hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
分子ポテンシャル理諭に基づく筋収縮運動シミュレーション

本研究では、横紋筋で構成される筋、つまり、骨格筋および心筋の収縮運動メカニズムの解明のために、ミオシン・アクチン分子レベルで定義された現象論的分子ポテンシャル理論に基づいて筋収縮運動を解析する数理モデルを提案した。つまり、分子生物学の先端的研究成果と計算力学・コンピュータシミュレーション工学技術の成果の融合を目指した。筋肉を構成する系が開放系であり、筋収縮が能動的な運動であり、初期ゼロストレス状態の定義が必要であることなどから、内部状態変数表示の構成汎関数(ポテンシャル)を用いた閉鎖系に対する従来の材料モデル化と異なる筋収縮モデルが必要であると考えた。そこで、ATP加水分解によって得られる生化学反応・誘起ポテンシャルエネルギがミオシンの滑り運動エネルギに変換され筋収縮運動が生じる過程を、直接、ミオシン頭部の滑り運動に関する常微分方程式系を解くことで記述する手法を提案し、従来行われてきた受動的な筋肉の材料モデル化から能動的な生体材料モデルの構築のための新たな展開を示した。この筋収縮モデルによって、Huxleyの首振り説を否定した柳田らの再構成滑り運動実験観察結果をよく説明できることを示した。さらに、4種類のサルコメア単位の等張収縮、等尺収縮、クイックリリース収縮運動のシミュレーションを行い、他の研究者の実験結果との比較により提案したポテンシャル論に基づく筋収縮モデルの妥当性を示した。現在は、興奮収縮連関と呼ばれるマクロレベルでの筋収縮運動の解明のために、ミオシン・アクチンの分子レベルから、サルコメア、筋束、そして筋原線維まで、階層構造を上り詰めることのできる収縮運動系のモデルの構築を検討中である。この場合には、神経からの刺激によって引き起こされるアクトミオシン間のポテンシャル場の変動・ATP加水分解がカルシウムイオン濃度の変化と関係していることからこの数理モデルを構築した。ミクロレベルの分子ポテンシャル理論と筋収縮運動を律するマクロレベルの制御理論の融合によって筋収縮運動系の数理モデル化が可能となることを示した。
IEEE1888/IPv6/RS485方式の設備センサネットワーク性能評価研究

インターネット技術の普及に伴い,IoTが徐々に浸透しているが,ビル設備のインターネット化はまだ十分に進んでいるとは言えない.本研究は,RS485という世界中のビルで標準的に使われている物理的な設備通信線の上でインターネット・プロトコルのパケットを交換する技術を開発し,その有用性を示した.また技術的には同様の通信線で十分に高速なインターネット通信を実現できることも実証した.IPパケットをRS485通信バス上で交換するための、Master-Slave Token-Passing方式の有効性を提唱し、20台の実機を用いた実験でその性能を立証することができた。これにより、ビル設備のような環境下で配線効率の良い、RS485通信メディアを使って、IPパケットを届けられることがわかった。これはInternet of Things(モノのインターネット)の分野において重要な貢献となる。この成果を論文(Facility Networking with IP over RS485: Packet Control for Master-Slave Cascaded Networks)にまとめ、世界トップレベルの国際会議であるIEEE SmartGrid Communications 2014に投稿した。その結果、採録され、発表できた。この技術開発を踏まえ、センサ・オーバレイネットワークに関する研究会や、その他のプライベート研究会で、センサと通信技術に関する議論を行い、低速IPという概念を導き出すことになった。低速IPは、高速IPともパケット交換可能であるが、特性上、大きな違いがあり、TCP接続、セッション数の削減の重要性、同報性などについて、さらなる分析が必要であることが判明している。この研究会での議論は、本技術の潜在的な構造・性質・可能性を理解する上で重要なプロセスであった。Internet of Thingsの分野では,末端のデバイスともIPパケットのやり取りを想定するが,実際のビル設備ネットワークでは,IPは未だ限定的にしか使われていない.これは,IPと相性と良い通信メディアであるEthernetが,多量に散在する設備機器を接続するのに不向きであること,ビルと相性の良いRS485通信メディアの上にIPを実装した例がほとんどないこと,また,RS485のような低速メディアによって発生するトラフィック問題があること,などが考えられた.本研究では,まず,IP層をRS485メディア上に実装し,その実現性・有効性についての評価を行った.その結果,RS485ネットワークの末端ノードにIPインタフェース機能を持たせ,パケット交換できることは実証できた.多少の帯域の効果的利用アルゴリズムを適用可能であり,通信を行っているノードに優先的に帯域を割り当てることもできた.これらの手法により,IP over RS485技術で,センサ情報の収集に関するアプリケーションは,実現可能であることが分かった.一方で,外部から制御信号を送り込む場合には,末端ノードは,セキュリティポリシーの関係で,外部から開始される通信は遮断されるため,WebSocket技術を用いて,TCPセッションを張りっぱなしにする必要がある.帯域が限られているため,優先的なメッセージ配送を行う必要があり,本研究の中で,その技術開発も行った.次に,RS485自体の高速性には限界が見えてきたため,DSL技術の適用を考えた.具体的には,RS485のツイストペア線に,HD-PLC技術を適用する実験を行った.その結果,200mのケーブル上で,50Mbps程度のスループットを達成できた.HD-PLCは,市場価格でRS485よりもはるかに高価であるが,技術的には十分な通信速度を出せることを実証できた.インターネット技術の普及に伴い,IoTが徐々に浸透しているが,ビル設備のインターネット化はまだ十分に進んでいるとは言えない.本研究は,RS485という世界中のビルで標準的に使われている物理的な設備通信線の上でインターネット・プロトコルのパケットを交換する技術を開発し,その有用性を示した.また技術的には同様の通信線で十分に高速なインターネット通信を実現できることも実証した.概ね順調で、初年度の目標であったFeasibility Studyを計画通りこなし、その成果を世界トップレベルの国際学会(IEEE SmartGridComm 2014)で発表した、という達成状態にある。2年目の検証項目である、スケーラビリティに関する性能評価を行うが、資金の問題で、専用のスケーラビリティ検証機器を特注することができないため、シミュレーション等も併用した検証(限定的にはなるが)を実施する予定である。ただし、初年度の研究で明らかとなったセッション数の削減、という新たな観点からの評価を、実施しようと考えている。これはRS485などの上の低速IPを対象とするフィールドネットワークで効果を発揮する技術であり、その技術を開発することでセンサネットワークにおける通信効率を大きく向上できると予想している。
公共セクターの組織特性に着目した情報化イノベーションの動因モデル

