hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ラフ集合と位相空間に基づいて占いを信じる感性推論システムを試作する

最終年度である当該年度では,以下の2点に関する成果を得た.(1)占いを含むユーザとの対話における非妥当な推論に関して,「整合性維持」という制約の観点から納得できる結論を導くプロセスとして構成し,それをシミュレートする信念形成試作システムをプログラミングした.言語はJAVAを用いた.本試作システムを使って,我々が占いの典型的基本推論パターンと考えている(a)いかにも筋が通っているように見せかけるような演繹推論(b)乏しいサンプルから一般化する類の誤った帰納推論(c)占いの結果を正当化するために好都合な小前提を設定する発想推論(e)自分に都合のよい(または、厭世的な人なら都合の悪い)結論を粒度調整で導く推論(e)粒度調整(見たくないものは見えなくする等)による整合性の獲得方策(f)納得に至るプロセスとしての推論とその結果としての信念形成(占いを信じること),の以上6項を表現する部分プログラムを作成し,その挙動に関して一定の成果を確認した.(2)信念形成試作システムにおいて,粒度調整の設定を有効に活用し,粒状化の粗さ・細かさや局所性に基づく「大雑把な感性」「適切にコントロールされた感性」「詳細にこだわる感性」「特定の部分にこだわる感性」を推論のクセとして組み込んだ.その結果,複数の典型的なもっともらしい推論の類型化として,占いの結果を非常に信じ込みやすいシステム、あるいは、非常に懐疑的でなかなか信念形成に至らないシステム、をシミュレートすることができた.本研究では,ラフ集合に基づく粒状性(granularity)と位相空間論が一般に、感性を伴う情報処理において一つの重要な役割を果たす、という観点に基づいて、人間の推論における感性の役割に関する基本的知見を獲得し、感性を伴う推論のシミュレーションの実現をめざすことを目的とする。本年度はまず、そもそも論理や推論における感性とは何なのか、に関して基礎的考察を行い,以下の結果を得た.まず,ラフ集合と粒状推論に基づく演繹・帰納・発想の三大推論の統一的取扱う方法を構成した.それはKripke式のモデルを粒状化して,上近似モデルと下近似モデルを生成する方法であり,怪しい推論は上近似モデルを活用することで説明できることが分かった.また,人間のコミュニケーションに出現する非妥当推論の列挙し,その類型化を行った.その結果,個々の演繹としては正しいが全体的には怪しい推論プロセス(「風が吹けば桶屋が儲かる」の類)を常に異なる焦点で粒度を上げ下げによって説明できることを明らかにした.また,その説明を,占いにおける推論例に適用し,アブダクションを利用した推論として定式化した.以上と並行して,次年度の準備として,Kripke式モデルに対する上・下近似モデルを構成するプログラムを作成した.これは様相論理の決定問題を解く手法であるろ過法を拡張した理論に基づいている.本プログラムはJAVAでされており,次年度,これを拡張して,感性推論,最終年には,信念形成が可能となるように拡張する準備が整った.本研究では,ラフ集合に基づく粒状性(granularity)と位相空間が一般に、感性を伴う情報処理において一つの重要な役割を果たす、という観点に基づいて、人間の推論における感性の役割に関する基本的知見を獲得し、感性を伴う推論のシミュレーションの実現をめざすことを目的とする。感性推論の例として,占いにおける推論を取り上げている.本年度は,前年度に構築した粒状推論システムの準備の下,推論における感性の役割に関する基礎理論を更に洗練させ,計算機上で実装することが目標であった.本システムにおいて,占いにおけるいくつかの推論例を実現するために,演繹の他にアブダクションを実現するユニットを構成し,本システムに組み込んだ.この拡張されたシステムを利用して,推論プロセスで働く感性の類型とその結論に至る傾向を探った結果,非妥当ながらもっともらしい推論プロセスの原理を考察した.そこでは,商集合を構成する粒状化の粗さ細かさが「大雑把な感性」「適切にコントロールされた感性」「詳細にこだわる感性」「特定の部分にこだわる感性」など,複数の典型的な人間らしい推論の類型化を得た.また,このような粒度の調整と感性の類型との対応を構成し,粒度調整の設定の方策が推論のクセを記述するようにインプリメントできた.この粒度調整のバランス感覚を制御するアルゴリズムの設計は粒状性が局所的に異なるような粒状化を導入することで,一定の結果を得た.以上は,次年度の信念形成シミュレーションに重要な役割を果たす予定である.最終年度である当該年度では,以下の2点に関する成果を得た.(1)占いを含むユーザとの対話における非妥当な推論に関して,「整合性維持」という制約の観点から納得できる結論を導くプロセスとして構成し,それをシミュレートする信念形成試作システムをプログラミングした.言語はJAVAを用いた.本試作システムを使って,我々が占いの典型的基本推論パターンと考えている(a)いかにも筋が通っているように見せかけるような演繹推論(b)乏しいサンプルから一般化する類の誤った帰納推論(c)占いの結果を正当化するために好都合な小前提を設定する発想推論(e)自分に都合のよい(または、厭世的な人なら都合の悪い)結論を粒度調整で導く推論(e)粒度調整(見たくないものは見えなくする等)による整合性の獲得方策(f)納得に至るプロセスとしての推論とその結果としての信念形成(占いを信じること),の以上6項を表現する部分プログラムを作成し,その挙動に関して一定の成果を確認した.

(2)信念形成試作システムにおいて,粒度調整の設定を有効に活用し,粒状化の粗さ・細かさや局所性に基づく「大雑把な感性」「適切にコントロールされた感性」「詳細にこだわる感性」「特定の部分にこだわる感性」を推論のクセとして組み込んだ.その結果,複数の典型的なもっともらしい推論の類型化として,占いの結果を非常に信じ込みやすいシステム、あるいは、非常に懐疑的でなかなか信念形成に至らないシステム、をシミュレートすることができた.
UGAコドン解読の可変性におけるRNAcontextとRF2因子の役割

