻の離脱または死滅)を介して起こるのではないことが示された。また、アザミサンゴを用いた予備的な実験でも同様の結果が得られた。
表面相互作用を利用したマクロ相分離の速度制御によるポリマーアロイのリサイクル

研究実績は以下の通り高分子二成分混合系にシリカ球を少量混合し、相分離過程においてこれらのシリカ球の空間配置がどのように変化するかについて共焦点レーザ顕微鏡を用いて三次元観察・構造解析を行う。実生活で既に使われている商分子材料(例えばタイヤなど)は、ゴム成分だけでなく、ガラスファイバーやカーボンブラックなどの"フィラー"を含んだ系であることが多く、従って、本研究で対象としている実験系はこれらのモデル系と考えることができる。つまり、シリカ球を"フィラー"と考え、(高分子)工業材料で重要な相分離構造とフィラーの関係を調べるわけである。前年度は共焦点レーザスキャン顕微鏡(LSCM)を用いて、相分離過程途中の相分離構造とシリカ球の相対的な位置関係を調べるための基礎を完成させた。本年度は、シリカ球が高分子混合系の相分離過程において、どのように相分離構造に取り込まれてゆくかについて実験を行った。その結果、シリカ球は相分離の早い段階から片方の成分の作る相に取り込まれてゆくこと、また、シリカ球の存在が相分離過程と形成される相分離構造の形態の両方に影響を与えることが分かった。この結果は、現在、論文として投稿準備中である。また、以上の結果に加えて、シリカを含まない二成分高分子混合系において、形成される共連続構造の形態学的な側面(例えば、ネットワークの連結数やオイラー数など)についてLSCMで得られる三次元データから計測を行う方法、および、これらの物理量の時間変化とスケーリング則の検証なども行い、相分離過程においてこれらの形態学的なパラメーターもスケーリング則を指示することを見いだした。実生活で既に使われている高分子材料(例えばタイヤなど)は、ゴム成分だけでなく、ガラスファイバーやカーボンブラックなどの"フィラー"を含んだ系であることが多く、従って、本研究で対象としている実験系はこれらのモデル系と考えることができる。このようなフィラーを含む高分子混合系の相分離構造を三次元的に観察するためには、超えなくてはならない実験的なハードルが存在する。相分離構造とフィラーの相対的な位置関係を三次元で明らかにしなくてはならない。本研究では「二重染色法」を用いることとし、高分子混合系の一成分を364nmの光で励起することができる蛍光物質により修飾した。次に、内部に488nmで励起することができるシリカ球を合成した。励起波長を変えることでこれらの蛍光物質からの蛍光を独立に顕微鏡で観察することが可能であることを確認した。このような特殊な高分子およびシリカ球を合成することで上記の様な研究目的に沿って、相分離過程途中の相分離構造とシリカ球の相対的な位置関係を調べるための基礎を完成させた。来年度は、これらの試料を用いて相分離実験を行い、シリカ球の添加濃度・シリカ球の表面修飾、などが相分離構造に与える影響、また、相分離構造におけるシリカ球の空間配置等を共焦点レーザ顕微鏡により三次元観察する。
ステレオ距離画像センサを用いた変状可視化によるトンネル掘削時の安全管理手法の開発