自治体などの公共組織の情報化においては,民間企業とは異なり,競争力の向上などを説明とする枠組みがなく固有のモデルが必要とされる.一方,都市自治体の職員1人あたり機器台数は数百倍もの開きがあり,何かその差異を生みだしているかは情報化施策上重要である.この差異を説明するための枠組みとして,それぞれの組織の情報化の履歴に着目し,機器導入台数の拡大パターンを分析した.情報機器として汎用機,パソコン,ワープロを対象として,1984年から1993年まで全国673市の各年の導入台数の時系列分析を行い,どの機器の導入がそれ以後の情報化拡大に寄与しているのかを検定した.その結果,(1)自治体の規模によって導入拡大につながる機器の種類が異なること,(2)情報化が本格化してからの「段階」に応じてそれ以後の情報化の進展に影響を与える機器が推移してゆくこと,(3)情報化の進展は履歴性が一般的に見られ,全体の9割弱の市において経路依存性が存在すること,を示した.経路依存性の影響の大きさは同じ時期の財政状況の影響を大きく上回り,自治体における情報化は段階的な発展を踏まえて進むことを定量的に実証した.これにより市自治体の情報化進展は,組織内への利用技術の蓄積が規定する部分が大きく,長期的政策として取り組むべきことを示した.自治体などの公共組織の情報化においては,民間企業とは異なり,競争力の向上などを説明とする枠組みがなく固有のモデルが必要とされる.一方,都市自治体の職員1人あたり機器台数は数百倍もの開きがあり,何かその差異を生みだしているかは情報化施策上重要である.この差異を説明するための枠組みとして,それぞれの組織の情報化の履歴に着目し,機器導入台数の拡大パターンを分析した.情報機器として汎用機,パソコン,ワープロを対象として,1984年から1993年まで全国673市の各年の導入台数の時系列分析を行い,どの機器の導入がそれ以後の情報化拡大に寄与しているのかを検定した.その結果,(1)自治体の規模によって導入拡大につながる機器の種類が異なること,(2)情報化が本格化してからの「段階」に応じてそれ以後の情報化の進展に影響を与える機器が推移してゆくこと,(3)情報化の進展は履歴性が一般的に見られ,全体の9割弱の市において経路依存性が存在すること,を示した.経路依存性の影響の大きさは同じ時期の財政状況の影響を大きく上回り,自治体における情報化は段階的な発展を踏まえて進むことを定量的に実証した.これにより市自治体の情報化進展は,組織内への利用技術の蓄積が規定する部分が大きく,長期的政策として取り組むべきことを示した.
競技・テスト場面におけるパフォーマンスの促進/抑制と情動の関係性

本研究は,「あがり」を喚起する競技/テスト場面においてパフォーマンスを成功または失敗させる原因を明らかにすることを目的に行われた。具体的には,競技/テスト場面の中でもこれまで先行研究がほとんどなかった演劇,演奏場面におけるさまざまな感情状態がパフォーマンスに対する成功感に及ぼす影響について明確にした。まず予備調査において,「あがり」状態を測定するための12項目からなる質問紙を作成した。ついで,「あがり」状態質問紙と多面的感情状態尺度を用いて,演劇,演奏場面における感情状態とパフォーマンスに対する主観的成功感の関係を探った。演劇場面(研究1)では,四年制大学の演劇サークルが行った6回の公演において演技前,中,後に質問を行った(n=21)。その結果,演劇場面では活動的快や他者への意識が成功感を上昇させ,認知的不安が成功感を低下させる原因となることが示された。また,認知的不安と生理的覚醒が同時に高まるとパフォーマンスに対する成功感が急激に下降するカタストロフィー現象もみられた。演奏場面(研究2)では,四年制大学の吹奏楽部が行った4つの公演において演奏前,中,後に質問を行った(n=41)。その結果,プレッシャーのあまりかからない練習時には生理的反応が成功感を増加させ,プレッシャーのかかる大きな大会では他者への意識が成功感を減じることが分かった。本研究の結果と先行研究における知見との比較を行ったところ,要求される行動が自動的な運動である場合,認知的不安はパフォーマンスと関係しない可能性が考えられた。また,観客を評価者と見なすかどうかで,他者への意識とパフォーマンスとの関係が異なることも示唆された。本研究は,競技,テスト場面におけるパフォーマンスと感情状態を測定し,その関係を探ることが目的である。「あがり」状態や感情状態の測定には,「あがり」経験質問紙(有光・今田,印刷中),多面的感情状態尺度短縮版(寺崎・岸本・古賀,1994)を使用することが望ましい。しかし,前者は項目数が52項目存在し,被調査者の負担を考えると実際場面での使用は適切でないものと思われた。そのために,まず質問項目数の短縮を行う必要があった。そこで本年は,まず「あがり」経験質問紙の短縮版を作成した。具体的には,436名の大学生に「あがり」経験質問紙(52項目)への回答を求め,確認的因子分析により因子構造の確認を行った。分析の結果,因子負荷量が高い項目(6因子に2項目ずつ,計12項目)を因子を代表する項目として,12項目からなる短縮版の「あがり」状態質問紙を作成した。さらに,本年度は短縮版質問紙が実際場面で回答可能かどうか予備的な検討を行った。手続きとしては,14名の演劇部員を被調査者として,演技の前,演技中(演技後に想起),演技の後に「あがり」状態質問紙(12項目,4点尺度)と多面的感情状態尺度短縮版(40項目,4点尺度)に回答を求めた。各質問への回答は,演技に支障のない範囲で行うことが可能であった。また,「あがり」状態質問紙および多面的感情状態尺度の評定は,演技の前,中,後で予測通り変化していた(例:演技前から演技中にかけて不安感が上昇した)。以上のことから,本研究で用いた質問紙により,実際のパフォーマンス場面における感情状態を測定することが可能であることが分かった。11年度は,競技およびテスト場面で調査し,パフォーマンスの成功,失敗に関わる感情状態を明確にする予定である。

ついで,「あがり」状態質問紙と多面的感情状態尺度を用いて,演劇,演奏場面における感情状態とパフォーマンスに対する主観的成功感の関係を探った。演劇場面(研究1)では,四年制大学の演劇サークルが行った6回の公演において演技前,中,後に質問を行った。(n=21)。その結果,演劇場面では活動的快や他者への意識が成功感を上昇させ,認知的不安が成功感を低下させる原因となることが示された。また,認知的不安と生理的覚醒が同時に高まるとパフォーマンスに対する成功感が急激に下降するカラストロフィー現象もみられた。演奏場面(研究2)では,四年制大学の吹奏楽部が行った4つの公演において演奏前,中,後に質問を行った。(n=41)。その結果,プレッシャーのあまりかからない練習時には生理的反応が成功感を増加させ,プレッシャーのかかる大きな大会では他者への意識が成功感を減じることが分かった。本研究の結果と先行研究における知見との比較を行ったところ,要求される行動が自動的な運動である場合,認知的不安はパフォーマンスと関係しない可能性が考えられた。また,観客を評価者と見なすかどうかで,他者への意識とパフォーマンスとの関係が異なることも示唆された。
流末にスラリー輸送を用いた流雪溝に関する研究