ペプチド鎖解難因子RF2をコ-ドする遺伝子であるprfBは大腸菌染色体上62分に存在し、herCと命名した遺伝子とオペロンを形成する。RF2蛋白質の構造と機能を明らかにし、同時にRF2の認識する翻訳終結コドンであるUGAコドンが示す可変性の分子機構を理解するために、RF2変異株の分子遺伝学的解析を行ない、以下の知見を得た。(1)変異株prfB2,prfB3は各々RF2構造遺伝子内の1アミノ酸置換変異である。(2)分離した4種類のprfB変異はいずれも5-10%程度のUGAサプレッサ-活性を示す。(3)prfB遺伝子内での+1フレ-ムシフトの効率の上昇が観察される。(4)trpリ-ダ-ペプチドのUGAコドンでのリボゾ-ムのポ-ジングのためと考えられるアテニュエ-ション効率の上昇が観察される。(5)サルモネラ菌からRF2遺伝子をクロ-ニングしシ-クエンスすることによって、supK変異がRF2遺伝子内変異であることを証明した。herC遺伝子はコリシンE1プライマ-RNA変異のサプレッサ-変異株として分離されたものであるが、HerC蛋白質は複製系の酵素ではなくて、リジルRNA合成酵素であることを生化学的に証明した。このサプレッションの分子機構は今後の研究に待たれるが、tRNAがコドンの可変性のみならず、幅広く細胞複製の調節に関与していることを示唆するものであろう。
機械的・生物的処理を組み込んだ統合的ごみ処理システムの評価・提案

MBT施設については,日本国内において稼働中の2施設の調査を1年目に実施した。組成分析および有機物分析によって,組成上は機械選別によってメタン発酵と焼却に効率よく分かれているが,布,プラスチック等には生ごみが付着しておりメタン発酵への回収率は組成でみた場合よりも低く,また生ごみ,紙類などのガス化率は予想されたよりも低く5060%にすぎないとの結果を得ている。バイオドライング施設は,日本国内で唯一稼働している施設において調査を行った。生ごみを含む可燃ごみを21日間処理し,乾燥後に固形燃料化原料を回収する施設であり,小粒径物とバルキング材としてチップを循環している。搬入物,搬出物等のサンプリングを行い,組成,水分,有機物量を分析して,搬出物の物質収支をとり燃焼化成分の回収率を算出し,可燃物の約60%が回収されていることを示した。またバイオドライング前後の組成,有機物の変化を推定し,どの成分がどのように変化しているかを示した。また施設は温度をモニタリングしながら空気の循環量,外気取り入れ量を制御している。運転データを用いて水分収支モデルを作成し,施設における水分除去量の変化を定量的に示した。焼却施設については,特に窒素酸化物に注目し,メーカーと協力して窒素酸化物生成メカニズムの解明,さまざまな炉形式,運転方式の工学的意義の整理を行った。炉形式としては,ごみを上部から供給し,下部からの空気量を必要量以下として部分的燃焼により高温ガスを発生し,それを利用して熱分解を進め,最後にガスを燃焼する竪型ストーカ炉に注目し,その原理をデータ解析によって明らかにした。計画通りに進行している。MBT施設においては,最初のプロセスである破砕選別の効率を初めて実測によって明らかにした。水分,組成の焼却,メタン発酵への移行割合を推定し,可燃分は焼却へ,水分はメタン発酵への選別率を評価した。これは従来の考え方と同じだが,本研究では各組成のバイオガス発生量を測定した。その結果,紙類,厨芥の分解率は60%程度に過ぎない一方,プラスチックは付着物のためバイオガス発生ポテンシャルを有している。可燃物組成で見るとメタン発酵への回収率は75%だが,バイオガス発生ポテンシャルにすると65%となることを示し,実施設の設計に有用なデータを提供した。バイオドライングについては,すでに実験室レベルの研究は終了し,学会に投稿中である。本年度は実施設においてサンプリング,試料分析をおこない,物質フローを明らかにした。さらに1年目に作成したモデルを用いて水分除去の時間変化を推定し,バイオドライングの運転特性を定量的に示すことができた。焼却については,従来炉と異なる特性をもつ竪型ストーカ炉に注目し,運転データを精査することにより炉内の熱分解,チャー燃焼,ガス燃焼などのメカニズムを明らかにした。わが国における廃棄物処理は,焼却を中心としている。発電効率の向上によってエネルギー回収を目指す方向にはあるが,生ごみなどの有機物に対してはメタン発酵と焼却を並行して用いるコンバインドシステムが提案されている。さらに,最初に好気性微生物による有機物分解熱を利用して乾燥し,固形燃料を取り出すバイオドライングの利用可能性がある。本研究はこれらの要素について実システムに基づく研究を行ってきた。最終年度は,これまでの成果を統合して旭川市の総合的ごみ処理を評価・検討し,システム提案を行う。処理シナリオは以下の3つとする。A:高効率発電を有する焼却施設,B:メタン発酵と焼却施設の統合システム(MBT),C:バイオドライングによる可燃ごみの高カロリー化と焼却。これらについて,以下の評価を行う。1)施設の立地(処分場,焼却施設,メタン発酵/BioDrying)を設定する。旭川市の計画に基づいて決定する。2)現在の収集データを分析して,収集・運搬コストの算定を行う。3)各シナリオについて,物質収支,エネルギー収支を計算する。4)エネルギー,コストによるシナリオ評価を行う。以上によって,わが国における新たな廃棄物処理システムの可能性を検討する。研究成果は報告書にまとめ,研究室ホームページで公開する。

炉形式としては,ごみを上部から供給し,下部からの空気量を必要量以下として部分的燃焼により高温ガスを発生し,それを利用して熱分解を進め,最後にガスを燃焼する竪型ストーカ炉に注目し,その原理をデータ解析によって明らかにした。計画通りに進行している。MBT施設においては,最初のプロセスである破砕選別の効率を初めて実測によって明らかにした。水分,組成の焼却,メタン発酵への移行割合を推定し,可燃分は焼却へ,水分はメタン発酵への選別率を評価した。これは従来の考え方と同じだが,本研究では各組成のバイオガス発生量を測定した。その結果,紙類,厨芥の分解率は60%程度に過ぎない一方,プラスチックは付着物のためバイオガス発生ポテンシャルを有している。可燃物組成で見るとメタン発酵への回収率は75%だが,バイオガス発生ポテンシャルにすると65%となることを示し,実施設の設計に有用なデータを提供した。バイオドライングについては,すでに実験室レベルの研究は終了し,学会に投稿中である。本年度は実施設においてサンプリング,試料分析をおこない,物質フローを明らかにした。さらに1年目に作成したモデルを用いて水分除去の時間変化を推定し,バイオドライングの運転特性を定量的に示すことができた。焼却については,従来炉と異なる特性をもつ竪型ストーカ炉に注目し,運転データを精査することにより炉内の熱分解,チャー燃焼,ガス燃焼などのメカニズムを明らかにした。MBT施設については,日本国内において稼働中の2施設の調査を実施した。組成分析および有機物分析によって,組成上は機械選別によってメタン発酵と焼却に効率よく分かれているが,布,プラスチック等には生ごみが付着しておりメタン発酵への回収率は組成でみた場合よりも低く,また生ごみ,紙類などのガス化率は予想されたよりも低く5060%にすぎないとの結果を得ている。バイオドライングについては,カラムを用いた実験を実施した。条件としては有機物量,送風量を変化させ,15通りの実験を行った。微生物分解による温度上昇がバイオドライングの特徴と考えられているが,カラム内部は常に飽和蒸気であり,通気はカラム内から蒸気を押し出す効果を持つ。水分除去の効果を通気と温度上昇に分けて比較すると,通気の効果が大きいことがわかった。ただし通気量が過大だと水分量が低下して微生物分解が停止することから,適度な通気量とする必要がある。実験結果をもとに,水分除去モデルを作成した。焼却施設については,特に窒素酸化物に注目し,メーカーと協力して窒素酸化物生成メカニズムの解明,さまざまな炉形式,運転方式の工学的意義の整理を行った。
自動追尾機能をもつ超低消費電力MEMSアンテナの研究