本研究では,単独距離画像センサの精度検証実験を行い,計測精度に影響を及ぼすと考えられる要因を抽出し,統計処理技術,画像処理技術により計測精度向上方法を検討した.データ分析と解析評価に基づく管理基準値により,危険度ゾーニング表示機能の現場検証を行った.そして,これらをまとめて現場計測時の安全・品質管理ガイドラインを作成・提言した.以上により,「TOF距離画像センサによる面的・リアルタイム・高精度の計測に基づき危険ゾーンの可視化を実現する安全・品質管理手法」を確立した.B:平成24年度の検討結果を踏まえて,複数距離画像センサによる高精度計測を行うために必要な要素技術の開発を行った.検証実験は,飛島建設が保有する施設を利用して実施した.[B1]画像処理技術による計測精度向上のためには,距離座標の基準となるセンサー位置の同定精度がカギとなる.トンネル内にセットする距離画像センサの位置の特定方法として,まず検討したのが,画像上にあるロックボルトのプレートを基準点としてカメラ位置を逆算する方法であった.この方法では,ロックボルトを画像上で特定するため,閾値処理,エッジ画像処理やノイズ処理等の画像処理により重心特定処理を行っても,特定精度が5cm程度の誤差を有し,さらに,プレートがセンサの反射強度画像に明確に映らないため,カメラ位置の特定精度が悪くなることが明らかとなった.この方法で得られたカメラ位置を基準として側壁の距離を決定すると大きな誤差が混入すると判断し,他の方法でセンサ位置を特定することとした.検討の結果,センサ位置をトータルステーションにより測定して,トンネル絶対座標で与える方法とした.[B2]ステレオ画像解析による計測精度向上方法の検討のために,単独距離画像センサによる精度検証実験を踏まえて,複数の距離画像センサ画像による精度検証実験を行った.更なる精度向上のため,発光型レーザ距離計を距離画像センサと一体化し,その照射点(高精度基準点とマッチング標点を兼ねる)を映し込んだ画像上の点と,既知座標と一致させることで,回転方向の座標を同定して,座標精度の向上を図った.また,C:吹きつけ厚さの管理基準値は,発注者毎のデータを分析し,適切な値を設定することとした.地質(岩盤分類:支保パターン)の関係を明らかにすることで,管理基準値を決定した.本研究では,単独距離画像センサの精度検証実験を行い,計測精度に影響を及ぼすと考えられる要因を抽出し,統計処理技術,画像処理技術により計測精度向上方法を検討した.データ分析と解析評価に基づく管理基準値により,危険度ゾーニング表示機能の現場検証を行った.そして,これらをまとめて現場計測時の安全・品質管理ガイドラインを作成・提言した.以上により,「TOF距離画像センサによる面的・リアルタイム・高精度の計測に基づき危険ゾーンの可視化を実現する安全・品質管理手法」を確立した.トンネル現場では,切羽崩落による災害が後を絶たないが,切羽全面の変位挙動を瞬時・的確に把握することができないことが主要因である.また,近年では,IT技術の著しい発展により,トンネル現場でも機械化等が進められているが,トンネル切羽近傍でのコソク等の作業は機械化が極めて難しく,手作業で行われている部分も多い.本研究は、面的にリアルタイムな計測ができる特徴を持つTOF距離画像センサを用いて,切羽性状を瞬時に分析し,掘削量の多い領域などを表示するシステムを高度化することで,現場安全。品質管理に供するシステムを構築するものである。当該年度は、[A1]単独距離画像センサの計測精度検証実験を実施した.測定原理となるTOF方式では,測定距離や方向,照明によって反射強度が異なるため,実験により,これらの条件下で距離画像センサの計測精度への影響を明らかにした.また,[A2]単独距離画像センサによるリアルタイム性と計測精度向上方法の検討を実施した.距離画像センサは,最高50フレーム/秒でリアルタイムの画像取得が可能であることに着目し,短い画像取得時間間隔で連続的に得られた画像に含まれる時系列変位計測データを,統計解析をすることによって,誤差分布を検証した結果に基づき,平滑化処理によって計測精度を向上させ,リアルタイム性を確保できる適用限界(1秒未満の応答目標)を明確化させた.また,距離画像センサを制御し,異なる照度の基でも最適な距離画像データを得られるプロトタイプの制御ソフトを開発し,H25年度以降の検証実験に活用できる土台を作った.平成25年度までに実施した距離画像センサとレーザー距離計によった座標同定によって,トンネル内の絶対座標上で,トンネル断面形状を把握することが出来るプロトタイプソフトを製作した.平成26年度は,現場検証実験を実施することで吹き付け不足(危険領域ゾーニング)を三次元上で表示できるシステム化を図った.【D.危険領域ゾーニングの可視化】C.の検討結果を踏まえて,光学系照射装置やMR技術を活かして,切羽掘削不足領域や吹付け不足領域(崩落の可能性がある局所的な領域)を,リアルタイムに表示し,可視化によって作業員に対する危険性の伝達・表示を行い安全性および品質を確保するシステムに高度化する.【E.現地実証実験による検証】平成25年度までの成果として構築したシステムを用いて,実際のトンネル切羽で実証実験を行い,各画像センサのデータ品質・特性を評価するとともに,計測・分析・伝達・表示手法の有効性を確認し,修正を加えた.コンクリートの吹付け厚さは差分計測であり、cm単位の精度を確保できる.【F.現場安全・品質管理マニュアル作成・提言による安全品質管理手法の確立】

E.の結果を基に,計測・分析手法の修正を行うとともに,既に得られた管理基準値を踏まえた,現場計測時の現場安全・品質管理に関するマニュアルを作成・提言することでトンネル掘削時の安全・品質管理手法を確立した.今後、現場での計測データを増やし,更なる利便性を追求していく予定である.地盤工学管理ソフトを開発するに当たって必要な検証は室内の模擬データを用いている.ソフトの確度を向上させるために,実現場の検証データが必要となってくる.本年度は,室内における精度検証を実施する計画であったが,実際に適用を予定しているトンネル現場における機器動作検証を実施することが出来た.室内では発生しなかったシステム構築上の課題が発見でき、H25年度以降の現場でのシステム構築に役立てることが出来た.【解決した課題】トンネルなどの現場においては,100Vまたは200Vの電源を引いてきているが,安定化した電源ではないことが多い.室内実験ではTOF距離画像センサは安定した動作を示していたが,現場においては動作しない状況が,多々発生した.安定電源ではないことが原因と分かり,電源のバッテリー化を図った.さらに、ネットワークなど有線ケーブルでは,計測時に作業の障害になることがあったため,無線LAN化することで,ケーブルレス化を図った.技術的成果は、当初予定通りであるが,次年度以降のシステム化に向けて一つの課題を解決できたと考えている.次年度,上半期に完了するプロトタイプの管理ソフトの確度を向上させるため,現場における検証実験を行い,開発を進める計画である.今年度、実施した単一センサ使用時の精度検証結果を踏まえて,複数のセンサを使用したときの精度向上を図るための要素技術の開発を進める.また,精度向上に寄与する距離画像上の位置特定精度向上のための画像処理方法の研究を進める.管理ソフトの開発について,発注はH25年度であるが成果の完了がH26年度となったため.現場検証のための旅費と,検証のためのソフト改良のために使用する計画である.H24年度構築したプロトタイプの距離画像評価システムに対して,今年度得られる精度向上技術を取り入れ,更にレベルアップしたプロトタイプシステムを構築する.そのための物品費として800千円使用する.また,トンネル現場での検証を進めることで,室内実験では得られなかった事象や課題が発見できるため,現場実験のための出張旅費として200千円使用する.さらに、実験材料費として50千円,実験施設使用料として74千円を使用する予定である.