1.管水路雪水混相流:固体粒子の混入率が24%までの流動実験と新たな理論モデルによる流動解析を行った結果以下の点が解明された。(1)実験では低流速域と高流速域とで流動現象が異なり、おおよそ1m/sを境に低速域と高速域を分けることができ、低速域では上層に固体粒子の浮遊集積流下層が発生し、この層による速度の欠損は平均流速が小さいほど大きくなる。(2)低速域では雪塊同志の融合・付着が始まり、管の縮小がある場合には管閉塞がそこで起こる場合がある。(3)高速域になると固体粒子は管断面全体に広がり、中央に栓流域とみなせる部分が形成される。(4)低速域と高速域の流動に対して新たな理論モデルを提案し、ポリスチレン粒子を用いた実験と比較した結果、速度分布の実験と理論の一致は従来の理論より良いことがわかった。ポリスチレン粒子の流動と雪塊の管内流動は高速域では粒子の挙動が同じであることがビデオ撮影によりわかった。(5)雪を管水路で流送する場合には高速域で流した方が安全となる。これは、高速域では(1)雪塊同志の融合・付着が起こらず、(2)固体粒子混入によりエネルギー損失が小さくなるからである。エネルギー損失が小さくなるのは管内全体に広がった固体粒子により水粒子の渦運動が制限されるからである。2.開水路雪水混相流:投雪前の開水路流れは乱流なのに対し、ビンガム流体の理論モデルでは雪塊混入率が零になっても層流の速度分布となり実現象と合わないので、対数分布で表わされる理論モデルを提案し、管水路の流動に対しては高速域で良く実験に合うことが確認された。3.発ステーションの装置開発:管水路へ雪塊を送出する混合槽では、水位を一定に保ち、上層に浮上する雪塊同志の融合・付着が起こらないようにする必要がある。混合槽では攪拌装置が必要不可欠である。1.開水路雪水混相流;1)雪塊の混入率Cと雪水混相流体の壁面抵抗係数C_fとの関係は滑面の壁面を用いた本実験により, C_fとCの実験式を出すことができた.これは本研究によって初めて得られたものであるが,まだ,実験例が少ないので,今後はさらに同様の実験を行う予定である.2)投雪前の開水路流れは乱流なのに対し,ビンガム流体の理論モデルではC=0になったとき,層流の速度分布となり実現象と合わない.このため,現在,対数則的速度分布となる混相流体の理論モデルを考案中である.2.管水路雪水混相流;1)管水路内の雪混じり流れをビンガム流体とみなし,壁面抵抗係数C_fおよび圧力損失係数φ等等を理論的に導いた.その結果栓流の無次元半径aは容積濃度Cと栓流内およびその回りの空隙率によって決まり, C_fおよびφに大きな影響を及ぼすことがわかった.2)管水路内でも壁面と栓流域との間は速度が対数分布になっているとの仮定に基づき,速度が対数分布となる混相流体モデルを検討している段階である.3.管水路入口(発ステーション)の問題;管水路への雪塊送出をいかに滞りなく行うかは重要な問題であり,本年度の設備費により,高濃度の雪混じり流れも再現可能な自動排雪装置を製作した.1)自動排雪機(設備費により購入)は排雪アームの改善により,水分を多く含まない雪の場合に良く稼働する.

2)管水路内へ雪と一緒に空気も送られる場合(とくに,高濃度流れのとき)があるので,混合水槽ミキサー部の改善に,現在取りかかっている.昭和63年度にはこれらの実験装置の問題を解決し,管,開水路内の混相流体の観測を行い.理論モデルの検討,とくに, C_fとCの関係, Cと栓流域までの距離との関係を明らかにする予定である.1.管内二相流について以下の点が解明された。(1)低速域になると管内上層に国体粒子が集積して流下するようになり、この浮遊集積層による速度の欠損は平均流速が小さいほど大きくなる。(2)低速域では雪塊が互いに融合・付着しやすい。管の縮小がある場合には、管閉塞が発生する原因となる。(3)高速域になると固体粒子は管断面全体に広がり、中央に栓流域とみなせる流れが発生する。(4)低速域と高速域の流動に対して新たな理論モデルを提案し、ポリスチレ粒子を用いた実験と比較した結果、実験と理論の一致は従来の理論より良いことがわかった。低速域の速度分布は対数則分布から栓流速へ、その上層がダイレタント流動による速度分布となるもので、高速域の速度分布は中央が栓流速、その周辺が対数則分布となる理論であるが、平均流速で1m/s前後の中間域の流動に対してはどちらの分布形も浮遊集積層で合わず今後の課題となった。(5)雪を管水路で流送する場合には、平均流速で1m/s以上の高速で流した方が安全となる。これは、高速域では雪塊の融合・付着が起こらず、エネルギー損失を減少させることができるからである。2.発ステーション・雪塊吸い込み口の装置開発について:流雪溝と管水路を結ぶ発ステーションに流下してきた雪塊が溜まることなく、効率良く管内へ流送されるような混合槽の開発を前年度に引き続き今年度も行った。その結果、(1)混合槽の水位を一定に保つこと、(2)混合槽の上層に浮遊する雪塊が融合、付着して大きくなることがないように、土層をかき回す装置が必要不可欠であることがわかった。3.開水路内の雪水二相流について:下層が対数則分布、上層が栓流速分布となる理論モデルを流動モデルに拠らずに導いた。
「補酵素A再生系」に基づく高光学純度ヒドロキシ酸の高効率生産