IoT無線通信やRF電力送信の分野において注目されているフェイズドアレイアンテナ(PAA)は,RF信号の位相を変化させることにより指向性ビームを走査するものである.我々は,位相を制御する移相器に低損失MEMSスイッチを適用してPAAの高周波回路を簡略化することを目標とし,高抵抗Si,LTCC,有機のそれぞれの基板を用いたMEMS移相器の作製・評価を行った.しかし,移相器表面パターンと裏面グランドを導通するために設けたvia内部の銅ペーストが,MEMSスイッチ作製プロセスの間に溶け出してviaの抵抗が高くなり,移相器の高周波特性が劣化するという問題が発生し,この問題を解決することが必須となっていた.今回は先行研究で問題となったviaの溶解について,TSV技術を用いることで部分的に克服できることを明らかにした.試作した180°switched-line MEMS移相器の測定を行ったところ,Reference-stateおよびDelay-stateのそれぞれの伝送線の挿入損失は1.33 dB (24 GHz)であった.これはシミュレーションとも近い値である.また24 GHzにおいて181.1°の移相量が得られ,シミュレーションの180.0°によく一致した.試作した移相器を用いたハイブリッドPAAの作製を検討し,接続に必要となるアルミワイヤ接続で発生する損失を評価した.その結果、24 GHzにおいて挿入損失が1.11 dBであり,ハイブリッド実装にアルミワイヤを用いることができることが分かった.一方,PAAと異なる方式の二種類のアンテナについて基礎検討を行った.一つは流体を用いるもので,広い範囲で周波数を変化させることができることを明らかにした.他は,MEMSアクチュエータを利用した機械振動式アンテナで,高速に広い角度にビームを走査できることをシミュレーションで明らかにした.viaの中の銅が溶けだすという問題の解決にviaの表面を永久レジストで被覆するというプロセスを新たに導入せざるを得ないことがわかった。協力してくれる企業があり、本年度、この企業がもつ永久レジストの特性およびプロセス耐性を慎重に評価するのに時間がとられた。しかし、永久レジストが現在試作中の移相器プロセスに全く重大な影響を与えないこと、また、ほぼ希望通りの特性が得られるという大きな成果を上げることができた。この成果より、今後研究の速度を上げて当初目標を達成する見通しが得られたものと考える。永久レジストを利用したvia保護プロセスを導入してシリコンおよびLTCC基板の上に移相器を完成させる。次に、試作した移相器をシリコンアンテナと分配器にハイブリッド実装してPAAの特性評価を実施する。一方、移相器を用いない新規MEMSアンテナの基礎検討が完了し、良好な特性が得られることを明らかにした:一つは、流体を用いて広い周波数帯に対応できるようにしたアンテナであり、試作したデバイスにより期待通りの特性が得られることを実証することができた。もう一つはMEMSアクチュエータを利用した機械振動式アンテナであり、高速高角度に互いに相反する要求を満足できるアンテナの特性を明らかにした。今年度はこれらのアンテナの試作を行って、PAAと特性比較を実施する予定である。我々は今までにMEMSスイッチを高抵抗シリコン基板の上に搭載した1ビット移送器の開発に成功した。しかし、基板のグランド面と表面の配線を接続する貫通ビア作製が大きな課題であり、以前に試作したビアがスイッチ作製プロセス後に抵抗が増大して移相器の損失が大きいという問題が発生した。今年度は、この課題を解決してMEMSスイッチの歩留まりを高くするために下記の三通りの手法で移相器を作製して評価を行った。1.シリコンTSV技術を利用して高抵抗シリコン基板に多数のVIAを作製した。作製表面の凹凸が少なかったために、ほぼ設計通りのスイッチ特性が得られた。試作した移相器の高周波特性を評価した結果、MEMS移相器で期待される低損失特性を24GHzで実証することができた。一方、MEMSスイッチ作製プロセスでミスがあったために、スイッチの歩留まりは高くなかった。2. LTCC基板を利用したMEMS移相器を試作した。VIAは問題なくできたが、表面凹凸が大きかったために、スイッチと基板の間隔を拡大した。この結果、スイッチの駆動電圧が約180 Vと増大した。試作した移相器の高周波特性を評価した結果、損失が期待したほど小さくないことがわかった。この原因を調査したところ、移相器の導波路の一部にメッキのための導通線路が接続されており、このために高周波特性が劣化したことが推測された。この推測は前の(1)で作製評価したシリコン移相器で確かめることができた。3.有機樹脂基板COC基板を利用したMEMS移相器の作製を目指して、有機樹脂基板の高周波基本特性を評価した。この結果、70GHzの高い周波数帯まで低損失であることを確かめることができた。続いて、作製した移送器を使用して1次元方向に走査可能なリニアアンテナの作製を行った。しかし、MEMSスイッチの歩留まりが低いために、アンテナの駆動が不十分であるという問題があった。シリコンTSVを利用したMEMS移相器を作製して24GHz付近の高周波特性を評価した。この結果、試作した移相器は期待通りの性能をもっていることを実証することができた。この成果は国内で最初のものであり、単なるシミュレーションでなく実際のデバイスで実証したことの意義は大きい。このようにMEMSスイッチをもつ移相器の損失が小さいことが実証できたことによって、本研究で提案したアンテナ実現に近づくことができた。

我々は、前年度にLTCC、シリコン、有機プラスチック基板上に作製した移送器評価を実施し、MEMSスイッチを利用した移送器の高周波特性が良好(低損失)であり、スイッチドライン移送器において180度の設計値通りの移送が実現できることを確かめた。それぞれに有利な点があるが、また同時に欠点があることが明らかになった。今年度作製したシリコン基板を使用した移送器の挿入損失の測定値は1.33dBであり、今までに我々が作成した中では最も小さかった(この値は今までに発表された他研究機関の研究成果の中でも最も小さな値に相当するレベルである)。一方、LTCC基板では挿入損失が3.0dBもあった。この原因を調査したところ、基板に作製したVIAの導通が不十分であること、また、VIAの導通不良はVIA作製後のMEMSスイッチ作製プロセスの影響によってVIAに充填したCuが溶けだしたためであることが判明した。また、シリコン基板の作製したVIAにおいても若干の導通不良の問題が発生していることが判明した。今後、プロセスの改良を進めていく必要がある。アンテナの研究に関しては、今年度、基板上に作製した移相器とアンテナとの融合技術の開発を進めた。1次元にアレイアンテナを配置した基板と先の移送器を作製した基板を高周波ハイブリッド技術によって融合したデバイスの作製を行った。両者のデバイスをアルミワイヤを用いて互いに接続したために高周波特性に若干の劣化が見られたが、アンテナビームの指向角度の変化を確認することができた。今後、実装方法の改善を行い挿入損失を低減するための研究を進めていく。VIAの中の銅がプロセスの中で溶けだしてVIAの導通不良が発生するという問題が起こった。VIAをもつ基板を新しく作成しなおすという選択肢があったが、基板作製を発注した外部企業でもこの問題解決がうまくいくかどうかの確信がないという報告を受けた。このため、プロセスのどこでVIA導通不良が発生したかの詳細な検討を行い、Crエッチング液に含まれる硝酸によってCuが溶けだすことを見つけ出した。次に問題解決のために、プロセス変更とその条件を詳細に検討した。MEMSスイッチは基板との間に2umのギャップを形成してVIAの近傍に作製されていることから、プロセス条件出しは困難で多大な時間と労力を要するものであった。現在、具体的な解決方法がみつかり、この方法を実施したデバイスを作製評価する計画である。IoT無線通信やRF電力送信の分野において注目されているフェイズドアレイアンテナ(PAA)は,RF信号の位相を変化させることにより指向性ビームを走査するものである.我々は,位相を制御する移相器に低損失MEMSスイッチを適用してPAAの高周波回路を簡略化することを目標とし,高抵抗Si,LTCC,有機のそれぞれの基板を用いたMEMS移相器の作製・評価を行った.しかし,移相器表面パターンと裏面グランドを導通するために設けたvia内部の銅ペーストが,MEMSスイッチ作製プロセスの間に溶け出してviaの抵抗が高くなり,移相器の高周波特性が劣化するという問題が発生し,この問題を解決することが必須となっていた.
下肢三次元力学モデルを用いた人工膝関節の深屈曲運動解析

本研究は,著者を含む研究グループが他機関・企業と共同開発中の正座可能な人工膝関節,Complete Flexion Knee(以下CFK)の性能評価を主目的として,複数の現用人工膝関節を比較対照としつつ大腿-膝蓋-脛骨の三要素を含んだ力学モデルによる運動・接触解析を行い,その結果を比較・検討したものである.正座可能な人工膝関節を開発するには,正座に至るまでの動作を解析し,その解析結果を人工膝関節の設計に反映させる必要がある.本研究では,下肢の運動を詳細に解析するために,初めて大腿-膝蓋関節および大腿-脛骨関節の2関節を含んだ力学モデルを開発し,これを用いた人工膝関節運動の数値シミュレーション解析を行ってきた.シミュレーションの利点は,パラメータを変化させることで様々な膝関節運動を再現でき,関節面接触状態および接触力を定量的に評価できることであり,FEM解析や摩耗試験における入力値として使用することができる点である.そこで,本研究では,力学モデルを用いた数値シミュレーションによるCFKの接触解析を行い,複数の現用人工膝関節とCFKの性能を比較検討することにした.現用人工膝関節との比較は,膝屈曲角度0°90°までの低高膝屈曲域において行った.その結果,CFKが現用人工膝関節の性能を満たすことを示した.また,深屈曲域における解析を行うため,スクワットからの立ち上がり(膝屈曲141°および126°)においてCFKの性能評価を行った,その結果,ポスト・カム間の接触圧や形状に検討すべき点を認めた.そこで,本研究ではこの結果からポスト・カム部の最適形状について提案を行った.以上,本研究は,人工膝関節の動作解析手法として,大腿-膝蓋-脛骨の三要素を備えた総合的モデルを初めて構築し,正座可能な人工膝関節の開発についてその性能評価や設計案を提案したものである.本研究は,著者を含む研究グループが他機関・企業と共同開発中の正座可能な人工膝関節,Complete Flexion Knee(以下CFK)の性能評価を主目的として,複数の現用人工膝関節を比較対照としつつ大腿-膝蓋-脛骨の三要素を含んだ力学モデルによる運動・接触解析を行い,その結果を比較・検討したものである.正座可能な人工膝関節を開発するには,正座に至るまでの動作を解析し,その解析結果を人工膝関節の設計に反映させる必要がある.本研究では,下肢の運動を詳細に解析するために,初めて大腿-膝蓋関節および大腿-脛骨関節の2関節を含んだ力学モデルを開発し,これを用いた人工膝関節運動の数値シミュレーション解析を行ってきた.シミュレーションの利点は,パラメータを変化させることで様々な膝関節運動を再現でき,関節面接触状態および接触力を定量的に評価できることであり,FEM解析や摩耗試験における入力値として使用することができる点である.そこで,本研究では,力学モデルを用いた数値シミュレーションによるCFKの接触解析を行い,複数の現用人工膝関節とCFKの性能を比較検討することにした.現用人工膝関節との比較は,膝屈曲角度0°90°までの低高膝屈曲域において行った.その結果,CFKが現用人工膝関節の性能を満たすことを示した.また,深屈曲域における解析を行うため,スクワットからの立ち上がり(膝屈曲141°および126°)においてCFKの性能評価を行った,その結果,ポスト・カム間の接触圧や形状に検討すべき点を認めた.そこで,本研究ではこの結果からポスト・カム部の最適形状について提案を行った.以上,本研究は,人工膝関節の動作解析手法として,大腿-膝蓋-脛骨の三要素を備えた総合的モデルを初めて構築し,正座可能な人工膝関節の開発についてその性能評価や設計案を提案したものである.
胎児副腎の構造的・機能的リモデリングにおける神経細胞接着因子NCAMの役割