我々が新規に開発したグルコースから高光学純度の(R)-3-ヒドロキシ酪酸((R)-3HBの微生物生合成システムを、高効率で(R)-3HB生産可能な微生物工場を創成する基盤技術を確立した。生合成中間体である3種のCoA体の細胞内蓄積量を定量する新規分析法を開発し、アセチル-CoAへのフラックス向上が生産性に影響を与えることを見出し、グルコース消費速度の高い宿主菌株を選択した。培地中に添加するグルコース及び酢酸濃度の至適化を行い15g/Lの(R)-3HB生産性を達成した。一方添加する酢酸濃度が高いと生育が阻害されるので、培地交換培養法により効率的な高光学純度(R)-3HB生産法を達成できた。高光学純度のヒドロキシ酸を生産する新規なプロセスとして、これまでにP(3HB)生合成経路の中間体である3HB-CoAのCoAを酢酸に転移しアセチル-CoAを生成する酵素(PCT)を利用した(R)-3HB生産法のプロトタイプを我々グループが開発していた。このプロトタイプではグルコースを用いて最大5g/Lの(R)-3HB生産性を示すが、さらに代謝工学および酵素進化工学の両面から生合成経路を強化することで、高効率に(R)-3HBを生産する微生物工場を創生することを目的としている。本年度は、このプロトタイプの生産系を基盤としてさらに高効率に高光学純度の(R)-3HBを生産するための宿主大腸菌の選択を中心に行った。目的に叶う宿主大腸菌として、グルコースの代謝速度の高い宿主大腸菌を選択した。各種遺伝子型の異なる大腸菌に対して(R)-3HB生産関連遺伝子を保持するプラスミドを導入した。次いでグルコースおよび酢酸を添加した基本培地を用いて培養を行い、グルコースの消費量および(R)-3HBの生産量の高い宿主大腸菌を選抜した。その結果、大腸菌JM109株がグルコース消費速度と(R)-3HB生産性の観点から最適な宿主として選択された。次いで合成経路中の律速反応に関わる酵素を推定するためには整合性中間体の定量分析が必須となることから、3種のCoA体(アセチル-CoA、アセトアセチル-CoA、および3HB-CoA)の細胞内からの定量的な抽出方法について検討した。これら不安定なCoA体は集菌後、氷冷したアセトニトリルを利用した抽出法を採用することで、精度よく定量分析するための基盤を作ることができた。キラル化合物の化学合成をおこなうためには、高光学純度の出発物質を使用することが必須となる。そのために我々が新規に開発したCoA転移酵素の特性を利用した高光学純度の(R)-ヒドロキシブタン酸(3HB)生合成システムを基盤に、代謝工学と酵素進化工学の両面から生合成経路を強化することで、バイオマス由来の主要糖質であるグルコースから、高効率に(R)-3HBの生産を可能とする微生物工場の創生を目指した。本年度は代謝工学的観点から、3HB合成経路にある生合成中間体の各CoA体(アセチル-CoA、アセトアセチル-CoA, 3HB-CoA)の細胞内蓄積量を定量比較し、細胞内蓄積量からどの酵素反応が律速となるのかを代謝フラックス解析を中心に検討した。昨年度グルコースの消費速度と(R)-3HB生産性の両面から選抜された大腸菌JM109株を生産宿主として、生合成中間体の3種のCoA体の細胞内からの定量的な抽出方法について検討した。不安定なCoA体は、集菌後素早く冷アセトニトリルを加える抽出法を開発することで、LC-MSによる分析が可能なレベルになった。その結果、細胞内にはアセチルCoAのプール量が最も多く、それ以外のCoAの蓄積量は非常に少ない結果となった。そのためアセチルCoAをアセトアセチルCoAへの変換を触媒するPhaA(β-ケトチオラーゼ)および次の反応を触媒するPhaB(アセトアセチルCoAリダクターゼ)が可逆的にも酵素反応が進行するため、生産量を向上させるためには、グルコースの効率的な消費によってアセチルCoAへのフラックスを上昇させることで、結果的に(R)-3HBの生産量が向上すると考えられた。一方、本生合成系で利用しているCoA転移酵素であるPCTも同様に可逆反応であるため、生合成最終中間体の3HB-CoAのCoAをエネルギーロスなく受容しアセチルCoAを再生産するための酢酸濃度のバランスによって3HB生合成量が大きく増減することが見出された。当初の研究計画であった(R)-3-ヒドロキシブタン酸(3HB)の生合成経路にあるアセチル-CoAからの3つの酵素反応について、どこの反応が律速になっているかを検討するために、アセチル-CoA,アセトアセチル-CoA, 3-HB-CoAの細胞内の蓄積量を定量を行うことで代謝フラックス解析をLC-MSで解析し細胞内蓄積量から推定した。細胞からのCoA対抽出に関しては冷アセトニトリルを利用することでCoA体の再現性よく回収可能となり定量分析が可能となった。次年度に向けて、最終的に高光学純度の(R)-3HBの効率的な生産のための培養条件の検討を進めている。キラル化合物の化学合成のためには、高光学純度の出発物質を使用することが必須となる。新規に開発した高光学純度の(R)-3-ヒドロキシ酪酸((R)-3HB)の微生物生合成システムを基盤に、バイオマス由来の主要糖質であるグルコースから(R)-3HBの効率生産を可能とする微生物工場の創成を目指した。R)-3HB)

合成経路内にある生合成中間体である3種のCoA体の細胞内蓄積量を精度よく比較定量できる新規分析法を立ち上げ、各生合成段階の酵素反応が律速となるかを、今回開発したLC-MSにより定量した結果から、アセチル-CoAへのフラックスを向上させることで(R)-3HBの生産性が向上すると考えられた。この結果から、遺伝子型の異なる各種宿主大腸菌を宿主にグルコースの消費速度と(R)-3HBの生産量を指標に行い、大腸菌109株を宿主として選択した。代謝工学的観点から,本生合成系のCoA転移酵素(PCT)の反応を(R)-3HBに傾けるためには、3HB-CoAから遊離されるCoAをエネルギーロスなくアセチル-CoAを再生産するためには培地に添加する酢酸濃度が非常に重要であることが分かったため添加するグルコースと酢酸の至適化を検討し、さらに生合成に関与するPhaBおよびPCTの高活性体を利用することで最終的に15g/Lの(R)-3HB生産性を達成した。培養試験から、培地中に蓄積された(R)-3HBがある以上の濃度になると生産大腸菌の生育阻害が判明したので、培地交換法による連続培養による回避を検討した。培養48時間ごとに集菌し、新しい培地を加えて(R)-3HBの生産を試みた結果、各培養サイクルごとにバッチ培養と同等の生産性が連続して達成できた。さらなる効率生産のために生産大腸菌の高密度培養についても検討した。グルコースの逐次添加培養によって、最終的に数倍の菌体量を増加させる培養条件を決定できた我々が新規に開発したグルコースから高光学純度の(R)-3-ヒドロキシ酪酸((R)-3HBの微生物生合成システムを、高効率で(R)-3HB生産可能な微生物工場を創成する基盤技術を確立した。生合成中間体である3種のCoA体の細胞内蓄積量を定量する新規分析法を開発し、アセチル-CoAへのフラックス向上が生産性に影響を与えることを見出し、グルコース消費速度の高い宿主菌株を選択した。培地中に添加するグルコース及び酢酸濃度の至適化を行い15g/Lの(R)-3HB生産性を達成した。一方添加する酢酸濃度が高いと生育が阻害されるので、培地交換培養法により効率的な高光学純度(R)-3HB生産法を達成できた。当初の計画であった(R)-3HB生産性の強化を目的として、グルコーストランスポーターを強化した宿主大腸菌による効果を検討したが、予想に反して(R)-3HBの生産性が下がる傾向を示した。現在まだ検討中であるが、代替として遺伝子型の異なる大腸菌宿主に(R)-3HB生産遺伝子群を導入して生産性を検討することになったした。H27年度以降に計画している律速酵素の特定のに関しては、定量分析の対象としている合成中間体の3種のCoA体が不安定であったため、文献にある抽出法では定量性が確保できなかったので多くの検討が必要であった。現在まだ完全とは言えないがほぼ満足できる抽出法が確立できてきている。次年度は、効率的な高工学純度(R)-3HBの効率生産を目指し、培養条件の検討を中心に行う。特に炭素源とするバイオマス由来グルコースの培地への添加量を高めるとグルコースの浸透圧のためだ宿主大腸菌の生育が大きく阻害されることから、培養初期には添加量を抑える逐次添加培養を検討し、グルコースの消費量の最適化を検討する。加えて、CoAを受容する酢酸も同様に高濃度となると宿主大腸菌の生育を阻害することが分かっているので、添加時期と添加量を最適化する培養方法を3HBの生産速度と生産量を指標に確立する。加えて培養液中に生成した(R)-
上皮間葉相互移行を標的とした急性肺損傷後の上皮修復メカニズムの解明と治療への応用