本研究で、免疫組織化学検査でNCAM mRNA・蛋白が胎児副腎の外層(DZ)に限局していることが判明した。siRNA遺伝子導入によるNCAM mRNA発現抑制により,FZ特異的マーカのP450c17、LDLR、SPARC mRNA発現が増加したことから、DZ細胞に限局するNCAMは、胎児副腎の組織リモデリングにおいてFZ細胞への分化を抑制している可能性が示唆された。さらに、胎児副腎での成長因子であるFGF2の補受容体として知られ、成人脳・副腎に強く発現するヘパリン結合性硫酸へパランプロテオグリカンのSyndecan-3(SDC3)の胎児副腎リモデリングにおける役割を検討した。SDC3は、NCAMと同様に胎児副腎の外層DZに強く発現しており、さらに胎児副腎皮質細胞の細胞モデルであるNCI-H295A細胞株を用いて、SDC3-siRNA導入による発現抑制でのFGF2やヘパリン誘導の細胞増殖への影響を検討した。SDC3発現抑制によるFGF2やヘパリン細胞増殖の抑制、FZ特異的マーカmRNAの発現増強、DHEAS産生増加の結果から、SDC3は胎児副腎層形成過程での細胞増殖や分化抑制に関与することが判明した。[目的]ヒト胎児副腎は,妊娠の維持,胎児諸臓器の成熟,分娩の発来に関与する重要な臓器であるが,その発育や機能の制御機構については未だ不明な点が多い.本研究では,外層のDefinitive Zone(DZ),内層のFetal Zone(FZ)の2層構造を呈する胎児副腎の組織リモデリングにおける,神経細胞接着因子(NCAM)の分化制御への関与を解明する.[方法]1.免疫染色による胎児副腎でのNCAM蛋白の局在の検討.2. Laser-captured microdissecttion(LCM)により獲得したDZ, FZ細胞におけるNCAM mRNA発現をRT-PCRを用いて検討3.胎児副腎細胞モデルのNCI-295A細胞におけるNCAM mRNAの発現およびsiRNA遺伝子導入による発現抑制を定量的RT-PCRで検討.[結果]1. NCAM蛋白は胎児副腎の外層, DZに限局.2. LCMにより得たDZ細胞にNCAM mRNAが強く発現.3. siRNA遺伝子導入によるNCAM mRNA発現抑制効果は70-80%.[結論]DZ細胞に限局するNCAMは,胎児副腎の組織リモデリングにおいてFZ細胞への分化を抑制している可能性が示唆された.[目的]ヒト胎児副腎は,妊娠の維持,胎児諸臓器の成熟,分娩の発来に関与する重要な臓器であるが,その発育や機能の制御機構については未だ不明な点が多い.本年度では,神経細胞の発育に深く関与するNCAMの他に,成人脳や成人副腎に強く発現し,神経内分泌,主に細胞外マトリクスと細胞との相互作用に関わる硫酸ヘパランプロテオグリカンであるSyndecan-3(SDC3)の胎児副腎の発育における役割について検討した.[方法]1.免疫染色による胎児副腎でのSDC3蛋白の局在の検討.2.Laser-captured microdissecttion(LCM)により獲得したDZ, FZ細胞におけるSDC3mRNA発現をRT-PCRを用いて検討.3.胎児副腎細胞モデルのNCI-295A細胞におけるSDC3mRNAの発現および膜蛋白の局在.[結果]1.SDC3蛋白は胎児副腎の外層,DZに限局.2.LCMにより得たDZ細胞にSDC3mRNAが強く発現.4.SDC3発現抑制で,bFGFやヘパリンによる細胞増殖が抑制された.[結論]SDC3は,DZ細胞層に限局し,bFGF,ヘパリンによる細胞増殖に関与する可能性が示唆された.[目的]ヒト胎児副腎は,妊娠の維持,胎児諸臓器の成熟,分娩の発来に関与する重要な臓器であるが,その発育や機能の制御機構については未だ不明な点が多い.本年度では,Syndecan-3(SDC3)の胎児副腎層形成機構における役割,特に分化抑制への関与を胎児副腎in vitroモデルを用いて検討した.[方法]3.NCI-H295A細胞において,SDC3発現抑制によるステロイド産生(コルチゾール,DHEAS)への影響について検討.[結果]

2.SDC3発現抑制により,コルチゾール産生は変化を認めなかったが,DHEAS産生は有意に増加した.[結論]SDC3は,細胞増殖に関与するだけではなく,分化抑制に関与し胎児副腎発育における層形成機構の一因子として機能していることが示唆された.
離散値・数値混用データからの閉集合を利用した知識発見方式

離散値データと数値データが混用されたデータからの知識発見に対して,両者に共通の概念である“閉集合"に着目し,両者に一貫性を持つ理論と手法を開発することにある.半教師有学習を基盤として融合した知識発見アルゴリズムを構成し生命科学データに適用した.また,経済学における離散値・連続値組へも閉集合を適用した.離散データ間距離の研究,実数の2進符号化を利用した新たな偽距離の開発するともに,2進符号化の自然画像探索への応用,異常値データ検出手法を提案した.実数のグレイ符号化を用いた計算論的学習,代数的閉集合を対象とした計算論的学習などを行った.また,閉集合が束構造に対して,閉集合の高速更新手法を開発した.離散値データと数値データが混用されたデータからの知識発見に対して,両者に共通の概念である“閉集合"に着目し,両者に一貫性を持つ理論と手法を開発することにある.半教師有学習を基盤として融合した知識発見アルゴリズムを構成し生命科学データに適用した.また,経済学における離散値・連続値組へも閉集合を適用した.離散データ間距離の研究,実数の2進符号化を利用した新たな偽距離の開発するともに,2進符号化の自然画像探索への応用,異常値データ検出手法を提案した.実数のグレイ符号化を用いた計算論的学習,代数的閉集合を対象とした計算論的学習などを行った.また,閉集合が束構造に対して,閉集合の高速更新手法を開発した.本研究の目的は,離散値データと数値データが混用されたデータからの新たな知識発見に対して,両者を融合させる一貫性を持つ理論と手法を開発することにある.本研究では,両者に共通の概念である"閉集合"に着目し,さらに形式概念解析と自己相似集合を利用することによりに,離散値と数値の差を埋めて,両者を統一的に扱えるような知識発見理論と手法を構築することを目標とする.本年度は,昨年度までの基盤研究と挑戦的萌芽研究で展開してきた理論と手法を,本研究の枠組みで捉え直して,両者が融合可能な形に再定式化することを中心に研究を展開してきた.すなわち,下方集合を用いた離散値知識発見を代数的閉集合の知識発見として捉えなおし,位相的閉集合と自己相似集合を用いた数値知識発見を,自己相似閉集合の知識発見として捉えなおした上,両者を融合する理論構築を試みた.融合の基盤としては,半教師有学習を設定し,知識発見アルゴリズムの構成を試みた.また,代数的閉集合を用いた離散値知識発見,位相的閉集合を用いた数値知識発見の展開も行った.前者は,グラフなどの構造化データを対象とし,閉集合に制約を導入した場合の知識発見アルゴリズムの構成,クラスタリングに用いるためのデータ間距離の研究の展開,代数的閉集合の和集合を対象とした計算論的学習研究の展開,形式言語を利用した知識発見と計算論的学習理論の展開,形式言語を利用したRNAデータからの知識発見手法の開発を行った.数値知識発見については,実数の2進符号化を利用したクラスタリング用の新たな偽距離の開発,2進符号化の自然画像探索への応用,実数のグレイ符号化を用いた計算論的学習の展開などを行った.関連研究者との研究交流を促進するため,「第7回論理と学習に関する国際ワークショップ(LLLL 2011)」を3月に開催した.「第6回データマイニングと統計科学に関する国際ワークショップ」および「電子情報通信学会情報論的学習理論と機械学習研究会」と併催し,LLLLだけで40名の参加があった.本研究の目的は,離散値データと数値データが混用されたデータからの新たな知識発見に対して,閉集合と形式概念解析に着目し,2種類のデータに一貫性を持つ理論と手法を開発することにある.本年度の主な成果は以下の通りである.1.昨年度に,離散値・数値混在データからの半教師あり知識発見アルゴリズムを着想し試作した.本年度はそのアルゴリズムを洗練した上で,それを生命科学分野のデータに適用する研究を行った.このアルゴリズムは,離散値と数値を閉集合を用いて融合し,形式概念解析を利用して知識発見を行う.融合方法は対象データに応じて2種類考案している.2.閉集合と形式概念解析は,ある要素が集合に属するか否かをブール値で表現することを基礎にしている.上述の1の研究については,この性質を利用している.一方,離散値データと数値データの融合の視点からは,要素の個数を考慮し,ブール値を数値にする方法も考えられる.この考え方に基づいた閉集合を新たに考察した上で,知識発見アルゴリズムを設計した.3.分散されたサイトに蓄積されているデータから,プライバシーを保護しながら学習するアルゴリズムの設計と解析が注目されている.昨年度に閉集合を用いて,分散されたサイト間のデータ転送量の削減とプライバシー保護を両立される知識発見の着想を得ていたが,本年度はその知識発見アルゴリズムの分析を進展させた.4.離散値データの代表である木構造データを数値データと融合する場合,2つの木の間の距離を算出する必要がある.そこで,この距離を高速に算出アルゴリズムを設計し実装した.5.木構造データからの閉集合を用いた学習について,これまでの研究では,木特徴量を用いて数値空間に射影する手法と,木の生成モデルをそのまま用いる手法が提案されてきた.本研究では第三の方法として部分木を特徴とする空間への射影という方法を考案して,知識発見アルゴリズムを設計した.

本研究の目的は,離散値データと数値データが混用されたデータからの新たな知識発見に対して,閉集合に着目した一貫性を持つ理論と手法を開発するとともに,構造データからの知識発見手法の深化を図ることにある.本年度の主な成果をあげる.1.データからの閉集合の生成はすでに高速な手法が提案されているが,データが更新される場合には閉集合の高速な更新手法が必要である.そこで,既存データに新規データが追加された場合を対象にして,逆探索法を利用した高速な閉集合の更新手法を考案した.2.日本語文の名詞・動詞と機能語の組合せを属性とした上で,閉集合を利用した知識発見を利用することにより,シソーラス拡張を行うという方式を前年度まで開発してきた.その改良を行い,閉集合を利用が効果的であることを確認した.離散値データと数値データの実データとして,新聞記事と株価データとを組合せたデータから,閉集合を用いて株価変動におけるフェーズを同定することを試みた.データから構成される閉集合が束構造をなすことに着目し,束構造を分析することにより異常値データを検出する方法を開発した.3.文字列データを非可換半群の要素とみなしたとき,単項式をデータから獲得する手法がデータ圧縮とみなせることに着目し,複数の文字列データからデータ圧縮と知識獲得を同時に行う手法を提案した.4.知識発見の基本である木構造データ間の共通部分を抽出する手法は一般に計算量が大きいことが知られているが,近年高速化が進展している整数計画法に着目し,木構造間の共通部分抽出を整数計画法に変換して算出する手法を提案した.さらに,木構造データには様々な型が定義できることから,いくつかの型に着目して,知識獲得手法を考案した.その中には,植物の形状をモデル化するのに適した木構造の型であり,インフルエンザ・ウィルスの進化データを表現するために利用しやすい型がある.本研究の目的は,離散値データと数値データが混用されたデータからの新たな知識発見に対して,数値の離散化と閉集合に着目し,2種類のデータに一貫性を持つ理論と手法を開発することにある.本年度の主な成果は以下の通りである.1.昨年度に新たに設計した,木構造データの特徴として部分木を用いながら閉集合を利用して知識発見するアルゴリズムについて,そのアルゴリズムを洗練し,実データに対する計算機実験を行った上で学術雑誌に発表した.2.数値データからの知識発見手法として,実数の2進符号化を利用したクラスタリングを一昨年度に提案した.その応用として,書籍などのを文書を写した文書画像における文字列検索への応用を試みた.文書画像が白黒の2色からなると仮定したとき,クラスタである閉集合が文字や文字の一部となる連結成分を表すことになる,という観察に基づき,さらにクラスタから数列を導出した上で,その数列のマッチングだけを行うことで文字認識をせずに文字列検索を行う方式を考案し,実装と実データによる評価を行った.3.離散値データの一種である文字列データを非可換半群の要素とみなしたとき,文字と変数の列である単項式を知識発見に用いる方法を2種類考案した.1つは,単項式間に定まる自然な半順序を利用して正データの背後にあるべき生成過程を表現した上で,HMMやPCFGと同様にパラメータ推定を行う手法である.もう1つは,正データを生成する単項式と負データを生成する単項式を独立に生成する方式である.後者は大学入試センターの数学試験問題について,問題文のクラスタリングに応用した.
患者教育のできる看護婦(栄養士)養成のための教授法の開発ー糖尿病食事療法の指導