マウスに塩酸を片肺気管内投与し、急性肺損傷モデルを作成した。組織学的解析では、投与24時間後に炎症細胞浸潤と浮腫、出血を認め、14日後には肺組織の線維化を確認した。このモデルを用い急性肺損傷後の上皮修復メカニズムを検討したが、上皮間葉相互移行の関与を証明するには至らなかった。一方でリコンビナントトロンボモジュリン製剤投与により、組織学的に肺線維化を抑制する傾向が認められ、上皮修復機序に関与する可能性が示唆された。急性肺損傷/急性呼吸窮迫症候群(ALI/ARDS)の病態の中心は、さまざまな生体侵襲に対する免疫系の活性化に伴う肺の非特異的炎症反応および透過性亢進に起因する肺水腫である。このため、以前より抗炎症作用に主眼を置いた治療法の開発が行われてきた。抗炎症療法は理論的にはALI/ARDSの病態を沈静化しうると考えられるが、実際には治療開始の時期や本症候群の病態そのものの多様性などの問題から、科学的根拠が得られるほどの治療効果は達成できていない。近年、再生医療分野の発展とともに、ALI/ARDSに対する幹細胞移植の有効性に関しても、動物実験レベルで検討がなされている。そして実際に、間葉系幹細胞移植は肺損傷後の上皮修復に有効であるばかりか、炎症反応の修飾作用をも併せ持っていることが明らかとなっている。しかし、幹細胞移植による再生治療の臨床応用には様々な障壁があることも事実である。一方で、薬物学的に上皮修復・再生を誘導し、肺胞の正常機能を回復させることができれば、近未来的に実現可能な治療法となりうる。特に肺の基本的特性ともいえるガス交換機能の早期回復は、人工呼吸器装着期間を短縮し、集中治療に伴う多大な人的ならびに医療資源の削減に寄与し、また医学的にもALI/ARDSの生命予後の改善に貢献する可能性があると考える。われわれは、塩酸片肺気管内投与によるALI/ARDSモデルマウスの作成に成功している。このモデルマウスを用いて、肺損傷後の修復メカニズムを上皮間葉形質転換(EMT)を中心に調査したいと考える。EMTを抑制する薬剤としてトロンボモジュリン製剤を一候補と考え、トロンボモジュリン製剤投与による急性肺損傷の軽減効果を現在検討中である。次年度では、投与量や投与方法を工夫することで、肺損傷後の肺組織の再構築の正常化を促進できないか、さらに研究を推進する予定である。われわれは、塩酸片肺気管内投与によるALI/ARDSモデルマウスを用いて、肺損傷後の修復メカニズムに関して上皮間葉形質転換(EMT)を中心に調査を試みた。モデルマウスへのトロンボモジュリン製剤の投与により組織学的な肺線維化の程度は改善の傾向を示した。一方で気管支肺胞浄液中の炎症細胞浸潤の程度に違いは認められず、さらなる検討が必要と考えられた。

そして実際に、間葉系幹細胞移植は肺損傷後の上皮修復に有効であるばかりか、炎症反応の修飾作用をも併せ持っていることが明らかとなっている。しかし、幹細胞移植による再生治療の臨床応用には様々な障壁があることも事実である。一方で、薬物学的に上皮修復・再生を誘導し、肺胞の正常機能を回復させることができれば、近未来的に実現可能な治療法となりうる。特に肺の基本的特性ともいえるガス交換機能の早期回復は、人工呼吸器装着期間を短縮し、集中治療に伴う多大な人的ならびに医療資源の削減に寄与し、また医学的にもALI/ARDSの生命予後の改善に貢献する可能性があると考える。われわれは、塩酸片肺気管内投与によるALI/ARDSモデルマウスの作成に成功している。このモデルマウスを用いて、肺損傷後の修復メカニズムを上皮間葉形質転換(EMT)を中心に調査したいと考える。EMTを抑制する薬剤としてトロンボモジュリン製剤を一候補と考えており、次年度では、これを投与することにより肺損傷後の肺組織の再構築の正常化を促進できないか、さらに研究を推進する予定である。当該研究の実施等に必要となる時間の配分が想定以上に大きく下回った結果、研究計画が遅滞したものと考える。当該研究の実施等に必要となる時間の配分を十分に確保した上で、研究対象を絞ることで研究計画の簡略化を図り、さらに研究を推し進める予定である。また基礎的研究に固執することなく、肺損傷や修復過程に関する臨床研究にも横断的に調査を推進させたいと考える。また基礎的研究に固執することなく、肺損傷や修復過程に関する臨床分野においても研究を発展させたい。現在までの遅滞していた研究計画を集中的に推進する予定である。具体的には、塩酸投与急性肺損傷モデルマウスに、トロンボモジュリン製剤を経静脈的に投与する。現時点で、トロンボモジュリン製剤の単回投与では効果が得られにくい可能性が示唆されており、持続投与あるいは経気管投与などにより、投与方法を工夫した上で再検討を加える。上記の肺損傷後の上皮間葉形質転換(EMT)シグナル経路に関する解析を行い、その関連性を調査する。また、急性肺損傷修復過程をコントロール群と比較し観察する。急性肺損傷の重症度評価には肺乾湿重量比や肺胞内タンパク濃度、気管支肺胞洗浄液中の細胞成分解析や、ELISAによるサイトカインアッセイ、肺組織学的評価によって行い、炎症反応の修飾の度合を評価する。また、肺線維化の評価として、肺の組織学的評価のほかコラーゲン定量解析を行う。また、肺損傷、修復に関連した臨床研究にも発展させたいと考える。以上の研究計画において、研究費の残余分を使用するものとする。現在までの遅滞していた研究計画および次年度に予定していた研究計画を集中的に推進する予定である。具体的には、塩酸投与急性肺損傷モデルマウスに、トロンボモジュリン製剤を経静脈的にあるいは経気管的に投与する。
高抵抗金属母材を持つ低損失型線材による伝導冷却型低温超伝導パルスコイルの高性能化

半導体工場などを瞬時電圧低下から保護するための電力貯蔵装置の開発が期待されている。このためには数MW級の出力を1秒間出力することが要求される。このような装置として超伝導電力貯蔵装置が期待されている。本研究では、この装置に使用する伝導冷却型パルスコイルを低コストで開発するための検討を行った。生産コストの最も低いNbTi線材を使用する場合、CuNi等の高電気抵抗材料を母材に使用した低損失線材を使用した方が、よりコンパクトで低コストにできることを示した。また、安定性の高いCu母材のNbTi線材でも、テープ形状導体を使用し、コイル構造材への熱拡散効果を最適設計することによって、従来型よりも性能向上が期待できることを明らかにした。さらに、20Kで使用することが期待されているMgB2線材を使用した場合の検討も行い、その性能向上のためには高アスペクト比のテープ形状にすることが有効であることを短尺線材の試験で明らかにした。ならびにこのようなテープ形状の線材を活用するための導体設計についても検討を行い、3T級の磁界が発生できる小型のコイルを並列導体で巻線し、安定に通電できることを実験的に示した。本研究の目的は、超伝導コイルの安定性に関する一般的な設計指針である『超伝導線材の高安定化には、銅などの低電気抵抗材料を母材に使用すべき』という指針は、伝導冷却型パルスコイルでは必ずしも有効ではなく、むしろ、『伝導冷却型パルスコイル用超伝導線材には、CuNi等の高電気抵抗材料を母材に使用した、低損失線材を使用した方が有利である』という設計指針が成り立つかどうかを、実験と理論の両面から明らかにすることである。平成20年度はまず、CuNiを使用したNbTi多芯線を使用することによって得られる交流損失低減効果が、コイルの性能向上にどの程度効果があるかを調べた。瞬低SMES用に開発されたIMJコイルを例に挙げて評価を行った結果、コイル内の上昇温度を約1/10にまで低減できることを示し、コイルのコンパクト化に極めて有効であることを示した。また、伝導冷却された超伝導線材の安定性に及ぼす母材の電気抵抗率の影響を、理論面から明らかにするために、2次元の数値解析を行うた。その結果、CuNi母材の多芯線でも、Cuコアを配することによりコイル保護が可能なこと、最小クエンチエネルギーが向上し、十分な安定性を確保でき得ることを示した。さらに、これらの解析結果を確かめるための実験準備をスタートした。並行して、MgB_2線材についても伝熱特性の評価を行える解析コードの開発をスタートさせた。そのために、MgB_2線材の磁場中の特性評価まで行った。本研究の目的は、伝導冷却型パルスコイル用超伝導線材には、CuNi等の高電気抵抗材料を母材に使用した、低損失線材を使用した方が有利であるという設計指針が成り立つかどうかを、明らかにすることである。平成21年度は、高電気抵抗であるCuNi母材のNbTi多芯線を使ったラザフォードケーブルを用いて、1MW/1秒補償の瞬低補償用伝導冷却型パルスコイルの設計を行った。また、通常のCu母材多芯線よりも性能の高いテープ状導体を活用した場合についても、同様の条件で設計を行った。CuNi母材線材を用いた場合は、Cu母材線材よりも交流損失が大幅に低減することにより、Cu母材線材を用いた場合よりも高磁界化が可能になることがわかった。その結果、クライオスタットを含めたコイル全体サイズを約25%低減できることを示した。さらに、臨界温度が高く20Kでの運転も可能なMgB_2線材を用いた伝導冷却型パルスコイルの実現性についても検討を行った。現状の臨界電流密度が低い線材でも、Cu母材のNbTi線材を用いた場合と同程度の性能が得られることを理論的に示した。また、絶縁有MgB_2テープ線2本を使った低損失並列導体を用いて3T級の磁界が発生できる小型コイルを作製し、そのコイルが安定に通電できることを実験的に示した。
テラスケール弦模型の定式化と加速器実験での検証

平成25年度は、弦の張力のスケールとウィークスケールを結びつける理論的な研究を第1として、LHC実験におけるテラスケール弦模型の検証の研究を第2とする、という計画であった。第1の課題については、前年度に取りあげた弦模型におけるゲージ対称性の自発的破れを実現した系において設定していた仮定を取り除くべく理論的な努力をした。特に時空10次元の模型である超弦理論の余分な6次元空間についてコンパクト化をしていなかったので、それを達成すべく努力した。高い対称性によって変形の自由度が少ないコンパクト空間、特にZ7orbifoldについて理解を深め、超対称性のない配位のDブレーンの間に働く力(引力・斥力)によって変形の自由度を固定する可能性を追求した。磁気を帯びたDブレーンを用いれば可能であるというアイデアを得ることはできたが、論文を執筆するほどの成果には至っていない。これは、新たに26年度から3年間の基盤研究(C)として採択された研究計画に引き継がれるものである。第2の課題に関しては、LHC実験が特に新たな結果を与えなかったので、前年度行った研究を進めるということはしなかった。そのかわり、急速に進んできた宇宙観測の結果における弦模型の検証に関する研究を行った。超対称性のないDブレーンの模型においては、特徴的な指数関数のポテンシャルエネルギーを持つスカラー場が存在し、それが宇宙のインフレーションの始まりの物理に独特の予言をする。予言を正確に行いWMAP9のデータと比較することにより超対称性のないDブレーンの模型の可能性を示唆した。全期間の成果として、テラスケール弦模型は弦の張力のエネルギースケールとウィークスケールに比較的大きな開きを与える特殊な機構がない限りLHC実験によってほとんど排除されているという結果が得られた。25年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度は、LHC実験におけるテラスケール弦模型の検証の研究を第1として、弦の張力のエネルギースケールとウィークスケールを結ひつける理論的な研究を第2とする、という計画であった。第1の研究については予定通りに進捗し、テラスケール弦模型のLHC実験に対する予言を計算機によるモンテカルロシミュレーションを行うことによってLHC実験で直接に探索可能な弦の張力のエネルギースケールの上限を求めた。LHCにおける衝突エネルギーが12 TeVの場合を想定したシミュレーションを行ったので、実際の実験の進捗を待つという状況となっている。また、これに関連して、LHC実験のATLAS実験グループからの要請を受けて、テラスケール弦模型が実現している場合の信号事象の生成を計算機によるモンテカルロシミュレーションによって行い、ATLASグループの現在の実験的研究に対して重要な寄与をした(その研究は下記の雑誌論文の欄の3番目の論文により発表されている。研究代表者の名前はATLAS実験グループの内規の都合により著者の中にないが、謝辞の筆頭に書かれている)。第2の課題については、具体的な弦模型において理論的な考察を行った。Z3オービフォールドの特異点上にD3ブレーンとanti-D7ブレーンを設定して超対称性を破った系において、D3ブレーン上に実現されるゲージ対称性が自発的に破れる状況を実現して弦の張力のエネルギースケールとゲージ対称性の破れのエネルギースケールの間の関係を考察した。非常に特別なことがなければ、後者は前者より1桁小さいという結果を得た。第1の課題としていたLHC実験におけるテラスケール弦模型の検証の研究は当初の予定通りに進み、実際の実験の結果を待つという状況になった。また、第2の課題としていた、弦の張力のエネルギースケールとウィークスケールを結ひつける理論的な研究についても、簡単ではあるが具体的な弦模型において理論的な考察を行い一定の結論を得た。LHC実験は重要な結果を残し、約2年間の休止状態に入った。