I研究の意図と目的糖尿病患者に対する食事療法の指導は広く行われているが、その指導法についての組織的な研究は不十分である。まして、学生に患者に対する指導技法を教授する研究はほとんど見当たらない。本研究は教育工学的授業研究の成果を取り入れて患者教育のできる看護婦(栄養士)養成をめざす教授法の開発を目的とする。II研究によって得られた新たな知見1.昭和62年度;ー患者教育に関する基礎的な研究ー糖尿病食事療法についての基礎的な資料を収集して分析した。目標分析法(task analysis)を適用して指導内容の組織化をはかった。また、VTRを用いた行動記録法を講義の中へ導入する事を試みた。2.昭和63年度;ー患者教育の指導技法の基本事項の解明ー(1)糖尿病食事療法の指導上の問題点を分析した。個々の患者の個人的事情(個性・病状・環境)に起因した意欲の欠如、理解の不足、実行の困難と言った問題点のある事が判明した。そして、個々の患者に最適な内容と方法を選定して指導する事の重要性も明らかになった。(2)役割演技法(role playing)を導入し指導技法の基礎を習得させた。患者役と看護婦(栄養士)役をそれぞれ学生にとらせて上演させ、VTRで録画・再生し、その役割の人物の心情の把握に役立たせた。3.平成元年度;ー研究成果の分析と組織化及びその普及ー研究を総括するとともに実践しその効果の実証を続けた。また、発表機関において発表し普及・発展をはかった。1.本研究の目的糖尿病患者に対する食事療法の指導は広く行われているが,その指導法についての組織的な研究は十分とはいえない.まして,学生に患者に対する指導技法を教授する研究はほどんど見当らない.本研究は教育工学的授業研究の成果を取り入れた患者教育のための教授法の開発をめざすものである.2.本年度の研究の要点-患者教育に関する基礎的な研究-(1)糖尿病食事療法の指導についての基礎的な資料の収集と分析.目標分析法(task analysis)を適用した指導内容の組織化.(2) VTRを用いた行動記録法による指導の実情の把握と講義への導入.3.本年度の研究によって得られた新たな知覚と成果(1)基礎的資料の収集・分析と目標分析法による指導内容の組織化基礎的資料の収集・分析は臨床経験の豊かな研究分担者(林・寺本)が実施した.これを学生の考えた指導内容と対比して検討した.その結果,学生も食事療法についての知識や状態を伝達するという面は一応とり上げている.しかし,患者自身の問題解決課程に根ざして指導目標を構造的に組織化するレベルには到達していないことが明らかになった.この問題点を改善しないと「わかっていても実行できない」という基本課題は解決できないであろう.(2)VTRを用いた指導行動の記録と講義へのVTRの導入当初臨床現場での患者指導の実情を収録する計画を立てたが,関係者との連絡・調整中であり解決次第取りかかる予定である.講義への導入については,範例的な日常生活行動を収録し学生に分析させた.行動記述が克明になり正確さも加わり向上著しいことが検証できた.I研究の意図と目的糖尿病患者に対する食事療法の指導は広く行われているが、その指導法についての組織的な研究は不十分である。1本年度の研究の要点ー患者教育の指導技法の基本事項の解明教育工学的授業研究法で開発された分析技法(task analysis)を用いて、患者教育における指導上の問題点を解明し指導方法の改善に当る。看護(栄養)科の学生の授業に役割演技法を適用した模擬授業を導入し、指導技法の基礎を習得させる。2本年度の研究によって得られた新たな知見と成果(1)糖尿病食事療法の指導上の問題店(収集と分析)指導上の問題点を臨床実習で患者指導の実地体験をした本学看護科2年生と栄養科3年生、計69名の指導と反省の記録を収集し分析した。

その結果、指導上の問題点は個々の患者の個人的事情(個性・病状・環境)に起因した意欲の欠除、理解の不足、実行の困難といったものがあげられ、これらは患者側に原因があると考えていることが判明した。(2)指導計画の設計と指導方法の改善についてsmall step programに設計することの必要性を理解させるために、日常生活行動を録画して視聴させ、行動分析の経験を与えた。また、動機づけの効果、個々の患者に最適な内容と方法の選定、学習過程での評価の重要性などの教授をおこなった。その結果、指導者側の指導方法の改着へ着目できるようになった。模擬授業を導入した。役割演技法(role playing)により指導技法の基礎の習得をはかった。患者役と看護婦(栄養士)役をそれぞれ学生にとらせて上演させ、ビデオカメラで収録し再生しながら、その役割の人物の心情を討議させたり、反省や感想をまとめさせたりした。その結果、学生自身の意識の変化が把握でき、創造的に指導方法の改善工夫ができるようになったことが確認できた。本年度の研究の要点患者教育の指導法についてこれまでの研究成果を分析し、望ましい教授法の組織化を行った。そして実際の授業に取り入れて教育効果の実証を続けるとともに、各種発表機関において発表し普及・発展をはかった。研究によって得られた新たな知見1.研究成果の評価;これまでに実施した授業を分析した。学生の患者教育への関心は高まり患者の立場にたった考え方ができる事が実証できた。また、指導目標の分析能力も改善され、指導技法(患者への接し方と分かりやすい教え方)も定着してきた。これらの検証にはVTRを用いて学生の活動を記録し、授業過程で学生自身に自己評価・相互評価させる新しい手法を取り入れた。2.教授法の組織化;研究によって明らかになった教授法を整理して組織化した。特にrole playing(役割演技法)を導入して、教授法の開発にあたった。これは教員養成では教育工学的授業研究にmicro teachingとして用いられてきたものであるが、患者教育へ適用して効果を実証できた事は画期的な事である。3.研究成果の普及・発展;日本健康心理学会、日本保険医療行動科学会において口頭及び文書発表を行った。また、「健康心理学ヘルス・サイコロジ-(誠信書房)」第3部患者教育の心理学と近接領域第14章患者教育の心理と方法と題して公刊し普及に努めた。
ストレスタンパク質から評価する「適切・適度な運動」の分子基盤の解明と教育への応用

本研究は、運動を生み出すための細胞内外の張力伝達構造である細胞骨格及び細胞外基ECMとその分子シャペロン・ストレスタンパク質を中心に、筋・関節、それらの培養細胞を用いて適切・適度な運動の基盤研究を行い、適切適度な運動の評価軸を明らかにした。1)細胞骨格の分子シャペロンαB-クリスタリン(αB)のC末領域:α-crytallin domainが、細胞骨格・チューブリンの熱変性抑制に働く。2)拍動する心筋細胞でGFP-αBは横紋を示し構造タンパク質の動的なケアをしている。3)αBのN末は、MAP-微小管の脱重合抑制効果を示す。4)不活動でコラーゲン特異的分子シャペロンHSP47が減少し、重力負荷で増加する。筋芽細胞でも同じ結果を示す。その応答はきわめて早く新たな重力応答領域が発見される可能性がある。5)2°Cの温度の上昇により培養筋細胞の分化促進及び筋の遅筋化の促進がある。6)マイルドなトレッドミル走でラットの膝関節のIII型コラーゲン、ヒアルロン酸合成酵素などECMタンパク質mRNAに変化が観察され細胞環境創成にも適切適度がある。7)座業がちな高齢者ではリン酸化αBはとくに沈殿分画で増加し、ユビキチン化タンパク質が増加、分解が減少している。8)個体レベルでのホメオスタシス維持機構HPA軸末端の副腎で、運動によるグルココルチコイド合成の活動期直前の上昇にはHSP70がシャペロンとして機能することから、細胞・身体の両面での適切適度な運動のマーカーとしてストレスタンパク質が有用である。運動は生命、細胞そのものへの働きかけであることから、とれを理解する教育へ応用するために、東京大学における1年必修授業に「身体運動と生命科学」を導入し、細胞で考えることの重要性、遺伝子との関係性などに関する教育プログラムを作製し導入した。受講者へのアンケート結果から運動の本質的な効果の理解に貢献したことが示された。身体は細胞からなる。個体及び細胞への機械的物理的刺激は、細胞を直接的に刺激すると考えられる。ヒトへの進化の過程で獲得してきた長時間持続可能な歩・走行は、「ヒトというシステムの活性化・適応獲得刺激」であるといえる。本年度は、適応機構、細胞内外のタンパク質のダイナミクスの評価分子としてストレスタンパク質(分子シャペロン)の発現を以下の2通りの実験で研究した。1)働きの異なる横紋筋7種類(骨格筋・心筋・舌筋・横隔膜等)におけるチューブリン、ミオシン重鎖のアイソフォーム及びαB-クリスタリンの発現の相関性を検討したところ、αB-クリスタリンの発現とチューブリンの発現には有意な相関があった。両者の発現は、ミオシン重鎖のType I>Type IId>Type IIa>Type IIbの順であった。Type IIdとの関係、他のストレスタンパク質との関係は次年度でみたい。2)運動負荷への応答を2つの方向で研究を進めた。

in vivoではこれまでラットを対象に行ってきた《不活動モデル》としての関節固定・後肢懸垂、《活動モデル》としてのLT近傍での走行運動時や遠心負荷などの影響を(0.52週間)後に、筋、アキレス腱、及び膝関節における低分子量ストレスタンパク質(sHSPs : HSP27及びαB-クリスタリン)、HSP47(コラーゲンのシャペロン)、及びHSP70の発現の変化について検討した結果、HSP47,sHSPsの発現は、負荷あるいは運動により発現が昂進し、負荷の解除あるいは不活動においては逆に減少することを確認した。HSC70には変化が見られなかった。筋芽細胞を用いて細胞での遠心負荷及びクリノスタットによる疑似微小重力刺激に対しHSP47 mRNAの発現は30分で有意に減少した。また培養筋管へのマイルド熱ショックは、筋管の幅を広くして接着を強化する刺激となることが明らかになった。本年度は、1)脳と筋の活動ループを循環させる「適切適度な自発運動」研究として、回転ケージで飼育したマウスでは、個体のストレス応答系・HPA軸の機能分子・グルココルチコイドの日内リズムが明確化することを確認しその分子機構を明らかにした。ACTHを介した適応ではなく、視床下部からの交感神経系を介した副腎髄質のTH合成制御を介したアドレナリン合成の亢進がおそらく髄質・皮質間連携を介して皮質のグルココルチコイド合成の鍵酵素StARの日内リズム調節の明確化を誘導している可能性が示唆された(Life Sciに公表)。また運動による副腎皮質のHSP70の上昇が同時にStARタンパク質の合成時のフォールディングに関与していることが示唆された。2)細胞骨格・細胞外マトリクスを介した運動の張力発揮様態依存的な活動制御については、細胞骨格の分子シャペロン・αB-crystallinのα-crystallin domainがチューブリンのシャペロン効果に必須であることを明らかにした(Cell Stress & Chaperone, in press)。またヒト(座業高齢者)の骨格筋では、筋ホモジェネイトの沈殿分解にリン酸化αB-crystallin及びHSP27が増加しており、加齢による筋のタンパク質の変性に対応するものの、ユビキチン化タンパク質の増大を伴っており、やはり運動によるタンパク質の代謝回転の維持が健康な骨格筋には必須であると考えられた。ラットの遠心負荷及び後肢懸垂モデル実験からコラーゲンの分子シャペロンHSP47の重要性を明らかにしたが、さらに筋芽細胞を用いた実験から、HSP47が重力応答遺伝子である可能性が示唆された(Genes to Cellに公表)。またこれらの身体運動による細胞・身体連携について、東京大学の教科書補遺及び「血管医学」への連載「身体運動の知恵」としてまとめた。
超音速流よう素レーザの排気圧力回復技術の開発

超音速流ヨウ素レーザ(S-COIL)は、原理的に高出力を得やすく、また発振する波長が光ファイバによる導光に適していることから、次世代の産業用高出力レーザとして期待されている。しかし、現状では排気圧力が非常に低いという問題があり、発振後のレーザ媒質の排出処理のために大がかりな装置が必要で、このことが実用化を進めるうえで大きな障害の一つとなっている。本研究では、エジェクター効果による圧力回復技術の開発を提案した。この方法では、大きく流速の異なる二つの超音速流を混合させることで排気圧力を上昇させる。このときの流れ場は、ほぼ等速で混合していた従来の条件とは大きく異なるはずで、大きな速度差によって二つの流れは混合しにくくなると予想される。したがって、まず、混合を促進するノズルを用いてその流れ場の特性を調べ、その後、レーザ発振効率と圧力回復の両面から最適化を図る必要かある。初年度は、流れ場の特性を把握することを目的に研究を進め、超音速混合における3次元流の数値計算を行った。その結果、混合ノズルに設けられた段差の形状が、設計の目的の通り、混合を促進させる渦を生じることが確認できた。また、その渦の効果をさらに促進させる形状の改良を図り、改良型のノズル形状を考案した。2年度はそれに続いて、ノズル性能の総合的な評価を行った。レーザ発振効率を評価するうえで必要となる化学反応の計算を、初年度に開発した3次元ナヒエ・ストークス方程式の数値計算コードに組み込み、レーザ発振の効率の指標となる小信号利得係数を算出することにより、レーザ発振効率の評価を行った。ノズル形状の最適化を図るため、考案した3種類のノズルのそれぞれに対して、形状を変形させて計算を行った。その結果、形状を変化させることによって小信号利得係数が大きく影響を受けることが確認され、最適なノズル形状を示すことができた。その際、当初の予想に反し、渦を強めても必ずしも効率は向上しなかった。ピトー圧により評価される排気圧力は、どの形状のノズルでも大きな差はなく、当初の狙い通りの圧力回復効果があった。これらの結果から、圧力回復に適したノズル形状および混合条件を示すことができた。このときの流れ場は、ほぼ等速で混合していた従来の条件とは大きく異なるはずである。したがって、このような流れ場の特性をまず調べ、その後、レーザ発振効率と圧力回復の両面から最適化を図る必要がある。初年度である本年度は、流れ場の特性を把握することを目的に研究を進めた。