これを受けて当初の予定にしたがい、平成24年度には第2の研究としていた、弦の張力のエネルギースケールとゲージ対称性の自発的破れのエネルギースケールを結ひつける理論的な研究を行う。平成24年度に研究対象とした弦模型には未定義の部分(コンパクト空間を特定しなかった)が残されていたが、今年度は完全に定義された模型を構成して研究を行う。具体的にはZ7オービフォールドというコンパクト空間に着目する。弦の張力のエネルギースケールとゲージ対称性の自発的破れのエネルギースケールの関係を明らかにするだけでなく、弦模型の初期宇宙の物理に対する予言についての研究も行う。25年度が最終年度であるため、記入しない。
生体分解性マイクロニードルを用いた無痛グルコースセンサーやＤＤＳの開発

本研究では、主に生体分解性のポリマーを用いたマイクロニードルの新規製作方法を開発し、薬剤輸送以外のセンサーとして機能する低侵襲血糖値センサーへの応用を目指している。本研究より、従来技術では達成できなかったポリマーベースの低侵襲センサーの実現に大きく寄与が持たされることが期待できる。多孔質マイクロニードルの表面処理やデバイス内部の素子を変更し、他のバイオマーカに対しても有効な測定が可能であり、他の疾病の診断に関しても有効性であることが期待される。
傷害肝の修復におけるマクロファージの代謝スイッチと線維形成・吸収の制御機構の解明

マウスマクロファージ細胞株RAW264.3細胞にLPSを添加してその性質を検討した。gpmnbを発現していることは確認されたが、M1あるいはM2の形質については明確に区別することができなかった。そこで、マウス骨髄細胞を用いた実験系を確立することとした。すなわち、C57BL・6マウス大腿骨から骨髄細胞を採取し、M-CSFを添加してM0マクロファージを誘導した。このM0マクロファージに、IFN-γおよびLPSを添加してM1マクロファージを誘導した。一方、M-CSFによって誘導したM0マクロファージにIL-4を添加するとM2マクロファージが誘導された。M0、M1およびM2マクロファージにおけるgpnmbおよびc-Metの発現を定量的RT-PCR、ウェスタン法にて確認したところ、gpmnbはM2マクロファージに、c-MetはM1マクロファージに発現増強していることが確認された。これらのマクロファージの分化誘導系を用いて、解糖系および酸化的リン酸化の関連遺伝子の発現、解糖系およびミトコンドリア機能の解析を行なっている。DBA/2Jマウス(自然発症gpnmb欠損マウス)をC57BL/6マウスにバッククロスしていたが、F10マウスにおいてgpnmb欠損が確認された、C57BL/6バックグラウンドのgpnmb欠損マウスが確認された。C57BL/6野生型およびgpmnb欠損マウスに四塩化炭素を単回投与して急性肝障害を誘導し、肝障害の重症度、組織学的変化、浸潤マクロファージとそのドン職能、線維化関連分子(TGF-β、I型コラーゲン、αSMAなど)の発現を解析している。当初、マクロファージの培養細胞株のin vitro実験系を用いることを計画していたが、M1, M2の形質が明確にならないため、新たに骨髄細胞由来のマクロファージを分化誘導する実験系に切り替えた。また、gpnmb欠損マウスのバッククロスに時間を要したが、ようやく今年度中にC57BL/6バックグラウンドのgpnmb欠損マウスで動物実験が実施できるようになった。骨髄細胞およびgpnmb欠損マウスを用いた実験をさらに進め、得られた結果から、骨髄移植モデルを用いた実験に発展させる予定である。
電界共役流体(ECF)を用いたマイクロ人工筋の研究

本研究課題では,微細なアクチュエータの集合体である生物の筋肉が潜在的な柔軟性を持つことに注目して,柔軟なロボットシステムを具現化するためのマイクロ人工筋を実現することを目的とする.すなわち,高電圧の印加によって活発なジェット流を発生する電界共役流体(ECF)を利用することによって閉空間の内圧を制御し,パワーソースをも内在したマイクロ人工筋を具現化し,複数のマイクロ人工筋を直並列に配置した柔軟な運動機構の実現を目指す.本年度は以下の成果を得た.はじめに,実システムへの適用および集積化が可能なセル構造を持つECFマイクロ人工筋を提案し,実現した.すなわち,内圧制御によって軸方向の収縮変位を得る繊維強化シリコーンゴムチューブ,ECFに電圧を印加し圧力源となるジェット流を発生するECFジェット発生部,およびECFを蓄えるECFタンクを入れ子上に配置した形状を具現化し,駆動を確認した.なお,寸法はφ13mm×10mmである.また,駆動特性実験の結果,この人工筋セルの最大収縮変位は1.2mmであり,軸方向の最大発生力は0.17Nであった.つぎに,製作したECFマイクロ人工筋セルの変位制御システムを構築した。レーザ変位計によりセルの先端変位を測定し,目標位置との偏差からPD制御により印加電圧を操作した.収縮目標を0mmから1mmまで0.2mmごとのステップ状に変化させた際のステップ応答の結果,良好な制御結果を得た.以上のように,本年度の成果によって,ECFマイクロ人工筋セルの実現および駆動制御が達成された.電界共役流体(ECF)は,流体内に挿入した電極対に数kVの高電圧を印加すると電極間に活発な流動(ECFジェット)を生じる機能性流体である.このECFジェットは電極対の寸法パラメータが微小になるほど活発になることが知られているため,マイクロアクチュエーションの駆動源として期待されている.このため,本研究ではECFジェットを利用したマイクロ人工筋を開発した.成果は以下のとおりである.はじめに,両端が閉じられ軸方向に繊維強化されたシリコーンゴムチューブの内圧をECFジェットによって加圧し,軸方向の収縮変位および力を発生するマイクロ人工筋の駆動原理を提案した.本年度は駆動原理の確認および基本特性の測定を目的として,直径5mm長さ10mmの繊維強化シリコーンチューブ,ECFジェット発生部およびECFタンクを独立に配置したプロトタイプを設計・試作した.つぎに,プロトタイプを用いた駆動実験を行った.この結果,提案した駆動原理によって軸方向収縮が可能であることを確認した.収縮変位および発生力を測定した結果,最大収縮率16%,最大発生力0.18Nであった.以上のように,本研究では電界共役流体を用いたマイクロ人工筋のプロトタイプを製作し,駆動特性を確認した.電界共役流体を用いると微小な電極対によって圧力源を構成できるため,開発したマイクロ人工筋はパワーソースを内蔵したコンパクトな構成が可能であり,マイクロ人工筋セルを製作すればこれを直並列に配置し,生物の筋肉のように微小要素の集合として大ストローク・大出力アクチュエータを実現できる.本研究課題では,微細なアクチュエータの集合体である生物の筋肉が潜在的な柔軟性を持つことに注目して,柔軟なロボットシステムを具現化するためのマイクロ人工筋を実現することを目的とする.すなわち,高電圧の印加によって活発なジェット流を発生する電界共役流体(ECF)を利用することによって閉空間の内圧を制御し,パワーソースをも内在したマイクロ人工筋を具現化し,複数のマイクロ人工筋を直並列に配置した柔軟な運動機構の実現を目指す.本年度は以下の成果を得た.はじめに,実システムへの適用および集積化が可能なセル構造を持つECFマイクロ人工筋を提案し,実現した.すなわち,内圧制御によって軸方向の収縮変位を得る繊維強化シリコーンゴムチューブ,ECFに電圧を印加し圧力源となるジェット流を発生するECFジェット発生部,およびECFを蓄えるECFタンクを入れ子上に配置した形状を具現化し,駆動を確認した.なお,寸法はφ13mm×10mmである.また,駆動特性実験の結果,この人工筋セルの最大収縮変位は1.2mmであり,軸方向の最大発生力は0.17Nであった.つぎに,製作したECFマイクロ人工筋セルの変位制御システムを構築した。レーザ変位計によりセルの先端変位を測定し,目標位置との偏差からPD制御により印加電圧を操作した.収縮目標を0mmから1mmまで0.2mmごとのステップ状に変化させた際のステップ応答の結果,良好な制御結果を得た.以上のように,本年度の成果によって,ECFマイクロ人工筋セルの実現および駆動制御が達成された.
Freak Waveの出現予測法の構築とその出現特性の解明

本研究は,Freak wave(一発大波と呼ばれる異常波)の発生頻度を予測する手法の開発をめざしたものである.Freakwaveを有義波高の2倍以上の波として定義し,最大波高とスペクトルの関係に関する理論的な定式化を行い,その妥当性を現地波浪観測結果と平面水槽実験により検証した.その結果,海面の水位変動の4次モーメントと最大波高の相関を見出し,波浪スペクトルから最大波高の推定が可能であることを明らかにした.本研究は,Freak wave(一発大波と呼ばれる異常波)の発生頻度を予測する手法の開発をめざしたものである.Freakwaveを有義波高の2倍以上の波として定義し,最大波高とスペクトルの関係に関する理論的な定式化を行い,その妥当性を現地波浪観測結果と平面水槽実験により検証した.その結果,海面の水位変動の4次モーメントと最大波高の相関を見出し,波浪スペクトルから最大波高の推定が可能であることを明らかにした.3次の非線形干渉による水面変位の4次モーメント(μ4)の変化を最大波高分布と関連付け、Freak waveの出現頻度を予測する理論が提案されており,断面2次元造波水路内を伝播する波列のスペクトルの変形とFreakwaveの出現頻度が一連の理論により推定できることが定量的に示されている.本研究計画では,これらの基礎理論を拡張し,波浪予測・推算に応用し,新たなる波浪予測・推算情報を提供することを目的としている.1.3年計画の2年目のFreakwave波浪予測に重要となる水面変位の4次モーメント(μ4)予測をECMWFの現業波浪予測モデルを用いて行い,その精度検証を行った結果,1方向を仮定した従来の理論では,異常波浪の予測は困難であることを明らかにした.ついで,方向分散性を考慮したμ4の予測理論を定式化し,モンテカルロ数値計算によりその妥当性について検証を行った.さらにNOWPHAS現地観測データを詳細に解析し,Freak waveのような異常波浪の発生事象を抽出し,その時の気象・海象条件についてデータ解析を行った結果,Freak waveのような巨大波浪の出現時にはμ4の値が増大していること,μ4に基づくFreak wave予測理論や水槽実験結果の裏付けとなる結果を現地観測データから得ることが出来た.2.2006年の一連の台風によって発生した高波の出現特性を整理した結果,Freak Waveの予測に必要なスペクトル特性などのパラメータをとりまとめた.3.津波来襲前の地震発生とほば同時に,海底設置式波浪計が短周期の非常に大きい水圧変動を捉えていることを,2007年能登半島地震後のNOWPHAS波浪観測記録から明らかにし,衝撃的な海底水圧変動観測が津波予測に貢献しうることを初めて明らかにした.3次の非線形干渉による水面変位の4次モーメント(μ4)の変化を最大波高分布と関連付け,Freak waveの出現頻度を予測する理論が提案されており,断面2次元造波水路内を伝播する波列のスペクトルの変形とFreakwaveの出現頻度が一連の理論により推定できることが定量的に示されている.本研究計画では,これらの基礎理論を拡張し,波浪予測・推算に応用し,新たなる波浪予測・推算情報を提供することを目的としている.1.予測方法の検討FreakwaveやHmaxの予測に重要な水面変位の4次モーメントであるkurtosisを予測するため,Janssenの一方向波の仮定の下で導出された理論に方向分散性の影響を加えた半経験式を提案した.得られた結果について,観測データと波浪解析データを用いて検証を行った.その結果,一方向を仮定した従来の理論では説明できなかったHmaxの方向分散性依存を説明可能であることがわかった.また,波浪解析データから推定したkurtosis観測データのHmaxには相関が見られ,方向スペクトルからHmaxの推定が可能であることがわかった.2.水槽実験Freak Waveの出現予測に深くかかわる方向分散性の影響について平面水槽を用いた実験により検証を行った.その結果,方向分散性が強くなるほど,波の伝播に伴うkurtosisの増加は確認されず,Freak Waveの出現頻度が低下することがわかった.また,平面実験に付随して実施された断面2次元水路を用いた実験より,深海波を対象に,kurtosisの予測に関連するスペクトル幅パラメータと波形勾配の影響について検証を行った.その結果,狭帯スペクトルを有し,かつ波形勾配が大きい条件において,伝播に伴うkurtosisの増加率が大きく,Freak Waveの出現頻度が高くなることが確認された.3次の非線形干渉による水面変位の4次モーメント(μ4)の変化を最大波高分布と関連付け,Freak waveの出現頻度を予測する理論が提案されており,断面2次元造波水路内を伝播する波列のスペクトルの変形とFreakwaveの出現頻度が一連の理論により推定できることが定量的に示されている.本研究計画では,これらの基礎理論を拡張し,波浪予測・推算に応用し,新たなる波浪予測・推算情報を提供することを目的としている.今年度は以下の2つの結果を得た.1.Freakwaveの予測に重要となる方向スペクトルの方向分散性の影響について検討を行った.これまで用いられてきた理論に方向分散性の影響を加えた半経験式を提案した.得られた結果について,観測データと波浪解析データを用いて検証を行った.その結果,一方向を仮定した従来の理論では説明できなかった最大波高Hmaxの出現頻度の方向

分散性依存を説明可能であることがわかった.また,波浪解析データから推定したkurtosisと観測データのHmaxには相関が見られ,方向スペクトルからHmaxの推定が可能であることがわかった.2.詳細な波浪情報と十分なサンプル数を持つ観測波浪データを解析し,非線形指標や方向スペクトルを含む波浪統計量をもとにしたFreak waveの出現特性について解析した.さらに,波浪統計量の時間変化と気圧配置をもとにFreak waveの出現と気象条件について考察を行った.